(57)【要約】  機械的ストレス、損失および劣化を検出するために、鉄道レールやドリルパイプなどの強磁性鋼構造におけるパラメータを測定する方法。必要に応じて、モニタリング領域に電磁石などの磁化あるいは消磁用装置が設置される。電流供給のための２つ以上の電極により、パルス状電圧が印加される。別の対の電極において電位降下が測定される。この電圧降下は既知の測定条件で測定された別の電圧降下と比較され、あるいは当該物体に関する較正データと比較される。これらの電圧間の偏差は相対偏差または絶対偏差を定量し、それに基づいて鋼構造の状態を評価すべく分析される。装置は、１つ以上の磁化曲線に関して過渡電圧曲線を測定でき、鋼材料中の機械的ストレス、および／または疲労、および／またはクラック、および／または金属損失を決定するための電圧反応曲線の分析のためのアルゴリズムを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的ストレス、欠陥、および疲労や金属損失などの劣化を検出するために、導電性物質の様々な状態パラメータ、特には鉄道レール、橋、海上作業台船、ドリルパイプ、ライザなどの強磁性鋼構造の状態を、延長された期間あるいは絶対的な瞬間において測定する方法であって、必要に応じて、モニタリング領域は、磁化または消磁のための例えば電磁石などの手段に接続され、電流供給のために２つ以上の接点が接続され、これらの電流供給点にパルス状電流が付与され、設置された別の対の接点間において電圧降下を測定する方法であって、
該電圧降下を、既知の測定条件で測定された別の電圧降下と比較し、あるいは当該物質に関する較正データと比較し、これらの値間の偏差が分析され、偏差の相対サイズおよび絶対サイズを決定し、この決定に基づき前記構造の前記条件を決定することを特徴とする、方法。
【請求項２】
過渡電圧降下および定常電圧降下からなる電圧降下全体が前記物体の状態を決定するためのさらなる処理のために利用されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
機械的負荷を受ける位置、および受けない位置において開始時およびその後の測定が行われ、鋼中の機械的ストレス、および／または疲労状態、および／またはクラック、および／または金属損失における変化を、初期測定時の値と関連させて決定するために測定の結果が利用されることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
機械的負荷を受ける位置と、負荷を受けない基準物質の部品の両方において開始時およびその後の測定が行われ、鋼中の機械的ストレス、および／または疲労状態、および／またはクラック、および／または金属損失における変化を、初期測定時の値と関連させて決定するために測定の結果が利用されることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
機械的ストレスを受けている物体について測定が行われ、次いでモニタリング領域が消磁され、同一領域において新たな測定がなされ、これらの測定値間の差異が分析され、最後の測定以来、鋼が受けた最大機械的ストレスを決定することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項６】
構成の際、および経時的に構造の状態の変化を連続的にモニタリングするため、鉄道レールなどの構造に沿って一定距離により多くのユニットが設置されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
金属損失またはクラックを測定する前に交流電流により鋼を消磁することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
必要に応じて、モニタリング位置で初期磁化曲線、非ヒステリシス磁化曲線、もしくはヒステリシス磁化曲線の選択された点で鋼を消磁できる、請求項１記載の方法を実施するための装置であって、
１つ以上の磁化曲線に関しての過渡電圧低下を測定する構成により特徴付けられ、金属中の機械的ストレス、および／または疲労状態、および／またはクラック、および／または金属損失を決定するために電圧降下を分析するアルゴリズムを含む、装置。
【請求項９】
パルス状電流を印加する構成を含む装置であって、振幅を０まで漸減させることにより鋼の消磁のために鋼中に交流電流を印加すべく構成されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
パイプ内部における電流供給接続のうちの１つから電流の１つを接続するためにパイプ端部からパイプに挿入されるべく設計され、前記内部に接続される測定電極のアレイを含み、前記内部で電圧降下を測定し、前記内部表面におけるマイクロクラックに対するより感度を与えることを特徴とする、請求項８または９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
請求項１の序文に記載されるように、本発明は鋼構造の状態を測定する方法を含む。さらに、本発明は、鋼構造の状態の測定を行うための装置を含む。当該方法は、機械的ストレス、疲労、および腐食などに起因する金属損失（ｍｅｔａｌ  ｌｏｓｓ）の検出に適している。
【０００２】
より詳しくは、本発明は、パルス状電流が１対の接点から鋼に印加され、反復サンプリングによって測定された別の対の接点との間の電位降下曲線を生成することにより、鋼構造の状態を測定する方法に関する。測定対象の鋼は、すでに知られている構成により磁化・消磁されることができ、初期磁化曲線、非ヒステリシス磁化曲線、ヒステリシス磁化曲線の選択された点に対する鋼の磁化のために使用される。異なる磁化における電位降下曲線を比較することで、鋼の状態もしくは状態の変化を決定することが可能となる。状態の変化のタイプにより、磁化手段を使用せずに測定できる場合もある。この場合、本発明の方法を、あらゆるタイプの導電材料のモニタリング用に利用できる。
【背景技術】
【０００３】
大きい鋼構造には、劣化につながる変動負荷がかかることが多い。安全のため、機械的ストレス、腐食および浸食などの重大な欠陥へ発展しうる状態を発見するために鋼構造を検査・モニタリングすることが重要である。
【０００４】
機械的ストレスは、制御不能な状態のために、建設中（例えば溶接線上もしくはその隣接位置）、および動作中に意図せずに発生しうる。
【０００５】
相対的な機械的ストレスを測定するために、鋼における微少な寸法変化を検出すべく歪みゲージあるいは他の手段が使用されることが多い。こうした方法を利用することで、構造を設置した時点から絶対的（ａｂｓｏｌｕｔｅ）機械的ストレスに対する変化が測定され、可能性が制限される。しかし、バルクハウゼン（Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ）雑音を測定・分析することにより、機械的ストレスに関する情報を提供しうることが知られている（ラウティオアホ，Ｒ.Ｈ. （Ｒａｕｔｉａｈｏ，Ｒ．Ｈ．）およびカルヤライネン,Ｌ．Ｐ．（Ｋａｒｊａｌｉｎｅｎ，Ｌ.Ｐ）の「構造用鋼残留応力分析へのバルクハウゼン雑音測定の適用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ  ｎｏｉｓｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｔｏ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｉｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｓｔｅｅｌｓ）」物質科学におけるスカンジナビアのシンポジウム（Ｓｃａｎｄｉｎａｖｉａｎ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｉｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ）会報、１９８３年６月２０日〜２１日、フィンランド国オウル、１７９〜１８５頁）。
