JP5829674B2 - 管の超音波検査装置及び管の超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は管の超音波検査装置及び管の超音波検査方法に関し、特にボイラーチューブ、熱交換器チューブ等の管の損傷を水浸式超音波探傷法により検査する管の超音波検査装置及び管の超音波検査方法に関する。

石油精製プラントや化学プラントでは、多管式熱交換器が多数使用されている。これら熱交換器に用いられている伝熱管の腐食は、設備保全上重要な問題である。このような伝熱管の腐食状態は構造的に目視その他による検査ができず、また残余寿命の推定等の定量的な評価が必要な場合には熱交換器から伝熱管を抜き出し破壊検査を行っていた。

一方、これら管の非破壊検査手法として超音波探傷法が提案されている。超音波探傷法では、管の損傷を検査するためには検査対象の管内深くに探触子を挿入する。そのためには、探触子を検査対象の管にスムーズに挿入できることが重要である。また、検査の際には、探触子を管内の適切な位置に置いて検査するようにしなければならない。

例えば、スプリングガイドとアクリル製のシューにより探触子の管内移動を滑らかにしつつ、探触子の位置決めをしようとする技術が知られている（特許文献１参照）。また、ローラーやスプリングにより探触子の管内移動を滑らかにしつつ、探触子の位置決めをしようとする技術が知られている（特許文献２参照）。

特開平０２−１７６４６０号公報 特公平０３−０７６４１７号公報

しかしながら、従来の技術では、探触子の管内移動が充分にスムーズではなく、探触子の位置決めが充分に正確ではなかった。特に、検査対象である管の形状が異なると、探触子の滑らかな管内移動や探触子の正確な位置決めをすることが困難であった。

本発明の目的は、探触子をスムーズに管内で移動させ、探触子を正確に管内で位置決めして、管の損傷を検査することができる管の超音波検査装置及び管の超音波検査方法を提供することにある。

本発明の一態様による管の超音波検査装置は、超音波を発信し、超音波のエコー波を受信する探触子と、前記探触子から発信された超音波を被検査管へ反射し、前記被検査管からのエコー波を前記探触子へ反射するミラーとが収納され、前記探触子から前記ミラーへの超音波の伝達軸を中心としてミラーを回転させる回転機構を更に有する検査探触部と、前記探触子が発信する超音波と前記探触子が受信するエコー波に基づいて前記被検査管の検査データを処理するデータ処理部と、前記伝達軸が前記被検査管の中心軸にほぼ位置するように前記検査探触部を保持する保持部を有するセンタリング部材と、前記センタリング部材の外周の一側にのみ設けられ、前記被検査管の内管壁を吸引する磁石とを有する管の超音波検査装置であって、前記センタリング部材の、前記被検査管の軸方向に垂直な平面での外周の他側から前記伝達軸までの長さが、前記センタリング部材の、前記被検査管の軸方向に垂直な平面での外周の前記一側から前記伝達軸までの長さよりも短く、前記センタリング部材は、前記被検査管の管壁を吸引する磁石が外周の前記一側に設けられた第１センタリング部と、前記被検査管の管壁を吸引する磁石が外周の前記一側に設けられた第２センタリング部とを有し、前記第１センタリング部により保持される部分と前記第２センタリング部により保持される部分の間の前記検査探触部の近傍の少なくとも一部分が変形可能であることを特徴とする。

上述した管の超音波検査装置において、前記第１センタリング部により保持される部分と前記第２センタリング部により保持される部分の間の前記検査探触部の近傍にコイルバネを設け変形可能であるようにしてもよい。

上述した管の超音波検査装置において、前記第１センタリング部と前記第２センタリング部の前記被検査管の軸方向の外側に前記ミラーが配置されているようにしてもよい。

上述した管の超音波検査装置において、前記センタリング部材の外周の前記一側に、前記被検査管の管壁を走行する走行車輪を更に有するようにしてもよい。

本発明の一態様による管の超音波検査方法は、上述した管の超音波検査装置を用いた管の超音波検査方法であって、前記磁石により前記被検査管の管壁を吸引しながら、前記検査探触部を前記被検査管内で走行させ、前記被検査管の検査データを前記データ処理部で処理することを特徴とする。

