WO2015194428A1 - 非破壊検査装置及び非破壊検査方法 - Google Patents

非破壊検査装置及び非破壊検査方法 Download PDF

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time
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static magnetic
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Inventor
泰啓 本多
吉田　龍一
哲哉 加川
光 長澤
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コニカミノルタ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws

Definitions

  • the present invention relates to a nondestructive inspection apparatus and a nondestructive inspection method using a magnetic field response to a pulsed magnetic field.
  • non-destructive inspection based on the detection principle based on the magnetic response generated by applying an external magnetic field to the object to be inspected has the excellent feature that non-contact inspection is possible. It is expected as a method.
  • Patent Document 1 discloses a method of inspecting a pipe for defects by inserting a pipe through an exciting coil, applying a pulsed magnetic field to an object to be inspected, and measuring the magnetic field response.
  • a pulsed magnetic field By using a pulsed magnetic field, the signal frequency is widened, making it possible to detect defects deeper than conventional high-frequency eddy current flaw detection methods, thereby capturing the presence or absence of defects under insulation. It is possible.
  • Patent Document 1 discloses a method of normalizing the waveform at the peak of the sensor signal because the signal intensity changes when the relative position of the pipe and the magnetic sensor changes.
  • the response of the magnetic sensor is regarded as a time decay waveform, and the speed of the decay is used as an index for defect detection. Therefore, even when the distance between the sensor and the object to be inspected (lift-off amount) changes and the signal intensity changes, the robustness is improved by normalizing the waveform.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a nondestructive inspection apparatus capable of performing a highly robust inspection in a nondestructive inspection using a pulsed magnetic field. It is another object of the present invention to provide a non-destructive inspection method capable of highly robust inspection in a non-destructive inspection using a pulsed magnetic field.
  • a nondestructive inspection apparatus includes a pulse magnetic field generation unit that generates a pulse magnetic field to be applied to an object to be inspected, a magnetic detection unit that detects a magnetic field response to the pulse magnetic field and generates a magnetic field response signal, A static magnetic field information acquisition unit that acquires static magnetic field information based on a static magnetic field at a detection position of the magnetic field response, calculates an offset amount based on the static magnetic field information, and offset cancellation that subtracts the offset amount from the magnetic field response signal An offset cancel unit that calculates a signal; an decay time calculation unit that calculates an decay time of the offset cancel signal; and a determination unit that discriminates a flaw of an object to be inspected based on the decay time.
  • a nondestructive inspection method includes a step of generating a pulse magnetic field to be applied to an object to be inspected, a step of generating a magnetic field response signal by detecting a magnetic field response to the pulse magnetic field, and the magnetic field.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a nondestructive inspection apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing heat insulation piping that can be inspected by the nondestructive inspection apparatus of FIG. 1
  • FIG. It is a block diagram which shows the main structures of a destructive inspection apparatus.
  • FIG. 1 the heat insulation piping as a to-be-inspected object is shown with the broken line.
  • FIG. 2 shows a diagram of the end surface in the radial direction of the heat insulation pipe on the left hand toward the paper surface, and a perspective view of the heat insulation pipe on the right hand toward the paper surface.
  • the heat insulating pipe 30 used in the present embodiment is a pipe body that is a steel pipe 31 made of carbon steel or the like, a heat insulating material 32 made of calcium silicate that covers the outer surface of the steel pipe 31, and a heat insulating material. It is comprised with the surface sheet metal 33 which consists of a galvanized steel plate, carbon steel, etc. which covers the outer surface of 32.
  • the heat insulating material 32 is packed between the steel pipe 31 and the surface metal plate 33 without a gap.
  • piping etc. containing not only such a steel pipe 31 but the material (for example, conductor) whose relative permeability is not 1 can be used as a to-be-inspected object.
  • the nondestructive inspection apparatus 10 includes a pulse magnetic field generation unit 11, a magnetic detection unit 12, a static magnetic field information acquisition unit 13, an offset cancellation unit 14, and a normalized waveform generation unit 15.
  • the static magnetic field information acquisition unit 13, the offset cancellation unit 14, the normalized waveform generation unit 15, the decay time calculation unit 16, and the determination unit 17 are included in the control unit 20.
  • the pulse magnetic field generator 11 is connected to the pulse current source 19 and generates a pulse magnetic field to be applied to the object to be inspected by the current from the pulse current source 19.
  • an excitation coil can be used.
  • two exciting coils 11a and 11b that are opposed to each other are used by inserting the exciting coils 11a and 11b through a heat insulating pipe 30 that is an object to be inspected.
  • the two exciting coils 11a and 11b are arranged to face each other with a predetermined interval in the axial (longitudinal) direction of the heat insulating pipe 30 and have a so-called Helmholtz coil configuration. With this configuration, a spatially uniform magnetic field can be generated near the center between the exciting coil 11a and the exciting coil 11b.
  • the exciting coils 11 a and 11 b are shaped along the outer periphery of the heat insulating pipe 30. Therefore, when the cross section of the heat insulation pipe 30 is circular as shown in FIG. 2, the exciting coils 11 a and 11 b have a shape having an inner diameter that is slightly larger than the outer diameter of the heat insulation pipe 30.
  • excitation coils 11a and 11b are connected in series to a pulse current source 19, and a pulse magnetic field is shown in the same direction (for example, indicated by an arrow in FIG. 1) in the heat insulation pipe 30 by applying a current having an arbitrary pulse waveform. Excitation can be performed in the axial (longitudinal) direction of the heat insulating pipe 30.
  • the magnetic detection unit 12 includes a magnetic sensor 12a and a detection circuit 12b, detects a magnetic field response to a pulsed magnetic field, and generates a magnetic field response signal. Magnetic flux density can be used as the intensity of the magnetic field response.
