JP7129243B2 - 計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の厚みの計測方法および計測システムに関する。

石油精製プラントや石油化学プラント等の熱交換器チューブ（単に管ともいう）の腐食減肉検査として、超音波探傷法などの非破壊検査以外に、管を抜き取って検査するサンプリング検査が実施されている。サンプリング検査では、抜き取った管を縦半分に切断する半割加工を施し、半割加工により露出した管の内面を検査員が目視で腐食減肉箇所を確認する。確認した腐食減肉箇所は、ポイントマイクロメータなどを用いて残肉厚値が計測される。

近年、レーザを三次元スキャンすることにより、対象物の三次元形状を計測する技術が普及している。例えば、廃液燃焼炉やガス化炉といった竪型燃焼炉の内壁面を保護する耐火材の減肉量を計測する方法が提案されている。この方法では、竪型燃焼炉の内部に計測装置を挿入することで、内壁面の三次元形状が計測される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－４４６５７号公報

直径が２～３ｃｍ程度の熱交換器チューブを検査する場合、サブミリメートル以下の精度で残肉量を計測できることが好ましい。しかしながら、半割加工をした管の厚みをポイントマイクロメータなどで手作業で計測する場合、計測に時間がかかり、検査員の技量にも左右されるため、管の残肉量を必ずしも高精度で計測することができない。管の内面形状をレーザスキャンにより計測すれば、短時間で網羅的に内面形状を把握できるが、半割加工時に管が湾曲するなどの変形が生じることがあり、内面形状のみからでは厚みを正確に特定できないおそれがある。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、対象物の厚みを短時間かつ高精度で計測する技術を提供することにある。

本発明のある態様の計測方法は、対象物に向けてレーザを照射する照射部と、対象物からのレーザの反射光を撮像する撮像部とを含むスキャナの位置および向きを変えながら、対象物の表面および裏面の撮像画像を取得することと、取得した撮像画像に基づいて、対象物の表面および裏面を含む三次元形状データを算出することと、三次元形状データに基づいて、対象物の表面と裏面の間の厚みの分布を示す厚みデータを算出することと、を備える。

本発明の別の態様は、計測システムである。この計測システムは、対象物に向けてレーザを照射する照射部と、対象物からのレーザの反射光を撮像する撮像部とを含むスキャナと、スキャナを用いて撮像される対象物の撮像画像に基づいて、対象物の厚みデータを算出する制御装置と、を備える。制御装置は、スキャナの位置および向きを変えながら撮像される対象物の表面および裏面の撮像画像を取得し、取得した撮像画像に基づいて、対象物の表面および裏面を含む三次元形状データを算出し、三次元形状データに基づいて、対象物の表面と裏面の間の厚みの分布を示す厚みデータを算出する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、対象物の厚みを短時間かつ高精度で計測できる。

図１（ａ）～（ｃ）は、管のサンプリング検査の様子を模式的に示す図である。 実施の形態に係る計測システムの構成を模式的に示す図である。 対象物の計測方法を模式的に示す図である。 支持位置を変えて対象物を計測する様子を模式的に示す図である。 制御装置の機能構成を概略的に示すブロック図である。 実施の形態に係る計測方法の流れを示すフローチャートである。 図７（ａ），（ｂ）は、変形例に係る対象物の計測方法を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

本実施の形態は、石油精製プラントや石油化学プラント等に設置される熱交換器チューブの腐食減肉検査に関し、一部の管を抜き取って検査するサンプリング検査に関する。サンプリング検査では、抜き取った管を縦半分に切断する半割加工を施し、半割加工により露出した管の内面を検査する。

図１（ａ）～（ｃ）は、管１０のサンプリング検査の様子を模式的に示す図である。図１（ａ）は、検査対象となる管１０を模式的に示す。熱交換器チューブとして用いられる管１０は、例えば、直径Ｄが２ｃｍ～３ｃｍ程度であり、長さＬが１ｍ以上である。管１０の長さＬは様々であり、１．５ｍ程度に切り揃えられたものや、３ｍ、６ｍまたは９ｍといった定尺寸法のものもある。未使用の腐食減肉のない管１０の厚みは、２ｍｍ～３ｍｍ程度である。

