JP2020513106A - パイプの欠陥を検出するための反射測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

パイプラインの欠陥を検出するためのシステム及び方法を開示する。一実施形態において、パイプラインの欠陥を検出する方法は、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続される信号生成器により第１パイプラインにおいて電気信号を生成する工程を含む。反射信号は、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器により取得される。反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインの欠陥に少なくとも部分的に反射する。当該方法は、反射信号を解析して欠陥の位置及び欠陥の重大度のうち少なくとも一方を決定する工程も含む。一部の実施形態において、第１パイプライン及び第２パイプラインは、シャントケーブルに接続される。【選択図】図３

Description

本発明の技術は、概して金属パイプの検査に関するものである。特に、本発明の技術は、パイプライン上のコーティングの欠陥、脱離、剥離、腐食、又は他の欠陥の反射測定を用いた検出に関するものである。

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年４月７日に出願された米国仮出願第６２／４８３１８３号の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

金属パイプラインは、時間の経過とともに欠陥を生じる可能性がある。そのような欠陥の例として、パイプコーティングの劣化、パイプコーティングの脱離又は剥離、及びパイプ又はそのコーティングの腐食が挙げられる。埋設パイプラインは、特にこれらの欠陥を起こしやすい。パイプを検査及び／又は修理するためには、パイプの欠陥を特定しなければならず、周囲の土を取り除いてパイプラインを露出することなく特定が行われることが好ましい。

パイプの欠陥を特定するための従来技術として、パイプの材料内部への音響信号（例えば、超音波）を生成し、次いで反射音響信号を測定することによるものがある。音響信号はパイプ内の欠陥に反射するため、欠陥の位置を、例えば音響信号の往復時間に基づいて決定することができる。しかし、音響信号は比較的急速に減衰するため、この性質により従来技術の感度が制限される。さらに、音響信号の反射を予測することは一般に困難である。例えば、反射角度は特定の欠陥の形状に強く影響を受けるため、欠陥の位置を特定することが難しい場合がある。

従来技術として、パイプのセグメントに直流又は交流電流の何れかを流してパイプラインを調査するものがある。これらの従来技術は、直流電圧勾配（ＤＣＶＧ）調査及び交流電圧勾配（ＡＣＶＧ）調査として知られている。検査においては、例えば、土壌に突出してパイプの表面に接触する金属製の棒を使用して、パイプのセグメントに電圧を印加する。一般に、パイプのセグメントに沿った電圧降下は、パイプの状態と相関する。例えば、パイプラインに沿った欠陥は、他のすべての条件が等しい場合、より大きな電圧降下を引き起こす。パイプの１つのセグメントが検査された後、検査員は次のセグメントに移動し、パイプライン全体が検査されるまでこれが続く。したがって、ＤＣＶＧ／ＡＣＶＧ調査は労働集約型の作業であり、完了するまでに長時間を要する。さらに、ＤＣＶＧ／ＡＣＶＧ調査の結果は、電流の一部がパイプ周辺の土壌を通過するため、土壌の抵抗率に大きく依存する。土壌中の塩又は水分の濃度が土壌の抵抗率を大きく変化させる可能性があるため、測定結果は信頼性が低く、解釈が困難である。

したがって、欠陥の位置及び重大度を検出するための方法及びシステムが、依然として必要とされている。

本発明の技術に係る上述の態様及び付随する利点の多くは、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することでより深く理解され、より容易に認識されるであろう。

図１は、本開示の技術の実施形態に係る信号伝搬の概略図である。 図２は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図３は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図３Ａは、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図４は、本開示の技術の実施形態に係る試験信号のグラフである。 図５は、本開示の技術の実施形態に係る試験信号のグラフである。 図６は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のための方法のフロー図である。 図７は、本開示の技術の実施形態に係る伝送路モデルの概略図である。 図８は、本開示の技術の実施形態に係る伝送路モデルの概略図である。 図９は、本開示の技術の実施形態に係るパイプライン欠陥の概略図である。 図１０は、本開示の技術の実施形態に係るパイプライン欠陥の概略図である。 図１１は、本開示の技術の実施形態に係る信号伝搬の概略図である。 図１２は、本開示の技術の実施形態に係る信号伝搬の概略図である。 図１３は、本開示の技術の実施形態に係るパイプラインのインピーダンスのグラフである。 図１４は、本開示の技術の実施形態に係るパイプラインのインピーダンスのグラフである。 図１５Ａ及び図１５Ｂは、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図１６は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図１７は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図１８は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。 図１９は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。 図２０は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。 図２１は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図２２は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。 図２３は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。 図２４は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。

＜概要＞
本概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明される概念の一部を簡略化された形式で紹介するために提供されるものである。本概要は、請求される主題の主要な特徴を特定することを意図したものではない。

本発明の技術は、パイプの欠陥の位置を特定し重大度を推定するためのものである。一部の実施形態において、試験電気信号が信号生成器により生成され、検査中のパイプラインに送られる。信号はパイプラインを通して伝搬し、パイプラインの欠陥と相互作用する。パイプラインの欠陥により、パイプラインの電気インピーダンスが変化する。そのため、試験信号の一部（例えば、電圧又は電流信号）は、欠陥に反射して、反射信号を取得するためのデータ取得機器（オシロスコープ、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、スペクトル分析器等）に向かう。反射信号を解析することで、欠陥の位置及び重大度を推定できる。例えば、一部の実施形態においては、発信信号と受信信号との間の時間遅延（例えば、往復遅延）が欠陥までの距離に対応し、受信信号の振幅が欠陥の重大度に対応する。

