JP4686378B2 - Pipe inspection device - Google Patents
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Description
本発明は、発電所や化学プラント等で使用される配管を検査する配管検査装置に関する。 The present invention relates to a pipe inspection apparatus for inspecting pipes used in power plants, chemical plants, and the like.
一般に、発電所や化学プラント等で使用される配管は、長期間使用すると腐食や浸食による劣化で配管の肉厚が低減していき、最終的には配管壁の貫通や破断による事故につながる。このため、配管の肉厚測定を行い、劣化が認められた場合は交換等の補修が必要となってくる。 In general, piping used in power plants, chemical plants, etc., when used for a long period of time, the thickness of the piping is reduced due to deterioration due to corrosion or erosion, eventually leading to an accident due to penetration or breakage of the piping wall. For this reason, the thickness of the pipe is measured, and if deterioration is recognized, repair such as replacement is required.
従来より、この配管の肉厚測定の代表的な手段として、超音波厚さ計による非破壊検査が行われてきた。この超音波厚さ計は、一般的に電気−音響を相互に変換する圧電素子からなる超音波トランスデューサーが使用されている。これは、対象配管中に超音波を垂直に入射し、配管底面で反射した弾性波を同一または別の超音波トランスデューサーで受信して、受信波の時間間隔を肉厚に変換する装置である。 Conventionally, nondestructive inspection using an ultrasonic thickness gauge has been performed as a representative means for measuring the thickness of the pipe. The ultrasonic thickness meter generally uses an ultrasonic transducer composed of a piezoelectric element that mutually converts electro-acoustics. This is a device that converts the time interval of received waves into thickness by receiving ultrasonic waves vertically into the target pipe and receiving elastic waves reflected from the bottom of the pipe with the same or another ultrasonic transducer. .
しかし、測定精度は高いものの検査範囲がセンサの大きさとほぼ同等と狭く、長尺な配管に対し全面測定を行うと、広範囲な塗装除去などの前処理と莫大な測定点数が必要となる欠点があった。 However, although the measurement accuracy is high, the inspection range is almost the same as the size of the sensor, and when measuring the entire surface of a long pipe, there is a drawback that pretreatment such as extensive paint removal and a huge number of measurement points are required. there were.
これらの問題を解消するため、垂直超音波の代わりに配管面に沿って伝播するラム波(板波、ガイド波)を配管表面から斜角入射させて、配管の長手方向に対し一度に測定する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。これは、ラム波の特徴である速度分散性を利用したものであり、肉厚と周波数の積に依存して音速が変化することにより、伝播時間から伝播経路の平均肉厚を求める方法である。 In order to eliminate these problems, Lamb waves (plate waves and guide waves) propagating along the pipe surface are made obliquely incident from the pipe surface instead of vertical ultrasonic waves and measured at once in the longitudinal direction of the pipe. A method is known (see, for example, Patent Document 1). This is a method that uses the velocity dispersion characteristic of Lamb waves, and obtains the average thickness of the propagation path from the propagation time by changing the speed of sound depending on the product of the thickness and frequency. .
上記の方法では、配管の円周上の一端にリング状に送信用トランスデューサーを配置し、更に別の一端にリング状に受信用トランスデューサーを配置する。この送信用トランスデューサーから励起されたラム波について、ある受信用トランスデューサーに対し、最短距離または螺旋状など複数発生する伝播経路を、ある伝播経路の距離で伝播したラム波の到着時間を基に弁別する。特定の伝播経路の肉厚をそれぞれのトランスデューサーに対して算出し、トモグラフィ処理をすることにより二次元的な分布を求める方法である。しかしながら、配管の円周にトランスデューサーを配置する必要があるため、装置の構造としては複雑化していた。 In the above method, the transmitting transducer is arranged in a ring shape at one end on the circumference of the pipe, and the receiving transducer is arranged in a ring shape at another end. For a Lamb wave excited from this transmitter transducer, multiple propagation paths, such as the shortest distance or spiral, are made to a certain receiver transducer based on the arrival time of the Lamb wave propagated at a certain propagation path distance. Discriminate. In this method, the thickness of a specific propagation path is calculated for each transducer, and a tomographic process is performed to obtain a two-dimensional distribution. However, since it is necessary to arrange a transducer around the circumference of the pipe, the structure of the apparatus is complicated.
