静磁界及び微小交流磁界を併用した鋼板肉厚測定法の三次元非線形磁界解析評価
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カテゴリ: 第5回
1. 緒言
鉄鋼材料は初透磁率の不均一性が存在するため、 微小交流磁界を使用する渦電流探傷試験法(ECT) では、検出の際の測定信号にμノイズが発生し、 欠陥による信号を明確に得られない場合がある。 また ECT は交流磁界を使用するため、表皮効果の 影響により表面探傷に限定される。鋼材内の初透磁率の不均一性を除去した上で、 欠陥や肉厚を検出する方法には様々な手法が提案 されているが、代表的な手法の一つに大きな直流 磁界とECTを併用した検査法(以下、直流磁化ECT と定義する)がある。この直流磁化 ECT は、検査 鋼板表面から大きな直流磁界を加えて、初透磁率 の不均一性を低減させた上でECT を適用し、裏面 欠陥や肉厚測定を行う検査法である。本研究では、検査鋼板のヒステリシス曲線を使 用して、線形補間からマイナーループを求める三 次元交流非線形渦電流解析法の開発を行い、実現 場で使用されている検査装置(SLOFEC)の現象解 明解析を行ったので報告する。
2.解析モデルと条件 2.1 検討モデルここでは実現場で使用されている検査装置と同 様のモデルを使用して解析を行った。検査装置の 解析モデル概要図を Fig.1、各寸法を Fig.2 にそれ ぞれ示す。これは検査鋼材(SS400)表面から直流磁 化器によって直流磁界を印加し、さらに差動型 ECT コイルで微小交流磁界を印加して裏面欠陥を 検出するモデルである。またリフトオフ(検査鋼材 との距離)は直流磁化器では 5mm、差動型 ECT コ イルは 6mm に設定している。鋼板の裏面欠陥の 寸法は幅(X 方向)=9mm、奥行き(Y 方向)=9mm、深 さ(Z方向)=1.8mm である。これら解析条件をまと めて Table.1 に示す。DC-exciting coil. (32A, 82turns)VSteel plate(SS400)YokeDifferential type ECT coil (50kHz, 0.01A, 100turns)Opposite side defectFig.1 Inspection model (1/2 domain)「 - 981000(a) DC and ECT coils230Steel plate (SS400)114 9929.5.4| 58|22.5275(b) X-Z plane2. 2 透検査に使用 に示す。図は (OUTUMIC PAはこの、州に出目と味でに及ん て各位置における B-H曲線を測定した結果を示し ている。解析では鋼板メッシュ分割内に、Fig.3 の 範囲でばらつく B-H 曲線を47 本作成し、正規乱 数を発生させ、ランダムに各要素内に B-H 曲線を 配置して非線形計算を行った。00S MY:2001972523 14.53.三次元非線形磁界解析(c) X-Y plane Fig.2 Size of inspection model (unit:mm)max\minB[T]3.1 直流磁界解析 直流励磁電流を様々に変化させた場合の直流磁 束密度の解析結果を Fig.4 にそれぞれ示す。これ は裏面欠陥が存在しない時を示している。Fig.4 か ら、直流磁化電流が増すにつれて、鋼材内部の磁 束密度の不均一性は低減されることが分かる。こ のモデルでは直流励磁電流を 32A程度まで上げる と磁束密度の不均一性は無くなることが分かった。 これらの図から 32A 程度であれば探傷を行う際の ルノイズを減らすことが可能だと考えられる。Fig.5 に裏面欠陥が有る場合と無い場合の欠陥 近傍における直流磁束密度のベクトル分布を示す。 図から裏面欠陥が存在する場合は直流磁束密度が 欠陥を迂回するため、鋼板内部表層に直流磁束密average0.0 10_1000 20003000 400050006000H[A/m]Fig.3 Magnetization curves (SS400)- 164 -Table.1 Conditions of numerical calculation DC-exciting1~32A(82Turns) Magnetization coil condition0.01A, 100Turns, ECT-coils50kHzStatic magnet yoke5mmLift offECT-coils6mmSize of opposite sidedefectLength (X direction) = 9mm Width (Y direction) = 9mm Depth (Z direction) = 1.8mm Length (X direction) = 1000mm Width (Y direction) = 1000mm Depth (Z direction) = 9mm0=7.51×10's/mSteel plate (SS400)2.2 透磁率の不均一性の考慮法検査に使用した鋼板(SS400)の B-H 曲線を Fig.3 | に示す。