JP2015083979A - パイプの非破壊検査 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を運ぶパイプを非破壊状態で検査する装置を提供する。【解決手段】流体を運ぶパイプの長手方向に離隔された二点間を伝播する音響外乱の伝播速度を表す実測値を求める。パイプが、所定の円周方向肉厚プロファイルの有限肉厚を有すると仮定し、伝播速度に対応する予測値を、パイプ中の音波の伝播のための理論モデルを用いてパイプの少なくも１つの肉厚パラメータの関数として計算する。そして、肉厚パラメータは、実測値を予測値に適合させることによって、例えば、実測値を、理論値を予測する式に代入することによって、計算される。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、パイプ、特に消火用スプリンクラーシステムやオイル及びガス産業用のパイプライン等の埋設パイプ又は通常はアクセスする事が出来ないパイプの非破壊検査に関する。

都市水道システム用のパイプ等の埋設パイプは、内部や外部の腐食により金属を失ってパイプの肉厚減少をまねく。肉厚減少が続くと最終的にはパイプが破れる原因となる。このようなパイプは定期的に検査を行って構造上の適合性を評価する必要がある。パイプの構造性能を求めるにはパイプの肉厚の正確な情報が必要となる。また、大規模なパイプネットワーク（例えば、都市の水分配（配水）システム又はガス分配システム）の保守システムの重要な部分であるパイプの残り寿命を推定するには、パイプの金属損失の監視が必要となる。従って、パイプを損傷せず且つサービスを停止することなく、非破壊且つ非侵入な方法により埋設パイプの状況を調べる事が出来ることが望ましい。

パイプの肉厚を求める方法の一つは、パイプのクーポン（又はサンプル）をとり、現場から離れて肉厚計でその厚みを計る事である。また、パイプが自然に露出している又は故意に掘り出されている箇所で超音波ゲージを用いて肉厚を測定することも出来る。いずれの方法も肉厚の離散的な測定結果しか与えない。パイプ肉厚を連続的に測定する代替方法は、ロボット（パイプラインピグとも言われる。）を使ってパイプ内部に発射される、超音波、漏洩磁束、又はリモートフィールド渦電流の装置を用いることである。

肉厚を測定するためにパイプを掘り出す事は、パイプを何か所かで掘り出さねばならずコストがかかる。また、クーポンに基づいた肉厚値は、かなりの数の箇所を掘り返さない限り、パイプ全体の状態を統計学的に表すものにならない。パイプラインピグはパイプのサービス（供給）を停止する必要があり、簡単な幾何学的形状（つまり、急な曲がりが無い。）の大口径パイプのみに適している。データ収集とその分析には手間と費用が非常にかかる。この方法は主としてオイルとガス搬送パイプラインに用いられている。この方法は、通常ゴミが堆積しており、ピグ発射管が無い小口径のパイプで構成された幾何学的に複雑で広範なネットワークである配水システムには適していない。

米国特許第６，４５３，２４７号明細書 米国特許第６，５３１，０３２号明細書

Ｉ．Ｓ．Ｐｅａｒｓａｌｌ、"Ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｗａｖｅｓ"、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、１９６５年、第１８０巻、パート３Ｅ、ｐｐ．１２−２０ Ｅ．Ｂ．Ｗｙｌｅ、Ｖ．Ｌ．Ｓｔｒｅｅｔｅｒ著、"Ｆｌｕｉｄ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ"、（ニューヨーク）、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、１９８２年 Ａ．Ｒ．Ｈａｌｌｉｗｅｌｌ、"Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ａ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｗａｖｅ ｉｎ ａｎ ｅｌａｓｔｉｃ ｐｉｐｅ"、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ、１９６３年、第８９巻、第ＨＹ４号、ｐｐ．１−２０ Ｊ．Ｍ．Ｍｕｇｇｌｅｔｏｎ、Ｍ．Ｊ．Ｂｒｅｎｎａｎ、Ｒ．Ｊ．Ｐｉｎｎｉｎｇｔｏｎ、"Ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅｓ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｌｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ"、 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ、２００２年、第２４９巻、第５号、ｐｐ．９３９−９５４ Ｗ．Ｍａｒｃｚａｋ、"Ｗａｔｅｒ ａｓ ａ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄｓ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、１９９７年、第１０２巻、第５号、ｐｐ．２７７６−２７７９ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、第８５版、２００４−２００５ Ｎ．Ｅ、Ｄｏｒｓｅｙ、"Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｏｒｄｉｎａｒｙ ｗａｔｅｒ−Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ"、（米国ニューヨーク）、Ｒｅｉｎｈｏｌｄ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、１９４０年 Ｍ．Ｏ’Ｄｏｎｎｅｌ、Ｅ．Ｔ．Ｊａｙｎｅｓ、Ｊ．Ｇ．Ｍｉｌｌｅｒ、"Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ"、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ． Ｓｏｃ Ａｍ．、１９８１年、第６９巻、第３号、ｐｐ．６９６−７０１ "Ｆｌｕｉｄ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ ｉｎ Ｐｉｐｅｓ ａｎｄＴｕｎｎｅｌｓ： Ｓｐｅｅｄ ｏｆ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｗａｖｅｓ"、（英国ロンドン）、Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄａｔａ Ｉｔｅｍ 第８３０４６号、ＥＳＤＵ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、１９８３年

