JP6678361B2 - 携帯型非接触三次元座標測定装置を利用したフランジ歪測定用治具及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、携帯型非接触三次元座標測定装置を利用してフランジ歪測定を行う際に、測定精度を高めるためのターゲットシールを設置するための治具と、治具を用いた測定方法に関する。

熱交換器のフランジ面は、使用中の温度変化等による各種の応力により歪が発生する。そのため、定期点検時に分解清掃や点検後に再度組み立てる。その時点で気密試験を実施して漏えいが無い状態にしても、スタートアップの温度上昇に伴い、再度漏えいが発見されることも多く認められる。そのような場合、ボルトの増し締めを行うがフランジ面の歪が基準を超えている場合は、ボルトに過大な張力をかけ危険な状態となる場合がある。そのため、日本石油学会では、歪を周方向のうねりとして次のような補修判断基準を示している。
熱交換器径＜３７５ｍｍの場合うねりの許容値０．０８ｍｍ
熱交換器径３７５から７５０ｍｍの場合のうねりの許容値０．１５ｍｍ
熱交換器径７５１から１１２５ｍｍの場合のうねりの許容値０．２０ｍｍ
熱交換器径＞１１２５ｍｍの場合のうねりの許容値０．２０ｍｍ
更に、フランジ面の傾きの許容値については０．８ｍｍとしている。

従来、歪の測定としてダイヤルゲージやレーザー距離計を回転させて測定していた。

特許文献１には、円形フランジの前方に一定角度で旋回しながらレーザー光を用いて測定する装置が記載されている。しかしながら、この装置で測定するには、旋回する装置が少しでも機械的な振動で揺れてしまうと誤差が大きくなってしまうため、強度を確保するため旋回装置が大がかりになり、大きなスペースを必要とする。また、測定対象のフランジが振動で揺れてしまっても誤差が大きくなってしまうため、設置現場から熱交換器を取り外し、検査場などに移動して測定することが一般的となってしまっている。測定で得られるデータも、周の線上のデータのみであり、うねりのデータは得られるが、フランジ面の傾きのデータは得られない。測定対象も円形フランジしか測定できない。

特許文献２には、支持アームを用いて回転しながらダイヤルゲージにより測定する方法が記載されている。しかしながら、特許文献１と同様にうねりのデータは得られるが、フランジ面の傾きのデータは得られない。測定対象も円形フランジしか測定できない。設置現場の振動により誤差が大きくなってしまう等の欠点がある。

特許文献３には、架台と円盤に測定ヘッドを備えた装置が記載されている。しかしながら、特許文献１や特許文献２と同様な欠点があり、設置スペースの問題から現場での測定は困難である。

特開２０１２−６３２６７号 特開２０１１−１９１２４０号 特開２００８−１４５１５６号

熱交換器のフランジ面の歪測定において、測定に必要なスペースが少なく、振動が発生している現場においても測定精度が落ちることなく、うねりのデータだけでなくフランジ面の傾きのデータも測定できる測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、携帯型非接触三次元座標測定装置を利用してフランジ歪測定を行う際に、携帯型非接触三次元座標測定装置の特性上測定精度を高めるため、ターゲットシールを必要な場所に設置するための治具を用いてフランジ歪測定を行うことを特徴とする。

フランジ歪測定に用いる携帯型非接触三次元座標測定装置は、Ｃｒｅａｆｏｒｍ社製のＨａｎｄｙＳｃａｎ７００というハンディレーザースキャナーを用いた。この装置の容積精度は０．０２０ｍｍ＋０．０６ｍｍ/ｍとなっており、基準点からの距離が離れると誤差が増加する特徴がある。たとえば、直径１０００ｍｍのフランジを円周に沿って測定をするとフランジの円周が約３０００ｍｍとなるため、０．０２０ｍｍ＋０．０６０ｍｍ×３となるので、０．２ｍｍの誤差となってしまう。このような誤差を生じてしまうと、前記の石油学会の示したフランジ径が１０００ｍｍの場合の補修基準０．２ｍｍと同等になってしまい、満足する測定結果が得られない。

