JP2005308544A - 電位差法による亀裂進展モニタリング装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
配管の亀裂を推定する電位差法であって、数ｍｍの大きさの亀裂を十分高い精度で推定できるようにする。
【解決手段】
配管表面に設置された直流電流供給用電極と、複数の測定用電極と、該複数の測定用電極に接続された電位差測定装置と、予め準備された複数の電位差データを記憶する記憶装置と、前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する比較装置を有する配管の亀裂検出装置であって、前記直流電流供給用電極から直流パルス電流を供給し、前記測定用電極で測定したデータと予め準備されたデータを比較装置で比較することによって亀裂を特定するシステムを提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は配管等に生じる亀裂の検出および亀裂の進展のモニタリング装置および方法に関し、特に大径管の亀裂検出に関する。

配管の特に溶接部に発生する亀裂の検出には一般に亀裂近傍の電位差を測定するいわゆる電位差法が用いられている。発電所等で使用する大径管では配管の肉厚に対して半径方向の亀裂を検出する必要がある。

しかしながら従来の電位差法では使用する電流が小さいために配管の肉厚に対して数ｍｍの精度で亀裂を検出することが困難であった。例えば特開平１−１１０２４８に開示された技術は複数の測定用電極を用いて測定した電圧の値とマスターカーブを比較することにより亀裂の位置、大きさ、亀裂の変化速度などが推定できることが記載されているが、数ｍｍの精度で検出することについては記載されていない。また特開２００１−２３５１０４では、亀裂進展速度の評価に関して試験片を使用するものであり、本発明のようにマスターカーブを使用するものではない。よって亀裂の大きさについては試験片に発生した大きさに依存してしまう問題がある。特開２００１−１４１６８３では複数の測定用電極を用いているが、入力する電流は交流である。よって周波数が高い場合には表皮効果により電流が配管表面に流れるため、肉厚内部の亀裂を検出できない欠点がある。これらの文献では高い精度で亀裂を検出することはいずれも記載されておらず、通常使用される電流値とシミュレーションではおのずと限界があることは当業者には既知である。
特開平１−１１０２４８ 特開２００１−２３５１０４ 特開２００１−１４１６８３

配管の亀裂による電圧の変化は非常に小さいため、上記のように配管の肉厚に対して数ｍｍの大きさの亀裂を検出するにはより大きな電流を流す必要がある。しかしながら大電流は配管を加熱させるため長時間流すことが出来ないという問題があった。

上述の問題に鑑みて、本発明は配管表面に設置された直流電流供給用電極と、複数の測定用電極と、該複数の測定用電極に接続された電位差測定装置と、予め準備された複数の電位差データを記憶する記憶装置と、前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する比較装置を有する配管の亀裂検出装置であって、前記直流電流供給用電極から１００アンペア以上の直流パルス電流を供給し、前記測定用電極で測定したデータと予め準備されたデータを比較装置で比較することによって亀裂を特定するシステムを提供する。つまりパルス電流を用いることによって配管により多くの電流を流すことが出来るようになる。また直流パルス電流のパルス幅は１秒以内である。

これによって測定したデータはあらかじめ計算したいわゆるシミュレーション結果と比較して亀裂の位置を予測するものである。したがって、前記予め準備されたデータは、亀裂の位置、形状、大きさおよび方向を表す値を変数として複数のモデルを数値解析することによって得られた電位差データであるシステムも提供する。このように実測された測定値とシミュレーション結果と比較することにより、亀裂検出を行うことが出来る。

このようにして得られた結果は、亀裂の長さと亀裂の深さ方向の位置となる。またシミュレーションとして数値解析に用いるモデルは配管の実際の構造を平板状に展開したモデルを用いる。つまり断面が円形の配管のうち、配管を周回して戻る電界を計算から省くことによりいわゆるマスターカーブの計算をより高速に行うことが出来る。

また配管の亀裂は通常は時間と共に進展していく場合が多い。よって、亀裂の進展を検出するために、配管表面に設置された直流電流供給用電極と、複数の測定用電極と、該複数の測定用電極に接続された電位差測定装置と、予め準備された複数の電位差データを記憶する記憶装置と、前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する比較装置を有する配管の亀裂検出装置であって、前記直流電流供給用電極から１００アンペア以上の直流パルス電流を供給し、前記測定用電極で測定したデータと予め準備されたデータを比較装置で比較するシステムを提供する。これによってリアルタイムで配管の亀裂の変化を検出することが出来る。このときのパルス幅はミリ秒オーダーであり、１秒以内でかつ定常電界が得られる時間が好ましい。

このようなシステムを用いて亀裂の検出を行う方法として、配管表面に設置された直流電流供給用電極から１００アンペア以上の直流パルス電流を供給する過程と、複数の測定用電極で電位差を測定する過程と、前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する過程と、前記比較に基づいて逆問題を解くことで亀裂を特定する方法を提案する。つまり測定結果とあらかじめ計算した結果を比較する方法により亀裂を特定する方法である。

