JP2009294136A - 管状試験体の引張曲げ試験方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管状試験体の軸線と直交する方向へ直接荷重を掛けることなく、引張荷重の付与にて管状試験体に曲げ応力を作用させることができ、装置の簡略化とコストダウンを図り得ると共に、引張ユニットと管状試験体とを接合するためにどうしても必要となる溶接部を高温部から遠ざけて低温で運用でき、試験評価部以外での変形・破損を回避し得、信頼性の高い試験結果が得られるようにする。
【解決手段】加熱炉５内部に配設される管状試験体４の両端部外周を、加熱炉５外部に配設され且つ冷却媒体が流通される冷却ヘッド６に溶接し、管状試験体４の両端部内面側に冷却ヘッド６の中心部から延びるチャック手段７を嵌入して冷却ヘッド６に管状試験体４の両端部を固定した状態で、管状試験体４の軸線から所要量だけ偏心する位置において冷却ヘッド６に引張荷重を付与することにより、管状試験体４に曲げ応力を作用させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高温状態で曲げ応力が作用する鋼管等に生じる応力や歪を計測する際に用いられる管状試験体の引張曲げ試験方法及び装置に関するものである。

一般に、ボイラの蒸気配管のような高温に晒される鋼管等には、一次応力（内圧等による荷重一定で変動しない応力）と、二次応力（熱応力のように変位量一定に固定され、応力はクリープにより緩和していく）とが複合的にかかる状態となる箇所が存在し、その箇所におけるクリープ寿命が問題となっている。

このため、前記一次応力＋二次応力の状態、即ち前記鋼管等に曲げ応力が作用し且つその片側に引張が生じる一般的な状態（図６（ｂ）参照）を試験装置で模擬して、その挙動を調査する必要がある。

前述の如き試験装置と関連する一般的技術内容を示すものとしては、従来、例えば、特許文献１が存在し、該特許文献１には、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により、温度及び圧力に加えて曲げ応力の条件を付加できるようにした高温内圧曲げクリープ試験方法及び試験装置が開示されている。
特開２００４−１７０１６１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような試験方法及び装置では、試験体に曲げ応力を付与するための荷重装置は、試験体の円筒軸方向中央部に該円筒軸と直交する方向へ直接荷重を掛ける形式で、しかも、加熱炉内に設けられており、該加熱炉を特別に製造する必要が生じると共に、前記荷重装置を冷却するための冷却装置も大型のものが必要となり、装置全体が大掛かりなものとなって、大幅なコストアップにもつながるという欠点を有していた。

一方、通常行われている、管状試験体を加熱炉内に配設した状態での引張試験等においては、引張ユニットと管状試験体とをボルト接合したような場合、ボルトだけの接合は応力が集中して破壊する可能性があるので、どうしても溶接が必要となるが、溶接部では高温でのクリープが進みやすいため、試験条件が正確に保持されなくなって試験結果の信頼性低下につながると共に、温度が高すぎると管状試験体の試験評価部よりも先に溶接部が破壊してしまう虞があった。

こうした不具合を避けるべく、試験装置や治具、接合部を水等の冷却媒体によって冷却し熱から守ることがどうしても必要となるが、冷やしすぎると管状試験体の温度分布が不均一になり、試験結果への影響が懸念され、その誤差発生の一因となる可能性が高まることとなる。

本発明は、斯かる実情に鑑み、管状試験体の軸線と直交する方向へ直接荷重を掛けることなく、引張荷重の付与にて管状試験体に曲げ応力を作用させることができ、装置の簡略化とコストダウンを図り得ると共に、引張ユニットと管状試験体とを接合するためにどうしても必要となる溶接部を高温部から遠ざけて低温で運用でき、試験評価部以外での変形・破損を回避し得、信頼性の高い試験結果が得られる管状試験体の引張曲げ試験方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、加熱炉内部に配設される管状試験体の両端部外周を、加熱炉外部に配設され且つ冷却媒体が流通される冷却ヘッドに溶接すると共に、前記管状試験体の両端部内面側に前記冷却ヘッドの中心部から延びるチャック手段を嵌入して前記冷却ヘッドに前記管状試験体の両端部を固定した状態で、前記管状試験体の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッドに引張荷重を付与することにより、前記管状試験体に曲げ応力を作用させることを特徴とする管状試験体の引張曲げ試験方法にかかるものである。

