JP2010020452A

JP2010020452A - エロージョン予測・評価方法および装置

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Publication number: JP2010020452A
Application number: JP2008178872A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Kitajima; 島靖己北
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-28

Abstract

【課題】微小破壊の定量的な予測・評価を仮想的に行なえるようにして、実際の検査データや実験データに依らずに、エロージョンによる構造部材の損傷を予測・評価する。
【解決手段】構造部材の内壁表面の微小スケール解析モデルとして、前記内壁表面が粒子１に分割され、粒子同士の結合力２を模擬した拘束条件により粒子１同士が結合した有限要素による解析モデルを設定し、解析モデルに微粒子あるいは液滴の衝突を模擬する外力を与えて有限要素法解析を実施し、当該解析モデルにおける粒子結合点のポテンシャル・エネルギー分布を求め、エネルギーの値が、前記構造部材の材料ごとに予め設定された破壊しきい値を超えた時点を以って当該構造部材のその位置における破壊が生じたと判断し、破壊が生じた位置の粒子同士の結合を解除することにより、エロージョンにより発生する微小スケールの破壊現象を模擬する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体が流れる配管などのエロージョン（浸食）を予測または評価する技術に係り、特に、有限要素法解析をエロージョンの予測・評価に適用し、微小破壊を計算でも仮想的に模擬し、エロージョンを予測・評価する方法および装置に関する。

原子力プラントや、化学プラント等の施設では、配管、タービン等の機器の内壁の肉厚が減少するエロージョン(侵食) 現象が生じることがある。このエロージョンは、液体に含まれる微粒子や気体に含まれる液滴、あるいは液体内に発生するキャビテーション等が内壁に衝突することで発生する。このエロージョン現象が進めば、やがては貫通孔を生じ、内部流体の漏洩に至る可能性がある。

従来から、目視検査や非破壊検査などを定期的に実施し、エロージョンによる減肉カ所の発見に努めているが、原子力プラントなどの施設では、検査対象が膨大になることから、検査物量の低減を図るために、従来からエロージョンの予測乃至評価をする技術が模索されている。

このような構造物のエロージョンの予測・評価に際しては、あらかじめ実施した実験や解析により評価カーブや評価式を求め、それに当てはめて構造物の寿命を評価する手法が用いられてきた。例えば、日本機械学会の「発電用設備規格配管減肉管理に関する規格」（特許文献１）では、液滴衝撃エロージョンによる減肉評価式を取り上げている。これらの減肉評価式は、あらかじめ実施した試験結果から導かれた評価式である。

また、近年の計算機技術の発達により、こうした評価手法にも数値解析が用いられ、例えば、特許文献２、特許文献３がある。

特許文献２では、実際の各種プラントの減肉測定データや、一般の減肉に関する文献データや、実験データをデータベース化し、これらから減肉計算用の数学モデル式のデータベースを構築することが提案されている。

特許文献３では、過去のデータから、プラント設備の内部形状とその内部形状毎に減肉が進展していくであろう標準的な減肉進展速度を求めておき、実際のプラント設備の肉厚を測定し、その肉厚からプラント設備の内部形状を推定した後に、その推定した内径形状と過去のデータから求めたプラントの難易系状を比較して類似する内部形状を選び、その内部形状の減肉進展速度を求めることで減肉予測をすることが提案されている。
発電用設備規格、配管減肉管理に関する規格（２００５年板）（増訂版）、ＪＳＭＥ、２００５特開平８−１７８１７２号公報特開２００１−２８２７６９号公報

しかしながら、従来の構造物の数値解析による評価では、その大部分は構造部材そのものを対象としたマクロレベルの解析であるか、分子動力学等の分子・原子レベルを対象としたミクロレベルの解析であり、いずれもエロージョンによる構造部材の微小破壊を予測・評価することは不可能であった。

また、実験による経験的評価が中心であり、数値解析を使用する場合でも、部材スケールでの変形・応力状態を数値解析によって求め、それに実験等による経験式を適用することで破壊量を評価していたので、実験等による大量のデータが必要不可欠であり、データがないものについては、エロージョンを予測、評価できず、汎用性かないという欠点があった。

