(57)【要約】【課題】運転中プラントの配管および弁を含む計測対象物の漏洩を確実かつ迅速に位置同定して監視する配管漏洩監視装置を提供する。【解決手段】配管および弁を含む計測対象物を被覆した保温材外面の近傍に連続して敷設された光ファイバ３と、光ファイバ３の端部に設けられ、光ファイバ３内にパルス光を入射させるパルス光入射手段１１と、光ファイバ３内に入射したパルス光の後方散乱光の強度を連続的に計測する後方散乱光強度計測手段１５とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管および弁を含む計測対象物を被覆した保温材外面の近傍に連続して敷設された光ファイバと、
前記光ファイバの端部に設けられ、前記光ファイバ内にパルス光を入射させるパルス光入射手段と、
前記光ファイバ内に入射したパルス光の後方散乱光の強度を連続的に計測する後方散乱光強度計測手段と、
を有することを特徴とする配管漏洩監視装置。
【請求項２】
前記後方散乱光強度計測手段は、ストークス光とアンチストークス光のピーク値の比をとること、
を特徴とする請求項１に記載の配管漏洩監視装置。
【請求項３】
前記光ファイバは、前記パルス光を軸方向に伝播するファイバコアと、そのファイバコアの周囲を被覆するファイバクラッドとを有し、
前記ファイバクラッドの軸方向の少なくとも一部を他の部分より薄膜化したこと、
を特徴とする請求項１に記載の配管漏洩監視装置。
【請求項４】
前記光ファイバの外周に、軸方向に沿って保護材を螺旋状に巻回したこと、
を特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の配管漏洩監視装置。
【請求項５】
前記後方散乱光強度計測手段は、前記光ファイバ内に入射したパルス光が後方散乱を繰り返しながら伝播し、その後方散乱光強度の減衰により漏洩位置を同定すること、
を特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の配管漏洩監視装置。
【請求項６】
配管および弁を含む計測対象物を被覆した保温材外面の下方に連続して敷設された光ファイバの端部からパルス光を入射させるパルス光入射ステップと、
前記パルス光入射ステップの後に、前記光ファイバ内に入射したパルス光の後方散乱光の強度を連続的に計測する後方散乱光強度計測ステップと、
を有することを特徴とする配管漏洩監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管および弁を含む計測対象物を被覆した保温材の蒸気漏洩位置を、その保温材からの凝縮液滴と急激な温度の変化に基づいて同定する配管漏洩監視装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力および火力発電プラントの配管および弁から冷却材が漏洩した場合において、軽微な漏洩の場合には、プラント運転員が床の水溜りを発見して頭上の配管を追跡して漏洩場所を特定していることから、冷却材が漏洩してから床面に水溜りが形成するまでと、その発見までの時間経過、漏洩場所特定作業時間とにより、冷却材が漏洩してから発見するまでの経過時間が長く、その漏洩場所によっては床面などに水溜りが形成されない場合、冷却材の漏洩を検出することが不可能である。冷却材の漏洩場所および漏洩規模により、プラントの計画外停止および漏洩場所の復旧によるプラント再起動に多くの時間および費用が要求される原子力発電では、配管漏洩の早期検出への抜本的な改善が望まれている。
【０００３】
近年、発電設備やエネルギー伝送ラインなどの社会インフラストラクチャー（infrastructure、略称：インフラ）の経年劣化が大きな問題になっており、経年劣化損傷事故による経済的および社会的損失が大きく、特に１９６０年代から１９７０年代の高度成長期に建設されたプラントの主要配管の多くは、３０年以上の腐食と疲労による劣化損傷が進んでいることが想定される。
【０００４】
このことから、主要配管は、定期点検ごとに超音波探傷法により減肉検査を実施する一方、弁やフランジは、定期的にグランパッキン交換などにより漏洩回避作業を実施している。これらの場合には、定期点検交換作業の現場点検工数が多く、今後の合理的な長期サイクル運転および経年プラントの稼働率の向上を目指して運転中に漏洩を監視することが不可欠になりつつある。
【０００５】
