AEセンサを用いた弁診断の取組み
公開日:
カテゴリ: 第16回
AE センサを用いた弁診断の取組み
Development of valve diagnosis using AE sensor
原子燃料工業）
O小川良太
Ryota OGAWA
Member
原子燃料工業）
匂坂充行
Mitsuyuki SAGISAKA
原子燃料工業）
桑島翔
Syou KUWAJIMA
原子燃料工業）
松永嵩
Takashi MATSUNAGA
原子燃料工業）
儀部仁博
Yoshihiro ISOBE
Member
日本原燃）
服部功ニ
Kouzou HATTORI
日本原燃）
工藤盛雄
Morio KUDOU
日本原燃）
ニ浦進
Susumu MIURA
The maintenance of valves used in nuclear facilities (check valves, ball valves, gate valves, butterfly valves, etc.) is carried out by daily checking and overhaul. However, it is not easy to diagnose the inside status of these valves such as open-close performance and internal leakage. In this report, our approaches are shown to develop valve diagnosis by acoustic measurement using AE (Acoustic Emission) sensor through test loop examinations and the field applications.
Keywords: AE sensor, Non-destructive inspection, Valves
はじめに
原子力施設等のプラントにて多用されている逆止弁の 保全は、外観の目視点検および分解点検による内部の目 視点検等が実施されている1。日本原燃再処理施設におい ても多数の弁が使用されており、「再処理施設の性能に係 る技術基準に関する規則」には、汚染された物質が汚染 された物質を含まない流体を導く管に逆流するおそれがない構造とする事が定められており2、その手段の一つである逆止弁が正しく機能することは逆流防止機能を担保する上で重要である。
しかしながら、逆止弁の動作確認は、全て組上げた状態での確認となるため、外観の目視点検、分解点検では動作の確認が困難である。また、逆止弁の逆流リークの診断についても外観の目視点検では確認が困難であり、分解点検による確認では、リーク発生の有無は確認でき るが、放射性流体を取り扱う箇所の場合、多大な労力を要することになる。以上より、分解点検を必要としない点検方法の開発が望まれている。
原子燃料工業では、AE(Acoustic Emission)センサを用
連絡先:小川良太、〒590-0481 大阪府泉南郡熊取町
1 目950 、原子燃料工業 、
E-mail: ryo-ogawa@nfi.co.jp
いた振動測定による逆止弁診断手法3等のAE センサを用いた業務／技術開発を実施しており、日本原燃再処理施設における逆止弁診断4に3 年間継続して適用している。さらに、逆止弁診断の現場適用結果を応用した、弁診断 について現在開発中である。
本報では、AE センサを用いた音響計測による弁診断の取組みとして、逆止弁診断のための事前検討結果および現場適用結果、玉形弁におけるシートリークの検出性確認試験結果を報告する。
逆止弁診断
AE センサを用いた弁診断システム
弁診断には、図 1 に示すAE センサ(NF 回路ブロック広帯域AE センサ AE-900S-WE ?12mmX40mm)、計測ハードウェア、波形処理装置(タブレットPC)等より構成されているAE センサを用いた音響計測システムを用いた。
AE センサを用いた音響計測システムの特徴として、
AE センサを2 つ使用した2ch 同時測定が可能であること、音響計測システムはハンディータイプで、現場適用が容易であること、AE センサの種類を交換することで、高温部 の測定も可能であること、計測 を 処理して
図 1AE センサを用いた音響計測システム
制御弁逆止弁
図 2 センサ設置 置例(リフト逆止弁の場合)
