JP4736716B2 - 鋼管の熱間肉厚測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の熱間肉厚測定方法に係わり、特に、継目無鋼管の製造ラインで、マンドレル・バーがまだ挿入された状態にある鋼管の肉厚を測定するのに有効な技術である。

鋼管の外径及び肉厚の自動測定に対する要求は、品質管理上及び検査工程の迅速化の点からも近年ますます増大している。

ところで、鋼管の肉厚を測定する方法は、従来、ノギスやマイクロメータ等の測定器具を使用し、作業者が直接測定するか、あるいは超音波厚さ計で手動又は自動的に測定していた。しかしながら、ノギス等の器具を利用する方法では、鋼管の両端部だけしか測定できないという問題がある。また、超音波厚さ計では、鋼管の全長にわたっての測定が可能であるが、超音波の管への入射に接触媒質を介してプローブを鋼管表面に接触させなければならず、精整工程等での冷間測定はできても、圧延工程等の熱間での測定が困難であった。

そのため、Ｘ線、γ線のような放射線及びテレビカメラを用い，熱間、冷間を問わず、非接触で且つ連続的に、鋼管の全長にわたり肉厚を自動測定する技術が開発された（例えば、特許文献１参照）。つまり、鋼管に照射した放射線が、鋼管の内面に接して透過した時に、その減衰量が最大となり、外面に接した時に最小となる特性を利用し、減衰量の最大点と最小点を検知し、その間の放射線源、被測定鋼管、検出器の移動距離、時間又はブラウン管の映像上における距離を測定するものである。

確かに、この技術によれば、熱間、冷間を問わず、非接触で且つ連続的に、鋼管の全長にわたり肉厚を自動測定が可能となった。しかしながら、放射線は透過性であるため、マンネスマン・マンドレルミル方式の継目無鋼管の製造工程（ラインともいう）のように、圧延時にマンドレル・バーを鋼管内に挿入した状態での測定には適用が難しい。つまり、マンドレル・バーの挿入で鋼管内面の境界が判別し難いからである。従って、マンドレル・ミルの入側とか出側での測定ができないという問題があった。

このような非接触方式の測定技術としては、上記放射線に代えて、レーザを用いる技術もある。つまり、鋼管へのレーザの照射により鋼管内で発生する超音波の多重反射エコーを信号処理することで、肉厚を測定する技術である。例えば、本出願人の出願で、最近公開されたものとして、鋼管の肉厚を熱間でレーザ超音波肉厚計を用い測定するに際し、鋼管の温度補正を適切に行って、測定誤差を少なくした測定技術がある（特許文献２参照）。この技術によれば、熱間でマンドレル・バーを挿入した状態でも鋼管の肉厚を測定ができる。

ところで、このレーザを用いた肉厚測定の原理は、下記の通りである。

まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、超音波発生用レーザ１を鋼管（図示せず）の外表面２に照射する。その結果、鋼管外表面２のアブレーションの反作用として肉厚方向に超音波３が発生する。その超音波３は、肉厚方向に伝播し、内表面で反射し、反射波５が再び外表面２に達すると、外表面２が微小に隆起する。この外表面２の隆起部６に、別途、エコー検出用レーザ７を照射すると共に、外表面２の隆起によるエコー検出用レーザ７の波形の変化を、光干渉装置８で検出する。この検出で、超音波発生用レーザ照射時刻（超音波発生時刻）と内表面からの反射波による外表面の隆起検出時刻（エコー検出時刻）との時間差が、超音波の進行時間となる。そして、超音波伝播速度は、鋼管の鋼種（組成）と温度とから定まる物性値なので、この速度、前記超音波の進行時間、及び幾何学補正項（図３（ｂ）に示す鋼管肉厚内のエコーの反射角等を用いる）によって、鋼管の肉厚が次式で計算できる。なお、超音波は、肉厚方向のあらゆる角度（３６０°）に発生するので、エコーは、図２及び図３（ｂ）に示すように、鋼管の外表面２と内表面４との間を１往復した時点で検出される１往復エコー９（第１エコーともいう）、２往復した第２エコー１０、３往復した第３エコー１１・・第ｎエコー等のようになる。

ＷＴ＝（１／２ｎ）×ＴＯＦｎ×Ｖ×ｆ（ｎ）
ここで、ＷＴ：鋼管の肉厚、ＴＯＦｎ：第ｎエコーの進行時間、Ｖ：鋼管中の超音波伝播速度、ｆ（ｎ）：第ｎエコーの幾何学補正項
しかしながら、上記式のＴＯＦｎを決める超音波発生時刻とエコー検出時刻とを正確に把握することは困難である。検出される波形は複雑であるし、鋼管の隆起程度による測定値への影響が避けられないからである。そのため、実際には、ＴＯＦｎ＝ＴＯＦｍ＋δＴ
のように、測定値ＴＯＦｍに対してオフセット（補正）項δＴを設けて、実際の肉厚（ノギス等で測定した）と照らしてチューニングするのが通常である。これでは、測定に作業者の手間がかるばかりでなく、高精度で、且つ迅速な測定ができないという問題があり、オフセット項を設けないで測定することが多い。

