JP5921301B2

JP5921301B2 - Ｆｒｐ製タンクのａｅ発生位置標定装置及び方法

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Publication number: JP5921301B2
Application number: JP2012092131A
Authority: JP
Inventors: 寺田　和正; 和正寺田; 佐藤　明良; 明良佐藤; 敬之廣島
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: JP2013221794A

Description

本発明は、耐圧試験時にＡＥ発生位置を測定するＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定装置及び方法に関する。

ＡＥ（アコースティックエミッション：音響発生）とは、材料の変形又は破損に伴い材料から発生する弾性波を意味する。また、ＡＥ信号とは、ＡＥ波を電気信号に変換して得られる物理量を意味し、ＡＥセンサとはＡＥ信号を受信又は検出するセンサを意味する。さらにＡＥ試験又はＡＥ法は、ＡＥ信号に基づき材料の変形又は破損の程度やその位置を特定する試験又は試験方法を意味する。

金属製又は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の圧力タンクに、ＡＥセンサを取り付け、圧力タンクの破壊の兆候を検出することが、特許文献１，２に開示されている。
また、金属製のタンクに複数のＡＥセンサを取り付け、タンクの底板等に発生するＡＥ信号を検出して、ＡＥ発生位置を標定することが特許文献３に提案されている。

国際公開第２００９／００８５１５号、「高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置」特開２０１０−１４６２４号公報、「圧力タンク及び圧力タンクにおける内部欠陥検出方法」特開２００５−１７０８９号公報、「タンク検査方法およびタンク検査装置」

特許文献１，２の手段は、圧力タンクの破壊の兆候を検出できるが、その破壊位置、すなわちＡＥ発生位置を標定することはできない。
一方、特許文献３の手段は、ＡＥ発生位置の標定ができるが、金属製タンクではなく、ＦＲＰ製タンクに適用した場合、以下の問題点があった。

ＦＲＰ製タンクは、強化材に金属繊維、炭素繊維、セラミック繊維、高分子繊維などが用いられ、母材に高分子、ゴム、セラミック、金属などが用いられている。そのため、ＦＲＰ製タンクは、強化材と母材とでＡＥ波の伝播速度が異なるため、伝播速度が繊維の方向に依存する異方性がある。
また、ＦＲＰ製タンクから発生するＡＥ信号は、母材と強化材とで相違し、低周波数（例えば２５ｋＨｚ）から高周波数（例えば１ＭＨｚ）までの広域である。
さらに、ＦＲＰ製タンクの外殻を伝播するＡＥ波は伝播速度（音速）が違う縦波、横波および、板波が混在している。

従って、金属製タンクを対象とした従来のＡＥ発生位置測定手段をそのままＦＲＰ製タンクに適用すると、ＦＲＰ製タンクの外殻を伝播する混在したＡＥ波と、タンク内の液中を伝播するＡＥ波（「縦波」）とが混在しその識別が困難であった。その結果、従来の手段では、ＡＥ発生位置の標定誤差が大きかった。

また、ＦＲＰ製タンク（例えば、ＦＲＰ製ロケットモータケース）の耐圧試験を実施する際には、ＦＲＰ製タンクの外面に、歪測定用センサや、変位測定用センサを多数取り付ける必要があり、ＡＥセンサの取り付けスペースが不足する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、ＦＲＰ製タンクに適用することができ、耐圧試験時にＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置を正確に標定することができるＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定装置及び方法を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、ＦＲＰ製タンクの耐圧試験時に、歪測定用センサや変位測定用センサの設置位置にかかわらず、ＡＥセンサの取り付けスペースを確実に確保できるＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、被検体であるＦＲＰ製タンクの開口を液密に閉鎖可能な密封蓋と、
前記密封蓋から前記ＦＲＰ製タンクに充填された液体の内部まで延び内側が液密に設けられた取付部材と、
前記液体の内部であって前記取付部材の前記内側に互いに間隔を隔てて設置される３以上のＡＥセンサと、
前記液体の内部で前記密封蓋と前記ＡＥセンサとの間に介在する弾性体と、
ＡＥセンサで受信したＡＥ波に基づき、ＡＥ波の発生位置を算出する演算装置とを備え、
前記ＡＥセンサは、前記弾性体が前記ＦＲＰ製タンクの外殻から直接伝搬されるＡＥ波を遮断することにより前記液体のみを介してＡＥ波を受信する、ことを特徴とするＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定装置が提供される。

