JPS61160037A - 構造物の余寿命診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は構造物の余寿命診断装置に掛り、特に構造物表
面の損傷から余寿命を推定する方式の余寿命診断装置に
関する。

従来例においては構・遺物表面に存在する疵や割れなど
の損傷をｍ察して損傷の状態を数量的に検知する種々の
方法があった。最も有効な方法の一つは表面の任意の２
点間の電位差が２点間の損傷に応じで変化するという原
理を応用した方法である。（上材ほか４．交流電位差法
の改良と微小疲労き裂の検出への応用、非破壊検査、３
１巻、８号（８５７年８月）ｐｐ５５４〜５５８）この
方法は表面の損傷の程度に対応した数値を与えてくれる
ものの、損傷の種類、数９個々の損傷の大きさ２分布状
態などについては識別が困難なため余寿命診断装置とし
て用いる場合は高い精度が望めない。

他の方法としては人間の目を使ってオペレータが明視野
／暗視野顕微鏡を用いて表面を観察することが行われて
いる。構造物が大型の場合はアセチルセルロースフィル
ムなどを用いて、表面の損傷をレプリカとして転写し、
それを顕微鏡で観察する方法が一般に行われている。　
　（Ｂ、Ｎｅｕｂａｕｅｒａｎｄ　Ｕ、　ｗｅｄｅｌ、
　Ｒｅ５ｔｌｉｆｅ　Ｅｓｔｉａ＋ａｔｉｏｎ　ｏｆ　
ＣｒｅｅｐｉｎｇＣｏ＋＊ｐｏｎｅｎｔｓ　ｂｙ　ｍｅ
ａｎｓ　ｏｆ　Ｒａｐｌｉｃａｓ、　ＡＳＭｔ！Ｉｎｔ
ｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃａ　ｏｎ　
Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ＬｉｆｅＰｒｅｄｉｃｔｉｏ
ｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　（１９８３−４）　ＰＰ、　３０
７〜３１３）この方法は人間の目に頼るため正確さに欠
けると同時に１時間もかかりオペレータの人件費からも
非常に不経済である。

構造物の表面の損傷状態から余寿命を高精度に推定する
ためには１表面の割れやボイドなどの数と大きさ及び分
布状態を検知し識別するための簡単かつ価格の安い方法
及び装置が必要で、例えば千年余り運転された蒸気ター
ビンの余寿命診断などの分野でそのような装置に対する
切迫した需要が存在する。検知すべき損傷の大きさは余
寿命診断の精度の面から数μｍ〜数百μｍのものが対象
となる。

したがって本発明の目的は構造物表面に存在する数μｍ
から数百μｍの大小さまざまな多数の損傷の数、大きさ
及び分布状態を検知２ｍ別するための比較的安価でかつ
人間の目に頼らない装置を用いて、構造物の余寿命を高
精度に診断する手段を提供することにある。

本発明の目的は構造物の表面に生じた損傷の数。

大きさ及び分布状態から構造物の余寿命を高精度に推定
する新しい理論と、必要なデータを得るための装置によ
って達成される。

構造物の寿命は当然その使用目的により判断が異るが９
強度的な面からは構造物の表面に生じた損傷の最大なも
のが、ある一定の大きさに達した時点で寿命が尽きたと
判断するのが一般的である。

ところが構造物表面には大小さまざまな損傷が多数存在
するので、この中から最大の損傷を見出すことは殖しい
１本発明の理論的側面における特徴の一つはこの点に関
するもので、表面全体を隈なく検査する代りに、無作為
に抽出した代表面数ケ所の損傷状態を検知、識別するこ
とにより、構造物表面全体に存在する損傷の中の最大の
損傷を高精度に推定することができる。この理論は確率
論に基づくもので、極値統計手法として知られている手
法を応用したものである。構造物の表面の損傷がこのよ
うな確率論によって扱うことのできる性質を持ったもの
であることは、実験的に確認されている。

