JP2015108520A - 拡管部検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管板に固定された拡管部の密着性を超音波を用いて検査する際に、接触媒質を不要とすることで操作性を高め、かつ検査時間を短縮し、検査効率を向上させる。
【解決手段】拡管部１０２ａの開口端に位置決め固定される円盤状の探触子保持冶具１２と、拡管部１０２ａの内部で拡管部１０２ａの軸線方向に配置され、外周部が弾性体３２で構成されたローラ形超音波探触子２８と、探触子保持冶具１２に設けられた電動モータ１８と、電動モータ１８の出力軸１８ａとローラ形超音波探触子２８とに接続され、電動モータ１８の出力軸１８ａの回転によりローラ形超音波探触子２８を拡管部１０２ａの内面に圧接させながら拡管部１０２ａの周方向へ移動させるアーム２２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、管板と該管板に接続された伝熱管の接合部との密着状態を超音波を照射して検査する拡管部検査装置に関する。

ボイラや熱交換器等に組み込まれる蒸気ドラムやヘッダは、蒸気ドラムの隔壁を構成する管板に多数の開孔を形成し、該開孔に伝熱管の端部を接続して製造される。管板に多数の伝熱管を隙間なく取り付ける場合、溶接が不可能であるため、管板に穿設した開孔に伝熱管の端部を挿入した後、伝熱管の端部を拡径し管板に固定する方法が用いられている。
この固定方法では、管板と伝熱管の拡管部との間の密着性を調べ、管板と出口との間に隙間が形成されていないかどうかを検査する必要がある。この検査方法として、外部から非破壊的に簡便に密着性を検査できる超音波を用いた検査方法が採用されている。

図９は伝熱管が接続された蒸気ドラムを示している。蒸気ドラムの隔壁を構成する管板１００には多数の開孔１００ａが穿設されている。各開孔１００ａには伝熱管１０２の端部が挿入され、該端部が内側から拡径され、拡径された拡管部１０２ａが管板１００に固定されている。通常、蒸気ドラムのドラム長は５、０００〜１５、０００ｍｍであり、内径は６００〜１５００ｍｍであり、管板１００の板厚は３０〜１００ｍｍである。

特許文献１には、管板と拡管部との密着状態を超音波を用いて検査する方法が開示されている。この検査方法は、管板に接続された伝熱管に超音波探触子を取り付けた探触子ホルダを挿入し、探触子ホルダを伝熱管の周方向及び軸線方向へ移動させつつ超音波探触子から超音波を発信させるものである。そして管板と拡管部との接合部で反射した反射波を超音波探触子で受信し、分析装置に送って分析することで管板と拡管部との空隙の有無を検査している。

特開平０２−０４５７５５号公報

特許文献１に開示された検査方法は、探触子ホルダの位置決めに時間を要すると共に、超音波探触子と検査対象面との間に水やグリース等の接触媒質を介在させる必要がある。そのため、接触媒質を供給するための装置が必要となり、高コストになると共に、検査作業が面倒になる問題がある。
また、フォーカス型探触子を使用し、斜角探傷法を採用しているため、検査時間が長くかかるという問題がある。蒸気ドラムやヘッダでは、管板に多数の伝熱管が接続されているため、個々の拡管部の検査を短縮しないと、膨大な検査時間がかかってしまう。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、管板に固定された拡管部の密着性を超音波を用いて検査する場合に、水などの接触媒質を不要とすることで操作性を高め、かつ検査時間を短縮し、検査効率を向上させることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の超音波検査装置は、拡管部の開口端に位置決め固定される探触子保持冶具と、拡管部の内部で拡管部の軸線方向に配置され、外周部が弾性体で構成されたローラ形超音波探触子と、探触子保持冶具に設けられた電動モータと、電動モータの出力軸とローラ形超音波探触子とに接続され、電動モータの出力軸の回転によりローラ形超音波探触子を拡管部の内面に圧接させながら拡管部の周方向へ移動させるアームとを備えている。

