JP2004170161A - 高温内圧曲げクリープ試験方法および試験装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円筒状圧力容器からなる試験体の円筒軸を水平に配置した状態でその両端部を支持し、該試験体を外周から加熱して所定温度に保持し、該試験体の内部に水を注入して蒸気を発生させ蒸気圧を掛けて所定圧力に保持し、該試験体の円筒軸方向中央部に上方から下方へ荷重を掛けて保持した状態を長時間継続することを特徴とする。
【選択図】 図7
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温および高圧の状態で使用される圧力容器について、その信頼性評価を行うための実機寸法の試験体による高温内圧曲げクリープ試験方法および試験装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高温および高圧状態で使用される圧力容器、例えばボイラを構成する圧力容器に関し、従来より実施されているクリープ破壊強度の信頼性評価試験として高温クリープ内圧バースト試験がある(例えば、特許文献1参照。)。この試験は、ほぼ実機寸法の圧力容器を試験体とし、内圧を掛けた高温状態でクリープ試験を行うものである。すなわち、ほぼ実機寸法の円筒状圧力容器の試験体において内圧を掛け、外周に加熱装置を設けて加熱し、所定の温度および圧力の試験条件状態で長期間保持して行われる。そして、試験期間中に定期的に染色浸透探傷試験、磁粉探傷試験、超音波探傷試験、表面レプリカ採取等の非破壊試験を実施するものである。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−108589号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高温および高圧状態で使用される圧力容器の信頼性評価を行う試験は以上のように構成されていたため、つぎのような課題が存在していた。すなわち、大型のボイラを構成する各種圧力容器には、高温および高圧状態の実動中に各種の外力が掛り、外力による応力が発生している。実機には製作上の溶接継手部があり、この溶接部に外力による応力が加わった場合のクリープ破壊の機構は未だ解明されていない。従って、このような圧力容器の信頼性評価を行うには、温度および圧力の2種類の条件では不充分であり、外力による応力条件を加えた信頼性評価を行う必要がある。
【0005】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、圧力容器の信頼性評価を行う試験において、従来の温度および圧力に加えて曲げ応力の条件を付加できる高温内圧曲げクリープ試験方法および試験装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明による高温内圧曲げクリープ試験方法は、円筒状圧力容器である試験体の円筒軸を水平に配置した状態でその両端部を支持し、試験体を外周から加熱して所定温度に保持し、試験体の内部に水を注入し蒸気を発生させ、所定圧力に保持し、試験体の円筒軸方向中央部に上方から下方へ荷重を掛けて保持した状態を長時間継続することを特徴とする試験方法である。
【0007】
詳細には、試験体に掛けられた荷重による曲げ変位量を一定に保持することを特徴とする試験方法である。
【0008】
本発明による高温内圧曲げクリープ試験装置は、円筒状圧力容器である試験体の円筒軸方向両端部を支持する2箇の支持台および試験体の円筒軸中央部上方に装置固定梁を有する試験装置架台、試験体の外周を被って設けられる加熱装置、試験体に連結される給水装置、ドレン装置および圧力検出装置、および装置固定梁に固定され下方へ作用する荷重装置、により構成されることを特徴とする試験装置である。
【0009】
