JP5482119B2

JP5482119B2 - 疲労損傷評価方法及びその装置

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Publication number: JP5482119B2
Application number: JP2009256635A
Authority: JP
Inventors: 伸和井戸; 稔田上; 達夫辻; 謙治加藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP2011102700A

Description

本発明は、構造物の繰返し荷重が作用する部位の疲労状態を評価する疲労損傷評価方法及びその装置に関するものである。

構造物、例えばＬＮＧタンクでは、ＬＮＧをタンクに貯溜し、又ＬＮＧを消費することで、タンク内のＬＮＧの液位が上下し、タンク、特にタンク側壁と底板との接合部（隅部）には大きな繰返し荷重が作用する。

この為、隅部に疲労による亀裂が発生する可能性があり、隅部の疲労損傷状態を検査する必要がある。

従来、亀裂損傷を検査する為には、タンクを開放し、タンク内部から検査する必要があった。タンクを開放する為には、タンク内に貯溜されたＬＮＧを仮に移す予備タンクが必要であり、又内部に人が入り全周検査する為、多くの時間と労力を必要とし、検査コストが掛っていた。更に、従来の検査方法では、損傷の位置は推定できるが、損傷の程度は推定できないものであった。

又、複雑な構造物で、検査対象部位迄立入ることができない、或は狭小な空間で検査装置を設置できない等、検査すること自体が困難な場合もあった。

特開平１０−２６６１３号公報特開２００８−１８０５５８号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、作業者が直接検査対象部位について検査する必要がなく、又構造物の現状を変えることなく、現状を維持したままで、疲労亀裂の検出が可能であると共に疲労亀裂の程度の推定が可能な疲労損傷評価方法及びその装置を提供するものである。

本発明は、検査部位についてのＡＥ検出曲線を経時的に取得し、該ＡＥ検出曲線の内亀裂進行により発せられるＡＥに対応する特定周波数帯でのＡＥカウント数に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する疲労損傷評価方法に係るものである。

又本発明は、前記特定周波数帯でのＡＥカウント数の経時的増加に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する疲労損傷評価方法に係るものである。

又本発明は、検査部位をモデル化した試験部材により、予め前記ＡＥ検出曲線を取得して参照データとし、検査部位の特定周波数帯での前記ＡＥカウント数と参照データとの対比により疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する疲労損傷評価方法に係るものである。

又本発明は、前記ＡＥ検出曲線の特定周波数帯部分の特定周波数帯面積を求め、該特定周波数帯面積に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する疲労損傷評価方法に係るものである。

又本発明は、前記ＡＥ検出曲線の面積Ｓ０、及び前記特定周波数帯面積Ｓを求めると共に面積比Ｓ／Ｓ０を求め、該面積比Ｓ／Ｓ０に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する疲労損傷評価方法に係るものである。

又本発明は、前記ＡＥ検出曲線面積と前記特定周波数帯面積との比（Ｓ／Ｓ０）と亀裂進展速度との関連から、前記面積比に基づき亀裂進展速度を求める疲労損傷評価方法に係るものである。

又本発明は、検査対象部位に取付けられたＡＥセンサと、該ＡＥセンサからＡＥ信号が入力される疲労亀裂進展判断部とを具備し、該疲労亀裂進展判断部は前記ＡＥ信号に基づき該ＡＥ信号の内亀裂進行に対応する特定周波数帯での特定周波数帯ＡＥカウント数を演算し、該特定周波数帯ＡＥカウント数に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する疲労損傷評価装置に係るものである。

又本発明は、前記疲労亀裂進展判断部は、ＡＥ信号から得られる総ＡＥカウント数と前記特定周波数帯ＡＥカウント数との比を求めると共に（特定周波数帯ＡＥカウント数／総ＡＥカウント数）の比を求め、該比に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する疲労損傷評価装置に係るものである。

更に又本発明は、前記検査対象部位に取付けられた複数のＡＥセンサを具備し、前記疲労亀裂進展判断部は、複数のＡＥセンサからの信号の受信時間差に基づき発生した亀裂の位置を特定する疲労損傷評価装置に係るものである。

本発明によれば、検査部位についてのＡＥ検出曲線を経時的に取得し、該ＡＥ検出曲線の内亀裂進行により発せられるＡＥに対応する特定周波数帯でのＡＥカウント数に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断するので、構造物について現状を維持したままで、又人手による検査を必要としないので、検査期間、検査コストを大幅に低減できる。

