JP5391781B2 - ローラの亀裂診断装置及び診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種のローラに発生する亀裂や傷等を診断する診断方法と診断装置とに関し、特に、材料の亀裂に対して超音波振動を与えた場合に発生する亀裂の温度変動を、赤外線サーモグラフィ装置で検出する亀裂診断装置及び方法に関するものである。

製鉄プラントにおける圧延ラインでは、鋼板を搬送するためにテーブルローラが多数備えられている。これらのテーブルローラには、運転中に鋼板の衝突等により多大な荷重がかかり、両端ネック部において表面腐食を起点とする亀裂が発生する。これらの亀裂は長期間の使用により進展し、やがてテーブルローラの破断を引き起こす。

テーブルローラが突然破断すると、圧延ラインの停止につながり、その影響が大きい。そのため、メンテナンスなどによって圧延ラインが停止したときを利用して、定期的に亀裂の有無を検査している。

従来のテーブルローラネック部の亀裂を診断する手段としては、亀裂部で磁束が漏洩することを利用した亀裂診断法である磁粉探傷試験法（ＭＴ法）が用いられている（たとえば、特許文献１）。

あるいは、移動体を被測定物としての構造物上で走行させ、応力変動により生じる温度分布変動を、赤外線カメラにより撮影し、構造物の亀裂等の欠陥を検出する方法もある（たとえば、特許文献２）。

特開平７−３３３１９６ 特開２００８−８７０５

しかし、上記特許文献２の検出方法は、主として橋梁などの固定された構造物に適した検出方法で、テーブルローラなどの回転するものの測定には向いていない。

また、特許文献１の検出方法には、次のような問題がある。テーブルローラのネック部には、冷却水からネック部を保護するために鋼鉄製の保護カバーが設けられている。そのため、上記特許文献１に記載のＭＴ法で亀裂診断をする場合、この保護カバーを取り外す必要がある。しかしながら、保護カバーはボルト締結部のグリース溶着などの要因によって、取外しが困難な場合が多く、圧延ラインの検査時間が増加する要因となっている。さらには、機械構造上から保護カバーの取外しそのものが不可能な場合もあり、このような個所は検査が不能となっていた。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたもので、被測定個所に保護カバーが設けられた場所でも、保護カバーを取り外すことなく亀裂診断ができる亀裂診断装置と方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明のローラの亀裂診断装置は、ネック部が保護カバーで覆われているテーブルローラにおいて、前記ネック部を被測定部として亀裂診断を行うローラの亀裂診断装置であって、被測定部である前記ネック部に音波振動を与える音波振動発生装置と、前記音波振動により前記ネック部が加熱されることによって前記ネック部の前記保護カバーが存在しない領域から放射される赤外線を反射する反射板と、前記反射板から反射される赤外線を撮影することが可能な位置に設けられ、前記反射板から反射される赤外線によって前記ネック部に発生する温度分布を撮影する赤外線カメラと、該赤外線カメラの熱画像から前記ネック部の温度分布状態を分析して亀裂等を検出する分析装置とを有することを特徴とする。

前記音波振動発生装置が超音波発生装置である構成としたり、前記超音波発生装置が超音波ホーンを備えている構成としたり、前記超音波ホーンの前記テーブルローラとの接触面は、前記テーブルローラの接触部の曲率と等しい曲面である構成としたり、前記超音波ホーンの音響インピーダンスと前記テーブルローラの音響インピーダンスとが等しい構成にしたり、前記超音波ホーンが前記テーブルローラに接触する接触圧の調整手段を設けた構成にしたり、反射板をアルミニウム製にする構成としたり、前記音波振動発生装置と前記テーブルローラとの間に、カップリング材を設けた構成としたり、前記カップリング材が銅製である構成としたり、することができる。

上記の目的を達成する本発明のローラの亀裂診断方法は、ネック部が保護カバーで覆われているテーブルローラにおいて、前記ネック部を被測定部として亀裂診断を行うローラの亀裂診断方法であって、前記テーブルローラに接触して被測定部である前記ネック部に音波による振動を与え、前記ネック部を加熱する工程と、前記ネック部の前記保護カバーが存在しない領域から放射される赤外線を反射板によって反射させる工程と、前記反射板から反射される赤外線を撮影することが可能な位置に設けられた赤外線カメラにより、前記反射板から反射された赤外線を撮影し、前記ネック部に発生する温度分布を撮影する工程と、該赤外線カメラの画像から前記ネック部の亀裂を検出する工程と、を有することを特徴とする。

