JP2016173318A - 面圧計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】締付ボルトの締め付けに緩みが発生した場合に、緩みが発生している締付ボルトを特定することは困難である。【解決手段】本実施形態による面圧計測システムは、複数の面圧計測素子と、複数の出力線とを備える。複数の面圧計測素子は、結合対象の第１フランジに対向する第２フランジの接合面の複数箇所に配置され、接合面における複数箇所の面圧に対応する計測信号をそれぞれ出力する。複数の出力線は、複数の面圧計測素子それぞれに接続され、複数の面圧計測素子それぞれの計測信号を出力する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明の実施形態は、面圧計測システムに関する。

一般にプラント設備における二つの配管の接続には、図６Ａ及び図６Ｂに示すフランジ継手が用いられる。このフランジ継手は、配管とフランジが継手溶接により結合されている。２つのフランジ継手におけるそれぞれのフランジの接合面がシール材を介して面接合され、トルクレンチ等の工具を用いて締付ボルト及びナットを締付ることで２つのフランジ継手は結合される。この際、締付ボルトの締付量はトルクチエックにより確認される。

これに対して、フランジの接合面におけるＯリング溝に、フランジ面圧検出用のリング状の面圧計測素子を配列し、面接合された２つのフランジの接合面における面圧を計測する方法がある。この方法では、２つのフランジを結合する締付ボルト及びナットの締付時に、２つのフランジの接合面における面圧を計測することで締付作業の健全性が確認される。

特開平４−１８４２３１号公報

プラント設備において、結合されたフランジ継手からリークが発生するとプラントが緊急停止される等、運転への影響が大きい。このため、結合されたフランジ継手からのリークを未然に防止することが設備を運用する上で重要な課題となっている。

また、結合されたフランジ継手からのリークの要因として、ガスケットやパッキンの取付不良及び片締め等の、締付作業時の締付・施工管理の問題がある。この問題を未然に防ぐため、実際に施工した締付ボルト及びナットに掛かっているトルクの値を確認することが行われている。このため、一度締付た箇所を緩め再度締め付けるか、もしくは増し締めにより確認する方法が取られる。ところが、一度締め付けた箇所を緩め再度締め付ける方法で得たトルク値の精度は良いとは言い切れず、後戻り施工となる。また、増し締めによる方法は、Ｍ６未満の小さいボルトの回り始めを感じることが難しい。

また、プラント設備の運転中に、締付ボルトの締め付けに緩みが発生した場合に、緩みが発生している締付ボルトを特定することは困難である。このため、緩みが発生した場合に、全締付ボルトに対して増し締めを行うなどの対処措置に留まっているのが現状である。

本実施形態による面圧計測システムは、複数の面圧計測素子と、複数の出力線とを備える。複数の面圧計測素子は、結合対象の第１フランジに対向する第２フランジの接合面の複数箇所に配置され、接合面における複数箇所の面圧に対応する計測信号をそれぞれ出力する。複数の出力線は、複数の面圧計測素子それぞれに接続され、複数の面圧計測素子それぞれの計測信号を出力する。

締付ボルトの締め付けに緩みが発生した場合に、緩みが発生している締付ボルトの特定を容易化できる。

図１Ａは、円形フランジを用いた面圧計測システムの正面図の一例を示す図である。 図１Ｂは、図１ＡのＤ１−Ｄ１´線断面図である。 図１Ｃは、図１ＡのＤ２−Ｄ２´線断面図である。 図２Ａは、方形フランジを用いた面圧計測システムの正面図の一例を示す図である。 図２Ｂは、図２ＡのＤ３−Ｄ３´線断面図である。 図２Ｃは、図２ＡのＤ４−Ｄ４´線断面図である。 図３は、可搬式計測器を用いた面圧計測システムの一例を示す図である。 図４は、作業フローの一例を示す図である。 図５は、警報部を有する面圧計測システムの一例を示す図である。 図６Ａは、円形フランジを用いた従来のフランジ継手の一例を示す図である。 図６Ｂは、図６ＡのＤ５−Ｄ５´線断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１Ａは、円形フランジを用いた面圧計測システム１の正面図の一例を示す図である。図１Ｂは、図１ＡのＤ１−Ｄ１´線断面図である。図１Ｃは、図１ＡのＤ２−Ｄ２´線断面図である。まず、第１実施形態による面圧計測システム１の一例を、図１Ａ乃至図１Ｃを用いて説明する。

