JP3461781B2

JP3461781B2 - 交流磁化を用いた強磁性体構造物のクリープ損傷評価方法および装置

Info

Publication number: JP3461781B2
Application number: JP2000062965A
Authority: JP
Inventors: 篤憲山口; 光晴志波
Original assignee: 財団法人発電設備技術検査協会
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2003-10-27
Anticipated expiration: 2020-03-08
Also published as: JP2001255305A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は強磁性体の構造物の
クリープ損傷を評価する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電設備や化学プラントにおいて高温で
使用される炭素鋼や低合金鋼構造物は、ボイラーチュー
ブなど高温において応力が付加された状態で用いられる
ことが多い。そのため、高温による材料劣化と応力負荷
によりクリープボイドが発生し、それらが成長・合体す
ることで微視き裂となり、最終的に巨視き裂となって破
断に至ることが知られており、クリープ損傷と呼ばれ
る。実際のプラントのクリープ損傷過程は、材料の熱処
理状態などの初期状態、常用温度と圧力に加えてプラン
トの起動停止回数、負荷変動状態などの運転状態で異な
る。そこで、高経年化したボイラーチューブなどの高温
・高圧設備においては、その寿命時期をクリープ損傷度
として評価する方法が望まれている。従来は、このクリ
ープ損傷度評価は、硬さ測定やレプリカ法による金属組
織の観察等が行われてきたが、測定後、直ちにクリープ
損傷度の評価を行うには、困難があり非破壊的に簡便に
評価する方法およびその装置が求められていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、強磁
性体の構造物のクリープ損傷度を非破壊的に評価する方
法および装置を提供することにある。

【０００４】上記課題は、接触型プローブを強磁性体の
構造物に接触させた状態で励磁交流電圧又は電流を印加
された前記接触型プローブにより前記強磁性体の構造物
をレーリーループ限外で交流磁化するステップであっ
て、前記接触型プローブは比較コイル及び標準コイルか
ら成り、前記比較コイル及び標準コイルはそれぞれ励磁
コイル、検出コイル及び高透磁率の磁芯から成り、且つ
前記比較コイル及び標準コイルのそれぞれの励磁コイル
及び検出コイルはそれぞれの磁芯に同軸状に巻かれてお
り、前記比較コイル及び標準コイルの両方の励磁コイル
は直列接続され、前記比較コイル及び標準コイルの両方
の検出コイルは差動接続されており、前記比較コイルを
前記構造物の表面に接触させ且つ前記標準コイルを空気
中又は前記構造物の標準試験体の表面に接触させるステ
ップと、前記接触型プローブを強磁性体の構造物に接触
させた前記状態で前記接触型プローブにより前記構造物
の交流磁化波形を検出するステップであって、前記比較
コイルを前記構造物の表面に接触させ且つ前記標準コイ
ルを空気中又は前記構造物の標準試験体の表面に接触さ
せた状態で前記プローブの共振周波数が前記励磁交流電
圧又は電流の高調波の周波数と同じになるよう設定され
ている、前記構造物の交流磁化波形を検出するステップ
と、前記の検出された交流磁化波形に含まれる基本波と
高調波との大きさの比を算出するステップと、算出され
た基本波と高調波との大きさの比に基づいて前記構造物
のクリープ損傷を推定するステップとを備える本発明の
強磁性体構造物のクリープ損傷評価方法により解決され
る。上記課題はまた、強磁性体の構造物に接触させた状
態で前記強磁性体の構造物をレーリーループ限外で交流
磁化し、且つ当該状態で前記構造物の交流磁化波形を検
出する接触型プローブと、前記構造物の検出された交流
磁化波形に含まれる基本波と高調波との大きさの比を算
出する比算出手段と、算出された基本波と高調波との大
きさの比に基づいて前記構造物のクリープ損傷を推定す
る手段と、を備え、前記接触型プローブは、１対の励磁
コイル、１対の検出コイル、及び２つの高透磁率の磁芯
を含み、前記１対の励磁コイルのうちの１つと前記１対
の検出コイルのうちの１つとが前記２つの磁芯のうちの
１つに同軸状に巻かれることにより比較コイルを形成
し、前記１対の励磁コイルのうちの他方と前記１対の検
出コイルのうちの他方とが前記２つの磁芯のうちの他方
に同軸状に巻かれることにより標準コイルを形成し、前
記比較コイル及び標準コイルの両方の励磁コイルは直列
接続され、前記比較コイル及び標準コイルの両方の検出
コイルは差動接続され、前記比較コイルを前記構造物の
表面に接触させ且つ前記標準コイルを空気中又は前記構
造物の標準試験体の表面に接触させた状態で前記プロー
ブの共振周波数が前記高調波の周波数と同じになるよう
設定されている本発明の強磁性体構造物のクリープ損傷
評価装置により解決される。本発明が対象とする構造物
は、クリープ損傷が生じるすべての物を含む。