図１（ｂ）は、半割加工がされた半割管１２を模式的に示す。半割管１２は、図１（ａ）の管１０を破線Ａに沿って長手方向に切断したものであり、一つの管１０から二つの半割管１２ができあがる。半割加工により、管１０の内面１４が露出し、内面１４に生じる減肉部１８を目視で直接的に確認することができる。

図１（ｃ）は、半割管１２の断面図であり、図１（ｂ）の破線Ｂで示される断面に相当する。図示されるように、減肉部１８の厚みｔ’は、腐食減肉が発生していない箇所の厚みｔよりも小さい。熱交換器チューブのサンプリング検査では、このような減肉部１８の厚みｔ’を計測し、チューブの腐食状況を把握する。具体的には、減肉部１８における半割管１２の内面１４と外面１６の間の距離を計測することで減肉部１８の厚みｔ’を特定する。

半割管１２の従来の検査では、内面１４の全体にわたって減肉部の有無を目視で確認し、目視で確認した箇所の厚みｔ’をポイントマイクロメータなどで計測する。例えば、管１０の長さＬが６ｍ程度の場合、１本の管につき１００箇所ないし２００箇所が計測箇所となる。そのため、全ての計測箇所の厚みｔ’を計測するには時間がかかり、複数本の管の計測を完了するにはさらなる作業時間を要する。

熱交換器チューブのサンプリング検査は、通常、石油精製プラントや石油化学プラント等の稼働停止を伴うため、限られた期間内に完了する必要がある。また、検査結果に応じて熱交換器チューブを新品に交換する必要がある場合であっても、当初の稼働停止期間内に交換工事も含めて完了することが好ましく、その事前の検査工程はより早期に完了することが求められる。そのため、多数の検査員を動員して短期間で検査を完了させなければならない。その一方で、多数の検査員が検査することで、検査員の技量によっては検査精度がばらつくおそれが生じる。また、管全体の厚みを網羅的に把握することは事実上不可能であるため、管の残肉量を必ずしも高精度で計測することができない。

そこで、本実施の形態では、対象物の形状をレーザスキャンによって計測する「３Ｄレーザ計測」の技術を熱交換器チューブの腐食減肉検査に適用する。本実施の形態によれば、レーザスキャンによって半割管１２の立体形状の点群データが得られるため、管全体の厚みを網羅的に把握することができる。また、多数の計測箇所をポイントマイクロメータなどで地道に一つずつ計測する必要がなくなるため、極めて短い時間で検査を完了することができる。

図２は、実施の形態に係る計測システム５０の構成を模式的に示す図である。計測システム５０は、支持台６０の上に水平に配置される複数の半割管１２を計測対象物とする。本実施の形態では、複数本の半割管１２を同時計測することで、より短い時間で計測作業を完了できる。

図面において、鉛直方向（重力方向）をｚ方向とし、ｚ方向に直交する方向をｘ方向およびｙ方向としている。図２において、複数本の半割管１２の長手方向をｙ方向としており、複数本の半割管１２は、ｘ方向に並べられている。半割管１２は、内面１４が下側（－ｚ方向）、外面１６が上側（＋ｚ方向）となる向きで並べられている。

計測システム５０は、スキャナ２０と、トラッカ３０と、制御装置４０とを備える。
スキャナ２０は、第１照射部２２と、第１撮像部２４と、マーカ２６と、把持部２８とを含む。スキャナ２０は、例えば、検査員が手で持って扱われ、スキャナ２０を動かしながら連続的にデータが取得される。なお、本書においてスキャナ２０を動かしながら連続的にデータを取得することを単に「スキャンする」ともいう。また、以下の説明における「複数の撮像位置」とは、スキャナ２０をスキャンしながら撮像データを連続的に取得する際に時々刻々と変化するスキャナ２０の各位置のことをいい、各データが取得される瞬間またはタイミングでのスキャナ２０の各位置のことをいう。

