(57)【要約】【課題】高い測定精度を保証し、浸炭層を精度よく的確に測定可能な管状体の浸炭層測定方法及び装置を提供する。【解決手段】超音波を用いて管状体１０１の所定部位に形成される浸炭層を測定する。管状体１０１の外周に沿って一又は一対の探触子１１を移動させ、浸炭層の通過による超音波特性の変化を検出し、この検出結果に基づき浸炭層深さを測定する。管状体１０１内を伝播する超音波経路が管状体１０１の略板厚中央部を通過するように、一対の探触子１１の発信側から受信側へと超音波を発信する。【選択図】図３
2011058980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を用いて管状体の所定部位に形成される浸炭層を測定するための管状体の浸炭層測定方法であって、
前記管状体の外周に沿って一又は一対の探触子を移動させ、浸炭層の通過による超音波特性の変化を検出し、この検出結果に基づき浸炭層深さを測定するようにした管状体の浸炭層測定方法。
【請求項２】
前記管状体内を伝播する超音波経路が前記管状体の略板厚中央部を通過するように、前記一対の探触子の発信側から受信側へと超音波を発信することを特徴とする請求項１に記載の管状体の浸炭層測定方法。
【請求項３】
前記探触子が、前記管状体の全周に亘って走行走査することを特徴とする請求項１又は２に記載の管状体の浸炭層測定方法。
【請求項４】
超音波を用いて管状体の所定部位に形成される浸炭層を測定するための管状体の浸炭層測定装置であって、
一又は一対の探触子が所定の位置及び角度で超音波を発信及び受信し得るように、前記探触子を保持する探触子ホルダと、
前記探触子ホルダを介して前記探触子が前記管状体の周囲を移動するのをガイドする走行ガイドとを含むことを特徴とする管状体の浸炭層測定装置。
【請求項５】
前記ホルダは、前記一対の探触子の発信側から受信側へと発信される前記管状体内を伝播する超音波経路が、前記管状体の略板厚中央部を通過するように前記一対の探触子を保持することを特徴とする請求項４に記載の管状体の浸炭層測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管や圧力容器等の管状体の内表面に形成される浸炭層を測定する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばエチレン製造装置において分解炉管の管内表面に浸炭が生じると、管外表面側との熱膨張差に起因する割れが発生する。その浸炭層深さを測定するために従来、電磁式浸炭計を用いて測定していた。この種の分解炉管として使用される耐熱遠心鋳造管は、材料の経時変化として浸炭の他に、管外表面側に窒化物が析出する。
【０００３】
この管外表面側の窒化物は電磁式浸炭計の測定値に影響を与える。また、電磁式浸炭計の測定値から浸炭層の深さを測定する場合の測定精度は必ずしも高くなく、これらの理由から近年では超音波を利用した浸炭層の測定方法が研究されてきている。例えば特許文献１に記載の浸炭層の検出方法では、送信側探触子は試験体に対して横波縦波モード変換を起こし易いパルスを出射し、受信側探触子は試験体の底面からモード変換したモード変換パルスが入射するようにしている。また、特許文献２にもこの種の検出方法、装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９９３９号公報
【特許文献２】特開２００５−３４５１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１等を含む従来技術は、超音波探触子を管軸方向に配置し、管内表面で反射した超音波を受信する透過法であり、あるいはまた、管外表面側の未浸炭部と管内表面側浸炭部との境界で反射する超音波を受信する方法である。更には、後方散乱エコーを解析する方法であり、これら従来技術はいずれも管内表面の腐食や減肉がある場合にはその影響を受け、良好な測定精度を確保することができない。
【０００６】
本発明はかかる実情に鑑み、高い測定精度を保証し、浸炭層を精度よく的確に測定可能な管状体の浸炭層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】
【０００７】
本発明の管状体の浸炭層測定方法は、超音波を用いて管状体の所定部位に形成される浸炭層を測定するための管状体の浸炭層測定方法であって、