  • the magnetic sensor 12a is arranged near the center of the exciting coils 11a and 11b and in proximity to or in contact with the outer periphery of the heat insulating pipe 30.
  • the magnetic sensor 12a measures the magnitude and direction of a magnetic field (magnetic field), and various sensors that can detect a magnetic field response to a pulsed magnetic field can be used in this embodiment.
  • a coil for example, a coil, MR (Magneto® Resistance) element, Hall element, magneto-impedance element, SQUID (Superconducting® Quantum Interference Device), or the like can be used.
  • MR element an AMR (Anisotropic Magneto Resistance) element, a TMR (Tunnel Magneto Resistance) element, or the like can be used.
  • the detection circuit 12b is connected to the magnetic sensor 12a, and receives the input from the magnetic sensor 12a to generate a magnetic field response signal.
  • the detection circuit 12 b is connected to the control unit 20 and outputs the generated magnetic field response signal to the static magnetic field information acquisition unit 13 and / or the offset cancellation unit 14.
  • the static magnetic field information acquisition unit 13 acquires static magnetic field information based on the static magnetic field at the detection position of the magnetic field response. Specifically, a component (static magnetic field component) that is directly generated by the excitation coils 11a and 11b is acquired as static magnetic field information from the magnetic field response signal detected by the magnetic detection unit 12. The static magnetic field information can be acquired from the time response waveform of the magnetic field response signal. This acquisition method will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the time response waveform of the magnetic flux density at the position of the magnetic sensor 12a when the pulse width is long
  • FIG. 4B shows the magnetic flux density at the position of the magnetic sensor 12a when the pulse width is short. It is a figure explaining a time response waveform. 4A and 4B, the upper waveform is a waveform showing how current is applied to the exciting coils 11a and 11b, and the lower waveform is a waveform showing a change in magnetic flux density at the position of the magnetic sensor 12a at that time. is there.
  • the change in magnetic flux density becomes steep at the rise or fall timing of the pulse current, and then attenuates over time.
  • the magnetic flux density with respect to the static magnetic field that is, the static magnetic field Static magnetic field information based on can be acquired. From this, it can be said that the static magnetic field information is an output value of the magnetic detection unit 12 after a predetermined time has elapsed from the rise time or the fall time of the pulse magnetic field.
  • the change in magnetic flux density becomes steep at the timing of the rise or fall of the pulse current, and then attenuates with time.
  • the time of the flat part of the pulse current is short, so that the next pulse current falls or rises before it is sufficiently attenuated.
  • the magnetic flux density with respect to the static magnetic field can be calculated, for example, by predicting the convergence value of the attenuation response from the output value of the magnetic detection unit 12 at an appropriate timing within the time of the flat part of the pulse current.
  • the output value of the magnetic detection part 12 of a several timing is used, prediction accuracy will improve more.
  • a prediction method a method of obtaining an approximate function using the least square method as exponential function approximation can be adopted.
  • the static magnetic field information is a predicted value predicted from the output value (one or a plurality of output values) of the magnetic detection unit after a predetermined time has elapsed from the rise time or fall time of the pulse magnetic field.
  • the predicted value as shown in FIG. 4B static magnetic field information can be acquired faster than in the case of FIG. 4A, leading to a reduction in inspection time.
  • the static magnetic field information is a predicted value predicted from the output value or output value of the magnetic detection unit after a predetermined time has elapsed from the rise time or fall time of the pulse magnetic field. Therefore, the static magnetic field component can be actually measured at the position of the magnetic sensor 12a, which is convenient.
  • the offset cancel unit 14 acquires a magnetic field response signal from the detection circuit 12b and acquires static magnetic field information from the static magnetic field information acquisition unit 13. Then, the offset cancel unit 14 calculates an offset amount based on the static magnetic field information, and calculates an offset cancel signal obtained by subtracting the offset amount from the magnetic field response signal.
  • the offset amount is, for example, static magnetic field information calculated by the static magnetic field information acquisition unit 13, that is, a static magnetic field component directly generated by the excitation coils 11a and 11b.
  • the offset cancellation signal is a value obtained by subtracting the static magnetic field component from the magnetic field response signal.
  • the dominant factor determining the attenuation waveform of the magnetic field response is due to the eddy current excited inside the steel pipe 31 at the rise of the pulse magnetic field. This is thought to be due to the fact that the eddy current decays faster as the wall thickness of the wire decreases.
  • the magnetic field response signal also includes the magnetic flux that is directly generated by the excitation coils 11a and 11b and overlaps with the external magnetic flux change caused by this eddy current. This is thought to complicate the waveform of the magnetic field response signal.
  • the static magnetic field component that is generated directly from the excitation coils 11a and 11b from the detection value of the magnetic sensor 12a is subtracted from the magnetic field response signal.
  • the thickness of the steel pipe 31 can be accurately analyzed from the decay waveform of the magnetic field response signal.
  • the normalized waveform generation unit 15 acquires an offset cancellation signal from the offset cancellation unit 14. Then, the normalized waveform generation unit 15 generates a normalized waveform (a normalized waveform of the magnetic field response) by aligning the peak value of the offset cancellation signal with a predetermined value (for example, 1).
  • the decay time calculation unit 16 calculates the decay time of the normalized waveform for the normalized waveform of the magnetic field response generated by the normalized waveform generation unit 15.
  • the decay time can be calculated based on the time from when the normalized waveform rises or falls to a predetermined threshold value or less from the pulse magnetic field.
  • a time constant (1 / e: e is a base of natural logarithm), that is, a time required to reach about 37% of the initial value (here, the normalized magnetic flux density is 1 to about 0. 0).
