JPWO2017086150A1 - 超音波を用いた堆積物厚さ測定装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

プラント等で用いられる配管内部の堆積物厚さ測定装置およびその方法を提供する。超音波を用いた堆積物厚さ測定装置は、配管片側に配置された超音波送信素子と、前記配管を挟んで対向配置された超音波受信素子と、前記超音波送信素子を駆動して前記超音波受信素子からの信号を受信する超音波送受信器と、配管内の媒質を伝搬した超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、前記媒質の外径と音速のデータを用いて前記伝搬時間から配管内部の堆積物の厚さを算出する堆積物厚さ演算部を備える。

Description

本発明は、例えば、プラント等で用いられる配管内部の堆積物厚さ測定装置および堆積物厚さ測定方法に関する。

例えば、発電プラント，化学プラント等の配管は、敷設してから長期間が経過すると、内面に欠陥（減肉）が発生する。この減肉が進行すると、配管の肉厚を貫通し、液体や蒸気といった配管内を流れる内部流体が外部に漏洩する恐れがある。このような内部流体の漏洩を避けるため、配管について定期的に非破壊検査を行って状態を評価し、内部流体の漏洩が生じる前に減肉を把握して交換や補修といった対策を施す必要がある。

配管の状態を評価する非破壊検査技術としては、第一に、配管の減肉を直接検出する技術、第二に、配管に減肉を生じさせる要因を検出する技術がある。

前者については、配管の肉厚を非破壊検査する非破壊検査手段として、検査対象の肉厚を計測する超音波厚さ計が知られている。超音波厚さ計は、一般的には、電気と音響とを相互に変換可能な圧電素子を有する超音波センサが用いられている。超音波センサを配管外面に設置して、検査対象の配管にバルク波（縦波や横波といった弾性波）を励起し、配管内面で反射した弾性波を同一もしくは別の超音波センサで受信して配管の肉厚を計測する。この超音波厚さ計は、検査範囲が狭いために、広域を検査するには長い時間を要する。また、配管が埋設されている場合や、周囲に保温材や施行されている場合や、配管が二重になっている場合など、適用が困難な場合もある。

このような超音波厚さ計用いた局所的な従来の検査方法に対し、例えば、特許文献１には、配管の長手方向に隔離された二点間を伝搬する音響外乱を検知し、その音響外乱の伝搬速度を表す実測値を求め、音波の伝搬理論を用いて肉厚パラメータの関数として伝搬速度の対応する予測値を計算し、実測値と予測値を適合させることによって肉厚パラメータを計算する技術が開示されている。

特開２０１３−６１３５０号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような問題点がある。

すなわち、音波の伝搬理論を用いて肉厚パラメータの関数として伝搬速度の対応する予測値を計算する原理であり、前述の第一のカテゴリの配管の肉厚を測定する技術である。
しかしながら、減肉の進行が早い場合などでは、減肉発生前の段階から、それを把握できることが望ましい。減肉の原因の一つに、配管内面に堆積した堆積物の影響がある。このような場合では、堆積物を検出することが、より早期に減肉の兆候を掴めることになる。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、プラント等で用いられる配管内部の堆積物厚さ測定装置およびその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の配管内部の堆積物厚さ測定装置は、配管内部の堆積物の厚さを測定する装置において、配管片側に配置された超音波送信素子と、前記配管を挟んで対向配置された超音波受信素子と、前記超音波送信素子を駆動して前記超音波受信素子からの信号を受信する超音波送受信器と、配管内の媒質を伝搬した超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、前記媒質の外径と音速のデータを用いて前記伝搬時間から配管内部の堆積物の厚さを算出する堆積物厚さ演算部を備えることを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の配管内部の堆積物厚さ測定方法は、配管内部の堆積物の厚さを測定する方法において、配管片側に超音波送信素子を配置し、前記配管を挟んで超音波受信素子を対向配置し、前記超音波送信素子を駆動して前記配管内部の媒質に超音波を発生し、前記配管内部の媒質を伝搬した透過波信号を前記超音波受信素子で受信し、前記受信信号の伝搬時間を測定し、前記媒質の外径と音速のデータを用いて前記伝搬時間から配管内部の堆積物の厚さを算出することを特徴とする。

