(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属その他の材料表面に付着した付着物の厚さを、付着物が付着した面とは反対側から超音波パルスを入射して測定する方法において、
付着物が付着していない材料に超音波パルスを入射し、その反射波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔を基準波時間間隔として予め測定しておき、ついで付着物が付着した材料に超音波パルスを入射し、その反射波である合成波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔（以下、合成波時間間隔という）を測定し、前記基準波時間間隔と合成波時間間隔の差から、付着物の厚さを求めることを特徴とする超音波による付着物の厚さ測定方法。
【請求項２】
周波数１０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚの超音波パルスを入射することを特徴とする請求項１記載の付着物の厚さ測定方法。
【請求項３】
付着物中の音速をＳ、付着物が付着していない場合の基準波時間間隔をλ０、付着物が付着している場合の合成波時間間隔をλ１とした場合、付着物の厚さｔを下記式〔１〕から算出することを特徴とする請求項１または２記載の付着物の厚さ測定方法。
付着物の厚さｔ＝Ｓ×（λ１−λ０）／２／１０３  …〔１〕
（式〔１〕中、厚さｔの単位はμｍ、付着物中の音速Ｓの単位はｍ／ｓ、時間間隔λ０、λ１の単位はｎｓｅｃである。）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ設備、石油精製設備等の配管内面、特に火力発電ボイラの蒸発管内面に付着したスケールの厚さを、超音波を利用して測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電ボイラの蒸発管内面には、ボイラの運転とともに、系内に持ちこまれた不純物や管材の腐食生成物に起因する付着物（一般に「スケール」と呼ばれている）が蓄積し、伝熱阻害や腐食等のスケール障害を引き起こす要因となる。そのため、発電所では定期点検時に蒸発管を抜管し、破壊検査によりスケールの付着量や付着厚さを測定して、付着量が基準値に達すれば化学洗浄を行ってスケールを除去することにより、ボイラの適正運転管理を実施している。
【０００３】
しかしながら、この蒸発管の抜管調査には多大な工期と費用がかかるため、抜管することなく非破壊でスケールの量や厚さを測定する技術の開発が強く望まれている。
【０００４】
図１（ａ）は一般的な超音波による付着物の厚さ測定方法を示す原理図、（ｂ）は波形図である。図１中、１は材料であり、金属その他の素材からなる管状または板状の材料、２はその内面に付着した付着物（スケール）、３は探触子である。材料１の外面に探触子３を当てて超音波パルス４を入射したとき、材料１の内面（材料１と付着物２の境界面）からの反射波Ｂ（以下、Ｂエコーという場合がある）が生じるが、一部は付着物２を透過して付着物表面５からの反射波ＳＢ（以下、ＳＢエコーという場合がある）が生じる。図１（ｂ）のＴは発振波である。上記のＢエコーとＳＢエコーのピークトップ間の時間間隔に対応する値が付着物の厚さｔである。
【０００５】
従ってこの二つのエコーのピークトップ間の時間間隔を読み取れば付着物の厚さを算出できる。すなわち従来の分離エコー測定方法では付着物中の音速をＳ、Ｂエコーの第１波Ｂ１とＳＢエコーの第１波ＳＢ１のピークトップ間の時間間隔をΔＴとした場合、下記式〔２〕により付着物の厚さｔが算出される。
付着物の厚さｔ＝Ｓ×ΔＴ／２  …  〔２〕
【０００６】
しかしながら上記従来の測定方法では、付着物としてのスケールが薄くなるにしたがってＢエコーとＳＢエコーが近接し、もしくは吸収されて合成波となって分離が困難となる。高い周波数の探触子を用いることにより、測定下限値をある程度下げることは可能であるが、原理的に超音波の波長の２分の１の厚さが測定できるスケール厚さの限界となる。例えば、周波数２０ＭＨｚの超音波を用い、スケール中の音速を６，５００ｍ／ｓとすると、スケール厚さの測定下限値は１６３μｍとなる。
【０００７】
特開平９−２８７９３７号には、厚さが薄いスケールの場合のエコー波形の解析手法が開示されているが、この方法は１００μｍ程度が測定できる厚さの限界になっている。また本件とは、スケールが付着した管の内部に水等の超音波伝播媒体を満たす必要がない点、および周波数分析器による波形解析手段を必要としない点で異なっている。
【０００８】
また特開２００１−１８３１２６号、特開２００１−２２７９３３号にもスケールの測定におけるエコー波形の解析手法が開示されているが、本発明では別種の解析手法で、１００μｍ以下の測定を可能にするものである。
