管状構造体の応力解析システム及び応力解析方法
【課題】きわめて容易かつ迅速に管状構造体の板厚測定及び応力解析を実現させることができるシステム及び方法を提供する。
【解決手段】管状構造体の板厚を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置２と、板厚測定装置２で保存した板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行う応力解析装置３と、を備える応力解析システム１である。
【解決手段】管状構造体の板厚を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置２と、板厚測定装置２で保存した板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行う応力解析装置３と、を備える応力解析システム１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管状構造体の応力解析システム及び応力解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、各種管状構造体（例えば、内容物の収容を目的とした搭状や円筒状の大型タンク、リアクタ等の比較的小型の容器、ストレート形状やエルボ形状の配管等）の安全性を評価する手法が種々提案されている。例えば、リアクタを継続使用する際には、リアクタを構成する壁板の厚さ（板厚）が所定の基準値を下回るか否かによって安全性が評価されていた。
【０００３】
しかし、容器や配管等の管状構造体は、内部に収容された物質の特性や外部の温度変化の程度等によっては腐食し易い環境にさらされるため、局部的に腐食が進展する場合がある。このため、近年においては、管状構造体の安全性を正確に評価することを目的として、管状構造体の複数個所の板厚の変化量を測定し、この変化量に基づいて管状構造体の応力解析を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７７０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、前記した特許文献１に記載されたような従来の技術は、作業者の手によって板厚を測定するものであるため、管状構造体全体の板厚データ（分布）を取得することが困難であり、しかも作業に多大な労力や時間を要するという問題があった。また、仮に有効な測定データを多数取得できたとしても、その測定データを用いて有限要素法等の手法を採用して応力解析を行おうとすると、測定データの入力に膨大な労力・時間を要することとなるため、その実施は事実上困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、きわめて容易かつ迅速に管状構造体の板厚測定及び応力解析を実現させることができるシステム及び方法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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る管状構造体の応力解析システムは、管状構造体の板厚を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置と、板厚測定装置で保存した板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行う応力解析装置と、を備えるものである。
【０００７】
また、本発明に係る管状構造体の応力解析方法は、管状構造体の板厚を測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する第１の工程と、第１の工程で保存した板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換する第２の工程と、第２の工程で自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行う第３の工程と、を備えるものである。
【０００８】
かかる構成及び方法を採用すると、容器や配管等の管状構造体の板厚を測定し、この測定により得た板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換し、この応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行うことができる。従って、単に板厚を測定するだけでなく、取得した測定データを用いて応力解析（応力集中も含めた強度解析）を容易かつ迅速に行うことができ、管状構造体の補修要否や解体再建造の判断を行うための安全性の評価を高い精度で実現させることができる。この結果、管状構造体の運用において、安全上の効果に加え、経済的な効果や資源節約の効果（管状構造体の長寿命化）を得ることが可能となる。
【０００９】
前記応力解析システムにおいて、測定データ形式の板厚データとして、管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値を採用するとともに、応力解析用データ形式の板厚データとして、管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値を採用することができる。この際、測定データ形式の要素サイズを応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定する。また、かかる場合において、応力解析用データ形式の要素に対応する測定データ形式の要素群を特定するとともにこの要素群の板厚最小値（板厚平均値）を特定（算出）し、この要素群に対応する応力解析用データ形式の要素の板厚値を板厚最小値（板厚平均値）で代表させる応力解析装置を採用することができる。さらに、応力解析用データ形式の要素に対応する測定データ形式の要素群の板厚値の有効割合が所定の閾値を超えるか否かを判定し、有効割合が閾値以下である場合に、この要素群に対応する応力解析用データ形式の要素の板厚値を所定の置換値で代表させる応力解析装置を採用することもできる。
【００１０】
また、前記応力解析システムにおいて、管状構造体の外形寸法データに基づいて管状構造体の三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割する応力解析装置を採用することもできる。また、かかる場合において、応力解析装置は、三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割する際に、管状構造体を構成する板の位置に応じて分割数を変更する（例えば、破損が発生し易い箇所は細かく分割し、破損が発生し難い箇所は粗く分割する）こともできる。
【００１１】
また、前記応力解析システムにおいて、板厚測定装置及び応力解析装置を一体的に構成することもできる。
【００１２】
また、前記応力解析システムにおいて、板厚測定装置を応力解析装置から離隔した位置に配置し、板厚測定装置と応力解析装置との間におけるデータ授受を所定の通信手段又はデータ記録媒体によって実現させることもできる。
【００１３】
また、前記応力解析システムにおいて、管状構造体の製造時点における板厚データと、板厚測定装置で測定して得た管状構造体の板厚データと、管状構造体の使用期間と、に基づいて、板厚測定装置での測定時点から所定期間経過した時点における管状構造体の板厚データを推定する板厚推定手段を備えることもできる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、過去の板厚データの履歴（使用期間と板厚変化との関係）に基づいて、例えば板厚の変化率を算出することができ、この変化率を参照して将来（板厚測定時点から所定期間経過した時点）における管状構造体の板厚を推定することができる。そして、このように推定した板厚に基づいて、例えば管状構造体の寿命を予測したり、安全性確保のために今までの運転条件を見直したりすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、きわめて容易かつ迅速に管状構造体の板厚測定及び応力解析を実現させることができるシステム及び方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る管状構造体の応力解析システムについて説明する。本実施形態においては、図１及び図２に示すように、略円筒状の胴部１０１と、所定の曲率を有する球面状の曲面で構成された底部１０２と、を備えるリアクタ１００（反応容器）を管状構造体の例として挙げることとし、このリアクタ１００を構成する鋼板の厚さを測定して応力解析を行うシステム及び方法について説明する。
【００１７】
まず、図１〜図７を用いて、本実施形態に係る応力解析システム１の構成について説明する。
【００１８】
応力解析システム１は、図３に示すように、リアクタ１００を構成する鋼板の厚さ（板厚）を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置２と、板厚測定装置２で保存した板厚データを測定形式データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いてリアクタ１００の応力解析を行う応力解析装置３と、を備えている。なお、本実施形態においては、板厚測定装置２と応力解析装置３とを物理的に離隔した位置に配置し、両者間のデータ授受を所定の通信方式（無線通信方式や有線通信方式）で実現させている。
【００１９】
板厚測定装置２は、リアクタ１００の鋼板上を走行する走行台車２０、走行台車２０に搭載された超音波探触子ユニット２１、超音波探触子ユニット２１を介して板厚を測定するための超音波厚さ計２２、走行台車２０の駆動制御や測定データの収集を行う制御装置２３、制御装置２３で収集した測定データに基づいて板厚データを算出し所定の測定データ形式で保存する情報処理装置２４、情報処理装置２４に対して操作信号を入力するための操作部２５、情報処理装置２４で保存された測定データを表示する表示部２６等を有している。
