JP5884993B2 - 超音波配管測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波配管測定装置に関し、詳しくは、超音波を利用して、配管に発生した腐食や浸食による傷の発生場所と傷の大きさや配管の内部に付着したスケールなど、配管の状態を測定する装置に関するものである。

配管に発生した腐食や浸食を検知する方法および測定装置として、超音波の伝播時間を利用した超音波厚さ計が知られている。超音波により管壁の厚さを測定して、腐食や浸食による減肉量を測定するものである。

図８は、超音波厚さ計の一例を示す構成説明図である（特許文献１）。図８において、圧電型の超音波トランスジューサ１と、超音波送受信器２と、信号処理装置３と、例えばオシロスコープ等の超音波波形の表示装置４から構成されている。

信号処理装置３は、超音波多重エコーの減衰率の算出や、入射超音波エコーと反射超音波エコーの振幅比の算出や、多重反射エコーの信号のＳＮ比を向上するための信号処理を行う。なお、検査対象となる配管は、鉄やステンレスの管本体５の内面にプラスチックやゴムのライニング６が施されている。１０は管本体５の表面での超音波の反射を抑制するための流体（カプラント）である。

このような構成において、超音波エコー７を管本体５の外面から入射させて、管本体５の内面及びライニング６からの超音波エコー８を検出することにより、管本体５とライニング６の間の剥離を検出できる。

図９は、ガイド波を利用して配管の腐食や浸食を検知する装置の一例を示す構成説明図である（特許文献２）。図９において、ガイド波送受信素子１１は、配管１９にガイド波１８を発生させる素子であり、例えば圧電素子で構成されており、配管１９に接触して配置され、同軸ケーブルを介してガイド波送受信手段１３と電気的に接続されている。

送受信素子リング１２は、複数のガイド波送受信素子１１を配管の周囲に円環状に把持する治具で、好ましくは、ガイド波送受信素子１１を円周方向に等間隔に格納する構造を持ち、配管に対して着脱可能な構造とする。送受信素子リング１２は、リング状のフレームをリングの直径に沿って切断した２分割の構造を有し、その分割端はネジで結合されてリング状に組み立てられている。したがって、配管１９の外周囲にリング状のフレームを組み立てると送受信素子リング１２は配管の外周に装着される。

その送受信素子リング１２のリング状のフレームの内側には、複数のガイド波送受信素子１１が格納されるとともに、送受信素子リング１２のリング状のフレームから配管１９の外周面に向けて伸縮するバネで支持されている。そのため、その送受信素子リング１２が配管１９の外周面に装着されると、複数のガイド波送受信素子１１がバネで配管１９の外周面に押し当てられてガイド波送受信素子１１から配管１９に対してガイド波１８を発生させやすくなる。

ガイド波送受信手段１３は、ガイド波１８を送信するためにガイド波送受信素子１１に送信波形を印加し、さらにガイド波送受信素子１１からの受信波形を増幅する手段であって、波形作成・解析手段１５とデジタルデータを通信できるように接続され、受信波形をＡ／Ｄ変換器１４に送るように同軸ケーブルを介して接続されている。

Ａ／Ｄ変換器１４は、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有し、ガイド波送受信手段１３から出力されるガイド波１８の受信波形をデジタル波形として波形作成・解析手段１５に通信するように接続される。

波形作成・解析手段１５は、送信波形の作成や受信波形の解析を行うとともに配管検査装置の全体の動作を統括する手段であって、コンピュータなどで構成されるものであり、操作者の指示を受け付けるキーボードなどの入力手段１６及びＣＲＴなどの表示手段１７に接続される。

このような構成において、波形作成・解析手段１５に、配管の肉厚と材質または音速及び検査すべき領域Ｒ、並びに基準波形が入力される。基準波形によるガイド波が検査領域Ｒの中心位置にある欠陥Ｄｏで反射してガイド波送受信素子１１で受信されるときの波形を、肉厚と材質に基づき計算し、計算した受信波形で受信時間が遅いものから順に送信するように送信波形を作成する。

