JP4998821B2 - 渦流検査方法及び該渦流検査方法を実施するための渦流検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性を有する鋼管等の金属材料を渦流検査する方法及び該渦流検査方法を実施するための渦流検査装置に関する。特に、本発明は、金属材料に局部的に存在する高硬度部を確実に検出可能であると共に、高硬度部を除去するためにグラインダー研削等の手入れ処理を施した後に、該高硬度部が除去されているか否かを確実に確認することができる渦流検査方法及び該渦流検査方法を実施するための渦流検査装置に関する。

鋼管等の金属材料の製造過程では、熱処理時における浸炭、脱炭、脆化相の析出等の組織変化による金属材料の脆化や、搬送時における金属材料同士の衝突或いは金属材料と搬送設備との衝突や、冷間加工時における焼き付き等に起因した強加工などによって、金属材料の組織が局部的に変化し、変化しない部位と比べて場合によってはビッカース硬度で５０Ｈｖ以上高い局部的な高硬度部が発生することが知られている。金属材料にこのような局部的な高硬度部が発生すれば、該高硬度部での金属材料の脆化や耐食性の劣化による破損が懸念される。

このため、金属材料に存在する局部的な高硬度部を検出する必要があると共に、該高硬度部を除去するための手入れ処理（グラインダー研削等の処理）を施した後に、実際に高硬度部が除去されたか否かを確認する必要がある。

しかしながら、人手による目視や、金属材料に圧子を圧入して圧入の大きさや圧子の超音波共振周波数により硬度を測定する簡易硬度計を用いた高硬度部の検出や高硬度部除去の確認は、連続的な測定が困難であるために時間が掛かったり、判定にバラツキが生じるという問題がある。このため、局部的な高硬度部を非接触・非破壊的方法で検出すると共に、高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後、実際に高硬度部が除去されていることを非接触・非破壊的方法で確認できれば、高硬度部の検出や高硬度部除去の確認の効率や確実性を高めることが可能である。

金属材料の硬度や硬度の変化部を非接触で非破壊的に検出する技術として、例えば、特許文献１には、鋼板が磁化されることにより変化した磁界（透過磁気）が鋼板の硬度と相関があることを利用した技術が開示されている。特許文献２には、鋼材の磁気特性(保持力、残留磁化、飽和磁化、透磁率、ヒステリシス損)と機械的性質（硬さ、焼き入れ深さ、強度、結晶粒度）には相関があることを利用した技術が開示されている。特許文献３には、検査コイル及び比較コイルを含むブリッジ回路を用いて鋼管の材質（硬度、炭素含有量）や性状の変化を検出する技術が開示されている。特許文献４には、鋼の複数の磁気的パラメータを測定することによって鋼の硬度を概算する技術が開示されている。

また、特許文献５には、鋼板の一部表面が浸炭し、結晶組織が微細化した異常組織欠陥部を磁気飽和型の渦流センサを用いて検出する技術が開示されている。特許文献６には、渦流検査装置を用いたステンレス鋼材のシグマ相検査方法が開示されている。

さらに、特許文献７には、熱処理によって生じる鋼管や丸棒鋼の表面脱炭層を除去する旋削の削り残し部を渦電流を利用して検出する方法が開示されている。

上記のように、渦流検査方法等によって金属材料の磁気特性の変化を測定することにより、該金属材料の硬度等の機械的性質の変化部を非破壊的に検出できることや、手入れ処理後に異常部が除去されているか否かを渦流検査方法によって確認する方法は既に知られている。従って、これら公知技術を適用し、金属材料に存在する局部的な高硬度部を渦流検査方法で検出すると共に、高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後、実際に高硬度部が除去されていることを渦流検査方法で確認することが考えられる。

しかしながら、金属材料が磁性材料である場合には、渦流検査を行った際に、局部的な高硬度部での検出信号に対して、金属材料固有の磁性変動（磁性ムラ）に起因した検出信号や、金属材料と検出コイルとの距離（リフトオフ）変動に起因した検出信号がノイズとして重畳されるため、正確な高硬度部の検出が困難となる場合がある。さらには、高硬度部をグラインダー研削等で除去した部分は、金属材料表面が削られてリフトオフ変動によるノイズ信号がより大きくなる。このため、局部的な高硬度部をより確実に検出可能な渦流検査方法が求められている。
特開昭５８−１０２１４８号公報 特開昭５９−１０８９７０号公報 特開昭６０−１８５１５８号公報 特表平９−５０７５７０号公報 特開平８−１７８９０２号公報 特開昭６２−１４７３５６号公報 特開２００３−２３２７７７号公報

