(57)【要約】【課題】  曲管に対しても適切かつ簡易に磁歪感度を求めることができる磁歪感度の較正方法及び装置を得る。【解決手段】  曲管６の管軸がつくる面に直交する方向から曲管６にジャッキ９によって段階的な圧縮荷重を作用させて曲管６に生ずる応力をひずみゲージ１１によって測定すると共に、前記応力に対応して出力される磁歪センサ１２の電気信号を検出し、前記測定された応力と前記磁歪センサから出力される電気信号とから前記曲管に対する磁歪センサの磁歪感度を求める。【選択図】  図１
2005207800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲管の屈曲部に対して管軸直交方向に段階的な圧縮荷重を作用させて前記屈曲部に生ずる応力を測定すると共に、前記応力に対応して出力される磁歪センサの電気信号を検出し、前記測定された応力と前記磁歪センサから出力される電気信号とから前記曲管に対する磁歪センサの磁歪感度を求めることを特徴とする磁歪感度の較正方法。
【請求項２】
応力を測定する手段と磁歪センサを、荷重作用線上であって前記曲管の管中心点に対して対称位置に設置したことを特徴とする請求項１記載の磁歪感度較正方法。
【請求項３】
応力を測定する手段と磁歪センサを、荷重作用点に対して管軸方向対称位置に設置したことを特徴とする請求項１記載の磁歪感度較正方法。
【請求項４】
応力を測定する手段と磁歪センサを管内面に設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の磁歪感度較正方法。
【請求項５】
磁歪感度が測定される曲管の屈曲部に対して管軸直交方向に段階的な圧縮荷重を作用させる荷重付加手段と、前記曲管に設置されて前記荷重付加手段によって荷重が付加されたときに前記曲管に生ずる応力を検出する応力検出手段と、前記曲管に設置されて前記応力に対応する電気信号を出力する磁歪センサと、前記応力検出手段の検出値と前記磁歪センサの出力値とから前記曲管に対する磁歪センサの磁歪感度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする磁歪感度較正装置。
【請求項６】
応力検出手段と磁歪センサを、荷重作用線上であって前記曲管の管中心点に対して対称位置に設置したことを特徴とする請求項５記載の磁歪感度較正装置。
【請求項７】
応力検出手段と磁歪センサを、荷重作用点に対して管軸方向対称位置に設置したことを特徴とする請求項５記載の磁歪感度較正装置。
【請求項８】
応力検出手段と磁歪センサを管内面に設置したことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載の磁歪感度較正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管などの管に生ずる応力を測定する磁歪応力測定法に必要な磁歪感度の較正方法及び装置に関し、特に曲管の磁歪感度を簡便に較正する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスパイプラインなど地中に埋設されて用いられる鋼管は、地盤沈下や地表を走行する車両などからの荷重によって、鋼管に曲げ応力が発生する。大きな曲げ応力が発生した状態が継続されると、鋼管は破損するおそれがある。そこで、鋼管の破損予防のために鋼管に作用している曲げ応力（負荷応力）を測定する必要がある。
そして、パイプライン等の構造物において最も危険な部位は、応力集中が生じやすく応力分布も複雑な曲管部である。
したがって、曲管部の応力測定をして安全性を評価することが最も直接的かつ効果的である。応力測定の手法としてはひずみゲージ法が一般的であるが、パイプラインの応力を年単位の長期間でひずみゲージ法で測定することは不可能であるため、磁歪応力測定法の利用が有効である。ところが、一方、磁歪応力測定法で測定できる応力は残留応力と負荷応力が重畳したものであるが、通常安全性の評価基準となるのは残留応力を除いた負荷応力である。そのため、安全性評価のためには測定された応力から残留応力を除いて負荷応力を求める必要がある。ところが、曲管部における残留応力分布は極めて複雑であり、測定応力から残留応力を除去する理論が構築されておらず、曲管の応力測定を行っても安全性の評価に必要となる負荷応力を求めることができない。そこで、従来は直管部について応力測定を行い、その結果を境界条件として有限要素法などの計算によって曲管部の応力を推定し、安全性の評価を行っていた。
【０００３】
