116

配管外部に取り付けた加速度センサーによるキャビテーション評価法の検討
Investigation of Evaluation Method of Cavitation Behavior
by an Accelerometer Mounted on Outer Surface of Piping
八木＊＊良憲 （Yoshinori Yagi）

村瀬道雄（Michio Murase）＊

要約 本研究の目的は，キャビテーションによる壊食や振動により引き起こされる配管系のトラブルを防止するために，配管外部からの測定によりキャビテーションの発生を検知するととともに配管への影響を評価する手法を開発することである．そこで，まず発生検知の検討として，オリフィスでの可視化実験による現象把握を行うとともに，配管外部に取り付けた加速度センサーの出力との関係について検討した．その結果，キャビテーション初生付近では正弦波に近い20k〜30kHzの高周波数域の信号が検出された．この出力信号の特徴を初生の検知に利用できる可能性がある．またキャビテーションが発達した状態ではパルス状の出力波形が現れるが，その大きさと頻度によりキャビテーション強さの程度を分類可能と考えられる．次に配管への影響評価の検討として，壊食実験による壊食率分布と加速度センサーの出力分布を比較した．その結果傾向はほぼ一致し，加速度センサーで壊食率分布を評価できる可能性があると分かった．
キーワード

キャビテーション，壊食，加速度センサー，検知，出力波形

Abstract
The objective of this study is to develop the methods of detecting the occurrence ofcavitation and evaluating its influence on pipes by means of measuring from outside, in order to prevent
troubles in piping systems caused by cavitation erosion and vibration. At first, we visualized cavitation
behaviors downstream of an orifice and compared them with the output of an accelerometer mounted onouter surface of the pipe as the study of detecting the occurence of cavitation. As a result, near thecavitation inception region, we detected signals like sine waves and the range of their frequencies was 20k30kHz. It might be possible to utilize this characteristic of the signals for detecting the cavitaiton inception.
And at the developed cavitation region, we observed pulses, and then we considered that we could classify
cavitation strength by the magnitude and the number of pulses. Secondary, as the study of evaluating theinfluence of cavitation, we compared the distribution of the outputs of the accelerometer along the flow
direction with that of erosion rates measured by erosion tests. The tendency broadly agreed with each other,and so we concluded that it was possible to evaluate the distribution of erosion rates by the accelerometer.
Keywords

1.

cavitation, erosion, piping, ditection, accelerometer

緒言

起因した振動によって配管溶接部に疲労亀裂が生じた．これは過渡的な運転状態でのトラブルであった（1）．

弁やオリフィスなどの配管の絞り部分では流速がこのような弁操作の際，どの開度からキャビテーシ局所的に速くなるため圧力が低下し，圧力が飽和蒸ョンが発生するかは配管内の流動パラメータによっ気圧以下になるとキャビテーション気泡が発生する．ても変わることから，流動状態を把握しておく必要

下流の流路拡大部で流速が低下すると，圧力回復にがある．しかし実機では流動状態を可視化できない

よって気泡が崩壊し，衝撃圧力が発生する．この衝ため流動状態の把握は実験のように容易ではない．

撃圧力が壊食や振動をもたらし，プラント配管の潜もしキャビテーションの発生がプラント運転中に在的な損傷要因となる．平成14年に加圧水型原子力

配管外部から検知できれば，キャビテーションの発発電所の封水注入ラインにおいて，プラント停止に生箇所を把握することが容易になる．ただしキャビ伴う弁の開度調整によるキャビテーションの発生にテーションの発生が常に配管の損傷を引き起こすわ＊＊（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊ （株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所

現在

関西電力
（株）

117

けではない．キャビテーション初生段階では配管へ水温の調整（150℃以下）が可能である．流量の測定の影響はほとんどないが，キャビテーション遷移段

は試験部上流に取り付けた電磁流量計，圧力は試験階では配管への影響は大きく，キャビテーションの部上流と下流の圧力計，供試流体の温度はレザーバ状態によって配管への影響は大きく異なる（2）．従ってに設置した温度計により測定した．実験装置の圧力配管への影響を評価できる手法も必要である．配管はレザーバに取り付けた窒素ボンベにより加圧し調への影響には振動と壊食があるが，振動については整した．実験流速はポンプの回転数をインバータに従来の配管構造物の振動評価を適用し加速度測定により制御して調整した．供試流体には水道水を用い基づいて疲労評価を行うことができる．しかし壊食た．供試流体中の溶存気体の量が気泡の発生や気泡については運転中に配管外部から評価できる手法は崩壊時の衝撃力に影響を与えると考えられることか確立されていない．

