JP2005337890A - 磁器絶縁物の検査方法および診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の探触子を用いて磁器絶縁物の外面から磁器絶縁物の内部劣化の進行度合いを診断する方法および装置を提案する。
【解決手段】端面１´近くに金具２が装着されている磁器絶縁物１の金具付近の劣化を超音波探傷法により診断する方法において、磁器絶縁物１の金具付近の外面１１で金具よりも前記磁器絶縁物端面から離れる位置に超音波探傷用の探触子６を当てる。そして、超音波を磁器絶縁物の端面１´のエッジから反射エコーが得られる磁器絶縁物への入射角θおよびビーム広がり角αで磁器絶縁物内部に送信し、その反射エコーに基づいて磁器絶縁物の劣化を診断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁器製の碍管、碍子などの磁器絶縁物の劣化（材質劣化、亀裂など）を、超音波探傷法を利用して検出し診断する磁器絶縁物の診断方法及び装置に関する。

電力機器などの絶縁に使用される磁器製碍管などの劣化は、製造時の欠陥の進展により、あるいは碍管に装着した金具の固定用セメント（セメンチング部）のアルカリ成分が磁器材質に変質をもたらすことにより、生じることが知られている。このような劣化を非破壊検査により検出する従来の方法として、超音波探傷法が提案されている。

例えば、特開平５−５７２５号公報には、磁器製碍管の欠陥部を複数の探触子による超音波ビームのエコーの変化を観測することにより検出する碍管劣化検出法が記載されている。この特許文献では、特にセメントのアルカリ成分により磁器製碍管が変質すると超音波ビームは減衰し、その反射エコー高さは欠陥部（変質）が存在する場合としない場合とで、大きく変化するという点に着目している。そして、複数の超音波探触子を用いてそれらの反射エコー高さを比較することによって健全部と欠陥部を検出している。

また、特開平５−３２２８６０号公報には、碍管の内面側から超音波探傷により碍管の欠陥の有無を検出する方法を提案している。具体的には、探触子を複数有する回転シャフトを、碍管内で軸方向の移動を伴いながら回転させ、探触子の位置を変えながら超音波探傷を行っている。

特開平５−５７２５号公報

特開平５−３２２８６０号公報

従来の超音波探傷による碍管劣化検出方法では、複数の探触子を用いる必要があった。また、欠陥部の判定は、他の探触子との比較で反射エコー高さが微弱になったことを検出して行っており、欠陥部を定量的に評価する技術は開示していない。また、できるだけ少ない探触子で欠陥部の位置検出する技術は提案されていなかった。さらに、碍管の余寿命診断をするほどの欠陥部検出精度を有していない。

本発明は、少なくとも上記した課題の一つを解決できる超音波探傷法による碍管などの診断（検査）方法および診断装置を提供することを意図する。

本発明は、上記目的を達成するために、基本的には、次のような診断方法を提案する。

すなわち、端面近くに金具が装着されている磁器絶縁物の金具付近の劣化を超音波探傷により診断する方法において、磁器絶縁物の金具付近の外面で金具よりも前記磁器絶縁物端面から離れる位置に超音波探傷用の探触子を当てる。そして、超音波を前記磁器絶縁物の端面のエッジから反射エコーが得られる磁器絶縁物への入射角およびビーム広がり角で磁器絶縁物内部に送信し、その反射エコーに基づいて前記磁器絶縁物の劣化を診断することを特徴とする。

例えば、前記磁器絶縁物が、セメンチングにより端面付近に金具を装着した碍管である場合には、前記超音波を碍管端面の内側エッジおよび外側エッジから反射エコーが得られる磁器絶縁物への入射角およびビーム広がり角で碍管内面方向に送信する。そして、少なくとも前記外側エッジからの反射エコーにより碍管のセメンチング部付近の劣化を診断する。或いはその反射エコーの戻り時間の時間的変化から前記碍管の亀裂および亀裂位置の少なくとも一つを検出する。