ガイド波送受信手段１３でガイド波送受信素子１１に送信波形に基づく信号を印加してガイド波１８を発生させる。ガイド波送受信手段１３でガイド波送受信素子１１からのガイド波１８の受信波形を受信する。Ａ／Ｄ変換器１４で信号をデジタル信号に変換する。波形作成・解析手段１５は、デジタル信号を検査結果として表示手段１７に表示する。

特開２０００−３２９７５１号公報 特開２００５−１００５５号公報

ところで、配管腐食には、大きく分けて２つある。一つは全面腐食と呼ばれているもので、流れている流体によって配管内部が均一に腐食して、管壁が均一に減肉していく腐食であり、炭素鋼配管などでよく見られる現象である。この場合は、例えば、超音波厚さ計を任意の個所に設置して、そこで測定される厚さを配管壁全体の厚さであるとして、適切な対策を施すことができる。

もう一つの配管腐食は局部腐食と呼ばれているもので、局所的に減肉（孔食）や傷が進行するもので、ステンレス配管などでよく見られる現象である。この場合、ちょうど超音波厚さ計を設置している場所で局部腐食が発生すると検出できるが、設置していない場合は検出できない。

局部腐食の大きな課題は、その発生個所が予測できないことにある。そのために、配管全体に網羅的に超音波厚さ計を設置することも考えられるが、経済的に現実的ではない。ここで、ガイド波を利用すると、比較的遠方の局部腐食による傷を検出することができるが、ガイド波を伝播させるための壁厚さに制限があったり、局部腐食の一つである孔食の径などの大きさが測定できなかったりなどの課題がある。局部腐食の大きさが検出できない場合、適切な対策を施すことができない。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、超音波送受信器を配管全体に網羅的に配置することなく局部腐食や配管の内部に付着したスケールなどを検出してその発生場所と大きさを測定でき、必要に応じて適切な対策を施すことができる超音波配管測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
超音波を利用して配管の状態を測定する超音波配管測定装置において、
前記配管の管壁に少なくとも３つの超音波送受信器を離散的に設け、
これら超音波送受信器間で送受信される超音波信号に基づき前記配管に発生した傷の発生場所と傷の大きさを測定する動作モードとして探索モードと測定モードを有し、
前記傷の大きさがあらかじめ設定された閾値よりも小さい状態では探索モードで動作して傷がその閾値よりも大きい状態では測定モードで動作し、大きさの異なる複数の傷が存在する場合にはこれら２つのモードが共存することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の超音波配管測定装置において、
前記探索モードにおける低精度測定による傷の大きさがあらかじめ設定された閾値を超えた場合に探索モードから測定モードへ切り替えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の超音波配管測定装置において、
前記探索モードでは超音波パルスの発信間隔を長めにして出力を抑え傷の位置の検知を行い、
前記測定モードでは要求される精度に対して十分な振幅と発信間隔を有する超音波パルスを発信することを特徴とする。

これらにより、超音波送受信器を配管全体に網羅的に配置することなく局部腐食を検出してその発生場所と大きさや配管の内部に付着したスケールなどを測定でき、必要に応じて適切な対策を施すことができる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 配管２０における腐食や浸食による傷Ｗの位置を検出するための動作説明図である。 図２の構成における各部の波形例図である。 配管２０における腐食や浸食による傷Ｗの外径を測定するときの動作説明図である。 配管２０における腐食や浸食による傷Ｗの深さを測定するときの動作説明図である。 図５の各部の波形例図である。 装置全体の動作の流れを説明するフローチャートである。 超音波厚さ計の一例を示す構成説明図である。 ガイド波を利用して配管の腐食や浸食を検知する装置の一例を示す構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示すブロック図である。図１において、配管２０の外壁には、配管方向に沿って離散的に複数の超音波送受信器ＵＳ１〜ＵＳｎが取り付けられている。なお、以下の説明では、たとえば配管２０の外径を100ｍｍ程度とし、隣接する超音波送受信器の間隔を1000ｍｍ程度とし、超音波の周波数は50KHzから5MHz程度とする。

