JP2020008504A

JP2020008504A - 配管診断方法、配管診断装置および配管診断システム

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Publication number: JP2020008504A
Application number: JP2018132036A
Authority: JP
Inventors: ▲高▼須　庸一; 庸一 ▲高▼須; Yoichi Takasu
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: JP7147305B2

Abstract

【課題】ピンホール等の欠陥の成長を推定することができる配管診断方法、配管診断装置および配管診断システムを提供する。【解決手段】配管診断方法は、配管に設けられた超音波探傷子が出力する超音波の反射波を用いて、前記配管内の欠陥の位置を推定する処理と、前記反射波を位置情報で規格化することで得られる反射波信号に応じて前記欠陥の形状を推定する処理と、をコンピュータが実行する。【選択図】図４

Description

本件は、配管診断方法、配管診断装置および配管診断システムに関する。

工場、データセンター、ビルディング等において冷却水、蒸気、薬液等の供給に用いられている配管では、ピンホール等の欠陥を要因とする漏洩が発生している。漏洩は、工場での生産や安全性、機器の運用に大きな影響を与えるため、漏洩後の診断ではなく、事前に予測する技術が求められている。

ピンホール等の欠陥の診断技術としては、音響データ、振動データ、流速データ、圧力データ等を用いた検査手法が挙げられる。データ活用による検査手法の例としては、音響センサのデータにより漏洩位置を特定する技術が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。また、圧力データから漏洩を判断する技術が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−２１０３４７号公報特開平９−１１３４００号公報

しかしながら、これらの技術は漏洩後に診断するものであり、漏洩時期を予測するものではない。また、超音波による診断も、位置特定にとどまる。ピンホール等の欠陥の成長を推定し、漏洩を事前に予測する技術はこれまでなかった。

１つの側面では、本発明は、ピンホール等の欠陥の成長を推定することができる配管診断方法、配管診断装置および配管診断システムを提供することを目的とする。

１つの態様では、配管診断方法は、配管に設けられた超音波探傷子が出力する超音波の反射波を用いて、前記配管内の欠陥の位置を推定する処理と、前記反射波を位置情報で規格化することで得られる反射波信号に応じて前記欠陥の形状を推定する処理と、をコンピュータが実行する。

他の態様では、配管診断システムは、配管に設けられた超音波探傷子と、前記超音波探傷子が出力する超音波の反射波を用いて、前記配管内の欠陥の位置を推定する位置推定部と、前記反射波を位置情報で規格化することで得られる反射波信号に応じて前記欠陥の形状を推定する形状推定部と、を備える。

ピンホール等の欠陥の成長を推定することができる。

（ａ）は実施例１に係る配管診断システムの機能ブロック図であり、（ｂ）は演算部および配管制御部のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。（ａ）〜（ｃ）は探傷子と配管との位置関係を例示する図である。ピンホールの成長に伴う形状変化について例示する図である。配管診断処理を表すフローチャートを例示する図である。（ａ）は探傷子が取得する反射波を例示する図であり、（ｂ）は取得した反射波と初期の反射波との差分を例示する図である。各探傷子の感度曲線を例示する図である。（ａ）はＳＶ波で測定した反射波強度から得られた応答曲面に対してプロットした図であり、（ｂ）はＳＨ波で測定した反射波強度から得られた応答曲面に対してプロットした図であり、（ｃ）はピンホールの深さの経時変化をプロットしたものである。（ａ）および（ｂ）は深さｈの時間推移の複数のモードを例示する図である。ピンホールの深さｈの変化を例示する図である。実施例２に係る配管診断システムを例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係る配管診断システム１００の機能ブロック図である。図１（ａ）で例示するように、配管診断システム１００は、複数の探傷子１０ａ〜１０ｃ、演算部２０、表示装置３０、配管制御部４０などを備える。演算部２０は、データストレージ２１、差分検出部２２、距離算出部２３、角度算出部２４、規格化部２５、データベース２６、プロット部２７、形状推定部２８、予測部２９などを備える。

図１（ｂ）は、演算部２０および配管制御部４０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１（ｂ）で例示するように、演算部２０および配管制御部４０は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。記憶装置１０３に記憶されている配管診断プログラムをＣＰＵ１０１が実行することによって、演算部２０および配管制御部４０が実現される。なお、演算部２０および配管制御部４０の各部は、それぞれ専用の回路等によって構成されていてもよい。

