JPH09280969A - 管の曲げ応力測定方法及び管の曲げ応力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】音弾性効果を利用した管の曲げ応力測定を電磁
超音波で行うのための技術 【解決手段】管周方向に走査可能な電磁超音波ユニット
によって管軸方向に振動する第１横波と管周方向に振動
する第２横波を励起し、第１横波と第２横波の管体伝播
音速を共鳴法を利用して算出し、第１横波と第２横波の
管体伝播音速の差の管周方向全域にわたる分布から管に
かかる曲げ応力を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管の曲げ応力測定
に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材、又は鋼製構造物等の応力を非破壊
的に測定する方法として、Ｘ線や磁歪センサを用いたも
のがあるが、Ｘ線による測定方法は測定設備が大がかり
になるだけではなく、埋設管などに適用することは難し
いし、Ｘ線の取り扱いにも高い安全性が要求される。磁
歪センサによる測定方法では前述したＸ線のもつ欠点を
ある程度解消できるが磁歪効果を利用している以上、肝
心の測定感度が低いことと、感度不足にも影響されて十
分な測定精度が得られないという欠点をもつ。さらに、
埋設管の内部から測定を行わなければならないといった
悪条件下での測定に適用することは困難である。

【０００３】比較的新しい応力の非破壊測定法として音
弾性を利用するものがある。この方法は、例えば日本機
械学会論文集（Ａ編）49巻440 号（昭58-4）”音弾性に
よる応力解析”福岡秀和、から知られているように、応
力によって力学的に異方性となった弾性体が超音波に対
して複屈折性を示すこと、つまり主応力方向に偏った２
つのせん断波の速度差が主応力差に比例することを利用
するのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】音弾性効果を利用する
場合、高精度の音速測定、ないしは被測定体の厚さが既
知の場合その厚さ測定が必須条件となるため、それらの
高精度な測定が困難となる管体、特に埋設管などが被測
定体である場合、有力な音弾性効果を利用した具体的な
応力測定技術が実現されていなかった。本発明の目的
は、管を測定対象とするが、場合によっては埋設管の管
内からの測定も可能とする音弾性効果を利用した曲げ応
力測定方法及びその方法を実施する装置を提供すること
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明による管の曲げ応力測定方法では、管周方向
に走査可能な電磁超音波ユニットによって管径方向に伝
播するように励起された超音波を用いて管体伝播音速を
管周方向全域にわたって測定し、管周方向に関して分布
する音速値に基づいて管にかかる曲げ応力を音弾性に基
づいて評価する。この方法では、電磁超音波ユニットは
ローレンツ力を用いて管内に超音波を励起するので、管
表面と非接触状態で超音波の励起と受信を行うことがで
き、管周方向に走査しながら音速測定を行う場合でもそ
の測定結果は管表面の状態にはほとんど影響を受けな
い。音速は超音波の伝播距離をその伝播時間で割ること
で得られるが、伝播距離つまり管厚が一定であると仮定
すると音速は伝播時間の関数とみなされるので、音速測
定を伝播時間測定で置き換えても本発明の技術的思想は
何ら変わるものではない。この事実から、本明細書で
は、音速測定と伝播時間測定は同一に解釈されるべきで
ある。つまり、被測定物における超音波の伝播距離が一
定の場合は伝播時間の変化（音速値の変化に対応する）
が管周方向に関してどのように分布しているかにより管
にかかる曲げ応力を評価し、被測定物における超音波の
伝播距離が一定でない場合は予め伝播距離を求めてお
き、音速を算定し、その音速値の変化の分布により管に
かかる曲げ応力を評価する。超音波の伝播時間測定（結
果的には音速測定）に関して、本発明の好適な実施形態
として、超音波共鳴法を採用することにより、より十分
な感度をもって高精度の測定が可能となる。超音波共鳴
法自体は古くからよく知られた技法であるが、これがも
つ共鳴による振幅強度の増幅作用が、非接触法であるが
感度に関して難点のある電磁超音波の欠点を補ってお
り、コンパクトな電磁超音波ユニットが要求される管内
側からの測定にも貢献している。

