JP2008518150A - 構成部材の疲労状態に特徴的な特性値の検出方法 - Google Patents

Abstract

時間的に負荷が変化することにより生じる、構成部材の疲労状態に特徴的な特性値に対する近似値を、交番応力サイクルの数に基づいて検出する方法であり、この方法により、負荷サイクルが比較的長期間にわたっていても、保守間隔を適時に必要な限りで設定することができ、構成部材の目下の疲労状態について適切な診断を行うことができる。このために、場合によりすでに完全に終了した交番応力サイクルに加えて、最初に部分的に終了した交番応力サイクルも特性値を検出する際に考慮し、このとき部分的に終了した交番応力サイクルの未だ経過していないフェーズに対する一時的負荷値を所定の固定値により考慮する。

Description

構成部材の疲労状態に特徴的な特性値に対する近似値の検出方法
本発明は、時間的に変化する負荷により生じる、構成部材の疲労状態に特徴的な特性値に対する近似値を、交番応力サイクルの数に基づいて検出する方法に関する。

工業的施設での多数の適用において構成部材またはコンポーネントが、交番負荷または時間的に変化する負荷に、例えば機械的または熱的形態で曝されることがある。ここでは個々の構成部材が例えば直接的に機械的負荷に、発生する圧縮応力または引っ張り応力によって曝されることがある。これに対して、熱的形態で時間的に変化するこの種の負荷は、タービン装置、とりわけ蒸気タービンの構成部材またはコンポーネントに対して、蒸気タービンの運転開始および／または運転終了時に発生する。

すなわち蒸気タービンの運転開始時には、タービン部材が冷えた出発状態から設計どおりの動作状態まで上昇的に加熱され、比較的に高い温度レベルが調整される。これに対して蒸気タービンの運転終了時には、構成部材が比較的に温度の高い出発状態から構成部材全体が環境温度に達するまで常に冷却される。この加熱および冷却フェーズ中にいくつかの構成部材では、加熱または冷却された媒体に直接曝される、それぞれの構成部材の表面と内部との間に温度差が発生する。この種の温度差は構成部材に熱的ストレスを引き起こし、構成部材を直接的に負荷することとなる。

前記形式の機械的または熱的負荷が構成部材に発生すると、構成部材等の結晶組織に顕微鏡ベースでの再配列が生じ得る。従って生じたこの種の時間的に変化する負荷は、それぞれの構成部材にいわゆる材料疲労または劣化を引き起こし、これは例えば硬度または耐負荷能力などの材料特性の連続的悪化または損傷を伴う。構成部材の疲労状態が増大すると、またはこれと共に材料特性に損傷が生じると、それぞれの部材が場合により固有の所定設計基準、例えば耐負荷能力等を満たすことができなくなり、それぞれの構成部材で時間的に変化する負荷が発生する際の進行性の疲労の結果、構成部材の寿命または将来の使用可能性が制限される。従って交番負荷または時間的に変化する負荷に曝される構成部材に対しては、発生する疲労または材料劣化を考慮して、それぞれの構成部材を適時に交換し、所定の保守間隔内で適切な保守を行うのが通常である。

それぞれの工業的施設の不要な運転停止、および生じる高い保守コスト等を回避し、とりわけ低く抑えるために、特別に負荷される構成部材の疲労状態または劣化状態に適合した保守間隔計画等を設定するのが通常である。このことをとりわけ目標どおりに達成するために、多数の適用に対してそれぞれの構成部材の疲労状態を表す特性値を近似的に検出する。この種の特性値を検出するために、交番応力とも称される、構成部材の負荷サイクルを評価するのが通常である。このためにそれぞれの構成部材の負荷の時間経過が、それに対して特徴的な測定値の連続検出に基づいて監視される。

例えば構成部材に加わる機械的負荷の時間経過、または蒸気タービンの場合では構成部材に発生する構成部材表面と構成部材内部との温度差（この温度差から熱的負荷が生じる）の時間経過を監視することができる。ここで構成部材の完全な負荷サイクルが交番応力を意味する。このサイクルでは、出発状態から始まって、例えば最大機械的応力により発生する最大負荷になり、続いてゼロ通過後に最大機械的引っ張り応力により発生する最小負荷に移行する。交番応力と称されるこの負荷サイクルは、圧縮応力と引っ張り応力とが連続的に交番した後、構成部材が再び元の状態に達するときに終了する。

