JP7730739B2

JP7730739B2 - 配管検査装置

Info

Publication number: JP7730739B2
Application number: JP2021197698A
Authority: JP
Inventors: 将裕三木; 正男遠藤; 明紀田村; 忍大城戸; 俊介沖田
Original assignee: 日立Ｇｅベルノバニュークリアエナジー株式会社
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2025-08-28
Anticipated expiration: 2041-12-06
Also published as: JP2023083795A

Description

本発明は、配管の厚さを計測する配管検査装置に関する。

プラントの配管は、内部を流れる高温の流体によって内面が浸食されて、減肉が生じる可能性がある。そのため、超音波センサを配管の外面に（但し、配管の外面を被覆する保温材があれば、保温材の内側に位置するように）常設し、超音波センサを用いて配管の厚さを計測することが提唱されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１のモニタリングシステムは、配管の外面に接着剤を介し固定された超音波センサ（薄膜センサ）と、超音波センサに接続された超音波探傷器とを備える。

特開２０１３－１１３７５２号公報

特許文献１には明確に記載されていないものの、超音波探傷器は、超音波センサから配管の内面に向けて超音波を送信させ、配管からの超音波が超音波センサで受信されて変換された波形信号を取得する。波形信号は、配管の内面で反射された超音波に相当する内面エコーを含む。超音波探傷器は、波形信号から内面エコーの受信時間（言い換えれば、超音波センサと配管の内面の間における超音波の往復時間）を取得し、これに基づいて配管の厚さを演算する。

ところで、例えばプラントの負荷変動に応じて配管内の流体の状態（詳細には、流速や温度）が変化すると、配管の温度が変化し、配管の音速も変化する。これにより、配管の厚さが変化しなくても、内面エコーの受信時間が変化する。そのため、例えば温度の変化などの環境の変化を検出するセンサを用いなければ、配管の厚さの計測精度が低下する可能性がある。

本発明の目的は、環境の変化を検出するセンサを用いなくとも、配管の厚さの計測精度を向上することができる配管検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、配管の外面に接着剤を介し固定された複数の超音波センサと、前記複数の超音波センサから前記配管の内面に向けて超音波を送信させ、前記配管からの超音波が前記複数の超音波センサで受信されて変換された複数の波形信号を取得する超音波検査装置と、を備えた配管検査装置において、前記超音波検査装置は、互いに隣り合う２つの超音波センサのうちの一方の超音波センサから取得された一方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が予め設定された第１閾値以下であり、且つ、他方の超音波センサから取得された他方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値を超える場合に、前記一方の波形信号における内面エコーの受信時間に基づき、前記一方の超音波センサの位置での前記配管の厚さを演算し、前記一方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が予め設定された第２閾値以下であり、且つ、前記他方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が前記第２閾値以下である場合に、前記一方の波形信号における内面エコーの受信時間に基づき、前記一方の超音波センサの位置での前記配管の厚さを演算し、前記一方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が前記第２閾値を超え、且つ、前記他方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が前記第２閾値を超える場合に、前記一方の超音波センサの位置での前記配管の厚さを演算しない。

本発明によれば、環境の変化を検出するセンサを用いなくとも、配管の厚さの計測精度を向上することができる。

本発明の一実施形態における配管検査装置の構成を表す概略図である。本発明の一実施形態における超音波検査装置の演算制御の手順を表すフローチャートである。本発明の一実施形態における配管の減肉の一例と共に、対応する２つの超音波センサの波形信号を表す図である。本発明の一実施形態における配管の減肉の他の例と共に、対応する２つの超音波センサの波形信号を表す図である。本発明の一実施形態における超音波検査装置の報知制御の手順を表すフローチャートである。本発明の一実施形態における接着剤の剥離の一例と共に、対応する２つの超音波センサの波形信号を表す図である。本発明の一実施形態における接着剤の剥離の他の例と共に、対応する２つの超音波センサの波形信号を表す図である。

本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における配管検査装置の構成を表す概略図である。

本実施形態の配管検査装置は、プラントの配管１の外面２に接着剤３（後述の図３（ａ）等参照）を介し固定された複数の超音波センサ１１と、複数の超音波センサ１１との間で信号の入出力を行う超音波検査装置１２と、超音波検査装置１２に接続された表示装置１３（ディスプレイ）とを備える。なお、図１においては、複数の超音波センサ１１と超音波検査装置１２をケーブルで接続する場合を例にとって示すものの、これに限られない。例えば、超音波センサ１１側のケーブルと超音波検査装置１２側のケーブルを切り離し、それらの先端にコイルを設け、コイル間の電磁誘導を利用して信号を伝送するように構成してもよい。

