JP2006284199A - 残留応力測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造物内部の必要な箇所の残留応力分布を簡便な方法により求める。
【解決手段】 本発明に係る残留応力測定装置１は、被測定物２の残留応力測定対象部に貼り付けられたひずみ測定センサ３とリード線３ａを介して接続してひずみを測定するひずみ測定器４と、被測定物２を切断して切り欠き加工する加工機５と、ひずみ測定器４より残留応力に係る測定値を入力し、さらに切り欠き加工機５で切り欠き加工された被測定物２に係る加工情報を入力して被測定物２の残留応力分布を求める残留応力演算部７と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機器や構造物に残存する応力を測定する残留応力測定装置及びその測定方法に関する。

一般に、溶接又は機械的な結合により構成される機器や構造物、また機器や構造物が変動荷重を受けたり腐食環境の中で使用されたりする場合に、構造材である金属材料中に応力が残存する場合がある。この残存応力は、疲労寿命やＳＣＣ（応力腐食割れ）等に影響を及ぼすことが知られている。この残存応力を測定することは、この構造材が使用されているプラントにおける寿命を予測する上で非常に重要な要因となっている。

この残留応力の測定方法の一例として、ひずみゲージを用いた切断解放法やＸ線回折法等がある。これらの測定方法は、構造物の表面の残留応力を求めるものであり、構造物の内部の残留応力を測定することができない。残留応力の測定方法の他の例として、構造物の内部の残留応力を求めるものがある。この測定方法としては、測定と解析による方法（例えば、特許文献１、２参照）が知られている。また、中性子回折法による方法（例えば、特許文献３参照）が知られている。
特開２００３−４２８５９号公報 特許第３２４１６５８号公報 特開２００１−３３６９９３号公報

しかしながら、上述した従来の測定と解析による構造物の内部の残留応力を求める応力測定では、構造物全体を一括して解析を行うため、計算が複雑で、計算時間が長くかかることに課題があった。

また、中性子回折による構造物の内部の残留応力測定では、直接に構造物の内部の応力測定が可能であるものの、中性子線源に係る放射線管理が必要となり、また専用の装置が必要である、という課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、構造物内部の必要な箇所の残留応力分布を簡便な方法により求めることのできる残留応力測定装置及びその測定方法を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の残留応力測定装置においては、被測定物の残留応力測定対象部に貼り付けられたひずみ測定センサとこのひずみ測定センサに接続されたリード線を介してひずみを測定するひずみ測定器と、前記被測定物を切断して切り欠き加工する加工機と、前記ひずみ測定器より前記の残留応力に係る測定値を入力し、さらに前記加工機で切り欠き加工された被測定物に係る加工情報を入力して前記被測定物の残留応力分布を求める残留応力演算部と、を有することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明の残留応力測定方法においては、被測定物の残留応力測定対象のひずみを測定するひずみ測定ステップと、前記被測定物の残留応力測定部を含む部分を切断し、さらに残留応力測定部近辺に切り欠きを加工する切り欠き加工ステップと、前記ひずみ測定ステップで測定された残留応力に係る測定値を入力し、さらに前記切り欠き加工ステップで切り欠き加工された加工情報を入力して前記被測定物の残留応力分布を求める残留応力演算ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の残留応力測定装置及びその測定方法によれば、ひずみ測定器より残留応力に係る測定値及び切り欠き加工された被測定物に係る加工情報を入力して演算することにより、構造物内部の必要な箇所の残留応力分布を簡便な方法で求めることができる。

以下、本発明に係る残留応力測定装置及びその測定方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態の残留応力測定装置の構成を示すブロック図である。

本図に示すように、残留応力測定装置１は、ひずみの測定を行うひずみ測定用センサ３及びひずみ測定器４より構成される。

ひずみ測定用センサ３は、残留応力測定の対象である構造物の一部である被測定物２に貼り付けられる。構造物として、配管や円筒容器等の円筒状の構造物がある。ここでは、図２に示す配管２ａについて例示する。ひずみ測定用センサ３は、被測定物２に貼り付けられるひずみゲージや光ファイバ等から構成される。

ひずみ測定用センサ３は、配管２ａの内表面及び外表面のうち少なくとも１表面に貼り付けられる。必要に応じて、配管２ａの内表面、外表面又は内外表面にひずみゲージは貼り付けられる。

また、ひずみ測定用センサ３は、配管２ａの周方向及び軸方向の少なくとも１方向のひずみを測定すべく貼り付けられる。必要に応じて、配管２ａの周方向、軸方向又は両方向にひずみゲージが貼り付けられる。

このひずみ測定用センサ３は、リード線３ａを介してひずみ測定器４に接続される。

被測定物２の残留応力は、ひずみ測定用センサ３を介してひずみ測定器４で調整しながら測定される。このひずみ測定器４で測定した残留応力に係るひずみ測定値、ひずみ測定位置等の測定値は、残留応力演算部６に入力される。

