JP2004212117A

JP2004212117A - 管内混相流断面分布映像化方法

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Publication number: JP2004212117A
Application number: JP2002379778A
Authority: JP
Inventors: Masaki Misawa; 雅樹三澤; Yasuhiro Tomita; 康弘富田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP4128441B2

Abstract

【課題】高温高圧の二相流や固体を含む固液流など、金属配管内を流れる混相流の断面分布をコントラスト良く映像化することが可能な管内流体断面分布映像化方法を提供する。
【解決手段】配管１の一部を、配管１よりＸ線の透過率が高い第１の配管部材２によって置換する。そして、測定領域を環状に囲んで配設されたＸ線発生器３０とＸ線検出器４０とを有し、高速に断層像を取得するＸ線ＣＴ装置１０を用いて、第１の配管部材２を流れる混相流の断面分布を映像化する。第１の配管部材２はＸ線の透過率が高いので、各Ｘ線発生器３０から管電圧が低く、管電流の大きなＸ線を発生させて、短時間Ｘ線を照射しても、Ｘ線検出器４０に充分な数のフォトンが入射する。その結果、第１の配管部材部分を流れる混相流の断面分布をコントラスト良く映像化できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管内の混相流の断面分布を映像化する管内混相流断面映像化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
配管内の混相流の断面分布を映像化する方法として、測定領域を環状に囲むように配設された複数のＸ線源と、測定領域を環状に囲むように配設されたＸ線検出器とを有する高速Ｘ線ＣＴ装置を用いる方法が知られている。高速Ｘ線ＣＴ装置は、各々のＸ線源からのＸ線の照射を電気的に制御し、各々のＸ線源から対象物にＸ線を短時間順次照射する。そして、対象物を透過したフォトンをＸ線検出器によって検出している。従来の管内混相流断面映像化方法では、このように対象物に対して高速にＸ線を走査することによって、混相流のような動きを有する対象物の断層像を得ている（例えば、特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】
特公平５−６０３８１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の高速Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線の照射時間が短いことから、例えば、配管に肉厚の金属管が使用されていると、Ｘ線検出器によって検出されるフォトン数が低下する。Ｘ線検出器によって検出されるフォトン数を増加させるために、Ｘ線源から照射するＸ線を高エネルギーにすると、映像化される断層像において密度差の小さな物質間のコントラストが低下するという問題点がある。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、混相流の断面分布をコントラスト良く映像化することが可能な管内流体断面分布映像化方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の管内混相流断面分布映像化方法は、配管を流れる混相流の断面分布を映像化する管内混相流断面分布映像化方法であって、上記配管の少なくとも一部を当該配管よりＸ線の透過率が高い第１の配管部材に置換する第１の工程と、上記第１の配管部材内における混相流の断面分布をＸ線ＣＴ装置により映像化する第２の工程とを備えることを特徴としている。
【０００７】
この発明によれば、配管の少なくとも一部をこの配管よりＸ線の透過率が高い第１の配管部材に置換する。第１の配管部材はＸ線の透過率が高いので、Ｘ線のエネルギーを高めなくても、第１の配管部材をＸ線が透過し、Ｘ線検出器に充分な数のフォトンを蓄積することができる。このように、高いエネルギーのＸ線を使用することなく、Ｘ線検出器によって検出された投影データに基づいて断層像を再構成できるので、混相流の断面分布をコントラスト良く映像化することができる。
【０００８】
また、本発明の管内混相流断面分布映像化方法においては、上記第１の工程において、上記配管と上記第１の配管部材とを、上記配管と上記第１の配管部材との熱膨張率を補間する熱膨張率を有する少なくとも一つの第２の配管部材を介して接続することを特徴とすることが好ましい。
【０００９】
この発明によれば、配管と第１の配管部材との熱膨張率を補間する熱膨張率を有する第２の配管部材を介して、配管と第１の配管部材とを接続するので、配管と第１の配管部材との熱膨張率の差が大きくても、これらの接続部にかかる応力が緩和される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法について添付の図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態に関する説明においては、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を附し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１１】