また、核燃料棒を対象として、燃料被覆管に楔形トランスデューサーを用いて超音波を入射し、ラム波(ガイド波)が被覆管を伝播中に欠陥で反射された成分を計測して欠陥を求める方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。しかし、薄い板厚の物を対象としており、圧力配管などの肉厚のものには適用されていなかった。 In addition, for nuclear fuel rods, ultrasonic waves are incident on the fuel cladding tube using a wedge-shaped transducer, and the component reflected by the defect while the Lamb wave (guide wave) propagates through the cladding tube is measured to determine the defect. A method is known (see, for example, Patent Document 2). However, it is intended for a thin plate, and has not been applied to a thick wall such as a pressure pipe.
さらに、ラム波を円周方向に伝播させて、配管を一周した透過波の振幅変化により、腐食深さを推定する方法が知られている(例えば、非特許文献1参照)。これは、波の一部が腐食により反射して透過波振幅が小さくなることを用いている。この方法では長手方向を測定する方法に比べて装置が簡略化されるが、軸方向に移動しながらの測定する必要があった。 Furthermore, a method is known in which the corrosion depth is estimated by propagating the Lamb wave in the circumferential direction and changing the amplitude of the transmitted wave that goes around the pipe (for example, see Non-Patent Document 1). This uses the fact that part of the wave is reflected by corrosion and the transmitted wave amplitude is reduced. In this method, the apparatus is simplified as compared with the method of measuring the longitudinal direction, but it is necessary to perform measurement while moving in the axial direction.
上述のラム波を用いた装置では、このラム波の特徴である音速の分散性から、音速の異なる複数モードの波が同時に伝播する。ラム波モードは、A0モード、S0モードから順に高次のモードが存在する。この音速は、周波数fと板厚dの積で決まるため、あるf・d値に対し多数のモードが存在すると、伝播したラム波のモードを同定することが困難になる。従って、このような各モードの重畳の影響が小さいS0モードを使用することが一般的であり、これに見合う低い周波数を選択する必要がある。 In the above-described apparatus using Lamb waves, waves of a plurality of modes having different sound speeds propagate simultaneously due to the dispersibility of the sound speed that is a characteristic of the Lamb waves. In the Lamb wave mode, there are higher-order modes in order from the A0 mode and the S0 mode. Since the speed of sound is determined by the product of the frequency f and the plate thickness d, it becomes difficult to identify the mode of the propagated Lamb wave if there are many modes for a certain f · d value. Therefore, it is common to use the S0 mode in which the influence of such superposition of each mode is small, and it is necessary to select a low frequency corresponding to this.
なお、一般的なトランスデューサーである圧電素子の厚みdは、周波数に対し下記の(1)式で決定されるが知られている(例えば、非特許文献2参照)。 In addition, although the thickness d of the piezoelectric element which is a general transducer is determined by the following (1) formula with respect to a frequency, it is known (for example, refer nonpatent literature 2).
d=c/(2×f0)・・・・・(1)
ここで、
c:周波数定数、ジルコンチタン酸鉛の場合は約4000m・S−1
一例として、計測する肉厚を10mm程度とした場合、S0モードでは200kHz程度の周波数が適当である。ここで周波数を200kHzとした場合、上記の(1)式から圧電素子の厚みは10mmとなる。また、円筒形の素子を考えた場合、直径は厚みの2倍以上ないとうまく振動しないため、直径20mmの圧電素子となる。
here,
c: Frequency constant, about 4000 m · S −1 in the case of lead zirconate titanate
As an example, when the thickness to be measured is about 10 mm, a frequency of about 200 kHz is appropriate in the S0 mode. Here, when the frequency is 200 kHz, the thickness of the piezoelectric element is 10 mm from the above equation (1). In addition, when a cylindrical element is considered, since it does not vibrate well unless the diameter is twice the thickness or more, the piezoelectric element has a diameter of 20 mm.
上述した従来の配管検査装置においては、ラム波を円周方向に伝播させて、配管を一周した透過波の振幅変化により、腐食深さを推定する装置が使用されている。この装置は、軸方向に移動しながらの測定が必要となる。 In the conventional pipe inspection apparatus described above, an apparatus is used that propagates Lamb waves in the circumferential direction and estimates the corrosion depth based on the amplitude change of the transmitted wave that goes around the pipe. This device requires measurement while moving in the axial direction.