  • the time required to reach 37) can be used. As a result, the decay time can be reliably obtained by a simple method.
  • the discriminating unit 17 discriminates a defect of the inspection object based on the decay time.
  • the flaw here is based on the thickness of the steel pipe 31, and the attenuation time becomes shorter as the thickness becomes thinner due to corrosion or the like.
  • the moving unit 18 has a self-propelled mechanism that moves the pulse magnetic field generation unit and the magnetic detection unit along the object to be inspected, for example, by driving a wheel 18a provided in the nondestructive inspection apparatus 10 with a motor 18b.
  • the non-destructive inspection apparatus 10 can freely move on the heat insulating pipe 30.
  • the static magnetic field information acquisition unit 13 can acquire static magnetic field information based on a plurality of magnetic field response signals acquired by applying a pulse magnetic field while driving the moving unit 18 (for example, every 20 to 30 mm). In this case, the magnetic field response signal can be acquired at high speed while moving the exciting coils 11a and 11b and the magnetic sensor 12a, and a wide range can be efficiently inspected.
  • the moving unit 18 may have a configuration in which the wheels 18a are manually moved while rolling on the heat insulating piping 30 without having a power source such as a motor.
  • the pulse current source 19 supplies a predetermined pulse current to the pulse magnetic field generation unit 11 according to an instruction from the control unit 20.
  • a highly robust inspection can be performed by canceling and normalizing a static magnetic field component that is a magnetic field component generated directly from the excitation coil from the magnetic field response signal. This makes it possible to detect flaws in the inspection object with high accuracy.
  • the steel pipe 31 was made of carbon steel (with a relative permeability of 150 and an electric resistivity of 15 ⁇ 10 ⁇ 8 ⁇ m), an inner diameter of 150 mm, and a wall thickness of 7.1 mm.
  • the heat insulating material 32 calcium silicate (relative magnetic permeability is 1 non-conductor) was used.
  • the surface metal plate 33 is made of the same material as the steel pipe 31, and has an inner diameter of 265 mm and a wall thickness of 0.3 mm.
  • FIG. 5 shows a view of the radial end surface of the steel pipe 41 on the left hand toward the paper surface, and an axial view of the steel pipe 41 on the right hand toward the paper surface.
  • a groove-like slit 41a is formed over the entire circumference of the steel pipe 41, and this slit 41a is used as a flaw model.
  • the slit 41a has a width of 15 mm and a depth of 25% (1.755 mm) of the thickness of the steel pipe 41, a width of 15 mm and a depth of 50% (3.55 mm) of the thickness of the steel pipe 41. There were two types.
  • a steel pipe having a wall thickness of 50% (3.55 mm) is used for the steel pipe, and the same heat-insulating material 32 is used for the heat-insulating material and the surface sheet metal. And surface sheet metal 33 was used.
  • Each of the exciting coils 11a and 11b has an inner diameter of 305 mm, a coil thickness of 10 mm, a coil width of 40 mm, a coil winding number of 50 turns, an interval between the two exciting coils 11a and 11b of 400 mm, and an applied pulse current value of 4.5 A.
  • the pulse width was 0.02 s.
  • FIG. 6 is a graph showing the result of the dynamic magnetic field analysis simulation, and shows the change in magnetic flux density in the axial (longitudinal) direction (referred to as the y-axis direction) of the heat insulating pipe with respect to the pulsed magnetic field. That is, the data indicates the magnetic field response signal detected by the magnetic detection unit 12.
  • Data A indicated by a solid line is a result of a normal heat-insulated pipe 30 without a flaw
  • data B indicated by a broken line is a result of a heat-insulated pipe whose slit depth is 25% of the thickness of the steel pipe 41.
  • Data C indicated by a chain line indicates that the heat insulation pipe having a slit depth of 50% of the thickness of the steel pipe 41
  • data D indicated by a two-dot chain line indicates that the thickness of the steel pipe is equal to 50 of the thickness of the steel pipe 31. It is the result of heat insulation piping made into%.
  • FIG. 7 is a graph obtained by normalizing the waveform of FIG. The peak value of each waveform is normalized as 1. According to FIG. 7, although it is a little easier to discriminate than FIG. 6, the data B in which the depth of the slit 41a is shallow overlaps with the data A which is normal piping, and it is still difficult to discriminate.
  • FIG. 8 is a graph obtained by normalizing the waveform of FIG. 6 by offset cancellation. That is, the normalized waveform generated by the normalized waveform generation unit 15. According to FIG. 8, data A and data B can be discriminated, and the decay time decreases in order from data A to data D. That is, as the depth of the flaw becomes deeper and the flaw range becomes wider, the decay time becomes shorter, which is consistent with the eddy current decay behavior.
  • the time constant obtained from FIG. 8 (1 / e: e is the base of natural logarithm), that is, the time required to reach about 37% of the initial value (here, the normalized magnetic flux density is from 1 to about 0.37)
  • the time required to reach () is 0.01422 s for data A, 0.01384 s for data B, 0.01360 s for data C, and 0.00575 s for data D.
  • time constants are decay times calculated by the decay time calculation unit 16. Based on the decay time, the determination unit 17 can determine a flaw in the steel pipe. That is, it can be determined that the flaw is deeper or deeper as the decay time is shorter than that of a normal steel pipe (data A). As a result, a highly robust inspection can be realized, and high accuracy cannot be detected.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of a nondestructive inspection apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the heat insulation piping as a to-be-inspected object is shown with the broken line.
  • the same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Since the block diagram is similar to FIG.
  • the 9 includes a yoke 51, an excitation coil 11c, a magnetic sensor 12a, a detection circuit 12b, and a pulse current source 19.
