(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲及び長さを有しているパイプ及びチューブのごとき強磁性の円筒状シェル構造体を検査してひび、クラック及び他の異常を検出してその位置を探す方法にして、
前記シェル構造体の表面に近接し且つ該円筒状シェルの前記長さに沿って向けられた第１の区域に第１の直線化ＤＣ磁界を確立する工程と、
前記第１の磁界に、磁気歪効果の結果として前記シェル構造体の容積を通して一次機械波を発生させるのに充分な変動を生じさせる工程と、
前記シェル構造体の表面に近接し且つ該円筒状シェルの前記長さに沿って向けられた第２の区域に第２の直線化ＤＣ磁界を確立する工程と、
前記一次機械波及び複数個の二次機械波が前記シェル構造体の容積を通る結果としての前記第２の磁界の変動を検出する工程であって、前記第２の磁界の変動は前記機械波の前記第２の磁界の前記通過の結果として生ずる逆の磁気歪効果によるものであり、前記複数個の二次機械波は前記シェル構造体における前記ひび、クラック及び他の異常により発生され且つ反射されたものである前記第２の磁界の変動を検出する工程と、
前記二次機械波を示す前記第２の磁界の前記検出された変動を分析するとともに、前記検出された変動を、前記円筒状シェル構造体における前記ひび、クラック及び他の異常を示すとして知られている変化のパターンに相関させる工程と、
を有している方法。
【請求項２】
請求の範囲第１項の方法において、第１の直線化ＤＣ磁界を確立する前記工程は、前記シェル構造体の表面に近接して前記第１の位置に永久磁石あるいは電磁石を位置決めすることと、前記永久磁石あるいは前記電磁石の極を前記磁界が前記シェル構造体の前記長さに沿って向うように方向づけすることとを有している方法。
【請求項３】
請求の範囲第１項の方法において、前記シェル構造体の長さに沿って向けられた前記第１の磁界に変動を生じさせる前記工程は、前記シェル構造体の表面に近接した前記第１の位置に隣接して電磁コイルを置くことと、前記電磁コイルを通る電流を変化させて前記シェル構造体の容積内に電磁歪効果を生成することを有している方法。
【請求項４】
請求の範囲第１項の方法において、第２の直線化ＤＣ磁界を確立する前記工程は、前記シェル構造体の表面に近接して前記第２の位置に永久磁石あるいは電磁石を位置決めすることと、前記永久磁石あるいは前記電磁石の極を前記磁界が前記シェル構造体の前記長さに沿って向うように方向づけすることとを有している方法。
【請求項５】
請求の範囲第１項の方法において、前記シェル構造体の長さに沿って向けられた前記第２の磁界での変動を検出する前記工程は、前記シェル構造体の表面に近接して、前記第２の位置に電磁検出コイルを置くことと、前記シェル構造体の容積内の逆電磁歪効果により生じせしめられる前記電磁コイルに誘導される電圧の変動を検出することとを有している方法。
【請求項６】
パイプ及びチューブのごとき周部と長さとを有している強磁性円筒状シェル構造体を検査してひび、クラック及び他の異常を検出してその位置を探すための装置にして、
前記シェル構造体の表面に近接した、第１の位置に隣接して位置決めされた、あるいは、該第１の位置を囲んでいる少なくとも１つのターンでなる伝送コイルと、
前記伝送コイルに隣接した第１の直線化ＤＣ磁石であって、該第１のＤＣ磁石は前記シェル構造体の容積内に前記円筒状シェルの前記長さに沿って向けられた第１のリニア磁界を作り出す前記第１の直線化ＤＣ磁石と、
前記第１の磁界に変動を作り出すのに充分な電流を前記伝送コイルに供給することができる信号発生器及びパワーアンプと、
前記シェル構造体の表面に近接して且つ前記円筒状シェルの前記長さに沿って向けられた第２の区域に隣接して位置決めされた、あるいは、該第２の区域を囲んでいる少なくとも１つのターンでなる検出コイルと、
前記検出コイルに隣接した第２の直線化ＤＣ磁石であって、該第２のＤＣバイアス磁石は前記シェル構造体の容積内に第２のリニア磁界を作り出す前記第２の直線化ＤＣ磁石と、
前記検出コイル内の電流を増幅し、且つ、フィルタ掛けするための信号コンディショナであって、前記増幅され且つフィルタ掛けされた電流は前記第２の磁界での変動を示す信号である前記信号コンディショナと、
前記信号を表示し、且つ、テスト操作者が前記信号を解釈するのを可能にし、もって、前記第２の磁界での前記変動を解釈する表示手段と、
を有しており、
前記第１の磁界の前記変動は前記円筒状シェル構造体の容積内に電磁歪効果を誘導し、前記シェル構造体内に一次機械波を発生させ、前記第２の磁界での前記変動は前記シェル構造体内の二次機械波により生じせしめられる逆の電磁歪効果から結果として生じ、前記二次機械波は、前記一次機械波が前記シェル構造体内の前記ひび、クラック及び他の異常から反射される結果として生じさせており、
