弁装置の弁棒診断装置及び方法
【課題】弁装置の弁棒に生じた折損に至る欠陥を、折損前に迅速且つ有効に検出できること。
【解決手段】先端に弁体１５が設けられた弁棒１６を軸方向に駆動して、弁体に開閉動作を行なわせる電動弁の弁棒１６の側面３６に設置され、電磁力により超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）を弁棒１６に励起して伝播させると共に、弁棒１６に生じた欠陥４１から反射する超音波を反射波として検出可能な電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３）と、この横波ＥＭＡＴ探触子２３に超音波を励起させるための高周波電流を供給する高周波電源２９と、横波ＥＭＡＴ探触子２３を構成する高周波コイル４０に生じた電位差に基づき、横波ＥＭＡＴ探触子２３が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、弁棒１６における欠陥４１の状態を演算処理する処理部３５と、を有するものである。
【解決手段】先端に弁体１５が設けられた弁棒１６を軸方向に駆動して、弁体に開閉動作を行なわせる電動弁の弁棒１６の側面３６に設置され、電磁力により超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）を弁棒１６に励起して伝播させると共に、弁棒１６に生じた欠陥４１から反射する超音波を反射波として検出可能な電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３）と、この横波ＥＭＡＴ探触子２３に超音波を励起させるための高周波電流を供給する高周波電源２９と、横波ＥＭＡＴ探触子２３を構成する高周波コイル４０に生じた電位差に基づき、横波ＥＭＡＴ探触子２３が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、弁棒１６における欠陥４１の状態を演算処理する処理部３５と、を有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁力により弁棒に超音波を励起して、この弁棒に生じた欠陥を検出する電磁超音波探触子を備えた弁装置の弁棒診断装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力及び火力発電プラント等の配管に設置される電動弁や空気作動弁等の弁装置における弁棒の超音波診断は、弁装置を分解することなく実施できることから、弁棒折損によるプラントの計画外停止を事前に回避し、弁棒による故障を予防してプラント稼動率を改善することができる。特に、プラントの計画外停止及びプラント再起動に多くの時間と費用を要する原子力発電プラントでは、大きな経済的効果を奏する。
【０００３】
また近年、発電設備やエネルギー伝送ライン等の社会インフラの経年劣化が大きな問題になっている。劣化による損傷が一旦発生すると、経済的・社会的損失が大きく、特に１９６０年代から１９７０年代の高度成長期に建設されたプラントの主要部品の多くは、４０年近い劣化と損傷が進んでいることが想定される。このことから、近年圧電セラミックを用いた接触式超音波探触子による欠陥診断が各種プラントで広く適用されており、この欠陥診断は、経年プラントの稼働率向上を目指すプラント運用の要になりつつある。
【０００４】
超音波診断の特徴は、検査対象物に接触する圧電セラミックもしくは高分子の圧電素子により超音波を励起して伝播し、欠陥部分からの反射波を接触式超音波探触子により受信して検出し、欠陥の有無を診断する。しかし、現場においては、超音波の伝播に必要な種々の形状や寸法の探触子や、この接触子を接着させるための接着治具が必要であり、更に超音波伝播のＳ/Ｎ比を確保するためのカプラント（接触媒体）が必要になるため、これらの選定に多くの工数と時間を要し、このためコストが上昇して、プラントの運用面から改善が求められている。
【０００５】
ところで、運転中のプラントにおける電動弁等の弁装置を診断することにより、プラントの計画外停止を予防し稼働率を改善する技術が特許文献１及び２に記載されており、産業界では一部実施されているものがある。これら両特許は、電動弁駆動時のモータの駆動トルクや駆動電流・電圧を検出して、弁駆動の健全性から弁装置を診断するもの等である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５０２８２４号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、特許文献１及び２に記載の診断技術は、弁棒駆動系の劣化は検出できても、弁棒折損事象を直接検出するものではないため、初期に発生したき裂等の欠陥が運転期間中に序々に進展して疲労折損に至る弁棒の故障を、弁棒折損前に有効に検出することは不可能である。
【０００８】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、弁装置の弁棒に生じた折損に至る欠陥を、折損前に迅速且つ有効に検出できる弁装置の弁棒診断装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る弁装置の弁棒診断装置は、先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に設置され、電磁力により超音波を前記弁棒に励起して伝播させると共に、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出可能な電磁超音波探触子と、この電磁超音波探触子に超音波を励起させるための高周波電流を供給する高周波電源と、前記電磁超音波探触子を構成する高周波コイルに生じた電位差に基づき、前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算処理する処理部と、を有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明に係る弁装置の弁棒診断方法は、先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に電磁超音波探触子を設置して、電磁力により前記弁棒に超音波を励起させて伝播させ、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出し、前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、弁装置の弁棒に生じた折損に至る欠陥を、電磁超音波探触子を用いて検出するので、弁棒の折損前に、この欠陥を迅速且つ有効に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る弁装置の弁棒診断装置における一実施の形態が適用される弁装置としての電動弁を、横波電磁超音波探触子及び縦波電磁超音波探触子と共に示す斜視図。
【図２】図１の横波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置を示す構成斜視図。
【図３】図１の縦波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置を示す構成斜視図。
【図４】図２及び図３の弁棒診断装置の構成を更に詳細に示す模式図。
【図５】図２の横波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置にて検出された反射波を表す電位差を示すグラフ。
【図６】図３の縦波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置にて検出された反射波を表す電位差を示すグラフ。