【０００６】
また、機械的ストレスは磁気特性の変化に結びつき、この現象の利用が鋼中の機械的ストレスを測定する根拠として試みられたことに留意されたい（ラグＭ．Ｃ．(Ｌｕｇｇ  Ｍ.Ｃ．)「ＡＣＦＭ技術に対するストレスの影響（Ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｓｔｒｅｓｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ＡＣＦＭ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」コントローラＣ  ＨＭＳＯ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ｃ  ＨＭＳＯ）、ロンドン、１９８７年）。
【０００７】
定常電圧、もしくはパルス状電流の励起からの電位降下の測定に基づいた方法は、ノルウェー国特許第１５０１３６号に記載されている。電圧降下は、構造が既知の好適な初期状態にあるとき、および動作中に、多くの接点間で測定される。測定された電圧降下は相互に比較され、主としてクラックや材料損失である構造の状態変化を検出するための基礎を形成する。
【０００８】
印加される電流はパルス状である。電流の各ステップにおいて、測定される電圧降下は、当該特許においては妨害と呼ばれる表皮効果のために過渡曲線に引き続いて起こる。また、当該方法では、電圧降下の過渡部分が測定前に腐食していたと仮定する。従って、当該特許によれば、構造の可能な欠陥あるいは変化についての情報を提供するために、電圧降下曲線の過渡部分の考察に対して偏見が存在する。
【０００９】
大きい壁厚を備えた大きいパイプでは遷移期が長く、実際の利用およびその他の理由で、腐食前に測定が行われるという欠点がある。これらの測定は、腐食またはクラックの測定における妨害とみなされる構造のストレスやパイプの内部圧力の変化に起因する強磁特性の変化による影響を受ける。
【００１０】
ノルウェー国特許第１７２８６８号明細書には、鋼における機械的ストレスと疲労を測定する方法が記載されている。この特許は、パルス状励起電流（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｃｕｒｒｅｎｔ）からの過渡電圧反応の測定に基づいた方法を主に記載している。このような２つの過渡電圧低下は、構造の様々な状態に関して多数の接点間で測定される。測定された過渡電圧は比較され、機械的ストレスや疲労度合の計算のための基礎を作る。しかし、この特許では、当該方法が疲労に対しどのように反応するか記載していない。さらに、これらの測定は、疲労に関する重要な情報を含んでいる、電圧反応の定常部分に特有の情報を考慮していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の主な目的は、異なるタイプの構造をモニタリングし、欠陥を招きうる状態を既知の方法よりも迅速に検出することが可能な方法を提供することにある。この方法によれば、疲労に起因する鋼の変化、および例えば疲労に起因する表面上のマイクロクラックを可能な限り迅速に検出し、これによって疲労に起因する劣化の度合を可能な限り迅速に決定することができる。
【００１２】
クラックの検出感度および量化は既知の方法と比較して改善され、さらに金属損失測定の信頼度および精度が改善されることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は請求項１に記載されている。さらなる特徴および詳細は請求項２〜請求項１０に記載されている。
【００１４】
本発明の方法は、鋼の機械的ストレス、疲労、クラック、および腐食などの金属損失を検出すべく適用できる。主に金属損失とクラックは、あらゆる導電材料においてモニタリング可能である。
【００１５】
本発明は、腐食、浸食およびクラックをモニタリングする場合に、電圧降下もしくは電位降下の過渡曲線部分からも情報を引き出すという考えに基づいている。
【００１６】
印加電流（励起電流）の各ステップの後、１セットの接点に関する電位降下が起こる間、電位降下は、コンピュータでさらなる処理が実行可能な一連の数値の形態で電位降下曲線全体が描かれるように、反復サンプリングによって測定される。
【００１７】
全ての電圧反応曲線を測定することにより、過渡部分と定常部分の両方、例えばクラックのモニタリング用途について、初期段階と、クラックの前兆である疲労の開始から劣化を検出する（劣化の発展を追跡する）ことが可能である。とりわけ、このようなクラックが表面中のマイクロクラックとして開始すること、および表皮効果のため、本発明の方法は過渡電圧反応の開始に極めて敏感である。さらに、本発明の方法は、測定ユニットがパイプ内部に配置できる場合にパイプ内部の欠陥を測定するために利用できる。
【００１８】
時間の関数としての過渡電位降下は、鋼の電気的特性および磁気特性に関する情報を提供する。一定時間間隔後の過渡曲線が完全に減衰した（電位降下は定常である）場合、電位降下のレベルは鋼の電気抵抗から与えられ、すなわちクラックおよび材料損失により影響を受ける。既述の如く、過渡曲線の第一の部分は主に鋼の磁気特性と関係があり、すなわち機械的ストレスによる影響を受ける。以下に列挙された点から、鋼の磁気特性がいかに機械的ストレスの影響を受けるかがわかる。基礎的な物理的現象およびそれに関するより完全な議論は文献に記載されている。（ジャイルズＤ．Ｃ．（Ｊｉｌｅｓ  Ｄ.Ｃ.）およびアデルトン  ディー．エル．（Ａｄｅｒｔｏｎ  Ｄ.Ｌ.）「強磁性体中の磁化過程理論と、磁気機械的効果に対するその応用（Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｏｅｓｓ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｓ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｍａｇｎｅｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｅｆｆｅｃｔ）」日本応用物理学会誌（Ｊ.Ｐｈｙｓ．Ａｐｐｌ．）１７、１９８４年、１２６５〜１２８１頁）
【００１９】
初期磁化曲線、非ヒステリシス磁化曲線、ヒステリシス磁化曲線の形状もしくは特徴は、機械的ストレスがかかることで変化する。
【００２０】
所与の一定の磁場強度では、付与される機械的ストレスにより初期磁化曲線と非ヒステリシス磁化曲線とが相互に接近する。
【００２１】
機械的ストレスの変化の結果として起こる磁化の変化は、機械的ストレスが開始時レベルまで低下する場合、回復されない。徐々にゼロまで低下する振幅を有する磁場を付与することによる消磁によってのみ、磁化曲線は原形状に戻る。
【００２２】
鋼の時期特性は疲労過程において影響されることが示されている（ボーズＭ.Ｓ.Ｃ.（Ｂｏｓｅ  Ｍ．Ｓ．Ｃ．）「磁気ヒステリシス技術を利用する強磁性体中の疲労に関する研究（Ａ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｆａｔｉｇｕｅ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」ＮＯＴインターナショナル（ＮＯＴ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）第１９巻  第２号、１９８６年４月）。
【００２３】
磁化曲線の特徴は疲労過程中に変化する。これらの変化は消磁によって回復することはない。
【００２４】