さらに、実験、試験によるデータ採集は、原子力プラントや化学プラントのような大規模な施設になると、データ採集のための試験が大掛かりになり、大変な労力と時間を要するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、微小破壊の中心となるスケールでの有限要素法解析を実施することにより、微小破壊の定量的な予測・評価を仮想的に行なえるようにして、実際の検査データや実験データに依らずに、エロージョンによる構造部材の損傷を予測・評価する方法および装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、流体機器の内部流体に含まれる微粒子あるいは液滴が繰り返し衝突する流体機器の構造部材を対象として、前記構造部材に発生するエロージョンを予測または評価する方法であって、前記構造部材の内壁表面の微小スケール解析モデルとして、前記内壁表面が粒子に分割され、前記粒子同士の結合力を模擬した拘束条件により当該粒子同士が結合した有限要素による解析モデルを設定し、前記解析モデルに前記微粒子あるいは液滴の衝突を模擬する外力を与えて有限要素法解析を実施し、当該解析モデルにおける粒子結合点のポテンシャル・エネルギー分布を求め、当該エネルギーの値が、前記構造部材の材料ごとに予め設定された破壊しきい値を超えた時点を以って当該構造部材のその位置における破壊が生じたと判断し、破壊が生じた位置の粒子同士の結合を解除することにより、エロージョンにより発生する微小スケールの破壊現象を模擬することを特徴とするものである。

また、本発明は、流体機器の内部流体に含まれる微粒子あるいは液滴が繰り返し衝突する流体機器の構造部材を対象として、前記構造部材に発生するエロージョンを予測または評価する装置であって、予測・評価対象の流体機器の評価箇所近傍に設置された圧力計・流量計等の計測手段と、予測・評価対象の流体機器について、その内部流体に含まれる固体微粒子が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度を求める流動解析を実施する手段と、前記評価箇所の内壁表面の微小スケール解析モデルとして、前記内壁表面が粒子に分割され、前記粒子同士の結合力を模擬した拘束条件により当該粒子同士が結合した有限要素による解析モデルを模擬し、前記流動解析結果に基づいて微粒子あるいは液滴の衝突を模擬する外力を与えて有限要素法解析を実施し、当該解析モデルにおける粒子結合点のポテンシャル・エネルギー分布を求め、当該エネルギーの値が、前記評価箇所の材料ごとに予め設定された破壊しきい値を超えた時点を以って当該評価箇所のその位置における破壊が生じたと判断し、破壊が生じた位置の粒子同士の結合を解除することにより、エロージョンにより発生する微小スケールの破壊現象を模擬する破壊現象模擬手段と、を具備することを特徴とするものである。

本発明によれば、微小破壊の中心となる微小スケールでの有限要素法解析を実施することにより、微小破壊の定量的な予測・評価を仮想的に行なえるようにして、実際の検査データや実験データに依らずに、エロージョンによる構造部材の損傷や減肉を仮想的に模擬しながら予測・評価することができる。

以下、本発明によるエロージョン予測・評価方法および装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるエロージョン予測・評価方法を適用する構造部材の内壁表面の微小スケール解析モデルを示す模式図である。図１において、参照番号１は、構造部材の内壁表面のモデルを構成する粒子を示す。内壁表面は、有限要素の微小な粒子１に分割されるとともに、各粒子１は、粒子結合力２によって結合されることにより壁面３の微細構造を模擬する。

そして、図２に示すように、外力４を壁面３を与えて、有限要素法解析を行うことで、壁面表面の変形や減肉を求める。すなわち、有限要素法解析により、各粒子１の結合点についてポテンシャル・エネルギー分布を求め、そのエネルギーの値が、構造部材の材料ごとに予め設定された破壊しきい値を超えたときに、その位置における破壊が生じたと判断し、破壊が生じた位置の粒子同士の結合を解除することにより、エロージョンにより発生する破壊現象を模擬する。例えば、図２において、結合点のエネルギーが破壊しきい値を越えて周囲の粒子から完全に孤立した粒子（点線で示す粒子５）が出た場合には、あらかじめ与えられていた微弱なバネ力６のよって系外へと排出し、これにより、減肉が模擬される。

以上のような微小スケール解析モデルでは、外力４はエロージョンを予測・評価する流体機器を流れる流体に含まれる微粒子あるいは液滴の衝突を模擬する。そして、固体粒子または液滴の衝突の条件は、次のように流動解析によって求められる。

図３において、流路８内を流れる流体７について流動解析を実施する。この流動解析によって、流路の壁面３に衝突する固体粒子や液滴の衝突速度及び衝突角度を求める。そして、図４に示すように、固体粒子や液滴は、弾塑性体９として模擬し、流動解析によって求めた衝突速度および衝突角度で壁面３に衝突させ、有限要素法解析を行うことで、表面の変形や減肉を求める。

