(57)【要約】【課題】  多層配管の表面から深さ方向における剥離・亀裂等を可視化することができる多層配管の残存強度測定装置及びその方法の提供。【解決手段】  円筒容器である多層配管は、層間の密着が不完全で弱いか隙間があると配管内径は微細に変わり内径厚さは変化する。また円筒は内圧により円周方向応力を受けるだけでなく亀裂のまわりで膨れ（Bulging）を生じるような曲げを受ける。このような変化を光三次元計測により、表面からの亀裂、割れ、剥離等の亀裂深さ、軸方向の広がり長さを可視化し、精密に測定することにより詳細かつ迅速に測定し判定可能にする。直進する光の投影光をP点からC点に回転することにより、最大測定角３０度から１５度以下とすることで、深度の表面亀裂、割れ、剥離等の亀裂深さの最大深度の測定を可能にする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライン状の光を測定物体上に投影し、このラインが前記測定物体の表面形状に応じて変形を観察する光三次元計測による多層配管の残存強度測定装置であって、
前記光を前記測定物体に投射するプロジェクターと、
前記プロジェクターからの光を捉えるカメラと、
物理的な欠陥情報を可視化する演算処理部と、を有し、
前記プロジェクターから発せられる前記光を順に動かし前記カメラで捉えることにより三次元形状情報を得ることができ、
三次元による表面深度、内面、表面形状等、物理的な欠陥情報を可視化することを特徴とする多層配管の残存強度測定装置。
【請求項２】
内面に樹脂ライニングを施した鋼管の表面にライン状の光を走査するステップと、
前記光が前記鋼管および前記樹脂ライニング内に存在する欠陥表面および内面に進行することによって、前記光の反射光を捉え物理的な肉厚（ｔ）、表面亀裂深さ（ｄ），残存肉厚比（Ｒｔ）の欠陥情報を計測するステップと、を有する光三次元計測による多層配管の残存強度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配管の製造工程並びに使用中のプラントで評価測定するために、当該多層配管を構成する鋼管と該鋼管内面に被覆される樹脂ライニングとの界面と表面に発生する欠陥を検出する光三次元計測による多層配管の残存強度測定方法および残存強度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多層配管は、特に鋼管では通水により内面の腐食が進み、さまざまの問題が発生している。このため、耐久性、耐食性に優れた多層配管の普及が図られている。例えば鋼管の内面に硬質塩化ビニールやポリエチレンを被覆（ライニング）した樹脂ライニング構成を持つ。昨今では、耐環境性重視から多層配管の普及がはかられるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９８０３１号公報
【特許文献２】特開２０１３−８３５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多層配管の生産ラインにおいて、硬質塩化ビニール管やポリエチレン管を鋼管の内面に圧入し、さらに加熱融着することによって得られ、これらの密着強度が管材としての品質要素になっている。従って、これらの間に隙間があると品質保全上重大な問題となる。特に、加熱融着後の密着力や厚みの品質管理が重要になる。これまでの検査は、生産ラインより任意個数抜取り電気的ピンホールタスター等の種々の状態試験の方法を用いて実施している。
【０００５】
しかしながら、上述のような多層配管の抜き取り検査には、生産ラインを一時停止させて、電磁膜厚計により樹脂ライニングの膜厚の測定を多層配管の全周に亘り実施する必要から、測定検査時間および作業工数が多くなり、その結果として多層配管の生産効率が低下するという不都合が生じていた。
【０００６】
図１に示す光三次元計測は、本来は外面形状計測を主体にしたものであり、プロジェクター３から直線状の縞パターン光を３Ｄオブジェクター対象物１に投射及び投影し、これが物体の表面形状により変化した視差画像をカメラ２で捉えて解析する表面形状の欠陥検査方式が知られている。物体の外側表面の腐食計測用を主な特徴とする３Ｄ計測システム３ＤＳＬが提案されている。図１のカメラ２と対象物１との角度β、プロジェクターとの角度α、は可変で、光の精度を高めるために切断光を薄い帯状にすることで、測定がより可能となる。図１の基線長をＬ、測定対象物体上のＰまでの距離Ｚは角度βとし、αは９０°として使われる。図１の距離Ｚは基線長をＬとし、測定対象物体とプロジェクターの距離Ｄ、角度α、βから,以下の式で求めることができる。
【数１】
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【０００７】
