JP2014085199A

JP2014085199A - 厚肉チューブの外面亀裂の超音波検査方法及び超音波検査装置

Info

Publication number: JP2014085199A
Application number: JP2012233575A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Koyanagi; 雅行小柳; Toshiharu Sakai; 俊晴堺井; Toshishige Ideushi; 利重出牛
Original assignee: Japan Polyethylene Corp; Japan Industrial Testing Co Ltd
Current assignee: Japan Polyethylene Corp; Japan Industrial Testing Co Ltd
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】チューブの接続部の円周方向の溶接に沿って発生する亀裂に対して内挿入式超音波検査装置で検査することが可能な装置は存在したが、軸方向に発生した亀裂を検出する装置は存在しなかった。
【解決手段】超音波探触子でチューブ内表面の法線に対して常に一定の角度で超音波を入射させ、亀裂の先端で発生する回折波を捉え、亀裂の有無と亀裂の深さを検査する。
【選択図】図１

Description

超音波検査方法による化学プラントや石油プラントなどの高圧力下で使用される、高圧熱交換器チューブや加熱管、厚肉高圧配管等のチューブの外面に発生した亀裂の検査において、管内に挿入して詳細な検査を実施する装置に関するものである。

高圧熱交換器チューブや加熱管、厚肉高圧配管等は長時間使われ、圧力の変動を繰り返し受けることにより亀裂が発生することがある。そのため定期的に健全性を確認する必要がある。一般的に熱交換チューブや加熱管は密集して組み立てられており外面から肉眼で確認することや非破壊検査をすることは困難である。そのため、従来は抜き取りで取り外し外面から検査を実施、または外面を圧縮空気等で満たし亀裂による漏洩の有無を確認していた。従来の技術では、全数の検査が困難であり、または亀裂が貫通するに至るまで発見できなかった。

また、従来の超音波検査による外表面の亀裂検出もチューブの軸方向に斜めに超音波を入射する方法であり、チューブの周方向に発生する亀裂は検出できるが、入射方向と平行な軸方向の亀裂を検出することは出来なかった。

特許文献１によれば、超音波検査で縦波の超音波を管の内表面から斜角で入射し外表面で反射させ軸方向の亀裂を検査する方法が記載されている。しかしながら、パイプラインのような大口径の管で外表面に腐食などの凹凸がない場合しか検査できなかった。

本発明によれば、熱交換器チューブの直管部のみならず曲管部においても全面を詳細にスキャンし、亀裂先端からの回折波を捉え、また亀裂の無い場合の外表面からの反射波との時間差を色別の分布図として表示することで容易に識別可能となる。

特許公開公報２００６−２８４５７８号

石油・化学プラントで使われている高圧熱交換器や加熱炉の熱交換チューブは長時間使われることによって亀裂が発生することがある。そのため定期的に健全性を確認する必要がある。一般的に熱交換チューブは密集して組み立てられており外面から肉眼で確認することや亀裂の有無を確認することは困難である。そのため、従来からチューブ内面に水を満たし管内挿入式超音波検査装置を用いて、熱交換チューブの内面から超音波検査が行われている。従来の技術では、チューブの接続部の円周方向の溶接に沿って発生する亀裂に対して内挿入式超音波検査装置で検査することが可能な装置は存在したが、軸方向に発生した亀裂を検出する装置は存在しなかった。また最小内径２０ｍｍの熱交換チューブの曲管部に適用可能な装置は存在しなかった。

曲管部においても全周の検査を可能とするため、超音波探触子から送信された超音波がチューブの内表面で屈折し外表面近傍で収束するように、チューブの中心から適当なオフセットを有する位置に探触子を配置した回転走査ユニットを回転させて、チューブ外表面の亀裂を検査する。超音波探触子でチューブ内表面の法線に対して常に一定の角度で超音波を入射させ、亀裂の先端で発生する回折波を捉え、亀裂の有無と亀裂の深さを検査する。そのとき常にチューブ内表面に対する法線と一定の角度に超音波が入射するように回転子の前後、特に探触子の中心から等距離の位置に中心保持機構を設け、厳密な中心保持機構と移動時の押付け圧力及び曲率による圧力等による回転抵抗の下でも十分な回転トルクと高速回転が得られるように、外部からフレキシブルシャフトで回転動力を伝えることで高速にかつ詳細な検査が可能となった。

