(57)【要約】【課題】配管機器での孔食を含む減肉を高精度に検出可能な配管減肉検査装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、検査対象である配管機器のエルボ５の周方向に一定間隔をおいて複数設置される超音波探触子１と、複数の超音波探触子１にそれぞれ設けられ、各超音波探触子１から送信される超音波を垂直偏波横波に変換し、これらの垂直偏波横波を検査対象の軸方向に伝播させる複数のシューと、検査対象から反射される垂直偏波横波をそれぞれ超音波探触子１で受信し、これらの垂直偏波横波の到達時間差に基づいて検査対象の減肉部の有無及び位置を同定する減肉判定部１２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象である配管機器の周方向に一定間隔をおいて複数設置される超音波探触子と、
前記複数の超音波探触子にそれぞれ設けられ、各超音波探触子から送信される超音波を垂直偏波横波に変換し、これらの垂直偏波横波を前記検査対象の軸方向に伝播させる複数のシューと、
前記検査対象から反射される垂直偏波横波をそれぞれ前記超音波探触子で受信し、これらの垂直偏波横波の到達時間差に基づいて前記検査対象の減肉部の有無及び位置を同定する減肉判定部と、
を備えることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項２】
前記複数の超音波探触子が一定間隔をおいて取り付けられる可撓性を有するベルトをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の配管減肉検査装置。
【請求項３】
前記複数のシューは、前記検査対象への各当接面が前記検査対象の曲率に対応して同じ曲率で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の配管減肉検査装置。
【請求項４】
前記複数のシューは、アクリル樹脂製であって前記検査対象が鋼の場合、前記超音波探触子との接着面と前記検査対象への当接面とのなす角度が３０〜５０°に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の配管減肉検査装置。
【請求項５】
前記垂直偏波横波は、前記検査対象の板厚より大きな波長としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の配管減肉検査装置。
【請求項６】
検査対象である配管機器の周方向に複数設置された超音波探触子から超音波を送信する送信ステップと、
前記送信ステップの後に、前記超音波をそれぞれのシューにより垂直偏波横波に変換し、これらの垂直偏波横波を前記検査対象の軸方向に伝播させる伝播ステップと、
前記伝播ステップの後に、前記検査対象から反射される垂直偏波横波を前記複数の超音波探触子で受信する受信ステップと、
前記受信ステップの後に、前記複数の超音波探触子で受信した前記垂直偏波横波の到達時間差に基づいて前記検査対象の減肉部の有無及び位置を同定する減肉判定ステップと、
を有することを特徴とする配管減肉検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波探触子を用いた配管減肉検査装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電プラントや火力化学プラントなどの各種プラントに敷設されている配管には、敷設後ある程度の期間が経過すると、経年劣化により腐食が進行した個所、すなわち減肉部が発生するおそれがある。
【０００３】
したがって、保守作業員は、定期又は不定期に実施されるメンテナンス作業で、上記のような配管において減肉部の発生の有無、及び発生した場合にその発生個所がどこであるかを検査しなければならない。
【０００４】
この検査には、配管及びエルボの減肉をガイド波（配管や板のように境界面を有する物体中を、反射やモード変換しながら進行する縦波、横波の干渉によって形成される弾性波）を用いて計測する技術が知られている。このうち、従来技術の一つとして、配管の周方向にガイド波を発生する超音波探触子を複数配置し、これらの超音波探触子から送信されたガイド波の位相をずらして計測精度を高める方式、あるいは反射波の波形から欠陥寸法を求める方式がある（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００５】
また、他の従来技術としては、配管の周方向にガイド波を発生する超音波探触子を複数配置し、隣接する超音波探触子から送信されるガイド波の位相をずらしてフォーカシングして欠陥位置を同定する技術がある（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
さらに、他の従来技術としては、配管減肉部にＥＭＡＴ(電磁超音波探触子)により共振周波数を計測することで減肉量を予測する方式がある（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−７５４９９号公報
【特許文献２】特開２００８−６４５４０号公報
