(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管を診断対象とし、励磁ヘッドと検出ヘッドから構成される磁気ヘッドを用いて前記励磁ヘッドにより鋼管の測定部位を交流励磁し、前記検出ヘッドに誘起される電圧信号を周波数分離してバルクハウゼンノイズを検出し、前記鋼管に負荷された応力値を診断する鋼管の応力診断方法であって、
予め前記鋼管表面に所定の圧縮残留応力を付与しておき、
前記鋼管表面の所定の測定部位において、前記鋼管の軸方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧をＶL 、周方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧をＶC とした場合、（ＶL −ＶC ）の値から、前記鋼管と同一の部材を使って予め求めておいた外部応力とバルクハウゼンノイズの実効値電圧との関係を表す検量線を用い、前記測定部位に作用している軸方向の前記応力値を求めることを特徴とする鋼管の応力診断方法。
【請求項２】
現場設置前における前記鋼管表面の測定部位の軸方向と周方向にそれぞれ励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧を均一にするように、前記測定部位の面内方向に前記圧縮残留応力を付与した前記鋼管を用いることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の応力診断方法。
【請求項３】
前記測定部位の面内方向に等方的に均一に前記圧縮残留応力を付与した前記鋼管を用いることを特徴とする請求項２に記載の鋼管の応力診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に埋設された鋼管に地盤沈下や地層変動等によって発生した応力を、鋼管から発生するバルクハウゼンノイズを利用して、非破壊的に診断する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス供給管、水道管等の鋼管は地中に埋設されているため、地盤沈下などが発生すると、沈下量の異なる鋼管部位の間に曲げ応力が発生する。その応力が鋼管に長期間に渡って作用すると応力腐食割れが発生する危険が生じ、また、その応力が過大になると鋼管が破損してしまう場合が出てくる。特に、ガス供給管でこのようなことが起こらないように埋設管に作用している応力を監視し、安全性を確認しなければならない。
【０００３】
このために、地表から鋼管表面へ細い抗を開けて、その抗に沈下棒と呼ばれる棒を差込み、その棒の沈下量から地中で生じている鋼管の変形を推定して曲げ応力を求める方法が従来から実施されている。しかし、この方法では鋼管の水平方向の変位を測定できないこと、沈下棒の数が制限されているために鋼管の変形量の推定精度が不十分なこと、の理由から、応力診断の精度に問題があった。
【０００４】
そこで、磁歪を利用した磁歪センサ（磁気異方性センサ）を鋼管表面に直接あてて、その出力値から鋼管に作用している応力を求める方法が提案されている。この測定原理は、鉄などの鋼材では磁歪は正であるため、鋼管表面に応力が作用すると、引っ張り応力方向では透磁率が増加し、圧縮応力方向ではそれが減少することを用いたものである。例えば、鋼管周囲で測定した磁歪センサ出力をサイン曲線で近似して算出した値が保安上の基準値を越えない値、または、最小値となるように調整する応力解放方法（特開平３−１７６６３０号公報）、２ヶ所の応力中立部近傍の磁歪センサ出力の角度依存性を直線近似し、両者の傾きの平均値から曲げ応力を推定する方法（特開平３−１７６６２６号公報）、磁歪センサ出力とＳＩＮθ近似との差をＳＩＮ２θで近似し、その振幅値から偏平応力を推定する方法（特開平３−１７６６２７号公報）、電縫管を磁歪センサで測定する際に溶接部の測定値を除去してＣＯＳθ、ＣＯＳ２θで補正する方法（特開平５−２８１０５８号公報）、磁歪センサ出力が最大となる位置、及びそこから９０°ずれた位置の外径を実測して偏平率を求めて、軸方向最大応力値を補正する方法（特開平６−２８８８４２公報）、磁歪センサ等で部分的に測定した応力を沈下量測定によるシミュレーションに取り入れて埋設管全体の中の最大応力を求めて基準値を越えないようにする管理方法（特開平９−２４２９３３号公報）、等が開示されている。
【０００５】
しかしながら、これらの方法を既埋設管に適用する場合には、管を埋設する前、すなわち、外部応力が負荷されていない状態での所定の測定部位における出力値（初期値）がわかっていれば問題ないが、それが不明の場合には初期値は場所によってばらつくために埋設後に測定した出力値から直接的に応力を求めることはできない。したがって、種々の補正方法を用いて応力を求めなければならなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上の如く、従来の方法では、測定部位の初期値が不明の鋼管の各部位に作用している外部応力を求めようとする場合には、ある程度の仮定的判断を必要とするため、測定精度の低下は避けられなかった。
