JP2001227933A

JP2001227933A - 配管等構造体における膜厚測定方法

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Publication number: JP2001227933A
Application number: JP2000036747A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Seto; 静男世戸; Nobuaki Hirota; 信明広田; Takeshi Yoshimura; 剛吉村; Takuichi Imanaka; 拓一今中
Original assignee: Non Destructive Inspection Co Ltd
Current assignee: Non Destructive Inspection Co Ltd
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2001-08-24
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: JP3930674B2

Abstract

(57)【要約】【課題】精度よく薄膜の膜厚を測定することの可能な
配管等構造体における膜厚測定方法を提供すること。【解決手段】スケール等の薄膜を内面に有する配管等
の構造体における外面から超音波パルスを入射する。構
造体内面と前記薄膜外面との界面で反射する第一反射波
及び構造体内部と前記薄膜内面との界面からぞれぞれ反
射する第二反射波を前記構造体外面で受信する。第一反
射波の第一反射関数ｆ１（ｔ）の立ち上がり時刻ｔａと
第一反射波及び第二反射波の合成関数ｇ（ｔ）でこれら
第一反射波及び第二反射波の重畳部分が最初に振幅零に
達する合成波時刻ｔｃとの時間差である測定時間差ｄｔ
０により薄膜の膜厚を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コーティング膜又
はスケール等の薄膜を内面に有する配管又は容器等の構
造体における膜厚の測定方法に関する。さらに詳しく
は、例えば火力発電所のボイラーチューブ内面に付着す
るスケール膜の膜厚管理や石油精製コンビナート、大型
船舶等の冷却装置の配管内面に施されるコーティング膜
の膜厚管理に用いることが可能な膜厚測定方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】発電所の蒸気タービン施設では、ボイラ
から蒸気配管を伝って蒸気がタービンに送られる。この
際、蒸気配管の内面に発生した酸化スケール等の異物が
タービンの起動時に蒸気により運ばれ、タービンノズル
及びタービンブレードに衝突し、これらに損傷を与える
ので、スケール膜の膜厚を管理しその脱落を事前に防ぐ
ことは重要である。

【０００３】ところで、スケール等の膜厚が十分に厚い
場合は、図３に示すように、第一反射関数ｆ１（ｔ）及
び第二反射波ｆ２（ｔ）それぞれの立ち上がり時刻ｔ
ａ，ｔｂが明確に識別でき、これらｔａ，ｔｂの時間差
ｄｔ’の半分にスケールの音速を掛け合わせることで、
スケール膜厚を求めることができる。

【０００４】しかし、スケール等の膜厚が薄く、例えば
１００μｍよりも薄い場合は、図４（ａ）に示すように
第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射波ｆ２（ｔ）それ
ぞれの立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂが近接する。したがっ
て、図４（ｂ）に示すように第一反射関数ｆ１（ｔ）及
び第二反射波ｆ２（ｔ）が重畳して緩衝波である実測合
成関数ｇ（ｔ）となるので、上記立ち上がり時刻ｔａ，
ｔｂを峻別することができない。

【０００５】そこで、特開平９−２８７９３７号公報に
記載の技術によれば、受信した緩衝波を周波数解析する
ことによりスケール等の厚さを算出する手法が提唱され
ている。同手法によれば、スケール厚さの１／２波長の
周波数成分は管内部の水中に伝播するので、スケール内
面からの反射波からは当該成分が減少していると考えら
れている。そして、スケール伝播音速をＶ、エネルギー
減衰部の周波数ｆ０とすれば、Ｖ／２ｆ０によりスケー
ル厚さを算出できるとされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来の実情に鑑
みて、本発明の目的は、上記手法とは異なる手法により
精度よく薄膜の膜厚を測定することの可能な配管等構造
体における膜厚測定方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る配管等構造体における膜厚測定方法の
特徴は、コーティング膜又はスケール等の薄膜を内面に
有する配管又は容器等の構造体における外面から超音波
パルスを入射すると共に前記構造体内面と前記薄膜外面
との界面で反射する第一反射波及び構造体内部と前記薄
膜内面との界面からぞれぞれ反射する第二反射波を前記
構造体外面で受信し、前記第一反射波の立ち上がり時刻
と前記第一反射波及び第二反射波の合成波でこれら第一
反射波及び第二反射波の重畳部分が最初に振幅零に達す
る合成波零時刻との時間差である零点時間差ｄｔ０によ
り前記薄膜の膜厚を求めることにある。

