携行可能な細管内面損傷測定装置の開発
田中秀樹

長谷川尚哉 †Development of Portable Damage Measurement Device for
Inside of Thin Tube
Hideki TANAKA

Naoya HASEGAWA

We developed the mesuring system using the light section method for the purpose ofmeasure the inside damage of thin tubes. We developed the mesuring system used it. Also,
we inspected about the preciseness of the measurements. The system we constructed has
two problems. The one problem is that the device is too large to carry. The other problem
is that the system takes much of time in shooting and saving images. So we made the devicesmaller and lighter as keeping up mesuring function. And we improved measuring program
to quicker the process for shooting and saving images.
Keywords: Non-Destructive Measurement, Light Section Method, Damage on Inside of Tube,
Circle Line Laser, Image Processing
細管内面に発生する損傷に対する非破壊計測法として、レーザ光切断法を用いた手法を提案した。これまで、提案手法を用いたシステムを構築するとともに、計測精度についての検証を行ってきた。構築したシステムについては、現場への運搬を考えた場合に寸法と重量に問題があり、さらに画像撮影・保存の処理時間に課題を残していた。そこで、計測機能を維持したまま装置を小さく、軽くする製作に取り掛かり、これを実現した。さらに、計測プログラムを改良して計測結果に影響を及ぼしていた画像撮影・保存処理の高速化を図った。
キーワード: 非破壊計測、光切断、管内面損傷、サークルライン・レーザ、画像処理

1まえがき必要である。逆に管の内側から計測する場合には発電所、化学プラントなどの施設においては様々使用できる計測器がほとんど存在しない。

管1本な管が用いられている。特に熱交換器のチューブにごとに計測することになり作業時間がかかる。これ

ついては使用時の温度条件が厳しく、またチューブらの問題を満足する手法として、渦流探傷法が一般の寿命に影響のある流体が用いられるなど、過酷な的に用いられている。

条件で使用される。実際に熱交換器のチューブには、一方、検査コストの低減のためには検査の実施間減肉、内面の孔食、割れなどの損傷の発生が報告さ隔の検討が必要であり、実際に損傷発生予測に対すれている(1),(2) 。損傷を放置すると事故の発生につなる研究(3)–(5) が行われ、検査の効率化が図られていがるため損傷計測の実施が必要である。しかし、熱る。管の余寿命予測のためには、損傷寸法および管交換器のチューブは管の内径が細いうえに長く、複上における損傷の位置情報の把握が必要不可欠であ数の管が束となっているため、チューブ内面の損傷る。しかし、渦流探傷法では原理上、管軸方向に対計測には次にあげる問題が存在する。管の外側へ計する損傷位置および円周上の損傷位置を特定できな測器を配置して計測する場合には、いという課題が残っている。そこで、渦流探傷法を大型の装置が補完する計測手法として光切断による損傷計測法を†日本システムデザイン (株), 広島市

提案し(6)–(8) 、計測システムを構築した。構築したシ– 59 –

ステムは研究開発用としての利用も考えているため、光切断線装置が大きく重い。そのうえ、装置を持ち運ぼうと
レーザ
発振器

すると複数のケースに格納することになるので、現CCDカメラ場への運搬には労力を要する。
そこで、持ち運びを容易にするため計測機能を維

図 1 プローブの原理図
プローブ

持したまま、小型軽量化した装置を製作した。さらに、計測結果に影響を及ぼしていた画像撮影・保存の処理時間を改善した。

2レーザ発振器

CCD
カメラ

電源

CCU

システムの概要距離測定ユニット

今回製作した装置の原理は前報(6)–(8) に詳述してキャプチャ エンコーダボード
カウンタボード

いるが、原理とシステム構成を簡単に記述する。

2.1

原

理

画像解析装置(PC)

光学的に円形照射するレーザ発振器と小型 CCD

図 2 システムブロック図

カメラとを同一軸上で対向して配置する。レーザ発振器と CCD カメラを 1 つのユニットに納め (プローブ)、これを管内に挿入すると管内面にレーザによる光切断線が現われる。損傷のない場合には CCD カ
メラで撮影した光切断線 (光切断画像) が円として確認できる。プローブを管に挿入した時の様子を図 1に示す。ここで、図ではレーザ発振器と CCD カメ

525 本、アスペクト比 4:3 である。画像解析装置の入力可能な画像サイズは 640 × 480 画素で、管内径21mm に対する画像の分解能は、プローブの初期設定では 1 画素当たり 0.05mm である。また、使用するコンピュータは MPU Celeron 1GHz、メインメモ
リ 128MB である。

ラを納めるユニットを省略している。
光切断画像では管内面の損傷に応じた光切断線のひずみが生じるので、この損傷とひずみ量との相関関係から損傷が推定できる。

2.2

3
3.1

課

従来型の課題と対策

題前報で製作した管内損傷計測装置 (従来型)(6)–(8) にシステム構成は取り扱いに課題が残された。その課題を次に示す。

本システムはプローブ、レーザ発振器用電源、CCD• 装置の寸法が大きく、重い。

カメラのコントロールユニットである CCU、プロー• 画像撮影後に光切断線の輪郭の抽出処理を行い、ブの管内移動量を求める距離測定ユニット、光切断その後画像を保存するため画像の取りこぼしが線から損傷を計測する機能を持つ画像解析装置から多い。