【０００７】
そこで本発明は、表面に制御された圧縮残留応力が付与された鋼管を用いることにより、埋設前の初期値が不明の場合であっても十分な精度で応力診断を可能にする方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、下記の通りである。
（１）鋼管を診断対象とし、励磁ヘッドと検出ヘッドから構成される磁気ヘッドを用いて前記励磁ヘッドにより鋼管の測定部位を交流励磁し、前記検出ヘッドに誘起される電圧信号を周波数分離してバルクハウゼンノイズを検出し、前記鋼管に負荷された応力値を診断する鋼管の応力診断方法であって、
予め前記鋼管表面に所定の圧縮残留応力を付与しておき、
前記鋼管表面の所定の測定部位において、前記鋼管の軸方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧をＶL 、周方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧をＶC とした場合、（ＶL −ＶC ）の値から、前記鋼管と同一の部材を使って予め求めておいた外部応力とバルクハウゼンノイズの実効値電圧との関係を表す検量線を用い、前記測定部位に作用している軸方向の前記応力値を求めることを特徴とする鋼管の応力診断方法。
【０００９】
（２）現場設置前における前記鋼管表面の測定部位の軸方向と周方向にそれぞれ励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧を均一にするように、前記測定部位の面内方向に前記圧縮残留応力を付与した前記鋼管を用いることを特徴とする前項１に記載の鋼管の応力診断方法。
【００１０】
（３）前記測定部位の面内方向に等方的に均一に前記圧縮残留応力を付与した前記鋼管を用いることを特徴とする前項２に記載の鋼管の応力診断方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
鋼材のバルクハウゼンノイズは、外部応力及び結晶粒径、析出物や転位等の組織に応じて変化するため、外部応力を診断するためには組織を変化させないことが必須であった。すなわち、鋼材に外部応力が作用しても、それが弾性範囲内にあるときには、組織変化がないためバルクハウゼンノイズは応力のみに依存し、かつ、応力に対して可逆的に変化する。しかし、鋼材に降伏応力以上の外部応力が作用し、それが塑性領域に入ってしまうと転位の増殖や結晶回転などが起こり組織が変わってしまうため、もはや外部応力のみを診断をすることが不可能になってしまう。
【００１２】
本発明者らは、外部応力の大きさが降伏応力より大きくなった場合においても組織変化をほとんど生じさせなくするように、測定部位の残留応力の初期状態を制御することを可能にし、さらに、そのような状態において、応力とバルクハウゼンノイズの関係を詳細に調べた結果、本発明に至ったものである。すなわち、本発明者らは、弾性領域から塑性領域に至るまで、さらに、塑性領域においては種々の歪みの大きさまで塑性変形させた場合における、応力あるいは歪みと軸方向及び周方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの大きさ、の関係を詳細に測定した。その結果、一端、測定部位を塑性変形させて、その部位の面内方向に圧縮残留応力を付与した試料に引っ張り応力を新たに負荷した場合には、応力あるいは歪みとバルクハウゼンノイズの実効値電圧の直線相関が成り立つ応力あるいは歪み範囲が、圧縮残留応力が無い場合に比べて格段に広くなることを見出した。さらに、軸方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧（ＶL ）は引っ張り応力あるいは引っ張り歪みに応じて非常に敏感に変化するのに対して、圧縮側ではほとんど変化しないこと、また、周方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧（ＶC ）は、引っ張り側及び圧縮側の両方において、応力あるいは歪みが変化してもほとんど変化しないか、変化しても僅かであることを見出した。
【００１３】
通常の電縫管やシームレス管では鋼管表面の各部位ごとに組織や残留応力が異なるために、実際にバルクハウゼンノイズを測定してみると同じ鋼管でも測定部位が数ｃｍ異なるだけでその実効値電圧は大きく異なってしまう。したがって、各測定部位ごとの初期値の管理が必要になり、管理する上で煩雑になってしまう。本発明者らは、電縫管やシームレス管表面の面内方向にほぼ同じ大きさの圧縮残留応力を付与することによって鋼管表面のどの測定部位でバルクハウゼンノイズを測定しても同じ大きさの実効値電圧が得られることを見出した。この圧縮残留応力を面内に等方的に付与することによって、初期値の値も等方的になって、どの方向から外部応力が負荷されても応力の診断精度の低下を防ぐことが可能になる。しかし、鋼管周囲に渡る所定の測定部位でバルクハウゼンノイズを測定する場合、それらの全ての測定部位に均一な大きさの圧縮残留応力を付与することは可能であっても、製造工程の省力化や生産性を考慮した場合、残留応力を付与する工程は出来るだけ簡略化することが望ましい。