一部の実施形態においては、隣接するパイプラインを信号の帰還経路として用いることができる。そのような帰還経路は、土壌中の水分及び／又は塩の異なる含有量によって電磁特性が可変である土壌を信号の帰還経路とする場合と異なり、安定した電磁特性を有する。２つのパイプラインは、例えばシャントケーブルで接続できる。さらに、２つのパイプラインは類似の電磁特性を有する土壌に囲まれているため、土壌への信号の漏れに起因する電磁ノイズは較正され相殺される。調査対象のパイプラインの周囲の環境は、「腐食性電解質環境」と称される場合がある。通常、腐食性電解質環境は土壌であるが、パイプライン内のパイプの周囲には、例えば、水、コンクリート、ガス、及びそれらの組み合わせ等、他の多くの物質が存在する可能性があることが理解されよう。

一部の実施形態においては、所定長さのマンホールの内部においてパイプにアクセスすることができる。マンホールの両端のパイプラインに信号を送ることにより、測定を実行できる。信号のエントリポイントは、マンホールの長さにより相殺されるため、反射信号の往復遅延時間は、マンホールの長さ及び信号速度に比例して変化する。一部の実施形態においては、欠陥の位置をより正確に識別するために、パイプラインの両端における２つの測定値を組み合わせることが可能である。

一実施形態において、パイプラインにおける欠陥検出のための方法は、第１パイプライン及び第２パイプラインに電気的に接続された信号生成器により、第１パイプライン及び第２パイプラインにおいて電気信号を生成する工程と、第１パイプライン及び第２パイプラインに電気的に接続されるデータ取得機器により反射信号を取得する工程とを含む。反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインの欠陥に少なくとも部分的に反射する。当該方法は、反射信号を解析して、欠陥の位置及び欠陥の重大度の少なくとも一方を決定する工程も含む。

一態様において、第１パイプライン及び第２パイプラインは、シャントケーブルに接続されている。別の態様において、電気信号は差動電気信号であり、信号生成器は第１パイプラインにおいてハイ信号を生成し、第２パイプラインにおいてロー信号を生成する。

一態様において、当該方法は、電気信号の表皮深さ（δ）がパイプラインの壁厚（ｅ）に対応するように電気信号の周波数を調整する工程を含む。別の態様において、当該方法は、欠陥のインピーダンス（Ｚ_Ｄ）が第１パイプライン及び第２パイプライン（Ｚ_０）のインピーダンスよりも一桁大きくなるように電気信号の周波数を調整する工程を含む。別の態様において、当該方法は、信号の反射係数（Γ）が以下の式によって制限されるように電気信号の周波数を調整する工程を含む。
ここで、β_Γは下限率であり、α_Γは上限率である。

一態様において、電気信号は、マンホールの第１端部において生成される第１電気信号であり、反射信号は、マンホールの第１端部において取得される第１反射信号である。さらに、当該方法は、マンホールの第２端部において第１パイプラインと電気的に接続される信号生成器により、第１パイプラインにおいて第２電気信号を生成する工程を含む。マンホールの第２端部は、第１パイプラインに沿った長手方向においてマンホールの第１端部と反対側にある。当該方法は、マンホールの第２端部において第１パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器により、第２反射信号を取得する工程も含む。第２反射信号は、欠陥に少なくとも部分的に反射する。当該方法は、第１反射信号及び第２反射信号を解析して欠陥の位置及び欠陥の重大度のうちの少なくとも一方を決定する工程も含む。

一態様において、第１パイプラインは、マンホールの壁と接触する欠陥を含む。別の態様において、反射信号は、第１パイプライン及び第２パイプラインを囲む腐食性電解質環境中を少なくとも部分的に伝搬する。別の態様において、欠陥の位置は、電気信号の生成と反射信号の受信との間の往復遅延に基づいて決定される。

一実施形態において、パイプラインの欠陥を検出する方法は、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続される信号生成器により第１パイプラインにおいて第１電気信号を生成する工程と、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器により第１反射信号を取得する工程とを含む。反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインの欠陥に少なくとも部分的に反射する。当該方法は、信号生成器により、第２パイプラインにおいて第２電気信号を生成する工程と、データ取得機器により第２反射信号（反射信号は、少なくとも部分的に欠陥に反射する）を取得する工程と、第１反射信号及び第２反射信号を解析して欠陥の位置及び欠陥の重大度のうち少なくとも一方を決定する工程とを含む。

別の実施形態において、パイプラインの欠陥を検出する方法は、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続される信号生成器により第１パイプラインにおいて第１電気信号を生成する工程を含む。第１パイプライン及び第２パイプラインは腐食性電解質環境を介して電気的に接続される。当該方法は、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器により第１反射信号を取得する工程をさらに含む。反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインの欠陥に少なくとも部分的に反射する。当該方法は、信号生成器により、第２パイプラインにおいて第２電気信号を生成する工程、及びデータ取得機器により第２反射信号を取得する工程も含む。反射信号は、少なくとも部分的に欠陥に反射する。当該方法は、第１反射信号及び第２反射信号を解析して欠陥の位置及び欠陥の重大度のうち少なくとも一方を決定する工程も含む。

一実施形態において、パイプラインの欠陥を検出するためのシステムは、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続される信号生成器、及び第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器を備える。信号生成器は、第１パイプライン及び第２パイプラインにおいて差動信号を生成するように構成される。データ取得機器は、第１パイプラインにおいて反射信号を受信するように構成される。反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインにおいて少なくとも部分的に欠陥に反射される。