本発明によると、パイプの肉厚は、パイプ内の低周波音響外乱（例えば圧力変動）の平均伝播速度から求められる。低周波とは普通は約１０００Ｈｚ以下の値を指す。伝播速度は、パイプの内径、円周方向肉厚プロファイル、流体の密度及び体積弾性率、パイプ壁材料のヤング率及びポワソン比に依存する。速度は、理論的に導出された式を用いて計算することができる。ここに提案された方法では、パイプ肉厚は、普通によく知られているか、簡単に見つけられる上記パイプ及び流体のパラメータと、伝播速度の測定値を用いてこれらの式から逆算される。

本発明によると、液体を運ぶパイプの非破壊状態評価のための方法が提供され、その方法は、そのパイプの長手方向（縦方向）に離隔された二点を通って伝播する音響外乱を検知すること；その音響外乱の伝播速度を表す実測値を測定すること；そのパイプが所定の円周方向肉厚プロファイルを有する有限肉厚を有すると仮定した場合のそのパイプ中の音波の伝播に対する理論モデルを用いて、そのパイプの少なくとも一つの肉厚パラメータの関数として伝播速度に対応する予測値を計算すること；及びその実測値を予測値に適合させる事によってその肉厚パラメータを計算することを具える。

音響外乱は、外乱のソースが二点の間にあり、外乱がソースから２つの離隔点に向かって反対方向に伝播するブラケット内（ｉｎ‐ｂｒａｃｋｅｔ）モード、又は音響ソースが二点の外側にあり、外乱がソースから二点を順に通って同じ方向に伝播するブラケット外（ｏｕｔ‐ｏｆ‐ｂｒａｃｋｅｔ）モードで伝播し得る。

伝播速度（通常は平均伝播速度）は、距離がわかっているパイプの二点（例えば制御バルブ又は消火栓等）で測定された音響信号間の時間遅延を測定することによって、その場で非破壊且つ非侵入で求められる。音響ソースとして、パイプ中の環境ノイズを使っても良い。

また、音響ノイズや、加圧流体を放出することによって、又はブラケット内若しくはブラケット外の点で特別に設計された装置（例えば配水パイプの場合では消火栓）によって作り出される音響ノイズを代替的に使用することもできる。音響信号は、一対の振動センサ（例えば加速度計）、又はハイドロフォンを使って測定する事が出来る。二つの測定信号間の時間遅延は、よく知られた飛行時間方法、或いは引用により本願に組込まれる特許文献１に記述されているような時間領域又は周波数領域において計算される相互相関関数（従来法、又は増強法）を用いて求められる。そして、パイプ内の平均伝播速度は、音響ソースからセンサまでの間の距離の差を時間遅延で割る事によって計算出来る。

平均肉厚を求めることに加えて、上記音響信号の減衰に基づき、パイプ材料の音響減衰能を求める事も出来る。パイプの基本リング周波数に対応する周波数スペクトルのピーク幅に基づき、又は過渡リング振動の対数減衰率に基づき、減衰能を代替的に求める事も出来る。周波数スペクトル及び対数減衰率は、パイプが露出している箇所（例えばアクセスマンホール）での簡単な機械的な衝撃テストで求める事が出来る。パイプ材料の減衰能は、公知の関係性に基づき、特に鋳鉄パイプの引っ張り強度に関する情報を得るために使用することもできる。これは、鋳鉄パイプの引っ張り強度が製造元や年代に応じて大きく変わるという事を考えると、非常に有用である。鋳鉄パイプは、強度が減少するにともない減衰能が増大し、これは炭素含有量と冷却速度に依存する。炭素含有量と冷却速度は、鋳鉄のマトリクス及びグラファイト構造に影響し、同様に、応力ひずみの非線形性に影響する。ヒステリシスループ形の非線形性は高い減衰能につながる。

本発明による方法には、非破壊で非侵入であるという利点がある。必要な全ての測定は地表で行う事が出来る。平均プロファイルによって表されるパイプ部分の長さは任意に選択可能である。最初は、都市部の通常の消火栓間の距離である１００メートルの長さ部分を選択すればよい。その後、より高い分解能が必要であれば、短いパイプ部分の肉厚を測定するために、例えばキーホール真空掘削技術を用いてパイプに小さなアクセスホールをあければよい。代替的に、消火栓又は分岐栓を通って、狭い間隔で並べたハイドロフォンのアレイをパイプ中に挿入することもできる。パイプ肉厚の測定及び計算はウィンドウズ（登録商標）ベースのＰＣソフトウェアを使って簡単に出来る。この提案による方法は、（例えば、定期的なリーク検査に関して）実施が簡単である。また、作業者の高度な技能を必要としない。