上記方法において計算する値は電位差データである。この方法はまた亀裂の進展を検出することもできる。つまり測定結果を用いた逆問題を時系列的に解くことによって亀裂の進展を検出することが出来る。

さらにこの方法では、配管表面に設置された直流電流供給用電極から直流パルス電流を供給する過程と、複数の測定用電極で電位差を測定する過程と、前記電位差測定装置で測定された電位差データを記憶する過程と、任意の測定電極の電極対の電位が正から負に転じたことによって亀裂の有無の検出を行う方法を提案する。つまり測定電極の極性を亀裂の状態を判断するパラメータとして用いることに特徴を有している。

以下に本発明を図を用いて説明する。図１は本発明の全体的な構成を示した概略図である。本発明は逆問題を解くことによって亀裂の位置を推定するシステムである。よって事前にシミュレーション４によって亀裂推定に必要なデータを生成することが必要である。シミュレーション４にはＦＥＭ（有限要素法）が用いられる。しかしながらこれに限定されるものではなく、データを生成するのに必要な計算であればよい。または実験によって得られたデータを用いることも出来る。シミュレーション４では平板の縦、横、高さに関して計算を行い、亀裂のアスペクト比を様々に変化させた場合を計算する。

次に得られたデータをデータベース５に記憶させておく。該データベースはメインコンピュータ６と接続されており、送信された測定結果を用いてシミュレーション結果と比較することによって亀裂の位置を推定する。詳細は後述するが、測定１は配管の外部表面に取り付けられた測定用電極により電位分布を測定し、結果をデータロガー装置２に記憶させる。記憶したデータはコンピュータ３により、ネットワーク等でメインコンピュータ６に送信され、上記記載のように亀裂位置を推定する。

次に各工程を説明する。まずシミュレーションによってマスターカーブを生成する。本実施例ではＦＥＭを用いた。図２に計算する際のモデルを概略的に示した。一般的に配管は断面が円形であるが、本実施例では図２に示したように配管を展開して、被測定領域８を切り出した平板状のモデルを用いた。これによってＦＥＭで計算を行う際の節点数を大幅に減少させることが出来る。

またシミュレーションによって得られた結果は図１に示したようにデータベースに蓄えられる。

図３は測定時において配管に直流電流供給用電極９（以後、供給用電極と称する）、および測定用電極７を設置した図である。測定用電極７は配管の溶接線１０を覆うように配置され、供給用電極９は被測定領域８の内部に設置される。溶接線１０内、つまり溶接領域に亀裂１１が存在する場合、近隣の測定用電極で電位差が測定される。

ここで本実施例では測定用電極７は５０ｍｍ間隔で設置し、供給用電極９には２００アンペアのパルス電流を流した。しかしながら本発明における供給電流値はこれに限定されるものではなく、１００アンペア以上であればよい。該電流値に要求される精度は±０．５％である。またパルス幅は１秒以内であればよく、ミリ秒オーダーにすることが出来る。しかし定常電界が得られる程度の時間は必要である。測定用電極７では配管外部表面の電位を測定しデータロガー装置２に記録する。また測定用電極７は複数設置するため、測定領域の電圧のマップが記録されることになる。これをコンピュータを経由してメインコンピュータに伝送し、データベースに蓄えられたシミュレーション結果と比較して亀裂の推定を行う。

前記記載のように供給用電極から出力する電流は好ましくは１００アンペア以上であるが、より好ましくは２００アンペアである。ここで２００アンペアにおける実験結果を図４に示す。供給電流１２は２００アンペアで一定であり、亀裂の進展に伴って電極間の電位差が増大していることがわかる。この電位差の値とマスターカーブを比較して亀裂の大きさを推定する。図５、６にはマスターカーブの例を示した。図５では亀裂の高さと長さの比、いわゆるアスペクト比は０．５とした場合のマスターカーブである。また図６はアスペクト比が０．２５である。

検出する亀裂の大きさは、他の電流値、例えば５０アンペア、１００アンペアでのマスターカーブから、母材の厚さに対して亀裂検出の閾値を決定することとなる。本実施例においては２００アンペアの電流を用いたが、図６に示したように、この電流では母材の厚さに対して２０％の大きさの亀裂を検出することが出来る。

このような測定および比較を時系列的に行うことによって亀裂の進展状態を推定することも出来る。

実際の測定では図４に示したように各電極について測定される電圧が時間と共に上昇する。しかしながら亀裂の近傍では、該亀裂による電位差の上昇により周囲の電場に影響を与えるため、近隣の電極で電圧が降下する現象が見られる。よってこの現象を検出することによって測定データとして亀裂の進展を知ることが出来る。また、電圧が降下し負の値になる領域では亀裂は発生していない。よって亀裂周辺の状況が測定データから知ることが出来る。

