JP2002286444A - 高温配管の亀裂検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 火力発電プラント用高温配管の長手溶接部の
健全性を、プラント運転中でも簡便に確認することがで
きるようにする。 【解決手段】 長手溶接部２を有する高温配管１０の長
手溶接部２の亀裂を検出する方法であって、検査すべき
高温配管１０の長手溶接部２近傍および当該個所と同一
円周上の管母材１に管内圧力にともない変化するひずみ
変動量をそれぞれひずみゲージ４，５で測定し、これら
２箇所のひずみ変動量の差を求め、検査すべき高温配管
と同じ形状のサンプル管を複数個用意し、これらサンプ
ル管毎に長手溶接部２近傍に深さの異なる亀裂３を形成
し、検査すべき高温配管１０と同様に長手溶接部２近傍
および当該個所と同一円周上の管母材１における各ひず
み変動量の差を測定し、数値解析により亀裂３の有無と
亀裂３の深さを算出し、高温配管１０におけるひずみ変
動量を数値解析によって求めた亀裂の深さとひずみ変動
量の差との関係と比較することにより高温配管の長手溶
接部の亀裂の有無と深さを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電用プラン
トなどの高温配管における長手溶接部近傍に発生する亀
裂の検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電用プラントの高温配管、特に外
径の比較的大きなものは、板曲げ間を使用することが多
い。板曲げ管とは、管母材となる板を曲げ加工により半
円形とし、これを２つ合わせ、２箇所の合わせた部分を
それぞれ長手方向に溶接することにより接続し、円筒形
状をなす構造としたものである。しかし、このような長
手溶接部を持つ高温配管を長時間高温で使用している場
合、長手溶接部に亀裂が発生することが懸念される。こ
のような高温配管の長手溶接部に発生する亀裂は、クリ
ープによる損傷が主な原因であるが、その発生位置は配
管の肉厚内部から発生することが多い。

【０００３】ここで、図６により高温配管の長手溶接部
に発生する内在亀裂について説明する。図６は高温配管
の長手溶接部に発生する内在亀裂の形状を説明するため
の概略図である。高温配管１０は、２つの半円形状の管
母材１をあわせて円筒形状の配管にしたもので、その長
手方向に延びる合わせ目が溶接され、管状部材を構成す
る。以下この溶接部を長手溶接部と称する。この長手溶
接部２には、図示するように、亀裂３が内在することが
ある。この亀裂３は、長手溶接部２の溶接境界部もしく
管母材１の熱影響部に発生し、高温配管１０の肉厚方向
に進展し、漏洩が発生する場合がある。したがって、長
手溶接部を持つ高温配管の健全性や安全性を評価する上
では、図示したような内在亀裂の有無や、内在亀裂の板
厚方向に対する亀裂の深さＤ、および亀裂の進展速度を
把握することが必要不可欠である。

【０００４】このような高温配管の長手溶接部では肉厚
内部から亀裂が発生・進展するいわゆる内在亀裂が大き
な損傷要因となるが、この内在亀裂は部材の表面に損傷
の兆候が現れないまま発生・進展するため、表面を検査
するのみでは不十分である。このような内在亀裂を発
見、測定する技術は超音波を用いた探傷が有効である。
超音波による探傷は、外表面から超音波エコーを部材内
に発振し、亀裂先端から反射してくる超音波エコーを受
信し、亀裂の有無を確認するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
を用いて内在亀裂を計測するためには、配管を覆ってい
る保温材を除去した後、配管の表面を研磨する必要があ
る。このため、超音波を用いた探傷では、発電プラント
運転中に連続的に測定することは不可能であり、時間と
共に劣化していく様子を捉えることは困難である。この
ように超音波を用いた探傷には、多くの手間がかかると
ともに、プラント運転中は測定することが不可能であっ
た。

【０００６】本発明はこのような背景に鑑みてなされた
もので、その目的は、火力発電プラント用高温配管の長
手溶接部の健全性をプラント運転中でも簡便に確認でき
るようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明方法は、検査すべき高温配管の前記長手溶接
部近傍および当該個所と同一円周上の母材部のひずみ変
動量をそれぞれ第１および第２ひずみゲージで測定し、
これら２箇所のひずみ変動量の差を求め、前記検査すべ
き高温配管と同じ形状の配管に亀裂を形成してモデル管
とし、このモデル管から得られたデータに基づいて前記
検査すべき高温配管の長手溶接部の亀裂の有無と深さを
検出することを特徴とする。

