技術 配管の肉厚を計測するための計測装置および配管摩耗監視システム

0001

本発明は、砂、砂利、土砂、骨材などの粒状物を含んだ流体を圧送する配管の肉厚を計測するための計測装置、および当該計測装置を用いて配管の摩耗を監視するための配管摩耗監視システムに関する。

0002

泥水式シールドなどで使用する配泥管は、砂、砂利、土砂などの粒状物を含んだ流体を輸送することから、配管の摩耗が進行しやすい。
また、コンクリートを圧送するため、コンクリート中の骨材が配管の摩耗要因となっている。
そこで、従来は、破損前に配管の交換を行うべく、作業員が毎日配管に超音波厚さ計を当てて配管の肉厚を逐一計測・監視していた。

0003

しかし、上記した従来の方法では、以下の問題が生じる。
（１）シールドマシンの掘進が進むと、坑口までの泥水または泥土の圧送距離も長くなって、配管の監視距離が増えることとなる。
特に、泥水や泥土は、通常の液体を圧送する配管と比較して摩擦が著しく大きく、配管の摩耗量が非常に大きいため、検査箇所や検査頻度も多い傾向となる。さらに、例えば配管が直管の場合、配管下部がより摩耗量が大きくなるため、管下部が摩耗して破損する前に、配管を回転させて平均的に摩耗させることでより長く使う試みをしている。つまり、配管の摩耗量管理だけでなく、さらに配管の回転管理も行う必要が生じる。
よって、圧送距離が長くなるほど、作業員による毎日の計測作業の負担は比例して増えていく結果となる。
（２）配管が破損した場合は、工事が止まるだけではなく、トンネルの内部の清掃など工事に与える影響が大きいため、配管の監視に対する責任が非常に大きい点も作業員の負担に繋がっている。
（３）計測作業を毎日異なる作業員が行うと、計測地点の位置や超音波厚さ計の配管への当て方に差が生じ、計測精度にブレが生じうる。

0004

そこで、本発明は、配管の肉厚の計測作業を効率良く実施可能な技術の提供を目的とする。

0005

上記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、円筒形状の配管に固定して、配管の肉厚を計測する計測装置であって、前記計測装置は、超音波探触子、位置保持具、および磁石からなり、前記位置保持具は、平面視して前記超音波探触子の先端周囲を覆う平板状を呈して、前記超音波探触子を保持しており、前記磁石は、前記位置保持具を取り付け可能に構成し、前記配管との磁着面を有することを特徴とするものである。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において、前記位置保持具が、上下に貫通する貫通孔を有する弾性部材からなり、前記超音波探触子の先端を、前記貫通孔に差し込んであり、この差し込み長を調整することで、前記超音波探触子の先端高さを変更可能としたことを特徴とするものである。
また、本願の第３発明は、砂、砂利、土砂、骨材などの粒状物を含んだ流体を圧送する配管の摩耗を監視するためのシステムであって、配管の下部に取り付けて、配管の肉厚を計測する、前記第１発明または第２発明に記載の計測装置と、前記計測装置からの計測値を用いて配管の摩耗を監視する、情報処理装置と、を少なくとも具備したことを特徴とするものである。
また、本願の第４発明は、前記第３発明において、前記計測装置および前記情報処理装置で監視する配管の肉厚が所定値未満であるときに、視覚または聴覚的に通報を行う通報手段を更に具備したことを特徴とする、
請求項３に記載の配管摩耗監視システム。
また、本願の第５発明は、前記第３発明または第４発明において、前記情報処理装置が、少なくとも計測装置からの計測値を利用して、配管の摩耗量を予測することを特徴とするものである。