本発明を添付図面を参考にしながら詳しく説明する。

第一実施形態に係る埋設パイプの伝播速度を測定するための配置を示す。 第二実施形態に係る埋設パイプの伝播速度計を測定するための配置を示す。 本発明の実施例に係る肉厚測定結果を表示するＰＣスクリーンを示す。 本発明の実施例に係る肉厚測定結果を表示するＰＣスクリーンを示す。 水の体積弾性率の関数としての予測パイプ肉厚のばらつきを示す。 基準パイプのダクタイル鉄サンプルに対するインパクトエコーテストの周波数スペクトルを示す。 ２０．８℃、１．９５ＧＰａで調整された水の体積弾性率を用いた基準パイプの予測肉厚を示す。

本発明の理解を助けるために、基礎をなす理論について考察する。

無限流体内における音波の伝播速度は次式により定義される：

ここでΚは流体の体積弾性率、ρはその密度、そしてγは流体の比熱比（つまり定圧プロセスでの流体の熱容量対定積プロセスでの熱容量の比）である。

この式の導出は、引用により本願に組込まれる非特許文献１に見出すことができる。

配水パイプにおける標準温度及び標準圧力下の場合、ほぼ非圧縮性の液体については、γは略１に等しい。その場合、式（１）は：

となる。

加圧流体が流れるパイプの壁の弾性は流体中の音波の伝播速度を減少させる。速度の減少量はパイプの断面のサイズ及び形状並びにパイプの材料の弾性率に依存する。流体中の音波速度の一般的な式は次式で定義される：

ここでＡは流体が占めている断面積、ｐはパイプ内の圧力であり、ｖ_ｏは式（１）により定義されている。ほぼ非圧縮性の流体については、γは略１に等しい。この式は、引用により本願に組込まれる非特許文献２に説明されている。

そのような流体では式（１）は；

となり、ここでｖ_ｏは式（２）により定義されている。

速度の正確な予測には、流体の温度、空気含有量及び圧力に対するΚとρの変動を考慮する必要がある。肉厚が厚いパイプやガスで充満したパイプに対しては∂Ａ／∂ｐは無視してよく、従って、ｖ≒ｖ_ｏとなる。一方、とても柔軟なパイプでは音波速度は：

と近似される。

パイプの断面のひずみ∂Ａ／Ａは全円周ひずみ∂ε_θの変化よって起き、∂ε_θの変化は圧力変化∂ｐによって起きる。全円周ひずみは：

であり、ここでσ_ｃとσ_ａはそれぞれパイプ壁の円周方向および軸方向の応力であり、Ｅとμはパイプ材料の弾性率とポアソン比である。

円形のパイプに関しては、角度∂θで定められる断面の小角度部分を考慮して、面積の部分的変化は：

となり、ここでＲはパイプの内半径で、∂ｕ_Ｒは半径Ｒでの動径方向変位の変化である。式（７）を（Ａ∂ｐ）で割り、θで積分すると：

となり、ここで半径Ｒでの動径方向変位の変化∂ｕ_Ｒは：

となる。

肉厚の薄いパイプ、つまり直径と肉厚の比が大きい場合、パイプ壁中の応力は肉厚全体にわたってほぼ一定である。パイプ壁の断面の半分にかかる力の平衡状態を考えると、円周方向応力は：

となり、ここでｔは次式で定義されるパイプ肉厚である：

軸方向に自由に動くパイプ、例えば全長にわたって伸縮継手を有する場合、或いは高い弾性率を有するパイプ材料、例えばスチールやコンクリート等に対しては、軸方向応力の変化∂σ_ｌは無視でき、ゼロとみなすことができる。他の固定条件については、軸方向応力の変化は顕著であり考慮に入れなければならない。例えば、全長にわたって軸方向の動きが制約されているパイプの場合、ε_ｌ＝０であり、従って、

となる。

式（６）に（１０）及び（１２）を代入し、式（９）に（６）を代入し、最後に式（８）に（９）を代入すると、（肉厚プロファイルがパイプの中心線に対して対称であると仮定して）：

が導かれ、ここでＤはパイプの直径、ｃはパイプの固定方法を考慮した係数であり：

によって、定められる。

腐食性の土壌に埋設されているパイプは全周にわたって均一に肉厚が減らないことがある。大抵の場合、これは、通気性の違いの結果としてパイプの外面上に腐食電池が生成されるからである。これは、パイプの断面が部分的に二つの異なった土壌、例えば、埋め戻しに使った土壌のような多孔性でよく通気されている土壌と、自然の粘土土壌のような不透水性であまり通気されていない土壌に接触している場合に起きる。また、通気性の違いは、パイプ底部の堆積物の蓄積によりパイプの内面でも発生し得る。この現象を考慮に入れると、パイプの肉厚は、次のように角座標によって直線的に変化すると仮定される：

