JP3828115B2

JP3828115B2 - 超音波による配管ねじ接合部内面の劣化診断方法

Info

Publication number: JP3828115B2
Application number: JP2004025461A
Authority: JP
Inventors: 幸悦田中; 晋太郎酒本; 敏男福田; 史人新井; 泰久長谷川; 太小林; 拓紀油井
Original assignee: Shinryo Corp
Current assignee: Shinryo Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005214928A

Description

本発明は空調用配管や各種のパイプ構造体におけるねじ接合部内面の局部劣化を超音波探傷法を用いて診断する方法に関する。

配管のねじ接合部の検査は放射線検査が一般的であるが、放射線検査は取り扱い資格が必要であり、測定時の被曝対策が必要となるなど実用的でない。
超音波探傷法による残存肉厚測定が好適とされるが、配管のねじ接合部に超音波を垂直に入射しても（垂直探傷法）、ねじ面で反射・散乱し配管内面まで伝播しないため、ねじ接合部の内面における腐食の検出は困難である。

超音波による斜角探傷法では、水晶振動子からパルス（縦波）を出すとくさびと金属の境界で屈折するときに横波となって板の中を往復する性質を利用して、溶接などの欠陥を検出できることが知られている。このときの横波には、分子が板の表面と垂直に振動するＳＶ波（vertically-polarized shear wave ）と分子が板の表面と平行に振動するＳＨ波（horizontally-polarized shear wave ）とが発生することが知られている。

ねじ接合は小口径配管に用いられるため配管肉厚が薄い。斜角探触子として一般的なＳＶ波探触子では屈折角は最大でも８０°程度であり、これを配管ねじ部に適用した場合、超音波は配管端部に到達する前に配管内面とねじ面との間で反射を繰り返すので、エコーデータの解析が非常に困難となる。
特開昭６３−２９８０５４「パイプのねじ継手部超音波探傷方法」では、配管内面に探触子を接触させて超音波データを測定する。しかし、配管内に探触子を挿入する必要があり、設備の運転停止、及び水抜きが必要となる。配管外面に超音波測定用のテーパ部を加工しておく必要があり、実用的でない。特開平１−２３５８４８「管の継手部のねじの超音波探傷方法およびその装置」では、継手外面から超音波によりねじ部の欠陥を検出することができる。しかし、雌ねじ側（継手側）の欠陥は検出できるが、雄ねじ側（管側）の内面腐食や欠陥は検出できない。特開平１１−１４６０８「電磁超音波探触子」には、ＳＨ波による超音波探触子とＳＶ波による超音波探触子の相違点が記載されている。雑誌「非破壊検査」４５巻、５号、３４３頁以下には「ＳＨ波の往復通過率に関する実験的検討」という論文が掲載され、雑誌「非破壊検査」４５巻、９号、６８８頁以下には「表面ＳＨ波及びＳＨ斜角探触子のエコーの指向性に関する実験的検討」という論文が掲載されている。

本発明の第１の目的は、配管内に探触子を挿入することなく配管ねじ接合部内面の劣化を診断する方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、配管設備の運転停止や水抜きを必要とすることなく配管ねじ接合部内面の劣化を診断する方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、配管外面に超音波測定用のテーパ部を加工することなく配管ねじ接合部内面の劣化を診断する方法を提供することにある。

前述した課題を解決するため、本発明では、第１の態様として、斜角探傷法による表面ＳＨ波探触子を用いて、配管の外側から超音波をねじ部手前から斜めに入射し、局部腐食が存在した場合に配管端面からのエコー情報が変化することを利用して腐食を検出する方法を提供する。この際、探触子を配管周方向に等間隔で移動させながらエコーデータをサンプリングし、各エコーデータから配管端部のエコー（端面エコー）を抽出し、配管周方向に対して端面エコー高さが極小となる配管周方向位置を検出することによって腐食を検出する。これにより、配管ねじ接合部内面の劣化を診断する。