【図７】図２の弁棒診断装置が、弁体と一体化された弁棒に適用された場合の一部を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る弁装置の弁棒診断装置における一実施の形態が適用される弁装置としての電動弁を、横波電磁超音波探触子及び縦波電磁超音波探触子と共に示す斜視図である。この図１に示す弁装置としての電動弁１０は、弁体収納部１１、弁体駆動部１２、駆動量制御機構部１３及びヨーク１４を有して構成される。
【００１５】
弁体収納部１１は、図示しない配管に接続される。この弁体収納部１１には、弁棒１６の先端に設けられた弁体１５が、弁体収納部１１の流路を開閉し得るように収納されている。また、弁体駆動部１２は、モータ１７の回転駆動力をギア部１８により減速して弁棒１６へ伝達し、この弁棒１６を軸方向に昇降駆動して弁体１５に開閉動作を行なわせ、弁体収納部１１内を流れる流体の流量を制御する。
【００１６】
駆動量制御機構部１３は、リミットスイッチ１９及びトルクスイッチ２０を備える。リミットスイッチ１９は、弁棒１６の回転量からこの弁棒１６の昇降駆動量（軸方向ストローク）を検出して、弁体１５の開度を検知する。トルクスイッチ２０は、ギア部１８の図示しないウォームギアに作用するトルクを検出して、弁体１５の全開位置または全閉位置を検知する。このようにしてリミットスイッチ１９及びトルクスイッチ２０が弁体１５の位置を検知することで、駆動量制御機構部１３は、弁棒１６の昇降駆動量を制御して、弁体１５の開閉動作を制御する。
【００１７】
ヨーク１４は、弁体収納部１１と弁体駆動部１２とを連結するものである。このヨーク１４には開口２１が形成され、これにより弁棒１６の一部が外部に露出して、弁棒１６に外部露出部２２が生ずる。
【００１８】
弁棒１６には、前記の如く、モータ１７の回転駆動力が、ギア部１８により減速され増大して繰り返し作用することから、この弁棒１６に疲労欠陥が発生し、最終的にき裂が進展して弁棒１６が折損する事態を引き起こす場合がある。本実施の形態の弁棒診断装置は、この弁棒１６に生じた欠陥を、弁棒１６の折損前に迅速かつ有効に検出するものであり、横波電磁超音波探触子（以下、横波ＥＭＡＴ探触子と称する）２３を用いた弁棒診断装置２４（図２）と、縦波電磁超音波探触子（以下、縦波ＥＭＡＴ探触子と称する）２５を用いた弁棒診断装置２６（図３）とを有する。
【００１９】
弁棒診断装置２４は、図２及び図４に示すように、横波マット探触子２３のほかに、高周波発生部２７及び送信アンプ２８を備えた高周波電源２９と、電位差計３０と、バンドパスフィルタ３１、プリアンプ３２、ＡＤ変換器３３及びデータ処理システム３４を備えた処理部３５と、を有して構成される。また、前記弁棒診断装置２６は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５のほか、弁棒診断装置２４と同様に、高周波電源２９、電位差計３０及び処理部３５を有して構成される。
【００２０】
横波ＥＭＡＴ探触子２３は、図２に示すように、弁棒１６の表面である側面３６の外部露出部２２に設置され、この側面３６に垂直な方向の定常磁場３７を生じさせる永久磁石３８と、この永久磁石３８の外周に巻き付けられ、高周波電源２９から供給されるパルス変調された高周波電流によって、弁棒１６の側面３６に定常磁場３７に直交し高周波振動する渦電流３９を発生する高周波コイル４０と、を有してなる。
【００２１】
尚、弁棒１６がクロム系鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の場合には、横波ＥＭＡＴ探触子２３は、永久磁石３８の磁力によって弁棒１６の側面３６に磁着される。それ以外の場合には、横波ＥＭＡＴ探触子２３は、図示しない取付バンドや、柔軟で形状追従性に富む接着治具（例えばソフトシュー）を用いて弁棒１６の側面３６に取り付けられる。
【００２２】
定常磁場３７と渦電流３９とが直交するため、これらによって弁棒１６の側面３６に、周期的に振動する電磁力（ローレンツ力）が発生し、この電磁力により弁棒１６の側面３６にパルス状の超音波である横波のＳＨ波２３Ａが励起され、このＳＨ波２３Ａが弁棒１６の軸方向に伝播する。ここで、ＳＨ波２３Ａは、横波のうち弁棒１６の表面に沿って水平方向に振動する波である。
【００２３】
このパルス状の横波のＳＨ波１３Ａは、弁棒１６に生じた欠陥４１により反射してパルス状の反射波になり、伝播ルートを戻る。この反射波は、横波ＥＭＡＴ探触子２３の永久磁石３８及び高周波コイル４０を振動させ、電磁誘導の作用で高周波コイル４０に電位差を発生させることで検出される。この電位差が電位差計３０により計測される。前記欠陥４１は、通常弁棒１６の半径方向に延び、その長さ寸法は数百μｍ以上である。
【００２４】
縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、図３に示すように、弁棒１６の表面である頂面４２に設置され、この頂面４２に平行な定常磁場４３を生じさせる一対の永久磁石４４と、これら一対の永久磁石４４間に配置されて、高周波電源２９から供給されるパルス変調された高周波電流によって、弁棒１６の頂面４２に、定常磁場４３に直交し高周波振動する渦電流４５を発生する高周波コイル４６と、を有してなる。
【００２５】
尚、この縦波ＥＭＡＴ探触子２５も、弁棒１６がクロム系鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の場合に、永久磁石４４の磁力により弁棒１６の頂面４２に磁着される。それ以外の場合には、縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、図示しない取付バンドや、柔軟で形状追従性に富む接着治具（例えばソフトシュー）を用いて弁棒１６の頂面４２に取り付けられる。
【００２６】
定常磁場４３と渦電流４５とが直交するため、これらによって弁棒４６の頂面４２に、周期的に振動する電磁力（ローレンツ力）が発生し、この電磁力により弁棒１６の頂面４２にパルス状の超音波である縦波２５Ａが励起される。この縦波２５Ａは、弁棒１６の頂面４２から、弁棒１６の内部及び側面３６を、弁棒１６の軸方向に伝播する。このパルス状の縦波２５Ａは、弁棒１６に生じた欠陥４１により反射してパルス状の反射波となり、伝播ルートを戻る。この反射波は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の永久磁石４４及び高周波コイル４６を振動させ、電磁誘導の作用で高周波コイル４６に電位差を発生させることで検出され、この電位差が電位差計３０により計測される。
【００２７】
本実施の形態では横波ＥＭＡＴ探触子２３及び縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、超音波を励起する機能と、反射波を検出する機能とを備えたものを述べたが、超音波励起用の横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５と、反射波検出用の横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５とを別々に設けてもよい。
【００２８】
前記高周波電源２９は、図２、図３及び図４に示すように、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にパルス状の超音波を励起させるために、これらの横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にパルス変調された高周波電流を供給するものである。具体的には、高周波発生部２７からパルス変調された高周波電流を出力し、この高周波電流を送信アンプ２８にて増幅して横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６へ供給する。この高周波電流により、横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０が弁棒１６の側面３６に、また、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６が弁棒１６の頂面４２に、それぞれ高周波振動する渦電流を発生させる。
