AE による貯蔵タンクの状態監視AE でできること,出来ないこと一
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カテゴリ: 第3回
1.緒言
を評価するシステムである. 雨風のない日の1時間 日本には現在約7万基の屋外特定タンクがあるで検出される AE の発生頻度や振幅,持続時間等か が,7年から 12 年に一度の開放点検(定点肉厚検査) ら5段階に評価している[3]. しかし側壁センサは燃 が義務付けられ, 許容減肉は設計肉厚の 20%である。 料中を直接伝播する縦波(以後液中縦波という)を 2004 年における漏洩事故は 345 件と報告され,多く 検出していると考えた位置標定を行なうと,標定精 は腐食が原因である.度はかなり悪くなる.側壁センサは,色々な経路を * 本報におけるタンク検査は, time based inspection 伝播した AE を検出し,液中縦波の振幅は小さく到 (TBI)に基づいて行なわれているが, AE を用いて供達時間が正しく読み取りにくいからである[4]. ちな 用中タンク底板の状態を監視しながら,開放点検時) みに,液中縦波の伝播速度は 1500m/s (水中)から 期等をタンクオーナが自主的に判断する保安体制に。 1300m/s(油)で, ラム波(板波) Ao モード(非対 向けた動きがある.国によって規則や法令が異なり, 称振動するモード波で Anti-symmetric mode といい, AE に要求される情報の質も異なる. わが国では, 0 次のモード波を Ao という)の 60kHz における群 腐食が起こっているか,またどのくらい減肉してい速度は板厚 6mm から 8mm では約 3000m/s である. るかを調べることになるが, AE で出来ることと出。 So モードの最速速度(シート速度)は,板厚に関係 来ないことがある.なく鋼では 5400m/sである. 本報では, 2003 年から行われてきた屋外特定タン タンクオーナが AE 計測に期待する情報は、タン クの AE モニタリングを基に, AE で出来ることとはクの何処がどの程度腐食されているかということで 何か, 将来の AE 技術はどうあるべきかを議論する. ある.しかし,減肉量や減肉進行速度を現行の AE なお, AE を用いてタンクの腐食状態をモニタする 法で測定することは不可能に近い. AE 検査法は, という原理は,腐食によって生成したチの破壊(体タンク危険度のスクリーニング手法にすぎない. 積膨張による自壊や外部負荷(温度,圧力)による - 錆は温度変動や濡れ・乾きを受けるときに AE を 破壊)が AE を放出することにある[1].頻繁に発生するので, AE 発生率や振幅は必ずしもAE 測定時における腐食速度や腐食減肉量と直接的 2. AE によるタンク底板検査の現状相関をもってはいない. AE を発生するような錆は ・タンクの検査法として TANK-PAC[2]と呼ばれる。 かなり厚く成長する必要があるので,数年前に起こ 方法がある.側壁に設置した多くのセンサ(以後, った腐食で生成した古い錆が割れていることもあるし,現在成長中の新しい錆が割れないこともある. 連絡先:竹本幹男、〒229-8558 神奈川県相模原市淵野またノイズの多い屋外装置では,AE 信号のみを 辺 5-10-1、青山学院大学理工学部機械創造工学科、電 話: 042-759-6202、e-mail : takemoto@me.aoyama.ac.jp検出することは極めてむつかしい.ノイズと信号を
区別しなければならない。どのような AE 計測装置 も,ノイズと信号をリアルタイムに判別する機能は もっていない.またノイズを取込んでいる間は,信 号を検出しない.そのため取込んだ AE の 90%以上 がノイズであるということもある.沿岸地帯に多く の屋外タンクをもつわが国では、風の弱い日は,特 に冬季では2週間の内に1日あればよい方である. 筆者らは、多くのセンサが検出した波の到達時間や 波形を見較べて(目視観察で)分別しているが,数 日を必要とする作業になり,合理的な方法ではない. 解決しなければならない問題のひとつである. - 現在の AE 計測システムは並列型である. このた め, 16個程度のセンサを設置して感度校正を行うの に4時間程度かかり, 1日にAE計測できる時間は、 撤収のための時間も入れると1時間程度に限られる. また,現在の AE センサは圧電型センサで,防爆認 定が取りにくいこと,ノイズに弱いことなども問題 である. AE で出来ることと, AE に期待されること は,研究者や機関,検査会社などによってかなり異 なっている.3. AE 計測法と信号処理側壁センサがもつ問題を避け,音源位置標定精度 をあげる一方法は、 アニュラ板テラスに設置したAE センサ(以後、底板センサと呼ぶ)を用いて,底板 を伝播するラム波 AE を検出することである. トーラム波には、分散性(周波数によって速度が変化) の複数モード波があるので音源位置標定アルゴリズ ムにはそれなりの工夫が必要である.実際のタンク では、So モード波が検出されることもあれば,Ao モードしか検出されないこともあるので,どの波の どの周波数成分の到達時間を正しく読取れるかと, 伝播速度をいくらにするかによって標定精度が左右 される.しかし検出波の性質はわかっているので, 標定精度を改善できるほか,風が強くてもノイズを 拾いにくいというメリット,内容物がなくてモニタ リングできるというメリットもある. 4. 開放タンクを用いた音源位置精度の検証 ラム波 AE からどの程度の標定精度が得られるかを, 開放点検中の直径 32.93m,高さ 13.755m の円筒空 タンクを用いて試験した. Fig.1 は検査法であるParametric analysis and source location32.93mC-AEAS13.755mRF signalDigitizer ADASWaveform analysis Sensor Center freq.Digitizer 0130kHz ■60kHz 50kHzPre-amp. IADASI 0200kHz Fig. 1 Monitoring of Lamb wave AE from the floor plate of a cylindrical storage tank by sensors mounted on the terrace of an annular plate詳細は割愛するが,腐食のおこりやすいとされるア ニュラー板近傍の音源位置は, Fig.2 の左に示すよう に最大誤差 3m 以内に標定される[S]. 