(57)【要約】【課題】埋設された水道管路Ｐの錆等による損傷を新規な技術によって測定する。【解決手段】埋設水道管２（１）内周面に分布計測型光ファイバセンサ１１を添設し、そのセンサを管内面保護層１３で被覆する。管２内に分岐管１６からバルーン１７を装填し、そのバルーンに水を流入させて一定に加圧した状態で、光ファイバセンサに検出用光ａを投入し、その反射光ｂによって光ファイバセンサを添設した水道管部位のひずみを検出する。このとき、経年によって、管外面に発生する錆に伴う減肉に由来する凹部３が生じていると、管の厚みが薄くなって前記加圧による応力が集中し、ひずみが大きくなる。また、一定に加圧するので、通常発生する水道の水圧変化の影響を受けることなく、ひずみの大きさ・位置を精度良く測定し得る。これによって管の劣化状況の直接的な監視が可能となるため、監視用管を埋設した管路Ｐの部位の劣化が分かり、その部位近くの管路を交換する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
埋設水道管（１）の内周面、外周面又は内外周面に沿って添設された分布計測型光ファイバセンサ（１１）と、その光ファイバセンサ（１１）に検出用光（ａ）を投入し、その反射光（ｂ）によって前記光ファイバセンサ（１１）を添設した水道管部位のひずみを検出する測定器（１２）とからなり、その測定器（１２）によって、前記検出値に基づき前記水道管部位の劣化度合いを測定する水道管の劣化監視装置。
【請求項２】
上記光ファイバセンサ（１１）が、上記埋設水道管（１）の内周面に添設されて、管内面保護層（１３）によって被覆されている請求項１に記載の水道管の劣化監視装置。
【請求項３】
埋設水道管（１）に監視用管（２）が介設され、その監視用管（２）に、上記光ファイバセンサ（１１）が添設され、又は前記光ファイバセンサ（１１）が添設されているとともに管内面保護層（１３）によって被覆された請求項１又は２に記載の水道管の劣化監視装置。
【請求項４】
上記光ファイバセンサ（１１）を埋設水道管（１）又は監視用管（２）の周全面に、波状又は螺旋状に添設した請求項１乃至３のいずれか一つに記載の水道管の劣化監視装置。
【請求項５】
測定する水道管部位を加圧する加圧器を有する請求項１乃至４のいずれか一つに記載の水道管の劣化監視装置。
【請求項６】
上記加圧器は、上記埋設水道管（１）内又は監視用管（２）内に、その分岐管（１６）からバルーン（１７）を装填し、そのバルーン（１７）に流体を流入させることによって上記加圧を行うものである請求項５に記載の水道管の劣化監視装置。
【請求項７】
上記埋設水道管（１）又は監視用管（２）にその内部に連通する取り出し管（１５）を設け、その取り出し管（１５）から上記光ファイバセンサ（１１）の端を管外部に導き出し、その導き出し端において、上記測定器（１２）により、検出用光（ａ）の投入、及びその反射光（ｂ）の測定を行う請求項１乃至６のいずれか一つに記載の水道管の劣化監視装置。
【請求項８】
埋設水道管（１）に内周面、外周面又は内外周面に沿って分布計測型光ファイバセンサ（１１）を添設し、その光ファイバセンサ（１１）に検出用光（ａ）を投入し、その反射光（ｂ）によって前記光ファイバセンサ（１１）を添設した水道管部位のひずみを検出し、その検出値に基づき前記水道管部位の劣化度合いを測定する水道管の劣化監視方法。
【請求項９】
測定する水道管部位を加圧する請求項８に記載の水道管の劣化監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水道管路の劣化監視方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
老朽化が進んだ膨大な延長の水道管路を計画的に更新するためには、更新の優先度を設定し、更新事業の平準化を図る必要があるが、管路更新を計画的に行うために必要な更新の基準年数には公的知見はない。