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、磁性を有する金属材料に局部的に存在する高硬度部を確実に検出可能であると共に、高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後に、該高硬度部が除去されているか否かを確実に確認することができる渦流検査方法及び該渦流検査方法を実施するための渦流検査装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、以下の（１）〜（４）の知見を得た。
（１）一対の検出コイルを具備し、被検査材である金属材料に対向配置された各検出コイルでの検出信号の差を出力するように構成されたプローブコイル（いわゆる自己比較方式のプローブコイル）を用いて渦流検査することにより、金属材料固有の磁性変動に起因した検出信号（磁性変動信号）の振幅と、金属材料とプローブコイル（特に検出コイル）とのリフトオフ変動に起因した検出信号（リフトオフ信号）の振幅とが抑制され（ノイズが抑制され）、局部的な高硬度部の検出能（Ｓ／Ｎ比）が向上する。
（２）しかしながら、自己比較方式のプローブコイルを用いれば、上記（１）のように局部的な高硬度部の検出能が良好となるため、その有無を検知することはできるものの、その位置（特に最大深さを有する位置）を精度良く特定することが困難である。具体的には、局部的な高硬度部での自己比較方式のプローブコイルの検出信号（各検出コイルでの検出信号の差）は、高硬度部のエッジ部近傍で正負にそれぞれピークを有する信号となるが、高硬度部の最大深さを有する部位に自己比較方式のプローブコイルを構成する各検出コイルの中心を対向配置した場合、自己比較方式のプローブコイルの検出信号はゼロ近傍の値となり、ノイズに埋もれ易いため、最大深さを有する位置を精度良く特定することが困難である。また、自己比較方式のプローブコイルの検出信号にはハイパスフィルタを適用する場合が多く、ハイパスフィルタのカットオフ周波数に応じた速度で自己比較方式のプローブコイルを金属材料に対して相対移動させて初めて検出信号に基づく高硬度部の検知が可能となる（静止した状態では自己比較方式のプローブコイルの検出信号に基づく高硬度部の検知はできない）ため、最大深さを有する位置を精度良く特定することが困難である。このように、高硬度部の最大深さを有する位置を精度良く特定できなければ、手入れ処理を施す際に不都合が生じる。なお、自己比較方式のプローブコイルを用いて高硬度部の最大深さ位置を特定するために一対の検出コイルの間隔を高硬度部の幅よりも離せば、原理上、上記プローブコイルの検出信号（各検出コイルコイルでの検出信号の差）のピーク位置より高硬度部の最大深さを有する位置が特定可能となるが、上記（１）に記載した金属材料固有の磁性変動に起因した検出信号やプローブコイルとのリフトオフ変動に起因した検出信号の振幅が拡大され、局部的な高硬度部の検出能（Ｓ／Ｎ比）が大幅に低下するため、高硬度部の検出が困難となる。
（３）これに対し、被検査材である金属材料に対向配置された単一の検出コイルを具備するプローブコイルか、或いは、一対の検出コイルを具備し、一方の検出コイルを被検査材である金属材料に対向配置し、他方の検出コイルを標準となるものに対向配置して各検出コイルでの検出信号の差を出力するように構成されたプローブコイル（いわゆる標準比較方式のプローブコイル）を用いて渦流検査すれば、局部的な高硬度部の最大深さを有する位置を精度良く特定することが可能である。具体的には、局部的な高硬度部での標準比較方式のプローブコイルの検出信号（単一の検出コイルでの検出信号、或いは、金属材料に対向配置した検出コイルでの検出信号と標準となるものに対向配置した検出コイルでの検出信号との差）は、ハイパスフィルタを適用しないためにプローブコイルを静止させた状態や極低速走査した状態でも用いることができる上、局部的な高硬度部の断面形状と略相似形の信号となり、高硬度部の最大深さを有する部位に標準比較方式のプローブコイルを構成する検出コイルを対向配置した場合にピークを有するため、最大深さを有する位置を精度良く特定することが可能である。ただし、標準比較方式のプローブコイルのみを用いて渦流検査したのでは、金属材料固有の磁性変動に起因した検出信号（磁性変動信号）の振幅と、金属材料とプローブコイル（特に検出コイル）とのリフトオフ変動に起因した検出信号（リフトオフ信号）の振幅とが抑制されない（ノイズが抑制されない）ため、局部的な高硬度部の検出能（Ｓ／Ｎ比）が悪い。
（４）従って、高硬度部の検出能に優れた自己比較方式のプローブコイルを用いて渦流検査することにより高硬度部を検知した後、該検知した部位近傍を高硬度部の位置特定に優れた標準比較方式のプローブコイルで再度渦流検査すれば、高硬度部を確実に検出可能（高硬度部の有無を精度良く検知するのみならず、その位置（最大深さを有する位置）も精度良く特定可能）である。また、自己比較方式のプローブコイルを構成する一対の検出コイルの内、いずれか一方の検出コイルを標準比較方式のプローブコイルを構成する検出コイル（単一の検出コイル、或いは、一対の検出コイルの内、金属材料に対向配置する検出コイル）としても用いれば、金属材料に対して相対移動させるプローブコイルを一つにすることができるため、装置コストが低減すると共に、取り扱いが容易であるという利点が得られる。

