JP3635490B2 - 管体のプロファイル測定方法及び装置、並びに管体の応力測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばパイプライン等の３次元プロファイルを測定する管体のプロファイル測定方法及び装置、ならびに測定された３次元プロファイルに基づいて例えばパイプライン等の３軸方向の応力を求める管体の応力測定方法に関する。
また、例えばパイプライン等を構成する管体の断面形状を測定する管体の断面形状を測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パイプラインの沈下形状を測定等する測定用ピグとして、従来、種々のものが提案されている。以下、これらの装置について説明する。
（１）従来技術１
２つのローラに設けて測定用ピグの走行距離を測定する回転距離計と、管体の軸を含む鉛直面内での管体の傾き角を計測する傾斜計とを備え、これら回転距離計および傾斜計の出力をそれぞれ記憶し、管体の沈下形状を求めるパイプライン沈下形状測定ピグがある（特開昭６１−１０７１１２号公報）。
このパイプライン沈下形状測定ピグによれば、ピグ自体のローリング等があってもパイプラインの沈下形状を正確に測定できるとしている。
【０００３】
（２）従来技術２
また、上記従来技術１の発展型として、ピグ本体の外周部にほぼ等間隔で配置され管体内面と転接しながら回転距離を求める少なくとも４つの距離計と、ピグ本体に内蔵された振子型角度計および傾斜計とを備え、これら４つの距離計、振子型角度計および傾斜計の出力データから管体の３次元的なプロファイルを求める管体のプロファイル測定装置がある（特開昭６４−５４２１２号公報）。
この管体のプロファイル測定装置によれば、複雑な形状変化を有する管体であってもその管体の３次元的なプロファイルを高精度に測定できるとしている。
【０００４】
（３）従来技術３．
管体のプロファイルを測定するものではないが、管体の内部検査装置の例として、検査ピグの本体周りに取り付けた複数の超音波距離計、溶接部検出器、管内を撮影する撮影装置等を備え、管内面の異常を検出する管内検査ピグ装置がある（特開昭６３−２３１２６０号公報）。
この管内検査ピグ装置によれば、無接触で溶接箇所を測定し得ると共に、その溶接箇所の一部又は全部について撮影を行って管内の状態を正確に把握し得るとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例には以下のような問題点がある。
（１）従来技術１の場合、垂直方向の傾きを計測してパイプラインの沈下を計測しているため、管体の２次元的なプロファイルしか求めることが出来ない。
（２）従来技術２によれば、管体の３次元的なプロファイルを求めることができる。しかし、従来技術２においても、管体と検査ピグとの相対傾きを考慮していないので、管体の正確なプロファイルを求めるには十分ではなかった。
また、傾斜計と複数の転接ローラ式の距離計によるパイプラインのプロファイル計測方法では、管体のベンド部での複雑な動きや距離計の滑り等が発生するため、どうしてもベンド部の形状精度が得られないという問題もあった。
【０００６】
（３）従来技術３では検査ピグの本体周りに取り付けた複数の超音波距離計によって、ピグ本体と管体との距離を測定して管内径を計測している。
しかし、超音波で管内径を計測する場合、パイプラインの管面と検査ピグとの傾きが２°以上になると管面からの反射波が戻らず、距離計測が出来ない。また、管面にワックスや残留物等があると、反射波に影響を受け、正確な距離計測ができない。さらに、超音波の場合、管体内の流体の温度、密度、圧力等の影響を受け、正確な距離計測ができない。
したがって、このような超音波距離計をそのままパイプラインのプロファイル測定に用いると正確プロファイルを測定できないという問題もある。
