PEパイプの肉厚の超音波制御」 

PE パイプの壁厚測定の精度がパイプラインの耐用年数を決定するのはなぜですか?

PE パイプの壁厚の超音波検査は、生産を停止することなく、最大 0.1 mm の誤差でポリエチレン パイプラインの残存寿命を推定できる唯一の非破壊方法です。私たちの実務では、目視検査ではパイプの理想的な状態が示され、超音波探傷器では製造中の隠れた侵食や不適切な押し出しが原因で壁が 40% も薄くなっていることが判明したケースを見てきました。このパラメータを無視すると、圧力ラインの破裂、漏れ、および制御装置自体のコストの数十倍に及ぶ巨額の経済的損失が発生します。

ポリエチレンパイプ（PE80、PE100）は、その耐薬品性と柔軟性により、ガス供給、水処理、下水道システムで広く使用されています。ただし、この材料には特殊な構造があり、測定には特別なアプローチが必要です。金属に有効な標準的な方法は、ポリマー内の音の伝播速度が遅いことと信号の減衰が大きいため、ここでは失敗することがよくあります。パイプの購入、バッチの受け入れ、またはネットワークの技術的な運用に携わっている場合、超音波検査 (UT) の原理を理解することが、欠陥や事故から身を守るための主なツールになります。

このガイドでは、プロセスの物理を分析し、適切な機器を選択し、受け入れ時のエラーの実際のケースを確認し、エンジニア向けのアクションの段階的なアルゴリズムを示します。一般的な表現は使用せず、特定のパラメーター、GOST および ISO 規格、およびロシアと CIS の施設で実際の動作条件下で取得されたデータのみを使用します。

物理的根拠: なぜポリエチレンは超音波に対して鋼よりも難しいのか

ポリエチレンに対して超音波試験を行う場合の主な問題は、材料の音響特性です。鋼鉄の音速は約 5900 m/s ですが、ポリエチレンでは密度 (PE80 または PE100) と温度に応じて 1900 ～ 2400 m/s の範囲で変化します。これはオペレータが最初に知っておく必要があることです。ゲージが鋼に設定されている場合、厚さの読み取り値は 3 分の 1 だけずれます。さらに、ポリエチレンは粘弾性材料であるため、特に高周波で超音波が大幅に減衰します。

ポリエチレンパイプの構造は不均一です。押出成形プロセス中に、内部応力、微小空洞、層間剥離が発生し、超音波信号が消散する可能性があります。パイプのバッチが工場管理を通過したが、1 か月保管した後に再検査すると、測定値の太さが「浮いている」という状況に遭遇しました。その理由は、材料の内部応力が緩和され、音速が変化することにありました。したがって、同じバッチのパイプからの参照サンプルを使用して各測定サイクルの直前に機器を校正することは推奨事項ではありませんが、必須の要件です。

温度要因は重要な役割を果たします。パイプの温度がわずか 10°C 変化すると、ポリエチレンの音速は 3 ～ 5% 変化する可能性があります。冬に-20℃の屋外で制御を実行し、+20℃の暖かい部屋で校正を行った場合、測定誤差は数ミリメートルに達する可能性があります。高圧ガスラインなどの重要な領域では、このような誤差は許容できません。業務用機器には温度補正機能が備わっていますが、それが正しく機能するのは、材料に関する現在のデータを入力した場合のみです。

もう 1 つの重要な側面は、粒子の構造とすすの存在です。紫外線防止のためにポリエチレンに添加されたカーボンブラック（すす）は、超音波を強力に吸収します。煤の含有量が多いパイプでは、低周波トランスデューサ (通常 2 ～ 2.5 MHz) を使用する必要があります。そうしないと、信号が内面から反射されません。黒色の PE パイプに高周波センサー (5 MHz 以上) を使用しようとすると、パイプの底からのエコーが材料の構造ノイズと区別できなくなる「ノイズの多い」信号が発生します。

これらの物理的制限を理解することで、適切な制御手法を選択できるようになります。 「すべてのプラスチックに対する」普遍的な制度は存在しません。エンジニアは、装置に正しい音速を入力するために、ポリエチレンのグレードと密度を示す高品質パスポートをパイプメーカーに事前に要求する必要があります。この手順を無視すると、高価な超音波厚さ計が役に立たないおもちゃになってしまいます。