次に、図５は、流路内を流れる流体に含まれる液滴について流動解析を実施し、壁面に衝突する液滴の衝突速度及び衝突角度を求め、分布力１０として模擬し、壁面３に作用させ、有限要素法解析を行い、表面の変形や減を求めるようにした微小スケール解析モデルを示す。この解析モデルでは、壁面３に作用する分布力だけを与えて、有限要素法解析を実施し、結合点のエネルギーが破壊しきい値を越えて周囲の粒子から完全に孤立した粒子５が出た場合には、あらかじめ与えられていた微弱なバネ力６のよって系外へと排出し、減肉を模擬することになる。

ここで、図６は、本実施形態によるエロージョン予測・評価システムの構成図を示す。

図６において、配管８には、エロージョン予測・評価の対象箇所に圧力計１１、流速計１２が設置されている。この圧力計１１、流速計１２の出力１３、１４は、計算機１５に入力される。計算機１５は、流動解析１７を実施し、流体に含まれる固体粒子あるいは液滴が配管内壁３に衝突する衝突角度及び衝突速度を求める。そして、計算機１５は、弾塑性体９の衝突（図５のように分布力で模擬しても良い）を模擬した微小スケール解析モデル１６を用いて有限要素法解析を実施して、配管内壁３での減肉量を求める。

また、計算機１５は、予測・評価対象となる流体機器について、内部流体に含まれる固体微粒子が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度等のパラメータあらかじめ変化させて実施した複数の有限要素法解析結果を蓄積したデータベース１６が接続されている。

このデータベース１６には解析結果をあらかじめ蓄積しておくことで、計算機１５は評価対象と類似条件の対象についての解析結果をデータベース１６から読み込み、この結果をモンテカルロ計算により処理して減肉量を求めること可能である。

このようなデータベース１８を利用することで、評価時点では、有限要素法解析を行わないでも、評価対象のエロージョン現象について予測することが可能になる。

次に、エロージョン予測・評価の具体的な実施例について説明する。
図７に示すように、液滴径１２０［μｍ］の液滴が壁面表面に垂直に衝突する場合を仮定した。部材表面については、図８に示すような微小スケール解析モデルを設定した。部材表面は、底辺の長さが６０［μｍ］、高さ３０［μｍ］の三角粒子に分割し、液滴の衝突により荷重を受ける範囲には４つの粒子があるものとした。

液滴が衝突するときには、微小スケール解析モデルの表面４要素に対して、５００［ＭＰａ］の衝撃圧に相当する圧力が衝突速度と液滴径から求められる衝突時間で作用するものとして、有限要素法解析を行い、図８で白抜きの丸で示す結合点でのＪ積分値を一回の衝突毎に計算した。そして、破壊しきい値としては、材料を軟鋼の破壊靭性値ＪICとして１２［ｋＰａ・ｍ］を使用し、各結合点のＪ積分の値が、この破壊しきい値に到達するまで解析を実施した。

このような有限要素法解析の結果、Ｊ積分値は、衝撃圧を受ける表面に面した２要素（斜線部分）において高い値を示し、衝突回数３７９８回（当初予想の３０００回よりも＋２７％の衝突回数）で破壊しきい値に達した。すなわち、以上の条件下での多数回の衝突解析によれば、３７９８回の液滴衝突で表面の２要素が剥離すると評価することができる。

本発明によるエロージョン予測・評価方法が適用される微小化レール解析モデルを示す模式図である。図１の解析モデルにおいて、外力が加わったときの破壊現象の模擬を示す模式図である。流路を流れる流体の流動解析の説明図である。図１の解析モデルにおいて、流体に含まれる固定粒子や液滴を弾塑性体の衝突として模擬する解析モデルの模式図である。図１の解析モデルにおいて、流体に含まれる固定粒子や液滴の衝突を圧力分布として模擬する解析モデルの模式図である。本発明の一実施形態によるエロージョン予測・評価システムの構成図である。本発明のエロージョン予測・評価方法の具体例の条件を示す図。本発明のエロージョン予測・評価方法の具体例に用いた解析モデルの説明図。