詳細には、試験装置架台とは、別個の変位計取付架台に、固定支持して変位計が設けられ、変位計が試験体の円筒軸直角断面における頂部外周の変位を計測可能に配置され、変位計が制御装置に連結されていることを特徴とする試験装置である。
【0010】
詳細には、試験装置架台の支持台が、支持台に載置された試験体を保持し、試験体の円筒軸直角断面における外周真横の位置に設けられたストッパが当接可能な円筒軸方向に、サポートに支持されたUボルトを設け、2箇の支持台に設けられたUボルト間の円筒軸方向内側距離が試験体の円筒軸方向両端付近に設けられたストッパの円筒軸方向外側距離よりも大きく、かつ、両距離の差が加熱状態におけるストッパの移動距離に許容値を加えて決定されて構成されていることを特徴とする試験装置である。
【0011】
詳細には、荷重装置に冷却装置が連結されていることを特徴とする試験装置である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による高温内圧曲げクリープ試験方法および試験装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。図1は本発明による高温内圧曲げクリープ試験装置本体および試験装置に設置された試験体を示す部分断面正面図、図2は図1における矢視II側面図、図3は試験体を示す部分断面正面図、図4は試験体の端部の設置状態を示す部分正面図、図5は図4の矢視V側面図、図6は荷重装置の先端部の設置状態を示す側面図、図7は高温内圧曲げクリープ試験装置を示す系統図、図8は高温内圧曲げクリープ試験装置の荷重付加制御方法を示すフロー図、図9は変位量制御がなされない場合の荷重装置による荷重および変位の計時変化を示すグラフ、図10は変位量制御がなされた場合の荷重装置による荷重および変位の計時変化を示すグラフである。
【0013】
図1および図2において、符号8で示すものは試験装置架台であり、該試験装置架台8は略矩形平面状のベッド8a、該ベッド8aの中間部において前辺部および後辺部にそれぞれ間隔を空けて屹立する4本の支柱8d、該支柱8d上端部に支持固定される装置固定梁8bおよび前記ベッド8aの両側端部にそれぞれ設置された支持台8cにより構成される鋼製構造物である。
【0014】
前記試験装置架台8には、ベッド8aの左右中心線上の2箇の前記支持台8cの上部平板上に端部を載置して試験体1が配置されている。なお、図5に示すように、前記上部平板は前記試験体1の円筒形状の外周方向に沿うように円弧状に曲げられている。前記試験体1は、各前記支持台8cにおいて、前記試験体1の外周径よりも僅かに大きいUボルト・ナット8eにより、僅かな隙間を設けて前記支持台8cに保持されている。前記Uボルト・ナット8eは、前記試験体1の円筒軸X−X方向における外側から、試験体1の円筒軸直角断面両側の真横に対応する箇所をサポート6bにより支持されている。前記試験体1には、前記円筒軸X−X方向における前記Uボルト・ナット8eの内側において、円筒軸直角断面両側の真横でUボルト・ナット8eと間隔αの位置にストッパー6aが設けられ、前記サポート6bとともにストッパー装置6を構成している。すなわち、前記Uボルト・ナット8eのサポート6bによる支持部と前記ストッパー6aとが隙間αで対向している。隙間αは、もう一方の同様の隙間βとを加算した隙間α+βが、前記試験体1の試験時の温度における熱膨張による伸びの値に所定の許容値を加算した値に設定される。なお、前記試験体1は、両側の隙間の値αとβとを出来るだけ等しくなるように、前記円筒軸X−X方向における位置を調整しながら、前記支持台8c上に載置する。
【0015】
前記試験体1は、図3に示すように、鋼管1aの両端に鏡板1bを溶接して内分に砂利1cを充填し、試験用として適宜の溶接継手部を設けた円筒状の圧力容器に形成されている。該試験体1の一方の端面には、後述する給水装置4の給水配管4cが連結されている。他方の端面には、後述する圧力検出装置9の圧力検出配管9bおよびドレン装置10のドレン配管10aが連結されている。また、該試験体1は、前記支持台8cに載置された状態で、外周を加熱装置2により被われている。
