(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭層を含む炭素量の総量を直流磁気特性から算出する炭素総量測定機であって、
鋼管の管肉部を軸方向に磁化するための励磁コイルとヨークとを備えた電磁石と、
前記ヨーク間に配置され、前記鋼管の円周方向にコイルを巻回して鋼管の管肉部の磁束変化を検出する検出コイルと、
前記電磁石の磁場強度と前記検出コイルの出力値の積分に基づく磁束密度から前記鋼管の管肉部の直流磁気特性を測定する磁気測定部と、
Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭で生じた非磁性体Ｃｒ−Ｃを含む飽和磁束密度と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管の管肉部の飽和磁束密度から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部とを備えたことを特徴とする炭素総量測定機。
【請求項２】
前記鋼管と接するヨーク端面の断面形状が、前記鋼管に円周方向から接するように鋼管の外径の半径とほぼ同等の半径の半円形状になっていることを特徴とする請求項１に記載の炭素総量測定機。
【請求項３】
前記ヨークは、端面の断面形状が前記鋼管の外径の半径とほぼ同等の半径の半円形状からなるそれぞれ第１と第２の部材とからなり、前記第１と第２の部材との組み合わせで前記鋼管を全円周方向から取り囲んで接するようなヨークであることを特徴とする請求項１に記載の炭素総量測定機。
【請求項４】
Ｃｒを含有するフェライト系鋼管が、１．９ｗｔ％以上、１０ｗｔ％以下のＣｒを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の炭素総量測定機。
【請求項５】
Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の炭素量の総量を直流磁気特性から算出する炭素総量測定機と、
前記鋼管の外表面部の炭素濃度を測定する外表面炭素濃度測定機と、
前記外表面炭素濃度測定機に測定された炭素濃度に基づき所定の式に従って外表面部の浸炭量を算出し、前記炭素量の総量から外表面部の浸炭量と母材炭素量を差し引き、鋼管の内表面部の浸炭量を求め、所定の式に従って内表面部の浸炭量の濃度分布を評価する濃度分布評価機とを備えた鋼管内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置であって、
前記炭素総量測定機は、
鋼管の管肉部を軸方向に磁化するための励磁コイルとヨークとを備えた電磁石と、
前記ヨーク間に配置され、前記鋼管の円周方向にコイルを巻回して鋼管の管肉部の磁束変化を検出する検出コイルと、
前記電磁石の磁場強度と前記検出コイルの出力値の積分に基づく磁束密度から前記鋼管の管肉部の直流磁気特性を測定する磁気測定部と、
Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭で生じた非磁性体Ｃｒ−Ｃを含む飽和磁束密度と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管の管肉部の飽和磁束密度から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部とを備えたことを特徴とする、
Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊的手法による、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の内部の炭素総量を磁気的特性により測定する測定機に関するものであり、またＣｒを含有するフェライト系鋼管において直接測定が困難な鋼管の内表面部の浸炭深さを評価する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油化学プラントのエチレン製造工程で用いられる、オーステナイト系のステンレスを用いたクラッキングチューブは、長時間使用されることにより内表面部に浸炭層を生じることが知られている。この浸炭層の発生は、クラッキングチューブの寿命を大きく低減する要因となるため、定期的に浸炭層の深さ（浸炭深さ）を測定し、その進行状況を的確に把握することが必要である。この場合には、浸炭により非磁性体のクロムカーバイド（Ｃｒ-Ｃ）が生成し、生成近傍のＣｒ濃度が低下して、一部が強磁性体であるフェライト系のステンレスに変化する。非磁性体である母材からこの強磁性体の生成による磁気特性の変化を把握することによって、浸炭量を精度よく推定することが可能で、浸炭の程度を評価することができる。
