(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円管又は円筒容器（以下円管と呼ぶ）の周方向に沿って超音波を伝搬させつつ円管外周の特定位置で超音波を検出し、
円管壁内を伝搬し次いで第１の所定位置で円管内部の流体中に入射した後に再び円管壁内に入射する第１の波、及び、円管壁内を伝搬し次いで第２の所定位置で円管内部の流体中に入射し、更に、前記第１の所定位置で円管の内面で反射した後に再び円管壁内に入射する第２の波の少なくとも一方について、伝播時間及び／又は振幅を計測し、
前記計測結果から、円管及び／又は円管内の流体についての評価を行うことを特徴とする円管の評価方法。
【請求項２】
少なくとも計測された振幅に基づいて、円管内面での欠陥の有無又は大きさを求める、請求項１に記載の円管の評価方法。
【請求項３】
計測された伝播時間から流体の種類及び／又は状態を判定する、請求項１に記載の円管の評価方法。
【請求項４】
計測された振幅に基づいて、円管内面におけるライニングの健全性の評価を行う、請求項１に記載の円管の評価方法。
【請求項５】
円管又は円筒容器（以下円管と呼ぶ）の周方向に沿って超音波を伝搬させつつ円管外周の特定位置で超音波を検出し、
円管壁内及び円管内部の流体中を伝播する超音波の伝播時間を計測し、
前記計測された超音波の伝播時間に基づいて円管の平均肉厚を求めることを特徴とする円管の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円管の評価方法に関し、特に、超音波を用いて円管及び円筒容器（本明細書では、これらを総称して単に円管と呼ぶ）の肉厚、欠陥の有無又は大きさ、円管の内外表面のライニングの欠陥の有無又は大きさ、さらには、円管内部の液体あるいは高圧気体（以下流体と呼ぶ）の種類及び／又は状態を検出するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に用いられているパルスエコー型超音波厚さ計は、これを被測定位置に接触させて用いるため、円管の円周方向に沿った肉厚分布や平均肉厚を測定するためには、極めて多数の点での計測を必要とする。また、欠陥から離れた位置ではその欠陥を検出することができないという欠点がある。
【０００３】
上記パルスエコー型超音波厚さ計とは別に、薄肉円管の壁に沿って伝搬する板波を用いて円管の厚みを測定する方式も知られている。しかし、この方式では、多数のモードの波を識別するために特殊な解析を必要とする。
【０００４】
上記従来技術における問題点のため、簡易に円管の厚みを計測する方法が従来から望まれている。また、円管に形成されたライニングの健全性の評価や、円管の内外表面における欠陥の有無や大きさ、さらには、円管内部の流体の種類や状態についても、これらを簡易に判定し又は評価する方法が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、流体を内部に含む円管の平均肉厚、円管の内表面の欠陥の有無や大きさ、円管の内表面のライニングの欠陥、さらには、円管中の流体の種類や状態を検査するために好適な、円管の評価方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る円管の評価方法は、その好適な実施の態様において、超音波センサによって円管内に超音波を入射し、円管の周方向にそって超音波を伝搬させつつ円管外周の特定位置で超音波を観測し、円管の内外表面で多重反射しながら円管壁内を伝播する第１の波、円管壁内を伝搬し次いで第１の所定位置で円管内部の流体中に入射した後に再び円管壁内に入射する第２の波、及び、円管壁内を伝搬し次いで第２の所定位置で円管内部の流体中に入射し、更に、前記第１の所定位置で円管の内面で反射した後に再び円管壁内に入射する第３の波について、夫々、デジタルメモリにそれら波形を複数回同期加算した後に記憶し、それら波形データをデジタル処理して各波の伝搬時間及び振幅を算出する。算出された伝播時間及び振幅に基づいて、各波の伝搬経路を解析し、円管の平均肉厚、円管内外面に存在する欠陥、ライニングされた円管のライニングの欠陥、並びに、円管内部の液体の種類及び／又は状態の何れか１つ以上を求める。