このため、一般的には、布設年度、管種、埋設環境といった属性データと漏水等の事故件数といった経験データから水道事業体が独自に更新基準年数を設定して更新計画を策定するといった予測的手法が用いられている。
しかしながら、上記予測的手法に基づき管路更新を行う場合、予測の精度によっては突発的な漏水事故の発生や適正寿命を迎える前の管路更新が行われることによる経済的損失が懸念される。
【０００３】
一方で、管路の劣化状態を監視する技術として、管路の漏水音や振動を探知する技術や、スマートメーターによる水量常時監視による漏水監視の技術開発が進んでいるが、これらは漏水発生の有無を監視する技術であることから、データ蓄積による予測的手法の精度向上には活用できるが、上記の経済的損失を払拭することはできない。
【０００４】
このような状況下、埋設水道管路の破損や損傷を、その配管にひずみゲージを固定し、配管の変形をそのひずみゲージの電気抵抗変化によって測定する技術がある（特許文献１、請求項１、図１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２４３３１０号公報
【特許文献２】特開平１１−３４４３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
老朽化した管路施設の劣化に伴う漏水事故に対する予防保全を行う上で、予測手法に頼る時間計画保全だけでは、突発的な漏水事故等を払拭することはできない。確実性の高い予防保全を実現するためには、時間計画保全だけでなく、管路施設の劣化状態を直接的に監視する状態監視保全の導入が求められる。特に、鉄系の水道管路においては、経年劣化に伴う錆の発生により管体強度が低下し、最終的には管体が破損し漏水事故につながる。言い換えると、管体強度の変化をモニタリングすることができれば、漏水事故を未然に防ぐことも可能となる。
【０００７】
このような点から、上記ひずみゲージによる測定が考えられるが、その測定は、電気を使用するため、水道管においては、水に対する絶縁処理が必要となってその処理が煩雑である。
一方、配管の損傷を、その配管に固着した光ファイバセンサによって測定する技術がある（特許文献２、要約、図１等参照）。
【０００８】
この発明は、以上の実状の下、埋設された水道管路の錆等による損傷を新規な技術によって測定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するため、この発明は、埋設水道管のひずみ測定技術において、光ファイバセンサの測定技術を適用することとしたのである。
この構成とすることによって、状態監視保全の導入が可能となり、時間計画保全のみによる維持管理で懸念される経済的損失を改善することができる。すなわち、予想外箇所からの突発的な漏水事故の発生に伴う復旧資材や復旧作業に係る損失や、適正寿命を迎える前に管路更新を行うことによる経済的損失をなくすことができる。
【００１０】
また、管体の状態監視用センサとして分布計測型光ファイバセンサを用いることによって以下の効果（イ）〜（ハ）を得ることができる。
（イ）一般的なひずみゲージ等では、点的な計測しかできない。そのため、管（管体）の全体的な状態を漏れなく監視するためには膨大な枚数のひずみゲージが必要となり、その配線（ゲージのリード線）の捌きも非常に煩雑となる問題がある。しかし、分布計測型光ファイバセンサは、一本の光ファイバセンサで複数の点におけるひずみ計測が可能であり、光ファイバセンサの貼付方次第で管体ひずみを面的に計測することが可能となることから、発生箇所が不特定である発錆に伴う管体ひずみの変化を監視することが可能となるとともに、煩雑な配線作業が不要となる。
（ロ）水道管は一般的に道路下に埋設されており、掘削やメンテナンスが容易に行えない環境にあることから、管に設置するセンサには高寿命なものが望ましい。この発明は、一般的なひずみゲージに比べて非常に高寿命である光ファイバセンサを適用することにより、水道管のような埋設物の管理が可能となる。