一方,市販シ ステムに使われているしきい値から到達時間差を決 める方法では,右に示すようにタンク中央方向に大 きくずれる.後者の大きな誤差は,到達時間決定法 と使用すべきセンサの組合せが適切に行われていな いためであった.Tast15203301800310350LocatedDistance, m)2900-10 15all 270270° -15Distance, m (center) Fig.2 Source location results of artificial sources on the floor plates of open tank自動化された信号解析技術では、迅速な情報の提供 は出来ても,必ずしも精度や信頼性が保証された情 報ではないこともある.5. 10,000kl タンクの腐食源位置評定 1-4節で示したタンク底板の腐食(錆破壊)による AE を, 2003年11月(空タンク)と 2005年2月(補 修後にナフサタンクとして供用中)に底板センサを 用いてモニタした.使用したセンサ(共振周波数) やチャンネル数が異なるが,ノイズと信号数の割合,396音源位置評定結果のみを紹介する。Fig.3 は,2003 年での信号 AE 累積数の経時変化(1時間)である. AEは後半の 30 分で多く発生しているが,信号総数 (85 個)は総検出イベントの 5%である.Absolute time 12:00 12:30 13:00Cumulative AE count1. 0 2.0 3.0 |Time, ks Fig.3 Cumulative signal counts used for source location 信号 AE の A0 ラム波初動波到達時間差と適切なセ ンサ組合せを用いて,音源位置を行うと Fig.4 の様 になる.なお図には 2003年10月に行われた超音波 肉厚検査による残存肉厚検査も示した. AE音源は、 比較的大きな減肉が見られた第3象限の限られたゾ ーンに標定されている. このタンクについては,午 後も1時間の計測を行ったが,同じ位置に標定され た. このタンクはアニュラ板を補修後, ナフサタン クとして使用されたので, 2005年2月8,9日に再度 AE モニタリングをおこなった, 2003年の検査から 1年2ヶ月後の検査になる.この検査では,共振周6.0mmThickness ■8.6-8.28.2-8.0 08.0-7.6 17.67.4 02.46.1mmD21905.8mm1806.1mmCh.1Ch.210F0Ch. 21038Ch.310mSensor-10FFO, IVCh.4Ch.5ch.6 LINE(b) cas Fig.4 Located AE sources (left) and contour map of wall thickness of the tank in 2003.波数が 30kHz と 50kHzのそれぞれ8個のセンサをア ニュラ板と側壁につけて都合7時間の計測をおこな った. モニターされたイベント波形の丁寧な目視観 察によって信号とノイズを分別し,かつ信号につい てはランク分けをおこなって位置標定し,標定確度 を詳細に調べた. Table 1 には、気象条件,使用した センサと設置場所、計測時間,総イベント数(ノイ ズも含む), 有意な信号数,また最下段には信号数の 総イベント数に占める割合を示した.なお,グレー の欄は底板センサによるデータである. Data Number の, 例えば 3-30A は, 3回目の計測で, 30kHz センサを底板に設置したことを意味する.最後Sは side wall の意味である.両日との2月としては暖か い穏やかな日であったが,総イベント数に占める信 号の割合は、最大で 11.4%,最低で 2.1%である. 風 速が低いにもかかわらず,信号検出率が低かったの は,スチム配管からの衝撃音である. ノイズとして は、風雨のほか,スチームハンマ, 電磁波(バイク や高圧電線,無線), ポンプ,作業音があるが, スチ ームハンマについて対策は取れない、2日間の計測 で音源位置標定に使用できる信号はデータ 3-30A と 3-50A である. Table 1 Weather condition, monitoring method and signal countsDato Feb,9,2005Fob. 10,2005 Woahtor Tamp. :12 C, humidity: 63%, Wind:2m/s | Tomp.:15 C, Humidity: 46%, Wind: 2.5m/s Monitoring No.1 No.1No.2 No.3No.4 Data Number 1-30A 1-50S2 -30A 2-50S 3-30A-13-50A 4-3054-50A]Sonsor Type _30kHz 50kHz 30kHz 50 kHz 30kHz 50kHz 30kHz 50kHz Sonsor Location Annular Sido wall Annulor Sido wall Annular Annular Side wall Annular Start Time 13:30 14:310.4777777777777788:57 Finish Time 14:30 16:310.56111111111111110:57 Monitoring hour1 hour 2 hour2 hour 2 hour530 483 461100 107795 891800 1722Total Events Total Noisas Total Signals % of signals to total avents60220 195 25190 1791100 1058 4223840.0870.1770.0210.0950.047| 11.40%0.0380.057Fig.5 には, 3-30A データの中からある程度の信頼 性(偶数および奇数の4センサのうち3個以上が S/N 比の高い信号を検出)を持って位置標定が出来 る波形の一例を示した.