JP6458167B2 - 超音波を用いた配管厚さ測定装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、プラント等で用いられる配管の厚さ測定装置および方法に関する。

発電プラント，化学プラント等の配管は、敷設してから長期間が経過すると、内面に欠陥（減肉）が発生する。この減肉が進行すると、配管の厚壁を貫通し、液体や蒸気といった配管を流れる内部流体が外部に漏洩する恐れがある。このような内部流体の漏洩を避けるため、定期的な配管の非破壊検査により減肉の状態を把握し、交換や補修といった対策を施す必要がある。

配管の厚さを非破壊検査する非破壊検査手段として、検査対象の厚さを計測する超音波厚さ計が知られている。超音波厚さ計は、一般的には、電気と音響とを相互に変換可能な圧電素子を有する超音波センサが用いられている。超音波センサを配管外面に設置して、検査対象の配管に超音波（縦波や横波）を送信し、配管内面で反射した超音波を同一もしくは別の超音波センサで受信して配管の厚さを測定する。この超音波厚さ計は、検査範囲が狭いために、広範囲を検査するには配管に沿って複数の箇所を検査する必要があり、検査の長時間を要する。また、配管が埋設されている場合や、配管周囲に保温材が設置されている場合や、配管が二重になっている場合など、適用が困難な場合もある。

このような配管に対しては、超音波式、電磁気式などのセンサを有する配管挿入型の検査装置があり、実際の使用に供されている。しかしながら、検査する距離が長くなると、配管挿入型検査装置のケーブルが長くなり、設置コストが大きくなる問題がある。

これに対して、ケーブルを接続せずに配管内面から厚さを測定する技術が開示されている。例えば、特許文献１には、超音波パルス発生・受信部、制御部、記録部等を装置内部に有する管内挿入式超音波探傷検査装置が開示されている。また、特許文献２には、球状の計測装置本体内に電磁超音波探触子を立体的に配置し、配管内を移動する計測装置が開示されている。また、特許文献３には、球体内に音響センサを有し、圧力管内での漏れや空気溜まりが発生する音を検知、記録することで、漏水箇所や漏水量、空気溜まり位置を測定する技術が開示されている。

特開２０１１−７５３８４号公報 特開２００５−２９２０４４号公報 ＷＯ２００６／０８１６７１号公報

しかしながら、上記特許文献１から３では、いずれも分岐や口径変化などの構造不連続部位を有する配管に対しては、配管厚さを測定ができない課題がある。

特許文献１においては、装置構造が、センサユニット、パルサレシーバユニット、電源ユニットなど、複数ユニットに分けられ、それらが配管軸方向に沿って配列・連結される構造になっている。このように装置全体が長い構造では、配管構造の不連続部（分岐等）をスムーズに通過できない可能性がある。

また、特許文献２では、球状の計測装置本体内に電磁超音波探触子を立体的に配置しているが、電磁超音波探触子では超音波を送受信する対象物（この場合は配管内壁）に近接する必要があるので、球体外径を実質的に配管内径とほぼ同程度にする必要がある。したがって、配管の口径変化に対応できない問題や、配管内壁に付着物がある場合に通過できなくなる懸念がある。

また、特許文献３では、球体内に音響センサを有するが、配管の厚さを測定する技術に関しては開示されていない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、構造不連続部位を有する配管の厚さを内面から測定する独立型（ケーブルレス）の超音波を用いた配管厚さ測定装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の配管厚さ測定装置は、超音波を用いた配管厚さ測定装置において、配管内の液体に対して超音波を送受信する複数の超音波センサと、超音波を送受信する手段と、超音波センサ毎に複数の反射波伝搬時間を測定・記録する手段と、配管内壁に実質的に垂直に入射する超音波の伝搬時間を利用して配管厚さを計算する手段を有することを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の配管厚さ測定方法は、超音波を用いた配管厚さ測定方法において、複数の超音波センサと超音波を送受信する手段とを備える配管厚さ測定装置を、配管内にて移動可能なように配置し、配管の内側から前記配管厚さ測定装置上の各超音波センサにより反射波伝搬時間を測定し、配管内壁に対して実質的に垂直に入射する超音波の伝搬時間を利用して配管厚さを計算することを特徴とする。

本発明によれば、構造不連続部位を有する配管の厚さを測定することが可能になる。

本発明の実施例１による超音波を用いた配管厚さ測定装置の概略構造を示す図である。 本発明の実施例１による超音波を用いた配管厚さ測定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例１による超音波を用いた配管厚さ測定装置の各超音波センサから送信された超音波の伝搬の様子を説明した図である。 本発明の実施例１による超音波を用いた配管厚さ測定装置から送信された超音波の受信信号を模式的に示した図である。 本発明の実施例１による超音波を用いた配管厚さ測定装置が配管内を移動する様子を説明した図である。 本発明の実施例１による超音波を用いた配管厚さ測定装置による配管厚さ測定結果の表示画面を模式的に示した図である。 本発明の実施例２による超音波を用いた配管厚さ測定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例２による超音波を用いた配管厚さ測定装置による配管厚さ測定結果の表示画面を模式的に示した図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の一実施例を図１〜図６を用いて説明する。