ら，実験前と実験後に溶存酸素濃度を測定し，大き配管外部からの測定でキャビテーション発生の検知や，壊食の評価に，音響センサー，AEセンサー，な変化がないことを確認した．各実験における溶存酸素濃度βの範囲は後述する．

加速度センサー等の適用が研究されている．音響センサーについては信号頻度とキャビテーション状態電磁流量計の相関が良く，検知等に適用できる可能性があるが，よっては適用が困難になると考えられる（3）．AEセン

レザーバ

試験部

実機では周囲に多数の音源があり，ノイズレベルにP

圧力調整弁

P

サーについてはキャビテーション状態と信号との良Tい相関が得られているが（4），壊食量との相関についてはあまりよい相関は得られていないとの報告があTる（5）．加速度センサーについてはキャビテーション状態と信号との良い相関が得られているが（6），壊食との相関についてはあまり検討がなされていない．

ヒータ

ポンプ

加速度センサーは比較的広い範囲の振動を捉えるた

窒素ボンベ

図１

め，局所的な壊食の情報を得るのに適用できるか検実験ループ討を要する．
そこで本研究では，まず発生検知手法の開発のた

2.2

試験部

めにオリフィスでの可視化実験による現象把握を行うとともに，配管外部に取り付けた加速度センサー試験部の詳細を図２に示す．試験部両端はステンの出力との関係について検討した．次に加速度センレス製フランジであり，上流側フランジはオリフィサーによるキャビテーションの配管への影響評価のスとなっている．配管内径はD = 49.5mmであり，オ可能性についての検討として，壊食実験による壊食リフィスのど部の径は0.5Dである．フランジで挟ま率分布と加速度センサーの出力分布とを比較し，壊れた流路部分はアクリル製であり，流動状況を観察食率の相対的な評価が可能であるかを検討した．

できる．流路壁面には壊食実験用の試験片を取り付けるための穴を一定間隔で設けた．取り付け穴には実験装置2.

栓をするためのねじが切ってある．試験片の構造を
図３に示す．先端の壊食面の直径は５mmである．ま

2.1

実験ループ

た加速度センサーは図のように流路壁面の外部に取り付けた．

実験に用いたループの概要を図１に示す．実験ループは，レザーバ，ポンプ，試験部を設置した配管から構成されており，閉ループ構造である．レザー
バは容積1.28m 3の圧力容器であり，安全弁の吹き出し圧力3.2MPaまでの実験が可能である．レザーバ内部にはヒータが取り付けられており，１℃の精度で

118

加速度センサー1.25Dの出力電圧の変化により評価し，その結果をもとに0.75D設定するキャビテーション数を決定した．キャビテ

0.25D

下流側

上流側

オリフィス
D =φ49.5

流れ方向ーション数を変化させる場合，流速は一定とし下流圧力のみを変化させた．

3.2

加速度センサーによる衝撃加速度の測定

0.5D

加速度センサーを用いてキャビテーション気泡の崩壊時に壁面が受ける衝撃の加速度（これを衝撃加0.5 D
D
1.5D
2D

300

図２速度という）を測定すると，卓越周波数は数10k Hzのオーダにあるとされている（7）．また壊食量の予測
28

試験部（単位：mm）にセンサーを用いる場合，10ｋHz以上の高周波数帯域の信号が重要とされている（2）．そこで本研究では，高周波数帯域まで測定可能な圧電型の加速度センサ
ー（TEAC製，703FB, 0.3〜45kHz±３dB）を用いた．

φ5

壊食面

図４に加速度センサーによる測定系を示す．加速度センサーは試験部に薄肉の両面テープで取り付けた30

後，樹脂製バンド（ロックタイ）で固定した．加速度センサーの信号はアンプを通してデジタルオシロスコープに表示し保存した．データは実験後パソコ10ンで処理した．
加速度センサー

φ8φ14

図３

増幅器

壊食試験片（単位：mm）
バンド流路

3.

実験方法

3.1

キャビテーション数の定義

デジタルオシロスコープ

アクリル
パソコン

試験部（断面）キャビテーション実験の条件設定において重要な

図４

加速度センサー測定系

パラメータはキャビテーション数であり，この値が変化することにより配管が受ける衝撃が異なる．キ

3.3

壊食率の測定ャビテーション数σは以下のように定義される．
σ=

P-PV
12
ρV2

試験片の実験前後の質量を精密天秤（最小表示0.01mg）で測定し，その質量変化と実験時間から単位時間あたりの壊食量を求め，これを壊食率とした．

ここで，Pはオリフィス下流圧力，PVは実験水温で壊食実験では試験片の壊食面を鏡面仕上げし，キの飽和蒸気圧力，ρは実験水温での流体密度，Vはオャビテーションにさらし，壊食率が最大域に達しほリフィスのど部流速であり，その値は電磁流量計でぼ一定値となった時の壊食率を評価に用いているが，測定した流量を流路断面積で除して求めた．