これら超音波送受信器ＵＳ１〜ＵＳｎは測定装置本体３０と有線または無線を介して接続されていて、測定装置本体３０の制御にしたがって配管２０に対する超音波信号の送受を行う。なお、超音波送受信器ＵＳ１〜ＵＳｎは、配管２０全体にまんべんなく配置される場合もあれば、重要な個所に集中的に配置される場合もある。これらの超音波送受信器ＵＳ１〜ＵＳｎは個別に独立して動作するのでなく、複数個が協調的に動作する。

測定装置本体３０には、超音波送受信器ＵＳ１〜ＵＳｎに対して送信出力する超音波信号の生成発信機能、超音波送受信器ＵＳ１〜ＵＳｎのうちの少なくとも３つの超音波送受信器の受信信号を演算処理して配管２０における腐食や浸食などによる傷の位置、外径、深さ（管壁厚さ）などをソフトウェアにより算出する演算機能などが設けられている。

図２は、配管２０における腐食や浸食による傷Ｗの位置を検出するための動作説明図である。図２において、まず、超音波送受信器ＵＳ１から超音波パルスが出力される。出力された超音波信号は配管２０の管壁内を伝播し、腐食や浸食による傷Ｗに達する。

超音波信号の一部はこの傷Ｗで反射し、その一部が超音波送受信器ＵＳ１に戻る。この反射波は他の超音波送受信器ＵＳ２、ＵＳ３などでも受信できる。これら傷Ｗからの反射波の伝播時間Ｔ１〜Ｔ３に基づき、傷Ｗの位置を、たとえば三角測量の手法により算出する。なお、測定領域内に傷などが存在しない場合には反射波は発生しない。

図３は図２の構成における各部の波形例図であって、（ａ）は超音波送受信器ＵＳ１の駆動波形、（ｂ）は超音波送受信器ＵＳ１が受信する反射波１の波形、（ｃ）は超音波送受信器ＵＳ２が受信する反射波２の受信波形、（ｄ）は超音波送受信器ＵＳ３が受信する反射波３の受信波形である。

このように、腐食や浸食などによる傷Ｗの場所を検出することを主目的とするモードを探索モードとする。この探索モードでは、流体の素性と流量、管材料などから予想される腐食の進行速度を勘案して、たとえば省エネルギーの観点から、１日に１回、数日や数週間に１回など、超音波パルスの発信間隔を長めに設定して、傷が発生している位置を特定する。そして、検出した傷の外径と深さについては、その大まかな値を測定する。

図４は、配管２０における腐食や浸食による傷Ｗの外径を測定するときの動作説明図である。傷Ｗの外径測定にあたっては、超音波送受信器ＵＳ２、ＵＳ３など超音波送受信器ＵＳ１以外から出力される超音波信号を利用して傷の周囲端面を測定する。

図５は配管２０における腐食や浸食による傷Ｗの深さを測定するときの動作説明図であり、図６は図５の各部の波形例図である。図６において、超音波送受信器ＵＳ１の受信波形に着目すると、傷Ｗがない場合には反射波１は発生しないので（ｂ）に示すように受信波形の振幅は現れないが、傷Ｗがある場合には（ｃ）に示すように反射波１が発生してその振幅の大きさは傷Ｗの深さに依存したものとなる。

一方、超音波送受信器ＵＳ２の受信波形に着目すると、傷Ｗがない場合は（ｂ）に示すように超音波送受信器ＵＳ１の送信波１をほぼ直接受信することからかなり大きな振幅になるが、傷Ｗがある場合の受信波形は（ｃ）に示すように傷Ｗの深さに依存してその振幅が減衰したものとなる。