【０００６】音弾性を利用するため必要とされる２つの
互いに異なる振動方向をもつ超音波として、本発明の好
適な実施形態では、電磁超音波ユニットは管軸方向に振
動する第１横波と管周方向に振動する第２横波を励起
し、前記第１横波と前記第２横波の管体伝播音速の差の
管周方向全域にわたる分布から管にかかる曲げ応力を評
価する。電磁超音波は、ローレンツ力を用いて超音波を
励起しているので、電磁超音波ユニットの磁界の方向と
コイルを流れる電流の方向を適切に選択することにより
簡単に管径方向に伝播する横波を励起することが可能で
ある。さらに、例えば、横波の励起軸心周りで９０度励
起方向を変えることにより、互いに振動方向が９０度異
なる第１横波と第２横波を励起することができる。第１
横波と第２横波の管体伝播音速の差から曲げ応力を評価
する際、本発明の好適な実施形態では、第１横波と第２
横波の管体伝播音速の差を第１横波と第２横波の平均の
管体伝播音速で割ることにより、いわゆる正規化を行
い、音弾性以外の要因から生じる第１横波と第２横波の
管体伝播音速の差の変動の影響をできるだけ抑えてい
る。

【０００７】上述した管の曲げ応力測定方法を実施する
本発明による管の曲げ応力測定装置は、管径方向に伝播
する超音波を励起するとともに管周方向に走査可能な電
磁超音波ユニットと、前記励起された超音波の管体伝播
音速を測定する測定ユニットと、前記測定された管体伝
播音速の管周方向に関して分布する音速値に基づいて管
にかかる曲げ応力を音弾性に基づいて評価する評価ユニ
ットとを備えている。この構成によれば、電磁超音波ユ
ニットは、非接触で管径方向に伝播する超音波を励起
し、その管体伝播音速（所定の管厚を伝播する超音波の
伝播時間）を測定しながら、管周方向に走査すること
で、音弾性に基づく曲げ応力評価に必要な一周分のデー
タを獲得することができる。

【０００８】本発明の好適な実施形態では、測定精度及
び測定感度に関して利点のある超音波共鳴法を採用する
ため、測定ユニットは、それ自体は公知であるが、超音
波共鳴法で動作する測定デバイス、例えば周波数掃引可
能な高周波発信器などを備えている。音弾性を利用する
ため管軸方向に振動する第１横波と管周方向に振動する
第２横波を作り出すための本発明による好適な実施形態
の１つとして、管径方向に伝播する横波を励起する電磁
超音波プローブを備え、この電磁超音波プローブをいわ
ゆる入射軸周りに適切に回転させて、所望の方向に振動
する第１と第２の横波を作り出すことが提案される。こ
の場合、単一の電磁超音波プローブで曲げ応力測定が可
能となる。

【０００９】さらに別な実施形態の１つとしては、第１
横波を励起する第１電磁超音波プローブと第２横波を励
起する第２電磁超音波プローブをそれぞれ備えることが
提案され、この構成は、第１横波の励起と第２横波の励
起のための電磁超音波プローブの方向切換操作を省き、
より高速な測定に貢献する。電磁超音波による１周にわ
たる周方向の走査を実現するための本発明の好適な実施
形態として、電磁超音波プローブを含む電磁超音波ユニ
ットを周方向に沿って走行可能な管内走行台車に搭載す
ることが提案される。これにより、埋設管の内部から自
動的にその管の曲げ応力を測定することが可能となる。
本発明のその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実
施の形態の説明により明らかになるだろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１と図２は本発明による探管検
査方法を実施する管内検査装置の構成要素である管内走
行台車１０の側面図であり、図１では管内を軸方向に走
行する状態が示されており、図２では管内を周方向に走
行する状態が示されている。軸方向に延びている車体１
１の前側領域には前輪１２が、後ろ側領域には後輪１３
が配置されている。前輪１２を駆動するために前輪駆動
機構１４が設けられているが、この前輪駆動機構１４は
前輪走行用モータ１４ａとこの前輪走行用モータ１４ａ
からの動力を前輪１２に伝達する伝動機構１４ｂから構
成されている。同様に後輪１３を駆動するためにギヤ式
の後輪駆動機構１５が設けられているが、この後輪駆動
機構１５は後輪走行用モータ１５ａとこの後輪走行用モ
ータ１５ｂからの動力を後輪１３に伝達するギヤ式の伝
動機構１５ｂから構成されている。