図は 9p で長さが 100mm の棒状の鋼材 (SS400)を電磁石にはさみ、測定位置を様々に変え て各位置における B-H曲線を測定した結果を示しFig.5 に裏面欠陥が有る場合と無い場合の欠陥 近傍における直流磁束密度のベクトル分布を示す。 図から裏面欠陥が存在する場合は直流磁束密度が 欠陥を迂回するため、鋼板内部表層に直流磁束密 度が集中していることが分かる。これに対し裏面 欠陥が存在しない場合、直流磁束密度は鋼板内部 を一様に分布して通過する。つまり、裏面欠陥が 存在する時と存在しない時では鋼板内部表層の直 流磁束密度の値に差が発生することが理解できる。(a) With opposite side defect (a) With opposite side defect(Bmax=1.88T)ECT-coilDisplay areaEXSteel plate(a) Display domain(a) Display domain55mm(b) Without opposite side defect(Bmax=1.80T) Fig.5 Distribution of static magnetic fluxdensity in steel plate (DC:32A)*??,(b) 1A [Bmin=0.07T, Bon=0.084T]n.中していることが分かる。これに対し裏面 存在しない場合、直流磁束密度は鋼板内部 に分布して通過する。つまり、裏面欠陥が る時と存在しない時では鋼板内部表層の直 密度の値に差が発生することが理解できる。ECT-coilHA(a) With opposite side defect(Bmax=1.88T)Display areaSteel plate(a) Display domain55mm(b) Without opposite side defect(Bomax=1.80T) Fig.5 Distribution of static magnetic fluxdensity in steel plate (DC:32A)(b) 1A [B.min=0.07T, Bumns=0.084T]ECT-coilDisplay area13Steel (SS400)SweXX 40mm大きい4mm(C) 12A [Bon = 1.25T, Brun = 1.5T]Opposite side defect(d) 20A [Bmin=1.52T, Bomax=1.68T](a) Display domain(e) 32A [Bmin=1.5ST, B.max=1.8T]minmax(b) Without defect (Bmin=8.0 × 10-T)(c) With defect (Bmv=7.0×10T)Fig.4 Distribution of direct currentmagnetic flux densityCo8B[mT]Fig.6 Distribution of minute alternating magnetic field in steel (differential coil, 50kHz, 0.01A)-145(d) 20A [Brain=1.52T, Bomax=1.68T](a) Display domain(b) Without defect(c) With defect (Bouv=8.0 × 10-T) (Bmv=7.0 × 10-T) - 165 - 3.2 微小交流磁界解析ここでは、直流励磁電流を 32A 一定とし、透磁 率の不均一性をおさえた上で、差動型 ECT コイル で微小交流磁界を加えた際の解析を行った。微小 交流磁界は差動型 ECT コイルで発生し、磁化条件 磁束密度分布)を裏面欠陥の有無別に Fig.6 に示す。Fig.6 から裏面欠陥が存在する場合と存在しな い場合では、最大磁束密度の値に差がみられる。 これは欠陥が有る時と無い時の鋼板内部表層の直 流磁束密度差によって生じることが考えられる。 また、図から微小交流磁界は鋼板表層のみに分布 し、鋼板の裏面までは到達していないことが理解 できる。つまり、直流磁化 ECT では鋼板内部表層 3.2 微小交流磁界解析3.3 裏面欠陥の探傷 ここでは、直流励磁電流を 32A 一定とし、透磁 ここでは現象理解を容易にするため、ECT コイ 率の不均一性をおさえた上で、差動型 ECT コイル ルは1個とし、裏面欠陥の有無によるインピーダ で微小交流磁界を加えた際の解析を行った。微小 ンスの変化を検討した。なお、ECT コイルの励磁 交流磁界は差動型 ECT コイルで発生し、磁化条件 条件は 50kHz,0.01A としている。Fig.7 に裏面欠陥 は 50kHz (0.01A)とした。この時に得られる各 ECT が存在する場合の鋼材内部の交流磁束密度分布を コイル真下の鋼板内部に生じるマイナーループの 示し、Fig.8 に ECT コイルの場所を移動させた時 最大値と最小値の差をとった磁束密度分布(交流 のコイル内部のインピーダンスの値をそれぞれ示」 磁束密度分布)を裏面欠陥の有無別に Fig.6 に示す。 している。