(57)【要約】【課題】金属の裏面欠陥の高精度・高感度計測のため、電磁誘導現象を利用した新しい非破壊計測装置の提供【解決手段】非破壊装置は、電位差計測部１５０，駆動部１６０，センサ移動装置（Ｘ−Ｙ−Ｚテーブル）１７０，これらを制御している制御用パーソナルコンピュータ１４０で構成されている。センサ（探触子）１３０の移動装置１７０は、制御用パーソナルコンピュータ１４０により、駆動部１６０を介してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸移動用の３つのモータを制御し、セットされたセンサ１３０を３次元的に任意の位置へ移動する。センサ（探触子）の最小送りピッチは０．０５ｍｍである。  電位差を検出しているセンサ１３０へ印加する誘導電流を起こすための交流電流には、例えば０．１６ｋＨｚの低い周波数を用いることで、裏側にある欠陥を検出している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電流を誘起するためのコイル状の誘導線と、誘起される誘導電流の電位差を検出する２つの端子とを有するセンサと、
該センサを試料の表面に対して相対的に移動して、走査するための移動装置と、
前記センサの誘導線に低周波交流電流を流すための交流電源と、
前記センサの端子間の電位差を計測する計測部と、
前記移動装置および計測部を演算・制御するための制御部と
を備え、前記試料の裏面の欠陥を検出することを特徴する遠隔誘導型交流電位を用いた非破壊検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非破壊検査装置において、
前記制御部は、前記計測部からの、少なくとも２つの走査の電位差の差を求めることを特徴とする遠隔誘導型交流電位を用いた非破壊検査装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非破壊検査装置において、
前記センサの前記コイル状の誘導線は、幅広に巻線をしていることを特徴とする遠隔誘導型交流電位を用いた非破壊検査装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の非破壊検査装置において、
前記センサの前記コイル状の誘導線は、前記端子の両側に設けることを特徴とする遠隔誘導型交流電位を用いた非破壊検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の欠陥に対する非破壊検査に関するものであり、特に遠隔誘導型交流電位を用いた非破壊検査に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊評価は、材料、機器、構造物が充分に安全性・信頼性を維持して使用可能であることを保証するために行われる。非破壊の文字通り、試験対象物を傷つけたり破壊したりすることなしに、材料の内部及び表面に存在する欠陥の有無の評価、あるいは試験対象物の性質、状態、内部構造などを知るために行う評価全体を指す。この非破壊評価の試験法として、放射線透過試験、音響試験、超音波探傷試験、磁気探傷試験など各種の方法がある。非破壊検査の利用目的は大きく２つに分けられる。すなわち、
（１）施工中の品質管理のため設計上許容できる限界寸法欠陥の存在の有無の確認。
（２）稼動中の機器・構造物の安全性の評価または寿命予測のための欠陥を検出し、破壊力学に基づき評価を行う。
というものである。
【０００３】
近年、試験片に近接した位置で電流を検査対象に誘導する電磁誘導現象を利用した集中誘導型交流電位差（Induced Current Focusing Potential Drop;ICFPD）法に対し、誘導線を試験片から離し、遠隔的に電流を検査対象に非接触で誘導する新しい電位差法、すなわち遠隔誘導型電位差（Remotely Induced Current Potential Drop;RICPD）法が開発された（非特許文献１参照）。この遠隔誘導型電位差法では、板厚の薄い平板試験片の溶接部裏面に存在する放電加工き裂及び疲労き裂に対して検出が可能であり、その有用性が示されている。しかし、鋼管、管厚の厚い試験片への計測適用例はない。
【非特許文献１】Y.Sato,T.Shoji,High Sensitivity Inspection of Defects in Welds by Remotely Induced Current Potential Drop Technique, Nondestrucive Characterization of Materials IX, American Institute of Physics, 1999，pp．107-112