【００２９】
前記処理部３５は、横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６に生じた電位差に基づき、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５がそれぞれパルス状の超音波（横波ＥＭＡＴ探触子２３の場合には横波のＳＨ波２３Ａ、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の場合には縦波２５Ａ）を励起してからパルス状の反射波を検出するまでの時間差を用いて、弁棒１６における欠陥４１の状態（位置及び面積（長さ×深さ））を演算処理して特定する。
【００３０】
つまり、電位差計３０から出力される電位差のノイズ成分をバンドパスフィルタ３１にて除去し、プリアンプ３２にて電位を増幅し、ＡＤ変換器３３にて電位差をデジタル信号に変換する。データ処理システム３４は、ＡＤ変換器３３からの電位差信号に基づき、横波ＥＭＡＴ探触子２３によりパルス状の横波のＳＨ波２３Ａが励起されてから反射波が検出されるまでの時間差を用いて、また、縦波ＥＭＡＴ探触子２５によりパルス状の縦波２５Ａが励起されてからその反射波が検出されるまでの時間差を用いて、欠陥４１の位置を演算し特定する。更にデータ処理システム３４は、反射波（特に縦波２５Ａの反射波）の電位差が欠陥４１の面積に比例することから、反射波（特に縦波２５Ａの反射波）の電位差から欠陥４１の面積（長さ×深さ）を演算し特定する。
【００３１】
ところで、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５が弁棒１６に励起する超音波の周波数、波長は、高周波電源２９から横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６へ供給される高周波電流の周波数、波長にそれぞれ依存する。
【００３２】
そこで、高周波電源２９は、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５へ供給して超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）を励起させる高周波電流の波長を、弁棒１６の直径寸法（例えば１０ｍｍ〜１００ｍｍ）と同等またはその数分の一程度として、弁棒１６に励起される超音波が、弁棒１６に対して波長減衰が少なく伝播性の良好なガイド波として挙動するようにする。
【００３３】
更に、高周波電源２９は、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５へ供給して超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）を励起させる高周波電流の波長を、弁棒１６に生じた長さ寸法が数百μｍ以上の欠陥４１からは超音波を反射させるが、弁棒１６の側面３６に数ｍｍピッチで加工されているねじ４７からは超音波の反射を抑制する値とする。
【００３４】
具体的には、高周波電源２９は、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５へ供給して超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）を励起させる高周波電流の周波数を、弁棒１６の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるときに、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の値とする。この周波数範囲の高周波電流により弁棒１６に励起される超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）は、上記直径の弁棒１６に対してガイド波として挙動し、波長減衰が少なく弁棒１６及び弁体１５の略全長に亘って伝播する良好な伝播性を有すると共に、長さ寸法が数百μｍ以上の欠陥４１から反射波を生じさせ、弁棒１６の側面３６に加工された数ｍｍピッチのねじ４７からは反射波を抑制して、高Ｓ/Ｎ比を実現する。
【００３５】
図５は、横波ＥＭＡＴ探触子２３にて検出され処理部３５のデータ処理システム３４へ出力される超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）の反射波を表す電位差を、前記横波ＥＭＡＴ探触子２３が超音波を励起した時点を基準とする時間軸を用いて示すグラフである。横波ＥＭＡＴ探触子２３は、例えば弁棒１６の側面３６に超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）を励起してから、１１０μ秒後に欠陥４１からの反射波を、２１０μ秒後に弁棒１６と弁体１５の接続部４８からの反射波を、２２０〜２４０μ秒後に弁体１３の先端面４９の内部を迂回してきた反射波を、それぞれ検出している。
【００３６】
直径数１０ｍｍの弁棒１６の側面３６を伝播する横波のＳＨ波２３Ａが３０００ｍ／秒の伝播速度であることから、処理部３５のデータ処理システム３４は下記計算により、横波ＥＭＡＴ探触子２３から欠陥４１までの距離Ｌを算出する。
［数１］
Ｌ＝Ｖ×ｔ／２＝３０００ｍ×１１０×１０−６÷２＝０．１６５ｍ
ここで、Ｖ：横波のＳＨ波２３Ａの伝播速度
ｔ：超音波(横波のＳＨ波２３Ａ)の励起から反射波検出までの時間差
【００３７】
上記計算によれば、弁棒１６の側面３６において、横波ＥＭＡＴ探触子２３から０．１６５ｍ、つまり１６．５ｃｍの距離（位置）に欠陥４１が存在することが分かる。横波のＳＨ波２３Ａは、一般的に、縦波２５Ａで発生する弁体１５内部でのバックエコー(図６参照)が少ないことから、欠陥４１の位置を高Ｓ/Ｎ比で特定することができる。
【００３８】
ここで、弁棒１６と弁体１５の接続部４８と横波ＥＭＡＴ探触子２３との距離、弁体１５の先端面４９と横波ＥＭＡＴ探触子２３との距離がそれぞれ既知であることから、図５において、弁棒１６と弁体１５の接続部４８からの反射波、弁体１５の先端面４９の内部を迂回した反射波は、共に、欠陥４１からの反射波と区別して認識される。
【００３９】
図６は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にて検出され処理部３５のデータ処理システム３４へ出力される超音波（縦波２５Ａ）の反射波を表す電位差を、前記縦波ＥＭＡＴ探触子２５が超音波を励起した時点を基準とする時間軸を用いて示すグラフである。縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、例えば弁棒１６の頂面４２に超音波（縦波２５Ａ）を励起してから、８０μ秒後に欠陥４１からの反射波を、１３０μ秒後に弁棒１６と弁体１５の接続部からの反射波を、１４０〜１８０μ秒後に弁体１５の先端面４９にて反射した反射波を、それぞれ検出している。
【００４０】
直径数１０ｍｍの弁棒１６の内部及び側面３６を伝播する縦波２５Ａが５０００ｍ／秒の伝播速度であることから、処理部３５のデータ処理システム３４は下記計算により、縦波ＥＭＡＴ探触子２５から欠陥４１までの距離Ｌを算出する。
［数２］
Ｌ＝Ｖ×ｔ／２＝５０００ｍ×８０×１０−６÷２＝０．２００ｍ
ここで、Ｖ：縦波２５Ａの伝播速度
ｔ：超音波(縦波２５Ａ)の励起から反射波検出までの時間差
【００４１】
上記計算によれば、弁棒１６の側面３６において、縦波ＥＭＡＴ探触子２５から０．２００ｍ、つまり２０．０ｃｍの距離(位置)に欠陥４１があることが分かる。この欠陥位置は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５と横波ＥＭＡＴ探触子２３の設置位置の若干の違いを考慮すると、上述の横波のＳＨ波２３Ａによる欠陥４１の計測位置と略一致する。
【００４２】
