JP5018365B2 - 配管肉厚測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は配管の肉厚を測定する配管肉厚測定装置及び方法に関する。

一般に、配管の肉厚を測定するために主に超音波探触子を用いた方法が広く用いられている。これは超音波探触子から超音波を配管外面に照射し、配管内面から反射して戻ってくる時間から配管肉厚を直接測定する方法である（例えば、特許文献１参照）。また、超音波による肉厚測定に代えて、配管に電流を流し、ある測定点間の電位差を計測し、その電位差の変化から肉厚を定量化する電位差法が実証段階にある。
特開２００６−１９４６４９号公報

しかし、超音波を用いる肉厚測定方法では、配管が高温であると超音波探触子を配管の高温部に接触させることが困難であるので、肉厚の測定ができないという欠点がある。例えば、発電プラントの配管の肉厚を測定するにあたって、発電プラントの運転中においては高温流体が配管を流れているので、配管が高温となっており、配管の高温部の測定が困難となる。

また、配管の外周面には保温材が装着されているので、発電プラントを停止し配管が冷却している状態であっても、肉厚の測定の度に配管の保温材を剥がす必要があり、また超音波探触子は人手により配管表面に接触させて測定を行うので、人の手が届かない箇所を測定するには、その都度足場を設置する必要がある。このために検査以外の部分に多大の労力とコストとが掛かる。さらに、測定箇所は超音波探触子を接触させた点での測定となるので広範囲の測定には適していない。

一方、電位差法は発電プラントの運転中において高温箇所でも肉厚を計測できるというメリットがあるが、初期肉厚との比較で肉厚を決定するために測定開始前には超音波による肉厚測定が必要となる。また、電流を供給するためのケーブルや電位差計測端子の設置等が必要となり、施工が複雑となる。

本発明の目的は、施工が容易で配管の高温部においても配管の肉厚を測定できる配管肉厚測定装置及び方法を提供することである。

請求項１の発明に係わる配管肉厚測定装置は、配管の内圧を検出する圧力検出器と、配管表面の周方向または軸方向の歪みを検出する歪み検出装置と、配管の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率を求めるヤング率算出手段と、前記圧力検出器で検出した配管の内圧、前記歪み検出器で検出した配管表面の歪み及び前記ヤング率算出手段で求めた配管材のヤング率に基づいて前記配管の肉厚を求める肉厚算出手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる配管肉厚測定装置は、請求項１の発明において、前記圧力検出器、前記歪み検出装置及び前記温度検出器を、前記配管の複数の部位に設置し、前記ヤング率算出手段は前記配管の部位毎に配管材のヤング率を求め、前記肉厚算出手段は、前記圧力検出器で検出した配管の部位毎の内圧、前記歪み検出器で検出した配管の部位毎の配管表面の歪み及び前記ヤング率算出手段で求めた配管の部位毎のヤング率に基づいて前記配管の部位毎に前記配管の肉厚を求めることを特徴とする。

請求項３の発明に係わる配管肉厚測定装置は、請求項１または２の発明において、前記歪み検出装置は、配管の表面に光ファイバを付設し、配管の歪みに応じて前記光ファイバの伸び歪みを計測して配管の周方向または軸方向の歪みを検出する歪みセンサであることを特徴とする。

請求項４の発明に係わる配管肉厚測定装置は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記肉厚算出手段は、配管の内圧をｐ、配管表面の周方向の歪みをε_θ、配管材のヤング率をＥとしたとき、下記式から配管の内径外径比ｋを求め、内径外径比ｋから配管の内径ａを求め、配管の外径ｂから配管の内径ａを減算して肉厚（ｂ−ａ）／２を求めることを特徴とする。

ε_θ＝｛（２−ν）／（ｋ^２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝
ｋ＝ｂ／ａ
ただし、νはポアソン比
請求項５の発明に係わる配管肉厚測定装置は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記肉厚算出手段は、配管の内圧をｐ、配管表面の軸方向の歪みをε_ｚ、配管材のヤング率をＥとしたとき、下記式から配管の内径外径比ｋを求め、内径外径比ｋから配管の内径ａを求め、配管の外径ｂから配管の内径ａを減算して肉厚（ｂ−ａ）／２を求めることを特徴とする。

ε_ｚ＝｛（１−２ν）／（ｋ^２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝
ｋ＝ｂ／ａ
ただし、νはポアソン比
請求項６の発明に係わる配管肉厚測定装置は、請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、前記肉厚算出手段で求めた前記配管の肉厚が管理基準値を維持しているか否かを判定し、前記配管の肉厚が管理基準値を下回るときは警報出力する肉厚判定手段を備えたことを特徴とする。