本発明によれば、配管内部の堆積物の平均的な厚さを測定することが可能になる。

本発明の実施例１による超音波を用いた堆積物厚さ測定装置を示す図である。 本発明の実施例１による堆積物厚さ測定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例１による、液で満たされた配管内を軸方向に伝搬する超音波の透過波信号を、堆積物が無い場合と有る場合を比較して模式的に示した図である。 液で満たされた配管内を軸方向に伝搬する超音波の音速と周波数×液柱外径の積の関係を超音波のモード毎に示した図である。 配管内に堆積物がある状態を配管の断面モデルで示す図である。 本発明の実施例２による超音波を用いた堆積物厚さ測定装置を示す図である。 本発明の実施例１による、液で満たされた配管内を軸方向に伝搬する超音波の複数の透過波信号を演算することで得られた信号を、堆積物が無い場合と有る場合を比較して模式的に示した図である。 本発明の実施例２による超音波を用いた堆積物厚さ測定装置の代案を示す図である。 本発明の実施例３による堆積物厚さ測定装置を示す図である。 本発明の実施例３による、液で満たされた配管内を軸方向に伝搬する超音波の反射波信号を、堆積物が無い場合と有る場合を比較して模式的に示した図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の一実施例を図１〜図５を用いて説明する。

図１は、本実施例に係る超音波を用いた堆積物厚さ測定装置の全体構成を、検査対象の配管とともに概略的に示す図である。

図１において、配管１は両端が開放されている。このような両端が開放された形状は、例えば熱交換器などに多数存在する。配管１の内面には配管内部の媒質によって堆積物２が生じることがある。本実施例においては、この堆積物２の厚さを測定する例を説明する。

堆積物厚さ測定装置は、配管１の片側に配置された超音波送信センサ３、配管１を挟んで超音波送信センサ３に対して対向配置された超音波受信センサ４、超音波送信センサ３を駆動して超音波受信センサ４からの波形信号を受信する超音波送受信器５、超音波送受信器５から出力された波形信号をデジタル波形信号に変換するＡ／Ｄ変換器６、デジタル波形信号の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部７ａ、伝搬時間から堆積物厚さを演算する堆積物厚さ演算部７ｂから構成されるコンピュータ７、堆積物厚さの測定結果を表示する表示装置９を備える。

超音波送信センサ３は、配管１の中央付近に配置され、同軸ケーブルなどで超音波送受信器５と接続される。超音波送信センサ３、例えば圧電素子によって構成されている。

反対側に配置される超音波受信センサ４は、配管１の中央付近に配置され、同軸ケーブルなどで超音波送受信器５と接続される。超音波受信センサ４は例えば圧電素子によって構成されている。

超音波送受信器３は、堆積物厚さ演算部７ｂやＡ／Ｄ変換器６とデジタルケーブルで接続され、堆積物厚さ演算部７ｂの制御によって、超音波送信センサ３に送信波形信号を印加し、さらに超音波受信センサ４からの受信波形信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器６に増幅後の受信波形信号を出力する。

コンピュータ７は、伝搬時間測定部７ａ及び堆積物厚さ演算部７ｂとして機能する。Ａ／Ｄ変換器６は、超音波送受信器３から出力された受信波形信号をテジタル波形信号に変換してコンピュータ７に含まれる伝搬時間測定部７ａに出力する。堆積物厚さ演算部７ｂは、超音波送信指令等の制御指令を超音波送受信器３に出力する。また、後述する堆積物厚さ演算処理を実行する。

