JP5269564B2 - 管状体の欠陥評価方法及び管状体の欠陥評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、管状体の欠陥評価方法及び管状体の欠陥評価装置に関する。さらに詳しくは、直流磁化コイルにより管状体を直流磁化し、渦流探傷コイルのインピーダンス変化により前記管状体の欠陥を評価する管状体の欠陥評価方法及び管状体の欠陥評価装置に関する。

従来、例えば熱交換器等に使用されている鋼製チューブの損傷を検査する手法として、電磁気的な手法（リモートフィールドＥＣＴ）が知られている。この手法では、孔食等の欠損体積が小さい欠陥の検出が困難であり、内外面の欠陥識別も困難であった。また、超音波を利用した方法（ＩＲＩＳ）では、孔食等の欠損体積が小さい欠陥の検出は可能であるが検査速度が遅かった。

一方、上述の如き欠陥評価方法として、特許文献１に記載の如きものが知られている。本方法は、予め直流磁化飽和レベルを感度設定し、その直流磁化飽和レベルで試験材の外面から試験材を直流磁化して内面欠陥を検出している。しかし、本手法は内面欠陥の検出能力を向上させるに過ぎず、欠陥が内外面のいずれに存在するかを識別できず、熱交換器等の検査に適用することができなかった。
特開平８−４３３５８号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、欠損体積の小さい欠陥であっても高速に検出可能であるだけでなく欠陥の内外面の識別が可能な管状体の欠陥評価方法及び管状体の欠陥評価装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る管状体の欠陥評価方法の特徴は、直流磁化コイルにより管状体を直流磁化し、渦流探傷コイルのインピーダンス変化により前記管状体の欠陥を評価する方法において、前記管状体は磁性材料よりなり、前記直流磁化コイル及び前記渦流探傷コイルを備えたセンサを用い、予め、内外面に複数種の模擬欠陥を設けた前記管状体と同一又は同等の試験管を前記センサにより直流磁化すると共に渦流探傷を行うことで、透磁率変化及び渦電流変化の双方により前記模擬欠陥が検出可能で且つ前記模擬欠陥が前記試験管の内外面のいずれに位置するのかを識別可能な直流磁化の強さ及び前記渦流探傷コイルの試験周波数を選定しておき、前記センサを前記管状体内に挿入し、前記選定した直流磁化の強さ及び試験周波数により前記管状体を直流磁化させながら渦流探傷を行い、前記透磁率変化及び前記渦電流変化に基づく前記渦流探傷コイルの検出信号により前記欠陥が前記管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別することにある。

上記本発明の特徴方法によれば、「透磁率変化及び渦電流発生の双方により前記模擬欠陥が検出可能で且つ前記模擬欠陥が前記管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別可能な直流磁化の強さ及び前記渦流探傷コイルの試験周波数を選定」する。発明者らの実験によれば、きず（欠陥）の存在は、透磁率の変化により検出でき、また、きずの内外面の存在の差は渦電流発生に影響を与えることが判明した。したがって、これらを組み合わせることで、内面きずの存在のみならず、外面きずの存在も判定でき、しかも、きずが内外面のいずれに存在するかも判定可能であることを見出した。

また、前記検出信号にリサージュ信号を用いることで、同信号の位相差により前記欠陥が前記管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別可能である。

前記検出信号の振幅値により前記欠陥の体積を推定することも可能である。前記センサを前記管状体内から引き抜く際に前記管状体を直流磁化するとよい。これにより、コイルの挿入が容易となり検査効率が向上する。ここで、検査対象となる前記管状体としては例えば強磁性体チューブが挙げられる。

上記目的を達成するため、本発明に係る管状体の欠陥評価装置の特徴は、管状体を直流磁化する直流磁化コイルと、直流磁化した管状体のインピーダンス変化を検出する渦流探傷コイルとを有し、前記インピーダンス変化により前記管状体の欠陥を評価する構成において、前記管状体は磁性材料よりなり、内外面に複数種の模擬欠陥を設けた前記管状体と同一又は同等の試験管を備え、前記直流磁化コイル及び前記渦流探傷コイルを備えたセンサを用い、予め、前記試験管を前記センサにより直流磁化すると共に渦流探傷を行うことで、透磁率変化及び渦電流変化の双方により前記模擬欠陥が検出可能で且つ前記模擬欠陥が前記試験管の内外面のいずれに位置するのかを識別可能な直流磁化の強さ及び前記渦流探傷コイルの試験周波数を選定しておき、前記センサを前記管状体内に挿入し、前記選定した直流磁化の強さ及び試験周波数により前記管状体を直流磁化させながら渦流探傷を行い、前記透磁率変化及び前記渦電流変化に基づく前記渦流探傷コイルの検出信号により前記欠陥が前記管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別することにある。