【００２０】
走行台車２０は、図１〜図３に示すように、複数の車輪２０ａと、これら車輪２０ａを回転駆動するモータ２０ｂと、を有しており、制御装置２３がモータ２０ｂを制御することにより、リアクタ１００の胴部１０１及び底部１０２を構成する鋼板上を走行する。走行台車２０には、鋼板に対して磁力による吸着力を発揮する図示されていない磁石（永久磁石や電磁石）が設けられており、この磁石により、走行台車２０はリアクタ１００の鋼板上に吸着しながら走行することができるようになっている。また、走行台車２０には、走行中における自己の位置を測定する位置センサ２０ｃが搭載されており、位置センサ２０ｃを介して得られた位置データは、ケーブル２０ｄを介して制御装置２３に伝送されるようになっている。
【００２１】
走行台車２０は、リアクタ１００の胴部１０１を構成する鋼板上において、図１に示すように胴部１０１上を鉛直方向（高さ方向）に走行することができるとともに、走行方向を９０°回転させて胴部１０１上を水平方向（円周方向）に走行することができる。これにより、走行台車２０は胴部１０１の略全面にわたって走行することができ、走行台車２０に搭載される超音波探触子ユニット２１によって胴部１０１の略全面の板厚を測定することができる。
【００２２】
一方、走行台車２０は、リアクタ１００の底部１０２を構成する鋼板上において、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、底部１０２の中心に装着された所定の支持部材２０ｅと走行台車２０とを接続する回転半径規定部材２０ｆにより走行半径が規定された状態で所定の曲率半径の円周上を走行する。回転半径規定部材２０ｆにより、支点部材２０ｅと走行台車２０との間の距離を増減させると、走行台車２０は底部１０２の略全面にわたって走行することができ、走行台車２０に搭載された超音波探触子ユニット２１によって底部１０２の略全面の板厚を測定することができる。
【００２３】
超音波探触子ユニット２１には、図示されていない複数の超音波探触子が千鳥状（互い違い）に配列された状態で搭載されている。超音波探触子を用いて鋼板の厚さを測定する際には、超音波厚さ計２２からパルス電圧を超音波探触子に周期的に送ることにより、超音波探触子の送信振動子を発振させ、これにより発生した超音波を被検体となる鋼板中に送り込む。そして、被検体底面からの反射波を超音波探触子の受信振動子で受信し、この受信振動子が振動することにより得られる電圧を超音波厚さ計２２で検出・増幅する。このように超音波厚さ計２２で検出・増幅された板厚に関するデータは、制御装置２３に送信される。制御装置２３は、受信した板厚に関するデータを所定のデータに変換した上で情報処理装置２４に送信する。情報処理装置２４は、制御装置２３から送信されたデータに基づいて鋼板の厚さ（板厚値）を算出する。
【００２４】
制御装置２３は、走行台車２０のモータ２０ｂや操舵輪を駆動制御することにより、走行台車２０を所望の方向に走行させる。この際、予め設定された走行ルートに沿って走行台車２０を走行させるように制御してもよく、操作部２５に入力された操作信号に基づいて走行台車２０を走行させるように制御してもよい。また、制御装置２３は、走行台車２０の位置センサ２０ｃを介して得られた位置データを検出し、検出した位置データを、超音波厚さ計２２を介して得られた板厚に関するデータに対応させて情報処理装置２４に送信する。
【００２５】
情報処理装置２４は、各種機器を統合制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）２４ａ、各種機器を制御するためのプログラムやデータが記録されるとともに測定データを記録するためのメモリ２４ｂ、外部機器とデータ通信を行うための通信部２４ｃ等を備えている。ＣＰＵ２４ａは、超音波厚さ計２２を介して得られた板厚に関するデータを制御装置２３から受信して板厚値を算出する。そして、ＣＰＵ２４ａは、位置センサ２０ｃを介して得られた位置データに対応させて、算出した板厚値をメモリ２４ｂに保存する。本実施形態においては、リアクタ１００の胴部１０１及び底部１０２を複数の要素に分割し、その要素に対応させて（すなわち所定の測定データ形式で）板厚データを保存することとしている。また、ＣＰＵ２４ａは、保存した板厚データを位置データとともに表示部２６に表示する。
【００２６】
具体的には、リアクタ１００の胴部１０１において、この胴部１０１を円周方向に沿って等間隔でｎi個に分割する一方、高さ方向に沿って等間隔でｎj個に分割することにより、全部でｎi×ｎj個の要素（格子）を形成し、これら要素毎に板厚値を保存する。図４（Ａ）は、リアクタ１００の胴部１０１の板厚データを要素毎に示した測定データマップである。図４（Ａ）においては、横軸に胴部１０１の円周方向の要素数ｉ（１、２、３、……、ｎi）を採用し、縦軸に胴部１０１の高さ方向の要素数ｊ（１、２、３、……、ｎj）を採用し、各要素が（ｉ、ｊ）の形式で表示され、各要素（ｉ、ｊ）における板厚値がその数値に対応した色（濃淡）で表示される。
【００２７】
リアクタ１００の底部１０２においては、この底部１０２を、第１の方向と、この第１の方向に直交する第２の方向と、に沿って各々分割して複数の要素を形成し、これら要素毎に板厚値を保存する。図４（Ｂ）は、リアクタ１００の底部１０２の板厚データを要素毎に示した測定データマップである。図４（Ｂ）においても、横軸に底部１０２のある方向（第１の方向）の要素数ｉ（１、２、３、……、ｎi）を採用し、縦軸に第１の方向と直交する方向（第２の方向）の要素数ｊ（１、２、３、……、ｎj）を採用し、各要素が（ｉ、ｊ）の形式で表示され、各要素（ｉ、ｊ）における板厚値がその数値に対応した色（濃淡）で表示される。
【００２８】
また、情報処理装置２４は、メモリ２４ｂに所定の測定データ形式で保存した板厚データ（測定データ）を、通信部２４ｃを介して、無線通信方式又は有線通信方式で応力解析装置３に送信する。応力解析装置３に送信された板厚データは、後述する情報処理装置３０の通信部３０ｃを介して受信された後、所定のデータ変換処理により応力解析用データ形式の板厚データに変換され、この応力解析用データ形式の板厚データに基づいて応力解析がなされることとなる。これら通信部２４ｃ、３０ｃは、本発明における通信手段を構成する。
【００２９】
応力解析装置３は、図３に示すように、板厚測定装置２から送信された板厚データ（測定データ）を受信して所定の処理を行うとともに処理後のデータを用いてリアクタ１００の応力解析を行う情報処理装置３０、情報処理装置３０に対して操作信号を入力するための操作部３１、情報処理装置で処理されたデータ等を表示する表示部３２等を有している。
【００３０】
情報処理装置３０は、各種機器を統合制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）３０ａ、各種機器を制御するためのプログラムやデータが記録されるとともに測定データを記録するためのメモリ３０ｂ、外部機器とデータ通信を行うための通信部３０ｃ等を備えている。ＣＰＵ３０ａは、メモリ３０ｂに記録されたリアクタ１００の外形寸法データに基づいて、リアクタ１００の応力解析用の三次元数値モデルを自動生成する。図５は、自動生成されたリアクタ１００の三次元数値モデルの概念図である。本実施形態においては、有限要素法を用いてリアクタ１００の応力解析を行うため、リアクタ１００の胴部１０１及び底部１０２を複数の要素に分割する。この際、ＣＰＵ３０ａは、三次元数値モデルにおける全要素の初期の板厚値をデフォルトの値に設定している。
【００３１】
応力解析装置３の情報処理装置３０で作成した三次元数値モデルの各要素は、４つの節点を有しており、各節点がｘｙｚ座標を有している。例えばｎ番目の要素（以下、「要素（ｎ）」という）における４つの節点の座標は、図６に示すように、（ｘn1、ｙn1、ｚn1）、（ｘn2、ｙn2、ｚn2）、（ｘn3、ｙn3、ｚn3）、（ｘn4、ｙn4、ｚn4）となり、要素（ｎ）はこれら４つの節点をつなぐ線で囲まれた領域で構成される。要素（ｎ）のサイズは、板厚測定装置２の情報処理装置２４で保存された測定データの要素（ｉ、ｊ）のサイズよりも大きくなっている。従って、測定した板厚データの保存形式の要素（ｉ、ｊ）と、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）と、は一対一に対応していないため、測定した板厚データをそのまま応力解析用の三次元数値モデルに適用することはできない。
【００３２】
そこで、応力解析装置３の情報処理装置３０のＣＰＵ３０ａは、板厚測定装置２から送信された要素（ｉ、ｊ）毎の板厚データを、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）毎の板厚データに変換する。具体的には、ＣＰＵ３０ａは、図７に示すように、三次元数値モデルの要素（ｎ）の各節点のｘｙｚ座標に基づいて、測定データにおける要素（ｎ）の対応範囲Ａｎ（ｉmax、ｉmin、ｊmax、ｊmin）を算出する。このとき、対応範囲Ａｎは、要素（ｎ）が漏れなく含まれるように算出される。要素（ｎ）の境界は、三次元数値モデルの座標軸と必ずしも平行でないため、対応範囲Ａｎにおける測定データの要素（ｉ、ｊ）には、要素（ｎ）に含まれないものが存在する可能性がある。そして、ＣＰＵ３０ａは、算出した対応範囲Ａｎにおける測定データの要素（ｉ、ｊ）から、要素（ｎ）に含まれる測定データの要素群を検出し、検出した要素群（例えば図７に示した３６個の要素）における板厚データの最小値を特定する。その後、ＣＰＵ３０ａは、このように特定した最小値を、三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として（初期のデフォルト値に代えて）設定する。以上のデータ変換を、全要素について実行することにより、測定された要素（ｉ、ｊ）毎の板厚データ（測定データ形式）が、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）毎の板厚データ（応力解析用データ形式）に変換されることとなる。
