JP2006038597A

JP2006038597A - 埋設管の検査方法

Info

Publication number: JP2006038597A
Application number: JP2004217832A
Authority: JP
Inventors: Takushi Minaki; 卓士皆木; Toshiro Kamata; 敏郎鎌田
Original assignee: Gifu University NUC; Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Gifu University NUC; Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】下水管路や農水管路等を構築している埋設管や陶管などの埋設管の劣化現象の区別を高精度で検査する。
【解決手段】埋設管の劣化状態を管内部から検査する方法において、衝撃弾性波試験を行って検査対象管の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルの少なくとも第１周波数区間（例えば０．５〜４ｋＨｚ）のスペクトル面積値と第２周波数区間（例えば０．５〜１０ｋＨｚ）のスペクトル面積値を評価して埋設管の劣化状態の区別を判定する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、埋設管の劣化状態を検査する埋設管の検査方法に関する。

下水管路や農水管路においては、埋設管の経年に伴う腐食摩耗や破損により陥没や漏水などの事故が増加してきている。このため適切な劣化度診断とその調査結果に基づく、適切な修繕・更新が望まれている。

下水管路や農水管路の診断調査においては、一般に、修繕・改築工事の順番及び工事方法を決定するために、調査流域を構成する要素区域間の劣化進行度の順位付け、及び定量的な劣化レベルの進行度の把握が必要となる。

このため、従来では、目視やＴＶカメラを用いて外観調査を行い、必要となればコアを抜いて物性を調査するという方法が一般に行われている。しかし、このような手法では、目に見える劣化しか捉えることができず、管外周や内部の劣化については見逃されてしまい、劣化現象を適切に定量的に把握することが困難であった。また、定量的なデータを集めるためにはコアを大量に抜く必要があり、下水管路や農水管路の強度を損ねたり、作業に手間がかかるという欠点がある。

一方、コンクリート構造物で行われている検査方法の応用も考えられている。例えば、弾性波を利用したひび割れ幅及び深さを予測するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この検査システムによれば、弾性波の振幅値や、弾性波のカウント数（所定以上の振幅のカウント数）の減少を利用しているため、埋設管が埋設されている周囲状況の影響を受けやすく、検査精度が悪いという問題がある。
特開平１０−１４２２００号公報

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、下水管路や農水管路等を構築している埋設管の劣化現象の区別を、埋設環境に影響されずに高精度で検査することが可能な埋設管の検査方法を提供することを目的とする。

本発明の埋設管の検査方法は、埋設管の劣化状態を管内部から検査する方法であって、衝撃弾性波試験を行って検査対象管の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルの少なくとも第１周波数区間のスペクトル面積値と第２周波数区間のスペクトル面積値とから、劣化現象の区別を判定することを特徴としている。

本発明の埋設管の検査方法において、スペクトル面積値を算出するための周波数区間を設定する手法としては、例えば、状態が異なる複数種の供試管についてそれぞれ衝撃弾性波試験を行って伝播波を測定し、その各伝播波についてそれぞれ周波数スペクトルを解析し、その各周波数スペクトルについて一定の微小周波数区間ごとに積分を行うとともに、その積分値を順次積算して積分積算値を求めていき、当該積分積算値が大きく変化するポイントの周波数を判定して、前記スペクトル面積値を求める周波数区間を設定するという手法を挙げることができる。

本発明の埋設管の検査方法において、前記スペクトル面積値を求める周波数区間は、第１周波数区間の始点が０〜２．５ｋＨｚ、終点が３〜５．５ｋＨｚで、第２周波数区間の始点が前記第１周波数区間と同じ値であり、終点が７〜１０ｋＨｚである範囲を満たす周波数区間であることが好ましい。

以下、本発明を詳細に説明する。

まず、本出願人は、鉄筋コンクリート管などの管体について、衝撃弾性波試験を行って管体の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルから管体の劣化状態を判定する技術を提案している。

本発明では、このような衝撃弾性波試験によって得られた周波数スペクトルに対して一定の微小周波数区間ごとに積分し、その積分値を順次積算して積分積算値（スペクトル面積値）を求めていくと、積分積算値が大きく変化するポイントがあり、しかも、その変化ポイントが現れる現象が、図１０のグラフに示すように、「管体の軸方向クラック」、「周方向クラック」及び「管肉厚減少」などに関係があることを見出したものである。

