JP5902980B2 - 超音波板厚測定装置及び超音波板厚測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電プラントの配管等の材料の板厚を電磁超音波共鳴法（以下、「ＥＭＡＲ」と略称する）を用いて測定するための装置及び方法に関し、特に、減肉の測定に適用可能な装置及び方法に関する。

原子力発電プラントには、液体を流通させる多数の配管が設けられている。これら配管は、その内壁面が液体により削られる等して、経時と共に内壁側から減肉していく。原子力発電プラントでは、配管の破断を防ぐために、配管の延在方向に沿って配管に設定された数千の測定箇所で減肉の有無又は程度が定期的に測定され、それにより減肉の早期発見を試みている。

この測定を人手に頼ると、種々の問題が生ずる。まず、測定箇所が膨大であるので、多くの作業員を必要とし、原子力発電プラントの保守コストが非常に高くなる。配管には、高温（例えば、摂氏２５０度以上）の液体を流通させる箇所が存在し、そのため、プラント稼働中には人手に頼って測定することが非常に困難である。更に、温度を保って液体を流通させるために配管の外周は分厚い断熱材で覆われ、また、配管の大部分が人の目線よりも高所に配置される。すると、測定前に足場を設置して断熱材を取り外す必要があり、測定後に断熱材を取り付け直して足場を撤去する必要がある。人手に頼ると、これら付帯作業に要するコストも非常に高くなる。そこで従来、測定の自動化及び付帯作業の省略を実現すべく、配管の減肉を自動的に測定する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された測定装置は、円形管の各測定箇所に設けられたＥＭＡＴ（Electro-Magnetic Acoustic Transducer：電磁超音波探触子）を備え、ＥＭＡＴは、配管の外面に配置されて断熱材内に埋め込まれる。ＥＭＡＴは、横波送受信器及び縦波送受信器を有しており、横波送受信器は、横波を配管へと送信し、配管と液面との界面で反射された反射波を受信する。縦波送受信器もこれと同様に動作する。この測定装置によれば、反射波の共鳴周波数に基づき、ＥＭＡＲを用いて配管の板厚を測定することができる。測定された板厚を初期板厚と比較することで、減肉量が測定される。

特開２０１０−２５８１２号公報

特許文献１に開示された測定装置によると、配管の周方向においてＥＭＡＴを配置している箇所付近では、配管の板厚を精度良く測定することができる。しかしながら、配管の減肉は、周方向に一様に生じるとは限らない。このため、配管の減肉が、配管の周方向においてＥＭＡＴを配置していない箇所付近で局所的に進行している場合には、特許文献１に開示された測定装置を用いてもこれを検知することができないおそれがある。特許文献１で教示された方法で局所的な減肉を見過ごさないようにするためには、周方向に離れたＥＭＡＴの個数を増やす又はＥＭＡＴを周方向に可動にするといった対策が必要になる。すると、測定装置の製造コストが非常に高くなる。この技術的課題は、原子力発電プラントの配管の減肉を測定する場面だけでなく、その他プラントの配管又は容器の減肉を測定する場面においても同様に生ずる。

そこで本発明は、配管等材料の減肉を低コストで自動的に測定可能にし、また、減肉が局所的に生じていてもこれを検知可能にすることを目的としている。

本発明は上記目的を達成すべくなされたものである。本発明に係る超音波板厚測定方法は、材料内を伝播した電磁超音波信号の共鳴周波数に基づき、電磁超音波共鳴法を用いて当該材料の板厚を測定するための超音波板厚測定方法であって、材料の表面上の送信位置にて、異なる周波数の電磁超音波信号を時間的に変えながら又は重畳して同時に前記材料内へと送信する送信ステップと、材料の表面上で前記送信位置から離れた１以上の受信位置それぞれにて、前記材料内を伝播し電磁超音波信号を受信する受信ステップと、受信された電磁超音波信号の波形ピークの間隔、又は受信された電磁超音波信号の波形ピークを示す共鳴周波数に基づいて、前記送信位置と前記受信位置との間で減肉した箇所の板厚を算出する減肉検出ステップと、を備える。

