JPH05196513A - 磁歪センサを用いる応力測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁歪感度が不明な鋼管でも、現場で応力測定
を容易に行えるようにする。 【構成】 各配管の鋼管１１は、天井からブラケット１
２によって支持される。ブラケット１２の近傍に歪ゲー
ジ１３，１４を貼付け、磁歪センサ１５を取付ける。Ｕ
ボルト１８によって鋼管１１を曲げ変形させると、歪ゲ
ージ１３，１４からは鋼管１１の歪が得られ、磁歪セン
サ１５からは透磁率の変化に対応する電気的出力が得ら
れる。歪の値を応力値に換算すると、磁歪センサ１５の
出力電圧と応力との比例定数である磁歪感度Ｍが得られ
る。得られた磁歪感度Ｍを用いると、磁歪センサ１５の
出力電圧から未知の応力σを求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス管などの鋼管の応
力を磁歪センサを用いて測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスの配管系などに用いられている鋼管
は、長い年月にわたって土壌中に埋設されて用いられ
る。地盤沈下や地表を走行する車両などからの荷重によ
って、鋼管には曲げ応力が発生する。大きな曲げ応力が
発生した状態が継続されると、鋼管は応力腐食割れなど
によって破損するおそれがある。鋼管の破損を予防する
健康診断のためには、鋼管に作用している曲げ応力を測
定する必要がある。

【０００３】一般的に応力を測定する方法としては、被
検査物体の表面に歪ゲージを貼付け、歪を検出して応力
に換算する方法がある。しかしながら、応力を検出する
部分に予め歪ゲージを貼付けておく必要があり、しかも
歪ゲージの寿命は３年程度と比較的短い。このため、歪
ゲージを用いる方法では、長期間にわたって信頼性の高
い測定値を得ることができない。

【０００４】応力を測定する他の方法として、Ｘ線装置
を用いる方法がある。応力が発生すると、鋼管の結晶格
子が歪み、この結晶格子によって回折されるＸ線の角度
が変化する。しかしながらＸ線装置を用いる方法では、
装置が大形化し、求められる応力値の精度が不良であ
る。

【０００５】鋼管の敷設されている現場で容易に応力を
測定することができる方法として、磁歪応力測定法が知
られている。この方法は、鋼管の透磁率の変化が応力に
比例するという原理を利用する。すなわち、鋼管が磁化
された程度を検出コイルで電圧値として取出し、この値
が応力値と比例することから応力を測定する。この比例
定数を磁歪感度と呼び、磁歪応力測定法では非常に重要
なパラメータである。磁歪応力測定法によれば、次の数
１の式に従って曲げ応力σが求められる。

【０００６】

【数１】σ＝Ｍ・Ｖ ここで、Ｖは磁歪出力電圧であり、Ｍは磁歪感度であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】磁歪応力測定法におい
ては、上述のように、磁歪感度Ｍが重要である。磁歪感
度Ｍは鋼管の材質や製造法によって固有の値を示す。し
たがって、磁歪応力測定の対象となる鋼管については、
測定前に実際の鋼管を用いて曲げ試験を行い、歪ゲージ
によって求める応力値を用いて磁歪出力電圧値から磁歪
感度を設定する必要がある。

【０００８】図８は、磁歪感度を設定する方法を示す。
応力測定を所望する鋼管と同一の材料および製造法によ
る鋼管１を架台２の間に置き、歪ゲージ３，４と磁歪セ
ンサ５とを接近させて取付ける。歪ゲージ３，４および
磁歪センサ５の両側に荷重６，７を加えると、鋼管１は
曲げ応力を受ける。歪ゲージ３，４は、相互に９０度の
角度をなすように貼付けられる。荷重を変えて鋼管１の
歪εを求め、次の数２の式に従って応力σを求める。

【０００９】

【数２】σ＝ε・Ｅ ここでＥは鋼管１の縦弾性係数である。縦弾性係数Ｅの
値は、鉄についての値でほぼ一定である。このようにし
て求められる応力σの値と磁歪出力電圧値Ｖとの関係か
ら、磁歪感度Ｍが求められる。

【００１０】実際問題として、応力測定の対象となる鋼
管は、既設の古い鋼管である場合が大半であり、図８の
ようにして磁歪感度Ｍを求めることができず、磁歪感度
Ｍが不明の場合が多い。このため、鋼管が敷設されてい
る現場で応力値を即座に知りたい場合にも、磁歪応力測
定法を用いることができず、鋼管の健全性を診断するこ
とが困難である。