そして、本発明では、そのような現象を利用して、上記したように、衝撃弾性波試験を行って検査対象管の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルにおける第１周波数区間（例えば０．５〜４ｋＨｚ）のスペクトル面積値と第２周波数区間（例えば０．５〜１０ｋＨｚ）のスペクトル面積値を評価することにより、検査対象管の劣化現象の区別が、「健全」、「軸方向クラック」、「周方向クラック」、「軸方向＋周方向クラック」または「管肉厚減少」のいずれであるのかを特定することを特徴としている。

次に、本発明において、スペクトル面積を求める際に用いる周波数区間の設定手法について説明する。

まず、状態（劣化状態）が異なる複数種の供試管として、「健全管」、「軸方向クラック導入管」、「周方向クラック導入管」、「軸方向＋周方向クラック導入管」、「管肉厚減少管」を作製しておき、これら供試管についてそれぞれ衝撃弾性波試験を行って伝播波を測定し、その各伝播波についてそれぞれ周波数スペクトルを解析する。

次に、各管体の周波数スペクトルについて、それぞれ、一定の微小周波数区間（例えば０．５ｋＨｚ）ごとに積分を行うとともに、その積分値を順次積算して積分積算値を求める。このようにして得られた各管体の積分積算値を、周波数をパラメータとしてグラフ上にプロットすると、図１０のグラフに示すような結果が得られる。なお、図１０のグラフは、後述するサンプルＳ１〜Ｓ５について衝撃弾性波試験を行った結果をモデル化したグラフである。

図１０のグラフについて検討すると、まず、「軸方向クラック導入管」の積分積算値が大きく変化するポイントを含む周波数区間Ｆ１までの各管体の積分積算値は、積分積算値が大きな第１群（「健全管」、「管肉厚減少管」、「軸クラック導入管」）と、積分積算値が小さな第２群（「周方向クラック導入管」、「軸方向＋周方向クラック導入管」）の２つの群に分かれる。なお、第１群において、「健全管」よりも「管肉厚減少管」の方が積分積算値が大きいのは、管厚が薄い方が低周波成分が多いことによる。

さらに検討すると、「管肉厚減少管」の積分積算値が大きく変化（減少）するポイントと、「周方向クラック導入管」の積分積算値が大きく変化（増大）するポイントとを含む周波数区間Ｆ２までの積分積算値は、「健全管」が「管肉厚減少管」よりも僅かに大きくなり、「軸方向クラック導入管」が「健全管」及び「管肉厚減少管」に対して極端に小さくなる。また、「周方向クラック導入管」が「軸方向＋周方向クラック導入管」よりも大きくなる。

以上のことから、「軸方向クラック導入管」の積分積算値が大きく変化するポイントを含む周波数区間Ｆ１を第１周波数区間とし、「管肉厚減少管」及び「周方向クラック導入管」の積分積算値が大きく変化するポイントを含む周波数区間Ｆ２を第２周波数区間とすることにより、劣化現象の区別を判定することができる。

具体的には、「健全管」を基準として、第１周波数区間の積分積算値（スペクトル面積）が、「健全管」に対して大きい場合を「大」、同程度もしくは少し小さい場合を「中」、極端に小さい場合を「小」とし、また、第２周波数区間の積分積算値（スペクトル面積）が、「健全管」に対して、同程度もしくは少しだけ小さい場合を「大」、小さい場合を「中」、極端に小さい場合を「小」とすると、後述する表２に示す判定条件で、劣化現象の区別を判定することができる。

なお、スペクトル面積値を求める周波数区間は、上記した第１周波数区間と第２周波数区間の２つの区間に限られることなく、３つ以上の周波数区間を設定してもよい。

ここで、本発明の検査方法を適用する埋設管としては、例えば、コンクリート管、鉄筋コンクリート管、陶管、金属管、樹脂管またはＦＲＰＭ管（モルタルとＦＲＰの複合管）などが挙げられる。また、埋設管の断面形状としては、例えば円形、卵形、矩形、馬蹄形などが挙げられる。

