水車構造物の三次元欠陥検査装置
【課題】水車におけるステーベン５の欠陥を高い精度で効率的に求める。
【解決手段】 先端部１９の三次元位置と向きとを読取る三次元デジタイザ７の先端部１９に距離計８を取付けて、先端部をステーベン５に対する倣い操作を行なうことによって、ステーベンの三次元形状を測定する。次に、三次元デジタイザの先端部に超音波探触子９を取付けて、ステーベンの表面の各位置へ超音波探触子を順次当接していくことによって、ステーベンに対して超音波パルスを送信してエコーを受信する。そして、超音波探触子のステーベンにおける各当接位置、エコー受信情報、及び測定した三次元形状に基づいてステーベンにおける欠陥の３次元位置と欠陥規模とを算出する。算出した三次元欠陥を三次元グラフィック表示する。
【解決手段】 先端部１９の三次元位置と向きとを読取る三次元デジタイザ７の先端部１９に距離計８を取付けて、先端部をステーベン５に対する倣い操作を行なうことによって、ステーベンの三次元形状を測定する。次に、三次元デジタイザの先端部に超音波探触子９を取付けて、ステーベンの表面の各位置へ超音波探触子を順次当接していくことによって、ステーベンに対して超音波パルスを送信してエコーを受信する。そして、超音波探触子のステーベンにおける各当接位置、エコー受信情報、及び測定した三次元形状に基づいてステーベンにおける欠陥の３次元位置と欠陥規模とを算出する。算出した三次元欠陥を三次元グラフィック表示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電所における発電機を回転駆動する水車の水車構造の三次欠陥を検査する三次元欠陥検査装置に係わり、特に水車ケーシング内に設けられたステーベンの欠陥を三次元的に検出する水車構造物の三次元欠陥検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、日本国内で稼働している水力発電所に設置された発電機の製造時期は明治時代から平成時代まで様々な時期に及ぶ。したがって、この発電機を回転駆動する水車の製造時期も様々な時期に及ぶ。
【０００３】
図２は、発電機に取付けられた水車の断面模式図である。図示しない発電機の軸１に複数の羽根からなるランナ２が取付けられており、このランナ２を囲むようにトロイダル型の水車ケーシング３が設けられている。水車ケーシング３には、水圧鉄管４が接続されている。水車ケーシング３の内面には、複数のステーベン５が円周上に亘って一体形成されている。水圧鉄管４から水車ケーシング３内に供給された高圧の水６は、各ステーベン５によって、効率的にランナ２に供給され、ランナ２が回転して発電機の軸１が回転し、発電機が交流電力を発電する。
【０００４】
このような水車において、水車ケーシング３内部のステーベン５は運転中の水圧等の応力を受け持つ強度上重要な部材である。水車ケーシング３内部にあるステーベン５に欠陥が発生し、この欠陥が進展した場合、ステーベン５の破壊に至り、重大事故の懸念が生じる。
【０００５】
このため、ステーベン５における内部欠陥、表面欠陥、及び開口欠陥の各状況を把握し、ステーベンの形状と検出した欠陥位置の断面図を作成し、断面図から最も欠陥が発生している断面を特定し、この断面位置をモデル化して破壊予測計算を行うことは水車に対する保守点検上必要なことである。また、最も応力が集中しやすいステーベン５の水車ケーシング３に対する接続部分における内部欠陥の発生状況を把握しておくことも重要な事である。
【０００６】
しかしながら、ステーベン５が形成された水車の水車ケーシング３は、一般的に、発電所の建屋のコンクリートに埋設され、移動が不可能な大型構造物である。水車ケーシング３の大きさも発電機出力、水の落差、発電機の回転数によって様々な大きさがある。一般的に、検査対象であるステーベン５は水車ケーシング３に対して一体形成されており、ステーベン５の欠陥検査を行うためには水車ケーシング３の内部に入る必要がある。
【０００７】
ここで、検査作業員が水車ケーシング３内に出入りするためのマンホールの大きさが問題となる。このマンホールの大きさは、例えば、直径５００ｍｍ〜８００ｍｍであるので、ステーベン５の欠陥検査を行うための大型検査機器を水車ケーシング３の内部に持込めない。そのため、従来は超音波探傷器、磁気探傷器、き裂深さ計を個別に水車ケーシング３内へ持ち込んで、それぞれ個別に欠陥検査を実施して後からこれらを合成していた。
【０００８】
また、ステーベン５、及び水車ケーシング３は複雑な形状をしている大型鋳造品であること、及び、表面に凹凸や、長年の運転による腐食が発生しているため重量のある検査機器を検査対象であるステーベン５及び水車ケーシング３の内面に対してマグネット等で固定できない。
【０００９】
また、検査対象の機器に孔を空けて検査機器を固定することも、ステーベン５の強度低下や水車ケーシング３外への漏水原因となるので、不可能である。
【００１０】
ステーベン５は複雑な三次元形状をしており、水車ケーシング３又はスピードリングに対して一体形成製品であるため平板のような形状は存在しない。したがって、ステーベン５の表面の各部に対して手作業で超音波探触子を順次押し当てていき、ステーベン５の表面から垂直方向又は斜め方向に超音波パルスを送信する超音波探傷を行った場合には、送信した超音波パルスに対するエコーが帰って来た場合、このエコーが反対面からの反射エコーであるのか、欠陥で反射された欠陥エコーであるのかの区別がつかない。さらに、この欠陥エコーのみでは、欠陥の位置を簡単に特定することは、きわめて困難である。
【００１１】
なお、複雑な形状を有した被測定体に対する超音波探傷を行う「超音波探傷装置」が特許文献１に提唱されている。この超音波探傷装置においては、三次元スキャナの先端に距離センサを取付け、さらに、この先端に垂直面内及び水平面内移動可能なホルダを取付け、このホルダに超音波探触子を取付けている。
【００１２】
そして、水槽内に被測定体を入れて、三次元スキャナの先端の距離センサを水槽の上方の水平面内で走査（スキャン）させることによって、被測定体の立体形状を得る。次に、超音波探触子を被測定体から一定間隔を確保した状態で被測定体上を走査（スキャン）することにより、被測定体の内部欠陥を測定する。
【００１３】
また、特許文献２の「軸に焼き嵌められた未知の輪郭を有する円盤の超音波探傷検査方法及び装置」においては、タービン羽根車の検査を実施する場合に、軸に焼き嵌められた円盤の両側面に、側面までの距離を計測する距離計と超音波探傷検査ヘッドを配設して、円盤を回転することにより、距離計で円盤の形状を測定して、超音波探傷検査ヘッドの円盤側面までの距離を一定に制御する。このようにして、円盤の超音波探傷を行う。
【特許文献１】特開昭６３―３０９８５２号公報
【特許文献１】特表平１１−５１２８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した複雑形状を有する被測定体に対する超音波探触子を用いた探傷手法においても、次のような課題があった。
【００１５】
特許文献１の手法においては、超音波探触子は被測定体に当接させているのではなくて、一定間隔を開けて対向しているので、超音波の減衰を防止するために被測定体を水槽に入れている。したがって、被測定体を本来組込まれている装置から取外して、水槽まで搬送する必要があるので、前述した、発電所の水車等の施設に例えばコンクリートで埋込固定されていたり、簡単に搬送できないくらい大きい被測定体には適用できない。
【００１６】
また、距離センサを被測定体の上方の水平面内で走査（スキャン）させる必要があるので、被測定体の全体形状が上方から俯瞰できることが必要であり、被測定体の形状に大きな制限がある。例えば、図２に示す多数のステーベン５が狭い間隔で水車ケーシング３に一体形成されている場合は、１つのステーベン５の形状を見渡せる位置は存在しない。
【００１７】
特許文献２の手法においては、タービンを回転させることによって円盤側面の探傷を実施している。したがって、例えばステーベンのような形状、旋回方向に一様でない形状、凹凸が大きく変動する形状、の被測定体には適用できない。
