特許 6596536 配管検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6596536

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】配管検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/12 20060101AFI20191010BHJP

   G01N 29/24 20060101ALI20191010BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/12

   G01N29/24

【請求項の数】5

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2018-73980(P2018-73980)

(22)【出願日】2018年4月6日

(62)【分割の表示】特願2014-203969(P2014-203969)の分割

【原出願日】2014年10月2日

(65)【公開番号】特開2018-109649(P2018-109649A)

(43)【公開日】2018年7月12日

【審査請求日】2018年4月6日

(31)【優先権主張番号】特願2013-209429(P2013-209429)

(32)【優先日】2013年10月4日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2014-144509(P2014-144509)

(32)【優先日】2014年7月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 恵一

(72)【発明者】

【氏名】朝倉 大輔

(72)【発明者】

【氏名】長 広明

【審査官】 越柴 洋哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０７１７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１５１７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 再公表特許第２００３／００２９５６（ＪＰ，Ａ１）

【文献】 特表２００７−５１１７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７６２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０３０３０１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−０１０５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２８８０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３７２４１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

Ｇ０１Ｂ １７／００−１７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管に取り付けられた超音波光プローブの超音波発振子から前記配管に超音波を入力し、
前記超音波光プローブの光ファイバセンサにレーザ光を入力し、
前記配管から前記超音波が到達した前記光ファイバセンサ中を透過した前記レーザ光を検出し、
前記レーザ光の検出結果に基づいて、複数の共振周波数を検出し、
前記複数の共振周波数を用いて、前記配管の母材に付着した付着物の肉厚を算出する、
ことを含み、
前記複数の共振周波数は、前記配管の前記母材の共振周波数と、前記配管の前記付着物の共振周波数と、前記配管の共振周波数とを含む、
配管検査方法。

【請求項2】

配管に取り付けられた超音波光プローブの超音波発振子から前記配管に超音波を入力し、
前記超音波光プローブの光ファイバセンサにレーザ光を入力し、
前記配管から前記超音波が到達した前記光ファイバセンサ中を透過した前記レーザ光を検出し、
前記レーザ光の検出結果に基づいて、複数の共振周波数を検出し、
前記複数の共振周波数を用いて、前記配管の母材に付着した付着物の肉厚を算出する、
ことを含み、
前記付着物の肉厚は、前記配管の複数の次数の共振周波数を含む連立方程式を解くことにより算出され、
前記連立方程式は、前記配管が前記母材の材料と前記付着物の材料との混合材料で形成されていると想定して導出された前記共振周波数を含む、
配管検査方法。

【請求項3】

配管に取り付けられた超音波光プローブの超音波発振子から前記配管に超音波を入力し、
前記超音波光プローブの光ファイバセンサにレーザ光を入力し、
前記配管から前記超音波が到達した前記光ファイバセンサ中を透過した前記レーザ光を検出し、
前記レーザ光の検出結果に基づいて、複数の共振周波数を検出し、
前記複数の共振周波数を用いて、前記配管の母材に付着した付着物の肉厚を算出する、
ことを含み、
前記付着物の肉厚は、前記配管の複数の次数の共振周波数を含む連立方程式を解くことにより算出され、
前記連立方程式は、シミュレーションにより得られた関数に前記共振周波数の検出結果を代入することで導出され、
前記シミュレーションは、前記配管のモデルを用いたモーダル解析、周波数応答解析、および時刻歴応答解析の少なくともいずれかを含む、
配管検査方法。

【請求項4】

前記連立方程式は、前記共振周波数に非線形に依存する変数を含む、請求項２または３に記載の配管検査方法。

【請求項5】

前記複数の共振周波数は、前記配管の複数の次数の共振周波数を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の配管検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、配管検査装置および配管検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

配管の減肉や腐食の検査は、例えば、超音波探傷法を用いて行われる。超音波探傷法では、被試験体の表面に超音波を送受信する探触子を押し当て、被試験体内部に各種周波数の超音波を伝播させる。そして、被試験体内部の欠陥や被試験体の裏面で反射して戻ってきた超音波を受信し、被試験体内部の状態を把握する。

【0003】

発電プラントでは、流れ加速型腐食（ＦＡＣ：Flow Accelerated Corrosion）やエロージョンなどにより、配管のエルボ部やオリフィス部の下流側などに減肉が生じやすい傾向がある。配管の減肉管理は、例えば、超音波肉厚測定器を用いた配管肉厚測定により行われる。しかしながら、この手法は、肉厚測定のたびに配管を覆う断熱材を解体、復旧する必要があるため、多大な時間とコストを要する。

【0004】

そこで、低コストの減肉管理を実現するため、埋め込み型の定点測定用センサが開発されている。例えば、電磁超音波発振子（ＥＭＡＴ：Electro Magnetic Acoustic Transducer）と光ファイバセンサとを組み合わせた超音波光プローブを使用する光ファイバＥＭＡＴ法が知られている。電磁超音波発振子は、電磁力の作用により配管内に超音波を励起する発振子である。光ファイバセンサは、励起された超音波の共振波をレーザ光により検出するためのセンサである。

【0005】

しかしながら、光ファイバＥＭＡＴ法は、配管表面への光ファイバセンサの貼り付けと光ファイバセンサ上への電磁超音波発振子の設置を前提としている。そのため、電磁超音波発振子への電力供給や、電磁超音波発振子への信号入力や、電磁超音波発振子からの信号出力のために、配管上の個々の超音波光プローブから配管検査装置まで電源線や信号線を引き出す必要があり、現地での配線ボリュームが大きくなることが問題となる。配線ボリュームが大きいと、配線の取り回しの困難性や配線の断線の可能性により、配管検査の利便性が損なわれてしまう。そしてこの問題は、超音波光プローブを設置する個数が多くなるほど深刻となる。

【0006】

また、発電プラントでは、埋設配管や高温配管のように施工後のアクセス性の悪い配管の内面や外面の状態変化が原因で、プラントや機器の性能低下が起こることが多い。例えば、熱交配管の内面へのスケールの付着や、腐食性流体が流れる配管の内面のコーティングのはがれや、上下水道配管の内面でのさびの発生など、配管検査により検出したい現象は多岐に渡るが、これらの検出が困難であることが配管検査の利便性を損なっている。このように、様々な原因で厚肉化や薄肉化が起こる配管の肉厚を定量的に評価しうる技術として、光ファイバＥＭＡＴ法が期待されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】内ヶ崎儀一郎他「原子力と設計技術」大河出版（1980）pp.226-250

【非特許文献2】佐々木、高橋他「光ファイバドップラセンサを用いた電磁超音波共鳴法による金属厚さ測定」溶接構造シンポジウム2006講演論文集（2006年11月）

【非特許文献3】高橋、佐々木他「光ファイバドップラを利用した電磁超音波共振法による金属配管厚さ測定」保全学会「第1回検査・評価・保全に関する連携講演会」資料（2008年1月）

【非特許文献4】山家、高橋、阿彦「火力発電プラントにおける配管減肉の測定技術」東芝レビューVol.63, No.4（2008）pp.41-44

【非特許文献5】佐々木、高橋、山家「電磁超音波共振法による配管減肉測定技術」火力原子力発電No.636, Vol.60（2009）pp.40-46

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

配管検査の利便性を向上させることが可能な配管検査装置および配管検査方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一の実施形態によれば、配管検査方法は、配管に取り付けられた超音波光プローブに、ワイヤレス給電または環境発電を利用して電力を供給することを含む。さらに、前記方法は、前記超音波光プローブの超音波発振子から前記配管に超音波を入力し、前記超音波光プローブの光ファイバセンサにレーザ光を入力することを含む。さらに、前記方法は、前記配管から前記超音波が到達した前記光ファイバセンサ中を透過した前記レーザ光を検出し、前記レーザ光の検出結果に基づいて、前記配管の状態を判定することを含む。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態の配管検査システムの構成を示す概略図である。

【図2】第１実施形態の超音波光プローブの構成を示す概略図である。

【図3】第１実施形態の超音波光プローブの配管への取り付け例を示す概略図である。

【図4】第１実施形態の配管検査システムの構成を示す概略図である。

【図5】第１実施形態のプローブ用レーザ発光端とレーザ受光端の構成を示す概略図である。

【図6】第１実施形態の端子台の構成を示す概略図である。

【図7】第１実施形態のワイヤレス給電の例を説明するための図である。

【図8】第１実施形態の環境発電の例を説明するための図である。

【図9】第１実施形態の光ファイバセンサの構成例を説明するための図である。

【図10】図９(ａ)および図９(ｂ)の場合における基準レーザ光の強度測定の実験結果を示したグラフである。

【図11】第１実施形態の光ファイバセンサ同士の第１の接続例を示す図である。

【図12】第１実施形態の光ファイバセンサ同士の第１の接続例の詳細を示す断面図と側面図である。

【図13】第１実施形態の光ファイバセンサ同士の第２の接続例を示す図である。

【図14】第１実施形態の光ファイバセンサ同士の第３の接続例を示す図である。

【図15】第１実施形態のＥＭＡＴ同士の第１の接続例を示す図である。

【図16】第１実施形態のＥＭＡＴ同士の第２の接続例を示す図である。

【図17】第１実施形態のＥＭＡＴ同士の第３の接続例を示す図である。

【図18】第１実施形態の超音波光プローブの第１変形例を示す断面図である。

【図19】第１実施形態の超音波光プローブの第２変形例を示す断面図である。

【図20】第１実施形態の配管検査方法を説明するための図である。

【図21】第１実施形態の配管検査方法の第１の例を説明するためのグラフである。

【図22】第１実施形態の配管検査方法の第１の例を説明するためのグラフである。

【図23】第１実施形態の配管検査方法の第２の例を説明するための図である。

【図24】第１実施形態の配管検査方法の第３の例を説明するための図である。

【図25】第１実施形態の配管検査方法の第４の例を説明するためのフローチャートである。

【図26】第４の例のモーダル解析について説明するための断面図である。

【図27】第４の例の周波数応答解析について説明するための断面図である。

【図28】第４の例の時刻歴応答解析について説明するためのグラフである。

【図29】第４の例の時刻歴応答解析により得られる周波数スペクトルを示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

【0012】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の配管検査システムの構成を示す概略図である。

