熱交換器管のねじれ波検査のための方法及び装置
【解決手段】本発明は、従来技術の欠点を克服する管内径内から熱交換器管を検査するための改善した方法及びシステムを提供する。本発明は、従来技術で開示された縦波ノードの代わりに、ねじれ波モードを使用する、案内波プローブのアプローチに適合する。ねじれ波モードは、欠陥を検出するための縦波モードを超える多数の欠点を有する。適切な手段により付勢されたとき、プローブは、ねじれ波信号を発生させられ、該信号は波案内管から熱交換器へと伝達される。熱交換器管壁の欠陥からの反射信号が熱交換器管の検査開放端部に戻らされたとき、反射欠陥信号は、反射信号の増幅、検出及び特徴付けのためプローブ波案内管に伝達される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、全員がテキサス州サンアントニオ在住のへギョン・クワン、ジェームズ・F・クレーン及びサン−ヤング・キムによる。本出願は、2003年11月13日に出願された、米国仮特許出願番号60/481,636号の利益を請求する。本特許出願の内容は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【0002】
本発明は、概して、長距離範囲に案内される波検査技術を使用した熱交換器管の検査のための方法及びシステムに係り、より詳しくは、管の内径から熱交換器を迅速に検査するためねじれ案内波を使用する方法に関する。
【背景技術】
【0003】
熱交換器は、例えば、精製所、化学プラント及び発電設備等の処理プラントで広範囲に使用されており、典型的には、管シートにより固定位置に支持された多数の熱交換器管を備えている。各熱交換器管は、検査及びメンテナンスの目的のため一方の端部からアクセス可能である。熱交換器管は、第1の温度で第1の液体又はガスを運搬し、第2の温度の第2の液体又はガスにより取り囲まれており、これにより、熱は第1の液体又はガスから第2の液体又はガスまで転移され、又は、その逆方向に転移する。熱交換器の故障及び連係した作動及びメンテナンスコストに起因した設備及びプロセスの強制的な停止を最小にするため、熱交換器管は、定期的に検査される。熱交換器管が近接した状態で束ねられ、それらの外径から、それらの管を検査することを困難にしているので、熱交換器管の検査は、管の内径から実行されている。熱交換器内の多数の熱交換器管及び検査の高いコストの故に、熱交換器管は、少量の管からサンプリングされた検査データに基づいて一般にメンテナンスされている。この現在のメンテナンスの実施は、熱交換器の高い信頼性をもたらしていない。
【0004】
熱交換器管を検査するための解決法を見出す多数の努力が過去においてなされてきた。これらの努力の多くは、熱交換器管壁内で案内波を誘起し、管壁内の欠陥部分から反射された誘起案内波信号を検出することに頼ってきた。これらの解決法の幾つかは、反射された案内波信号を検出するため管の外径上の固定プローブ位置から管構成の長さ方向の長さを検査する手段を提供した。熱交換器管の外径にアクセスする困難さは、このアプローチを実行不可能にしてきた。しかし、これらの方法は、熱交換器管の内径から案内波が発進され、これを検出することができるならば、熱交換器管の完全さを迅速に探査する解決法が可能となるという認識を提供した。低い効率、低い欠陥検出能力及びモード制御の困難さを始めとした従来技術で開示された様々な解決法の欠点の故に、これらの解決法は、当該技術分野における実用的な熱交換器管検査のために幅広く受け入れられてはこなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
熱交換器における全ての熱交換器管を迅速に探査し、引き続く適切な検査及びメンテナンス作業を決定するのに適したデータを提供することにより、信頼性を向上しコストを減少させるための、処理産業における非破壊検査法に対する必要性が存在している。望ましい技術は、熱交換器管の内径から適用することができ、一方の端部から管の全長さを迅速に検査することができ、プローブが配置された領域のみクリーニングするだけで済む、技術である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、熱交換器内で全ての熱交換器管の全てを迅速に調査し、引き続く適切な検査及びメンテナンスの作業を決定するのに適したデータを提供することにより、信頼性を向上させコストを減少させるための非破壊検査法を提供する。本発明は、一方の管端部内径から管の全ての全長の検査を提供し、各管上でのプローブ配置領域のみのクリーニングだけで済ませることができる。
【0007】
開示された発明は、従来技術の欠点を克服する管内径内から熱交換器管を検査するための改善した方法及びシステムを提供する。本発明は、熱交換器管内にねじれ波を送信するため、熱交換器管の内部に連結された波案内手段内で、ねじれ波を発生するべく磁気歪み送信器及び管状波案内手段に依存している。ねじれ波は、熱交換器管の壁内の欠陥及び不規則性部分から反射し、連結された波案内手段に戻り、磁気歪みセンサーにより検出される。本発明は、従来技術で開示された縦波ノードの代わりに、ねじれ波モードを使用する、案内波プローブのアプローチに適合する。ねじれ波モードは、欠陥を検出するための縦波モードを超える多数の利点を有する。ねじれ波モードの使用の利点の中には、波分散の非常な減少、より容易なモード制御、他の波モードからの干渉の減少、液体生成物が無いこと、欠点検出能力の改善がある。発明されたプローブは、波案内管内で、ねじれ波を発生し、検出し、該波案内管は、波案内管と熱交換器管との間で、ねじれ波を連結するため熱交換器管の内径と緊密に接触する。波案内管は、波案内管内部での案内波信号の反響を最小にするため減衰材料を使用する。波案内管の作用波案内先端部近傍の軸スリットは、熱交換器管と波案内管との間で、ねじれ波を連結するための熱交換器管の内壁との緊密な接触を提供する膨張を可能にする。適切な手段により付勢されたとき、プローブは、ねじれ波信号を発生させられ、該信号は波案内管から熱交換器へと連結される。熱交換器管壁の欠陥からの反射信号が熱交換器管の検査開放端部に戻らされたとき、反射欠陥信号は、反射信号の検出のためプローブ波案内管に連結される。
【0008】
なお、本明細書の要旨の範囲内では、「センサー」という用語は、波案内手段内で、ねじれ波を送受信することができる波案内手段に取り付けられた装置を記載するために使用されている。さらには、送信センサーは、受信装置と分離した別個の装置であってもよい。
【0009】
本発明の一実施例は、反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であり、本方法は、熱交換器管の開放端部に、柱状波案内プローブを挿入し、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置され、電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加し、前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信し、前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結し、前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出し、前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理する、各工程を備える。ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実行されてもよい。ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実行されてもよい。ねじれ波を発生する前記工程は、固定した周波数の電流パルスを、前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加する工程を備えていてもよい。前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択されてもよい。本方法は、前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させる工程を更に備えていてもよい。前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結させる工程は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる工程を備えていてもよい。本方法において、電子送信パルスを印加する前記工程は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力によりファンクションジェネレータを作動させ、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスを、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続し、該パワー増幅器の出力から前記磁気歪みセンサーに前記増幅した出力パルスを印加する、各工程を備え、前記反射ねじれ波を電子的に処理する工程は、前記磁気歪みセンサーからの信号を前置増幅器において増幅し、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号をアナログデジタルコンバータの入力部に接続し、前記アナログデジタルコンバータの出力部を前記制御プロセッサの入力部に接続する、各工程を備え、前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程との間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性を決定する工程を更に備えていてもよい。