本発明によれば、単一の探触子を用いて磁器絶縁物の外面から磁器絶縁物の内部劣化の進行度合いを診断することができる。

本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１実施例に適用される碍管の円周方向の１／４断面図、およびその一端付近を超音波探傷する状態を部分的に拡大して示す図である。

図１において、磁器製碍管１はその外面に複数の笠部１ａが形成され、その両端に碍管固定用の金具２が装着されている。金具２の内周と碍管１の外周との間にはセメント３が充填され（いわゆる「セメンチング」と称される）、このセメント３を介して金具２が碍管１の端面近くの外周１１に装着される。碍管１における金具装着付近には、セメント３のアルカリ成分により材質劣化が生じることがある。その劣化メカニズムを図２により説明する。

図２は、碍管１を、金具２を介して支持ベース４にボルト５により取付けた状態の部分断面図である。碍管１は縦置きにして取付けてある。碍管１は屋外に設置されるために、碍管外周とセメントの間に雨水などの水分が図２の矢印で示す経路で徐々にセメンチング部３に浸入する。セメンチング部３に浸入した水分は、セメントと接触してアルカリ性の性質を帯び、図１(ａ)に示す、釉薬が施されていない碍管端面１´や素地が出現したサンド部（図３“Ｐ”参照）から碍管内部に進行し、碍管内部でアルカリシリカ反応が発生して材質劣化（変質）が生じる。さらに材質劣化が進行すると碍管に亀裂が発生する。

本実施例では、このような材質劣化の進行度合いを、次のようにして劣化診断する。

図１の（a）に示すように、碍管１の金具２付近の外周面１１で金具２よりも碍管端面１´から離れる位置、例えば金具２とそれに最寄りの笠部１aとの間の碍管外周面に超音波探傷用の探触子６を当てる。探触子６からの超音波のビームは、図１（a）及び図３に示すような入射角θおよび円錐状のビームの断面広がり角αをもって碍管１の金具付近の内面１０および碍管端面の内側エッジ１Ａに及ぶ領域に向けて送信される。

このような送信方向によって、超音波の一部Ｗ_Ａは、碍管端面１´の内側エッジ１Ａに直接当たるために（エッジに対して直角に当たる）、その反射エコーが図示のＷ_Ａの戻り軌跡（矢印と逆方向の軌跡）で探触子６に跳ね返る（これを反射エコーＷ_Ａと称する）。また、超音波の一部Ｗ_Ｂは、碍管内面１０で端面外側エッジ１Ｂに向けて反射し、その後に端面外側エッジ１Ｂに直角に当たるために、この反射エコーが図示のＷ_Ｂの戻り軌跡（矢印と逆方向の軌跡）で探触子６に跳ね返る（これを反射エコーＷ_Ｂと称する）。すなわち、超音波は、碍管端面１´の内側エッジ１Ａおよび外側エッジ１Ｂから反射エコーが得られる斜角およびビーム広がり角で碍管内面方向に送信される。

図１（b）は、探触子６から送信される送信波Ｔと、それに基づく前記内側エッジからの反射エコーＷ_Ａおよび反射エコーＷ_Ｂと、反射エコーＷ_Ｂの波形の高さ（波高値）hと、その戻り時間（換言すれば、各反射エコーの戻りの軌跡の距離）Ｗ_Ａ´，Ｗ_Ｂ´とを示す模式図である。これは、例えば図４に示すような実際に測定される探傷波形例に基づき作成されたものである。

図１（b）および図４に示すように、送信波Ｔの反射エコーは、碍管端面の内側エッジ１Ａからの反射エコーＷ_Ａが第１波として検出され、その後に外側エッジからの反射エコーＷ_Ｂが第２波として検出される。

前記したセメンチング部のアルカリシリカ反応による碍管の劣化（変質）は、図１（a）の符号Ｄに示すように、碍管端面１´付近の碍管内部で生じて進展し易い。この碍管劣化部を超音波が通過すると反射エコーは小さくなる。その理由は、材質が脆弱になることにより材質密度が密から疎になり超音波が散乱することが原因と考えられる。本発明者らは、この超音波探傷法の反射エコー高さ（波高値）と碍管の機械的強度の低下（曲げ破壊強度の低下）の相関性を見出し、劣化診断手法を確立するものである。

