KR20200085765A - 비파괴 재료 검사를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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시은 링
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Abstract

적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료의 재료 조건을 결정하는 방법은 입력 시간 변화 자기장으로 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료를 조사하는 단계와, 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료로부터 시간에 따른 자기 응답 및/또는 음향 응답을 검출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계와, 수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함한다.

Description

비파괴 재료 검사를 위한 방법 및 시스템
본 개시는 재료 검사, 보다 구체적으로는 비파괴 재료 검사에 관한 것이다.
거스 용접(girth weld), 필렛 용접, 랩 용접 및 맞대기 용접을 포함할 수 있지만 이것으로 제한되지 않는 상이한 타입의 파이프라인, 배관, 스틸 플레이트, 용접된 구조체 및 용접부의 비파괴 검사를 위한 경질 스폿 또는 기타 적합한 재료 조건 및 비균일성(예를 들어, 파이프라인 스틸 또는 기타 적합한 재료에서)을 평가하는 시스템 및 방법은 재료 무결성(예를 들어, 파이프라인 무결성) 뿐만 아니라 재료 및 용접 품질을 결정하는데 유용하다. 예를 들어, 이러한 시스템 및 방법은 그러한 재료에 대한 용접 및 파이프라인 재료에 대한 정보를 비파괴적으로 얻을 수 있다.
현재, 파이프라인 검사 게이지(pipeline inspection gauges: PIG)는 비파괴 파이프라인 검사를 수행하여 크랙 및 경질 스폿과 같은 파이프의 이상(anomalies) 및 결함을 검출하는 툴로서 사용되었다. 가장 일반적으로 사용되는 기술로는 자속 유출(magnetic flux leakage: MFL), 초음파 크랙 검출 툴(ultrasonic crack detection tool: UT) 및 전자기 에너지를 기계 파와 결합하는 전자기 음향 변환기(electromagnetic acoustic transducer: EMAT)가 있다. 마찬가지로, 용접부는 자기 입자 테스트, 초음파 테스트 및 와전류 테스트를 포함한 기술을 사용하여 비파괴 검사된다. 이러한 모든 검사 기술은 이상 및 결함이 벌크 재료와는 다르게 검출되는 일부 재료 특성, 예를 들어 자기 투과율 차이로 인한 누설 자속 또는 기계적 진동 거동의 차이로 인한 반사 초음파를 갖는다는 원리를 기반으로 한다.
거스 용접, 필렛 용접, 랩 용접 및 맞대기 용접을 포함할 수 있지만 이것으로 제한되지 않는 상이한 타입의 파이프라인, 배관, 스틸 플레이트, 용접된 구조체 및 용접부에서 이상 및 결함을 검출하는데 유용하지만 간과되는 재료 특성이 있다. 이것은 강자성 재료의 자기 응답의 비선형 성질이다. 비선형 자기 응답은 자속 누설 또는 선형 응답 기능을 프로브하는 현재 방법으로는 얻을 수 없는 정보와 정확성을 제공한다. 재료 및 용접 품질 뿐만 아니라 재료 무결성의 중요성으로 인해, 검사 시스템 및 방법을 개선함으로써 비파괴 재료 검사 기술을 계속 개선할 필요성이 계속 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 요구에 대한 해결책을 제공한다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료로 구성된 샘플의 하나 이상의 재료 조건을 결정하는 방법이 제공된다. 이 방법은 입력 시간 변화 자기장으로 샘플을 조사하는 단계와, 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료로부터 시간에 따른 자기 응답 또는 음향 응답을 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 수신된 자기장 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계와, 수신된 자기 응답 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함할 수 있다.
시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 수신된 자기장 또는 음향 응답의 파워 스펙트럼 밀도 분석과 같은 주파수 영역 분석을 수행하여 파워 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 파워 스펙트럼 밀도(power spectral density: PSD) 데이터의 하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 하나 이상의 고조파 계수를 결정하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 3차 및/또는 5차 고조파를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는 단계는 3차 및/또는 5차 고조파를 조사된 샘플의 하나 이상의 재료 조건과 비교 및 상관시키는 단계를 포함할 수 있다.
조사된 샘플(적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료를 포함함)은 하나 이상의 재료 조건을 갖는 적어도 하나의 재료 위상으로 구성된 테스트 재료를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 하나 이상의 재료 조건은 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료의 적어도 하나의 재료 위상의 존재를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 히스테리시스 강자성 재료는 스틸, 니켈, 코발트 및 예컨대 다양한 카본 스틸과 같은 이들의 합금을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 비히스테리시스 재료는 공기, 알루미늄, 오스테나이트 스테인리스 스틸, 듀플렉스 스테인리스 스틸 및 고망간 스틸을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 재료 위상은 오스테나이트, 마르텐사이트, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 라스 베이나이트, 침상 페라이트 및 상이한 화학 조성 및/또는 결정학적 배향을 갖는 준-폴리곤 페라이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 샘플의 비균일성은 하나 이상의 재료 위상으로 구성된 테스트 재료를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 비균일성의 비제한적인 예는 예를 들어 스틸 파이프에서의 경질 스폿 및/또는 크랙/결함이다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체는 본 명세서에 기술된 바와 같은 임의의 적절한 방법 및/또는 그 임의의 적절한 부분(들)을 수행하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 시간 변화 자기장을 생성하고 자기 센서 또는 음향 센서로부터 시간에 따른 자기 응답 또는 음향 응답 신호를 검출하는 단계, 수신된 자기장 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계, 및 수신된 자기 응답 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함한다. 본원에 기술된 바와 같은 방법의 임의의 실시예의 임의의 다른 적합한 부분은 추가로 또는 대안적으로 포함될 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료로 구성된 조사된 샘플의 하나 이상의 재료 조건을 검출하기 위한 장치는 조사 자기장을 출력하도록 구성된 자기 송신기; 자기 응답 또는 음향 응답을 각각 수신하고, 자기 응답 또는 음향 응답을 자기 신호 또는 음향 응답 신호로 변환하도록 구성된 자기 센서 또는 음향 센서; 및 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 적절한 방법 및/또는 그 임의의 적절한 부분(들)을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 특정 실시예에서, 장치는 재료의 하나 이상의 조건을 사용자에게 표시하도록 구성된 표시기를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 출력 장치는 표시기를 포함할 수 있으며, 표시기는 적절한 즉각적인 리얼타임 동작을 하나 이상의 주변 사용자에게 알리며, 사용자는 표시기를 직접 관찰할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 출력 장치(207)는 또한 사용자와 통신하기 위한 장치를 포함할 수 있으며, 이 장치는 또한 적절한 즉각적인 리얼타임 행동을 사용자에게 통지하지만, 사용자는 원격 위치에 있을 수 있고 통신은 유선 또는 무선 경로를 통해 이뤄질 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 출력 장치(207)는 또한 즉각적인 리얼타임 동작이 아닌 추후 검색 및 사후 처리를 위한 데이터 수집 및 저장 장치를 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 시스템 및 방법의 이들 및 다른 특징은 도면과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 명백해질 것이다.
본 개시가 적용되는 당업자는 과도한 실험없이 본 개시의 장치 및 방법을 제조하고 사용하는 방법을 쉽게 이해할 수 있도록, 그 실시예는 특정 도면을 참조하여 이하에 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 방법의 실시예의 흐름도이다.
도 2a는 재료의 동일 측면에 전송 코일 및 픽업 코일을 갖는 것으로 도시된 본 개시에 따른 장치의 실시예의 개략도이다.
도 2b 내지 도 2d는 각각 공기(Air), 마르텐사이트(Martensite) 및 페라이트(Ferrite)에서 사용시의 도 2a의 실시예의 파워 스펙트럼 밀도 차트이다.
도 3a는 재료의 반대 측면에 전송 코일 및 픽업 코일을 갖는 것으로 도시된 본 개시에 따른 장치의 실시예의 개략도이다.
도 3b 내지 도 3d는 각각 공기(Air), 마르텐사이트(Martensite) 및 페라이트(Ferrite)에서 사용시의 도 3a의 실시예의 파워 스펙트럼 밀도 차트이다.
도 4a 및 도 4b는 동일 측면 구성(예를 들어, 도 2a의)을 갖는 모델 재료의 비선형 자기 검출에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 강한 외부 자기장 하에서 모델 재료의 비선형 자기 응답을 테스트하기 위한 셋업의 개략적인 실시예를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 상이한 주파수에서 제 2 고조파 PSD 테스트 결과를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 스틸 파이프 위상의 말굽 자석의 축방향 대칭 시뮬레이션을 도시한다.
도 8a는 비선형 자기음향 검출을 위한 셋업의 실시예를 도시한다.
도 8b는 비선형 자기 음향 검출에 대한 PSD 결과를 도시한다.
도 9는 각 자기 송신기의 주위 및/또는 각 자기 송신기와 쌍을 이룬 상이한 위치에 4개 카피의 자기 센서 및/또는 음향 센서를 포함하는 예시적인 구성이다.
도 10은 각각의 자기 송신기의 주위 및/또는 서로 다른 위치에 8개의 자기 센서 및/또는 음향 센서의 카피를 포함하는 예시적인 구성이다.
도 11a 내지 도 11f는 용접에서 하드 위상을 갖는 실제 파이프(도 11a, 도 11b, 도 11d 및 도 11e)와 용접에서 하드 위상을 갖지 않는 파이프 섹션(도 11c 및 도 11f)에서 비선형 자기 검출의 데이터를 도시한다.
도 12a 내지 도 12c는 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료와, 비히스테리시스 재료 사이의 검출 및 구별의 실시예를 도시한다.
도 13a 내지 도 13e는 실제 파이프라인 스틸에서 이상을 검출하기 위한 본 개시의 장치의 응용을 도시하는 것으로서, 도 13a 및 도 13b는 샘플에 대한 장치의 2개의 구성에서 생성된 데이터 맵이며, 도 13c는 도 13a 및 도 13b 양자로부터 조합된 데이터 세트를 갖는 데이터 맵이며, 임의의 특정 위치에서 도 13c는 도 13a와 도 13b 사이의 정규화된 3차 고조파의 더 낮은 값만을 이용하며, 도 13e는 샘플 사진에서 비커스 경도(VHN) 측정의 오버레이며, 도 13d는 도 13e로부터의 데이터의 일부이다.
도 14a 내지 도 14c는 각각 공기(Air), 마르텐사이트(Martensite) 및 페라이트(Ferrite)에서 사용되는 파워 스펙트럼 밀도 차트이다.
도 15a 및 도 15b는 카본 스틸 플레이트에서 이상을 검출하기 위한 본 개시의 장치의 응용을 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 카본 스틸 플레이트에서 이상을 검출하기 위한 본 개시의 장치의 응용을 도시한다.
본원의 상세한 설명 및 청구 범위 내의 모든 수치는 표시된 값의 "약" 또는 "대략"에 의해 수정되고, 당업자에게 예상되는 실험적 오차 및 변형을 고려한다. 본 발명은 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료로 구성된 샘플의 비선형 자기 응답을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 자성 재료의 선형 반응 함수는 다음 식으로 주어진다.
Figure pct00001
여기서 H(ｘ)는 공간에서 위치(ｘ)에 따라 변할 수 있는 인가된 자기장 세기(암페어/미터의 단위)이며, M(ｘ)은 재료의 초기 자화 상태 뿐만 아니라 위치(ｘ)에 의존하는 자화(암페어/미터의 단위)이며, μ0는 자기 투자율 상수(헨리(henry)/미터의 단위)이며, B(ｘ)는 공간에서 위치(ｘ)에 따라 변할 수 있는 자속 밀도(테슬라(Tesla) 단위)이며, F(H(ｘ))는 H(ｘ)에 선형으로 의존하는 함수이다. 이하, B(ｘ), H(ｘ), M(ｘ) 및 F(H(ｘ))는 각각 Β, Η, Μ 및 F(H)라고 하고, 및/또는 대응하는 파라미터가 시간에 따라 변하는 경우 B(t), H(t), M(t) 및 F(H(t))라고 한다. 이 선형 의존성은 정적 자기장에서 보이는 반응의 유형이다. 자기 플럭스 누출(magnetic flux leakage: MFL) 및 전자기 음향 변환기(electromagnetic acoustic transducer: EMAT) 툴과 같은 현재 검사 툴은 주로 H에 선형적으로 의존하는 기능에 응답하도록 구성된다. 강자성 재료의 경우 이러한 의존성이 복잡할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 적용된 필드가 시간 변화하는 경우, 선형 연산자는 더 이상 적용된 자기장과 자화 사이의 관계를 기술하지 않는다. 적용되는 시간 변화 자기장 H(t)를 갖는 강자성 재료에서의 자속 밀도 B(t)는 일련의 비선형 함수의 시간 적분과 함께 선형 연산자에 의해 근사될 수 있다.
[수식 1]
Figure pct00002
함수 F2는 2차 비선형 응답으로 상승하고, 함수 F3은 3차 비선형 반응으로 상승하며, 함수 Fn은 n차 비선형 반응으로 상승한다. 시간 적분
Figure pct00003
는 자속 밀도 B(t)가 함수
Figure pct00004
의 이력에 의존한다는 것을 나타낸다.
본 발명은 이들 비선형 반응을 이용하여 재료 조건 및 강자성 재료의 비균일성을 특성화하는 더 나은 방법을 제공한다. 적용된 필드 H(t)가 사인파이고 그리고 주파수 ω에 따라 사인파형으로 변화되면, 다음에 2차 응답은 2ω로 변하고, 3차 응답은 3ω로 변하고, n차 응답은 nω로 변한다. 적용된 필드가 임의의 시간 의존성을 갖는 경우, 비선형 응답은 자화 및 자속 밀도(수식 1에서 B(t))로부터 발생할 수 있는 신호의 시간 의존성의 분석으로부터 추출될 수 있다. 몇몇 경우에, 이것은 자화 및 자속 밀도(수식 1에서의 B(t))로부터 발생하는 신호의 시간 의존성의 푸리에 분석에 의해 수행될 수 있다. 일부 경우에, 비선형 응답은 자화 및 자속 밀도(수식 1에서의 B(t))로부터 발생하는 신호의 시간 의존성으로부터 직접 특성화될 수 있다.
유사한 도면부호가 본 개시의 유사한 구조적 특징 또는 양태를 식별하는 도면을 참조한다. 제한이 아닌 설명 및 예시의 목적으로, 본 개시에 따른 방법의 실시예의 예시적인 도면이 도 1에 도시되고, 방법은 일반적으로 도면부호(100)에 의해 지정된다. 본 개시의 다른 실시예들 및/또는 양태들이 도 2a 내지 도 16b에 도시되어 있다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 재료의 재료 조건(예를 들어, 금속 파이프라인에서의 재료 위상 및/또는 불완전성)을 결정하는데 사용될 수 있다.
히스테리시스 강자성 재료에서 비선형 자기 응답에 대한 일반적인 이해가 아래에 제공된다. 후술되는 실시예는 연구중인 샘플의 재료 조건 및 비균일성을 검출하는 신속하고, 간단하며, 일반적인 방법을 제공한다. 비균일성의 비제한적인 실시예는 예를 들어 스틸 파이프에서의 경질 스폿 및/또는 크랙/결함이다. 여기에 설명된 특정 실시예는 내장된 강자성 코어를 필요로 하지 않으므로, 정확한 배경 신호를 제공하기 위해 대기 환경에서 교정될 수 있다. 이 방법은 또한 공기 이외의 환경(예를 들어, 오일에 잠긴 샘플)에서 교정을 허용한다.
가해진 시간 변화 자기장에서의 자속 밀도(수식 1에서 B(t))의 비선형 응답은 검출될 수 있는 다수의 응답을 발생한다. 이들 응답은 적용된 시간 변화 자기장으로부터 생성된 자속 밀도의 시간 의존성을 추적하고, 비선형 응답은 자화 및 자속 밀도(수식 1에서의 B(t))의 히스테리시스 응답으로 발생한다. 이론적으로 및 실험적으로 양자에서, 대칭 히스테리시스 응답들은 홀수의 고조파를 초래하는 반면, 비대칭 히스테리시스 응답들은 짝수의 고조파를 유발한다는 것이 보여진다. 대칭 히스테리시스 응답은 일반적으로 강자성 재료에 연결되지만 이에 제한되지 않으며, 비대칭 히스테리시스 응답은 일반적으로 히스테리시스 재료의 잔류 자화 상태에 연결되지만 이에 제한되지 않으며, 실시예들은 또한 히스테리시스 재료의 자화 상태를 검출하기 위해 적용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 자기 송신기로부터 시간 변화 자기장을 갖는 샘플의 조사, 및 샘플에 근접한 자기 센서에 의한 자속 밀도(수식 1에서의 B(t))의 검출을 포함한다. 이러한 실시예의 변형은 자화를 바이어스하는 DC 자기장의 통합을 포함한다. 다른 변형은 잔류 자화를 갖는 샘플의 측정을 포함한다. 또 다른 변형은 탈기된 샘플의 측정을 포함한다. 상이한 실시예는 자기 송신기로부터의 시간 변화 자기장을 갖는 샘플의 조사 및 자속 밀도(수식 1에서의 B(t))의 검출 및 비선형 자기음향 응답(예를 들어, EMAT와 유사)을 포함하지만, 음향 신호의 비선형 스펙트럼을 살펴본다. 이 실시예의 변형은 자화를 바이어스하는 DC 자기장의 통합을 포함한다. 다른 변형은 잔류 자화를 갖는 샘플의 측정을 포함한다. 또 다른 변형으로는 탈기된 샘플의 측정이 포함된다.