ここで、前記センサには、前記直流磁化コイルと前記渦流探傷コイルとをケーシング内に一体に収納した内挿式センサを用いるとよい。

上記本発明に係る管状体の欠陥評価方法及び管状体の欠陥評価装置の特徴によれば、欠損体積の小さい欠陥であっても高速に検出可能であるだけでなく欠陥の内外面の識別が可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１に示すように、本発明に係る欠陥評価装置１は、大略、センサ２と、直流磁化装置３と、渦流探傷器４とよりなる。渦流探傷器４は、探傷結果を例えば図７，８に例示するリサージュ波形として表示装置５に表示する。本実施形態において、検査対象となる管状体１００は、熱交換器等に使用されている強磁性材料よりなる鋼製チューブである。

センサ２は、管状体１００の内部に挿入される移動可能な内挿式センサである。このセンサ２は、図２に示すように、大略、鋼製チューブ（以下、「チューブ」と称する。）１００を直流磁化させる直流磁化コイル１１とチューブ１００の欠陥を検出する渦流探傷コイル１２よりなる。直流磁化コイル１１は芯材１３に巻回してあり、その外周に一対の渦流探傷コイル１２，１２を巻回して、一体に形成してある。芯材１３に巻回した直流磁化コイル１１及び渦流探傷コイル１２は、中空棒状のケーシング１４に収納され、コード１５で直流磁化装置３及び渦流探傷器４と接続してある。

直流磁化装置３は、図１に示すように、直流磁化コイル１１に直流電流を供給する直流電源３１を備える。この直流電源３１が直流磁化コイル１１に直流電流を供給し、直流磁化コイル１１がチューブ１００の内面１０２側から検査対象となるチューブ１００を直流磁化する。

渦流探傷器４は、図３に示すように、大略、発振器４１と、ブリッジ回路４２と、増幅器４３と、同期検波器４４と、移相器４５とを有する。発振器４１は交流電流を生成し、ブリッジ回路４２を介して渦流探傷コイル１２に印加する。ブリッジ回路４２は、渦流探傷コイル１２と可変抵抗器とにより構成され、図４に例示するような健全部Ｓでの検出信号が平衡となるように設定する。図４に例示するような欠陥部Ｄ及びＤ’ではインピーダンス変化によりその平衡が崩れるので、ブリッジ回路４２が欠陥部Ｄ及びＤ’の検出信号を出力する。そして、ブリッジ回路４２から出力された検出信号は、増幅器４３で増幅され、同期検波器４４に入力される。一方、発振器４１は、移相器４５に発振信号を出力する。移相器４５は、入力される発振信号に対して任意の位相を持つ制御信号を生成する。例えば発振信号と同一位相の第一の制御信号と、発振信号と９０°位相の異なる第二の制御信号を生成し、同期検波器４４に出力する。

同期検波器４４は、増幅された検出信号を第一制御信号で同期検波してＸ成分信号を生成すると共に、増幅された検出信号を第二制御信号で同期検波してＹ成分信号を生成する。このように、検出信号をＸ成分信号及びＹ成分信号に分解して２次元的に表示可能とする。そして、これらの信号を表示装置５にリサージュ信号として出力しリサージュ波形を表示する。

ここで、図４を参照しながら、欠陥の内外面の識別について説明する。
図４（ａ）にチューブ１００に外面欠陥Ｄｏが存在する欠陥部Ｄにおける透磁率（以下、「磁気特性」と称する。）および渦電流の状態を示す。同図に示すように、直流磁化コイル１１は直流磁束Ｆｄを発生させチューブ１００を直流磁化する。直流磁化された欠陥部Ｄでは、外面欠陥Ｄｏの影響を受け磁気特性に変化が生じる。一方、渦流探傷コイル１２は交流磁束Ｆａを発生させチューブ１００を励磁し、チューブ１００の内面１０２に渦電流Ｅを発生させる。しかし、この渦電流Ｅは、内面１０２の表層近傍に流れるため、健全部Ｓと同等の信号となる。すなわち、渦電流Ｅは外面欠陥Ｄｏの影響を受けない。つまり、外面欠陥Ｄｏの場合、渦流探傷用コイル１２は欠陥部Ｄの磁気特性の変化のみを検出すると考えられる。

