JP2017072448A

JP2017072448A - 弁シートリーク検査装置および弁シートリーク検査方法

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Publication number: JP2017072448A
Application number: JP2015198660A
Authority: JP
Inventors: 孝行新名; Takayuki Niina; 山下　善弘; Yoshihiro Yamashita; 善弘山下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-06
Also published as: JP6502821B2

Abstract

【課題】弁シートリークを簡便に検査できる弁シートリーク検査装置および弁シートリーク検査方法を提供すること。【解決手段】弁シートに対して流体の流動方向の下流側に位置する第１配管の振動を検出する第１音響センサと、第１配管の振動から暗振動を差し引いた差分を検出する検出部と、判定周波数に対応する差分の値に基づいて弁シートにおける流体の漏洩の有無を判定する判定部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明による実施形態は、弁シートリーク検査装置および弁シートリーク検査方法に関する。

原子力発電プラント、火力発電プラント、化学プラントおよび石油精製プラントなどの各種プラントにおいては、配管系や圧力容器などに弁シートが設置される。弁シートには、異物の混入やシート面の傷等による流体の漏れ（以下、弁シートリークともいう）が発生する虞がある。弁シートリークが発生することで、プラントの起動時に起動遅延が発生したり、プラントの運転時に計画外停止が発生したりする虞がある。特に、点検等によるプラントの停止からプラントを再起動させる場合、復水器や負圧反応塔本体で発生した弁のインリークすなわち吸引による漏れは、プラントの再起動に必要な系統の負圧を確保することに対して障害となる。このため、インリークが生じた場合、すみやかにインリークが発生した弁を特定してインリークを防止する作業を行うことを要する。

しかしながら、現状のリーク検査では、インリークが発生している電動弁および手動弁を線香の煙やガスの吸入によって検出しているため、インリークを簡便に検出することが困難であるといった問題がある。例えば、発電プラントの復水器の場合、復水器本体に繋がる中小口径管が数百個存在するが、これら多数の管に対応して設けられた多数の弁シートのインリークを検査するのに多数の人員を要していた。また、復水器は大型の構造物であるため、弁の設置位置が多岐にわたり、また、高所での検査も要することから、検査が一層困難であった。

弁シートリークを検査する技術として、これまでにも、弁棒の位置、流体の圧力および弁箱の表面温度といった複数のパラメータを計測し、計測された各パラメータを総合的に分析することで弁シートリークを検出する技術が提案されている。しかしながら、この技術では、計測および分析すべきパラメータが多いため、弁シートリークを簡便に検査できないのが実情であった。

特開２０１４−１４６０８７号公報

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、弁シートリークを簡便に検査できる弁シートリーク検査装置および弁シートリーク検査方法を提供することを目的とする。

本実施形態による弁シートリーク検査装置は、
弁シートに対して流体の流動方向の下流側に位置する第１配管の振動を検出する第１音響センサと、
前記第１配管の振動から暗振動を差し引いた差分を検出する検出部と、
判定周波数に対応する前記差分の値に基づいて前記弁シートにおける前記流体の漏洩の有無を判定する判定部と、を備える。

本実施形態による弁シートリーク検査方法は、
弁シートに対して流体の流動方向の下流側に位置する第１配管の振動を検出し、
前記第１配管の振動から暗振動を差し引いた差分を検出し、
判定周波数に対応する前記差分の値に基づいて前記弁シートにおける前記流体の漏洩の有無を判定する。

本発明によれば、弁シートリークを簡便に検査できる。

第１の実施形態を示す弁シートリーク検査装置の模式図である。第１の実施形態の弁シートリーク検査装置の動作例を示すフローチャートである。図３Ａは、第１の実施形態の弁シートリーク検査装置の動作例において、弁シートリークが発生していない場合の音響センサの出力特性を示す模式図であり、図３Ｂは、弁シートリークが発生している場合の音響センサの出力特性を示す模式図である。第２の実施形態を示す弁シートリーク検査装置の模式図である。第３の実施形態を示す弁シートリーク検査装置の模式図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として、弁シートの上流に位置する第２配管の振動を暗振動、すなわちバックグランドノイズとする弁シートリーク検査装置１について説明する。図１は、第１の実施形態を示す弁シートリーク検査装置１の模式図である。

