JP5611633B2 - 配管内のスケール状態検査方法 - Google Patents

Description

本発明は配管内のスケール状態の検査方法に関する。とりわけ、本発明は銅電解工場における銅電解液が流れる配管内のスケール状態の検査方法に関する。

銅の電解精錬工程において、アノードとして使用する粗銅には砒素、ビスマス、アンチモン、ニッケル、スズ等の不純物が含まれており、これらは電解液中に溶出する。電解槽から排出された電解液は電解、硫化、溶媒抽出、又は析出といった種々の不純物除去処理を受けた後、電解精錬工程で再使用される。ところが、これら不純物は完全には除去することはできず、使用期間が増加していくにつれてスケールとして電解液の配管内に徐々に堆積し、これが過度になると配管を閉塞させることとなる。そこで、スケールが生じた配管は定期的に交換する必要がある。

しかしながら、スケールは配管内部に発生することから外部からは観察することができないため、適切な交換時期を把握することが困難であった。給液量の減少が顕著になってから交換時期を定めていたのでは既に遅く、電気銅の品質に悪影響を与える危険がある。一方、定期的に操業が停止する時期を見計らって配管内の電解液を抜き、実際に配管の内部を目視してスケールの付着状態を確認することも可能であるが、多くの作業時間を要する。

本発明者による調査結果によれば、このような問題に取り組んだ先行技術は存在しない。比較的関連する技術としては以下が挙げられる。

特開平７−２１８４５９号公報（特許文献１）には、陸舶用ボイラの炉壁管等に適用され、減肉部の非破壊検出を行う管の内面腐食検出方法において、管内面側に冷、温いずれかの媒体を通じあるいは封入し、上記管の外面側からサーモグラフィーモニターにて減肉部と非減肉部との温度差を感知することによって内面からの減肉部を検出する管の内面腐食検出方法が記載されている。

特開２００８−１５７８０６号公報（特許文献２）には加熱照射装置と赤外線カメラを用いて肉厚を求め、これにより配管の腐食劣化状態を診断する赤外線配管診断方法が記載されている。

特開２００９−１３３８４５号公報（特許文献３）には、ライニングタンクを該タンク内側または外側から、加熱または冷却することにより、ライニング層の浮き部により発生する、ライニングタンク外表面または内表面への熱伝達速度の不均等による表面温度分布を、赤外線サーモグラフィを用いて測定するライニングタンクの非破壊検査方法が記載されている。

特開２００８−１３４２２１号公報（特許文献４）には、赤外線を用いて、構造物又は建造物に施工されている配管の肉厚を検出する赤外線配管診断方法であって、
予め赤外線配管診断する配管表面に対する放射率マップの作成、並びに、表面放射率及び肉厚の既知である任意特定部位に対する基準温度変化分布パターン及び内部熱伝達係数の特定をしておき、
赤外線配管診断する部位に対し、所定の照射パターンで加熱照射し、
赤外線カメラを用いて前記放射率マップに基づいて温度変化分布パターンを測定し、
前記基準温度変化分布パターン、前記内部熱伝達係数、及び前記温度変化分布パターンに基づいて肉厚分布を推定することを特徴とする赤外線配管診断方法が記載されている。

特開２００７−２４８３９４号公報（特許文献５）には、シリンダ円筒内部に熱負荷を与えた後のシリンダ円筒内部の表面温度を赤外線カメラを用いて計測し、その時系列温度変化より、シリンダ内部の欠陥を検出する方法が記載されている。

特開２００８−８７０５号公報（特許文献６）には、荷役機械のような移動荷重を生じさせる移動体が走行する構造物において、実使用時に移動体から与えられる移動荷重により応力を付与し、かつ移動体に設けられた赤外線カメラにより応力変動が生じている構造物を撮影することにより、赤外線カメラによる熱画像を用いて遠隔位置から容易かつ確実に、しかも実操業を行いながら欠陥を検出する方法が記載されている。

特開２００１−５０９２１号公報（特許文献７）には、物体表面温度の上昇又は下降過程で測定した物体の熱画像を画像処理し、得られた画素線のそれぞれの変曲点を求め、これらの変曲点に囲まれた領域を検出することを特徴とする物体の内部欠陥の自動検出方法が記載されている。

特開平７−２１８４５９号公報 特開２００８−１５７８０６号公報 特開２００９−１３３８４５号公報 特開２００８−１３４２２１号公報 特開２００７−２４８３９４号公報 特開２００８−８７０５号公報 特開２００１−５０９２１号公報