【０００５】本発明は次の新しい知見に基づいている。
すなわち、強磁性体の材料では、リサージュ波形がレー
リーループ限を越えた範囲（以下「レーリーループ限
外」という。）において偶数および奇数次のひずみ成分
が重畳され、一方レーリーループ限内（以下「レーリー
ループ限内」という。）において低次のひずみ成分が主
であるためほぼ楕円形である。そして、強磁性体の構造
物では、レーリーループ限内においてヒステリシスロス
と強磁性体構造物のクリープ損傷度とに一定の相関関係
があり、またレーリーループ限外においてひずみ成分に
対応する交流磁化波形の高調波成分の基本波に対する大
きさの比とクリープ損傷度とに一定の相関関係がある。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な実施形態を
図面を参照して説明する。図１は、本発明に従った強磁
性体の構造物のクリープ損傷評価装置の好適な一実施形
態を示す概略ブロック図である。図１において、１０は
強磁性体のクリープ損傷材である試験体を、１２は試験
体１０を交流磁化しかつ交流磁化された波形を検出する
ための交流磁化プローブを、１４は試験体１０に印加さ
れる交流磁束を交流磁化プローブ１２に発生させるため
その交流磁化プローブ１２に交流電圧（あるいは電流）
を印加する可変交流電源を、１６は交流磁化プローブ１
２で検出された交流磁化波形を増幅する検出波形増幅部
を、１８は交流磁化プローブ１２に印加される可変交流
電源１４からの交流電圧（あるいは電流）および検出さ
れた交流磁化波形の電圧（あるいは電流）のＡ／Ｄ変換
部を、２０はＡ／Ｄ変換部１８から印加および検出され
た交流磁化波形の電圧（あるいは電流）のディジタル・
データを受け取り波形処理、演算処理および表示等を行
うよう機能するパーソナル・コンピュータをそれぞれ示
す。Ａ／Ｄ変換部１８は、１対のＡ／Ｄ変換器３０およ
び３２を有し、検出波形増幅部１６および可変交流電源
１４からのアナログ形式の交流磁化検出波形を２チャン
ネル同期サンプリングによりディジタル化する。パーソ
ナル・コンピュータ２０は、ハードウエアとしては通常
の構成のものであり、Ａ／Ｄ変換部１８からのディジタ
ル・データを受け取る入力インタフェース４０、種々の
処理を行うマイクロプロセッサ４２、その処理プログラ
ムおよびデータ等を記憶するメモリ４４、処理結果等を
表示するディスプレイ４６およびデータや操作指令等を
入力するキーボード４８を含む。

【０００７】図２は、交流磁化プローブ１２の構成を示
す図である。図２において、（Ａ）および（Ｂ）は、交
流磁化プローブ１２の構成は同じであるが、２つの異な
る検出方式を示す。図２に示されるように、交流磁化プ
ローブ１２は、１対の励磁コイル５２、５４および１対
の検出コイル５６、５８を含み、これら励磁および検出
コイルは図１に模式的に示されるように各々順接続およ
び逆接続されている。１つの励磁コイルと１つの検出コ
イルが組となり、組となった励磁コイルおよび検出コイ
ルはフェライト等の高透磁率を有する磁芯に同軸状に巻
かれている。すなわち、第１の組のコイルである励磁コ
イル５２および検出コイル５６は磁芯６０に同軸状に配
置されており、第２の組のコイルである励磁コイル５４
および検出コイル５８は磁芯６２に同軸状に配置されて
いる。２組のコイル５２および５６、５４および５８
は、予め同じインダクタンスおよび相互誘導（ミューチ
ュアルインダクタンス）特性になるように製作されてい
る。この２組のコイルの励磁コイル側は同相接続され、
検出コイル側は差動接続されている。同相接続されてい
る励磁コイル５２および５４は可変交流電源１４（図
１）に接続され、差動接続されている検出コイル５６お
よび５８は検出波形増幅部１６（図１）に接続されてい
る。このような構成を用いて、小型で高感度の交流磁化
プローブを得ることができる。