また、鋼管の肉厚を実際にオンラインで測定する場合、鋼管を一定速度で走行させながら、一本あたり長さ方向に沿い約４００箇所での測定が行われるが、鋼管中の超音波の減衰が著しく、常に第２エコー以降が多数得られるとは限らない。
特開昭５４−１１４２６３号公報 特開２００５−１３４３２１号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、レーザの照射で発生した超音波の反射エコーのうち、数箇所で得た３往復エコー及び４往復エコーを用い、高精度に肉厚を測定する鋼管の肉厚測定方法を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、熱間でオンラインを走行する鋼管の外面にレーザを照射し、発生した超音波が鋼管内面と外面との間の肉厚内で反射、往復する多数のエコーを光干渉装置で検出し、前記肉厚内で進行するエコーの進行時間及び反射角を定め、それらの値と超音波の伝播速度とから肉厚を計算するに際して、まず、検出されたエコーのうちから、３往復エコー及び４往復エコーを抽出し、それぞれの前記進行時間にそれぞれ下記（１）式、下記（２）式を満足するオフセット値δＴ３、δＴ４を設定し、３往復エコーの進行時間のオフセット値δＴ３と４往復エコーの進行時間のオフセット値δＴ４とが等しいと定めて、下記（４）及び下記（５）の式を連立させて、該（４）及び（５）式から肉厚値ＷＴを求め、次いで、この肉厚値ＷＴを１往復エコーの進行時間の測定値ＴＯＦｍ１から肉厚を与える下記（６）の式に代入して、１往復エコーの進行時間のオフセット値δＴｌを逆算して定め、定めた１往復エコーの進行時間のオフセット値δＴ１を利用して、下記（６）式から全ての測定箇所の肉厚ＷＴを計算することを特徴とする鋼管の熱間肉厚測定方法である。
記
ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ３＝ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ３十δＴ３ ・・・（１）
ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ４＝ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ４十δＴ４・・（２）
ＷＴ＝（１／６）×（ＴＯＦｍ３十δＴ３）×Ｖ×ｆ（３）・・（４）
ＷＴ＝（１／８）×（ＴＯＦｍ４＋δＴ４）×Ｖ×ｆ（４）・・（５）
ＷＴ＝（１／２）×（ＴＯＦｍ１＋δＴ１）×Ｖ×ｆ（１）・・（６）
但し、ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ３は真の第３エコーの進行時間
ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ３は測定した第３エコーの進行時間
ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ４は真の第４エコーの進行時間
ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ４は測定した第４エコーの進行時間
Ｖは鋼管中の超音波伝播速度、
ＴＯＦｍ３は３往復エコーの進行時間の測定値
ｆ（３）は第３エコーの幾何学補正項
ＴＯＦｍ４は４往復エコーの進行時間の測定値
ｆ（４）は第４エコーの幾何学補正項
ＴＯＦｍ１は１往復エコーの進行時間の測定値
ｆ（１）は第１エコーの幾何学補正項

この場合、前記３往復及び４往復エコーが複数あれば、前記進行時間のオフセット値をそれらの平均値とするのが好ましい。また、前記鋼管の温度が１２００℃以下であったり、あるいは前記鋼管が、プラグ又はマンドレル・バーを挿入した状態にあることが好ましい。さらに、前記鋼管の肉厚が３〜３５ｍｍであれば、一層好ましい。

本発明によれば、１２００℃以下という熱間でオンラインを走行中であっても、鋼管にレーザ照射し、発生した超音波の多数の反射エコーから、３往復エコー及び４往復エコーを抽出して、高精度で鋼管の肉厚を測定することができるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。

まず、発明者は、レーザによる従来の鋼管肉厚測定方法を見直し、鋼管の肉厚を実際にオンラインで測定する場合、鋼管中の超音波の減衰が著しく、常に２往復エコー以降（３往復エコー、４往復エコー、・・）が多数得られるとは限らないことを確認した。ところが、鋼管を一定速度で走行させながら、一本あたり長さ方向に沿い約４００箇所という多数箇所での測定が行われるので、２往復エコー（以下、第２エコーという）以降がまったく皆無ということはなく、第３エコー、第４エコーならば少ない場合で数箇所の測定位置でデータ入手が可能であることも判明した。

