HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der
Verschlechterung eines Metallmaterials. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verschlechterungsmeßverfahren und eine Vorrichtung, die zur Erfassung einer Versprödung aufgrund
einer Rochtemperaturalterung bei praktischen Anlagebauteilen aus einem in einer Umgebung mit
hohen Temperaturen, wie sie in einem Chemiewerk oder einem Kernkraftwerk auftritt,
verwendeten Metallmaterial wie einem rostfreien Ferritstahl geeignet sind.
BESCHREIBUNG DES BEKANNTEN STANDS DER TECHNIK
-
Verfahren zur Messung einer Versprödung eines Metallmaterials sind beispielsweise in
der JP-A-54-61981 und der JP-A-61-28859 offenbart. Nach einem der Verfahren nach bekanntem
Stand der Technik, das in der JP-A-54-61981 offenbart ist, wird ein Schweißmetall wie ein
rostfreier austenitischer Stahl als spröde werdend eingestuft, wenn die Menge an δ-Ferrit um mehr als
5 % ihres ursprünglichen Werts abgenommen hat. Nach dem in der JP-A-61-28859 offenbarten
Verfahren nach bekanntem Stand der Technik wird ebenso eine Anderung eines magnetischen
Merkmals eines Meßobjekts gemessen, um die Verschlechterung des Meßobjekts zu erfassen.
-
Ferner offenbart die JP-A-56-168545 ein Verfahren, bei dem ein magnetisches Merkmal
eines Meßobjekts genutzt wird, um das metallographische Gefüge des Meßobjekts zu
überwachen, und die JP-A-59-108970 offenbart ein Verfahren zur Erfassung eines magnetischen
Merkmais eines Meßobjekts selbst.
-
Wie in der oben erwähnten JP-A-54-61981 offenbart, ist bereits bekannt, daß eine
Alterungsverschlechterung eines Metallmaterials, insbesondere eines rostfreien Ferritstahls, auftritt,
wenn der rostfreie Stahl über einen langen Zeitraum bei einer hohen Temperatur verwendet wird.
Dies bedeutet, daß bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur, die höher als ca. 600ºC ist, eine
-Versprödung auftritt, die auf die Aushärtung einer -Phase zurückzuführen ist, während in
einem Temperaturbereich von 400ºC bis 500ºC eine sogenannte 475ºC-Versprödung auftritt.
Diese 475ºC-Versprödung kann selbst dann auftreten, wenn der rostfreie Ferritstahl über einen
langen Zeitraum in einem Temperaturbereich unter 400ºC verwendet wird. Es ist daher
erforderlich, die Verwendung praktischer Anlagenbestandteile aus dem rostfreien Ferritstahl bei hohen
Temperaturen hinreichend zu berücksichtigen. Die Tendenz, bei Temperaturen unter 500ºC
spröde zu werden, wurde jedoch bei der oben aufgeführten Offenbarung nach bekanntem Stand der
Technik nicht berücksichtigt, und die 475ºC-Versprödung konnte nicht erfaßt werden.
-
Ferner unterscheidet sich die ursprüngliche Menge an Ferrit in praktisch geschweißten
Teilen abhängig von der Position der Schweißstellen und tendiert dazu, erheblich zu schwanken.
Da die Anzahl von Schweißstellen in einer praktischen Anlage sehr hoch ist, ist es überdies
schwierig, die ursprüngliche Menge an Ferrit für jede von sämtlichen Schweißstellen und
sämtliche Ausstattungsgegenstände festzustellen. Daher konnte das in der JP-A-54-61981 offenbarte
Verfahren nach bekanntem Stand der Technik in einer praktischen Anlage nicht praktisch
verwendet werden, da es auf Teile nicht anwendbar war, bei denen die ursprüngliche Menge an Ferrit
unbekannt war.
-
Andererseits ist beispielsweise in der JP-A-55-14 1653 ein Wirbelstromprüfverfahren (im
folgenden als ECT bezeichnet) offenbart. Bei diesem Verfahren nach bekanntem Stand der
Technik wird ein ECT-Wert eines Meßobjekts, bei dem es sich beispielsweise um eine Eisenlegierung
handelt, mit einem ECT-Wert des Meßobjekts, der vor der praktischen Verwendung gemessen
wurde, oder einem ECT-Wert des selben Materials wie dem Material des Meßobjekts verglichen,
wenn das Material des Meßobjekt einer Wärmebehandlung unterzogen wird, die der auf das
Meßobjekt angewendeten ursprünglichen Wärmebehandlung ähnelt, und der Grad der
Verschlechterung der Eisenlegierung wird abhängig davon bestimmt, ob das Ergebnis des Vergleichs positiv
oder negativ ist. Eine quantitative Messung oder Analyse konnte jedoch nicht erfolgen, da die
Bestimmung lediglich darauf basiert, ob das Ergebnis des Vergleichs positiv oder negativ ist.
-
Bei dem in der JP-A-61-28859 offenbarten Verfahren nach bekanntem Stand der Technik
ist es erforderlich, den ursprünglichen Wert eines magnetischen Merkmals eines Meßobjekts zu
messen. Auch die in der JP-A-59-108970 und der JP-A-56-168545 offenbarten Verfahren nach
bekanntem Stand der Technik sind lediglich auf eine Messung der magnetischen Merkmale von
Metallmaterialien gerichtet und können nicht für die Erfassung eines Grads der Verschlechterung
der Metallmaterialien verwendet werden.
-
Die DE-C-741 194 offenbart ein Verfahren zur magnetischen Messung der mechanischen
Härte ferromagnetischer Materialien.
-
Das "SOVIET JOURNAL OF NONDESTRUCTIVE TESTING", Band 10, Nr. 2,
Januar 1975, Seiten 223 - 229 offenbart eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung
mechanischer Merkmale ferromagnetischer Materialien.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu
schaffen, die mit hoher Genauigkeit und durch ein zerstörungsfreies Verfahren den Grad der
Versprödung eines Bauteils einer praktischen Anlage aus einem Metallmaterial, wie einem rostfreiem
Ferritstahl, das in einer Umgebung mit einer hohen Temperatur verwendet wird, erfassen können.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben genannte Aufgabe löst, werden
Magnetisierungseigenschaften eines Metallmaterials gemessen, die sich als Ergebnis eines
Qualitätsverlusts aufgrund einer Alterung des Metallmaterials verändern, um den Grad der Verschlechterung
des Metallmaterials zu bestimmen. Die Form einer magnetischen Hysterese, die
Magnetisierungseigenschaften eines Meßobjekts aus einem Metallmaterial darstellt, zeigt eine klare
Übereinstimmung mit dem Grad der Verschlechterung des Metallmaterials. Daher kann durch Erfassen einer
Änderung dieser magnetischen Eigenschaft der Grad der Verschlechterung des Meßobjekts aus
dem Metallmaterial bestimmt werden. Durch eine statistische Datenverarbeitung wie eine
Regressionsanalyse kann ferner der Grad der Verschlechterung des Metallmaterials mit einer hohen
Korrelationsrate abgeschätzt werden.
-
Eine Erregerspule in der Form einer Spule aus einem supraleitenden Material kann zur
wirksamen Magnetisierung des Meßobjekts verwendet werden.
-
Obwohl die Kombination einer Erfassungsspule und eines Integrators allgemein zur
Erfassung eines Magnetfelds angewendet wird, können ferner eine Magnetsensorvorrichtung mit
einer supraleitenden Quanteninterferenzvorrichtung (SQUID) oder ein Halbleiter-Hallelement, das
zu einer magnetischen Messung mit hoher Genauigkeit in der Lage ist, anstelle der oben
beschriebenen Kombination verwendet werden.
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erfassung einer Versprödung eines Meßobjekts
durch Anlegen eines Magnetfelds an das Meßobjekt, Berechnen der Beziehung zwischen
Änderungen einer besonderen magnetischen Eigenschaft des Meßobjekts, die aus der aus
Sättigungsmagnetismus, Restmagnetismus, Koerzitivkraft, magnetischer Hystereseschleife und magnetischer
Permeabilität bestehenden Gruppe gewählt wird, und Versprödung des Meßobjekts, Abschätzen
der Magnetisierungseigenschaft des Meßobjekts in einem ungebrauchten neuen Zustand auf der
Basis dieser Beziehung, Messen der Magnetisierungseigenschaft des Meßobjekts während der
Benutzung, Berechnung der Änderung von der abgeschätzten Magnetisierungseigenschaft zur
gemessenen Magnetisierungseigenschaft und Vergleichen der berechneten Änderung der
Magnetisierungseigenschaft mit der oben genannten Beziehung zwischen der Magnetisierungseigenschaft
und der Versprödung zur Entscheidung des Versprödungsgrads des Meßobjekts zur Zeit der
Messung geschaffen.
-
Erfindungsgemäß wird eine Versprödungserfassungsvorrichtung geschaffen, die Mittel
zum Anlegen eines magnetischen Felds an ein Meßobjekt, Mittel zum Erfassen einer
Magnetisierungseigenschaft des Meßobjekts, die aus der oben angegebenen Gruppe gewählt ist, und eine
arithmetische Verarbeitungseinrichtung aufiweist, die den Versprödungsgrad des Meßobjekts auf
der Basis einer Änderung in der Magnetisierungseigenschaft des Meßobjekts aufgrund der
Anlegung des Magnetfelds feststellt, wobei die arithmetische Verarbeitungseinrichtung eine
Datenbank, die vorab ermittelte Daten der Beziehung zwischen Änderungen in der
Magnetisierungseigenschaft und der Versprödung des Meßobjekts speichert, einen ersten arithmetischen
Verarbeitungsteil, der die Magnetisierungseigenschaft des Meßobjekts in einem gerade erhaltenen Material
auf der Basis der in der Datenbank gespeicherten Daten abschätzt, und einen zweiten
arithmetischen Verarbeitungsteil aufweist, der die Änderung von der abgeschätzten
Magnetisierungseigenschaft zur erfaßten Magnetisierungseigenschaft auf der Basis der in der Datenbank gespeicherten
Daten berechnet, um den Versprödungsgrad des Meßobjekts als Ausgang zu erzeugen.
