JP5288864B2 - アクティブセンサ、多点アクティブセンサ、配管劣化診断方法および配管劣化診断装置 - Google Patents
アクティブセンサ、多点アクティブセンサ、配管劣化診断方法および配管劣化診断装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、原子力発電プラントや火力発電プラントなどでの高温蒸気による配管減肉や、化学プラントやゴミ焼却プラントなどにおける配管腐食などの異常の有無を判定することができ、かつ異常部位を同定することができるアクティブセンサ、多点アクティブセンサ、配管劣化診断方法および配管劣化診断装置に関する。
従来より、定期検査時に、超音波探傷法やＸ線透過法などを用いることによって、配管の減肉や腐食を検査している。このうち超音波探傷法は、例えば配管などの表面に超音波を送受信する探触子を押し当て、配管の内部（管肉部）に各種周波数の超音波を伝搬させる。そして、配管の管肉部の欠陥や配管の裏面から反射して戻ってきた超音波を受信することによって、配管管肉部の状態を把握する。
ここで、欠陥の位置は、超音波の送信から受信までに掛かる時間から測定して求められる。また、欠陥の大きさは、受信したエコーの高さ（反射して戻ってきた超音波の強度）やエコーの出現する範囲を測定することによって求められる。
このような超音波探傷法は、原子力発電プラントにおいて、主に素材の板厚およびラミネーション（板の切口面に出る横切れ）を検出したり、溶接による溶融部と母材における溶込み不足や、熱影響部に発生するクラックを検出したりするため用いられている。また、この超音波探傷法は、原子炉圧力容器回りのノズル開口部、ブランチおよび配管継手を補強するための溶接肉盛に対しては、溶接肉盛部、溶融部および溶着肉盛部直下の母材に対して適用されている（非特許文献１参照）。
他方、Ｘ線透過法では、断熱材を外さないまま配管減肉を検出することができる。このＸ線透過法においては、Ｘ線ＣＴスキャナーなどで連続撮影して得たデータを、高性能のコンピューターを用いて高速画像処理することで、Ｘ線透過率の違いを断層映像とし、対象物全体の映像を映し出すことができる。
最近では、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の３原色で発光し、透過量に応じて発光割合の変わるシート状カラーシンチレータ（蛍光板）とＣＣＤカメラとを組み合わせただけの簡便なシステムで、Ｘ線透過率の異なる物質を同時に撮影できる方法が知られており、火力・原子力発電所や石油、化学コンビナートでの配管減肉観察や異物混入検査に用いられている。
原子力と設計技術、大河出版、（１９８０）、p２２６〜２５０（内ヶ崎儀一郎ほか）
原子力と設計技術、大河出版、（１９８０）、p２２６〜２５０（内ヶ崎儀一郎ほか）
しかしながら、上述した超音波探傷法では、１０００点以上で配管の厚みを測定する必要があり、定期検査中で対応することが困難である。また、このように配管の厚みを測定する際には、温度の制約からプラントを停止する必要があるため、稼働率が下がってしまう。
他方、配管の断熱材の上からでも異常を透視できるＸ線法では、配管の厚みの分布を測定することはできるが、装置が高価なため、全面的な適用には至っていない。
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、プラントを稼動したまま配管を広い範囲にわたって短時間に検査することができ、検査に掛かる時間と工数を大幅に縮小することができ、製造コストの安いアクティブセンサ、多点アクティブセンサ、配管劣化診断方法および配管劣化診断装置を提供することを目的とする。
本発明は、
配管の外側に配置され、配管の厚みを検出するアクティブセンサにおいて、
配管内に振動波を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器と、
配管に取り付けられ、配管内に発生した振動波を検出する光ファイバセンサと、
を備えたことを特徴とするアクティブセンサである。
配管の外側に配置され、配管の厚みを検出するアクティブセンサにおいて、
配管内に振動波を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器と、
配管に取り付けられ、配管内に発生した振動波を検出する光ファイバセンサと、
を備えたことを特徴とするアクティブセンサである。
このような構成により、プラントを稼動したまま配管を簡易に検査することができ、検査に掛かる時間と工数を大幅に縮小することができ、製造コストの安い薄型のアクティブセンサを得ることができる。
本発明は、
配管の外側もしくは内側に配置され、配管の厚みを検出するアクティブセンサにおいて、
配管内に振動波を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器と、
配管に取り付けられ、配管内に発生した振動波を検出する光ファイバセンサと、
を備えたことを特徴とするアクティブセンサである。
配管の外側もしくは内側に配置され、配管の厚みを検出するアクティブセンサにおいて、
配管内に振動波を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器と、
配管に取り付けられ、配管内に発生した振動波を検出する光ファイバセンサと、
を備えたことを特徴とするアクティブセンサである。
このような構成により、プラントを稼動したまま配管を簡易に検査することができ、検査に掛かる時間と工数を大幅に縮小することができ、製造コストの安い薄型のアクティブセンサを得ることができる。
本発明は、
上述のアクティブセンサを複数備え、
当該アクティブセンサが、リニア状またはマトリックス状に配置されていることを特徴とする多点アクティブセンサである。