本発明によって、小口径管の高圧熱交換器チューブの外表面に発生した全ての方向の亀裂をチューブ内面より検出することが可能となった、さらに直管部のみならず曲管部においても全面の外表面の亀裂が連続的に検査可能となり、反射位置までの距離からなる分布図及び任意の直交断面の断面図上の不連続性から亀裂を判断することが可能となった。

発明の詳細について図を用いて説明する。まず内挿入式超音波検査について簡単に説明すると、超音波検査には図１で示す送信と受信を１つの探触子で行う１探触子法と図２で示す送信と受信を別の探触子で行う２探触子法とがある。１探触子法の場合、図１に示すように、探触子３より直進して出される超音波のビームはチューブの内表面で屈折し伝達し収束しながら伝達する。外表面に腐食が存在した場合、腐食底部で散乱・反射し、また亀裂１４が存在する場合は亀裂の先端にビームが当ることで先端に回折波１５が発生し、その一部が反対の経路をたどって伝達し探触子３に戻る。２探触子法の場合、図２に示すように、わずかに拡散するよう配置した送信探触子３より直進して出される超音波のビームはチューブの内表面で屈折し伝達し、外表面で反射し、また亀裂１４が存在する場合は亀裂の先端にビームが当ることで先端に回折波が発生し、その一部が光学対称の経路をたどって伝達し受信探触子１７で検出される。１探触子法の場合、探触子３からチューブ内表面までの往復の距離から伝達媒質である水の音速で除した時間後に図４で示す内表面からのエコー（Ｓエコー）が現れる。またチューブ内部に伝達した超音波のビームも外表面で散乱・反射し、内表面で伝達媒質である水に伝達し前述の内表面で反射した場合と同様に探触子３に戻り外表面エコー（Ｂエコー）が現れる。ここで外表面に亀裂が存在する場合は図４に示すように外表面エコーに先立って亀裂先端で発生した回折波による亀裂先端エコー（Ｆエコー）が現れる。図４の上段の波形は、亀裂がない場合の波形で、図４下段の波形は、亀裂のある場合の波形である。

これらのＳ，Ｂ，Ｆエコーが現れる時間差は亀裂先端と内表面および外表面の幾何学的な位置を表しており、回転走査ユニット１を回転させながら移動させることで内面全体のデータを計算機に取り込み図表化して表す。２探触子法においても同様にＢ，Ｆエコーが現れる時間差から亀裂先端の幾何学的な位置を求めることができる。

これを高圧熱交換器チューブの厚肉管曲管部に適用するよう作られた装置が図３である。ここでは超音波探触子３を組み込んだ回転子２を、ベアリングで両端を保持し滑らかに安定して回転可能な状態とし、超音波探触子の中心から等距離に１対の中心保持機構４を取付け、超音波探触子３から発信された超音波のビームがチューブの内表面に対する法線に対し常に一定の角度であたるように設計されている。超音波探触子３はフレキシブルなコイル７の中を通った超音波信号ケーブル６でロータリコネクタ・回転センサーユニット５を経由して外部の探傷装置と信号の送受信を行っている。ロータリコネクタ・回転センサーユニット５ではフレキシブルなコイル７の回転から超音波センサーユニットの回転を検知し、また超音波信号ケーブル６はロータリコネクタにより連続して自由に回転する機構としている。またロータリコネクタ・回転センサーユニット５には、周方向回転位置検出として磁気式または光学式の回転センサーが装着されており、探傷に影響を与えず全周を不可部なく検査し、かつ周方向上の位置をＣスコープ上に反映させることが可能となった。