0006

本願発明によれば、以下に記載する効果を奏する。
（１）配管に対する計測装置の設置に、磁石による磁着を用いるため、配管に対し常に同じ圧力で超音波探触子を配管に押し当てておくことができるため、計測値のズレが小さく、より精度の高い監視作業が可能となる。
（２）位置保持具を平板状にすることにより、超音波探触子の先端より下方の空間に水の溜まる領域が生まれないため、超音波探触子の水没の恐れがない。
（３）適度な押しつけ力で超音波探触子を配管に押し当てることができるため、超音波探触子の破損も回避できる。
（４）位置保持具に超音波探触子を差し込んで固定することで、位置保持具が超音波探触子の取付具としての役割を果たすだけでなく、配管から生じる結露などの水分が超音波探触子の先端周辺以外へと漏れ出すことを防止するパッキンとしての役割を発揮することができる。
（５）従来手作業で定期的に行っていた、泥水、泥土、コンクリートなどを圧送する配管の肉厚計測作業を自動化することで、作業者による計測作業の負担を大きく低減することができる。
（６）配管の摩耗が進んだ際に自動で通報を行う通報手段を設けることにより、配管の監視作業の効率性が向上する。
（７）情報処理装置で配管の摩耗量を予測することで、配管の回転作業などの保守作業の効率性が向上する。

0007

第１実施例に係る配管摩耗監視システムの全体構成を示す概略図。
計測装置の構成を示す概略斜視図。
位置保持具と超音波探触子との関係を示す概略断面図。
計測装置を構成する各部の形状例を示す概略図。
計測装置を構成する各部の高さ例を示す概略図。
配管への取付イメージを示す概略図。
配管の長手方向に向かって監視状態を視覚的に表示した画面イメージ。
配管の肉厚の実測値から予測値を表示した画面イメージ。
第２実施例に係る配管摩耗監視システムの全体構成を示す概略図。

0008

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する、

0009

＜１＞全体構成（図１）
図１を参照しながら、本発明に係る配管摩耗監視システムの詳細について説明する。
本発明に係る配管摩耗監視システムは、配管Ｘの計測地点に適宜取り付ける計測装置Ａと、前記計測装置Ａからの計測値を用いて配管Ｘの摩耗を監視する情報処理装置Ｂと、を少なくとも具備する。
配管Ｘに対する計測装置Ａの設置箇所は特段限定しない。
図１では、摩耗しやすい配管Ｘの下部にのみ計測装置Ａを設ける構成と、配管Ｘの周方向に間隔を設けて計測装置Ａを複数配置する構成とを示している。
以下、各構成要素の詳細について説明する。

0010

＜２＞計測装置（図２〜図６）
計測装置は、配管Ｘの計測箇所に設置して、配管Ｘの肉厚を計測するための手段である。
図２に、計測装置Ａの構成を示す。
本実施例では、計測装置Ａを、先端を配管Ｘに接触させる超音波探触子１０と、超音波探触子１０を保持する位置保持具２０と、計測装置Ａを配管Ｘに取り付ける為の磁石３０とを有する。

0011

＜２．１＞超音波探触子（図２）
超音波探触子１０は、先端から超音波を発信することで、先端に接触している部材の厚さを計測可能な装置である。
超音波探触子１０は、従来の配管摩耗の監視作業で使用していた肉厚計測装置のプローブ部分を取り出して使用することができる。

0012

＜２．１．１＞超音波伝搬向上材（図示せず）
超音波探触子１０の先端１１の周囲には、予め超音波の伝搬性を高めるための部材（超音波伝搬向上材）を設けてもよい。
超音波伝搬向上材には、カプラント（接触媒質）や、薄板上のゴム、油、樹脂などがある。

0013

＜２．２＞位置保持具（図２）
位置保持具２０は、超音波探触子１０の位置を保持するための部材である。
位置保持具２０は、平面視して、超音波探触子１０の先端１１の周囲を囲むことが可能な大きさを呈する平板状の部材である。

0014

＜２．２．１＞素材・製造態様
位置保持具２０は、弾力性または非弾力性を有する樹脂を用いることができる。弾力性を有する樹脂としては、ゴムやシリコンなどがある。
また、位置保持具２０は、これらの樹脂を、予め所定の形に成形したものや、超音波探触子の周囲に充填して形成したものを採用することができる。
位置保持具２０が弾力性を有する場合には、超音波探触子１０の取り付ける際に、位置保持具２０の復元力でもって、超音波探触子１０を保持することができる。
位置保持具２０が非弾力性を有する場合には、超音波探触子１０と位置保持具２０との間を接着剤などで位置決め固定する必要があるものの、使用に支障は無い。

