JP2839196B2 - シャフトに発生した損傷検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、シャフトに発生した損傷としての亀裂を検
査する方法及びその装置に係り、特に高温雰囲気のもと
で繰返し荷重あるいは変動荷重を受けるようなポンプの
シャフトの検査に関するものである。

［従来の技術］ 高温雰囲気のもとで繰返し荷重を受ける機械構造物と
して発電プラント用高速ポンプ等がある。このような高
速ポンプは、起動，停止の繰返し、あるいは、負荷の変
動に伴いポンプを構成する機械構造物は、熱疲労と単な
る疲労損傷を同時に受ける結果、疲労と材料の経年劣化
に由来する損傷の累積により、部品に亀裂が生じて構造
強度が低下する。

このような場合、機械構造物としての強度的な余寿命
評価を行っておかないと、機器の破損や、それに伴う発
電プラントの大事故に至る危険性があるものと考えられ
る。特に、高速ポンプのシャフトは構成上重要な位置に
あり、強度上の余寿命評価を行うことが肝要である。そ
のため、シャフトに損傷としての亀裂等が発生している
か否か検査することが要請されている。

今日、機械構造物の検査を行う従来技術としては、種
々のものが提案され、実用に供されつつある。

例えば、特願昭59−260759号公報のもの（第一の従来
技術と云う）は、発電設備の中でボイラ，タービンにお
ける損傷評価技術として、クリープ疲労における部位の
中の微視的な亀裂をCCDカメラと画像処理を用いて、一
度に広範囲なサンプリングを行い、極値統計法から最大
亀裂長さを予測するようにしている。

また、「材料強度研究における表面微小き裂検出への
画像処理技術」（材料試験技術Vol.No.1 1989年１月）
（第二の従来技術と云う）において、亀裂の進展，疲労
の挙動状態を光学顕微鏡とCCDカメラと画像処理装置で
検出することが論じられている。また、これを利用した
非破壊検査法としては超音波やＸ線フォトグラフと画像
処理装置を組合わせた形で行われているものもある。

さらに、一般的な非破壊検検査方法としては、検査者
が金属材料の表面の亀裂を目視で確認したり、染色探傷
探査（PT），磁粉探傷検査（MT）等の検査方法が主とさ
れ、これらにより亀裂等の損傷の有無を判定するように
している（第三の従来技術と云う）。染色探傷探査（P
T）は染色液を被検査物であるシャフトの表面に吹き付
け、そのシャフトの表面を拭き取ると、シャフトに亀裂
が生じている場合には、亀裂部分に入り込んだ染色液を
確認できることにより、亀裂などの損傷を認識するもの
である。磁粉探傷検査（MT）は、磁化させたシャフトに
亀裂等の損傷があると、その損傷部分に磁束の漏れが生
じ、小さな磁極ができることを利用したものであって、
磁化させたシャフトの損傷部分に磁粉をかけ、その磁粉
が損傷部分に吸着されたとき、その部分を見やすくする
ために蛍光を当て、該蛍光により損傷部分光って見える
ことにより、認識するものである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の如く、発電設備の補機であるポンプのシャフト
は、新製品の出荷時あるいは定期点検時に亀裂等の損傷
を検査する必要がある。

しかし、第一，第二の従来技術のものでは実験室のよ
うな小規模の程度のものにしか適用されておらず、その
ため、径や長さとも小さなシャフトを対象としているば
かりでなく、極値統計法等を用いた推論で亀裂の余寿命
を判定しているので、実用に際して信頼性の問題があ
る。しかもシャフトの損傷のデータ採取，データ処理や
解析に時間がかかるばかりでなく、定量的なデータ把握
蓄積が困難であると云う問題がある。