【０００９】
近年の発電所ボイラ蒸発管のスケール付着管理においては、数十μｍあるいはそれ以下の厚さのスケールを検出できることが望まれており、従来の測定方法では満足できないのが現状である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記従来の問題点を解決し、簡単な方法により、１００μｍ以下の厚さの付着物を精度よく検出可能な、超音波による付着物の厚さ測定方法を提案することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、薄い付着物の超音波エコーの特性を鋭意解析した結果、ＳＢエコーがＢエコーに吸収され合成エコーとなった場合、この合成エコーを波長測定が可能なレベルまで拡大することにより、合成エコーの第２波が付着物の厚さに相当する時間分ずれて現われることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１２】
すなわち、本発明は次の超音波による付着物の厚さ測定方法である。
（１）  金属その他の材料表面に付着した付着物の厚さを、付着物が付着した面とは反対側から超音波パルスを入射して測定する方法において、
付着物が付着していない材料に超音波パルスを入射し、その反射波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔を基準波時間間隔として予め測定しておき、ついで付着物が付着した材料に超音波パルスを入射し、その反射波である合成波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔（以下、合成波時間間隔という）を測定し、前記基準波時間間隔と合成波時間間隔の差から、付着物の厚さを求めることを特徴とする超音波による付着物の厚さ測定方法。
（２）  周波数１０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚの超音波パルスを入射することを特徴とする上記（１）記載の付着物の厚さ測定方法。
（３）  付着物中の音速をＳ、付着物が付着していない場合の基準波時間間隔をλ０、付着物が付着している場合の合成波時間間隔をλ１とした場合、付着物の厚さｔを下記式〔１〕から算出することを特徴とする上記（１）または（２）記載の付着物の厚さ測定方法。
付着物の厚さｔ＝Ｓ×（λ１−λ０）／２／１０３  …〔１〕
（式〔１〕中、厚さｔの単位はμｍ、音速Ｓの単位はｍ／ｓ、時間間隔λ０、λ１の単位はｎｓｅｃである。）
【００１３】
本発明において、測定の対象となるのは、金属その他の材料の内面に付着した付着物の厚さである。付着物が付着する材料としては、金属その他の無機質材料、樹脂その他の有機質材料など任意の材料があげられる。材料の形状は管状、板状など制限されない。付着物としては金属表面に付着するスケールのほか、金属、樹脂、無機質材料その他の無機質または材料の表面に付着する付着物があげられる。このような付着物としては、特に金属例えばボイラ設備、石油精製設備等の配管内面、火力発電ボイラの蒸発管内面に付着したスケール等があげられる。これらの付着物は配管等の材料を破壊することなく、付着物が付着した面とは反対側の材料の外面に超音波探触子を接触させて、非破壊で付着物の厚さの測定に供する。
【００１４】
本発明では、金属その他の材料表面に付着した付着物の厚さを付着物が付着した面とは反対側から超音波パルスを入射して測定する。この場合、付着物が付着していない材料の基準波時間間隔を予め測定しておく。基準波時間間隔は、付着物が付着していない材料に超音波パルスを入射し、その反射波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔を測定することにより測定することができる。
そして付着物の厚さを測定する必要が生じたときに、付着物が付着した材料に超音波パルスを入射し、その反射波の合成波時間間隔を第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔から測定する。付着物が付着した材料からの反射波は、材料内面からの反射波と付着物表面からの反射波が合成された合成波、すなわちＢエコーとＳＢエコーとが合成した合成エコーである。
このようにして測定した基準波時間間隔と合成波時間間隔の差から、付着物の厚さを求める。
【００１５】
前述のように、内面に付着物が付着した材料の外面から超音波パルスを入射すると、材料内面すなわち材料と付着物との界面からの反射波であるＢエコーと、付着物表面からの反射波であるＳＢエコーが得られる。これらの反射波は付着物の厚さが厚いときはＢエコーとＳＢエコーは分離して現われるが、付着物の厚さが薄いとＳＢエコーはＢエコーに近接して干渉が起こり、合成エコーとして現れる。この場合、この合成エコーを波長レベルまで拡大して観察すると、合成エコーの第２波は付着物が存在しない材料の第２波よりも付着物の厚さに相当する時間分ずれて現われることがわかった。
