JP5634072B2

JP5634072B2 - 配管・機器監視装置及び方法

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Publication number: JP5634072B2
Application number: JP2010007356A
Authority: JP
Inventors: 山下　善弘; 善弘山下; 藤井　誠; 誠藤井; 晃生隅田; 黒田　英彦; 英彦黒田; 和美渡部; 佐々木　恵一; 恵一佐々木; 清水　俊一; 俊一清水; 日隈　幸治; 幸治日隈; 幸太郎枌
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: JP2011145219A

Description

本発明は、検査対象物である配管または機器に生じた減肉やき裂等の欠陥を、電磁超音波探触子を用いて検出する配管・機器監視装置及び方法に関する。

原子力または火力発電プラントの配管または機器の運転中に生ずる冷却材による腐食やエロージョンによる減肉は、定期点検時に超音波を用いて一定周期で点検されている。

近年、地球温暖化の問題に対処するために低ＣＯ_２発電である原子力発電の稼働率の向上が望まれており、定期点検周期の現状１３ヶ月からの延長が必要となる。

また、従来のプラントでは、更に設備利用率の向上を図るために、今後５％以上のプラント増出力が実施される見込みである。

今後、１３ケ月以上の長期サイクル運転や５％以上のプラント増出力が実施された場合には、点検周期内で万一の異常に進展する減肉を検出することは困難である。長期化した点検周期と、プラント増出力による冷却材（水）の流量増加は、腐食環境の変化とエロージョンの進展増の可能性を払拭できない。

プラント運転中に配管または機器に想定外の急激な減肉が発生し、この減肉箇所から冷却材の漏洩が万一発生した場合、プラントの計画外の停止と漏洩場所の復旧のために、プラントの再起動までに多くの時間と費用が必要になる。このため、プラント設備の利用率向上とプラントの信頼性確保の観点から、プラント運転中の状態監視の適用が進められており、冷却材漏洩のリスクを早期に発見し防止するために、配管または機器の減肉監視が不可欠になる。

また、センサを常設する方法ではケーブル、電源等の問題等があり、配管または機器の設備状況をプラント全体に渡って監視することは困難であった。

そこで、外部電源や伝送ケーブルが不要で、プラント運転中に配管または機器の減肉を監視する技術として、減肉しそうな部位に周方向に帯状にＩＣタグを複数設置して、管内流体による歪みを減肉しそうな部位の前後で周方向に比較監視する技術が開示されている(例えば、特許文献１参照)。

特開２００６−２８３７７６号公報

ところが、特許文献１に記載の配管の状態監視技術では、配管に取り付けられたＩＣタグにより配管の歪みを検出することで、配管の状態（き裂や減肉など）を間接的に監視するものであり、この配管の状態を直接的に監視するものではないので、正確に検出しているとは必ずしもいえない。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、プラントの運転中に、このプラントを構成する配管または機器に生じた欠陥、特に表面亀裂を直接的に且つ早期に検出して、配管または機器の健全性を監視できる配管・機器監視装置及び方法を提供することにある。

本発明に係る配管・機器監視装置は、配管または機器の外表面に永久磁石で装着され、超音波を送受信する電磁超音波探触子と、前記電磁超音波探触子で計測された計測データを送信する無線送信手段と、前記電磁超音波探触子及び前記無線送信手段に給電する自己給電手段と、前記計測データを受信して欠陥を求める信号処理手段と、を備え、前記電磁超音波探触子は、励起・受信コイルが前記永久磁石を内包するように巻き回されて構成されると共に、前記励起・受信コイルの軸心が、前記配管または機器の前記外表面に接する平面内で、前記配管または機器の軸方向に対し直交して設けられ、前記電磁超音波探触子が励起し送受信する超音波は、前記励起・受信コイルに通電されたときに前記配管または機器の前記外表面に励起される渦電流と、前記永久磁石が前記配管または機器の前記外表面に形成する磁場とにより生ずるローレンツ力によって発生する、前記配管または機器の前記外表面を伝播する横波の超音波であり、前記信号処理手段が求める欠陥が、前記配管または機器に生じた表面亀裂であることを特徴とするものである。