請求項７の発明に係わる配管肉厚測定方法は、配管の内圧、配管表面の周方向または軸方向の歪み、及び配管の温度を検出し、検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率を求め、前記検出した配管の内圧、前記検出した配管表面の周方向または軸方向歪み、及び前記配管材のヤング率に基づいて前記配管の肉厚を求めることを特徴とする。

本発明によれば、配管表面の周方向または軸方向の歪みを歪み検出装置で計測して配管肉厚を測定するので、歪み検出装置を配管外面に一度設置すればよく、また、歪みから直接肉厚測定の定量化が可能である。従って、施工が容易で配管の高温部においても配管の肉厚を精度よく測定できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる配管肉厚測定装置の一例を示す構成図である。配管の温度Ｔは温度検出器１１で検出され、演算装置１２のヤング率算出手段１３に入力される。温度検出器１１は配管の温度を検出するものである。例えば、熱電対や測温抵抗体または光ファイバ等で直接計測される。また、配管の保温がある部分では内部流体の温度を配管温度とすることもできるので、流体の温度を検出する温度検出器からの計測データを用いることも可能である。

温度検出器１１で検出された配管温度Ｔはヤング率算出手段１３に入力され、ヤング率算出手段１３において配管材のヤング率Ｅが算出される。配管材のヤング率Ｅは温度依存性があるので、予め準備した温度−ヤング率曲線から求める。ヤング率算出手段１３で算出されたヤング率Ｅは肉厚算出手段１４に入力される。

一方、圧力検出器１５で検出された配管の内圧ｐ及び歪み検出装置１６で検出された配管表面の周方向または軸方向の歪みεは、肉厚算出手段１４に入力される。圧力検出器１５は、常設されている配管の内圧ｐを検出する検出計を用いることが可能である。発電プラントの運転中においては配管内に高温流体が流れており、その流体の監視制御のために圧力検出器が常設されているので、その圧力検出器からの計測信号を用いる。歪み検出装置１６は、歪みゲージあるいは光ファイバを用いた歪みセンサ等を用いる。

肉厚算出手段１４は、ヤング率算出手段１３で算出された配管材のヤング率Ｅ、圧力検出器１５で検出された配管の内圧ｐ、歪み検出装置１６で検出された配管表面の周方向または軸方向の歪みεに基づいて配管の肉厚ｔを算出する。肉厚算出手段１４で算出された肉厚ｔは記憶装置１７に記憶されるとともに出力装置１８に出力される。出力装置１８は、例えば表示装置や印字装置である。

次に、肉厚算出手段１４での肉厚ｔの算出について説明する。配管の内径外径比をｋ、配管の内圧をｐ、配管材のヤング率をＥ、ポアソン比をνとしたとき、配管表面の周方向の歪みε_θは（１）式で示され、配管表面の軸方向の歪みε_ｚは（２）式で示される。

ε_θ＝｛（２−ν）／（ｋ^２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝ …（１）
ε_ｚ＝｛（１−２ν）／（ｋ^２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝ …（２）
図２に示すように、配管１９の内径をａ、配管１９の外径をｂとすると、配管の内径外径比ｋは（３）式で示され、配管の肉厚ｔは（４）式で示される。

ｋ＝ｂ／ａ …（３）
ｔ＝（ｂ−ａ）／２ …（４）
配管の外径ｂは一定であるとすると、配管の肉厚ｔが減肉している部分では配管の内径ａが大きくなっているので、（３）式から配管の内径外径比ｋは小さくなる。つまり、（１）式または（２）式から分かるように、計測した配管表面の周方向または軸方向の歪みε（εθ、εｚ）が大きな箇所では減肉が生じていると判断できる。配管の外径ｂは既知であり、配管表面の周方向または軸方向の歪みε（εθ、εｚ）は歪み検出装置１６で検出され、配管の内圧ｐは圧力検出器１５で検出され、配管材のヤング率Ｅはヤング率算出手段１３で配管温度Ｔから算出されるので、（１）〜（４）式から、配管の肉厚ｔを求めることができる。

