特許 5721475 強磁性鋼管の渦流探傷用内挿プローブ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5721475

(24)【登録日】2015年4月3日

(45)【発行日】2015年5月20日

(54)【発明の名称】強磁性鋼管の渦流探傷用内挿プローブ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/90 20060101AFI20150430BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/90

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-50512(P2011-50512)

(22)【出願日】2011年3月8日

(65)【公開番号】特開2012-189326(P2012-189326A)

(43)【公開日】2012年10月4日

【審査請求日】2014年2月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】592244376

【氏名又は名称】日鉄住金テクノロジー株式会社

(72)【発明者】

【氏名】坂本 隆秀

(72)【発明者】

【氏名】欅田 理

(72)【発明者】

【氏名】村瀬 義隆

【審査官】 比嘉 翔一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−３４０４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０９８２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭６３−００７８９５（ＪＰ，Ｙ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／７２−２７／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心部に設けた断面が矩形で、対辺方向に磁化された直方体状の永久磁石と、前記直方体状の永久磁石の両磁極面に断面が弓形状の継鉄と、前記両磁極面と異なる面に断面が弓形状のコイル保持体を結合した強磁性鋼管用の渦流探傷用内挿プローブであって、前記渦流探傷用内挿プローブの長さ方向中央付近の前記継鉄の前記永久磁石の前記両磁極面と接する部分に空隙を設け、２つの検査コイルを、強磁性鋼管の磁束密度の高い部分からの信号を得るように、前記継鉄の磁気シールドを受ける空隙では直線状、前記コイル保持体では弓形状に沿って巻回し、且つ前記２つの検査コイルの差動出力を得るようにしたことを特徴とする渦流探傷用内挿プローブ。

【請求項2】

前記コイル保持体が非磁性且つ非導電体であることを特徴とする請求項１に記載の渦流探傷用内挿プローブ。

【請求項3】

前記永久磁石と前記継鉄と前記コイル保持体とを結合した前記渦流探傷用内挿プローブの断面が略円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の渦流探傷用内挿プローブ。

【請求項4】

前記コイル保持体に溝が形成されて、前記２つの検査コイルが、前記溝に巻回されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の渦流探傷用内挿プローブ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、化学プラント等で使用される強磁性伝熱管の内部の損傷の程度を渦流探傷で測定するための内挿プローブに関するものである。

【背景技術】

【0002】

化学プラント等で使用される伝熱管は、外面からの探傷検査は困難であるため、通常内挿プローブを用いて内外面の傷の検出を行っている。内挿プローブとして、超音波探傷方式と渦流探傷方式があるが、超音波探傷方式は、接触媒体である水や油で探傷部分を満たす必要があり、精度は良いが余分の工数が掛かる。渦流探傷方式は、接触媒体が不要で効率的に探傷が可能である。

【0003】

一方、渦流探傷方式は、試験材が強磁性体の場合には透磁率の影響を受ける。伝熱管が非磁性体である場合には問題はないが、伝熱管が強磁性体である場合には、透磁率の部分的なばらつきがあるとノイズを生じ、渦流探傷の精度が低下する。この問題の解決法として従来では、図５に示す渦流探傷用内挿プローブ５が用いられていた。

【0004】

この渦流探傷用内挿プローブ５は、円柱状の継鉄２０の両端部に円筒状の永久磁石１０を嵌着しており、継鉄２０の中央部には絶縁材３５を介して検査コイル４５を取り付けている。円筒状の永久磁石１０の磁化方向は継鉄２０の軸心線と直交する方向であり、一端部の永久磁石１０は外周がＮ極、内周がＳ極、他端部の永久磁石１０は外周がＳ極、内周がＮ極の着磁になっており、図に一点鎖線で示すような磁路が形成され、強磁性鋼管Ｔを管軸方向に飽和磁化することになる。これにより、強磁性鋼管Ｔの残留歪や材質の局部的なばらつきによる透磁率の変化が抑制され、検査コイル４５に与える影響が解消される。

