JPH1130554A - 鋼管の応力の測定方法 - Google Patents

鋼管の応力の測定方法

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JPH1130554A
JPH1130554A JP18811597A JP18811597A JPH1130554A JP H1130554 A JPH1130554 A JP H1130554A JP 18811597 A JP18811597 A JP 18811597A JP 18811597 A JP18811597 A JP 18811597A JP H1130554 A JPH1130554 A JP H1130554A
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stress
steel pipe
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wound
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Sadaaki Sakai
禎明 境
Masao Ooka
優男 大岡
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ひずみゲージを用いて鋼管に負荷している応
力を測定する方法。 【解決手段】 励磁と検出のコイルを巻いたコの字型ヨ
ークを互いにヨーク鞍部中央で直交させ、被測定物を交
流励磁し検出コイルに誘起される起電力から被測定物に
作用する応力を求める磁歪センサーを用い、磁歪センサ
ーを励磁ヨークの開口端と検出ヨークの開口端を結んだ
互いに平行な2 組の直線のうち1 組の直線が鋼管軸と平
行になるようにし、鋼管外面上を周方向に走査し、検出
コイルに誘起される起電力波形を式(1) で表してパラメ
ータC を求め、C の位置にひずみゲージを取付け、応力
解放によって応力を求める方法など。V=A+B ・COS(θ-
C) ・・(1) 、V は起電力、θは鋼管の周方向に磁歪セ
ンサーを走査したときの基準点となす角、A 、B 、C は
パラメータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種プラントで使
用される鋼管や石油、水道、都市ガスなどの配管用鋼管
に負荷している応力を測定する方法、特に、磁歪効果に
よって生じる磁気異方性を利用して応力を測定する磁歪
センサーとひずみゲージを併用し、応力解放して、すな
わち試料を破壊して行う方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、各種プラントで使用される鋼管
や石油、水道、都市ガスなどの配管用鋼管を新設する時
は、鋼管に過大な応力が負荷されないように施工上の配
慮がなされている。
【0003】しかしながら、施工後に地盤沈下などの地
盤変動やその他の外的要因によって鋼管に曲げモーメン
トなどが作用し過大な応力が負荷される場合がしばしば
起こる。過大な応力が負荷された鋼管をそのまま放置す
ると設備保全上や安全上の観点から問題となるため、通
常は鋼管を切断し負荷応力を解放してから再度接続し直
す「応力解放」の処置が取られる。
【0004】この「応力解放」時に鋼管に負荷している
応力、特に最大応力や曲げ応力の大きさを知ることは、
その後に行う「応力解放」の頻度や間隔などの設備保全
の方針を決定する上で極めて重要である。そこで、通常
は「応力解放」直前にひずみゲージを取付け、「応力解
放」前後のひずみ量を測定して鋼管に負荷していた応力
を求めている。
【0005】図4に、既設の鋼管に負荷している応力の
例を示す。図5に、既設の鋼管に負荷している曲げ応力
の管周方向の分布を示す。
【0006】図4に示すように、通常、既設の鋼管には
軸応力、ねじり応力、曲げ応力の三つの応力が負荷され
ている場合が多く、また、曲げ応力は管周方向で図5に
示すような分布を有するため、最大応力や曲げ応力を求
めるには3つの連立方程式を解く必要がある。したがっ
て、ひずみゲージを最低3個、通常は精度確保のため4
個取付ける必要がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、地中に
埋設された鋼管にひずみゲージを取付ける作業は非常に
繁雑で時間もかかるため、従来よりその簡素化が強く望
まれていた。
【0008】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、従来より少ない数のひずみゲージを用
い、応力解放により鋼管に負荷している最大応力や曲げ
応力を測定する方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題は、励磁用コイ
ルを巻いたコの字型のヨークと検出用コイルを巻いたコ
の字型のヨークが互いにヨーク鞍部の中央部で直交する
ように配置され、前記励磁用コイルに交流電流を流して
被測定物を励磁し、前記検出用コイルに誘起される起電
力を測定して前記被測定物に作用している応力を求める
磁歪センサーを用い、前記磁歪センサーを、前記励磁用
コイルを巻いたコの字型のヨークの開口端と前記検出用
コイルを巻いたコの字型のヨークの開口端を結んだ互い
に平行な2組の直線のうち1組の直線が鋼管の管軸と平