  • the yoke 51 has a half donut shape, and an exciting coil 11 c is wound around the center of the yoke 51.
  • one end of the yoke 51 is an N pole and the other end is an S pole.
  • magnetic flux is given in the direction perpendicular to the surface of the heat insulating pipe 30, and the magnetic flux from the N pole toward the S pole flows in the axial (longitudinal) direction in the heat insulating pipe 30.
  • nondestructive inspection apparatus 50 having such a configuration, it is possible to discriminate flaws by the same method as the nondestructive inspection apparatus 10 described above. Moreover, according to this nondestructive inspection apparatus 50, not only piping but the to-be-inspected object of various shapes, such as to-be-inspected object of a large area near a plane like a steel plate, can be inspected.
  • the nondestructive inspection apparatus described above includes a pulse magnetic field generation unit that generates a pulse magnetic field to be applied to an object to be inspected, a magnetic detection unit that detects a magnetic field response to the pulse magnetic field and generates a magnetic field response signal, and detection of the magnetic field response
  • a static magnetic field information acquisition unit that acquires static magnetic field information based on a static magnetic field at a position, an offset cancellation unit that calculates an offset amount based on the static magnetic field information, and calculates an offset cancellation signal obtained by subtracting the offset amount from the magnetic field response signal;
  • An attenuation time calculation unit that calculates an attenuation time of the offset cancellation signal, and a determination unit that determines a defect of the object to be inspected based on the attenuation time.
  • the static magnetic field information may be an output value or a predicted value predicted from the output value of the magnetic detection unit after a predetermined time has elapsed from the rise time or fall time of the pulse magnetic field.
  • the nondestructive inspection apparatus further includes a moving unit that moves the pulse magnetic field generation unit and the magnetic detection unit along the object to be inspected, and the static magnetic field information acquisition unit is configured to move the pulse magnetic field generation unit and the magnetic detection unit by the moving unit.
  • Static magnetic field information may be acquired based on a plurality of magnetic field response signals acquired by applying a pulsed magnetic field while moving.
  • the moving unit may be moved by driving a power source or may be configured to be moved manually.
  • the decay time calculation unit may calculate the decay time based on a time from when the offset cancellation signal falls below a predetermined threshold from the rise time or fall time of the pulse magnetic field. .
  • the nondestructive inspection apparatus further includes a normalized waveform generating unit that generates a normalized waveform by aligning the peak value of the offset cancellation signal to a predetermined value, and the decay time calculating unit is a normalized waveform The decay time of the later signal may be calculated.
  • the nondestructive inspection method described above generates a pulsed magnetic field to be applied to an object to be inspected, detects a magnetic field response to the pulsed magnetic field, generates a magnetic field response signal, and generates a magnetic field response signal at the detection position of the magnetic field response.
