(57)【要約】【課題】  精密に減肉部分の状態（肉厚及び断面形状）を推定することのできる配管の減肉状態推定方法を提供する。【解決手段】  配管内部の減肉状態を、配管内を流れる流体の圧力により生じる応力又は歪から推定する方法であって、前記配管の長手方向に沿った各位置及び／又は周方向に沿った各位置の応力又は歪を、所定間隔で配置した計測手段の計測結果から求めるステップと、前記配管の前記各位置における応力又は歪の分布から、減肉部分の位置を推定するステップと、前記減肉部分の各位置の応力又は歪を、弾性支持梁の応力分布式に当てはめ、前記減肉部分の前記各位置の肉厚を推定するステップとを有する方法とした。【選択図】  図２
2007024546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内部の減肉状態を、配管内を流れる流体の圧力により生じる応力又は歪から推定する方法であって、
前記配管の長手方向に沿った各位置及び／又は周方向に沿った各位置の応力又は歪を、所定間隔で配置した計測手段の計測結果から求めるステップと、
前記配管の前記各位置における応力又は歪の分布から、減肉部分の位置を推定するステップと、
前記減肉部分の各位置の応力又は歪を、弾性支持梁の応力分布式に当てはめ、前記減肉部分の前記各位置の肉厚を推定するステップと、
を有することを特徴とする配管の減肉状態推定方法。
【請求項２】
推定された前記各位置の肉厚に基づいて、前記減肉部分の縦断面及び／又は横断面の形状を推定することを特徴とする請求項１に記載の配管の減肉状態推定方法。
【請求項３】
前記減肉部分の所定位置における肉厚をｔ１、前記減肉部分の周方向応力をσθ１、前記配管を構成する材料のヤング率をＥ，ポアッソン比をν、前記配管の内圧をｐ、前記減肉部分の平均半径をＲｍ１として、前記配管の長手方向の位置ｚと前記減肉部分の周方向応力σθ１の関係式
【数１】
2007024546.tif 000011
【数２】
2007024546.tif 000012
【数３】
2007024546.tif 000013
（ここで、Ｂ１〜Ｂ４は０≦ｚ≦δｚ／２（δｚは減肉部分の長さ）の間の応力値を計測することで定めることのできる定数）
から前記減肉部分の肉厚ｔ１を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の配管の減肉状態推定方法。
【請求項４】
前記歪計測手段による計測結果と計測位置とから、前記減肉部分を含む部分について応力分布式を近似的に求め、この応力分布式を三階微分して得られたｄ３σθ／ｄｚ３の符号が逆転する位置を求め、この位置に基づき前記減肉部分の開始点又は終了点の位置を推定することを特徴とする請求項３に記載の配管の減肉状態推定方法。
【請求項５】
配管内部の減肉状態を、配管内を流れる流体の圧力により生じる応力又は歪から推定する減肉状態推定装置であって、
前記配管の長手方向に沿って所定間隔で配置され、前記配管の歪を計測する歪計測手段と、
前記配管の長手方向に沿った各位置及び／又は周方向に沿った各位置の応力又は歪を、前記歪計測手段の計測結果から求める演算部と、
この演算部によって求められた前記各位置の応力又は歪の分布から、前記減肉部分の位置を推定する減肉位置推定部と、
前記減肉部分の各位置の応力又は歪を、弾性支持梁の応力分布式に当てはめ、前記減肉部分の前記各位置の肉厚を推定する肉厚推定部と、
推定された肉厚から前記減肉部分の断面形状を推定する断面形状推定部と、
を有することを特徴とする配管の減肉状態推定装置。
【請求項６】
前記肉厚推定部では、前記減肉部分の周方向応力をσθ１、前記配管を構成する材料のヤング率をＥ，ポアッソン比をν、前記配管の内圧をｐ、前記減肉部分の平均半径をＲｍ１として、前記配管の長手方向の位置ｚと前記減肉部分の周方向応力σθ１の関係式
【数４】
2007024546.tif 000014
【数５】
2007024546.tif 000015
【数６】
2007024546.tif 000016
（ここで、Ｂ１〜Ｂ４は０≦ｚ≦δｚ／２（δｚは減肉部分の長さ）の間の応力値を計測することで定めることのできる定数）
から減肉部分の肉厚ｔ１を求めることを特徴とする請求項５に記載の配管の減肉状態推定装置。
【請求項７】
