JP2014115167A - スタッド溶接部の欠陥検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ管の外面側にスタッドを溶接し該スタッドを介してボイラ管の外表面に耐火材が塗布される産業用ボイラにおける前記スタッドとボイラ管の外面側との溶接部の欠陥を検出するスタッド溶接部の欠陥検出装置であって、欠陥個所の位置情報を含めて検出精度を向上できるスタッド溶接部の欠陥検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ボイラ管３の外表面に塗布された耐火材１１の表面上およびスタッド９の先端部に沿って移動してボイラ管とスタッドとの溶接部の欠陥を検査するセンサ部１５と、センサ部を保持するとともに、該センサ部１５を耐火材の表面およびスタッドの先端部によって形成される壁面に沿って上下方向または左右方向に直線的に手動によって移動可能な検査部本体１７と、センサ部１５の移動位置を検出する位置検出手段２１ａ、２９ａと、を備えていることを特徴する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマスボイラや流動床ボイラ等の産業用ボイラに備わる層内蒸発管や火炉壁管等の耐火材が塗布されるスタッド溶接部の欠陥検出装置に関する。

バイオマスボイラや流動床ボイラ等の産業用ボイラでは、火炉壁管等の耐磨耗、耐腐食対策として、ボイラ管の外面側にスタッドを介して耐火材を塗布している。運用期間が長期に亘るプラントでは、スタッドが経年劣化に伴って腐食や熱疲労によって剥離し、耐火材が脱落した箇所でボイラ管の腐食減肉が急激に進行することが有る。このため、定期的にスタッド溶接部の接合状態を検査することが必要となる。当該溶接欠陥の検査方法として、目視観察による検査やハンマー等で被溶接部材を叩く打音検査によって、溶接欠陥の有無を検査する方法が知られている。

目視観察検査や打音検査では、明らかな接合不良は発見できるが、溶け込み不足，ブローホール等の気孔の発生など接合部内部に溶着不良の欠陥がある場合には、溶接欠陥を検出することができず、また、接合状況を定量的に評価することもできない。溶接部の溶接欠陥を定量的に評価する方法として、特許文献１には、互いに溶接された両被溶接部材に電極を取り付け、両溶接部材間の電気抵抗を測定し、その測定値より部材の性質、寸法、溶着量に基づいて予め得られた電気抵抗値に対応する接合率の相関関係により溶接欠陥の有無を検査する方法が開示されている。

特開平５−２１５７０６号公報

しかしながら、産業用ボイラの検査範囲が比較的広いこと及びスタッド本数が数千本から数万本に及ぶのにも関わらず，特許文献１に開示された検査方法を含めて既存の検査装置では、巡視者等がセンサを手に持って検査対象箇所の検査を行う必要がある。このため、検査結果にばらつきが出る可能性があり、検査精度に限界があると共に、検査効率も悪いことが問題となっていた。また、スタッド劣化の有無の検査において、その検査結果と検査位置とを確認する際には、メジャー等によって位置情報を新たに計測する必要があり、手間を要することも問題となっていた。

そこで、本発明は、従来のスタッド溶接部の非破壊検査方法が有する上記課題に鑑みてなされたものであり、ボイラ管の外面側にスタッドを溶接し該スタッドを介してボイラ管の外表面に耐火材が塗布される産業用ボイラにおける前記スタッドとボイラ管の外面側との溶接部の欠陥を検出するスタッド溶接部の欠陥検出装置であって、欠陥個所の位置情報を含めて検出精度を向上できるスタッド溶接部の欠陥検出装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本発明は、ボイラ管の外面側にスタッドを溶接し該スタッドを介してボイラ管の外表面に耐火材が塗布される産業用ボイラにおいて、前記スタッドと前記ボイラ管の外面側との溶接部の欠陥を検出するスタッド溶接部の欠陥検出装置であって、
前記ボイラ管の外表面に塗布された耐火材の表面上および前記スタッドの先端部に沿って移動して前記溶接部の欠陥を検査する検査部と、該検査部を保持するとともに、該検査部を耐火材の表面およびスタッドの先端部によって形成される壁面に沿って上下方向または左右方向に直線的に手動によって移動可能な移動手段と、前記検査部の移動位置を検出する位置検出手段と、を備え、前記検査部からの検出信号と前記位置検出手段からの検出信号とを組み合わせてスタッド溶接部の不良位置を判別することを特徴とする。