本発明では、オペレータが探触子保持冶具を拡管部の開口端に位置決めする。そして、電動モータを作動させてローラ形超音波探触子を拡管部の内面に圧接した状態で拡管部の周方向へ移動させる。ローラ形超音波探触子の外周部は弾性体で構成され、該外周部が拡管部の内面に密着するので、拡管部とローラ形超音波探触子との間に接触媒質を介在させる必要がなくなる。そのため、接触媒質を供給する装置が不要となり、かつ検査作業を簡素化できる。また、ローラ形超音波探触子を拡管部の内面を一周させるだけで検査できるので、検査時間を短縮でき、検査効率を向上できる。

本発明の一実施態様として、ローラ形超音波探触子を拡管部の周方向で相反する位置に配置された一対のローラ形超音波探触子で構成し、これら一対のローラ形超音波探触子間にローラ形超音波探触子を拡管部の内面に押圧する方向へ弾性力を付与するバネ部材をさらに設けるようにすることができる。
これによって、オペレータがローラ形超音波探触子を拡管部の内面に配置すれば、前記バネ部材の弾性力によって自動的にローラ形超音波探触子が拡管部の内面に圧接される。その後電動モータを作動させるだけで検査作業を行うことができる。また、ローラ形超音波探触子を最低限半周するだけで拡管部全域を検査できる。

本発明の一実施態様として、ローラ形超音波探触子を管板の板厚と同等の軸方向長さにすることができる。これによって、ローラ形超音波探触子を拡管部の周方向へ一回転させるだけで、拡管部全域の検査作業を終えることができる。そのため、検査作業を更に効率化できる。

本発明の一実施態様として、ローラ形超音波探触子を軸線方向に直列に配置された複数のローラ形超音波探触子で構成することができる。管板の板厚が大きくなると、管板の板厚と同等の軸線方向長さを有するローラ形超音波探触子を製造できなくなる。しかし、前記構成とすることで、管板の板厚が大きく、拡管部が軸線方向に長くなっても、ローラ形超音波探触子を管板の板厚と同等の領域に配置できる。そのため、ローラ形超音波探触子を拡管部の周方向へ一回転させるだけで、拡管部全体の検査作業を終えることができ、検査作業を効率化できる。

本発明の一実施態様として、拡管部の端部は管板の表面に対し段差を有すると共に、探触子保持冶具に、該探触子保持冶具の中心と同心状に配置され、前記段差に嵌合する嵌合部を設けることができる。前記段差は、拡管部の端部が管板の表面により突出することで形成される場合と、拡管部の端部が管板の表面より引っ込むことで形成される場合とがある。本実施態様は両方の場合に適用される。そして、検査作業において、探触子保持冶具の嵌合部を前記段差に嵌合させることで、探触子保持冶具を拡管部の開口端に容易に位置決めできる。これによって、検査作業をさらに効率化できる。

前記構成に加えて、検査作業時に、前記段差と嵌合する第１の嵌合部と、探触子保持冶具の嵌合部と嵌合する第２の嵌合部とを有するスペーサを用いることができる。拡管部と探触子保持冶具との間に前記スペーサを介装することで、ローラ形超音波探触子の拡管部内での軸線方向位置を調整できる。
これによって、探触子保持冶具の拡管部に対する軸線方向相対位置を容易に調整できるので、超音波探触子の長さが拡管部の軸線方向長さより短い場合でも、拡管部の全域を効率良く検査できる。

本発明によれば、管板に固定された拡管部の密着性を超音波を用いて検査する場合に、
水などの接触媒質を不要とすることで操作性を高め、かつ検査時間を短縮し、検査効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る超音波検査装置の正面視断面図である。 前記超音波検査装置の側面図である。 図１中のＡ矢視図である。 前記超音波検査装置の検査結果を示す画像図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波検査装置の一部を示す正面視断面図である。 本発明の第３実施形態に係る超音波検査装置の一部を示す正面視断面図である。 本発明の第４実施形態に係る超音波検査装置の正面視断面図である。 図７中のＢ―Ｂ線に沿う断面図である。 伝熱管が接続された蒸気ドラムの横断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、こ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い。