第１の実施形態の弁シートリーク検査装置１は、原子力発電プラント、火力発電プラントまたは化学プラント等のプラントの配管系に設けられている。図１に示すように、弁シートリーク検査装置１は、第１音響センサの一例である下流側音響センサ１１と、第２音響センサの一例である上流側音響センサ１２と、下流側プリアンプ１３と、上流側プリアンプ１４とを備える。また、弁シートリーク検査装置１は、データ処理基板１５と、表示装置１６とを備える。データ処理基板１５は、下流側Ａ／Ｄ変換器１５１と、上流側Ａ／Ｄ変換器１５２と、バンドパスフィルタ１５３と、検出部および判定部としての演算部１５４と、表示処理部１５５とを備える。

（下流側音響センサ１１）
下流側音響センサ１１は、弁シート２１に対して流体の流動方向の下流側に位置する第１配管３１の外周面に接している。ここで、弁シート２１は、弁シート２１に対して流体の流動方向の上流側に位置する第２配管３２と第１配管３１との間に設けられた弁２の一部である。弁２は、中空の弁箱２２を有しており、弁箱２２は、不図示の弁座によって上流側と下流側の２つの部屋に区切られている。また、弁２は、弁箱２２の下流側の部屋に対して進退する弁棒２３を有しており、弁棒２３の先端には、不図示の弁体が設けられている。弁シート２１は、弁体と弁座との間に配置されており、弁体と弁座とを密着させることで、第２配管３２から第１配管３１に向かう流体を仕切る（遮断する）。弁２は、例えば、仕切弁、流量調整弁または玉型弁などであってもよい。

下流側音響センサ１１は、第１配管３１の振動を検出し、検出された振動を示す振動データ（すなわち電気信号）を出力する。下流側音響センサ１１は、例えば、ＡＥ(Acoustic Emission)センサなどの圧電センサであってもよい。圧電センサとして、弁シート２１における流体の漏れ（以下、弁シートリークともいう）の有無の判定に用いる判定周波数に感度ピークを有する共振型の圧電センサを採用することで、弁シートリークの有無を高精度に判定できる。

下流側音響センサ１１によれば、マイクロホンとは異なり、弁シートリークを反映した微弱な音響振動を高精度に検出できる。なお、弁シートリークおよびこれにともなう振動の詳細については、後述する弁シートリーク検査装置１の動作例に説明を譲る。

（上流側音響センサ１２）
上流側音響センサ１２は、第２配管３２の外周面に接している。上流側音響センサ１２は、第２配管３２の振動を検出し、検出された振動を示す振動データを出力する。下流音響センサ１１と同様に、上流側音響センサ１２も、ＡＥセンサなどの圧電センサであってもよい。

上流側音響センサによれば、暗振動すなわちバックグランドノイズを高精度に検出できる。

（プリアンプ１３、１４）
下流側プリアンプ１３は、第１配管３１の振動データの出力側において下流側音響センサ１１に接続されている。下流側プリアンプ１３は、下流側音響センサ１１から出力された第１配管３１の振動データを増幅させ、増幅された振動データを出力する。

上流側プリアンプ１４は、第２配管３２の振動データの出力側において上流側音響センサ１２に接続されている。上流側プリアンプ１４は、上流側音響センサ１２から出力された第２配管３２の振動データを増幅させ、増幅された振動データを出力する。

プリアンプ１３、１４によれば、音響センサ１１、１２で検出された微弱な振動を、弁シートリークの有無の判定に用いることができる十分な強度まで増幅させることができる。

（データ処理基板１５）
下流側Ａ／Ｄ変換器１５１は、第１配管３１の振動データの出力側において下流側プリアンプ１３に接続されている。下流Ａ／Ｄ変換器１５１は、下流側プリアンプ１３から出力された増幅後の第１配管３１の振動データをＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された振動データを出力する。上流側Ａ／Ｄ変換器１５２は、第２配管３２の振動データの出力側において上流側プリアンプ１４に接続されている。上流側Ａ／Ｄ変換器１５２は、上流側プリアンプ１４から出力された増幅後の第２配管３２の振動データをＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された振動データを出力する。

