JP6959585B2 - 非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性金属の表面に肉盛り被覆された非磁性溶接金属の肉厚の連続測定を行うための方法および装置に関するものである。

従来、配管等の表面に被覆された被覆材の肉厚測定を行う場合、超音波による肉厚測定もしくは、渦電流によるインピーダンス変化や電磁誘導での肉厚測定を行っている。

金属の肉厚測定は、超音波を用いた厚さ測定が一般的であるが、超音波を用いる場合、被覆材の表面の手入れや接触媒質の塗布などに手間が掛かることから定点での測定を行っているため、最も減肉している部分の見落としが生じるという問題があった。

一方、金属の肉厚測定に渦電流を用いる測定方法も種々知られており、例えば特許文献１記載のものは、被覆金属の肉厚を測定するために低周波探触子と高周波探触子を用い、高周波探触子のリフトオフ成分で低周波探触子の距離補正を行っている。

また、特許文献２記載のものは、非導電性被覆の測定方法であり、接触ローラで検出コイルを支持して、金属管からの距離を測定するものである。

そして、特許文献３記載のものは、被測定膜の表面に接触するコアをプローブ端面から突出させることで、表面の凹凸部も測定するものである。

特開昭６０−１３８４０２号公報 特開昭６０−１４４６０３号公報 特開昭６０−０２１４０１号公報

しかしながら特許文献１記載のものは、溶接ビードのように被覆金属の表面に多数の凹凸や亀裂、欠陥がある場合は高周波信号が変動するため補正肉厚が正しく測定できないという問題があった。また特許文献２記載のものは、被覆が導電性金属の場合には適用できないという問題があった。そして特許文献３記載のものは、先端が細くなることで漏れ磁束が増えて検出感度が低下するという問題があった。

それゆえ本発明は、上述した従来技術の課題を有利に解決し、磁性金属の表面に肉盛りされてその磁性金属の表面を被覆する非磁性金属の亀裂や欠陥の影響をうけずにその非磁性金属の肉厚の連続測定を行う方法および装置を提供することにある。

本発明の非磁性金属の肉厚測定方法は、磁性金属の表面に肉盛りされてその磁性金属の表面を被覆する非磁性金属の肉厚を測定する方法であって、
前記非磁性金属の影響を受けない所定周波数の交流電流を渦電流コイルに供給するとともに、その渦電流コイルを前記非磁性金属の表面に接触させて前記磁性金属に渦電流を生じさせる測定プローブを前記非磁性金属の表面に沿わせて移動させ、
前記測定プローブの移動に伴って、前記交流電流を供給されている前記渦電流コイルの、前記磁性金属の影響によるインピーダンス変化に基づき、前記磁性金属の表面からの前記測定プローブのリフトオフ距離を検出し、
前記検出されたリフトオフ距離から前記非磁性金属の肉厚を求めることを特徴としている。

また、本発明の非磁性金属の肉厚測定装置は、磁性金属の表面に肉盛りされてその磁性金属の表面を被覆する非磁性金属の肉厚を測定する装置であって、
前記非磁性金属の影響を受けない所定周波数の交流電流を供給される渦電流コイルを前記非磁性金属の表面に接触させて前記磁性金属に渦電流を生じさせつつ前記非磁性金属の表面に沿って移動される測定プローブと、
前記測定プローブの移動に伴って、前記交流電流を供給されている前記渦電流コイルの、前記磁性金属の影響によるインピーダンス変化に基づき、前記磁性金属の表面からの前記測定プローブのリフトオフ距離を検出するリフトオフ距離検出手段と、
前記検出されたリフトオフ距離から前記非磁性金属の肉厚を求める非磁性金属肉厚算出手段と、
を具えることを特徴としている。

