JPH0894325A - 伝熱管の管肉厚計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 伝熱管の管周及び管軸方向の広い範囲にわた
って同時に管肉厚を計測可能とする。 【構成】 伝熱管５４の管肉厚を管外より計測する計測
機構を備えた伝熱管の管肉厚計測装置であって、計測機
構は、レーザダイオード光源５等からのレーザ光等が光
ファイバ３を経由しかつ光ヘッド２内に設けられた反射
ミラー７により、光伝搬方向を変えた点光源より複数の
シート状光ビームを伝熱管５４の管表面に投影させるビ
ーム変形レンズ８よりなる。 【効果】 光パターンの反射光を信号処理して管肉厚を
測定するため、計測時間を短縮できるとともに、管周及
び管軸方向の管肉厚を測定可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラの燃焼装置等の
内部に配設された伝熱管の管肉厚計測に係り、特に伝熱
管の広い範囲を短時間に計測することのできる伝熱管の
管肉厚計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力プラントのボイラ等の定期的検査に
おいては、燃焼装置内に配設された多数の伝熱管の管肉
厚計測について現状では多大のマンパワーを要してい
る。伝熱管の管肉厚計測は管内及び管外の両面より実施
されているが、最近のように燃料として微粉炭が採用さ
れることが多くなってくると、水及び蒸気による管内の
腐食減肉より、流動灰のアッシュエロージョンによる管
外の減肉が顕著となり、管外からの管表面の減肉計測の
重要性が増している。現在の管外からの伝熱管の肉厚計
測は大半を人手に頼っており、先ず目の届く範囲を目視
検査し、次に摩耗していそうな場所に手を入れる。伝熱
管と伝熱管との間隔が６０mm程度と狭い場合が多く、３
本目より奥に設置された伝熱管には一般的に手が届かな
いが、手の届く範囲内を指先の触覚により管周方向及び
管軸方向のわずかな変形、例えば周方向の摩耗ではわず
かに丸みをもっているはずの形状がフラットに変形して
いる等を検出している。このような計測法は、検査員の
勘に負う所が多く、計測の精度及び検査員の手の届かな
い部位の計測が不可能な問題点があった。

【０００３】そこで最近になって一部計測自動化の動き
が出てきている。図８にその一例を示す。伸縮可能なア
ーム１ｂの一端に取り付けられた複数の開閉式伝熱管把
持部５６で計測対象の伝熱管Ａ５４を把持し、各開閉式
伝熱管把持部５６に設置された複数個、例えば４個の超
音波式管肉厚計測センサ（計測機構）５１と、各超音波
式管肉厚計測センサ５１に接続する信号処理装置５２と
により、伝熱管Ａ５４の管肉厚ｔを複数の管周方向位置
で同時に計測する。その後、アーム１ｂを駆動制御装置
５３により所定距離例えば上下方向に移動させ、隣接の
伝熱管Ｂ５５の管肉厚計測を同様に実施するものであ
る。

【０００４】この自動化された計測法では、人手による
計測に比して精度及び計測不可能な部位のある問題点は
大幅に改善されるが、管肉厚計測は、アーム１ｂの一端
に取り付けられた超音波式肉厚計測センサ（あるいは電
磁式肉厚計測センサ）５１が伝熱管５４，５５と接触又
は近接した部位のみに実施され、伝熱管５４，５５の管
周方向及び管軸方向にわたって広く管肉厚ｔを計測する
にはアーム１ｂの運動自由度、例えば直線的３次元運動
の場合の自由度３を大にする必要があり、アーム１ｂ及
びアーム駆動制御装置５３の大型化を招き、伝熱管群の
狭隘箇所における計測を困難にする新たな問題点が発生
している。またこのような計測法は本質的には一点一点
における計測をベースにしているため、広い範囲を計測
するには多大の計測時間を要する問題点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の伝熱管の管肉厚
計測装置にあっては、伝熱管の一点ごとに各管肉厚を計
測するため、伝熱管の広い範囲にわたって管肉厚を計測
するには多大の計測時間を要し、かつ移動機構の自由度
を大にすると装置が大型化し伝熱管群の狭隘箇所で計測
を困難にする問題点があった。