【0010】
本発明の別の実施例は、反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査するシステムであり、本システムは、熱交換器管の開放端部に挿入された柱状波案内プローブであって、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置された、前記柱状波案内プローブと、電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加するための手段と、前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信するための手段と、前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結するための手段と、前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結するための手段と、前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出するための手段と、前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理するための手段と、を備える。電子送信パルスを印加するための手段は、出力パルスを生成するようにファンクションジェネレータを作動させるための手段と、電子送信パルスを提供するため前記出力パルスを増幅するパワー増幅器と、を備え、前記電子送信パルスは、前記磁気歪みセンサーに接続される。ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実現されてもよい。ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を各々備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実現されてもよい。ねじれ波を発生する前記手段は、固定した周波数の電流パルスを前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加するための手段を備えていてもよい。前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択されてもよい。本システムは、前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させるための手段を更に備えていてもよい。前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる手段を備えていてもよい。前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、前記波案内プローブの連結端部で膨張コレットを作動させるために再配置された引っ張り棒機構であって、作動された前記膨張コレットは、前記熱交換器管の内壁との堅固な機械的な接触を形成するため前記波案内プローブの連結端部を膨張させる、前記引っ張り棒機構と、を備えていてもよく、これによって、前記発生した送信ねじれ波は、前記磁気歪みセンサーから前記波案内プローブの連結端部まで伝播し、該伝播したねじれ波は前記波案内プローブの連結端部から前記熱交換器管の内壁に連結される。本システムにおいて、反射ねじれ波信号を連結するための前記手段は、前記反射ねじれ波信号が前記熱交換器管の内壁から前記波案内プローブの連結端部まで連結され、前記反射ねじれ波信号は前記波案内プローブの連結端部から前記磁気歪みセンサーまで伝播する、各工程を備えていてもよい。本システムにおいて、電子送信パルスを印加するための前記手段は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力により作動されるファンクションジェネレータを備え、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスが、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続され、該パワー増幅器の出力からの前記増幅した出力パルスは前記磁気歪みセンサーに印加され、前記反射ねじれ波を電子的に処理するための手段は、前記磁気歪みセンサーからの信号が前置増幅器において増幅され、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号がアナログデジタルコンバータの入力部に接続され、前記アナログデジタルコンバータの出力部が前記制御プロセッサの入力部に接続される、各手段を備えていてもよく、更に、本システムは、前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程の間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性が決定される工程を備えていてもよい。
【0011】
本発明の更に別の実施例は、反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であり、本方法は、ねじれ波パルスを発生させ、送信し、該ねじれ波パルスを前記熱交換器管の長さに沿って伝播するため熱交換器管の内壁に連結し、前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、該反射ねじれ波信号を検出し、前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記送信され検出されたねじれ波を電子処理する、各工程を備える。
【0012】
本発明の上記及び他の特徴、態様及び利点は、次の説明、添付された請求の範囲、並びに、添付図面を参照して、より良く理解されるようになる。
【実施例】
【0013】
図1を参照すると、図1は、本発明を実施するためのシステム100の機能ブロック図を示している。制御プロセッサ110は、パワー増幅器150により増幅された固定周波数の電流パルスを発信するためファンクションジェネレータ130を指令する。増幅された電流パルス155は、プローブ160に配置された磁気歪みセンサー165に送られる。増幅された電流パルス155は、磁気歪みセンサー165に、ねじれ波パルスを発生させ、熱交換器管に連結されたプローブ波案内管に該ねじれ波パルスを送らせる。ねじれ波が熱交換器管の壁の欠陥に遭遇したとき、反射されたねじれ波信号は、熱交換器管に連結された波案内管に戻らせる。反射された信号は、磁気歪みセンサー165内に電圧信号を生成し、該電圧信号は、前置増幅器140により増幅される。次に、増幅された信号は、アナログデジタルコンバータ120を使用してデジタル信号に変換され、該デジタル信号は分析及び解釈のため制御プロセッサ110に送られる。
【0014】
図2A及び図2Bを参照すると、図2Aは、送信されたねじれモード案内波信号230及び熱交換器管の端部から反射されたねじれモード案内波信号240の典型的な表現200を示している。信号230、240は、磁気歪みセンサー165により測定されるとき、振幅210及び距離220で表現される。図2に示されるように、入射波230は、熱交換器管に送信され、所定時間後に、磁気歪みセンサー165によって、入射信号230の送信並びに反射された欠陥信号240の受信との間の往復移動軌跡により決定される。磁気歪みセンサー165は、図1に示されるように、適切なプローブ上に配置されている。図2Bは、送信されたパルス230と、熱交換器管の反対側の端部からの戻りパルスとを更に示している。上トレース270において、ノッチ250及び腐食260からの反射が示されている。下トレース280では、熱交換器管は、反対側端部からテストされ、腐食260及びノッチ250を示している。
【0015】
図3を参照すると、図3は、様々に異なる直径の管における、縦モード波及びねじれモード波のための分散曲線300を示している。この図3は、欠陥検査に関して、縦波の使用を超えるねじれ波の使用の利点を示している。図3は、様々な縦波及びねじれ波の群速度310が、異なるサイズの管の周波数320に関して如何に変化するかを表している。1.27cm(1/2インチ)外径の管350、1.90cm(3/4インチ)外径の管340、2.54cm(1インチ)外径の管330に関する、縦波モードL(0,1)の速度は、図示された周波数範囲に亘って、毎秒約ゼロkmから毎秒約5kmを超える速度まで変化する。1.27cm(1/2インチ)外径の管380、1.90cm(3/4インチ)外径の管370、2.54cm(1インチ)外径の管360に関する、縦波モードL(0,1)の速度も、毎秒約ゼロkmから毎秒約5kmを超える速度まで変化する。縦波速度における幅広い変化に比較して、3つの管サイズ390に関するねじれ波モードT(0,1)は、周波数320から独立した群速度310の変化を示していない。
【0016】
図4A及び図4Bを参照すると、図4Aは、チューブシート420により配置された多数の熱交換器管410の補と通路に挿入された、ねじれモード案内波プローブ400の実施例を示している。プローブ400は、1999年4月6日の特許日を有する米国特許番号5,892,162号に開示されたプローブに類似しており、その内容はここで参照したことで本願に組み込まれる。本特許は、内径から管及びパイプの検査のための案内波プローブを開示しており、熱交換器管の外側の領域からプローブの波案内手段で発生した縦案内波に依存している。前述した特許発明とは対照的に、本発明は、欠陥検出のため、縦波信号よりもねじれ波信号に依拠している。ねじれ波信号は、縦波信号より遙かに分散が少なく、上述したように、管サイズ及び波周波数から独立した速度を有するからである。ねじれモード信号は、縦モード信号よりも、制御するのがより容易であり、より良好な欠陥検出能力を持っている。この特許発明で使用されるセンサーは、本発明で使用されるセンサーとは異なっている。本発明では、センサー450により発生された波は、プローブ波案内手段460に沿って伝搬し、膨張するコレット470によりプローブ波案内作用先端領域で管410の内側壁に機械的に連結される。プローブの波案内手段460の連結領域は、コレット470の近傍でその長さに沿って分割され、それにより、締め付けされたとき、コレット470は、波案内手段460と管410との間で信号を連結するため管内側壁に近接するように分割端部を膨張させる。本発明は、コレットナット430が、膨張するコレット470に回転可能に接続されるコレット引っ張り棒435のねじ切り端部上でねじ締めされたときプローブ400の作動先端領域を膨張するためのコレット470の使用を開示している。プローブ400は、波案内管460における案内波信号の反響を最小にするため波案内管460に位置した減衰材料440を更に備えている。