前記信号の前記解釈は前記ひび、クラック及び他の異常の劣化位置及び劣化程度を確認することを含んでいる方法。
【請求項７】
請求の範囲第６項の装置にして、次の表示及び解釈のために前記信号を受領し、且つ、記憶することが可能な記録手段を更に有している装置。
【請求項８】
請求の範囲第６項の装置において、前記伝送コイルは前記構造体の外周囲を囲んでいる装置。
【請求項９】
請求の範囲第８項の装置において、前記伝送コイルは第１及び第２の噛み合わせ可能な端部を備えた取り外し可能な導体列を有しており、該導体列は、前記第１及び第２の噛み合わせ可能な端部を接続解除することにより、また、前記構造体を囲んだ後、前記噛み合わせ可能な端部を接続して１つの導体コイルを構成することにより前記円筒状シェル構造体を囲むことができるようになっている装置。
【請求項１０】
請求の範囲第６項の装置において、前記伝送コイルは前記構造体の内部周囲内に含まれている装置。
【請求項１１】
請求の範囲第１０項の装置において、前記伝送コイルはボビンと、該ボビンの回りに巻かれた導体とを有しており、前記ボビンは前記構造体内に挿入され得るよう寸法決めされている装置。
【請求項１２】
請求の範囲第６項の装置において、前記第１のＤＣ磁石は、接続され得る第１及び第２端部を備えた取り外し可能な磁気モジュール列を含み、この磁気モジュール列は、前記第１及び第２端部の接続を解除することによって前記円筒状シェル構造体を取り囲むようにすることが可能であり、かように前記円筒状シェル構造体を取り囲んだ後に、前記第１及び第２端部を接続して、前記円筒状シェル構造体のまわりに連続した円を形成し、これら磁気モジュールは前記円筒状シェル構造体内に別個の静的磁界を発生させるようになっている装置。
【請求項１３】
請求の範囲第１２項の装置において、前記磁気モジュール列は別個の永久磁石を有している装置。
【請求項１４】
請求の範囲第１２項の装置において、前記磁気モジュール列は一連の電磁コイルを有している装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
この出願は、１９９２年１１月６日に出願された同時係属出願シリアル番号第０７／９７３，１５２号及び１９９３年３月１６日に出願された同時係属出願シリアル番号第０８／０３３，２５６号の一部継続出願である。
１．発明の分野
本発明は、パイプ、チューブ及び他の円筒状シェル構造体のキズやひび割れに対する非破壊試験（ＮＤＴ）に関する。より具体的には、本発明は、磁気歪的に発生される機械波を用い、またキズから反射した機械波を磁気歪的に検出してパイプ、チューブ及び他の円筒状シェル構造体におけるキズを検出する非破壊評価（ＮＤＥ）システム及び方法に関する。
２．従来技術の説明
パイプ、チューブ及び他の円筒状シェル構造体は、発電設備、パイプライン及び石油産業を含むさまざまな産業界において重要な構成要素である。パイプラインの破損並びにこれらの産業に関連した他のこのような導管の破損は、しばしば、悲惨なものとなり、作動収益の損失、広範囲の構造的損害、環境汚染、不測のプラント停止、また、最悪の場合、生命の損失にもつながる。それ故、かようなパイプ、チューブ及び導管等の検査は、これら産業界の各々におけるシステムの維持管理上の主要部分である。
現在、超音波、渦流、Ｘ線、及び、漏れ磁束を用いた様々な検査技術が、かようなパイプライン、チューブ及び導管の検査に用いられている。一般に、これらの技術は、例えば、個々の溶接区域の検査のごとき局部的検査には充分適合している。しかしながら、長いパイプあるいはチューブ（例えば、石油化学処理プラントの熱絶縁または被覆されたパイプ）のどこかで欠陥が生じたような場合、あるいは、（例えば、蒸気発生器やボイラーのように）検査されるべきパイプの数が多い場合、これらの技術のいずれかを用いた検査は極めて時間がかかり、また、費用もかかる。このような場合、グループ全体の総合的な条件を示すものとして、サンプルとしてパイプの選定された部分に付いてのみ検査が極めてしばしば行われている。このことは、システムの安全性並びに信頼性を保証するのに満足のゆくものであるかも知れないが満足のゆかないものであるかも知れず、単に、破損の危険性を、わずかだけ、減少しているだけである。
