JPWO2020065875A1 - 渦電流を利用した材質異常部検知方法および材質異常部検知装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)被探傷材に効率良く渦電流を誘起するには、被探傷材に作用させる交流磁界を効率良く被探傷材に到達させる必要がある。
(2)検出することが必要なきずの最小寸法に応じて設計された渦流センサが、設計通りに渦流センサ直下に渦電流を誘起するには、渦流センサによって生成される交流磁界が広がりを持たずに被探傷材に入り、被探傷材内に生成される磁束の広がりが抑制されることが重要である。
すなわち、渦流探傷法できず検出感度を高めるには、渦流センサは可能な限り被探傷材に近づけ、被探傷材との距離変動の無い状態にすることが好ましい。
(1)本発明の一態様に係る材質異常部検知方法では、非磁性導電体である板材を準備する準備工程と;第1渦流センサを前記板材の一方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第1渦流センサ配置工程と;前記第1渦流センサに第1交流電流を通電させることにより、交流磁界を該一方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第1渦流センサ励起工程と;該渦電流によって生じる磁束を検出する第1渦流センサ検出工程と;第2渦流センサを前記板材の前記一方の面と反対側に位置する他方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第2渦流センサ配置工程と;前記第2渦流センサに第2交流電流を通電させることにより、交流磁界を該他方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第2渦流センサ励起工程と;該渦電流によって生じる磁束を検出する第2渦流センサ検出工程と;を有し、前記第1渦流センサ励起工程及び前記第2渦流センサ励起工程では、同一時点における、前記第1渦流センサが前記板材の前記一方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きと、前記第2渦流センサが前記板材の前記他方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きとが一致するように渦電流を誘起し、さらに、前記第1渦流センサ及び前記第2渦流センサを、前記板材を挟んで略同一直線上に配置する。
図1A及び図1Bは、本発明の一実施形態に係る材質異常部検知装置100の概略構成を示す図である。図1Aは、本実施形態に係る材質異常部検知装置100を板材Sの長手方向(X方向)から見た側面図である。図1Bは、本実施形態に係る材質異常部検知装置100を板材Sの幅方向(Y方向)から見た正面図である。図1Cは、材質異常部検知装置100が備える第1渦流センサ1が作用させる交流磁界(中心磁界H1)と、材質異常部検知装置100が備える第2渦流センサ2が作用させる交流磁界(中心磁界H2)との関係を模式的に示すグラフである。
図1A及び図1Bに示すように、本実施形態に係る材質異常部検知装置100は、第1渦流センサ1と、第2渦流センサ2とを備えている。また、本実施形態に係る材質異常部検知装置100は、第1交流電源3と、第2交流電源4とを備えている。
なお、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2が相互誘導方式の渦流センサである場合には、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2がそれぞれ具備する各励磁コイルの各中心軸が板材Sを挟んで略同一直線上に配置されると共に、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2がそれぞれ具備する各検出コイルの各中心軸が板材Sを挟んで略同一直線上に配置されることになる。なお、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2の各励磁コイルの各中心軸及び各検出コイルの各中心軸が板材Sを挟んで略同一直線上に配置とは、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2がそれぞれ具備するコイルが略円形断面の場合、各コイルの中心軸間のずれ量が、各コイルの直径の1/4よりも小さい範囲にあることである。第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2がそれぞれ具備するコイルが略矩形断面の場合、短辺および長辺それぞれの方向の許容ずれ量が、各々の辺の長さの1/4よりも小さい範囲にあることである。
このような配置により、第1渦流センサ1が作用させる交流磁界と、第2渦流センサ2が作用させる交流磁界とは、上記の同一直線(コイルの中心軸)に対して板材Sの面において線対称な分布となる。
このため、板材Sの一方の面及び他方の面に沿った方向の成分に関し、第1渦流センサ1が作用させる交流磁界の成分と第2渦流センサ2が作用させる交流磁界の成分とは互いに逆向きで相殺される部分が増える結果、板材Sに生成される一方の面及び他方の面に沿った方向の磁束の成分はより一層小さくなる。