【0017】
図4Aによれば、本発明は、1996年12月3日の特許登録日を有する米国特許番号5,581,037号に開示された磁気歪みセンサーに類似した磁気歪みセンサーアプローチに依拠した、ねじれモード信号を送信し検出するためのセンサー450を使用する。該特許は、ここで参照したことで本願に組み込まれる。本特許は、第一鉄管に適用可能である、内径から管を検査するための磁気歪みセンサーを開示し、管壁に直接発生する縦波を使用している。本発明の磁気歪みセンサー450は、2002年5月28日の特許登録日を有する米国特許番号6,396,262号に開示された磁気歪みセンサーに類似した薄い強磁性体のストリップを利用し、プローブの波案内手段460において、ねじれモード信号を発生し、検出するものである。本特許は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【0018】
図4Aに示されるように、熱交換器管410の検査を実施するため、プローブ400は、プローブ400の連結領域470が管シート420にあるか又は管シートを超えるように、熱交換器管410の開放端部内に挿入される。プローブ400は、引っ張り棒機構432を再位置決めしてコレットナット430を締め付けることによって、熱交換器管410の内側表面に連結されている。磁気歪みセンサー450が動作され、ねじれ波は、プローブ400の先端部470から熱交換器管410に連結されている。管欠陥部分からの反射信号は、センサー450に戻らされ、図1に示された連係した手段によって取得される。電気コネクター442が、センサー信号を連係手段に接続するためプローブ400のバレル442上に示されている。
【0019】
図4Bは、本発明の別の実施例490を示している。熱交換器管410の検査を実施するため、プローブ490は、プローブ400の連結領域474が管シート420のところか又は該シートを超えるように、熱交換器管410の開放端部内に挿入される。プローブ400は、ハンドル434が枢動点435の回りを枢動して、ハンドル434に接続された接続ロッド437に接続された、引っ張り棒機構438を再配置させるように、ハンドル434を引っ張ることにより熱交換器管410の内側表面に連結される。引っ張り棒機構438の再配置作用は、プローブ474の連結領域を、熱交換器管410の内側壁に対して固定させる。磁気歪みセンサー450は、作動され、ねじれ波が、プローブ400の先端部474から熱交換器管410に連結される。管欠陥からの反射信号は、センサー450に戻らされ、図1に示される連係手段により取得される。電気コネクター442は、センサー信号を連係手段に接続するためプローブ400のバレル440上に示されている。
【0020】
図5を参照すると、図5は、ねじれモード案内波プローブ400の実施例のセンサー構成500を拡大して示している。図5は、図4に示されたプローブ400の一部分を表している。プローブ400は、管シート420により適所に固定された多数の熱交換器管410の一つに配置されている。センサー450は、センサーコイル452と、例えばニッケルや適切な磁気歪み特性を備えた他の材料等の柱状強磁性ストリップ454と、を備え、該ストリップは、本発明に係るねじれ波信号の発生及び検出に必要となる磁気歪み特性を提供するための波案内管460の外側壁に確実に付着されている。センサーコイル452により発生された時間変動磁場は、磁気歪み効果を介して柱状強磁性ストリップ454においてねじれ波を発生する。柱状強磁性ストリップ454及びセンサーコイル452は、逆磁気歪み効果を介して管欠陥から、反射した波を検出するためにも使用される。減衰材料440は、波案内管460において案内波信号の反響を最小にするため、波案内管460上に配置された状態で示されている。
【0021】
ねじれモード信号の発生及び検出のため、DCバイアス磁場は、周囲方向に要求されている。周囲方向におけるバイアス磁化は、波案内管460にストリップ454を周囲方向に取り付けるか又は包む前に、その長さに沿って強磁性ストリップ454内に残留磁化を誘起することによって達成することができる。強磁性ストリップ454内に周囲のバイアス磁場を形成するための別の方法は、ストリップを波案内管に取り付けた後、案内波プローブ間460の長さ方向軸に沿ってDC電気を通過させることである。電流の流れは、波案内管460の長さ方向軸の方向に向いている。
【0022】
図6A及び図6Bを参照すると、図6Aは、ねじれモード案内波プローブ400の一実施例に係る拡大波案内作用先端構成600を示している。波案内管460の先端部は、波案内管460の作用先端部の近傍の領域に管周囲の回りに配置された軸スリットを備えている。波案内管460に発生した、ねじれ波は、コレット引っ張り棒機構435を使用して熱交換器管410に機械的に連結される。図6Aは、ユーザーが引っ張り棒435を再配置するように引っ張り棒ナット430を締め付ける際に引っ張り棒435によりノーズ部品475がコレット470内に押し入れられるとき、コレット470が如何に膨張して熱交換器管410の内部に波案内管先端460を機械的に連結するかを示している。
【0023】
同様に、図6Bは、ねじれ案内波プローブの拡大された波案内作用先端構成650の別の実施例を示している。波案内管460の先端部は、波案内管460の作用先端部の近傍の領域に管周囲の回りに配置された軸スリットを備えている。波案内管460に発生した、ねじれ波は、引っ張り棒機構474を使用して、熱交換器管410に機械的に連結されている。図6Bは、ユーザーが引っ張り棒474を再配置するように引っ張り棒ナット430を締め付ける際にノーズ部品476が波案内管先端部460の先端部内に押し入れられるとき、コレット470が如何に膨張して波案内管先端460を熱交換器管410の内部に機械的に連結するかを示している。
【0024】
図7を参照すると、図7は、ねじれモード案内波信号を発生し検出するための磁気歪みセンサーの詳細な構成を示している。図7A及び図7Bは、磁気歪みセンサー(図4及び図5に示される450)のより詳細な図を示している。図7A及び図7Bは、波案内管760に固着された柱状強磁性ストリップ754を示している。センサーコイル752は、バイアス残留磁化を備える柱状強磁性ストリップ754に亘って巻かれている。強磁性ストリップ754は、典型的に、1インチ(2.54cm)幅であり、波案内管760の回りに巻かれている。強磁性ストリップ754の幅は、案内波の周波数に従って、調整することができ、高い周波数ではより狭く、低い周波数ではより幅広くすることができる。強磁性ストリップ754は、例えば、ニッケル、方向性珪素鋼鉄、又は、残留磁気を保持する能力と共に高い磁気歪み係数を有する他の磁気歪み材料等の良好な磁気歪み特性を持つ任意材料から作られてもよい。適切に付勢された磁場を強磁性ストリップ754に印加し、柱状強磁性ストリップ754が波案内管の回りを覆うとき誘導磁場の方向が周囲方向になるように付勢磁場を除去することによって、残留磁場は、強磁性ストリップ754内で誘起される。柱状強磁性ストリップ754を波案内管760に固着した後、磁気歪みセンサーコイル752は、柱状強磁性ストリップ754の回りに配置される。ねじれモード波を発生させるため、DCバイアス磁場は、上記したように、波案内管760の回りで周囲方向になければならない。これとは対照的に、縦モード波を発生させるためには、DCバイアス磁場は、波案内管760の縦方向即ち長さ方向になければならない。
【0025】
柱状強磁性ストリップ754内で周囲方向のバイアス磁場を形成する別の方法が図7Cに示されている。図7Cに示されるように、DC電流は、導電性波案内管760の回りで導電性リング782、784の間を流される。この電流は、周囲方向の磁場を柱状強磁性ストリップ754内で誘起させる。波案内管760が導電性ではない場合、同じ結果を達成するため、重いゲージ銅ワイヤを波案内管を通して挿入し、該銅ワイヤにDC電流を印加してもよい。
【0026】
本発明が幾つかの好ましい実施例を参照して詳細に説明されたが、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、これらの実施例への変更及び改造が、当業者には想到できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】図1は、本発明を実施するためのシステムの機能ブロック図を示す。
【図2】図2は、送信されたねじれモード案内波信号と、熱交換器管の壁の欠陥部分から反射したねじれモード案内波信号との典型的な表現を示す。
【図3】図3は、様々に異なる直径管における縦モード波及びねじれモード波に関する分散曲線を示す。
【図4】図4は、ねじれモード案内波プローブの実施例を示す。
【図5】図5は、ねじれモード案内波プローブの実施例の拡大されたセンサー構成を示す。
【図6】図6は、ねじれモード案内波プローブの実施例としての拡大された波案内先端構成を示す。