비선형 자기 응답의 일반적인 원리는 시간 변화 자기장 H(t)를 샘플에 적용하고 응답을 검출하는 것에 의존한다. 이 원리는 시간 변화 자기장이 공간적으로 변화하는 자화 필드
Figure pct00005
및 각도 주파수
Figure pct00006
를 갖는 AC 자기 변조
Figure pct00007
인 경우로부터 설명될 수 있다. 이러한 AC 변조는 시간 변화 전류
Figure pct00008
(암페어 법칙
Figure pct00009
을 고려하고, 제 2 항
Figure pct00010
은 하나의 주파수 범위 |
Figure pct00011
에서 무시할 수 있다)에 의해 성취될 수 있다. DC 자화 필드
Figure pct00012
은 또한 DC 전류 또는 영구 자석에 의해 인가될 수 있으며, 소스
Figure pct00013
에 의해 생성된 총 필드를 야기한다. 카본 스틸 및 스틸의 다른 페라이트 위상과 같은 강자성 재료의 경우, 필드 B와 H를 연결하는 상대 투자율
Figure pct00014
은 히스테리시스 및 비선형 연산자이다. 따라서 1차 자기장
Figure pct00015
은 강자성 재료 내부에서 비선형적이며, 테일러(Taylor) 시리즈로 설명될 수 있다.
[수식 2]
Figure pct00016
페러데이(Faraday)의 법칙
Figure pct00017
에서, 스틸에서의 유도 전계
Figure pct00018
및 결과적인 와전류
Figure pct00019
양자는 강철의 전도도 σ는 일반적으로 스칼라 및 선형 연산자이므로 비선형이다. 와전류는 스킨 깊이
Figure pct00020
를 갖는 전도성 재료의 표면 주위에만 분포되며, 암페어 법칙
Figure pct00021
으로부터 2차 자화 필드
Figure pct00022
을 생성한다. 결과적으로, 2차 자기장
Figure pct00023
은 1차 필드
Figure pct00024
로서 유사한 비선형 정보를 포함한다.
상이한 강자성 재료는 상이한 히스테리시스 곡선 및 자기 응답을 가지며, 동일한 자기 변조 하에서 상이한 비선형 조화 계수
Figure pct00025
를 초래할 것이다. 고조파 계수의 차이는 두 가지 방법으로 측정할 수 있다:
1. 비선형 자기 검출: 전체 자화 필드는 비선형이며, 공기 중 지점 A에서 자기 센서에 의해 측정될 수 있다:
Figure pct00026
2. 비선형 자기 음향 검출: 큰 일정한 DC 자기장
Figure pct00027
을 사용하면 강한 로렌초 바디 포스(Lorentz body force)
Figure pct00028
가 발생하고, 시간 변화 기계적 파동이 시작된다. 이러한 자기음향 응답도 비선형이다.
마지막으로 정현파 변조
Figure pct00029
하에서 상이한 비선형 고조파의 생성이 고려되며, 이 경우 모든 비선형 효과는
Figure pct00030
에서 비롯된다. 국부적인 히스테리시스 B-H 루프가 히스테리시스 재료 내에서 대칭일 때,
Figure pct00031
는 반주기
Figure pct00032
후에 방향을 반대로 한다. 이것은 일반적으로 거의 제로 자화에서 발생한다. 수식 1에서 테일러 확장으로, 대칭 구속조건은
Figure pct00033
및
Figure pct00034
을 제안한다. 다시 말해, 대칭 B-H 곡선은 짝수 개수의 고조파 생성을 금지하고, 홀수 개의 고조파 만 허용한다. 대조적으로, B-H 루프가 비대칭이면, 팽창에서
Figure pct00035
및 모든 테일러 계수
Figure pct00036
가 존재할 수 있다. 다시 말해, 비대칭 B-H 곡선은 홀수 및 짝수의 고조파를 양자를 허용한다.
이제 도 1을 참조하면, 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료로 구성된 샘플의 하나 이상의 재료 조건을 결정하기 위한 방법(100)은 시간 변화 자기장을 인가함으로써 히스테리시스 강자성 재료를 조사(예를 들어, 블록(101)에서)하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 블록(101)에서 추가 DC 자기장이 적용될 수 있다. 선택적으로, 디가우징(degaussing) 자기장이 블록(101)에 적용될 수 있다. 선택적으로, 블록(101)의 샘플은 잔류 자화를 가질 수 있다. DC 자기장은 시간에 따라 변하지 않는 자기장이며, 디가우징 자기장은 재료의 잔류 자화를 제거하는데 사용되는 시간 변화 자기장이다. 블록(103)에서 시간 변화 자기 응답 또는 음향 응답이 검출된다. 방법(100)은 또한 수신된 자기장 또는 음향 응답의 시간 종속 비선형 특성을 결정하고(예를 들어, 블록(105)에서), 재료의 하나 이상의 재료 조건에 대한 수신된 자기 응답 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는(예를 들어, 블록(107)) 단계를 포함할 수 있다.
입력 시간 변화 자기장으로 히스테리시스 강자성 재료를 조사하는 것은 시간 변화 자기장을 생성하는 적어도 하나의 자기 송신기를 이용하는 것과 자기 송신기를 조사된 샘플의 근처 위치에 위치시키는 것을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 자기 송신기에 대한 예시적인 근접성(또는 근처 위치)은 조사된 샘플의 표면에 대해 1 ㎝이고; 자기 송신기의보다 보다 바람직한 근처 위치는 조사된 샘플의 표면에 대해 0.2 ㎝ 이하이고; 자기 송신기의 더욱 바람직한 근처 위치는 조사된 샘플의 표면에 직접 접촉한다.
시간 변화 자기장은 정현파, 구형파, 삼각파, 및 대칭 및 비대칭 펄스의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 바람직한 시간 변화 자기장은 0.01 밀리테슬라 내지 1 테슬라 범위의 피크 진폭 및 1 ㎐ 내지 1 ㎒ 범위의 주파수를 갖는 정현파를 포함할 수 있다. 보다 바람직한 시간 변화 자기장은 0.01 밀리테슬라 내지 10 밀리테슬라 범위의 피크 진폭 및 100 ㎐ 내지 100 ㎑ 범위의 주파수를 갖는 정현파를 포함할 수 있다. 4140 카본 스틸 재료, 및 ×60 및/또는 ×65 카본 스틸과 같은 열 기계 제어 처리(Thermo-Mechanical Controlled Processing: TMCP)로 제조된 기타 카본 스틸 재료를 검사하기 위해, 바람직한 시간 변화 자기장은 0.01 밀리테슬라 내지 1 테슬라 범위의 피크 진폭, 및 1 ㎐ 내지 1 ㎒ 범위의 주파수를 갖는 정현파를 포함할 수 있으며; 보다 바람직한 시간 변화 자기장은 0.1 밀리테슬라 내지 10 밀리테슬라 범위의 피크 진폭, 및 100 ㎐ 내지 100 ㎑ 범위의 주파수를 갖는 정현파를 포함할 수 있으며; 더욱 바람직한 시간 변화 자기장은 0.1 밀리테슬라 내지 10 밀리테슬라 범위의 피크 진폭, 및 8 ㎑ 내지 100 ㎑ 범위의 주파수를 갖는 정현파를 포함할 수 있으며; 더욱 더 바람직한 시간 변화 자기장은 0.5 밀리테슬라 내지 5 밀리테슬라 범위의 피크 진폭, 및 8 ㎑ 내지 100 ㎑ 범위의 주파수를 갖는 정현파를 포함할 수 있다.
다른 비파괴 검사 툴의 일반적인 실시와 유사하게, 이 기술에 익숙한 사람은 주파수 범위, 진폭 범위 및 재료 위상과 관련하여 비선형 자기 응답 및/또는 3차 고조파의 크기를 교정하여 시간 변화 자기장을 최적화할 수 있다.
자기 송신기는 송신 코일, 네오디뮴 자석과 같은 병진/회전 자석, 세라믹 자석, 전자석 또는 초전도 자석과 같은 시간 변화 자기장을 발생시키는 장치를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 바람직한 자기 송신기는 2 ㎜ 내지 10 ㎝의 외경, 1 내지 100,000의 턴 수 및 0,001 mH 내지 1000 mH의 인덕턴스를 갖는 송신 코일을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 보다 바람직한 자기 송신기는 5 ㎜ 내지 5 ㎝의 외경, 10 내지 1000의 턴 수 및 0.01 mH 내지 100 mH의 인덕턴스를 갖는 송신 코일을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 보다 바람직한 자기 송신기는 1 인치(25.4 ㎜)의 외경, 100 턴 및
Figure pct00037
의 인덕턴스를 갖는 전송 코일을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 더 작은 직경의 자기 송신기는 더 높은 측방향 공간 해상도로 검사 결과를 생성하는데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 훨씬 더 바람직한 자기 송신기는 검사 결과의 측방향 공간 해상도를 향상시키기 위해 직경이 1 인치보다 작은 하나 이상의 코일을 포함할 수 있다.
자기 응답 또는 음향 응답의 검출은 각각 자기 응답 또는 음향 응답을 수신하고 자기 응답 또는 음향 응답을 자기 응답 신호 또는 음향 응답 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 자기 센서 또는 음향 센서를 이용하는 것을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 자기 센서는 자기 송신기 근처의 영역에 위치된다. 일 실시예에서, 자기 센서와 자기 송신기 사이의 거리는 50 미터 미만, 바람직하게는 10 미터 미만, 바람직하게는 1 미터 미만, 바람직하게는 10 센티미터 미만, 바람직하게는 1 센티미터 미만, 바람직하게는 1 밀리미터 미만이며, 더욱 바람직하게는 서로 직접 접촉한다.
자기 응답은 입력 시간 변화 자기장 및 임의의 추가 자기장의 결과로서 조사된 재료에 의해 생성된 공간적으로 변화하는 자기장을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 자기 센서는 적어도 하나의 지점으로부터 자기 응답을 수신하거나 감지 영역에 걸쳐 평균화되고, 자기 응답을 컴퓨터, 또는 픽업 코일(pickup coils), 홀 센서(Hall sensors), 플럭스게이트 자력계(Fluxgate magnetometers), 세슘 원자 자력계(Cesium atomic magnetometers) 또는 초전도 SQUID 자력계(superconducting SQUID magnetometers)와 같은 관찰자에 의해 해석될 수 있는 디지털 또는 아날로그 신호로 변환하는 장치를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 바람직한 자기 센서는 2 ㎜ 내지 10 ㎝의 외경, 1 내지 100,000의 턴 수 및 0.001 mH 내지 1000 mH의 인덕턴스를 갖는 감지 코일을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 보다 바람직한 자기 송신기는 5 ㎜ 내지 5 ㎝의 외경, 10 내지 1000의 턴수 및 0.01 mH 내지 100 mH의 인덕턴스를 갖는 송신 코일을 포함한다. 특정 실시예에서, 더욱 바람직한 자기 센서는 1 인치의 외경, 100 턴 및
Figure pct00038
의 인덕턴스를 갖는 감지 코일을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 더 작은 직경의 자기 센서는 더 높은 측방향 공간 해상도로 검사 결과를 생성하는데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 보다 바람직한 자기 센서는 검사 결과의 측방향 공간 해상도를 향상시키기 위해 1 인치보다 작은 그들 직경을 갖는 하나 이상의 코일을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 자기 센서는 적어도 2차 비선형 효과로부터 발생하는 신호를 기록하기에 충분히 빠르게 응답할 수 있도록 선택되고, 보다 바람직한 실시예에서, 자기 센서는 적어도 3차 비선형 효과로부터 발생하는 신호를 기록하기에 충분히 빠르게 응답할 수 있도록 선택되고, 및 더욱 바람직한 실시예에서, 자기 센서는 적어도 5차 비선형 효과로부터 발생하는 신호를 기록하기에 충분히 빠르게 응답할 수 있도록 선택된다.
음향 응답은 입력 시간 변화 자기장 및 임의의 추가 자기장의 결과로서 조사된 재료에 의해 생성된 기계적 모션을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 음향 센서는 적어도 하나의 지점으로부터 음향 응답을 수신하거나 감지 영역에 걸쳐 평균화되고, 음향 응답을 컴퓨터, 또는 압전 음향 변환기(piezoelectric acoustic transducer), 마이크(microphone), 지진계(seismometer) 또는 지오폰(geophone)과 같은 관찰자에 의해 해석될 수 있는 디지털 또는 아날로그 신호로 변환하는 장치를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 바람직한 음향 센서는 1.2 ㎝의 직경 및 500 ㎑의 공진 주파수를 갖는 세라믹 압전 음향 변환기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 음향 센서는 적어도 2차 비선형 효과로부터 발생하는 신호를 기록하기에 충분히 빠르게 응답할 수 있도록 선택되고, 보다 바람직한 실시예에서, 음향 센서는 적어도 3차 비선형 효과로부터 발생하는 신호를 기록하기에 충분히 빠르게 응답할 수 있도록 선택되며, 및 더욱 바람직한 실시예에서, 센서는 적어도 5차 비선형 효과로부터 발생하는 신호를 기록하기에 충분히 빠르게 응답할 수 있도록 선택된다.
시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 파워 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하기 위해 수신된 자기 응답 또는 음향 응답의 파워 스펙트럼 밀도 분석과 같은 주파수 도메인 분석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 파워 스펙트럼 밀도 데이터의 하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터 중 하나 이상의 고조파 계수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 3차 및/또는 5차 고조파를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는 단계는 3차 및/또는 5차 고조파를 조사된 샘플의 하나 이상의 재료 조건과 비교하고 상관시키는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 정규화후 10-6 또는 그 이상 범위의 스펙트럼 밀도 데이터의 큰 3차 고조파는 조사된 샘플에서 페라이트 또는 펄라이트 카본 스틸 위상의 존재를 포함하지만 이에 제한되지 않는 재료 조건과 상관이 있으며; 정규화후 10-8 내지 10-6 범위의 스펙트럼 밀도 데이터의 작은 3차 고조파는 마르텐사이트 또는 라스 베이나이트 카본 스틸 위상과 같은 경질 스틸 위상, 또는 조사된 샘플의 공기 갭과 같은 비히스테리시스 재료의 존재를 포함하지만 이에 제한되지 않는 재료 조건과 상관이 있다.
조사된 샘플은 하나 이상의 재료 조건을 갖는 적어도 하나의 재료 위상으로 구성된 테스트 재료를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 하나 이상의 재료 조건은 히스테리시스 강자성 재료 또는 비히스테리스 재료의 적어도 하나의 재료 위상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 히스테리시스 강자성 재료는 스틸, 니켈, 코발트 및 다양한 카본 스틸과 같은 이들의 합금의 일부를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 비히스테리시스 재료는 공기, 알루미늄, 오스테나이트 스테인리스 스틸, 듀플렉스 스테인리스 스틸 및 고망간 스틸을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 재료 위상은 오스테나이트, 마르텐사이트, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 라스 베이나이트, 침상 페라이트, 및 상이한 화학 조성 및/또는 결정 배향을 갖는 준-폴리곤 페라이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 샘플의 비균일성은 하나 이상의 재료 위상으로 구성된 테스트 재료를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 비균일성의 비제한적인 예는 예를 들어 스틸 파이프에서의 경질 스폿 및/또는 크랙/결함이다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체는 본 명세서에 기술된 바와 같은 임의의 적절한 방법 및/또는 그 임의의 적절한 부분(들)을 수행하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 시간 변화 자기장을 생성하고 픽업 코일로부터 시간에 따른 자기 응답 또는 음향 응답 신호를 검출하는 단계와, 수신된 자기장 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계와, 재료의 하나 이상의 재료 조건에 대한 수신된 자기 응답 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는 단계를 포함할 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 방법의 임의의 실시예의 임의의 다른 적합한 부분이 추가로 또는 대안적으로 포함될 수 있다.