本発明によれば、検査対象部位に取付けられたＡＥセンサと、該ＡＥセンサからＡＥ信号が入力される疲労亀裂進展判断部とを具備し、該疲労亀裂進展判断部は前記ＡＥ信号に基づき該ＡＥ信号の内亀裂進行に対応する特定周波数帯での特定周波数帯ＡＥカウント数を演算し、該特定周波数帯ＡＥカウント数に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断するので、構造物について現状を維持したままで、又人手による検査を必要としないので、検査期間、検査コストを大幅に低減できるという優れた効果を発揮する。

（Ａ）はアルミ合金について常温での疲労試験を行った場合のＡＥ検出グラフであり、（Ｂ）はアルミ合金について低温での疲労試験を行った場合のＡＥ検出グラフである。（Ａ）は、９％Ｎｉ鋼について常温での疲労試験を行った場合のＡＥ検出グラフであり、（Ｂ）は９％Ｎｉ鋼について低温での疲労試験を行った場合のＡＥ検出グラフである。本発明に係る疲労損傷評価装置の一例を示す概略構成図である。ＡＥと閾値との関係、ＡＥカウント数との関係を示すグラフである。ＡＥ発生についての説明図である。ＡＥ検出曲線面積比と疲労亀裂進展速度との関係を示す図である。疲労亀裂進展速度とΔＫに関連する安全設計曲線の一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

材料の変形や破壊の際に歪みエネルギの開放により発生する弾性波（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎアコウスティク・エミッション）（以下ＡＥと称す）があり、ＡＥは疲労亀裂の進展、酸化膜破壊、ＦＲＰ繊維の破断等で発生する。

本発明は、ＡＥ波を検出してタンク外部から疲労亀裂の検出及び疲労亀裂の程度の推定を可能とする。

先ず、本発明の原理について説明する。

本発明者が、部材の疲労試験を行いＡＥセンサによりＡＥを検出し、検出結果を検討した結果、疲労損傷の進行と共に特定周波数部分でのＡＥカウント数（ＡＥ検出信号中で所定の閾値より大きいもののカウント数）が増加することを見出した。これは、亀裂進展速度が大きくなると、開放されるエネルギが大きくなり、振幅値のより大きいＡＥが発生する様になり、又高い周波数成分を持ったＡＥが頻繁に発生すると考えられる。換言すると、特定周波数でのＡＥカウント数の増加が疲労亀裂の発生、疲労亀裂の進展に関連するものであると考えられる。

従って、本発明者は、特定周波数部分でのＡＥカウント数の経時的増加に基づき、疲労亀裂の検出及び疲労亀裂の程度、疲労亀裂の進展状態の推定を行う方法及び装置を提案するものである。

以下、材料の代表的な材質である鉄合金、アルミ合金について疲労試験を行った場合のＡＥ検出結果を示す。

図１（Ａ）は、アルミ合金の常温での試験部材の疲労試験を行った場合の、周波数に対応するＡＥカウント数を表すＡＥ検出曲線を時間経過と共に表した３次元のＡＥ検出グラフであり、図中、Ｘ軸はＡＥの周波数、Ｙ軸は繰返し荷重の繰返し回数（時間：手前から奥に向って繰返し回数が増加、即ち時間が経過する）、Ｚ軸はＡＥカウント数である。尚、繰返し回数は０〜９００００回とした。尚、図１（Ａ）には、試験部材が破断する直前迄のＡＥ検出曲線が示されている。

このＡＥ検出グラフから分る様に、繰返し回数Ａ（０〜１００００）、繰返し回数Ｂ（５００００〜６００００）、繰返し回数Ｃ（７００００〜８００００）、繰返し回数Ｄ（８００００〜９００００）と移行する程に、ＡＥカウント数を示す曲線に経時的な変化が見られる周波数帯がある。即ち、１６０ｋＨｚ〜１８０ｋＨｚの周波数帯では、ＡＥカウント数が経時的に増大している。特に、１６０ｋＨｚ〜１７０ｋＨｚの周波数帯では、顕著なＡＥカウント数の増大が確認できる。又、繰返し回数Ｄ以上で試験部材が破断したことが分る。