流動ループでは壊食率が比較的小さいため，最大域

本研究ではキャビテーション数の変化によるキャに達するのに非常に長時間を要する．一方，試験片ビテーション衝撃の相対的な変化は加速度センサーの材料にアルミニウムのような軟質材料を使えば実119

験時間の短縮を図れるが，表面に大きな突起が発生の数密度が高い領域ほどキャビテーション衝撃の頻し，流れに影響を与える可能性がある．そこで本研度が多いと判断することができる．ただし，感圧紙

究では突起の影響がより小さい純銅（C1100BD-H）の発色剤層は水が付くと溶けるため，試験部への取を用いた．純銅を用いた場合，壊食率が最大域に達付けは，発色剤層側を薄肉の両面テープで試験部流するまでの時間はアルミニウムの約３倍になる．

路内面に貼り付け，さらに受圧面側の端部を強粘着

そこで鏡面仕上げした試験片の壊食面を磁わい振テープで貼り付けて水の侵入を防いだ．また感圧紙

動実験装置でキャビテーションにさらし，あらかじの面積を大きくすると，実験中に流路内が負圧になめ壊食面を壊食率の最大域まで前処理したのち流動るため感圧紙が波打つので，感圧紙は短冊型（長さ実験を行うことにより，実験時間の短縮を図った．

210mm幅15mm）に切り複数取り付けた．この結果を同じ材質の試験片を用い実験前に行った磁わい振動もとに試験片の取り付け位置を決定した．

実験における壊食率の時間変化を図５に示す．その結果，実験時間20分で壊食率は最大域に達し，その4.

実験結果と考察4.1

キャビテーション数と衝撃加速度の関係

後はほぼ一定の壊食率となっていることから，前処理の時間を25分とした．
壊食面が流路壁面に対し突き出したり，くぼんでいると流れに影響を与えるため，試験片の壊食面が流路に対し凹凸なく取り付けられるように，取り付キャビテーション数の変化による衝撃加速度の変け穴毎の形状に合わせて試験片の形状を微調整して化を評価するために，遷移キャビテーションと考え取り付けた．

られる領域における流動観察より，キャビテーショ試験片の取付位置毎の壊食率から，流れ方向の壊ン気泡の到達するオリフィス出口から100mm下流に，食率の分布を求め，加速度センサーの取付位置を変加速度センサーを取り付けた．そして流速を一定えて測定した出力分布と比較した．

（15.0〜15.4m/s）とし，キャビテーション数をパラメ壊食率（M／h）

ータにして配管壁面が受ける衝撃加速度を測定した．
60

溶存酸素濃度はβ=3.77〜6.55g/m3であった．この時50の加速度センサーの出力変化を図６に示す．縦軸に40は加速度センサー出力電圧のRMSの平均値（512個の30データ）を，キャビテーションが生じていない時20（σ = 3.0と2.8）の出力電圧RMSの平均値で除した値10（これを加速度センサー出力比という）をとった．本
研究で用いたオリフィス体系ではσ = 2.6付近から加00102030405060

実験時間（分）図５

磁わい振動実験による銅試験片壊食率の時間変化

速度センサーの出力が増加し始めた．この状態ではキャビテーション音が聞こえ始めるが，気泡は目視できないほど細かく淡い状態であった．加速度はσ= 1.8付近まで増加した後，出力は低下し始め，σ =1.6〜1.4の範囲では低下した．σ = 1.6付近で気泡が3.4

試験片の取付け位置目視できるようになることからも，σ = 1.4付近までを初生領域と考えた．さらにσを低下させると，出流れ方向の壊食率の分布を測定するにあたり，試力が増加し，σ= 0.65付近でピークに達した．σ＜

験片を最大壊食率の領域に取り付けるために，感圧0.6ではスーパ・キャビテーション状態となり，加速紙（富士フイルム製プレスケール, 中圧用, モノシー

度センサーの出力は低下した．

トタイプ, 圧力範囲10〜50MPa）により衝撃力分布を測定した．感圧紙は圧力が加わる前は白色であるが，圧力が加わると発色剤層の微小カプセルが破れ赤く発色する．感圧紙をキャビテーションに曝すと針で突いたような小さな赤い斑点が多数生じ，赤い変色120350