추가로 도 2a를 참조하면, 본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 히스테리시스 강자성 재료(예를 들어, 히스테리시스 강자성 재료를 포함하는 샘플(221))의 하나 이상의 재료 조건을 검출하기 위한 장치(200)는 조사 자기장을 출력하도록 구성된 송신 코일(201)과, 자기 응답 또는 음향 응답을 각각 수신하고 그리고 자기 응답 또는 음향 응답을 자기 신호로 변환하도록 구성된 픽업 코일(203) 또는 음향 변환기(예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이)를 포함할 수 있다. 장치(200)는 예를 들어 전술한 바와 같은 임의의 적절한 방법 및/또는 그 임의의 적절한 부분(들)을 실행하도록 구성된 프로세서(205)를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 장치(200)는 재료의 하나 이상의 조건을 사용자에게 표시하도록 구성된 출력 장치(207)를 포함할 수 있다. 시스템(200)은 본 기술 분야에 숙련된 자들이 이해하는 바와 같이, 임의의 다른 적합한 신호 처리 구성요소(예를 들어, 하나 이상의 디지타이저, 전류 미터, 신호 발생기, 하나 이상의 대역통과 필터, 하나 이상의 프리앰프 또는 증폭기 등)를 포함할 수 있다. 출력 장치(207)는 표시기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않으며, 이 표시기는 적절한 즉각적인 리얼타임 액션을 위해 하나 이상의 주변 사용자에게 통지하고, 사용자는 표시기를 직접 관찰할 수 있다. 출력 장치(207)는 또한 사용자와 통신하기 위한 장치를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않으며, 이 장치는 사용자에게 적절한 즉각적인 리얼타임 액션을 통지하는 것을 암시하지만, 사용자는 원격 위치에 있을 수 있고, 통신은 유선 또는 무선 경로를 통할 수 있다. 출력 장치(207)는 또한 나중에 검색 및 후처리 및 분석을 위한 데이터 수집 및 저장 장치를 포함할 수 있다.
카본 스틸은 파이프라인 및 오일 및 가스 산업의 핵심 재료이다. 일반적으로, 모든 카본 스틸은 다수의 재료 위상으로 구성된다. 페라이트(카본 스틸의 연성 위상)는 카본 스틸의 주요 재료 위상이다. 마르텐사이트 또는 라스 베이나이트와 같은 경질 위상은 고온(예: 900 ℃)에서 실온으로 급냉될 때 스틸에서 형성될 수 있으며, 이는 제철소 플레이트 제조 또는 전기 저항 시임 용접 프로세스 동안에 발생할 수 있다. 마르텐사이트 또는 라스 베이나이트 위상과 같은 경질 스틸 위상의 존재는 연성 페라이트 위상과 비교하여 파손 및 크랙에 더 취약하기 때문에 특히 불안정할 수 있다. 결과적으로, 페라이트 및 마르텐사이트로 구성된 카본 스틸 샘플이 파이프라인에 적용되는 것이 그러한 장치가 사용될 수 있는 좋은 예이기 때문에 본원에서 테스트된다. 임의의 다른 적합한 재료 및 응용이 본 명세서에서 고려된다.
도시된 실시예에서, 전압 또는 전류 신호는 신호 발생기(209)를 통해 생성될 수 있다(예를 들어, 정현파 주파수
Figure pct00039
). 전류가 통과함에 따라, 송신 코일(201)은 변조 자기장을 생성하기 위한 자기 송신기로서 사용된다. 즉, 이하의 데이터를 생성하는데 사용되는 송신 코일(201)은 약 1 인치의 외경, 100 턴 및
Figure pct00040
의 인덕턴스를 포함한다. 송신 코일의 전기 임피던스는
Figure pct00041
이다. 전형적으로, 코일의 내부 저항
Figure pct00042
은 상대적으로 작으며(우리가 테스트한 코일의 경우
Figure pct00043
), 가상의 유도 항은 주파수에 비례하여 증가한다. 임의의 적합한 특성을 갖는 임의의 다른 적절한 코일이 사용될 수 있다.
인덕터의 임피던스 효과를 최소화하고 그리고 출력 전류를 최대화하기 위해서, 커패시터
Figure pct00044
211을 사용하여 전체 임피던스를
Figure pct00045
로 변경하는 반면에, 가상 항은
Figure pct00046
또는
Figure pct00047
일 때 취소할 수 있다. 1 ㎑ 내지 100 ㎑의 주파수가 아래의 데이터를 생성하는데 사용되었으며, 동일한 전송 코일(201)에 대해
Figure pct00048
이 되도록 상이한 주파수에서 상이한 커패시턴스를 사용할 수 있다. 송신 코일(201)을 통과하는 전류는 전류 미터(213)로 측정될 수 있고, 제 1 디지타이저(215)로 기록될 수 있다.
주변 재료로부터의 자기 응답을 검출하기 위해, 픽업 코일(203)과 같은 자기 센서를 사용하여 시간 변화 자기 신호를 측정할 수 있다. 픽업 코일(203)을 통해 생성된 전압은
Figure pct00049
이며, 이는 픽업 코일(203)의 턴 수(N), 국부 자기장
Figure pct00050
의 시간 미분 및 루프(A)의 단면 영역과 관련이 있다. 선택적인 프리앰프 및/또는 대역통과 필터(219)는, 예를 들어 필요한 경우 약한 신호를 강화하거나 측정된 신호에서 특정 주파수 성분을 검출하기 위해 픽업 코일(203)과 제 2 디지타이저(217) 사이에서 이용될 수 있다. 양 디지타이저로부터의 전송 전류 및 픽업 전압의 파형을 수신한 후, PSD 분석은 테스트 재료의 비선형 계수 및/또는 피크 값을 추출하기 위해 리얼타임으로 프로세서(205)에 의해 수행될 수 있다.
송신 코일(201), 픽업 코일(203) 및 조사된 재료는 임의의 적합한 구성으로 배열될 수 있다. 2개의 특정 실시예가 도 2a 및 도 3a에 도시되어 있다. 도 2a에서, 송신 코일(201) 및 픽업 코일(203)은 조사된 재료(예를 들어, 강자성 플레이트)의 동일 측면에 배치되고, 이 구성은 비파괴 파이프라인 검사를 위해 종래의 PIG에 쉽게 적용될 수 있다. 도 3a에서, 송신 코일(201) 및 픽업 코일(203)이 조사된 재료의 반대편에 배치된 대안 구성이 도시되어 있다.
따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 시스템(200)은 조사된 재료의 단일 측면에 사용되도록 구성될 수 있다. 상기 제시된 바와 같이, 특정 실시예에서, 결정될 재료의 하나 이상의 조건은 예를 들어 재료 위상을 포함할 수 있다. 샘플(221) 대신에 공기(베이스라인으로서), 마르텐사이트(제 1 위상으로서) 및 페라이트(제 2 위상으로서)에 대한 재료 위상을 결정하기 위한 예시적인 결과가 하기 표 1 및 도 2b 내지 도 2d에 도시되어 있다.
제어 실험으로서, 장치(200)는 0.5 미터 이내에 어떠한 전도성/자성 재료없이 공기 중에서 10 ㎑ 주파수로 테스트되었다. 전송 전류 및 픽업 전압의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)는 실선과 점선 곡선으로 표시된다. 고차 고조파(2차, 3차, 4차, 5차 등)의 피크는 10 ㎑의 1차 주파수보다 적어도 7배 이상 낮다. 이러한 작은 고조파 값은 전자 처리 및 시스템 노이즈로 인한 것이며 재료 테스트의 베이스라인으로서 교정해야 한다.
고조파가 1차 피크로 정규화됨 2차 고조파 3차 고조파 4차 고조파 5차 고조파
공기(a) 4.71×10-8 1.32×10-8 3.92×10-9 2.91×10-9
마르텐사이트(b) 2.35×10-8 4.58×10-7 4.30×10-9 2.43×10-8
페라이트(c) 1.38×10-7 3.60×10-5 2.99×10-8 1.07×10-6
도 3a를 참조하면, 특정 실시예에서, 시스템(200)은 조사된 재료의 반대 측면에 사용되도록 구성될 수 있다. 공기(베이스라인으로서), 마르텐사이트(제 1 위상으로서) 및 페라이트(제 2 위상으로서)의 재료 위상을 결정하기 위한 예시적인 결과는 하기 표 2 및 도 3b 내지 도 3d에 도시되어 있다.
고조파가 1차 피크로 정규화됨 2차 고조파 3차 고조파 4차 고조파 5차 고조파
공기(a) 4.72×10-8 1.52×10-8 4.22×10-9 3.40×10-9
마르텐사이트(b) 3.93×10-8 2.01×10-7 1.93×10-9 2.14×10-8
페라이트(c) 9.59×10-8 1.17×10-5 3.10×10-9 3.44×10-6
양 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 홀수 고조파는 상이한 재료 타입 사이에서 크기 차이의 차수를 나타내서, 예를 들어 상이한 재료를 식별할 수 있게 한다. 비선형 응답은 마르텐사이트 또는 페라이트(예를 들어, 38.1㎜(L)×25.4㎜(W)×4.7㎜(H))의 쿠폰(샘플(221))이 코일의 단부에 배치되면 급격히 변한다. 짝수 개수의 고조파에는 큰 변화가 없지만, 홀수 개수의 고조파에 대한 피크는 급격히 증가하며 30 ㎑ 및 50 ㎑에서 3차 및 5차 고조파에서 가장 크게 증가한다(예: 도 2c 및 도 2d). 특히, 3차 고조파의 피크는 마르텐사이트 쿠폰(도 2c)을 갖는 1 배 이상 증가하며, 페라이트 쿠폰(도 2d)을 갖는 3 배 이상 증가한다. 도시된 데이터에서, 1차 고조파 피크는 표준 캘리브레이션으로 사용되며, 1차 피크에 대한 모든 고차 고조파 계수를 정규화했다.다시, 가장 두드러진 시그니처는 3차 및 5차 고조파인 것으로 나타난다. 동일 현상은 동일 측면 구성(예를 들어: 도 2a) 또는 반대 측면 구성(예를 들어, 도 3a)에 관찰된다. 양 구성에서, 공기(~1x10-8), 마르텐사이트(~1x10-7 내지 5x10-7) 및 페라이트(~1x10-5 내지 5x1-5)에 걸쳐 3차 고조파의 중요한 대조는 예를 들어 파이프라인 스틸의 경질 스폿을 구성하는 마르텐사이트 위상과 같은 경질 위상을 검출하는데 직접 사용할 수 있는 비선형 자기 시그너처를 제공한다.
원칙적으로, 송신 코일의 자체-인덕턴스는 근처의 강자성 재료로 변경되며, 변경은 이력 응답으로 인해 자연스럽게 비선형이어야 한다. 우리는 공기, 마르텐사이트 및 페라이트 샘플에 걸쳐 전송 전류(도 2b 내지 도 3d의 실선 곡선)의 PSD에서 비교적 작은 증가를 관찰하였다. 단일 전송 코일로부터의 전압과 전류를 바로 분석하여 강자성 재료를 구별할 수는 있지만, 상이한 재료의 시그니처는 픽업 코일로부터의 측정된 응답과 비교하여 구별할 수 없다. 이와 관련하여, 특정 실시예에서 송신 코일과 픽업 코일은 동일한 코일일 수 있다.
표 3을 참조하면, 특정 실시예에서, 시스템(200)은 조사된 재료의 단일 측면에 사용되도록 구성될 수 있고, 송신 및 픽업 코일은 조사된 샘플의 표면까지의 거리가 제한적인 바람직한 근처 위치에 배치될 수 있다. 조사된 샘플과 두 코일 사이의 거리 및/또는 간격을 리프트오프 거리(lift-off distance)라고 한다. 표 1과 도 2c 및 도 2d는 두 코일이 조사된 샘플의 표면과 직접 접촉할 때 특유의 비선형 자기 시그니처를 보여주는데, 여기서 표 3은 0.8 ㎜ 또는 2.0 ㎜의 리프트오프 거리가 있는 경우에도 유사한 특유의 비선형 자기 시그니처가 관찰됨을 보여준다. 페라이트 또는 마르텐사이트의 경우, 정규화된 3차 고조파는 리프트오프 거리의 양이 증가함에 따라 감소하지만, 페라이트의 경우 3차 고조파의 전체 피크는 0.8 ㎜ 또는 2.0 ㎜의 리프트 거리와 무관하게 마르텐사이트의 경우와 비교하여 약 2배 크기까지 더 크다. 3차 고조파의 마르텐사이트(~1×10-7 내지 5×10-7) 및 페라이트(~1×10-5 내지 5×10-5)의 이러한 견고하고 중요한 대조는, 일정하거나 시간 변화하는 리프트오프 거리가 응용 동안에 존재할 때조차도 마르텐사이트 위상과 같은 특정 재료 위상을 검출하도록 직접 검출할 수 있는 독특한 비선형 자기 시그니처를 제공한다.
3차 고조파가 1차 피크로 정규화됨
리프트오프 없음 0.8 ㎜ 리프트오프 2.0 ㎜ 리프트오프
마르텐사이트 4.6×10-7 3.0×10-7 1.3×10-7
페라이트 3.8×10-5 2.8×10-5 1.6×10-5
도 4a 및 도 4b에서, 자기 히스테리시스 응답을 포함하고 페라이트 및 마르텐사이트 위상의 실험적으로 관찰된 3차 고조파를 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 여기에 사용된 히스테리시스 모델은 본래 Jiles와 Atherton에 의해 개발되었으며, J-A 모델로 알려져 있다. J-A 모델에는 특정 재료의 히스테리시스 응답을 설명하기 위한 5개의 파라미터가 있으며, 시뮬레이션에서, 이들 5개의 파라미터는 J-A 히스테리시스 곡선을 문헌의 실험 측정값과 가장 잘 일치시켜 얻었다. 페라이트 및 마르텐사이트 위상의 경우, 2개의 상이한 파라미터 세트가 얻어지고, 전체 히스테리시스 곡선이 도 4a에 도시되어 있다(페라이트 위상의 실선 곡선과 마르텐사이트 위상의 점선 곡선). 다음에, COMSOL 멀티피직스 컴퓨터 소프트웨어 패키지를 사용하여 도 2a 내지 도 3d에서와 같이 동일한 실험 조건 및 파라미터에서 자기 반응을 시뮬레이션하였다.시뮬레이션에는 비선형 히스테리시스 자기 투자성을 설명하기 위해 5개의 J-A 파라미터가 포함된 풀 맥스웰 방정식 솔버가 통합되어 있다. 시뮬레이션이 제로 잔류 자기화로 시작될 때, 결과(도 4b)는 대칭 B-H 곡선의 이론적 설명과 일치하는 페라이트 및 마르텐사이트 양자의 경우에만 홀수 고조파의 존재를 보여준다. 또한, 시뮬레이션 결과에서, 페라이트의 3차 및 5차 고조파는 마르텐사이트의 것보다 약 1.5 배(~40 배) 더 크며, 이는 또한 상기 실험적 관찰에 일치한다. 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 툴을 사용하여, 고조파 생성과 히스테리시스 곡선 사이의 정량적 연계가 명확해졌으며, 또한 특정 응용에서 경질 위상의 검출을 최적화하기 위해 AC 자기 변조의 특정 진폭 및 주파수를 설계할 수 있다.
도 4a는 페라이트(실선) 및 마르텐사이트(점선)에 대한 전체 히스테리시스 곡선을 도시한다. 히스테리시스 곡선을 문헌의 실험 측정치와 일치시킴으로써 5개의 J-A 파라미터가 얻어진다. 도 4b는 도 2a의 구성에서 마르텐사이트(점선) 및 페라이트(실선)의 비선형 자기 검출에 대한 시뮬레이션된 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 결과를 도시한다. 도시된 바와 같이, 대칭 자화로 인해 홀수 고조파만 도시된다. 3차 및 5차 고조파의 경우, 페라이트와 마르텐사이트 사이의 약 1.5 배의 크기 차이는 위의 실험적 관찰과 일치한다.
다음 실시예에서, 측정된 비선형 시그니처를 더 잘 이해하기 위해 추가 실험 테스트가 수행된다. 강자성 재료에 대한 히스테리시스 루프는 매우 비선형적이고 이력 의존성이기 때문에, 이러한 재료의 비선형 자기 응답은 자화 상태에 따라 달라지는 것으로 기대된다. 따라서, 비선형 자기 응답의 측정은 원칙적으로 테스트 재료의 자화 상태의 표시기일 수 있으며, 자기 이상의 검출에 대한 추가 정보를 제공할 수 있다.
이론적 설명을 바탕으로, 국소 대칭 히스테리시스 루프는 단지 홀수 개수의 고조파를 발생하며 두 가지 시나리오에서 발생한다: 1) 재료는 포화 자화에 비해 작은 잔류 자화를 가지며, 이것은 도 2a 내지 도 3d에서의 경우에 적용된다. 또는 2) 재료는 작은 AC 자기 변조에 수직인 방향으로 외부에서 자화된다.
