光ファイバ型AEセンサによる状態監視／スクリーニング法の研究
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カテゴリ: 第7回
1. 緒言
原子力プラントにおける保全方式が、時間基準保全 (TBM) から状態基準保全 (CBM)へと移行が進められ ている。TBMでは主に人手による検査が主体となってお り、検査員個人の技量や検査体制・管理が重要となるが、 CBM ではセンサを利用した状態監視評価システムが重 要な要素である。これまで構造物の健全性に関わる情報を取得するセン サには電気的な方式が用いられることが一般的であった が、1990 年代以降、航空機の CBM とも言える構造ヘル スモニタリング (SHM) への適用、あるいは橋梁のSHM への適用を目指して、光ファイバセンサが注目を集め、 盛んに研究されるようになった。現在ではその有効性が 認められ、航空機、船舶や橋梁のほか様々な構造物やプ ラントに適用されるようになっている。また、国内外で 原子力プラントへの適用について検討した例があり、今 後この分野での適用範囲や効果的な利用について検討の 必要がある。光ファイバセンサは従来の電気原理式センサに比べ、 1信号減衰が少なく長距離伝送が可能 2電磁気ノイズの影響を受けにくい 3光ファイバは耐水性・耐腐食性に優れている 4本質的に防爆である 等の利点を有している。 アコースティックエミッション(AE) とは、材料内で
スクリーニング法の研究発生した微視的な亀裂や剥離等に伴って、内部で蓄積性 された応力が開放されることにより放出される微小弾波 であり、古くより金属・セラミック・コンクリート・岩 盤・強化プラスチック等の材料強度の評価手法として使 用されている。近年ではコンピュータ技術の発展により、 ノイズ処理を始めとする高速解析技術も大きく進展し、 様々なノイズの多い稼働中の現場でも損傷現象をリアル タイムに把握できることから、定期的な(機器によって は常態的な)状態監視によって、「当該機器を稼動停止 させ、精密検査や緊急補修が必要であるか」を割り出す ための「スクリーニング技術」として注目を集めている。ここでは新たに開発した光ファイバ型 AE センサの検 出技術の原理とその適用事例を報告する。2. 光ファイバ AE センサー 2.1 光ファイバ AE センサの測定原理) 光ファイバはコアとクラッドの2層構造になっており, 光波はその境界周辺で全反射を繰り返しながら伝播する。 測定に際しては,光ファイバ線の一部を被計測物に固着 する。この固着部がセンサ部になり,被計測物が振動す るとセンサ部もその振動に併せて伸縮する。そして、固部の一端から周波数 f の光波を入力している場合、入 力端から出力端までの経路内に存在するある瞬間のレー ザ光の波数は一定であることから、経路長が伸縮すれば 波長が伸縮する、すなわち、伝播速度は一定であるから 周波数がf』だけ変化する。これをレーザドップラ効果 と呼び、他端から出力される光波の周波数は fo-f』と なる。この周波数変調量 f』は光ファイバの伸縮、すな わち被計測物の変位(ひずみ)速度に比例する。 - 光ファイバが伸縮する際の、光ファイバ内のドップラ
効果により生じる周波数変調は式(1)で示される。 f はセ ンサ部で生じる周波数変調、1は光波の波長、dLide は 光ファイバの変位速度である。ここで負号は、変位速度 の増大により光の周波数が低下することを意味している。fa=-1 dL(1) i dt 周波数変調を検知するための光干渉計を図 1 に示す。 システムはセンサ回路と計測回路から構成されている。 計測回路はヘテロダイン干渉法を用いて周波数変調量 を検出する回路である。同図より、光源(Light source) から入射された周波数 f のレーザー光は、センサ回路 と計測回路に分波される。センサ回路では、計測対象物 の振動によってファイバ部が微小伸縮すると、それに伴 いファイバの光路長が時間的に変動する。その結果、レ ーザ光には光路長の時間的変化であるdll at に比例し た周波数変調f」が生じ、センサから出力されるレーザ光 は fo-f』となる。一方、計測回路では AOM (周波数変 調器)により周波数 fu(80MHz)の基準光を加え forf ルに変調される。そして、センサ回路からのレーザ光と 計測回路からのレーザ光の周波数の差fn+f』が導か れ、検知器(Detector)でf』が検出され、周波数電圧 変換器(FV)で電圧値に変換される。センサ回路計測回路CouplerHM mo-Sensing AreaLight Source AOMO CouplerOutput Optical Fiber fo-fd HMM#foDetectorf+fm図1 レーザドップラ干渉システム 以降、この光ファイバ AE センサの名称を「光ファイ バドップラセンサ」とし,略して FOD (Fiber Optical Doppler) センサと呼ぶ。式(1)より、この FOD センサには 大きく2つの特徴がある。 I. ALのL、すなわちセンサ部の光ファイバ長を長くすればするほど、感度(f』)が向上すること II. dの、すなわち変化時間が短ければ短いほど、言い換えれば、周波数が高ければ高いほど、感度(fa)が 向上すること2.2 AE センサとしての FOD の感度 上記IIの特徴を活かす使用方法として、人間の耳には聞こえない周波数領域(超音波)で、様々な構造材料の 微視的な破壊音を捕らえる AE センサとしての現場利用 がすでに始まっている。 - AEセンサとしての実用感度を実証するために、(社) 日本非破壊検査協会が校正規格として定めている「相互 校正法によるアコースティックエミッション変換子の絶 対感度校正方法」(NDIS 2109-1991;縦波法)に従って 校正試験を実施した。 校正を行った FOD センサを図2に 示す。なお、校正の周波数帯域は、鋼鉄製立方体のサイ ズ (センサ間の距離 400mm) において反射波の影響が出 ない 60kHzから 300kHzまでを対象とした。AE測定に使用している FOD センサは、センサゲージ 長が 65m であり、ボビン形状に積層して巻いている。図2 FODセンサ 結果を図3に示す。参考までに、従来より AE センサ として使用されている圧電素子のピエゾ型 AE センサ (PZT:40dB アンプ付き)の感度データも併記している。 FOD センサはピエゾ型 AE センサと同等の感度を有して いることがわかる。PZT.70kH\--- FOD(65m)dB(0dB=V/m/s)150100150 kHz2002503001. 図3 FOD センサとPZT センサの比較校正3. 光ファイバ AE センサの適用事例 3.1 岩盤破壊 ・ 地下発電所等の大規模岩盤地下空洞の掘削時には、空 洞の安定性や周辺岩盤のゆるみ領域を評価する手段とし て AE モニタリングが適用されてきた 2。さらに今後、- 481 -原油及び液化石油ガスの地下備蓄、高レベル放射性廃棄 物処理や二酸化炭素の地中貯留等、地下200mから1,000m に及ぶ大深度地下利用プロジェクトが多く計画・実行さ れている。また、従来利用されてきた花崗岩や古生層の 堆積岩等、いわゆる「硬岩層」から、より固結度の低い 堆積岩などの「軟岩層」においても大規模空洞の建設が 進むことが予測されている。そもそも地下岩盤層におけ る微小破壊音の観測 (AE 計測) には、高感度・長期信頼 性・(時に)防爆性が求められる。そこで、これまでは AE伝播過程での距離減衰が大きいがゆえに AE検出が困 難とされてきた軟岩を対象にして、FOD センサの性能検 証を実施した。試験では、代表的な軟岩である凝灰岩 (大 谷石)を用いて圧縮破壊時の AE を測定し、代表的な硬 岩である花崗岩の AE 特性と比較した。図4は圧縮試験における各岩石における応力-ひずみ曲 線図に AE の発生数と周波数変化を併せて示したもので ある。まず、同図上段(1)の花崗岩の一軸圧縮試験結果を みると、軸ひずみ 0.65%、軸応力 130MPa で脆性的に破 壊している。AE は軸ひずみ 0.5%程度から発生し始め、 破壊時で最大 180 個秒程度と急増している。AE 波形の 周波数は破壊前には 400kHz程度であるが、破壊直前には 250~300kHz まで低下している。次に、中段(2)の花崗岩 の三軸圧縮試験の結果をみると、供試体は軸ひずみ 0.9%、 軸差応力 290MPa で破壊し、その後残留状態を維持して いる。AE は軸ひずみ 0.3%から発生し始め、破壊時には 急増するが、残留時にも同程度の AE 発生が継続してい る。周波数については破壊前に 300kHz 以上であったが、 破壊近傍では 200kHz程度と大きく低下し、残留時ではさ らに 150kHz程度と低下している。最後に、下段(3)の大谷石の結果をみると、供試体は軸 ひずみ 0.75%程度、軸応力が 12.6MPa で破壊している。 AE は花崗岩と異なり載荷開始から発生し、軸ひずみ 0.6%付近から徐々に増加し、破壊時では 100個秒程度に 達する。残留時では 180 個秒以上(最大で 1800 個秒に 達した)と破壊時より多く発生している。周波数につい ては載荷当初は 100kHz であったが、載荷の進行に伴って 150kHzまで上昇する傾向が伺われる。その後、破壊時に は周波数は低下し、残留時に一定値の傾向を示す。FOD センサを用いて硬岩である花崗岩と軟岩である 大谷石の供試体を用いて、破壊に伴う AE特性を測定し、 軟岩の AE も感度よく捉えることが確認できた。また、 硬岩と軟岩のAE特性にはAE発生状況と周波数帯に差異 があることがわかった。実際のトンネル現場での AE データは現状非公開とな っており、本稿での報告は困難であるが、掘削現場でボ ーリングにより採取した原位置岩盤をこうした室内試験 で評価することにより、応力-AE特性を事前に把握して おく作業が繰り返し行われている。実計測現場では、収 録された AE データより、どの程度の応力が掘削近傍岩 盤に作用し、またどの程度まで岩盤破壊が進行したかを 推定している。さらに建設中から供用中に至るまで、緊 急避難対策として常態的に AE 計測を行い、空洞の安定 性評価の指標としても利用されている。T 450・AE発生数 応カーひずみ 周波数(1)花崗岩(一軸)AE発生数(個/秒)||盲平均周波数(kHz)軸応力(MPa)・・・・破壊:130MPa~・~80% ?~50%十十十破壊:293MPaoooo/~80%o(2)花崗岩(三軸)AE発生数(個/秒)平均周波数(kHz) 軸差応力(MPa)--~50%+++十十十IMA---「一12.6MP(3)凝灰岩(一軸)AE発生数(個/秒)L.41平均周波数(×10kHz)軸応力(MPa)I+IIo Imarawa Mim-00.20.41. 21.40.6 0.8 1.0 軸ひずみ [%]図4 各岩石の圧縮応力下でのAE発生状況3. 