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【発明の名称】 管材の偏肉計測方法及び装置、並びに管材の偏肉発生原因特定方法及び装置
【発明者】 【氏名】橋本 達也

【氏名】飯塚 幸理
【要約】 【課題】管材の偏肉を、安価で単純なシステムで圧延直後に熱間で測定できる方法及び装置を提供する。

【解決手段】パルスレーザーからパルス光を被検査体４に照射すると、被検査体４表面がアブレーションをおこし超音波が発生する。発生した超音波は、被検査体４の内面および外面を往復伝播する。冷却式電磁超音波センサー２が検出した超音波信号を広帯域アンプ５に通し、さらにバンドパスフィルタ−６を通し、Ａ／Ｄ変換部７でＡ／Ｄ変換する。伝播時間算出部８では、Ａ−スコープから隣あう２つのエコーピークの時間間隔Δｔを周知の技術で算出し、さらに、厚さ算出部９で被検査体の音速ＶとΔｔから肉厚を算出する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 管材の偏肉を熱間において超音波で測定する方法であって、パルスレーザー光を管材外面に照射することによって超音波を発生させ、管材内面から反射して管材表面に戻ってきた超音波を電磁超音波センサーを用いて受信し、管材内の超音波伝播時間を測定し、前記伝播時間または前記伝播時間から求めた管材の厚みを、管材の長手方向に展開することによって偏肉を計測することを特徴とする管材の偏肉計測方法。
【請求項２】 パルスレーザー光を管材の表面に照射するように設けられたパルスレーザーと、パルスレーザー光の照射によって管材の表面に発生し、管材の内面で反射して表面に戻ってきた反射超音波を検出する電磁超音波センサーと、パルスレーザーを照射してから電磁超音波センサーが反射超音波を検出するまでの時間を測定する計時装置と、測定された時間を管材の長さ方向位置に対応させる手段とを有してなることを特徴とする管材の偏肉測定装置。
【請求項３】 パルスレーザー光を管材の表面に照射するように設けられたパルスレーザーと、パルスレーザー光の照射によって管材の表面に発生し、管材の内面で反射して表面に戻ってきた反射超音波を検出する電磁超音波センサーと、パルスレーザーを照射してから電磁超音波センサーが反射超音波を検出するまでの時間を測定する計時装置と、測定された時間から管材の肉厚を算出する装置と、測定された肉厚を管材の長さ方向位置に対応させる手段とを有してなることを特徴とする管材の偏肉測定装置。
【請求項４】 請求項１の方法によって得られる、管材内の超音波伝播時間の管材長手方向変化又は前記伝播時間から求めた管材の厚みの、長手方向の周期を求め、求められた周期より偏肉の発生原因を特定することを特徴とする管材の偏肉発生原因特定方法。
【請求項５】 請求項２又は請求項３に記載の偏肉測定装置を有してなり、偏肉測定装置の出力として得られた、管材の長さ方向位置に対応する前記測定された時間又は測定された肉厚の長手方向の周期を算出する手段とを有してなることを特徴とする管材の偏肉発生原因特定装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、継目無管等の管材の肉厚分布を熱間圧延中に測定して偏肉を計測する方法及び装置、及びその測定結果に基づいて偏肉の発生原因を特定する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】たとえば、継目無管をマンネスマン・プラグミル方式で製造する場合、ビレットを加熱炉にて所定の温度に加熱した後、穿孔機で中心に沿って孔を穿ち素管を得て、この素管を必要に応じて、エロンゲータ、プラグミル、リーラーに通して、所定の外径、肉厚に仕上げ、サイザーで矯正圧延することによって製造している。このようにして製造される継目無管には種々の要因に基づき肉厚にばらつきが生じる。
【０００３】このような肉厚のばらつき発生要因としては、素管材の材質、加熱温度の不均一等に基づく場合の他、穿孔機、エロンゲータ、プラグミル、リーラー等の製管設備に起因する場合も少なくない。例えば、穿孔機にあたっては、そのプラグの摩耗、偏心等よって、また、その他の設備でも、ロールのアライメント不良、ロール摩耗、プラグの位置のセットアップ不良等で偏肉が発生することが知られている。よって、上記工具の等の点検、整備、交換により偏肉の程度を低減することが行われている。