かかる発明によれば、前記検査部からの欠陥の検出信号と、前記位置検出手段からの検出位置の検出信号とをそれぞれ取得して、これら情報を組み合わせてスタッド溶接部の不良位置を判別するので、欠陥個所を見逃すことなく検査でき、検査作業の効率化および検査結果の信頼度が向上する。
また、手動によって壁面に沿って移動するため、壁面がスタッドの先端や耐火材で凹凸状になっていても壁面状態を見ながら確実に移動でき、さらに、駆動装置を設けないため装置全体をコンパクト化できる。

本発明において好ましくは、前記移動手段は、火炉内壁面の上部に水平方向に磁石によって着脱自在に装着されるガイドレール部材と、該ガイドレール部材にガイドされて水平方向に移動するとともに移動距離が計測可能な水平移動部材と、該水平移動部材から垂下され垂直方向の移動距離が計測可能な垂直移動部材とを備え、該垂直移動部材に前記検査部を構成するセンサ本体が装着されるとよい。

かかる構成によれば、前記垂直部材を、オペレータによって耐火材の表面およびスタッドの先端部によって形成される壁面に、押し付けるようにして、該壁面に沿って移動することによって、位置情報と欠陥情報とをともに精度良く得ることができる。
また、火炉内壁面の上部に水平方向に磁石によって着脱自在にガイドレール部材を設置できるため、簡単に計測範囲を変更できる。

さらに、本発明において好ましくは、前記ガイドレール部材は、火炉の底面に立設される蒸発管パネルの頂面に沿って取り付けられ、前記垂直移動部材が前記蒸発管パネルの両側の壁面に沿って垂下され、それぞれの壁面に配置される垂直移動部材が連動して上下するとよい。

このように、垂直移動部材が前記蒸発管パネルの両側の壁面に沿って垂下され、それぞれの壁面に配置される垂直移動部材が連動して上下動するため、両側の壁面を上下方向同時に計測できるため、検査作業の効率が向上する。

また、前記移動手段は、前後左右に車輪が設けられて直線方向に移動可能な車体部材からなり、該車体部材には前記車輪の回転数から該車体部材の移動距離を計測して移動位置を検出する前記位置検出手段が設けられ、さらに前記車体部材には前記検査部を構成するセンサ本体が装着されるとよい。

このように、移動手段が、車輪付きの車体部材とするため、センサ本体を安定して移動可能になる。車輪は滑らずに転がるものとしてゴム製がよく、車輪の回転によって簡単にセンサ本体の移動位置を検出できる。

また、前記耐火材の表面およびスタッドの先端部によって形成される壁面上に載置される非磁性体からなる板部材を備え、該板部材の上を、前記移動手段を移動させるとよい。

耐火材の表面は、スタッドの先端によって凹凸状になっているため、非磁性体、例えば樹脂製の板部材を載せてその上を、移動手段を移動させることで、移動体の移動をスムーズに行うことができ、検査作業の効率の向上および位置精度が向上する。
特に、車体部材の場合には車輪の回転が正確にならないため、正確な移動位置が得られない恐れがあるが、板部材を載せてその上を移動させることで、正確な位置情報を検出できる。

以上説明したように、本発明によれば、ボイラ管の外面側にスタッドを溶接し該スタッドを介してボイラ管の外表面に耐火材が塗布される産業用ボイラにおいて、前記スタッドとボイラ管の外面側との溶接部の欠陥状態を、位置情報を含めて検出精度を向上させることができる。

