磁気センシングによる材質劣化・微小欠陥の 同時非破壊評価技術開発
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カテゴリ: 第12回
１．はじめに
インフラ社会基盤構造物の老朽化・経年劣化が進展しており, それらを長期使用するために構造物の健全性評価の重要性は年々増加の一途である. これら構造物には, 強磁性を示す鉄鋼材が多用されていることから, 健全性評価に材料組織に起因した磁気特性変化や漏れ磁束などを利用した磁気的非破壊評価技術の適用性が検討されてきた[1]. ヒステリシス特性やバルクハウゼンノイズ, 透磁率変化は, 亀裂発生前の材質劣化評価[2], 磁束漏洩(MFL)法は配管の減肉評価への適用性が検討されている[3]. しかし, 強磁性体の微小欠陥の評価に磁気的手法を適用した報告例は少ない. そこで本研究では, ヒステリシス特性に基づく材質劣化評価とサブミリサイズの非常に微小な欠陥を磁気的に検出する手法の組み合わせについて検討し, 評価効率改善の可能性について検討した.
２．実験方法 本研究では、未圧延及び40 %の圧延率で冷間圧延した低炭素鋼S15C を試料として用いた（炭素0.16 wt.%）。試料の寸法は10 mm ×55 mm×1 mm である。また, 試料にはサブミリサイズの微小欠陥を模擬するため孔を設けた. その寸法は, 孔の径が100, 300, 500, 1000 mm, 孔の深さは0.1, 0.3, 0.5, 0.7 mmと変化させた。レファレンス材として, それぞれの材質の鋼に孔の空いてない試料も準備した. BH ループの計測について説明する. 磁気ヨークを試料上に配置し, 励磁コイルに三角波電流を印加して, 試料を励磁する. 0.05 Hz で励磁を行い, ピックアップコイルの誘起電圧を増幅, フィルタリングして計測後, 積分してヒステリシスループを得た. Fig. 1 には, 用いた磁気ヨークの寸法を, また, Fig. 2(a)には, BH ループの測定系を示した. 続いて, MFL の測定法について説明する. 磁気ヨークの励磁コイルに0.8 A の直流電流を印加することで試料を磁化し, 磁界センサを用いて試料表面の磁界分布の評価を行った. 磁界センサはArepoc 社製のホールセンサで感磁面積は20 mm×20 mm である. 表面の磁界は試料内部の磁界に対して水平方向成分Bx と垂直方向成分Bzの2 通りについて計測を行った. また, 試料に孔が空いている面を表面, 空いていない面を裏面として表裏両面で測定した. 検出方法としては, Fig. 2(b)に示すように磁界センサをヨーク中央に固定し, ヨークを試料上で移動させて磁界を検出する｢走査型｣で計測を行った. 連絡先: 菊池弘昭, 〒020-8551 盛岡市上田4-3-5,
３．実験結果 Fig. 3(a)は未圧延及び圧延率40 %の試料におけるBH ループの測定結果を, 孔の有無で比較して示したものである. 圧延率の違いによりループの形状に大きく変化が見られ, 保磁力にも違いが観測でき, 材質の変化をBH ループで検出できていることがわかる。一方, 孔の有無による違いは, BH ループ上で見出すことができなかった. Fig . 3(b)は孔を有した試料の漏れ磁界分布をMFL により実測した結果を示したものである. Bz について示しており, 試料の孔の径は300 mm, 深さ0.5 mm である. 孔のない試料においては, 未圧延, 圧延材ともに, 磁界分布に変化は見られなかった。一方, 孔を有するものは孔付近で磁界分布に大きな変化が見られた。ただし, 未圧延材と圧延材による磁界分布プロファイルには差がなく, 磁束漏洩では, 材質劣化を評価するのは難しい. また, ピークの大きさは孔の径の大きさに比例して大きくなる結果となり, ピークとピークの間隔は, 孔の径と比例する結果が得られた. Bx 成分についても孔の径に比例してピークの最大値とプロファイルの幅が大きくなる結果が得られた. これらの関係を用いて孔のサイジングが可能になるものと考えられる. ４．結言 BH ループとMFL の組み合わせにより, 材質劣化とサブミリサイズの欠陥の評価の可能性を見出す事ができた. 