JP4406638B2

JP4406638B2 - 圧力下の流体の入った管路の挙動を監視するための方法および装置

Info

Publication number: JP4406638B2
Application number: JP2006505718A
Authority: JP
Inventors: ベルナール、オリビエ; ジェラール、ブルーノ
Original assignee: オクサンド
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: EP1604170B1; CN1784589A; KR20060002809A; FR2852391B1; CN1784589B; FR2852391A1; WO2004083969A2; JP2006522324A; ES2543161T3; WO2004083969A3; ZA200508092B; RU2005131430A; RU2351915C2; HK1086879A1; EP1604170A2; CA2518697A1; US20060217902A1; US7561976B2

Description

本発明は、圧力下の流体の入った管路の挙動（性能）を監視（モニター）するための方法に関する。本発明は、また、この方法を実施する装置に関する。

本発明は、坑道或いは掘り出しによりアクセス可能な外表面を有する、圧力下の流体の入った管路（特に、鉄筋コンクリート製又はプレストレス・コンクリート製のパイプ）の老化の管理の分野に属する。

鉄筋コンクリート又はプレストレス・コンクリート製のパイプには腐蝕現象を受けるおそれのある鉄鋼棒が設けてあり、腐蝕は経時的に鉄鋼棒の断面積を減少させる。鉄鋼の残余断面積の概念はこの分野では周知であり、これについては後述する。

圧力下の流体の輸送システムのオペレータの主要な関心は、このような圧力下の流体の入った管路の破裂の危険を管理することである。

この目的は、圧力下の流体の入った管路（パイプ）の挙動を監視するための方法によって達成されるもので、この管路は少なくとも１つの通用（current）領域と複数の特異領域を有する。

本発明の方法は：
−円周方向膨脹に関する情報を得るために、管路の所定数の特異領域、及び／又は、通用領域を静的に監視すること、および、
−前記円周方向膨脹情報に基づいて、管路の有効剛性K（ti）、および、管路の残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を計算すること、
を包含する。

本発明の特定の完全な態様においては、この監視方法は、更に、前記管路の振動モードと固有振動周波数に関する情報を得るために、管路を動的監視することを包含する。振動モードおよび固有周波数に関するこれらの情報は、それから、円周方向膨脹情報と共に、有効剛性および残余鉄鋼断面積測定値の計算するためにも利用される。

好ましくは、本発明の方法は、更に：
−残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）の経時的進展値A’s（t > ti）を予報する工程（この予報は管路の腐蝕と機械的挙動（性能）のモデルに基づいて行われる）と、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）とを比較することと、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）との差が予め定めた精度よりも大きいときに、腐蝕モデルをアップデートすること、
とを包含することができる。

本発明の好ましい実施態様においては、前記予報工程は外部源から来る情報を腐蝕モデルのアップデート段階で統合するべく構成されている。

本発明の監視方法は、更に、残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を機械強度の限界基準（CL）と比較することを包含することができ、この比較に続いて：
−前記測定値As（ti）が前記機械強度の限界基準（CL）よりも小さいときに、前記管路のうち監視中の領域に対応する区間を直ちに交換する情報を発するか、或いは、
−前記管路の残余寿命期間D（ti）を計算することができる。

本発明の方法は、更に、残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を前記管路の機械強度に関連づけたアラーム基準（CA）と比較することを包含することができ、この比較に続いて：
−前記測定値As（ti）が前記アラーム基準（CA）よりも小さいときに、前記管路のうち監視中の領域に対応する区間を補強し、かつ、後で交換する情報を発するか、或いは、
−前記管路のアラーム前の利用期間Da（ti）を計算することができる。

本発明の他の観点においては、本発明は、圧力下の流体の入った管路の挙動を監視するための装置を提供するもので、この管路は少なくとも１つの通用領域と複数の特異領域を有し、この装置は：
−円周方向膨脹に関する情報を得るために、所定数の特異領域を静的に監視するための装置、および、
−前記円周方向膨脹情報に基づいて、管路の有効剛性K（ti）および残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を計算するための手段、
を備えている。

本発明の特定の実施態様においては、この装置は、更に、前記管路の振動のモードおよび固有周波数に関する情報を得るために、管路を動的監視する装置を包含してなり、振動モードおよび固有周波数に関するこれらの情報は前記計算手段により管路の有効剛性K（ti）および残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を計算するために利用される。

好ましくは、本発明の装置は、更に、
−残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）の経時的進展値A’s（t > ti）を予報するための手段（この予報は管路の腐蝕と機械的挙動のモデルに基づいて行われる）と、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）とを比較する手段と、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）との差が予め定めた精度よりも大きいときに、腐蝕モデルをアップデートする手段、
とを有することができる。