【０００８】この場合、前記モデル管は複数個用意さ
れ、これらモデル管毎に長手溶接部近傍に深さの異なる
亀裂を形成し、前記検査すべき高温配管と同様に前記長
手溶接部近傍および当該個所と同一円周上の母材部にお
ける各ひずみ変動量の差を測定し、数値解析により亀裂
の有無と亀裂の深さを算出し、前記検査すべき高温配管
におけるひずみ変動量を前記数値解析によって求めた亀
裂の深さとひずみ変動量の差との関係と比較することに
より高温配管の長手溶接部の亀裂の有無と深さを測定す
るようにする。なお、前記第２ひずみゲージは前記長手
溶接部に対して円周方向にほぼ９０度ずれた位置に配置
するようにする。また、前記検査すべき高温配管の前記
長手溶接部近傍には軸方向に沿って所定の間隔をおいて
前記第１ひずみゲージを配置し、ひずみ変動量が変化し
た前記第１ひずみゲージの設置場所を特定することによ
り、発生した亀裂発生場所を特定するようにする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について説明する。最初に図１ないし図４によ
り本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本発明
の第１の実施の形態を説明するための図、図２は図１の
配管を４分の１だけ取り出し測定位置の関係を説明する
ための断面図、図３は対象となる高温配管の有限要素法
解析結果を示す表、図４は図２におけるひずみ差と亀裂
の深さとの関係の数値解析結果を表すグラフである。

【００１０】図１に示すように、火力発電用高温配管１
０は、２つの半円形状の管母材１をあわせて円筒形状の
配管にしたもので、その長手方向に延びる２箇所の合わ
せ目は長手溶接部２によって溶接されている。この高温
配管１０に対して長手溶接部２近傍の外表面および長手
溶接部２に対して円周方向にほぼ９０度ずれた位置の外
表面には、高温用ひずみゲージ４，５が取り付けられて
いる。これら高温用ひずみゲージ４，５を取り付けた後
の高温配管１０は、通常時と同様に表面を図示しない保
温材で覆い、発電プラントの起動操作を行う。この際、
内圧が負荷されていない状態と、内圧が負荷されている
状態でこれら２箇所に発生するひずみの変動量を測定す
る。このように、ひずみゲージ４，５を高温用で構成す
ることにより、ひずみゲージ４，５を貼り付けたまま
で、通常と同時に保温材で高温配管１０を覆い、運転す
ることが可能であり、ひずみゲージ４，５が剥がれ落ち
るなどの不具合が起きない限り、プラント運転中に発生
するひずみをモニタすることができる。高温配管１０の
長手溶接部２が健全な場合、高温配管１０にかかる内圧
が変化しても、高温配管１０の断面は円形を保ったまま
その外径が変化するだけである。

【００１１】しかしながら、高温配管１０の長手溶接部
２に亀裂が発生した場合、亀裂が存在する部分の剛性が
低くなるため、内圧を負荷した場合には、亀裂部分周辺
の伸びが大きくなる。このため、内圧負荷時に発生する
亀裂部付近の外表面のひずみは健全な部位に比べて大き
くなるが、発生している亀裂が深ければ深いほど、亀裂
近傍の外表面に発生するひずみは大きくなる。長手溶接
部２に対して円周方向でずれた通常溶接部が存在しない
位置では、亀裂発生の可能性はきわめて低く、健全な部
位と言える。したがって、長手溶接部２に亀裂が発生し
ている高温配管１０において内圧が負荷されると、長手
溶接部２付近の外表面のひずみは健全な部位である円周
方向にずれた位置に発生するひずみと比較して大きなひ
ずみが発生する。この両者のひずみの差は、亀裂が大き
くなるにしたがい大きくなる。

【００１２】対象となる高温配管１０に発生するひずみ
としては、内圧負荷により発生するひずみ、熱膨張によ
り発生するひずみ、クリープにより発生するひずみがあ
る。高温配管１０は通常保温されているため、通常運転
中は場所によって大きく温度差が発生することはない。
このため、長手溶接部２近傍および長手溶接部２に対し
て円周方向にずれた位置の２箇所では熱膨張によるひず
みはほぼ同等とみなすことができ、両者の差を計算する
ことで熱膨張により発生するひずみの影響を取り去るこ
とができる。さらに、内圧変動に要する時間は、例えば
プラントの起動停止や負荷変化であれば数時間から十数
時間であるのに対し、クリープ変形量が測定されるほど
十分大きくなるのは数千時間から数万時間であるので、
内圧が変化する間という短時間でのひずみの変動量であ
るひずみ変動量を用いて評価することで、クリープによ
り発生したひずみは無視することが可能である。

