(57)【要約】 【課題】反応管等、高温高圧雰囲気に曝されるような配管において、寸法計測を正確に行うことのできる配管余寿命予測装置、計測装置を提供することを目的とする。【解決手段】寸法測定装置２０の本体２１と配管１００との間に、配管１００内の雰囲気（大気）よりも超音波の伝播速度の高い物質である液体を入れておき、超音波を用いたセンサ２９により非接触で配管１００の内径を計測する。そして、センサ２９を配管１００の外周面１００ａに沿って移動させることで、周方向・径方向・螺旋状での連続計測を行い、配管１００の局所的な膨張等も正確に把握することを可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管の内径を、非接触で、かつ連続的な軌跡に沿った多数の位置で計測する内径計測部と、
前記内径計測部で計測した前記配管の内径に基づき、前記配管がクリープ限界に至るまでの余寿命の予測値を算出して出力する予測値算出部と、
を備えることを特徴とする配管余寿命予測装置。
【請求項２】
前記内径計測部は、前記配管との間に液体を介在させた状態で、超音波センサにより前記配管の内径を計測することを特徴とする請求項１に記載の配管余寿命予測装置。
【請求項３】
前記内径計測部は、前記超音波センサを前記配管の周方向および／または長さ方向に移動させながら、前記配管の内径を計測することを特徴とする請求項２に記載の配管余寿命予測装置。
【請求項４】
前記超音波センサを前記配管の外周側に配置することを特徴とする請求項２または３に記載の配管余寿命予測装置。
【請求項５】
前記予測値算出部は、予め記憶した、前記配管のクリープ限界に至るまでの前記配管の内径の時間的変化のデータに基づき、前記内径計測部で計測した前記配管の内径の実測値から、前記配管がクリープ限界に至るまでの余寿命の予測値を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の配管余寿命予測装置。
【請求項６】
配管の内径を非接触で計測するための計測装置であって、
前記配管の外周部に保持され、前記配管との間の空間に液体を満たすための貯液部を有した装置本体と、
前記配管との間に前記液体を介在させた状態で前記配管の内径を計測する超音波センサと、
を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項７】
前記超音波センサは、前記装置本体に対し、少なくとも前記配管の周方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記超音波センサまたは前記装置本体が、前記配管に対して前記配管の長手方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の計測装置。
【請求項９】
火炉内に配置され、バーナによって外周面から加熱される配管の内径の計測値の入力を受け付ける入力部と、
予め記憶した、使用温度ごとの、前記配管のクリープ限界に至るまでの前記配管の内径の時間的変化のデータを格納したデータ格納部と、
前記入力部に入力された前記計測値と前記データ格納部に格納された前記データに基づき、前記配管がクリープ限界に至るまでの余寿命の予測値、または前記配管の平均使用温度の予測値を求める予測処理部と、
前記予測処理部で求めた前記予測値を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする配管測定データ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炉内に設置される反応管等の配管の余寿命を予測するための配管余寿命予測装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学プラントにおける改質炉は、火炉内に多数本の反応管が配置され、この反応管の内部に、改質すべきガスを流し、反応管内の触媒と接触させることでガスの改質を行う。このとき、触媒とガスの反応を促進するため、火炉内においては、バーナによって反応管を外部から加熱することが行われる。これにより、反応管の外部は、例えば１０００℃といった高温まで加熱され、反応管の内部は、加熱されたガスにより高圧となる。
【０００３】
反応管は、高温下で高圧による応力を受けるため、長期の使用により劣化し、最終的にはクリープ限界を超えて、破壊に至る。
この破壊を避けるため、従来より、反応管の状態を定期的にチェックし、クリープ限界に至る前に反応管の交換等のメンテナンスを行っている。
【０００４】