前記肉厚推定部では、前記歪計測手段による計測結果と計測位置とから、前記減肉部分を含む部分について応力分布式を近似的に求め、この応力分布式を三階微分して得られたｄ３σθ／ｄｚ３の符号が逆転する位置を求め、この位置に基づき前記減肉部分の開始点又は終了点の位置を推定することを特徴とする請求項６に記載の配管の減肉状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電所や各種プラント等の設備において使用されている配管の減肉状態（減肉部分の肉厚やその断面形状）を、当該配管の断熱材や保護材を剥がすことなく精密に推定することのできる減肉状態推定方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントなど発電プラントでは、蒸気や、高温水が配管の内部を流れる。これら配管は絶えず蒸気や高温水によってエロージョン・コロージョンなどの腐食損傷を受けており、経年的に配管の減肉現象が発生する。これらの減肉現象は、空間的にも時間的にも一様ではないため、またプラントごとに異なるため、従来から配管の減肉状態を推定，管理する手法については、さまざまな試みがなされている（例えば、特許文献１，２，３参照）。
【０００３】
しかし、これら特許文献に記載の減肉状態推定方法では、配管を被覆している断熱材や保護材等を剥がし、配管の表面に超音波パルス発信器や温度計測器等の検査器具を直接当接させなければならず、検査を行うにあたっての作業が面倒で、多大な時間とコストを要するという問題がある。さらに、上記の理由から、プラント運転中の検査は不可能であるため、検査を行う際にはプラントを停止させなければならず、プラントの稼働率が低下するという問題がある。
そこで、非特許文献１に記載の減肉深さ推定方法では、配管の周囲に予め螺旋状に光ファイバセンサを巻き付け、発信するパルス光と反射される散乱光との関係から、配管の長手方向の各位置における歪（周方向応力）を計測し、以下の応力と肉厚の関係式
【数７】
2007024546.tif 000003
（σθ０：配管の周方向応力、ｔ：配管の肉厚、σθ１：減肉部分の周方向応力、
ｔ１：減肉部分の肉厚）から、減肉部分の肉厚ｔ１を推定している。
【特許文献１】特開平７−１９８３６２号公報
【特許文献２】特開平７−２１８４５９号公報
【特許文献３】特開２０００−１６１９４３号公報
【非特許文献１】２００４年１０月５日付日本経済新聞記事
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この非特許文献１に記載の方法では、断熱材等を剥がすことなく減肉検査を行うことができるという点で利点はあるものの、減肉部分の肉厚
ｔ１を精密に推定するのは困難であるという問題がある。
すなわち、減肉部分は実際には一定の長さ寸法を有していることから、この長さの大小によって、配管に生じる歪や周方向応力と減肉部分の肉厚との関係が変化すると考えられるためである。
本発明は上記の問題点にかんがみてなされたもので、配管外周囲の断熱材や保護材等を剥がす必要がなく、かつ、より精密に減肉部分の状態（肉厚及び断面形状）を推定することのできる配管の減肉状態推定方法及びその装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の発明者が鋭意研究を行った結果、配管を弾性支持梁と仮定し、弾性支持梁の応力分布から一定の長さを有する配管の減肉部分の肉厚や断面形状をより精密に推定できることに想到した。
本発明は、請求項１に記載するように、配管内部の減肉状態を、配管内を流れる流体の圧力により生じる応力又は歪から推定する方法であって、前記配管の長手方向に沿った各位置及び／又は周方向に沿った各位置の応力又は歪を、所定間隔で配置した計測手段の計測結果から求めるステップと、前記配管の前記各位置における応力又は歪の分布から、減肉部分の位置を推定するステップと、前記減肉部分の各位置の応力又は歪を、弾性支持梁の応力分布式に当てはめ、前記減肉部分の前記各位置の肉厚を推定するステップとを有することを特徴とする配管の減肉状態推定方法としてある。
また、請求項２に記載するように、推定された前記各位置の肉厚に基づいて、前記減肉部分の縦断面及び／又は横断面の形状を推定することを特徴とするものである。
この方法によれば、歪等を計測する計測手段を配管の長手方向に沿って所定間隔で複数配置することで、配管の長手方向の肉厚分布と減肉部分の長手方向の断面形状（縦断面の形状）を正確に推定することが可能になる、前記計測手段を配管の周方向に複数配置することで、配管の周方向の肉厚分布と減肉部分の周方向の断面形状（横断面形状）を正確に推定することが可能になる。