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型軽量化した三次元デジタイザの先端部に距離計や超音波探触子を取付けることにより、簡単な操作でもって、複雑な三次元構造を有する発電所における水車のステーベンに生じる三次元欠陥を高い精度で検出できる水車構造物の三次元欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明は、発電機の軸に取付けられたランナに水を導くための水車ケーシング内に設けられたステーベンの三次元欠陥を検査する水車構造物の三次元欠陥検査装置において、移動操作される先端部の三次元位置と向きとを読取る６軸制御の三次元デジタイザと、この三次元デジタイザの先端部に測定対象までの距離を非接触で測定する距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部の前記ステーベンに対する倣い操作に応じて、ステーベンの三次元形状を測定する三次元形状測定手段と、三次元デジタイザの先端部に超音波探触子が取付けられた状態において、ステーベンの表面の各位置への超音波探触子の当接操作に応じて、当該ステーベンに対して超音波パルスを送信してエコーを受信する探傷手段と、超音波探触子のステーベンにおける各当接位置、エコー受信情報、及び三次元形状測定手段で測定した三次元形状に基づいてステーベンにおける欠陥の３次元位置と欠陥規模とを算出する三次元欠陥算出手段と、この算出された三次元欠陥を三次元グラフィック表示する表示手段とを備えている。
【００２０】
このように構成された水車構造物の三次元欠陥検査装置においては、検査作業員が三次元デジタイザを持参して、発電所の床に設けられたマンホールから水車の水車ケーシング内に入る。三次元デジタイザの先端部に距離計を取付けてから、先端部を測定したい被測定体であるステーベンの表面を間隔を開けて倣っていけば、先端部の３次元位置、距離計の方向、及び被測定体の表面までの距離が特定されるので、被測定体の表面の測定対象点の三次元位置が定まる。よって、ステーベンの正確な三次元形状が求まる。
【００２１】
次に、三次元デジタイザの先端部に超音波探触子を取付けて、検査作業員がこの超音波探触子を被測定体であるステーベンの表面に当接した状態で、ステーベンの表面をなぞっていくと、ステーベンの三次元形状における超音波パルスの入射位置、近傍の断面形状が定まるので、受信したエコーと予め求めておいた入射角度に基づいて欠陥の有無、欠陥の三次元位置、規模が算出される。
【００２２】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置において、三次元デジタイザの先端部に測定針が取付けられた状態において、ステーベンの表面に磁紛探傷試験で検出された表層部欠陥に対する当接操作に応じて、この表層部欠陥の測定されたステーベンの三次元形状内における欠陥位置を算出する表層部欠陥算出手段を備えている。
【００２３】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置において、距離計はレーザ光線を用いたレーザ距離計であり、三次元デジタイザの先端部にレーザ距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部のステーベンに対する倣い操作に応じて、ステーベンの表面欠陥及び表面粗さを検出する。
【００２４】
このように構成された水車構造物の三次元欠陥検査装置においては、ステーベンの表面欠陥及び表面粗さをも検出可能である。
【００２５】
また、別の発明においては、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置における三次元デジタイザは、ベースに対して順番に互いに異なる直交座標軸回りに回転自在に連結された第１、第２、第３のアームと、第３のアームの自由端に取付けられた向き可変機構と、この向き可変機構に取付られた先端部と、先端部の三次元の方向を可変機構から得るともに、第１、第２、第３のアームの各直交軸回りの回転角を読取ることにより、先端部の三次元位置及び三次元方向を演算する演算処理部とを有する。
【００２６】
このように構成された三次元デジタイザにおいては、距離計、超音波探触子、測定針が取付けられる先端部は、この先端部の向きを三軸方向に可変する向き可変機構が組込まれているのみであるので、三次元デジタイザの全体の形状を小型化できる。
【００２７】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置の三次元デジタイザにおける向き可変機構及び第１、第２、第３の各アームは、先端部に対する移動操作における力でもって、向きを変えると共に、軸回りに回転する。このように、三次元デジタイザは検査作業員の手作業のみで動くので、モータ等の駆動機構を組み込んでないので、この三次元デジタイザを小型軽量に形成できる。
【００２８】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置において、超音波探触子として斜角探触子を採用している。このように斜角探触子を採用することにより、角部等の直接探触子を当接できない部分の欠陥を検出できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明においては、簡単で小型軽量の三次元デジタイザを用いることにより、簡単な操作でもって、複雑な三次元構造を有する発電所における水車のステーベンに生じる三次元欠陥を高い精度で検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
【００３１】
図１は本発明の一実施形態に係わる水車構造物の三次元欠陥検査装置の概略構成を示す模式図である。図２は欠陥検査対象の水車の概略構成を示す断面模式図である。
【００３２】
前述したように、図２において、発電機の軸１に複数の羽根からなるランナ２が取付けられており、このランナ２を囲むように水車ケーシング３が設けられている。水車ケーシング３には、水圧鉄管４が接続されている。水車ケーシング３の内面には、複数のステーベン５が円周上に亘って一体形成されている。水圧鉄管４から水車ケーシング３内に供給された高圧の水６は、各ステーベン５によって、効率的にランナ２に導かれ、ランナ２が回転して発電機の軸１が回転し、発電機が交流電力を発電する。
【００３３】
図１において、一台の６軸の三次元デジタイザ７の先端部１９に対して、距離計としてのレーザ距離計８、超音波探触子としての斜角探触子９、測定針１０が装着可能である。
【００３４】
図３（ａ）は、６軸の三次元デジタイザ７の概略構成図である。基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）のベースとなる基板１１に第１のアーム１２の一端が軸受（第１のロータリーエンコーダ）１３で、ｚ軸方向で、かつこのｚ軸回りに回転可能に取付けられている。この第１のアーム１２の他端に関節部（第２のロータリーエンコーダ）１４ａを介して第２のアーム１５の一端がｙ軸に平行する線の回りに回転可能に接続されている。
【００３５】
さらに、この第２のアーム１５の他端に関節部（第３のロータリーエンコーダ）１４ｂを介して第３のアーム１７の一端がｘ軸に平行する線の回りに回転可能に接続されている。そして、この第３のアーム１７の他端には、間接部（第４のロータリーエンコーダ）１６ａを介して向き可変機構１８が取付けられている。
【００３６】
向き可変機構１８において、第１の部材１８ａが第３のアーム１７の他端に前述したように間接部（第４のロータリーエンコーダ）１６ａを介してα軸回りに回転可能に取付けられ、第２の部材１８ｂが第１の部材１８ａに対して回転軸（第５のロータリーエンコーダ）１６ｂでもってβ軸回りに回転可能に取付けられ、さらに、先端部１９が向き可変機構１８の第２の部材１８ｂに対して回転軸（第６のロータリーエンコーダ）１６ｃでもってγ軸回りに回転可能に取付けられている。
【００３７】
α軸、β軸、γ軸は互いに直交しているので、先端部１９は、第３のアーム１７の他端に対して任意の三次元方向を向かわせることが可能である。第３のアーム１７の他端の基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）における位置は第１、第２、第３のアーム１２、１５、１７の回転角度を調整することによって任意に指定できる。
【００３８】
したがって、検査作業員は、先端部１９を手で操作して、任意の三次元位置、任意の三次元方向を向かわせることができる。例えば、図４に示すように、先端部１９を水車ケーシング３に一体形成されたステーベン５の表面に垂直方向に設定できる。なお、この三次元デジタイザ７の各回転可能部分１３、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃには、前述したように、回転角度位置を示す合計６台のロータリーエンコーダが組込まれている。
【００３９】