【0013】

本実施形態の配管検査システムは、電磁超音波発振子（以下「ＥＭＡＴ」と呼ぶ）１ａおよび光ファイバセンサ１ｂを備える超音波光プローブ１と、光源２ａ、光干渉計２ｂ、波形信号発生器２ｃ、および増幅器２ｄを備える配管検査装置２と、コンピュータ３とを備えている。超音波光プローブ１は、配管４の表面に取り付けられている。本実施形態の配管４は例えば、原子力発電プラント、火力発電プラント、または地熱発電プラント内の配管や、パイプラインまたは水道管を構成する配管などである。

【0014】

ＥＭＡＴ１ａは、光ファイバセンサ１ｂを介して配管４に取り付けられており、電磁力の作用により配管４内に超音波を励起する。光ファイバセンサ１ｂは、線状の光ファイバが渦巻状（蚊取り線香状）に巻かれて円形平板になっており、励起された超音波の共振波をレーザ光により検出するために使用される。この円形平板は、例えば、５円玉硬貨と同程度のサイズを有している。

【0015】

波形信号発生器２ｃと増幅器２ｄは、コンピュータ３による制御のもと、高周波電流を発生および増幅させ、ＥＭＡＴ１ａに供給する。光源２ａは、基準レーザ光を発生させ、光ファイバセンサ１ｂに供給する。光干渉計２ｂは、光ファイバセンサ１ｂ中を透過した基準レーザ光の変動を検出する。

【0016】

コンピュータ３は、配管４の腐食や減肉など、配管４の劣化に関する判定閾値が格納された診断データベースを有している。コンピュータ３は、光干渉計２ｂから受信した原波形の検出結果や、この原波形に信号処理を施した処理結果を、診断データベース内のデータと照合して、配管４の劣化度を判定する。

【0017】

図２は、第１実施形態の超音波光プローブ１の構成を示す概略図である。

【0018】

ＥＭＡＴ１ａは、永久磁石Ａ１と電気コイルＡ２とを備えている。永久磁石Ａ１と電気コイルＡ２は、樹脂シート１ｃを介して一体化されている。

【0019】

永久磁石Ａ１の耐熱性や耐久性を支配する要素としては、永久磁石Ａ１の材質がある。耐熱性のよい永久磁石Ａ１の材質の例としては、サマリウムコバルトが挙げられる。サマリウムコバルトの減磁点は３５０〜４００℃の間にあるため、サマリウムコバルトの永久磁石Ａ１を高温で使用する場合には、３５０℃以下で使用することが望ましい。

【0020】

また、コバルトを希少金属と考える観点から、コバルトの代替材料を使用した永久磁石Ａ１も開発され始めている。例えば、サマリウム鉄系（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系など）の永久磁石Ａ１が、ボンド磁石として商品化されている。高温アプリケーションである光ファイバＥＭＡＴ法を実行するために、永久磁石Ａ１としてサマリウム鉄系の焼結磁石を使用すれば、より安価で環境にやさしい超音波光プローブ１を実現することができる。

【0021】

電気コイルＡ２には、増幅器２ｄから高周波電流が供給される。その結果、電気コイルＡ２内の電磁誘導で発生するローレンツ力や磁歪により、配管４の内部に超音波が励起される。なお、高周波電流は、コンピュータ３による波形信号発生器２ｃおよび増幅器２ｄの制御により、所定の周波数および振幅を有するように調整される。

【0022】

光ファイバセンサ１ｂは、樹脂シート１ｃと接着剤１ｄにより、ＥＭＡＴ１ａと一体化されている。また、超音波光プローブ１は、接着剤１ｄにより、測定対象の配管４に接着されている。

【0023】

ＥＭＡＴ１ａから配管４に超音波を入力すると、この超音波の一部が光ファイバセンサ１ｂに到達する。ここで、光源２ａからの基準レーザ光が光ファイバセンサ１ｂに入力されている状態で、光ファイバセンサ１ｂに超音波が到達すると、光ファイバセンサ１ｂが超音波の影響で微小に伸縮し、基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。

【0024】

光干渉計２ｂは、この光ファイバセンサ１ｂ中を透過してきた基準レーザ光を光電変換して計測することで、この変動を検出する。このように、光干渉計２ｂは、超音波の肉厚方向の共振状態を、基準レーザ光の検出を通して検出することができる。コンピュータ３は、光干渉計２ｂによる基準レーザ光の検出結果に基づいて、配管４の状態を判定することができる。

【0025】

超音波光プローブ１は、ＥＭＡＴ１ａの形状を図２のような単純な形状としても、肉厚計測上は十分な信号強度が得られる。肉厚計測の精度や感度を左右する要因としては、ＥＭＡＴ１ａの発振パワーと、光ファイバセンサ１ｂの配管４への密着度が挙げられる。そのため、高温下での永久磁石Ａ１の磁力と、光ファイバセンサ１ｂと配管４との接合部の信頼性（耐久性）が重要となる。

【0026】

永久磁石Ａ１の磁力に関しては、高温用の耐熱性の永久磁石Ａ１を使いこれを鍍金することにより、永久磁石Ａ１の酸化を防ぐ方法がある。鍍金した高温用の永久磁石Ａ１と、ポリイミドコーティングの電気コイルＡ２とを使うことで、ＥＭＡＴ１ａの発振パワーを高温下でも保持することができる。

【0027】

一方、光ファイバセンサ１ｂと配管４との接合方法の例としては、高温接着剤による接着や、溶射などが挙げられる。光ファイバセンサ１ｂは、配管４の表面形状や曲率などに合わせて配管４の表面に密着させるように配置し、接着や溶射により配管４の表面に固定することが望ましい。この際、光ファイバセンサ１ｂと配管４は、直接密着させてもよいし、フレキシブルシートなどの間接材を介して密着させてもよい。後者の場合、接合強度が高くなることで耐熱性や耐久性などの信頼性を長期に渡って向上させることや、施工が容易なため安価な材料で接合を行うことが可能となる。

【0028】

ポリイミドコーティングの光ファイバセンサ１ｂを接着する場合には、ポリイミド系の接着剤が長期信頼性がよく、エポキシ系やシリコン系の接着剤は比較的劣化が早い傾向がある。ポリイミドコーティングの光ファイバセンサ１ｂを金属製の配管４に接合する際には、ポリイミド系の接着剤を使用して真空含浸法にて接着することが望ましい。

【0029】

真空含浸法ではまず、光ファイバセンサ１ｂを、接着剤を含浸させたガラスクロスで挟む。次に、これを面状ヒーターまたはラバーヒーターと一緒に配管４の表面に真空パックして大気圧で押し付けつつ、ヒーターの温度調整により所定の加熱硬化を行う。次に、硬化および接着後に、リリースフィルム、ブリーザー、ヒーター、パックフィルムなどを、ガラスクロスの表面から取り外す。

【0030】

また、光ファイバセンサ１ｂは、次の手順で作製可能である。まず、耐熱性コーティングファイバを渦巻状に巻く。次に、渦巻状に巻いた耐熱性コーティングファイバを、ポリイミドなどの耐熱材からなるフレキシブルシート上に、ポリイミドワニスを用いて固定する。なお、光ファイバセンサ１ｂは、このフレキシブルシートと一緒に接着剤を含浸したガラスクロスに挟んでもよいし、直接ガラスクロスに挟んでもよい。

【0031】

また、ポリイミド系の接着剤の代わりに、金属粉を配合したセラミックス系の接着剤を使用してもよい。金属粉を配合したセラミックス系の接着剤には、施工性と耐久性の良いものあることが確認されている。このような接着剤を用いる場合、光ファイバセンサ１ｂを配管４の表面において単純に接着剤を塗布して保持し、接着剤を室温硬化させることにより、十分な接合強度を得られる。この場合、光ファイバセンサ１ｂと配管４の間にガラスクロスを介在させてもよいし、介在させなくてもよい。

【0032】

図３は、第１実施形態の超音波光プローブ１の配管４への取り付け例を示す概略図である。

【0033】

本実施形態では、複数の超音波光プローブ１を配管４の外面に取り付け、配管４の内面と外面から多重反射した共振超音波信号をコンピュータ３により解析することで、配管４の肉厚を測定する。配管４の材質は、例えば炭素鋼である。本実施形態では、超音波光プローブ１をあらかじめ配管４と断熱材（保温材）５との間に埋め込んでおくことで、肉厚測定（劣化度判定）をオンラインで行うことが可能となる。本実施形態によれば、肉厚測定のたびに断熱材５を解体、復旧する必要がないため、発電プラントの安全性や設備稼働率を高めることができる。

【0034】

配管減肉管理規格では、配管４の肉厚測定点の位置が、配管４の径に応じて決められている。配管４のサイズが１５０Ａ（外径：約１６５ｍｍ）以上の場合は、配管４の周方向に８箇所（４５°間隔）と決められている。また、配管４のサイズが１５０Ａ未満の場合は、配管４の周方向に４箇所（９０°間隔）と決められている。図３は、前者の場合の例を示している。なお、配管４の軸方向については、配管４の外径長さ以下の間隔で配管４の肉厚測定点を設定することが決められている。

【0035】

これらの超音波光プローブ１を用いて配管４の肉厚を測定する方法を説明する。

【0036】

ＥＭＡＴ１ａの電気コイルＡ２は、高周波電流が流れると、配管４を振動させ、配管４内に超音波を発生させる。この際、コンピュータ３は、波形信号発生器２ｃを通じて高周波電流の周波数を変化させることにより、超音波の周波数を所望の周波数帯域でスイープさせる。

【0037】

配管４内の超音波は、光ファイバセンサ１ｂに伝播する。光ファイバセンサ１ｂに基準レーザ光が入力されている状態で光ファイバセンサ１ｂに超音波が到達すると、基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。この変動値（伸縮速度）を光干渉計２ｂが光電変換により電圧値に変換することで、配管４内を伝播する超音波の周波数を計測することが可能となる。

【0038】

配管４の肉厚ｄと、配管４内の超音波の波長λとの間に、λ＝２ｄの関係が成り立つとき、超音波の入射波と反射波とが共振し、これらの合成波の振幅が大きくなる。この関係は、配管４内の超音波の周波数ｆと音速ｖを用いて、ｆ＝ｖ／２ｄと表すことができる。よって、共振発生時の超音波の周波数ｆと音速ｖとが得られれば、配管４の肉厚ｄを求めることができる。