図１（Ｂ）は、アルミ合金の低温（約−１６０℃）での試験部材の疲労試験を行った場合のＡＥの検出結果を示した３次元グラフである。

このＡＥ検出グラフが示す様に、低温であっても特定の周波数帯、１９０ｋＨｚ〜２３０ｋＨｚでＡＥカウント数の経時的な増大が見られる。又、繰返し回数Ａ（０〜１００００）、繰返し回数Ｂ（５００００〜６００００）、繰返し回数Ｃ（１０００００〜１１００００）、繰返し回数Ｄ（１３００００〜１３７０００）である。

図２（Ａ）は、９％Ｎｉ鋼の常温での試験部材の疲労試験を行った場合のＡＥの検出結果を示した３次元グラフであり、繰返し回数は２０００回〜６００００回とした。

このＡＥ検出グラフから分る様に、繰返し回数Ａ（２０００〜１２０００）、繰返し回数Ｂ（３２０００〜４２０００）、繰返し回数Ｃ（４２０００〜５２０００）、繰返し回数Ｄ（５７０００〜６００００）と移行する程に、１６０ｋＨｚ〜２２０ｋＨｚの周波数帯では、ＡＥカウント数が経時的に増大している。特に、１８０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数帯では、顕著なＡＥカウント数の増大が確認できる。又、繰返し回数Ｄ以上で試験部材が破断したことが分る。

図２（Ｂ）は、９％Ｎｉ鋼の低温（約−１６０℃）での試験部材の疲労試験を行った場合のＡＥの検出結果を示した３次元グラフである。

このＡＥ検出グラフが示す様に、９％Ｎｉ鋼は低温であっても特定の周波数帯、１７０ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚでＡＥカウント数の経時的な増大が見られる。又、繰返し回数Ａ（０〜１００００）、繰返し回数Ｂ（２００００〜３００００）、繰返し回数Ｃ（４００００〜５００００）、繰返し回数Ｄ（６００００〜７００００）である。

上述した様に疲労試験を行った場合、材料の相違に拘らず、更に環境温度の相違に拘らず、試験部材には疲労亀裂の発生、疲労亀裂の進展に伴い、特定周波数帯でのＡＥカウント数の経時的増加が確認できる。

従って、構造物の繰返し荷重が作用する部位をモデル化した試験部材により、予め疲労試験を実施し、繰返し回数を増大させた場合の、所定繰返し回数毎のＡＥ検出曲線を取得し、ＡＥ検出グラフを作成し、該ＡＥ検出グラフを参照データとして取得しておく。

実際の検査では、構造物の検査対象部位又は検査対象部位の近傍にＡＥセンサを設け、該ＡＥセンサで検出されるＡＥカウント数内、特定周波数のＡＥカウント数を監視し、参照データと比較することで、疲労亀裂の検出及び疲労亀裂の程度及び疲労亀裂の進展状態の推定を行うことができる。

図３に於いて、本発明に係る疲労損傷評価装置１について、概略を説明する。

図３中、２は構造物の検査対象部位であり、３は前記検査対象部位２の表面に取付けられたＡＥセンサ、５は制御演算部、６は該制御演算部５に接続された記憶部、７は前記制御演算部５に接続された操作入力部、８は前記制御演算部５に接続された出力部である。

該ＡＥセンサ３からの信号は、信号処理部４に於いて増幅及びＡ／Ｄ変換等所要の信号処理がなされる。例えば、図４は前記ＡＥセンサ３が検出したＡＥ信号を示しており、該ＡＥ信号の内、閾値９であり、前記信号処理部４は前記閾値９を超えた信号（以下ＡＥカウント信号１１と称す）について前記制御演算部５に出力される。

前記制御演算部５は前記閾値９を超えた信号について、該信号の持つ周波数と関連付けてカウントし、前記記憶部６に記録する。尚、前記信号処理部４は、ＡＥ信号の増幅のみを行い、前記閾値９を超えた信号の検出は、前記制御演算部５で行ってもよい。