この種の負荷サイクル全体で発生する交番応力は、通常は負荷の全体的変動幅を含む。すなわち最大圧縮応力での負荷値と、最大引っ張り応力での負荷値との差を含む。一方では材料固有に、他方では構成部材固有に存在し、例えば適切な材料テーブル等に記憶することのできる経験値に基づき、この種の交番応力からそれぞれの負荷サイクルが完全に終了した後、これと共に生じる材料疲労固有の特性値が検出される。構成部材の使用時に発生する全体的疲労または劣化は、個々の疲労特性値の累積により計算される。このとき結果として、この構成部材に対してこれまで発生したすべての疲労値を求めることができる。この累積された疲労値に基づき、構成部材の予期される余命を予測することができ、この構成部材に対する保守間隔または交換間隔を、それぞれ求められた疲労特性値に基づき必要な限りで設定することができる。

しかしこのコンセプトの欠点は、疲労状態に対する特性値の検出に含まれる測定値が、それぞれのコンポーネントの使用によっては例えば数ヶ月、または数年の長きにわたり得る負荷サイクルの場合、現在に近い部分だけしか条件付きで使用できないことである。

本発明の課題は、負荷が時間的に変化することにより生じる、構成部材の疲労状態に特徴的な特性値に対する近似値を、交番応力サイクルの数に基づいて検出する方法を提供することであり、この方法により、負荷サイクルが比較的長期間にわたっていても、保守間隔を必要な限りで適時に設定することができ、構成部材の目下の疲労状態について適切な診断を行うことができるようにする。

この課題は本発明により、場合によりすでに完全に終了した交番応力サイクルに加えて、最初に部分的に終了した交番応力サイクルも特性値を検出する際に考慮し、このとき部分的に終了した交番応力サイクルのまだ経過していないフェーズに対する一時的負荷値を所定の固定値により考慮することによって解決される。

ここで本発明は、構成部材の目下の疲労状態を比較的適時に診断するための方法も、比較的長い時間間隔に依存しないで負荷サイクルの終了時に設定すべであるという考察から出発する。それでもなお比較的信頼性のある診断を、目下の疲労状態について行うことができるようにするため、この方法を過去においてすでに終了した負荷サイクルの評価に限定すべきではない。このことは、現在すでに存在しているが、未だ終了していない交番応力スサイクルに対しても、疲労状態に対する近似値を検出する際に前記考察を考慮することにより達成される。このことは、目下の負荷サイクルのデータが不完全なため場合によっては比較的大きな不精度が生じるにしても行う。このことを達成するために、現在経過しており、未だ終了していない負荷サイクルの場合には、最大限で、すでに実際に存在する測定値を考慮し、さらなる処理可能性のために部分的に終了した交番応力サイクルの未だ存在しないフェーズ、未だ経過しないフェーズに対して、特徴的負荷値をスペースホルダの形式で適切な固定値を代替値として設定する。

部分的に終了した交番応力サイクルの未だ経過していないフェーズに対し、一時的負荷値として設定される固定値は、とりわけ既存の材料固有、または構成部材固有の知識に鑑み適切に選択することができる。しかしさらなる評価をとりわけ簡素化するために固定値は有利にはゼロ値として設定される。

構成部材の目下の疲労状態に特徴的な特性値の近似的検出は有利には、目下経過している負荷サイクルの負荷値の検出に基づく、中間値の検出により行うことができる。ここで中間値は既存のデータベースに基づき、疲労状態に特徴的な本来の特性値に適切に変換することができる。近似値を検出するための中間値としてここでは有利には、交番応力サイクルの全体的最大値と全体的最小値との差を形成する。

外的事情の時間的発展および変化する要求に応じて、交番応力サイクルは通常発生する全体的最大値および最小値に加えて、局所的最大値または最長値を有することができる。疲労状態に特徴的な特性値をとりわけ適時に比較的精確に、未だ終了していない交番応力サイクルの全体的最小値に未だ達していない場合でも、すなわち相応の知識が未だ存在していない場合でも検出するために、有利には近似値の検出のための中間値として、交番応力サイクルの全体的最大値と局所的最小値との差を形成する。

この方法は、動作に起因して比較的長期の負荷サイクルに曝されるコンポーネントまたは構成部材に有利に適用可能である。なぜならこの種の構成部材またはコンポーネントでは、目下の交番応力サイクルまたは負荷サイクルの完全な評価のために必要な条件が、疲労状態の検出の際に目下の実際状態から比較的大きな時間的偏差を生じるからである。従って有利にはこの方法は重機械工場、とりわけ発電所で、有利には蒸気タービンの動作時に使用される。