前記音波として超音波を使用する構成としたり、前記超音波をテーブルローラに伝達するのに超音波ホーンを使用し、該超音波ホーンの音響インピーダンスと前記テーブルローラの音響インピーダンスとを等しくしたり、前記超音波をテーブルローラに伝達するのに超音波ホーンを使用し、該超音波ホーンの先端面を前記テーブルローラの接触面と同じ曲率の曲面にしたり、前記超音波をテーブルローラに伝達するのに超音波ホーンを使用し、該超音波ホーンと前記テーブルローラとの間にカップリング材を設けた構成としたり、前記カップリング材が銅製である構成としたり、前記テーブルローラを１／ｎ回転させ、前記各工程を繰り返すことでテーブルローラの全周について検査する構成としたり、することができる。

本発明によれば、保護カバーに覆われているテーブルローラのネック部を被測定部として亀裂診断を行う場合に、音波でテーブルローラに振動を与えることで、亀裂部分の発熱を周辺の発熱より大きくして、赤外線カメラにより、温度分布を計測することで、亀裂を容易に発見することができる。また、被測定部であるネック部は保護カバーで覆われているが、反射板を利用することで、保護カバーを取り外すことなく、非開放で、亀裂等を検査することができるという優れた効果を奏し得る。超音波発生装置が超音波ホーンを備えている構成にすることで、超音波の伝導率を向上することができる。特に、超音波ホーンの音響インピーダンスとテーブルローラの音響インピーダンスとが等しくなるようにすることで、さらに超音波の伝導率を向上することができる。

また、超音波ホーンの先端を、テーブルローラの曲率と等しい凹曲面形状にすることによって、テーブルローラと超音波ホーンとの接触面積が最大となり、入射超音波エネルギーを最大にすることが可能となる。

超音波ホーンとテーブルローラとの間に、カップリング材を挿入することにより、超音波ホーンとテーブルローラの表面粗さに起因する接触不良を軽減することが可能になり、テーブルローラ傷部の温度を大きく上げることができ、欠陥の検出をし易くすることができる。

カップリング材としては、超音波ホーンとテーブルローラの材料である鉄と音響インピーダンスの差が少なく、また、鉄にくらべて柔らかい材料である銅製にすることができる。

本発明の亀裂検査装置の構成を示す正面図である。 本発明の亀裂検査装置の要部の側面図である。 （ａ）はネック部１ｃの切断端面図で、（ｂ）、（ｃ）はネック部の赤外線サーモグラフの例を示す図である。 超音波ホーンの先端部を拡大した図で、（ａ）は超音波ホーンとローラを離した図、（ｂ）は超音波ホーンとローラを圧接させた図である。 超音波ホーンとローラとの間にカップリング材を設けた図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の亀裂検査装置の構成を示す正面図で、図２は要部の側面図である。これらの図において、符号１は、本発明の被測定物としてのローラで、ここでは、製鉄プラントにおける圧延ラインに使用されるテーブルローラを示している。

テーブルローラ１は、太径部１ａの両端に細径部１ｂがあり、これらの間に被測定部としてのネック部１ｃが形成されている。図１では、テーブルローラ１の右側のみを示すが、図示しない左側も同じ構成である。細径部１ｂの先端には、軸受部２があり、この軸受部２が圧延ラインの図示しないフレームに固定される。

ネック部１ｃを含む細径部１ｂには、テーブルローラ１の上方を半周程度覆う保護カバー３が設けられている。この保護カバー３は、冷却水からテーブルローラ１を保護するためのもので、鋼鉄製である。保護カバー３は、図示しないが圧延ラインのフレームなど、テーブルローラ１とは別個のものに固定されている。

細径部１ｂの先端には、軸受部２があり、テーブルローラ１を回転自在に支持している。軸受部２は、図示しないフレームに固定される。軸受部２に直接あるいは歯車などを介してモータと接続し、各テーブルローラ１ごと、あるいは複数本のテーブルローラ１をまとめて回転する構成となる。テーブルローラ１が回転することで、鋼材を搬送する。

