JP2010054434A - 弁診断方法及び弁診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弁棒の異常を検知するセンサを取り付けるために弁体や弁棒に改造を施すことなく、精度よく弁体や弁棒の振動を監視し、弁体や弁棒の異常の兆候を早期に検知することのできる弁診断方法及び弁診断装置を提供する。
【解決手段】超音波パルス送受信装置による超音波の送受信を行う超音波センサ４ａ〜４ｄを、弁箱３の外側に設け、超音波センサ４ａ〜４ｄにより、弁棒２又は弁体１に向けて超音波を送信し、弁棒２又は弁体１から反射された超音波を受信して、弁棒２又は弁体１の振動による変位を繰り返して計測することによって弁棒２又は弁体１の振動を検知し、この検知された弁棒２又は弁体１の振動に基づいて異常を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラントを構成する弁装置の健全性を診断するための弁診断方法及び弁診断装置に関する。

従来から、例えば発電プラント等の各種のプラントでは、プラント及びプラントを構成する機器の異常の発生を早期に検知し、健全性を確保することを目的として、機器の振動やプロセス値などの監視を行い、振動やプロセス値の変化からその状態の変化を検知し、異常の有無を判断している。

このようなプラントにおける診断においては、特に、プラントのメンテナンス作業の効率化、コスト低減を目的として、プラントの運転中に対象機器を分解点検することなく状態を判断するための技術が必要とされている。

回転機械の場合、加速度信号を測定して、振動レベルや周波数特性を元にして、良否の判定や異常の原因推定等の診断が行われている。電動弁等の弁装置は、プラントにおいて多数使用されており、不具合が発生した場合は、プラントの停止に至る場合もある。弁装置においては、定期点検時に分解点検することにより、不具合を未然に防止する方法のほか、プラントの運転中に、点検のために一時的に弁装置を駆動させることにより正常に動作するかどうかを確認する方法がとられている。この点検方法は、主に駆動部の良否を判断するものである。

プラントの運転中において、電動弁の診断を短時間に行う技術として、電動弁駆動部の振動の他、電流、トルク、リミットスイッチの信号等を診断装置により測定し、それぞれのレベルや駆動のタイミングを分析評価することにより、診断を行う技術が知られているる（例えば、特許文献１参照。）。この診断技術は、駆動部にかかる負荷の異常や駆動部の部品の摩耗等によるガタ等、電動弁の駆動部の異常を診断するものである。この特許文献１に記載の技術は、駆動部の負荷を監視するものであるため、弁棒については、かじりや折損について診断する機能を有している。弁装置においては、トルク異常や弁体のかじり、弁体の異常振動等により、弁棒が折損する不具合が発生する場合があり、弁棒の良否を診断する技術が必要とされている。

弁棒の亀裂の発生を検知する技術としては、弁棒の上端に超音波探触子を設置し、入射した超音波が内部を伝播し、弁のバックシート部で反射された超音波の到達時間を検出することにより、弁棒のバックシート部の亀裂の発生を検知する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。また、振動を測定することにより、弁棒の振動を評価し、弁棒の疲労を評価する技術がある（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００２−１３０５３１号公報 特許第２８６８８６１号公報 特公平１−４１８７３号公報

前述のように弁装置においては、トルク異常や弁体のかじり、弁体の異常振動等により、弁棒が折損する不具合が発生する場合があり、弁棒の良否を診断する技術が必要とされている。従来の方法として、特許文献１に記載されている方法の場合、弁棒にかかる負荷の状況から良否を判定するため、弁棒にかかる負荷の低下により弁棒が折損に至ったことは検知可能である。しかしながら、この技術では、弁棒が折損に至る以前にその兆候を捉えることは困難である。

また、特許文献２に記載されている方法は、弁棒に亀裂が発生したことを検知する機能を有している。しかしながら、弁棒に亀裂が発生した場合、プラントの運転状況や弁の開度状況によるが、弁内の流れにより弁棒が短時間に折損に至る場合もある。このため、亀裂発生前に弁棒の異常を未然に防ぐため、異常の兆候を捉える技術が必要である。

