(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する２つの面を有する被検査体の一方の面（Ａ面と称する）に超音波探触子のうち送信探触子が配置され、前記Ａ面における前記送信探触子とは異なる位置に前記超音波探触子のうち受信探触子が配置され、前記送信探触子から前記被検査体に入射させた超音波を前記受信探触子で受信して、前記被検査体の他方の面（Ｂ面と称する）に付着している付着物層の厚さを測定する超音波厚さ測定方法であって、
前記送信探触子から前記被検査体に対して超音波を入射し、前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波を少なくとも含む超音波を前記受信探触子によって受信する超音波検出工程と、
前記超音波検出工程で受信された前記超音波の減衰率を算出する減衰率算出工程と、
前記付着物層の空隙率を推定する空隙率推定工程と、
前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、前記減衰率算出工程で算出された前記超音波の減衰率から前記付着物層の厚さを求める厚さ判定工程とを備え、
前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係は、前記空隙率が複数段階に区分され、複数の空隙率の区分ごとに前記超音波の減衰率と前記付着物層の厚さとの関係がそれぞれ設定されており、
前記減衰率算出工程では、前記複数段階の前記空隙率の区分のうち、前記空隙率推定工程で推定された前記付着物層の前記空隙率に対応する区分を選択し、該選択された区分に対応した前記超音波の減衰率と前記付着物層の厚さとの関係を用いて、前記付着物層の厚さを求める
ことを特徴とする超音波厚さ測定方法。
【請求項２】
前記被検査体が管であり、
前記超音波検出工程では、前記管の前記Ａ面である外周面に配置された前記送信探触子から前記管の厚さ方向に対して前記超音波を入射して、前記管の長手方向に伝播した超音波を前記外周面に配置された前記受信探触子で受信し、
前記厚さ判定工程にて、前記超音波の減衰率を用いて前記管の内面に付着したスケールの厚さを測定することを特徴とする請求項１に記載の超音波厚さ測定方法。
【請求項３】
前記被検査体の前記Ａ面を伝播する探触子側超音波の波形を取得する探触子側超音波取得工程と、
前記超音波検出工程で受信された前記超音波から前記探触子側超音波の波形を除去することによって、前記被検査体の前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波の波形を抽出する付着物層側超音波抽出工程とをさらに備え、
前記減衰率算出工程では、前記付着物層側超音波抽出工程で抽出された前記付着物層側超音波の前記減衰率を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波厚さ測定方法。
【請求項４】
前記被検査体と前記超音波探触子との位置関係と同一の位置関係になるように、付着物が付着していない試験体上に一、又は複数の超音波探触子を配置し、前記一又は複数の超音波探触子から前記試験体に較正用超音波を送信して、前記較正用超音波のうち、少なくとも表面波を前記較正用超音波探触子で受信する較正用超音波検出工程をさらに備え、
前記付着物層側超音波抽出工程では、前記較正用超音波検出工程で受信された表面波の波形を、前記探触子側超音波とみなして前記付着物層側超音波の波形を抽出することを特徴とする請求項３に記載の超音波厚さ測定方法。
【請求項５】
前記被検査体は、流体が内部を流れる管であり、
前記付着物層は、前記管の内面に付着するスケールであり、
前記空隙率推定工程では、前記流体の温度、および、前記流体若しくは前記管の成分の少なくとも一方に基づいて、前記付着物層としての前記スケールの空隙率を推定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波厚さ測定方法。
【請求項６】
前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係は、前記空隙率の区分に加えて、付着物の成分ごとにさらに区分されており、
前記減衰率算出工程では、対象となる被検査体の空隙率と、推定される付着物の成分とに応じて前記区分を選択するようにしたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の超音波厚さ測定方法。
【請求項７】
対向する２つの面を有する被検査体の一方の面（Ａ面と称する）に超音波探触子のうち送信探触子が配置され、前記Ａ面における前記送信探触子とは異なる位置に前記超音波探触子のうち受信探触子が配置され、前記送信探触子から前記被検査体に入射させた超音波を前記受信探触子で受信して、前記被検査体の他方の面（Ｂ面と称する）に付着している付着物層の厚さを測定する超音波厚さ測定方法であって、
前記送信探触子から前記被検査体に対して超音波を入射し、前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波を少なくとも含む超音波を前記受信探触子によって受信する超音波検出工程と、
前記超音波検出工程で受信された前記超音波の減衰率を算出する減衰率算出工程と、
前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、前記減衰率算出工程で算出された前記超音波の減衰率から前記付着物層の厚さを求める厚さ判定工程と、
前記超音波検出工程の前に、異なる複数の周波数を用いて超音波検査を行い、前記被検査体の周波数感度を検出する感度検出工程と、
予め取得した周波数と空隙率との関係に基づいて、前記感度検出工程で得られる最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択する空隙率選択工程と、を備え、
前記厚さ判定工程では、前記空隙率選択工程で選択される空隙率に対応した超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係を用いることを特徴とする超音波厚さ測定方法。
【請求項８】
前記超音波検出工程では、前記超音波探触子によって前記被検査体の長手方向に沿って超音波を送受信し、
前記減衰率算出工程にて、前記超音波探触子で検出した超音波の振幅と、付着物層が付着していない被検査体の超音波の振幅との比率、または、前記超音波探触子で検出した一定の伝播距離における超音波のエネルギー量と、付着物層が付着していない被検査体での一定の伝播距離における超音波のエネルギー量との比率に基づいて減衰率を算出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の超音波厚さ測定方法。
【請求項９】
前記被検査体が管であり、前記超音波検出工程では、前記超音波探触子によって前記被検査体の外周面から径方向に超音波を送受信し、一回の送信に対して時系列的に受信される複数の反射エコーを検出し、
前記減衰率算出工程にて、前記受信探触子で検出した前記複数の反射エコーの振幅の差から前記減衰率を算出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波厚さ測定方法。
【請求項１０】
対向する２つの面を有する被検査体の一方の面（Ａ面と称する）から超音波を送受信し、他方の面（Ｂ面と称する）に付着している付着物層の厚さを測定する超音波厚さ測定装置であって、
前記被検査体の前記Ａ面に配置され、前記被検査体に超音波を発信して、前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波を少なくとも含む超音波を受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子で受信した前記超音波を解析して前記付着物層の厚さを求める解析手段と、
前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係が蓄積される記憶手段とを備え、
前記解析手段は、
前記超音波の減衰率を算出する減衰率算出部と、
前記付着物層の空隙率を推定する空隙率推定部と、
前記記憶手段に蓄積される前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、前記減衰率算出部で算出された前記超音波の減衰率から前記付着物層の厚さを求める厚さ判定部とを有し、
前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係は、前記空隙率が複数段階に区分され、複数の空隙率の区分ごとに前記超音波の減衰率と前記付着物層の厚さとの関係がそれぞれ設定されており、