【0005】

しかしながら、上記方法でも鋼管の肉厚が厚くなると強磁性鋼管Ｔを飽和磁化することができず、透磁率がばらついて、渦流探傷の精度が低下すると言う問題があった。この対策として、特許文献１には、図６に示すように円柱状の継鉄２０の外周部に断面が扇形状の永久磁石１０を接合して強磁性鋼管Ｔを円周方向に飽和磁化し、更に周方向の分解能を上げるために継鉄２０の永久磁石１０と結合していない部分に円筒状の検査コイル４８を配設した発明が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開昭６３−２４１５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の発明では、円周方向の磁場強度は従来法より強くなったが、継鉄２０の永久磁石１０と結合していない部分に絶縁材３５を介して円筒状の検査コイル４８を配設したため、検査コイル４８と強磁性鋼管Ｔの内面との距離が変動（リフトオフ）した場合に、検出信号の変動が生じて、渦流探傷の精度が低下すると言う問題が生ずる。

【0008】

上記問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、永久磁石と継鉄で円周方向に強磁性鋼管を飽和磁化し、２つの検査コイルを継鉄のある部分では強磁性鋼管から離れるように、継鉄のない部分では強磁性鋼管に近づくように円周方向に巻回し、更に２つの検査コイルの差動出力をとることにより、リフトオフの変動に対応でき、検出精度の高い内挿プローブを見出し本発明を完成させた。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するべく、本発明の請求項１に記載の渦流探傷用内挿プローブは、中心部に設けた断面が矩形で、対辺方向に磁化された直方体状の永久磁石と、前記直方体状の永久磁石の両磁極面に断面が弓形状の継鉄と、前記両磁極面と異なる面に断面が弓形状のコイル保持体を結合した強磁性鋼管用の渦流探傷用内挿プローブであって、前記渦流探傷用内挿プローブの長さ方向中央付近の前記継鉄の前記永久磁石の前記両磁極面と接する部分に空隙を設け、２つの検査コイルを、強磁性鋼管の磁束密度の高い部分からの信号を得るように、前記継鉄の磁気シールドを受ける空隙では直線状、前記コイル保持体では弓形状に沿って巻回し、且つ前記２つの検査コイルの差動出力を得るようにしたことを特徴とする渦流探傷用内挿プローブである。

【0010】

本発明によれば、渦流探傷用内挿プローブは、中心部に設けた断面が矩形で、対辺方向に磁化された直方体状の永久磁石と、直方体状の永久磁石の両磁極面に断面が弓形状の継鉄と両磁極面と異なる面に断面が弓形状のコイル保持体を結合したものであるため、強磁性鋼管に内挿されると強磁性鋼管の円周方向に磁束密度の高い磁路が形成される。また渦流探傷用内挿プローブの長さ方向中央付近の継鉄の永久磁石の両磁極面と接する部分に貫通用の空隙を設け、２つの検査コイルが継鉄の磁気シールドを受ける空隙では強磁性鋼管から離れるように直線状で、コイル保持体では弓形状に沿って強磁性鋼管に近づくように巻回されているため強磁性鋼管の磁束密度の高い部分からの渦電流の検出が可能となっている。そのため透磁率のばらつきが減少した部分からの渦電流の検出が主になり、ノイズが減少する。更に前記２つの検査コイルの差動出力を得るようにしたことで、プローブの中心が強磁性鋼管の中心からずれた場合でも、リフトオフによる信号の変動の問題を解消することができる。

【0011】

請求項２に記載の渦流探傷用内挿プローブは、前記コイル保持体が非磁性且つ非導電体であることを特徴とする請求項１に記載の渦流探傷用内挿プローブである。

【0012】

斯かる発明によれば、コイル保持体が非磁性且つ非導電体であるため、コイルの交流電圧からの渦電流損失がない。

【0013】

請求項３に記載の発明は、前記永久磁石と前記継鉄と前記コイル保持体とを結合した前記渦流探傷用内挿プローブの断面が略円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の渦流探傷用内挿プローブである。