そこで、フランジの中心に基準点を置き、さらに８０ｍｍ以下の間隔でターゲットシールを設置することができれば、円の中心から測定することになり、直径１０００ｍｍのフランジを測定する場合に生じる測定装置の誤差は０．０２０ｍｍ＋０．０６０ｍｍ×０．５となるので、０．０５ｍｍとなり円周に沿って測定する場合より誤差が抑えられ、補修基準を満足する測定結果を得られることができる。

図１を使ってターゲットシールを設置する治具について説明する。測定対象のフランジの内側は通常空洞となっているので、ターゲットシールを設置することはできない。そこであらかじめターゲットシールを設置した円盤型の板の治具を用意し、マグネットなどでフランジに固定する。

測定対象のフランジ面以外の場所に全体的にターゲットシールを配置することにより測定精度を向上させることができるので、図１に示すようにフランジ面の外側にもターゲットシールを配置する。そのため、フランジ面の外側には、あらかじめターゲットシールを配置した円弧上のマグネットシールを用意し、貼り付ける。

測定開始前に携帯型非接触三次元座標測定装置をつかって、ターゲットシールの位置を記憶させる。その際フランジの中心から外側へスキャンさせ、ターゲットシールの位置を記憶させる。

その後実際の測定のため、位置を記憶させるためのスキャンと同様に、フランジの中心から外側に向かって携帯型非接触三次元座標測定装置でスキャンを行い測定する。

フランジ内に設置する治具は、図２に示すように外部からの機械的振動による歪を防ぐため、支えを取り付けたものがより好ましい。

さらに、治具が風などにより起こる振動や歪を防止するため、図３に示すように、パンチング板を使用することがより好ましい。

円形フランジについて治具を説明したが、同様の方法で長方形などの他の形状のフランジでも、測定精度を向上させることができる。

携帯型非接触三次元座標測定装置の測定原理を図４を使って説明する。
携帯型非接触三次元座標測定装置は起動時に校正用試験片を用いて校正を行う。携帯型非接触三次元座標測定装置は初めのスキャンで自己位置認識用ＬＥＤ光源２からの光を使用してターゲットシール６を認識しながら位置関係をあらかじめ記憶する。スキャン操作は対象物から約３００ｍｍ離れた場所から行う。位置関係の記憶動作が終了したら、実際の測定のためのスキャンを行う。測定にはレーザー光を使用するためレーザー光照射口３からのレーザー光が測定対象物４の表面５を高精度カメラ１で測定している。携帯型非接触三次元座標測定装置は測定対象から３００ｍｍ程度離れた場所からスキャンを行うので、図５に示すような範囲が携帯型非接触三次元座標測定装置を移動せずに測定できる範囲となる。測定時に図５に示すような測定範囲を移動させてフランジ全体を測定するが、円周状にスキャンした場合は、移動による補正誤差が積算されていくので、測定開始点を基準点とすると、基準点からの移動距離が長くなるため、誤差が積算され大きくなってしまう。このような誤差の積算を回避するため、フランジの中心に基準点を設定し、基準点から放射状に携帯型非接触三次元座標測定装置を移動させるスキャンを繰り返すことで、基準点からのスキャン距離を最小化することができるので、誤差の積算を最小限にすることができる。熱交換器のフランジは一般的に中心が空洞であるためターゲットシールを設置することができない。また、携帯型非接触三次元座標測定装置の移動せずにスキャン可能範囲（図５に示す範囲）にターゲットシールを複数設ける必要がある（装置の特性上８０ｍｍ以下の間隔が望ましい）ので、フランジの空洞部分の全面に対して８０ｍｍ以下の間隔でターゲットシールを設置する必要がある。しかも、ターゲットシールが周囲の工場などによる機械的振動や、風による振動で動いてしまうと誤差が大きくなるので、機械的振動があっても歪みにくく、風の影響を受けにくいターゲットシールを設置できる板が必要となる。よって、ターゲットシールを設置するための治具は、機械的振動による歪防止の構造を備え、風の影響を受けにくいパンチング構造を有することが好ましい。設置の簡単さからマグネットで簡単に固定できるものがさらに好ましい。