【０００６】
減肉部分の肉厚は、具体的には、請求項３に記載するように、前記減肉部分の所定位置における肉厚をｔ１、前記減肉部分の周方向応力をσθ１、前記配管を構成する材料のヤング率をＥ，ポアッソン比をν、前記配管の内圧をｐ、前記減肉部分の平均半径をＲｍ１として、前記配管の長手方向の位置ｚと前記減肉部分の周方向応力σθ１の関係式
【数８】
2007024546.tif 000004
【数９】
2007024546.tif 000005
【数１０】
2007024546.tif 000006
（ここで、Ｂ１〜Ｂ４は０≦ｚ≦δｚ／２（δｚは減肉部分の長さ）の間の応力値を計測することで定めることのできる定数）から減肉部分の肉厚ｔ１を求める。
また、請求項４に記載するように、前記歪計測手段による計測結果と計測位置とから、前記減肉部分を含む部分について応力分布式を近似的に求め、この応力分布式を三階微分して得られたｄ３σθ／ｄｚ３の符号が逆転する位置を求め、この位置に基づき前記減肉部分の開始点又は終了点の位置を推定するようにするとよい。
【０００７】
配管の減肉状態は、請求項５に記載するように、配管内部の減肉状態を、配管内を流れる流体の圧力により生じる応力又は歪から推定する減肉状態推定装置であって、前記配管の長手方向に沿って所定間隔で配置され、前記配管の歪を計測する歪計測手段と、前記配管の長手方向に沿った各位置及び／又は周方向に沿った各位置の応力又は歪を、前記歪計測手段の計測結果から求める演算部と、この演算部によって求められた前記各位置の応力又は歪の分布から、前記減肉部分の位置を推定する減肉位置推定部と、前記減肉部分の各位置の応力又は歪を、弾性支持梁の応力分布式に当てはめ、前記減肉部分の前記各位置の肉厚を推定する肉厚推定部と、推定された肉厚から前記減肉部分の断面形状を推定する断面形状推定部とを有する減肉状態推定装置によって推定することができる。
この場合、請求項６に記載するように、前記肉厚推定部では、上記の式（１）（２）（３）を解くことによって、減肉部分の肉厚を推定するようにするとよい。また、請求項７に記載するように、前記肉厚推定部では、前記歪計測手段による計測結果と計測位置とから、前記減肉部分を含む部分について応力分布式を近似的に求め、この応力分布式を三階微分して得られたｄ３σθ／ｄｚ３の符号が逆転する位置を求め、この位置に基づき前記減肉部分の開始点又は終了点の位置を推定するようにするとよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、減肉部分の長さを考慮した正確な減肉状態の推定が可能になる。また、本発明では、配管の長手方向だけでなく周方向にも歪センサ等の計測手段を複数配置することで、長手方向の減肉形状だけでなく周方向の減肉形状も推定が可能になる。さらに、本発明では、配管の周囲に予め歪計測器を設けておくことで、断熱材等を剥がすことなく、随時減肉部分の肉厚の推定や減肉部分の断面形状の推定を行うことが可能である。そして、減肉部分の最小肉厚が、予め設定された値よりも小さくなったときにアラーム等で報知するようにすることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の減肉状態推定方法の一実施形態について説明する。
図１は、減肉部分が形成された配管の断面図である。検査対象である長さＬの直線状の配管２の内周面には、蒸気や高温水等の流体によって内圧ｐが作用している。配管２には、端部から距離ｌのところに減肉部分１が形成されているものとする。図１において、ｔは配管２の肉厚、ｔ１は減肉部分１における中央部分の肉厚、δｚは減肉部分１の長さ寸法である。このような薄肉の配管２は、ばね定数ｋのばねで弾性支持される弾性支持梁に置き換えて考えることができる。
【００１０】
図２は、図１の配管を弾性支持梁に置き換えたモデル図で、ばね定数ｋのばね１１によって配管が支持されているものとする。
減肉部分１と配管２とをその境界部分で切り離すと、その断面には曲げモーメントＭｄと剪断力Ｆｄとが現れる。減肉部分１側と配管２側とは連続であることから、各々の切断面に現れる曲げモーメントと剪断力は、互いに逆向きで同じ大きさである。
【００１１】