【0039】

そこで、本実施形態では、配管４の肉厚ｄを測定する際、超音波の周波数を所望の周波数帯域でスイープさせ、共振周波数ｆを測定する。一方、音速ｖは、配管４の材質から算出可能である。よって、本実施形態では、測定された共振周波数ｆと、算出された音速ｖとを用いて、配管４の肉厚ｄを導出することができる。

【0040】

例えば、肉厚１５ｍｍの鋼製の配管４の場合、２００ｋＨｚの超音波を入力すると共振が生じる。本実施形態によれば、配管４が鋼製であることと、共振周波数ｆが２００ｋＨｚであることが分かれば、配管４の肉厚ｄが１５ｍｍであることを決定できる。

【0041】

本実施形態の超音波光プローブ１は、原子力発電所や火力発電所の配管４のエルボ部やオリフィス部の下流側など、統計的に減肉しやすいと考えられる箇所や、地熱発電所配管や水道管を構成する配管４の閉塞を起こしやすい箇所等に取り付けることが望ましい。また、本実施形態の波形信号発生器２ｃは、配管４内に発生させる振動の周波数を、配管４の厚さに応じて１Ｈｚ〜１０ＭＨｚの任意の周波数に設定可能なように構成することが望ましい。また、本実施形態のコンピュータ３は、光干渉計２ｂを介して、周波数２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの超音波振動だけでなく、周波数１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの非超音波振動も検出可能なように構成することが望ましい。

【0042】

図３に示す符号１１、１２はそれぞれ、超音波光プローブ１、配管検査装置２（光干渉計２ｂ）に接続された光ファイバを示す。これらの光ファイバ１１、１２は、表面が露出していてもよいし、樹脂シートやフレキシブルシート材などの部材で挟まれていてもよいし、これらの組み合わせで構成されていてもよい。また、光ファイバ１１、１２とこれらを挟む部材との間の隙間には、接着剤が充填されていてもよい。光ファイバ１１、１２の詳細については、後述する。

【0043】

（１）第１実施形態における電力供給および信号入出力
図４は、第１実施形態の配管検査システムの構成を示す概略図である。

【0044】

図４は、光ファイバセンサ１ｂの一方の端部に光ファイバ１１を介して接続されたプローブ用レーザ発光端２１と、光干渉計２ｂに光ファイバ１２を介して接続されたレーザ受光端２２と、光源２ａに光ファイバ１３を介して接続されたレーザ発光端２３と、光ファイバセンサ１ｂの他方の端部に光ファイバ１４を介して接続されたプローブ用レーザ受光端２４とを示している。

【0045】

図４はさらに、超音波光プローブ１と離間して配置されたワイヤレス給電発信回路２５と、超音波光プローブ１に接続されたワイヤレス給電受信回路２６およびチャープ波発信回路２７とを示している。ワイヤレス給電発信回路２５は、例えば、配管検査装置２内に配置されている。

【0046】

光源２ａから発生した基準レーザ光は、レーザ発光端２３から発信され、プローブ用レーザ受光端２４により受信されることで、光ファイバセンサ１ｂに入力される。また、配管４から超音波が到達した光ファイバセンサ１ｂ中を透過した基準レーザ光は、プローブ用レーザ発光端２１から発信され、レーザ受光端２２により受信されることで、光干渉計２ｂへと出力される。コンピュータ３は、この基準レーザ光に基づいて、配管４の状態を判定する。

【0047】

このように、本実施形態では、超音波光プローブ１と配管検査装置２との間の信号（基準レーザ光）の送受信が、ワイヤレス通信を利用して行われる。よって、本実施形態によれば、発電プラントの施工時や運用時に信号線（光ファイバケーブル）の配線ボリュームが現地で多量になることを抑制することができる。よって、本実施形態によれば、現地での信号線の取り回しを容易にすることができると共に、現地での不慮の事故で信号線が断線される確率を低減することができる。

【0048】

また、ワイヤレス給電発信回路２５は、ワイヤレス給電によりワイヤレス給電受信回路２６に電力を供給する。この電力は、ＥＭＡＴ１ａに供給され、超音波を発振するために用いられる。ワイヤレス給電発信回路２５とワイヤレス給電受信回路２６との間の電力の授受は、例えば、マイクロ波送電またはレーザ送電により行われる。

【0049】

このように、本実施形態では、超音波光プローブ１への電力供給が、ワイヤレス給電を利用して行われる。よって、本実施形態によれば、発電プラントの施工時や運用時に電源線（ＥＭＡＴケーブル）の配線ボリュームが現地で多量になることを抑制することができる。よって、本実施形態によれば、現地での電源線の取り回しを容易にすることができると共に、現地での不慮の事故で電源線が断線される確率を低減することができる。

【0050】

図５は、第１実施形態のプローブ用レーザ発光端２１とレーザ受光端２２の構成を示す概略図である。

【0051】

プローブ用レーザ発光端２１は、レンズ２１ａと、光ファイバ１１の端部に接続され、レーザ光を増幅する光増幅器２１ｂとを備えている。レーザ受光端２２は、レンズ２２ｂと、光ファイバ１２の端部付近に配置され、レーザ光の導波路を制御する制御装置２２ｂとを備えている。このようなプローブ用レーザ発光端２１とレーザ受光端２２により、超音波光プローブ１から配管検査装置２にレーザ光を供給することができる。

【0052】

なお、レーザ発光端２３とプローブ用レーザ受光端２４はそれぞれ、プローブ用レーザ発光端２１とレーザ受光端２２と同一の構造を有している。

【0053】

図６は、第１実施形態の端子台３１の構成を示す概略図である。

【0054】

図６は、配管４に取り付けられた複数の超音波光プローブ１と、これらの超音波光プローブ１に光ファイバ１４を介して接続された複数のプローブ用レーザ受光端２４と、これらのプローブ用レーザ受光端２４が取り付けられた端子台３１とを示している。

【0055】

図６はさらに、不図示の配管検査装置２に光ファイバ１３を介して接続されたレーザ発光端２３を示している。本実施形態では、１つのレーザ発光端２３が、複数のプローブ用レーザ受光端２４と対応している。

【0056】

配管検査装置２は、ある超音波光プローブ１にレーザ光を供給する際、レーザ発光端２３から、その超音波光プローブ１に接続されたプローブ用レーザ受光端２４に、レーザ光を照射する。これにより、この超音波光プローブ１を利用した配管検査を行うことが可能となる。

【0057】

なお、ワイヤレス給電発信回路２５からワイヤレス給電受信回路２６に電力を供給する機構は、端子台３１を用いて構成してもよいし、端子台３１を用いずに構成してもよい。ワイヤレス給電発信回路２５からワイヤレス給電受信回路２６への電力供給は、例えば、マイクロ波送電やレーザ送電により行われる。マイクロ波やレーザ光を用いることには、複数のワイヤレス給電受信回路２６のうちの特定のワイヤレス給電受信回路２６に電力を供給する際に、このワイヤレス給電受信回路２６にねらいを定めて電磁波を照射しやすいという利点がある。なお、本実施形態では、超音波光プローブ１の電気コイルＡ２にマイクロ波やレーザ光を直接照射することで、超音波光プローブ１に電力を供給してもよい。

【0058】

図７は、第１実施形態のワイヤレス給電の例を説明するための図である。

【0059】

本実施形態のワイヤレス給電は、例えば、図７(ａ)〜図７(ｄ)に示す給電方式により行うことが可能である。

【0060】

図７(ａ)は、１次コイルに電流を流して生じる磁束を媒介として、これに隣接した２次コイルに起電力が発生する電磁誘導を利用した「電磁誘導方式」を示す。

【0061】

図７(ｂ)は、１次コイルと２次コイルとの間での磁界の共鳴現象を利用した「磁界共鳴方式」を示す。

【0062】

図７(ｃ)は、電極間の電界結合を利用した「電界結合方式」を示す。

【0063】

図７(ｄ)は、電流を電磁波に変換してアンテナを介して送受信する「電波受信方式」を示す。

【0064】

なお、本実施形態の超音波光プローブ１は、スパイラルコイルの形状の電気コイルＡ２を備えているため、ワイヤレス給電の受信デバイスとして使用可能である。この場合、電気コイルＡ２に電磁波（例えば、マイクロ波やレーザ光）を直接照射することで、ワイヤレス給電を行ってもよい。

【0065】

図８は、第１実施形態の環境発電（エネルギーハーベスティング）の例を説明するための図である。

【0066】

本実施形態では、超音波光プローブ１への電源供給を、環境発電素子を利用して行ってもよい。

【0067】

図８の領域Ａは、熱電変換素子４１と、熱電変換素子４１に接続された熱交換用デバイス４２と、熱電変換素子４１に接続された蓄電・昇圧回路４３とを示している。

【0068】

熱電変換素子４１は、配管４に取り付けられており、配管４と周囲とに温度差がある場合に、配管４からの熱エネルギーを電気に変換することで発電する。また、熱交換用デバイス４２は、発電プラント内の空気、蒸気、水、地中熱などの熱を熱電変換素子４１に供給する。この場合、熱電変換素子４１は、熱交換用デバイス４２からの熱エネルギーを電気に変換することで発電する（なお、このように熱電変換素子４１を利用する場合、熱電変換素子４１は配管４以外の場所に取り付けられていてもよい）。本実施形態では、熱電変換素子４１の代わりにＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タービンを利用してもよい。

【0069】

蓄電・昇圧回路４３は、熱電変換素子４１により得られた電力を蓄電したり、その電圧を昇圧する。蓄電・昇圧回路４３は、超音波光プローブ１に接続されており、超音波光プローブ１に有線で電力を供給する。なお、蓄電・昇圧回路４３は、ワイヤレス給電を利用して超音波光プローブ１に電力を供給してもよい。

【0070】

図８の領域Ｂは、振動発電素子５１と、振動発電素子５１に接続された蓄電・昇圧回路５２とを示している。

【0071】

振動発電素子５１は、配管４に取り付けられており、プラント稼動中の配管４の振動エネルギーを電気に変換することで発電する。振動発電素子５１の例としては、圧電素子や静電素子などが挙げられる。蓄電・昇圧回路５２の構成は、蓄電・昇圧回路４３と同様である。

