高温用薄膜UTセンサを用いた連続モニタリングシステムの開発
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カテゴリ: 第14回
1.諸言
原子力発電プラントにおいては、JSMESNG1「発電用原子力設備規格加圧水型原子力発電所配管減肉管理に関する技術規格」に基づき、定期的な配管肉厚の定点測定を実施している。また、系統内配管に空気溜りを検出するため、定期的な水位計測が行われることがある。このような定期的な測定では、有意な減肉や空気溜りをただちに発見することが出来ない。これら減肉や空気溜りが設備に対して悪影響を与える前に異常を検出するには、定期測定の頻度を上げる必要が有る。 しかしながら、系統運転中の配管は高温であるため、系統運転中での測定が困難である。また、測定の都度、保温材や仮設足場の撤去・復旧が必要となるため、付帯作業コストが高くなる。これらの課題を解決すべく、高温用の薄膜UTセンサと、超音波パルサレシーバを組み合わせたモニタリングシステムを開発した。本論文ではモニタリングシステムの概要を示すとともに、薄膜UTセンサに関する各種検証試験の概要を示す。 2.モニタリングシステムの概要
本モニタリングシステムの構成をFig.1に示す。本モニタリングシステムは薄膜UTセンサ、パルサレシーバ、データ収集用PC、モニタリング用PCから構成される。薄膜UTセンサは系統運転中も保温材の下に設置される。センサは保温材から引き出したUTケーブルを介してパルサレシーバに接続され、指定した頻度にてUT データを採取することができる。なお、本モニタリングシステムは下記2つの使用方法が有り、使用環境に応じたデータ通信モードの選択が可能である。
(a) 連続監視モード 薄膜 UT センサで測定したデータを即座にデータ収集用PCに無線にて転送し、データ収集用PCを経由してモニタリング用PCにデータを転送することで遠隔にて連続監視を行う。(b) パトロールモード 無線が使えない環境では、測定したデータをパルサレシーバのメモリに一時記憶し、現場パトロール等の際に有線にてデータを回収する。ここで、本システムの主要な要素である薄膜UTセンサ及びパルサレシーバの仕様を2.1、2.2 項に示す。 Fig.1 Monitoring system 2.1 薄膜UTセンサ 薄膜UT センサをFig.2に示す。薄膜UT センサは上部 電極、圧電素子膜、下部電極から構成されている。厚さ は1.0mm以下と薄く、保温材の下への設置も容易である。 膜状でフレキシブルであり対象の表面に倣い易いため、 小口径管の T 継手部のような複雑形状部においても安定 した測定が可能である。さらに高温耐久性を持ち運転中 最大200°Cとなる配管に常設設置することが可能である。 薄膜UT センサに対する検証試験の結果を2.1.1項以降 に示す。 Fig.2 Thin-film UT sensor [3] (a) 連続監視モード - 541 - t=5.65mm CRT80% Gain 34.1dB after 1273 days CRT80% Gain 34.3dB after 597 days after 597 days 2.1.1 高温耐久性試験 薄膜 UT センサの高温耐久性を確認するため、まずは 恒温槽を用いた200°Cでの連続加熱試験を実施した。本試 験は現在も継続中である。Fig.3 に約1200日間の測定波形 の推移を示す。3年以上の加熱の後でも、顕著な波形歪み、 ノイズ、著しい減衰等の傾向は確認されていない。 Fig.3 Waveforms of continuous heating test 次に熱サイクル試験を実施した。Table1 に試験条件を 示す。Fig.4に示すように、10サイクル後も熱膨張差に起 因するセンサ剥離などの兆候は見られず、試験終了後も 1サイクル目と同等の肉厚測定が可能であった。 以上のことから、薄膜 UT センサは優れた高温耐久性 を有することを確認した。 t=5.65mm t=5.68mm CRT80% Gain 32.2dB after 35 days t=4.96mm t=4.99mm t=4.99mm t=4.96mm ure CRT80%Gain CRT80% 37.7dB 37.7dB Gain CRT80%Gain CRT80% 39.7dB 39.7dB Gain 1st #1 cycle 10th #10 cycle - 542 - Table1 Test condition of thermal cycle test [3] 項目 条件 熱サイクル数 10 サイクル 高温時の温度 約200°C Fig.4 UT waveform of continuous heating test [3] 2.1.2 実機適用性試験 薄膜 UT センサの実機環境での適用性や施工性を確認 するために、原子力発電プラントにて実地試験を実施し た。