縦波２５Ａは、一般的に、弁体１５の内部でのバックエコーが強く数回反射することから、このバックエコーの処理が煩雑になるが、欠陥４１の面積（長さ×深さ）が、欠陥４１からの反射波の電位差（パルス高さ）に比例することから、処理部３５のデータ処理システム３４は、特に縦波２５Ａの反射波を用いて、欠陥４１の位置と面積を特定することができる。
【００４３】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
【００４４】
（１）電動弁１０における弁棒１６の表面、つまり弁棒１６の側面３６、頂面４２に横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５をそれぞれ設置し、この弁棒１６に生じた折損に至る欠陥４１を、前記横波ＥＭＡＴ探触子２３及び縦波ＥＭＡＴ探触子２５を用いて直接検出するので、弁棒１６の折損前に、前記欠陥４１を迅速かつ有効に検出できる。
【００４５】
（２）電動弁１０を分解することなく、弁棒１６の側面３６の外部露出部２２に横波ＥＭＡＴ探触子２３を、また、弁棒１６の外部に露出する頂面４２に縦波ＥＭＡＴ探触子２５をそれぞれ設置して、この弁棒１６に生じた欠陥４１を検出するので、電動弁１０を分解する必要がない。このため、電動弁１０の分解及び組立工程を削除できると共に、これらの分解または組立時に不具合が発生する事態を未然に回避できる。
【００４６】
（３）圧電素子を具備する従来の接触式超音波探触子を用いて電動弁１０の弁棒１６における欠陥４１を検出する場合には、弁棒１６の直径に対応する探触子や接着治具（例えばシュー）を、異なる直径の弁棒１６毎に用意しなければならず、更に、超音波の伝播性を向上させるための接触媒体（例えばグリースなどの液体）を用意しなければならない。
【００４７】
これに対し、本実施の形態では、永久磁石３８、４４と高周波コイル４０、４６を具備し、電磁力により弁棒１６の表面に超音波を非接触で励起させ、また弁棒１６に生じた欠陥４１からの反射波を弁棒１６に対して非接触で検出する電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５）を用いて、前記欠陥４１を検出している。このため、前記接触媒体が不要となり、弁棒１６の直径に応じた電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５）や接着治具を複数用意する必要もない。更に、弁棒１６の表面にねじ４７が加工されている場合にも、弁棒１６の表面形状に影響されることなく、電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５）にて超音波を励起し、反射波を検出することができる。
【００４８】
（４）横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にて弁棒１６の表面に励起される超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）の周波数は、弁棒１６の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるときに、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の値に設定される。このため、この超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）は、波長が弁棒１６の直径と同等または数分の一程度となるので、この直径の弁棒１６に対してガイド波となり、波長減衰が少なく弁棒１６及び弁体１５の略全長に亘って伝播する良好な伝播性を有する。更に、この周波数範囲の超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）は、長さ寸法が数百μｍ以上の欠陥４１から反射波を生じさせ、弁棒１６の側面３６に加工された数ｍｍピッチのねじ４７からは反射波を抑制できるので、高Ｓ/Ｎ比を実現できる。
【００４９】
以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述の実施の形態では、先端に弁体１５が接続された構造の弁棒１６に対して、横波ＥＭＡＴ探触子２３を備えた弁棒診断装置２４、縦波ＥＭＡＴ探触子２５を備えた弁棒診断装置２６を適用した場合を述べたが、弁棒１６と弁体１５が鍛造により一体成形され、弁棒１６が弁体１５に向かって徐々に扁平し、弁体１５が例えば楕円形状を有するものに対しても、前記弁棒診断装置２４、２６を適用できる。特に、弁棒診断装置２４の横波ＥＭＡＴ探触子２３を弁棒１６の側面３６に設置して、この側面３６に超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）を励起させる場合には、この横波のＳＨ波２３Ａが弁棒１６から弁体１５へ伝播することで、弁棒１６及び弁体１５の表面に生じた欠陥４１を確実に検出することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 電動弁（弁装置）
１５ 弁体
１６ 弁棒
２３ 横波ＥＭＡＴ探触子（横波電磁超音波探触子）
２３Ａ 横波のＳＨ波
２４ 弁棒診断装置
２５ 縦波ＥＭＡＴ探触子（縦波電磁超音波探触子）
２５Ａ 縦波
２６ 弁棒診断装置
２９ 高周波電源
３０ 電位差計
３５ 処理部
３６ 側面（表面）
３８ 永久磁石
４０ 高周波コイル
４１ 欠陥
４２ 頂面（表面）
４４ 永久磁石
４６ 高周波コイル
４７ ねじ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁力により弁棒に超音波を励起して、この弁棒に生じた欠陥を検出する電磁超音波探触子を備えた弁装置の弁棒診断装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力及び火力発電プラント等の配管に設置される電動弁や空気作動弁等の弁装置における弁棒の超音波診断は、弁装置を分解することなく実施できることから、弁棒折損によるプラントの計画外停止を事前に回避し、弁棒による故障を予防してプラント稼動率を改善することができる。特に、プラントの計画外停止及びプラント再起動に多くの時間と費用を要する原子力発電プラントでは、大きな経済的効果を奏する。
【０００３】
また近年、発電設備やエネルギー伝送ライン等の社会インフラの経年劣化が大きな問題になっている。劣化による損傷が一旦発生すると、経済的・社会的損失が大きく、特に１９６０年代から１９７０年代の高度成長期に建設されたプラントの主要部品の多くは、４０年近い劣化と損傷が進んでいることが想定される。このことから、近年圧電セラミックを用いた接触式超音波探触子による欠陥診断が各種プラントで広く適用されており、この欠陥診断は、経年プラントの稼働率向上を目指すプラント運用の要になりつつある。
【０００４】
超音波診断の特徴は、検査対象物に接触する圧電セラミックもしくは高分子の圧電素子により超音波を励起して伝播し、欠陥部分からの反射波を接触式超音波探触子により受信して検出し、欠陥の有無を診断する。しかし、現場においては、超音波の伝播に必要な種々の形状や寸法の探触子や、この接触子を接着させるための接着治具が必要であり、更に超音波伝播のＳ/Ｎ比を確保するためのカプラント（接触媒体）が必要になるため、これらの選定に多くの工数と時間を要し、このためコストが上昇して、プラントの運用面から改善が求められている。
【０００５】
ところで、運転中のプラントにおける電動弁等の弁装置を診断することにより、プラントの計画外停止を予防し稼働率を改善する技術が特許文献１及び２に記載されており、産業界では一部実施されているものがある。これら両特許は、電動弁駆動時のモータの駆動トルクや駆動電流・電圧を検出して、弁駆動の健全性から弁装置を診断するもの等である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５０２８２４号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、特許文献１及び２に記載の診断技術は、弁棒駆動系の劣化は検出できても、弁棒折損事象を直接検出するものではないため、初期に発生したき裂等の欠陥が運転期間中に序々に進展して疲労折損に至る弁棒の故障を、弁棒折損前に有効に検出することは不可能である。