ここで、ｆは不均一な肉厚を有するパイプ断面の割合、ｔ_ｍｉｎはθ＝０での最小肉厚、ｔ_ｍａｘはθ＝πでの最大肉厚である。その場合、平均肉厚ｔ_ｍｅａｎは：

である。

上記の例では論証の簡素さと容易さのために線形の円周方向肉厚プロファイルを選択した。しかし、より正確な結果が必要であれば、より典型的なプロファイルを用いても良い。式（１３）に（１５）を代入して積分すると：

が導かれ、式（４）に（１６）を代入すると、パイプの伝播速度に対して次式が導かれる：

ここで、ｃは式（１４）で定義される。

式（１８）の妥当性は均一な肉厚プロファイル、すなわちｔ_ｍｉｎ＝ｔ_ｍａｘ＝ｔ、を有する特別なパイプの場合を考慮してチェックする事が出来る。

であるから、式（１８）は：

となる。
式（２０）で与えられる音波の速度は、標準的な教科書において均一な断面を有する円柱状の肉厚の薄いパイプに流体が充満している場合に導出されるものと同じである。

特許文献２のケースのように、パイプ肉厚が薄いと仮定した結果生ずる誤差は、パイプの漏れ位置を特定するためのものとしては小さい。しかしながら、肉厚測定には、その誤差が十分小さいとは言えない。例えば、肉厚１０ｍｍ、直径１５２ｍｍ、ｖ＝１２１８ｍ／ｓの鋳鉄パイプの場合、パイプの肉厚が薄いと仮定すると、均一肉厚は９ｍｍと逆算される。これは損失誤差１０％に値する。より正確に計算するには、パイプ肉厚にわたる応力の変動を完全に考慮する必要がある。

肉厚にわたる応力の変動を考慮に入れた場合、その全長にわたって伸縮継手を有する無制約のパイプに対する内径での動径方向変位は、

と与えられ、その全長にわたって軸方向の動きが制約されている場合は、

（非特許文献３）によって与えられる。

式（２１）及び（２２）に（１５）を代入し、式（８）に（２１）及び（２２）を代入し、式（４）に（８）を代入して、積分すると、その全長にわたり伸縮継手を有するパイプに対して次の速度式が導かれ：

また、その全長にわたり軸方向の動きが制約されているパイプに対して次式が導かれる：

ここで

である。

均一肉厚で厚い肉厚のパイプの場合、式（２３）は、その全長にわたり伸縮継手を有するパイプに対しては：

となり、軸方向の動きが制約されているパイプに対しては：

となり、これらは標準的な教科書にある均一な断面を有する円柱状の肉厚の厚いパイプに流体が充満している場合に導出される式と合致している。

不均一な円周方向肉厚プロファイルを有する、肉厚が薄い・厚いパイプに対する上記公式化は、非対称の動径方向変位の結果として生じることが予測されるパイプ壁の剪断応力を考慮していない。肉厚が薄いパイプに対する式では、円周方向応力の計算を簡素化するためにパイプ断面は円形のままであること、すなわち式（１０）を仮定している。同様に、肉厚が厚いパイプに関する式を簡素化するためには、均一な肉厚プロファイルを有するパイプに対する動径方向変位を用いている。パイプ壁の剪断応力を考慮した厳密な公式化は可能である。しかしながら、そのような公式化は複雑過ぎて、精度の僅かな向上すら保証されるものではない。

肉厚が薄い・厚い両方のパイプに対する上記公式化は、パイプ壁の慣性や周囲の土壌を考慮していない。パイプは伝播する動的圧力波に対して静的に応答すると仮定されている。パイプのリング周波数より遥かに低い周波数では、パイプの応答は壁の剛性に支配されるので、この仮定により生じる誤差は小さい。例えば、パイプ壁の慣性のみを考慮すると、均一な断面と全長に亘り伸縮継手を有するパイプの速度式は：

となり、ここで、ωは伝播圧力波の周波数（ラジアン／秒単位）であり、ρ_ｐｉｐｅはパイプ壁材料の密度である。この式の導出は、引用により本願に組込まれる非特許文献４で説明されている。

直径１５２ｍｍ、肉厚１２ｍｍの鋳鉄パイプの場合、音響ノイズ信号の最大周波数は通常８００Ｈｚである。パイプ壁の慣性を無視する事による速度の最大誤差は０．０７％でごく僅かなものである（１６℃において、Ｅ＝１２８ＧＰａ、ρ_ｐｉｐｅ＝７１００ｋｇ／ｍ^３、Κ＝２．１５７ＧＰａ）。これは他の金属材質のパイプにも当てはまる。

肉厚損失による公称内径の変化は考慮していない。精度の少しばかりの向上は追加の労力に値するものではないが、そのような変化は簡単に組込む事が出来る。

速度式、すなわち式（３）の一般的な形式を導出するにあたっては、微小なパイプ部分の質量保存の法則に基づいて、小さな項が無視される。このことは音響速度に対し無視してよい影響しか与えないと仮定される。仮に影響が小さく無いとしても、後述するパイプ中を流れる流体の体積弾性率の決定は、全肉厚測定方法を較正するようなものである。体積弾性率の逆算は、速度式を導出する際の近似（例えば、小さな項や慣性の影響を無視する。）の修正を暗に含んでいる。