0015

なお、本実施例では、位置保持具２０を、予め上下に貫通する貫通孔２１を設けた状態で成形した弾性部材で構成している。
そして、位置保持具２０に設けた貫通孔２１に超音波探触子１０を差し込み、当該差し込みによって圧縮された位置保持具２０の復元力でもって、超音波探触子１０を保持している。
よって、超音波探触子１０の差し込み長を調整すれば、位置保持具２０に対する超音波探触子１０の先端１１の位置を調整することができる。
また、超音波探触子１０と貫通孔２１との間の隙間は、位置保持具２０の復元力でもって埋められるため、配管の結露等によって生じる水分や、前記した超音波伝搬向上材が当該隙間を伝って漏れだすことがない。

0016

＜２．２．２＞貫通孔の形状例（図３）
図３に、位置保持具２０の貫通孔２１と超音波探触子１０との形状例を示す。
図３（ａ）では、超音波探触子１０は、先細形状を呈しており、先端径をｄ１１，後端径をｄ１２で構成している。そして位置保持具２０の貫通孔２１の径は、一律ｄ１３で構成している。このとき、少なくともｄ１１≦ｄ１３＜ｄ１２の関係が成り立てば良い。
図３（ｂ）では、超音波探触子１０は、同径の円柱形状を呈しており、直径をｄ２１で構成している。そして、位置保持具２０の貫通孔２１の径は一律ｄ２２としている。このとき、少なくともｄ２２＜ｄ２１の関係が成り立てば良い。
図３（ｃ）では、超音波探触子１０は、同径の円柱形状を呈しており、直径をｄ３１で構成している。そして、位置保持具２０の貫通孔２１の径は下に向かって先細となるようにテーパを設けており、上側の径をｄ３２，下側の径をｄ３３としている。このとき、少なくともｄ３３＜ｄ３１≦ｄ３２の関係が成り立てば良い。

0017

＜２．３＞磁石（図２）
磁石３０は、計測装置Ａを配管Ｘに取り付けるための部材である。
磁石３０は、超音波探触子１０を保持する位置保持具２０を、所定の位置に取り付け可能に構成しつつ、配管Ｘとの取付面となる磁着面３１を設けていればよく、形状や配置形態を特段限定しない。
なお、本発明において、計測装置Ａの取付箇所を配管Ｘの下部としておくと良い。これは、配管Ｘの側方を計測箇所とすると磁石３０によって取り付けている計測装置Ａの自重でもって配管Ｘの下部側へと計測装置Ａが滑ってしまい、計測地点のズレを引き起こす場合があること、また配管Ｘの下部が摩耗しやすいこと、などの理由による。

0018

＜２．３．１＞位置保持具２０との取付態様（図２）
磁石３０と位置保持具２０との取付態様は、特段限定しない。
例えば、磁石３０に対し位置保持具２０の位置を調整可能に構成する場合には、磁石３０に取り付けた位置保持具２０の復元力を利用する方法が考えられる。
他方、磁石３０に対し、位置保持具２０の位置を予め固定しておく場合には、両者の固定に、接着剤や差し込みピンなどを利用してもよい。
図２では、磁石３０をリング状に形成し、当該リング状の磁石３０の内周形状よりも大きな位置保持具２０を嵌め込む形で、位置保持具２０の復元力を利用した取付を行っている。
また、リング状の磁石３０の上面を磁着面３１とすることで、リング状の磁石３０の略中央に位置する超音波探触子１０の先端１１を配管Ｘに接触可能な構成としている。

0019

＜２．４＞各部のその他の形状例（図４）
図４に、計測装置を構成する各部のその他の形状例を説明する。
図４（ａ）では、超音波探触子１０の先端１１が平面視円形状を呈しており、対応するように位置保持具２０の貫通孔２１も平面視円形状に形成し、かつ位置保持具２０および磁石３０の外形をも円形状に形成している。
図４（ｂ）では、超音波探触子１０の先端１１が平面視矩形状を呈しており、対応するように位置保持具２０の貫通孔２１も平面視矩形状に形成し、かつ位置保持具２０および磁石３０の外形をも矩形状に形成している。
図４（ｃ）では、超音波探触子１０の先端が平面視円形状を呈しており、対応するように位置保持具２０の貫通孔２１を平面視円形状に形成しつつ、位置保持具２０の外形は平面視矩形状を呈している。さらに、位置保持具２０の周囲にはリング状に形成した補強材４０を設け、この補強材４０の二辺の上部に平棒状の磁石３０を対向配置している。