第１照射部２２は、対象物に向けてレーザパターンＣ１を照射する。第１撮像部２４は、対象物からのレーザパターンＣ１の反射光を撮像する。第１撮像部２４は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子と、撮像素子にレーザパターンの反射光を導くための撮像光学系とを有するカメラ等で構成される。スキャナ２０には二つの第１撮像部２４が設けられており、いわゆるステレオカメラの構成となっている。

マーカ２６は、スキャナ２０の位置および向きをトラッカ３０で捕捉するために設けられる。マーカ２６は、スキャナ２０に複数設けられ、複数のマーカ２６の位置をトラッカ３０で捕捉することにより、スキャナ２０の位置および向きが特定される。

把持部２８は、検査員がスキャナ２０を使用するときに手で掴む部分である。把持部２８は、第１照射部２２および第１撮像部２４の裏側に設けられる。そのため、検査員が把持部２８を掴むと、検査員の正面に位置する対象物に向けて第１照射部２２からのレーザパターンを照射し、対象物からのレーザパターンの反射光を第１撮像部２４で撮像できる。

トラッカ３０は、第２撮像部３４を含む。トラッカ３０は、スキャナ２０を使用する範囲が正面となるように配置される。トラッカ３０は、スキャナ２０を用いた一連の計測中には動かさないようにする。ただし、一つのトラッカ位置で計測可能となる対象物の範囲は、トラッカの性能にもよるが３ｍ程度であるため、それを越える範囲の対象物を計測する場合、計測範囲を複数に分割し、分割された計測範囲ごとにトラッカの位置を変えて対象物を計測する。なお、複数台のトラッカを同時に組み合わせて用いることで、各トラッカに対応する複数の計測範囲にわたって連続的に対象物を計測することもできる。

第２撮像部３４は、スキャナ２０のマーカ２６からの反射光を撮像する。第２撮像部３４は、上述の第１撮像部２４と同様に構成され、例えば、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子と、撮像素子にマーカ２６からの反射光を導くための撮像光学系とを有するカメラ等で構成される。図示していないが、トラッカ３０には二つの第２撮像部３４が設けられ、いわゆるステレオカメラの構成となっている。

二つの第２撮像部３４は、例えば、赤外線カメラにより構成される。この場合、スキャナ２０に設けられるマーカ２６は、第２撮像部３４にて撮像可能な赤外線を反射させるように構成されてもよい。トラッカ３０は、スキャナ２０に向けて赤外線を照射する第２照射部を備えてもよい。第２照射部は、例えば、赤外線ＬＥＤなどの光源を含んでもよい。

制御装置４０は、スキャナ２０およびトラッカ３０から取得する撮像画像に基づいて、対象物の三次元形状データを算出する。制御装置４０は、対象物の三次元形状データに基づいて、対象物の厚みの分布を示す厚みデータを算出する。制御装置４０は、第１ケーブル５１を介してスキャナ２０と接続され、第２ケーブル５２を介してトラッカ３０と接続されている。制御装置４０は、有線接続ではなく、無線接続によりスキャナ２０およびトラッカ３０からのデータを取得してもよい。

図３は、対象物の計測方法を模式的に示す図であり、図２の構成をｘ方向から見たときに相当する。検査員は、スキャナ２０を矢印Ｓで示すようにスキャンさせながらデータ取得することにより、長手方向に延びる半割管１２の全体をスキャナ２０を用いて撮像する。検査員は、半割管１２の外面１６の上方でスキャナ２０ａをスキャンさせることで、半割管１２の外面１６をスキャナ２０で撮像する。また、半割管１２の内面１４の下方でスキャナ２０ｂをスキャンさせることで、半割管１２の内面１４をスキャナ２０で撮像する。