肉厚が線形に変化するパイプについて、パイプの最小肉厚ｔ_ｍｉｎは式（１８）又は（２３）を用いて逆算する事が出来る。最大肉厚ｔ_ｍａｘは、パイプの元々の肉厚と等しいと仮定され、これは通常わかっているか、又は一本のパイプのサンプルで計測する事が出来る。これは、パイプ断面の或る部分が、通常、その元々の肉厚を維持するという観測に基づき妥当と言える。この部分は、パイプ表面の通気性の違いによって生成される腐食電池のカソードに相当する。均一肉厚を有するパイプの最小肉厚は、式（２０）又は（２６）を用いて逆算される平均肉厚から、式（１６）を用いても計算することができる。これによれば、線形に変化し、厚い肉厚のパイプに対する式（２３）を用いて得られる結果よりも低い精度の結果が導かれるであろう。同じ固定条件では、式（１８）、（２０）又は（２６）を用いるとｔ_ｍｉｎは低く見積もられる。パイプが均一肉厚プロファイルを有すると仮定出来るのであれば（或る特定領域に対する経験からわかるように）、平均肉厚を式（２６）で逆算出来る。

パイプ内の音響波の速度ｖは、周囲を取巻くことができる、又は既知の場所の音源により故意に発生させた音響ノイズ信号を相関させる事によって測定出来る。パイプの内径Ｄ、流体の体積弾性率Κ、その密度ρ、パイプ材料の弾性率Ｅ、及びポアソン比μは、通常良く知られているか容易に見つける事が出来る。

本発明に係る方法を実施するためには、無限流体の音速ｖ_ｏ、又はその流体の体積弾性率及びその密度を知る必要がある。配水パイプの場合を考えると、拘束の無い純水中における音速は：

によって与えられ、ここで、Ｔは水の摂氏温度（℃）である。この式は、引用により本願に組込まれる非特許文献５に基づいている。

表１には、０℃から４０℃の間の温度に対する、音速、密度、及び対応する体積弾性率が挙げられている。密度の値は、引用により本願に組込まれる非特許文献６に基づいている。体積弾性率の値は式（２）を用いて得られたものである。

湖水の圧縮性に関する入手可能な情報は限られているが、純水とそれほど変わらないとされている（例えば、非特許文献７を参照。）。しかしながら、式（２８）で与えられる音速は、ＭＨｚ周波数での純水に対して得られた実験結果に基づいている。故に、配水パイプ中の音響信号において支配的である１０００Ｈｚ以下の周波数での純水又は普通の水には、このことは当てはまらないであろう。非特許文献８には、水の場合の減衰を示すシステムが、分散、すなわち周波数に対する位相速度への依存を示すはずである事が示されている。また、非特許文献８には、低周波での音速が通常は高周波の時よりも遅い事が示されている。結果として、配水パイプ中の水の体積弾性率は表１に示されているよりも低くなり得る。

一部の教科書やハンドブックにおいてウォーターハンマー分析用に使われている体積弾性率は表１に挙げられるものと同じであるが、一方で、他の教科書やハンドブックでは僅かに低い。体積弾性率の小さな相違がウォーターハンマー計算に与える影響は小さい。しかしながら、表１に挙げられている体積弾性率を本件の非破壊試験方法に用いた場合、予測される肉厚損失は大きく見積もられた。１２４７ｍ／ｓの音速を有する肉厚１２ｍｍ、口径１５２ｍｍの鋳鉄パイプに対して、水の体積弾性率に対する予測肉厚の依存性が図３に示されている。例えば、ある教科書の２０℃で使用される２．２ＧＰａに等しい体積弾性率を用いると、予測肉厚は８．３ｍｍとなるが、他の教科書の２０℃で使用される２．０３ＧＰａに等しい体積弾性率を用いると、予測肉厚は１０．４ｍｍとなる。

肉厚計算に用いられる体積弾性率の適切な値に関する不確実性を、慎重な測定による本発明の実施形態によって、最少化することができる。まず、音速は、既知の肉厚、直径、及びヤング率を有する“基準”パイプに対して測定される。好ましくは、最近設置された既知のクラスのパイプが用いられるべきであり、そのヤング率は、掘返され又は放置されたサンプルに関して動的に測定されるべきである。その後、体積弾性率は、既知又は既に測定されたパイプのパラメータとともに、適切且つ理論的な音速の式、又は水が充満したパイプの数値モデルから逆算される。基準パイプと他のパイプの音速の測定は、パイプ内の流体の温度が同じになるように、互いに数日以内に行う必要がある。

また、代替的に、基準パイプに対して年間の異なる時期における流体の体積弾性率と温度の一組の測定結果から立証された関係から体積弾性率を決定することもできる。本願で説明されるような体積弾性率の決定法は、全肉厚測定方法を較正するようなものである。体積弾性率の逆算は、速度式を導出する際の近似（例えば、小さな項や慣性の影響を無視する。）の修正を暗に含んでいる。