一方、本発明は、管状試験体を内部に配設して加熱する加熱炉と、
該加熱炉外部に配設されて前記管状試験体の両端部外周が溶接され且つ冷却媒体が流通される冷却ヘッドと、
該冷却ヘッドの中心部から延び且つ前記管状試験体の両端部内面側に嵌入可能なチャック手段と、
前記管状試験体の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッドに引張荷重を付与する引張ユニットと
を備えたことを特徴とする管状試験体の引張曲げ試験装置にかかるものである。

上記本発明の管状試験体の引張曲げ試験方法及び装置によれば、管状試験体の冷却ヘッドに対する溶接部で引張荷重を負担し且つ管状試験体の両端部内面側に嵌入されるチャック手段で曲げ荷重を負担しつつ、曲げモーメントを管状試験体の試験評価部に確実に与え、該管状試験体に生じる応力や歪を計測することが可能となる。

そして、前記管状試験体の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッドに引張荷重を付与して前記管状試験体に曲げ応力を作用させる形式を採用したことにより、特許文献１に開示されたもののように、試験体の円筒軸方向中央部に該円筒軸と直交する方向へ直接荷重を掛けることによって試験体に曲げ応力を付与する荷重装置を加熱炉内に設ける必要がなくなり、加熱炉を特別に製造せずに既存の加熱炉を使用可能となると共に、冷却装置としては冷却ブロックを冷却できる小型のものがあれば良く、装置全体が簡略なもので済み、コストダウンにもつながる。

しかも、前記溶接部は、加熱炉外部にあって比較的低温に保持され、クリープが進みにくいため、試験条件が正確に保持されて試験結果の信頼性が高まると共に、管状試験体の試験評価部よりも先に溶接部が破壊してしまう心配もなくなる。又、前記溶接部が加熱炉外部にあって比較的低温に保持されることから、該溶接部を極端に冷却する必要がなくなり、冷却ヘッドの冷却媒体が流通される箇所を管状試験体の試験評価部から遠ざけることが可能となり、該管状試験体の試験評価部全体の温度分布が均一となり、試験結果における誤差が発生しにくくなる。

前記管状試験体の引張曲げ試験装置においては、前記チャック手段を、
基端部が前記冷却ヘッドの中心部に固定され且つ先端部に軸線方向へ延びる複数のスリットが形成されて管状試験体内部に拡縮自在に嵌入される先割れ円筒状のチャック本体と、
該チャック本体内部にその軸線方向へ進退自在に配設され且つ該軸線方向への進退動により前記チャック本体を拡縮させる楔状の圧着プラグと
から構成することができ、このようにすると、前記チャック手段のチャック本体及び圧着プラグにより、管状試験体の試験評価部以外での管断面変形（つぶれ）を確実に抑える上で有効となる。

この場合、前記冷却ヘッドに、その軸心部を貫通して先端が前記圧着プラグの基端に当接するよう調整ボルトを螺合せしめ、該調整ボルトの締め付けにより前記圧着プラグの進退動調整を行うよう構成することが、試験の途中で管状試験体が熱膨張しチャック本体が緩んだような場合に増し締めできるようにする上で好ましい。

又、前記管状試験体の引張曲げ試験装置においては、前記冷却ヘッドに、前記管状試験体の軸線から所要量だけ偏心する位置に偏心孔が穿設された偏心プレートを装着し、該偏心プレートの偏心孔に挿入され且つ前記管状試験体の軸線と直交する方向へ延びる連結軸を介して前記引張ユニットの引張台座と前記冷却ヘッドとを連結するよう構成することができ、このようにすると、偏心孔の穿設位置を変えた偏心プレートを複数用意しておけば、それらを必要に応じて単に交換するだけで、他の部品等を全て共通部品として、試験パラメータとなる曲げモーメントを調整可能となる。

本発明の請求項１及び２記載の管状試験体の引張曲げ試験方法及び装置によれば、管状試験体の軸線と直交する方向へ直接荷重を掛けることなく、引張荷重の付与にて管状試験体に曲げ応力を作用させることができ、装置の簡略化とコストダウンを図り得ると共に、引張ユニットと管状試験体とを接合するためにどうしても必要となる溶接部を高温部から遠ざけて低温で運用でき、試験評価部以外での変形・破損を回避し得、信頼性の高い試験結果が得られるという優れた効果を奏し得る。