【０００３】
一方、石油化学プラントの加熱炉用のチューブに使用されるＣｒを含有するフェライト系鋼管の場合には、鋼管の外表面部、内表面部とも浸炭の影響を受けて非磁性体のＣｒ-Ｃが生成するが、母材が強磁性体であるため、浸炭で生成した非磁性体のＣｒ-Ｃ量を推定することは、容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１３９２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された方法は、電磁気特性を利用して磁性体からなる鋼材内外面の浸炭深さを交流磁化法で測定する方法であって、センサープローブの形状、磁場方向、励磁電流強度、励磁周波数の適正化を行ったものである。センサープローブの形状としては、Ｃ型コイルプローブを用い、励磁周波数は、４０〜５０Ｈｚで磁場方向については、水平磁場を用い、第３高調波強度により、内外表面の浸炭深さを求めるものである。
【０００６】
本方法では、鋼管の局所領域（長手方向）の炭素濃度は測定できるが、円周方向の炭素濃度が測定できない点、また交流磁化法の第３高調波強度測定では鋼管外表面の酸化スケール等の影響を受けやすく、信号強度も大きくないため、測定精度に欠けると言う問題がある。
【０００７】
上記問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、直流磁化方法を用いて、鋼管の磁気特性を評価することにより鋼管の円周方向の炭素量の総量を精度良く測定できること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】
【０００８】
前記課題を解決するべく、本発明の請求項１に記載の炭素総量測定機は、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭層を含む炭素量の総量を直流磁気特性から算出する炭素総量測定機であって、鋼管の管肉部を軸方向に磁化するための励磁コイルとヨークとを備えた電磁石と、前記ヨーク間に配置され、前記鋼管の円周方向にコイルを巻回して鋼管の管肉部の磁束変化を検出する検出コイルと、前記電磁石の磁場強度と前記検出コイルの出力値の積分に基づく磁束密度から前記鋼管の管肉部の直流磁気特性を測定する磁気測定部と、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭で生じた非磁性体Ｃｒ−Ｃを含む飽和磁束密度と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管の管肉部の飽和磁束密度から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部とを備えたことを特徴とする炭素総量測定機である。
【０００９】
請求項１に係る炭素総量測定機の発明によれば、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の管肉部を軸方向に磁化するための励磁コイルとヨークとを備えた電磁石と、ヨーク間に配置され、鋼管の円周方向にコイルを巻回して鋼管の管肉部の磁束変化を検出する検出コイルと、電磁石の磁場強度と検出コイルの出力値の積分に基づく磁束密度から鋼管の管肉部の直流磁気特性を測定する磁気測定部と、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭で生じた非磁性体Ｃｒ−Ｃを含む飽和磁束密度と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管の管肉部の飽和磁束密度から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部とを備えているため、浸炭層を含む炭素量の総量を従来法の交流磁化法と比べて精度良く算出することができる。
【００１０】
Ｃｒを含有するフェライト系鋼管が浸炭されると、非磁性体であるＣｒ-Ｃが強磁性体である母材のフェライト組織から生成するが、本発明の直流磁気特性の飽和磁束密度は、従来の交流磁気特性、例えば第３高調波強度を用いる方法より、炭素量の総量の検出に優れている。また鋼管の円周方向にコイルを巻回して鋼管の管肉部の磁束変化を検出する手法を採用しているので、鋼管の円周方向の浸炭量を反映した測定結果となり、測定精度の信頼が高まる。
【００１２】
