JP3589759B2 - 管内面のスケール厚さ測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管の内面に付着したスケール厚さの高精度な測定技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に長期間の使用が前提となっているボイラの過熱器管や再熱器管などの内面は酸化物スケールの付着を避けることはできない。このため、管から管内流体への熱伝達が阻害されて管の温度が上昇し、管は予想以上に短時間でクリープ寿命に到達し、遂に破損することが多かった。そこで、定期点検時に管の一部を切取り、付着したスケールの厚さを顕微鏡を用いて計測し、このスケール厚さからスケール厚さと相関する管温度の上昇値を補正したクリープ寿命により保全管理を実施していた。しかし、スケールの付着状況を調査するためには、上記のように切取った一部分の管の復旧に多大の費用と時間を必要とし、稼動率の低下を招くなど、大きな問題点があった。この対策として、管を切取ることなくスケール厚さを測定する技術の必要性があった。
【０００３】
図４は、従来の超音波による管のスケール厚さの測定を示す図である。図４において、パルス発生器７によって発生させたパルス性のスパイク波で管１の外面に接触させた超音波変換器５を励振させて発生した超音波パルス８を管１の軸線に対して直交する方向に発信させる。そして、管１の内面とこの内面に付着したスケール３との境界面２から、反射して戻ってきた境界面超音波エコー９及びスケール内面４から反射して戻ってきた内面超音波エコー１０を超音波変換器５で受信し、アナログ信号に変換した後受信器１３によって再生を行なう。
【０００４】
上記の手段を経て、超音波パルス８による境界面超音波エコー９、内面超音波エコー１０が受信器１３により再生される際の時間差Δｔを求め、このΔｔに基づいてスケールの厚さｄを次式（１）から求めていた。
ｄ＝Δｔ・ｃ／２…（１）
ここでｃはスケール中を伝播する音速である。
特開昭６２−２８４２０９号公報には、上記の境界面超音波エコーと内面超音波エコーとの時間差を求め、標準値との比較からスケール厚さを測定する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のスケール厚さ測定によれば、パルス性のスパイク波すなわち、一旦電圧をステップアップしたのち急速に電圧降下するモードを所定時間間隔で繰り返すパルス性の波形を用いて超音波変換器５を励振すると、超音波変換器５の平面部から少なくとも１波の強力な超音波パルス８を発生する。なお、超音波技術分野においては、通常、スパイク波またはバースト波が用いられている。このため超音波パルス８が境界面２で反射して戻ってくる境界面超音波エコー９、及びスケール内面４で反射して戻ってくる内面超音波エコー１０は、図５（ｉ）に示すように、少なくとも１波以上の波数となり超音波変換器５によって受信される。
【０００６】
ここで、超音波変換器５の前記平面からの強い超音波パルス８のほかに、超音波変換器５のコーナ部、すなわち、端面から、弱いノイズ性の超音波パルス８ａが同時に発生し、境界面２で反射して戻ってくる境界面超音波エコー９ａ、及びスケール内面４で反射して戻ってくる内面超音波エコー１０ａとなり超音波変換器５により受信されるが、超音波パルス８ａは超音波パルス８より伝播距離が長くなるため、図５（ｉｉ）に示すように、境界面超音波エコー９ａ及び内面超音波エコー１０ａは、境界面超音波エコー９及び内面超音波エコー１０よりも時間的に遅れて超音波変換器５に受信されることになる。このため、受信器１３によって再生された境界面超音波エコー９の再生波１１、及び内面超音波エコー１０の再生波１２は、図５（ｉｉｉ）に示すように境界面超音波エコー９、９ａ及び内面超音波エコー１０、１０ａの合成波となって少なくとも２波以上の波数となる。
【０００７】
前記式（１）から理解されるように、スケール３の厚さが厚く、時間差Δｔが波長の２倍値以上あり、受信器１３により再生された境界面超音波エコー９の再生波１１と内面超音波エコー１０の再生波１２を明瞭に区別することができる場合には、計測が可能であるが、スケール３の厚さが薄く、時間差Δｔが波長の２倍値以下の場合には、前記再生波１１と前記再生波１２が重複する重畳波形となり、両者を明瞭に区別できず計測が不可能となる。