本発明の請求項３記載の管状試験体の引張曲げ試験装置によれば、上記効果に加え更に、チャック手段のチャック本体及び圧着プラグにより、管状試験体の試験評価部以外での管断面変形（つぶれ）を確実に抑えることができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の請求項４記載の管状試験体の引張曲げ試験装置によれば、上記効果に加え更に、試験の途中での管状試験体の熱膨張に伴うチャック本体の緩みに対し増し締めで対応でき、管状試験体の支持をより確実に行い得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の請求項５記載の管状試験体の引張曲げ試験装置によれば、上記効果に加え更に、偏心孔の穿設位置を変えた偏心プレートの交換のみにより、他の部品等を全て共通部品として、試験パラメータとなる曲げモーメントの調整を行い得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図７は本発明を実施する形態の一例であって、門型に組まれた架台１の柱部材２から張り出す支持フレーム３に、鋼管等の管状試験体４を内部に配設して加熱する加熱炉５を取り付け、該加熱炉５外部に、前記管状試験体４の両端部外周が溶接され且つ冷却媒体が流通される冷却ヘッド６を配設し、該冷却ヘッド６の中心部に、前記管状試験体４の両端部内面側に嵌入可能なチャック手段７を設け、前記架台１に、前記管状試験体４の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッド６に引張荷重を付与する引張ユニット８を吊り下げるように設けたものである。

本図示例の場合、前記冷却ヘッド６は、図３〜図５（ａ），（ｂ）に示す如く、円柱状で且つその外周面所要箇所に後述する偏心プレート２３を取り付けるためのフラットな平坦面９ａ（図５参照）が形成されたヘッド本体９の底部（管状試験体４の上端側に配設されるヘッド本体９では上部）に、円環状の冷却媒体流通路１０を形成して該冷却媒体流通路１０に蓋をするようＯリング等のシール部材１１により液密を保持可能な蓋板１２を取り付けると共に、前記冷却媒体流通路１０に連通する冷却媒体導入口１３と冷却媒体排出口１４（図４参照）とを設けてなる構成を有し、該冷却ヘッド６の冷却媒体導入口１３と冷却媒体排出口１４とにそれぞれ、冷却媒体導入ノズル１５と冷却媒体排出ノズル１６（図２参照）とを接続し、該冷却媒体導入ノズル１５と冷却媒体排出ノズル１６とにそれぞれ、冷却媒体導入管１７と冷却媒体排出管１８（図１参照）とを接続するようにしてある。

前記チャック手段７は、図３及び図４（ａ），（ｂ）に示す如く、前記冷却ヘッド６の中心部に、先端部に軸線方向へ延びる複数のスリット１９が形成されて管状試験体４内部に拡縮自在に嵌入される先割れ円筒状のチャック本体２０の基端部を螺合させるように固定し、該チャック本体２０内部に、楔状の圧着プラグ２１をその軸線方向へ進退自在に配設し、前記冷却ヘッド６に、その軸心部を貫通して先端が前記圧着プラグ２１の基端に当接するよう調整ボルト２２を螺合せしめ、該調整ボルト２２の締め付けにより前記圧着プラグ２１の進退動調整を行い、該圧着プラグ２１の進退動により前記チャック本体２０を拡縮させるよう構成してある。尚、前記調整ボルト２２は、六角穴付きボルトとし、その頭部２２ａを冷却ヘッド６の蓋板１２の外部に露出させ、該頭部２２ａの六角穴２２ｂに六角レンチ等の工具を挿入できるようにしてある。

又、図５（ａ），（ｂ）に示す如く、前記冷却ヘッド６のヘッド本体９の平坦面９ａには、前記管状試験体４の軸線から所要量だけ偏心する位置に偏心孔２３ａが穿設された偏心プレート２３を取付ボルト２４にて装着し、該偏心プレート２３の偏心孔２３ａを図３に示す如く前記引張ユニット８の引張台座２５に穿設された取付孔２５ａと位置合わせし、該引張ユニット８の引張台座２５の取付孔２５ａと前記偏心プレート２３の偏心孔２３ａとに、前記管状試験体４の軸線と直交する方向へ延びる連結軸２６を挿入することにより、前記引張ユニット８の引張台座２５と前記冷却ヘッド６とを連結するよう構成してある。

