光ファイバを用いた電磁超音波共振法による配管減肉測定
Measurement of Pipe Wall Thinning by Ultra Acoustic Resonance technique using Optical Fiber
株式会社レーザック

白井
町島武広
祐一

Takehiro Shirai
UnmenberYuichi Machijima Member

This is the novel system for Pipe Wall Thickness measurement which is combined EAMT(Electro Magnetic
Acoustic Transducer) and Optical Fiber Sensor. The conventional ultrasonic thickness meter is using in pipe
wall thickness measurement. However, it is necessary to remove a heat insulator from pipe line. A
characteristic of this novel system is that it is possible to measure without removing a heat insulator andon-line monitoring, because of measurement probe is attached between pipe surface and heat insulator. As aresult of measured with this system, we could measure 30mm thickness of carbon and stainless steel at themaximum and pipe specimen of elbow shape. Heat-resistant characteristic confirmed at 200 degrees C until
about 7000 hours.
Keywords: Optical Fiber, EMAT, Pipe Wall Thinning, Resonance frequency, Thermal resistance

１．緒言
火力、原子力発電所や石油、化学プラントなどの設備トラブルの多くは配管部で発生しており､配管肉厚２．システムの内容
２−１．背景管理は設備維持の為に重要である。今回新しい手法を

日本機械学会では従来の超音波パルスエコー試験方用いたオンライン計測が可能な金属配管肉厚測定シス法に加え、放射線を用いた透過測定や、配管表面のガテムの開発を行った。本方式は保温材を除去する必要

イド波、歪み、渦電流などを用いた様々な試験方法等が無く肉厚の測定が出来､さらにリアルタイムで肉厚が提案されている 1)。しかしこれら試験方法には長短の測定が可能な特徴があることから、従来手法では不所があり、汎用的に用いられている超音波厚さ計は作可能であった連続的な配管状態監視が出来る利点があ

業者が直接肉厚値を計測することが出来るが、測定毎る。に保温材の除去、足場施工などが必要となる。放射線透過試験方法では保温材上から試験が可能であるが、撮影装置を配置する環境に制限がある。一方ガイド波、歪み、渦電流による試験方法では測定値から肉厚値に変換するための校正データーが事前に必要であるため測定現場で簡単に肉厚値を直接測定することが出来ない。
今回開発した金属配管肉厚測定システムは電磁超音
波 発 振 子EMAT(ElectroMagneticAcousticTransducer)と光ファイバセンサを組み合わせたものであり､EMAT により非接触で直接金属材料中に超音波を励起する電磁超音波共振法を用いたものである｡
2-4)

本システムの特徴は受信側に光ファイバセンサを用いたことであり､EMAT と光ファイバセンサを組合
Fig. 1 本測定システムの特徴せることによって従来 EMAT 送受信による肉厚計測よりも高感度で配管肉厚値を直接測定することが出来る｡

連 絡 先 : 白２．測定システムの概要
井 武 広 、 〒 113-0033 東 京 都 文 京 区 本 郷
3-40-9、株式会社レーザック、電話: 03-3816-3864、
e-mail:shirai@lazoc.jp

さらに耐熱構造化することで保温材下の高温稼働状態の配管肉厚をオンラインで測定することが出来るため、リアルタイムで配管状態監視が可能となる特徴がある
5-7)

２−３．光ファイバセンサの構造｡この開発したシステムを用いると従来の定期点検

Fig.3 に光ファイバセンサ部の外観を示す。光ファ毎に肉厚値を測定する方法よりも設備点検コストを低イバセンサはポリイミド樹脂を被覆した光ファイバを減出来ることが期待できる。

平面コイル状に巻き取った構造で､このコイル状の光ファイバセンサを測定する金属表面に接着材等で固定２−２．システムの原理と構成して振動計測を行う。光ファイバセンサは小型、軽量

本システムで用いている電磁超音波共振法とは、永であるため圧電素子を用いた電気センサのような共振久磁石と電気コイルで構成された超音波発振子 EMAT点が無く、ひとつの光ファイバセンサで数 Hz〜数 MHzによって、Fig. 2 に示す静磁場と渦電流から金属などのにおよぶ非常に広帯域な検出が可能であるため、異な磁性体中にローレンツ力を誘起させ、間接的に金属材る板厚測定において共振周波数が異なっても同一の光料中に超音波を伝搬させることで超音波の反射波長がファイバセンサプローブで板厚測定することが可能で板厚の整数倍(n)時に多重反射により強め合う共振効果ある。

を利用したものである。板厚は式(1)に示す式によって得られ、共振振動周波数(fr [Hz])と金属中の音速(v[m/sec])から金属板厚(d [mm])を求めることができる。

d=n⋅v
2 ⋅ fr(n : 次数)------------- (1)