前記管状体の外周に沿って一又は一対の探触子を移動させ、浸炭層の通過による超音波特性の変化を検出し、この検出結果に基づき浸炭層深さを測定するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の管状体の浸炭層測定方法において、前記管状体内を伝播する超音波経路が前記管状体の略板厚中央部を通過するように、前記一対の探触子の発信側から受信側へと超音波を発信することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の管状体の浸炭層測定方法において、前記探触子が、前記管状体の全周に亘って走行走査することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の管状体の浸炭層測定装置は、超音波を用いて管状体の所定部位に形成される浸炭層を測定するための管状体の浸炭層測定装置であって、
一又は一対の探触子が所定の位置及び角度で超音波を発信及び受信し得るように、前記探触子を保持する探触子ホルダと、
前記探触子ホルダを介して前記探触子が前記管状体の周囲を移動するのをガイドする走行ガイドとを含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の管状体の浸炭層測定装置において、前記ホルダは、前記一対の探触子の発信側から受信側へと発信される前記管状体内を伝播する超音波経路が、前記管状体の略板厚中央部を通過するように前記一対の探触子を保持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、その典型的態様において透過法を適用し、これにより超音波の主ビームが管肉厚の中央部付近を通過することで、管内表面側の形状が均一でなくても、浸炭層を精度よく的確に測定することができる。また、未浸炭部と浸炭部の超音波音速値又は減衰定数を比較することによって、浸炭層深さを精度よく評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るエチレン製造装置における分解炉まわりの概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係るエチレン製造装置の分解炉における分解炉管とバーナーとの配置関係を示す図である。
【図３】本発明による透過法による浸炭層測定装置を示す斜視図である。
【図４】本発明による垂直法による浸炭層測定装置を示す斜視図である。
【図５】本発明の浸炭層測定装置における浸炭層測定に使用する試験片を示す図である。
【図６】本発明による垂直法による浸炭層測定において、浸炭部を通過した超音波ビームの経路と超音波音速との関係を示す図である。
【図７】本発明による垂直法による浸炭層測定における試験板厚と減衰定数との関係を示す図である。
【図８】本発明による透過法による浸炭層測定において、浸炭部を通過した超音波ビームの経路と超音波音速との関係を示す図である。
【図９】本発明の透過法による浸炭層測定装置の探触子及び探触子ホルダの構成例を示す図である。
【図１０】本発明の垂直法による浸炭層測定装置の探触子及び探触子ホルダの構成例を示す図である。
【図１１】本発明の浸炭層測定装置の走行ガイドの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づき、本発明による管状体の浸炭層測定方法及び装置の好適な実施の形態を説明する。
先ず、本発明に係るエチレン製造装置における分解炉まわりについて概略説明する。図１は分解炉１００の要部を示しており、分解炉１００には複数の分解炉管１０１が列設され、各分解炉管１０１は炉床１００ａと天井部１００ｂの間に鉛直方向に配置される。また、分解炉管１０１の列設方向に対して図２のように左右両側には複数のバーナー１０２が配置され、各分解炉管１０１を左右から加熱するようになっている。ナフサ等の原材料が分解炉管１０１に投入され、図１の矢印のように分解炉管１０１内を流通する過程でエチレンが分解生成され、生成されたエチレンはクエンチボイラー１０３へと送られる。
【００１５】
次に、図３及び図４は本発明による浸炭層測定装置１０を示している。図３は透過法を適用した例を、図４は垂直法を適用した例をそれぞれ示している。本発明装置は、分解炉管１０１に代表される管状体の所定部位、即ち管内表面に形成された浸炭層を、超音波を用いて測定する。透過法による浸炭層測定装置１０は図３のように、一対の探触子１１（発信側及び受信側）を有し、垂直法による浸炭層測定装置１０は図４のように、単一の探触子１１を有する。
【００１６】
これらの探触子１１は探触子ホルダ１２によって、分解炉管１０１に対して所定の位置及び角度となるように保持される。また、探触子ホルダ１２を介して探触子１１が分解炉管１０１の周囲を移動する（図３及び図４、矢印参照）のをガイドする走行ガイド１３を有している。これらの詳細については後述するものとする。図３及び図４に示されるように探触子１１には超音波探傷器１４が接続され、超音波探傷器１４には更にペンレコーダ１５が接続される。