複数の超音波センサ１１は、例えば配管１の軸方向（図１の上下方向）に互いに所定の距離だけ離されて常設されている。各超音波センサ１１は、例えば、１つの圧電素子（すなわち、送受信用の圧電素子）を有する垂直探触子、２つの圧電素子（すなわち、送信用圧電素子及び受信用圧電素子）を有する垂直探触子、又は多数の圧電素子を有するアレイ探触子である。

超音波検査装置１２は、切替部１４、パルサ１５、レシーバ１６、信号処理部１７、及び記憶部１８を有する。切替部１４は、マルチプレクサ等で構成され、信号処理部１７は、プログラムに従って処理を実行するプロセッサ等で構成され、記憶部１８は、ハードディスクやメモリ等で構成されている。

超音波検査装置１２の切替部１４は、パルサ１５及びレシーバ１６に対して複数の超音波センサ１１を順次接続する。パルサ１５は、切替部１４を介し超音波センサ１１にパルス信号（電気信号）を出力する。超音波センサ１１の圧電素子は、パルス信号によって振動し、配管１の内面４に向けて超音波を送信する。超音波センサ１１の圧電素子は、配管１からの超音波を受信し、受信した超音波を波形信号（電気信号）に変換して超音波検査装置１２へ出力する。超音波検査装置１２のレシーバ１６は、切替部１４を介し入力した波形信号をデジタル信号に変換して信号処理部１７に出力する。

超音波検査装置１２の信号処理部１７は、例えば内面エコーの予想範囲（言い換えれば、予想受信時間及び予想振幅）に対応して予め設定された第１ゲートを用いて、各超音波センサ１１の波形信号から内面エコーの受信時間（詳細には、内面エコーの振幅が最大となる時間）を取得し、これに基づいて配管１の厚さを演算し、表示装置１３に表示する。これにより、各超音波センサ１１の位置における配管１の厚さの変化を監視する。

ところで、例えばプラントの負荷変動に応じて配管１内の流体の状態（詳細には、流速や温度）が変化すると、配管１の温度が変化し、配管１の音速も変化する。これにより、配管１の厚さが変化しなくても、内面エコーの受信時間が変化する。そのため、配管１の厚さの計測精度が低下する可能性がある。

そこで、本実施形態の超音波検査装置１２の信号処理部１７は、複数の超音波センサ１１の波形信号に基づき、配管１の温度の変化などの環境の変化が生じているかどうかを想定する。そして、環境の変化が生じていると想定した場合、配管１の厚さを演算しないようになっている。この演算制御を、図２を用いて説明する。

図２は、本実施形態における超音波検査装置の演算制御の手順を表すフローチャートである。なお、図２で示された制御は、例えば所定時間の経過毎に行われるものとする。

ステップＳ１にて、超音波検査装置１２のパルサ１５は、切替部１４を介し複数の超音波センサ１１へパルス信号を順次出力して、複数の超音波センサ１１から超音波を順次送信させる。各超音波センサ１１は、配管１からの超音波を受信し、波形信号に変換して超音波検査装置１２へ出力する。超音波検査装置１２のレシーバ１６は、切替部１４を介し複数の超音波センサ１１から波形信号を順次入力し、デジタル信号に変換して信号処理部１７へ出力する。信号処理部１７は、複数の超音波センサ１１の波形信号を記憶部１８に記憶させる。

ステップＳ２にて、信号処理部１７は、各超音波センサ１１の波形信号から内面エコーの受信時間を取得し、記憶部１８に記憶させる。そして、今回の内面エコーの受信時間と、記憶部１８に記憶された前回の（言い換えれば、所定時間前に取得された）内面エコーの受信時間とにより、その変化速度を演算する。

ステップＳ３にて、信号処理部１７は、まず、超音波センサ１１の識別子ｉ＝１に設定する。その後、ステップＳ４にて、信号処理部１７は、１番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間が予め設定された閾値ｔ０（例えば、配管１の減肉や環境の変化が生じない場合の正常値より若干小さく設定された値）以下であるかどうかを判定する。

１番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間が閾値ｔ０以下である場合、ステップＳ５に移る。ステップＳ５にて、信号処理部１７は、１番目の超音波センサ１１に隣り合う２番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間が閾値ｔ０を超えるかどうかを判定する。２番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間が閾値ｔ０を超える場合、ステップＳ７に移る。