【０００８】交流磁化プローブ１２は、前述の同軸コイ
ルの設置方法により図２の（Ａ）および（Ｂ）に示すよ
うな２つの方式による測定が可能である。以下では、２
組のコイルのうち被測定試験体１０に設置される方のコ
イルの組を比較コイル７０と、また他方の組のコイルを
標準コイル７２と呼ぶ。（Ａ）に示される自己比較方式
においては標準コイル７２は大気中に設置され、（Ｂ）
に示される標準比較方式においては標準コイル７２は標
準試験体１０ｂの表面に設置される。比較コイル７０
は、両方式とも被測定試験体１０の表面に設置される。
更に、両方式とも、標準コイル７２と比較コイル７０と
が相互誘導を生じない間隔で設置されている。（Ａ）の
自己比較方式では、一つの交流磁化プローブ１２内に標
準コイル７２と比較コイル７０が相互誘導しない間隔で
設置されているので、プローブの特性（すなわちプロー
ブの応答関数）が上記の差動接続により除去されること
により被測定試験体１０単体の交流磁化特性を測定する
ことができる。一方、（Ｂ）の標準比較方式では、標準
コイル７２を基準となる標準試験体１０ｂ上に設置し、
比較コイル７０を被測定試験体１０上に設置するので、
上記の差動接続により両試験体の交流磁化特性の違いの
みを測定することができる。標準コイル７２および比較
コイル７０は、試験体１０、１０ｂに磁芯６０、６２を
直接接触させ、磁束が試験体１０、１０ｂに多く入るよ
うに設置するか、または試験体１０、１０ｂと磁芯６
０、６２間の距離（リフトオフ）が一定となるようにス
ペーサ等のジグを用意する。試験体１０、１０ｂの表面
状態は、標準コイル７２、比較コイル７０共出来るだけ
同じ条件とすることが好ましい。

【０００９】次に、図１および図２を参照して説明した
本発明の好適な一実施形態である強磁性体の構造物のク
リープ損傷評価装置の動作について説明する。初めに強
磁性体の材料の磁化特性の１つを表すリサージュ波形に
現れる特徴について説明する。例えば、図２の（Ａ）に
示される自己比較方式において、可変交流電源１４（図
１）から交流磁化プローブ１２の励磁コイル５２、５４
に適当な交流電圧（あるいは電流）（励磁周波数：数Ｈ
ｚ〜数百ｋＨｚ程度）を印加すると、試験体１０は交流
磁化される。印加された交流電圧（あるいは電流）は試
験体１０を励磁する交流磁束に対応するので、その印加
された交流電圧（あるいは電流）をタップにより取り出
し、Ａ／Ｄ変換部１８のＡ／Ｄ変換器３０に入力し、一
方、交流磁化波形を交流磁化プローブ１２の検出コイル
５６、５８により検出し、検出波形増幅部１６で増幅し
て、Ａ／Ｄ変換部１８のＡ／Ｄ変換器３２に入力する。
Ａ／Ｄ変換器３０および３２は、入力された励磁波形の
電圧（または電流）および検出波形の電圧（または電
流）を同期サンプリングによりディジタル形式に変換し
て、パーソナル・コンピュータ２０の入力インタフェー
ス４０に与える。マイクロプロセッサ４２は、メモリ４
４に記憶されているリサージュ波形表示プログラムをラ
ンさせて、ディジタル形式の励磁波形の電圧（または電
流）および検出波形の電圧（または電流）を入力インタ
フェース４０を介して読み込み、ディスプレイ４６に図
３に示されるような交流磁化時のリサージュ波形を表示
させる。図３において、横軸は励磁交流電圧（あるいは
電流）を、縦軸は交流磁化波形に対応する検出交流電圧
（あるいは電流）を表す。励磁交流電圧（あるいは電
流）をリサージュ波形の一周期毎にゼロから増加させて
ゆくと、リサージュ波形は初めは図３のａに示されるよ
うにほぼ楕円形を保持していて、ある大きさの励磁交流
電圧（あるいは電流）からリサージュ波形の形状が楕円
形からひずみ始め、更に励磁交流電圧（あるいは電流）
を増加させると、リサージュ波形は図３のｂで示される
ように高次のひずみ成分が多く重畳された形状となる。
ほぼ楕円形のリサージュ波形がひずみ始める点、すなわ
ち、リサージュ波形の直線性の変化点におけるリサージ
ュ波形のループはレーリーループ限と呼ばれる。レーリ
ーループ限が現れる励磁交流電圧（あるいは電流）の大
きさは、強磁性体の材料の種類により異なり、例えば、
１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼や２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼
のような低合金鋼では比較的小さい励磁交流電圧（ある
いは電流）でレーリーループ限が現れるが、炭素鋼では
相当に大きな励磁交流電圧（あるいは電流）にならない
とレーリーループ限が現れない。但し、強磁性体の材料
の種類により印加される励磁交流電圧（あるいは電流）
の大きさは色々であるが、強磁性体の材料の種類によら
ず、強磁性体の材料は一般的にレーリーループ限が存在
する。なお、リサージュ波形の直線性の変化点は、例え
ば、図３のａのリサージュ波形における最も大きい検出
電圧の座標と原点とを結ぶ直線上から外れ始めた点とし
て特定することができる。

