JP2021183915A - Piezoelectric element fixing device and fixing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子の固定装置及び固定方法に関する。 The present invention relates to a fixing device and a fixing method for a piezoelectric element.
超音波検査は、超音波を送受信する超音波センサ(詳細には、圧電素子)を用いて、検査対象物の劣化(詳細には、例えばき裂や減肉)の有無を検査する。この超音波検査は、検査対象物をそのままの状態で検査できるほか、検査に要するコストが低く、適用が容易等の理由から、幅広い分野で活用されている。原子力プラントや火力プラント等では、配管や容器等の健全性を確認するため、超音波検査が実施されている。 In the ultrasonic inspection, an ultrasonic sensor (specifically, a piezoelectric element) that transmits and receives ultrasonic waves is used to inspect the inspection object for deterioration (specifically, for example, cracking or thinning). This ultrasonic inspection is used in a wide range of fields because it can inspect the inspection object as it is, the cost required for the inspection is low, and it is easy to apply. In nuclear power plants, thermal power plants, etc., ultrasonic inspections are carried out to confirm the soundness of pipes, containers, etc.
特許文献1は、バンド状部材を用いて、複数の超音波センサを配管の外側表面に固定することを開示する。バンド状部材は、金属で、且つ配管の周方向の全体に亘って延在するように形成されている。 Patent Document 1 discloses that a plurality of ultrasonic sensors are fixed to the outer surface of a pipe by using a band-shaped member. The band-shaped member is made of metal and is formed so as to extend over the entire circumferential direction of the pipe.
上記従来技術には次のような改善の余地がある。特許文献1のバンド状部材は、金属製であり、非金属製の場合と比べて重量が増加する。そのため、特に、圧電素子を検査対象物の表面に常設する場合に、検査対象物の耐震設計を見直す必要が生じる。したがって、圧電素子の固定装置の軽量化を図ることが望まれる。また、圧電素子と検査対象物の表面との音響結合性を高めることも望まれる。 There is room for improvement in the above-mentioned prior art as follows. The band-shaped member of Patent Document 1 is made of metal, and its weight is increased as compared with the case of being made of non-metal. Therefore, in particular, when the piezoelectric element is permanently installed on the surface of the inspection target, it becomes necessary to review the seismic design of the inspection target. Therefore, it is desired to reduce the weight of the fixing device for the piezoelectric element. It is also desired to enhance the acoustic coupling between the piezoelectric element and the surface of the inspection object.
本発明の目的は、検査対象物の耐震設計に影響しないように圧電素子の固定装置の軽量化を図ることができ、且つ、圧電素子と検査対象物の表面との音響結合性を高めることができる圧電素子の固定装置及び固定方法を提供することにある。 An object of the present invention is to reduce the weight of the piezoelectric element fixing device so as not to affect the seismic design of the inspection object, and to improve the acoustic coupling between the piezoelectric element and the surface of the inspection object. It is an object of the present invention to provide a fixing device and a fixing method of a piezoelectric element which can be performed.
上記目的を達成するために、本発明は、超音波を送受信する圧電素子を検査対象物の表面に固定する固定装置において、非金属で、且つ前記検査対象物の周方向の全体に亘って延在するように帯状に形成され、前記圧電素子に押付力を付与して前記圧電素子を前記検査対象物の表面に固定する固定部材を有し、前記固定部材は、前記検査対象物より線膨張係数が小さい。 In order to achieve the above object, the present invention is a fixing device for fixing a piezoelectric element that transmits and receives ultrasonic waves to the surface of an inspection object, which is non-metal and extends over the entire circumferential direction of the inspection object. It is formed in a strip shape so as to exist, and has a fixing member that applies a pressing force to the piezoelectric element to fix the piezoelectric element to the surface of the inspection object, and the fixing member linearly expands from the inspection object. The coefficient is small.
本発明によれば、検査対象物の耐震設計に影響しないように圧電素子の固定装置の軽量化を図ることができ、且つ、圧電素子と検査対象物の表面との音響結合性を高めることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the weight of the fixing device for the piezoelectric element so as not to affect the seismic design of the inspection object, and to improve the acoustic coupling between the piezoelectric element and the surface of the inspection object. can.