本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置によれば、非磁性金属の影響を受けない所定周波数の交流電流を渦電流コイルに供給される測定プローブを、磁性金属の表面に溶接等で肉盛りされてその磁性金属の表面を被覆する非磁性金属の表面に沿って移動させながら、磁性金属の影響による渦電流コイルのインピーダンス変化に基づき磁性金属の表面からの測定プローブのリフトオフ距離を検出し、そのリフトオフ距離から非磁性金属の肉厚を求めることで、磁性金属の表面に肉盛りされた非磁性金属の任意の位置の肉厚を精度良く求めることができる。

なお、本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置においては、前記渦電流コイルは、軸線が前記非磁性金属の表面に沿う方向に延在する円筒状の一様型コイルであると、前記非磁性金属の表面の凹凸形状に沿わせて移動させ、非磁性金属の任意の位置の肉厚を精度良く求めることができるので好ましい。

また、本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置においては、前記非磁性金属の影響を受けない所定周波数は、前記渦電流コイルに供給する交流電流の周波数を変えながら前記渦電流コイルのインピーダンスに対する前記非磁性金属の渦電流の影響と前記磁性金属の渦電流の影響とを測定し、前記磁性金属の渦電流の影響を受ける周波数範囲内で、前記非磁性金属の渦電流の影響を実質的に受けない周波数を求めて設定すると、容易かつ確実に設定できるので好ましい。

さらに本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置においては、前記非磁性金属の延在方向への前記測定プローブの移動距離を測定する移動距離測定手段と、前記非磁性金属の肉厚と前記測定プローブの移動距離とを関連付けて記録する記録手段と、を具えていると、非磁性金属の任意の位置の肉厚を容易に知ることができるので好ましい。

さらに本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置においては、前記非磁性金属の延在方向へ前記測定プローブを移動させる測定プローブ移動手段を具えていると、非磁性金属の肉厚を自動的に測定することができるので好ましい。

そして本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置においては、前記磁性金属は管もしくは平板を形成しているものであると、ボイラーチューブ等の表面に溶接等で肉盛りされたインコネル等の非磁性被覆金属の任意の位置の肉厚を精度良く求めることができるので好ましい。

本発明の一実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法に用いる本発明の一実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置の構成を示すブロック線図である。 上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置の測定プローブおよび距離測定センサの構成を示す斜視図である。 上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置の測定プローブによるボイラーチューブ上の非磁性被覆金属の肉厚測定方法を例示する説明図である。 上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法における非磁性金属の影響を受けない周波数の設定の際の渦電流コイルの交流電流の周波数と電圧振幅値との関係を示すグラフである。 上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法における磁性金属の表面からの測定プローブのリフトオフ距離と渦電流コイルの電圧振幅値との関係を示すグラフである。 上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法における測定精度評価の結果を示すグラフである。 上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法における磁性金属の表面からの一様型（横置き）コイルを用いた測定プローブのリフトオフ距離と渦電流コイルの電圧振幅値との関係を、縦置きコイルを用いた場合と比較して示すグラフである。 上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法による実際のボイラーチューブ上の非磁性被覆金属の肉厚測定結果を例示するグラフである。

以下、本発明の実施形態につき、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、本発明の一実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法に用いる本発明の一実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置の構成を示すブロック線図、図２は、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置の測定プローブおよび距離測定センサの構成を示す斜視図、図３は、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置の測定プローブによるボイラーチューブ上の非磁性被覆金属の肉厚測定方法を例示する説明図である。

この実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置は、磁性金属としての例えばＳＴＢ４１０等の鋼管からなるボイラーチューブＴの表面に例えば溶接で２〜３ｍｍ程度の厚さに肉盛りされた、導電性の非磁性金属としての例えばインコネル６２５等からなる皮膜Ｃの厚さを、実質上連続的に、かつ高精度に測定するためのものである。なお、図３ではボイラーチューブＴを１本のみ示すが、ボイラーチューブＴは複数本並んでおり、それらのボイラーチューブＴは結合部材Ｂを介して等間隔に結合されて、図では紙面に垂直な方向へ各々延在している。