肉厚約 6mm、運転時温度約 150°Cの配管に4つの薄 膜 UT センサを同一円周上に設置し、ポータブル肉厚測 定器を用いて定期的な測定を行っている。取付したセン サをFig.5 に示す。保温材外面にコネクタを配置し、検査 員はコネクタに測定装置を接続するのみで、測定を実施 することが可能である。Fig.6 に約28カ月間の波形変化例 を示す。この図が示すように、顕著な信号歪みやノイズ 等は確認されていない。ただし 4 センサのうち 2 センサ についてはわずかに減衰傾向が観察されており、その理 由はセンサが配管表面から剥離傾向にあるためと考えて いる。今回が実機での初めての取付施工であったが、そ の施工方法に改良の余地があるものと思われる。 Fig.5 Thin-film UT sensor for field trial [4] Fig.6 UT waveform of field trial 2.2 パルサレシーバ パルサレシーバの開発に際し、以下コンセプトにより 仕様設定を行った。 (a) 設置場所を選ばずに設置できるよう、電源供給及 びデータ転送のためのケーブルが不要なこと。 (b) 複数の場所をモニタリングできるよう、マルチチ ャンネルタイプであること。 (c) バッテリーの交換なしで長期間使用できるよう、 低消費電力であること。 (d) 無線が使えない環境にも対応可能なよう、データ の一時記憶が可能なこと。 (e) 狭隘箇所にも設置出来るようサイズが小さいこと。 上記コンセプトを満足するよう開発されたパルサレシ ーバ(試作機)の外観を Fig.7、具体的な仕様を Table 2 に示す。 Fig.7 パルサレシーバ(試作機) t=5.50mm after 841 days t=5.50mm after 302 days CRT80%Gain 54.0dB CRT80%Gain 54.7dB Table2 Features of Pulsar Receiver(trial product) 項目 仕様 センサチャンネル数 8 チャンネル 電源供給 単3電池 バッテリー交換頻度 1 年 通信インターフェース 無線 又は USBシリアル 本体サイズ 105mm×150mm×75mm 3. 適用例 薄膜UTセンサは通常のUTセンサと遜色のない性能を 有するため、薄膜 UT センサとパルサレシーバを組み合 わせることで、様々なプラントモニタリングが可能であ る。その一例を以下に示す。 3.1 減肉モニタリング 近年、水質/運転条件改善による流れ加速型腐食の減肉 現象抑制が進められている。そのため、薄膜UTセンサを 減肉の著しい箇所に設置し、パルサレシーバにより高い 頻度でデータ採取を行うことで、水質/運転条件を途中 で変化させた場合における減肉率の変化が検知可能であ る。これにより、減肉抑制の為の水質/運転条件の最適 化が可能となると考えられる。 Fig. 8 Wall thinning monitoring system 3.2 水位モニタリング 空気溜りの懸念のある機器に薄膜 UT センサを設置し、 任意の頻度でUTデータを採取することで水位モニタリン グを行うことができる。異常な水位状態を検出すること で、ウォーターハンマー事象やポンプの異常振動等を未 然に防止することができ、設備の安全性向上に寄与する ことができる。また、ベントラインの空気抜き効果の検 証などにも適用可能である。 パルサレシーバ データ収集用PC Fig. 9 Water level monitoring system 4. 結論 本研究では、発電所用のモニタリングシステムの開発 を行った。本システムは、配管減肉及び空気溜りのモニ タリングシステムとして、実機の高温環境下にも適用可 能なことを確認した。 今後は本モニタリングシステムを実機にて適用するこ とで、プラントの安全性に寄与していくとともに、他の モニタリングニーズへの適用検討を行い、適用先の拡大 を図っていく。 5. 