2 保温材下腐食炭素鋼製の機器・配管における保温材下腐食は、長年 稼動している化学プラントにおいて重点管理が必要とさ れている深刻な劣化現象の一つである。特に屋外配管につ いてはパイプラック上への設置など、外面からの目視点 検が難しいのに加え、総延長距離が長いために保温材を 取り外しての目視検査以上に有効な CUIの検査手法が確 立されていない。また、これらの検査費用のうち 70~80%482が足場と保温材解体に占められており、多額の費用をか けて全面解体検査を行ったとしても腐食が発見されるの は、1000 系統の内 2~3系統程度であり、非常に効率が 悪いことが問題とされている。一方、腐食が存在する場 合、錆こぶの剥離等により微小な弾性波が発生すること が知られている)。そこで、保温材解体可否を判断するた めの「腐食の有無を診断するスクリーニング手法」とし て、FOD センサによる腐食AE 検出技術の開発を室内・ 現場双方で継続している。図5にモックアップ配管試験装置で行った AE 測定結 果を示す。最長約 4000mm でも AEを捕捉可能であり、 これは左右8,000mmの範囲を一つのセンサで検査可能で あることを示している。また、腐食度の異なる時期に収録したAE データを比 較したところ、腐食度が進行している際のデータの方が 単位時間当りの AE 発生数が大幅に増加することが確認 された。その結果を図6に示す。腐食に伴う AE源は主 に、錆こぶの体積の増加により錆こぶ内部の応力的な開 放(例えば乾湿の繰り返し等)とされており、その結果 を反映している。03000450■U字ボルト部AE発生数 トコフランジ部AE発生数U字ボルト部累積発生数 ーフランジ部累積発生数12500200030分当りのAE発生数(個)1500累積AE発生数(個)10001901/05/14( 306090120 150 180 210240 270300330 360経過時間(分)図5 FODによる腐食 AE 測定500 450■3rd acquisition2nd acquisition400AE hits/30 minutesーThin306090120 150 180210 240 270300 330 360time(minutes)図6 腐食進展に伴う AE 活性化次に、図7に示す円筒型の実機反応器(内径の3.8m、 塔長:28m、代表部の肉厚15mm) でも実証試験を実施し た。一部の保温材を取り外し、その周方向に90°ピッチ で4個の FOD センサを取り付けた。センサ近傍には深 さ3~5mm の深刻な腐食が事前に確認されており、錆除 去作業の前後における AE データを比較した。図8にデ ータを示す。除去前後でAE発生数に明瞭な違いが観 測できた。現在、他実機でも実証データを積み重ねている。仕切り板熱交品熱交換器A-AM13500o。p熱交換器」」。。。。。。図7 実機反応器Sensor 1 B Sensor 2Sensor 3 Sensor 4AE hits / 30 minutes10:05 - 10:3510:35 - 11.051111.05-1135time11:35 - 12.051235 - 13.05AE Hits / 30 minutes11:00-11:3011:30-12:0012:00-12:3012:30-13:0013:00-13:3013:30-14:time図8 実機 AE データ(上:錆除去前、下:除去後)4833.3 配管減肉 . 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。そこで、FOD センサを受 信子として用いるオンライン計測が可能な配管肉厚測定 システムの開発を行っている。本方式は保温材を除去す る必要が無く、連続的な配管状態監視が出来る利点があ る(図9)。従来の肉厚計測 (超音波厚さ計)本システムによる肉厚測定 (光ファイバ電磁超音波共振法)|||||||THE?設備稼働停止 ・保温材の除去が必要 ・測定用の足場施工 ・作業者が定点毎に測定。・設備稼働状態で計測 ・保温材の除去は不要 ・測定用足場施工は不要 ・リモート計測が可能図9 オンライン配管肉厚測定システム電磁超音波発振子(EMAT)を用いて、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 のであり、受信側に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 ることが出来る。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、得られた共振周 波数から直接板厚値を求められるという利点がある。こ れを用いれば、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と考えられる。 * 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(Electric Magnetic Acoustic Transducer)を用いて、図 10 に示すように静磁場と渦電流 によって金属などの磁性体中にローレンツ力を誘起させ、 間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()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(2)に示す式 によって得られ、共振振動周波数(6- [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= ““““ 92f.