CN103765192A - 损伤评价方法以及维护评价指标的制定方法 - Google Patents

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Abstract

使对象部位的特定物理量的第一次的测定值与损伤评价指标对应，计算与第一次的测定值对应的损伤度。在使用经过时间与第一次测定不同的其他时期，至少测定一次与第一次的测定部位对应的部位的特定物理量，使该第二次以后的测定值与基于第二次以后的测定时所对应的时间变化计算出的损伤度对应。基于第一次和第二次以后的测定值与跟第一次和第二次以后的测定值对应的损伤度的关系来近似地计算新的损伤评价指标。

Description

损伤评价方法以及维护评价指标的制定方法
技术领域
本发明涉及损伤评价方法以及使用该损伤评价方法的维护评价指标的制定方法，所述损伤评价方法是能够以高精度评价在特定的使用环境下的结构部件产生的、以蠕变为首的损伤的方法。
本申请基于2011年9月13日在日本提出的特愿2011-199342号主张优先权，将其内容援引至此。
背景技术
一般来说，例如火力发电机械设备的配管、涡轮等结构部件在高温环境下(最高约600℃)使用，并且受应力作用，因此伴随着长期运转，在结构部件的对象部位无法避免以蠕变损伤为首的各种劣化。特别是，若蠕变损伤发展，则存在在金属部件的晶界产生蠕变孔洞、微小裂纹，最终这些蠕变孔洞、微小裂纹连结产生裂纹而导致破损的情况。
因此，为了确保在高温下使用的结构部件的可靠性而实现发电机械设备等的稳定运行，高精度地评价对象部位的损伤、求得准确的寿命并进行恰当的保养管理是重要的。
作为掌握结构部件的对象部位的损伤的方法，通常采用着眼于特定物理量进行评价的方法。在该评价方法中，预先通过实验、仿真等求得损伤度和特定物理量的关系，设定用于评价损伤度的损伤评价指标。然后，通过将该损伤评价指标与对象部位的特定物理量的测定值对应来评价损伤度。
在专利文献1中，作为特定物理量测定蠕变孔洞的个数密度的时间变化率，并将蠕变孔洞个数密度的时间变化率与损伤评价指标对应来评价损伤度。
在专利文献2中，作为特定物理量测定蠕变孔洞的晶界占有率的最大值，将蠕变孔洞的晶界占有率的最大值与损伤评价指标对应来评价损伤度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-85347号公报
专利文献2：WO02/014835号
发明内容
发明要解决的课题
在上述损伤度的评价方法中，利用预先通过实验、仿真等求得的损伤评价指标来进行评价。然而，根据结构部件实际使用的状况不同，会因形状不连续部的应力集中而导致局部受高应力作用、或者形成复杂的应力场，因此存在与实验、仿真中假定的使用条件不同的情况。
因此，存在在实际使用的结构部件的对象部位测定出的特定物理量与损伤度的关系相对于预先作成的损伤评价指标大幅偏离的情况。其结果是，无法避免通过上述方法求得的损伤的预测中的误差，因此在进行机械设备、工业设备等的维护时，考虑损伤的预测误差而进行过度的维护。这样，不得不包括误差的量地偏大地估算损伤，因此存在维护所需的成本增加的课题。
因此，要求通过减小损伤预测中的误差、在最佳的时机进行必要最小限度的检查和维护，来降低保养管理所需的成本。
本发明的目的在于提供一种损伤评价方法以及使用该损伤评价方法的维护评价指标的制定方法，所述损伤评价方法是能够以高精度评价在特定的使用环境下的结构部件产生的、以蠕变为首的损伤的方法。
用于解决课题的方案
本发明的损伤评价方法的第一实施方式为一种评价结构部件中发生经时变化的对象部位的损伤度的损伤评价方法，具备：第一工序，使所述对象部位的特定物理量的第一次的测定值与表示所述特定物理量和基于时间变化产生的损伤度的关系的损伤评价指标对应，计算与所述第一次的测定值对应的损伤度；第二工序，在使用经过时间与第一次测定不同的其他时期，至少测定一次与所述第一次的测定部位对应的部位的所述特定物理量，使该第二次以后的测定值与基于所述第二次以后的测定时所对应的时间变化计算出的损伤度对应；以及第三工序，基于所述第一次和所述第二次以后的测定值与所述第一次和所述第二次以后的测定值所对应的损伤度的关系来近似地计算新的损伤评价指标。