【００３３】
ＣＰＵ３０ａは、このようなデータ変換処理により得られた板厚データを含む応力解析用三次元数値モデルと、メモリ３０ｂに記録された各種解析条件（材料特性、圧力、温度、振動、初期条件、境界条件等）と、に基づいて、有限要素法を用いてリアクタ１００の応力解析を行う。そして、ＣＰＵ３０ａは、操作部３１からの操作信号等に応じて、応力解析結果を表示部３２に表示する。
【００３４】
なお、板厚データの測定漏れや記録漏れ等に起因して、測定データにおいて要素（ｎ）の対応範囲Ａｎ（ｉmax、ｉmin、ｊmax、ｊmin）に含まれる要素群の板厚値が有効でない（又は有効である板厚値が少ない）場合が想定される。ＣＰＵ３０ａは、かかる場合に備えて、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚値の有効割合（有効データ率）を算出し、有効データ率が所定の閾値（例えば９０％）を超えた場合にのみ、板厚の最小値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定する。一方、ＣＰＵ３０ａは、有効データ率が所定の閾値以下である場合には、所定の置換値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定することとする。
【００３５】
次に、図８及び図９を用いて、本実施形態に係る応力解析システム１を用いた応力解析方法について説明する。
【００３６】
最初に、図８を用いて、応力解析方法全体の流れを説明する。まず、板厚測定装置２は、ユーザの操作等に基づいて、走行台車２０を走行させてリアクタ１００の全面における板厚を測定する（板厚測定工程：Ｓ１）。そして、板厚測定装置２の情報処理装置２４のＣＰＵ２４ａは、板厚測定工程Ｓ１によって得られた板厚データを位置データと対応させて要素（ｉ、ｊ）毎にメモリ２４ｂに保存する（データ保存工程：Ｓ２）。これら板厚測定工程Ｓ１及びデータ保存工程Ｓ２は、本発明における第１の工程を構成する。
【００３７】
一方、応力解析装置３の情報処理装置３０は、ユーザの操作等に基づいて、リアクタ１００の応力解析用の三次元数値モデルを生成する（解析モデル生成工程：Ｓ３）。この際、応力解析装置３の情報処理装置３０のＣＰＵ３０ａは、メモリ３０ｂに記録されたリアクタ１００の外形寸法データに基づいて、リアクタ１００の三次元数値モデルを自動生成してメモリ３０ｂに保存する。
【００３８】
次いで、板厚測定装置２の情報処理装置２４は、ユーザの操作等に基づいて、メモリ２４ｂに所定の測定データ形式で保存した板厚データ（測定データ）を、通信部２４ｃを介して応力解析装置３に送信する。応力解析装置３の情報処理装置３０は、通信部３０ｃを介して測定データを受信してメモリ３０ｂに保存する（データ授受工程：Ｓ４）。
【００３９】
続いて、応力解析装置３の情報処理装置３０は、メモリ３０ｂに保存された測定データと、三次元数値モデルの要素（ｎ）のデータと、を読み込み、測定データ形式の板厚データを応力解析用データ形式の板厚データに自動変換する（データ自動変換工程：Ｓ５）。データ自動変換工程については、図９を用いて後に詳述する。データ自動変換工程Ｓ５は、本発明における第２の工程に相当するものである。
【００４０】
その後、応力解析装置３の情報処理装置３０は、ユーザの操作等に基づいて、メモリ３０ｂに記録された各種解析条件を読み込み（解析条件読込工程：Ｓ６）、この解析条件と、データ変換工程Ｓ５によって得られた板厚データ及び三次元数値モデルと、に基づいて、有限要素法を用いてリアクタ１００の応力解析を行う（応力解析工程：Ｓ７）。応力解析工程Ｓ７は、本発明における第３の工程に相当する。最後に、応力解析装置３の情報処理装置３０は、ユーザの操作等に基づいて、応力解析結果を表示部３２に表示する（結果出力工程：Ｓ８）。
【００４１】
ここで、図９を用いて、データ自動変換工程Ｓ５について説明する。
【００４２】
まず、応力解析装置３の情報処理装置３０は、メモリ３０ｂに保存された測定データ（すなわち要素（ｉ、ｊ）毎の板厚データ）を読み込む（測定データ読込工程：Ｓ１１）とともに、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）の節点データを読み込む（解析データ読込工程：Ｓ１２）。そして、情報処理装置３０は、三次元数値モデルの要素（ｎ）の各節点のｘｙｚ座標に基づいて、要素（ｎ）に対応する測定データの範囲（対応範囲Ａｎ）を算出する（対応範囲算出工程：Ｓ１３）。次いで、情報処理装置３０は、算出した対応範囲Ａｎにおける測定データの要素（ｉ、ｊ）から、要素（ｎ）に含まれる測定データの要素群を検出し、検出した要素群における板厚データの最小値を特定する（板厚最小値特定工程：Ｓ１４）。
【００４３】
次いで、応力解析装置３の情報処理装置３０は、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚値の有効割合（有効データ率）を算出し、この有効データ率が所定の閾値を超えるか否かを判定する（有効データ率判定工程：Ｓ１５）。有効データ率判定工程Ｓ１５において、有効データ率が所定の閾値を超えるものと判定した場合に、情報処理装置３０は、板厚最小値特定工程Ｓ１４で特定した板厚の最小値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定する（第１代表値設定工程：Ｓ１６）。一方、有効データ率判定工程Ｓ１５において、有効データ率が所定の閾値以下であると判定した場合に、情報処理装置３０は、所定の置換値を（板厚の最小値に代えて）三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定する（第２代表値設定工程：Ｓ１７）。
【００４４】
この後、応力解析装置３の情報処理装置３０は、解析データ読込工程Ｓ１２で読み込んだ全要素の板厚データが、測定データ読込工程Ｓ１１で読み込んだ測定データを反映させて設定されたか否かを判定する（終了判定工程：Ｓ１８）。そして、情報処理装置３０は、終了判定工程Ｓ１８において全要素の板厚データの設定が完了していないものと判定した場合には、データ設定が完了していない要素について対応範囲算出工程Ｓ１３から第１代表値設定工程Ｓ１６（又は第２代表値設定工程Ｓ１７）までの工程群を繰り返す。一方、情報処理装置３０は、終了判定工程Ｓ１８において全要素の板厚データの設定が完了したものと判定した場合に、データ自動判定工程Ｓ５を終了する。
【００４５】
以上説明した実施形態に係る応力解析システム１（応力解析方法）においては、管状構造体であるリアクタ１００の板厚を測定し、この測定により得た板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換し、この応力解析用データ形式の板厚データを用いてリアクタ１００の応力解析を行うことができる。従って、単に板厚を測定するだけでなく、取得した測定データを用いて応力解析（応力集中も含めた強度解析）を容易かつ迅速に行うことができ、リアクタ１００の補修要否や解体再建造の判断を行うための安全性の評価を高い精度で実現させることができる。この結果、リアクタ１００の運用において、安全上の効果に加え、経済的な効果や資源節約の効果（リアクタ１００の長寿命化）を得ることが可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態においては、測定データ形式から応力解析用データ形式への変換を行う際に、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚最小値を、三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定した例を示したが、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚平均値を算出し、この板厚平均値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定することもできる。
【００４７】
また、本実施形態においては、板厚測定装置２と応力解析装置３とを別々に構成するとともに両者を物理的に離隔した位置に配置し、所定の通信方式で両者間のデータ授受を実現させた例を示したが、これら板厚測定装置２及び応力解析装置３を一体的に構成する（例えば情報処理装置を１つにまとめる）こともできる。
【００４８】
また、本実施形態においては、所定の通信手段（板厚測定装置２の通信部２４ｃ及び応力解析装置３の通信部３０ｃ）を用いてデータ授受を実現させた例を示したが、磁気記録式や光学記録式等の各種データ記録媒体を用いてデータ授受を実現させることもできる。
【００４９】
また、本実施形態においては、管状構造体（リアクタ１００）の板厚測定及び応力解析を行うシステム及び方法について示したが、測定した現在の板厚値を用いて、管状構造体の将来の板厚値を推定するような構成を採用することもできる。例えば、板厚測定装置２の情報処理装置２４が、図１０に示すように、リアクタ１００の製造時点における板厚値（Ｐ0）と、測定して得た現在のリアクタ１００の板厚値（Ｐ1）と、リアクタ１００の使用期間（０〜Ｔ1）と、に基づいて、使用期間と板厚変化との関係を求め、この関係に基づいて、現在（測定時点Ｔ1）から所定期間経過した将来の時点（Ｔ2）におけるリアクタ１００の板厚値（Ｐ2）を推定することもできる。かかる場合における板厚測定装置２の情報処理装置２４は、本発明における板厚推定手段として機能する。
【００５０】