したがい、上記の好ましい構成によれば、従来のように第1渦流センサ又は第2渦流センサを単独で用いた場合と比べると、板材S内に生成される磁束の広がりがより一層抑制され、板材S内に生成される磁束密度(板材Sの一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の磁束密度)が大きくなることで、板材Sの異常部をより一層高感度に検知することが可能である。なお、板材S内に生成される磁束の広がりとは、板材Sの一方の面及び他方の面に沿った方向の広がりである。渦流センサの平面視形状が円形である場合には、等方的(軸対称的)な広がりで、渦流センサの平面視形状が矩形である場合には、矩形を構成する各辺に沿った広がりである。
同様に、第2交流電源4は、第2渦流センサ2(コイル21)に電気的に接続され、第2渦流センサ2に第2交流電流を通電する。これにより、前述のように、板材Sの裏面S2に作用する交流磁界(中心磁界H2)が生成されることになる。
そして、第1渦流センサ1が具備するコイル11の巻回方向と、第2渦流センサ2が具備するコイル21の巻回方向とは同一にされている。
以上の構成により、図1Cに示すように、同一時点(例えば、時点t)における、第1渦流センサ1が板材Sの表面S1に作用させる交流磁界の中心軸の向き(中心磁界H1の向き)と、第2渦流センサ2が板材Sの裏面S2に作用させる交流磁界の中心軸の向き(中心磁界H2の向き)とが一致することになる。図1Cにおいて、例えば、中心磁界H1、H2が下向きの場合を正とし、上向きの場合を負とすると、時点tでは、中心磁界H1、H2の双方が下向きになっている。他の時点についても、中心磁界H1、H2の向きは同一である。
このため、板材の一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の成分に関し、第1渦流センサが作用させる交流磁界の成分と第2渦流センサが作用させる交流磁界の成分とは互いに強め合う。その結果、板材に生成される一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の磁束の成分も大きくなる。
一方、板材の一方の面及び他方の面に沿った方向の成分に関し、第1渦流センサが作用させる交流磁界の成分と第2渦流センサが作用させる交流磁界の成分とは互いに逆向きで相殺される部分がある。その結果、板材に生成される一方の面及び他方の面に沿った方向の磁束の成分は小さくなる。
したがい、本実施形態に係る材質異常部検知装置によれば、従来のように第1渦流センサ又は第2渦流センサを単独で用いた場合と比べると、板材S内に生成される磁束の広がりがより一層抑制され、板材S内に生成される磁束密度(板材Sの一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の磁束密度)が大きくなることで、板材Sの異常部をより一層高感度に検知することが可能である。なお、板材S内に生成される磁束の広がりとは、板材Sの一方の面及び他方の面に沿った方向の広がりである。渦流センサの平面視形状が円形である場合には、等方的(軸対称的)な広がりで、渦流センサの平面視形状が矩形である場合には、矩形を構成する各辺に沿った広がりである。
例えば、第1渦流センサ1が具備するコイル11と、第2渦流センサ2が具備するコイル21とを直列接続し、この直列接続された両コイル11、21に単一の交流電源を接続することによっても、同一時点における中心磁界H1の向きと中心磁界H2の向きとを一致させることが可能である。
最初に、比較例として、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2のうち、何れか一方の渦流センサのみを備える従来の渦流探傷装置によって生成される磁束を電磁場解析によって算出した結果について説明する。
この比較例では、第1渦流センサ1が具備するコイル11及び第2渦流センサ2が具備するコイル21の平面視形状は矩形とし、板材Sの長手方向(X方向)に沿った前記矩形の辺の長さを5mm、板材Sの幅方向(Y方向)に沿った前記矩形の辺の長さを80mmに設定した。また、板材Sとして厚み0.5mmのチタン合金製の薄板(比透磁率1、導電率2.34×106[S/m])を設定し、第1渦流センサ1と板材Sの表面S1とのリフトオフ、又は、第2渦流センサ2と板材Sの裏面S2とのリフトオフを0.8mmに設定し、各渦流センサと板材Sとの間に空気が介在する条件で電磁場解析を行った。
図2Aに示すように、第1渦流センサ1の直下の領域(図中に破線で挟まれた領域)では、板材Sの長手方向(X方向)における第1渦流センサ1の端部に近づくにつれ、上下方向(Z方向)の成分よりも板材Sの長手方向(X方向)の成分の方が大きな磁束が存在することが分かる。同様に、図2Bに示すように、第2渦流センサ2の直上の領域(図中に破線で挟まれた領域)でも、板材Sの長手方向(X方向)における第2渦流センサ2の端部に近づくにつれ、上下方向(Z方向)の成分よりも板材Sの長手方向(X方向)の成分の方が大きな磁束が存在することが分かる。換言すれば、図2A及び図2Bで示す従来の渦流探傷装置では、渦流センサによって板材S内に生成される磁束に渦流センサの板材Sの長手方向(X方向)における寸法を超える広がりが生じてしまう。