후자의 시나리오는 도 5a에서 테스트되었다. 동일한 쿠폰(221)(페라이트 또는 마르텐사이트, 38.1 ㎜(L)×25.4 ㎜(W)×4.7 ㎜(H))은 쿠폰(221)의 단부에 위치된 두개의 네오디뮴 영구 자석(223a, 223b)으로 더 긴 에지를 가로질러 자화된다. 자석들(223a) 중 하나는 그 북극이 위를 향하고 다른 하나(223b)는 반대 방향에 있다. 자속 루프를 완성하기 위해 큰 카본 스틸 플레이트(225)가 바닥에 부착된다. 송신 및 픽업 코일(201, 203)의 번들은 단면 치수가 1 인치×2 인치이고, 코일 번들의 짧은 측면(1 인치)을 쿠폰(221)의 긴 측면(1.5 인치)과 정렬하여 도 5a에서와 같이 단부 근처의 프린지 필드와의 간섭을 피한다. 이 시나리오에서, 쿠폰(221)의 중심에서의 자화는 수평 방향인 반면 코일로부터의 작은 AC 자기 변조는 수직 방향이다. 실험 결과는 표 4에 기재되어 있으며, 페라이트 및 마르텐사이트 양자에서, 이 수직 자화 전과 후에 고조파의 모든 피크는 매우 작은 변화를 경험한다. 또한 짝수 개수의 고조파는 베이스라인 공기 케이스(표의 첫번째 라인)에서와 같이 매우 작고 잡음 레벨과 유사하며 이는 이론적 설명과 일치한다.
자화 방향이 AC 변조 방향과 수직이 아닌 경우 히스테리시스 루프의 이러한 대칭은 깨질 수 있다. 코일 번들을 수평으로 90도 회전시키고 도 5b에서와 같이 더 긴 측면(~ 2 인치)을 스틸 쿠폰의 더 긴 측면에 정렬하면, 송신 코일(201)로부터 생성된 AC 자기 변조는 스틸 쿠폰의 단부에 프린지 필드와 강하게 간섭되어, 따라서 히스테리시스 루프에서 대칭을 끊고 짝수 개수의 고조파를 허용한다. 동일한 구성에서 자화가 없는 스틸 쿠폰과 비교하여 표 4 및 표 5에서, 이론적으로 일치되는 2차 고조파의 증가를 실험적으로 관찰했다. 또한, 홀수 개수의 고조파에 대한 피크는 적어도 한 자릿수만큼 감소되었다.
도 5a 및 도 5b는 강한 외부 자기장 하에서 모델 재료의 비선형 자기 응답을 테스트하기 위한 셋업의 실시예를 도시한다. 도 5a의 실시예에서, 코일 번들의 짧은 측면이 스틸 쿠폰의 더 긴 측면과 정렬될 때, 자기 변조는 스틸 쿠폰의 외부 자화에 대부분 수직이다. 따라서, 외부 자화는 비선형 반응을 변화시키지 않으며, 실험 결과는 하기 표 4에 요약되어 있다.
고조파가 1차 피크로 정규화됨 2차 고조파 3차 고조파 4차 고조파 5차 고조파
공기 4.71×10-8 1.32×10-8 3.92×10-9 2.91×10-9
자석이 없는 마르텐사이트 1.92×10-8 1.32×10-7 3.85×10-9 8.97×10-9
자석을 갖는 마르텐사이트 4.67×10-8 1.56×10-7 2.41×10-9 1.26×10-8
자석이 없는 마르텐사이트 7.30×10-8 2.91×10-6 4.15×10-9 8.69×10-8
자석을 갖는 마르텐사이트 4.03×10-8 4.51×10-6 7.20×10-9 1.86×10-7
도 5b의 실시예에서, 코일-번들의 더 긴 측면이 스틸 쿠폰의 더 긴 측면과 정렬될 때, 자기 변조는 스틸의 프린지 필드를 강하게 간섭하고, 서로 거의 직각이다. 대칭 파괴는 아래 표 5에 요약된 바와 같이 2차 고조파의 증가와 홀수 개수의 고조파의 놀라운 감소를 초래한다.
고조파가 1차 피크로 정규화됨 2차 고조파 3차 고조파 4차 고조파 5차 고조파
공기 4.71×10-8 1.32×10-8 3.92×10-9 2.91×10-9
자석이 없는 마르텐사이트 2.35×10-8 4.58×10-7 4.30×10-9 2.43×10-8
자석을 갖는 마르텐사이트 2.63×10-7 4.09×10-8 2.07×10-9 1.78×10-9
자석이 없는 페라이트 1.38×10-7 3.60×10-5 2.99×10-8 1.07×10-6
자석을 갖는 페라이트 3.95×10-7 5.62×10-7 1.45×10-9 1.53×10-8
보다 뚜렷한 대칭 파괴 효과를 보기 위해, 강자성 재료를 강하게 자화한 후 외부 자화를 제거할 수 있다. 포화 자화의 값의 절반을 초과하는 잔류 자화 또는 나머지 자화를 갖는 저 카본 스틸의 샘플을 사용하여 테스트를 수행하였으며, 이는 모델 재료이다. 도 6a 내지 도 6c에서, 이 카본 스틸 샘플에 대한 일련의 테스트가 자화 전후에 수행되었다. 저 카본 스틸 플레이트가 강하게 자화되기 전에, 표 1 및 표 2에서의 이전의 데이터와 유사하게 도 6b에 도시된 바와 같이 홀수 고조파의 상당한 증가가 감지된다. 다음에 큰 카본 스틸 플레이트는 1.27 ㎤ 0.8 테슬라 네오디뮴 영구 자석으로 특정 지점 "B" 주위에 국부적으로 자화된다. 플레이트에서 영구 자석을 제거한 후, 지점 "B" 근처의 잔류 자화는 카본 스틸 플레이트에서 0.4 테슬라 이상이어야 한다. 자화 전 카본 스틸의 PSD와 비교하면(도 6b), 자화된 영역 "B" 근처의 비선형 자기 검출은 도 6c에서 짝수 개수의 고조파의 강한 증가를 보여준다. 홀수 개수의 고조파에 의한 스틸 위상 검출에 추가하여, 짝수 개수의 고조파의 검출은 재료의 기존 잔류 자화를 포함하여 재료의 자화 상태와 같은 추가 재료 정보를 제공할 수 있음이 명백하다. 도 6a 내지 도 6c는 도 2a의 구성에서 측정된 바와 같이 공기의 비선형 자기 검출(도 6a), 저 카본 스틸 플레이트(도 6b) 및 자화 후의 저 카본 스틸 플레이트(도 6c)에 대한 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 결과를 도시한다. 점선 곡선 및 실선 곡선은 각각 픽업 전압 및 전송 전류의 PSD이다. 표 6은 모든 샘플에서 픽업 전압에 대한 정규화된 고조파 계수를 요약한 것이다.
고조파가 1차 피크로 정규화됨 2차 고조파 3차 고조파 4차 고조파 5차 고조파
공기(a) 3.25×10-7 8.03×10-7 4.44×10-8 2.22×10-8
마르텐사이트(b) 5.70×10-7 1.97×10-4 3.16×10-8 8.23×10-7
페라이트(c) 1.49×10-5 4.30×10-4 9.93×10-7 1.61×10-6
도 6a 내지 도 6c에서, 픽업 회로는 3차 고조파 주변의 신호 대 잡음비(30 ㎑의 공진 주파수를 갖는 RLC 대역통과 필터 사용)를 향상시키기 위해 약간 변경되었으며, 결과적으로 공기 환경에서의 베이스라인 교정은 전자 노이즈로 인해 강한 고조파를 경험하는 반면 샘플 간의 고차 고조파 비율은 변경되지 않는다.스틸의 자화의 조작에 추가하여, 샘플은 1 ㎑ 내지 100 ㎑의 상이한 주파수에서 테스트되었다. 1 ㎑ 및 10 ㎑에서 저 카본 스틸을 사용한 몇 가지 예가 표 7에 표시되어 있으며, 100 ㎑를 갖는 예는 이후에 도 9d 내지 도 9f에 도시되어 있다. 표 7은 1 ㎑ 및 10 ㎑에서 공기 및 카본 스틸의 비선형 자기 검출을 위한 정규화된 고조파 계수를 나타낸다.
고조파가 1차 피크로 정규화됨 2차 고조파 3차 고조파 4차 고조파 5차 고조파
공기(10 ㎑) 5.28×10-8 2.50×10-8 4.17×10-9 3.70×10-9
카본 스틸(10 ㎑) 2.30×10-8 1.39×10-5 5.29×10-9 3.33×10-7
공기(1 ㎑) 3.00×10-8 9.00×10-9 1.05×10-8 3.55×10-8
카본 스틸(1 ㎑) 4.29×10-8 1.12×10-6 1.43×10-8 1.72×10-7
전도성 재료의 주파수 의존성 피부 깊이
Figure pct00051
및 자기 도메인 벽의 복잡한 역학으로 인해, 비선형 자기 응답의 주파수 의존성을 예측하기는 어렵다. 그러나, 우리의 실험은 1 ㎑에서 100 ㎑까지의 주파수 대역에서 강자성 재료에서 상당한 비선형 자기 응답을 측정할 수 있으며, 이 주파수 의존성 응답을 사용하여 상이한 깊이의 재료 정보를 제공할 수 있다.본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 실시예는 비선형 자기음향 검출을 조절하기 위해 외부 자기장을 사용하는 것을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 이러한 실시예들의 기능을 설명하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 대칭 파괴 효과는 스틸의 잔류 자화를 조사하는데 유용할 수 있는 짝수 개수의 고조파의 생성으로 유도될지라도, 홀수 개수의 고조파에 대한 효과는 비교적 복잡할 수 있다. 도 6b 및 도 6d에서와 같은 3차 고조파의 향상 및 도 5b에서와 같은 3차 고조파의 감소 양자가 관찰되었다. 측정에서 일관성을 성취하고 그리고 이러한 잠재적인 복잡성을 회피하기 위해 스틸 파이프에서 자화를 조절하는 방법의 실시예들을 제한함이 없이 도 7a 내지 도 7c가 개시된다. 본 방법의 실시예는
Figure pct00052
의 자화 및 도 7a의 범례에서 규정된 치수를 갖는 말굽 자석에 의해 적용되는 외부 자기장을 포함한다. COMSOL 멀티피직스 컴퓨터 소프트웨어 패키지를 사용하여 말굽 자석이 예를 들어 0.5 m/s의 속도로 수직으로 움직일 때 자기장 강도를 시뮬레이션하였다. 도 7b 및 도 7c는 공간적으로 변화된 유도 자기장을 도시한다.
도 7a는 스틸 파이프(701) 상의 이동 말굽 자석(700)의 실시예를 도시한다. 영역(703, 705)은 너비가 3 ㎝인 정사각형이다. 영역(707)의 수직방향 길이는 4 ㎝이다. 영역(709)의 내경은 2 ㎝이고 외경은 5 ㎝이다. 파이프는 반경 15㎝ 및 두께 8㎜의 축방향 대칭형이다. 파이프는 반경 3 ㎜의 원형 영역(711)을 제외하고 페라이트 위상으로 구성된다. 자석은 0.5 m/s의 속도로 수직으로 이동하고 있다. 도 7b는 말굽 자석 및 파이프 벽에서의 자속 밀도의 수직 z-성분을 도시한다. 도 7c는 말굽 자석 및 파이프 벽에서의 자속 밀도의 수평 r-성분의 실시예를 도시한다.
말굽의 다리 사이의 스틸 파이프에서 자기장은 작은 경질 위상 결함 및 재료의 이력 특성으로 인해 수평 방향에서
Figure pct00053
의 미러 섭동을 갖는 수직방향 z-방향 (
Figure pct00054
)을 거의 따른다. 결과적으로, 이러한 외부 자기 조절은 도 7a에서 원형 영역(711) 근처의 수직방향 축을 따라 스틸 파이프의 자화를 효과적으로 수정 및 정렬할 수 있으며, 이 구성에 기초한 작은 수직 AC 자기 변조는 도 5a에서 도시된 바와 같이 독특하고 이해하기 쉬운 3차 고조파 신호로 유도되기 때문에 파이프라인 적용에서 바람직한 실시예 중 하나이다.
이제 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 비선형 자기 검출과 함께, 본 발명의 실시예는 동일한 원리에 기초한 비선형 자기 음향 검출을 포함한다. 도 8a는 비선형 자기 음향 검출용 셋업(800)의 실시예를 도시한다. 대형 카본 스틸 플레이트(801)(6인치×2인치×0.5인치)는 예를 들어 2개의 네오디뮴 영구 자석(803a, 803b)으로 자화될 수 있다. 카본 스틸 로드(805)(또는 임의의 다른 적절한 재료 로드)는 영구 자석(803a, 803b)의 대향 측면에 부착되어 자속 루프를 완성할 수 있다. 음향 변환기(807)는 카본 스틸 플레이트(801)의 6인치×2인치 표면의 전방 중심에 부착(예를 들어, 접착)될 수 있고, 전류 전송 코일(도시되지 않음)은 카본 스틸 플레이트의 대향 표면의 후방 중심에 부착될 수 있다.
대형 카본 스틸 플레이트가 도 8a에서와 같이 부착된 2개의 네오디뮴 영구 자석으로 자화된 경우, 카본 스틸 플레이트 내부에는 강한 DC 자기장
Figure pct00055
이 있다. 일단 작은 AC 자기 변조가 전송 코일과 함께 적용되면, 시간 변화 자기장은 강한 DC 자기장과 상호작용하는 진동 와전류
Figure pct00056
가 생성되며, 그 결과 진동 로렌초 본체 힘
Figure pct00057
및 기계적 모션을 초래한다. 이러한 커플링된 응답은 일반적으로 자기음향 응답이라고 하며, 기계적 모션은 압전 음향 변환기와 같은 음향 센서를 통해 측정된다.
도 8b는 비선형 자기음향 검출에 대한 실험적 PSD 결과를 도시한다. 점선 곡선 및 실선 곡선은 각각 수신된 음향 신호 및 전송 전류의 PSD이다. 시뮬레이션에 사용된 변환기가 500 ㎑의 공진 주파수를 가지므로, 기계적 모션은 10 ㎑ 자기 변조에서 거의 측정할 수 없다. 100 ㎑ 자기 변조가 대신 사용되었으며, 음향 신호(도 8b에서 점선 곡선)의 PSD에서 강한 3차 고조파 생성이 관찰된다. 상술한 바와 같이, 자체 인덕턴스의 변화로 인해 전송 전류(도 8b에서 실선 곡선)의 PSD에서 보다 약한 3차 고조파가 또한 나타난다.
본 명세서에 기술된 비파괴 재료 검사 시스템의 구현 또는 설계는 조사된 재료의 바람직한 근처 위치에 배치된 위치에 위치된 자기 송신기, 자기 센서, 음향 센서 및 말굽 자석의 다수의 카피를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 이러한 구현은 하나의 자기 송신기와 쌍을 이루는 자기 센서 및/또는 음향 센서의 하나 이상의 카피를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 바람직한 구성은 각각의 자기 송신기(901) 주위에 및/또는 자기 송신기(901)와 쌍을 이루는 상이한 위치에서 자기 센서 및/또는 음향 센서(900)의 4개 카피를 포함한다(도 9에 도시됨). 보다 바람직한 구성은 각각의 자기 송신기(1001) 주위에 및/또는 자기 송신기(1001)와 쌍을 이루는 상이한 위치에서 자기 센서 및/또는 음향 센서(1000)의 8개 카피를 포함할 수 있다(도 10에 도시됨). 보다 바람직한 구성은 상이한 사이즈를 갖고 각 자기 송신기 주위에 및/또는 자기 송신기와 쌍을 이루는 상이한 위치에 있는 자기 센서 및/또는 음향 센서의 최대 카피를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 이러한 구현은 조사된 재료의 표면과 접촉하는 2개의 다리를 갖는 적어도 하나의 말굽 자석을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 이러한 구현은 말굽 자석의 중심에 위치된 적어도 하나의 자기 송신기 및 적어도 하나의 자기 센서 또는 음향 센서 중 적어도 하나를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 이러한 구현은 조사된 재료의 자화를 조절하기 위한 선택적인 자석 또는 전자석을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 이러한 구현은 DC 자기장을 제공하기 위한 선택적인 자석 또는 전자석을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 용접에서 경질 위상을 갖는 실제 파이프 위상에서의 검출을 위해 제한없이 실시예가 사용될 수 있다. 도 11a 내지 도 11f를 참조하면, 실시예는 예를 들어 실제 파이프라인 스틸에서 이상을 검출하기 위해 적용될 수 있다. 반경이 21 ㎝이고 두께가 0.5 ㎝인 약 10 ㎝ 길이의 원통형 파이프 섹션을 테스트했으며, 이는 70년대 이전 빈티지 파이프라인에서 가져 왔다. 파이프의 대부분에는 페라이트/펄라이트 위상이 있는 반면에, 파이프의 시임 용접은 열처리없이 전기 저항 용접으로 연결되어 있어 베이나이트 또는 마르텐사이트 경질 스틸 위상을 포함한다. 측정 중에, 코일 번들의 더 긴 측면이 원주 방향과 정렬된다. 상이한 각도 위치에서의 비선형 자기 응답은 10 ㎑ 자기 변조에서 파이프 섹션의 내부 및 외부 양자에서 측정되었으며, 정규화된 3차 고조파 계수는 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있다.