  • Get magnetic field information calculate offset amount based on static magnetic field information, calculate offset cancellation signal by subtracting offset amount from magnetic field response signal, calculate offset cancellation signal decay time, and based on decay time To determine the flaws of the inspected object.
  • the normalized waveform generation for generating a normalized waveform by aligning the peak value of the offset cancellation signal to a predetermined value is further performed, and the signal after the normalized waveform is calculated in the decay time calculation.
  • the decay time may be calculated.
  • Nondestructive inspection apparatus 11 Pulse magnetic field generation part 12 Magnetic detection part 13 Static magnetic field information acquisition part 14 Offset cancellation part 15 Normalization waveform generation part 16 Decay time calculation part 17 Discrimination part 18 Movement part

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Abstract

　非破壊検査装置１０は、パルス磁場を発生するパルス磁場発生部１１と、パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成する磁気検出部１２と、磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得する静磁場情報取得部１３と、静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、磁場応答信号からオフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出するオフセットキャンセル部１４と、オフセットキャンセル信号の減衰時間を算出する減衰時間算出部１６と、減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別する判別部１７と、を備える。

Description

非破壊検査装置及び非破壊検査方法
　本発明はパルス磁場に対する磁場応答を用いた非破壊検査装置及び非破壊検査方法に関する。
　近年、産業分野で工場やインフラの老朽化が問題となっている。例えば、断熱材と表面板金とで覆われた配管、いわゆる断熱配管においては、その断熱材下の鋼管表面に腐食が発生することが問題になっている。この問題に対しては、板金と断熱材を除去しないで検査することが困難であり、大きな課題となっている。
　そこで、配管や鋼材等の劣化状態を非破壊で検査する技術が注目されている。このような非破壊検査においては、簡易的でロバスト性が高く、またインフラなど広範囲を効率的に検査するために短時間で検査可能なことが望ましい。なかでも被検査体に外部磁場を加え、これによって生じる磁気応答を検出原理とした非破壊検査は非接触での検査が可能であるという優れた特徴があり、これまで検査が難しかった箇所の検査手法として期待されている。
　例えば、特許文献１には、配管を励磁コイルに挿通してパルス磁場を被検査体に印加して、その磁場応答を計測することで、配管の欠陥を検査する手法が開示されている。パルス磁場を用いることで、信号周波数が広帯域になり、従来の高周波の渦流探傷法に比べてより深い箇所の欠陥検出が可能な手法となっており、これにより断熱材下の欠陥の有無をとらえることが可能となっている。
　また特許文献１では配管と磁気センサの相対位置が変化すると信号強度が変化するために、センサ信号のピークで波形を正規化する手法も開示されている。この手法においては、磁気センサの応答を時間減衰波形としてとらえ、その減衰の速さを欠陥検出の指標としている。したがって、センサと被検査体の距離（リフトオフ量）が変化して信号強度が変わっても、波形を正規化することでロバスト性を高めている。
特開２０１４－４４０８７号公報
　これに対し我々は、有限要素法による動磁場シミュレーションによる解析を行い、よりロバスト性の高い手法について研究を重ねた。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、パルス磁場による非破壊検査においてロバスト性の高い検査が可能な非破壊検査装置を提供することを目的とする。また、パルス磁場による非破壊検査においてロバスト性の高い検査が可能な非破壊検査方法を提供することも目的とする。
　本発明の一側面に従う非破壊検査装置は、被検査体に印加するパルス磁場を発生するパルス磁場発生部と、前記パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成する磁気検出部と、前記磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得する静磁場情報取得部と、前記静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、前記磁場応答信号から前記オフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出するオフセットキャンセル部と、前記オフセットキャンセル信号の減衰時間を算出する減衰時間算出部と、前記減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別する判別部と、を備える。
　また本発明の他の一側面に従う非破壊検査方法は、被検査体に印加するパルス磁場を発生するステップと、前記パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成するステップと、前記磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得するステップと、前記静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、前記磁場応答信号から前記オフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出するステップと、前記オフセットキャンセル信号の減衰時間を算出するステップと、前記減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別するステップと、を含む。
本発明の一実施形態の非破壊検査装置を示す概略図である。 図１の非破壊検査装置で検査可能な断熱配管を示す図である。 本発明の一実施形態の非破壊検査装置の主要構成を示すブロック図である。 パルス幅が長い場合における磁気センサの位置での磁束密度の時間応答波形を説明する図である。 パルス幅が短い場合における磁気センサの位置での磁束密度の時間応答波形を説明する図である。 図２の鋼管にスリットを形成した鋼管を示す図である。 動磁場解析シミュレーションの結果を示すグラフである。 図６の波形を正規化したグラフである。 図６の波形をオフセットキャンセルして正規化したグラフである。 本発明の一実施形態の非破壊検査装置を示す概略図である。