根据本发明，使对象部位的特定物理量的第一次的测定值与表示特定物理量和基于时间变化产生的损伤度的关系的损伤评价指标对应，计算与第一次的测定值对应的损伤度。接着，在使用经过时间与第一次测定不同的其他时期，至少测定一次特定物理量，使该第二次以后的测定值与基于各测定的测定时所对应的时间变化计算出的损伤度对应。接着，基于第一次和第二次以后的测定值与损伤度的关系来近似地计算新的损伤评价指标。基于该新得到的损伤评价指标，根据特定物理量的测定值来评价损伤度。
在该损伤评价指标中，采用无量纲的损伤度，因此对于不同部位的第一次和第二次以后的测定值，能够以由损伤度来表示的相同的指标为基础进行比较。对于损伤评价指标，例如可以列举出表示特定物理量与损伤度的对应的评价曲线、数值表格、电磁记录数值数据的介质等。
新计算出的损伤评价指标是基于伴随着实际的使用环境下的作用应力的状态、置于使用温度下的对象部位的时间变化而变化的特定物理量的测定值而近似地作成的。因此，与通过实验、仿真确定的初期的损伤评价指标相比，能够提高损伤评价指标的精度。基于该新作成的损伤评价指标，能够根据特定物理量的测定值来评价损伤度，能够以高精度来评价结构物的对象部位的损伤度。
本发明的损伤评价方法的第二实施方式为，在第一实施方式中，基于所述新的损伤评价指标，重复所述第一工序、所述第二工序及所述第三工序。
通过重复第一工序、第二工序和第三工序，减小损伤评价指标相对于特定物理量的测定值与损伤度的对应的偏离。基于该新的损伤评价指标，能够通过特定物理量的测定值评价损伤度，能够以更高精度来评价损伤度。
本发明的损伤评价方法的第三实施方式为，在第一或第二实施方式中，作为所述损伤评价指标，采用损伤评价曲线。
损伤评价曲线是表示特定物理量与损伤度的关系的曲线，其连续地表示特定物理量与损伤度的关系。损伤评价曲线连续地表示发生经时变化的特定物理量与损伤度，因此容易在视觉上理解特定物理量与损伤度的关系。
而且，通过采用损伤评价曲线，能够使用所测定的特定物理量容易地评价损伤度。
本发明的损伤评价方法的第四实施方式为，在第一至第三实施方式的任意一种中，所述损伤度为蠕变损伤率。
蠕变损伤率表示在高温环境下使用的结构部件的由蠕变导致的损伤的程度。通过使损伤度为蠕变损伤率，能够通过所测定的特定物理量，容易地掌握蠕变损伤率。
本发明的损伤评价方法的第五实施方式为，在第四实施方式中，所述特定物理量为蠕变孔洞的个数密度。即，是每单位面积的蠕变孔洞的个数。
通过使特定物理量为蠕变孔洞的个数密度，能够容易地测定物理量，从而能够高效地评价蠕变损伤率。
本发明的损伤评价方法的第六实施方式为，在第一至第五实施方式的任意一种中，所述结构部件为由耐热钢形成的结构部件。
耐热钢用作像例如火力发电用锅炉的配管那样的在高温和高压环境中使用的结构部件。通过应用于这些部件，能够高精度地评价使用环境严苛、难以评价的耐热钢的损伤度。
本发明的损伤评价方法的第七实施方式为，在第六实施方式中，所述对象部位为所述由耐热钢形成的结构部件的焊接热影响部。
耐热钢的焊接热影响部受焊接时的线能量的影响而产生由可逆相变导致的组织变化、组织的恢复，从而变成与受到热影响之前不同的金属组织。因此，与未受到焊接时的热的影响的部位相比，蠕变强度变弱，蠕变变形集中，多轴度增加，容易产生蠕变孔洞。由此，与其他情况相比容易显著地产生蠕变损伤。通过使特定物理量的测定部位为耐热钢的焊接热影响部，能够根据所测定的特定物理量以高精度评价耐热钢的焊接热影响部的损伤。
本发明的维护评价指标的制定方法的实施方式是采用本发明的损伤评价方法的第一至第七实施方式中的任意一种制定而成的。
维护评价指标指的是表示结构部件的对象部位的特定物理量与损伤度的对应，用于评价维护时结构部件的对象部位的损伤度的评价指标。