直流磁気特性が、飽和磁束密度であれば、炭素量の総量との相関係数が高く、精度良く鋼管の管肉部の炭素量の総量を算出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の炭素総量測定機は、鋼管と接するヨーク端面の断面形状が、前記鋼管に円周方向から接するように鋼管の外径の半径とほぼ同等の半径の半円形状になっていることを特徴とする請求項１に記載の炭素総量測定機である。
【００１４】
請求項２に係る炭素総量測定機の発明によれば、鋼管と接するヨーク端面の断面形状が、鋼管に円周方向から接するように鋼管の外径の半径とほぼ同等の半径の半円形状になっているため、励磁コイルで生成した磁束がヨークを通じてヨークと接している鋼管に均一に侵入し、管肉部の直流磁気特性の測定精度が向上する。
【００１５】
請求項３に記載の炭素総量測定機において、前記ヨークは、端面の断面形状が前記鋼管の外径の半径とほぼ同等の半径の半円形状からなるそれぞれ第１と第２の部材とからなり、前記第１と第２の部材との組み合わせで前記鋼管を全円周方向から取り囲んで接するようなヨークであることを特徴とする請求項１に記載の炭素総量測定機である。
【００１６】
請求項３に係る炭素総量測定機の発明によれば、ヨークの構成を、端面の断面形状が鋼管の外径の半径とほぼ同等の半径の半円形状からなるそれぞれ第１と第２の部材とからなり、第１と第２の部材との組み合わせで鋼管を全円周方向から取り囲んで接するようにしたため、励磁コイルで生成した磁束がヨークを通じヨークと接している鋼管の全円周方向から均一に侵入し、管肉部の直流磁気特性の測定精度が更に向上する。
【００１７】
請求項４に記載の炭素総量測定機は、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管が、１．９ｗｔ％以上、１０ｗｔ％以下のＣｒを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の炭素総量測定機である。
【００１８】
請求項４に係る炭素総量測定機の発明によれば、対象とするＣｒを含有するフェライト系鋼管が、１．９ｗｔ％以上、１０ｗｔ％以下のＣｒを含むことを特徴とするものであり、石油化学プラントの加熱炉用のチューブに良く使用されるＣｒ−Ｍｏ系の鋼管、例えば２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管の浸炭評価に特に有効である。なお、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管の規格ではＣｒの下限量は１．９ｗｔ％以上であり、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管の規格ではＣｒの上限は１０ｗｔ％以下である。
【００１９】
請求項５に記載の濃度分布評価装置は、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の炭素量の総量を直流磁気特性から算出する炭素総量測定機と、前記鋼管の外表面部の炭素濃度を測定する外表面炭素濃度測定機と、前記外表面炭素濃度測定機に測定された炭素濃度に基づき所定の式に従って外表面部の浸炭量を算出し、前記炭素量の総量から外表面部の浸炭量と母材炭素量を差し引き、鋼管の内表面部の浸炭量を求め、所定の式に従って内表面部の浸炭量の濃度分布を評価する濃度分布評価機とを備えた鋼管内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置であって、前記炭素総量測定機は、鋼管の管肉部を軸方向に磁化するための励磁コイルとヨークとを備えた電磁石と、前記ヨーク間に配置され、前記鋼管の円周方向にコイルを巻回して鋼管の管肉部の磁束変化を検出する検出コイルと、前記電磁石の磁場強度と前記検出コイルの出力値の積分に基づく磁束密度から前記鋼管の管肉部の直流磁気特性を測定する磁気測定部と、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭で生じた非磁性体Ｃｒ−Ｃを含む飽和磁束密度と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管の管肉部の飽和磁束密度から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部とを備えたことを特徴とする、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置である。
【００２０】