かかる構成を採用すると、過去の板厚値の時間履歴に基づいて板厚の変化率（減少率）を算出することができ、この変化率を参照して将来（板厚測定時点から所定期間経過した時点）におけるリアクタ１００の板厚を推定することができる。そして、このように推定した板厚に基づいて、例えばリアクタ１００の寿命を予測したり、安全性確保のために今までの運転条件を見直したりすることが可能となる。なお、このような推定処理を、応力解析装置３の情報処理装置３０で実現させてもよく、かかる場合における応力解析装置３の情報処理装置３０は、本発明における板厚推定手段として機能する。また、前記推定処理を行う板厚推定手段を板圧測定装置２及び応力解析装置３とは別に設けることもできる。
【００５１】
また、本実施形態においては、リアクタ１００の外形寸法データに基づいてリアクタ１００の三次元数値モデルを自動生成し、図５に示すように複数の要素に分割した例を示したが、この際に、リアクタ１００を構成する鋼板の位置に応じて分割数を変更する（例えば、破損が発生し易い箇所は細かく分割し、破損が発生し難い箇所は粗く分割する）こともできる。
【００５２】
また、本実施形態においては、応力解析装置３の情報処理装置３０のＣＰＵ３０ａが、メモリ３０ｂに記録されたリアクタ１００の外形寸法データに基づいて、リアクタ１００の応力解析用の三次元数値モデル（メッシュモデル）を自動生成した例を示したが、このようなメッシュモデルを手動で生成することもできる。すなわち、ユーザが所定の操作部（例えばマウスやキーボード）を操作することにより、リアクタ１００の三次元画像を描画した後、その画像を複数の要素に分割することにより、応力解析用の三次元数値モデルを生成することができる。
【００５３】
また、本実施形態においては、リアクタ１００の三次元数値モデルを生成して複数の４節点四角形要素に分割した後、有限要素法を採用して応力解析を行った例を示したが、３節点三角形要素や中間節点を有する高次要素についても、本実施形態と同様の手法で板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換することが可能である。また、差分法等の他の解析方法を採用して応力解析を行うこともできる。
【００５４】
また、本実施形態においては、円筒状の容器（リアクタ１００）の板厚測定及び応力解析を行うシステム及び方法を示したが、同様のシステム及び方法を採用して、他の管状構造体（例えば、図１１に示すようなエルボ２００）の板厚測定及び応力解析を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置によりリアクタの胴部の板厚を測定している状態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置によりリアクタの底部の板厚を測定する状態を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る応力解析システムの機能的構成を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置によって測定された板厚データを要素毎に示した測定データマップであり、（Ａ）はリアクタ胴部の板厚データを示すもの、（Ｂ）はリアクタ底部の板厚データを示すものである。
【図５】本発明の実施形態に係る応力解析システムの応力解析装置によって生成されたリアクタの三次元数値モデルの概念図である。
【図６】図５に示した三次元数値モデルの要素を構成する節点を説明するための説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置で測定された板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に変換する手順を説明するための説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係る応力解析方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】図８に示したデータ自動変換工程を説明するためのフローチャートである。
【図１０】リアクタの板厚値推定処理を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】本発明の実施形態に係る応力解析システムによって板厚測定及び応力解析が可能な他の管状構造体（エルボ）の概念図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…応力解析システム、２…板厚測定装置、３…応力解析装置、２４…板厚推定手段、２４ｃ・３０ｃ…通信部（通信手段）、１００…リアクタ（管状構造体）、２００…エルボ（管状構造体）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管状構造体の応力解析システム及び応力解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、各種管状構造体（例えば、内容物の収容を目的とした搭状や円筒状の大型タンク、リアクタ等の比較的小型の容器、ストレート形状やエルボ形状の配管等）の安全性を評価する手法が種々提案されている。例えば、リアクタを継続使用する際には、リアクタを構成する壁板の厚さ（板厚）が所定の基準値を下回るか否かによって安全性が評価されていた。
【０００３】
しかし、容器や配管等の管状構造体は、内部に収容された物質の特性や外部の温度変化の程度等によっては腐食し易い環境にさらされるため、局部的に腐食が進展する場合がある。このため、近年においては、管状構造体の安全性を正確に評価することを目的として、管状構造体の複数個所の板厚の変化量を測定し、この変化量に基づいて管状構造体の応力解析を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７７０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、前記した特許文献１に記載されたような従来の技術は、作業者の手によって板厚を測定するものであるため、管状構造体全体の板厚データ（分布）を取得することが困難であり、しかも作業に多大な労力や時間を要するという問題があった。また、仮に有効な測定データを多数取得できたとしても、その測定データを用いて有限要素法等の手法を採用して応力解析を行おうとすると、測定データの入力に膨大な労力・時間を要することとなるため、その実施は事実上困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、きわめて容易かつ迅速に管状構造体の板厚測定及び応力解析を実現させることができるシステム及び方法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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る管状構造体の応力解析システムは、管状構造体の板厚を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置と、板厚測定装置で保存した板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行う応力解析装置と、を備えるものである。
【０００７】
また、本発明に係る管状構造体の応力解析方法は、管状構造体の板厚を測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する第１の工程と、第１の工程で保存した板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換する第２の工程と、第２の工程で自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行う第３の工程と、を備えるものである。
【０００８】
かかる構成及び方法を採用すると、容器や配管等の管状構造体の板厚を測定し、この測定により得た板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換し、この応力解析用データ形式の板厚データを用いて管状構造体の応力解析を行うことができる。従って、単に板厚を測定するだけでなく、取得した測定データを用いて応力解析（応力集中も含めた強度解析）を容易かつ迅速に行うことができ、管状構造体の補修要否や解体再建造の判断を行うための安全性の評価を高い精度で実現させることができる。この結果、管状構造体の運用において、安全上の効果に加え、経済的な効果や資源節約の効果（管状構造体の長寿命化）を得ることが可能となる。
【０００９】
前記応力解析システムにおいて、測定データ形式の板厚データとして、管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値を採用するとともに、応力解析用データ形式の板厚データとして、管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値を採用することができる。この際、測定データ形式の要素サイズを応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定する。また、かかる場合において、応力解析用データ形式の要素に対応する測定データ形式の要素群を特定するとともにこの要素群の板厚最小値（板厚平均値）を特定（算出）し、この要素群に対応する応力解析用データ形式の要素の板厚値を板厚最小値（板厚平均値）で代表させる応力解析装置を採用することができる。さらに、応力解析用データ形式の要素に対応する測定データ形式の要素群の板厚値の有効割合が所定の閾値を超えるか否かを判定し、有効割合が閾値以下である場合に、この要素群に対応する応力解析用データ形式の要素の板厚値を所定の置換値で代表させる応力解析装置を採用することもできる。
【００１０】
