特許 7553050 配管の肉厚管理方法及び配管の肉厚管理システム

(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】

(24)【登録日】2024-09-09

(45)【発行日】2024-09-18

(54)【発明の名称】配管の肉厚管理方法及び配管の肉厚管理システム

(51)【国際特許分類】

   G01H 17/00 20060101AFI20240910BHJP

   G01B 11/06 20060101ALI20240910BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20240910BHJP

【ＦＩ】

G01H17/00 Z

G01B11/06 Z

G01M99/00 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020178271

(22)【出願日】2020-10-23

(65)【公開番号】P2022069210

(43)【公開日】2022-05-11

【審査請求日】2023-09-15

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開日 ：令和０２年０８月０５日 掲載名 ：令和２年度土木学会全国大会 第７５回年次学術講演会 講演概要（テキスト・ＰＤＦ） 掲載アドレス ：ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓｃｅ２０２０／ｔｏｐ 掲載者 ：公益社団法人 土木学会

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(73)【特許権者】

【識別番号】591114803

【氏名又は名称】公益財団法人レーザー技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新村 亮

(72)【発明者】

【氏名】島田 義則

(72)【発明者】

【氏名】倉橋 慎理

(72)【発明者】

【氏名】オレグ コチャエフ

【審査官】山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１９０８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３４３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０７８８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１２３０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２７５９８６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｈ １７／００

Ｇ０１Ｈ １３／００

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｇ０１Ｂ １１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管理対象配管の肉厚を管理する配管の肉厚管理方法であって、
前記管理対象配管に向けて遠隔から、加振用のレーザー光を照射して自由振動を生じさせるとともに振動情報計測用のレーザー光を照射し、
前記管理対象配管の外表面で反射した反射光から取得した振動情報に基づいて管断面の固有振動数測定値を取得し、
計算、または、サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚が既知の管断面の固有振動数と前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の肉厚を測定管理するものであり、
計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した管断面の固有振動数が、肉厚の異なる複数の管断面の肉厚ごとの固有振動数であり、
該肉厚ごとの固有振動数と、前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の肉厚を検出することを特徴とする配管の肉厚管理方法。

【請求項2】

管理対象配管の肉厚を管理する配管の肉厚管理方法であって、
前記管理対象配管に向けて遠隔から、加振用のレーザー光を照射して自由振動を生じさせるとともに振動情報計測用のレーザー光を照射し、
前記管理対象配管の外表面で反射した反射光から取得した振動情報に基づいて管断面の固有振動数測定値を取得し、
計算、または、サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚が既知の管断面の固有振動数と前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の肉厚を測定管理するものであり、
計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した管断面の固有振動数が、肉厚及び管径が前記管理対象配管と同一の管断面の、摩耗前の固有振動数及び摩耗後の固有振動数であり、
前記摩耗前の固有振動数と前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗の有無を判定したのち、
摩耗を検知した場合に、前記摩耗後の固有振動数と前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗量を推定することを特徴とする配管の肉厚管理方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の配管の肉厚管理方法において、
前記加振用のレーザー光と前記振動情報計測用のレーザー光とを、前記管理対象配管の外表面における異なる位置に照射することを特徴とする配管の肉厚管理方法。

【請求項4】

請求項２に記載の配管の肉厚管理方法において、
前記加振用のレーザー光と前記振動情報計測用のレーザー光とを、前記管理対象配管における摩耗が生じていない位置の外表面に照射することを特徴とする配管の肉厚管理方法。

【請求項5】

管理対象配管の肉厚を管理する配管の肉厚管理システムであって、
前記管理対象配管における管断面の固有振動数を測定するレーザー測定装置と、
前記管理対象配管の肉厚を管理する肉厚管理装置と、を備え、
前記肉厚管理装置が、
計算、または、サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚の異なる複数の管断面の固有振動数と、前記レーザー測定装置で測定した前記管理対象配管における管断面の固有振動数とに基づいて、前記管理対象配管の肉厚を検出する肉厚検出部を備えることを特徴とする配管の肉厚管理システム。

【請求項6】

請求項５に記載の配管の肉厚管理システムにおいて、
前記肉厚管理装置が、
計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚及び管径が前記管理対象配管と同一の管断面の摩耗前の固有振動数と、前記レーザー測定装置で測定した前記管理対象配管における管断面の固有振動数とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗の有無を判定するとともに、
計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚及び管径が前記管理対象配管と同一の管断面の摩耗後の固有振動数と、前記レーザー測定装置で測定した前記管理対象配管における管断面の固有振動数とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗量を推定する摩耗推定部と、
を備えることを特徴とする配管の肉厚管理システム。