上述のアクティブセンサを複数備え、
当該アクティブセンサが、リニア状またはマトリックス状に配置されていることを特徴とする多点アクティブセンサである。
このような構成により、より広い領域において配管の厚みを測定しマッピングすることができ、精度良く配管の異常状態を検出することができる。
本発明は、
上述の多点アクティブセンサを用いた配管劣化診断方法において、
少なくとも一つのアクティブセンサの発振器によって、配管内に振動波を入力する工程と、
少なくとも一つのアクティブセンサの光ファイバセンサによって、配管内に発生した振動波を検出する工程と、
発振器によって配管内に入力された振動波の周波数と、光ファイバセンサによって検出された当該周波数における振動波の振幅とによって、周波数と振動強度との関係を導いて、配管の厚みを算出する工程と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断方法である。
上述の多点アクティブセンサを用いた配管劣化診断方法において、
少なくとも一つのアクティブセンサの発振器によって、配管内に振動波を入力する工程と、
少なくとも一つのアクティブセンサの光ファイバセンサによって、配管内に発生した振動波を検出する工程と、
発振器によって配管内に入力された振動波の周波数と、光ファイバセンサによって検出された当該周波数における振動波の振幅とによって、周波数と振動強度との関係を導いて、配管の厚みを算出する工程と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断方法である。
このような構成により、より広い領域において配管の厚みを測定しマッピングすることができ、精度良く配管の劣化および異常状態を検出することができる。
本発明は、
上述の多点アクティブセンサと、
各アクティブセンサに接続され、当該アクティブセンサの発振器によって配管内に入力された振動波の周波数と、当該アクティブセンサの光ファイバセンサによって検出された当該周波数における振動波の振幅とによって、周波数と振動強度との関係を導いて、配管の厚みを算出する波形解析手段と、
配管の劣化に関する判定閾値が収容された診断データベースと、
波形解析手段および診断データベースに接続され、波形解析手段によって算出された配管の厚みと、診断データベース内に収容された判定閾値とを照合して、配管の劣化および異常状態を診断する診断手段と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断装置である。
上述の多点アクティブセンサと、
各アクティブセンサに接続され、当該アクティブセンサの発振器によって配管内に入力された振動波の周波数と、当該アクティブセンサの光ファイバセンサによって検出された当該周波数における振動波の振幅とによって、周波数と振動強度との関係を導いて、配管の厚みを算出する波形解析手段と、
配管の劣化に関する判定閾値が収容された診断データベースと、
波形解析手段および診断データベースに接続され、波形解析手段によって算出された配管の厚みと、診断データベース内に収容された判定閾値とを照合して、配管の劣化および異常状態を診断する診断手段と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断装置である。
このような構成により、業種や機種ごとに異なる配管のサイズや厚さに合わせて診断することができる。また、配管の厚みを算出し、配管の劣化および異常状態を診断するだけでなく、配管の寿命も判定することができる。
本発明は、
上述の多点アクティブセンサを用いた配管劣化診断方法において、
少なくとも一つのアクティブセンサの光ファイバセンサによって、配管内で自然発生した振動波をパッシブに検出する工程と、
光ファイバセンサによって検出された配管内で自然発生した振動波を解析することによって、配管の厚みおよび異常状態を検出する工程と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断方法である。
上述の多点アクティブセンサを用いた配管劣化診断方法において、
少なくとも一つのアクティブセンサの光ファイバセンサによって、配管内で自然発生した振動波をパッシブに検出する工程と、
光ファイバセンサによって検出された配管内で自然発生した振動波を解析することによって、配管の厚みおよび異常状態を検出する工程と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断方法である。
このような構成により、アクティブセンサの発振器によって配管内に振動波を入力することなく、配管の劣化および異常状態を検出することができる。
本発明によれば、配管内に振動波を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器と、配管に取り付けられ、配管内に発生した振動波を検出する光ファイバセンサとを備えたアクティブセンサを用いることによって、プラントを稼動したまま配管を広い範囲にわたって短時間、低コストで検査することができる。
第１の実施の形態
以下、本発明に係るアクティブセンサの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図８、図１３（ａ）（ｂ）および図１４は本発明の第１の実施の形態を示す図である。
以下、本発明に係るアクティブセンサの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図８、図１３（ａ）（ｂ）および図１４は本発明の第１の実施の形態を示す図である。