【００１７】
ここで、本発明の基本構成につき、これを原理的に説明する。エチレン製造装置の分解炉管の管内表面側に浸炭が生じると管外表面側との熱膨張差に起因する割れが発生し、この浸炭層深さを超音波法で測定するが、図５に示すような耐熱遠心鋳造管の局部強制浸炭試験片１を製作し、その浸炭部及び未浸炭部の超音波特性値（音速値ならびに減衰定数）を測定した。その測定結果から、浸炭層深さを評価するのに有効な超音波特性を検討した。
【００１８】
図５に示す試験片１において、浸炭層２（２Ａ〜２Ｃ）の深さは、エッチングした管断面のマクロ組織から測定した。次に、超音波法の探触子は垂直法では５ＭＨｚを用い、透過法では２．２５ＭＨｚを用いた。更に、図５の局部浸炭層深さを順次変化させ、垂直法で超音波特性を測定するために、管内表面１ａ側を段階的に減肉加工する研削機械加工をした（平坦化した内表面１ａ′）。
【００１９】
垂直法による超音波特性
新材の縦波音速値を測定した結果、５７５１ｍ／Ｓ（平均値）であった（図６、◆印）。図６に試験片１の縦波音速値を測定した結果を示す。浸炭層深さが大きくなる程、音速が速くなる傾向が認められた。その傾向は、管内表面側に粒状晶組織を有しない柱状晶組織の方が顕著であった。図７は、浸炭部の減衰定数を測定した結果を示している。管内表面側に粒状晶を有しない柱状晶組織は、浸炭層深さが大きくなる程、減衰定数が小さくなる傾向が認められた。
【００２０】
透過法による超音波特性
上述の垂直法は管内面側の影響（腐食減肉等）を受けるので、超音波の主ビームが管の板厚中央部を通過するようにすれば、管内面側の影響を受けないと考えられる。そこで、主ビームが板厚中央部を通過するように探触子ホルダの探触子取付位置をスネルの式から計算した。図８は、試験片１の縦波音速を測定した結果を示している。超音波が局部浸炭部を通過する距離が長い程、音速値が増加する傾向が認められた。なお、図８（ａ）は浸炭部を通過した超音波ビームの経路と音速との関係を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）に対応する超音波ビームの経路を示している。
【００２１】
さて、本発明の浸炭層測定装置１０は透過法及び垂直法とも、上述したように超音波が局部浸炭部を通過する距離が長い程、音速値が増加するという原理に基づき構成される。
本発明ではエチレン製造装置にける分解炉の管列側（未浸炭部）の超音波特性値（縦波音速値又は減衰定数等）とバーナー側（浸炭部）の超音波特性値を比較することによって、その変化量から浸炭層深さを測定する。エチレン製造装置の分解炉はコイル状の管が鉛直方向に配置されているので、管列側よりもバーナー側（火炎側）の方が高温になり易い。そのためバーナー側に管内表面側からの浸炭が起こり易い（局部浸炭）。
【００２２】
本発明装置を更に具体的に説明する。先ず、透過法による浸炭層測定装置１０において図９に示されるように一対の探触子１１が探触子ホルダ１２によって、分解炉管１０１の円周上に配置される。本発明では特に一方の探触子１１（１１Ａ）から発信された超音波Ｓの主ビームが、分解炉管１０１の管肉厚中央部付近を通過した後、他方の探触子１１（１１Ｂ）に受信されるようになっている。なお、探触子ホルダ１２は好適にはアクリル製とする。
【００２３】
上記の場合、エチレン製造装置の分解炉管１０１（耐熱遠心鋳造管（JISのSCH24相当品）、25％Cr−35％Ni鋼等）の浸炭層深さが、管肉厚中央部に達したときを分解炉管取替時期とする場合が多い。そこで、浸炭層深さが管肉厚中央部付近まで達しているかどうかを評価対象とした。そのため探触子ホルダ１２により、超音波の主ビームが管肉厚中央部を透過するようにする。探触子１１の取付位置は、スネルの式（超音波の反射・屈折の式）から計算した。超音波の主ビームが管内表面側で反射しないので、管内面側の形状（腐食・減肉又は螺旋状フィンなど）の影響を受け難いという利点がある。
【００２４】
垂直法による浸炭層測定装置１０において、図１０に示されるように単一の探触子１１が探触子ホルダ１２によって、分解炉管１０１の円周上に配置される。垂直法の場合の探触子ホルダ１２は、超音波の音圧が均一な遠距離音場域となるものを用いる。超音波探触子１１を被検体である分解炉管１０１に直接接触させたとき、超音波の音圧が複雑な近距離音場限界距離内で超音波特性の変化量を評価することになるので、遠距離音場域となる探触子ホルダ１２とする。
【００２５】