【請求項7】

請求項５または６に記載の配管の肉厚管理システムにおいて、
前記レーザー測定装置が、前記管理対象配管に向けて加振用のレーザー光を照射する加振用レーザー発生器と、
前記管理対象配管に向けて振動情報計測用のレーザー光を照射する計測用レーザー発生器と、を備え、
前記加振用のレーザー光が、ＣＯ₂パルスレーザーであることを特徴とする配管の肉厚管理システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、配管の肉厚を管理するための配管の肉厚管理方法、及び配管の肉厚管理システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、鋼管の肉厚を測定する方法として、超音波厚さ計を利用した接触式の肉厚測定方法が広く知られている。具体的には、鋼管の外表面に超音波厚さ計の探触子を接触させて超音波パルスを入射し、肉厚内を通過したのちに鋼管の内表面で反射した反射波を、この接触部分で検知する。超音波パルスを入射してからこの反射波を検知するまでの経過時間を測定し、経過時間に超音波速度を乗じることで、探触子を接触させた部分の肉厚を算出する。

【0003】

その一方で、例えば特許文献１に、非接触式の肉厚測定方法が開示されている。具体的には、鋼管の外表面に遠隔から超音波発生用レーザーを照射して、この照射部分で超音波を発生させる。すると、この超音波が鋼管の外表面と内表面との間で多重反射して、鋼管の外表面が振動する。

【0004】

この振動を検出するための検出用レーザーを、遠隔から外表面に向けて照射し、光学干渉計でこれを検知する。検知した検出結果から外表面の振動数を測定し、これに基づいて多重反射波の卓越周波数を求めることにより、超音波発生用レーザーを照射した部分の肉厚を測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００９－２５７９４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記のとおりいずれの肉厚測定方法も、肉厚を測定する際には、鋼管の軸線方向及び周方向の位置をあらかじめ特定しておき、この特定した位置に超音波厚さ計の探触子を接触させる、もしくは遠隔から超音波発生用レーザーを照射する。このため、鋼管が高所に敷設されている場合に接触式の肉厚測定方法を採用しようとすると、足場が必要になるなど、工期及び工費の面で不利になりやすい。

【0007】

また、非接触式の肉厚測定方法であっても、肉厚を測定しようとする位置が、例えば、建物や設備の壁面や床面付近に敷設されている場合には、肉厚の測定作業を容易に実施することができない。

【0008】

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、配管の肉厚測定管理の作業性を向上することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

かかる目的を達成するため、本発明の配管の肉厚管理方法は、管理対象配管の肉厚を管理する配管の肉厚管理方法であって、前記管理対象配管に向けて遠隔から、加振用のレーザー光を照射して自由振動を生じさせるとともに振動情報計測用のレーザー光を照射し、前記管理対象配管の外表面で反射した反射光から取得した振動情報に基づいて管断面の固有振動数測定値を取得し、計算、または、サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚が既知の管断面の固有振動数と前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の肉厚を測定管理するものであり、計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した管断面の固有振動数が、肉厚の異なる複数の管断面の肉厚ごとの固有振動数であり、該肉厚ごとの固有振動数と、前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の肉厚を検出することを特徴とする。また、計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した管断面の固有振動数が、肉厚及び管径が前記管理対象配管と同一の管断面の、摩耗前の固有振動数及び摩耗後の固有振動数であり、前記摩耗前の固有振動数と前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗の有無を判定したのち、摩耗を検知した場合に、前記摩耗後の固有振動数と前記固有振動数測定値とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗量を推定することを特徴とする。

【0010】

本発明の配管の肉厚管理方法は、前記加振用のレーザー光と前記振動情報計測用のレーザー光とを、前記管理対象配管の外表面における異なる位置に照射することを特徴とする。

【0013】

本発明の配管の肉厚管理方法は、前記加振用のレーザー光と前記振動情報計測用のレーザー光とを、前記管理対象配管における摩耗が生じていない位置の外表面に照射することを特徴とする。

【0014】

本発明の配管の肉厚管理システムは、管理対象配管の肉厚を管理する配管の肉厚管理システムであって、前記管理対象配管における管断面の固有振動数を測定するレーザー測定装置と、前記管理対象配管の肉厚を管理する肉厚管理装置とを備え、前記肉厚管理装置が、計算、または、サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚の異なる複数の管断面の固有振動数と、前記レーザー測定装置で測定した前記管理対象配管における管断面の固有振動数とに基づいて、前記管理対象配管の肉厚を検出する肉厚検出部を備えることを特徴とする。