鋼における相対的な機械的ストレスの測定は、例えば所与の磁場強度における非ヒステリシス磁化曲線に関して、それ以前の測定と比較して、所与の条件下での磁化（磁化曲線の特徴）の測定に基づいてもよい。ノルウェー国特許第１５０１３６号に記載された方法が利用できる。次いで、ストレスもしくは応力を受けない場所（上記特許において基準測定として示される）で測定される。さらに、消磁の可能性が含まれる。
【００２５】
最後の測定以来、鋼が受けたストレス程度を測定するために同様の方法が利用できる。次いで、磁化変化は消磁されるまで回復されない、あるいはリセットされないという特性が利用される。
【００２６】
鋼における絶対的な機械的ストレスの測定は、機械的ストレスがかかることで初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線が変化するという事実に基づいて行われる。磁化曲線の特徴により影響される過渡電圧低下は、初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線の両方に関して測定され、相互に比較される。あるいは、ヒステリシス磁化曲線と非ヒステリシス磁化曲線について２つの測定を行ってもよい。鋼に機械的ストレスがかからない場合、疲労状態は絶対的な機械的ストレスの場合と同様の方法で測定できる。
【００２７】
精度を改善するため、複数の電流パルスについて反応信号をサンプリングし、これらのサンプルを平均することで高い測定精度が得られる。平均は高度もしくは低度のアルゴリズムの利用に基づいて行うことができる。
【００２８】
反応信号全体、すなわち過渡部分と定常部分の情報を利用することで、モニタリング対象のあらゆるタイプの状態について、既知の方法に比べて感度が改善され、多くの場合、精度が高まる。
【００２９】
改善されたクラックモニタリングは、反応信号の過渡部分における情報の利用に基づいて行われ、また、これにより、表面上のマイクロクラックに対する感度が向上し、さらにクラック深さ決定精度が高まる。
【００３０】
金属損失の改善されたモニタリングは、反応信号全体、すなわち過渡部分と定常部分を観察し、これによって金属損失測定で起こりうる機械的ストレスを変化させる不都合な影響を打ち消すことによって行われる。さらに、反応信号全体を利用することで、反応信号に基づいて壁厚を直接評価する方法の能力を高めうる。
【００３１】
さらに、パイプ内壁の表面上におけるマイクロクラックの検出は、励起電流ワイヤの１つを接続し、パイプ内壁のピンを感知することにより、著しく改善される。
【００３２】
この方法はセンサにおいても使用できる。電流の供給および過渡電位および／または定常電位の降下の測定は、例えば構造に取り付けられた鋼鈑もしくは腐食環境に置かれた、すなわち適切なストレスあるいは腐食にさらされた鋼鈑について行われる。
【００３３】
既述の如く、本発明が利用する主たる概念は、印加された電流パルスの結果として１対の接点間に発生する電位低下曲線（過渡部分と定常部分の両方）が、モニタリングされている鋼構造中の構造の状態の検出もしくは状態の変化に関して観察されるという現象である。
【００３４】
過渡部分の電位降下は表皮効果に関連し、主に鋼の浸透性と関連し、定常部分においては、物体の幾何学形状および材料における構造変化により影響される抵抗と関連する。（知られているように、相対浸透率は、磁場が印加された場合の磁化能力を示すパラメータである）。
【００３５】
例えば鋼鈑に電流のステップ（ｓｔｅｐ）を適用する際、表面における電流密度は当該電流ステップの直後で高くなり、漸減して定常値となる。２点間で測定された電位降下は、時間の関数であり、開始時は高値を有し、測定地点間の電気抵抗に応じて定常値まで漸減する表面上における電流密度を反映する。
【００３６】
従って、過渡電位降下は、機械的ストレスおよび疲労状態の影響を受ける、材料の浸透性および導電性に関する情報を提供する。電気抵抗は導電性と幾何学形状の影響を受け、さらに金属損失、腐食、浸食およびクラックの影響を受ける。異なる欠陥は電圧反応曲線の別の部分に異なる影響を与え、反応曲線全体、すなわち過渡部分および定常部分を観察することで、前出の２特許と比較して、感度および精度が改善できる。
【００３７】
クラックモニタリングのために電圧降下反応曲線全体を観察することで、表面上のマイクロクラック検出感度が著しく改善される。これは、クラックの断面に関して定常電圧降下が与える情報に加えて、電圧降下反応曲線の開始時には電流密度が極めて高く、それに続く過渡部分の変化によりパイプ内壁のクラック位置および／またはクラック深さの改善された推定がなされるためである。このことは、主として断面に関する情報のみを与えるノルウェー国特許第１５０１３６号とは対照的である。このことは、クラック深さがクラックモニタリングに関する最も重大な情報であることから、本質的な改良といえる。
【００３８】
疲労過程をモニタリングすることによって、定常電圧降下は、導電性の変化を引き起こす鋼構造の変化に関する重要な補完情報を与える。この情報を過渡部分の偏差に関する情報と比較することによって、疲労度合のより信頼できる評価が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図面を参照しながら本発明を以下に詳細に説明する。
【００４０】
図１の鋼鈑１に対し、機器８中の電流源によって接点２および３から電流パルス（励起電流）が印加される。あるいは、必要に応じて、機器８の電流源は消磁のために利用されてもよい。これらは機器内ののメニューシステムにより選択できる。消磁のため利用される場合、この電流源により、低減してゼロとなる振幅を有する交流電流が印加される。測定地点４、５間で測定される電位降下ａ（ｔ）は、電圧を増幅しデジタル化する信号状態回路６に供給され、データは後に予備処理のために機器８へ転送されるため、および後にコンピュータ９へ転送され、さらに処理されるために中間的に格納される。コンピュータ９内のプログラムは、モニタリングされた材料中の機械的ストレス、および／または疲労、および／またはクラック、および／または金属損失を計算するために、電圧降下反応を分析するためのアルゴリズムを有する。
【００４１】
電磁石１１によって、鋼は電位降下が測定される位置で磁化されうる。印加される磁場強度は、機器８中のソフトウェアで駆動されるメニューシステムにより所望の大きさに設定できる。電磁石のあらゆる直接制御は制御ユニット７により実行される。制御ユニット７は機器８により制御される。あるいは、図１に図示されていない機器８のメニューシステムの制御機能は携帯型ＰＣであってもよい。携帯型ＰＣは機器８に接続され、このような測定機能を制御するために機器８の代わりに利用できる。機器と、モニタリング対象物体に接続された構成要素との間の接続は、通信バスと電源接続からなる測定ケーブル１０である。これにより、１本の測定ケーブル１０上の１つのコネクタにより機器８に複数のユニットを接続できる。
【００４２】
あるいは、鋼鈑１の消磁は、機器８からの電流源の代わりに電磁石１１によって行ってもよい。また、機器８中の消磁源からの電流はこの目的専用の接点から鋼に印加されてもよい。電流導入点２、３、測定地点４、５、電磁石１１、回路モジュール６、７は、１台の携帯型ユニットに統合できる。
【００４３】
機器８は中間的に記憶されたデータを有する、もしくはユーザへのオンライン接続を介したデータの転送により、あるいはユーザにより運搬され、多数の地点で連続的に測定を行う装置に取り付けられる携帯型ユニットを介した、メニューシステムにおいて定義された間隔で測定を行うために永久的に設置されてもよい。あるいは、全てを携帯型とし、オペレータが電流励起と測定のピンを備えたユニットをモニタリング位置に設置し、機器をＰＣに接続して測定を行い、後処理用にＰＣへ測定値を転送する。
【００４４】
図２には、一般的な電流ステップおよび電位降下が理想曲線形で示されている。実際には、電流ステップは一定の立ち上がり時間を有し、信号（電位降下）は、測定用リードと、印加回路を形成するコンダクタループとの間の電気誘導による追加成分を有する。また、負値からの電流ステップを開始させてもよい。