したがって、検査作業員が手で掴んで移動した先端部１９の、図３（ｂ）の基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の三次元位置Ｐと方向Ｄとを、位置読取装置２０にて算出する。なお、この三次元デジタイザ７は駆動モータが組み込まれておらず、検査作業員の手の力で各アーム１２、１５、１７、向き可変機構１８が移動する。
【００４０】
図５は三次元デジタイザ７の先端部１９にレーザ距離計８を装着して、水車ケーシング３に一体形成されたステーベン５の表面形状を測定する時の測定方法を示す模式図である。このレーザ距離計８は、図６に示すように、レーザ走査制御部２１の制御に基づいて、レーザ光２４を幅方向に０．０３ｍｍ間隔で１０００箇所から順番に幅３０ｍｍに亘って出力していく。すなわち、レーザ光２４を幅３０ｍｍに亘って走査するに要する走査時間は３０ｍｓである。
【００４１】
したがって、３０ｍｍ幅を有するレーザ距離計８からレーザ走査制御部２１に０．０３ｍｓ毎に測定対象のステーベン５の表面からの距離が入力される。すなわち、１走査毎に、１０００個の距離ｄ1〜ｄ1000が入力される。レーザ走査制御部２１は入力された１０００個の距離ｄ1〜ｄ1000をデータ処理装置２５へ送出する。走査期間においては、先端部１９の位置はレーザ距離計８の中心位置であるので、データ処理装置２５は、１０００個の距離ｄ1〜ｄ1000の入力に同期して、位置読込部２０から入力されるレーザ距離計８の中心位置のデータの左右データを各距離に割り付けていく。
【００４２】
検査作業員が先端部１９を手で持って、レーザ距離計８の幅方向と直交する矢印方向にステーベン５の表面から例えば、６５〜９５ｍｍ離して、表面にほぼ平行にレーザ距離計８を移動させる。例えば、２００ｍｍ〜６００ｍｍ移動させた後、レーザ距離計８を幅方向に２５ｍｍ〜２９ｍｍ矢印と直交する方向にシフトし、そのシフト位置で、再度矢印方向に移動させる。このようにして、ステーベン５の必要な表面をレーザ距離計８で走査していく。ステーベン５の表面側の走査が終了すると、ステーベン５の裏面側の走査を実行していく。
【００４３】
データ処理部２５は、位置読取部２０から得られた幅方向に修正された基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の各三次元位置と方向（レーザ光２４の方向）と、距離とに基づいて、ステーベン５の三次元形状を算出する。
【００４４】
図７に先端部１９の方向が基本座標系の座標軸方向と一致しない場合における距離ｄの算出方法を示す。この場合、レーザ距離計８はステーベン５の表面に平行しているとみなして距離算出を実施する。なお、ステーベン５の表面を複数に分割して、各分割した部分表面に対しては、先端部１９の方向を固定することによって距離算出の容易化を図ることができる。
【００４５】
図１において、三次元デジタイザ７の先端部１９にレーザ距離計８を取付け、レーザ走査制御部２１でステーベン５の全表面を走査（スキャン）すると、三次元形状解析部２６にて、位置読取部２０からの各位置、レーザ走査制御部２１からの各距離を用いてステーベン５の三次元形状を算出する。算出されたステーベン５の三次元形状は、三次元形状記憶部２７に書込まれる。
【００４６】
表面欠陥検出部２８は、三次元形状記憶部２７に書込まれているステーベン５の表面における表面疵や表面粗さや等の表面欠陥を検出し、その位置と共に、表面欠陥記憶部２９に書込む。したがって、三次元形状解析部２６、三次元形状記憶部２７，表面欠陥検出部２８、表面欠陥記憶部２９は、図５のデータ処理部２５を形成する。
【００４７】
次に、三次元デジタイザ７の先端部１９に超音波探触子として斜角探触子９を装着して、ステーベン５の内部欠陥を検出する手順を図８を用いて説明する。
【００４８】
三次元デジタイザ７の先端部１９に取付けられた斜角探触子９は、図９（ａ）に示すように、検査作業員によって測定対象のステーベン５の表面に当接される。この状態で、超音波送受信部（超音波測定器）３０から一定周期でパルス信号が印加され、斜角探触子９からステーベン５内へ斜め方向に超音波パルス３１が送出される。
【００４９】
ステーベン５内に欠陥（内部欠陥）３２が存在すれば、超音波パルス３１が欠陥３２に当接して、エコー３２として斜角探触子９へ戻る。欠陥３２から、遠く離れている場合は、図９（ｂ）に示すように、超音波パルス３１はステーベン５内の底壁、上壁に対して、複数回に亘って繰り返し反射された後に欠陥３２に当接して、反射されて値超音波パルス３１の元来た経路を逆に辿ってエコー３３として斜角探触子９へ戻る。
【００５０】
この場合、超音波探触子として、垂直型探触子の代りに斜角探触子９を採用する理由を図９（ｃ）を用い説明する。ステーベン５は水車ケーシング３に対して一体形成されているので、ステーベン５の水車ケーシング３に対する付け根部分は鋭角になっている。この鋭角部分に探触子を直接当接できないので、その近傍位置に斜角探触子９を当接することにより、応力負荷が集中しやすい鋭角部分の内部に超音波パルス３１を伝搬できるので、欠陥を確実に検出できる。
【００５１】
検査作業員によってステーベン５の表面に当接され斜角探触子９の位置及び向きは位置読取部機２０で読取られる。さらに読取られた斜角探触子９の位置がステーベン５の三次元形状記憶部２７に記憶されている三次元形状のどの部分に相当するかが既知である。したがって、斜角探触子９で超音波パルス３１に対するエコー３３を受信した場合、超音波送受信部３０で測定された超音波パルス３１の送出時刻からエコー３３の受信時刻までの経過時間Ｔにて、このエコー３３がステーベン５の反対面や形状の一部面に衝突したことに起因する反射エコーであるのか、欠陥３２に起因する欠陥エコーであるかを、データ処理装置２５の結果から判定する。
【００５２】
さらに、欠陥エコーの場合、経過時間Ｔと三次元形状とにより、図９（ａ）に示すように、斜角探触子９からの超音波パルス３１が直接衝突した欠陥３２か、図９（ｂ）に示す超音波パルス３１がステーベン５内の底壁、上壁に対して、複数回に亘って繰り返し反射された後に衝突した欠陥３２であるかが特定できる。
【００５３】
さらに、超音波パルス３１の入射角、超音波パルス３１の速度、経過時間Ｔ、ステーベン５の形状、欠陥エコーのレベルから、欠陥３２の三次元位置及び規模が検出される。
【００５４】
検査作業員は、ステーベン５の表面に当接され斜角探触子９の位置を、ステーベン５の水車ケーシング３に対する付け根部分等を含む予め定められた探傷範囲を走査する。その結果、ステーベン５の内部に存在する三次元の内部欠陥３２が検出される。
【００５５】
図１において、三次元デジタイザ７の先端部１９に斜角探触子９を取付け、この斜角探触子９でステーベン５の前述した探傷範囲を走査すると、内部欠陥検出部３４がステーベン５内に存在する欠陥３２の三次元位置及び規模が検出されて、内部欠陥記憶部３５に書込まれる。したがって、内部欠陥検出部３４、内部欠陥記憶部３５は、図８のデータ処理部２５を形成する。
【００５６】
次に、三次元デジタイザ７の先端部１９に測定針１０を装着して、図１０（ａ）に示すに示す、ステーベン５の表面に存在するステーベンの表面に開口した開口欠陥や表面にごく近い内面（表層）に存在する欠陥等の表層部欠陥を位置検出する手順を説明する。
【００５７】
この測定針１０を用いて検出作業を実施する前の準備作業として、磁粉探傷を実施する。すなわち、図１０（ａ）に示すように、ステーベン５及び水車ケーシング３を磁化した状態で磁粉を散布すると、表面に開口した疵（開口欠陥）や表面にごく近い疵に磁束漏洩部分が生じ、不連続部分（表層欠陥）に対する表面に磁粉３７が残る。
【００５８】
そして、検査作業員は、図１０（ｂ）に示すように、三次元デジタイザ７の先端部１９を手で操作して、ステーベン５及び水車ケーシング３の表面に付着した磁粉３９に測定針１０を当てて、この線状の磁粉３９をトレースしていく。測定針１０の三次元位置は読取部２０で読取られて、欠陥位置検出部３８へ入力される。
【００５９】
欠陥位置検出部３８は入力された測定針１０の三次元位置を三次元形状記憶部２７に記憶されているステーベン５の３次元形状内に表層部欠陥３６として位置検出して、次の表面開口欠陥記憶部３９へ書込む。なお、検査作業員は、測定針１０を用いた開口欠陥や表層欠陥等の表層部欠陥３６の検査が終了すると、表面に残留している磁粉３７を除去する。
【００６０】
以上、図１におけるステーベン５及び水車ケーシング３の三次元形状の測定及び粗さの測定、内部欠陥の検出、表層部欠陥検出が終了すると、欠陥合成部４０にて、上記三種類の欠陥を三次元合成する。そして、合成した三次元欠陥合成データから三次元欠陥画像作成部４１で、三次元欠陥画像を作成する。この作成された三次元欠陥画像を表示器４２へ表示すると共に、この三次元欠陥画像データを三次元欠陥画像機記憶部４３に書込む。