上述した管の超音波検査方法において、前記被検査管が曲がっていてもよい。

以上の通り、本発明によれば、超音波を発信し、超音波のエコー波を受信する探触子と、探触子から発信された超音波を被検査管へ反射し、被検査管からのエコー波を探触子へ反射するミラーとが収納された検査探触部と、探触子が発信する超音波と探触子が受信するエコー波に基づいて被検査管の検査データを処理するデータ処理部と、検査探触部を保持する保持部を有し、被検査管の内管壁を吸引する磁石と、被検査管の管壁を走行する走行車輪とが外周の一側に設けられたセンタリング部材とを有するので、探触子をスムーズに管内で移動させ、探触子を正確に管内で位置決めして、管の損傷を検査することができる。

本発明の一実施形態による管の超音波検査装置の検査探触部を示す図である。 本発明の一実施形態による管の超音波検査装置における水距離と肉厚の測定方法の説明図である。 本発明の一実施形態による管の超音波検査装置の検査結果からの腐食態様の推定方法の説明図である。 本発明の一実施形態による管の超音波検査装置のセンタリング部材を示す図（その１）である。 本発明の一実施形態による管の超音波検査装置の使用状態を示す図である。 本発明の一実施形態による管の超音波検査装置のセンタリング部材を示す図（その２）である。

本発明の一実施形態による管の超音波検査装置について図１乃至図５を用いて説明する。図１は本実施形態による管の超音波検査装置の検査探触部を示す図であり、図４は本実施形態による管の超音波検査装置のセンタリング部材を示す図であり、図５は本実施形態による管の超音波検査装置の使用状態を示す図である。

本実施形態による管の超音波検査装置１０では、図１に示すように、探傷検査を行うための検査探触部１２を検査対象である被検査管２内に挿入して検査を行う。検査探触部１２にはフレキシブルホース１３が接続されている。被検査管２の外部には、検査の演算処理を行う超音波探傷器送受信装置４０が設けられている。

管の超音波検査装置１０の検査探触部１２は円柱形状をしており、検査探触部１２内には探触子１４が収納されている。探触子１４は被検査管２の検査のための超音波パルスを発信する。探触子１４前方には、探触子１４から発信された超音波パルスを反射して、被検査管２の管壁へ垂直に入射するためのミラー１６が設けられている。被検査管２の管壁の内表面及び外表面からのエコー波はミラー１６により探触子１４へ反射される。探触子１４は超音波パルスのエコー波を受信する。

ミラー１６は、図１に示すように、ミラー保持部１８により保持されている。ミラー保持部１８は、検査探触部１２のハウジング２０に対して、ベアリング２２を介し、回転自在に設けられている。

ミラー保持部１８にはタービン２４が設けられている。タービン２４により、被検査管２内を流れる水流の運動エネルギーが回転運動のエネルギーに変換され、ミラー保持部１８を回転させる。これにより、被検査管２の全周に超音波パルスを入射させて、被検査管２を全周にわたって検査する。

探触子１４にはケーブル１５が接続されている。ケーブル１５はフレキシブルホース１３内に収納され、被検査管２外部に引き出されている。

ケーブル１５は外部の超音波探傷器送受信装置４０に接続されている。超音波探傷器送受信装置４０は、超音波を送信し、そのエコー波の超音波を受信する。超音波探傷器送受信装置４０は、被検査管２内の水距離を測定する水距離測定用探傷器４０Ａと、被検査管２の肉厚を測定する肉厚測定用探傷器４０Ｂから構成されている。

水距離測定用探傷器４０Ａは、送信した超音波と、被検査管２の内壁からのエコー波（Ｓ１波）とから、ミラー１６から被検査管２の内壁までの水部分の距離（水距離）を示すアナログ信号を出力する。

肉厚測定用探傷器４０Ｂは、被検査管２の内壁からのエコー波（Ｓ１波）と、被検査管２の外面からのエコー波（Ｂ１波）とから、被検査管２の管壁の外面と内面との距離（肉厚）を示すアナログ信号とを生成する。