前記記憶部６は、データ格納部及びプログラム格納部を有し、前記データ格納部には前記ＡＥカウント信号１１及び予め取得した参照データが格納され、前記プログラム格納部には前記ＡＥカウント信号１１に基づきＡＥ検出曲線を作成するＡＥ検出曲線作成プログラム、更にＡＥ検出曲線よりＡＥ検出グラフを作成するＡＥ検出グラフ作成プログラム、前記ＡＥカウント信号１１或は前記ＡＥ検出グラフより特定周波数或は特定周波数帯を検出する特定周波数帯検出プログラム、前記ＡＥ検出曲線より、該ＡＥ検出曲線が占める面積を演算するＡＥ面積演算プログラム、ＡＥ検出曲線が占める面積及び参照データから亀裂進展状態を判断する亀裂判断プログラム等が格納される。

前記制御演算部５は、前記ＡＥ検出曲線作成プログラム、前記ＡＥ検出グラフ作成プログラム、前記特定周波数帯検出プログラム、前記ＡＥ面積演算プログラム、前記亀裂判断プログラムを作動させ、得られたデータは前記記憶部６に記録する。

尚、前記制御演算部５及び前記ＡＥ検出曲線作成プログラム、前記ＡＥ検出グラフ作成プログラム、前記特定周波数帯検出プログラム、前記ＡＥ面積演算プログラム、前記亀裂判断プログラム等は疲労亀裂進展判断部１２を構成する。

前記操作入力部７からは、予め取得した参照データを設定入力し、又前記ＡＥセンサ３からのデータ取得条件を設定する。該データ取得条件としては、例えば、繰返し回数が、Ａ（２０００〜１２０００）、繰返し回数Ｂ（３２０００〜４２０００）、繰返し回数Ｃ（４２０００〜５２０００）、繰返し回数Ｄ（５７０００〜６００００）である時にＡＥ信号を取得する、或は、所定時間間隔、所定日時間隔でＡＥ信号を取得する、或は閾値を設定する等である。

尚、ＡＥ信号取得時期について、例えば橋梁の様に常時振動している場合には、常時連続して、或は短い時間間隔でＡＥ信号を取得し、又ＬＮＧタンク等ではＬＮＧの増減の周期に合わせる等してＡＥ信号を取得する。

前記出力部８は、ディスプレイ、プリンタ、或は外部記録媒体（ＦＤ、ＭＯ、メモリカード等）に記録する記録部等であり、前記出力部８には作成されたＡＥ検出曲線、前記ＡＥ検出グラフ、疲労亀裂進展判断等が表示、或は出力される。

以下、作用について説明する。

繰返し荷重が作用する部材から発生されるＡＥとしては、図５に示される様に、亀裂の進展により発生する弾性波、塑性変形時に発生する弾性波、破面が接触した際に発生する弾性波、酸化皮膜が剥離、破壊した際に発生する弾性波が含まれる。上記した様に、ＡＥの内、亀裂進展により発生する弾性波は、他の弾性波に比べて高い周波数を有し、亀裂の進展と共にＡＥカウント数が増大する。

前記疲労亀裂進展判断部１２は、各繰返し回数でのＡＥ検出曲線から高周波部分で、経時的に増大している特定周波数帯を検出し、参照データと比較し、増大の傾向により、疲労亀裂及び亀裂進展の状態を判断する（例えば、図１（Ａ））。

疲労亀裂及び亀裂進展の状態を判断する方法の１つとして、特定周波数帯の占める面積、即ち特定周波数帯面積（Ｓ）を演算し、周波数帯面積の増大傾向により判断する。

又疲労亀裂及び亀裂進展の状態を判断する他の方法として、各繰返し回数でのＡＥ検出曲線が占める面積、即ちＡＥ検出曲線面積（Ｓ０）と特定周波数帯面積との比（Ｓ／Ｓ０）を求め、面積比の増大傾向により判断する。

更に、図６に示す様に、面積比（Ｓ／Ｓ０）と疲労亀裂進展速度とは相関関係があり、予め、各材料について各温度についての面積比（Ｓ／Ｓ０）と疲労亀裂進展速度の参照データを取得し、得られた面積比（Ｓ／Ｓ０）と対応する条件の参照データとの比較で疲労亀裂進展がどの様な状態であるかを判断する。即ち、面積比（Ｓ／Ｓ０）を求めることで、疲労亀裂進展速度を取得、或は推察することができる。

