JP2004045374A

JP2004045374A - パイプラインの形状計測装置及び方法

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Publication number: JP2004045374A
Application number: JP2003075901A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tezuka; 手塚　浩一; Akio Nagamune; 長棟　章生; Tomoji Fujisawa; 藤澤　友二
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: EP1362979A2; JP3855951B2; CA2428551A1; US20030233894A1; EP1362979A3

Abstract

【課題】ピグ本体のパイプライン配管内での姿勢を確実に、安定して計測することによりジャイロ方式のパイプライン線形計測で生じる誤差を補正する。
【解決手段】ピグ本体２内には３軸ジャイロセンサユニット４が、ジャイロユニットの計測軸の１軸とピグ本体の中心軸とが平行となるように配置され、走行時にジャイロユニットとピグ本体２との相対位置関係がずれないように固定されている。ピグ本体２の外周には、前後方向（走行方向）２ヶ所にそれぞれ、円周方向に等分された方向に６方向距離計測手段５〜１０、１１〜１６が設置されている。距離計測手段５〜１０、１１〜１６の出力から、ピグ本体２の中心軸とパイプライン中心軸とのずれを計算し、それを基に、３軸ジャイロセンサユニット４の出力を補正する。これにより、ピグ本体３の姿勢に起因する誤差が補正され、正確なパイプラインの線形計測が可能となる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプライン中を走行して管内の検査を行う管内検査装置（通称「検査ピグ」と称される）及び検査方法に関するものであり、その中でも、パイプラインの敷設形状及び断面形状を高精度で計測するパイプライン形状測定装置及び形状測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長距離パイプラインにおいては、施工後の地理、環境状況等の変化に伴い、初期の施工時の位置から微妙な変化が生じる場合がある。これらは、短期間でのパイプラインの破損劣化に結びつくものではないが、長期的には、パイプラインを構成する各要素に不要な応力等が印加されることになるため、パイプラインの線形状（パイプラインを構成する配管の中心の軌跡の形状）を計測、把握することは、パイプラインの維持管理において非常に重要である。また、地震等の災害が生じた場合には、パイプラインの線形状が大きく変化する可能性があり、この点からもパイプライン線形状計測は重要である。
【０００３】
パイプラインでも地表に露出しているもの等は比較的簡易に線形状の計測を行うことが可能であるが、地下、海底に埋設されているパイプラインに関しては、地表から正確な線形状を計測することは不可能であり、従来、管内検査ピグを利用した線形計測技術の開発が行われている。
【０００４】
管内検査ピグによるパイプライン線形状計測においては、パイプラインを走行する際のピグの絶対位置又は、相対位置の変化を計測することにより線形計測を行うが、ピグ本体はパイプライン配管（金属管）内部に配置されるため、外部からの信号（地磁気や外部からの電磁気、電磁波信号等）を検出して、計測を行うことは困難であり、自律位置計測システムが必要となる。これに対して、従来からピグ本体内部にジャイロユニットを配置することにより走行時の地球座標に対するジャイロ（ピグ本体）の姿勢を計測し、ピグ本体の走行による移動距離とジャイロの姿勢から地球座標に対する位置を算出する方法が開発されていた。
【０００５】
機械式ジャイロや光ファイバジャイロでは、ジャイロ自身の安定性、精度に問題があり、十分な精度での線形計測は困難であったが、近年開発されたリングレーザジャイロ（ＲＬＧ）を用いれば、十分な精度での計測が可能となってきている。
【０００６】
従来のジャイロを用いた線形計測では、ピグ本体はパイプラインに対して常に一定の姿勢である、即ちピグ本体の方向とパイプラインの中心軸とが常に平行であると考え、ジャイロの計測姿勢から求められる地球座標に対するピグ本体の方向とパイプライン内面に接触させたローラ式距離計等により計測されるピグ本体の移動距離からパイプラインの線形を求めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際のパイプライン内のピグ走行においては、ピグ本体のパイプライン配管に対する姿勢が変化しており、特に、ベンド部を通過する際には一時的に大きく姿勢が変化するので、算出線形に誤差を生じる。ピグ本体の姿勢変化による計測誤差は、その後の算出線形の方向のズレとなり、累積し、特に長距離の計測では、累積誤差は非常に大きくなる。
【０００８】