（ハ）光ファイバセンサは、管体貼付部の一部が剥離したとしても、断線しない限り貼付状態が維持されている部分のひずみ計測が可能であることから、ひずみ計測が完全不能となるリスクが非常に小さく、耐用年数が高い水道管を長期間に亘り監視することが可能となる。
【００１１】
この発明に係る水道管の劣化監視装置の具体的な構成としては、埋設水道管の内周面、外周面又は内外周面に沿って添設された分布計測型光ファイバセンサと、その光ファイバセンサに検出用光を投入し、その反射光によって前記光ファイバセンサを添設した水道管部位のひずみを検出する測定器とからなり、その測定器によって、前記検出値に基づきその水道管部位の劣化度合いを測定する構成を採用することができる。
【００１２】
この構成において、上記光ファイバセンサは、上記埋設水道管の内周面に添設されて、管内面保護層によって被覆されている構成を採用することができる。通常、水道管、特に、上水道管はその内周面にモルタルライニングやエポキシ樹脂粉体塗装等の保護層を設けるため、その保護層で光ファイバセンサを被覆すれば、作業工程を増やすことなく、光ファイバセンサの耐久性を向上させることができる。
【００１３】
この劣化監視装置は、新設時に配管に設けたり、既設配管に設けたりすることができるが、埋設水道管に介設される監視用管を別途に用意し、その監視用管に上記光ファイバセンサを添設したり、又は前記光ファイバセンサを添設するとともに管内面保護層によって被覆したりすることができる。監視用管は、水道管路の新設時は勿論、既設水道管路においてもその管路に介設することができる。
このように、別途に、光ファイバセンサ付の監視用管とすれば、その監視用管は工場などにおいて大量生産することができて品質・コスト的に有利なものとすることができる。
【００１４】
上記光ファイバセンサの添設態様は、管の損傷を測定し得れば、何れでも良いが、例えば、管の周全面に、波状又は螺旋状に添設した態様を採用することができる。
また、光ファイバセンサによる測定は、常時、連続して行ったり、間欠的に行ったりすることができるが、測定する水道管部位を加圧すれば、その部位のひずみが顕著に表れ、さらに、通常発生する水道の水圧変化の影響を受けることなく、加圧器による一定の圧力下で測定できるため、測定精度が向上する。その加圧測定は一定期間毎に行うことができる。
その加圧器としては、上記埋設水道管内又は監視用管内に、その分岐管からバルーンを装填し、そのバルーンに流体を流入させることによって上記加圧を行うもの等を採用することができる。
さらに、光ファイバセンサからの測定信号の取り出し手段としては、例えば、上記埋設水道管又は監視用管にその内部に連通する取り出し管を設け、その管から前記光ファイバセンサの端を管外部に導き出し、その導き出し端において、上記測定器により、検出用光の投入、及びその反射光の測定を行うようにすることができる。
【００１５】
この発明に係る水道管の劣化監視方法の具体的な構成としては、埋設水道管に内周面、外周面又は内外周面に沿って分布計測型光ファイバセンサを添設し、その光ファイバセンサに検出用光を投入し、その反射光によって前記光ファイバセンサを添設した水道管部位のひずみを検出し、その検出値に基づきその水道管部位の劣化度合いを測定する構成を採用することができる。
【００１６】
この構成において、同様に、上記光ファイバセンサを、上記埋設水道管の内周面に添設するとともに管内面保護層によって被覆する手段を採用したり、埋設水道管に監視用管を介設し、その監視用管に、前記光ファイバセンサを添設する手段を採用し、又は、前記光ファイバセンサを添設するとともに管内面保護層によって被覆する手段を採用したりすることができる。
また、上記光ファイバセンサを埋設水道管又は監視用管の周全面に、波状又は螺旋状に添設する手段を採用したり、測定しようとする水道管部位を加圧したりする手段を採用できる。
その加圧は、上記管内に、バルーンを装填し、そのバルーンに流体を流入させる手段等を採用できる。