ここで亀裂の推定に用いるマスターカーブは推定の精度に影響を与えるものであることは当業者には明白である。推定精度を上げるためには試験等により得られたデータを用いてマスターカーブを修正することが有効である。例えば、試験中に測定を途中で停止させ、超音波探傷試験などにより亀裂の長さおよび深さ、或いは形状等を測定する。この結果をマスターカーブで仮定した亀裂のアスペクト比の修正に用いる。

他の方法としては測定結果から大まかな亀裂の長さが推定できると、マスターカーブで仮定したアスペクト比から亀裂の深さを推定することが出来る。亀裂が一定のアスペクト比で進展していくと仮定すると、材料の条件（温度、応力）による亀裂進展特性、および測定中の亀裂進展データの変化率から、該亀裂の実際のアスペクト比を推定することが出来る。つまり、ある時点での測定データから亀裂の位置、形状等の候補が複数導き出され、測定データのその後の変化から候補を絞り込むことによって亀裂の位置、形状を推定する。これによって予測精度を向上させることが出来る。

本発明は電位差法による亀裂推定であるが、通常の電位差法に比べて亀裂の推定精度が高いことが特徴である。本願発明者は実際に肉厚１００ｍｍ、１００００時間使用後の大径管を用いて実験を行った。これによると本発明のシステムにより亀裂が３０ｍｍであると推定された後、実際の亀裂を測定したところ、亀裂の長さは１９ｍｍであった。実際の亀裂が推定値を超えていないため、保安上好ましい値である。このような値に測定できるのは大電流値を用いたためであり、上記記載のように１００アンペア以上の大電流を使用しているがパルス幅が１秒以内のパルス電流であるため熱の発生を低く抑えることが出来るからである。さらに本願発明者はマスターカーブの計算には配管全体の形状を用いるのではなく、被測定領域を平板状にしたモデルで計算しても、数ｍｍの亀裂を十分高い精度で推定できることを見いだしており、これによって計算を高速化することが出来るようになった。また推定精度を上げるためにマスターカーブの修正に実測値を用いる方法も提案した。

図１は本発明を概略的に説明するブロック図である。 図２はマスターカーブを作成する際に使用するシミュレーションのモデルである。 図３は本発明の測定を行う際の電極の配置を示した図である。 図４は本発明のシステムを用いた実測値である。 図５はアスペクト比０．５におけるマスターカーブの一例である。 図６はアスペクト比０．２５におけるマスターカーブの一例である。

符号の説明

７ 測定用電極
８ 被測定領域
９ 直流電流供給用電極
１０ 溶接線
１１ 亀裂

Claims (11)

1. 配管表面に設置された直流電流供給用電極と、複数の測定用電極と、該複数の測定用電極に接続された電位差測定装置と、予め準備された複数の電位差データを記憶する記憶装置と、前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する比較装置を有する配管の亀裂検出装置であって、
   前記直流電流供給用電極から１００アンペア以上の直流パルス電流を供給し、前記測定用電極で測定したデータと予め準備されたデータを比較装置で比較することによって亀裂を特定するシステム。
2. 前記直流パルス電流のパルス幅は１秒以下である請求項１に記載のシステム。
3. 前記予め準備されたデータは、亀裂の位置、形状、大きさおよび方向を表す値を変数として複数のモデルを数値解析することによって得られた電位差データである上記請求項１または２に記載のシステム。
4. 特定された結果は亀裂の長さと亀裂の深さ方向の位置である請求項１に記載のシステム。
5. 前記数値解析モデルは、現実の配管構造を平板状に展開したものである請求項３に記載のシステム。
6. 配管表面に設置された直流電流供給用電極と、複数の測定用電極と、該複数の測定用電極に接続された電位差測定装置と、予め準備された複数の電位差データを記憶する記憶装置と、前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する比較装置を有する配管の亀裂検出装置であって、
   前記直流電流供給用電極から１００アンペア以上の直流パルス電流を供給し、前記測定用電極で測定したデータと予め準備されたデータを比較装置で比較することによって亀裂の進展を検出するシステム。
7. 配管表面に設置された直流電流供給用電極から１００アンペア以上の直流パルス電流を供給する過程と、
   複数の測定用電極で電位差を測定する過程と、
   前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する過程と、
   前記比較に基づいて逆問題を解くことで亀裂を特定する方法。
8. 前記直流パルス電流のパルス幅は１秒以下である請求項７に記載の方法。
9. 前記予め準備された電位差データは、数値解析モデルを解析することによって得られた電位差データである請求項７に記載の方法。
10. 配管表面に設置された直流電流供給用電極から直流パルス電流を供給する過程と、
    複数の測定用電極で電位差を測定する過程と、
    前記電位差測定装置で測定された電位差データと予め準備された電位差データとを比較する過程と、
    前記比較に基づいて亀裂の進展を検出する方法。
11. 配管表面に設置された直流電流供給用電極から直流パルス電流を供給する過程と、
    複数の測定用電極で電位差を測定する過程と、
    前記電位差測定装置で測定された電位差データを記憶する過程と、
    任意の測定電極の電極対の電位が正から負に転じたことによって亀裂の有無の検出を行う方法。

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