従来の配管漏洩監視装置は、赤外線カメラによる配管保温材外面の温度監視手段や弁フランジ部の温度監視手段、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）や圧電セラミック素子による蒸気漏洩ＡＥ(Acoustic Emission)の検出手段がある。既に実施されている機器配管の保温材上から赤外線カメラにより温度変化を監視する方法は、漏洩以外の原因の温度変化が多く、確実で満足することのできる漏洩検出法ではない。
【０００６】
また、ＦＢＧや圧電セラミック素子などを用いた加速度センサによる配管漏洩振動や蒸気漏洩ＡＥの検出手段は、漏洩現象により励起されるＡＥが４０ｋＨｚ程度の顕著なピークスペクトルの検出が可能であるが、現地での３０〜４０ｋＨｚのバックグラウンドノイズレベルにＳ／Ｎ比が大きく依存しており、実際には配管保温材によるＡＥの減衰と配管内振動の高調波の音圧とがＡＥ信号レベルと同等になり必要なＳ／Ｎ比を得ることができない場合が多く、決定的な手法とはなっていない。こうした状況を踏まえて、弁を含む主要配管系の漏洩を直接検知して位置を同定する決定的な漏洩検出方法の実現が早急に求められている。
【０００７】
１９９０年以降にプラントの配管や弁シール部からの漏洩を光ファイバにより検出する技術は、特許文献１、２、３及び４に記載されている。特に、特許文献１に記載された技術では、光ファイバに超音波を伝播させて光ファイバが漏洩水により濡れることによる超音波の減衰をＦＢＧにて定量的に検出する装置であるが、ＦＢＧによる監視の特徴で、光ファイバ内を連続的に監視することができない。
【０００８】
また、特許文献２に記載された技術は、漏洩ＡＥによる高周波振動を光ファイバセンサを用いて検出する手法であり、既にＦＢＧや干渉法による漏洩ＡＥ検出方法として産業界では一部実施されており、漏洩ＡＥ振動スペクトルのピークが４０ｋＨｚ程度に対して、現地プラントでのバックグラウンドノイズが干渉し、必要なＳ／Ｎ比を確保することができない場合が多い。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載された技術は、特殊な液体で膨潤するクラッドを有する光ファイバがクラッド浸漬し、膨張によるコア圧縮屈曲で伝播光散乱を干渉法などにより定量的に検出する液体漏洩検出法であり、類似の技術は、１９９０年代に検査対象を変えて数件出願されている。
【００１０】
そして、特許文献４に記載された技術は、光ファイバを保温材上に螺旋状に巻きつけて液体漏洩によるひずみで光ファイバが変形し、その変形をＦＢＧなどのファイバ散乱光を計測することにより漏洩位置の同定を行う漏洩検出装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２４７９８号公報
【特許文献２】特開２００３−２８９７９号公報
【特許文献３】特開２００１−５０８５５号公報
【特許文献４】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】
【００１２】
しかしながら、上述したいずれの特許文献にしても、ダイオードレーザーが普及する２０００年以前では、実用的なＳ／Ｎ比および漏洩位置同定精度を得ることができるパルス幅と、パルスピーク値を確保することができるようなコンパクトで安価な高性能のパルスレーザーを適用することが困難であったと想定される。
【００１３】
また、膨潤性樹脂をクラッドとする光ファイバのクラッド膨潤変形によってファイバ散乱光を検出する漏洩検出手段は、膨潤性樹脂と漏洩液との適応性や、それによる変形の大小にＳ／Ｎ比および漏洩検出データの信頼性が依存しており、発電プラントで必要とされる信頼性や確実性を確保することが困難であると想定される。
【００１４】
このようなことから特許文献１，２，３および４に記載された漏洩検出装置は、配管漏洩の検出診断技術として十分な信頼性および有用性を有する検出装置ではなかった。その結果、弁を含む配管系の現地での確実な漏洩検出装置が必要である。
【００１５】
ところで、確実な漏洩検出には、弁を含む配管系での冷却材の漏洩を保温材との間隙で凝縮した液滴を直接検知することにより、確実な漏洩検出と位置同定が必要であるが、配管系の全体を連続的に漏洩位置同定しながら液滴を検出する技術は現状ではなく、床面の水溜り発見以外の確実な漏洩検出が現状では困難である。