静的監視装置は、管路の区間の長手方向変形を測定するための手段と、前記区間の円周方向変形を測定するための手段を有することができる。

動的監視手段は管路上の所定の複数点において変位の速度を測定するための地震計手段を備えている。

本発明の装置は、更に、静的及び／又は動的監視装置によって得られた生データを予備処理するための手段を有することができ、これらの予備処理手段は所与の期間についての平均変形および作動段階における平均固有周波数を計算するように構成されている。

本発明は、この種のパイプの破裂の危険を管理すると共に、それらの交換時期を最適化する目的で、管路の使用時の挙動を永続的に監視する技術と、その老化の予報的モデル化とを組合せたものである。

この種の管路の特異領域（例えば、支持ブロックに直角な通過、屈曲部、減少円錐・・・）の長期的挙動は、表１に示したように、通用領域の長期的挙動から区別しなければならない。従って、本発明のインテリジェント監視装置は、挙動と優先性の差を監視に統合しなければならない。

（表１）
特異領域通用領域
内部腐蝕（一般）＋＋
外部腐蝕＋
初期欠陥＋＋＋
優先性＋＋＋＋
監視（静的）ＸＸ
監視（動的）ｘ（他の振動モード）ＸＸ（振動モードＩ）

従って、本発明の方法は、その完全な実施態様においては：
−“静的”監視を用いて、予め定めた限られた数の特異領域（支持、屈曲部・・・）を計測すること；
−および、通用領域と特異領域とを有する管路の区間を“動的”監視を用いて計測することによりこの計測装置を補完すること、
からなる。

しかしながら、本発明の方法は静的監視を用いるだけでも全く良好に作動することに留意されたい。

本発明の完全な実施態様における本発明の方法および装置によって得られる大きな利点は、２種の監視（静的監視と動的監視）を組合せたことに関連するもので、その独自性は通用領域の機械的挙動（性能）と特異領域の機械的挙動を永続的に監視できることである。

本発明の方法および装置によって得られる第２の利点は、管路の区間の監視方法（円周方向変形および長手方向変形の監視、振動モードおよび固有周波数の監視）と測定されたデータの予備処理とを組合せた解決手段を提供することにある。この解決手段は計測中の区間の残余鉄鋼断面積を間接的に決定するの可能にする。

第３の利点は、監視により得られたデータを管路の金属部分の腐蝕の動力学の予報モデル内で有効利用することである。このモデル化の豊富化は、あらゆる不確定性を最小限にすると共に適切なタイミングで適切なメンテナンス活動を開始するのを可能にするような寿命予報を実現するの可能にする。

要するに、これら３つの利点は、計測中の管路の破裂の危険を管理することによりこれらの管路の交換期間を最適化するのを可能にする。

本発明の監視方法は以下のことを可能にする：
−鉄筋コンクリート製パイプ内に存在する残余鉄鋼断面積を永続的かつ間接的に決定すること；
−有効化された物理的モデルから得られた推定値と測定値を対比すること；
−不確定性の原因を最小限にしながら長期にわたる残余鉄鋼断面積の進展を予報するために監視から得たデータを予報ツール内で有効利用すること；
−測定値を機械強度の基準と対比すること；
−限られた数の特異領域を計測することにより管路のネットワークを管理するためのグローバルな戦略を確立すること；
−費用と時間の点で管路の劣化状態にとって適切なメンテナンス活動を行うこと；
−管路のメンテナンスに関する費用を最小限にすること；
−管路の破裂の危険を管理すること；
−インテリジェント監視装置を用いて永続的で積極的な管理を行うことにより監視の権威と公共性を保障すること。

本発明の更に他の利点や特徴は非限定的な実施例の詳細な説明および添付図面から明らかとなろう。

永続的監視技術と予報ツールとの組合せは、本発明の装置であるインテリジェント監視装置（DMI）を構成する。

永続的監視で得られたデータの予備処理は、特定の期間について取った測定値を合成した限られた数のデータ（管路の剛性K（t_i）および管路の残余鉄鋼断面積A_S（t_i））しか保持しないようにするために必要である。

予報ツールは、残余鉄鋼断面積の推定値A’_S（t_i）とその経時的進展値A’_S（t > t_i）を計算によって決定するのを可能にする物理法則（管路の腐蝕と機械的挙動のモデル化）を中心として構築される。

監視装置によって得られた残余鉄鋼断面積A_S（t_i）は、次いで規則的な間隔でその推定値A’_S（t_i）と比較される。もしもこれら２つの数値の差が予め定めた精度Eよりも大きいならば、残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）は腐蝕モデルをアップデートするために使用される。このアップデート手順は残余鉄鋼断面積の推定値A’_S（t_i）とその経時的進展値A’_S（t > t_i）を再計算するのを可能にする。この予報ツールは、腐蝕モデルのアップデート段階で、静的監視又は動的監視以外の出所から来る情報（実験室テスト、視覚的検査、失敗数、・・・）を統合することができるように設計されている。