【００１４】
本発明者らは、例えば、エアーブラスト、ショットブラストなどの小さな鋼球やセラミックス粒子を試料表面に高速で衝突させる方法、サンダーによる研磨、等、を用いて鋼管に導入される圧縮残留応力の大きさを評価した。その結果、これらの処理を何度か繰り返せば、鋼管周囲の測定部位の全てにほぼ均一な圧縮残留応力が付与されるが、処理の程度を軽くしていくと、測定部位によって圧縮残留応力の大きさが異なってくることがわかった。しかし、測定部位によって圧縮残留応力の大きさが異なる場合においても、同じ測定部位であるならば、軸方向と周方向の圧縮残留応力の大きさはほぼ同じであることも新たに判明した。
【００１５】
上記のような方法で圧縮残留応力を付与した鋼管のある一個所の測定部位に注目した場合、現場設置前の外部応力が無付加の状態では、軸方向と周方向のそれぞれの方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧は均一（ＶL 〜ＶC 、外部応力なし）であるが、そこに外部曲げ応力が負荷されると、軸方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズ（ＶL ）は応力に応じて変化するが、周方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズ（ＶC ）はほとんど変化しない。したがって、ＶL −ＶC を求めれば、測定部位の場所によらず、外部応力によって生じた実効値電圧のみを抽出できることになる。なお、実際のバルクハウゼンノイズの実効値電圧を検出する場合の測定誤差などを考慮すると、現場設置前の外部応力が無付加の状態において、軸方向と周方向のそれぞれの方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧の差（ＶL −ＶC ）が２ｍＶ〜３ｍＶ程度以下であるなら、ＶL とＶC は均一と見なせる。
【００１６】
通常のガス導管などでは、鋼管に内圧がかかっている状態で測定することになるが、内圧は既知であるため、内圧によって鋼管表面に生じている応力は力学的に計算可能である。したがって、この場合、外部応力を求めたい場合には、測定値からこの内圧による応力増加分を差し引けば良い。
【００１７】
次に測定手順について説明する。
各測定部位において制御された圧縮残留応力が付与された鋼管表面上の周囲に渡って複数の所定の場所で軸方向及び周方向にそれぞれ励磁してバルクハウゼンノイズの実効値電圧ＶL 及びＶC を測定する。その際、鋼管の管軸中心線を含み鋼管表面の所定の測定部位と交わる平面を考え、各平面の内の一枚を基準面として、各測定部位をその基準面と各測定部位を含む平面とのなす角度で表示する。どの面を基準面としても良い。それらの角度と（ＶL −ＶC ）との関係をグラフまたは表に表す。ここで、通常の測定点数は数点から数十点程度である。
【００１８】
次に、このグラフまたは表から（ＶL −ＶC ）の最大値を求める。この部位は軸方向に作用している引っ張り応力が最大となるところである。実効値電圧の最大値から予め同じ鋼種を使って求めておいた検量線を用いて軸方向の最大引っ張り応力値を求めることができる。ここで、応力とバルクハウゼンノイズの関係を表す検量線は、歪みゲージを貼り付けた同じ鋼種の部材に応力を負荷していきながら、バルクハウゼンノイズを同時に測定することによって、容易に求めることができる。
【００１９】
さらに、この最大引っ張り応力値をσmaxとすると、Ｍ＝Ｚ×σmax、（ただし、Ｚは断面係数）から曲げモーメントＭを求めることができる。降伏応力に相当する圧縮残留応力を鋼管表面に付与した場合、降伏応力の約２倍に相当する外部引っ張り応力までバルクハウゼンノイズで診断が可能になる。
【００２０】
電縫管では溶接部、及びその両側に熱影響部があるが、これらの部位ではバルクハゼンノイズが大きく変化してしまう場合がある。被覆や塗装が施されていない場合には目視でそれらの部位を確認できるため、予め測定部位から除くことができるが、被覆や塗装があって目視で確認できない場合には、測定値からこれらの部位に相当する値を除外すればよい。溶接部や熱影響部では，測定部位の角度とバルクハウゼンノイズの実効値電圧との関係を表したグラフにおいて、実効値電圧が不連続的に変化するため、それらの部位を容易に見つけることができる。公知の非接触式磁気ヘッド（特開平７−１７４７３０号公報）を用いれば被覆材の上からでも測定が可能となる。
【００２１】