【０００６】本発明の目的は、伝熱管の管周方向及び管
軸方向の広い範囲にわたって管肉厚を短時間に計測する
ことのできる伝熱管の管肉厚計測装置を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る伝熱管の管肉厚計測装置は、伝熱管の
管肉厚を管外より計測する計測機構を備えた伝熱管の管
肉厚計測装置において、計測機構は、点光源より少なく
とも一つのシート状光ビームを伝熱管の管表面に生成さ
せるビーム変形レンズを設置している構成とする。

【０００８】そしてビーム変形レンズは、所定の伝熱管
に向けて移動自在な移動機構の一端に保持されている構
成でもよい。

【０００９】またビーム変形レンズは、少なくともロッ
ドレンズと、少なくとも一つの透過型回折格子とにより
形成されている構成でもよい。

【００１０】さらに移動機構は、圧縮流体を流通可能な
中空状に形成されている構成でもよい。

【００１１】そしてビーム変形レンズは、管表面に投影
されたそれぞれのシート状光ビームの反射光を受光する
テレビカメラと、テレビカメラで撮像した画像を画像処
理し管肉厚を演算する画像処理装置とを付設している構
成でもよい。

【００１２】

【作用】本発明によれば、レーザ光のようにコヒーレン
ス（可干渉性）の良好な点光源である光ビームを、例え
ばロッドレンズのようなビーム変形レンズに入射させる
と、ロッドレンズ出口の光ビーム形状はシート状光ビー
ム、つまり入射する光ビームに垂直な面上で観測すると
１本の直線状光線に変形される。またロッドレンズの後
にさらに１次元の透過型回折格子を設け、ロッドレンズ
にレーザ光を入射させると、透過型回折格子出口の光ビ
ーム形状は、回折効果により複数のシート状光ビーム、
すなわち入射する光ビームに垂直な面上で観測すると平
行した複数の直線状光線に変形される。

【００１３】このように１本の断面上では点形状のレー
ザ光をロッドレンズと透過型回折格子とよりなるビーム
変形レンズに入射させると、ビーム変形レンズの出口側
の光路断面上に、光線の間隔や長さ等の形状がビーム変
形レンズの特性により制御された光パターンが形成され
る。この制御された光パターンは、入射するレーザ光が
点形状で極く狭い領域しか投影しないのに比して、数十
倍より数百倍の広い領域に制御された形状で投影され
る。したがって移動可能なアームの先端の極く近傍の伝
熱管表面だけでなく、近傍を含む伝熱管表面の広い範囲
にわたって制御された光パターンが投影され、この光パ
ターンの反射光をテレビカメラのような２次元光検出器
で一度に検出し、画像処理することにより、一回のアー
ム位置設定で伝熱管表面の管周方向及び管軸方向の広い
範囲で管肉厚計測を一度に実施可能となり、伝熱管群全
体の計測時間の短縮が可能になる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図４を参照しなが
ら説明する。図１〜図４に示すように、伝熱管５４の管
肉厚を管外より計測する計測機構を備えた伝熱管の管肉
厚計測装置であって、計測機構は、レーザダイオード光
源５等からのレーザ光等が光ファイバ３を経由しかつ光
ヘッド２内に設けられた反射ミラー７により、光伝搬方
向を変えた点光源より一つ以上のシート状光ビームを伝
熱管５４の管表面に生成させるビーム変形レンズ８を設
置している構成とする。