これに対して、ピグの発進地点、到着地点等の既知の位置を基に誤差の補正が行われるが、補正区間内で複数回の姿勢変化による誤差が発生した場合には正確な補正は困難である。さらに、正確な補正を行うためには複数点での位置補正を行うことが求められるが、地下・海底埋設パイプライン等では実現困難である。
【０００９】
誤差の補正方法としては、ジャイロとともに加速度センサを搭載し、加速度センサによる計測結果を積分することにより、ジャイロ（加速度センサ）の有する座標軸における移動距離を求め、パイプラインの線形（ジャイロの位置）を算出する方法があるが、一般にパイプライン検査ピグは管内で走行に伴う振動、軸周りの回転等複雑な動きをするため、加速度センサの計測結果の積分では十分な精度が得られない場合がある。
【００１０】
また、ジャイロ（ピグ本体）のパイプライン配管内での姿勢を計測し補正を行う方法が考えられている。すなわち、ピグ本体外周に光波距離計や、超音波距離計を設置し、管内面までの距離を計測することにより管内でのピグ本体の姿勢を計測し、補正を行う方法であるが、光波距離計では石油等の液体パイプラインでは適用ができず、ガスパイプライン等においても汚れ等により計測不能となるという問題があり、超音波距離計では、音速の変化等により安定した高精度での計測が困難であるという問題がある。
【００１１】
また、渦流方式の距離計を用いて距離を計測する方法も検討されているが、渦流方式では、周辺金属（パイプ）との位置関係の変化により計測値の変動が生じるという問題があり、装置の安定性の点でも問題がある。
【００１２】
また、実際のピグ走行においては、曲率半径の小さいベンド等を通過する際等に、ピグ本体筐体のパイプラインに対する姿勢が極端に変化し、筐体とパイプライン内面が接触し、大きな加速度（衝撃）が発生する場合がある。このような場合に、ジャイロを搭載したピグにおいては、ピグ筐体及びジャイロユニットに対する極端に大きな加速度により、筐体とジャイロユニット間の軸ズレや、ジャイロユニット自体の動作不良が発生する可能性があり、正常な計測ができなくなる可能性がある。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ピグ本体のパイプライン配管内での姿勢を確実に、安定して計測することによりジャイロ方式のパイプライン線形計測で生じる誤差を補正し、正確なパイプライン線形計測を実現するパイプラインの形状計測装置及び方法、及びパイプライン各位置でのパイプラインの断面形状を計測するパイプラインの形状計測装置及び方法を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、パイプライン内を走行し、当該パイプラインの形状を計測するパイプラインの形状計測装置であって、
（１）筐体内部に固定された３軸ジャイロセンサユニットと、
（２）筐体とパイプライン内面間の距離を計測する距離計測手段であって、筐体の円周方向に等間隔に３つ以上複数配置されたセンサを１組としたものを、筐体の走行方向に所定間隔を開けて２組以上配置したセンサユニットを有するものと、
（３）当該形状計測装置のパイプライン内での走行距離を計測する走行距離計測手段と、
（４）ピグの管内走行時に、前記ジャイロセンサユニットの計測結果、前記距離計測手段の計測結果及び前記走行距離計測手段の計測結果を記録する記録手段と
を有し、
前記距離計測手段が、前記筐体に取り付けられ、パイプラインの内面と常に接触を維持する機構を備えた接触式距離計測装置であることを特徴とするパイプラインの形状計測装置（請求項１）である。
【００１５】
本手段においては、距離計測手段が、前記筐体に取り付けられ、パイプラインの内面と常に接触を維持する機構を備えた接触式距離計測装置であるので、光波距離計や、超音波距離計、渦流方式の距離計を用いた場合のような問題が起こらず、正確に筐体のパイプライン内での姿勢を検出することができる。よって、この姿勢を正確に検出することにより、ジャイロセンサの出力と組み合わせてパイプライン中心線の向きを測定することができる。従って、測定されたパイプラインの向きと走行距離計の出力を組み合わせることにより、パイプラインの線形状を正確に測定することができる。また、距離計測手段の出力により、パイプラインの断面形状を測定することができる。
【００１６】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記接触式距離計測装置が、一端が前記筐体外面に設置された回転軸に接続されたロッド（アーム）と、ロッド（アーム）の他端が常に前記筐体の半径方向（パイプライン内面に向かう方向）に広がるように、当該ロッド（アーム）に力を印加する機構と、当該ロッド（アーム）の前記回転軸周りの回転角を計測する機構を有することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１７】
本手段においては、前記ロッド（アーム）の他端がパイプライン内面に向かう方向に広がるようにされているので、この他端がパイプラインの内面に接触する。よって、この状態で、ロッド（アーム）の回転軸周りの回転角を計測すれば、筐体とパイプライン内面間の距離を正確に測定することができる。