また、第三の従来技術のものでは染色探傷検査，磁粉
探傷検査であるため、これらは検査者の目で確認するこ
ととなり、そのため、損傷の有無のみならず損傷の程度
を正確に判定することが難しく、例え熟練検査者であっ
ても微小な損傷では正確に判定することが難しい問題が
ある。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点に鑑み、実際
に用いるシャフトの損傷の度合いに基づいて余寿命を判
定し、またシャフトの損傷のデータを容易に管理でき、
しかも損傷の検査時間の短縮化を図ることができ、以て
信頼性の高い損傷評価や余寿命の判定を行うことができ
るシャフトに発生した損傷検査方法を提供することにあ
り、他の目的は上記方法を的確に実施できるシャフトに
発生した損傷検査装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明方法では、サンプリ
ングされたシャフトの検査部位を、全周に亘り検査体に
よって拡大して撮像したとき、その拡大画像に基づきシ
ャフトの損傷として亀裂の有無を判定し、該亀裂が発生
している場合、該亀裂データに基づきシャフトの予想余
寿命を判定する方法であって、シャフトに亀裂が発生し
ている場合、検査体を、シャフトの検査部位に対し焦点
位置を若干ずらして位置決めし、撮像画像上で亀裂を浮
き上がらせるようしている。

また、本発明装置では、サンプリングされたシャフト
の検査部位に移動し、該検査部位を全周に亘り拡大して
撮像する検査体と、その拡大画像に基づきシャフトの損
傷としての亀裂の有無を判定し、該亀裂が発生している
場合、亀裂データに基づきシャフトの予想余寿命を判定
するマイクロコンピュータとを備えている。そして、シ
ャフトに亀裂が発生している場合、シャフトの検査部位
に対し検査体の焦点位置を若干ずらして位置決め制御
し、撮像画像上で亀裂を浮き上がらせる手段を有してい
る。

［作用］ 本発明方法では、サンプリングされたシャフトの検査
部位に検査体を移動し、該検査体によりシャフトの検査
部位を拡大して撮像し、マイクロコンピュータにより、
その拡大撮像したデータに基づいてシャフトに損傷とし
ての亀裂が発生しているか否かを判定し、亀裂が発生し
ている場合、該亀裂データに基づきシャフトの予想余寿
命を判定するようにしたので、微小な亀裂からシャフト
の予想余寿命の判定まで自動的に行うことができる。

従って、マイクロコンピュータを使用することによ
り、検査時間を大幅に短縮させることができ、しかもデ
ータ採取，データ処理や解析を短時間で処理することが
できると共に、それらの処理能力の増加を図ることも可
能となる。

また、シャフトに亀裂が発生している場合、検査体が
シャフトの検査部位に対し焦点位置を若干ずらし、撮像
した画像上でその亀裂が浮き出るようにしたので、亀裂
を明確に識別することができ、マイクロコンピュータに
よる亀裂識別を確実にかつ容易に実行することができ
る。加えて、実際のシャフトをサンプリングし、そのシ
ャフトの損傷度合いに基づいて検査を行うので、極値統
計法のような推論で処理することがなく、また熟練検査
者を必要とせず、亀裂を正確に判定することができるの
で、シャフトの余寿命を定量的にかつ正確に診断するこ
とが可能となる。その結果、実機に対応した信頼性の高
い損傷評価や余寿命評価を行うことができる効果があ
る。

また、本発明装置では、前述の如く、サンプリングさ
れたシャフトの検査部位に移動しい、該検査部位を全周
に亘り拡大して撮像する検査体と、その拡大画像に基づ
きシャフトの損傷としての亀裂の有無を判定し、該亀裂
が発生している場合、亀裂データに基づきシャフトの予
想余寿命を判定するマイクロコンピュータとを備え、シ
ャフトに亀裂が発生している場合、シャフトの検査部位
に対し検査体の焦点位置を若干して位置決め制御し、撮
像画像上で亀裂を浮き上がらせる手段を有しているの
で、上記方法を的確に実施できる効果がある。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図により説明
する。第１図は本発明の損傷検査方法を実施するための
損傷検査装置の一実施例を示す全体説明図、第２図は制
御手段の処理内容を示す説明図、第３図はシャフトの検
査部位を拡大撮像した微小亀裂を示す説明図である。