【００４５】
電位降下曲線は、その性質から、ベッセル関数である。電位降下曲線は理論上の無限から開始され、支配的な時定数を有する。すなわち、曲線が最終的には指数関数に接近することを意味している。ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）が接近する定常値（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｖａｌｕｅ）は測定地点間のオーム抵抗によってのみ決定される。上記指数関数の時定数は幾何学的な関係のほか、導電性および浸透性により決定される。
【００４６】
鋼鈑の、電流ステップが印加される側と反対側で電位降下が測定される場合、ｉ（ｔ）はゼロから開始され、定留値に到達するまで増加する。測定は、常に時間の関数としての少なくとも２本の曲線の比較に基づいて行われる。
【００４７】
図３には、２つの電位降下ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）が示されている。これらは理想的な電位降下曲線である。
【００４８】
図４は、２つの曲線ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）に基づいて、偏差曲線ｄ（ｔ）が２本の曲線間の差異から計算される方法を示す。偏差曲線は、
Ｄ（ｔ）＝（[ａ（ｔ）／ｉ（ｔ）]-１）１０００
として計算されるが、時間の関数としてプロットされる様々な曲線間の偏差を特徴付けるために他のアルゴリズムも利用できる。
【００４９】
図１に関する付加説明として、図示された構成を初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線に関して電位降下を測定するためにどのように利用できるかをシーケンスで説明する。
１．機器８のスイッチが入れられ、全ての出力信号がゼロに初期化される。
２．機器８中の電流源が消磁用に活性化される。
３．電磁石１１に対する磁化電流用の、機器８の電流源から電流制御ユニット７への電流を連続的に所望の大きさまで増大される。鋼が初期磁化曲線に関して磁化される。
４．機器８中の励起電流源がパルス状電流を、電流印加地点２、３において鋼１に印加する。
５．測定地点４、５間の過渡電位降下および定常電位降下が測定され機器８に格納される。
６．上記ステップ２が反復され、次いで鋼が非ヒステリシス磁化曲線に関して磁化される。
７．上記ステップ４が反復される。
８．測定地点４、５の間の過渡電位降下ａ（ｔ）が測定され機器８に格納される。
９．図４に、ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）の一般的な電圧降下曲線を示す。
１０．ｄ（ｔ）の予備計算は機器８により実行できる。
１１．全ての測定値がコンピュータ９に転送され、ｄ（ｔ）の計算および他の後処理がなされる。
１２．図５に、鋼中のストレス測定用の一般的な偏差曲線ｄ（ｔ）が示される。
１３．偏差曲線ｄ（ｔ）から最大値が検出され、この値が鋼中のストレスを表す。
【００５０】
機械的ストレスのみが存在する偏差曲線は、最大値に達するまでの期間の後に偏差によって特徴付けられ、次いで電圧降下が静止するｄ（ｔ）＝０まで低下する。所望により、さらに、初期磁化曲線およびヒステリシス磁化曲線に関して偏差曲線を計算してもよい。経験上、異なる機械的ストレスの偏差曲線の特性が知られており、未知のストレス状態を決定することが可能である。
【００５１】
鋼中の相対的な機械的ストレスの測定は、磁化に基づいて行うことができる。従って、既知の状態に関する磁化曲線は、例えば所与の磁場強度に関する非ヒステリシス磁化曲線に関して測定でき、先行測定値と比較される。次いで、ノルウェー国特許第１５０１３６号に記載された方法を利用できる。通常、このような測定は負荷を受けない地点において行われ、上記特許において参照読取値として記載されている。さらに、消磁の可能性が含まれる。
【００５２】
同様の方法は、最終測定以来鋼が受ける最大ストレスの測定のために利用できる。機械的ストレスの変化の結果としての磁化の変化は、機械的ストレスが開始レベルまで低下する場合は回復されない。消磁に際してのみ、磁化曲線は原形状を回復する。
【００５３】
鋼中の絶対的な機械的ストレスの測定は、初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線が機械的ストレスを受けることで変化するという事実に基づいて行うことができる。磁化曲線の特徴の影響を受ける過渡電圧低下は、初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線の双方について測定され、相互に比較される。あるいは、２つの測定は初期磁化曲線およびヒステリシス磁化曲線について行ってもよい。
【００５４】
同様に、偏差曲線は鋼の疲労状態を評価し、これに基づいて疲労過程中の破砕の前に残存寿命を計算するために利用できる。鋼に機械的ストレスがない場合、例えば、疲労状態は絶対的な機械的ストレスの測定と同様の方法で測定できる。さらに、相対的な機械的ストレスを測定する際に利用される方法と同一方法により測定できる。電位降下の全行程の間、図７の偏差曲線を観察することで、疲労度合に関するさらなる情報が得られる。疲労の相対測定用偏差曲線の一例が図７に示される。レベルｔ1は表面のマイクロクラックの程度を表し、レベルｔ2は浸透性を始めとする強磁性の変化の程度を表し、ｔ3は疲労に関しては鋼中の構造変化に起因する抵抗の相対変化を表す。疲労の他の特有の徴候は、偏差が消磁前後に得られた測定値について計算された場合、ｔ3における偏差に関連するｔ2における偏差の相対レベルである。相対偏差が小さければ小さいほど、疲労が拡大している。
【００５５】
電位降下の定常部分で測定を行うことができる場合、あるいは最終測定以来モニタリング対象物体の機械的ストレスに変化がない場合、金属損失、腐食、浸食の測定は磁化を行わずに実施でき、また消磁を行わずに実施できる。図６には、金属損失の相対測定用の特有の電位降下偏差曲線が示されている。ｔ1における偏差値は機械的ストレスの変化を表す。偏差曲線に重要な破損がある場合、ｔ2の時間は、壁厚の評価に使用できる。ｔ3の偏差の定常レベルは、参照データとして偏差の算出に使用される測定値に関係する金属損失を表す。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】鋼桁の状態を測定するための装置を示す図である。
【図２】電流ステップおよび電圧降下曲線を示す図である。
【図３】ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）に関する反応電圧を時間の関数として示す図である。図中、電圧降下は異なる２時点で測定され、材料損失および鋼の同一磁化のため壁厚縮小が測定されている。
【図４】絶対的な機械的ストレスの測定のための、ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）に関する反応電圧を時間の関数として示す図である。電圧反応は２つの異なる磁化で測定される。
【図５】図４の電圧反応曲線のために計算された偏差曲線を示す図である。
【図６】図３の電圧反応曲線のために計算された偏差曲線を示し、腐食または浸食において一般的な図である。
【図７】疲労において一般的な計算された偏差曲線を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008534980.tif 000007
【図６】
2008534980.tif 000008
【図７】