これらの AE では, So モー ド波が検出されており,初動波到達時間差が正確に 読みとれる IS-1 波については正しい音源位置ができ るが,このような信号は 84 個のうち 33 個である. 標定された音源位置の確度(そこに AE を発生する 錆があるはずであるという確率)は、開放点検での 肉厚検査と照合する以外にないが,最低でも7年先 である。397Data Count: 5 84 Time:449Dala Count: ( 84 Time: 463JUKUYAMARTTOKYHara205-EL50S1FF62raraFig.5 Examples of AE signals detected by 30kHz annular sensor . Data No.3-30A そこで,偶数番号と奇数番号センサの出力を使用し て標定された位置の距離誤差が 1m 以内にあるもの を確度の高い位置とした. Fig.6 には,2003 年の肉 厚等高図の上に,データ 3-30A の音源位置で確度の 高いところを破線の楕円で示した. och1,3,5,7 rank 1 ech2,4,6,8 rank 1 Ch.14.0Thickness■8.6-8.2 chBuh2 18.2-8.018.0-7.67.6-7.4 07.4Ch.32761 Ch.72704Thickness:1.2.7.AmmThickness:7.2-7.4mmbone fad Ch.6v Ch.4h5180° Fig.6 Source location results of AE signals (Data No. 3-30A) on the contour map of wall thickness inspected in 2003. 確度の高いゾーンは a-e の5箇所であるが,このう ちbは、もっとも肉厚の低いところに近い. a と c は,第3象限にはあるが,最も肉厚の低いところか ら離れている.このタンクは,2003年の補修のとき ジャッキアップされているので,割れやすい錆が脱 落した可能性もあるが,腐食は広がっている可能性 がある. その他のデータの位置標定結果も Fig.6 と ほぼ同じ位置にあった.Fig.7は、 商用計測装置による AE のエネルギー分 布を示している, 音源位置は,しきい値到達時間差 法を用いているため,正確さを議論することは難し いが,高いエネルギーのゾーンは第3象限に集中し ている.いろいろな情報を総合的に判断して,確度 の高いゾーンを決める必要がある.6.5,000kl タンクの腐食源位置評定-398ナフサ貯蔵タンク (1968 年製, 内径 20m, 高さ 16m, フローティンルーフ)の AE 検査結果を紹介する. この検査は、2004 年 12月 8,9 日に行なわれた. Table2 には、気象条件,モニタリング法,信号数な どを示した. 中心周波数が 30kHz と 50kHzセンサを それぞれ8個を用いた計測である.8日は穏やかな 曇りであったが, 9 日は風が強く計測には不向きな 日であった.このため,総イベント数に占める信号 数は、8日は最大 52%であったが、9日は1%以下で あった. Table 2 Data number and their detail with weather condition of AE monitoring in Dec. 2004Date 8. Dec9.Dec WeatherCloudy. Max. temp.:16 C. 1.5m/s windCloudy with shower, Max. temp.:10 C, 6 m/s wind Data Number 1-301-5012-3012-50| 3-30 3-50T 4-30 T4-50 T5-30 15-501 Sensor Type | 30kHz 50kHz 130kHz | 50kHz | 400Hz 150kHz | 30kHz | 50kHz130kHz/60kHz Sensor location annular side wall annular side wall || annular annuler side wall annuler side wals annular Start time 1 12:16 | 12:15 | 14:13 | 14:13 11 8:56 18:56 T10-4010-40T11:41 | 11:41 End time13:15 116:13 16:13 9:56 :56 11:40 11:40 12:51 | 12:51 Threshold, mV7.8 9 15.6 .16 1 23.4 1 61 39.1 12.5 Total avents293309 1016 6011 2152 719 1322 1221 2383 Wind noise114 227 951659 Another noise142150 878 297■■ 2011 488 1711 55312245 AE Signal159 7344、 ~2716 Percentage of651 60110239Motoar ast | 78 | s15 | 72 || aa | 11 | 56 | ana | 07 | 04avents底板センサは側壁センサに比べて風ノイズの影響 を受けにくいので,しきい値は 9mV よりも低い 7.8mV に設置している.この計測で得られた信号に ついても4段階(Tpye-A,B,C)に分類した.