本発明に係る配管・機器監視装置及び方法によれば、配管または機器に常時装着された電磁超音波探触子からの超音波を用いて、プラントの運転中に配管または機器に生じた欠陥、特に表面亀裂を直接的に且つ早期に検出して、配管または機器の健全性を監視できる。

本発明に係る配管・機器監視装置の第１の実施の形態を示す構成図。図１の電磁超音波探触子を示す構成図。図１のハーベスタ電源の一例を示す構成図。本発明に係る配管・機器監視装置の第２の実施の形態を示す構成図。図４のＶ矢視図。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図３）
図１に示す配管・機器監視装置１０は、原子力発電プラントまたは火力発電プラントなどのプラントを構成する、検査対象物としての配管１に装着された電磁超音波探触子１１（ＥＭＡＴ：ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＡｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）から送信され、且つこの電磁超音波探触子１１にて受信される超音波を用いて、配管１に生じた欠陥、特に減肉を検出するものである。

ここで、配管１は、内部に高温の流体（例えば高温蒸気、高温加圧水など）が流れることで、２００℃から６００℃の高温状態にある。例えば、配管１は、原子力発電プラントでは約３００℃程度である。

また、この配管１は、内部を流れる上記流体により内表面が腐食やエロージョンによって削られ、減肉現象が生じる。配管・機器監視装置１０は、この配管１の板厚を定量的に計測することで、配管１に生じた減肉を直接検出する。

配管・機器監視装置１０は、検査対象物である配管１に常時装着されるセンサ部１０Ａと、このセンサ部１０Ａから離れて設置された信号処理手段としての信号処理部１０Ｂと有してなり、センサ部１０Ａは、電磁超音波探触子１１、無線送信手段としての無線送信機１２、自己給電手段としてのハーベスタ電源１３、及びキャパシタ１４を有して構成される。電磁超音波探触子１１、無線送信機１２及びキャパシタ１４がセンサケーシング１５に内蔵され、ハーベスタ電源１３が例えばセンサケーシング１５の外面に取り付けられている。また、信号処理部１０Ｂは、後述の中継器２１及び演算器２２を有して構成される。

電磁超音波探触子１１は、図１及び図２に示すように、永久磁石１７、励磁・受信コイル１８及び電位差計１６を有して構成され、後述の如く、縦波の超音波Ｐ１を励起して送信し、縦波の超音波パルスエコーＰ２を受信する。この縦波の超音波Ｐ１、超音波パルスエコーＰ２は、配管１の板厚の計測に適したものであり、これにより、配管１に生じた減肉が検出される。尚、減肉箇所を図１及び図２において符号４で示す。

永久磁石１７は、配管１の温度が数１００℃の高温になっていることから、キュロー点が５００℃以上であり、２００℃〜６００℃の高温でも磁力の低下が少ない高温用磁石が用いられる。例えば、この永久磁石１７はサマリウム・コバルト磁石、またはアルミニウム・ニッケル・コバルト磁石などが用いられる。この永久磁石１７が配管１の外表面２に垂直に設置されることにより、配管１の外表面２に、配管１の軸方向Ｍに平行な磁場１９が形成される。

また、一般に、超音波探触子は水やグリースなどのカプラントによって検査対象物に接着されるが、検査対象物である配管１が数１００℃の高温状態にあっては、カプラントは揮発したり流出してしまう。本実施の形態では、永久磁石１７の磁力の作用によって、電磁超音波探触子１７を内蔵するセンサ部１０Ａが配管１の外表面に常時装着される。

励磁・受信コイル１８は、その軸心Ｏが、配管１の軸方向Ｍと平行に配置される。そして、ハーベスタ電源１３からキャパシタ１４に蓄電された電力によって励磁・受信コイル１８に高周波のパルス電流が流されると、配管１の外表面２にパルス状の渦電流２０（図２）が励起される。この渦電流２０と配管１の外表面２に生じた磁場１９とによってローレンツ力が発生し、このローレンツ力が配管１の外表面２に垂直な方向のパルス状の衝撃力となって、配管１の外表面２から垂直方向にパルス状の縦波の超音波Ｐ１が発生する。

