JP2005148064A - 圧力テスト中またはテスト後の圧力容器の変化または損傷の検出装置と検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 典型的には圧力容器やパイプ等の圧力テスト中において、圧力容器の損傷に関する情報を得るために、圧力容器を監視する方法、並びにその方法を実行するための装置を提供すること。
【解決手段】 圧力テスト中の圧力容器の変化または損傷の検出方法であり、次の工程を備えている。圧力テスト中において圧力容器を加圧しているときに、圧力容器に音響刺激を実施する工程を備えている。さらに、刺激された圧力容器の音響スペクトルを評価する工程を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力テスト中に生じた圧力容器の損傷による危険を、圧力テストの実行中に知ることができる方法に関する。容器の変化、すなわち損傷もまた、テスト前の容器の音響スペクトルとテスト後のスペクトルを比較することによって検出することができる。

安全規定は、圧力容器の使用前または使用期間中において、一定間隔を置いて一度ないしは数度のテストをするように規定している。圧力容器またはエバポレータで行われるそのようなテストは、いわゆる液圧テストである。この場合、圧力容器にはテスト中に過剰な圧力が加えられる。

例えば、過剰圧を含む液圧テストまたはその他のテストにおいて、圧力容器にはすぐに損傷と認識することが不能なひび割れまたは変形が生じることが知られており、後の使用中に顕著な破壊あるいは損傷に拡大してしまう。このことから、圧力容器は液圧テスト中に、未検出欠陥が生じることを防止するように監視される必要がある。

圧力テスト中に監視する方法として、いわゆる音響エミッション(SE分析)受音等が知られている。音響エミッションの基本的原理は、材料または部品に作用する外力が、変形あるいは形状のひびによって転換されるという事実に基づいている。そのような変形あるいは形状のひびは、音響エミッションに特徴的に反映され、それぞれに応じたシグナルを生成する。応力変形の場合、これらは連続的なエミッションであり、形状のひびの場合、いわゆる突発的シグナルである。しかしながら、音響エミッション監視は多くの寄生要因によって妨げられ、それゆえ頻繁に誤解が生ずることも確かである。例えば、設置音あるいは摩擦音は、確実な情報の入手を妨げる偽シグナルを生成する。したがって音響エミッション分析は、圧力テスト中の圧力容器の監視には条件つきでのみ使用できる。

特許文献１では、音響測定を利用することによって、部品とくにセラミック部品の品質検査をする方法が述べられている。この方法はとくに、セラミック部品、たとえば屋根瓦の品質検査に用いられる。検査のために、部品は機械的に打ち叩かれ、音響学的な音を出すように誘導される。生成した音響スペクトルは受音され、次に設定した振動数域に亘って、各々の振動数に応じた振幅をＦＥＴ(Fast Fourier Transformation)によって分析、評価する。一般的に、評価は、個々の周波数の位置と高さで行われる。例えば、特許文献１で行われる評価の場合、振幅振動数の振幅を加算し、振幅合計を振幅振動数スペクトルの振動数ピーク間に存在する反転点の数で除し、そして得られた商を評価数とする。
ＥＰ０６３６８８１Ｂ１

本発明の課題は、典型的には容器やパイプの圧力テスト中において、それらを監視する方法、並びにその方法を実行するための装置を提供することである。それによって圧力テスト中の圧力容器の損傷に関する情報を得ることができる。

この課題は請求項１の特徴を有する方法と請求項１５の特徴を有する装置によって解決される。従属請求項は好ましい形態を特徴付ける。

本発明は、圧力テスト中に圧力が加えられているときに、圧力容器を監視するのに用いられる音響テスト装置と音響テスト方法を提供することにある。音響テストは圧力テスト中に同時に実行され、圧力容器の損傷を区別して扱う。この場合、圧力テストを監視しながら、音響スペクトルはさまざまな基準に基づいて評価され、たとえば個々の振動数のピークの高さ又は側面上昇が考慮される。この場合、例えば、圧力テストを通して異なる時点で受音した音響スペクトルを比較することによって評価は行われる。または、予め知っていた音響スペクトルと、異なる時点で受音した音響スペクトルを比較することによって評価は行われる。または、２つの音響スペクトル(テスト前後)を比較することによって、あるいはＥＰ０６３６８８１Ｂ１に記載されている方法に近い他の基準を利用して音響スペクトルを評価することによって評価は行われる。さらに、容器の異なる場所で生じる音響スペクトルを、共通の受音器に対する音響の到達時間の違いによって評価することができ、それにより圧力容器の完全性を評価することを可能にする。