さらに、上記埋設水道管又は監視用管にその内部に連通する取り出し管を設け、その管から上記光ファイバセンサの端を管外部に導き出し、その導き出し端において、上記検出用光を投入、及びその反射光の測定を行ったりする手段を採用できる。
なお、上記光ファイバセンサを水道管の内周面に添設する等の各手段は、それぞれを一つ又はその任意の複数を適宜選択的に採用し得ることは勿論である。
【発明の効果】
【００１７】
この発明は、以上のように構成したので、鉄系等の水道管路における、錆の発生に伴う減肉等による管体ひずみ変化の探知を行うことができ、管路の劣化状態を監視することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係る水道管路の劣化監視方法及びその装置の一実施形態の概略図
【図２】同実施形態の要部を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の要部切断図
【図３】同実施形態の要部断面図
【図４】同実施形態のコネクタ部の要部断面図
【図５】同実施形態の光ファイバセンサの添設態様説明図
【図６】同実施形態の光ファイバセンサの管外への導出態様説明用概略断面図
【図７】同実施形態における管路（水道管）の錆等によるひずみ状態図
【図８】同実施形態の光ファイバセンサによる水道管部位のひずみ検出作用説明図
【図９】他の実施形態の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
この発明に係る水道管路の劣化監視装置の一実施形態を図１〜図６に示し、この実施形態は上水道管路Ｐに係わる。この管路Ｐは、一の管（管体）１の受口１ａに他の管１の挿し口１ｂを順々に差し込み嵌合することによって所要長さに形成されており、その管路Ｐの一部に、同様に、監視用管２をその受口２ａと挿し口２ｂを介して介設している。この監視用管２にこの発明に係る劣化監視装置１０が設けられている。
【００２０】
劣化監視装置１０は、分布計測型光ファイバセンサ１１と、その光ファイバセンサ１１に検出用光ａを投入し、その反射光ｂによって前記光ファイバセンサ１１を添設した水道管部位のひずみを検出する測定器１２とからなる。
【００２１】
市販されている光ファイバセンサ１１は、その構成要素であるガラス分子に微小な密度ムラがあり、このムラは光ファイバセンサ１本１本で異なる。また、密度ムラによる光の屈折率の違いにより、強くレイリー散乱する光の波長が異なる。この光ファイバセンサ１１の各位置でのムラを固有指紋情報と言い、光ファイバセンサ１１の状態が変わらない限りいつも同じ波長の反射光が生じる。このため、光ファイバセンサ１１のある位置にひずみが発生すると、その位置だけ反射光の波長がずれる。そのひずむ前の反射光とひずんだ後の反射光を比較することで、どの位置がどのくらいひずんだのかを検出し得る。
【００２２】
測定器１２は、市販の種々の物を採用し得るが、ひずみ・温度の分布計測型光ファイバセンサセンシング専用器を採用し、光ファイバセンサ１１内の微小反射光「レイリー散乱光」をOFDR(Optical Frequency Domain Reflectometory)方式で検知することによりミリレベルの位置解像度で計測する。
【００２３】
ここで、レイリー散乱光は、光ファイバセンサ１１内のレイリー散乱光という反射光を言い、通常、散乱とは光が粒子（空気の分子など）にぶつかった時に四方八方へ散らばることを言い、レイリー散乱は光の波長の１／１０程度の小さい物質による光の散乱である。例えば、空が青く見えるのも、太陽光が大気の粒子によってレイリー散乱することが原因であって、光ファイバセンサ１１も同様にガラス分子によってレイリー散乱光が発生する。 
【００２４】
すなわち、図８に示すように、波長可変レーザ光源１２ａから、周期的に波長が変化する光（１５１０〜１５７０ｎｍ）を光路に入射し、分光器１２ｃで、センシング用として光ファイバセンサ１１に向かう光（測定光）ａと、直接検出器１２ｂに向かう光（参照光）ｃに分光する。