本発明の第1の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。 The first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態における圧電素子の固定装置を、超音波検査システムを構成する圧電素子以外の他の部品である送受信コイル及びプローブと共に表す、配管周方向の一部分の断面図である。図2は、本実施形態における圧電素子の固定装置を表す、配管表面の展開図である。図3は、本実施形態における送受信コイルを表す、金属外装板の展開図である。図4は、本実施形態における圧電素子の固定装置を表す斜視図である。なお、図2及び図4においては、便宜上、保温材、金属外装板、及び送受信コイルなどの図示を省略している。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a part of the pipe circumferential direction showing the piezoelectric element fixing device in the present embodiment together with a transmission / reception coil and a probe which are other parts other than the piezoelectric element constituting the ultrasonic inspection system. FIG. 2 is a developed view of a pipe surface showing a fixing device for a piezoelectric element in the present embodiment. FIG. 3 is a developed view of a metal exterior plate showing a transmission / reception coil in the present embodiment. FIG. 4 is a perspective view showing the fixing device of the piezoelectric element in the present embodiment. In FIGS. 2 and 4, for convenience, the heat insulating material, the metal exterior plate, the transmission / reception coil, and the like are not shown.
本実施形態の検査対象物である配管10は、炭素鋼もしくはステンレス鋼等の金属で形成されており、プラント運転中に液体もしくは気体が流れて高温となる。そのため、配管10の外側がロックウールもしくはグラスウール等の保温材11で覆われ、保温材11の外側がアルミや亜鉛メッキ鋼板等の金属外装板12で覆われている。
The
超音波検査システムは、例えば配管10の減肉の有無を検査するためのものであり、配管10の表面に固定された複数の圧電素子20と、金属外装板12の外側に配置され、複数の圧電素子20にそれぞれ接続された複数の送受信コイル21と、複数の送受信コイル21のうちのいずれかに選択的に対向し、対向した送受信コイル21との間で電磁誘導によって信号の送受信を行うプローブ22と、プローブ22に接続された制御装置(図示せず)とを備える。複数の圧電素子20は、配管10における複数の計測点にそれぞれ対応し、例えば配管10の周方向及び軸方向に互いに離間されて配置されている。
The ultrasonic inspection system is for inspecting, for example, whether or not the thickness of the
圧電素子20は、例えば、大きな圧電効果を有する、チタン酸ジルコン酸鉛PZT等の材質を用いる。また、例えば、配管10の温度が200℃を超える場合を考慮して、耐熱性を有する、ニオブ酸リチウム等の材質を用いる。
For the
圧電素子20は、2つの電極(正極と負極)を有する。配管10に対面する圧電素子20の表面が負極であり、この負極が後述する銀シートを介し配管10に電気的に接続されている。
The
配管10とは反対側の圧電素子20の表面が正極であり、この正極が銀ペースト23を介し信号線24Aの一端に接続されている。信号線24Aは、保温材11及び金属外装板12を貫通し、その他端が送受信コイル21と接続されている。なお、信号線24Aの一端側には、後述する銀シート等との接触を避けるための絶縁管25Aが設けられ、信号線24Aの他端側には、金属外装板12との接触を避けるための絶縁管25Bが設けられている。絶縁管25A,25Bは、例えばセラミック製ビーズ等であり、高温環境でも絶縁性を維持するようになっている。
The surface of the
送受信コイル21は、渦巻き状の銅線で構成された平型コイルであり、その一端は、上述した信号線24Aを介し圧電素子20の正極に接続されている。送受信コイル21の他端は、信号線24Bを介し金属外装板12に接続されている。金属外装板12と配管10は、少なくとも一ヵ所で電気的に接続されている。したがって、送受信コイル21の他端は、圧電素子20の負極に接続されている。
The transmission /
制御装置は、プローブ22及び送受信コイル21を介し圧電素子20にパルス信号を送信する。これにより、圧電素子20は、配管10の内側に向けて超音波を送信し、配管10の内側表面で反射した超音波を受信し、受信した超音波を波形信号に変換する。制御装置は、プローブ22及び送受信コイル21を介し圧電素子20から波形信号を受信する。制御装置は、波形信号に基づいて配管10の厚みを演算し、対応する圧電素子20の位置情報と関連付けて記憶又は表示する。
The control device transmits a pulse signal to the
複数の圧電素子20は、固定装置によって配管10の表面に固定されている。本実施形態の固定装置は、複数のアルミナテープ26(固定部材)を有する。本実施形態の固定装置は、各圧電素子20と配管10の外側表面の間に配置され、それらを音響的に結合する銀シート27(軟金属)を更に有する。
The plurality of
アルミナテープ26は、アルミナ(セラミック)で形成され、且つ、配管10の周方向の全体に亘って延在するように帯状に形成されたものである。アルミナテープ26は、配管10より線膨張係数が小さくなっている。
The