また本発明によれば、被検体であるＦＲＰ製タンクの開口を密封蓋で液密に閉鎖し、
３以上のＡＥセンサを、前記密封蓋から前記ＦＲＰ製タンクに充填される液体の内部となる位置まで延びる液密に設けられた取付部材の内側であって該液体の内部に位置するように互いに間隔を隔てて設置し、前記密封蓋とＡＥセンサとの間に前記液体の内部に位置するように弾性体を介在させ、
ＦＲＰ製タンク内に前記液体を充填し、該液体の圧力を加圧しながらＡＥセンサでＡＥ波を受信し、
演算装置により、ＡＥセンサで受信したＡＥ波に基づき、ＡＥ波の発生位置を算出し、
前記ＡＥセンサは、前記弾性体が前記ＦＲＰ製タンクの外殻から直接伝搬されるＡＥ波を遮断することにより前記液体のみを介してＡＥ波を受信する、ことを特徴とするＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定方法が提供される。

上記本発明の装置及び方法によれば、ＦＲＰ製タンクに充填された液体のみを介してＡＥ波を受信する３以上のＡＥセンサが、密封蓋の内側に互いに間隔を隔てて設置されるので、ＦＲＰ製タンクの液圧による耐圧試験時において、ＦＲＰ製タンクの外殻で発生したＡＥ波は、液体のみを介してＡＥセンサに伝播される。
従って、ＡＥセンサはタンク内の液中を伝播するＡＥ波（「縦波」）のみを受信し、液中の音速は一定と見なせることから、３以上のＡＥセンサで受信したＡＥ波に基づき、ＡＥ波の発生位置を正確に標定することができる。

また、本発明によれば、３以上のＡＥセンサが、密封蓋の内側に設置されるので、ＦＲＰ製タンクの耐圧試験時に、歪測定用センサや変位測定用センサの設置位置にかかわらず、ＡＥセンサの取り付けスペースを確実に確保できる。

本発明のＡＥ発生位置標定装置の全体構成図である。図２は、取付部材の詳細を示す図である。本発明のＡＥ発生位置標定方法の全体フロー図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のＡＥ発生位置標定装置１０の全体構成図である。

本発明の試験対象であるＦＲＰ製タンク１は、例えばＦＲＰやＣＦＲＰなどの複合材料からなるタンクである。なお、ＦＲＰ製タンク１は、ＦＲＰ、ＣＦＲＰ以外の複合材料からなるタンクであってもよい。
ＦＲＰ製タンク１は、内部に液体２を充填し、加圧装置１１により液体２の圧力をステップ状に上昇させて加圧するように構成されている。ＦＲＰ製タンク１の形状は、この例では円筒形であるが、球形、その他の形状であってもよい。
ＦＲＰ製タンク１の外殻１ａの形状は、この例では外側に膨らんだ凸面であるが、平面であっても、内側にへこんだ凹面であってもよい。

ＦＲＰ製タンク１は、１又は複数の開口１ｂを有する。開口１ｂは、この例では、円筒形タンクの対象軸上に、上下２つが設けられている。なお、開口１ｂは１つでも３以上であってもよい。
また、ＦＲＰ製タンク１の姿勢は、この例では対象軸を鉛直に示しているが、本発明はこれに限定されず、任意の姿勢であってもよい。