前記方法によれば、電磁超音波信号が送信される送信位置と、電磁超音波信号を受信する受信位置とが離れている。受信位置では、送信位置から材料内を伝播した電磁超音波信号が受信される。送信位置と受信位置との間に減肉が生じていなければ、受信された電磁超音波信号のピークの間隔は、初期状態の材料の板厚に応じた或る基準間隔となるし、ピークを示すｎ次共鳴周波数も、初期状態の材料の板厚に応じた或る基準周波数となる。一方、送信位置と受信位置との間の一部に局所的な減肉が生じていると、減肉した箇所を通過した電磁超音波信号が受信位置で受信される。すると、電磁超音波共鳴法の原理から、受信された電磁超音波信号のピークの間隔は、基準間隔よりも長くなるし、ピークを示すｎ次共鳴周波数は基準周波数よりも大きくなる。このようにピークが初期状態から変化することに基づいて、送信位置と受信位置との間で減肉が生じていることを検知することができる。このように、送信位置が受信位置から離れていることで、送信位置と受信位置との間の広い範囲で減肉の有無を測定することができるようになり、局所的な減肉が進行していたとしても、少ない送信位置及び受信位置でこれを精度良く検知可能になる。なお、送信位置と受信位置との距離は、電磁超音波信号が受信位置にて受信され得ないほど減衰することのない距離であればよい。

前記減肉検出ステップにおいて、受信された電磁超音波信号の波形ピーク値に基づいて、前記送信位置と前記受信位置との間の減肉範囲を算出してもよい。これにより、減肉の程度を精度良く評価することができる。

本発明に係る超音波板厚測定装置は、材料内を伝播した電磁超音波信号の共鳴周波数に基づき、電磁超音波共鳴法を用いて当該材料の板厚を測定するための超音波板厚測定装置であって、前記材料の表面上の送信位置にて、異なる周波数の電磁超音波信号を時間的に変えながら又は重畳して同時に前記材料内へと送信する送信用ＥＭＡＴと、前記材料の表面上で前記送信位置から離れた１以上の受信位置それぞれにて、前記材料内を伝播した電磁超音波信号を受信する１以上の受信用ＥＭＡＴと、を備える。

前記構成によれば、電磁超音波信号を送信する送信用ＥＭＡＴが、電磁超音波信号を受信する受信用ＥＭＡＴと別個であり、それにより、電磁超音波信号が送信される送信位置と、電磁超音波信号を受信する受信位置とを離すことができる。受信用ＥＭＡＴは、送信位置から材料内を伝播した電磁超音波信号を受信する。送信位置と受信位置との間に減肉が生じていなければ、受信された電磁超音波信号のピークの間隔は、初期状態の材料の板厚に応じた或る基準間隔となるし、ピークを示すｎ次共鳴周波数も、初期状態の材料の板厚に応じた或る基準周波数となる。一方、送信位置と受信位置との間の一部に局所的な減肉が生じていると、減肉した箇所を通過した電磁超音波信号が受信位置で受信される。すると、電磁超音波共鳴法の原理から、受信された電磁超音波信号のピークの間隔は、基準間隔よりも長くなるし、ピークを示すｎ次共鳴周波数は基準周波数よりも大きくなる。このように波形ピークが初期状態から変化することに基づいて、送信位置と受信位置との間で減肉が生じていることを検知することができる。このように、送信位置が受信位置から離れていることで、送信位置と受信位置との間の広い範囲で減肉の有無を測定することができるようになり、局所的な減肉が進行していたとしても、少ないＥＭＡＴでこれを精度良く検知可能になる。また、ＥＭＡＴは材料と非接触であっても電磁超音波信号を材料内で伝播させることができる。このため、材料が高温であっても、送信用ＥＭＡＴ及び受信用ＥＭＡＴを当該材料から若干離して配置することができ、送信用ＥＭＡＴ及び受信用ＥＭＡＴが材料から受ける熱的影響を低減することができる。

前記送信用ＥＭＡＴが前記材料の表面上の前記送信位置に設置され、前記１以上の受信用ＥＭＡＴが前記材料の表面上の前記１以上の受信位置それぞれに設置されていてもよい。このように送信用ＥＭＡＴ及び受信用ＥＭＡＴを固定していても、上記のように材料の減肉を自動的に測定することができ、測定装置の低コスト化に資する。

前記材料が円筒部材であってもよい。また、前記受信用ＥＭＡＴが１つであり、前記送信位置と前記受信位置とが前記円筒部材の中心に対して対向配置されていてもよい。これにより、減肉が、送信位置から見て時計回り側に生じている場合と反時計回り側に生じている場合のどちらであっても、その減肉を測定することができる。

前記円筒部材が発電プラント内に設けられた配管であり、前記配管の外周側に断熱材が設けられていてもよい。本発明に係る測定装置は、このような用途に好適に適用可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、配管等材料の減肉を低コストで自動的に測定することができ、また、減肉が局所的に生じていてもこれを検知することができる。