ＷＢの反射エコー高さｈを事前に測定した碍管の機械的強度（曲げ破壊強度）を測定したところ、図５に示すように反射エコーＷ_Ｂの反射エコー高さが低下するほど、碍管の機械的強度が新品と比較して低下していることを確認した。図５の横軸は、反射エコーＷ_Ｂの反射エコー高さを送信波Ｔとの比で示し、縦軸は、対初期値との比較において、破壊点曲げ破壊強度低下状況を示したものである。

反射エコーＷ_Ｂの軌跡は、碍管劣化の初期発生となる場所を通る確率が高いために、この反射エコーＷ_Ｂの反射エコー高さから碍管劣化を診断することは極めて有効である。

そこで、本実施例では、検出された第２波（反射エコーＷ_Ｂ）の反射エコー高さから碍管の材質の劣化度合いを定量的に診断する。なお、第１波（反射エコーＷ_Ａ）の軌跡に碍管劣化部が存在すれば、上記同様にその検出エコー信号の高さは小さくなるので、この第１波の検出も併用して碍管劣化を検出してもよい。本実施例では、そのようにしている。

なお、材質劣化の初期発生の目安の判定基準としては、例えば、反射エコー高さを８０％とし、それ以下だと材質劣化が進行していると判定する。この判定数値は、一例であり、これに限定されるものではない。また、耐震強度などの関係から碍管交換に必要な反射エコー高さの判定基準値を設定することが可能である。

上記実施例では、碍管の材質の変質劣化を定量的に検出する診断方法を例示したが、上記の反射エコーを利用することにより、亀裂の発生およびその位置を検出することもできる。以下、亀裂検出の見地からの碍管劣化診断について図３、図１（b）、図６（a）(ｂ)を用いて説明する。

超音波の進行経路に亀裂が発生している場合、その亀裂位置で超音波は反射して反射エコーは元の経路で辿って探触子６の位置に戻る。特に、図３に示すように、碍管１の金具２付近（図３では、金具２は省略しているが、それをセメンチングするためのサンド部Ｐを図示している）にアルカリシリカ反応による劣化進行のさらなる進展による亀裂Ｃが生じる場合には、その亀裂位置で、超音波ビームの一部（第２波である）の反射エコーＷ_ＢＣが探触子６側に元の経路を辿り戻される。この場合には、反射エコーＷ_ＢＣの軌跡（距離：戻り時間）Ｗ_ＢＣ´は、亀裂の無い場合の反射エコーＷ_Ｂの軌跡Ｗ_Ｂ´よりも短くなる。

したがって、反射エコーＷ_ＢＣの第２波に時間的変化が生じるとその時間変化に基づき碍管に亀裂が生じているものと診断することが可能になる。或いは反射エコーＷ_ＢＣの軌跡（距離：戻り時間）Ｗ_ＢＣ´の長さから、その亀裂診断の位置検出を行なうことも可能になる。さらに、亀裂を検出した反射エコーの第２波Ｗ_ＢＣの戻り時間と送信波Ｔの入射角度θとを用いて、下記式に示すように、碍管内部に生じた亀裂の座標（X,Y）を求めることもできる。

ここで、座標の原点は碍管端面の内側エッジ１Ａとし、Ｓは、図３に示すように、碍管端面１´から探触子６までの距離、ｔは碍管の肉厚である。ここで、θについては、超音波がビーム幅を持つことから幅があるが、ある基準のθを特定すれば、上記座標を上記式により容易に算出できる。この亀裂位置Ｃを表示したのが図６、図７である。図６、図７において、亀裂発生位置Ｃ_１，Ｃ_２が異なることから、第２波である各反射エコーＷ_ＢＣ１、Ｗ_ＢＣ２の軌跡（距離：戻り時間）Ｗ_ＢＣ１´、Ｗ_ＢＣ２´及びそれらの超音波の入射角θ１、θ２も変化する。破線Ｅは、入射角θを変えながらＷ_ＢＣ１´、Ｗ_ＢＣ２´の等距離をプロットしたものであり、このようなＷ_ＢＣ１´、Ｗ_ＢＣ２´が健常な碍管の反射エコーの等距離プロットＷ_Ｂ´以下になれば、亀裂が発生しているものと推定可能である。