【００６１】
なお、三次元欠陥画像作成部４１は、欠陥合成部４０で合成された三次元欠陥合成データから、検査作業員が欠陥の特徴を理解しやすいように、測定対象のステーベン５及び水車ケーシング３の任意方向から見た斜視図、任意位置における断面模式図を作成可能である。
【００６２】
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は三次元欠陥画像作成部４１で作成して表示器４２に表示したステーベン５及び水車ケーシング３の三次元欠陥画像を示す図である。図１１（ａ）はステーベン５及び水車ケーシング３の要部を抽出した斜視図である。この例においては、水車ケーシング３のステーベン５の付け根付近において、内部欠陥３２、表層部欠陥３６が存在し、水車ケーシング３のステーベン５の付け根付近に表面疵又は表面粗さ４４がある。さらに、水車ケーシング３の表面には表層部欠陥３６が存在する。
【００６３】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）を矢印Ａ方向から見た図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）を矢印Ａ方向から見た図である。なお、各欠陥３２、３６、４４の危険度の程度を示す欠陥規模は例えば「赤」、「黄」、「青」の色分け表示される。
【００６４】
図１２は図１１（ｂ）の詳細拡大図である。水車ケーシング３のステーベン５の付け根付近において欠陥規模の大きい「赤」の内部欠陥３２がある。また、水車ケーシング３の底面近傍には、欠陥規模の小さい「青」の多数の内部欠陥３２がある。さらに、ステーベン５の付け根付近に欠陥規模の小さい「青」の表面疵又は表面粗さ４４がある。
【００６５】
図１３には、各ステーベン５に対する各欠陥検出結果を示す図である。前述したように、各３ステーベン５のステーベン５の３次元欠陥画像が得られているので、ステーベン５における最大規模の内部欠陥３２の発生位置を含む断面図４５を作成して、表示器４２の１画面に表示することにより、内部欠陥３２の発生原因、内部欠陥３２の進展メカニズムの解明、及び応急対策、設計改良を円滑に実施できる。さらに、現状欠陥を放置した場合における寿命予測等にも応用できる。
【００６６】
特に、検査対象のステーベン５及び水車ケーシング３の３次元形状と各欠陥３２、３６、４４の３次元位置が得られるので、ステーベン５及び水車ケーシング３をＦＥＭ（有限要素法）解析が可能となり、欠陥が生じた水車の健全度維持に寄与できる。
【００６７】
また、３次元デジタイザ７においては、レーザ距離計８、斜角探触子９、測定針１０が取付けられる先端部１９は、この先端部１９の向きを三軸方向に可変する向き可変機構１８が組込まれているのみである。また、三次元デジタイザ７は検査作業員の手作業のみで動くので、モータ等の駆動機構を組み込んでない。この結果、この三次元デジタイザ７を小型軽量に形成でき、水車ケーシング３に出入りするための直径５００ｍｍ〜８００ｍｍマンホールから水車ケーシング３の内部に簡単に持込むことができる。したがって、上述した手法で簡単に、詳細な欠陥の３次元位置情報が得られる。
【００６８】
なお、検出可能な欠陥として、前述した内部欠陥３２、表層部欠陥３６、表面疵又は表面粗さ４４の他に、流水による孔食、壊食(３次元での位置・深さ・形状・幅)、流水磨耗、キャビテーション、表層部欠陥３６の位置・範囲・深さ、内部欠陥３２の位置・範囲・深さ及び表面形状など様々な欠陥が検出できる。
【００６９】
さらに、欠陥以外においても、超音波測定の特徴を生かして、ステーベン５及び水車ケーシング３の肉厚、形状等の詳細測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係わる水車構造物の三次元欠陥検査装置の概略構成を示す模式図
【図２】検査対象の水車の概略構造を示す断面模式図
【図３】同実施形態装置に組み込まれた三次元デジタイザの概略構成図
【図４】同三次元デジタイザの先端部の向きを示す図
【図５】同三次元デジタイザを用いた被測定体の三次元形状の測定手順を示す図
【図６】レーザ距離計の距離測定法を示す図
【図７】レーザ距離計の距離算出法を説明するための図
【図８】同三次元デジタイザを用いた被測定体の内部欠陥の検出手順を示す図
【図９】斜角探触子の欠陥検出法を示す図
【図１０】同三次元デジタイザを用いた被測定体の開口欠陥の検出手順を示す図
【図１１】同実施形態の三次元欠陥検査装置の表示器に表示された三次元欠陥画像を示す図
【図１２】同実施形態の三次元欠陥検査装置の表示器に表示された三次元欠陥画像を示す図
【図１３】同実施形態の三次元欠陥検査装置の表示器に表示された三次元欠陥画像を示す図
【符号の説明】
【００７１】
１…軸、２…ランナ、３…水車ケーシング、５…ステーベン、７…三次元デジタイザ、８…レーザ距離計、９…斜角探触子、１０…測定針、１１…基板、１２…第１のアーム、１５…第２のアーム、１７…第３のアーム、１８…向き可変機構、１９…先端部、２０…位置読取部、２１…レーザ走査制御部、２４…レーザ光、２５…データ処理部、２６…三次元形状解析部、２７…三次元形状記憶部、２８…表面欠陥検出部、２９…表面欠陥検記憶部、３０…超音波送受信部、３１…超音波パルス、３２…内部欠陥、３３…エコー、３４…内部欠陥検出部、３５…内部欠陥記憶部、３６…表層部欠陥、３８…欠陥位置検出部、３９…表面開口欠陥記憶部、４０…欠陥合成部、４１…三次元欠陥画像作成部、４２…表示器、４３…三次元欠陥画像機記憶部、４４…表面疵又は表面粗さ、４５…断面図
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電所における発電機を回転駆動する水車の水車構造の三次欠陥を検査する三次元欠陥検査装置に係わり、特に水車ケーシング内に設けられたステーベンの欠陥を三次元的に検出する水車構造物の三次元欠陥検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、日本国内で稼働している水力発電所に設置された発電機の製造時期は明治時代から平成時代まで様々な時期に及ぶ。したがって、この発電機を回転駆動する水車の製造時期も様々な時期に及ぶ。
【０００３】
図２は、発電機に取付けられた水車の断面模式図である。図示しない発電機の軸１に複数の羽根からなるランナ２が取付けられており、このランナ２を囲むようにトロイダル型の水車ケーシング３が設けられている。水車ケーシング３には、水圧鉄管４が接続されている。水車ケーシング３の内面には、複数のステーベン５が円周上に亘って一体形成されている。水圧鉄管４から水車ケーシング３内に供給された高圧の水６は、各ステーベン５によって、効率的にランナ２に供給され、ランナ２が回転して発電機の軸１が回転し、発電機が交流電力を発電する。
【０００４】
このような水車において、水車ケーシング３内部のステーベン５は運転中の水圧等の応力を受け持つ強度上重要な部材である。水車ケーシング３内部にあるステーベン５に欠陥が発生し、この欠陥が進展した場合、ステーベン５の破壊に至り、重大事故の懸念が生じる。
【０００５】
このため、ステーベン５における内部欠陥、表面欠陥、及び開口欠陥の各状況を把握し、ステーベンの形状と検出した欠陥位置の断面図を作成し、断面図から最も欠陥が発生している断面を特定し、この断面位置をモデル化して破壊予測計算を行うことは水車に対する保守点検上必要なことである。また、最も応力が集中しやすいステーベン５の水車ケーシング３に対する接続部分における内部欠陥の発生状況を把握しておくことも重要な事である。
【０００６】
しかしながら、ステーベン５が形成された水車の水車ケーシング３は、一般的に、発電所の建屋のコンクリートに埋設され、移動が不可能な大型構造物である。水車ケーシング３の大きさも発電機出力、水の落差、発電機の回転数によって様々な大きさがある。一般的に、検査対象であるステーベン５は水車ケーシング３に対して一体形成されており、ステーベン５の欠陥検査を行うためには水車ケーシング３の内部に入る必要がある。
【０００７】
ここで、検査作業員が水車ケーシング３内に出入りするためのマンホールの大きさが問題となる。このマンホールの大きさは、例えば、直径５００ｍｍ〜８００ｍｍであるので、ステーベン５の欠陥検査を行うための大型検査機器を水車ケーシング３の内部に持込めない。そのため、従来は超音波探傷器、磁気探傷器、き裂深さ計を個別に水車ケーシング３内へ持ち込んで、それぞれ個別に欠陥検査を実施して後からこれらを合成していた。