【0072】

図８の領域Ｃは、光電変換素子６１と、光電変換素子６１に接続された蓄電・昇圧回路６２とを示している。

【0073】

光電変換素子６１は、現地の太陽光や室内光のエネルギーを電気に変換することで発電する。光電変換素子６１の例としては、太陽電池が挙げられる。光電変換素子６１は、配管４に取り付けられていてもよいし、配管４以外の場所に取り付けられていてもよい。蓄電・昇圧回路６２の構成は、蓄電・昇圧回路４３と同様である。

【0074】

このように、本実施形態では、超音波光プローブ１への電力供給を、環境発電を利用して行ってもよい。この場合、本実施形態によれば、超音波光プローブ１と環境発電素子を近距離に配置することで、発電プラントの施工時や運用時に電源線の配線ボリュームが現地で多量になることを抑制することができる。よって、本実施形態によれば、現地での電源線の取り回しを容易にすることができると共に、現地での不慮の事故で電源線が断線される確率を低減することができる。

【0075】

（２）第１実施形態の光ファイバセンサ１ｂ
図９は、第１実施形態の光ファイバセンサ１ｂの構成例を説明するための図である。

【0076】

図９(ａ)は、図４の構造と同一の構造を有する光ファイバセンサ１ｂを示す。図９(ａ)は、光ファイバ１１、１４がまとめて包囲されたチューブ部７１と、光ファイバ１１、１４が別々に包囲された保護被膜付きファイバ部７２とを示している。

【0077】

一方、図９(ｂ)は、この変形例に相当する光ファイバセンサ１ｂを示す。図９(ｂ)の符号Ｂ１、Ｂ２はそれぞれ、光ファイバセンサ１ｂの第１、第２の端部を示している。第１の端部Ｂ１は、基準レーザ光の入力線と出力線とを兼ねた光ファイバ７４を介して、発光端と受光端とを兼ねたプローブ用レーザ発光・受光端７５に接続されている。また、第２の端部Ｂ２は、基準レーザ光を反射可能な反射面を有する反射端７３に接続されている。

【0078】

図９(ｂ)の光ファイバセンサ１ｂでは、光源２ａからの基準レーザ光が、プローブ用レーザ発光・受光端７５を介して第１の端部Ｂ１に入力される。このとき、光ファイバセンサ１ｂに基準レーザ光が入力されている状態で光ファイバセンサ１ｂに超音波が到達すると、基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。

【0079】

この基準レーザ光は、光ファイバセンサ１ｂ中を第２の端部Ｂ２に向かって進み、反射端７３の反射面で反射され、光ファイバセンサ１ｂ中を第１の端部Ｂ１に向かって戻っていく。そして、この基準レーザ光は、第１の端部Ｂ１から出力され、プローブ用レーザ発光・受光端７５を介して光干渉計２ｂに供給される。コンピュータ３は、光干渉計２ｂによる基準レーザ光の検出結果に基づいて、配管４の状態を判定することができる。

【0080】

図９(ｂ)の構造の光ファイバセンサ１ｂによれば、各超音波光プローブ１用の２本の光ファイバ１１、１４を１本の光ファイバ７４に減らし、発電プラント内の信号線の配線ボリュームを低減することができる。

【0081】

なお、図９(ｂ)の構造は、光ファイバセンサ１ｂと配管検査装置２とが無線接続されている場合だけでなく、光ファイバセンサ１ｂと配管検査装置２とが有線接続されている場合にも適用可能である。

【0082】

図１０は、図９(ａ)および図９(ｂ)の場合における基準レーザ光の強度測定の実験結果を示したグラフである。

【0083】

曲線Ｃ₁は、図９(ａ)の場合に光干渉計２ｂにより検出された基準レーザ光の検出強度を示す。曲線Ｃ₂は、図９(ｂ)の場合に光干渉計２ｂにより検出された基準レーザ光の検出強度を示す。図１０の実験における試験供試体は、肉厚５ｍｍ、サイズ１５０×１５０ｍｍの炭素鋼ＳＳ４００とした。

【0084】

図９(ｂ)の場合には、共振周波数スペクトルにベースノイズ時間変動によるスパイク状ノイズが重なっているが、図９(ａ)の場合と同じ卓越共振周波数が得られる。よって、図９(ｂ)の場合には、図９(ａ)の場合と同様に、配管４の肉厚測定が可能である。

【0085】

また、図１０に示すように、図９(ｂ)の場合の基準レーザ光の振動強度は、図９(ａ)の場合の約４倍となっている。よって、図９(ｂ)の場合の基準レーザ光の測定波形振幅は、図９(ａ)の場合の約２倍となる。これは、図９(ｂ)の基準レーザ光が光ファイバセンサ１ｂ中を往復し、行きと戻りの基準レーザ光が重なり合うことにより、図９(ｂ)の基準レーザ光の振幅が２倍に増加するためである。

【0086】

よって、図９(ｂ)の構造によれば、基準レーザ光の検出強度を増大させることができ、配管４の検査の精度を向上させることができる。

【0087】

図１１は、第１実施形態の光ファイバセンサ１ｂ同士の第１の接続例を示す図である。

【0088】

図１１は、同じ配管４に取り付けられた複数（ここでは４つ）の超音波光プローブ１を示している。これらの超音波光プローブ１の光ファイバセンサ１ｂ同士は、光ファイバ７６により互いに直列に接続されている。各光ファイバ７６は、互いに隣接する光ファイバセンサ１ｂ同士を単線接続しており、一方の光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１と、他方の光ファイバセンサ１ｂの第２の端部Ｂ２とに接続されている。符号［Ａ］〜［Ｄ］は、これらの超音波光プローブ１同士を区別するために付されている。

【0089】

これらの光ファイバセンサ１ｂのうち、一方の端部（以下「前端部」と呼ぶ）に位置する光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１は、光ファイバ７４を介してプローブ用レーザ発光・受光端７５に接続されている。また、他方の端部（以下「後端部」と呼ぶ）に位置する光ファイバセンサ１ｂの第２の端部Ｂ２は、反射端７３に接続されている。図１１の反射端７３、光ファイバ７４、プローブ用レーザ発光・受光端７５の構造は、図９(ｂ)と同様である。

【0090】

図１１では、光源２ａからの基準レーザ光が、プローブ用レーザ発光・受光端７５を介して、前端部の光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１に入力される。この基準レーザ光は、光ファイバ７６を介して、その他の光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１にも入力される。このとき、これらの光ファイバセンサ１ｂに基準レーザ光が入力されている状態でこれらの光ファイバセンサ１ｂに超音波が到達すると、基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。

【0091】

この基準レーザ光は、後端部の光ファイバセンサ１ｂの第２の端部Ｂ２に向かって進み、反射端７３の反射面で反射され、前端部の光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１に向かって戻っていく。そして、この基準レーザ光は、前端部の光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１から出力され、プローブ用レーザ発光・受光端７５を介して光干渉計２ｂに供給される。コンピュータ３は、光干渉計２ｂによる基準レーザ光の検出結果に基づいて、配管４の状態を判定することができる。

【0092】

図１１の接続例によれば、４つの超音波光プローブ１用の８本の光ファイバ１１、１４を１本の光ファイバ７４と３本の光ファイバ７６とに減らし、発電プラント内の信号線の配線ボリュームを低減することができる。

【0093】

一般に、光ファイバ７６の長さは、光ファイバ７４の長さよりも短い。よって、図１１の接続例によれば、直列接続を採用せずに４つの超音波光プローブ１に４本の光ファイバ７４を接続する場合と比べても配線ボリュームを低減することができる。図１１の接続例における配線ボリュームの低減効果は、直列接続される超音波光プローブ１の個数が増えるほど増大する。

【0094】

次に、図１１の接続例における配管検査方法の詳細について説明する。

【0095】

図１１の接続例では、４つの超音波光プローブ１に同じ基準レーザ光を使用する。そのため、４つの超音波光プローブ１が設置された４箇所に配管４の劣化があるか否かは判定できるが、４つの超音波光プローブ１が同じ仕様の場合には、４箇所のうちのどの箇所に配管４の劣化があるかは一般に特定できない。例えば、４箇所における配管４の減肉量の最大値は計測できるが、どの箇所の減肉量が最大値であるかは一般に特定できない。

【0096】

しかしながら、配管検査の現場では、配管４のどの箇所が劣化しているかは解らなくても、配管４のどの範囲が劣化しているかが解れば十分である場合も多い。そのような場合には、図１１の接続例に対するニーズが大きいものと考えられる。

【0097】

また、図１１の接続例において配管４の劣化箇所を特定したい場合には、４つの超音波光プローブ１の振動出力を互いに異ならせて、４つの超音波光プローブ１の振動出力を互いに差別化してもよい。これは例えば、これらの超音波光プローブ１のコイルの巻き数、コイルの巻く方向、および電磁石の加振力の組合せを、各超音波光プローブ１に固有の組合せとすることで実現可能である。この場合、基準レーザ光の検出データを分析することで、配管４が劣化している超音波光プローブ１の位置を把握することができる。

【0098】

図１２は、第１実施形態の光ファイバセンサ１ｂ同士の第１の接続例の詳細を示す断面図と側面図である。

【0099】

図１２(ａ)および図１２(ｂ)は、ＪＳＭＥの発電用火力設備規格（JSME S CA1-2009年）に従い、１５０Ａ以上のサイズを有する配管４に４列の超音波光プローブ１を設置した例を示している。各列は、８つの超音波光プローブ１を等間隔に含んでいる。これらの列間の距離は、配管４の直径（外径）φと同じ値に設定されている。図１２(ａ)は、１列の超音波光プローブ１を示す断面図である。図１２(ｂ)は、４列の超音波光プローブ１を示す側面図である。

【0100】

図１２においては、１列を構成する８つの超音波光プローブ１の光ファイバセンサ１ｂ同士が、光ファイバ７６により互いに直列に接続されている。このような構成によれば、配管４の劣化の有無を列単位（周単位）で把握することが可能となる。

【0101】

図１３は、第１実施形態の光ファイバセンサ１ｂ同士の第２の接続例を示す図である。

【0102】

図１３の接続例では、図１１の接続例と同様に、４つの超音波光プローブ１の光ファイバセンサ１ｂ同士が互いに直列に接続されている。ただし、図１３の接続例では、チューブ部７１が図１１と同様の構造を有しているのに対し、保護被膜付きファイバ部７２が図９(ａ)と同様の構造を有している。