すなわ ち Type-A は4個(偶数および奇数センサー)のセ ンサが高いS/N 比の信号を検出したもので,確度が 比較できるもの, Type-B は3個のセンサが信号を検 出したもの, Type-Cは2個のセンサのみが信号を検 出したものである. Table 3 には, Type-A,B,C の数を 示した.8日の計測データのみが位置標定に使用で きる. No.2 は2時間計測であるので、1時間あたり の Type-A 信号の数は,底板センサで 50 個以下,側 壁センサでは 30個以下である.色々な方法で位置標 定の確度が検討されたが,総合判定すると, Fig.8 の ようになった. 確度の高いゾーンを破線の楕円で, アニュラー板については太い実線で示した. また 2005年2月に行われた肉厚測定結果に基づく肉厚の 薄い(法定肉厚を切るゾーンはない)領域を D1-DS で示した.提供したデータに基づいて2月には再度 詳細な肉厚検査がなされた. その結果, A2 領域に存 在する3枚の底板のうち, 2 枚の肉厚は 9.7-9.8mm であったが, 1枚の端部では 9.4mm であった.,1 Ch1 (0° )Ch8 (315°)Ch2 (45°)1CupTんなもんっだからがACL$ ARKCICへ78料 Ch3 さいた! 4.90°)Wall reduction of annularplate Ch4 (135““)Ch6 (225°)....TMD57Ch5 (180° )Diode Laser (1.3km)! Feedback systemCut off frequency400Hz | Low-pass ““ filterActuatorIntegratordriverPZT actuatorError signalPhotodiodeReference FiberIsolatorDifferential pics amplifierDiode Laser CouplerCoupler(1.31m)Sensor FiberBand-passfilter (20~150kHz)DigitizerAE waves00Fig.8 Cascade multi-sensing optical fiber AEmonitoring system 8.結言タンクのAE診断について, AE で出来ること とは何であるかを紹介した. 有意な信号についての 確度の高い位置標定こそがタンクオーナに提供できFig. 7 Summary of AE source location results of all signals detected by 3 hours monitoring on Feb.8 on the wall thickness dataB2 領域の1枚の底板の厚さは 9.6-9.8mm で異常は なかった. C4 領域に存在する 2 枚の底板の肉厚は 9.7-10 mm で異常はなかったが,この場所にはルー フドレーンサポートがあることがわかった. C4 領域 ではサポートからのノイズを計測していた可能性が ある.減肉箇所と AE 音源位置評定箇所はかならず しもよく一致しているとは言えない結果となった. このタンクはよく管理されたタンクであることがう かがえた. 7. 将来型AE計測システム ・リスクの高いタンクについては,連続あるいは間 欠的な AE モニタリングを長い期間行なう必要があ るが,装置が高価であることなどが短時間計測を余 儀なくしている.使捨て型の安価なセンサと計測装 置が必要である.筆者らは,通信用ファイバをAE センサとする直接マルチセンシング機能をもつ干渉 計型の AE 計測システムを開発した. Fig.8 にシステ ム概要を示す.自作のフィードバック回路で安定化 されたマッハ・ツェンダー型レーザ干渉計で,防爆 性に優れ,また使捨てセンサとして使用可能である. 一本のセンシングファイバーを直径の異なるセンサ ホルダに巻きつけホルダの共振周波数を利用して音 源位置評定をおこなう.1本のファイバを8個程度 に分割することが可能で一台の計測装置ですむの で長時間の計測が可能になる. リスクの高いタンク については,減肉速度や危険度到達時間を推定する ことが必要であるが,これを可能にする.- 399 -Fig.8 Cascade multi-sensing optical fiber AEmonitoring system 8.結言タンクのAE診断について,AE で出来ること とは何であるかを紹介した. 有意な信号についての 確度の高い位置標定こそがタンクオーナに提供でき る情報である.また次世代の計測法が必要になっている. 「謝辞 本研究は,石油連盟との共同でおこなわれた, タンク を提供され,肉厚データを提供された会社に感謝する 参考文献 [1]竹本幹男:大気錆の成長・破壊によるアコースティック・エミッション,材料と環境,51(6), pp.256-261, (2002) [2]P.T.Cole and P.J. Van de Loo : Listen to Your Storage Tanks to Improve Safety and Reduce Cost, Acoustic Emission Beyond the Millenium, edt. by T.Kishi, M.Ohtsu and S. Yuyama, Elsevier, pp. 169-178, (2000) [3] 山田實,桶川重郎,湯山茂徳, 裕谷篤志,関根和喜,丸山裕章:AE 法による石油タンクの腐食挙動,圧力技術,40(4), pp.222-227,(2002) [4]曽我部隆洋,松浦健児,竹本幹男:屋外暴露貯水円筒タン クの底板腐食によるアコースティックエミッションの検 出と音源位置標定,非破壊検査,53(1), pp.35-39, (2004) [S]長秀雄,竹本幹男,米津明生,池田隆二,鈴木裕晶,中野正章, ラム波 AE を用いた円筒タンク底板腐食損傷位置の 標定一人工音源を用いた位置標定精度,非破壊検査,54-5,(2005)pp.259-264 [6長秀雄,竹本幹男,米津明生,池田隆二,鈴木裕晶,中野正章,石油タンク底板腐食によるラム波 AE の検出と位置 標定-超音波肉厚測定結果との対応-非破壊検査, 54-6(2005) pp.318-323“ “AE による貯蔵タンクの状態監視AE でできること,出来ないこと一“ “竹本 幹男,Mikio TAKEMOTO,長 秀雄,Hideo CHO