【００１８】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、前記回転軸周りの回転角を計測する機構が、ロッドに接続された電磁誘導方式のスリーブセンサであることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１９】
ロッドの回転軸周りの回転角度を検出する方法としては、回転軸の回転角を直接ロータリーエンコーダで計測する方法も考えられるが、機械部の精度等により必要な精度が得られないことが考えられ、また機構的にも大型化する。よって、本手段においては、ロッドの回転軸周りの回転をロッドに接続された電磁誘導方式のスリーブセンサで検出するようにしている。
【００２０】
すなわち、回転運動を直線運動に変換して、直線運動の変位として計測することにより、高精度な角度計測が可能となる。電磁誘導方式のスリーブセンサは、コイルに対して直線上を運動するスリーブ（金属筒）の位置を計測するものであり、直線運動の変位を計測するものとしては、簡素な構造と、精度、安定性を兼ね備える。
【００２１】
また、この計測部は、筐体の外面に設置されるため、パイプライン内の流体（ガス、石油等）の影響を受けないことが必要であるが、この点でも、電磁誘導方式のスリーブセンサは、流体やその温度の影響を受けることが少ないので優れている。
【００２２】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第２の手段であって、前記ロッド（アーム）の他端に車輪を有することを特徴とするもの（請求項４）である。
【００２３】
本手段においては、距離測定装置とパイプライン内面の接触が車輪を介して行われるので、距離測定装置の機械部分が摩耗したり損傷したりする可能性を少なくすることができる。
【００２４】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記接触式距離計測装置が、前記筐体をパイプライン内で保持する機構を有していることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２５】
通常、パイプライン中を流れる流体の圧力を受けて走行する検査ピグの場合は、圧力を受けるためにシールカップが用いられ、このシールカップにより検査ピグの筐体が配管に対して所定の位置を保つように保持される。よって、本手段はこのようなシールカップを用いない自走式のパイプラインの形状計測装置について特に有効であり、また、何らかの事情によりシールカップにパイプラインの形状計測装置の自重を支えるだけの強度を持たせられない場合にも有効である。さらに、筐体が複数連結される場合において、そのうちの一つをシールカップ付の駆動筐体とし、他の筐体を従動筐体として、シールカップ以外の方法で支える場合にも有効である。
【００２６】
本手段によれば、距離測定装置の機構部によって、パイプラインの形状計測装置の自重を支え、筐体をパイプライン内で保持するようにしているので、距離測定装置の他に、特別の筐体保持装置を必要とせず、それだけ構成が簡単になる。
【００２７】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段又は第５の手段であって、前記車輪の回転を検出するセンサを設けることにより、ピグ本体の走行距離を計測する機能を有すること特徴とするもの（請求項６）である。
【００２８】
本手段においては、距離測定装置の機構部がパイプライン内面と接触する部分に設けられた車輪の回転を検出することにより、ピグ本体の走行距離を計測するオドメータとの機能を果たすようにしている。よって、距離測定装置用に特別のセンサ機構を設ける必要がなくなり、それだけ構成が簡単になる。
【００２９】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、パイプラインの円周溶接部を検出する円周溶接部検出手段を有することを特徴とするもの（請求項６）である。
【００３０】
走行距離計測手段としてはオドメータその他、種々の方式のものが考えられるが、いずれも長距離を走行する間に誤差が蓄積されて、最終的には大きな誤差が発生することが避けられない。一方、パイプラインにおいては、その敷設時に、パイプラインを構成する各々のパイプの長さが計測されて設計仕様として保管されている。よって、パイプラインの円周溶接部を検出することにより、走行距離計測手段の測定誤差を補正し、正確な走行距離を算出することができる。
【００３１】
前記課題を解決するための第８の手段は、前記第７の手段であって、前記円周溶接部検出手段が、前記距離計測手段の出力に基づいて、パイプラインの円周溶接部を検出する機能を有することを特徴とするもの（請求項８）である。
【００３２】
円周溶接部には内面ビードが形成されているので、距離計測手段が筐体とパイプライン内壁との距離を測定するとき、内面ビード通過時に測定距離に急激な変化が検出される。特に同じ位置に設けられた距離計測手段の計測結果が同時に１〜２ｍｍのオーダで減少した場合には、配管の溶接継ぎ目における内面の凸部（ビード部）を通過したと判断することが可能である。よって、この変化を検出することにより、円周溶接部を検出することができる。本手段によれば、円周溶接検出を、距離測定手段を利用して行うことができ、円周溶接部検出手段を別に設ける必要がなくなる。