【0103】

図１３の接続例では、チューブ部７１と保護被膜付きファイバ部７２との間にサーキュレータ７７が設置されている。サーキュレータ７７は、行きと戻りの基準レーザ光を区別するために設置されている。サーキュレータ７７の例は、偏光板である。

【0104】

例えば、受光端２４側の保護被膜付きファイバ部７２からサーキュレータ７７に到達した行きの基準レーザ光は、チューブ部７１には透過するが、発光端２１側の保護被膜付きファイバ部７２には透過しない。

【0105】

また、チューブ部７１からサーキュレータ７７に到達した戻りの基準レーザ光は、発光端２１側の保護被膜付きファイバ部７２には透過するが、受光端２４側の保護被膜付きファイバ部７２には透過しない。

【0106】

図１３の接続例によれば、行きの基準レーザ光が発光端２１に伝播することや、戻りの基準レーザ光が受光端２４に伝播することを抑制することが可能となる。

【0107】

図１４は、第１実施形態の光ファイバセンサ１ｂ同士の第３の接続例を示す図である。

【0108】

図１４の接続例では、光ファイバ７４が分配器７８の地点で光ファイバ７４ａ、７４ｂに分岐している。そして、２つの超音波光プローブ１の光ファイバセンサ１ｂ同士が、光ファイバ７４ａ、７４ｂにより互いに並列に接続されている。各光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１は、光ファイバ７４ａ、７４ｂの一方に接続されている。各光ファイバセンサ１ｂの第２の端部Ｂ２は、２つの反射端７３の一方に接続されている。図１４の反射端７３やプローブ用レーザ発光・受光端７５の構造は、図９(ｂ)と同様である。

【0109】

図１４では、光源２ａからの基準レーザ光が、プローブ用レーザ発光・受光端７５を介して分配器７８に入力され、分配器７８で分割される。分割された基準レーザ光は、２つの光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１に入力される。このとき、これらの光ファイバセンサ１ｂに基準レーザ光が入力されている状態でこれらの光ファイバセンサ１ｂに超音波が到達すると、基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。

【0110】

この基準レーザ光は、２つの光ファイバセンサ１ｂの第２の端部Ｂ２に向かって進み、反射端７３の反射面で反射され、２つの光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１に向かって戻っていく。そして、この基準レーザ光は、これらの光ファイバセンサ１ｂの第１の端部Ｂ１から出力され、分配器７８とプローブ用レーザ発光・受光端７５とを介して光干渉計２ｂに供給される。コンピュータ３は、光干渉計２ｂによる基準レーザ光の検出結果に基づいて、配管４の状態を判定することができる。

【0111】

図１４の接続例によれば、２つの超音波光プローブ１用の４本の光ファイバ１１、１４を、光ファイバ７４ａ、７４ｂに分岐した１本の光ファイバ７４に減らし、発電プラント内の信号線の配線ボリュームを低減することができる。

【0112】

なお、図１４の接続例においては、３つ以上の超音波光プローブ１の光ファイバセンサ１ｂ同士を互いに並列に接続してもよい。また、図１４の接続例における配管検査方法の詳細は、図１１の接続例と同様である。

【0113】

なお、図１１〜図１４の構造は、光ファイバセンサ１ｂと配管検査装置２とが無線接続されている場合だけでなく、光ファイバセンサ１ｂと配管検査装置２とが有線接続されている場合にも適用可能である。

【0114】

（３）第１実施形態のＥＭＡＴ１ａ
図１５は、第１実施形態のＥＭＡＴ１ａ同士の第１の接続例を示す図である。

【0115】

図１５は、同じ配管４に取り付けられた複数（ここでは４つ）の超音波光プローブ１を示している。これらの超音波光プローブ１のＥＭＡＴ１ａ同士は、電源線１６により互いに直列に接続されている。各電源線１６は、互いに隣接するＥＭＡＴ１ａ同士を単線接続している。符号［Ａ］〜［Ｄ］は、これらの超音波光プローブ１同士を区別するために付されている。

【0116】

これらのＥＭＡＴ１ａのうち、一方の端部（以下「前端部」と呼ぶ）に位置するＥＭＡＴ１ａは、電源線１５を介してチャープ波発信回路２７（図４）の第１端子２７ａに接続されている。また、他方の端部（以下「後端部」と呼ぶ）に位置するＥＭＡＴ１ａは、電源線１５を介してチャープ波発信回路２７の第２端子２７ｂに接続されている。図１５では、第１端子２７ａから電源線１５、１６を介して第２端子２７ｂに高周波電流が流れることで、４つのＥＭＡＴ１ａに電力が供給される。

【0117】

図１５の接続例によれば、４つの超音波光プローブ１用の８本の電源線１５を２本の電源線１５と３本の電源線１６とに減らし、発電プラント内の電源線の配線ボリュームを低減することができる。

【0118】

一般に、電源線１６の長さは、電源線１５の長さよりも短い。よって、図１５の接続例における配線ボリュームの低減効果は、直列接続される超音波光プローブ１の個数が増えるほど増大する。

【0119】

次に、図１５の接続例における配管検査方法の詳細について説明する。

【0120】

４つのＥＭＡＴ１ａは、配管４に一定の加振を与えるために設置されている。図１５の第１端子２７ａから第２端子２７ｂに電流が流れると、これらのＥＭＡＴ１ａが配管４を同時に加振する。その結果、４つの光ファイバセンサ１ｂが微小に伸縮し、これらの光ファイバセンサ１ｂ中の基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。コンピュータ３は、この基準レーザ光の検出結果に基づいて、配管４の状態を判定する。

【0121】

図１５の４つの光ファイバセンサ１ｂは、互いに直列にも並列にも接続されておらず、個々に光ファイバ１１、１４に接続されている。よって、図１５の接続例によれば、どの光ファイバセンサ１ｂの基準レーザ光が変化したか検出することで、どの箇所に配管４の劣化があるかを特定することができる。

【0122】

ただし、４つの光ファイバセンサ１ｂは、図１１から図１４のように互いに直列または並列に接続してもよい。この場合、これらの光ファイバセンサ１ｂを透過した基準レーザ光の変化を検出することで、これらの光ファイバセンサ１ｂの設置範囲に配管４の劣化があることを判定することができる。また、この場合には、４つのＥＭＡＴ１ａの振動出力を互いに差別化することで、配管４が劣化している超音波光プローブ１の位置を把握することが可能となる。

【0123】

図１６は、第１実施形態のＥＭＡＴ１ａ同士の第２の接続例を示す図である。

【0124】

図１６の接続例では、図１５の接続例と同様に、４つの超音波光プローブ１のＥＭＡＴ１ａ同士が互いに直列に接続されている。ただし、図１６の接続例では、互いに隣接するＥＭＡＴ１ａ同士が２本の電源線１６により接続されている。一方の電源線１６の例は、Ｖｃｃ配線であり、他方の電源線１６の例は、Ｖｓｓ配線である。

【0125】

これらのＥＭＡＴ１ａのうち、前端部に位置するＥＭＡＴ１ａは、２本の電源線１５を介してチャープ波発信回路２７の第１、第３端子２７ａ、２７ｃに接続されている。また、後端部に位置するＥＭＡＴ１ａは、２本の電源線１５を介してチャープ波発信回路２７の第２、第４端子２７ｂ、２７ｄに接続されている。これらの電源線１５の例は、Ｖｃｃ配線とＶｓｓ配線である。

【0126】

図１７は、第１実施形態のＥＭＡＴ１ａ同士の第３の接続例を示す図である。

【0127】

図１７の接続例では、各電源線１５が電源線１５ａ、１５ｂに分岐している。そして、２つの超音波光プローブ１のＥＭＡＴ１ａ同士が、電源線１５ａ、１５ｂにより互いに並列に接続されている。図１７では、第１端子２７ａから電源線１５を介して第２端子２７ｂに高周波電流が流れることで、２つのＥＭＡＴ１ａに電力が供給される。

【0128】

図１７の接続例によれば、２つの超音波光プローブ１用の４本の電源線１５を、電源線１５ａ、１５ｂに分岐した２本の光ファイバ７４に減らし、発電プラント内の電源線の配線ボリュームを低減することができる。

【0129】

なお、図１７の接続例においては、３つ以上の超音波光プローブ１のＥＭＡＴ１ａ同士を互いに並列に接続してもよい。また、図１７の接続例においては、光ファイバセンサ１ｂ同士を互いに直列または並列に接続してもよい。また、図１７の接続例における配管検査方法の詳細は、図１５の接続例と同様である。

【0130】

なお、図１５〜図１７の構造は、ＥＭＡＴ１ａとワイヤレス給電発信回路２５とが無線接続されている場合だけでなく、ＥＭＡＴ１ａとワイヤレス給電発信回路２５とが有線接続されている場合にも適用可能である。また、このワイヤレス給電発信回路２５は、図８の環境発電素子に置き換えてもよい。

【0131】

（４）第１実施形態の超音波光プローブ１の変形例
本実施形態の超音波光プローブ１は、加振源として機能するＥＭＡＴ１ａと、センサとして機能する光ファイバセンサ１ｂとを備えている。しかしながら、本実施形態においては、超音波光プローブ１から加振源の機能を分離してもよい。この場合、超音波光プローブ１は、光ファイバセンサ１ｂのみを備え、ＥＭＡＴ１ａは備えない。以下、このような超音波光プローブ１の例を、図１８および図１９を参照して説明する。

【0132】

図１８は、第１実施形態の超音波光プローブ１の第１変形例を示す断面図である。

【0133】

図１８は、配管４と、断熱材（保温材）５と、配管４と断熱材５との間に埋め込まれた８つの光ファイバセンサ１ｂとを示している。これらの光ファイバセンサ１ｂは、互いに直列または並列に接続されていてもよい。また、これらの光ファイバセンサ１ｂは、反射端７３に接続されていてよい。