一方、被測定物２の残留応力の発生している箇所は、加工機である切り欠き加工機５により図２に示す切断線９、９に沿って短冊１０として切断される。この短冊１０に係る加工位置及び加工寸法に係る加工情報は、ひずみ測定器４を介して上述の残留応力演算部６に入力される。

残留応力演算部６において、ひずみ測定値、ひずみ測定位置等の残留応力に係る測定値が入力される。また、短冊１０に係る加工位置及び加工寸法に係る加工情報が、切り欠き加工機５からの位置情報によってひずみ測定器４を介して残留応力演算部６に入力される。この入力された残留応力に係る測定値及び短冊１０に係る加工情報から後述するき裂コンプライアンス法に基づいて構造物の内部の残留応力が演算される。この残留応力の演算が繰り返されて残留応力分布が求められる。この残留応力分布に係る情報は、残留応力出力部７に入力される。

この残留応力出力部７に入力された残留応力分布に係る情報は、必要に応じて画像表示される。

このように構成された本実施の形態において、これらの入力された残留応力に係る測定値及び短冊１０に係る加工情報を基づいて、構造材の内部の残留応力分布を簡便な方法で求めることができる。

ここで、上述したひずみ測定資料について以下図２から図５を参照して詳細に説明する。

図２は、図１の被測定物を切断して製作する短冊１０を示す斜視図であり、図３は図２の短冊の詳細を示す斜視図であり、図４は図３の短冊１０の応力測定結果１３を示すグラフであり、図５は図３の短冊１０の切り欠きに関連するひずみ測定結果１２を示すグラフである。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図２に示すように、本実施の形態では、被測定物２である配管や円筒容器等の円筒状構造物の内、配管２ａを軸方向に切断して短冊１０を製作する場合について説明する。

配管２ａの溶接部８と母材の境から５ｍｍの位置にある配管２ａ内部の残留応力分布を求める。

残留応力分布を求めるために、溶接金属８と母材の境から５ｍｍの位置の配管２ａの内表面及び外表面のうち少なくとも１表面にひずみ測定用センサ３としてひずみゲージを貼り付ける。必要に応じて、配管２ａの内表面、外表面又は内外表面にひずみゲージを貼り付ける。このひずみ測定用センサ３により、配管２ａの残留ひずみの初期値を測定する。

次に、初期の残留ひずみを測定した後に、配管２ａを切断線９、９に沿って切断して、短冊１０を製作する。

図３は、このようにして製作された短冊１０である。この短冊１０の外表面１０ａにひずみ測定用センサ３を貼り付け再度短冊１０の外表面１０ａのひずみの値を測定する。

図４に示すように、この再度測定したひずみの値から、点線で示す配管２ａを切断して製作した短冊１０の解放応力１５を求める。

この短冊１０を製作した後に、残留応力分布を求めたい溶接金属８と母材の境から５ｍｍの位置に、切り欠き加工機５によりステップ状に加工しながら切り欠き１１を形成する。

この切り欠き１１は、被測定物である短冊１０の内表面及び外表面のうち少なくとも１表面に形成される。また、測定の必要に応じて、短冊１０の内表面、外表面又は内外表面に切り欠きを形成することも可能である。

この切り欠き加工機５で、被測定物である短冊１０にステップ状に切り欠きを形成するときの最終の切り欠きの深さは、被測定物の板厚の９０％以下とする。最終の切り欠きの深さが被測定物の板厚の９０％を超えると、被測定物に変形が生じ実用的に精度の良い残留応力を求め得なくなるからである。

図５は、ひずみ測定結果１２を示すグラフである。本図に示すように、この切り欠き１１の深さがステップ状に深くなる毎に、ひずみ測定用センサ３でひずみの値を測定する。この切り欠き１１の深さ（スリット加工量ａ／ｔ なお、ａ：切り欠き深さ、ｔ：板厚）とひずみの値１２との関連をグラフに示す。

次に、構造材の内部の残留応力分布を求めるために、き裂コンプライアンス法について説明する。

図１に示す残留応力演算部６に入力されたひずみ測定位置、ひずみ測定値、切り欠きの加工位置及び切り欠きの加工寸法に基づいて、構造材の内部の残留応力分布は、き裂コンプライアンス法に基づいて次のように求められる。

応力分布はルジャンドル（Ｌｅｇｅｎｄｒｅ）の陪多項式Ｐｉ（ｚ／ｔ）を用いて次の（１）式より求める。

ここに、ｚ／ｔ（ｔは板厚）は任意の位置の板厚方向位置、
ｎは次数５、
Ａｉは定数である。

応力σが作用する板厚ｔの短冊１０に深さａのき裂があるとき、応力拡大係数Ｋ_Ｉとき裂によるひずみエネルギの変化Ｕは、次の（２）式より求められる。

ここに、ｆ（ａ／ｔ）は関数、
Ｅ'は平面ひずみ状態のときには、次の（３）式より求められる。

ここに、Ｅはヤング率、
νはポアソン比である。

変位Ｖはカスティリアノ（Ｃａｓｔｉｇｌｉａｎｏ）の定理を用いて、次の（４）式より求められる。

ここに、Ｐは荷重である。

次に、ひずみεは、上述の（４）式より求めた変位Ｖを用いて、次の（５）式より求められる。切り欠き １１を加工することにより生じるひずみ値εは、切り欠き１１をき裂とみなして、次の（５）式より求められる。

