(57)【要約】【課題】管内挿入式超音波探傷装置において、管の内面に発生した減肉を検出可能とする。【解決手段】水ポンプにより加圧された水Ｗが送り込まれる管５２に挿入される管内挿入式超音波探傷装置であって、管軸と直交する断面において、管内面に超音波を発信する発信器８と、管の厚さ方向に進行した後、管内面より反射された超音波を受信する受信器９と、発信器から発信された超音波波形及び受信器により受信された超音波波形からなる波形情報と、正常な管における波形情報とを比較する比較器とを有し、比較器が検出した差分により管５２の減肉Ｒを検出する内面減肉検出センサを備える管内挿入式超音波探傷装置。【選択図】図３
2013170845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水ポンプにより加圧された水が送り込まれる管に挿入される管内挿入式超音波探傷装置であって、
管軸と直交する断面において、管内面に超音波を発信する発信器と、
前記管の厚さ方向に進行した後、前記管内面より反射された超音波を受信する受信器と、
任意の波形情報を記憶する記憶部と、
前記発信器から発信された超音波波形及び前記受信器により受信された超音波波形からなる波形情報と、前記記憶部に記憶された正常な管における波形情報とを比較する比較器とを有し、
前記比較器が検出した差分により前記管の内面減肉を検出する検出センサを備えることを特徴とする管内挿入式超音波探傷装置。
【請求項２】
前記発信器は、管軸と直行する断面において管軸中心から鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜した方向に超音波を発信することを特徴とする請求項１に記載の管内挿入式超音波探傷装置。
【請求項３】
前記検出センサに直列に接続され、
前記管の管軸方向に所定の距離をおいて配置された第二発信器及び第二受信器を備え、前記管の管軸を含む断面の超音波画像を検出してＴＯＦＤ法による探傷検査を実施する第二検出センサを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の管内挿入式超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管挿入式超音波探傷装置に係り、特に火力発電プラントなどの熱交換器に使用されるボイラチューブなどの管の内面減肉を測定することのできる管挿入式超音波探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントなどの熱交換器には、多数のボイラチューブなどの管が配置され、管内を流れる流体とシェル内を流れる流体との間で熱交換が行われている。また、熱伝達効率を高めるために、管の外周にフィンが形成されたものが知られており、限られたスペースのなかで最大限の熱伝達効率を得るために様々な工夫がなされている。例えば、管の外周に螺旋状に帯板を巻いてスパイラルフィンが形成されたフィン付チューブにすることが従来から実施されている。
【０００３】
ところで、これらの管は、内部に高温・高圧の流体を通すことになるので、管体の傷や割れ、減肉等を検査する必要がある。一般的なボイラチューブの肉厚測定方法としては、特許文献１に記載されているような水浸ＵＴ（Ultrasonic Testing）法を用いた方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１１０２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、フィン付チューブでは、管内面からのアルカリ腐食（内面減肉）に加え、管外面からのフィン損傷による外面き裂発生の問題が多発している。しかしながら、特許文献１に記載されている超音波探傷装置は管外面に形成された減肉しか測定することができず、内面の減肉については計測することができない。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、管の内面に発生した減肉を検出可能とする管内挿入式超音波探傷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】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供している。
本発明の管内挿入式超音波探傷装置は、水ポンプにより加圧された水が送り込まれる管に挿入される管内挿入式超音波探傷装置であって、管軸と直交する断面において、管内面に超音波を発信する発信器と、前記配管の厚さ方向に進行した後、前記配管内面より反射された超音波を受信する受信器と、任意の波形情報を記憶する記憶部と、前記発信器から発信された超音波波形及び前記受信器により受信された超音波波形からなる波形情報と、前記記憶部に記憶された正常な管における波形情報とを比較する比較器とを有し、前記比較器が検出した差分により前記配管の内面減肉を検出する検出センサを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、発信器から発信される超音波が内面減肉部ではなく管内面に向かって発信されることで、超音波が減肉部において散乱することない。そして、受信器によって受信された波形情報と正常な管における波形情報とを比較することによって内面減肉を検出することができる。