反応管の状態をチェックする手法としては、反応管の管径や周長を計測してクリープ変形の程度を把握し、反応管の膨張等が生じていないか判断する、というものがある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、反応管は、高温に曝されてその外周面が酸化・腐食して剥離したりすることがあるため、単に反応管の外周側から反応管の管外径や外周長を計測したのでは、腐食や剥離による誤差が影響し、正確な計測を行うことができず、適切なタイミングでのメンテナンスが困難となってしまう。
【０００５】
このため、特許文献１に記載の技術においても、キャリパを用いて反応管の外径を計測するだけでなく、超音波計測により反応管の肉厚を計測し、これら外径と肉厚とから、反応管の内径を算出し、腐食や剥離等の影響のない内周面側での寸法計測を行うようになっている。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１５９５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１に記載の手法においては、反応管の肉厚の計測がスポット的（点状）となっている。実際の火炉内の反応管は、バーナの火炎との位置関係、火炎によって加熱された反応管内を流れるガスの温度上昇等によって、局所的に膨張することがある。スポット的な肉厚計測では、このような局所的な膨張を把握することができないことがあり、精度の高い計測を行えているとは到底言い切れない。
【０００８】
さらに、反応管の内径や内周長が正確に計測できたとしても、その計測結果から、反応管のクリープ限界を予測するのは困難である。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、反応管等、高温高圧雰囲気に曝されるような配管において、寸法計測を正確に行うことのできる配管余寿命予測装置、計測装置を提供することを目的とする。
また、他の目的は、計測結果から、配管のクリープ限界までの余寿命を精度良く予測することのできる配管測定データ処理装置を提供することになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的のもとになされた本発明の配管余寿命予測装置は、配管の内径を、非接触で、かつ連続的な軌跡に沿った多数の位置で計測する内径計測部と、内径計測部で計測した配管の内径に基づき、配管がクリープ限界に至るまでの余寿命の予測値を算出して出力する予測値算出部と、を備えることを特徴とする。このように、配管の内径を、連続的な軌跡に沿った多数の位置で計測することで、配管の局所的な膨張等も把握することが可能となり、より確実な配管のメンテナンスを行うことが可能となる。このとき、配管の外周面は、腐食や剥離等によって荒れていることがあるため、配管の内径を連続的に計測するために配管の外周面に沿ってセンサ等を移動させることは困難である。そこで、内径計測部を非接触とすることで、センサ等を配管の外周面に間隔隔てた状態のまま移動させて配管との干渉を回避し、連続的な内径計測を行うのである。
内径計測部で、配管の内径を非接触で計測するには、配管との間に液体を介在させた状態で、超音波センサにより配管の内径を計測するのが好ましい。超音波センサを用い、測定対象の配管から超音波センサを離間させてセットした場合、超音波センサと配管との間の大気のままであると、大気の超音波伝播速度が低いため、超音波による計測を行えない。超音波センサと配管との間に、超音波伝播速度の高い液体を介在させることで、配管から超音波センサを離間させた状態であっても、測定が可能になるのである。このとき、超音波センサは、配管の内周側に配置しても良いが、配管の外周側に配置するのが、より有効である。配管を設置状態のまま計測できるからである。
【００１０】
このような内径計測部は、超音波センサを配管の周方向および／または長さ方向に移動させながら、配管の内径を計測することもできる。周方向への移動と長さ方向への移動を並行して行えば、これにより配管の内径を螺旋状の軌跡で計測することも可能となる。
【００１１】
さて、予測値算出部は、予め記憶した、配管のクリープ限界に至るまでの配管の内径の時間的変化のデータに基づき、内径計測部で計測した配管の内径の実測値から、配管がクリープ限界に至るまでの余寿命の予測値を算出することができる。
【００１２】
本発明は、配管の内径を非接触で計測するための計測装置であって、配管の外周部に保持され、配管との間の空間に液体を満たすための貯液部を有した装置本体と、配管との間に液体を介在させた状態で配管の内径を計測する超音波センサと、を備えることを特徴とする。