【００１６】
図２は本発明の測定方法を示す波形図であり、図２において、（ａ）は付着物がない材料に超音波パルスを入射して得られるＢエコーＢ、（ｂ）は想像上のＳＢエコーＳＢ、（ｃ）は合成エコーＣの模式的波形を示す。図２（ａ）のＢエコーＢは付着物がない材料に超音波パルスを入射して得られる波形であり、実際に測定される波形を模式的に示す。ここで第１波Ｂ1と第２波Ｂ2のピークトップ間の時間間隔が基準波時間間隔λ０となる。（ｂ）のＳＢエコーＳＢは材料のＢエコーを除去し、付着物によるＳＢエコーの波形のみを模式的に示す。（ｃ）の合成エコーＣは付着物が付着した材料に超音波パルスを入射して得られる波形であり、ＢエコーＢとＳＢエコーＳＢが合成された波形である。ここでＳＢエコーＳＢの第１波ＳＢ1はＢエコーＢの第１．５波Ｂ1.5（マイナス側の波形）とは逆位相となり、かつＢエコーに比べてエコー高さが低いため、ＢエコーＢの第１．５波Ｂ1.5に吸収され分離エコーとして現れない。しかしＳＢエコーの第２波ＳＢ2は同位相でかつエコー高さも高いので分離エコーとして現れ、（ｃ）の合成エコーＣが形成される。この場合、合成エコーＣの第１波Ｃ1はＳＢエコーＳＢに影響を受けないが、第２波Ｃ2は合成エコーとなり付着物の厚さに相当する時間分後方にずれて現れる。ここで合成エコーＣの第１波Ｃ1と第２波Ｃ2のピークトップ間の時間間隔が合成波時間間隔λ１となる。
【００１７】
ここで付着物中の音速をＳ、付着物が付着していない場合の基準波時間間隔をλ０、付着物が付着している場合の合成波時間間隔をλ１とした場合、付着物の厚さｔは下記式〔１〕から算出することができる。
付着物の厚さｔ＝Ｓ×（λ１−λ０）／２／１０３  …〔１〕
（式〔１〕中、厚さｔの単位はμｍ、音速Ｓの単位はｍ／ｓ、時間間隔λ０、λ１の単位はｎｓｅｃである。）
【００１８】
この原理を利用することにより、従来測定が困難であった薄い付着物の厚さ、例えば１００μｍ以下、さらには２０〜８０μｍの厚さを非破壊で正確に測定することが可能となる。この場合、材料の外面に探触子を当てて超音波パルスを入射し、材料内面からの反射波と付着物表面からの反射波が合成された合成波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔を測定するが、付着層の表面側、例えばチューブの場合はその内部は気体または液体が満たされている状態で測定する。
【００１９】
一般に超音波測定においては、周波数が高くなるほど分解能は向上するが、減衰も大きくなる。したがって、適正な周波数を選択することが重要となるが、本発明者らが実験を重ねた結果１０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚ、好ましくは２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚの周波数を用いることにより最も精度よく測定することができる。
【００２０】
以上詳述した通り、本発明の付着物の厚さ測定方法は、対象物を切り出す必要がなく、しかも従来の非破壊測定方法に比べて、より薄い付着物の厚さを精度よく測定できるので、高度な付着物管理が達成できる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の付着物の厚さ測定方法は、付着物が付着していない材料に超音波パルスを入射して測定される基準波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔と、付着物が付着した材料に超音波パルスを入射して測定される合成波の第１波と第２波のピークトップ間の時間間隔の差から付着物の厚さを求めるので、簡単な方法により、１００μｍ以下の厚さの付着物でも精度よく検出することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図面を用いて説明する。図３は本発明の測定方法により付着物の厚さを測定する測定装置のブロック図である。
図３において、１ａは測定対象物となるボイラーの蒸発管の一部分、２ａは蒸発管１ａ内面に付着したスケール、３は探触子であり、探触子３は蒸発管１ａの外表面から管内部に向けて超音波パルス４を入射できるように設けられる。探触子３は測定対象物の超音波特性に応じて最適な周波数のもの選択するのが好ましい。
探触子３には超音波パルスを発生するとともに反射波を受波するように超音波パルサーレシーバー１１が連絡し、超音波パルサーレシーバー１１で受波した波形が確認できるようにオシロスコープ１２が接続している。超音波パルサーレシーバー１１およびオシロスコープ１２を制御するように制御演算装置１３が接続している。制御演算装置１３としてはパーソナルコンピュータなどが使用できる。