【０００９】
上記管内挿入式超音波探傷装置において、前記発信器は、管軸と直行する断面において管軸中心から鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜した方向に超音波を発信することが好ましい。
【００１０】
上記構成によれば、管の内面減肉は管の上側に形成されるため、管軸中心から鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜した方向に超音波を発信することで、発信器より発信された超音波が減肉によって散乱することを防ぐことができ、より内面減肉の検出を確実にすることができる。
【００１１】
上記管内挿入式超音波探傷装置において、前記検出センサに直列に接続され、前記管の管軸方向に所定の距離をおいて配置された第二発信器及び第二受信器を備え、前記配管の管軸を含む断面の超音波画像を検出してＴＯＦＤ法による探傷検査を実施する第二検出センサを備えることが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、管の内面減肉と同時に、管の外面き裂を検出することが可能となる。また、ＴＯＦＤ法を用いることにより、より小さな外面き裂まで探傷することができる。また、外面き裂の長さも精度良く検出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、超音波が減肉部ではなく発信器が管内面に向かって超音波を発信されることで、超音波が減肉部において散乱することない。よって、正常な管における波形情報と比較することによって内面減肉を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波探傷ユニット及びボイラの全体概要図である。
【図２】本発明の実施形態に係る管内挿入式超音波探傷装置を示す概略構成図である。
【図３】管内挿入式超音波探傷装置の第一検出センサを管軸に沿う方向から視た概略構成図である。
【図４】管内挿入式超音波探傷装置の第二検出センサを管の径方向から視た概略構成図である。
【図５】第一検出センサによる超音波の反射経路を説明する図である。
【図６】第一発信器から発信される超音波及び第一受信器によって受信される超音波の波形情報を示す探傷波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
管内挿入式超音波探傷装置２（以下、超音波探傷装置２と呼ぶ）は、例えばボイラにおけるフィン付チューブ５２の管内面減肉及び管外面き裂を検出・測定するために用いられる。
【００１６】
図１に示すように、ボイラ５０は、管寄せ５１と複数のフィン付チューブ５２とを備えている。フィン付チューブ５２は水蒸気の流路となる複数の小径管であって、管寄せ５１の軸線方向に沿って配列されて一端が管寄せ５１に接続されている。これらフィン付チューブ５２は管寄せ５１と連通状態とされており、それぞれ該管寄せ５１から斜め下方に向かって延在している。
【００１７】
次に、本実施形態の超音波探傷装置２を含む、超音波探傷ユニット１について説明する。
超音波探傷ユニット１は、データ解析装置３１と、データ解析装置３１と接続されたケーブル巻取装置３３と、ケーブル巻取装置３３から排出されるケーブル３０と、ケーブル３０の先端に取り付けられた超音波探傷装置２と、ケーブル挿入用ホース３４とを有する。データ解析装置３１の内部には、例えば超音波の波形情報を記憶する記憶部３１ａと、超音波の波形情報を比較する比較器３１ｂが内蔵されている。
【００１８】
ケーブル３０は例えば金属やビニール等からなる長尺状の部材であって、全長にわたって屈曲可能とされている。
超音波探傷装置２は、ケーブル３０の先端部に設けられており、超音波を発することによって５２の内面減肉及び外面き裂を測定可能とされている。なお、ケーブル３０には、超音波探傷装置２に接続された配線などが一体に設けられている。
【００１９】
ケーブル巻取装置３３は、ケーブル３０の後端に接続されており、フィン付チューブ５２内に挿入されたケーブル３０を巻き取るために使用される。
データ解析装置３１は、超音波探傷装置２によって発信・受信された超音波の波形情報をケーブル３０を介して記憶部３１ａに記憶するともに、比較器３１ｂを用いて解析する装置である。
【００２０】
図２に示すように、超音波探傷装置２は、フィン付チューブ５２の内面の減肉Ｒを検出する第一検出センサ３と、フィン５２ａの根元に発生した外面き裂Ｃを検出する第二検出センサ４と、調芯ブラシ５とを有している。