(n: 次数)-2EMAT 永久磁石電気コイル /光ファイバセンサ /接着材|配管金属内を伝搬する。 超音波のイメージ図10 センサ構造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 図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。光ファイバセンサ 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。図 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 一測定値と比較した。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、配管工 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。図11 試験に用いた配管エルボサンプル(奥側:250A、手前側:100A)4841900/01/14ロマイクロメーター ■超音波厚さ計 口電磁超音波共振法(本計測)参考文献14.514.0 13.5 13.0測定板厚[mm]12.512.0 11.51110.5KIT」0[1] Kazuro Kageyama et.al : Doppler Effect in Flexible andExpandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor, JOURNAL OFLIGHTWACE TECHNOLOGY, vol.24, NO.4, 2006 [2] 金川忠打田晴夫浦山克田仲正弘,石田毅:AE 波形の周波数変化に着目した空洞掘削時の岩盤挙動の推定, 第9 回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.701~706,1994 [3] 田仲正弘、金川忠小山俊博森 孝之:空洞掘削時の AE自動計測による岩盤安定性監視技術第22回西日本岩盤工学シンポジウム 2000 講演論文集,pp.47-52,2000 [4] (社)日本高圧力技術協会:AE 法による石油タンク底部の腐食損傷評価手法に関する技術指針, HPIS G 110 TR 2005外側内間側面 配管測定箇所図 12 250A エルボ配管の肉厚測定結果ロマイクロメーター ■電磁超音波共振法(本計測)測定板厚 [mm]側面外側配管測定箇所図 13 100A エルボ配管の肉厚測定結果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。現在、実機火力発電所におい て、耐久性評価試験を実施中である。4.結言光ファイバ AE センサを用いた適用事例を3件(地下 岩盤破壊、保温材下腐食、配管肉厚) 報告した。AE を用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。現在、実機火力発電所におい て、耐久性評価試験を実施中である。光ファイバ AE センサを用いた適用事例を3件(地下 岩盤破壊、保温材下腐食、配管肉厚) 報告した。AEを用 いた状態監視は今後の CBM にも大きく貢献していく可 能性が高いと思われる。今後も AE 法の研究、特に光フ ァイバの特徴を活用した様々な損傷スクリーニング診断 手法の開発に取り組む所存である。参考文献[1] Kazuro Kageyama et.al : Doppler Effect in Flexible andExpandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor, JOURNAL OFLIGHTWACE TECHNOLOGY, vol.24, NO.4, 2006 [2] 金川忠、打田晴夫 浦山克、田仲正弘 石田毅:AE 波形の周波数変化に着目した空洞掘削時の岩盤挙動の推定,第9回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.701 Kazuro Kageyama et.al : Doppler Effect in Flexible and Expandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor, JOURNAL OF LIGHTWACE TECHNOLOGY, vol.24, NO.4, 2006 金川忠打田晴夫浦山克田仲正弘石田毅:AE 波形の 周波数変化に着目した空洞掘削時の岩盤挙動の推定, 第9回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.701 1 ~706,1994 [3] 田仲正弘金川忠小山俊博森 孝之:空洞掘削時の AE 1 自動計測による岩盤安定性監視技術第22回西日本岩 11 盤工学シンポジウム 2000 講演論文集,pp.47-52,2000 [4] (社)日本高圧力技術協会:AE 法による石油タンク底部の腐食損傷評価手法に関する技術指針, HPIS G 110 - 485 -“ “光ファイバ型 AE センサによる状態監視/スクリーニング法の研究“ “町島 祐一,Yuichi MACHIJIMA,村山 英晶,Hideaki MURAYAMA