-
Vorzugsweise weisen die Mittel zum Anlegen eines Magnetfelds und die
Erfassungsrmitel eine Erregerspule in der Form einer supraleitenden Spule, einen Magnetisierungssensor, der in
der Mitte der Erregerspule angeordnet und bei niedrigen Temperaturen betätigbar ist, einen
fluiddichten Behälter aus einem wärmeisolierenden Material, der die Gesamtheit wenigstens der
Erregerspule und des Magnetisierungssensors enthält, und ein Kühlsystem zum Kühlen des
supraleitenden Systems auf.
-
Das magnetische Objekt kann durch eine von einem Teil des magnetischen Objekts
genommene Probe ersetzt werden.
-
Vorzugsweise weisen die Mittel zum Anlegen des Magnetfelds und die Erfassungsmittel
eine Erregerspule in der Form einer supraleitenden Spule, einen Magnetisierungssensor in der
Form einer supraleitenden Quanteninterferenzeinrichtung mit einer supraleitenden Sondenspule
des Differentialtyps, die in der Mitte der Erregerspule angeordnet ist und darin einen Raum bildet,
in den die Probe von außen eingesetzt werden kann, einen fluiddichten Behälter aus einem
wärmeisolierenden Material, der die Gesamtheit wenigstens der Erregerspule und des
Magnetisierungssensors enthält, und ein Kühlsystem des Kühlmittelumlauftyps zum Kühlen des
supraleitenden Systems auf.
-
Die Vorrichtung kann zur Inspektion der Versprödung eines in einem Kernreaktor
verwendeten Metallmaterials mittels einer magnetischen Diagnose verwendet werden und dabei
Kabelglieder zum Aufhängen der Inspektionsvorrichtung an einem über einem Reaktorbehälter
derart angeordneten Kran, daß innere Einrichtungen des Reaktorbehälters inspiziert werden können,
einen fluiddichten Inspektionsantrieb mit vakuumbetätigten Zubehörteilen zum Festlegen der
Inspektionsvorrichtung an der Innenwand eines Druckkessels des Reaktors und Mittel zur
Betätigung dreidimensionaler Abtastbewegungen der Inspektionsvorrichtung umfassen.
-
Der Inspektionsantrieb weist Mittel zum Bewegen der Vorrichtung in der Axialrichtung
eines Rohres, Mittel zum Bewegen der Vorrichtung in der Umfangsrichtung des Rohres und
magnetische Abschirmmittel zur Minimierung magnetischen Rauschens auf.
MITTEL ZUM ANLEGEN EINES MAGNETFELDS
-
Eine Erregerspule ist ein typisches Beispiel für Mittel zum Anlagen eines Magnetfelds an
ein Meßobjekt. Diese Erregerspule weist vorzugsweise die Form einer supraleitenden Spule auf,
so daß das Meßobjekt wirksam auf das Niveau der magnetischen Sättigung magnetisiert werden
kann.
MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN
-
Eine magnetische Hystereseeigenschaft ist ein typisches Beispiel für magnetische
Eigenschaften eines Meßobjekts.
-
Beispielsweise werden mehrere Parameter einer magnetischen Hystereseschleife (wie der
Bereich der magnetischen Hystereseschleife, eine Restmagnetflußdichte und eine
Sättigungsmagnetisierungskraft) eines Metallmaterials erfaßt, und die Beziehung zwischen Veränderungen der
mehreren Parameter der magnetischen Hystereseschleife und einer Versprödung des
Metallmaterial wird vorab berechnet. Eine arithmetische Datenverarbeitungsvorrichtung wird vorzugsweise
verwendet, um eine statistische Datenverarbeitung wie eine Regressionsanalyse dieser Daten
auszuführen, um den Grad der Verschlechterung des Meßobjekts festzustellen.
-
Als ein weiteres Beispiel werden mehrere Parameter einer magnetischen
Hystereseschleife (wie der Bereich der magnetischen Hystereseschleife, eine Restmagnetflußdichte und eine
Sättigungsmagnetisierungskraft) eines Metallmaterials erfaßt, um Schwankungen der Parameter in
einem ungebrauchten neuen Zustand des Metallmaterials zu normalisieren, und die Beziehung
zwischen Änderungen der mehreren normalisierten Parameter und einer Verschlechterung des
Metallmaterials wird vorab berechnet. Eine arithmetische Datenverarbeitungsvorrichtung wird
vorzugsweise zum Ausführen einer Verarbeitung dieser Daten verwendet, um den Grad der
Verschlechterung des Meßobjekts zu bestimmen.
UNGEBRAUCHTES MATERIAL
-
Der Begriff "ungebrauchtes Material" wird in dieser Beschreibung verwendet, um
anzugeben, daß ein bestimmtes Metallmaterial noch nicht verwendet wurde, d.h. um anzugeben, dar
das Material in unverändertem Zustand erhalten wird. Die ursprüngliche Menge an Ferrit ist
beispielsweise die Basis für die Feststellung, daß das Metallmaterial in einem ungebrauchten
ursprünglichen Zustand erhalten wird.
ZUSATZAUSSTATTUNG
-
Eine Entmagnetisierungsvorrichtung ist ein Beispiel für eine Nebenausstattung.
Vorzugsweise wird ein Meßobjekt entmagnetisiert und, nach der Entmagnetisierung, magnetisiert,
wahrend die Magnetisierungskraft verändert wird, um mehrere magnetische Hystereseschleffen zur
Erfassung von Änderungen der mehreren Parameter jeder magnetischen Hystereseschleifen, wie
des Bereichs der magnetischen Hystereseschleife, der Restmagnetflußdichte und der
Sättigungsmagnetisierungskraft, zu erzielen. Eine arithmetische Datenverarbeitungsvorrichtung wird
verwendet, um den Grad der Verschlechterung des Metallmaterials auf der Basis der erfaßten
Änderungen zu bestimmen.
-
Ein weiteres Beispiel der Zusatzausstattungen ist eine Erregervorrichtung eines
rückkopplungsgesteuerten Typs. Vorzugsweise wird die maximale Magnetflußdichte einer zu messenden
magnetischen Hystereseschleife gewählt, und eine Erregervorrichtung des
rückkopplungsgesteuerten Typs ist vorgesehen, um die magnetische Hystereseschleife eines Metallmaterials durch die
Rückkopplungssteuerung der Magnetisierungskraft mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Wenn eine
supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung verwendet wird, ist sie ferner vorzugsweise sowohl
durch eine magnetische Abschirmung als auch durch eine Strahlungsabschirmung abgeschirmt.
ARITHMETISCHE VERRRBEITUNGSVORRICHTUNG
-
Eine bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise verwendete arithmetische
Verarbeitungsvorrichtung weist eine Datenbank auf, die Daten speichert, die eine exakte Übereinstimmung
zwischen verschiedenen Mustern von magnetischen Hystereseschleifen und dem Grad der
Verschlechterung eines Metallmaterials zeigen. Nach einer Normalisierung einer gemessenen
magnetischen Hystereseschleife eines Meßobjekts wird das Muster der magnetischen Hystereseschleife,
die am meisten zu der gemessenen magnetischen Hystereseschleife analog ist, aus der Datenbank
abgelesen, und die arithmetische Datenverarbeitungsvorrichtung bestimmt den Grad der
Verschlechterung des Meßobjekts. Konkreter wird das Material des Meßobjekts auf das Niveau der
magnetischen Sättigung magnetisiert, um mehrere magnetische Hystereseschleifen mit
verschiedenen Mustern zu erhalten, und Daten, die eine exakte Übereinstimmung zwischen den Mustern der
magnetischen Hystereseschieifen und dem Grad der Verschlechterung des Meßobjekts zeigen,
werden in der Datenbank gespeichert. Nach einer Normalisierung einer gemessenen magnetischen
Hystereseschleife des Meßobjekts wird das Muster der zu der gemessenen magnetischen
Hystereseschleife am meisten analogen magnetischen Hystereseschleife aus der Datenbank gelesen, und
die arithmetische Datenverarbeitungsvorrichtung bestimmt den Grad der Verschlechterung des
Meßobjekts.
-
Eine weitere bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise verwendete arithmetische
Datenverarbeitungsvorrichtung erfaßt höhere harmonische Verzerrungskomponenten einer
magnetischen Hystereseschleife eines Metallmaterials durch die Fourier-Transformation und bestimmt den
Grad der Verschlechterung des Metallmaterials auf der Basis einer Änderung der Werte der
höheren harmonischen Verzerrungskomponenten.
-
Eine weitere bevorzugte arithmetische Datenverarbeitungsvorrichtung nimmt zur
Bestimmung des Grads der Verschlechterung eines Meßobjekts auf der Basis einer Änderung der
Barkenhausen-Rauschkomponenten eine Frequenzanalyse an von einer supraleitenden
Quanteninterferenzvorrichtung gemessenen Daten vor.
