JP2005345224A - 配管腐食検出用の電磁超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】配管の腐食や傷の配管円周方向の位置を検出することができる電磁超音波センサを提供する。
【解決手段】配管１０の傷を検出する電磁超音波センサにおいて、配管の円周方向の第１の位置Ｐ０に配置され、配管に磁界を供給する第１の磁界供給手段３０と配管に渦電流を発生させる渦電流発生用コイル３２とを有し、当該配管に超音波を発生させる送信ユニットＴＸと、配管の円周方向の少なくとも第２及び第３の位置に配置され、配管に磁界を供給する第２の磁界供給手段５０と第１の位置Ｐ０から円周方向に伝播してきた超音波によって配管に発生する渦電流を検出する渦電流検出用コイル５２とを有する複数の受信ユニットとを有する。そして、第１の位置Ｐ０から前記第２の位置Ｐ１までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なり、更に、第１の位置Ｐ０から第３の位置Ｐ２までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、配管腐食検出用の電磁超音波センサに関し、特に、配管に非接触でかつ腐食などの傷の位置も検出することができる電磁超音波センサに関する。

様々な媒体が通過する配管の腐食などの傷を検出するためのセンサとして、（１）リモート渦流センサ、（２）超音波センサ、（３）電磁超音波センサなどが提案されている。リモート渦流センサは、配管の一端に位置するコイルにより配管に電磁界を発生させ、その磁界を配管外表面上を伝播させ、配管の他端に位置するコイルにより伝播してきた電磁界を検出するものであり、センサ感度を上げるためにはコイルを大型化する必要があり、それに伴って、配管の全周において電磁界を発生させ配管全周を伝播してきた電磁界を検出するので、腐食などの傷の円周方向の位置を検出することができない。

また、超音波センサは、配管の厚み方向に超音波を送出し反射超音波を検出することで、超音波の伝播時間により配管の厚みを検出し、腐食や傷が存在する箇所を検出するものである。例えば、特許文献１〜３に記載されている。または、配管の第１の位置で斜め方向に超音波を送出し、第１の位置から離間した第２の位置で反射超音波を検出し、配管の腐食や配管内面のライナーの損傷を検出するものが、特許文献４に記載されている。更に、配管の一端で超音波を送出し他端側で伝播してきた超音波を検出し、その透過減衰量を測定して配管の腐食や傷を検出するものが、特許文献５に記載されている。

かかる超音波センサは、センサと被検査物との間に水や油などの接触媒質を必要とし、配管内部に水が存在する水道配管や温水配管などの検査には適しているが、ガス配管のように配管内部が気体である配管には適していない。

更に、電磁超音波センサは、コイルを利用した電磁気の原理により被検査物に超音波を発生させ、伝播してきた超音波をコイルを利用した電磁気の原理により検出するものであり、超音波を配管の長手方向に伝播させたり、配管の厚み方向に伝播させたりすることで、腐食や傷を検出する。配管に腐食などの傷が存在すると、伝播してきた超音波の波形に乱れや歪みが生じるので、それを検出することで、伝播路内の傷の存在を検出することができる。電磁超音波センサは、圧電振動子を利用する超音波センサとは異なり、被検査物と非接触で測定することができるので、ガス配管などの腐食や傷の検出に適している。かかる電磁超音波センサは、例えば、非特許文献１及び特許文献６に記載されている。
特開２００３−２７０２１６号公報 特開平１１−１６０２９５号公報 特開２００３−２７０２１７号公報 特開２００３−２５４９４２号公報 特開２０００−５５８９０号公報 特開２００１−３３４３１号公報 非破壊検査第５１巻２号、２００２年、６２〜６７頁 非破壊検査第５１巻２号、２００２年、７４〜７８頁

前述のとおり、非接触で検査可能な電磁超音波センサは、ガス配管などの配管の腐食や傷の探索には適しているが、円周方向における腐食や傷の位置を検出するためには、例えば、配管の厚み方向に伝播する超音波を発生させる電磁超音波センサを使用し、全周にわたってセンサを移動させることが必要であり、例えば、大口径のガス配管につき円周方向の位置を含めた腐食や傷の検出には不向きであるという課題がある。

