光ファイバを用いた電磁超音波共振法による配管減肉測定
公開日:
カテゴリ: 第6回
1. 緒言
1. 火力、原子力発電所や石油、化学プラントなどの設 備トラブルの多くは配管部で発生しており、配管肉厚 管理は設備維持の為に重要である。今回新しい手法を 用いたオンライン計測が可能な金属配管肉厚測定シス テムの開発を行った。本方式は保温材を除去する必要 が無く肉厚の測定が出来、さらにリアルタイムで肉厚 の測定が可能な特徴があることから、従来手法では不 可能であった連続的な配管状態監視が出来る利点がある。本システムによる肉厚測定 光ファイバ超音波共振法)(超音波厚さ保温材の茶芸は不 ・定発足場施工は不・定用の足能士 蒙著一定高新定Fig.1 本測定システムの特徴
2. システムの内容2-1.背景 1 日本機械学会では従来の超音波パルスエコー試験方 法に加え、放射線を用いた透過測定や、配管表面のガ イド波、歪み、渦電流などを用いた様々な試験方法等 が提案されている )。しかしこれら試験方法には長短 所があり、汎用的に用いられている超音波厚さ計は作 業者が直接肉厚値を計測することが出来るが、測定毎 に保温材の除去、足場施工などが必要となる。放射線 透過試験方法では保温材上から試験が可能であるが、 撮影装置を配置する環境に制限がある。一方ガイド波、 歪み、渦電流による試験方法では測定値から肉厚値に 変換するための校正データーが事前に必要であるため 測定現場で簡単に肉厚値を直接測定することが出来な* 今回開発した金属配管肉厚測定システムは電磁超音 波発振子 EMAT(Electro Magnetic Acoustic Transducer)と光ファイバセンサを組み合わせたもの であり、EMAT により非接触で直接金属材料中に超音 波を励起する電磁超音波共振法を用いたものである。 2-4) 本システムの特徴は受信側に光ファイバセンサを 用いたことであり、EMAT と光ファイバセンサを組合 せることによって従来 EMAT 送受信による肉厚計測よ りも高感度で配管肉厚値を直接測定することが出来る。 さらに耐熱構造化することで保温材下の高温稼働状態 の配管肉厚をオンラインで測定することが出来るため、565リアルタイムで配管状態監視が可能となる特徴がある 5-7)。この開発したシステムを用いると従来の定期点検 毎に肉厚値を測定する方法よりも設備点検コストを低 減出来ることが期待できる。n:vd=2f.(n: 次数)--------- (1)2-2. システムの原理と構成 - 本システムで用いている電磁超音波共振法とは、永 久磁石と電気コイルで構成された超音波発振子 EMAT によって、Fig. 2 に示す静磁場と渦電流から金属などの 磁性体中にローレンツ力を誘起させ、間接的に金属材 料中に超音波を伝搬させることで超音波の反射波長が 板厚の整数倍(1)時に多重反射により強め合う共振効果 を利用したものである。板厚は式(1)に示す式によって 得られ、共振振動周波数(f? [Hz]) と 金属中の音速(v [m/sec])から金属板厚(d[mm])を求めることができる。d_ n:v 120f.(n: 次数)------------- (1)従来からEMAT を用いた電磁超音波法による板厚測 定などについては既に報告されているが 2-4)、今回の特 徴は受信側に光ファイバセンサを用いたことである。 光ファイバセンサを用いることでEMAT のみで送受信 を行うよりも高感度の受信信号を得ることが出来、さ らに従来では困難であった1次共振モード周波数の計 測が可能となるため得られ共振周波数から直接板厚値 を求められ、さらに効率良く超音波を励起させること が出来ることから金属板の減肉状態を詳細に測定出来 ることが期待できる。EMAT 永久磁石 電気コイル 光ファイバセンサ 接着材cow icos配管金属内を伝搬する 超音波のイメージFig. 2 光ファイバセンサプローブとEMATの構成没するァイバセンサプローブとEMATの構成 2-3. 光ファイバセンサの構造Fig.3 に光ファイバセンサ部の外観を示す。光ファ イバセンサはポリイミド樹脂を被覆した光ファイバを 平面コイル状に巻き取った構造で、このコイル状の光 ファイバセンサを測定する金属表面に接着材等で固定 して振動計測を行う。