図３は歪み検出装置１６として光ファイバを用いた光ファイバ歪み検出センサの一例を示す構成図である。配管１９の表面に光ファイバ２０を付設し、所定の間隔ｄを保った固定箇所２１で光ファイバ２０を配管１９の表面に固定する。そして、光送受信部２２から光を送信し、固定箇所２１での光ファイバ２０の伸び歪みによって生じた光を光送受信部２２で受信し、歪み検出部２３でベンディング散乱光、ブリルアン散乱光、ブラッグ反射光などのうち何れかを測定することにより配管の周方向または軸方向の歪みを検出する。

図４は光ファイバ歪み検出センサでの歪み検出の原理説明図であり、図４（ａ）は配管１９に光ファイバ２０を取り付けた固定箇所２１部分（光ファイバ歪み検出センサ部分）の初期状態を示し、図４（ｂ）は配管１９に伸び歪みが生じた状態での固定箇所２１部分（光ファイバ歪み検出センサ部分）の光ファイバ２０の状態を示している。

図４（ａ）に示すように、光ファイバ２０には伸び歪みを検出するための屈曲部２４が設けられており、光ファイバ２０の固定箇所２１部分では、この屈曲部２４を挟んで固定部２５ａ、２５ｂにより光ファイバ２０を配管１９に固定する。いま、図４の点線矢印で示すように、Ａ方向から光ファイバ２０に所定の強度の光を入射したとすると、光は光ファイバ２０を通りＢ方向に進行する。この場合、屈曲部２４において外部に漏れ光が生じるので、屈曲部２４を透過した後のＢ箇所での光強度はＡ箇所の光強度より小さくなる。

一方、図４（ｂ）に示すように、配管１９に実線矢印で示す伸び歪みΔｄが生じたとすると屈曲部２４が伸びる。この屈曲部２４の伸びにより屈曲部２４における漏れ光が少なくなるので、屈曲部２４を透過した後のＢ箇所の光強度は、伸び歪みΔｄが生じていない健全な場合（図４（ａ）の場合）よりも大きくなる。

図５は光ファイバ２０の屈曲部２４における歪みと透過光強度との関係を示すグラフである。配管の外面に光ファイバ２０の屈曲部２４を配置し、光ファイバ２０に光を入射するとともに、配管１９の内圧を変化させて配管表面に歪みを発生させ、屈曲部２４の透過光強度を測定することにより、配管１９の内圧に応じて発生する歪みを計測した。

図５に示すように、光ファイバ２０の屈曲部２４を配管１９に配置した初期状態では、屈曲部２４の透過光強度は約３４．９ｄＢあり、配管１９の内圧を変化させて歪みを約１６μＳＴとしたときの屈曲部２４の透過光強度は約３４．９５ｄＢ、歪みが約３０μＳＴのときの屈曲部２４の透過光強度は約３５．００ｄＢである。以下同様に、配管１９の内圧を変化させて、歪みと透過光強度との関係をプロットすると関係曲線Ｓが得られる。

ここで、配管肉厚の計測の分解能としては、配管１９の肉厚が１％変化した場合に相当する歪み変化３μＳＴが計測可能であればよい。図５の関係曲線Ｓについて検討すると、光強度ｄＢは歪み変化３μＳＴより分解能が小さいことが分かる。従って、この光ファイバ歪みセンサは１％の精度で配管肉厚を計測できるので、配管肉厚の計測用として使用できる。

次に、光ファイバ歪み検出センサの配管１９への配置について説明する。配管１９の周方向の歪みを検出するには、光ファイバ２０の屈曲部２４の伸び歪み方向が配管１９の周方向になるように屈曲部２４を配置する。一方、配管１９の軸方向の歪みを検出するには、光ファイバ２０の屈曲部２４の伸び歪み方向が配管１９の軸方向になるように屈曲部２４を配置する。また、配管１９の全域に渡って光ファイバ２０の屈曲部２４を均等に分布させて配置することも可能であるが、配管１９の肉厚が減肉し易い箇所に集中的に屈曲部２４を配置するようにしてもよい。

図６は光ファイバ２０の屈曲部２４を配管１９の肉厚が減肉し易いＣ箇所及びＤ箇所に配置した場合の光ファイバ歪み検出センサの説明図である。図６において、光ファイバ２０の固定箇所２１部分に光ファイバ２０の屈曲部２４が位置することになる。図６のＣ箇所には、屈曲部２４が配管１９の周方向の歪みを検出するように配置され、図６のＤ箇所には、屈曲部２４が配管１９の軸方向の歪みを検出するように配置されている。そして、光送受信部２２から光を送信し、固定箇所２１の光ファイバ２０の屈曲部２４での伸び歪みによって生じた光強度の変化を光送受信部２２で受信し、歪み検出部２３で散乱光または反射光を測定することにより配管１９の周方向または軸方向の歪みを検出する。