维护评价指标如下制定。使用第一次的特定物理量的测定值与表示特定物理量和基于时间变化产生的损伤度的关系的损伤评价指标，计算与第一次的测定值对应的损伤度。接着，在使用经过时间与第一次测定不同的其他时期，至少测定一次特定物理量，使该第二次以后的测定值与基于该测定时的时间变化计算出的损伤度对应。接着，基于第一次和第二次以后的测定值与损伤率的关系来近似地计算新的损伤评价指标。
通过获得如此得到的新的损伤评价指标，能够制定可以以更高精度应用于维护的维护评价指标。根据该维护评价指标，能够应对各种各样的状况，根据特定物理量的测定值高效且容易地、以高精度来评价损伤度。其结果是，能够恰当地进行维护。
发明效果
根据本发明的损伤评价方法、维护评价指标的制定方法，能够以更高精度评价在特定的使用环境下的结构部件产生的、以蠕变为首的损伤。
附图说明
图1是示出应用本发明的一种实施方式的蠕变损伤评价方法的锅炉的配管和焊接热影响部(对象部位)的概要的图。
图2是示出一种实施方式的蠕变损伤评价方法的步骤的概要的流程图。
图3是示出一种实施方式的蠕变损伤评价曲线的图。
图4是说明一种实施方式的蠕变损伤评价方法的第一工序的图。
图5是说明一种实施方式的蠕变损伤评价方法的第二工序的图。
图6是说明一种实施方式的蠕变损伤评价方法的第三工序的图。
图7是说明重复进行一种实施方式的第一工序、第二工序、第三工序的损伤评价方法的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
在本实施方式中，示出了将损伤评价方法应用于在锅炉等高温高压环境中使用的耐热钢的配管的焊接热影响部(对象部位)来评价蠕变损伤的程度的例子。
图1示出了作为本实施方式的损伤评价方法评价的对象的锅炉的配管1。
在配管1的内部沿图1的箭头所示方向流过高温蒸汽。配管1的焊接接头部10是将由耐热钢形成的弯曲部20与直线部30通过焊接而接合起来的接头部。
在焊接接头部10，为了进行蠕变损伤率的评价，对与焊接接头部10相邻的焊接热影响部11(对象部位)测定蠕变孔洞的个数密度。例如使用复膜法观察蠕变孔洞，作为每预定面积的蠕变孔洞的个数而求得蠕变孔洞的个数密度。复膜法是对焊接热影响部11的表面实施预定的处理使金属组织显现，将该金属组织的凹凸转印至薄膜，使用光学显微镜、扫描式电子显微镜等对所转印的凹凸进行组织观察的方法。
本实施方式的例子为，根据在设于焊接接头部10的焊接热影响部11测定的蠕变孔洞的个数密度来评价蠕变损伤率。
蠕变损伤率通过下述算式求得。
蠕变损伤率=(使用经过时间)/[(使用经过时间)+(结构部件的剩余寿命)]
使用经过时间是指结构部件在特定的使用环境下使用的合计时间。结构部件的剩余寿命是指在特定的环境下使用的结构部件到破坏为止的剩余时间。使用经过时间与结构部件的剩余寿命的和是结构部件从在特定的使用环境中使用起到破坏为止所需的时间，被称为全寿命。
根据配管、结构部件的使用温度、作用应力来适当选择所使用的耐热钢。作为代表性的使用材料，有2Cr钢、作为高强度铁素体钢而被公知的9Cr钢和12Cr钢。在进一步追求耐腐蚀性、蠕变强度的部位，也存在使用其他铁素体类钢、奥氏体类钢、Fe基合金、Ni基合金等的情况。
以下，对本实施方式的蠕变损伤评价方法的步骤进行说明。
本实施方式的蠕变损伤评价方法按照图2所示的流程图的步骤进行。即，减小与蠕变孔洞的个数密度对应的损伤率的关系和损伤评价指标的偏离，得到最佳的蠕变损伤评价曲线。使用该最佳的蠕变损伤评价曲线，掌握蠕变损伤率。
用于得到蠕变损伤评价曲线的步骤例如包括第一工序S10、第二工序S20、第三工序S30和判定工序S40。在判定工序S40中，判定蠕变损伤评价曲线的妥当性。
(第一工序S10)
第一工序S10是根据蠕变孔洞的个数密度计算蠕变损伤率的工序。对其计算方法说明如下。
图3是示出在高温环境下使用的耐热钢的焊接热影响部的蠕变孔洞的个数密度与蠕变损伤率的关系的蠕变损伤评价曲线40。该蠕变损伤评价曲线40例如使用在实验室进行的实验、之前积蓄的数据库的数据等预先作成。