【００１６】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、運転中プラントの配管および弁を含む計測対象物の漏洩を確実かつ迅速に位置同定して監視することのできる配管漏洩監視装置およ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】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係る配管漏洩監視装置は、配管および弁を含む計測対象物を被覆した保温材外面の近傍に連続して敷設された光ファイバと、前記光ファイバの端部に設けられ、前記光ファイバ内にパルス光を入射させるパルス光入射手段と、前記光ファイバ内に入射したパルス光の後方散乱光の強度を連続的に計測する後方散乱光強度計測手段と、を有することを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明に係る配管漏洩監視方法は、配管および弁を含む計測対象物を被覆した保温材外面の近傍に連続して敷設された光ファイバの端部からパルス光を入射させるパルス光入射ステップと、前記パルス光入射ステップの後に、前記光ファイバ内に入射したパルス光の後方散乱光の強度を連続的に計測する後方散乱光強度計測ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光ファイバに沿った連続的な温度の変化および液滴を光ファイバ上の同位置に二重に確認することにより、漏洩検出の確実性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る配管漏洩監視装置の第１実施形態において保温材を被覆した配管の下方に光ファイバを敷設した状態を示す一部拡大構成図である。
【図２】第１実施形態においてダイオードレーザーのパルス光のラマン散乱により温度分布と液滴付着による減衰で位置同定する光ファイバの基本構成と動作原理を示す説明図である。
【図３】フォトダイオードにて検出された後方散乱光のスペクトル（波長分布）の一例を示す波形図である。
【図４】本発明に係る配管漏洩監視装置の第２実施形態における光ファイバの内部構造を示す一部拡大斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る配管漏洩監視装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、本発明を原子力発電プラントの配管および弁を含む計測対象物に適用した例について説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
本実施形態の配管漏洩監視装置を図１および図２に基づいて説明する。図１は、本発明に係る配管漏洩監視装置の第１実施形態において保温材を被覆した配管の下方に光ファイバを敷設した状態を示す一部拡大構成図である。なお、図１では、主蒸気配管、給水配管および再循環配管を一括して計測対象物である配管１として説明する。また、図１では、配管に被覆した保温材の下方に光ファイバを敷設しているが、第１実施形態では、保温材外面の下部に光ファイバを密着して敷設している。
【００２３】
図１に示すように、配管１の全周には、熱効率向上の目的で保温材２が被覆されている。保温材２外面の下部には、配管１の長さ方向に沿って連続して光ファイバ３が密着するように敷設されている。
【００２４】
図２は、第１実施形態においてダイオードレーザーのパルス光のラマン散乱により温度分布と液滴付着による減衰で位置同定する光ファイバの基本構成と動作原理を示す説明図である。図２に示すように、光ファイバ３の端部には、パルス光入射手段としてのパルス光励起用のダイオードレーザー１１が取り付けられ、このダイオードレーザー１１から出射されたパルス光１２と同光軸に光カプラ１６が設置されている。この光カプラ１６は、後方散乱光１４の光軸を曲げて後方散乱光強度計測手段としてのフォトダイオード１５に導き、後方散乱光強度を連続して計測監視する。ここで、ダイオードレーザー１１は、光ファイバ３の端部から入射するパルスレーザー光のパルス幅が５ｎｓｅｃ〜５０μｓｅｃであり、波長が４００〜１０３０ｎｍ，１２００〜１６００ｎｍのものが用いられる。
【００２５】
光ファイバ３は、光信号を長さ方向に伝播するファイバコアと、その周囲を被覆したファイバクラッドにより構成されている。一般に、光ファイバの材質は、光学ガラス、石英ガラス、もしくは光学プラスチックで製造されており、伝播する光の減衰を低減するように界面で反射するファイバクラッドを塗布しており、ファイバコア中をこのファイバクラッド面での反射の繰り返しにより伝播する。したがって、ファイバコア中で発生したラマン散乱による後方散乱光１４は、光ファイバ３中を伝播して光ファイバ３の温度分布情報を端部に伝えることが可能である。
【００２６】
なお、光ファイバ３の外径は、１００〜数１００μｍ、ファイバコア２０の径は数μｍ〜数１０μｍであり、光ファイバ３全体としては柔軟な剛性を有している。
【００２７】