【０００８】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、弁装置の弁棒に生じた折損に至る欠陥を、折損前に迅速且つ有効に検出できる弁装置の弁棒診断装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る弁装置の弁棒診断装置は、先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に設置され、電磁力により超音波を前記弁棒に励起して伝播させると共に、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出可能な電磁超音波探触子と、この電磁超音波探触子に超音波を励起させるための高周波電流を供給する高周波電源と、前記電磁超音波探触子を構成する高周波コイルに生じた電位差に基づき、前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算処理する処理部と、を有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明に係る弁装置の弁棒診断方法は、先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に電磁超音波探触子を設置して、電磁力により前記弁棒に超音波を励起させて伝播させ、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出し、前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、弁装置の弁棒に生じた折損に至る欠陥を、電磁超音波探触子を用いて検出するので、弁棒の折損前に、この欠陥を迅速且つ有効に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る弁装置の弁棒診断装置における一実施の形態が適用される弁装置としての電動弁を、横波電磁超音波探触子及び縦波電磁超音波探触子と共に示す斜視図。
【図２】図１の横波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置を示す構成斜視図。
【図３】図１の縦波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置を示す構成斜視図。
【図４】図２及び図３の弁棒診断装置の構成を更に詳細に示す模式図。
【図５】図２の横波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置にて検出された反射波を表す電位差を示すグラフ。
【図６】図３の縦波電磁超音波探触子を用いた弁棒診断装置にて検出された反射波を表す電位差を示すグラフ。
【図７】図２の弁棒診断装置が、弁体と一体化された弁棒に適用された場合の一部を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る弁装置の弁棒診断装置における一実施の形態が適用される弁装置としての電動弁を、横波電磁超音波探触子及び縦波電磁超音波探触子と共に示す斜視図である。この図１に示す弁装置としての電動弁１０は、弁体収納部１１、弁体駆動部１２、駆動量制御機構部１３及びヨーク１４を有して構成される。
【００１５】
弁体収納部１１は、図示しない配管に接続される。この弁体収納部１１には、弁棒１６の先端に設けられた弁体１５が、弁体収納部１１の流路を開閉し得るように収納されている。また、弁体駆動部１２は、モータ１７の回転駆動力をギア部１８により減速して弁棒１６へ伝達し、この弁棒１６を軸方向に昇降駆動して弁体１５に開閉動作を行なわせ、弁体収納部１１内を流れる流体の流量を制御する。
【００１６】
駆動量制御機構部１３は、リミットスイッチ１９及びトルクスイッチ２０を備える。リミットスイッチ１９は、弁棒１６の回転量からこの弁棒１６の昇降駆動量（軸方向ストローク）を検出して、弁体１５の開度を検知する。トルクスイッチ２０は、ギア部１８の図示しないウォームギアに作用するトルクを検出して、弁体１５の全開位置または全閉位置を検知する。このようにしてリミットスイッチ１９及びトルクスイッチ２０が弁体１５の位置を検知することで、駆動量制御機構部１３は、弁棒１６の昇降駆動量を制御して、弁体１５の開閉動作を制御する。
【００１７】
ヨーク１４は、弁体収納部１１と弁体駆動部１２とを連結するものである。このヨーク１４には開口２１が形成され、これにより弁棒１６の一部が外部に露出して、弁棒１６に外部露出部２２が生ずる。
【００１８】
弁棒１６には、前記の如く、モータ１７の回転駆動力が、ギア部１８により減速され増大して繰り返し作用することから、この弁棒１６に疲労欠陥が発生し、最終的にき裂が進展して弁棒１６が折損する事態を引き起こす場合がある。本実施の形態の弁棒診断装置は、この弁棒１６に生じた欠陥を、弁棒１６の折損前に迅速かつ有効に検出するものであり、横波電磁超音波探触子（以下、横波ＥＭＡＴ探触子と称する）２３を用いた弁棒診断装置２４（図２）と、縦波電磁超音波探触子（以下、縦波ＥＭＡＴ探触子と称する）２５を用いた弁棒診断装置２６（図３）とを有する。
【００１９】
弁棒診断装置２４は、図２及び図４に示すように、横波マット探触子２３のほかに、高周波発生部２７及び送信アンプ２８を備えた高周波電源２９と、電位差計３０と、バンドパスフィルタ３１、プリアンプ３２、ＡＤ変換器３３及びデータ処理システム３４を備えた処理部３５と、を有して構成される。また、前記弁棒診断装置２６は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５のほか、弁棒診断装置２４と同様に、高周波電源２９、電位差計３０及び処理部３５を有して構成される。
【００２０】
横波ＥＭＡＴ探触子２３は、図２に示すように、弁棒１６の表面である側面３６の外部露出部２２に設置され、この側面３６に垂直な方向の定常磁場３７を生じさせる永久磁石３８と、この永久磁石３８の外周に巻き付けられ、高周波電源２９から供給されるパルス変調された高周波電流によって、弁棒１６の側面３６に定常磁場３７に直交し高周波振動する渦電流３９を発生する高周波コイル４０と、を有してなる。
【００２１】
尚、弁棒１６がクロム系鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の場合には、横波ＥＭＡＴ探触子２３は、永久磁石３８の磁力によって弁棒１６の側面３６に磁着される。それ以外の場合には、横波ＥＭＡＴ探触子２３は、図示しない取付バンドや、柔軟で形状追従性に富む接着治具（例えばソフトシュー）を用いて弁棒１６の側面３６に取り付けられる。
【００２２】
定常磁場３７と渦電流３９とが直交するため、これらによって弁棒１６の側面３６に、周期的に振動する電磁力（ローレンツ力）が発生し、この電磁力により弁棒１６の側面３６にパルス状の超音波である横波のＳＨ波２３Ａが励起され、このＳＨ波２３Ａが弁棒１６の軸方向に伝播する。ここで、ＳＨ波２３Ａは、横波のうち弁棒１６の表面に沿って水平方向に振動する波である。
【００２３】
このパルス状の横波のＳＨ波１３Ａは、弁棒１６に生じた欠陥４１により反射してパルス状の反射波になり、伝播ルートを戻る。この反射波は、横波ＥＭＡＴ探触子２３の永久磁石３８及び高周波コイル４０を振動させ、電磁誘導の作用で高周波コイル４０に電位差を発生させることで検出される。この電位差が電位差計３０により計測される。前記欠陥４１は、通常弁棒１６の半径方向に延び、その長さ寸法は数百μｍ以上である。