前記減衰率算出部は、前記複数段階の前記空隙率の区分のうち、前記空隙率推定部で推定された前記付着物層の前記空隙率に対応する区分を選択し、該選択された区分に対応した前記超音波の減衰率と前記付着物層の厚さとの関係を用いて、前記付着物層の厚さを求めるように構成されたことを特徴とする超音波厚さ測定装置。
【請求項１１】
前記被検査体が管であり、
前記超音波探触子は、前記管の外周面に配置され、前記管の長手方向に向かって超音波を発信して、前記長手方向に伝播した超音波を受信し、
前記解析手段は、前記超音波の減衰率を用いて前記管内面に付着したスケールの厚さを求めることを特徴とする請求項１０に記載の超音波厚さ測定装置。
【請求項１２】
前記記憶手段には、前記超音波を送信した際に、前記付着層側からの反射超音波が発生しない厚さを有する試験体と、前記被検査体と前記超音波探触子との位置関係と同一の位置関係になるように前記試験体上に配置された一、又は複数の較正用超音波探触子とを利用して予め取得した較正用表面波の波形がさらに蓄積され、
前記解析手段は、
前記被検査体の前記Ａ面を伝播する探触子側超音波の波形を取得する探触子側超音波取得部と、
前記超音波探触子で受信した前記超音波から前記探触子側超音波の波形を除去することによって、前記被検査体の前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波の波形を抽出する付着物層側超音波抽出部とをさらに有し、
前記減衰率算出部にて、前記付着物層側超音波抽出部で抽出された前記付着物層側超音波の前記減衰率を算出するようにしたことを特徴とする請求項１０又は１１のいずれかに記載の超音波厚さ測定装置。
【請求項１３】
対向する２つの面を有する被検査体の一方の面（Ａ面と称する）から超音波を送受信し、他方の面（Ｂ面と称する）に付着している付着物層の厚さを測定する超音波厚さ測定装置であって、
前記被検査体の前記Ａ面に配置され、前記被検査体に超音波を発信して、前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波を少なくとも含む超音波を受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子で受信した前記超音波を解析して前記付着物層の厚さを求める解析手段と、
前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係が蓄積される記憶手段とを備え、
前記解析手段は、
前記超音波の減衰率を算出する減衰率算出部と、
前記記憶手段に蓄積される前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、前記減衰率算出部で算出された前記超音波の減衰率から前記付着物層の厚さを求める厚さ判定部とを有し、
前記記憶手段には、超音波の周波数と付着物層の空隙率との関係がさらに蓄積されており、
前記解析手段は、
異なる複数の周波数を用いた超音波検査で得られる前記被検査体の周波数感度を検出する感度検出部と、
前記記憶手段に蓄積される前記周波数と空隙率との関係に基づいて、前記感度検出部で得られる最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択する空隙率選択部とをさらに有し、
前記厚さ判定部では、前記空隙率選択部で選択される空隙率に対応した超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係を用いるようにしたことを特徴とする超音波厚さ測定装置。
【請求項１４】
前記超音波探触子は、前記被検査体の面内方向に沿って超音波を送受信し、
前記解析手段の前記減衰率算出部は、前記超音波探触子で検出される超音波の振幅と、前記付着物層が付着していない被検査体の超音波の振幅との比率、または、前記超音波探触子で検出した一定の伝播距離における超音波のエネルギー量と、前記付着物層が付着していない被検査体での一定の伝播距離における超音波のエネルギー量との比率に基づいて減衰率を算出するようにしたことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の超音波厚さ測定装置。
【請求項１５】
前記超音波探触子は、前記被検査体の前記Ａ面から前記Ｂ面に向けて厚さ方向に超音波を送受信し、一回の送信に対して時系列的に受信される複数の反射エコーを検出し、
前記解析手段の前記減衰率算部は、前記超音波探触子で検出した複数の反射エコーの振幅の差から前記減衰率を算出するようにしたことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の超音波厚さ測定装置。
【請求項１６】
前記被検査体は、流体が内部を流れる管であり、
前記付着物層は、前記管の内面に付着するスケールであり、
前記空隙率推定部は、前記流体の温度、および、前記流体若しくは前記管の成分の少なくとも一方に基づいて、前記付着物層としての前記スケールの空隙率を推定するように構成されたことを特徴とする請求項１０乃至１５の何れか一項に記載の超音波厚さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して、対向した２つの面を有する被検査体の一方の面に付着した付着物層の厚さを測定する超音波厚さ測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、管や構造物等の被検査体に付着した付着物層の厚さ測定として、非破壊で検査可能な超音波検査が多く用いられている。
付着物層としては、例えばボイラの主蒸気管や過熱器管等の管においては、経年使用により管内面が水蒸気酸化して生成される内層スケール、あるいは管内を流れる流体成分を含むスケールが管壁に付着、堆積したりするものが挙げられる。
このように、管内には、管内面が浸食された内層スケールおよび管内面に付着した外層スケールが付着、堆積する。
これらのスケールは、管の伝熱の阻害、管の異常な温度勾配発生、圧損増大、等を引き起こし、管の噴破やクリープ損傷、剥離して他の機器に不具合を生じさせる等の可能性がある。
したがって、管を適切な時期に洗浄や交換が必要であり、この適正時期を知るためにスケールの厚さを測定することが必要となる。
【０００３】
そこで、上述したように超音波を用いた非破壊検査が好適に用いられるが、具体的に、超音波検査装置による付着物層の厚さ測定は、被検査体の一方の面に超音波探触子を配置し、付着物層が形成された他方の面に向けて超音波を送信し、他方の面（被検査体と付着物層の境界面）および付着物層の端部（付着物層と管内流体が接触する境界面）で反射した反射エコーをそれぞれ受信する。
そして、他方の面の反射エコーと付着物層端部の反射エコーの受信時間差を距離に換算し、付着物層の厚さを求めるようになっている。
【０００４】
関連する技術として、特許文献１（特開２００６−３２２９０２号公報）には、筒状体に取り付けられた超音波トランスデューサによって超音波の内の板波、特にラム波を用いて、筒状体内部に付着した付着層の厚みを測定する方法が示されている。
その方法は、１対の探触子のうち、一方の探触子を検査対象の筒状体外面に固定、他方の探触子を検査対象の筒状体外面を移動させて、両探触子間で超音波を送受信し、送信された超音波の周波数、受信された超音波の伝播時間、振幅を測定し、伝播距離、振幅、周波数、伝播時間の４つのうち少なくとも３つの関係から付着層の厚みを求めるものである。
しかし、付着層厚さに対する伝播距離、振幅、周波数、伝播時間の実験データは示されているが、４つの関係から付着層の厚さをどのように求めるのかは、明示されていない。
【０００５】
また、他の関連する技術として、特許文献２（特開２００１−１８３１２６号公報）には、超音波を用いて管内面スケールの厚さを測定する厚さ測定システムが開示されている。
このシステムは、配管に取り付けられた超音波トランスデューサによって超音波を送信した後反射エコーを受信し、受信されたＲＦ波形の反射波信号に基づいて管の肉厚とともに管内面スケールの厚さを測定する。
【０００６】
また、関連する他の技術として、特許文献３（特開２００４−４５１２４号公報）には、電磁超音波検査装置によって管を周方向および長手方向に走査して、管内面に付着している水蒸気酸化スケールの厚さを検査する方法が開示されている。
この方法では、管の内面からの反射エコー、すなわち管とスケールとの境界面からの反射エコーと、スケール端部からの反射エコーとを用いて、管外面から管内面までの距離および管外面からスケール端部までの距離の差からスケール厚さを求めるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３２２９０２号公報
【特許文献２】特開２００１−１８３１２６号公報