本発明の埋設管の検査方法によれば、衝撃弾性波試験を行って検査対象管の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルの少なくとも第１周波数区間のスペクトル面積値と第２周波数区間のスペクトル面積値を評価して埋設管の劣化状態を検査するので、弾性波の振幅値や、弾性波のカウント数（所定以上の振幅のカウント数）の減少などを利用する検査方法と比べて、埋設管の周囲状況の影響を受けにくく、劣化現象の区別を精度良く判定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜実施形態１＞
この実施形態において衝撃弾性波試験は以下のようにして行う。

［入力方法］
入力装置としてはハンマや鋼球またはインパルスハンマなどの打撃具が使用できる。特に、入力装置としては、入力情報を解析時に反映させるために、入力情報を数値データとして計測できる打撃具、例えばシュミットハンマや、バネ、ピストン等を用いて一定の力で打撃を行うことが望ましい。また、例えばシュミットハンマや、バネ、ピストン等を用いて一定の力でハンマ、鋼球等を打ち出す方法、または一定の高さから鋼球等を落下させる方法が望ましい。

［受信方法］
受信子としては加速度センサやＡＥセンサ及び振動センサ等が使用できる。受信子のセット方法としては、テープや接着剤等で固定してもよいし、手や押さえ治具等を使って圧着させてもよい。

これらの入力装置や受信装置は、水や酸性水、塩基性水に接触することがあるためステンレスなどの耐食性に優れた材料で形成されていることが望ましい。

［計測方法」
インパルスハンマなどで管体内面に弾性波を入力し、一方で管内にセットした受信子により、管体を伝播した伝播波を計測し、記録装置により波形記憶を行わせる（受信データの計測）。入射位置と受信子の位置は、検査対象管の管長の１／４以上離して設置するのが望ましい。これは、亀裂などの劣化による管全体の振動現象の変化が捉えやすいからである。また、入射位置と受信位置は相対的な位置が同じになるように設置するのが望ましい。

［解析方法］
上記計測位置で計測した入力と受信のデータについて、入力（打撃側）と出力（受信側）の関係を考慮した周波数スペクトルを描かせる。この周波数スペクトル分布において、第１周波数区間（０．５〜４ｋＨｚ）のスペクトル面積値と、第２周波数区間（０．５〜１０ｋＨｚ）のスペクトル面積値とを求める。この解析法を採用する場合、インパルスハンマの打撃力（入力情報）を数値化しておく必要がある。

ここで、入力と出力との関係を考慮した周波数スペクトルとは、例えば、入力のフーリエスペクトルをＡ（ｆ）、出力のフーリエスペクトルをＢ（ｆ）、伝達関数（周波数応答関数）をＨ（ｆ）とすると、Ｈ（ｆ）＝Ｂ（ｆ）／Ａ（ｆ）の関係で表され、このＨ（ｆ）を描かせたのがここでの周波数スペクトルの分布となる。

＜実施例１＞
本発明の具体的な実施例を説明する。

［サンプル準備］
ＪＩＳＡ５３７２のＢ型１種の規格に基づいた、呼び径２５０ｍｍ（管長：２ｍ）のコンクリート製ヒューム管（日本ヒューム管製の製品）を用いて、以下のようなサンプルを準備した。
・サンプルＳ１：無処理管（管肉厚：平均２８ｍｍ）。なお、管肉厚は管端面付近で片端１０点ずつ、計２０点をノギスで測定した。
・サンプルＳ２：軸方向クラック導入管
サンプルに線荷重を加えることができる積荷試験機を用いて、軸方向に４本のクラック（クラック幅＝０．１５ｍｍ）を発生させたもの（図１参照）。なお、クラックの本数は片端面で内面外面に発生していたクラック本数を目視で確認した。
・サンプルＳ３：周方向クラック導入管
図２に示すような導入方法にてクラック幅１．３ｍｍのクラックを導入したもの（図３参照）。なお、クラック幅は、管外周においてスケール付きルーペで拡大して測定した（５点の平均値）。
・サンプルＳ４：軸方向＋周方向クラック導入管
サンプルＳ２と同様の方法で軸方向クラックを導入した後、サンプルＳ３と同様な方法で周方向クラックを導入したもの（図４参照）。
・サンプルＳ５：管肉厚減少管
特殊成形により、外径は無処理管と同じとし、内径を大きくして平均の管肉厚が１３ｍｍとなるようにしたもの（図５参照）。なお、管肉厚は管端面付近で片端１０点ずつ、計２０点をノギスで測定した。