本発明は、上記発明者らの知見に基づき完成されたものである。すなわち、本発明は、磁性を有する金属材料に存在する局部的な高硬度部を検出する渦流検査方法であって、前記金属材料に対向配置した一対の検出コイルを具備するプローブコイルを前記金属材料に対して相対移動させながら、前記プローブコイルに交流電流を通電して前記金属材料に交流磁界を作用させると共に、前記交流磁界によって前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルで検出して得られる差動信号に基づいて、前記局部的な高硬度部の有無を検知し、前記交流磁界によって前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルの内のいずれか一方で検出して得られる絶対値信号に基づいて、前記検知した局部的な高硬度部の位置を特定することを特徴とする渦流検査方法を提供するものである。

なお、本発明における「プローブコイル」には、検出コイルが交流磁界を作用させる励磁コイルの機能を兼ねる自己誘導型コイル、及び、検出コイルと励磁コイルとが別体とされた相互誘導型コイルの双方が含まれる。また、本発明における「差動信号」とは、プローブコイルを構成する一対の検出コイルでの検出信号の差を意味する。また、本発明における「絶対値信号」とは、プローブコイルを構成する一対の検出コイルの内、いずれか一方の検出コイル単体での検出信号、或いは、該検出コイルでの検出信号と、プローブコイルを構成しない他の検出コイル（標準となるものに対向配置する検出コイル）での検出信号との差を意味する。

ここで、局部的な高硬度部の有無をより一層精度良く検知するため、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、以下の（５）〜（７）の知見を得た。
（５）プローブコイルに通電する交流電流の周波数（検査周波数）を調整することにより、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差を調整可能である。
（６）上記（５）の位相差を１３５°以上に調整すれば、局部的な高硬度部での差動信号の位相が、磁性変動信号の位相とリフトオフ変動信号の位相との間に確実に位置する（局部的な高硬度部での差動信号の位相と、磁性変動信号の位相と、リフトオフ信号の位相とを確実に識別可能である）。
（７）従って、金属材料に存在する局部的な高硬度部の有無を検知するための情報として、検査周波数調整後のプローブコイルから出力された差動信号の振幅のみならず位相も用いれば、高硬度部をより一層精度良く検知可能である。

上記発明者らの知見によれば、本発明に係る渦流検査方法において、前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルで検出して得られる差動信号の内、前記金属材料の磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となるように、前記プローブコイルに通電する交流電流の周波数を設定し、前記差動信号の振幅及び位相に基づいて、前記金属材料に存在する局部的な高硬度部の有無を検知することが好ましい。

なお、本発明における「磁性変動信号」とは、プローブコイルによって検出される差動信号の内、金属材料固有の磁性変動（磁性ムラ）に起因した差動信号を意味する。さらに、本発明における「リフトオフ信号」とは、プローブコイルによって検出される差動信号の内、金属材料と差動型コイル（特に検出コイル）との距離（リフトオフ）変動に起因した差動信号を意味する。

上記の検出対象となる局部的な高硬度部は、例えば、前記金属材料の他の部位（局部的な高硬度部が存在しない健全部位）よりもビッカース硬度で５０Ｈｖ以上高い部位とされる。

なお、手入れ処理によって高硬度部が除去されたか否かを確実に確認するには、金属材料に存在する局部的な高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後、前記渦流検査方法で前記金属材料を検査することにより前記高硬度部が除去されているか否かを確認することが好ましい。

また、前記渦流検査方法で検出した金属材料に存在する局部的な高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後、前記渦流検査方法で前記金属材料を再度検査することにより前記高硬度部が除去されているか否かを確認してもよい。

さらに、本発明は、磁性を有する金属材料に存在する局部的な高硬度部を検出する渦流検査装置であって、前記金属材料に対向配置され、前記金属材料に交流磁界を作用させて渦電流を誘起すると共に、前記金属材料に誘起された渦電流を検出する一対の検出コイルを具備するプローブコイルと、前記プローブコイルに交流電流を通電すると共に、前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルで検出して得られる差動信号に基づいて、前記局部的な高硬度部の有無を検知し、前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルの内のいずれか一方で検出して得られる絶対値信号に基づいて、前記検知した局部的な高硬度部の位置を特定する信号処理部とを備えることを特徴とする渦流検査装置としても提供される。

なお、本発明における「局部的な高硬度部の位置を特定する信号処理部」とは、信号処理部が局部的な高硬度部の位置を自動的に特定する構成の他、信号処理部自体は局部的な高硬度部の位置を特定するための情報を出力するに留まる構成（高硬度部の位置特定は、信号処理部から出力された情報に基づいて人間が行う）も含む意味である。

本発明によれば、磁性を有する金属材料に局部的に存在する高硬度部を確実に検出可能（高硬度部の有無を精度良く検知するのみならず、その位置（最大深さを有する位置）も精度良く特定可能）であると共に、高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後に、該高硬度部が除去されているか否かを確実に確認することができる。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について、被検査材である金属材料が磁性を有する鋼管（二相ステンレス鋼）である場合を例に挙げて説明する。