原子力プラントにおける保全方式が、時間基準保全 (TBM) から状態基準保全 (CBM)へと移行が進められ ている。TBMでは主に人手による検査が主体となってお り、検査員個人の技量や検査体制・管理が重要となるが、 CBM ではセンサを利用した状態監視評価システムが重 要な要素である。これまで構造物の健全性に関わる情報を取得するセン サには電気的な方式が用いられることが一般的であった が、1990 年代以降、航空機の CBM とも言える構造ヘル スモニタリング (SHM) への適用、あるいは橋梁のSHM への適用を目指して、光ファイバセンサが注目を集め、 盛んに研究されるようになった。現在ではその有効性が 認められ、航空機、船舶や橋梁のほか様々な構造物やプ ラントに適用されるようになっている。また、国内外で 原子力プラントへの適用について検討した例があり、今 後この分野での適用範囲や効果的な利用について検討の 必要がある。光ファイバセンサは従来の電気原理式センサに比べ、 1信号減衰が少なく長距離伝送が可能 2電磁気ノイズの影響を受けにくい 3光ファイバは耐水性・耐腐食性に優れている 4本質的に防爆である 等の利点を有している。 アコースティックエミッション(AE) とは、材料内で
スクリーニング法の研究発生した微視的な亀裂や剥離等に伴って、内部で蓄積性 された応力が開放されることにより放出される微小弾波 であり、古くより金属・セラミック・コンクリート・岩 盤・強化プラスチック等の材料強度の評価手法として使 用されている。近年ではコンピュータ技術の発展により、 ノイズ処理を始めとする高速解析技術も大きく進展し、 様々なノイズの多い稼働中の現場でも損傷現象をリアル タイムに把握できることから、定期的な(機器によって は常態的な)状態監視によって、「当該機器を稼動停止 させ、精密検査や緊急補修が必要であるか」を割り出す ための「スクリーニング技術」として注目を集めている。ここでは新たに開発した光ファイバ型 AE センサの検 出技術の原理とその適用事例を報告する。2. 光ファイバ AE センサー 2.1 光ファイバ AE センサの測定原理) 光ファイバはコアとクラッドの2層構造になっており, 光波はその境界周辺で全反射を繰り返しながら伝播する。 測定に際しては,光ファイバ線の一部を被計測物に固着 する。この固着部がセンサ部になり,被計測物が振動す るとセンサ部もその振動に併せて伸縮する。そして、固部の一端から周波数 f の光波を入力している場合、入 力端から出力端までの経路内に存在するある瞬間のレー ザ光の波数は一定であることから、経路長が伸縮すれば 波長が伸縮する、すなわち、伝播速度は一定であるから 周波数がf』だけ変化する。これをレーザドップラ効果 と呼び、他端から出力される光波の周波数は fo-f』と なる。この周波数変調量 f』は光ファイバの伸縮、すな わち被計測物の変位(ひずみ)速度に比例する。 - 光ファイバが伸縮する際の、光ファイバ内のドップラ
効果により生じる周波数変調は式(1)で示される。 f はセ ンサ部で生じる周波数変調、1は光波の波長、dLide は 光ファイバの変位速度である。ここで負号は、変位速度 の増大により光の周波数が低下することを意味している。fa=-1 dL(1) i dt 周波数変調を検知するための光干渉計を図 1 に示す。 システムはセンサ回路と計測回路から構成されている。 計測回路はヘテロダイン干渉法を用いて周波数変調量 を検出する回路である。同図より、光源(Light source) から入射された周波数 f のレーザー光は、センサ回路 と計測回路に分波される。センサ回路では、計測対象物 の振動によってファイバ部が微小伸縮すると、それに伴 いファイバの光路長が時間的に変動する。その結果、レ ーザ光には光路長の時間的変化であるdll at に比例し た周波数変調f」が生じ、センサから出力されるレーザ光 は fo-f』となる。一方、計測回路では AOM (周波数変 調器)により周波数 fu(80MHz)の基準光を加え forf ルに変調される。そして、センサ回路からのレーザ光と 計測回路からのレーザ光の周波数の差fn+f』が導か れ、検知器(Detector)でf』が検出され、周波数電圧 変換器(FV)で電圧値に変換される。センサ回路計測回路CouplerHM mo-Sensing AreaLight Source AOMO CouplerOutput Optical Fiber fo-fd HMM#foDetectorf+fm図1 レーザドップラ干渉システム 以降、この光ファイバ AE センサの名称を「光ファイ バドップラセンサ」とし,略して FOD (Fiber Optical Doppler) センサと呼ぶ。式(1)より、この FOD センサには 大きく2つの特徴がある。 I. ALのL、すなわちセンサ部の光ファイバ長を長くすればするほど、感度(f』)が向上すること II. dの、すなわち変化時間が短ければ短いほど、言い換えれば、周波数が高ければ高いほど、感度(fa)が 向上すること2.2 AE センサとしての FOD の感度 上記IIの特徴を活かす使用方法として、人間の耳には聞こえない周波数領域(超音波)で、様々な構造材料の 微視的な破壊音を捕らえる AE センサとしての現場利用 がすでに始まっている。 - AEセンサとしての実用感度を実証するために、(社) 日本非破壊検査協会が校正規格として定めている「相互 校正法によるアコースティックエミッション変換子の絶 対感度校正方法」(NDIS 2109-1991;縦波法)に従って 校正試験を実施した。 校正を行った FOD センサを図2に 示す。なお、校正の周波数帯域は、鋼鉄製立方体のサイ ズ (センサ間の距離 400mm) において反射波の影響が出 ない 60kHzから 300kHzまでを対象とした。AE測定に使用している FOD センサは、センサゲージ 長が 65m であり、ボビン形状に積層して巻いている。図2 FODセンサ 結果を図3に示す。参考までに、従来より AE センサ として使用されている圧電素子のピエゾ型 AE センサ (PZT:40dB アンプ付き)の感度データも併記している。 FOD センサはピエゾ型 AE センサと同等の感度を有して いることがわかる。PZT.70kH\--- FOD(65m)dB(0dB=V/m/s)150100150 kHz2002503001. 図3 FOD センサとPZT センサの比較校正3. 光ファイバ AE センサの適用事例 3.1 岩盤破壊 ・ 地下発電所等の大規模岩盤地下空洞の掘削時には、空 洞の安定性や周辺岩盤のゆるみ領域を評価する手段とし て AE モニタリングが適用されてきた 2。さらに今後、- 481 -原油及び液化石油ガスの地下備蓄、高レベル放射性廃棄 物処理や二酸化炭素の地中貯留等、地下200mから1,000m に及ぶ大深度地下利用プロジェクトが多く計画・実行さ れている。また、従来利用されてきた花崗岩や古生層の 堆積岩等、いわゆる「硬岩層」から、より固結度の低い 堆積岩などの「軟岩層」においても大規模空洞の建設が 進むことが予測されている。そもそも地下岩盤層におけ る微小破壊音の観測 (AE 計測) には、高感度・長期信頼 性・(時に)防爆性が求められる。そこで、これまでは AE伝播過程での距離減衰が大きいがゆえに AE検出が困 難とされてきた軟岩を対象にして、FOD センサの性能検 証を実施した。試験では、代表的な軟岩である凝灰岩 (大 谷石)を用いて圧縮破壊時の AE を測定し、代表的な硬 岩である花崗岩の AE 特性と比較した。図4は圧縮試験における各岩石における応力-ひずみ曲 線図に AE の発生数と周波数変化を併せて示したもので ある。まず、同図上段(1)の花崗岩の一軸圧縮試験結果を みると、軸ひずみ 0.65%、軸応力 130MPa で脆性的に破 壊している。AE は軸ひずみ 0.5%程度から発生し始め、 破壊時で最大 180 個秒程度と急増している。AE 波形の 周波数は破壊前には 400kHz程度であるが、破壊直前には 250~300kHz まで低下している。次に、中段(2)の花崗岩 の三軸圧縮試験の結果をみると、供試体は軸ひずみ 0.9%、 軸差応力 290MPa で破壊し、その後残留状態を維持して いる。AE は軸ひずみ 0.3%から発生し始め、破壊時には 急増するが、残留時にも同程度の AE 発生が継続してい る。周波数については破壊前に 300kHz 以上であったが、 破壊近傍では 200kHz程度と大きく低下し、残留時ではさ らに 150kHz程度と低下している。最後に、下段(3)の大谷石の結果をみると、供試体は軸 ひずみ 0.75%程度、軸応力が 12.6MPa で破壊している。 AE は花崗岩と異なり載荷開始から発生し、軸ひずみ 0.6%付近から徐々に増加し、破壊時では 100個秒程度に 達する。残留時では 180 個秒以上(最大で 1800 個秒に 達した)と破壊時より多く発生している。周波数につい ては載荷当初は 100kHz であったが、載荷の進行に伴って 150kHzまで上昇する傾向が伺われる。その後、破壊時に は周波数は低下し、残留時に一定値の傾向を示す。FOD センサを用いて硬岩である花崗岩と軟岩である 大谷石の供試体を用いて、破壊に伴う AE特性を測定し、 軟岩の AE も感度よく捉えることが確認できた。また、 硬岩と軟岩のAE特性にはAE発生状況と周波数帯に差異 があることがわかった。実際のトンネル現場での AE データは現状非公開とな っており、本稿での報告は困難であるが、掘削現場でボ ーリングにより採取した原位置岩盤をこうした室内試験 で評価することにより、応力-AE特性を事前に把握して おく作業が繰り返し行われている。実計測現場では、収 録された AE データより、どの程度の応力が掘削近傍岩 盤に作用し、またどの程度まで岩盤破壊が進行したかを 推定している。さらに建設中から供用中に至るまで、緊 急避難対策として常態的に AE 計測を行い、空洞の安定 性評価の指標としても利用されている。T 450・AE発生数 応カーひずみ 周波数(1)花崗岩(一軸)AE発生数(個/秒)||盲平均周波数(kHz)軸応力(MPa)・・・・破壊:130MPa~・~80% ?~50%十十十破壊:293MPaoooo/~80%o(2)花崗岩(三軸)AE発生数(個/秒)平均周波数(kHz) 軸差応力(MPa)--~50%+++十十十IMA---「一12.6MP(3)凝灰岩(一軸)AE発生数(個/秒)L.41平均周波数(×10kHz)軸応力(MPa)I+IIo Imarawa Mim-00.20.41. 21.40.6 0.8 1.0 軸ひずみ [%]図4 各岩石の圧縮応力下でのAE発生状況3. 