参考文献 (1) M. Kobayashi, Cheng-Kuei Jen, Daniel Levesque, Kurokawa, “Development of thickness measurement and thickness trend monitoring technology using high-temperature thin-film UT sensor”, Japan Society of Maintenology, Vol.10, July 2013. モニタリング用PC 薄膜UTセンサ 薄膜UTセンサ パルサレシーバ データ収集用PC モニタリング用PC - 543 - “Flexible Ultrasonic Transducers”, IEEE Transactions on ultrasonics, and frequency control, Vol.52, No.8, August 2006. “Integrated Piezoelectric Ultrasonic Receivers for Laser Ultrasound in Non-destructive Testing of Metals”, Journal of Nondestructive Evaluation (2011) 30:1-8 (2) K. T. Wu, C. K. Jen, M. Kobayashi, A. Blouin, (3) N. Fujita, I. Seki, T. Matsuura, Y. Yamamoto, M. (4) T. Kodaira, I. Seki, T. Tsuruta, N. Kawase, T. Matsuura, Y. Yamamoto, S. Kawanami, “Monitoring of pipe wall thickness using high-temperature thin-film UT sensor”, 11th International Conference on Non Destructive Evaluation, May 2015. (5) T. Kodaira, Y. Yamamoto, T. Kimura, T. Tsuruta, I. Seki, “Wall thickness monitoring using high-temperature thin-film UT sensor”, JSNDI Fall Conference 2016, October 2016. - 544 -“ “高温用薄膜UTセンサを用いた連続モニタリングシステムの開発“ “小平 武志,Takeshi KODAIRA,細見 舜,Shun HOSOMI,武田 義勝,Yoshikatsu TAKEDA,松浦 貴之,Takayuki MATSUURA,近藤 一海,Kazuumi KONDO,木村 是,Tadashi KIMURA
原子力発電プラントにおいては、JSMESNG1「発電用原子力設備規格加圧水型原子力発電所配管減肉管理に関する技術規格」に基づき、定期的な配管肉厚の定点測定を実施している。また、系統内配管に空気溜りを検出するため、定期的な水位計測が行われることがある。このような定期的な測定では、有意な減肉や空気溜りをただちに発見することが出来ない。これら減肉や空気溜りが設備に対して悪影響を与える前に異常を検出するには、定期測定の頻度を上げる必要が有る。 しかしながら、系統運転中の配管は高温であるため、系統運転中での測定が困難である。また、測定の都度、保温材や仮設足場の撤去・復旧が必要となるため、付帯作業コストが高くなる。これらの課題を解決すべく、高温用の薄膜UTセンサと、超音波パルサレシーバを組み合わせたモニタリングシステムを開発した。本論文ではモニタリングシステムの概要を示すとともに、薄膜UTセンサに関する各種検証試験の概要を示す。 2.モニタリングシステムの概要
本モニタリングシステムの構成をFig.1に示す。本モニタリングシステムは薄膜UTセンサ、パルサレシーバ、データ収集用PC、モニタリング用PCから構成される。薄膜UTセンサは系統運転中も保温材の下に設置される。センサは保温材から引き出したUTケーブルを介してパルサレシーバに接続され、指定した頻度にてUT データを採取することができる。なお、本モニタリングシステムは下記2つの使用方法が有り、使用環境に応じたデータ通信モードの選択が可能である。
(a) 連続監視モード 薄膜 UT センサで測定したデータを即座にデータ収集用PCに無線にて転送し、データ収集用PCを経由してモニタリング用PCにデータを転送することで遠隔にて連続監視を行う。(b) パトロールモード 無線が使えない環境では、測定したデータをパルサレシーバのメモリに一時記憶し、現場パトロール等の際に有線にてデータを回収する。ここで、本システムの主要な要素である薄膜UTセンサ及びパルサレシーバの仕様を2.1、2.2 項に示す。 Fig.1 Monitoring system 2.1 薄膜UTセンサ 薄膜UT センサをFig.2に示す。薄膜UT センサは上部 電極、圧電素子膜、下部電極から構成されている。