（実施形態１）
次に、本発明の第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１に示すように、蒸気ドラムを構成する管板１００に開孔１００ａが穿設されており、開孔１００ａに伝熱管１０２の先端に形成された拡管部１０２ａが固定されている。管板１００と拡管部１０２ａとの密着状態を、本実施形態の超音波検査装置１０Ａで検査する。

超音波検査装置１０Ａを構成する探触子保持冶具１２は、環状の冶具本体１４と電動モータ１８が固定された４本の支持柱１６とで構成されている。電動モータ１８は、４本の支持柱１６によってその出力軸１８ａが冶具本体１４の中心線ｘ上に位置するように固定されている。出力軸１８ａには軸２０を介して２本のアーム２２が回動可能に軸支されている。

２本のアーム２２は、拡管部１０２ａの内部に挿入されたとき、拡管部１０２ａの周方向で互いに相反する方向に、即ち周方向に１８０°の位相差をもって配置されている。各アーム２２の他端は、ブラケット２６に設けられた軸２４を介して、ブラケット２６に対して回動自在に軸支されている。２個のブラケット２６間にはコイルバネ３０が架設されている。ローラ形超音波探触子２８は、各ブラケット４４に回動自在に支持されている。

ローラ形超音波探触子２８は、円筒形状を有し、その軸線方向長さは蒸気ドラムを構成する管板１００の板厚と同等の長さを有している。ローラ形超音波探触子２８はその軸線上に設けられた回転軸２９を介してブラケット２６に回動自在に支持されている。ローラ形超音波探触子２８は、圧電体及び該圧電体の両側に配置された電極を内蔵している。外部から圧電体に電圧が負荷されることで圧電体が振動し、超音波が発信される。

図３に示すように、ローラ形超音波探触子２８の外周部は、シリコンゴムなどの弾性体３２で構成されている。ローラ形超音波探触子２８は、コイルバネ３０の弾性力ｆで拡管部１０２ａの内面に押し当てられ、これによって、わずかな加圧で拡管部１０２ａの内面に密着される。そのため、水やグリスなどの接触媒質を拡管部１０２ａとローラ形超音波探触子２８との間に介在させる必要がない。

開孔１００ａは、管板１００の板厚方向中央部に、断面が矩形の溝１００ｂを有している。拡管部１０２ａが拡径されたとき、拡管部１０２ａが溝１００ｂに押圧されることで、管板１００との密着性を高めることができる。また、拡管部１０２ａの先端は管板１００の表面から突出した突出部１０２ｂを有している。冶具本体１４の一方の面には突出部１０２ｂに遊嵌する断面が矩形の凹部１４ａが形成されている。

超音波検査装置１０Ａは、ローラ形超音波探触子２８に内蔵された圧電体に導線３４を介して電圧を付加する入力部３６を備えている。導線３４は、ローラ形超音波探触子２８の動きをじゃましないように回転軸２９の端部に接続され、回転軸２９を介してローラ形超音波探触子２８に内蔵された圧電体に接続されている。入力部３６には、ローラ形超音波探触子２８で受信した超音波の反射波が入力され、入力した反射波は高周波電圧に変換され、該高周波電圧は解析部３８で解析された後、波形として表示部４０に表示される。

かかる構成において、オペレータが超音波検査装置１０Ａを持って蒸気ドラムの内部に入り、管板１００と拡管部１０２ａとの密着状態を検査する。オペレータは、アーム２２を拡管部１０２ａの内部に挿入しながら、凹部１４ａを拡管部１０２ａの突出部１０２ｂに嵌合して冶具本体１４を位置決めする。２個のローラ形超音波探触子２８はコイルバネ３０の弾性力ｆによって拡管部１０２ａの内面に押し付けられる。この状態で入力部３６からローラ形超音波探触子２８に内蔵された圧電体に電圧を付加することで、ローラ形超音波探触子２８から超音波ｓが発信される。超音波ｓはローラ形超音波探触子２８から拡管部１０２ａに対してほぼ垂直方向へ発信される。