第一検出センサ３と第二検出センサ４とはフレキシブルシャフト６で互いに接続されており、調芯ブラシ５はフレキシブルシャフト６の外周面に設けられている。また、第一検出センサ３は超音波探傷装置２の進行方向の前方側に配置されており、第二検出センサ４は第一検出センサ３の後方に配置されている。
【００２１】
調芯ブラシ５は、超音波探傷装置２がフィン付チューブ５２の径方向に対して中央に位置するように保持するための治具である。調芯ブラシ５は例えばフレキシブルシャフト６から径方向に放射状に延在する複数のワイヤから形成されている。
【００２２】
図３に示すように、第一検出センサ３は、センサ本体７と、センサ本体７に内部に配置された第一発信器８と第一受信器９とを有しており、第一発信器８から送信された超音波を第一受信器９で受信する構成となっている。
ところで、フィン付チューブ５２の内面減肉Ｒは、フィン付チューブ５２の上方側（天側）に形成されるため、第一検出センサ３は、フィン付チューブ５２の上方側の内面減肉Ｒを検出可能なように最適化されている。詳しくは、第一発信器８は、フィン付チューブ５２の中心軸（以下、管軸と呼ぶ）と直行する断面において管軸中心から鉛直方向（垂直上方）に対して所定角度だけ傾斜した方向に超音波を送信するように構成されている。即ち、第一発信器８は、垂直上方に超音波を送信するように方向付けられてはいない。
【００２３】
また、第一受信器９に関しても、第一発信器８に対応して管軸中心から鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜した方向から反射する超音波を受信するように構成されている。具体的には、第一発信器８より発信された超音波は、図３に点線で示された経路で反射を繰り返し、第一受信器９によって受信される。
また、第一発信器８は、様々な周波数の超音波を発信することができるようになっている。第一発信器８から送信された超音波の波形信号と、第一受信器９によって受信された超音波の波形信号は、ケーブル３０を介してデータ解析装置３１に送信され記憶部３１ａによって記憶される。
【００２４】
第二検出センサ４は、ＴＯＦＤ（Time Of Flight Diffraction）法を用いて外面き裂Ｃを検出するセンサである。図４に示すように、第二検出センサ４は、センサ本体１１と、センサ本体１１の内部に管軸方向に所定の距離をおいて配置された第二発信器１２と第二受信器１３とを有している。第二発信器１２は、発信する超音波の入射角により選択されて使用される。第二受信器１３は、反射された超音波を受信する。第二発信器１２と第二受信器１３は屈折角とフィン付チューブ５２の管厚さから決定される間隔だけ、管軸方向に離れるように、センサ本体１１に配置されている。
【００２５】
次に、本実施形態の超音波探傷装置２の作用について説明する。
まず、図示しない水ポンプにより加圧された超音波伝播用の水が管に送り込まれる。次いで、フィン付チューブ５２の一部を切断し、フィン付チューブ５２の切断面とケーブル挿入用ホース３４を接続する。そして、超音波探傷装置２がケーブル挿入用ホース３４を介してフィン付チューブ５２に挿入され超音波探傷が開始される。
【００２６】
まず、第一検出センサ３においては、第一発信器８から発信される超音波の周波数を決定するための周波数決定工程が実施される。
周波数決定工程は、第一発信器８から発信される超音波の周波数を、高周波帯域（例えば１０ＭＨｚ）の超音波から低周波帯域（例えば１ＭＨｚ）の超音波まで、周波数を複数の段階に分けて発信することでフィン付チューブ５２の形状に最適な周波数が選択する工程である。
【００２７】
例えば、超音波の周波数は高いほど内面減肉Ｒの検出能力が高くなるが、周波数の高い超音波はエネルギ密度が低いため減衰が大きく、第一受信器９で受信できない場合がある。よって、高周波数帯域から低周波数帯域まで、順に複数の周波数を発信し、第一受信器９によって受信できる最も高い周波数を決定する。
また、同時に、第一発信器８及び第一受信器９の鉛直方向に対する角度も決定される。具体的には、第一発信器８から発信される超音波が、第一検出センサ３の鉛直方向上方に向かわず、かつ、フィン付チューブ５２の内面より反射された超音波が第一受信器９によって正常に受信されるように調整される。
【００２８】
周波数決定工程によって超音波の周波数が決定されると、その周波数の超音波が第一発信器８から送信される。超音波は、管軸と直交する断面において、管軸中心から鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜した方向に発信される。
【００２９】
図５（ａ）に示すように、第一発信器８から発信された超音波は、水Ｗとフィン付チューブ５２内面との境界面からフィン付チューブ５２の内部に入射した後、フィン付チューブ５２外面で反射する。反射波は、フィン付チューブ５２内面と水との境界面において再度上方に反射し、フィン付チューブ５２外面で反射した後、フィン付チューブ５２内面と水との境界面を透過し、第一受信器９によって受信される。