2008534980.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月20日(2007.12.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的ストレス、欠陥、および疲労や金属損失などの劣化を検出するために、導電性物質の様々な状態パラメータ、特には鉄道レール、橋、海上作業台船、ドリルパイプ、ライザなどの強磁性鋼構造の状態を、延長された期間あるいは絶対的な瞬間において測定する方法であって、必要に応じて、モニタリング領域は、磁化または消磁のための例えば電磁石などの手段であり、電流供給のために２つ以上の接点が接続され、これらの電流供給点にパルス状電流が付与され、設置された別の対の接点間において主に減衰している過渡部分と、定常部分とにより電圧降下を測定する方法であって、
該電圧降下を、既知の測定条件で測定された別の電圧降下と比較し、あるいは当該物質に関する較正データと比較し、これらの値間の偏差が分析して前記構造の前記条件を決定することを特徴とする、方法。
【請求項２】
機械的負荷もしくは劣化を受ける位置、および受けない位置において開始時およびその後の測定が行われ、鋼中の機械的ストレス、および／または疲労状態、および／またはクラック、および／または金属損失における変化を、初期測定時の値と関連させて決定するために測定の結果が利用されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
機械的負荷もしくは劣化を受ける位置と、負荷を受けない基準物質の部品の両方において開始時およびその後の測定が行われ、鋼中の機械的ストレス、および／または疲労状態、および／またはクラック、および／または金属損失における変化を、初期測定時の値と関連させて決定するために測定の結果が利用されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項４】
機械的ストレスを受けている物体について測定が行われ、この測定値が同一位置で測定された先行測定値、同位置の消磁後に測定された測定値、あるいは１つ以上の電圧パルスが侵入した後に測定された測定値と比較され、これらの測定値間の差異が分析され、最後の測定以来、鋼が受けた機械的負荷を決定することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
構成の際、および経時的に構造の状態の変化を連続的にモニタリングするため、鉄道レールなどの構造に沿って一定距離により多くのユニットが設置されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記構造の状態を決定する前に交流電流により鋼を消磁することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
モニタリング対象物体の領域に接続された、当該領域における電圧降下を測定するための１セットの測定電極と、前記測定された結果を記録・分析するための測定システムとを含む、請求項１記載の方法を実施するための装置であって、過渡電圧降下と定常電圧降下の両方を測定すべく構成され、金属中の機械的ストレス、および／または疲労状態、および／またはクラック、および／または金属損失を決定するために電圧降下を分析するアルゴリズムを含むことを特徴とする装置。
【請求項８】
必要に応じて鋼の磁化もしくは消磁を行うことができ、必要に応じて、モニタリング位置で初期磁化曲線、非ヒステリシス磁化曲線、もしくはヒステリシス磁化曲線の選択された点において鋼を磁化することができ、電流パルスの印加により引き起こされる前記電圧降下は１つ以上の前記磁化曲線について測定され、測定結果が前記鋼の前記状態を決定するために利用されることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
電圧パルスを印加する構成を含む装置であって、１対の接点から鋼にパルス状電圧を印加し、あるいは振幅を０まで漸減させながら鋼の消磁のために同一接点から交流電流を印加すべく構成されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１０】
パイプ内部における電流供給接続のうちの１つから電流の１つを接続するためにパイプ端部からパイプに挿入されるべく設計され、前記内部に接続される測定電極のアレイを含み、前記内部で電圧降下を測定し、前記内部表面におけるマイクロクラックに対するより感度を与えることを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】鋼構造の状態を測定する方法および装置
【技術分野】
【０００１】
請求項１の序文に記載されるように、本発明は鋼構造の状態を測定する方法を含む。さらに、本発明は、鋼構造の状態の測定を行うための装置を含む。当該方法は、機械的ストレス、疲労、および腐食などに起因する金属損失（ｍｅｔａｌ  ｌｏｓｓ）の検出に適している。
【０００２】
より詳しくは、本発明は、パルス状電流が１対の接点から鋼に印加され、反復サンプリングによって測定された別の対の接点との間の電位降下曲線を生成することにより、鋼構造の状態を測定する方法に関する。測定対象の鋼は、すでに知られている構成により磁化・消磁されることができ、初期磁化曲線、非ヒステリシス磁化曲線、ヒステリシス磁化曲線の選択された点に対する鋼の磁化のために使用される。異なる磁化における電位降下曲線を比較することで、鋼の状態もしくは状態の変化を決定することが可能となる。状態の変化のタイプにより、磁化手段を使用せずに測定できる場合もある。この場合、本発明の方法を、あらゆるタイプの導電材料のモニタリング用に利用できる。
【背景技術】
【０００３】
大きい鋼構造には、劣化につながる変動負荷がかかることが多い。安全のため、機械的ストレス、腐食および浸食などの重大な欠陥へ発展しうる状態を発見するために鋼構造を検査・モニタリングすることが重要である。
【０００４】
機械的ストレスは、制御不能な状態のために、建設中（例えば溶接線上もしくはその隣接位置）、および動作中に意図せずに発生しうる。
【０００５】
相対的な機械的ストレスを測定するために、鋼における微少な寸法変化を検出すべく歪みゲージあるいは他の手段が使用されることが多い。こうした方法を利用することで、構造を設置した時点から絶対的（ａｂｓｏｌｕｔｅ）機械的ストレスに関する変化が測定され、可能性が制限される。しかし、バルクハウゼン（Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ）雑音を測定・分析することにより、機械的ストレスに関する情報を提供しうることが知られている（ラウティオアホ，Ｒ.Ｈ. （Ｒａｕｔｉａｈｏ，Ｒ．Ｈ．）およびカルヤライネン,Ｌ．Ｐ．（Ｋａｒｊａｌｉｎｅｎ，Ｌ.Ｐ）の「構造用鋼残留応力分析へのバルクハウゼン雑音測定の適用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ  ｎｏｉｓｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｔｏ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｉｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｓｔｅｅｌｓ）」物質科学におけるスカンジナビアのシンポジウム（Ｓｃａｎｄｉｎａｖｉａｎ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｉｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ）会報、１９８３年６月２０日〜２１日、フィンランド国オウル、１７９〜１８５頁）。
【０００６】