【特許文献３】特開２００４−４５１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の超音波検査技術は付着物層の密度が緻密であり、且つ付着物層の厚さが１ｍｍ以上（特許文献１）のものを対象としており、空隙率が大きく、しかも厚さが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のポーラス状の付着物層においては、減衰が大きいために付着物層端部からの反射エコーが得られず、付着物層の厚さを測定することができなかった。
また、例えば１００μｍ以下の厚さの小さい付着物層は、付着物層端部からの反射エコーが付着物層側の面からの反射エコーと重なってしまうため、やはり付着物層の厚さを測定することができなかった。
このように、従来の超音波検査技術は、付着物層の状態や厚さ等の諸要因によって付着物層端部からの反射エコーが検出できない場合には適用できなかったため、どのような状態の付着物層に対しても厚さを測定可能な技術が求められている。
【０００９】
本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述の事情に鑑みて、例えば空隙率の大きいポーラス状の付着物層のように、反射エコーの検出が困難な付着物層においてもその厚さを測定可能な超音波厚さ測定方法及び装置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】
【００１０】
幾つかの実施形態に係る超音波厚さ測定方法は、対向する２つの面を有する被検査体の一方の面（Ａ面と称する）に超音波探触子のうち送信探触子が配置され、前記Ａ面における前記送信探触子とは異なる位置に前記超音波探触子のうち受信探触子が配置され、前記送信探触子から前記被検査体に入射させた超音波を前記受信探触子で受信して、前記被検査体の他方の面（Ｂ面と称する）に付着している付着物層の厚さを測定する超音波厚さ測定方法であって、前記送信探触子から前記被検査体に対して超音波を入射し、前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波を少なくとも含む超音波を前記受信探触子によって受信する超音波検出工程と、前記超音波検出工程で受信された前記超音波の減衰率を算出する減衰率算出工程と、前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、前記減衰率算出工程で算出された前記超音波の減衰率から前記付着物層の厚さを求める厚さ判定工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記超音波厚さ測定方法においては、付着物が付着している被検査体を伝わって検出される超音波の振幅は、付着物が付着していない被検査体を伝わって検出される超音波の振幅に比べて小さくなる。つまり、付着物が付着している被検査体を伝わって検出される超音波の振幅の減衰が大きくなる。また、この超音波の減衰率は、付着物の厚さによっても異なる。
したがって、上記超音波厚さ測定方法では、超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、超音波の減衰率から付着物層の厚さを求めるようにしている。これにより、例えば、ポーラス状の付着物層や厚さが薄い付着物層のように、付着物層端部からの反射エコーが検出できない場合においても、付着物層の厚さ測定が可能となる。
【００１２】
また、超音波の減衰は、付着物層の内部に存在する空隙の影響も受けるため、上記超音波測定方法では、付着物層の空隙率に応じた減衰率と厚さとの関係を用いるようにしている。したがって、より一層精度の高い付着物層厚さ測定結果を得ることができる。
ここで、付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係は、予め取得しておくことが好ましい。この関係は、実験的に求めてもよいし、経験的に求めてもよいし、あるいはシミュレーションや計算により求めてもよい。なお、減衰率とは、超音波の伝搬に伴う振幅低下の比率をいう。
さらに、超音波を用いて付着物層厚さを求めるようにしたので、被検査体の比較的広い範囲における平均的な付着物層厚さを測定することが可能となる。
【００１３】
少なくとも一実施形態において、前記被検査体が管であり、前記超音波検出工程では、前記管の前記Ａ面である外周面に配置された前記送信探触子から前記管の厚さ方向に対して前記超音波を入射して、前記管の長手方向に伝播した超音波を前記外周面に配置された前記受信探触子で受信し、前記厚さ判定工程にて、前記超音波の減衰率を用いて前記管の内面に付着したスケールの厚さを測定するようにしてもよい。
なお、管の厚さ方向に対する超音波の入射角度は特に限定されない。
これにより、管を切断することなく管の内面に付着、堆積したスケールの厚さを正確に測定することが可能となる。
【００１４】
上記超音波検査においては、スケールが付着している管を伝わって検出される超音波の振幅は、スケールが付着していない管を伝わって検出される超音波の振幅に比べて小さくなる。つまり、スケールが付着している管を伝わって検出される超音波の振幅の減衰が大きくなる。（これは被検査体に入射した超音波の一部がスケール層に伝播し、その分だけ被検査体とスケールとの境界での反射量が減少するためと、推定される。）また、この超音波の減衰率は、付着しているスケールの厚さによっても異なる。
したがって、上記超音波厚さ測定方法では、超音波の減衰率とスケールの厚さとの関係に基づいて、超音波の減衰率からスケールの厚さを求めるようにした。これにより、例えば、ポーラス状のスケールや厚さが薄いスケールのように、スケール端部からの反射エコーが検出できない場合においても、スケールの厚さ測定が可能となる。
【００１５】
少なくとも一実施形態において、前記被検査体の前記Ａ面を伝播する探触子側超音波の波形を取得する探触子側超音波取得工程と、前記超音波検出工程で受信された前記超音波から前記探触子側超音波の波形を除去することによって、前記被検査体の前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波の波形を抽出する付着物層側超音波抽出工程とをさらに備え、前記減衰率算出工程では、前記付着物層側超音波抽出工程で抽出された前記付着物層側超音波の前記減衰率を算出するようにしてもよい。
なお、超音波検出工程で受信された超音波には、Ａ面を伝播する探触子側超音波と、Ｂ面を伝播する付着物層側超音波が含まれる。また、Ａ面を伝播する探触子側超音波及びＢ面を伝播する付着物層側超音波の少なくとも一方は、表面波であってもよい。
被検査体の一方の面から発信した超音波は、一方の面（Ａ面）を伝播する探触子側超音波と、他方の面を伝播する付着物層側超音波の両方を含む超音波を受信するため、これらの超音波が干渉し合って誤差が生じる可能性がある。そこで、上記したように、予め探触子側超音波を取得しておき、超音波検出工程で受信された超音波から探触子側超音波の波形を除去して付着物層側超音波のみを抽出することによって、付着物層を伝播する超音波の減衰率を正確に取得することが可能であり、測定結果の精度をより一層向上させることができる。
【００１６】
少なくとも一実施形態において、前記被検査体と前記超音波探触子との位置関係と同一の位置関係になるように、付着物が付着していない試験体上に、一又は複数の超音波探触子を配置し、前記一又は複数の超音波探触子から前記試験体に較正用超音波を送信して、前記較正用超音波のうち、少なくとも表面波を前記較正用超音波探触子で受信する較正用超音波検出工程をさらに備え、前記付着物層側超音波抽出工程では、前記較正用超音波検出工程で受信された表面波の波形を、前記探触子側超音波とみなして前記付着物層側超音波の波形を抽出するようにしてもよい。
このように、較正用超音波検出工程にて、試験体を用いて探触子側超音波の波形に対応する波形を取得することによって、正確な探触子側超音波の波形を取得することができ、そのためより精度の高い測定結果を得ることができる。
【００１７】
少なくとも一実施形態において、前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係は、前記空隙率が複数段階に区分され、複数の空隙率の区分ごとに前記超音波の減衰率と前記付着物層の厚さとの関係がそれぞれ設定されており、前記減衰率算出工程では、対象となる被検査体に該当する前記空隙率の区分を選択し、該区分に対応した前記超音波の減衰率と前記付着物層の厚さとの関係を用いて、前記付着物層の厚さを求めるようにしてもよい。
このように、所定の範囲を有するように空隙率を複数段階に区分し、対象となる管に該当する空隙率の区分を選択するようにしたので、付着物層の空隙率が異なる複数の管に幅広く適用することができる。なお、付着物層の空隙率は、管の内部を流れる流体の温度、および、流体若しくは管の成分の少なくとも一方によって推定することができる。
【００１８】