【００３３】
前記課題を解決するための第９の手段は、前記第７の手段又は第８の手段であって、前記走行距離計測手段は、前記円周溶接部検出手段の出力に基づいて、計測結果を補正する機能を有することを特徴とするもの（請求項９）である。
【００３４】
本手段は、走行距離計測手段そのものが、円周溶接部検出手段の出力に基づいて、計測結果を補正する機能を有するので、その出力として正確な走行距離が得られる。
【００３５】
前記課題を解決するための第１０の手段は、前記第７の手段又は第８の手段であって、前記記録手段が、前記円周溶接部検出手段の出力を併せて記録するものであることを特徴とするもの（請求項１０）である。
【００３６】
本手段においては、円周溶接部の検出が、前記記録手段に記録されるので、後にデータ解析を行う段階で、走行距離計測手段の出力を、円周溶接部の検出結果で補正することができる。
【００３７】
前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第１の手段から第１０の手段において、さらに、測定されデータからパイプラインの線形状を計算する演算装置を有し、かつ、ピグの管内走行時に、前記ジャイロセンサユニットの計測結果、前記距離計測手段の計測結果及び前記走行距離計測手段の計測結果を記録する記録手段に代えて、少なくとも計算されたパイプラインの線形状を記録する記録手段を有することを特徴とするもの（請求項１１）である。
【００３８】
本手段においては、パイプラインの線形状の測定を、検査装置がパイプライン中を走行中に行うことができるので、後にオフラインで線形状の演算を行う必要がなくなり効率的である。
【００３９】
前記課題を解決するための第１２の手段は、前記第１の手段から第１１の手段のいずれかであって、ピグ外面の適切な位置に、パイプラインのベンド部をピグが通過するときに発生するピグ本体筐体のパイプラインに対する極端な姿勢変位を防止する姿勢変化防止手段を有することを特徴とするもの（請求項１２）である。
【００４０】
本手段においては、ピグがベンド部を通過する際に、取り付けられた姿勢変化防止手段が、ピグ本体筐体の配管に対する姿勢が極端に変化するのを防止する。これにより、ピグ本体筐体が配管内面に接触することを防止するとともに、前記接触式距離計測手段が配管内面との接触を維持するようにすることを可能とすることができる。
【００４１】
前記課題を解決するための第１３の手段は、前記第１２の手段であって、前記姿勢変化防止手段が、ピグ本体筐体に取り付けられた、パイプラインの配管内径より小さい、軟質材料製のディスクであることを特徴とするもの（請求項１３）である。
【００４２】
本手段においては、ピグがベンド部を通過する際に、ピグ本体筐体に取り付けられた軟質材料製のディスクが配管内面に接触し、ピグ本体筐体の配管に対する姿勢が極端に変化し筐体の配管内面への接触を防止する。ディスクは樹脂等の軟質材料製であるので、変形することによりピグ本体のベンド通過性能を低下させることはない。
【００４３】
前記課題を解決するための第１４の手段は、前記第１２の手段であって、前記姿勢変化防止手段が、ピグ本体筐体に取り付けられた、シールカップ形状の姿勢保持部材であることを特徴とするもの（請求項１４）である。
【００４４】
本手段においては、ピグがベンド部を通過する際に、ピグ本体筐体に取り付けられたシールカップ形状の姿勢保持部材が配管内面に接触し、ピグ本体筐体の配管に対する姿勢が極端に変化し筐体の配管内面への接触を防止する。シールカップ形状の姿勢保持部材は変形が容易であり、変形することによりピグ本体のベンド通過性能を低下させることはない。
【００４５】
前記課題を解決するための第１２の手段は、パイプライン内を走行し、当該パイプラインの形状を計測するパイプラインの形状計測方法であって、前記第１の手段から第１０の手段のいずれかであるパイプラインの形状計測装置を用い、前記記録装置に記録されたデータのうち必要なデータから、パイプラインの線形状を算出することを特徴とするパイプラインの形状計測方法（請求項１２）である。
【００４６】
本手段においては、正確にパイプラインの線形状の測定が可能となる。
【００４７】
前記課題を解決するための第１３の手段は、パイプライン内を走行し、当該パイプラインの形状を計測するパイプラインの形状計測方法であって、前記第１の手段から第１０の手段のいずれかであるパイプラインの形状計測装置を用い、前記記録装置に記録されたデータのうち必要なデータから、各位置におけるパイプライン内面の断面形状を算出することを特徴とするパイプラインの形状計測方法（請求項１３）である。
【００４８】
本手段によれば、各位置におけるパイプライン内面の断面形状を正確に計測することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例であるパイプラインの形状計測装置の概要を示す図である。図１においてを示す。
