JP3930674B2 - 配管等構造体における膜厚測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コーティング膜又はスケール等の薄膜を内面に有する配管又は容器等の構造体における膜厚の測定方法に関する。さらに詳しくは、例えば火力発電所のボイラーチューブ内面に付着するスケール膜の膜厚管理や石油精製コンビナート、大型船舶等の冷却装置の配管内面に施されるコーティング膜の膜厚管理に用いることが可能な膜厚測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電所の蒸気タービン施設では、ボイラから蒸気配管を伝って蒸気がタービンに送られる。この際、蒸気配管の内面に発生した酸化スケール等の異物がタービンの起動時に蒸気により運ばれ、タービンノズル及びタービンブレードに衝突し、これらに損傷を与えるので、スケール膜の膜厚を管理しその脱落を事前に防ぐことは重要である。
【０００３】
ところで、スケール等の膜厚が十分に厚い場合は、図３に示すように、第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射波ｆ２（ｔ）それぞれの立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂが明確に識別でき、これらｔａ，ｔｂの時間差ｄｔ’の半分にスケールの音速を掛け合わせることで、スケール膜厚を求めることができる。
【０００４】
しかし、スケール等の膜厚が薄く、例えば１００μｍよりも薄い場合は、図４（ａ）に示すように第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射波ｆ２（ｔ）それぞれの立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂが近接する。したがって、図４（ｂ）に示すように第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射波ｆ２（ｔ）が重畳して緩衝波である実測合成関数ｇ（ｔ）となるので、上記立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂを峻別することができない。
【０００５】
そこで、特開平９−２８７９３７号公報に記載の技術によれば、受信した緩衝波を周波数解析することによりスケール等の厚さを算出する手法が提唱されている。同手法によれば、スケール厚さの１／２波長の周波数成分は管内部の水中に伝播するので、スケール内面からの反射波からは当該成分が減少していると考えられている。そして、スケール伝播音速をＶ、エネルギー減衰部の周波数ｆ０とすれば、Ｖ／２・ｆ０によりスケール厚さを算出できるとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明の目的は、上記手法とは異なる手法により、厚さ１００μｍよりも薄い薄膜でも、その膜厚を精度よく測定することの可能な配管等構造体における膜厚測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る配管等構造体における膜厚測定方法の特徴は、コーティング膜又はスケール等の薄膜を内面に有する配管又は容器等の構造体における外面から超音波パルスを入射すると共に前記構造体内面と前記薄膜外面との界面で反射する第一反射波及び構造体内部と前記薄膜内面との界面からぞれぞれ反射する第二反射波を前記構造体外面で受信し、前記第一反射波の立ち上がり時刻と前記第一反射波及び第二反射波の合成波でこれら第一反射波及び第二反射波の重畳部分が最初に振幅零に達する合成波零時刻との時間差である零点時間差ｄｔ０を実測し、零点時間差ｄｔ０と膜厚ＳＴとの相関をあらかじめ検量線として求め、前記実測した零点時間差ｄｔ０とあらかじめ求めた前記検量線との対比により前記薄膜の膜厚ＳＴを求めることにある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図５を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。
図１に本発明に係る配管等構造体における膜厚測定方法に使用する膜厚測定装置１のブロック図を示す。また、測定対象となる構造体としては、図２に示すようにボイラーチューブに用いられる内面にスケール膜６０の付着した配管５０を用いている。なお、配管５０の内部には水Ｗが充満している。
【０００９】