図１および図２に示すように、アクティブセンサ１０は、配管６０の外周（外側）に配置され、配管６０の厚みを検出するために用いられる。アクティブセンサ１０は、配管６０内に振動波（超音波）を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器１５と、発振器１５の配管６０側に取り付けられ、配管６０内に発生した振動波を検出する光ファイバセンサ１１と、を備えている。
また、図２に示すように、光ファイバセンサ１１は、一対のポリイミドシート１９ｕ，１９ｌの間に充填された高温接着剤１２内に設けられている。また、図２の下方側に位置するポリイミドシート１９ｌは、高温接着剤１２によって配管６０に取り付けられている。また、上方側に位置するポリイミドシート１９ｕと発振器１５との間には、発振器１５の振動と試験対象である配管６０内を伝搬する振動が結合しないように保持部材１３が設けられている。なお、ポリイミドシート１９ｌを高温接着剤１２によって配管６０に取り付ける代わりに、溶射によって、ポリイミドシート１９ｌを配管６０に取り付けてもよい。
光ファイバセンサ１１の大きさは、配管６０内を伝搬する超音波の減衰などを考慮して、測定対象である配管６０の板厚値と振動波長に応じて最適化することが好ましい。具体的には、光ファイバセンサ１１の内側径は、光ファイバセンサ１１が曲げによって断線しない最低限の大きさである５ｍｍ以上が好ましい。他方、光ファイバセンサ１１の外側径は、配管６０内部を伝搬する振動波の波長に基づいて最適化することが望ましく、内側径に配管６０内部を伝搬する振動波の波長の１／２を加えた大きさ以下であることが好ましい。なお、光ファイバセンサ１１の巻きターン数は５０であることが標準である。
図１３（ａ）（ｂ）は、光ファイバセンサ１１が配管６０上に接続された状態を表している。なお、この図１３（ａ）（ｂ）では発振器１６は省略して、図示していない。また、図１３（ａ）（ｂ）中の波線は配管６０内部を伝搬する振動波の波形状を表している。
図１３（ａ）に示すように、光ファイバセンサ１１の外側径が、内側径に配管６０内部を伝搬する振動波の波長の１／２を加えた大きさ以下からなる場合には、円形もしくは長円形の光ファイバセンサ１１の整列したセンシング部１１ａ（後述）内を伝播する振動波の振幅が全て同じ向きとなるため、大きな振動強度を得ることができる。これに対して、図１３（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ１１の外側径が、内側径に配管６０内部を伝搬する振動波の波長の１／２を加えた大きさより大きくなる場合には、センシング部１１ａ内を伝播する振動波の振幅には相反する向きの振動が加わるので、互いに相反する振幅によって振動方向が相殺されることとなり、振動強度が低下する。なお、図１３（ａ）（ｂ）において、１１ｒは、光ファイバセンサ１１が配置されている領域を示しており、光ファイバセンサ１１の内側径と外側径との間の領域を示している。
図１４は、光ファイバセンサ１１の外側径（図１４では光ファイバセンサ外側径として示している）と、振動強度との関係を示したグラフ図である。ここで、試験体の厚みは５ｍｍからなり、この試験体内を伝搬する振動波の波長は１０．７ｍｍ（音速５８００ｍ／ｓｅｃ）からなり、光ファイバセンサ１１の内側径は１０ｍｍからなっている。そして、光ファイバセンサ１１の外側径が、光ファイバセンサ１１の内側径（１０ｍｍ）に振動波の波長の約１／２である５ｍｍを足した１５ｍｍからなる場合には、十分な振動強度が得られているが、他方、光ファイバセンサ１１の内側径に振動波長の１／２よりも大きな値を足した（１５ｍｍよりも大きくなる）場合には、振動強度が小さくなってしまっていることがわかる。
上述した発振器１５は、電磁石発振器からなっている。具体的には、図１および図２に示すように、発振器１５は、配管表面６０ｆの法線方向（図１の矢印Ａ方向）に磁束を生成するよう配置された永久磁石１６と、永久磁石１６の光ファイバセンサ１１側に設けられた電気コイル１７とからなっている。なお、永久磁石１６の光ファイバセンサ１１側に電気コイル１７を設けるのではなく、永久磁石１６に電気コイル１７を巻き付けてもよい。また、電気コイル１７の代わりに、金属などの導電材料でコートされた光ファイバセンサの導電層を用いても良い。
また、光ファイバセンサ１１は、発振器１５から配管６０内に入力された振動波によって発生する、配管６０の動的歪みを検出する光式振動センサ（Fiber-optic Doppler (FOD) sensor）からなっている（図３（ａ）乃至（ｄ）参照）。このような光ファイバセンサ１１を用いることによって、ＦＯＤの原理で、ひずみや振動を光のドップラー効果としてとらえることができる。
また、図１および図３に示すように、光ファイバセンサ１１は、円形状に渦を巻いたセンシング部１１ａを有している。また、図１および図２に示すように、発振器１５は、当該センシング部１１ａの中央に配置されている。
この光ファイバセンサ１１のセンシング部１１ａは、金、ニッケル、シリカ、ポリイミドなどの耐熱性コーティングや細管によって、耐熱処理が施されており、高温（３００℃以上７５０℃程度）になる箇所であってもアクティブセンサ１０を取り付けることができる。
また、光ファイバセンサ１１は、図３（ｄ）に示すように、石英線などからなるコア４１と、当該コア４１を覆い、石英などからなるクラッド４２とを有している。また、図３（ａ）に示すように、光ファイバセンサ１１の一端には、光ファイバセンサ１１内にレーザ光のような所定の波長の光を供給する光源５が連結されている。また、光ファイバセンサ１１の他端には、光ファイバセンサ１１内を通過した光から配管内に生じた動的ひずみを受けてドップラー効果による波長のズレを検出するための光検波器６が連結されている。