そこで、本発明の目的は、配管の腐食や傷の配管円周方向の位置を検出することができる電磁超音波センサを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面によれば、配管の傷を検出する電磁超音波センサにおいて、
前記配管の円周方向の第１の位置に配置され、前記配管に磁界を供給する第１の磁界供給手段と前記配管に渦電流を発生させる渦電流発生用コイルとを有し、当該配管に超音波を発生させる送信ユニットと、
前記配管の円周方向の少なくとも第２及び第３の位置に配置され、前記配管に磁界を供給する第２の磁界供給手段と前記第１の位置から前記円周方向に伝播してきた超音波によって前記配管に発生する渦電流を検出する渦電流検出用コイルとを有する複数の受信ユニットとを有し、
前記第１の位置から前記第２の位置までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なり、更に、前記第１の位置から前記第３の位置までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なることを特徴とする。

上記の第１の側面において、好ましい実施例では、前記第２及び第３の位置に配置される受信ユニットは、前記送信ユニットにより超音波発生時から短伝播路を伝播してきた超音波を検出する第１波の検出と、長伝播路を伝播してきた超音波を検出する第２波の検出とを行い、前記複数の受信ユニットそれぞれの第１波及び第２波の検出の組合せにより、前記配管の傷の円周方向の位置を検出することを特徴とする。

本発明によれば、超音波を送出する送信ユニットと伝播してきた超音波を検出する複数の受信ユニットとを設け、送信ユニットの位置から互いに異なる円周方向に沿って異なる伝播路長の位置に複数の受信ユニットを配置することにより、配管の傷の検出と共に傷の円周方向の位置も検出することができる。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

図１は、本実施の形態が検査対象の一つとしているガス配管の構造と設置状態を示す図である。ガス配管１０は、例えば、鉄管１２とその周囲に腐食防止用に設けられた塗覆装１４とで構成され、地面２０内の所定の深さ位置に埋設される。ライニングとして塗覆装１４を設けることで鉄管１２が腐食したり傷がついたりすることが防止されるものの、埋設工事中に又は何からの原因で塗覆装１４に形成される傷を通して水分が鉄管１２と塗覆装１４との間に染み込み、鉄管１２に腐食が形成されたり、鉄管１２自体に傷が形成されたりすることがある。一般には、このようなガス配管１０は、古い配管を新しい配管に置き換えたり、必要な補修を施すことで、メンテナンスが行われるが、必要に応じて、配管の腐食や傷を簡単に検出することが望まれる。

また、ガス配管は、大口径から小口径まで種々存在するが、大口径の場合は、配管の長手方向のどの位置に腐食や傷が存在するという情報だけでなく、円周方向のどの位置に腐食や傷が存在するという情報も得られれば、地面をその位置に対応する必要な深さ及び必要な箇所だけ掘削してガス配管１０の腐食や傷の状態を確認することができるので、好ましい。また、掘削するまでもなく、円周方向のどの位置に腐食や傷が存在するという情報が得られれば、その位置の管内面に配管の肉厚を検出可能な電磁超音波センサを配置して、配管の腐食または傷の大きさを定量化することができる。

図２は、本実施の形態における電磁超音波センサの原理説明図である。電磁超音波センサは、配管１０の第１の位置に送信ユニットＴＸを配置し、第１の位置から離間した第２の位置に受信ユニットＲＥを配置する。そして、送信ユニットＴＸは、被検査物である鉄管１２に直流磁界３０Ｈを供給する永久磁石などの磁界供給手段３０と、磁界供給手段３０と被検査物の鉄管１２との間に設けられ、被検査物の鉄管１２に渦電流を発生させる送信用コイル３２と、送信用コイル３２を所定の交流電流で駆動する電流駆動ユニット３４とを有する。磁界供給手段３０により磁界３０Ｈが被検査物の鉄管１２に発生している状態で、送信用コイル３２に電流を流すことにより磁界３２Ｈが生成され、この磁界３２の発生に応答して、被検査物の鉄管１２内に渦電流３６が発生する。その結果、磁界３０Ｈ内で生じた渦電流３６により鉄管１２にローレンツ力が発生し、鉄管１２を歪ませ、超音波３８が鉄管内に発生する。この超音波３８は、破線４０のように被検査物の鉄管１２または塗覆装１４を伝播する。