なかでも、上昇する圧力下で部品を監視する原理は、楽器の弦の張りが強まる場合と同じように、音響スペクトルが容器の圧上昇とともにより高い振動数にシフトすることに基づいている。圧力テスト中の２つの異なる時点において、音響スペクトルが振幅の位置と高さに関して、またその上昇と下降に関して、上に述べたシフト以外で不変ならば、容器は圧力テスト中に損傷しなかったと結論付けることができる。さらに、部品は一般的に圧力テストの際、液体、たとえば水で満たされる。これにより音響伝達は向上する。測定はより正確となる。圧力テストの終了後、音響スペクトルはＦＥＴ分析によって評価し、たとえば振動数の位置、振幅の高さ、振動数のピークの形、側面上昇および/または下降の勾配、または全スペクトルのシフト等の基準によって部品の変化を知ることができる。さらに必要に応じて、その変化はどんなものかと分析することも可能である(ひび割れ、膨張、変形等)。同時に、この方法は圧力テスト中に比較的簡単に実施でき、圧力容器に特別な仕掛けは必要でない。
この方法はあらゆる種類の圧力容器に適用できる。とくに金属容器には好適である。

図１に圧力テストが実施される圧力容器１０を示す。圧力テスト中、圧力容器にはパイプライン１２を介して圧流体、たとえば液体を導入することによって圧力を加えることができる。加圧は、連続的あるいは段差的な圧上昇ないしは圧下降、又は一定あるいは不定の順序の圧上昇ないしは圧下降とすることができ、必要に応じて、周囲の圧力に常に戻ることを省略することができる。とくに圧力テストは大抵、最大圧までの圧上昇の局面とそれに直接続く圧下降、例えば初期圧への下降が行われるように実施される。

圧力テスト中に、圧力容器１０に対して圧力容器の変化または損傷の検出用の音響テストを行うために、圧力容器は音響発生器を備えている。たとえば打ち金１４（打撃部材の一例）がそうであり、例えば一度の打撃、または数度の打撃(たとえば２度の打撃)、つまり試料に対して２度または数度の短い、連続打撃で音響を生成することができる。生成される音響は上昇するテスト圧に合わせて生成することができる。

テスト機構は、他の音響発生器として実施例にあるブザー１６を備えている。それに代えて、例えば、振動装置、または磁気ひずみ効果による作動装置を利用することができる。磁気ひずみ効果は、試料が強磁性材料であると、それ自体の中で生じる。あるいは磁気ひずみの効果のある振動器、たとえばニッケル振動器によって生み出される。そして振動は試料に導かれる。必要に応じて、例に示されるように幾つかの同一あるいは異なる音響発生器を１つの圧力容器に対して組合せることができる。また、圧力容器の異なる場所に固定することができる。しかし、１つの音響発生器であってもよい。圧力容器１０の音響刺激は、あらゆる音響発生器の各々で一定あるいは不定な時間周期で可能であり、また手動またはプログラミングで行うことができる。とくに、試料の内圧の上昇あるいは下降しているとき、音響刺激は増大あるいは減少のクロック振動数を利用して行うのが好適である。さらに、必要に応じて、テストが行われる圧力容器において、音響発生器は手動またはプログラミングで作動させることができる。音響又は振動刺激は、図１に示すように、容器の外側に対して作用させる場合の他に、加圧された圧流体を利用して容器内に作用させてもよい。例えば、パイプライン１２（供給管）の内部あるいは外部あるいはその他の箇所に設けられている振動発生手段を利用して、振動をパイプライン１２（供給管）の内部の流体に作用させることができる。これにより、容器内の圧流体に対して、直接的に振動を加えることができる。