【0014】

斯かる発明によれば、永久磁石と継鉄とコイル保持体とを結合した渦流探傷用内挿プローブの断面が略円形であるため、強磁性鋼管に内挿した際に強磁性鋼管の内面との距離が一定の部分が多くなり、出力が向上する。

【0015】

請求項４に記載の発明は、前記コイル保持体に溝が形成されて、前記２つの検査コイルが、前記溝に巻回されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の渦流探傷用内挿プローブである。

【0016】

斯かる発明によれば、２つの検査コイルが、コイル保持体の溝に沿って巻回されているため、コイルが強磁性鋼管の内面に直接接触することがなく、コイルの切断や接触による変形が減少して耐久性が向上し、また接触によるノイズが減少する。

【発明の効果】

【0017】

本発明の渦流探傷用内挿プローブによれば、永久磁石と継鉄で強磁性鋼管を円周方向に磁化し、２つの検査コイルを強磁性鋼管の磁束密度の高い部分で強磁性鋼管側に近づけ、磁束密度の低い部分で、強磁性鋼管側から遠ざかり、且つ、強磁性鋼管とコイル間に存在する継鉄で磁気シールドされるように巻回しているので、磁束密度の高い部分からの渦電流の検出が可能となっている。そのため透磁率のばらつきが減少した部分からの渦電流の検出が主になり、ノイズが減少する。更に２つの検査コイルの差動出力を得るようにしたので、プローブの中心が強磁性鋼管の中心からずれた場合でも、リフトオフによる信号の変動の問題を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の渦流探傷用内挿プローブの断面を示す図である。 (ａ)管軸方向の断面図 (ｂ)Ａ−Ａ断面図 (ｃ)Ｂ−Ｂ断面図

【図2】本発明の信号検出回路のブロック図の一例である。

【図3】管内部磁束密度の管軸方向と管周方向の計算結果を示す図である。

【図4】従来法の円筒状コイルを用いた渦流探傷用内挿プローブと本発明の渦流探傷用内挿プローブとのリフトオフの影響を示す図である。

【図5】従来の渦流探傷用内挿プローブの図である。

【図6】円筒状の検査コイルを用いた従来の渦流探傷用内挿プローブを示す図である。 (ａ)渦流探傷用内挿プローブの概略図 (ｂ)Ｃ−Ｃ断面図

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態を説明する。

【実施例】

【0020】

図１に本発明の渦流探傷用内挿プローブの実施形態を示す。図１(ａ)は、管軸方向の断面図、図１(ｂ)はＡ-Ａ断面図、図１(ｃ)は、Ｂ-Ｂ断面図を示す。

【0021】

渦流探傷用内挿プローブ１は、中心部に設けた断面が矩形で、対辺方向に磁化された直方体状の永久磁石１０と、直方体状の永久磁石１０の両磁極面に断面が弓形状の継鉄２０と、両磁極面と異なる面に断面が弓形状のコイル保持体５０を結合している。磁力線は永久磁石１０の内部ではＮ極から出てＳ極に向かうが、永久磁石１０の外部では、磁路長が短くなるようにＮ極から出て強磁性鋼管Ｔの円周方向を通りＳ極に戻るため、図１(ｂ)に示すように強磁性鋼管Ｔの円周方向の一部を磁化することになる。永久磁石１０として、ＮｄＦｅＢ系、又はＳｍＣｏ系の希土類磁石が、飽和磁化が高く、保磁力が大きいので望ましい。