本発明の第１実施形態を示し、スタッド溶接部の欠陥検出装置をボイラ壁面に装着した状態を示す説明図である。 第２実施形態を示し、火炉内の蒸発パネルに装着した状態を示す説明図である。 第２実施形態の変形例である。 （Ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は耐火材を除いたスタッドの状態を示す側面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 蒸発管に対するスタッドの溶接状態を示す説明図である。 第３実施形態を示し、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図である。 検査部の移動イメージの説明図である。 センサ信号処理の全体構成図

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るスタッド溶接部の欠陥検出装置１の全体構成を示すものである。
図１は、バイオマスボイラや流動床ボイラを含む産業用ボイラにおいて、ボイラ管３が上下方向に立設するとともに、複数のボイラ管３が隣接して壁状をなして形成される火炉内壁５に欠陥検出装置１を装着した状態を示す。

図１のＡ−Ａ線断面を図４（Ａ）に示す。図４（Ａ）において、複数のボイラ管３はフィン部７で連結され、火炉内壁５の内側には、耐磨耗、耐腐食対策としてボイラ管３の外面側にスタッド９が溶接され、該スタッド９を介して耐火材１１が塗布されている。耐火材１１としては耐火粘土や耐火モルタルである。
耐火材１１を除いたスタッド９の状態を、図４（Ｂ）に示す。ボイラ管３の外周の片側面にボイラ管３の軸方向に３本と２本が交互に千鳥状に設けられている。

図６は、このスタッド９とボイラ管３との溶接状態の説明図であり、ボイラ管３の軸線方向の断面図として示している。運用期間が長期に亘るボイラでは、スタッド９の溶接部１３が経年劣化に伴って腐食や熱疲労によって脱離し、耐火材１１が脱落した箇所でボイラ管３の腐食減肉が急激に進行する。例えば、図６の（Ａ）部は、正常の溶接状態を示すが、（Ｂ）部、（Ｃ）部では劣化が進行して、（Ｂ）部では溶接部１３が略半分脱離しスタッドが剥離しかけており、（Ｃ）部では溶接部１３が略２／３脱離しスタッドの剥離がさらに進んだ状態を示している。

スタッド９とボイラ管３との溶接部の状態を検査する非破壊検査手段としては、例えば
磁力線による磁界法の適用が考えられる。この磁界法では受信した磁力線よってセンサ部（検査部）１５に発生する電圧変化を分析して、スタッド溶着程度の異常有無を検知するものである。後述する検査部本体１７には、このセンサ部１５が取り付けられている。

次に、欠陥検出装置１について説明する。スライドレール１９と該スライドレール１９に摺動自在に嵌合する移動部（水平移動部材）２１を備えており、スライドレール１９の両端部分には磁石２３ａ、２３ｂを側面に有する保持具２５ａ、２５ｂが設けられている。
移動部２１には、スライドレール１９に沿ってのスライド量を検出する図示しないエンコーダ２１ａが内蔵されておりスライド量、すなわち移動距離が計測できるようになっている。

また、移動部２１には、柔軟低のあるワイヤ、若しくはバンド等の吊り下げ部材２７が接続され、該吊り下げ部材２７の下端部には、検査部本体（垂直移動部材）１７が接続されて移動部２１から下方に垂下されるように設けられている。
この検査部本体１７には、前記吊り下げ部材２７を巻き取って、該検査部本体１７を上方に移動せしめ、または引き出して下方へ移動できるように、巻き取り部２９が内蔵され、さらに巻き取り部２９による巻き取り量および引き出し量から上下方向の移動量を計測するエンコーダ２９ａが内蔵されている。
なお、前記スライドレール１９と前記巻き取り部２９によって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動手段を構成し、エンコーダ２１ａ、２９ａによって、検査部本体１７の位置を検出する検出手段を構成している。