上記複数本のボイラーチューブＴの各々を被覆する皮膜Ｃの厚さをボイラーチューブＴの延在方向に実質上連続的に測定するために、この実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置は、図１に示すように、測定プローブ１と、渦流探傷器２と、リフトオフ距離検出手段および非磁性金属肉厚算出手段としてのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３と、移動距離測定手段としての距離測定センサ４とを具えており、測定プローブ１は、ケース５内に進退移動可能に支持されるとともにスプリング６で進出方向に常時付勢されている。

測定プローブ１は、図２および図３に示すように、コア１ａの周囲に円筒状に巻かれてボイラーチューブＴの表面付近に一様渦電流を生じさせる一様型コイルとしてのコイル１ｂをその軸線が測定プローブ１の進退移動方向に直交して延在するようにブラケット１ｃで支持するとともに、そのコイル１ｂの少なくとも下面を例えばテフロン（登録商標）等からなる耐磨耗テープ１ｄで覆って皮膜Ｃの表面に対し保護するとともに滑り易くする構成とされている。

渦流探傷器２は、コイル１ｂに交流電流を供給してボイラーチューブＴの表面付近に渦電流を生じさせるとともに、その渦電流の発生の反作用で生じるコイル１ｂのインピーダンスの変化を実質上連続的に検出して出力する通常の構成のものである。

距離測定センサ４は、皮膜Ｃの表面に当接する車輪の回転をロータリーエンコーダで検出することで、測定プローブ１の移動距離を示す信号をＰＣ３に実質上連続的に出力するものであり、図２ではコイル１ｂの軸線方向への測定プローブ１の移動距離を示すものだけ図示されているが、この実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置ではこれに加えて、コイル１ｂの軸線方向と直交する方向への測定プローブ１の移動距離を示す図示しないものもケース５に設けられており、それらの距離測定センサ４は測定プローブ１の移動方向に応じて選択的に使用可能とされている。

そしてＰＣ３は、渦流探傷器２が出力するコイル１ｂのインピーダンス変化に基づきボイラーチューブＴの表面からの測定プローブ１のリフトオフ距離を実質上連続的に検出し、そのリフトオフ距離から皮膜Ｃの肉厚ｔを実質上連続的に求めるとともに、その皮膜Ｃの肉厚ｔと距離測定センサ４が出力する測定プローブ１の移動距離とを対応付けて実質上連続的に記録する。なお、ここにおける「実質上連続的」とは、信号の用途に関して連続と見なし得るほど信号のデジタル処理間隔が短い（サンプリング周波数が高い）ことを意味する。

この実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置を用いるこの実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法では、先ず、非磁性金属の皮膜Ｃの影響を受けない所定周波数を求める。これは、コイル１ｂに供給する交流電流の周波数を変えながらコイル１ｂのインピーダンスに対する非磁性金属の皮膜Ｃの渦電流の影響と磁性金属のボイラーチューブＴの渦電流の影響とを例えばそれらと同等の平坦な試料を用いて渦流探傷器２で測定し、磁性金属のボイラーチューブＴの渦電流の影響を受ける周波数範囲内で、非磁性金属の皮膜Ｃの渦電流の影響を実質的に受けない周波数を求める。そしてその求めた周波数を、非磁性金属の皮膜Ｃの影響を受けない所定周波数に設定する。

図４は、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法における非磁性金属の影響を受けない周波数の設定の際の、渦電流コイルとしてのコイル１ｂに供給する交流電流の試験周波数とコイル１ｂのインピーダンスに対応する検出電圧振幅値との関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、測定周波数５００Ｈｚでは、ボイラーチューブＴの素材であるＳＴＢは約５０ｍＶの電圧振幅値があるが、皮膜Ｃの素材の非磁性金属では厚さｔ＝２ｍｍでも５ｍｍでも約１ｍＶ以下の電圧振幅値となり、実質的に皮膜Ｃの影響を受けないことが判る。なお、このことは、渦電流の浸透深さを求める既知の式から計算で求めることもできる。従って、この実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法では、非磁性金属の影響を受けない所定周波数を５００Ｈｚに設定する。