また、圧力テスト中の圧力容器１０の変化あるいは損傷を検出する機構は音変換器を備えている。音変換器は、刺激した音響を広い音響スペクトルにわたって捕捉するように形成されており、それを出力信号として評価装置(たとえばＦＥＴ分析器)に伝えることができる。実施例では、機構は２つの異なる場所に配置されている空気マイクロフォン１８を備えている。空気マイクロフォンは、空気音（音波）を受音するためのものである。さらに、２つの物体音マイクロフォン２０を備えている。物体音マイクロフォンは、圧力容器１０の異なる位置に直接的に固定されており、圧力容器１０の物体音を捕捉することができる。音響発生器と同じように、音響変換器も追加によって、物体音響変換器または空気音響変換器のみか、物体・空気音響変換器の組合せを備えることができる。また複数の音響変換器を備えていることが好ましい。同じ種類の音響変換器か、異なる種類の音響変換器を圧力容器１０上に、あるいはその周囲の異なる場所に配置することができる。この場合、追加の基準としてスペクトルの違いが得られ、異なる場所で同時に受音することができる。

音響変換器の出力信号が伝えられる評価ユニット２２は、刺激した音響スペクトルを記憶するための記憶手段と音響スペクトルを指示された基準によって評価する加工手段を備えている。また分析結果を表示する表示手段を備えている。評価ユニット２２は同時に、音響発生器を制御するために利用することができる。とくに、任意の所望するプログラミング制御刺激を備えている。

圧力テスト中の圧力容器１０を監視するには、特に音響発生器が圧力容器の複数箇所で音響刺激を行うのが好ましい。また、この方法の場合、それが圧力容器１０内で圧上昇でも圧降下状態でも行うのが好ましい。圧力テスト中に２つの異なる時点で、必要に応じて異なる圧力によって刺激を行うのが特に好ましい。そして、異なる時点で刺激された音響スペクトルを比較することにより評価を行うのが特に好ましい。続いて、刺激された音響は、音響変換器によって物体音及び／又は空気音として受音される。音響を受音するために、幾つかの場所がある場合には、音響は幾つかの場所で同時にあるいは連続して記録され、必要に応じて記録することができる。

次に、刺激した音響の音響スペクトルを評価ユニット２２によって分析する。評価ユニットは、例えば、幾つかの受音場所がある場合は、さまざまな音響到達時間、あるいは到達時間の違いを考慮すべきであろう。また音響伝達の影響も考慮され得る。この場合、到達時間内に生じた欠陥の場所を特定することができる。

追加あるいは変更によって、圧力テスト中に、２つの異なる時点、異なる圧力によって刺激された音響スペクトルは、上昇した圧の音響スペクトルのシフトに基づいて比較することができる。図２の実線は、圧力容器１０内において、比較的低い初期圧における圧力テスト中の音響刺激後の振動数スペクトルを示している。破線で示されている振動数スペクトルは、同じ圧力容器であり、且つ同種の刺激が与えられた圧力容器の内部圧がより高い場合の振動数スペクトルを示している。見ればわかるように、圧が上昇すれば、楽器の弦の張力が上がる効果と同じように、振動数スペクトルは、形は比較的安定して、高い振動数へと通常はシフトする。したがって、図示したスペクトルによると、圧力テストを通して、傷のなかった圧力容器と考えることができる。

さらに個々の振動数の位置、振幅の高さ、振動数のピークの形、及び/又は側面上昇・下降の勾配を考慮して評価することができる。とくに、圧上昇時と圧下降時の両者において受音された音響スペクトルを考慮して評価することができる。