＜渦流検査装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る渦流検査装置の概略構成を示す模式図である。また、図２は、図１に示すプローブコイルから出力される信号を模式的に説明する図であり、図２（ａ）は差動信号を、図２（ｂ）は絶対値信号を示す。図１に示すように、本実施形態に係る渦流検査装置１００は、プローブコイル１と、信号処理部２とを備えている。

プローブコイル１は、鋼管Ｐの外面に対向配置され、鋼管Ｐに交流磁界を作用させて渦電流を誘起すると共に、鋼管Ｐに誘起された渦電流を検出するように構成されている。具体的に説明すれば、本実施形態に係るプローブコイル１は、鋼管Ｐに交流磁界を作用させる励磁コイル（図示せず）と渦電流を検出するための検出コイルとが別体とされた相互誘導型コイルであると共に、一対の検出コイル１１ａ、１１ｂを具備し、各検出コイル１１ａ、１１ｂでの検出信号の差（差動信号）を出力するように構成された、いわゆる自己比較方式のコイルとして機能する。また、プローブコイル１は、上記の差動信号を出力すると同時に、一対の検出コイル１１ａ、１１ｂの内のいずれか一方（本実施形態では検出コイル１１ｂ）での検出信号と、標準となるものに対向配置された他の検出コイル１１ｃでの検出信号との差（絶対値信号）を出力するように構成された、いわゆる標準比較方式のプローブコイルとしても機能する。

励磁コイルは、鋼管Ｐの外面に垂直な方向に交流磁界を作用させる一方、検出コイル１１ａ、１１ｂは、渦電流によって生じる鋼管Ｐの外面に垂直な方向の交流磁界の変化を検出する。各検出コイル１１ａ、１１ｂは鋼管Ｐの周方向に離間して配置されており、プローブコイル１を鋼管Ｐの周方向に相対移動させれば、プローブコイル１からは各検出コイル１１ａ、１１ｂに対向する鋼管Ｐの部位についての検出信号の差が差動信号として出力される。この磁性変動信号やリフトオフ信号の振幅が抑制された差動信号に基づいて検査することにより、局部的な高硬度部の検出能（Ｓ／Ｎ比）が高まり、精度良く高硬度部の有無を検知することが可能である。しかしながら、差動信号に基づいて検査したのでは、上記のように精度良く高硬度部の有無を検知することは可能であるものの、その位置（特に最大深さを有する位置）を精度良く特定することが困難である。すなわち、図２（ａ）に示すように、差動信号は、高硬度部ＰＨのエッジ部近傍で正負にそれぞれピークを有する信号となるが、高硬度部ＰＨの最大深さを有する部位にプローブコイル１を構成する各検出コイル１１ａ、１１ｂの中心を対向配置（図２（ａ）に示すＢの状態）した場合、差動信号はゼロ近傍の値となり、ノイズに埋もれ易いため、最大深さを有する位置を精度良く特定することが困難である。また、差動信号には後述のようにハイパスフィルタ２５Ａを適用するため、ハイパスフィルタ２５Ａのカットオフ周波数に応じた速度でプローブコイル１を鋼管Ｐに対して相対移動させて初めて差動信号に基づく高硬度部ＰＨの検知が可能となる（静止した状態では差動信号に基づく高硬度部ＰＨの検知はできない）ため、最大深さを有する位置を精度良く特定することが困難である。このように、高硬度部ＰＨの最大深さを有する位置を精度良く特定できなければ、手入れ処理を施す際に不都合が生じる。

このため、前述のように、本実施形態に係るプローブコイル１からは検出コイル１１ｂに対向する鋼管Ｐの部位についての検出信号と標準となるものに対向配置された他の検出コイル１１ｃでの検出信号との差が絶対値信号として出力されるように構成されている。この絶対値信号は、ハイパスフィルタを適用しないためにプローブコイル１を静止させた状態や極低速走査した状態でも用いることができる上、図２（ｂ）に示すように、局部的な高硬度部ＰＨの断面形状と略相似形の信号となり、高硬度部ＰＨの最大深さを有する部位にプローブコイル１を構成する検出コイル１１ｂを対向配置（図２（ｂ）に示すＥの状態）した場合にピークを有するため、最大深さを有する位置を精度良く特定することが可能である。従って、プローブコイル１を鋼管Ｐに対して相対移動させ、差動信号を用いて高硬度部を検知した後、該検知した部位近傍でプローブコイル１を再度相対移動させ、絶対値信号を用いて高硬度部の位置を特定すれば、高硬度部の有無を精度良く検知するのみならず、その位置（最大深さを有する位置）も精度良く特定可能である。