また、上述のように、光ファイバセンサ１１は光式振動センサからなっているため、光ファイバセンサ１１が配管６０中に生じたひずみ速度（εｘ；ｘ方向のひずみ速度、εｙ；ｙ方向のひずみ速度）に対応してひずむことによって、光源５から周波数ｆ０で光ファイバセンサ１１に入射した光Ｐが、光ファイバセンサ１１のセンシング部１１ａのコア４１内で反射を繰り返してドップラー効果を起こし（図３（ｄ）参照）、周波数ｆ０±ｆｄで光検波器６へと出射する（図３（ａ）参照）。
なお、図３（ｂ）は光ファイバセンサ１１のセンシング部１１ａの部分拡大図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）をさらに拡大した図であり、図３（ｄ）は、光ファイバセンサ１１のセンシング部１１ａのコア４１内で光Ｐが繰り返し反射する様子を示した図である。
周波数のずれｆｄは、具体的には以下の（式１）で示される。
また、図４（ａ）（ｂ）に示すように、複数の上述したアクティブセンサ１０をリニア状（直列）に配置することによって、多点アクティブセンサ２０を得ることができる。各アクティブセンサ１０は、可塑性および可撓性を有する連結部材２２によって、互いに連結されている。なお、図４（ａ）は多点アクティブセンサ２０を上方から見た平面図であり、図４（ｂ）は多点アクティブセンサ２０を側方から見た側方図である。
具体的には、図４（ａ）に示すように、各アクティブセンサ１０は、凸部２３と凹部２４とを有する連結部材２２内に配置され、各連結部材２２の凸部２３が隣接する連結部材２２の凹部２４と嵌合することによって、各連結部材２２は隣接する連結部材２２に連結されている。
図５（図１をあわせて参照方）において、多点アクティブセンサ２０の各アクティブセンサ１０の発振器１５の電気コイル１７には、電気コイル１７に交流電流を供給する発振制御器３２が接続されている。この発振制御器３２は、供給する交流電流の周波数を走査することができるファンクションジェネレータ（図示せず）を有している。また、発振制御器３２は、供給する電流の大きさを自在に調整することができる。
また、図５に示すように、上述の多点アクティブセンサ２０と、発振制御器３２および光検波器６に接続され、配管６０の厚みを算出する波形解析手段３１と、配管６０の劣化に関する判定閾値が収容された診断データベース３３と、波形解析手段３１および診断データベース３３に接続され、波形解析手段３１によって算出された配管６０の厚みと、診断データベース３３内に収容された判定閾値とを照合して、配管６０の劣化を診断する診断手段３５とから、配管劣化診断装置が構成されている。
このうち、波形解析手段３１は、多点アクティブセンサ２０内のアクティブセンサ１０の発振器１５によって配管６０内に入力された振動波の周波数と、当該アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって検出された当該周波数における振動波の振幅の実効値または振動波をフーリエ変換することによって得られた周波数スペクトル強度とから、周波数と振動強度との関係を導いて、配管６０の厚みを算出する。
また、各発振器１５には、遠隔より任意にＯＮ／ＯＦＦを選択することができるスイッチング機構（図示せず）が接続されている。このため、多点アクティブセンサ２０のうち作動させるアクティブセンサ１０を自由に選択することができ、測定する配管６０の位置を自由に選択することができる。
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
最初に、アクティブセンサ１０の発振器１５によって配管６０内に入力される振動波の周波数と、配管６０の厚みとの関係について説明する。
図６に示すように、配管６０の厚みＬと配管６０内に入力される振動波の波長λの間に「λ＝２Ｌ」の関係が成り立つとき、配管６０内に入力された振動波（入射波）と、光ファイバセンサ１１によって検出された振動波（反射波）とが共振し、共鳴波が観察される。ここで、共鳴波とは、入射波を止めた後（図６の時間Ｔ１以降）に観察される反射波のことを意味する。ここでＴ０は入射波を入力した時刻、Ｔ１は入射を止めた時刻をそれぞれ示している。
このため、この波長λから逆算して、配管６０の厚みＬを計測することができる。すなわち、金属板の厚みをｄ、超音波の波長をλとすると、
の条件を満たすときに超音波が共鳴する。これを超音波の周波数f を用いて書き直せば、以下の式（３）のようになり、共鳴周波数と音速が分かれば板厚を逆算することができる。
例えば、１５ｍｍ厚の鋼板からなる配管６０を測定すると、周波数が２００ｋＨｚからなる超音波を入力すると共鳴が起きる。
また、直径２００ｍｍで厚みが５、７、１０、１５、２０、２５および３０ｍｍのＳＵＳ３０４の板上に巻き数５０の光ファイバセンサ１１を瞬間接着剤でＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）表面に取り付けて、アンプで１５０Ｖｐ−ｐに増幅した正弦波を５０ｋＨｚから５００ｋＨｚまで１ｋＨｚきざみに発生させると、光ファイバセンサ１１によって、各周波数に対応した共鳴波を検出することができる（図６参照）。
そして、予め決めた所定時間内における共鳴波の強度（電圧値）を時間に対して積分することによって得られる数値を「振動強度」と定義すると、各周波数における振動強度を導くことができる（図６参照）。このようにして得られた各周波数における振動強度から、図７に示すような周波数と振動強度との関係が導き出すことができ、振動強度の最も強いときの周波数（図７で長丸で囲った箇所に対応する周波数）から共鳴周波数を導き出すことができる。なお、図８は、共鳴周波数とＳＵＳ３０４の板厚の逆数との関係を示したものであるが、この図８から、共鳴周波数とＳＵＳ３０４の板厚の逆数との間には、式(３)の関係が成立していることがわかる。
次に、配管６０の劣化や異常状態を診断する方法について説明する。