しかし、発電所など熱効率が問題となるプラントの配管への適用を考えた場合、この配管は周囲を保温材により覆われており、肉厚測定を行うためには、保温材を一部除去してトランスデューサーを取り付ける必要がある、という課題があった。 However, when considering application to piping in plants where thermal efficiency is a problem, such as in power plants, this piping is covered with a heat insulating material, and in order to measure the wall thickness, a portion of the heat insulating material is removed. There was a problem that it was necessary to attach a transducer.
また、運転中の計測では、できるだけ保温材の穴を小さくすることが、保温効果を落とさずに済むので有効であるが、前述の条件でのトランスデューサーの取り付けは保温材を大きく取り除く必要があるため困難である、という課題があった。 In measurement during operation, it is effective to make the hole of the heat insulating material as small as possible so that the heat insulating effect is not reduced. However, mounting the transducer under the above conditions requires that the heat insulating material be largely removed. Therefore, there was a problem that it was difficult.
さらに、運転を停止しての定期検査でも、いちいち保温材の取り付け取り外しが生じるために作業効率が悪化する、という課題があった。 Furthermore, even in the periodic inspection with the operation stopped, there is a problem that the work efficiency deteriorates because the heat insulating material is attached and detached one by one.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ラム波による長手方向の配管肉厚測定に於いて、簡便な装置構成でさらに保温材に覆われた配管でも保温材を大きく除去せずに配管に装着することができる配管検査装置及びその方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In the measurement of the pipe wall thickness in the longitudinal direction by Lamb waves, the heat insulating material is not largely removed even in a pipe covered with the heat insulating material with a simple apparatus configuration. It is an object of the present invention to provide a pipe inspection apparatus and method that can be attached to a pipe.
上記目的を達成するため、本発明は、ラム波を用いて保温材で覆われた配管の肉厚を測定する配管検査装置において、超音波を発生する超音波発生手段と、超音波を受信する超音波受信手段と、前記保温材を貫通し、前記超音波発生手段で励起された超音波が前記配管に到達してラム波を励起させて配管の円周方向に伝播し螺旋状に長手方向に進行するように前記配管の円周方向からずれた角度で斜角入射するように配置された前記超音波発生手段の直径よりも小さい直径の第1の導波棒と、前記超音波発生手段と前記第1の導波棒を接続するための第1のコニカルホーンと、前記第1の導波棒から伝播してきたラム波を受信し前記保温材を貫通するように配置され前記超音波受信手段よりも直径が小さい第2の導波棒と、前記超音波受信手段と前記第2の導波棒を接続するための第2のコニカルホーンと、前記第2の導波棒及び前記第2のコニカルホーンを伝播してきたラム波を前記超音波受信手段で受信した受信信号の出現時間からラム波速度分散曲線を用いて肉厚データに変換する肉厚算出手段と、を有することを特徴とするものである。 To achieve the above object, the present invention provides a pipe inspection apparatus for measuring the wall thickness of the pipe covered with heat insulating material using a Lamb wave, and an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves and receives ultrasonic waves Ultrasonic wave receiving means and the heat insulating material penetrate the ultrasonic wave excited by the ultrasonic wave generating means and reach the pipe to excite the Lamb wave and propagate in the circumferential direction of the pipe and spiral in the longitudinal direction A first waveguide rod having a diameter smaller than the diameter of the ultrasonic wave generating means disposed so as to be obliquely incident at an angle shifted from the circumferential direction of the pipe so as to proceed to And a first conical horn for connecting the first waveguide rod, and receiving the ultrasonic wave arranged to receive the Lamb wave propagating from the first waveguide rod and penetrate the heat insulating material A second waveguide rod having a smaller diameter than the means, and the ultrasonic receiver Wherein the second conical horn for connecting the second waveguide rod, receiving the Lamb waves propagated through the second waveguide rod and said second conical horn received by said ultrasonic receiving means and And a thickness calculating means for converting the signal appearance time into thickness data using a Lamb wave velocity dispersion curve.
本発明の配管検査装置によれば、配管長手方向の肉厚分布測定及び欠陥の概略位置の特定が可能となる。
さらに、保温材に覆われた配管でも保温材を大きく除去せずに配管に装着することができるので、配管検査に伴う作業効率の向上を図ることができる。また、運転中のプラントにおいては、熱効率に影響を与えることなく配管の肉厚を計測することができる。
According to the pipe inspection apparatus of the present invention, it is possible to measure the thickness distribution in the longitudinal direction of the pipe and specify the approximate position of the defect.