KRITERIUM DER VERSCHLECHTERUNG
-
Das Kriterium der Versprödung wird später in der Beschreibung genau beschrieben. Eine
Verringerung des Werts der Bruchzähigkeit eines Metallmaterials aufgrund einer Änderung seiner
metallographischen Struktur kann z.B. günstigerweise als Kriterium der Verschlechterung
verwendet werden.
MAGNETISIERUNGSSENSOR
-
Ein am meisten vorzuziehender Magnetisierungssensor ist eine supraleitende
Quanteninterferenzvorrichtung. Es ist beispielsweise vorzuziehen und günstig, ein Erregersystem und ein
Magnetisierungssensorsystem zu verwenden, in dem eine supraleitende
Quanteninterferenzvorrichtung zur genauen Erfassung einer Änderung des Magnetismus verwendet wird.
-
Zum Zwecke der Erfassung eines Restmagnetismus eines Meßobjekts kann anstelle der
supraleitenden Quanteninterferenzvorrichtung ebenso ein Halbleiter-Hallelement verwendet
werden, das zu einer magnetischen Erfassung mit hoher Genauigkeit in der Lage ist.
-
Wird ein Metallmaterial für einen langen Zeitraum in einer Umgebung mit einer hohen
Temperatur verwendet, tritt im allgemeinen eine Veränderung seiner inneren Struktur auf, was zu
einer verringerten mechanischen Festigkeit führt. Insbesondere bei einem rostfreien Ferritstahl
verringert sich die mechanische Festigkeit bei einer Steigerung des Zeitraums einer
Alterungswärmebehandlung bei einer hohen Temperatur erheblich.
-
Die Erfinder führten Forschungsarbeiten und Studien hinsichtlich der Tendenz zur
Versprödung eines Metallmaterials wie rostfreien Ferritstahls aufgrund einer Erwärmung auf hohe
Temperaturen aus. Als ein Ergebnis der Forschungsarbeiten und Studien stellten die Erfinder fast
daß bei einem Fortschreiten der Alterung bei hohen Temperaturen die elektromagnetischen
Eigenschaften wie der elektrische Widerstand 1 und eine Permeabilität u des Metallmaterials einer
Veränderung unterzogen wurden und die mechanischen Eigenschaften wie die Härte und die
metallographische Struktur des Metallmaterials ebenfalls einer Änderung unterzogen wurden.
Insbesondere stellten die Erfinder fest, daß die Tendenz zu einer Versprödung des Metallmaterials eine
klare Übereinstimmung mit einer Änderung der Magnetisierungseigenschaft des Metallmaterials
aufzeigt. Die Erfinder mäßen eine magnetische Hysterese des Metallmaterials in einem
ungebrauchten neuen Zustand und die des Metallmaterials in einem bei einer hohen Temperatur behandelten
Zustand. Als ein Ergebnis der oben aufgeführten Messungen stellten die Erfinder fest, daß die
Fläche der magnetischen Hystereseschleife (der magnetische Hystereseverlust) und die
Restmagnetflußdichte einer Änderung ausgesetzt waren, die von dem Versprödungsgrad des Meßobjekts
abhing. Wenn ein derartiges Phänomen genutzt wird, kann daher das Fortschreiten der Tendenz zur
Versprödung eines Metallmaterials wie eines rostfreien Ferritstahls mit hoher Genauigkeit erfaßt
werden.
-
Erfindungsgemäß kann der Versprödungsgrad eines bei hohen Temperaturen
verwendeten Metallmaterials auf eine zerstörungsfreie Weise rasch erfaßt werden. Daher kann ein Rißfehler
eines derartigen Metallmaterials vor seinem Auftreten verhindert werden, und die Sicherheit eines
praktischen Anlagenelements aus einem derartigen Metallmaterial kann verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Fig. 1 ist ein allgemeines Systemblockdiagramm, das eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Verschlechterungserfassungsvorrichtung darstellt;
-
Fig. 2 stellt die innere Struktur des bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
verwendeten Erregersystems und Magnetisierungssensorsystems dar;
-
Fig. 3 stellt die innere Struktur der bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
verwendeten Magnetisierungssteuereinheit dar;
-
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Kernreaktors des Siedewassertyps,
für den die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform angewendet wird;
-
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Kernreaktors des
Siedewassertyps, für den die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform angewendet wird;
-
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Form des X-Y-Abtastantriebs, der in dem in
Fig. 4 dargestellten Kernreaktor zur Inspektion der Innenwand des Druckkessels des
Kernreaktors verwendet wird;
-
Fig. 7 ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht von Rohren des primären
Rohrsystems des in Fig. 5 dargestellten Kernreaktors;
-
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Form des Abtastantriebs, der zur
Inspektion des primären Rohrsystems des in Fig. 5 dargestellten Kernreaktors verwendet wird;
-
Fig. 9 stellt dar, wie sich die metallographische Struktur eines Metallmaterials ändert,
wenn es über einen langen Zeitraum einer hohen Temperatur ausgesetzt wird;
-
Fig. 10 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Magnetflußdichte und der
Magnetisierungskraft eines Metallmaterials in einem ungebrauchten neuen Zustand darstellt;
-
Fig. 11 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Magnetflußdichte und der
Magnetisierungskraft des Metallmaterials darstellt, nachdem es einer Wärmebehandlung unterzogen
wurde;
-
Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem dem Verhältnis einer Charpy-
Schlagenergie und dem Zeitraum der Alterungserwärmungsbehandlung des Metallmaterials
darstellt;
-
Fig. 13 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte der Messung durch die in Fig. 1
dargestellte Ausführungsform darstellt;
-
Fig. 14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Magnetisierungskraft und dem
magnetischen Hystereseschleifenbereichsverhältnis eines Metallmaterials darstellt;
-
Fig. 15 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der Magnetisierungskraft und der
Restmagnetflußdichte des Metallmaterials darstellen;
-
Fig. 16 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der Magnetisierungskraft und der
Flußdichtenamplitude des Metallmaterials darstellen;
-
Fig. 17 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der Magnetisierungskraft und dem
normalisierten magnetischen Hystereseschleifenbereich des Metallmaterials darstellen;
-
Fig. 18 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der Magnetisierungskraft und der
normalisierten Restflußdichte des Metallmaterials darstellen, wenn die Magnetflußdichte festgelegt
ist;
-
Fig. 19 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Form der Schritte zur Bestimmung der
Verschlechterung durch das erfindungsgemäße Verfahren darstellt;
-
Fig. 20 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der normalisierten magnetischen
Hystereseschleifenfläche und einem Verschlechterungsparameter eines Metallmaterials darstellen;
-
Fig. 21 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der normalisierten Restflußdichte und
dem Verschlechterungsparameter des Metallmaterials darstellen;
-
Fig. 22 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen dem normalisierten magnetischen
Hystereseschleifenbereich und dem Charpy-Schlagwert des Metallmaterials darstellen;
-
Fig. 23 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der normalisierten Restflußdichte und
dem Charpy-Schlagwert des Metallmaterials darstellen;
-
Fig. 24 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der Magnetisierungskraft und der
magnetischen Hystereseschleife des Metallmaterials darstellen, wenn die Magnetflußdichte festgelegt
ist;
-
Fig. 25 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte für die Abschätzung des Grads der
Verschlechterung eines Metallmaterials auf der Basis des Musters der magnetischen Hystereseschleife
nach einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt;
-
Fig. 26 ist ebenfalls ein Ablaufdiagramm, das die Schritte zur Bestimmung des Grads der
Verschlechterung eines Metallmaterials durch die Fourier-Transformation von Daten der
magnetischen Hystereseschleife des Metallmaterials darstellt;
-
Fig. 27 ist ein allgemeines Systemblockdiagramm einer zweiten Ausfuhrungsform der
erfindungsgemäßen Verschlechterungserfassungsvorrichtung;
-
Fig. 28 und 29 sind schematische Querschnittsansichten eines Teils einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ihrer Modifikation, die jeweils ein supraleitendes
System verwenden;
-
Fig. 30 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 31 stellt den Systemaufbau der Hauptteile der in Fig. 31 dargestellten
Ausführungsform genau dar;
-
Fig. 32 veranschaulicht das Grundprinzip der Funktion des in Fig. 32 dargestellten rf
SQUID;
-
Fig. 33 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen den höheren harmonischen
Komponenten eines magnetischen Signals und einem Verschlechterungsparameter eines Metallmaterials
darstellt;
-
Fig. 34 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen Barkenhausen-Rauschkomponenten
des magnetischen Signals und dem Verschlechterungsparameter des Metallmaterials darstellt;
-
Fig. 35 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 36 stellt eine magnetische Hysterese eines ungebrauchten neuen Metallmaterials im
Vergleich zu der des Metallmaterials in einem verschlechterten Zustand dar;
-
Fig. 37 zeigt eine Kurve, die darstellt, wie sich der Restmagnetismus des verschlechterten
Materials mit der Zeit in bezug auf das ungebrauchte neue Material ändert;
-
Fig. 38 zeigt eine Kurve, die darstellt, wie sich die Koerzitivkraft des verschlechterten
Materials mit der Zeit in bezug auf das ungebrauchte neue Material ändert;
-
Fig. 39 veranschaulicht schematisch den Grundaufbau der in Fig. 36 dargestellten Spule
zum Anlegen eines Magnetfelds.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
ALLGEMEINER SYSTEMAUFBAU DER ERSTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Fig. 1 stellt eine Form einer allgemeinen Systemanordnung dar, die verwendet wird, um
eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer
Verschlechterung eines Metallmaterials praktisch in Gebrauch zu nehmen.