サンプルの一覧を下記の表１に示す。

［入射及び受信位置］
入射装置と受信装置を図６に示す位置に配置して弾性波の入射及び伝播波の受信を行った。

［使用機器］
入射装置：インパルスハンマ
受信子：振動センサＧＨ−３１３Ａ（キーエンス製）の雄ねじ部に、直径１０ｍｍ、高さ１５ｍｍの円柱物をねじ込んで使用した。

受信用アンプ：キーエンス製ＧＡ−２４５
データロガー（記録装置）：キーエンス製ＮＲ−２０００
［計測条件］
実管路を想定して、上記したサンプルＳ１〜Ｓ５を図７に示すような条件にて埋設した状態で計測を行った。

［データ解析］
上記入射装置（インパルスハンマ）の打撃力から入力フーリエスペクトルＡ（ｆ）を求めるとともに、上記した受信子で受信・記録した伝播波の波形データから出力フーリエスペクトルＢ（ｆ）を求め、それら入力フーリエスペクトルＡ（ｆ）と出力フーリエスペクトルＢ（ｆ）を用いて、入力と出力との間の伝達関数（周波数応答関数）Ｈ（ｆ）（Ｈ（ｆ）＝Ｂ（ｆ）／Ａ（ｆ））を求めて、入力と出力との関係を考慮した周波数スペクトルを各サンプルＳ１〜Ｓ５ごとに描いた。

これらのサンプルのうち、サンプルＳ１（無処理管（健全管））の周波数スペクトルの分布グラフを図８に示す。また、サンプルＳ１の周波数スペクトルについて、微小周波数区間（０．５ｋＨｚ）ごとの積分値（スペクトル面積値）を算出し、この積分値を順次積算した積分積算値を、周波数をパラメータにしてグラフ上のプロットすると、図９に示すようなグラフが得られる。さらに、同様な手法により、サンプルＳ２〜Ｓ５について周波数スペクトルの積分積算値を求めて、周波数−積分積算値のグラフを作成し、これら全てのサンプルＳ１〜Ｓ５の積分積算値を同一のグラフ上に表すと、図１０に示すような傾向が現れる。その詳細については、前述したので、ここでの説明は省略する。なお、図１０のグラフは、各サンプルＳ１〜Ｓ５の積分積算値の変化をモデル化して示している。

そして、この実施例においては、各サンプルＳ１〜Ｓ５の周波数スペクトルについて、第１周波数区間０．５〜４ｋＨｚのスペクトル面積値と、第２周波数区間０．５〜１０ｋＨｚのスペクトル面積値を算出する。その結果をそれぞれ図１１及び図１２に示す。

次に、第１周波数区間０．５〜４ｋＨｚのスペクトル面積値を評価する（以下、第１の評価という）。具体的には、「無処理管（健全管）」を基準として、スペクトル面積値が「無処理管」に対して大きい場合を「大」、同程度もしくは少し小さい場合を「中」、極端に小さい場合を「小」として評価する。その評価結果を下記の表２に示す。

さらに、第２周波数区間０．５〜１０ｋＨｚのスペクトル面積値を評価する。具体的には、「無処理管（健全管）」を基準として、スペクトル面積値が「無処理管」に対して、同程度もしくは少しだけ小さい場合を「大」、小さい場合を「中」、極端に小さい場合を「小」として評価する（以下、第２の評価という）。その評価結果を下記の表２に示す。

以上の表２の結果から、サンプルＳ１〜Ｓ５の劣化現象の区別を特定することできる。すなわち、上記第１の評価が「中」で第２の評価が「中」である場合、劣化現象の区別が「軸方向クラック」であると特定することができる。また、第１の評価が「小」で第２の評価が「中」である場合は劣化現象の区別が「周方向クラック」、第１の評価が「小」で第２の評価が「小」である場合は劣化現象の区別が「軸方向＋周方向クラック」、第１の評価が「大」で第２の評価が「大」である場合は劣化現象の区別が「管肉厚減少」であると特定することができる。なお、基準となる「無処理管（健全管）」の場合は、第１の評価が「中」で第２の評価が「大」となる。