Furthermore, since the pipe covered with the heat insulating material can be attached to the pipe without largely removing the heat insulating material, the work efficiency accompanying the pipe inspection can be improved. Moreover, in the plant in operation, the thickness of the pipe can be measured without affecting the thermal efficiency.
以下、本発明に係る配管検査装置及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a pipe inspection apparatus and method according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の第1の実施の形態の配管検査装置を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing a pipe inspection device according to a first embodiment of the present invention.
本図に示すように、検査対象の配管1の一端には、超音波発生手段21が設けられている。この超音波発生手段21は、配管1の円周方向軸に対して角度をずらして配置された超音波発信素子3を有している。また、この超音波発信素子3を駆動するための超音波発振器2が配置されている。
As shown in the figure, an ultrasonic wave generating means 21 is provided at one end of the
この配管1の他端には、超音波受信手段22が設けられている。この超音波受信手段22は、伝播してきたラム波10の経路上に配置された超音波受信素子5を有する。この超音波受信素子5で受信した信号を受け取るための超音波レシーバ4が配置されている。
At the other end of the
また、超音波発振器2の発信信号及び超音波レシーバ4の受信信号を受けて、配管1の肉厚を算出する肉厚算出手段23が設けられている。この肉厚算出手段23は、上記の超音波発振器2の発信信号と超音波レシーバ4の受信信号をアナログ/デジタル(A/D)変換処理するAD変換器6を備える。また、それぞれの信号の時間間隔を計測する時間計測部7を備え、この計測した時間間隔から配管1の板厚に換算する板厚換算部8を有する。さらに、この板厚の測定結果を表示する板厚表示部9から構成される。
Further, a thickness calculating
このように構成された本実施の形態において、超音波発振素子3は、超音波発振器2から印加される駆動信号を機械的変位に変換する素子であり、たとえば圧電素子により構成される。この超音波発振素子3の振動面には、適切にラム波で振動するような角度で斜角入射させるためのアダプタ24が取り付けられている。さらに、配管1の円周方向軸に対し任意の角度を持たせて配管1の表面上に取り付け、ラム波10が配管1の長手方向を螺旋状に伝播して進行するような方向に波が入射されるように配置される。
In the present embodiment configured as described above, the
上記の超音波受信素子5は、配管1を伝播してきたラム波10による変位を電気的エネルギーに変換する素子であり、たとえば、圧電素子により構成される。この超音波受信素子5の振動面には、効率よく適切な角度でラム波を受信させるためのアダプタ25が取り付けられている。このアダプタ25は、ラム波10が螺旋状に伝播してくる経路上に配置される。
The
上記の超音波発信機2は、送信信号2aの周波数を任意に設定できる任意波形発生器(図示せず)と、その信号を増幅するパワーアンプ(図示せず)とから構成される。時間計測部7からの制御信号により、発生する信号を制御することができる。また、逆に超音波発振器2からのトリガ信号を時間計測部7で受信してもよい。
The
上記の超音波レシーバ4は、市販の超音波レシーバ(図示せず)あるいは広帯域アンプ(図示せず)により構成され、超音波受信素子5からの信号5aが受信処理されてAD変換器6に出力するよう接続される。上記のAD変換器6は、市販のオシロスコープ(図示せず)やコンピュータ組み込み式のボードタイプの変換器(図示せず)を利用することができる。上記の時間計測部7と板厚換算部8と板厚表示部9は、市販のパーソナルコンピュータ(図示せず)等を用いてプログラム上で処理することができる。
The
ここで、鋼板内のラム波の音速の分散性について説明する。図2は、鋼板内のラム波の音速の分散性について説明し、板厚×周波数と音速の関係を示す特性図、すなわちラム波速度分散曲線である。上述の非特許文献1に記載された円管モデルを伝播する際の理論群速度のほか、非特許文献2に記載された鋼内の板波の音速グラフ等に基づいて、板厚×周波数と音速の関係が求められる。
Here, the dispersibility of the sound speed of the Lamb wave in the steel plate will be described. FIG. 2 explains the dispersibility of the sound speed of the Lamb wave in the steel plate, and is a characteristic diagram showing the relationship between plate thickness × frequency and sound speed, that is, a Lamb wave velocity dispersion curve. In addition to the theoretical group velocity when propagating the circular pipe model described in
