JP2002156325A - 金属部材の表面き裂深さ解析方法 - Google Patents
金属部材の表面き裂深さ解析方法Info
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- JP2002156325A JP2002156325A JP2000351323A JP2000351323A JP2002156325A JP 2002156325 A JP2002156325 A JP 2002156325A JP 2000351323 A JP2000351323 A JP 2000351323A JP 2000351323 A JP2000351323 A JP 2000351323A JP 2002156325 A JP2002156325 A JP 2002156325A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 長期間の熱履歴疲労により、ボイラの水壁管
の火炉側外面に発生する表面き裂の進展度合いや残余寿
命を高精度で評価できる金属部材の表面き裂深さ解析方
法を提供する。 【解決手段】 水壁管外面の所望箇所のき裂深さａ
ＴＣ０を計測した後（Ｓ１）、応力振幅σａを算出し
（Ｓ２）、さらに、起動停止に伴う応力値の幅から応力
振幅σａを算出し、これらの値から応力拡大係数範囲Δ
Ｋを算出した後、これらの値から応力拡大係数範囲ΔＫ
を算出し（Ｓ３）、ボイラ１内の雰囲気条件に応じた線
図ｉを選択し（Ｓ４）、次に、応力拡大係数範囲ΔＫに
対応した疲労表面き裂成分（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎを求
め（Ｓ５）、測定時（現在）の当該部位のエレファント
スキン状表面き裂深さａｐから、当該ボイラ固有の高温
再酸化（腐食）速度ｄａＨＣ／ｄｔを逆算し（Ｓ６）、
得られた高温再酸化速度ｄａＨＣ／ｄｔを用いて今後進
展が予想できるエレファントスキン状表面き裂深さａ
ＴＣを逐次演算するようにした（Ｓ８）。
の火炉側外面に発生する表面き裂の進展度合いや残余寿
命を高精度で評価できる金属部材の表面き裂深さ解析方
法を提供する。 【解決手段】 水壁管外面の所望箇所のき裂深さａ
ＴＣ０を計測した後（Ｓ１）、応力振幅σａを算出し
（Ｓ２）、さらに、起動停止に伴う応力値の幅から応力
振幅σａを算出し、これらの値から応力拡大係数範囲Δ
Ｋを算出した後、これらの値から応力拡大係数範囲ΔＫ
を算出し（Ｓ３）、ボイラ１内の雰囲気条件に応じた線
図ｉを選択し（Ｓ４）、次に、応力拡大係数範囲ΔＫに
対応した疲労表面き裂成分（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎを求
め（Ｓ５）、測定時（現在）の当該部位のエレファント
スキン状表面き裂深さａｐから、当該ボイラ固有の高温
再酸化（腐食）速度ｄａＨＣ／ｄｔを逆算し（Ｓ６）、
得られた高温再酸化速度ｄａＨＣ／ｄｔを用いて今後進
展が予想できるエレファントスキン状表面き裂深さａ
ＴＣを逐次演算するようにした（Ｓ８）。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、常時は高温雰囲気
中に曝され、暫時、低温雰囲気中に曝されることが繰り
返される金属部材の表面き裂深さ解析方法に関する。
中に曝され、暫時、低温雰囲気中に曝されることが繰り
返される金属部材の表面き裂深さ解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】発電設備の仕様や特徴あるいは需給条件
の変化により、石炭、石油等の化石燃料またはＬＮＧ
（液化天然ガス）を燃焼させる火力発電用ボイラの多く
は、需要の変化に応じた日毎（ＤＳＳーDaily Start St
op ）停止運転や週毎（ＷＳＳーWeekly Start Stop）停
止運転が行われるようになり、従来に較べて起動停止回
数が増加し、例えば、年間に３０〜６０回、起動停止が
繰り返される。このように、起動停止回数が増加するに
伴って、熱履歴疲労に起因した材料損傷が多く発生する
ようになった。特に、（蒸発）水壁管の火炉側の一部で
エレファントスキン（象皮）現象と称される管外面から
の表面き裂が発生することがある。
の変化により、石炭、石油等の化石燃料またはＬＮＧ
（液化天然ガス）を燃焼させる火力発電用ボイラの多く
は、需要の変化に応じた日毎（ＤＳＳーDaily Start St
op ）停止運転や週毎（ＷＳＳーWeekly Start Stop）停
止運転が行われるようになり、従来に較べて起動停止回
数が増加し、例えば、年間に３０〜６０回、起動停止が
繰り返される。このように、起動停止回数が増加するに
伴って、熱履歴疲労に起因した材料損傷が多く発生する
ようになった。特に、（蒸発）水壁管の火炉側の一部で
エレファントスキン（象皮）現象と称される管外面から
の表面き裂が発生することがある。
【０００３】本発明者等の調査によれば、この表面き裂
は、熱負荷体の一つである水壁管の一部が起動時に他の
部位より約５０〜１００°Ｃ温度が高くなることに起因
していることが判った。火力発電用のボイラでは、水壁
管は膨大な数の蒸発管で構成されており、一定負荷（例