【００２４】
縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、図３に示すように、弁棒１６の表面である頂面４２に設置され、この頂面４２に平行な定常磁場４３を生じさせる一対の永久磁石４４と、これら一対の永久磁石４４間に配置されて、高周波電源２９から供給されるパルス変調された高周波電流によって、弁棒１６の頂面４２に、定常磁場４３に直交し高周波振動する渦電流４５を発生する高周波コイル４６と、を有してなる。
【００２５】
尚、この縦波ＥＭＡＴ探触子２５も、弁棒１６がクロム系鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の場合に、永久磁石４４の磁力により弁棒１６の頂面４２に磁着される。それ以外の場合には、縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、図示しない取付バンドや、柔軟で形状追従性に富む接着治具（例えばソフトシュー）を用いて弁棒１６の頂面４２に取り付けられる。
【００２６】
定常磁場４３と渦電流４５とが直交するため、これらによって弁棒４６の頂面４２に、周期的に振動する電磁力（ローレンツ力）が発生し、この電磁力により弁棒１６の頂面４２にパルス状の超音波である縦波２５Ａが励起される。この縦波２５Ａは、弁棒１６の頂面４２から、弁棒１６の内部及び側面３６を、弁棒１６の軸方向に伝播する。このパルス状の縦波２５Ａは、弁棒１６に生じた欠陥４１により反射してパルス状の反射波となり、伝播ルートを戻る。この反射波は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の永久磁石４４及び高周波コイル４６を振動させ、電磁誘導の作用で高周波コイル４６に電位差を発生させることで検出され、この電位差が電位差計３０により計測される。
【００２７】
本実施の形態では横波ＥＭＡＴ探触子２３及び縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、超音波を励起する機能と、反射波を検出する機能とを備えたものを述べたが、超音波励起用の横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５と、反射波検出用の横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５とを別々に設けてもよい。
【００２８】
前記高周波電源２９は、図２、図３及び図４に示すように、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にパルス状の超音波を励起させるために、これらの横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にパルス変調された高周波電流を供給するものである。具体的には、高周波発生部２７からパルス変調された高周波電流を出力し、この高周波電流を送信アンプ２８にて増幅して横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６へ供給する。この高周波電流により、横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０が弁棒１６の側面３６に、また、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６が弁棒１６の頂面４２に、それぞれ高周波振動する渦電流を発生させる。
【００２９】
前記処理部３５は、横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６に生じた電位差に基づき、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５がそれぞれパルス状の超音波（横波ＥＭＡＴ探触子２３の場合には横波のＳＨ波２３Ａ、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の場合には縦波２５Ａ）を励起してからパルス状の反射波を検出するまでの時間差を用いて、弁棒１６における欠陥４１の状態（位置及び面積（長さ×深さ））を演算処理して特定する。
【００３０】
つまり、電位差計３０から出力される電位差のノイズ成分をバンドパスフィルタ３１にて除去し、プリアンプ３２にて電位を増幅し、ＡＤ変換器３３にて電位差をデジタル信号に変換する。データ処理システム３４は、ＡＤ変換器３３からの電位差信号に基づき、横波ＥＭＡＴ探触子２３によりパルス状の横波のＳＨ波２３Ａが励起されてから反射波が検出されるまでの時間差を用いて、また、縦波ＥＭＡＴ探触子２５によりパルス状の縦波２５Ａが励起されてからその反射波が検出されるまでの時間差を用いて、欠陥４１の位置を演算し特定する。更にデータ処理システム３４は、反射波（特に縦波２５Ａの反射波）の電位差が欠陥４１の面積に比例することから、反射波（特に縦波２５Ａの反射波）の電位差から欠陥４１の面積（長さ×深さ）を演算し特定する。
【００３１】
ところで、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５が弁棒１６に励起する超音波の周波数、波長は、高周波電源２９から横波ＥＭＡＴ探触子２３の高周波コイル４０、縦波ＥＭＡＴ探触子２５の高周波コイル４６へ供給される高周波電流の周波数、波長にそれぞれ依存する。
【００３２】
そこで、高周波電源２９は、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５へ供給して超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）を励起させる高周波電流の波長を、弁棒１６の直径寸法（例えば１０ｍｍ〜１００ｍｍ）と同等またはその数分の一程度として、弁棒１６に励起される超音波が、弁棒１６に対して波長減衰が少なく伝播性の良好なガイド波として挙動するようにする。
【００３３】
更に、高周波電源２９は、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５へ供給して超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）を励起させる高周波電流の波長を、弁棒１６に生じた長さ寸法が数百μｍ以上の欠陥４１からは超音波を反射させるが、弁棒１６の側面３６に数ｍｍピッチで加工されているねじ４７からは超音波の反射を抑制する値とする。
【００３４】
具体的には、高周波電源２９は、横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５へ供給して超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）を励起させる高周波電流の周波数を、弁棒１６の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるときに、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の値とする。この周波数範囲の高周波電流により弁棒１６に励起される超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）は、上記直径の弁棒１６に対してガイド波として挙動し、波長減衰が少なく弁棒１６及び弁体１５の略全長に亘って伝播する良好な伝播性を有すると共に、長さ寸法が数百μｍ以上の欠陥４１から反射波を生じさせ、弁棒１６の側面３６に加工された数ｍｍピッチのねじ４７からは反射波を抑制して、高Ｓ/Ｎ比を実現する。
【００３５】