他方、図４（ｂ）にチューブ１００に内面欠陥Ｄｉが存在する欠陥部Ｄ’における磁気特性および渦電流の状態を示す。同図に示すように、直流磁化コイル１１は直流磁束Ｆｄを発生させチューブ１００を直流磁化する。直流磁化された欠陥部Ｄ’では、内面欠陥Ｄｉの影響を受け磁気特性に変化が生じる。一方、渦流探傷コイル１２により上述の如くチューブ１００の内面１０２には渦電流Ｅ’が発生する。この渦電流Ｅ’は、内面欠陥Ｄｉを迂回するように流れるため、健全部Ｓとは異なる信号となる。すなわち、渦電流Ｅ’は内面欠陥Ｄｉの影響を受ける。つまり、内面欠陥Ｄｉの場合、渦流探傷用コイル１２は欠陥部Ｄ’の磁気特性の変化及び渦電流Ｅ’の変化の双方を検出すると考えられる。

このように、外面欠陥Ｄｏと内面欠陥Ｄｉでは、渦流探傷用コイル１２で検出する信号に違いが生じる。この検出信号の相違により、内外面の欠陥信号に位相角差が生じると考えられる。よって、この位相角差を利用できるように直流磁化の強さ及び試験周波数を選定することで、検出信号により欠陥が管状体の内外面のいずれに位置するかを識別することが可能となる。

そこで、本発明に係る検査方法においては、予め試験管２００を用いて直流磁化の強さ及び試験周波数を選定する。この試験管２００は、鋼製チューブ１００と材質、寸法、形状および熱処理等が同一または同等の管状体である。図５に示すように、試験管２００は、検査対象となるチューブ１００において想定され得る欠陥（損傷）を考慮した模擬欠陥ｄ１〜１３を加工してある。模擬欠陥ｄ１は内面２０２に試験管２００の厚さｔに対し５０％減肉した模擬欠陥であり、ｄ１３は３０％減肉したものである。模擬欠陥ｄ２は外面２０１全周にわたって７０％減肉してあり、ｄ３は５０％、ｄ４は３０％減肉したものである。模擬欠陥ｄ５は外面２０１の一部を７０％減肉してあり、ｄ６は５０％、ｄ７は３０％減肉したものである。ｄ８〜ｄ１２はそれぞれ試験管２００を貫通する模擬欠陥であり、その径を８，５，３，２，１ｍｍにそれぞれ設定してある。

この試験管２００内部に上述のセンサ２を挿入して、直流磁化すると共に渦流探傷を行い、模擬欠陥ｄ１〜１３が検出可能で且つ模擬欠陥ｄ１〜１３が試験管２００の内外面のいずれに位置するのかを識別可能となる直流磁化の強さ及び渦流探傷コイルの試験周波数を選定する。

ここで、磁性体の渦流探傷では、検査対象の磁気特性が不均一となるためノイズが多く探傷が困難となる場合がある。そのため、検査対象を直流磁化により磁気飽和させることで磁気特性を均一にしてノイズの低減を図っている。しかし、磁気飽和させると、健全部と欠陥部との間で磁気特性の差異が小さくなり、欠陥が管状体の内外面のいずれに位置するかを識別することが困難となる。他方、直流磁化の強さが弱すぎると、ノイズが多く欠陥信号自体を検出することが困難となる。そこで、直流磁化の強さを欠陥信号を検出でき且つ磁気飽和させない程度の強さに設定する。これにより、ノイズを低減でき且つ欠陥信号を検出することが可能となる。

また、渦流探傷コイルの試験周波数は、検査対象となる管状体の内面表層に渦電流が発生し得る程度の周波数を選定する。上述の如く、渦電流Ｅが内面欠陥Ｄｉのみの影響を受けるようにすることで、欠陥が管状体の内外面のいずれに位置するかが識別可能となる。

そして、選定した直流磁化の強さ及び試験周波数において、ブリッジ回路４２により検出信号を出力し、同期検波器４４によりその検出信号をＸ成分及びＹ成分に分解して、検出信号をリサージュ信号として出力するよう調整する。上述したように、欠陥が内外面のいずれに位置するかによって検出信号には位相角差が生じるため、検出信号をリサージュ信号として出力することで同位相角差により欠陥が管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別することができる。

図６に試験管２００を直流磁化させながら渦流探傷を行い、直流磁化の強さ及び試験周波数を選定、調整した結果を示す。同図に示すように、いずれの模擬欠陥ｄ１〜１３においても、模擬欠陥ｄ１〜１３に起因する欠陥信号を検出しており、Ｘ，Ｙ成分に分解した信号は模擬欠陥ｄ１〜１３の内外面により違いが生じている。従って、図７，８に示す如きリサージュ波形から簡便に欠陥が管状体の内外面のいずれに位置するかを識別することが可能となる。