アルミナテープ26の一端側部分には留め具28が設けられている。留め具28は、アルミナテープ26の他端側部分を挿入すると共に、任意の位置でアルミナテープ26の他端側部分に係止する。これにより、アルミナテープ26を配管10の周方向に引っ張って締め付け、圧電素子20に押付力を付与する。そして、圧電素子20と配管10の外側表面の間に銀シート27が配置された状態で、アルミナテープ26から圧電素子20に押付力を付与することにより、配管10、銀シート27、及び圧電素子20を互いに密着させながら、圧電素子20を固定するようになっている。
A
圧電素子20は、例えば、配管10の半径方向外側から見て長方形状をなし、その短辺が配管10の周方向に配置されている。これにより、アルミナテープ26からの押付力によって圧電素子20が破損するのを防止するようになっている。但し、圧電素子20は、例えば、配管10の半径方向外側から見て正方形状もしくは円形状をなしてもよい。
The
なお、本実施形態では、複数の圧電素子20及び固定装置を配管10の表面に常設する。そのため、超音波検査の開始前に保温材11及び金属外装板12などを解体し、超音波検査の終了後に保温材11及び金属外装板12などを再施工する必要がない。
In this embodiment, a plurality of
以上のように、本実施形態の固定装置では、アルミナテープ26を用いて圧電素子20を固定しており、従来技術のように金属製のバンド状部材を用いる場合と比べ、固定装置の重量が減少する。すなわち、固定装置の軽量化を図ることができる。そのため、圧電素子20を配管10の外側表面に常設する場合であっても、配管10の耐震設計を見直す必要がない。なお、固定装置だけでなく、圧電素子20及び送受信コイル21も軽量である。
As described above, in the fixing device of the present embodiment, the
また、アルミナテープ26は、配管10より線膨張係数が小さい。そのため、プラント運転中に配管10が高温状態となり、配管10及びアルミナテープ26が膨張すれば、それらの膨張量の差によって圧電素子20に加わる押付力を増加させることができる。したがって、圧電素子20、銀シート27、及び配管10の外側表面の密着性を高めて、圧電素子20と配管10の外側表面との音響結合性を高めることができる。
Further, the
具体的な数値例を用いて説明する。例えば、配管10の外径が165.2mm、配管10の厚さが7.1mmであり、アルミナテープ26の厚さが0.3mmである。また、配管10の材質が炭素鋼であって、配管10の線膨張係数が11.7×10−6/Kであり、アルミナテープ26の線膨張係数が7.2×10−6/Kである。すなわち、配管10の線膨張係数とアルミナテープ26の線膨張係数との差分は、2×10−6/K以上である。そして、例えば配管10の温度が20℃から320℃に上昇したときに、圧電素子20に加わる押付力は2MPa程度となる。
A specific numerical example will be described. For example, the outer diameter of the
なお、第1の実施形態において、圧電素子の固定装置は、圧電素子20と配管10の外側表面の間に配置された銀シート27を有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、銀シート以外の他の軟金属(詳細には、例えば金など)を有してもよい。また、例えば図5で示す第1の変形例のように、銀シート27と配管10の外側表面の間に配置され、200℃以上で利用可能な接触媒質29を更に有してもよい。すなわち、銀シート27及び接触媒質29により、圧電素子20と配管10の外側表面との音響結合性を高めてもよい。
In the first embodiment, the case where the piezoelectric element fixing device has a
また、例えば図6で示す第2の変形例のように、圧電素子の固定装置は、圧電素子20と配管10の外側表面の間に配置され、200℃以上で利用可能な接触媒質29を有してもよい。また、例えば図7で示す第3の変形例のように、圧電素子の固定装置は、圧電素子20と配管10の外側表面の間に配置され、200℃以上でも液体状態を保つイオン液体30を有してもよい。また、例えば図8で示す第4の変形例のように、圧電素子の固定装置は、圧電素子20と配管10の外側表面の間に配置され、接着力を有する銀ペースト23を有してもよい。これらの変形例においても、圧電素子20と配管10の外側表面との音響的な結合を確保することができる。
Further, for example, as in the second modification shown in FIG. 6, the piezoelectric element fixing device is arranged between the
本発明の第2の実施形態を、図9を用いて説明する。図9は、本実施形態における圧電素子の固定装置を表す、配管周方向の一部分の断面図である。図9においては、上述の図1と異なり、保温材、金属外装板、及び送受信コイルの図示を省略している。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は、同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of a part of the pipe circumferential direction showing the fixing device of the piezoelectric element in the present embodiment. In FIG. 9, unlike FIG. 1 described above, the heat insulating material, the metal exterior plate, and the transmission / reception coil are not shown. In the present embodiment, the same parts as those in the above embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
プラントの運転中に配管10及びアルミナテープ26が高温状態になると、常温状態と比べて配管10の膨張量とアルミナテープ26の膨張量との差分が大きくなり、圧電素子20に加わる押付力が大きくなる。しかし、常温状態では、圧電素子20に加わる押付力が小さくなる。