以上の構成は、従来の圧延ラインのテーブルローラ１と同じである。

本発明の亀裂診断装置は、音波振動発生装置１０と、アルミニウム製の反射板１１と、赤外線サーモグラフィーとしての赤外線カメラ１２と、赤外線カメラ１２の映像を表示し、かつ、記録して分析する分析装置１３とから構成される。

音波振動発生装置１０は、低周波音波、音波、超音波のいずれかを発生し、テーブルローラ１を音波による振動で励起して加熱するものである。この実施例の音波振動発生装置１０は超音波を発生するもので、テーブルローラ１を挟持する固定治具１０ａと、この固定治具１０ａに取り付けられた超音波振動子１０ｂと、超音波振動子１０ｂの振動を増幅する金属製の超音波ホーン１０ｃとを有する。超音波振動子１０ｂがテーブルローラに圧接する圧力は、図示しないが、調整手段（調整ねじ等）によって、増減可能となっている。

本発明では、特に、超音波ホーン１０ｃの音響インピーダンスとテーブルローラ１の音響インピーダンスとを一致するように構成している。このように両音響インピーダンスを一致させる方法としては、たとえば、超音波ホーン１０ｃをテーブルローラ１と同じ材質にする方法がある。超音波ホーン１０ｃとテーブルローラ１の音響インピーダンスを揃えることによって、超音波ホーン１０ｃからテーブルローラ１へと伝達される超音波の伝導率を向上させることができる。超音波を効率よく伝達することで、検査に必要な超音波のエネルギーを少なくすることができる。

反射板１１は、ネック部１ｃの下部に設置され、ネック部１ｃから放射される赤外線を、赤外線カメラ１２に向けて反射するものである。ガラスの反射板は赤外線を吸収するので不適当であり、鏡面加工されたアルミニウム製の反射板を使用している。アルミニウムに代えて銀を使用してもよい。

赤外線カメラ１２は、反射板１１を介してネック部１ｃの保護カバー３で覆われていない下部の鏡象を撮影する。赤外線カメラ１２には、結像位置にＣＣＤなどの撮像素子が設けられており、赤外線画像を電気信号に変えて分析装置１３に送る。

テーブルローラ１は、圧延ラインのフレームに支持されており、テーブルローラ１の下部の圧延ラインのフレーム内に赤外線カメラ１２を据えることは困難である。しかし、本発明によれば、反射板１１のみをテーブルローラ１の下部に置けばよく、赤外線カメラ１２やこれに付随する配線等を全て圧延ラインの上に設置することができ、亀裂診断装置の設置が容易になる。

分析装置１３は、赤外線カメラ１２から送られたネック部１ｃの赤外線画像（サーモグラフ）をディスプレイ上に表示する。

次に、上記の亀裂診断装置による亀裂の診断方法を説明する。
圧延ラインの運転中に、テーブルローラ１に鋼板が衝突するなどして亀裂が生じる場合、この亀裂の発生する場所は通常は、ネック部１ｃに限定される。したがって、この実施例ではネック部１ｃを被測定部としている。しかし、被測定部はネック部１ｃに限定されず、任意の位置に設定することができる。

製鉄プラントにおける圧延ラインを停止してから、音波振動発生装置１０の固定治具１０ａをテーブルローラ１の太径部１ａに固定する。そして、音波振動発生装置１０の超音波ホーン１０ｃがテーブルローラ１の太径部１ａの表面に所定の圧力で圧接するように調整手段で調整する。反射板１１と赤外線カメラ１２を所定の位置にセットする。

音波振動発生装置１０の超音波振動子１０ｂに電気信号を与えることにより、超音波信号を発生させ、その振動を超音波ホーン１０ｃで増幅し、超音波ホーン１０ｃから超音波振動がテーブルローラ１に伝達される。この振動はネック部１ｃにも伝達され、振動エネルギーによって、ローラー全体の温度が上昇し、ネック部１ｃの温度も上昇する。ネック部１ｃに亀裂部があると、亀裂の両面が超音波振動により擦れて摩擦熱が発生し、周辺の温度に比べて局部的に上昇する。これらの熱が赤外線となって周囲に放射される。しかし、保護カバー３があるので、赤外線はネック部１ｃの上方からは検知できない。