【００１０】図４は、図１および図２を参照して説明し
た本発明の好適な一実施形態であるクリープ損傷評価装
置を用いたその評価手順を示すフロー図である。測定方
式として図２の（Ａ）に示す自己比較方式を用いてい
る。評価すべき強磁性体と同じ材料から成る幾つかのク
リープ試験片を評価すべき強磁性体が受ける温度・応力
で幾つかの異なる既知の時間にわたって負荷試験を行
い、基準クリープ損傷片を作成する。測定される値は、
励磁・検出コイル間の相互誘導特性として検出されるた
め、コイルと試験体間の隙間、試験体の表面性状の影響
等を受ける。そこで、表面凹凸、黒皮、酸化スケール、
脱炭層など試験体の表面性状の影響を受けないように、
試験体、ここでは基準クリープ損傷片の表面をバフ研磨
または、錆取り剤で軽くふき取る（簡便な酸洗い）等の
前処理により表面が測定する対象部位の表面に近い状態
にしておく。これら基準クリープ損傷片の一つを試験体
１０として用い、これに交流磁化プローブ１２の比較コ
イル７０（図２）を配置する。交流磁化プローブ１２の
標準コイル７２（図２）は空中に配置する。このような
準備後に、ステップ１００において、可変交流電源１４
（図１）により交流磁化プローブ１２の励磁コイル５
２、５４に適切な大きさの交流電圧（あるいは電流）を
印加して基準クリープ損傷片１０をレーリーループ限近
傍で励磁する。基準クリープ損傷片１０の交流磁化され
た波形は、検出コイル５８により検出され、検出波形増
幅部１６で増幅されて、印加交流電圧（あるいは電流）
と共にＡ／Ｄ変換部１８に入力される。ステップ１０２
において、前述のようにしてパーソナル・コンピュータ
２０のディスプレイ４６に表示されたリサージュ波形か
らレーリーループ限内か否かが判定される。高調波モー
ドは、レーリーループ限外であることを要し、ヒステリ
シスロス・モードはレーリーループ限内であることを要
する。したがって、所望の測定モードが高調波モードで
ある場合にレーリーループ限内であると判定された場
合、可変交流電源１４の出力電圧（または電流）を可変
しレーリーループ限外となるように調整し、また、所望
の測定モードがヒステリシスロス・モードである場合に
レーリーループ限外と判定された場合、可変交流電源１
４の出力電圧（または電流）を可変しレーリーループ限
内となるように調整する。

【００１１】高調波モードでは、励磁周波数の整数倍の
高調波も検出する必要があるため、その高調波の周波数
が交流磁化プローブ１２の共振周波数となるように交流
磁化プローブ１２のコイル５２〜５８のインダクタンス
および入力容量を予め設定しておくか、そのような条件
を満たすコイルを用いる。高調波としては、この実施形
態では第３高調波を用いているが、本発明はその他の次
数の高調波でも可能であり、第３高調波に限定されるも
のではない。検出コイル５６、５８により検出された交
流磁化波形にひずみが生じないように、検出波形増幅部
１６に含まれる増幅器は広帯域ＤＣ増幅器が用いられ、
その利得特性はＤＣ〜１ＭＨｚまたはそれ以上にわたり
平坦なものが望ましい。また、検出された交流磁化波形
に含まれるノイズをフィルタリングするため可変アナロ
グ型フィルタが検出波形増幅部１６に設けられているの
が好ましい。このような利得特性を有する広帯域ＤＣ増
幅器およびアナログ型フィルタは、ノイズ除去の効果の
ため後述するヒステリシスロス・モードにおいても用い
られることが望ましい。

【００１２】ステップ１０２においてレーリーループ限
外である、あるいは調整によりそのようにした場合、ス
テップ１０４に進む。ステップ１０４における高調波モ
ードでは、マイクロプロセッサ４２は、メモリ４４に記
憶されている基本波・高調波比算出プログラムを読出し
てランさせる。そして、基本波・高調波比算出プログラ
ムにより、Ａ／Ｄ変換部１８のＡ／Ｄ変換器３２からの
ディジタル化された検出交流磁化波形は、ディジタル・
フィルタに通され、検出波形増幅部１６のフィルタによ
るノイズ除去に加えて、更にノイズおよびひずみが除去
される。ノイズ等が除去されたディジタルの検出交流磁
化波形は、高速フーリエ変換を基に基本波の強度抽出お
よび各高調波の強度抽出が行われる。基本波の強度抽出
は、フーリエ変換後の最も強度が高い値から求められ
る。このときの周波数を基本波周波数とし、高調波の周
波数が各々求められその周波数に対応する強度が高調波
の強度抽出として求められる。基本波の強度に対する高
調波の強度の比（以下「高調波振幅強度比」という。）
が算出される（図４のステップ１０６）。基本波の強度
をＡ₀、ｎ次高調波の強度をＡ_nとすると、ｎ次高調波の
高調波強度比Ｈ_nは、ｄＢ形式で次式により表される。

