JP2007315854A

JP2007315854A - 歪測定装置

Info

Publication number: JP2007315854A
Application number: JP2006144075A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Nishida; 秀高西田; Isao Shiromaru; 功四郎丸; Hiroshi Imaike; 宏今池
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: JP4926543B2

Abstract

【課題】高温度下で広い歪範囲に亘って歪測定をすることができる歪測定装置を提供すること。
【解決手段】測定対象物表面の歪に応じて第二電極が第一電極の内側へ進退移動することにより、これらの電極が構成するコンデンサの静電容量が変化するように構成した歪測定装置であって、第一電極、及び第二電極は、温度５００℃以上で酸化されない金属材料からなり、かつ、この金属材料は、温度５００℃以上において５ＭΩ以上の絶縁抵抗を有する絶縁支持体により支持されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、火力発電所のボイラの溶接部分や各種蒸気管など高温下に晒される部位の歪を測定するための歪測定装置に関する。

例えば火力発電所における、ボイラやタービンあるいはそれらの配管など、熱影響を受けやすい金属溶接部などの余寿命を検査する方法の一つとして、歪測定法が知られている。この歪測定法は、測定対象物表面の歪から金属溶接部などの余寿命を検査するものであるが、これらの計測対象面が表面温度６００℃以上の高温になるため、高温下での測定が可能な歪計が必要である。

従来、このような高温下での歪測定は、例えば図１及び図２に示すような歪計１を用いて行われていた（非特許文献１参照）。以下、この歪計１の概要を説明する。

図１は、歪計１の平面模式図であり、図２は、同歪計１の断面模式図である。これらの図に示すように、歪計１は、アーチ状に湾曲させた２枚の矩形金属板（５ａ,５ｂ）を、隙間を隔てて重ね合わせた構造となっている。これら２枚の金属板（５ａ,５ｂ）の間にはコンデンサを形成する１対の電極板（７ａ，７ｂ）が対向配置されている。かかる構成によれば、測定対象物３表面が伸縮するのに応じて、電極板（７ａ,７ｂ）の間の距離が変わるので、電極板（７ａ，７ｂ）で構成されるコンデンサの静電容量が変化する。従って、このコンデンサの静電容量を検知することで測定対象物表面の歪を測定できる。
REMNANT LIFE MONITORING, APPLICATIONS REPORT, AUTOMATIC SYSTEMS LABORATORIES LTD; JULY 1972, Vol, 119, No7

しかしながら、上述のように対向する電極板（７ａ，７ｂ）の間隔変化を検出する構成は、測定可能なレンジ幅が小さいため、広い歪範囲に亘って歪を測定することができない。

そこで、本発明は、高温度下で広い歪範囲に亘って歪測定をすることができる歪測定装置を提供する。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、筒状に構成された第一の電極と、該第一の電極の内側へ進退可能とされ、前記第一の電極と共にコンデンサを構成する第二の電極と、前記第一の電極を支持する第一の絶縁支持体と、前記第二の電極を支持する第二の絶縁支持体と、前記第一及び第二の絶縁支持体を測定対象物に夫々取付ける取付部材と、を備え、前記測定対象物の歪に応じて前記第二の電極が前記第一の電極の内側へ進退移動することにより前記コンデンサの静電容量が変化するように構成した歪測定装置であって、前記第一の電極、及び第二の電極は、温度５００℃以上で酸化されない金属材料からなり、かつ、この金属材料は、温度５００℃以上において５ＭΩ以上の絶縁抵抗を有する絶縁支持体により支持されていることを特徴とする。

本発明によれば、電極を構成する材料を高温で酸化されにくい金属材料としている。このため、高温下でも性状変化が少ない。さらに、絶縁支持体として高温において絶縁抵抗の大きいセラミックス材料を用いている。このため、高温でも電極と取付部材との間の電気絶縁を保つことができる。従って、高温でも精度の高い測定を行うことができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記金属材料は、ニッケル基合金、コバルト基合金、クロム基合金、またはクロムを９％以上含有する耐熱鋼であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の歪測定装置であって、前記絶縁支持体は、９０％以上の純度を有するセラミックス材料であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、コイルと、このコイルの内側へ進退可能な金属体と、これらコイル及び金属体を夫々支持する絶縁支持体と、前記絶縁支持体を測定対象物に夫々取付ける取付部材と、を備え、前記金属体が前記コイルに対して進退移動することにより前記コイルの電気的特性が変化するように構成した歪測定装置であって、前記コイル及び金属体は、温度５００℃以上で酸化されない金属材料からなり、かつ、前記絶縁支持体は、温度５００℃以上において５ＭΩ以上の絶縁抵抗を有する絶縁支持体に支持されていることを特徴とする。