本発明の実施形態に係る超音波板厚測定装置の全体構成を示す概念図である。 図１に示す送信用ＥＭＡＴの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る超音波板厚測定方法の手順を示すフローチャートである。 図１に示す超音波板厚測定装置で用いられる電磁超音波信号の信号波形の一例を示す波形図である。 図１に示す超音波板厚測定装置で用いられる電磁超音波信号の信号波形の別例を示す波形図である。 図１に示す受信用ＥＭＡＴで受信された電磁超音波信号の共鳴周波数と強度の関係を減肉の有無に照らして説明するグラフである。 本発明の実施形態の第１変形例に係る超音波板厚測定装置の全体構成を示す概念図である。 本発明の実施形態の第２変形例に係る超音波板厚測定装置の全体構成を示す概念図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、同一の又は相当する要素には全ての図を通じて同一の符号を付し、重複する詳細な説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波板厚測定装置１０の全体構成を示す概念図である。図１に示す超音波板厚測定装置１０（以下、単に「測定装置１０」と称する）は、材料内を伝播した電磁超音波信号の共鳴周波数に基づいて、ＥＭＡＲ（Electro-magnetic Acoustic Resonance：電磁超音波共鳴法）を用いて当該材料の板厚を測定するための装置である。測定装置１０は、本発明の実施形態に係る超音波板厚測定方法（以下、単に「測定方法」と称する）の手順の全部又は一部を実行する装置でもある。

本実施形態に係る測定装置１０及び測定方法は、例えば、原子力発電プラント等の大型プラントに適用され、大型プラント内の配管や圧力容器や反応容器等材料の板厚を測定する。電磁超音波信号を材料内で伝播させる必要があるので、材料は、磁性体であることが望ましい。以下では、特段断らない限り、原子力発電プラントの配管５０の板厚を測定するものとして説明し、当該配管５０が円鋼管であるものとして説明する。

原子力発電プラントの配管５０は、高温の液体を流通させる。温度を高温に保って液体を流通させるため、配管５０の周囲は所定の厚さの断熱材５５で覆われる。なお、断熱材５５は、電磁超音波信号が伝播する媒体として利用されない。配管５０内の液体も同様である。よって、電磁超音波信号は、配管５０内を伝播する過程で、配管５０と断熱材５５との界面で反射し、配管５０と液体との界面で反射する。

原子力発電プラントでは、配管５０の破断を防ぐため、配管５０の延在方向に沿って多数の測定箇所が設定されており、各測定箇所の断面内で板厚を定期的に測定し、それにより減肉の早期発見が試みられる。減肉の発生要因は様々であり、減肉は配管５０の円周方向に一様に進行しない。逆に言えば、減肉の進行が、或る１つの測定箇所の断面の一部分で局所的に速い場合がある。以下、減肉が最も速く進行し、それにより或る測定箇所の断面において最も板厚が小さくなっている部分を、「最減肉部５２」と称する場合もある。なお、図１は、或る１つの測定箇所の断面を概念的に示している。

配管５０の破断を防ぐためには、最減肉部５２の板厚を検知又は測定し、その板厚が健全であるか否かを適正に評価することが肝要である。また、最減肉部５２の広がり（周方向長さ）を検知し、その広がりが健全であるか否かを評価することができれば望ましい。本実施形態に係る測定装置１０及び測定方法によれば、減肉の進行が局所的に速くなっていても、最減肉部５２の板厚を自動的に検知することができる。しかも、この自動検知を低コストで実現することができる。以下、測定装置１０及び測定方法について具体的に説明する。

図１に示すように、或る１つの測定箇所にて配管５０の板厚を測定するため、測定装置１０が、送信用の電磁超音波探触子１１（以下、「送信用ＥＭＡＴ１１」と称する）と、受信用の電磁超音波探触子１２（以下、「受信用ＥＭＡＴ１２」と称する）と、パルサ／レシーバ１６と、制御装置１７とを備えている。本実施形態では、１つの送信用ＥＭＡＴ１１と１つの受信用ＥＭＡＴ１２とにより１つのＥＭＡＴ群が構成され、ＥＭＡＴ群が、１つの測定箇所に１群ずつ設けられている。パルサ／レシーバ１６は、全ての測定箇所に対して１つ設けられていてもよいし、多数の測定箇所のうちの一部分に対して１つ設けられていてもよいし、１つの測定箇所に１つずつ設けられていてもよい。制御装置１７の個数と測定箇所数との関係性も、これと同様である。

パルサ／レシーバ１６は、送信用ＥＭＡＴ１１、受信用ＥＭＡＴ１２及び制御装置１７と通信可能に接続されている。制御装置１７は、パルサ／レシーバ１６を制御し、送信用ＥＭＡＴ１１に電磁超音波信号を送信させる。送信用ＥＭＡＴ１１は、配管５０の外面上の送信位置２１にて、ある期間、電磁超音波信号を配管５０へと送信する。受信用ＥＭＡＴ１２は、配管５０の外面上の受信位置２２にて、配管５０内を伝播した電磁超音波信号を受信する。受信された電磁超音波信号は、パルサ／レシーバ１６に供給される。パルサ／レシーバ１６は、受信用ＥＭＡＴ１２から供給された信号データを制御装置１７に出力する。より具体的には、制御装置１７は、送信用ＥＭＡＴ１１から発生される電磁超音波の波形データ列を生成する。パルサ／レシーバ１６は、波形データ列に基づく任意波形のパルス電流を発生し、このパルス電流を送信用ＥＭＡＴ１７に供給する。パルサ／レシーバ１６は、受信用ＥＭＡＴ１２で受信した信号を増幅する差動増幅器としての機能と、増幅された信号の波形をストアしながら積算するオシロスコープとしての機能とを有し、このように積算された信号が制御装置に取り込まれる。