도 11a는 10 ㎑ 자기 변조를 갖는 원통형 파이프 섹션 주위의 정규화된 3차 고조파 계수의 데이터를 도시한다. 점선 곡선은 파이프 외부의 측정값을 나타내고, 실선 곡선은 파이프 내부의 측정값을 나타낸다. 도 11b는 시임 용접에서 원주방향 거리에 대한 플롯인 도 11a에서의 동일한 데이터를 도시한다. 도 11c는 10 ㎑ 자기 변조를 갖는 정규화된 3차 고조파 계수의 데이터를 도시하며, 이는 시임 용접에서 경질 스틸 위상을 갖지 않는 파이프라인 재료의 원호형 섹션에 대한 별도의 실험에서 측정되었다. 점선 곡선은 파이프 외부의 측정값을 나타내고, 실선 곡선은 파이프 내부의 측정값을 나타낸다.
도 11a에서, 파이프 외부로부터의 측정(점선 곡선)은 페라이트/페라이트 펄라이트 영역에서 1×10-5 부근에서 변동하는 3차 고조파를 나타내고, 베이나이트 또는 마르텐사이트 경질 스틸 위상을 포함하는 시임 용접 주위에서 거의 1×10-7로 급격히 감소한다. 경질 스폿의 각도 위치는 실제 경질 마이크로구조 스폿의 1도 내에 있는 294.5도에서 점선 곡선의 최소 지점으로 식별된다.
코일이 파이프 내부에 배치되는 실시예에서, 실린더 내부의 자속 라인은 상당히 상이할 수 있고, 고도로 압축될 수 있으며, 이는 비선형 측정을 변경할 수 있다. 파이프 내부에서의 실험 측정은 실제로 다른 패턴의 3차 고조파 응답(도 11a에서 실선 곡선)의 상이한 패턴과, 용접부 근처의 최소 최소값을 도시한다. 대칭 고려에서, 최소 최소값(293.2도)의 중간점은 측정된 이상의 위치를 가장 잘 설명 할 수 있으며, 이는 또한 실제 딱딱한 마르텐사이트 스폿의 1도 내에 있다. 실선 곡선의 4중 패턴은 재료의 잔류 자화에서 비롯될 수 있는 반면, 최소 최소값 특징 및 상당히 보다 낮은 고조파 응답은 완전한 원통형 파이프 내의 특정 EM 공진 모드로 인해 발생할 수 있다.
비교하면, 도 11c에서, 우리는 시임 용접에서 마르텐사이트 또는 베이나이트 위상과 같은 경질 위상을 갖지 않는 파이프라인 재료의 원호형 섹션을 테스트했다. 파이프 섹션의 외부와 내부의 측정값은 각각 도 11c에서 점선 곡선 및 실선 곡선으로서 도시되어 있다. 이 절단 섹션은 원호형이며, 완전한 원통형이 아니며, 내부와 외부의 결과는 비슷하다. 양 데이터는 실제 용접 플래시 주위의 3차 고조파의 특정 범위의 정도(49 ㎜와 63 ㎜ 사이)를 보여 주지만, 이러한 이상(계수 ~1×10-6)은 여전히 마르텐사이트 또는 베이사이트와 같은 경질 위상의 존재를 나타내기에 충분하지 않으며, 이는 1×10-7에 근접한 시그너처를 갖는다. 대신에, 용접 플래시의 외부 표면에서 약 1 ㎜ 깊이의 작은 크랙이 관찰되었고, 결과적으로 도 11c의 3차 고조파의 변화는 용접부 주위에 공기 갭, 크랙 또는 상이한 응력 상태의 존재를 나타내는데 사용될 수 있다.
또한 이들 동일한 파이프 섹션은 100 ㎑ AC 자기 변조로 테스트되었으며, 데이터는 원통형 파이프 섹션에 대해서 도 11d 및 도 11e에 그리고 원호형 파이프 섹션에 대해서 도 11a 내지 도 11c에 도시되어 있다. 도 11d 내지 도 11f는 도 11a 내지 도 11c에서와 같이 100 ㎑ 자기 변조를 갖는 유사한 측정값을 도시하면, 파이프 재료의 외부에서만 측정되었다. 원통형 파이프 섹션의 경우, 용접부의 외부에서 측정값은 마르텐사이트 또는 베이나이트 위상과 같은 경질 위상을 포함하는 용접부 주변의 구별되는 특징을 도시한다(도 11d 및 도 11e 참조). 비교하면, 원호형 파이프 섹션의 경우, 용접부가 작은 크랙을 갖는 페라이트 또는 페라이트-펄라이트 위상만을 포함하기 때문에, 비선형 자기 응답의 측정된 곡선은 다소 평탄하다.
도 12a 내지 도 12c는 비히스테리시스 재료와, 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료 사이의 검출 및 구별의 실시예를 도시한다. 도 12a 내지 도 12c의 테스트에서, 시스템(200)은 도 12b에 도시된 조사된 재료의 단일 측면에서 사용하기 위해 구성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 특정 실시예에서, 결정될 재료의 하나 이상의 조건은 예를 들어 하나 이상의 특정 재료 위상을 포함할 수 있다. 히스테리시스 재료와, 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료 사이의 재료 위상을 결정하기 위한 예시적인 결과가 도 12a 내지 도 12c에 도시되어 있다.
도 12a의 제어 실험으로서, 장치(200)는 0.5 미터 이내에 임의의 전도성/자성 재료없이 공기 중에서 10 ㎑ 주파수에서 테스트되었다. 여기에 사용된 전류는 전자 노이즈 플로어를 감소시키기 위해 도 2b 내지 도 2d 및 도 3b 내지 도 3d에서 사용된 전류보다 낮다. 픽업 전압의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)가 도시된다. 고차 고조파(2차, 3차 및 4차 등)의 피크는 1차 주파수 10 ㎑보다 적어도 9배 낮다. 이러한 작은 고조파 값은 전자 처리 및 시스템 노이즈로 인한 것이며, 특정 재료 시험을 위한 베이스라인으로서 교정해야 한다.
도 12a 내지 도 12c의 이들 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 짝수 및 홀수 고조파 양자는 비히스테리시스 재료(도 12b)와, 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스(도 12c) 사이의 크기 차이의 차수를 보여주면, 예를 들어, 상이한 재료를 식별할 수 있다. 비히스테리시스 재료의 비제한적인 예는 오스테나이트 스테인리스 스틸, 듀플렉스 스테인리스 스틸 및 고 망간 스틸을 포함한다. 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료의 비제한적 예는 입실론 마르텐사이트 개재물을 갖는 고망간 스틸을 포함한다. 도 12a 및 도 12b는 코일의 단부가 비히스테리시스 재료의 플레이트(예를 들어, 200㎜(L)×200㎜(W)×20㎜(H)) 상에 배치될 때 비선형 자기 응답이 급격히 변하지 않음을 보여준다. 이것은 비히스테리시스 재료가 일정한 자기 투자율을 갖는 선형 자성 재료이고, 결과적으로 임의의 비선형 자기 응답을 생성하지 않는다는 사실과 일치한다. 도 12a 및 도 12c는 코일의 단부가 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료(예를 들어 재료 중량 분율의 중량으로 5% 이상의 비균일성을 갖는 200㎜(L)×200㎜(W)×20㎜(H))의 플레이트 상에 위치될 때 급격히 변화하는 것을 도시한다. 홀수 및 짝수 개수 양자의 고조파에 대한 피크가 급격히 증가한다. 특히, 도 12b의 비히스테리시스 재료와 비교하여, 도 12c에서의 3차 고조파의 피크는 이력 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료와 함께 2차 정도 증가하여, 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료를 직접 검출하는데 사용될 수 있는 독특한 비선형 자기 시그니처를 제공한다.
다른 비파괴 검사 툴에서의 일반적인 관행과 유사하게, 이 기술에 숙련된 자들은 비히스테리시스 재료에서 히스테리시스 강자성 재료의 상이한 비균일성 부분에 대해 비선형 자기 응답 및/또는 3차 고조파의 피크 값을 교정할 수 있다. 이와 같이, 적절한 교정으로, 본 개시의 방법 및 시스템은 히스테리시스 강자성 재료의 비균일성을 갖는 비히스테리시스 재료와 같은 2 이상의 재료 위상을 갖는 샘플의 재료 위상 부분을 측정하는데 사용할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 실시예는 표면 상에 및/또는 대량의 실제 TMCP 스틸 플레이트 및/또는 파이프에서 바람직하지 않은 위상의 검출을 위해 제한없이 사용될 수 있다. 도 13a 내지 도 13e를 참조하면, 실시예는 예를 들어 실제 파이프라인 스틸에서 이상을 검출하기 위해 적용될 수 있다. 곡선형 파이프 섹션을 TMCP 파이프(28 인치 내경(ID) 및 약 ¾ 인치 두께)로 절단하고, 파이프 섹션의 약 4 인치×4 인치 영역을 테스트했다. 대부분의 파이프는 페라이트/펄라이트 및/또는 더 연질 과립형 베이라이트 위상이 있으며, ID 표면의 일부는 제철소에서 TMCP 제조 프로세스 중에 자연적으로 형성된 라스 베이나이트 또는 마르텐사이트 경질 스틸 위상을 포함한다.
자기 센서/음향 센서(1300) 및 자기 송신기(1301)를 포함하는 코일 번들의 더 긴 측면이 도 13a에 도시된 바와 같이 수평 방향(또한 파이프의 원주 방향)과 정렬될 때, 정규화된 3차 고조파의 데이터 맵이 도 13a에 도시되어 있다. 동일한 코일 번들의 더 긴 측면이 도 13b에 도시된 바와 같이 수직 방향(또한 파이프의 길이 방향)으로 정렬될 때, 정규화된 3차 고조파의 데이터 맵이 도 13b에 도시되어 있다. 도 13c는 도 13a 및 도 13b 양자로부터 조합된 데이터 세트를 갖는 데이터 맵이며, 임의의 특정 위치에서, 도 13c는 도 13a와 도 13b 사이의 정규화된 3차 고조파의 보다 낮은 값만을 사용한다.
동일한 파이프 섹션에서, 2개의 상이한 이상-존이 2개의 상이한 송신기 센서 방향, 즉 도 13a의 상단 좌측 둘레의 흰색에서 밝은 회색 존과, 도 13b의 하단 우측 둘레의 흰색에서 밝은 회색 존으로 표시된다. 상이한 송신기-센서 배향으로부터의 양 존이 실제 재료 경도 특성과 일치하는지 확인하기 위해, TMCP 파이프 섹션을 절단하고, 10개의 단면형 재료 샘플은 파이프 섹션의 상이한 부분으로부터 제조된다. 다음에, 이들 샘플들을 금속조직학적으로 연마하고, 비커스 경도(VHN) 측정은 압입에 의해 표면 아래 100 ㎛에서 100-그램 하중으로 단면에서 수행된다. 예를 들어, 단면형 샘플 중 하나가 도 13e에서 박스(13D)의 위치로부터 절단되고, 특정 샘플에 대한 대응하는 비커스 경도(VHN) 측정이 1차원 측정 바아 뿐만 아니라 간단한 데이터 플롯에서 도 13d에 도시되어 있다. 도 13e는 10개의 VHN 결과의 앙상블을 보여준다. 경도 측정 바아는 단면 샘플이 절단되는 위치에서 배치된다.
비커스 경도 측정과 일치되게, 특히 정규화된 3차 고조파 데이터 맵에서 비선형 자기 응답(도 13a 내지 도 13c)은 도 13e에서 검증된 바와 같이 상단 좌측 및 하단 우측의 경질 존 양자를 캡처할 수 있다. 구체적으로, 도 13a 및 도 13b에서 송신기-센서 배향을 갖는 데이터는 도 13e에서 상단 좌측 및 하단 우측의 경질 존을 캡처할 수 있다. 데이터 이방성은 열간 압연 공정과 같은 제조 공정에서 생성된 탄소 스틸의 고유한 텍스처 이방성에서 비롯되며, 더 좋고 완전한 검사 결과를 얻기 위해, 선호되는 송신기-센서 배열은 각 자기 송신기 주변에 및/또는 자기 송신기와 쌍을 이룬 상이한 위치에 많은 센서 카피를 포함할 수 있다.
도시된 실시예에서, 아래의 데이터를 생성하는데 사용되는 전송 코일(201) 및 픽업 코일(203)은 최대 외경이 약 ¾ 인치이고 인덕턴스가 L~7 mH인 코일을 포함한다. 도 14a 내지 도 14c에 도시된 데이터에 대하여, 송신 코일(201) 및 픽업 코일(203)은 조사된 재료(예를 들어, 강자성 플레이트)의 동일 측면에 배치된다.
더 작은 직경을 갖는 코일은 도 2b 내지 도 2d 및 도 3b 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 이전에 개시된 1 인치 코일과 유사한 방식으로 작동한다. 제어 실험으로서, 장치(200)는 0.5 미터 이내에 임의의 전도성/자성 재료없이 공기 중에서 10 ㎑ 주파수로 테스트되었다. 픽업 전압의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)는 도 14a 내지 도 14c에 도시되어 있다. 고차 고조파(2차, 3차, 4차 및 5차 등)의 피크는 공기 케이스에서 10 ㎑의 1차 주파수보다 적어도 8배 낮다(도 14a). 이러한 작은 고조파 값은 전자 처리 및 시스템 노이즈로 인한 것이며, 재료 테스트의 베이스라인으로서 교정해야 한다.
도 2b 내지 도 2d 및 도 3b 내지 도 3d의 개시와 유사하게, 홀수 고조파는 예를 들어 상이한 재료 유형들 사이의 크기 차이의 차수를 도시하여, 상이한 재료를 식별할 수 있게 한다. 비선형 응답은 마르텐사이트 또는 페라이트의 쿠폰(예를 들어, 38.1㎜(L)×25.4㎜(W)×4.7㎜(H))이 보다 작은 코일의 단부에 배치되면 급격히 변한다. 짝수 개수의 고조파에는 큰 변화가 없지만, 홀수 개수의 고조파에 대한 피크는 급격히 증가하며 30 ㎑ 및 50 ㎑에서 3차 및 5차 고조파에서 가장 크게 증가한다(예를 들어, 도 14b 및 도 14c). 특히, 3차 고조파의 피크는 마르텐사이트 쿠폰으로 3배 이상 증가하며(도 14b), 페라이트 쿠폰으로 5배 이상 증가하여(예를 들어 도 14c), 예를 들어 파이프라인 스틸의 경질 스폿을 구성하는 마르텐사이트 위상과 같은 경질 위상을 감지하는데 직접 사용할 수 있는 고유한 비선형 자기 시그니처를 제공한다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 더 작은 직경의 자기 송신기 및 센서는 더 높은 측방향 공간 해상도로 검사 결과를 생성하는데 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 아래의 데이터를 생성하기 위해 사용되는 송신 코일(201) 및 픽업 코일(203)은 도 15a 및 도 15b에서 사용되는 바와 같이 ¾ 인치 직경의 코일을 포함한다. 송신 코일과 픽업 코일 양자는 2차원 자동화 스캐너의 카트리지에 장착된다. 2차원 자동 스캐너는 치수가 0.1 ㎜ 보다 작은 최소 스텝-사이즈를 갖는 편평한 수평방향 평면에서 캐리지를 이동시킬 수 있으며, 캐리지 및/또는 코일의 2차원 공간 모션 및 위치가 제어되어 컴퓨터 프로그램 코드를 통해 모니터링될 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 실시예는 표면 상에 및/또는 벌크에서 공간적으로 변화하는 경질 위상을 갖는 실제 파이프 및 플레이트에서의 검출을 위해 제한없이 사용될 수 있다. 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 실시예는 예를 들어 카본 스틸 플레이트의 이상을 검출하기 위해 적용될 수 있다. 평평한 4140 카본 스틸 플레이트(예를 들어, 12인치(L)×6인치(W)×1¼(H))는 도 15a의 우측 패널에 도시된 바와 같이 테스트되었다. 대부분의 플레이트는 페라이트/펄라이트 위상을 가지며, 경질 위상 영역 또는 경질 존의 7개의 수평방향 줄무늬가 있다. 이들 시뮬레이션된 경질 존은 진공 환경에서 전자 비임을 사용하여 국부적 표면 가열로 만들어진 후 히트 싱크로서 스틸 본체로 빠른 자체 온도 급냉을 수행한다. ㎐1 내지 ㎐7에 사용된 가열 파라미터는 상이하며, 따라서 이들 7개의 경질 존은 상이한 국부 경도 및 폭을 가지며, 이들은 라스 베이나이트 또는 마르텐사이트 경질 위상의 상이한 부피 분율을 포함한다.