この縦波の超音波Ｐ１は、配管１の内表面３（減肉箇所４の内表面を含む）で反射し、超音波パルスエコーＰ２として配管１の外表面２に到達し、この外表面２の振動が磁場１９を振動させる。すると、この磁場１９の振動により、ファラデーの法則によって励磁・受信コイル１８にパルス状の電位差が励起される。励磁・受信コイル１８に最初に超音波パルス電流が通電されてから、励磁・受信コイル１８に上述の電位差が励起されるまでの時間差が、超音波Ｐ１及び超音波パルスエコーＰ２の伝播時間の総和となる。

配管１の断面を伝播する縦波の超音波Ｐ１及び超音波パルスエコーＰ２の音速は共に等しく、材料物性値によって決まっており、鋼の場合には一般に約５０００ｍ／ｓとなる。従って、この音速と前述の超音波Ｐ１及び超音波パルスエコーＰ２の伝播時間の総和とから、配管１の板厚を、これらの配管１に非接触状態で直接計測することが可能になり、配管１の減肉状況を検出できる。

尚、励磁・受信コイル１８に供給される超音波パルス電流の周波数またはパルス幅を調整することで、励磁・受信コイル１８に励起される超音波Ｐ１の周波数が設定される。従って、この超音波Ｐ１の周波数を数１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚの範囲で設定することにより、配管１の板厚（つまり減肉）の計測精度を１ｍｍ以内に制御することが可能になる。

実際には、超音波パルスエコーＰ２に基づく磁場１９の振動によって励磁・受信コイル１８に励起されるパルス状の電位差は、この励起・受信コイル１８に接続された電位差計１６にて計測される。この計測データは、電位差計１６に接続された無線送信機１２を用いて、信号処理部１０Ｂを構成する中継器２１を経て、同じく信号処理部１０Ｂを構成する演算器２２へ送信される。そして、この演算器２２が、励磁・受信コイル１８に最初に高周波パルス電流が通電されてから上述の電位差が励起されるまでの時間差を演算し、この時間差に基づき配管１の板厚を計測し、その減肉状況を求める。すなわち、信号処理部１０Ｂの演算器２２が電磁超音波探触子１１による計測データから減肉状況を求める。

上述のようにして、配管１にセンサ部１０Ａが常時装着、特に電磁超音波探触子１１が常時装着されることで、原子力または火力発電プラントの運転中における配管１の減肉状況が状態監視されて、この減肉が、配管１内を流れる高温流体（例えば冷却材）の漏洩に至る前の初期段階で検出される。

ところで、センサ部１０Ａにおけるハーベスタ電源１３は、例えば配管１の温度に基づきペルチェ素子を用いて発電したり、配管１の振動に基づきピエゾ素子を用いて発電する自己発電機能を有する。ハーベスタ電源１３にて発電された電力はキャパシタ１４を経て、つまりキャパシタ１４に蓄電された後、電磁超音波探触子１１及び無線送信機１２へ給電される。ペルチェ素子２３を用いたハーベスタ電源１３の一例を図３に示す。

つまり、数１００℃に保たれた高温の配管１の外表面２は保温材２４により覆われて、数１０℃の外気に対し保温されている。そして、この高温の配管１の外表面２にヒートパイプ２５の基端が固着され、このヒートパイプ２５の先端にペルチェ素子２３の裏面２３Ｂが接着される。これにより、ペルチェ素子２３の裏面２３Ｂに高温の配管１の熱が効率的に伝熱される。また、ペルチェ素子２３の表面２３Ａにはヒートシンク２６が接着されている。これにより、ペルチェ素子２３の表面２３Ａが外気により効率的に冷却される。

従って、数１００℃の高温の配管１の熱が伝熱されるペルチェ素子２３の裏面２３Ｂと、数１０℃の外気により冷却されるペルチェ素子２３の表面２３Ａとの間には、１０〜１００℃以上の温度差が生じ、これにより、数ｃｍの矩形のペルチェ素子２３であっても、数１０ｍＷ以上の電力を得ことが可能になる。

プラント運転中にあっては、配管１の外表面２の温度が数１００℃以上に保たれ、且つ外気温が数１０℃であることから、ペルチェ素子２３が発生する電力は、電磁超音波探触子１１及び無線送信機１２を駆動する電力を定常的に得ことが可能になる。より大きな電力が必要な場合には、ペルチェ素子２３、ヒートパイプ２５及びヒートシンク２６の容量を増大させることで対処することが可能になる。