本発明の課題は、配管を開口することなしに、配管内のスケール付着状態を簡便に判定することができる検査方法を提供することである。とりわけ、本発明の課題は、銅の電解精錬工程で循環使用される銅電解液が流れる配管のスケール付着状態を簡便に判定することができる検査方法を提供することである。

本発明者らは、上記の課題を解決するために検討を重ねたところ、検査のために特別に配管に対して加熱や冷却といった温度変化を与えることなく、銅電解液が通液された状態の配管の表面温度を赤外線サーモグラフィで計測し、これによって得られる配管の外表面の温度分布図からスケールの付着状況を確認できることを見出した。

上記の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、配管周囲の雰囲気とは温度差のある流体用の配管内のスケール状態の検査方法であって、流体が金属の電解精錬に使用する電解液であり、当該流体が流れているときに、検査のために配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測し、配管表面の温度分布により流体配管内のスケール状態を推定することを含み、流体は横走りの配管内を流れる液体であり、配管の上側内面の少なくとも一部には液体が接触しておらず、流体配管内のスケール状態の推定は、配管表面の上下方向の温度差に基づいて行う、流体配管内のスケール状態の検査方法である。

本発明に係る検査方法は一実施形態において、流体が銅の電解精錬に使用する銅電解液である。

本発明に係る検査方法は更に別の一実施形態において、配管を流れる流体の温度と、配管周囲の雰囲気温度の温度差が３０℃以上である。

本発明に係る検査方法は更に別の一実施形態において、配管を流れる流体の温度が６０〜６５℃であり、配管周囲の雰囲気温度が２０〜３０℃である。

本発明は別の一側面において、配管周囲の雰囲気とは温度差のある流体用の配管内のス
ケール状態の検査方法であって、流体が金属の電解精錬に使用する電解液であり、
・配管内にスケールが付着しておらず、且つ、当該流体が流れているときに、検査のため
に特別に配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィ
で計測するステップ１と、
・ステップ１とは別時において、且つ、当該流体が流れているときに、検査のために特別
に配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測
するステップ２と、
・ステップ１で得られた配管表面の温度分布とステップ２で得られた配管表面の温度分布
を比較することにより流体配管内のスケール状態を推定するステップ３と、
を含み、
流体は横走りの配管内を流れる液体であり、配管の上側内面の少なくとも一部には液体が接触しておらず、流体配管内のスケール状態の推定は、配管表面の上下方向の温度差に基づいて行う、流体配管内のスケール状態の検査方法である。

本発明によれば、操業を継続したまま、配管に対して検査のために特別に温度変化を与えることなく、配管内のスケール付着状態を簡便に判定することができるようになる。

例えば、銅の電解精錬工程で循環使用される銅電解液が流れる配管のスケール付着状態を簡便に判定することができるようになる。銅電解工場においては、給液を止めて配管を更新できる時期は年間１日程度と限られており、事前にスケール調査と工事準備をしなければならないが、本発明によれば、手間やコストをかけず配管更新時期を容易に判定できるようになり、電気銅製品の品質管理向上につながる。

本発明に係るスケール状態の検査方法の実施態様の一つを示す概略図である。 スケールの付着状態の一例を示す概略図である。 本発明に係る検査方法で得られた、内面にスケールが付着していない配管の外表面の温度分布図（右）と下側内面にスケールが付着している配管の外表面の温度分布図（左）の模式図である。

本発明に係る流体配管内のスケール状態の検査方法は、配管周囲の雰囲気とは温度差のある流体が流れ、次第にスケールが付着する配管であれば適用可能である。この流体は、金属の電解精錬工程で使用する電解液とする。本発明において、スケールとは流体に含まれる成分が原因で配管内に堆積する付着物全般を指す。配管の材質については特に制限がなく、例えばプラスチック、金属、セラミック、ゴム製の配管を対象とすることが出来る。

中でも、電解液のような溶質分を多く含む溶液はスケールとして不溶性物質が析出しやすいことから、銅の電解精錬工程で使用する銅電解液が流れる配管が好適である。銅電解液は一般にＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂ＯとＨ₂ＳＯ₄を主成分とし、典型的にはＣｕ：４０〜７０ｇ／Ｌ、Ｈ₂ＳＯ₄：１５０〜２１０ｇ／Ｌを含有する。不純物としては、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｔｅ、Ｐｂ、アンモニアなどが含有し得る。これらの成分が次第に配管内部にスケールとして付着堆積していく。

本発明の一実施形態においては、流体が配管内を流れているときに、検査のために配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測し、配管表面の温度分布により流体配管内のスケール状態を推定する。

流体は通常の操業条件で配管内を流れていればよく、検査のために操業条件を変更する必要はない。また、本発明では、配管内を流れる流体と配管周囲の雰囲気に温度差があり、スケール量の増加によって配管内部から配管外表面への熱伝導性が低下することでこの温度差が広がるという性質を利用するため、検査のために配管を加熱又は冷却する必要もない。