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、ピグ本体の姿勢や管体内の流体の温度等の影響を受けることなく管体の正確なプロファイルを求めることができる管体のプロファイル測定方法及び装置を得ることを目的としている。
また、管体の沈下等によって管体に発生す応力測定方法を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係るプロファイル測定方法は、管体内を測定用ピグを走行させて管体内のプロファイル用データを取得し、このデータに基づいて管体のプロファイルを測定するものにおいて、走行方向の距離と、測定用ピグの３軸方位角度と、測定用ピグと管体との相対傾きとをそれぞれ求め、該相対傾きで前記３軸方位角度を補正し、該補正した方位角度と前記進行方向の距離に基づいて管体の線形を求めるものである。
【０００９】
（２）また、本発明に係るプロファイル測定装置は、管体内を測定用ピグを走行させて管体内のプロファイル用データを取得し、このデータに基づいて管体のプロファイルを測定するものにおいて、ピグ本体と、該ピグ本体の外周部に対向配置され前記管体内面と転接しながら回転距離を求める複数の距離計と、前記ピグ本体の前後に設けられた複数の渦流式距離計と、前記ピグ本体に内蔵された３軸方位計と、前記渦流式距離計で計測した前後の間隔の差分から前記ピグ本体と前記管体との相対傾きを求め、該相対傾きで前記３軸方位計で求めた方位角度を補正し、該補正した方位角度と前記距離計の距離データに基づいて管体の線形を求めるデータ処理手段とを備えたものである。
【００１０】
（３）また、データ処理手段は、前記距離計によって得られた複数のデータに対し、直管部では最大値をとり、ベンド管部では平均値をとるものである。
【００１１】
（４）また、データ処理手段は、渦流式距離計の出力信号に基づいてピグ本体の管体中心からのずれ量を求め、該ずれ量に基づいてピグ本体の中心位置を補正するものである。
【００１２】
（５）また、データ処理手段は、渦流式距離計の出力信号に基づいてピグ本体の通過地点を特定し、該特定した地点と距離計の測定値を比較することで距離計の測定値を補正するものである。
【００１３】
（６）また、本発明に係る管体の応力測定方法は、上記（２）〜（５）記載の管体のプロファイル測定装置によって計測した複数の管体の線形形状に基づいて管体に発生した３軸方向の応力を求めるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態の検査ピグ５の構成図であり、パイプライン１を構成する管体３内に検査ピグ５を配置した状態を示している。
検査ピグ５は、本体７が筒状をしており、本体７の前後外周部にウレタンゴム製の受圧カップ９を備えている。この受圧カップ９は管体３内面と接触して気密性を保持すると共に、管内の流体圧を受けて検査ピグ５に推進力を付与するものである。
また、本体７の後部側には、ローラ型の距離計１１が４台対向配置で設けられている。この距離計１１は、スプリング１３によって管内面に押し付けられて転接するローラ１５を有している。そして、ローラ１５の回転数に比例したパルスを出力し、このパルスを本体７内に設置された距離計カウンタ２７，２９でカウントすることで移動距離を計測する。
【００１６】
さらに、本体７の前後に一定の間隔を離してそれぞれ周方向に一定の間隔で４カ所以上に渦流式距離計１７が取り付けられている。
この渦流式距離計１７の原理を概説する。コアに巻いた一次コイルに高周波電流をかけると交番磁界が発生し、測定対象物（金属表面）に渦電流が発生する。これによって発生する二次的な磁界によって磁界に影響を受ける。この影響の変化を同ボビンに差動型に巻いた二次コイルによって変動分が計測できる。この磁界の影響（渦電流の磁界の強さ）は測定対象物の距離に比例することから距離の計測が出来ることになる。