次に、本実施形態の配管漏洩監視装置の作用を説明する。
【００２８】
上記のように配管１には、熱効率向上の目的で保温材２が全周に被覆されている。ここで、図１に示すように配管１のき裂や弁パッキングから蒸気が漏れ、この蒸気が配管１と保温材２との間隙で凝縮した場合には、保温材２の内面を凝縮した液滴４が伝わり重力により保温材２外面の下部に液滴４が集まる。
【００２９】
この液滴４が保温材２外面の下部に密着するように敷設された光ファイバ３のファイバクラッドを濡らす。図２に示すように、光ファイバ３中を伝播するパルス光１２は、後方散乱（ラマン散乱）を繰り返しながら徐々にパルス強度を減衰させながら光ファイバ３中を数十ｍ伝播しており、光ファイバ３が液滴４により濡れた位置（散乱減衰部１３）では、ファイバクラッドと液滴４との界面でパルス光の反射がなくなり、光パルス１２がファイバクラッドの外面へ散乱することから強度が急激に減衰し、散乱減衰部１３から先の後方散乱（ラマン散乱）光は減衰しなくなる。フォトダイオード１５で後方散乱光の減衰を連続的に検出し、パルス光１２が入射してから、強度が急激に減衰した後方散乱光１４がフォトダイオード１５に到達するまでの時間を求めることにより、光ファイバ３が液滴４に濡れて散乱した位置を１〜２ｍの精度で同定することが可能となる。
【００３０】
図３は、フォトダイオードにて検出された後方散乱光のスペクトル（波長分布）の一例を示す波形図である。
【００３１】
図３に示すように、波長と後方散乱スペクトル強度の分布は、ダイオードレーザー１１から光ファイバ３にパルス光１２を入射させてから伝播距離に比例して徐々に減衰することから、レイリー散乱スペクトル１７、ラマン散乱スペクトル（以下、ストークス光という。）１８及びラマン散乱スペクトル（以下、アンチストークス光という。）１９の強度比が変化する。ストークス光１８が光ファイバ３の温度分布に殆ど影響されないのに対し、アンチストークス光１９は光ファイバ３の温度に比例して大きく変化することから、両スペクトルのピーク値の比をとることにより、各ラマン散乱点での光ファイバ３の温度を求めることが可能となる。
【００３２】
本実施形態では、光ファイバ３の端部からダイオードレーザー１１により入射したパルス光は、ラマン散乱を繰り返し光ファイバ３に沿った連続的な温度分布を後方散乱光により計測する。その測定原理は、連続スペクトル分布のストークス光とアンチストークス光の減衰比から±１〜３℃の精度で求めることができる。
【００３３】
したがって、光ファイバ３が打撃や急激な曲げなどの機械的な外部要因により部分損傷した場合には、その損傷部位からの後方散乱光が急激に減少することが想定され、その減衰位置を漏洩位置と誤診断する可能性があるものの、この部位でのストークス光１８およびアンチストークス光１９の強度比が変化しないことから、液滴４の漏洩とは判定せず、冗長性を有する正確な漏洩診断が可能となる。
【００３４】
このように本実施形態によれば、冷却材の漏洩ポテンシャルの高い弁を含む配管系において、保温材２を外すことなく保温材２外面の下部に敷設した光ファイバ３に沿った連続的な温度の変化および液滴４を、光ファイバ３の長手方向に沿って十分なＳ／Ｎ比で検出し、液滴４の位置を同定することができ、温度の変化および液滴４を光ファイバ３上の同位置に二重に確認することにより、漏洩検出の確実性を向上させることができる。
【００３５】
その結果、原子力および火力プラントの配管１および弁の漏洩を初期の段階で検出することができるので、漏洩によるプラント停止を回避することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、上述したようにフォトダイオード１５により温度変化を検出することが可能である。従来技術では、複数の熱電対を配管に直接設置して温度計測し、熱電対一対ごとに計測線を敷設する必要があったが、本実施形態では、一本の光ファイバ３にて連続して温度計測が可能となるため、装置を簡素化することができる。
【００３７】
さらに、本実施形態では、光ファイバ３の端部からダイオードレーザー１１により入射するパルス光は、パルス幅が短いほど、位置同定精度は向上するものの、Ｓ／Ｎ比は、パルス幅およびパルスピーク値にほぼ比例する。これにより、必要とする位置検出精度と、必要とされるＳ／Ｎ比からパルス幅およびレーザー出力の仕様は決定され、パルス幅は、５ｎｓｅｃ〜５０μｓｅｃとなる。
【００３８】