先の膜厚測定装置１は、パーソナルコンピューター７により制御されるパルサー２ａで超音波パルスを発生し、探触子３を介して配管外面５１から配管５０の中心に向かって垂直に超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスはまずスケール外面６１と配管内面５２の界面である第一境界面Ｂ１において第一反射波として探触子３側に復帰する。また、送信波はスケール内面６２と配管５０内部、換言すれば、水Ｗとの界面である第二境界面Ｂ２において第二反射波として探触子３側に復帰する。
【００１０】
これらの第一、第二反射波は、レシーバー２ｂ及びプリアンプ４により増幅され、フィルター５によりノイズが除去された状態でＡ／Ｄコンバーター６によりデジタル信号に変換され、パーソナルコンピューター７で処理される。先の第一、第二反射波は、図３〜５の第一反射関数ｆ１（ｔ）、第二反射関数ｆ２（ｔ）及びこれらが合成された実測合成関数ｇ（ｔ）として補足され、モニター８に表示される。
【００１１】
図４（ａ）は、第二反射関数ｆ２（ｔ）の第二立ち上がり時刻ｔｂが不明確な場合における理論上の第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）を示すグラフである。また、同図（ｂ）は第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）が合成された実測合成関数ｇ（ｔ）を示すグラフである。第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）それぞれの理論上の第一、第二立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂの時間差である換算時間差ｄｔ１を求めることができるなら、スケール膜６０の膜厚ＳＴは、次式（１）により計算が可能である。
【００１２】
ＳＴ＝ｄｔ１・Ｖｓ／２ （１）
但し、Ｖｓは薄膜の音速である。
【００１３】
しかし、実際には、同図（ｂ）に示すように、第一反射関数ｆ１（ｔ）は第二立ち上がり時刻ｔｂを過ぎた点以降、第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）が重畳した実測合成関数ｇ（ｔ）となり、第二反射関数ｆ２（ｔ）の第二立ち上がり時刻ｔｂが明確でない。
【００１４】
そこで、第一立ち上がり時刻ｔａと実測合成関数ｇ（ｔ）のうち第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）の重畳部分が最初に振幅零に達する合成波零時刻ｔｃとの時間差である零点時間差ｄｔ０を求めることにより、先の薄膜の一例であるスケール膜の６０の膜厚を求める。
【００１５】
より具体的には、あらかじめ検量線を求める。なお、第一立ち上がり時刻ｔａとは、第一反射関数ｆ１（ｔ）が零点から正値をとる時点に限らず、一定のしきい値を越え始める時点をも含む概念である。第二立ち上がり時刻ｔｂや合成波零時刻ｔｃも同様の概念である。
【００１６】
検量線を用いる方法にあっては、あらかじめ配管５０の材質と厚みを設定し、スケール膜６０の厚みを変化させて、先の零点時間差ｄｔ０を求めこれをプロットする。零点時間差ｄｔ０は、図５（ａ）に示すように第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）の波長のずれが増大するに伴って拡大するが、同図（ｂ）に示すように、ちょうど半波長のずれが第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）の間に生じている場合には、一旦縮小する。
【００１７】
零点時間差ｄｔ０と膜厚ＳＴとの相関を示す検量線はこのように実測でも求めることができるが、理論上でも求めることができる。以下に理論合成関数を使用した方法について説明する。
【００１８】
配管５０にスケール膜６０が付着していない場合の第一反射波の関数をｆ（ｔ）とする。また、構造体５０にスケール膜６０が付着している場合の理論上の第一反射波の関数をｆ１ｘ（ｔ）、理論上の第二反射波の関数をｆ２ｘ（ｔ）とすると、上記換算時間差ｄｔ１も用いて、これらはそれぞれ次式で示される。
ｆ１ｘ（ｔ）＝(Z2+Z3)/(Z3-Z2)・(Z2-Z1)/(Z1+Z2)ｆ（ｔ） （２）
ｆ２ｘ（ｔ）＝2Z2/(Z1+Z2)・2Z1/(Z1+Z2)ｆ（ｔ−ｄｔ１） （３）
【００１９】
そして、音響インピーダンスの関係より、理論上の第一、第二反射波の関数の合成関数である理論合成関数ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）は次式により示される。
ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）＝ｆ１ｘ（ｔ）＋ｆ２ｘ（ｔ） （４）
＝(Z2+Z3)/(Z3-Z2)・(Z2-Z1)/(Z1+Z2)ｆ（ｔ）
＋2Z2/(Z1+Z2)・2Z1/(Z1+Z2)ｆ（ｔ−ｄｔ１） （５）
【００２０】