2차원 자동화 스캐너로 측정하는 동안, 송신 및 픽업 코일은 조사된 샘플의 표면에 0.1 ㎝ 이내에 배치되고, 코일 번들의 더 긴 측면은 플레이트 방향의 더 긴 방향(12인치)과 정렬된다. 전체 스틸 플레이트에 걸친 상이한 2차원 위치에서의 비선형 자기 응답은 10 ㎑ 자기 변조에서 측정되었고, 측정으로부터, 정규화된 3차 고조파 계수의 데이터 맵이 도 15a의 좌측 패널에 도시되어 있다. 도 15a 좌측 패널에 도시된 바와 같이, 보다 진한 회색은 정규화된 3차 고조파(재료 특성이 더 연질)의 보다 높은 값을 나타내며, 흰색은 정규화된 3차 고조파(재료 특성이 보다 경질)의 보다 낮은 값을 나타낸다. 모든 7개의 경질 위상 정역(㎐1 내지 ㎐7)은 이들 중에서 상이한 3차 고조파 레벨을 갖는 비선형 자기 응답 측정에 의해 검출된다.
비선형 자기 응답 측정 및 결과적인 데이터 맵이 재료 경도 특성과 일치하는지 확인하기 위해, 4140 카본 스틸 플레이트를 도 15a의 우측 패널에서와 같이 점선(15B)을 따라 절단했다. 점선(15B)을 따라, 7개의 단면 재료 샘플을 제조하고 금속조직학적으로 연마하고, 비커스 경도(VHN) 측정은 압입에 의해 표면 아래 100 ㎛에서 100 g 하중으로 단면에서 수행된다. 점선(15B)을 따라 ㎐1 내지 ㎐5에 걸친 경도 측정값이 도 15b 우측 패널에 도시되어 있다. ㎐6 및 ㎐7의 경우, 경도 측정은 표면 아래 100 ㎛에서 측정할 때 임의의 상승된 경도를 포착하지 못하므로, ㎐6 및 ㎐7 양자가 100 ㎛ 또는 보다 깊은 상승된 경질 존을 갖지 않음을 나타낸다. 비커스 경도 측정에 따라, 특히 정규화된 3차 고조파에서의 비선형 자기 응답은 동일한 점선(15B)을 따라 도시되고, 그 결과는 도 15b 좌측 패널에 도시되어 있으며, 정규화된 3차 고조파의 데이터는 결과의 높이 및 폭의 일관된 상관관계로 모든 ㎐1 내지 ㎐7을 캡처할 수 있다. 구체적으로, FWHM(Full width at half maximum: 최대 반에서의 전폭) 폭은 3차 고조파 응답 및 경도 측정 모두에 대해 측정된 모든 경질 존에 대해 표시되어 있다. 3차 고조파 응답으로부터 측정된 폭은 일반적으로 근거로 간주되는 경도 측정으로부터 측정된 폭과 1 ㎜ 내지 2 ㎜의 편차 내에 있다. 도시된 실시예에서, 비선형 자기 응답은 2 ㎜ 또는 그 이상의 측방향 공간 해상도를 갖는 표면 경질 존을 검출할 수 있다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 실시예는 예를 들어 카본 스틸 플레이트에서 이상을 검출하기 위해 적용될 수 있다. 도 16a 좌측 패널을 참조하면, 편평한 TMCP 카본 스틸 플레이트(예를 들어, 9인치(L)×5인치(W)×1인치(H))를 테스트하였다. 대부분의 이러한 플레이트는 페라이트/펄라이트 및/또는 연질 과립형 베이나이트 위상을 갖지만, 경질 위상 영역 또는 경질 존의 4개의 수직방향 줄무늬가 있으며, 그 중심에는 플레이트에 십자 표시가 붙어 있다. 이러한 시뮬레이션된 경질 존은 진공 환경에서 전자 비임을 사용하여 국부적 표면 가열로 만들어진 후 히트 싱크로 스틸 본체로 빠른 자체 온도 급냉을 수행한다. 여기에 사용된 가열 파라미터는 이전 플레이트(도 14a)에서 ㎐2 내지 ㎐5에 사용된 동일한 파라미터이며, 따라서 이들 4개의 경질 존은 상이한 국부 경도 및 폭을 가지며, 이들은 라스 베이나이트 또는 마르텐사이트 경질 스틸 위상의 상이한 부피 분율을 포함한다. 동일한 가열 파라미터를 사용하면, 4140 카본 스틸과 TMCP 카본 스틸 사이의 ㎐2 내지 ㎐5의 경도 또한 베이스 스틸 플레이트의 화학성분이 상이하므로 차이가 있다.
동일한 2차원 자동화 스캐너를 사용하여, 비선형 자기 응답 측정으로부터, 정규화된 3차 고조파 계수의 데이터 맵이 도 16a 우측 패널에 도시되어 있다. 도 16a 우측 패널에 상세히 도시된 바와 같이, 검은색에서 진한 회색은 정규화된 3차 고조파(재료 특성이 더 부드러움)의 높은 값을 나타내며, 흰색에서 밝은 회색은 정규화된 3차 고조파(재료 특성이 더 단단함)의 낮은 값을 나타낸다. 4개의 모든 경질 위상 영역(㎐2 내지 ㎐5)은 이들 중에서 상이한 레벨의 3차 고조파를 갖는 비선형 자기 응답 측정에 의해 검출된다.
비선형 자기 응답 측정의 감도가 재료 경도 특성과 일치하는지 검증하기 위해서, TMCP 카본 스틸 플레이트를 도 16a 좌측 패널에서와 같이 점선(16B)을 따라 절단했다. 점선(16B)을 따라, 하나의 단면 재료 샘플을 제조하고 금속조직학적으로 연마하고, 비커스 경도 측정은 압입에 의해 표면 아래 100 ㎛에서 100 g 하중으로 단면에서 수행된다. 일 예로서, ㎐3에 걸친 단면 경도 맵은 도 16b 상단 패널에 도시되어 있다. 단면에서, 상승된 경질 존은 경질 존 내의 비커스 경도에서 평균 40의 증분(250 이상의 VHN)으로 약 8.0 ㎜의 폭 및 1.1 ㎜ 깊이를 갖는 반타원형 형상을 갖는다. 벌크 영역의 재료 미세구조(250보다 작은 VHN)는 스캐닝 전자 현미경 이미지(도 16b의 하단 좌측)에 도시된 바와 같이 과립형 베이나이트 및 침상 페라이트의 혼합물이며, 상승된 경질 존(250보다 큰 VHN)의 재료 미세구조는 도 16b 하단 우측에 도시된 바와 같이 과립형 베이나이트 및 라스 베이나이트의 혼합물이다. 비커스 경도 측정에 따라, 3차 고조파 응답으로부터의 ㎐3에 대한 FWHM 폭은 동일한 점선(16B)에 걸쳐 약 10.0 ㎜인 것으로 결정되며, 이는 2 ㎜ 공간 해상도를 갖는 경도 측정과 일치한다.
다른 비파괴 검사 툴의 일반적인 관행시그마 위상 이 기술에 익숙한 사람은 샘플에서 상이한 레벨의 비커스 경도(VHN), 표면적 사이즈 및 경질 야금 위상의 깊이에 대한 비선형 자기 응답 및/또는 3차 고조파의 피크 값을 교정할 수 있다. 이와 같이, 적절한 교정으로, 본 개시의 방법 및 시스템은, 예를 들어 경질 야금 위상의 비균일성을 갖는 히스테리시스 재료와 같은 둘 이상의 재료 위상의 샘플의 비커스 경도 및 재료 위상 분율을 측정하는데 사용될 수 있다.
전술한 방법은 볼트, 단조물, 주조물 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 스틸 구성요소의 검사로 확장될 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 비히스테리시스 재료에서 히스테리시스 자성 재료 위상의 검출을 위해 제한없이 실시예가 사용될 수 있다. 비히스테리시스 재료는 알루미늄, 오스테나이트 스테인리스 스틸, 듀플렉스 스테인리스 스틸 및 고망간 스틸을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 히스테리시스 자성 재료 위상의 예로는 마르텐사이트, 입실론 마르텐사이트, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 라스 베이나이트, 침상 페라이트 및 준-폴리곤 페라이트 중 하나 이상이 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 비히스테리시스 재료에서 히스테리시스 자성 재료 위상의 검출의 첫 번째 예시적 적용은 DSS 등급을 매기거나 품질 관리 수단으로 사용될 수 있는 듀플렉스 스테인리스 스틸(DSS)의 자기 페라이트 함유물의 양을 결정하는 것을 포함한다. 보다 구체적으로, 페라이트-오스테나이트 DSS의 델타 페라이트의 양을 확인하고, 페라이트-오스테나이트 DSS의 등급을 매기거나 델타 페라이트의 양이 원하는 범위 내에 있는지 여부를 결정하기 위해 품질 관리로 사용할 수 있다.
또 다른 예에서, 오스테나이트 스테인리스 스틸(예를 들어, 등급 304, 308, 316 등) 용접부 및 오스테나이트 스테인리스 스틸 용접이 고온에 노출될 때, 예를 들어 배관, 용기, 리액터 및 용접 오버레이와 같은 정유공장 작업 장비가 수소처리 조건 또는 수소가공 조건에 노출된 경우, 비히스테리시스 재료에서 히스테리시스 자성 재료 위상의 검출은 품질 관리를 위해 사용될 수 있다. 이러한 조건 하에서, (예를 들어, 페라이트의) 시그마 위상(히스테리시스 자성 재료 위상)이 형성될 수 있으며, 이로 인해 재료가 부서지기 쉬워진다. 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 정유공장 작업 장비의 전부 또는 일부에서 취성 시그마 위상의 양을 측정하거나, 취성 시그마 위상의 존재 또는 부재를 검출하는데 사용될 수 있다. 수소처리에서, 전형적으로 정유공장 작업 장비 및 그 용접부는 오스테나이트 스테인리스 스틸을 함유한다. 전형적으로, 수소가공에서, 반응기의 하류의 정유공장 작업 장비는 오스테나이트 스테인리스 스틸을 포함하고, 리액터의 상류, 리액터에 및 리액터의 하류에 있는 정유공장 작업 장비의 용접부는 오스테나이트 스테인리스 스틸을 함유한다. 수소가공에서 리액터는 일반적으로 오스테나이트 스틸 용접 오버레이를 갖는 Cr-Mo 재료로 구성된다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 D/S의 수소가공 리액터의 무거운 벽 Cr-Mo 리액터의 오스테나이트 스테인리스 배관, 용기 및 용접 오버레이의 제조에 사용되는 거스(girth) 및 시임 용접에서 페라이트 함유물의 양 및 페라이트 함유물의 존재 또는 부재를 측정하는데 사용될 수 있다. 페라이트 함유물의 양은 스테인리스 스틸 용접부에서 용접 응고 크랙을 방지하기 위해 원하는 양을 충족해야 한다.
비히스테리시스 재료에서 히스테리시스 자성 재료 위상을 검출하는 상기 실시예의 각각에서, 비선형 자기 응답 신호를 히스테리시스 자성 재료 위상의 양 또는 함유물과 상관시키기 위해 비히스테리시스 재료에서 상이한 양의 히스테리시스 자성 재료 위상으로 교정 샘플을 제조할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 용접의 경도를 특성화하기 위한 실시예가 제한없이 사용될 수 있다. 도 13a 내지 도 13e에 관한 개시와 유사하게, 상이한 용접 재료의 VHN 또는 브리넬 경도 번호(BHN)는 본원에 기술된 비선형 자기 응답 신호와 상관될 수 있다. 용접 경도를 특성화를 적용하는 제 1 실시예에서, 핸드헬드 장치는 용접(신규, 구식 또는 수리) 또는 그 부분에 대한 비선형 자기 응답 신호를 측정하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 VHN 및/또는 BHN에 상관될 수 있다.
용접 경도의 특징을 적용하는 다른 예는 전기 저항 용접(ERW)의 유형을 식별하는 것이다(예를 들어: 저주파 열처리 ERW, 저주파 비열처리 ERW, 고주파 열처리 ERW 및 고주파 비열 처리 ERW). 이 실시예에서, ERW의 비선형 자기 응답 신호와 비교한 비선형 자기 응답 신호 베이스 파이프는 ERW의 유형과 상관될 수 있다. 이러한 상관 관계는 표준 교정 측정을 통해 확인할 수 있다. 이러한 방법의 구현은 인라인 파이프라인 검사 게이지, 자동 또는 수동 풀 파이프라인 검사 툴, 제철소 검사 툴, 도랑내(in-the-ditch) 검사 툴, 핸드헬드 검사 장치 등을 포함할 수 있다. 특성화를 적용하는 또 다른 예에서, 용접의 경도는 도랑내 검사를 사용하여 베이스 파이프의 경도 및 파이프 등급을 식별하는 것이다. 이 예에서, 비선형 자기 응답 신호는 베이스 파이프의 재료의 경도, 인장 및/또는 항복 강도로 교정 및 상관될 수 있다. 이러한 상관 관계는 도랑내 검사를 사용하여 파이프 등급을 결정하는데 사용될 수 있다.
용접의 경도의 특징을 적용하는 또 다른 예에서, 용접의 경도(예를 들어, 시임 용접 및/또는 거스 용접)는 그후 수리된다. 일 예에서, 수리된 용접부는 수소처리 및 수소가공 리액터에 사용되는 압력 용기(예를 들어, Cr-Mo ½ Cr 스틸로 구성됨)와 관련될 수 있다. 수리 프로세스는 용접부 및 용접부 주위의 부분 금속을 제거하고, 영역을 교체/패치하는 것을 포함할 수 있다. 새로 형성된 용접부는 선택적으로 열처리될 수 있다. 검사 프로세스는 수리후 용접(후용접 열처리의 유무에 관계없이)이 용접 경도에 대한 산업 표준 및/또는 회사 사양을 충족하는지 및/또는 용접에서 경질 스폿을 식별하는지를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
다른 유사한 예는 21/4 Cr-V 스틸 용기와 관련된 용접의 경도 측정을 포함한다. 검사 프로세스에는 수리후(후용접 열처리의 유무에 관계없이) 제조 용접 및/또는 용접이 용접 경도에 대한 산업 표준 및/또는 회사 사양을 충족하는지 및/또는 용접에서 경질 스폿을 식별하는지를 판단하는 것이 포함될 수 있다.
다른 유사한 예는 시간에 따른 용접 경도의 관리를 포함한다. 즉, 용기, 파이프 등은 경질 스폿의 경도 및/또는 위치 및 크기를 모니터링하면서 시간이 지남에 따라 검사될 수 있다. 검사는 핸드헬드 장치 및 자동 크롤러를 포함하는 임의의 적절한 장치로 수행할 수 있다. 검사 프로세스는 제조 용접 및/또는 수리 용접(후용접 열처리의 유무에 관계없이)에서 수행될 수 있다.
용접에서 용접 경도 및/또는 경질 스폿과 상관된 비선형 자기 응답 신호를 사용하는 다른 실시예에서, 용접 루트 및/또는 용접 캡은 구체적으로 검사 및 분석될 수 있다. 바람직한 경우에, 이 적용은 라이저 및 사워 서비스 파이프라인(sour service pipeline)의 현장 용접에 적용될 수 있다. 선택적으로, 본 명세서에 설명된 비선형 자기 응답 신호 방법/장치에 의한 루트 용접의 검사는 레이저 루트 프로파일링과 함께 수행될 수 있다. 루트 용접(예를 들어, 거스 용접 루트)에서 증가 된 경도는 부적절한 용접 절차(예를 들어, Cu 냉각 슈를 사용하여 용접 루트에 근접함)에서 높은 용접 속도 및/또는 Cu 냉각 슈와 같은 기구로부터 용접 금속에서의 용해된 Cu 오염에서 비롯될 수 있다.
용접에서 용접 경도 및/또는 경질 스폿과 상관된 비선형 자기 응답 신호를 사용하는 또 다른 예에서, 후면 용접의 품질이 평가될 수 있다. 후면 용접은 수동으로 이뤄진 거스 용접에 대한 내부 수리이다. 후면 용접부에서 경질 스폿의 경도 및/또는 위치 및 크기를 결정하면 후면 용접이 경도에 대한 산업 표준 및/또는 회사 사양을 충족하는지 확인하거나 추가 수리가 필요한지 결정할 수 있다. 이러한 방법의 구현은 인라인 파이프라인 검사 게이지, 자동 또는 수동 풀 파이프라인 검사 툴, 핸드헬드 검사 장치 등이 될 수 있다.