このような超音波センサでは、配管との間に、大気等より超音波伝播速度の高い液体を介在させることで、配管から超音波センサを離間させた状態での非接触での計測が可能となる。
このとき、超音波センサは、装置本体に対し、少なくとも配管の周方向に移動可能に設けられているのが好ましい。また、超音波センサまたは装置本体を、配管に対して配管の長手方向に移動可能に設けるようにしても良い。
【００１３】
本発明は、火炉内に配置され、バーナによって外周面から加熱される配管の内径の計測値の入力を受け付ける入力部と、予め記憶した、使用温度ごとの、配管のクリープ限界に至るまでの配管の内径の時間的変化のデータを格納したデータ格納部と、入力部に入力された計測値とデータ格納部に格納されたデータに基づき、配管がクリープ限界に至るまでの余寿命の予測値、または配管の平均使用温度の予測値を求める予測処理部と、予測処理部で求めた予測値を出力する出力部と、を備えることを特徴とする配管測定データ処理装置、とすることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、反応管等、高温高圧雰囲気に曝されるような配管において、連続的に寸法計測を行うことで、精度の高い寸法計測を行うことが可能となる。これにより、計測された寸法に基づき、配管のクリープ限界までの余寿命を、より確実に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における配管余寿命予測装置１０の全体構成を説明するための図である。
この図１に示すように、配管余寿命予測装置１０は、配管１００の内径を計測する寸法計測装置（内径計測部、計測装置）２０と、寸法計測装置２０での計測結果に基づき、配管１００のクリープ限界に至るまでの余寿命を予測する測定データ処理装置（予測値算出部、配管測定データ処理装置）３０と、から構成されている。
【００１６】
寸法計測装置２０は、配管１００の外周部に装着されるもので、その本体（装置本体）２１は、全体としてリング状で、中央部に配管１００を通すための開口２２を有し、外周部には上方に立ち上がる外周壁部２３が形成され、本体２１と配管１００の外周面１００ａとの間の空間（貯液部）に液体を溜められるようになっている。このため、開口２２の内周縁部は、配管１００に密着してシール性を確保できるよう、ゴム系材料、軟質樹脂系材料等によるシール部２４とされている。
ところで、配管１００は、図示しない箱状の火炉を上下に貫通する形態で多数本が固定状態で設けられているため、火炉内において配管１００に対して本体２１を着脱できるよう、例えば、本体２１を周方向に複数に分割可能とし、ボルトやバックル等の連結部材でこれらを一体に連結できるようにするのが好ましい。この場合、連結部材による締結力によって、本体２１を配管１００に装着・固定できるようにするのが好ましい。もちろん、これに限らず、他のサポート部材を備えることで、本体２１を配管１００に装着・固定するようにしてもよい。
【００１７】
本体２１の外周壁部２３の上部には、内周側にギヤ歯を有したリング状のラックギヤ２６が、ベアリングやスライドメタル等によって、本体２１に対して回転自在に支持されて設けられている。
本体２１には、モータ２７およびピニオンギヤ２８が設けられており、ピニオンギヤ２８はラックギヤ２６に噛み合うように設けられている。
【００１８】
ラックギヤ２６には、ブラケット２９ａを介し、配管１００側に向けてセンサ２９が設けられている。このセンサ２９は、超音波の発信部と受信部とを備えたもので、発信部は、外部から入力された発信信号（電気信号）によって超音波を発信し、受信部は、発信部から発した超音波の反射波を受信するとこれを受信したタイミングを示す受信信号を出力するようになっている。
センサ２９は、配管１００の周方向に間隔を隔てて複数を配置することもできる。
【００１９】
測定データ処理装置３０は、センサ２９に対する発信信号の出力、受信信号の入力を行う入出力部（入力部、出力部）３１と、寸法測定部３２、余寿命予測部（予測処理部）３３とを備える。
寸法測定部３２は、センサ２９に対する発信信号の出力タイミングと、それに対する受信信号の入力タイミングとの差に基づき、測定対象物（配管１００）の寸法を測定する。
【００２０】