【０００８】ここで、上記特徴方法において、前記合成
波をなす実測合成関数をｇ（t）、理論合成関数をｇｘ
（ｔ）とし、∫｜ｇ（ｔ）−ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）｜ｄｔ
を零に収束させるｄｔ１を求め、次式（１）により前記
膜厚ＳＴを求めてもよい。ＳＴ＝ｄｔ１・Ｖｓ／２（１）

【０００９】但し、ｇｘ（ｔ）は次式（２）で表示さ
れ、ｆ（ｔ）は構造体（５０）に前記薄膜（６０）が付
着していない場合の第一反射波の関数、ｄｔ１は第一反
射波及び第二反射波の理論上の立ち上がり部の時間差、
Ｖｓは薄膜の音速、Ｚ１は構造体の音響インピーダン
ス、Ｚ２は薄膜（６０）の音響インピーダンス、Ｚ３は
構造体内に収容される内容物の音響インピーダンスであ
る。

【００１０】ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）＝(Z2+Z3)/(Z3-Z2)・(Z2-Z1)/(Z1+Z2)ｆ（ｔ）＋2Z2/(Z1+Z2)・2Z1/(Z1+Z2)ｆ（ｔ−ｄｔ１）（２）

【００１１】一方、前記零点時間差ｄｔ０と前記膜厚Ｓ
Ｔとの相関を実測又は理論的にあらかじめ検量線として
求め、実測した前記零点時間差ｄｔ０と前記検量線との
対比により前記膜厚ＳＴを求めることもできる。

【００１２】また、上記各特徴方法において、前記零点
時間差ｄｔ０間に零点を下回る極小値部Ｂの存否により
前記膜厚ＳＴの導出条件を変更とよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、図１〜図６を参照しなが
ら、本発明の第一実施形態について説明する。図１に本
発明に係る配管等構造体における膜厚測定方法に使用す
る膜厚測定装置１のブロック図を示す。また、測定対象
となる構造体としては、図２に示すようにボイラーチュ
ーブに用いられる内面にスケール膜６０の付着した配管
５０を用いている。なお、配管５０の内部には水Ｗが充
満している。

【００１４】先の膜厚測定装置１は、パーソナルコンピ
ューター７により制御されるパルサー２ａで超音波パル
スを発生し、探触子３を介して配管外面５１から配管５
０の中心に向かって垂直に超音波パルスを送信する。送
信された超音波パルスはまずスケール外面６１と配管内
面５２の界面である第一境界面Ｂ１において第一反射波
として探触子３側に復帰する。また、送信波はスケール
内面６２と配管５０内部、換言すれば、水Ｗとの界面で
ある第二境界面Ｂ２において第二反射波として探触子３
側に復帰する。

【００１５】これらの第一、第二反射波は、レシーバー
２ｂ及びプリアンプ４により増幅され、フィルター５に
よりノイズが除去された状態でＡ／Ｄコンバーター６に
よりデジタル信号に変換され、パーソナルコンピュータ
ー７で処理される。先の第一、第二反射波は、図３〜６
の第一反射関数ｆ１（ｔ）、第二反射関数ｆ２（ｔ）及
びこれらが合成された実測合成関数ｇ（ｔ）として補足
され、モニター８に表示される。