【0016】
前記試験体1の上方に位置する前記装置固定梁8bには、下面部に荷重装置3が組付けられている。該荷重装置3はスクリュージャッキ3a、ロードセル3bおよび演算器3cにより構成され、スクリュージャッキ3aが下方へ荷重を掛けるように前記ロードセル3bを介して前記装置固定梁8bに組付けられている。前記スクリュージャッキ3aの下方の先端部には、図6に示すように、冷却装置5が連結されている。該冷却装置5は冷却装置本体5a、耐荷重断熱材5b、取付金具5cおよびスペーサ5dにより構成されている。すなわち、前記スクリュージャッキ3aの先端部の周囲を取囲んで前記冷却装置本体5aが配置され、前記取付金具5cによりスクリュージャッキ3aに組付け固定され、スクリュージャッキ3aの先端に前記耐荷重断熱材5bおよび前記スペーサ5dを順次組付けられている。最先端の該スペーサ5dの先端面は、前記試験体1の外周面に沿うように、円弧状の面に形成されている。前記冷却装置本体5aには、空気供給口5eおよび空気排出口5fが設けられ、該空気供給口5eには後述するブロワ11が給気配管11aを介して連結され、該空気排出口5fは排気配管5gに連結され、該排気配管5gの他端は大気に開放されている。
【0017】
また、変位計取付架台7gには、制御装置7を構成する変位計7aが組付けて固定支持され、検出棒の先端が前記冷却装置5のスペーサ5dに近接して、すなわち荷重装置3により荷重を掛けられる近傍の前記試験体1の外周上部に接触するように配置されている。
【0018】
図7において、前記試験体1の一方(図7において左側)の端面には、前記給水装置4の給水ポンプ4aおよび給水タンク4bが前記給水配管4cを介して連結され、他方(図7において右側)の端面には、前記圧力検出装置9の圧力検出器9aおよび圧力検出装置ブロー弁9cが前記圧力検出配管9bを介して、前記ドレン装置10のドレン止弁10bが前記ドレン配管10aを介してそれぞれ連結されている。前記冷却装置5の冷却装置本体5aには、前記ブロワ11が空気配管11aを介して前記空気供給口5eへ連結されている。前記変位計7aは、前記制御装置7を介して前記荷重装置3のスクリュージャッキ3aへ連結され、制御装置7は変位検出回路7b、ローパスフィルタ7c、AD変換器7d、演算装置7eおよび荷重制御回路7fを直列に連結して構成されている。また、前記演算装置7eでは、図8に示す演算が行われるように構成されている。
【0019】
以上のように構成された高温内圧曲げクリープ試験装置は以下のように作用する。先ず、試験体1は、水を注入する前に、加熱装置2を作動させ、試験体1を所定温度まで加熱昇温させる。この動作により、試験体1が昇温される。 次に、ドレン止弁10bと圧力検出装置ブロー弁9cを閉止し給水ポンプ出口弁4dを開いた状態で給水ポンプ4aを運転し、給水タンク4bから試験体1へ水を供給し、所定の圧力になるまで行い、給水ポンプ4aを停止し、給水ポンプ出口弁4dを閉止する。この動作により、試験体1は、内部に予め充填されている砂利1cの空間を埋めて蒸気が充満され、密閉される。
【0020】
試験体1の昇圧時には、常時圧力検出器9aにより試験体1内部の圧力を監視し、必要に応じて圧力検出装置ブロー弁9cを開閉し、所定の圧力に昇圧する。尚、この昇圧動作において、試験体1内に供給された水は直ちに蒸気となり、砂利1cが充填されていることにより試験体1内は砂利1cと蒸気とが混合した状態であり、砂利1cはすでに加温されていることにより試験体1内を蒸気のみで充満した場合よりも容易に昇圧することが出来る。
そして、試験体1が所定温度に昇温され、内部の圧力が所定圧力に昇圧された後、加熱装置2を制御操作することにより、試験体1の所定の高温高圧状態を維持する。