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、上述の遠隔誘導型電位差法（RICPD法）を用いた、機器・構造物の施工中の品質管理及び供用期間中の安全性・健全性の評価ならびに余寿命評価を行う上で必要となる金属の裏面欠陥の高精度・高感度計測・評価のための電磁誘導現象を利用した新しい非破壊計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、誘導電流を誘起するためのコイル状の誘導線と、誘起される誘導電流の電位差を検出する２つの端子とを有するセンサと、該センサを試料の表面に対して相対的に移動して、走査するための移動装置と、前記センサの誘導線に低周波交流電流を流すための交流電源と、前記センサの端子間の電位差を計測する計測部と、前記移動装置および計測部を演算・制御するための制御部とを備え、前記試料の裏面の欠陥を検出することを特徴する遠隔誘導型交流電位を用いた非破壊検査装置である。
前記制御部は、前記計測部からの、少なくとも２つの走査の電位差の差を求めてもよい。また、前記センサの前記コイル状の誘導線は、幅広に巻線をしてもよく、前記端子の両側に設けてもよい。
【発明の効果】
【０００６】
上述のように、遠隔誘導型交流電位を用いた非破壊検査装置において、コイル状の誘導線に低い周波数の電流を流すことにより、金属試料の深い所に誘導電流が流れ、試料の裏面の欠陥による電位差を検出することができる。
２つの走査による電位差の差を求めることにより、試料の欠陥による電位差の検出を高感度で行うことができる。
また、センサにコイル状の誘導線を幅広に設けることや、端子の両側に設けることで、広い範囲に、また、より大きく誘導電流が流れ、電位差の検出を高感度で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施するための実施形態等について、図を用いて説明する。
導線中を交流電流が流れると、導線の周りに変動磁場が生じる。この変動磁場により、周囲の導体中には誘導起電力が生じ交流電流が誘導される。誘導線に印加した電流により誘導電流が生じる様子を模式的に表現したものが図１である。
図１において、試料１１０上の誘導線１２０により、試料１１０の表面に流れる誘導電流を、センサ１３０により電位差を検出することにより、き裂等の欠陥を発見する。これが電磁誘導現象を利用した電位差法である。
さて、誘導電流は、一般の交流電流と同様の性質を有するため、表皮効果により試験片の表層に電流が集中して流れる。その表皮効果による磁束密度の板厚方向への分布は、表面の磁束密度をＢ０とすると、Ｂ＝Ｂ０ｅｘｐ（−ｘ／δ）で与えられる。ただし、ｘは表面からの深さで、表皮深さδは、試験片の導電率σ、透磁率μ、交流電流の周波数ｆに依存する定数で、次式として表現される。
【数１】
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この誘導電流は管の裏面にも流れ、より深い位置での計測が可能となる。
交流磁場は誘導線に近づく程大きくなるため、誘導電流の電流密度は誘導線近傍で急激に大きくなる（図１（ｂ）参照）。一定の間隔を有する電位差計測端子を用いて表面の電位差を計測すると、欠陥部（Ｂ）における誘導電流経路は欠陥の無い部分（Ａ）におけるものよりも長くなり、端子が欠陥を跨ぐ位置で計測される電位差は大きくなる。このことを利用して欠陥の検出及び定量化を行うことができる。
【０００８】
本実施形態の非破壊検査装置の構成を図２に示す。非破壊装置は、電位差計測部１５０，駆動部１６０，センサ移動装置（Ｘ−Ｙ−Ｚテーブル）１７０，これらを制御している制御用パーソナルコンピュータ１４０で構成されている。
センサ（探触子）１３０の移動装置１７０は、制御用パーソナルコンピュータ１４０により、駆動部１６０を介してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸移動用の３つのモータを制御し、セットされたセンサ１３０を３次元的に任意の位置へ移動する。センサ（探触子）の最小送りピッチは０．０５ｍｍである。
また、計測部１５０は、例えばＲＳ２３２Ｃポートを用いて制御用パーソナルコンピュータ１４０に接続され、データを転送・保存する。制御用パーソナルコンピュータ１４０等を用いて、自動計測を行うことにより端子押し付け圧力及び試験片表面と誘導線との距離が一定に保たれ各計測点において同一の条件で計測を行っている。
また、本システムには、電位差データの信頼性を向上させるため、制御用パーソナルコンピュータ１４０には、計測時にデータの記憶や、２つの計測の差を求めたり、ばらつきの評価及び平均化処理やグラフの生成も行ったりするソフトウェアが使用されている。
【０００９】
＜センサ１＞
本実施形態において使用したセンサ（遠隔誘導型探触子）の構成を図３に示す。従来の一体誘導型探触子及び分離型誘導型探触子では、誘導線と計測面との距離は、薄い絶縁シートを試験体と誘導線の間に挟む必要があったため、およそ０．１ｍｍであった。それに対し、図示した遠隔誘導型探触子では、計測面から３０ｍｍ離れた位置に長さ３０ｍｍの誘導線（コイル）１３２が配置されている。このため試験片表面の微妙な凹凸が誘導線−試験片表面距離に与える影響は相対的に小さくなる。端子１３４は、一体誘導型及び分離誘導型探触子に使用されているものと同様で、端子押しつけばね圧は重圧型である。