以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。

（１）配管１に常時装着されたセンサ部１０Ａの電磁超音波探触子１１が送受信する縦波の超音波Ｐ１及び超音波パルスエコーＰ２を用いて、プラント運転中に配管１に生じた減肉を直接検出し、この配管１を状態監視して減肉を初期段階で検出している。このため、運転中のプラントを構成する配管１に生じた減肉を正確に且つ早期に検出して、配管１の健全性を監視できる。この結果、例えば、原子力発電プラントの配管１の減肉により配管１から冷却材が漏洩する事象を未然に防止でき、プラントの計画外の停止を回避できる。

（２）配管・機器監視装置１０のセンサ部１０Ａには電磁超音波探触子１１が具備されることから、カプラントを不要にでき、しかも配管１の減肉を含む欠陥を非接触状態で検出できる。また、電磁超音波探触子１１を構成する永久磁石１７が、２００℃〜６００℃の高温に対しても磁力の低下が少ない高温用磁石が用いられたことから、電磁超音波探触子１１を具備するセンサ部１０Ａは、原子力発電プラントや火力発電プラントの高温の配管１に対しても、その減肉を含む欠陥を好適に検出することができる。

（３）電磁超音波探触子１１の電位差計１６にて計測された電位差データ（計測データ）が無線送信機１２を用いて中継器２１へ無線送信され、演算器２２で演算処理されて配管１の減肉が検出されることから、計装ケーブルを不要にできる。この結果、配管１と保温材２４との間にセンサ部１０Ａを設置することが可能になり、その場合に計装ケーブルが存在しないことから、センサ部１０Ａの設置の作業性が良好になる。更に、現地の建屋内における計装ケーブルの増加を回避できる。

（４）自己発電機能を有するハーベスタ電源１３にて発電された電力が、電磁超音波探触子１１及び無線送信機１２へ給電されることから、電磁超音波探触子１１及び無線送信機１２へ給電するための電源ケーブルや、電磁超音波探触子１１及び無線送信機１２への給電用電池を不要にできる。この結果、電源ケーブルの敷設作業や定期的な電池交換作業を削除することができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図４、図５）
図４は、本発明に係る配管・機器監視装置の第２の実施の形態を示す構成図である。この第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の配管・機器監視装置３０が第１の実施の形態の配管・機器監視装置１０と異なる点は、センサ部３０Ａに内蔵された電磁超音波探触子３１により配管１に励起される超音波Ｓ１と、受信する超音波パルスエコーＳ２が共に横波であり、これらの超音波Ｓ１及び超音波パルスエコーＳ２を用いて、配管１に生じた欠陥、特に表面亀裂５を検出する点である。

尚，表面亀裂５は、ＳＳＣ（Ｓｔｒｅｓｓ−ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＣｒａｃｋｉｎｇ）や疲労欠陥、溶接肉盛部の表面欠陥などである。また、配管・機器監視装置３０の信号処理部（不図示）は、第１の実施の形態と同様に中継器２１及び演算器２２を有して構成される。

電磁超音波探触子３１は、永久磁石３２、励磁・受信コイル３３及び電位差計１６を有して構成される。永久磁石３２は、第１の実施の形態の永久磁石１７と同様に高温用磁石であるが、配管１の外表面２に設置されることで、配管１の軸方向Ｍに垂直な磁場３４が、配管１の外表面２に形成される。また、この永久磁石３２の磁力によって、電磁超音波探触子３１を内蔵するセンサ部３０Ａが配管１に常時装着される。

励磁・受信コイル３３は、図４の手前から奥側へ向かって永久磁石３２を内包するように巻き回されてなり、図５に示すように、その軸心Ｑが配管１の軸方向Ｍに対し水平面内で直交して配置される。

そして、ハーベスタ電源１３からキャパシタ１４に蓄電された電力によって、励磁・受信コイル３３に高周波のパルス電流が流されると、配管１の外表面２にパルス状の渦電流３５が励起される。この渦電流３５と配管１の外表面２に生じた前記磁場３４とによってローレンツ力が発生し、このローレンツ力により、配管１の外表面２に平行な方向で、配管１の軸方向Ｍに沿って伝播するパルス状の横波の超音波Ｓ１が発生する。