しかしながら、この外側表面の腐食計測用の欠陥検査方法では物体の欠陥亀裂の深さは検出することができないため、表面の欠陥形状しか検出できず、特に管材層の接着状態、密着状態や材質の性状に応じた欠陥情報を捉えることが難しいという不都合があった。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものでる。その目的は、形状に応じたライン光の内面変形を観察することで、多層配管を構成する鋼管および樹脂ライ二ングの接着状況、密接状態、界面状態、欠陥深さ等をこれら複数部位について詳細かつ迅速に判別することができる。多層配管の光三次元計測による損傷評価を推定する残存強度測定方法および残存強度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した目的を達成するために、本発明に係る多層配管の光三次元計測による残存強度検出装置は、ライン状の光を測定物体上に投影し、このラインが前記測定物体の表面形状に応じて変形を観察する光三次元計測による多層配管の残存強度測定装置であって、前記光を前記測定物体に投射するプロジェクターと、前記プロジェクターからの光を捉えるカメラと、物理的な欠陥情報を可視化する演算処理部と、を有し、前記プロジェクターから発せられる前記光を順に動かし前記カメラで捉えることにより三次元形状情報を得ることができ、三次元による表面深度、内面、表面形状、亀裂等、物理的な欠陥情報を可視化することを特徴とする。
【００１０】
上記構成により、多層配管を構成する鋼管の表面にブロジェクタ―から直線状の縞パターン光を投射し、これが鋼管の表面形状により変化したライン光の視差画像から、その変化した様子をカメラで捉えて観測される。受光素子としての図１のカメラは、コンプュータの高速化による解析処理をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラを用いて観測される。
【００１１】
観測情報は、この高速度カメラに内蔵の演算処理部にて、パターン光を利用したデータ解析による位相計算により画像信号の演算処理を行い、物理的な欠陥情報を可視化する。図２に示すように、表面から内部への亀裂、割れ、剥離等の深さ、軸方向の広がり、長さ等、深さをＰ点からＡ点に、Ｃ点からＢ点に、β＝３０°で回転しながらさらに１５°までの角度で、欠陥のより深度の内面側面を計測することにより、このような変化を光三次元計測により、可視化により精密に測定することで、より詳細かつ迅速正確に判定可能にすることができる。
【００１２】
また、本発明に係る光三次元計測による損傷評価を推定する残存強度測定検出方法は、円筒容器では内圧により円周方向応力を受けるだけでなく、亀裂のまわりで膨れ（Ｂｕｌｇｉｎｇ）を生じるような曲げを受けて強度の減少が進行する。減肉等の損傷を受けた配管の塑性崩壊荷重（Ｐｄｃ）と健全な配管の塑性崩壊荷重（Ｐｕｃ）の比を、強度が残存していることを表す残存強度ファクターＲｓｆ(Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｆａｃｔｏｒ)として、アメリカ機械学会基準ＡＳＭＥ  ＦＦＳ−１で定義されている。この円筒容器である多層配管についての損傷評価を、剥離やピンホールや亀裂等の物理的内部欠陥情報を残存強度ファクターにあてはめ、演算処理部に内蔵する評価ソフトにより測定検出して比較、鋼管と樹脂ライニングとの界面に発生した物理的欠陥情報を可視化することを特徴とする。
【００１３】
これにより、多層配管を構成する鋼管と樹脂ライニングとの接合面、密着度および界面状態を、ｄ：亀裂深さ、ｔ：肉厚（一定）、Ｃ：軸方向の亀裂ながさ、Ｒｉ：内半径、Ｍｔ（係数：Ｂｕｌｇｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ）等の物理量の比較によって、円筒容器等の安全確保を評価指標として、図１０に示す残存強度ファクターを正確に推測することができるとともに、これにより多層配管の生産ライン止めることなく、非接触、非破壊で高精度かつ効率的に多層配管の計測が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、多層配管の内面や表面に、ライン光を走査して、三次元形状情報を利用して、鋼管および樹脂ライニング相互の界面状態を各層管材各部について詳細かつ迅速に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態の光三次元計測による多層配管の残存強度測定方法および測定検出装置を示す接続図である。
【図２】検査対象となる多層配管に欠陥２ｍｍφを形成したときの断面図である。
【図３】３層構造の多層配管の断面図である。
【図４】多層配管の断面図である。
【図５】検査対象となる多層配管に模擬的な欠陥を形成した加工図である。
【図６】模擬の欠陥２ｍｍφの３次元立方体形状計測画像である。
【図７】３層構造配管のＹ方向における内部欠陥検出図である。
【図８】３層構造配管のＸ方向における内部欠陥検出図である。