誘導用交流電流の周波数は、表皮深さを支配し、誘導電流の電流密度及び電流経路に影響を及ぼすことから、検出感度を決定する主要因の一つである。
そこで、０．１６、０．３、１、３ｋＨｚの４種類を選択し、検出感度への影響を調べた。ステンレス鋼材に対する４種の周波数における表皮深さを表１にまとめる。
【表１】
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表１で分かるように、高い周波数では裏面深部まで誘導電流が流れず、欠陥検出が困難になることが分かった。このため、本実施形態では、き裂のある深部まで有効な誘導電流が流れるように、低い周波数を用いる方がよい。
【００１０】
［実施例１］
図２に示した非破壊検査装置で、厚い金属片を溶接しその溶接部分にき裂を作成した試験片を用いて計測した。その結果を説明する。非破壊検査装置には、図３に示したセンサを用いている。
図４，図５に、実施例に供した２つの試験片を示す。図４，図５において、それぞれ（ａ）上面図（平面図），（ｂ）正面図，（ｃ）下面図，（ｄ）側面図である。
試験片は、外径６００ｍｍ、内径５２０ｍｍ、管厚４０ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼管から切り出した溶接部を含む試験片に、き裂を導入した２種類のものである。この試験片は、溶接部に放電加工（Electric−Discharge  Machining）を施し、き裂を作成したＥＤＭ材（図４）と、ＥＤＭ材に疲労き裂（Fatigue）を加えたＥＤＭＦ材（図５）である。試験片の寸法はＥＤＭ材が９５×３７５×４０（ｍｍ）、ＥＤＭＦ材が９０×３７５×４０（ｍｍ）であり、管を切り出したものであるため、それぞれの試験片は約１８°の円弧状となっている。裏面のき裂はそれぞれＹ＝１８２ｍｍの位置にＸ方向に４０ｍｍに渡り存在する。Ｘ方向での位置は、２２≦Ｘ≦６２ｍｍの範囲である。
まず、ステンレス鋼管溶接部の裏面欠陥を計測する際に、周波数の変化に伴い計測される電位差の変化量を比較した。
試験片には、欠陥の深さが大きいＥＤＭ材（図４参照）を使用した。走査は裏面にき裂部のあるＹ＝１８２ｍｍから１８３ｍｍの位置においてＸ方向に行った（点線ｓｘ）。比較した周波数は０．３、１、３ｋＨｚである。その結果を図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。
これらのグラフからわかるように、周波数の増加に伴い誘導される電流値が大きくなるため電位差の変化量が３〜１０倍に急増している。裏面欠陥の上部における電位差の変化量のみを用いて欠陥検出感度を評価すると、高い周波数を用いて電位差の感度を向上させたものが良いが、用いている試験片は厚さ４０ｍｍと厚く、表皮効果による影響から高い周波数では裏面深部まで誘導電流が流れず、欠陥検出が困難である。
以上より、裏面の欠陥を検出する感度の観点から、低周波数を用いるのが適している。
【００１１】
さて、実際に、図４，図５に示した試験片を計測した結果を、図７〜図９に示す。
計測条件は、交流印加電流２Ａ、周波数０．１６ｋＨｚ、探触子と試験片の接触角度θ＝９０°である。
図４に示した試験片に対する計測の結果、得られた電位差分布を図７（ａ），（ｂ）に示す。図７（ａ）は、き裂のある部分を走査したもの（き裂部走査：図４の点線ｓｘ）とき裂のない部分を走査したもの（参照部走査：図４の点線ｒｘ）とを示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示したき裂部走査と参照部走査との電位差の差分を取った結果を示す。き裂部走査では全体的に電位差が高く計測されているが、き裂の生じている部分で電位差がより大きく上昇している。そのため、き裂部走査と参照部走査の電位差の差分では、ちょうどき裂の存在する部位で急激に変化（０．０４〜０．０８μＶ）が現れていることが認められる。
比較のために、周波数０．３ｋＨｚを印加した結果得られた電位差分布及びき裂部走査と参照部走査における電位差差分を図８（ａ），（ｂ）に示す。
図７に示した０．１６ｋＨｚの場合と比べ、図８の０．３ｋＨｚの場合は、溶接した箇所の電位差が上昇しているものの、き裂の存在しない個所においても電位が上昇し、き裂のある深さまで有効な誘導電流が流れていないことが分かる。
【００１２】
また、図５に示したＥＤＭＦ材を計測した結果得られた電位差分布（き裂部走査：図５の点線ｓｘと参照部走査：図５の点線ｒｘ）及びき裂部走査と参照部走査の電位差の差分を図９（ａ），（ｂ）に示す。
図９から、ＥＤＭ材の場合と同様にき裂部走査で大きく電位差が上昇し、き裂部走査と参照部走査での差分を取ると、き裂部で電位の変化が現れていることが分かる。しかしながら、ＥＤＭ材に比べＥＤＭＦ材は放電加工で加えたき裂の深さが小さく、そこから加えた疲労き裂の深さも小さい。そのため、ＥＤＭ材における欠陥検出ほどの感度は得られなかったと考えられる。