一方、第２の位置に配置された受信ユニットＲＥも、送信ユニットと同様に、被検査物である鉄管１２に直流磁界５０Ｈを供給する永久磁石などの磁界供給手段５０と、磁界供給手段５０と被検査物の鉄管１２との間に設けられ、被検査物の鉄管１２に発生する渦電流を検出する受信用の渦電流検出用コイル５２と、渦電流検出用コイル５２に誘起される電流を検出する電流検出ユニット５４とを有する。鉄管１２及び塗覆装１４を伝播してきた超音波３８により、受信ユニットＲＥが設けられた位置の鉄管１２にも振動または歪みが発生する。磁界５０Ｈが発生しているところで鉄管１２が振動または歪むことで物理的変位が発生すると、それに伴って渦電流４２が発生し、この渦電流による磁界４２Ｈを打ち消す方向に受信コイル５２に電流が誘起される。この誘起された電流が電流検出ユニット５４により検出される。

送信ユニットＴＸと受信ユニットＲＥとの間の鉄管１２に腐食２２などの傷が存在すると、その傷の存在により傷が存在しない場合と比較して超音波の伝播特性が異なり、受信ユニットＲＥが検出する検出電流に乱れが生じるので、腐食などの傷の存在を検出することができる。

図２中に示した磁界３０Ｈ、３２Ｈ、５０Ｈ、４２Ｈの方向は一例であり、この方向に限定されるわけではない。前述の非特許文献２には、被検査物である金属材料の音速度と、コイル間隔と、コイル駆動電流の周波数とに依存して、超音波の方向が特定されることが記載されている。従って、それらの値を適宜選択することにより、鉄管１２の左右方向に超音波３８を伝播させることができる。

図３は、本実施の形態における配管の傷の円周方向の位置を検出できる電磁超音波センサの構成図である。図３には、配管１０の断面図が示されている。この電磁超音波センサは、指示部６０を中心にして、１個の送信ユニットＴＸと、２個の受信ユニットＲＥ１、ＲＥ２とが設けられ、更に、エンコーダ６２が設けられている。送信ユニットＴＸの構成は図２に示したものと同じであり、永久磁石からなる磁界供給手段と送信用コイルに加えて、更に配管内を移動可能にする車輪３５が設けられている。また、受信ユニットＲＥ１、ＲＥ２の構成も図２に示したものと同じであり、磁界供給手段と受信用コイルに加えて、車輪５５が設けられている。

図４は、本実施の形態における電磁超音波センサの横から見た図である。図４では、ガスは配管１０の長手方向の断面図が示され、その中に送信ユニットＴＸと受信ユニットＲＥとを有するセンサが矢印方向に移動可能であることが示されている。本実施の形態の電磁超音波センサによれば、センサを配管の長手方向に移動させながら、それぞれの位置における傷の存在を検出することができ、更に、円周方向の傷の位置も検出することができる。

図３に戻り、位置Ｐ０に配置された送信ユニットＴＸは、前述した原理により配管１０の円周方向の時計回りと反時計回りに超音波を送出する。そして、両方向に伝播した超音波が、位置Ｐ１に配置された第１の受信ユニットＲＥ１により検出される。つまり、受信ユニットＲＥ１は、送信ユニットの配置位置Ｐ０から時計回りの短伝播路ＳＰの位置と反時計回りの長伝播路ＬＰの位置に配置される。従って、受信ユニットＲＥ１は、短伝播路ＳＰを伝播してきた超音波と、長伝播路ＬＰを伝播してきた超音波とを異なるタイミングで区別して検出することができる。第２の受信ユニットＲＥ２は、位置Ｐ２に配置され、第１の受信ユニットＲＥ１と同様に、送信ユニットＴＸから送出された超音波を、短伝播路経由の超音波と長伝播路経由の超音波とを区別して検出することができる。

このように、受信ユニットＲＥ１、ＲＥ２を、送信ユニットＴＸの位置からの円周方向について反対方向の距離が異なる位置Ｐ１またはＰ２に配置することで、それぞれの受信ユニットが、短伝播路と長伝播路をそれぞれ経由する超音波を検出することができるので、配管に形成された腐食や傷の円周方向の位置を検出することができる。

図５は、本実施の形態における電磁超音波センサを使用した時の腐食位置と受信ユニットの受信状態との関係を示す図である。図３に示した電磁超音波センサは、送信ユニットＴＸが配置された位置Ｐ０と受信ユニットＲＥ１、ＲＥ２が配置された位置Ｐ１、Ｐ２との間（図５の図表のそれぞれ位置１、２）と、２つの受信ユニットＲＥ１、ＲＥ２が配置された位置Ｐ１とＰ２との間（図５の図表の位置３）とに存在する腐食または傷を区別して検出することができる。図５において、ケース１〜８は、それぞれ位置１、２、３のいずれか一カ所または２カ所または３カ所に腐食または傷が存在する場合（図表のＸ）を区別して示している。