接着，对实际使用的配管1的焊接热影响部11实施蠕变孔洞的个数密度的第一次测定。此时的测定部位只要是一处以上即可。
使上述的第一次的蠕变孔洞的个数密度的测定值与图3的蠕变损伤评价曲线40对应，求得蠕变损伤率。
具体来说，如图4所示，在第一次的蠕变孔洞的测定部位为三处的情况下，将各测定部位的测定值D1-1、D2-1、D3-1标记出来，计算与蠕变损伤评价曲线40的D1-1、D2-1、D3-1对应的蠕变损伤率R1-1、R2-1、R3-1。接着，使用蠕变损伤率和使用经过时间，分别计算各测定部位的焊接热影响部11的全寿命。
(第二工序S20)
第二工序S20是使第二次以后的蠕变孔洞的个数密度的测定值与蠕变损伤率对应的工序。
在使用经过时间与第一次的测定不同的其他时期，对配管1的焊接热影响部11进行至少一次第二次以后的蠕变孔洞的个数密度的测定。此时的测定部位是与第一次的测定部位对应的部位。
与第一次的测定部位对应的部位指的是例如与第一次相同的部位、损伤度与第一次的测定部位相同的部位。
如图5所示，在本实施方式中，利用第二次测定中的使用经过时间、蠕变孔洞的个数密度及在第一工序中计算出的全寿命，计算各测定点的蠕变损伤率。
并且，如图5所示地使第二次测定的蠕变孔洞的个数密度(D1-2、D2-2、D3-2)与根据上述第二次以后的蠕变孔洞的个数密度的测定值计算出的蠕变损伤率(R1-2、R2-2、R3-2)对应。
图5示出了与第一次测定同样地在三个部位进行第二次测定，并使三个部位的蠕变孔洞的个数密度的测定值与蠕变损伤率对应一次的情况。在第二工序中，进行至少一次蠕变孔洞的个数密度的测定，也可以进行第三次以后的测定。
(第三工序S30)
第三工序S30是计算新的蠕变损伤评价曲线的工序。
基于第一次和第二次以后的蠕变孔洞的个数密度的测定值与跟这些测定值对应的蠕变损伤率的关系，如图6所示地近似地计算新的蠕变损伤评价曲线50。
为了基于测定数据近似地计算新的蠕变损伤评价曲线50，例如可以采用回归分析。具体来说，可以采用通过对数近似、多项式近似、最小二乘法等实现的近似。
在图6中，在蠕变损伤评价曲线50中示出了第一次和第二次的蠕变孔洞的个数密度。可以认为损伤评价曲线50与蠕变孔洞的个数密度的测定值存在少量的偏离。
(判定工序S40)
判定工序S40是判定在第三工序S30中得到的新的蠕变损伤评价曲线50是否妥当的工序。
例如，在新的蠕变损伤评价曲线50与蠕变孔洞的个数密度的测定值和蠕变损伤率的关系在预定的范围外的情况下，优选使用新的蠕变损伤评价曲线50再次进行第一工序、第二工序、第三工序。重复进行直到所得到的蠕变损伤评价曲线与第一次及第二次的蠕变孔洞的个数密度的测定值和蠕变损伤率的关系达到预定目的的范围内为止。接着，得到如图7所示的与测定值的偏离较小的蠕变损伤评价曲线60(在图7中，示出了重复进行N次第一工序、第二工序、第三工序后的蠕变损伤评价曲线60。)。
在本例中，第一次及第二次的蠕变孔洞的个数密度的测定值与蠕变损伤率的关系非常一致。
在新的蠕变损伤评价曲线与第一次及第二次的蠕变孔洞的个数密度的测定值和蠕变损伤率的关系达到预定的范围内时，评价为得到了最佳的损伤评价曲线。
在蠕变损伤评价曲线是否妥当的判断中，例如若根据蠕变孔洞的个数密度的测定值计算出的蠕变损伤率与蠕变损伤评价曲线的损伤率的差小于预定的比例(例如5%)，则判断为最佳。优选的是，蠕变损伤评价曲线是否妥当的判断是根据结构部件的焊接热影响部(对象部位)的过去的数据库、安全率等综合地进行判断的。
根据本实施方式的蠕变损伤评价方法，经过第一工序S10、第二工序S20、第三工序S30，得到高精度的新的蠕变损伤评价曲线。在蠕变损伤评价曲线中，采用的是无量纲的蠕变损伤率，因此对于不同部位的第一次和第二次以后的测定值，能够以由损伤度来表示的相同指标为基础进行比较。
通过判定工序S40，能够判定蠕变损伤评价曲线是否妥当。在判定为蠕变损伤评价曲线妥当的情况下，将该蠕变损伤评价曲线作为最佳的蠕变损伤评价曲线。