精度に影響を与える重要なパラメータ

• 音速 (V):特定の PE グレードごとに実験的に決定する必要があります。標準値 2350 m/s は、多くの場合、PE100-RC パイプにとって十分な精度ではありません。
• コンバータ周波数:厚さ 10 mm までの場合、最適な周波数は 5 MHz、厚さ 20 mm を超えるパイプや煤含有量の多いパイプの場合は 2.25 MHz、さらには 1 MHz です。
• 表面粗さ：古いパイプの酸化層は信号を散乱させます。測定前に材料を機械的に剥がしてきれいにする必要があります。
• 周囲温度:測定は、パイプの現在の温度を考慮して実行するか、パイプが熱い場合は特別な高温トランスデューサーを使用して実行する必要があります。

超音波検査用機器：PE用厚さ計とコンバーターの選定

市場には数十のモデルの超音波厚さ計が提供されていますが、すべてがポリエチレンの使用に適しているわけではありません。金属用に設計された従来の低コスト機器では、パルス幅が広く分解能が低いため、ポリマーと空気の界面から反射された信号を処理できないことがよくあります。現場でさまざまなデバイスをテストする必要がありましたが、その結果は明らかでした。デバイスのクラスを節約すると、データが失われ、パイプの適合性について誤った結論が得られるということです。

PE パイプの肉厚を確実に監視するには、「Echo-Echo」（多重エコー）機能を備えたデバイスが必要です。この技術を使用すると、パイプ表面の保護塗料層や酸化した外皮を無視して、内壁からの最初のエコーと 2 番目のエコーの間、またはパイプ壁自体内での複数の反射の間の音の伝播時間を測定できます。これにより、結果に対するコーティングの厚さの影響が排除されます。デバイスの仕様にマルチ エコー モードやプラスチックのスルー サウンドについて記載されていない場合は、PE で動作させる必要はありません。

コンバーター (センサー) の選択は、デバイス自体の選択よりもさらに重要です。ポリエチレンの場合は、デュアル接点コンバータ (デュアル エレメント) が最適です。それらは、互いに角度を付けて配置された送信および受信クリスタルで構成されます。この設計により、デッドゾーン (ニアゾーン) の影響が最小限に抑えられ、薄肉の小径パイプにとって重要な 0.8 ～ 1.0 mm の厚さ測定が可能になります。単一素子センサーは、圧電素子自体の振動が持続するため、厚さが 2 mm 未満になると故障することがよくあります。

周波数範囲はタスクに一致する必要があります。前述したように、直径が最大 315 mm、壁が最大 30 mm の標準パイプの場合、最適な選択は 2.25 MHz または 2 MHz センサーです。大口径パイプ (630mm 以上) や厚い壁を扱う場合は、1 MHz の周波数を使用して浸透深さを増やすことができますが、精度は若干低下します。厚さの薄いサンプル (最大 5 mm) の実験室テストでは、表面が完全に滑らかできれいな場合に限り、5 MHz センサーの使用が許容されます。

重要な基準は、コンバータの作業面の形状です。小径パイプ (50 mm 未満) の場合は、プロファイルベース (半径のプロファイル) を備えたセンサー、または特殊なプリズムの使用が必要です。小径の丸パイプ上の平面センサーは2点のみで支持されるため、音響接触が不安定になり誤差が大きくなります。私たちの実践では、DN40 パイプにフラット センサーを使用すると、読み取り値のばらつきが ±1.5 mm 以内に収まりましたが、プロファイル センサーでは偏差が ±0.1 mm 以内で安定した結果が得られました。

接触液も忘れずに。標準的な水ベースまたはグリセリンベースのゲルはポリエチレンに適しています。ただし、垂直面や低温で作業する場合、通常のジェルは凍結したり流れ落ちたりする可能性があります。垂直測定用の特別な高粘度ゲルと、冬季の作業用の耐霜性コンパウンドがあります。モーターオイルや水を接触媒体として使用することも可能ですが、急速な乾燥や微細な凹凸への充填が不十分なため、効果は低くなります。