【0015】

本発明の配管の肉厚管理システムは、前記肉厚管理装置が、計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚及び管径が前記管理対象配管と同一の管断面の摩耗前の固有振動数と、前記レーザー測定装置で測定した前記管理対象配管における管断面の固有振動数とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗の有無を判定するとともに、計算、または、前記サンプル管の振動測定を行って取得した肉厚及び管径が前記管理対象配管と同一の管断面の摩耗後の固有振動数と、前記レーザー測定装置で測定した前記管理対象配管における管断面の固有振動数とに基づいて、前記管理対象配管の摩耗量を推定する摩耗推定部と、を備えることを特徴とする。

【0016】

本発明の配管の肉厚管理システムは、前記レーザー測定装置が、前記管理対象配管に向けて加振用のレーザー光を照射する加振用レーザー発生器と、前記管理対象配管に向けて振動情報計測用のレーザー光を照射する計測用レーザー発生器と、を備え、前記加振用のレーザー光が、ＣＯ₂パルスレーザーであることを特徴とする。

【0017】

本発明の配管の肉厚管理方法及び配管の肉厚管理システムによれば、管理対象配管における肉厚の管理に管断面の固有振動数を用いる。これにより、加振用のレーザー光及び振動振動情報計測用のレーザー光の照射位置は、管理対象配管の外表面であればいずれの位置でもよい。

【0018】

したがって、管理対象配管が、建物や設備内の狭隘な場所に敷設されている場合にも、容易に測定作業を実施することが可能となる。また、遠隔から照射できることから、管理対象配管が高所にある場合には足場等の設備が不要となるため、工費削減及び工期短縮に寄与することが可能となる。

【0019】

また、管断面の固有振動数を採用することにより、加振用のレーザー光及び振動情報計測用のレーザー光を管理用配管のいずれの位置に照射しても、取得した固有振動数測定値と、肉厚が既知の管断面の固有振動数とに基づいて、管理対象配管における肉厚の検出、摩耗の有無の判定、及び摩耗量の推定作業を実施できる。これにより、管理対象配管の肉厚管理に係る作業性を大幅に向上することが可能となる。

【0020】

さらに、管断面の固有振動数を測定する作業が簡略であるため、長大な管理用配管に対して軸線方向の複数個所で肉厚管理を行う場合にも、作業時間を大幅に短縮することが可能となる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、管理対象配管の肉厚管理に管断面の固有振動数を採用することから、固有振動数を取得するための測定作業が簡略であるため、建物の高所や設備内の狭隘な場所に管理対象配管が敷設されている場合にも、管理作業を容易に実施することができ、作業性を大幅に向上することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施の形態における肉厚管理システムの概略を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態における管断面の固有振動モード及び固有振動数の計算値を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態におけるレーザー測定装置を利用して測定した管断面のスペクトル分布を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態における肉厚管理システムを用いた鋼管の管理方法（肉厚検出）のフローを示す図である。

【図5】本発明の実施の形態における管断面の固有振動数における測定値の精度検証結果を示す図である。

【図6】本発明の実施の形態における肉厚管理システムを用いた鋼管の管理方法（摩耗推定）方法のフローを示す図である。

【図7】本発明の実施の形態における鋼管の内表面に摩耗が生じる前後で測定した管断面のスペクトル分布を示す図である。

【図8】本発明の実施の形態における鋼管の内表面に摩耗量と固有振動数の関係を示す図である。

【図9】本発明の実施の形態における鋼管の内表面に摩耗が生じた後の管断面の固有振動モード及び固有振動数を示す図である（摩耗量＝７．５ｍｍの場合）。

【図10】本発明の実施の形態における鋼管の摩耗推定方法を泥水シールド掘進機の送泥管及び排泥管に採用する場合の事例を示す図である。

【図11】本発明の実施の形態における鋼管に水が満たされている状態で測定した管断面のスペクトル分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

管材は一般に、棒材としての固有振動数だけでなく、円環としての固有振動数を有することが知られている。また、この円環としての固有振動数は、管材の直径及び肉厚によって変化することも知られている。

【0024】

そこで、配管の肉厚管理方法及び肉厚管理システムでは、管理対象となる配管について管断面の固有振動数を測定する。そして、この管断面の固有振動数に基づいて、その肉厚を検出する。また、配管の内表面における摩耗の有無を判定し、摩耗を検知した場合には摩耗量を推定することとした。以下に、配管の肉厚管理方法及び肉厚管理システムについて、管理対象配管として鋼管を事例に挙げ、図１～図１１を参照しつつその詳細を説明する。