一例として、配管1上を伝播するラム波10の螺旋状のピッチを超音波発信素子3と同程度のサイズになるように超音波発信素子3と配管1の円周方向軸との角度を調整しておく。この超音波発振器2で駆動された超音波発生素子3により配管1にラム波10を励起させると、事前に調整しておいたピッチで螺旋状に配管1の肉厚を経由してラム波10が伝播していく。
As an example, the angle between the
また、本図に示すように、ラム波の伝播の仕方は、板厚と周波数の積によって音速が異なる。また、複数の振動モード(s0、s1・・・またはa0、a1・・・)が存在する。s1以上の高次モードでは、複数のモード波が重畳しどのモードの波か同定が困難になるため、s0モードに着目する。このとき、s0モードの音速の変化が大きい領域に対応した板厚×周波数=1〜2付近を周波数の設定領域とする。 Moreover, as shown in this figure, the way of propagation of the Lamb wave varies depending on the product of the plate thickness and the frequency. There are also a plurality of vibration modes (s0, s1... Or a0, a1...). In the higher-order mode of s1 or higher, a plurality of mode waves are superimposed and it is difficult to identify which mode wave, so attention is paid to the s0 mode. At this time, the vicinity of the plate thickness × frequency = 1 to 2 corresponding to the region where the change in the sound speed in the s0 mode is large is set as the frequency setting region.
上記の配管1の肉厚を6mmとした場合、200kHz程度のラム波を励起させれば音速に応じた肉厚が得られる。既知の周波数でラム波を伝播させて、信号の音速を求めることにより、伝播経路上の平均肉厚を求めることができる。また、途中の経路上で肉厚が減少した箇所がある場合は、その分音速が速くなることになる。
When the thickness of the
さらに、螺旋状に伝播させることにより広範囲の面積をカバーする伝播経路をとることができる。 Furthermore, a propagation path covering a wide area can be taken by propagating spirally.
この伝播経路上に、超音波発生素子3と同じ円周方向軸に対する角度で取り付けられた超音波受信素子5が、伝播してきたラム波10を受信することができる。また、超音波レシーバ4を介してAD変換器6でデジタル化された受信データは、時間計測部7に送られ、ここで送信時間と受信時間の差を求めることにより、螺旋状の経路長から音速が算出される。さらに、板厚換算部8では速度分散曲線を参照して、この音速は超音波発信素子3から超音波受信素子5までの平均肉厚に換算される。この平均肉厚が、板厚表示部9に表示される。また、配管長手方向の肉厚部に欠陥があれば、この減少した肉厚の箇所を求めることにより、この欠陥の概略位置の特定も可能となる。
On this propagation path, the ultrasonic
本実施の形態によれば、ラム波が配管の円周方向に伝播し螺旋状に長手方向に進行するよう斜角入射するように配置された超音波発生手段を設け、この螺旋状で伝播する経路上に伝播してきたラム波を受信する超音波受信手段を設けることにより、配管長手方向の肉厚分布測定及び欠陥の概略位置の特定が可能となる。すなわち、円筒状に多数のトランスデューサーを配置することなく、一対の送受信部で、配管の長手方向の肉厚測定が可能となる。さらに、保温材に覆われた配管でも保温材を大きく除去せずに配管に装着することができるので、配管検査に伴う作業効率の向上を図ることができる。 According to the present embodiment, the ultrasonic wave generating means arranged to be obliquely incident so that the Lamb wave propagates in the circumferential direction of the pipe and spirals in the longitudinal direction is provided, and propagates in this spiral shape. By providing the ultrasonic wave receiving means for receiving the Lamb wave propagating on the path, the thickness distribution measurement in the longitudinal direction of the pipe and the approximate position of the defect can be specified. That is, it is possible to measure the thickness in the longitudinal direction of the pipe with a pair of transmission / reception units without arranging a large number of transducers in a cylindrical shape. Furthermore, since the pipe covered with the heat insulating material can be attached to the pipe without largely removing the heat insulating material, the work efficiency accompanying the pipe inspection can be improved.