　以下に、パルス磁場に対する磁場応答を用いた非破壊検査装置及び非破壊検査方法の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態の非破壊検査装置を示す概略図、図２は図１の非破壊検査装置で検査可能な断熱配管を示す図、図３は本発明の一実施形態の非破壊検査装置の主要構成を示すブロック図である。図１では被検査体としての断熱配管を破線で示している。図２では紙面に向かって左手に断熱配管の動径方向端面の図を、紙面に向かって右手に断熱配管の斜視図を示す。
　図２に示すように、本実施形態で用いる断熱配管３０は、配管の本体であり炭素鋼等からなる鋼管３１と、鋼管３１の外面を覆うケイ酸カルシウム等からなる断熱材３２と、断熱材３２の外面を覆う亜鉛メッキ鋼板や炭素鋼等からなる表面板金３３とで構成されている。断熱材３２は鋼管３１と表面板金３３との間に隙間なく詰められている。なお、被検査体としては、このような鋼管３１だけでなく、比透磁率が１でない材質（例えば導電体）を含む配管等を用いることができる。
　図１又は図３に示すように、非破壊検査装置１０は、パルス磁場発生部１１と、磁気検出部１２と、静磁場情報取得部１３と、オフセットキャンセル部１４と、正規化波形生成部１５と、減衰時間算出部１６と、判別部１７と、移動部１８と、パルス電流源１９とを備えている。静磁場情報取得部１３と、オフセットキャンセル部１４と、正規化波形生成部１５と、減衰時間算出部１６と、判別部１７とは、制御部２０に含まれる。
　パルス磁場発生部１１は、パルス電流源１９に接続され、パルス電流源１９からの電流によって被検査体に印加するパルス磁場を発生するものであり、例えば励磁コイルを用いることができる。本実施形態では、図１に示すように、対向する２つの励磁コイル１１ａ、１１ｂを用い、被検査体である断熱配管３０に励磁コイル１１ａ、１１ｂを挿通させて使用する。２つの励磁コイル１１ａ、１１ｂは断熱配管３０の軸（長手）方向に所定の間隔を有して対向配置されており、いわゆるヘルムホルツコイルの構成になっている。この構成により、励磁コイル１１ａと励磁コイル１１ｂの間の中央付近に空間的に均一な磁場を発生させることができる。
　励磁コイル１１ａ、１１ｂは断熱配管３０の外周に沿った形状とする。したがって、図２のように断熱配管３０の断面が円形の場合、励磁コイル１１ａ、１１ｂは断熱配管３０の外径よりも少しだけ大きな内径を有する形状とする。図１では、励磁コイル１１ａ、１１ｂはパルス電流源１９に直列に接続されており、任意のパルス波形の電流を印加することで断熱配管３０にパルス磁場を同一方向（例えば図１の矢印で示す断熱配管３０の軸（長手）方向）に励磁することができるようになっている。
　磁気検出部１２は磁気センサ１２ａと検出回路１２ｂとを含み、パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成する。磁場応答の強度としては磁束密度を用いることができる。磁気センサ１２ａは、励磁コイル１１ａ、１１ｂの中央付近であって断熱配管３０の外周に近接又は接して配置される。磁気センサ１２ａは磁場（磁界）の大きさや方向を計測するものであり、本実施形態ではパルス磁場に対する磁場応答を検出可能な各種センサを用いることができる。例えば、コイル、ＭＲ（Magneto  Resistance）素子、ホール素子、磁気インピーダンス素子、ＳＱＵＩＤ（Superconducting  QUantum　Interference　Device）等を用いることができる。ＭＲ素子としてはＡＭＲ（Anisotropic  Magneto　Resistance）素子、ＴＭＲ（Tunnel　Magneto  Resistance）素子等を用いることができる。
　検出回路１２ｂは磁気センサ１２ａに接続されており、磁気センサ１２ａからの入力を受けて磁場応答信号を生成する。また、検出回路１２ｂは制御部２０に接続されており、生成した磁場応答信号を静磁場情報取得部１３及び／又はオフセットキャンセル部１４へ出力する。
　静磁場情報取得部１３は、磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得する。具体的には、磁気検出部１２によって検出された磁場応答信号から励磁コイル１１ａ、１１ｂが直接発生源となった成分（静磁場成分）を静磁場情報として取得する。静磁場情報は磁場応答信号の時間応答波形から取得することができる。この取得方法について図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。
　図４Ａは、パルス幅が長い場合における磁気センサ１２ａの位置での磁束密度の時間応答波形を説明する図であり、図４Ｂは、パルス幅が短い場合における磁気センサ１２ａの位置での磁束密度の時間応答波形を説明する図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、上の波形は励磁コイル１１ａ、１１ｂに電流を印加する様子を示す波形であり、下の波形はそのときの磁気センサ１２ａの位置での磁束密度の変化を示す波形である。
　図４Ａでは、パルス電流の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングで磁束密度の変化が急峻になり、その後時間経過とともに減衰している。図４Ａの例ではパルス電流の平坦部の時間が十分に長く、よって十分に減衰したタイミングで磁場応答信号の値（検出回路１２ｂの出力値）を見れば、静磁場に対する磁束密度、つまり静磁場に基づく静磁場情報を取得できる。このことから、静磁場情報は、パルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定時間経過後の磁気検出部１２の出力値であると言える。
　一方、図４Ｂでは、パルス電流の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングで磁束密度の変化が急峻になり、その後時間経過とともに減衰している。図４Ｂの例ではパルス電流の平坦部の時間が短く、よって十分に減衰しないうちに次のパルス電流の立ち下がり又は立ち上がりのタイミングが来ることになる。この場合、静磁場に対する磁束密度は、例えば、パルス電流の平坦部の時間内における適切なタイミングの磁気検出部１２の出力値から減衰応答の収束値を予測することで算出できる。なお、複数のタイミングの磁気検出部１２の出力値を用いれば、より予測精度が向上する。予測方法としては、指数関数近似として最小二乗法を用いて近似関数を求める方法を採用できる。
　この場合、静磁場情報は、パルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定時間経過後の磁気検出部の出力値（１又は複数の出力値）から予測される予測値であると言える。図４Ｂのように予測値を用いることにより、図４Ａの場合よりも速く静磁場情報を取得でき、検査時間の短縮に繋がる。
　このように、静磁場情報は、パルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定時間経過後の磁気検出部の出力値又は出力値から予測される予測値である。そのため、静磁場成分を磁気センサ１２ａの位置で実測することができ、簡便である。
　なお、移動部１８を駆動させ、近接する複数の位置（例えば２０～３０ｍｍ毎）の検査結果を平均化等すれば、より正確な静磁場情報を得ることができる。