光ファイバセンサは小型、軽量 であるため圧電素子を用いた電気センサのような共振 点が無く、ひとつの光ファイバセンサで数 Hz?数 MHL におよぶ非常に広帯域な検出が可能であるため、異な る板厚測定において共振周波数が異なっても同一の光 ファイバセンサプローブで板厚測定することが可能で ある。10mmFig.3 光ファイバセンサ外観Fig.4 にシステムの構成を示す。光ファイバセンサ 部の振動に伴い光ファイバ中を伝搬する光偏波の状態 が変化するため、その光偏波の変化を偏光子を用いて 光強度変化に変換し光受光モジュールで振動を検出す うことが出来る。 - Fig.5 に試作した測定装置を示す。大きさは横 350mm、奥行 370mm、高さ 170mm、重量約 2kg で計 測現場においても容易に移動が可能な仕様となってい る。試験装置本体EMAT任意信号 発生源増幅器光ファイバセンサLD光源」PC偏光子偏波調整 モジュール光受光部配管A/D変換Fig. 4 本計測システムの構成図566、Fig.5 試作した測定装置外観3. 試験結果3-1. 試験の方法 1 光ファイバセンサプローブは Fig. 6 に示すように金 属配管等の測定対象物に接着材等を用いて直接貼り付 けその直上に永久磁石と電気コイルから成る EMAT を 配置してプローブ部の施工を行う。10mmFig. 6 光ファイバセンサとEMATの施工状態測定方法は、まず EMAT で一定周波数のバースト波 を励起させ励起停止後の光ファイバセンサの振動振幅 の計測を行う。その後、励起周波数を測定する板厚測 定精度に応じた周波数間隔変化させ再びにバースト波 を励起、測定を行いこれを繰り返し行う。測定によっ て得られた波形をFig.7に示す。この結果は板厚15mm の炭素鋼試験体を用いた結果であり、Fig.7 a)は励起周 波数 183.5kHz、Fig.7 b)は 184.5kHz の EMAT 励起信号 と光ファイバセンサ受信波形を示している。Fig.7 の a)と b)を比較すると光ファイバセンサの受信波形に大 きな相違があり Fig.7a)では EMAT の励起有無にかか わらず光ファイバセンサの受信波形振幅に変化は無い が、Fig.7b)では EMAT の励起中に光ファイバセンサの 受信波形振幅は徐々に大きくなり、EMAT 励起停止後も振動が継続している状態、つまり共振状態となって いることが分かる。これら各励起周波数毎に EMAT 励 起停止後の光ファイバセンサ受信波形の振幅を振動強 度として励起周波数と振動強度の関係を示した共振周 波数スペクトルを Fig. 8に示す。Fig.8より測定する 板厚値に相当する共振周波数において単一ピークのス ペクトルを得ることが出来ることから、本手法による 測定で金属板厚測定が可能である。EMAT励起電圧M光センサ受信電圧 M-0.02-0.040.00050.00150.0020.001 時間 [sec]0.00050.00150.001 時間 [sec]EMILDI LVJ0:57:360.02光センサ受信電圧(M0-0.04100.00050.0020.001 10,0015 時間 [sec]Fig.7 測定波形 (厚さ15mmm炭素鋼試験体) a)上図:励起周波数 183.5kHz、b)下図: 184.5kHz 1.21。。振動強度。。os170_210180 1 90 200_励起周波数(kHz]Fig.8 共振周波数スペクトル (厚さ 15mm 炭素鋼試験体)5673-2. 平面板による試験結果 - 板厚測定精度の確認を行うために厚さの異なる平面 試験体を用いて板厚測定精度の試験検証を行った。試 験に用いた試験体は Fig. 9 に示す階段状試験体で材質 SUS304、各厚さの大きさ 150×150mm、この中から 厚さ5,13,15,19,23mm の5サイズ部の中央部に光ファ イバセンサ、EMAT を配置して共振周波数の測定を行 い板厚値を求めた。 Fig. 10 にそれぞれの厚さ試験体で 得られた試験板厚値とノギスを用いて実測した厚さと の関係を示す。この結果よりいずれの厚さにおいても 公称厚さとの差は 0.1mm 以下で非常に良く一致して おり、さらに両者の直線相関性は R2=0.9998 と良好 な結果が得られた。