図５は、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法における磁性金属の表面からの測定プローブのリフトオフ距離と渦電流コイルの電圧振幅値を示すセンサ出力との関係を示すグラフであり、上記の非磁性金属の影響を受けない所定周波数の交流電流を測定プローブ１のコイル１ｂに供給しながら、そのコイル１ｂをボイラーチューブＴへの耐磨耗テープ１ｄを介した当接状態から距離を離していった際の電圧振幅値をセンサ出力で測定すると、図示のような近似曲線が得られ、電圧振幅値から距離を換算する事が可能であることが判った。

また、皮膜Ｃの実際の肉盛り厚を測定して上記の肉厚測定方法での測定結果と比較したオフライン試験でも、図６に示すように、良好な精度評価結果が得られた。

そして上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置によれば、測定プローブ１と距離測定センサ４とを組み合わせることにより、ＰＣ３があらかじめ与えられたプログラムに基づき、測定プローブ１の測定位置と肉盛り金属の皮膜Ｃの測定厚みとを同時に画面に表示するとともに記録するので、皮膜Ｃの任意の位置での高精度の肉厚測定が可能である。

図７は、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法におけるボイラーチューブＴの表面からの一様型（横置き）のコイル１ｂを用いた測定プローブ１のリフトオフ距離とそのコイル１ｂの電圧振幅値との関係を、コイル軸線がボイラーチューブＴの表面に垂直に延在する従来の渦流探傷器の縦置きコイルを用いた場合と比較して示すグラフであり、特性Ｂの従来の縦置きコイルに比べて、特性Ａの一様型のコイル１ｂの方が、電圧振幅値が最大で１．１３倍高く、より感度良く測定することが可能である。

図８は、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法による実際のボイラーチューブＴ上の皮膜Ｃのオンラインでの肉厚測定結果を例示するグラフであり、図示のように、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法によれば、オンラインでボイラーチューブＴ上の肉盛り金属の皮膜Ｃの厚さを皮膜Ｃの表面に沿ってボイラーチューブＴの周方向に実質上連続的に測定して、図では右端付近に示す減肉部位を正確に特定することができた。

以上、図示例に基づき説明したが、本発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば上記実施形態では距離測定センサ４として、コイル１ｂの軸線方向への測定プローブ１の移動距離を示すものと、コイル１ｂの軸線方向と直交する方向への測定プローブ１の移動距離を示すものとが設けられているが、必要に応じて、これらの何れか一方だけを設けても良く、距離測定センサ４を省略しても良い。

また、上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定装置は、測定プローブ１を移動させる測定プローブ移動手段を具えていず、それゆえ上記実施形態の非磁性金属の肉厚測定方法では、測定プローブ１を手持ちでボイラーチューブＴの長手方向や横断方向に移動させているが、本発明の非磁性金属の肉厚測定装置はこれに限られず、測定プローブ移動手段として例えばクランプ等でボイラーチューブＴに固定される例えばロッドレスシリンダ等の案内機能と駆動機能とを有する移動機構を具え、その移動機構のスライダに測定プローブ１を装着して、その移動機構での案内および駆動で測定プローブ１をボイラーチューブＴの長手方向や横断方向に移動させるようにしても良く、その場合に距離測定センサ４として、ロッドレスシリンダ等に設けられたリニアエンコーダを使用しても良い。

そして、本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置は、上記例以外の種類の磁性金属の表面を被覆する、上記例以外の種類の非磁性金属の肉厚の測定に適用することもでき、また、磁性金属の表面に溶接以外の方法で肉盛りされた非磁性金属の肉厚の測定に適用することもできる。

かくして本発明の非磁性金属の肉厚測定方法および肉厚測定装置によれば、非磁性金属の影響を受けない所定周波数の交流電流を渦電流コイルに供給される測定プローブを、磁性金属の表面に肉盛りされてその磁性金属の表面を被覆する非磁性金属の表面に沿って移動させながら、磁性金属の影響による渦電流コイルのインピーダンス変化に基づき磁性金属の表面からの測定プローブのリフトオフ距離を検出し、そのリフトオフ距離から非磁性金属の肉厚を求めることで、磁性金属の表面に肉盛りされた非磁性金属の任意の位置の肉厚を精度良く求めることができる。