表示装置９は、堆積物厚さ演算部８で演算された堆積物厚さ等の表示情報を表示し、必要に応じて、伝搬時間測定部７がＡ／Ｄ変換器６から入力するテジタル波形信号を表示する。

超音波を用いた堆積物厚さ測定装置を用いた堆積物厚さの測定方法を、図２のフローチャートを用いて以下に説明する。

ステップＳ１０１において、堆積物厚さ演算部７ｂは超音波送受信器５を制御して、超音波送信センサ３に電圧を印加し、超音波送信センサ３から配管１内部に超音波１０を送信する。超音波１０は、配管１内部の液体１１を伝搬し、超音波受信センサ４の位置に達する。

ステップＳ１０２において、Ａ／Ｄ変換器６は、超音波送受信器５が超音波送信センサ３に電圧を印加したタイミングから波形データの収録を開始しており、配管１内を伝搬した超音波の透過波を超音波受信センサ４が受信した信号を超音波送受信器５が増幅した信号をデジタルデータに変換する。

ステップＳ１０３において、伝搬時間測定部７ａは超音波の透過波の伝搬時間を測定する。図３に、配管１の内部に堆積物が無い場合と有る場合の透過波信号の様子を示す。伝搬時間測定部７ａは、このうち、波形信号１４ａ又は波形信号１４ｂの後に出現する波形信号１５ａ又は波形信号１５ｂの伝搬時間を測定する。超音波送信センサ３と超音波受信センサの間の距離によっては、波形信号１４ａと１５ａ、もしくは、波形信号１４ｂと１５ｂが完全に分離せず、伝搬時間を測定することが難しい場合があるが、その場合の方法は実施例２で述べる。

ステップＳ１０４において、伝搬時間から音速を求める。音速は、超音波送信センサ３と超音波受信センサの間の距離を、測定した伝搬時間で割ることで計算する。次に、図４に示す周波数×液柱外径と音速の関係（予めデータとして保持）を参照し、音速を液柱外径に変換する（周波数は、超音波送受信器５又は超音波送信センサ３で決定されるので既知である）。ここで、液柱とは、図５のモデルに示すように、配管１の内面に堆積物２が存在する場合に、さらにその内側の部分１２を意味する。液柱外径はｒ３ということになる。

最後に、ステップＳ１０５において、配管内径ｒ２と液柱外径ｒ３の差から堆積物厚さを求める。

以上のように構成した本実施例の効果を説明する。

従来技術としては、例えば、配管の長手方向に隔離された二点間を伝搬する音響外乱を検知し、その音響外乱の伝搬速度を表す実測値を求め、音波の伝搬理論を用いて肉厚パラメータの関数として伝搬速度の対応する予測値を計算し、実測値と予測値を適合させることによって肉厚パラメータを計算する技術があった。しかしながら、上記従来技術には次のような問題点があった。すなわち、音波の伝搬理論を用いて肉厚パラメータの関数として伝搬速度の対応する予測値を計算する原理であり、配管の肉厚を測定する技術である。しかし、減肉の進行が早い場合などでは、減肉発生前の段階から、それを把握できることが望ましい。減肉の原因の一つに、配管内面に堆積した堆積物の影響がある。このような場合では、堆積物の厚さを測定することが、より早期に減肉の兆候を掴めることになる
これに対して、本実施例においては、配管１内部の堆積物２の厚さを測定する装置において、配管１の片側に配置された超音波送信素子３と、配管１を挟んで対向配置された超音波受信素子４と、超音波送信素子３を駆動して超音波受信素子４からの信号を受信する超音波送受信器５と、配管内の媒質を伝搬した超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部７ａと、前記媒質の外径と音速のデータを用いて前記伝搬時間から配管内部の堆積物の厚さを算出する堆積物厚さ演算部７ｂを備えたので、配管１内部の堆積物２の平均的な厚さを測定することが可能になる。