本発明によれば、高温度下で広い歪範囲に亘って歪測定をすることができる歪測定装置を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。本発明に係る歪測定装置は、例えば、火力発電所のボイラの溶接部分や各種蒸気管などのように、高温下に晒されて熱影響を受けやすい金属材料溶接部などの歪を測定するのに用いられる。まず、この歪測定装置の概略、及び測定原理を説明する。

図３は、歪測定装置１０の概略図である。同図に示すように、歪測定装置１０は、筒状の第一電極１２ａと、この第一電極１２ａの中空部内に挿入される第二電極１２ｂとを備えている。第一電極１２ａの内周面と第二電極１２ｂの外周面との間には所定の間隔が設けられており、両電極（１２ａ，１２ｂ）はコンデンサを形成している。電極（１２ａ，１２ｂ）には静電容量測定回路１５が接続され、この静電容量測定回路１５により前記コンデンサの静電容量が測定される。そして、測定された静電容量から歪検出回路１７により歪が求められ、表示装置１８に表示される。電極（１２ａ，１２ｂ）は、それぞれ絶縁支持体（１４ａ，１４ｂ）に支持されて、取付部材１６により測定対象物３の表面に固定されている。

第一電極１２ａを支持するセラミック製の絶縁支持体１４ａは、第一電極１２ａよりも第二電極１２ｂ側へ延出している。この延出部分には、第一電極１２ａの内側空間に連通する貫通穴１３が設けられ、この貫通穴１３に第二電極１２ｂが挿通されて案内される。

以上の構成によれば、測定対象物３表面に歪が生じたときに、電極（１２ａ，１２ｂ）の進退移動によって第一電極１２と第二電極１２ｂとの重なり長さが変化する。このため、電極（１２ａ，１２ｂ）の対向面積が変化するので、これら電極（１２ａ，１２ｂ）で構成される静電容量も変化する。従って、静電容量測定回路１５で測定した静電容量から歪検出回路１７により歪を求めることができる。

また、第一電極１２ａを支持するセラミック製の第一絶縁支持体１４ａが第二電極１２ｂの軸受けとなるように構成されているため、高温下で使用しても第二電極１２ｂが焼き付けを起こすことがない。さらに、測定対象物表面の歪量に応じて第二電極１２ｂが第一電極１２ａに対して第一絶縁支持体１４ａで案内されながら進退する構造なので、測定範囲を広くすることもできる。

歪測定装置１０により検出された歪データは、様々な態様で利用できる。例えば、表示装置１８で画面に表示して担当者が目視で歪を読み取ることができるようにしてもよいし、或いは、歪データを無線あるいは有線の通信回線を介してサーバーに送信して自動的にコンピューターに入力、及び解析できるようにしてもよい。

また、図４は第一電極１２ａ、及び第二電極１２ｂの位置関係を一定としたときの歪検出回路１７の出力電圧の温度変化を示している。歪測定装置１０は、同図のような温度特性があるので、これを補償するように補償回路（図示せず）を備えてもよい。

次に、歪測定装置１０を構成する材料について説明する。まず、電極（１２ａ，１２ｂ）を構成する材料としては、高温下で使用しても酸化しない金属材料を用いる。なお、本明細書中で酸化しないとは、例えば５００℃以上の高温度下でも金属内部まで酸化が進行しないことを意味する。

電極（１２ａ，１２ｂ）を高温下で酸化しない金属材料で構成すれば、高温度下で長時間使用しても電極（１２ａ，１２ｂ）の性状変化が少なくなるので、酸化による電極表面の誘電率の変化による影響を受けにくくなり、従って、測定誤差を小さくすることができる。