磁束漏洩法により試料の微小欠陥のサイジングを行い, BH ループの計測により, 材質劣化を評価する. それぞれの手法はもう一方の検査対象に対しては低感度なため, 同一の測定系で欠陥・劣化評価が可能になるものと思われる. 参考文献 [1] H. Kronmuller, “Magnetic Techniques for the Study of Dislocations in Ferromagnetic Materials”, Int. J. Nondestruct. Testing, Vol. 3, pp.315-350, 1972. [2] 菊池弘昭, “鋼材の欠陥・劣化非破壊評価のための磁気利用センシングシステム”, 平成24 年電気学会全国大会講演集, Vol. 2, 2-S2(33)-(36), 1905/07/04[3] H. Kikuchi, et. al., “Feasibility Study of Application of MFL to Monitoring of Wall Thinning under Reinforcing Plates in Nuclear Power Plants”, IEEE Trans. Magn., Vol. 47, No. 10, pp. 3963-3966, 2011. 6 mm Single-yoke 6 mm25 mm 15 mm 20 mm Excitation coil：150 T Yoke (Fe-Si) Fig. 1 Configuration of magnetic yoke. 1 W GND GND Amp. AD CH2 L.P.F fc = 50 Hz G = 20 dB 10 MW 10 MW 50 W VI VB AD CH1 F.G. Amp. NH NB ,SB (a) BH loop measurement Bz Bx スキャンホールセンサx (b) MFL measurement Fig. 2 Diagram of measurement circuit and way to scan leakage field. -3-2-10123-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 undef. no defect defect def. no defect def. defect Magnetic flux F (Wb x 10-5) Magnetomotive force NI (AT) (a) Hysteresis loops -3-2-10123-6 -4 -2 0 2 4 undef. no defect def. no defect undef. defect def. defect Magnetic flux dencity Bz (mT) Position x (mm) (b) Magnetic field distribution Fig. 3 Hysteresis loops and magnetic field distribution for undeformed/defoemed samples with/without a hole. - 170 -
“ “磁気センシングによる材質劣化・微小欠陥の 同時非破壊評価技術開発 “ “菊池 弘昭,Hiroaki KIKUCHI,清水 勇,Isamu SHIMIZU,岩田 圭司,Keiji IWATA
インフラ社会基盤構造物の老朽化・経年劣化が進展しており, それらを長期使用するために構造物の健全性評価の重要性は年々増加の一途である. これら構造物には, 強磁性を示す鉄鋼材が多用されていることから, 健全性評価に材料組織に起因した磁気特性変化や漏れ磁束などを利用した磁気的非破壊評価技術の適用性が検討されてきた[1]. ヒステリシス特性やバルクハウゼンノイズ, 透磁率変化は, 亀裂発生前の材質劣化評価[2], 磁束漏洩(MFL)法は配管の減肉評価への適用性が検討されている[3]. しかし, 強磁性体の微小欠陥の評価に磁気的手法を適用した報告例は少ない. そこで本研究では, ヒステリシス特性に基づく材質劣化評価とサブミリサイズの非常に微小な欠陥を磁気的に検出する手法の組み合わせについて検討し, 評価効率改善の可能性について検討した.