えば、１００％，７５％，５０％，２５％等）での運転
では、水壁管の部分で極端な温度差が生じないような流
動伝熱設計が為されているが、一部の低い負荷体では、
起動時に局部的に温度が上がる場合がある。このような
場合に、温度上昇が５０〜１００°Ｃであっても短時間
（通常３０分以内）であれば、歪み損傷（クリープ）や
過熱（オーバーヒート）損傷は生じない。しかし、起動
停止毎に局部的な昇温による熱応力の発生が繰り返され
ると、熱疲労き裂が発生し、進展してしまう。
は、熱負荷体の一つである水壁管の一部が起動時に他の
部位より約５０〜１００°Ｃ温度が高くなることに起因
していることが判った。火力発電用のボイラでは、水壁
管は膨大な数の蒸発管で構成されており、一定負荷（例
えば、１００％，７５％，５０％，２５％等）での運転
では、水壁管の部分で極端な温度差が生じないような流
動伝熱設計が為されているが、一部の低い負荷体では、
起動時に局部的に温度が上がる場合がある。このような
場合に、温度上昇が５０〜１００°Ｃであっても短時間
（通常３０分以内）であれば、歪み損傷（クリープ）や
過熱（オーバーヒート）損傷は生じない。しかし、起動
停止毎に局部的な昇温による熱応力の発生が繰り返され
ると、熱疲労き裂が発生し、進展してしまう。
【０００４】図６および図７はそれぞれエレファントス
キン状き裂の発生部位を示すボイラの内部断面図および
エレファントスキン状表面き裂の顕微鏡写真像であり、
図７の（ａ）は磁粉探傷試験後の外観、（ｂ）は火炉水
壁管の断面、（ｃ）はエレファントスキン状表面き裂発
生箇所の拡大断面を各々示している。エレファントスキ
ン状表面き裂は火炉水壁管の外表面の周方向に沿って
（希に軸方向に発生する場合もある）多数の表面き裂が
発生する現象を言う。表面き裂は断面が鋭いＶ字型を成
し、内部に酸化物が生成している場合が多い。このよう
に、多数の表面き裂が生じた鋼管表面の外観が象の皮膚
に似ていることから、エレファントスキン状表面き裂と
呼ばれている。図６に示すように、エレファントスキン
状き裂発生部位３はボイラ１の（蒸発）水壁管２の接合
部や他の部材の結合部、高温曝部等となっている。
キン状き裂の発生部位を示すボイラの内部断面図および
エレファントスキン状表面き裂の顕微鏡写真像であり、
図７の（ａ）は磁粉探傷試験後の外観、（ｂ）は火炉水
壁管の断面、（ｃ）はエレファントスキン状表面き裂発
生箇所の拡大断面を各々示している。エレファントスキ
ン状表面き裂は火炉水壁管の外表面の周方向に沿って
（希に軸方向に発生する場合もある）多数の表面き裂が
発生する現象を言う。表面き裂は断面が鋭いＶ字型を成
し、内部に酸化物が生成している場合が多い。このよう
に、多数の表面き裂が生じた鋼管表面の外観が象の皮膚
に似ていることから、エレファントスキン状表面き裂と
呼ばれている。図６に示すように、エレファントスキン
状き裂発生部位３はボイラ１の（蒸発）水壁管２の接合
部や他の部材の結合部、高温曝部等となっている。
【０００５】図８は従来例に係るエレファントスキン状
表面き裂の解析診断手法の概略を示す流れ図である。火
炉水壁管の外表面にエレファントスキン状表面き裂が発
見された場合は、従来は同図の流れ手順に従って、大気
中高温疲労試験を行って表面き裂の進展度合いを解析
し、今後の表面き裂の進展を予測したり限界値到達年数
等を予想し、当該水壁管を後どの程度使用できるかを評
価していた。図９は疲労表面き裂進展解析に用いられる
応力拡大係数範囲ΔＫ（単位ＭＰａ√ｍ）に対する疲労
表面き裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を表す疲労表面き裂進
展線図である。なお、Ｎは起動停止回数である。応力拡
大係数範囲ΔＫは温度差による応力振幅σ ａ、き裂深さ
ａとその形状係数ｂの関数ｆ（ａ，σａ，ｂ）であり、
これらの値が決まれば、疲労表面き裂進展量を算出でき
る。形状係数ｂは水壁管の形状、負荷応力とき裂の方向
により定義される係数である。疲労表面き裂進展線図は
温度により変化するから、水壁管２のエレファントスキ
ン状表面き裂進展解析には、高温大気中の線図IIを用い
る。
表面き裂の解析診断手法の概略を示す流れ図である。火
炉水壁管の外表面にエレファントスキン状表面き裂が発
見された場合は、従来は同図の流れ手順に従って、大気
中高温疲労試験を行って表面き裂の進展度合いを解析
し、今後の表面き裂の進展を予測したり限界値到達年数
等を予想し、当該水壁管を後どの程度使用できるかを評
価していた。図９は疲労表面き裂進展解析に用いられる
応力拡大係数範囲ΔＫ（単位ＭＰａ√ｍ）に対する疲労
表面き裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を表す疲労表面き裂進
展線図である。なお、Ｎは起動停止回数である。応力拡
大係数範囲ΔＫは温度差による応力振幅σ ａ、き裂深さ
ａとその形状係数ｂの関数ｆ（ａ，σａ，ｂ）であり、
これらの値が決まれば、疲労表面き裂進展量を算出でき
る。形状係数ｂは水壁管の形状、負荷応力とき裂の方向
により定義される係数である。疲労表面き裂進展線図は
温度により変化するから、水壁管２のエレファントスキ
ン状表面き裂進展解析には、高温大気中の線図IIを用い
る。
【０００６】まず、超音波探傷法、放射線探傷法、断面