【図９】３層構造配管ＸＹ方向における表面欠陥検出図である。
【図１０】模擬の欠陥０.５〜２ｍｍφと残存強度ファクターＲｓｆの計算結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態にかかわる多層配管の光三次元計測による残存強度測定方法および残存強度測定検出装置を、図１乃至図１０を参照して説明する。
【００１７】
［計測装置］
本実施形態による光三次元計測による多層配管の残存強度測定検出装置は、内面に樹脂ライニングを施した鋼管の表面からの亀裂、割れ、剥離等に対し、従来は外面形状を測ることを主体にしていたが、内面の層間状態、異物混入、空孔、割れ等に対しても、鋼管の欠陥の損傷状態等に対し、安全確保の評価指標として演算処理部に内蔵する評価ソフトに残存強度ファクターによる製品品質の向上、使用中のプラントでの評価を採用することで、可視化を可能にする演算処理部を備えて構成される。
【００１８】
本実施形態による多層配管の光三次元計測による残存強度測定方法および残存強度測定検出装置は、図１に示すように、対象物である３Ｄオブジェクションである対象物１と、物体の表面形状により変化した様子を捉えるカメラ２と、直線状の縞基準パターンを対象物１に投影するプロジェクター３とから構成される。カメラ２には、画像信号を解析する演算処理部と残存強度検出装置としての残存強度ファクターを比較検出する評価ソフト内蔵する。本実施の形態では、三次元計測システムとしてＳ社製３ＤＳＬシリーズを一部用いているが、これに限定されず他の機器を用いてもよい。
【００１９】
鋼管および樹脂ライニング内面に図１のプロジェクター３から、パターン光を投射し、その変化した様子をカメラで捉えて観測される。受光素子としての図１のカメラ２には、画像信号をコンプュータの高速化による解析処理を内蔵の演算処理部にて行い、かつ内蔵する評価ソフトにより残存強度検出装置にて残存強度ファクターＲｓｆを比較検出し、安全確保の評価指標として正確に推測する。これらを比較検出することによって、正常の判定出力を得ることができる。
【００２０】
残存強度を検出する際は、プロジェクター３からのライン光を測定物体である対象物１上に投影する。本実施の形態による残存強度検出装置は、このライン光で物体の表面形状に応じて変形を観察するライン光走査方式である。本走査方式では、図２に示すように、３層構造の配管において、ライン光をＰからＣと内部へ回転することにより、光３次元計測による欠陥低部からの反射光から内壁面並びに３層目の深度からの欠陥情報を測定することが可能となる。図２の深さＡ点からＰ点に、Ｃ点からＢ点に、対象物１の底面にβ＝３０°でライン光を回転させながら１５°までの角度で変化させることにより、欠陥の深い深度の内壁面の測定を可能にする。
【００２１】
図２では、３層構造配管断面の欠陥表面ＰとＣ間でライン光を回転することにより、β＝３０°の角度でＡ〜Ｂの内面測定している。さらにβ＝１５°の角度で内面計測することにより、深度の深い内面測定が可能となり、測定した表面からの欠陥の緒情報を計測することができるため、より精度の高い演算処理が可能となる。
【００２２】
［計測対象］
図３は多層配管の一例を示す縦断面図である。多層配管は、外周面に硬質塩化ビニ―ルなどの樹脂ライニングを施したライニング層４と、鋼材（炭素鋼）層５と、硬質塩化ビニ―ルなどの樹脂ライニング層である内面６と、から構成される。図４は他の多層配管として、水道用亜鉛めっき鋼管構造であって、鋼管（炭素鋼）の内周面に硬質塩化ビニールなどの樹脂ライニング７を施したものである。外周面には亜鉛めっき層（水道用を示すＷ：ＳＧＰ管）８による防錆処理がなされている。このような３層構造の多層配管も、本発明による接合面、密着度および界面状態等の物理状態の検査対象にすることができる。
【００２３】
次に、実際に残存強度測定検出装置によって計測した試料を図５に基づいて説明する。３層構造の配管は、第１層は硬質塩化ビニール１.５ｍｍ厚、第２層目は鋼材層２.８ｍｍ厚、第３層目は硬質塩化ビニール１.５ｍｍ厚である。２ｍｍφの人工欠陥を多層配管表面から内面に形成した。
【００２４】
３層構造の配管は光３次元計測による欠陥低部からの反射光から、３層目の深さからの欠陥を測定することができる。図５（ａ）は半割した多層配管において内側を表面とした図であって、図５（ｂ）は半割した多層配管において外側を表面とした図である。いずれにおいても、一方の端面から３ｃｍの位置に０．５ｍｍφのドリル孔を形成し、他方の端面から３ｃｍの位置に２ｍｍφのドリル孔を形成し、中心に１ｍｍφのドリル孔を形成した。図５（ａ）においては、内側より２層目である鋼材層に到達する程度のドリル孔を形成し、図５（ｂ）においては、外側より２層目である鋼材層に到達する程度のドリル孔を形成している。このようにして形成された人工的な欠陥は、本発明による接合面、密着度および界面状態等の物理状態の検査対象となる。
【００２５】