磁歪応力測定法は強磁性材料である鋼管などの材料に荷重が作用すると材料の透磁率が応力に比例して変化することを利用するものである。磁歪応力測定法においては、鋼管の主応力差に比例した電圧値が測定されるが、この電圧値を応力に換算するための比例定数を磁歪感度という。この磁歪感度は鋼管の材質や製造方法によって固有の値を示す。そのため、磁歪応力測定法で測定しようとする鋼管については、測定前に同等の鋼管について負荷試験を行い、ひずみゲージによって実際の応力値を検出することで当該鋼管の磁歪感度を求める必要があり、この磁歪感度を求めることを磁歪感度の較正という。
【０００４】
このような磁歪感度の較正方法として、磁歪応力が測定されるべき管を、その管軸に沿って切出して細長い試験片を作成し、この試験片に前記管軸に平行な平面内で曲げモーメントを作用させ、試験片の外表面に設けた応力測定手段で真の応力を測定するとともに、磁歪センサで真の応力に対応した出力を測定し、応力測定手段によって測定された応力と、磁歪センサの出力とから、磁歪センサの磁歪感度を求めるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、実際の現場にて磁歪感度を求め、鋼管の応力測定をする方法としては以下のものがある。
被検査物体の表面にひずみゲージを固定し、かつその近傍に材料の透磁率に対応した電気的出力を導出する磁歪センサを設け、被検査物体に加える力を変化させて、ひずみゲージの出力を応力に換算し、応力変化に対する磁歪センサの出力の傾きから比例定数としての磁歪感度を求め、求められた磁歪感度の値を用いて、磁歪センサの出力から被検査物体に作用する応力を測定する（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２１１０４４号公報（特許請求の範囲、段落[００１４]、[００１５]）
【特許文献２】特開平５−１９６５１３号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のように、パイプライン等の構造物においては最も危険となる曲管部の応力測定を行いその測定結果に基づいて安全性の評価をすることが直接的かつ効果的である。しかし従来においては測定応力から残留応力を除去する理論構築がなされていなかったために、次善の手段として直管部について応力測定を行い、その結果を境界条件として有限要素法などの計算によって曲管部の応力を推定して安全性の評価を行っていたのである。
しかしながら、発明者は、鋭意研究の結果、曲管について測定応力から残留応力を除去するための理論構築を完成し、本願に先立って特許出願を行った。この理論を用いれば曲管についても測定応力から残留応力を除去することができ、曲管部について応力測定を行って安全性の評価をすることが可能となる。そこで、現場での応力測定に先立って曲管についての磁歪感度の較正方法が求められることになった。
【０００８】
ところが、従来の磁歪感度の較正方法は全て直管に関するものであり、このような直管に関する磁歪感度の較正方法をそのまま曲管に適用しようとすると、以下のような問題がある。
特許文献１の方法は、鋼管の一部を短冊状に加工して試験片にするものであるが、曲管の場合には短冊状への加工が困難である。
また、曲管はその製法によって複雑かつ高い残留応力をもっているが、短冊状に加工するとこの残留応力が解放され、試験片と実管の応力状態が変わってしまう。そのため、仮に短冊状、あるいは類似の形状に加工できたとしても、そのような短冊状の試験片に基づいて磁歪感度を較正しても、実管のものとは異なったものとなってしまう。
【０００９】
特許文献２の方法は、実際の現場において被測定対象管を利用して磁歪感度の較正を行うものであり、短冊状の加工をしないので、少なくとも特許文献１に対して指摘したような問題はない。
しかしながら、実際の現場において荷重を付加して磁歪感度の較正することから以下のような問題がある。
現場で曲管に段階的な荷重を付加するためにはその作業が非常に煩雑となる。また、供用状態にある鋼管に対して強制的に外力を付加して応力を発生させることになるため、安全性の観点から十分な配慮をする必要があり、そのため十分な応力を与えることができず、較正試験として十分な精度を得ることが難しい。
【００１０】
以上要するに、従来においては曲管について磁歪応力測定したとしても安全性の評価をすることができないことから、磁歪感度の較正方法は全て直管を対象とするものであった。ところが、発明者の努力により曲管についての応力測定結果を用いて安全性の評価をすることが可能となったことから、その前提となる曲管についての磁歪感度の較正方法が求められるようになった。ところが、従来の磁歪感度の較正方法は全て直管を対象としていることからこれを曲管に適用することができない。このような背景から曲管についての磁歪感度の較正方法及び装置が望まれていたのである。