なお、上記では、板材Sの長手方向(X方向)についての磁束の広がりを例に挙げて説明したが、板材Sの幅方向(Y方向)についても同様に渦流センサの板材Sの幅方向(Y方向)における寸法を超える磁束の広がりが生じている。
図3A及び図3Bに示すように、第1渦流センサ1を配置した側の表面S1に生成される磁束密度(図3A)に比べ、反対側の裏面S2に生成される磁束密度(図3B)が著しく低下している。すなわち、図3Aに示す略矩形状の色の濃い領域S11の磁束密度は、図3Bに示す略矩形状の色の濃い領域S21の磁束密度よりも大きく、その大きな磁束密度に対応する色が色付けされている。このように、第1渦流センサ1を配置した側の表面S1に生成される磁束密度に比べ、反対側の裏面S2に生成される磁束密度が著しく低下しているのは、板材Sに誘起された渦電流のシールド効果が原因であると考えられる。
次に、実施例として、図1A及び図1Bに示す本実施形態に係る材質異常部検知装置100によって生成される磁束を電磁場解析によって算出した結果について説明する。
この実施例では、比較例と同様に、第1渦流センサ1が具備するコイル11及び第2渦流センサ2が具備するコイル21の平面視形状は矩形とし、板材Sの長手方向(X方向)に沿った前記矩形の辺の長さを5mm、板材Sの幅方向(Y方向)に沿った前記矩形の辺の長さを80mmに設定した。また、板材Sとして厚み0.5mmのチタン合金製の薄板(比透磁率1、導電率2.34×106[S/m])を設定し、第1渦流センサ1と板材Sの表面S1とのリフトオフ、及び、第2渦流センサ2と板材Sの裏面S2とのリフトオフを0.8mmに設定し、各渦流センサと板材Sとの間に空気が介在する条件で電磁場解析を行った。
図5Aは、本実施例において板材Sの表面S1に生成される磁束密度の分布のイメージを、図5Bは本実施例において板材Sの裏面S2に生成される磁束密度の分布のイメージを示す図である。図5A及び図5Bで用いられた交流磁場の周波数は、32kHzである。図5A及び図5Bはモノクロ表示であるが、実際には、図の右端に示すカラーバーに従い、磁束密度の大きさに応じた異なる色が付されて表示されている。なお、図5A及び図5Bに示す結果は、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2の半分(板材Sの幅方向(Y方向)について半分)について得られた結果のみを示しているが、実際にはY方向の残りの半分についても同一の分布図が得られる。
板材Sの表面S1及び裏面S2に対して略垂直な方向である上下方向(Z方向)の成分に関し、第1渦流センサ1の直下の領域及び第2渦流センサ2の直上の領域(図4中の破線で挟まれた領域)において、第1渦流センサ1が作用させる交流磁界の成分と第2渦流センサ2が作用させる交流磁界の成分とは互いに強め合う。
一方、板材Sの表面S1及び裏面S2に沿った方向(X方向及びY方向)の成分に関し、第1渦流センサ1の直下の領域外及び第2渦流センサ2の直上の領域外(図4中の破線で挟まれた領域外)において、第1渦流センサ1が作用させる交流磁界の水平(図4の紙面左右方向)成分と第2渦流センサ2が作用させる交流磁界の水平(図4の紙面左右方向)成分とは互いに逆向きで相殺される。図2Aと図2Bとを対比して参照すれば、板材Sの長手方向(X方向)の成分に関し、第1渦流センサ1の直下の領域外及び第2渦流センサ2の直上の領域外(図4中の破線で挟まれた領域外)において、第1渦流センサ1が作用させる交流磁界の水平(図4の紙面左右方向)成分と第2渦流センサ2が作用させる交流磁界の水平(図4の紙面左右方向)成分とが互いに逆向きで相殺されることは明らかである。
板材Sの幅方向(Y方向)に関しても同様であり、第1渦流センサ1の直下の領域外及び第2渦流センサ2の直上の領域外(図4中の破線で挟まれた領域外)において、第1渦流センサ1が作用させる交流磁界の水平(図4の紙面左右方向)成分と第2渦流センサ2が作用させる交流磁界の水平(図4の紙面左右方向)成分とが互いに逆向きで相殺されることになる。このことは、図3A及び図5Aに示す略矩形状の色の濃い領域S11のY方向の広がりの差異(図5Aに示す略矩形状の色の濃い領域S11の方がY方向の広がりが少ない)からも示唆される。
δ(m)=1/(π・f・μ・σ)1/2
π:3.14
f:周波数(本実施形態では、32kHz(32000Hz))
μ:透磁率(本実施形態では、4π×10−7) [H/m]
σ:導電率(本実施形態では、2.34×106) [S/m]
ここで、侵入長δは、過電流および磁束の大きさが材料の表面(最大値となる位置)に比べて約37%(1/e)となる深さを指す。
本実施形態の場合、侵入長δ=1.8×10−3=1.8mmとなる。この場合、侵入長δは、厚み0.5mmのチタン合金製の薄板において、侵入長が板厚に比べて十分深くなり、磁束が板の中心まで十分浸透する程度となる。周波数が、本実施形態の周波数よりも高ければ磁束が透過しにくくなり、低ければ磁束が透過しやすくなる。