機器を選ぶときのチェックリスト

1. カバレッジ（エコー-エコー）による測定モードの利用可能性。
2. 1 m/s 単位のカスタム音速設定をサポートします。
3. 1 ～ 5 MHz の範囲で個別および複合コンバータ (デュアル エレメント) を装備。
4. 小さなパイプ半径用のセンサー ベース プロファイルを利用可能 (直径 50 mm までの作業を予定している場合)。
5. デバイスの動作温度範囲は -20°C 以上です (ロシア連邦での現場作業の場合)。

測定技術: エンジニアのためのステップバイステップのアルゴリズム

超音波検査の結果の品質は、80% が正しい準備と手順の実施に依存し、20% のみが機器のクラスに依存します。最も高価な厚さゲージであっても、接触技術が壊れていたり、測定点の選択が間違っていたりすると、意味がなくなってしまいます。以下は、パイプのバッチを受け入れ、既存のパイプラインを診断するときに使用するアルゴリズムです。

1. 表面の準備。これが最も重要な段階です。時間が経つと、ポリエチレンは酸化し、汚れ、ビチューメン、またはカーボン ブラックで覆われます。超音波はセンサーとパイプの間の空気層を通過しません。きれいで滑らかな材料の層が現れるまで、研磨サンドペーパーまたはナイフを使用して測定領域を清掃する必要があります。ストリッピング領域は、トランスデューサベースのサイズの少なくとも 1.5 倍を超える必要があります。注意:特に薄肉パイプの場合、実際の肉厚が歪まないように、材料を取り除きすぎないでください。
2. 機器の校正。工場出荷時のデフォルトの音声速度設定は決して使用しないでください。テスト対象の製品と同じパイプのバッチからサンプル (クーポン) を採取します。ノギスやマイクロメーターで厚さを数点測定し、その平均値を求めます。次に、センサーを機器上のこのサンプルに適用し、読み取り値が物理的測定値と一致するように音速を校正します。サンプルが入手できない場合は、特定のブランドの PE の速度表を使用してください。ただし、エラーが発生する可能性があることに注意してください。
3. カップリング流体の塗布。きれいな表面またはセンサーの作動部分にジェルを 1 滴塗布します。ジェルの量は凹凸をすべて埋めるのに十分な量にする必要がありますが、ジェルが広がって視界を妨げないように多量にしないでください。低温では、最初にジェルをポケット内で温める必要があります。そうしないと、ジェルが接着剤のように粘性になり、接触が悪化します。
4. センサーを取り付けて信号を受信します。トランスデューサをパイプの表面にしっかりと押し込みます。別々に組み合わせたセンサーの場合、方向を観察することが重要です。欠陥を探すタスクに応じて、結晶セクションの軸がパイプの軸に対して垂直 (縦方向のスキャンの場合) または平行 (横方向のスキャンの場合) である必要があります。単純に厚さを測定する場合は、ディスプレイ上で安定した読み取り値が得られれば十分です。最大の信号を見つけるには、軽く揺すってください。
5. データの記録と統計。自分自身を 1 つの次元に限定しないでください。規格によれば、パイプの周囲と軸に沿って少なくとも 3 点で測定する必要があります。これがパイプの強度特性を決定するため、最小値を書き留めてください。最新のデバイスでは、パイプ ID にリンクされた内部メモリに結果を保存できるため、その後のレポートが簡素化されます。
6. 波形解析 (A-スキャン)。上級段階。波形表示モード（Aスキャン）をONにします。最初のエコーと、できれば 2 番目のエコーで明確なピークが表示されるはずです。信号の幅が広い、ぼやけている、または主要信号の前に小さなピークが多数ある場合、これは材料の内部不均一性、細孔または層間剥離の存在を示しています。このようなセクションでは、追加の検査またはパイプの拒否が必要です。

初心者が犯すよくある間違いの 1 つは、溶接部の厚さを測定しようとすることです。ポリエチレンパイプの突合せ溶接の超音波検査は、バリ（ローラー）や熱影響部の材料組織の変化により非常に困難です。溶接継手の品質を評価するには、他の方法（超音波断層撮影法、X 線またはマクロセクション）が使用されますが、溶接領域の従来の厚さ計では信頼性の低いデータが表示されます。肉厚測定計画から継ぎ目領域（ビードの端から最小 20 mm）を除外します。