【数１】Ｈ_n＝２０ｌｏｇ₁₀（Ａ_n／Ａ₀）（１）

【００１３】ステップ１０６において、既知の負荷時間
すなわちクリープ時間に対応する高調波強度比が得られ
ることになる。ステップ１０８において、評価すべき強
磁性体と同じ材料から成る幾つかのクリープ試験片を評
価すべき強磁性体が受ける温度・応力で幾つかの異なる
既知の時間にわたって負荷試験を行った基準クリープ損
傷片を用いて、ステップ１００から１０６の処理を繰り
返し行い、種々のクリープ時間に対する高調波強度比を
求め、パーソナル・コンピュータ２０のキーボード４８
からこれらクリープ時間を入力する。マイクロプロセッ
サ４２は、入力されたクリープ時間と、対応する求めら
れた高調波強度比とに基づいて、マスターカーブ群を作
成し、メモリ４４に記録する。図５のクリープ時間に対
する第３高調波比の曲線は、このようにして作成された
マスターカーブ群の１つであり、、後述するように熱処
理なしのクリープ試験片の場合一定の相関がある。ステ
ップ１１０において、被測定試験体に対して前述のステ
ップ１００から１０６を実行して高調波強度比を算出
し、その結果をディスプレイ４６に表示する。なお、被
測定試験体の表面も基準クリープ試験片のときと同様の
前処理を行っておく。ステップ１１２において、被測定
試験体の算出高調波強度比と、メモリ４４から読出され
たマスターカーブ群との比較によりクリープ損傷度を推
定、すなわち評価し、その結果、すなわち解析結果をデ
ィスプレイ４６に表示する。したがって、高調波モード
を用いて、強磁性体構造物のクリープ損傷度を構造物を
破壊する必要なく評価でき、それによりその寿命予測が
可能となる。

【００１４】次に、ヒステリシスロス・モードについて
説明する。ステップ１０２において、パーソナル・コン
ピュータ２０のディスプレイ４６に表示されたリサージ
ュ波形がレーリーループ限内であることを確認する。レ
ーリーループ限外の場合には、可変交流電源１４の出力
調整によりリサージュ波形がレーリーループ限内になる
ようにする。リサージュ波形がレーリーループ限内にあ
る場合は、ステップ１２０に進み、パーソナル・コンピ
ュータ２０のマイクロプロセッサ４２は、メモリ４４に
記憶されているヒステリシスロス算出プログラムを読出
し、ヒステリシスロスの算出を行う。ヒステリシスロス
・モードでは、検出された交流磁化波形の基本波のみが
必要で高調波は不要であるので、励磁周波数は、励磁周
波数の高調波が交流磁化プローブ１２の共振周波数と重
ならない周波数を選択する。あるいは、励磁周波数の整
数倍が、交流磁化プローブ１２の共振周波数とならない
ようにコイル５２〜５８のインダクタンスおよび入力容
量を予め設定しておくか、そのような条件を満たすコイ
ルを用いる。このヒステリシスロス・モードの場合も前
述の高調波モードと同様に、ヒステリシスロス算出プロ
グラムにより、Ａ／Ｄ変換部１８のＡ／Ｄ変換器３２か
らのディジタル化された検出交流磁化波形は、ディジタ
ル・フィルタに通され、検出波形増幅部１６のフィルタ
によるノイズ除去に加えて、更にノイズおよびひずみが
除去される。ステップ１２２において、ディジタル形式
の検出交流磁化波形を用いて、以下の演算処理により、
ヒステリシスロスＬが求められ、その結果がディスプレ
イ４６に表示される。ここで、Ｖ_n ^dはリサージュカーブ
の下降時においてｎ回目にサンプリングされた検出交流
磁化電圧（または電流）とし、Ｖ_n ^uはリサージュカーブ
の上昇時におけるＶ_ndに対応する検出交流磁化電圧（ま
たは電流）とすると、ヒステリシスロスＬは次式により
求められる。