このように、光ファイバ歪み検出センサは、光ファイバ２０の屈曲部２４を通過した光強度の変化により配管の歪みを検出するものであるので、歪み検出装置１６の中でも特に光ファイバを用いた光ファイバ歪み検出センサとした場合は、歪み検出装置１６の光ファイバ自体が電力を消費するものではないので、検出のための電力を供給する必要もなく施工が容易である。また、取り付け方により、固定箇所２１を点ではなく線状にすると、線状での検出が測定が可能となり広範囲の測定が容易になる。

ここで、歪み検出装置１６は、図６に示すように配管１９の減肉が生じ易い複数の箇所に設けられるが、複数の歪み検出装置１６でそれぞれ検出された複数の箇所の配管部位の歪みεは、１台の演算装置１２に入力され、演算装置１２内の肉厚算出手段１４でそれぞれの配管部位での肉厚が算出される。

また、異なる配管に、それぞれ圧力検出器１１、歪み検出装置１６及び温度検出器１５を設置し、１台の演算装置１２にこれらの検出信号を入力して、１台の演算装置１２内の肉厚算出手段１４で、それぞれ異なる配管の肉厚を算出するようにしてもよい。また、同一または異なる配管の複数の部位に、それぞれ圧力検出器１１、歪み検出装置１６及び温度検出器１５を設置し、１台の演算装置１２にこれらの検出信号を入力して、１台の演算装置１２内の肉厚算出手段１４で、それぞれの配管部位における肉厚を算出するようにしてもよい。この場合、１台の演算装置１２内のヤング率算出手段１３で、各々の配管部位における配管材のヤング率を求めることになる。これにより、各種配管の複数箇所の肉厚を集中的に管理できる。 次に、図７は本発明の実施の形態に係わる配管肉厚測定装置の他の一例を示す構成図である。この他の一例は、図１に示した一例に対し、肉厚判定手段２６及び警報装置２７を追加して設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

肉厚判定手段２６は、肉厚算出手段１４で求めた配管１９の肉厚ｔが管理基準値を維持しているか否かを判定し、その判定結果ａを記憶装置１７に記憶するとともに必要に応じて出力装置１８に出力する。また、判定結果ａとして、配管１９の肉厚ｔが管理基準値を下回ると判定したときは警報装置２７に警報出力する。これにより、配管１９の肉厚ｔが管理基準値未満となったことを容易に把握できる。

この図７の一例の場合にも、同一または異なる配管の複数の部位に、それぞれ圧力検出器１１、歪み検出装置１６及び温度検出器１５を設置し、１台の演算装置１２にこれらの検出信号を入力して、１台の演算装置１２で各々の配管部位の肉厚を監視し、警報出力するようにしてもよい。

図８は本発明の実施の形態に係わる肉厚測定方法の内容を示すフローチャートである。まず、配管の温度Ｔ、配管表面の周方向または軸方向の歪みε、配管の内圧ｐを検出する（Ｓ１）。そして、配管の温度Ｔに基づいて配管材のヤング率Ｅを求め（Ｓ２）、前述の（１）〜（４）式に基づいて配管の肉厚を算出する（Ｓ３）。算出した配管の肉厚は記憶装置１７に記憶するともに出力装置１８に出力する。

このように、本発明では配管の内圧による配管表面の歪みεを計測することで肉厚を測定する。特に配管外面の周方向歪みε_θは、軸方向歪みε_ｚに対して配管の内圧の影響を受け易いので測定誤差を少なくすることができ精度が向上する。

また、（１）式や（２）式を用いた肉厚測定は、配管の初期肉厚が均一な場合、あるいはテーパー上に緩く変化する場合に特に有効である。なお、局所的な肉厚変化については（１）式や（２）式を用いた肉厚測定に代えて、計測された複数の歪み値とFEM等による歪み値との比較により肉厚測定を行うことが可能である。すなわち、計測された複数の歪み値を局所肉厚変化を模擬したFEM等による歪み値と比較することにより肉厚の定量化を行う。

本発明の実施の形態によれば、配管表面の周方向または軸方向の歪みを計測して配管肉厚を測定するので、歪み検出装置を配管外面に一度設置すればよく、超音波探触子を用いて肉厚を計測する場合のように保温材の剥しや足場の設置の必要がなくなり、コストの大幅低減につながる。また、配管が高温である場合であっても計測が可能となる。また、歪みから直接肉厚の定量化が可能であるので、電位差法の場合のように初期肉厚を計測する必要もなくなる。また、歪み検出装置として、光ファイバを用いた光ファイバ歪みセンサとした場合は、測定点までの電力供給の必要もなく施工が容易であり広範囲の測定が容易となる。