内部に充填する液体２は、好ましくは加圧水（淡水）であるが、その他の液体（例えば海水、作動油、グリセリン、等）であってもよい。

図１において、本発明のＡＥ発生位置標定装置１０は、密封蓋１２、ＡＥセンサ１４、演算装置１６及び出力装置１８を備える。

密封蓋１２は、ＦＲＰ製タンク１の開口１ｂを液密に閉鎖可能であり、その内側に、ＡＥセンサ１４を取り付ける取付部材１３を有する。なおこの例で、密封蓋１２は、図で上部の開口１ｂを閉鎖する上部密封蓋１２ａと、図で下部の開口１ｂを閉鎖する下部密封蓋１２ｂとからなる。
なお、開口１ｂが複数ある場合には、そのすべてに密封蓋１２を設け、ＦＲＰ製タンク１の内部を密閉空間とする必要がある。

取付部材１３は、この例では上部密封蓋１２ａに設けられ、密封蓋１２（上部密封蓋１２ａ）を貫通して液密に延びる中空管１３ａと、中空管１３ａの内方端に位置するセンサ取付部１３ｂとからなる。
なお、取付部材１３の取り付けは、単一の密封蓋１２に限定されず、複数の密封蓋１２に分散させて取り付けてもよい。

取付部材１３は、ＦＲＰ製タンク１の外殻１ａからＡＥセンサ１４へ直接伝播するＡＥ波３ａを遮断するように、好ましくはＡＥ波３ａが伝播し難い材料で構成され、かつＡＥセンサ１４を液体２の内部に確実に埋没させるように寸法が設定されている。ＡＥ波３ａは、伝播速度（音速）が異なる縦波、横波、板波が混在しているＡＥ波である。

図２は、取付部材１３の詳細を示す図である。この図において（Ａ）は取付部材１３の詳細図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部詳細図である。
図２（Ａ）に示すように、センサ取付部１３ｂは中空管であり、その内側にＡＥセンサ１４が収容され、ＡＥセンサ１４にＦＲＰ製タンク１内の圧力が作用しないようになっている。
また、図２（Ｂ）に示すように、センサ取付部１３ｂの下端にはＯリング１９を介して中空管蓋２０がボルト２１で固定され、ＦＲＰ製タンク１内の液体２がセンサ取付部１３ｂ内に侵入しないようになっている。

なおＯリング１９は、他のシール材で置き換えてもよい。Ｏリング１９又はその他のシール材は、例えばニトリルゴム、シリコンゴム等の弾性体である。このような弾性体を用いることにより、ＦＲＰ製タンク１の外殻１ａからＡＥセンサ１４へ直接伝播するＡＥ波３ａを遮断することができる。

なお、液体２と接触する中空管１３ａ、センサ取付部１３ｂ、中空管蓋２０、ボルト２１は、耐食性のある材料、例えばステンレス材であるのがよい。

３以上のＡＥセンサ１４は、密封蓋１２の内側のセンサ取付部１３ｂに互いに間隔を隔てて設置され、ＦＲＰ製タンク１に充填された液体２のみを介してＡＥ波３を受信するようになっている。
また、ＡＥセンサ１４の配置は、少なくとも３つのＡＥセンサ１４で、ＡＥ波３の発生位置を特定できるように、好ましくは多角形の各頂点に設置されている。この多角形は、ＡＥセンサ１４が３つの場合は正三角形、ＡＥセンサ１４がＮ個の場合は正Ｎ角形であるのが好ましいが、これに限定されない。

さらにＡＥセンサ１４をセンサ取付部１３ｂに設置した状態において、ＡＥセンサ１４のセンサケーブル１４ａは、中空管１３ａの内側を通してＦＲＰ製タンク１の外側に取り出され、その出力信号を演算装置１６に入力するようになっている。
また、ＡＥセンサ１４を設置した状態において、中空管１３ａの内方端は液密にシールされる。

ＡＥセンサ１４は、ＦＲＰ製タンク１の耐圧試験時における最大圧力に耐える耐圧性能と防水性能を有する必要がある。またＡＥセンサ１４は、液中を伝
播するＡＥ波３ｂの帯域を持つセンサである必要がある。