図3は、本発明の第2の実施の形態の配管検査装置を示す構成図である。本実施の形態は、第1の実施の形態の斜角入射させるためのアダプタ24、25の代わりにコニカルホーン11、12を設けたものであり、第1の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a pipe inspection apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment,
本図に示すように、基本的な構成は第1の実施の形態と同じである。超音波発信素子3の先端に送信伝達手段であるコニカルホーンから形成される送信ホーン11が設けられている。また、超音波受信素子5の先端にも受信伝達手段であるコニカルホーンコニカルホーンから形成される受信ホーン12が設けられている。
As shown in the figure, the basic configuration is the same as that of the first embodiment. A
上記のコニカルホーン11、12の種類は特に限定されない。図4は、図3のコニカルホーンの構造を示す正面図であり、図5は、図3のコニカルホーンの構造の変形例を示す正面図である。
The kind of said
本図に示すように、一例として、超音波発信素子3や超音波受信素子5の先端には、円錐形状のコニカルホーン26が設けられている。または、上記のコニカルホーン26の先端には、導波棒14を介して楔形アダプタ15が取り付けられている。
As shown in the figure, as an example, a conical
上記の配管1は保温材13で覆われている。この保温材13を貫通し、配管1の一端に配管1の円周方向軸に対し角度をずらして送信ホーン11が配置される。また、配管1の他端には、伝播してきたラム波の経路上となるように受信ホーン12が設けられる。
The
本実施の形態において、まず、超音波発振器2おいて駆動することにより超音波発生素子3で発生した振動は超音波発生素子3の振動面に配置された送信用ホーン11に伝達される。
In the present embodiment, first, the vibration generated by the
一般にホーンは、振動速度、振動力および機械インピーダンスの変成を行う機械的トランスとして用いられ、振動子を疲労させずにホーン細端で大きな振動速度が得られる。また振動子を能率のよい状態で使えるようにするインピーダンス整合器としても使用される。ホーンの種類としては代表的な形状として、エキスポーネンシャル形、コニカル形、カテノイダル形、一様ステップ形等があり、更にそれぞれの形状を複合させた形状のものもある。 In general, a horn is used as a mechanical transformer that transforms vibration speed, vibration force, and mechanical impedance, and a large vibration speed can be obtained at the narrow end of the horn without fatigue of the vibrator. It is also used as an impedance matching unit that enables the vibrator to be used in an efficient state. As typical types of horns, there are an exponential shape, a conical shape, a catenoidal shape, a uniform step shape and the like, and there are also shapes in which these shapes are combined.
このホーンの寸法は、超音波発生素子の寸法及びホーンの形状と振動特性により決定される。図2のs0モード曲線から200kHzの周波数f0を用いると、超音波発生素子の厚みdは、以下の(2)式により決定される。 The size of the horn is determined by the size of the ultrasonic wave generating element, the shape of the horn, and the vibration characteristics. When the frequency f0 of 200 kHz is used from the s0 mode curve of FIG. 2, the thickness d of the ultrasonic wave generating element is determined by the following equation (2).
d=c/(2×f0)・・・・・(2)
ここで、
c:圧電素子結晶中の音速、ジルコンチタン酸鉛の場合は音速4000
m・S−1
一例として、厚さ6mmの配管肉厚を計測する場合は、超音波発生素子の厚みdは10mmとなる。なお、超音波発生素子を円筒状とした場合、振動させるには経験的に厚みの2倍以上の直径が必要となるため、超音波発生素子の直径は20mmとなる。
d = c / (2 × f0) (2)
here,
c: speed of sound in piezoelectric element crystal, speed of
m · S -1
As an example, when a pipe wall thickness of 6 mm is measured, the thickness d of the ultrasonic wave generating element is 10 mm. When the ultrasonic generating element is cylindrical, the diameter of the ultrasonic generating element is 20 mm because the diameter is empirically required to be twice or more the thickness in order to vibrate.