本発明では、本体７の外周面に渦流式距離計１７を設置して管体３の内面との距離を測定する。この渦流式距離計１７を用いることで管内の流体、管内に残るワックス、残留物（非金属）等の影響を受けず距離を正確に求めることができる。
【００１７】
なお、渦流式距離計１７は、単に、距離測定のみならず、検査ピグ５の通過位置の検出にも利用する。
つまり、渦流式距離計１７は磁石等の発信器の影響でも電圧の大きさが変化する。そこで、パイプライン１における予め決めた所定位置に磁石等の発信器１８を設置しておき、渦流式距離計１７の電圧変化を見ることで、検査ピグ５の通過位置を検出する。
【００１８】
また、パイプライン１の敷設位置によっては発信器を埋設できない場合（または箇所）があり、この場合には、予め位置が分かっている溶接継ぎ手部、バルブ、ベンド部の位置検出をすることで検査ピグ５の通過位置を検出する。
つまり、測定対象物の材質が変わる（例えば溶接部）と透磁率が変化し、金属表面にできる渦電流の大きさが変化する。この磁界（渦電流の磁界の強さ）の変化を検知することで測定対象物の位置を検知できる。例えば全周の材質の変化に相当する磁界の変化であれば、溶接部やバルブであり、部分的な変化であれば分岐管等であると判別できる。
また、検査ピグ５がベンド部を通過する際には、ピグ本体７が傾くことから周方向に複数設置した各渦流式距離計１７と管内面との距離が異なる。そのため、各渦流式距離計１７の出力信号が異なることになり、これを利用して、ピグがベンド部を通過していること、換言すればベンド部の検出をする。
【００１９】
検査ピグ５の本体７の内部には、３軸型の方位計１９、高性能電池２１、データ処理器２３、記録装置２５が収納されている。
３軸型の方位計１９の例としては、リングレーザジャイロや光ファイバージャイロ等、及び３軸型の加速度計で構成される慣性航法装置等がある。この方位計１９は方位角度、ピッチ角度、ローリング角度の演算処理機能を備えている。
データ処理器２３では、検査ピグ５の管体３に対する相対傾きの演算処理、検査ピグ５のパイプライン１における位置補正等、各種の演算処理が行われる。なお、この演算処理の詳細は後述する。
【００２０】
図２は、検査ピグ５の計測制御システムの構成を示している。
以下、図２に基づいてデータ処理フローを説明する。
ローラ型距離計１１のパルスが測定区間距離カウンタ２７でカウントされ、そのカウント信号がデータ処理器２３及び走行距離積算カウンタ２９に入力される。
測定区間距離カウンタ２７は予め設定したカウント値（測定区間距離に相当）になるとリセットされ、新たに測定区間としてカウントを開始する。
測定区間距離カウンタ２７のカウント信号は走行距離積算カウンタ２９に入力されると、ここで積算され、さらにデータ処理器２３に入力される。
【００２１】
データ処理器２３では、予め計測間隔（例えば、５０ｃｍ毎）を記憶しておき、計測距離カウンタのカウント値に基づいて計測間隔ごとにトリガー信号を発信して、方位計１９、渦流式距離計１７のデータを収集して演算処理を行う。演算処理の詳細具体例は後述する。
【００２２】
渦流式距離計１７の距離信号はＡ／Ｄ変換器３１にてＡ／Ｄ変換処理されて、信号処理器３３に送られる。信号処理器３３では、入力した信号に基づいて、ベンド位置検知信号、バルブ位置検知信号、溶接位置検知信号、外部検知信号、管内面までの距離信号等の各種の信号を出力する。
これらの信号のうち管内面までの距離信号はデータ処理器２３に送られ、その他の信号は、前述した走行距離積算カウンタ２９の積算情報と共にデータ処理器２３に送られる。
【００２３】
ここで、信号処理器３３での処理について説明する。
ピグが管外に設置された発信器設置箇所を通過する場合には、周方向に複数設置された渦流式距離計１７の特定のもの（発信器の近くに設置されたもの）が、発信器の影響で他の渦流計の計測値と異なる計測値を出力する。この場合には信号処理器３３が外部発信器検知信号を出力する。
【００２４】