構成される。画像解析装置には CCD カメラ画像を前者の課題について、従来型には運搬用のケース入力するためのキャプチャボード、距離測定ユニッがあるが全ての機器を収納するとケースが 3 つとな

トからのエンコーダ信号を取り込むためのエンコーり、作業現場への持ち運びを考えた場合には現実的ダカウンタボードを有する。製作したシステム構成ではない。後者の課題について、計測用の画像撮影を図 2 に示す。

はプローブの移動距離に同期させることができ、そ次に部品の主な仕様を説明する。プローブは管内の値は任意に設定可能であるが、プローブの移動速面観測用の窓を開けた、直径 19mm × 330mm の度の速い場合には処理が追いつかずに画像を取りこ円筒形状である。レーザ発振器の仕様は、出力波長ぼすことがある。移動距離の設定間隔が数 mm と短635nm、最大定格出力 5mW、ビーム径 0.8mm、放い時には画像の取りこぼしを防ぐためにプローブの射角 20 °(初期設定) である。CCD カメラの仕様は、移動速度を遅くしなければならず、現在行っている外径 12mm、有効画素数 768(H) × 494(V)、走査線人手による操作では 1mm 間隔の設定でも難しい。

– 60 –

表 1 寸法と重量の比較
寸法 (mm)重量 (kg)1680 × 500 × 575

3221075 × 380 × 170

153530 × 280 × 530

161640 × 420 × 255

2221075 × 380 × 170

15装置

従来型

新型

撮影、表示、保存、さらに損傷計測の機能を構築し(a) 外観ており、画像入力ボード、エンコーダカウンタボードの接続が必要という制約がある。このためなるべく体積の小さい PC を選択することで対応した。以上のような変更とケースへの機器のレイアウトを検討することで、図 3 の外観のように体積を小さくすることができた。
従来型と今回製作した装置 (新型) との寸法および重量の比較を表 1 に示す。表の装置列の数字は任意に付けたケース番号であり、番号 2 は従来型、新型とも同じケースであり、プローブ、距離測定ユニッ(b) 内部配置

トならびにプローブを管内に挿入するための挿入棒

図 3 装置の外観を収納する。特に挿入棒は長いためケース寸法も大きい。従来型の番号 1、3 はそれぞれ画像解析蓄積装3.2

対策置、コントロールユニットのケースであり、これを3.1 の課題を解決するため、装置の小型化ならびに新型では番号 1 の寸法のケースに収まるようにまと画像保存プログラムの改良を行った。

めた。従来型と新型の体積および重量の合計は、そ(1) 装置の小型化、軽量化

れぞれ 0.34m3 、0.14m3 、63kg、37kg であり、体積現在使用している機器のうち体積の大きいものを比 (新型/従来型) は 41%、重量比は 59%と体積比、小さくすることが、装置の小型化に大きく影響する重量比とも大幅に低減することができた。

ことは明らかである。このため、従来型を構成する機(2) 画像保存プログラムの改良器のうち体積の大きいものを調べると、コントロー

管内面の損傷計測ではプローブの移動距離に同期ルユニットと画像蓄積解析装置(6) であり、したがっした画像より、光切断線のひずみから損傷を計測すてこれを運搬するためのケースも大きなものが必要る。計測においては画像を撮影する間隔が狭いほどとなっている。

管軸方向の分解能が高くなるため、文献(8) では画像

そこで、2 つの装置の機能を 1 つのケースの中に撮影と損傷計測処理とを分離させた。従来型では画構築することで、携行を可能とする装置の製作を目像撮影時において、指した。コントロールユニットはプローブ・距離測定

ジ抽出、 画像・エッジ座標の保存という処理を行っユニットと画像蓄積解析装置とのインターフェースており、プローブの移動速度が速い場合には距離測を担う機器である。プローブと距離測定ユニットの定位置と画像撮影位置とが同期しないことがある。

インターフェース部をそれぞれ分離して再配置が可

しかし、プローブの移動は人手で行っているため極能であることから小型化が可能である。画像蓄積解端に細かい間隔の操作は難しい。距離測定位置と画

析装置はパーソナルコンピュータ (PC) 上に画像の– 61 –画像撮影、光切断線のエッ軸方向最大寸法

表 2 画像撮影処理時間の比較
装置

処理時間 (ms)誤り割合 (%)

従来型0.243—

新0.13437型

重心

円周方向最大寸法送り向き
角度

像撮影位置とを同期させるため、ならびに計測処理

計測開始位置からの距離

光切断線
管断面の迅速化のためには画像関連処理の高速化が適しており、画像撮影処理では単に画像撮影、保存のみを図 4 計測項目内容行うプログラムとした。プログラムの開発言語とし
表 3 管内径 φ21mm に対する計測結果ては Visual C++ 6.0 を用いた。なお、従来型のプ項目