また、図３に示す、探触子６を当てた位置（超音波入射点）から碍管端面１´までの距離Sと、反射エコーの第１波および第２波の軌跡（距離：戻り時間）Ｗ_Ａ´，Ｗ_ＢＣ´とを用いて、次式によって碍管１の端面１´から亀裂Cの発生位置までの距離Lを求めることができる。

ここで、Scは、碍管１における亀裂発生位置から探触子６までの距離である。

しかして、以上の各実施例によれば、単数の探触子によって、碍管劣化の定量的診断を碍管外周部から容易に行なうことができ、また、亀裂発生および亀裂発生位置を精度良く検出することができる。

図１（ｂ）、図４に示すようなグラフを計測器７（図１（ａ）参照）を通して表示することで、観測者が碍管の劣化（変質、亀裂）を目視で判断することも可能であるが、次のような演算機能を測定器７に与えて碍管の劣化を自動診断することも可能である。すなわち、反射エコーの第２波Ｗ_Ｂ（或いはそれに加えて第１波Ｗ_Ａ）の対初期値比或いは送信波Ｔに対する比が所定の判定基準値よりも小さいか否か判定し、小さい場合にはその度合いから定量判定する。

以上のように本発明は、超音波探傷用の探触子と、前記探触子を介して得られる反射エコー高さを計測し、その計測値から碍管の材質劣化の度合いを診断し、その診断結果を表示する計測器とを備えた磁器絶縁物の診断装置も提案する。

また、計測器７に数１式、数２式のような計算機能を与えて、探触子６を介して得られる反射エコー軌跡データ（反射エコーの第１波、第２波の時間或いは距離データ）や上記数式に用いる距離データＳに基づいて上記数式演算を実行することで亀裂発生位置を自動検出することができる。なお、反射エコーの距離データは、反射エコーの戻り時間と、超音波の単位時間あたりの伝播距離（超音波の伝搬速度）の積から容易に求めることができる。

なお、この場合に、計測器７に設定しておく判定条件を図７に示す。この図７のテーブルに示すように、ケース１として、前記反射エコーの第２波Ｗ_Ｂが所定値以上、その軌跡（時間、距離）Ｗ_Ｂ´が所定値以上であれば、碍管は健常と判断する。

ケース２として、Ｗ_Ｂが所定値以下、その軌跡（時間、距離）Ｗ_Ｂ´が所定値以上であれば、碍管は変質有りと判断する。

ケース３として、Ｗ_Ｂが所定値以上、その軌跡（時間、距離）Ｗ_Ｂ´が所定値以下であれば、碍管は亀裂有りと判断する。

ケース４として、Ｗ_Ｂが所定値以下、その軌跡（時間、距離）Ｗ_Ｂ´が所定値以下であれば、碍管は変質及び亀裂有りと判断する。

以上のように、本発明は、超音波探傷用の探触子と、前記探触子を介して得られる反射エコーの戻り時間（距離）を計測し、その計測値と前記超音波の入射角とを用いて前記磁器絶縁物の亀裂位置を検出し、その亀裂位置を表示する計測器とを備えてなる磁器絶縁物の診断装置も提案する。なお、本実施例は、単数の探触子を用いるほかに複数の探触子を用いて劣化診断することも可能である。