図３ａは、圧力テストを損傷なし、つまりひび割れなしで終了した圧力容器１０の音響エミッションの振動数スペクトルを示す。図３ｂは、相当する圧力容器ではあるが、圧力テスト中に損傷が形成された圧力容器の振動数スペクトルを示す。これは製品テストと同じように、ひび割れ、ゆるみのない部品は、個々に明確な振動数を有するとともに、比較的きれいなスペクトルを示す。一方、ひび割れ、ゆるみがあれば、多くなるばかりか、より低い周波数を有するスペクトルが得られる(いわゆるガタガタ)。これに対し、図３ｂは、「きれいな」スペクトル(図３ａ)に比較して、欠陥場所、特にひび割れが生じた場合に検出後に現れるスペクトルを示している。圧力テスト前後のスペクトルを比較することにより、このようにして圧力テストによって欠陥、とくにひび割れが生じたかを知ることができる。

したがって、圧力容器の圧力テスト前、中、そして後の音響テストは、特徴的な基準を使って、圧力テストで発生した欠陥を比較的簡単で、トラブルの危険が少ない方法で知ることができる。このようにして、圧力テスト中のひび割れ、変形等に起因して、後の工程での損傷を防ぐことができる。さらに、テストは圧力テストと同時に行うことができ、圧力容器の停止または故障時間を短縮することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

圧力テスト中の圧力容器変化または損傷検出のための装置の例。 圧力テスト中の振動数スペクトルシフトの例。 音響テスト後のひび割れのない圧力容器の音響スペクトルの例。 音響テスト後のひび割れのある圧力容器の音響スペクトルの例。

符号の説明

１０：圧力容器
１２：パイプライン
１４：打ち金
１６：ブザー
１８：空気マイクロフォン
２０：物体マイクロフォン
２２：評価ユニット

Claims (12)

1. 圧力テスト中に圧力容器を加圧しながら圧力容器の変化を検出する方法であり、
   圧力テスト中に加圧されている圧力容器を音響刺激する工程と、
   刺激された圧力容器の音響スペクトルを評価する工程と、
   を備えていることを特徴とする検出方法。
2. 音響刺激は圧力テスト中の少なくとも２つの異なる時点で実施され、好ましくは異なる内圧状態の圧力容器で実施され、
   異なる時点で刺激された音響スペクトル間の相違に関して評価することを特徴とする請求項１の検出方法。
3. 加圧は圧上昇と圧下降の局面を備えており、音響刺激は圧上昇及び／又は下降の間に実施されることを特徴とする請求項１又は２の検出方法。
4. 音響刺激は、打撃部材及び／又は設けられているブザー及び／又は磁気ひずみ効果によって実施されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの検出方法。
5. 音響刺激は、圧力容器の異なる位置で実施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの検出方法。
6. 刺激された音響は、空気音と物体音を評価するために受音されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの検出方法。
7. 音響は、いくつかの位置で受音されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの検出方法。
8. 圧力容器の異なる位置で刺激され、異なる位置で捕捉された音響スペクトルを評価するときに、音響到達時間及び／又は音響の到達時間の相違及び／又は音響伝達影響が考慮されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの検出方法。
9. 音響スペクトルは、
   全スペクトルのシフト及び／又は、
   個々の振動数の位置及び／又は、
   振幅の高さ及び／又は、
   振動数のピーク形及び／又は、
   側面上昇及び／又は下降の勾配で評価されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの検出方法。
10. 圧力テスト中の圧力容器の変化または損傷を検出する装置であり、
    圧力テスト中に加圧されている圧力容器を音響刺激する装置と、
    刺激された音響スペクトルを検出する装置と、
    刺激された圧力容器の音響スペクトルの評価する手段と、
    を備えていることを特徴とする検出装置。
11. 音響刺激用の装置は、圧力容器の異なる位置において音響刺激する手段を備えていることを特徴とする請求項１０の検出装置。
12. 刺激された音響スペクトルを検出する装置は、異なる位置において物体音及び／又は空気音として音響スペクトルを検出する手段を備えていることを特徴とする請求項１０又は１１の検出装置。

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