現在の方法の一例として、一般に数百マイルにわたって延びているガスパイプラインは、時として、漏れ磁束ピグ（pig）を用いて腐食が検査されている。しかし、かような方法も完全ではない。何故なら、漏れ磁束法を用いたガスパイプラインのクラック検出は、それほど感度のよいものではないからである。小さなクラックを検出するのに充分に敏感であるとされている超音波技術は、変換器の接触媒質を必要とするのでパイプラインに適用するのはしばしば困難である。磁気歪センサーの技術により、在来のＮＤＥ技術の上述した欠点の多くは取り除かれ、また、検査の効率をかなり改良することができる。磁気歪センサーシステムを用いることに由来する本発明の顕著な特徴は、パイプ断面の１００％を検査できる能力、１つの場所からパイプの長い部分（１００フィート以上）を検査できる能力、パイプの外径面及び内径面の双方のキズを検出できる能力、接触媒質なしで作動できる能力、及び、低い検査費用で作動できる能力が含まれている。
磁気歪センサーは、パイプの外径部から、あるいは、特定の場合には、パイプの内径部に対して、適用することができる。通常、磁気歪センサーは、強磁性の材料でなるパイプ、チューブ、及び他の円筒状シェル構造体に最も簡単に適用される。しかし、多くの非鉄パイプ、チューブ等（例えば、インコネル蒸気発生器のチューブ）の場合、ニッケルのごとき磁化可能な材料でなる薄い層を、センサーが置かれるべき限定された区域のパイプあるいはチューブにメッキにより形成（plating）するか、あるいは、そのパイプあるいはチューブに接合することにより、磁気歪センサーを依然として利用することができる。このように、磁気歪による波の発生及び検出に関する方法は鉄製及び非鉄製のパイプ、チューブ及び円筒状シェル構造体の双方に関連して用いることができる。
出願人の同時係属出願特許出願シリアル番号第０７／９７３，１５２号及び第０８／０３３，２５６号には、ケーブル及びロープのごとき長い、中実の円柱状構造体に磁気歪的に発生された波、及び、磁気歪的に検出された波を利用する様様な方法が極めて詳細に記載されている。パイプ、チューブ等のごとき中空円筒状構造体は特定の幾何学的特性及び波の伝わり特性を示しており、その特定の幾何学的特性及び波の伝わり特性は、磁気歪非破壊評価に関連された方法及び装置の変更を必要としている。今まで、中空円筒状シェル構造体の磁気歪分析に適切な方法及び装置に対する開発努力はほとんどなされていなかった。
磁気歪効果に関しての背景
磁気歪効果は強磁性材料に特有の特性である。磁気歪効果は磁化のバラツキによってもたらされる物理的寸法変化の現象を言及している。
磁気歪センサーへの応用においては、機械波の発生及び検出は、代表的には、パルス状態の電流を、強磁性の材料に隣接した発信（transmitting）コイルに導入することにより達成される。発信コイルの近くに置かれている材料内での磁化の変化により、その材料の長さは、適用されたフィールドに対して平行な方向に局所的に変化される。磁気歪の効果であるこの急激な局部的寸法変化は、材料内を音速度で移送する機械波を発生させる。機械波が、材料の端部からあるいは材料の欠陥部から反射され戻され、多くの点で発信コイルと似ている検出コイルに到達すると、その機械波により、逆の磁気歪効果の結果として検出コイルに磁束変化が生じる。この磁束変化により、機械波の大きさに比例する電圧が検出コイル内に誘導される。
ＮＤＥ応用例で磁気歪効果を利用する利点には、磁気歪センサーの感受性および耐久性がよいこと、センサー／材料接触媒質（couplant）が必要なくなることと、関係する機械波の範囲が長いこと、実現が容易であること、さらにセンサー及びシステム電子機器の双方の費用が安いことが含まれる。
発明の開示
それ故、本発明の目的は、強磁性の及び非強磁性のパイプ、チューブ及びその他の円筒状シェル構造体を非破壊評価して腐食ピット及びクラックのごとき材料のキズを検出する装置及び方法を提供することである。
本発明の別の目的は、磁気歪効果を利用してクラック及び破壊を進行する機械波を検出して強磁性の及び非強磁性のパイプ、チューブ、その他の円筒状シェル構造体を受動的にモニタリングするための装置及び方法を提供することである。
従って、本発明は、磁気歪効果を利用して、強磁性の、及び、非強磁性の円筒状シェル構造に機械波を発生させ、そして、その機械波を検出するための装置及び方法を提供する。円筒状シェル構造の壁にこれら機械波を発生させ、且つ、検出するためのセンサーは概ね２つの素子からなっている、即ち、ａ）所定の巻き数、長さ、及び直径の電導コイル、およびｂ）ＤＣバイアス磁界を提供するための手段である。バイアス磁界は、電気エネルギーを機械エネルギーへまたはその逆へ変換する効率を高め、また、電気信号と機械波との波長数を同じにするべく適用されている。