探傷子１０ａ〜１０ｃは、振動子を所定の周波数で振動させることで超音波を出力し、当該超音波の反射波を検出して当該反射波に応じた電気信号を出力する超音波探傷子である。探傷子１０ａ〜１０ｃは、振動子を厚さ方向に振動させることによってＳＶ波を出力し、振動子を平面方向に振動させることによってＳＨ波を出力する。探傷子１０ａ〜１０ｃは、所定のサンプリング周期で、超音波を出力して当該超音波の反射波を検出する。探傷子１０ａ〜１０ｃのサンプリングタイミングは互いに異なっている。探傷子１０ａ〜１０ｃの検出結果は、データストレージ２１に蓄積されていく。例えば、データストレージ２１は、超音波の種類ごとに、検出された反射波強度の経時変化を蓄積していく。

図２（ａ）は、探傷子１０ａ〜１０ｃと配管２０１との位置関係を例示する図である。図２（ａ）で例示するように、探傷子１０ａ〜１０ｃは、配管２０１に設けられている。例えば、探傷子１０ａ〜１０ｃは、配管２０１の外壁に設けられている。探傷子１０ａ〜１０ｃは、配管２０１の円周方向において１２０°ずつズレて配置されている。それにより、探傷子１０ａ〜１０ｃは、配管２０１の円周方向において等間隔に配置されている。なお、探傷子１０ａが配置されている角度位置を０°とし、探傷子１０ｂが配置されている角度位置を１２０°とし、探傷子１０ｃが配置されている角度位置を２４０°とする。なお、配管２０１内には、流体が流動している。流体の種類は、特に限定されるものではなく、液体、気体などである。

図２（ｂ）で例示するように、配管２０１は、Ｚ軸方向に延伸しているものとする。Ｚ軸方向において、探傷子１０ａ〜１０ｃは、同一位置に配置されている。図２（ｂ）の例では、探傷子１０ａ〜１０ｃのうち探傷子１０ａだけが抽出して描かれている。探傷子１０ａからピンホール２０２までの距離を、距離ｄとする。

図２（ｃ）は、配管２０１の円周方向における探傷子１０ａとピンホール２０２との位置関係を例示する図である。図２（ｃ）で例示するように、探傷子１０ａの超音波伝搬方向と、ピンホール２０２の円周方向のずれ角度を角度θとする。

配管診断システム１００は、配管２０１の内壁に形成されたピンホール２０２の位置および形状を推定することで、漏洩時期を推定する。図３は、ピンホール２０２の成長に伴う形状変化について例示する図である。図３で例示するように、ピンホール２０２は、配管２０１の内壁に形成される。ピンホール２０２は、成長するに伴って、直径が大きくなるとともに、深くなっていく。ピンホール２０２の深さが配管２０１の肉厚に到達すると、漏洩が生じることになる。図３で例示するように、ピンホール２０２の直径をΦとし、時間単位の変化量をΔΦとする。ピンホール２０２の深さをｈとし、時間単位の変化量をΔｈとする。

表示装置３０は、演算部２０の演算結果などを表示する装置であり、液晶ディスプレイなどである。配管制御部４０は、演算部２０の演算結果に応じて、配管の運用を制御する。例えば、配管制御部４０は、配管を流動する流体の流量、流体の温度、流体のｐＨなどを制御する。

以下、配管診断システム１００による配管診断処理の詳細について説明する。図４は、配管診断処理を表すフローチャートを例示する図である。図４で例示するように、差分検出部２２は、データストレージ２１に蓄積されていくデータをモニタし、いずれかの種類の超音波に着目し、最も新しく検出された反射波と初期の反射波との差分が閾値以上となったか否かを判定する（ステップＳ１）。

配管２０１において、振動の影響、流体の流動の影響などにより、反射波信号にノイズが現れる。そこで、平均的なノイズの大きさを予め評価しておき、当該ノイズの大きさよりも大きい閾値を設定することで、ノイズではなく何かしらの欠陥（ピンホール）により反射波に変化が生じたものと推定することができる。