【図7】図7は、ねじれモード案内波信号を発生し検出するための磁気歪みセンサーの詳細を示す。
【技術分野】
【0001】
本発明は、全員がテキサス州サンアントニオ在住のへギョン・クワン、ジェームズ・F・クレーン及びサン−ヤング・キムによる。本出願は、2003年11月13日に出願された、米国仮特許出願番号60/481,636号の利益を請求する。本特許出願の内容は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【0002】
本発明は、概して、長距離範囲に案内される波検査技術を使用した熱交換器管の検査のための方法及びシステムに係り、より詳しくは、管の内径から熱交換器を迅速に検査するためねじれ案内波を使用する方法に関する。
【背景技術】
【0003】
熱交換器は、例えば、精製所、化学プラント及び発電設備等の処理プラントで広範囲に使用されており、典型的には、管シートにより固定位置に支持された多数の熱交換器管を備えている。各熱交換器管は、検査及びメンテナンスの目的のため一方の端部からアクセス可能である。熱交換器管は、第1の温度で第1の液体又はガスを運搬し、第2の温度の第2の液体又はガスにより取り囲まれており、これにより、熱は第1の液体又はガスから第2の液体又はガスまで転移され、又は、その逆方向に転移する。熱交換器の故障及び連係した作動及びメンテナンスコストに起因した設備及びプロセスの強制的な停止を最小にするため、熱交換器管は、定期的に検査される。熱交換器管が近接した状態で束ねられ、それらの外径から、それらの管を検査することを困難にしているので、熱交換器管の検査は、管の内径から実行されている。熱交換器内の多数の熱交換器管及び検査の高いコストの故に、熱交換器管は、少量の管からサンプリングされた検査データに基づいて一般にメンテナンスされている。この現在のメンテナンスの実施は、熱交換器の高い信頼性をもたらしていない。
【0004】
熱交換器管を検査するための解決法を見出す多数の努力が過去においてなされてきた。これらの努力の多くは、熱交換器管壁内で案内波を誘起し、管壁内の欠陥部分から反射された誘起案内波信号を検出することに頼ってきた。これらの解決法の幾つかは、反射された案内波信号を検出するため管の外径上の固定プローブ位置から管構成の長さ方向の長さを検査する手段を提供した。熱交換器管の外径にアクセスする困難さは、このアプローチを実行不可能にしてきた。しかし、これらの方法は、熱交換器管の内径から案内波が発進され、これを検出することができるならば、熱交換器管の完全さを迅速に探査する解決法が可能となるという認識を提供した。低い効率、低い欠陥検出能力及びモード制御の困難さを始めとした従来技術で開示された様々な解決法の欠点の故に、これらの解決法は、当該技術分野における実用的な熱交換器管検査のために幅広く受け入れられてはこなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
熱交換器における全ての熱交換器管を迅速に探査し、引き続く適切な検査及びメンテナンス作業を決定するのに適したデータを提供することにより、信頼性を向上しコストを減少させるための、処理産業における非破壊検査法に対する必要性が存在している。望ましい技術は、熱交換器管の内径から適用することができ、一方の端部から管の全長さを迅速に検査することができ、プローブが配置された領域のみクリーニングするだけで済む、技術である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、熱交換器内で全ての熱交換器管の全てを迅速に調査し、引き続く適切な検査及びメンテナンスの作業を決定するのに適したデータを提供することにより、信頼性を向上させコストを減少させるための非破壊検査法を提供する。本発明は、一方の管端部内径から管の全ての全長の検査を提供し、各管上でのプローブ配置領域のみのクリーニングだけで済ませることができる。
【0007】
開示された発明は、従来技術の欠点を克服する管内径内から熱交換器管を検査するための改善した方法及びシステムを提供する。本発明は、熱交換器管内にねじれ波を送信するため、熱交換器管の内部に連結された波案内手段内で、ねじれ波を発生するべく磁気歪み送信器及び管状波案内手段に依存している。ねじれ波は、熱交換器管の壁内の欠陥及び不規則性部分から反射し、連結された波案内手段に戻り、磁気歪みセンサーにより検出される。本発明は、従来技術で開示された縦波ノードの代わりに、ねじれ波モードを使用する、案内波プローブのアプローチに適合する。ねじれ波モードは、欠陥を検出するための縦波モードを超える多数の利点を有する。ねじれ波モードの使用の利点の中には、波分散の非常な減少、より容易なモード制御、他の波モードからの干渉の減少、液体生成物が無いこと、欠点検出能力の改善がある。発明されたプローブは、波案内管内で、ねじれ波を発生し、検出し、該波案内管は、波案内管と熱交換器管との間で、ねじれ波を連結するため熱交換器管の内径と緊密に接触する。波案内管は、波案内管内部での案内波信号の反響を最小にするため減衰材料を使用する。波案内管の作用波案内先端部近傍の軸スリットは、熱交換器管と波案内管との間で、ねじれ波を連結するための熱交換器管の内壁との緊密な接触を提供する膨張を可能にする。適切な手段により付勢されたとき、プローブは、ねじれ波信号を発生させられ、該信号は波案内管から熱交換器へと連結される。熱交換器管壁の欠陥からの反射信号が熱交換器管の検査開放端部に戻らされたとき、反射欠陥信号は、反射信号の検出のためプローブ波案内管に連結される。
【0008】
なお、本明細書の要旨の範囲内では、「センサー」という用語は、波案内手段内で、ねじれ波を送受信することができる波案内手段に取り付けられた装置を記載するために使用されている。さらには、送信センサーは、受信装置と分離した別個の装置であってもよい。
【0009】
本発明の一実施例は、反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であり、本方法は、熱交換器管の開放端部に、柱状波案内プローブを挿入し、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置され、電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加し、前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信し、前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結し、前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出し、前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理する、各工程を備える。ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実行されてもよい。ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実行されてもよい。ねじれ波を発生する前記工程は、固定した周波数の電流パルスを、前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加する工程を備えていてもよい。前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択されてもよい。本方法は、前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させる工程を更に備えていてもよい。前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結させる工程は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる工程を備えていてもよい。本方法において、電子送信パルスを印加する前記工程は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力によりファンクションジェネレータを作動させ、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスを、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続し、該パワー増幅器の出力から前記磁気歪みセンサーに前記増幅した出力パルスを印加する、各工程を備え、前記反射ねじれ波を電子的に処理する工程は、前記磁気歪みセンサーからの信号を前置増幅器において増幅し、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号をアナログデジタルコンバータの入力部に接続し、前記アナログデジタルコンバータの出力部を前記制御プロセッサの入力部に接続する、各工程を備え、前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程との間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性を決定する工程を更に備えていてもよい。
【0010】