本発明で使用する赤外線サーモグラフィとしては公知の任意の装置を使用すればよく、特に制限はないが、携帯型で画像を確認できるタイプが良い。例えば、配管から３〜５ｍ程度離れた箇所から配管に向けて赤外線サーモグラフィで撮影すればよい。

赤外線サーモグラフィによる計測の結果、配管の外表面の温度分布が得られる。流体温度が雰囲気温度よりも高い場合には、スケールの生じている箇所の配管外表面はスケールの生じていない箇所の配管外表面よりも温度が低い。一方、流体温度が雰囲気温度よりも低い場合には、スケールの生じている箇所の配管外表面はスケールの生じていない箇所の配管外表面よりも温度が高い。

銅の電解精錬工程で使用する銅電解液が流れる配管を検査対象とした場合を例にとって本発明の原理をもう少し詳しく説明する。図１を参照すると、電解槽１０３へ流入する給液配管１０１内、及び電解槽１０３から排出される排液配管１０２内を流れる銅電解液の温度は６０〜６５℃程度である。一方で、配管周囲の空気温度は常温（２０〜３０℃程度）であり、液温と空気温度に差が生じている。ここで、配管内にスケールが付着していない状態の場合、電解液が通液された配管（１０１、１０２）は電解液からの熱が配管内から表面に伝わる一方で、配管周囲の空気により配管表面が冷やされるため、配管の外表面温度は４５℃程度となる。一方で、配管内にスケールが付着している場合、付着量が多いほど電解液の熱が配管表面に伝わりにくいため、配管の外表面の温度はスケールの付着量に応じて徐々に低下し、スケールの厚みが２ｃｍ程度あると４０℃以下を示す。このように、赤外線サーモグラフィ１０４によって配管の外表面の温度分布を調べることで、スケールの付着状態を推定することができるのである。２ｃｍの厚みのスケールが付着している状態というのは配管を交換すべき時期であるから、例えばスケールが付着していない配管に対して５℃以上の温度が低下している箇所が見られる配管というのは交換時期に来ていると判断することができる。

ここで、配管を流れる流体の温度と、配管周囲の雰囲気温度の温度差が小さ過ぎると、スケールが配管内に付着しても、その差が顕在化しにくい。そのため、本発明が好適に使用できるのは、配管を流れる流体の温度と配管周囲の雰囲気温度の温度差が３０℃以上あるような場合である。

従って、本発明の一実施形態においては、配管を流れる流体の温度が６０〜７０℃であり、配管周囲の雰囲気温度が０〜３０℃である。銅の電解精錬工程で使用する銅電解液が流れる配管の場合は、例えば配管を流れる流体の温度が６０〜６５℃であり、配管周囲の雰囲気温度が２０〜３０℃である。

図２を参照すると、流体が略水平方向に流れる横走り管２０１の場合、流体は重力のために配管内の下側内面を流れるため、配管内面の下側ほどスケール２０３の付着量が大きくなり、通液可能な空間２０２は狭くなる。このため、ある時期に配管の外表面温度の分布状態を赤外線サーモグラフィにて測定し、配管外表面の上側と下側で温度差があれば、下側内面にスケールが発生していることが分かる。そして、その温度差の大小により、スケールの付着量も推定することができる。スケールが全くない状態においては、電解液が配管の下側内面のみを流れていたとしても、配管の表面の上部と下部にはほとんど温度差はないことが経験的に分かっている。

従って、本発明に係る検査方法は一実施形態において、流体は横走りの配管内を流れる液体であり、配管の上側内面の少なくとも一部には液体が接触しておらず、流体配管内のスケール状態の推定は、配管表面の上下方向の温度差に基づいて行う。「横走りの配管」とは、配管内部の液体が垂直方向に流れる立管に対する用語であり、配管の傾斜角度が水平方向に対して概ね０〜４５°の範囲であり、典型的には０〜３０°であり、より典型的には０〜１０°である配管を指す。

配管内を流れる液体の液位については特に制限されるものではないが、配管の天井まで液位が到達するほどの液体が配管内を流れている場合、配管内で下側のみならず上側にもスケールがほぼ均等に発生するため、赤外線サーモグラフィにより配管の外表面の温度分布を計測しても、上部と下部で温度差がほとんど見られなくなってしまう。そのため、流体配管内のスケール状態の推定を、配管表面の上下方向の温度差に基づいて行う場合には、スケールの付着していない状態のときに配管を流れる液体の液位が配管の内径に対して５０％以下であるような流量で通液するのが好ましく、４０％以下であるような流量で通液するのがより好ましい。