水距離測定用探傷器４０Ａからの水距離アナログ信号と、肉厚測定用探傷器４０Ｂからの肉厚アナログ信号は、アナログ／デジタル変換器４２によりデジタル信号に変換され、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）４４に入力される。ＰＣ４４により水距離、肉厚に基づいてデータ処理を行い、被検査管２の内面腐食と残肉厚等を検出する。

次に、本実施形態による管の超音波検査装置における水距離と肉厚の測定方法について、図２を用いて説明する。

被検査管２の検査のため、探触子１４は超音波パルスを発信する。探触子１４から発信された超音波パルスはミラー１６により反射されて被検査管２の管壁へ垂直に入射する。被検査管２の管壁に入射した超音波は、図２（ａ）に示すように、管壁の内表面でエコー波（Ｓ１波）として反射し、管壁の外表面でエコー波（Ｂ１波）として反射する。反射したエコー波（Ｓ１波）及びエコー波（Ｂ１波）は探触子１４により受信する。

探触子１４による探傷画面の一例を図２（ｂ）に示す。探傷画面には、超音波の発信波（Ｔ）とエコー波（Ｓ１波）とエコー波（Ｂ１波）が示されている。被検査管２の管壁内での減衰のため、被検査管２の外面からのエコー波（Ｂ１波）のピークは、被検査管２の内壁からのエコー波（Ｓ１波）のピークより低い。

エコー波（Ｓ１波）は取り出しゲートＧ１により抽出され、エコー波（Ｂ１波）は取り出しゲートＧ２により抽出される。取り出しゲートＧ１の方が取り出しゲートＧ２より高く設定されている。

発信波（Ｔ）からエコー波（Ｓ１波）までの時間が、被検査管２の内壁までの水部分の距離（水距離、内半径）に比例する。エコー波（Ｓ１波）からエコー波（Ｂ１波）までの時間が、被検査管２の管壁の肉厚に比例する。

水距離測定用探傷器４０Ａは、超音波の発信波（Ｔ）によりトリガーされ、取り出しゲートＧ１によりエコー波（Ｓ１波）を抽出する。水距離測定用探傷器４０Ａは、発信波（Ｔ）からエコー波（Ｓ１波）までの時間に比例した、例えば、１〜５Ｖのアナログ信号を出力する。

水距離測定用探傷器４０Ａからは、取り出しゲートＧ１によりエコー波（Ｓ１波）の抽出のタイミングに同期したトリガー信号が出力され、肉厚測定用探傷器４０Ｂに入力される。肉厚測定用探傷器４０Ｂは、水距離測定用探傷器４０Ａからトリガー信号によりトリガーされ、取り出しゲートＧ２によりエコー波（Ｂ１波）を抽出する。肉厚測定用探傷器４０Ｂは、エコー波（Ｓ１波）からエコー波（Ｂ１波）までの時間に比例した、例えば、１〜５Ｖのアナログ信号を出力する。

次に、水距離測定用探傷器４０Ａ、肉厚測定用探傷器４０Ｂから出力されるアナログ信号の水距離、肉厚への校正方法について説明する。

被検査管２と同じ材質で作られ、内径、管壁の肉厚が異なる複数のテスト管を用意し、テスト管内に水を流し、検査時と同様に検査し、そのときの水距離測定用探傷器４０Ａ、肉厚測定用探傷器４０Ｂから出力されるアナログ信号を記録する。複数のテスト管の内径、肉厚は既知であるから、その既知の値を用いて、水距離測定用探傷器４０Ａ、肉厚測定用探傷器４０Ｂから出力されるアナログ信号を校正する。

例えば、内径Ｒ１、肉厚Ｔ１のテスト管Ｐ１と、内径Ｒ２、肉厚Ｔ２のテスト管Ｐ２を検査する。テスト管Ｐ１について水距離測定用探傷器４０Ａから出力されたアナログ信号ＶＲ１、肉厚測定用探傷器４０Ｂから出力されたアナログ信号ＶＴ１、テスト管Ｐ２について水距離測定用探傷器４０Ａから出力されたアナログ信号ＶＲ２、肉厚測定用探傷器４０Ｂから出力されたアナログ信号ＶＴ２を記録する。