本発明の別の実施例は、反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査するシステムであり、本システムは、熱交換器管の開放端部に挿入された柱状波案内プローブであって、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置された、前記柱状波案内プローブと、電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加するための手段と、前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信するための手段と、前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結するための手段と、前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結するための手段と、前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出するための手段と、前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理するための手段と、を備える。電子送信パルスを印加するための手段は、出力パルスを生成するようにファンクションジェネレータを作動させるための手段と、電子送信パルスを提供するため前記出力パルスを増幅するパワー増幅器と、を備え、前記電子送信パルスは、前記磁気歪みセンサーに接続される。ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実現されてもよい。ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を各々備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実現されてもよい。ねじれ波を発生する前記手段は、固定した周波数の電流パルスを前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加するための手段を備えていてもよい。前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択されてもよい。本システムは、前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させるための手段を更に備えていてもよい。前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる手段を備えていてもよい。前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、前記波案内プローブの連結端部で膨張コレットを作動させるために再配置された引っ張り棒機構であって、作動された前記膨張コレットは、前記熱交換器管の内壁との堅固な機械的な接触を形成するため前記波案内プローブの連結端部を膨張させる、前記引っ張り棒機構と、を備えていてもよく、これによって、前記発生した送信ねじれ波は、前記磁気歪みセンサーから前記波案内プローブの連結端部まで伝播し、該伝播したねじれ波は前記波案内プローブの連結端部から前記熱交換器管の内壁に連結される。本システムにおいて、反射ねじれ波信号を連結するための前記手段は、前記反射ねじれ波信号が前記熱交換器管の内壁から前記波案内プローブの連結端部まで連結され、前記反射ねじれ波信号は前記波案内プローブの連結端部から前記磁気歪みセンサーまで伝播する、各工程を備えていてもよい。本システムにおいて、電子送信パルスを印加するための前記手段は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力により作動されるファンクションジェネレータを備え、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスが、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続され、該パワー増幅器の出力からの前記増幅した出力パルスは前記磁気歪みセンサーに印加され、前記反射ねじれ波を電子的に処理するための手段は、前記磁気歪みセンサーからの信号が前置増幅器において増幅され、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号がアナログデジタルコンバータの入力部に接続され、前記アナログデジタルコンバータの出力部が前記制御プロセッサの入力部に接続される、各手段を備えていてもよく、更に、本システムは、前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程の間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性が決定される工程を備えていてもよい。
【0011】
本発明の更に別の実施例は、反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であり、本方法は、ねじれ波パルスを発生させ、送信し、該ねじれ波パルスを前記熱交換器管の長さに沿って伝播するため熱交換器管の内壁に連結し、前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、該反射ねじれ波信号を検出し、前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記送信され検出されたねじれ波を電子処理する、各工程を備える。
【0012】
本発明の上記及び他の特徴、態様及び利点は、次の説明、添付された請求の範囲、並びに、添付図面を参照して、より良く理解されるようになる。
【実施例】
【0013】
図1を参照すると、図1は、本発明を実施するためのシステム100の機能ブロック図を示している。制御プロセッサ110は、パワー増幅器150により増幅された固定周波数の電流パルスを発信するためファンクションジェネレータ130を指令する。増幅された電流パルス155は、プローブ160に配置された磁気歪みセンサー165に送られる。増幅された電流パルス155は、磁気歪みセンサー165に、ねじれ波パルスを発生させ、熱交換器管に連結されたプローブ波案内管に該ねじれ波パルスを送らせる。ねじれ波が熱交換器管の壁の欠陥に遭遇したとき、反射されたねじれ波信号は、熱交換器管に連結された波案内管に戻らせる。反射された信号は、磁気歪みセンサー165内に電圧信号を生成し、該電圧信号は、前置増幅器140により増幅される。次に、増幅された信号は、アナログデジタルコンバータ120を使用してデジタル信号に変換され、該デジタル信号は分析及び解釈のため制御プロセッサ110に送られる。
【0014】
図2A及び図2Bを参照すると、図2Aは、送信されたねじれモード案内波信号230及び熱交換器管の端部から反射されたねじれモード案内波信号240の典型的な表現200を示している。信号230、240は、磁気歪みセンサー165により測定されるとき、振幅210及び距離220で表現される。図2に示されるように、入射波230は、熱交換器管に送信され、所定時間後に、磁気歪みセンサー165によって、入射信号230の送信並びに反射された欠陥信号240の受信との間の往復移動軌跡により決定される。磁気歪みセンサー165は、図1に示されるように、適切なプローブ上に配置されている。図2Bは、送信されたパルス230と、熱交換器管の反対側の端部からの戻りパルスとを更に示している。上トレース270において、ノッチ250及び腐食260からの反射が示されている。下トレース280では、熱交換器管は、反対側端部からテストされ、腐食260及びノッチ250を示している。
【0015】
図3を参照すると、図3は、様々に異なる直径の管における、縦モード波及びねじれモード波のための分散曲線300を示している。この図3は、欠陥検査に関して、縦波の使用を超えるねじれ波の使用の利点を示している。図3は、様々な縦波及びねじれ波の群速度310が、異なるサイズの管の周波数320に関して如何に変化するかを表している。1.27cm(1/2インチ)外径の管350、1.90cm(3/4インチ)外径の管340、2.54cm(1インチ)外径の管330に関する、縦波モードL(0,1)の速度は、図示された周波数範囲に亘って、毎秒約ゼロkmから毎秒約5kmを超える速度まで変化する。1.27cm(1/2インチ)外径の管380、1.90cm(3/4インチ)外径の管370、2.54cm(1インチ)外径の管360に関する、縦波モードL(0,1)の速度も、毎秒約ゼロkmから毎秒約5kmを超える速度まで変化する。縦波速度における幅広い変化に比較して、3つの管サイズ390に関するねじれ波モードT(0,1)は、周波数320から独立した群速度310の変化を示していない。
【0016】
図4A及び図4Bを参照すると、図4Aは、チューブシート420により配置された多数の熱交換器管410の補と通路に挿入された、ねじれモード案内波プローブ400の実施例を示している。プローブ400は、1999年4月6日の特許日を有する米国特許番号5,892,162号に開示されたプローブに類似しており、その内容はここで参照したことで本願に組み込まれる。本特許は、内径から管及びパイプの検査のための案内波プローブを開示しており、熱交換器管の外側の領域からプローブの波案内手段で発生した縦案内波に依存している。前述した特許発明とは対照的に、本発明は、欠陥検出のため、縦波信号よりもねじれ波信号に依拠している。ねじれ波信号は、縦波信号より遙かに分散が少なく、上述したように、管サイズ及び波周波数から独立した速度を有するからである。ねじれモード信号は、縦モード信号よりも、制御するのがより容易であり、より良好な欠陥検出能力を持っている。この特許発明で使用されるセンサーは、本発明で使用されるセンサーとは異なっている。本発明では、センサー450により発生された波は、プローブ波案内手段460に沿って伝搬し、膨張するコレット470によりプローブ波案内作用先端領域で管410の内側壁に機械的に連結される。プローブの波案内手段460の連結領域は、コレット470の近傍でその長さに沿って分割され、それにより、締め付けされたとき、コレット470は、波案内手段460と管410との間で信号を連結するため管内側壁に近接するように分割端部を膨張させる。本発明は、コレットナット430が、膨張するコレット470に回転可能に接続されるコレット引っ張り棒435のねじ切り端部上でねじ締めされたときプローブ400の作動先端領域を膨張するためのコレット470の使用を開示している。プローブ400は、波案内管460における案内波信号の反響を最小にするため波案内管460に位置した減衰材料440を更に備えている。