信号処理部２は、プローブコイル１に交流電流を通電すると共に、プローブコイル１から出力された差動信号に基づいて、鋼管Ｐに存在する局部的な高硬度部の有無を検知し、プローブコイル１から出力された絶対値信号に基づいて、前記検知した局部的な高硬度部の位置を特定するように構成されている。具体的には、本実施形態に係る信号処理部２は、発信器２１と、差動信号を処理するための増幅器２２Ａ、同期検波器２３Ａ、位相回転器２４Ａ、ハイパスフィルタ２５Ａ、Ａ／Ｄ変換器２６Ａ及び判定部２７Ａとを備える。また、本実施形態に係る信号処理部２は、絶対値信号を処理するための増幅器２２Ｂ、同期検波器２３Ｂ、位相回転器２４Ｂ、Ａ／Ｄ変換器２６Ｂ及び判定部２７Ｂを備える。

発信器２１は、プローブコイル１（具体的には、プローブコイル１の励磁コイル）に所定周波数の交流電流を供給する。これにより、前述のように、プローブコイル１から鋼管Ｐの外面に向かう交流磁界が生じ、鋼管Ｐに渦電流が誘起される。なお、プローブコイル１に通電する交流電流の周波数（検査周波数）の設定方法については後述する。

プローブコイル１から出力された差動信号は、増幅器２２Ａによって増幅された後、同期検波器２３Ａに出力される。なお、増幅器２２Ａは、一定の増幅率で差動信号を増幅する構成の他、ＡＧＣ（Auto Gain Control）機能を具備する構成とすることも可能である。

同期検波器２３Ａは、発振器２１から出力される参照信号に基づき、増幅器２２Ａの出力信号を同期検波する。具体的に説明すれば、発振器２１から同期検波器２３Ａに向けて、プローブコイル１に供給する交流電流と同一の周波数で同一の位相を有する第１参照信号と、該第１参照信号の位相を９０°だけ移相した第２参照信号とが出力される。そして、同期検波器２３Ａは、増幅器２２Ａの出力信号から、第１参照信号の位相と同位相の信号成分（第１信号成分）及び第２参照信号の位相と同位相の信号成分（第２信号成分）を分離・抽出する。分離・抽出された第１信号成分及び第２信号成分は、それぞれ位相回転器２４Ａに出力される。

位相回転器２４Ａは、同期検波器２３Ａから出力された第１信号成分及び第２信号成分の位相を互いに同一の所定量だけ回転（移相）し、例えば、第１信号成分をＸ信号、第２信号成分をＹ信号として、ハイパスフィルタ２５Ａに出力する。なお、位相回転器２４Ａから出力されるＸ信号及びＹ信号は、互いに直交する２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）で表されるＸ−Ｙベクトル平面においていわゆるリサージュ波形と称される信号波形（すなわち、振幅をＺ、位相をθとして極座標（Ｚ、θ）で表したプローブコイル１の差動信号波形（正確には、増幅器２２Ａによって増幅した後の差動信号波形））を、Ｘ軸及びＹ軸にそれぞれ投影した成分に相当することになる。位相回転器２４Ａによる位相回転は、例えば、磁性変動信号がＸ−Ｙベクトル平面のＸ軸上に位置するように調整する目的でなされる。

ハイパスフィルタ２５Ａは、位相回転器２４Ａから出力されたＸ信号及びＹ信号から所定の低周波成分を除去し、Ａ／Ｄ変換器２６Ａに出力する。

Ａ／Ｄ変換器２６Ａは、ハイパスフィルタ２５Ａの出力信号をＡ／Ｄ変換し、判定部２７Ａに出力する。

判定部２７Ａは、例えば、後述の演算処理を行うためのプログラムがインストールされた汎用のパーソナルコンピュータ等から構成される。判定部２７Ａは、Ａ／Ｄ変換器２６Ａの出力データ（すなわち、ハイパスフィルタ２５Ａによって低周波成分が除去されたＸ信号及びＹ信号をＡ／Ｄ変換したデジタルデータ。以下、Ｘ信号データ及びＹ信号データという）に基づいて、鋼管Ｐに存在する局部的な高硬度部の有無を検知する。具体的に説明すれば、判定部２７Ａは、先ず最初に、入力されたＸ信号データ及びＹ信号データに基づき、プローブコイル１の差動信号（正確には、増幅器２２Ａによって増幅し、ハイパスフィルタ２５Ａによって低周波成分を除去した後の差動信号）の振幅Ｚ及び位相θを演算する。Ｘ信号データの値をＸ、Ｙ信号データの値をＹとすると、振幅Ｚ及び位相θは、それぞれ下記の式（１）及び（２）によって演算される。
Ｚ＝（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２ ・・・ （１）
θ＝ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ） ・・・ （２）

次に、判定部２７Ａは、前記演算した振幅Ｚが予め定めたしきい値よりも大きいか否かを判定する。振幅Ｚが予め定めたしきい値以下である場合、判定部２７Ａは、この振幅Ｚを有する差動信号は局部的な高硬度部での差動信号ではないと判定する。一方、振幅Ｚが予め定めたしきい値よりも大きい場合には、判定部２７Ａは、前記演算した位相θが予め定めた範囲内にあるか否かを判定する。位相θが予め定めた範囲内にある場合、判定部２７Ａは、この振幅Ｚ及び位相θを有する差動信号は鋼管Ｐに存在する局部的な高硬度部での差動信号（以下、適宜、「高硬度部信号」という）であると判定して、局部的な高硬度部を検知したことを知らせる所定のアラームを出力する。