在判定为蠕变损伤评价曲线不妥当的情况下，基于新得到的蠕变损伤评价曲线，重复进行第一工序、第二工序、第三工序，直到判定为新得到的蠕变损伤评价曲线妥当为止。由此，能够得到最佳的蠕变损伤评价曲线，能够进一步提高精度。
基于如此得到的蠕变损伤评价曲线，能够根据蠕变孔洞的个数密度的测定值以更高精度来评价蠕变损伤率。其结果是，即使是对耐热钢的焊接热影响部这样容易产生蠕变损伤的部位，也能够准确地判断剩余寿命。其结果是，能够在恰当的时机进行维护，能够将设备的维持所耗费的成本抑制得较低。
在本实施方式中，采用蠕变损伤评价曲线，因此容易在视觉上理解蠕变孔洞的个数密度与蠕变损伤率的关系。通过该蠕变损伤评价曲线和蠕变孔洞的个数密度的测定值，能够容易且高效地掌握蠕变损伤率。
以上，对作为本发明的一种实施方式的、锅炉等的配管的焊接热影响部的蠕变损伤评价方法进行了说明，但是本发明并不限定于此，能够在不脱离本发明的技术思想的范围内进行适当变更。
在上述实施方式中，对评价蠕变损伤率的方法进行了说明，但也可以应用于评价结构部件的疲劳、磨损及腐蚀等因经时变化产生的结构部件的对象部位的损伤度的情况。
作为特定物理量使用了蠕变孔洞的个数密度，但只要是与对象部位的损伤度对应地发生经时变化的特定物理量，也可以测定例如对象部位的硬度、伸长率、晶粒的特定部位的蠕变孔洞的个数和变化率、可由超声波探伤检查或放射线检查等检测出的板厚内部的缺陷性状等其他特定物理量。
在上述实施方式中，对使用损伤评价曲线的情况进行了说明，但不限于评价曲线，也可以采用表示特定物理量与损伤度的对应的数值表格、电磁记录数值数据的介质等。
在上述实施方式中，对配管1由耐热钢构成的情况进行了说明，但只要是具有对应于经时变化而损伤的对象部位的结构部件，可以是由任意的材料构成的。
在上述实施方式中，使测定蠕变孔洞的个数密度的部位为配管的焊接热影响部，但也可以测定例如涡轮的翼槽部、导热管和配管的母材部等对应于经时变化而损伤的部位。
在上述实施方式中，在第一工序中计算了焊接热影响部(对象部位)的全寿命，但也可以计算剩余寿命。
标号说明
10：焊接接头部；
11：焊接热影响部(对象部位)；
40、50、60：蠕变损伤评价曲线(损伤评价指标)。

Claims (8)

1.一种损伤评价方法，评价结构部件中发生经时变化的对象部位的损伤度，包括以下工序：
第一工序，使所述对象部位的特定物理量的第一次的测定值与表示所述特定物理量和基于时间变化产生的损伤度的关系的损伤评价指标对应，计算与所述第一次的测定值对应的损伤度；
第二工序，在使用经过时间与第一次测定不同的其他时期，至少测定一次与所述第一次的测定部位对应的部位的所述特定物理量，使该第二次以后的测定值与基于所述第二次以后的测定时所对应的时间变化计算出的损伤度对应；以及
第三工序，基于所述第一次和所述第二次以后的测定值与所述第一次和所述第二次以后的测定值所对应的损伤度的关系来近似地计算新的损伤评价指标。
2.根据权利要求1所述的损伤评价方法，其中，
基于所述新的损伤评价指标，重复所述第一工序、所述第二工序及所述第三工序。
3.根据权利要求1或2所述的损伤评价方法，其中，
作为所述损伤评价指标，采用损伤评价曲线。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的损伤评价方法，其中，
所述损伤度为蠕变损伤率。
5.根据权利要求4所述的损伤评价方法，其中，
所述特定物理量为蠕变孔洞的个数密度。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的损伤评价方法，其中，
所述结构部件是由耐热钢形成的结构部件。
7.根据权利要求6所述的损伤评价方法，其中，
所述对象部位为所述由耐热钢形成的结构部件的焊接热影响部。
8.一种维护评价指标的制定方法，其采用了权利要求1至7的任意一项所述的损伤评价方法。
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