【0017】
図4Aによれば、本発明は、1996年12月3日の特許登録日を有する米国特許番号5,581,037号に開示された磁気歪みセンサーに類似した磁気歪みセンサーアプローチに依拠した、ねじれモード信号を送信し検出するためのセンサー450を使用する。該特許は、ここで参照したことで本願に組み込まれる。本特許は、第一鉄管に適用可能である、内径から管を検査するための磁気歪みセンサーを開示し、管壁に直接発生する縦波を使用している。本発明の磁気歪みセンサー450は、2002年5月28日の特許登録日を有する米国特許番号6,396,262号に開示された磁気歪みセンサーに類似した薄い強磁性体のストリップを利用し、プローブの波案内手段460において、ねじれモード信号を発生し、検出するものである。本特許は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【0018】
図4Aに示されるように、熱交換器管410の検査を実施するため、プローブ400は、プローブ400の連結領域470が管シート420にあるか又は管シートを超えるように、熱交換器管410の開放端部内に挿入される。プローブ400は、引っ張り棒機構432を再位置決めしてコレットナット430を締め付けることによって、熱交換器管410の内側表面に連結されている。磁気歪みセンサー450が動作され、ねじれ波は、プローブ400の先端部470から熱交換器管410に連結されている。管欠陥部分からの反射信号は、センサー450に戻らされ、図1に示された連係した手段によって取得される。電気コネクター442が、センサー信号を連係手段に接続するためプローブ400のバレル442上に示されている。
【0019】
図4Bは、本発明の別の実施例490を示している。熱交換器管410の検査を実施するため、プローブ490は、プローブ400の連結領域474が管シート420のところか又は該シートを超えるように、熱交換器管410の開放端部内に挿入される。プローブ400は、ハンドル434が枢動点435の回りを枢動して、ハンドル434に接続された接続ロッド437に接続された、引っ張り棒機構438を再配置させるように、ハンドル434を引っ張ることにより熱交換器管410の内側表面に連結される。引っ張り棒機構438の再配置作用は、プローブ474の連結領域を、熱交換器管410の内側壁に対して固定させる。磁気歪みセンサー450は、作動され、ねじれ波が、プローブ400の先端部474から熱交換器管410に連結される。管欠陥からの反射信号は、センサー450に戻らされ、図1に示される連係手段により取得される。電気コネクター442は、センサー信号を連係手段に接続するためプローブ400のバレル440上に示されている。
【0020】
図5を参照すると、図5は、ねじれモード案内波プローブ400の実施例のセンサー構成500を拡大して示している。図5は、図4に示されたプローブ400の一部分を表している。プローブ400は、管シート420により適所に固定された多数の熱交換器管410の一つに配置されている。センサー450は、センサーコイル452と、例えばニッケルや適切な磁気歪み特性を備えた他の材料等の柱状強磁性ストリップ454と、を備え、該ストリップは、本発明に係るねじれ波信号の発生及び検出に必要となる磁気歪み特性を提供するための波案内管460の外側壁に確実に付着されている。センサーコイル452により発生された時間変動磁場は、磁気歪み効果を介して柱状強磁性ストリップ454においてねじれ波を発生する。柱状強磁性ストリップ454及びセンサーコイル452は、逆磁気歪み効果を介して管欠陥から、反射した波を検出するためにも使用される。減衰材料440は、波案内管460において案内波信号の反響を最小にするため、波案内管460上に配置された状態で示されている。
【0021】
ねじれモード信号の発生及び検出のため、DCバイアス磁場は、周囲方向に要求されている。周囲方向におけるバイアス磁化は、波案内管460にストリップ454を周囲方向に取り付けるか又は包む前に、その長さに沿って強磁性ストリップ454内に残留磁化を誘起することによって達成することができる。強磁性ストリップ454内に周囲のバイアス磁場を形成するための別の方法は、ストリップを波案内管に取り付けた後、案内波プローブ間460の長さ方向軸に沿ってDC電気を通過させることである。電流の流れは、波案内管460の長さ方向軸の方向に向いている。
【0022】
図6A及び図6Bを参照すると、図6Aは、ねじれモード案内波プローブ400の一実施例に係る拡大波案内作用先端構成600を示している。波案内管460の先端部は、波案内管460の作用先端部の近傍の領域に管周囲の回りに配置された軸スリットを備えている。波案内管460に発生した、ねじれ波は、コレット引っ張り棒機構435を使用して熱交換器管410に機械的に連結される。図6Aは、ユーザーが引っ張り棒435を再配置するように引っ張り棒ナット430を締め付ける際に引っ張り棒435によりノーズ部品475がコレット470内に押し入れられるとき、コレット470が如何に膨張して熱交換器管410の内部に波案内管先端460を機械的に連結するかを示している。
【0023】
同様に、図6Bは、ねじれ案内波プローブの拡大された波案内作用先端構成650の別の実施例を示している。波案内管460の先端部は、波案内管460の作用先端部の近傍の領域に管周囲の回りに配置された軸スリットを備えている。波案内管460に発生した、ねじれ波は、引っ張り棒機構474を使用して、熱交換器管410に機械的に連結されている。図6Bは、ユーザーが引っ張り棒474を再配置するように引っ張り棒ナット430を締め付ける際にノーズ部品476が波案内管先端部460の先端部内に押し入れられるとき、コレット470が如何に膨張して波案内管先端460を熱交換器管410の内部に機械的に連結するかを示している。
【0024】
図7を参照すると、図7は、ねじれモード案内波信号を発生し検出するための磁気歪みセンサーの詳細な構成を示している。図7A及び図7Bは、磁気歪みセンサー(図4及び図5に示される450)のより詳細な図を示している。図7A及び図7Bは、波案内管760に固着された柱状強磁性ストリップ754を示している。センサーコイル752は、バイアス残留磁化を備える柱状強磁性ストリップ754に亘って巻かれている。強磁性ストリップ754は、典型的に、1インチ(2.54cm)幅であり、波案内管760の回りに巻かれている。強磁性ストリップ754の幅は、案内波の周波数に従って、調整することができ、高い周波数ではより狭く、低い周波数ではより幅広くすることができる。強磁性ストリップ754は、例えば、ニッケル、方向性珪素鋼鉄、又は、残留磁気を保持する能力と共に高い磁気歪み係数を有する他の磁気歪み材料等の良好な磁気歪み特性を持つ任意材料から作られてもよい。適切に付勢された磁場を強磁性ストリップ754に印加し、柱状強磁性ストリップ754が波案内管の回りを覆うとき誘導磁場の方向が周囲方向になるように付勢磁場を除去することによって、残留磁場は、強磁性ストリップ754内で誘起される。柱状強磁性ストリップ754を波案内管760に固着した後、磁気歪みセンサーコイル752は、柱状強磁性ストリップ754の回りに配置される。ねじれモード波を発生させるため、DCバイアス磁場は、上記したように、波案内管760の回りで周囲方向になければならない。これとは対照的に、縦モード波を発生させるためには、DCバイアス磁場は、波案内管760の縦方向即ち長さ方向になければならない。
【0025】
柱状強磁性ストリップ754内で周囲方向のバイアス磁場を形成する別の方法が図7Cに示されている。図7Cに示されるように、DC電流は、導電性波案内管760の回りで導電性リング782、784の間を流される。この電流は、周囲方向の磁場を柱状強磁性ストリップ754内で誘起させる。波案内管760が導電性ではない場合、同じ結果を達成するため、重いゲージ銅ワイヤを波案内管を通して挿入し、該銅ワイヤにDC電流を印加してもよい。
【0026】
本発明が幾つかの好ましい実施例を参照して詳細に説明されたが、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、これらの実施例への変更及び改造が、当業者には想到できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】図1は、本発明を実施するためのシステムの機能ブロック図を示す。
【図2】図2は、送信されたねじれモード案内波信号と、熱交換器管の壁の欠陥部分から反射したねじれモード案内波信号との典型的な表現を示す。
【図3】図3は、様々に異なる直径管における縦モード波及びねじれモード波に関する分散曲線を示す。
【図4】図4は、ねじれモード案内波プローブの実施例を示す。
【図5】図5は、ねじれモード案内波プローブの実施例の拡大されたセンサー構成を示す。
【図6】図6は、ねじれモード案内波プローブの実施例としての拡大された波案内先端構成を示す。
【図7】図7は、ねじれモード案内波信号を発生し検出するための磁気歪みセンサーの詳細を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であって、
熱交換器管の開放端部に、柱状波案内プローブを挿入し、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置され、
電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加し、
前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信し、
前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結し、