なお、垂直法の場合、管列側（未浸炭部）及びバーナー側（浸炭部）の管内面形状が同一であることが必要になる。また、分解炉管１０１の肉厚が局部的に異なると、超音波縦波音速値や減衰定数の測定に大きく影響する。
【００２６】
更に、本発明の浸炭層測定装置１０は透過法及び垂直法とも、探触子ホルダ１２を介して探触子１１が分解炉管１０１の周囲を走行移動するのをガイドする走行ガイド１３を有する。
図１１は、走行ガイド１３の具体的構成例を示している。この走行ガイド１３は、２つ割り可能なアクリル製の環状体により構成され、そのハーフパーツを一体的に結合するための連結具もしくはバインダ１６を含む。このバインダ１６としてはクランプ式のものであってよい。更に走行ガイド１３の内周面に沿って、ゴム製の当て材１７が添着する。走行ガイド１３は図３等に示すように、その上に探触子ホルダ１２を載置し、分解炉管１０１の同一円周上において探触子ホルダ１２（従って探触子１１）を手動で回転するための固定治具として機能する。
【００２７】
なお、探触子ホルダ１２を自動で分解炉管１０１の周囲を回転させるための回転治具（被検体に着脱可能な固定部と、探触子ホルダ１２を回転させるモーター駆動部から構成された自動回転治具）を適用することも可能である。このような自動回転治具によれば、探触子ホルダ１２を手動で回転させた場合よりも、局部浸炭範囲をより正確に推定できる。
【００２８】
本発明の浸炭層測定装置１０によれば、先ず透過法の場合図３に示されるようにペンレコーダ１５の波形（この場合、横軸は管円周上の探触子ホルダ１２の中心位置、縦軸は着目する透過エコー波形のエコー高さ（超音波探傷器のゲート位置におけるエコー高さの出力値））から、局部浸炭部の範囲を正確に推定することができる。
また、図４に示す垂直法の場合にも透過法の場合と同様に、ペンレコーダ１５の波形から、局部浸炭部の範囲を推定することができる。
【００２９】
さて、本発明による効果を従来技術（超音波法を用いたもの）との関係で説明すると、先ず従来技術の透過法においては２個の超音波探触子を管軸方向に配置しており、超音波の主ビームが管内表面において反射させる方法を採用している。そのため内面螺旋状フィン付チューブ及び内面ひれ付押出し管に適用できないと考える。また、浸炭層深さを測定するために、浸炭層境界面からの反射エコーを利用している。この場合、浸炭が生じると、炭素原子の拡散モデルによる炭素濃度プロファイルになるため、超音波法で識別できる浸炭層境界面を定義できない。
【００３０】
本発明によれば、特に透過法を用いることで、内面螺旋状フィン付チューブ及び内面ひれ付押出し管に適用できる。つまり超音波の主ビームが管肉厚中央部付近を通過するので、管内表面側の形状が均一でなくても適用可能である。
また、管列側（未浸炭部）とバーナー側（浸炭部）の超音波音速値又は減衰定数を比較することによって、浸炭層深さを評価できる。なお、浸炭層深さを評価する場合は、反応管の材質ごとに、超音波音速値又は減衰定数と浸炭層深さとの相関性を示すマスター・カーブを予め作成する必要がある。
更に、超音波音速値又は減衰定数に影響する因子のうち、管外表面側に析出する窒化物や酸化スケールの影響は、管列側（未浸炭部）とバーナー側とで略同一であると推察されるので、超音波音速値又は減衰定数の変化量が浸炭層深さのみに影響されると考えられる。
【００３１】
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
石油精製装置等の加熱炉管（5％Cr−0.5％Mo鋼、9％Cr−1％Mo鋼又はSUS310等）に対して、管内表面側から浸炭が生じる場合にも、原理的には適用可能である。即ち、遠心鋳造管以外の加熱炉管にも、本技術を適用できる。また、ボイラー・チューブの管内表面側に生じる脱炭層（管内流体スチームとの反応）の検出にも、原理的には本発明を適用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  浸炭層測定装置
１１  探触子
１２  探触子ホルダ
１３  走行ガイド
１４  超音波探傷器
１５  ペンレコーダ
１６  バインダ
１７  当て材
【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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【図１０】
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【図１１】
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