一態様において、第１パイプライン及び第２パイプラインは、シャントケーブルに接続される。別の態様において、シャントケーブルは、調整可能なインピーダンスを有する。

一態様において、第１パイプライン及び第２パイプラインは、少なくとも部分的に埋設される。別の態様において、第１パイプライン及び第２パイプラインは、少なくとも部分的にマンホール内にある。別の態様において、信号生成器は、少なくとも１つの差動ケーブルにより、第１パイプライン及び第２パイプラインと接続される。別の態様において、システムは、信号生成器を差動ケーブルと接続するためのスイッチを備える。

一態様において、データ取得機器は、少なくとも１つの差動ケーブルにより第１パイプライン及び第２パイプラインと接続される。別の態様において、データ取得機器は、オシロスコープ、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、及びスペクトル分析器からなる群より選択される。

一態様において、電気信号の表皮深さ（δ）は、パイプラインの壁厚（ｅ）に対応する。別の態様において、欠陥のインピーダンス（Ｚ_Ｄ）は、第１パイプライン及び第２パイプラインのインピーダンス（Ｚ_０）よりも一桁大きい。

一態様において、欠陥は、マンホールの壁と接触する。別の態様において、欠陥は、脱離、剥離、及び腐食領域のうちの１つである。

＜詳細な説明＞
例示的な実施形態を図示し説明したが、本発明の技術の精神及び範囲から逸脱しない限り様々な変更が可能であることを理解されたい。

図１は、本開示の技術の実施形態に係る信号伝搬の概略図である。動作中、発せられた信号ＥＳは、パイプライン１に沿って伝搬する。そのような信号の例がＩ_１である。パイプラインの例として、石油、ガス、水、化学物質、加圧空気等を輸送するための金属パイプが挙げられる。これらのパイプラインは、部分的又は完全に土壌に埋設され、又は水域に沈められる。

欠陥１０（例えば、パイプコーティングの劣化、パイプコーティングの脱離又は剥離、パイプパイプコーティングの腐食等）に到達すると、信号Ｉ_１は、部分的にＩ_Ｒとして反射し、部分的にＩ_ＴＭとしてパイプライン１に送られ、部分的にＩ_ＴＳとして周囲の土壌中に送られる。反射信号Ｉ_Ｒは発信源に戻り、信号Ｉ_ＴＭはパイプライン１に沿って進み続け、パイプライン２を通して戻る信号ＲＳとして戻る。パイプライン１及び２は、シャントケーブル（不図示）で接続して経路を閉じることができる。

図２、図３、及び図３Ａは、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。これらの図において、パイプライン１及び２は、左から右に延びる。一部の実施形態において、パイプライン１は、検査中であってもよく、一般的には、平行なパイプライン２が信号の帰還経路を提供する。パイプライン１及び２は、シャントケーブル３と電気的に接続することができる。一部の実施形態において、マンホール１００及び２００は、パイプライン１及び２へのアクセスを可能にする。例示される実施形態において、マンホール１００及び２００は、距離Ｌだけ離れている。

一部の実施形態において、信号生成器５２（「波形生成器」とも称される）、データ取得機器５１（例えば、オシロスコープ、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、スペクトル分析器等）、及びインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）５３がマンホール１００内に配置される。信号生成器５２、データ取得機器５１、及びＩＭＮ５３は、集合的に「信号生成・取得機器」と称される。別の実施形態において、信号生成・取得機器は、マンホール２００内又は地上にあってもよい。動作中、信号生成器５２は、パイプライン１に沿って伝搬する信号を生成する。戻ってくる信号は、データ取得機器５１により取得することができる。一部の実施形態において、ＩＭＮ５３は、パイプライン１及び２に接続されて、機器とパイプラインとの間でインピーダンスを整合させる。一部の実施形態において、システムは、ＩＭＮ５３が無い状態で動作する。例えば、信号生成器５２をパイプライン１及び２に接続して、パイプラインにおいて差動信号を生成することができ、データ取得機器５１をパイプライン１及び２に接続して反射信号を取得することができる。

反射信号の解析は、反射測定と称されることもある。信号が時間領域において解析される場合、反射測定法は、時間領域反射測定法と称され、信号が周波数領域において解析される場合、反射測定法は周波数領域反射測定法と称される。

一部の実施形態においては、パイプが比較的密集しているため、パイプラインに沿った土壌（腐食性電解質環境）の特性変化は、両方のパイプラインに同様に影響を与える。したがって、長手方向における一対のパイプラインにおいて、パイプラインの役割を信号の伝達と帰還との間で切り替え、そしてプロファイルを比較することにより、土壌特性の変化の影響を最小限に抑制し、又は少なくとも低減することができる。さらに、信号伝達パイプラインにおいて反射が発生するため、本発明の技術は、パイプラインに沿った欠陥によりどのパイプラインが影響を受けるかを決定することもできる。

一部の実施形態において、信号は、シャントケーブル３を介して第１パイプライン１から第２パイプライン２に伝搬する。一部の実施形態において、信号生成器５２は、第１パイプラインを通り、パイプラインを囲む腐食性電解質環境を介して第１パイプラインから第２パイプラインに移動し、そして第２パイプライン２（送信信号）又は第１パイプライン１（反射信号）を通ってデータ取得機器５１に戻る信号を生成することができる。取得信号を解析して、欠陥の位置及び／又は重大度を判断することができる。