【０００４】しかし、従来においては、このような点検整備、工具交換等は定期的に、例えば鋼管の製造本数等に基づいて行われていた。そのため、安全を見込んで点検整備を早めに行なうことによって製造能率が落ち、さらに、工具を早めに交換することによって工具コストも高くなる等の問題があった。
【０００５】また、定期的に工具の点検、整備、交換を行なっていても、ミルの予想外のトラブルで点検後早期に偏肉が発生することがある。しかし、従来においては冷却後の肉厚検査で偏肉を計測しているので、偏肉が発生してから検出されるまでの間に製造されて冷却床で冷却中の鋼管が、肉厚不良スクラップとなることもまれにあった。
【０００６】このような問題点を、冷却床前の熱間状態で鋼管の肉厚測定を行うことにより解決する方法の１例が、特開昭６１−７０１０号公報に開示されている。同公報には、この発明によれば、圧延直後に熱間で電磁超音波法を用いて周方向複数箇所の夫々において管の軸長方向各部の肉厚を測定し、この肉厚測定値に基づいて、その偏肉分布、偏肉周期、周方向の偏肉の最大値、最小値を求めるので、迅速に正確な偏肉発生要因の診断ができ、適正なタイミングで無駄なく整備点検が行ない得るようになると記されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記発明では周方向の複数箇所で測定を行なう必要があり、装置コストが非常に高くなってしまう問題がある。また、超音波の送受信に電磁超音波法を用いているため、超音波の検出感度を向上させる手段として、巨大なパルサーや強力な磁化器が必要となっており、これも装置コストを高くしている。
【０００８】すなわち、電磁超音波センサーの感度は、希土類系の永久磁石を使った場合、通常の接触式の超音波厚さ計に用いられる圧電素子に比較して、1／100〜1／1000程低い。そのため、送受信に電磁超音波法を用いた場合では、２乗で感度低下をおこすので、圧電素子に比較して、1／10000〜1／1000000の感度低下がある。この感度低下を減らすために、電磁超音波法では、強力な電磁石や、高出力なパルサーを併用することが必要不可欠となり、コスト増につながっている。
【０００９】しかし、それでも感度は低く、センサーと被検査体の距離（リフトオフ）は数mm程度しか離すことができないのが現状である。よって、安定な測定には、センサーの被検査体に対する倣いの正確さが必要となり、サイズの異なる鋼管を製造するラインでの周方向複数箇所の測定には、複雑なエンジニアリングを要し、これもまたコスト増につながるという問題がある。
【００１０】本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、管材の偏肉を、安価で単純なシステムで圧延直後に熱間で測定できる方法及び装置を提供すること、並びにこれらの測定結果に基づき、偏肉の発生原因を特定する方法及び装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するための第１の手段は、管材の偏肉を熱間において超音波で測定する方法であって、パルスレーザー光を管材外面に照射することによって超音波を発生させ、管材内面から反射して管材表面に戻ってきた超音波を電磁超音波センサーを用いて受信し、管材内の超音波伝播時間を測定し、前記伝播時間又は前記伝播時間から求めた管材の厚みを、管材の長手方向に展開することによって偏肉を計測することを特徴とする管材の偏肉計測方法（請求項１）である。
【００１２】パルスレーザーを用いて超音波を発生させると、条件しだいで、圧電素子に比較して10倍程度強力な超音波を発生させることも容易で、なおかつリフトオフも最大数ｍとすることができる。そのためパルスレーザーで発生させた超音波を電磁超音波センサーで受信した場合には、感度低下は圧電素子に比較して1／10〜1／100程度となる。よって、若干の電気的増幅をすることで、圧電素子並みの感度となり、電磁超音波センサーのリフトオフは１０mm程度とすることができる。その上、高出力なパルサーや強力な電磁石も不要となり、安価な装置構成で、非接触の超音波送受信が可能となる。