【００１５】そしてビーム変形レンズ８は、少なくとも
ロッドレンズ９と、一つ以上の透過型回折格子（１次元
透過型回折格子）１０とにより形成されるとともに、所
定位置の伝熱管５４に向けて移動自在な移動機構の一端
に保持され、移動機構は、圧縮機１６等より送給された
圧縮空気等の圧縮流体を流通可能でかつ伸縮自在にリー
ル１ａに挿通される中空円柱状又は中空角柱状のアーム
１に形成され、ビーム変形レンズ８は、伝熱管５４の管
表面に投影されたシート状光ビームの反射光を受光する
テレビカメラ（ＴＶカメラ）１２と、テレビカメラ１２
で撮像した画像を画像処理し管肉厚を演算する画像処理
装置１５とを付設している構成とする。なお図１に、横
方向に配列された伝熱管の管肉厚を計測する状態が示さ
れているが、縦方向に配列されている伝熱管に対して
は、配列されている伝熱管の間に横方向より移動機構を
通過させて所定の伝熱管に近接させ、全く同様にして管
肉厚を計測することができる。

【００１６】すなわち伸縮可能な中空円筒あるいは中空
箱型のアーム１の一端に光学ヘッド２を設置し固定す
る。この光学ヘッド２に、アーム１の外周に設けたリー
ル１ａに挿通されて延長可能なアーム１の中に敷設され
た光ファイバ３の一端に接続される金属スリ−ブ４を固
定する。光ファイバ３の他端に接続されたレーザ光ダイ
オード光源５からのレーザ光は、光ファイバ３を経由し
かつ光学ヘッド２に固定された金属スリ−ブ４内を通っ
て、光学ヘッド２内のレーザ光の直下に設けられた４５
度の角度を有する反射ミラー７により光伝搬方向を９０
度変えた後、反射ミラー７に対向して配置されたビーム
変形レンズ８に入射される。

【００１７】図３及び図４に本実施例に採用したビーム
変形レンズ８の一実施例を示す。このビーム変形レンズ
８は、径３mmφ，長さ１０mmの外形寸法を有し長さ方向
を縦方向（図２に示す光ファイバ３の長さ方向に平行方
向）に配置したロッドレンズ９と、ロッドレンズ９の外
周に密着され１０mm×１０mmの外形寸法を有する光ファ
イバアレイで形成された１次元透過型回折格子１０とよ
りなり、レーザ光は、ロッドレンズ９を通過するとロッ
ドレンズ９の径方向に扇形に広がるシート状光ビームに
変形する。この扇形に広がったシート状光ビームは、光
ファイバアレイの配列方向がロッドレンズ９の長さ方向
になるようにロッドレンズ９に対向して配置された後続
の１次元透過型回折格子１０を通過し、扇形に広がった
複数のシート状光ビームに変形し伝熱管表面に投影され
る。ロッドレンズ９の長さ方向を縦方向に配置すると、
縦方向に配列された伝熱管に適用可能となり、図５及び
図６に示すように、ロッドレンズ９の長さ方向を１次元
透過型回折格子とともに横方向に配置すると、横方向に
配列された伝熱管に適用可能となる。

【００１８】図５及び図６に示すビーム変形レンズを使
用し、複数のシート状光ビームを伝熱管表面に投影した
一例を図７に示す。伝熱管表面には規則性のある縞模様
の光パターンが生成され、中心軸ａ上の縞間隔ｐは
（１）式によって与えられる。 ｐ＝Ｌ・λ／ｄ……（１） ここで Ｌ：透過型回折格子と伝熱管表面間の距離（回
折格子の０次回折光が伝熱管の管軸方向に垂直の場合は
０次回折光の光路上の距離） λ：レーザ光の波長 ｄ：透過型回折格子の光ファイバアレイの光ファイバ径 中心軸ａ上以外での縞位置は、回折光の各次数光に相当
する複数のシート状光が伝熱管の管表面と交差する軌跡
として座標変換計算より求められる。したがってそれら
の縞間隔もこの座標変換計算の過程で求められる。

【００１９】ここでＬ＝３０mm，λ=６８０nm,ｄ：１０
μmとすると、縞間隔ｐは約２．0mmとなる。縞間隔ｐを
変化させるには距離Ｌを変化すればよい。縞の本数は理
論上は無限であるが、レーザ光の光強度には限界がある
ため、高次の回折光では光強度が検出限界以下になり、
一般的には±２０程度までの回折光を用いるのが実用的
である。縞間隔２．０mm，±２０次までの回折光の利用
を考えると、肉厚計測対象の伝熱管の管軸方向の長さは
８０mmとなる。