【特許文献３】特開２００７−１０７８８５号公報
【特許文献４】特開２０１１−２７５７１号公報
【特許文献５】特開２０１０−５４３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述した特許文献１〜４に記載された技術は、ガイド波を適用していることから、波の偏在によりエルボに発生した欠陥が測定不能に陥るおそれがあった。
【０００９】
また、特許文献１〜４に記載された技術では、孔食（円錐状の局所腐食）は、ガイド波の波長の特性から検査感度の限界以下となり、検出することが困難となる課題があった。
【００１０】
さらに、特許文献５に記載された技術では、上記と同様に孔食は、共振法の特性から検査感度の限界以下であり、検出することが困難であるという課題がある。
【００１１】
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、配管機器での孔食を含む減肉を高精度に検出可能な配管減肉検査装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る配管減肉検査装置は、検査対象である配管機器の周方向に一定間隔をおいて複数設置される超音波探触子と、前記複数の超音波探触子にそれぞれ設けられ、各超音波探触子から送信される超音波を垂直偏波横波に変換し、これらの垂直偏波横波を前記検査対象の軸方向に伝播させる複数のシューと、前記検査対象から反射される垂直偏波横波をそれぞれ前記超音波探触子で受信し、これらの垂直偏波横波の到達時間差に基づいて前記検査対象の減肉部の有無及び位置を同定する減肉判定部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の実施形態に係る配管減肉検査方法は、検査対象である配管機器の周方向に複数設置された超音波探触子から超音波を送信する送信ステップと、前記送信ステップの後に、前記超音波をそれぞれのシューにより垂直偏波横波に変換し、これらの垂直偏波横波を前記検査対象の軸方向に伝播させる伝播ステップと、前記伝播ステップの後に、前記検査対象から反射される垂直偏波横波を前記複数の超音波探触子で受信する受信ステップと、前記受信ステップの後に、前記複数の超音波探触子で受信した前記垂直偏波横波の到達時間差に基づいて前記検査対象の減肉部の有無及び位置を同定する減肉判定ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、配管機器での孔食を含む減肉を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る配管減肉検査装置の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の超音波探触子がシューに接着された状態を示す立面図である。
【図３】超音波探触子の縦波をシューで変換したＳＶ波（ＴＳ）の発生強度とシュー角度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る配管減肉検査装置の第２実施形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る配管減肉検査装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る配管減肉検査装置の第１実施形態を示す構成図である。図２は図１の超音波探触子がシューに接着された状態を示す立面図である。図３は超音波探触子の縦波をシューで変換したＳＶ波（ＴＳ）の発生強度とシュー角度との関係を示すグラフである。なお、図１では、シューの図示を省略している。本実施形態は、エルボの孔食を検査するための実施形態である。
【００１８】
図１に示すように、原子力発電プラント及び火力化学プラントなどの各種プラントにおいては、検査対象としてのエルボ５や配管６が敷設されている。本実施形態では、減肉検査時にエルボ５の端部の周方向に沿って保持ベルト１３が取り付けられる。この保持ベルト１３は、可撓性を有する一枚の帯状部材であって、超音波の減衰効果が大きな合成ゴムや合成樹脂により成形されている。
【００１９】
保持ベルト１３には、複数の超音波探触子１が等間隔に設置されている。すなわち、複数の超音波探触子１は、保持ベルト１３により互いに連結され、アレイ状に形成されている。したがって、複数の超音波探触子１は、保持ベルト１３によりエルボ５の周方向に沿って一定間隔に容易に設置することができる。
【００２０】
各超音波探触子１は、図２に示すようにアクリル樹脂などからプリズム型に形成されたシュー１５上に接着されている。すなわち、このシュー１５は、超音波探触子１との接着面１５ａとエルボ５への当接面１５ｂとのなす角度θが３０°から５０°の範囲に傾斜して形成され、この接着面１５ａに超音波探触子１が接着されている。シュー１５のエルボ５に対する当接面１５ｂは、図示していないがエルボ５の曲率に対応して同じ曲率の円弧面に形成することにより、シュー１５の当接面１５ｂは、エルボ５に直接接触することができる。
【００２１】