【００５０】
ピグ本体１の外周部にはシールカップ３が配置されており、ピグ本体１が配管内に挿入されると、シールカップの３外周は配管内面と密着し、シールカップ３前後の配管内の差圧によりピグ本体１に駆動力が発生し、配管内を走行する。シールカップはピグ本体１の前後２ヶ所に設置されているが、これはシールカップが１ヶ所では走行時のシールカップ３の変形等により配管内面との間に空隙が生じ、走行に支障が出る可能性があるので、これを防止するためである。
【００５１】
ピグ本体２の前部には、パイプラインの配管内径より小さい外径の、樹脂製のディスク３５が取り付けられている。このディスク３５は、ピグ本体２がベンドを通過する際に、ピグ本体２の配管に対する姿勢が極端に変化することを防止している。
【００５２】
図１に示す例では、ディスク３５を、ピグ本体２の前部にのみ取り付けているが、後部にも取り付けることも可能である。又、図１に示す例においては、配管内径より小さいディスクを使用しているが、ディスクの代わりに、ピグ本体１に取り付けられているシールカップ３と同様なシールカップを利用することも可能である。この場合には、シールカップの外径を配管内径より小さくして、配管との間に隙間を作ると共に、シールカップにも、強度が低下しない範囲で穴を開けて、このシールカップにより大きな推進力が発生しないようにすることが好ましい。このようにしないと、ピグ本体２に推進力がかかり、ピグ本体１の牽引力とは別の力が働いて、ピグ本体２の走行が乱れる可能性があるからである。
【００５３】
ピグ本体１の外部には、走行距離計測手段１７，１８が配置されている。走行距離計測手段１７，１８は本体外面に回転軸を有し、他端に車輪を有するロッドであり、ロッド先端の車輪が常に配管内面と接触する機構を有している。先端部の車輪は配管内の走行に伴って回転するので、車輪の回転数を計測すれば、車輪の外周長からピグ本体１の走行距離を算出できる。
【００５４】
この実施の形態においては、走行距離計測手段１７，１８は対向する位置に２個設置しているが、これは、パイプラインのベンド部の通過時には車輪の配管円周方向の接触位置により（配管ベンドの外側か内側かにより）計測される距離が異なるので、異なる走行距離を平均化し、ピグ本体の走行距離を算出するためである。より精度を向上させるためには走行距離計測手段の数を増やすことも可能である。走行距離計測手段の計測値はケーブル２２を介して本体２内に設置される信号処理・記録装置１９に伝送され、記録される。
【００５５】
ピグ本体１内のバッテリ２０は、走行距離計測手段１７，１７への電源を供給するとともに、ケーブル２２を介して、ピグ本体２に設置される機器への電源を供給する。
【００５６】
ピグ本体２は連結部２１を介して本体１と接続されており、本体１が駆動されると連動して配管内を走行する。ここで、本体１と２は分離されているが、これはパイプラインのベンド部の通過性を確保する（本体筐体の配管内面への接触を避ける）ためであり、配管の内径とベンドの曲率から決まる条件が許せば、ピグ本体を１つとすることも可能である。
【００５７】
ピグ本体２内には３軸ジャイロセンサユニット４が、ジャイロユニットの計測軸の１軸とピグ本体の中心軸とが平行となるように配置され、走行時にジャイロユニットとピグ本体２との相対位置関係がずれない様に固定されている。ピグ本体２の外周には、前後方向（走行方向）２ヶ所にそれぞれ、円周方向に等分された方向に６方向距離計測手段５〜１０、１１〜１６が設置されている。なお、特許請求の範囲では、距離計測手段５〜１０、１１〜１６のことを、距離計測手段のセンサユニットと称しているが、ここでは、説明の都合上、センサユニットのことを距離計測手段と称することにする。
【００５８】
図２に、距離計測手段の例の詳細を示す。図２においては、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。図２において、３０はロッド、３１は接触用車輪、３２は電磁誘導式スリーブセンサ、３３はセンサとロッドを接続するリンケージ、３４はロッドの回転軸を示す。
【００５９】
図２（ａ）は、距離測定手段５〜１０を前方から見た概要図である。図に示されるように、距離測定手段５〜１０は、ピグ本体２の円周方向に６０°おきに配設されており、そのロッド３０の先端に設けられた接触用車輪３１が、パイプライン内周面に接触するようになっている。
【００６０】
図２に、個々の距離測定手段の機構部の概要を示す。距離計測手段はロッド３０先端に、配管内面と接触させるための接触用車輪３１を有し、ピグ本体側の回転軸３４を中心に回転するようになっている。また、ロッド３０の一端にはリンケージ３３が接続され、ロッド３０の回転は、リンケージ３３を介して電磁誘導式スリーブセンサ３２のセンサロッド３２ａに接続されている。
【００６１】
パイプライン内面との距離が変化し、ロッド３０が回転軸３４を中心に回転すると、リンケージ３３により回転運動が直線運動に変換され、センサロッド３２ａが電磁誘導式スリーブセンサ３２のセンサスリーブ内を移動する。この結果距離の変化（ロッド角度の変化）に応じて電磁誘導式スリーブセンサ３２の出力が変化し、電磁誘導式スリーブセンサ３２の出力値からロッド３０の回転角度を算出することが可能となる。