まず、多点アクティブセンサ２０のアクティブセンサ１０の発振器１５によって、配管６０内に振動波が入力される。具体的には、発振制御器３２によって、発振器１５の電気コイル１７に交流電流を流すことによって、永久磁石１６に対してローレンツ力が加わり、配管６０の厚み方向へ横波が入力される（図１および図５参照）。
この交流電流は、発振制御器３２のファンクションジェネレータを用いて周波数が変えられ、所望の周波数帯域で走査される。なお、ファンクションジェネレータに増幅器を接続して、入力波の周波数と強度の両方を自由に変えることができるようにしてもよい。
なお、このような多点アクティブセンサ２０は、建設時もしくは定期点検時に、エロージョンやコロージョンが発生しやすい配管６０のエルボ部やオリフィス下流部に取付けられることが好ましい。
次に、当該アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって、配管６０内に発生した振動波が検出されて、光検波器６に送られる（図５参照）。ここで、発振器１５は、センシング部１１ａの中央に配置されているので、配管６０内で発生した振動波を感度よく検出することができる（図１および図２参照）。また、光ファイバセンサ１１は光式振動センサからなっているため、０Ｈｚ（零は含まず）から数ＭＨｚまでの広い周波数帯域において高感度で検出することができる。
次に、発振制御器３２および光検波器６に接続された波形解析手段３１によって、アクティブセンサ１０の発振器１５によって配管６０内に入力された振動波の周波数と、当該アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって検出された当該周波数における振動波の振幅とによって、周波数と振動強度との関係を導く（図７参照）。その後、波形解析手段３１は、周波数と振動強度との関係から、共鳴周波数を導き出して、式（３）または図８に示したグラフから配管６０の厚みを算出する。
次に、波形解析手段３１によって算出された配管６０の厚みと、診断データベース３３内に収容された判定閾値とを照合して、配管６０の劣化および配管６０の異常状態が診断される。
このように、診断データベース３３内に収容された判定閾値を用いて、配管６０の劣化を診断するため、業種や機種ごとに異なる配管６０のサイズや厚さに合わせて診断することができる。また、配管６０の厚みを算出し、配管６０の劣化や異常状態を診断するだけでなく、配管６０の寿命も判定することができる。
上述のように、配管６０の外周に多点アクティブセンサ２０を取り付けておくことによって、配管６０の断熱材をとり外すことなく、プラントを稼動したまま広い範囲にわたって短時間で、配管６０の厚みを算出し、配管６０の劣化および異常状態を診断することができる。このため、検査に掛かる時間と工数を大幅に縮小することができ、定期点検の短縮化と改良保全サービスの高度化を図ることができる。
また、図４（ａ）（ｂ）に示すように、多点アクティブセンサ２０に含まれるアクティブセンサ１０の各々は、可塑性および可撓性を有する連結部材２２によって、互いに連結されている。このため、配管６０の曲面部やエルボ部などに取り付けることができ、配管６０が減肉しやすい箇所を検査することができる。
なお、本実施の形態によるアクティブセンサ１０は、電気コイル１７と、永久磁石１６と、光ファイバセンサ１１とから製造することができるため、製造コストは非常に安い。
なお、アクティブセンサ１０の発振器１５をより小型化することによってセンシング面積を抑えること、アクティブセンサ１０間の距離を最適にすること、アクティブセンサ１０間の接続を高めること、厚みを測定する際の分解能を高めること、接着剤１２の耐熱性を向上させること、配管６０のエルボ部におけるアクティブセンサ１０の吸収度を向上させることなどが、多点アクティブセンサ２０の長期信頼性に寄与する。
また、小さく少ない電圧で駆動する発振器１５を用い、かつ、短いＦＯＤゲージ長で検出する光ファイバセンサ１１を用いることによって、実用性を向上させることができる。
ところで、配管６０の厚み計測の精度は、発振器１５からの振動波のパワー（ファンクションジェネレータに接続された増幅器の能力）、永久磁石１６の磁力、電気コイル１７の巻き数と光ファイバセンサ１１自体の感度（光ファイバセンサ１１の巻き数）、耐熱性などによって決定される。
また、上記では電磁石発振器からなる発振器１５を用いて説明したが、これに限ることなく、圧電（ピエゾ）素子を有する圧電式発振器からなる発振器１５を用いてもよい。このような圧電式発振器を用いることによって、低電力で強い発振を得ることができる。
また、上記では円形状に渦を巻いたセンシング部１１ａを有する光ファイバセンサ１１を用いて説明したが、これに限ることなく、長円形状に渦を巻いたセンシング部を有する光ファイバセンサ１１を用いてもよい。このように、長円形状に渦を巻いたセンシング部を有する光ファイバセンサ１１を用いることによって、光ファイバセンサ１１に異方性を持たせることができる。
変形例１
次に図９（ａ）−（ｃ）により本発明の第１の実施の形態の変形例１について説明する。図９（ａ）−（ｃ）に示す第１の実施の形態の変形例１は、複数のアクティブセンサ１０がリニア状に配置された多点アクティブセンサ２０を用いる代わりに、複数のアクティブセンサ１０がマトリックス状に配置された多点アクティブセンサ２０を用いたものである。その他の構成は、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と略同一である。
次に図９（ａ）−（ｃ）により本発明の第１の実施の形態の変形例１について説明する。図９（ａ）−（ｃ）に示す第１の実施の形態の変形例１は、複数のアクティブセンサ１０がリニア状に配置された多点アクティブセンサ２０を用いる代わりに、複数のアクティブセンサ１０がマトリックス状に配置された多点アクティブセンサ２０を用いたものである。その他の構成は、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と略同一である。