本発明の損傷検査方法を実施するための実施例の損傷
検査装置は、大別すると、シャフト１用の支持手段２
と、検査体としての撮像カメラ９と、該撮像カメラ９を
移動させる移動機構と、画像処理部16と、マイクロコン
ピュータ19とを備えて構成されている。

前記支持手段２は、第１図及び第２図に示すように、
チャック部３とセンタリング部４とステッピングモータ
５とが架台６に取付けられている。ステッピングモータ
５の出力軸が減速機７を介しチャック部３に連結され、
駆動装置８によって駆動されるようにしている。そし
て、チャック部３によりシャフト１の一端部をチャック
すると共に、その他端面の中央をセンタリング部４によ
り支持し、ステッピングモータ６でチャック部３を駆動
することにより、シャフト１を軸周りに回転させ、シャ
フト１の任意の検査部位を所望位置に位置決めするよう
にしている。

撮像カメラ９は、シャフト１の表面を撮像するもので
あって、例えばCCD素子等の固体撮像素子を組込んで構
成されたビデオカメラからなっており、そのレンズにシ
ャフト１を拡大視するために光学顕微鏡10を取付けてい
る。そして、シャフト１が支持手段２によって位置決め
されたとき、その表面の所望部位を光学顕微鏡10により
拡大させ、撮像カメラ９により撮像するようにしてい
る。光学顕微鏡10の拡大率は予め適宜に選定されている
が、その都度決定されても良い。

また、前記移動機構は、第一の移動部を有している。
該第一の移動部は、駆動装置11によって駆動されかつ前
記架台６上に設置されたステッピングモータ12と、その
出力軸に連結され、かつ両端部が保持部13に保持された
スクリュー軸14と、両保持部13,13間にスクリュー軸14
と平行に取付けられたガイドレール15とを具えている。
ガイドレール15は撮像カメラ９を挿通しており、スクリ
ュー軸14は撮像カメラ９に設けられたナット（図示せ
ず）と螺合している。そして、ステッピングモータ12が
駆動され、スクリュー軸14が軸周りに回転すると、撮像
カメラ９がガイドレール15に沿って移動、即ち撮像カメ
ラ９がシャフト１の軸方向に移動するようにしている。
また、前記移動機構は図示していないが、撮像カメラ９
をシャフト１の軸方向と直交する方向、即ち垂直方向に
移動させる第二の移動部と、撮像カメラ９をシャフト１
に対しフォーカス方向に移動させる第三の移動部とを有
している。

従って、前記移動機構は、第一〜第三の移動部により
シャフト１の表面の所望位置に撮像カメラ９を移動させ
ることができるようにしている。

前記画像処理部16は撮像カメラ９の第一の出力側に接
続され、撮像カメラ９によって撮像されたシャフト１表
面のビデオ信号を横微分処理或いは２値化処理すること
により、後述するマイクロコンピュータ19に処理データ
を送るようにしている。

この場合、撮像カメラ９の第二の出力側にはビデオレ
コーダー17及びビデオモニター18が接続され、撮像カメ
ラ９によって撮像されたシャフト１の所望位置をビデオ
レコーダー17によって記録すると共に、ビデオモニター
18により映し出すようにしている。

マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称す）19
は、画像処理部16とインターフェース20を介し接続さ
れ、またそのインターフェース20にインターフェース21
を介しステッピングモータ用の駆動装置８及び11が接続
されている。そして、画像処理部16によって入力された
データに基づきシャフト１の周囲に亀裂があるか否かを
判定する。