符号の説明

１粒子
２分子結合力
３壁面
４外力
５減肉を模擬する粒子
６微小なバネ力
７流体
８流路
９弾塑性体
１０分布力
１１圧力計
１２流量径
１５計算

Claims

流体機器の内部流体に含まれる微粒子あるいは液滴が繰り返し衝突する流体機器の構造部材を対象として、前記構造部材に発生するエロージョンを予測または評価する方法であって、
前記構造部材の内壁表面の微小スケール解析モデルとして、前記内壁表面が粒子に分割され、前記粒子同士の結合力を模擬した拘束条件により当該粒子同士が結合した有限要素による解析モデルを設定し、
前記解析モデルに前記微粒子あるいは液滴の衝突を模擬する外力を与えて有限要素法解析を実施し、当該解析モデルにおける粒子結合点のポテンシャル・エネルギー分布を求め、
当該エネルギーの値が、前記構造部材の材料ごとに予め設定された破壊しきい値を超えた時点を以って当該構造部材のその位置における破壊が生じたと判断し、破壊が生じた位置の粒子同士の結合を解除することにより、エロージョンにより発生する微小スケールの破壊現象を模擬することを特徴とするエロージョン予測・評価方法。
予測・評価対象の流体機器について、その内部流体に含まれる固体微粒子が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度を求める流動解析を実施し、
当該固体微粒子を弾塑性体として模擬して、前記解析結果に基づいて当該固体微粒子の衝突を模擬する外力を前記解析モデルに与えることを特徴とする請求項１に記載のエロージョン予測・評価方法。
予測・評価対象の流体機器について、その内部流体に含まれる液滴が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度を求める流動解析を実施し、
当該液滴を弾塑性体として模擬して、前記解析結果に基づいて当該液滴の衝突を模擬する外力を前記解析モデルに与えることを特徴とする請求項１に記載のエロージョン予測・評価方法。
予測・評価対象の流体機器について、その内部流体に含まれる液滴が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度を求める流動解析を実施し、
前記解析結果に基づいて当該液滴の衝突を液滴衝突時の分布力として模擬した外力を前記解析モデルに与えることを特徴とする請求項１に記載のエロージョン予測・評価方法。
予測・評価対象の流体機器の内部流体に含まれる固体微粒子が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度のパラメータあらかじめ変化させて実施した請求項１乃至４のいずれかの項に記載したエロージョン予測・評価方法による複数の解析結果をデータベースとして蓄積保持しておき、
評価時点では、評価対象と類似条件の対象についての解析結果を前記データベースから読み込み、この結果をモンテカルロ計算により処理して減肉量を求めることを特徴とするエロージョン予測・評価方法。
流体機器の内部流体に含まれる微粒子あるいは液滴が繰り返し衝突する流体機器の構造部材を対象として、前記構造部材に発生するエロージョンを予測または評価する装置であって、
予測・評価対象の流体機器の評価箇所近傍に設置された圧力計・流量計等の計測手段と、
予測・評価対象の流体機器について、その内部流体に含まれる固体微粒子が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度を求める流動解析を実施する手段と、
前記評価箇所の内壁表面の微小スケール解析モデルとして、前記内壁表面が粒子に分割され、前記粒子同士の結合力を模擬した拘束条件により当該粒子同士が結合した有限要素による解析モデルを模擬し、前記流動解析結果に基づいて微粒子あるいは液滴の衝突を模擬する外力を与えて有限要素法解析を実施し、当該解析モデルにおける粒子結合点のポテンシャル・エネルギー分布を求め、当該エネルギーの値が、前記評価箇所の材料ごとに予め設定された破壊しきい値を超えた時点を以って当該評価箇所のその位置における破壊が生じたと判断し、破壊が生じた位置の粒子同士の結合を解除することにより、エロージョンにより発生する微小スケールの破壊現象を模擬する破壊現象模擬手段と、
を具備することを特徴とするエロージョン予測・評価装置。
前記破壊現象模擬手段は、当該固体微粒子を弾塑性体として模擬して、前記流動解析結果に基づいて当該固体微粒子の衝突を模擬する外力を前記解析モデルに与えることを特徴とする請求項６に記載のエロージョン予測・評価装置。
前記破壊現象模擬手段は、当該液滴を弾塑性体として模擬して、前記流動解析結果に基づいて当該液滴の衝突を模擬する外力を前記解析モデルに与えることを特徴とする請求項６に記載のエロージョン予測・評価装置。
前記破壊現象模擬手段は、前記流動解析結果に基づいて当該液滴の衝突を液滴衝突時の分布力として模擬した外力を前記解析モデルに与えることを特徴とする請求項６に記載のエロージョン予測・評価装置。
予測・評価対象の流体機器の内部流体に含まれる固体微粒子が内壁に衝突する衝突角度、衝突速度のパラメータあらかじめ変化させて実施した複数の解析結果を蓄積保持するデータベースと、
評価時点では、評価対象と類似条件の対象についての解析結果を前記データベースから読み込み、この結果をモンテカルロ計算により処理して減肉量を求める手段と、をさらに具備することを特徴とする請求項６乃至９のいずれかの項に記載のエロージョン予測・評価装置。