従来から EMAT を用いた電磁超音波法による板厚測

10mm

定などについては既に報告されているが 2-４）、今回の特Fig. 3 光ファイバセンサ外観

徴は受信側に光ファイバセンサを用いたことである。
光ファイバセンサを用いることで EMAT のみで送受信を行うよりも高感度の受信信号を得ることが出来、さFig.4 にシステムの構成を示す。光ファイバセンサ

らに従来では困難であった 1 次共振モード周波数の計部の振動に伴い光ファイバ中を伝搬する光偏波の状態測が可能となるため得られ共振周波数から直接板厚値が変化するため、その光偏波の変化を偏光子を用いてを求められ、さらに効率良く超音波を励起させること

光強度変化に変換し光受光モジュールで振動を検出すが出来ることから金属板の減肉状態を詳細に測定出来うことが出来る｡

ることが期待できる。

Fig. 5 に試作した測定装置を示す。大きさは横EMAT
永久磁石
電気コイル

350mm、奥行 370mm、高さ 170mm、重量約 2kg で計測現場においても容易に移動が可能な仕様となっている。
試験装置本体光ファイバセンサ

EMAT

接着材

任意信号発生源

増幅器
光ﾌｧｲﾊﾞｾﾝｻ

LD光源
PC

配管
金属内を伝搬する
超音波のイメージ

偏光子

偏波調整ﾓｼﾞｭｰﾙ

光受光部
配管
A/D変換

Fig. 2 光ファイバセンサプローブとＥＭＡＴの構成
Fig. 4 本計測システムの構成図

も振動が継続している状態､つまり共振状態となっていることが分かる。これら各励起周波数毎に EMAT 励
起停止後の光ファイバセンサ受信波形の振幅を振動強度として励起周波数と振動強度の関係を示した共振周
波数スペクトルを Fig. 8 に示す。Fig. 8 より測定する
板厚値に相当する共振周波数において単一ピークのスペクトルを得ることが出来ることから、本手法による

３−１. 試験の方法
光ファイバセンサプローブは Fig.6 に示すように金属配管等の測定対象物に接着材等を用いて直接貼り付けその直上に永久磁石と電気コイルから成る EMAT を

200.12100.1

00.08-100.06-200.04-300.02-400-50-0.02-60-0.04-70-0.06-800配置してプローブ部の施工を行う。

0.00050.0010.0015-0.080.002

EMAT励起電圧 [V]

時間 [sec]

10mm

200.12100.1

00.08-100.06-200.04-300.02-400-50-0.02-60-0.04-70-0.06-8000.0005

0.0010.0015

光センサ受信電圧 [V]３. 試験結果EMAT励起電圧 [V]Fig. 5 試作した測定装置外観

光センサ受信電圧 [V]測定で金属板厚測定が可能である。

-0.080.002

時間 [sec]

Fig. 6 光ファイバセンサとＥＭＡＴの施工状態

Fig. 7 測定波形 (厚さ 15mmｍ炭素鋼試験体)
測定方法は、まず EMAT で一定周波数のバースト波a)上図: 励起周波数 183.5kHz、b)下図: 184.5kHzを励起させ励起停止後の光ファイバセンサの振動振幅1.2の計測を行う。その後、励起周波数を測定する板厚測

1定精度に応じた周波数間隔変化させ再びにバースト波て得られた波形を Fig.7 に示す。
この結果は板厚 15mm0.8振動強度を励起、測定を行いこれを繰り返し行う。測定によっ0.6の炭素鋼試験体を用いた結果であり、Fig.7 a)は励起周

0.4

波数 183.5kHz、Fig.7 b)は 184.5kHz の EMAT 励起信号0.2と光ファイバセンサ受信波形を示している。Fig.7 の0a)と b)を比較すると光ファイバセンサの受信波形に大きな相違があり Fig.7a)では EMAT の励起有無にかか

170180190200

励起周波数 [kHz]わらず光ファイバセンサの受信波形振幅に変化は無い

Fig. 8 共振周波数スペクトルが、Fig.7b)では EMAT の励起中に光ファイバセンサの(厚さ 15mm 炭素鋼試験体)受信波形振幅は徐々に大きくなり、EMAT 励起停止後

210

３−２．平面板による試験結果

３−３．配管形状サンプルによる試験結果

板厚測定精度の確認を行うために厚さの異なる平面実際の配管形状での肉厚測定検証のためエルボ配管試験体を用いて板厚測定精度の試験検証を行った。試

試験体を用いて肉厚測定を行った。試験に用いた試験験に用いた試験体は Fig.9 に示す階段状試験体で材質体は Fig.11 に示す材質 STPT49、250A エルボ配管と、SUS304、各厚さの大きさ 150×150mm、この中から材質 SGP、100A エルボ配管の２種類を用いた。光ファ