所望の精度が得られたならば、残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）は機械強度の限界基準CLと比較される。測定値が基準よりも小さいならば、例えば、計測中の管路の区間を直ちに交換することを決定することができる。

残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）が限界基準よりも大きいならば、予報ツールによって計算された残余鉄鋼断面積の進展値を用いて管路の残余寿命期間D（t_i）が決定される。

次の段階は、残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）を機械強度に関連づけたアラーム基準CAと比較することからなる。今回は、測定値がアラーム基準よりも小さいならば、例えば、交換を遅らせるべく計測中の管路区間を補強することを採用することができる。

残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）がアラーム基準よりも大きいならば、予報ツールによって計算された残余鉄鋼断面積の進展値を用いてアラーム前の利用期間D_a（t_i）が決定される。このような条件下では、メンテナンス活動は、例えば、何もしないことからなり、管路は現状で放って置かれるであろう。

次に、前述した図面を参照しながら、本発明の装置の実施例を詳細に説明する。

静的監視装置は前もって定めた限られた数の特異領域に対して使用される。この装置の目的は、特異領域において、管路の長手方向および円周方向変形の長期経時的進展を監視することである。

この静的監視を信頼できるものにする目的で、２つの形式のセンサーを設ける。例えば、１つの可能性は、標準型歪みセンサー（誘導センサー）と種々の長さを測定する光ファイバ型センサーとの組合せである。

長手方向の変形は、主として、偶発的応力（地震、過剰圧力）の場合に管路の機械強度（破裂の危険）をチェックするために役立つ。円周方向の変形は、図３に示したように、通常の使用状態において残余鉄鋼断面積の長期経時的進展を監視するのを可能にするという本発明の解決方法の枠内で使用される。

動的監視装置は圧力下の管路の自然振動を利用する。この装置は所定の複数点において地震計を用いて変位速度を測定するように設計されている。この動的監視装置の目的は、管路の固有振動モード（モード変形）および固有振動周波数を決定することである。

測定の頻度に応じて、監視装置によって回収された生データの量は多くなる。規則的な間隔で、これらのデータを予備処理して、残余鉄鋼断面積の定量化を可能にする限られた数の値を抽出する必要がある。

この予備処理は、生データ（変形、圧力、固有周波数、モード変形）を用いて以下のものを計算することからなる：
−所与の期間（例えば：加圧サイクルの前、途中、および後）についての平均変形；
−使用段階における平均固有周波数；
−図３および４に示したように、所与の期間についての管路の区間の剛性K；
−対応する残余鉄鋼断面積A_S。

図４のダイヤグラムは、静的監視の場合における予備処理の異なる種々の段階を示すものである。変形と剛性との関係、および、剛性と残余鉄鋼断面積との関係を定める法則は、計測中の管路の本来固有の特性である。

図４に類似したダイヤグラムが動的監視のために展開される。この場合には、用いる法則は、固有周波数と、関連する領域の剛性の損失（これは関連する振動モードに依存している）と、残余鉄鋼断面積との関係を定めるのを可能にする。これらの法則も、また、計測中の管路の固有の特性であり、管路の縁の状態に強く依存している。

基本データの予備処理の異なる複数の段階は、静的監視の場合について図４が示すように、残余鉄鋼断面積の値に到達するのを可能にする。

次の段階は、規則的な間隔で、監視装置によって得られた残余鉄鋼断面積A_S（t_i）をその推定値A’_S（t_i）と比較することからなる。もしもこれら２つの数値の差が予め定めた精度よりも大きいならば、残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）は腐蝕モデルをアップデートするために使用される。

このアップデートは、わけても、ベイズ近似法に基づいており、後者は現場のデータが利用可能である場合に予報モデルの精度を向上させるのを可能にする。

このアップデート手順は残余鉄鋼断面積の推定値A’_S（t_i）とその経時的進展値A’_S（t > t_i）を再計算するのを可能にする。

この予報ツールは、腐蝕モデルのアップデート段階で、静的監視又は動的監視以外の情報源から来る情報（実験室テスト、視覚的検査、失敗数、・・・）を統合することができるように設計されている。

所望の精度が得られたならば、残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）は機械強度の限界基準CLと比較される。測定値が基準よりも小さいならば、例えば、計測中の管路区間を直ちに交換することを決定することができる。

残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）が限界基準よりも大きいならば、図５に示したように、管路の残余寿命期間は予報ツールによって計算された残余鉄鋼断面積の進展値を用いて次のように決定される：
D（t_i）＝ t（A_S=CL）−t_i

残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）がアラーム基準よりも大きいならば、アラーム前の利用期間D_a（t_i）は予報ツールによって計算された残余鉄鋼断面積の進展値を用いて次のように決定される：
D_a（t_i）＝ t（A_S=CA）−t_i