本発明により達成される利点は、部分的に終了した交番応力サイクルの未だ経過していないフェーズを所定の固定値により、それぞれに負荷値に対して考慮することによって、それぞれの構成部材の疲労状態をとりわけ時間どおりに検出することができ、その際に目下の負荷サイクルの完全な終了を待機する必要がないことである。ここでは少なくともすでに存在する目下の交番応力サイクルの知識を考慮することができ、これによりそれぞれの構成部材に対しても、不完全な交番応力サイクル内で、少なくともすでに達した劣化または材料疲労度に対する近似値を検出することができる。これにより、比較的長期にわたる負荷サイクルでも質的に価値のある診断を目下の材料状態および余命、所要の保守作業等に関して行うことができる。さらに構成部材の故障の場合に改善された診断が可能である。なぜなら、発生する劣化がその原因に時間的に接近して検出され、従って発生する劣化を原因に比較的正確に割り当てることができるからである。

本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。図には線図の形態で、蒸気タービンの動作時におけるコンポーネントの負荷サイクルの時間的経過が示されている。

蒸気タービンの通常動作では、静止しているタービンから始まるスタートフェーズまたは起動フェーズで、高温の作動媒体により連続的に負荷が上昇し、この媒体と接触するコンポーネントを加熱する。媒体に直接曝されるコンポーネント、例えばタービン羽根または流動媒体に直接曝される他の構成部材の加熱では、まず媒体に直接曝される表面が比較的高速に加熱される。この加熱は、それぞれのコンポーネントの材料および構造形式、とりわけそれぞれの壁厚に応じて熱的慣性により、それぞれのコンポーネントの内側領域に次第に進行する。従って蒸気タービンの起動中の移行フェーズでは、いくつかのコンポーネントに外側または表面と内側領域との間に温度差が発生する。この温度差はそれぞれのコンポーネントに熱的ストレスを生じさせる。この熱的ストレスは基本的に機械的ストレス、例えば圧縮応力と同等である。

これに対して蒸気タービンの冷却の際には、それぞれのコンポーネントの冷却が次のように行われる。すなわちまず表面が冷却され、この冷却がそれぞれのコンポーネントの内部空間へ次第に進行する。従って蒸気タービンのこの動作フェーズ中に同様に、蒸気タービンの個々のコンポーネントで構成部材表面と構成部材内部空間との間に温度差が発生する。しかしこのフェーズではそれぞれのコンポーネントの表面は内部空間よりも冷えている。そこから生じる熱的ストレスは例えばコンポーネントの機械的引っ張り応力に相当する。

この種の動作では、蒸気タービンのそれぞれの構成部材にストレスによって負荷が発生する。この負荷はいわゆる負荷−時間線図として表すことができる。これは蒸気タービンの場合で図１の線図に示されている。線図１のｘ軸には時間ｔがプロットされており、ｙ軸には蒸気タービンの選択された構成部材、例えばタービンケーシングの表面とその内側との温度差ΔＴに対して検出された特性値がプロットされている。この温度差は、構成部材に発生する熱的ストレスに対して特徴的であり、従ってこれにより誘発される機械的ストレスに対しても特徴的である。択一的に蒸気タービンの別の構成部材または別の工業的施設の別の構成部材では、線図１のｘ軸に構成部材の負荷に対して特徴的な値、例えば機械的ストレス等をプロットすることもできる。

線図１に全体が示された、蒸気タービンの構成部材の負荷サイクルは、時点ｔ１で蒸気タービンのスタートフェーズを開始する。時点ｔ１から蒸気タービンは次第に加熱され、それぞれの構成部材の表面と内部との間に正の温度差が生じる。このフェーズでは負荷サイクルに特徴的な負荷曲線２が線図１でまず上昇する。蒸気タービンがさらに加熱されると、この温度差はさらに拡大し、時点ｔ２で最大値４に達する。

平衡状態に接近すると、温度差は次第に減少し、時点ｔ３で平衡状態に達する。この平衡状態ではそれぞれの構成部材の内部で均等な温度分布が存在する。線図１に示された実施例では引き続き、動作形式に依存してコンポーネントが僅かに冷却される。この冷却も同様に構成部材の表面からその内部空間に進行する。従って構成部材の表面の内部空間との間には負の温度差が発生する。時点ｔ４でこの温度差の絶対値は最大となり、従って負荷曲線２は最小値６を形成する。引き続き、構成部材の表面と内部空間の温度は相互に次第に接近し、負荷曲線２は再びゼロ値に接近しようとする。