【００１６】図４（ａ）は、第二反射関数ｆ２（ｔ）の
第二立ち上がり時刻ｔｂが不明確な場合における理論上
の第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）
を示すグラフである。また、同図（ｂ）は第一反射関数
ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）が合成された実
測合成関数ｇ（ｔ）を示すグラフである。第一反射関数
ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）それぞれの理論
上の第一、第二立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂの時間差であ
る換算時間差ｄｔ１を求めることができるなら、スケー
ル膜６０の膜厚ＳＴは、上記式（１）により計算が可能
である。

【００１７】しかし、実際には、同図（ｂ）に示すよう
に、第一反射関数ｆ１（ｔ）は第二立ち上がり時刻ｔｂ
を過ぎた点以降、第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射
関数ｆ２（ｔ）が重畳した実測合成関数ｇ（ｔ）とな
り、第二反射関数ｆ２（ｔ）の第二立ち上がり時刻ｔｂ
が明確でない。

【００１８】そこで、第一立ち上がり時刻ｔａと実測合
成関数ｇ（ｔ）のうち第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二
反射関数ｆ２（ｔ）の重畳部分が最初に振幅零に達する
合成波零時刻ｔｃとの時間差である零点時間差ｄｔ０を
求めることにより、先の薄膜の一例であるスケール膜の
６０の膜厚を求める。

【００１９】より具体的には、実測合成関数ｇ（ｔ）と
理論合成関数ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）との差分を最も小さく
するｄｔ１を求める求める第一の方法と、あらかじめ検
量線を求める第一の方法とがある。なお、第一立ち上が
り時刻ｔａとは、第一反射関数ｆ１（ｔ）が零点から正
値をとる時点に限らず、一定のしきい値を越え始める時
点をも含む概念である。第二立ち上がり時刻ｔｂや合成
波零時刻ｔｃも同様の概念である。

【００２０】まず、実測合成関数ｇ（ｔ）と理論合成関
数ｇｘ(ｔ,ｄｔ１)との差分であるＤ＝∫｜ｇ（ｔ）−ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）｜ｄｔ（３）を、最も小さくする換算時間差ｄｔ１を求め、膜厚を求
める第一の方法について説明する。

【００２１】配管５０にスケール膜６０が付着していな
い場合の第一反射波の関数をｆ（ｔ）とする。また、構
造体５０にスケール膜６０が付着している場合の理論上
の第一反射波の関数をｆ１ｘ（ｔ）、理論上の第二反射
波の関数をｆ２ｘ（ｔ）とすると、これらはそれぞれ次
式で示される。ｆ１ｘ（ｔ）＝(Z2+Z3)/(Z3-Z2)・(Z2-Z1)/(Z1+Z2)ｆ（ｔ）（４）ｆ２ｘ（ｔ）＝2Z2/(Z1+Z2)・2Z1/(Z1+Z2)ｆ（ｔ−ｄｔ１）（５）

【００２２】そして、音響インピーダンスの関係より、
理論上の第一、第二反射波の関数の合成関数である理論
合成関数ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）は次式により示される。ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）＝ｆ１ｘ（ｔ）＋ｆ２ｘ（ｔ）（６）＝(Z2+Z3)/(Z3-Z2)・(Z2-Z1)/(Z1+Z2)ｆ（ｔ）＋2Z2/(Z1+Z2)・2Z1/(Z1+Z2)ｆ（ｔ−ｄｔ１）（７）

【００２３】続いて、実測合成関数ｇ（ｔ）と理論合成
関数ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）との差分であるＤ＝∫｜ｇ
（ｔ）−ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）｜ｄｔを、最も小さくす
る換算時間差ｄｔ１を求める。すなわち、積分値として
求められる差分Ｄの値を零に収束させる換算時間差ｄｔ
１を求める。そして、上記式（１）により膜厚ＳＴを算
出する。