行になるように向けて、前記鋼管の外面上を前記鋼管の
周方向に走査して、前記検出用コイルに誘起される起電
力の波形を下記の式(1)で表してパラメータCを求
め、前記パラメータCの位置(管周方向で最大応力の得
られる位置)にひずみゲージを取付け、応力解放によっ
て応力を求める鋼管の応力の測定方法によって解決され
る。 V=A+B・COS(θ−C) ・・・(1) ここで、Vは前記検出用コイルに誘起される交流起電力
の整流値、θは前記鋼管の周方向に沿って前記磁歪セン
サーを走査したときの走査開始点となす角、COS(θ−
C) は余弦関数、A、B、Cはパラメータである。
【0010】以下に、本発明法を磁歪センサーの原理に
まで逆上って説明する。鉄鋼材料などの強磁性体に作用
している応力を測定する方法として、磁歪効果(狭義に
は逆磁歪効果)、すなわち応力によって磁気的性質が変
化する現象を利用した応力測定方法がある。なかでも、
磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用する応力測定
方法は、鋼構造物や機械部品に作用している応力を非破
壊で、しかも比較的簡便に測定できる方法として、特開
昭62ー121325号公報、実開平1ー135338
号公報、特開平7ー110270号公報あるいは文献1
〔境等:土木学会第50回年次学術講演会予稿集、P6
62〜663(1995.9)〕などに紹介されてい
る。
【0011】図6に、磁歪効果によって生じる磁気異方
性を利用する応力測定方法の一例を示す。
【0012】この方法では、励磁用コイルを巻いたコの
字型のヨーク11と検出用コイルを巻いたコの字型のヨ
ーク12と励磁のための交流電源13と被測定物20を
流れる磁束を検出すための電圧計14から構成され、ヨ
ーク11とヨーク12が互いにヨーク鞍部の中央部で直
交するように配置された磁歪センサー1を用い、次のよ
うな原理で応力が測定される。
【0013】いま、被測定物20のX軸方向に引張応力
σX が作用すると、磁性材料である被測定物20のX、
Y軸方向の透磁率μX 、μY には、磁歪効果により下記
の式(2)の関係、すなわち磁気異方性が生じる。 μX >μY ・・・(2)
【0014】このような状態にある被測定物20に磁歪
センサー1を接近させ、この磁歪センサー1のヨーク1
1に巻かれた励磁用コイルに交流電源13より交流電流
を流して被測定物20を励磁すると、ヨーク11の開口
端11aから出た磁束の大部分は直接ヨーク11の開口
端11bへ向かうが、被測定物20には引張応力σX
より式(2)のような磁気異方性が生じているため、磁
束の一部はヨーク12を経由してヨーク11の開口端1
1bへ流れる。そのため、ヨーク12に巻かれた検出用
コイルに取付けられた電圧計14には下記の式(3)に
示す波形の起電力Vが誘起される。 V=M0 ・(μX −μY )・COS[2・(θ−π/4)]・・・(3) ここで、Vは検出用コイルに誘起される交流起電力の整
流値、M0 は励磁条件、コイルの条件、被測定物20の
磁気的特性などにより定まる定数、COS[2・(θ−π/
4)]は余弦関数、θはヨーク12の開口端12aと12
bを結ぶ直線とX軸のなす角である。
【0015】透磁率の差(μX −μY )は応力の差(σ
X −σY )に比例するので、式(3)は下記の式(4)
のように書換えできる。 V=M・(σX −σY )・COS[2・(θ−π/4)]・・・(4) ここで、Mは励磁条件、コイルの条件、被測定物20の
磁気的特性などにより定まる定数である。
【0016】式(4)より、Vを測定することにより被
測定物20に作用している応力を求めることができる。
【0017】本発明法では、まず上記磁歪センサーを、
励磁用コイルを巻いたコの字型のヨークの開口端と検出
用コイルを巻いたコの字型のヨークの開口端を結んだ互
いに平行な2組の直線のうち1組の直線が鋼管の管軸と
平行になるように、すなわち管軸方向の応力に対して最
も感度の高くなる向きに設定する。その後、磁歪センサ
ーをその向きは固定させて鋼管の外面上を管周方向に走
査して、検出用コイルに誘起される起電力の波形を上記
の式(1)で表してパラメータCを求める。パラメータ
Cは管周方向における最大応力の得られる位置を表して
いるので、この位置にひずみゲージを取付ければ、応力
解放により最大応力を求めることができる。この場合
は、用いるひずみゲージの数は1個でよい。
【0018】また、管周方向の(C+180度)の位置
にもひずみゲージを取付ければ、応力を成分別に計算で
き、曲げ応力を求めることができる。この場合は、ひず
みゲージは2個必要である。
【0019】したがって、本発明法により使用するひず
みゲージの数を従来の4個から1〜2個へ大幅に低減で
きることになる。
【0020】なお、取付けるひずみゲージの向きについ
ては、求めるべき重要な応力は管軸方向の応力なので、
単軸のひずみゲージを管軸方向へ向けて取付ければよ
い。より詳細なデータを必要とするときは、2軸のひず
みゲージを用いれば管周方向の応力も求めることができ
る。
【0021】
【発明の実施の形態】図1に、本発明方法の実施の形態
を示すフロー図を示す。
【0022】最初に、鋼管の応力測定点上に磁歪センサ
ーを設置する(S1)。次に、磁歪センサーの向きを、
励磁用イルを巻いたコの字型のヨークの開口端と検出用
コイルを巻いたコの字型のヨークの開口端を結んだ互い