つぎに、測定光（検出用光）ａにより光ファイバセンサ１１全体にわたって散乱光が発生し、反射光ｂとなる。反射光ｂは分光器１２ｃを経て、検出器１２ｂに向かい、分光器１２ｃで測定光ａと反射光ｂが合流し、検出器１２ｂで干渉による光強度変化を求める。
その測定データをフーリエ変換し、光ファイバセンサ各位置での散乱光周波数を求め、事前に測定した、固有指紋情報における固有の周波数と測定で求めた周波数を比較しズレ（Δν）を求める。Δνの変化量は光ファイバセンサ１１の材質と入射光の波長によって線形に決まるため、Δνからひずみ量を算出する。ひずみの位置（反射光ｂが反射した位置）は、光源１２ａから入射された光（測定光ａ、参照光ｃ）において、検出器１２ｂに届いた反射光ｂと検出器１２ｂに直接届いた参照光ｃの時間差により算出する。
【００２５】
光ファイバセンサ１１は監視用管２の内面軸方向ほぼ全長に亘って添設（貼り付け）しても良いが、この実施形態においては、直部の大部分に添設した。
その光ファイバセンサ１１の添設態様としては、分布計測型光ファイバセンサ１１は一筆書きで配置するものが一般的であることから、管体２を全体的に計測することを考慮すると、図２（ａ）に示すような螺旋状の貼付パターンが考えられるが、図５に示す波状等も考えられる。その波状の場合、図５（ａ）に示すように、光ファイバセンサ１１を１枚のシート１１ａに波状配置したものを予め用意し、そのシート１１ａを管体１に巻きつけるように貼り付けることにより、管体１の円周方向のひずみ計測を効果的に行うことが可能となる（図５（ｂ）参照）。
【００２６】
管体１内面に貼り付けた光ファイバセンサ１１は、図３に示すように、一般的な管内面塗装であるモルタルライニングやエポキシ樹脂粉体塗装等により保護層１３を設けて保護する。
この管体１内面にエポキシ樹脂粉体塗装を施工する場合、管体１を加温（１６０〜２３０℃）する必要がある。光ファイバセンサ１１は管体加温前に貼り付けて（添設して）おく必要があることから、光ファイバセンサ１１の接着には高温タイプの接着材を使用する。また、管内面に貼り付ける事から、水質衛生上問題のない接着材が望ましい。
【００２７】
また、光ファイバセンサ１１の一端は、測定器１２との接続用のコネクタ１４が予め設置されているが、管体２を加温するときにはコネクタ１４に加温の影響が加わらないよう保護する必要がある。その保護は、図４に示すように、断熱材１４ａと耐熱テープ１４ｂによる方法が考えられる。なお、光ファイバセンサ１１は、例えばポリイミドコーティングされた物を採用すれば、約３００℃の範囲までの温度計測に使用できる。
【００２８】
監視用管２の光ファイバセンサ１１の一端に対応する位置には、図２、図６に示すように、サドル１５ｂ付き分水栓１５を付設している。すなわち、サドル１５ｂ付き分水栓に接合している小口径管１５内に光ファイバセンサ１１を通過させ、小口径管（分水栓）１５内の一部に通水断面を樹脂１５ａ等で閉塞し、管内の水を止水している。
止水部に使用する樹脂１５ａは、２液性の硬化樹脂等が考えられる。この時、図６（ａ）に示すように、光ファイバセンサ１１の取出し管（分水栓の小口径管１５）が直線形状において樹脂１５ａによる止水が困難な場合は、同図（ｂ）に示すように、Ｓ字の曲部を設けて樹脂１５ａによる止水部を形成する方法が考えられる。
【００２９】
この実施形態の劣化監視装置１０は以上の構成であり、適宜な時期に、上記の測定器１２の作用によって監視用管２の錆などによる損傷を測定する。例えば、図７（ａ）に示すように、健全状態であれば、管２には錆による凹部３は生じていないが、経年によって、同図（ｂ）に示すように、監視用管２の外面に発生する錆に伴う減肉に由来する凹部３が生じると、管２の厚みが薄くなる。このため、水圧又は土圧による応力がその凹部３に集中してひずみが大きくなり、管２には、健全状態に比べて大きな応力（矢印）が生じる。