0020

＜２．５＞各部のその他の配置例（図５）
図５に、計測装置を構成する各部のその他の配置例を説明する。
図５（ａ）では、超音波探触子１０の先端１１、位置保持具２０の上面、および磁石３０の磁着面３１を全て同一高さとしている。
図５（ｂ）では、磁石３０の磁着面３１に対し、超音波探触子１０の先端１１、および位置保持具２０の上面を高い位置としつつ、超音波探触子１０の先端１１および位置保持具２０の上面を同一高さとしている。
図５（ｃ）では、超音波探触子１０の先端１１に対し、位置保持具２０の上面および磁石３０の磁着面３１を高い位置としつつ、位置保持具２０の上面および磁石３０の磁着面３１を同一高さとしている。

0021

これらの各部の配置形態は、配管Ｘの管径や、配管Ｘの外周面の不陸状態等に応じて適宜調整すればよい。
一般的に、超音波探触子１０の先端１１を、磁石３０の磁着面３１よりも高い位置に設定すれば、配管Ｘに対する超音波探触子１０の押しつけ力は強くなり、超音波探触子１０の先端１１を、磁石３０の磁着面３１よりも低い位置に設定する場合には、前記した超音波伝搬向上材の収容空間が増えるイメージとなる。

0022

＜２．６＞配管への取付イメージ（図６）
前記＜２．５＞で説明した各部の配置例のうち、配管の管径や不陸の有無に応じた取付イメージを図６に示す。
図６（ａ）では、配管Ｘの管径が小さいことから、磁石３０の磁着面３１を、配管Ｘの外周面に沿うようにテーパを設けた構成としている。
図６（ｂ）では、計測箇所周辺の配管Ｘの外周面の不陸が大きいことから、当該不陸に対応するよう、位置保持具２０の位置に対し、磁石３０の磁着面３１をやや低い位置としている。
図６（ｃ）では、配管Ｘの管径が大きく、また、配管Ｘの不陸も小さいことから、超音波探触子１０の先端１１、位置保持具２０の上面、および磁石３０の磁着面３１を全て同一高さとしている。

0023

＜３＞情報処理装置（図１）
再度、図１を参照する。
情報処理装置Ｂは、計測装置Ａによる配管Ｘの肉厚の計測値を集計して配管の摩耗監視に供するための手段である。
また、情報処理装置Ｂは、計測装置Ａの計測作業を制御可能な機能を有し、使用者からの指令による手動計測機能や、定期的に計測作業を実行する自動計測機能を備えておくことが好ましい。

0024

＜３．１＞構成例
情報処理装置Ｂは、ＰＣやスマートフォンなどの公知の情報処理装置を単体または適宜組み合わせて構成することができる。
本実施例では、情報処理装置Ｂを、現場の中央管理室に設置してある管理装置Ｂ１と、各計測装置Ａに接続して、計測装置Ａによる計測値を管理装置Ｂ１へと送信可能な制御端末Ｂ２とで構成している。
以下、各装置の詳細について説明する。

0025

＜３．２＞制御端末
制御端末Ｂ２は、超音波探触子２０と電気的に接続して、超音波探触子２０によって得た計測値を管理装置Ｂ１に送信する機能を有する。
制御端末Ｂ２は、ＣＰＵ、メモリ、記憶媒体、超音波探触子２０とのインターフェースや、管理装置Ｂ１との間で有線通信または無線通信を行うためのインターフェースなどを設けているハードウェアで構成し、これらのハードウェアが所望の機能を発揮するようにソフトウェアでもって制御する。
制御端末１台に対する計測装置の数は限定しない。図１では、制御端末１台に単数の計測装置が接続されている構成と、制御端末１台に対して複数の計測装置が接続されている構成とを示している。

0026

＜３．３＞管理装置
管理装置Ｂ１は、制御端末Ｂ２から受信した計測値を用いて配管の摩耗監視を行うための機能を有する。
管理装置Ｂ１は、いわゆるＰＣなどの情報処理装置を用いており、ＣＰＵ、メモリ、記憶媒体、制御端末Ｂ２との有線通信または無線通信のためのインターフェースなどを設けているハードウェアで構成し、これらのハードウェアが所望の機能を発揮するようにソフトウェアでもって制御する。