【００２３】
図３の測定装置を使用してボイラーの蒸発管１ａ内面に付着したスケール２ａの厚さを測定するには、まずボイラーの定期点検時に、炉内に測定装置を搬入する。次に蒸発管１ａの測定部位の管外面に付着しているクリンカをグラインダーで研磨する。次に研磨した部位に探触子３を当て、制御演算装置１３で制御される超音波パルサーレシーバー１１で発生させた超音波パルス４を蒸発管１ａに向けて入射し、その反射波の波形を超音波パルサーレシーバー１１で受け、この波形をオシロスコープ１２に表示させる。このとき表示される波形は合成エコーの波形である。合成エコーの信号は制御演算装置１３で処理し、合成波時間間隔（λ１）を求める。なお、探触子３の接触面には接触媒体を塗って超音波パルスの均一な入射を促進することが望ましい。
【００２４】
次に上記で測定された合成波時間間隔（λ１）、予め測定して制御演算装置１３に記録しておいた基準波時間間隔（λ０）およびスケール２ａ中の音速Ｓをもとに、制御演算装置１３により前記式〔１〕を演算させスケール２ａの厚さｔを求める。基準波時間間隔（λ０）は、前回の定期点検時にボイラから切り出した蒸発管材料を用い、スケールを除去した状態で予め測定しておく。
【００２５】
上記のようにして測定することにより１００μｍ以下、さらには２０〜８０μｍの厚さのスケール２ａを精度よく検出することができる。なお、１００μｍを越える厚いスケール２ａについては、従来の超音波測定方法を適用し、かつ適正な探触子を使用することにより、幅広い厚さ範囲の測定が可能となる。
また本発明の測定方法は、ボイラスケールに限定されることなく、樹脂系の塗膜や金属塗膜等の他付着物の厚さ測定にも適用可能である。
【００２６】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００２７】
実施例１：
火力発電所のボイラ蒸発管から切り出したサンプル管について、外面のクリンカを研磨し、測定部位に接触媒体（市販のソニーコートBSL）を塗布して超音波探触子を当てて合成波時間間隔λ１を測定した。このとき、超音波探触子は周波数が２０ＭＨｚのものを用いた。
得られたオシロスコープ波形は図４に示す通りであり、合成波時間間隔（λ１）は７５ｎｓ（ナノセック）であった。次いで、同一サンプル管の内面スケールの一部を削り落とし、その部位の外面から上記と同じ条件で超音波測定を行い、図５に示す波形を得た。このときの基準波時間間隔（λ０）は５６ｎｓであった。
【００２８】
これらの結果および水浸法によるスケール音速測定方法により測定したスケール中の音速６５００ｍ／ｓからスケール厚さを前記式〔１〕から算出すると、スケール厚さ＝６５００×（７５−５６）／２／１０３＝６２μｍとなる。
次に、超音波測定後のサンプルを顕微鏡観察用の樹脂に埋め込み、スケール断面を顕微鏡観察した結果、スケールの厚さは６０μｍであった。これより、本発明の測定方法によって、スケール厚さを精度よく測定できることが分かる。
【００２９】
実施例２：
火力発電所のボイラー蒸発管から切り出した、スケール厚さの異なるサンプルを用い、図３の装置でスケール厚さを測定した。その結果を、同一サンプルについて管断面の顕微鏡観察により測定した結果と対比し、図６に示す。図６から明らかなように、顕微鏡観察の結果によく相関するデータが得られ、超音波により管外面から内面に付着する１００μｍ以下の厚さのスケールを精度よく測定できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（ａ）は一般的な超音波による付着物の厚さ測定方法を示す原理図、（ｂ）は波形図である。
【図２】  図２は本発明の測定方法を示す波形図であり、（ａ）は付着物がない材料に超音波パルスを入射して得られるＢエコー、（ｂ）は想像上のＳＢエコー、（ｃ）は合成エコーの模式的波形を示す。
【図３】  図３は本発明の測定方法により付着物の厚さを測定する測定装置のブロック図である。
【図４】  図４は実施例１において測定した合成波の波形図である。
【図５】  図５は実施例１において測定した基準波の波形図である。
【図６】  図６は実施例２の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  材料
１ａ  蒸発管
２  付着物
２ａ  スケール
３  探触子
４  超音波パルス
５  付着物表面
１１  超音波パルサーレシーバー
１２  オシロスコープ
１３  制御演算装置
【図１】
0003882635.tif 000002
【図２】
0003882635.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003882635.tif 000006
【図６】
0003882635.tif 000007