一方、プローブコイル１から出力された絶対値信号は、増幅器２２Ｂによって増幅された後、同期検波器２３Ｂで同期検波され、位相回転器２４Ｂで移相される。その後、Ａ／Ｄ変換器２６ＢでＡ／Ｄ変換された後、判定部２７Ｂに出力される。なお、絶対値信号の処理に用いられる増幅器２２Ｂ、同期検波器２３Ｂ、位相回転器２４Ｂ及びＡ／Ｄ変換器２６Ｂの構成及び機能は、差動信号の処理に用いられる増幅器２２Ａ、同期検波器２３Ａ、位相回転器２４Ａ及びＡ／Ｄ変換器２６Ａの構成及び機能と同様であるため、ここでは説明を省略する。

判定部２７Ｂでは、Ａ／Ｄ変換器２６Ｂから出力された絶対値信号についてのＸ信号データ及びＹ信号データ（位相回転器２４Ｂから出力された絶対値信号の信号成分であるＸ信号及びＹ信号をＡ／Ｄ変換したデジタルデータ）に基づき、上記の式（１）によってプローブコイル１の絶対値信号（正確には、増幅器２２Ｂによって増幅した後の絶対値信号）の振幅Ｚを演算する。そして、プローブコイル１を相対移動させている最中に最大の振幅Ｚが得られた場合には、この振幅Ｚを有する絶対値信号は鋼管Ｐに存在する局部的な高硬度部の最大深さを有する位置での絶対値信号であると判定し、必要に応じて、局部的な高硬度部の位置を特定したことを知らせる所定のアラームを出力する。なお、演算した振幅Ｚが最大であることの判定及び最大の振幅Ｚが得られたときのプローブコイル１の位置の特定（すなわち、高硬度部の最大深さを有する位置の特定）は、例えば、判定部２７Ｂが、プローブコイル１を相対移動させている最中に、所定の基準位置からのプローブコイル１の変位と各変位で演算した振幅Ｚとを紐付けて逐次記憶するように構成し、該記憶した振幅Ｚの中から最大の振幅Ｚを検出すると共に、該最大の振幅Ｚが得られたときのプローブコイル１の変位を検出するように構成することで実現可能である。ただし、本発明は、上記のような判定部２７Ｂによる自動的な高硬度部の位置特定に限るものではなく、例えば、判定部２７Ｂが、プローブコイル１を相対移動することに伴う振幅Ｚの変動をモニタ表示するように構成し、オペレータが手動でプローブコイル１を相対移動させながら前記モニタ表示を目視することにより、振幅Ｚが最大となったことを判定すると共に、最大の振幅Ｚが得られたときのプローブコイル１の位置を特定することも可能である。或いは、判定部２７Ｂが、判定部２７Ａと同様に、絶対値信号の位相θも演算して、振幅Ｚ及び位相θによって算出されるリサージュ波形をモニタ表示するように構成し、オペレータが手動でプローブコイル１を相対移動させながら前記モニタ表示を目視することにより、振幅Ｚが最大となったことを判定すると共に、最大の振幅Ｚが得られたときのプローブコイル１の位置を特定してもよい。すなわち、判定部２７Ｂ自体は局部的な高硬度部の位置を特定するための情報（振幅、リサージュ波形等）を出力するに留まり、高硬度部の位置特定は、判定部２７Ｂから出力された情報に基づいてオペレータが行う構成を採用することも可能である。また、信号処理部２に判定部２７Ｂを設けることなく、位相回転器２４Ｂから出力されるＸ信号及びＹ信号をオシロスコープ等に入力することにより表示される絶対値信号のリサージュ波形を目視することによって、オペレータが振幅Ｚが最大となったことを判定すると共に、最大の振幅Ｚが得られたときのプローブコイル１の位置を特定することも可能である。

図３は、図１に示すプローブコイルから出力される差動信号及び絶対値信号のリサージュ波形の一例を示す図である。図３（ａ）は差動信号のリサージュ波形（正確には、ハイパスフィルタ２５Ａから出力される低周波成分が除去されたＸ信号及びＹ信号をオシロスコープ等に入力することにより表示される差動信号のリサージュ波形）を、図３（ｂ）は絶対値信号のリサージュ波形（正確には、位相回転器２４Ｂから出力されるＸ信号及びＹ信号をオシロスコープ等に入力することにより表示される絶対値信号のリサージュ波形）を示す。図３（ａ）に示すように、差動信号の振幅Ｚが予め定めたしきい値よりも大きく、且つ、位相θが予め定めた範囲内にある場合、判定部２７Ａは、この振幅Ｚ及び位相θを有する差動信号は高硬度部信号であると判定して、局部的な高硬度部を検知したことを知らせる所定のアラームを出力する。そして、検知した部位近傍でプローブコイル１を再度相対移動させ、図３（ｂ）に示すように、絶対値信号の振幅Ｚが最大となるプローブコイル１の位置を特定（自動又は目視での特定）すれば、高硬度部の有無を精度良く検知するのみならず、その位置（最大深さを有する位置）も精度良く特定可能である。