【００１３】
＜他の実施形態：センサ２＞
導線に一定周波数をもつ電流を流すと、表皮効果によって電流は導体表面に集まろうとする。そのため導体内部の電流は小さくなる。すなわち、内部の導体は電流の伝導にほとんど関与しなくなり、見かけ上誘導線の断面積が減少し抵抗が大きくなる。厚さ４０ｍｍの試験片内部に誘導電流を起こすことを可能とするために、誘導線の寸法（特に幅）及び巻数を大きくし、発生する磁場の広がりにより誘導される電流を増大させている。これによって裏面欠陥に対する検出時に計測される電位の増加、それによる計測感度の上昇が望める。
このために、新しく開発したセンサである多重遠隔誘導型探触子の構成を図１０（ａ），誘導線（コイル）を図１０（ｂ）に示す。この多重遠隔誘導型探触子１３０では、図１０（ｂ）に示すように、誘導線（コイル）１３２の寸法は、試験片に平行な方向に８０ｍｍ、垂直な方向に３０ｍｍ、幅方向に２０ｍｍと幅広に、巻数は２０巻、さらにその誘導線を２つセンサ１３０の両脇に配置した。この２つのコイルを用いているので「多重」としている。なお、コイルは２つとは限らない。
【００１４】
［実施例２］
上述の多重遠隔誘導型探触子（図１０のセンサ）を用いて、図２の装置構成を用いて、図４，図５に示した試料を計測した結果を、図１１〜図１３に示す。計測は、欠陥検出感度が高い周波数０．１６ｋＨｚを用いている。また、センサの誘導線と試験片と間は３０ｍｍである。
放電加工き裂試験片ＥＤＭを計測した結果の電位差分布（き裂部走査：図４の点線ｓｘと参照部走査：図４の点線ｒｘ）を図１１（ａ）に示す。また、き裂部走査と参照部走査を比較しその電位差の差分をとった結果を図１１（ｂ）に示す。図１１（ｂ）に示すように、裏面き裂（欠陥）が存在する位置において、き裂部走査と参照部走査との差分をとった値が急激に上昇している。電位差の差分は約０．３μＶと、図７（ｂ）の０．０６μＶより約６倍大きい。
図１１（ｂ）において、無欠陥部と欠陥部の境界で急激に電位差差分が変化するが、試験片に加えられた放電加工によるき裂（深さ約１０ｍｍ）の形状に依ったものであると考えられる。
このように、多重遠隔誘導型探触子（図１０）を用いることで、遠隔誘導型探触子（図３）を使用した場合と比較して微小であった差分値を大幅に向上させることが可能となった。
【００１５】
図５の試験片ＥＤＭＦを計測した結果得られた電位差分布（き裂部走査：図５の点線ｓｘと参照部走査：図５の点線ｒｘ）を図１２（ａ）に示す。また、その結果より得られた電位差からき裂部走査と参照部走査を比較してその電位差差分を取った結果を図１２（ｂ）に示す。
また、図１３（ａ）に試験片ＥＤＭＦ材をＹ軸方向に走査し（図５のｓｙとｒｙ）、得られた電位差分布を示す。図１３（ｂ）にはその結果得られた、それぞれの部位の電位差差分を取った結果を示す。
遠隔誘導型探触子（図３）では高い感度の計測が難しかった（図９（ｂ）参照）が、多重遠隔誘導型探触子（図１０）を用いた図１３（ｂ）では、無欠陥部と欠陥部での電位差差分値が、ＥＤＭ材の場合（図１２（ｂ）参照）と同様に約０．３μＶとなり、高い感度の計測が可能となった。
なお、図１３（ｂ）において、欠陥が存在する位置で電位差差分の上昇する変化の具合が山形になっている。これは、試験片ＥＤＭＦ材に加えられたき裂が、放電加工で約２ｍｍ、その後疲労き裂を加えたものであるため、そのき裂の形状にそった形を、欠陥信号として捉えているためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】誘導電流により欠陥が計測できることを説明する図である。
【図２】誘導電流による非破壊検査装置の構成を示す図である。
【図３】非破壊検査装置に使用するセンサの構造を示す図である。
【図４】ステンレス鋼の管にき裂を作成した試料例（ＥＤＭ材）を示す図である。
【図５】ステンレス鋼の管に疲労き裂を作成した試料例（ＥＤＭＦ材）を示す図である。
【図６】周波数の変化に伴い計測される電位差の変化量を比較する図である。
【図７】図４の試験片に対する、０．１６ｋＨｚによる計測の結果を示す図である。
【図８】図４の試験片に対する、０．３ｋＨｚによる計測の結果を示す図である。
【図９】図５の試験片に対する、０．１６ｋＨｚによる計測の結果を示す図である。
【図１０】非破壊検査装置に使用するセンサの他の構造を示す図である。
【図１１】図４の試験片に対する、図１０のセンサによる計測の結果を示す図である。
【図１２】図５の試験片に対する、図１０のセンサによる計測の結果を示す図である。
【図１３】図５の試験片に対する、図１０のセンサによる他の方向の計測の結果を示す図である。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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