また、ピグがベンド部を通過するときには、周方向に複数設置した各渦流式距離計１７の出力信号が異なることになる。そこで、この場合には、ベンドであると判断して、ベンド位置検知信号を発信する。
さらに、ピグがバルブを通過するときには、バルブの材質が管体３の材質と異なるため、渦流計の計測値がバルブ以外の箇所を通過しているときと異なる。この場合をピグがバルブを通過していると判断して、バルブ位置検知信号を発信する。
またさらに、ピグが溶接部を通過するときには、溶接部の材質が管体３と異なることにより、渦流計の計測値が溶接部以外の箇所を通過しているときと異なる。そして、この場合、バルブを通過しているよりも変化の継続時間が短いという特徴を有する。このような場合をピグが溶接部を通過していると判断して、溶接部位置検知信号を発信する。
【００２５】
上記のように、信号処理器３３から、外部発信器検知信号、ベンド位置検知信号、バルブ位置検知信号、溶接部位置検知信号が出力されると、データ処理器２３では、これらが出力されたときの積算カウンタによる計測距離と、予め入力されている外部発信器、ベンド位置等の位置とを比較することで、計測距離の補正を行う。例えば、ある基準地点から１０ｍの地点（この位置は予め記憶されている）に発信器が設置されている場合に、積算カウンタによる計測距離では、９ｍ５０ｃｍと測定された場合には、計測距離に５０ｃｍの誤差があるとして補正を行うのである。
【００２６】
補正の具体的方法としては、例えば、基準地点から１０ｍの地点までに計測区間がｎポイントあった（つまり、ｎ回方位計１９等による測定した）場合に、上記差（５０ｃｍ）をｎで割って、その値で各計測ポイントの管軸方向の距離を補正する。
【００２７】
信号処理器３３の信号のうち管内面までの距離信号は、前述したトリガ信号ごとにデータ処理器２３に入力され、この管内面までの距離信号に基づいて検査ピグ５と管体３との相対角度が演算され、この演算値を方位計１９の出力値から差し引くことで、検査ピグ５の方位角の補正が行われ、検査ピグ５の正確な方位角度が求められる。
【００２８】
この検査ピグ５の正確な方位角度を求める方法を具体的に説明する。
図３は、ｎ番目の計測点におけるパイプライン１の方位角度（θxn、θyn、θzn）を求める方法の説明図である。
渦流式の距離計１７ａ（後側）、９ｂ（前側）で計測したピグ前後の管壁とピグとの間隔Ｌa（後側）とＬb（前側）から次式に示す管体３と検査ピグ５との相対角度（０，θy2n，θz2n）を求める。
【００２９】
θy2n＝arctan（Ｌayn−Ｌbyn）／Ｌp
θz2n＝arctan（Ｌazn−Ｌbzn）／Ｌp
ここで、
ａ：ピグの後側添字 ｂ：ピグの前側添字 ｙ：水平側添字 ｚ：垂直側添字
Ｌayn：ピグの後側で管とピグとの水平方向間隔
Ｌbyn：ピグの前側で管とピグとの水平方向間隔
Ｌazn：ピグの後側で管とピグとの垂直方向間隔
Ｌbzn：ピグの前側で管とピグとの垂直方向間隔
Ｌp：前後の距離計１１間（９ａと９ｂ）の距離
【００３０】
パイプライン１のｎ番目の計測点での３軸方位角度（θxn、θyn、θzn）は、検査ピグ５に搭載した方位計１９で計測した３軸方位角（θxn、θy1n、θz1n）から検査ピグ５と管面との相対角度（０、θy2n、θz2n）を差し引くことによって求められる。
【００３１】
パイプライン１の正確なプロファイルを求めるには、測定地点において、管体３の中心位置の座標点を求める必要がある。換言すれば、各測定地点の検査ピグ５の中心のずれ量を求め、このずれ量を補正する必要がある。
図５はこの中心のずれ量の求め方の説明図、図６は図５の中心部の拡大図である。
図５、図６において、
Ｌ１〜Ｌ４：検査ピグと管内面の距離（各渦流式距離計で計測）
Ｄ₁：ピグの径（Ｄ₁は図示なし）
θ₁：ローリング角（方位計で計測）
ａn：Ｙ方向のずれ
ｂn：Ｚ方向のずれ
とすると、
Ｌ５＝（Ｌ２＋Ｌ４＋Ｄ１）／２
Ｌ６＝（Ｌ１＋Ｌ３＋Ｄ１）／２
Ｌ７＝Ｌ５−（Ｌ２＋Ｄ₁／２）
Ｌ８＝Ｌ６−（Ｌ３＋Ｄ₁／２）
θ₂＝ｔａｎ^-1（Ｌ８／Ｌ７）