特許文献３の方法は、弁箱や弁棒に振動計を設置することにより、弁箱や弁棒の振動を計測し、振動データを分析することにより弁棒の応力を評価する方法である。さらにその応力評価結果と疲労曲線を基にして、弁棒に異常が発生する限界を推定するものである。この方法は、弁棒に異常が発生する前に、今後どの程度の時間運転が可能か推定することが可能であり、亀裂の発生を未然に防ぐことができる。

しかしながら、振動の計測は、弁の静止部や弁体および弁棒の稼動部に加速度計を取り付けることにより行われる。弁棒の異常を検知するには、弁体や弁棒の振動を直接測定する方が精度よい評価が可能であるが、弁体や弁棒に加速度計を設置するためには、弁体や弁棒に対して、加速度計を取り付けるための改造や加工が必要となる。さらに、弁体の流体が流れる部分に加速度計を取り付けるとなれば、流れの影響を受けて加速度計が外れないようにすることが必要となるとともに、加速度計の信号線を弁体の外側に引き出すための仕組みが必要となるという問題点がある。一方、弁棒に加速度計を取り付ける場合、弁体の外側の露出している部分への取り付けは容易であるが、この場合、振れの大きいと予想される弁体から離れた位置の振れを測定することとなるため、評価の精度が低くなることが予想される。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、弁棒の異常を検知するセンサを取り付けるために弁体や弁棒に改造を施すことなく、精度よく弁体や弁棒の振動を監視し、弁体や弁棒の異常の兆候を早期に検知することのできる弁診断方法及び弁診断装置を提供しようとするものである。

本発明に係る弁診断方法は、弁箱内に収容された弁体と、前記弁体と接続され前記弁体を駆動するための弁棒とを有する弁装置の異常を診断する弁診断方法であって、超音波パルス送受信装置による超音波の送受信を行う超音波センサを、前記弁箱の外側に設け、前記超音波センサにより、前記弁棒又は前記弁体に向けて超音波を送信し、前記弁棒又は前記弁体から反射された超音波を受信して、前記弁棒又は前記弁体の振動による変位を繰り返して計測することによって前記弁棒又は前記弁体の振動を検知し、この検知された前記弁棒又は前記弁体の振動と、予め収集された正常時の振動データとを比較して異常を診断することを特徴とする。

本発明に係る弁診断装置は、弁箱内に収容された弁体と、前記弁体と接続され前記弁体を駆動するための弁棒とを有する弁装置の異常を診断する弁診断装置であって、前記弁箱の外側に配置される超音波センサを有し、前記超音波センサから前記弁箱内の前記弁棒又は前記弁体に向けて超音波を送信し、前記弁棒又は前記弁体から反射された超音波を前記超音波センサにより受信する超音波パルス送受信装置と、前記超音波パルス送受信装置による受信波形をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部により変換された受信波のデジタル値を演算処理し、受信波の時間波形の形状の変化から前記弁棒又は前記弁体の振動変位の時間変化を示す振動波形を求める信号処理部と、前記信号処理部によって得られた振動波形から振動の周波数特性を求める振動変換部と、診断対象の弁装置に関する振動のデータを収容する機器データベースと、前記信号処理部で得られた振動波形及び前記振動変換部で得られた振動の周波数特性と前記機器データベースに予め収容された正常時の振動データとを比較して異常の有無を診断する振動判定部とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、弁棒の異常を検知するセンサを取り付けるために弁体や弁棒に改造を施すことなく、精度よく弁体や弁棒の振動を監視し、弁体や弁棒の異常の兆候を早期に検知することのできる弁診断方法及び弁診断装置を提供することができる。

以下、本発明の弁診断方法及び弁診断装置の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本実施形態において診断の対象となる弁装置の一例の断面概略構成を模式的に示すものであり、図１（ａ）は、縦断面構成を示し、図１（ｂ）は横断面構成をしめしている。また、図２は、本実施形態の弁診断方法の工程を示すフローチャートである。図１において、１は流体（例えば水など）の流路を開閉し、又流路の開度を調整するための弁体を示している。この弁体１は、弁棒２の一端にネジ等で固定されている。