前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、
前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出し、
前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理する、各工程を備える、方法。
【請求項2】
ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実行される、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実行される、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
ねじれ波を発生する前記工程は、固定した周波数の電流パルスを前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加する工程を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択される、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させる工程を更に備える、請求項4に記載の方法。
【請求項7】
前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結させる工程は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる工程を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
電子送信パルスを印加する前記工程は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力によりファンクションジェネレータを作動させ、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスを、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続し、該パワー増幅器の出力から前記磁気歪みセンサーに前記増幅した出力パルスを印加する、各工程を備え、
前記反射ねじれ波を電子的に処理する工程は、前記磁気歪みセンサーからの信号を前置増幅器において増幅し、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号をアナログデジタルコンバータの入力部に接続し、前記アナログデジタルコンバータの出力部を前記制御プロセッサの入力部に接続する、各工程を備え、
前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程との間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性を決定する工程を更に備える、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査するシステムであって、
熱交換器管の開放端部に挿入された柱状波案内プローブであって、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置された、前記柱状波案内プローブと、
電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加するための手段と、
前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信するための手段と、
前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結するための手段と、
前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結するための手段と、
前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出するための手段と、
前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理するための手段と、
を備える、システム。
【請求項10】
電子送信パルスを印加するための手段は、
出力パルスを生成するようにファンクションジェネレータを作動させるための手段と、
電子送信パルスを提供するため前記出力パルスを増幅するパワー増幅器と、
を備え、前記電子送信パルスは、前記磁気歪みセンサーに接続される、請求項9に記載のシステム。
【請求項11】
ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実現される、請求項9に記載のシステム。
【請求項12】
ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実現される、請求項9に記載のシステム。
【請求項13】
ねじれ波を発生する前記手段は、固定した周波数の電流パルスを前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加するための手段を備える、請求項9に記載のシステム。
【請求項14】
前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択される、請求項13に記載のシステム。
【請求項15】
前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させるための手段を更に備える、請求項13に記載のシステム。
【請求項16】
前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる手段を備える、請求項9に記載のシステム。
【請求項17】
前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、
前記波案内プローブの連結端部で膨張コレットを作動させるために再配置された引っ張り棒機構であって、作動された前記膨張コレットは、前記熱交換器管の内壁との堅固な機械的な接触を形成するため前記波案内プローブの連結端部を膨張させる、前記引っ張り棒機構と、
を備え、
前記発生した送信ねじれ波は、前記磁気歪みセンサーから前記波案内プローブの連結端部まで伝播し、該伝播したねじれ波は前記波案内プローブの連結端部から前記熱交換器管の内壁に連結される、請求項9に記載のシステム。
【請求項18】
反射ねじれ波信号を連結するための前記手段は、
前記反射ねじれ波信号が前記熱交換器管の内壁から前記波案内プローブの連結端部まで連結され、
前記反射ねじれ波信号は前記波案内プローブの連結端部から前記磁気歪みセンサーまで伝播する、各工程を備える、請求項17に記載のシステム。
【請求項19】
電子送信パルスを印加するための前記手段は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力により作動されるファンクションジェネレータを備え、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスが、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続され、該パワー増幅器の出力からの前記増幅した出力パルスは前記磁気歪みセンサーに印加され、
前記反射ねじれ波を電子的に処理するための手段は、前記磁気歪みセンサーからの信号が前置増幅器において増幅され、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号がアナログデジタルコンバータの入力部に接続され、前記アナログデジタルコンバータの出力部が前記制御プロセッサの入力部に接続される、各手段を備え、
前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程の間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性が決定される、請求項9に記載のシステム。
【請求項20】
反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であって、
ねじれ波パルスを発生させ、送信し、該ねじれ波パルスを前記熱交換器管の長さに沿って伝播するため熱交換器管の内壁に連結し、
前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、該反射ねじれ波信号を検出し、
前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記送信され検出されたねじれ波を電子処理する、各工程を備える、方法。
【請求項1】
反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であって、
熱交換器管の開放端部に、柱状波案内プローブを挿入し、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置され、
電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加し、
前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信し、
前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結し、
前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、
前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出し、
前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理する、各工程を備える、方法。