図５（ａ）は、探傷子１０ａ〜１０ｃが取得する反射波を例示する図である。図５（ａ）において、横軸は、探傷子１０ａ〜１０ｃが超音波を出力してからの経過時間（ｍｓ）である。縦軸は、変位の信号包絡線の絶対値（ｍｍ）である。図５（ａ）において、「〇」は初期の反射波を表す。「×」は最も新しく検出された反射波を表す。例えば、信号包絡線の絶対値をデータとして取得してある。図５（ｂ）は、取得した反射波と初期の反射波との差分を例示する図である。図５（ｂ）においても、横軸は探傷子１０ａ〜１０ｃが超音波を出力してからの経過時間（ｍｓ）であり、縦軸は変位の信号包絡線の絶対値（図５（ａ））の差分（ｍｍ）である。図５（ｂ）の例では、反射波到達時間ｔにおいて反射波信号の差分が閾値以上となっている。反射波到達時間は、探傷子１０ａ〜１０ｃが超音波を出力してから反射波を受信するまでの時間である。

次に、距離算出部２３は、Ｚ軸方向において、探傷子１０ａ〜１０ｃとピンホール２０２との距離ｄを算出する（ステップＳ２）。距離ｄは、下記式（１）によって算出することができる。音速ｖは、配管２０１内における音速を表す。
距離ｄ＝音速ｖ×反射波到達時間ｔ／２（１）

次に、角度算出部２４は、ピンホール２０２の角度θを算出する（ステップＳ３）。超音波は、波長、振動子サイズ等に依存した広がり角で伝搬する。したがって、ピンホール２０２が超音波の伝搬方向から円周方向にズレていた場合、反射強度は低下するものの、反射波は得られる。探傷子１０ａ〜１０ｃの各位置において、感度は、ピンホール２０２の位置（ｄ，θ）、ピンホール２のサイズ（Φ，ｈ）、探傷子１０ａ〜１０ｃの超音波の周波数ｆ、探傷子１０ａ〜１０ｃの振動子サイズＤ、および配管２０１中の音速ｖに依存する。ここで周波数ｆ、振動子サイズＤ、および音速ｖは既知であり、距離ｄはステップＳ２で算出される。周波数ｆ、振動子サイズＤ、音速ｖおよび距離ｄに応じた感度曲線については、予め取得しておくことができる。図６は、各探傷子の感度曲線を例示する図である。図６において、横軸はピンホール２０２の角度θを表し、縦軸は感度の規格値を表す。探傷子１０ａ〜１０ｃのそれぞれで取得される反射波強度の比率を感度曲線に照らし合わせることで、ピンホール２０２の角度θを推定することができる。図６において、位置１は探傷子１０ａの位置に対応し、位置２は探傷子１０ｂの位置に対応し、位置３は探傷子１０ｃの位置に対応する。

次に、規格化部２５は、反射波強度Ｐを位置情報で規格化することで、規格化値Ｐ_０を算出する（ステップＳ４）。具体的には、反射波強度Ｐを距離および角度で規格化する。規格化にあたって距離ｄ＝０および角度θ＝０とするため、規格化値Ｐ_０は、距離ｄおよび角度θには依存せずに、ピンホール２０２の直径Φおよび深さｈに依存するようになる。なお、規格化値Ｐ_０の算出にあたって、配管２０１における媒質中での散乱等に起因する減衰定数を考慮する。減衰定数をαとすると、反射波強度Ｐは、下記式（２）で表すことができる。なお、Ｐ_０´は、減衰していない（距離ｄ＝０）での反射波強度である。減衰定数αは既知であるため、距離ｄからＰ_０´を算出することができる。
Ｐ＝Ｐ_０´ｅｘｐ（−αｄ）（２）

次に、プロット部２７は、規格化値Ｐ_０を、直径Φおよび深さｈについての応答曲面に対してプロットする（ステップＳ５）。図７（ａ）は、振動子が厚さ方向に５ＭＨｚで振動するＳＶ波で測定した反射波強度から得られた応答曲面に対してプロットしたものである。図７（ｂ）は、振動子が平面方向に５ＭＨｚで振動するＳＨ波で測定した反射波強度から得られた応答曲面に対してプロットしたものである。これらの応答曲面は、データベース２６に格納しておくことができる。