また、前記応力解析システムにおいて、管状構造体の外形寸法データに基づいて管状構造体の三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割する応力解析装置を採用することもできる。また、かかる場合において、応力解析装置は、三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割する際に、管状構造体を構成する板の位置に応じて分割数を変更する（例えば、破損が発生し易い箇所は細かく分割し、破損が発生し難い箇所は粗く分割する）こともできる。
【００１１】
また、前記応力解析システムにおいて、板厚測定装置及び応力解析装置を一体的に構成することもできる。
【００１２】
また、前記応力解析システムにおいて、板厚測定装置を応力解析装置から離隔した位置に配置し、板厚測定装置と応力解析装置との間におけるデータ授受を所定の通信手段又はデータ記録媒体によって実現させることもできる。
【００１３】
また、前記応力解析システムにおいて、管状構造体の製造時点における板厚データと、板厚測定装置で測定して得た管状構造体の板厚データと、管状構造体の使用期間と、に基づいて、板厚測定装置での測定時点から所定期間経過した時点における管状構造体の板厚データを推定する板厚推定手段を備えることもできる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、過去の板厚データの履歴（使用期間と板厚変化との関係）に基づいて、例えば板厚の変化率を算出することができ、この変化率を参照して将来（板厚測定時点から所定期間経過した時点）における管状構造体の板厚を推定することができる。そして、このように推定した板厚に基づいて、例えば管状構造体の寿命を予測したり、安全性確保のために今までの運転条件を見直したりすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、きわめて容易かつ迅速に管状構造体の板厚測定及び応力解析を実現させることができるシステム及び方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る管状構造体の応力解析システムについて説明する。本実施形態においては、図１及び図２に示すように、略円筒状の胴部１０１と、所定の曲率を有する球面状の曲面で構成された底部１０２と、を備えるリアクタ１００（反応容器）を管状構造体の例として挙げることとし、このリアクタ１００を構成する鋼板の厚さを測定して応力解析を行うシステム及び方法について説明する。
【００１７】
まず、図１〜図７を用いて、本実施形態に係る応力解析システム１の構成について説明する。
【００１８】
応力解析システム１は、図３に示すように、リアクタ１００を構成する鋼板の厚さ（板厚）を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置２と、板厚測定装置２で保存した板厚データを測定形式データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た応力解析用データ形式の板厚データを用いてリアクタ１００の応力解析を行う応力解析装置３と、を備えている。なお、本実施形態においては、板厚測定装置２と応力解析装置３とを物理的に離隔した位置に配置し、両者間のデータ授受を所定の通信方式（無線通信方式や有線通信方式）で実現させている。
【００１９】
板厚測定装置２は、リアクタ１００の鋼板上を走行する走行台車２０、走行台車２０に搭載された超音波探触子ユニット２１、超音波探触子ユニット２１を介して板厚を測定するための超音波厚さ計２２、走行台車２０の駆動制御や測定データの収集を行う制御装置２３、制御装置２３で収集した測定データに基づいて板厚データを算出し所定の測定データ形式で保存する情報処理装置２４、情報処理装置２４に対して操作信号を入力するための操作部２５、情報処理装置２４で保存された測定データを表示する表示部２６等を有している。
【００２０】
走行台車２０は、図１〜図３に示すように、複数の車輪２０ａと、これら車輪２０ａを回転駆動するモータ２０ｂと、を有しており、制御装置２３がモータ２０ｂを制御することにより、リアクタ１００の胴部１０１及び底部１０２を構成する鋼板上を走行する。走行台車２０には、鋼板に対して磁力による吸着力を発揮する図示されていない磁石（永久磁石や電磁石）が設けられており、この磁石により、走行台車２０はリアクタ１００の鋼板上に吸着しながら走行することができるようになっている。また、走行台車２０には、走行中における自己の位置を測定する位置センサ２０ｃが搭載されており、位置センサ２０ｃを介して得られた位置データは、ケーブル２０ｄを介して制御装置２３に伝送されるようになっている。
【００２１】
走行台車２０は、リアクタ１００の胴部１０１を構成する鋼板上において、図１に示すように胴部１０１上を鉛直方向（高さ方向）に走行することができるとともに、走行方向を９０°回転させて胴部１０１上を水平方向（円周方向）に走行することができる。これにより、走行台車２０は胴部１０１の略全面にわたって走行することができ、走行台車２０に搭載される超音波探触子ユニット２１によって胴部１０１の略全面の板厚を測定することができる。
【００２２】
一方、走行台車２０は、リアクタ１００の底部１０２を構成する鋼板上において、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、底部１０２の中心に装着された所定の支持部材２０ｅと走行台車２０とを接続する回転半径規定部材２０ｆにより走行半径が規定された状態で所定の曲率半径の円周上を走行する。回転半径規定部材２０ｆにより、支点部材２０ｅと走行台車２０との間の距離を増減させると、走行台車２０は底部１０２の略全面にわたって走行することができ、走行台車２０に搭載された超音波探触子ユニット２１によって底部１０２の略全面の板厚を測定することができる。
【００２３】
超音波探触子ユニット２１には、図示されていない複数の超音波探触子が千鳥状（互い違い）に配列された状態で搭載されている。超音波探触子を用いて鋼板の厚さを測定する際には、超音波厚さ計２２からパルス電圧を超音波探触子に周期的に送ることにより、超音波探触子の送信振動子を発振させ、これにより発生した超音波を被検体となる鋼板中に送り込む。そして、被検体底面からの反射波を超音波探触子の受信振動子で受信し、この受信振動子が振動することにより得られる電圧を超音波厚さ計２２で検出・増幅する。このように超音波厚さ計２２で検出・増幅された板厚に関するデータは、制御装置２３に送信される。制御装置２３は、受信した板厚に関するデータを所定のデータに変換した上で情報処理装置２４に送信する。情報処理装置２４は、制御装置２３から送信されたデータに基づいて鋼板の厚さ（板厚値）を算出する。
【００２４】
制御装置２３は、走行台車２０のモータ２０ｂや操舵輪を駆動制御することにより、走行台車２０を所望の方向に走行させる。この際、予め設定された走行ルートに沿って走行台車２０を走行させるように制御してもよく、操作部２５に入力された操作信号に基づいて走行台車２０を走行させるように制御してもよい。また、制御装置２３は、走行台車２０の位置センサ２０ｃを介して得られた位置データを検出し、検出した位置データを、超音波厚さ計２２を介して得られた板厚に関するデータに対応させて情報処理装置２４に送信する。
【００２５】
情報処理装置２４は、各種機器を統合制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）２４ａ、各種機器を制御するためのプログラムやデータが記録されるとともに測定データを記録するためのメモリ２４ｂ、外部機器とデータ通信を行うための通信部２４ｃ等を備えている。ＣＰＵ２４ａは、超音波厚さ計２２を介して得られた板厚に関するデータを制御装置２３から受信して板厚値を算出する。そして、ＣＰＵ２４ａは、位置センサ２０ｃを介して得られた位置データに対応させて、算出した板厚値をメモリ２４ｂに保存する。本実施形態においては、リアクタ１００の胴部１０１及び底部１０２を複数の要素に分割し、その要素に対応させて（すなわち所定の測定データ形式で）板厚データを保存することとしている。また、ＣＰＵ２４ａは、保存した板厚データを位置データとともに表示部２６に表示する。
【００２６】
具体的には、リアクタ１００の胴部１０１において、この胴部１０１を円周方向に沿って等間隔でｎi個に分割する一方、高さ方向に沿って等間隔でｎj個に分割することにより、全部でｎi×ｎj個の要素（格子）を形成し、これら要素毎に板厚値を保存する。図４（Ａ）は、リアクタ１００の胴部１０１の板厚データを要素毎に示した測定データマップである。図４（Ａ）においては、横軸に胴部１０１の円周方向の要素数ｉ（１、２、３、……、ｎi）を採用し、縦軸に胴部１０１の高さ方向の要素数ｊ（１、２、３、……、ｎj）を採用し、各要素が（ｉ、ｊ）の形式で表示され、各要素（ｉ、ｊ）における板厚値がその数値に対応した色（濃淡）で表示される。
【００２７】
リアクタ１００の底部１０２においては、この底部１０２を、第１の方向と、この第１の方向に直交する第２の方向と、に沿って各々分割して複数の要素を形成し、これら要素毎に板厚値を保存する。図４（Ｂ）は、リアクタ１００の底部１０２の板厚データを要素毎に示した測定データマップである。図４（Ｂ）においても、横軸に底部１０２のある方向（第１の方向）の要素数ｉ（１、２、３、……、ｎi）を採用し、縦軸に第１の方向と直交する方向（第２の方向）の要素数ｊ（１、２、３、……、ｎj）を採用し、各要素が（ｉ、ｊ）の形式で表示され、各要素（ｉ、ｊ）における板厚値がその数値に対応した色（濃淡）で表示される。
【００２８】
また、情報処理装置２４は、メモリ２４ｂに所定の測定データ形式で保存した板厚データ（測定データ）を、通信部２４ｃを介して、無線通信方式又は有線通信方式で応力解析装置３に送信する。応力解析装置３に送信された板厚データは、後述する情報処理装置３０の通信部３０ｃを介して受信された後、所定のデータ変換処理により応力解析用データ形式の板厚データに変換され、この応力解析用データ形式の板厚データに基づいて応力解析がなされることとなる。これら通信部２４ｃ、３０ｃは、本発明における通信手段を構成する。