また、検査部本体１７には、センサ部１５が取り付けられており、前記のように、スタッド９とボイラ管３との溶接部の状態を、磁力線の変化によって検出するセンサ部１５が設けられている。
従って、Ｘ軸方向（火炉内壁５に沿った水平方向）はスライドレール１９に沿っての移動量をエンコーダによって計測することで検出し、Ｙ軸方向（火炉壁面に沿って上下方向）は、巻き取り部２９のエンコーダによって計測することで検出できる。
さらに、センサ部１５で検出した電圧波形の変化を分析装置５０（図９参照）に送信して、電圧の変化を分析して、溶接１３部の損傷状態を検査する。
また、センサ部１５の上部には、ランプ本体３１が設けられて、分析結果によって欠陥が検出された場合にはランプ本体３１が点滅するようになっているため、ランプ点滅にて、欠陥個所の情報をリアルタイムで確認することができるようになっている。

以上の欠陥検出装置１を用いての検査手順について説明する。
まず、検査範囲を設定して、その範囲の上端に水平方向にスライドレール１９を配置して両端部分の磁石２３ａ、２３ｂによって、壁面上に固定する。次に、巻き取り部２９によって検査部本体１７を上端位置まで巻き上げた状態で、スライドレール１９の左端または右端に位置させる。その位置が基点となりスタート位置となる。

図８に示すように、そのスタート位置を決めた後は、検査部本体１７をオペレータが壁面に向かって押し付けつつＸ軸方向に水平移動させ、スライドレール１９の端部まで行ったところで、吊り下げ部材２７を引き出して検査部本体１７を下方向に下ろし、検査範囲を下方の段に移して同様の操作を繰り返す。
スライドレール１９の長さと、吊り下げ部材２７の引き出し量とから、検査範囲が限定されてしまうため、スライドレール１９の固定位置を変更していくことで、検査範囲を拡げることができる。また、スライドレール１９が磁石によって着脱自在に設置できるため、簡単に計測範囲を変更できる。

次に、センサ部１５で検出した信号処理の概要を、図９を参照して説明する。
センサ部１５で検出された電圧若しくは電流の波形信号は、アンプ部３３の検出波形増幅器３５、ＡＤ変換機３７を通って、分析装置５０としてパソコンに取り込まれて、そこで振幅差、位相差を分析して、欠陥の有無を判定して、表示および記憶する。
その際には移動部２１および巻き取り部２９に設けられた、それぞれのエンコーダによって算出した位置情報とともに、分析装置５０としてパソコン内に記憶される。
さらに、欠陥がある場合にはランプ本体３１を点滅させるように信号を出力する。

以上の第１実施形態によれば、センサ部１５からの検出信号と、移動部２１および巻き取り部２９に設けられた、それぞれのエンコーダによって算出した位置情報とをそれぞれ取得して、これら情報を組み合わせてスタッド９の溶接部１３の不良位置を判別するので、欠陥個所を見逃すことなく検査でき、検査作業の効率化および検査結果の信頼度が向上する。
また、手動によって検査部本体１７を火炉内壁５に沿って移動するため、すなわち、ハンディタイプであるため、内壁面がスタッド９の先端や耐火材で凹凸状になっていても壁面状態を見ながら確実に移動でき、さらに、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の移動に際して駆動装置を設けないため構造であるため、装置全体をコンパクト化できる。

（第２実施形態）
次に、図２、３、５を参照して第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、第１実施形態が火炉内壁５面への欠陥検出装置１を装着した例であるが、第２実施形態は、火炉底面５５に立設される蒸発管パネル５１に欠陥検出装置５３を装着する例である。

図５を参照して蒸発管パネル５１について説明する。図５は図２の蒸発管パネル５１のＢ−Ｂ線断面図であり、図５のように火炉底面５５にＹアンカ５７が植設されて、該Ｙアンカ５７の上部側に蒸発管５９が火炉底面５５に平行方向に伸びて上下方向に複数本重なるように設けられている。そして複数本の蒸発管５９の外周を覆うように形成された外周壁にスタッド６１が溶接され、該スタッド６１に耐火材６３が全周に渡って塗布されている。