を評価するシステムである. 雨風のない日の1時間 日本には現在約7万基の屋外特定タンクがあるで検出される AE の発生頻度や振幅,持続時間等か が,7年から 12 年に一度の開放点検(定点肉厚検査) ら5段階に評価している[3]. しかし側壁センサは燃 が義務付けられ, 許容減肉は設計肉厚の 20%である。 料中を直接伝播する縦波(以後液中縦波という)を 2004 年における漏洩事故は 345 件と報告され,多く 検出していると考えた位置標定を行なうと,標定精 は腐食が原因である.度はかなり悪くなる.側壁センサは,色々な経路を * 本報におけるタンク検査は, time based inspection 伝播した AE を検出し,液中縦波の振幅は小さく到 (TBI)に基づいて行なわれているが, AE を用いて供達時間が正しく読み取りにくいからである[4]. ちな 用中タンク底板の状態を監視しながら,開放点検時) みに,液中縦波の伝播速度は 1500m/s (水中)から 期等をタンクオーナが自主的に判断する保安体制に。 1300m/s(油)で, ラム波(板波) Ao モード(非対 向けた動きがある.国によって規則や法令が異なり, 称振動するモード波で Anti-symmetric mode といい, AE に要求される情報の質も異なる. わが国では, 0 次のモード波を Ao という)の 60kHz における群 腐食が起こっているか,またどのくらい減肉してい速度は板厚 6mm から 8mm では約 3000m/s である. るかを調べることになるが, AE で出来ることと出。 So モードの最速速度(シート速度)は,板厚に関係 来ないことがある.なく鋼では 5400m/sである. 本報では, 2003 年から行われてきた屋外特定タン タンクオーナが AE 計測に期待する情報は、タン クの AE モニタリングを基に, AE で出来ることとはクの何処がどの程度腐食されているかということで 何か, 将来の AE 技術はどうあるべきかを議論する. ある.しかし,減肉量や減肉進行速度を現行の AE なお, AE を用いてタンクの腐食状態をモニタする 法で測定することは不可能に近い. AE 検査法は, という原理は,腐食によって生成したチの破壊(体タンク危険度のスクリーニング手法にすぎない. 積膨張による自壊や外部負荷(温度,圧力)による - 錆は温度変動や濡れ・乾きを受けるときに AE を 破壊)が AE を放出することにある[1].頻繁に発生するので, AE 発生率や振幅は必ずしもAE 測定時における腐食速度や腐食減肉量と直接的 2. AE によるタンク底板検査の現状相関をもってはいない. AE を発生するような錆は ・タンクの検査法として TANK-PAC[2]と呼ばれる。 かなり厚く成長する必要があるので,数年前に起こ 方法がある.側壁に設置した多くのセンサ(以後, った腐食で生成した古い錆が割れていることもあるし,現在成長中の新しい錆が割れないこともある. 連絡先:竹本幹男、〒229-8558 神奈川県相模原市淵野またノイズの多い屋外装置では,AE 信号のみを 辺 5-10-1、青山学院大学理工学部機械創造工学科、電 話: 042-759-6202、e-mail : takemoto@me.aoyama.ac.jp検出することは極めてむつかしい.ノイズと信号を
区別しなければならない。どのような AE 計測装置 も,ノイズと信号をリアルタイムに判別する機能は もっていない.またノイズを取込んでいる間は,信 号を検出しない.そのため取込んだ AE の 90%以上 がノイズであるということもある.沿岸地帯に多く の屋外タンクをもつわが国では、風の弱い日は,特 に冬季では2週間の内に1日あればよい方である. 筆者らは、多くのセンサが検出した波の到達時間や 波形を見較べて(目視観察で)分別しているが,数 日を必要とする作業になり,合理的な方法ではない. 解決しなければならない問題のひとつである. - 現在の AE 計測システムは並列型である. このた め, 16個程度のセンサを設置して感度校正を行うの に4時間程度かかり, 1日にAE計測できる時間は、 撤収のための時間も入れると1時間程度に限られる. また,現在の AE センサは圧電型センサで,防爆認 定が取りにくいこと,ノイズに弱いことなども問題 である. AE で出来ることと, AE に期待されること は,研究者や機関,検査会社などによってかなり異 なっている.3. AE 計測法と信号処理側壁センサがもつ問題を避け,音源位置標定精度 をあげる一方法は、 アニュラ板テラスに設置したAE センサ(以後、底板センサと呼ぶ)を用いて,底板 を伝播するラム波 AE を検出することである. トーラム波には、分散性(周波数によって速度が変化) の複数モード波があるので音源位置標定アルゴリズ ムにはそれなりの工夫が必要である.実際のタンク では、So モード波が検出されることもあれば,Ao モードしか検出されないこともあるので,どの波の どの周波数成分の到達時間を正しく読取れるかと, 伝播速度をいくらにするかによって標定精度が左右 される.しかし検出波の性質はわかっているので, 標定精度を改善できるほか,風が強くてもノイズを 拾いにくいというメリット,内容物がなくてモニタ リングできるというメリットもある. 4. 開放タンクを用いた音源位置精度の検証 ラム波 AE からどの程度の標定精度が得られるかを, 開放点検中の直径 32.93m,高さ 13.755m の円筒空 タンクを用いて試験した. Fig.1 は検査法であるParametric analysis and source location32.93mC-AEAS13.755mRF signalDigitizer ADASWaveform analysis Sensor Center freq.Digitizer 0130kHz ■60kHz 50kHzPre-amp. IADASI 0200kHz Fig. 1 Monitoring of Lamb wave AE from the floor plate of a cylindrical storage tank by sensors mounted on the terrace of an annular plate詳細は割愛するが,腐食のおこりやすいとされるア ニュラー板近傍の音源位置は, Fig.2 の左に示すよう に最大誤差 3m 以内に標定される[S]. 