三菱重工技報 Vol.55 No.2 (2018) 新技術特集

技 術 論 文1

薄膜 UT センサを用いた運転中プラント遠隔モニタリングシステムの開発
Development of the Remote Monitoring System for the Operating Power Plant
using the Thin-film UT Sensors

山 本 裕 子 *1

近 藤 一 海 *2

Yuko Yamamoto

Kazuumi Kondo

木 村 是 *1

川 浪 精 一 *3

Tadashi Kimura

Seiichi Kawanami

板 橋 佑 真 *4

小 平 武 志 *4

Yuma Itahashi

Takeshi Kodaira

薄膜 UT センサ等の超音波センサで取得した測定データを離れた場所へ無線で送信できる無線通信機能付き超音波パルサレシーバを開発した。薄膜 UT センサと組み合わせて，配管などに設置することで，運転中の高温配管の遠隔連続モニタリングが実現する。開発した超音波パルサ
レシーバは電源供給が無い場所でも使用できるよう乾電池駆動とし，設置個所を選ばない手のひらに乗るサイズまで小型化した。本稿は，開発した超音波パルサレシーバの技術仕様に加え，薄膜 UT センサと組み合わせた遠隔モニタリングシステムの展開について述べる。

|1. はじめに発電プラントにおいて，系統運転中配管の腐食などによる減肉現象はよく知られおり，設備の健全性を維持するための取換計画の効率化のためにも配管の減肉傾向の監視が重要である。
現状では，多くのプラントにおいて各種規格に基づき定期的に配管肉厚の定点測定を実施している。また，配管の肉厚測定以外にも，系統内配管中の空気溜りを検出するため水平配管における定期的な水位測定が行われることがある。このような定期的な測定では，有意な減肉や空気溜りを１回の測定でただちに発見することは困難であり，これら減肉や空気溜りが設備に悪影響を与える前に異常を検出するためには，定期測定の頻度を高める必要がある。しかし，系統運転中の配管は高温になるため一般的な UT（Ultrasonic Testing：超音波試験）センサでの連続測定は困難であり，常温となる運転停止時の測定においては測定のたびに保温材や仮設足場の設置および撤去などの付帯作業が必要となるため，測定頻度を高めることは検査コストの増大につながる。これらの課題を解決するために，高温で連続使用可能な薄膜 UT センサ(1)と無線機能付超音波パルサレシーバを組み合わせたモニタリングシステム(2)を開発した。本稿ではモニタリングシステムの概要とあわせ，薄膜 UT センサと無線機能付超音波パルサレシーバの特徴およびモニタリングシステムの適用展開について示す。

|2. モニタリングシステムの概要
開発したモニタリングシステムの構成を図１に示す。本モニタリングシステムは薄膜 UT センサ，無線機能付超音波パルサレシーバ（以下パルサレシーバと示す），データ収用集 PC，モニタリン
グ用 PC により構成される。薄膜 UT センサは薄くて柔軟性があり，高温環境下でも連続使用が可能なため，系統運転中も保温材の内側に常設して使用する。薄膜 UT センサから保温材の内側*1 総合研究所電気・応用物理研究部*3 総合研究所電気・応用物理研究部 室長*2 ICT ソリューション本部 CIS 部 主席
*4 パワードメイン原子力事業部品質保証部

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2を通して引き出した耐熱ケーブルは測定対象の配管などの近辺に設置されたパルサレシーバに接続される。このパルサレシーバを用いて，複数のセンサからの UT データを指定した頻度で取得することができる。ここで，本モニタリングシステムは以下に示す２通りの使用方法（図２）を想定しており，無線通信の使用可否や PC 設置位置などの使用環境に応じたデータ取得モードの選択が可能である。