請求項５に係る濃度分布評価装置の発明によれば、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の炭素量の総量を直流磁気特性から算出する炭素総量測定機と、鋼管の外表面部の炭素濃度を測定する外表面炭素濃度測定機と、外表面炭素濃度測定機に測定された炭素濃度に基づき所定の式に従って外表面部の浸炭量を算出し、炭素量の総量から外表面部の浸炭量と母材炭素量を差し引き、鋼管の内表面部の浸炭量を求め、所定の式に従って内表面部の浸炭量の濃度分布を評価する濃度分布評価機とを備えた鋼管内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置であって、炭素総量測定機は、鋼管の管肉部を軸方向に磁化するための励磁コイルとヨークとを備えた電磁石と、ヨーク間に配置され、鋼管の円周方向にコイルを巻回して鋼管の管肉部の磁束変化を検出する検出コイルと、前記電磁石の磁場強度と前記検出コイルの出力値の積分に基づく磁束密度から前記鋼管の管肉部の直流磁気特性を測定する磁気測定部と、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭で生じた非磁性体Ｃｒ−Ｃを含む飽和磁束密度と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管の管肉部の飽和磁束密度から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部とを備えたことを特徴とする、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置を提案するものである。そのため鋼管の炭素量の総量から、外表面部の浸炭量と母材炭素量を差し引くことにより、内表面部の浸炭量が求められ、所定の式に従って、直接測定が困難な鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布を非破壊的に評価することができる。
【００２２】
更に、鋼管の炭素量の総量を、炭素量の総量との相関係数が高い飽和磁束密度で算出するので、算出された炭素量の総量の信頼度が高く、鋼管内表面部の浸炭量の濃度分布評価の精度が高いものとなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭層を含む炭素量の総量を非破壊的手法である直流磁気特性の飽和磁束密度から精度良く算出することができ、また鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布を評価することができるので、浸炭によるフェライト系鋼管の保守管理に役立つものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、石油化学プラントの加熱炉用のチューブとして使用された鋼管の炭素濃度の分布図である。
【図２】図２は、浸炭材の肉厚方向の炭素濃度分布の概念図である。
【図３】図３は、本発明の炭素量の総量を算出する炭素総量測定機の構成例である。（ａ）鋼管の軸方向と平行な方向から見た概略図  （ｂ）鋼管の軸方向に垂直な方向から見たヨークとの関係を示す概略図
【図４】図４は、本発明の炭素量の総量を算出する炭素総量測定機の構成の変形例である。（ａ）鋼管の軸方向と平行な方向から見た概略図  （ｂ）鋼管の軸方向に垂直な方向から見たヨークとの関係を示す概略図
【図５】図５は、炭素量の総量の異なる鋼管の磁気特性ループを示す図である。
【図６】図６は、炭素量の総量と規格化した飽和磁束密度との関係を示す図である。
【図７】図７は、炭素量の総量と規格化した保磁力との関係を示す図である。
【図８】図８は、炭素量の総量と規格化した残留磁束密度との関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明のＣｒを含有するフェライト系鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置の構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１には、石油化学プラントの加熱炉用のチューブとして使用された肉厚５．２ｍｍの９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管を内外表面を脱スケールして、内外表面から０．３ｍｍずつ削り出してはＥＰＭＡを用いて炭素濃度（Ｃ濃度）分布を求めたものである。これらのデータから、浸炭量の差異はあっても内外面からのＣ濃度分布はそれぞれの表面から、ほぼ一次関数的に減少することが判明した。このＣ濃度の外表面からの傾きＫOを、内表面からの傾きをＫiとすると９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼でのＫOは−０．４（ｗｔ％／ｍｍ）程度であり、Ｋiは０．３(ｗｔ％／ｍｍ)程度であることが判明した。