Ｃ＝（Ｌ７²＋Ｌ８²）^1/2
以上から
ａn＝Ｃsin（９０°−θ₁−θ₂）
ｂn＝Ｃcos（９０°−θ₁−θ₂）
として求めることができる。
なお、ａn、ｂnの符号はＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の計測値によって変わる。
【００３２】
以上のように、検査ピグ５とパイプライン１との相対角度の補正および管軸方向の位置補正をそれぞれ行い、これらと中心位置のずれ量に基づいて、パイプライン１の線形を求める。
つまり、上記のようにして求めた移動距離Ｌn、パイプライン１の３軸方位計１９角度（θxn、θyn、θzn）、及び中心のずれ量から、図４に示すように、各測定点（図４では、Ａ_n-1，Ａ_n，Ａ_n+1・・・）の３次元座標を求め、これを随時積分することでパイプライン１の線形を求める。
【００３３】
なお、パイプライン１の直管部では複数の転接ローラ式距離計１１で計測された距離データのうちの最大値を採用するようにする。これによって、滑りや跳ね等による誤差を極力低減できる。
また、ベンド管では、複数の計測された距離データを平均することで、管体３中央位置での移動距離としている。
【００３４】
以上のようにして、演算処理で求められたパイプライン１の線形は、記録装置２５に記録される。そして、検査後にパイプライン１から検査ピグ５と共に取り出され、外部データ処理器３５（図２参照）にケーブル又は無線データで転送、記録、演算、解析される。
【００３５】
この解析の例としては、パイプライン１の線形計測から曲率半径を求め、これからパイプライン１に発生する曲げ応力を計算する。
また、複数回の計測データが得られた時点では、２回目以降の線形計測との差分からパイプライン１の変形経緯や発生応力の変遷を求める。
【００３６】
以上のように、この実施の形態によれば、検査ピグ５の管体３に対する相対傾きが補正され、また、管軸方向の位置補正がなされ、さらに、中心位置の補正もなされているので、パイプライン１の正確なプロファイルを求めることができる。
したがって、補修等でパイプライン１を掘削する場合、容易に掘削深さや位置が判明できる。
また、本実施の形態では、ピグ本体７と管内面との距離測定に渦流式距離計１７を用いたので、パイプライン１の管面と検査ピグ５との傾き角、管面のワックス等の残留物、管体３内の流体の温度、密度、圧力等の影響を受けることなく正確な距離計測ができる。
【００３７】
なお、上記の実施の形態では、所定の距離間隔でトリガ信号を出力して計測を実行する例を示したが、これに代えて所定の時間間隔でトリガ信号を出力するようにしてもよい。
【００３８】
以上、パイプライン１の線形を求める方法について説明した。しかし、パイプライン１の検査という観点からは、ライン全体のプロファイルに加えて、パイプライン１の管体３の断面形状を知ることも重要である。
そこで、各測定点での管体３の断面形状の求め方を示す。
【００３９】
各測定点において、前述したように、検査ピグの中心のずれ量を求めることで、管体３の中心位置を求めることができる。
また、管体３の内径は図４から以下のように求めることができる。
図４のＬ６方向の内径ｒ₀₁＝２（Ｌ７²＋Ｌ６²）^1/2 、
Ｌ５方向の内径ｒ₀₂＝（Ｌ８²＋Ｌ５²）^1/2
この方法によって、複数の管内径を求め、これらによって管断面形状を求める。
【００４０】
管断面形状を求めることで、例えば管体３がある位置で扁平しているといった情報を得ることができる。これによって、パイプライン１の局部的な形状把握が可能となり、補修の必要性等の判断に資することができる。また、パイプライン１の局部的な形状把握をすることで、他の検査ピグ５の通過の可否の判断もでき、検査方法の適否の判断にも資することができる。
【００４１】
なお、上記の例ではピグ本体と管内面の距離測定に渦流式距離計を用いた場合を説明したが、これに代えて光学式距離計等を用いることも可能である。