まず、ケース１は、センサが配置された配管の円周方向のいずれにも腐食または傷が存在しない場合であり、この場合は、２つの受信ユニットが検出する第１波と第２波の超音波には、腐食または傷が原因となる波形の乱れまたは歪みが検出されない。ケース２は、位置１（位置Ｐ０とＰ１との間の位置）に腐食または傷が存在する場合であり、この場合は、第１の受信ユニットＲＥ１が受信超音波の第１波に波形の乱れまたは歪みを検出し、第２の受信ユニットＲＥ２が第２波に波形の乱れまたは歪みを検出する。ケース３は、位置２（位置Ｐ０とＰ２との間の位置）に腐食または傷が存在する場合であり、この場合は、第１の受信ユニットＲＥ１が受信超音波の第２波に波形の乱れまたは歪みを検出し、第２の受信ユニットＲＥ２が第１波に波形の乱れまたは歪みを検出する。そして、ケース４は、位置３（位置Ｐ１とＰ２との間の位置）に腐食または傷が存在する場合であり、この場合は、第１及び第２の受信ユニットＲＥ１，ＲＥ２は、共に第２波に波形の乱れ等を検出する。以上のとおり、１カ所にのみ腐食等が存在する場合は、２つの受信ユニットの検出結果により、３つの位置１，２，３のいずれの位置かを簡単に検出することができる。

次に、ケース５〜７は、位置１，２，３のいずれか２つの位置に腐食等が存在する場合である。ケース５では、第１、第２の受信ユニットＲＥ１，ＲＥ２が、第１波及び第２波のいずれでも波形の乱れ等を検出する。また、ケース６では、第１の受信ユニットＲＥ１が、第１及び第２波のいずれでも波形の乱れ等を検出し、第２の受信ユニットＲＥ２が、第１波では検出せず第２波で強い波形の乱れ等を検出する。そして、ケース７では、逆に、第２の受信ユニットＲＥ２が、第１及び第２波のいずれでも波形の乱れ等を検出し、第１の受信ユニットＲＥ１が、第１波では検出せず第２波で強い波形の乱れ等を検出する。従って、これらのケースも区別することができる。

最後に、ケース８では、３つの位置１，２，３の全てに腐食等が存在する場合であり、この場合は、第１及び第２の受信ユニットＲＥ１，ＲＥ２は、第１波で波形の乱れ等を検出し、第２波で強い波形の乱れ等を検出する。したがって、ケース５の場合と同様に、２つの受信ユニットが第１、第２波の波形の乱れを検出し、区別がやや困難になる。しかしながら、ケース８の場合は、いずれの第２波でも強い乱れが検出されるので、その点によりケース５と区別することができる可能性がある。また、受信信号の乱れの強弱を検出することが困難な場合は、センサの円周方向の位置を例えば１２０°回転移動し、ケース５をケース６またはケース７の状態にすることで、ケース８との区別が可能になる。

以上のように、発信ユニットからの円周方向の時計回りと反時計回りの距離が異なる位置に受信ユニットを配置することで、短伝播路を経由する超音波を時間的に先に到達する第１波の超音波により検出することができ、長伝播路を経由する超音波を時間的に後に到着する第２波の超音波により検出することができる。従って、複数箇所に受信ユニットを設けることで、各受信ユニットと送信ユニット間の位置の腐食等を検出することができる。

図３の例では、腐食等が存在する位置を３つの位置１，２，３にしか区別できない。そこで、この区別可能な位置を増やすためには、受信ユニットを増加させる必要がある。

図６は、４個の受信ユニットを設けた電磁超音波センサの構成図である。この例は、配管１０の円周方向に沿って、位置Ｐ１０に送信ユニットＴＸを、位置Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４にそれぞれ受信ユニットＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４を配置している。それぞれの受信ユニットＲＥ１〜ＲＥ４は、送信ユニットＴＸの位置から短伝播路と長伝播路を経由して伝播してくる超音波を区別して検出することができる。従って、図３の例と同様に、それぞれの受信ユニットの第１波と第２波の検出結果を組み合わせることで、配管の腐食等の位置をユニット間の位置で区別して検出することができる。