次に、上記図示例の作用を説明する。

前述の如く、加熱炉５内部に配設される鋼管等の管状試験体４の両端部外周を、加熱炉５外部に配設され且つ冷却媒体が流通される冷却ヘッド６に溶接すると共に、前記管状試験体４の両端部内面側に前記冷却ヘッド６の中心部から延びるチャック手段７を嵌入して前記冷却ヘッド６に前記管状試験体４の両端部を固定した状態で、前記管状試験体４の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッド６に引張荷重を付与する（図６（ａ）参照）ことにより、前記管状試験体４に曲げ応力を作用させるようにすると、前記管状試験体４の冷却ヘッド６に対する溶接部で引張荷重を負担し且つ管状試験体４の両端部内面側に嵌入されるチャック手段７で曲げ荷重を負担しつつ、曲げモーメントを管状試験体４の試験評価部に確実に与え、該管状試験体４に生じる応力や歪を計測することが可能となる。この結果、ボイラの蒸気配管のような高温に晒される鋼管等において、一次応力と二次応力とが複合的にかかる状態、即ち前記鋼管等に曲げ応力が作用し且つその片側に引張が生じる一般的な状態（図６（ｂ）参照）を模擬して、その挙動を調査することが可能となり、前記鋼管等におけるクリープ寿命の解明に大いに役立つこととなる。因みに、計測される応力と歪の時間経過に伴う変化の一例としては、例えば、図７に示すようになる。

そして、前記管状試験体４の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッド６に引張荷重を付与して前記管状試験体４に曲げ応力を作用させる形式を採用したことにより、特許文献１に開示されたもののように、試験体の円筒軸方向中央部に該円筒軸と直交する方向へ直接荷重を掛けることによって試験体に曲げ応力を付与する荷重装置を加熱炉５内に設ける必要がなくなり、加熱炉５を特別に製造せずに既存の加熱炉５を使用可能となると共に、冷却装置としては冷却ブロックを冷却できる小型のものがあれば良く、装置全体が簡略なもので済み、コストダウンにもつながる。

しかも、前記溶接部は、加熱炉５外部にあって比較的低温（実測で４００［℃］程度）に保持され、クリープが進みにくいため、試験条件が正確に保持されて試験結果の信頼性が高まると共に、管状試験体４の試験評価部よりも先に溶接部が破壊してしまう心配もなくなる。又、前記溶接部が加熱炉５外部にあって比較的低温に保持されることから、該溶接部を極端に冷却する必要がなくなり、冷却ヘッド６の冷却媒体が流通される冷却媒体流通路１０の形成箇所を管状試験体４の試験評価部から遠ざけることが可能となり、該管状試験体４の試験評価部全体の温度分布が均一となり（実測で試験評価部２５０［ｍｍ］の範囲が±３［℃］以内）、試験結果における誤差が発生しにくくなる。

又、前記チャック手段７は、図３及び図４（ａ），（ｂ）に示す如く、基端部が前記冷却ヘッド６の中心部に固定され且つ先端部に軸線方向へ延びる複数のスリット１９が形成されて管状試験体４内部に拡縮自在に嵌入される先割れ円筒状のチャック本体２０と、該チャック本体２０内部にその軸線方向へ進退自在に配設され且つ該軸線方向への進退動により前記チャック本体２０を拡縮させる楔状の圧着プラグ２１とから構成してあるため、前記チャック手段７のチャック本体２０及び圧着プラグ２１により、管状試験体４の試験評価部以外での管断面変形（つぶれ）を確実に抑えることが可能となる。

更に、前記冷却ヘッド６には、その軸心部を貫通して先端が前記圧着プラグ２１の基端に当接するよう調整ボルト２２を螺合せしめ、該調整ボルト２２の締め付けにより前記圧着プラグ２１の進退動調整を行い、該圧着プラグ２１の進退動により前記チャック本体２０を拡縮させるよう構成してあるため、試験の途中で管状試験体４が熱膨張しチャック本体２０が緩んだような場合には、前記冷却ヘッド６の蓋板１２の外部に露出させた調整ボルト２２の頭部２２ａの六角穴２２ｂに六角レンチ等の工具を挿入して回すことにより増し締めすることが可能となる。

一方、図５（ａ），（ｂ）に示す如く、前記冷却ヘッド６のヘッド本体９の平坦面９ａには、前記管状試験体４の軸線から所要量だけ偏心する位置に偏心孔２３ａが穿設された偏心プレート２３を取付ボルト２４にて装着し、該偏心プレート２３の偏心孔２３ａを図３に示す如く前記引張ユニット８の引張台座２５に穿設された取付孔２５ａと位置合わせし、該引張ユニット８の引張台座２５の取付孔２５ａと前記偏心プレート２３の偏心孔２３ａとに、前記管状試験体４の軸線と直交する方向へ延びる連結軸２６を挿入することにより、前記引張ユニット８の引張台座２５と前記冷却ヘッド６とを連結するよう構成してあるため、偏心孔２３ａの穿設位置を変えた偏心プレート２３を複数用意しておけば、それらを必要に応じて単に交換するだけで、他の部品等を全て共通部品として、試験パラメータとなる曲げモーメントを調整可能となる。又、前記偏心プレート２３に複数の偏心孔２３ａを穿設し、必要に応じて前記取付孔２５ａと位置合わせする偏心孔２３ａを変えるようにしても良く、このようにすれば、偏心プレート２３も一組で済む。