残余鉄鋼断面積の測定値A_S（t_i）がアラーム基準よりも大きい場合には、メンテナンス活動は、例えば、何もしないことからなり、管路は現状に放って置かれるであろう。

勿論、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく上記実施例に種々の修正を加えることができる。

図１は本発明の方法の作動原理を示す。図２は静的監視装置の概略図である。図３は本発明の解決方法を使用することの可能な管路（鉄筋コンクリート製のパイプの場合）の圧力下の挙動を示す。図４は残余鉄鋼断面積の値に到達するのを可能にするための基本データの予備処理段階（静的監視の場合）を示す。図５は本発明の方法で実施するアップデート手順を示す。

Claims

圧力下の流体の入った管路の挙動を監視するための方法であって、この管路は少なくとも１つの通用領域と複数の特異領域を有し、この方法は：
−円周方向膨脹に関する情報を得るために、予め定めた数の特異領域及び／又は通用領域を静的に監視すること、および、
−前記円周方向膨脹情報に基づいて、管路の有効剛性K（ti）および残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を計算すること、
を包含することを特徴とする方法。
請求項１に基づく方法であって、前記管路の振動のモードおよび固有周波数に関する情報を得るために、管路を動的監視することを更に包含すること、および、振動モードおよび固有周波数に関するこれらの情報は、また、管路の剛性K（ti）および残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を計算するために利用されることを特徴とする方法。
請求項１又は２に基づく方法であって、更に：
−残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）の経時的進展値A’s（t > ti）を予報する工程（この予報は管路の腐蝕と機械的挙動のモデルに基づいて行われる）と、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）とを比較することと、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）との差が予め定めた精度よりも大きいときに、腐蝕モデルをアップデートすること、
とを包含することを特徴とする方法。
請求項３に基づく方法であって、前記予報工程は外部源から来る情報を腐蝕モデルのアップデート段階で統合するべく構成されていることを特徴とする方法。
請求項３又は４に基づく方法であって、更に、残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を機械強度の限界基準（CL）と比較することを包含し、この比較に続いて：
−前記測定値As（ti）が前記機械強度の限界基準（CL）よりも小さいときに、前記管路のうち監視中の領域に対応する区間を直ちに交換する情報を発するか、或いは、
−前記管路の残余寿命期間D（ti）を計算することを特徴とする方法。
請求項５に基づく方法であって、更に、残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を前記管路の機械強度に関連づけたアラーム基準（CA）と比較することを包含し、この比較に続いて：
−前記測定値As（ti）が前記アラーム基準（CA）よりも小さいときに、前記管路のうち監視中の領域に対応する区間を補強し、かつ、後で交換する情報を発するか、或いは、
−前記管路のアラーム前の利用期間Da（ti）を計算することを特徴とする方法。
圧力下の流体の入った管路の挙動を監視するための装置であって、この管路は少なくとも１つの通用領域と複数の特異領域を有し、この装置は：
−円周方向膨脹に関する情報を得るために、予め定めた数の特異領域及び／又は通用領域を静的に監視するための装置、および、
−前記円周方向膨脹情報に基づいて、管路の有効剛性K（ti）および残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を計算するための手段、
を備えていることを特徴とする装置。
請求項７に基づく装置であって、前記管路の振動のモードおよび固有周波数に関する情報を得るために、管路を動的監視するための装置を更に包含してなり、振動モードおよび固有周波数に関するこれらの情報は有効剛性K（ti）および残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）を計算するための前記手段によって利用されることを特徴とする装置。
請求項７又は８に基づく装置であって、更に：
−残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）の経時的進展値A’s（t > ti）を予報するための手段（この予報は管路の腐蝕と機械的挙動のモデルに基づいて行われる）と、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）とを比較する手段と、
−前記残余鉄鋼断面積の測定値As（ti）と残余鉄鋼断面積の推定値A’s（ti）との差が予め定めた精度よりも大きいときに、腐蝕モデルをアップデートする手段、
とを備えていることを特徴とする装置。
請求項７から９のいづれかに基づく装置であって、前記静的監視装置は、管路の区間の長手方向変形を測定するための手段と、前記区間の円周方向変形を測定するための手段を備えていることを特徴とする装置。
請求項８および請求項９又は１０のいづれかに基づく装置であって、前記動的監視手段は管路上の予め定めた数の点において変位の速度を測定するための地震計手段を備えていることを特徴とする装置。
請求項７から１１のいづれかに基づく装置であって、更に、静的及び／又は動的監視装置によって得られた生データを予備処理するための手段を備え、これらの予備処理手段は所与の期間における平均変形および使用段階における平均固有周波数を計算するように構成されていることを特徴とする装置。