本発明の１つの適用例としては、図１に示されているごとく、検査状態にある筒状構造体をコイルで取り巻き、そして、パルス状態の電流でコイルを付勢させてパイプあるいはチューブの円筒状シェル壁内に（磁気歪効果により）機械波を誘導し、且つ、伝達することが含まれている。機械波は、パルス状態の電流の期間中の、伝達コイルに隣接した空間内に置かれた強磁性材料内の磁化の変化の結果として生ずる。磁化のこの変化により、強磁性材料内の限定された区域の寸法が変化し、その結果、円筒状壁に沿って両方向に同時に伝波する音響上の、あるいは、超音波の周波数の機械波を発生させる。この機械的波がパイプあるいはチューブの端から、あるいは、波の伝波を妨げまたは反射するひびあるいは他の異常のあるパイプあるいはチューブ内の区域から反射され、戻されると、機械波は検出コイルに戻され、そこで、機械波は磁気歪効果の逆の結果として磁束の変化を発生させる。この変化する磁束により、反射された機械波の大きさに比例する電圧が検出コイルに誘導される。
本発明においてＤＣバイアス磁界を提供するために、電磁石あるいは永久磁石のいずれを用いてもよい。外側からパイプあるいはチューブを検査するためのセンサーの設置を容易にするため、本発明は、速やかに装着可能であるとともに取り外し可能な外部コイルを利用している。その外部コイルは所定数で所定長さの電気導体でなるリボン式ケーブルからなっており、そのリボン式ケーブルは接続ピンで終わっている。リボン式ケーブルの個々の導体は、接続用ピンが係合される際、リボンが連続した１つの導体コイルを形成するように配列されている。この形式のコイルはセンサーコイルとして、また、ＤＣバイアス磁界を提供するコイルとして用いることができる。永久磁石を用いてＤＣバイアス磁界を提供する際、パイプの周部の回りに配備されるそれぞれの磁気モジュールの列は、図２ａに示されるようになっていることが好ましい。取扱いを容易にするために、これらの磁気モジュールは、それらの磁気出力をオン／オフできるよう設計されている。
本発明の方法には、検出された信号を増幅し、処理し、表示し、且つ、分析して問題となっている欠陥を識別し、区別し、そして、記載することが含まれている。特定のパイプあるいはチューブ構造体での既知の異常及びキズに対して実験的な適用を充分行うことにより、かようなパイプあるいはチューブ内で通常見られる異常、クラック、腐食等の特性を確認するための適切なデータベース及び情報ベースラインが確立される。
本発明の装置及び方法は、また、受動モードで適用されてパイプ、チューブ等におけるクラックの序々なる成長により発せられる機械波をモニターしてもよい。かような受動モードでの適用は、検出された機械波の放出（emission）についての情報を記録することができ、あるいは、特定のレベルを越える機械波の放出が生じたことに付いてのアラームを伝達することができる長期間モニター手段として作用する。
本発明の装置及び方法を適用することができる構造体の幾何学的形状は概ね限定されないが、本発明の以下の説明は細長い円筒状構造要素のＮＥＤに最も効果的に役立つものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、チューブ、パイプ、あるいは、他の円筒状シェル構造体内での機械波の検出に、また、活性(active)磁気歪の発生に適した本発明のテスト装置の概略図である。
図２ａは、円筒状シェル構造体のまわりに円周方向に配備された本発明のＤＣバイアス磁気モジュールの列の斜視図である。
図２ｂは、円筒状シェル構造体の外面の回りの導電性コイルを確立するためのリボン式ケーブル手段の斜視図である。
図２ｃは、円筒状シェル構造体の内面内に導電性コイルを確立するためのボビンに巻かれた手段の斜視図である。
図３は、確認可能な欠陥を含む長い溶接されたガスパイプ部分に対して本発明の装置を用いて得られる出力信号の一般的なグラフによる図である。
図４は、欠陥を誘導する前の長さ２２フィートの鋼製の壁付きパイプに対して本発明の装置を用いて得られる出力信号のグラフによる図である。
図５は、パイプに中位のレベルの欠陥を導入した後の図４と同じパイプ構造体に対して本発明の装置を用いて得られる出力信号のグラフによる図である。
図６は、図４及び図５と同じパイプ構造体を用いているが、高いレベルの欠陥を有しているパイプに対して本発明の装置を用いて得られる出力信号のグラフによる図である。
好適実施例の詳細な説明
先ず、図１を参照して、本発明の方法をインプリメンテーション（実施）するのに適当なテスト装置の構成を詳細に記載すると、テスト装置は円筒状シェル構造体の外側から円筒状シェル構造体内に機械波を発生させ、且つ、その機械波を検出している。本発明のこの能動的なテスト実施例においては、伝送素子１０及び検出素子１２の双方が必要とされている。伝送素子１０及び検出素子１２の特定構造について、図２ｂ及び図２ｃを参照して以下により具体的に述べる。