上記の保温材13にあけることができる穴の直径を5mm、保温材13の厚みを50mmとする。このコニカルホーン26を図4に示すコニカル形とした場合の配管側端面の直径は1mmとなる。このコニカルホーン26の全長lは、次の周波数方程式(3)を解くことにより決定される。
The diameter of the hole that can be opened in the
tankl=((K−1)2kl)/((kl)2・K+(K−1)2)・・・・・・(3)
ここで、
K=√(S2/S1)、k=ω/c
S1:配管側端面の面積
S2:超音波発生素子側の面積
ω:角速度
c:音速
上述の条件では、コニカルホーン26の材質にアルミニウムを使用した場合の解の一例として全長241mm程度となる。図5のコニカルホーン26と導波棒14を組み合わせたものでは、導波棒の直径を5mmとして保温材を貫通した場合、導波棒14の長さは約57mmである。コニカルホーン26の長さは約15mmとなる。導波棒14先端に設けた楔型アダプタ15により配管1の表面に振動が伝播し、配管表面にラム波が励起される。配管1の円周方向軸に対し角度をずらして送信用ホーン11が配置されているので、配管長手方向を螺旋状に図1に示すラム波10が伝播していく。
tankl = ((K−1) 2 kl) / ((kl) 2 · K + (K−1) 2 ) (3)
here,
K = √ (S2 / S1), k = ω / c
S1: Area on the pipe side end surface S2: Area on the ultrasonic generator side ω: Angular velocity c: Sound velocity Under the above conditions, the total length is about 241 mm as an example of a solution when aluminum is used as the material of the
受信側でも同様なコニカルホーン26を設けて、保温材13を貫通させて受信信号を超音波受信素子まで伝達させ、受信波の到達時間から板厚が換算される。
A similar
本実施の形態によれば、コニカルホーン26を設けることにより、配管長手方向の肉厚分布測定及び欠陥の概略位置の特定が可能となる。すなわち、円筒状に多数のトランスデューサーを配置することなく、一対の送受信部で、配管の長手方向の肉厚測定が可能となる。さらに、保温材に覆われた配管でも保温材を大きく除去せずに配管に装着することができるので、配管検査に伴う作業効率の向上を図ることができる。また、運転中のプラントにおいては、熱効率に影響を与えることなく配管の肉厚を計測することができる。
According to the present embodiment, by providing the
図6は、本発明の第3の実施の形態の配管検査装置を示す構成図である。本実施の形態は、第2の実施の形態に振幅計測部16を追加して設けたものであり、第2の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 6 is a block diagram showing a pipe inspection apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, an
本図に示すように、基本的構成は、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と同様である。受信波形の波形振幅を計測する振幅計測部16が設けられている。さらに、この計測された振幅変化と欠陥深さとの関係を参照して、伝播経路上の欠陥深さを算出するための板厚換算部8が設けられている。
As shown in the figure, the basic configuration is the same as that of the first embodiment and the second embodiment. An
本実施の形態において、まず、配管1で励起されたラム波10が伝播する過程において、伝播系路上で配管内面に腐食等による欠陥が存在すれば、波の一部が反射し透過波振幅が小さくなる。上述の非特許文献1によれば、透過振幅を計測することで管内面の欠陥をラム波で計測できることが確認されている。
In this embodiment, first, in the process in which the
図7は、配管厚さに対する欠陥深さの比と振幅との変化を示す特性図である。本図に示すように、配管1の厚さに対し欠陥深さの比をそれぞれ0、0.33、0.5、0.66とした場合の振幅の変化を示しており、欠陥の深さに比例して透過波の振幅が減少している。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing changes in the ratio of the defect depth to the pipe thickness and the amplitude. As shown in this figure, the change in amplitude is shown when the ratio of the defect depth to the thickness of the
上記の振幅計測部16おいて、伝播してきた受信波の振幅が計測される。この振幅変化と欠陥深さの関係を計測し記憶してある板厚換算部8おいて、欠陥が無いときの振幅との差により配管肉厚が換算して求められる。
The
本実施の形態によれば、振幅計測部16を設けることにより、透過波振幅による欠陥測定を、音速による平均肉厚測定と併用することにより、より精度良く配管の肉厚を測定することが可能となる。
According to the present embodiment, by providing the
図8は、本発明の第4の実施の形態の配管検査装置を示す構成図である。本実施の形態は、第2の実施の形態の受信ホーン12を複数個設けたものであり、第2の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 8 is a block diagram showing a pipe inspection apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, a plurality of receiving
本図に示すように、基本的構成は、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と同様である。本実施の形態において、超音波受信素子5と受信伝達手段である受信ホーン12と受信レシーバ4を、1ch〜nchの複数chを設けて構成される。それぞれのchの受信ホーン12及び超音波受信素子5は、配管の長手方向に対し一定の距離をとって、ラム波10の伝播経路上に配置されている。受信レシーバ4内の各chは、nch分のAD変換器6に接続される。