すなわち、例えば図３（ａ）及び図３（ｂ）で示すように、互いに隣り合う２つの超音波センサ１１Ａ，１１Ｂのうちの一方の超音波センサ１１Ａから取得された波形信号にて、内面エコーＥ１の受信時間ｔ１が閾値ｔ０以下であり、且つ、他方の超音波センサ１１Ｂから取得された波形信号にて、内面エコーＥ２の受信時間ｔ２が閾値ｔ０を超える場合に、超音波センサ１１Ａの位置で配管１の減肉が生じていると想定する。そのため、ステップＳ７に移る。

ステップＳ７にて、一番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーＥ１の受信時間ｔ１に基づき、一番目の超音波センサ１１の位置での配管１の厚さを演算する。その後、ステップＳ８に移る。

１番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間が閾値ｔ０以下であり、且つ、２番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間が閾値ｔ０以下である場合、ステップＳ６に移る。ステップＳ６にて、信号処理部１７は、１番目の超音波センサ１１における内面エコーの受信時間の変化速度が予め設定された閾値ｕ０（例えば、配管１の温度の変化速度より小さく設定された値）以下であるかどうかを判定すると共に、２番目の超音波センサ１１における内面エコーの受信時間の変化速度が閾値ｕ０以下であるかどうかを判定する。１番目の超音波センサ１１の波形信内面エコーの受信時間の変化速度が閾値ｕ０以下であり、且つ、２番目の超音波センサ１１における内面エコーの受信時間の変化速度が閾値ｕ０以下である場合、ステップＳ７に移る。

すなわち、例えば図４（ａ）及び図４（ｂ）で示すように、互いに隣り合う２つの超音波センサ１１Ａ，１１Ｂのうちの一方の超音波センサ１１Ａから取得された波形信号にて、内面エコーＥ１の受信時間ｔ１が閾値ｔ０以下であると共に、その変化速度が閾値ｕ０以下であり、且つ、他方の超音波センサ１１Ｂから取得された波形信号にて、内面エコーＥ２の受信時間ｔ２が閾値ｔ０以下であると共に、その変化速度が閾値ｕ０以下である場合に、超音波センサ１１Ａ，１１Ｂの位置で配管１の減肉が生じていると想定する。そのため、ステップＳ７に移る。

ステップＳ７にて、一番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間に基づき、一番目の超音波センサ１１の位置での配管１の厚さを演算する。その後、ステップＳ８に移る。

ステップＳ６にて、１番目の超音波センサ１１の波形信内面エコーの受信時間の変化速度が閾値ｕ０を超え、且つ、２番目の超音波センサ１１における内面エコーの受信時間の変化速度が閾値ｕ０を超える場合、ステップＳ８に移る。すなわち、例えば配管１の温度の変化などの環境の変化が生じていると想定するため、一番目の超音波センサ１１の位置での配管１の厚さを演算せず、ステップＳ８に移る。なお、ステップＳ４にて、１番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間が閾値ｔ０を超える場合も、一番目の超音波センサ１１の位置での配管１の厚さを演算せず、ステップＳ８に移る。

ステップＳ８にて、信号処理部１７は、超音波センサの識別子ｉが超音波センサの総数ｎに到達したかどうかを判定する。最初のうちは、この判定が満たされず、ステップＳ９に移る。ステップＳ９にて、信号処理部１７は、超音波センサ１１の識別子ｉ＝ｉ＋１＝２に設定する。その後、２番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間と、２番目の超音波センサ１１に隣り合う１番目又は３番目の超音波センサ１１の波形信号における内面エコーの受信時間に対し、上述した処理を行う。超音波センサ１１の識別子ｉ＝ｎとなるまで、上述した処理を繰り返す。

以上のように本実施形態においては、複数の超音波センサ１１の波形信号に基づき、配管１の温度の変化などの環境の変化が生じているかどうかを想定する。そして、環境の変化が生じていると想定した場合、配管１の厚さを演算しない。そのため、環境の変化を検出するセンサを用いなくとも、配管１の厚さの計測精度を向上することができる。

ところで、接着剤３は、例えば経年劣化や配管１の温度変化の影響により、配管１の外面２との間で剥離が生じる可能性がある。接着剤３の剥離が生じた場合、超音波センサ１１から送信された超音波のうち、配管１の内部に伝播されない成分が多くなり、この成分が配管１の外面２で多重反射される。そのため、内面エコーの強度が小さくなり、内面エコーの受信時間を取得することが困難になる。