一部の実施形態において、信号生成器５２は、複数のスキャンのために第１パイプライン１において電気信号を生成し、取得機器５１は、反射信号及び／又は送信信号を取得することができる。次に、１つ又は複数の第２スキャンに対して逆の操作が実行され、反射電気信号及び／又は送信電気信号が取得される。第１及び第２スキャンの取得信号は、欠陥の位置及び／又は重大度を決定するために比較することができる。

図２のシステム１０００では、信号生成器５２により信号がパイプライン１に発せられる。信号は、パイプライン１を通って伝搬し、信号の送信部分はシャントケーブル３（例えば、銅又はアルミニウムの棒）及びパイプライン２を通ってデータ取得機器５１に戻る。

図３のシステム２０００においても、信号生成器５２により信号がパイプライン１に発せられる。システム２０００は、土壌電極５４（例えば、土壌への接地）、及びインピーダンスＺ_０を有するカスタマイズ可能な特性負荷４（例えば、インピーダンスが調整可能なシャントケーブル）を備える。一部の実施形態において、インピーダンスＺ_０は（例えば、可変キャパシタンス又はインダクタンスを用いて）調整可能であってもよい。

図３Ａのシステム３０００において、信号は、差動スイッチ６１を介してパイプライン１及び２に到達する。スイッチは、例えば、平衡差動ＢＮＣケーブル６２等の差動ケーブルによって、信号生成及び取得機器と接続することができる。差動ケーブル６２は、例えば、ハイ信号をパイプライン１へと送り、ロー信号をパイプライン２へと送ることにより、差動信号をパイプライン１及び２に送ることができる。

図４及び図５は、本開示の技術の実施形態に係る試験信号のグラフである。両グラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はボルト単位の振幅Ｅを示す。別の実施形態において、信号の振幅は、例えば、アンペア単位の電流として表される場合がある。試験信号は、例えば、信号生成器５３によって生成することができる。

図４は、時間幅Δｔにおいて比較的一定の電圧Ｅを有するステップ信号を示す。図５は、一連のステップ信号を示す。例えば、信号は時間幅Δｔ_１において比較的一定の電圧Ｅを有し、その後時間幅Δｔ_２−Δｔ_１において電圧Ｅ−ΔＥ_１を有し、その後時間幅Δｔ_３−Δｔ_２−Δｔ_１において電圧Ｅ−ΔＥ_１−ΔＥ_２を有する。図４のステップ信号の反射率Γは、以下に対応することが示される。
ここで、ＺＬは負荷のインピーダンス、Ｚ０は特性インピーダンスである。
である場合、信号は、短絡する。一般に、信号伝搬速度ｖは、以下の式で表すことができる。
ここで、２Ｌは、信号が通過する長さ（例えば、試験されるパイプラインについての長さＬと、帰還経路のパイプラインの長さＬの和）であり、Δｔは、信号の往復に要する時間である。一部の実施形態において、図４に示す信号が、図２に示すシステムで用いられる。

図５に示す信号について、反射率は、以下の式で表すことができる。
ここで、ＺＤｉは、パイプラインに沿った欠陥のインピーダンスに対応する。２本のパイプを囲む土壌のバルク誘電率は、以下の通りであることが示される。

実際には、μを透磁率、εを誘電率（又は誘電定数）とすると、鉄の化合物を除く実質全ての媒体において、ｌｃ＝με且つμ＝μ_０である。さらに、ほとんどの実際の用途において土壌の誘電定数はε_{ｗａｔｅｒ}（水の誘電率）によって支配されるため、土壌の抵抗率は、土壌の含水量から決定することができる。例えば、図５に示す信号を図３に示すシステムに用いて、土壌の含水量及び抵抗率を決定することができる。

図６は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のための方法のフロー図６０００である。図示された方法において、ブロック６１０は入力（例えば、データ入力又はアクティビティ）に対応する。このような入力の例として、パイプラインの特性、現場経験、現場修理、又はインピーダンスＺ_０の推定が挙げられる。ブロック６２０は、例えば、あるＺ_０値が欠陥インピーダンスＺ_Ｄと一致又は不一致かどうかを宣言するためのユーザによる選択を表す。ブロック６３０は、計算を表し、例えば、Ｚ_Ｄの推定値、所望のＺ_０ｔｈ、又は周波数の選択を表す。

ブロック６４０は、現場での試験結果（例えば、測定結果）を表す。現場での試験結果の例として、実効インピーダンスＺ_{０ ｅｆｆ}及び等価実効インピーダンスＺ_{０ ｅｑ ｅｆｆ}の測定値が挙げられる。ブロック６５０は、本方法により得られた結果、例えば、欠陥の位置の特定及び欠陥の特性評価を表す。欠陥の特性評価の例として、欠陥の重大度、及び欠陥のタイプ（腐食、剥離等）が挙げられる。

伝送路モデル
図７及び図８は、本開示の技術の実施形態に係る伝送路モデルの概略図である。これらの伝送路モデルは、パイプに沿って伝搬する信号の動作を表す。図７は、配置された要素であるＣ（キャパシタンス）、Ｌ（インダクタンス）、Ｒ（抵抗）、及びＧ（コンダクタンス）を含む伝送路モデルを示す。図示された伝送路モデルには、Ｚ_Ｄ（欠陥のインピーダンス又は欠陥インピーダンス）も含まれる。