この応力は光ファイバセンサ１１にも影響して光ファイバセンサ１１がひずむ。このひずみは、上記測定器１２の作用によってその程度及び位置が検出できる。すなわち、管２の劣化状況の直接的な監視が可能となる。このため、その監視用管２を埋設した管路Ｐの部位が劣化していることが分かり、その部位近くの管１及びその管１につながる管路を交換する。
【００３０】
このとき、図７においては、円周方向ひずみの場合のひずみ変化のイメージを示しているが、健全状態と劣化状態でひずみの変化を捉えることができれば、ひずみの方向は特に指定しない。
また、管１又は管２の肉厚ごとのひずみの値を計測し、そのチャートを作成しておくことにより、監視用管２から得られるひずみの値から、管１の肉厚が監視でき、漏水危険性の評価を行うことが可能となる。
【００３１】
また、測定部位を積極的に加圧して上記ひずみを測定するようにすることができる。例えば、図９に示すように、管路Ｐの分岐管（フランジ付きＴ字管）１６から、バルーン１７を測定部位に装填し、そのバルーン１７にポンプ１８から流体を供給して膨張させることによって、水圧や土圧に相当する圧力（同図の矢印）を管２に加えることができる。このとき、供給する流体は、管２内に水圧が作用している事を踏まえると、水等の非圧縮性流体が適当であり、水道管を想定した場合、例えば水道水のような水質衛生上問題のない流体を用いることが望ましい。また、ポンプ１８あるいはポンプ１８の近傍に圧力計１９を設置し、供給する流体圧力を管理することにより、バルーン１７による管２への負荷荷重を管理することができる。
このように、管２に別途の一定の荷重を与えてその負荷荷重に対するひずみを計測することでより精度の高い計測が可能となる。
【００３２】
上記各実施形態は管２の内面に光ファイバセンサ１１を添設したが、管２の外周面に光ファイバセンサ１１を添設することもできる。この場合、管２を埋設することから光ファイバセンサ１１を周辺土壌に対し保護する必要がある。このため、例えば、管２外面に、耐久性・耐侯性の高いシリコン系樹脂や、埋設物の目地詰め等に用いられるポリウレタン系樹脂等の保護層を被覆することが考えられる。また、管外周面に光ファイバセンサ１１を納めるための溝を形成し、溝内に光ファイバセンサ１１を貼付け、溝内をシーリング剤等で充填する方法等が考えられる。溝内を充填する材料には、上記と同様、耐久性・耐侯性の高いシリコン系樹脂や、埋設物の目地詰め等に用いられるポリウレタン系樹脂等が考えられる。溝は螺旋状等が考えられる（図２（ａ）、図５（ｂ）参照）。
また、管２の内外周面の一方のみならず、必要に応じて内外の両周面に光ファイバセンサ１１を添設することもできる。
【００３３】
監視用管２を別途に設けることなく、水道管路Ｐを構成する管１にこの劣化監視装置１０を設けても良いことは勿論である。
また、この発明は、上水道管路に限らず、下水道管路に採用し得ることは言うまでもない。
このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３４】
Ｐ  水道管路
ａ  検出用光（測定光）
ｂ  反射光
ｃ  参照光
１  管（管体）
２  監視用管
３  凹部（錆による損傷）
１１  分布計測型光ファイバセンサ
１２  測定器
１３  管内面保護層
１４  コネクタ
１５  取り出し管
１６  分岐管（鍔付Ｔ字管）
１７  バルーン
１８  ポンプ
１９  圧力計
【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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【図８】
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【図９】
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