ローラ形超音波探触子２８は電動モータ１８によって拡管部１０２ａの内面を一周し、管板１００と拡管部１０２ａとの密着状態を検査する。
なお、超音波検査装置１０は２個のローラ形超音波探触子２８を有しているので、最低限各ローラ形超音波探触子２８を半周させるだけで済む。

図４は、管板１００と拡管部１０２ａとの接合部で反射した超音波ｓの反射波が、表示部４０に表示されたものである。表示部４０には色付きで反射波が表示される。図中、領域ｈは管板１００の板厚領域であり、領域ｇは溝１００ｂに相当する領域である。図４（Ａ）は管板１００と拡管部１０２ａとの密着性が良く、管板１００から反射する反射波が少ない状態を示す。図４（Ｂ）は管板１００と拡管部１０２ａとの密着性が悪い状態を示し、管板１００から反射する反射波ｒが明瞭に目視される。

本実施形態によれば、ローラ形超音波探触子２８は、その外周部を構成する弾性体が拡管部１０２ａの内面に押し当てられた状態で移動するので、水やグリス等の接触媒質が不要となる。そのため、接触媒質供給装置が不要となり、低コスト化できると共に、検査作業を簡素化できる。
また、ローラ形超音波探触子２８の軸線方向長さは管板１００の板厚と同等の長さを有しているので、ローラ形超音波探触子２８を拡管部１０２ａの内面に押し当てながら一周（最低限半周のみ）させるだけで検査を完了できる。そのため、検査時間を短縮し、検査効率を向上できる。

また、一対のローラ形超音波探触子２８は、コイルバネ３０の弾性力によって自動的に拡管部１０２ａの内面に押し当てられるので、ローラ形超音波探触子２８の操作をある程度自動化でき、操作性を向上できる。そのため、オペレータの労力を軽減できる。
また、探触子保持冶具１２は、拡管部１０２ａの突出部１０２ｂに嵌合する凹部１４ａによって簡単に位置決めできるので、操作性をさらに向上でき、作業効率を高めることができる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図５に基づいて説明する。本実施形態は管板１００の板厚が大きく、例えば１２０ｍｍ以上あるため、この板厚と同等の軸線方向長さを有するローラ形超音波探触子２８の製造が困難であるときの例である。
そのため、図５に示すように、本実施形態のローラ形超音波探触子は、共通の回転軸２９に２個のローラ形超音波探触子２８ａ及び２８ｂが直列に固定されている。そして、ローラ形超音波探触子２８ａ及び２８ｂに夫々導線３４が接続されている。その他の構成は前記第１実施形態と同一である。

本実施形態によれば、管板１００の板厚及び拡管部１０２ａの軸線方向長さが大きい場合でも、管板１００と拡管部１０２ａとの密着状態の検査が可能になる。さらに、前記第１実施形態と同等の操作性をもって検査でき、検査時間を短縮できる。
なお、管板１００の板厚がさらに大きければ、３個の以上のローラ形超音波探触子を直直列に配置してもよい。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図６に基づいて説明する。本実施形態では、拡管部１０２ａの先端部が管板１００の表面より凹んだ位置にあり、管板１００の表面の内周面に環状の段差４１が形成されている。一方、環状の冶具本体１４は、管板１００の内径とほぼ同径で管板１００の内部に遊嵌可能な外径を有し、拡管部１０２側へ突出する環状の凸部１４ｂを有している。検査時、凸部１４ｂを段差４１に遊嵌させて冶具本体１４を拡管部１０２に対して位置決めする。なお、冶具本体１４の位置決め後、拡管部１０２の検査漏れ領域が出ないように、冶具本体１４に対するローラ形超音波探触子２８の相対位置を調整する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、探触子保持冶具１２は、凸部１４ｂを段差４１に遊嵌させることで、簡単に位置決めできるので、操作性をさらに向上でき、作業効率を高めることができる。