下記は流体の体積弾性率とその温度との関係を求める例である。最近設置された口径１５２ｍｍのクラス５２セメントライニングダクタイル鉄配水パイプ音速を、２０．８℃、１１．７℃及び５．３℃の温度で測定した。

円形断面のセメントライニングパイプに対して、音波速度は、非特許文献９に記載されている次式で求められる：

ここで、ｖはパイプ中の音波速度、Κ_ｗ及びρ_ｗはそれぞれ水の体積弾性率と密度であり、Ｅ_ｐ、Ｄ及びｅ_ｐはそれぞれ、パイプのヤング率、内径、及び肉厚であり、Ｅ_ｌ及びｅ_ｌはそれぞれセメント内張りのヤング率と肉厚であり；そしてμはダクタイル鉄とセメントライニングに対して同じであると仮定したポアソン比である。

口径１５２ｍｍのクラス５２のダクタイル鉄パイプの金属部分とセメントライニングの厚さはそれぞれ７．９ｍｍ及び２ｍｍである。セメントライニングの無い“同等”のダクタイル鉄パイプの肉厚は、式（２８）からわかる通り、８．２ｍｍである。同等のパイプはセメントライニングパイプと同じ音波速度を有する。ダクタイル鉄のヤング率は、図４に見られるインパクトエコーテストを用いたロッドサンプルの共振周波数からわかるように、１６９ＧＰａである；ポアソン比は０．３に等しいとされ；セメントライニングのヤング率は２４ＧＰａに等しいとされた。インパクトエコーテスト及び弾性率計算は、ＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｅ １８７６−１： Ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ， ｓｈｅａｒ ｍｏｄｕｌｕｓ， ａｎｄ Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ ｒａｔｉｏ ｂｙ ｉｍｐｕｌｓｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，２００１に従って行われた。

水の体積弾性率は、予測パイプ肉厚が８．２±０．１ｍｍに等しくなるまでその値を調節する事によって逆算された。弾性率は２０．８℃で１．９５ＧＰａ、１１．７℃で１．８７５ＧＰａ、及び５．３℃で１．８１ＧＰａであることがわかった。逆算された弾性率に直線が付されたものが、式（２８）で与えられるＭＨｚ周波数での純水の音速に基づいた弾性率とともに図５に示されている。配水パイプ中の水に対して想定される図５に示された５℃から２５℃の範囲の温度では、高いＭＨｚ周波数での純水の弾性率は温度とともにほぼ線形に変化する。これは配水パイプ中の水の体積弾性率を予測する際の付された直線の妥当性を裏付けている。

本発明の実施例に係る典型的な設定を図１ａ及び図１ｂに示す。埋設水パイプ１０は消火栓１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有する。センサ１及び２は消火栓のうち二つに取り付けられており、三つ目の消火栓はセンサ付き消火栓の外側のソースとなっている。図１ａにおいて、センサは消火栓１２ａと１２ｂに取り付けられており、消火栓１２ｃはソースとして作用する。この場合、伝播速度は消火栓１２ａと１２ｂとの間の伝播時間を測定することによって求められる。伝播速度は、式ｖ＝Ｄ／ΔＴで与えられ、ここでΔＴはセンサ１と２で検知された信号間の時間遅延であり、消火栓１２ａと１２ｂを主パイプ１０に接続するパイプの長さは等しいと仮定している。

図１ｂにおいて、消火栓１２ｂはソースとして作用し、外乱はソースの両側にある消火栓１２ａ、１２ｃのセンサ１、２によって検知される。この場合、伝播速度は、式ｖ＝（Ｌ_２−Ｌ_１）／ΔＴで与えられ、消火栓１２ａと１２ｃを主パイプ１０に接続するパイプの長さは等しいと仮定している。

信号はセンサ１、２に取り付けられたトランスミッタ１４から、ＣＤ ＲＯＭ１８のような記憶媒体からハードドライブに転送されたプログラムを実行するＰＣ１６に接続されたレシーバ１５にリモートで送信される。コンピュータ１６はウィンドウズ（登録商標）ベースであり（もちろん他の適切なオペレーティングシステムを使うこともできる。）、結果を図２ａ及び図２ｂに示すウィンドウに表示する。図２ａは測定結果を示す。図２ｂはユーザーが、パイプの材料や温度等のような当該パラメータを入力するためのスクリーンである。信号はアナログ又はデジタル形式のどちらで送っても良い。代替的な設定として、センサ１、２からの信号をケーブルでＰＣに送信しても良い。また、音響信号間の時間遅延を計算して、パイプの肉厚を求めるために、ＰＣのかわりに専用のハードウェアを用いても良い。