When the
そこで、本実施形態の固定装置は、各圧電素子20とアルミナテープ26の間に配置され、温度の降下に応じて厚さが大きくなる熱変形部材31を有する。常温状態では、熱変形部材31の厚さが大きくなることにより、圧電素子20に加わる押付力の低下を抑えることができる。
Therefore, the fixing device of the present embodiment has a
本発明の第3の実施形態を、図10を用いて説明する。図10は、本実施形態における圧電素子の固定装置を表す、配管周方向の一部分の断面図である。図10においては、上述の図9と同様、保温材、金属外装板、及び送受信コイルの図示を省略している。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は、同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of a part of the pipe circumferential direction showing the fixing device of the piezoelectric element in the present embodiment. In FIG. 10, as in FIG. 9 described above, the heat insulating material, the metal exterior plate, and the transmission / reception coil are not shown. In the present embodiment, the same parts as those in the above embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
本実施形態の固定装置は、各圧電素子20の外側表面(詳細には、検査対象物とは反対側における表面)に吸着された磁石部材32を有する。磁石部材32の磁力により、配管10の外側表面に対する圧電素子20の位置決めを容易に行うことができる。また、圧電素子20の位置決めを行ってからアルミナテープ26を巻き回すまでの間、圧電素子20の位置ずれを防止することもできる。なお、磁石部材32の角部は、丸みをもった形状となっている。これにより、アルミナテープ26を締め付けた際に、アルミナテープ26が破損するのを防止するようになっている。
The fixing device of the present embodiment has a
なお、上記実施形態及び変形例において、圧電素子の固定装置は、複数のアルミナテープ26を有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、少なくとも1つのアルミナテープ26を有すればよい。また、上記実施形態及び変形例において、各アルミナテープ26は、複数の圧電素子20を固定する場合を例にとって説明したが、これに限られず、少なくとも1つの圧電素子20を固定すればよい。
In the above-described embodiment and modification, the case where the piezoelectric element fixing device has a plurality of
また、上記実施形態及び変形例において、非金属製の固定部材は、セラミックテープの一つであるアルミナテープ26である場合を例にとって説明したが、これに限られない。非金属製の固定部材は、アルミナテープ以外の他のセラミックテープであってもよい。また、非金属製の固定部材は、ガラスクロステープであってもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
Further, in the above-described embodiment and modification, the case where the non-metal fixing member is the
また、上記実施形態及び変形例において、アルミナテープ26の固定方法として留め具28を用いる場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、アルミナテープ26の一端側部分及び他端側部分を紐状に変形し、それらを結んでもよい。
Further, in the above-described embodiment and modification, the case where the
また、上記実施形態及び変形例において、圧電素子20と制御装置の間に、送受信コイル21及びプローブ22が介在する場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、送受信コイル21及びプローブ22の代わりに、信号ケーブルが介在してもよい。
Further, in the above-described embodiment and modification, the case where the transmission /
また、上記実施形態及び変形例において、検査対象物は、液体や気体を流す配管10である場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば液体や気体を貯留する容器であってもよい。
Further, in the above-described embodiment and modification, the case where the inspection object is a
10 配管(検査対象物)
20 圧電素子
23 銀ペースト
26 アルミナテープ(固定部材)
27 銀シート(軟金属)
29 接触媒質
30 イオン液体
31 熱変形部材
32 磁石部材
10 Piping (object to be inspected)
20
27 Silver sheet (soft metal)
29 Contact medium 30
Claims (11)
非金属で、且つ前記検査対象物の周方向の全体に亘って延在するように帯状に形成され、前記圧電素子に押付力を付与して前記圧電素子を前記検査対象物の表面に固定する固定部材を有し、
前記固定部材は、前記検査対象物より線膨張係数が小さいことを特徴とする圧電素子の固定装置。 In a fixing device that fixes a piezoelectric element that transmits and receives ultrasonic waves to the surface of an object to be inspected.