【０００７】
流体を内部に含む円管の円周方向に入射された横波は、円管の内外表面で反射を繰り返しながら周方向に伝搬する。円管内部に流体又は固体が隙間なく接しているときには、円管内面で反射する波のエネルギーの一部が、円管内面に接する流体又は固体に伝わる。その結果、円管の壁内のみを伝搬する波、及び、円管壁内を伝搬し次いで円管内面に接する流体又は固体中を通過し更に円管壁内に入射し伝搬する波が、超音波センサーによって受信される。後者には相互に異なる経路を通過する複数の波が含まれ、それらの伝搬時間は、相互に且つ円管壁内のみを伝搬する波とは異なるため、これらを観測し解析することにより、円管及び／又は円管内部の流体の評価が可能となる。
【０００８】
円管の内面及び／又は外面（内外面）に欠陥が存在すると、波は乱反射されるので、受信振幅が低下する。また、円管の内面にライニングが施されている場合には、超音波は、一般にライニングと円管内面の間の不完全な接合部分では透過しない。受信波形の各波の到着時間及び振幅を解析することにより、各波の伝搬経路を定めることができる。ここで、円管や、ライニング材料、内部流体の音響特性が既知であれば、伝搬時間差から円管の肉厚、ライニングの厚さを求めることができ、また、振幅から欠陥の有無を、さらには、欠陥からの散乱波の伝搬時間から欠陥位置が求められる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し本発明の実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態例に係わる円管の健全性評価装置による円管の評価方法の原理を示す、円管の模式的横断面図である。
【００１０】
健全性評価装置は、円管１０の外表面に接して配置された一対の超音波探触子２１、２２から成る超音波センサ１１、超音波センサ１１の一方の探触子２１に超音波発生のためのパルスを送信し、且つ、超音波センサ１１の他方の探触子２２で受信した超音波の電気信号を受信するパルス送受信機１２、パルス送受信機１２で受信した信号を収録するデジタル収録装置１３、及び、収録された信号を解析して円管の評価を行うデジタル波形処理装置１４から構成される。円管１０の内部には、高圧ガス又は各種液体が収容される。
【００１１】
本実施形態例の健全性評価装置では、円管１０外周の任意の位置（図面上ではその頂部）より、超音波センサ１１の一方の探触子２１を利用して円周方向に伝搬する横波を入射し、超音波受信センサー１１の他方の探触子２２を用いて、伝搬してきた波を検出する。パルス受信機１２は、この信号を送信した超音波と同期させて受信し、デジタル波形収録装置１３に収録する。パーソナルコンピュータとして構成されたデジタル波形処理装置１４は、収録された波形から、超音波の伝搬時間及び振幅を定量的に解析し算出する。
【００１２】
図２は、超音波の送信位置と同じ位置で受信した超音波の収録波に、各伝搬経路に対応する波形が含まれる旨を示している。同図（ａ）の波形は円管の内部が空気の場合に、同図（ｂ）は円管の内部が水の場合に夫々得られたものである。図２（ａ）及び（ｂ）の双方において、最左端の波Ｗ１は送信波を、その右側のＷ２は隣接する探触子に直接に達する波を、波Ｗ３は円管の壁内を１周して伝搬する波を夫々示している。同図（ｂ）では、Ｗ３に隣接して、これとは経路が異なる波Ｗ４、Ｗ５を含む波束が検出されており、水等の液体を透過する超音波が有効に検出できる旨が理解できる。
【００１３】
超音波の代表的な伝播経路としては、３つの経路がある。つまり、図３に示すように、点Ｐを超音波の入射点として、円管壁内のみを通過する波Ｗ３がたどる第１の経路、弧ＰＢを経由して円管壁内を通過し、次いで、弦ＢＣを経由して円管内の流体を通過し再び点Ｃで円管壁内に入射する波Ｗ４がたどる第２の経路、及び、弧ＰＡを経由して円管壁内を通過し、次いで、弦ＡＢ及び弦ＢＣを経由して円管内の流体を通過し点Ｃで再び円管壁内に入射する波Ｗ５がたどる第３の経路である。