As shown in the figure, the basic configuration is the same as that of the first embodiment and the second embodiment. In the present embodiment, the
本実施の形態において、まず、超音波発生素子3及び送信ホーン11により配管1に励起されたラム波10は、配管長手方向を予め設定された角度で螺旋状に伝播して行く。この伝播経路上に配置された複数の受信ホーン12と超音波受信素子5により配置された順に受信される。このとき、最初に最短距離で配置されたch1に受信信号が出現し、以後順に伝播距離/音速であらわされる到達時間毎に各chに受信信号が出現する。時間計測部7おいて、各chの受信信号の出現時間を計測することにより、各ch間の音速が換算される。さらに、各ch間の音速から、速度分散曲線を参照して、各ch間の平均肉厚が換算して求められる。なお、上記超音波受信素子5を少なくとも1個設け、この超音波受信素子5を切り換えて使用することもできる。
In the present embodiment, first, the
本実施の形態によれば、複数ch分の超音波受信素子5と受信ホーン12とを設けることにより、ラム波を複数の受信箇所で把握することができ、配管長手方向の肉厚分布測定と欠陥の概略位置の特定の精度の向上を図ることができる。
According to this embodiment, by providing the
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、アダプタとコニカルホーンとの組合に変更してもよく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described above, and may be changed to a combination of an adapter and a conical horn, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. Can be implemented.
1…配管、2…超音波発振器、3…超音波発信素子、4…超音波レシーバ、5…超音波受信素子、6…AD変換器、7…時間計測部、8…板厚換算部、9…板厚表示部、10…ラム波、11…送信ホーン、12…受信ホーン、13…保温材、14…導波棒、15…楔形アダプタ、16…振幅計測部、21…超音波発生手段、22…超音波受信手段、23…肉厚算出手段、24, 25…アダプタ、26…コニカルホーン。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
超音波を発生する超音波発生手段と、
超音波を受信する超音波受信手段と、
前記保温材を貫通し、前記超音波発生手段で励起された超音波が前記配管に到達してラム波を励起させて配管の円周方向に伝播し螺旋状に長手方向に進行するように前記配管の円周方向からずれた角度で斜角入射するように配置された前記超音波発生手段の直径よりも小さい直径の第1の導波棒と、
前記超音波発生手段と前記第1の導波棒を接続するための第1のコニカルホーンと、
前記第1の導波棒から伝播してきたラム波を受信し前記保温材を貫通するように配置され前記超音波受信手段よりも直径が小さい第2の導波棒と、
前記超音波受信手段と前記第2の導波棒を接続するための第2のコニカルホーンと、
前記第2の導波棒及び前記第2のコニカルホーンを伝播してきたラム波を前記超音波受信手段で受信した受信信号の出現時間からラム波速度分散曲線を用いて肉厚データに変換する肉厚算出手段と、
を有することを特徴とする配管検査装置。 In a pipe inspection device that measures the wall thickness of a pipe covered with a heat insulating material using Lamb waves,
An ultrasonic wave generating means for generating an ultrasonic wave;
Ultrasonic receiving means for receiving ultrasonic waves;
The ultrasonic wave penetrating through the heat insulating material, the ultrasonic wave excited by the ultrasonic wave generation means reaches the pipe, excites Lamb waves, propagates in the circumferential direction of the pipe, and spirals in the longitudinal direction. A first waveguide rod having a diameter smaller than the diameter of the ultrasonic wave generating means arranged to be obliquely incident at an angle shifted from the circumferential direction of the pipe;
A first conical horn for connecting the ultrasonic wave generating means and the first waveguide rod;
A second waveguide rod that is arranged to receive the Lamb wave propagating from the first waveguide rod and penetrate the heat insulating material, and having a diameter smaller than that of the ultrasonic wave receiving means;
A second conical horn for connecting the ultrasonic wave receiving means and the second waveguide rod;
Meat for converting Lamb waves propagating through the second waveguide rod and the second conical horn from the appearance time of the received signal received by the ultrasonic wave receiving means into wall thickness data using a Lamb wave velocity dispersion curve. A thickness calculating means;
A pipe inspection apparatus characterized by comprising:
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