【００６２】
図示を省略しているが、ロッド３０にはスプリング等により常にパイプライン内周面方向に広がるように力が印加されており、この印加される力は、パイプライン内で本体２の位置を保持するためにも使用されている。図１（ｂ）に示したものは距離計測手段の構成の一例であり、ロッド、スリーブセンサによる他の構成でも可能である。
【００６３】
３軸ジャイロセンサユニット４、走行距離計測手段１７，１８、距離計測手段５〜１６の各計測データは信号処理・記録装置１９に入力される。本実施の形態においては、信号処理・記録装置１９に、データを一定周期で記録保存し、ピグ本体の走行終了後に保存データを読み出し、保存データからパイプラインの線形算出を行っているが、信号処理装置によりリアルタイムに線形の算出を行って、記録装置に線形のデータを記録することも可能である。
【００６４】
以下、本発明の実施の形態における、パイプラインの線形計測の原理を、図３、図４を用いて説明する。図３に示す例では、ピグ本体進行方向の間隔Ｌの位置Ａ点及びＢ点のそれぞれにおいて、円周方向の直交する４方向に計８つの距離計測手段を備えているものとし、ジャイロ本体（ピグ本体）の進行方向中心軸をＺ軸、進行方向と直交する断面方向内の距離計測手段の計測方向をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とする。
【００６５】
そして、各距離計測手段により得られる配管内面までの計測距離を、それぞれＸＡ１、ＸＡ２、ＹＡ１、ＹＡ２、ＸＢ１、ＸＢ２、ＹＢ１、ＹＢ２とする。また、各距離計測手段はピグ本体のＺ軸（中心軸）から等距離には位置されているものとする。ここで、配管の長手方向（中心軸）をｚ軸、配管断面の垂直方向をｙ軸、水平方向をｘ軸とする。そして、簡単のためにＸ軸とｘ軸、Ｙ軸とｙ軸の方向は一致しているものとする（一致していない場合は、配管についてＸ軸方向にｘ軸を、Ｙ軸方向にｙ軸をとればよい）。
【００６６】
図３（ａ）に示すように、走行中に計測される距離計測手段の距離計測結果がすべて等しい計測値となる場合（ＸＡ１＝ＸＡ２＝ＹＡ１＝ＹＡ２＝ＸＢ１＝ＸＢ２＝ＹＢ１＝ＹＢ２）には、ピグ本体のＺ軸と配管ｚ軸とが一致し、ピグ本体が配管の中央を走行している場合であると判断することができる。
【００６７】
また、各断面（Ａ断面及びＢ断面）における４つの距離計測結果が異なる場合には、Ａ点断面或いはＢ点断面のピグ本体のＺ軸と配管のｚ軸とはずれていると判断できるが、図２（ｂ）に示すように、Ａ点及びＢ点の同一方向距離計測手段の距離計測結果が等しい（ＸＡ１＝ＸＢ１、ＹＡ１＝ＹＢ１、ＸＡ２＝ＸＢ２、ＹＡ２＝ＹＢ２）場合には、ピグ本体のＺ軸とｚ軸は平行であり、ピグ全体が配管内で偏芯していると判断することができる。
【００６８】
図２（ｃ）に示すように、対向するＸ軸方向の距離計測結果が等しく（ＸＡ１＝ＸＡ２、ＸＢ１＝ＸＢ２）、Ｙ軸方向の距離計測結果が異なる場合（ＹＡ１≠ＹＡ２、ＹＢ１≠ＹＢ２、ＹＡ１≠ＹＢ１、ＹＡ２≠ＹＢ２）には、ピグ本体のＸ軸周りにピグ本体が回転した状態であると判断でき、その際の回転角度αｘ（Ｚ軸とｚ軸との角度）は以下の式で表される。
【００６９】
【数１】
αｘ＝ｔａｎ^−１（（Ａ，Ｂ点におけるピグ中心の配管中心からのずれ）／（Ａ−Ｂ点間隔））＝ｔａｎ^−１（（ＹＡ１−ＹＢ１）／Ｌ）＝ｔａｎ^−１（（ＹＡ２−ＹＢ２）／Ｌ）
このとき、ピグ本体はピグ本体の中心軸（Ｚ軸）と配管の中心軸（ｚ軸）がＸ軸を中心に角度αｘの角度で傾斜（回転）した姿勢で配管内を走行していることになる。ピグ本体の走行を配管の座標（ｘｙｚ軸座標）から見るとピグ本体はｚ軸に沿って移動しているが、ピグ本体（３軸ジャイロセンサユニット）の座標（ＸＹＺ軸座標）から見るとＺ軸のみではなく、Ｙ軸方向にも移動していることになる。
【００７０】
このときのピグ本体のＺＹ座標における移動距離は、ｚ軸（管）に沿ったピグ本体の移動距離から算出することができる。また、ピグ本体のジャイロは絶対座標系（地球座標）に対する自分の座標系の方向を計測できるので、ジャイロの計測結果と、ピグ本体の姿勢（傾斜）の計測結果と組み合わせると、ピグ本体（ジャイロ）が地球座標に対してその方向に移動したかが分かり、移動距離と組み合わせることによって、地球座標におけるピグ本体の移動軌跡、すなわちパイプライン線形を算出することができる。
【００７１】
また、対向するＹ軸方向の距離計測結果が等しく（ＹＡ１＝ＹＡ２、ＹＢ１＝ＹＢ２）、Ｘ軸方向の距離計測結果が異なる場合（ＸＡ１≠ＸＡ２、ＸＢ１≠ＸＢ２、ＸＡ１≠ＸＢ１、ＸＡ２≠ＸＢ２）には、ピグ本体のＹ軸周りにピグ本体が回転した状態であると判断でき、その際の回転角度αｙ（Ｚ軸とｚ軸との角度）は以下の式で表される。
【００７２】
【数２】
αｙ＝ｔａｎ^−１（（Ａ，Ｂ点におけるピグ中心の配管中心からのずれ）／（Ａ−Ｂ点間隔））＝ｔａｎ^−１（（ＸＡ１−ＸＢ１）／Ｌ）＝ｔａｎ^−１（（ＸＡ２−ＸＢ２）／Ｌ）