図８は、特性インピーダンスＺ０及び欠陥インピーダンスＺＤを含む圧縮伝送路モデルである。反射率Γは、以下の式で表される。

ｗを角周波数（２πｆ）とすると、特性インピーダンスＺ０は、以下に対応する。

パイプライン欠陥
図９及び図１０は、本開示の技術の実施形態に係るパイプライン欠陥の概略図である。図９の概略図は、検査中のパイプライン１、及び信号の帰還経路であるパイプライン２を示す。現場の状況によっては、欠陥１０により土壌への電気経路が作り出される場合がある。そのような欠陥の例は、剥離であるが、他の欠陥によっても、信号が少なくとも部分的に土壌に入るような電気経路が作り出される場合がある。

図１０の概略図も、パイプライン１及び２を示す。一部の実施形態において、欠陥の構成又はタイプにより、帰還経路のパイプライン２が、パイプライン１及び土壌を通る信号の帰還経路となる。

信号伝搬
図１１及び図１２は、本開示の技術の実施形態に係る信号伝搬の概略図である。図１１は入力信号Ｖ_１を示しており、入力信号Ｖ_１は、欠陥１０に到達すると、信号源（例えば、信号生成器）に向かって信号Ｖ_Ｒとして部分的に反射する。信号はまた、パイプライン１を通して送信信号Ｖ_ＴＭとして、また周囲の土壌を通して送信信号Ｖ_ＴＳとして伝播し続ける。図１２は、類似のシナリオを示しており、電流Ｉは信号を表す。

インピーダンス整合
図１３及び図１４は、本開示の技術の実施形態に係るパイプラインのインピーダンスのグラフである。少なくとも一部の実施形態において、信号の帰還導波路として第２パイプラインを使用することにより、土壌内の不規則性に係る問題を排除する。例えば、土壌の抵抗は、一般にパイプラインに沿って変化する。土壌が信号の帰還経路として使用されると、土壌内の電流分布の複雑で確率論的な性質に起因して、土壌を古典的な伝送路の帰還分岐としてモデル化することが困難になる。しかし、パイプライン２を帰還経路として用いると、調査対象のパイプラインの欠陥（例えば、コーティングの欠陥）から漏れる電流の総量を、パイプラインループを流れる電流のうちある程度の割合内に抑えることができ、土壌特性の重要性が下がる。一部の実施形態において、パラメータα（上限率）及びβ（下限率）は、土壌に漏れる電流量が好ましい範囲内であることを保証するように事前に設定することができる。これらのパラメータは、以下のように規定できる。

理論に束縛されるものではないが、α_１の値を制限することにより欠陥の位置の精度が向上し、β_１の値を制限することにより欠陥の特性評価（例えば、欠陥のタイプ及び／又は規模の特性評価）の精度が向上すると考えられる。その結果、反射係数についての類似の範囲は以下のように定義できる。
又は

近似により、上述の範囲は以下のように簡略化できる。

一部の実施形態において、以下のように値の設定を行うことができる。
ここで、Ｎは、パイプライン上の欠陥の数を表す。結果として、以下となる。

一部の実施形態において、上述の不等式は、少なくとも一桁の差に対応するものと解釈することができる。例えば、α_Γ≪１は、α_Γが０．１未満であると解釈することができる。他の実施形態においては、比較値が少なくとも２桁異なる場合があり、例えば、Γ≪１は、Γが０．０１未満であることを示す。別の実施形態においては、値の間で他の比較が可能である。

インピーダンス整合における周波数の役割
一部の実施形態において、信号の周波数を、特性インピーダンスＺ_０の制御パラメータとして、したがって、反射係数Γとして用いる。このような制御は、少なくとも部分的には、パイプラインの金属（例えば、鋼）で発生する表皮効果により可能となるものである。一部の実施形態においては、以下に説明するように、Ｚ_０及びＺ_Ｄの値は、β_Γ及びα_Γを介した信号周波数ｆの選択と組み合わせることができる。

以下が分かっている。

Ｋを定数、Ｒを抵抗とすると、表皮効果により、以下であることが分かる。
したがって、以下となる。

表皮深さを表す式により、
である。ここで、
ρ＝導体の抵抗率
ω＝電流の角周波数＝２π×周波数
μ_ｒ＝導体の比透磁率
μ_０＝自由空間の透磁率
ε_ｒ＝材料の比誘電率
ε_０＝自由空間の誘電率
である。

ｗ＜＜ρｗの場合、以下の式のようになる。

ただし、
であるため、以下の式のようになる。

図１３は、Ｚ_０とδに係る上述の式を用いて得られた特性インピーダンスＺ_０のグラフである。横軸は周波数ｆの対数を示す。縦軸は、特性インピーダンスＺ_０の絶対値を示す。一部の実施形態において、表皮深さ（δ）は通常パイプの壁厚（ｅ）に対応する。これは、パイプに利用可能な材料が信号の伝播に完全に利用され、これにより、信号の不要な減衰が制限されるからである。値ｗ_ｃは、表皮深さがパイプの壁厚に対応するような角周波数である。一部の実施形態において、表皮深さは、例えば、±５％、又は±１０％の変動内で、パイプの壁厚に対応し得る。

図１４は、本開示の技術の実施形態に係るパイプラインのインピーダンスのグラフである。横軸は、周波数の対数を示す。縦軸は、特性インピーダンスＺ_０の実部、虚部、及び絶対値を示す。一部の実施形態において、｜Ｚ_Ｏ｜の範囲は、パイプライン内の大きな剥離（「大きなホリデー」とも称される）から小さな剥離に至る欠陥に対応する。