こうして、管状試験体４の軸線と直交する方向へ直接荷重を掛けることなく、引張荷重の付与にて管状試験体４に曲げ応力を作用させることができ、装置の簡略化とコストダウンを図り得ると共に、引張ユニット８と管状試験体４とを接合するためにどうしても必要となる溶接部を高温部から遠ざけて低温で運用でき、試験評価部以外での変形・破損を回避し得、信頼性の高い試験結果が得られる。

尚、本発明の管状試験体の引張曲げ試験方法及び装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す全体概要構成図である。 図１のＩＩ部詳細図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明を実施する形態の一例における冷却ヘッド及びチャック手段を管状試験体の端部に装着した状態を示す部分破断斜視図であって、（ａ）は冷却ヘッドの断面及びチャック手段の外形を示す部分破断斜視図、（ｂ）は冷却ヘッド及びチャック手段の断面を示す部分破断斜視図である。 本発明を実施する形態の一例における冷却ヘッドを示す斜視図であって、（ａ）は冷却ヘッドの冷却媒体通路を画成するための蓋板を取り外した状態を示す斜視図、（ｂ）は冷却ヘッドに蓋板及び偏心プレートを装着した状態を示す斜視図である。 本発明を実施する形態の一例における試験時の状態を示す概略図であって、（ａ）は偏心プレートに引張荷重を付与した状態を示す概略図、（ｂ）は管状試験体の変形を模式的に示す概略図である。 本発明を実施する形態の一例において計測される応力と歪の時間経過に伴う変化の一例を示す線図である。

符号の説明

４ 管状試験体
５ 加熱炉
６ 冷却ヘッド
７ チャック手段
８ 引張ユニット
９ ヘッド本体
１０ 冷却媒体流通路
１９ スリット
２０ チャック本体
２１ 圧着プラグ
２２ 調整ボルト
２３ 偏心プレート
２３ａ 偏心孔
２４ 取付ボルト
２５ 引張台座
２５ａ 取付孔
２６ 連結軸

Claims (5)

1. 加熱炉内部に配設される管状試験体の両端部外周を、加熱炉外部に配設され且つ冷却媒体が流通される冷却ヘッドに溶接すると共に、前記管状試験体の両端部内面側に前記冷却ヘッドの中心部から延びるチャック手段を嵌入して前記冷却ヘッドに前記管状試験体の両端部を固定した状態で、前記管状試験体の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッドに引張荷重を付与することにより、前記管状試験体に曲げ応力を作用させることを特徴とする管状試験体の引張曲げ試験方法。
2. 管状試験体を内部に配設して加熱する加熱炉と、
   該加熱炉外部に配設されて前記管状試験体の両端部外周が溶接され且つ冷却媒体が流通される冷却ヘッドと、
   該冷却ヘッドの中心部から延び且つ前記管状試験体の両端部内面側に嵌入可能なチャック手段と、
   前記管状試験体の軸線から所要量だけ偏心する位置において前記冷却ヘッドに引張荷重を付与する引張ユニットと
   を備えたことを特徴とする管状試験体の引張曲げ試験装置。
3. 前記チャック手段を、
   基端部が前記冷却ヘッドの中心部に固定され且つ先端部に軸線方向へ延びる複数のスリットが形成されて管状試験体内部に拡縮自在に嵌入される先割れ円筒状のチャック本体と、
   該チャック本体内部にその軸線方向へ進退自在に配設され且つ該軸線方向への進退動により前記チャック本体を拡縮させる楔状の圧着プラグと
   から構成した請求項２記載の管状試験体の引張曲げ試験装置。
4. 前記冷却ヘッドに、その軸心部を貫通して先端が前記圧着プラグの基端に当接するよう調整ボルトを螺合せしめ、該調整ボルトの締め付けにより前記圧着プラグの進退動調整を行うよう構成した請求項３記載の管状試験体の引張曲げ試験装置。
5. 前記冷却ヘッドに、前記管状試験体の軸線から所要量だけ偏心する位置に偏心孔が穿設された偏心プレートを装着し、該偏心プレートの偏心孔に挿入され且つ前記管状試験体の軸線と直交する方向へ延びる連結軸を介して前記引張ユニットの引張台座と前記冷却ヘッドとを連結するよう構成した請求項２〜４のいずれか一つに記載の管状試験体の引張曲げ試験装置。

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