【００１１】本発明の目的は、磁歪感度が不明な被検査
物体であっても、現場で簡易に磁歪感度を求めて応力測
定が可能な磁歪センサを用いる応力測定方法を提供する
ことである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、被検査物体の
表面に歪ゲージを固定し、かつその近傍に材料の透磁率
に対応した電気的出力を導出する磁歪センサを設け、被
検査物体に加える力を変化させて、歪ゲージの出力を応
力に換算し、応力変化に対する磁歪センサの出力の傾き
から比例定数としての磁歪感度を求め、求められた磁歪
感度の値を用いて、磁歪センサの出力から被検査物体に
作用する応力を測定することを特徴とする磁歪センサを
用いる応力測定方法である。

【００１３】

【作用】本発明に従えば、被検査物体の表面には歪ゲー
ジが固定され、かつその近傍には磁歪センサが設けられ
る。歪ゲージは、被検査物体表面の歪に対応する電気的
出力を導出し、磁歪センサは材料の透磁率に対応した電
気的出力を導出する。被検査物体に加える力を変化させ
ると、被検査物体に作用する応力が変化する。被検査物
体は、応力に対応した歪変形を行う。したがって、歪ゲ
ージの出力を応力に換算すると、加える力の変化に対応
する応力の変化が求められる。このときの磁歪センサの
出力の傾きから比例定数としての磁歪感度が求められ
る。

【００１４】磁歪感度が求められると、任意の荷重に対
して、磁歪センサの出力を応力に対応させて応力測定を
行うことができる。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の一実施例による磁歪センサ
を用いる応力測定方法を示す。図１（１）は、天井１０
に鋼管１１が吊下げられる架空配管系を示す。鋼管１１
はブラケット１２によって天井から吊下げられる。ブラ
ケット１２から数ｃｍだけ離隔した近傍に歪ゲージ１
３，１４を貼付ける。歪ゲージ１３，１４は、鋼管１１
の曲げ応力が測定可能な方向に、かつ相互に直角となる
ように貼付ける。この２つの歪ゲージ１３，１４は、ホ
イートストンブリッジの２辺を構成するように電気的に
接続され、２軸応力状態での応力測定が可能なように零
点調整が行われる。

【００１６】ブラケット１２によって支持される鋼管１
１の上部には、磁歪センサ１５を取付ける。ブラケット
１２に関して歪ゲージ１３，１４の反対側には、柱１６
などに支持部材１７を設け、Ｕボルト１８で鋼管１１を
曲げられるようにする。

【００１７】Ｕボルト１８を締付けて鋼管１１を曲げる
と、ブラケット１５付近の鋼管１１には大きな応力が発
生する。歪ゲージ１３，１４については零点調整を行っ
ているので、Ｕボルト１８によって荷重を加えると、歪
から曲げ応力を求めることができる。曲げ応力が加えら
れる時の磁歪センサの出力をＶ１とし、Ｕボルト１８を
緩めて曲げ応力を解放した後の出力をＶ２とすると、磁
歪感度Ｍは次の数３の式によって求められる。

【００１８】

【数３】Ｍ＝│σ│／│Ｖ２−Ｖ１│ ここでσは、歪ゲージ１３，１４から求められる曲げ応
力である。曲げ応力σと、磁歪センサ１５からの出力の
電位差との比が磁歪感度Ｍとして求められる。Ｕボルト
１８による荷重とその解放とは、曲げ応力として逆方向
になるので、残留応力の影響を打消すことができる。

【００１９】図２、図３および図４は、磁歪センサ１５
によって応力測定が可能な原理を示す。図２は磁歪セン
サ１５の基本的構成を示す。磁歪センサ１５は電磁石２
１と検出コイル２２によって構成される。電磁石２１に
は、コイルＬ１およびＬ２が巻回され、検出コイル２２
には、コイルＬ３およびＬ４が巻回される。コイルＬ１
およびＬ２を交流で駆動すると、検出コイル２２のコイ
ルＬ３，Ｌ４には応力状態に対応する出力が得られる。

【００２０】図３は応力が発生していない状態の鋼板２
３について検出コイル２２から出力が得られない理由を
示す。図３（１）に示すように鋼板２３に力が加えられ
ていないと、図３（２）に示すように、鋼板２３のｘ方
向およびｙ方向の透磁率μｘ，μｙは等しい。各コイル
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の先端が鋼板２３上に接する点
の１つと、隣接する接触点との距離が等しいときは、接
触点相互間の磁気抵抗は等しい。このため、たとえばＬ
１のコイルから発生される磁束は、コイルＬ３およびコ
イルＬ４に等しく到達する。このため、検出コイル２２
に誘導される電圧は打消され、出力電圧は発生しない。

【００２１】図４は、鋼板２３にたとえばｙ方向の引張
荷重が加えられている状態を示す。図４（１）に示すよ
うに各コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を接触させると、
図４（２）に示すように、ｙ方向の透磁率μｙがｘ方向
の透磁率μｘよりも大きいので、ｙ方向では磁気抵抗が
小さく、ｘ方向では磁気抵抗が大きくなる。このため、
コイルＬ１から発生される磁束は、コイルＬ３に流れる
量がコイルＬ４に流れる量よりも大きくなる。検出コイ
ル２２には、コイルＬ３からコイルＬ４の方向に磁束が
流れ、誘導電圧が発生する。電磁石２１を励磁する交流
電圧の極性が変わり、コイルＬ２から磁束が流出すると
きは、コイルＬ４へ多く流出する。このため検出コイル
２２ではコイルＬ４からコイルＬ３の方向に磁束が流れ
る。