図１において、演算装置１６は、例えばコンピュータであり、３以上のＡＥセンサ１４で受信したＡＥ波３（縦波３ｂ）に基づき、ＡＥ波３の発生位置（すなわち、ＡＥ発生源４の位置）を算出する。この算出には、３次元位置標定を行う周知のソフトウェアを用いる。

なお、ＡＥセンサ１４又は演算装置１６に閾値を設け、ＦＲＰ製タンク１の外殻１ａから取付部１３に伝播したわずかなＡＥ波３ａを含むノイズを除去する。

上述したように、ＦＲＰ製タンク１の外殻１ａを伝播するＡＥ波３ａは、縦波、横波、板波が混在しているＡＥ波であり、その伝播速度（音速）がそれぞれの波により異なるため位置標定が難しい。
一方、液中を伝播するＡＥ波３（縦波３ｂ）は縦波であり、その液中伝播速度は温度、圧力が一定の場合、一定（例えば水の場合、約１５００ｍ／ｓ）である。
従って、３以上のＡＥセンサ１４の３次元位置が既知であれば、単一のＡＥ発生源４から各ＡＥセンサ１４までの縦波３ｂの伝播時間を求めることにより、各ＡＥセンサ１４からＡＥ発生源４までの距離が求まり、ＡＥ発生源４の３次元位置を算出することができる。

図１において、出力装置１８は、例えば表示装置（コンピュータ用のディスプレイ）、プリンタ、又は外部装置への出力デバイスであり、算出したＡＥ発生源４の３次元位置を表示、印刷、又は出力する。

図３は、本発明のＡＥ発生位置標定方法の全体フロー図である。
この図に示すように、本発明のＡＥ発生位置標定方法は、Ｓ１〜Ｓ７の各ステップ（工程）からなる。

Ｓ１では、被検体であるＦＲＰ製タンク１と、ＦＲＰ製タンク１の開口を液密に閉鎖可能な密封蓋１２を準備する。
またこの準備において、ＦＲＰ製タンク１の内部に加圧装置１１により液体２を充填し、液体２の圧力をステップ状に上昇又は下降させるように構成する。

Ｓ２では、３以上のＡＥセンサ１４を、ＦＲＰ製タンク１に充填された液体２のみを介してＡＥ波３を受信するように、密封蓋１２の内側に互いに間隔を隔てて設置する。この際、３以上のＡＥセンサ１４を、好ましくはそれぞれ多角形の各頂点に設置する。
また、各ＡＥセンサ１４の３次元位置を、演算装置１６に設けられた記憶装置（図示せず）に記憶させる。

Ｓ３では、ＦＲＰ製タンク１の開口を密封蓋１２で液密に閉鎖する。

Ｓ４では、耐圧試験を実施する。この耐圧試験では、ＦＲＰ製タンク１に充填された液体２の圧力を、ステップ状に上昇させて加圧するのが好ましい。

Ｓ５では、耐圧試験中に３以上のＡＥセンサ１４でＡＥ波３を検出する。
耐圧試験中に、検出されたすべてのＡＥ波３は、演算装置１６に設けられた記憶装置（図示せず）に、時系列的に記憶する。
なお耐圧試験中に発生するＡＥ波３は、ＦＲＰ製タンク１の外殻１ａのどこで発生するかは不明である。

Ｓ６では、３以上のＡＥセンサ１４で受信したＡＥ波３（縦波３ｂ）に基づき、ＡＥ波３の発生位置（すなわち、ＡＥ発生源４の位置）を算出する。

上述したように、３以上のＡＥセンサ１４の３次元位置が既知であれば、単一のＡＥ発生源４から各ＡＥセンサ１４までの縦波３ｂの伝播時間を求めることにより、各ＡＥセンサ１４からＡＥ発生源４までの距離が求まり、ＡＥ発生源４の３次元位置を算出することができる。