このような蒸発管パネル５１の頂面にスライドレール５６が、蒸発管パネル５１の頂面に沿って磁石５７ａ、５７ｂで固定され、スライドレール５６に摺動自在に嵌合する移動部（水平移動部材）５８を備えており、該移動部５８に検査部本体１７が吊り下げ部材６０によって吊り下げられている。そして、検査部本体１７は蒸発管パネル５１の壁面に沿って上下移動するとともに、蒸発管パネル５１の長手方向に沿ってスライドレール５６に沿って移動するようになっている。

さらに、変形例として、図３に示すように、検査部本体１７が蒸発管パネル５１の両側の壁面に沿って垂下され、それぞれの壁面に配置された検査部本体１７が連動して上下するとよい。その他の構成は、第１実施形態と同様の物は、同一符号を付して説明を省略する。

第２実施形態によれば、蒸発管パネル５１の壁面に沿って、検査部本体１７を移動させることによって、センサ部１５からの検出信号と、エンコーダ（位置検出手段）からの検出位置の検出信号とをそれぞれ取得して、これら情報を組み合わせてスタッド９の溶接部の不良位置を判別するので、蒸発管パネル５１においても、欠陥個所を見逃すことなく検査でき、検査作業の効率化および検査結果の信頼度が向上する。
また、図３のように、検査部本体１７が蒸発管パネル５１の両側の壁面に沿って吊り下げられて、それぞれの壁面に配置された検査部本体１７が吊り下げ部材６０によって連結して上下動するため、両側の壁面を上下方向同時に計測でき、検査作業の効率が向上する。

（第３実施形態）
図７を参照して第３実施形態について説明する。
移動手段が、前後左右に車輪７１が設けられ、前後の直線方向に移動可能な車体部材７３から構成されている。
該車体部材７３には車輪７１の回転数から該車体部材７３の移動距離を計測して移動位置を検出する位置検出手段７５が設けられ、前記車体部材７３にはセンサ部（検査部）１５が装着されている。

さらに、車輪７１は滑らずに転がるものとしてゴム製がよく、車輪７１の回転数から簡単にセンサ部１５の移動距離または移動位置を検出でき、センサ部１５の移動位置を正確に検出できる。また、車体の中央部にはセンサ部１５が取り付けられている。車体の端部には、該車体部材７３を移動する際にオペレータによって把持されるハンドル部７９が設けられ、ハンドル部７９とセンサ部１５との間に、前記車輪７１の回転数から位置を検出する位置検出手段７５が設置されている。

また、図１の実施形態１と同様に、センサ部１５の上部には、ランプ本体３１が設けられて、センサ部１５による検出信号の分析結果に応じてランプ本体３１が点滅するようになっているため、ランプ点滅にて、欠陥個所の情報をリアルタイムで確認することができる。

この第３実施形態の車体部材７３を用いての検査手順は、図８に示すようにまず、検査範囲を設定して、その範囲の上端に水平方向に基点となる位置を設定して、その位置から水平方向に車体を壁面に押し付けながら、移動させる。水平方向の終端部まで移動させた後は、車体部材７３を下方に１段階下げて、その後水平方向に移動させる。この操作を繰り返して検査範囲の全体を、車体部材７３を移動させて検査する。

第３実施形態によれば、車輪付きの車体部材７３によって、センサ部１５を安定して移動できるため、車輪７１の回転によって簡単にセンサ本体の移動位置を検出でき、第１、第２実施形態のように計測範囲の変更に際してスライドレール１９、５６の取り付け場所の変更を行う必要がないため、検査を効率的に行うことができる。

また、図７（Ｂ）に示すように耐火材１１の表面およびスタッド９の先端部によって形成される火炉内壁５上に載置される非磁性体からなる板部材８１、例えば樹脂板を備え、該板部材８１の上を、車体部材７３を移動させるとよい。

耐火材１１の表面側は、スタッド９の先端によって凹凸状になっているため、樹脂板のような非磁性体の板部材８１を載せてその上を、移動させることで、車体部材７３の移動をスムーズに行うことができ、検査作業の効率の向上および位置精度が向上する。
特に、車体部材７３の場合には車輪の回転が正確になり位置情報の精度を向上できる。