【００２６】
また、別のＣｒを含む鋼種の浸炭処理の結果においても、浸炭量の差異はあっても内外面からのＣ濃度分布はそれぞれの表面から、ほぼ一次関数的に減少することが判明し、鋼種に対応して、Ｃ濃度の外表面からの傾きＫO、内表面からの傾きＫiが異なることが判明した。
【００２７】
上記の結果から、内外表面から浸炭されるＣｒを含む鋼管の肉厚方向において、浸炭後の鋼管の炭素量の総量ＳCAから、浸炭前の母材炭素量ＳCBを差し引いたものが、浸炭処理により増加した炭素量となる。この炭素量は、外表面部からの浸炭量ＳCOと内表面部からの浸炭量ＳCIの和であるから、鋼種のＫO、Ｋiが与えられ、鋼管外表面のＣ濃度ＣOが測定されれば、外表面部からの浸炭量が計算され、内表面部の浸炭量ＳCIが決まることになる。また内表面部の浸炭量とＫiから内表面浸炭深さｄiが評価できることになる。
【００２８】
以上のように、浸炭後の鋼管肉厚方向の炭素量の総量ＳCAを非破壊的に測定できれば、鋼管外表面のＣ濃度ＣOを測定することで、鋼管内表面の浸炭の状態を評価できることになる。図２には、このような浸炭材のＣ濃度分布の概念図を示す。図２では、外表面浸炭深さｄOは外表面のＣ濃度ＣOから傾きＫOで減少し、母材Ｃ濃度Ｃｂになる厚さ、内表面浸炭深さｄiは内表面のＣ濃度Ｃiから傾きＫiで減少し、母材Ｃ濃度Ｃｂになる厚さであり、また鋼管肉厚tよりも外表面浸炭深さｄOと内表面浸炭深さｄiの和が小さいことを前提としている。なお、炭素量の総量ＳCAは、鋼管肉厚方向のＣ濃度Ｃ（ｔ）を厚みｔで積分した∫Ｃ（ｔ）ｄｔで表されるものである。
【００２９】
したがって、鋼管肉厚方向の炭素量の総量ＳCA、母材炭素量ＳCB、外表面部からの浸炭量ＳCO、内表面部からの浸炭量ＳCIは、以下の計算式で求められる。
ＳCA＝ＳCO＋ＳCI＋ＳCB＝∫Ｃ（ｔ）ｄｔ  ・・・（Ａ）
ＳCB＝Ｃb×ｔ        ・・・（Ｂ）
ＳCO＝（ＣO−Ｃｂ）× ｄO／２  ・・・（Ｃ）
ＳCI＝（Ｃi−Ｃｂ）× ｄi／２  ・・・（Ｄ）
また、外表面浸炭深さｄOと内表面浸炭深さｄiは、
ｄO＝（ＣO−Ｃｂ）／ＫO        ・・・（Ｅ）
ｄi＝（Ｃi−Ｃｂ）／Ｋi        ・・・（Ｆ）
で求められ、内表面浸炭深さｄiは、更に
ｄi＝２｛ＳCA−（ＣO−Ｃｂ）２／（２×ＫO）−Ｃｂ×ｔ｝／Ｋi  ・・・（Ｇ）
で求められる。
【００３０】
上記（Ｇ）式において、あらかじめ鋼管外面のＣ濃度ＣOを測定しておけば、ＣO、Ｃb、ＫO、Ｋi、ｔは既知であり、更に鋼管肉厚方向の炭素量の総量ＳCAが測定されれば、内表面浸炭深さｄiが求められることが計算上も明らかである。そのためＣｒを含むフェライト系鋼管の浸炭後の炭素量の総量ＳCAを非破壊的に計測できる技術が必要であった。
【実施例】
【００３１】
図３（ａ）、（ｂ）に、本発明の炭素量の総量を算出する炭素総量測定機１の概念図を示す。炭素総量測定機１は、被測定対象の鋼管Ｐの管肉部を軸方向に磁化するための電磁石１１、磁化された管肉部の磁束変化を検出するための検出コイル１２、直流磁気特性の磁化曲線を測定する磁気測定部１３、直流磁気特性と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管Ｐの管肉部の直流磁気特性から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部１４とから構成されている。
【００３２】
電磁石１１は、励磁コイル１１１と軟磁性材料、例えば軟鉄製のヨーク１１２とから構成されている。励磁コイル１１１はヨーク１１２を巻回するように取り付けられ、ヨーク１１２の両端は、被測定対象の鋼管Ｐに円周方向から接するように、断面形状が鋼管の外径とほぼ同等の半径の半円形状になっている。そのため励磁コイル１１１で生成した磁場が、ヨーク１１２を磁化し、その磁束がヨーク１１２の片方の端部から被測定対象の鋼管Ｐに流入して、鋼管Ｐの管肉部を軸方向に磁化し、もう片方のヨーク１１２の端部から磁束が流出し、磁路を形成することになる。このように本発明ではヨーク１１２端面の断面形状が、鋼管Ｐの外径とほぼ同等の半径の半円形状になっているため磁路長のロスが少なく、鋼管Ｐを一様に飽和磁化まで磁化することが可能となる。
【００３３】
磁化された管肉部の磁束変化を検出するための検出コイル１２は、ヨーク１１２間に配置される。検出コイル１２の構成は、鋼管Ｐの円周方向にコイルが巻回されており、コイルで囲まれる面内の磁束の時間変化を電磁誘導電圧として検出するものである。検出された電圧は、磁気測定部１３の増幅・積分器１３３に入力される。なお実機管の場合には、現場で検出コイル１２を巻回することが困難な場合があり、そのような場合には、フラットケーブル状のコイルで両端子間のコネクタ接続が隣接のケーブルとされることでケーブルが螺旋状に接続されるコイル等を使用することができる。