図１ モニタリングシステムの構成

図２ モニタリングシステムの使用モード(A) 連続監視モード
薄膜 UT センサで取得した UT データを建屋内に設置したデータ収集用 PC に無線転送する。データ収集用 PC で UT データの確認や解析を行うことも可能であるが，LAN 回線などで接続したモニタリング用 PC からデータ収集用 PC にアクセスすることで遠隔での UT データ確認や解析が可能となる。モニタリング用 PC は建屋の外など離れた位置への設置を想定しており，これらの構成により遠隔での連続監視が実現する。
(B) パトロールモード
既設機器への影響などのため無線が使えない環境では，薄膜 UT センサで取得した UT データをパルサレシーバのメモリに記録しておき，定期的に行う現場パトロールなどの際に，携帯したデータ収集用 PC を直接パルサレシーバに接続して記録している UT データを回収する。
回収した UT データは連続監視モード同様にデータ収集用 PC やモニタリング用 PC で確認，解析することができる。パトロールモードではリアルタイムの監視はできないが，保温材作業などの付帯工事をすることなく，系統運転中の UT データを定期的に取得することができるため，コストを抑えながら測定頻度を高めることが可能となる。
データ収集用 PC は１台で複数のパルサレシーバの設定やデータ収集ができるので，建屋内

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3の複数の測定対象部位のモニタリングが可能となる。また，連続測定中におけるゲインや頻度といった UT データ採取パラメータの変更についても，パルサレシーバを直接操作することなくデー
タ収集用 PC 上で設定できるため，測定現場へのアクセスが困難な場合においても連続したモニタリングを実現できる。

|3. 薄膜 UT センサの特徴
薄膜 UT センサの概要については既に報告済み(1)であるため，本稿では耐久性検証のために継続して実施している連続加熱試験の最新の状況について述べる。高温配管の肉厚測定を模擬し，配管試験体に薄膜 UT センサを取り付けた供試体の加熱試験を実施している。加熱は電気炉で行い，温度は一定とし，定期的に肉厚測定 UT データを電気炉外で取得している。なお，本試験では配管試験体が減肉することはないため，一定の肉厚値を示すこと，大幅な信号感度の変化や波形の変動が見られないことを継続的に確認している。
試験温度に応じて圧電素子の原材料を変化させた薄膜 UT センサを使用し，200℃，300℃，450℃の一定温度で連続加熱試験を実施している。加熱開始からの累積加熱日数と配管肉厚を測定した結果を図３に示す。グラフの右側に，連続加熱中の信号波形の一例を示す。図３に示す
ように，最長のものは 300℃で 1500 日を経過した時点においても配管肉厚を安定して測定可能な信号波形が得られており，一時的な測定条件の変動によるばらつき以外は一定の肉厚値を取得できている。なお，本試験の最中に数回の停電による降温を経験したが，この温度変化による信号への影響は確認されなかった。この連続加熱試験は今後も継続し，連続加熱実績データを蓄積していく計画である。

図３ 薄膜 UT センサの連続加熱試験結果

以上に述べた社内試験の実績をもとに，実機試行として稼働中の発電プラント設備への薄膜UT センサの設置や定期的な信号取得を実施している。原子力プラントの蒸気系配管（肉厚約６mm，系統温度約 150℃）に設置した薄膜 UT センサは，系統運転期間が約 800 日を経過し，火力プラントの排熱回収ボイラ管（肉厚約５mm，表面温度約 170℃）に設置したものは約 300 日を経過したが，配管肉厚を安定して測定可能な信号波形が得られている。これらの測定についても継続していくとともに，実機での試行経験をふまえてセンサそのものの性能や耐久性だけでなく，現場での施工性などについても改善していく。