【0021】
加熱された試験体1は熱膨張し、円筒軸X−X方向に伸びる。試験体1は、その外周径よりも僅かに大きいUボルト・ナット8eにより僅かな隙間を設けて支持台8cに保持されていることにより、支持台8cの上部平板上を滑って容易に抵抗なく伸びる。また、試験体1は、その両端部に設けられたストッパー6aおよびサポート6bにより円筒軸X−X方向の移動を制限され、荷重装置3が作用する位置が定位置に定まる。
【0022】
次に、荷重装置3を作動し、スクリュージャッキ3aを押出して試験体1の円筒軸直角断面の上部頂点および円筒軸X−X方向の定位置に上方から下方向へ所定荷重を掛ける。この動作により、試験体1が下方へ曲げ変形する。この際、試験体1は下方向へ湾曲するように変形するが、試験体1の円筒軸X−X方向の位置を決めるストッパー6aが試験体1の円筒軸直角断面において真横の位置すなわち曲げに対する中立の位置に設けられていることにより、ストッパー6aが試験体1の変形に際し接触荷重等の影響を与えることはない。荷重装置3の荷重の大きさはロードセル3bにより計測され、演算器3cを介して制御装置7へ入力される。荷重装置3が所定荷重を掛けた時点で荷重装置3の作動を停止する。試験体1の曲げ変位量は変位計7aにより計測され、制御装置7に入力される。
【0023】
荷重装置3の作動と同時にブロワ11を運転し、試験期間中停止すること無く連続運転する。この運転により、スクリュージャッキ3aの先端部が冷却装置本体5aにより常時冷却される。すなわち、ブロワ11により加圧された冷却用空気は給気配管11aを経て空気供給口5eから冷却装置本体5a内に供給され、冷却装置本体5a内を循環してスクリュージャッキ3aを冷却し、空気排出口5fから排出され排気配管5gを経て大気へ排気される。また、スクリュージャッキ3aの先端が耐荷重断熱材5bおよびスペーサ5dを介して試験体1に荷重を掛けていることにより、高温の試験体1からの熱伝導が絶縁され、荷重装置3は試験体1の高温の影響を受けることなく正常に作動する。
【0024】
鋼材料より構成される試験体1は、高温で荷重を掛けた状態を長時間維持すると材料がクリープ現象を起す。その結果、材料の強度が低下することにより、荷重が減少する。他方、同様に鋼材料により構成される試験装置架台8は、荷重装置3の反力により撓み、試験体1の材料の強度が低下すると、荷重装置3の撓みが回復し、試験体1の変形量がどんどん大きくなり、正常なクリープ試験が行われなくなる。そこで本試験では、曲げ変位量を一定に保持しながら荷重の変化を計測し、クリープ現象における材料強度の低下を観察しようとするものである。すなわち、図8に示すように、制御装置7の演算装置7eにおいて、荷重目標値Woを設定し、荷重装置3を作動して試験体1に徐々に荷重を掛け、荷重がWoに達した時点で荷重装置3を停止する。荷重がWoのときの曲げ変位量すなわち変位制御目標値をLoとする。その後、所定の高温高圧状態および荷重を掛けた状態を維持する試験期間中に、所定時間毎に変位信号瞬時値Lnを計測し、(Ln−Lo)>0.01mmとなった場合、(Ln−Lo)<0.005mmになるまで荷重装置3を作動し、スクリュージャッキ3aを上方へ引戻す。
【0025】
試験終了後あるいは試験の途中で必要に応じて、ドレン装置10においてドレン止弁10bを開き、試験体1内の水をドレン配管10aを経て排出する。
【0026】
【実施例】
以下の試験体、機器および試験要領により、高温内圧曲げクリープ試験を実施した。
試験体1の主要仕様
材質:鋼管STPA24−S Sch120、鏡板SFVAF22A
形状:500Ax4m
【0027】
加熱装置2の主要仕様
形式 :横管状形34分割式抵抗加熱方式
メーカ :亀井製作所
炉内寸法 :φ700xL4,400
炉寸法 :φ1,000xL4,600
最高使用温度:700℃
発熱体 :N−80発熱体
制御ゾーン :15ゾーン