【0025】

≪≪肉厚管理システム≫≫
図１で示すように、肉厚管理システム１０は、鋼管Ｐにおける管断面の固有振動数を取得する際に用いるレーザー測定装置２０と、管断面の固有振動数に基づいて鋼管Ｐの肉厚検出及び摩耗推定を行う肉厚管理装置３０とを備えている。

【0026】

＜レーザー測定装置２０＞
レーザー測定装置２０は、加振用レーザー発生器２１と、計測用レーザー発生器２２と、アナライザ２３とにより構成されている。

【0027】

加振用レーザー発生器２１は、鋼管Ｐの外表面に向けて加振用のレーザー光Ｌ１を照射し、鋼管Ｐに自由振動を発生させる。加振用レーザー発生器２１は、いずれを採用してもよいが、加振用のレーザー光Ｌ１としてＣＯ₂パルスレーザーを照射可能なものが最も好ましい。ＣＯ₂パルスレーザーを採用すると、鋼管Ｐの表面が塗装材等で被覆されている場合に、これら被覆材の損傷を防止することができる。また、計測用レーザー発生器２２は、自由振動が生じた鋼管Ｐの外表面に向けて振動情報計測用のレーザー光Ｌ２を照射し、鋼管Ｐの外表面で反射した反射光の周波数の変化を検知することにより、鋼管Ｐの振動情報を取得する。

【0028】

アナライザ２３は、上記の計測用レーザー発生器２２で取得した振動情報に基づいて、図２（ａ）～（ｄ）で示すような、鋼管Ｐの固有振動モード（１次モードから４次モードを図示）と各々の固有振動数を取得する。図中のＮ１は１次モードの固有振動数、Ｎ２は２次モードの固有振動数、Ｎ３は３次モードの固有振動数、そしてＮ４は４次モードの固有振動数を示している。また、アナライザ２３は、図３で示すような測定されたスペクトルの分布を取得する。

【0029】

これら固有振動モード及び固有振動数は、鋼管Ｐにおける管断面ＣＳの振動現象を表現したもので、その取得方法は、いわゆる固有振動数法に基づくものである。なお、図２で示す固有振動モード及び固有振動数は、管径３５４．５ｍｍ及び肉厚１１．８ｍｍの鋼管Ｐを自由振動させることにより取得したものである。

【0030】

＜肉厚管理装置３０＞
肉厚管理装置３０は、図１で示すように、入力部３１、出力部３２、記憶部３３、及びＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードウェアインタフェース等の演算処理部３４を備える、コンピュータシステムにより構成されている。また、レーザー測定装置２０を構成するアナライザ２３との間でデータの送受信が可能となるよう、無線もしくは有線で接続されている。

【0031】

入力部３１は、上記のアナライザ２３をはじめ、キーボードやマウス等の入力装置から入力される情報を、肉厚管理装置３０に供給する。また、出力部３２は、入力部３１から供給された情報や記憶部３３に格納された情報等を、ディスプレーやプリンタ等の出力装置に出力する。そして、演算処理部３４のＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより、肉厚検出部３４１、摩耗推定部３４２の機能が実現される。

【0032】

肉厚検出部３４１では、レーザー測定装置２０で測定した管断面の固有振動数に基づいて、鋼管Ｐの肉厚を検出する。また、摩耗推定部３４２は、レーザー測定装置２０で測定した管断面の固有振動数に基づいて、鋼管Ｐにおける摩耗の有無と、摩耗量を推定する。

【0033】

≪≪配管の肉厚管理方法≫≫
上述する肉厚管理システム１０を用いて鋼管Ｐの肉厚を測定管理する方法について、鋼管Ｐの肉厚を確認する場合等に実施する肉厚検出方法と、鋼管Ｐの摩耗状態を確認したい場合に実施する摩耗推定方法とに分け、各々の手順を以下に説明する。

【0034】

≪配管の肉厚検出方法≫
鋼管Ｐの肉厚を推定する手順を以下に図４のフローを参照しつつ、振動数算定工程、測定値取得工程、肉厚検出工程の順で説明する。

【0035】

＜振動数算定工程＞
管径が鋼管Ｐと同一で肉厚の異なる複数の管各々の計算値を取得する。計算は、梁モデルによる固有値解析を採用する。これら計算により取得した肉厚ごとの基準固有振動数Ｒを、肉厚管理装置３０の記憶部３３にデータベースとして格納しておく。