図１は、実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法が適用される計測系の要部断面図である。また、図２は実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法が適用される計測系の平面図である。本実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法においては、Ｘ線ＣＴ装置１０が用いられる。Ｘ線ＣＴ装置１０は、複数のＸ線発生器３０と、複数のＸ線検出器４０とを備える。
【００１２】
Ｘ線発生器３０は測定領域４を貫く所定軸Ｘを中心とする円周に沿って配設されている。Ｘ線発生器３０はそれぞれ、陰極３２と、グリッド３４と、ターゲット（陽極）３６とを備える。陰極３２とグリッド３４とターゲット３６は、所定軸Ｘに平行な方向に下方からこの順で配置されている。Ｘ線発生器３０では、陰極３２とターゲット３６との間に所定のエネルギーのＸ線を発生させるための電圧が印加されると、陰極３２から所定軸Ｘと平行な方向へ電子ビーム３７が出射される。電子ビーム３７はターゲット３６に照射され、ターゲット３６からＸ線３８が所定軸Ｘに交差する方向に照射される。このＸ線の照射方向は、所定軸Ｘに直交する方向から所定角度傾けられており、測定領域４を挟んで配設されたＸ線検出器４０に向けた角度で照射されている。グリッド３４は、印加される電圧によって、陰極３２からターゲット３６に向かう電子ビームの通過を制御する。グリッド３４への印加電圧が制御されることによって、Ｘ線発生器３０から測定領域４へのＸ線の照射が制御される。図２に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１０においては、このようなＸ線発生器３０が、所定軸Ｘを中心とする円周に沿って密に配設されている。各々のＸ線発生器３０は、ファンビーム状のＸ線を所定軸Ｘに交差する方向に照射している。Ｘ線ＣＴ装置１０は、各々のＸ線発生器３０のグリッド３４へ電圧を印加するタイミングを制御して、測定領域４において高速にＸ線を走査することができる。
【００１３】
図１に戻り、Ｘ線検出器４０は、Ｘ線発生器３０から照射され、測定領域４におかれた対象物を透過したＸ線のフォトンを蓄積し、フォトン数に応じた信号を出力する。Ｘ線ＣＴ装置１０において、Ｘ線検出器４０は、Ｘ線発生器３０が配設された高さ方向の位置より上方に配設されている。このように、Ｘ線発生器３０とＸ線検出器４０とが異なる高さに配設されているので、Ｘ線発生器３０から照射されるＸ線は、所定軸ＸからみてＸ線発生器３０と同方向にあるＸ線検出器４０によって遮られることなく、測定領域４を挟む位置に配設されたＸ線検出器４０によって検出される。Ｘ線検出器４０としては、例えば化合物半導体などの半導体検出素子やシンチレータとフォトダイオードを組み合わせたものを用いることができる。図２に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１０においては、複数のＸ線検出器４０が、所定軸Ｘを中心とする円周に沿って配設されている。各々のＸ線検出器４０は、測定領域４を挟んで対向する位置に配設されたＸ線発生器３０から照射され、測定領域４におかれた対象物を透過するフォトンを蓄積する。
【００１４】
本実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法においては、このようなＸ線ＣＴ装置１０を用い、混相流の断面分布を映像化する。図３は、本実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法のフローチャートである。この管内混相流断面分布映像化方法においては、まず、配管１の一部を第１の配管部材２に置換する（ステップＳ１）。第１の配管部材２は配管１と同形状の内周面を有するものを用い、配管１の管軸と第１の配管部材２の管軸とを揃えて両者を接合する。配管１と第１の配管部材２とは、これらの端面間にＯリングを挟んで接続することによって、液漏れを防ぐことができる。
【００１５】
第１の配管部材２としては、配管１よりＸ線の透過率が高い材料によって構成される配管部材を用いることができる。第１の配管部材２を構成する材料としては、金属材料の場合、原子番号が小さく、構造体としての強度を有する物質が望ましい。このような金属材料としては、例えば、ベリリウム、アルミニウム、またはチタンなどを用いることができる。特に、ベリリウムやチタンは対応力強度が優れており、更にＸ線の吸収が少ないため、第１の配管部材２に用いる材料として適している。また、チタン合金は、高圧高温環境下での機械的特性に優れているので、配管の肉厚を薄くすることができる。その結果、Ｘ線の透過率を高めることができので、チタン合金も第１の配管部材２に用いる材料に適している。
【００１６】
また、第１の配管部材２を構成する材料として、複合材料の場合は、カーボンファイバ、またはグラスファイバといった材料を用いることができる。カーボンファイバまたはグラスファイバを第１の配管部材２の材料として用いる場合、これらの材料からなる素線を円筒状に巻いて、樹脂で固めることによって配管を構成することができる。グラスファイバを用いた配管は耐圧性に優れ、管径４０ｍｍ、肉厚３ｍｍの配管では２３ＭＰａ、肉厚１０ｍｍの配管では４５ＭＰａの内圧を保持できる。また、カーボンファイバを用いた配管は、グラスファイバを用いた配管の数倍以上の耐圧特性をもち、Ｘ線の透過率も高いので、第１の配管部材２に更に適している。
