JP6659388B2 - 鋳造管の寿命評価装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造管の寿命評価装置およびその方法に関し、詳しくは、鋳造管の外表面をスクリーニングして該鋳造管の寿命を評価する鋳造管の寿命評価装置およびその方法に関する。

耐熱遠心鋳造管、例えば、天然ガス改質器触媒管であるリフォーマ反応管（以下、反応管という。）は高温（約１０００℃）で使用されるため、運転中にクリープ損傷が生じて噴破に至る恐れがある。このため、従来より、反応管などの高温機器である配管全般の外表面をスクリーニングして反応管等の寿命を評価する方法が種々提案されている。

例えば、従来より、反応管の寿命を評価するために、該反応管の定検（1回／２〜４年）を行うようにしている。具体的には、反応管は寿命末期にクリープ変形（膨出）することに着目し、その変形量を評価することで寿命評価を実施している。例えば、レーザ計測器を搭載した自走式検査装置にて全長の外径を計測することで、クリープ変形傾向を把握し、損傷のある反応管を検出するようにしている。

特開平９−１５９５８２号公報 実開昭６０−９３９０７号公報

ところで、近年の反応管高強度化に伴い該反応管のクリープ変形量が小さくなっており、検出対象が変形量１％（＝１．３ｍｍ程度）と高精度での計測が必要となっているため、現状では、十分な評価の精度は得られていない。

また、反応管の詳細な寿命評価方法として，専用治具を用いた外径計測と超音波探傷による肉厚計測とを組合わせて、該反応管の内径の膨出率を評価したり、該反応管の冶金的変化（炭化物形態）に注目して寿命評価する手法も存在する。

しかしながら、このような寿命評価手法では、１）調査範囲が数ｃｍ幅と狭く、２）１箇所当たりの調査時間が長く（数時間／箇所）、３）反応管の周辺に足場を組む必要があるといった問題があった。このため、事前に反応管の要調査箇所の選定が必要となるが、その選定は容易でなく、現状では有効なスクリーニング手法は存在しなかった。

なお、特許文献１には、反応管のクリープ損傷を評価する技術が記載されているが、その硬さや変形量を計測するもので、前述した理由と同じ理由により、近年の高強度材には適用困難である。また、特許文献２には、自動で反応管のクリープ損傷を評価する技術が記載されているが、この技術もその変形量を計測するもので、同様の理由により、近年の高強度材には適用困難である。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋳造管の外表面をスクリーニングするにあたり、短時間で詳細調査対象部を抽出して鋳造管の寿命を評価することができる鋳造管の寿命評価装置およびその方法を提供することにある。

本発明では、上記目的を達成するために、鋳造管の外表面をスクリーニングして鋳造管の寿命を評価する鋳造管の寿命評価装置において、上記鋳造管の外表面の鋳肌凹凸を計測するレーザ粗さ計と、上記鋳造管の外表面の平滑状況および黒変または黒光り程度を計測する反射率計測器とを備えた自走式検査装置と、該自走式検査装置によって上記鋳造管の外表面の酸化状況を検査した結果に基づいて上記鋳造管の寿命を評価する評価手段とを備えた構成としている。

本発明の一実施の形態では、上記評価手段は、上記鋳造管の外表面に鋳肌凹凸が脱落し始めている否か、上記鋳造管の外表面が平滑になっているか、あるいは、上記鋳造管の外表面の平滑になった部分が黒変または黒光りしているかを評価の基準とする構成としている。

本発明の一実施の形態では、上記自走式検査装置は、上記鋳造管の外表面の色調を写すカメラをさらに備えた構成としている。

また、本発明では、上記目的を達成するために、上記自走式検査装置を用いた検査結果に基づいて、上記鋳造管の外表面に鋳肌凹凸が存在する場合は、継続使用可能であると評価し、上記鋳造管の外表面が平滑になっている場合は、検査箇所が要詳細調査箇所であると評価し、上記鋳造管の外表面の平滑になった部分が黒変または黒光りしている場合は、継続使用できない可能性が高いと評価するようにしている。