-
Nach Fig. 1 ist ein Meßobjekt 1 ein Element wie ein Teil einer Ausstattung oder eines
Rohrsystems einer Anlage wie eines Kernkraftwerks. Ein Erregersystem 2 magnetisiert das
Meßobjekt 1, und ein Magnetsensorsystem 3 erfaßt die Magnetisierung. Die Vorrichtung weist ferner
eine Magnetisierungssteuereinheit 4, eine Datenverarbeitungseinheit 5, eine Verschlechterungsbe
rechnungseinheit 6, eine Datenbank 7 und eine Anzeigeeinheit 8 auf. Ein Abtastantrieb 9 treibt das
Erregersystem 2 und das Magnetisierungssensorsystem 3 für eine Abtastbewegung unter der
Steuerung einer Abtastantriebssteuereinrichtung 10 an.
-
Das Erregersystem 2 und das Magnetisierungssensorsystem 3 sind gegenüber der
Oberfläche des Meßobjekts 1 angeordnet. Der Abtastantrieb 9 zum Antreiben der Abtastbewegung des
Erregersystems 2 und des Magnetsierungssensorsystems 3 ist mit der Abtastantriebssteuereinheit
10 elektrisch verbunden, um von der Steuereinrichtung 10 gesteuert zu werden.
-
Das Erregersystem 2 und das Magnetisierungssensorsystem 3 sind mit der
Magnetisierungssteuereinheit 4 elektrisch verbunden, um das Meßobjekt 1 zu magnetisieren und die
Magnetisierung unter der Steuerung der Steuereinheit 4 zu erfassen. Die Daten der Magnetisierung und
die Daten der erfaßten Magnetisierung werden der Magnetisierungssteuereinheit 4 zugeführt, die
die optimalen Bedingungen für die Magnetisierung einstellt. Die Datenverarbeitungseinheit 5
verarbeitet die ermittelten Daten für jeden der einzelnen Verschlechterungsparameter. Die in der
Datenverarbeitungseinheit 5 verarbeiteten Daten für jeden der einzelnen Verschlechterungsparameter
werden in der Verschlechterungsberechnungseinheit 6 mit entsprechenden vorab berechneten und
als Teil der Datenbank 7 gespeicherten Daten verglichen, und nach einer erforderlichen
Berechnung in der Berechnungseinheit 6 wird der Grad der Verschlechterung des Meßobjekts 1
bestimmt. Das Ergebnis der Bestimmung wird auf der Anzeigeeinheit 8 angezeigt.
ERREGERSYSTEM UND MAGNETISIERUNGSSENSORSYSTEM
-
Fig. 2 stellt den Aufbau des Erregersystems 2 und des Magnetisierungssensorsystems 3
genau dar. Nach Fig. 2 weist das Erregersystem 2 einen Oszillator 21 des
Wellenformsteuerungstyps zur Steuerung der Wellenform eines zur Magnetisierung verwendeten
Magnetisierungsstroms, einen Verstärker 22 zur Verstärkung des Oszillationsausgangssignals des Oszillators 21
und eine Erregerspule 23 zur Magnetisierung des Meßobjekts 1 auf Von dem Verstärker 22 wird
ein Signal erzeugt, das die Magnetisierungskraft der Erregerspule 23 angibt. Dieses Signal wird an
die Magnetisierungssteuereinheit 4 angelegt. Das Symbol i bezeichnet den Erregerstrom. Ein
Magnetfluß B, der aus der Erregerspule 23 in das Meßobjekt 1 fließt, wird von einem
Magnetisierungssensor 31 erfaßt. Der Ausgang des Magnetisierungssensors 31 wird durch einen
Meßwandler 32 an die Magnetisierungssteuereinheit 4 angelegt.
MAGNETISIERUNGSSTEUEREINHEIT
-
Fig. 3 stellt den Aufbau der Magnetisierungssteuereinheit 4 genau dar. Nach Fig. 3 weist
die Magnetisierungssteuereinheit 4 einen magnetischen Hystereseschleifensynthetisierer 40, eine
Flußdichteneingangschnittstelle 41, eine Eingangsschnittstelle 42 fur die Magnetfeldintensität,
einen Ausgangsspeicher 43 für die Magnetisierungseigenschaft, eine Referenzeinstellvorrichtung 44
und eine Differenzverstärkungssteuereinrichtung 45 auf.
-
Die Daten der von dem Erregersystem 2 zur Magnetisierung des Meßobjekts 1 erzeugten
Magnetfeldintensität werden durch die Eingangsschnittstelle 42 für die Magnetfeldintensität dem
magnetischen Hystereseschleifensynthetisierer 40 zugeführt. Der Datenausgang des
Magnetisierungssensorsystems 3, das aus einem Hallelement oder einer Erfassungsspule und einen Integrator
zur Erfassung des von der Magnetfeldintensität induzierten Magnetflusses bestehen kann, wird
durch die Eingangsschnittstelle für die Magnetflußdichte dem magnetischen
Hystereseschleifensynthetisierer 40 zugeführt. Diese Daten werden in dem magnetischen
Hystereseschleifensynthetisierer 40 zu der entsprechenden Hysteresescheife synthetisiert. Diese
synthetisierte magnetische Hystereseschleife wird mit einem in der Referenzeinstellvorrichtung 44
gespeicherten, vorab eingestellten Referenzmuster verglichen, und die Differenz bzw. Abweichung wird
von der Differentialverstärkungssteuereinrichtung 45 verstärkt. Der erzeugte Ausgang der
Steuereinrichtung 45 wird an das Erregersystem 2 zurückgeführt, um die optimalen
Erregungsbedingungen einzurichten. Die Daten der optimierten magnetischen Hystereseschleife werden der
Datenverarbeitungseinheit 5 durch den Ausgangsspeicher 43 für die Magnetisierungseigenschaft
zugeführt.
ABTASTANTRIEB
-
Der genaue Aufbau des Abtastantriebs 9 zum Antreiben der Abtastbewegung des
Erregersystems 2 und des Magnetisierungssensorsystems 3, die in Fig. 1 dargestellt sind, wird unter
Bezugnahme auf die Figuren 4 und 6 beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung für einen
Kernreaktor des Siedewassertyps angewendet wird.
-
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Kernreaktors des Siedewassertyps.
Nach Fig. 4 weist der Kernreaktor des Siedewassertyps einen Reaktorbehälter 600, einen
Reaktordruckkessel 610, Steuerstäbe 611, eine Wasserzufuhr-Umlaufpumpe 612, ein primäres
Rohrsystem 613, einen Reaktorkern 614 und ein Reaktorwasserbecken 615 auf Ein Kran 620 ist über
dem Reaktorbehälter 600 angeordnet. Der Abtastantrieb 9 ist an dem Kran 620 in einen
derartigen Verhältnis aufgehängt, daß der Abtastantrieb 9 neben der Innenwand des
Reaktordruckkessels 610 angeordnet ist und in das Reaktorwasserbecken 615 eingetaucht wird. Der Abtastantrieb
9 ist durch Kabel 900 beispielsweise mit einer Steuereinrichtung 910 elektrisch verbunden, die
außerhalb des Reaktorbehälters 600 angeordnet ist, so daß der Abtastantrieb 9 ferngesteuert werden
kann.
-
Fig. 6 stellt eine Form des Abtastantriebs 9 dar. Genauer zeigt Fig. 6 den Aufbau eines
Antriebs 9 des X-Y-Abtasttyps zur Inspektion der Innenwand des Reaktorbehälters 600 des in
Fig. 4 dargestellten Kernreaktors des Siedewassertyps. Der Abtastantrieb 9 weist einen Rahmen
891 mit vier Beinen, vakuumbetätigte Halterungen 892, Vakuumpumpen 893 zum Befestigen des
Rahmens 891 an der Innenwand des Reaktorbehälters 600, einen X-Achsen-Motor 895, Getriebe
896, eineantriebswelle 898 zum Bewegen des Rahmens 891 entlang der X Achse, einen Y
Achsen-Motor 897, einen mit einem Getriebe ausgestatteten Luftzylinder 899 und eine Antriebs
welle 894 zum Bewegen des Rahmens 891 entlang der Y Achse auf. Das Erregersystem 2 und
das Magnetisierungssensorsystem 3 sind an einem Ende des Luftzylinders 899 montiert.
-
Eine weitere Form des Abtastantriebs 9 für die Anwendung für ein primäres Rohrsystem
eines Kernreaktors des Siedewassertyps wird unter Bezugnahme auf die Figuren 5, 7 und 8
beschrieben.
-
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Kernreaktors des Siedewassertyps
der dem in Fig. 4 dargestellten ähnelt. In Fig. 5 werden übereinstimmende Bezugszeichen zur
Bezeichnung in Fig. 4 auftauchender übereinstimmender Teile verwendet.
-
Nach Fig. 5 ist der Abtastantrieb 9 an einem primären Rohrsystem 613 angeordnet. Der
Abtastantrieb 9 ist durch Kabel 900 beispielsweise mit einer außerhalb eines Reaktorbehälters 600
angeordneten Steuereinrichtung 910 elektrisch verbunden, um durch die Steuereinrichtung 910
ferngesteuert zu werden.
-
Fig. 7 stellt einen Teil der Rohre des primären Rohrsystems 613 dar. Ein in den JIS
(japanische Industriestandards) als SUS304 oder SUS316L klassifizierter rostfreier austenitischer
Stahl wird als das Material des Basismetalls der Rohre 630 verwendet, und ein Schweißstab aus
einem in den JIS als SUS308 klassifizierten rostfreien Stahl wird zur Erzeugung einer Schweiß
stelle 631 zwischen den Rohren 630 verwendet. Daher weist die Schweißstelle 631 zwischen den
Rohren 630 eine metallographische Duplexstruktur auf, an der die austenitische Phase zusammen
mit der Ferritphase existiert.