次に、形状推定部２８は、規格化値Ｐ_０と各応答曲面とを照らし合わせることで、ピンホール２０２の直径Φおよび深さｈを推定する（ステップＳ６）。探傷子１０ａ〜１０ｃの構造（ＳＶ／ＳＨ波、周波数、屈折角等）に応じてピンホール２０２のサイズに対する応答が異なるため、複数の応答曲面により直径Φおよび深さｈを推定することができる。

次に、予測部２９は、深さｈの経時変化を適切な関数でフィッティングすることによって、漏洩時期を予測する（ステップＳ７）。例えば、図７（ｃ）で例示するように、経過時間に対してピンホール２０２の深さｈをプロットすることで、回帰分析などによりフィッティングすることができる。フィッティングの結果から、深さｈが配管２０１の肉厚に到達する時期を予測することができる。次に、表示装置３０は、予測した漏洩時期、途中の演算結果などを表示する（ステップＳ８）。

なお、ピンホール２０２の進行度は、温度や湿度の環境、流体の流速、流体のｐＨ、配管２０１の材質の劣化などに依存する。したがって、応答曲面上の軌跡は、これらのパラメータに依存して異なる。蓄積したデータを学習すれば、それぞれを腐食モード毎に分類することができる。そこで、配管制御部４０は、応答曲面上の軌跡に応じて、配管２０１の運用方法(流量、水温、ｐＨ等)を制御する（ステップＳ９）。例えば、応答曲面上の軌跡が、腐食の進みやすいモードに一致する場合には、配管制御部４０は、現状のモードを、腐食の進みにくいモードへと変更してもよい。

続いて、具体的な例について説明する。例えば、探傷子１０ａ〜１０ｃのそれぞれで取得される反射波強度が０．５：０．５：０．１であるとする。この場合、図６の感度曲線を用いることで、角度θ＝６０°の位置にピンホール２０２が位置していると推定することができる。ピンホール２０２の角度θが６０°であると算出されていれば、図６の感度曲線を用いて、規格化値Ｐ_０は、探傷子１０ａで取得された反射波強度の２倍と推定される。この場合、距離ｄおよび角度θで規格化された規格化値Ｐ_０は、下記式（３）で算出することができる。例えば、規格化値Ｐ_０がＳＶ波で０．０２であり、ＳＨ波で０．０３であれば、図７（ａ）および図７（ｂ）の応答曲面を用いて、直径Φ＝２．６ｍｍ、深さｈ＝１．１ｍｍと推定することができる。
Ｐ_０＝Ｐ_０´×２（３）

図８（ａ）は、深さｈの時間推移の複数のモードを例示する図である。破線の矢印がｍｏｄｅ１を表し、実線の矢印がｍｏｄｅ２を表す。図８（ｂ）では、深さｈの時間推移がｍｏｄｅ１またはｍｏｄｅ２のように推移している。例えば、図８（ｂ）で例示するように、ｍｏｄｅ１の場合においては、多次関数フィッティングを適用することができる。ｍｏｄｅ２の場合においては、直線フィッティングを適用することができる。

図９は、ピンホール２０２の深さｈの変化を例示する。図９の例では、ｍｏｄｅ２の条件で、短期間で漏洩が生じることが予測される。そこで、これまでのデータで学習した結果を基に、流量、ｐＨ等のパラメータをｍｏｄｅ１の運用に調整することで、ｍｏｄｅ２´の経路に変更されれば、漏洩までの期間を延長させることができる。

本実施例によれば、配管２０１に設けられた探傷子１０ａ〜１０ｃが出力する超音波の反射波を用いて、配管２０１内のピンホール２０２の位置が推定される。さらに、反射波を位置情報で規格化することで得られる反射波信号に応じて、ピンホール２０２の形状が推定される。この構成によれば、ピンホールの成長を推定することができる。

ピンホール２０２の形状の経時変化を用いて、配管２０１に異常が生じる時期を予測することが好ましい。この場合、漏洩時期などを予測することができる。ピンホール２０２の形状に対する反射波信号の応答曲面を用いて、ピンホール２０２の形状を推定することが好ましい。この場合、高精度にピンホール２０２の形状を推定することができる。ピンホール２０２に対するＳＶ波の反射波信号の応答曲面と、ピンホール２０２に対するＳＨ波の反射波信号の応答曲面とを用いて、ピンホール２０２の形状を推定することが好ましい。この場合、異なる超音波を用いることで、高精度にピンホール２０２の形状を推定することができる。応答曲面におけるピンホール２０２の形状の経路に応じて、配管２０１の運用を制御することが好ましい。この場合、漏洩時期の延長等が可能となる。