本発明では、自走式検査装置によって鋳造管の検査の自動化と高速化を図ることができ、しかも、上記自走式検査装置によって得られた検査結果に基づいて迅速に鋳造管の寿命を評価することができる。これにより、鋳造管の外表面をスクリーニングするにあたり、短時間で詳細調査対象部を抽出して鋳造管の寿命を評価することができる。

本発明が適用される反応管の一例を概念的に示す断面図である。 反応管の外表面の粗さと反射率をその長手方向に計測した例を示すグラフである。 反応管の外表面の粗さおよび反射率と寿命消費率との関係を示すグラフである。 反応管についてその長手方向にスクリーニングした場合の該反応管の外表面の粗さの推移を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る自走式検査装置を概念的に示すもので、（ａ）はその他方の基部１０ｂを外した状態にある当該自走式検査装置を示す分解正面図、（ｂ）はその他方の基部１０ｂの正面図、（ｃ）は当該自走式検査装置の平面図である。

以下、本発明に係る鋳造管の寿命評価装置およびその方法の実施の形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明が適用される鋳造管の一例として反応管１を示すものである。この反応管１は、後述するように、本発明の一実施形態に係る寿命評価装置および方法を用いてスクリーニングされる、例えば、天然ガス改質器触媒管であり、通常、高温（約１０００℃）で使用されるものである。

図１には、長期間に渡って高温に加熱されて酸化したため、反応管１の外表面１ａには多くの鋳肌凹凸２が形成されるとともに、その一部の鋳肌凹凸２が欠落し始めている様子が示されている。

図２には、反応管１の外表面１ａに鋳肌凹凸２が形成された場合に、該反応管１の外表面１ａの粗さとその反射率を長手方向に計測したときの計測結果の一例が示されている。同図において、ａで示すラインは粗さを示し、ｂで示すラインは反射率を示している。

図３には、高温加熱下で使用されたことにより酸化して、反応管１の寿命消化が進む様子がグラフにより示されている。詳しくは、過去の実績から導き出された反応管１の外表面１ａの粗さおよび反射率と寿命消費率との関係が示されている。同図において、ｃで示すラインは粗さを示し、ｄで示すラインは反射率を示している。なお、図４については後述する。

本実施形態に係る反応管１の寿命評価装置は、図５に示すように、自走式検査装置１０と、該自走式検査装置１０の検査した結果に基づいて反応管１の寿命を評価する評価手段（図示せず）を備えている。自走式検査装置１０は、反応管１の外表面１ａの鋳肌凹凸２を定量的に計測するレーザ粗さ計１１と、反応管１の外表面１ａの平滑状況および黒光り程度を計測する反射率計測器１２とを備えた構成となっている。

自走式検査装置１０は、レーザ粗さ計１１と反射率計測器１２をそれぞれ支持する一対の基盤１０ａ，１０ｂと、これらの基盤１０ａ，１０ｂを連結する腕部１０ｃとを備えている。腕部１０ｃは、基盤１０ａ，１０ｂの前後に、上下一対ずつ備えられている。腕部１０ｃのそれぞれには、予め複数の孔１０ｄが形成されており、いずれかの孔１０ｄに固定ネジ１０ｅを差し込んで一方の基盤１０ａに固定することにより、検査する反応管１の径に合わせて、基盤１０ａ，１０ｂの間隔を調整できるようになっている。
調整可能に連結する腕部１０ｃ腕部１０ｃは前後に本実施形態では、下方に位置す前後の腕部１０ｃの中央にも、レーザ粗さ計１１が設置されている。

なお、腕部１０ｃの固定方法は、固定ネジ１０ｅを用いた方法に限定されず、要は、腕部１０ｃの基盤１０ａから他方の基盤１０ｂ側への突出量を調整することができる構成であれば、いずれの構成であっても良い。また、基盤１０ａ，１０ｂの間隔を調整する構成は、腕部１０ｃを用いた方法に限らないことは勿論である。