この場合、前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係は、前記空隙率の区分に加えて、付着物の成分ごとにさらに区分されており、前記減衰率算出工程では、対象となる被検査体の空隙率と、推定される付着物の成分とに応じて前記区分を選択するようにしてもよい。
超音波の減衰率は、付着物層の成分の影響も受ける場合がある。したがって、上記したように、超音波の減衰率とスケールの厚さとの関係は、空隙率の区分に加えて、付着物層の成分ごとにさらに区分されていることにより、より正確な付着物層の厚さの測定が可能となる。
【００１９】
上記管内面の超音波厚さ測定方法において、前記超音波検出工程の前に、異なる複数の周波数を用いて超音波検査を行い、前記被検査体の周波数感度を検出する感度検出工程と、予め取得した周波数と空隙率との関係に基づいて、前記感度検出工程で得られる最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択する空隙率選択工程とをさらに備え、前記厚さ判定工程では、前記空隙率選択工程で選択される空隙率に対応した超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係を用いることが好ましい。
このように、異なる複数の周波数を用いて超音波検査を行って最も感度の高い周波数を検出し、周波数と空隙率との関係に基づいて、最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択するようにしたので、対象となる管の空隙率を事前に把握していない場合においても、本発明の方法を適用することができる。
【００２０】
上記管内面の超音波厚さ測定方法において、前記超音波検出工程では、前記超音波探触子によって前記被検査体の長手方向に沿って超音波を送受信し、前記減衰率算出工程にて、前記超音波探触子で検出した超音波の振幅と、付着物層が付着していない被検査体の超音波の振幅との比率、または、前記超音波探触子で検出した一定の伝播距離における超音波のエネルギー量と、付着物層が付着していない被検査体での一定の伝播距離における超音波のエネルギー量との比率に基づいて減衰率を算出することが好ましい。
これにより、主に付着物層の影響に基づく減衰率を明確に求めることができる。
【００２１】
少なくとも一実施形態において、前記被検査体が管であり、前記超音波検出工程では、前記超音波探触子によって前記被検査体の外周面から径方向に超音波を送受信し、一回の送信に対して時系列的に受信される複数の反射エコーを検出し、前記減衰率算出工程にて、前記受信探触子で検出した前記複数の反射エコーの振幅の差から前記減衰率を算出するようにことが好ましい。
このように、超音波を管に対して垂直に入射させ、時系列的に受信される複数の反射エコーの振幅の差から減衰率を算出するようにしたので、局所的な付着物層の厚さを測定することが可能となる。
【００２２】
幾つかの実施形態に係る超音波厚さ測定装置は、対向する２つの面を有する被検査体の一方の面（Ａ面と称する）から超音波を送受信し、他方の面（Ｂ面と称する）に付着している付着物層の厚さを測定する超音波厚さ測定装置であって、前記被検査体の前記Ａ面に配置され、前記被検査体に超音波を発信して、前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波を少なくとも含む超音波を受信する超音波探触子と、前記超音波探触子で受信した前記超音波を解析して前記付着物層の厚さを求める解析手段と、前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係が蓄積される記憶手段とを備え、前記解析手段は、前記超音波の減衰率を算出する減衰率算出部と、前記記憶手段に蓄積される前記付着物層の空隙率に応じた超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、前記減衰率算出部で算出された前記超音波の減衰率から前記付着物層の厚さを求める厚さ判定部とを有することを特徴とする。
【００２３】
超音波厚さ測定装置では、超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、超音波の減衰率から付着物層の厚さを求めるようにしたので、超音波の減衰率によって付着物層の厚さを測定することが可能となる。これにより、例えば、ポーラス状の付着物層や厚さが薄い付着物層のように、付着物層の端部からの反射エコーが検出できない場合においても、付着物層の厚さ測定が可能となる。
また、本発明では、付着物層の空隙率に応じた減衰率と厚さとの関係を用いるようにしているため、付着物層の内部に存在する空隙の影響を考慮して、より一層精度の高い厚さの測定結果を得ることが可能となる。さらに、この装置は、超音波を用いて付着物層の厚さを求めるようにしたので、被検査体の比較的広い範囲における平均的な付着物層の厚さを測定することが可能である。
【００２４】
少なくとも一実施形態において、前記被検査体が管であり、前記超音波探触子は、前記管の外周面に配置され、前記管の長手方向に向かって超音波を発信して、前記長手方向に伝播した超音波を受信し、前記解析手段は、前記超音波の減衰率を用いて前記管内面に付着したスケールの厚さを求めるようにしてもよい。
これにより、管を切断することなく管の内面に付着、堆積したスケールの厚さを正確に測定することが可能となる。
【００２５】
少なくとも一実施形態において、前記記憶手段には、前記超音波を送信した際に、前記付着層側からの反射超音波が発生しない厚さを有する試験体と、前記被検査体と前記超音波探触子との位置関係と同一の位置関係になるように前記試験体上に配置された一、又は複数の較正用超音波探触子とを利用して予め取得した較正用表面波の波形がさらに蓄積され、前記解析手段は、前記被検査体の前記Ａ面を伝播する探触子側超音波の波形を取得する探触子側超音波取得部と、前記超音波探触子で受信した前記超音波から前記探触子側超音波の波形を除去することによって、前記被検査体の前記Ｂ面を伝播する付着物層側超音波の波形を抽出する付着物層側超音波抽出部とをさらに有し、前記減衰率算出部にて、前記付着物層側超音波抽出部で抽出された前記付着物層側超音波の前記減衰率を算出するようにしてもよい。
なお、「付着物層側反射超音波が発生しない厚さ」とは、付着物層側超音波を全く検出しない厚さ、又は付着物層側反射超音波が発生する場合であっても検出波形が付着物層の厚さ測定に影響を及ぼさない程度の厚さのことをいう。
このように、予め探触子側超音波を取得しておき、受信探触子で受信された超音波から探触子側超音波の波形を除去して付着物層側からの伝播超音波のみを抽出することによって、付着物層からの伝播超音波の減衰率を正確に取得することが可能であり、測定結果の精度をより一層向上させることができる。また、探触子側超音波取得工程にて、付着物層側反射超音波が発生しない厚さを有する試験体を用いて探触子側超音波の波形を計測することによって、正確な探触子側超音波の波形を取得することができ、そのためより精度の高い測定結果を得ることができる。
【００２６】
少なくとも一実施形態において、前記記憶手段には、超音波の周波数と付着物層の空隙率との関係がさらに蓄積されており、前記解析手段は、異なる複数の周波数を用いた超音波検査で得られる前記被検査体の周波数感度を検出する感度検出部と、前記記憶手段に蓄積される前記周波数と空隙率との関係に基づいて、前記感度検出部で得られる最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択する空隙率選択部とをさらに有し、前記厚さ判定部では、前記空隙率選択部で選択される空隙率に対応した超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係を用いるようにしてもよい。
このように、異なる複数の周波数を用いて超音波検査を行って最も感度の高い周波数を検出し、周波数と空隙率との関係に基づいて、最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択するようにしたので、対象となる被検査体の空隙率を事前に把握していない場合においても、本構成の装置を適用することができる。
【００２７】
少なくとも一実施形態において、前記超音波探触子は、前記被検査体の面内方向に沿って超音波を送受信し、前記解析手段の前記減衰率算出部は、前記受信探触子で検出される超音波の振幅と、前記付着物層が付着していない被検査体の超音波の振幅との比率、または、前記超音波探触子で検出した一定の伝播距離における超音波のエネルギー量と、前記付着物層が付着していない被検査体での一定の伝播距離における超音波のエネルギー量との比率に基づいて減衰率を算出するようにしてもよい。