0027

その他、管理装置には、配管の摩耗に伴って、配管を回転させた情報の履歴を記録・閲覧できる機能を設けておいても良い。
配管が摩耗した場合には、配管を９０°軸方向に回転させて、配管の摩耗の多い部位を、摩耗が少ない場所に入れ換えることで、配管の交換をせずに耐用期間を延長する場合がある。この場合に、配管の回転履歴が確認できると、作業員は、配管の回転によって継続して利用し続けることが可能かどうかの判断や、配管の回転方向を把握することができるため、作業効率性を高めることができる。

0028

＜３．４＞摩耗の監視例（図７，８）
配管の摩耗を監視する方法としては次の例などが考えられる。

0029

＜３．４．１＞計測値としきい値との比較（図７）
管理装置Ｂ１で、配管の交換が必要と判断するしきい値を設定しておき、計測装置Ａから取得した計測値が、しきい値未満に達した場合に、管理装置Ｂ１の使用者に対し該当箇所の通知を行う。
なお、このしきい値は、交換の緊急度の異なる複数のしきい値（警告値、異常値）を設定して、通知態様を変えるように構成してもよい。
たとえば、一刻も早く配管の鋼管を要するような緊急度の高い程度にまで肉厚が減少している場合には、管理装置Ｂ１から自動で配管の運転を強制的に停止するように構成してもよい。

0030

図７に、配管の長手方向に向かって監視状態を視覚的に表示した画面イメージを示す。
上段に配置した全体表示の欄では、配管を二行構成で表示しており、一行目では計測地点での監視状態を示し、二行目では計測地点の管形状（直管または曲管）を示している。
また、下段には、上段の全体表示の一部を拡大表示した欄を設けている。
このように、監視状態に応じた色分け表示を行うことで、作業員による監視作業の利便性を高めることができる。

0031

＜３．４．２＞摩耗量予測による交換時期の通知（図８）
管理装置Ｂ１で、配管の交換が必要と判断するしきい値を設定しておく。
所定間隔毎に、計測装置Ａから取得した計測値を蓄積しておき、蓄積した計測値から経時的な摩耗量を計算する。
そして、この摩耗量から、配管の交換が必要と判断するしきい値に達する時期を予測し、管理装置Ｂ１の使用者に対し該当箇所と交換時期の通知を行う。
図８に、配管の肉厚の実測値から予測値を表示した画面イメージを示す。
左欄には、計測済みの１日毎の実測値と、将来的な摩耗量の予測値とが描画されたグラフが設けてある。
このグラフには、配管の摩耗によって警告や異常を通知するためのしきい値も描画されている。
このように将来の摩耗量の予測に伴い、交換時期の目安を視覚的に表示することで、作業員による監視作業の利便性を高めることができる。

0032

＜４＞まとめ
このように、本発明によれば、従来手作業で定期的に行っていた配管の肉厚計測作業を自動化することで作業車の監視負担を大きく低減することができる。
また、本発明に係る計測装置Ａによれば、配管の所定位置に超音波探触子１０を正しい位置にセットし続けておくことができるため、より精度の高い監視作業が可能となる。

0033

図９を参照しながら、本発明に係る配管摩耗監視システムの第２実施例について説明する。
本実施例に示す配管摩耗監視システムでは、配管Ｘの摩耗を監視する情報処理装置Ｂを計測装置Ａ毎に設けて、計測箇所毎に個別に監視を行う、いわゆる分散監視型を構成している。
この場合、各情報処理装置Ｂには作業員に通知を行うための手段として、パトランプＣなどの通報手段を設けておき、配管Ｘの交換が必要と判断した場合にパトランプＣを起動するように構成しておけばよい。
本実施例に係る配管摩耗監視システムによれば、現場の中央管理室への通信が困難な現場であっても本発明を適用することができる。

0034

Ａ計測装置
１０ 超音波探触子
１１ 先端
２０位置保持具
２１貫通孔
３０磁石
３１磁着面
４０補強材
Ｂ情報処理装置
Ｂ１管理装置
Ｂ２制御端末
Ｃパトランプ
Ｘ 配管