周波数分布等を出力するなど多方面からの診断が可能と なること、計測 のデジタルデータによるデータベース化により、経年傾向を把握し、適切な保全計画策定が可能となること等があげられる。
音響計測においては、1 つのAE センサ(AE センサ1)を弁本体(弁箱または弁蓋)に設置し、もう1 つのAE
センサ(AE センサ2)を近傍の配管に設置した。(図 2 参照)これは、音響計測では、測定対象となる弁本体に センサを設置しなくても、音響は材料内を伝わるため、近傍配管に設置することで多少離れたところからでも弁の振動を計測することが可能であることが理由である。
逆止弁診断の事前検討
日本原燃再処理施設では、2013 年の法律改正により、新たな保全が必要とされていた。その中で、「再処理施設 の性能に係る技術基準に関する規則」の第十ニ条を満たすために、再処理施設では約900 弁の逆止弁を利用している。これら逆止弁の健全性の確認には、順方向の流れ で正常に動作すること、および逆流リークが発生してい ないことを評価する必要がある。
そこで、まず初めに模擬ループ等を用いて逆止弁の動
作に伴う音響 の確認を実施した。動作 の確認には図 2 に示すように、上流側より制御弁(空気動作弁)、逆止弁(リフト逆止弁)の順に弁が設置されている系統を用いた。模擬ループに水を流した際の逆止弁の動作状態および水の流れを確認するため、水を供給する制御弁を開操作した1 秒間の音響 の計測例を図 3 に示す。水の流れのない初期状態では、音響 はほぼゼロであるが、制御弁を開操作すると水の流れが生じ音響振動が 現れ、その後逆止弁の動作に伴う音響振動が確認できる。逆止弁動作時の音響振動は、制御弁が発する音響振動よ りも大きく、弁体のリフト動作が起こっていることが確認できる。また、水の流れのない0~0.1 秒における振幅と流れが 定した後の0.6 秒以 の振幅を すると、流
れが 定した0.6 秒以 の振幅が大きくなっていることから、流体の流れの有無を判定することができる。さら に、これらの傾向は、弁本体に設置したAE センサだけでなく、近傍の配管に設置したAE センサでも同様の結果が得られており、逆止弁本体にアクセスできない場合でも、近傍の配管を測定することで弁状態を評価できる可能性が得られた。
以上のことから、逆止弁の弁体の動作した場合に音響振動から動作状態を検知することが可能であるため、正常動作時のデータを蓄積しておくことで異常動作時の判定が可能になると考えられる。また、流体の流れの有無についても 強度の違いにより判別できることから、順流だけではなく、逆流リークが発生した場合も、配管内部の流れに起因する変化が現れると考えられる。
なお、現場での繰り返し測定における誤差を評価する ため、センサの取り け／取り外し AE センサ設置置の違いについても確認したが、測定データに顕著な違いは認められず、取り け状態の違いによる影響が小さかったことから現場に適用しても問題ないことが確認できた。
配管を伝わった制御弁動作
図 3 逆止弁の1 秒間における開動作の音響 (生波形)
現場適用
日本原燃再処理施設内の「再処理施設の性能に係る技術基準に関する規則」の第十ニ条「流体状の使用済燃料等が使用済燃料等を含まない流体を導く管に逆流するお それがない構造」に係る逆止弁(約900 弁)を対象に2016 年度から2018 年度にかけて逆止弁診断を3 回適用した。診断方法は、図 2 に示すようにAE センサを設置し、動作頻度の高い逆止弁については開閉動作の確認をするため、停止状態(閉状態時)と動作状態(流体流れ時また は弁動作時)の測定を実施した。一方で、動作頻度の低 い逆止弁については今後の のためのベースデータとして、停止状態での音響データ測定を実施した。さらに、音響データ測定の記録として、①生波形、②FFT 波形の特徴を分析して、「AE センサを用いた逆止弁診断記録」にまとめた。「AE センサを用いた逆止弁診断記録」には、機器情報、測定データ、解析・評価、診断結果を記載する欄を設け、解析・評価欄には、 の基準となるベースデータとして2016 年度に測定したデータを示し、容易に できるようにした。
その結果、全ての逆止弁に対して停止状態(閉状態時) のデータを測定することができた。収集した生波形およびFFT 波形はいずれも同様の傾向であり、明らかな異常が無く、過去の分解点検記録等においてもトラブルの報告が無かったことから、健全な状態のデータが測定できたと考えられる。動作頻度が高い逆止弁については、停止状態(閉状態時)のデータに加え、動作状態(流体流 れ時または弁動作時)におけるデータを測定することができた。