これにより、主に付着物層の影響に基づく減衰率を明確に求めることができる。
【００２８】
少なくとも一実施形態において、前記超音波探触子は、前記被検査体の前記Ａ面から前記Ｂ面に向けて厚さ方向に超音波を送受信し、一回の送信に対して時系列的に受信される複数の反射エコーを検出し、前記解析手段の前記減衰率算部は、前記超音波探触子で検出した複数の反射エコーの振幅の差から前記減衰率を算出するようにしてもよい。
このように、超音波を被検査体に対して垂直に入射させ、時系列的に受信される複数の反射エコーの振幅の差から減衰率を算出するようにしたので、局所的な付着物層の厚さを測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
幾つかの実施形態に係る超音波厚さ測定装置及び方法は、超音波の減衰率と付着物層の厚さとの関係に基づいて、超音波の減衰率から付着物層の厚さを求めるようにしたので、管内面からの超音波のみで付着物層の厚さを測定することが可能となる。これにより、例えば、ポーラス状の付着物層や厚さが薄い付着物層のように、付着物層の端部からの反射エコーが検出できない場合においても、付着物層の厚さ測定が可能となる。
また、本発明では、付着物層の空隙率に応じた減衰率と厚さとの関係を用いるようにしているため、付着物層内部に存在する空隙の影響を考慮して、より一層精度の高い厚さの測定結果を得ることが可能となる。
さらに、本発明では、Ｂ面側の伝播超音波を用いて付着物層の厚さを求めるようにしたので、被検査体の比較的広い範囲における平均的な付着物層の厚さを測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスケール厚さ測定装置の全体構成図である。
【図２】ポーラススケールが付着した管の断面を示す拡大図である。
【図３】（Ａ）はスケールが付着していない管の超音波の波形を示す図で、（Ｂ）はポーラススケールが付着している管の超音波の波形を示す図である。
【図４】スケールの空隙率に応じた超音波の減衰率とスケールの厚さとの関係を表す減衰率−厚さマップの一例を示す図である。
【図５】異なる複数の周波数を用いた超音波検査の結果を示す図である。
【図６】超音波の周波数とスケールの空隙率との関係を表す周波数−空隙率マップの一例を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るスケール厚さ測定方法の手順を示すフローチャートである。
【図８】厚さ測定試験の装置構成を示す平面図である
【図９】厚さ測定試験の結果を示す図であり、（Ａ）はスケールが付着していない管の超音波を示す図で、（Ｂ）はポーラススケールが付着した管の超音波を示す図である。
【図１０】管を伝播する超音波について説明する図である。
【図１１】（Ａ）は管を伝播する超音波を歪みのコンター図として示した図で、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部及びＣ部の拡大図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係るスケール厚さ測定装置の全体構成図である。
【図１３】（Ａ）は超音波探触子の受信部で受信される元波形｛Ａ面側の探触子側超音波とＢ面側のスケール側超音波が重畳した波形｝で、（Ｂ）はＡ面側を伝播する探触子側超音波の波形で、（Ｃ）はＢ面側を伝播するスケール側超音波の波形｛（Ａ）−（Ｂ）｝をそれぞれ示す図である。
【図１４】スケール厚さに対する各測定値を示す表である。
【図１５】スケール厚さに対する各測定値を示すグラフである。
【図１６】本発明の第３実施形態に係るスケール厚さ測定装置の全体構成図である。
【図１７】超音波探触子による測定原理を示す模式図である。
【図１８】本発明の第３実施形態に係るスケール厚さ測定方法の手順を示すフローチャートである。
【図１９】スケール厚さ測定試験の結果を示す図であり、（Ａ）はスケールが付着していない管の反射エコーを示す図で、（Ｂ）はポーラススケールが付着した管の反射エコーを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
なお、以下に示す第１〜第３実施形態では、被検査体として管を例示して説明するが、被検査体は管に限定されるものではなく、対向する２つの面の少なくとも一方に付着物層が形成される他の構造物等であってもよい。
【００３２】
［第１実施形態］
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るスケール厚さ測定装置の全体構成を説明する。
同図に示すように、このスケール厚さ測定装置１は、管６０の内面に付着しているスケール６１の厚さを測定する装置であり、主として、超音波探触子２と、発振器３と、解析手段４と、記憶手段５とを備える。
【００３３】
ここで、被検査体となる管の概略を図２に示す。なお、図２は、ポーラススケールが付着した管の断面を示す拡大図である。管の内面６３には、高温酸化等により管６０の内面が浸食して形成された内層スケール、または、管６０の内部を流れる流体の成分が付着して形成された外層スケールを含むスケール６１が付着、堆積している。ここでは一例として、スケールの内部に多数の空隙６２を有するポーラス状のスケール６１（以下、ポーラススケールと称する）を示している。管の内面６３（管６０とスケール６１との境界面）と、スケールの端部６４との径方向の距離がスケール厚さとなる。なお、以下の説明において、管６０の外周面をＡ面と称し、管６０の内面をＢ面と称する。すなわち、超音波探触子２が配置される面がＡ面で、測定対象であるスケールが付着した面がＢ面である。
【００３４】
図１に戻り、超音波探触子２は、管６０の外周面（Ａ面）に配置され、管６０の長手方向に向かって超音波を管内に送信して、管６０の長手方向に伝播した超音波を受信する。この超音波探触子２は、例えば、発振器３で生成される超音波パルスを送信する送信部（送信探触子）２ａと、少なくとも管６０の長手方向に伝わった超音波を受信する受信部（受信探触子）２ｂとを有している。この超音波探触子２としては、送信部２ａと受信部２ｂとが長手方向に離間して配置される２探触子型の探触子が好適に用いられる。ボイラ等で用いられる管６０は、通常、隣接する複数の管がフィンで連結されているが、送信部２ａと受信部２ｂとが長手方向に離間して配置されることにより、管同士または管とフィンとの溶接部を回避することができ、ノイズの混入を防ぐことが可能である。
なお、受信探触子２ｂで受信する超音波は、少なくともＢ面を伝播する付着物層側超音波を含む超音波であり、これにＡ面を伝播する探触子側超音波が重畳された超音波であってもよい。また、Ａ面を伝播する探触子側超音波及びＢ面を伝播する付着物層側超音波の少なくとも一方は、表面波であってもよい。
【００３５】
超音波探触子２の受信部２ｂで受信された超音波は、解析手段４に入力される。
解析手段４は、主に、減衰率算出部４３と、厚さ判定部４４とを有する。
減衰率算出部４３は、超音波探触子２で受信した超音波の減衰率を算出する。ここで、減衰率とは、超音波の伝搬に伴う振幅低下の比率をいう。この減衰率は、同一の管６０においては、管内面のスケールの有無によって異なる。
【００３６】
図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、具体的な減衰率の算出例を以下に説明する。ここで、図３（Ａ）は、スケールが付着していない管の超音波の波形を示す図で、（Ｂ）は、ポーラススケールが付着している管の超音波の波形を示す図である。なお、この波形は、図１に示すように送信部２ａと受信部２ｂとからなる２探触子型の超音波探触子２を用いて、長手方向に超音波を送受信して検出したものである。
【００３７】
超音波の減衰率は、超音波の振幅から算出することができる。例えば、スケールが付着している管を伝播した超音波の振幅と、スケールが付着していない管を伝播した超音波の振幅との比率から算出する。この場合、以下の算出式（１）によって減衰率が算出される。
【数１】
0005922558.tif 000002
ここで、図３（Ａ）に示すように、Ａｍａｘはスケールが付着していない管の超音波の振幅最大値で、図３（Ｂ）に示すように、Ｂｍａｘはスケールが付着している管の超音波の振幅最大値である。
このように、超音波の振幅から超音波の減衰率を算出することにより、演算処理を容易化することができる。
【００３８】
また、他の算出方法として、超音波の減衰率は、超音波の一定の伝播距離における超音波のエネルギー量から算出することができる。例えば、スケールが付着している管での一定の伝播距離における超音波のエネルギー量と、スケールが付着していない管での一定の伝播距離における超音波のエネルギー量との比率から算出する。この場合、以下の算出式（２）によって減衰率が算出される。
【数２】
0005922558.tif 000003