本実施形態では、パルサ／レシーバ１６が、電磁超音波信号を送信用ＥＭＡＴ１１に発生させる機能と、受信用ＥＭＡＴ１２により受信された信号の供給を受ける機能とを両方有するが、前者機能を有する装置と後者機能を有する装置とが別個であってもよい。制御装置１７は、例えば、マンマシンインタフェースを備えたパーソナルコンピュータであってもよい。この場合、原子力発電プラントの作業員は、制御装置１７を操作して、パルサ／レシーバ１６を起動及び停止させたり、送信用ＥＭＡＴ１１から送信される電磁超音波信号の仕様を変更したり、パルサ／レシーバ１６からの信号データを処理したりすることができる。

送信位置２１及び受信位置２２は、いずれも配管５０の外面上に設定される。本実施形態では、１群のＥＭＡＴ群が１つの受信用ＥＭＡＴ１２を含んでおり、１つの受信位置２２が１つの測定箇所に設定される。本実施形態では、送信位置２１が、受信位置２２と周方向に１８０度離れている。なお、送信位置２１と受信位置２２との間の距離は、電磁超音波信号が受信位置２２にて受信し得ないほどに減衰しない距離であればよい。後述のとおり、本実施形態に係る測定装置及び測定方法は、共鳴現象を利用しており、共鳴周波数での信号ピークに着目して減肉の有無等を測定する。よって、高い強度を示す共鳴周波数での信号を受信位置２２で受信可能である限りは、共鳴周波数領域以外の周波数の信号が減衰により受信及び測定不能であっても、減肉の有無等を測定することができる。

送信用ＥＭＡＴ１１は、送信位置２１の付近で、配管５０の外面上に設置される。受信用ＥＭＡＴ１２は、受信位置２２の付近で、配管５０の外面上に設置される。前述のとおり、配管５０の外面は断熱材５５で覆われている。送信用ＥＭＡＴ１１及び受信用ＥＭＡＴ１２は、いずれも断熱材５５に埋め込まれている。送信用ＥＭＡＴ１１は、ケーブル２６を介してパルサ／レシーバ１６と機械的且つ電気的に接続され、受信用ＥＭＡＴ１２は、ケーブル２７を介してパルサ／レシーバ１６と機械的且つ電気的に接続される。これらケーブル２６，２７は、例えば送信用ＥＭＡＴ１１及び受信用ＥＭＡＴ１２それぞれから断熱材５５内で径方向に延び、断熱材５５の外部に引き出され、配管５０及び断熱材５５の外部に設置されたパルサ／レシーバ１６へと接続されている。

図２は、図１に示す送信用ＥＭＡＴ１１の構成を示す模式図である。図２に示すように、送信用ＥＭＡＴ１１は、永久磁石３１，３２及びコイル３３を備え、コイル３３は、微視的に見れば、配管５０の外面と僅かに離間しており、パルサ／レシーバ１６と電気的に接続されている。永久磁石３１，３２は静磁場を発生する。パルサ／レシーバ１６がコイル３３にパルス電流（パルス信号）を流すと、配管５０内に誘起される渦電流と磁界との相互作用によってローレンツ力が発生し、このローレンツ力が音源となって配管５０内に超音波を発生させる。なお、図２中、丸内中央に点を付してなる記号は、紙面裏側から紙面表側への電流の流れを示しており、丸内に×を付してなる記号は、紙面表側から紙面裏側への電流の流れを示している。永久磁石３１は、Ｓ極が裏側から表側に電流を流すコイル部分（丸及び点から成る記号を参照）に対向するようにして配置され、永久磁石３２は、Ｎ極が表側から裏側に電流を流すコイル部分（丸及び×から成る記号を参照）に対向するようにして配置されている。

送信用ＥＭＡＴ１１は、永久磁石の構造及び配置とコイルの構造の適切な組み合わせにより、縦波、横波、表面波、ＳＨ波等、各種モードの超音波を送信することができる。本実施形態に係る電磁超音波信号には、配管５０の周方向に信号を伝播させながらＥＭＡＲを用いて板厚を測定するという測定装置１０及び測定方法の特性に照らし、適当なモードが適用される。