センサが、テストされるパイプに接続されている消火栓に取り付けられている時は、接続パイプは地表でたどり、その長さを正確に計り、音響ソースからセンサまでの距離に組込まなければならない。仮に接続パイプをたどる事が不可能で、その長さがレイアウトの“最も妥当と思われる推測（ｂｅｓｔ ｇｕｅｓｓ）”に基づいている場合には、その長さは精度の点でチェックされるべきである。そのための一つの方法は、異なる場所で最低２つのソースによって生成される音響ノイズの伝播速度を測定する事である。例えば、ブラケットの両側の２つのブラケット外（ｏｕｔ‐ｏｆ‐ｂｒａｃｋｅｔ）ソースを使うことができる。仮に音響源からのセンサの距離が、消火栓と主パイプとの間の接続パイプの長さの誤差により不正確であれば、２つのソースから誘起される音響ノイズの別々に測定された伝播速度は異なる。

異なる場所での音響ソースによって誘起される音響信号の時間遅延、パイプ内の音響伝播速度及び接続パイプの長さの間の関係に基づいて、連立一次方程式を作る事が出来る。測定された音響ノイズ間の時間遅延は、飛行時間法、又は相互関係関数（従来法、又は増強法のいずれか）を用いて求められる。そして、音速は、連立一次方程式を解いて得られる。異なる場所における音響ソースの数は未知数に等しい。通常は２つか３つの音響ソースで十分である。

例えば、未知の長さＬ_１及びＬ_２の垂直な接続パイプを有するメインパイプに接続された消火栓に取り付けられたセンサ１及び２の場合を考えてみる。消火栓に向かう接続パイプが主パイプから分岐する二点間の距離はＤであり、正確に測定する事が出来る。センサ１及び２それぞれの側でブラケット外ソースによって誘起される音響信号間の時間遅延Δｔ_１及びΔｔ_２は、次式により音速ｖ、Ｌ_１及びＬ_２に関係していて：

これを解いて伝播速度を次のように求めることができる：

ここに説明された方法によって求められたパイプの肉厚は、音響信号が測定された二点間のパイプ部分の平均値である。これはこの方法の態様を制限するものでは無い。一般的に、土壌及び埋設条件は広範囲にわたって顕著に変化するものではないので、パイプはかなりの長さ、例えば１００メートル等、にわたって略均一な肉厚プロファイルを有する。たとえ縦方向（長手方向）肉厚プロファイルが変化する状況であっても、復旧及び交換の長期計画の必要性の目的にとっては、パイプの残り寿命を評価する上で、平均肉厚プロファイルは、離散的な肉厚の値よりも妥当で有用である。

世界の先進工業国のほとんど全ての水道施設は、老朽化した地下埋設配水パイプの取り替えに必要な資金の確保という大きな問題に直面している。パイプの金属損失を測定するため、つまりパイプの残りの肉厚を求めるための本発明の実施形態に係る本非破壊技術は、これらの水道施設に対して、パイプの残り寿命を計算することを可能にするデータを得るための信頼性があり正確な方法を提供する。これは専門的な裏付けのあるエンジニアリングデータに基づく資金計画を作成する事を可能にし、ひいては決定プロセスを強化する。

本発明は建築業界（例えば、厳しい腐食にさらされる事がよく知られているスプリンクラーシステム）だけでは無く、オイル及びガス産業にも適用可能である。

１、２ センサ
１０ 主パイプ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 消火栓
１４ トランスミッタ
１５ レシーバ
１６ コンピュータ
１８ 記録媒体

Claims (20)