図6A及び図6Bに示すように、被試験材が管材Pである場合、第1渦流センサ1は管材Pの外面P1側に対向配置され、外面P1に対して(外面P1の接平面に対して)中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界を外面P1に作用させる。第2渦流センサ2は管材Pの内面P2側に対向配置され、内面P2に対して(内面P2の接平面に対して)中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界を内面P2に作用させる。そして、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2は、管材P(管材Pの肉厚)を挟んで略同一直線上に配置される。なお、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2が管材P(管材Pの肉厚)を挟んで略同一直線上に配置とは、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2の各コイルの中心軸間のずれ量が、各コイルの直径の1/4よりも小さい範囲にあることである。
したがい、被試験材が管材Pであって、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2のうち何れか一方の渦流センサのみを備える場合には、渦流センサの中心軸と端部におけるリフトオフの差に起因して、渦流センサときずとの位置関係に応じて、きず検出感度が変動するおそれがある。しかしながら、図6A及び図6Bに示すように、第1渦流センサ1及び第2渦流センサ2の双方を備える材質異常部検知装置400の場合、第1渦流センサ1の中心軸と端部におけるリフトオフの差と、第2渦流センサ2の中心軸と端部におけるリフトオフの差とが互いに逆向きで相殺される。すなわち、第1渦流センサ1は中心軸におけるリフトオフの方が小さく、第2渦流センサ2は端部におけるリフトオフの方が小さくなるため、リフトオフの差に起因した異常部検知感度の変動が生じ難いという利点を有する。
2・・・第2渦流センサ
3・・・第1交流電源
4・・・第2交流電源
100、400・・・材質異常部検知装置
S・・・板材(被試験材)
S1・・・表面(一方の面)
S2・・・裏面(他方の面)
Claims (4)
- 非磁性導電体である板材を準備する準備工程と;
第1渦流センサを前記板材の一方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第1渦流センサ配置工程と;
前記第1渦流センサに第1交流電流を通電させることにより、交流磁界を該一方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第1渦流センサ励起工程と;
該渦電流によって生じる磁束を検出する第1渦流センサ検出工程と;
第2渦流センサを前記板材の前記一方の面と反対側に位置する他方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第2渦流センサ配置工程と;
前記第2渦流センサに第2交流電流を通電させることにより、交流磁界を該他方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第2渦流センサ励起工程と;
該渦電流によって生じる磁束を検出する第2渦流センサ検出工程と;
を有し、
前記第1渦流センサ励起工程及び前記第2渦流センサ励起工程では、同一時点における、前記第1渦流センサが前記板材の前記一方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きと、前記第2渦流センサが前記板材の前記他方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きとが一致するように渦電流を誘起し、さらに、前記第1渦流センサ及び前記第2渦流センサを、前記板材を挟んで略同一直線上に配置する
ことを特徴とする前記板材の異常部を検出する材質異常部検知方法。 - 前記第1渦流センサ配置工程及び前記第2渦流センサ配置工程では、前記第1渦流センサ及び前記板材の前記一方の面との距離と、前記第2渦流センサ及び前記板材の前記他方の面との距離を略同一に設定し、
前記各距離を0〜2.0mmに設定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の材質異常部検知方法。 - 前記第1渦流センサ励起工程及び前記第2渦流センサ励起工程では、前記第1交流電流の周波数と前記第2交流電流の周波数とを、略同一に設定し、さらに、前記第1交流電流の位相と前記第2交流電流の位相とを、一致するように設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の材質異常部検知方法。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の材質異常部検知方法により板材の異常部を検知する手段を備えることを特徴とする材質異常部検知装置。
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