また、上記の例ではピグ本体の後部側にローラ型の距離計を４台設置した場合を示したが、ローラ型の距離計はピグ本体の中間部（シールカップ間）に設置してもよいし、台数も２台でもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、走行方向の距離と、測定用ピグの３軸方位角度と、測定用ピグと管体との相対傾きとをそれぞれ求め、該相対傾きで前記３軸方位角度を補正し、該補正した方位角度と前記進行方向の距離に基づいて管体の線形を求めるようにしたので、パイプラインの正確なプロファイルを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態のピグの構成の説明図である。
【図２】 本発明の一実施の形態の計測制御システムの構成の説明図である。
【図３】 本発明の一実施の形態における管体３と検査ピグ５の相対角度の補正方法の説明図である。
【図４】 本発明の一実施の形態におけるパイプラインのプロファイルの求方の説明図である。
【図５】 本発明の一実施の形態における管体３と検査ピグ５の中心位置のずれ量の求め方の説明図である。
【図６】 図５の中心部の拡大図である。
【符号の説明】
１ パイプライン
３ 管体
５ 検査ピグ
７ 本体
９ 受圧カップ
１１ 距離計
１３ スプリング
１５ ローラ
１７ 渦流式距離計
１９ 方位計
２３ データ処理器
２５ 記録装置
２７ 測定区間距離カウンタ
２９ 走行距離積算カウンタ
３３ 信号処理器
３５ 外部データ処理器

Claims (6)

1. 管体内を測定用ピグを走行させて管体内のプロファイル用データを取得し、このデータに基づいて管体のプロファイルを測定する管体のプロファイル測定方法において、
   走行方向の距離と、測定用ピグの３軸方位角度と、測定用ピグと管体との相対傾きとをそれぞれ求め、該相対傾きで前記３軸方位角度を補正し、該補正した方位角度と前記進行方向の距離に基づいて管体の線形を求めることを特徴とする管体のプロファイル測定方法。
2. 管体内を測定用ピグを走行させて管体内のプロファイル用データを取得し、このデータに基づいて管体のプロファイルを測定する管体のプロファイル測定装置において、
   ピグ本体と、該ピグ本体の外周部に対向配置され前記管体内面と転接しながら回転距離を求める複数の距離計と、前記ピグ本体の前後に設けられた複数の渦流式距離計と、前記ピグ本体に内蔵された３軸方位計と、前記渦流式距離計で計測した前後の間隔の差分から前記ピグ本体と前記管体との相対傾きを求め、該相対傾きで前記３軸方位計で求めた方位角度を補正し、該補正した方位角度と前記距離計の距離データに基づいて管体の線形を求めるデータ処理手段とを備えたことを特徴とする管体のプロファイル測定装置。
3. データ処理手段は、前記距離計によって得られた複数のデータに対し、直管部では最大値をとり、ベンド管部では平均値をとることを特徴とする請求項２記載の管体のプロファイル測定装置。
4. データ処理手段は、渦流式距離計の出力信号に基づいてピグ本体の管体中心からのずれ量を求め、該ずれ量に基づいてピグ本体の中心位置を補正することを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の管体のプロファイル測定装置。
5. データ処理手段は、渦流式距離計の出力信号に基づいてピグ本体の通過地点を特定し、該特定した地点と距離計の測定値を比較することで距離計の測定値を補正することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の管体のプロファイル測定装置。
6. 請求項２〜５記載の管体のプロファイル測定装置によって計測した複数の管体の線形形状に基づいて管体に発生した３軸方向の応力を求める管体の応力測定方法。

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