自走式検査装置１０の基盤１０ａ，１０ｂの上部には、図示しないモータによって回転される駆動ローラ１３ａと、その左右に回転自在な従動ローラ１３ｂ，１３ｂが設置されている。また、基盤１０ａ，１０ｂの下部には、反射率計測器１２が設置されているとともに、該反射率計測器１２の下方にはレーザ粗さ計１１が設置されている。レーザ粗さ計１１は、さらに、下方に位置する前後の腕部１０ｃの中央部にも設置されている。

なお、レーザ粗さ計１１および反射率計測器１２は、従来より周知のものであるので、それらの詳細な説明は省略する。また、上記評価手段は、後述するように、過去の実績から得られた反応管１の状態と寿命の関係データを、例えばコンピュータに蓄積しておき、自走式検査装置１０の検査した結果に基づいて反応管１の寿命を評価するものであり、コンピュータ技術等の従来の周知技術により構成することができるので、その詳細な説明を省略する。

さらに、自走式検査装置１０は、反応管１の外表面１ａを撮影するカメラ（図示せず）などの支援装置を備えるようにしても良い。カメラは、従来より周知のもので良いので、その詳細な説明は省略する。

次に、本実施形態に係る反応管１の寿命評価装置を使用する場合について説明する。
まず、反応管１の検査箇所の径に合わせて自走式検査装置１０の基部１０ａ，１０ｂの間隔を調整し、その後、反応管１の検査箇所を基部１０ａ，１０ｂで挟むように設置し、基部１０ｂを腕部１０ｃに固定する。これにより、自走式検査装置１０の反応管１への取付けが完了する。この状態で、図示しないスイッチをＯＮにすると、駆動ローラ１３ａが回転し、該自走式検査装置１０は反応管１上をその軸方向へ移動することができる。

自走式検査装置１０は、移動しながら、そのレーザ粗さ計１１により、反応管１の外表面１ａの鋳肌凹凸２の状態を計測し、反射率計測器１２により、反応管１の外表面１ａの平滑状況および黒変または黒光り程度を計測し（図２および図３参照）、次いであるいは必要に応じて、上記カメラ（図示せず）により、反応管１の外表面１ａの色調および粗さ等を撮影する。そのレーザ粗さ計１１および反射率計測器１２によって反応管１の外表面１ａを検査した結果は、上記した評価手段に伝達され、次に説明するような手法により、反応管１の寿命を評価する。

一般的に、反応管１がオーバーヒートすると、反応管１の寿命の程度に応じて、該反応管の外表面１ａには以下のような変化が生じる。
１）反応管１の外表面１ａに鋳肌凹凸２が存在する（初期状態）。
２）反応管１の外表面１ａに鋳肌凹凸２が酸化により成長する。
３）反応管１の外表面１ａの鋳肌凹凸２が脱落し始める。
４）反応管１の外表面１ａが平滑になる。
５）反応管１の外表面１ａの平滑になった部分１ｂが黒変または黒光りする。

図４は、上記１）〜５）の場合における反応管１の外表面１ａの粗さの程度を示すものである。同図において、１）は、反応管１の外表面１ａの鋳肌凹凸２の粗さがまだ小さい状態にあることを示し、２）は、鋳肌凹凸２の粗さが１〜３ｍｍ程度に成長した様子を示し、３）は、２）のように成長した鋳肌凹凸２の一部が脱落し始める様子を示し、４）および５）は、鋳肌凹凸２が完全に反応管１の外表面１ａから脱落して平滑になっている様子を示している。

過去の実績から、１）〜５）の場合について、上記評価手段に次のように記憶させておく。
１）〜３）の場合は、反応管１の外表面１ａの粗さが０．５〜３ｍｍであり、反応管１の運転条件が変化しなければ次回定検まで継続使用可能である。
４）の場合は、反応管１の残寿命２〜４年の可能性があり、この４）に評価された反応管１の該当部分は要詳細調査箇所である。
５）の場合は、反応管１の外表面１ａの平滑になった部分１ｂが黒変または黒光りする場合は、反応管１の残寿命が２年を下回り、次回定期検査まで継続使用できない可能性があり、当該反応管１は抜管対象である。