【００２２】図５は、歪ゲージ１３，１４の出力から求
められる応力σと、磁歪センサ１５からの出力電圧Ｖと
の関係を示す。図１図示のＵボルト１８を調整して、た
とえば２点でσとＶとの関係を求めることができれば、
２点間を結ぶ直線の傾きの逆数として磁歪感度Ｍを求め
ることができる。歪ゲージ１３，１４から求められる歪
は、次の数４の式を用いて容易に応力値に換算すること
ができる。

【００２３】

【数４】σ＝ε・Ｅ この数４の式は、前述の数２の式と同一であり、εは歪
の値、Ｅは縦弾性率を示す。鋼管の場合、縦弾性率は
２．１×１０⁶ｋｇｆ／ｃｍ²（２１０ＧＰａ）であり、
鋼であるならばほぼ一定で鋼管の材質や製造方法によっ
ては変化しない。したがって、鋼管が継目なしのシーム
レス管であっても、継目ありのシーム管であってもほぼ
同一である。このようにして求められる応力σの値を用
いて、前述の数３の式により磁歪感度Ｍを設定すれば、
次の数５の式によって磁歪センサからの出力電圧Ｖから
未知の応力σを求めることができる。

【００２４】

【数５】σ＝Ｍ・Ｖ 本実施例によれば、図６に示すように材質や製造方法で
大きく変化する磁歪感度Ｍ１，Ｍ２を現場で容易に決定
することができ、決定された磁歪感度を用いて応力を容
易に測定することができる。

【００２５】図１図示の実施例においては、鋼管１１を
支えるブラケット１２とは別に、柱１６に支持部材１７
を取付け、Ｕボルト１８によって曲げ応力を加えたり解
放したりしているけれども、ブラケット１２と天井１０
との距離を変化させて、曲げ応力を加えたり応力解放を
行ったりしてもよいことは勿論である。

【００２６】図７は、本発明の他の実施例による応力測
定方法を示す。本実施例においては、鋼管１１は土壌３
０中に埋設される。土壌３０中の一部を掘出してたて穴
３１を形成し、鋼管１１の一部を露出させる。たて穴３
１の底には、ジャッキ３２を設置し、鋼管１１の下方か
ら荷重を加える。図７（１）から図７（２）に示す状態
で荷重を変化させ、鋼管１１に加える曲げ応力を変化さ
せると、歪ゲージと磁歪センサとの出力から、磁歪感度
を求めることができる。求められた磁歪感度によって、
鋼管１１に作用している曲げ応力を求めることができる
のは図１図示の実施例と同様である。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、磁歪感度
が不明な鋼管について現場で安易に磁歪感度を求めるこ
とができ、磁歪センサを用いず応力測定を容易に実施す
ることができる。このため、鋼管の材質や製造法が不明
な既設の古い鋼管であっても、現場で即座に応力値を知
ることができ、過大な曲げ応力が発生して危険な状態な
どを迅速に発見することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の応力測定方法を示す概略的
な斜視図である。

【図２】図１図示の磁歪センサ１５の概略的な斜視図で
ある。

【図３】磁歪センサによる応力測定状態を示す平面図お
よびグラフである。

【図４】磁歪センサによる応力測定状態を示す平面図お
よびグラフである。

【図５】曲げ応力と磁歪センサ出力との関係を示すグラ
フである。

【図６】曲げ応力と磁歪センサ出力との関係を示すグラ
フである。

【図７】本発明の他の実施例の応力測定方法を示す概略
的な断面図である。

【図８】従来からの磁歪感度の決定法を示す概略的な側
面図である。

【符号の説明】

１０ 天井 １１ 鋼管 １２ ブラケット １３，１４ 歪ゲージ １５ 磁歪センサ １８ Ｕボルト ２１ 電磁石 ２２ 検出コイル ２３ 鋼板 ３０ 土壌 ３１ たて穴 ３２ ジャッキ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 境 禎明 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 塩川 征夫 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査物体の表面に歪ゲージを固定し、
   かつその近傍に材料の透磁率に対応した電気的出力を導
   出する磁歪センサを設け、 被検査物体に加える力を変化させて、歪ゲージの出力を
   応力に換算し、応力変化に対する磁歪センサの出力の傾
   きから比例定数としての磁歪感度を求め、 求められた磁歪感度の値を用いて、磁歪センサの出力か
   ら被検査物体に作用する応力を測定することを特徴とす
   る磁歪センサを用いる応力測定方法。