【００１３】一方、長手溶接部２近傍に発生する亀裂の
影響を最も受けないのは、長手溶接部２に対して円周方
向に９０度ずれた位置であるので、比較するひずみとし
ては長手溶接部２近傍でのひずみと長手溶接部２に対し
て９０度ずれた位置でのひずみとを用いることが望まし
いが、円周方向にずれた位置であれば亀裂の有無および
亀裂の深さの推定は可能であるので、特に９０度に限定
されるものではない。このように、長手溶接部２近傍お
よび長手溶接部２に対して円周方向にずれた位置の各外
表面に発生するひずみの変動量を測定し、両者の差を計
算することで、純粋に両部位での内圧の変化に伴い発生
するひずみ変動量の差を比較することが可能となる。

【００１４】そこで、対象となる高温配管１０と全く同
じ外径そして肉厚の数値解析用のモデルを作製し、この
モデルを用いて数値解析を行い、対象とする高温配管の
ひずみが測定される部位である長手溶接部近傍および長
手溶接部に対して円周方向にずれた位置に発生するひず
み変動量の差と亀裂深さの関係を求めておく。

【００１５】対象となる高温配管１０の外径が例えば７
１１．２ｍｍで、肉厚が３２ｍｍとすると、これと全く
同じ外径そして肉厚の数値解析用のモデル配管２０を作
製し、図２に示すように、長手溶接部２１近傍の外表面
の位置Ａと、長手溶接部２１から円周方向に９０度ずれ
た位置Ｂに、図１と同様に高温用ひずみゲージ４，５を
それぞれ貼り付け、ひずみを測定する。有限要素法解析
から、亀裂が発生していない健全な場合は、内圧を負荷
することにより位置Ａおよび位置Ｂに発生するひずみは
それぞれ１．３４×１０^−４および１．３３×１０^−４
と計算された。また、亀裂が１０ｍｍ発生した状態で
は、発生するひずみはそれぞれ１．５１×１０^−４およ
び１．３５×１０^−４となる。したがって、これら２箇
所での発生ひずみの差は、健全な場合０．０１×１０
^−４、亀裂が１０ｍｍ発生している場合０．１６×１０
^−４となり、亀裂の有無でひずみ量の差は歴然である。
これら数値は、図３に表としてまとめて示している。

【００１６】また、モデル配管２０の亀裂の深さを種々
変化させて、位置Ａ−Ｂ間のひずみ差と亀裂の深さとの
関係を有限要素法解析により求める。その結果を図４の
グラフで示す。グラフの縦軸は亀裂の深さを、そして横
軸は位置Ａ−Ｂ間のひずみ差を示している。

【００１７】実機において高温用ひずみゲージ４，５に
よって測定された長手溶接部２近傍および長手溶接部２
から円周方向にずれた位置でのひずみ変動量の差を、上
述した有限要素法解析により得られたひずみ変動量の差
と、亀裂の深さとの関係に照らし合わせてみることによ
り、実機の高温配管１０における長手溶接部２近傍の亀
裂の有無および亀裂の深さを推定することができる。

【００１８】図５に示す本発明の第２の実施の形態にお
いては、高温配管の長手方向のどこの長手溶接部２近傍
に亀裂が発生したかが判明できるようにしている。その
ため、長手溶接部２近傍に位置する高温用ひずみゲージ
４を、２個所ある長手溶接部２の各両側に位置する管母
材１に設けるとともに、この高温用ひずみゲージ４を高
温配管１０の軸方向に１５０ｍｍの間隔をおいて複数個
設けている。長手方向のひずみの測定位置は、長手溶接
部２に沿ってできるだけ短い間隔で測定するほうが検査
場所の漏れがなく望ましいが、過去の事例から亀裂の長
手方向の長さは１５０ｍｍ以上の場合がほとんどである
ので、１５０ｍｍ間隔で測定すれば漏れなく亀裂の検出
が可能となる。

【００１９】なお、これら高温用ひずみゲージ４に対し
て円周方向にほぼ９０度ずれた位置の配置される高温用
ひずみゲージ５は、各管母材１の同一円周方向に位置す
る２つの高温用ひずみゲージ４の中間にそれぞれ設けて
も、または図５に示すように各管母材１の両側に位置す
る複数の高温用ひずみゲージ４に対してそれらの略中央
に１つの高温用ひずみゲージ５を設けるようにしてもよ
い。これらの高温用ひずみゲージ４のうち最も変化量が
大きなひずみ変動が発生した高温用ひずみゲージ４の位
置が亀裂発生位置であり、高温配管１０の軸方向長さ全
体にわたって、亀裂発生位置を正確に知ることができ
る。最もひずみ変動量の大きな高温用ひずみゲージ４の
ひずみの変動量を用いて、長手溶接部２に対して円周方
向に９０度ずれた位置に発生するひずみ変動量との差を
計算することで、亀裂の位置と亀裂深さを評価すること
ができる。