【００３０】
第一発信器８及び第一受信器９の鉛直方向に対する角度は、上述したような経路で、超音波が反射、透過を繰り返すように調整されている。
ここで、第一発信器８により送信された超音波波形及び第一受信器９により受信された超音波波形は、正常な管の波形情報としてデータ解析装置３１の記憶部３１ａに記憶される。正常な管の波形情報は、例えば図６（ａ）の探傷波形図に示すようなものである。図６（ａ）のグラフにおいて、Ｓ１は送信された超音波波形であり、Ｒ１は受信された超音波波形である。
【００３１】
次に、超音波探傷装置２をフィン付チューブ５２の延在方向に沿って移送させる。
フィン付チューブ５２の上側に内面減肉Ｒが生じている場合、波形情報は、正常な管の波形情報とは異なるものとなる。詳しくは、図５（ｂ）に示すように、反射波が内面減肉部Ｒで反射するため、超音波の経路が短くなる。即ち、図６（ａ）に示すような正常な管の波形情報と比較して、図６（ｂ）に示すような内面減肉Ｒの管の波形情報は、送信された超音波波形Ｓ２と受信された超音波波形Ｒ２との間隔が短くなる。
この時間差（差分）が、データ解析装置３１の比較器３１ｂによって検出されることによって、超音波探傷装置２は、内面減肉Ｒを検知する。
【００３２】
次に、第二検出センサにおいては、フィン付チューブ５２の管軸を含む断面の超音波画像を検出してＴＯＦＤ（Time Of Flight Diffraction）法による探傷検査が実施される。
具体的には、第二発信器１２からフィン付チューブ５２内面に対して超音波が発信され、外面き裂Ｃ先端において反射又は回折された超音波が第二受信器１３で受信される。外面き裂Ｃ先端で反射又は回折された超音波が受信された時の超音波探傷装置２の位置により外面き裂Ｃの位置が検出され、外面き裂Ｃとフィン付チューブ５２内面などで反射又は回折される超音波が受信される時間の差により、外面き裂Ｃの大きさが検出される。
【００３３】
上記実施形態によれば、第一発信器８から発信される超音波が内面減肉部Ｒではなくフィン付チューブ５２内面に向かって発信されることで、超音波が内面減肉部Ｒにおいて散乱することない。そして、第一受信器９によって受信された波形情報と正常な管における波形情報とを比較することによって内面減肉Ｒを検出することができる。
【００３４】
また、第一発信器８によって発信される超音波は、鉛直方向上方よりも傾斜した方向に発信されることによって、超音波がフィン付チューブ５２の上側に形成された内面減肉部Ｒによって散乱することを防ぐことができ、より内面減肉部Ｒの検出を確実にすることができる。
【００３５】
また、ＴＯＦＤ法を用いる第二検出センサ４を第一検出センサ３と直列に接続したことによって、フィン付チューブ５２の内面減肉部Ｒと同時に、フィン付チューブ５２の外面き裂Ｃを検出することが可能となる。
また、第二検出センサ４による外面き裂Ｃの検出は、ＴＯＦＤ法を用いることにより、より小さな外面き裂Ｃまで探傷することができる。また、外面き裂Ｃの長さも精度良く検出することができる。
【００３６】
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、以上で説明した実施形態では、超音波探傷装置２が、内面減肉部Ｒを検知する第一検出センサ３と外面き裂Ｃを検知する第二検出センサ４とを備える構成としたが、これに限ることはなく、第二検出センサ４を省略してもよい。
【００３７】
また、上記実施形態においては、正常な管の波形情報として、フィン付チューブ５２の健全部における波形情報を利用しているがこれに限ることはない。例えば、正常なフィン付チューブ５２を試験片として事前に波形情報を得ても良いし、第一検出センサ３を管軸まわりに回転自在な構成とし、フィン付チューブ５２の下側を正常な管として利用しても良い。
【００３８】
さらに、上記実施形態においては、高周波帯域の超音波から低周波帯域の超音波まで、周波数を複数の段階に分けて発信することで超音波の周波数を決定したが、これに限ることはなく、減衰の少ない低周波帯域の超音波のみを発信する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  超音波探傷ユニット
２  管内挿入式超音波探傷装置
３  第一検出センサ
４  第二検出センサ
８  第一発信器（発信器）
９  第一受信器（受信器）
１２  第二発信器
１３  第二受信器
３１  データ解析装置
３１ａ  記憶部
３１ｂ  比較器
５２  フィン付チューブ（管）
Ｃ  外面き裂
Ｒ  内面減肉部
【図１】
2013170845.tif 000003
【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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