JP5157610B2 - 薄肉鋼管の肉厚測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波発生用レーザーを用いた熱間鋼管用肉厚計で、薄肉鋼管の肉厚を安定して（測定成功率を高くして）測定できる薄肉鋼管の肉厚測定方法に関する。

鋼管の肉厚測定を非接触でしかもオンライン状態で行なう方法として、超音波発生用レーザーを用いた熱間鋼管用肉厚計を用いることが公知である(たとえば特許文献１)。
図４に熱間鋼管用肉厚計による肉厚測定法を示した。
超音波発生用レーザー１から鋼管Ｗの外表面Ｓ１に向けてレーザーが照射されると、鋼管Ｗの外表面Ｓ１に超音波が生じる。

この超音波は、鋼中を肉厚方向に伝播し、鋼管Ｗの内表面Ｓ２で反射して超音波発生位置から離れた外表面Ｓ１に帰ってくる。さらに、外表面Ｓ１での反射、内表面Ｓ２での反射を繰り返し、外表面Ｓ１と内表面Ｓ２との間を繰り返し往復する。そして、超音波発生用レーザーを照射した箇所と異なる外表面Ｓ１に帰ってきたエコーにより、外表面Ｓ１が隆起するのを、別の検出用レーザー２ｂを照射して光学干渉計２ａで検出する。超音波が外表面Ｓ１に帰ってくる度にエコーが発生するので、この光学干渉計２ａで検出したエコーの時間間隔に基づき、すなわち、ｎ番目に検出したエコー（以下、第ｎエコーという）と（ｎ-１）番目に検出したエコー（以下、第（ｎ-１）エコーという）との検出時刻に基づき、鋼管ｗの肉厚が下記式（１）を用いて計算される。

肉厚＝（1/2）×ｖ×Δｔ×ａ・・・・・（１）
ただし、ｖ：鋼中超音波伝播速度、Δｔ：エコーの時間間隔＝ｔ_ｎ−ｔ_ｎ-１（ｔ_ｎ：第ｎエコーの検出時刻、ｔ_ｎ-１：第（ｎ−1）エコーの検出時刻）、ａ：超音波伝播経路の幾何学補正値。
式（１）中、鋼中超音波伝播速度ｖは、鋼種、温度に依存しているので、好ましくは関数式を予め作成しておき、それらに応じて決定できる。超音波伝播経路の幾何学補正値ａは、超音波発生用レーザー１と検出用レーザー２ｂ間の距離および公称肉厚で決定でき、通常１よりも小さい。

ところで、光学干渉計２ａは、外表面Ｓ１が微小に隆起するときに発生する位相ずれを検出し、図７、図８に示すように、電気信号に変換してエコー波形として出力する装置である。また、従来方式の肉厚測定法では、以下で説明するエコーフィツティング処理手段２ｃと、肉厚を算出する演算処理手段３を用いる。
エコーフィツティング処理手段２ｃは、光学干渉計２ａから送られたエコー波形を含む電気信号に対し、エコーフィツティング処理を行い、第ｎエコーと第（ｎ−1）エコー間の時間差Δｔ（エコーの時間間隔Δｔ）を決定する処理手段である。

エコーフィツティング処理を具体的に説明すれば、図５に示したように、基準波形を時間軸方向にシフトさせながら、検出波形と最も相関が高い時間軸位置を検索し、たとえば第（ｎ−1）エコーの検出時刻ｔ_ｎ-１を決定する。同様にして第ｎエコーの検出時刻ｔ_ｎを決定する。このように、エコーの時間間隔Δｔが決定できれば、演算処理手段３によって前記（１）式に基づき肉厚が計算できる。
特開2007-121131号公報

しかしながら、従来方式で薄肉鋼管の肉厚を測定しようとすると、以下のような問題がある。
すなわち、肉厚が厚い場合（図７参照方）に比べ、肉厚が薄いほど、図８に示したように、エコーの時間間隔Δｔが小さくなり、隣接するエコーが近づき、重なり合うようになる。このようになるとエコーフィツティング処理では、各エコーの分離・判別ができず、肉厚が測定できない頻度（測定失敗率という）が高くなる。

測定失敗率が高い場合、管長手方向全長に連続して肉厚を測定できないから問題となる。
図８には、肉厚＝3.75ｍｍと薄い場合、第１、第２、第３エコーなどが重なり合っている状態を示している。この反射回数が少ないエコーには、鋼管の外表面を直接伝播してくる超音波がさらに重複されるから、第１、第２、第３エコーなどを分離・判別することは、ますます困難となる。