900Ft 11380Fig. 9 板厚測定試験用試験体R2 = 0.9998計測板厚 [mm]10_5_253010_ 1520 公称板厚 [mm]Fig. 10 平板試試験体板厚測定結果3-3. 配管形状サンプルによる試験結果 実際の配管形状での肉厚測定検証のためエルボ配管 試験体を用いて肉厚測定を行った。試験に用いた試験 体は Fig. 11 に示す材質 STPT49、250A エルボ配管と、 材質 SGP、100A エルボ配管の2種類を用いた。 光ファ イバセン/EMAT プローブはそれぞれの配管の端部分に、 250A 配管は半円周方向 90°間隔で3箇所、100A 配管 は背側(外側)と側面の2箇所に配置して試験を行っ た。 Fig. 12、13 にそれぞれの配管で測定した結果を示 す。 250A 配管は同一部を超音波厚さ計、マイクロメー ターで測定した値との比較結果を示し、100A 配管につ いてはマイクロメーター測定値と比較した。この結果 より、肉厚約 13mm の 250A 配管、肉厚約 6mm の 100A 配管エルボの両方において本手法を用いて測定した肉 厚値は、超音波厚さ計、またはマイクロメーターの値 と一致していることから、配管エルボのような曲率を 有する形状においても肉厚計測が可能であることを確 認した。Programsonicom/wattomoのクールのたのFig. 11 試験に用いた配管エルボサンプル(奥側:250A、手前側:100A) 15.0ロマイクロメーター 14.5■超音波厚さ計口電磁超音波共振法(本計測) 14.0 13.513測定板厚[mm]12.512511501110.50外側 側面内側 配管測定箇所 Fig. 12 250A エルボ配管の肉厚測定結果5687ロマイクロメーター 電磁超音波共振法(本計測)6.56の測定ができることを確認した。今後は、さらに検出 精度、安定性を向上したシステムの改良とセンサプロ ーブの耐熱構造の検討を進め、実際に稼働しているプ ラントの配管を用いた配管肉厚測定の実証性について 確認を行う予定である。5.5測定板厚5mm]3.5謝辞本研究は株式会社東芝 電力社会システム社との共 同による研究成果である。32.50側面外側配管測定箇所参考文献 [1] 日本機会学会 発電用火力設備規格 火力設備配 管減肉管理技術規格(2006年版) JSME S TB1-2006 TM Hirao H ai. Electromagnetic Acoustic ResonanceFig. 13 100A エルボ配管の肉厚測定結果4. 耐熱特性光ファイバセンサの耐熱試験の結果を Fig. 14 に 示す。炭素鋼試験体(SS400)に耐熱接着材を用いて光 ファイバセンサを接着し、試験体を 200°Cに加熱し た状態で光ファイバセンサの受信感度を測定した。 試験体が高温状態であるため感度確認時の励起源は 鉄球を落下させその衝撃波の初動波を測定した。こ の結果より、約7,000時間経過した段階で感度の劣化 は約30%程度であることから長期間の高温環境にお いても十分な感度を維持していることを確認した。Sensitivity of Optical Fiber(Normalized)20001000600080000time [hr Fig.14 光ファイバセンサ長期耐熱試験結果(200°C)5.結論1 光ファイバセンサとEMAT を用いた電磁超音波共振 法により金属材料の肉厚を従来手法の超音波厚さ計と 変わらない 0.1mm 精度で正確にエルボ形状の配管肉厚の測定ができることを確認した。今後は、さらに検出 精度、安定性を向上したシステムの改良とセンサプロ ーブの耐熱構造の検討を進め、実際に稼働しているプ ラントの配管を用いた配管肉厚測定の実証性について 確認を行う予定である。
「検査・評価・保全に関する連携講演会(1)」論文集、 p.147, (2008) 「7] 白井武広 他: 光ファイバを用いた電磁超音波共振 法による配管減肉測定システム、日本非破壊検査協会 表面探傷・保守検査合同シンポジウム, (2008).569“ “?光ファイバを用いた電磁超音波共振法による配管減肉測定“ “白井 武広,Takehiro SHIRAI,町島 祐一,Yuichi MACHIJIMA