以下のパラメータを用いて、サンプル事例のシミュレーションを行った。
パイプの直径：３インチ
パイプの厚さ：４ｍｍ
パイプの材質：炭素鋼
パイプライン間の距離：１ｍ間隔
パイプラインのコーティング：２０ミルのコールタール
物性値は以下の通りである。

Ｚ_０の値を、上術のパラメータ及び材料特性を用いて計算した。結果を図１４のグラフ及び下の表１に示した。

表１：周波数の関数としての特性インピーダンスＺ０

したがって、ｗ≧ｗ_ｃの場合、
であり、ｗ≦ｗ_ｃの場合、
である。

上述のパラメータ及び特性について、以下が分かっている。

したがって、図１４のグラフの対数横軸において、周波数の下限は１００Ｈｚであり、上述のシミュレーションにおけるｗ_ｃにあたる。周波数の上限は２５ＭＨｚであり、これは、一部の実施形態における、標準的な生成器の最大周波数である。

一部の実施形態において、別の最適化の改良により、本発明の技術の適用に係る精度及び範囲が向上し得る。例えば、欠陥の位置の特定及び特性評価のプロセスは分離することができる。その結果、それぞれβよりも低く、αよりも高い反射係数が使用され得る。ただし、分離により、試験時間が長くなる可能性がある。さらに、本発明の技術は、インピーダンスを土壌電極に追加できるため、（最小周波数においてＺ_Ｏが許容する「自然な」範囲と比較して）より大きな欠陥に適応できる可能性がある。一般に、情報ワークフローの取り扱いに係り、試験チームと修理チームのバランスを取るために、経済的な事項を考慮する場合がある。

欠陥の位置の決定
図１５Ａ及び１５Ｂは、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。図１５Ａは、パイプライン１に沿って伝搬しループ２を介してデータ取得機器５１に戻る信号を生成する信号生成器５２を示す。しかし、同等の鏡像ループ１も作成される。これは、パイプライン１，２が信号生成及び取得機器５１，５２から両側に延びているためである。したがって、実際には、パイプライン１，２の１つのセクションは、別のセクションから分離されていない。その結果、一部の実施形態においては、信号生成及び取得機器５１，５２のどちら側で欠陥が発生したかを知ることができない。

図１５Ｂは、次の位置における信号生成及び取得機器５１，５２を示す。ここでも、信号は、ループ２とループ３の２つのループで生成される。一部の実施形態においては、パイプラインに沿って所定の距離だけずれた複数の測定に基づいて欠陥の位置を決定できる。例えば、ポイントＡ，Ｂ，Ｃ間の測定がループ１及びループ２で実行され、ループ２及びループ３でのポイントＢ，Ｃ，Ｄ間の測定と比較される。このような測定の実施形態については、以下の図１６から１９を参照して説明する。

図１６及び図１７は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。一部の実施形態において、マンホール１００の両側で２セットの測定が実行される。図１６は北端で実行される測定を示し、図１７は南端で実行される測定を示す。どちらの場合も、欠陥１０は信号反射を引き起こす可能性があるが、図１８から図２０を参照して以下に説明するように、２つの測定ポイント間の距離Ｄｐにより、異なる信号反射が生じる。

図１８及び図１９は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。グラフの水平軸は、パイプラインに沿った信号源からの距離をメートル単位で表す。縦軸は、信号強度をボルト単位で表す。グラフの縦線は、パイプラインにおける欠陥の位置に対応する。

図１８のグラフは、マンホールの南端から実行された測定値（図１７）に対応し、図１９のグラフは、マンホールの北端から実行された測定値（図１６）に対応する。グラフを分析して、その設定に固有のプローブポイントからの欠陥の距離を示すことができる。例えば、欠陥を示している部分について図１８及び図１９を分析すると、図１８の欠陥の位置は約３３メートルであり、マンホール１００の長さＤｐが５メートルであることから、図１９の欠陥の位置は約３８メートルである。これは、欠陥１０がマンホール１００の中心から３５．５メートル離れていることを意味する。

さらに、図１８及び図１９のプロファイルの比較は、欠陥が存在する側を決定するうえでも役立つ。つまり、仮想鏡像欠陥を排除できる。例えば、欠陥１０はマンホール１００の南端により近く、マンホールの北端からより遠いため、実際の（非仮想）欠陥１０は、マンホール１００の南側にある。

図２０は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。横軸は測定ポイント（つまり、電子機器を収容するマンホール）からの距離を表し、縦軸は信号の強度を表す。図示された反射測定プロファイルは、信号が伝搬する媒体に関する情報を提供する。具体的には、正の反射は、土壌からコンクリート及び空気への移行といった、媒体の誘電率の低下を意味する。これらの反射は、隣接するマンホールが別のマンホールのプローブポイントからどのように見えるかを示し得る。

一部の実施形態において、信号強度の変化は、信号速度の推定値を確認したり、速度を較正するのに役立つ場合がある。例えば、マンホールの（パイプラインを接続するシャントケーブル３を用いない）反射測定における特徴が、隣接するマンホールのプローブポイントから分かる場合がある。図示した例においては、２つのマンホールは１７４ｍ離れている。これらのマンホールの幅が６ｍであるとすると、土壌／コンクリート／空気の境界による反射が見られる予測距離は、１６８ｍである。これを、図２０のグラフで測定された距離１６４ｍと比較できる。したがって、用いる信号速度は、パイプラインのセクションにおいて約４メートル以内で正確であり、誤差は４％未満である。