結果の解釈: 許容基準と欠陥の兆候

画面上の番号を受け取ったエンジニアは、「このパイプは適切か?」を理解する必要があります。ここで規制が登場します。ロシアおよびEAEU諸国では、主な文書はGOST R 58121.1-2018（水道用）およびGOST R 58121.2-2018（ガス用）であり、国際規格ISO 4427と調和しています。これらの文書は肉厚の最大偏差を厳しく規制しています。

規格によれば、呼び肉厚($e_n$)は外径とSDR(標準寸法比)に基づいて計算されます。許容偏差は通常、公称値の +10% / -0% ですが、微妙な違いがあります。任意の測定点における最小許容厚さ ($e_{min}$) は、$0.9 倍 e_n$ を下回ってはなりません。デバイスがこのしきい値を下回る値を示した場合、断面全体の平均値に関係なく、パイプは拒否される必要があります。局所的な薄化は応力を増大させ、圧力破壊につながります。

偏心には特に注意が必要です。これは、1 つのセクションにおける最大肉厚と最小肉厚の差です。偏心率が高い場合は、工場の押出技術に違反していることを示します。規格ではある程度の変動は許容されていますが、実際には、偏心率が 5 ～ 7% を超えるパイプは、設置中に楕円化や不均一な摩耗が発生する傾向があります。たとえ最小値が形式的に許容範囲内であっても、1 つのパイプの厚さの変動が 8% を超えるバッチは不合格にすることをお勧めします。

古いパイプラインを評価する場合、基準が変わります。ここでは現在の厚さとパスポート（初期）の厚さを比較してみます。許容摩耗度は使用圧力と安全率によって異なります。通常、壁厚を元の厚さの 10 ～ 15% 以上減らすには、システム内の動作圧力を下げるか、セクションを交換する必要があります。壁の厚さの 10% を超える深さの局所的な潰瘍または空洞が見つかった場合、そのような領域は緊急事態とみなされます。

構造的な厚さの減少と欠陥を区別することが重要です。パイプの端は、ソケット接続のために面取りされたり、薄くされたりすることがよくあります。これは結婚ではありません。必ずメーカーの図面を参照してください。熱膨張も考慮する価値があります。材料の厚さはわずかに変化しますが、同じ領域で夏と冬に測定された値は、パイプの形状の変化により異なる場合があります。

表: PE パイプの状態を評価するための基準

典型的な間違いと実際の事例

理論は重要ですが、経験は失敗を通じて得られます。当社では長年にわたり、不適切な制御によりトラブルに至った事例をデータベースとして蓄積してきました。これらの状況を分析すると、同様の問題を回避するのに役立ちます。

事例その1：多層構造による「幻の」厚み。
お客様は温水用の強化 PE パイプのバッチを購入しました。入力検査中、シックネスゲージは安定した 10 mm を示し、標準に相当しました。しかし、水圧試験中に、パイプは計算された圧力より 30% 低い圧力で破裂しました。開封すると、ポリエチレンの内層の厚さはわずか 6 mm で、残りの 4 mm は補強層と外側のケーシングにあり、音速が異なることがわかりました。平均係数に合わせて校正されたデバイスは通過時間を合計し、誤った合計厚さを算出しました。
レッスン:多層パイプの場合、A-スキャンゲートを使用して各層を個別に測定するか、層内の異なる音速を考慮した方法を使用する必要があります。ここでは単純なシングルモード測光は機能しません。

ケース No. 2: 冬期バッチの受け入れに対する気温の影響。
PE100 パイプのバッチは、気温 -25°C の 1 月に納品されました。制御は荷降ろし直後に実施した。厚さの測定値はパスポートに比べて 0.4 ～ 0.6 mm 低く見積もられていました。彼らは、バッチを規格外としてサプライヤーに返品したいと考えていました。しかし、パイプを暖かい倉庫 (+20°C) に 24 時間保管した後に繰り返し測定したところ、規格に完全に準拠していることがわかりました。
レッスン:ポリエチレンの音速は、温度が下がるにつれて増加します。機器が次のように校正されている場合 「暖かい」速度で測定が「冷たい」パイプで行われる場合、機器はより速い信号をより短い距離（厚さ）として解釈します。常に温度を補正するか、テスト項目と同じ温度のサンプルで校正してください。