용접에서 용접 경도 및/또는 경질 스폿과 상관된 비선형 자기 응답 신호를 사용하는 다른 예에서, 여기에 기술된 방법 및 장치는 거스 용접을 생성하는데 사용되는 용접 버그 및/또는 거스 용접을 검사하는데 사용되는 초음파 테스트 버그와 함께 사용될 수 있다. 버그는 파이프 둘레를 이동하여 거스 용접을 생성하거나 거스 용접을 검사하는 자동화된 기계이다. 본 명세서에 설명된 장치는 형성 후(즉, 용접 버그로) 또는 거스 용접의 초음파 응답을 측정할 때(즉, 초음파 테스트 버그로) 거스 용접의 비선형 자기 응답 신호를 측정하기 위해 버그와 통합될 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 파이프 또는 유사한 구조물을 제조하기 위해 또는 파이프 또는 유사한 구조물에 사용되는 재료의 경도, 인장 강도 및/또는 항복 강도를 특성화하기 위해 실시예가 제한없이 사용될 수 있다. 도 13a 내지 도 13e에 관한 개시와 유사하게, 파이프 또는 유사한 구조물을 제조하기 위해 또는 파이프 유사한 구조물에 사용되는 상이한 재료의 경도(예를 들어, VHN 또는 BHN), 인장 강도 및/또는 항복 강도는 본원에 기술된 비선형 자기 응답 신호와 상관될 수 있다. 일단 경도, 인장 강도 및/또는 항복 강도가 결정되면, 파이프 등급이 도출될 수 있다. 이러한 방법의 구현은 인라인 파이프라인 검사 게이지, 자동 또는 수동 풀 파이프라인 검사 툴, 제철소 검사 툴, 도랑내 검사 툴, 핸드헬드 검사 장치 등을 포함할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 양태에 따르면, 파이프라인 및 유사한 구조의 무결성을 낮추는 응력 부식 크랙을 야기할 수 있는 경질 존(예를 들어, 냉간 가공 영역 또는 덴트)을 검출하고 위치시키는데 제한없이 실시예가 사용될 수 있다. 응력 부식 크랙은 부식성 환경에서 크랙이 형성되거나 성장하는 것이다. 오스테나이트 스테인리스 스틸 및 알루미늄 합금에서, 염화물(예를 들어, NaCl, KC1 및 MgCl2)은 응력 부식 크랙의 원인이 될 수 있다. 응력 부식 크랙은 일반적으로 파괴 역학이 발생해서는 안된다고 예측하는 조건에서 전파되는 표면의 작은 결함으로 시작된다. 비파괴 재료 검사 방법 또는 툴을 사용하여 응력 부식 크랙을 일으킬 수 있는 응력 부식 크랙 및/또는 국부적 경질 작업 존(경질 존)을 감지할 수 있으면 고장 파이프라인 또는 기타 구조물을 경감시킬 수 있다. 이러한 방법의 구현은 인라인 파이프라인 검사 게이지, 자동 또는 수동 풀 파이프라인 검사 툴, 핸드헬드 검사 장치 등이 될 수 있다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본 개시의 양태는 시스템, 방법 또는 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현될 수 있다. 따라서, 본 개시의 양태는 전체 하드웨어 실시예, 완전히 소프트웨어 실시예(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함함) 또는 모두 일반적으로 본 명세서에서 "회로", "모듈" 또는 "시스템"으로 지칭될 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 양태를 결합하는 실시예의 형태를 취할 수 있다. 또한, 본 개시의 양태는 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드가 구현된 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체(들)로 구현된 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다.
하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체(들)의 임의의 조합이 이용될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 판독가능 신호 매체 또는 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 예를 들어, 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선 또는 반도체 시스템, 장치 또는 디바이스, 또는 전술한 것의 임의의 적절한 조합일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체의 보다 구체적인 예(비제한 리스트)는 다음의 것: 하나 이상의 와이어를 갖는 전기 접속, 휴대용 컴퓨터 디스켓, 하드 디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 소거가능 프로그램가능 판독 전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 광섬유, CD-ROM(Portable Compact Disc Read-Only Memory), 광 저장 장치, 자기 저장 장치 또는 기타 전술한 것의 조합을 포함한다. 이 문서의 맥락에서, 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 명령 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 포함하거나 저장할 수 있는 임의의 유형 매체일 수 있다.
컴퓨터 판독가능 신호 매체는 예를 들어 기저대역에서 또는 반송파의 일부로서 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드가 구현된 전파된 데이터 신호를 포함할 수 있다. 그러한 전파된 신호는 전자기, 광학, 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 형태를 취할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 신호 매체는 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 아니고 명령 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 통신, 전파 또는 수송할 수 있는 임의의 컴퓨터 판독가능 매체일 수 있다.
컴퓨터 판독가능 매체에 구현된 프로그램 코드는 무선, 유선, 광섬유 케이블, RF 등, 또는 전술한 것의 임의의 적절한 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 매체를 사용하여 전송될 수 있다.
본 개시의 양태들에 대한 동작들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 Java, 스몰토크(Smalltalk), C++ 등과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어, "C" 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어와 같은 종래의 절차적 프로그래밍 언어 및 LabView 또는 유사한 프로그래밍 언어와 같은 시각적 프로그래밍 언어를 포함하는 하나 이상이 프로그래밍 언어의 임의의 조합으로 작성될 수 있다. 프로그램 코드는 사용자의 컴퓨터, 부분적으로 사용자의 컴퓨터, 독립형 소프트웨어 패키지, 부분적으로 사용자의 컴퓨터 및 부분적으로 원격 컴퓨터 또는 완전 원격 컴퓨터 서버에서 완전히 실행될 수 있다. 후자의 시나리오에서, 원격 컴퓨터는 근거리 통신망(LAN) 또는 광역 통신망(WAN)을 포함하는 임의의 유형의 네트워크를 통해 사용자의 컴퓨터에 연결될 수 있거나, 외부 컴퓨터에 연결될 수 있다(예를 들어 인터넷 서비스 공급자를 사용하여 인터넷을 통해). 특정 실시예에서, 예를 들어 현재 파이프라인 검사 게이지(PIG) 기술에서, PIG 상의 온보드 컴퓨터 및 프로세서는 파이프라인을 통해 전송되며, 이 시간 동안 컴퓨터는 내장된 송신기 및 센서를 제어하기 위해 미리로드된 명령 및 프로그램 코드를 사용하고, 초기 분석을 수행하고, 측정 결과를 저장한다. 파이프라인 출구에서, 사용자는 PIG를 검색하고 저장된 데이터를 다운로드하고, 이 데이터는 상이한 프로그램 코드로 다른 컴퓨터에서 추가로 분석하고 후처리할 수 있다.
본 개시의 양태는 본 발명의 실시예에 따른 방법, 장치(시스템) 및 컴퓨터 프로그램 제품의 흐름도 및/또는 블록도를 참조하여 위에서 설명되었다. 흐름도 및/또는 블록도의 각 블록, 및 흐름도 및/또는 블록도의 블록의 조합은 컴퓨터 프로그램 명령에 의해 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 명령은 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공되어 기계를 생성하여, 컴퓨터의 프로세서 또는 다른 프로그램 가능 데이터 처리 장치를 통해 실행되는 명령이 흐름도 및/또는 블록도 또는 블록에 지정된 기능/동작을 구현하기 위한 수단을 생성한다.
이들 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능 데이터 처리 장치 또는 다른 장치가 특정 방식으로 기능하도록 지시할 수 있는 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있으며, 그 결과 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 명령은 흐름도 및/또는 블록도 또는 블럭에 지정된 기능/작용을 구현하는 명령을 포함하는 제조 물품을 생성한다.
컴퓨터 프로그램 명령은 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능 데이터 처리 장치 또는 다른 디바이스에 로딩되어 일련의 동작 단계가 컴퓨터, 다른 프로그램 가능 장치 또는 다른 디바이스에서 수행되어 컴퓨터 구현 프로세스를 생성하도록 하며, 그 결과 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능 장치에서 실행되는 명령은 여기에 지정된 기능/동작을 구현하기 위한 프로세스를 제공한다.
실험실 실험 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 상이한 히스테리시스 곡선을 갖는 강자성 재료를 검출하고 구별하는, 예를 들어 경질 마르텐사이트 스폿을 연질 페라이즈 위상으로부터 구별하는 비선형 자기 및 자기 음향 시스템 및 방법이 개시되었다. 히스테리시스 재료의 예는 강자성 재료(예를 들어, 스틸, 니켈, 코발트 등) 및 다양한 카본 스틸과 같은 이들의 합금의 일부를 포함한다. 비선형 자기 응답은 재료의 초기/잔류 자화에 의존하고, 그러한 문제를 회피하기 위해, 실시예는 재료 내부의 자화를 조절하기 위한 효과적인 접근법을 포함하는 것으로 관찰되었다. 이러한 효과적인 접근법의 예는 제한없이, 도 7a, 도 7b 및 도 7c에서와 같이 상기 논의에서 제공되었으며, 여기서 재료는 작은 AC 자기 변조에 수직인 방향으로 외부에서 자화된다.
또한, 기본적인 전자기에 기초하여, 비선형 자기 응답의 자연적인 파생물은 비선형 전기 와전류 생성이다. 큰 영구 자기장과 결합되면, 이 와전류는 비선형 기계 파를 생성하여, 평가된 히스테리시스 재료로 자기음향 응답을 생성한다. 자기 이상의 검출을 개선하기 위해(예를 들어, 파이프라인 검사에서), 비선형 자기 실시예는 종래의 PIG 시스템 내의 MFL 셋업에 통합될 수 있고, 비선형 자기 음향 검출 실시예는 본 기술 분야에 숙련된 자들이 이해하는 바와 같이 기존의 EMAT 센서에 적용될 수 있다.
실시예는 예를 들어 파이프 내의 결함 및 경질 스폿/영역을 식별하기 위한 전례없는 비선형 자기 및 자기 음향 검출을 제공한다. 실시예는 비선형 자기 응답에 대한 심층적인 이해에 의해 가능한 다양한 히스테리시스 재료(예를 들어 연질 페라이트 스틸/영역 및 경질 마르텐사이트 스틸/영역)를 구별하기 위해 고도로 구별 가능한 특징을 제공한다. 특히, 짝수 및 홀수 고조파 응답이 모두 조사되었으며, 재료의 자기 특성 및 상태와의 그들 관계가 발견되었다. 또한, 실시예는 방법이 고속 검사 및 깊이 스캔에 매우 유리할 수 있는 넓은 주파수 대역(예를 들어, 100㎐ 내지 1㎒)에 걸쳐 사용될 수 있으므로 현장 응용에서 매우 바람직하며, 실시예는 금속 코어가 없는 낮은 전류 및 낮은 자기장에서 작동하고, 그에 따라 상대적으로 에너지 효율적이다.
비파괴 파이프라인 검사의 개선으로 파이프라인 고장 및 누출 위험이 크게 감소된다. 실시예는 파이프라인 검사를 위한 방법을 제공하는 새로운 툴을 제공한다.
상술되고 도면에 도시된 바와 같이, 본 개시의 방법 및 시스템은 우수한 특성을 갖는 비파괴 재료 검사를 제공한다. 일 응용에서, 방법 및 시스템은 재료 위상을 식별하고 그리고 더 높은 경도, 또는 금속 손실, 또는 파이프의 내부로부터의 크랙을 영역을 평가하기 위하여 인라인 검사를 위한 비파괴 평가 툴로서 사용될 수 있다. 다른 응용에서, 방법 및 시스템은 재료 위상을 식별하고 그리고 더 높은 경도, 또는 금속 손실, 또는 플레이트의 표면으로부터의 크랙을 갖는 영역을 평가함으로써 금속 플레이트를 스크리닝하기 위한 비파괴 평가 도구로서 사용될 수 있다. 또 다른 응용에서, 방법 및 시스템은 재료 위상을 식별하고 그리고 더 높은 경도, 또는 금속 손실, 또는 금속 물체의 표면으로부터의 크랙을 갖는 영역을 평가함으로써 금속 파이프, 플레이트, 표면, 용접부 및 조인트를 스크리닝하기 위한 핸드헬드 장치로서 사용될 수 있다. 또 다른 응용에서, 방법 및 시스템은 파이프라인 용접부의 스틸 위상, 용접 유형 및/또는 전기 저항 용접(ERW)에 의한 파이프라인의 열처리 상태를 식별하기 위해 비파괴 평가 툴로서 사용될 수 있다. 또한, 다른 응용에서, 방법 및 시스템은 재료 위상을 식별하고 그리고 더 높은 경도, 또는 금속 손실, 또는 라이저 및 사워 서비스 파이프라인에 대한 크랙을 갖는 영역을 평가함으로써 거스 용접 루트를 검사하기 위한 비파괴 평가 툴로서 사용될 수 있다.
상기 언급된 적용에서, 재료 위상은 오스테나이트, 마르텐사이트, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 라스 베이나이트, 침상 페라이트 및 준-폴리곤 페라이트 중 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 시스템은 입력 시간 가변 자기장으로 재료를 조사하고, 수신된 자기 응답 또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건과 상관시키기 위해 비파괴 평가 툴에 통합될 수 있다. 비파괴 평가 툴의 비제한적인 예에는 인라인 파이프라인 검사 게이지, 자동 또는 수동 풀 파이프라인 검사 툴, 제철소 검사 툴 및 핸드헬드 검사 장치가 포함된다.