スキャナ２０による計測時において、半割管１２からスキャナ２０までの距離ｈを適切に保つことで、半割管１２の内面１４および外面１６の計測精度を高めることができる。スキャナ２０の性能にもよるが、対象物からスキャナ２０までの距離を１ｍ以内、好ましくは２０ｃｍ～４０ｃｍ程度とすることで、半割管１２の内面１４および外面１６の形状をサブミリメートル以下の精度で計測できる。

半割管１２は、半割管１２の長手方向（ｙ方向）に間隔を空けて並べられた複数の支持台６０ａ，６０ｂ，６０ｃの上に配置されている。半割管１２は、支持台上に位置する第１部分Ｌ１と、支持台上に位置しない第２部分Ｌ２とを有する。第１部分Ｌ１の下面は支持台６０に接触しているため、第１部分Ｌ１の内面１４をスキャナ２０ｂで撮像することができない。そこで、本実施の形態では、第２部分Ｌ２を計測した後に支持台６０の位置をずらすことにより、支持台６０により隠れていた第１部分Ｌ１が計測されるようにする。

図４は、支持位置を変えて対象物を計測する様子を模式的に示す図であり、図３に示す第１部分Ｌ１を避けて支持台６０を配置した状態を示す。このようにして支持台６０の位置を変えて半割管１２を計測することで、半割管１２の全体を網羅的に計測することができる。例えば、支持台６０の上に第２部分Ｌ２が位置するようにすることで、第１部分Ｌ１の内面１４をスキャナ２０で撮像できる。

図５は、制御装置４０の機能構成を概略的に示すブロック図である。制御装置４０は、第１取得部４１、第２取得部４２、位置計算部４３、形状計算部４４、厚み計算部４６、出力部４８を備える。

図５に示される各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者に理解されるところである。制御装置４０の一例として、汎用のノートパソコンやタブレット型パソコンを用いることができる。

第１取得部４１は、複数の撮像位置でスキャナ２０が撮像した撮像画像を取得する。第２取得部４２は、トラッカ３０が撮像した複数の撮像位置でのスキャナ２０を含む撮像画像を取得する。

位置計算部４３は、第２取得部４２が取得したトラッカ３０の撮像画像に基づいて、複数の撮像位置におけるスキャナ２０の位置および向きを算出する。位置計算部４３は、スキャナ２０の複数のマーカ２６のそれぞれの空間座標を算出し、複数のマーカ２６の空間座標からスキャナ２０の位置（空間座標値）と向き（撮像方向）とを特定する。位置計算部４３は、例えば、トラッカ３０の二つの第２撮像部３４の視差を利用し、二つの第２撮像部３４の撮像画像に含まれるマーカ２６の空間座標を三角測量によって算出する。

形状計算部４４は、スキャナ２０の撮像画像と、位置計算部４３により算出されたスキャナ２０の位置および向きとに基づいて、測定対象物の三次元形状データを算出する。形状計算部４４は、スキャナ２０の二つの第１撮像部２４の視差を利用し、第１撮像部２４の撮像画像に含まれる対象物の表面の空間座標を三角測量によって算出する。これにより、形状計算部４４は、複数の撮像位置のそれぞれで撮像される撮像画像に基づいて、対象物の部分的な三次元形状データを算出する。

形状計算部４４が算出する部分的な三次元形状データは、撮像時のスキャナ２０の位置および向きを基準とする座標系で定義される。そこで、形状計算部４４は、位置計算部４３により算出されるスキャナ２０の撮像時の位置および向きを用いて、部分的な三次元形状データを共通座標系のデータに座標変換する。共通座標系の基準（原点）は特に問わないが、例えば、トラッカ３０の位置を基準とすることができる。

形状計算部４４は、さらに、共通座標系で定義される部分的な三次元形状データを統合し、対象物全体の三次元形状データを算出する。例えば、複数の撮像位置に対応するスキャナ２０の複数の撮像画像から得られる複数の部分的な三次元形状データをつなぎ合わせることで、対象物全体の三次元形状データを算出できる。