そこで、本実施形態の超音波検査装置１２の信号処理部１７は、例えば発振エコー（詳細には、配管１の外面２で反射された超音波に相当）の予想範囲に対応して予め設定された第２ゲートを用いて、各超音波センサ１１の波形信号から発振エコーの残響時間（詳細には、発振エコーの振幅が所定値以下となるまでの時間）を取得し、これに基づいて接着剤３の剥離が生じているかどうかを想定する。そして、接着剤３の剥離が生じていると想定した場合に、その旨を報知する指令を例えば表示装置１３に出力する。表示装置１３は、例えば、接着剤の剥離が生じた旨のメッセージを表示する。

しかし、上述した通り、例えばプラントの負荷変動に応じて配管１内の流体の状態が変化すると、配管１の温度が変化し、配管１の音速も変化する。これにより、接着剤３の剥離が生じなくても、発振エコーの残響時間が変化する。そのため、接着剤３の剥離の判定精度が低下する可能性がある。

そこで、本実施形態の超音波検査装置１２の信号処理部１７は、上述した通り、複数の超音波センサ１１の波形信号に基づき、配管１の温度の変化などの環境の変化が生じているかどうかを想定する。そして、環境の変化が生じていると想定した場合、接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を出力しないようになっている。この報知制御を、図５を用いて説明する。

図５は、本実施形態における超音波検査装置の報知制御の手順を表すフローチャートである。なお、図５で示された報知制御は、例えば、図２のステップＳ１の処理の後に行われるものであって、所定時間の経過毎に行われるものとする。

ステップＳ１０にて、信号処理部１７は、各超音波センサ１１の波形信号から発振エコーの残響時間を取得し、記憶部１８に記憶させる。そして、今回の発振エコーの残響時間と、記憶部１８に記憶された前回の（言い換えれば、所定時間前に取得された）発振エコーの残響時間とにより、その変化速度を演算する。

ステップＳ１１にて、信号処理部１７は、まず、超音波センサ１１の識別子ｉ＝１に設定する。その後、ステップＳ１２にて、信号処理部１７は、１番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間が予め設定された閾値ｗ０（例えば、接着剤３の剥離や環境の変化が生じない場合の正常値より若干大きく設定された値）以上であるかどうかを判定する。

１番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間が閾値ｗ０以上である場合、ステップＳ１３に移る。ステップＳ１３にて、信号処理部１７は、１番目の超音波センサ１１に隣り合う２番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間が閾値ｗ０以上であるかどうかを判定する。２番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間が閾値ｗ０未満である場合、ステップＳ１５に移る。

すなわち、例えば図６（ａ）及び図６（ｂ）で示すように、互いに隣り合う２つの超音波センサ１１Ａ，１１Ｂのうちの一方の超音波センサ１１Ａから取得された波形信号にて、発振エコーＦ１の残響時間ｗ１が閾値ｗ０以上であり、且つ、他方の超音波センサ１１Ｂから取得された波形信号にて、発振エコーＦ２の残響時間ｗ２が閾値ｗ０未満である場合に、超音波センサ１１Ａの位置で接着剤３の剥離が生じていると想定する。そのため、ステップＳ１５に移る。

ステップＳ１５にて、一番目の超音波センサの位置で接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を表示装置１３に出力する。表示装置１３は、一番目の超音波センサの位置で接着剤の剥離が生じた旨のメッセージを表示する。その後、ステップＳ１６に移る。

１番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間が閾値ｗ０以上であり、且つ、２番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間が閾値ｗ０以上である場合、ステップＳ１４に移る。ステップＳ１４にて、信号処理部１７は、１番目の超音波センサ１１における発振エコーの残響時間の変化速度が予め設定された閾値ｖ０（例えば、配管１の温度の変化速度より小さく設定された値であり、ｖ０＝ｕ０でもｖ０≠ｕ０でもよい）以下であるかどうかを判定すると共に、２番目の超音波センサ１１における発振エコーの残響時間の変化速度が閾値ｖ０以下であるかどうかを判定する。１番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間の変化速度が閾値ｖ０以下であり、且つ、２番目の超音波センサ１１における発振エコーの残響時間の変化速度が閾値ｖ０以下である場合、ステップＳ１５に移る。