【0022】

また、永久磁石１０の断面形状として、磁化方向の辺を長さ、磁化方向と垂直の辺を幅とすると長さ対幅の比率は、０．５（比で１：２）から２．０（比で２：１）程度が望ましい。長さ対幅の比率が０．５未満になると磁極面積は増えるが、反磁場係数が大きくなり動作磁場が小さくなり全体の磁束が減少し、長さ対幅の比率が２．０超になると反磁場係数は小さくなり動作磁場は大きくなるが、磁極面積が減少して、全体の磁束が減少するからである。なお、本実施例では、長さ対幅の比率が０．８のＮｄＦｅＢ磁石を用いている。

【0023】

更に、渦流探傷用内挿プローブ１の長さ方向中央付近の継鉄２０の永久磁石１０の両磁極面と接する部分に空隙３０を設け、２つの検査コイル４０ａ、４０ｂを、空隙３０では直線状、コイル保持体５０では弓形状に沿って巻回し、２つの検査コイル４０ａ、４０ｂの差動出力を得るようにしている。なお、検査コイル４０ａ、４０ｂは、８０μｍの被覆銅線を６０回巻いたものである。

【0024】

検査コイル４０ａ部分での断面図を図１(ｃ)に示すが、強磁性鋼管Ｔが飽和磁化される部分では、検査コイル４０ａはコイル保持体５０に沿って弓形状に張り出し、強磁性鋼管Ｔとの距離が近くなりこの部分から寄与する信号強度は大きくなるが、磁場が弱く、飽和磁化に不十分な部分では、検査コイル４０ａは継鉄２０と永久磁石１０の両磁極面と接する部分の空隙３０を直線状に通るので、強磁性鋼管Ｔとの距離が遠く、継鉄２０で磁気シールドされるため、この部分から寄与する信号強度は微弱となる。

【0025】

なお、本発明の渦流探傷では、コイル保持体５０に沿って弓形状に張り出した部分からの検査コイル４０ａ、４０ｂの信号で探傷を行うので、強磁性鋼管Ｔの円周方向全面の探傷を行うには、渦流探傷用内挿プローブ１を所定速度で回転させるか、複数の渦流探傷用内挿プローブ１を所定角度をつけて、シリーズに接続することで対応することができる。

【0026】

また、２つの検査コイル４０ａ、４０ｂの差動出力を得るには、例えば、検査コイル４０ａ、４０ｂの信号を渦流探傷用内挿プローブ１の吊垂用索条を兼ねるケーブル６０から取り出し、ブリッジ回路で差動出力を得ることができる。更には、渦流探傷用内挿プローブ１にブリッジ回路等を搭載する基板を組み込むことも可能である。

【0027】

コイル保持体５０は、例えば、ベークライト、ナイロン、ポリアセタールのような非磁性且つ非導電体で作られている。これにより、コイル保持体５０からの残留磁化の影響や渦電流の発生を抑制することができ、強磁性鋼管Ｔの信号へのノイズを減らすことができる。

【0028】

また、永久磁石１０と継鉄２０とコイル保持体５０とを結合した渦流探傷用内挿プローブ１の断面は略円形になっている。これにより、強磁性鋼管Ｔに内挿した際に強磁性鋼管Ｔの内面と信号検出に寄与する弓形状に張り出した検査コイル４０ａ、４０ｂとの距離が一定の部分が多くなり、出力が向上する。

【0029】

コイル保持体５０には深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの凹溝を２つ形成し、それぞれ２つの検査コイル４０ａ、４０ｂは、凹溝に巻回して、検査コイル４０ａ、４０ｂの切断や接触による変形がないようにしている。

【0030】

図２には、本発明の信号検出回路のブロック図を示す。発振器からの高周波信号を電力増幅器で増幅して、検査コイル４０ａ、４０ｂに送信し、ブリッジ回路で検査コイル４０ａ、４０ｂの差動出力を検出して、増幅器で増幅する。増幅された信号と発振器からの信号は同期検波器１に送信してＸ成分を検出する。増幅された信号と発振器の信号を移相器で９０度位相シフトした信号は同期検波器２に送信してＹ成分を検出する。