ログラムは Visual Basic で開発した。
作成したプログラムの画像撮影処理の評価のために、従来型と新型のそれぞれについて、1 画像を撮影して保存するまでの処理時間を測定した。また、新円周
管軸
角度
位置

2.01.81.5
143
1.5

2.5
2.4
2.01592.0

3.0
2.72.51502.0

損傷穴径 (mm)3.54.04.5
3.34.04.7
3.03.53.5140147154
2.5
3.0
3.55.04.94.5155
3.05.55.65.0153
4.0型についてはプロープの移動距離 100mm、移動速度3.3mm/s、撮影間隔 1.0mm の条件のもとで、距離測解析結果を表 3 に示す。表の円周、管軸、角度、定位置と画像撮影位置とが一致しない割合について位置はそれぞれ、円周方向の損傷最大寸法、管軸方調べた。この結果を表 2 に示す。

向の損傷最大寸法、損傷の重心点を通る管断面上の結果より 1 画像に対する処理時間は新型が従来型角度、管軸方向の重心点位置を表わす。プローブ移よりも約 2 倍早く処理できることが分かる。距離測動開始位置は各穴とも穴の端より 1.0mm 程度外側か定位置と画像撮影位置とが一致しない割合は、新型らとした。

のみについて調べ 37% であった。処理時間から考え結果より円周方向、管軸方向、重心点の位置の誤て従来型では約 2 倍の割合となると推測できる。以差はそれぞれ最大 0.3mm、1.0mm、0.75mm である。

上結果からプログラムの改良により画像撮影処理が円周方向の誤差は従来型で計測した時より 0.1mm 誤向上したことが示された。

差が増加しているが、測定誤差の範囲と思われる。
管軸方向の誤差については従来型と比較して 1.0mm

44.1

損傷計測実験誤差が低下した。位置については従来型での計測は行っておらず新型のみの判断となるが、管軸方向の計測項目撮影された画像より損傷の検出と計測を行うプロ

分解能が 0.5mm であることを考えると、最大誤差グラムを従来型より移植した。プログラム開発にはの 0.75mm は誤差範囲内と考えられる。以上の実験

LabVIEW を用いており、LabVIEW をインストー結果から損傷計測が正しく行えることが確認できた。

ルしていない新型装置に移植するために単独実行形

特に管軸方向に対する計測精度が向上した。

式で作成した。損傷の計測項目は図 4 に示すように、損傷の重心を基準とした、管軸方向の最大寸法、円周方向の最大寸法、損傷の角度、計測開始

5むすび前報で構築した計測装置の課題を解決するために、位置からの距離である。

小型化と軽量化を行った装置をあらたに構築した。

4.2

従来の装置より体積比 41%、重量比 59%と大幅に小実験結果

側面に丸穴を開けた管の損傷を計測した。実験に型化、軽量化が実現できた。このことにより、本装用いる管は内径 φ21mm で、穴の直径は 2.0, 2.5, 3.0,置による現場での損傷計測が促進されるものと思わ

3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5mm の 8 つの大きさである。画れる。また、画像撮影・保存の処理時間を改良する

像撮影はプローブの移動量の 0.5mm ごととした。

ことで、管軸方向の計測精度を高めることと、作業– 62 –

性の向上に成功した。
今後は現在人手で挿入しているプローブに対して、作業者の負担の軽減ならびに軸方向の計測精度のさらなる向上のため、機械的な方法について検討を行う予定である。
謝 辞

本研究は中小企業技術開発産学官連携促進事業 (中小企業庁補助金) の一環として実施した。記して関係各位に感謝の意を表する。
参考文献(1) 溝口茂, 矢野清之助, 山本一雄, 緒方良昭, “ボイラー節炭器管の内面腐食事例,” 腐食防食講演集,vol.1987, pp.205–208, 1986.
(2) 日本材料学会, 熱交換器の管理と余寿命予測, 日本材料学会, 1996.

(3) 藤山一成, 井関崇司, 中谷祐二郎, 竹村信一, “蒸気管熱衝撃割れの計測に基づく熱応力および熱疲労寿命評価システム,” 日本機械学会計算力学
講演会講演論文集, vol.12, pp.369–370, 1999.

(4) 佐藤武司, 渡辺豊, 庄子哲雄, 加藤靖, 中里俊晴,
東正樹, 中原正大, “遺伝的アルゴリズムによる熱交換器腐食寿命支配因子の評価,” 材料と環境討論会講演集, vol.1997, pp.213–216, 1997.

(5) 中原正大, 新崎雅人, “極値統計データ (λ, α) を基にした冷却水環境における炭素鋼熱交換器の寿命予測,” 腐食防食討論会講演集, vol.40, pp.441–444, 1993.
(6) 田中秀樹, 世良英美, “光切断法による細管内面の損傷計測 (第 1 報),” 広島市工業技術センター
年報, vol.13, pp.61–66, 1999.

(7) 田中秀樹, “光切断法による細管内面の損傷計測(第 2 報),” 広島市工業技術センター年報, vol.14,pp.64–70, 2000.
(8) 田中秀樹, “光切断法による細管内面の損傷計測(第 3 報),” 広島市工業技術センター年報, vol.15,pp.55–59, 2001.

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