弁体１は、弁箱３内に収容されており、弁棒２の弁体１と接続された側とは反対側の端部は弁箱３の外側に導出され、弁装置の駆動部（図示せず。）に接続されている。そして、この弁装置の駆動部によって弁体１と弁棒２は上下に移動するように構成されている。このように、弁体１を上下動させた時の弁体１と弁箱３の隙間量により、流体の流量を調節できるようになっている。この時、弁体１と弁箱３の隙間を流れる流体の流体力により弁体１と弁棒２は振動することになる。その流体力により弁棒が疲労し、条件によっては亀裂の発生やさらには破断にいたる場合がある。

ここで、上記の弁体１、弁棒２の振動の検出を行う場合、前述した従来の技術では、弁体１や弁棒２に加速度計を取り付けて振動を計測するが、この場合は、加速度計の取り付けのために弁体１や弁棒２を改造する必要があった。これに対して本実施形態では、弁体１や弁棒２に直接センサ等を取り付けることなく、弁箱３の外側から弁体１、弁棒２の振動の検出を行う。

すなわち、図１に示すように、弁箱３の外側に、１又は複数（図１に示す例では４つ）の超音波センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを配置する（図２の工程２０１）。図１（ａ）に示した超音波センサ４ａ、４ｂは、弁棒２の軸方向に沿って設けた場合を示している。また、図１（ｂ）に示した超音波センサ４ｃ、４ｄは、弁箱３の周方向に沿って設けた場合を示している。

ここで、弁診断装置の構成について説明する。図３は、本実施形態に係る弁診断装置１００の構成を示すブロック図である。図３に示すように、弁診断装置１００は、超音波パルス送受信装置１０１、Ａ／Ｄ変換部１０２、信号処理部１０３、振動変換部１０４、表示部１０５、振動判定部１０６、機器データベース１０７を具備している。超音波パルス送受信装置１０１には、図１に示した超音波センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが接続されている。

そして、超音波パルス送受信装置１０１によって発生させた超音波パルスが超音波センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを介して弁箱３内に照射され、弁体１又は弁棒２によって反射された超音波パルスが超音波センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを介して超音波パルス送受信装置１０１によって検出される（図２の工程２０２）。

ここでは、超音波センサ４ａを例にして以後の処理を説明する。超音波パルス送受信装置１０１により超音波センサ４ａから超音波パルスが発信されると、発信されたパルスは弁箱３を透過し、内部の流体を伝播し、弁棒２又は弁体１まで伝播する。超音波パルスは、弁棒２又は弁体１で反射され再び、流体中、弁箱３を伝播し超音波センサ４ａにより受信される。超音波センサ４ａにより受信された信号は、送受信装置１０１によって検出され、Ａ／Ｄ変換部１０２によりデジタル信号に変換され、信号処理部１０３に時間波形として保存される。

縦軸をエコーレベル、横軸を時間とした図４に、超音波受信波の時間波形の例を示す。図４の中の受信エコー領域（１）は、発信されたパルスが弁箱３の中で多重反射したものを受信している領域である。また、受信エコー領域（２）は、弁棒２あるいは弁体１表面からの反射された多重エコーである。

縦軸をエコーレベル、横軸を時間とした図５に、上記した受信エコー領域（２）の超音波受信波を拡大したものを示す。弁体１あるいは弁棒２が超音波の伝播方向に振動している場合、超音波が弁体１あるいは弁棒２に到達するまでの時間が振動量分だけ変化するため、受信波は受信波５ａおよび受信波５ｂのように時間軸方向に移動した形状となる。

したがって、超音波パルスを送受信し、信号処理部１０３により時間波形の形状変化から超音波バルスの戻り時間の変化量を算出し（図２の工程２０３）、超音波の速度と掛け合わせることで、弁体１あるいは弁棒２の振動量（振動変位の量）が算出される（図２の工程２０４）。