本発明はその第２の態様として、腐食がない場合のねじ部からのエコー高さを理論式を用いてあらかじめ数値モデルで表現し、腐食があるねじ部について実測したエコーデータのエコー高さのピークを結ぶ包絡線との誤差が最小になるように前記数値モデルの水平方向レベルを調整し、前記数値モデルと前記包絡線との差が最大となる超音波伝播距離から前記探触子から腐食までの配管軸方向距離を推定する。これにより、配管ねじ接合部内面の劣化をより具体的に診断する。

本発明で用いた表面ＳＨ波探触子は、横波で振動方向が水平方向であるＳＨ波を発信し、そのＳＨ波が主に表面近傍（屈折角８５〜９０°）を伝播するような入射角に設定した探触子である。

使用する機材としては以下のようなものを利用した。
（１）超音波パルス送受信機：パルスレシーバー、超音波探傷機など
（２）超音波探触子：表面ＳＨ波探触子
（３）エコーデータサンプリング用機器：パソコンなど

局部腐食の検出・位置検出の手順は以下のような工程である。
（１）配管表面をやすり等で平滑に仕上げる
（２）接触媒質（例えば商品名ソニコートＳＨＮ−Ｂ２５）を塗布して、探触子を配管に接触させる
（３）探触子を配管周方向に等間隔で移動させながらエコーデータをサンプリングする
（４）各エコーデータから配管端部のエコー（端面エコー）を抽出し、配管周方向に対して端面エコー高さが極小となる位置を検出することによって腐食を検出する
（５）４の測定点におけるエコーデータの包絡線を求め、エコー高さの数値モデルと比較することにより腐食の位置を推定する。

（１）取り扱い資格が不要である。測定時の被曝対策が不要となる
（２）設備を稼働させたままの状態で検査が可能である。配管に検査用の加工をする必要がない
（３）表面ＳＨ波探触子は屈折角が大きいので超音波によるねじ接合部の検査が可能となる
（４）超音波によって雄ねじ側の内面腐食や欠陥を検出することができる。

以下、添付図の実施態様を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。

図１に超音波探触子１０を用いた斜角探傷法による配管ねじ部１１での伝播模式図を、図２にねじ部でのエコーの一例をそれぞれ示す。このエコーは、超音波が直接ねじ部で反射したもの及び配管内面で反射しさらにねじ部で反射したものが重畳した波形となっている。

図３に示すように、ねじ接合部の配管内面に局部腐食１２が存在する場合、腐食で反射したエコー（欠陥エコー）は、図４に一例を示すようにねじ部からのエコーと重畳するため容易に観測することはできない。そのため、エコーデータからねじ部のエコーを消去することが理想であるが、ねじ部のエコーは配管の周方向測定位置によって大きく異なり、またねじ加工時の機械の調整によってねじの仕上がり寸法が若干異なり、その影響がエコーに及ぶので、検査する配管ごとに異なることが予想され、ねじ部のエコーを消去することは容易でない。

図３に示した配管端部からのエコー（端面エコー）に注目すると、このエコーは図４ではほとんど観測されていない。局部腐食が存在する場合、図３に示すように腐食により超音波の伝播が遮られて端部まで伝播しにくくなるので、端面エコー高さが減少するのである。従って、探触子を配管周方向に走査したエコーデータから端面エコー高さを抽出し、端面エコー高さが極小となる位置を検索すれば、腐食を検出できることになる。

腐食の位置は腐食からのエコーが観測される時間から求めることができるが、ねじ部においてはねじ部のエコーと重畳して観測され、腐食からのエコーを抽出することは非常に困難である。ここで、ねじ部のエコー高さは腐食がなければ探触子からの距離に応じて減衰するが、腐食からのエコーが重畳している場合、その観測される時間においてエコー高さが大きく変化する。そこで、腐食がない場合のねじ部のエコー高さを数値モデルで表し、この数値モデルと腐食があるねじ部について実測したエコーデータの包絡線との比較によりエコー高さが大きく変化する時間（超音波の音速を乗じることにより伝播距離に変換できる）を抽出することによって腐食位置を推定する。ここでエコーデータの包絡線とはピークを結んだ線であり、本発明では正のピークのみを用いて包絡線を求める。