バンドパスフィルタ１５３は、判定周波数を通過帯域としたデジタルフィルタである。判定周波数は、例えば、４０ｋＨｚを中心とした所定範囲の周波数である。バンドパスフィルタ１５３は、下流側Ａ／Ｄ変換器１５１から出力されたＡ／Ｄ変換後の第１配管３１の振動データのうち、判定周波数を有する振動データを通過させる。また、バンドパスフィルタ１５３は、上流側Ａ／Ｄ変換器１５２から出力されたＡ／Ｄ変換後の第２配管３２の振動データのうち、判定周波数を有する振動データを通過させる。一方、バンドパスフィルタ１５３は、判定周波数以外の周波数を有する振動データを遮断する。

バンドパスフィルタ１５３によれば、弁シートリークの有無の判定に必要なデータのみを取り出すことができるので、判定を効率的に行うことができる。

演算部１５４は、バンドパスフィルタ１５３を通過した第１配管３１の振動データから暗振動としてバンドパスフィルタ１５３を通過した第２配管３２の振動データを差し引いた差分データを検出する。暗振動が差し引かれていることで、差分データは、弁シートリークを正確に反映している。弁シートリークを正確に反映した差分データに基づくことで、弁シートリークの有無を高精度に判定できる。

演算部１５４は、判定周波数に対応する差分データの値に基づいて弁シートリークの有無を判定する。演算部１５４は、判定周波数に対応する差分データの値が閾値より大きい場合に、弁シートリークが発生していると判定する。一方、演算部１５４は、判定周波数に対応する差分データの値が閾値以下である場合に、弁シートリークが発生していないと判定する。差分データの値にのみ基づくことで、弁シートリークの有無を簡便に判定できる。

表示処理部１５５は、演算部１５４で判定された弁シートリークの発生を、該当する弁２のアドレス（例えば、弁番号）とともに表示装置１６に表示する。なお、表示装置１６は、例えば、液晶表示装置であってもよい。

（動作例）
次に、図１の弁シートリーク検査装置１の動作例すなわち弁シートリーク検査方法の一例について説明する。図２は、第１の実施形態の弁シートリーク検査装置１の動作例を示すフローチャートである。なお、以下の動作例において、弁２は閉じられており、弁シートリークが発生していない限り、第２配管３２から第１配管３１への流体の流れは遮断されているものとする。

（振動データ取得工程：Ｓ１）
先ず、弁シートリーク検査装置１は、振動データ取得工程を実行する（ステップＳ１）。

振動データ取得工程において、下流側音響センサ１１は、第１配管３１の振動を検出し、検出された振動を示す第１配管３１の振動データを下流側プリアンプ１３に出力する。また、上流側音響センサ１２は、第２配管３２の振動を検出し、検出された振動を示す第２配管３２の振動データを上流側プリアンプ１４に出力する。

図３Ａは、弁シートリークが発生していない場合の音響センサ１１、１２の出力特性を示す模式図である。図３Ａの出力特性（グラフ）において、横軸は周波数ｆであり、縦軸は振動すなわち音圧のレベル［ｄＢ］である。図３Ａに示すように弁シートリークが発生していない場合、下流側音響センサ１１では、１ｋＨｚに音圧のピークを有し、１ｋＨｚより高周波帯域においてほぼ単調減少するような周波数特性を有する第１配管３１の振動データｄ１が検出される。同様に、上流側音響センサ１２においても、１ｋＨｚにピークを有し、１ｋＨｚより高周波帯域においてほぼ単調減少するような周波数特性を有する第２配管３２の振動データｄ２が検出される。なお、出力特性中に図示されたｆ_Ｊは、判定周波数である。ｆ_Ｊは、４０ｋＨｚを中心とした所定範囲の周波数帯域である。ｆ_Ｊは、例えば、３０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚであってもよい。