加速度センサー出力比3002502001501005000123

キャビテーション数 σ

図６

キャビテーション数の変化による衝撃加速度の相対変化

この結果より，出力ピーク条件で壊食実験を行う

図７

流動状況の写真と感圧紙による衝撃分布（σ= 0.7, V = 15.3m/s, 水温21℃, P ＝ 0.08MPa）と壊食の進行は早いが，わずかな実験圧力のずれによってキャビテーション状態が大きく変わりうること，ピークより低キャビテーション数側では流動状

4.3

加速度センサーの出力信号の特徴態が不安定になりやすいことから，ピーク以前のσ= 0.7を実験条件とした．流速は加速度センサーの許容最大加速度を考慮して約15m/sとした．

流速は一定（15.0〜15.4m/s）とし，キャビテーシ
ョン数σ = 2.8, 1.8, 1.4, 0.9と 0.7に変化させたときの加速度センサー出力波形と流動状態を図８に示す．

4.2

衝撃強さの分布

データの記録時間は0.2秒で，加速度センサーの取り付け位置は，図６の衝撃強さ測定と同じオリフィス

流速V = 15.3 m/s，キャビテーション数σ= 0.7，下流100mmとした．溶存酸素濃度は出力測定時がβ

水温21℃，下流圧力P = 0.08MPa，溶存酸素濃度β== 4.15〜7.26g/m 3，流動状態の撮影時がβ= 4.11〜4.11〜5.61g/m 3 のときの流動状況と，β= 6.89〜7.42g/m 3であった．キャビテーションが発生してい8.11g/m 3のときの感圧紙による衝撃分布の測定結果ないσ= 2.8では出力は微小であるが，初生段階にあを図７に示す．感圧紙の暴露時間は30分である．感るσ= 1.8や1.4では小さな出力変動が多数連なった波圧紙実験では感圧紙が水に弱く，装置に水張り後直形が得られた．キャビテーションが発達し始めるσ=ちに実験を開始したため溶存酸素濃度が高い．下流

0.9や，かなり発達したσ= 0.7になるとパルス状の信50mmから100mmの間には大きな塊状のキャビテーシ号が検出され，発達するにつれ信号頻度も増加した．

ョンが見られ，鎖線で囲んだ領域には壁面に接して従ってσ= 0.9や0.7のようなキャビテーションが発達いる気泡塊が存在する．感圧紙ではオリフィス下流

した状態ではパルス状の信号の存在によってキャビ55mmから80mmの範囲に密な発色域が生じており，テーション発生の検知が可能であり，その出力波形気泡塊が衝撃強さと発色域に影響していると考えらの大きさと頻度によりキャビテーション強さの程度れる．

を分類することも可能と考えられる．しかし初生段

この発色の密な領域では試験片の取り付け間隔を短く，疎な領域では取り付け間隔を長くとった．

階の波形は出力が小さく，特徴的な点は図８からは見いだせない．そこで出力信号をより詳細に解析した．
図８に示した波形の一部を取り出し詳細表示したものとそれを周波数解析した結果を図９に示す．初生付近のσ= 1.8やσ= 1.4では正弦波に近い波形が検出された．周波数解析を行うと，これらの波形は20kHzから30kHzの高周波数域にあり，キャビテーショ121ンの特徴とされる信号であった．また，これらの波るにつれ崩れてていく傾向にある．この正弦波に近形はキャビテーションが発生していないσ= 2.8ではい高周波の波形が初生付近の波形の特徴であれば，検出されず，キャビテーションの発生に伴い検出さ初生段階を比較的容易に判別できるようになる．これていることからノイズの可能性は小さい．この波れについては今後他の形状や金属配管でも同様の波形はσ= 1.4でより明瞭であるが，糸巻き状になって形が検出されるか確認する必要がある．