以上説明してきた実施形態によって、配管内のスケール付着状況は推定可能であるが、より正確にスケールの付着状態を計測したい場合には、配管交換直後のようなスケールの付着がない状態における配管表面温度を記録しておき、また、スケール付着量と配管表面温度低下の関係を経験的に把握しておくと、スケールの付着状況を赤外線サーモグラフィを用いて定量的に把握することができるようになる。

従って、本発明に係る検査方法は一実施形態において、
・配管内にスケールが付着しておらず、且つ、当該流体が流れているときに、検査のために特別に配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測するステップ１と、
・ステップ１とは別時において、且つ、当該流体が流れているときに、検査のために特別に配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測ステップ２と、
・ステップ１で得られた配管表面の温度分布とステップ２で得られた配管表面の温度分布を比較することにより流体配管内のスケール状態を推定するステップ３と、
を含む流体配管内のスケール状態の検査方法である。

ステップ１の実施時期とステップ２の実施時期の間隔は特に制限されるものではないが、過去の操業データから配管の平均的なスケール付着速度を割り出せば、必要な間隔は適宜設定可能であろう。例えば、銅の電解精錬工程で使用する銅電解液が流れる配管を検査対象とした場合、通常は数年周期で配管交換が必要となることから、１年に１回程度ステップ２を実施することが操業安定上好ましい。

以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。

本発明に係るスケール状態の検査方法を、銅電解工場の銅電解精錬工程で使用する銅電解液用の配管に適用した。検査用の配管として、銅電解槽への給液配管（内径３００ｍｍ、厚み１０ｍｍ、塩化ビニール製）を選択し、交換直後のスケールの発生がない配管Ａと、交換後約１２月経過後の配管Ｂに対して実施した。配管を流れる電解液の温度は約６０℃であり、電解液は約３５Ｌ／ｍｉｎの流量で配管内を流れていた。配管周囲の雰囲気温度は２５℃であった。赤外線サーモグラフィとしてＦＬＩＲ社製型式Ｉ５Ｊを使用し、配管表面から約３ｍ離れた場所に設置した。

配管Ａについての結果を図３の右側に、配管Ｂについての結果を図３の左側に示す。配管Ａはスケールが発生していないため、均一な温度分布を示しており、配管の外表面全体が約４５℃を示していた。一方、配管Ｂは交換してからかなり日数が経っており、下側内面にスケールが付着していたため、配管の外表面のうちスケール付着の多い下側が約３９℃であり、スケール付着の少ない上側は約４５℃であった。配管Ｂの内部を実際に確認したところ、外表面温度が約３９℃を示した箇所には２ｃｍ程度の厚みのスケールが付着していた。従って、配管Ｂは交換時期である。

Claims (5)

1. 配管周囲の雰囲気とは温度差のある流体用の配管内のスケール状態の検査方法であって、
   流体が金属の電解精錬に使用する電解液であり、当該流体が流れているときに、検査のために配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測し、配管表面の温度分布により流体配管内のスケール状態を推定することを含み、
   流体は横走りの配管内を流れる液体であり、配管の上側内面の少なくとも一部には液体が接触しておらず、流体配管内のスケール状態の推定は、配管表面の上下方向の温度差に基づいて行う、流体配管内のスケール状態の検査方法。
2. 流体が銅の電解精錬に使用する銅電解液である請求項１に記載の検査方法。
3. 配管を流れる流体の温度と、配管周囲の雰囲気温度の温度差が３０℃以上である請求項１又は２に記載の検査方法。
4. 配管を流れる流体の温度が６０〜６５℃であり、配管周囲の雰囲気温度が２０〜３０℃である請求項１〜３の何れか一項に記載の検査方法。
5. 配管周囲の雰囲気とは温度差のある流体用の配管内のスケール状態の検査方法であって、流体が金属の電解精錬に使用する電解液であり、
   ・配管内にスケールが付着しておらず、且つ、当該流体が流れているときに、検査のために特別に配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測するステップ１と、
   ・ステップ１とは別時において、且つ、当該流体が流れているときに、検査のために特別に配管を加熱又は冷却することなく、配管表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで計測するステップ２と、
   ・ステップ１で得られた配管表面の温度分布とステップ２で得られた配管表面の温度分布を比較することにより流体配管内のスケール状態を推定するステップ３と、
   を含み、
   流体は横走りの配管内を流れる液体であり、配管の上側内面の少なくとも一部には液体が接触しておらず、流体配管内のスケール状態の推定は、配管表面の上下方向の温度差に基づいて行う、流体配管内のスケール状態の検査方法。