【００３４】
磁気測定部１３は、本実施例では、検出コイル１２からの誘導電圧を増幅、積分する増幅・積分器１３３と励磁コイル１１１を励磁するための発振器１３１と電力増幅器１３２、増幅・積分器１３３からの出力を磁束密度に変換し、電力増幅器１３２からの出力を磁場強度に変換して磁化曲線を生成する磁気特性評価器１３４とから構成されている。発振器１３１の周波数は、渦電流の発生を抑えるため、低周波、例えば０．０１Ｈｚ程度が良好であり、三角波又はＳＩＮ波を利用することができる。電力増幅器１３２は、発振器１３１の出力を増幅して励磁コイル１１１に出力すると同時に、磁気特性評価器１３４に出力信号を出力する。磁気特性評価器１３４はこの出力信号を電磁石１１の磁場強度に変換し、また増幅・積分器１３３からの出力に対応する磁束を鋼管Ｐの管肉部の断面積から磁束密度に変換して直流磁気特性の磁化曲線を生成する。なお、ホール素子をヨーク部先端に設置して磁場強度を計測し、その測定値を磁気特性評価器１３４に入力するような方式でも良い。
【００３５】
直流磁気特性の磁化曲線から、初期透磁率μ、最大磁束密度Ｂｍ、飽和磁束密度Ｂｓ、残留磁束密度Ｂｒ、保磁力Ｈｃ等のデータが得られる。なお鋼管Ｐに残留磁化が残っている場合には、原点からスタートできないので、測定前に発振器１３１の周波数を例えば６０Ｈｚ程度にして、電力増幅器の出力を徐々に低下させる消磁を行えば良い。
【００３６】
浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部１４は、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の直流磁気特性と炭素量の総量との関係の所定のデータを有している。つまり、初期透磁率μ、最大磁束密度Ｂｍ、飽和磁束密度Ｂｓ、残留磁束密度Ｂｒ、保磁力Ｈｃ等の各磁気特性と炭素量の総量との相関を示すデータを有している。演算部１４は、測定された鋼管Ｐの管肉部の直流磁気特性を、直流磁気特性と炭素量の総量との相関を示すデータと比較して、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する。なお、後述するが９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管では、最大磁束密度Ｂｍ又は飽和磁束密度Ｂｓと炭素量の総量とは負の相関を示し、炭素量の総量が増加すると最大磁束密度Ｂｍと飽和磁束密度Ｂｓは減少するが、保磁力Ｈｃと炭素量の総量とは正の相関を示し、炭素量の総量が増加すると保磁力Ｈｃも増加する。残留磁束密度Ｂｒと炭素量の総量とについては、相関が認められなかった。また最大磁束密度Ｂｍ又は飽和磁束密度Ｂｓと炭素量の総量との相関係数、保磁力Ｈｃと炭素量の総量との相関係数は比較的高く、特に最大磁束密度Ｂｍ又は飽和磁束密度Ｂｓと炭素量の総量との相関を示すデータを用いれば、浸炭層を含む炭素量の総量を極めて精度良く算出することができる。
【００３７】
図４（ａ）、（ｂ）に本発明の炭素量の総量を算出する炭素総量測定機１の変形例を示す。本変形例では鋼管Ｐと接するヨーク１１２は、端面の断面形状が鋼管の外径とほぼ同等の半径の半円形状からなるそれぞれ第１の部材１１２ａと第２の部材１１２ｂとからなり、第２の部材１１２ｂを第１の部材１１２ａにネジ止め等することで、第１の部材１１２ａと第２の部材１１２ｂとの組み合わせで鋼管Ｐを全円周方向から取り囲んで接するようなヨーク１１２であることを特徴とする。このようなヨーク１１２構成であれば、鋼管Ｐの全円周方向から鋼管Ｐの管肉部を軸方向に磁化することができるので、鋼管Ｐの管肉部を貫通する磁束がより均一になり、検出コイル１２から検出される電磁誘導電圧をより正確に検出することができる。
【００３８】
なお、図３（ａ）、（ｂ）に示した電磁石１１を２個使用し、ヨーク１１２の端部を突き合わせるようにすれば、鋼管Ｐの全円周方向から鋼管Ｐの管肉部を軸方向に更に一様に磁化することができるので、鋼管Ｐの管肉部を貫通する磁束がより均一になり、検出コイル１２から検出される電磁誘導電圧を更に正確に検出することができる。
【００３９】