受信用ＥＭＡＴ１２も、これと同様の構成であり、配管５０内を伝播した超音波信号が、送信用ＥＭＡＴ１１のコイルとは逆の原理により、受信用ＥＭＡＴ１２のコイルで検出される。受信用ＥＭＡＴ１２のコイルはパルサ／レシーバ１６に電気的に接続され、パルサ／レシーバ１６は当該コイルで検出された超音波を増幅して積算することができる。

このように送信用ＥＭＡＴ１１及び受信用ＥＭＡＴ１２は、配管５０と非接触で配置することが可能である。このため、測定箇所付近で高温の流体が流れていても、送信用ＥＭＡＴ１１及び受信用ＥＭＡＴ１２を高温の配管５０から離して配置することができる。よって、送信用ＥＭＡＴ１１及び受信用ＥＭＡＴ１２が配管５０から受ける熱的影響を低減することができる。更に、送信用ＥＭＡＴ１１及び／又は受信用ＥＭＡＴ１２と配管５０の外面との間に形成される僅かなクリアランスに、薄い断熱層（図示せず）を配置してもよく、これによりＥＭＡＴ１１，１２が配管５０から受ける熱的影響を更に低減することができる。このような利点に照らして、本実施形態に係る測定装置１０は、高温機器を対象とした測定に好適に利用可能であり、また、高温機器を対象としていながらセンサ（送信用ＥＭＡＴ１１及び受信用ＥＭＡＴ１２）を常設可能になる。原子力発電プラントでは、配管の周囲に分厚い断熱材が設けられる。この断熱材にセンサを埋め込むようにしてセンサを常設可能になるので、測定作業を行うたびに断熱材を取り外したり取り付けなおしたりする必要もなくなる。

図３は、本発明の実施形態に係る超音波板厚測定方法の手順を示すフローチャートである図３に示すように、まず、制御装置１７がパルサ／レシーバ１６を作動させ、パルサ／レシーバ１６から送信用ＥＭＡＴ１１のコイル３３にパルス電流が供給される。これにより、電磁超音波信号が送信位置にて配管５０内に送信される（Ｓ１：送信工程）。電磁超音波信号は、ある期間が経過するまでの間、配管５０内に送信され続ける。

送信用ＥＭＡＴ１１は、周波数を変えながら電磁超音波信号を送信し、又は異なる周波数の電磁超音波信号を重畳してなる重畳信号を送信する。例えば、狭帯域の電磁超音波信号を、その帯域を時間的に変化させながら配管５０内に送信してもよい。この場合、パルサ／レシーバ１６からサインバースト波４１（図４参照）のパルス電流をコイル３３に供給してもよい。また、広帯域の電磁超音波信号を、帯域を一定にして又は帯域を時間的に変化させながら配管５０内に送信してもよく、このとき重畳信号が用いられる。この場合、パルサ／レシーバ１６から矩形波４２（図５参照）のパルス電流をコイル３３に供給してもよい。なお、図４及び図５は、パルサ／レシーバ１６から送信用ＥＭＡＴ１１に供給されるパルス電流の波形の例を示すグラフであり、図４及び図５において横軸は時間、縦軸は信号強度を示す。

次に、受信用ＥＭＡＴ１２が、配管５０内を伝播した電磁超音波信号を受信し、受信された電磁超音波信号がパルサ／レシーバ１６に供給される（Ｓ２：受信工程）。パルサ／レシーバ１６は、供給された電磁超音波信号の信号データを制御装置１７に出力する。パルサ／レシーバ１６は、電磁超音波信号を増幅し、増幅された信号に基づく信号データを制御信号１７に出力してもよいし、増幅された信号を積算することにより得られた信号データを制御信号１７に出力してもよい。次に、制御装置１７に内蔵されたプログラムが自動で又はマンマシンインタフェースを介して制御装置１７を操作する作業員が制御装置１７を用いて、制御信号１７に入力された信号データに基づき、受信位置で受信された電磁超音波信号の周波数と強度の関係性を導出する（Ｓ３：関係導出工程）。

図６は、受信用ＥＭＡＴ１２で受信された電磁超音波信号の周波数と強度の関係性を減肉の有無に照らして示すグラフである。横軸及び縦軸は、周波数及び信号強度（例えば、時間積分値）をそれぞれ示している。実線及び破線は、減肉が生じていない場合及び局所的な減肉が生じている場合をそれぞれ表している。