【００２４】次に、検量線を用いる第二の方法にあって
は、あらかじめ配管５０の材質と厚みを設定し、スケー
ル膜６０の厚みを変化させて、先の零点時間差ｄｔ０を
求めこれをプロットする。零点時間差ｄｔ０は、図５
（ａ）に示すように第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反
射関数ｆ２（ｔ）の波長のずれが増大するに伴って拡大
するが、同図（ｂ）に示すように、ちょうど半波長のず
れが第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２
（ｔ）の間に生じている場合には、一旦縮小する。その
後、図６に示すように、零点時間差ｄｔ０は再び拡大を
始める。すなわち、スケール膜６０の膜厚は零点時間差
ｄｔ０のみならず零点時間差ｄｔ０間に零点を下回る極
小値部Ｂが存在するか否かによって検量線を選択すれば
よい。但し、連続的にスケール厚をモニターする場合に
は零点時間差ｄｔ０の増減状況により極小値部Ｂの存否
を判定することができる。

【００２５】検量線はこのように実測でも求めることが
できるが、理論上でも求めることができる。理論合成関
数ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）において、上記実測合成関数ｇ
（ｔ）零点時間差ｄｔ０に相当する第一立ち上がり時刻
ｔａ及び合成波零時刻ｔｃの時間差である理論零時間差
をｄｔ０ｘとする。そして、膜厚ＳＴと理論零時間差ｄ
ｔ０ｘとの相関を上記式（７）のグラフを用いてあらか
じめ検量線として求め、これを用いてもよい。なお、零
時間差ｄｔ０，ｄｔ０ｘと膜厚ＳＴとの相関とは、これ
ら両者の実質的な相関をいい、零時間差ｄｔ０，ｄｔ０
ｘと換算時間差ｄｔ１との相関をも含む概念である。

【００２６】最後に、本発明の実施のさらに異なる形態
の可能性について言及する。上記実施形態では、本発明
を配管内のスケール膜の膜厚測定に用いた。しかし、本
発明は配管以外の構造体、例えばタンクや圧力容器等に
ついても適用できる。また、内面コーティング膜等の膜
厚測定にも実施することができる。

【００２７】上記実施形態では、薄膜の内側に水Ｗが存
在した。しかし、この薄膜の内側には水以外の油が存在
してもよく、また、空洞であってもよい。

【００２８】上記実施形態では、ひとつの探触子３によ
り超音波を送受信した。しかし、超音波パルスの送信子
と受信子として異なる探触子を用いることも可能であ
る。

【００２９】

【発明の効果】このように、本発明に係る膜厚測定方法
の特徴構成によれば、明確な「零点時間差」を用いるこ
とで精度よく薄膜の膜厚を測定することが可能となっ
た。特に、本発明によれば、例えばスケール等の膜厚が
１００μｍよりも薄い場合でも、その膜厚を測定するこ
とが可能となった。

【００３０】なお、特許請求の範囲の項に記入した符号
は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものに
すぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定さ
れるものではない。

【００３１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る膜厚測定方法に使用する膜厚測定
装置のブロック図である。

【図２】測定対象となる配管の一部断面図である。

【図３】立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂの明確な第一反射関
数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）を示すグラフ
である。

【図４】第二反射関数ｆ２（ｔ）の立ち上がり時刻ｔｂ
が不明確な場合における第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第
二反射関数ｆ２（ｔ）を示すグラフであり、（ａ）は理
論上の第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２
（ｔ）を示すグラフ、（ｂ）は第一反射関数ｆ１（ｔ）
及び第二反射関数ｆ２（ｔ）が合成された実測合成関数
ｇ（ｔ）を示すグラフである。

【図５】第二反射関数ｆ２（ｔ）の立ち上がり時刻ｔｂ
が不明確な場合における実測合成関数（ｔ）を示すグラ
フであり、（ａ）は半波長以内で半波長に近いずれが第
一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）の間
に生じている場合の実測合成関数ｇ（ｔ）を示すグラ
フ、（ｂ）は半波長のずれが第一反射関数ｆ１（ｔ）及
び第二反射関数ｆ２（ｔ）の間に生じている場合の実測
合成関数ｇ（ｔ）を示すグラフである。