したがって、これら超音波送受信器ＵＳ１やＵＳ２における受信波形の振幅の大きさに基づいて、傷Ｗの深さを測定できる。具体的には、たとえば検出した傷Ｗの大きさがあらかじめ設定された閾値を超えた場合には、傷Ｗの周囲に設けられている複数の超音波送受信器を傷Ｗの大きさの測定に必要なだけ用いた測定モードに移行する。

測定モードでは、大きさが所定の閾値を超えた傷Ｗに対して、高精度にその大きさを測定し、さらに傷Ｗの大きさの時間変化、すなわち傷Ｗの進行速度も精度よく測定する。高精度化のために、この測定モードでは探索モードに比べてエネルギーの大きなパルス信号を印加する。

エネルギーを大きくした信号としては、たとえば振幅を大きくしたり、パルス数を増やしてバースト波とすることなどが挙げられる。測定方法は、原理的には、前述の探索モードにおける方法と同じである。

また、必要に応じて測定間隔を短くすることで、進行速度の速い傷Ｗに対処できる。傷Ｗの大きさと進行速度を精度良く測定することで、ユーザーの次のアクションへの指標とすることができる。次のアクションとしては、配管の交換や防食剤の注入などが挙げられる。

また、探索モードで大まかに測定された傷Ｗの外径が測定モードにおいて高精度に測定された結果、実際には閾値よりも小さいということもある。この場合は、測定モードから探索モードに戻ることで対応する。

以上の実施例では、超音波送受信器ＵＳ１のみを駆動する場合について説明したが、実際には、超音波送受信器ＵＳ１と同様の動作を、ＵＳ２→ＵＳ３→・・と順番に切り替えて送信器として動作させる。なお、それぞれの超音波送受信器から発信する超音波信号を区別するために、たとえば時間をずらして順番に発信させる。時間のずれ量は、混信が避けられる程度に十分にとる必要がある。これらの時間のずれ量の管理は、測定装置本体３０で行う。

また、それぞれの超音波信号を区別する他の方法として、それぞれの超音波送受信器から発信するパルスの周波数を変えてもよい。この場合、受信側ではバンドパスフィルタなどでそれぞれの送信器からの超音波信号を弁別する。送信周波数やバンドパスフィルタの選択などの管理についても、測定装置本体３０で行う。なお、この方法によれば、複数の超音波送受信器から同時に超音波信号を送信することができる。

探索モードと測定モードの共存について説明する。たとえば配管２０の測定対象領域内に複数の傷があって、一部の傷の大きさが閾値を超えて他の傷の大きさは閾値以下となるような場合、閾値を超えた傷に対しては測定モードとして動作させ、他の傷に対しては探索モードとして動作させることにより、超音波配管測定装置全体として探索モードと測定モードを共存させる。

探索モードと測定モードを共存させることで、測定モードで動作中に配管２０に新たな傷が発生した場合にもその傷を検出できる。共存方法としては、時分割により探索モードと測定モードの動作を繰り返す方法と、測定モードのまま傷の位置の特定を行う方法がある。つまり、測定モードでも傷の検知と位置測定を行えるようにしておく。

図７は、装置全体の動作の流れを説明するフローチャートである。はじめに、配管２０における腐食や浸食による傷の有無および傷の位置を検知する（ステップＳ１）。続いて傷の大きさを測定する（ステップＳ２）。測定した傷の大きさがあらかじめ設定した閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ３）。ここまでの動作ステップを探索モードという。

測定した傷の大きさがあらかじめ設定した閾値を超えていれば探索モードから測定モードに移行し、測定時間間隔を調整して（ステップＳ４）、傷の大きさについて高精度の測定を行う（ステップＳ５）。傷の大きさの高精度の測定結果があらかじめ設定した閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ６）。