に平行な2組の直線のうち1組の直線が鋼管の管軸と平
行になるように、すなわち管軸方向の応力に対して最も
感度の高くなる向きに設定する(S2)。そして、磁歪
センサーをその向きは固定させて鋼管の外面上を管周方
向に走査して、検出用コイルに誘起される起電力Vを求
める(S3)。起電力Vの波形をV=A+B・COS(θ−
C) で表してパラメータCを求める(S4)。
【0023】図2に、起電力の測定結果の例を示す。パ
ラメータCが0.2rad、すなわち管周方向12度の
位置で起電力が最大となり、最大応力が得られることが
わかる。
【0024】図3に、曲げモーメントが作用してない場
合の起電力の測定結果の例を示す。曲げモーメントが作
用してないと起電力は管周方向に依存しないが、起電力
の絶対値から負荷している軸応力は求まる。
【0025】このように、パラメータCは管周方向にお
ける最大応力の得られる位置を表しているので、最大応
力を求める場合は管周方向のCの位置に、また最大応力
と曲げ応力を求める場合はCと(C+180度)の位置
に、ひずみゲージを取付け(S5)、応力解放によりひ
ずみゲージで測定されるひずみ変化量から応力が計算で
きる(S6)。
【0026】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、従来より少ない数のひずみゲージを用い、応
力解放により鋼管に負荷している最大応力や曲げ応力を
測定する方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法の実施の形態を示すフロー図であ
る。
【図2】起電力の測定結果の例を示す図である。
【図3】曲げモーメントが作用してない場合の起電力の
測定結果の例を示す図である。
【図4】既設の鋼管に負荷している応力の例を示す図で
ある。
【図5】既設の鋼管に負荷している曲げ応力の管周方向
の分布を示す図である。
【図6】磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用する
応力測定方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 磁歪センサー 11 励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク 11a ヨーク11の開口端 11b ヨーク11の開口端 12 検出用コイルを巻いたコの字型のヨーク 12a ヨーク12の開口端 12b ヨーク12の開口端 13 交流電源 14 電圧計 20 被測定物 30 磁束の流れる方向

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク
    と検出用コイルを巻いたコの字型のヨークが互いにヨー
    ク鞍部の中央部で直交するように配置され、前記励磁用
    コイルに交流電流を流して被測定物を励磁し、前記検出
    用コイルに誘起される起電力を測定して前記被測定物に
    作用している応力を求める磁歪センサーを用い、前記磁
    歪センサーを、前記励磁用コイルを巻いたコの字型のヨ
    ークの開口端と前記検出用コイルを巻いたコの字型のヨ
    ークの開口端を結んだ互いに平行な2組の直線のうち1
    組の直線が鋼管の管軸と平行になるように向けて、前記
    鋼管の外面上を前記鋼管の周方向に走査して、前記検出
    用コイルに誘起される起電力の波形を下記の式(1)で
    表してパラメータCを求め、前記パラメータCの位置
    (管周方向で最大応力の得られる位置)にひずみゲージ
    を取付け、応力解放によって応力を求める鋼管の応力の
    測定方法。 V=A+B・COS(θ−C) ・・・(1) ここで、Vは前記検出用コイルに誘起される交流起電力
    の整流値、θは前記鋼管の周方向に沿って前記磁歪セン
    サーを走査したときの走査開始点となす角、COS(θ−
    C) は余弦関数、A、B、Cはパラメータである。
  2. 【請求項2】 前記パラメータCおよび(C+180
    度)の位置にひずみゲージを取付ける請求項1に記載の
    鋼管の応力の測定方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6703635B2 (en) 2000-09-18 2004-03-09 Ntt Advanced Technology Corporation Method and apparatus for measuring the level of liquid using optical fiber strain gauge
JP2008169902A (ja) * 2007-01-11 2008-07-24 Tokyo Gas Co Ltd 埋設管の建設時管路線形計測装置、管路線形計測方法、プログラム、埋設管応力解放方法
JP2016540964A (ja) * 2013-10-15 2016-12-28 バイエルン エンジニアリング ゲーエムベーハー ウント コー カーゲー センサ信号から測定結果を取得する方法
CN114034415A (zh) * 2021-10-26 2022-02-11 成都飞机工业(集团)有限责任公司 一种应力检测方法

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