２．実験方法 本研究では、未圧延及び40 %の圧延率で冷間圧延した低炭素鋼S15C を試料として用いた（炭素0.16 wt.%）。試料の寸法は10 mm ×55 mm×1 mm である。また, 試料にはサブミリサイズの微小欠陥を模擬するため孔を設けた. その寸法は, 孔の径が100, 300, 500, 1000 mm, 孔の深さは0.1, 0.3, 0.5, 0.7 mmと変化させた。レファレンス材として, それぞれの材質の鋼に孔の空いてない試料も準備した. BH ループの計測について説明する. 磁気ヨークを試料上に配置し, 励磁コイルに三角波電流を印加して, 試料を励磁する. 0.05 Hz で励磁を行い, ピックアップコイルの誘起電圧を増幅, フィルタリングして計測後, 積分してヒステリシスループを得た. Fig. 1 には, 用いた磁気ヨークの寸法を, また, Fig. 2(a)には, BH ループの測定系を示した. 続いて, MFL の測定法について説明する. 磁気ヨークの励磁コイルに0.8 A の直流電流を印加することで試料を磁化し, 磁界センサを用いて試料表面の磁界分布の評価を行った. 磁界センサはArepoc 社製のホールセンサで感磁面積は20 mm×20 mm である. 表面の磁界は試料内部の磁界に対して水平方向成分Bx と垂直方向成分Bzの2 通りについて計測を行った. また, 試料に孔が空いている面を表面, 空いていない面を裏面として表裏両面で測定した. 検出方法としては, Fig. 2(b)に示すように磁界センサをヨーク中央に固定し, ヨークを試料上で移動させて磁界を検出する｢走査型｣で計測を行った. 連絡先: 菊池弘昭, 〒020-8551 盛岡市上田4-3-5,
３．実験結果 Fig. 3(a)は未圧延及び圧延率40 %の試料におけるBH ループの測定結果を, 孔の有無で比較して示したものである. 圧延率の違いによりループの形状に大きく変化が見られ, 保磁力にも違いが観測でき, 材質の変化をBH ループで検出できていることがわかる。一方, 孔の有無による違いは, BH ループ上で見出すことができなかった. Fig . 3(b)は孔を有した試料の漏れ磁界分布をMFL により実測した結果を示したものである. Bz について示しており, 試料の孔の径は300 mm, 深さ0.5 mm である. 孔のない試料においては, 未圧延, 圧延材ともに, 磁界分布に変化は見られなかった。一方, 孔を有するものは孔付近で磁界分布に大きな変化が見られた。ただし, 未圧延材と圧延材による磁界分布プロファイルには差がなく, 磁束漏洩では, 材質劣化を評価するのは難しい. また, ピークの大きさは孔の径の大きさに比例して大きくなる結果となり, ピークとピークの間隔は, 孔の径と比例する結果が得られた. Bx 成分についても孔の径に比例してピークの最大値とプロファイルの幅が大きくなる結果が得られた. これらの関係を用いて孔のサイジングが可能になるものと考えられる. ４．結言 BH ループとMFL の組み合わせにより, 材質劣化とサブミリサイズの欠陥の評価の可能性を見出す事ができた. 磁束漏洩法により試料の微小欠陥のサイジングを行い, BH ループの計測により, 材質劣化を評価する. それぞれの手法はもう一方の検査対象に対しては低感度なため, 同一の測定系で欠陥・劣化評価が可能になるものと思われる. 参考文献 [1] H. Kronmuller, “Magnetic Techniques for the Study of Dislocations in Ferromagnetic Materials”, Int. J. Nondestruct. Testing, Vol. 3, pp.315-350, 1972. [2] 菊池弘昭, “鋼材の欠陥・劣化非破壊評価のための磁気利用センシングシステム”, 平成24 年電気学会全国大会講演集, Vol. 2, 2-S2(33)-(36), 1905/07/04[3] H. Kikuchi, et. al., “Feasibility Study of Application of MFL to Monitoring of Wall Thinning under Reinforcing Plates in Nuclear Power Plants”, IEEE Trans. Magn., Vol. 47, No. 10, pp. 3963-3966, 2011. 6 mm Single-yoke 6 mm25 mm 15 mm 20 mm Excitation coil：150 T Yoke (Fe-Si) Fig. 1 Configuration of magnetic yoke. 1 W GND GND Amp. AD CH2 L.P.F fc = 50 Hz G = 20 dB 10 MW 10 MW 50 W VI VB AD CH1 F.G. Amp. NH NB ,SB (a) BH loop measurement Bz Bx スキャンホールセンサx (b) MFL measurement Fig. 2 Diagram of measurement circuit and way to scan leakage field. -3-2-10123-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 undef. no defect defect def. no defect def. defect Magnetic flux F (Wb x 10-5) Magnetomotive force NI (AT) (a) Hysteresis loops -3-2-10123-6 -4 -2 0 2 4 undef. no defect def. no defect undef. defect def. defect Magnetic flux dencity Bz (mT) Position x (mm) (b) Magnetic field distribution Fig. 3 Hysteresis loops and magnetic field distribution for undeformed/defoemed samples with/without a hole. - 170 -
“ “磁気センシングによる材質劣化・微小欠陥の 同時非破壊評価技術開発 “ “菊池 弘昭,Hiroaki KIKUCHI,清水 勇,Isamu SHIMIZU,岩田 圭司,Keiji IWATA