ここに、ｇ（ａ／ｔ）は関数である。

切り欠きの深さａと板厚ｔの比がａ／ｔのとき、ε（ａ／ｔ）を（５）式に代入し、Ｐｉ（ａ／ｔ）とｇ（ａ／ｔ）はａ／ｔにより値が決定されるために、未知の定数であるＡｉ（このとき、ｉ＝０〜５）は、最小二乗近似から求められる。

本実施の形態によれば、上述のように求めたＡｉを（１）式に代入して、構造材の板厚方向（内部）の応力分布σ（ｚ／ｔ）を、図４に示すように短冊１０の応力１４として求めることができる。また、この短冊の応力１４に、短冊１０の切断のときの解放応力１５を加算して、短冊の応力（補正後）１６を求めることができる。

このように構成された本実施の形態において、この短冊の応力（補正後）１６を繰り返して求めることにより、構造材の内部の残留応力分布が求められる。このように、これらの入力された残留応力に係る測定値及び短冊１０に係る加工情報に基づいて、構造材の内部の残留応力分布を簡便な方法で求めることができる。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、円筒状構造物を平面状形状に変更してもよく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の実施の形態の残留応力測定装置の構成を示すブロック図。 図１の被測定物を切断して製作する短冊を示す斜視図。 図２の短冊の詳細を示す斜視図。 図３の短冊の応力測定結果を示すグラフ。 図３の短冊の切り欠きに関連するひずみ測定結果を示すグラフ。

符号の説明

１…残留応力測定装置、２…被測定物、３…ひずみ測定用センサ、４…ひずみ測定器、５…切り欠き加工機、６…残留応力演算部、７…残留応力出力部、８…溶接金属、９…切断位置、１０…短冊、１１…切り欠き、１２…ひずみ測定結果、１３…応力測定結果、１４…短冊の応力（補正前）、１５…短冊切断の解放応力、１６…短冊の応力（補正後）。

Claims (11)

1. 被測定物の残留応力測定対象部に貼り付けられたひずみ測定センサとこのひずみ測定センサに接続されたリード線を介してひずみを測定するひずみ測定器と、
   前記被測定物を切断して切り欠き加工する加工機と、
   前記ひずみ測定器より前記の残留応力に係る測定値を入力し、さらに前記加工機で切り欠き加工された被測定物に係る加工情報を入力して前記被測定物の残留応力分布を求める残留応力演算部と、
   を有することを特徴とする残留応力測定装置。
2. 前記ひずみ測定センサは、前記ひずみの変化を測定するひずみゲージ又は光ファイバを具備すること、を特徴とする請求項１記載の残留応力測定装置。
3. 前記加工機は、被測定物である円筒状構造物を軸方向に切断して短冊を製作するものであること、を特徴とする請求項１又は２記載の残留応力測定装置。
4. 前記加工機は、前記円筒状構造物の内表面及び外表面の少なくとも一面に切り欠きを加工するものであること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の残留応力測定装置。
5. 被測定物の残留応力測定対象のひずみを測定するひずみ測定ステップと、
   前記被測定物の残留応力測定部を含む部分を切断し、さらに残留応力測定部近辺に切り欠きを加工する切り欠き加工ステップと、
   前記ひずみ測定ステップで測定された残留応力に係る測定値を入力し、さらに前記切り欠き加工ステップで切り欠き加工された加工情報を入力して前記被測定物の残留応力分布を求める残留応力演算ステップと、
   を有することを特徴とする残留応力測定方法。
6. 前記加工ステップおいて、前記被測定物である円筒状構造物を軸方向に切断して短冊を製作し、さらにこの短冊の内表面及び外表面の少なくとも一面に切り欠きを加工すること、を特徴とする請求項５記載の残留応力測定方法。
7. 前記加工ステップにおいて、被測定物に切り欠きを加工するときの最終の切り欠きの深さは、被測定物の板厚の９０％以下とすること、を特徴とする請求項５又は６記載の残留応力測定方法。
8. 前記ひずみ測定ステップは、前記円筒状構造物の内表面及び外表面の少なくとも１面のひずみの変化を測定するものであること、を特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の残留応力測定方法。
9. 前記ひずみ測定ステップは、前記短冊の製作前後のひずみの変化を測定するものであること、を特徴とする請求項６記載の残留応力測定方法。
10. 前記ひずみ測定ステップは、前記短冊の外表面に切り欠きを加工するとき、この切り欠き加工前後のひずみの変化を測定するものであること、を特徴とする請求項６又は９記載の残留応力測定方法。
11. ひずみ測定ステップは、前記円筒状構造物の周方向及び軸方向の少なくとも１方向のひずみを測定するものであること、を特徴とする請求項５乃至１０のいずれかに記載の残留応力測定方法。

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