ところで、エコー波形及びその検出時刻に関する前記オフセット値δＴは、超音波の反射する角度（θ）に依存すると考えられる（図３（ｂ）参照）。すなわち、反射角度の差が大きい第１エコーと第２エコーとの該オフセットの値は大きく異なるが、第３エコー、第４エコーと後方のエコーになるほど、該角度の差は小さくなり、オフセット値は一定値に収斂し、ほぼ同じ値になっていくと考えられる。

そこで、発明者は、第３エコー及び第４エコーのオフセット値がほぼ等しくなることを利用すれば、前記したようなオフセット値の問題が解決できると考え、以下で述べるように、従来の肉厚測定方法に改良を加え、本発明を完成させたのである。

従来の測定方法は、図３（ａ）及び（ｂ）に示したように、熱間でオンラインを一定速度（例えば、６０〜３６０ｍ／ｍｉｎ）で走行する鋼管（図示せず）の外表面２に、超音波発生用レーザ１を照射し、プラズマ圧力で発生した超音波３が鋼管内表面４と外表面２との間の肉厚内で反射、往復する多数のエコー（測定位置は、鋼管１本あたり数百箇所になる）を、別途検出用レーザー７の照射して光干渉装置８で検出するものである。その検出結果は、図２のような電気信号として得られる。従って、前記肉厚内で進行するエコーの進行時間及び反射角が定められ、それらの値と超音波の伝播速度とから前出の下記式を用いて、肉厚を計算することが可能となる。

ＷＴ＝（１／２ｎ）×ＴＯＦｎ×Ｖ×ｆ（ｎ）
ここで、ＷＴ：鋼管の肉厚、ＴＯＦｎ：第ｎエコーの進行時間、Ｖ：鋼管中の超音波伝播速度、ｆ（ｎ）：第ｎエコーの幾何学補正項
まず、本発明では、このようにして検出されたエコーのうちから、３往復エコー及び４往復エコーを抽出し、それぞれの前記進行時間にオフセット値を設定する。

つまり、ＴＯＦ_{ａｃｔｕａｌ}３＝ＴＯＦ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}３＋δＴ３ （１）
ＴＯＦ_{ａｃｔｕａｌ}４＝ＴＯＦ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}４＋δＴ４ （２）
ここで、ＴＯＦ_{ａｃｔｕａｌ}３： 真の（実際の）第３エコーの進行時間
ＴＯＦ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}３： 測定した第３エコーの進行時間
δＴ３： 設定した第３エコーのオフセット値
ＴＯＦ_{ａｃｔｕａｌ}４： 真の（実際の）第４エコーの進行時間
ＴＯＦ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}４： 測定した第４エコーの進行時間
δＴ４： 設定した第４エコーのオフセット値
なお、前記３往復及び４往復エコーが複数抽出できる場合には、オフセット値をそれらの平均値とするのが好ましい。その方が真値に近いからである。

そして、それらのオフセット値が３往復エコー及び４往復エコーで等しいと定める。

δＴ３＝δＴ４ （３）
従って、第３エコー及び第４エコーに対する肉厚を求める式は、それぞれ下記（４）及び（５）であるので、（３）の条件下で（４）及び（５）を連立させると、真の肉厚値ＷＴが求まる。

ＷＴ＝（１／６）×（ＴＯＦｍ３＋δＴ３）×Ｖ×ｆ（３） （４）
ＷＴ＝（１／８）×（ＴＯＦｍ４＋δＴ４）×Ｖ×ｆ（４） （５）
ここで、数字３、４はそれぞれ第３、第４エコーの値を、ｍは測定値であること示す。

次いで、上記のようにして求めた肉厚値ＷＴを１往復エコーの肉厚を与える下記の式（６）に代入すると、１往復エコーのオフセット値が逆算して定められる。

ＷＴ＝（１／２）×（ＴＯＦｍ１＋δＴ１）×Ｖ×ｆ（１） （６）
なお、数字１は第１エコーの値を、ｍは測定値であることを示す。

そこで、この１往復エコーのオフセット値δＴ１を利用すれば、他の全ての測定箇所の肉厚を計算することが可能となる。

なお、本発明による測定対象となる鋼管は、継目無鋼管、電縫鋼管、圧接鋼管等のいずれでも良いが、特に、プラグ、マンドレル・バー等を内部に挿入し、圧延する場合に有効である。レーザによる超音波の鋼管内面と外面間の反射を利用するので、放射線の場合のような境界が不鮮明になるという問題が生じないからである。また、測定する肉厚の範囲は、３〜３５ｍｍであることが望ましい。３ｍｍ未満では、薄すぎて測定が難しく、３５ｍｍ超えでは、超音波の減衰が著しいため不都合だからである。さらに、測定時における鋼管の温度は、１２００℃以下であることが好ましい。１２００℃超えでは、高すぎて超音波の減衰が著しいからである。下限を設けなかったのは常温でも測定可能だからである。