【００１１】図２に示すように、前輪駆動機構１４は前
輪１２とともに台車上下方向の軸Ｙ周りで回転可能であ
り、この目的のために前輪操舵機構１６が備えられてい
る。同様に、後輪１３も後輪操舵機構１７によって台車
上下方向の軸Ｙ周りで回転可能である。前輪・後輪操舵
機構１６と１７は、それぞれ操舵モータ１６ａと１７ａ
及びウオームギヤを含むギヤ伝動機構１６ｂと１７ｂと
から構成されている。前輪１２は、車軸１２ａとこの車
軸の両端に取り付けられた一対の鋼製輪体１２ｂとから
なり、車軸１２ａを磁石で構成することで、輪体１２ｂ
は鉄管や鋼管の内周面に磁気吸着する。後輪１３も同様
に磁石である車軸１３ａと鋼製輪体１３ｂとからなる。
このことにより、この管内走行台車１０は傾斜した管内
や管内を周方向に一周することも可能である。さらにこ
の管内走行台車１０には、走行に関する各種のデータを
検出するために、例えば、前輪操舵角センサー１８ａ、
後輪操舵角センサー１８ｂ、駆動速度を検出する走行速
度センサー１８ｃ、重力方向に対する姿勢を検出するロ
ーリングセンサー１８ｄなどのセンサー群１８が設けら
れている。

【００１２】前輪１２と後輪１３の間の空間に電磁超音
波プローブ２０が車体１１から吊り下げられている。電
磁超音波プローブ２０はモータ２１によって縦軸芯Ｐ周
りで揺動可能である。この電磁超音波プローブ２０は管
径方向に伝播する横波を励起することができるように構
成されているが、その原理を図３に示された模式図を使
って以下に簡単に説明する；電磁超音波プローブ２０に
はコイル２３と、このコイル２３上に直立した２つの磁
石２４が備えられている。一方の磁石２４は下側がＮ極
で上側がＳ極になるように、そして他方の磁石２４は下
側がＮ極で上側がＳ極になるように配置されている。こ
のような磁石２４の配置により、管内走行台車１０が管
内走行する際管２にはその管面からほぼ垂直に入り込む
とともに管面にほぼ垂直に出ていく磁界２５が生じる。
図３に示す電磁超音波プローブ２０の設定位置で、コイ
ル２３に高周波電流を流すと渦電流２６が管周方向（図
面鉛直方向）に流れ、管軸方向（図面左右方向）にロー
レンツ力２７が発生することで、管軸方向に振動すると
ともに管径方向に伝播する横波超音波が励起されるが、
この横波超音波をここでは第１横波と称する。管表面で
反射して戻ってきた超音波の検出には、逆のプロセスを
経てコイル２３に生じる誘起電圧が利用される。電磁超
音波プローブ２０を図３に示す設定位置から軸芯Ｐ周り
で９０度揺動させた状態でコイル２３に高周波電流を流
すと渦電流が管軸方向に流れ、管周方向にローレンツ力
が発生することで、今度は管周方向に振動するとともに
管径方向に伝播する横波超音波が励起されるが、この横
波超音波をここでは第２横波と称する。なお、電磁超音
波における横波励起のための方法や構造に関しては、事
情に応じて適切なものを選択すればよく、本発明はその
方法や構造を限定するものではない。

【００１３】音弾性に基づく応力測定は、前述した文献
に詳しく述べられているので、以下に、管に働く曲げ応
力の音弾性に基づく測定の原理を簡単に説明する。図４
に示すように、曲げ応力が発生している管２から微小部
分２ａを取り出して考察する。図中、σ1 は管軸方向の
応力、σ2 は管周方向の応力を示す。ここで、主応力方
向に偏った２つのせん断波の速度差が主応力差に比例す
るという音弾性理論に基づいて、複屈折量：Ｂを以下の
ように定義する； Ｂ：＝（Ｖ1 −Ｖ2 ）／｛（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）＊１／２｝ ＝Ｂ0 ＋ＣA （σ1 −σ2 ） 但し、Ｂ0 及びＣA は材料によって決まる定数、 Ｖ1 は管軸方向に振動する第１横波の被測定管内での音
速 Ｖ2 は管周方向に振動する第２横波の被測定管内での音
速 ｛（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）＊１／２｝の項は、第１横波と第２横
波の音速差のデータを正規化するためのものである。な
お、被測定管として、地中に埋設されたガス管等を対象
とすると、発生する応力は道路の不等沈下等による曲げ
応力が支配的であり、その場合はσ2 ＝０とみなすこと
ができる。その場合、複屈折量：Ｂは以下のようにな
る； Ｂ：＝（Ｖ1 −Ｖ2 ）／｛（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）＊１／２｝ ＝Ｂ0 ＋ＣA ＊σ1 このことから、管の周方向１周（０＜＝θ：中心角＜＝
２π）にわたって、第１横波と第２横波の音速を測定す
ることで、管の所定断面における曲げ応力の分布状況を
評価することができる。前述したように、管径方向に伝
播する超音波の音速の測定は、超音波の伝播時間測定で
置き換えることができる。以下、そのような仮定のもと
に、音速測定を伝播時間測定として説明する。伝播時間
測定において、電磁超音波では反射法より、共鳴法の方
が大きな検出感度が得られるので効果的である。この共
鳴法では、コイル２３に流す高周波電流の周波数を掃引
しつつ、この誘起電圧が最大となる周波数を検出する。
管厚が既知の場合、厚み共鳴する共鳴周波数を測定すれ
ば、伝播時間を正確に把握することができる。振動方向
における応力の発生により、伝播時間が変化するなら
ば、共鳴周波数も変化する。