従って、予め無処理管（供試管）について衝撃弾性波試験を行って、上記した第１周波数区間０．５〜４ｋＨｚのスペクトル面積値と、第２周波数区間０．５〜１０ｋＨｚのスペクトル面積値とを算出・記録しておき、検査対象管（埋設管）について、衝撃弾性波試験を実施することにより得られた周波数スペクトルから、上記した周波数区間０．５〜４ｋＨｚ及び０．５〜１０ｋＨｚの各スペクトル面積値を求め、その実測のスペクトル面積値の大きさを、先に記録済みのスペクトル面積値（基準となる無処理管のスペクトル面積値）を基に、上記第１と第２の２段階で評価することにより、検査対象管の劣化現象の区別を特定することが可能になる。

なお、以上の第１と第２の評価において判断基準となる「大」、「中」、「小」を決定するための閾値は、各サンプルＳ１〜Ｓ５について衝撃弾性波試験を予め行って、図１０に示すようなグラフを作成し、そのグラフに基づいて求めるようにすればよい。

以上の実施例では、スペクトル面積を求める第１周波数区間を０．５〜４ｋＨｚ、第２周波数区間を０．５〜１０ｋＨｚとしているが、本発明はこれに限定されることなく、第１周波数区間の始点が０〜２．５ｋＨｚ、終点が３〜５．５ｋＨｚで、第２周波数区間の始点が前記第１周波数区間と同じ値であり、終点が７〜１０ｋＨｚである範囲を満たす周波数区間としても本発明は実施可能である。

また、スペクトル面積値を求める周波数区間は、上記した第１周波数区間と第２周波数区間の２つの区間に限られることなく、３つ以上の周波数区間を設定してもよい。

本発明の検査方法は、下水管路や農水管路などの埋設管において、修繕・改築工事の順番及び工事方法を決定するに際して、調査流域を構成する要素区域間の劣化現象の区別をの判定するのに有効に利用することができる。

軸方向クラック導入管の模式図である。本発明の実施例で採用する周方向クラックの導入方法を模式的に示す図である。周方向クラック導入管の模式図である。軸方向＋周方向クラック導入管の模式図である。管肉厚減少管の模式図である。サンプルへの計測機器の配置を示す図である。本発明の実施例のサンプル埋設条件を模式的に示す図である。無処理管（健全管）の周波数スペクトルの分布グラフである。図８の周波数スペクトルの積分積算値を示すグラフである。状態が異なる複数種の管体の周波数スペクトルの積分積算値を示すグラフである。本発明の実施例の結果を示す図で各サンプルの周波数区間０．５〜４ｋＨｚにおけるスペクトル面積値を示すグラフである。本発明の実施例の結果を示す図で各サンプルの周波数区間０．５〜１０ｋＨｚにおけるスペクトル面積値を示すグラフである。

符号の説明

Ｓ１〜Ｓ５埋設管のサンプル

Claims

埋設管の劣化状態を管内部から検査する方法であって、衝撃弾性波試験を行って検査対象管の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルの少なくとも第１周波数区間のスペクトル面積値と第２周波数区間のスペクトル面積値とから、劣化現象の区別を判定することを特徴とする埋設管の検査方法。
請求項１記載の埋設管の検査方法において、状態が異なる複数種の供試管についてそれぞれ衝撃弾性波試験を行って伝播波を測定し、その各伝播波についてそれぞれ周波数スペクトルを解析し、その各周波数スペクトルについて一定の微小周波数区間ごとに積分を行うとともに、その積分値を順次積算して積分積算値を求めていき、当該積分積算値が大きく変化するポイントの周波数を判定して、前記スペクトル面積値を求める周波数区間を設定することを特徴とする埋設管の検査方法。
請求項１記載の埋設管の検査方法において、第１周波数区間の始点が０〜２．５ｋＨｚ、終点が３〜５．５ｋＨｚで、第２周波数区間の始点が前記第１周波数区間と同じ値であり、終点が７〜１０ｋＨｚである範囲を満たす周波数区間であることを特徴とする埋設管の検査方法。