【数２】具体的な計算においては、ｎ、Ｖ_n ^dおよびＶ_n ^uを次のよ
うに定義する。まず、ｎ＝１を励磁電圧（または電流）
の最小値の場合とし、ｎ＝Ｎを励磁電圧（または電流）
の最大値の場合とする。なお、励磁電圧（または電流）
が最小値のとき、検出交流磁化電圧（または電流）も最
小値をとり、励磁電圧（または電流）が最大値のとき、
検出交流磁化電圧（または電流）も最大値をとり、これ
ら双方の場合はＶ_n ^d＝Ｖ_n ^uである。次に、ｎ＝１のとき
の検出交流磁化電圧が０となるようにオフセットを与え
る。これにより、リサージュ波形の全体が第１および２
象限に入り、上記の式による計算が可能となる。また、
上記のように計算せずに、単純にリサージュ波形の面積
を求める方法も簡易法として可能である。なお、本発明
は、上記の方法に限定されず、ヒステリシスロスの大き
さが求められれば、いずれの方法であってもよい。

【００１５】次いで、ステップ１２４において、評価す
べき強磁性体が受ける温度・応力で幾つかの異なる既知
のクリープ時間でクリープ損傷を与えた各クリープ損傷
片を用いて、ステップ１００、１０２、１２０および１
２２の処理を繰り返し行い、種々のクリープ時間による
クリープ損傷に対するヒステリシスロスを求める。な
お、基準クリープ損傷片の表面は電解研磨の前処理を施
しておく。これらクリープ時間は、パーソナル・コンピ
ュータ２０のキーボード４８から入力される。マイクロ
プロセッサ４２は、入力されたクリープ時間と、対応す
る求められたヒステリシスロスとに基づいて、マスター
カーブ群を作成し、メモリ４４に記録する。図６のクリ
ープ時間（クリープ損傷時間）に対するヒステリシスロ
スの曲線は、このようにして作成されたマスターカーブ
群の１つであり、後述するようにクリープ試験片（熱処
理ありなし共）においては一定の相関がある。ステップ
１２６において、被測定試験体に対して前述のステップ
１００、１０２、１２０および１２２を実行してヒステ
リシスロスを算出する。なお、被測定試験体の表面も基
準クリープ試験片のときと同様の前処理を行っておく。
ステップ１２８において、被測定試験体の算出ヒステリ
シスロスと、メモリ４４から読出されたマスターカーブ
群との比較によりクリープ損傷度を推定、すなわち評価
し、その結果すなわち解析結果をディスプレイ４６に表
示する。したがって、ヒステリシスロス・モードを用い
て、強磁性体構造物のクリープ損傷度を構造物を破壊す
る必要なく評価でき、それによりその寿命予測が可能と
なる。また、図２に示す（Ｂ）の標準比較方式による測
定手順も図４に示す手順と同じである。なお、図１に示
される実施形態においては、励磁電圧および検出磁化波
形をディジタル処理しているが、本発明は、これらをア
ナログ処理の系で構成してもよい。次に、前述した高調
波モードおよびヒステリシスロス・モードに基づく実験
例を実施例として説明する。

【００１６】

【実施例】１．実験方法（１）クリープ損傷試験片クリープ損傷評価に用いた鋼材は、強磁性体である低合
金鋼２．２５Ｃｒ−１Ｍｏの再現熱影響部材（ＨＡＺ）
である。なお、再現熱影響部材（ＨＡＺ）の作成は、グ
リーブル試験で行った。この鋼材をクリープ途中止め試
験終了後、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍに切断後、プラス
チックモールドに埋め込み、電解研磨を行った後に交流
磁化測定と組織観察を行った。（２）クリープ途中止め試験クリープ途中止め試験は、大気中で８７３Ｋの温度、３
４ＭＰａの応力で０〜１０⁷ｓにおいて作成した。ま
た、参考として同じ条件で応力を負荷していない熱時効
試験片も用意した。

【００１７】２．実験結果（１）クリープ損傷では、温度による金属材料組織の変
化と軟化に加え、応力による粘弾性変形が生じてクリー
プボイドが発生し、それらが連結することで最終破断に
至ることが知られている。そこで、本発明に用いる交流
Ｂ−Ｈ曲線パラメータの材料組織およびクリープボイド
の依存性を検討するため、クリープ途中止め試験片と熱
時効試験片を用意した。図５は、この再現熱影響部材の
クリープ・熱時効時間と第３高調波強度比Ｈ_nの関係を
示したものである。図５を参照すると、あらかじめ熱処
理を行った熱時効材とクリープ負荷前に熱処理を行った
クリープ試験片（熱処理あり）では、１０⁶ｓまではほ
とんど変化が見られなかったが、１０⁷ｓで第三高調波
比の低下が見られた。組織観察結果から、この試験片で
はクリープボイドの発生が見られた。これより第三高調
波比の低下は、クリープ損傷の初期段階であるクリープ
ボイドを検出していることが示された。ただし、クリー
プ負荷前に熱処理を行わなかったクリープ試験片（熱処
理なし）では、クリープ負荷中に熱処理を行ったのと同
様な金属組織の変化が生じるため、１０⁷ｓまでは第三
高調波比が増加し、１０⁷ｓ以降で低下する。ここで、
現地の測定において例えば−１２ｄＢという値が得られ
たとき、施工記録により明らかに熱処理されているもの
であれば、クリープボイドの発生である１０⁷ｓ相当時
間を意味するが、熱処理の有無が不明な場合、安全側の
１０⁶ｓ相当かクリープ損傷を生じた１０⁷ｓかは判断は
できない。第三高調波比の測定は、基本波と高調波の強
度比として表されるため、プローブの接触状態や試験片
の表面状態の影響を受けにくいので、現場での適用が容
易であるとともにデータの信頼性が高いといえる。ただ
し、材料の熱処理における初期状態の情報が必要とな
る。