It is a non-metal and is formed in a band shape so as to extend over the entire circumferential direction of the inspection object, and a pressing force is applied to the piezoelectric element to fix the piezoelectric element to the surface of the inspection object. Has a fixing member,
The fixing member is a device for fixing a piezoelectric element, characterized in that the coefficient of linear expansion is smaller than that of the object to be inspected.
前記検査対象物の線膨張係数と前記固定部材の線膨張係数との差分は、2×10−6/K以上であることを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
A piezoelectric element fixing device characterized in that the difference between the linear expansion coefficient of the inspection object and the linear expansion coefficient of the fixing member is 2 × 10 -6 / K or more.
前記固定部材は、セラミックテープ又はガラスクロステープであることを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
The fixing member is a piezoelectric element fixing device, characterized in that it is a ceramic tape or a glass cloth tape.
前記圧電素子と前記検査対象物の表面の間に配置された軟金属を更に有することを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
A device for fixing a piezoelectric element, which further comprises a soft metal arranged between the piezoelectric element and the surface of the inspection object.
前記軟金属と前記検査対象物の表面の間に配置され、200℃以上で利用可能な接触媒質を更に有することを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 4,
A device for fixing a piezoelectric element, which is arranged between the soft metal and the surface of the object to be inspected and further has a contact medium that can be used at 200 ° C. or higher.
前記圧電素子と前記検査対象物の表面の間に配置され、200℃以上で利用可能な接触媒質を更に有することを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
A device for fixing a piezoelectric element, which is arranged between the piezoelectric element and the surface of the inspection object and further has a contact medium that can be used at 200 ° C. or higher.
前記圧電素子と前記検査対象物の表面の間に配置され、200℃以上でも液体状態を保つイオン液体を更に有することを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
A device for fixing a piezoelectric element, which is arranged between the piezoelectric element and the surface of the inspection object and further has an ionic liquid that maintains a liquid state even at 200 ° C. or higher.
前記圧電素子と前記検査対象物の表面の間に配置され、接着力を有する銀ペーストを更に有することを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
A device for fixing a piezoelectric element, which is arranged between the piezoelectric element and the surface of the object to be inspected and further has a silver paste having an adhesive force.
前記圧電素子と前記固定部材の間に配置され、温度の降下に応じて厚さが大きくなる熱変形部材を更に有することを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
A device for fixing a piezoelectric element, which is arranged between the piezoelectric element and the fixing member and further has a heat-deforming member whose thickness increases as the temperature drops.
前記検査対象物とは反対側における前記圧電素子の表面に吸着された磁石部材を更に有することを特徴とする圧電素子の固定装置。 In the piezoelectric element fixing device according to claim 1,
A device for fixing a piezoelectric element, which further has a magnet member adsorbed on the surface of the piezoelectric element on the side opposite to the object to be inspected.
非金属で且つ前記検査対象物の周方向の全体に亘って延在するように帯状に形成された固定部材を用いて、前記圧電素子に押付力を付与して前記圧電素子を前記検査対象物の表面に固定しており、
前記固定部材は、前記検査対象物より線膨張係数が小さいことを特徴とする圧電素子の固定方法。 In the fixing method of fixing the piezoelectric element that transmits and receives ultrasonic waves to the surface of the inspection object,
Using a fixing member that is non-metal and is formed in a band shape so as to extend over the entire circumferential direction of the inspection object, a pressing force is applied to the piezoelectric element to make the piezoelectric element the inspection object. It is fixed to the surface of
The fixing member is a method for fixing a piezoelectric element, characterized in that the coefficient of linear expansion is smaller than that of the object to be inspected.
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