観察法等による統計評価を取り入れた最大値予測等を用
い、水壁管２外面のき裂深さａを計測する（Ｓ１）。次
に、起動・停止時および運転中の温度測定結果に基づく
有限要素法応力解析、または構造、形状、運転条件を考
慮した簡易応力解析により、応力振幅σａを算出する
（Ｓ２）。そして、これらの値から応力拡大係数範囲Δ
Ｋを算出する(Ｓ３)。次に、この応力拡大係数範囲ΔＫ
から図９に示す高温大気中における疲労表面き裂進展線
図を用いて疲労表面き裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め
る（Ｓ４）。そして、この疲労表面き裂進展速度（ｄａ
／ｄＮ）を回数積分して、高温大気中における回数Ｎに
対するき裂深さａを求める疲労表面き裂進展解析を行う
（Ｓ７１）。次に、今後の表面き裂進展解析と水壁管２
の余寿命診断を行い（Ｓ８）、次回の定期検査時の水壁
管２の残肉厚が限界肉厚より小さいか否かを判断する
（Ｓ９）。その判断結果が否ならば、ボイラの運転をそ
の儘継続し（Ｓ１０）、その判断結果が然りならば、水
壁管２を新品と取り替える（Ｓ１１）。
観察法等による統計評価を取り入れた最大値予測等を用
い、水壁管２外面のき裂深さａを計測する（Ｓ１）。次
に、起動・停止時および運転中の温度測定結果に基づく
有限要素法応力解析、または構造、形状、運転条件を考
慮した簡易応力解析により、応力振幅σａを算出する
（Ｓ２）。そして、これらの値から応力拡大係数範囲Δ
Ｋを算出する(Ｓ３)。次に、この応力拡大係数範囲ΔＫ
から図９に示す高温大気中における疲労表面き裂進展線
図を用いて疲労表面き裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め
る（Ｓ４）。そして、この疲労表面き裂進展速度（ｄａ
／ｄＮ）を回数積分して、高温大気中における回数Ｎに
対するき裂深さａを求める疲労表面き裂進展解析を行う
（Ｓ７１）。次に、今後の表面き裂進展解析と水壁管２
の余寿命診断を行い（Ｓ８）、次回の定期検査時の水壁
管２の残肉厚が限界肉厚より小さいか否かを判断する
（Ｓ９）。その判断結果が否ならば、ボイラの運転をそ
の儘継続し（Ｓ１０）、その判断結果が然りならば、水
壁管２を新品と取り替える（Ｓ１１）。
【０００７】図１０は、ある代表的なボイラ条件での疲
労表面き裂進展解析を実施した結果を示す表面き裂進展
特性図である。この例では、運転年数が１０年目でき裂
深さが０．２mm、２０年目で０．５mm、２５年目で０．
７mmの表面き裂が実測された。上述のようにして、き裂
深さａ、熱応力振幅σａおよび起動停止繰返し回数Ｎよ
り、各時点からの疲労表面き裂進展を予測した結果は同
図中の二点鎖線で示すグラフになる。なお、図の枠内に
示す停止モードは、長期は数日以上の運転停止、中期は
２日前後の運転停止、短期は１日以内の運転停止を表
す。熱応力の大きさは停止モード毎に異なるため、各モ
ード毎に評価を行った。同図から明らかなように、これ
らの疲労表面き裂進展の予測結果は実際の疲労表面き裂
進展よりも低めの、水壁管２の噴破危険性を見損なうも
のになっている。
労表面き裂進展解析を実施した結果を示す表面き裂進展
特性図である。この例では、運転年数が１０年目でき裂
深さが０．２mm、２０年目で０．５mm、２５年目で０．
７mmの表面き裂が実測された。上述のようにして、き裂
深さａ、熱応力振幅σａおよび起動停止繰返し回数Ｎよ
り、各時点からの疲労表面き裂進展を予測した結果は同
図中の二点鎖線で示すグラフになる。なお、図の枠内に
示す停止モードは、長期は数日以上の運転停止、中期は
２日前後の運転停止、短期は１日以内の運転停止を表
す。熱応力の大きさは停止モード毎に異なるため、各モ
ード毎に評価を行った。同図から明らかなように、これ
らの疲労表面き裂進展の予測結果は実際の疲労表面き裂
進展よりも低めの、水壁管２の噴破危険性を見損なうも
のになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来技
術では実際に生じる疲労表面き裂進展を精度良く予測す
ることができず、水壁管の表面き裂が予想以上に速く限
界き裂深さに達して、水壁管の噴破漏洩事故の発生に至
る虞がある。かといって、安全性を重視する立場から、
検査の際に浅い疲労表面き裂が検出された時点で当該水
壁管の寿命が尽きたものと判定して新しいものと取り替
えるのは、経済上あるいは資源節約上好ましくない。
術では実際に生じる疲労表面き裂進展を精度良く予測す
ることができず、水壁管の表面き裂が予想以上に速く限
界き裂深さに達して、水壁管の噴破漏洩事故の発生に至
る虞がある。かといって、安全性を重視する立場から、
検査の際に浅い疲労表面き裂が検出された時点で当該水
壁管の寿命が尽きたものと判定して新しいものと取り替
えるのは、経済上あるいは資源節約上好ましくない。
【０００９】本発明の目的は、従来技術におけるかかる
課題を解決して、長期間の熱履歴疲労により、ボイラの
水壁管の火炉側外面に発生する表面き裂の進展度合いや
残余寿命を高精度で評価できる金属部材の表面き裂深さ
解析方法を提供することにある。
課題を解決して、長期間の熱履歴疲労により、ボイラの
水壁管の火炉側外面に発生する表面き裂の進展度合いや