例えば、水距離の場合には、Ｘ軸を水距離Ｒ、Ｙ軸をアナログ信号ＶＲとするグラフに、点１（水距離Ｒ１、アナログ信号ＶＲ１）と点２（水距離Ｒ２、アナログ信号ＶＲ２）を結ぶ校正直線を描く。被検査管２を検査した結果、水距離測定用探傷器４０Ａからアナログ信号ＶＲが得られた場合には、その校正直線から水距離Ｒを求める。

同様に、肉厚の場合には、Ｘ軸を肉厚Ｔ、Ｙ軸をアナログ信号ＶＴとするグラフに、点１（肉厚Ｔ１、アナログ信号ＶＴ１）と点２（肉厚Ｔ２、アナログ信号ＶＴ２）を結ぶ校正直線を描く。被検査管２を検査した結果、肉厚測定用探傷器４０Ｂからアナログ信号ＶＴが得られた場合には、その校正直線から肉厚Ｔを求める。

次に、管の超音波検査装置の検査結果からの腐食態様の推定方法について、図３を用いて説明する。

被検査管２の腐食は、図３（ａ）に示すように、腐食していない健全部に対し、管の内面が腐食する内面腐食と、管の外面が腐食する外面腐食の態様がある。肉厚Ｔの測定値だけでは、内面腐食と外面腐食を識別することはできないので、水距離（内径）Ｒの測定値を考慮して、これらを識別する。

健全部の場合には、図３（ｂ）の左側部に示す探傷画面のような超音波の発信波（Ｔ）とエコー波（Ｓ１波）とエコー波（Ｂ１波）となる。

これに対し、内面腐食の場合には、図３（ｂ）の中央部に示す探傷画面のような超音波の発信波（Ｔ）とエコー波（Ｓ１波）とエコー波（Ｂ１波）となる。水距離（内径）が健全部より長く、肉厚が健全部より短くなる。

また、外面腐食の場合には、図３（ｂ）の右側尾部に示す探傷画面のような超音波の発信波（Ｔ）とエコー波（Ｓ１波）とエコー波（Ｂ１波）となる。水距離（内径）が健全部とほぼ同じであり、肉厚が健全部より短くなる。

被検査管２を正しく検査するためには、超音波パルスを被検査管２の管壁に垂直に入射する必要がある。そのためには、検査探触部１２を、被検査管２の中心に位置し、その管軸方向に平行な状態で保持する必要がある。

本実施形態による管の超音波検査装置１０では、図４（ａ）に示すように、検査探触部１２を第１センタリング部３０により保持し、検査探触部１２近傍のフレキシブルホース１３を第２センタリング部３２により保持する。第１センタリング部３０と第２センタリング部３２とにより、検査探触部１２を被検査管２の中心位置で保持するセンタリング治具であるセンタリング部材を構成する。

センタリング治具で検査探触部１２を被検査管２の中心位置で保持することにより、ミラー１６の回転中心を被検査管２の中心軸に合わせることができ、ミラー１６の回転中心から被検査管２の内壁までの距離を一定に保つことができる。

本実施形態では、図４（ａ）に示すように、検査探触部１２近傍のフレキシブルホース１３の周囲にコイルバネを設け、元の直管形状に復元し易い構造の柔軟部１３′としている。検査探触部１２に接続されたフレキシブルホース１３の柔軟部１３′は、柔軟に変形可能である。

第１センタリング部３０は、検査探触部１２のミラー１６側の前部を保持する。第２センタリング部３２は、検査探触部１２近傍のフレキシブルホース１３の柔軟部１３′を保持する。

第１センタリング部３０と第２センタリング部３２により検査探触部１２及びフレキシブルホース１３の柔軟部１３′を保持することにより、検査探触部１２を、被検査管２の中心に位置し、その管軸方向に平行な状態で保持することができる。

検査探触部１２に柔軟なフレキシブルホース１３が接続されているので、検査探触部１２を被検査管２に挿入すると、被検査管２のベント部で、フレキシブルホース１３が曲がり、検査探触部１２をスムーズに通過させることができる。

第１センタリング部３０の構造について、図４（ｂ）を用いて説明する。第１センタリング部３０と第２センタリング部３２の構造は同じであるので、第２センタリング部３２の構造の説明は省略する。