【００１３】リフトオフが１０mm程度あるので電磁超音波センサーに冷却機構を設けることは容易であり、熱間での超音波送受信も可能になる。電磁超音波センサに穴をあけてパルスレーザー光を通すことを可能にすれば、パルスレーザー光による超音波の送信、電磁超音波センサーによる受信という構成で反射法による測定も可能となる。このような方式で管材の内部を超音波が伝播する時間が測定でき、その伝播時間または伝播時間を用いて算出した厚みを、装置を動かすか被検査対象を動かすことによって管長手方向に展開すれば、長手方向の伝播時間分布または厚み分布が測定できるようになる。
【００１４】前記課題を解決するための第２の手段は、パルスレーザー光を管材の表面に照射するように設けられたパルスレーザーと、パルスレーザー光の照射によって管材の表面に発生し、管材の内面で反射して表面に戻ってきた反射超音波を検出する電磁超音波センサーと、パルスレーザーを照射してから電磁超音波センサーが反射超音波を検出するまでの時間を測定する計時装置と、測定された時間を管材の長さ方向位置に対応させる手段とを有してなることを特徴とする管材の偏肉測定装置（請求項２）である。
【００１５】本手段においては、パルスレーザーよりのパルスレーザー光を管材の表面に照射して超音波を発生させ、その超音波が管材中を伝播し、内面で反射して戻ってきたところを電磁超音波センサーにより検出する。そして、計時装置が、パルスレーザーを照射してから電磁超音波センサーが反射超音波を検出するまでの時間を測定する。この時間は管材の肉厚に対応している。よって、管材と測定装置との相対的な位置関係の変化に応じて測定された時間を管材の長さ方向位置に対応させることにより、管材の肉厚分布を測定することができる。
【００１６】前記課題を解決するための第３の手段は、パルスレーザー光を管材の表面に照射するように設けられたパルスレーザーと、パルスレーザー光の照射によって管材の表面に発生し、管材の内面で反射して表面に戻ってきた反射超音波を検出する電磁超音波センサーと、パルスレーザーを照射してから電磁超音波センサーが反射超音波を検出するまでの時間を測定する計時装置と、測定された時間から管材の肉厚を算出する装置と、測定された肉厚を管材の長さ方向位置に対応させる手段とを有してなることを特徴とする管材の偏肉測定装置（請求項３）である。
【００１７】本手段は、前記第２の手段に加えて、計時装置で測定された時間から肉厚を算出する装置が追加され、測定された肉厚を管材の長さ方向位置に対応させていることのみが前記第２の手段と異なっている。よって、基本的には前記第２の手段と同様の作動を行い、同様の作用効果を奏する。
【００１８】前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段によって得られる、管材内の超音波伝播時間の管材長手方向変化または前記伝播時間から求めた管材の厚みの、長手方向の周期を求め、求められた周期から偏肉の発生原因を特定することを特徴とする管材の偏肉発生原因特定方法（請求項４）である。
【００１９】プラグミル方式による圧延をした場合、偏肉の主たる原因としては、穿孔機、エロンゲータ、リーラーによるプラグの偏心等がある。これらは、スパイラル状に発生するため、周方向のある位置での長手方向肉厚分布でみると、周期的にある長さで肉厚変化が発生することになる。そこで、長手方向の肉厚変化、または、それと同等の超音波伝播時間変化の周期を求めると、どの設備で偏肉が発生したかを特定することができる。
【００２０】長手方向の肉厚変化、または、それと同等の超音波伝播時間変化の周期を求める方法としては、たとえば、これらの値を、長さを基準軸としてフーリエ変換等の周波数解析をすることが考えられる。ある周波数でスペクトルピークが現れれば、このピークの周波数がスパイラル状の偏心の周期と一致する。その他、長手方向の肉厚変化、または、それと同等の超音波伝播時間変化の長さ方向の相互相関をとり、そのピーク値より偏肉の周期を求めてもよい。この周期がわかれば、穿孔機、エロンゲータ、リーラーのどの部位で発生したかは圧延スケジュールから容易に分かり、ただちに偏肉の発生原因を特定することが可能となる。