図１は、本実施例に係る超音波を用いた配管厚さ測定装置の全体構成を、検査対象の配管とともに概略的に示す図である。

図１において、配管厚さ測定装置２は、超音波センサ１１、超音波センサ１１を駆動して超音波センサ１１からの波形信号を受信する超音波送受信手段１２、超音波送受信手段１２から出力された波形信号をデジタル波形信号に変換し、超音波の伝搬時間を測定・記録する超音波伝搬時間測定・記録手段１４、伝搬時間から配管厚さを計算する配管厚さ計算手段１５を備える。

超音波送信センサ１１は、配管厚さ測定装置２の周囲に複数配置され、同軸ケーブルなどで超音波送受信手段１２と接続される。超音波センサ１１は、例えば圧電素子によって構成されている。

超音波送受信手段１２は、超音波伝搬時間測定・記録手段１４とデジタルケーブルで接続され、配管厚さ計算手段１５の制御によって、超音波送信センサ１１に送信波形信号を印加し、さらに超音波センサ１１からの受信波形信号を増幅し、受信波形信号を出力する。

姿勢測定手段１３は、ジャイロスコープなどで構成され、配管厚さ測定装置２の姿勢の相対的な変化を測定する。

超音波伝搬時間測定・記録手段１４は、Ａ／Ｄ変換器・メモリ等で構成され、受信波形を超音波送信センサ１１で受信した受信波形データを記録する。

配管厚さ計算手段１５は、超音波伝搬時間測定・記録手段１４が記録した受信波形データを元に、配管厚さを計算する。

配管厚さ測定装置２は、配管１のほぼ中心軸上を移動するのが適切であり、液体８に対して中性浮力になるように体積と質量を調整すると良い。また、図示しないが、配管厚さ測定装置２の周囲に、超音波の伝搬に影響を与えない程度の太さの紐状の弾性体を配置することで、配管厚さ測定装置２は配管１のほぼ中心軸上を移動することができる。

超音波を用いた配管厚さ測定方法を、図２のフローチャートを用いて以下に説明する。

ステップＳ１０１において、配管厚さ測定装置２は、配管１に投入される。

次に、ステップＳ１０２において、超音波送受信手段１２は、超音波送信センサ１１のうちの一つを駆動し、同じ超音波送信センサ１１で超音波を受信する。

ステップＳ１０３において、超音波伝搬時間測定・記録手段１４は、超音波の受信波形をデジタル波形データとして記録する。

ステップＳ１０４において、配管厚さ計算手段１５は、配管の厚さを計算する。

ステップＳ１０２乃至Ｓ１０４は、全ての超音波センサ１１に対して繰り返される。例えば、図３に示すように、超音波センサ１１が配管厚さ測定装置２の周囲に２６個配置される場合、２６個の超音波センサ１１に対して繰り返される。このとき、超音波センサ１１の指向角の範囲内で超音波センサ１１に対して正対する内壁がある場合には、実線で示した超音波６１のように、配管１の内壁に対して実質垂直に入射する伝搬経路が存在する。一方で、超音波センサ１１の指向角の範囲内で超音波センサ１１に対して正対する内壁がない場合は、破線で示した超音波６２のように、配管１の内壁に対して垂直に入射する経路が存在しない。各々の受信信号を模式的に示したのが図４である。図４（ａ）は、配管１の内壁に対して実質垂直に入射した超音波６１の受信信号２１であり、配管内壁の表面で反射した信号２１ａ、及び配管１の内壁の表面を通過して配管１の外壁で反射した信号２１ｂが観測される（２１ｂは繰り返し複数観測される可能性がある）。信号２１ａと信号２１ｂの時間差（ｔ_２１ｂ−ｔ_２１ａ）が当該部の配管厚さと対応する。一方、図４（ｂ）は、配管１の内壁に対して垂直に入射しない超音波６２の受信信号２２であり、反射波が観測されない。

このように、全ての超音波センサ１１に対するステップＳ１０２乃至Ｓ１０４の繰り返しは、ある特定の時間間隔で繰り返される。例えば、図５に示すように、配管厚さ測定装置を２ａに示す位置で投入し、距離Ｌ進むまで配管１の中を流し、配管厚さ測定装置を２ｂに示す位置で回収する場合では、この間、ステップＳ１０２乃至Ｓ１０４の繰り返しを繰り返すことになる。