残余寿命を高精度で評価できる金属部材の表面き裂深さ
解析方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、疲労き裂進展速度を決定する際に雰囲気の
腐食性を考慮した線図を用いると共に、金属部材の表面
き裂深さを実測して、その値から当該雰囲気による表面
き裂部位の酸化または腐食によるき裂促進度合いを表す
酸化き裂進展速度を逆算し、当該酸化き裂進展速度と疲
労き裂進展速度とに基づいて将来進展する金属部材の表
面き裂深さを予測したものであり、例えば、金属部材の
表面き裂深さを所定期間毎の逐次演算により求めても良
い。
に本発明は、疲労き裂進展速度を決定する際に雰囲気の
腐食性を考慮した線図を用いると共に、金属部材の表面
き裂深さを実測して、その値から当該雰囲気による表面
き裂部位の酸化または腐食によるき裂促進度合いを表す
酸化き裂進展速度を逆算し、当該酸化き裂進展速度と疲
労き裂進展速度とに基づいて将来進展する金属部材の表
面き裂深さを予測したものであり、例えば、金属部材の
表面き裂深さを所定期間毎の逐次演算により求めても良
い。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明では例えば、ボイラの火炉
蒸発水壁管の火炉側外面のエレファントスキン状表面き
裂の進展や残余寿命を管壁の高温酸化を含む高温腐食の
速度（ｄａＨ Ｃ／ｄｔ）、高温腐食膜への表面き裂発生
因子、燃焼排ガス雰囲気での疲労表面き裂進展速度の複
数因子を組み合わせて診断する。火力発電用ボイラの火
炉側外面で発生するエレファントスキン状表面き裂は、
単に高温雰囲気中で生じる疲労表面き裂現象の進展の結
果としてのみでは説明できず、起動停止時の水壁管部位
間での温度差による熱応力の作用の繰り返しによる熱疲
労と、高温環境下における熱疲労表面き裂の加速化現象
と、同じく、材料の酸化や腐食の促進とに依ることを本
願発明者は見出した。そこで、エレファントスキン状表
面き裂の進展を高精度に予測するには、こうした現象を
考慮に入れた診断解析手法が必要になる。
蒸発水壁管の火炉側外面のエレファントスキン状表面き
裂の進展や残余寿命を管壁の高温酸化を含む高温腐食の
速度（ｄａＨ Ｃ／ｄｔ）、高温腐食膜への表面き裂発生
因子、燃焼排ガス雰囲気での疲労表面き裂進展速度の複
数因子を組み合わせて診断する。火力発電用ボイラの火
炉側外面で発生するエレファントスキン状表面き裂は、
単に高温雰囲気中で生じる疲労表面き裂現象の進展の結
果としてのみでは説明できず、起動停止時の水壁管部位
間での温度差による熱応力の作用の繰り返しによる熱疲
労と、高温環境下における熱疲労表面き裂の加速化現象
と、同じく、材料の酸化や腐食の促進とに依ることを本
願発明者は見出した。そこで、エレファントスキン状表
面き裂の進展を高精度に予測するには、こうした現象を
考慮に入れた診断解析手法が必要になる。
【００１２】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図２は本発明の実施例に係る水壁管外面き
裂診断装置の概念図である。同図において、４はき裂深
さ検査センサー、５はき裂深さ検査センサー４が検出し
た水壁管２のエレファントスキン状表面き裂データをデ
ジタルデータに変換する変換器、６はエレファントスキ
ン状表面き裂データを処理してエレファントスキン状表
面き裂進展解析を実行するデータ解析処理装置、７はデ
ータ解析処理装置６が実行したエレファントスキン状表
面き裂進展解析の結果を記録する記録装置である。 図
３はエレファントスキン状表面き裂の要因と進展の関係
を示す因果流れ図（ａ）と、エレファントスキン状表面
き裂の生成現象を模式的に示す水壁管表面の断面図
（ｂ）、図４は応力拡大係数範囲ΔＫに対する疲労表面
き裂進展速度（ｄａｅｎ／ｄＮ）を表す疲労表面き裂進
展線図である。同図に示すように、水壁管表面に高温酸
化（腐食）膜が生成され、これに起動時の熱応力負荷が
作用して酸化膜割れが生じ、ここに起動時の熱応力負荷
が作用することにより、熱疲労表面き裂が進展すると共
に、酸化膜割れ部の高温酸化が進行する。鋼管表面に形
成された酸化膜は概して脆く、ボイラ起動時の熱応力負
荷により容易に割れが発生する。この割れ目の内部に形
成された再酸化（腐食）による酸化層はき裂の促進に少
なからず寄与している（最大で数十％）ことが判った。
に説明する。図２は本発明の実施例に係る水壁管外面き
裂診断装置の概念図である。同図において、４はき裂深
さ検査センサー、５はき裂深さ検査センサー４が検出し
た水壁管２のエレファントスキン状表面き裂データをデ
ジタルデータに変換する変換器、６はエレファントスキ
ン状表面き裂データを処理してエレファントスキン状表
面き裂進展解析を実行するデータ解析処理装置、７はデ
ータ解析処理装置６が実行したエレファントスキン状表
面き裂進展解析の結果を記録する記録装置である。 図
３はエレファントスキン状表面き裂の要因と進展の関係
を示す因果流れ図（ａ）と、エレファントスキン状表面
き裂の生成現象を模式的に示す水壁管表面の断面図
（ｂ）、図４は応力拡大係数範囲ΔＫに対する疲労表面
き裂進展速度（ｄａｅｎ／ｄＮ）を表す疲労表面き裂進
展線図である。同図に示すように、水壁管表面に高温酸
化（腐食）膜が生成され、これに起動時の熱応力負荷が