電磁超音波共鳴法（ＥＭＡＲ）の原理によれば、定在波が得られる周波数で電磁超音波が共鳴し、受信された電磁超音波信号のうち該周波数に対応する信号強度が増大する。したがって、図６に示すように、周波数を横軸にとって信号強度を縦軸にとって線図を描くと明らかとなるように、定在波が得られると考察される周波数（以下、「共鳴周波数」と称する）において、電磁超音波信号の強度が顕著に高くなる。以下、信号強度が顕著に高くなっている部分を「信号ピーク」と称し、強度ピークにおける信号強度の最大値を「信号ピーク値」と称する。図６に示すように、複数の信号ピークが、ｎ次の共鳴周波数（ｎは自然数）に対応して表れる。大略的に、低次の共鳴周波数に対応する信号ピーク値は、高次の共鳴周波数に対応する信号ピーク値よりも大きい。

前述のとおり、配管５０内を伝播する電磁超音波信号は、配管５０の外表面及び配管５０の内表面で反射する。このため、共鳴周波数は、送信位置２１から受信位置２２に至るまで電磁超音波信号が伝播した領域内における配管５０の板厚に依存する。

或る測定箇所における配管５０の断面に減肉が全く生じていない場合、ｎ次の共鳴周波数ｆＡ_ｎ（以下、「基準ｎ次共鳴周波数ｆＡ_ｎ」と称する）は、ＥＭＡＲの原理に従って、下記式（１）を用いて表すことができる。

ｆＡ_ｎ＝ｎ（ＣＡ／２ＤＡ） …（１）
式（１）において、ｎは、基準ｎ次共鳴周波数の次数（ｎ：自然数）、ＣＡは、基準温度の配管５０内を伝播する電磁超音波信号の音速、ＤＡは、配管５０に減肉が生じていない場合における配管５０の板厚（以下、「基準板厚ＤＡ」と称する）。隣接する２つの信号ピークの横軸方向の間隔ΔｆＡは、ある次数の基準共鳴周波数と、それよりも１つ次数が大きい基準共鳴周波数との差分絶対値であり、式（１）から明らかなとおり基準１次共鳴周波数ｆＡ_１の値と等しい。

一方、配管５０に減肉が生じている場合には、電磁超音波信号が送信位置２１から受信位置２２に至るまでの間で、減肉によって基準板厚ＤＡよりも板厚が小さくなっている部分を通過する。このとき、最も減肉が進行している部分の板厚（すなわち、送信位置２１と受信位置２２との間で最小の板厚）に対応した共鳴周波数ｆＢ_１，ｆＢ_２，ｆＢ_３，…を得ることができる。この共鳴周波数におけるｆＢ_１，ｆＢ_２，ｆＢ_３，…の信号強度も周辺の周波数に対応した信号強度と比較して高くなる。このため、減肉が生じている場合、電磁超音波信号の周波数と強度との関係性を導出することにより、共鳴周波数ｆＢ_１，ｆＢ_２，ｆＢ_３，…の存在を検知することができる。

図３に戻り、このようにして電磁超音波信号の周波数と強度との関係性が導出された後、制御装置１７が内蔵のプログラムを実行して又はマンマシンインタフェースを介して作業員が制御装置１７を操作して、測定箇所における配管の断面に減肉が存在するか否かが測定される。また、減肉が存在しているとすれば、最も減肉が進行している部分の減肉の程度がどの程度であるのか（すなわち、当該最減肉部５２の板厚ＤＢ）が測定される（Ｓ４：板厚算出工程）。

その手法の一例としては、信号ピークを示す１次共鳴周波数ｆＢ_１が、基準１次共鳴周波数ｆＡ_１と比較され、その差分が許容誤差の範囲内に収まっているか否かが判断される。許容誤差の範囲内に収まっていれば、減肉が無い又は無視可能であると評価してもよい。許容誤差の範囲外であれば、減肉が存在すると評価してもよい。減肉が存在すると評価する場合には、信号ピークを示すｎ次共鳴周波数ｆＢ_ｎから下記式（２）を用いて、最減肉部５２の板厚ＤＢを算出することができる。

ＤＢ＝ｎ（ＣＢ／２ｆＢ_ｎ） …（２）
式（２）において、ｎは共鳴周波数ｆＢ_ｎの次数、ＣＢは、測定時の電磁超音波信号の音速である。最減肉部５２が周方向に大きいと、定在波を得やすくなり、それにより共鳴が発生して信号ピーク値が大きくなる。この傾向は、低次の共鳴周波数であるほど顕著に現れる。そこで、１次共鳴周波数に対応する信号ピーク値ＹＢ_１に応じて、最減肉部５２の周方向長さを測定することもでき、その周方向長さ又は信号ピーク値ＹＢ_１そのものに応じて、減肉の程度を評価することが可能になる。

