JPH11502020A - 磁気歪センサーを用いたパイプ及びチューブの非破壊評価 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 強磁性の及び非強磁性のパイプ（１４）あるいは他の円筒状シェル構造体を検査する方法及び装置は電磁歪効果を利用して構造体内の欠陥を検出している。本発明は有効なテスト応用例を構成しており、伝送コイル素子（１６）により、磁気歪効果を通して円筒状シェル構造体内に機械的パルス（１５）が発生され、また、第２のコイル（２４）はパイプ内の反射された機械波（１５）を検出し、あるいは、１つのセンサー（１０）は伝送器及び検出器双方として機能する。本発明は、また、検出コイル（１６）を備えた受動的なモニター応用例も予想しており、該検出コイル（１６）は、機械波、あるいは、超音波の放射（１５）のための強磁性あるいは非強磁性円筒状構造体を連続してモニターしている。非強磁性構造体（１４）は、センサーが置かれるべき限定区域に強磁性の材料を置き、あるいは、接合させることにより、構造体の壁にニッケルのごとき強磁性材料の層を取り付けることにより検査を受けることが可能にされている。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気歪センサーを用いたパイプ及びチューブの非破壊評価 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。 被試験パイプ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３ ０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１ ２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（pi g）」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４ ０は一連の電導体５０ａ−５０ｎで構成されており、一連の電導体５０ａ−５０ ｎ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３０４ ｍｍ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１４ ８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。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年９月６日 【補正内容】 請求の範囲 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。 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。 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 とを有している方法。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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磁気モジュール列を有しており 、前記列は、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前記構 造体の回りに連続した円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おり、前記磁気モジュールは前記構造体内に別個の静的 磁界を発生させている装置。 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。 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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＵＡ(ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ， ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 テラー，セシル エム．，ザ セカンド アメリカ合衆国 78734 テキサス州オー スチン，レイクウェイ ブルバード 2201，ナンバー 34

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．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、 前記構造体の第１の限定された区域に第１のＤＣバイアス磁界を確立する工程 と、 前記第１の磁界に変動を生じさせる工程と、 前記第１の磁界における前記変動から、磁気歪効果の結果として前記構造体内 に一次機械波を発生させる工程と、 前記構造体の第２の限定された区域に第２のＤＣバイアス磁界を確立する工程 と、 前記一次機械波及び二次機械波の、前記構造体内の通過の結果として前記第２ の磁界の変化を検出する工程であって、逆の磁気歪効果により生じせしめられる 前記第２の磁界の変化は前記機械波の通過の結果として生ずるものであり、前記 第２の機械波は前記構造体における前記ひび、クラック及び他の異常からの前記 一次機械波の反射から生じているものである前記第２の磁界の変化を検出する工 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化を分析するととも に、前記検出された変化を、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。 ２．請求の範囲第１項の方法において、第１のＤＣバイアス磁界を確立する前 記工程は、前記強磁性材料の表面に近接して前記第１の限定された区域のところ に永久あるいは電磁バイアス磁石を位置決めすることを有している方法。 ３．請求の範囲第１項の方法において、前記第１の磁界に変動を生じさせる前 記工程は、前記強磁性材料の表面に近接して、前記第１の限定された区域に隣接 して電磁コイルを置くことと、該電磁コイルを通る電流を変化させて前記強磁性 材料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。 ４．請求の範囲第１項の方法において、第２のＤＣバイアス磁界を確立する前 記工程は、前記強磁性材料の表面に近接して前記第２の限定された区域のところ に永久あるいは電磁バイアス磁石を位置決めすることを有している方法。 ５．請求の範囲第１項の方法において、前記第２の磁界での変動を検出する前 記工程は、前記第２の限定された区域のところに、前記強磁性材料の表面に近接 して電磁検出コイルを置くことと、前記強磁性材料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バラツキを検出すること とを有している方法。 ６．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、且つ、その位置を探す装置にして、 前記構造体の表面に近接して位置決めされ、第１の限定された区域に隣接して 、あるいは、該第１の限定された区域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ＤＣバイアス磁石であって、前記構造体の容 積内に第１のリニア磁界を作り出す前記第１のＤＣバイアス磁石と、 前記第１の磁界にパルス状態の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トーンパルス発生器及びパワーアンプと、 前記構造体の表面に近接して第２の限定区域に隣接して位置決めされた、ある いは、該第２の限定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ＤＣバイアス磁石であって、前記構造体の容 積内に第２のリニア磁界を作り出す前記第２のＤＣバイアス磁石と、 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、また、前記材料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の結果と 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装置。 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、記憶することができる記録手段を更に有している装置。 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。 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。 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。 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。 １２．請求の範囲第６項の装置において、前記第１のＤＣバイアス磁石は第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磁気モジュール列(arr ay)を有しており、前記列は、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 を接続して前記構造体の回りに連続した円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おり、前記磁気モジュールは前記構 造体内に別個の静的磁界を発生させている装置。 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。 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。