図３Ｂは、弁シートリークが発生している場合の音響センサ１１、１２の出力特性を示す模式図である。図３Ｂの出力特性の横軸および縦軸は、図３Ａと同様である。流体中の酸化スケール等の異物が弁シート２１に付着したり、弁シート２１に傷が付いたりした場合、弁シート２１に圧着する弁体に隙間ができて、流体のリークルート４（図３Ｂ参照）が形成される。一旦リークルート４が形成されると、流体のエロージョンによって弁シート２１にリークルート４より大きな流路が形成され、弁シートリークが発生する。例えば、上流の第２配管３２の内圧が大気圧で下流の第１配管３１の内圧が負圧の場合、弁シート２１から下流に向かって流体が断熱膨張することで、４０ｋＨｚ近辺の振動が連続的に発生する。この弁シートリークを反映した４０ｋＨｚ近辺の振動は、第１配管３１に到達する。これにより、図３Ｂに示すように、下流側音響センサ１１は、４０ｋＨｚにピークを有する第１配管３１の振動データｄ３を検出する。なお、第１配管３１の振動データｄ３は、暗振動も反映しているため１ｋＨｚにもピークを有する。また、第１配管３１の振動は、弁箱２２を通じて上流側に伝搬して第２配管３２に到達する。これにより、図３Ｂに示すように、上流側音響センサ１２は、４０ｋＨｚに若干のピークを有する第２配管３２の振動データｄ４を検出する。第２配管３２の振動データｄ４の４０ｋＨｚにおけるピークは、第１配管３１からの伝搬過程での減衰により、第１配管３１の振動データｄ３の４０ｋＨｚにおけるピークより小さい。

次いで、下流側プリアンプ１３は、下流側音響センサ１１から出力された第１配管３１の振動データを増幅させ、増幅された振動データをデータ処理基板１５の下流側Ａ／Ｄ変換器１５１に出力する。また、上流側プリアンプ１４は、上流側音響センサ１２から出力された第２配管３２の振動データを増幅させ、増幅された振動データをデータ処理基板１５の上流側Ａ／Ｄ変換器１５２に出力する。

次いで、下流側Ａ／Ｄ変換器１５１は、下流側プリアンプ１３から出力された増幅後の第１配管３１の振動データをＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された振動データをバンドパスフィルタ１５３に出力する。また、上流側Ａ／Ｄ変換器１５２は、上流側プリアンプ１４から出力された増幅後の第２配管３２の振動データをＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された振動データをバンドパスフィルタ１５３に出力する。

（バンドパス処理工程：Ｓ２）
次いで、弁シートリーク検査装置１は、バンドパス処理工程を実行する（ステップＳ２）。バンドパス処理工程において、データ処理基板１５のバンドパスフィルタ１５３は、下流側Ａ／Ｄ変換器１５１から出力されたＡ／Ｄ変換後の第１配管３１の振動データのうち、４０ｋＨｚ周辺の判定周波数を有する振動データを通過させる。また、バンドパスフィルタ１５３は、上流側Ａ／Ｄ変換器１５２から出力されたＡ／Ｄ変換後の第２配管３２の振動データのうち、判定周波数を有する振動データを通過させる。

（差分検出工程：Ｓ３）
次いで、弁シートリーク検査装置１は、差分検出工程を実行する（ステップＳ３）。差分検出工程において、データ処理基板１５の演算部１５４は、バンドパスフィルタ１５３を通過した第１配管３１の振動データから、バンドパスフィルタ１５３を通過した第２配管３２の振動データを差し引くことで、差分データを検出する。