【0036】

なお、肉厚ごとの基準固有振動数Ｒは、計算ではなくレーザー測定装置２０を利用して実物のサンプル管から管断面の固有振動数を測定し、これを基準固有振動数Ｒとして採用してもよい（振動測定による基準固有振動数Ｒの取得）。また、肉厚ごとの基準固有振動数Ｒはデータベース化するのみでなく、例えば、統計処理を行って両者の関係式を求め。これを肉厚管理装置３０の記憶部３３に格納してもよい。

【0037】

＜測定値取得工程＞
図１で示すように、レーザー測定装置２０を利用して鋼管Ｐの管断面の固有振動数を測定し、測定値を取得する。こうして取得した固有振動数の測定値は、固有振動数測定値Ｍとして、入力部３１を介して肉厚管理装置３０に入力するとともに、記憶部３３に格納しておく。

【0038】

なお、レーザー測定装置２０は、鋼管Ｐに向けて加振用レーザー発生器２１から照射する加振用のレーザー光Ｌ１の照射位置、及び計測用レーザー発生器２２から照射する振動情報計測用のレーザー光Ｌ２の照射位置は、鋼管Ｐの外表面であればいずれでもよい。つまり、加振用のレーザー光Ｌ１の照射位置と振動情報計測用のレーザー光Ｌ２の照射位置は、同一位置であってもよいし、異なる位置であってもよい。

【0039】

＜肉厚検出工程＞
測定値取得工程で取得した鋼管Ｐの固有振動数測定値Ｍと、振動数算定工程で取得した肉厚ごとの基準固有振動数Ｒとに基づいて、鋼管Ｐの肉厚を検出する。

【0040】

具体的には、測定値取得工程で取得した鋼管Ｐの固有振動数測定値Ｍが、入力部３１を介して肉厚管理装置３０に入力されると、演算処理部３４は肉厚検出部３４１の指令を受け、固有振動数測定値Ｍと、記憶部３３に格納したデータベース中の肉厚ごとの基準固有振動数Ｒとを比較する。

【0041】

そして、固有振動数測定値Ｍと合致するもしくは最も近似する基準固有振動数Ｒに対応する肉厚を抽出する。これにより、管理対象である鋼管Ｐは肉厚が検出され、検出された肉厚は、出力部１２０に出力されるとともに、記憶部３３に格納される。

【0042】

＜レーザー測定装置により測定した固有振動数の精度検証＞
上記のレーザー測定装置２０で取得された固有振動数について２次モードの固有振動数に着目し、その精度検証を次のような手順で行った。

【0043】

まず、図５（ａ）で示すように、管径が同一であるものの肉厚が異なる３種の試験用鋼管ＰＴ１～ＰＴ３と、これら試験用鋼管ＰＴ１～ＰＴ３と比較して、管径及び肉厚が十分大きい試験用鋼管ＰＴ４の、合計４本の試験用鋼管ＰＴ１～ＰＴ４を準備した。

【0044】

次に、図１で示すようなレーザー測定装置２０を利用して、試験用鋼管ＰＴ１～ＰＴ４各々で管断面の固有振動数を測定し、測定値を取得した。その一方で、各試験用鋼管ＰＴ１～ＰＴ４各々について管断面の固有振動数を計算し、計算値を取得した。固有振動数の計算値は、各試験用鋼管ＰＴ１～ＰＴ４をモデル化した梁モデルによる固有値解析にて取得した。

【0045】

これらの結果を、図５（ｂ）で示すように横軸に固有振動数の計算値を取るとともに縦軸に固有振動数の測定値を取ったグラフにプロットした。図５（ｂ）を見ると、４本の試験用鋼管ＰＴ１～ＰＴ４はいずれも、固有振動数の計算値と測定値がほぼ一致している様子がわかる。

【0046】

したがって、あらかじめ計算により取得した肉厚ごとの基準固有振動数Ｒとレーザー測定装置２０で測定した鋼管Ｐの固有振動数測定値Ｍとを比較することにより、鋼管Ｐの肉厚を精度よく検出することができる。
≪配管の摩耗推定方法≫
次に、鋼管Ｐの摩耗の有無を判定する手順と、摩耗を検知した場合に摩耗量を推定する手順とを、図６のフローを参照しつつ説明する。

【0047】

＜振動数算定工程＞
鋼管Ｐと同様の肉厚及び管径を有する管の、摩耗が生じる前の健全な状態における管断面の固有振動数を計算し、計算値を取得する。取得した固有振動数の計算値を、摩耗前固有振動数Ｂとして、肉厚管理装置３０の記憶部３３に格納しておく。