【００１１】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、曲管に対しても適切かつ簡易に磁歪感度を求めることができる磁歪感度の較正方法及び装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明に係る磁歪感度の較正方法は、曲管の屈曲部に対して管軸直交方向に段階的な圧縮荷重を作用させて前記屈曲部に生ずる応力を測定すると共に、前記応力に対応して出力される磁歪センサの電気信号を検出し、前記測定された応力と前記磁歪センサから出力される電気信号とから前記曲管に対する磁歪センサの磁歪感度を求めるものである。
なお、曲管の屈曲部とは曲管における曲率の最大部を含む曲管中央部をいう。
【００１３】
（２）また、上記（１）のものにおいて、応力を測定する手段と磁歪センサを、荷重作用線上であって前記曲管の管中心点に対して対称位置に設置したことを特徴とするものである。
なお、荷重作用線とは荷重作用方向を示す仮想線をいう。
【００１４】
（３）また、上記（１）のものにおいて、応力を測定する手段と磁歪センサを、荷重作用点に対して管軸方向対称位置に設置したことを特徴とするものである。
【００１５】
（４）また、上記（１）〜（３）のものにおいて、応力を測定する手段と磁歪センサを管内面に設置したことを特徴とするものである。
【００１６】
（５）本発明に係る磁歪感度較正装置は、磁歪感度が測定される曲管の屈曲部に対して管軸直交方向に段階的な圧縮荷重を作用させる荷重付加手段と、前記曲管に設置されて前記荷重付加手段によって荷重が付加されたときに前記曲管に生ずる応力を検出する応力検出手段と、前記曲管に設置されて前記応力に対応する電気信号を出力する磁歪センサと、前記応力検出手段の検出値と前記磁歪センサの出力値とから前記曲管に対する磁歪センサの磁歪感度を演算する演算手段と、を備えたものである。
【００１７】
（６）また、上記（５）のものにおいて、応力検出手段と磁歪センサを、荷重作用線上であって前記曲管の管中心点に対して対称位置に設置したことを特徴とするものである。
【００１８】
（７）また、上記（５）のものにおいて、応力検出手段と磁歪センサを、荷重作用点に対して管軸方向対称位置に設置したことを特徴とするものである。
【００１９】
（８）また，上記（５）〜（７）のものにおいて、応力検出手段と磁歪センサを管内面に設置したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては、曲管の屈曲部に対して管軸直交方向に段階的な圧縮荷重を作用させて前記屈曲部に生ずる応力を測定すると共に、前記応力に対応して出力される磁歪センサの電気信号を検出し、前記測定された応力と前記磁歪センサから出力される電気信号とから前記曲管に対する磁歪センサの磁歪感度を求めるようにしたので、荷重に対して主応力差及び信号出力を大きくとることができ、しかも荷重の付加が容易にできるので、簡易に高精度の磁歪感度の較正が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図６は本発明において使用される磁歪センサの動作原理を示す説明図であり、図６（ａ）が原理説明図、図６（ｂ）が磁歪センサの説明図である。
図６において、１は励磁コア、１ａは励磁コイル、２は励磁コア１と互いに直交状態に配設された磁気異方性検出コア、２ａは磁気異方性検出コイル、３は交流定電流電源、４は電圧計、５は測定対象物である。
【００２２】
上記のように構成された磁歪センサの動作原理を説明する。測定対象物５にひずみ（応力）が作用すると、透磁率μに異方性が生じる。例えば、測定対象物５が図６（ａ）に示すような応力状態にある場合、引張応力方向であるＸ方向の透磁率μｘがＹ方向の透磁率μｙに比べて相対的に大きくなる。
このとき、励磁コイル１ａに電流を流すと、励磁コア１の片方の足Ｅ1の先端から出た磁束の大部分は最短距離で直接他方の足Ｅ2に向かうが、Ｅ1Ｄ1間及びＤ2Ｅ2間はＥ1Ｄ2間及びＤ1Ｅ2間に比べて透磁率がμｘ―μｙだけ大きいために、一部は図中の矢印で示すように磁気異方性検出コア２の中を経由して、励磁コア１の他方の足Ｅ2に向かう。
以上の動作を交流磁界で考えると、磁気異方性検出コイル２ａには誘導電流が流れ、電圧計４に電圧が検出される。この電圧は透磁率の異方性が大きい程より大きなものとなる。また、このとき磁歪センサを測定対象上で回転させると、磁歪センサの出力Ｖは（１）式で表現される様な周期１８０°の余弦関数となる。