厚み計算部４６は、形状計算部４４が算出した三次元形状データから対象物の厚みの分布を示す厚みデータを算出する。対象物の厚みは、対象物の表面と裏面の間の距離であり、半割管１２の内面１４と外面１６の間の距離である。厚み計算部４６は、例えば、半割管１２の内面１４の位置座標に対してその位置での厚みの数値を対応付けたコンター図を生成する。コンター図では、半割管１２の内面１４の長手方向および周方向の二次元座標上に厚みの数値が色の差異として表示される。厚み計算部４６は、算出した厚みデータに基づいて、減肉量の分布を示すデータを作成してもよい。例えば、未使用の管１０の厚みから三次元形状データに基づく厚みを減算することで、減肉量を求めることができる。

出力部４８は、形状計算部４４が算出した三次元形状データや厚み計算部４６が算出した厚みデータを外部に出力する。出力部４８は、三次元形状データや厚みデータをデータファイルとして出力してもよいし、ディスプレイなどの表示装置にグラフとして表示するための画像ファイルとして出力してもよい。

つづいて、本実施の形態に係る計測方法の流れを説明する。図６は、実施の形態に係る計測方法の流れを示すフローチャートである。まず、計測システム５０を用意し、トラッカ３０の正面に計測の対象物となる半割管１２を配置する（Ｓ１０）。つづいて、スキャナ２０を移動させながら対象物の表面と裏面を撮像する（Ｓ１２）。具体的には、半割管１２の内面１４および外面１６をスキャナ２０を移動させながら撮像する。次に、スキャナ２０の撮像画像を取得し、撮像画像に基づいて対象物の三次元形状データを算出する（Ｓ１４）。算出した三次元形状データに基づいて、対象物の表面と裏面との間の厚みの分布を示す厚みデータを算出する（Ｓ１６）。具体的には半割管１２の内面１４と外面１６の間の厚みを三次元形状データから算出する。

本実施の形態によれば、半割管１２の内面１４および外面１６をレーザスキャンにより計測するため、内面１４および外面１６の三次元形状を短時間で網羅的に把握できる。また、半割管１２の内面１４のみを計測するのではなく、内面１４と外面１６の双方を計測して半割管１２の三次元形状を算出することで、内面１４と外面１６の間の厚みをより正確に算出できる。例えば、管１０の半割加工によって半割管１２が湾曲し、内面１４および外面１６の形状が理想的な円筒形状から変形したとしても、内面１４と外面１６の間の厚みを正確に算出できる。これにより、半割管１２の減肉腐食検査の検査精度を向上させるとともに、検査に必要な時間を大幅に短縮できる。

本実施の形態によれば、複数の半割管１２を並べて同時に計測し、複数の半割管１２を一体的な計測対象物として測定することにより、１本ずつ計測する場合と比較して、スキャナ２０を移動させて複数の半割管１２の全体を撮像するのにかかる時間を短くできる。

本実施の形態によれば、複数の半割管１２を支持台６０の上に載置することで隠れてしまう第１部分Ｌ１とそうでない第２部分Ｌ２とを２回に分けて計測することで、半割管１２の長手方向の全体の厚みを算出できる。

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

図７（ａ），（ｂ）は、変形例に係る対象物の計測方法を模式的に示す図である。上述の実施の形態では、長尺の半割管１２を支持台６０の上に水平に載置して計測する場合について示した。変形例では、半割管１２を立てた状態で計測してもよく、半割管１２の長手方向の両端部１２ａ，１２ｂの少なくとも一方を固定した状態で計測してもよい。

図７（ａ）は、支持構造７０に半割管１２を懸架して計測する様子を示す。半割管１２は、長手方向の両端部１２ａ，１２ｂにワイヤやフックといった固定治具７２ａ，７２ｂが取り付けられる。半割管１２は、固定治具７２ａ，７２ｂを通じて半割管１２の長手方向に印加される張力によって固定される。本変形例によれば、支持台６０により計測箇所の一部が隠れてしまうことを防ぐことができ、１回の計測で半割管１２の全体を計測できる。