【０００８】
また、ステーベン５、及び水車ケーシング３は複雑な形状をしている大型鋳造品であること、及び、表面に凹凸や、長年の運転による腐食が発生しているため重量のある検査機器を検査対象であるステーベン５及び水車ケーシング３の内面に対してマグネット等で固定できない。
【０００９】
また、検査対象の機器に孔を空けて検査機器を固定することも、ステーベン５の強度低下や水車ケーシング３外への漏水原因となるので、不可能である。
【００１０】
ステーベン５は複雑な三次元形状をしており、水車ケーシング３又はスピードリングに対して一体形成製品であるため平板のような形状は存在しない。したがって、ステーベン５の表面の各部に対して手作業で超音波探触子を順次押し当てていき、ステーベン５の表面から垂直方向又は斜め方向に超音波パルスを送信する超音波探傷を行った場合には、送信した超音波パルスに対するエコーが帰って来た場合、このエコーが反対面からの反射エコーであるのか、欠陥で反射された欠陥エコーであるのかの区別がつかない。さらに、この欠陥エコーのみでは、欠陥の位置を簡単に特定することは、きわめて困難である。
【００１１】
なお、複雑な形状を有した被測定体に対する超音波探傷を行う「超音波探傷装置」が特許文献１に提唱されている。この超音波探傷装置においては、三次元スキャナの先端に距離センサを取付け、さらに、この先端に垂直面内及び水平面内移動可能なホルダを取付け、このホルダに超音波探触子を取付けている。
【００１２】
そして、水槽内に被測定体を入れて、三次元スキャナの先端の距離センサを水槽の上方の水平面内で走査（スキャン）させることによって、被測定体の立体形状を得る。次に、超音波探触子を被測定体から一定間隔を確保した状態で被測定体上を走査（スキャン）することにより、被測定体の内部欠陥を測定する。
【００１３】
また、特許文献２の「軸に焼き嵌められた未知の輪郭を有する円盤の超音波探傷検査方法及び装置」においては、タービン羽根車の検査を実施する場合に、軸に焼き嵌められた円盤の両側面に、側面までの距離を計測する距離計と超音波探傷検査ヘッドを配設して、円盤を回転することにより、距離計で円盤の形状を測定して、超音波探傷検査ヘッドの円盤側面までの距離を一定に制御する。このようにして、円盤の超音波探傷を行う。
【特許文献１】特開昭６３―３０９８５２号公報
【特許文献１】特表平１１−５１２８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した複雑形状を有する被測定体に対する超音波探触子を用いた探傷手法においても、次のような課題があった。
【００１５】
特許文献１の手法においては、超音波探触子は被測定体に当接させているのではなくて、一定間隔を開けて対向しているので、超音波の減衰を防止するために被測定体を水槽に入れている。したがって、被測定体を本来組込まれている装置から取外して、水槽まで搬送する必要があるので、前述した、発電所の水車等の施設に例えばコンクリートで埋込固定されていたり、簡単に搬送できないくらい大きい被測定体には適用できない。
【００１６】
また、距離センサを被測定体の上方の水平面内で走査（スキャン）させる必要があるので、被測定体の全体形状が上方から俯瞰できることが必要であり、被測定体の形状に大きな制限がある。例えば、図２に示す多数のステーベン５が狭い間隔で水車ケーシング３に一体形成されている場合は、１つのステーベン５の形状を見渡せる位置は存在しない。
【００１７】
特許文献２の手法においては、タービンを回転させることによって円盤側面の探傷を実施している。したがって、例えばステーベンのような形状、旋回方向に一様でない形状、凹凸が大きく変動する形状、の被測定体には適用できない。
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型軽量化した三次元デジタイザの先端部に距離計や超音波探触子を取付けることにより、簡単な操作でもって、複雑な三次元構造を有する発電所における水車のステーベンに生じる三次元欠陥を高い精度で検出できる水車構造物の三次元欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明は、発電機の軸に取付けられたランナに水を導くための水車ケーシング内に設けられたステーベンの三次元欠陥を検査する水車構造物の三次元欠陥検査装置において、移動操作される先端部の三次元位置と向きとを読取る６軸制御の三次元デジタイザと、この三次元デジタイザの先端部に測定対象までの距離を非接触で測定する距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部の前記ステーベンに対する倣い操作に応じて、ステーベンの三次元形状を測定する三次元形状測定手段と、三次元デジタイザの先端部に超音波探触子が取付けられた状態において、ステーベンの表面の各位置への超音波探触子の当接操作に応じて、当該ステーベンに対して超音波パルスを送信してエコーを受信する探傷手段と、超音波探触子のステーベンにおける各当接位置、エコー受信情報、及び三次元形状測定手段で測定した三次元形状に基づいてステーベンにおける欠陥の３次元位置と欠陥規模とを算出する三次元欠陥算出手段と、この算出された三次元欠陥を三次元グラフィック表示する表示手段とを備えている。
【００２０】
このように構成された水車構造物の三次元欠陥検査装置においては、検査作業員が三次元デジタイザを持参して、発電所の床に設けられたマンホールから水車の水車ケーシング内に入る。三次元デジタイザの先端部に距離計を取付けてから、先端部を測定したい被測定体であるステーベンの表面を間隔を開けて倣っていけば、先端部の３次元位置、距離計の方向、及び被測定体の表面までの距離が特定されるので、被測定体の表面の測定対象点の三次元位置が定まる。よって、ステーベンの正確な三次元形状が求まる。
【００２１】
次に、三次元デジタイザの先端部に超音波探触子を取付けて、検査作業員がこの超音波探触子を被測定体であるステーベンの表面に当接した状態で、ステーベンの表面をなぞっていくと、ステーベンの三次元形状における超音波パルスの入射位置、近傍の断面形状が定まるので、受信したエコーと予め求めておいた入射角度に基づいて欠陥の有無、欠陥の三次元位置、規模が算出される。
【００２２】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置において、三次元デジタイザの先端部に測定針が取付けられた状態において、ステーベンの表面に磁紛探傷試験で検出された表層部欠陥に対する当接操作に応じて、この表層部欠陥の測定されたステーベンの三次元形状内における欠陥位置を算出する表層部欠陥算出手段を備えている。
【００２３】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置において、距離計はレーザ光線を用いたレーザ距離計であり、三次元デジタイザの先端部にレーザ距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部のステーベンに対する倣い操作に応じて、ステーベンの表面欠陥及び表面粗さを検出する。
【００２４】
このように構成された水車構造物の三次元欠陥検査装置においては、ステーベンの表面欠陥及び表面粗さをも検出可能である。
【００２５】
また、別の発明においては、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置における三次元デジタイザは、ベースに対して順番に互いに異なる直交座標軸回りに回転自在に連結された第１、第２、第３のアームと、第３のアームの自由端に取付けられた向き可変機構と、この向き可変機構に取付られた先端部と、先端部の三次元の方向を可変機構から得るともに、第１、第２、第３のアームの各直交軸回りの回転角を読取ることにより、先端部の三次元位置及び三次元方向を演算する演算処理部とを有する。
【００２６】
このように構成された三次元デジタイザにおいては、距離計、超音波探触子、測定針が取付けられる先端部は、この先端部の向きを三軸方向に可変する向き可変機構が組込まれているのみであるので、三次元デジタイザの全体の形状を小型化できる。
【００２７】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置の三次元デジタイザにおける向き可変機構及び第１、第２、第３の各アームは、先端部に対する移動操作における力でもって、向きを変えると共に、軸回りに回転する。このように、三次元デジタイザは検査作業員の手作業のみで動くので、モータ等の駆動機構を組み込んでないので、この三次元デジタイザを小型軽量に形成できる。