次に、チューブ１００の欠陥評価手順について説明する。
検査実施に際し、予め図５に示す如き検査対象となるチューブ１００と材質、寸法、形状および熱処理等が同一または同等の管状の試験管２００を準備する。その試験管２００に想定される欠陥を考慮した模擬欠陥ｄ１〜１３を加工し、その模擬欠陥ｄ１〜１３が検出でき且つ模擬欠陥ｄ１〜１３が試験管２００の内外面のいずれに位置するのかを識別できる直流磁化条件および渦流探傷の条件を選定すると共に、その検出信号の出力を調整する。

そして、検査実施においては、チューブ１００内に圧縮空気等を用いて検査対象範囲までセンサ２を挿入する。挿入後、直流磁化コイル１１によりチューブ１００を直流磁化する。直流磁化はケーブル１６によりセンサ２を引き抜きながら行うと共に渦流探傷コイル１２により渦流探傷を行う。センサ２の挿入時には直流磁化を行わず、引き抜き時にのみ直流磁化を行うことで、センサ２の挿入が容易となる。また、上述の如く選定した条件で直流磁化を行うので検査効率が低下することはない。

チューブ１００の欠陥を検出するために、直流磁化コイル１１によりチューブ１００を局所的に直流磁化するが、直流磁化の強さは試験管２００を用いて選定した条件とする。選定した直流磁化の強さで直流磁化することで、図４に例示する如きチューブ１００の健全部Ｓと欠陥部Ｄ，Ｄ’では磁気特性に明瞭な違いが生じる。また、渦流探傷条件も上述の試験管２００を用いて選定した試験周波数とする。これにより、検査部位の磁気特性の違い及び渦電流の変化を捉えることができる。そして、検出した信号をＸ，Ｙ方向に分解しリサージュ波形として表示する。このリサージュ波形には、上述した位相角差が現れるので、チューブ１００の欠陥（損傷）を検出することができ、しかもその欠陥がチューブ１００の内面１０２か外面１０１のいずれに位置するかを識別することができる。

ここで、リサージュ波形の一例を図７，８に示す。図７は試験管２００に加工された内外面の模擬欠陥を検出した波形を示す。図７（ａ）（ｃ）は内面欠陥Ｄｉを検出した波形例を示し、同図（ｂ）（ｄ）は外面欠陥Ｄｏを検出した波形例を示す。なお、同図（ａ）（ｂ）は試験管２００の厚さに対し５０％減肉した模擬欠陥であり、同図（ｃ）（ｄ）は３０％減肉した模擬欠陥である。上述したように、外面欠陥Ｄｏと内面欠陥Ｄｉとは、検出信号において位相角が異なるので、同図からも明らかなように波形は相違する。従って、検出信号の位相角に着目することにより、チューブ１００に生じた欠陥（損傷）の内外面の識別が可能となる。

また、図８は試験管２００に加工されたサイズの異なる外面欠陥Ｄｏを検出した波形を示す。同図（ａ）は試験管２００の厚さに対し３０％減肉した外面欠陥Ｄｏであり、（ｂ）は５０％減肉、（ｃ）は７０％減肉した外面欠陥Ｄｏである。同図からも明らかなように、外面欠陥Ｄｏの減肉状態に応じて振幅の大きさに違いが生じるので、検出波形の振幅値に着目することで損傷体積の推定が可能である。なお、内面欠陥Ｄｉにおいても同様に、振幅値に着目して損傷体積を推定することは可能である。

最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記実施形態において、渦流探傷コイル１２を一対用いて、自己誘導自己比較方式で渦流探傷を行った。しかし、自己誘導形コイルに限らず、励磁と検出を異なるコイルで行う相互誘導形コイルを用いても構わない。

本発明は、熱交換器等に使用されている鋼製管状体、その他の鋼製管状体の欠陥評価方法及び欠陥評価装置として利用することができる。また、検査対象は鋼製管状体に限られず、他の磁性材料よりなる管状体の欠陥評価方法及び欠陥評価装置としても利用することができる。