初試験パイプ１４に対して直接機械的に結合される必要はないけれども、素子１０及び１２は強磁性のチューブ、パイプ、あるいは、他の円筒状シェル構造体１４に隣接して配備されなければならない。伝送及び検出素子１０及び１２は強磁性材料から数センチメータ以上の距離のところで作動することができるようになっている。再び注意すべきは、金属製バンドあるいは被覆のごとき強磁性材料を、パイプあるいはチューブ１４に機械的接触状態に位置決めし、次いで、本発明の素子１０及び１２を強磁性材料に隣接して置くことにより、非強磁性パイプ、チューブ等のテストをすることができるということである。機械波がこうして取り付けられた強磁性材料とパイプあるいはチューブ１４との間を伝波する限り、適切な分析及び評価を実施することができる。
評価中のパイプ１４に隣接して位置決めされた伝送素子１０は主に伝送コイル１６とバイアス磁石１８とで構成されている。パルスあるいはトーンバースト発生器２０はパワー増幅器２２を介して伝送コイル１６に接続されているとともに、評価中の材料１４内に機械波１５を生じさせるのに適切な信号を発する。
本発明の装置の検出素子１２は、伝送素子１０とよく似た形状になっており、また、主に検出コイル２４とバイアス磁石２６とで構成されており、検出コイル２４は評価中のパイプ試片１４に隣接している。機械波１５の通過に応答して検出コイル２４により発生される信号は信号プリアンプ２８及びＡ／Ｄコンバータ２９によって調子が整えられる。次いで、デジタル信号がマイクロプロセッサ３０に提示され、その信号は、後のレビュー及び分析のために、関連された表示手段３２に直接表示することができ、あるいは、メモリー３４に記憶することができる。
円筒状シェルを伝播する機械波はバラツキを示す。即ち、波の異なる周波数成分は異なる速度で伝播する。その結果、周波数成分の幅広い範囲を含む機械式パルスはある時間にわたって分散する。この分散により、欠陥から反射される信号の検出に干渉する多くの望ましからざる信号が作られる。この問題は、信号周波数電流のトーンバースト(tone burst)で伝送コイル１０を付勢することにより最小化することができる。加えて、伝送コイル１０により異なる波モードが生成されることを低減させるために、バイアス磁石１８により作られるＤＣバイアス磁界はパイプ１４の周囲の回りで比較的均一であるべきである。これは、図２ａに関連して記載するようなバイアス磁気モジュールの配列を用いることによりなすことができる。
バイアス磁石１８及び２６は、例えば、充分な残留磁化が検査中の材料１４に残っているような場合には、いつも必要というわけではない。このことは、鋳鉄あるいは鋼のパイプのごとき高い鉄系パイプ構造体の場合にしばしばいえることである。加えて、図１に示されたバイアス磁石１８及び２６は概略を表わすことを意図されたものであり、実際は、永久磁石及び／または電磁石を、種々の形態に構成することにより構造化される。
円筒状シェルの内径部からその円筒状シェルを検査するための構成は、上述した外側から検査するためのものと非常に似かよっている。この内径部検査の場合、伝送及び検出コイルはプラスチックボビンの回りに巻かれており、そのプラスチックボビンの直径は円筒状シェルの内径よりもわずかに小さくなっている。この場合のバイアス磁石モジュールは円筒状シェルの内径面の回りに位置決めされている。
材料内で機械波を発生することと検出することを組み合わせたものに適用された本発明の方法は、テストに基づいて分析を実施することに、概ね、関わっている。好適実施例での欠陥の検出は、基本的に、パルス−エコー技術に基づいている。パイプあるいは円筒状構造体１４の場合の欠陥検出及び分析は、パイプ内の欠陥から反射される機械波１５を識別することによりなされる。これらの反射波は、入射する波が欠陥と出会う際の音響(acoustic)インピーダンスの変化から生ずるものである。”ピッチキャッチ（pitch-catch）”あるいは”透過探傷”のごときパルス−エコー以外の検査技術は、パイプ状態の非破壊評価において欠陥の検出にも用いることができる。
機械波１５の伝送及び検出の双方は、超音波のごとき他のＮＤＥ技術に通常必要とされる水あるいは油のごとき接触媒質を用いることなく、なされる。センサー１２は、素子とパイプの表面との間の、時として、数センチメータよりも多いかなりの間隙で作動することができる。加えて、適切なシステム電子機器を用いた場合、機械波１５の伝送及び検出双方を単一の磁気歪素子を用いて行うことが可能である。