【００２０】図７のＡ範囲で示す模擬摩耗伝熱管５４の
管周方向の、１０mm幅の摩耗部ｗに光パターンを投影し
た。ここでは、投影方向と同じ方向より観測すると縞間
隔ｐは４．０mmで、±１０次までの回折光を用いた。幅
１０mmの摩耗部ｗでは、各縞の曲率が他の非摩耗部に比
して大となり、また縞の太さが大となる傾向が認められ
た。摩耗部での光パターンのこれらの特徴を検出するこ
とにより、摩耗部の識別が可能となる。

【００２１】このようにして伝熱管表面に投影された縞
模様の光パターンは、反射により図１に示すＴＶカメラ
用マウント６に入射し、ＴＶカメラ用マウント６内のカ
メラ用反射ミラー１１をＴＶカメラの光軸に対して４５
度傾けることにより反射してＴＶカメラ１２に取り込ま
れ撮像される。カメラ用反射ミラー１１を用いているの
は、ＴＶカメラ１２の径や長さを考慮して、狭隘箇所へ
の設置を容易にするためである。本実施例では伸縮可能
なアーム１の軸方向とＴＶカメラの光軸とをほぼ平行に
しており、伝熱管と伝熱管との狭隘な隙間への挿入を可
能にしている。カメラ用反射ミラー１１は回転ステージ
１３上に設置され、光パターンの撮像角度を調節可能に
している。本実施例では、光パターン投影方向を基準に
して約４０度の角度方向より撮像している。ＴＶカメラ
用マウント６はＴＶカメラ１２を経由して光学ヘッド２
と同様に伸縮可能なケーブル１４の一端に取り付けら
れ、光学ヘッド２内の透過型回折格子１０の中心点とＴ
Ｖカメラ用マウント６内のカメラ用反射ミラー１１の中
心点とをほぼ同一水平面内にあるように取り付ける。Ｔ
Ｖカメラ１２からの電気信号及び給電は伸縮可能なケー
ブル１４を経由して行われ、電気信号は、ケーブル１４
の他端に接続された画像処理装置１５に導かれた後、縞
の曲率、縞の太さ、縞間隔、及び摩耗部と非摩耗部との
境界の異常散乱光強度等が計測演算され、管肉厚異常部
等が図示しない表示機構に表示される。

【００２２】燃料が微粉炭の場合は、伝熱管表面に燃焼
生成物の灰が付着していることが多いため、管肉厚計測
に当たっては計測対象部位の伝熱管表面の付着灰を除去
することが必要であり、本実施例ではエアブロー方式を
採用している。伸縮可能なアーム１の他端近傍に配置さ
れかつ接続された圧縮機１６より圧縮空気等の圧縮流体
をアーム１内に導き、アーム１の一端に接触した光学ヘ
ッド２の図２に示す仕切壁２ａに設けた流通口等を経由
し、光学ヘッド２及びＴＶカメラ用マウント６の開口部
２ｂより伝熱管５４に向けて噴出させる。この噴出空気
により伝熱管５４表面の付着灰を吹き飛ばすとともに、
光学ヘッド２及びＴＶカメラ用マウント６への灰付着を
防止する。

【００２３】本実施例では、レーザ光ダイオード光源か
らのコヒーレント光を光ファイバを経由して光学ヘッド
に導いているため、伝熱管表面の性状、例えば材質の
色、表面酸化膜有無による色等の違いによりレーザ光源
の波長やパワーを変える必要が生じた場合の対応が簡単
にできる効果がある。例えば伝熱管表面が黒色あるいは
茶褐色を帯びていると、現状の赤色レーザ光ダイオード
光源の光パワーレベル（典型的には１０mW以下）では、
光パターンの反射強度不足によりＴＶカメラで検出不良
が生じる可能性があるが、本実施例ではレーザ光源をよ
り大パワーの、例えば形状が大きくなるが、光パワーが
１０倍以上のガスレーザ光源に簡単に交換可能であり、
狭隘箇所の肉厚検査に支障を及ぼさない効果がある。