ケース No. 3: 小さな直径を扱う際のオペレーターのミス。
エンジニアは、標準的な直径 10 mm のフラット プローブを使用して、直径 32 mm のパイプを監視しました。接触パッチが小さいため、測定値は常に 2.8 mm から 3.5 mm に上昇しました。押出成形に欠陥があると結論づけられた。再度プロファイルセンサーで確認したところ、厚みは3.0mmで安定していることが分かりました。
レッスン:センサーの形状は物体の曲率と一致する必要があります。小径パイプの場合、特別なアダプタープリズムがなければ平面トランスデューサーの使用は受け入れられません。

もう 1 つの一般的な問題は人的要因です。オペレーターは、特にパイプが新しくてきれいに見える場合は、過度に掃除するのが面倒になることがよくあります。しかし、たとえ最も薄い癒着防止フィルムやほこりであっても、超音波では克服できない空隙が生じる可能性があります。当社では、「ナイフの下に金属/プラスチックの光沢がない - 測定なし」というルールを実施しています。この単純な要件により、偽装結婚の数が 90% 減少しました。

さまざまな業界における超音波検査の応用: 具体的なタスク

超音波試験方法は、特定の業界のニーズに適合しています。ガス労働者にとって重要なことは、農家にとっては二の次である可能性があり、その逆も同様です。

ガス分配ネットワーク (GDS)。
ここでは安全性と誠実さが最優先されます。受付時だけでなく、運転中も制御を行っております。主なタスクは、掘削作業中の腐食（PE は錆びませんが、ガス中の特定の化学不純物の影響で劣化する可能性があります）や機械的損傷を検出することです。建物への進入部分やポリエチレンとスチールの接合部には特に注意が払われます。これらのユニットの壁の厚さは、より頻繁に監視されます。基準からの逸脱が 5% を超えた場合は、直ちに対応する必要があります。

水道事業と下水道。
圧力給水管にとって耐久性は非常に重要です。超音波検査は、20 ～ 30 年以上使用されているパイプの残りの寿命を予測するのに役立ちます。フリーフロー下水道の主な敵は、研磨粒子の流れによるパイプの下部の摩耗です。パイプ底の厚さを定期的に監視することで、破損が発生する前にセクションの交換を計画できます。ここでは、長い領域を迅速にプロファイリングするために、ホイール付きスキャナがよく使用されます。

産業パイプライン (化学、石油化学)。
過酷な環境では、ポリエチレンが膨張または溶解する可能性があります。超音波試験を使用すると、時間の経過に伴う壁厚の変化のダイナミクスを監視できます。 「厚さ対時間」グラフが構築され、次の交換のタイミングを決定するために外挿されます。このような条件では、プロセスが高温で発生する可能性があるため、多くの場合高温センサーが必要になります。企業が好むのは、機器の信頼性が重要となるこのような複雑な環境です。無錫開勝電力石油化学設備有限公司最高水準の品質を実証します。石油精製および石油化学産業向けの熱交換装置、空気冷却器、回収ボイラーの設計と製造を専門とする同社は、システムの寿命が各コンポーネントに依存することを理解しています。チタン、ニッケル合金 (N06625)、船舶用真鍮熱交換器を含む同社の製品は、高圧や過酷な環境に対する耐性を保証する ASME および PED 認定を受けています。このようなメーカーの経験は、それがポリマーパイプであれ、C70600 合金で作られた複雑な熱交換器であれ、材料と形状の厳密な管理が産業施設の安全性の基礎であることを裏付けています。

パイプ生産（工場管理）。
押出ラインでは、オンラインモードで超音波検査が使用されます。センサーは、キャリブレーターとウォーターバスの後のラインに直接取り付けられます。これらにより、オペレーターは、厚さの偏差がある場合に、引き抜き速度または押出機の圧力を瞬時に調整できます。このようなシステムの精度は 0.01 mm に達し、ポリエチレンの過剰な消費を「余裕を持って」防ぐことで原材料を節約できます。

よくある質問（FAQ）

塗装や断熱材を通してPEパイプの厚さを測定することはできますか?