一方図７には、肉厚＝8.0ｍｍと厚い場合、振幅の大きい第１エコーから次第に減衰していく第２、第３エコーが容易に判別でき、エコーの時間間隔Δｔが決定できることを示している。
また、図６(ａ)、（ｂ）には、それぞれ肉厚≧5ｍｍと厚い場合と、肉厚＜5ｍｍと薄い場合の第１エコー、第２エコーの伝播経路を示した。

要するに、従来方式は、Ｓ／Ｎを良好としてエコー測定を行っても、肉厚＜5ｍｍと薄い場合、反射回数が少ないエコーの分離・判別ができず、エコーの時間間隔Δｔを決定することができない頻度が高いという問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、エコーフィツティング処理によってエコーの時間間隔を決定する従来方式に代わり、エコーの時間間隔Δｔを確実に決定することができ、管長手方向全長にほぼ連続して肉厚を測定できる薄肉鋼管の肉厚測定方法を提供することにある。

本発明らは、超音波発生用レーザーを用いた熱間鋼管用肉厚計による薄肉鋼管の肉厚測定方法について鋭意検討した結果、肉厚＜5ｍｍと薄い場合、図８に示したように、光学干渉計で検出したエコーはほぼ同じ周期で現れるということを利用し、周波数解析によってエコーの時間間隔Δｔを決定すれば、上記課題を解決できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち本発明は、以下のとおりである。
１．薄肉鋼管の外表面に超音波発生用レーザーを照射し、発生した超音波が薄肉鋼管の内表面と外表面との間を往復して外表面に帰ってきた多数のエコーを、光学干渉計で検出する方式とした熱間鋼管用肉厚計による薄肉鋼管の肉厚測定方法において、該光学干渉計で検出したエコーの周波数解析を行い、周波数解析によって得られるスペクトル分布から、0.67×10 ⁶ Hzを超える高周波のノイズ成分を除去したのち、最もエコーの振幅強度が大きいピーク周波数を抽出し、該ピーク周波数からエコーの時間間隔を決定し、下記式に基づき前記薄肉鋼管の３mm以上５mm未満の肉厚を計算することを特徴とする薄肉鋼管の肉厚測定方法。

記
肉厚＝（1/2）×ｖ×Δｔ×ａ
ただし、ｖ：鋼中超音波伝播速度、Δｔ：エコーの時間間隔＝ｔ_ｎ−ｔ_ｎ-１（ｔ_ｎ：第ｎエコーの検出時刻、ｔ_ｎ-１：第（ｎ−1）エコーの検出時刻）、ａ：超音波伝播経路の幾何学補正値。
２．前記光学干渉計で検出したエコーをフーリエ周波数変換解析器で周波数解析を行い、前記エコーの時間間隔を決定することを特徴とする上記１．に記載の薄肉鋼管の肉厚測定方法。

本発明によれば、肉厚＜5ｍｍと薄い場合、光学干渉計で検出したエコーはほぼ同じ周期で現れるということを利用し、光学干渉計で検出したエコーの周波数解析を行い、エコーの時間間隔Δｔを決定するようにした。この結果、管長手方向全長にほぼ連続して肉厚を測定できる。

本発明方式について図を用いて説明する。図１は、本発明方式の肉厚測定法に用いる熱間鋼管用肉厚計の構成図である。図２は、本発明方式の肉厚測定法を肉厚3.75ｍｍの鋼管に適用した場合の周波数解析例である。
図１において、図４に示した従来方式と異なるのは、エコーフィツティング処理手段２ｃの代わりに、フーリエ周波数変換解析器４を設け、エコーの時間間隔Δｔを決定するようにしたことである。

フーリエ周波数変換解析器４（Fourier frequency transformation analysis apparatus）は、光学干渉計２ａと電気的に接続される。この解析器は、周波数解析によってエコーの時間間隔Δｔを決定するのに好適な周波数解析手段である。
このフーリエ周波数変換解析器４で得られたスペクトル分布の一例を、横軸に周波数（Hz）を取り、縦軸にエコーの振幅強度を取って図２に示した。

そこで、周波数解析によって得られたスペクトル分布から、高周波のノイズ成分を除去したのち、最もエコーの振幅強度が大きいピーク周波数（＝1/1.52×10⁶（Hz））を抽出し、ピーク周波数の逆数からエコーの時間間隔Δｔを決定する。
ただし、除去する高周波のノイズ成分は、肉厚3.75ｍｍの鋼管の場合、エコーの時間間隔Δｔは約1.5(μｓ）となることがわかっている（図８参照）から、これよりも高い周波数である。