これら図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、面圧計測システム１は、例えば、結合対象のフランジ１０に対向するフランジ１１の接合面における面圧の計測に用いられる面圧計測システムである。面圧計測システム１は、複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３と、出力線３０，３１，３２，３３を備える。

まず、複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３及び出力線３０，３１，３２，３３について説明する。複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３は、例えば、ピエゾ素子である。複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３は、例えば、面圧が大きくなるに従い起電力が大きくなる素子である。このため、複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３は、起電力に応じた大きさの計測信号をそれぞれ出力する。

図１Ｂに示すように、複数の面圧計測素子２０，２１のそれぞれが、対応する複数の棒状端子４０，４１の端部に形成されている。なお、面圧計測素子２２，２３について図１では図示を省略しているが、面圧計測素子２０，２１と同様に、面圧計測素子２２，２３のそれぞれが、対応する棒状端子４２，４３の端部に形成されている。図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、出力線３０，３１，３２，３３それぞれが、複数の棒状端子４０、４１，４２，４３を介して複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３に接続されている。
また、複数の棒状端子４０，４１，４２，４３それぞれが、おねじに形成されている。また、フランジ１１において、複数の棒状端子４０，４１，４２，４３それぞれに対応する複数の挿入部が、めねじに形成されている。そして、複数の棒状端子４０，４１，４２，４３のそれぞれが、対応する複数の挿入部にねじ込まれている。これにより、複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３のそれぞれが、フランジ１１の接合面の複数箇所に配置されている。また、ねじ込まれた複数の棒状端子４０，４１，４２，４３のそれぞれは、ねじ込みの方向と逆に回転が可能であり、挿脱が可能に構成されている。
次に、フランジ１０，１１及び配管５０，５１の構造について説明する。図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、フランジ１０、１１が、配管５０、５１を結合するために用いられている。図１Ａに示すように、フランジ１１は、例えば、円盤状の形状であり、その中心部に配管５１の形状に対応した穴部が形成されている。また、複数の棒状端子４０，４１，４２，４３と複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３が、フランジ１１の円Ｃ１の円周上に交互に等間隔に配置されている。
図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、配管５０，５１のそれぞれは、液体、気体、及び紛体等の流体を輸送するために用いられている。フランジ１０は、上述の穴部に挿入された配管５０の端部に、例えば、継手溶接により結合されている。同様に、フランジ１１は、配管５１の端部に、例えば、継手溶接により結合されている。一般に、配管及び配管に結合されたフランジは、フランジ継手といわれている。また、一般に、円盤状の形状のフランジは、円形フランジといわれており、方形状の形状のフランジは、方形フランジといわれている。

図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、フランジ１０、１１の接合面は、例えば、シール材７０を介して接合されている。接合されたフランジ１０、１１のフランジ穴それぞれに挿入された複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３及びそれぞれに対応するナット８０，８１，８２，８３がトルクレンチなどの工具で締め付けられている。これにより、配管５０，５１が結合されている。

また、配管５０，５１内を流れる流体の種類、圧力によって、フランジの形状、及びシール材等を異ならせることが一般に行われている。例えば、低圧の油、水、及び蒸気のような流体の場合、フランジ継手には、全面座のフランジと、シール材としてのシートパッキンが用いられることが一般的である。高圧の油のような流体の場合、フランジ継手には、Ｏリング溝付の油圧用フランジと、シール材としてのＯリングが用いられることが一般的である。また、高圧の蒸気の場合、フランジ継手には、溝付フランジと、シール材としてのスパイラルガスケットが用いられることが一般的である。
次に、複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３及びそれぞれに対応するナット８０，８１，８２，８３の締め付け力の調整について説明する。フランジ１０、１１の接合面が均一な圧力で接合された場合、円Ｃ１の円周上の面圧はほぼ同一になる。このため、複数の面圧計測素子２０，２１，２２、２３それぞれが出力する計測信号の大きさがほぼ同一になった場合、複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３及びそれぞれに対応するナット８０，８１，８２，８３の締め付け力で生じる接合面における面圧もほぼ同一である。