即ち、マイコン19は第２図に示すように、入力処理部
31によってステッピングモータ用の駆動装置8,11及び撮
像カメラ９の移動手段の夫々の指令を送り、その指令に
従ってシャフト１が回転して位置決めされると共に、撮
像カメラ９が移動してシャフト１の検査部位を拡大して
撮像すると、その駆動装置8,11からインターフェース2
1,20を経て入力処理部31にシャフト１の位置データ及び
撮像カメラ９の位置データが入力されると共に、撮像カ
メラ９から画像処理部16,インターフェース20を経てシ
ャフト１の撮像データが入力され、それらのデータを入
力時の計測データ32としてメモリに格納し、そのデータ
に基づいて亀裂データを解析すべく編集処理33するよう
にしている。そのため、マイコン19はシャフト１及び撮
像カメラ９を所望位置に位置決めし得るように駆動装置
８及び駆動装置11を制御するようにしている。

前記編集処理33においては、格納されたデータに基づ
きまずシャフト表面に亀裂があるか否かを判定し、その
結果、第１図に符号Ａで示すように、亀裂があることに
よって亀裂認識し、その亀裂のシャフト１上での位置及
び亀裂の大きさ等を読み取り、しかもその際同図及び第
３図に示すように、双方の亀裂a,bが互いに近接した位
置にある場合には一つの亀裂とみなすことにより亀裂の
合体処理を行い、さらにそのシャフト１の外表面の微小
亀裂分布の解析を行うようにしている。

前記亀裂の合体処理においては、双方の亀裂a,bが略
同方向に向いていて、かつ互いに予め定められた基準値
より短い距離で離れている場合等に、それらを一つの亀
裂とみなすようにしている。前記微小亀裂分布の解析
は、シャフト１の外表面において亀裂が周方向の表面は
もとより軸方向の表面の何れにあるのかを求める。

このようにして、亀裂認識，合体処理，微小亀裂分布
解析を行った後、編集処理33を実行する。該編集処理33
過程においては、第１図に示すように、検出された亀裂
がその長さ毎にシャフト１の外表面においてどの程度の
頻度で存在するのかを判定し、即ちシャフト１の外表面
に発生した亀裂の頻度とその亀裂の長さとの関係から微
小亀裂頻度分布解析し（Ｂ）、さらに微小亀裂頻度分布
と微小亀裂分布との関係から最大亀裂長さを判定する
（Ｃ）ようにする。そして、最大亀裂長さからその亀裂
の予想される進展度合いをマスターカーブにして表示す
る（Ｄ）と共に、最大亀裂長さとシャフト１の余寿命と
の関係のパラメータに基づいて演算することにより、そ
のシャフト１の予想余寿命を判定する（Ｅ）ようにもし
ている。

さらに、マイコン19は、最大亀裂長さを判定すると、
微小亀裂分布解析と微小亀裂頻度分布と最大亀裂長さと
を表示データ34としてメモリに格納し、この表示データ
34を表示処理部35によって画像処理部16に設けられてい
るモニター36に写し出すと共に、プリンタ37によりプリ
ントアウトするようにしている。

一方、編集処理33においては、微小亀裂分布解析と微
小亀裂頻度分布と最大亀裂長さとを保存データ38として
フロッピーディスク39等にファイル処理し、またそれら
のデータを送信データ40として予想余寿命判定プログラ
ム42に転送処理41するようにしている。

さらに、前記マイコン19は、撮像カメラ９によるシャ
フト１の検査部位の撮像時、その検査部位に生じた亀裂
を明確に識別できるようにするため、シャフト検査部位
に対し撮像カメラ９の焦点位置が若干ずれるように前記
移動機構の第三の移動部を制御するようにしている。

次に、損傷検査装置の動作に関連して本発明方法の一
実施例を述べる。

まず、マイコン19により支持手段２を駆動し、シャフ
ト１を軸周りに回転させ、シャフト１の検査すべき部位
が撮像カメラ９と対応する位置に略位置するところで回
転を止めてシャフト１を位置決めし、その位置決めした
シャフト１の検査部位に対し撮像カメラ９を移動手段に
より移動させることにより、撮像カメラ９がシャフト１
の検査部位を拡大して撮像し、以下これを繰り返すこと
によりサンプリングされたシャフト１の外表面を全てに
わたり拡大して撮像する。