-
Fig. 8 stellt den Aufbau einer weiteren Form des zur Inspektion der Rohre des primären
Rohrsystems 613 des in Fig. 5 dargestellten Reaktors verwendeten Abtastantriebs 9 dar.
-
Nach Fig. 8 weist der Abtastantrieb 9 einen stationären Ring 810, der in Hälften geteilt
werden kann, und einen rotierenden Ring 811 auf, der in der Umfangsrichtung der Rohre des
primären Rohrsystems 613 gedreht werden kann. Ein axialer Bewegungsrnechanismus mit einem
axialen Antriebsmotor 820, einem Getriebe 821 und Positionserfassungs-Codiereinrichtungen 826
und 827 ist an dem stationären Ring 810 montiert. Die Größe der axialen Bewegung wird durch
die Kombination einer Rolle 824 und der Positionserfassungs-Codiereinrichtungen 826 und 827
erfaßt, und ein Signal, das die Größe der axialen Bewegung angibt, wird an den axialen
Bewegungsmechnanismus zurückgeführt. Der rotierende Ring 811 wird durch mehrere Rillenscheiben
825 auf dem stationären Ring 810 gehalten und durch einen Motor 823 angetrieben, der den Ring
811 in der Umfangsrichtung antreibt und die Funktion der Erfassung der Umfangsposition des
Rings 811 hat. Ein Kopf 850, der das Erregersystem 2 und das Magnetisierungssensorsystem 3
hält, bildet einen Teil des rotierenden Rings 811. Die Antriebsmotoren 820, 823, die
Codiereinrichtungen 826, 827 und der Kopf 850 weisen eine magnetische Abschirmung auf, so daß die
magnetische Messung durch ein magnetisches Rauschen nicht nachteilig beeinflußt wird.
FUNKTIONSPRINZIP
-
Das Funktionsprinzip der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im
folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 9, 10 und 11 beschrieben.
-
Wie in Fig. 9 dargestellt, tritt im allgemeinen, wenn ein Metallmaterial für einen langen
Zeitraum in einer Umgebung mit einer hohen Temperatur verwendet wird, eine Änderung der
inneren Struktur auf, wodurch einen verschlechterte mechanische Festigkeit verursacht wird. Fig.
12 zeigt die Ergebnisse eines Charpy-Schlagversuchs, der an einem gealterten Metallmaterial
aufgeführt wird, bei dem es sich um einen bei 475ºC wärmebehandelten rostfreien Ferritstahl handelt.
Aus Fig. 12 geht hervor, daß die Festigkeit bei einer Steigerung der Dauer der
Alterungswärmebehandlung bei einer hohen Temperatur abnimmt.
-
Die Erfinder haben Forschungsarbeiten und Studien hinsichtlich der Tendenz zu einer
Versprödung eines Metallmaterials wie eines rostfreien Ferritstahl aufgrund einer Erwärmung auf
hohe Temperaturen durchgeführt. Als ein Ergebnis der Forschungsarbeiten und Studien stellten
die Erfinder fest, daß bei einem Fortschreiten der Alterung bei hohen Temperaturen die
elektromagnetischen Eigenschaften wie der elektrische Widerstand 1 und die Permeabilität u des
Metallmaterials einer Änderung ausgesetzt waren und die mechanischen Eigenschaften wie die Härte
und die metallographische Struktur des Metallmaterials ebenfalls einer Änderung ausgesetzt
waren. Insbesondere stellten die Erfinder, wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt, fest, daß eine
Änderung der Tendenz zur Versprödung des Metallmaterials eine klare Übereinstimmung mit
einer Änderung der Magnetisierungseigenschaft des Metallmaterials zeigte. Fig. 10 stellt die
Ergebnisse der Messung einer magnetischen Hysterese des Metallmaterials in einem gerade erhaltenen
Zustand dar, während Fig. 11 die Ergebnisse der Messung des Metallmaterials in einem bei einer
hohen Temperatur wärmebehandelten Zustand darstellt. Die Erfinder stellten fest, daß die Fläche
der magnetischen Hystereseschleife (der magnetische Hystereseverlust) und die Restmagnetfluß
dichte einer Änderung ausgesetzt waren, die von dem Grad der Versprödung des Meßobjekts
abhing. Wenn ein derartiges Phänomen verwendet wird, kann daher das Fortschreiten der Tendenz
zu einer Versprödung eines Metallmaterials, insbesondere eines rostfreien Ferritstahls, mit hoher
Genauigkeit gemessen werden.
PROZEDUR FUR EINE MESSUNG
-
Eine Form der Prozedur für eine erfindungsgemäße Messung bei der Anwendung für die
unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8 beschriebene Systemanordnung wird im folgenden
unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm nach Fig. 13 beschrieben.
-
Schritt 1:
-
Zunächst wird der Antrieb 9 gegenüber der Oberfläche des Meßobjekts 1, wie einem Teil
der zugehörigen Ausstattung oder dem Rohr in dem Kernreaktor, angeordnet und auf den
Ursprung des Meßsystems eingestellt.
-
Schritt 2:
-
Der Messungs- oder Inspektionsbereich wird vorgegeben.
-
Schritt 3:
-
Der Antrieb 9 wird an den Startpunkt der Messung bewegt, so daß die Messung
eingeleitet werden kann.
-
Schritt 4:
-
Die Messung wird begonnen, und die gemessenen Daten am Meßstartpunkt werden
ermittelt.
-
Schritt 5:
-
Die ermittelten Daten werden in der Magnetisierungssteuereinheit 4 gespeichert.
-
Schritt 6:
-
Nach dem Abschluß der Messung am Meßstartpunkt wird der Antrieb 9 in die nächste
Meßposition bewegt.
-
Schritt 7:
-
Es wird festgestellt, ob der Antrieb 9 zu der letzten Meßposition bewegt wurde.
-
Wenn das Ergebnis der Feststellung "Nein" ist, folgt dem Schritt 7 erneut der Schritt 4,
während nach dem Schritt 7 ein Schritt 8 folgt, wenn das Ergebnis der Feststellung "Ja" ist.
-
Schritt 8:
-
Sämtliche gemessenen Daten werden von der Magnetisierungssteuereinheit 4 an die
Datenverarbeitungseinheit 5 übertragen, und die in der Datenverarbeitungseinheit 5 verarbeiteten
gemessenen Daten werden an die Berechnungeeinheit 6 übertragen.
-
Schritt 9:
-
Die gemessenen Daten werden nach einem Verfahren der statistischen Datenverarbeitung
verarbeitet, und die in der Datenbank gespeicherten Daten dienen als Grundlagen zur Bestimmung
des Grads der Alterungsverschlechterung. Das Ergebnis der Bestimmung wird einer externen
Aufzeichnungseinrichtung zugeführt und auf der Anzeigeeinheit 8 angezeigt.
DATENVERARBEITUNG
-
Die Details der nach Fig. 13 in Schritt 9 ausgeführten statistischen Datenverarbeitung
werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
Es wird beispielsweise davon ausgegangen, daß das Metallmaterial ein rostfreier Ferrit
stahl ist. Fig. 10 ist eine Kurve, die die Kennlinie von Magnetflußdichte (B) und
Magnetfeldintensität (H) des rostfreien Stahls darstellt, die bei einem gerade erhaltenen Material gemessen
wurden, und Fig. 11 ist eine Kurve, die die B-H-Kennlinie des rostfreien Stahls darstellt, die nach 443
Stunden einer Wärmebehandlung bei 475ºC gemessen wurde. Daher ändert sich bei dem
rostfreien Ferritstahl die magnetische Hystereseschleife aufgrund der auf die Alterung bei hoher
Temperatur zurückzuführenden Verschlechterung von der in Fig. 10 dargestellten Form zu der in Fig. 11
dargestellten.
-
Wie in den Figuren 14 und 15 dargestellt, ändern sich das magnetische
Hystereseschleifenflächenverhältnis und die Restmagnetflußdichte eines rostfreien Stahls in seinem
verschlechterten Zustand und seinem neuen Zustand abhängig von der Größe der Magnetfeldintensität, und ein
klarer Unterschied zwischen dem verschlechterten rostfreien Stahl und dem neuen rostfreien Stahl
tritt auf, wenn die Magnetfeldintensität über einer bestimmten Grenze liegt. Der Grad der
Verschlechterung des Metallmaterials kann jedoch nicht abgeschätzt werden, wenn die ursprüngliche
Menge an Ferrit in dem Metallmaterial nicht abgeschätzt werden kann. Fig. 14 zeigt Kurven, die
die Beziehung zwischen der Magnetfeldintensität und dem magnetischen
Hystereseschleifenbereichsverhältnis darstellen, und Fig. 15 Kurven, die die Beziehung zwischen der
Magnetfeldintensität und der Restmagnetflußdichte darstellen. In den Figuren 14 und 15 werden die
Magnetisierungskennlinien des neuen rostfreien Stahls mit denen des wärmebehandelten rostfreien Stahls
verglichen. Andererseits stellt Fig. 16 dar, daß die Beziehung zwischen der maximalen
Magnetflußdichte und der Magnetflußintensität sich abhängig davon, ob der rostfreie Stahl nicht
wärmebehandelt oder wärmebehandelt und bei einer hohen Temperatur gealtert wurde, nicht
nennenswert ändert. Diese maximale Magnetflußdichte wird durch die ursprüngliche Menge an Ferrit in
dem rostfreien Stahl bestimmt. Fig. 16 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der
Magnetflußintensität und der Amplitude der Magnetflußdichte darstellen.