【０００８】
一方、大型ボイラの過熱器管や再熱器管は、高温高圧の環境下で使用されているため、厚さ１００μｍ程度のスケール付着による管温度の上昇がもたらすクリープ寿命の低下が問題となる。従って、境界面超音波エコー及び内面超音波エコーの再生波数が２波以上となるような従来の方法を適用し、大型ボイラの管内面に付着した１００μｍ程度の比較的薄いスケール厚さを測定しようとする場合、音波の法則すなわち、波長＝音速／周波数により、５０ＭＨｚ以上の高周波の超音波を適用する必要があるが、このような高周波を用いてスケール厚さを測定すると、管１の材料中で超音波が散乱減衰し、境界面超音波エコー９の再生波１１と内面超音波エコー１０の再生波１２を明確に識別することができず測定が困難となる。
本発明は上記の実情に鑑み、スケールの厚さが薄い場合であっても、１２．５ＭＨｚ程度の低周波の超音波を適用しスケールの厚さを正確に測定することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、管の外面に接触させて装着した超音波変換器から、管軸線に対し直交する方向へ超音波を発信させ、管内面と管内面に付着したスケ−ルとの境界面で反射した境界面超音波エコ−と、スケ−ルの内面で反射した内面超音波エコ−との時間差に基づいて管内面のスケ−ル厚さを測定する装置において、電圧波形が急激に立ち上がり、立ち上がった値を保持した後、緩やかに降下する波形を繰り返すパルス性のステップ波を用いて前記超音波変換器を励振し、１／２波数の超音波パルスを発信する手段と、この超音波変換器と前記被計測管の外面との間に配設され、超音波を遅延、減衰させる超音波遅延手段を設けることにより、超音波変換器の端面から発生する超音波パルスの影響を回避しながら、再生が可能な１／２波数の境界面超音波エコ−及び１／２波数の内面超音波エコ−との時間差を求め、これにより管内面に付着したスケ−ル厚さを測定するもので、超音波変換器は、ポリマ−系またはポリマ−系成分を合成させた圧電材料を用いることが好ましい。
【００１０】
なお、前記パルス性ステップ波における電圧負荷時の速度は、可及的に速いことが好ましく通常１００Ｖ／１ｎｓ以下、一方、電圧降下時の速度は遅い方がよいが通常１００Ｖ／５ｎｓ程度が使用され、これを繰り返すようなパルス性ステップ波により、超音波変換器を励振すれば、１／２波数の超音波パルスを発信することができ、境界面超音波エコ−および内面超音波エコ−は１波数以上になることはない。
【００１１】
一方、前記の超音波変換器に装着した超音波遅延材により、超音波変換器の平面から発信する強い超音波パルスが境界面で反射し、戻ってくる境界面超音波エコ−及びスケ−ル内面で反射し、戻ってくる内面超音波エコ−が超音波変換器で受波されるまでの時間を任意に遅らせる機能を有している。遅延時間の決定は、設定寸法、または、材質により選択が可能である。
【００１２】
受信器で再生される境界面超音波エコ−の再生波、及び内面超音波エコ−の再生波は、超音波変換器の端面から発信する微弱な超音波パルスが境界面で反射して戻ってくる境界面超音波エコ−、及びスケ−ル内面で反射して戻ってくる内面超音波エコ−と合成されずに１／２の波数になるので、スケ−ル厚さが薄く時間差Δｔが波長の２倍以下の場合であっても、境界面超音波エコ−の再生波と内面超音波エコ−の再生波は重畳波とならず、かつ高周波の超音波を適用する必要がない。またポリマ−系あるいはポリマ−系成分を合成させた圧電材料は耐電圧が高いので、上記のように急激に電圧を負荷した後緩やかな電圧降下を繰り返す、いわゆる、パルス性ステップ波により励振させても破損するおそれはない。
【００１３】
本発明に係る測定は以下に示す手順によってなされる。
▲１▼急激な電圧上昇と緩やかな電圧降下を繰り返すパルス性ステップ波を発生する段階。
▲２▼このパルス性ステップ波を用いて励振し１／２波数の超音波パルスを発信する段階。
▲３▼この１／２波数の超音波パルスを超音波遅延手段を介してアナログ／ディジタル変換する段階。
▲４▼この変換された信号から境界面超音波エコ−と内面超音波エコ−を再生する段階。