本発明による第２の実施例を図６〜図８を用いて説明する。

図６は、本実施例に係る超音波を用いた堆積物厚さ測定装置の全体構成を、検査対象の配管とともに概略的に示す図である。本実施例に係る超音波を用いた堆積物厚さ測定装置は、実施例１の図１で示した堆積物厚さ測定装置と類似しており、以下異なる点を中心に説明する。

超音波受信センサ４は、５個の超音波受信センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅから構成される。５個の超音波受信センサのうち、４個の超音波受信センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、配管の外周に近い位置に配列され、１個の超音波受信センサ４ｅは、配管の中央付近に配置される。５個の超音波受信センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅは、各々個別のケーブル（同軸ケーブルなど）で超音波送受信器５と接続しても良いし、外周に配列された超音波受信センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを並列接続して一本とし、超音波受信センサ４ｅと合わせて二本のケーブルで超音波送受信器５と接続しても良い。

本実施例においては、実施例１で説明したステップＳ１０３に加えて、複数の透過波信号の加算・減算処理を行う。今、外周に配列された超音波受信センサ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄで受信した波形信号をＳａ、超音波受信センサ４ｅで受信した波形信号をＳｅとする。このとき、超音波の０次モードＳ０（液柱全体が同位相で変位）と１次モードＳ１（液柱中心と外周が逆位相で変位）は、下記の式で算出される。

Ｓ０＝Ｓａ＋Ｓｅ （演算１）
Ｓ１＝Ｓａ−Ｓｅ （演算２）
実際には、信号の強度比率が異なるので、信号Ｓａと信号Ｓｅは係数を掛けて加算又は減算するのが都合が良い。係数は予め校正データを取得して求めることができる。

このような演算をすることで、液柱の外径によって音速が変化しないモードＶｇ０と、液柱の外径によって音速が変化するモードＶｇ１を分離して波形信号を得ることができる。図８にその信号の例を示す。演算波形１と演算波形２を比較すると、演算波形１は堆積物が無い場合と有る場合で同じであるが、演算波形２は、堆積物が無い場合と有る場合で異なる位置に信号が出現する。このような演算信号を使うことによって、例えば、超音波送信センサ３と超音波受信センサ４の距離が短く、信号１４と信号１５が明確に分離しない場合でも、演算波形では分離できるので、確実に伝搬時間を測定することが可能となる。

本実施例は、超音波送信センサと超音波受信センサの配列を交代しても良い。すなわち、図８の配列としても良い。図８では、送信超音波送信センサ３は、５個の超音波送信センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅから構成される。５個の超音波送信センサのうち、４個の超音波送信センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、配管の外周に近い位置に配列され、１個の超音波送信センサ３ｅは、配管の中央付近に配置される。５個の超音波送信センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅは、各々個別のケーブル（同軸ケーブルなど）で超音波送受信器５と接続しても良いし、外周に配列された超音波送信センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを並列接続して一本とし、超音波送信センサ３ｅと合わせて二本のケーブルで超音波送受信器５と接続しても良い。

以上のように構成した本実施例の効果を説明する。

本実施例においては、超音波送信センサ３もしくは超音波受信センサ４を径方向に複数配列し、複数の信号を加算又は減算することにより、液柱の外径によって音速が変化しないモードＶｇ０の波形信号と、液柱の外径によって音速が変化するモードＶｇ１の波形信号を分離するので、伝搬時間測定が確実になることが期待できる。

本発明による第３の実施例を図９〜図１０を用いて説明する。

図９は、本実施例に係る超音波を用いた堆積物厚さ測定装置の全体構成を、検査対象の配管とともに概略的に示す図である。本実施例に係る超音波を用いた堆積物厚さ測定装置は、実施例１の図１で示した堆積物厚さ測定装置と類似しており、以下異なる点を中心に説明する。

送信超音波送信センサ３は、５個の超音波送信センサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅから構成される。送信超音波送信センサ３は、受信機能も兼ねており、例えば、堆積物が２ａ、２ｂのように局所的であった場合に、超音波１０が、堆積物が２ａ、２ｂで反射し、各々超音波反射波１０ａ、１０ｂとなって戻る超音波を受信する機能を果たす。