【００１４】
円管壁内の横波音速をＶT、流体中の縦波音速をＶLとすると、上記各経路の伝搬時間は次式で与えられる。
第１の経路を伝搬する波Ｗ３の伝播時間ｔ0は、
ｔ0＝Ｃ・π・（ｄ−ｔ）／ＶT                （１）
第２の経路を伝播する波Ｗ４の伝播時間ｔ1は、
ｔ1＝Ｌ／ＶL＋ｔ0・（２π−∠COB）／２π      （２）
第３の経路を伝搬する波Ｗ５の伝播時間ｔ2は、
ｔ2＝２Ｌ／ＶL＋ｔ0・（２π−∠COA）／２π    （３）
である。
【００１５】
上式（１）〜（３）で、Ｃは円管の外形と肉厚に依存する補正係数、ｄは円管の外径、ｔはその肉厚、Ｌは弦ＡＢ及びＢＣの長さである。弦ＡＢ及び弦ＢＣの中心角度（∠AOB及び∠COB）は、送受信超音波センサーの角度、円管の内径、スネルの法則（円管の横波音速、流体の縦波音速）により幾何学的に定まる。
【００１６】
円管内部の横波音速ＶT、及び、円管外径ｄが既知のとき、波Ｗ３の伝播時間ｔ0を実測することにより、式（１）から円管の肉厚ｔが求められる。
【００１７】
円管内部に流体が存在する場合或いはその密度がより大きい場合には、流体中を通過する波の成分が増加するので、内部に流体が存在するか否かの判定や内部流体の状態の検出も可能である。円管の横波音速ＶT、外径ｄ及び厚さｔが既知であれば、測定した各波の到着時間ｔ0、ｔ1、ｔ2から、繰り返し計算により流体中の縦波音速を求めることができる。これによって流体の種類及び密度を推定できる。
【００１８】
上記各波の振幅は、円管の内外表面に欠陥が無いときに最大である。円管壁内を進行する超音波横波では、円管の内外表面で円周方向位置に欠陥が存在すると、波が乱反射を受け、図３に示す経路以外にも波が伝搬する。このため、図３に示す経路に対応する波の受信振幅が減少する。したがって各波の振幅を相互に比較することにより、特定位置における欠陥の有無及び大きさを推定できる。入射側の超音波センサーの位置を円周方向に順次に変更（走査）することにより、図３に示した円管の内外表面での反射位置が変わるので、これを解析することで任意の位置に存在する欠陥が検出できる。円管の内面又は外面にライニングが存在する場合にも、同様な考え方により、ライニングの不完全部を検出できる。
【００１９】
例えば、円管の欠陥として減肉があると、式（２）で得られたｔ1と実測された波Ｗ４の伝播時間とが異なる。また、欠陥によって内表面の形状が変化し乱反射が生じると、観測される振幅が変化する。更に、円管の外表面の欠陥は、式（１）の伝播時間ｔ0の実測値で判断できる。この場合、式（２）の伝播時間ｔ1も変化する。
【００２０】
弦ＡＢ及び弦ＢＣの長さＬが既知であり、且つ、肉厚が健全な場合には、計算で得られた伝播時間ｔ1及びｔ2とそれらの実測値との差から、流体の種類が判定できる。この場合、流体の密度が大であれば、点Ｂが点Ａから遠ざかる方向にずれ、伝播時間が短くなる。
【００２１】
【実施例】
鋼製の円管表面における鋼側の屈折角が７０度であり、送受信用超音波探触子が同じ位置に配設され、周波数が５ＭＨｚの場合について計算を行った。外径が６０ｍｍ、厚さが３ｍｍで、横波音速が３２５０ｍ／ｓである鋼製の円管では、内側に流体が存在しない場合には、円管の壁内を一周した波だけが有効に観測される。超音波の到着時間（伝播時間）は計算では６３μｓである。この円管内部に水が満たされている場合には、この波以外に等間隔の時間差で到達する２つの波が観測される。到着時間差は、約１２μｓである。
【００２２】
図４は、外径が６０ｍｍ、厚さが３ｍｍで、横波音速が３２５０ｍ／ｓの鋼製円管における伝播経路を計算によって求めた結果を示している。ここで、第３の経路における、鋼と水の境界面での鋼から水への入射点Ａ、反射点Ｂ、及び、鋼から水への入射点Ｃは夫々、超音波の入射点Ｐを０度位置として、反時計回りに約９０度、２１８度、３４６度の位置になる。反射点Ｂは、第２の経路における、鋼から水への入射点でもある。
【００２３】