伝送磁気歪素子１０は２つの基本となる構成要素からなる、即ち、ａ）可変磁界を生成するための手段と、ｂ）パイプの壁を静的に磁化するための手段とである。同様に、検出磁気歪センサー素子１２は概ね２つの基本となる構成要素からなる、即ち、ａ）機械波によりパイプの壁に生じる磁化の変化を検出するための手段と、ｂ）パイプの壁を静的に磁化するための手段とである。伝送及び検出素子１０及び１２の双方に対して、伝送素子１０では誘導コイル１６、センサー素子１２では誘導コイル２４が用いられていて可変磁界を生成しているとともに、材料１４における磁化の変化を検出している。検出素子１２は、ある場合、ホール効果プローブのごとき他の形式の磁化感知装置に基づいていてもよい。
パイプの壁３６を静的に磁化するために、素子１０では永久磁石１８、素子１２では永久磁石２６が用いられており、また、場合に応じて、伝送コイル１６あるいは検出コイル１８と直接磁気的に関連するのに適した形態に物理的に置かれている。物理的には、永久磁石１８及び２６は、磁束を生成し、あるいは、検出するための手段と組み合わされているか、あるいは、その手段から分離されているかのいずれかであり得る。永久磁石１８及び２６の代わりに、電磁石あるいは材料１４における残留磁化のいずれかを用いることができる。残留磁化は、磁石（永久磁石、あるいは、電磁石）を用いて材料１４を磁化し、次いで、磁石を取り除くことにより、パイプの壁３６に確立することができる。伝送及び検出素子とともに磁石（永久磁石、あるいは、電磁石）を装着する必要がないので、ある場合には、好ましい方法である。
材料１４を磁化された状態に保つ理由は２つある。即ち、ａ）電気エネルギーから機械エネルギーへの、あるいは、その逆への伝送コイル１０及び検出コイル１２の変換効率を高めることと、ｂ）磁気歪素子１０及び１２の周波数応答性を直線化させることである。材料１４を除磁する場合、検出された信号の周波数は機械波１５の周波数の２倍となり、あるいは、発生された機械波の周波数は適用された電流の周波数の２倍となる。
磁気歪伝送器及び検出器を用いて、３つの異なる波モードをパイプに発生し、且つ、検出することができる。これらの波モードは、一般に、長手方向、捻り、及び、たわみと呼ぶことができる。欠陥の検出及び分析に対して、最も重要な波モードは、長手方向波及び捻り波である。一般に、長手方向波は、円周方向に向けられたクラック、及び、摩耗によりパイプの壁が薄くなるのを検出するために、最も良く、用いられ、一方、捻り波は、長手方向に向けられたクラック、及び、壁が薄くなることを検出するために、最も良く、用いられている。図１に記載されたセンサーの形態は長手方向波モードの発生及び検出に、最も良く、合致されている。欠陥のある検出に干渉する他の波モードを同時に発生させることなく、純粋な捻り波モードを発生させることが困難なので、捻り波はあまり利用されない。
さて、図２ａ−図２ｃを参照して、本発明の方法およびシステムのインプリメンテーションに適合したバイアス磁石の形態及び磁気歪センサーコイルの構造的特性について、詳細に説明する。図２ａはパイプ１４の外面の回りに円周方向に位置決めされた永久磁石１８の配列を示している。配列１８は個々の磁気モジュール１８ａ、１８ｂ、．．．１８ｎで構成されており、また、パイプ１４の外径に従って寸法（長さ）が可変である。磁気モジュール配列１８は、いくつかのモジュールを、パイプを囲繞している円周方向バンドに組み込むことができるよう構成されている。
この円筒状シェルの壁内にバイアス磁界を作り出す方法は、内部及び外部双方のセンサーコイルの形態に関連して用いるのに適している。例えば、「ピグ（pig）」から埋蔵されたパイプラインを検査する場合、円筒状シェル構造体の内面上に直接ＤＣバイアス磁界を確立することが必要となるが、図２ａに示された構成は、同様の構造的並びに機能的態様の内部円周方向配列体に挿入するために、寸法が低減され、向きが逆転されていてもよい。パイプラインに沿って横断する「ピグ」を用いて埋蔵されたパイプラインを検査することに本発明を適用するためには、「ピグ」の運動から生ずるＤＣバイアス磁界の変動を最小にするためバイアス磁石モジュール１８はワイヤブラシの配列体を備える必要があるかもしれない。かようなワイヤブラシ構造体は磁束の漏れを検査するのに日常的に用いられていて同じ目的を達成している。