Fig.7 から ECT コイルが一個の場合でFig.6 から裏面欠陥が存在する場合と存在しな も交流磁束密度が鋼板表層に集中していることが い場合では、最大磁束密度の値に差がみられる。 確認できる。また Fig.8 より、裏面欠陥の有無に これは欠陥が有る時と無い時の鋼板内部表層の直よってコイル内部のインピーダンスの値が変化す 流磁束密度差によって生じることが考えられる。 ることがわかる。この結果からも、直流磁化 ECT また、図から微小交流磁界は鋼板表層のみに分布。 における微小交流磁界は直流磁束密度差によって し、鋼板の裏面までは到達していないことが理解。 欠陥探傷を行っていることが分かる。 できる。つまり、直流磁化 ECT では鋼板内部表層 に分布する、直流磁束密度の差を ECT コイルで検 出していると考えられる。430.75ECT-coilImpedance[92]Display area430.294mm14mmSteel (SS400)with defectwithout defectFig.8 Impedance in ECT coilOpposite side defect (a) Display domain4.結言B[mt]Premissic本研究で得られた知見をまとめると以下のよ うになる (1) 直流磁化電流を約 32A まで増加することにより鋼材内部のムノイズを除去できる。 (2) 微小交流磁界は鋼材表層のみに分布する。直流磁化 ECT における交流磁界は、鋼板表 | 層の直流磁束密度差により欠陥を検出して いる。(b) With opposite side defectFig. 7 Distribution of minute alternating magneticfield (single coil, 50kHz, 0.01A)参考文献 [1] 徳本貴則、後藤雄治:直流および微小交流磁 場を併用した鋼板肉厚検査手法の数値解析評 価、(社)日本非破壊検査協会、表面探傷分科会、 資料 No.30264、pp.5-8、2007条件は 50kHz,0.01A としている。Fig.7 に裏面欠陥 が存在する場合の鋼材内部の交流磁束密度分布を 直流磁化電流を約 32A まで増加することに より鋼材内部のムノイズを除去できる。 微小交流磁界は鋼材表層のみに分布する。 直流磁化 ECT における交流磁界は、鋼板表 層の直流磁束密度差により欠陥を検出して - 166 -
“ “?静磁界及び微小交流磁界を併用した 鋼板肉厚測定法の三次元非線形磁界解析評価“ “徳本 貴則,Takanori TOKUMOTO,小野田 二千翔,Nichika ONODA,後藤 雄治,Yuji GOTOH
鉄鋼材料は初透磁率の不均一性が存在するため、 微小交流磁界を使用する渦電流探傷試験法(ECT) では、検出の際の測定信号にμノイズが発生し、 欠陥による信号を明確に得られない場合がある。 また ECT は交流磁界を使用するため、表皮効果の 影響により表面探傷に限定される。鋼材内の初透磁率の不均一性を除去した上で、 欠陥や肉厚を検出する方法には様々な手法が提案 されているが、代表的な手法の一つに大きな直流 磁界とECTを併用した検査法(以下、直流磁化ECT と定義する)がある。この直流磁化 ECT は、検査 鋼板表面から大きな直流磁界を加えて、初透磁率 の不均一性を低減させた上でECT を適用し、裏面 欠陥や肉厚測定を行う検査法である。本研究では、検査鋼板のヒステリシス曲線を使 用して、線形補間からマイナーループを求める三 次元交流非線形渦電流解析法の開発を行い、実現 場で使用されている検査装置(SLOFEC)の現象解 明解析を行ったので報告する。
2.解析モデルと条件 2.1 検討モデルここでは実現場で使用されている検査装置と同 様のモデルを使用して解析を行った。検査装置の 解析モデル概要図を Fig.1、各寸法を Fig.2 にそれ ぞれ示す。これは検査鋼材(SS400)表面から直流磁 化器によって直流磁界を印加し、さらに差動型 ECT コイルで微小交流磁界を印加して裏面欠陥を 検出するモデルである。またリフトオフ(検査鋼材 との距離)は直流磁化器では 5mm、差動型 ECT コ イルは 6mm に設定している。鋼板の裏面欠陥の 寸法は幅(X 方向)=9mm、奥行き(Y 方向)=9mm、深 さ(Z方向)=1.8mm である。これら解析条件をまと めて Table.1 に示す。DC-exciting coil. (32A, 82turns)VSteel plate(SS400)YokeDifferential type ECT coil (50kHz, 0.01A, 100turns)Opposite side defectFig.1 Inspection model (1/2 domain)「 - 981000(a) DC and ECT coils230Steel plate (SS400)114 9929.5.4| 58|22.5275(b) X-Z plane2. 2 透検査に使用 に示す。図は (OUTUMIC PAはこの、州に出目と味でに及ん て各位置における B-H曲線を測定した結果を示し ている。