複数の超音波探触子１は、それぞれ超音波を送信する。シュー１５は、各超音波探触子１から送信される超音波をＳＶ（シアーバーティカル）波、すなわち垂直偏波横波に変換する。ここで、上記ＳＶ波とは、検査対象の検査（境界）面に対して垂直な面内で振動する超音波モードである。つまり、進行軸と偏波面を含む面が検査面に直交する。また、このＳＶ波は、波長をエルボ５の板厚より大きくすることで、エルボ５の軸方向において波長の数倍の助走距離を経てＳＶ軸方向平面波２となる。
【００２２】
図３に示すグラフは、超音波探触子１の縦波ＴＬをアクリル樹脂製のシュー１５で変換した横波ＴＳを示し、シュー１５の角度（横軸）２７°に対する縦波ＴＬから横波ＴＳ、すなわちＳＶ波に変換される音圧の変化曲線を示している。ここで、アクリル樹脂製のシュー１５での音圧の変化曲線は、シュー１５の材質及び密度により微妙に変化する。したがって、図３に示すように効率的にＳＶ波を発生するには、シュー１５がアクリル樹脂製であってエルボ５が鋼製の場合、超音波探触子１との接着面１５ａとエルボ５への当接面１５ｂとのなす角度θを３０°から５０°に設定することにより実現することができる。
【００２３】
なお、この場合の図３における条件として、アクリル樹脂の密度ρ１＝１．１８×１０ｋｇ／ｍ３、鋼の密度ρ２＝７．８０×１０ｋｇ／ｍ３とすると、アクリル樹脂を伝播する縦波の音速Ｃ１Ｌ＝２７３０ｍ／Ｓ、アクリル樹脂を伝播する横波の音速Ｃ１Ｓ＝１４３０ｍ／Ｓ、鋼を伝播する縦波の音速Ｃ２Ｌ＝５９００ｍ／Ｓ、鋼を伝播する横波の音速Ｃ２Ｓ＝３２３０ｍ／Ｓとしている。
【００２４】
図１に示すように、エルボ５には、孔食３が形成されているとする。この場合、エルボ５の軸方向に伝播するＳＶ軸方向平面波２は、孔食３により反射されて欠陥反射波４となる。この欠陥反射波４は、各超音波探触子１に到達する。減肉判定部としての信号処理部１２は、各超音波探触子１の到達時間差（ＴＯＦ：Time of Flight）から欠陥位置を同定する。
【００２５】
信号処理部１２は、信号送信部７、信号受信部８、伝播時間導出部９、到達時間差演算部１０、及び画像処理・表示部１１を有する。
【００２６】
信号送信部７は、複数の超音波探触子１に電気パルス信号を同時に入力する。信号受信部８は、各超音波探触子１に到達した欠陥反射波４の信号をそれぞれ受信する。
【００２７】
伝播時間導出部９は、複数の超音波探触子１からＳＶ軸方向平面波２がエルボ５の孔食３まで伝播する時間と、その孔食３から欠陥反射波４がＳＶ軸方向平面波２の伝播方向に対して逆方向に複数の超音波探触子１まで伝播する時間の合計を算出する。
【００２８】
到達時間差演算部１０は、欠陥反射波４が伝播してそれぞれの超音波探触子１に到達した時間差を演算する。具体的には、欠陥反射波４の各超音波探触子１への到達時間差は、エルボ５の孔食３との距離差に対応しており、ＳＶ軸方向平面波２の音速が予め決まっていることから、各超音波探触子１と孔食３との距離が求まる。
【００２９】
すなわち、到達時間差演算部１０は、各超音波探触子１が電気パルス信号を入力した時間と欠陥反射波４を受信した時間の時間差にＳＶ軸方向平面波２の音速を乗じる演算を実施し、各超音波探触子１と孔食３との往復距離を求める。
【００３０】
画像処理・表示部１１は、各超音波探触子１から得られた受信信号を用いて開口合成信号処理を行い、３次元の欠陥像を得るとともに、到達時間差演算部１０に基づいて孔食３の存在及び位置を同定する。そして、エルボ５における孔食３の画像を図示しないディスプレイなどの表示手段に表示させる。
【００３１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３２】
まず、信号処理部１２の信号送信部７は、複数の超音波探触子１に電気パルス信号をそれぞれ同時に入力する。
【００３３】
すると、複数の超音波探触子１は、超音波を送信する。この送信された超音波は、複数のシュー１５によってＳＶ波、すなわち垂直偏波横波に変換されて、ＳＶ軸方向平面波２がエルボ５の軸方向に伝播する。このＳＶ軸方向平面波２は、エルボ５の孔食３まで伝播する。ＳＶ軸方向平面波２は、波長と周波数との関係から軸方向に数１０ｃｍ伝播する特性を有している。そして、その孔食３から欠陥反射波４がＳＶ軸方向平面波２の伝播方向に対して逆方向に複数の超音波探触子１まで伝播する。
【００３４】
各超音波探触子１に到達した欠陥反射波４の信号は、信号受信部８でそれぞれ受信する。次いで、伝播時間導出部９では、複数の超音波探触子１からＳＶ軸方向平面波２が孔食３まで伝播する時間と、その孔食３から欠陥反射波４が複数の超音波探触子１まで伝播する時間の合計を算出する。
【００３５】
さらに、到達時間差演算部１０では、欠陥反射波４が伝播してそれぞれの超音波探触子１に到達した時間差を演算する。これにより、上述したように各超音波探触子１と孔食３との距離が求まる。そして、画像処理・表示部１１では、開口合成信号処理を行い、３次元の欠陥像を得るとともに、到達時間差演算部１０に基づいて孔食３の存在及び位置を同定し、エルボ５における孔食３の画像を表示手段に表示させる。
【００３６】