電気容量 :200V 3P 56kW(4kWx13ゾーン、2kWx2ゾーン)
【0028】
スクリュージャッキ3aの主要仕様
形式 :スクリュージャッキ J7A
メーカ :日本ギア
最大作動荷重:1,000kN
ストローク :400mm
出力 :0.4kW
【0029】
給水ポンプ4aの主要仕様
形式 :金属ダイヤフラムポンプ M411.2−20MM/300
メーカ :タクミナ
吐出量 :40〜400mL/min(6〜60Hz)
最高吐出圧力:29MPa
出力 :1.5kW
【0030】
耐荷重断熱材5bの主要仕様
材質 :チタン酸アルミニウム
メーカ :旭ガラス
圧縮強度:18kg/mm(常温)
35kg/mm(1,000℃)
熱伝導率:1.0kcal/mh℃(常温)
1.3kcal/mh℃(800℃)
【0031】
ブロワ11の主要仕様
形式 :ボルテックスブロワ VB−003E
メーカ :日立製作所
定挌風量 :0.8m3/min
吐出し静圧:8.5kPa
出力 :0.26kW
【0032】
試験要領
(1)試験体1を630℃まで加熱し、保持する。
(2)試験体1内部を6.37MPaに加圧し、保持する。
(3)試験体1に500kNの初期荷重を掛け、曲げを付加する。
(4)荷重は1週間毎に掛け替えを行い、繰り返し荷重を掛ける。
(5)試験体1が破壊に到るまで(予定10,000時間)の間で、適宜(3〜5回)試験装置の中途止めを行い、以下の項目について試験体1の検査を実施する。
a.表面非破壊検査(染色浸透探傷試験、磁粉探傷試験)
b.断面非破壊検査(超音波探傷試験)
c.表面金属組織観察(表面レプリカ採取)
【0033】
以上の試験体、機器および試験要領により試験した場合の試験開始から5000秒経過までの結果を、図9の変形量制御がなされない場合の荷重装置による荷重および変位の計時変化を示すグラフ、および図10の変形量制御がなされた場合の荷重装置による荷重および変位の計時変化を示すグラフに示す。
【0034】
【発明の効果】
本発明による高温内圧曲げクリープ試験方法および試験装置は以上のように構成されていることにより、以下のような効果を得ることができる。
(1)円筒状圧力容器である試験体の円筒軸を水平に配置した状態でその両端部を支持し、試験体を外周から加熱して所定温度に保持し、試験体の内部に水を注入して蒸気を発生させ所定圧力に保持し、試験体の円筒軸方向中央部に上方から下方へ荷重を掛けて保持した状態を長時間継続することにより、曲げ応力の条件を付加できる高温内圧曲げクリープ試験を行うことが可能になった。
【0035】
(2)試験体に掛けられた荷重による曲げ変位量を一定に保持することにより、正常なクリープ試験が可能になった。
(3)試験装置架台に固定支持して変位計が設けられ、変位計が試験体の円筒軸直角断面における頂部外周の変位を計測可能に配置され、変位計が制御装置に連結されていることにより、曲げ変位量を一定に保持する試験が容易に実現可能になった。
【0036】
(4)試験装置架台の支持台が、支持台に載置された試験体を保持し、かつ、試験体の円筒軸直角断面における外周真横の位置に設けられたストッパが当接可能な円筒軸方向に、サポートに支持されたUボルトを設け、2箇の支持台に設けられたサポート間のUボルトの円筒軸方向内側距離が試験体の円筒軸方向両端付近に設けられたストッパの円筒軸方向外側距離よりも大きく、かつ、両距離の差が加熱状態における前記ストッパの移動距離に許容値を加えて決定されて構成されていることにより、外乱の無い試験結果を得ることが可能になった。
【0037】
(5)荷重装置に冷却装置が連結されていることにより、荷重装置が試験体の高温の影響を受けることなく、正確な試験を実施することが可能になった。
(6)本発明による試験方法および試験装置により、図10に示すように、変位量を一定にした場合の荷重の変化を計測することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による高温内圧曲げクリープ試験装置本体および試験装置に設置された試験体を示す部分断面正面図である。