余寿命予測部３３では、寸法測定部３２で測定した配管１００の寸法に基づき、その配管１００のクリープ限界に至るまでの余寿命を測定する。これには、下式〔数１〕によって定めることのできる経過時間とクリープ伸びεとの関係と、ヤング率σと使用温度に応じた変形の速度定数αとの関係から、図２に示すような、使用温度ごとにおける、使用開始してからの経過時間と伸びの関係を定めることができる。この、図２に示すような関係を示すデータをデータベース化して、測定データ処理装置３０の図示しないデータ格納部に格納しておき、余寿命予測部３３では、前記のデータを用いることで、配管１００の寸法から現時点までの経過時間を知ることができ、さらに、クリープ限界に至るまでの余寿命が算出できる。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
なおここで、〔数１〕における各係数は、配管１００のクリープ限界に至るまでの経過時間と寸法を使用温度ごとに予め実験的に把握することで設定が可能である。
【００２３】
このような配管余寿命予測装置１０における配管１００の内径計測、余寿命予測の原理は、以下のようなものである。
すなわち、配管余寿命予測装置１０では、本体２１と配管１００の外周面１００ａとの間の空間に、水、油等の液体を介在させた状態で使用する。
本体２１を配管１００の外周部に装着固定し、その状態で、本体２１と配管１００の外周面１００ａとの間の空間に液体を充填する。図３に示すように、この状態で、液体内に浸漬したセンサ２９から超音波を発信すると、この超音波は、液体〜配管１００を伝播し、配管１００の内周面１００ｂ側において、伝播速度が大きく異なる配管１００とその内方の大気との界面で反射し、配管１００〜液体を伝播してセンサ２９に戻る。
【００２４】
これにより、寸法測定部３２においては、センサ２９に対する発信信号・受信信号とにより、センサ２９の先端部と配管１００の外周面１００ａとの隙間ｔ１と、配管１００の肉厚ｔ２との和（ｔ１＋ｔ２）を求めることができる。
センサ２９の先端部の本体２１の中心部（配管１００の中心部）に対する位置（半径ｒ）は、センサ２９の組み付け時に既知とすることができるため、これにより、配管１００の内周面１００ｂの内径Ｒは、
Ｒ＝ｒ−（ｔ１＋ｔ２）
により求めることができる。
【００２５】
寸法測定部３２で測定された配管１００の内周面１００ｂの内径Ｒと、その配管１００の使用温度に基づき、余寿命予測部３３では、図２に示したような関係から、その配管１００の使用を開始してから現時点までの経過時間Ｈ１を知ることができ、さらに、クリープ限界（管理規定値）に至るまでの余寿命Ｈ２が算出できる。
【００２６】
このとき、図示しないモータでピニオンギヤ２８を回転駆動させると、ピニオンギヤ２８とラックギヤ２６との噛み合いにより、ラックギヤ２６が回転し、センサ２９は、配管１００の外周面１００ａに沿って周方向に移動する。このようにセンサ２９を移動させながら、一定微小時間ごとに上記のような計測を行うことで、配管１００の内径Ｒを、周方向に多数点で計測することができ、実質的に連続的な計測が可能となる。
これにより、配管１００が周方向において特定箇所のみ膨張しているような場合であっても、これを確実に把握することが可能となる。
【００２７】
また、上記したような原理の配管余寿命予測装置１０の応用例として、以下のようなものがある。
すなわち、図４に示すように、寸法計測装置２０の本体２１に、複数のローラ４０を配管１００の外周面１００ａに押し付けるようにして設ける。そして、これらのローラ４０を、図示しないモータで駆動することで、寸法計測装置２０を、配管１００に沿って上下動させる。
このように、寸法計測装置２０を配管１００に沿って上下動させながら、一定微小時間ごとに上記のような計測を行うことで、配管１００の内径Ｒを、配管１００の長さ方向に沿って多数点で計測することができ、実質的に連続的な計測が可能となる。
火炉内の配管１００は、配管１００を加熱するバーナとの位置関係により、温度分布が生じ、これによってクリープ変形の度合いも異なる。これに対し、配管１００の長さ方向に沿って連続的な寸法計測を行うことで、配管１００が長さ方向において特定箇所のみ膨張しているような場合であっても、これを確実に把握することが可能となる。
【００２８】
なお、この場合、寸法計測装置２０の本体２１を配管１００に沿って上下方向に移動させるための機構については、なんら限定するものではない。
上記のようなローラ４０以外にも、配管１００に平行にガイドレールを設け、このガイドレールに沿って本体２１を上下動させるようにしても良い。
【００２９】
この他、本体２１の高さを十分に大きくし、本体２１内で、センサ２９が設けられたラックギヤ２６のみを上下動させるような構成とすることも可能である。その場合、本体２１内に、ラックギヤ２６を上下動させるためのガイドレール等を設け、これに沿ってラックギヤ２６を上下動させればよい。
【００３０】