本実施態様では人工腐食配管として、図５に示すように、配管用炭素鋼鋼管（ＳＧＰ黒）５０ＡをＪＩＳ規格（Ｂ０２０３管用テーパねじ）でねじ加工し、その内面に人工腐食（平底穴）１２を機械加工したものを用いる。

人工腐食配管として表１に示す６パターンの人工腐食配管を用いる。腐食の深さは全て１ｍｍである。

図６に示すように、局部腐食１２の軸線方向位置をＸ，配管周方向の位置をＹとすると、腐食が存在する位置（Ｙ＝０）を中心に、周方向に１ｍｍピッチでプラスマイナス７ｍｍまでエコーデータをサンプリングし端面エコー高さを計測した。図７，８にそれぞれ端面エコー高さ曲線を示す。これより腐食の位置は、腐食の大きさ及び位置にかかわらず端面エコー高さが極小値となる位置であることがわかる。よって配管ねじ部の全周測定データから端面エコー高さを抽出し、その極小値を検索することによって腐食を検出することができる。

次に、局部腐食の位置の推定について説明する。腐食が存在しなければ、観測されるエコーデータはエコー高さが時間とともに減衰する。そのため、超音波の減衰によるエコー高さの変化を数値モデルによって表す。

超音波の減衰は指数関数によって以下のように表される。

ここで、Ｐ₀ ：振動子直前の音圧、ｘ：音波の伝搬距離、Ｐｘ：距離ｘだけ伝搬後の音圧である。このとき、αを減衰係数と称する。減衰係数αは、図９に示すようなφ１ｍｍの水平横穴を設けた試験片を用い、探触子との距離Ｌを変化させながら横穴からのエコー高さを実測することによって求める。ただし、図１０に示すように、超音波は指向性をもっているため、角度が変化するとエコーの振幅が変化するので、屈折角θに応じた指向性を考慮する必要がある。

図１１に示すように、振動子（水晶振動子など）１４の断面について振動子を長さ方向にＮ等分して考えると、点Ｄにおけるエコー高さＨ_D は以下の２式によって表され、実測値と良く一致することが確認されている。

ここでｋ＝２π／λ、ｋ’＝２π／λｗ、λ：鋼中の波長、λｗ：探触子アクリル内での波長、α：入射角、Ａ：振動子の入射面への投影面積である。

本発明で用いた探触子の場合、Ｈ＝１０ｍｍ、α＝２４．９°であり、周波数５ＭＨｚ及び音速を鋼：３２３０ｍ／ｓ、アクリル：１３６０ｍ／ｓとすると、λ、λｗがそれぞれ求められ、図１２に示すような指向性が求められる。従って、図９のように求められたエコー高さを、そのときの角度φにおいて上記の式によって求められるエコー高さを正規化した値で除することによって指向性の影響を取り除いた上でプロットすると、図１３のようなグラフが得られる。これを最小２乗法によって指数関数で近似すると、減衰係数αを求めることができる。

以上のように超音波の減衰と指向性を定量化し、簡易的なエコー高さモデルを作成する。ねじ部における超音波の伝播は非常に複雑であるため、ここでは図１４に示すように配管の内面で反射しさらにねじの谷頂部において反射したエコー高さのみを上記の減衰と指向性によって表す。各ねじ谷頂部までの超音波伝播距離Ｘ（Ｘ₀ ＋Ｘ_1n＋Ｘ_2n）と角度φn によって減衰と指向性を算出し、それらの積によってエコー高さを求める。このようにして求められたエコー高さモデルを図１５に示す。配管はＳＧＰ５０Ａを対象とし、ねじの各寸法はＪＩＳ規格に従った。

探触子を周方向に移動して測定したエコーデータにおいて、端面エコーが最小となる測定個所が腐食の中心位置と考えられる。そこでこの位置において測定したエコーデータのエンベロープ（包絡線）と図１５に示すエコー高さモデルとを比較し、エコー高さの差が最大となる位置（横軸の値から算出）が腐食の存在する位置であると判断する。その際、エコーデータの横軸（時間軸）は超音波の音速を乗ずることにより伝搬距離に変換しておく。さらにエコーデータのエンベロープとエコー高さモデルとの誤差が最小となるように、モデルに適当な係数を乗じてレベル（水平方向）を調整しておく。これにより、減衰を求めるときに使用した試験片の横穴と実際のねじの反射源との反射率の差によるエコー高さへの影響を考慮することができる。