このような構成によれば、図１０に示すように、堆積物が無い場合は、受信信号には送信波１６だけが表示されるが、局所的な堆積物があった場合は、堆積物２ａで反射した反射波信号１７ａと、堆積物２ｂで反射した１７ｂが検出される。堆積物が局所的で平均堆積物厚さが小さくなり、実施例１や実施例２の方法で厚さ測定が難しい場合に、本実施例を併用することで、堆積物の検出性能を向上することができる。

以上のように構成した本実施例の効果を説明する。

本実施例においては、超音波送信センサ３が受信機能を兼ねて、局所的な堆積物２ａ、２ｂからの反射波を検出するので、平均堆積物厚さが小さく、実施例１や実施例２の方法で検出が難しい場合に、本実施例を併用することで、堆積物の検出性能を向上することができる。

１ 配管
２ 堆積物
２ａ、２ｂ 局所的な堆積物
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ 超音波送信センサ
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ 超音波受信センサ
５ 超音波送受信器
６ Ａ／Ｄ変換器
７ コンピュータ
７ａ 伝搬時間測定部
７ｂ 堆積物厚さ演算部
９ 表示装置
１０ 超音波
１０ａ、１０ｂ 超音波（反射波）
１１ 液
１２ 液が形成する柱（液柱）
１３ａ、１３ｂ 超音波の周波数領域
１４ａ、１４ｂ 透過波信号（０次モード）
１５ａ、１５ｂ 透過波信号（１次モード）
１６ 送信波信号
１７ａ、１７ｂ 反射波信号

Claims (5)

1. 配管片側に配置された超音波送信素子と、
   前記配管を挟んで対向に配置された超音波受信素子と、
   前記超音波送信素子を駆動して前記超音波受信素子からの信号を受信する超音波送受信器と、
   配管内の媒質を伝搬した超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、
   前記媒質の外径と音速のデータを用いて前記伝搬時間から配管内部の堆積物の厚さを算出する堆積物厚さ演算部を備えることを特徴とする超音波を用いた堆積物厚さ測定装置。
2. 請求項１において、
   前記配管片側に配置された超音波送信素子が、前記配管の径方向に配置される複数の超音波送信素子であり、
   前記配管を挟んで対向に配置された超音波受信素子が前記配管の径方向に配置される複数の超音波受信素子であり、
   前記伝搬時間測定部が、前記複数の超音波受信素子で受信された信号を加算又は減算することで演算波形を算出し、前記演算波形から超音波の伝搬時間を測定することを特徴とする超音波を用いた堆積物厚さ測定装置。
3. 配管内部の堆積物の厚さを測定する超音波素子であって、
   前記配管片側に径方向に配置される複数の超音波送信素子と、
   前記配管を挟んで対向に配置され、径方向に配置される複数の超音波受信素子を有することを特徴とする超音波素子。
4. 配管片側に超音波送信素子を配置し、
   前記配管を挟んで超音波受信素子を対向に配置し、
   前記超音波送信素子を駆動して前記配管内部の媒質に超音波を発生し、
   前記配管内部の媒質を伝搬した透過波信号を前記超音波受信素子で受信し、
   前記受信信号の伝搬時間を測定し、
   前記媒質の外径と音速のデータを用いて前記伝搬時間から配管内部の堆積物の厚さを算出することを特徴とする超音波を用いた堆積物厚さ測定方法。
5. 請求項４において、
   配管片側の径方向に複数の超音波送信素子を配置し、
   前記配管を挟んで径方向に複数の超音波受信素子を対向に配置し、
   前記複数の超音波受信素子で受信した信号を加算又は減算することで演算波形を算出し、前記演算波形から超音波の伝搬時間を測定することを特徴とする超音波を用いた堆積物厚さ測定方法。

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