【0134】

図１８はさらに、配管４の外部に配置された大型電磁超音波発振子（以下「大型ＥＭＡＴ」と呼ぶ）６を示している。大型ＥＭＡＴ６は、前述のＥＭＡＴ１ａとは異なり、光ファイバセンサ１ｂと分離されている。大型ＥＭＡＴ６の例は、ピエゾ素子である。本変形例では、大型ＥＭＡＴ６を断熱材５に当接させるまたは断熱材５の付近に設置することにより、矢印Ａで示すように配管４を大型ＥＭＡＴ６により加振することができる。

【0135】

大型ＥＭＡＴ６が振動すると、大型ＥＭＡＴ６からの超音波が配管４を介して光ファイバセンサ１ｂに到達する。このとき、光源２ａからの基準レーザ光が光ファイバセンサ１ｂに入力されている状態で光ファイバセンサ１ｂに超音波が到達すると、基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。この基準レーザ光は、光ファイバセンサ１ｂから出力され、光干渉計２ｂに供給される。コンピュータ３は、光干渉計２ｂによる基準レーザ光の検出結果に基づいて、配管４の状態を判定することができる。

【0136】

本変形例によれば、ＥＭＡＴ１ａと光ファイバセンサ１ｂとを備える超音波光プローブ１を配管４に取り付ける必要はなく、配管４に光ファイバセンサ１ｂを取り付ければ十分であるため、配管４への超音波光プローブ１（光ファイバセンサ１ｂ）の取り付け作業を省力化することが可能となる。

【0137】

図１９は、第１実施形態の超音波光プローブ１の第２変形例を示す断面図である。

【0138】

図１９は、図１８と同様に、配管４と、断熱材５と、８つの光ファイバセンサ１ｂとを示している。図１９はさらに、配管４内を流通する作動流体７を示している。作動流体７の例は、水等の液体である。配管４内を流通する作動流体７の流速、種類、状態等によっては、配管４が作動流体７の影響により高周波で振動する。本変形例では、作動流体７の流れが配管４を振動させる現象を配管検査に利用する。図１９(ｂ)の符号Ｂ、Ｃはそれぞれ、作動流体７の流れと配管４の振動を示す。

【0139】

作動流体７が配管４内を流れると、作動流体７の影響で配管４内に発生した超音波が光ファイバセンサ１ｂに到達する。このとき、光源２ａからの基準レーザ光が光ファイバセンサ１ｂに入力されている状態で光ファイバセンサ１ｂに超音波が到達すると、基準レーザ光にドップラー周波数のシフトや偏波面の変動が生じる。この基準レーザ光は、光ファイバセンサ１ｂから出力され、光干渉計２ｂに供給される。コンピュータ３は、光干渉計２ｂによる基準レーザ光の検出結果に基づいて、配管４の状態を判定することができる。

【0140】

本変形例によれば、ＥＭＡＴ１ａと光ファイバセンサ１ｂとを備える超音波光プローブ１を配管４に取り付ける必要はなく、配管４に光ファイバセンサ１ｂを取り付ければ十分であるため、配管４への超音波光プローブ１（光ファイバセンサ１ｂ）の取り付け作業を省力化することが可能となる。

【0141】

さらに、本変形例によれば、大型ＥＭＡＴ６を用意する必要もなくなるため、配管検査の作業をさらに省力化することが可能となる。

【0142】

（５）第１実施形態のチャープ波発信回路２７
次に、図４のチャープ波発信回路２７について説明する。

【0143】

本実施形態では、配管４の肉厚方向の共振を得るために、ＥＭＡＴ１ａの発振周波数を分解能に応じてスイープ（掃引）させる。この掃引処理には、分解能に応じた一定の掃引時間がかかる。掃引時間が長いと、配管検査に要する時間が長くなってしまう。

【0144】

そこで、本実施形態では、ある周波数からある周波数までの所望の周波数帯域を含むチャープ波が発振できるように、ＥＭＡＴ１ａに対しチャープ波発信回路２７が接続されている。よって、本実施形態によれば、ＥＭＡＴ１ａが超音波としてチャープ波を発振することで、チャープ波による微小共振で共振周波数を短時間に検出し、配管検査時間を短縮することが可能となる。

【0145】

（６）第１実施形態の配管検査方法
図２０は、第１実施形態の配管検査方法を説明するための図である。

【0146】

図２０(ａ)は、配管母材４ａのみからなる配管４を示す。符号ｄ₁、Ｅ₁、ρ₁は、配管母材４ａの肉厚、縦弾性係数、密度を示す。

【0147】

図２０(ｂ)は、配管母材４ａの内面に、配管母材４ａと異種の材料である配管付着物４ｂが付着した配管４を示す。符号ｄ₂、Ｅ₂、ρ₂は、配管付着物４ｂの肉厚、縦弾性係数、密度を示す。配管付着物４の例としては、配管母材４ａの内面に付着したスケール、配管母材４ａの内面のコーティング、配管母材４ａの内面に発生したさび等が挙げられる。

【0148】

図２０(ｃ)は、図２０(ｂ)の配管４を、配管部材４ａの材料と配管付着物４ｂの材料との混合材料４ｃで形成されているとみなした配管４を示す。符号ｄ₃は、この配管４の肉厚を示し、配管母材４ａと配管付着物４ｂの合計肉厚に相当する（ｄ₃＝ｄ₁＋ｄ₂）。また、符号Ｅ_equ、ρ_equは、この配管４の等価縦弾性係数、等価密度を示す。

【0149】

以下、発電プラント内の配管４について実際に行われた配管検査の結果をもとに、第１実施形態の配管検査方法を説明する。

【0150】

まず、配管４の測定結果を図２０(ａ)のモデルで分析した分析結果を説明する。

【0151】

配管母材４ａの肉厚ｄ₁は、マイクロメーターによる測定結果から、９．８７３ｍｍであった。また、配管母材４ａ内の音速は、マイクロメーターと光ファイバＥＭＡＴ法による測定結果から、５４１９ｍ／ｓｅｃであった。これらの値をもとに、配管４が配管母材４ａのみからなる場合の共振周波数を計算すると、２７４．４ｋＨｚとなり、光ファイバＥＭＡＴ法による測定結果である２６９．９ｋＨｚとは異なる結果となった。

【0152】

この結果から、共振周波数の測定結果は、配管母材４ａの内面に配管付着物４ｂが付着したことを反映して、配管４が配管母材４ａのみからなる場合の共振周波数からずれてしまったことが確認できる。

【0153】

次に、配管４の測定結果を図２０(ｂ)のモデルで分析した分析結果を説明する。ただし、この分析では、配管付着物４ｂは、配管部材４ａと同じ材料からなると想定した。

【0154】

配管４の肉厚ｄ₁＋ｄ₂は、マイクロメーターによる測定結果から、１０．９６ｍｍであった。また、配管４内の音速は、配管母材４ａ内の音速と同じと想定して、５４１９ｍ／ｓｅｃとした。これらの値をもとに、配管母材４ａの内面に配管付着物４ｂが付着した場合の共振周波数を計算すると、２４７．２ｋＨｚとなり、光ファイバＥＭＡＴ法による測定結果である２６９．９ｋＨｚとは異なる結果となった。これは、逆に配管母材４ａが配管付着物４ｂと同じ材料からなると想定した場合にも同様であった。

【0155】

この結果から、配管母材４ａの内面に配管付着物４ｂが付着した配管４の共振周波数を分析する際、配管付着物４ｂが配管部材４ａと同じ材料からなると想定することは、分析結果の精度を低下させることが確認できる。

【0156】

そこで、本実施形態では、配管母材４ａの内面に配管付着物４ｂが付着した配管４を分析する際、配管付着物４ｂが配管部材４ａと異なる材料からなると想定する。さらに、本実施形態では、配管４が、配管部材４ａの材料と配管付着物４ｂの材料との混合材料４ｃからなると想定する。すなわち、本実施形態では、図２０(ｃ)のモデルを使用する。

【0157】

以下、図２０(ｃ)のモデルの等価縦弾性係数Ｅ_equ、等価密度ρ_equについて説明し、さらには、図２０(ｃ)のモデルにおける共振周波数について説明する。

【0158】

配管４が単一材料からなる場合において、配管４に荷重Ｐが付与されたときの配管４の伸びλは、次の式（１）で与えられる。

【数1】

ただし、符号ｄ、Ｅは、配管４の肉厚、縦弾性係数を示し、符号Ｓは、荷重Ｐが付与される面積を示す。

【0159】

また、配管４に荷重Ｐが付与されたときの配管４のひずみエネルギーＵは、式（１）を用いた計算により、次の式（２）で与えられる。

【数2】

ここで、図２０(ｂ)のモデルにおける配管４のひずみエネルギーＵ_compは、配管母材４ａのひずみエネルギーＵ₁と、配管付着物４ｂのひずみエネルギーＵ₂との合計と考えることができる。よって、図２０(ｂ)の配管４のひずみエネルギーＵ_compは、次の式（３）で与えられる。

【数3】

また、図２０(ｃ)のモデルにおける配管４のひずみエネルギーＵ_equは、式（２）にｄ＝ｄ₁＋ｄ₂やＥ＝Ｅ_equを代入することにより、次の式（４）で与えられる。

【数4】

ここで、図２０(ｃ)のモデルにおける配管４内の等価音速ｖ_equは、等価縦弾性係数Ｅ_equと等価密度ρ_equとを用いて、次の式（５）で与えられる。

【数5】

式（５）に含まれる等価縦弾性係数Ｅ_equと等価密度ρ_equに関し、等価縦弾性係数Ｅ_equは、Ｕ_comp＝Ｕ_equという関係式に式（３）、式（４）を代入することで算出可能である。また、等価密度ρ_equは、図２０(ｃ)の配管４の質量が、配管母材４ａと配管付着物４ｂの合計質量に等しいという次の式（６）により算出可能である。

【数6】

ここで、配管４が単一材料からなる場合において、配管４のＮ次の共振周波数ｆ（Ｎ）は、配管４の肉厚ｄと配管４内の音速ｖとを用いて、次の式（７）で与えられる。

【数7】

ただし、Ｎは正の整数である。なお、本明細書中のここより以前の説明中における共振周波数は、１次の共振周波数であったことに留意されたい。

【0160】

図２０(ｃ)のモデルにおける配管４のＮ次の共振周波数は、式（７）に式（５）を代入することにより、次の式（８）のように与えられる。

【数8】

よって、配管付着物４ｂの肉厚ｄ₂は、配管母材４ａの肉厚ｄ₁、配管母材４ａの物性値Ｅ₁、ρ₁、配管付着物４ｂの物性値Ｅ₂、ρ₂が分かれば、配管４のいずれか１つの次数の共振周波数ｆ（Ｎ）を計測することで算出できる。