５００℃以上の高温下で酸化しない金属材料としては、例えば、ニッケル基合金、クロム基合金、コバルト基合金や、Ｃｒを９％以上含有するＳＵＨ２１，ＳＵＨ４０９，ＳＵＨ４０９Ｌ，ＳＵＨ４４６，ＳＵＳ４０５，ＳＵＳ４１０Ｌ，ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４３０ＪＩＬ，ＳＵＳ４３６ＪＩＬ，ＳＵＨ１，ＳＵＨ３，ＳＵＨ４，ＳＵＨ１１，ＳＵＨ６００，ＳＵＨ６１６，ＳＵＳ４０３，ＳＵＳ４１０，ＳＵＳ４１０ＪＩ，ＳＵＳ４３１，ＳＵＨ３１，ＳＵＨ３５，ＳＵＨ３６，ＳＵＨ３７，ＳＵＨ３８，ＳＵＨ３０９，ＳＵＨ３１０，ＳＵＨ３３０，ＳＵＨ６６０，ＳＵＨ６６１，ＳＵＳ３０２Ｂ，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０９Ｓ，ＳＵＳ３１０Ｓ，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１６Ｔｉ，ＳＵＳ３１７，ＳＵＳ３２１，ＳＵＳ３４７，ＳＵＳＸＭ１４ＪＩ，ＳＵＳ６３０，ＳＵＳ６３１などの耐熱鋼を挙げることができる。

また、本実施形態に係る歪測定装置１０は、電極（１２ａ，１２ｂ）を支持する絶縁支持体１４を構成する材料として、例えば純度９０％以上のセラミックス材料を用いる。セラミックス材料の材質としては、例えばアルミナ、サファイアなどがある。

このように、絶縁支持体１４として純度の高いセラミックス材料を使用すれば、高温度下でも電極（１２ａ，１２ｂ）と取付部材１６との間の電気的絶縁を確保することができる。セラミックス材料の純度は、例えば９０％以上であれば常温では十分な電気絶縁を実現できるが、温度５００℃付近でも５ＭΩ程度の絶縁抵抗を実現できるよう、純度９９％以上であることが好ましい。より好ましくは、純度９９．７％以上であれば、例えば温度６００℃付近でも４０ＭΩ程度の絶縁抵抗を実現することができる。

また、第一絶縁支持体１４ａ、及びその中空部の形状については、第二電極１２ｂを支持できればよく、特に限定されない。例えば、円筒状でもよく、角柱状でもよい。図５にその一例を示す。同図によれば、第一絶縁支持体１４ａの中空部側に設けた溝状のガイド部１９と、第二電極１２ｂ側に設けた凸部とが嵌合するような形状を示しているが、第二電極１２ｂ側に設けた凸部と、第一絶縁支持体１４ａの中空部側に設けた溝状のガイド部１９とが嵌合するようにしてもよい。このように、ガイド部１９に沿って第二電極１２ｂを挿入できるようにすれば、第二電極１２ｂを安定的に案内することが可能である。

また、ガイド部１９は複数設けてもよい。ガイド部１９の態様は、例えば図６から図８に断面図を示すように、様々な変形及び工夫が想定できる。このようにガイド部１９を設ければ、測定対象物３が伸縮しても第一電極１２ａが軸受け内を移動しやすくなるので、第一電極１２ａが応力を受けて破断することがなくなる。さらに、第一電極１２ａが安定的に固定できるので、例えば振動が加わりやすい環境であっても精度の高い測定を行うことができる。

表１は、絶縁支持体の高温特性を比較した結果を示す表である。表１によれば、アルミナ（材質記号Ａ−４７９，純度９９．５％）は、５００℃程度の高温下における特性がよく、６００℃における絶縁抵抗は５ＭΩであった。また、アルミナ（材質記号Ａ−４８０Ｓ，純度９９．７％）は、６００℃程度の高温下においても特性がよく、４０ＭΩの絶縁抵抗を示した。従って、高純度アルミナを絶縁材として使用すれば、高温でも歪測定が可能であることが明らかとなった。

図９は、コイル型歪測定装置１００の断面図であり、本願発明の別の実施形態を示している。コイル型歪測定装置１００は、コイル２０と、このコイル２０の内側へ進退可能な金属体２２と、これらコイル２０を支持する第一絶縁支持体２４ａと、金属体２２を支持する第二絶縁支持体２４ｂと、この絶縁支持体（２４ａ，２４ｂ）を測定対象物３表面に固定する取付部材（２６ａ，２６ｂ）とを備えて構成されている。