このように本実施形態によれば、複数の超音波探触子１から送信される超音波を複数のシュー１５によりＳＶ波に変換してＳＶ軸方向平面波２がエルボ５の軸方向に伝播し、このエルボ５の孔食３から反射される欠陥反射波４をそれぞれ超音波探触子１で受信し、これらの欠陥反射波４の到達時間差に基づいてエルボ５の孔食３の有無及び位置を同定する。そのため、孔食３を高精度に検出することができる。したがって、エルボ５の曲率に超音波の伝播を乱されることなく、エルボ５の表面を軸方向に伝播するＳＶ軸方向平面波２が軸方向に伝播する範囲においてエルボ５の内面の孔食３を検出することができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、複数の超音波探触子１は、可撓性を有する保持ベルト１３に一定間隔をおいて設置されているため、エルボ５の周方向に複数の超音波探触子１を容易に設置することができる。
【００３８】
さらに、本実施形態によれば、複数のシュー１５は、エルボ５への各当接面１５ｂがエルボ５の曲率に対応して同じ曲率で形成されているため、複数のシュー１５のエルボ５に対する密着度を高めることができる。
【００３９】
そして、本実施形態によれば、複数のシュー１５は、アクリル樹脂製であって、エルボ５が鋼製の場合、超音波探触子１との接着面１５ａとエルボ５への当接面１５ｂとのなす角度θが３０〜５０°に形成されているため、ＳＶ軸方向平面波２の伝播効率及びＳＮ比を高めることができる。
【００４０】
本実施形態によれば、ＳＶ波は、エルボ５の板厚より大きな波長としたことにより、エルボ５の曲率の影響を受けることなく、ＳＶ波の周方向の均等性を向上させることができる。
【００４１】
（第２実施形態）
図４は本発明に係る配管減肉検査装置の第２実施形態を示す構成図である。
【００４２】
なお、前記第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明は省略する。また、図４では、複数の超音波探触子１に接続される信号処理部１２の図示を省略している。本実施形態は、配管の孔食を検査するための実施形態である。
【００４３】
図４に示すように、原子力発電プラント及び火力化学プラントなどの各種プラントにおいては、検査対象としての配管６が敷設されている。本実施形態では、減肉検査時に配管６の周方向に沿って保持ベルト１３が取り付けられる。この保持ベルト１３は、前記第１実施形態と同様に可撓性を有する一枚の帯状部材であって、超音波の減衰効果が大きな合成ゴムや合成樹脂により成形されている。
【００４４】
保持ベルト１３には、複数の超音波探触子１が等間隔に設置されている。すなわち、複数の超音波探触子１は、保持ベルト１３により互いに連結され、アレイ状に形成されている。したがって、複数の超音波探触子１は、保持ベルト１３により配管６の周方向に沿って一定間隔に容易に設置することができる。
【００４５】
各超音波探触子１は、前記第１実施形態と同様にアクリル樹脂などからプリズム型に形成されたシュー１５上に接着されている。複数の超音波探触子１は、それぞれ超音波を送信する。シュー１５は、各超音波探触子１から送信される超音波をＳＶ波、すなわち垂直偏波横波に変換する。
【００４６】
その他の構成及び作用は、前記第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００４７】
このように本実施形態によれば、複数の超音波探触子１から送信される超音波を複数のシュー１５によりＳＶ波に変換してＳＶ軸方向平面波２が配管６の軸方向に伝播し、この配管６の孔食３から反射される欠陥反射波４をそれぞれ超音波探触子１で受信し、これらの欠陥反射波４の到達時間差に基づいて配管６の孔食３の有無及び位置を同定する。そのため、配管６の孔食３を高精度に検出することができる。したがって、配管６の表面を軸方向に伝播するＳＶ軸方向平面波２が軸方向に伝播する範囲において配管６の内面の孔食３を検出することができる。
【００４８】
（その他の実施形態）
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００４９】
例えば、上記各実施形態では、検査対象としてエルボ５又は配管６について説明したが、これに限らず原子力発電プラントや火力化学プラントなどの各種プラントに敷設される管路を構成するチーズ、ニップルなどの他の配管機器についても適用可能である。
【００５０】
また、上記各実施形態では、減肉部として孔食３について説明したが、これに限らず、配管を通る高圧過熱水や水蒸気の機械的作用による侵食(erosion)や、化学的作用による腐食(corrosion)などによる減肉部についても検査することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…超音波探触子、２…ＳＶ軸方向平面波、３…孔食、４…欠陥反射波、５…エルボ（配管機器）、６…配管、７…信号送信部、８…信号受信部、９…伝播時間導出部、１０…到達時間差演算部、１１…画像処理・表示部、１２…信号処理部（減肉判定部）、１３…保持ベルト、１５…シュー、１５ａ…接着面、１５ｂ…当接面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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