-
Fig. 17 zeigt Kurven, die die Beziehung zwischen der Magnetflußintensität und der
normalisierten magnetischen Hystereseschleife darstellen, und Fig. 18 zeigt Kurven, die die
Beziehung zwischen der Magnetflußintensität und der normalisierten Restmagnetflußdichte darstellen.
In den Figuren 16, 17 und 18 werden die Magnetisierungskennlinien des neuen rostfreien Stahls
mit denen des wärmebehandelten rostfreien Stahls verglichen. Aus den Figuren 16 und 17 geht
hervor, daß es zum Zwecke der Korrektur der Schwankungen der ursprünglichen Menge an Ferrit
in dem rostfreien Stahl wirkungsvoll ist, den Grad der Verschlechterung des Metallmaterials auf
der Basis des normalisierten Flächenverhältnisses zwischen den durch die maximale
Magnetflußdichte normalisierten magnetischen Hystereseschleifen oder auf der Basis der normalisierten
Restmagnetflußdichte zu bestimmen.
-
Daher ist es in dem Schritt 4 der Messung zur Ermittlung von Daten vorzuziehen, das
Meßobjekt 1 zu entmagnetisieren und magnetische Hystereseschleifen bei verschiedenen Niveaus
H&sub1;, H&sub2;, ..., H&sub3; (H&sub1; < ... < H&sub3;) der Magnetfeldintensität zu erfassen, um, wie in Fig. 19 dargestellt
erforderliche Daten zu ermitteln. Anschließend wird in dem Schritt 9 der Datenverarbeitung, wie
in Fig. 19 dargestellt, der Grad der Verschlechterung des Meßobjekts 1 auf der Basis einer vorab
bestimmten Bezugskurve oder einer vorab berechneten Bewertungsfunktion bestimmt.
-
Es ist daher vorzuziehen, daß die magnetischen Hystereseschleifen des Materials des
bestimmten Meßobjekts durch kontinuierliches oder diskretes Ändern der Magnetfeldintensität
erfaßt werden und die Daten der normalisierten magnetischen Hystereseschleifenfläche und die
Daten der normalisierten Magnetflußdichte, die in den Figuren 17 und 18 dargestellt sind, zur
Erstellung einer Kalibrierungskurve verwendet werden. Ist eine derartige Kalibrierungskurve für jede
von vielen Arten von rostfreien Stahlen hergestellt, um eine Datenbank zu erstellen, und werden
gemessene Daten mit entsprechenden Daten der Datenbank verglichen, kann der Grad der
Verschlechterung des Meßobjekts abgeschätzt werden, ohne daß ursprüngliche Daten des
Meßobjekts erforderlich sind.
ZWEITES VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG
-
Eine zweite Form des Bestimmungsverfahrens umfaßt eine Magnetisierung eines
verschlechterten Metallmaterials durch eine vorbestimmte Magnetfeldintensität und eine Abschätzung
des Grads der Verschlechterung auf der Basis des zu diesem Zeitpunkt erfaßten Werts.
-
Wie in den Figuren 14 und 15 dargestellt, ändern sich das magnetische
Hystereseschleifenflächenverhältnis und die Restmagnetflußdichte abhängig von der Größe der
Magnetflußintensität, und es tritt ein klarer Unterschied zwischen einem verschlechterten Metallmaterial und
einem gerade erhaltenen neuen Metallmaterial auf, wenn die Magnetfeldintensität eine bestimmte
Grenze übersteigt. Daher wird die Magnetfeldintensität auf einen Wert eingestellt, der zur
Erfassung der Verschlechterung eines Metallmaterials geeignet ist, und die magnetische
Hystereseschleife des Metallmaterials wird gemessen. Kurven wie in den Figuren 20 und 21 dargestellt,
werden erhalten, wenn die Parameter wie die magnetische Hystereseschleifenfläche, die
Restmagnetflußdichte und die maximale Magnetflußdichte des Metallmaterials in Relation zu einem
Verschiechterungsparameter, der den Grad der Verschlechterung angibt, aufgezeichnet werden.
(Dieser Verschlechterungsparameter ist beispielsweise der Wert P in dem Lalson-Miller-Gesetz.)
-
Dies bedeutet, daß auf der Basis der gemessenen Daten der magnetischen
Hystereseschleifenfläche, der Restmagnetflußdichte und der maximalen Magnetflußdichte des
Metallmaterials der Wert des Verschlechterungsparameters, d.h. der Wert P, bestimmt wird, so daß der Grad
der Verschlechterung des Metallmaterials abgeschätzt werden kann. Daher kann der Grad der
Verschlechterung des Metallmaterials bestimmt werden, wenn die in den Figuren 20 und 21
dargestellten Daten zum Erstellen der Datenbank verwendet werden. Das Metallmaterial kann
beispielsweise vorab einem Charpy-Schlagversuch unterzogen werden, und die Charpy-
Schlagenergie oder der Bruchzähigkeitswert des Metallmaterials können als der
Verschlechterungsparameter des Metallmaterials verwendet werden. Wenn derartige in den Figuren 22 und 23
dargestellte Daten zum Erstellen eines Teils der Datenbank verwendet werden, kann die
Reiß- oder Bruchzähigkeit des Metallmaterials ebenfalls abgeschätzt werden.
DRITTES BESTIMMUNGSVERFAHREN
-
Bei dem oben beschriebenen zweiten Bestimmungsverfahren wird die magnetische
Hystereseschleife eines Metallmaterials gemessen, während die Magnetfeldintensität auf einen
vorbestimmten Wert eingestellt wird. Nach einem dritten Verfahren wird die magnetische
Hystereseschleife eines Metallmaterials gemessen, während die Magnetflußdichte, wie in Fig. 24 dargestellt,
auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. Bei dem dritten Verfahren wird die zum Erregen
des Metallmaterials verwendete Magnetflußdichte festgelegt, um die Magnetfeldintensität bei der
Messung der magnetischen Hystereseschleife mit hoher Genauigkeit zu steuern. Daher können die
Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der gemessenen Daten leicht verbessert werden.
VIERTES BESTIMMUNGSVERFAHREN
-
Nach einem vierten Bestimmungsverfahren wird der Grad der Verschlechterung eines
Metallmaterials auf der Basis des Musters der magnetischen Hystereseschleife des Metallmaterials
abgeschätzt.
-
Wie aus den Figuren 10 und 11 hervorgeht, zeigt das Muster der magnetischen
Hystereseschleife eines Metallmaterials eine Übereinstimmung mit dem Grad der Verschlechterung des
Metallmaterials. Fig. 25 ist ein Ablaufdiagramm, das darstellt, wie der Grad der Verschlechterung
eines Metallmaterials auf der Basis des Musters der magnetischen Hystereseschleife abgeschätzt
wird.
-
In dem Schritt 4 der Messung und Datenermittlung in dem Ablaufdiagram nach Fig. 25
wird ein Meßobjekt entmagnetisiert, und erforderliche Daten werden aus einer durch eine
Magnetisierung des Meßobjekts auf einen Zustand mit einer vorbestimmten Magnetisierung oder durch
Magnetisierung des Meßobjekts auf einen Zustand einer magnetischen Sättigung gemessenen
Hystereseschleife ermittelt. In dem Schritt 9 der Verarbeitung der ermittelten Daten wird die
magnetische Hystereseschleife normalisiert, und das Muster der normalisierten magnetischen
Hystereseschleife wird für einen Musterabgleich mit vorab bestimmten, in der Datenbank gespeicherten
Referenzhystereseschleifenmustern verwendet. Als Ergebnis des Musterabgleichs wird die
magnetische Hystereseschleife, die am meisten mit dem Muster der gemessenen magnetischen
Hystereseschleife analog ist, aus der Datenbank gewählt, und der Grad der Verschlechterung oder
Bruchzähigkeit des Meßobjekts wird auf der Basis des Grads der Verschlechterung der gewählten
magnetischen Hystereseschleife abgeschätzt.
FÜNFTES BESTIMMUNGSVERFAHREN
-
Fig. 26 stellt ein fünftes Bestimmungsverfahren dar. In dem Schritt 9 der
Datenverarbeitung nach dem Ablaufdiagramm der Fig. 13 wird die gemessene magnetische Hystereseschleife
zum Erfassen der Ausgangswellenform der Magnetflußdichte verwendet, wenn ein
Sinuswelleneingang zur Erzeugung der Magnetfeldintensität angelegt wird, und eine
Ausgangswellenformverzerrung der Magnetflußdichte wird durch die Fourier-Transformation berechnet. Anschließend
wird auf der Basis der Größe und der Phasendifferenz einzelner höherer harmonischer
Komponenten der Grad der Verschlechterung des Metallmaterials anhand der Datenbank erfaßt, in der
die nach einer Technik der statistischen Datenverarbeitung, wie einer Regressionsanalyse,
berechneten erforderlichen Daten gespeichert sind.
ALLGEMEINE SYSTEMANORDNUNG DER ZWEITEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Fig. 27 stellt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Diese zweite
Ausführungsform ist eine Modifikation der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform, und
das Meßobjekt kann in der Form einer kleinen Probe 11 erhalten werden. Die kleine Probe 11
wird in die mit einer Erregerenergiequelleneinheit 20 verbundene Erregerspule 23 eingeführt. Eine
Differenzerfassungsspule 310 ist um die Probe 11 gewickelt, und der Ausgang der Spule 310 wird
durch einen Integrator 320, der die Magnetflußdichte berechnet, integriert. Die Art der
Datenverarbeitung in dieser zweiten Ausführungsform ähnelt der der ersten Ausführungsform.