熱交換器のフランジ面にターゲットシールを配置した治具を取り付けた説明図 治具に歪防止の支えを取り付けた説明図 治具にパンチング板を使用した説明図 携帯型非接触三次元座標測定装置の測定原理の説明図 携帯型非接触三次元座標測定装置の測定範囲イメージの説明図 本発明と特許文献１の測定結果の比較グラフ（９００Ａフランジ） 本発明と特許文献１の測定結果の比較グラフ（１３００Ａフランジ） 本発明と特許文献１の測定結果の比較グラフ（２２００Ａフランジ） 本発明の測定結果による欠損箇所のマッピングデータ 本発明の測定結果による形状マッピングデータ

携帯型非接触三次元座標測定装置を使って、９００Ａ胴板付きフランジ、１３００Ａカバーフランジ、２２００Ａ胴板付きフランジの３種類のフランジについて、フランジの周囲にターゲットシールを設置して円周状にスキャンしながら測定する方法と、本発明による治具を用いて放射状にスキャンしながら測定する方法を行い、測定結果を比較した。また、特許文献１に記載の山九フランジ管理システムによる測定を行い、測定結果を比較した。

フランジの周囲のみターゲットシールを設置してフランジ面の測定開始位置を基準点とし円周状にスキャンして測定した場合と、治具を用いてフランジの中心に基準点を置き基準点から放射状にスキャンを行いながら測定した場合の測定結果を比較した。繰り返し測定を行った場合の精度は、
９００Ａのフランジでは、本発明で±２２．０μｍ、円周状の測定では±３０．０μｍ、１３００Ａフランジでは、本発明で±２３．５μｍ、円周状の測定では±１６．５μｍ、２２００Ａフランジでは、本発明で±２１．５μｍ、円周状の測定では±３９．０μｍ、となった。フランジ径が大きくなるほど円周状の測定で誤差が大きくなり、本発明の治具を用いた測定方法が優れていることが分かった。

特許文献１に記載の装置による測定結果と本発明での測定結果を図６から図８に示した。どの結果もうねりの測定結果がほぼ一致しており、実用的に十分な測定精度が確保されていた。

本発明による測定結果では図９に示すように欠損箇所８が適切に記録されることも分かった。

図１０に本発明による測定結果を形状マッピングデータにして示した。図１０からも分かるようにうねりの計測以外に傾きのデータも得ることができた。

高精度カメラ…１
自己位置認識用ＬＥＤ光源…２
レーザー光照射口…３
測定対象物…４
測定対象物表面でのレーザー照射発光点…５
ターゲットシール…６
フランジ面…７
フランジの欠損箇所…８

Claims (4)

1. 熱交換器のフランジ歪測定において、携帯型非接触三次元座標測定装置を用いてフランジ歪測定を行う際に、フランジの内側にターゲットシールを設置するため、板にターゲットシールをあらかじめ設置し、フランジの内側に取り付けることが出来ることを特徴とするフランジ歪測定用治具。
2. 請求項１に記載のフランジ歪測定用治具において、
   治具のターゲットシールを設置している板の面に対して裏側の面に歪防止の支えを備えていることを特徴とするフランジ歪測定用治具。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載のフランジ歪測定用治具において、
   風の影響を少なくするためにパンチング板を用いることを特徴とするフランジ歪測定用治具。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフランジ歪測定用治具を用いて、
   フランジの中心を基準点として、基準点から放射状にスキャンを繰返し三次元座標を測定することを特徴とするフランジ歪測定方法。