すなわち、例えば図７（ａ）及び図７（ｂ）で示すように、互いに隣り合う２つの超音波センサ１１Ａ，１１Ｂのうちの一方の超音波センサ１１Ａから取得された波形信号にて、発振エコーＦ１の残響時間ｗ１が閾値ｗ０以上であると共に、その変化速度が閾値ｖ０以下であり、且つ、他方の超音波センサ１１Ｂから取得された波形信号にて、発振エコーＦ２の残響時間ｗ２が閾値ｔ０以上であると共に、その変化速度が閾値ｖ０以下である場合に、超音波センサ１１Ａ，１１Ｂの位置で接着剤３の剥離が生じていると想定する。そのため、ステップＳ１５に移る。

ステップＳ１４にて、１番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間の変化速度が閾値ｖ０を超え、且つ、２番目の超音波センサ１１における発振エコーの残響時間の変化速度が閾値ｖ０を超える場合、ステップＳ１６に移る。すなわち、例えば配管１の温度の変化などの環境の変化が生じていると想定するため、一番目の超音波センサ１１の位置で接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を出力せず、ステップＳ１６に移る。なお、ステップＳ１２にて、１番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間が閾値ｗ０未満である場合も、一番目の超音波センサ１１の位置で接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を出力せず、ステップＳ１６に移る。

ステップＳ１６にて、信号処理部１７は、超音波センサの識別子ｉが超音波センサの総数ｎに到達したかどうかを判定する。最初のうちは、この判定が満たされず、ステップＳ１７に移る。ステップＳ１７にて、信号処理部１７は、超音波センサ１１の識別子ｉ＝ｉ＋１＝２に設定する。その後、２番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間と、２番目の超音波センサ１１に隣り合う１番目又は３番目の超音波センサ１１の波形信号における発振エコーの残響時間に対し、上述した処理を行う。超音波センサ１１の識別子ｉ＝ｎとなるまで、上述した処理を繰り返す。

以上のように本実施形態においては、複数の超音波センサ１１の波形信号に基づき、配管１の温度の変化などの環境の変化が生じているかどうかを想定する。そして、環境の変化が生じていると想定した場合、接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を出力しない。そのため、環境の変化を検出するセンサを用いなくとも、接着剤３の剥離の判定精度を向上することができる。

１配管
２外面
３接着剤
４内面
１１，１１Ａ，１１Ｂ超音波センサ
１２超音波検査装置

Claims

配管の外面に接着剤を介し固定された複数の超音波センサと、
前記複数の超音波センサから前記配管の内面に向けて超音波を送信させ、前記配管からの超音波が前記複数の超音波センサで受信されて変換された複数の波形信号を取得する超音波検査装置と、を備えた配管検査装置において、
前記超音波検査装置は、
互いに隣り合う２つの超音波センサのうちの一方の超音波センサから取得された一方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が予め設定された第１閾値以下であり、且つ、他方の超音波センサから取得された他方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値を超える場合に、前記一方の波形信号における内面エコーの受信時間に基づき、前記一方の超音波センサの位置での前記配管の厚さを演算し、
前記一方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が予め設定された第２閾値以下であり、且つ、前記他方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が前記第２閾値以下である場合に、前記一方の波形信号における内面エコーの受信時間に基づき、前記一方の超音波センサの位置での前記配管の厚さを演算し、
前記一方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が前記第２閾値を超え、且つ、前記他方の波形信号にて、内面エコーの受信時間が前記第１閾値以下であると共に、その変化速度が前記第２閾値を超える場合に、前記一方の超音波センサの位置での前記配管の厚さを演算しないことを特徴とする配管検査装置。
請求項１に記載の配管検査装置において、
前記超音波検査装置は、
前記一方の波形信号にて、発振エコーの残響時間が予め設定された第３閾値以上であり、且つ、前記他方の波形信号にて、発振エコーの残響時間が前記第３閾値未満である場合に、前記一方の超音波センサの位置にて前記接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を出力し、
前記一方の波形信号にて、発振エコーの残響時間が前記第３閾値以上であると共に、その変化速度が予め設定された第４閾値以下であり、且つ、前記他方の波形信号にて、発振エコーの残響時間が前記第３閾値以上であると共に、その変化速度が前記第４閾値以下である場合に、前記一方の超音波センサの位置にて前記接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を出力し、
前記一方の波形信号にて、発振エコーの残響時間が前記第３閾値以上であると共に、その変化速度が前記第４閾値を超え、且つ、前記他方の波形信号にて、発振エコーの残響時間が前記第３閾値以上であると共に、その変化速度が前記第４閾値を超える場合に、前記一方の超音波センサの位置にて前記接着剤の剥離が生じた旨を報知する指令を出力しないことを特徴とする配管検査装置。