【００２１】前記課題を解決するための第５の手段は、前記第２の手段又は第３の手段である偏肉測定装置を有してなり、偏肉測定装置の出力として得られた、管材の長さ方向位置に対応する前記測定された時間又は測定された肉厚の、長手方向の周期を算出する手段とを有してなることを特徴とする管材の偏肉発生原因特定装置（請求項５）である。
【００２２】本手段においては、前記第２の手段又は第３の手段によって求まった管材の長さ方向位置に対応する前記測定された時間又は測定された肉厚の分布から、これらの値の長さ方向の周期を算出する。たとえば、肉厚の長手方向の周波数（長さを基準軸とした場合の肉厚変動の周波数）を求める。そして、そのスペクトル分布のピークとなっている周波数、すなわち管材の長さを求める。又は、これらの値の長さ方向の相互相関をとることにより、長手方向の周期を算出することができる。すると、前記第４の手段の説明で説明したように、どの設備において偏肉が発生しているかを判別することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態の例を図面にもとづいて具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である管材の偏肉計の概略構成を示す図である。図１において、１はパルスレーザー、２は冷却式電磁超音波センサー、４は被検査体である管材（本実施の形態では継目無鋼管）、５は広帯域アンプ、６はバンドパスフィルター、７はＡ／Ｄ変換部、８は伝播時間算出部、９は厚さ算出部、１０は偏肉要因診断部、１１は表示部、１２は温度音速テーブル、１３は温度計である。
【００２４】まず、パルスレーザーから尖塔値が10MW／cm2以上の光密度のパルス光を被検査体４である継目無鋼管に照射すると、被検査体４表面がアブレーションをおこし超音波が発生する。発生した超音波は、被検査体４の内面および外面を往復伝播する。このとき、パルスレーザー光を貫通させる穴を設けた電磁超音波センサー２を被検査体４表面の超音波発生部位に置いておくと、超音波が被検査体表面に到達するたびに超音波を電気信号として検出することができる。
【００２５】本実施の形態では、パルスレーザー光のパルスエネルギーを200mJ、パルス幅を５nsとし、光を直径２mmに絞って超音波を発生させており、この場合、圧電素子の10倍程度のパワーの超音波が発生する。その反射超音波を磁力3500Gauss、コイル７ターンの縦波型電磁超音波センサー２で受信すると10mm程度のリフトオフでS／N＝３程度の受信信号がえられる。十分なリフトオフがあるので、電磁超音波センサー２に冷却機構を設けることができ、熱間でも使用が可能となる。
【００２６】本実施の形態においては、冷却機構は電磁超音波の感度を低下させないように、非磁性のSUS304とセラミックで電磁超音波センサー２を覆い内部に水を流すような構造としている。しかし、電磁超音波センサー２の感度を低下させることなく輻射熱による熱をセンサーに流れないようにする構造であれば、どのような冷却方式を採用してもよい。本実施の形態の冷却構造をとると、電磁超音波センサー２の外形が２mm程度大きくなるので、冷却式の電磁超音波センサー２の表面と被検査体のリフトオフは８mm程度取れることになる。即ち、基準リフトオフを４〜５mmに設定すれば、電磁超音波センサー２と被検査体４の距離変動が３mm程度許されるので、製造ラインへ設置の際、倣い機構の設計が容易になる。
【００２７】冷却式電磁超音波センサー２が検出した超音波信号を40dB〜80dBの広帯域アンプ５に通し、さらにバンドパスフィルタ−６を通し、Ａ／Ｄ変換部７でＡ／Ｄ変換する。広帯域アンプ５を通す理由は、Ａ／Ｄ変換部７に入力するアナログ信号を適当な大きさにするためであり、バンドパスフィルター６を通す理由は、被検査体を伝播する超音波の周波数だけをＡ／Ｄ変換部７に入力するようにして、Ｓ／Ｎを向上させるためである。本実施の形態では、広帯域アンプ５で約80dB増幅し、バンドパスフィルター６で１〜５MHzの信号を通過させている。