実際のピグの走行においては、ピグ本体の中心軸（Ｚ軸）と配管の中心軸（ｚ軸）とは、ＸＹ平面の任意の軸を中心に傾斜（回転）する可能性がある。その場合、Ｘ軸、Ｙ軸方向の対になる距離計測結果が全て異なることになる。そして、この計測結果からＸ軸及びＹ軸周りの傾斜αｘ、αｙを求めることにより、ピグ本体の傾斜を求めることができる。また、このときのＺ軸とｚ軸とのなす角α自体は、以下の式で表される。
【００７３】
【数３】
α＝ｔａｎ^−１（（Ａ，Ｂ点におけるピグ中心の配管中心からのずれ）／（Ａ−Ｂ点間隔））＝ｔａｎ^−１（（（ＹＡ１−ＹＢ１）^２＋（ＸＡ１−ＸＢ１）^２）^−１／２／Ｌ）
図１に示す実施の形態においては、ピグ本体２の円周上に配置された６個×２組の距離計測手段を用いているが、この場合には、Ａ点又はＢ点における直交座標系（ＸＹＺ座標系）を定め、６点の計測結果からピグ中心とパイプライン中心との位置関係を求めてやればよい。
【００７４】
図３では、配管内面までの距離計測手段はピグ本体の外周に直交する４方向に設置しているが、円周方向に等間隔に３つ以上配置すればピグ本体中心軸の配管中心軸に対する角度を算出することができる。
【００７５】
図２に示されるような距離計測手段により、ピグ本体の中心線とパイプラインの中心線の角度のずれを計測する方法を図４に示す。
【００７６】
第１のロッドの長さをＬ１、第２のロッドの長さをＬ２、第１のロッドと第２のロッド２ピグ本体側回転軸間の距離をＬ０とし、ピグ本体（中心軸）に対するそれぞれのロッドの角度をθ１、θ２とする。このとき第１のロッド、第２のロッドの先端の車輪がそれぞれ配管内面に接触しているとすると２つの車輪の中心軸を結ぶ直線は配管の内面に平行となり、ピグ本体に対する各車輪の位置がわかればピグ本体に対する配管の角度を知ることができる。
【００７７】
ピグ本体中心軸と配管内面の角度（ピグ本体の配管中心軸に対する回転角度）θ３は以下の式で表される。
【００７８】
【数４】
θ３＝ｔａｎ^−１（ｈ３／Ｌ３）
Ｌ３＝Ｌ０−Ｌ１ｃｏｓ（θ１）＋Ｌ２ｃｏｓ（θ２）
ｈ３＝Ｌ２ｓｉｎ（θ２）−Ｌ１ｓｉｎ（θ１）
同様に、第３のロッド、第４のロッドに関しても、ピグ本体の配管中心軸に対する回転角度を算出することができる。
【００７９】
ここでは、ピグ本体の回転面と配管内面までの距離計測手段とは同一平面にあるものとしているが、距離計測手段を円周方向に等間隔に３つ以上配置することによりピグ本体の配管に対する姿勢を算出することができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ピグ本体のパイプライン配管内での姿勢を確実に、安定して計測することによりジャイロ方式の線形計測で生じる誤差を補正し、正確なパイプライン線形計測を実現するパイプラインの形状計測装置及び方法、及びパイプライン各位置でのパイプラインの断面形状を計測するパイプラインの形状計測装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例であるパイプラインの形状計測装置の概要を示す図である。
【図２】距離計測手段の例の詳細を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における、パイプラインの線形計測の原理を示す図である。
【図４】筐体中心軸とパイプライン中心軸軸のずれを算出する方法の例を示す図である。
【符号の説明】
１、２…ピグ本体（筐体）、３…シールカップ、４…３軸ジャイロセンサユニット、５〜１６…距離計測手段、１７、１８…走行距離計測手段、１９…信号処理・記録装置、２０…バッテリ、２１…連結部、２２…ケーブル、３０…ロッド、３１…接触用車輪、３２…電磁誘導式スリーブセンサ、３３…リンケージ、３４…ロッドの回転軸、３５…ディスク

Claims

パイプライン内を走行し、当該パイプラインの形状を計測するパイプラインの形状計測装置であって、
（１）筐体内部に固定された３軸ジャイロセンサユニットと、
（２）筐体とパイプライン内面間の距離を計測する距離計測手段であって、筐体の円周方向に等間隔に３つ以上複数配置されたセンサを１組としたものを、筐体の走行方向に所定間隔を開けて２組以上配置したセンサユニットを有するものと、
（３）当該形状計測装置のパイプライン内での走行距離を計測する走行距離計測手段と、
（４）ピグの管内走行時に、前記ジャイロセンサユニットの計測結果、前記距離計測手段の計測結果及び前記走行距離計測手段の計測結果を記録する記録手段と
を有し、