従って、測定対象物３表面に歪が発生すれば、それに応じて金属体２２がコイル２０の内側へ進退移動し、コイル２０に生じるインダクタンスが変化する。すなわち、コイル型歪測定装置１００は、この金属体２２の進退移動により発生するコイル２０の電気的特性変化を歪として検出する装置である。

上述のような金属材料からなる電極（１２ａ，１２ｂ）、及び絶縁支持体（２４ａ，２４ｂ）は、このコイル型歪測定装置１００に適用することも可能である。すなわち、このようなコイル型歪測定装置１００において、コイル２０及び金属体２２を、上述のニッケル基合金、クロム基合金、コバルト基合金や耐熱鋼などで構成すれば、高温下で使用しても酸化されなくなり、誤差の少ない測定を行うことができる。

なお、上記実施形態では、本発明の歪測定装置が火力発電所のボイラの溶接部分や各種蒸気管の歪測定に適用される場合を例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、自動車エンジンの振動測定にも適用が可能である。すなわち、自動車、特に高級乗用車ではエンジンの静寂性が重要な要素となるのであるが、エンジンが発する微振動を測定し、これと逆位相の変位を与えることにより微振動を打ち消して、エンジンの静寂性を向上できる。これまでは、非常に高温となるエンジンの振動変位を測定できる装置が存在しなかったため、このような機能を有する自動車は実現されていなかったが、本発明の歪測定装置により、エンジンの振動変位の測定が可能となり、上記機能を実現することが可能となる。また、エンジンの振動を打ち消すことで、ボルトナット類の緩みが抑えられるという効果も期待できる。

歪計の平面模式図である。歪計の断面模式図である。歪測定装置の概略図である。歪測定装置の温度特性を示す図である。支持部材の断面形状１を示す図である。支持部材の断面形状２を示す図である。支持部材の断面形状３を示す図である。支持部材の断面形状４を示す図である。コイル型歪測定装置の断面模式図である。

符号の説明

１歪計３測定対象物
５ａ，５ｂ金属板７ａ，７ｂ電極板
１０歪測定装置１２ａ，１２ｂ電極
１３貫通穴１４ａ，１４ｂ絶縁支持体
１５静電容量測定回路１６取付部材
１７歪検出回路１８表示装置
１９ガイド部２０コイル
２２金属体２４ａ，２４ｂ絶縁支持体
２６ａ，２６ｂ取付部材１００コイル型歪測定装置

Claims

筒状に構成された第一の電極と、
該第一の電極の内側へ進退可能とされ、前記第一の電極と共にコンデンサを構成する第二の電極と、
前記第一の電極を支持する第一の絶縁支持体と、
前記第二の電極を支持する第二の絶縁支持体と、
前記第一及び第二の絶縁支持体を測定対象物に夫々取付ける取付部材と、を備え、
前記測定対象物の歪に応じて前記第二の電極が前記第一の電極の内側へ進退移動することにより前記コンデンサの静電容量が変化するように構成した歪測定装置であって、
前記第一の電極、及び第二の電極は、温度５００℃以上で酸化されない金属材料からなり、かつ、この金属材料は、温度５００℃以上において５ＭΩ以上の絶縁抵抗を有する絶縁支持体により支持されていることを特徴とする装置。
前記金属材料は、ニッケル基合金、コバルト基合金、クロム基合金、またはクロムを９％以上含有する耐熱鋼であることを特徴とする請求項１に記載の歪測定装置。
前記絶縁支持体は、９０％以上の純度を有するセラミックス材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の歪測定装置。
コイルと、このコイルの内側へ進退可能な金属体と、これらコイル及び金属体を夫々支持する絶縁支持体と、前記絶縁支持体を測定対象物に夫々取付ける取付部材と、を備え、
前記金属体が前記コイルに対して進退移動することにより前記コイルの電気的特性が変化するように構成した歪測定装置であって、
前記コイル及び金属体は、温度５００℃以上で酸化されない金属材料からなり、かつ、
前記絶縁支持体は、温度５００℃以上において５ＭΩ以上の絶縁抵抗を有する絶縁支持体に支持されていることを特徴とする装置。