一方,市販シ ステムに使われているしきい値から到達時間差を決 める方法では,右に示すようにタンク中央方向に大 きくずれる.後者の大きな誤差は,到達時間決定法 と使用すべきセンサの組合せが適切に行われていな いためであった.Tast15203301800310350LocatedDistance, m)2900-10 15all 270270° -15Distance, m (center) Fig.2 Source location results of artificial sources on the floor plates of open tank自動化された信号解析技術では、迅速な情報の提供 は出来ても,必ずしも精度や信頼性が保証された情 報ではないこともある.5. 10,000kl タンクの腐食源位置評定 1-4節で示したタンク底板の腐食(錆破壊)による AE を, 2003年11月(空タンク)と 2005年2月(補 修後にナフサタンクとして供用中)に底板センサを 用いてモニタした.使用したセンサ(共振周波数) やチャンネル数が異なるが,ノイズと信号数の割合,396音源位置評定結果のみを紹介する。Fig.3 は,2003 年での信号 AE 累積数の経時変化(1時間)である. AEは後半の 30 分で多く発生しているが,信号総数 (85 個)は総検出イベントの 5%である.Absolute time 12:00 12:30 13:00Cumulative AE count1. 0 2.0 3.0 |Time, ks Fig.3 Cumulative signal counts used for source location 信号 AE の A0 ラム波初動波到達時間差と適切なセ ンサ組合せを用いて,音源位置を行うと Fig.4 の様 になる.なお図には 2003年10月に行われた超音波 肉厚検査による残存肉厚検査も示した. AE音源は、 比較的大きな減肉が見られた第3象限の限られたゾ ーンに標定されている. このタンクについては,午 後も1時間の計測を行ったが,同じ位置に標定され た. このタンクはアニュラ板を補修後, ナフサタン クとして使用されたので, 2005年2月8,9日に再度 AE モニタリングをおこなった, 2003年の検査から 1年2ヶ月後の検査になる.この検査では,共振周6.0mmThickness ■8.6-8.28.2-8.0 08.0-7.6 17.67.4 02.46.1mmD21905.8mm1806.1mmCh.1Ch.210F0Ch. 21038Ch.310mSensor-10FFO, IVCh.4Ch.5ch.6 LINE(b) cas Fig.4 Located AE sources (left) and contour map of wall thickness of the tank in 2003.波数が 30kHz と 50kHzのそれぞれ8個のセンサをア ニュラ板と側壁につけて都合7時間の計測をおこな った. モニターされたイベント波形の丁寧な目視観 察によって信号とノイズを分別し,かつ信号につい てはランク分けをおこなって位置標定し,標定確度 を詳細に調べた. Table 1 には、気象条件,使用した センサと設置場所、計測時間,総イベント数(ノイ ズも含む), 有意な信号数,また最下段には信号数の 総イベント数に占める割合を示した.なお,グレー の欄は底板センサによるデータである. Data Number の, 例えば 3-30A は, 3回目の計測で, 30kHz センサを底板に設置したことを意味する.最後Sは side wall の意味である.両日との2月としては暖か い穏やかな日であったが,総イベント数に占める信 号の割合は、最大で 11.4%,最低で 2.1%である. 風 速が低いにもかかわらず,信号検出率が低かったの は,スチム配管からの衝撃音である. ノイズとして は、風雨のほか,スチームハンマ, 電磁波(バイク や高圧電線,無線), ポンプ,作業音があるが, スチ ームハンマについて対策は取れない、2日間の計測 で音源位置標定に使用できる信号はデータ 3-30A と 3-50A である. Table 1 Weather condition, monitoring method and signal countsDato Feb,9,2005Fob. 10,2005 Woahtor Tamp. :12 C, humidity: 63%, Wind:2m/s | Tomp.:15 C, Humidity: 46%, Wind: 2.5m/s Monitoring No.1 No.1No.2 No.3No.4 Data Number 1-30A 1-50S2 -30A 2-50S 3-30A-13-50A 4-3054-50A]Sonsor Type _30kHz 50kHz 30kHz 50 kHz 30kHz 50kHz 30kHz 50kHz Sonsor Location Annular Sido wall Annulor Sido wall Annular Annular Side wall Annular Start Time 13:30 14:310.4777777777777788:57 Finish Time 14:30 16:310.56111111111111110:57 Monitoring hour1 hour 2 hour2 hour 2 hour530 483 461100 107795 891800 1722Total Events Total Noisas Total Signals % of signals to total avents60220 195 25190 1791100 1058 4223840.0870.1770.0210.0950.047| 11.40%0.0380.057Fig.5 には, 3-30A データの中からある程度の信頼 性(偶数および奇数の4センサのうち3個以上が S/N 比の高い信号を検出)を持って位置標定が出来 る波形の一例を示した.