第１センタリング部３０は、検査探触部１２のミラー１６側の前部を、被検査管２の中心に位置するように保持する。第１センタリング部３０には、円柱形状の検査探触部１２の大きさに適合した孔が形成されており、その孔の内周が、円柱形状の検査探触部１２を保持するための保持部３１として機能している。

第１センタリング部３０の外周の一側、図４（ｂ）の上側に、被検査管２の管壁を吸引する磁石３０Ａが設けられている。磁石３０Ａの両側には、被検査管２の管壁を走行する走行車輪３０Ｂ、３０Ｃが設けられている。走行車輪３０Ｂ、３０Ｃは回転自在に取り付けられている。第１センタリング部３０の外周とは、管の軸方向に垂直な平面での外周を意味する。

磁石３０Ａは被検査管２の管壁を吸引し、検査探触部１２を被検査管２の一方の側に引き寄せるが、管壁に吸着しないようにする。磁石３０Ａ、走行車輪３０Ｂ、３０Ｃの大きさや取り付け位置を調整して、第１センタリング部３０の走行車輪３０Ｂ、３０Ｃによる走行の際に、磁石３０Ａと管壁を所定距離離間させることで、磁石３０Ａが管壁に吸着しないようにする。これにより、検査探触部１２を被検査管２にスムーズに挿入することができる。

また、第１センタリング部３０の外周の他側、図４（ｂ）の下側を、上側に比べて短くなるように外周形状を設計している。すなわち、第１センタリング部３０の保持部３１から図４（ｂ）の下側の外周までの長さを、保持部３１から図４（ｂ）の上側の外周までの長さよりも短くなるように形成している。第２センタリング部３２の外周の他側も同様に一側に比べて短くなるように外周形状を設計している。

このように外周形状を設計することにより、被検査管２の曲がり部分においても、第１センタリング部３０と第２センタリング部３２の外周の他側が被検査管２の内壁に衝突することなく、スムーズに通過することができる。

図５に示すように、フレキシブルホース１３を用いて検査探触部１２を被検査管２内に挿入する。フレキシブルホース１３には一定距離毎に太径部１３ａを設けられている。作業者がフレキシブルホース１３を用いて検査探触部１２を挿入するときに、太径部１３ａの数をカウントすることにより、被検査管２への挿入長さがわかる。

本実施形態による管の超音波検査装置１０の検査探触部１２を被検査管２に挿入するときには、図５に示すように、被検査管２のベント部を通過するときにも、第１センタリング部３０、第２センタリング部３２の外周が被検査管２の管壁に衝突することなく、スムーズに通過する。

以上の通り、本実施形態による管の超音波検査装置では、磁石３０Ａ、３２Ａにより被検査管２の管壁を吸引し、検査探触部１２を被検査管２の一方の側に引き寄せるようにしたので、検査探触部１２を被検査管２内の半径方向の位置を一定に保つことができる。

次に、本実施形態による管の超音波検査装置を用いた管の超音波検査方法である超音波探傷法について説明する。

被検査管２を検査する場合には、第１センタリング部３０、第２センタリング部３２の磁石３０Ａ、３２Ａにより、被検査管２の管壁を吸引しながら、走行車輪３０Ｂ、３０Ｃ、３２Ｂ、３２Ｃにより検査探触部１２を被検査管２内で走行させて、被検査管２内に挿入する。これにより検査探触部１２を被検査管２の中心位置に保持しながら、探触子１４から超音波を発信し、超音波をミラー１６により反射して被検査管２の管壁に垂直に入射し、被検査管２からのエコー波を探触子１４で受信する。発信した超音波とエコー波をデータ処理部４０によりデータ処理して、被検査管２を検査する。

本実施形態による管の超音波検査装置では、センタリング部材を交換できるように設計し、被検査管の様々な管径に対応したセンタリング部材を用意しておくことが望ましい。これにより様々な管径の被検査管に対応することができる。

例えば、図６に示すように、被検査管２の管径がより大きい場合には、その管径に基づいて外周の径がより大きい第１センタリング部３０、第２センタリング部３２を用いる。第１センタリング部３０は、その外周の径がより大きく設計されている。磁石３０Ａ、走行車輪３０Ｂ、３０Ｃの大きさや取り付け位置を調整して、第１センタリング部３０の走行車輪３０Ｂ、３０Ｃによる走行の際に、磁石３０Ａが管壁に吸着しないようにする。