【００１４】本発明を適用した応力測定システム全体の
制御ブロック図が図５に示されている。このシステムの
中核を構成する端末マイコン１００は、管内走行台車１
に設けられた各種センサーからなるセンサー群１８から
の信号を受け取り、前輪１２と後輪１３の駆動のための
走行用モータ１４ａと１５ａにドライバー１０１を介し
て動作信号を出力するとともに、前輪１２と後輪１３の
操舵のための操舵用モータ１６ａと１７ａにドライバー
１０２を介して動作信号を出力する。さらに端末マイコ
ン１００は、電磁超音波プローブ２０を揺動操作するモ
ータ２１をドライバー３１を介して制御し、かつ電磁超
音波プローブ２０を動作させるため、ドライバー３２を
介して動作信号を可変周波数型高周波発信器（ＲＦ発信
器）３３に送り、高周波発信器３３で生成された所定の
周波数の高周波が増幅器３４を通って電磁超音波プロー
ブ２０のコイル２２に供給され、管体中に超音波を励起
する。所定の伝播経路を経て戻ってきた超音波はコイル
２２によって検出され、この検出信号は増幅器４１、バ
ンドパスフィルタ（Ｂ. Ｐ. Ｆ）４２、さらにＡ／Ｄ変
換器を経て端末マイコン１００に送られる。

【００１５】端末マイコン１００には、基本的にはプロ
グラムによって作り出される３つの主要な機能を果たす
手段、つまり管内走行台車を図１で示すように軸方向に
走行させる軸方向走行モードと図２で示すように径方向
に走行させる径方向走行モードとを切り換える走行モー
ド切換手段１９と、先に詳しく説明した第１横波と第２
横波とを選択的に励起させるためモータ２１を制御する
第１・第２横波切換手段３０と、検出された信号を超音
波共鳴法用いて処理することにより複屈折値：Ｂを算出
して管の曲げ応力を評価する応力評価手段４０が備えら
れている。このことから、この実施形態では、いわゆる
電磁超音波ユニットは、超音波プローブ２０、超音波プ
ローブ２０と端末マイコン１００の間の信号線に介装さ
れた各種デバイス、及び第１・第２横波切換手段３０と
応力評価手段４０から構成されている。端末マイコン１
００は、光ファイバー１５０などの通信ケーブルや無線
により相互コミュニケーション可能にホストマイコン２
００と連結されている。このホストマイコン２００は、
通常地上の配置されており、端末マイコン１００から送
られてきたデータの処理及び管理を行う。この目的のた
め、ホストマイコン２００には、測定データ等の表示の
ためのモニター２０１、検査データ等の管理・格納のた
めの外部記憶装置２０２、検査データ等のハードコピー
のためのプリンター２０３、及び管内検査装置の操作等
のためのキーボード２０４が接続されている。実際の測
定にあたっては、管内走行台車１０は、被測定管内を管
軸方向にも管周方向にも走行可能であるので、まず所望
の測定箇所まで管軸方向走行し、その後第１横波と第２
横波を交互に励起しながら、管周方向に一周走行して、
データを収集する。もちろん、第１横波を励起しながら
管周方向に一周走行し、さらに第２横波を励起しながら
管周方向に一周走行してもよい。得られたデータから、
測定断面における複屈折値：Ｂの分布を演算する。図６
は管の曲げ実験から得られた複屈折値：Ｂの分布を示す
グラフである。これから明らかなように、複屈折値：Ｂ
の分布は余弦関数（頂上位置を中心角：θ＝０とした場
合）によくフィットしており、複屈折値：Ｂの分布を近
似するように求められた余弦関数（中心角の取り方によ
っては正弦関数）から管に生じている曲げ応力の状態を
理解することができる。別に実験的に求められたＢ0 と
ＣAの値を利用すると、この余弦関数に基づいてこの管
に生じた最大応力は１７７ＭＰａと評価されたが、ひず
みゲージを用いて測定した値は１８８ＭＰａであり、満
足できる結果が得られている。