【００２９】
応力解析装置３は、図３に示すように、板厚測定装置２から送信された板厚データ（測定データ）を受信して所定の処理を行うとともに処理後のデータを用いてリアクタ１００の応力解析を行う情報処理装置３０、情報処理装置３０に対して操作信号を入力するための操作部３１、情報処理装置で処理されたデータ等を表示する表示部３２等を有している。
【００３０】
情報処理装置３０は、各種機器を統合制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）３０ａ、各種機器を制御するためのプログラムやデータが記録されるとともに測定データを記録するためのメモリ３０ｂ、外部機器とデータ通信を行うための通信部３０ｃ等を備えている。ＣＰＵ３０ａは、メモリ３０ｂに記録されたリアクタ１００の外形寸法データに基づいて、リアクタ１００の応力解析用の三次元数値モデルを自動生成する。図５は、自動生成されたリアクタ１００の三次元数値モデルの概念図である。本実施形態においては、有限要素法を用いてリアクタ１００の応力解析を行うため、リアクタ１００の胴部１０１及び底部１０２を複数の要素に分割する。この際、ＣＰＵ３０ａは、三次元数値モデルにおける全要素の初期の板厚値をデフォルトの値に設定している。
【００３１】
応力解析装置３の情報処理装置３０で作成した三次元数値モデルの各要素は、４つの節点を有しており、各節点がｘｙｚ座標を有している。例えばｎ番目の要素（以下、「要素（ｎ）」という）における４つの節点の座標は、図６に示すように、（ｘn1、ｙn1、ｚn1）、（ｘn2、ｙn2、ｚn2）、（ｘn3、ｙn3、ｚn3）、（ｘn4、ｙn4、ｚn4）となり、要素（ｎ）はこれら４つの節点をつなぐ線で囲まれた領域で構成される。要素（ｎ）のサイズは、板厚測定装置２の情報処理装置２４で保存された測定データの要素（ｉ、ｊ）のサイズよりも大きくなっている。従って、測定した板厚データの保存形式の要素（ｉ、ｊ）と、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）と、は一対一に対応していないため、測定した板厚データをそのまま応力解析用の三次元数値モデルに適用することはできない。
【００３２】
そこで、応力解析装置３の情報処理装置３０のＣＰＵ３０ａは、板厚測定装置２から送信された要素（ｉ、ｊ）毎の板厚データを、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）毎の板厚データに変換する。具体的には、ＣＰＵ３０ａは、図７に示すように、三次元数値モデルの要素（ｎ）の各節点のｘｙｚ座標に基づいて、測定データにおける要素（ｎ）の対応範囲Ａｎ（ｉmax、ｉmin、ｊmax、ｊmin）を算出する。このとき、対応範囲Ａｎは、要素（ｎ）が漏れなく含まれるように算出される。要素（ｎ）の境界は、三次元数値モデルの座標軸と必ずしも平行でないため、対応範囲Ａｎにおける測定データの要素（ｉ、ｊ）には、要素（ｎ）に含まれないものが存在する可能性がある。そして、ＣＰＵ３０ａは、算出した対応範囲Ａｎにおける測定データの要素（ｉ、ｊ）から、要素（ｎ）に含まれる測定データの要素群を検出し、検出した要素群（例えば図７に示した３６個の要素）における板厚データの最小値を特定する。その後、ＣＰＵ３０ａは、このように特定した最小値を、三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として（初期のデフォルト値に代えて）設定する。以上のデータ変換を、全要素について実行することにより、測定された要素（ｉ、ｊ）毎の板厚データ（測定データ形式）が、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）毎の板厚データ（応力解析用データ形式）に変換されることとなる。
【００３３】
ＣＰＵ３０ａは、このようなデータ変換処理により得られた板厚データを含む応力解析用三次元数値モデルと、メモリ３０ｂに記録された各種解析条件（材料特性、圧力、温度、振動、初期条件、境界条件等）と、に基づいて、有限要素法を用いてリアクタ１００の応力解析を行う。そして、ＣＰＵ３０ａは、操作部３１からの操作信号等に応じて、応力解析結果を表示部３２に表示する。
【００３４】
なお、板厚データの測定漏れや記録漏れ等に起因して、測定データにおいて要素（ｎ）の対応範囲Ａｎ（ｉmax、ｉmin、ｊmax、ｊmin）に含まれる要素群の板厚値が有効でない（又は有効である板厚値が少ない）場合が想定される。ＣＰＵ３０ａは、かかる場合に備えて、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚値の有効割合（有効データ率）を算出し、有効データ率が所定の閾値（例えば９０％）を超えた場合にのみ、板厚の最小値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定する。一方、ＣＰＵ３０ａは、有効データ率が所定の閾値以下である場合には、所定の置換値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定することとする。
【００３５】
次に、図８及び図９を用いて、本実施形態に係る応力解析システム１を用いた応力解析方法について説明する。
【００３６】
最初に、図８を用いて、応力解析方法全体の流れを説明する。まず、板厚測定装置２は、ユーザの操作等に基づいて、走行台車２０を走行させてリアクタ１００の全面における板厚を測定する（板厚測定工程：Ｓ１）。そして、板厚測定装置２の情報処理装置２４のＣＰＵ２４ａは、板厚測定工程Ｓ１によって得られた板厚データを位置データと対応させて要素（ｉ、ｊ）毎にメモリ２４ｂに保存する（データ保存工程：Ｓ２）。これら板厚測定工程Ｓ１及びデータ保存工程Ｓ２は、本発明における第１の工程を構成する。
【００３７】
一方、応力解析装置３の情報処理装置３０は、ユーザの操作等に基づいて、リアクタ１００の応力解析用の三次元数値モデルを生成する（解析モデル生成工程：Ｓ３）。この際、応力解析装置３の情報処理装置３０のＣＰＵ３０ａは、メモリ３０ｂに記録されたリアクタ１００の外形寸法データに基づいて、リアクタ１００の三次元数値モデルを自動生成してメモリ３０ｂに保存する。
【００３８】
次いで、板厚測定装置２の情報処理装置２４は、ユーザの操作等に基づいて、メモリ２４ｂに所定の測定データ形式で保存した板厚データ（測定データ）を、通信部２４ｃを介して応力解析装置３に送信する。応力解析装置３の情報処理装置３０は、通信部３０ｃを介して測定データを受信してメモリ３０ｂに保存する（データ授受工程：Ｓ４）。
【００３９】
続いて、応力解析装置３の情報処理装置３０は、メモリ３０ｂに保存された測定データと、三次元数値モデルの要素（ｎ）のデータと、を読み込み、測定データ形式の板厚データを応力解析用データ形式の板厚データに自動変換する（データ自動変換工程：Ｓ５）。データ自動変換工程については、図９を用いて後に詳述する。データ自動変換工程Ｓ５は、本発明における第２の工程に相当するものである。
【００４０】
その後、応力解析装置３の情報処理装置３０は、ユーザの操作等に基づいて、メモリ３０ｂに記録された各種解析条件を読み込み（解析条件読込工程：Ｓ６）、この解析条件と、データ変換工程Ｓ５によって得られた板厚データ及び三次元数値モデルと、に基づいて、有限要素法を用いてリアクタ１００の応力解析を行う（応力解析工程：Ｓ７）。応力解析工程Ｓ７は、本発明における第３の工程に相当する。最後に、応力解析装置３の情報処理装置３０は、ユーザの操作等に基づいて、応力解析結果を表示部３２に表示する（結果出力工程：Ｓ８）。
【００４１】
ここで、図９を用いて、データ自動変換工程Ｓ５について説明する。
【００４２】
まず、応力解析装置３の情報処理装置３０は、メモリ３０ｂに保存された測定データ（すなわち要素（ｉ、ｊ）毎の板厚データ）を読み込む（測定データ読込工程：Ｓ１１）とともに、応力解析用の三次元数値モデルの要素（ｎ）の節点データを読み込む（解析データ読込工程：Ｓ１２）。そして、情報処理装置３０は、三次元数値モデルの要素（ｎ）の各節点のｘｙｚ座標に基づいて、要素（ｎ）に対応する測定データの範囲（対応範囲Ａｎ）を算出する（対応範囲算出工程：Ｓ１３）。次いで、情報処理装置３０は、算出した対応範囲Ａｎにおける測定データの要素（ｉ、ｊ）から、要素（ｎ）に含まれる測定データの要素群を検出し、検出した要素群における板厚データの最小値を特定する（板厚最小値特定工程：Ｓ１４）。
【００４３】
次いで、応力解析装置３の情報処理装置３０は、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚値の有効割合（有効データ率）を算出し、この有効データ率が所定の閾値を超えるか否かを判定する（有効データ率判定工程：Ｓ１５）。有効データ率判定工程Ｓ１５において、有効データ率が所定の閾値を超えるものと判定した場合に、情報処理装置３０は、板厚最小値特定工程Ｓ１４で特定した板厚の最小値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定する（第１代表値設定工程：Ｓ１６）。一方、有効データ率判定工程Ｓ１５において、有効データ率が所定の閾値以下であると判定した場合に、情報処理装置３０は、所定の置換値を（板厚の最小値に代えて）三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定する（第２代表値設定工程：Ｓ１７）。
【００４４】
この後、応力解析装置３の情報処理装置３０は、解析データ読込工程Ｓ１２で読み込んだ全要素の板厚データが、測定データ読込工程Ｓ１１で読み込んだ測定データを反映させて設定されたか否かを判定する（終了判定工程：Ｓ１８）。そして、情報処理装置３０は、終了判定工程Ｓ１８において全要素の板厚データの設定が完了していないものと判定した場合には、データ設定が完了していない要素について対応範囲算出工程Ｓ１３から第１代表値設定工程Ｓ１６（又は第２代表値設定工程Ｓ１７）までの工程群を繰り返す。一方、情報処理装置３０は、終了判定工程Ｓ１８において全要素の板厚データの設定が完了したものと判定した場合に、データ自動判定工程Ｓ５を終了する。