【0031】

図３には、管内部磁束密度の管軸方向磁化と管周方向磁化の計算結果を示す。計算結果は、管外径２５．４ｍｍの場合の鋼管肉厚中央部の磁束密度を、鋼管肉厚の関数として３次元有限要素解析によって求めたものである。なお、プローブ外径は鋼管内径より１ｍｍ小さい場合について、永久磁石１０はＮｄＦｅＢ磁石、継鉄２０は純鉄の磁気特性を用いて計算した結果である。この結果から鋼管の周方向に磁化する方が、従来の鋼管の軸方向に磁化する方より鋼管を強く磁化できることが言える。

【0032】

従来法の円筒状コイルを用いた渦流探傷用内挿プローブと本発明の渦流探傷用内挿プローブとのリフトオフの影響を調査するため探傷試験を行った。探傷試験に用いた強磁性鋼管Ｔは、外径が１９ｍｍ、肉厚２．３ｍｍの炭素鋼鋼管で、鋼管外面に表１で示すような外径と深さの傷を人工的に作成したものである。

【0033】

【表1】

【0034】

図４(ａ)には、従来法の円筒状コイルを用いた渦流探傷用内挿プローブのリフトオフの影響、図４(ｂ)には本発明の渦流探傷用内挿プローブとのリフトオフの影響を示す。なお渦流探傷用内挿プローブの外径は双方とも１２ｍｍ、永久磁石１０はＮｄＦｅＢ磁石、継鉄２０は軟鉄を用いたもので発振器の周波数は５０ｋＨｚであった。従来法の継鉄２０の永久磁石１０と結合していない部分に円筒状の検査コイル４８を配設した渦流探傷用内挿プローブ８では、円筒状の検査コイル４８のリフトオフが変動すると鋼管に誘起される渦電流が大きく変動する。すなわち図６(ｂ)で３時位置の円筒状の検査コイル４８が鋼管に接近すると９時位置の円筒状の検査コイル４８が鋼管から遠ざかり、検出される信号も大きく変動する。更に隣接配置した２個の検査コイルの差動をとっても、ヨー角度揺動に伴うリフトオフ変動を抑制することができない。そのため零点レベルの変動が大きく微小な欠陥（例えば傷Ｄ、Ｆ）が検出できない。

【0035】

一方、本発明の渦流探傷用内挿プローブ１では、検査コイル４０ａ、４０ｂを継鉄２０のある部分では鋼管から離れるように直線状に、継鉄２０のない部分では鋼管に近づくように円周方向に巻回しているので、プローブの揺動に伴うリフトオフ変動の影響が小さい。すなわち図１(ｃ)で３時位置の弓形状部が鋼管に接近すると９時位置の弓形状部が鋼管から遠ざかり鋼管に誘導される渦電流の総和はあまり変化せず、検査コイル自身にリフトオフ変動補償機能を有する。更に２つの検査コイル４０ａ、４０ｂの差動出力を得るようにしているので、鋼管に接近した場合、鋼管から遠ざかった場合、ヨー角度揺動がある場合でも零点変動が少なく、微小な欠陥を良好に検出することが可能である。

【0036】

以上説明したように、本発明の渦流探傷用内挿プローブは永久磁石と継鉄で円周方向に強磁性鋼管を飽和磁化し、２つの検査コイルを継鉄のある部分では強磁性鋼管から離れるように、継鉄のない部分では強磁性鋼管に近づくように円周方向に巻回し、更に２つの検査コイルの差動をとるように構成したので、リフトオフによる信号の変動がなく、検出精度の高い渦流探傷用内挿プローブを提供できるものである。

【符号の説明】

【0037】

１ 渦流探傷用内挿プローブ
１０ 永久磁石
２０ 継鉄
３０ 空隙
４０ａ、４０ｂ 検査コイル
５０ コイル保持体
６０ ケーブル
Ｔ 強磁性鋼管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】