本発明に係る管状体の欠陥評価装置のブロック図である。 センサの概略図である。 渦流探傷器のブロック図である。 鋼製チューブにおける磁気特性と渦電流の状態を示す原理図であり、（ａ）は鋼製チューブ外面に欠陥が存在する場合、（ｂ）は鋼製チューブ内面に欠陥が存在する場合を示す。 試験管の概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面視破砕図である。 試験管における検出信号をＸ，Ｙ方向に分解した信号例を示す図である。 リサージュ波形の一例を示すグラフであり、（ａ）は５０％内面減肉、（ｂ）は５０％外面減肉、（ｃ）は３０％内面減肉、（ｄ）は３０％外面減肉の波形を示す。 リサージュ波形の一例を示すグラフであり、（ａ）は３０％外面減肉、（ｂ）は５０％外面減肉、（ｃ）は７０％外面減肉の波形を示す。

符号の説明

１：欠陥評価装置、２：センサ、３：直流磁化装置、４：渦流探傷器、５：表示装置、１１：直流磁化コイル、１２：渦流探傷コイル、１３：芯材、１４：ケーシング、１５：コード、１６：ケーブル、３１：直流電源、４１：発振器、４２：ブリッジ回路、４３：増幅器、４４：同期検波器、４５：移相器、１００：鋼製チューブ（管状体）、１０１：外面、１０２：内面、２００：試験管、２０１：外面、２０２：内面、Ｄ，Ｄ’：欠陥部、Ｄｏ：外面欠陥、Ｄｉ：内面欠陥、ｄ１〜１３：模擬欠陥、Ｅ，Ｅ’：渦電流、Ｆａ：交流磁束、Ｆｄ：直流磁束、Ｓ：健全部、ｔ：厚さ

Claims (7)

1. 直流磁化コイルにより管状体を直流磁化し、渦流探傷コイルのインピーダンス変化により前記管状体の欠陥を評価する管状体の欠陥評価方法であって、
   前記管状体は磁性材料よりなり、
   前記直流磁化コイル及び前記渦流探傷コイルを備えたセンサを用い、予め、内外面に複数種の模擬欠陥を設けた前記管状体と同一又は同等の試験管を前記センサにより直流磁化すると共に渦流探傷を行うことで、透磁率変化及び渦電流変化の双方により前記模擬欠陥が検出可能で且つ前記模擬欠陥が前記試験管の内外面のいずれに位置するのかを識別可能な直流磁化の強さ及び前記渦流探傷コイルの試験周波数を選定しておき、
   前記センサを前記管状体内に挿入し、前記選定した直流磁化の強さ及び試験周波数により前記管状体を直流磁化させながら渦流探傷を行い、
   前記透磁率変化及び前記渦電流変化に基づく前記渦流探傷コイルの検出信号により前記欠陥が前記管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別する管状体の欠陥評価方法。
2. 前記検出信号がリサージュ信号であり、同信号の位相差により前記欠陥が前記管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別する請求項１記載の管状体の欠陥評価方法。
3. 前記検出信号の振幅値により前記欠陥の体積を推定する請求項１又は２記載の管状体の欠陥評価方法。
4. 前記センサを前記管状体内から引き抜く際に前記管状体を直流磁化する請求項１〜３のいずれかに記載の管状体の欠陥評価方法。
5. 前記管状体は強磁性体チューブである請求項１〜４のいずれかに記載の管状体の欠陥評価方法。
6. 管状体を直流磁化する直流磁化コイルと、直流磁化した管状体のインピーダンス変化を検出する渦流探傷コイルとを有し、前記インピーダンス変化により前記管状体の欠陥を評価する管状体の欠陥評価装置であって、
   前記管状体は磁性材料よりなり、
   内外面に複数種の模擬欠陥を設けた前記管状体と同一又は同等の試験管を備え、前記直流磁化コイル及び前記渦流探傷コイルを備えたセンサを用い、予め、前記試験管を前記センサにより直流磁化すると共に渦流探傷を行うことで、透磁率変化及び渦電流変化の双方により前記模擬欠陥が検出可能で且つ前記模擬欠陥が前記試験管の内外面のいずれに位置するのかを識別可能な直流磁化の強さ及び前記渦流探傷コイルの試験周波数を選定しておき、
   前記センサを前記管状体内に挿入し、前記選定した直流磁化の強さ及び試験周波数により前記管状体を直流磁化させながら渦流探傷を行い、
   前記透磁率変化及び前記渦電流変化に基づく前記渦流探傷コイルの検出信号により前記欠陥が前記管状体の内外面のいずれに位置するのかを識別する管状体の欠陥評価装置。
7. 前記センサは、前記直流磁化コイルと前記渦流探傷コイルとをケーシング内に一体に収納した内挿式センサである請求項６記載の管状体の欠陥評価装置。

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