＜検査周波数の設定方法＞
以上に説明した構成を有する渦流検査装置１００において、信号処理部２（発振器２１）からプローブコイル１に通電する交流電流の周波数（検査周波数）は、プローブコイル１によって検出した差動信号の内、鋼管Ｐの磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となるように設定される。具体的には、検査周波数を適宜変更して、鋼管Ｐの健全部位（局部的な高硬度部が存在しない部位）を検査し、判定部２７Ａによって演算される鋼管Ｐの磁性変動信号の位相（検出した磁性変動信号のうち最大の振幅を有する磁性変動信号の位相）と、リフトオフ信号の位相（検出したリフトオフ信号のうち最大の振幅を有するリフトオフ信号の位相）との差が１３５°以上となる検査周波数を設定値として選択すればよい。

以下、鋼管Ｐの磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となるように検査周波数を設定する理由について具体的に説明する。
本発明の発明者らによる検査試験の結果、高硬度部信号の位相は、磁性変動信号の位相とリフトオフ信号の位相との間に位置する傾向のあることが分かった。しかしながら、高硬度部信号の位相が高硬度部の組織状態等によって変動する上、磁性変動信号やリフトオフ信号の位相も変動するため、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が小さいと、高硬度部信号に磁性変動信号及びリフトオフ信号がノイズとして重畳される場合（高硬度部信号の位相と、磁性変動信号又はリフトオフ信号の位相とが同程度となる場合）があることも分かった。このため、振幅のみならず位相も情報として用いて、高硬度部信号を確実に検出するには、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差をできるだけ大きくする必要があることに想到した。

図４は、検査周波数を変更した場合において、プローブコイル１によって検出される鋼管Ｐの磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差の変化を示すグラフである。本発明の発明者らによる検査試験の結果、図４に示すように、検査周波数を高めれば高めるほど、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が大きくなることが分かった。そして、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となるように検査周波数を設定（本実施形態では、検査周波数を６４ｋＨｚに設定）すれば、高硬度部信号の位相が、磁性変動信号の位相とリフトオフ変動信号の位相との間に確実に位置すること（高硬度部信号の位相と、磁性変動信号の位相と、リフトオフ信号の位相とを確実に識別可能であること）が分かった。

図５は、プローブコイル１によって検出される各差動信号（高硬度部信号、磁性変動信号、リフトオフ信号）の位相関係を模式的に示す図であり、具体的には、検査周波数を６４ｋＨｚとした場合に、位相回転器２４Ａから出力されるＸ信号及びＹ信号に基づいて算出される各差動信号に対応するリサージュ波形の延びる方向を模式的に示す図である。図５に示すように、検査周波数を６４ｋＨｚとし、Ｘ軸上（位相１８０°の位置）に鋼管Ｐの磁性変動信号が位置するように位相回転器２４Ａの回転量（移相量）を調整すれば、リフトオフ信号の位相は４５°よりも小さくなり（すなわち、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となり）、高硬度部信号の位相は、磁性変動信号の位相とリフトオフ信号の位相との間（具体的には、位相７０°から１３５°の間）で検出されることが分かった。このように、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となるように検査周波数を設定すれば、高硬度部信号の位相と磁性変動信号又はリフトオフ信号の位相とが同程度となることなく、位相の差異によって高硬度部信号を正確に検出することが可能である。

以上に説明した理由により、前述のように、信号処理部２では、鋼管Ｐの磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となるように検査周波数を設定している。ただし、検査周波数を変更することによって渦電流の浸透深さが変化する（検査周波数を高くすれば、渦電流の浸透深さは小さくなる）ため、検査周波数を高くすればするほど良いということではなく、検出対象とする高硬度部の鋼管Ｐ表面からの深さも考慮して検査周波数を設定することが好ましい。また、検査周波数を過度に高周波に設定すると、渦電流の浸透深さが小さくなりすぎ、鋼管Ｐ表面の凹凸に過敏になってノイズ信号が大きくなったり、高硬度部の深さ情報が失われる等の不具合が生じるため、これらの点も考慮して検査周波数を設定することが好ましい。