これらの AE では, So モー ド波が検出されており,初動波到達時間差が正確に 読みとれる IS-1 波については正しい音源位置ができ るが,このような信号は 84 個のうち 33 個である. 標定された音源位置の確度(そこに AE を発生する 錆があるはずであるという確率)は、開放点検での 肉厚検査と照合する以外にないが,最低でも7年先 である。397Data Count: 5 84 Time:449Dala Count: ( 84 Time: 463JUKUYAMARTTOKYHara205-EL50S1FF62raraFig.5 Examples of AE signals detected by 30kHz annular sensor . Data No.3-30A そこで,偶数番号と奇数番号センサの出力を使用し て標定された位置の距離誤差が 1m 以内にあるもの を確度の高い位置とした. Fig.6 には,2003 年の肉 厚等高図の上に,データ 3-30A の音源位置で確度の 高いところを破線の楕円で示した. och1,3,5,7 rank 1 ech2,4,6,8 rank 1 Ch.14.0Thickness■8.6-8.2 chBuh2 18.2-8.018.0-7.67.6-7.4 07.4Ch.32761 Ch.72704Thickness:1.2.7.AmmThickness:7.2-7.4mmbone fad Ch.6v Ch.4h5180° Fig.6 Source location results of AE signals (Data No. 3-30A) on the contour map of wall thickness inspected in 2003. 確度の高いゾーンは a-e の5箇所であるが,このう ちbは、もっとも肉厚の低いところに近い. a と c は,第3象限にはあるが,最も肉厚の低いところか ら離れている.このタンクは,2003年の補修のとき ジャッキアップされているので,割れやすい錆が脱 落した可能性もあるが,腐食は広がっている可能性 がある. その他のデータの位置標定結果も Fig.6 と ほぼ同じ位置にあった.Fig.7は、 商用計測装置による AE のエネルギー分 布を示している, 音源位置は,しきい値到達時間差 法を用いているため,正確さを議論することは難し いが,高いエネルギーのゾーンは第3象限に集中し ている.いろいろな情報を総合的に判断して,確度 の高いゾーンを決める必要がある.6.5,000kl タンクの腐食源位置評定-398ナフサ貯蔵タンク (1968 年製, 内径 20m, 高さ 16m, フローティンルーフ)の AE 検査結果を紹介する. この検査は、2004 年 12月 8,9 日に行なわれた. Table2 には、気象条件,モニタリング法,信号数な どを示した. 中心周波数が 30kHz と 50kHzセンサを それぞれ8個を用いた計測である.8日は穏やかな 曇りであったが, 9 日は風が強く計測には不向きな 日であった.このため,総イベント数に占める信号 数は、8日は最大 52%であったが、9日は1%以下で あった. Table 2 Data number and their detail with weather condition of AE monitoring in Dec. 2004Date 8. Dec9.Dec WeatherCloudy. Max. temp.:16 C. 1.5m/s windCloudy with shower, Max. temp.:10 C, 6 m/s wind Data Number 1-301-5012-3012-50| 3-30 3-50T 4-30 T4-50 T5-30 15-501 Sensor Type | 30kHz 50kHz 130kHz | 50kHz | 400Hz 150kHz | 30kHz | 50kHz130kHz/60kHz Sensor location annular side wall annular side wall || annular annuler side wall annuler side wals annular Start time 1 12:16 | 12:15 | 14:13 | 14:13 11 8:56 18:56 T10-4010-40T11:41 | 11:41 End time13:15 116:13 16:13 9:56 :56 11:40 11:40 12:51 | 12:51 Threshold, mV7.8 9 15.6 .16 1 23.4 1 61 39.1 12.5 Total avents293309 1016 6011 2152 719 1322 1221 2383 Wind noise114 227 951659 Another noise142150 878 297■■ 2011 488 1711 55312245 AE Signal159 7344、 ~2716 Percentage of651 60110239Motoar ast | 78 | s15 | 72 || aa | 11 | 56 | ana | 07 | 04avents底板センサは側壁センサに比べて風ノイズの影響 を受けにくいので,しきい値は 9mV よりも低い 7.8mV に設置している.この計測で得られた信号に ついても4段階(Tpye-A,B,C)に分類した.すなわ ち Type-A は4個(偶数および奇数センサー)のセ ンサが高いS/N 比の信号を検出したもので,確度が 比較できるもの, Type-B は3個のセンサが信号を検 出したもの, Type-Cは2個のセンサのみが信号を検 出したものである. Table 3 には, Type-A,B,C の数を 示した.8日の計測データのみが位置標定に使用で きる. No.2 は2時間計測であるので、1時間あたり の Type-A 信号の数は,底板センサで 50 個以下,側 壁センサでは 30個以下である.