【００２８】こうして得られた、超音波の伝播波形（Ａ−スコープ）は図２のようになる。図中、超音波が被検査体を１往復して受信されたB1エコーはノイズに隠れているが、２、３・・・往復して得られれるB2、B3、B4・・・エコーは良好なS／N比で得られている。
【００２９】伝播時間算出部８では、Ａ−スコープから隣あう２つのエコーピークの時間間隔Δｔを周知の技術で算出し、さらに、厚さ算出部９で被検査体の音速ＶとΔｔから肉厚を算出する。このとき、音速が被検査体４の温度に応じて変化するので、厚さ算出部９では、温度計１３により被検査体の温度をモニターし、その温度をもとに、温度−音速テーブル１２から音速を推定する。実施の形態では、放射温度計を用いて表面温度を測定しており、図３のような温度−音速テーブルを使用している。
【００３０】以上のようなような方法で肉厚測定を長手方向にしていくと、長手方向の肉厚分布は、図４のようになる。この長手方向の肉厚分布を偏肉要因診断部１０でフーリエ変換し、周波数解析を行なうと図５の様なスペクトルが得られる。このスペクトル中で50cycle／mのピークが、リーラ−による偏肉周期であり、20cycle／mのピークがエロンゲータによる偏肉周期であり、13cycle／mのピークが穿孔機による偏肉周期である。これらの偏肉周期は、製造サイズによって変化するものであるが、圧延スケージュールにより予め予想できるものである。そこで、この偏肉周期の図を表示部１１に表示させておけば、異常な偏肉周期・強度を工場オペレータが認識でき、操業へのフィードバックを迅速にとることが可能になる。
【００３１】また、偏肉要因診断部１０では偏肉の周期を知るためにフーリエ変換を行なっているが、肉厚変化の周期性がわかる信号処理ならば何でもよく、自己相関をとるなどの方法も使用することができる。
【００３２】以上の説明では、管材の厚みを長手方向に測定し偏肉周期を算出する例を示したが、厚みを算出せずに伝播時間のみの測定で偏肉の周期を測定することも可能なことはいうまでもない。
【００３３】なお、本実施の形態においては、超音波の測定と同時に被検査体の温度を測定し、音速を推定したが、通常、管材の長手方向の温度分布はクロップとし捨て去る両端を除くと50℃以内となっている。温度差が50℃以内であれば、平均的な温度で代表させて音速を推定しても、音速変化に換算して１％以内の誤差にしかならないので、肉厚の算出誤差となるのも１％以内であり、要求精度によっては十分使えるレベルである。また、この温度差の結果は、厚みではなく、伝播時間で偏肉を測定した場合の精度も保証するものである。
【００３４】本実施の形態では、パルスレーザー光を被検査体に照射し、被検査体上でアブレーションを起して、超音波を発生させているが、１回のアブレーションによって被検査体が損傷をうける量は深さ１μm程度であり、後にスケール等の付着物が付くことを考えると、製品として疵がつくというレベルではない。即ち、レーザー光で超音波を発生することによるマイナス面は無い。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によって、従来法よりもリフトオフを大きくとることができる非接触超音波送受信法が確立し、熱間の管材の偏肉を測定することが実現できる。また、従来法に比べ、安価でシンプルな装置構成なので、小額な投資で設備化できる。さらに、管材の長さ方向の肉厚の周期を知ることにより、偏肉の発生設備を特定できるので、工具・圧延機の点検、部品交換が適切なタイミングで行なえるようになり、稼働率向上・部品コスト低減に寄与する。
【出願人】 【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
【出願日】 平成１１年１１月１５日（１９９９．１１．１５）
【代理人】 【識別番号】１０００９４８４６
【弁理士】
【氏名又は名称】細江 利昭
【公開番号】 特開２００１−１４１４３７（Ｐ２００１−１４１４３７Ａ）
【公開日】 平成１３年５月２５日（２００１．５．２５）
【出願番号】 特願平１１−３２３８３０