1. 火力、原子力発電所や石油、化学プラントなどの設 備トラブルの多くは配管部で発生しており、配管肉厚 管理は設備維持の為に重要である。今回新しい手法を 用いたオンライン計測が可能な金属配管肉厚測定シス テムの開発を行った。本方式は保温材を除去する必要 が無く肉厚の測定が出来、さらにリアルタイムで肉厚 の測定が可能な特徴があることから、従来手法では不 可能であった連続的な配管状態監視が出来る利点がある。本システムによる肉厚測定 光ファイバ超音波共振法)(超音波厚さ保温材の茶芸は不 ・定発足場施工は不・定用の足能士 蒙著一定高新定Fig.1 本測定システムの特徴
2. システムの内容2-1.背景 1 日本機械学会では従来の超音波パルスエコー試験方 法に加え、放射線を用いた透過測定や、配管表面のガ イド波、歪み、渦電流などを用いた様々な試験方法等 が提案されている )。しかしこれら試験方法には長短 所があり、汎用的に用いられている超音波厚さ計は作 業者が直接肉厚値を計測することが出来るが、測定毎 に保温材の除去、足場施工などが必要となる。放射線 透過試験方法では保温材上から試験が可能であるが、 撮影装置を配置する環境に制限がある。一方ガイド波、 歪み、渦電流による試験方法では測定値から肉厚値に 変換するための校正データーが事前に必要であるため 測定現場で簡単に肉厚値を直接測定することが出来な* 今回開発した金属配管肉厚測定システムは電磁超音 波発振子 EMAT(Electro Magnetic Acoustic Transducer)と光ファイバセンサを組み合わせたもの であり、EMAT により非接触で直接金属材料中に超音 波を励起する電磁超音波共振法を用いたものである。 2-4) 本システムの特徴は受信側に光ファイバセンサを 用いたことであり、EMAT と光ファイバセンサを組合 せることによって従来 EMAT 送受信による肉厚計測よ りも高感度で配管肉厚値を直接測定することが出来る。 さらに耐熱構造化することで保温材下の高温稼働状態 の配管肉厚をオンラインで測定することが出来るため、565リアルタイムで配管状態監視が可能となる特徴がある 5-7)。この開発したシステムを用いると従来の定期点検 毎に肉厚値を測定する方法よりも設備点検コストを低 減出来ることが期待できる。n:vd=2f.(n: 次数)--------- (1)2-2. システムの原理と構成 - 本システムで用いている電磁超音波共振法とは、永 久磁石と電気コイルで構成された超音波発振子 EMAT によって、Fig. 2 に示す静磁場と渦電流から金属などの 磁性体中にローレンツ力を誘起させ、間接的に金属材 料中に超音波を伝搬させることで超音波の反射波長が 板厚の整数倍(1)時に多重反射により強め合う共振効果 を利用したものである。板厚は式(1)に示す式によって 得られ、共振振動周波数(f? [Hz]) と 金属中の音速(v [m/sec])から金属板厚(d[mm])を求めることができる。d_ n:v 120f.(n: 次数)------------- (1)従来からEMAT を用いた電磁超音波法による板厚測 定などについては既に報告されているが 2-4)、今回の特 徴は受信側に光ファイバセンサを用いたことである。 光ファイバセンサを用いることでEMAT のみで送受信 を行うよりも高感度の受信信号を得ることが出来、さ らに従来では困難であった1次共振モード周波数の計 測が可能となるため得られ共振周波数から直接板厚値 を求められ、さらに効率良く超音波を励起させること が出来ることから金属板の減肉状態を詳細に測定出来 ることが期待できる。EMAT 永久磁石 電気コイル 光ファイバセンサ 接着材cow icos配管金属内を伝搬する 超音波のイメージFig. 2 光ファイバセンサプローブとEMATの構成没するァイバセンサプローブとEMATの構成 2-3. 光ファイバセンサの構造Fig.3 に光ファイバセンサ部の外観を示す。光ファ イバセンサはポリイミド樹脂を被覆した光ファイバを 平面コイル状に巻き取った構造で、このコイル状の光 ファイバセンサを測定する金属表面に接着材等で固定 して振動計測を行う。