EIN SUPRALEITENDES SYSTEM VERWENDENDE DRITTE AUSFUHRUNGSFORM
-
Die Figuren 28 und 29 stellen jeweils einen Teil einer dritten Ausführungsform und ihrer
Modifikationen dar, wobei jeweils ein supraleitendes System verwendet wird, um das
Erregersystem 2 und das Magnetisierungssensorsystem 3 zu ersetzen, die in Fig. 1 dargestellt sind.
-
Nach Fig. 28, die eine teilweise Modifikation der ersten Ausfuhrungsform darstellt, wird
ein supraleitendes System für die Erregerspule 23 verwendet, um ein Meßobjekt 1 durch Anlegen
eines starken Magnetfelds zu magnetisieren und dadurch die Genauigkeit der
Verschlechterungserfassung zu verbessern. Nach Fig. 28 ist ein Sensorbehälter 110 aus einem
nicht magnetischen Material, der mit einem Kühlmittel 130 gefüllt ist, gegenüber der Oberfläche
des Meßobjekts 1 angeordnet, und eine supraleitende Erregerspule 23 ist in dem Sensorbehälter
110 installiert, so daß die supraleitende Erregerspule 23 in ihrem supraleitenden Zustand gehalten
werden kann. Der Magnetisierungssensor 31, der bei niedrigen Temperaturen arbeiten kann, ist in
der Mitte der supraleitenden Erregerspule 23 angeordnet. Der Sensorbehälter 110 ist von der
Atmosphäre durch ein Wärmeisolierelement 120 thermisch isoliert. Das Kühlmittel 130 wird zur
Kühlung durch einen Kanal 400 zu einer externen Kühlvorrichtung 410 zurückgeleitet.
Magnetische Abschirmungen 100 und 101 sind jeweils außerhalb des Sensorbehälters 110 und der
Erregerspule 23 angeordnet, um das externe Magnetfeld und das Erregermagnetfeld zu optimieren.
Die Erregerspule 23 und der Magnetisierungssensor 31 sind durch Verbindungskabel 500 mit der
Magnetisierungssteuereinheit 4 verbunden.
-
Bei der dritten Ausführungsform kann durch die Erregerspule mit geringer Größe ein
starkes Magnetfeld erzeugt werden, so daß die diagnostische Abschätzung des Grads der
Verschlechterung eines begrenzten Bereichs erzielt werden kann.
-
Fig. 29 stellt eine Modifikation der in Fig. 28 dargestellten Ausfuhrungsform dar. Nach
Fig. 29 wird der in Fig. 28 dargestellte Magnetisierungssensor 31 durch eine supraleitende
Quanteninterferenzvorrichtung (SQUID) 340 mit einer hohen Erfassungsempfindlichkeit ersetzt. Eine
Sondenspule 330 für die supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung 340 ist in der Mitte der
Erregerspule 23 angeordnet, und die supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung 340 ist außerhalb
der magnetischen Abschirmung 101 angeordnet, um eine magnetische Messung vorzunehmen.
-
Nach der in Fig. 29 dargestellten Ausführungsform kann das Magnetfeld mit einer hohen
Empfindlichkeit erfaßt werden, so daß der Wirkungsgrad der Erfassung der Verschlechterung
eines Metallmaterials erheblich verbessert werden kann.
SYSTEMANORDNUNG EINER VIERTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Fig. 30 zeigt einen Systemgrundaufbau, der verwendet wird, um eine vierte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Inspektion einer Verschlechterung eines
Metallmaterials praktisch in Gebrauch zu nehmen. In Fig. 30 werden übereinstimmende
Bezugszeichen zur Bezeichnung übereinstimmender, in Fig. 1 auftretender Teile verwendet.
-
Nach Fig. 30 ist ein Meßobjekt 1 ein Element wie z.B. ein Teil einer Ausstattung oder
eines primären Rohrsystems einer Anlage wie eines Kernkraftwerks. Die Vorrichtung weist eine
Erregerspule 23 zur Magnetisierung des Meßobjekts 1, eine supraleitende
Quanteninterferenzvorrichtung 350 zur Erfassung der Magnetisierung, eine Magnetisierungssteuereinheit 4, eine
Datenverarbeitungseinrichtung 50 und eine Kühlvorrichtung 410 auf, um die supraleitende
Quanteninterferenzvorrichtung 350 auf ihrer Arbeitstemperatur zu halten.
-
Die Erregerspule 23 und die supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung 350 sind
gegenüber der Oberfläche des Meßobjekts 1 angeordnet. Die Erregerspule 23 ist mit der
Magnetisierungssteuereinheit 4 elektrisch verbunden, die den Prozeß der Magnetisierung steuert.
-
Die supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung 350 und die
Magnetisierungssteuereinheit 4 sind mit der Datenverarbeitungseinrichtung 50 elektrisch verbunden, so daß die
Datenverarbeitungseinrichtung 50 Daten bezüglich der Magnetisierung und der erfaßten Magnetisierung
empfängt. Eine für eine Bestimmung der Verschlechterung des Metallmaterials verwendete
Bezugskurve wird vorab erstellt, um die oben aufgeführten Daten zu bewältigen, so daß der Grad
der Verschlechterung des Meßobjekts 1 auf der Basis der Bezugskurve festgestellt werden kann.
-
Fig. 31 stellt den Aufbau der supraleitenden Quanteninterferenzvorrichtung 350 und der
Datenverarbeitungseinrichtung 50 genau dar. Nach Fig. 31 gehört eine rf SQUID 33 zu einer
Sondenspule 330 aus einem normal leitenden Material wie Gold oder Silber und wird durch eine
rf SQUID-Steuereinrichtung 34 gesteuert. Die rf SQUID 33 ist durch eine Kombination aus einer
magnetischen Abschirmung und einer Strahlungsabschirmung 35 abgeschirmt. Ein Behälter 110
aus einem nicht magnetischen wärmeisolierenden Material ist mit einem Kühlmittel 130 gefüllt,
um die rf SQUID 33 auf ihrer Arbeitstemperatur zu halten.
-
Das vordere Ende des Behälters 110 ist in der Form eines Zylinders mit geringem
Durchmesser ausgebildet, der auf die Oberfläche des Meßobjekts 1 gedrückt wird. Die Erregerspule 23
ist um die äußere Oberfläche des zylindrischen Abschnitts des Behälters 110 gewickelt, und die
Sondenspule 330 aus dem normal leitenden Material ist in dem Behälter 110 angeordnet. Das
Meßobjekt 1 wird durch die Erregerspule 23 magnetisiert, und die rf SQUID 33 erfaßt die sich
ändernde Magnetisierung durch die Sondenspule 330. Die Daten, die die durch die rf SQUID 33
erfaßte, sich ändernde Magnetisierung angeben, werden unter der Steuerung der rf SQIUD-
Steuereinrichtung 34 der Datenverarbeitungseinrichtung 50 zugeführt.
-
Die Strahlungsabschirmung 35 aus einem Material wie Blei ist mit einer magnetischen
Abschirmung aus einem supraleitenden Material bedeckt, um die rf SQUID 33 von externem
magnetischen Rauschen und Strahlungen abzuschirmen.
-
Der Meßvorgang der mit der Sondenspule 330 aus dem normal leitenden Material
versehenen rf SQUID 33 wird unter Bezugnahme auf Fig. 32 beschrieben.
-
Das Meßobjekt 1 wird durch Zufuhr eines dreieckigen Wellenformstroms zu der
Erregerspule 23 auf ein Niveau in der Nähe des Bereichs einer magnetischen Sättigung magnetisiert.
-
Dadurch ändert sich die Magnetflußdichte B, und die magnetische Hystereseschleife des
Meßobjekts 1 zeigt eine verzerrte Wellenform, wie in Fig. 32 dargestellt. Der Grad der Verschlechterung
des Meßobjekts 1 wird auf der Basis einer derartigen verzerrten Komponente der Wellenform
bestimmt. Die rf SQUID 33 kann jedoch eine Magnetisierung, die so groß wie die magnetische
Sättigung des Meßobjekts 1 ist, nicht messen, obwohl ihre Auflösung hoch ist. Daher ist die
Sondenspule 330 aus dem normal leitenden Material gefertigt, und ein Ausgangssignal, wie in Fig. 32
dargestellt, wird erhalten. Dies bedeutet, daß lediglich ein Signal, daß den differenzierten Wert der
erfaßten Änderung der Magnetisierung des Meßobjekts 1 angibt, an die rf SQUID 33 angelegt
wird und ein Signal, daß eine große Magnetisierung angibt, nicht an die rf SQUID 33 angelegt
wird.
-
Der genaue Aufbau der Datenverarbeitungseinrichtung 50 wird im folgenden
beschrieben. Wie in Fig. 31 dargestellt, weist die Datenverarbeitungseinrichtung 50 eine
Datenverarbeitungseinheit 5, eine Verschlechterungsbestimmungseinheit 51 und eine Anzeigeeinheit 52 auf.