（リーク判定工程：Ｓ４）
次いで、弁シートリーク検査装置１は、リーク判定工程を実行する（ステップＳ４）。リーク判定工程において、演算部１５４は、判定周波数に対応する差分データの値［ｄＢ］が閾値より大きい場合には、弁シートリークが発生していると判定する。演算部１５４は、予め取得されている第１配管３１の振動データと弁２との対応関係に基づいて、弁シートリークが発生している弁２を検知する。一方、判定周波数に対応する差分データの値が閾値以下である場合、演算部１５４は、弁シートリークが発生していないと判定する。

なお、リーク判定にあたり、演算部１５４は、差分データのスペクトルパターンの形状を評価し、スペクトルパターンの形状を判定材料の１つとして用いてもよい。例えば、演算部１５４は、差分データのスペクトルパターンが判定周波数においてピークを有することを、弁シートリークの発生を肯定する条件の１つとしてもよい。

弁シートリークが発生している場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、データ処理基板１５の表示処理部１５５は、弁シートリークが発生している弁２すなわちリーク弁を表示装置１６に表示する（ステップＳ５）。例えば、表示処理部１５５は、図１に示すように、表示装置１６にリーク弁の弁番号とシートリーク状態である旨の文字情報とを表示してもよい。一方、弁シートリークが発生していない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、処理を終了する。なお、弁シートリークが発生していない場合、表示処理部１５５は、すべての弁２が正常である旨の文字情報を表示してもよい。

もし、弁棒の位置、流体の圧力および弁箱の表面温度といった複数のパラメータを計測し、計測された各パラメータを総合的に分析することで弁シートリークを検出する場合、計測および分析すべきパラメータが多いため、弁シートリークを簡便に検査することは困難である。これに対して、第１の実施形態によれば、第１配管３１の振動と第２配管３２の振動との差分（すなわち、差分データ）に基づくことで、弁シートリークを簡便に検査できる。また、判定周波数として、弁シートリークが発生したときに生じる特有の音波の帯域（４０ｋＨｚ周辺）を選択することで、弁シートリークを高精度に検査できる。また、４０ｋＨｚに感度ピークを有する下流側音響センサ１１を用いることで、弁シートリークを更に高精度に検査できる。

（第２実施形態）
次に、第２の実施形態として、断熱材が設けられた配管の振動に基づいて弁シートリークを検査する弁シートリーク検査装置１について説明する。なお、第２の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については、同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図４は、第２の実施形態を示す弁シートリーク検査装置１の模式図である。

図４に示すように、第２の実施形態の弁シートリーク検査装置１は、第１の実施形態の構成に加えて、更に、伝達部材の一例である下流側ウェーブガイド棒１７と上流側ウェーブガイド棒１８とを備える。また、第２の実施形態において、第１配管３１および第２配管３２の外周には、筒状の断熱材５が設けられている。

下流側ウェーブガイド棒１７は、断熱材５を貫通して第１配管３１の外周面に接触している。下流側ウェーブガイド棒１７は、第１配管３１の振動を下流側音響センサ１１に伝達させる。

上流側ウェーブガイド棒１８は、断熱材５を貫通して第２配管３２の外周面に接触している。上流側ウェーブガイド棒１８は、第２配管３２の振動を上流側音響センサ１２に伝達させる。

断熱材５を用いて流体の温度を維持することを目的とした配管３１、３２では、下流側音響センサ１１および上流側音響センサ１２を直接配管３１、３２に接触させることが困難なため、配管３１、３２の振動を検出することが困難である。これに対して、第２の実施形態では、断熱材５を貫通して第１配管３１に接触した下流側ウェーブガイド棒１７を通じて、第１配管３１の振動を下流側音響センサ１１に伝達させることができるので、第１配管３１の振動を確実に検出できる。また、断熱材５を貫通して第２配管３２に接触した上流側ウェーブガイド棒１８を通じて、第２配管３２の振動を上流側音響センサ１２に伝達させることができるので、第２配管３２の振動を確実に検出できる。

なお、下流側ウェーブガイド棒１７は、その材質や形状（例えば、長さや太さ）に基づいて、判定周波数に共振点を有していてもよい。判定周波数に共振点を有することで、下流側ウェーブガイド棒１７は、弁シートリークを反映した振動を増幅させて下流側音響センサ１１に伝達させることができるので、弁シートリークを高精度に検知できる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、正常振動を暗振動とする弁シートリーク検査装置１について説明する。なお、第３の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については、同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図５は、第３の実施形態を示す弁シートリーク検査装置１の模式図である。