しかしこの実施例では、ゼロ値に達する前に蒸気タービンが新たに冷却され、構成部材の表面と内部空間との間の温度差の絶対値が再び増大する。これにより時点ｔ５で負荷曲線２の局所的最大値８が生じる。ここから出発して温度差の絶対値はさらに増大し、時点ｔ６で負荷曲線２に別の最小値１０を形成する。ここから出発して温度は再び相互に接近する。ここでは動作に依存して、別の最大値１２と別の最小値１４を経過した後、時点ｔ７で蒸気タービンは完全に冷却され、選択された構成部材の表面と内部空間との間の温度差はフタタに値ゼロを取る。

従って時点ｔ１とｔ７との間で蒸気タービンは、選択された構成部材の加熱と冷却を伴う完全な負荷サイクルを経過する。このストレスに曝されることにより顕微鏡的再配列過程が生じ、その結果、この種の負荷サイクル（交番応力とも称される）を経過する際に、材料の疲労または劣化と称される構成部材の脆弱化が生じる。このことは機械的耐負荷能力を低下させる。ここでそれぞれの構成部材の寿命はとりわけ、前記の負荷によって惹起される脆弱化または疲労により制限され、構成部材に対して許容されるとみなされる材料劣化または疲労を上回る際にはそれぞれの構成部材の交換または修理が必要であるとみなされる。

ここで構成部材の劣化状態に対して特徴的な特性値の割り当ては、構成部材固有のおよび材料固有の経験値に基づいて行うことができる。この経験値は例えばデータバンクにファイルしておくことができる。この劣化に対する近似的推定値を割り当てるために、線図１に示された負荷サイクルが評価される。この評価は、全体的最大値４と全体的最小値１０との間の差によって与えられ、矢印１６によって示されたいわゆる交番応力を計算することにより行われる。この交番応力には、以前の経験に基づき、場合によりデータバンクにファイルされたデータを使用して、付加的な疲労に対する推定値を割り当てることができる。この付加的な疲労とは、構成部材が負荷曲線２により表された負荷サイクル全体を経過した後に受ける疲労である。この付加的疲労は累積的評価の形態で、構成部材に対して過去の負荷サイクルに基づき前もって検出された劣化特性値に加算することができる。これによりそれぞれの構成部材に対して、全体で存在する劣化に対して特徴的な近似値が得られる。そしてこの近似値から、構成部材の余命、将来の保守間隔に対する予測、または診断予測等を得ることができる。

蒸気タービンコンポーネントの図示の負荷例では、経過する負荷サイクル全体が非常に長い期間、例えば数ヶ月または数年にわたることがある。ここで構成部材の目下の疲労状態に対する推定値を検出するために、負荷サイクルの完全な経過を参照しなくてもよいようにし、かつ価値のある診断予測を適時に行うことができるようにするため、時間的に変化する負荷による構成部材の疲労状態に特徴的な特性値に対する近似値を検出する際に、場合によりすでに終了した交番応力サイクルに加えて、部分的に終了した交番応力サイクルも考慮する。ここで計算の際には、部分的に終了した交番応力サイクルの未だ経過していないフェーズに対する負荷値を、所定の固定値としてのゼロ値により考慮する。

例えば第１の最大値４を経過した後の時点で、すなわち時点ｔ２の後の時点で、構成部材の疲労状態に対する近似値が検出される。このとき未だ終了していない交番応力サイクルを、二重矢印１８により示されたこれまでの最大負荷を考慮することにより関与させる。この目的のために、基礎となる計算の際に、関連のさらなる特性量、例えば未だ経過していない全体的最小値１０における一時的負荷をゼロ値として使用する。これに対して局所的最小値６の経過後は、二重矢印２０により示されたこれまでの負荷の最大絶対値（全体的最大値４と局所的最小値６の評価により得られる）が近似値検出のための中間値として考慮される。

蒸気タービンの動作時におけるコンポーネントの負荷サイクルの時間的経過を示す線図である。

Claims (5)

1. 時間的に変化する負荷により生じる、構成部材の疲労状態に特徴的な特性値に対する近似値を、交番応力サイクルの数に基づいて検出する方法であって、
   最初に部分的に終了した交番応力サイクルを考慮し、
   このとき部分的に終了した交番応力サイクルの未だ経過していないフェーズに対する一時的負荷値を所定の固定値により考慮する、ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、
   固定値としてゼロ値を設定する方法
3. 請求項１または２記載の方法であって、
   近似値を検出するための中間値として、交番応力サイクルの全体的最大値と全体的最小値との差を形成する方法。
4. 請求項１または２記載の方法であって、
   近似値を検出するための中間値として、交番応力サイクルの全体的最大値または局所的最大値と全体的最小値または局所的最小値との差を形成する方法。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の方法であって、
   蒸気タービンの構成部材の疲労状態に特徴的な特性値に対する近似値を検出する方法。

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