【００１８】（２）材料の初期状態がわからない場合に
おいてクリープ損傷を評価する方法として、図６に示す
ヒステリシスロスがある。図６におけるクリープ試験片
の熱処理ありとなしの曲線を参照すると、ヒステリシス
ロスでは、熱処理の有無に関わらず、クリープ試験片で
はほぼ同様な傾向を示した。ただし、ヒステリシスロス
では、検出波形の振幅を用いるため、被測定試験体の表
面性状、プローブの接触状態の影響を受けやすい。その
ため、マスターカーブを作成した試験片とほぼ同様にな
るように注意する必要がある。以上より、試験片の表面
処理、プローブの接触等の影響を受けにくい第三高調波
比の測定は簡便で信頼性が高いが、材料初期の熱処理状
態が既知である必要性がある。一方、クリープ損傷に関
して初期の熱処理状態の影響を受けずに評価できるヒス
テリシスロスは、試験片の表面処理、プローブの接触等
の影響を受けやすいため測定に注意が必要となる。そこ
で、クリープ損傷の評価では、第三高調波比とヒステリ
シスロスの両パラメータを測定しておき、マスターカー
ブ群と相関評価を行うことで信頼性を向上させることも
できる。また、クリープ損傷のマスターカーブの作成で
は、材料の違いに加えて、温度、応力状態でクリープ損
傷進展が異なることが知られている。これらの違いをま
とめてクリープ損傷を評価する方法として、クリープ応
力と温度に時間を加えたパラメータとしてラーソンミラ
ーパラメータが用いられており、これを基にクリープ損
傷度が評価される場合がある。本交流磁化法において
も、クリープ損傷度を評価する場合、図５および図６に
おいて横軸を時間軸に変えてラーソンミラーパラメータ
を用いてマスターカーブ群を作成することにより、各種
の温度・応力下にあってすべてのクリープ損傷マスター
カーブ群を作成できない場合の評価に有効である評価法
も可能である。

【００１９】以上より、本発明の高調波モードおよびヒ
ステリシスロス・モードとも、これらのモードを用い
て、強磁性体である低合金鋼の構造物のクリープ損傷時
間を評価できることが分かった。なお、上記実施例は例
示であり、本発明を限定するものではなく、したがって
本発明は、低合金鋼に限定されず、強磁性体であればよ
い。また、前述の実施形態においては、試験体１０を励
磁するため交流磁化プローブ１２に交流電圧（あるいは
電流）を印加する方法を用いているが、励磁に当たり目
的とする浸透深さを得るために、直流磁場や低周波数を
印加してもよい。直流磁場や低周波数磁場の印加は、例
えば、交流磁化プローブ１２に直流バイアスを与えるこ
とにより、あるいは交流磁化プローブ１２とは別の電磁
石により磁場を印加することに可能である。本発明のク
リープ損傷評価は、高調波モードのみで、またはヒステ
リシスロスのみで、あるいはこれら双方を用いて可能で
あり、双方を用いる場合は評価確度を向上させることが
できる。なお、一方のモードのみの場合は、当然に他方
のモードに必要な機能や構成要素を省くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従った強磁性体構造物のクリープ損傷
評価装置の好適な一実施形態を示す概略ブロック図であ
る。