【００４５】
以上説明した実施形態に係る応力解析システム１（応力解析方法）においては、管状構造体であるリアクタ１００の板厚を測定し、この測定により得た板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換し、この応力解析用データ形式の板厚データを用いてリアクタ１００の応力解析を行うことができる。従って、単に板厚を測定するだけでなく、取得した測定データを用いて応力解析（応力集中も含めた強度解析）を容易かつ迅速に行うことができ、リアクタ１００の補修要否や解体再建造の判断を行うための安全性の評価を高い精度で実現させることができる。この結果、リアクタ１００の運用において、安全上の効果に加え、経済的な効果や資源節約の効果（リアクタ１００の長寿命化）を得ることが可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態においては、測定データ形式から応力解析用データ形式への変換を行う際に、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚最小値を、三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定した例を示したが、対応範囲Ａｎに含まれる要素群の板厚平均値を算出し、この板厚平均値を三次元数値モデルの要素（ｎ）の板厚の代表値として設定することもできる。
【００４７】
また、本実施形態においては、板厚測定装置２と応力解析装置３とを別々に構成するとともに両者を物理的に離隔した位置に配置し、所定の通信方式で両者間のデータ授受を実現させた例を示したが、これら板厚測定装置２及び応力解析装置３を一体的に構成する（例えば情報処理装置を１つにまとめる）こともできる。
【００４８】
また、本実施形態においては、所定の通信手段（板厚測定装置２の通信部２４ｃ及び応力解析装置３の通信部３０ｃ）を用いてデータ授受を実現させた例を示したが、磁気記録式や光学記録式等の各種データ記録媒体を用いてデータ授受を実現させることもできる。
【００４９】
また、本実施形態においては、管状構造体（リアクタ１００）の板厚測定及び応力解析を行うシステム及び方法について示したが、測定した現在の板厚値を用いて、管状構造体の将来の板厚値を推定するような構成を採用することもできる。例えば、板厚測定装置２の情報処理装置２４が、図１０に示すように、リアクタ１００の製造時点における板厚値（Ｐ0）と、測定して得た現在のリアクタ１００の板厚値（Ｐ1）と、リアクタ１００の使用期間（０〜Ｔ1）と、に基づいて、使用期間と板厚変化との関係を求め、この関係に基づいて、現在（測定時点Ｔ1）から所定期間経過した将来の時点（Ｔ2）におけるリアクタ１００の板厚値（Ｐ2）を推定することもできる。かかる場合における板厚測定装置２の情報処理装置２４は、本発明における板厚推定手段として機能する。
【００５０】
かかる構成を採用すると、過去の板厚値の時間履歴に基づいて板厚の変化率（減少率）を算出することができ、この変化率を参照して将来（板厚測定時点から所定期間経過した時点）におけるリアクタ１００の板厚を推定することができる。そして、このように推定した板厚に基づいて、例えばリアクタ１００の寿命を予測したり、安全性確保のために今までの運転条件を見直したりすることが可能となる。なお、このような推定処理を、応力解析装置３の情報処理装置３０で実現させてもよく、かかる場合における応力解析装置３の情報処理装置３０は、本発明における板厚推定手段として機能する。また、前記推定処理を行う板厚推定手段を板圧測定装置２及び応力解析装置３とは別に設けることもできる。
【００５１】
また、本実施形態においては、リアクタ１００の外形寸法データに基づいてリアクタ１００の三次元数値モデルを自動生成し、図５に示すように複数の要素に分割した例を示したが、この際に、リアクタ１００を構成する鋼板の位置に応じて分割数を変更する（例えば、破損が発生し易い箇所は細かく分割し、破損が発生し難い箇所は粗く分割する）こともできる。
【００５２】
また、本実施形態においては、応力解析装置３の情報処理装置３０のＣＰＵ３０ａが、メモリ３０ｂに記録されたリアクタ１００の外形寸法データに基づいて、リアクタ１００の応力解析用の三次元数値モデル（メッシュモデル）を自動生成した例を示したが、このようなメッシュモデルを手動で生成することもできる。すなわち、ユーザが所定の操作部（例えばマウスやキーボード）を操作することにより、リアクタ１００の三次元画像を描画した後、その画像を複数の要素に分割することにより、応力解析用の三次元数値モデルを生成することができる。
【００５３】
また、本実施形態においては、リアクタ１００の三次元数値モデルを生成して複数の４節点四角形要素に分割した後、有限要素法を採用して応力解析を行った例を示したが、３節点三角形要素や中間節点を有する高次要素についても、本実施形態と同様の手法で板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換することが可能である。また、差分法等の他の解析方法を採用して応力解析を行うこともできる。
【００５４】
また、本実施形態においては、円筒状の容器（リアクタ１００）の板厚測定及び応力解析を行うシステム及び方法を示したが、同様のシステム及び方法を採用して、他の管状構造体（例えば、図１１に示すようなエルボ２００）の板厚測定及び応力解析を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置によりリアクタの胴部の板厚を測定している状態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置によりリアクタの底部の板厚を測定する状態を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る応力解析システムの機能的構成を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置によって測定された板厚データを要素毎に示した測定データマップであり、（Ａ）はリアクタ胴部の板厚データを示すもの、（Ｂ）はリアクタ底部の板厚データを示すものである。
【図５】本発明の実施形態に係る応力解析システムの応力解析装置によって生成されたリアクタの三次元数値モデルの概念図である。
【図６】図５に示した三次元数値モデルの要素を構成する節点を説明するための説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係る応力解析システムの板厚測定装置で測定された板厚データを測定データ形式から応力解析用データ形式に変換する手順を説明するための説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係る応力解析方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】図８に示したデータ自動変換工程を説明するためのフローチャートである。
【図１０】リアクタの板厚値推定処理を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】本発明の実施形態に係る応力解析システムによって板厚測定及び応力解析が可能な他の管状構造体（エルボ）の概念図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…応力解析システム、２…板厚測定装置、３…応力解析装置、２４…板厚推定手段、２４ｃ・３０ｃ…通信部（通信手段）、１００…リアクタ（管状構造体）、２００…エルボ（管状構造体）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状構造体の板厚を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置と、
前記板厚測定装置で保存した板厚データを前記測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た前記応力解析用データ形式の板厚データを用いて前記管状構造体の応力解析を行う応力解析装置と、を備える、
管状構造体の応力解析システム。
【請求項２】
前記測定データ形式の板厚データは、前記管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記応力解析用データ形式の板厚データは、前記管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記測定データ形式の要素サイズは前記応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定され、
前記応力解析装置は、前記応力解析用データ形式の要素に対応する前記測定データ形式の要素群を特定するとともに前記要素群の板厚最小値を特定し、前記要素群に対応する前記応力解析用データ形式の要素の板厚値を前記板厚最小値で代表させるものである、
請求項１に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項３】
前記測定データ形式の板厚データは、前記管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記応力解析用データ形式の板厚データは、前記管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記測定データ形式の要素サイズは前記応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定され、