【請求項2】
ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実行される、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
ねじれ波パルスを発生する前記工程及び前記反射ねじれ波信号を検出する前記工程は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実行される、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
ねじれ波を発生する前記工程は、固定した周波数の電流パルスを前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加する工程を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択される、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させる工程を更に備える、請求項4に記載の方法。
【請求項7】
前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結させる工程は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる工程を備える、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
電子送信パルスを印加する前記工程は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力によりファンクションジェネレータを作動させ、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスを、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続し、該パワー増幅器の出力から前記磁気歪みセンサーに前記増幅した出力パルスを印加する、各工程を備え、
前記反射ねじれ波を電子的に処理する工程は、前記磁気歪みセンサーからの信号を前置増幅器において増幅し、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号をアナログデジタルコンバータの入力部に接続し、前記アナログデジタルコンバータの出力部を前記制御プロセッサの入力部に接続する、各工程を備え、
前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程との間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性を決定する工程を更に備える、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査するシステムであって、
熱交換器管の開放端部に挿入された柱状波案内プローブであって、該波案内プローブの連結端部は、少なくとも前記開放端部から熱交換器管シートへの距離だけ隔てた該開放端部からの距離のところに配置された、前記柱状波案内プローブと、
電子送信パルスを前記波案内プローブに取り付けられた磁気歪みセンサーに印加するための手段と、
前記磁気歪みセンサーによって、前記波案内プローブ内に、ねじれ波パルスを発生、送信するための手段と、
前記送信されたねじれ波を、前記熱交換器管の長さに沿って伝播するように前記波案内プローブから前記熱交換器管の内部壁まで連結するための手段と、
前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結するための手段と、
前記反射ねじれ波信号を磁気歪みセンサーにより検出するための手段と、
前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記検出された信号を電子処理するための手段と、
を備える、システム。
【請求項10】
電子送信パルスを印加するための手段は、
出力パルスを生成するようにファンクションジェネレータを作動させるための手段と、
電子送信パルスを提供するため前記出力パルスを増幅するパワー増幅器と、
を備え、前記電子送信パルスは、前記磁気歪みセンサーに接続される、請求項9に記載のシステム。
【請求項11】
ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、一体化された磁気歪みの送信器及び受信器を備える同じ磁気歪みセンサーにより実現される、請求項9に記載のシステム。
【請求項12】
ねじれ波パルスを発生するための前記手段及び前記反射ねじれ波信号を検出するための前記手段は、磁気歪み送信器及び該送信器と分離した磁気歪み受信器を備える別々の磁気歪みセンサーにより各々実現される、請求項9に記載のシステム。
【請求項13】
ねじれ波を発生する前記手段は、固定した周波数の電流パルスを前記柱状波案内プローブに柱状に固着された磁気歪みセンサーの強磁性ストリップを覆って巻かれたコイルに印加するための手段を備える、請求項9に記載のシステム。
【請求項14】
前記強磁性ストリップは、ニッケルのストリップと、良好な磁気歪み特性を有する材料のストリップと、からなる群から選択される、請求項13に記載のシステム。
【請求項15】
前記強磁性ストリップを周囲方向に磁気分極させるための手段を更に備える、請求項13に記載のシステム。
【請求項16】
前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、膨張可能な装置を使用して前記波案内管の内部から力を印加することにより、前記連結端部と前記熱交換器管の内径との間を緊密に接触させるように前記波案内管の連結端部を膨張させる手段を備える、請求項9に記載のシステム。
【請求項17】
前記波案内管と前記熱交換器管との間で前記ねじれ波を連結するための手段は、
前記波案内プローブの連結端部で膨張コレットを作動させるために再配置された引っ張り棒機構であって、作動された前記膨張コレットは、前記熱交換器管の内壁との堅固な機械的な接触を形成するため前記波案内プローブの連結端部を膨張させる、前記引っ張り棒機構と、
を備え、
前記発生した送信ねじれ波は、前記磁気歪みセンサーから前記波案内プローブの連結端部まで伝播し、該伝播したねじれ波は前記波案内プローブの連結端部から前記熱交換器管の内壁に連結される、請求項9に記載のシステム。
【請求項18】
反射ねじれ波信号を連結するための前記手段は、
前記反射ねじれ波信号が前記熱交換器管の内壁から前記波案内プローブの連結端部まで連結され、
前記反射ねじれ波信号は前記波案内プローブの連結端部から前記磁気歪みセンサーまで伝播する、各工程を備える、請求項17に記載のシステム。
【請求項19】
電子送信パルスを印加するための前記手段は、送信パルスを発生させるため制御プロセッサの出力により作動されるファンクションジェネレータを備え、該ファンクションジェネレータの出力部における前記送信パルスが、該送信パルスを増幅するためパワー増幅器の入力部に接続され、該パワー増幅器の出力からの前記増幅した出力パルスは前記磁気歪みセンサーに印加され、
前記反射ねじれ波を電子的に処理するための手段は、前記磁気歪みセンサーからの信号が前置増幅器において増幅され、該前置増幅器の出力部における前記増幅信号がアナログデジタルコンバータの入力部に接続され、前記アナログデジタルコンバータの出力部が前記制御プロセッサの入力部に接続される、各手段を備え、
前記アナログデジタルコンバータの出力からの信号特性と、前記電子送信パルスを印加する工程及び前記アナログデジタルコンバータ出力から信号特性を検出する工程の間の時間差と、を使用して前記制御プロセッサにより前記熱交換器管壁における欠陥の位置及び特性が決定される、請求項9に記載のシステム。
【請求項20】
反射ねじれ波を使用して熱交換器管を検査する方法であって、
ねじれ波パルスを発生させ、送信し、該ねじれ波パルスを前記熱交換器管の長さに沿って伝播するため熱交換器管の内壁に連結し、
前記熱交換器管の欠陥及び遠い方の端部からの反射ねじれ波信号を前記波案内プローブに連結し、該反射ねじれ波信号を検出し、
前記熱交換器管壁内の前記欠陥の位置及び特性を決定するため、前記送信され検出されたねじれ波を電子処理する、各工程を備える、方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【公表番号】特表2007−514140(P2007−514140A)
【公表日】平成19年5月31日(2007.5.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−539503(P2006−539503)
【出願日】平成16年10月12日(2004.10.12)
【国際出願番号】PCT/US2004/033711
【国際公開番号】WO2005/052485
【国際公開日】平成17年6月9日(2005.6.9)
【出願人】(501294021)サウスウエスト・リサーチ・インスティチュート (3)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成19年5月31日(2007.5.31)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年10月12日(2004.10.12)
【国際出願番号】PCT/US2004/033711
【国際公開番号】WO2005/052485
【国際公開日】平成17年6月9日(2005.6.9)
【出願人】(501294021)サウスウエスト・リサーチ・インスティチュート (3)
【Fターム(参考)】
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