このとき、撮像カメラ９によりシャフト１の検査位置
がビデオレコーダー17に記録されると共に、ビデオモニ
ター18に映し出される。

一方、画像処理部16は、撮像カメラ９によってビデオ
信号が入力されると、そのビデオ信号に基づいて画像処
理した後、その画像処理データをマイコン19に送る。マ
イコン19は画像処理データが入力されると、そのデータ
からシャフト１に亀裂が発生しているか否かを判定す
る。

その際、亀裂があると、マイコン19は、駆動装置8,11
からインターフェース21,20を経て入力処理部31にシャ
フト１の位置データ及び撮像カメラ９の位置データが入
力されると共に、撮像カメラ９から画像処理部16,イン
ターフェース20を経てシャフト１の撮像データが入力さ
れ、その入力データに基づいて編集処理33する。即ち、
マイコン19は、入力データに基づきシャフト１に亀裂が
あるか否かを判定する。その結果、亀裂がある場合に
は、第１図に示すように、亀裂認識する。

このとき、撮像カメラ９がシャフト１の検査部位に対
し焦点位置を若干ずらすので、シャフト１に亀裂が発生
している際にその亀裂が浮き出ることとなり、亀裂を明
確に識別することができ、マイコン19による亀裂認識を
確実にかつ容易に行うことができる。。

また上記亀裂認識後、亀裂が互いに近距離にあること
によってそれらを一つの亀裂として合体処理し、さらに
その合体処理に基づいてシャフト１の外表面における微
小亀裂分布を解析する。

その後、亀裂長さとシャフト１の外表面における亀裂
の頻度との関係から微小亀裂頻度分布を求め（Ｂ）、次
いで最大亀裂長さを判定し（Ｃ）、予めメモリに入力さ
れた最大亀裂長さと余寿命との関係である微小亀裂進展
のマスターカーブ（Ｄ）からシャフト１の予想余寿命判
定を行う（Ｅ）。

このように、シャフト１に亀裂がある場合には、マイ
コン19を使用することにより、微小な亀裂からシャフト
１の余寿命評価まで自動的に行うので、従来例に比べる
と、検査時間を大幅に短縮させることができ、しかもデ
ータ採取，データ処理や解析を短時間で処理することが
できると共に、それらの処理能力の増加を図ることも可
能になり、また保存データ38によってデータを登録して
おくことができるので、定量的なデータの把握蓄積を容
易に行うことができる。加えて、実際のシャフトの損傷
度合いに基づいて検査を行うので、第一，第二の従来技
術に比べ、極値統計法のような推論で処理することがな
く、また第三の従来技術に比べ熟練検査者等を必要とし
ないので、亀裂を正確に判定することができ、シャフト
１の予想余寿命を正確にかつ定量的に判定することが可
能となる。

実施例の損傷検査装置においては、シャフト１用の支
持手段２と、撮像カメラ９と、該撮像カメラ９を移動さ
せる移動機構と、画像処理部16と、マイクロコンピュー
タ19とを備えて構成されているので、微小な亀裂からそ
のシャフトの余寿命を確実に診断できる。

また移動機構が、検査体９をシャフト１の軸方向に沿
って移動させる第一の移動部と、検査体９をシャフト１
の軸方向と直交する方向に移動させる第二の移動部と、
検査体９をシャフト１の検査部位に対しフォーカス方向
に移動させる第三の移動部とを有しているので、これら
第一〜第三の移動部により、シャフト１の外表面の所望
位置に検査体９を容易に移動させることができ、シャフ
ト１全体に亘り確実に亀裂を検査することができる。さ
らに、検査体９として、ビデオカメラで構成しているの
で、特殊なものを使用する必要がなく、市販のものでよ
いので、安価で容易に入手することができる。