【００２８】
また、別の発明は、上記発明の水車構造物の三次元欠陥検査装置において、超音波探触子として斜角探触子を採用している。このように斜角探触子を採用することにより、角部等の直接探触子を当接できない部分の欠陥を検出できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明においては、簡単で小型軽量の三次元デジタイザを用いることにより、簡単な操作でもって、複雑な三次元構造を有する発電所における水車のステーベンに生じる三次元欠陥を高い精度で検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
【００３１】
図１は本発明の一実施形態に係わる水車構造物の三次元欠陥検査装置の概略構成を示す模式図である。図２は欠陥検査対象の水車の概略構成を示す断面模式図である。
【００３２】
前述したように、図２において、発電機の軸１に複数の羽根からなるランナ２が取付けられており、このランナ２を囲むように水車ケーシング３が設けられている。水車ケーシング３には、水圧鉄管４が接続されている。水車ケーシング３の内面には、複数のステーベン５が円周上に亘って一体形成されている。水圧鉄管４から水車ケーシング３内に供給された高圧の水６は、各ステーベン５によって、効率的にランナ２に導かれ、ランナ２が回転して発電機の軸１が回転し、発電機が交流電力を発電する。
【００３３】
図１において、一台の６軸の三次元デジタイザ７の先端部１９に対して、距離計としてのレーザ距離計８、超音波探触子としての斜角探触子９、測定針１０が装着可能である。
【００３４】
図３（ａ）は、６軸の三次元デジタイザ７の概略構成図である。基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）のベースとなる基板１１に第１のアーム１２の一端が軸受（第１のロータリーエンコーダ）１３で、ｚ軸方向で、かつこのｚ軸回りに回転可能に取付けられている。この第１のアーム１２の他端に関節部（第２のロータリーエンコーダ）１４ａを介して第２のアーム１５の一端がｙ軸に平行する線の回りに回転可能に接続されている。
【００３５】
さらに、この第２のアーム１５の他端に関節部（第３のロータリーエンコーダ）１４ｂを介して第３のアーム１７の一端がｘ軸に平行する線の回りに回転可能に接続されている。そして、この第３のアーム１７の他端には、間接部（第４のロータリーエンコーダ）１６ａを介して向き可変機構１８が取付けられている。
【００３６】
向き可変機構１８において、第１の部材１８ａが第３のアーム１７の他端に前述したように間接部（第４のロータリーエンコーダ）１６ａを介してα軸回りに回転可能に取付けられ、第２の部材１８ｂが第１の部材１８ａに対して回転軸（第５のロータリーエンコーダ）１６ｂでもってβ軸回りに回転可能に取付けられ、さらに、先端部１９が向き可変機構１８の第２の部材１８ｂに対して回転軸（第６のロータリーエンコーダ）１６ｃでもってγ軸回りに回転可能に取付けられている。
【００３７】
α軸、β軸、γ軸は互いに直交しているので、先端部１９は、第３のアーム１７の他端に対して任意の三次元方向を向かわせることが可能である。第３のアーム１７の他端の基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）における位置は第１、第２、第３のアーム１２、１５、１７の回転角度を調整することによって任意に指定できる。
【００３８】
したがって、検査作業員は、先端部１９を手で操作して、任意の三次元位置、任意の三次元方向を向かわせることができる。例えば、図４に示すように、先端部１９を水車ケーシング３に一体形成されたステーベン５の表面に垂直方向に設定できる。なお、この三次元デジタイザ７の各回転可能部分１３、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃには、前述したように、回転角度位置を示す合計６台のロータリーエンコーダが組込まれている。
【００３９】
したがって、検査作業員が手で掴んで移動した先端部１９の、図３（ｂ）の基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の三次元位置Ｐと方向Ｄとを、位置読取装置２０にて算出する。なお、この三次元デジタイザ７は駆動モータが組み込まれておらず、検査作業員の手の力で各アーム１２、１５、１７、向き可変機構１８が移動する。
【００４０】
図５は三次元デジタイザ７の先端部１９にレーザ距離計８を装着して、水車ケーシング３に一体形成されたステーベン５の表面形状を測定する時の測定方法を示す模式図である。このレーザ距離計８は、図６に示すように、レーザ走査制御部２１の制御に基づいて、レーザ光２４を幅方向に０．０３ｍｍ間隔で１０００箇所から順番に幅３０ｍｍに亘って出力していく。すなわち、レーザ光２４を幅３０ｍｍに亘って走査するに要する走査時間は３０ｍｓである。
【００４１】
したがって、３０ｍｍ幅を有するレーザ距離計８からレーザ走査制御部２１に０．０３ｍｓ毎に測定対象のステーベン５の表面からの距離が入力される。すなわち、１走査毎に、１０００個の距離ｄ1〜ｄ1000が入力される。レーザ走査制御部２１は入力された１０００個の距離ｄ1〜ｄ1000をデータ処理装置２５へ送出する。走査期間においては、先端部１９の位置はレーザ距離計８の中心位置であるので、データ処理装置２５は、１０００個の距離ｄ1〜ｄ1000の入力に同期して、位置読込部２０から入力されるレーザ距離計８の中心位置のデータの左右データを各距離に割り付けていく。
【００４２】
検査作業員が先端部１９を手で持って、レーザ距離計８の幅方向と直交する矢印方向にステーベン５の表面から例えば、６５〜９５ｍｍ離して、表面にほぼ平行にレーザ距離計８を移動させる。例えば、２００ｍｍ〜６００ｍｍ移動させた後、レーザ距離計８を幅方向に２５ｍｍ〜２９ｍｍ矢印と直交する方向にシフトし、そのシフト位置で、再度矢印方向に移動させる。このようにして、ステーベン５の必要な表面をレーザ距離計８で走査していく。ステーベン５の表面側の走査が終了すると、ステーベン５の裏面側の走査を実行していく。
【００４３】
データ処理部２５は、位置読取部２０から得られた幅方向に修正された基本直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の各三次元位置と方向（レーザ光２４の方向）と、距離とに基づいて、ステーベン５の三次元形状を算出する。
【００４４】
図７に先端部１９の方向が基本座標系の座標軸方向と一致しない場合における距離ｄの算出方法を示す。この場合、レーザ距離計８はステーベン５の表面に平行しているとみなして距離算出を実施する。なお、ステーベン５の表面を複数に分割して、各分割した部分表面に対しては、先端部１９の方向を固定することによって距離算出の容易化を図ることができる。
【００４５】
図１において、三次元デジタイザ７の先端部１９にレーザ距離計８を取付け、レーザ走査制御部２１でステーベン５の全表面を走査（スキャン）すると、三次元形状解析部２６にて、位置読取部２０からの各位置、レーザ走査制御部２１からの各距離を用いてステーベン５の三次元形状を算出する。算出されたステーベン５の三次元形状は、三次元形状記憶部２７に書込まれる。
【００４６】
表面欠陥検出部２８は、三次元形状記憶部２７に書込まれているステーベン５の表面における表面疵や表面粗さや等の表面欠陥を検出し、その位置と共に、表面欠陥記憶部２９に書込む。したがって、三次元形状解析部２６、三次元形状記憶部２７，表面欠陥検出部２８、表面欠陥記憶部２９は、図５のデータ処理部２５を形成する。
【００４７】
次に、三次元デジタイザ７の先端部１９に超音波探触子として斜角探触子９を装着して、ステーベン５の内部欠陥を検出する手順を図８を用いて説明する。
【００４８】
三次元デジタイザ７の先端部１９に取付けられた斜角探触子９は、図９（ａ）に示すように、検査作業員によって測定対象のステーベン５の表面に当接される。この状態で、超音波送受信部（超音波測定器）３０から一定周期でパルス信号が印加され、斜角探触子９からステーベン５内へ斜め方向に超音波パルス３１が送出される。
【００４９】
ステーベン５内に欠陥（内部欠陥）３２が存在すれば、超音波パルス３１が欠陥３２に当接して、エコー３２として斜角探触子９へ戻る。欠陥３２から、遠く離れている場合は、図９（ｂ）に示すように、超音波パルス３１はステーベン５内の底壁、上壁に対して、複数回に亘って繰り返し反射された後に欠陥３２に当接して、反射されて値超音波パルス３１の元来た経路を逆に辿ってエコー３３として斜角探触子９へ戻る。