このような理論に基づいて損傷中の最大のものを推定す
るには、無作為に抽出した代表面の中に存在する大小さ
まざまな損傷を検知し、識別する新しい装置が用いられ
る。

数十倍から百倍程度の拡大率を持つレンズ系からなる光
学装置を代表面に対向して設置し１表面の損傷を拡大さ
れた画像として撮影する。この画像は撮像管や固体撮像
素子などにより電気信号に変換されてマイクロプロセッ
サに送られる。予めプログラム化された画像処理ソフト
を用いることにより、マイクロプロセッサにおいて画像
の二値化２輪郭強調９寸法算出２位置算出２Ｍ計解析な
どが行われる。マイクロプロセッサではまた。乱数を発
生させて観察すべき代表面を無作為に抽出し、その情報
を用いて光学装置を抽出された代表面に移動させる。

光学装置は構造物表面に対向して設置されなければなら
ないが、構造物は複雑な形状であることが多く、単に平
面とは限らずまた面の法線方向も下向きの垂直方向とは
限らない、従って光学装置はどのような向きの面にも容
易に取付けられるようにしなければならない。

この発明によれば比較的簡単な装置で数μｍから数百μ
ｍの大きさの表面損傷を１人間の目に頼らず正確に検出
でき、例えば蒸気タービンケーシング表面の損傷を経験
のないオペレータでも検知。

識別して余寿命を診断することができる。

本発明の特色は構造物の代表面の損傷を検知し。

識別して構造物表面に存在する最大の損傷を推定する統
計的手法を用いることであり、また代表面の損傷の検出
、識別に光学系と撮像管及びマイクロプロセッサを用い
ることである。

以下図面を用いて本発明を更に詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す図である。本発明に掛
る装置は幾つかの要素から構成されるが。

個々の要素はいずれも一般に用いられる汎用性のある装
置または部品であるから、第１図において各要素は細部
を省略し例示的に示しである。

被測定体としての構造物１の代表面に筺体９がベローズ
１１を介して密着され、筺体９の上部に取付けられたＸ
Ｙ駆動装置５を介してＴＶカメラ３が筺体９の内部に設
置される。ＴＶカメラ３の前部には倍率数七倍のレンズ
系２があり、自動焦点機構（図示しない）により被測定
面に焦点が合わせられている。レンズ系２の倍率はズー
ミング機能により任意に変えられるようにすることもで
きる。被測定面は照明装置４によって必要な明るさに照
明される。筐体９は真空排気管８．照明用電気配線７．
ＸＹ駆動用制御信号のためのケーブル６及び画像信号用
のケーブル１２とによって制御装置１０と結ばれる。制
御装置１０はマイクロプロセッサ１３．メモリ１４２表
示装置ｔ１５及び真空装置１６などで構成される。

被測定物１は例えば蒸気タービンケーシングとし、その
内表面の損傷を検知、ｒａ別して余寿命を診断する場合
を考える。ケーシング内面の損傷は全面一様ではなく、
温度の高い場所、応力の高い場所の損傷が問題となるが
、それでもそのような部位の面積は検知すべき損傷の大
きさにくらべてはるかに大きく、その面積内を全面検査
することは不経済である。筐体９は上記対象面積と同程
度か、または小さくでも数分の１程度の面積を囲うくら
いの大きさにすると好都合である。なぜならば筺体９で
囲われた面積の中は、ｘＹ駆動装置５によりＴＶカメラ
３とレンズ系２が表面に沿って移動可能であり、任意の
位置で損傷を検知し撮影できるからである。すなりち筐
体９で囲われた面積内に存在するであろう最大の損傷は
、上記面積内で無作為に抽出された数ケ所の微小面積に
ついての損傷が検知され識別されれば、前述した統計的
手法により高い精度で推定できるからである。

対象面積が筺体９で囲われる面積よりも大きい場合は筐
９を何回か移動してやらなければならない、ベローズ１
１は筐体９を任意の位置に移動して設置する作業を容易
ならしめる目的で設けられるもので、ベローズ１１の被
測定物と接触する面は柔らかい弾性体で作られ、筐体９
の内部が真空装置１６及び真空排気管８によって負圧に
なることにより、上記弾性体及びベローズ１１と筐体９
は一体として被測定物に押し当てられる。その際上記弾
性体は被測定物表面形状に倣って自由に変形し、密着し
て筐体９の内部の負圧を維持する役目を持つ、またベロ
ーズ１１は弾性体の変形だけでは追随できない大きな変
形が必要な場合に役立つものである。筺体９を被測定物
表面の所定の位置に押し当て、ベローズ１１及びその先
端の弾性体の変形で筐体９が被測定物に密着した状態で
。

