接触式超音波によるバルブ漏えい検知

バルブは配管システムの「中核となる制御コンポーネント」です. バルブは、開閉、調節、遮断、切り替えという主要な機能を果たし、流体の流量を高精度に制御します. いったんシール性能が損なわれると、軽微な場合でもプロセスの乱れやエネルギーロスを招き、深刻な場合には火災・爆発、有毒物質への暴露、環境汚染につながるおそれがあります.

現場でお客様が最も重視する「見逃し検知や誤警報の低減」「漏えい位置の特定精度向上」「漏えい量推定の信頼性向上」に着目し、それらを実行可能かつトレース可能な標準化ワークフローへと落とし込み、アプリケーション内でループを閉じることで、エンドツーエンドで展開できるバルブ漏えい検査アプリケーションを構築しました.

バルブ内部漏えいの主な原因

バルブ漏えいはなぜ発生するのでしょうか? 当社では、これを次の主な4つの原因に整理しています:

• 通常の摩耗: 頻繁な開閉によりシール面が徐々に摩耗します.また、長期間にわたる流体の洗浄・浸食作用によってもシールのかみ合わせが劣化する可能性があります.
• プロセス流体要因: 流体中の硫黄化合物などの成分により電気化学的腐食が生じるほか、砂やスラグ、粒子などの施工残渣が残っていると摩耗が加速し、シール面を傷つけてシール不良を引き起こします.
• 不適切な操作・保守: 開閉用バルブを絞り用途で使用したり、定期的な洗浄や予防保全を行わなかったり、メンテナンスが不十分であったり、不適切・危険な操作を行ったりすると、シール面を損傷したり、完全閉止を妨げたりする原因になります.
• 据付および管理上の問題: 屋外保管で雨ざらしになった場合、泥や砂が侵入したり、サンドブラストや現場環境により砥粒や異物がバルブ内部に入り込んだりして、シール面を汚染・損傷し、最終的に内部漏えいを引き起こすことがあります.

バルブが閉止されていてもシール面が完全に密着していない場合、高圧側と低圧側の圧力差によって、高圧側から低圧側へとわずかな隙間を流体が通過し、高速のマイクロジェットおよび乱流が形成されます. この漏えいは一般的に、可聴音／超音波、振動、異常な圧力挙動、温度異常や着霜といった、いくつかの観測可能な症状となって現れます.

接触式超音波が有効な理由

バルブシールが破損すると、シール面の微小な隙間を高圧流体が通過して乱流が発生し、20～100 kHz帯域の高周波超音波信号が生成されます. 信号強度は一般的に漏えい量と正の相関があり、漏えいが大きいほど振幅も大きくなります.

現場では、バルブ上流、バルブ本体、バルブ下流の測定ポイントで超音波信号を取得し、その信号特性をアルゴリズムで抽出・解析することで、内部漏えいの有無と位置を特定できます.

従来手法と比べると、温度監視は熱伝導の影響を受けやすく定量化が難しく、耐圧保持試験は時間がかかるうえに漏えい位置の特定が不得意であり、耳による聞き取りは効率が低く、見逃しや誤検知が発生しやすく、個人の経験に大きく依存します. そこで本アプリケーションでは、経験依存の作業を、音響とデータ解析に支えられた標準化されたプロセス駆動型ワークフローへと転換しました.

ワークフローと主要機能

より標準化されたワークフロー: 現場操作をガイド付き試験へ

CRY8124 のバルブ漏えいアプリケーションでは、ソフトウェアに標準化かつ可視化されたワークフローが実装されています. オペレーターは画面上の指示に従って、接触式超音波センサーを各測定ポイントに順番に当て、「Test」をタップするだけです. 試験後、結果は画面上に表示され、アルゴリズムが自動的に内部漏えいの有無を判定します.

同時に、バルブID、バルブ形式、バルブサイズ、流体種別、上流／下流の圧力差といった主要パラメータを入力するための標準化された項目も用意されています. これにより、同一設備内やシフト間、オペレーター間で試験結果の整合性を取りやすくなり、再試験やトレンド管理をはるかに一貫性の高いものにできます.

よりスマートに: 自動診断 + 漏えい量推定

当社のバルブ漏えい検知機能は、次の2点の強化に重点を置いています:

• 各測定ポイントのdBレベルと超音波信号の特徴を解析し、アルゴリズムによるデータに基づいて内部漏えい結果を自動判定することで、目視や主観的な解釈への依存度を低減します.
• 内蔵されたAIアルゴリズムが、測定ポイントで取得した超音波の特徴から漏えい量を推定し、バルブ保全の判断を支援する定量的な指標を提供します.

これが当社が「高い検知率」を重視する根拠です.判断が主観的経験にあまり依存しなくなることで、特に多数のバルブや複数の並列ラインを抱える複雑な現場においても、見逃しや誤警報を大幅に抑制できるようになります.