パイプラインとコンクリート壁との間に位置する欠陥
図２１及び図２２は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出の概略図である。一部の実施形態において、壁１１０に対するパイプラインの絶縁の完全性を、図２１及び図２２に示した機構を用いて評価できる。一部の実施形態において、壁１１０は、コンクリート壁である。一部の実施形態において、図２１は未較正の機構に対応し、図２２は較正済みの機構に対応する。較正された機構は、既知のインピーダンスを有するシャントケーブル３を備える。厚さＴｗは、マンホールのコンクリート壁の厚さを表し、距離Ｄｗは、コンクリート壁１１０からシャントケーブル３の位置までの距離を表す。

マンホール１００の端壁に絶縁が不完全な部分が含まれている場合（例えば、パイプラインから端壁１１０を通って地面への電気経路がある場合）、パイプと壁との間の界面において、インピーダンスの局所的な変化により信号反射が発生する。したがって、信号反射測定は、端壁内のパイプラインのコーティング及び／又は絶縁の評価に用いることができる。一部の実施形態において、これらの反射プロファイルは、較正されていない機構（「未較正機構」とも称される）及び較正済みの機構で取得することができる。図２３及び図２４を参照して、異なる様々な反射率プロファイルについて以下に説明する。

図２３及び図２４は、本開示の技術の実施形態に係る欠陥検出のグラフである。図２３は、パイプラインとマンホールの壁との間の損傷のない絶縁に対応する。図２４は、パイプラインとマンホールの壁との間の損傷した（低下した）絶縁に対応する。両方のグラフにおいて、横軸は信号源からの距離に対応し、縦軸は信号の強度をボルトで表している。

図２３の損傷のない絶縁の場合、信号がマンホール１００の端壁１１０（例えば、コンクリート壁）を通って伝搬するとき、電流はほとんど失われない。その結果、マンホールのコンクリートと周囲の土壌との境界は、未較正の機構においてシャープな反射を引き起こす。シャープな反射は、約５．５ｍの距離に対応している。

図２３の損傷のない絶縁においては、較正済みの機構にシャント３が存在する場合、シャント３もシャープな反射を引き起こすが、未較正の機構の場合よりも信号源に近くなる。図２３の反射間の見かけの距離は、（Ｌｂ−Ｔｗ−Ｄｗ）に依存する。一部の実施形態において、これら２つのプロファイル間の差である、「較正反射」とラベル付けされた曲線はシャープであり、シャントが導入された場所を比較的正確に示すことができる。

さらに、２つの「較正反射」プロファイルの差は、図２４において低下した（損傷した）絶縁を示している。例えば、絶縁が低下した場合、シャントの有無の影響は、コンクリート壁からの信号漏れにより低減される。その結果、図２４のグラフでは、較正反射が鈍くみえる。一部の実施形態において、コンクリートを含む異なる材料間でのコーティングによる絶縁の評価は、図２４のような較正反射曲線の形状、及びこれらの曲線と図２３のような損傷のない絶縁の参照曲線との比較に基づいて、行うことができる。

上述の技術の多くの実施形態は、コンピュータで実行可能な、又はコントローラで実行可能な命令の形式を取ることができ、当該命令は、非一時的メモリに格納され、プログラム可能なコンピュータ又はコントローラによって実行されるルーチンを含む。関連技術の当業者は、本技術が上述した以外のコンピュータ／コントローラシステム上で実施され得ることを理解するであろう。本技術は、上述のコンピュータで実行可能な命令の１つ以上を実行するように特別にプログラム、構成、又は構築された専用コンピュータ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、コントローラ、又はデータプロセッサで実現できる。多くの実施形態において、本明細書で説明される任意のロジック又はアルゴリズムは、ソフトウェア又はハードウェア、又はソフトウェア及びハードウェアを組み合わせて実装することができる。

上述のように、本技術の特定の実施形態を例示目的で本明細書に記載したが、本開示から逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることが理解されるであろう。さらに、特定の実施形態に係る様々な利点及び特徴をそれらの実施形態の文脈で上述したが、他の実施形態もそのような利点及び／又は特徴を示す可能性があり、一方で、全ての実施形態が、本技術の範囲内において必ずしもそのような利点及び／又は特徴を示すとは限らない。したがって、本開示は、本明細書に明示的に示されていない又は説明されていない他の実施形態を包含し得る。

Claims (28)