作用して酸化膜割れが生じ、ここに起動時の熱応力負荷
が作用することにより、熱疲労表面き裂が進展すると共
に、酸化膜割れ部の高温酸化が進行する。鋼管表面に形
成された酸化膜は概して脆く、ボイラ起動時の熱応力負
荷により容易に割れが発生する。この割れ目の内部に形
成された再酸化（腐食）による酸化層はき裂の促進に少
なからず寄与している（最大で数十％）ことが判った。
【００１３】このようにして、熱疲労表面き裂はやがて
エレファントスキン状表面き裂に進展する。本発明では
図３に示すモデルに従って、エレファントスキン状表面
き裂の進展は熱疲労表面き裂の進展と酸化膜割れ部の高
温酸化の進行との和になるとの仮定に基づいている。そ
こで、当初のエレファントスキン状表面き裂深さをａ
ＴＣ０（mm）、起動停止回数をＮ回、当該雰囲気での起
動停止による疲労表面き裂進展速度をｄａｅｎ／ｄＮ
（mm／回）、当該雰囲気での酸化または高温腐食速度を
ｄａＨＣ／ｄｔ（mm／年）、エレファントスキン状表面
き裂の予測時期をｔ年後とすると、予測時のエレファン
トスキン状表面き裂深さａＴＣは、 ａＴＣ＝ａＴＣ０＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎ＋（ｄａ
ＨＣ／ｄｔ）×ｔ……(1)となる。この算式(1)の第３項
（ｄａＨＣ／ｄｔ）×ｔが高温再酸化（腐食）によるエ
レファントスキン状表面き裂進展への寄与分である。
エレファントスキン状表面き裂に進展する。本発明では
図３に示すモデルに従って、エレファントスキン状表面
き裂の進展は熱疲労表面き裂の進展と酸化膜割れ部の高
温酸化の進行との和になるとの仮定に基づいている。そ
こで、当初のエレファントスキン状表面き裂深さをａ
ＴＣ０（mm）、起動停止回数をＮ回、当該雰囲気での起
動停止による疲労表面き裂進展速度をｄａｅｎ／ｄＮ
（mm／回）、当該雰囲気での酸化または高温腐食速度を
ｄａＨＣ／ｄｔ（mm／年）、エレファントスキン状表面
き裂の予測時期をｔ年後とすると、予測時のエレファン
トスキン状表面き裂深さａＴＣは、 ａＴＣ＝ａＴＣ０＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎ＋（ｄａ
ＨＣ／ｄｔ）×ｔ……(1)となる。この算式(1)の第３項
（ｄａＨＣ／ｄｔ）×ｔが高温再酸化（腐食）によるエ
レファントスキン状表面き裂進展への寄与分である。
【００１４】図１は本実施例に係るボイラ蒸発水壁管の
火炉側外面のエレファントスキン状表面き裂の解析診断
手法の概略を示す流れ図である。始めに、従来例と同様
に、超音波探傷法等により水壁管２外面の所望箇所のき
裂深さａＴＣ０を計測する（Ｓ１）。このき裂深さａ
ＴＣ０を求めるには、実際には、例えば、所望箇所の２
０個の測定部位のき裂深さａｐの測定値から極値統計に
より当該部位の最大値を予測する統計的評価法を用いて
算出する。次に、起動・停止時および運転中の温度測定
結果に基づく有限要素法応力解析等により、応力振幅σ
ａを算出する（Ｓ２）。具体的には、測定部位を碁盤目
状に分割して、それぞれ各時間毎の温度分布より熱膨張
度を求め、それらの差に基づいて当該箇所の応力値を算
出し、起動停止に伴う応力値の幅（応力範囲＝最大値ー
最小値）から応力振幅σａを算出する。応力振幅σａは
応力範囲の１／２である。
火炉側外面のエレファントスキン状表面き裂の解析診断
手法の概略を示す流れ図である。始めに、従来例と同様
に、超音波探傷法等により水壁管２外面の所望箇所のき
裂深さａＴＣ０を計測する（Ｓ１）。このき裂深さａ
ＴＣ０を求めるには、実際には、例えば、所望箇所の２
０個の測定部位のき裂深さａｐの測定値から極値統計に
より当該部位の最大値を予測する統計的評価法を用いて
算出する。次に、起動・停止時および運転中の温度測定
結果に基づく有限要素法応力解析等により、応力振幅σ
ａを算出する（Ｓ２）。具体的には、測定部位を碁盤目
状に分割して、それぞれ各時間毎の温度分布より熱膨張
度を求め、それらの差に基づいて当該箇所の応力値を算
出し、起動停止に伴う応力値の幅（応力範囲＝最大値ー
最小値）から応力振幅σａを算出する。応力振幅σａは
応力範囲の１／２である。
【００１５】そして、これらの値から応力拡大係数範囲
ΔＫを算出する(Ｓ３)。本実施例では応力拡大係数範囲
ΔＫは次式で与えられる。
ΔＫを算出する(Ｓ３)。本実施例では応力拡大係数範囲
ΔＫは次式で与えられる。
【００１６】 ΔＫ＝σａ√（πＲ・ｄｃ・Ｆｔ） ……(2) 但し、Ｒは水壁管２の外径、ｄｃは表面き裂長さの１／
２、Ｆｔは水壁管２の厚さと外径Ｒとの関数値である。
次に、図４の疲労表面き裂進展線図によりボイラ１内の
雰囲気条件に応じた線図ｉ（ｉ＝１〜４）を選択する
（Ｓ４）。この線図ｉは実際のボイラ１内の雰囲気環境
を実験室内に作って、室温大気中（線図１）、高温大気
（ＬＮＧ燃焼ガス）中（線図２）、腐食性中（石炭燃
焼）ガス中（線図３）および腐食性大（高硫黄重油燃
焼）ガス中（線図４）のデータを測定して得たものであ
る。そして、該線図ｉにより、応力拡大係数範囲ΔＫに
対応した疲労表面き裂成分（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎを求