適用シナリオ

業界は異なっても、バルブ漏えい検知に対する共通ニーズがあります:

フィールド事例

事例: 内モンゴルの石炭化学プラント(燃料ガス／石炭ガス系統)

以下は、石炭化学プラントにおけるバルブ漏えいの実際のフィールド試験事例です. 燃料ガスや石炭ガス系統で内部漏えいが発生すると、遮断機能が損なわれます. 漏えいがある場合、下流側ラインにはガスが残留したままとなり、作業エリアは一酸化炭素や含硫黄酸性ガスの侵入リスクにさらされ、中毒、火災、さらには爆発の危険性を引き起こすおそれがあります. 接触式超音波を用いて疑わしいバルブの現場試験を行い、短時間で漏えい箇所を特定するとともに、漏えい量を推定しました. これによりお客様は、「隔離完了」の判断を経験頼みの評価からデータに基づく検証へと切り替えることができ、是正措置の優先順位付けを行い、隔離の誤判断による作業リスクを低減し、より安全な保守作業と安定操業を実現しました.

• バルブ種類: 燃料ガス圧縮機室バイパスバルブ(バタフライバルブ).
• 試験結果: 19.8 L/min.
• 流体／圧力: 燃料ガス(H₂, CO, CH₄)、3 MPa.

• バルブ種類: 燃料ガス圧縮機室 プラグバルブ
• 試験結果: 1.7 L/min.
• 流体／圧力: 石炭ガス(主成分CO)、2.5 MPa.

現場試験手法: 再現性のある5点測定

運転条件の確認

十分な圧力差があることを確認し、可能な限り他系統からの影響を遮断します.

主な手順

• 試験対象となるバルブを閉止します.
• 試験区間の上流側および下流側のバルブを開きます.
• 上流・下流の圧力計間に圧力差があることを確認し、ΔP > 0.1 MPa であることを検証します.

下図のように実施します

• バルブAの漏えい試験を行う場合: バルブBおよびCを開き、バルブAおよびDを閉じます.
• バルブBの漏えい試験を行う場合: バルブAおよびCを開き、バルブBおよよびDを閉じます.

測定ポイント(MP1～MP5)の配置

上流 → バルブコア → 下流をカバーします.

• MP3: バルブコア部に配置します.
• MP2: バルブの上流側、1～2管径(D)離れた位置に配置します(バルブから離れた側の配管外面にポイントを取ります).
• MP1: バルブ上流側でMP2から2～3D離れた位置に配置します. 設置スペースが限られる場合、MP1～MP2間隔は0.5Dまで短縮できます.
• MP4: バルブ下流側で1D離れた位置に配置します(バルブから離れた側の配管外面にポイントを取ります).
• MP5: バルブ下流側でMP4から1～2D離れた位置に配置します(バルブフランジ直後の配管外面に取ることを推奨). 設置スペースが限られる場合、MP5～MP4間隔は0.5Dまで短縮できます.

D = 管径

備考
小口径でフランジのないねじ込みバルブの場合、測定ポイント間隔は少なくとも管径3本分(3D)以上としてください.

FAQ

バルブ内部漏えいに関して、代表的な使用シーンに基づく質問をいくつか挙げました.アプリケーションの理解を早め、最適なソリューションを効率よくお選びいただく一助となれば幸いです.

Q1. 配管温度が異なる場合、どのように接触式超音波センサーを選定すればよいですか?

A1. 配管表面温度に応じて、次のようなセンサー選定を推奨します:

• 低温配管(-20°C未満)および高温配管(50°C超)には、針型接触式超音波センサーの使用を推奨します.
• -20°C～50°Cの温度範囲では、セラミック接触式超音波センサーを用いて信号を取得します.

Q2. どのようなバルブに対してバルブ漏えい試験を実施できますか?

A2. 本手法は、次のような幅広いバルブに対する漏えい検知に適用できます:

• ゲートバルブ
• プラグバルブ
• グローブバルブ
• ボールバルブ
• チェックバルブ
• バタフライバルブ
• ニードルバルブ
• 安全弁
• ピンチバルブ

上記に記載のないバルブ形式については、お気軽にお問い合わせください.

Q3. バルブや配管に保温材や断熱材が巻かれている場合でも、試験は可能ですか?

A3. 保温材がバルブと配管を完全に覆っている場合、そのままでは試験ができない可能性があります. 測定エリアの保温材を一部撤去するか、直径約7 cmの開口部を設け、接触式超音波センサーが配管外面に直接接触して信号を取得できるようにする必要があります.

Q4. データ取得時、配管表面についてどのような点に注意すべきですか?

A4. 接触式超音波センサーが、配管を伝搬する超音波信号を確実に取得するためには、堅固な表面と良好に接触している必要があります. センサーと配管表面の間に大きな異物や粉じんがあると、結果が不正確になる原因となります. 配管外面にさびがある場合は、試験前に大きなほこりや浮き錆などの緩い粒子を拭き取ってください.

お問い合わせ

CRYSOUNDの音響技術によるバルブ漏えい検知への応用について詳しく知りたい場合や、お客様の現場プロセス条件および受入基準に基づいた、より適切な検査ソリューションをご希望の場合は、下記フォームよりお問い合わせください. 弊社エンジニアよりご連絡差し上げます.