理論合成関数ｇｘ（ｔ，ｄｔ１）において、上記実測合成関数ｇ（ｔ）零点時間差ｄｔ０に相当する第一立ち上がり時刻ｔａ及び合成波零時刻ｔｃの時間差である理論零時間差をｄｔ０ｘとする。そして、上記式（５）の関数を用いて理論零時間差ｄｔ０ｘと膜厚ＳＴとの相関を検量線として求める。なお、上記実測及び理論上の検量線を用いた方法において、零時間差ｄｔ０，ｄｔ０ｘと膜厚ＳＴとの相関とは、これら両者の実質的な相関をいい、零時間差ｄｔ０，ｄｔ０ｘと換算時間差ｄｔ１との相関をも含む概念である。
【００２１】
最後に、本発明の実施のさらに異なる形態の可能性について言及する。
上記実施形態では、本発明を配管内のスケール膜の膜厚測定に用いた。しかし、本発明は配管以外の構造体、例えばタンクや圧力容器等についても適用できる。また、内面コーティング膜等の膜厚測定にも実施することができる。
【００２２】
上記実施形態では、薄膜の内側に水Ｗが存在した。しかし、この薄膜の内側には水以外の油が存在してもよく、また、空洞であってもよい。
【００２３】
上記実施形態では、ひとつの探触子３により超音波を送受信した。しかし、超音波パルスの送信子と受信子として異なる探触子を用いることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
このように、本発明に係る膜厚測定方法の特徴構成によれば、明確な「零点時間差」を用いることで精度よく薄膜の膜厚を測定することが可能となった。特に、本発明によれば、スケール等の膜厚が１００μｍよりも薄い場合でも、その膜厚を測定することが可能となった。
【００２５】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る膜厚測定方法に使用する膜厚測定装置のブロック図である。
【図２】 測定対象となる配管の一部断面図である。
【図３】 立ち上がり時刻ｔａ，ｔｂの明確な第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）を示すグラフである。
【図４】 第二反射関数ｆ２（ｔ）の立ち上がり時刻ｔｂが不明確な場合における第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）を示すグラフであり、（ａ）は理論上の第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）を示すグラフ、（ｂ）は第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）が合成された実測合成関数ｇ（ｔ）を示すグラフである。
【図５】 第二反射関数ｆ２（ｔ）の立ち上がり時刻ｔｂが不明確な場合における実測合成関数（ｔ）を示すグラフであり、（ａ）は半波長以内で半波長に近いずれが第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）の間に生じている場合の実測合成関数ｇ（ｔ）を示すグラフ、（ｂ）は半波長のずれが第一反射関数ｆ１（ｔ）及び第二反射関数ｆ２（ｔ）の間に生じている場合の実測合成関数ｇ（ｔ）を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 膜厚測定装置
２ａ パルサー
２ｂ レシーバー
３ 探触子
４ プリアンプ
５ フィルター
６ Ａ／Ｄコンバーター
７ パーソナルコンピューター
８ モニター
５０ 配管
５１ 配管外面
５２ 配管内面
６０ スケール膜
６１ スケール外面
６２ スケール内面
Ｂ１ 第一境界面
Ｂ２ 第二境界面
Ｗ 水
ｄｔ０ 零点時間差
ｇ（ｔ） 実測合成関数
ｆ１（ｔ） 第一反射関数
ｆ２（ｔ） 第二反射関数
ｔａ 第一立ち上がり時刻
ｔｂ 第二立ち上がり時刻
ｔｃ 合成波零時刻

Claims (1)

1. コーティング膜又はスケール等の薄膜（６０）を内面に有する配管又は容器等の構造体（５０）における外面（５１）から超音波パルスを入射すると共に前記構造体（５０）内面（５２）と前記薄膜（６０）外面（６１）との界面（Ｂ１）で反射する第一反射波及び構造体（５０）内部と前記薄膜（６０）内面（６２）との界面（Ｂ２）からぞれぞれ反射する第二反射波を前記構造体（５０）外面（５１）で受信し、前記第一反射波の立ち上がり時刻（ｔａ）と前記第一反射波及び第二反射波の合成波でこれら第一反射波及び第二反射波の重畳部分が最初に振幅零に達する合成波零時刻（ｔｃ）との時間差である零点時間差ｄｔ０を実測し、零点時間差ｄｔ０と膜厚ＳＴとの相関をあらかじめ検量線として求め、前記実測した零点時間差ｄｔ０とあらかじめ求めた前記検量線との対比により前記膜厚ＳＴを求める配管等構造体における膜厚測定方法。

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