解析では鋼板メッシュ分割内に、Fig.3 の 範囲でばらつく B-H 曲線を47 本作成し、正規乱 数を発生させ、ランダムに各要素内に B-H 曲線を 配置して非線形計算を行った。00S MY:2001972523 14.53.三次元非線形磁界解析(c) X-Y plane Fig.2 Size of inspection model (unit:mm)max\minB[T]3.1 直流磁界解析 直流励磁電流を様々に変化させた場合の直流磁 束密度の解析結果を Fig.4 にそれぞれ示す。これ は裏面欠陥が存在しない時を示している。Fig.4 か ら、直流磁化電流が増すにつれて、鋼材内部の磁 束密度の不均一性は低減されることが分かる。こ のモデルでは直流励磁電流を 32A程度まで上げる と磁束密度の不均一性は無くなることが分かった。 これらの図から 32A 程度であれば探傷を行う際の ルノイズを減らすことが可能だと考えられる。Fig.5 に裏面欠陥が有る場合と無い場合の欠陥 近傍における直流磁束密度のベクトル分布を示す。 図から裏面欠陥が存在する場合は直流磁束密度が 欠陥を迂回するため、鋼板内部表層に直流磁束密average0.0 10_1000 20003000 400050006000H[A/m]Fig.3 Magnetization curves (SS400)- 164 -Table.1 Conditions of numerical calculation DC-exciting1~32A(82Turns) Magnetization coil condition0.01A, 100Turns, ECT-coils50kHzStatic magnet yoke5mmLift offECT-coils6mmSize of opposite sidedefectLength (X direction) = 9mm Width (Y direction) = 9mm Depth (Z direction) = 1.8mm Length (X direction) = 1000mm Width (Y direction) = 1000mm Depth (Z direction) = 9mm0=7.51×10's/mSteel plate (SS400)2.2 透磁率の不均一性の考慮法検査に使用した鋼板(SS400)の B-H 曲線を Fig.3 | に示す。図は 9p で長さが 100mm の棒状の鋼材 (SS400)を電磁石にはさみ、測定位置を様々に変え て各位置における B-H曲線を測定した結果を示しFig.5 に裏面欠陥が有る場合と無い場合の欠陥 近傍における直流磁束密度のベクトル分布を示す。 図から裏面欠陥が存在する場合は直流磁束密度が 欠陥を迂回するため、鋼板内部表層に直流磁束密 度が集中していることが分かる。これに対し裏面 欠陥が存在しない場合、直流磁束密度は鋼板内部 を一様に分布して通過する。つまり、裏面欠陥が 存在する時と存在しない時では鋼板内部表層の直 流磁束密度の値に差が発生することが理解できる。(a) With opposite side defect (a) With opposite side defect(Bmax=1.88T)ECT-coilDisplay areaEXSteel plate(a) Display domain(a) Display domain55mm(b) Without opposite side defect(Bmax=1.80T) Fig.5 Distribution of static magnetic fluxdensity in steel plate (DC:32A)*??,(b) 1A [Bmin=0.07T, Bon=0.084T]n.中していることが分かる。これに対し裏面 存在しない場合、直流磁束密度は鋼板内部 に分布して通過する。つまり、裏面欠陥が る時と存在しない時では鋼板内部表層の直 密度の値に差が発生することが理解できる。ECT-coilHA(a) With opposite side defect(Bmax=1.88T)Display areaSteel plate(a) Display domain55mm(b) Without opposite side defect(Bomax=1.80T) Fig.5 Distribution of static magnetic fluxdensity in steel plate (DC:32A)(b) 1A [B.min=0.07T, Bumns=0.084T]ECT-coilDisplay area13Steel (SS400)SweXX 40mm大きい4mm(C) 12A [Bon = 1.25T, Brun = 1.5T]Opposite side defect(d) 20A [Bmin=1.52T, Bomax=1.68T](a) Display domain(e) 32A [Bmin=1.5ST, B.max=1.8T]minmax(b) Without defect (Bmin=8.0 × 