一般に、ばね定数ｋのばねで弾性支持される弾性支持梁のたわみ式は、
ｖ＝ｅβｚ（Ｃ１cosβz＋Ｃ２sinβz）＋ｅ-βｚ（Ｃ３cosβz＋Ｃ４sinβz）＋ｐ／ｋ
で表される。この式中、
（ａ）  β＝［ｋ／（ＥＩ）］1/4
（ｂ）  平均半径Ｒｍ、肉厚ｔの円筒については材料のヤング率をＥとして
ｋ＝Ｅｔ／Ｒｍ２
（ｃ）  Ｉ＝ｔ３／［１２（１−ν２）］
（ｄ）  β＝［３（１−ν２）／（Ｒｍ２ｔ２）］1/4
である。
【００１２】
この弾性支持梁のたわみ式を、減肉配管の場合に適用すると、減肉部分のたわみをｖ１、周方向応力をσθ１、減肉部分の平均半径をＲｍ１として、
σθ１＝（Ｅｖ１）／Ｒｍ１の関係と上記のたわみ式とから、
【数１１】
2007024546.tif 000007
と表すことができる。
また、式中のβ１，ｋ１は、
【数１２】
2007024546.tif 000008
【数１３】
2007024546.tif 000009
である。
【００１３】
なお、以下の説明では、梁が−δｚ／２≦ｚ≦δｚ／２で連続かつ対称であることから、０≦ｚ≦δｚ／２の区間のみを考慮するものとする。
式（１）において未知数は、定数Ｂ１〜Ｂ４と減肉部分の肉厚ｔ１である。これら五つの未知数は、例えば、０≦ｚ≦δｚ／２の任意の五つの点の応力σθ１を計測することで求めることができる。
ここで、定数Ｂ１〜Ｂ４と減肉部分の肉厚ｔ１を求めるためには、減肉部分１の開始点及び終了点の位置を推定する必要がある。この実施形態では、減肉部分１の開始点及び終了点で剪断力Ｆｄ∝ｄ３σθ／ｄｚ３の符号が逆転することに着目し、この位置の応力分布から求めるようにしている。
【００１４】
図３は、剪断力Ｆｄ∝ｄ３σθ／ｄｚ３の符号が逆転する位置に基づいてδｚ／２の位置を推定する方法の説明図である。
図３（ａ）に示すように、配管２の歪を計測する各計測点（図中黒丸で示す）を結ぶ曲線から、減肉部分１の応力分布式を近似的に求める。そして、得られた近似式から、配管２の長手方向座標ｚと応力分布式を三階微分した
ｄ３σθ／ｄｚ３との関係を求める。
【００１５】
この実施形態では、図３（ａ）に示すように、減肉部分を含む隣り合う四つの計測点(i),(ii),(iii),(iv)を用いて、三次関数近似σθ＝ａ０＋ａ１ｚ＋ａ２ｚ２＋ａ３ｚ３を行い、ｚとｄ３σθ／ｄｚ３の関係を求める。
ｚとｄ３σθ／ｄｚ３の関係を示したものが図３（ｂ）のグラフである。このグラフにおいて、ｄ３σθ／ｄｚ３の符号が切り替わる位置であって、符号が切り替わる前後の二つの計測点間のｄ３σθ／ｄｚ３の変化量（Ｄ）が、予め設定された値よりも大きい位置を、δｚ／２の位置として推定することができる。
以上より、歪計測器の計測結果から求められた減肉部分１の周方向応力σθ１と、既知の各値Ｅ，Ｒｍ１，ｋ１，ｐから、減肉部分の肉厚ｔ１を求めることができる。
【００１６】
次に、図４を参照しながら、本発明の減肉状態推定装置の一実施形態を説明する。
図４は、減肉状態推定装置の一実施形態にかかり、その構成を説明するブロック図である。
図４に示すように、配管２の外周囲には、配管２の周方向の歪を計測する光ファイバセンサ３が一定ピッチで巻回されている。図中、白抜きの四角で示した位置が、歪の計測位置である。
光ファイバセンサ３が計測した各計測位置の歪（εθ）は、演算部４に入力され、配管３の各計測位置における周方向応力σθが計算される。なお、周方向応力σθは、応力σθと歪εθとの関係を示す一般式σθ＝Ｅεθから求めることができる。
【００１７】
演算部４で求められた各計測位置の周方向応力σθは、減肉位置推定部５に入力される。
上記したように、配管２の長手方向座標ｚとｄ３σθ／ｄｚ３との関係から、減肉部分１の位置及び長さの推定を行う。
【００１８】
この推定結果は、肉厚推定部６に入力される。
肉厚推定部６は、０≦ｚ≦δｚ／２の区間内で得られた実測値と上記の式（１）〜（３）とから、減肉部分１の各計測位置の肉厚ｔ１を推定する。各計測位置における肉厚ｔ１の推定結果は、形状推定部７に入力される。形状推定部７では、推定された肉厚ｔ１とその位置とから減肉部分２の断面形状（縦断面形状）を推定する。
比較部８は、予め設定された肉厚の許容値と推定された減肉部１の肉厚ｔ１とを比較し、肉厚ｔ１が許容値を超えているのであれば、ディスプレイ等の表示部１０に警告表示を出力して、オペレータの注意を促す。
なお、符号９はキーボード等の入力装置で、この入力装置９を用いて、配管の長さや材質、平均径等の各種条件を入力する。