【００１６】上記実施の形態では、１つの電磁超音波プ
ローブ２０の方向を変えることによって、第１横波と第
２横波の音速データを収集しているが、これに代え、第
１横波専用の電磁超音波プローブと第２横波専用のもう
１つの電磁超音波プローブを備える構成を採用しても良
い。この場合、第１・第２横波切換手段は、動作させる
電磁超音波プローブを切り換える働きをするように構成
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】管体軸方向走行姿勢における管内走行台車の部
分断面側面図

【図２】管体周方向走行姿勢における管内走行台車の部
分断面側面図

【図３】電磁超音波プローブの原理を説明する模式図

【図４】管の微小部分に生じた主方向応力と横波の伝播
方向を示す説明図

【図５】応力測定システムのブロック図

【図６】実験的に求めた複屈折値の分布を示す分布グラ
フ

【符号の説明】

１０ 管内走行台車 ２０ 電磁超音波プローブ １９ 走行モード切換手段 ３０ 第１・第２横波切換手段 ４０ 応力評価手段

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管周方向に走査可能な電磁超音波ユニット
   によって管径方向に伝播するように励起された超音波を
   用いて管体伝播音速を管周方向全域にわたって測定し、
   管周方向に関して分布する音速値に基づいて管にかかる
   曲げ応力を音弾性に基づいて評価する管の曲げ応力測定
   方法。
2. 【請求項２】前記管体伝播音速の測定が超音波共鳴法に
   よって行われる請求項１に記載の管の曲げ応力測定方
   法。
3. 【請求項３】前記電磁超音波ユニットは管軸方向に振動
   する第１横波と管周方向に振動する第２横波を励起し、
   前記第１横波と前記第２横波の管体伝播音速の差の管周
   方向全域にわたる分布から管にかかる曲げ応力を評価す
   る請求項２に記載の管の曲げ応力測定方法。
4. 【請求項４】測定された前記第１横波と前記第２横波の
   管体伝播音速の差のデータは前記第１横波と前記第２横
   波の平均管体伝播音速によって正規化される請求項３に
   記載の管の曲げ応力測定方法。
5. 【請求項５】管径方向に伝播する超音波を励起するとと
   もに管周方向に走査可能な電磁超音波ユニットと、 前記励起された超音波の管体伝播音速を測定する測定ユ
   ニットと、 前記測定された管体伝播音速の管周方向に関して分布す
   る音速値に基づいて管にかかる曲げ応力を音弾性に基づ
   いて評価する評価ユニットと、を備えている管の曲げ応
   力測定装置。
6. 【請求項６】前記測定ユニットは超音波共鳴法によって
   前記管体伝播音速もしくは前記管体伝播音速に対応する
   測定値を求める請求項５に記載の管の曲げ応力測定装
   置。
7. 【請求項７】前記電磁超音波ユニットは所定方向に振動
   する横波を励起する電磁超音波プローブを備えており、
   前記電磁超音波プローブの方向を選択することにより管
   軸方向に振動する第１横波と管周方向に振動する第２横
   波のいずれかを励起することが可能である請求項５又は
   ６に記載の管の曲げ応力測定装置。
8. 【請求項８】前記電磁超音波ユニットは管軸方向に振動
   する第１横波を励起する第１電磁超音波プローブと、管
   周方向に振動する第２横波を励起する第２電磁超音波プ
   ローブとを備えている請求項５又は６に記載の管の曲げ
   応力測定装置。
9. 【請求項９】前記電磁超音波ユニットは管体内を少なく
   とも周方向に沿って走行可能な管内走行台車に搭載され
   ている請求項５〜８のいずれか１項に記載の管の曲げ応
   力測定装置。