これにより、複数の面圧計測素子２０，２１，２２、２３それぞれが出力する計測信号の大きさをほぼ同一にする締め付け作業を行うことで、複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３及びそれぞれに対応するナット８０，８１，８２，８３の締め付け力の調整が可能である。このように、計測信号を観察することで、複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３及びそれぞれに対応するナット８０，８１，８２，８３の締め付け力の調整を行うことができる。
次に、複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３の中の緩んだ締付ボルトの推定について説明する。締付け作業が完了した後、上述のように、複数の面圧計測素子２０，２１，２２、２３それぞれが出力する計測信号の大きさはほぼ同一である。このため、複数の面圧計測素子２０，２１，２２、２３それぞれが出力する計測信号を継続して観察することで、緩んだ締付ボルトの推定が可能である。
例えば、締付ボルト６０が緩んだ場合，図１Ａに示すように、締付ボルト６０に離接する棒状端子４０、４２から得られた計測信号の大きさは、他の棒状端子から得られた計測信号よりも小さくなる。これにより、締付ボルト６０が緩んだことが推定できる。このように、複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３及びそれぞれに対応するナット８０，８１，８２，８３の締め付に緩みが発生した場合に、緩みが発生している締付ボルトの特定を容易化できる。
次に、フランジ１２、１３が方形フランジである場合の面圧計測システム１の一例を、図２Ａ乃至図２Ｃを用いて説明する。図２Ａは、方形フランジを用いた面圧計測システム１の正面図の一例を示す図である。図２Ｂは、図２ＡのＤ３−Ｄ３´線断面図である。図２Ｃは、図２ＡのＤ４−Ｄ４´線断面図である。図１と同様の構成には同一の番号を付して説明を省略する。方形フランジ１２，１３を用いた場合の面圧計測システム１は、複数の棒状端子４４，４５，４６，４７の配置が、円形フランジ１０，１１を用いた場合の面圧計測システム１と異なる。

これら図２Ａ乃至図２Ｃに示すように、締付けボルト６４，６５，６６，６７が、円Ｃ２の円周上に等間隔に配置されている。また、複数の棒状端子４４，４５，４６，４７が、締付けボルト６４，６５，６６，６７をそれぞれ結ぶ方形Ｑ１の各辺の中点に配置されている。また、複数の棒状端子４４，４５，４６，４７が、円Ｃ２と同じ中心点であり且つ円Ｃ２よりも小さい半径の円Ｃ３の円周上に等間隔に配置されている。出力線３４，３５，３６，３７それぞれが、複数の棒状端子４４、４５，４６，４７を介して複数の面圧計測素子２４，２５，２６，２７に接続されている。
まず、複数の締付ボルト６４，６５，６６，６７及びそれぞれに対応するナット８４，８５，８６，８７の締め付け力の調整について説明する。方形フランジ１２，１３の接合面がほぼ均一の面圧力で接合された場合、円Ｃ３の円周上の面圧はほぼ同一である。また、円Ｃ２の円周上の面圧もほぼ同一になる。

このため、複数の面圧計測素子２４，２５，２５，２７それぞれが出力する計測信号の大きさがほぼ同一になった場合、複数の締付ボルト６４，６５，６６，６７及びそれぞれに対応するナット８４，８５，８６，８７の締め付け力で生じる接合面における面圧もほぼ同一である。これにより、複数の面圧計測素子２４，２５，２５，２７それぞれが出力する計測信号の大きさをほぼ同一にする締め付け作業を行うことで、複数の締付ボルト６４，６５，６６，６７及びそれぞれに対応するナット８４，８５，８６，８７の締め付け力の調整が可能である。このように、方形フランジを用いた場合も、計測信号を観察することで複複数の締付ボルト６４，６５，６６，６７及びそれぞれに対応するナット８４，８５，８６，８７の締め付け力の調整を行うことができる。

次に、複数の締付ボルト６４，６５，６６，６７の中の緩んだ締付ボルトの推定について説明する。図１の場合と同様に、複数の面圧計測素子２４，２５，２５，２７それぞれが出力する計測信号を継続して観察することで、緩んだ締付ボルトの推定が可能である。例えば、締付ボルト６４が緩んだ場合、図２Ａに示すように、締付ボルト６４に近接する棒状端子４４、４７の計測信号の大きさが、他の棒状端子から得られる計測信号よりも小さくなる。これにより、締付ボルト６４が緩んだことが推定できる。このように、方形フランジを用いた場合にも、複数の締付ボルト６４，６５，６６，６７及びそれぞれに対応するナット８４，８５，８６，８７の締め付に緩みが発生した場合に、緩みが発生している締付ボルトの特定を容易化できる。