め（Ｓ５）、測定時（現在）の当該部位のエレファント
スキン状表面き裂深さａｐから、当該ボイラ固有の高温
再酸化（腐食）速度ｄａＨＣ／ｄｔを逆算する（Ｓ
６）。
２、Ｆｔは水壁管２の厚さと外径Ｒとの関数値である。
次に、図４の疲労表面き裂進展線図によりボイラ１内の
雰囲気条件に応じた線図ｉ（ｉ＝１〜４）を選択する
（Ｓ４）。この線図ｉは実際のボイラ１内の雰囲気環境
を実験室内に作って、室温大気中（線図１）、高温大気
（ＬＮＧ燃焼ガス）中（線図２）、腐食性中（石炭燃
焼）ガス中（線図３）および腐食性大（高硫黄重油燃
焼）ガス中（線図４）のデータを測定して得たものであ
る。そして、該線図ｉにより、応力拡大係数範囲ΔＫに
対応した疲労表面き裂成分（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎを求
め（Ｓ５）、測定時（現在）の当該部位のエレファント
スキン状表面き裂深さａｐから、当該ボイラ固有の高温
再酸化（腐食）速度ｄａＨＣ／ｄｔを逆算する（Ｓ
６）。
【００１７】具体的には、当初のエレファントスキン状
表面き裂深さａＴＣ０を基に、算式(1)を用いて所定期
間毎のエレファントスキン状表面き裂深さａＴＣｊを逐
次演算し、現在時点のエレファントスキン状表面き裂深
さａｐに合致する高温再酸化速度ｄａＨＣ／ｄｔを算出
する（Ｓ７）。即ち、 ａＴＣ１＝ａＴＣ０＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎ１＋ｄａＨＣ／ｄｔ， ａＴＣ２＝ａＴＣ１＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎ２＋ｄａＨＣ／ｄｔ，……， ａｐ＝ａｐ−１＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎｐ＋ｄａＨＣ／ｄｔ そして、得られた高温再酸化速度ｄａＨＣ／ｄｔを用い
て算式(1)により今後進展が予想できるエレファントス
キン状表面き裂深さａＴＣを逐次演算する（Ｓ８）。即
ち、次回の定期検査時のエレファントスキン状表面き裂
深さａｐ＋１＝ａ ｐ＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎｐ＋ｄａ
ＨＣ／ｄｔを求め、水壁管の残肉厚（Ｒ−ａｐ＋１）が
限界肉厚より小さいか否かを判断する（Ｓ９）。その判
断結果が否ならば、ボイラの運転を継続し（Ｓ１０）、
その判断結果が然りならば、ボイラの運転を停止して水
壁管を新しいものと取り替える（Ｓ１１）。なお、前述
したように、応力拡大係数範囲ΔＫは表面き裂深さの関
数であり、表面き裂の長さ毎に計算する必要があること
から、定期的（１年毎）に逐次計算する必要がある。
表面き裂深さａＴＣ０を基に、算式(1)を用いて所定期
間毎のエレファントスキン状表面き裂深さａＴＣｊを逐
次演算し、現在時点のエレファントスキン状表面き裂深
さａｐに合致する高温再酸化速度ｄａＨＣ／ｄｔを算出
する（Ｓ７）。即ち、 ａＴＣ１＝ａＴＣ０＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎ１＋ｄａＨＣ／ｄｔ， ａＴＣ２＝ａＴＣ１＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎ２＋ｄａＨＣ／ｄｔ，……， ａｐ＝ａｐ−１＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎｐ＋ｄａＨＣ／ｄｔ そして、得られた高温再酸化速度ｄａＨＣ／ｄｔを用い
て算式(1)により今後進展が予想できるエレファントス
キン状表面き裂深さａＴＣを逐次演算する（Ｓ８）。即
ち、次回の定期検査時のエレファントスキン状表面き裂
深さａｐ＋１＝ａ ｐ＋（ｄａｅｎ／ｄＮ）×Ｎｐ＋ｄａ
ＨＣ／ｄｔを求め、水壁管の残肉厚（Ｒ−ａｐ＋１）が
限界肉厚より小さいか否かを判断する（Ｓ９）。その判
断結果が否ならば、ボイラの運転を継続し（Ｓ１０）、
その判断結果が然りならば、ボイラの運転を停止して水
壁管を新しいものと取り替える（Ｓ１１）。なお、前述
したように、応力拡大係数範囲ΔＫは表面き裂深さの関
数であり、表面き裂の長さ毎に計算する必要があること
から、定期的（１年毎）に逐次計算する必要がある。
【００１８】図５はエレファントスキン状表面き裂進展
解析の予測結果を示すグラフである。 このき裂進展解
析では測定条件は、雰囲気が低硫黄重油燃焼ガス中、運
転停止回数およびその時の応力振幅はそれぞれ長期が４
回、２１６Mpa、中期が１０回、１９４Mpa、短期が１５
回、１９４Mpa、高温酸化速度が０．０２１mm／年、定
期検査周期は１年である。従って、選択線図は線図３と
線図４との中間線図を採用した。エレファントスキン状
表面き裂進展解析の予測結果の上限および下限は高温疲
労き裂進展速度および高温再酸化速度のデータのばらつ
きを考慮した結果導かれたものである。同図に示すよう
に、エレファントスキン状表面き裂進展解析の予測結果
と運転期間１０年、２０年および２５年時点の表面き裂
の実測値はよく一致している。このように、エレファン
トスキン状表面き裂進展解析の予測精度が向上すると、
水壁管の余寿命が尽きるまでの定期検査の回数を削減し
たり、検査周期を長くすることができ、検査費用を大幅