【0048】

また、鋼管Ｐと同様の肉厚及び管径を有し摩耗量の異なる管断面の、摩耗後の固有振動数を計算し、計算値を取得する。取得した固有振動数の計算値は、それぞれ対応する摩耗量との関連付けを行って、摩耗量ごとの摩耗後固有振動数Ａとし、肉厚管理装置３０の記憶部３３にデータベースとして格納しておく。

【0049】

また、摩耗量ごとの摩耗前固有振動数Ｂは、データベース化するのみでなく、例えば、統計処理を行って摩耗量と固有振動数の関係式を求め、これを肉厚管理装置３０の記憶部３３に格納してもよい。

【0050】

なお、摩耗前固有振動数Ｂ及び摩耗後固有振動数Ａともに、計算ではなくレーザー測定装置２０を利用して実物のサンプル管から管断面の固有振動数を測定し、これを摩耗前固有振動数Ｂ、摩耗後固有振動数Ａとしてもよい（振動測定による摩耗前固有振動数Ｂ、摩耗後固有振動数Ａの取得）。さらに、摩耗前固有振動数Ｂは、実際に設置された鋼管Ｐの使用前の状態で振動測定を行ってもよい。

【0051】

＜測定値取得工程＞
前述した≪配管の肉厚検出方法≫と同様に、レーザー測定装置２０を利用して鋼管Ｐの管断面の固有振動数を測定し、測定値を取得する。この場合も、加振用のレーザー光Ｌ１の照射位置と振動情報計測用のレーザー光Ｌ２の照射位置は、鋼管Ｐの外表面であればいずれでもよく、同一位置であってもよいし、異なる位置であってもよい。また、摩耗が生じている位置もしくは生じていない位置のいずれに対応する外表面であってもよい。取得した固有振動数測定値Ｍは、入力部３１を介して肉厚管理装置３０に入力するとともに、記憶部３３に格納しておく。

【0052】

＜摩耗検知工程＞
測定値取得工程で取得した固有振動数測定値Ｍと、振動数算定工程で取得した摩耗前固有振動数Ｂとに基づいて、鋼管Ｐにおける摩耗の有無を判定する。

【0053】

具体的には、測定値取得工程で取得した鋼管Ｐの固有振動数測定値Ｍが、入力部３１を介して肉厚管理装置３０に入力されると、演算処理部３４は摩耗推定部３４２の指令を受け、固有振動数測定値Ｍと、記憶部３３に格納した摩耗前固有振動数Ｂとを比較する。

【0054】

そして、鋼管Ｐの固有振動数測定値Ｍと摩耗前固有振動数Ｂとが合致する、もしくは近似する場合には、鋼管Ｐに摩耗なしと判定する。その一方で、両者の間に乖離がある場合には、鋼管Ｐに摩耗を生じた部分有りと判定する。摩耗を検知した場合には、次の摩耗量推定工程に進み、摩耗量を推定する。

【0055】

上記のとおり、摩耗推定方法は、鋼管Ｐにおける摩耗の有無を判定するものであって、管断面ＣＳにおける摩耗が生じている位置を特定するものではない。一般に、摩耗の生じる位置は、鋼管Ｐの用途や使用状態により特定することが可能であり、鋼管Ｐの測定管理では、摩耗の有無を判定できれば足りる。

【0056】

＜摩耗量推定工程＞
測定値取得工程で取得した固有振動数測定値Ｍと、振動数算定工程で取得した摩耗量ごとの摩耗後前固有振動数Ａとに基づいて、鋼管Ｐの摩耗量を推定する。

【0057】

具体的には、摩耗検知工程で鋼管Ｐに摩耗を検知すると、演算処理部３４は摩耗推定部３４２の指令を受け、固有振動数測定値Ｍと、記憶部３３に格納した摩耗量と固有振動数の関係式に基づいて、固有振動数測定値Ｍに対応する摩耗量を算定する。これにより、管理対象である鋼管Ｐの摩耗量が推定され、推定された摩耗量は、出力部１２０に出力されるとともに、記憶部３３に格納される。

【0058】

＜管断面の固有振動数が摩耗の有無を反映することの検証＞
管断面の固有振動数が、摩耗の有無及び摩耗量を反映することの検証を、以下の手順で行った。

【0059】

まず、図７（ａ）で示すように、肉厚が一様で摩耗が見られない試験用鋼管ＰＴと、管断面ＣＳからみて内表面であって下方側に摩耗が生じている部分がある試験用鋼管ＰＴとをそれぞれ準備した。試験用鋼管ＰＴはいずれも、管径３５４．５ｍｍ及び肉厚１１．８ｍｍの鋼管を採用した。