【００５０】
この場合、超音波探触子として、垂直型探触子の代りに斜角探触子９を採用する理由を図９（ｃ）を用い説明する。ステーベン５は水車ケーシング３に対して一体形成されているので、ステーベン５の水車ケーシング３に対する付け根部分は鋭角になっている。この鋭角部分に探触子を直接当接できないので、その近傍位置に斜角探触子９を当接することにより、応力負荷が集中しやすい鋭角部分の内部に超音波パルス３１を伝搬できるので、欠陥を確実に検出できる。
【００５１】
検査作業員によってステーベン５の表面に当接され斜角探触子９の位置及び向きは位置読取部機２０で読取られる。さらに読取られた斜角探触子９の位置がステーベン５の三次元形状記憶部２７に記憶されている三次元形状のどの部分に相当するかが既知である。したがって、斜角探触子９で超音波パルス３１に対するエコー３３を受信した場合、超音波送受信部３０で測定された超音波パルス３１の送出時刻からエコー３３の受信時刻までの経過時間Ｔにて、このエコー３３がステーベン５の反対面や形状の一部面に衝突したことに起因する反射エコーであるのか、欠陥３２に起因する欠陥エコーであるかを、データ処理装置２５の結果から判定する。
【００５２】
さらに、欠陥エコーの場合、経過時間Ｔと三次元形状とにより、図９（ａ）に示すように、斜角探触子９からの超音波パルス３１が直接衝突した欠陥３２か、図９（ｂ）に示す超音波パルス３１がステーベン５内の底壁、上壁に対して、複数回に亘って繰り返し反射された後に衝突した欠陥３２であるかが特定できる。
【００５３】
さらに、超音波パルス３１の入射角、超音波パルス３１の速度、経過時間Ｔ、ステーベン５の形状、欠陥エコーのレベルから、欠陥３２の三次元位置及び規模が検出される。
【００５４】
検査作業員は、ステーベン５の表面に当接され斜角探触子９の位置を、ステーベン５の水車ケーシング３に対する付け根部分等を含む予め定められた探傷範囲を走査する。その結果、ステーベン５の内部に存在する三次元の内部欠陥３２が検出される。
【００５５】
図１において、三次元デジタイザ７の先端部１９に斜角探触子９を取付け、この斜角探触子９でステーベン５の前述した探傷範囲を走査すると、内部欠陥検出部３４がステーベン５内に存在する欠陥３２の三次元位置及び規模が検出されて、内部欠陥記憶部３５に書込まれる。したがって、内部欠陥検出部３４、内部欠陥記憶部３５は、図８のデータ処理部２５を形成する。
【００５６】
次に、三次元デジタイザ７の先端部１９に測定針１０を装着して、図１０（ａ）に示すに示す、ステーベン５の表面に存在するステーベンの表面に開口した開口欠陥や表面にごく近い内面（表層）に存在する欠陥等の表層部欠陥を位置検出する手順を説明する。
【００５７】
この測定針１０を用いて検出作業を実施する前の準備作業として、磁粉探傷を実施する。すなわち、図１０（ａ）に示すように、ステーベン５及び水車ケーシング３を磁化した状態で磁粉を散布すると、表面に開口した疵（開口欠陥）や表面にごく近い疵に磁束漏洩部分が生じ、不連続部分（表層欠陥）に対する表面に磁粉３７が残る。
【００５８】
そして、検査作業員は、図１０（ｂ）に示すように、三次元デジタイザ７の先端部１９を手で操作して、ステーベン５及び水車ケーシング３の表面に付着した磁粉３９に測定針１０を当てて、この線状の磁粉３９をトレースしていく。測定針１０の三次元位置は読取部２０で読取られて、欠陥位置検出部３８へ入力される。
【００５９】
欠陥位置検出部３８は入力された測定針１０の三次元位置を三次元形状記憶部２７に記憶されているステーベン５の３次元形状内に表層部欠陥３６として位置検出して、次の表面開口欠陥記憶部３９へ書込む。なお、検査作業員は、測定針１０を用いた開口欠陥や表層欠陥等の表層部欠陥３６の検査が終了すると、表面に残留している磁粉３７を除去する。
【００６０】
以上、図１におけるステーベン５及び水車ケーシング３の三次元形状の測定及び粗さの測定、内部欠陥の検出、表層部欠陥検出が終了すると、欠陥合成部４０にて、上記三種類の欠陥を三次元合成する。そして、合成した三次元欠陥合成データから三次元欠陥画像作成部４１で、三次元欠陥画像を作成する。この作成された三次元欠陥画像を表示器４２へ表示すると共に、この三次元欠陥画像データを三次元欠陥画像機記憶部４３に書込む。
【００６１】
なお、三次元欠陥画像作成部４１は、欠陥合成部４０で合成された三次元欠陥合成データから、検査作業員が欠陥の特徴を理解しやすいように、測定対象のステーベン５及び水車ケーシング３の任意方向から見た斜視図、任意位置における断面模式図を作成可能である。
【００６２】
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は三次元欠陥画像作成部４１で作成して表示器４２に表示したステーベン５及び水車ケーシング３の三次元欠陥画像を示す図である。図１１（ａ）はステーベン５及び水車ケーシング３の要部を抽出した斜視図である。この例においては、水車ケーシング３のステーベン５の付け根付近において、内部欠陥３２、表層部欠陥３６が存在し、水車ケーシング３のステーベン５の付け根付近に表面疵又は表面粗さ４４がある。さらに、水車ケーシング３の表面には表層部欠陥３６が存在する。
【００６３】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）を矢印Ａ方向から見た図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）を矢印Ａ方向から見た図である。なお、各欠陥３２、３６、４４の危険度の程度を示す欠陥規模は例えば「赤」、「黄」、「青」の色分け表示される。
【００６４】
図１２は図１１（ｂ）の詳細拡大図である。水車ケーシング３のステーベン５の付け根付近において欠陥規模の大きい「赤」の内部欠陥３２がある。また、水車ケーシング３の底面近傍には、欠陥規模の小さい「青」の多数の内部欠陥３２がある。さらに、ステーベン５の付け根付近に欠陥規模の小さい「青」の表面疵又は表面粗さ４４がある。
【００６５】
図１３には、各ステーベン５に対する各欠陥検出結果を示す図である。前述したように、各３ステーベン５のステーベン５の３次元欠陥画像が得られているので、ステーベン５における最大規模の内部欠陥３２の発生位置を含む断面図４５を作成して、表示器４２の１画面に表示することにより、内部欠陥３２の発生原因、内部欠陥３２の進展メカニズムの解明、及び応急対策、設計改良を円滑に実施できる。さらに、現状欠陥を放置した場合における寿命予測等にも応用できる。
【００６６】
特に、検査対象のステーベン５及び水車ケーシング３の３次元形状と各欠陥３２、３６、４４の３次元位置が得られるので、ステーベン５及び水車ケーシング３をＦＥＭ（有限要素法）解析が可能となり、欠陥が生じた水車の健全度維持に寄与できる。
【００６７】
また、３次元デジタイザ７においては、レーザ距離計８、斜角探触子９、測定針１０が取付けられる先端部１９は、この先端部１９の向きを三軸方向に可変する向き可変機構１８が組込まれているのみである。また、三次元デジタイザ７は検査作業員の手作業のみで動くので、モータ等の駆動機構を組み込んでない。この結果、この三次元デジタイザ７を小型軽量に形成でき、水車ケーシング３に出入りするための直径５００ｍｍ〜８００ｍｍマンホールから水車ケーシング３の内部に簡単に持込むことができる。したがって、上述した手法で簡単に、詳細な欠陥の３次元位置情報が得られる。
【００６８】
なお、検出可能な欠陥として、前述した内部欠陥３２、表層部欠陥３６、表面疵又は表面粗さ４４の他に、流水による孔食、壊食(３次元での位置・深さ・形状・幅)、流水磨耗、キャビテーション、表層部欠陥３６の位置・範囲・深さ、内部欠陥３２の位置・範囲・深さ及び表面形状など様々な欠陥が検出できる。
【００６９】
さらに、欠陥以外においても、超音波測定の特徴を生かして、ステーベン５及び水車ケーシング３の肉厚、形状等の詳細測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係わる水車構造物の三次元欠陥検査装置の概略構成を示す模式図
【図２】検査対象の水車の概略構造を示す断面模式図
【図３】同実施形態装置に組み込まれた三次元デジタイザの概略構成図
【図４】同三次元デジタイザの先端部の向きを示す図
【図５】同三次元デジタイザを用いた被測定体の三次元形状の測定手順を示す図
【図６】レーザ距離計の距離測定法を示す図
【図７】レーザ距離計の距離算出法を説明するための図
【図８】同三次元デジタイザを用いた被測定体の内部欠陥の検出手順を示す図