はい、これは可能ですが、「Echo-Echo」（複数エコー）モードのデバイスを使用している場合に限ります。このモードでは、コーティング表面からの最初の反射信号を無視し、パイプの内面からのエコーと 2 番目のエコーの間の時間を測定します。ただし、コーティングの厚さは厚すぎてはなりません (通常は最大 5 ～ 8 mm)。厚すぎると信号が減衰します。正確な結果を得るには、接触パッチを清掃して材料をきれいにすることをお勧めします。

ポリエチレンを使用する場合、どのくらいの頻度でデバイスを校正する必要がありますか?

校正は、測定する材料の種類を変更したとき（たとえば、PE80 から PE100 に変更したとき）、および周囲温度に大きな変化があったとき（10°C 以上）、各シフトの開始前に実行する必要があります。理想的には、連続操作の 2 ～ 3 時間ごとに基準サンプルの設定を確認します。ポリエチレンは条件に敏感で、金属を使用する場合よりも早く設定が「ドリフト」します。

デバイスが同じ時点で不安定な値を示すのはなぜですか?

読み取り値の不安定性は、ほとんどの場合、音響接触の不良 (ゲルが少ない、表面が粗い)、センサーの角度が正しくない、またはパイプ内部の不均一性 (気泡、異物) によって引き起こされます。別の理由としては、特定の厚さまたはブランドのプラスチックに対してセンサー周波数が高すぎることが考えられます。センサーを低周波のものに変更し、ジェルを追加し、取り付けが垂直であることを確認してください。

この方法はコルゲートパイプにも適していますか?

従来の超音波法は、表面の複雑な形状が信号を散乱させるため、波形領域の厚さの測定には適用できません。測定は、波形パイプの滑らかな部分 (ソケットまたは端部) でのみ可能です (滑らかな表面が提供されている場合)。波形自体を制御するには、特殊な技術や切断面の目視検査が必要です。

ロシアにおける超音波検査の実施を規制する基準は何ですか?

主な文書は GOST R 58121.1-2018「熱可塑性圧力パイプ...」で、これは ISO 16010 に準拠した試験方法を指します。GOST R 56512-2015 などの一般的な非破壊試験規格も適用されますが、ポリエチレンの仕様が常に優先されます。輸出入操作は多くの場合、ISO 4427 標準によって直接ガイドされます。

サービスプロバイダーを選択するための結論と推奨事項

PE パイプの肉厚の超音波検査は、単なる受け入れ手続きではなく、強力なリスク管理ツールです。これにより、内部構造、隠れた欠陥、材料の実際の状態など、目に見えない部分を確認することができます。この方法を適切に適用すると、プロジェクトの予算が節約され、事故が防止され、インフラストラクチャの寿命が延びます。

このような制御システムを企業に実装する予定がある場合、または独立した研究室のサービスが必要な場合は、金属だけでなくポリマーの実際の作業経験を持つパートナーを選択することが重要です。国家 NDT システム (ロシア連邦の NDT 認証など) の要件に従って、機器を検証し、担当者を認証する必要があります。

測定の品質を軽視しないでください。間違いの代償は、パイプの破裂、生産の停止、環境罰金です。 PE80 と PE100 の違いを理解し、温度が音速に与える影響を理解し、通常のメニューと同じくらい簡単に A スキャンを読み取ることができる専門家を信頼してください。

当社では、機器の選択、人材トレーニング、パイプラインの独立した検査についてアドバイスを提供する準備ができています。当社の専門家はリスクの高い現場で作業する許可を取得しており、ポリマーの作業に適した最新の探傷器を多数保有しています。

今すぐお問い合わせくださいプロジェクトの詳細について話し合い、超音波検査の商用オファーを受け取ります。パイプが地中に埋設される前に、パイプが安全であることを確認するお手伝いをいたします。

当社の非破壊検査サービスの詳細については、次のサイトをご覧ください。非破壊検査サービスまたはカタログをチェックしてください厚さ測定装置.