【0060】

これら摩耗有り及び摩耗無しの試験用鋼管ＰＴのレーザー測定装置２０を利用した振動測定を行い、図７（ｂ）で示すような、摩耗が生じる前の健全な状態のスペクトル分布と、摩耗が生じた後のスペクトル分布を得た。

【0061】

図中のＮ１～Ｎ４は、摩耗無しの試験用鋼管ＰＴにおける固有振動数であり、Ｎ１は１次モード、Ｎ２は２次モード、Ｎ３は３次モード、そしてＮ４は４次モードのそれぞれ固有振動数を示している。また、図中のＷ１～Ｗ４は、摩耗有りの試験用鋼管ＰＴにおける固有振動数であり、Ｗ１は１次モード、Ｗ２は２次モード、Ｗ３は３次モード、そしてＷ４は４次モードのそれぞれ固有振動数を示している。

【0062】

これらの結果から、肉厚１１．８ｍｍの試験用鋼管ＰＴにおいて管断面の一部に摩耗が生じた場合に、摩耗後の固有振動数は、摩耗前の８３％程度まで低減する様子がみてとれる。

【0063】

このように、管断面の固有振動数は、摩耗の有無を反映するから、あらかじめ管理対象の鋼管Ｐと同様の肉厚及び管径を有する管断面の、摩耗前の固有振動数を計算、またはサンプル管の振動測定により、摩耗前振動数Ｂを取得しておく。そして、摩耗前固有振動数Ｂとレーザー測定装置２０で測定した鋼管Ｐの固有振動数測定値Ｍとを比較することにより、鋼管Ｐの摩耗の有無を判定することができる。

【0064】

次に、管径３５４．５ｍｍ及び肉厚１１．８ｍｍで摩耗量が２．５ｍｍ、５．０ｍｍ及び７．５ｍｍの管をモデル化した梁モデルによる固有値解析を実施した。図８（ａ）に、３種類の摩耗量ごとの管断面の固有振動数及び固有振動数減衰率をまとめた結果を示す。

【0065】

これらの結果を、図８（ｂ）では横軸に摩耗深さを取るとともに縦軸に固有振動数を取ったグラフにプロットし、図８（ｃ）では縦軸を固有振動減衰率に替えたグラフにプロットした。また、図９（ａ）～（ｄ）に、摩耗量が７．５ｍｍの管断面ＣＳにおける、固有振動モード（１次モードから４次モードを図示）及び摩耗後固有振動数Ａを例示する。図８（ｂ）（ｃ）を見ると、固有振動モードごとで摩耗量（底部摩耗深さ）と固有振動数及び固有振動減衰率との間に、相関関係がある様子が見て取れる。

【0066】

したがって、鋼管Ｐと同様の肉厚及び管径の管断面の、異なる摩耗量ごとの摩耗後固有振動数Ａを取得しておく。そして、これらの統計処理を行って、管断面の固有振動数もしくは固有振動減衰率を説明変数とし、摩耗量を目的変数とする関係式を作成すれば、これらは管理対象である鋼管Ｐの摩耗量を推定するための指標として採用できる。

【0067】

上記のとおり、配管の肉厚管理方法及び肉厚管理システム１０は、鋼管Ｐの肉厚管理に管断面の固有振動数を用いるから、鋼管Ｐに向けて加振用レーザー発生器２１から照射する加振用のレーザー光Ｌ１の照射位置、及び計測用レーザー発生器２２から照射する振動情報計測用のレーザー光Ｌ２の照射位置は、鋼管Ｐの外表面であればいずれでもよい。

【0068】

このように、鋼管Ｐの固有振動数測定値Ｍを取得する測定作業が簡略であるため、鋼管Ｐが、建物や設備内の狭隘な場所に敷設されている場合にも、容易に測定作業を実施することが可能となる。また、遠隔から加振用のレーザー光Ｌ１及び振動情報計測用のレーザー光Ｌ２を照射できることから、鋼管Ｐが高所にある場合には足場等の設備が不要となるため、工費削減及び工期短縮に寄与することが可能となる

【0069】

≪≪肉厚管理システム及び配管の肉厚管理方法の適用事例≫≫
上記の肉厚管理システム１０及び配管の肉厚管理方法は、例えば、図１０（ａ）で示すような、泥水式シールド工法で使用されるシールド掘進機４０の排泥管４３を点検管理する際に適用することができる。