このように、本実施形態に係る測定装置１０及び測定方法によれば、電磁超音波信号が送信される送信位置２１と、電磁超音波信号を受信する受信位置２２とが配管５０の周方向に離れている。受信位置２２では、送信位置２１から配管５０内を周方向に伝播した電磁超音波信号が受信される。送信位置２１と受信位置２２との間に減肉が生じていなければ、受信された電磁超音波信号の信号ピークの間隔ΔｆＡは、基準板厚ＤＡに応じた或る値となるし、信号ピークを示す基準共鳴周波数も、基準板厚ＤＡに応じた値となる。一方、送信位置２１と受信位置２２との間の一部に局所的な減肉が生じていれば、減肉した箇所を通過した電磁超音波信号が受信位置２２で受信され、受信された電磁超音波信号に、基準共鳴周波数よりも大きい周波数で信号ピークが現れる。これは、減肉した箇所を通過した電磁超音波信号の定在波が共鳴するところ、当該共鳴周波数が、減肉した箇所の板厚に依存した値となるためである。このようにして、受信された電磁超音波信号の信号ピークの間隔ΔｆＢは、減肉がない場合の間隔ΔｆＡよりも大きくなるし、信号ピークを示す共鳴周波数ｆＢ_ｎは基準共鳴周波数ｆＡ_ｎよりも大きくなる。

信号ピークが初期状態から変化することに基づき、送信位置２１と受信位置２２との間で減肉が生じていることを検知することができる。このように、送信位置２１が受信位置２２と周方向に離れていることで、送信位置２１と受信位置２２との間の広い範囲で減肉の有無を測定することができるようになり、局所的な減肉が進行していたとしても、少ない送信位置２１及び受信位置２２でこれを検知可能になる。

本実施形態では、送信位置２１と受信位置２２とが１８０度離れて配置されている。電磁超音波信号は、送信位置２１から見て時計回りに受信位置２２へと伝播するし、送信位置２１から見て反時計回りにも受信位置２２へと伝播する。このため、図１では例として、送信位置２１から見て時計回り側に最減肉部５２が存在し、図６ではこの最減肉部５２の測定が可能である旨示しているが、送信位置２１から見て反時計回り側に最減肉部５２が存在していても、同様にしてその測定を行うことができる。すなわち、或る一つの測定箇所における配管５０の断面内で局所的な減肉がどの位置に発生していても、その有無及び程度を自動的に測定することができる。しかも、配管５０上に固定された２つのＥＭＡＴによりこのように自動測定可能であるので、測定装置１０の低コスト化を実現することができる。

図７は、本発明の実施形態の第１変形例に係る超音波板厚測定装置６０の構成を示す概念図である。図７も、図１と同様、或る１つの測定箇所における配管５０の断面を模式的に示している。図７に示すように、第１変形例に係る測定装置６０は、１つの測定箇所にて配管５０の板厚を測定するために、前述同様にして、１群のＥＭＡＴ群と、パルサ／レシーバ６６と、制御装置６７とを備えている。第１変形例に係るＥＭＡＴ群には、１つの送信用ＥＭＡＴ６１と、２つの受信用ＥＭＡＴ６２，６３とが含まれる。このように、受信用ＥＭＡＴ６２，６３は１つに限定されず、２つ又はそれ以上であってもよい。

第１変形例では、受信用ＥＭＡＴ６２，６３が２つであるので、これら２つの受信用ＥＭＡＴ６２，６３それぞれに対応する２つの受信位置７２，７３が、配管５０の外面上であって送信位置７１から周方向に離れた位置に設定されている。第１変形例では、第１の受信位置７２が、上記実施形態と同様にして送信位置７１から周方向に１８０度離れており、第２受信位置７３が、送信位置７１から周方向に９０度離れているが、その配置は特に限定されず、適宜変更可能である。この第１変形例においては、２つの受信信号を比較し、減肉の評価を高精度で行うことができる。また、２つの受信信号の信号ピーク値を画することにより、減肉位置を測定することも可能になる。

図８は、本発明の実施形態の第２変形例に係る超音波板厚測定装置１１０の構成を示す概念図である。図８も、図１と同様、或る１つの測定箇所における配管５０の断面を模式的に示している。図８に示すように、第２変形例に係る測定装置１１０は、１つの測定箇所にて配管５０の板厚を測定するために、前述同様にして、１つの送信用ＥＭＡＴ１１１及び１つの受信用ＥＭＡＴ１１２からなる１群のＥＭＡＴ群と、パルサ／レシーバ１１６と、制御装置１１７とを備えている。第２変形例では、送信用ＥＭＡＴ１１１及び受信用ＥＭＡＴ１１２が、断熱材５５の外部に配置されている。送信位置１２１と受信位置１２２とは、上記の実施形態と同様にして配管５０の外面上に設定されている。そこで第２変形例に係る測定装置１１０は、配管５０に取り付けられた２つの探触子取付部材１４５を備えている。