（実施形態４）
次に、本発明の第４実施形態を図７及び図８に基づいて説明する。本実施形態は第２実施形態と同様に、管板１００の板厚が大きく、管板１００の板厚と同等の軸線方向長さを製造できないときに適用される例である。
図７に示すように、本実施形態の超音波検査装置１０Ｂは、管板１００の板厚に合わせて電動モータ１８の出力軸１８ａが長く延設され、出力軸１８ａは、検査時、拡管部１０２ａの軸線方向に配置される。

出力軸１８ａの先端には、出力軸１８ａに対して直交する方向にアーム４２が取り付けられている。アーム４２の両端には、２個のブラケット４４，４４がアーム２２に対して互いに接近又は離間可能に、即ちアーム４２に対してスライド可能に嵌合されている。ローラ形超音波探触子４６は、その回転軸４７を介してブラケット４４に回動自在に軸支されている。ブラケット４４及びローラ形超音波探触子４６の構成は、寸法は異なるが、第１実施形態又は第２実施形態のものと同一である。

アーム４２の外周にはコイルバネ４８が巻回され、コイルバネ４８の弾性力はローラ形超音波探触子４６を拡管部１０２ａの内面に押し当てる方向へ付与される。なお、ローラ形超音波探触子４６の軸線方向長さは管板１００の板厚の１／３の長さを有している。
その他の構成、例えばローラ形超音波探触子４６に電圧を負荷し、かつ反射波を受信し解析する等の装置構成は、第１実施形態又は第２実施形態と同一である。

かかる構成において、まず、拡管部１０２ａの開孔に近い領域を検査する場合、スペーサ５０及び５２を用いる。
図８に示すように、スペーサ５２は、円形でリング状の形状を有し、一部に切欠部５４を形成している。スペーサ５２の一端面には、拡管部１０２ａの突出部１０２ｂに対しその内側に遊嵌する矩形断面の凹部５２ａが形成されている。スペーサ５２の他端面には、もう一つのスペーサ５０の一端面に形成された段差面５０ａに遊嵌する段差面５２ａが形成されている。スペーサ５０もスペーサ５２と同径で円形のリング形状を有し、かつ一部に切欠部５４が形成されている。

スペーサ５２の凹部５２ａを突出部１０２ｂに遊嵌し、スペーサ５２の段差面５２ａにスペーサ５０の段差面５０ａを遊嵌することでスペーサ５０及び５２を重ね合せる。スペーサ５０及び５２は切欠部５４に出力軸１８ａを通すことで、図７及び図８に示す位置に配置できる。
そして、スペーサ５０の外周面に冶具本体１４の凹部１４ａを遊嵌させて、冶具本体１４を位置決めする。こうすることで、ローラ形超音波探触子４６を拡管部１０２ａの開孔に近い領域に位置決めできる。この状態で超音波ｓを発信しながら、一対のローラ形超音波探触子４６を一周（最低限半周のみ）させることで、検査を行う。

次に、拡管部内面の軸線方向中央域を検査する場合には、スペーサ５０を取り除き、冶具本体１４の凹部１４ａをスペーサ５２の段差面５２ｂに遊嵌させる。これによって、一対のローラ形超音波探触子４６を拡管部内面の軸線方向中央領域に位置決めできる。この状態で超音波ｓを発信しながら、一対のローラ形超音波探触子４６を一周（最低限半周のみ）させることで、検査を行う。
次に、拡管部１０２ａの軸線方向最深領域を検査する場合には、スペーサ５２を取り除き、冶具本体１４の凹部１４ａを突出部１０２ｂに遊嵌させる。これによって、一対のローラ形超音波探触子４６を拡管部１０２ａの最深領域に位置決めできる。この状態で超音波ｓを発信しながら、一対のローラ形超音波探触子４６を一周（最低限半周）させることで、検査を行う。以上の検査手順で、拡管部１０２ａの全領域を検査できる。