［計測結果］
次に、図５（ａ）の２ｍｍφのドリル孔の計測結果について図６乃至図９に基づいて説明する。図６に示す３Ｄの計測結果は、測定器の平面分解能０.４ｍｍ、深さ分解能５０μｍであり、欠陥のより深い深度の内面の計測が可能となる。図９に示すＸ方向における表面形状を図８に示し、図９に示すＹ方向における表面形状を図７に示す。カメラ２が捉えた反射光に基づいて、演算処理部が画像処理を行い、図７、及び図８に示すように、欠陥深さ２.９７ｍｍが確認された。
【００２６】
図７において、プロジェクター３からの光が欠陥低部まで到達するため、深度２.９７ｍｍで第２層厚さ２.８ｍｍからの反射をカメラ２が捉えることができる。塩ビ層ではドリルによって人工欠陥が大きく広がり、鋼材層で段差が生じているＡ点及びＢ点を、カメラ２が捉えた反射光から演算処理によって観測することができる。ここで、Ａ点は塩ビ層と鋼材層との境界である。
【００２７】
図８は、欠陥低部からの反射光におけるＸ方向の画像である。図９に示すＸ軸は表面形状の中心からずれ人工欠陥の周縁を通過しているため、図８においては一部の線が途切れたように表されている。画像の表面振動は、照射する光による表面荒さに起因する外光擾乱（じょう乱）を示している。内面深度、層間状態、壁面、表面形状等、物理的な欠陥情報を可視化し、欠陥低部からの反射光による接合面、密着度および界面状態等の物理状態の検査対象にする事が出来る。図８においても、同様に塩ビ層と鋼材層との段差であるＡ´点が観測される。
【００２８】
図９にその表面形状の測定結果を示す。Ｃ点に図５（ｂ）ドリル孔の欠陥形状２ｍｍφが計測される。３層構造の配管は光３次元計測による欠陥低部からの反射光から、３層目の深さからの欠陥情報を得ることが可能となる。
【００２９】
多層配管は内圧により円周方向応力を受けるだけでなく亀裂のまわりで膨れを生じるような曲げを受ける。円筒容器である多層配管について、人工キズを造作し損傷評価を実施した。剥離やピンホール等により円筒容器が減肉損傷を受けた場合、多層配管等の塑性崩壊荷重（Ｐｄｃ）と健全な多層配管の塑性崩壊荷重（Ｐｕｃ）の比を、強度が残存していることを表す残存強度ファクターＲｓｆ(Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｆａｃｔｏｒ)で推定可能になる。この残存強度ファクターＲｓｆは、Ｒｔ（残存肉厚比）＝１−ｄmm／ｔmm、ｄ：亀裂深さ、ｔ：肉厚（一定）、Ｃ：軸方向の亀裂ながさ、Ｒｉ：内半径から、以下の式により求めることができる。ここでＭｔは係数である。
【数２】
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上記式により、図１０に示すように、その残存強度Ｒｓｆは欠陥外径φが小さくなり１ｍｍφ以下となると急激に上昇し、残存強度は増大する。
【００３０】
以上のように、本実施形態では、光３次元計測による３層構造の多層配管のプラント維持技術として、布設稼動中に発生する欠陥損傷の程度を推定する非破壊検査技術として利用可能である。円筒容器等の欠陥損傷が、安全確保を評価指標として、残存強度ファクターＲｓｆが用いられる。２ｍｍφドリル径の試算によるとＲｓｆ＝０.９８２で、測定結果から９８.２％の強度が残存していることを表していることが確認された。これは１.８％の強度が低下していることになる。プラント等の健全性に破壊力学の観点から、損傷評価の判断指標を提供することができることになれば、有効な非破壊検査の判定技術として利用することができる。
【００３１】
本発明は鋼管および樹脂ライニング相互の界面状態をこれらの複数部位について、詳細にかつ迅速に判定評価することができるという効果を有し、多層配管を構成する鋼管と当該鋼管内面に被覆される樹脂ライニングとの界面に発生する欠陥を検出する多層配管の光三次元計測による残存強度測定方法および装置である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は光三次元計測により非接触により、対象物体の外面形状を捉える従来の機能を超えて多層配管の複数部位について、詳細にかつ迅速に内面の形状の計測とともに、欠陥検査も同時に行う事を可能にする。物体の変形に伴う評価検出技術の重要性は測定技術と組み合わせて、測定時間の短縮化が求められる。その効果が多層配管の光三次元計測による残存強度測定方法および装置に有用である。
【符号の説明】
【００３３】
１    ３Ｄオブジェクション
２    カメラ
３    プロジェクター
４    硬質塩化ビニ―ル層
５    鋼材（炭素鋼）層
６    硬質塩化ビニ―ル層
７    樹脂ライニング層
８    亜鉛めっき
【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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