実際には、円管壁内を伝搬する超音波は、既に超音波探触子からの入射地点において、円周上に立てた垂線から約６０度〜９０度の拡がりをもつため、図５に示すように、超音波は帯状の波になる。なお、水の縦波音速は、１５００ｍ／ｓであるので、スネルの法則より、鋼側屈折角が７０度の場合には、水側の屈折角は約２６度になる。
【００２４】
上記構造の円管の内表面に厚さ２ｍｍの塩化ビニールシートを貼り付けたものを各種用意した。超音波は、この厚みの塩化ビニルシートを透過できない。塩化ビニルシートを、円管の内表面全てに貼付したもの、全く貼付しなかったもの、及び、内表面を円周方向に１２等分し、その分割した各部分の内の何れかの部分に開放窓を開けた鋼製円管を各種製作し、鋼側から水側へ、或いは、水側から鋼側への波の伝播経路を遮断／開放することにより、上記鋼製の円管における超音波の伝播経路を確認することとした。
【００２５】
図６は、ビニルシート１５なしのもの（同図（ａ））、及び、全面に貼付したもの（同図（ｂ））からの受信波を比較して示す。内周全面に塩化ビニル１５を貼付した円管では、同図（ｂ）に示すように、円管壁内を伝搬する波のみが観測され、塩化ビニルを貼付しなかった円管では、同図（ａ）に示すように、３種類の波が観測された。
【００２６】
同様に、角度２１０°〜２４０°及び角度３３０°〜３６０°に塩化ビニル１５が貼付されなく、従って、経路ＢＣ間が窓１６で開放されている円管（図７（ａ））、上記に加えて角度９０゜〜１２０°に塩化ビル１５が貼付されなく、従って、経路ＡＢ及びＢＣ間が窓１６で開放されている円管（同図（ｂ））、及び、（ｂ）の円管の開放窓１６の何れか１つを少しずらした３種類の円管（同図（ｃ）〜（ｅ））を用意して、夫々の円管内を伝搬する超音波を観測した。
【００２７】
図７（ａ）では、第１及び第２の経路の波Ｗ３、Ｗ４が観測され、同図（ｂ）では、第１〜第３の経路の波Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５が全て観測された。同図（ｃ）では、鋼から水への入射点Ａの遮断によって第１及び第２の波Ｗ３、Ｗ４のみが観測され、同図（ｄ）では、反射点Ｂの遮断によって第１の経路の波Ｗ３のみが観測され、同図（ｅ）では、水から鋼への入射点Ｃの遮断によって同様に第１の経路の波Ｗ３のみが観測された。これら観測結果から、前記計算により得られた波の伝播経路は正しいものと判断できる。
【００２８】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の円管の評価方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る円管の評価方法によると、円管に入射した超音波の伝播時間及び／又は振幅を計測するという極めて簡易な方法によって、円管及び／又は円管内部の流体の評価が可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の評価方法を実施する健全性評価装置の模式的ブロック図。
【図２】図１の評価装置で観測される波形を示すグラフ。
【図３】円管内部を通過する波の伝播経路を示す円管の横断面図。
【図４】計算上の波の伝播経路を示す円管の横断面図。
【図５】計算上の波束の伝播経路を示す円管の横断面図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は夫々、実施例で計測した円管の横断面図及び観測された波形を示すグラフ。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は夫々、実施例で計測した各種円管の横断面図及び観測された波形を示すグラフ。
【符号の説明】
１０：円管
１１：超音波センサ
１２：パルス送受信機
１３：デジタル波形収録装置
１４：デジタル波形処理装置
１５：ライニングシート
１６：開放窓
２１、２２：超音波探触子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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