ここで、図３（Ａ）に示すように、Ａ（ｘ）はスケールが付着していない管の超音波の波形の式で、図３（Ｂ）に示すように、Ｂ（ｘ）はスケールが付着している管の超音波の波形の式である。また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、αは評価始端ビーム路程で、βは評価終端ビーム路程である。なお、評価始端ビーム路程は、超音波のエネルギー量を算出する際に設定される「一定の伝播距離」の始端であり、評価終端ビーム路程は、「一定の距離」の終端である。
このように、超音波の一定の伝播距離における超音波のエネルギー量から超音波の減衰率を算出することにより、高い精度で減衰率を算出することが可能である。
なお、スケールが付着していない管の超音波は、予め実験的に取得しておくことが好ましい。
【００３９】
図１に戻り、厚さ判定部４４は、スケールの空隙率に応じた超音波の減衰率とスケールの厚さとの関係に基づいて、減衰率算出部４３で算出された超音波の減衰率からスケールの厚さを求める。
スケールの空隙率に応じた超音波の減衰率とスケールの厚さとの関係は、予め取得されていることが好ましく、減衰率−厚さマップ５２として記憶手段５に蓄積されている。この減衰率−厚さマップ５２は、解析手段４または記憶手段５に接続される入力手段６から入力し、蓄積するようにしてもよい。
図４に、スケールの空隙率に応じた超音波の減衰率とスケールの厚さとの関係を表す減衰率−厚さマップの一例を示す。この減衰率−厚さマップは、縦軸が減衰率を表し、横軸がスケール厚さを表す。
【００４０】
このマップでは、空隙率およびスケール成分によって複数の区分が設定されている。例えば、線ａは、主なスケール成分が純マグネタイトで、且つ空隙率が大である区分に該当する管が適用され、線ｂは、主なスケール成分が純マグネタイトで、且つ空隙率が中である区分に該当する管が適用され、線ｃは、主なスケール成分が純マグネタイトで、且つ空隙率が小である区分に該当する管が適用される。さらに、線ｄは、主なスケール成分が純マグネタイトおよび銅で、且つ空隙率が大である区分に該当する管が適用され、線ｅは、主なスケール成分が純マグネタイトおよび銅で、且つ空隙率が中である区分に該当する管が適用され、線ｆは、主なスケール成分が純マグネタイトおよび銅で、且つ空隙率が小である区分に該当する管が適用される。
【００４１】
空隙率は所定の範囲で区分されている。例えば、空隙率大の区分は、空隙率８５％以上１００％未満の範囲とし、空隙率中の区分は、空隙率７０％以上８５％未満の範囲とし、空隙率小の区分は、空隙率５０％以上７０％未満の範囲とする。この範囲は適宜設定可能である。なお、空隙率の区分は、空隙生成の主要因となる、管６０を流れる流体温度およびスケール成分の少なくとも一方に基づいて設定してもよい。スケール成分の区分は、管６０を流れる流体の成分および管６０自体の成分によって推定されるスケール成分に応じて設定してもよい。
上記した減衰率−厚さマップは、実験的に求めてもよいし、経験的に求めてもよいし、あるいはシミュレーションや計算により求めてもよい。
【００４２】
このように、所定の範囲を有するように空隙率を複数段階に区分し、対象となる管６０に該当する空隙率の区分を選択するようにしたので、スケールの空隙率が異なる複数の管に幅広く適用することができる。
また、超音波の減衰率は、スケール成分の影響も受ける場合があるので、空隙率の区分に加えて、スケール成分ごとにさらに区分されていることにより、より正確な厚さの測定が可能となる。
【００４３】
図１に示す解析手段４は、さらに感度検出部４１と、空隙率選択部４２とを備えていてもよい。
感度検出部４１は、異なる複数の周波数を用いた超音波検査で得られる管６０の周波数感度を検出する。異なる複数の周波数を用いた超音波検査の結果を図５に示す。同図において、縦軸は周波数を表し、横軸はビーム路程を表す。ここでは一例として、周波数が高い順に、周波数Ａ、周波数Ｂ、周波数Ｃとしている。超音波探触子２によって、これらの周波数の超音波を管６０に送信し、Ａ面側を伝播する探触子側超音波とＢ面側を伝播する付着物層側超音波とを含む超音波を受信して、周波数ごとに波形を取得する。このとき、周波数Ｂでは超音波が顕著に現れており、他の周波数Ａ、Ｃではほとんど超音波が現れない。この場合、最も感度の高い周波数として周波数Ｂを選択する。
【００４４】
空隙率選択部４２は、超音波の周波数とスケールの空隙率との関係に基づいて、感度検出部４１で得られる最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択する。
超音波の周波数とスケールの空隙率との関係は、周波数−空隙率マップ５１として記憶手段５に蓄積されている。周波数−空隙率マップ５１の一例を図６に示す。同図に示すように、周波数−空隙率マップ５１は、周波数が低くなるにつれて空隙率が小さくなるように設定されている。この周波数−空隙率マップ５１は、予め取得して蓄積されることが好ましく、これは実験的に求めてもよいし、経験的に求めてもよいし、あるいはシミュレーションや計算により求めてもよい。
【００４５】
上記した厚さ判定部４４では、この空隙率選択部４２で求めた空隙率を用いて、減衰率−厚さマップ５２から超音波の周波数とスケールの空隙率との関係を選択する。
このように、異なる複数の周波数を用いて超音波検査を行って最も感度の高い周波数を検出し、周波数−空隙率マップ５１に基づいて、最も感度の高い周波数に対応した空隙率を選択するようにしたので、対象となる管６０の空隙率を事前に把握していない場合においても、本実施形態の装置を適用することができる。
また、上記した各マップおよび厚さ判定結果等は、解析手段４に接続される表示手段７に表示させることもできる。
【００４６】
次に、図７を参照して、本発明の第１実施形態に係るスケール厚さ測定方法の手順を説明する。
まず最初に、ステップＳ１の感度検出工程で、異なる複数の周波数を用いて管６０の超音波検査を行い、管６０の周波数感度を検出する。ここでは、複数の検査結果から最も感度の高い周波数を選択する。
そして、ステップＳ２の空隙率選択工程で、周波数−空隙率マップ５１を用いて、最も感度の高い周波数に対応する空隙率を選択する。
【００４７】
一方、ステップＳ３の超音波検出工程で、管６０の外周面に配置した超音波探触子２の送信部２ａから管６０の長手方向に向かって超音波を送信して、管６０の長手方向に伝播た超音波を受信部２ｂで受信する。なお、この超音波検出工程では、ステップＳ１の感度検出工程で取得された最も感度の高い周波数を用いて、超音波の検出を行うことが好ましい。また、感度検出工程及び超音波検出工程では、超音波探触子２を配置する前に測定対象領域の管外表面を研磨しておくことが好ましい。これにより、超音波探触子２と管６０との接触部での異物の存在に起因した誤差の発生を防止することができる。
次いで、ステップＳ４の減衰率算出工程で、超音波検出工程で検出した超音波の減衰率を算出する。超音波の減衰率は、上記した算出式（１）または算出式（２）等によって求められる。
【００４８】
さらに、ステップＳ５の厚さ判定工程で、減衰率−厚さマップ５２を用いて、減衰率算出工程で算出された超音波の減衰率からスケールの厚さを求める。減衰率−厚さマップ５２には、複数の区分に対応して減衰率と厚さとの関係がそれぞれ設定されているため、この中から、ステップＳ２で選択された空隙率の区分に対応する減衰率と厚さとの関係を抽出し、この減衰率と厚さとの関係に基づいて厚さを求める。
なお、ステップＳ１の感度検出工程およびステップＳ２の空隙率選択工程を備えていない場合には、減衰率−厚さマップ５２から減衰率と厚さとの関係を抽出する際に、予めスケール空隙率およびスケール成分を推定しておき、推定された区分に対応する減衰率と厚さとの関係を抽出するようにしてもよい。この推定方法は、管６０の内部を流れる流体の温度、および、流体若しくは管の成分の少なくとも一方によって推定することができる。また、ステップＳ４の減衰率算出工程では、受信部２ｂで検出される超音波の振幅と、スケールが付着していない管の超音波の振幅との差に基づいて減衰率を算出するようにしてもよい。
【００４９】
上記したように本実施形態によれば、超音波の減衰率とスケールの厚さとの関係に基づいて、超音波の減衰率からスケールの厚さを求めるようにしたので、管内面からの伝播超音波のみでスケールの厚さを測定することが可能となる。これにより、例えば、ポーラス状のスケールや厚さが薄いスケールのように、スケール端部からの超音波が検出できない場合においても、スケールの厚さ測定が可能となる。また、本実施形態に係る厚さ測定は、減衰率を用いることから比較的スケール厚さが厚い場合にも適しており、特に、スケール厚さが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍのスケールの厚さ測定に好適に用いることができる。