図９（ａ）−（ｃ）に示す変形例１において、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図９（ｂ）に示すように、本実施の形態の多点アクティブセンサ２０は、マトリックス状に配置された、複数のアクティブセンサ１０を備えている。より具体的には、図９（ｂ）に示すように、多点アクティブセンサ２０には、１００ｍｍ角のサイズの中に３０ｍｍφ程度のアクティブセンサ１０が９個、３×３のマトリックス状に配置されている。
また、図９（ｃ）に示すように、本変形例１の多点アクティブセンサ２０に含まれるアクティブセンサ１０は、配管６０の配管表面６０ｆに取り付けられ、配管６０内に振動波を入力する発振器１５と、発振器１５の周縁であって配管６０の外面に取り付けられ、配管６０内に発生した振動波を検出する光ファイバセンサ１１とを有している。なお、発振器１５と光ファイバセンサ１１は、耐熱性の接着剤１２（または粘着剤）によって配管６０の外面に取り付けられている。
また、図９（ｂ）（ｃ）に示すように、各アクティブセンサ１０は、シリコンシートからなる連結部材２２ａによって連結されている。また、連結部材２２ａ上であって光ファイバセンサ１１の周縁外方には、金属またはエンジニアリングプラスチックからなるケース２９が設けられ、発振器１５とケース２９との間にはシリコン２７が充填されている。
このような多点アクティブセンサ２０を用いることによって、より広い領域において、配管６０の厚みを測定しマッピングすることができ、精度良く配管６０の劣化や異常状態を検出することができる。
なお、本変形例１では、配管６０の外面に取り付けられた発振器１５と、発振器１５の周縁であって配管６０の外面に取り付けられた光ファイバセンサ１１とを有するアクティブセンサ１０を用いて説明したが、これに限ることなく、第１の実施の形態で示したように、発振器１５と、発振器１５の配管６０側に取り付けられた光ファイバセンサ１１とを有するアクティブセンサ１０を用いることもできる。
また、逆に、第１の実施の形態のアクティブセンサ１０として、本変形例１で示したような、配管６０の外面に取り付けられた発振器１５と、発振器１５の周縁であって、配管６０の外面に取り付けられた光ファイバセンサ１１とを有するものを用いてもよい。
変形例２
次に図１０及び図１１（ａ）（ｂ）により本発明の第１の実施の形態の変形例２について説明する。図１０及び図１１（ａ）（ｂ）に示す第１の実施の形態の変形例２は、配管表面６０ｆの法線方向（図１０の矢印Ａ方向）に磁束を生成するよう配置された永久磁石１６と、永久磁石１６の光ファイバセンサ１１側に設けられた電気コイル１７とから発振器１５を用いる代わりに、配管表面６０ｆの法線方向（図１０の矢印Ａ方向）と直交する方向に磁束を生成するよう配置された一対の永久磁石１６と、一対の永久磁石１６の間に設けられた電気コイル１７とからなる発振器１５を用いたものである。その他の構成は、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と略同一である。
次に図１０及び図１１（ａ）（ｂ）により本発明の第１の実施の形態の変形例２について説明する。図１０及び図１１（ａ）（ｂ）に示す第１の実施の形態の変形例２は、配管表面６０ｆの法線方向（図１０の矢印Ａ方向）に磁束を生成するよう配置された永久磁石１６と、永久磁石１６の光ファイバセンサ１１側に設けられた電気コイル１７とから発振器１５を用いる代わりに、配管表面６０ｆの法線方向（図１０の矢印Ａ方向）と直交する方向に磁束を生成するよう配置された一対の永久磁石１６と、一対の永久磁石１６の間に設けられた電気コイル１７とからなる発振器１５を用いたものである。その他の構成は、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と略同一である。
図１０及び図１１（ａ）（ｂ）に示す変形例２において、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図１０および図１１（ａ）（ｂ）に示すように、本変形例の発振器１５は、配管表面６０ｆの法線と直交する方向に磁束を生成するよう配置された一対の永久磁石１６と、一対の永久磁石１６の間に設けられた電気コイル１７とからなっている。このため、一対の永久磁石１６の間に設けられた電気コイル１７に発振制御器３２から交流電流を流すことによって、配管表面６０ｆの法線と直交する方向に磁束を生成するよう配置された一対の永久磁石１６に対してローレンツ力を加えることができ、配管６０の厚み方向へ縦波を入力することができる（図５および図１０参照）。
なお、図１１（ｂ）に示すように、永久磁石１６とポリイミドシート１９ｕとの間に保持部材１３を設けてもよいし、また図１１（ａ）に示すように、永久磁石１６とポリイミドシート１９ｕとの間に保持部材１３を設けなくてもよい。
第２の実施の形態
次に図１２により本発明の第２の実施の形態について説明する。図１２に示す第２の実施の形態において、波形解析手段３１は、(１)高周波領域における突発挙動に着目した周波数解析機能（定常ノイズとの弁別）、(２)低周波領域における定在波の挙動観察機能（定常ノイズとの弁別）、および(３)ニューラルネットワークなどを利用した「定常」・「非定常」観測機能を有している。また、診断データベース３３には、アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって検出される配管６０内で何等かの原因で発生した振動波と照合するための、配管６０の劣化および異常状態に関する情報が記録されている。その他の構成は、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、実施の形態における構成は、第１の実施の形態に示す構成と同一である。