試料のより深い部位から発生するバルクハウゼンノイズほど減衰が大きくなるため、検出コイルに発生する電圧は小さくなる。これはskin depth効果と呼ばれ、定量的に示すと次にようになる。試料表面においてバルクハウゼンノイズが１／ｅに減衰する発生源の深さをｄとすると、ｄ＝（ρ／πｆμ）1/2、（ρは電気抵抗、ｆはバルクハウゼンノイズの検出周波数、μは透磁率）で表される。残留応力を付与する深さは、検出深さをｄとした場合、少なくとも０．５ｄ以上であることが好ましい。それが０．５ｄより少ない場合には、バルクハウゼンノイズと応力あるいは歪みとの関係において、両者の直線相関が成り立つ応力範囲が低下するからである。
【００２２】
本発明を実際に使う場合には、被測定部材における外部応力とバルクハウゼンノイズの実効値電圧との関係を示す検量線を予め測定しておき、この検量線を用いて実際に測定した実効値電圧差（ＶL −ＶC ）を応力へ換算すればよい。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
外径３１８ｍｍ、肉厚６．９ｍｍ、長さ６０００ｍｍのＳＧＰ３００Ａ鋼管表面の全面に渡ってスチール系研掃材を用いたショットブラスト処理を施すことによって圧縮残留応力を付与した。但し、部位によってショットブラスト処理の強さを積極的に変えて、圧縮残留応力の大きさを場所によって変化させた。この鋼管を曲げて任意量の外部応力を負荷した状態でバルクハウゼンノイズを測定し、本発明によって外部応力が診断できるか否かを調べた。
【００２４】
バルクハウゼンノイズの測定は、以下のようにして行った。珪素鋼板を積層したＵ字型励磁コアに１０００ターンのエナメル線を巻いた励磁ヘッド、及び断面積が２ｍｍ×８ｍｍのアクリル製ボビンに５００ターンのエナメル線を巻いた検出ヘッドからなる磁気ヘッドを用いて軸方向及び周方向の二つの方向に励磁して各測定部位の実効値電圧ＶL 及びＶC をそれぞれ測定した。励磁周波数は１００Ｈｚ、検出周波数は１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。同一鋼種を使って予め求めておいた検量線を用いて、（ＶL −ＶC ）を応力に換算した場合、及び比較例としてＶL を応力に換算した場合について検討した。
【００２５】
鋼管の測定部位は管軸中心線を含み鋼管表面の所定の測定部位と交わる平面を考え、その内の一枚の平面を基準面とし、測定部位をその基準面と各測定部位を含む平面とのなす角度で表示した。実際には、任意の面を基準面として、２２．５°の間隔で１６ヶ所を鋼管周囲にわたって一周分測定した。
【００２６】
ショットブラスト処理後の鋼管表面の残留応力の大きさの深さ方向の分布は、表面から板厚方向へ所定厚さだけエッチングした後、Ｘ線残留応力測定法によって求めた。その結果、各測定部位では、表面から約１５０μｍの深さまではほぼ同じ大きさの圧縮残留応力が面内で等方的に均一に入っているが、圧縮残留応力の絶対値は、各測定部位で異なっていることを確認した。
【００２７】
図１は、各測定部位において、軸方向及び周方向に励磁して測定したバルクハウゼンノイズの実効値電圧ＶL 及びＶC を示す特性図である。
各測定部位の圧縮残留応力の大きさが異なっているために、実効値電圧はばらついている。このグラフからでは、鋼管のどの部位に最大引っ張り応力が負荷されているのかを求めることは困難である。
【００２８】
図２は、本発明に従ってＶL −ＶC を求めた特性図である。
この図から、明らかに２３°の部位と２１０°部位の間に軸方向に引っ張り応力が作用していることがわかり、約１１０°部位に最大引っ張り応力が作用していることがわかる。
【００２９】
図２では最大で４．５ｍＶ増加しているが、これを予め求めておいた検量線を用いて応力に換算すると、２１０ＭＰａとなる。この値は、曲げた鋼管の曲率を精度良く測定して計算によって求めた歪みの値を応力に換算した値とほぼ一致した。
【００３０】
したがって、本発明によって、各測定部位の圧縮残留応力の大きさが異なっている場合においても応力の診断が可能であることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、表面に予め圧縮残留応力が付与された鋼管のバルクハウゼンノイズを鋼管の周囲に渡って所定の部位で測定することによって、鋼管に作用している応力を精度良く診断することが可能となる。本発明は弾性域のみならず、塑性域においても適用することか可能であるため、本発明を用いることによって、埋設してある鋼管に対して、本来最も注意して監視し、場合によっては直ちに応力解放工事を実施しなければならないような塑性領域にある応力の診断精度も格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】バルクハウゼンノイズの実効値電圧のプロファイルを表す（実測値）特性図である。
【図２】バルクハウゼンノイズの実効値電圧のプロファイルを表す（本発明による計算結果）特性図である。
【図１】
0004029119.tif 000002
【図２】
0004029119.tif 000003