Ｖ＝Ａ＋Ｂ・cos(θ−Ｃ)  ------（１）
但し、Ａ：オフセット、Ｂ：変動振幅量、Ｃ：位相角
【００２３】
センサ出力Ｖは励磁コア１または磁気異方性検出コア２と主応力の方向が４５°のときに最大出力となり、このときセンサ出力は、Ｘ方向の透磁率μｘとＹ方向の透磁率μｙの差、すなわちμｘ―μｙに比例する。
Ｖ＝Ｍ０・（μｘ―μｙ） ----------（２）
但し、Ｍ０は比例定数
【００２４】
透磁率μは被測定物のひずみ（応力）と比例関係にあるため、結果的に下記の（３）式となる。
Ｖ＝Ｍ１・（σｘ―σｙ） -----------（３）
但し、Ｍ１は比例定数
この比例定数Ｍ１が磁歪感度であり、測定対象に応じて較正試験を実施して求められるものである。
【００２５】
次に、上記の原理に基づく本発明の一実施形態である磁歪感度較正装置を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る磁歪感度較正装置の模式図であり、図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が側面図である。
測定対象となる曲管６は平面かつ水平で剛な定盤７に横置きされている。つまり、曲管６の軸線がつくる平面が水平になるように定盤７上に置かれている。曲管６を跨ぐようにして門型の反力架台８が配置され、反力架台８の横架部には荷重付加用のジャッキ９が取り付けられている。ジャッキ９の下端側には曲管６の周面形状に対応した当接部を有する治具１０が取り付けられている。したがって、曲管６にはジャッキ９に取り付けられた治具１０を介して曲管６の軸線が作る平面に直交方向に押しつぶされるような荷重が段階的に付加できるように構成されている。
【００２６】
また、曲管６の内面には応力検出手段としてのひずみゲージ１１と磁歪センサ１２が設置されている。ひずみゲージ１１は荷重作用線２１（図１参照）上で治具１０が当接する部位の内面に配置され、磁歪センサ１２はひずみゲージ１１設置位置と曲管の径方向における中心点の対称位置に配置されている。
ひずみゲージ１１と磁歪センサ１２は荷重が作用したときに同一の歪が生ずる箇所に設置する必要があるが、本実施形態のように、曲管６の軸線が作る平面に直交方向に荷重を付加するようにしたことで、ひずみゲージ１１と磁歪センサ１２の設置すべき箇所を容易に設定できる。
【００２７】
以上のように構成された本実施の形態の装置を用いた磁歪感度の較正方法を以下に説明する。
なお、この実施形態で用いた曲管６は高圧ガス導管に使用されるマンドレルエルボ材で、JISのPT370-sch40
材、呼び径300A である。
ジャッキ９を下降させて曲管６に段階的な荷重を付加してゆき、ひずみゲージ１１から検出される応力と、磁歪センサ１２から出力される電圧を求める。
図２はこの結果をグラフに整理したものであり、横軸（Ｘ軸）がひずみゲージ１１から検出された応力を示し、縦軸（Ｙ軸）が磁歪センサ１２から出力される電圧を示している。また、図２のグラフ中にはＸ-Ｙの関係を最小二乗法で直線に回帰した結果を併記してある。この回帰結果の傾きが本較正試験方法で求められた磁歪感度であり、この例では1.9665(mV/MPa)である。
なお、図１では、ひずみゲージ１１によって検出される応力と磁歪センサ１２から出力される電圧から磁歪感度を演算する手段については図示していないが、このような演算手段はコンピュータによって実現できる。
【００２８】
次に、上述した図１に示した方法で求めた磁歪感度が、実際の現場における付加荷重によって発生する応力測定の磁歪感度として適用できるかどうかの検証を行った。
図３はこの検証に用いた装置の説明図である。この検証用装置は、図１で用いたものと同様の曲管１３の両端に袖管１４ａ、１４ｂを溶接している。この袖管１４ａ、１４ｂは端部にフランジ１５ａ、１５ｂを有している。片側の袖管１４ａのフランジ１５ａを定盤１６に固定し、他方の袖管１４ｂのフランジ１５ｂを油圧ジャッキ１７のロッドにピンを介して取り付けられている。また、曲管１３の外面にひずみゲージ１８と磁歪センサ１９を設置している。
【００２９】
図３に示した検証用の装置において、ジャッキ１７のロッドを段階的に伸ばすことで曲管に段階的に曲げモーメントを付加し、曲管外面に発生した応力をひずみゲージ１８で求め、ひずみゲージの至近に設定した磁歪センサ１９の出力と共に計測した。
図４は図３の方法で求めた結果をグラフに整理したものであり、横軸（Ｘ軸）がひずみゲージ１８から検出された応力を示し、縦軸（Ｙ軸）が磁歪センサ１９から出力される電圧を示している。また、図４にはＸ-Ｙの関係を最小二乗法で直線に回帰した結果を併記してある。この回帰結果の傾きが本較正試験方法で求められた磁歪感度である。