真空装置１６を作動させ真空排気管８を経て筐体９の内
部の空気を排出すれば、筺体９は被測定物に容易に固定
される。筐体９を移動させる時は筺体９の内部を大気圧
に戻すだけで簡単に移動させることができるから、対象
面積が筐体９で囲ねれる面積より大きい場合でも、容易
に筺体９を移動して測定を行うことができる。

マイクロプロセッサ１３には予めプログラム化された制
御ソフト及び画像処理ソフトなどのソフトが組込まれ、
ｘｙ駆動装置５に対し制御信号を送ってＴＶカメラ３及
びレンズ系２を所定の位置に移動させ、その位置でレン
ズ系２の視野に対応した微小面積内の損傷状態が撮影さ
れる。撮影された画像はＴＶカメラ３の撮像管によって
電気信号に変換されてマイクロプロセッサ１３を経てメ
モリ１４に記録される６次に再びｘＹ駆動装置１！５に
よ′すＴＶカメラ３及びレンズ系２を別の位置に移動さ
せて第２の画像を撮影する。

このようにして筐体９で囲われた面積の中の何ケ所かが
撮影され、その画像が電気信号に変換されてメモリ１４
に蓄えられる。もし対象面積が筐体９で囲われた面積よ
りも大きい場合は、筺体９を移動させて上記の手順が繰
り返される。

所定の画像が全て記録されるとマイクロプロセッサ１３
は画像処理ソフトによって記録された画像信号をメモリ
１４から読み出して演算を行う。

構造物表面の対象とする損傷が割れ（クラック）である
とすると１割れの長さ、数及び位置を識別したり、表面
の汚れと割れを判別したりする作業は公知の画像処理ソ
フトにより比較的容易に実行できる。演算の結果得られ
た損傷に関する種々の数値は、やはりマイクロプロセッ
サ１３に組み込まれた統計処理ソフトによって処理され
、前述した極値統計の手法に基づいて対象面積内に存在
するであろう最大の損傷の大きさが求められる。最大の
損傷の大きさが得えられれば、その損傷が許容できない
大きさになるまでの時間、すなわち構造物の余寿命は損
傷の成長側から推定することができる。このようにして
得られた結果は途中の演算結果などとともに表示装置１
５の画面上に表示される。

以上詳しく説明したように本実施例によれば本発明の目
的が達成できることが具体的に示された。

第２図は第１図に示した実施例の変形例を示すもので、
同一の符号は同一部品を示す、筺体９はマグネット１７
によって被測定物に固定される。

損傷の検出にはレンズ系とＴＶカメラの代りに光ファイ
バ１８が使われる。光ファイバ１８と被測定物表面の距
離はギャップセンサ１９によって検知され、マイクロプ
ロセッサ１３によって常に一定の距離を保つように制御
される。光ファイバ１８は照明光を伝達する部分と、被
測定物表面からの反射光を伝送する部分から構成される
。

公知の技術により光ファイバとフォトトランジスタの組
合せで、物体表面の異物や模様などを検出することが可
能である。最新の光フアイバ技術によれば明暗で識別さ
れる物体については最小数μｍの大きさの物体まで検出
できる。従って光ファイバ１８を被測定物の表面に沿っ
てＸＹ方向に走査させることにより、数μｍから数百μ
ｍの大きさの損傷を検出し、その位置を識別することが
可能である。しかし、光ファイバによる異物の検出原理
は照明光の被測定物表面からの反射光強度をフォトトラ
ンジスタで電気信号に変換するものであるから、光ファ
イバ１８と被測定物表面との間隔は常は一定でなければ
ならない。ギャップセンサ１９はその間隔を一定に保つ
ために用いられるものであり、駆動装置５はＸＹ方向だ
けでなくＺ方向にも動くことが可能になっていなければ
ならない、変形例の場合は光ファイバ１８を物体表面に
沿って走査することによって損傷を検出するものである
が、この場合も第１図の実施例と同様、対象面積全面を
走査することは不経済であるから、無作為に抽出された
数ケ所の微小面積の内部を全面走査するだけで、対象面
積全体の中に存在し得る最大の損傷を統計学的に推定す
る手法を用いることができる。