　オフセットキャンセル部１４は、検出回路１２ｂから磁場応答信号を取得し、静磁場情報取得部１３から静磁場情報を取得する。そして、オフセットキャンセル部１４は、静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、磁場応答信号からオフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出する。オフセット量は、例えば静磁場情報取得部１３で算出された静磁場情報であり、つまり励磁コイル１１ａ、１１ｂが直接発生源となった静磁場成分である。この場合、オフセットキャンセル信号は磁場応答信号から静磁場成分を差し引いた値となる。
　本実施形態のような非破壊検査装置１０を用いる場合、磁場応答の減衰波形を決めている支配的な要因はパルス磁場の立ち上がりで鋼管３１内部に励起された渦電流によるものであり、鋼管３１の肉厚が薄いほど渦電流が速く減衰することに起因すると考えられる。しかし、鋼管３１から離れた位置にある磁気センサ１２ａでは、この渦電流が起こす外部磁束変化と重なり合った、励磁コイル１１ａ、１１ｂが直接発生源となる磁束も磁場応答信号に含まれていると考えられ、これが磁場応答信号の波形を複雑化していると考えられる。
　そこで、上述したオフセットキャンセル部１４での処理のように、磁場応答信号から静磁場情報を差し引くこと、つまり磁気センサ１２ａの検出値から励磁コイル１１ａ、１１ｂが直接発生源となった静磁場成分をキャンセルすることにより、磁場応答信号の減衰波形から鋼管３１の肉厚を正確に解析することができる。
　正規化波形生成部１５は、オフセットキャンセル部１４からオフセットキャンセル信号を取得する。そして、正規化波形生成部１５は、オフセットキャンセル信号のピーク値を所定値（例えば１）に揃えることで正規化波形（磁場応答の正規化波形）を生成する。
　減衰時間算出部１６は、正規化波形生成部１５で生成された磁場応答の正規化波形について、正規化波形の減衰時間を算出する。この減衰時間は、例えば、正規化波形がパルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定の閾値以下になるまでの時間に基づいて減衰時間を算出することができる。減衰時間としては、例えば時定数（１／ｅ：ｅは自然対数の底）、つまり初期値の約３７％に達するのに必要な時間（ここでは正規化された磁束密度が１から約０．３７に達するのに必要な時間）を用いることができる。これにより、簡易な方法で減衰時間を確実に求めることができる。
　判別部１７は、減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別する。ここでのきずは鋼管３１の肉厚に基づくものであり、腐食等によって肉厚が薄くなっているほど減衰時間が短くなる。
　移動部１８は、パルス磁場発生部及び磁気検出部を被検査体に沿って移動させる自走機構を有し、例えば、非破壊検査装置１０に設けられた車輪１８ａをモータ１８ｂで駆動させることにより、非破壊検査装置１０が断熱配管３０上を自由に移動できるようにするものである。静磁場情報取得部１３は、移動部１８を駆動させながら（例えば２０～３０ｍｍ毎）パルス磁場を印加することで取得した複数の磁場応答信号に基づいて静磁場情報を取得することができる。この場合、励磁コイル１１ａ、１１ｂ及び磁気センサ１２ａを移動させながら高速で磁場応答信号を取得することができ、広範囲を効率的に検査することができる。なお、移動部１８はモータ等の動力源を持たずに車輪１８ａを断熱配管３０上で転動させつつ手動で移動させる構成であってもよい。
　パルス電流源１９は、制御部２０からの指示によりパルス磁場発生部１１へ所定のパルス電流を供給するものである。
　このような構成の非破壊検査装置１０によれば、磁場応答信号から励磁コイルが直接発生源となった磁場成分である静磁場成分をキャンセルし、正規化することにより、ロバスト性の高い検査が可能となり、高精度で被検査体のきずを検出することができる。
　以下に上記の非破壊検査装置１０の実施例及び動磁場解析シミュレーションの結果について説明する。きずのない正常な断熱配管３０としては次のものを用いた。鋼管３１には材質が炭素鋼（比透磁率が１５０、電気抵抗率が１５×１０-8Ωｍ）で内径が１５０ｍｍ、肉厚が７．１ｍｍのものを用いた。断熱材３２にはケイ酸カルシウム（比透磁率は１の非導電体）を用いた。表面板金３３には鋼管３１と同じ材質を用い、内径が２６５ｍｍ、肉厚が０．３ｍｍのものを用いた。
　きずのある断熱配管としては、鋼管には上記の鋼管３１にスリット４１ａを形成した鋼管４１（図５参照）を用い、断熱材及び表面板金には上記と同様の断熱材３２及び表面板金３３を用いた。図５では紙面に向かって左手に鋼管４１の動径方向端面の図を、紙面に向かって右手に鋼管４１の軸方向の図を示す。鋼管４１の外周一周に亘って溝状のスリット４１ａが形成されており、このスリット４１ａをきずのモデルとする。スリット４１ａとしては、幅が１５ｍｍ、深さが鋼管４１の肉厚の２５％（１．７５５ｍｍ）のもの、幅が１５ｍｍ、深さが鋼管４１の肉厚の５０％（３．５５ｍｍ）のものの２種類とした。
　もう一つ、きずのある断熱配管としては、鋼管には上記の鋼管３１の肉厚を５０％（３．５５ｍｍ）にしたものを用い、断熱材及び表面板金には上記と同様の断熱材３２及び表面板金３３を用いた。
　非破壊検査装置１０としては次のものを用いた。励磁コイル１１ａ、１１ｂはそれぞれ内径を３０５ｍｍ、コイル厚みを１０ｍｍ、コイル幅を４０ｍｍ、コイル巻き数を５０ターン、２つの励磁コイル１１ａ、１１ｂの間隔を４００ｍｍ、印加されるパルス電流値を４．５Ａ、パルス幅を０．０２ｓとした。スリット４１ａを有する配管についてはスリット４１ａ上に磁気センサ１２ａが位置するように配置した。
　図６は、動磁場解析シミュレーションの結果を示すグラフであり、パルス磁場に対する断熱配管の軸（長手）方向（ｙ軸方向とする）の磁束密度変化を示している。すなわち、磁気検出部１２で検出された磁場応答信号を示すデータである。実線で示されるデータＡは、きずのない正常な断熱配管３０の結果であり、破線で示されるデータＢは、スリットの深さが鋼管４１の肉厚の２５％である断熱配管の結果、一点鎖線で示されるデータＣは、スリットの深さが鋼管４１の肉厚の５０％である断熱配管の結果、二点鎖線で示されるデータＤは、鋼管の肉厚を鋼管３１の肉厚の５０％とした断熱配管の結果である。
　図６を見ると、４つのデータＡ～Ｄはそれぞれ違いはあるものの、それぞれの波形が交差しており、きずの状況を判別するために用いる指標としては判別が困難な状態となっている。
　図７は、図６の波形を正規化したグラフである。それぞれの波形のピーク値を１として正規化している。図７によれば、図６よりも若干判別しやすくはなっているが、スリット４１ａの深さが浅いデータＢは正常な配管であるデータＡとほぼ重なっており、依然判別が困難である。
　図８は、図６の波形をオフセットキャンセルして正規化したグラフである。すなわち、正規化波形生成部１５で生成された正規化波形である。図８によれば、データＡとデータＢの判別が可能であり、データＡからデータＤへ順に減衰時間が短くなっている。つまり、きずの深さが深くなるほど、またきずの範囲が広くなるほど、減衰時間が短くなっており、渦電流の減衰の挙動と一致している。
　図８から求められる時定数（１／ｅ：ｅは自然対数の底）、つまり初期値の約３７％に達するのに必要な時間（ここでは正規化された磁束密度が１から約０．３７に達するのに必要な時間）は、データＡが０．０１４２２ｓ、データＢが０．０１３８４ｓ、データＣが０．０１３６０ｓ、データＤが０．００５７５ｓである。
　これらの時定数は、減衰時間算出部１６によって算出される減衰時間である。この減衰時間に基づいて判別部１７は、鋼管のきずを判別することができる。すなわち、正常な鋼管（データＡ）に比べて減衰時間が短いほど、きずが深い又は深く広いと判別することができる。これにより、ロバスト性の高い検査を実現でき、高精度できずを検出することができる。
　図９に、本発明の他の一実施形態の非破壊検査装置の概略図を示す。図９では被検査体としての断熱配管を破線で示している。図１に示した部材と同様の部材には同符号を付してその詳細な説明を省略する。ブロック図は図３と同様であるので説明を省略する。