また、図４に示すような寸法計測装置２０を用い、ラックギヤ２６を回転させつつローラ４０等により配管１００に沿って上下方向に移動させて、一定微小時間ごとに上記のような計測を行うことで、配管１００の内径Ｒを、螺旋状の軌跡で連続的に計測することができる。これにより、配管１００が周方向あるいは長さ方向の特定箇所のみ膨張しているような場合であっても、これを確実に把握することが可能となる。
【００３１】
このようにして、寸法測定装置２０の本体２１と配管１００との間に、配管１００内の雰囲気（大気）よりも超音波の伝播速度の高い物質である液体を入れておくことで、センサ２９により非接触で配管１００の内径を計測することが可能となる。そして、非接触式の計測手法であるが故、センサ２９を配管１００の外周面１００ａに沿って移動させることで、周方向・径方向・螺旋状での連続計測を行うことが可能となっている。配管１００の連続計測を行うことで、局所的な膨張等も正確に把握することが可能となり、より確実な配管１００のメンテナンス・管理を行うことが可能となっている。
【００３２】
図５は、上記と同様、液体を介在させた状態で配管１００の内径を計測する他の手法を示すものである。
この図５に示すように、寸法測定装置（内径計測部、計測装置）２０’は、棒状、柱状の本体（装置本体）５０を備える。本体５０の先端部に、外周側に向けてセンサ２９が設けられる。
そして、計測を行う際には、配管１００内に本体５０を挿入し、センサ２９による配管１００の内径計測を行う。このとき、本体５０を図示しないモータ等で軸線周りに回転させれば配管１００の内径を周方向に連続して計測することができ、本体５０を配管１００内で上下動させれば、配管１００の内径を長さ方向に連続して計測することができる。さらに、本体５０を回転させつつ上下動させれば、配管１００の内径を螺旋状に連続して計測することができる。
【００３３】
この場合、センサ２９では、計測のために超音波だけでなくレーザ光等も用いることができる。超音波を用いる場合には、センサ２９による非接触での計測を行うため、配管１００内に液体を満たし、センサ２９と配管１００との間に液体を介在させた状態で、センサ２９による計測を行う。
このような寸法測定装置２０’においては、センサ２９により非接触で配管１００の内径を計測することが可能となる。そして、非接触式の計測手法であるが故、センサ２９を配管１００の内周面１００ｂに沿って移動させることで、周方向・径方向・螺旋状での連続計測を行うことが可能となっている。この場合も、配管１００の連続計測を行うことで、局所的な膨張等も正確に把握することが可能となり、より確実な配管１００のメンテナンス・管理を行うことが可能となっている。
【００３４】
なお、上記実施の形態で示した測定データ処理装置３０は、入出力部３１および寸法測定部３２と、余寿命予測部３３とを別体とすることも可能である。その場合、単体とされる余寿命予測部３３に対しては、寸法測定部３２から、計測した配管１００の内径Ｒを、ケーブル等を介したオンライン、あるいは各種記憶媒体を介して入力しても良いし、あるいはオペレータにより、寸法測定部３２における計測値（内径Ｒ）を、余寿命予測部３３に手入力するようにしても良い。
また、上記実施の形態では、計測した配管１００の内径Ｒに基づき、配管１００の余寿命を予測するようにしたが、これに限るものではなく、図２に示したような関係から、計測した配管１００の内径Ｒに基づき、配管１００の平均使用温度を求めることも可能である。これにより、配管１００の部位に応じ、火炉内の温度分布の把握を行うことも可能となる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施の形態における配管余寿命予測装置の構成を示す図である。
【図２】使用温度ごとにおける、使用開始してからの経過時間と伸びの関係を示す図である。
【図３】超音波センサにおける配管内径計測部分を示す図である。
【図４】寸法計測装置の他の例を示す図である。
【図５】寸法計測装置のさらに他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…配管余寿命予測装置、２０、２０’…寸法計測装置（内径計測部、計測装置）、２１、５０…本体（装置本体）、２３…外周壁部、２４…シール部、２９…センサ、３０…測定データ処理装置（予測値算出部、配管測定データ処理装置）、３１…入出力部（入力部、出力部）、３２…寸法測定部、３３…余寿命予測部（予測処理部）、１００…配管、１００ｂ…内周面
【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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