実験結果として、表２に人工腐食を用いた腐食位置の推定実験結果を示す。腐食の大きさはφ４ｍｍとφ６ｍｍであり、深さは１ｍｍで統一し、探触子からの水平距離はいずれも４３ｍｍとした。ここで表２の推定値は上記の方法によって求められた超音波の伝播距離を探触子からの水平距離に換算した値である。

ここで、ねじ接合によるエコー高さへの影響を確認した。ねじ接合の際にはテープ状もしくは液状のシール剤を雄ねじに施すため、ねじ面の反射率低下によるエコー高さの減少が予想される。そのため、いくつかのサンプル配管（炭素鋼鋼管５０Ａ）において、シール加工及び継手接続の前後でねじ部のエコーを測定し、それぞれのエコー高さの絶対値を比較した。加工前後の振幅の違いを評価するために、エコーデータの絶対値を平均し、加工前後の差を求めた。これを表３に示す。

表３から理解されるように、シールテープの場合はほとんどエコー高さの減少がないが、液状シール剤を使用した場合は全てにおいてエコー高さが減少し、最大で２０％弱の減少が確認された。エコー高さが増加しているものについては、探触子の接触状態の影響が大きいと考えられる。従って、液状シール剤を使用している場合はエコー高さの減少を考慮し、パルサーレシーバーや超音波探傷器など機器の増幅率設定を調節することによって影響を低減させる必要がある。上記の実施例はシール加工及び継手接続をしない配管を用いて行った。

以上、詳細に説明したように、本発明の診断方法によれば、配管内に探触子を挿入することなく配管ねじ接合部内面の劣化を診断することができ、その際配管設備の運転停止や水抜きを必要とすることはなく、配管外面に超音波測定用のテーパ部を加工することなく配管ねじ接合部内面の劣化が診断できることになり、その技術的効果には極めて顕著なものがある。

斜角探傷法による超音波の伝播を表す模式図。配管ねじ部におけるエコーデータを表すグラフ。腐食が存在する場合の超音波の伝播を表す模式図。腐食が存在する場合のエコーデータを表すグラフ。ねじ接合部内面に人工腐食を施した状態の断面図。ねじ接合部内面の測定位置を表す断面図。端面エコー高さの変化を表すグラフ。端面エコー高さの変化を表すグラフ。斜角探傷法における減衰率の測定方法を表す模式図。探触子の指向性を測定した実測値のグラフ。探触子の指向性を計算する方法を表す模式図。探触子の指向性を計算した結果を表すグラフ。減衰によるエコー高さの変化を表すグラフ。斜角探傷法をねじ部に適用する状態を表す模式図。エコー高さモデルの超音波伝播距離の変化を表すグラフ。

符号の説明

１０超音波探触子
１１配管ねじ部
１２人工腐食（平底穴）
１４水晶振動子

Claims

空調用配管や各種のパイプ構造体におけるねじ接合部内面の局部劣化を超音波探傷法を用いて診断する方法であって、
斜角探傷法による表面ＳＨ波探触子を用いて配管の外側から超音波をねじ部手前から斜めに入射し、
前記探触子を配管周方向に等間隔で移動させながらエコーデータをサンプリングし、
各エコーデータから配管端部のエコーを抽出し、
配管周方向に対して端面エコー高さが極小となる配管周方向位置を検出することによって腐食を検出する、
以上の工程から成ることを特徴とするねじ接合部内面の局部劣化を超音波探傷法を用いて診断する方法。
請求項１記載の診断方法であって、さらに、
腐食がない場合のねじ部からのエコー高さを理論式を用いてあらかじめ数値モデルで表現し、
腐食があるねじ部について実測したエコーデータのエコー高さのピークを結ぶ包絡線との誤差が最小になるように前記数値モデルの水平方向レベルを調整し、
前記数値モデルと前記包絡線との差が最大となる超音波伝播距離から前記探触子から腐食までの配管軸方向距離を推定する工程を包含することを特徴とする診断方法。