また、機械的ストレスは磁気特性の変化に結びつき、この現象の利用が鋼中の機械的ストレスを測定する根拠として試みられたことに留意されたい（ラグＭ．Ｃ．(Ｌｕｇｇ  Ｍ.Ｃ．)「ＡＣＦＭ技術に対するストレスの影響（Ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｓｔｒｅｓｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ＡＣＦＭ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」コントローラＣ  ＨＭＳＯ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ｃ  ＨＭＳＯ）、ロンドン、１９８７年）。
【０００７】
定常電圧、もしくはパルス状電流の励起からの電位降下の測定に基づいた方法は、ノルウェー国特許第１５０１３６号に記載されている。電圧降下は、構造が既知の好適な初期状態にあるとき、および動作中に、多くの接点間で測定される。測定された電圧降下は相互に比較され、主としてクラックや材料損失に起因する構造の状態変化を検出するための基礎を形成する。
【０００８】
印加される電流はパルス状である。電流の各ステップにおいて、測定される電圧降下は、当該特許においては妨害と呼ばれる表皮効果のために過渡曲線に引き続いて起こる。また、当該方法では、電圧降下の過渡部分が測定前に腐食していたと仮定する。従って、当該特許によれば、構造の可能な欠陥あるいは変化についての情報を提供するために、電圧降下曲線の過渡部分の考察に対して偏見が存在する。
【０００９】
大きい壁厚を備えた大きいパイプでは遷移期が長く、実際の利用およびその他の理由で、腐食前に測定が行われるという欠点がある。これらの測定は、腐食またはクラックの測定における妨害とみなされる構造のストレスやパイプの内部圧力の変化に起因する強磁特性の変化による影響を受ける。
【００１０】
ノルウェー国特許第１７２８６８号明細書には、鋼における機械的ストレスと疲労を測定する方法が記載されている。この特許は、パルス状励起電流（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｃｕｒｒｅｎｔ）からの電圧反応の過渡部分の測定に基づいた方法を主に記載している。このような２つの過渡は、構造の様々な状態に関して多数の接点間で測定される。測定された過渡電圧は比較され、機械的ストレスや疲労度合の計算のための基礎を作る。しかし、この特許では、当該方法が疲労に対しどのように反応するか記載していない。さらに、これらの測定は、疲労に関する最も重要な情報を含んでいる、電圧反応の定常部分に特有の情報を考慮していない。
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の主な目的は、異なるタイプの鋼構造をモニタリングし、欠陥を招きうる状態を既知の方法よりも迅速に検出することが可能な方法を提供することにある。この方法によれば、過大負荷に起因する鋼の変化、および例えばこのような負荷に起因する表面上のマイクロクラックを可能な限り迅速に検出し、これによってこのような負荷に起因する劣化の度合を可能な限り迅速に決定することができる。
【００１２】
クラックの検出感度および量化は既知の方法と比較して改善され、さらに金属損失測定の信頼度および精度が改善されることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は請求項１に記載されている。さらなる特徴および詳細は請求項２〜請求項１０に記載されている。
【００１４】
本発明の方法は、鋼の機械的ストレス、疲労、クラック、および腐食などの金属損失を検出すべく適用できる。主に壁厚の薄肉化とクラックは、あらゆる導電材料においてモニタリング可能である。
【００１５】
本発明は、腐食、浸食およびクラックをモニタリングする場合に、電圧降下もしくは電位降下の過渡曲線および定常部分からも情報を引き出すという考えに基づいている。
【００１６】
印加電流（励起電流）の各ステップの後、１セットの接点に関する電位降下が起こる間、電位降下は、コンピュータでさらなる処理が実行可能な一連の数値の形態で電位降下曲線全体が描かれるように、反復サンプリングによって測定される。
【００１７】
全ての電圧反応曲線を測定することにより、過渡部分と定常部分の両方、例えばクラックのモニタリング用途について、初期段階と、クラックの前兆である疲労の開始から劣化を検出する（あるいは劣化の発展を追跡する）ことが可能である。とりわけ、このようなクラックが表面中のマイクロクラックとして開始すること、および表皮効果のため、本発明の方法は過渡電圧反応の開始に極めて敏感である。さらに、本発明の方法は、測定ユニットがパイプ内部に配置できる場合にパイプ内部の欠陥を測定するために利用できる。
【００１８】
時間の関数としての過渡電位降下は、鋼の電気的特性および磁気特性に関する情報を提供する。一定時間間隔後の過渡曲線が完全に減衰した（電位降下は定常である）場合、電位降下のレベルはモニタリングされる物体の電気抵抗から与えられ、すなわちクラックおよび材料損失により影響を受ける。既述の如く、過渡曲線の第一の部分は主に鋼の磁気特性と関係があり、すなわち機械的ストレスによる影響を受ける。以下に列挙された点から、鋼の磁気特性がいかに機械的ストレスの影響を受けるかがわかる。基礎的な物理的現象およびそれに関するより完全な議論は文献に記載されている。（ジャイルズＤ．Ｃ．（Ｊｉｌｅｓ  Ｄ.Ｃ.）およびアデルトン  ディー．エル．（Ａｄｅｒｔｏｎ  Ｄ.Ｌ.）「強磁性体中の磁化過程理論と、磁気機械的効果に対するその応用（Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｏｅｓｓ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｓ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｍａｇｎｅｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｅｆｆｅｃｔ）」日本応用物理学会誌（Ｊ.Ｐｈｙｓ．Ａｐｐｌ．）１７、１９８４年、１２６５〜１２８１頁）
【００１９】
初期磁化曲線、非ヒステリシス磁化曲線、ヒステリシス磁化曲線の形状もしくは特徴は、機械的ストレスがかかることで変化する。
【００２０】
所与の一定の磁場強度では、付与される機械的ストレスにより初期磁化曲線と非ヒステリシス磁化曲線とが相互に接近する。
【００２１】
機械的ストレスの変化の結果として起こる磁化の変化は、機械的ストレスが開始時レベルまで低下する場合、回復されない。徐々にゼロまで低下する振幅を有する磁場を付与することによる消磁によってのみ、磁化曲線は原形状に戻る。
【００２２】
鋼の時期特性は疲労過程において影響されることが示されている（ボーズＭ.Ｓ.Ｃ.（Ｂｏｓｅ  Ｍ．Ｓ．Ｃ．）「磁気ヒステリシス技術を利用する強磁性体中の疲労に関する研究（Ａ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｆａｔｉｇｕｅ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」ＮＯＴインターナショナル（ＮＯＴ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）第１９巻  第２号、１９８６年４月）。
【００２３】
磁化曲線の特徴は疲労過程中に変化する。これらの変化は消磁によって回復することはない。
【００２４】
鋼における相対的な機械的ストレスの測定は、例えば所与の磁場強度における非ヒステリシス磁化曲線に関して、それ以前の測定と比較して、所与の条件下での磁化（磁化曲線の特徴）の測定に基づいてもよい。ノルウェー国特許第１５０１３６号に記載された方法が利用できる。次いで、ストレスもしくは応力を受けない場所（上記特許において基準測定として示される）で測定される。さらに、消磁の可能性が含まれる。
【００２５】
最後の測定以来、鋼が受けたストレス程度を測定するために同様の方法が利用できる。次いで、磁化変化は消磁されるまで回復されない、あるいはリセットされないという特性が利用される。