尚、図６は、アルミ合金の低温、９％Ｎｉ鋼の低温での面積比（Ｓ／Ｓ０）と疲労亀裂進展速度の関係を示している。

又、疲労亀裂進展速度と安全設計上の視標となるΔＫは図７に示される周知の関係があり、疲労亀裂進展速度が分ることで、構造物を設計する際のデータとして使用することもできる。

又、ＡＥは物質によってＡＥの伝播速度（音速）が決定されるので、伝播速度を利用して亀裂発生位置を特定することができる。即ち、一次元の位置を特定するには、所定距離離れた２つのＡＥセンサでＡＥを検出し、検出時間差を求め、検出時間差と音速で１次元の位置が特定できる。同様にして、２次元の位置を特定するには３つのＡＥセンサを設け、又３次元の位置を特定するには４つのＡＥセンサを設ければよい。

尚、本発明は、繰返し荷重が作用する構造物に限らず、材料の腐食を検出する場合でも実施可能であり、更に本発明は、原油タンク腐食調査、圧力容器耐圧試験、橋脚モニタリング、回転機械の異常監視、航空機の飛行中の部材の調査、材料試験等種々の構造物、分野に適用可能である。

又本発明をタンクの疲労損傷評価に実施すれば、タンクを開放することなく、タンク外部から疲労亀裂の検出、疲労亀裂の程度の推定、疲労亀裂の位置が特定できるので、検査期間、検査コストを大幅に低減できる。

１疲労損傷評価装置
２検査対象部位
３ＡＥセンサ
４信号処理部
５制御演算部
６記憶部
７操作入力部
８出力部
９閾値
１１ＡＥカウント信号
１２疲労亀裂進展判断部

Claims

検査部位についてのＡＥ検出曲線を経時的に順次取得し、取得した該ＡＥ検出曲線を経時的に順次比較し、該ＡＥ検出曲線のＡＥカウント数が経時的に増大する周波数帯を検出し、検出した周波数帯を特定周波数帯とし、該特定周波数帯でのＡＥカウント数の増大傾向に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断することを特徴とする疲労損傷評価方法。
検査部位をモデル化した試験部材により、予め疲労試験を実施し、予め前記ＡＥ検出曲線を経時的に取得して参照データとし、該参照データより前記検査部位の特定周波数帯を検出し、該検査部位の特定周波数帯での前記ＡＥカウント数と前記参照データとを比較し、前記ＡＥカウント数の増大傾向により疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する請求項１の疲労損傷評価方法。
前記各ＡＥ検出曲線の特定周波数帯部分の特定周波数帯面積を求め、該特定周波数帯面積の増大傾向に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する請求項１の疲労損傷評価方法。
前記各ＡＥ検出曲線の面積Ｓ０、及び前記特定周波数帯面積Ｓを求めると共に面積比Ｓ／Ｓ０を求め、該面積比Ｓ／Ｓ０の増大傾向に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する請求項３の疲労損傷評価方法。
前記各ＡＥ検出曲線面積と前記特定周波数帯面積との比（Ｓ／Ｓ０）と亀裂進展速度との関連から、前記面積比に基づき亀裂進展速度を求める請求項４の疲労損傷評価方法。
検査対象部位に取付けられたＡＥセンサと、該ＡＥセンサからＡＥ信号が入力される疲労亀裂進展判断部とを具備し、該疲労亀裂進展判断部は、検査部位についてのＡＥ検出曲線を経時的に順次取得し、取得した該ＡＥ検出曲線を経時的に順次比較し、該ＡＥ検出曲線のＡＥカウント数が経時的に増大する周波数帯を検出し、検出した周波数帯を特定周波数帯とし、該特定周波数帯での特定周波数帯ＡＥカウント数を演算し、該特定周波数帯ＡＥカウント数の増大傾向に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断することを特徴とする疲労損傷評価装置。
前記疲労亀裂進展判断部は、ＡＥ信号から得られる総ＡＥカウント数と前記特定周波数帯ＡＥカウント数とを求めると共に（特定周波数帯ＡＥカウント数／総ＡＥカウント数）の比を求め、該比に基づき疲労亀裂の発生、亀裂進展状態を判断する請求項６の疲労損傷評価装置。
前記検査対象部位に取付けられた複数のＡＥセンサを具備し、前記疲労亀裂進展判断部は、複数のＡＥセンサからの信号の受信時間差に基づき発生した亀裂の位置を特定する請求項７の疲労損傷評価装置。