また、第１、第２実施形態においても、同様に、板部材８１を載置してその板面上を、検査部本体１７を移動させることによって、耐火材１１の表面およびスタッド９の先端部によって表面が凹凸状の表面に形成され、特に、スタッド９の先端部によって、検査部本体１７が、表面上を移動し難くしているが、この板部材８１の介在によって検査部本体１７移動し難さを解消することができ、検査精度を向上できる。

本発明によれば、ハンディタイプの検査本体部によって、前記スタッドとボイラ管の外面側との溶接部の欠陥状態を、位置情報を含めて検出できるので、ボイラ管の外面側にスタッドを溶接し該スタッドを介してボイラ管の外表面に耐火材が塗布される産業用ボイラへの適用に有用である。

３ ボイラ管
５ 火炉内壁
９、６１ スタッド
１ 欠陥検出装置
１１、６３ 耐火材
１３ 溶接部
１５ センサ部（検査部）
１９、５６ スライドレール（ガイドレール部材）
２１、５８ 移動部（水平移動部材）
２３ａ、２３ｂ 磁石
１７ 検査部本体（垂直移動部材）
１５ センサ部（センサ本体）
２９ 巻き取り部
３１ ランプ本体
３３ アンプ部
３５ 検出波形増幅器
３７ ＡＤ変換器
５０ 分析装置
５１ 蒸発管パネル
７３ 車体部材（移動手段）
７１ 車輪
７５ 位置検出手段
７９ ハンドル部
８１ 板部材

Claims (5)

1. ボイラ管の外面側にスタッドを溶接し該スタッドを介してボイラ管の外表面に耐火材が塗布される産業用ボイラにおいて、前記スタッドと前記ボイラ管の外面側との溶接部の欠陥を検出するスタッド溶接部の欠陥検出装置であって、
   前記ボイラ管の外表面に塗布された耐火材の表面上および前記スタッドの先端部に沿って移動して前記溶接部の欠陥を検査する検査部と、
   該検査部を保持するとともに、該検査部を耐火材の表面およびスタッドの先端部によって形成される壁面に沿って上下方向または左右方向に直線的に手動によって移動可能な移動手段と、
   前記検査部の移動位置を検出する位置検出手段と、を備え、
   前記検査部からの検出信号と前記位置検出手段からの検出信号とを組み合わせてスタッド溶接部の不良位置を判別することを特徴とするスタッド溶接部の欠陥検出装置。
2. 前記移動手段は、火炉内壁面の上部に水平方向に磁石によって着脱自在に装着されるガイドレール部材と、該ガイドレール部材にガイドされて水平方向に移動するとともに移動距離が計測可能な水平移動部材と、該水平移動部材から垂下され垂直方向の移動距離が計測可能な垂直移動部材とを備え、該垂直移動部材に前記検査部を構成するセンサ本体が装着されることを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接部の欠陥検出装置。
3. 前記ガイドレール部材は、火炉の底面に立設される蒸発管パネルの頂面に沿って取り付けられ、前記垂直移動部材が前記蒸発管パネルの両側の壁面に沿って垂下され、それぞれの壁面に配置される垂直移動部材が連動して上下することを特徴とする請求項２記載のスタッド溶接部の欠陥検出装置。
4. 前記移動手段は、前後左右に車輪が設けられて直線方向に移動可能な車体部材からなり、該車体部材には前記車輪の回転数から該車体部材の移動距離を計測して移動位置を検出する前記位置検出手段が設けられ、さらに前記車体部材には前記検査部を構成するセンサ本体が装着されることを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接部の欠陥検出装置。
5. 前記耐火材の表面およびスタッドの先端部によって形成される壁面上に載置される非磁性体からなる板部材を備え、該板部材の上を、前記移動手段を移動させることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のスタッド溶接部の欠陥検出装置。
   

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