【図９】斜角探触子の欠陥検出法を示す図
【図１０】同三次元デジタイザを用いた被測定体の開口欠陥の検出手順を示す図
【図１１】同実施形態の三次元欠陥検査装置の表示器に表示された三次元欠陥画像を示す図
【図１２】同実施形態の三次元欠陥検査装置の表示器に表示された三次元欠陥画像を示す図
【図１３】同実施形態の三次元欠陥検査装置の表示器に表示された三次元欠陥画像を示す図
【符号の説明】
【００７１】
１…軸、２…ランナ、３…水車ケーシング、５…ステーベン、７…三次元デジタイザ、８…レーザ距離計、９…斜角探触子、１０…測定針、１１…基板、１２…第１のアーム、１５…第２のアーム、１７…第３のアーム、１８…向き可変機構、１９…先端部、２０…位置読取部、２１…レーザ走査制御部、２４…レーザ光、２５…データ処理部、２６…三次元形状解析部、２７…三次元形状記憶部、２８…表面欠陥検出部、２９…表面欠陥検記憶部、３０…超音波送受信部、３１…超音波パルス、３２…内部欠陥、３３…エコー、３４…内部欠陥検出部、３５…内部欠陥記憶部、３６…表層部欠陥、３８…欠陥位置検出部、３９…表面開口欠陥記憶部、４０…欠陥合成部、４１…三次元欠陥画像作成部、４２…表示器、４３…三次元欠陥画像機記憶部、４４…表面疵又は表面粗さ、４５…断面図
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機の軸に取付けられたランナに水を導くための水車ケーシング内に設けられたステーベンの三次元欠陥を検査する水車構造物の三次元欠陥検査装置において、
移動操作される先端部の三次元位置と向きとを読取る６軸制御の三次元デジタイザと、
この三次元デジタイザの先端部に測定対象までの距離を非接触で測定する距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部の前記ステーベンに対する倣い操作に応じて、前記ステーベンの三次元形状を測定する三次元形状測定手段と、
前記三次元デジタイザの先端部に超音波探触子が取付けられた状態において、前記ステーベンの表面の各位置への前記超音波探触子の当接操作に応じて、当該ステーベンに対して超音波パルスを送信してエコーを受信する探傷手段と、
前記超音波探触子の前記ステーベンにおける各当接位置、エコー受信情報、及び前記三次元形状測定手段で測定した三次元形状に基づいて前記ステーベンにおける欠陥の３次元位置と欠陥規模とを算出する三次元欠陥算出手段と、
この算出された三次元欠陥を三次元グラフィック表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項２】
前記三次元デジタイザの先端部に測定針が取付けられた状態において、前記ステーベンの表面に露出した表層部欠陥に対する当節操作に応じて、この表層部欠陥の前記測定された前記ステーベンの三次元形状内における欠陥位置を算出する表層部欠陥算出手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項３】
前記距離計はレーザ光線を用いたレーザ距離計であり、
前記三次元デジタイザの先端部に前記レーザ距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部の前記ステーベンに対する倣い操作に応じて、前記ステーベンの表面欠陥及び表面粗さを検出する表面状態検出手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項４】
前記三次元デジタイザは、ベースに対して順番に互いに異なる直交座標軸回りに回転自在に連結された第１、第２、第３のアームと、第３のアームの自由端に取付けられた向き可変機構と、この向き可変機構に取付られた先端部と、前記先端部の三次元の方向を前記可変機構から得るともに、前記第１、第２、第３のアームの各直交軸回りの回転角を読取ることにより、前記先端部の三次元位置及び三次元方向を演算する演算処理部とを有することを特徴とする請求項１記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項５】
前記三次元デジタイザにおける向き可変機構及び第１、第２、第３の各アームは、前記先端部に対する移動操作における力でもって、向きを変えると共に、軸回りに回転することを特徴とする請求項４記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項６】
前記超音波探触子は斜角探触子であることを特徴とする請求項１記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項１】
発電機の軸に取付けられたランナに水を導くための水車ケーシング内に設けられたステーベンの三次元欠陥を検査する水車構造物の三次元欠陥検査装置において、
移動操作される先端部の三次元位置と向きとを読取る６軸制御の三次元デジタイザと、
この三次元デジタイザの先端部に測定対象までの距離を非接触で測定する距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部の前記ステーベンに対する倣い操作に応じて、前記ステーベンの三次元形状を測定する三次元形状測定手段と、
前記三次元デジタイザの先端部に超音波探触子が取付けられた状態において、前記ステーベンの表面の各位置への前記超音波探触子の当接操作に応じて、当該ステーベンに対して超音波パルスを送信してエコーを受信する探傷手段と、
前記超音波探触子の前記ステーベンにおける各当接位置、エコー受信情報、及び前記三次元形状測定手段で測定した三次元形状に基づいて前記ステーベンにおける欠陥の３次元位置と欠陥規模とを算出する三次元欠陥算出手段と、
この算出された三次元欠陥を三次元グラフィック表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項２】
前記三次元デジタイザの先端部に測定針が取付けられた状態において、前記ステーベンの表面に露出した表層部欠陥に対する当節操作に応じて、この表層部欠陥の前記測定された前記ステーベンの三次元形状内における欠陥位置を算出する表層部欠陥算出手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項３】
前記距離計はレーザ光線を用いたレーザ距離計であり、
前記三次元デジタイザの先端部に前記レーザ距離計が取付られた状態で、この三次元デジタイザの先端部の前記ステーベンに対する倣い操作に応じて、前記ステーベンの表面欠陥及び表面粗さを検出する表面状態検出手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項４】
前記三次元デジタイザは、ベースに対して順番に互いに異なる直交座標軸回りに回転自在に連結された第１、第２、第３のアームと、第３のアームの自由端に取付けられた向き可変機構と、この向き可変機構に取付られた先端部と、前記先端部の三次元の方向を前記可変機構から得るともに、前記第１、第２、第３のアームの各直交軸回りの回転角を読取ることにより、前記先端部の三次元位置及び三次元方向を演算する演算処理部とを有することを特徴とする請求項１記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項５】
前記三次元デジタイザにおける向き可変機構及び第１、第２、第３の各アームは、前記先端部に対する移動操作における力でもって、向きを変えると共に、軸回りに回転することを特徴とする請求項４記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【請求項６】
前記超音波探触子は斜角探触子であることを特徴とする請求項１記載の水車構造物の三次元欠陥検査装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１４５２９８（Ｐ２００８−１４５２９８Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３３５１２（Ｐ２００６−３３３５１２）
【出願日】平成１８年１２月１１日（２００６．１２．１１）
【出願人】（０００２２２０７１）東北発電工業株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１１日（２００６．１２．１１）
【出願人】（０００２２２０７１）東北発電工業株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
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