傷の大きさの高精度の測定結果があらかじめ設定した閾値を超えていれば、傷の大きさの変化を測定時間間隔で除算して傷の成長速度の計算を行い（ステップＳ７）、その演算結果を表示する（ステップＳ８）。なお、ステップＳ４からステップＳ8までの測定モードは、測定時間間隔を適宜変更調整しながら繰り返して行う。

また、ステップＳ３およびステップＳ６における傷の大きさの判定結果が閾値を超えていない場合およびステップＳ９においてモード切替時刻の場合には、それぞれステップ１に戻って探索モードから測定モードに至る一連の処理を繰り返して実行する。

上記実施例では、配管における腐食や浸食による傷の検出にあたり、超音波の伝播時間と信号の振幅に着目した例について説明したが、傷の検出は伝播時間と振幅に限るものではなく、他の信号パラメータにも着目することで、様々な情報を得ることができる。

たとえば周波数スペクトラムを利用してもよい。傷で反射する際の非線形現象により、高次の倍調波や1/2倍調波が発生することがある。また、管壁の対向面からの反射波は、共鳴現象により管壁厚さが半波長の整数倍のときが最も伝播しやすくなるので、受信波の周波数スペクトラムの管壁厚さに応じた周波数に明確なピークが立つ。したがって、受信信号の周波数スペクトラムを観測することで、配管における傷の状態や管壁厚さの測定（全面腐食や超音波送受信器直下の孔食などの局部腐食の検出）を行うことができる。

また、周波数スペクトラムに着目するのにあたり、その位相シフト量にも着目することで、より高精度に傷の大きさを測定することもできる。

他には、音声信号処理などで利用されるケプストラムを利用してもよい。傷による信号の歪をケプストラム解析することで、信号の歪、すなわち傷の特徴量（大きさなど）を抽出することができる。このように、配管に配置された複数の超音波送受信器の信号について、様々な信号処理を行うことで、傷の発生場所の検出と大きさの測定が行える。

また、上記各実施例では、超音波送受信器は単一の装置のように説明したが、フェイズドアレイを用いることで、超音波の送信方向を任意に制御することができる。

また、各実施例に示したそれぞれの超音波送受信器に位相差を与えて同時に駆動することにより全体としてフェイズドアレイと類似の動作をさせることもできる。

さらに、上記各実施例では、配管に発生した腐食や浸食による傷の発生場所と傷の大きさを測定する例について説明したが、同様の方法で、配管の内壁に付着したスケールについても検出測定することができる。

以上説明したように、本発明によれば、超音波送受信器を配管全体に網羅的に配置することなく、配管に発生した腐食や浸食による傷の発生場所と傷の大きさや配管の内部に付着したスケールなど、配管の状態を測定でき、必要に応じて適切な対策を施すことができる超音波配管測定装置が実現できる。

ＵＳ１〜ＵＳｎ 超音波送受信器
２０ 配管
３０ 測定装置本体

Claims (3)

1. 超音波を利用して配管の状態を測定する超音波配管測定装置において、
   前記配管の管壁に少なくとも３つの超音波送受信器を離散的に設け、
   これら超音波送受信器間で送受信される超音波信号に基づき前記配管に発生した傷の発生場所と傷の大きさを測定する動作モードとして探索モードと測定モードを有し、
   前記傷の大きさがあらかじめ設定された閾値よりも小さい状態では探索モードで動作して傷がその閾値よりも大きい状態では測定モードで動作し、大きさの異なる複数の傷が存在する場合にはこれら２つのモードが共存することを特徴とする超音波配管測定装置。
2. 前記探索モードにおける低精度測定による傷の大きさがあらかじめ設定された閾値を超えた場合に探索モードから測定モードへ切り替えることを特徴とする請求項１記載の超音波配管測定装置。
3. 前記探索モードでは超音波パルスの発信間隔を長めにして出力を抑え傷の位置の検知を行い、
   前記測定モードでは要求される精度に対して十分な振幅と発信間隔を有する超音波パルスを発信することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波配管測定装置。