また、本実施形態では、スケールの空隙率に応じた減衰率と厚さとの関係を用いるようにしているため、スケール内部に存在する空隙の影響を考慮して、より一層精度の高い厚さの測定結果を得ることが可能となる。
さらに、Ｂ面側の伝播超音波を用いてスケール厚さを求めるようにしたので、管の比較的広い範囲における平均的なスケール厚さを測定することが可能となる。
【００５０】
ここで、図８に示す試験装置を用いて、超音波により超音波検出試験を行った結果を示す。
図８に示すように、この試験装置は、予め管６０を一部切り出しておき、この管６０の一端側に１探触子型の超音波探触子２を配置して構成される。超音波探触子２は、他端側に向けて超音波パルスを送信し、管の他端側の端面で反射した反射エコーを受信する。
図９は厚さ測定試験の結果を示す図であり、（Ａ）はスケールが付着していない管の反射エコーを示す図で、（Ｂ）はポーラススケールが付着した管の反射エコーを示す図である。図９（Ａ）および（Ｂ）を比較して、スケールが付着していない管の反射エコー７１は明瞭に現れるが、ポーラススケールが付着した管の反射エコー７２はほとんど検出できない。このように、スケールの有無によって減衰が異なることが明らかである。そこで、これらの振幅の差を用いて被検査体における反射エコーの減衰率を求めるようにしている。
上記したように本実施形態によれば、Ｂ面側の伝播超音波を用いて減衰率を算出するようにしたので、比較的広い範囲における平均的なスケール厚さを測定することが可能となる。
【００５１】
［第２実施形態］
次に第２実施形態に係るスケール厚さ測定装置１について説明する。本実施形態のスケール厚さ測定装置１は、スケール側超音波を抽出する構成を追設したことを除けば、既に説明した第１実施形態のスケール厚さ測定装置１と同様の構成である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
ここで、図１０及び図１１を参照して、管６０を伝播する超音波について詳細に説明する。なお、図１０は管を伝播する超音波について説明する図であり、図１１（Ａ）は管を伝播する超音波を歪みのコンター図として示した図で、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部及びＣ部の拡大図である。
【００５３】
図１０に示すように、管６０には、長手方向に離間して送信部２ａと受信部２ｂとが配置される。送信部（送信探触子）２ａから管６０の厚さ方向に対して斜めに送信される超音波は管６０の長手方向に伝播して受信部（受信探触子）２ｂで受信される。このとき、管６０の長手方向に伝播する超音波は、超音波探触子２が配置される管外面を伝播する探触子側と、スケール６１が付着した管内面を伝播するスケール側超音波とに大別される。したがって、受信部２ｂで受信される波形は、探触子側超音波とスケール側超音波とが重ね合わされた波形となる。なお、Ａ面を伝播する探触子側超音波及びＢ面を伝播するスケール側超音波の少なくとも一方は、表面波であってもよい。
【００５４】
一般的に固体の音速は空隙率によっても変化することが知られているから、通常鋼材が用いられる管６０を伝播する探触子側超音波と、酸化物等からなるスケール６１内を伝播するスケール側超音波とは音速が異なり、そのため２つの超音波の位相はずれる。具体的には、図１１（Ａ）に示すように、管６０の外表面を伝播する探触子側超音波に対してスケール側超音波の位相遅れが発生する。ここで、本実施形態におけるスケール厚さの測定に必要な超音波は、スケール厚さによって減衰率が変化するスケール側超音波である。ところが、上記したように、受信部２ｂで受信される超音波は探触子側超音波とスケール側超音波とが重ね合わされた波形となるため、探触子側超音波の影響によって測定誤差が生じることがある。
【００５５】
また、図１１（Ｂ）に示すように、探触子側超音波に対するスケール側超音波の位相遅れは、スケール厚さによってその程度が異なる。スケール厚さが１００μｍのときのスケール側超音波は、スケール厚さが５０μｍのときのスケール側超音波より位相遅れが大きく、またスケール厚さが２００μｍのときのスケール側超音波は、スケール厚さが１００μｍのときのスケール側超音波より位相遅れが大きくなる。そのため、スケール厚さが未知である時点でどの程度の位相ずれが発生するかを予測することは困難である。
【００５６】
そこで本実施形態では、管６０の長手方向に伝播する超音波の減衰率を用いて管６０の内面に付着したスケール厚さを測定する装置において、測定精度をより一層向上させることを目的として、スケール側超音波を抽出する構成を備えている。
図１２を参照して、本発明の第２実施形態に係るスケール厚さ測定装置の全体構成を説明する。
同図に示すように、スケール厚さ測定装置１は、主として、超音波探触子２と、発振器３と、解析手段４と、記憶手段５とを備える。
解析手段４は、第１実施形態と同様に感度検出部４１と、空隙率選択部４２と、減衰率算出部４３と、厚さ判定部４４とを有するとともに、探触子側超音波取得部４５と、スケール側超音波抽出部４６とをさらに有する。
記憶手段５は、第１実施形態と同様に周波数−空隙率マップ５１と、減衰率−厚さマップ５２とを有するとともに、超音波記憶部５５をさらに有する。
【００５７】
探触子側超音波取得部４５は、管６０の表面を伝播する探触子側超音波の波形を取得する。この探触子側超音波は、予め取得されて記憶手段５の超音波記憶部５５に記憶されている。
スケール側超音波抽出部４６は、超音波探触子２の受信部２ｂで受信された超音波から探触子側超音波の波形を除去することによって、管６０の内面を伝播するスケール側超音波の波形を抽出する。
【００５８】
上記構成を備えるスケール厚さ測定装置１では、探触子側超音波取得部４５で超音波記憶部５５から探触子側超音波を取得し、スケール側超音波抽出部４６によって超音波探触子２で受信した超音波から探触子側超音波を除去し、スケール側からの伝搬超音波（スケール側超音波）のみを抽出する。スケール側超音波は、スケール６１を伝播する表面波であってもよい。一例として、各波形を図１３に示す。なお、図１３（Ａ）は超音波探触子の受信部で受信される元波形で、（Ｂ）は探触子側超音波で、（Ｃ）はスケール側超音波をそれぞれ示す図である。図１３（Ａ）に示す元波形は超音波探触子２で受信される波形であり、これは探触子側超音波とスケール側超音波が重ね合わされた波形である。この波形から図１３（Ｂ）に示す探触子側超音波を除去することによって、図１３（Ｃ）に示すスケール側超音波が得られる。
そして、減衰率算出部４３でスケール側超音波の減衰率を算出する。さらに厚さ判定部４４で減衰率から減衰率−厚さマップ５２を用いてスケール厚さを算出する。減衰率−厚さマップ５２は第１実施形態に記載したマップと同一のものを用いることができるが、この場合もスケール側超音波に対応した減衰率とスケール厚さとの関係を示すマップであることが好ましい。
【００５９】
上記したように本実施形態によれば、予め探触子側超音波を取得しておき、超音波探触子で受信した超音波（すなわち、Ａ面側を伝播する探触子側超音波とＢ面側を伝播するスケール側超音波が重畳した波）の波形から探触子側超音波の波形を除去してスケール側超音波のみを抽出することによって、スケール６１を通過する超音波の減衰率を正確に取得することが可能であり、測定結果の精度をより一層向上させることができる。
図１４はスケール厚さに対する各測定値を示す表で、図１５はスケール厚さに対する各測定値を示すグラフである。図１４及び図１５に示すように、探触子側超音波とスケール側超音波が重ね合わされた波形を用いてスケール厚さを測定する場合に比べて、スケール側超音波のみを抽出してスケール厚さを測定する方がより一層スケール厚さの真値に近い高精度な測定結果が得られる。
【００６０】
また、超音波記憶部５５に記憶される探触子側超音波は、被検査体である管６０の探触子側超音波を実験的に、または計算やシミュレーション等の演算によって予め取得するようにしてもよい。
ここで、一実施形態として、実験的に探触子側超音波を取得する場合について説明する。管６０と同一の材料、又は超音波を送信した時に類似する超音波を発生する材料を試験体として用いる。この試験体は、超音波探触子２の送信部２ａから超音波を送信した際にスケール側超音波（Ｂ面側の伝播超音波）が発生しない厚さを有することが好ましい。なお、「スケール側超音波が発生しない厚さ」とは、スケール側超音波（Ｂ面側の伝播超音波）を全く検出しない厚さ、又はスケール側超音波が発生する場合であっても検出波形がスケール厚さ測定に影響を及ぼさない程度の厚さのことをいう。このとき、試験体は、中実の棒状体を用いるようにしてもよい。
【００６１】