図７(ｂ)は、支持構造８０に半割管１２を嵌合させて計測する様子を示す。半割管１２は、下端部１２ｂが支持構造８０の固定部８２に嵌めあわされて固定される。その結果、半割管１２は、片持ち梁のようにして立った状態で支持される。本変形例においても、支持台６０により計測箇所の一部が隠れてしまうことを防ぐことができ、１回の計測で半割管１２の全体を計測できる。

上述の実施の形態では、トラッカ３０を用いてスキャナ２０の位置および向きを捕捉する場合について示した。変形例では、スキャナ２０をロボットアームなどの機械的な支持機構を用いて支持し、スキャナ２０の位置および向きを制御してもよい。この場合、スキャナ２０の位置および向きを制御しながら対象物が撮像されるため、トラッカ３０を用いずにスキャナ２０の位置および向きを把握できる。したがって、本変形例においても、上述の実施の形態と同様、対象物の三次元形状データを算出し、厚みデータを得ることができる。

上述の実施の形態では、半割管１２を計測対象物とする場合について示した。変形例では、半割管１２以外を計測対象物としてもよく、経年使用に伴って腐食減肉しうる任意の構造物の表面を計測対象としてもよい。例えば、平板状の部材を計測対象物としてもよい。この場合、平板状の部材の表面と裏面の双方を計測することで、表面と裏面の厚みを算出し、減肉量を把握することができる。また、腐食減肉検査以外の用途に上述の計測システム５０を用いてもよく、任意の部材の厚みを計測するために計測システム５０を用いてもよい。

１０…管、１２…半割管、１４…内面、１６…外面、１８…減肉部、２０…スキャナ、２２…第１照射部、２４…第１撮像部、２６…マーカ、２８…把持部、３０…トラッカ、３４…第２撮像部、４０…制御装置、５０…計測システム、６０…支持台、Ｌ１…第１部分、Ｌ２…第２部分。

Claims (5)

1. 長手方向に切断して内面を露出させた複数の管のそれぞれの長手方向の両端部に固定治具を取り付け、前記複数の管のそれぞれの前記長手方向が重力方向となるように立てた状態で、前記固定治具を通じて前記長手方向に印加される張力によって前記複数の管を固定して並べることと、
   前記複数の管に向けてレーザを照射する照射部と、前記複数の管からのレーザの反射光を撮像する撮像部とを含むスキャナの位置および向きを変えながら、前記複数の管のそれぞれの内面および外面を撮像した複数の撮像画像を取得することと、
   前記取得した複数の撮像画像に基づいて、前記複数の管のそれぞれの内面と外面を含む三次元形状データを算出することと、
   前記三次元形状データに基づいて、前記複数の管のそれぞれの内面と外面の間の厚みの分布を示す厚みデータを算出することと、を備えることを特徴とする計測方法。
2. 前記スキャナを撮像するトラッカを用いて前記スキャナの位置および向きを計測することをさらに備え、
   前記三次元形状データは、前記トラッカにより計測される前記スキャナの複数の撮像位置における位置および向きと、前記複数の撮像位置のそれぞれにて前記スキャナにより撮像される複数の撮像画像と、に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
3. 前記スキャナの位置および向きは、前記スキャナを機械的に支持する支持機構により制御され、
   前記三次元形状データは、前記支持機構により制御される前記スキャナの複数の撮像位置における位置および向きと、前記複数の撮像位置のそれぞれにて前記スキャナにより撮像される複数の撮像画像と、に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
4. 前記三次元形状データに基づいて、前記複数の管のそれぞれの内面の位置座標に対してその位置での厚みの数値を対応付けたコンター図を生成することをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の計測方法。
5. 前記複数の管のそれぞれの長手方向の長さは１ｍ以上であり、
   前記スキャナを前記複数の管から１ｍ以内の距離に配置して前記複数の撮像画像を取得することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の計測方法。

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