【0161】

しかしながら、配管母材４ａの肉厚ｄ₁、配管母材４ａの物性値Ｅ₁、ρ₁、配管付着物４ｂの物性値Ｅ₂、ρ₂のいずれかが分からない事態も想定される。例えば、配管付着物４ｂの物性値Ｅ₂、ρ₂は不明な場合が多いと考えられる。

【0162】

以下、このような事態においても配管母材４ａの肉厚ｄ₁を算出可能な、第１実施形態の配管検査方法の第１〜第４の例について説明する。なお、配管４の物性値の例には、縦弾性係数（Ｅ₁、Ｅ₂）や密度（ρ₁、ρ₂）の他に、ポアソン比などが含まれる。

【0163】

［第１の例］
図２１と図２２は、第１実施形態の配管検査方法の第１の例を説明するためのグラフである。

【0164】

図２１において、曲線Ｃ₁のピークは、配管母材４ａに配管付着物４ｂが付着する前の配管４の共振周波数を示し、曲線Ｃ₂のピークは、配管母材４ａに配管付着物４ｂが付着した後の配管４の共振周波数を示す。このように、配管母材４ａに配管付着物４ｂが付着すると、配管４の共振周波数が低周波側へシフトする。

【0165】

配管母材４ａに配管付着物４ｂが付着している場合の共振周波数の測定では、曲線Ｃ₁のピークに基づき配管母材４ａの共振周波数が測定され、曲線Ｃ₂のピークに基づき配管４全体の共振周波数（以下、単に「配管４の共振周波数」と呼ぶ）が測定される。配管４の共振周波数は、上述の式（８）の共振周波数に相当する。

【0166】

そこで、本実施形態では、配管母材４ａの肉厚ｄ₁、配管母材４ａの物性値Ｅ₁、ρ₁、配管付着物４ｂの物性値Ｅ₂、ρ₂のうちのＫ個の値が不明な場合（Ｋは正の整数）、配管４の共振周波数をＫ＋１個の次数について測定する。例えば、配管４の１次〜Ｋ＋１次の共振周波数を測定する。

【0167】

次に、Ｋ＋１個の共振周波数の測定結果を式（８）に代入する。その結果、配管付着物４ａの肉厚ｄ₂と、その他のＫ個の変数とを含むＫ＋１個の方程式が得られる。すなわち、Ｋ＋１個の変数を含むＫ＋１個の方程式が得られる。

【0168】

次に、これらＫ＋１個の方程式を連立方程式として解き、配管付着物４ａの肉厚ｄ₂を算出する。この際、肉厚ｄ₂以外のＫ個の変数の値も算出してもよい。

【0169】

図２２(ａ)は、式（８）から計算されるｄ₂とｆ（Ｎ）との関係を示し、図２２(ｂ)は、式（８）から計算されるＥ₂とｆ（Ｎ）との関係を示す。

【0170】

このように、配管付着物４ｂの縦弾性係数Ｅ₂は、共振周波数ｆ（Ｎ）に非線形に依存している。すなわち、縦弾性係数Ｅ₂は、共振主端数ｆ（Ｎ）の非線形関数である。これにより、縦弾性係数Ｅ₂を含む上記Ｋ＋１個の方程式は、互いに線形独立となる。よって、上記Ｋ＋１個の方程式を連立方程式として解くことが可能となっており、配管付着物４ａの肉厚ｄ₂等を算出することができる。

【0171】

［第２の例］
図２３は、第１実施形態の配管検査方法の第２の例を説明するための図である。

【0172】

図２３は、配管母材４ａの内面に、配管母材４ａと異種の材料である配管付着物４ｂが付着した配管４を示す。図２３は、配管母材４ａの肉厚ｄ₁と、配管付着物４ｂの肉厚ｄ₂と、配管部材４ａと配管付着物４ｂの合計肉厚ｄ₃とを示している（ｄ₃＝ｄ₁＋ｄ₂）。

【0173】

図２３の配管４の肉厚測定を行うと、第１〜第３の共振周波数ｆ₁〜ｆ₃が検出されると推定される。

【0174】

第１の共振周波数ｆ₁は、配管母材４ａ内で生じる共振の共振周波数であり、配管母材４ａの肉厚ｄ₁と、配管母材４ａ内の音速ｖ₁から、ｆ₁＝ｖ₁／２ｄ₁で与えられる。

【0175】

第２の共振周波数ｆ₂は、配管付着物４ｂ内で生じる共振の共振周波数であり、配管付着物４ｂの肉厚ｄ₂と、配管付着物４ｂ内の音速ｖ₂から、ｆ₂＝ｖ₂／２ｄ₂で与えられる。

【0176】

第３の共振周波数ｆ₃は、配管４内全体で生じる共振の共振周波数であり、配管母材４ａおよび配管付着物４ｂの合計肉厚ｄ₃と、配管母材４ａおよび配管付着物４ｂ内の平均音速ｖ₃から、ｆ₃＝ｖ₃／２ｄ₃で与えられる。

【0177】

なお、本実施形態の第１〜第３の共振周波数ｆ₁〜ｆ₃の次数は、いずれも１次としているが、２次以上であっても構わない。

【0178】

ここで、配管母材４ａ内での超音波の伝播時間ｄ₁／ｖ₁と、配管付着物４ｂ内での超音波の伝播時間ｄ₂／ｖ₂との合計は、配管４内での超音波の合計伝播時間ｄ₃／ｖ₃に等しいため、次の式（９）が得られる。

【数9】

式（９）にｄ₃＝ｄ₁＋ｄ₂を代入すると、平均音速ｖ₃は、次の式（１０）のように与えられる。

【数10】

また、式（１０）をｆ₃＝ｖ₃／２ｄ₃に代入すると、第３の共振周波数ｆ₃は、次の式（１１）のように与えられる。

【数11】

一般に、配管母材４ａの材質は既知であるため、配管母材４ａの材質から音速ｖ₁を算出可能である。よって、第１の共振周波数ｆ₁を測定できれば、ｆ₁＝ｖ₁／２ｄ₁の式を用いて、肉厚ｄ₁を導出することができる。

【0179】

一方、配管付着物４ｂの材質は通常知ることができないため、音速ｖ₂を算出することはできない。しかしながら、第２および第３の共振周波数ｆ₂、ｆ₃を測定できれば、ｆ₂＝ｖ₂／２ｄ₂の式と、ｆ₃＝ｖ₁ｖ₂／（ｖ₂ｄ₁＋ｖ₁ｄ₂）／２の式と、肉厚ｄ₁の導出結果とを用いて、肉厚ｄ₂を導出することができる。

【0180】

よって、本実施形態の第２の例では、配管４の肉厚測定時に超音波の周波数をスイープする場合、超音波の周波数帯域を、第１の共振周波数ｆ₁、第２の共振周波数ｆ₂、および第３の共振周波数ｆ₃を検出するように設定する。すなわち、周波数のスイープを、第１〜第３の共振周波数ｆ₁〜ｆ₃の３つが検出されるまで継続する。これにより、本実施形態によれば、第１〜第３の共振周波数ｆ₁〜ｆ₃のスペクトル形状や強度から、配管付着物４ｂの付着状態を判定することが可能となる。

【0181】

なお、第１〜第３の共振周波数ｆ₁〜ｆ₃を検出して配管付着物４ｂの付着状態を判定する処理は、超音波としてチャープ波を使用する場合にも適用可能である。

【0182】

［第３の例］
図２４は、第１実施形態の配管検査方法の第３の例を説明するための図である。

【0183】

本実施形態の第３の例においては、図２４に示すシミュレーションモデルを用いた数値計算により、事前にｄ₁、Ｅ₁、ρ₁、Ｅ₂、ρ₂とｆ（Ｎ）との関係を導出して、この関係を示す関数やテーブルをコンピュータ３内に保存しておく。このような数値計算の例としては、モーダル解析や周波数応答解析などが挙げられる。図２４は、配管４に荷重Ｐを付与して、共振モードを引き起こすシミュレーションの様子を示している。

【0184】

本実施形態の第３の例によれば、第１の例と同様に、配管４の共振周波数を複数個の次数について測定することで、配管付着物４ｂの肉厚ｄ₂を算出することができる。なお、ｄ₁、Ｅ₁、ρ₁、Ｅ₂、ρ₂とｆ（Ｎ）との関係が関数で保持されている場合には、第１の例と同様に複数の方程式を連立方程式として解くことで、配管付着物４ａの肉厚ｄ₂が算出される。これらの方程式は、上記の関数に複数個の次数のｆ（Ｎ）の測定結果を代入することで導出可能である。

【0185】

なお、上記の関数は、本実施形態の第３の例のようなシミュレーションにより取得する代わりに、配管４の共振周波数を実際に測定する実験により取得してもよい。取得された関数は、配管４の肉厚測定の前にコンピュータ３内に事前に保存しておく。

【0186】

［第４の例］
図２５は、第１実施形態の配管検査方法の第４の例を説明するためのフローチャートである。

【0187】

図２５は、配管４のＮ次の共振周波数ｆ（Ｎ）と変数（例えばｄ₁、Ｅ₁、ρ₁、Ｅ₂、ρ₂）との関係を表す関数を取得するためのシミュレーションのフローを示す。これは、第３の例のシミュレーションの具体例に相当する。第４の例のシミュレーションは、大型コンピュータなどの情報処理装置により実行される。

【0188】

まず、配管４の数値解析モデルを構築する（ステップＳ１）。具体的には、図２３や図２４に示すように、配管母材４ａの内面に配管付着物４ｂが付着した配管４のモデルを構築する。以下、このモデルを「配管モデル」と呼ぶ。配管モデルの構築には例えば、有限要素法を用いた数値解析ツールが使用される。

【0189】

次に、配管モデルの境界条件、物性値、寸法等の変数の値を設定する（ステップＳ２）。この際、これらの変数の値は、現実の配管４に即応したシミュレーションモデルを構築するために、実際的な値に設定することが望ましい。