次に図１２により本発明の第２の実施の形態について説明する。図１２に示す第２の実施の形態において、波形解析手段３１は、(１)高周波領域における突発挙動に着目した周波数解析機能（定常ノイズとの弁別）、(２)低周波領域における定在波の挙動観察機能（定常ノイズとの弁別）、および(３)ニューラルネットワークなどを利用した「定常」・「非定常」観測機能を有している。また、診断データベース３３には、アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって検出される配管６０内で何等かの原因で発生した振動波と照合するための、配管６０の劣化および異常状態に関する情報が記録されている。その他の構成は、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、実施の形態における構成は、第１の実施の形態に示す構成と同一である。
図１２に示す第２の実施の形態において、図１乃至図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
まず、アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって、配管６０内で何等かの原因で発生した振動波（原因として例えば、突発的に現れる衝撃による振動波や、定常では認められない異常状態で発生する振動波など）が、パッシブに検出される（図１２参照）。
次に、波形解析手段３１の(１)高周波領域における突発挙動に着目した周波数解析機能（定常ノイズを弁別する機能）、(２)低周波領域における定在波の挙動観察機能（定常ノイズを弁別する機能）、および(３)ニューラルネットワークなどを利用した「定常」・「非定常」観測機能によって、配管６０内で何等かの原因で発生した振動波の波形が解析される。
次に、診断手段３５が、アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって検出された振動波を、診断データベース３３に予め記録された配管６０の劣化および異常状態に関する情報と照合し解析することによって、配管６０の劣化および異常状態を検出する（図５参照）。
また、診断手段３５は、第１の実施の形態に示したように、光ファイバセンサ１１によって検出される振動波の振幅から導き出される共鳴周波数によって、配管６０の厚みを診断することもできる。
このため、本実施の形態による配管劣化診断装置によれば、上述した第１の実施の形態のように、アクティブセンサ１０の発振器１５によって配管６０内に振動波を入力することなく、アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１は配管６０内で何等かの原因で発生した振動波をパッシブに検出し、配管６０の厚みや、配管６０の劣化および異常状態を検出することができる。
また、診断データベース３３に予め記録された配管６０の劣化および異常状態に関する情報を用いるため、業種や機種ごとに異なる配管６０のサイズや厚さに合わせて診断することができる。また、配管６０の厚みや、配管６０の劣化および異常状態を検出するだけでなく、配管６０の寿命も判定することもできる。
本発明によれば、上述した第１の実施の形態（変形例１および変形例２も含む）に示したように、アクティブに、アクティブセンサ１０の発振器１５によって配管６０内に振動波を入力した後、当該アクティブセンサ１０の光ファイバセンサ１１によって配管６０内に発生した振動波を検出することもでき、かつ第２の実施の形態に示したように、パッシブに、振動波を入力することなく、配管６０内で何等かの原因で発生した振動波を検出することができる。このため、配管６０の劣化および異常状態を高い確率で検出することができる。
ところで、上記の各実施の形態では、アクティブセンサ１０が、配管６０の外周（外側）に配置されている態様を用いて説明したが、これに限られることなく、アクティブセンサ１０は配管６０の内周（内側）に配置され、配管の厚みを検出するようにしてもよい。
５ 光源
６ 光検波器
１０ アクティブセンサ
１５ 発振器
１１ 光ファイバセンサ
１１ａ センシング部
１２ 接着剤
１３ 保持部材
１６ 永久磁石
１７ 電気コイル
１９ｕ，１９ｌ ポリイミドシート
２０ 多点アクティブセンサ
２２，２２ａ 連結部材
２７ シリコン
２９ ケース
３１ 波形解析手段
３２ 発振制御器
３３ 診断データベース
３５ 診断手段
４１ コア
４２ クラッド
６０ 配管
６０ｆ 配管表面
６ 光検波器
１０ アクティブセンサ
１５ 発振器
１１ 光ファイバセンサ
１１ａ センシング部
１２ 接着剤
１３ 保持部材
１６ 永久磁石
１７ 電気コイル
１９ｕ，１９ｌ ポリイミドシート
２０ 多点アクティブセンサ
２２，２２ａ 連結部材
２７ シリコン
２９ ケース
３１ 波形解析手段
３２ 発振制御器
３３ 診断データベース
３５ 診断手段
４１ コア
４２ クラッド
６０ 配管
６０ｆ 配管表面
Claims (17)
- 配管の外側に配置され、配管の厚みを検出するアクティブセンサであって、配管内に振動波を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器と、配管に取り付けられ、配管内に発生した反射波及び共鳴波を検出する光ファイバセンサと、を有するアクティブセンサを複数備え、
当該アクティブセンサは、リニア状またはマトリックス状に配置され、