いる．糸巻き状の波形はキャビテーションが発達す

0.4
0.2
0.0-0.2-0.4
0.00

0.02

0.04

0.060.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
0.00

0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
0.00

0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
0.00

0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
0.00

図８

各キャビテーション数における流動状態と出力波形

0-0.04
00.1

0.2

0.3

0.4

4.0E-09（V2 / Nz）

0.04

パワースペクトル密度

加速度計出力電圧（V）

122

0.0E+00
00.5

100-0.04
0.1

0.2

0.3

0.4

0100.30.4

0100.3

0.4

4050

4050

0.0E+00
00.5

102030周波数（kHz）

0-0.4
0.3

0.4

2.0E-06（V2 / Nz）

0.4

パワースペクトル密度

加速度計出力電圧（V）

50

8.0E-08

時間（ms）

0.230（V2 / Nz）

パワースペクトル密度

加速度計出力電圧（V）

-0.1

0.1

20

周波数（kHz）

0040

0.0E+00

0.5

0.1

0.2

50

8.0E-08

時間（ms）

0.130（V2 / Nz）

パワースペクトル密度

加速度計出力電圧（V）

-0.06

020

周波数（kHz）

00.2400.0E+00

0.50.06

0.1508.0E-08時間（ms）

040（V2 / Nz）

0.04

030

周波数（kHz）

パワースペクトル密度

加速度計出力電圧（V）

時間（ms）

200.0E+000.5時間（ms）

0102030周波数（kHz）

図９

出力信号の詳細と周波数解析

123

壊食率分布

4.450mm, 60mm, 75mm, 100mmと140mmとして測定したのが図12である．図11のようにトリガレベルによ

感圧紙による衝撃力分布をもとに試験片の取付位る出力分布の形状は同じであることから，トリガレ置を決定し，壊食実験で測定した流れ方向の壊食率

ベル500ｍVの結果のみを示した．図12を図10の壊食の分布を図10に示す．流速V = 15.3m/s，キャビテー率分布と比較すると，60mmにおける測定値が小さく

ション数σ= 0.7であり，溶存酸素濃度はβ= 4.69〜なっており，ピーク位置が約20mm下流にずれている．

36.56g/m であった．各位置で５回の壊食実験を行っ

しかし傾向はほぼ一致しており，加速度センサー出て得られた壊食率の平均値を示す．壊食率のピーク

力分布から壊食率の分布を評価できると考えられる．

は60mmから75mmの範囲で発生した．

つまり加速度センサーによる測定で内部の局所的な速度センサーによる出力分布と壊食率分布のピーク0.15

位置がずれている点については，今後さらにデータ0.1を収集し原因を検討する．

0.05
0020406080100120140160180200

オリフィス出口からの距離（mm）

図10

壊食率の分布（V = 15.3m/s, σ= 0.7）

加速度センサーの出力分布

4.5

加速度計出力電圧rms（V）

壊食率（M／h）

情報をある程度得ることができると考えられる．加0.210.80.60.40.2
002040

壊食実験と同じ流動条件で，加速度センサーを用いて流れ方向の出力分布を測定し，壊食率分布と比6080100120140160180200

オリフィス出口からの距離（mm）

図12 加速度センサー出力分布（V = 15.3m/s, σ= 0.7）

較した．溶存酸素濃度β= 4.18〜6.55g/m3であった．
データの取り込みにはトリガレベルを設定し，トリ5.

結論ガ以上の出力のみ取り込んだ．
加速度センサーをオリフィス出口下流10mm,加速度センサーを用いた配管外部からの測定によ50mm, 100mm, 140mmと 190mmの位置に取り付けてりキャビテーション発生の検知と壊食率分布の評価測定した結果を図11に示す．トリガレベルを変えてについて検討した結果，以下の結論を得た．

も出力分布の形状は同じであった．
（1）キ ャ ビ テ ー シ ョ ン 初 生 付 近 で は 正 弦 波 に 近 い
20kHzから30kHzの高周波数域の信号が検出され加速度計出力電圧（V）

1.2

トリガ 700mV
トリガ 500mV
トリガ 300mV

10.8る可能性がある．またキャビテーションが発達した状態ではパルス状の出力波形の大きさと頻度に0.6よりキャビテーション強さの程度を分類できると0.4考えられる．

0.2（2）壊食実験による壊食率分布と加速度センサーの出00

図11た．この出力波形の特徴を初生の判別に利用でき

20406080100120 140 160 180 200

力分布とを比較した結果，ピーク位置が下流に約オリフィス出口からの距離（mm）20mmずれているものの傾向は一致しており，加加速度センサー出力分布（V = 15.3m/s, σ= 0.7）

速度センサーで外部から壊食率分布を評価できる可能性がある．また加速度センサーにより内部の次に加速度センサーの取り付け間隔をより狭めて測定した．図11の結果よりピークは50mmか140mmの範囲にあることが予想されることから，取付位置を局所的な情報がある程度得られると考えられる．

124

謝辞
福井大学の服部修次教授には磁わい振動実験装置による試験片の前処理をして頂いた．ここに記して感謝の意を表する．

文献（1）http://www.kepco.co.jp/gensi/index.html
美浜発電所３号機の点検結果について(C−１次冷却材ポンプ封水注入ラインベント弁溶接部付
近からの漏えいの原因と対策), 平成14年11月26日,関西電力株式会社（2）加藤洋治, 新版キャビテーション, 槇書店, 1999.
（3）Yoshinobu Okabe, Akira Kitajima, Akiso
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（4）吉田義樹, 川上孝, 山田績, 上出修博, AEセンサー
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