図１に示した本発明による方法によって得られた結果と、図３に示した検証用装置で得られた結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2005207800.tif 000003
【００３１】
表１から明らかなように、両者の結果は実用的な誤差範囲内にあり、非常によく一致している。このことから、図１の様な簡易な磁歪感度の較正試験方法によっても図３に示すような実際の荷重状態と同様の結果が得られることが実証された。
【００３２】
以上のように、本実施の形態によれば、図３に示すような袖管を設けた大掛かりな装置を用いることなく極めて簡便な装置及び方法によって、実際の現場に適用できる磁歪感度の較正が可能となる。
【００３３】
また、本実施の形態では磁歪センサ１２を荷重作用線上に設置していることから、管周方向と管軸方向の透磁率の差が大きく小さい荷重で大きな応力差及び出力電圧が得られるので磁歪感度の精度が高い。
この点を実証するために、水平方向内面（図１において（ア）（イ）で示す部位）に磁歪センサ１２を設置した場合の負荷応力と出力電圧の関係を求めたので、これを図５及び表２に示す。
【００３４】
【表２】
2005207800.tif 000004
【００３５】
図５及び表２から分かるように、水平位置（ア）（イ）で測定したものは付加する荷重に対して応力及び電圧のふれが小さいために、相関係数も0.9以下と低く高精度の磁歪感度が得られていない。
これに対して、上下位置の本実施形態では、応力及び電圧のふれが大きく相関係数も0.9938と大きく高精度の結果が得られていることが実証された。
【００３６】
また、本実施の形態においては、ひずみゲージ及び磁歪センサを曲管の内面に設置するようにしたので、これらを外面に設置する場合に必要となる塗装や被覆材の剥離作業が不要である。また、袖管の溶接が不要なことから磁歪感度較正に使用した曲管を実工事に供用できるという効果もある。
【００３７】
なお、上記の実施の形態においては、曲管の屈曲部に対して管軸がつくる面に直交する方向から曲管に段階的な圧縮荷重を作用させた例を示した。
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、曲管の屈曲部に対して管軸直交方向に段階的な圧縮荷重を作用させるものを広く含む。例えば、図１に示したのと同様に曲管を定盤７上に置き、曲管の屈曲部内側に反力壁を設け、屈曲部の外側からジャッキ等で曲管屈曲部に水平方向の圧縮荷重を段階的に付加するようにしてもよい。
【００３８】
また、図１に示した本実施形態では荷重を付加するジャッキ側にのみ治具１０を取り付けたが、曲管の管径などに応じて適宜定盤７側にも同様の治具を設けてもよい。
さらに、図１に示した例では定盤７上に曲管を水平に横置きした例を示したが、適当な反力壁を用いることにより曲管を立てた状態にして水平方向に荷重を付加するようにしてもよい。
さらに、図１では曲管の内面上側（ジャッキ側）にひずみゲージ１１を設置し、内面下側（定盤側）に磁歪センサ１２を設置したが、上下逆にしてもよい。
また、ひずみゲージ１１と磁歪センサ１２を、荷重作用点に対して管軸方向対称位置に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態における磁歪感度較正方法に用いる装置の説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態における磁歪感度較正方法によって求めた磁歪感度を示したグラフである。
【図３】本発明の一実施の形態における磁歪感度較正方法を検証するための検証方法の説明図である。
【図４】図３に示した検証方法で得られた磁歪感度を示したグラフである。
【図５】本実施の形態の効果を説明するための説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態において使用する磁気異方性センサの動作原理の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
６…曲管、８…反力架台、９…ジャッキ、１０…治具、１１…ひずみゲージ、１２…磁歪センサ
【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１】
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