-
Das von der rf SQUID 33 gemessene magnetische Signal des Meßobjekts 1 wird von der
Datenverarbeitungseinheit 5 verarbeitet, und höhere harmonische Komponenten und Barkhausen-
Rauschkomponenten des magnetischen Signals werden erfaßt. Die erfaßten höheren harmonischen
Komponenten und die Barkhausen-Rauschkomponenten werden in der
Verschlechterungsbestimmungseinheit 51 mit in den Figuren 33 bzw. 34 dargestellten Bezugskurven verglichen, und die
Ergebnisse des Vergleichs werden in der Verschlechterungsbestimmungseinheit 51 in den Grad
der Verschlechterung umgewandelt. Das Ergebnis der Bestimmung wird auf der Anzeigeeinheit
52 angezeigt.
-
Nach der in Fig. 30 dargestellten Ausfuhrungsform kann eine Änderung der
Magnetisierungseigenschaft eines Metallmaterials mit hoher Genauigkeit erfaßt werden. Daher kann eine
Verzerrung des Magnetfelds mit hoher Genauigkeit gemessen werden, und die Genauigkeit der
Abschätzung des Grads der Verschlechterung des Metallmaterials kann verbessert werden.
SYSTEMANORDNUNG EINER FÜNFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Fig. 35 stellt einen Systemgrundaufbau dar, der verwendet wird, um eine fünfte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Inspektion einer Verschlechterung eines
Metallmaterials praktisch in Gebrauch zu nehmen.
-
Nach Fig. 35 ist ein Meßobjekt 1, dessen säkuläre Verschlechterung gemessen werden
soll, beispielsweise ein Ventilgehäuse aus einem Metallmaterial wie einem rostfreien Duplexstahl.
Eine Magnetfelderregerspule 24 legt ein vorbestimmtes Sättigungsmagnetfeld an das Meßobjekt I
an, wodurch ein Restmagnetismus erzeugt wird. Die Spule 24 ist mit einer Vorrichtung 25
elektrisch verbunden, die eine zur Erzeugung des Sättigungsmagnetfelds erforderliche Spannung
zuführt. Ein Computer 60 steuert das vorbestimmte Magnetfeld und dient ebenso der
Verarbeitung von Daten bezüglich des angelegten Magnetfelds. Ein externer Speicher 61 und eine extern-
Aufzeichnungseinrichtung 62 sind mit dem Computer 60 verbunden.
-
Nach dem Anlegen des Sättigungsmagnetfelds an das Meßobjekt 1 wird das angelegte
Magnetfeld auf Null gesetzt. Anschließend wird ein hoch empfindlicher Magnetisierungssensor 36
zum Erfassen des Restmagnetismus in eine Position in der Nähe des Meßobjekts 1 gebracht, und
der erfaßte Restmagnetismus wird durch einen Magnetisierungsdetektor 37 gemessen. Das Signal,
das den Wert des erfaßten Restmagnetismus angibt, wird an den externen Speicher 61 und der
externe Aufzeichnungseinrichtung 62 zugeführt.
-
Der externe Speicher 61 speichert eine Datenbank mit Daten, die die Beziehung
zwischen verschiedenen Werten eines vorab berechneten Restmagnetismus und dem Grad der
Verschlechterung des Metallmaterials angeben. Auf der Grundlage der oben genannten Beziehung
berechnet der Computer 60 den Wert einer Bruchdauerfestigkeit, die den Grad der
Verschlechterung des Meßobjekts 1 angibt.
-
Fig. 39 stellt den Grundaufbau der Spule 24, die das Sättigungsmagnetfeld an das
Meßobjekt 1 anlegt, schematisch dar. Wie in Fig. 39 dargestellt, wird eine um einen Eisenkern 27
gewickelte Spule 26 zu dem Meßobjekt 1 bewegt, um das Magnetfeld an das Meßobjekt 1
anzulegen. Der Eisenkern 27 ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt, und ein
starkes Magnetfeld kann erzeugt werden, wenn ein supraleitendes Material zum Bilden der Spule
26 verwendet wird. Eine Kühlung ist erforderlich, wenn eine supraleitende Spule verwendet wird.
Daher wird vorzugsweise eine bei einer hohen Temperatur supraleitende Spule verwendet.
-
Der Magnetisierungssensor 36 wird zum Messen des Restmagnetismus des Meßobjekts 1
verwendet. Wenn eine hoch empfindliche supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung als ein Teil
des Magnetisierungssensors 36 verwendet wird, kann daher der Restmagnetismus mit hoher
Genauigkeit gemessen werden, und selbst eine geringfügige Änderung des Grads der
Verschlechterung kann erfaßt werden. Wenn eine bei hoher Temperatur supraleitende
Quanteninterferenzvorrichtung als die supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung verwendet wird, kann die Größe der
Kühleinrichtung gering gehalten werden, und der Magnetisierungssensor 36 kann kompakt
gefertigt werden.
-
Ein Halbleiter-Hallelement kann als ein Teil des Magnetisierungssensors 36 verwendet
werden. Da das Hallelement eine magnetische Änderung eines Metallmaterials direkt erfassen
kann, kann der Restmagnetismus mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
-
Wenn sich der Restmagnetismus des Meßobjekts 1, wie in Fig. 37 dargestellt, nach der
Entmagnetisierung über einen langen Zeitraum nicht ändert, muß das Meßobjekt 1 zum Zeitpunkt
einer späteren Erfassung des Restmagnetismus nicht erneut auf das Niveau der magnetischen
Sättigung magnetisiert werden.
-
Das Prinzip der Funktion der in Fig. 35 dargestellten fünften Ausführungsform wird
unter Bezugnahme auf Fig. 36 beschrieben.
-
Wird ein Metallmaterial über einen langen Zeitraum in einer Umgebung mit einer hohen
Temperatur verwendet, tritt eine Veränderung seiner inneren Struktur auf, was zu einer
verringerten mechanischen Festigkeit führt. Es ist bekannt, daß bei einer Änderung der inneren Struktur die
elektromagnetischen Eigenschaften wie der elektrische Widerstand 1 und die Permeabilität u des
Metallmaterials und ebenso die mechanischen Eigenschaften wie die Härte und die
metallographische Struktur des Metallmaterials Änderungen ausgesetzt sind.
-
Als ein Ergebnis von Forschungsarbeiten und Studien bezüglich der Tendenz zu einer
Versprödung eines Metallmaterials wie eines rostfreien Duplexstahls aufgrund der Erwärmung auf
hohe Temperaturen stellten die Erfinder fest, daß ein Zusammenhang zwischen dem Grad der
Versprödung und den spröde werdenden Eigenschaften des rostfreien Stahls besteht. Durch eine
Nutzung eines derartigen Phänomens kann der Grad der Versprödung beispielsweise einer
Schweißstelle aus einem rostfreien Duplexstahl oder einem rostfreien Ferritstahl abgeschätzt
werden.
-
Genauer beschrieben zeigt ein magnetisches Metallmaterial im allgemeinen eine
magnetische Hystereseschleife, wie in Fig. 36 dargestellt. Wenn die Stärke der Magnetfeldintensität H von
dem Wert einer Nullmagnetisierung gesteigert wird, sättigt sich die Magnetisierung M einen
Punkt A. Wenn anschließend die Stärke der Magnetfeldintensität H von dem Punkt A auf Null
gesenkt wird, verbleibt ein Restmagnetismus OB. Wenn andererseits die Stärke des Magnetfelds H
gesteigert wird, wird der Restmagnetismus bei der Koerzitivkraft OC Null. Wenn dann die Stärke
des Magnetfelds H weiter gesteigert wird, wird an einem Punkt D die magnetische Sättigung in
der negativen Richtung erreicht.
-
In der in Fig. 36 schematisch dargestellten magnetischen Hysterese stellt die
durchgehende Kurve die eines neuen Metallmaterials dar, bevor es einer säkulären Verschlechterung
ausgesetzt wird, während die gestrichelte Kurve die eines Metalls darstellt, das einer sekulären
Verschlechterung ausgesetzt wurde. Wie bereits beschrieben, sind die Permeabilität u, der
Restmagnetismus OB und die Koerzitivkraft OC eines Metallmaterials wie eines rostfreien Duplexstahls
einer Änderung ausgesetzt, wenn es über einen langen Zeitraum bei einer hohen Temperatur
verwendet wird.
-
Fig. 37 stellt schematisch dar, wie sich der Restmagnetismus eines neuen Metallmaterials
und eines verschlechterten Metallmaterials mit der Zeit ändert. Aus Fig. 37 geht hervor, daß sich
der Restmagnetismus, selbst wenn ein Magnetfeld an das neue Metallmaterial angelegt wird und
das Metallmaterial in diesem Zustand bei Raumtemperatur stehen gelassen wird, nicht
nennenswert ändert, falls kein beeinträchtigendes Magnetfeld angelegt wird. Wenn andererseits das neue
Metallmaterial über einen langen Zeitraum bei einer hohen Temperatur stehen gelassen wird, ist
die Ausscheidung in dem Stähl einer Änderung ausgesetzt, was zu einer entsprechenden
Änderung des Restmagnetismus führt. Diese Tendenz gilt ebenso für die Koerzitivkraft. Fig. 38 stellt
ähnliche Änderungen der Koerzitivkraft in bezug auf die Zeit dar.
-
Der Restmagnetismus des neuen Materials und der des verschlechterten Materials
werden durch den Magnetisierungssensor 36 gemessen, und der Grad der Verschlechterung des
Metallmaterials aufgrund dessen, daß es über einen langen Zeitraum einer hohen Temperatur
ausgesetzt wird, wird auf der Basis der Beziehung zwischen der vorab berechneten Änderung des
Restmagnetismus des Metallmaterials und der Bruchzähigkeit des Metallmaterials bestimmt. Die
Koerzitivkraft kann anstelle des Restmagnetismus gemessen werden.