光ファイバセンサは小型、軽量 であるため圧電素子を用いた電気センサのような共振 点が無く、ひとつの光ファイバセンサで数 Hz?数 MHL におよぶ非常に広帯域な検出が可能であるため、異な る板厚測定において共振周波数が異なっても同一の光 ファイバセンサプローブで板厚測定することが可能で ある。10mmFig.3 光ファイバセンサ外観Fig.4 にシステムの構成を示す。光ファイバセンサ 部の振動に伴い光ファイバ中を伝搬する光偏波の状態 が変化するため、その光偏波の変化を偏光子を用いて 光強度変化に変換し光受光モジュールで振動を検出す うことが出来る。 - Fig.5 に試作した測定装置を示す。大きさは横 350mm、奥行 370mm、高さ 170mm、重量約 2kg で計 測現場においても容易に移動が可能な仕様となってい る。試験装置本体EMAT任意信号 発生源増幅器光ファイバセンサLD光源」PC偏光子偏波調整 モジュール光受光部配管A/D変換Fig. 4 本計測システムの構成図566、Fig.5 試作した測定装置外観3. 試験結果3-1. 試験の方法 1 光ファイバセンサプローブは Fig. 6 に示すように金 属配管等の測定対象物に接着材等を用いて直接貼り付 けその直上に永久磁石と電気コイルから成る EMAT を 配置してプローブ部の施工を行う。10mmFig. 6 光ファイバセンサとEMATの施工状態測定方法は、まず EMAT で一定周波数のバースト波 を励起させ励起停止後の光ファイバセンサの振動振幅 の計測を行う。その後、励起周波数を測定する板厚測 定精度に応じた周波数間隔変化させ再びにバースト波 を励起、測定を行いこれを繰り返し行う。測定によっ て得られた波形をFig.7に示す。この結果は板厚15mm の炭素鋼試験体を用いた結果であり、Fig.7 a)は励起周 波数 183.5kHz、Fig.7 b)は 184.5kHz の EMAT 励起信号 と光ファイバセンサ受信波形を示している。Fig.7 の a)と b)を比較すると光ファイバセンサの受信波形に大 きな相違があり Fig.7a)では EMAT の励起有無にかか わらず光ファイバセンサの受信波形振幅に変化は無い が、Fig.7b)では EMAT の励起中に光ファイバセンサの 受信波形振幅は徐々に大きくなり、EMAT 励起停止後も振動が継続している状態、つまり共振状態となって いることが分かる。これら各励起周波数毎に EMAT 励 起停止後の光ファイバセンサ受信波形の振幅を振動強 度として励起周波数と振動強度の関係を示した共振周 波数スペクトルを Fig. 8に示す。Fig.8より測定する 板厚値に相当する共振周波数において単一ピークのス ペクトルを得ることが出来ることから、本手法による 測定で金属板厚測定が可能である。EMAT励起電圧M光センサ受信電圧 M-0.02-0.040.00050.00150.0020.001 時間 [sec]0.00050.00150.001 時間 [sec]EMILDI LVJ0:57:360.02光センサ受信電圧(M0-0.04100.00050.0020.001 10,0015 時間 [sec]Fig.7 測定波形 (厚さ15mmm炭素鋼試験体) a)上図:励起周波数 183.5kHz、b)下図: 184.5kHz 1.21。。振動強度。。os170_210180 1 90 200_励起周波数(kHz]Fig.8 共振周波数スペクトル (厚さ 15mm 炭素鋼試験体)5673-2. 平面板による試験結果 - 板厚測定精度の確認を行うために厚さの異なる平面 試験体を用いて板厚測定精度の試験検証を行った。試 験に用いた試験体は Fig. 9 に示す階段状試験体で材質 SUS304、各厚さの大きさ 150×150mm、この中から 厚さ5,13,15,19,23mm の5サイズ部の中央部に光ファ イバセンサ、EMAT を配置して共振周波数の測定を行 い板厚値を求めた。 Fig. 10 にそれぞれの厚さ試験体で 得られた試験板厚値とノギスを用いて実測した厚さと の関係を示す。この結果よりいずれの厚さにおいても 公称厚さとの差は 0.1mm 以下で非常に良く一致して おり、さらに両者の直線相関性は R2=0.9998 と良好 な結果が得られた。