なお、ピーク周波数が1/1.52×10⁶（Hz）であるということは、その逆数がエコーの時間間隔Δｔとなるから、エコーの時間間隔Δｔ＝１/ピーク周波数である。
すなわち、図２に示したスペクトル分布では、エコーの時間間隔Δｔ＝1/（1/1.52×10⁶）＝1.52×10^-6（ｓ）となる。このようにして決定したエコーの時間間隔Δｔを、式（１）に入力して肉厚を計算する。

鋼中超音波伝播速度ｖ＝５×10^６（mm/ｓ）、エコーの時間間隔Δｔとすると、この場合の肉厚は以下となる。
肉厚＝（1/2）×ｖ×Δｔ×ａ＝（1/2）×（5×10⁶）×（1.52×10^-6）×ａ＝3.8×ａ
ただし、周波数解析によってエコーの時間間隔Δｔを決定し、式（１）に基づき肉厚を計算するタイミングは、走行している熱間状態の鋼管Ｗに対し、管長手方向複数個所に超音波発生用レーザーで超音波を複数回発生させるごとに行う。

小径継目無鋼管（外径172ｍｍ以下、肉厚５ｍｍ以下）を製造する際に、本発明方式を適用し、その効果を確認した。図１に示した熱間鋼管用肉厚計は、マンドレルミル出側の鋼管Ｗの搬送ラインに設置した。なお、鋼中超音波伝播速度ｖは、低炭素鋼、高炭素鋼、13CrおよびSUSに区分した鋼管の鋼種、鋼管の温度に依存しており、それを決めるための関数式は予め作成しておいた。

500℃以上の鋼管に対し、従来方式と、本発明方式を適用した場合の肉厚測定結果を図３（ａ）、（ｂ）に示した。
測定成功率とは、管長手方向複数個所において、超音波発生用レーザーで超音波を複数回発生させ、管長手方向複数個所で肉厚が測定できた確率を表わす。
図３（ａ）に示した従来方式では、肉厚＜5ｍｍと薄い場合、測定成功率が80％以下となり、管長手方向全長に連続して肉厚を測定できていない。これに対して図３（ｂ）に示した本発明方式では、肉厚＜5ｍｍと薄い場合、測定成功率が80％以上であり、管長手方向全長にほぼ連続して肉厚を測定できる。

本発明方式の肉厚測定法に用いる熱間鋼管用肉厚計の構成図である。 本発明方式の肉厚測定法を肉厚3.75ｍｍの鋼管に適用した場合の周波数解析例である。 本発明方式の肉厚測定法の効果を、従来方式と比較して示す特性図である。 従来方式の肉厚測定法に用いる熱間鋼管用肉厚計の構成図である。 従来方式の肉厚測定法を説明する特性図である。 肉厚が厚い場合と薄い場合の超音波伝播経路の差を示す断面図である。 肉厚が8.0ｍｍと厚い場合の検出エコーを示す特性図である。 肉厚が3.75ｍｍと薄い場合の検出エコーを示す特性図である。

符号の説明

Ｗ 鋼管
Ｓ１ 外表面
Ｓ２ 内表面
Δｔ エコーの時間間隔
１ 超音波発生用レーザー
２ａ 光学干渉計
２ｂ 検出用レーザー
２ｃ エコーフィツティング処理手段
３ 演算処理手段
４ フーリエ周波数変換解析器

Claims (2)

1. 薄肉鋼管の外表面に超音波発生用レーザーを照射し、発生した超音波が薄肉鋼管の内表面と外表面との間を往復して外表面に帰ってきた多数のエコーを、光学干渉計で検出する方式とした熱間鋼管用肉厚計による薄肉鋼管の肉厚測定方法において、
   該光学干渉計で検出したエコーの周波数解析を行い、周波数解析によって得られるスペクトル分布から、0.67×10 ⁶ Hzを超える高周波のノイズ成分を除去したのち、最もエコーの振幅強度が大きいピーク周波数を抽出し、該ピーク周波数からエコーの時間間隔を決定し、下記式に基づき前記薄肉鋼管の３mm以上５mm未満の肉厚を計算することを特徴とする薄肉鋼管の肉厚測定方法。
   記
   肉厚＝（1/2）×ｖ×Δｔ×ａ
   ただし、ｖ：鋼中超音波伝播速度、Δｔ：エコーの時間間隔＝ｔ_ｎ−ｔ_ｎ-１（ｔ_ｎ：第ｎエコーの検出時刻、ｔ_ｎ-１：第（ｎ−1）エコーの検出時刻）、ａ：超音波伝播経路の幾何学補正値。
2. 前記光学干渉計で検出したエコーをフーリエ周波数変換解析器で周波数解析を行い、前記エコーの時間間隔を決定することを特徴とする請求項１に記載の薄肉鋼管の肉厚測定方法。

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