Ｓ７では、出力装置１８により、算出したＡＥ発生源４の３次元位置を表示、印刷、又は出力する。

上述した本発明の装置及び方法によれば、ＦＲＰ製タンク１に充填された液体２のみを介してＡＥ波３を受信する３以上のＡＥセンサ１４が、密封蓋１２の内側に互いに間隔を隔てて設置されるので、ＦＲＰ製タンク１の液圧による耐圧試験時において、ＦＲＰ製タンク１の外殻１ａで発生したＡＥ波３は、液体２のみを介してＡＥセンサ１４に伝播される。
従って、ＡＥセンサ１４はタンク内の液中を伝播するＡＥ波３（縦波３ｂ）のみを受信し、液中の音速は一定と見なせることから、３以上のＡＥセンサ１４で受信したＡＥ波３に基づき、ＡＥ波３の発生位置（ＡＥ発生源４）を正確に標定することができる。

また、本発明によれば、３以上のＡＥセンサ１４が、密封蓋１２の内側に設置されるので、ＦＲＰ製タンク１の耐圧試験時に、歪測定用センサや変位測定用センサの設置位置にかかわらず、ＡＥセンサ１４の取り付けスペースを確実に確保できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ＦＲＰ製タンク、１ａ外殻、１ｂ開口、２液体、３ＡＥ波、
３ａＡＥ波（縦波、横波、板波）、３ｂ縦波、４ＡＥ発生源、
１０ＡＥ発生位置標定装置、１１加圧装置、
１２密封蓋、１２ａ上部密封蓋、１２ｂ下部密封蓋、
１３取付部材、１３ａ中空管、１３ｂセンサ取付部、
１４ＡＥセンサ、１４ａセンサケーブル、
１６演算装置、１８出力装置、
１９Ｏリング、２０中空管蓋、２１ボルト

Claims

被検体であるＦＲＰ製タンクの開口を液密に閉鎖可能な密封蓋と、
前記密封蓋から前記ＦＲＰ製タンクに充填された液体の内部まで延び内側が液密に設けられた取付部材と、
前記液体の内部であって前記取付部材の前記内側に互いに間隔を隔てて設置される３以上のＡＥセンサと、
前記液体の内部で前記密封蓋と前記ＡＥセンサとの間に介在する弾性体と、
ＡＥセンサで受信したＡＥ波に基づき、ＡＥ波の発生位置を算出する演算装置とを備え、
前記ＡＥセンサは、前記弾性体が前記ＦＲＰ製タンクの外殻から直接伝搬されるＡＥ波を遮断することにより前記液体のみを介してＡＥ波を受信する、ことを特徴とするＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定装置。
前記取付部材は、前記密封蓋から前記液体の内部まで延びる中空管と、
前記液体の内部で、該液体と前記中空管の内側とを仕切る中空管蓋と、を有し、
前記ＡＥセンサは、前記中空管蓋の内側に取り付けられ、
前記弾性体は、前記中空管と前記中空管蓋との間に介在し、前記中空管の内側を液密に保つ、ことを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定装置。
前記３以上のＡＥセンサは、多角形の各頂点に設置されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定装置。
被検体であるＦＲＰ製タンクの開口を密封蓋で液密に閉鎖し、
３以上のＡＥセンサを、前記密封蓋から前記ＦＲＰ製タンクに充填される液体の内部となる位置まで延びる液密に設けられた取付部材の内側であって該液体の内部に位置するように互いに間隔を隔てて設置し、前記密封蓋とＡＥセンサとの間に前記液体の内部に位置するように弾性体を介在させ、
ＦＲＰ製タンク内に前記液体を充填し、該液体の圧力を加圧しながらＡＥセンサでＡＥ波を受信し、
演算装置により、ＡＥセンサで受信したＡＥ波に基づき、ＡＥ波の発生位置を算出し、
前記ＡＥセンサは、前記弾性体が前記ＦＲＰ製タンクの外殻から直接伝搬されるＡＥ波を遮断することにより前記液体のみを介してＡＥ波を受信する、ことを特徴とするＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定方法。
前記３以上のＡＥセンサを、多角形の各頂点に設置する、ことを特徴とする請求項４に記載のＦＲＰ製タンクのＡＥ発生位置標定方法。