900Ft 11380Fig. 9 板厚測定試験用試験体R2 = 0.9998計測板厚 [mm]10_5_253010_ 1520 公称板厚 [mm]Fig. 10 平板試試験体板厚測定結果3-3. 配管形状サンプルによる試験結果 実際の配管形状での肉厚測定検証のためエルボ配管 試験体を用いて肉厚測定を行った。試験に用いた試験 体は Fig. 11 に示す材質 STPT49、250A エルボ配管と、 材質 SGP、100A エルボ配管の2種類を用いた。 光ファ イバセン/EMAT プローブはそれぞれの配管の端部分に、 250A 配管は半円周方向 90°間隔で3箇所、100A 配管 は背側(外側)と側面の2箇所に配置して試験を行っ た。 Fig. 12、13 にそれぞれの配管で測定した結果を示 す。 250A 配管は同一部を超音波厚さ計、マイクロメー ターで測定した値との比較結果を示し、100A 配管につ いてはマイクロメーター測定値と比較した。この結果 より、肉厚約 13mm の 250A 配管、肉厚約 6mm の 100A 配管エルボの両方において本手法を用いて測定した肉 厚値は、超音波厚さ計、またはマイクロメーターの値 と一致していることから、配管エルボのような曲率を 有する形状においても肉厚計測が可能であることを確 認した。Programsonicom/wattomoのクールのたのFig. 11 試験に用いた配管エルボサンプル(奥側:250A、手前側:100A) 15.0ロマイクロメーター 14.5■超音波厚さ計口電磁超音波共振法(本計測) 14.0 13.513測定板厚[mm]12.512511501110.50外側 側面内側 配管測定箇所 Fig. 12 250A エルボ配管の肉厚測定結果5687ロマイクロメーター 電磁超音波共振法(本計測)6.56の測定ができることを確認した。今後は、さらに検出 精度、安定性を向上したシステムの改良とセンサプロ ーブの耐熱構造の検討を進め、実際に稼働しているプ ラントの配管を用いた配管肉厚測定の実証性について 確認を行う予定である。5.5測定板厚5mm]3.5謝辞本研究は株式会社東芝 電力社会システム社との共 同による研究成果である。32.50側面外側配管測定箇所参考文献 [1] 日本機会学会 発電用火力設備規格 火力設備配 管減肉管理技術規格(2006年版) JSME S TB1-2006 TM Hirao H ai. Electromagnetic Acoustic ResonanceFig. 13 100A エルボ配管の肉厚測定結果4. 耐熱特性光ファイバセンサの耐熱試験の結果を Fig. 14 に 示す。炭素鋼試験体(SS400)に耐熱接着材を用いて光 ファイバセンサを接着し、試験体を 200°Cに加熱し た状態で光ファイバセンサの受信感度を測定した。 試験体が高温状態であるため感度確認時の励起源は 鉄球を落下させその衝撃波の初動波を測定した。こ の結果より、約7,000時間経過した段階で感度の劣化 は約30%程度であることから長期間の高温環境にお いても十分な感度を維持していることを確認した。Sensitivity of Optical Fiber(Normalized)20001000600080000time [hr Fig.14 光ファイバセンサ長期耐熱試験結果(200°C)5.結論1 光ファイバセンサとEMAT を用いた電磁超音波共振 法により金属材料の肉厚を従来手法の超音波厚さ計と 変わらない 0.1mm 精度で正確にエルボ形状の配管肉厚の測定ができることを確認した。今後は、さらに検出 精度、安定性を向上したシステムの改良とセンサプロ ーブの耐熱構造の検討を進め、実際に稼働しているプ ラントの配管を用いた配管肉厚測定の実証性について 確認を行う予定である。
「検査・評価・保全に関する連携講演会(1)」論文集、 p.147, (2008) 「7] 白井武広 他: 光ファイバを用いた電磁超音波共振 法による配管減肉測定システム、日本非破壊検査協会 表面探傷・保守検査合同シンポジウム, (2008).569“ “?光ファイバを用いた電磁超音波共振法による配管減肉測定“ “白井 武広,Takehiro SHIRAI,町島 祐一,Yuichi MACHIJIMA