本発明の実施の形態に係わる配管肉厚測定装置に構成図。 本発明の実施の形態に係わる配管肉厚測定装置の測定対象である配管の一例の斜視図。 本発明の実施の形態における歪み検出装置として光ファイバを用いた光ファイバ歪み検出センサの一例を示す構成図。 本発明の実施の形態における光ファイバ歪み検出センサでの歪み検出の原理説明図。 本発明の実施の形態における光ファイバ歪み検出センサの光ファイバの屈曲部における配管歪みと透過光強度との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態における光ファイバ歪み検出センサの光ファイバの屈曲部を配管の肉厚が減肉し易い箇所に配置した場合の光ファイバ歪み検出センサの説明図。 本発明の実施の形態に係わる配管肉厚測定装置の他の一例を示す構成図。 本発明の実施の形態に係わる肉厚測定方法の内容を示すフローチャート。

符号の説明

１１…温度検出器、１２…演算装置、１３…ヤング率算出手段、１４…肉厚算出手段、１５…圧力検出器、１６…歪み検出装置、１７…記憶装置、１８…出力装置、１９…配管、２０…光ファイバ、２１…固定箇所、２２…光送受信部、２３…歪み検出部、２４…屈曲部、２５…固定部、２６…肉厚判定手段、２７…警報装置

Claims (7)

1. 配管の内圧を検出する圧力検出器と、配管表面の周方向または軸方向の歪みを検出する歪み検出装置と、配管の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率を求めるヤング率算出手段と、前記圧力検出器で検出した配管の内圧、前記歪み検出器で検出した配管表面の歪み及び前記ヤング率算出手段で求めた配管材のヤング率に基づいて前記配管の肉厚を求める肉厚算出手段とを備えたことを特徴とする配管肉厚測定装置。
2. 前記圧力検出器、前記歪み検出装置及び前記温度検出器を、前記配管の複数の部位に設置し、前記ヤング率算出手段は前記配管の部位毎に配管材のヤング率を求め、前記肉厚算出手段は、前記圧力検出器で検出した配管の部位毎の内圧、前記歪み検出器で検出した配管の部位毎の配管表面の歪み及び前記ヤング率算出手段で求めた配管の部位毎のヤング率に基づいて前記配管の部位毎に前記配管の肉厚を求めることを特徴とする請求項１記載の配管肉厚測定装置。
3. 前記歪み検出装置は、配管の表面に光ファイバを付設し、配管の歪みに応じて前記光ファイバの伸び歪みを計測して配管の周方向または軸方向の歪みを検出する歪みセンサであることを特徴とする請求項１または２記載の配管肉厚測定装置。
4. 前記肉厚算出手段は、配管の内圧をｐ、配管表面の周方向の歪みをε_θ、配管材のヤング率をＥとしたとき、下記式から配管の内径外径比ｋを求め、内径外径比ｋから配管の内径ａを求め、配管の外径ｂから配管の内径ａを減算して肉厚（ｂ−ａ）／２を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の配管肉厚測定装置。
   ε_θ＝｛（２−ν）／（ｋ^２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝
   ｋ＝ｂ／ａ
   ただし、νはポアソン比
5. 前記肉厚算出手段は、配管の内圧をｐ、配管表面の軸方向の歪みをε_ｚ、配管材のヤング率をＥとしたとき、下記式から配管の内径外径比ｋを求め、内径外径比ｋから配管の内径ａを求め、配管の外径ｂから配管の内径ａを減算して肉厚（ｂ−ａ）／２を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の配管肉厚測定装置。
   ε_ｚ＝｛（１−２ν）／（ｋ^２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝
   ｋ＝ｂ／ａ
   ただし、νはポアソン比
6. 前記肉厚算出手段で求めた前記配管の肉厚が管理基準値を維持しているか否かを判定し、前記配管の肉厚が管理基準値を下回るときは警報出力する肉厚判定手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の配管肉厚測定装置。
7. 配管の内圧、配管表面の周方向または軸方向の歪み、及び配管の温度を検出し、検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率を求め、前記検出した配管の内圧、前記検出した配管表面の周方向または軸方向歪み、及び前記配管材のヤング率に基づいて前記配管の肉厚を求めることを特徴とする配管肉厚測定方法。

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