図５は、横波ＥＭＡＴ探触子２３にて検出され処理部３５のデータ処理システム３４へ出力される超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）の反射波を表す電位差を、前記横波ＥＭＡＴ探触子２３が超音波を励起した時点を基準とする時間軸を用いて示すグラフである。横波ＥＭＡＴ探触子２３は、例えば弁棒１６の側面３６に超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）を励起してから、１１０μ秒後に欠陥４１からの反射波を、２１０μ秒後に弁棒１６と弁体１５の接続部４８からの反射波を、２２０〜２４０μ秒後に弁体１３の先端面４９の内部を迂回してきた反射波を、それぞれ検出している。
【００３６】
直径数１０ｍｍの弁棒１６の側面３６を伝播する横波のＳＨ波２３Ａが３０００ｍ／秒の伝播速度であることから、処理部３５のデータ処理システム３４は下記計算により、横波ＥＭＡＴ探触子２３から欠陥４１までの距離Ｌを算出する。
［数１］
Ｌ＝Ｖ×ｔ／２＝３０００ｍ×１１０×１０−６÷２＝０．１６５ｍ
ここで、Ｖ：横波のＳＨ波２３Ａの伝播速度
ｔ：超音波(横波のＳＨ波２３Ａ)の励起から反射波検出までの時間差
【００３７】
上記計算によれば、弁棒１６の側面３６において、横波ＥＭＡＴ探触子２３から０．１６５ｍ、つまり１６．５ｃｍの距離（位置）に欠陥４１が存在することが分かる。横波のＳＨ波２３Ａは、一般的に、縦波２５Ａで発生する弁体１５内部でのバックエコー(図６参照)が少ないことから、欠陥４１の位置を高Ｓ/Ｎ比で特定することができる。
【００３８】
ここで、弁棒１６と弁体１５の接続部４８と横波ＥＭＡＴ探触子２３との距離、弁体１５の先端面４９と横波ＥＭＡＴ探触子２３との距離がそれぞれ既知であることから、図５において、弁棒１６と弁体１５の接続部４８からの反射波、弁体１５の先端面４９の内部を迂回した反射波は、共に、欠陥４１からの反射波と区別して認識される。
【００３９】
図６は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にて検出され処理部３５のデータ処理システム３４へ出力される超音波（縦波２５Ａ）の反射波を表す電位差を、前記縦波ＥＭＡＴ探触子２５が超音波を励起した時点を基準とする時間軸を用いて示すグラフである。縦波ＥＭＡＴ探触子２５は、例えば弁棒１６の頂面４２に超音波（縦波２５Ａ）を励起してから、８０μ秒後に欠陥４１からの反射波を、１３０μ秒後に弁棒１６と弁体１５の接続部からの反射波を、１４０〜１８０μ秒後に弁体１５の先端面４９にて反射した反射波を、それぞれ検出している。
【００４０】
直径数１０ｍｍの弁棒１６の内部及び側面３６を伝播する縦波２５Ａが５０００ｍ／秒の伝播速度であることから、処理部３５のデータ処理システム３４は下記計算により、縦波ＥＭＡＴ探触子２５から欠陥４１までの距離Ｌを算出する。
［数２］
Ｌ＝Ｖ×ｔ／２＝５０００ｍ×８０×１０−６÷２＝０．２００ｍ
ここで、Ｖ：縦波２５Ａの伝播速度
ｔ：超音波(縦波２５Ａ)の励起から反射波検出までの時間差
【００４１】
上記計算によれば、弁棒１６の側面３６において、縦波ＥＭＡＴ探触子２５から０．２００ｍ、つまり２０．０ｃｍの距離(位置)に欠陥４１があることが分かる。この欠陥位置は、縦波ＥＭＡＴ探触子２５と横波ＥＭＡＴ探触子２３の設置位置の若干の違いを考慮すると、上述の横波のＳＨ波２３Ａによる欠陥４１の計測位置と略一致する。
【００４２】
縦波２５Ａは、一般的に、弁体１５の内部でのバックエコーが強く数回反射することから、このバックエコーの処理が煩雑になるが、欠陥４１の面積（長さ×深さ）が、欠陥４１からの反射波の電位差（パルス高さ）に比例することから、処理部３５のデータ処理システム３４は、特に縦波２５Ａの反射波を用いて、欠陥４１の位置と面積を特定することができる。
【００４３】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
【００４４】
（１）電動弁１０における弁棒１６の表面、つまり弁棒１６の側面３６、頂面４２に横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５をそれぞれ設置し、この弁棒１６に生じた折損に至る欠陥４１を、前記横波ＥＭＡＴ探触子２３及び縦波ＥＭＡＴ探触子２５を用いて直接検出するので、弁棒１６の折損前に、前記欠陥４１を迅速かつ有効に検出できる。
【００４５】
（２）電動弁１０を分解することなく、弁棒１６の側面３６の外部露出部２２に横波ＥＭＡＴ探触子２３を、また、弁棒１６の外部に露出する頂面４２に縦波ＥＭＡＴ探触子２５をそれぞれ設置して、この弁棒１６に生じた欠陥４１を検出するので、電動弁１０を分解する必要がない。このため、電動弁１０の分解及び組立工程を削除できると共に、これらの分解または組立時に不具合が発生する事態を未然に回避できる。
【００４６】
（３）圧電素子を具備する従来の接触式超音波探触子を用いて電動弁１０の弁棒１６における欠陥４１を検出する場合には、弁棒１６の直径に対応する探触子や接着治具（例えばシュー）を、異なる直径の弁棒１６毎に用意しなければならず、更に、超音波の伝播性を向上させるための接触媒体（例えばグリースなどの液体）を用意しなければならない。
【００４７】
これに対し、本実施の形態では、永久磁石３８、４４と高周波コイル４０、４６を具備し、電磁力により弁棒１６の表面に超音波を非接触で励起させ、また弁棒１６に生じた欠陥４１からの反射波を弁棒１６に対して非接触で検出する電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５）を用いて、前記欠陥４１を検出している。このため、前記接触媒体が不要となり、弁棒１６の直径に応じた電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５）や接着治具を複数用意する必要もない。更に、弁棒１６の表面にねじ４７が加工されている場合にも、弁棒１６の表面形状に影響されることなく、電磁超音波探触子（横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５）にて超音波を励起し、反射波を検出することができる。
【００４８】
（４）横波ＥＭＡＴ探触子２３、縦波ＥＭＡＴ探触子２５にて弁棒１６の表面に励起される超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）の周波数は、弁棒１６の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるときに、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の値に設定される。このため、この超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）は、波長が弁棒１６の直径と同等または数分の一程度となるので、この直径の弁棒１６に対してガイド波となり、波長減衰が少なく弁棒１６及び弁体１５の略全長に亘って伝播する良好な伝播性を有する。更に、この周波数範囲の超音波（横波のＳＨ波２３Ａ、縦波２５Ａ）は、長さ寸法が数百μｍ以上の欠陥４１から反射波を生じさせ、弁棒１６の側面３６に加工された数ｍｍピッチのねじ４７からは反射波を抑制できるので、高Ｓ/Ｎ比を実現できる。
【００４９】
以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述の実施の形態では、先端に弁体１５が接続された構造の弁棒１６に対して、横波ＥＭＡＴ探触子２３を備えた弁棒診断装置２４、縦波ＥＭＡＴ探触子２５を備えた弁棒診断装置２６を適用した場合を述べたが、弁棒１６と弁体１５が鍛造により一体成形され、弁棒１６が弁体１５に向かって徐々に扁平し、弁体１５が例えば楕円形状を有するものに対しても、前記弁棒診断装置２４、２６を適用できる。特に、弁棒診断装置２４の横波ＥＭＡＴ探触子２３を弁棒１６の側面３６に設置して、この側面３６に超音波（横波のＳＨ波２３Ａ）を励起させる場合には、この横波のＳＨ波２３Ａが弁棒１６から弁体１５へ伝播することで、弁棒１６及び弁体１５の表面に生じた欠陥４１を確実に検出することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 電動弁（弁装置）