2 保温材下腐食炭素鋼製の機器・配管における保温材下腐食は、長年 稼動している化学プラントにおいて重点管理が必要とさ れている深刻な劣化現象の一つである。特に屋外配管につ いてはパイプラック上への設置など、外面からの目視点 検が難しいのに加え、総延長距離が長いために保温材を 取り外しての目視検査以上に有効な CUIの検査手法が確 立されていない。また、これらの検査費用のうち 70~80%482が足場と保温材解体に占められており、多額の費用をか けて全面解体検査を行ったとしても腐食が発見されるの は、1000 系統の内 2~3系統程度であり、非常に効率が 悪いことが問題とされている。一方、腐食が存在する場 合、錆こぶの剥離等により微小な弾性波が発生すること が知られている)。そこで、保温材解体可否を判断するた めの「腐食の有無を診断するスクリーニング手法」とし て、FOD センサによる腐食AE 検出技術の開発を室内・ 現場双方で継続している。図5にモックアップ配管試験装置で行った AE 測定結 果を示す。最長約 4000mm でも AEを捕捉可能であり、 これは左右8,000mmの範囲を一つのセンサで検査可能で あることを示している。また、腐食度の異なる時期に収録したAE データを比 較したところ、腐食度が進行している際のデータの方が 単位時間当りの AE 発生数が大幅に増加することが確認 された。その結果を図6に示す。腐食に伴う AE源は主 に、錆こぶの体積の増加により錆こぶ内部の応力的な開 放(例えば乾湿の繰り返し等)とされており、その結果 を反映している。03000450■U字ボルト部AE発生数 トコフランジ部AE発生数U字ボルト部累積発生数 ーフランジ部累積発生数12500200030分当りのAE発生数(個)1500累積AE発生数(個)10001901/05/14( 306090120 150 180 210240 270300330 360経過時間(分)図5 FODによる腐食 AE 測定500 450■3rd acquisition2nd acquisition400AE hits/30 minutesーThin306090120 150 180210 240 270300 330 360time(minutes)図6 腐食進展に伴う AE 活性化次に、図7に示す円筒型の実機反応器(内径の3.8m、 塔長:28m、代表部の肉厚15mm) でも実証試験を実施し た。一部の保温材を取り外し、その周方向に90°ピッチ で4個の FOD センサを取り付けた。センサ近傍には深 さ3~5mm の深刻な腐食が事前に確認されており、錆除 去作業の前後における AE データを比較した。図8にデ ータを示す。除去前後でAE発生数に明瞭な違いが観 測できた。現在、他実機でも実証データを積み重ねている。仕切り板熱交品熱交換器A-AM13500o。p熱交換器」」。。。。。。図7 実機反応器Sensor 1 B Sensor 2Sensor 3 Sensor 4AE hits / 30 minutes10:05 - 10:3510:35 - 11.051111.05-1135time11:35 - 12.051235 - 13.05AE Hits / 30 minutes11:00-11:3011:30-12:0012:00-12:3012:30-13:0013:00-13:3013:30-14:time図8 実機 AE データ(上:錆除去前、下:除去後)4833.3 配管減肉 . 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。そこで、FOD センサを受 信子として用いるオンライン計測が可能な配管肉厚測定 システムの開発を行っている。本方式は保温材を除去す る必要が無く、連続的な配管状態監視が出来る利点があ る(図9)。従来の肉厚計測 (超音波厚さ計)本システムによる肉厚測定 (光ファイバ電磁超音波共振法)|||||||THE?設備稼働停止 ・保温材の除去が必要 ・測定用の足場施工 ・作業者が定点毎に測定。・設備稼働状態で計測 ・保温材の除去は不要 ・測定用足場施工は不要 ・リモート計測が可能図9 オンライン配管肉厚測定システム電磁超音波発振子(EMAT)を用いて、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 のであり、受信側に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 ることが出来る。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、得られた共振周 波数から直接板厚値を求められるという利点がある。こ れを用いれば、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と考えられる。 * 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(Electric Magnetic Acoustic Transducer)を用いて、図 10 に示すように静磁場と渦電流 によって金属などの磁性体中にローレンツ力を誘起させ、 間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()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(2)に示す式 によって得られ、共振振動周波数(6- [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= ““““ 92f.