10-T)(c) With defect (Bmv=7.0×10T)Fig.4 Distribution of direct currentmagnetic flux densityCo8B[mT]Fig.6 Distribution of minute alternating magnetic field in steel (differential coil, 50kHz, 0.01A)-145(d) 20A [Brain=1.52T, Bomax=1.68T](a) Display domain(b) Without defect(c) With defect (Bouv=8.0 × 10-T) (Bmv=7.0 × 10-T) - 165 - 3.2 微小交流磁界解析ここでは、直流励磁電流を 32A 一定とし、透磁 率の不均一性をおさえた上で、差動型 ECT コイル で微小交流磁界を加えた際の解析を行った。微小 交流磁界は差動型 ECT コイルで発生し、磁化条件 磁束密度分布)を裏面欠陥の有無別に Fig.6 に示す。Fig.6 から裏面欠陥が存在する場合と存在しな い場合では、最大磁束密度の値に差がみられる。 これは欠陥が有る時と無い時の鋼板内部表層の直 流磁束密度差によって生じることが考えられる。 また、図から微小交流磁界は鋼板表層のみに分布 し、鋼板の裏面までは到達していないことが理解 できる。つまり、直流磁化 ECT では鋼板内部表層 3.2 微小交流磁界解析3.3 裏面欠陥の探傷 ここでは、直流励磁電流を 32A 一定とし、透磁 ここでは現象理解を容易にするため、ECT コイ 率の不均一性をおさえた上で、差動型 ECT コイル ルは1個とし、裏面欠陥の有無によるインピーダ で微小交流磁界を加えた際の解析を行った。微小 ンスの変化を検討した。なお、ECT コイルの励磁 交流磁界は差動型 ECT コイルで発生し、磁化条件 条件は 50kHz,0.01A としている。Fig.7 に裏面欠陥 は 50kHz (0.01A)とした。この時に得られる各 ECT が存在する場合の鋼材内部の交流磁束密度分布を コイル真下の鋼板内部に生じるマイナーループの 示し、Fig.8 に ECT コイルの場所を移動させた時 最大値と最小値の差をとった磁束密度分布(交流 のコイル内部のインピーダンスの値をそれぞれ示」 磁束密度分布)を裏面欠陥の有無別に Fig.6 に示す。 している。Fig.7 から ECT コイルが一個の場合でFig.6 から裏面欠陥が存在する場合と存在しな も交流磁束密度が鋼板表層に集中していることが い場合では、最大磁束密度の値に差がみられる。 確認できる。また Fig.8 より、裏面欠陥の有無に これは欠陥が有る時と無い時の鋼板内部表層の直よってコイル内部のインピーダンスの値が変化す 流磁束密度差によって生じることが考えられる。 ることがわかる。この結果からも、直流磁化 ECT また、図から微小交流磁界は鋼板表層のみに分布。 における微小交流磁界は直流磁束密度差によって し、鋼板の裏面までは到達していないことが理解。 欠陥探傷を行っていることが分かる。 できる。つまり、直流磁化 ECT では鋼板内部表層 に分布する、直流磁束密度の差を ECT コイルで検 出していると考えられる。430.75ECT-coilImpedance[92]Display area430.294mm14mmSteel (SS400)with defectwithout defectFig.8 Impedance in ECT coilOpposite side defect (a) Display domain4.結言B[mt]Premissic本研究で得られた知見をまとめると以下のよ うになる (1) 直流磁化電流を約 32A まで増加することにより鋼材内部のムノイズを除去できる。 (2) 微小交流磁界は鋼材表層のみに分布する。直流磁化 ECT における交流磁界は、鋼板表 | 層の直流磁束密度差により欠陥を検出して いる。(b) With opposite side defectFig. 7 Distribution of minute alternating magneticfield (single coil, 50kHz, 0.01A)参考文献 [1] 徳本貴則、後藤雄治:直流および微小交流磁 場を併用した鋼板肉厚検査手法の数値解析評 価、(社)日本非破壊検査協会、表面探傷分科会、 資料 No.30264、pp.5-8、2007条件は 50kHz,0.01A としている。Fig.7 に裏面欠陥 が存在する場合の鋼材内部の交流磁束密度分布を 直流磁化電流を約 32A まで増加することに より鋼材内部のムノイズを除去できる。 微小交流磁界は鋼材表層のみに分布する。 直流磁化 ECT における交流磁界は、鋼板表 層の直流磁束密度差により欠陥を検出して - 166 -
“ “?静磁界及び微小交流磁界を併用した 鋼板肉厚測定法の三次元非線形磁界解析評価“ “徳本 貴則,Takanori TOKUMOTO,小野田 二千翔,Nichika ONODA,後藤 雄治,Yuji GOTOH