送信用の探触子取付部材１４５は、送信位置１２１から断熱材５５を径方向に延びて断熱材の外側へと延びるロッド１４６と、ロッド１４６の先端に固定された探触子テーブル１４７とを備えている。受信用の探触子取付部材１４５は、受信位置１２２から断熱材５５を径方向に延びて断熱材の外部へと突出するロッド１４６と、ロッド１４６の先端に固定された探触子テーブル１４７とを備えており、この探触子テーブル１４７は、送信用の探触子テーブル１４７と周方向に１８０度離れて配置されている。送信用ＥＭＡＴ１１１及び受信用ＥＭＡＴ１１２は、対応する探触子テーブル１４７それぞれに着脱可能に装着される。探触子取付部材１４５は、磁性体からなり、電磁超音波信号は探触子取付部材１４５内を伝播することができる。送信用ＥＭＡＴ１１１から送信された電磁超音波信号は、送信用の探触子取付部材１４５を伝播し、送信位置１２１から配管５０内に送信され、配管５０内を周方向に伝播し、受信位置１２２から受信用の探触子取付部材１４５へと伝播し、受信用ＥＭＡＴ１１２にて受信される。第２変形例によっても、上記実施形態と同様にして配管５０の減肉を測定することができる。また、第２変形例においては、送信用ＥＭＡＴ１１１及び受信用ＥＭＡＴ１１２の保守作業を簡便に行うことができる。

なお、上記実施形態及び変形例においては、材料を円形の配管とし、送信位置と受信位置とが当該配管の周方向に離れている場合を例示したが、材料は必ずしも円形管でなくてもよく、その場合送信位置と受信位置とが離隔する方向も適宜変更可能である。

本発明は、配管等材料の減肉を低コストで自動的に測定することができ、また、減肉が局所的に生じていてもこれを検知することができるとの作用効果を奏し、例えば原子力発電プラントの配管の減肉の評価に利用すると有益である。

１０，６０，１１０ 超音波板厚測定装置
１１，６１，１１１ 送信用電磁超音波探触子
１２，６２，６３，１１２ 受信用電磁超音波探触子
１６，６６，１１６ パルサ／レシーバ
１７，６７，１１７ 制御装置
２１，７１，１２１ 送信位置
２２，７２，７３，１２２ 受信位置
４１ サインバースト波
４２ 矩形波
１４５ 探触子取付部材
５０ 配管
５２ 最減肉部
５５ 断熱材

Claims (6)

1. 円筒状の材料内を伝播した電磁超音波信号の共鳴周波数に基づき、電磁超音波共鳴法を用いて当該材料の板厚を測定するための超音波板厚測定方法であって、
   材料の表面上の送信位置にて、異なる周波数の電磁超音波信号を時間的に変えながら又は重畳して同時に前記材料内へと送信する送信ステップと、
   材料の表面上で前記送信位置から前記材料の周方向に離れた１以上の受信位置それぞれにて、前記材料内を伝播し電磁超音波信号を受信する受信ステップと、
   受信された電磁超音波信号の波形ピークの間隔、又は受信された電磁超音波信号のピークを示す共鳴周波数に基づいて、前記送信位置と前記受信位置との間で減肉した箇所の板厚を算出する減肉検出ステップと、
   を備える、超音波板厚測定方法。
2. 前記減肉検出ステップにおいて、受信された電磁超音波信号のピーク値に基づいて、前記送信位置と前記受信位置との間の減肉範囲を算出する、請求項１に記載の超音波板厚測定方法。
3. 円筒状の材料内を伝播した電磁超音波信号の共鳴周波数に基づき、電磁超音波共鳴法を用いて当該材料の板厚を測定するための超音波板厚測定装置であって、
   前記材料の表面上の送信位置にて、異なる周波数の電磁超音波信号を時間的に変えながら又は重畳して同時に前記材料内へと送信する送信用ＥＭＡＴと、
   前記材料の表面上で前記送信位置から前記材料の周方向に離れた１以上の受信位置それぞれにて、前記材料内を伝播した電磁超音波信号を受信する１以上の受信用ＥＭＡＴと、を備える、超音波板厚測定装置。
4. 前記送信用ＥＭＡＴが前記材料の表面上の前記送信位置に設置され、前記１以上の受信用ＥＭＡＴが前記材料の表面上の前記１以上の受信位置それぞれに設置されている、請求項３に記載の超音波板厚測定装置。
5. 前記受信用ＥＭＡＴが１つであり、前記送信位置と前記受信位置とが前記材料の周方向に１８０度離れて配置されている、請求項４に記載の超音波板厚測定装置。
6. 前記材料が発電プラント内に設けられた配管であり、前記配管の外周側に断熱材が設けられている、請求項５に記載の超音波板厚測定装置。

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