▲５▼この再生された境界面超音波エコ−と内面超音波エコ−との時間差を演算する段階。
▲６▼この時間差演算値に基づいて管内面のスケ−ル厚さ演算する段階。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る管内面のスケール厚さ測定の１実施の形態を示す図である。図１において、１は大形ボイラの過熱器管や再熱器管等の管を示し、管１の内面にはスケ−ル３が付着している。５は、パルス発生器７で発生するパルス性ステップ波１８により励振され超音波パルス８、８ａを発信する超音波変換器である。パルス性ステップ波１８は図２（ｉ）に示され、また超音波パルス８は、図２（ｉｉ）に示すように、通常、正の成分の１０％程度以下の負の成分の発生は避けられない。
【００１５】
超音波変換器５の平面部から発生する超音波パルス８は、超音波遅延材６で遅延され、超音波変換器５は、境界面２から反射して戻ってきた境界面エコ−９’とスケ−ル内面４から反射し戻ってきた内面超音波エコ−１０’、および超音波パルス８ａが境界面２から反射して戻ってきた境界面超音波エコ−９ａ’とスケ−ル内面４から反射して戻ってきた内面超音波エコ−１０ａ’を受波しアナログ信号に変換する。
【００１６】
１３は超音波変換器５からアナログ信号として与えられた境界面超音波エコ−９’、９ａ’および内面超音波エコ−１０’、１０ａ’を再生する受信器、１５は演算器で、Ａ／Ｄ変換器１４によりアナログ／ディジタル変換された、境界面超音波エコ−９’の再生波１１’と内面超音エコ−１０’の再生波１２’（図３参照）との時間差Δｔに基づいてスケ−ル３の厚さを計算する。１６は表示器で、求められたスケ−ル３の厚さを表示する。１７は求められたスケ−ル３の厚さを記録する記録計を示している。
【００１７】
管１の内面に付着したスケ−ル３の厚さを計算する場合には、超音波遅延材６を装着した超音波変換器５を管１の外面に接触させて、パルス発生器７から送給されたパルス性ステップ波１８によって励振し、超音波変換器５の平面で発生させた１／２波数の強い超音波パルス８を超音波遅延材６に投射する。超音波パルス８は、超音波遅延材６と管１の外周面、及び、超音波遅延材６と超音波変換器５の境界面で反射し、Ｔだけ時間遅延された後、管軸線に対し直交する方向に発信される。発信された超音波パルス８の一部は、管１とスケ−ル３の境界面２で反射し、その他は、スケ−ル内面４で反射し、反射により生じた境界面超音波エコ−９’および内面超音波エコ−１０’は超音波変換器５で受波されアナログ信号に変換される。
【００１８】
一方、超音波変換器５は、パルス発生器７から送給されたパルス性ステップ波１８により励振され、超音波変換器５の端面から発生した弱い超音波パルス８ａは超音波遅延材６に投射され、管軸線に対し直行する方向に発信される。発信された超音波パルス８ａの一部は管１とスケ−ル３の境界面２で反射し、その他はスケ−ルの内面４で反射し、反射により生じた境界面超音波エコ−９ａ’および内面超音波エコ−１０ａ’は超音波変換器５で受波され、アナログ信号に変換される。ここで、超音波パルス８ａが超音波遅延材６と管１の外面で反射したパルス反射波８ａ’は強度が極めて弱くなり、超音波遅延材６の中で減衰、消滅してしまうから、前記の強力な超音波パルス８と同一な経路をたどらず従って超音波変換器５に受波されることはない。
【００１９】
超音波変換器５で、アナログ信号に変換された、超音波エコ−９’、９ａ’、１０’、１０ａ’（図３の（ｉ）（ｉｉ）参照）は受信器１３で１／２波数の分離波（図３の（ｉｉｉ）参照）として再生され、Ａ／Ｄ変換したあと演算器１５に送られる。演算器１５では、予め設定されたスケ−ル中を伝わる音速Ｃと、境界面超音波エコ−１１’と内面超音波エコ−１２’の時間差Δｔから式（１）によりスケ−ルの厚さが求められ、厚さは表示器１６に表示、或いは、記録計１７に記録される。
【００２０】
境界面超音波エコ−１１’と内面超音波エコ−１２’は１／２波数で再生されるため、Δｔがλ／２までは重畳せず、区別が可能であるから、音波の法則、すなわち、λ＝ｃ／ｆにより２５ＭＨｚの周波数を適用すれば０．１ｍｍまでのスケ−ル厚さを測定することができる。ここで、スケ−ル中を伝播する音速Ｃの値は、大形ボイラの過熱器管や再熱器管の内面に付着しているスケ−ルを想定して音速Ｃ＝５０００ｍ／ｓを採用した。