例えば、計測対象が水中にある場合を考える。水中での超音波の速度１５００ｍ／ｓｅｃとし、受信波の時間軸方向の変化量が１０ｎｓｅｃとすると、１５００（ｍ／ｓｅｃ）×１０（ｎｓｅｃ）／２＝７．５μｍの振動量（振動変位の量）を計測できたこととなる。

このような振動量（振動変位の量）の検出を連続的に繰り返して行い、所定数のデータ得ることにより（図２の工程２０２〜２０５）、結果として、信号処理部１０３において縦軸を振動値、横軸を時間とした図６（ａ）に示すような振動波形（振動によるの変異の時間変化）のデータを得ることができる（図２の工程２０６）。

図６（ａ）に示すような振動波形のデータを得ることにより、振動の大きさを監視することが可能となる。これとともに、振動変換部１０４において周波数分析を行い図６（ｂ）に示すような周波数特性を得ることにより（図２の工程２０７）、周波数成分を把握することが可能となる。また、超音波センサ４ａ，４ｂを図１（ａ）のように弁棒２の軸方向に複数設置することで、それぞれの超音波センサ４ａ，４ｂで得られた振動から弁体１や弁棒２の動きをより詳細に分析することが可能となる。また、図１（ｂ）に示すように、弁箱３の周方向に２ヶ所以上超音波センサ４ｃ，４ｄを設置することで弁棒２の水平方向の２次元の振動を把握することが可能となる。弁装置は、弁体１の開度および流量条件によって振動する方向が一様ではないため、このように複数の超音波センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにより振動を詳細に把握することが好ましい。

以上のような処理により図６（ａ）に示すような弁体１や弁棒２の振動波形（振動による変位量の時間変化）が得られる。この振動波形を基にして、振動判定部１０６において振動の最大値や実効値により異常の有無を判定することが可能である。また、さらに周波数分析を行うことにより、図６（ｂ）に示すような周波数特性を得ることができ、この周波数特性から振動判定部１０６において異常の兆候を捉えることが可能となる。

例えば、弁装置の開度設定や流量設定のミスにより弁体１や弁棒２にかかる流体力が大きくなった場合は、振動レベルが高くなったり、固有振動数の振動が励起されることにより特有の周波数のレベルが増加する。これらの変化の兆候を、測定された振動と、機器データベース１０７に予め収容された正常時の振動データと比較することにより、その差異から異常を検知することができ、弁体１や弁棒２の異常を早期に検知することができる。

他の異常の発生例としては、例えば、弁体１と弁棒２の取り付け部に緩みが生じた場合、弁体１と弁箱３のすきまが不安定になるため、結果的に弁体１や弁棒２を振動させることなり、疲労が進む場合がある。このような場合においても振動波形あるいは周波数特性に変化が起きるため、その変化を捉えることにより、弁体１や弁棒２の異常を早期に検知できることとなる。

縦軸を振動値（最大値又は実効値）、横軸を運転時間とした図７は、運転時間の経過とともに、振動値（最大値又は実効値）が増大した例を示している。また、縦軸を振動値、横軸を周波数とした図８は、弁体１のがたつきによる振動増加例（低周波領域）、固有振動数での振動増加例、全体的な振動増加時の例を破線で示している。なお、同図において通常時の振動を実線で示してある。

上記のような通常時の振動の状態、固有振動数、弁体１のがたつき等の一定の原因による振動増加例等の異常時の振動データを予め実験等により収集し、機器データベース１０７に収容しておき、振動判定部１０６において、信号処理部１０３によって得られた振動波形及び振動変換部１０４によって得られた振動の周波数特性と、機器データベース１０７に収容された正常時の振動データとを比較して、弁体１、弁棒２の異常や疲労状態を評価することができる（図２の工程２０８）。例えば、図６に示すように運転時間の経過とともに、振動値が増大した場合、その振動値が一定レベルを超えた際にメンテナンスが必要な旨を表示部１０５に表示する（図２の工程２０９）。あるいは、図７に示すような、低周波領域における振動増加が検知された場合は、弁体１のがたつきによる振動増加と判定して、その旨を表示部１０５に表示する（図２の工程２０９）、等により弁装置の異常を診断することができる。