(n: 次数)-2EMAT 永久磁石電気コイル /光ファイバセンサ /接着材|配管金属内を伝搬する。 超音波のイメージ図10 センサ構造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 図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。光ファイバセンサ 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。図 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 一測定値と比較した。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、配管工 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。図11 試験に用いた配管エルボサンプル(奥側:250A、手前側:100A)4841900/01/14ロマイクロメーター ■超音波厚さ計 口電磁超音波共振法(本計測)参考文献14.514.0 13.5 13.0測定板厚[mm]12.512.0 11.51110.5KIT」0[1] Kazuro Kageyama et.al : Doppler Effect in Flexible andExpandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor, JOURNAL OFLIGHTWACE TECHNOLOGY, vol.24, NO.4, 2006 [2] 金川忠打田晴夫浦山克田仲正弘,石田毅:AE 波形の周波数変化に着目した空洞掘削時の岩盤挙動の推定, 第9 回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.701~706,1994 [3] 田仲正弘、金川忠小山俊博森 孝之:空洞掘削時の AE自動計測による岩盤安定性監視技術第22回西日本岩盤工学シンポジウム 2000 講演論文集,pp.47-52,2000 [4] (社)日本高圧力技術協会:AE 法による石油タンク底部の腐食損傷評価手法に関する技術指針, HPIS G 110 TR 2005外側内間側面 配管測定箇所図 12 250A エルボ配管の肉厚測定結果ロマイクロメーター ■電磁超音波共振法(本計測)測定板厚 [mm]側面外側配管測定箇所図 13 100A エルボ配管の肉厚測定結果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。現在、実機火力発電所におい て、耐久性評価試験を実施中である。4.結言光ファイバ AE センサを用いた適用事例を3件(地下 岩盤破壊、保温材下腐食、配管肉厚) 報告した。AE を用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。現在、実機火力発電所におい て、耐久性評価試験を実施中である。光ファイバ AE センサを用いた適用事例を3件(地下 岩盤破壊、保温材下腐食、配管肉厚) 報告した。AEを用 いた状態監視は今後の CBM にも大きく貢献していく可 能性が高いと思われる。今後も AE 法の研究、特に光フ ァイバの特徴を活用した様々な損傷スクリーニング診断 手法の開発に取り組む所存である。参考文献[1] Kazuro Kageyama et.al : Doppler Effect in Flexible andExpandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor, JOURNAL OFLIGHTWACE TECHNOLOGY, vol.24, NO.4, 2006 [2] 金川忠、打田晴夫 浦山克、田仲正弘 石田毅:AE 波形の周波数変化に着目した空洞掘削時の岩盤挙動の推定,第9回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.701 Kazuro Kageyama et.al : Doppler Effect in Flexible and Expandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor, JOURNAL OF LIGHTWACE TECHNOLOGY, vol.24, NO.4, 2006 金川忠打田晴夫浦山克田仲正弘石田毅:AE 波形の 周波数変化に着目した空洞掘削時の岩盤挙動の推定, 第9回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.701 1 ~706,1994 [3] 田仲正弘金川忠小山俊博森 孝之:空洞掘削時の AE 1 自動計測による岩盤安定性監視技術第22回西日本岩 11 盤工学シンポジウム 2000 講演論文集,pp.47-52,2000 [4] (社)日本高圧力技術協会:AE 法による石油タンク底部の腐食損傷評価手法に関する技術指針, HPIS G 110 - 485 -“ “光ファイバ型 AE センサによる状態監視/スクリーニング法の研究“ “町島 祐一,Yuichi MACHIJIMA,村山 英晶,Hideaki MURAYAMA