この横波の超音波Ｓ１は、配管１に生じた表面亀裂５で反射して超音波パルスエコーＳ２となり、配管１の外表面２の磁場３４を振動させる。すると、この磁場３４の振動により、ファラデーの法則によって励磁・受信コイル３３にパルス状の電位差が励起される。励磁・受信コイル３３に最初に超音波パルス電流が通電されてから、この励磁・受信コイル３３に上述の電位差が励起されるまでの時間差が、超音波Ｓ１及び超音波パルスエコーＳ２の伝播時間の総和となる。

配管１の外表面２を伝播する横波の超音波Ｓ１及び超音波パルスエコーＳ２の音速は共に等しく、材料物性値によって決まっており、鋼の場合には一般に約３０００ｍ／ｓになる。従って、この音速と前述の超音波Ｓ１及び超音波パルスエコーＳ２の伝播時間の総和とから、配管１に生じた表面亀裂５の発生箇所と大きさが検出される。

本実施の形態においても、実際には、超音波パルスエコーＳ２に基づく磁場３４の振動によって励磁・受信コイル３３に励起されるパルス状の電位差は、この励起・受信コイル３３に接続された電位差計１６にて計測される。この計測データは、電位差計１６に接続された無線送信機１２を用い、中継器２１を経て演算器２２へ送信される。そして、この演算器２２が、励磁・受信コイル３３に最初に高周波パルス電流が通電されてから上述の電位差が励起されるまでの時間差を演算し、この時間差に基づき配管１に生じた表面亀裂５を検出する。

この配管・機器監視装置３０のセンサ部３０Ａにおいても、配管１に電磁超音波探触子３１が常時装着されて、プラント運転中における配管１の表面亀裂５が状態監視され、表面亀裂５が初期段階で検出される。

以上のように構成されたことから、本実施の形態においても第１の実施の形態の効果（２）〜（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。

（５）配管１に常時装着されたセンサ部３０Ａの電磁超音波探触子３１が送受信する横波の超音波Ｓ１及び超音波パルスエコーＳ２を用いて、プラント運転中に配管１に生じた表面亀裂５を直接検出し、この配管１を状態監視して表面亀裂５を初期段階で検出する。このため、運転中のプラントを構成する配管１に生じた表面亀裂５を正確且つ早期に検出して、配管１の健全性を監視できる。

尚、第１及び第２の両実施形態では、配管・機器監視装置１０、３０が超音波を用いて欠陥を検出する検査対象が配管１の場合を述べたが、配管１以外の機器であってもよい。

１配管
４減肉箇所（欠陥）
５表面亀裂（欠陥）
１０配管・機器監視装置
１１電磁超音波探触子
１２無線送信機
１３ハーベスタ電源
１７永久磁石
１８励起・受信コイル
３０配管・機器監視装置
３１電磁超音波探触子
３２永久磁石
３３励起・受信コイル
Ｐ１超音波
Ｐ２超音波パルスエコー
Ｓ１超音波
Ｓ２超音波パルスエコー

Claims

配管または機器の外表面に永久磁石で装着され、超音波を送受信する電磁超音波探触子と、
前記電磁超音波探触子で計測された計測データを送信する無線送信手段と、
前記電磁超音波探触子及び前記無線送信手段に給電する自己給電手段と、
前記計測データを受信して欠陥を求める信号処理手段と、を備え、
前記電磁超音波探触子は、励起・受信コイルが前記永久磁石を内包するように巻き回されて構成されると共に、前記励起・受信コイルの軸心が、前記配管または機器の前記外表面に接する平面内で、前記配管または機器の軸方向に対し直交して設けられ、
前記電磁超音波探触子が励起し送受信する超音波は、前記励起・受信コイルに通電されたときに前記配管または機器の前記外表面に励起される渦電流と、前記永久磁石が前記配管または機器の前記外表面に形成する磁場とにより生ずるローレンツ力によって発生する、前記配管または機器の前記外表面を伝播する横波の超音波であり、
前記信号処理手段が求める欠陥が、前記配管または機器に生じた表面亀裂であることを特徴とする配管・機器監視装置。
前記永久磁石が、サマリウム・コバルト磁石またはアルミニウム・ニッケル・コバルト磁石であることを特徴とする請求項１に記載の配管・機器監視装置。