【図２】交流磁化プローブ１２の構成を示す図であり、
（Ａ）および（Ｂ）は、交流磁化プローブ１２の構成は
同じであるが、２つの異なる検出方式を示す。

【図３】交流磁化時のリサージュ波形例を示す図であ
る。

【図４】図１および図２に示す強磁性体構造物のクリー
プ損傷評価装置を用いたその評価手順を示すフロー図で
ある。

【図５】第三高調波比とクリープ損傷との関係を示した
図である。

【図６】ヒステリシスロスとクリープ損傷との関係を示
した図である。

【符号の説明】

１０、１０ｂ試験体１２交流磁化プローブ１４可変交流電源１６検出波形増幅部１８Ａ／Ｄ変換部２０パーソナル・コンピュータ３０、３２Ａ／Ｄ変換器４０入力インタフェース４２マイクロプロセッサ４４メモリ４６ディスプレイ４８キーボード７０比較コイル７２標準コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−83253（ＪＰ，Ａ) 特開平10−239412（ＪＰ，Ａ) 特開平９−269316（ＪＰ，Ａ) 特開平７−72121（ＪＰ，Ａ) 特開平６−324021（ＪＰ，Ａ) 特開平６−186378（ＪＰ，Ａ) 特開平１−248050（ＪＰ，Ａ) 特表平２−504077（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/72 - 27/90 ＪＯＩＳＰＡＴＯＬＩＳ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】接触型プローブを強磁性体の構造物に接
触させた状態で励磁交流電圧又は電流を印加された前記
接触型プローブにより前記強磁性体の構造物をレーリー
ループ限外で交流磁化するステップであって、前記接触
型プローブは比較コイル及び標準コイルから成り、前記
比較コイル及び標準コイルはそれぞれ励磁コイル、検出
コイル及び高透磁率の磁芯から成り、且つ前記比較コイ
ル及び標準コイルのそれぞれの励磁コイル及び検出コイ
ルはそれぞれの磁芯に同軸状に巻かれており、前記比較
コイル及び標準コイルの両方の励磁コイルは直列接続さ
れ、前記比較コイル及び標準コイルの両方の検出コイル
は差動接続されており、前記比較コイルを前記構造物の
表面に接触させ且つ前記標準コイルを空気中又は前記構
造物の標準試験体の表面に接触させるステップと、前記接触型プローブを強磁性体の構造物に接触させた前
記状態で前記接触型プローブにより前記構造物の交流磁
化波形を検出するステップであって、前記比較コイルを
前記構造物の表面に接触させ且つ前記標準コイルを空気
中又は前記構造物の標準試験体の表面に接触させた状態
で前記プローブの共振周波数が前記励磁交流電圧又は電
流の高調波の周波数と同じになるよう設定されている、
前記構造物の交流磁化波形を検出するステップと、前記の検出された交流磁化波形に含まれる基本波と高調
波との大きさの比を算出するステップと、算出された基本波と高調波との大きさの比に基づいて前
記構造物のクリープ損傷を推定するステップとを備える
強磁性体構造物のクリープ損傷評価方法。
【請求項２】強磁性体の構造物に接触させた状態で前
記強磁性体の構造物をレーリーループ限外で交流磁化
し、且つ当該状態で前記構造物の交流磁化波形を検出す
る接触型プローブと、前記構造物の検出された交流磁化波形に含まれる基本波
と高調波との大きさの比を算出する比算出手段と、算出された基本波と高調波との大きさの比に基づいて前
記構造物のクリープ損傷を推定する手段と、を備え、前記接触型プローブは、１対の励磁コイル、１対の検出
コイル、及び２つの高透磁率の磁芯を含み、前記１対の励磁コイルのうちの１つと前記１対の検出コ
イルのうちの１つとが前記２つの磁芯のうちの１つに同
軸状に巻かれることにより比較コイルを形成し、前記１対の励磁コイルのうちの他方と前記１対の検出コ
イルのうちの他方とが前記２つの磁芯のうちの他方に同
軸状に巻かれることにより標準コイルを形成し、前記比較コイル及び標準コイルの両方の励磁コイルは直
列接続され、前記比較コイル及び標準コイルの両方の検
出コイルは差動接続され、前記比較コイルを前記構造物の表面に接触させ且つ前記
標準コイルを空気中又は前記構造物の標準試験体の表面
に接触させた状態で前記プローブの共振周波数が前記高
調波の周波数と同じになるよう設定されている強磁性体
構造物のクリープ損傷評価装置。
【請求項３】前記構造物のクリープ損傷を推定する手
段は、基本波と高調波との大きさの比とクリープ時間との関係
を表す基準情報を記憶する記憶手段と、前記基準情報を用いて前記比算出手段により算出された
基本波と高調波との大きさの比から前記構造物のクリー
プ時間を推定する手段とを含む、請求項２記載の強磁性
体構造物のクリープ損傷評価装置。
【請求項４】前記接触型プローブが、強磁性体の構造
物をそのレーリーループ限内で交流磁化可能であり、前記構造物を交流磁化するための励磁波形と検出された
交流磁化波形とに基づいてヒステリシスロスを導出する
ヒステリシスロス導出手段と、ヒステリシスロスとクリープ時間との関係を表す基準情
報を記憶する記憶手段と、ヒステリシスロスとクリープ時間との関係を表す前記基
準情報を用いて前記ヒステリシスロス導出手段により導
出されたヒステリシスロスから前記構造物のクリープ時
間を推定する手段とを更に備える、請求項２又は３記載
の強磁性体構造物のクリープ損傷評価装置。