【0190】

次に、配管モデルを用いた超音波解析を行う（ステップＳ３〜Ｓ６）。具体的には、有限要素法を用いた数値解析により、この配管モデルに特有の超音波特性を計算する。

【0191】

超音波解析ではまず、配管モデルのモードを計算するモーダル解析を実行する（ステップＳ３）。図２６は、第４の例のモーダル解析について説明するための断面図である。モーダル解析では、配管モデルの様々な振動モードが計算される。図２６は、このような振動モードの例として、配管４の肉厚方向に伝搬する超音波Ｗ₁の共振モードと、配管４の外面に沿って伝搬する超音波Ｗ₂の共振モードとを示している。モーダル解析によれば、配管モデルにどのような共振モードが生じるかを視覚的に確認することができ、共振モードの共振周波数をおおまかに算出することができる。

【0192】

次に、配管モデルの周波数応答を計算する周波数応答解析を実行する（ステップＳ４）。図２７は、第４の例の周波数応答解析について説明するための断面図である。周波数応答解析では、配管モデルを一定の周波数で振動させ続けた場合に、配管モデルに生じる定常波が計算される。図２７は、配管４の外面に加振力Ｆを与えて、配管４を一定の周波数で肉厚方向に振動させ続ける様子を示している。その結果、配管４の肉厚方向に伝搬する定常波Ｗが生じている。

【0193】

本実施形態の周波数応答解析は、図２７の定常波Ｗのように、肉厚方向に伝搬する定常波を計算するために実行される。そこで、周波数応答解析を効率的に実行するため、加振力Ｆの振動周波数は、モーダル解析で計算された肉厚方向に伝搬する共振モードの共振周波数に近い周波数帯で小刻みにスイープされる。これにより、肉厚方向に伝搬する定常波を短時間で計算することが可能となる。

【0194】

次に、配管モデルの時刻歴応答を計算する時刻歴応答解析を実行する（ステップＳ５）。時刻歴応答解析では、配管モデルを一定の周波数で振動させ続けて超音波（定常波）を生じさせた後において配管モデルの加振を停止した場合に、この超音波が時間変化する過程が計算される。

【0195】

図２８は、第４の例の時刻歴応答解析について説明するためのグラフである。

【0196】

図２８の横軸は、時間を示す。図２８の縦軸は、図２７の加振力Ｆの作用点に超音波光プローブ１が設置されていると想定した場合の、ＥＭＡＴ１ａの駆動電圧Ｖ₁と、光ファイバセンサ１ｂの出力電圧Ｖ₂とを示す。図２８では、加振力ＦはＥＭＡＴ１ａにより印加され、超音波は光ファイバセンサ１ｂにより測定されると想定されている。

【0197】

図２８の時刻歴応答解析では、ＥＭＡＴ１ａの駆動電圧Ｖ₁が、一定の周波数を有するバースト波となっている。このバースト波の印加は、時間ｔ₁に開始され、時間ｔ₂に停止されている。時間ｔ₁〜ｔ₂には、配管モデルが一定の周波数で振動し、配管モデル内に定常波が生じる。よって、時間ｔ₁〜ｔ₂には、光ファイバセンサ１ｂの出力電圧Ｖ₂が大きく振動している。図２８の時間ｔ₁〜ｔ₂の値は、１ｍｓである。

【0198】

バースト波の印加が時間ｔ₂に停止されると、符号Ｒで示すように、光ファイバセンサ１ｂの出力電圧Ｖ₂が減衰していく。符号Ｒは、定常波の残響に相当する。図２８の時刻歴超音波応答解析では、バースト波の印加停止後の時間ｔ₃から時間ｔ₄までこの残響Ｒの振動振幅を測定し、振動振幅の二乗の積分値（総和）を算出する。図２８の時間ｔ₂〜ｔ₃の値は、１０μｓである。図２８の時間ｔ₃〜ｔ₄の値は、２００μｓである。

【0199】

残響Ｒの積分値を算出する処理は、バースト波の周波数を様々な値に変更して繰り返し実行される。例えば、１回の処理ごとに周波数を０．２ｋＨｚだけ増加（または減少）させて、積分値の算出処理を繰り返す。その結果、図２９のように、残響Ｒの積分値を信号強度とする周波数スペクトルが得られる（ステップＳ６）。

【0200】

図２９は、第４の例の時刻歴応答解析により得られる周波数スペクトルを示したグラフである。

【0201】

図２９の横軸は、バースト波の周波数を示す。図２９の縦軸は、残響Ｒの積分値（信号強度）を示す。この周波数スペクトルにおけるピーク周波数ｆは、配管モデルの肉厚方向の共振周波数に相当する。図２９の共振周波数ｆは、３００ｋＨｚである。

【0202】

本実施形態の時刻歴応答解析は、肉厚方向に伝搬する超音波に関し、様々な次数の共振周波数を計算するために実行される。そこで、時刻歴応答解析を効率的に実行するため、バースト波の周波数は、周波数応答解析で計算された定常波の周波数に近い周波数帯で小刻みにスイープされる。これにより、様々な次数の共振周波数を短時間で計算することが可能となる。なお、これらの共振周波数を短時間で計算するために、時刻歴応答解析ではバースト波の代わりにチャープ波を使用してもよい。

【0203】

また、ステップＳ２〜Ｓ６の処理は、配管モデルの変数を様々な値に設定して繰り返し実行される。その結果、配管モデルの様々な次数の共振周波数と変数との関係が、解析的に求められる。すなわち、配管モデルのＮ次の共振周波数ｆ（Ｎ）と変数との関係を表す関数が求められる。

【0204】

その後、この関数は所定のデータベース内に保存される（ステップＳ７）。実際の配管４の肉厚測定が実行される際には、この関数が事前にコンピュータ３内に保存される。

【0205】

なお、本実施形態の第４の例では、時刻歴応答解析を実行する前に、時刻歴応答解析を適用する周波数帯を限定するためにモーダル解析と周波数応答解析の両方を実行しているが、モーダル解析と周波数応答解析の片方のみを実行してもよい。一般に、モーダル解析には、短時間で実行できるという利点があり、周波数応答解析には、計算の正確性が高いという利点がある。これらの両方を実行する場合、これらの片方のみを実行する場合に比べて周波数帯の限定処理に長時間を要するが、これらの片方のみを実行する場合に比べて正確な計算結果が得られる。なお、本実施形態の第４の例では、可能であれば、モーダル解析および周波数応答解析を実行せずに時刻歴応答解析を実行してもよい。

【0206】

本実施形態の第４の例によれば、配管４のＮ次の共振周波数ｆ（Ｎ）と変数との関係を表す関数を、シミュレーションにより取得することが可能となる。本実施形態の第４の例のように共振周波数をシミュレーションで算出することには、振動振幅が小さく実験では測定しにくい高次の共振周波数も特定しやすいという利点がある。

【0207】

以上のように、本実施形態では、超音波光プローブ１への電力供給が、ワイヤレス給電または環境発電を利用して行われる。よって、本実施形態によれば、配管検査用の電源線の配線ボリュームを抑制することが可能となる。その結果、本実施形態によれば、電源線の取り回しの困難性や電源線の断線の可能性を低減し、配管検査の利便性を向上させることが可能となる。

【0208】

また、本実施形態では、超音波光プローブ１と配管検査装置２との間のレーザ光の送受信が、ワイヤレス通信を利用して行われる。よって、本実施形態によれば、配管検査用の信号線の配線ボリュームを抑制することが可能となる。その結果、本実施形態によれば、信号線の取り回しの困難性や信号線の断線の可能性を低減し、配管検査の利便性を向上させることが可能となる。

【0209】

また、本実施形態によれば、光ファイバセンサ１ｂに反射端７３を接続することで、配管検査用の信号線の配線ボリュームを抑制することが可能となる。

【0210】

また、本実施形態によれば、ＥＭＡＴ１ａ同士および光ファイバセンサ１ｂ同士の少なくともいずれかを互いに直列または並列に接続することで、配管検査用の信号線や電源線の配線ボリュームを抑制することが可能となる。

【0211】

また、本実施形態によれば、ＥＭＡＴ１ａの振動の代わりに、大型ＥＭＡＴ６の振動や作動流体７に起因する振動を配管検査に利用することにより、配管４への超音波光プローブ１（光ファイバセンサ１ｂ）の取り付け作業を省力化することが可能となる。

【0212】

また、本実施形態では、複数の共振周波数の測定結果から、配管母材４ａに付着した配管付着物４ｂの肉厚を算出する。よって、本実施形態によれば、配管付着物４ｂの肉厚の算出に利用可能なデータが限られている場合にも、配管付着物４ｂの肉厚を算出することが可能となる。その結果、本実施形態によれば、配管検査により検出したい様々な現象の検出が可能となることで、配管検査の利便性を向上させることが可能となる。例えば、本実施形態によれば、熱交配管の内面へのスケールの付着や、腐食性流体が流れる配管の内面のコーティングのはがれや、上下水道配管の内面でのさびの発生などを、管理者が必要なときに非破壊かつオンラインで検出することが可能となる。

【0213】

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

【符号の説明】

【0214】

１：超音波光プローブ、１ａ：電磁超音波発振子、１ｂ：光ファイバセンサ、
１ｃ：樹脂シート、１ｄ：接着剤、２：配管検査装置、
２ａ：光源、２ｂ：光干渉計、２ｃ：波形信号発生器、２ｄ：増幅器、
３：コンピュータ、４：配管、４ａ：配管母材、４ｂ：配管付着物、
４ｃ：混合材料、５：断熱材、６：大型電磁超音波発振子、７：作動流体、
１１、１２、１３、１４：光ファイバ、１５、１６：電源線、
２１：プローブ用レーザ発光端、２２：レーザ受光端、
２３：レーザ発光端、２４：プローブ用レーザ受光端、
２５：ワイヤレス給電発信回路、２６：ワイヤレス給電受信回路、
２７：チャープ波発信回路、３１：端子台、
４１：熱電変換素子、４２：熱交換用デバイス、４３：蓄電・昇圧回路、
５１：振動発電素子、５２：蓄電・昇圧回路、
６１：光電変換素子、６２：蓄電・昇圧回路、
７１：チューブ部、７２：保護被膜付きファイバ部、
７３：反射端、７４：光ファイバ、７５：プローブ用レーザ発光・受光端、
７６：光ファイバ、７７：サーキュレータ、７８：分配器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】