１ 測定プローブ
１ａ コア
１ｂ コイル
１ｃ ブラケット
１ｄ 耐磨耗テープ
２ 渦流探傷器
３ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
４ 距離測定センサ
５ ケース
６ スプリング
Ｂ 結合部材
Ｃ 皮膜
Ｔ ボイラーチューブ

Claims (9)

1. 磁性金属の表面に肉盛りされてその磁性金属の表面を被覆する非磁性金属の肉厚を測定する方法において、
   前記非磁性金属の影響を受けない所定周波数の交流電流を渦電流コイルに供給するとともに、その渦電流コイルを前記非磁性金属の表面に接触させて前記磁性金属に渦電流を生じさせる測定プローブを前記非磁性金属の表面に沿わせて移動させ、
   前記測定プローブの移動に伴って、前記交流電流を供給されている前記渦電流コイルの、前記磁性金属の影響によるインピーダンス変化に基づき、前記磁性金属の表面からの前記測定プローブのリフトオフ距離を検出し、
   前記検出されたリフトオフ距離から前記非磁性金属の肉厚を求めることを特徴とする非磁性金属の肉厚測定方法。
2. 前記渦電流コイルは、軸線が前記非磁性金属の表面に沿う方向に延在する円筒状の一様型コイルであることを特徴とする、請求項１記載の非磁性金属の肉厚測定方法。
3. 前記非磁性金属の影響を受けない所定周波数は、前記渦電流コイルに供給する交流電流の周波数を変えながら前記渦電流コイルのインピーダンスに対する前記非磁性金属の渦電流の影響と前記磁性金属の渦電流の影響とを測定し、前記磁性金属の渦電流の影響を受ける周波数範囲内で、前記非磁性金属の渦電流の影響を実質的に受けない周波数を求めて設定することを特徴とする、請求項１または２記載の非磁性金属の肉厚測定方法。
4. 前記磁性金属は、管もしくは平板を形成しているものであることを特徴とする、請求項１から３までの何れか１項記載の非磁性金属の肉厚測定方法。
5. 磁性金属の表面に肉盛りされてその磁性金属の表面を被覆する非磁性金属の肉厚を測定する装置において、
   前記非磁性金属の影響を受けない所定周波数の交流電流を供給される渦電流コイルを前記非磁性金属の表面に接触させて前記磁性金属に渦電流を生じさせつつ前記非磁性金属の表面に沿って移動される測定プローブと、
   前記測定プローブの移動に伴って、前記交流電流を供給されている前記渦電流コイルの、前記磁性金属の影響によるインピーダンス変化に基づき、前記磁性金属の表面からの前記測定プローブのリフトオフ距離を検出するリフトオフ距離検出手段と、
   前記検出されたリフトオフ距離から前記非磁性金属の肉厚を求める非磁性金属肉厚算出手段と、
   を具えることを特徴とする非磁性金属の肉厚測定装置。
6. 前記渦電流コイルは、軸線が前記非磁性金属の表面に沿う方向に延在する円筒状の一様型コイルであることを特徴とする、請求項５記載の非磁性金属の肉厚測定装置。
7. 前記非磁性金属の延在方向への前記測定プローブの移動距離を測定する移動距離測定手段と、
   前記非磁性金属の肉厚と前記測定プローブの移動距離とを関連付けて記録する記録手段と、
   をさらに具えることを特徴とする、請求項５または６記載の非磁性金属の肉厚測定装置。
8. 前記非磁性金属の延在方向へ前記測定プローブを移動させる測定プローブ移動手段をさらに具えることを特徴とする、請求項７記載の非磁性金属の肉厚測定装置。
9. 前記磁性金属は、管もしくは平板を形成しているものであることを特徴とする、請求項５から８までの何れか１項記載の非磁性金属の肉厚測定装置。

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