図２ｂは、センサーが調べられるべきパイプの外面上で用いられようとする際、本発明のインプリメンテーションに適した磁気歪センサーコイルを、詳細に、示している。この磁気歪センサーコイルのための構造形態の目的は、異なる寸法のパイプ直径に対して容易に適応することである。リボン式ケーブルセンサー４０は一連の電導体５０ａ−５０ｎで構成されており、一連の電導体５０ａ−５０ｎは、代表的には、絶縁されているとともに、平坦なリボンの態様をなして共に鋳型されている。導体５０ａ−５０ｎはコネクター４２及び４４の２点で終端されており、コネクター４２及び４４は通常の態様をなして再び合体している。しかし、導体５０ａ−５０ｎは、１つの導体経路が複数個の短い個々の導体閉回路を介して作られるようにコネクター４２及び４４内の１つの接続点だけオフセットされている。
この構成は、図１に関連して上述した形式の包囲コイルとして用いるのに適している端子４６及び４８を備えた導体コイルを作り出す。予期される通り、この構造体の多数の標準寸法のリボン式ケーブルコイルを様々な直径のチューブおよびパイプに対して利用することができる。パイプの外径面との直接接触は必要とされないので、特定の長さのリボン式ケーブルのコイルセンサーは、値の中位の範囲にわたる直径を有しているパイプに関連して用いることができる。長さが増大するこの形式の３つあるいは４つのリボン式ケーブルコイルセンサーを、直径が２５．４ｍｍあるいは５０．８ｍｍ（１あるいは２インチ）から直径が３０４ｍｍあるいは４０６ｍｍ（１２あるいは１６インチ）以上のパイプの範囲を網羅するよう用いることができる。いずれの場合でも、図２ｂに示されたセンサー構造体は、さもなくば容認できないパイプの外周囲の回りに閉コイルを確立するための安価な機構を提供する。
理解されるべきは、ある状態では、円筒状シェル構造体は開かれた一端を有していて、かくて、多数のコイル導体構造体のいずれのものへの適用ができるようになっている。しかし、多くの場合、予期されるべきは、円筒状シェル構造体あるいはパイプが閉コイルの導体を取り付ける能力を制限する極めて長い寸法を有していることである。図２ｂに開示された構造体はこの問題を解決するよう意図されている。
図２ｃは、パイプあるいは円筒状シェル構造体の内部に挿入されるよう、また、パイプの内面に隣接して位置決めされるよう設計されたコイル導体構造体を開示している。ボビン５２は、調査状態にあるパイプの内径に近い、しかし、それよりも小さい直径を有するように寸法決めされている。図２ｂに示されたコイル導体構造体と違って、パイプの内部で磁気歪コイルセンサーを用いることにより、検査のためのパイプの終端へ直接アクセスすることが必要とされる。それ故、図２ｃに示されたボビン５２の目的は、実際上パイプ１４の内面近くに複数個の電導コイル５０ａ−５０ｎを位置決めすることと、パイプ１４内への及びパイプ１４からのボビンコイル５２の簡単な運動を許すことである。図２ｂに示されたコイル構造体と同様に、図２ｃのコイルは導体５４及び５６で終端している。コイルの外側にあるパイプの壁に対するコイルの電磁的結合を助長するために、好ましくは、ボビン５２は積層鋼あるいはフェライトで作られている。次いで、ボビン５２及びパイプの壁は小さな磁気回路を構成し、この磁気回路はボビン５２あるいはパイプの壁１４のいずれかにおける磁化の変化を関連させ、コイルが可変磁界をパイプ１４に適用するか、あるいは、パイプ壁１４の磁化変化を検出するかのいずれかを許す。
さて、図３−図６を参照して、本発明の方法及び装置を使用することにより代表的に得られるデータの形式について詳細に記載する。図の各々は、本発明の方法及びシステムを利用して得られた信号のグラフ的なプロットであり、検出された磁気歪センサー信号のボルトでの振幅は垂直、即ち、「ｙ」軸線にプロットされ、ミリセカンドでの時間値は水平、即ち、「ｘ」軸線にプロットされている。
最初に、図３を参照して本発明の代表的な信号成分を一般的に記す。図３において、信号１００は６つの異なる成分からなっており、この６つの異なる成分は、機械波の円筒状シェル構造体内の通路内での出来事(events)として識別することができる。図３に示された信号（及び図４−図６に示された信号）は図１に関して開示されたものとほとんど同じように構成されたシステムで得られたものであり、機械波を発生させるためのコイルと機械波を検出するためのコイルとの間には距離がある。かくて、図３に示されているごとく、最初のパルス１０２には第２の通過信号１０４が直ちに追随し、その第２の通過信号１０４の、最初のパルス１０２からの分離は発生及び検出コイルの位置を示している。同様の一対の欠陥信号１０６がその後に続き、それらの双方は同じ欠陥を示している。第１の欠陥信号は、欠陥から反射される波がそれの戻りトリップ時に収容コイルを通過する際に作られる。第２の欠陥信号は、パイプのセンサー端部からの反射後、送出トリップ時、収容コイルを２回目に波が通過する際、作られる。最後に、場合次第で、端部反射信号あるいはガース（girth）溶接信号１０８はパイプに対する調査の望ましい窓の端を示している。ここでも、２つの端部反射信号が存在している。何故なら、同じ波が２回検出されているからであり、一回目は戻りトリップ時であり、２回目はパイプのセンサー端部から反射後の送出トリップ時である。