図７は、本実施の形態における電磁超音波センサの変形例を示す図である。この変形例では、配管１０の外側に送信ユニットＴＸと受信ユニットＲＥ１，ＲＥ２が配置されている例である。これらのユニットは何らかの保持手段６０により一体に保持され、配管の長手方向に移動可能である。このように各ユニットを配管の外側に設けても、その動作原理と、配管の腐食等の円周方向の位置の検出方法は、図３の場合と同じである。

上記の電磁超音波センサを図４に示したように配管１０の長手方向に移動しながら腐食や傷などを探索することで、配管に形成された腐食や傷の存在と配管の長手方向の位置とを検出することができる。更に、腐食や傷の配管円周方向の位置も同時に検出することができる。そこで、検出された位置に、配管の肉厚方向（垂直方向）に超音波を伝播させ、その反射超音波を検出する垂直探傷型の電磁超音波センサを移動させることで、検出された腐食や傷の深さを検出することができる。また、地面を掘削して配管をチェックする必要がある場合は、電磁超音波センサにより検出された位置が地表面側に近い位置か遠い位置かにより、地面を掘削する量を最適化することができる。

上記の電磁超音波センサに変えて、圧電素子を利用して超音波を発信し、受信する超音波センサを用いても、超音波センサを有する発信ユニットと受信ユニットの位置を上記電磁超音波センサのようにＰ０，Ｐ１，Ｐ２に配置することで、同様に、配管の腐食や傷の円周方向の位置を検出することもできる。但し、その場合は、発信ユニットと受信ユニットを、適切な媒質を介して配管に接触させる必要がある。

本実施の形態が検査対象の一つとしているガス配管の構造と設置状態を示す図である。 本実施の形態における電磁超音波センサの原理説明図である。 本実施の形態における配管の傷の円周方向の位置を検出できる電磁超音波センサの構成図である。 本実施の形態における電磁超音波センサの横から見た図である。 本実施の形態における電磁超音波センサを使用した時の腐食位置と受信ユニットの受信状態との関係を示す図である。 ４個の受信ユニットを設けた電磁超音波センサの構成図である。 本実施の形態における電磁超音波センサの変形例を示す図である。

符号の説明

ＴＸ：送信ユニット、ＲＥ１、ＲＥ２：受信ユニット
Ｐ１：第１の位置、Ｐ２：第２の位置
３０：磁界供給手段、３２：渦電流発生用コイル、
５０：磁界供給手段、５２：渦電流検出用コイル

Claims (3)

1. 配管の傷を検出する電磁超音波センサにおいて、
   前記配管の円周方向の第１の位置に配置され、前記配管に磁界を供給する第１の磁界供給手段と前記配管に渦電流を発生させる渦電流発生用コイルとを有し、当該配管に超音波を発生させる送信ユニットと、
   前記配管の円周方向の少なくとも第２及び第３の位置に配置され、前記配管に磁界を供給する第２の磁界供給手段と前記第１の位置から前記円周方向に伝播してきた超音波によって前記配管に発生する渦電流を検出する渦電流検出用コイルとを有する複数の受信ユニットとを有し、
   前記第１の位置から前記第２の位置までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なり、更に、前記第１の位置から前記第３の位置までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なることを特徴とする電磁超音波センサ。
2. 配管の傷を検出する超音波センサにおいて、
   前記配管の円周方向の第１の位置に配置され、当該配管に超音波を発生させる送信ユニットと、
   前記配管の円周方向の少なくとも第２及び第３の位置に配置され、前記第１の位置から前記円周方向に伝播してきた超音波を検出する複数の受信ユニットとを有し、
   前記第１の位置から前記第２の位置までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なり、更に、前記第１の位置から前記第３の位置までの互いに異なる前記円周方向に沿った２つの伝播路長が異なることを特徴とする電磁超音波センサ。
3. 請求項１または２において、
   前記第１及び第２の位置に配置される受信ユニットは、前記送信ユニットにより超音波発生時から短伝播路を伝播してきた超音波を検出する第１波の検出と、長伝播路を伝播してきた超音波を検出する第２波の検出とを行い、前記複数の受信ユニットそれぞれの第１波及び第２波の検出の組合せにより、前記配管の傷の円周方向の位置を検出することを特徴とする電磁超音波センサ。

Images