図６は、検査周波数を１６ｋＨｚ、３２ｋＨｚ、６４ｋＨｚと変更した場合に得られる、局部的な高硬度部の硬度（ビッカース硬度）と、判定部２７Ａによって演算された高硬度部信号の振幅との関係の一例を示すグラフである。なお、図６の横軸の硬度は、鋼管Ｐの表面から深さ０．１ｍｍでの硬度を意味する。また、図６に示すノイズレベルは、磁性変動信号又はリフトオフ信号の最大の振幅を意味する。図６に示すように、検査周波数を６４ｋＨｚに設定することにより、検査周波数を１６ｋＨｚに設定した場合に比べて渦電流が鋼管Ｐの表面近傍に集中するため、高硬度部信号の振幅が大きくなり、健全部位の硬度（約３５０Ｈｖ）よりも５０Ｈｖ以上高い（従って、硬度が約４００Ｈｖ以上の）高硬度部であれば、ノイズレベルよりも大きな高硬度部信号の振幅（すなわち、高硬度部のＳ／Ｎ比＞１）を得ることができる。本実施形態では、前述のように、検査周波数を６４ｋＨｚに設定しているため、ノイズレベルよりも大きな高硬度部信号の振幅を得ることができると共に、磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差を１３５°以上にする（高硬度部信号の位相と、磁性変動信号の位相と、リフトオフ信号の位相とを確実に識別可能）ことができる。従って、前述のように、判定部２７Ａが、演算した振幅Ｚが予め定めたしきい値（例えばノイズレベル）よりも大きいか否かを判定し、振幅Ｚが予め定めたしきい値よりも大きい場合には、演算した位相θが予め定めた範囲内（例えば、位相７０°から１３５°の間）にあるか否かを判定することにより、金属材料に局部的に存在する高硬度部を確実に検出可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る渦流検査装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すプローブコイルから出力される信号を模式的に説明する図であり、図２（ａ）は差動信号を、図２（ｂ）は絶対値信号を示す。 図３は、図１に示すプローブコイルから出力される差動信号及び絶対値信号のリサージュ波形の一例を示す図であり、図３（ａ）は差動信号のリサージュ波形を、図３（ｂ）は絶対値信号のリサージュ波形を示す。 図４は、検査周波数を変更した場合において、図１に示すプローブコイルによって検出される鋼管の磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差の変化を示すグラフである。 図５は、図１に示すプローブコイルによって検出される各差動信号（高硬度部信号、磁性変動信号、リフトオフ信号）の位相関係を模式的に示す図である。 図６は、検査周波数を変更した場合に得られる、局部的な高硬度部の硬度（ビッカース硬度）と、図１に示す判定部によって演算された高硬度部信号の振幅との関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１・・・プローブコイル
２・・・信号処理部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・検出コイル
２１・・・発信器
２２Ａ、２２Ｂ・・・増幅器
２３Ａ、２３Ｂ・・・同期検波器
２４Ａ、２４Ｂ・・・位相回転器
２５Ａ・・・ハイパスフィルタ
２６Ａ、２６Ｂ・・・Ａ／Ｄ変換器
２７Ａ、２７Ｂ・・・判定部
１００・・・渦流検査装置
Ｐ・・・鋼管

Claims (6)

1. 磁性を有する金属材料に存在する局部的な高硬度部を検出する渦流検査方法であって、
   前記金属材料に対向配置した一対の検出コイルを具備するプローブコイルを前記金属材料に対して相対移動させながら、前記プローブコイルに交流電流を通電して前記金属材料に交流磁界を作用させると共に、
   前記交流磁界によって前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルで検出して得られる差動信号に基づいて、前記局部的な高硬度部の有無を検知し、
   前記交流磁界によって前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルの内のいずれか一方で検出して得られる絶対値信号に基づいて、前記検知した局部的な高硬度部の位置を特定することを特徴とする渦流検査方法。
2. 前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルで検出して得られる差動信号の内、前記金属材料の磁性変動信号とリフトオフ信号との位相差が１３５°以上となるように、前記プローブコイルに通電する交流電流の周波数を設定し、前記差動信号の振幅及び位相に基づいて、前記金属材料に存在する局部的な高硬度部の有無を検知することを特徴とする請求項１に記載の渦流検査方法。
3. 前記局部的な高硬度部は、前記金属材料の他の部位よりもビッカース硬度で５０Ｈｖ以上高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の渦流検査方法。
4. 金属材料に存在する局部的な高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後、請求項１から３のいずれかに記載の渦流検査方法で前記金属材料を検査することにより前記高硬度部が除去されているか否かを確認することを特徴とする渦流検査方法。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の渦流検査方法で検出した金属材料に存在する局部的な高硬度部を除去するための手入れ処理を施した後、請求項１から３のいずれかに記載の渦流検査方法で前記金属材料を再度検査することにより前記高硬度部が除去されているか否かを確認することを特徴とする渦流検査方法。
6. 磁性を有する金属材料に存在する局部的な高硬度部を検出する渦流検査装置であって、
   前記金属材料に対向配置され、前記金属材料に交流磁界を作用させて渦電流を誘起すると共に、前記金属材料に誘起された渦電流を検出する一対の検出コイルを具備するプローブコイルと、
   前記プローブコイルに交流電流を通電すると共に、前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルで検出して得られる差動信号に基づいて、前記局部的な高硬度部の有無を検知し、前記金属材料に誘起された渦電流を前記一対の検出コイルの内のいずれか一方で検出して得られる絶対値信号に基づいて、前記検知した局部的な高硬度部の位置を特定する信号処理部とを備えることを特徴とする渦流検査装置。