一方、赤外線は、ネック部１ｃの保護カバー３に覆われていない下半分からは放射されているので、この赤外線を、反射板１１で反射して赤外線サーモグラフィーとしての赤外線カメラ１２で撮影する。こうすることによって、ネック部１ｃの温度分布の状態を保護カバー３の上方に設けた赤外線カメラ１２によって赤外線画像として捉えることができる。

赤外線カメラ１２が撮影した赤外線画像は、電気信号として分析装置１３に送られ、分析装置１３が表示画面に赤外線サーモグラフ（赤外線画像）として表示する。この赤外線サーモグラフにより、被測定部に亀裂があるか否かを判断することになる。

保護カバー３がテーブルローラ１のほぼ半周を覆っているので、赤外線カメラ１２で撮影できるのは、ネック部１ｃの半周だけである。したがって、テーブルローラ１を１８０度回転して上記の手順を２回繰り返すことで、ネック部１ｃの全体の赤外線画像を得ることができる。１／２ずつの撮影では無理な場合には、１／３回転ずつ、あるいは１／４回転ずつ、一般には、１／ｎ回転ずつテーブルローラ１を回転して繰り返し撮影してもよい。このようにすることで、保護カバー３を取り外すことなく、ネック部１ｃの全体を測定できる。

図３（ａ）はネック部１ｃの切断端面図で、（ｂ）、（ｃ）はネック部の赤外線サーモグラフの例を示す図である。ネック部１ｃに基準位置を決めてそこを０度とし、時計回り方向に角度を取る。そして、分析装置１３の表示画面に表示されたサーモグラフを、角度を横軸に、温度を縦軸にして表すと（ｂ）、（ｃ）に示すような線図となる。（ｂ）は０度、すなわちネック部１ｃの基準位置を真下にして測定した状態である。（ｃ）は（ｂ）からテーブルローラ１を１８０度回転して測定した状態である。

この線図は、ネック部１ｃの各角度における温度（すなわち赤外線の強度）を表すものである。温度の高い部分として（ｂ）にＰ_１があり、（ｃ）にＰ_２がある。これらは、図３（ａ）に示すように、ネック部１ｃの対応する位置に、亀裂Ｐ_１、Ｐ_２があることを示している。

図４は、本発明の第２実施例を示す図である。構成の大部分は実施例１と共通するので、相違する点を説明する。この図４では、超音波ホーン１０ｃとローラ１の太径部１ａとの圧接部を拡大して示している。実施例２は、超音波ホーン１０ｃの先端面１０ｃ１を、ローラ１の太径部１ａの曲率と同じ曲率とし、太径部１ａの円柱面に重なる凹曲面としていることに特徴がある。このような構成によって、超音波ホーン１０ｃとローラの太径部１ａとは、接触面積を最大にすることができ、超音波のエネルギーを効率よくローラ１に伝達することができる。

この実施例でも、超音波ホーン１０ｃの音響インピーダンスとテーブルローラ１の音響インピーダンスとを一致するように構成することが望ましい。エネルギーの伝達効率がさらに向上するからである。また、亀裂の診断方法も、実施例１と同様である。

図５は、本発明の第３実施例を示す図である。この実施例では、超音波ホーン１０ｃとテーブルローラ１との間に、カップリング材１４を設けたことに特徴がある。その他の構成は実施例１と同じである。カップリング材１４は、超音波ホーン１０ｃの先端面に、たとえば、ねじによって固定することができる。このとき、カップリング材１４と超音波ホーン１０ｃの先端面とは、共に平面にするなどとし、少なくとも一方の面の全体が他方の面に密着できる形状にしている。また、カップリング材１４の先端面１４ａは、テーブルローラ１の接触部となる太径部１ａの円柱面と重なる同じ曲率の凹曲面としている。

超音波ホーン１０ｃやテーブルローラ１の表面粗さが大きい場合、実施例２に示すように両接触面を同じ曲率の曲面にして重なり合うようにしても、表面粗さに起因する接触不良が生じる。接触不良があると、入射超音波エネルギーのロスが発生する。そこで、中間にカップリング材１４を挿入する。カップリング材は、このような目的で挿入するので、超音波ホーン１０ｃやテーブルローラ１の表面粗さによりできる微小な隙間を埋めることが可能な素材から構成されている。また、テーブルローラ１との音響インピーダンスの差も少ないことが望ましい。カップリング材１４を銅製にすると、このような要請を満たすことができる。銅以外の素材としては、銀を使用してもよい。