最後に、ステップＳ１０６において、配管厚さ測定装置２は、配管１から回収される。

図６は、回収した配管厚さ測定装置２の中に記録された配管厚さデータを、横軸を配管軸方向距離Ｌ（ｍ）、縦軸を超音波センサチャンネルとして表示した画面の例を示したものである。２６個の超音波センサ１１のうち、配管１の内壁に正対する８個の超音波センサ１１の受信波形では配管厚さ測定データが有り、それ以外では配管厚さ測定データが無い。図５に示した配管では、配管１の同じ周方向に減肉３１、３２が存在する例であるが、配管厚さ測定装置２が３次元的に回転しながら配管１内を流れていくため、配管厚さ測定データが存在する８個の超音波センサ１１は配管軸方向距離Ｌによって変化する。しかしながら、８個の超音波センサ１１のいずれかで、減肉３１、３２に対応する減肉部厚さの測定結果４１ａ、４２ａが表示される。

以上のように構成した本実施例の効果を説明する。

従来技術としては、例えば、装置構造が、センサユニット、パルサレシーバユニット、電源ユニットなど、複数ユニットに分けられ、それらが配管軸方向に沿って配列・連結される構造の管内挿入式超音波探傷検査装置があった。しかしながら、このように装置全体が長い構造では、配管構造の不連続部（分岐等）をスムーズに通過できない可能性があった。また、別の従来技術としては、球状の計測装置本体内に電磁超音波探触子を立体的に配置し、配管内を移動する計測装置があった。しかしながら、電磁超音波探触子では超音波を送受信する対象物（この場合は配管内壁）に近接する必要があるので、球体外径を実質的に配管内径とほぼ同程度にする必要がある。したがって、配管の口径変化に対応できない問題や、配管内壁に付着物がある場合に通過できなくなる懸念があった。

これに対して、本実施例においては、超音波を用いた配管厚さ測定装置２において、配管１内の液体８に対して超音波６を送受信する複数の超音波センサ１１と、超音波を送受信する手段１２と、超音波センサ１１毎に複数の反射波伝搬時間を測定・記録する手段１４と、配管内壁に実質的に垂直に入射する超音波の伝搬時間を利用して配管厚さを計算する手段１５を有するので、構造不連続部位を有する配管の厚さを測定することが可能になる。

本発明による第２の実施例を図７〜図８を用いて説明する。

図７は、本発明による第２の実施例による、超音波を用いた配管厚さ測定方法を示したフローチャートである。ステップＳ１０４以外の動作は、第１の実施例と同じであるので、説明は省略する。

ステップＳ１０５では、時間間隔毎に、全ての超音波センサ１１に対して超音波を送信し（ステップＳ１０２）、受信波を記録し（ステップＳ１０３）、配管厚さを計算した（ステップＳ１０４）後に実行されるステップであり、配管厚さ測定装置２の姿勢を記録する。

図８は、図５で示した配管に対して、本実施例による配管厚さ測定結果を模式的に示した図である。各時間の配管厚さ測定装置２の姿勢データが記録されているので、配管厚さ測定装置２が有する２６個の超音波センサ１１のうち、配管１の内面に対して実質的に垂直に入射する超音波を測定できるセンサを特定できるとともに、配管１の周方向位置に対する超音波センサ１１の相対的な位置を把握できる。このことから、減肉３１、３２に対応する位置で、減肉部の厚さが４１ｂ、４２ｂのように測定される。すなわち、減肉の配管周方向位置を表示することが可能になる。

以上のように構成した本実施例の効果を説明する。

本実施例においては、第１の実施例に対して、前記配管厚さ測定装置の姿勢を測定する手段を追加で有するので、減肉の配管周方向の位置を特定することが可能となる。

１ 配管
２ 配管厚さ測定装置
６ 超音波
７ 移動経路
８ 液体
１１ 超音波センサ
１２ 超音波送受信手段
１３ 姿勢測定手段
１４ 超音波伝搬時間測定・記録手段
１５ 配管厚さ計算手段
２１、２２ 超音波の受信信号
３１、３２ 減肉
４１ａ、４２ａ、４１ｂ、４２ｂ 減肉部厚さ

Claims (2)

1. 配管内の液体に対して超音波を送受信する複数の超音波センサと、
   超音波を送受信する手段と、
   前記超音波センサ毎に複数の反射波伝搬時間を測定して記録する手段と、
   配管厚さ測定装置の姿勢を測定する手段と、
   前記配管厚さ測定装置の姿勢測定結果から、配管内壁に対して垂直に入射する方向にある超音波センサを選択的に送受信することによって、前記配管内壁に垂直に入射する超音波の伝搬時間を利用して配管厚さを計算する手段と、
   を有することを特徴とする超音波を用いた配管厚さ測定装置。
2. 複数の超音波センサと超音波を送受信する手段とを備える配管厚さ測定装置を、配管内にて移動可能に配置し、
   配管内側から前記配管厚さ測定装置上のそれぞれの超音波センサにより反射波伝搬時間を測定し
   前記配管厚さ測定装置の姿勢を測定し、
   前記配管厚さ測定装置の姿勢測定結果から、前記配管内壁に対して垂直に入射する方向にある超音波センサを選択的に送受信することによって、前記配管内壁に対して垂直に入射する超音波の伝搬時間を利用して配管厚さを計算することを特徴とする超音波を用いた配管厚さ測定方法。

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