回転走査ユニット１はフレキシブルなコイルおよびシャフト９を経由してモーターユニット８に連結されており、モーターの回転によって回転走査ユニットを回転させる。また超音波センサーユニット内に設置したノズル穴より水を噴出させ超音波探触子３及びチューブ内面に付着した気泡をパージすることでノイズを低減させている。

本技術を合成樹脂製造設備における重合装置に使用されている超高圧二重管熱交換器のチューブ曲管部に適用するよう作られた装置が図３である。前述したように本発明を用いることで、チューブ曲管部の全面の検査が可能となった。この検査対象の場合、中心保持機構４はベアリングとマジックテープを用いている。

このとき、モーターの電源と超音波の伝達媒質として満たす必要がある水の供給用と、超音波信号と回転位置情報用信号線の２本のケーブルが外部と繋がっており、リアルタイムで表示されるＣスコープやＢスコープから回転走査ユニットのわずかな傾きを、この２本の引っ張り強さのバランスで調整することで補正することが可能となっている。

以上説明したように小口径管の高圧熱交換器チューブの外表面に発生した全ての方向の亀裂をチューブ内面より検出することが可能となった。

本発明によってチューブ外表面に発生した軸方向亀裂が検出されることを示す断面図（１探触子の適用例）。本発明を２探触子に拡張した場合の適用例本発明の高圧熱交チューブ曲管部への適用例本発明で検出された亀裂エコーと外表面からのエコー例図４でのエコーの超音波経路についての説明図本発明による探傷例のＣスコープ、Ｂスコープ表示例、説明図

１．回転走査ユニット
２．回転子
３．超音波探触子
４．中心保持機構
５．ロータリコネクタ・回転センサーユニット
６．超音波信号ケーブル
７．フレキシブルコイル
８．モーターユニット
９．フレキシブルシャフト・コイル
１０．超音波信号・回転信号ケーブル
１１．モーター電源ケーブル
１２．給水ホース兼モーター電源ケーブルガイド
１３．試験体（曲管）
１４．亀裂
１５．縦波超音波
１６．回折波
１７．超音波探触子（受信用）
１８．Ｃスコープ画像
１９．Ｂスコープ画像

Claims

超音波検査でチューブ内から検査する方法において、超音波探触子でチューブ内表面の法線に対して常に一定の角度で超音波を入射させ、亀裂の先端で発生する回折波を捉え、亀裂の有無と亀裂の深さを検査することを特徴とする厚肉チューブの外面亀裂の超音波検査方法。
請求項１に記載の超音波検査方法において、第１の超音波探触子でチューブ内表面の法線に対して常に一定の角度で超音波を入射させ、第２の超音波探触子で亀裂の先端で発生する回折波を捉え、亀裂の有無と亀裂の深さを検査することを特徴とする厚肉チューブの外面亀裂の超音波検査方法。
請求項１または請求項２に記載の超音波検査方法において、超音波探触子を回転させて検査を行う場合に、チューブ内表面の法線に対して一定の角度で超音波を入射させるために、回転子と超音波探触子で構成される回転走査ユニットの前後に中心保持機構を設けることを特徴とする厚肉チューブの外面亀裂の超音波検査装置。
請求項３に記載の超音波検査装置において、前記回転走査ユニットに接続されたフレキシブルシャフトにより回転走査ユニットが回転することを特徴とする厚肉チューブの外面亀裂の超音波検査装置。
請求項４に記載の超音波検査装置において、前記回転走査ユニットから出された信号線がフレキシブルコイルによってロータリコネクタを内蔵したユニットに接続され、回転走査ユニットが連続的に回転することができることを特徴とする厚肉チューブの外面亀裂の超音波検査装置。
請求項５に記載の超音波検査装置において、前記回転走査ユニットに接続されたモーターにより、回転走査ユニットが回転することを特徴とする厚肉チューブの外面亀裂の超音波検査装置。
請求項６に記載の超音波検査装置において、前記ロータリコネクタを内蔵したユニットに回転センサーを内蔵することで周方向の位置を検知し、検査データをリンクされたＣスコープ画像またはＢスコープ画像を得ることが可能な肉厚チューブの外面亀裂の超音波検査装置。