色々な方法で位置標 定の確度が検討されたが,総合判定すると, Fig.8 の ようになった. 確度の高いゾーンを破線の楕円で, アニュラー板については太い実線で示した. また 2005年2月に行われた肉厚測定結果に基づく肉厚の 薄い(法定肉厚を切るゾーンはない)領域を D1-DS で示した.提供したデータに基づいて2月には再度 詳細な肉厚検査がなされた. その結果, A2 領域に存 在する3枚の底板のうち, 2 枚の肉厚は 9.7-9.8mm であったが, 1枚の端部では 9.4mm であった.,1 Ch1 (0° )Ch8 (315°)Ch2 (45°)1CupTんなもんっだからがACL$ ARKCICへ78料 Ch3 さいた! 4.90°)Wall reduction of annularplate Ch4 (135““)Ch6 (225°)....TMD57Ch5 (180° )Diode Laser (1.3km)! Feedback systemCut off frequency400Hz | Low-pass ““ filterActuatorIntegratordriverPZT actuatorError signalPhotodiodeReference FiberIsolatorDifferential pics amplifierDiode Laser CouplerCoupler(1.31m)Sensor FiberBand-passfilter (20~150kHz)DigitizerAE waves00Fig.8 Cascade multi-sensing optical fiber AEmonitoring system 8.結言タンクのAE診断について, AE で出来ること とは何であるかを紹介した. 有意な信号についての 確度の高い位置標定こそがタンクオーナに提供できFig. 7 Summary of AE source location results of all signals detected by 3 hours monitoring on Feb.8 on the wall thickness dataB2 領域の1枚の底板の厚さは 9.6-9.8mm で異常は なかった. C4 領域に存在する 2 枚の底板の肉厚は 9.7-10 mm で異常はなかったが,この場所にはルー フドレーンサポートがあることがわかった. C4 領域 ではサポートからのノイズを計測していた可能性が ある.減肉箇所と AE 音源位置評定箇所はかならず しもよく一致しているとは言えない結果となった. このタンクはよく管理されたタンクであることがう かがえた. 7. 将来型AE計測システム ・リスクの高いタンクについては,連続あるいは間 欠的な AE モニタリングを長い期間行なう必要があ るが,装置が高価であることなどが短時間計測を余 儀なくしている.使捨て型の安価なセンサと計測装 置が必要である.筆者らは,通信用ファイバをAE センサとする直接マルチセンシング機能をもつ干渉 計型の AE 計測システムを開発した. Fig.8 にシステ ム概要を示す.自作のフィードバック回路で安定化 されたマッハ・ツェンダー型レーザ干渉計で,防爆 性に優れ,また使捨てセンサとして使用可能である. 一本のセンシングファイバーを直径の異なるセンサ ホルダに巻きつけホルダの共振周波数を利用して音 源位置評定をおこなう.1本のファイバを8個程度 に分割することが可能で一台の計測装置ですむの で長時間の計測が可能になる. リスクの高いタンク については,減肉速度や危険度到達時間を推定する ことが必要であるが,これを可能にする.- 399 -Fig.8 Cascade multi-sensing optical fiber AEmonitoring system 8.結言タンクのAE診断について,AE で出来ること とは何であるかを紹介した. 有意な信号についての 確度の高い位置標定こそがタンクオーナに提供でき る情報である.また次世代の計測法が必要になっている. 「謝辞 本研究は,石油連盟との共同でおこなわれた, タンク を提供され,肉厚データを提供された会社に感謝する 参考文献 [1]竹本幹男:大気錆の成長・破壊によるアコースティック・エミッション,材料と環境,51(6), pp.256-261, (2002) [2]P.T.Cole and P.J. Van de Loo : Listen to Your Storage Tanks to Improve Safety and Reduce Cost, Acoustic Emission Beyond the Millenium, edt. by T.Kishi, M.Ohtsu and S. Yuyama, Elsevier, pp. 169-178, (2000) [3] 山田實,桶川重郎,湯山茂徳, 裕谷篤志,関根和喜,丸山裕章:AE 法による石油タンクの腐食挙動,圧力技術,40(4), pp.222-227,(2002) [4]曽我部隆洋,松浦健児,竹本幹男:屋外暴露貯水円筒タン クの底板腐食によるアコースティックエミッションの検 出と音源位置標定,非破壊検査,53(1), pp.35-39, (2004) [S]長秀雄,竹本幹男,米津明生,池田隆二,鈴木裕晶,中野正章, ラム波 AE を用いた円筒タンク底板腐食損傷位置の 標定一人工音源を用いた位置標定精度,非破壊検査,54-5,(2005)pp.259-264 [6長秀雄,竹本幹男,米津明生,池田隆二,鈴木裕晶,中野正章,石油タンク底板腐食によるラム波 AE の検出と位置 標定-超音波肉厚測定結果との対応-非破壊検査, 54-6(2005) pp.318-323“ “AE による貯蔵タンクの状態監視AE でできること,出来ないこと一“ “竹本 幹男,Mikio TAKEMOTO,長 秀雄,Hideo CHO