前記距離計測手段が、前記筐体に取り付けられ、パイプラインの内面と常に接触を維持する機構を備えた接触式距離計測装置であることを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項１に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記接触式距離計測装置が、一端が前記筐体外面に設置された回転軸に接続されたロッド（アーム）と、ロッド（アーム）の他端が常に前記筐体の半径方向（パイプライン内面に向かう方向）に広がるように、当該ロッド（アーム）に力を印加する機構と、当該ロッド（アーム）の前記回転軸周りの回転角を計測する機構を有することを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項２に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記回転軸周りの回転角を計測する機構が、ロッドに接続された電磁誘導方式のスリーブセンサであることを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項２に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記ロッド（アーム）の他端に車輪を有することを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項４に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記接触式距離計測装置が、前記筐体をパイプライン内で保持する機構を有していることを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項４又は請求項５に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記車輪の回転を検出するセンサを設けることにより、ピグ本体の走行距離を計測する機能を有すること特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載のパイプラインの形状計測装置であって、パイプラインの円周溶接部を検出する円周溶接部検出手段を有することを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項７に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記円周溶接部検出手段が、前記距離計測手段の出力に基づいて、パイプラインの円周溶接部を検出する機能を有することを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項７又は請求項８に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記走行距離計測手段は、前記円周溶接部検出手段の出力に基づいて、計測結果を補正する機能を有することを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項７又は請求項８に記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記記録手段が、前記円周溶接部検出手段の出力を併せて記録するものであることを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項１から請求項１０のうちいずれか１項に記載のパイプラインの形状計測装置において、さらに、測定されデータからパイプラインの線形状を計算する演算装置を有し、かつ、ピグの管内走行時に、前記ジャイロセンサユニットの計測結果、前記距離計測手段の計測結果及び前記走行距離計測手段の計測結果を記録する記録手段に代えて、少なくとも計算されたパイプラインの線形状を記録する記録手段を有することを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項１から請求項１１のうちいずれか１項に記載のパイプラインの形状計測装置であって、ピグ外面の適切な位置に、パイプラインのベンド部をピグが通過するときに発生するピグ本体筐体のパイプラインに対する極端な姿勢変位を防止する姿勢変化防止手段を有することを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項１２記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記姿勢変化防止手段が、ピグ本体筐体に取り付けられた、パイプラインの配管内径より小さい、軟質材料製のディスクであることを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
請求項１２記載のパイプラインの形状計測装置であって、前記姿勢変化防止手段が、ピグ本体筐体に取り付けられた、シールカップ形状の姿勢保持部材であることを特徴とするパイプラインの形状計測装置。
パイプライン内を走行し、当該パイプラインの形状を計測するパイプラインの形状計測方法であって、請求項１から請求項１４のうちいずれか１項に記載のパイプラインの形状計測装置を用い、前記記録装置に記録されたデータのうち必要なデータから、パイプラインの線形状を算出することを特徴とするパイプラインの形状計測方法。
パイプライン内を走行し、当該パイプラインの形状を計測するパイプラインの形状計測方法であって、請求項１から請求項１４のうちいずれか１項に記載のパイプラインの形状計測装置を用い、前記記録装置に記録されたデータのうち必要なデータから、各位置におけるパイプライン内面の断面形状を算出することを特徴とするパイプラインの形状計測方法。