なお図示実施例では、検査体９として、光学顕微鏡を
取付けたビデオカメラで構成した例を示したが、光学顕
微鏡の代わりとして例えばレーザ光を利用するレーザ顕
微鏡を用いると、レーザ光は直進性が良好であるため、
シャフト１の亀裂の奥深くまで照射することができ、そ
のため、亀裂をより正確に認識することができることと
なる結果、シャフトの予想余寿命をより正確に判定する
ことが可能となるばかりか、ビデオカメラの解像度が低
下するのを抑えることもできる。また図示実施例では、
画像処理部16が検査体９からの撮像信号を取り込んで演
算するように構成した例を示したが、例えば画像処理部
16にＸ線回析機能を持たせ、該Ｘ線回析部によって検査
体９の撮像信号からシャフト１の亀裂が発生する前の時
点での劣化状態を判定することが可能になり、亀裂が発
生しなくとも、シャフト１の劣化状態を確実に認識で
き、それだけ高度な検査内容にすることができる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明方法によれば、検査時間を
大幅に短縮でき、データ採取，データ処理や解析を短時
間で処理できると共に、それらの処理能力の増加を図る
ことも可能となり、またシャフトに亀裂が発生している
場合、撮像した画像上でその亀裂が浮き出るようするこ
とにより、亀裂識別を確実にかつ容易に実行することが
でき、加えて、実際のシャフトの損傷度合いに基づいて
検査を行うことにより、極値統計法のような推論で処理
することがないばかりでなく、熟練検査者を必要とせ
ず、亀裂を正確に判定でき、シャフトの余寿命を定量的
にかつ正確に診断することが可能となる結果、実機に対
応した信頼性の高い損傷評価や余寿命評価を行うことが
できる効果がある。

また本発明装置によれば、上記方法を的確に実施し得
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の損傷検査方法を実施するための損傷検
査装置の一実施例を示す全体説明図、第２図は制御手段
の処理内容を示す説明図、第３図はシャフトの検査部位
を拡大撮像した微小亀裂を示す説明図である。 １……シャフト、２……支持手段、９……検査体、10…
…光学顕微鏡、11〜15……移動機構、16……画像処理
部、19……マイクロコンピュータ、Ａ……微小亀裂分布
解析、Ｂ……微小亀裂頻度分布、Ｃ……最大亀裂長さ判
定、Ｅ……予想余寿命判定。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−160037（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−54110（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−150331（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−57156（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−156641（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−129609（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 21/84 - 21/90

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サンプリングされたシャフトの検査部位
   を、全周に亘り検査体によって拡大して撮像したとき、
   その拡大画像に基づきシャフトの損傷としての亀裂の有
   無を判定し、該亀裂が発生している場合、該亀裂データ
   に基づきシャフトの予想余寿命を判定する方法であっ
   て、シャフトに亀裂が発生している場合、検査体を、シ
   ャフトの検査部位に対し焦点位置を若干ずらして位置決
   めし、撮像画像上で亀裂を浮き上がらせるようにするこ
   とを特徴とするシャフトに発生した損傷検査方法。
2. 【請求項２】サンプリングされたシャフトの検査部位に
   移動し、該検査部位を全周に亘り拡大して撮像する検査
   体と、その拡大画像に基づきシャフトの損傷としての亀
   裂の有無を判定し、該亀裂が発生している場合、亀裂デ
   ータに基づきシャフトの予想余寿命を判定するマイクロ
   コンピュータとを備え、シャフトに亀裂が発生している
   場合、シャフトの検査部位に対し検査体の焦点位置を若
   干ずらして位置決め制御し、撮像画像上で亀裂を浮き上
   がらせる手段を有することを特徴とするシャフトに発生
   した損傷検査装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記検査体を、レンズ
   にレーザ顕微鏡を取付けたビデオカメラで構成すること
   を特徴とするシャフトに発生した損傷検査装置。
4. 【請求項４】請求項２において、前記画像処理装置は、
   Ｘ線回析装置を有することを特徴とするシャフトに発生
   した損傷検査装置。