新材の９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管（サンプルＮｏ．１）と種々の浸炭雰囲気に暴露した９Ｃｒ−１Ｍｏ実機鋼管（サンプルＮｏ．２〜７）の７つのサンプルを用いて、本発明の検討を行った。鋼管のサイズは外径１１４ｍｍ、内径１０２ｍｍ、肉厚６ｍｍのものである。なお、新材の９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼管のＣ濃度は、化学分析により、０．１２（ｗｔ％）と決定されており、浸炭層がないので炭素量の総量は、Ｃ濃度に肉厚６ｍｍを掛けた０．７２(ｗｔ％・ｍｍ)と計算上なるが、サンプルＮｏ．２〜７と同じく、鋼管を切り出して、内外表面から０．３ｍｍずつ削り出しては可搬型発光分析装置を用いて肉厚方向のＣ濃度が０．１２（ｗｔ％）であることを確認した。サンプルＮｏ．２〜７の浸炭雰囲気に暴露した９Ｃｒ−１Ｍｏ実機鋼管の場合は、鋼管を切り出し、内外表面を脱スケールしてから、内外表面から０．３ｍｍずつ削り出しては可搬型発光分析装置を用いて肉厚方向のＣ濃度分布Ｃ（ｔ）を求めた。そして、Ｃ（ｔ）を厚みｔで積分した∫Ｃ（ｔ）ｄｔにより炭素量の総量を計算した。表１に各サンプルの炭素量の総量を示す。
【００４０】
【表１】
0005643023.tif 000002
【００４１】
直流磁気測定は、図４（ａ）、（ｂ）に示す装置により行い、ヨーク１１２はＳＳ４００相当の軟鉄を用い、ヨーク１１２の第１の部材１１２ａと第２の部材１１２ｂのそれぞれの半径は鋼管Ｐの外径の半径より１％大きい５７．６ｍｍとして設計した。発振器１３１は、０．０１Ｈｚの三角波を出力し、電流増幅器１３２では、三角波の出力に対応し、最大値の１０Ａと最小値の−１０Ａを出力する。この最大値１０Ａは、励磁コイル１１１を励磁して、ヨーク１１２から鋼管Ｐに作用する磁場として４０００Ａ／ｍに該当する。
【００４２】
図５は、浸炭層のない炭素量の総量が最も少ないサンプルＮｏ．１（実線で示す）と浸炭層のある炭素量の総量が最も多いサンプルＮｏ．７（破線で示す）の磁気特性のループを示したものである。この磁気特性のループから、炭素量の総量が多いほど最大磁束密度Ｂｍが低いことが解る。本実施例の場合には、ヨーク１１２から鋼管Ｐに作用する磁場が４０００Ａ／ｍと大きいので、最大磁束密度Ｂｍを飽和磁束密度Ｂｓと見なすことができる。厳密には、直接、飽和磁束密度Ｂｓで評価するのが良い。新材のサンプルＮｏ．１の磁気特性である飽和磁束密度Ｂｓ、保磁力Ｈｃ、残留磁束密度Ｂｒで規格化した各サンプルの磁気特性の相対値を表１に示す。
【００４３】
図６には、炭素量の総量と飽和磁束密度Ｂｓの相対値の関係、図７には、炭素量の総量と保磁力Ｈｃの相対値の関係、図８には、炭素量の総量と残留磁束密度Ｂｒの相対値の関係をそれぞれ示す。図６から明らかなように、炭素量の総量と飽和磁束密度Ｂｓの相対値は一次関数で表され、極めて高い相関関係（相関係数Ｒ＝０．９７）を示し、炭素量の総量を直流磁気特性の内の飽和磁気特性から求めることができる。また図７から、炭素量の総量と保磁力Ｈｃの相対値の関係を一次関数で評価すると、相関係数Ｒ＝０．６４の相関が得られ、ある程度の相関があることが解った。一方、図８から炭素量の総量と残留磁束密度Ｂｒの相対値の関係を一次関数で評価すると、ほとんど相関がないことが明らかとなった。
【００４４】
以上のような構成で、９Ｃｒ−１Ｍｏフェライト系鋼管の直流磁気特性である飽和磁束密度Ｂｓと炭素量の総量との高い相関関係を示す一次関数のデータが得られたので、このデータに基づき、測定された鋼管の管肉部の直流磁気特性、例えば飽和磁束密度Ｂｓから、その鋼管の肉厚方向の浸炭層を含む炭素量の総量を逆に算出することができる。  
【００４５】
図９は、本発明のＣｒを含有するフェライト系鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置１００の構成例である。鋼管内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置１００は、前述の鋼管Ｐの炭素量の総量を直流磁気特性から算出する炭素総量測定機１と、鋼管Ｐの外表面部の炭素濃度を測定する外表面炭素濃度測定機１５と、外表面炭素濃度測定機１５に測定された炭素濃度に基づき所定の式に従って外表面部の浸炭量を算出し、炭素量の総量から外表面部の浸炭量と母材炭素量を差し引き、鋼管Ｐの内表面部の浸炭量を求め、所定の式に従って内表面部の浸炭量の濃度分布を評価する濃度分布評価機２０とを備えており、炭素総量測定機１は、鋼管Ｐの管肉部を軸方向に磁化するための励磁コイル１１１とヨーク１１２とを備えた電磁石１１と、ヨーク１１２間に配置され、鋼管Ｐの円周方向にコイルを巻回して鋼管Ｐの管肉部の磁束変化を検出する検出コイル１２と、電磁石１１の磁場強度と検出コイル１２の出力値の積分に基づく磁束密度から鋼管Ｐの管肉部の直流磁気特性を測定する磁気測定部１３と、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管Ｐの浸炭で生じた非磁性体Ｃｒ−Ｃを含む飽和磁束密度と炭素量の総量との関係の所定のデータに基づき、測定された鋼管Ｐの管肉部の飽和磁束密度から、浸炭層を含む炭素量の総量を算出する演算部１４とを備えたことを特徴としている。