さらに、結果を「AE センサを用いた逆止弁診断記録」にまとめることにより、今後逆止弁の状態監視保全の方法として利用する上でのデータベースを構築することができた。
今後は、逆止弁診断の高度化として、定量的な逆流リ ーク検出性能の確認 、逆止弁診断最適化として、系統の情報などを考慮したプラントの総合診断を検討したい。
弁診断への展開
逆止弁診断で得られた知見を応用し、各種弁において微少リークが発生した場合の検知手段としての利用を検 討し、図 4 に示す模擬ループを構成して手動 玉形弁を試験サンプルとして、弁体・弁 部シートリークの検出
性確認試験を実施した。試験では、手動玉形弁においてシートリークを模擬し、弁開度を調整することで全閉状態とシートリーク模擬状態における計測 の を実施した。試験における計測時間は60 秒間とし、最初の10 秒は全閉状態、10~20 秒でハンドル操作、20~60 秒はシートリーク模擬状態となる様条件とし、シートリーク量 を計量して音響 との 関性を評価することとした。
リーク量を計測
図 4 模擬ループ構成 要
図 5 模擬ループ写真
試験により得られた、全閉状態とシートリーク模擬状態における、弁箱および近傍配管に設置したAE センサによる生波形の計測結果を表 1 に示す。表 1 の生波形において四角で囲った部分は、ハンドル操作による音響が 含まれている時間を示している。
全閉時の生波形データでは、 ね一定の波形が得られていることが確認できる。一方で、シートリーク模擬状態の生波形データではシートリーク量が増えるに従い、ハンドル操作中以 (20 秒~)にスパイクノイズが確認できる。AE センサを弁箱に取り けたケースでは、微少リークを模擬した50ml/分のリーク量でも流体の 過を示すスパイクノイズが現れており、特に190ml/分以上のリーク量では、弁箱と配管の両方でスパイクノイズが確
表 1 模擬ループ手動弁開度調整試験結果(生波形)
シートリーク模擬状態
全閉時
(リーク量約50ml/分)
シートリーク模擬状態シートリーク模擬状態
(リーク量約190ml/分)(リーク量約500ml/分)
弁箱
※枠部分はハンドル操作中
※枠部分はハンドル操作中
※枠部分はハンドル操作中
配管
シートリー 模擬状態
シートリー 模擬状態
シートリー 模擬状態
認できる。
生波形で確認されたスパイクノイズは、図 6 に示すように、弁体と弁 の隙間を流れることにより発生する音響 弁棒・弁 等が弁箱等に接触・摺動することにより発生する音響が原因と考えられる。これらの音は、弁内の流れが無く、また全閉状態で弁 が確実に した隙間の無い状態では発生しない。
以上のことから、生波形におけるスパイクノイズの発生を監視することで、シートリーク発生の有無を検出できる見 しが得られた。
今後は、生波形を用いたシートリーク発生有無の検出
の評価に加え、生波形の高 フーリ 変換(FFT)により得られる周波数分布によるシートリークの検出を進める予定である。
性確認を模擬ループにて行った。その結果、以 の知見を得た。
・再処理施設内における「性能に係る技術基準に関する規則」の対象逆止弁約900 弁全数に対して音響振動計測を実施できた。
・再処理施設は 停止中のため、大 の弁が常時停止状態であったが、ベースとなるデータとして停止状態の計測データを蓄積できた。
・動作頻度の高い逆止弁では、閉状態に加え、開動作時のデータを測定でき、正常動作時の音響振動の変動状態を確認できた。
・玉形弁の弁体・弁 部シートリークは、生波形でのスパイクノイズ発生の監視により、シートリーク発生の有無を検出できる見 しが得られた。
まとめ
弁棒・弁 等の接触・摺動による音響発生
流体の流れにより音響発生
図 6 弁の音響発生メカニズム
参考文献
関 電力 、“高浜発電所4 炉 高経年化技術評価書”、2015 年11 月.
再処理施設の性能に係る技術基準に関する規則第十ニ条 平成二十五年原子力規制委員 規則第二十九
松永 嵩、他 ”逆止弁診断システムの開発” 日本原子力学 2014 年春の大
ニ浦 進、他 ” 逆止弁診断に関する取組み” 日本原子力学 2018 年秋の大
AE センサを用いた弁診断への取組みの一環として、動
作状態を確認するために、AE センサを用いた逆止弁診断システムを用いた逆止弁の振動計測を実施した。また、逆止弁診断の知見を応用し、玉形弁のシートリーク検出