鋼種が一般炭素鋼の小径継目無鋼管（圧延目標値：外径１７２ｍｍ、肉厚５ｍｍ、長さ１２６００ｍｍ）をマンドレル・ミルで延伸圧延し、その出側で、マンドレル・バーを引き抜く前に、肉厚を測定した。測定時の鋼管温度は、１０５０℃であった。その際、本発明に係るオフセット値を設けた場合及びオフセット値を設けない従来の方法による場合の２通りでの測定を行った。また、本発明の信頼性を確認するため、本発明で測定された鋼管については、作業者が測定冶具（ゲージ）を用いての直接測定も行った。なお、ゲージでの測定は、ライン外に抜き出した鋼管を輪切りにして行った。

その結果を図１に一括して示す。図１より、本発明に係る測定値は、鋼管の長手方向全体にわたり、ゲージによる測定値とほぼ一致し、正確な肉厚測定が行われたことが明らかである。つまり、オフセット値を設けない従来の測定方法に比べ、本発明によれば、大幅に鋼管肉厚の測定精度が改善される。

小径継目無鋼管のマンドレル・ミル出側での肉厚測定例を示す図である。 レーザで発生した超音波の反射エコーの電気信号の時間変化を示す図である。 レーザ照射による鋼管肉厚の測定原理を説明する模式図であり、（ａ）は超音波の発生と反射エコーの検出を、（ｂ）は、鋼管内で反射エコーが進行する状況である。

符号の説明

１ 超音波発生用レーザ
２ 外表面
３ 超音波
４ 内表面
５ 反射波
６ 隆起部
７ エコー検出用レーザ
８ 光干渉装置
９ 第１エコー
１０ 第２エコー
１１ 第３エコー

Claims (5)

1. 熱間でオンラインを走行する鋼管の外面にレーザを照射し、発生した超音波が鋼管内面と外面との間の肉厚内で反射、往復する多数のエコーを光干渉装置で検出し、前記肉厚内で進行するエコーの進行時間及び反射角を定め、それらの値と超音波の伝播速度とから肉厚を計算するに際して、
   まず、検出されたエコーのうちから、３往復エコー及び４往復エコーを抽出し、それぞれの前記進行時間にそれぞれ下記（１）式、下記（２）式を満足するオフセット値δＴ３、δＴ４を設定し、３往復エコーの進行時間のオフセット値δＴ３と４往復エコーの進行時間のオフセット値δＴ４とが等しいと定めて、下記（４）及び下記（５）の式を連立させて、該（４）及び（５）式から肉厚値ＷＴを求め、次いで、この肉厚値ＷＴを１往復エコーの進行時間の測定値ＴＯＦｍ１から肉厚を与える下記（６）の式に代入して、１往復エコーの進行時間のオフセット値δＴｌを逆算して定め、定めた１往復エコーの進行時間のオフセット値δＴ１を利用して、下記（６）式から全ての測定箇所の肉厚ＷＴを計算することを特徴とする鋼管の熱間肉厚測定方法。
   記
   ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ３＝ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ３十δＴ３ ・・・（１）
   ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ４＝ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ４十δＴ４・・（２）
   ＷＴ＝（１／６）×（ＴＯＦｍ３十δＴ３）×Ｖ×ｆ（３）・・（４）
   ＷＴ＝（１／８）×（ＴＯＦｍ４＋δＴ４）×Ｖ×ｆ（４）・・（５）
   ＷＴ＝（１／２）×（ＴＯＦｍ１＋δＴ１）×Ｖ×ｆ（１）・・（６）
   但し、ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ３は真の第３エコーの進行時間
   ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ３は測定した第３エコーの進行時間
   ＴＯＦ _{ａｃｔｕａｌ} ４は真の第４エコーの進行時間
   ＴＯＦ _{ｍｅａｓｕｒｅｄ} ４は測定した第４エコーの進行時間
   Ｖは鋼管中の超音波伝播速度、
   ＴＯＦｍ３は３往復エコーの進行時間の測定値
   ｆ（３）は第３エコーの幾何学補正項
   ＴＯＦｍ４は４往復エコーの進行時間の測定値
   ｆ（４）は第４エコーの幾何学補正項
   ＴＯＦｍ１は１往復エコーの進行時間の測定値
   ｆ（１）は第１エコーの幾何学補正項
2. 前記３往復及び４往復エコーが複数あれば、前記進行時間のオフセット値をそれらの平均値とすることを特徴とする請求項１記載の鋼管の熱間肉厚測定方法。
3. 前記鋼管の温度が１２００℃以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼管の熱間肉厚測定方法。
4. 前記鋼管が、プラグ又はマンドレル・バーを挿入した状態にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管の熱間肉厚測定方法。
5. 前記鋼管の肉厚が３〜３５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管の熱間肉厚測定方法。

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