【００１７】
また、第１の配管部材２を構成する材料として、有機材料の場合は、アモルファスカーボンを用いることができる。アモルファスカーボンは金属との接続が可能であり、炭素と同程度のＸ線透過率を持つので、第１の配管部材２に用いる材料として好適である。また、アモルファスカーボンからなる配管は耐圧強度、気密性に優れており、第１の配管部材２として利用するのに好適である。
【００１８】
次に、本実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法においては、配管１と第１の配管部材２とを接続した配管を、上述のＸ線ＣＴ装置１０の測定領域４と第１の配管部材２とが交差するように配設する（ステップＳ２）。そして、Ｘ線ＣＴ装置１０により、第１の配管部材２を透過するＸ線をＸ線検出器４０で検出し、Ｘ線検出器４０から出力される信号を投影データとして、断層像を再構成する（ステップＳ３）。第１の配管部材２は、Ｘ線の透過率が高いので、Ｘ線発生器３０から低エネルギーのＸ線を短時間照射することによって、Ｘ線検出器４０によって第１の配管部材２を透過したフォトンを充分に蓄積できる。その結果、第１の配管部材２において混相流の断面分布をコントラスト良く映像化することができる。また、Ｘ線発生器３０から照射するＸ線を低エネルギーとすることができるので、Ｘ線発生器３０の寿命を延ばすことができる。
【００１９】
なお、本発明による管内混相流断面分布映像化方法は、本実施形態に限定されず種々の変更が可能である。図４は、本発明の他の実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法を適用する計測系の要部断面図である。図４に示すように、配管１と第１の配管部材２との熱膨張率を補間する複数の第２の配管部材３を介して、配管１と第１の配管部材２とを接続することができる。ここで、配管１と第１の配管部材２との間に挟む第２の配管部材３は、一つでも良い。また、配管１と第１の配管部材２の両者の熱膨張率を段階的に補間するように、複数の第２の配管部材３を介して、配管１と第１の配管部材２とを接続することも可能である。配管１と第１の配管部材２とを第２の第２の配管部材３を介して接続することによって、高温・高圧の環境における配管１と第１の配管部材２との熱膨張率差に起因して両者の接続部に生じる応力を緩和することができる。その結果、配管の接続部からの液漏れを防止することができる。第２の配管部材３としては、配管１にステンレス鋼（１８Ｃｒ，８Ｎｉ、５００Ｋでの熱膨張率：１７．５×１０^-6／℃）を、第１の配管部材２にベリリウム（５００Ｋでの熱膨張率：１５．１×１０^-6／℃）を用いた場合、第２の配管部材３としてモネルメタル（６３Ｎｉ，３０Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｐｂ、５００Ｋでの熱膨張率：１６．５×１０^-6／℃）を用いることができる。また、配管１にステンレス鋼（１８Ｃｒ，８Ｎｉ）を、第１の配管部材２としてアルミニウムを用いた場合には、第２の配管部材３として黄銅（６７Ｃｕ，３３Ｚｎ、５００Ｋでの熱膨張率：２０．０×１０^-6／℃）及びＹ合金（５００Ｋでの熱膨張率：２４．０×１０^-6／℃）を用いることができる。また、配管１にステンレス鋼を、第１の配管部材２にガラス繊維またはカーボン繊維を用いた場合には、ガラス繊維やカーボン繊維は熱膨張率がステンレス鋼より小さいので、第２の配管部材３として鉄（熱膨張率１４．４×１０^-6／℃）、ビスマス（熱膨張率：１２．７×１０^-6／℃）等を用いることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、配管の少なくとも一部を、この配管よりＸ線の透過率が高い第１の配管部材に置換することによって、混相流の断面分布をコントラスト良く映像化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法が適用される計測系の要部断面図である。
【図２】図２は、実施形態にかかる管内混相流断面映像化方法が適用される計測系の平面図である。
【図３】図２は、実施形態にかかる管内混相流断面映像化方法のフローチャートである。
【図４】図４は、実施形態にかかる管内混相流断面分布映像化方法が適用される計測系の要部断面図である。
【符号の説明】
１…配管、２…第１の配管部材、３…第２の配管部材、４…測定領域、１０…Ｘ線ＣＴ装置、３０…Ｘ線発生器、３２…陰極、３４…グリッド、３６…ターゲット、３７…電子ビーム、３８…Ｘ線、４０…Ｘ線検出器

Claims

配管内の混相流の断面分布を映像化する管内混相流断面分布映像化方法であって、
前記配管の少なくとも一部を当該配管よりＸ線の透過率が高い第１の配管部材に置換する第１の工程と、
前記第１の配管部材内における混相流の断面分布をＸ線ＣＴ装置により映像化する第２の工程と
を備えることを特徴とする管内混相流断面分布映像化方法。
前記第１の工程において、前記配管と前記第１の配管部材とを、前記配管と前記第１の配管部材との熱膨張率を補間する熱膨張率を有する少なくとも一つの第２の配管部材を介して接続することを特徴とする請求項１に記載の管内混相流断面分布映像化方法。