【図2】図1における矢視II側面図である。
【図3】試験体を示す部分断面正面図である。
【図4】試験体の端部の設置状態を示す部分正面図である。
【図5】図4の矢視V側面図である。
【図6】荷重装置の先端部の設置状態を示す側面図である。
【図7】高温内圧曲げクリープ試験装置を示す系統図である。
【図8】高温内圧曲げクリープ試験装置の荷重付加制御方法を示すフロー図である。
【図9】変形量制御がなされない場合の荷重装置による荷重および変位の計時変化を示すグラフである。
【図10】変形量制御がなされた場合の荷重装置による荷重および変位の計時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 試験体
1a 鋼管
1b 鏡板
1c 砂利
2 加熱装置
3 荷重装置
3a スクリュージャッキ
3b ロードセル
3c 演算器
4 給水装置
4a 給水ポンプ
4b 給水タンク
4c 給水配管
4d 給水ポンプ出口弁
5 冷却装置
5a 冷却装置本体
5b 耐荷重断熱材
5c 取付金具
5d スペーサ
5e 空気供給口
5f 空気排出口
5g 排気配管
6 ストッパー装置
6a ストッパー
6b サポート
7 制御装置
7a 変位計
7b 変位検出回路
7c ローパスフィルタ
7d AD変換器
7e 演算装置
7f 荷重制御回路
7g 変位計取付架台
8 試験装置架台
8a ベッド
8b 装置固定梁
8c 支持台
8d 支柱
8e Uボルト・ナット
9 圧力検出装置
9a 圧力検出器
9b 圧力検出配管
9c 圧力検出装置ブロー弁
10 ドレン装置
10a ドレン配管
10b ドレン止弁
11 ブロワ
11a 給気配管
Claims (6)
- 円筒状圧力容器である試験体の円筒軸を水平に配置した状態でその両端部を支持し、該試験体を外周から加熱し、その後、該試験体の内部に水を注入して蒸気を発生させ、該蒸気圧で所定圧力に保持し、該試験体の円筒軸方向中央部に上方から下方へ荷重を掛けて保持した状態を長時間継続することを特徴とする高温内圧曲げクリープ試験方法。
- 前記試験体に掛けられた荷重による曲げ変位量を一定に保持することを特徴とする請求項1に記載の高温内圧曲げクリープ試験方法。
- 円筒状圧力容器である試験体の円筒軸方向両端部を支持する2箇の支持台および前記試験体の円筒軸中央部上方に装置固定梁を有する試験装置架台、前記試験体の外周を被って設けられる加熱装置、前記試験体に連結される給水装置、ドレン装置および圧力検出装置、および前記装置固定梁に固定され下方へ作用する荷重装置、により構成されることを特徴とする高温内圧曲げクリープ試験装置。
- 変位計取付架台に固定支持して変位計が設けられ、該変位計が前記試験体の円筒軸直角断面における頂部外周の変位を計測可能に配置され、該変位計が制御装置に連結されていることを特徴とする請求項3に記載の高温内圧曲げクリープ試験装置。
- 前記試験装置架台の前記支持台が、該支持台に載置された前記試験体を保持し、かつ、前記試験体の円筒軸直角断面における外周真横の位置に設けられたストッパが当接可能な前記円筒軸方向に、サポートに支持されたUボルトを設け、2箇の前記支持台に設けられた前記Uボルト間の前記円筒軸方向内側距離が前記試験体の前記円筒軸方向両端付近に設けられた前記ストッパの前記円筒軸方向外側距離よりも大きく、かつ、両距離の差が加熱状態における前記ストッパの移動距離に許容値を加えて決定されて構成されていることを特徴とする請求項3および請求項4に記載の高温内圧曲げクリープ試験装置。
- 前記荷重装置に冷却装置が連結されていることを特徴とする請求項3ないし請求項5に記載の高温内圧曲げクリープ試験装置。
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