【００２０】上述した各実施の形態では、ひずみの測定
に高温用ひずみゲージを用いているが、常温用ひずみゲ
ージを用いることで、火力発電用ボイラの主蒸気管の対
象となる水圧試験時の発生する長手溶接部のひずみを測
定することができる。各常温用ひずみゲージの配置は上
述した各実施の形態と同じであるので、図示は省略す
る。水圧試験時には、配管温度も常温で変動しないた
め、温度の影響が無視でき、さらに、通常運転時に負荷
される圧力に比べてより高い圧力を負荷するため、発生
するひずみ変動量も増大し、より精度の高い評価が可能
になる。

【００２１】

【発明の効果】これまでの説明から明らかなように、本
発明によれば、ひずみゲージにより検査すべき高温配管
の長手溶接部近傍および当該個所と同一円周上の母材部
のひずみ変動量を測定するので、プラント運転中でも長
手溶接部の同一の場所を長い期間評価することが可能と
なる。

【００２２】また、本発明によれば、モデル管と比較す
ることによりモデル管との対比により亀裂の有無と深さ
を検出できるので、高温配管の予防保全に有効である。

【００２３】また、本発明によれば、第２ひずみゲージ
を長手溶接部に対して円周方向にほぼ９０度ずれた位置
に配置しているので、第２ひずみゲージは長手溶接部近
傍に発生する亀裂の影響を最も受けにくく、純粋に両部
位での内圧の変化に伴って発生するひずみ変動量の差を
比較することができる。

【００２４】さらに、本発明によれば、長手溶接部近傍
には軸方向に沿って所定の間隔をおいてひずみゲージを
配置しているので、高温配管の長手方向のどの部分の長
手溶接部２近傍に亀裂が発生したかを判別することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る高温配管の要
部を示す斜視図である。

【図２】図１の配管を４分の１だけ取り出し測定位置の
関係を説明するための断面図である。

【図３】対象となる高温配管の有限要素法解析結果を表
として示す図である。

【図４】図２におけるひずみ差と亀裂の深さとの関係の
数値解析結果を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る高温配管の要
部を示す斜視図である。

【図６】高温配管の長手溶接部に発生する内在亀裂の形
状を説明するための高温配管の要部を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 管母材 ２ 長手溶接部 ３ 亀裂 ４，５ 高温用ひずみゲージ １０ 高温配管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査すべき高温配管の前記長手溶接部近
   傍および当該個所と同一円周上の母材部のひずみ変動量
   をそれぞれ第１および第２ひずみゲージで測定し、 これら２箇所のひずみ変動量の差を求め、 前記検査すべき高温配管と同じ形状の配管に亀裂を形成
   してモデル管とし、このモデル管から得られたデータに
   基づいて前記検査すべき高温配管の長手溶接部の亀裂の
   有無と深さを検出することを特徴とする高温配管の亀裂
   検出方法。
2. 【請求項２】 前記モデル管は複数個用意され、これら
   モデル管毎に長手溶接部近傍に深さの異なる亀裂を形成
   し、前記検査すべき高温配管と同様に前記長手溶接部近
   傍および当該個所と同一円周上の母材部における各ひず
   み変動量の差を測定し、数値解析により亀裂の有無と亀
   裂の深さを算出し、 前記検査すべき高温配管におけるひずみ変動量を前記数
   値解析によって求めた亀裂の深さとひずみ変動量の差と
   の関係と比較することにより高温配管の長手溶接部の亀
   裂の有無と深さを測定することを特徴とする請求項１記
   載の高温配管の亀裂検出方法。
3. 【請求項３】 前記第２ひずみゲージは前記長手溶接部
   に対して円周方向にほぼ９０度ずれた位置に配置されて
   いることを特徴とする請求項１記載の高温配管の亀裂検
   出方法。
4. 【請求項４】 前記検査すべき高温配管の前記長手溶接
   部近傍には軸方向に沿って所定の間隔をおいて前記第１
   ひずみゲージを配置し、ひずみ変動量が変化した前記第
   １ひずみゲージの設置場所を特定することによって発生
   した亀裂発生場所を特定することを特徴とする請求項１
   に記載の高温配管の亀裂検出方法。