【００２１】
なお、超音波変換器５は急激な電圧負荷後、緩やかに電圧降下を繰り返すようなパルス性ステップ波で励振されても破損しないようにポリマ−系あるいはポリマ−系の成分を合成させた圧電材料を用いている。本実施の形態においては、超音波変換器５に対して電圧を印加する場合、すなわち正のパルス性ステップ波で励振する場合について説明したが、逆に、電圧の印加を解除する場合、すなわち負のパルス性ステップで励振させたとしても何ら問題はない。
【００２２】
また、本発明はボイラ管の内面に付着したスケ−ル厚さの測定のみに限らず、各種配管に付着したスケ−ル厚さの測定に適用可能であり、また、２層合金の成分厚さ及び各種メッキ層の厚さの測定にも適用することができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の実施により、管内面に付着したスケ−ルの厚さが薄い状態の場合においても、簡単かつ正確にスケール厚さを計測することができ、さらに、測定のために管を切取って検査する必要がなくなるため、検査期間の短縮が図られ、また検査費用の削減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る管内面のスケール厚さ測定の１実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の超音波変換器を励振するパルス性のステップ波形を示す図（ｉ）、このステップ波で励振された超音波パルス波形を示す図（ｉｉ）である。
【図３】本発明の超音波変換器によりアナログ変換された平面からの境界面超音波エコーと内面超音波エコーを示す波形図（ｉ）、同じく端面からの境界面超音波エコーと内面超音波エコーを示す波形図（ｉｉ）、受信器により再生された分離波エコーを示す波形図（ｉｉｉ）である。
【図４】従来の超音波による管のスケール厚さの測定を示す図である。
【図５】図４の超音波変換器の平面からの境界面超音波エコーと内面超音波エコーを示す波形図（ｉ）、同じく端面からの境界面超音波エコーと内面超音波エコーを示す波形図（ｉｉ）、受信器による再生波形を示す図（ｉｉｉ）である。
【符号の説明】
１…管 ２…境界面
３…スケール ４…スケール内面
５…超音波変換器 ６…超音波遅延材
７…パルス発生器 ８、８ａ…超音波パルス
８ａ’…超音波パルス反射波
９、９ａ、９ａ’…境界面超音波エコー
１０、１０ａ、１０ａ’…内面超音波エコー
１１、１２、１１’、１２’…再生波 １３…受信器
１４…Ａ／Ｄ変換器 １５…演算器
１６…表示器 １７…記録計
１８…パルス性ステップ波
Δｔ：境界面超音波エコ−と内面超音波エコ−の時間差
Ｔ：超音波パルスの遅延時間 λ：波長

Claims (1)

1. 被計測管の管軸線に対し直交する方向へ超音波パルスを発信させ、前記管内面と管内面に付着したスケ−ルとの境界面で反射した境界面超音波エコ−と、前記スケ−ルの内面で反射した内面超音波エコ−との時間差に基づいて前記スケ−ル厚さを測定する管内面のスケール厚さ測定装置において、
   電圧波形が急激に立ち上がり、立ち上がった値を保持した後、緩やかに降下する波形を繰り返すパルス性ステップ波を発生するパルス発生器と、
   このパルス性ステップ波を用いて励振し１／２波数の超音波パルスを発信する超音波変換器と、
   この超音波変換器と前記被計測管の外面との間に配設され、超音波を遅延、減衰させる超音波遅延手段と、
   この超音波遅延手段を介して受信した信号をアナログ／ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記変換された信号から境界面超音波エコ−と内面超音波エコ−を再生する受信手段と、
   前記境界面超音波エコ−と内面超音波エコ−と時間差を求めることにより、前記管内面に付着したスケ−ル厚さを演算する演算手段と、
   を備えたことを特徴とする管内面のスケール厚さ測定装置。

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