（変形例１）
上記例では、５ＭＨｚのＳＶ波の応答曲面および５ＭＨｚのＳＨ波の応答曲面を用いたが、それに限られない。振動子の周波数、屈折角などを変更することで、複数の応答曲面を用いてもよい。これら合計３つの応答曲面のうち２つを用いてもよく、３つを用いてもよい。複数の応答曲面を用いることで、ピンホール２０２の直径Φおよび深さｈを高精度に推定することができる。

（変形例２）
図１０は、実施例２に係る配管診断システムを例示する図である。図１０で例示するように、配管診断システムは、探傷子１０ａ〜１０ｃが、インターネットなどの電気通信回線３０１を通じてサーバ３０２と接続された構成を有する。サーバ３０２は、図１（ｂ）のＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３などを備え、図１（ａ）の各部としての機能を実現する。このように、配管診断システムは、各機能が電気通信回線を介して分散されていてもよい。

上記各例において、距離算出部２３および角度算出部２４が、配管に設けられた超音波探傷子が出力する超音波の反射波を用いて、前記配管内の欠陥の位置を推定する位置推定部の一例として機能する。形状推定部２８が、前記反射波を前記欠陥の位置で規格化することで得られる反射波信号に応じて前記欠陥の形状を推定する形状推定部の一例として機能する。予測部２９が、前記欠陥の形状の経時変化を用いて、前記配管に異常が生じる時期を予測する予測部の一例として機能する。配管制御部４０が、前記応答曲面における前記欠陥の形状の経路に応じて、前記配管の運用を制御する制御部の一例として機能する。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ａ〜１０ｃ探傷子
２０演算部
２１データストレージ
２２差分検出部
２３距離算出部
２４角度算出部
２５規格化部
２６データベース
２７プロット部
２８形状推定部
２９予測部
３０表示装置
４０配管制御部
１００配管診断システム

Claims

配管に設けられた超音波探傷子が出力する超音波の反射波を用いて、前記配管内の欠陥の位置を推定する処理と、
前記反射波を位置情報で規格化することで得られる反射波信号に応じて前記欠陥の形状を推定する処理と、をコンピュータが実行することを特徴とする配管診断方法。
前記欠陥の形状の経時変化を用いて、前記配管に異常が生じる時期を予測する処理を、前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項１記載の配管診断方法。
前記欠陥の形状を推定する処理において、前記配管の欠陥の形状に対する前記反射波信号の応答曲面を用いて、前記欠陥の形状を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の配管診断方法。
前記欠陥の形状を推定する処理において、前記配管の欠陥に対するＳＶ波の前記反射波信号の応答曲面と、前記配管の欠陥に対するＳＨ波の反射波信号の応答曲面とを用いて、前記欠陥の形状を推定することを特徴とする請求項３記載の配管診断方法。
前記応答曲面における前記欠陥の形状の経路に応じて、前記配管の運用を制御する処理を、前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項３または４に記載の配管診断方法。
前記超音波探傷子は、前記配管の円周方向において異なる位置に複数設けられており、
前記欠陥の位置を推定する処理において、複数の前記超音波探傷子で取得された反射波強度の比率を用いて、前記配管の円周方向において前記欠陥の位置を推定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の配管診断方法。
配管に設けられた超音波探傷子が出力する超音波の反射波を用いて、前記配管内の欠陥の位置を推定する位置推定部と、
前記反射波を位置情報で規格化することで得られる反射波信号に応じて前記欠陥の形状を推定する形状推定部と、を備えることを特徴とする配管診断装置。
配管に設けられた超音波探傷子と、
前記超音波探傷子が出力する超音波の反射波を用いて、前記配管内の欠陥の位置を推定する位置推定部と、
前記反射波を位置情報で規格化することで得られる反射波信号に応じて前記欠陥の形状を推定する形状推定部と、を備えることを特徴とする配管診断システム。