これにより、被検査管の管径が異なる場合でも、検査探触部１２を、被検査管２の中心に位置し、その管軸方向に平行な状態で保持することができる。

本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、センタリング部材を２つのセンタリング部により構成し、これら２つのセンタリング部により検査探触部及びその近傍を保持したが、ひとつのセンタリング部により検査探触部及びその近傍を保持してもよいし、３つ以上のセンタリング部により検査探触部及びその近傍を保持してもよい。また、上記実施形態では、センタリング部材を２つの同じ構成のセンタリング部により構成したが、各センタリング部の構成が同じ構成でなくてもよい。

また、上記実施形態では、センタリング部の外周の一側に、ひとつの磁石と２つの走行車輪を設けたが、そのような構成に限らない。例えば、３つの走行車輪を設け、走行車輪の間に２つの磁石を設けるようにしてもよい。

２…被検査管
１０…管の超音波検査装置
１２…検査探触部
１３…フレキシブルホース
１３′…柔軟部
１３ａ…太径部
１４…探触子
１５…ケーブル
１６…ミラー
１８…ミラー保持部
２０…ハウジング
２２…ベアリング
２４…タービン
３０…第１センタリング部
３１…保持部
３０Ａ…磁石
３０Ｂ、３０Ｃ…走行車輪
３２…第２センタリング部
３２Ａ…磁石
３２Ｂ、３２Ｃ…走行車輪
４０…超音波探傷器送受信装置
４０Ａ…水距離測定用探傷器
４０Ｂ…肉厚測定用探傷器
４２…アナログ／デジタル変換器
４４…ＰＣ

Claims (6)

1. 超音波を発信し、超音波のエコー波を受信する探触子と、前記探触子から発信された超音波を被検査管へ反射し、前記被検査管からのエコー波を前記探触子へ反射するミラーとが収納され、前記探触子から前記ミラーへの超音波の伝達軸を中心としてミラーを回転させる回転機構を更に有する検査探触部と、
   前記探触子が発信する超音波と前記探触子が受信するエコー波に基づいて前記被検査管の検査データを処理するデータ処理部と、
   前記伝達軸が前記被検査管の中心軸にほぼ位置するように前記検査探触部を保持する保持部を有するセンタリング部材と、
   前記センタリング部材の外周の一側にのみ設けられ、前記被検査管の内管壁を吸引する磁石と
   を有する管の超音波検査装置であって、
   前記センタリング部材の、前記被検査管の軸方向に垂直な平面での外周の他側から前記伝達軸までの長さが、前記センタリング部材の、前記被検査管の軸方向に垂直な平面での外周の前記一側から前記伝達軸までの長さよりも短く、
   前記センタリング部材は、前記被検査管の管壁を吸引する磁石が外周の前記一側に設けられた第１センタリング部と、前記被検査管の管壁を吸引する磁石が外周の前記一側に設けられた第２センタリング部とを有し、
   前記第１センタリング部により保持される部分と前記第２センタリング部により保持される部分の間の前記検査探触部の近傍の少なくとも一部分が変形可能である
   ことを特徴とする管の超音波検査装置。
2. 前記第１センタリング部により保持される部分と前記第２センタリング部により保持される部分の間の前記検査探触部の近傍にコイルバネを設け変形可能であることを特徴とする請求項１記載の管の超音波検査装置。
3. 前記第１センタリング部と前記第２センタリング部の前記被検査管の軸方向の外側に前記ミラーが配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の管の超音波検査装置。
4. 前記センタリング部材の外周の前記一側に、前記被検査管の管壁を走行する走行車輪を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の管の超音波検査装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の管の超音波検査装置を用いた管の超音波検査方法であって、
   前記磁石により前記被検査管の管壁を吸引しながら、前記検査探触部を前記被検査管内で走行させ、
   前記被検査管の検査データを前記データ処理部で処理する
   ことを特徴とする管の超音波検査方法。
6. 請求項５記載の管の超音波検査方法において、
   前記被検査管が曲がっている
   ことを特徴とする管の超音波検査方法。

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