１５ 弁体
１６ 弁棒
２３ 横波ＥＭＡＴ探触子（横波電磁超音波探触子）
２３Ａ 横波のＳＨ波
２４ 弁棒診断装置
２５ 縦波ＥＭＡＴ探触子（縦波電磁超音波探触子）
２５Ａ 縦波
２６ 弁棒診断装置
２９ 高周波電源
３０ 電位差計
３５ 処理部
３６ 側面（表面）
３８ 永久磁石
４０ 高周波コイル
４１ 欠陥
４２ 頂面（表面）
４４ 永久磁石
４６ 高周波コイル
４７ ねじ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に設置され、電磁力により超音波を前記弁棒に励起して伝播させると共に、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出可能な電磁超音波探触子と、
この電磁超音波探触子に超音波を励起させるための高周波電流を供給する高周波電源と、
前記電磁超音波探触子を構成する高周波コイルに生じた電位差に基づき、前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算処理する処理部と、を有することを特徴とする弁装置の弁棒診断装置。
【請求項２】
前記電磁超音波探触子は、弁棒の側面に設置され、前記弁棒の表面を伝播する超音波としての横波のＳＨ波を励起し検出する横波電磁超音波探触子であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項３】
前記電磁超音波探触子は、弁棒の端面に設置され、前記弁棒の内部及び表面を伝播する超音波としての縦波を励起し検出する縦波電磁超音波探触子であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項４】
前記高周波電源が電磁超音波探触子へ供給して超音波を励磁させる高周波電流は、弁棒の直径寸法と同等または数分の一程度の波長の電流であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項５】
前記高周波電源が電磁超音波探触子へ供給して超音波を励磁させる高周波電流は、弁棒に生じた欠陥からは超音波を反射させるが、弁棒の表面に加工されたねじからは超音波の反射を抑制する波長の電流であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項６】
前記高周波電源が電磁超音波探触子へ供給して超音波を励磁させる高周波電流は、弁棒の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるとき、１００ＫＨｚ〜５００ＫＨｚの周波数の電流であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項７】
前記電磁超音波探触子は、この電磁超音波探触子を構成する永久磁石による磁力、取付バンド、または柔軟で形状追従性を有する接着治具を用いて、弁棒の表面に設置されることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項８】
先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に電磁超音波探触子を設置して、電磁力により前記弁棒に超音波を励起させて伝播させ、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出し、
前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算することを特徴とする弁装置の弁棒診断方法。
【請求項９】
前記電磁超音波探触子が励起する超音波の周波数は、弁棒の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるとき、１００ＫＨｚ〜５００ＫＨｚであることを特徴とする請求項８に記載の弁装置の弁棒診断方法。
【請求項１】
先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に設置され、電磁力により超音波を前記弁棒に励起して伝播させると共に、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出可能な電磁超音波探触子と、
この電磁超音波探触子に超音波を励起させるための高周波電流を供給する高周波電源と、
前記電磁超音波探触子を構成する高周波コイルに生じた電位差に基づき、前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算処理する処理部と、を有することを特徴とする弁装置の弁棒診断装置。
【請求項２】
前記電磁超音波探触子は、弁棒の側面に設置され、前記弁棒の表面を伝播する超音波としての横波のＳＨ波を励起し検出する横波電磁超音波探触子であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項３】
前記電磁超音波探触子は、弁棒の端面に設置され、前記弁棒の内部及び表面を伝播する超音波としての縦波を励起し検出する縦波電磁超音波探触子であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項４】
前記高周波電源が電磁超音波探触子へ供給して超音波を励磁させる高周波電流は、弁棒の直径寸法と同等または数分の一程度の波長の電流であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項５】
前記高周波電源が電磁超音波探触子へ供給して超音波を励磁させる高周波電流は、弁棒に生じた欠陥からは超音波を反射させるが、弁棒の表面に加工されたねじからは超音波の反射を抑制する波長の電流であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項６】
前記高周波電源が電磁超音波探触子へ供給して超音波を励磁させる高周波電流は、弁棒の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるとき、１００ＫＨｚ〜５００ＫＨｚの周波数の電流であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項７】
前記電磁超音波探触子は、この電磁超音波探触子を構成する永久磁石による磁力、取付バンド、または柔軟で形状追従性を有する接着治具を用いて、弁棒の表面に設置されることを特徴とする請求項１に記載の弁装置の弁棒診断装置。
【請求項８】
先端に弁体が設けられた弁棒を軸方向に駆動して、前記弁体に開閉動作を行わせる弁装置の前記弁棒の表面に電磁超音波探触子を設置して、電磁力により前記弁棒に超音波を励起させて伝播させ、前記弁棒に生じた欠陥から反射する超音波を反射波として検出し、
前記電磁超音波探触子が超音波を励起してから反射波を検出するまでの時間差を用いて、前記弁棒における前記欠陥の状態を演算することを特徴とする弁装置の弁棒診断方法。
【請求項９】
前記電磁超音波探触子が励起する超音波の周波数は、弁棒の直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍであるとき、１００ＫＨｚ〜５００ＫＨｚであることを特徴とする請求項８に記載の弁装置の弁棒診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２３７０３５（Ｐ２０１０−２３７０３５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８５２６２（Ｐ２００９−８５２６２）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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