以上のように、本実施形態によれば、弁を含む配管１の漏洩を、凝縮液滴による保温材２の表面濡れおよび表面温度変化を１本の光ファイバ３で連続的に保温材２を外すことなく敷設して検出監視する配管漏洩監視装置を実現することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、保温材外面の下部に、配管１の長さ方向に沿って連続して光ファイバ３を密着するように敷設したが、これに限定されることなく、配管１の長さ方向に沿って配管１の近傍に光ファイバ３を敷設するようにしてもよい。
【００４０】
（第２実施形態）
図４は、本発明に係る配管漏洩監視装置の第２実施形態における光ファイバの内部構造を示す一部拡大斜視図である。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説明する。
【００４１】
図４に示すように、本実施形態の光ファイバ３は、光信号を長さ方向に伝播するファイバコア２０と、その周囲を被覆したファイバクラッド２１により構成され、その外周に長さ（軸）方向に沿って保護材としての鋼材２２が螺旋状に巻回されている。
【００４２】
ところで、光ファイバ３は、曲率半径１００ｍｍ程度の曲げは、許容するものの、圧縮応力によりせん断損傷し易い。現場での敷設作業での許容値以上の曲げ、圧縮または打撃から保護する目的で、本実施形態では、光ファイバ３の外周に長さ（軸）方向に沿って鋼材２２を螺旋状に巻回している。この光ファイバ３を保護することは、光ファイバ３に無理な曲げや負荷される機械的外力を防ぐと同時に、液滴４による光ファイバ３の濡れによるファイバクラッド２１での光散乱を誘発する。
【００４３】
すなわち、現地での配管１への光ファイバ３の敷設作業を想定した場合、設置方法が作業工数と光ファイバの養生も考慮して保温材２の上から設置するのが現実的で利便性に優れる。光ファイバ３の特性上、曲げや圧縮を嫌う特性があるので、保温材２内面でなく、配管１や機器に設置した保温材２の下部に敷設するのが作業性を考慮して最適である。
【００４４】
従来の熱電対などによる温度計測による漏洩検出手段は、保温材内面の配管との間隙に設置して漏洩蒸気による温度上昇を測定ポイントのみで検知しようとしたことから、現地での作業性および温度変化の信頼性に大きな問題があった。また、保温材内部に設置したセンサは、外面から確認することが不可能であることから点検作業上問題があったが、本実施形態による光ファイバ３は、鋼材２２により曲荷重に対して保護されたシース構造から光ファイバ３の破損に至る極所的な曲げや圧縮が直接に負荷されない構造である上、配管１の保温材の外面下部に敷設することが可能となり、作業性を高めるとともに、光ファイバ３自体の確認も容易にしている。
【００４５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
【００４６】
本実施形態では、図示しないが図４に示すファイバクラッド２１が全長にわたり、もしくは一定ピッチで他より数μｍ程度の薄くしたクラッド剥離部を形成している。
【００４７】
このように本実施形態によれば、ファイバクラッド２１の軸方向の少なくとも一部を他の部分より薄膜化したことより、液滴４の付着によるパルス光散乱を大きくして液滴４の濡れに対する感度を向上させることができる。
【００４８】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、上記各実施形態では、パルス光入射手段としてダイオードレーザー１１を用いた例について説明したが、これに限らず例えばパルスレーザー光源（発振器）であってもよい。このパルスレーザー光源を用いた場合には、散乱光がより強力になり、従来のラマン散乱からブリルアン散乱に改良することにより、漏洩位置および温度変化位置の空間分解能を向上させることができる。
【００４９】
また、上記各実施形態では、後方散乱光強度計測手段としてフォトダイオード１５を用いた例について説明したが、これを限らず光計測素子であればよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…配管
２…保温材
３…光ファイバ
４…液滴
１１…ダイオードレーザー（パルス光入射手段）
１２…パルス光
１３…散乱減衰部
１４…後方散乱光
１５…フォトダイオード（後方散乱光強度計測手段）
１６…光カプラ
１７…レイリー散乱スペクトル
１８…ラマン散乱スペクトル（ストークス光）
１９…ラマン散乱スペクトル（アンチストークス光）
２０…ファイバコア
２１…ファイバクラッド
２２…鋼材（保護材）
【図１】
2011107050.tif 000003
【図２】
2011107050.tif 000004
【図３】
2011107050.tif 000005
【図４】
2011107050.tif 000006