図１（ａ）は、本発明の第１実施例に適用される碍管の円周方向の１／４断面図、およびその一端付近を超音波探傷する状態を部分的に拡大して示す図。図１（ｂ）は、探触子から発信される送信波Ｔと、それに基づく前記内側エッジからの反射エコーＷ_Ａおよび反射エコーＷ_Ｂと、反射エコーＷ_Ｂの波形の高さ（波高値）hと、その戻り時間（換言すれば、各反射エコーの戻りの軌跡の距離）Ｗ_Ａ´，Ｗ_Ｂ´とを示す模式図。 碍管を、金具を介して支持ベースに取付けた状態および外部からの水分の浸入経路を示す部分断面図。 本発明の碍管劣化診断方法に係る実施例を示す模式図。 本発明の実施例の碍管劣化診断に用いる探傷波形例を示すグラフ。 碍管に適用される超音波探傷法による反射エコー高さと破壊点曲げ破壊応力低下状況を示すグラフ。 本発明の碍管劣化診断方法の他の実施例として亀裂検出の原理を示す模式図。 本発明の碍管劣化診断装置に用いる判定条件を示すテーブル。

符号の説明

１…碍管、２…金具、３…セメンチング部、６…探触子、７…診断装置。

Claims (9)

1. 端面近くに金具が装着されている磁器絶縁物の金具付近の劣化を超音波探傷法により診断する方法において、前記磁器絶縁物の金具付近の外面で前記金具よりも前記磁器絶縁物の端面から離れる位置に超音波探傷用の探触子を当て、超音波を前記磁器絶縁物の端面のエッジから反射エコーが得られる入射角およびビーム広がり角で磁器絶縁物内部に送信し、その反射エコーに基づいて前記磁器絶縁物の劣化を診断することを特徴とする磁器絶縁物の劣化診断方法。
2. 請求項１において、前記磁器絶縁物は、モルタルセメントにより端面付近に金具をセメンチングした碍管であり、前記超音波を碍管端面の内側エッジおよび外側エッジから反射エコーが得られる磁器絶縁物への入射角およびビーム広がり角で碍管内面方向に送信し、少なくとも前記外側エッジからの反射エコーにより前記碍管のセメンチング部付近の劣化を診断する磁器絶縁物の劣化診断方法。
3. 請求項２において、前記超音波の反射エコーは、前記碍管端面の内側エッジからの反射エコーが第１波として検出され、その後に前記外側エッジからの反射エコーが第２波として検出され、少なくとも前記第２波の反射エコー高さから前記碍管の材質の劣化度合いを診断する磁器絶縁物の劣化診断方法。
4. 請求項２において、前記超音波の反射エコーは、その軌跡に亀裂の無い条件では前記碍管端面の内側エッジからの反射エコーが第１波として検出され、その後に前記外側エッジからの反射エコーが第２波として検出され、前記第２波に時間的変化が生じるとその時間変化に基づき前記碍管に亀裂が生じているものと診断し、或いはその亀裂診断の位置検出をも可能とした磁器絶縁物の劣化診断方法。
5. 請求項４において、前記反射エコーの第２波の戻り時間と前記超音波の磁器絶縁物への入射角度とを用いて前記碍管内部に生じた亀裂の座標を求める磁器絶縁物の劣化診断方法。
6. 請求項４において、前記探触子を当てた位置から前記碍管端面までの距離と、前記反射エコーの第１波および第２波の戻り時間とを用いて前記碍管の端面から前記亀裂の発生位置までの距離を求める磁器絶縁物の劣化診断方法。
7. 磁器絶縁物の欠陥部の検出に用いる超音波探傷用の探触子と、
   前記探触子を介して得られる反射エコー高さを計測し、その計測値から前記磁器絶縁物の材質劣化の度合いを診断し、その診断結果を表示する計測器と、
   を備えてなる磁器絶縁物の診断装置。
8. 請求項７において、前記超音波に対する前記反射エコー高さの相対的な差或いは初期値比から前記磁器絶縁物の材質の劣化度合いを診断する磁器絶縁物の診断装置。
9. 磁器絶縁物の欠陥部の検出に用いる超音波探傷用の探触子と、
   前記探触子を介して得られる反射エコーの戻り時間を計測し、その計測値と前記超音波の磁器絶縁物への入射角とを用いて前記磁器絶縁物の亀裂位置を検出し、その亀裂位置を表示する計測器と、を備えてなる磁器絶縁物の診断装置。
   

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