厚さ は1.0mm以下と薄く、保温材の下への設置も容易である。 膜状でフレキシブルであり対象の表面に倣い易いため、 小口径管の T 継手部のような複雑形状部においても安定 した測定が可能である。さらに高温耐久性を持ち運転中 最大200°Cとなる配管に常設設置することが可能である。 薄膜UT センサに対する検証試験の結果を2.1.1項以降 に示す。 Fig.2 Thin-film UT sensor [3] (a) 連続監視モード - 541 - t=5.65mm CRT80% Gain 34.1dB after 1273 days CRT80% Gain 34.3dB after 597 days after 597 days 2.1.1 高温耐久性試験 薄膜 UT センサの高温耐久性を確認するため、まずは 恒温槽を用いた200°Cでの連続加熱試験を実施した。本試 験は現在も継続中である。Fig.3 に約1200日間の測定波形 の推移を示す。3年以上の加熱の後でも、顕著な波形歪み、 ノイズ、著しい減衰等の傾向は確認されていない。 Fig.3 Waveforms of continuous heating test 次に熱サイクル試験を実施した。Table1 に試験条件を 示す。Fig.4に示すように、10サイクル後も熱膨張差に起 因するセンサ剥離などの兆候は見られず、試験終了後も 1サイクル目と同等の肉厚測定が可能であった。 以上のことから、薄膜 UT センサは優れた高温耐久性 を有することを確認した。 t=5.65mm t=5.68mm CRT80% Gain 32.2dB after 35 days t=4.96mm t=4.99mm t=4.99mm t=4.96mm ure CRT80%Gain CRT80% 37.7dB 37.7dB Gain CRT80%Gain CRT80% 39.7dB 39.7dB Gain 1st #1 cycle 10th #10 cycle - 542 - Table1 Test condition of thermal cycle test [3] 項目 条件 熱サイクル数 10 サイクル 高温時の温度 約200°C Fig.4 UT waveform of continuous heating test [3] 2.1.2 実機適用性試験 薄膜 UT センサの実機環境での適用性や施工性を確認 するために、原子力発電プラントにて実地試験を実施し た。肉厚約 6mm、運転時温度約 150°Cの配管に4つの薄 膜 UT センサを同一円周上に設置し、ポータブル肉厚測 定器を用いて定期的な測定を行っている。取付したセン サをFig.5 に示す。保温材外面にコネクタを配置し、検査 員はコネクタに測定装置を接続するのみで、測定を実施 することが可能である。Fig.6 に約28カ月間の波形変化例 を示す。この図が示すように、顕著な信号歪みやノイズ 等は確認されていない。ただし 4 センサのうち 2 センサ についてはわずかに減衰傾向が観察されており、その理 由はセンサが配管表面から剥離傾向にあるためと考えて いる。今回が実機での初めての取付施工であったが、そ の施工方法に改良の余地があるものと思われる。 Fig.5 Thin-film UT sensor for field trial [4] Fig.6 UT waveform of field trial 2.2 パルサレシーバ パルサレシーバの開発に際し、以下コンセプトにより 仕様設定を行った。 (a) 設置場所を選ばずに設置できるよう、電源供給及 びデータ転送のためのケーブルが不要なこと。 (b) 複数の場所をモニタリングできるよう、マルチチ ャンネルタイプであること。 (c) バッテリーの交換なしで長期間使用できるよう、 低消費電力であること。 (d) 無線が使えない環境にも対応可能なよう、データ の一時記憶が可能なこと。 (e) 狭隘箇所にも設置出来るようサイズが小さいこと。 上記コンセプトを満足するよう開発されたパルサレシ ーバ(試作機)の外観を Fig.7、具体的な仕様を Table 2 に示す。 Fig.7 パルサレシーバ(試作機) t=5.50mm after 841 days t=5.50mm after 302 days CRT80%Gain 54.0dB CRT80%Gain 54.7dB Table2 Features of Pulsar Receiver(trial product) 項目 仕様 センサチャンネル数 8 チャンネル 電源供給 単3電池 バッテリー交換頻度 1 年 通信インターフェース 無線 又は USBシリアル 本体サイズ 105mm×150mm×75mm 3. 