【００４６】
外表面部の炭素濃度を測定する外表面部浸炭量測定機１５として本実施例では、可搬型の発光分析装置を使用したが、外表面部のＣ濃度が測定できるものであれば発光分析装置に限られない。濃度分布評価機２０には、炭素総量測定機１の演算部１４から算出された鋼管Ｐの炭素量の総量と外表面炭素濃度測定機１５から測定された鋼管Ｐの外表面部のＣ濃度が入力される。濃度分布評価機２０は、入力された外表面部の炭素濃度に基づき、鋼種に対応したＣ濃度の外表面からの傾きＫO、内表面からの傾きＫiのデータと母材Ｃ濃度により、外表面部の浸炭量を算出して、炭素量の総量から外表面部の浸炭量と母材炭素量を差し引き、鋼管Ｐの内表面部の浸炭量を求める。更に前記の内表面からの傾きＫiのデータに従って前述の（Ｆ）式、（Ｇ）式で求められるように内表面部の浸炭量の濃度分布を評価することができる。
【００４７】
浸炭雰囲気に暴露した９Ｃｒ−１Ｍｏ実機鋼管を用いて、本発明の検討を行った。鋼管のサイズは外径１１４ｍｍ、内径１０２ｍｍ、肉厚６ｍｍのものである。図４（ａ）、（ｂ）に示す炭素総量測定機で、直流磁気特性の飽和磁束密度Ｂｓから算出された炭素量の総量は、２．７（ｗｔ％・ｍｍ）であった。また可搬型の発光分析装置で測定された鋼管の外表面部のＣ濃度は、１．１（ｗｔ％）であり、本装置の濃度分布評価機は、ＫO＝−０．４（ｗｔ％／ｍｍ）、Ｋi＝０．３(ｗｔ％／ｍｍ)、母材のＣ濃度０．１２（ｗｔ％）から、外表面部の浸炭量を１．２（ｗｔ％・ｍｍ）と算出し、また母材Ｃ量が０．７２（ｗｔ％・ｍｍ）から、内表面部の浸炭量は、０．７８（ｗｔ％・ｍｍ）と算出した。更にＫi＝０．３(ｗｔ％／ｍｍ)より、内表面浸炭深さｄi＝２．２８ｍｍと評価した。
【００４８】
一方、鋼管の内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置の評価の妥当性を評価するため、前記の９Ｃｒ−１Ｍｏ実機鋼管の一部を切り出し、内表面部から０．２５ｍｍずつ削り出しては発光分析装置を用いて内表面部からの浸炭量の分布を求めた。その結果、内表面部からの浸炭距離は、２．２５ｍｍと実測され、濃度分布評価装置から得られた内表面部の浸炭量の評価が、妥当であることが確認された。
【００４９】
以上説明したように、本発明に係る炭素総量測定機は、Ｃｒを含有するフェライト系鋼管の浸炭層を含む炭素量の総量を直流磁気特性の飽和磁束密度から算出するので、フェライト系鋼管の測定に用いられてきた従来の交流磁化法に比べ、鋼管外表面の酸化スケール等の影響を受けにくく、信号強度も大きいため、浸炭層を含む炭素量の総量をより高い精度で算出することができる。また上記の炭素総量測定機と、外表面炭素濃度測定機と、炭素総量測定機と外表面炭素濃度測定機から出力される信号から所定の演算を行って内表面部の浸炭量の濃度分布を評価する濃度分布評価機とを備えた鋼管内表面部の浸炭量の濃度分布評価装置によれば、直接測定が困難であった鋼管の内表面部の浸炭深さを正確に評価することが可能となった。
【符号の説明】
【００５０】
１                炭素総量測定機
１１              電磁石
１２              検出コイル
１３              磁気測定部
１４              演算部
１５              外表面部浸炭量測定機
２０              濃度分布評価機
１００            濃度分布評価装置
１１１            励磁コイル
１１２            ヨーク
１１２ａ          第１の部材
１１２ｂ          第２の部材
１３１            発振器
１３２            電力増幅器
１３３            増幅・積分器
１３４            磁気特性評価器
Ｐ                鋼管
【図１】
0005643023.tif 000003
【図２】
0005643023.tif 000004
【図３】
0005643023.tif 000005
【図４】
0005643023.tif 000006
【図５】
0005643023.tif 000007
【図６】
0005643023.tif 000008
【図７】
0005643023.tif 000009
【図８】
0005643023.tif 000010
【図９】
0005643023.tif 000011