前記応力解析装置は、前記応力解析用データ形式の要素に対応する前記測定データ形式の要素群を特定するとともに前記要素群の板厚平均値を算出し、前記要素群に対応する前記応力解析用データ形式の要素の板厚値を前記板厚平均値で代表させるものである、
請求項１に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項４】
前記測定データ形式の板厚データは、前記管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における前記各要素の板厚値であり、
前記応力解析用データ形式の板厚データは、前記管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記測定データ形式の要素サイズは前記応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定され、
前記応力解析装置は、前記応力解析用データ形式の要素に対応する前記測定データ形式の要素群を特定するとともに前記要素群の板厚値の有効割合が所定の閾値を超えるか否かを判定し、前記有効割合が前記閾値以下である場合に、前記要素群に対応する前記応力解析用データ形式の要素の板厚値を所定の置換値で代表させるものである、
請求項１から３の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項５】
前記応力解析装置は、前記管状構造体の外形寸法データに基づいて前記管状構造体の三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割するものである、
請求項２から４の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項６】
前記応力解析装置は、前記三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割する際に、前記管状構造体を構成する板の位置に応じて分割数を変更するものである、
請求項５に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項７】
前記板厚測定装置及び前記応力解析装置は、一体的に構成されるものである、
請求項１から６の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項８】
前記板厚測定装置は、前記応力解析装置に対して離隔した位置に配置され、
前記板厚測定装置と前記応力解析装置との間におけるデータ授受が、所定の通信手段又はデータ記録媒体によって実現される、
請求項１から６の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項９】
前記管状構造体の製造時点における板厚データと、前記板厚測定装置で測定して得た前記管状構造体の板厚データと、前記管状構造体の使用期間と、に基づいて、前記板厚測定装置での測定時点から所定期間経過した時点における前記管状構造体の板厚データを推定する板厚推定手段を備える、
請求項１から８の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項１０】
管状構造体の板厚を測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する第１の工程と、
前記第１の工程で保存した板厚データを前記測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換する第２の工程と、
前記第２の工程で自動変換して得た前記応力解析用データ形式の板厚データを用いて前記管状構造体の応力解析を行う第３の工程と、を備える、
管状構造体の応力解析方法。
【請求項１】
管状構造体の板厚を測定するとともに、測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する板厚測定装置と、
前記板厚測定装置で保存した板厚データを前記測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換するとともに、自動変換して得た前記応力解析用データ形式の板厚データを用いて前記管状構造体の応力解析を行う応力解析装置と、を備える、
管状構造体の応力解析システム。
【請求項２】
前記測定データ形式の板厚データは、前記管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記応力解析用データ形式の板厚データは、前記管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記測定データ形式の要素サイズは前記応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定され、
前記応力解析装置は、前記応力解析用データ形式の要素に対応する前記測定データ形式の要素群を特定するとともに前記要素群の板厚最小値を特定し、前記要素群に対応する前記応力解析用データ形式の要素の板厚値を前記板厚最小値で代表させるものである、
請求項１に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項３】
前記測定データ形式の板厚データは、前記管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記応力解析用データ形式の板厚データは、前記管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記測定データ形式の要素サイズは前記応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定され、
前記応力解析装置は、前記応力解析用データ形式の要素に対応する前記測定データ形式の要素群を特定するとともに前記要素群の板厚平均値を算出し、前記要素群に対応する前記応力解析用データ形式の要素の板厚値を前記板厚平均値で代表させるものである、
請求項１に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項４】
前記測定データ形式の板厚データは、前記管状構造体を構成する板を複数の要素に分割した場合における前記各要素の板厚値であり、
前記応力解析用データ形式の板厚データは、前記管状構造体の三次元数値モデルを複数の要素に分割した場合における各要素の板厚値であり、
前記測定データ形式の要素サイズは前記応力解析用データ形式の要素サイズよりも小さく設定され、
前記応力解析装置は、前記応力解析用データ形式の要素に対応する前記測定データ形式の要素群を特定するとともに前記要素群の板厚値の有効割合が所定の閾値を超えるか否かを判定し、前記有効割合が前記閾値以下である場合に、前記要素群に対応する前記応力解析用データ形式の要素の板厚値を所定の置換値で代表させるものである、
請求項１から３の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項５】
前記応力解析装置は、前記管状構造体の外形寸法データに基づいて前記管状構造体の三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割するものである、
請求項２から４の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項６】
前記応力解析装置は、前記三次元数値モデルを自動生成して複数の要素に分割する際に、前記管状構造体を構成する板の位置に応じて分割数を変更するものである、
請求項５に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項７】
前記板厚測定装置及び前記応力解析装置は、一体的に構成されるものである、
請求項１から６の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項８】
前記板厚測定装置は、前記応力解析装置に対して離隔した位置に配置され、
前記板厚測定装置と前記応力解析装置との間におけるデータ授受が、所定の通信手段又はデータ記録媒体によって実現される、
請求項１から６の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項９】
前記管状構造体の製造時点における板厚データと、前記板厚測定装置で測定して得た前記管状構造体の板厚データと、前記管状構造体の使用期間と、に基づいて、前記板厚測定装置での測定時点から所定期間経過した時点における前記管状構造体の板厚データを推定する板厚推定手段を備える、
請求項１から８の何れか一項に記載の管状構造体の応力解析システム。
【請求項１０】
管状構造体の板厚を測定して得た板厚データを所定の測定データ形式で保存する第１の工程と、
前記第１の工程で保存した板厚データを前記測定データ形式から応力解析用データ形式に自動変換する第２の工程と、
前記第２の工程で自動変換して得た前記応力解析用データ形式の板厚データを用いて前記管状構造体の応力解析を行う第３の工程と、を備える、
管状構造体の応力解析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図７】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１４５１３２（Ｐ２０１０−１４５１３２Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２００７２（Ｐ２００８−３２００７２）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００１１６７３６）旭化成エンジニアリング株式会社 (49)
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００１１６７３６）旭化成エンジニアリング株式会社 (49)
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