Ａ面での試験体表面に付着した異物の超音波への影響を排除する観点から、試験体の表面を研磨した後、超音波探触子２の送信部２ａと受信部２ｂとを試験体の長手方向に離間して配置する。このとき、送信部２ａと受信部２ｂの間の距離を、被検査体である管６０を検査する時の送信部２ａと受信部２ｂの間の距離と一致させておくことが好ましい。これにより、スケール側超音波を抽出する際に、探触子側超音波とスケール側超音波の位置合わせを容易に行うことができる。
そして、送信部２ａから超音波を送信し、受信部２ｂで受信した超音波を超音波記憶部５５に記憶する。
【００６２】
また、超音波記憶部５５には、管６０の厚さ又は材質等の種類と、探触子側超音波との関係を示すマップとして記憶させてもよい。このマップは、複数種類の試験体を用いて各探触子側超音波を実験的に測定し、作成してもよいし、通信回線等を介して提供されるマップを用いてもよい。このように複数種類の管６０に対応した探触子側超音波のマップを用いることにより、異なる種類の管６０のスケール厚さを測定する場合に、その都度スケール側超音波を取得する必要がなくなり、効率的な測定が可能となる。
【００６３】
［第３実施形態］
図１６を参照して、本発明の第３実施形態に係るスケール厚さ測定装置の全体構成を説明する。なお、上記した第３実施形態は、第１実施形態又は第２実施形態と組み合わせて用いることにより、厚さ測定精度を向上させることが可能である。
同図に示すように、このスケール厚さ測定装置１は、管６０の内面に付着しているスケール６１の厚さを測定する装置であり、主として、超音波探触子２と、発振器３と、解析手段４と、記憶手段５とを備える。
【００６４】
超音波探触子２は、管６０の外周面に配置され、管６０の内面に向けて超音波を送信して、管内面からの反射エコーを受信する。この超音波探触子２は、発振器３で生成される超音波パルスを送信する送信部と、少なくとも管内面からの反射エコーを受信する受信部とを有している。好ましくは、超音波探触子２は、管６０の外周面から径方向に、すなわち管６０に対して垂直に超音波を送受信する。
図１７に示すように、超音波探触子２から送信された超音波パルスは、管の内面６３で繰り返し反射し、複数の反射エコーが受信部で時系列的に受信される。この複数の反射エコーは、図１６に示す解析手段４に入力される。
【００６５】
図１６に示す解析手段４は、主に、減衰率算出部４３と、厚さ判定部４４とを有する。
減衰率算出部４３は、超音波探触子２で受信した複数の反射エコーの振幅の差から減衰率を算出する。ここで、減衰率算出部４３は、上記した第１実施形態と同様に、スケールが付着していない管の反射エコーと、スケールが付着している管の反射エコーとの振幅比あるいはエネルギー量の比から減衰率を算出してもよい。
厚さ判定部４４は、スケールの空隙率に応じた反射エコーの減衰率とスケールの厚さとの関係に基づいて、減衰率算出部４３で算出された反射エコーの減衰率からスケールの厚さを求める。スケールの空隙率に応じた反射エコーの減衰率とスケールの厚さとの関係は、第１実施形態とほぼ同様の構成を採用することができる。
【００６６】
次に、図１８を参照して、本発明の第１実施形態に係るスケール厚さ測定方法の手順を説明する。
まず最初に、ステップＳ１１の感度検出工程で、異なる複数の周波数を用いて管６０の超音波検査を行い、管６０の周波数感度を検出する。ここでは、複数の検査結果から最も感度の高い周波数を選択する。
そして、ステップＳ１２の空隙率選択工程で、周波数−空隙率マップ５１を用いて、最も感度の高い周波数に対応する空隙率を選択する。
【００６７】
一方、ステップＳ１３の超音波検出工程で、管６０の外周面に配置した超音波探触子２から管内面に向けて超音波を送信して、管内面からの反射エコーを受信する。ここでは、超音波探触子２によって管の外周面から径方向に超音波を送受信し、一回の送信に対して時系列的に受信される複数の反射エコーを検出する。なお、この超音波検出工程では、ステップＳ１１の感度検出工程で取得された最も感度の高い周波数を用いて、反射エコーの検出を行うことが好ましい。
次いで、ステップＳ１４の減衰率算出工程で、超音波検出工程で検出した複数の反射エコーの振幅の差から反射エコーの減衰率を算出する。
【００６８】
さらに、ステップＳ１５の厚さ判定工程で、減衰率−厚さマップ５２を用いて、減衰率算出工程で算出された反射エコーの減衰率からスケールの厚さを求める。減衰率−厚さマップ５２には、複数の区分に対応して減衰率と厚さとの関係がそれぞれ設定されているため、この中から、ステップＳ１２で選択された空隙率の区分に対応する減衰率と厚さとの関係を抽出し、この減衰率と厚さとの関係に基づいて厚さを求める。
なお、ステップＳ１１の感度検出工程およびステップＳ１２の空隙率選択工程を備えていない場合には、減衰率−厚さマップ５２から減衰率と厚さとの関係を抽出する際に、予めスケール空隙率およびスケール成分を推定しておき、推定された区分に対応する減衰率と厚さとの関係を抽出するようにしてもよい。この推定方法は、管６０の内部を流れる流体の温度、および、流体若しくは管の成分の少なくとも一方によって推定することができる。
【００６９】
ここで、図１９に示すように、超音波検査においては、スケールが付着している管は、スケールが付着していない管に比べて、管内面からの反射エコーの減衰が大きくなる。なお、図１９は厚さ測定試験の結果を示す図であり、（Ａ）はスケールが付着していない管の反射エコーを示す図で、（Ｂ）はポーラススケールが付着した管の反射エコーを示す図である。上記した超音波検出工程で検出される波形は図１３（Ｂ）のようになり、図１３（Ａ）に示すスケールが付着していない管の反射エコーに比べて、減衰率が大きくなる。例えば、６回目の反射エコーに着目すると、スケールが付着している場合の振幅の方が、スケールが付着していない場合の振幅よりΔＶだけ小さくなる。このように、本実施形態では、スケールの有無によって反射エコーの減衰率が異なることを利用して厚さを測定する構成とすることで、管内面からの反射エコーのみでスケールの厚さを測定することが可能となる。
【００７０】
上記したように本実施形態によれば、反射エコーの減衰率とスケールの厚さとの関係に基づいて、反射エコーの減衰率からスケールの厚さを求めるようにしたので、管内面からの反射エコーのみでスケールの厚さを測定することが可能となる。これにより、例えば、ポーラス状のスケールや厚さが薄いスケールのように、スケール端部からの反射エコーが検出できない場合においても、スケールの厚さ測定が可能となる。
また、本実施形態では、スケールの空隙率に応じた減衰率と厚さとの関係を用いるようにしているため、スケール内部に存在する空隙の影響を考慮して、より一層精度の高い厚さの測定結果を得ることが可能となる。
【００７１】
以上、本実施形態の一例について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
例えば、上述の実施形態では、本発明をボイラの主蒸気管や過熱器管に適用した例について主に説明したが、本発明は他の装置、設備またはプラントに設けられる管に適用されてもよい。また、被検査体であるスケールとして、主にポーラススケールについて説明したが、緻密なスケールの厚さ測定にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１    スケール厚さ測定装置
２    超音波探触子
２ａ  送信部
２ｂ  受振部
３    発振器
４    解析手段
４１  感度検出部
４２  空隙率選択部
４３  減衰率算出部
４４  厚さ判定部
４５  探触子超音波取得部
４６  スケール側超音波抽出部
５    記憶手段
５１  周波数−空隙率マップ
５２  減衰率−厚さマップ
５５  超音波記憶部
６０  管
６１  スケール
６２  空隙
６３  管内面
６４  スケール端部
【図１】
0005922558.tif 000004
【図２】
0005922558.tif 000005
【図３】
0005922558.tif 000006
【図４】
0005922558.tif 000007
【図５】
0005922558.tif 000008
【図６】
0005922558.tif 000009
【図７】
0005922558.tif 000010
【図８】
0005922558.tif 000011
【図９】
0005922558.tif 000012
【図１０】
0005922558.tif 000013
【図１２】
0005922558.tif 000014
【図１３】
0005922558.tif 000015
【図１４】
0005922558.tif 000016
【図１５】
0005922558.tif 000017
【図１６】
0005922558.tif 000018
【図１７】
0005922558.tif 000019
【図１８】
0005922558.tif 000020
【図１９】
0005922558.tif 000021
【図１１】
0005922558.tif 000022