특정 실시예에서, 본 출원은 조사된 재료의 바람직한 근처 위치에 배치된 위치에서 배치된 자기 송신기, 자기 센서, 음향 센서 및 말굽 자석의 다수의 카피를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 본 출원은 하나의 자기 송신기와 쌍을 이루는 자기 센서 및/또는 음향 센서의 하나 이상의 카피를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 바람직한 구성은 각각의 자기 송신기 주위의 상이한 위치에 및/또는 각각의 자기 송신기와 쌍을 이루는 자기 센서 및/또는 음향 센서의 4개 카피를 포함한다(도 9에 도시됨). 보다 바람직한 구성은 각각의 자기 송신기 주위의 상이한 위치에 및/또는 각각의 자기 송신기와 쌍을 이루는 자기 센서 및/또는 음향 센서의 8개 카피를 포함한다(도 10에 도시됨). 보다 바람직한 구성은 상이한 사이즈이며, 각각의 자기 송신기 주위의 상이한 위치에 및/또는 각각의 자기 송신기와 쌍을 이루는 자기 센서 및/또는 음향 센서의 최대 카피를 포함한다. 특정 실시예에서, 본 출원은 조사된 재료의 표면과 접촉하는 2개의 다리를 갖는 적어도 하나의 말굽 자석을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 본 출원은 적어도 하나의 자기 송신기, 및 말굽 자석의 중심에 위치된 자기 센서 또는 음향 센서 중 적어도 하나를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 본 출원은 조사된 재료에서의 자화를 조절하기 위한 선택적인 자석 또는 전자석을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 본 출원은 자기음향 응답에 대한 DC 자기장을 제공하기 위한 선택적인 자석 또는 전자석을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
특정 실시예에서, 본 출원은 상이한 공간 위치에서 자기 응답 또는 음향 응답을 검출하기 위해 자기 송신기, 자기 센서 및 음향 센서를 이동시키기 위한 컴퓨터 제어 자동 이동 플랫폼을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 본 출원은 상이한 공간 위치에서 자기 응답 또는 음향 응답을 검출하기 위해 자기 송신기, 자기 센서 및 음향 센서를 이동시키기 위해 수동 제어식 병진 및 회전 플랫폼을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 본 출원은 적어도 하나의 자기 송신기 및 하나의 자기 센서를 포함하는 핸드헬드 장치를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 특정 실시예에서, 본 출원에서 조사된 샘플은 저주파 열처리 ERW 파이프, 저주파 비열처리 ERW 파이프, 고주파 열처리 ERW 파이프 및 고주파 비열처리 ERW 파이프를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
예시적인 실시예
본 발명의 제 1 실시예는, 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료(hysteretic ferromagnetic material) 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료(nonhysteretic material)의 재료 조건을 결정하는 방법을 제공하며, 입력 시간 변화 자기장으로 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료를 조사하는 단계; 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료로부터 시간에 따른 자기 응답 및/또는 음향 응답을 검출하는 단계; 수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성(time dependent nonlinear characteristic)을 결정하는 단계; 및 수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 이러한 예시적인 실시예는 하기 중 하나 이상을 포함한다: 요소 1: 조사 자기장(interrogation magnetic field)은 추가 자기장을 포함한다; 요소 2: 상기 추가 자기장은 일정한 DC 자기장을 포함한다; 요소 3: 조사 자기장은 디가우징 자기장(degaussing magnetic field)을 포함한다; 요소 4: 상기 재료의 하나 이상의 재료 조건은 재료 위상이며, 상기 재료는 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료를 포함한다; 요소 5: 상기 재료의 하나 이상의 재료 조건은 재료 위상이며, 재료는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료를 포함한다; 요소 6: 상기 재료의 하나 이상의 재료 조건은 비히스테리시스 재료의 존재이며, 상기 재료는 적어도 하나의 히테리시스 강자성 재료를 포함한다; 요소 7: 상기 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 파워 스펙트럼 밀도 분석을 포함하는 주파수 도메인 분석을 수행하여 파워 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하는 단계를 포함한다; 요소 8: 상기 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 상기 파워 스펙트럼 밀도 데이터의 하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계를 포함한다; 요소 9: 요소 8에 있어서, 하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 하나 이상의 고조파 계수를 결정하는 단계를 포함한다; 요소 10: 요소 9에 있어서, 상기 하나 이상의 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계를 포함한다; 요소 11: 요소 10에 있어서, 홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 3차 및/또는 5차 고조파를 결정하는 단계를 포함한다; 요소 12: 요소 11에 있어서, 상기 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는 단계는 상기 3차 및/또는 5차 고조파를 하나 이상의 재료 조건과 비교하고 상관시키는 단계를 포함한다; 요소 13: 요소 9에 있어서, 하나 이상의 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 짝수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계를 포함한다; 요소 14: 요소 13에 있어서, 짝수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 2차 고조파를 결정하는 단계를 포함한다; 요소 15: 요소 14에 있어서, 상기 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는 단계는 상기 재료의 자화 상태 및 상기 재료의 기존 잔류 자화를 포함하는 추가 재료 정보와 상기 2차 고조파를 비교하고 상관시키는 단계를 포함한다; 요소 16: 하나 이상의 재료 조건은 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료의 적어도 재료 위상의 존재를 포함한다; 요소 17: 히스테리시스 강자성 재료는 스틸을 포함하며, 재료 위상은 오스테나이트, 마르텐사이트, 페라이트, 펄라이트, 라스 베이나이트, 베이나이트, 침상 페라이트 및 준-폴리곤 페라이트 중 적어도 하나를 포함한다; 요소 18: 상기 재료의 하나 이상의 재료 조건은 재료의 하나 이상의 제 1 재료 조건이며, 상기 방법은, 상이한 구성에서 입력 시간 변화 자기장으로 조사, 검출, 결정 및 상관시키는 단계를 반복하여 재료의 하나 이상의 재료 제 2 조건을 생성하는 단계; 및 재료의 하나 이상의 제 1 재료 조건과 하나 이상의 재료 제 2 조건을 조합하여 하나 이상의 재료 조건을 나타내는 조합된 데이터 세트를 생성하는 단계를 추가로 포함한다; 예시적인 조합은 조합되고 그리고 선택적으로 요소 2와 추가 조합되는 요소 1, 3; 조합된 요소 4 내지 6 중 2개 이상; 조합된 요소 7, 요소 8, 요소 10(선택적으로 요소 11, 12 중 하나 또는 양자), 조합된 요소 13(선택적으로 요소 14, 15 중 하나 또는 양자); 요소 4 내지 6 중 하나 이상과 조합 그리고 선택적으로 요소 17과 추가 조합된 요소 16; 조합된 요소 16, 17; 요소 1 내지 17 중 하나 이상과 조합된 요소 18; 및 그 임의의 조합을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예는 제 1 실시예, 선택적으로 요소 1 내지 18 중 하나 이상의 방법을 실행하기 위한 명령을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료의 재료 조건을 검출하기 위한 장치를 포함하며, 상기 장치는 조사 시간 변화 자기장을 출력하도록 구성된 적어도 하나의 자기 송신기; 자기 응답 및/또는 음향 응답을 수신하고, 자기 응답 및/또는 음향 응답을 자기 응답 신호 및/또는 음향 응답 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서; 및 방법을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하며, 상기 방법은, 적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서로부터 시간에 따른 자기 신호 및/또는 음향 응답 신호를 검출하는 단계; 자기 신호 및/또는 음향 신호의 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계; 및 자기 신호 및/또는 음향 신호의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 이 실시예는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 요소 1; 요소 2; 요소 3; 요소 4; 요소 5; 요소 6; 요소 7; 요소 8; 요소 9; 요소 10; 요소 11; 요소 12; 요소 13; 요소 14; 요소 15; 요소 16; 요소 17; 요소 18; 요소 19: 장치는 재료의 하나 이상의 조건을 사용자에게 표시하도록 구성된 출력 장치를 포함한다; 요소 20: 요소 19에 있어서, 장치는 표시기를 포함하며, 이는 적절한 즉각적인 실시간 동작을 위해 하나 이상의 주변 사용자에게 통지하고, 사용자는 표시기를 직접 관찰할 수 있다; 요소 21: 요소 19에 있어서, 장치는 사용자와 통신하기 위한 장치를 포함하며, 이는 또한 적절한 즉각적인 실시간 행동을 사용자에게 통지하지만, 사용자는 원격 위치에 있을 수 있고, 통신은 유선 또는 무선 경로를 통해 이루어질 수 있다; 요소 22: 요소 19에 있어서, 장치는 추후의 검색 및 사후 처리를 위한 데이터 수집 및 저장 장치를 포함하며, 이는 즉각적인 실시간 행동을 위한 것이 아니다; 요소 23: 상기 프로세스는 자기 신호 및/또는 음향 신호의 시간 의존성 비선형 특성을 컴퓨터 보드와 실시간으로 결정하고 상관시키는 단계를 포함한다; 요소 24: 자기 신호들 및/또는 음향 신호들은 자기 신호들 및/또는 음향 신호들의 시간 의존적 비선형 특성을 결정하고 상관시키는 단계를 포함하는 후처리 단계들을 위해 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장된다; 요소 25: 적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서는 적어도 하나의 자기 송신기 각각의 주위에 및/또는 자기 송신기 각각과 쌍을 이룬 상이한 위치에 자기 센서 및/또는 음향 센서의 4개 카피이다; 요소 26: 적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서는 적어도 하나의 자기 송신기 각각의 주위에 및/또는 자기 송신기 각각과 쌍을 이룬 상이한 위치에 자기 센서 및/또는 음향 센서의 8개 카피이다. 조합의 실시예는 요소 1 및 3을 조합하고 선택적으로 요소 2와 추가 조합; 둘 이상의 원소 4-6의 조합; 요소 7, 요소 8, 요소 10(선택적으로 요소 11 및 12 중 하나 또는 양자), 요소 13(선택적으로 요소 14, 15 중 하나 또는 양자와 함께); 요소 4 내지 6 중 하나 이상과 조합되고 선택적으로 요소 17과 추가로 조합된 요소 16; 요소 16 및 17의 조합; 요소 1 내지 17 중 하나 이상과 조합된 요소 18; 하나 이상의 요소 19 내지 26과 조합된 하나 이상의 요소 1 내지 18; 요소 20 내지 22 중 둘 이상 및 선택적으로 요소 23, 24 중 하나 또는 양자와 조합된 요소 19; 요소 25 및 26의 조합(예를 들어, 툴에서와 같이 함께 구현된 장치의 둘 이상의 구성); 요소 1 내지 24 중 하나 이상과 조합된 요소 25 및/또는 요소 26; 및 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
본 개시의 비파괴 재료 검사를 사용하는 장치 및 방법이 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 개시의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 변경 및/또는 수정이 이루어질 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (24)

  1. 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료(hysteretic ferromagnetic material) 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료(nonhysteretic material)의 재료 조건을 결정하는 방법에 있어서,
    입력 시간 변화 자기장으로 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료를 조사하는 단계;
    히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료로부터 시간에 따른 자기 응답 및/또는 음향 응답을 검출하는 단계;
    수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성(time dependent nonlinear characteristic)을 결정하는 단계; 및
    수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    조사 자기장(interrogation magnetic field)은 추가 자기장을 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가 자기장은 일정한 DC 자기장을 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    조사 자기장은 디가우징 자기장(degaussing magnetic field)을 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료의 하나 이상의 재료 조건은 재료 위상이며, 상기 재료는 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료의 하나 이상의 재료 조건은 비히스테리시스 재료의 존재이며, 상기 재료는 적어도 하나의 히테리시스 강자성 재료를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 파워 스펙트럼 밀도 분석을 포함하는 주파수 도메인 분석을 수행하여 파워 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 상기 파워 스펙트럼 밀도 데이터의 하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    하나 이상의 고조파 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 하나 이상의 고조파 계수를 결정하는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    홀수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 3차 및/또는 5차 고조파를 결정하는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는 단계는 상기 3차 및/또는 5차 고조파를 하나 이상의 재료 조건과 비교하고 상관시키는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    하나 이상의 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 짝수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    짝수 고조파 계수 및/또는 피크 값을 결정하는 단계는 스펙트럼 밀도 데이터의 2차 고조파를 결정하는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 시간 의존성 비선형 특성을 상관시키는 단계는 상기 재료의 자화 상태 및 상기 재료의 기존 잔류 자화를 포함하는 추가 재료 정보와 상기 2차 고조파를 비교하고 상관시키는 단계를 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료의 하나 이상의 재료 조건은 재료의 하나 이상의 제 1 재료 조건이며,
    상기 방법은,
    상이한 구성에서 입력 시간 변화 자기장으로 조사, 검출, 결정 및 상관시키는 단계를 반복하여 재료의 하나 이상의 재료 제 2 조건을 생성하는 단계; 및
    재료의 하나 이상의 제 1 재료 조건과 하나 이상의 재료 제 2 조건을 조합하여 하나 이상의 재료 조건을 나타내는 조합된 데이터 세트를 생성하는 단계를 추가로 포함하는
    재료 조건 결정 방법.
  17. 방법을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서, 상기 방법은,
    입력 시간 변화 자기장으로 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 비히스테리시스 재료를 조사하는 단계;
    자기 센서 및/또는 음향 센서로부터 시간에 따른 자기 응답 및/또는 음향 응답을 검출하는 단계;
    수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계; 및
    수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함하는
    비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계는 수신된 자기 응답 및/또는 음향 응답의 파워 스펙트럼 밀도 분석을 포함하는 주파수 도메인 분석을 수행하여 파워 스펙트럼 밀도 데이터를 포함하는 주파수 도메인 데이터를 생성하는 단계를 포함하는
    비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
  19. 적어도 하나의 히스테리시스 강자성 재료 및/또는 적어도 하나의 비히스테리시스 재료의 재료 조건을 검출하기 위한 장치에 있어서,
    조사 시간 변화 자기장을 출력하도록 구성된 적어도 하나의 자기 송신기;
    자기 응답 및/또는 음향 응답을 수신하고, 자기 응답 및/또는 음향 응답을 자기 응답 신호 및/또는 음향 응답 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서; 및
    방법을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하며,
    상기 방법은,
    적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서로부터 시간에 따른 자기 신호 및/또는 음향 응답 신호를 검출하는 단계;
    자기 신호 및/또는 음향 신호의 시간 의존성 비선형 특성을 결정하는 단계; 및
    자기 신호 및/또는 음향 신호의 시간 의존성 비선형 특성을 재료의 하나 이상의 재료 조건에 상관시키는 단계를 포함하는
    재료 조건 검출 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    조사 자기장은 추가 자기장을 포함하는
    재료 조건 결정 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 추가 자기장은 일정한 DC 자기장을 포함하는
    재료 조건 결정 장치.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 장치는 재료의 하나 이상의 조건을 사용자에게 표시하도록 구성된 출력 장치를 포함하는
    재료 조건 결정 장치.
  23. 제 19 항에 있어서,
    적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서는 적어도 하나의 자기 송신기의 각각의 주위에 및/또는 자기 송신기의 각각과 쌍을 이루는 상이한 위치에서 자기 센서 및/또는 음향 센서의 4개 카피를 포함하는
    재료 조건 결정 장치.
  24. 제 19 항에 있어서,
    적어도 하나의 자기 센서 및/또는 음향 센서는 적어도 하나의 자기 송신기의 각각의 주위에 및/또는 자기 송신기의 각각과 쌍을 이루는 상이한 위치에서 자기 센서 및/또는 음향 센서의 8개 카피를 포함하는
    재료 조건 결정 장치.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019191252A1 (en) * 2018-03-27 2019-10-03 Illinois Tool Works Inc. Magnetic inspection machines with true gauss magnetic measurements
JP6988854B2 (ja) * 2019-03-28 2022-01-05 横河電機株式会社 センサ装置、演算装置、パイプライン監視システム、演算方法およびプログラム
RU2753661C1 (ru) * 2020-12-24 2021-08-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Неразрушающий способ выявления зон концентрации напряжений в изделиях из металлов и сплавов
CN112857197B (zh) * 2021-04-09 2022-04-19 中国石油大学(华东) 一种旋转电磁场非铁磁性材料裂纹尺寸测量方法

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1567166A (en) 1976-12-16 1980-05-14 British Gas Corp Apparatus and method for the non-destructive testing of ferromagnetic material
JPS6478160A (en) * 1987-09-21 1989-03-23 Hitachi Ltd Device for detecting deterioration of metal material
DE3813739A1 (de) 1988-04-23 1989-11-02 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zum zerstoerungsfreien messen magnetischer eigenschaften eines pruefkoerpers sowie vorrichtung zum zerstoerungsfreien messen magnetischer eigenschaften eines pruefkoerpers
JPH076950B2 (ja) * 1988-09-14 1995-01-30 株式会社日立製作所 金属材料の劣化損傷検出装置及び検出方法
US5144565A (en) 1990-03-26 1992-09-01 K. J. Law Engineers, Inc. Measurement of metallurgical properties in ferromagnetic test parts
JPH05281198A (ja) * 1992-04-01 1993-10-29 Hitachi Building Syst Eng & Service Co Ltd 渦電流探傷装置
DE59711048D1 (de) 1996-09-27 2004-01-08 Karsten Lothar Feiste Messverfahren und Messvorrichtung zur Materialcharakterisierung von Halbzeugen und Maschinenbauteilen
US6239593B1 (en) 1998-09-21 2001-05-29 Southwest Research Institute Method and system for detecting and characterizing mechanical damage in pipelines using nonlinear harmonics techniques
US6201391B1 (en) 1998-10-07 2001-03-13 Southwest Research Institute Nonlinear harmonics method and system for measuring degradation in protective coatings
AU3875300A (en) * 1999-03-17 2000-10-04 Southwest Research Institute Method and apparatus for long range inspection of plate-like ferromagnetic structures
US6492808B1 (en) 2000-06-29 2002-12-10 Intron Plus, Ltd. Magnetic non-destructive method and apparatus for measurement of cross sectional area and detection of local flaws in elongated ferrous objects in response to longitudinally spaced sensors in an inter-pole area
US6645314B1 (en) * 2000-10-02 2003-11-11 Vacuumschmelze Gmbh Amorphous alloys for magneto-acoustic markers in electronic article surveillance having reduced, low or zero co-content and method of annealing the same
US6847207B1 (en) 2004-04-15 2005-01-25 Tdw Delaware, Inc. ID-OD discrimination sensor concept for a magnetic flux leakage inspection tool
DE102004035174B4 (de) 2004-07-16 2006-08-10 V&M Deutschland Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Rohren
JP2006084225A (ja) * 2004-09-14 2006-03-30 Denshi Jiki Kogyo Kk 渦流探傷方法
US7086285B2 (en) * 2004-12-31 2006-08-08 General Electric Company Nondestructive inspection method and system therefor
GB2475315B (en) 2009-11-16 2014-07-16 Innospection Group Ltd Inspection apparatus and method
ITTO20100095U1 (it) * 2010-05-21 2011-11-22 Agusta Spa Sistema per la valutazione della tensione applicata e/o residua su un componente
WO2012046157A1 (en) * 2010-10-05 2012-04-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus and method for locating magnetic particles
GB201105193D0 (en) 2011-03-29 2011-05-11 Silverwing Uk Ltd Methods and apparatus for the inspection of plates and pipe walls
GB2492745A (en) 2011-06-06 2013-01-16 Silverwing Uk Ltd Magnetic flux leakage inspection
JP2014134448A (ja) * 2013-01-10 2014-07-24 Kyushu Univ 磁気特性測定装置、磁気特性測定プローブ及び磁気特性測定方法
JP2014219371A (ja) * 2013-05-11 2014-11-20 国立大学法人岡山大学 磁気特性評価装置
US9360294B2 (en) * 2013-10-31 2016-06-07 Ascension Technology Corporation Magnetic sensors
EP3146323B1 (en) * 2014-05-18 2021-09-08 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. System and method of measuring defects in ferromagnetic materials
CN204065016U (zh) 2014-08-26 2014-12-31 湘潭宏远电子科技有限公司 一种铁磁性管内壁腐蚀无损检测装置
CN104950039B (zh) * 2015-06-23 2017-09-12 西安交通大学 基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法
CN105203629B (zh) * 2015-09-24 2018-11-02 三峡大学 一种磁性金属构件表面应力集中区及微裂纹的磁探测方法
US9933393B2 (en) * 2015-12-09 2018-04-03 The Boeing Company Apparatuses, methods, and systems for inspecting a composite end portion of a part
US10444194B2 (en) * 2016-04-26 2019-10-15 Quanta Associates, L.P. Method and apparatus for material identification of pipelines and other tubulars
US20180340858A1 (en) * 2017-05-23 2018-11-29 The Boeing Company Application of Ultrasonic Guided Waves for Structural Health Monitoring of Bonded Joints

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