各アクティブセンサは、可塑性または可撓性を有する連結部材によって、互いに連結されていることを特徴とする多点アクティブセンサ。 - 配管の外側もしくは内側に配置され、配管の厚みを検出するアクティブセンサであって、配管内に振動波を入力するとともに、当該振動波の周波数を所望の範囲で走査することができる発振器と、配管に取り付けられ、配管内に発生した反射波及び共鳴波を検出する光ファイバセンサと、を有するアクティブセンサを複数備え、
当該アクティブセンサは、リニア状またはマトリックス状に配置され、
各アクティブセンサは、可塑性または可撓性を有する連結部材によって、互いに連結されていることを特徴とする多点アクティブセンサ。 - 発振器は、配管表面の法線方向に磁束を生成するよう配置された永久磁石と、永久磁石の光ファイバセンサ側に設けられた電気コイルとを有することを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。
- 発振器は、配管表面の法線方向に磁束を生成するよう配置された永久磁石と、永久磁石の光ファイバセンサ側に設けられた電気コイルと、電気コイルと光ファイバセンサとが直接接しない配置となるよう保持する保持部材とを有することを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。
- 発振器は、配管表面の法線と直交する方向に磁束を生成するよう配置された一対の永久磁石と、一対の永久磁石の間に設けられた電気コイルとを有することを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。
- 発振器は、配管表面の法線と直交する方向に磁束を生成するよう配置された一対の永久磁石と、一対の永久磁石の間に設けられ電気コイルと、一対の永久磁石および電気コイルと光ファイバセンサとが直接接しない配置となるように保持する保持部材とを有することを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。
- 発振器は、電磁石発振器または圧電式発振器からなることを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。
- 光ファイバセンサは、発振器から配管内に入力された振動波によって発生する、配管の動的歪みを検出する光式振動センサ（Fiber-optic Doppler (FOD) sensor）からなることを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。
- 光ファイバセンサは、円形状または長円形状に渦を巻いたセンシング部を有し、
発振器は、当該センシング部の中央に配置されたことを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。 - 光ファイバは、内側径が５ｍｍ以上からなり、外側径が内側径に配管内を伝搬する振動波の波長の１／２を加えた大きさ以下からなることを特徴とする請求項１記載の多点アクティブセンサ。
- 光ファイバセンサのセンシング部は、耐熱処理が施されていることを特徴とする請求項９記載の多点アクティブセンサ。
- 光ファイバセンサのセンシング部の表面に、導電性を有する材料が設けられていることを特徴とする請求項９記載の多点アクティブセンサ。
- 請求項１記載の多点アクティブセンサを用いた配管劣化診断方法において、
少なくとも一つのアクティブセンサの発振器によって、配管内に振動波を入力する工程と、
少なくとも一つのアクティブセンサの光ファイバセンサによって、配管内に発生した反射波及び共鳴波を検出する工程と、
発振器によって配管内に入力された振動波の周波数と、光ファイバセンサによって検出された当該周波数における反射波及び共鳴波の振幅とによって、周波数と振動強度との関係を導いて、配管の厚みを算出する工程と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断方法。 - 請求項１記載の多点アクティブセンサと、
各アクティブセンサに接続され、当該アクティブセンサの発振器によって配管内に入力された振動波の周波数と、当該アクティブセンサの光ファイバセンサによって検出された当該周波数における反射波及び共鳴波の振幅とによって、周波数と振動強度との関係を導いて、配管の厚みを算出する波形解析手段と、
配管の劣化に関する判定閾値が収容された診断データベースと、
波形解析手段および診断データベースに接続され、波形解析手段によって算出された配管の厚みと、診断データベース内に収容された判定閾値とを照合して、配管の劣化および異常状態を診断する診断手段と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断装置。 - 波形解析手段は、発振器によって配管内に入力された振動波の周波数と、光ファイバセンサによって検出された当該周波数における反射波及び共鳴波の振幅の実効値または反射波及び共鳴波をフーリエ変換することによって得られた周波数スペクトル強度とから、周波数と振動強度との関係を導いて、配管の厚みを算出することを特徴とする請求項１４記載の配管劣化診断装置。
- 請求項１記載の多点アクティブセンサを用いた配管劣化診断方法において、
少なくとも一つのアクティブセンサの光ファイバセンサによって、配管内で発生した振動波をパッシブに検出する工程と、
光ファイバセンサによって検出された配管内で発生した振動波を解析することによって、配管の劣化および異常状態を検出する工程と、
を備えたことを特徴とする配管劣化診断方法。 - 各アクティブセンサの光ファイバセンサによって検出された振動波を、診断データベースに予め記録された配管の劣化に関する情報と照合し解析することによって、配管の劣化および異常状態を検出することを特徴とする請求項１６記載の配管劣化診断方法。
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