以上の実施例においては、音波として超音波を使用したが、超音波に限定されるものではない。ローラに振動を与え、温度を上昇させることができれば、低周波の音波から超音波まで音波全般を使用することができる。

１ テーブルローラ
１ａ 太径部
１ｂ 細径部
１ｃ ネック部（被測定部）
２ 軸受部
３ 保護カバー
１０ 音波振動発生装置
１０ａ 固定治具
１０ｂ 超音波振動子
１０ｃ 超音波ホーン
１０ｃ１ （超音波ホーンの）先端面
１１ 反射板
１２ 赤外線カメラ
１３ 分析装置
１４ カップリング材

Claims (16)

1. ネック部が保護カバーで覆われているテーブルローラにおいて、前記ネック部を被測定部として亀裂診断を行うローラの亀裂診断装置であって、
   被測定部である前記ネック部に音波振動を与える音波振動発生装置と、
   前記音波振動により前記ネック部が加熱されることによって前記ネック部の前記保護カバーが存在しない領域から放射される赤外線を反射する反射板と、
   前記反射板から反射される赤外線を撮影することが可能な位置に設けられ、前記反射板から反射される赤外線によって前記ネック部に発生する温度分布を撮影する赤外線カメラと、
   該赤外線カメラの熱画像から前記ネック部の温度分布状態を分析して亀裂等を検出する分析装置とを有することを特徴とするローラの亀裂診断装置。
2. 前記音波振動発生装置が超音波発生装置であることを特徴とする請求項１に記載のローラの亀裂診断装置。
3. 前記超音波発生装置が超音波ホーンを備えていることを特徴とする請求項２に記載のローラの亀裂診断装置。
4. 前記超音波ホーンの前記テーブルローラとの接触面は、前記テーブルローラの接触部の曲率と等しい曲面であることを特徴とする請求項３に記載のローラの亀裂診断装置。
5. 前記超音波ホーンの音響インピーダンスと前記テーブルローラの音響インピーダンスとが等しいことを特徴とする請求項３又は４に記載のローラの亀裂診断装置。
6. 前記超音波ホーンが前記テーブルローラに接触する接触圧の調整手段を設けたことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のローラの亀裂診断装置。
7. 前記反射板がアルミニウム製であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のローラの亀裂診断装置。
8. 前記音波振動発生装置と前記テーブルローラとの間に、カップリング材を設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のローラの亀裂診断装置。
9. 前記カップリング材が銅製であることを特徴とする請求項８に記載のローラの亀裂診断装置。
10. ネック部が保護カバーで覆われているテーブルローラにおいて、前記ネック部を被測定部として亀裂診断を行うローラの亀裂診断方法であって、
    前記テーブルローラに接触して被測定部である前記ネック部に音波による振動を与え、前記ネック部を加熱する工程と、
    前記ネック部の前記保護カバーが存在しない領域から放射される赤外線を反射板によって反射させる工程と、
    前記反射板から反射される赤外線を撮影することが可能な位置に設けられた赤外線カメラにより、前記反射板から反射された赤外線を撮影し、前記ネック部に発生する温度分布を撮影する工程と、
    該赤外線カメラの画像から前記ネック部の亀裂を検出する工程と、を有することを特徴とするローラの亀裂診断方法。
11. 前記音波として超音波を使用することを特徴とする請求項１０に記載のローラの亀裂診断方法。
12. 前記超音波を前記テーブルローラに伝達するのに超音波ホーンを使用し、該超音波ホーンの音響インピーダンスと前記テーブルローラの音響インピーダンスとを等しくしたことを特徴とする請求項１１に記載のローラの亀裂診断方法。
13. 前記超音波をテーブルローラに伝達するのに超音波ホーンを使用し、該超音波ホーンの先端面を前記テーブルローラの接触面と同じ曲率の曲面にしたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のローラの亀裂診断方法。
14. 前記超音波をテーブルローラに伝達するのに超音波ホーンを使用し、該超音波ホーンと前記テーブルローラとの間にカップリング材を設けたことを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載のローラの亀裂診断方法。
15. 前記カップリング材が銅製であることを特徴とする請求項１４に記載のローラの亀裂診断方法。
16. 前記テーブルローラを１／ｎ回転させ、前記各工程を繰り返すことでテーブルローラの全周について検査することを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載のローラの亀裂診断方法。

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