本変形例では検出部に光ファイバを用いるため。

検出部が小型化できるという効果がある。また固定装置
としてマグネットを用いるため、真空装置が不用により
制御装置全体を小型化できるという効果がある。

第３図はその他の変形例を示すもので、第１図と同一符
号は同一部品を示す、対物レンズを備えた検出部２０は
マイクロプロセッサ１３により動作制御されるマニピュ
レータ２１の先端に取付けられ、被測定物であるタービ
ンケーシング１の観察孔２３からケーシング内部に挿入
され、所定の位置に保持される。検出部２０はＴＶカメ
ラ３と光ファイバ２２で結ばれ、検出部２０の対物レン
ズでとらえられた画像はそのままＴＶカメラ３に画像と
して送られる。光ファイバ２２は多数のファイバを整然
と束ねたもので、画像をそっくりそのまま伝送できる方
式のものとする。またファイバの一部を使って外部から
照明用の光も伝送できとで決定できる。また、検出部２
０に光学式あるいは電気式のギャップセンサを設け、被
測定面とのギャップを検知してマニピュレータを制御し
ても良い。

本変形例においても前述の実施例及び変形例と同様、対
象面積全面を検査する必要のないことは言うまでもない
。

検出部２０及び光ファイバ２２の一部、を空冷または水
冷ジャケットで包むことにより、ケーシングの内部に挿
入される部分を耐熱構造としても良い。ジャケットの構
造としてはフレキシブルなチューブ状のものが好都合で
ある。耐熱構造とすることによりケーシングが高温の状
態でも損傷を検知することが可能になる。

本変形例の特徴は検出部の固定装置及び走査機構部の両
機能をマニピュレータに持たせた点にあり、そのため検
出部の移動範囲が筐体などの外枠に制約されないという
効果がある。

以上本発明の実施例及び変形例を用いて詳しく説明した
ように１本発明によれば構造物表面に存在する数μｍか
ら数百μｍの大小さまざまな多数の損傷の数、大きさ及
び分布状態などを人間の目に頼らずに検知、識別するこ
とが可能となるため、表面の損傷状態から構造物の余寿
命を診断する手法の精度が飛躍的に良くなると同時に、
余寿命診断を行う者の経験や熟練度に関係なく客観的な
診断が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図である。第２図及び第
３図は変形例を示す図である。 １・・・被測定物、２・・・レンズ系、３・・・ＴＶカ
メラ。 ４・・・照明、５・・・ＸＹ駆動装置、９・・・筐体、
１０・・・制御装置、１３・・・マイクロプロセッサ、
１４・・・メモリ、１５・・・表示装置、１８・・・光
ファイバ、１９・・・ギャップセンサ、２１・・・マニ
ピュレータ、２２・・・光ファイバ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、使用中の力学的あるいは化学的な要因等により構造
   物の表面に生じる微細な割れ等の損傷を検出し、その損
   傷の状態から構造物の余寿命を推定する方式の構造物の
   余寿命診断装置において、損傷を光学的に拡大して検出
   する検出部、検出部を構造物表面に沿つて移動させる走
   査機構部、検出部と走査機構部を構造物表面に対し一定
   の相対位置関係に保持する固定装置、走査機構部を動か
   す走査制御装置、検出部で検出した光学信号を電気信号
   に変換する光・電気変換装置、該電気信号を演算処理す
   るマイクロプロセッサ及び演算処理を実行する処理ソフ
   トを備え、構造物表面に検出部及び走査機構部を固定装
   置によつて設定し、走査制御装置からの電気信号により
   検出部を構造物表面に沿つて移動させながら所定の位置
   で検出部から損傷の状態を光学信号として取込み、該光
   学信号を光・電気変換装置により電気信号に変換してマ
   イクロプロセッサに送り、処理ソフトによつて該電気信
   号を構造物表面の損傷の種類、程度あるいは数、大きさ
   、分布状態などを数量的に表わす数値の形で処理し、得
   られた数値から構造物の余寿命を推定して結果を表示す
   るようにしたことを特徴とする構造物の余寿命診断装置
   。