次に、本発明に係る実施形態の作用について説明する。
本実施形態の寿命評価装置および方法によれば、まず、その自走式検査装置１０のレーザ粗さ計１１と反射率計測器１２によって、調査対象の反応管１の外表面１ａの粗さと、平滑状況および黒変または黒光り程度を定量的に計測することができる。その検査に基づいて、上記評価手段は、調査対象管が上記１）〜５）のどの段階にあるかを評価する。すなわち、反応管１が次回定期検査まで継続使用可能であるか、残寿命２〜４年であるか、反応管１次回定期検査まで継続使用できない可能性があるかを評価判定する。残寿命２〜４年の場合は要詳細調査箇所を特定し、反応管１次回定期検査まで継続使用できない可能性があるために抜管対象とする。

なお、上記検査結果が明瞭でない場合は、上記カメラによって撮影した画像を基に、例えばコンピュータにより判定し、あるいは目視により確認して該評価を補完し、該評価をより正確に行うことも可能である。

このような本実施形態に係る寿命評価装置および方法では、比較的変化を捉えやすい反応管１の外表面１ａの酸化状態を指標として検査することで、該反応管のスクリーニングが容易かつ迅速にしかも自動的に行うことができるようになり、該反応管のスクリーニング作業を効率的に行うことが可能となる。

また、本実施形態の寿命評価装置および方法は、反応管１の外表面１ａの酸化状態評価に特化した装置および方法であるため、その自走式検査装置１０は、従来の直接反応管１の直径を計測するものに比べて、簡便かつ軽量で検査性に優れる。

なお、上記実施形態では、本発明を反応管１に適用したが、本発明はこれに限らず、反応管１以外に、高温に曝されてその寿命評価をする必要のある鋳造管であれば、いずれの鋳造管についても適用することができる。

また、上記実施形態では、「粗さ計」として、レーザー粗さ計を採用したが、本発明はこれに限らず、レーザーを用いたものに限らず、例えば、接触式粗さ計のようなものでも良く、要は、鋳造管の外表面に形成される鋳肌凹凸を計測できるものであれば、どのような粗さ計でも良い。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１ 反応管
１ａ 外表面
１ｂ 平滑になった部分
２ 鋳肌凹凸
１０ 自走式検査装置
１０ａ，１０ｂ 基盤
１０ｃ 腕部
１０ｄ 孔
１０ｅ 固定ネジ
１１ レーザ粗さ計
１２ 反射率計測器
１３ａ 駆動ローラ
１３ｂ 従動ローラ

Claims (4)

1. 鋳造管の外表面をスクリーニングして鋳造管の寿命を評価する鋳造管の寿命評価装置において、
   上記鋳造管の外表面の鋳肌凹凸を計測するレーザ粗さ計と、上記鋳造管の外表面の平滑状況および黒変または黒光り程度を計測する反射率計測器とを備えた自走式検査装置と、該自走式検査装置によって上記鋳造管の外表面の酸化状況を検査した結果に基づいて上記鋳造管の寿命を評価する評価手段とを備えたことを特徴とする鋳造管の寿命評価装置。
2. 上記評価手段は、上記鋳造管の外表面から鋳肌凹凸が脱落し始めている否か、上記鋳造管の外表面が平滑になっているか、あるいは、上記鋳造管の外表面の平滑になった部分が黒変または黒光りしているかを評価の基準としていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造管の寿命評価装置。
3. 上記自走式検査装置は、上記鋳造管の外表面の色調を写すカメラをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造管の寿命評価装置。
4. 請求項１に記載の自走式検査装置を用いた検査結果に基づいて、
   上記鋳造管の外表面に鋳肌凹凸が存在する場合は、継続使用可能であると評価し、
   上記鋳造管の外表面が平滑になっている場合は、検査箇所が要詳細調査箇所であると評価し、
   上記鋳造管の外表面の平滑になった部分が黒変または黒光りしている場合は、継続使用できない可能性が高いと評価することを特徴とする鋳造管の寿命評価方法。

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