図４−図６は、特定実験データを表示しているが、センサーが置かれているために、図４−図６に組み合わされている信号構成要素１０２及び１０４を除いて、図３に概ね記載されている上述した信号構成要素の各々を一般に示している。従って、図４に示された最初のパルス１０２は図３の分離成分１０４として示されている端部反射信号構成要素を含んでいる。
図４−図６に示されているグラフ表示は、ここに記載された磁気歪センサー技術を用いて６−５／８インチの外径（ＯＤ）の鋼パイプ腐食形欠陥の検出可能性を示す実験データに基づいている。利用されたパイプは、長さ２２フィートで、壁厚０．１８８インチであった。伝送磁気歪センサーを、パイプの一端から約２インチのところに置き、１００ｋＨｚのトーンバーストで励起した。検出磁気歪センサーを伝送センサーから約４３インチのところに置いた。
パイプの欠陥を誘導する前に得られたデータは図４にグラフで示されている。ここで再び、最初のパルス１０２及び２つの端部反射信号１０８が示されている。上述した通り、最初のパルス１０２は、パイプの遠い方の端部に向かってトリップ中に波が検出センサーを通過する際適用されるトーンバースト及び検出された信号を含んでいる。端部反射信号１０８の最初のものは、パイプの遠い方の端部からの反射後、入射波の戻りトリップ時に検出されるものである。端部反射信号１０８の第２のものは、パイプのセンサー端部からの反射後、戻り波が別の巡回トリップをなす際検出されるものである。かくて、２つの信号は、検出センサーからパイプのセンサー端部までの巡回トリップ時間により分離されている（この場合、約０．４５ミリセカンド）。
図５及び図６は、直径０．５インチの穴が、パイプのセンサー端部から約１４８インチ（あるいは、検出センサーから１０３インチ）の点でパイプの外径上に生じせしめられた後に取られた信号データを示している。穴の深さは、図５に示されたデータの場合、約０．０５８インチであり、図６に示されたデータの場合、０．０９２インチであった。生じせしめられた欠陥は２つの欠陥信号１０６の形をした容易に認められる信号を作り出す。何故なら、波は、先にも述べた通り、２回検出されるからである。図５及び図６間に開示された欠陥信号１０６の振幅の差からも明らかな通り、欠陥信号の振幅は穴の深さの増大とともに増大する。実験的に証明されたことだが、断面がパイプの全断面の０．２５％と小さい穴は、本発明の機器及びシステムを用いて検出することができる。
図４−図６で得られた信号は、図１に示されたものと同じ態様で外部に置かれたコイルを用いてなされたものであった。同様の信号特性は、内側に置かれたコイル及びＤＣバイアス磁石形態の様々な構成の双方を用いていることから、明らかである。
また、注意すべきは、検出素子における誘導コイルが、機械波の磁気歪検出に干渉するはぐれた電磁波を拾い上げることができる。この電磁干渉（ＥＭＩ）を低減させるために、本発明では２つの解決策を用いている。第１のものは、パイプの壁に発生される機械波の半波長により分離される検出素子に２つの誘導コイルを用いることである。次いで、これら２つのコイルからの出力は、入力のうちの一方を反転させるとともに２つの入力信号を加える差分信号アンプに入力される。次いで、ＥＭＩ信号は互いに打ち消し合おうとし、一方、機械波による信号は互いに加えられる。この結果、検出された機械波信号のＳ／Ｎ比がかなり改良される。別のフィルタリング解決策を、信号平均化法により用いることが出きる。ＥＭＩ信号は伝送コイルの付勢のタイミングと同期していないので、平均法もＳ／Ｎ比をかなり高める。
本発明の好適実施例の多数の応用例を確認してきたけれども、予期される通り、当業者は、本発明に関連した手順に一致したやり方で上記したこれらの方法の各各及び各装置の更に別の適用例を確認するであろう。予期される通り、細長い円筒状材料の遠隔非破壊評価が必要とされ、また、強磁性物質が存在するか、あるいは、少しだけ、あるいは、逆効果を伴うことなく導入され得るいかなる環境にも本発明は応用例を有する。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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