【００２４】また本実施例では、光パターンを生成する
光学ヘッドが非常に小形なロッドレンズ及び透過型回折
格子を搭載しているため、伸縮可能なアームの支持荷重
が低減し間接的にアームの小形化及び軽量化に寄与する
効果がある。

【００２５】さらに伸縮可能なアーム内に圧縮空気を流
して伝熱管表面の付着灰を吹き飛ばすとともに光学素子
への灰付着を防止しているため、エアブロー用配管の付
設を必要としない効果もある。

【００２６】本実施例ではビーム変形レンズとして、ロ
ッドレンズと１次元透過型回折格子との組み合わせの例
を説明したが、ロッドレンズと同様な機能を有するシリ
ンドリカルレンズとの組み合わせ、あるいは透過型回折
格子を２個相対的に角度を持たせて配置した２次元透過
型回折格子との組み合わせもビーム変形レンズとして同
様に機能することは当然である。

【００２７】また本実施例ではＴＶカメラを伸縮可能な
ケーブルの一端に取り付けた例を説明したが、画像を伝
送可能なイメージファイバを経由してＴＶカメラに画像
を伝送しても同様に機能することは当然である。

【００２８】本実施例によれば、ボイラ等の伝熱管の管
外からの肉厚計測に１次元以上の光パターンからの反射
光の信号処理を用いているため、同時に伝熱管表面の広
い領域の肉厚計測が可能となり、肉厚計測時間を短縮で
きる効果がある。

【００２９】また１次元以上の光パターンを用いるた
め、従来のポイント計測法に比して伸縮可能なアーム等
の移動機構の位置設定精度が低くても、特に計測に重大
な支障を及ぼすことがないため、移動機構を簡単化でき
る効果もある。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱管の管表面に投影
された１次元以上の光パターンの反射光を信号処理して
管肉厚を測定するため、計測時間を短縮できるととも
に、計測機構を移動し管周方向及び管軸方向の広い領域
の管肉厚を測定することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図１の光ヘッドを拡大した断面図である。

【図３】図１のビーム変形レンズを示す側面図である。

【図４】図１のビーム変形レンズを示す正面図である。

【図５】ビーム変形レンズの他の実施例を示す側面図で
ある。

【図６】ビーム変形レンズの他の実施例を示す正面図で
ある。

【図７】伝熱管の表面に投影された複数のシート状光の
例を示す図である。

【図８】従来の技術を示す図である。

【符号の説明】

１ アーム ２ 光学ヘッド ３ 光ファイバ ４ 金属スリーブ ５ レーザダイオード光源 ７ 反射ミラー ８ ビーム変形レンズ ９ ロッドレンズ １０ 一次元透過型回折格子 １２ テレビカメラ １５ 画像処理装置 １６ 圧縮機

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝熱管の管肉厚を管外より計測する計測
   機構を備えた伝熱管の管肉厚計測装置において、前記計
   測機構は、点光源より少なくとも一つのシート状光ビー
   ムを前記伝熱管の管表面に生成させるビーム変形レンズ
   を設置していることを特徴とする伝熱管の管肉厚計測装
   置。
2. 【請求項２】 ビーム変形レンズは、所定の伝熱管に向
   けて移動自在な移動機構の一端に保持されていることを
   特徴とする請求項１記載の伝熱管の管肉厚計測装置。
3. 【請求項３】 ビーム変形レンズは、少なくともロッド
   レンズと、少なくとも一つの透過型回折格子とにより形
   成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の伝
   熱管の管肉厚計測装置。
4. 【請求項４】 移動機構は、圧縮流体を流通可能な中空
   状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のい
   ずれか１項記載の伝熱管の管肉厚計測装置。
5. 【請求項５】 ビーム変形レンズは、管表面に投影され
   たそれぞれのシート状光ビームの反射光を受光するテレ
   ビカメラと、該テレビカメラで撮像した画像を画像処理
   し管肉厚を演算する画像処理装置とを付設していること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の伝熱管
   の管肉厚計測装置。