【００２６】
鋼における絶対的な機械的ストレスの測定は、機械的ストレスがかかることで初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線が変化するという事実に基づいて行われる。磁化曲線の特徴により影響される過渡電圧低下は、初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線の両方に関して測定され、相互に比較される。あるいは、ヒステリシス磁化曲線と非ヒステリシス磁化曲線について２つの測定を行ってもよい。鋼に機械的ストレスがかからない場合、疲労状態は絶対的な機械的ストレスの場合と同様の方法で測定できる。
【００２７】
精度を改善するため、複数の電流パルスについて反応信号をサンプリングし、これらのサンプルを平均することで高い測定精度が得られる。平均は高度もしくは低度のアルゴリズムの利用に基づいて行うことができる。
【００２８】
反応信号全体、すなわち過渡部分と定常部分の情報を利用することで、モニタリング対象のあらゆるタイプの状態について、独自の汎用性が得られ、既知の方法に比べて感度および精度が改善される。
【００２９】
改善されたクラックモニタリングは、第１５０１３６号特許と比較して、反応信号の過渡部分における情報の利用に基づいて行われ、また、これにより、表面上のマイクロクラックに対する感度が向上し、さらにクラック深さ決定精度が高まる。
【００３０】
金属損失の改善されたモニタリングは、反応信号全体、すなわち過渡部分と定常部分を観察し、これによって金属損失測定で起こりうる機械的ストレスを変化させる不都合な影響を打ち消すことによって行われる。さらに、反応信号全体を利用することで、反応信号に基づいて壁厚を直接評価することが可能となる。
【００３１】
さらに、パイプ内壁の表面上におけるマイクロクラックの検出は、励起電流ワイヤの１つを接続し、パイプ内壁のピンを感知することにより、著しく改善される。
【００３２】
この方法はセンサにおいても使用できる。電流の供給および過渡電位および／または定常電位の降下の測定は、例えば構造に取り付けられた鋼鈑もしくは腐食環境に置かれた、すなわち適切なストレスあるいは腐食にさらされた鋼鈑について行われる。
【００３３】
既述の如く、本発明が利用する主たる概念は、印加された電流パルスの結果として１対の接点間に発生する電位低下曲線（過渡部分と定常部分の両方）が、モニタリングされている鋼構造中の構造の状態の検出もしくは状態の変化に関して観察されるという現象である。
【００３４】
過渡部分の電位降下は表皮効果に関連し、主に鋼の浸透性と表面の状態に関連し、定常部分においては、物体の幾何学形状および材料における構造変化により影響される抵抗と関連する。（知られているように、相対浸透率は、磁場が印加された場合の磁化能力を示すパラメータである）。
【００３５】
例えば鋼鈑に電流のステップ（ｓｔｅｐ）を適用する際、表面における電流密度は当該電流ステップの直後で高くなり、漸減して定常値となる。２点間で測定された電位降下は、時間の関数であり、開始時は高値を有し、測定地点間の電気抵抗に応じて定常値まで漸減する表面上における電流密度を反映する。
【００３６】
従って、過渡電位降下は、機械的ストレスおよび疲労状態の影響を受ける、材料の浸透性および導電性に関する情報を提供する。電気抵抗は導電性と幾何学形状の影響を受け、さらに疲労、金属損失、腐食、浸食およびクラックの影響を受ける。異なる欠陥は電圧反応曲線の別の部分に異なる影響を与え、反応曲線全体、すなわち過渡部分および定常部分を観察することで、前出の２特許と比較して、感度と精度の両方が改善される。
【００３７】
クラックモニタリングのために電圧降下反応曲線全体を観察することで、表面上のマイクロクラック検出感度が著しく改善される。これは、クラックの断面に関して定常電圧降下が与える情報に加えて、電圧降下反応曲線の開始時には電流密度が極めて高く、それに続く過渡部分の変化によりパイプ内壁のクラック位置および／またはクラック深さの改善された推定がなされるためである。このことは、主として断面に関する情報のみを与えるノルウェー国特許第１５０１３６号とは対照的である。このことは、クラック深さがクラックモニタリングに関する最も重大な情報であることから、本質的な改良といえる。
【００３８】
疲労過程をモニタリングすることによって、特に負荷が鋼の降伏点に近く、降伏点を超える場合に、導電性の変化を引き起こす鋼構造の変化に関する極めて重大な情報を与える。定常信号から得られるこの結果を、過渡部分から得られる情報と組み合わせることによって、モニタリング対象物体の塑性変化および疲労の度合が高感度および高精度で検出できる。このことは、第１７２８号特許では不可能であった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図面を参照しながら本発明を以下に詳細に説明する。
【００４０】
図１の鋼鈑１に対し、機器８中の電流源によって接点２および３から電流パルス（励起電流）が印加される。あるいは、必要に応じて、機器８の電流源は消磁のために利用されてもよい。これらは機器内ののメニューシステムにより選択できる。消磁のため利用される場合、この電流源により、低減してゼロとなる振幅を有する交流電流が印加される。測定地点４、５間で測定される電位降下ａ（ｔ）は、電圧を増幅しデジタル化する信号状態回路６に供給され、データは後に予備処理のために機器８へ転送されるため、および後にコンピュータ９へ転送され、さらに処理されるために中間的に格納される。コンピュータ９内のプログラムは、モニタリングされた材料中の機械的ストレス、および／または疲労、および／またはクラック、および／または金属損失を計算するために、電圧降下反応を分析するためのアルゴリズムを有する。
【００４１】
電磁石１１によって、鋼は電位降下が測定される位置で磁化されうる。印加される磁場強度は、機器８中のソフトウェアで駆動されるメニューシステムにより所望の大きさに設定できる。電磁石のあらゆる直接制御は制御ユニット７により実行される。制御ユニット７は機器８により制御される。あるいは、図１に図示されていない機器８のメニューシステムの制御機能は携帯型ＰＣであってもよい。携帯型ＰＣは機器８に接続され、このような測定機能を制御するために機器８の代わりに利用できる。機器と、モニタリング対象物体に接続された構成要素との間の接続は、通信バスと電源接続からなる測定ケーブル１０である。これにより、１本の測定ケーブル１０上の１つのコネクタにより機器８に複数のユニットを接続できる。
【００４２】
あるいは、鋼鈑１の消磁は、機器８からの電流源の代わりに電磁石１１によって行ってもよい。また、機器８中の消磁源からの電流はこの目的専用の接点から鋼に印加されてもよい。電流導入点２、３、測定地点４、５、電磁石１１、回路モジュール６、７は、１台の携帯型ユニットに統合できる。
【００４３】
機器８は中間的に記憶されたデータを有する、もしくはユーザへのオンライン接続を介したデータの転送により、あるいはユーザにより運搬され、多数の地点で連続的に測定を行う装置に取り付けられる携帯型ユニットを介した、メニューシステムにおいて定義された間隔で測定を行うために永久的に設置されてもよい。あるいは、全てを携帯型とし、オペレータが電流励起と測定のピンを備えたユニットをモニタリング位置に設置し、機器をＰＣに接続して測定を行い、後処理用にＰＣへ測定値を転送する。
【００４４】
図２には、一般的な電流ステップおよび電位降下が理想曲線形で示されている。実際には、電流ステップは一定の立ち上がり時間を有し、信号（電位降下）は、測定用リードと、導入回路を形成するコンダクタループとの間の電気誘導による追加成分を有する。また、負値からの電流ステップを開始させてもよい。
【００４５】