三菱重工技報 Vol.55 No.2 (2018)4|4. 超音波パルサレシーバの特徴
開発したパルサレシーバは設置を想定しているプラント建屋などの環境や既設の設備への追加設置となることを想定し，以下に示すコンセプトで設計した。
(a) 電源などの既存インフラ設備がない場所への設置を可能とするために，電源は電池駆動，データ転送は無線送信とする(b) パルサレシーバ１台で複数の箇所をモニタリングするために，複数の UT センサを同時に接続可能なマルチチャンネルタイプとする(c) 長期間使用する際の電池交換を最小限とするために，低消費電力設計とする(d) 無線が使えない環境で使用するために，パルサレシーバ本体でデータを一時的に記録することを可能とする(e) 配管サポート構造物周辺の狭隘箇所にも設置可能とするために，筐体を小型化する
上記コンセプトを満足するよう開発したパルサレシーバの外観を図４に，仕様を表１に示す。
ま た ， パ ル サ レ シ ー バ を 導 入 す る プ ラ ン ト サ イ ト に よ っ て は EMC （ Electro MagneticCompatibility；電磁両立性。）性能を求められるため，実環境での運用を想定し，基板設計において EMC 対策としてフィルタ，フェライトビーズ等の追加設置，グランドの強化を行った。開発後，ISO/IEC17025 に基づく試験所認定を取得した専門機関にて，本パルサレシーバのEMC 試験を実施し，CISPR-11（日本および欧州が参照する国際規格）および FCC Part18（米国規格）の定める EMC 要求を満たしていることを確認した。
表１ 開発したパルサレシーバの仕様
項目仕様

チャンネル数

８チャンネル

電源供給方式

単三アルカリ乾電池４本相当

電池寿命１年※８ch，2 000 点サンプル，１日１回測定時

PC との通信方式

無線または有線本体寸法

100×150×75 mm

図４ 開発したパルサレシーバの外観|5. モニタリングシステムの展開
薄膜 UT センサとパルサレシーバを組み合わせることで，様々な UT モニタリングを実現することができる。その一例を以下に示す。
(1) 肉厚モニタリング（図５）
流れ加速型腐食による減肉の抑制策として，水質や運転条件の改善が進められている。薄膜 UT センサを減肉の著しい箇所に設置し，パルサレシーバを用いて高い頻度でデータ取得することにより，水質や運転条件を途中で変化させた場合における減肉傾向の変化をリアルタイムに把握することができ，減肉抑制の為の水質や運転条件の最適化が可能となる。
(2) 水位モニタリング（図６）
空気溜りの懸念のある機器に薄膜 UT センサを設置し，任意の頻度で UT データを取得することで水位モニタリングを行うことができる。異常な水位状態を早期に検知することで，ウォーターハンマー事象やポンプの異常振動等を未然に防止することができ，設備の安全性向上を図ることができる。また，ベントラインの空気抜き効果の検証などにも適用可能である。

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実際に，社外研究機関で実施した腐食減肉検証試験において本モニタリングシステムを適用
し，200℃以上に加熱されている配管肉厚を 1 500 時間以上にわたって連続測定した。パルサレシーバで取得した肉厚測定値は，試験後の実測値と同様な減肉傾向を示しており，加熱中の減肉傾向把握が可能であることを確認できた。

図５ 肉厚モニタリング

図６ 水位モニタリング|6. まとめ
従来，発電プラント等で行われてきた携帯型測定器を用いた定期的な肉厚測定に代わる手法として，測定対象に常設可能な薄膜 UT センサと電池駆動で無線通信が可能なパルサレシーバを組み合わせた UT モニタリングシステムを開発した。本モニタリングシステムの適用により，データ取得頻度の増加による肉厚評価精度の向上や，リアルタイムの減肉傾向把握が可能となり，付帯作業の削減による検査コスト低減の効果が見込まれる。また，本モニタリングシステムは配管減肉だけではなく，配管内水位の計測による空気溜りのモニタリングシステムとしても適用可能である。
今後は，実機プラントでの適用をさらに拡大していき，プラントの安全性・信頼性・経済性の向上に寄与していく。また，配管減肉や空気溜まり以外の UT モニタリングニーズへの適用も幅広く検討していく。

参考文献(1) 山本裕子ほか，高温耐熱性を有したフレキシブル薄膜超音波センサ技術，三菱重工技報(2) 小平武志ほか，高温用薄膜 UT センサを用いた連続モニタリングシステムの開発，日本保全学会第 14回学術講演会