【0070】

泥水式シールド工法は、トンネルＴを構築するべくシールド掘進機４０を用いて地中を掘進する際、シールド掘進機４０のチャンバー４１内に泥水ＭＷを供給し切羽Ｆに対して泥水圧を作用させる。こうして切羽Ｆの安定を図りつつ、掘進を行う方法である。

【0071】

このとき、送泥管４２を介してチャンバー４１内に供給された泥水ＭＷは、排泥管４３を介して排出される。したがって、排泥管４３は常時、中空部が泥水ＭＷで満たされた状態にある。そこで、排泥管４３のように、管理対象の鋼管Ｐが中空ではない場合にも、管断面の固有振動数を取得できることを確認するべく、以下のような試験を行った。

【0072】

＜鋼管に滞水が存在する場合の固有振動数の精度検証＞
まず、図１１（ａ）で示すように、管断面ＣＳからみて中空部が空洞の試験用鋼管ＰＴと中空部が水Ｗで充填されている満水の試験用鋼管ＰＴとをそれぞれ準備した。試験用鋼管ＰＴはいずれも、管径１６５．２ｍｍで肉厚３．７ｍｍの鋼管を採用している。

【0073】

これらについてレーザー測定装置２０を利用した振動測定を行い、図１１（ｂ）で示すような、中空部が空洞の状態のスペクトル分布と、中空部が満水の状態のスペクトル分布を得た。図１１（ｂ）をみると、満水の試験用鋼管ＰＴにおいて管断面の固有振動数が取得されている様子がわかる。

【0074】

また、満水の試験用鋼管ＰＴは、固有振動数が空洞の場合の７７％程度に低減していることがわかった。したがって、鋼管Ｐの中空部が充填されている場合には、空洞の鋼管Ｐの固有振動数に、鋼管Ｐ内の充填物に応じた低減係数を適宜掛け合わせればよい。

【0075】

また、シールド掘進機４０では、掘進により生じた掘削土Ｓがチャンバー４１内に回収され、泥水ＭＷとともに排泥管４３を介して排出される。このため、図１０（ｂ）で示すように、排泥管４３の管断面ＣＳからみて下部近傍に、掘削土Ｓに起因する摩耗が生じやすいことが知られている。

【0076】

しかし、加振用レーザー発生器２１及び計測用レーザー発生器２２の照射位置はいずれも、摩耗が生じているものと想定される位置でなくてもよい。したがって、シールド掘進機４０といった狭隘な空間内に敷設されている排泥管４３であっても、容易に摩耗の有無を判定できるとともに、摩耗量を推定することが可能である。

【0077】

また、図１０（ａ）で示すような排泥管４３は、長手方向に複数を連結して構成されている。このため、複数の排泥管４３ごとに、摩耗状況を推定する場合も想定される。しかし、レーザー測定装置２０を用いて排泥管４３の固有振動数測定値Ｍを測定する作業が簡略なことから、測定個所が多数に及ぶ場合にも作業時間が短縮でき、排泥管４３の点検管理に係る作業全体の作業性を大幅に向上することが可能となる。

【0078】

本発明の配管の肉厚管理方法及び配管の肉厚管理システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0079】

例えば、本実施の形態では、配管として鋼管Ｐを採用したが、これに限定さえるものではなく、スチール管、塩ビ管、コンクリート管等、中空部を有する筒状部材であればいずれに採用することも可能である。

【0080】

また、本実施の形態では、泥水式のシールド掘進機４０に備えられている排泥管４３の点検に、肉厚管理システム１０及び配管の肉厚管理方法を適用する場合を事例に挙げたが、いずれの建物や設備の配管にも適用可能である。また、配管を流下する流体の種類や、配管の配置状態、配管の管径や肉厚等、管理対象となる配管はなんら制約を受けるものではない。

【符号の説明】

【0081】

１０ 肉厚管理システム
２０ レーザー測定装置
２１ 加振用レーザー発生器
２２ 計測用レーザー発生器
２３ アナライザ
３０ 肉厚管理装置
３１ 入力部
３２ 出力部
３３ 記憶部
３４ 演算処理部
３４１ 肉厚検出部
３４２ 摩耗推定部
４０ シールド掘進機
４１ チャンバー
４２ 送泥管
４３ 排泥管
Ｍ 固有振動数測定値
Ｒ 基準固有振動数
Ｂ 摩耗前固有振動数
Ａ 摩耗後固有振動数
Ｔ トンネル
ＭＷ 泥水
Ｓ 掘削土
Ｐ 鋼管（配管）
ＰＴ 試験用鋼管
ＣＳ 管断面
Ｌ１ 加振用のレーザー光
Ｌ２ 振動情報計測用のレーザー光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】