図９は、他の超音波センサの配置例を示している。この図９に示すように、弁箱３の下面の弁体１および弁棒２の軸方向の位置に、超音波センサ４ｅを設置してもよい。この場合、弁体１が振動している場合、反射してくる超音波の強度が変化することにより、弁体１の振動の大きさを把握することが可能となる。

以上に説明したように上記実施形態では、弁装置を改造することなく精度よく弁体や弁棒の振動を計測することが可能となり、弁体や弁棒の異常を早期に検知することが可能となる。これによりメンテナンスの効率化を図れるとともにプラントの健全性を確保できることとなる。

本発明の一実施形態を説明するための弁装置の断面図。 本発明の一実施形態の弁診断方法の工程を示すフローチャート。 本発明の一実施形態の弁診断装置の構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態における超音波波形の例を示す図。 図４の波形の一部を拡大して示す図。 得られた振動波形の例を示す図。 運転時間による振動の変化の例を示す図。 振動増加の周波数分布の例を示す図。 超音波センサの他の配置例を示すための弁装置の断面図。

符号の説明

１……弁体、２……弁棒、３……弁箱、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ……超音波センサ。

Claims (7)

1. 弁箱内に収容された弁体と、前記弁体と接続され前記弁体を駆動するための弁棒とを有する弁装置の異常を診断する弁診断方法であって、
   超音波パルス送受信装置による超音波の送受信を行う超音波センサを、前記弁箱の外側に設け、
   前記超音波センサにより、前記弁棒又は前記弁体に向けて超音波を送信し、前記弁棒又は前記弁体から反射された超音波を受信して、前記弁棒又は前記弁体の振動による変位を繰り返して計測することによって前記弁棒又は前記弁体の振動を検知し、この検知された前記弁棒又は前記弁体の振動と、予め収集された正常時の振動データとを比較して異常を診断することを特徴とする弁診断方法。
2. 前記弁棒又は前記弁体の振動による変位のデータに基づいて得られた前記弁棒又は前記弁体の振動波形又は振動の周波数特性から前記弁棒又は前記弁体の異常の有無を判定することを特徴とする請求項１記載の弁診断方法。
3. 前記超音波センサを、前記弁棒の軸方向に沿って２ヶ所以上設置することを特徴とする請求項１または２記載の弁診断方法。
4. 前記超音波センサを、前記弁箱の周方向に沿って２ヶ所以上設置することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の弁診断方法。
5. 前記超音波センサを、前記弁箱の底面に設置することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の弁診断方法。
6. 弁箱内に収容された弁体と、前記弁体と接続され前記弁体を駆動するための弁棒とを有する弁装置の異常を診断する弁診断装置であって、
   前記弁箱の外側に配置される超音波センサを有し、前記超音波センサから前記弁箱内の前記弁棒又は前記弁体に向けて超音波を送信し、前記弁棒又は前記弁体から反射された超音波を前記超音波センサにより受信する超音波パルス送受信装置と、
   前記超音波パルス送受信装置による受信波形をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部により変換された受信波のデジタル値を演算処理し、受信波の時間波形の形状の変化から前記弁棒又は前記弁体の振動変位の時間変化を示す振動波形を求める信号処理部と、
   前記信号処理部によって得られた振動波形から振動の周波数特性を求める振動変換部と、
   診断対象の弁装置に関する振動のデータを収容する機器データベースと、
   前記信号処理部で得られた振動波形及び前記振動変換部で得られた振動の周波数特性と前記機器データベースに予め収容された正常時の振動データとを比較して異常の有無を診断する振動判定部と
   を具備したことを特徴とする弁診断装置。
7. 前記超音波パルス送受信装置が、前記超音波センサを複数具備したことを特徴とする請求項６記載の弁診断装置。

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