に低減できる。
解析の予測結果を示すグラフである。 このき裂進展解
析では測定条件は、雰囲気が低硫黄重油燃焼ガス中、運
転停止回数およびその時の応力振幅はそれぞれ長期が４
回、２１６Mpa、中期が１０回、１９４Mpa、短期が１５
回、１９４Mpa、高温酸化速度が０．０２１mm／年、定
期検査周期は１年である。従って、選択線図は線図３と
線図４との中間線図を採用した。エレファントスキン状
表面き裂進展解析の予測結果の上限および下限は高温疲
労き裂進展速度および高温再酸化速度のデータのばらつ
きを考慮した結果導かれたものである。同図に示すよう
に、エレファントスキン状表面き裂進展解析の予測結果
と運転期間１０年、２０年および２５年時点の表面き裂
の実測値はよく一致している。このように、エレファン
トスキン状表面き裂進展解析の予測精度が向上すると、
水壁管の余寿命が尽きるまでの定期検査の回数を削減し
たり、検査周期を長くすることができ、検査費用を大幅
に低減できる。
【００１９】例えば、２５年運転時点の表面き裂の実測
値を基に、次回（２６年目）のエレファントスキン状表
面き裂深さａｐ＋１を求めるには、２５年目のき裂深さ
0.7mm＋高温疲労き裂成分（長期0.0024mm＋中期0.0078
＋短期0.0117）＋高温再酸化き裂成分（0.021mm）＝0.7
5mmとなる。これは限界き裂深さ1.0mmより小さいので、
ボイラの運転の継続は可能と判定される。同様の計算を
繰り返して、エレファントスキン状表面き裂深さａｊが
限界き裂深さ1.0mmに達するまでの年数が当該水壁管の
余寿命となる。
値を基に、次回（２６年目）のエレファントスキン状表
面き裂深さａｐ＋１を求めるには、２５年目のき裂深さ
0.7mm＋高温疲労き裂成分（長期0.0024mm＋中期0.0078
＋短期0.0117）＋高温再酸化き裂成分（0.021mm）＝0.7
5mmとなる。これは限界き裂深さ1.0mmより小さいので、
ボイラの運転の継続は可能と判定される。同様の計算を
繰り返して、エレファントスキン状表面き裂深さａｊが
限界き裂深さ1.0mmに達するまでの年数が当該水壁管の
余寿命となる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、疲
労き裂進展速度を決定する際に雰囲気の腐食性を考慮し
た線図を用いると共に、金属部材の表面き裂深さを実測
して、その値から酸化き裂進展速度を逆算し、当該酸化
き裂進展速度と疲労き裂進展速度とに基づいて将来進展
する金属部材の表面き裂深さを予測したので、熱疲労や
酸化、腐食により金属部材の表面に生じる表面き裂の将
来の進展度合いを高精度に予測できるから、金属部材の
破断による雰囲気ガスの噴出による直接的および間接的
に発生する災害の発生を確実に予防できる。
労き裂進展速度を決定する際に雰囲気の腐食性を考慮し
た線図を用いると共に、金属部材の表面き裂深さを実測
して、その値から酸化き裂進展速度を逆算し、当該酸化
き裂進展速度と疲労き裂進展速度とに基づいて将来進展
する金属部材の表面き裂深さを予測したので、熱疲労や
酸化、腐食により金属部材の表面に生じる表面き裂の将
来の進展度合いを高精度に予測できるから、金属部材の
破断による雰囲気ガスの噴出による直接的および間接的
に発生する災害の発生を確実に予防できる。
【図１】本発明の実施例に係るボイラ蒸発水壁管外面の
エレファントスキン状表面き裂の解析診断手法の概略を
示す流れ図
エレファントスキン状表面き裂の解析診断手法の概略を
示す流れ図
【図２】同じく、水壁管外面き裂診断装置の概念図
【図３】エレファントスキン状表面き裂の要因と進展の
関係を示す因果流れ図（ａ）と、エレファントスキン状
表面き裂の生成現象を模式的に示す水壁管表面の断面図
（ｂ）
関係を示す因果流れ図（ａ）と、エレファントスキン状
表面き裂の生成現象を模式的に示す水壁管表面の断面図
（ｂ）
【図４】応力拡大係数範囲ΔＫに対する疲労表面き裂進
展速度を表す疲労表面き裂進展線図
展速度を表す疲労表面き裂進展線図
【図５】エレファントスキン状表面き裂進展解析の予測
結果を示すグラフ
結果を示すグラフ
【図６】従来例に係るエレファントスキン状き裂の発生
部位を示すボイラの内部断面図
部位を示すボイラの内部断面図
【図７】同じく、エレファントスキン状表面き裂の顕微
鏡写真像
鏡写真像
【図８】従来例に係るエレファントスキン状表面き裂の
解析診断手法の概略を示す流れ図
解析診断手法の概略を示す流れ図
【図９】同じく、応力拡大係数範囲ΔＫに対する疲労表
面き裂進展速度を表す疲労表面き裂進展線図
面き裂進展速度を表す疲労表面き裂進展線図
【図１０】従来例において疲労表面き裂進展解析を実施
した結果を示す表面き裂進展特性図
した結果を示す表面き裂進展特性図
１ ボイラ ２ （蒸発）水壁管 ３ エレファントスキン状き裂発生部位 ４ き裂深さ検査センサー ５ 変換器 ６ データ解析処理装置 ７ 記録装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G050 AA01 BA10 BA12 DA03 2G055 AA01 AA12 BA09 BA11 BA12 DA24 EA08 EA10 FA01 FA02 FA04 FA05 FA08 FA09
Claims (2)