【００１９】
上記の説明では、配管２の長手方向に沿った複数位置で周方向の歪を計測するようにしているが、上記に加えて、図５に示すように、周方向に沿って歪センサ３′を所定間隔で複数個（図５の例では均等間隔で５個）配置し、周方向に沿った複数位置で歪を計測するようにすることで、配管２における周方向の肉厚分布（配管２の横断面形状）も推定することが可能になる。そして、上記した長手方向の縦断面形状の推定との組み合わせで、配管２の減肉状態を立体的に推定することが可能になる。
【００２０】
［実施例］
上記の実施形態に基づく具体的な実施例を以下に説明する。以下の実施例では、式（１）に各条件を代入して減肉部分１の肉厚ｔ１と長手方向の断面形状（縦断面形状）を推定し、実測値と比較した。
なお、以下の実施例では、計算の簡単化のため、減肉部分の位置はｌ＝Ｌ／２であることを前提とした。
これにより、上記の式（１），（２），（３）を単純化することができ、０≦ｚ≦δｚ／２の区間の任意の三点（例えば、０，δｚ／４，δｚ／２）の周方向応力σθを計測することで、上記の式から肉厚ｔ１を求めることができる。
【００２１】
この実施例では、
配管の平均半径と肉厚との比：Ｒｍ／ｔ＝２７．７
配管の肉厚：ｔ＝１０ｍｍ
配管の長さ：Ｌ＝１６００００ｍｍ
流体の圧力：ｐ＝１．２３ＭＰａ
ヤング率：Ｅ＝２０６ＧＰａ
である。実際の測定値と推定値との比を以下の表に示す。
【００２２】
【表１】
2007024546.tif 000010
【００２３】
また、肉厚ｔ１の推定結果に基づく断面形状の推定結果を図６（ａ）に示す。
図６（ａ）は配管の減肉部分の推定断面図、図６（ｂ）はこの実施例に使用した配管の実際の断面図である。
上記の表からわかるように、本発明によれば、きわめて精密に減肉部分１の肉厚ｔ１を推定できることがわかる。
また、図６からわかるように、本発明によれば、減肉部分の肉厚分布から、断面形状を精密に推定することが可能である。
【００２４】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、ｄ３σθ／ｄｚ３の符号が切り替わる位置をδｚ／２の位置として推定するにあたり、上記の説明では三次関数近似法を用いているが、これ以外の方法で応力分布式を求め、ｄ３σθ／ｄｚ３の符号が切り替わる位置を求めるようにしてもよい。
また、上記では、計測手段として光ファイバセンサ３を用いて配管２の各位置の歪を計測するとして説明したが、配管の各位置の歪を計測することができるのであれば、他の計測手段を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、発電所やゴミ焼却場、石油化学プラント等の各種設備における配管の減肉部分の状態推定に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】減肉部分が形成された配管の断面図である。
【図２】図１の配管を弾性支持梁に置き換えたモデル図である。
【図３】剪断力Ｆｄ∝ｄ３σθ／ｄｚ３の符号が逆転する位置からδｚ／２の位置を推定する方法の説明図である。
【図４】減肉状態推定装置の一実施形態にかかり、その構成を説明するブロック図である。
【図５】周方向の肉厚分布を推定するための本発明の他の実施形態にかかり、（ａ）、は配管における歪センサの配置状態を示す側面図、（ｂ）は、（ａ）の配管のＩ−Ｉ方向断面図である。
【図６】本発明の実施例にかかり、減肉部分の断面形状の推定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１        減肉部分
２        配管
３        光ファイバセンサ（計測手段）
３′      歪センサ（計測手段）
４        演算部
５        減肉位置推定部
６        肉厚推定部
７        形状推定部
８        比較部
９        入力装置
１０        表示部
【図１】
2007024546.tif 000017
【図２】
2007024546.tif 000018
【図３】
2007024546.tif 000019
【図４】
2007024546.tif 000020
【図５】
2007024546.tif 000021
【図６】
2007024546.tif 000022