適用例 薄膜UTセンサは通常のUTセンサと遜色のない性能を 有するため、薄膜 UT センサとパルサレシーバを組み合 わせることで、様々なプラントモニタリングが可能であ る。その一例を以下に示す。 3.1 減肉モニタリング 近年、水質/運転条件改善による流れ加速型腐食の減肉 現象抑制が進められている。そのため、薄膜UTセンサを 減肉の著しい箇所に設置し、パルサレシーバにより高い 頻度でデータ採取を行うことで、水質/運転条件を途中 で変化させた場合における減肉率の変化が検知可能であ る。これにより、減肉抑制の為の水質/運転条件の最適 化が可能となると考えられる。 Fig. 8 Wall thinning monitoring system 3.2 水位モニタリング 空気溜りの懸念のある機器に薄膜 UT センサを設置し、 任意の頻度でUTデータを採取することで水位モニタリン グを行うことができる。異常な水位状態を検出すること で、ウォーターハンマー事象やポンプの異常振動等を未 然に防止することができ、設備の安全性向上に寄与する ことができる。また、ベントラインの空気抜き効果の検 証などにも適用可能である。 パルサレシーバ データ収集用PC Fig. 9 Water level monitoring system 4. 結論 本研究では、発電所用のモニタリングシステムの開発 を行った。本システムは、配管減肉及び空気溜りのモニ タリングシステムとして、実機の高温環境下にも適用可 能なことを確認した。 今後は本モニタリングシステムを実機にて適用するこ とで、プラントの安全性に寄与していくとともに、他の モニタリングニーズへの適用検討を行い、適用先の拡大 を図っていく。 5. 参考文献 (1) M. Kobayashi, Cheng-Kuei Jen, Daniel Levesque, Kurokawa, “Development of thickness measurement and thickness trend monitoring technology using high-temperature thin-film UT sensor”, Japan Society of Maintenology, Vol.10, July 2013. モニタリング用PC 薄膜UTセンサ 薄膜UTセンサ パルサレシーバ データ収集用PC モニタリング用PC - 543 - “Flexible Ultrasonic Transducers”, IEEE Transactions on ultrasonics, and frequency control, Vol.52, No.8, August 2006. “Integrated Piezoelectric Ultrasonic Receivers for Laser Ultrasound in Non-destructive Testing of Metals”, Journal of Nondestructive Evaluation (2011) 30:1-8 (2) K. T. Wu, C. K. Jen, M. Kobayashi, A. Blouin, (3) N. Fujita, I. Seki, T. Matsuura, Y. Yamamoto, M. (4) T. Kodaira, I. Seki, T. Tsuruta, N. Kawase, T. Matsuura, Y. Yamamoto, S. Kawanami, “Monitoring of pipe wall thickness using high-temperature thin-film UT sensor”, 11th International Conference on Non Destructive Evaluation, May 2015. (5) T. Kodaira, Y. Yamamoto, T. Kimura, T. Tsuruta, I. Seki, “Wall thickness monitoring using high-temperature thin-film UT sensor”, JSNDI Fall Conference 2016, October 2016. - 544 -“ “高温用薄膜UTセンサを用いた連続モニタリングシステムの開発“ “小平 武志,Takeshi KODAIRA,細見 舜,Shun HOSOMI,武田 義勝,Yoshikatsu TAKEDA,松浦 貴之,Takayuki MATSUURA,近藤 一海,Kazuumi KONDO,木村 是,Tadashi KIMURA