【図６】第二反射関数ｆ２（ｔ）の立ち上がり時刻ｔｂ
が不明確な場合で、半波長以上のずれが第一反射関数ｆ
１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）の間に生じている
ときの実測合成関数ｇ（ｔ）を示すグラフである。

【符号の説明】

１膜厚測定装置２ａパルサー２ｂレシーバー３探触子４プリアンプ５フィルター６Ａ／Ｄコンバーター７パーソナルコンピューター８モニター５０配管５１配管外面５２配管内面６０スケール膜６１スケール外面６２スケール内面Ｂ１第一境界面Ｂ２第二境界面Ｗ水ｄｔ０零点時間差ｇ（ｔ）実測合成関数ｆ１（ｔ）第一反射関数ｆ２（ｔ）第二反射関数ｔａ第一立ち上がり時刻ｔｂ第二立ち上がり時刻ｔｃ合成波零時刻

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉村剛大阪市西区北堀江１丁目18番14号非破壊検査株式会社内 (72)発明者今中拓一大阪市西区北堀江１丁目18番14号非破壊検査株式会社内Ｆターム(参考） 2F068 AA28 BB14 BB15 CC05 DD12 FF03 FF12 FF14 FF16 GG01 KK12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コーティング膜又はスケール等の薄膜
（６０）を内面に有する配管又は容器等の構造体（５
０）における外面（５１）から超音波パルスを入射する
と共に前記構造体（５０）内面（５２）と前記薄膜（６
０）外面（６１）との界面（Ｂ１）で反射する第一反射
波及び構造体（５０）内部と前記薄膜（６０）内面（６
２）との界面（Ｂ２）からぞれぞれ反射する第二反射波
を前記構造体（５０）外面（５１）で受信し、前記第一
反射波の立ち上がり時刻（ｔａ）と前記第一反射波及び
第二反射波の合成波でこれら第一反射波及び第二反射波
の重畳部分が最初に振幅零に達する合成波零時刻（ｔ
ｃ）との時間差である零点時間差ｄｔ０により前記薄膜
（６０）の膜厚ＳＴを求める配管等構造体における膜厚
測定方法。
【請求項２】前記合成波をなす実測合成関数をｇ
（t）、理論合成関数をｇｘ（ｔ）とし、∫｜ｇ（ｔ）
−ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）｜ｄｔを零に収束させるｄｔ１を
求め、次式（１）により前記膜厚ＳＴを求める請求項１
に記載の配管等構造体における膜厚測定方法。ＳＴ＝ｄｔ１・Ｖｓ／２（１）但し、ｇｘ（ｔ）は次式（２）で表示され、ｆ（ｔ）は
構造体（５０）に前記薄膜（６０）が付着していない場
合の第一反射波の関数、ｄｔ１は第一反射波及び第二反
射波の理論上の立ち上がり部の時間差、Ｖｓは薄膜の音
速、Ｚ１は構造体の音響インピーダンス、Ｚ２は薄膜
（６０）の音響インピーダンス、Ｚ３は構造体内に収容
される内容物の音響インピーダンスである。ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）＝(Z2+Z3)/(Z3-Z2)・(Z2-Z1)/(Z1+Z2)ｆ（ｔ）＋2Z2/(Z1+Z2)・2Z1/(Z1+Z2)ｆ（ｔ−ｄｔ１）（２）
【請求項３】前記零点時間差ｄｔ０と前記膜厚ＳＴと
の相関を実測又は理論的にあらかじめ検量線として求
め、実測した前記零点時間差ｄｔ０と前記検量線との対
比により前記膜厚ＳＴを求める請求項１に記載の配管等
構造体における膜厚測定方法。
【請求項４】前記零点時間差ｄｔ０間に零点を下回る
極小値部Ｂの存否により前記膜厚ＳＴの導出条件を変更
する請求項１〜３のいずれかに記載の配管等構造体にお
ける膜厚測定方法。