1. 流体を運ぶパイプの非破壊状態検査のための方法であって、
   前記パイプの長手方向に離隔された二点を通って伝播する低周波の音響外乱を検知することと、
   前記音響外乱の伝播速度を表す実測値を求めることと、
   前記パイプが所定の不均一な円周方向肉厚プロファイルの有限肉厚を有すると仮定し、前記パイプの有限肉厚（ｔ）が仮定された最大肉厚（ｔ_ｍａｘ）と仮定された最少肉厚（ｔ_ｍｉｎ）との間で角座標において変化すると仮定し、且つ前記パイプの肉厚にわたる応力を考慮する前記パイプ中の音波の伝播の理論モデルを用いて、前記パイプの異なる円周方向位置における肉厚を表す前記パイプの少なくとも一つの肉厚パラメータの関数として、対応する伝播速度の予測値を計算することと、
   前記実測値を前記予測値に適合させる事によって前記少なくとも一つの肉厚パラメータを計算することを備えた方法。
2. 前記実測値が、前記二点で検知された前記音響外乱の時間遅延を求めること、及び、前記音響外乱のソースから前記二点までの距離の差を前記時間遅延で割って前記実測値を計算することによって求められ、前記時間遅延が、飛行時間法、又は、時間領域或いは周波数領域における相互相関法を用いて求められる、請求項１の方法。
3. 前記肉厚パラメータが、前記予測値を与える式に前記伝播速度の実測値を代入することによって計算される、請求項１又は２の方法。
4. 前記肉厚パラメータが、動径方向角度の関数としての平均肉厚、最大肉厚、及び最少肉厚からなる群から選択される、請求項１から３のいずれかの方法。
5. 既知の肉厚プロファイルを有し前記流体を運ぶ基準パイプに沿って音響外乱の実測伝播速度を測定することと、前記流体の体積弾性率を含む前記理論モデルに用いられる少なくとも一つの定数を計算することを更に含む請求項１から３のいずれかの方法。
6. 前記実測値が、前記パイプ中の低周波音響外乱の平均伝播速度である、請求項１から３のいずれかの方法。
7. 前記平均伝播速度の実測値が、前記長手方向に離隔された二点の各々に配置されたセンサによって検知された前記音響外乱の時間から計算される、請求項１から３のいずれかの方法。
8. 前記仮定された所定の不均一な円周方向肉厚プロファイルが線形である、請求項１から３のいずれかの方法。
9. 前記パイプの減衰能を求めることと、前記減衰能から前記パイプの引っ張り強度に関する情報を導出することを更に含む請求項１から３のいずれかの方法。
10. 前記二点の間を伝播する前記音響外乱の減衰が求められ、該減衰から前記減衰能が導出される、請求項９の方法。
11. 前記減衰能が、前記パイプの基本リング周波数に対応する周波数スペクトルのピーク幅、又は前記パイプに対する機械的な衝撃により誘起される減衰リング振動の対数減衰率から導出される、請求項１０の方法。
12. 流体を運ぶパイプの非破壊状態検査のための装置であって、
    ａ）前記パイプの長手方向に離隔された二点を通って伝播する低周波の音響外乱を検知するための第一及び第二のセンサと、
    ｂ）前記第一及び第二のセンサからの入力を受信して、
    （ｉ）前記音響外乱の伝播速度を表す実測値を求め、
    （ｉｉ）前記パイプが所定の不均一な円周方向肉厚プロファイルの有限肉厚を有すると仮定し、前記パイプの有限肉厚（ｔ）が仮定された最大肉厚（ｔ_ｍａｘ）と仮定された最少肉厚（ｔ_ｍｉｎ）との間で角座標において変化すると仮定し、且つ前記パイプの肉厚にわたる応力を考慮する前記パイプ中の音波の伝播の理論モデルを用いて、前記パイプの異なる円周方向位置における肉厚を表す前記パイプの少なくとも一つの肉厚パラメータの関数として、対応する伝播速度の予測値を計算し、
    （ｉｉｉ）前記実測値を前記予測値に適合させる事によって前記少なくとも一つの肉厚パラメータを計算するようにプログラムされたプロセッサとを具えた装置。
13. 前記有限肉厚が線形に変化すると仮定される、請求項１２の装置。
14. 前記パイプが配水パイプであり、前記センサが、前記パイプに接続された消火栓、前記パイプに取付けられた制御バルブ、及び、マンホール又は土壌中に掘られた小さなキーホールを介してアクセスされるパイプ壁からなる群から選択された支持素子に取付けられる、請求項１２の装置。
15. 前記理論モデルが、無限流体の外乱の伝播速度又は前記流体の体積弾性率、前記流体の密度、前記パイプの内径及び肉厚、並びに、前記パイプを形成する材料のヤング率を含む、請求項１３又は１４の装置。
16. 速度の実測から前記理論モデルの少なくとも一つの定数を逆算するために既知の肉厚プロファイルを有する基準パイプを更に含む請求項１２の装置。
17. パイプに沿って伝播する低周波の音響外乱に応答する複数のセンサから信号を受信して、
    対応する音響源から前記センサまでの距離の間の差を、連続する低周波の音響外乱の間の時間遅延で割ることによって、前記音響外乱の伝播速度を表す実測値を計算し、
    前記パイプが所定の不均一な円周方向肉厚プロファイルの有限肉厚を有すると仮定し、前記パイプの有限肉厚（ｔ）が仮定された最大肉厚（ｔ_ｍａｘ）と仮定された最少肉厚（ｔ_ｍｉｎ）との間で角座標において変化すると仮定し、且つ前記パイプの肉厚にわたる応力を考慮する前記パイプ中の音波の伝播の理論モデルを用いて、前記パイプの異なる円周方向位置において異なる前記パイプの少なくとも一つの肉厚パラメータの関数として、対応する伝播速度の予測値を計算し、
    前記実測値を前記予測値に適合させる事によって前記少なくとも一つの肉厚パラメータを計算するようにコンピュータに命令するためのコード化された命令を記憶している記録媒体。
18. 前記パイプの有限肉厚（ｔ）が線形に変化すると仮定される、請求項１７の記録媒体。
19. 既知の肉厚を有する基準パイプに対する測定から前記理論モデルで用いられる定数を計算するように前記コンピュータに命令するための命令を更に含む請求項１７の記録媒体。
20. 無限流体の外乱の伝播速度及び前記パイプを形成する材料の体積弾性率を含む計算に用いられる既知のパイプパラメータに関する入力定数を受けるために前記コンピュータに入力スクリーンを表示させる命令を更に含む請求項１９に記載の記録媒体。

Images