1. パイプラインの欠陥を検出する方法であって、
   第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続される信号生成器により、第１パイプライン及び第２パイプラインにおいて電気信号を生成する工程と、
   第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器により、反射信号を取得する工程であって、前記反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインの欠陥に少なくとも部分的に反射する、工程と、
   前記反射信号を解析して前記欠陥の位置及び前記欠陥の重大度のうち少なくとも一方を決定する工程とを含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   第１パイプライン及び第２パイプラインは、シャントケーブルに接続される、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電気信号は、差動電気信号であり、
   前記信号生成器は、第１パイプラインにおいてハイ信号を、第２パイプラインにおいてロー信号を生成する、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電気信号の表皮深さ（δ）が前記パイプラインの壁厚（ｅ）に対応するように前記電気信号の周波数を調整する工程をさらに含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記欠陥のインピーダンス（Ｚ_Ｄ）が第１パイプライン及び第２パイプラインのインピーダンス（Ｚ_０）よりも一桁大きいように、前記電気信号の周波数を調整する工程をさらに含む、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   下限率をβ_Γ、上限率をα_Γとすると、前記信号の反射係数（Γ）が以下の式（１）により制限されるように、前記電気信号の周波数を調整する工程をさらに含む、方法。
   β_Γ≦Γ≦α_Γ （１）
7. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電気信号は、マンホールの第１端部において生成される第１電気信号であり、前記反射信号は、前記マンホールの第１端部において取得される第１反射信号であり、
   前記方法は、
   前記マンホールの第２端部において第１パイプラインと電気的に接続される前記信号生成器により、第１パイプラインにおいて第２電気信号を生成する工程であって、前記マンホールの第２端部は、第１パイプラインに沿った長手方向において前記マンホールの第１端部と反対側にある、工程と、
   前記マンホールの第２端部において第１パイプラインと電気的に接続される前記データ取得機器により、第２反射信号を取得する工程であって、第２反射信号は、前記欠陥に少なくとも部分的に反射する、工程と、
   第１反射信号及び第２反射信号を解析して前記欠陥の位置及び前記欠陥の重大度のうちの少なくとも一方を決定する工程とをさらに含む、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   第１パイプラインは、前記マンホールの壁と接触する前記欠陥を含む、方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、
   前記反射信号は、第１パイプライン及び第２パイプラインを囲む腐食性電解質環境中を少なくとも部分的に伝搬する、方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、
    前記欠陥の位置は、前記電気信号の生成と前記反射信号の受信との間の往復遅延に基づいて決定される、方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、
    前記欠陥の重大度は、前記反射信号の振幅に対応する、方法。
12. パイプラインの欠陥を検出する方法であって、
    第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続される信号生成器により第１パイプラインにおいて第１電気信号を生成する工程と、
    第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器により第１反射信号を取得する工程であって、前記反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインの欠陥に少なくとも部分的に反射する、工程と、
    前記信号生成器により、第２パイプラインにおいて第２電気信号を生成する工程と、
    前記データ取得機器により第２反射信号を取得する工程であって、当該反射信号は、少なくとも部分的に前記欠陥に反射する工程と、
    第１反射信号及び第２反射信号を解析して前記欠陥の位置及び前記欠陥の重大度のうち少なくとも一方を決定する工程とを含む、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    第１パイプライン及び第２パイプラインは、シャントケーブルに接続される、方法。
14. パイプラインの欠陥を検出する方法であって、
    第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続される信号生成器により第１パイプラインにおいて第１電気信号を生成する工程であって、第１パイプライン及び第２パイプラインは腐食性電解質環境を介して電気的に接続される、工程と、
    第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続されるデータ取得機器により第１反射信号を取得する工程であって、前記反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインの欠陥に少なくとも部分的に反射する工程と、
    前記信号生成器により、第２パイプラインにおいて第２電気信号を生成する工程と、
    前記データ取得機器により第２反射信号を取得する工程であって、当該反射信号は、少なくとも部分的に前記欠陥に反射する工程と、
    第１反射信号及び第２反射信号を解析して前記欠陥の位置及び前記欠陥の重大度のうち少なくとも一方を決定する工程とを含む、方法。
15. パイプラインの欠陥を検出するためのシステムであって、信号生成器及びデータ取得機器を備え、
    前記信号生成器は、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続され、且つ第１パイプライン及び第２パイプラインにおいて差動信号を生成するように構成され、
    前記データ取得機器は、第１パイプライン及び第２パイプラインと電気的に接続され、且つ第１パイプラインにおいて反射信号を受信するように構成され、
    前記反射信号は、第１パイプライン又は第２パイプラインにおいて少なくとも部分的に欠陥に反射される、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    第１パイプライン及び第２パイプラインは、シャントケーブルに接続される、システム。
17. 請求項１６に記載のシステムであって、
    前記シャントケーブルは、調整可能なインピーダンスを有する、システム。
18. 請求項１５に記載のシステムであって、
    第１パイプライン及び第２パイプラインは、少なくとも部分的に埋設される、システム。
19. 請求項１５に記載のシステムであって、
    第１パイプライン及び第２パイプラインは、少なくとも部分的にマンホール内にある、システム。
20. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記信号生成器は、少なくとも１つの差動ケーブルにより、第１パイプライン及び第２パイプラインと接続される、システム。
21. 請求項２０に記載のシステムであって、
    前記信号生成器を前記差動ケーブルと接続するためのスイッチをさらに備える、システム。
22. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記データ取得機器は、少なくとも１つの差動ケーブルにより第１パイプライン及び第２パイプラインと接続される、システム。
23. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記データ取得機器は、オシロスコープ、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、及びスペクトル分析器からなる群より選択される、システム。
24. 請求項１５に記載のシステムであって、
    電気信号の表皮深さ（δ）は、パイプラインの壁厚（ｅ）に対応する、システム。
25. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記欠陥のインピーダンス（Ｚ_Ｄ）は、第１パイプライン及び第２パイプラインのインピーダンス（Ｚ_０）よりも一桁大きい、システム。
26. 請求項１５に記載のシステムであって、
    下限率をβ_Γ、上限率をα_Γとすると、前記信号の反射係数（Γ）は、以下の式（２）により制限される、システム。
    β_Γ≦Γ≦α_Γ （２）
27. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記欠陥は、マンホールの壁と接触する、システム。
28. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記欠陥は、脱離、剥離、及び腐食領域のうちの１つである、システム。