厚さ 5,13,15,19,23mm の 5 サイズ部の中央部に光ファイバセン/EMAT プローブはそれぞれの配管の端部分に、イバセンサ、EMAT を配置して共振周波数の測定を行250A 配管は半円周方向 90°間隔で 3 箇所、100A 配管

い板厚値を求めた。Fig.10 にそれぞれの厚さ試験体では背側（外側）と側面の２箇所に配置して試験を行っ得られた試験板厚値とノギスを用いて実測した厚さとた。Fig.12、13 にそれぞれの配管で測定した結果を示の関係を示す。この結果よりいずれの厚さにおいてもす。250A 配管は同一部を超音波厚さ計、マイクロメー公称厚さとの差は 0.1mm 以下で非常に良く一致してターで測定した値との比較結果を示し、100A 配管につおり、さらに両者の直線相関性は R2＝0.9998 と良好いてはマイクロメーター測定値と比較した。この結果な結果が得られた。

より、肉厚約 13mm の 250A 配管、肉厚約 6mm の 100A
配管エルボの両方において本手法を用いて測定した肉厚値は、超音波厚さ計、またはマイクロメーターの値と一致していることから、配管エルボのような曲率を有する形状においても肉厚計測が可能であることを確認した。

Fig. 9 板厚測定試験用試験体

30

Fig. 11 試験に用いた配管エルボサンプル(奥側:250A、手前側:100A)
R 2 = 0.9998

15.020

マイクロメーター
超音波厚さ計電磁超音波共振法(本計測）14.5
14.015測定板厚 [mm]

計測板厚 [mm]

25105

13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0005

101520公称板厚 [mm]253010.5
10.00.0
外側Fig. 10 平板試試験体板厚測定結果

側面
配管測定箇所

内側

Fig. 12 250A エルボ配管の肉厚測定結果

測定板厚 [mm]7.0マイクロメーターの測定ができることを確認した。今後は、さらに検出6.5

電磁超音波共振法(本計測）

精度、安定性を向上したシステムの改良とセンサプロ

6.0ーブの耐熱構造の検討を進め、実際に稼働しているプ

5.5ラントの配管を用いた配管肉厚測定の実証性について5.0確認を行う予定である。

4.5
4.0

謝辞

3.5

本研究は株式会社東芝 電力社会システム社との共3.0

同による研究成果である｡

2.50.02.0
外側側面
配管測定箇所Fig. 13 100A エルボ配管の肉厚測定結果

参考文献[1] 日本機会学会

発電用火力設備規格

火力設備配管減肉管理技術規格(2006 年版) JSME S TB1-2006[2] M.Hirao, H.Ogi: Electromagnetic Acoustic Resonance

４．耐熱特性andMaterials

Characterization,Ultrasonics

35,

光ファイバセンサの耐熱試験の結果を Fig. 14 に示す｡炭素鋼試験体(SS400)に耐熱接着材を用いて光ファイバセンサを接着し､試験体を 200℃に加熱した状態で光ファイバセンサの受信感度を測定した｡
試験体が高温状態であるため感度確認時の励起源は鉄球を落下させその衝撃波の初動波を測定した｡この結果より､約 7,000 時間経過した段階で感度の劣化は約 30%程度であることから長期間の高温環境においても十分な感度を維持していることを確認した｡[3] D.I.Blef, J.G.Miller: High-frequency Continuous Wave

pp.413-421,(1997).
Ultrasonics, Physical Acoustics, vol.8 , pp.95, (1971).
[4] K.Kawashima, O.B.Wright: Resonant Electromagnetic
Excitation and Detection of Ultrasonic Waves in Thin
Sheets, J.Appl.Phys. 72(10), pp.4830, (1992).
[5] 佐々木恵一、高橋雅士；光ファイバドップラセンサを用いた電磁超音波共鳴法による金属厚さ測定、溶接構造シンポジウム 2006 講演論文集,pp.677, (2006)[6] 高橋雅士、他；光ファイバドップラを利用した電磁超音波共振法による金属配管厚さ測定、日本保全学会「検査・評価・保全に関する連携講演会(1)」論文集、
p.147, (2008)[7] 白井武広 他: 光ファイバを用いた電磁超音波共振法による配管減肉測定システム、日本非破壊検査協会
表面探傷・保守検査合同シンポジウム, (2008).

Fig.14 光ファイバセンサ長期耐熱試験結果(200℃)

５．結論
光ファイバセンサと EMAT を用いた電磁超音波共振法により金属材料の肉厚を従来手法の超音波厚さ計と変わらない 0.1mm 精度で正確にエルボ形状の配管肉厚