　図９に示した非破壊検査装置５０は、ヨーク５１と、励磁コイル１１ｃと、磁気センサ１２ａと、検出回路１２ｂと、パルス電流源１９とを備えている。ヨーク５１は、半ドーナツ型の形状を有し、ヨーク５１の中央付近に励磁コイル１１ｃが巻回されている。これにより、ヨーク５１の一端がＮ極、他端がＳ極となる。この場合、断熱配管３０表面の垂直方向に磁束が与えられ、Ｎ極からＳ極に向けた磁束が断熱配管３０の中を軸（長手）方向に流れることになる。
　このような構成の非破壊検査装置５０によっても、上述した非破壊検査装置１０と同様の方法で、きずを判別することができる。また、この非破壊検査装置５０によれば、配管に限らず、鋼板のような平面に近い大面積の被検査体など、様々な形状の被検査体を検査することができる。
　以上説明した非破壊検査装置は、被検査体に印加するパルス磁場を発生するパルス磁場発生部と、パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成する磁気検出部と、磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得する静磁場情報取得部と、静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、磁場応答信号からオフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出するオフセットキャンセル部と、オフセットキャンセル信号の減衰時間を算出する減衰時間算出部と、減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別する判別部と、を備える。
　上記の非破壊検査装置において、静磁場情報は、パルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定時間経過後の磁気検出部の出力値又は出力値から予測される予測値であることとしてもよい。
　また上記の非破壊検査装置において、パルス磁場発生部及び磁気検出部を被検査体に沿って移動させる移動部を備え、静磁場情報取得部は、移動部によりパルス磁場発生部及び磁気検出部を移動させながらパルス磁場を印加することで取得した複数の磁場応答信号に基づいて静磁場情報を取得することとしてもよい。移動部は、動力源の駆動によって移動するものであっても、手動により移動可能な構成であってもよい。
　また上記の非破壊検査装置において、減衰時間算出部は、オフセットキャンセル信号がパルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定の閾値以下になるまでの時間に基づいて減衰時間を算出することとしてもよい。
　また、上記の非破壊検査装置において、オフセットキャンセル信号のピーク値を所定値に揃えることで正規化波形を生成する正規化波形生成部をさらに備え、減衰時間算出部は、正規化波形とされた後の信号の減衰時間を算出するものであってもよい。
　また、以上説明した非破壊検査方法は、被検査体に印加するパルス磁場を発生させ、パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成し、磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得し、静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、磁場応答信号からオフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出し、オフセットキャンセル信号の減衰時間を算出し、そして、減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別する。
　また、上記非破壊検査方法において、オフセットキャンセル信号のピーク値を所定値に揃えることで正規化波形を生成する正規化波形生成をさらに行い、減衰時間算出において、正規化波形とされた後の信号の減衰時間を算出するものであってもよい。
　上述の非破壊検査装置や上述の非破壊検査方法を採用することにより、静磁場情報に基づいてオフセット量を決定することにより、パルス磁場による非破壊検査においてロバスト性の高い検査が可能となる。
　　　１０　非破壊検査装置
　　　１１　パルス磁場発生部
　　　１２　磁気検出部
　　　１３　静磁場情報取得部
　　　１４　オフセットキャンセル部
　　　１５　正規化波形生成部
　　　１６　減衰時間算出部
　　　１７　判別部
　　　１８　移動部

Claims (7)

  1. 　被検査体に印加するパルス磁場を発生するパルス磁場発生部と、
    　前記パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成する磁気検出部と、
    　前記磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得する静磁場情報取得部と、
    　前記静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、前記磁場応答信号から前記オフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出するオフセットキャンセル部と、
    　前記オフセットキャンセル信号の減衰時間を算出する減衰時間算出部と、
    　前記減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別する判別部と、を備えた非破壊検査装置。
  2. 　前記静磁場情報は、前記パルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定時間経過後の前記磁気検出部の出力値又は出力値から予測される予測値であることを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装置。
  3. 　前記パルス磁場発生部及び前記磁気検出部を被検査体に沿って移動させる移動部を備え、
    　前記静磁場情報取得部は、前記移動部を駆動させながらパルス磁場を印加することで取得した複数の磁場応答信号に基づいて前記静磁場情報を取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の非破壊検査装置。
  4. 　前記減衰時間算出部は、前記オフセットキャンセル信号が前記パルス磁場の立ち上がり時間又は立ち下がり時間から所定の閾値以下になるまでの時間に基づいて前記減衰時間を算出することを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の非破壊検査装置。
  5. 　前記オフセットキャンセル信号のピーク値を所定値に揃えることで正規化波形を生成する正規化波形生成部をさらに備え、
    　前記減衰時間算出部は、前記正規化波形の減衰時間を算出することを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の非破壊検査装置。
  6. 　被検査体に印加するパルス磁場を発生するステップと、
    　前記パルス磁場に対する磁場応答を検出して磁場応答信号を生成するステップと、
    　前記磁場応答の検出位置における静磁場に基づく静磁場情報を取得するステップと、
    　前記静磁場情報に基づいてオフセット量を算出し、前記磁場応答信号から前記オフセット量を差し引いたオフセットキャンセル信号を算出するステップと、
    　前記オフセットキャンセル信号の減衰時間を算出するステップと、
    　前記減衰時間に基づいて被検査体のきずを判別するステップと、を含む非破壊検査方法。
  7. 　前記オフセットキャンセル信号のピーク値を所定値に揃えることで正規化波形を生成するステップをさらに備え、
    　前記減衰時間を算出するステップは、前記正規化波形の減衰時間を算出する請求項６に記載の非破壊検査方法
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