図３は、可搬式計測器９０を用いた面圧計測システム１の一例を示す図である。図３を用いて可搬式計測器９０を用いた面圧計測システム１の処理の一例を説明する。図３で示す面圧計測システム１は、可搬式計測器９０を備えることで図１に示す面圧計測システム１と相違する。

図３に示すように、可搬式計測器９０は、処理部１００と、記憶部１１０と、表示制御部１２０を備える。処理部１００は、複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３から得られた計測信号のそれぞれを、面圧に対応する計測値に変換処理する。記憶部１１０は、処理部１００で変換処理された計測値を記憶する。表示制御部１２０は、処理部６０で変換処理された計測値に関する情報を表示部９１、９２に表示させる。また、表示制御部１２０は、例えば、過去の計測値を確認する場合、記憶部１１０に記憶されている計測値に基づいて計測値に関する情報を表示部９１、９２に表示させる。

次に、計測値に関する情報の表示に関して説明する。処理部１００は、入力された複数の面圧計測素子２０、２１，２２，２３の計測信号を、時系列な計測値にそれぞれ変換処理する。表示制御部１２０は、この時系列に変換処理された計測値を、複数の表示部９１、９２それぞれのグラフ上に表示させる。このグラフにおいて、横軸は、経過時間を示す。また、縦軸は、変換処理された計測値の値を示す。

グラフ上で複数の計測値が並んで表示されているので、複数の計測値のそれぞれをグラフ上で比較して観察できる。複数の締付ボルト６０，６１，６２，６３及びそれぞれに対応するナット８０，８１，８２，８３の締め付け力の調整に応じて、比較する複数の計測値が変動する。このため、グラフ上の計測値の変動を確認しながら、締め付け力の調整ができるので、グラフを表示しない場合と比較して締め付け作業の効率をあげることが可能である。なお、可搬式計測器９０を用いた面圧計測システム１は可搬式であり、複数の棒状端子４０，４１，４２，４３をフランジ１１から取り外すことも可能である。

図４は、作業フローの一例を示す図である。図４中のグラフでは、横軸は経過時間を示し、縦軸は面圧計測素子から得られた計測値の値を示す。図４中のグラフは、表示制御部１２０が表示部９１に表示させている表示画像の一例である。

また、図４の上図（ａ）は、正常状態のときの計測値の時系列変化の例を示している。図４の下図（ｂ）は、締付ボルトの締め付に異常状態が発生した場合の計測値の時系列な変化の例を示している。図４の上図（ａ）に示すように、正常状態の場合、締め付け作業の開始と共に面圧を示す計測値の値が増加し、管理値に達した後に締め付け作業が完了する。締め付け作業が完了した後も、計測値は管理値に維持されている。

一方、図４の下図（ｂ）に示すように、異常状態が発生した異常時の場合、締め付け作業が完了した後に、締付ボルトの緩みが生じて計測値が管理値を外れている。管理値を外れた場合に緩んだ締付ボルトを増し締めする。これにより、計測値が再び管理値に戻っている。このように、計測値を観察することで、フランジ１０、１１の接合面から流体等のリークが生じる前に、締付ボルトの緩みが生じたことを検出することが可能である。これにより、増し締めを行うことでリークを防ぐことが可能である。

以上説明したように本実施形態では、複数の面圧計測素子は、結合対象のフランジに対向するフランジの接合面の複数箇所に配置されている。このため、接合面における複数箇所の面圧に対応する計測信号をそれぞれ異なる出力線を介して出力が可能である。これにより、締付ボルトの締め付けに緩みが発生した場合に、緩みが発生している締付ボルトの特定を容易化できる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態による面圧計測システム１の一例を示す図である。第２実施形態は、警報部１３０を更に備えることで第１実施形態と相違する。複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３それぞれで計測された計測信号が警報部１３０に入力されている。