本実施形態によれば、スペーサ５０及び５２を用いることで、ローラ形超音波探触子４６の拡管部１０２ａに対する軸線方向位置を調整できる。そのため、ローラ形超音波探触子４６の軸線方向長さが拡管部１０２ａの軸線方向長さより短い場合でも、拡管部１０２ａの全域を検査できる。

本発明によれば、管板に固定された拡管部の密着性を超音波を用いて検査する装置において、水、グリスなどの接触媒質を不要とし、操作性を高めて検査時間を短縮し、検査効率を向上できる。

１０Ａ、１０Ｂ 超音波検査装置
１２ 探触子保持冶具
１４ 冶具本体
１４ａ 凹部
１４ｂ 凸部
１６ 支持柱
１８ 電動モータ
１８ａ 出力軸
２０、２４ 軸
２２、４２ アーム
２６、４４ ブラケット
２８、２８ａ、２８ｂ、４６ ローラ形超音波探触子
２９、４７ 回転軸
３０、４８ コイルバネ
３２ 弾性体
３４ 導線
３６ 入力部
３８ 解析部
４０ 表示部
４１ 段差
５０，５２ スペーサ
５０ａ、５２ａ 段差面
５４ 切欠部
１００ 管板
１００ａ 開孔
１００ｂ 溝
１０２ 伝熱管
１０２ａ 拡管部
１０２ｂ 突出部
ｆ 弾性力
ｒ 反射波
ｓ 超音波
ｘ 中心線

Claims (6)

1. 開孔を有する管板と、該開孔に挿入され拡径されて前記管板に固定された伝熱管の拡管部との密着状態を検査する拡管部検査装置であって、
   前記拡管部の開口端に位置決め固定される探触子保持冶具と、
   前記拡管部の内部で前記拡管部の軸線方向に配置され、外周部が弾性体で構成されたローラ形超音波探触子と、
   前記探触子保持冶具に設けられた電動モータと、
   前記電動モータの出力軸と前記ローラ形超音波探触子とに接続され、前記電動モータの出力軸の回転により前記ローラ形超音波探触子を前記拡管部の内面に圧接させながら前記拡管部の周方向へ移動させるアームとを備えていることを特徴とする拡管部検査装置。
2. 前記ローラ形超音波探触子は、前記拡管部の周方向で相反する位置に配置された一対のローラ形超音波探触子で構成され、
   前記一対のローラ形超音波探触子間に前記ローラ形超音波探触子を前記拡管部の内面に押圧する方向へ弾性力を付与するバネ部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の拡管部検査装置。
3. 前記ローラ形超音波探触子は前記管板の板厚と同等の軸方向長さを有していることを特徴とする請求項１に記載の拡管部検査装置。
4. 前記ローラ形超音波探触子は軸線方向に直列に配置された複数のローラ形超音波探触子で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の拡管部検査装置。
5. 前記拡管部の端部は前記管板の表面に対し段差を有すると共に、
   前記探触子保持冶具は、該探触子保持冶具の中心と同心状に配置され、前記段差に嵌合する嵌合部を有し、
   探触子保持冶具は前記嵌合部が前記段差に嵌合することで、前記拡管部の開口端に位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の拡管部検査装置。
6. 前記拡管部と前記探触子保持冶具との間にスペーサが介装されることで、前記ローラ形超音波探触子の前記拡管部内での軸線方向位置が調整され、
   前記スペーサは前記段差と嵌合する第１の嵌合部と、前記探触子保持冶具の嵌合部と嵌合する第２の嵌合部とを有していることを特徴とする請求項５に記載の拡管部検査装置。
   

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