- 【請求項１】 常時は高温雰囲気中に曝されると共に、
暫時、低温雰囲気中に曝されることが繰り返される金属
部材の表面に生成した酸化膜のき裂深さを計測し、当該
箇所の温度分布により起動停止時に生じる応力差から応
力振幅を求め、該応力振幅の関数である応力拡大係数範
囲と熱履歴に基づくき裂進展度合いを示す疲労き裂進展
速度との対応関係を表す線図に基づいて当該雰囲気にお
ける前記金属部材の疲労き裂進展速度を決定し、該疲労
き裂進展速度を積分して表面き裂深さを予測する金属部
材の表面き裂深さ解析方法において、前記疲労き裂進展
速度を決定する際に雰囲気の腐食性を考慮した線図を用
いると共に、前記金属部材の表面き裂深さを実測して、
その値から当該雰囲気による表面き裂部位の酸化または
腐食によるき裂促進度合いを表す酸化き裂進展速度を逆
算し、当該酸化き裂進展速度と前記疲労き裂進展速度と
に基づいて将来進展する前記金属部材の表面き裂深さを
予測したことを特徴とする金属部材の表面き裂深さ解析
方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の金属部材の表面き裂深さ
解析方法において、金属部材の表面き裂深さを所定期間
毎の逐次演算により求めたことを特徴とする金属部材の
表面き裂深さ解析方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000351323A JP4464548B2 (ja) | 2000-11-17 | 2000-11-17 | 金属部材の表面き裂深さ解析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000351323A JP4464548B2 (ja) | 2000-11-17 | 2000-11-17 | 金属部材の表面き裂深さ解析方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002156325A true JP2002156325A (ja) | 2002-05-31 |
| JP4464548B2 JP4464548B2 (ja) | 2010-05-19 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000351323A Expired - Fee Related JP4464548B2 (ja) | 2000-11-17 | 2000-11-17 | 金属部材の表面き裂深さ解析方法 |
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|---|---|
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007205692A (ja) * | 2006-02-06 | 2007-08-16 | Babcock Hitachi Kk | ボイラ伝熱管の熱疲労亀裂損傷診断法 |
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| JP2008051659A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 寿命評価方法 |
| WO2009017013A1 (ja) * | 2007-07-27 | 2009-02-05 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | き裂進展予測方法及びプログラム |
| JP2009175110A (ja) * | 2008-01-25 | 2009-08-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 寿命評価手法 |
| JP2010223939A (ja) * | 2009-02-27 | 2010-10-07 | Osaka Gas Co Ltd | 破壊応力範囲の推定方法 |
| CN106546396A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-03-29 | 中国航空综合技术研究所 | 一种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法 |
| CN115598179A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-01-13 | 诸城恒业机械有限公司（Cn） | 一种汽车冲压模具多方位检测装置 |
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| JP2001174380A (ja) * | 1999-12-15 | 2001-06-29 | Toshiba Corp | 構造部材の余寿命予測方法およびこの方法に用いる構造部材の余寿命予測装置 |
-
2000
- 2000-11-17 JP JP2000351323A patent/JP4464548B2/ja not_active Expired - Fee Related
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