警報部１３０は、例えば、図４の下図（ｂ）に示すように、計測信号のいずれかの値が予め定められた管理値をはずれた場合に警報を出力する。また、警報部１３０は、警報メッセージを表示部９３に表示させてもよい。さらに、また、警報部１３０は、音声で警報を発報してもよい。また、警報部１３０は、例えば、図４に示すようなグラフを表示部９３に表示させてもよい。このように、施工後のフランジ接合面に掛かる面圧を連続的に監視することで、管理値を外れた面圧値が計測された場合に、自動的に警報を出力することができる。これにより、締付ボルトのいずれかに緩みが生じたことを自動で検出することができる。

また、上述したように、複数の面圧計測素子２０，２１，２２，２３それぞれで計測された計測信号の中のどの計測信号が管理値をはずれたか確認することで、緩みが生じた締付ボルトを推定することができる。

このように、締付ボルトのいずれかに緩みが生じたことを自動で検出し、緩みが生じた締付ボルトを推定することが可能である。このため、プラント設備を停止させるほどの事態となる前に、緩みが生じた締付ボルトに増し締め等の対応を行うことが可能である。これにより、施工時の健全な締め付け状態へ復旧することができる。

以上説明したように本実施形態では、計測信号のいずれかの値が予め定められた管理値をはずれた場合に警報を発報する。これにより、締付ボルトのいずれかに緩みが生じたことを検出することができる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１： 面圧計測システム、１０，１１，１２，１３： フランジ、２０〜２７： 面圧計測素子、３０〜３７： 出力線、４０〜４７： 棒状端子、５０、５１： 配管、６０〜６７： 締付ボルト、７０ シール材、８０〜８７： ナット、９０ 可搬式計測器、９１，９２，９３： 表示部、 １００ 処理部、１１０ 記憶部、 １２０ 表示制御部、１３０ 警報部

Claims (10)

1. 結合対象の第１フランジに対向する第２フランジの接合面の複数箇所に配置され、前記接合面における前記複数箇所の面圧に対応する計測信号をそれぞれ出力する複数の面圧計測素子と、
   前記複数の面圧計測素子それぞれに接続され、前記複数の面圧計測素子それぞれの計測信号を出力する複数の出力線と、
   を備える面圧計測システム。
2. 前記複数の面圧計測素子は、複数の棒状端子の端部にそれぞれ形成されており、前記第２フランジに形成される複数の挿入部それぞれに前記複数の棒状端子が挿入される請求項１に記載の面圧計測システム。
3. 前記複数の棒状端子のそれぞれはおねじに形成されており、めねじに形成されている前記複数の挿入部に挿脱可能に挿入される請求項２に記載の面圧計測システム。
4. 前記第２フランジは円形であり、前記第１フランジと前記第２フランジは、複数の締付ボルトを用いて結合されており、
   前記複数の棒状端子と前記複数の締付ボルトは、同一の円周上に交互に等間隔に配置されている請求項２又は３に記載の面圧計測システム。
5. 前記第２フランジは四角形であり、前記第１フランジと前記第２フランジは、複数の締付ボルトを用いて結合されている請求項２又は３に記載の面圧計測システム。
6. 前記計測信号を前記複数箇所それぞれの面圧を示す計測値に変換処理する処理部と、
   前記計測値に関する情報を表示部に表示させる表示制御部と、
   を更に備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の面圧計測システム。
7. 前記処理部は、前記計測信号を、前記複数箇所それぞれの面圧の計測値に時系列に変換処理し、前記表示制御部は、前記時系列に得られたそれぞれの計測値に関する情報を表示部に表示させる請求項６に記載の面圧計測システム。
8. 前記表示制御部及び当該表示制御部が表示させている表示部は可搬式の計測装置内に構成される請求項７に記載の面圧計測システム。
9. 前記計測信号のいずれかの値が予め定められた管理値をはずれた場合に警報を出力する警報部を，
   更に備える請求項１乃至８のいずれか一項に記載の面圧計測システム。
10. 結合対象の第１フランジに対向する第２フランジの接合面の複数箇所に配置され複数の面圧計測素子の電気信号を、前記接合面における前記複数箇所の面圧を示す計測値に変換する変換部と、
    前記計測値それぞれに関する情報を表示部に表示させる表示制御部と、
    前記計測値を閾値と比較して値から外れる時に警報を発報する警報部と、
    を備える計測装置。

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