電位降下曲線は、その性質から、ベッセル関数である。電位降下曲線は理論上の無限から開始され、支配的な時定数を有する。すなわち、曲線が最終的には指数関数に接近することを意味している。ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）が接近する定常値（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｖａｌｕｅ）は測定地点間のオーム抵抗によってのみ決定される。上記指数関数の時定数は幾何学的な関係のほか、導電性および浸透性により決定される。
【００４６】
鋼鈑の、電流ステップが印加される側と反対側で電位降下が測定される場合、ｉ（ｔ）はゼロから開始され、定留値に到達するまで増加する。測定値の分析は、常に時間もしくは周波数の関数としての少なくとも２本の曲線の比較を含む。
【００４７】
図３には、２つの電位降下ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）が示されている。これらは理想的な電位降下曲線である。
【００４８】
図４は、２つの曲線ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）に基づいて、偏差曲線ｄ（ｔ）が２本の曲線間の差異から計算される方法を示す。偏差曲線は、
ｄ（ｔ）＝（[ａ（ｔ）／ｉ（ｔ）]-１）１０００
（式中、ａ（ｔ）は時間の関数としての電圧信号ａ、ｉ（ｔ）は時間の関数としての電圧信号ｉ、ｄ（ｔ）は時間の関数としての計算された偏差を表す）
として計算されるが、時間の関数として、および周波数の関数としてプロットされる様々な曲線間の偏差を特徴付けるために他のアルゴリズムも利用できる。
【００４９】
図１に関する付加説明として、図示された構成を初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線に関して電位降下を測定するためにどのように利用できるかをシーケンスで説明する。
１．機器８のスイッチが入れられ、全ての出力信号がゼロに初期化される。
２．機器８中の電流源が消磁用に活性化される。
３．機器８中の励起電流源がパルス状電流を、電流印加地点２、３において鋼１に導入する。
４．測定地点４、５間の過渡電位降下および定常電位降下が測定され機器８に格納される。
５．電磁石１１に対する磁化電流用の、機器８の電流源から電流制御ユニット７への電流を連続的に所望の大きさまで増大される。鋼が初期磁化曲線に関して磁化される。
６．上記ステップ３が反復される。
７．測定地点４、５の間の過渡電位降下ｉ（ｔ）が測定され機器８に格納される。
８．図４に、ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）の一般的な電圧降下曲線を示す。
９．ｄ（ｔ）の予備計算は機器８により実行できる。
１０．全ての測定値がコンピュータ９に転送され、ｄ（ｔ）の計算および他の後処理がなされる。
１１．図５に、鋼中のストレス測定用の一般的な偏差曲線ｄ（ｔ）が示される。
１２．偏差曲線ｄ（ｔ）から最大値が検出され、この値が鋼中のストレスを表す。
【００５０】
機械的ストレスのみが存在する偏差曲線は、最大値に達するまでの期間の後に偏差によって特徴付けられ、次いで電圧降下が静止するｄ（ｔ）＝０まで低下する。所望により、さらに、初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線に関して偏差曲線を計算してもよい。経験上、異なる機械的ストレスの偏差曲線の特性が知られており、未知のストレス状態を決定することが可能である。
【００５１】
鋼中の相対的な機械的ストレスの測定は、磁化に基づいて行うことができる。従って、既知の状態に関する磁化曲線は、例えば所与の磁場強度に関する非ヒステリシス磁化曲線に関して測定でき、先行測定値と比較される。次いで、ノルウェー国特許第１５０１３６号に記載された方法を利用できる。通常、このような測定は負荷を受けない地点において行われ、上記特許において参照読取値として記載されている。さらに、消磁の可能性が含まれる。
【００５２】
同様の方法は、最終測定以来鋼が受ける最大ストレスの測定のために利用できる。機械的ストレスの変化の結果としての磁化の変化は、機械的ストレスが開始レベルまで低下する場合は回復されない。消磁に際してのみ、磁化曲線は原形状を回復する。
【００５３】
鋼中の絶対的な機械的ストレスの測定は、初期磁化曲線、ヒステリシス磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線が機械的ストレスを受けることで変化するという事実に基づいて行うことができる。磁化曲線の特徴の影響を受ける過渡電圧低下は、初期磁化曲線および非ヒステリシス磁化曲線の双方について測定され、相互に比較される。あるいは、２つの測定は初期磁化曲線およびヒステリシス磁化曲線について行ってもよい。
【００５４】
同様に、偏差曲線は鋼の疲労状態を評価し、これに基づいて疲労過程中の破砕の前に残存寿命を計算するために利用できる。鋼に機械的ストレスがない場合、例えば、疲労状態は絶対的な機械的ストレスの測定と同様の方法で測定できる。さらに、相対的な機械的ストレスを測定する際に利用される方法と同一方法により測定できる。電位降下の全行程の間、図７の偏差曲線を観察することで、疲労度合に関するさらなる情報が得られる。ストレスを受けている物体に関する疲労の相対測定用偏差曲線の一例が図７に示される。偏差レベルｔ１は、表面上のクリープおよびマイクロクラックに関連しうる表面上の変化とストレスのレベルを表し、ｔ２は疲労に関しては鋼中の構造変化に起因する抵抗の相対変化を表す。ストレスを受けていない物体についての疲労の相対的測定に関する偏差曲線の別の例が図８に示されている。ｔ１における偏差レベルは、表面上のクリープおよびマイクロクラックに関連しうる表面上の変化を表し、ｔ２におけるレベルは疲労に関しては鋼中の構造変化に起因する抵抗の相対変化を表す。
【００５５】
電位降下の定常部分で測定を行うことができる場合、あるいは最終測定以来モニタリング対象物体の機械的ストレスに変化がない場合、金属損失、腐食、浸食の測定は磁化を行わずに実施でき、また消磁を行わずに実施できる。図６には、金属損失の相対測定用の特有の電位降下偏差曲線が示されている。ｔ１における偏差値は、金属損失のモニタリングに関して常にゼロより大きい。偏差曲線に重要な破損がある場合、ｔ２の時間は、壁厚の評価に使用できる。ｔ３の偏差の定常レベルは、参照データとして偏差の算出に使用される測定値に関係する金属損失を表し、これに基づいて、基準データが得られた時点からの壁厚の薄肉化が計算できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】  鋼桁の状態を測定するための装置を示す図である。
【図２】  電流ステップおよび電圧降下曲線を示す図である。
【図３】  ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）に関する反応電圧を時間の関数として示す図である。図中、電圧降下は異なる２時点で測定され、材料損失および鋼の同一磁化のため壁厚縮小が測定されている。
【図４】  絶対的な機械的ストレスの測定のための、ｉ（ｔ）およびａ（ｔ）に関する反応電圧を時間の関数として示す図である。電圧反応は２つの異なる磁化で測定される。
【図５】  図４の電圧反応曲線のために計算された偏差曲線を示す図である。
【図６】  図３の電圧反応曲線のために計算された偏差曲線を示し、腐食または浸食において一般的な図である。
【図７】  疲労において一般的な計算された偏差曲線を示す図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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【国際調査報告】
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