図５に示すように、第３の実施形態の弁シートリーク検査装置１は、上流側音響センサ１２（図１参照）の代わりに、複数の第３配管３３の振動をそれぞれ検出する複数の第３音響センサ１９を備える。各第３配管３３は、第２配管３２と第１配管３１との間の弁シート２１と異なる弁シートに対して流体の流動方向の上流側または下流側に位置する。各第３音響センサ１９は、プリアンプ１１０、Ａ／Ｄ変換器１１１およびバンドパスフィルタ１５３を経由して演算部１５４に接続されている。

演算部１５４は、各第３音響センサ１９からの各第３配管３３の振動データに基づいて、弁シートリークが発生していないことを示す正常振動データを検出する。正常振動データは、各第３配管３３の振動データの平均値を有する振動データであってもよい。演算部１５４は、第１振動データから暗振動として正常振動データを差し引くことで、差分データを検出する。

第３の実施形態においても、既述の実施形態と同様に、第１配管３１の振動と正常振動との差分（すなわち、差分データ）に基づくことで、弁シートリークを簡便に検査できる。

なお、第１〜第３の実施形態は、これらを適宜組み合わせてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１弁シートリーク検査装置
１１下流側音響センサ
１５４演算部
２１弁シート
３１第１配管

Claims

弁シートに対して流体の流動方向の下流側に位置する第１配管の振動を検出する第１音響センサと、
前記第１配管の振動から暗振動を差し引いた差分を検出する検出部と、
判定周波数に対応する前記差分の値に基づいて前記弁シートにおける前記流体の漏洩の有無を判定する判定部と、を備える弁シートリーク検査装置。
前記弁シートに対して流体の流動方向の上流側に位置する第２配管の振動を検出する第２音響センサを備え、
前記検出部は、前記第１配管の振動から前記暗振動として前記第２配管の振動を差し引くことで前記差分を検出する請求項１に記載の弁シートリーク検査装置。
前記弁シートと異なる弁シートに対して流体の流動方向の上流側または下流側に位置する複数の第３配管の振動を検出する複数の第３音響センサを備え、
前記検出部は、前記複数の第３配管の振動に基づいて弁シートにおける流体の漏洩が発生していないことを示す正常振動を検出し、前記第１配管の振動から前記暗振動として前記正常振動を差し引くことで前記差分を検出する請求項１に記載の弁シートリーク検査装置。
前記第１配管の外周に断熱材が設けられており、
前記弁シートリーク検査装置は、前記断熱材を貫通して前記第１配管に接触し、前記第１配管の振動を前記第１音響センサに伝達する伝達部材を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の弁シートリーク検査装置。
前記伝達部材は、前記判定周波数に共振点を有する請求項４に記載の弁シートリーク検査装置。
前記判定部は、前記判定周波数に対応する前記差分の値が閾値より大きい場合に、前記流体の漏洩が発生していると判定する請求項１〜５のいずれか１項に記載の弁シートリーク検査装置。
前記判定周波数は、４０ｋＨｚを含む所定範囲の周波数である請求項１〜６のいずれか１項に記載の弁シートリーク検査装置。
前記検出部は、前記判定周波数を通過帯域としたバンドパスフィルタを備え、
前記検出部は、前記バンドパスフィルタを通過した前記第１配管の振動から前記バンドパスフィルタを通過した前記暗振動を差し引くことで前記差分を検出する請求項１〜７のいずれか１項に記載の弁シートリーク検査装置。
弁シートに対して流体の流動方向の下流側に位置する第１配管の振動を検出し、
前記第１配管の振動から暗振動を差し引いた差分を検出し、
判定周波数に対応する前記差分の値に基づいて前記弁シートにおける前記流体の漏洩の有無を判定する、弁シートリーク検査方法。