JP2011158362A - Thermal fatigue evaluation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の温度変動を受ける配管等の管状構造物の熱疲労評価方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating thermal fatigue of tubular structures such as pipes that undergo temperature fluctuations of fluid.
高温流体を扱う発電プラントのようなプラントには、主配管から分岐する分岐管が多数設けられている。主配管と分岐間との結合部では、高温水と低温水とが合流する部位や、主管からの流れが分岐管に流入することで両流体の温度差により熱成層が発生する部位で温度変動が生じる場合がある。この温度変動(振動)により分岐管に応力変動を生じ、これが分岐管の熱疲労の原因となる。 Plants such as power plants that handle high-temperature fluids are provided with many branch pipes that branch from the main pipe. At the joint between the main pipe and the branch, temperature fluctuations occur in the part where high temperature water and low temperature water merge, and in the part where thermal stratification occurs due to the temperature difference between the two fluids when the flow from the main pipe flows into the branch pipe. May occur. This temperature fluctuation (vibration) causes a stress fluctuation in the branch pipe, which causes thermal fatigue of the branch pipe.
このような熱疲労を評価するためには、配管内面の温度変化を把握する必要がある。配管内面の温度変化を把握する方法の一例として、配管の内面に温度センサを取り付け、この温度センサによって直接内面の温度変化を計測することも考えられる。この場合、予めそのような温度変動の発生が予想されるすべての場所に温度センサを取り付ける必要があり、コスト高となる。 In order to evaluate such thermal fatigue, it is necessary to grasp the temperature change of the inner surface of the pipe. As an example of a method for grasping the temperature change of the inner surface of the pipe, it is conceivable to attach a temperature sensor to the inner surface of the pipe and measure the temperature change of the inner surface directly by this temperature sensor. In this case, it is necessary to attach temperature sensors to all places where such temperature fluctuations are expected in advance, resulting in high costs.
そこで、配管外面の測定温度から配管内面の温度変化を推定し、推定された配管内面の温度変化に基づいて熱疲労を評価する方法が種々検討されている。例えば特許文献1に示される方法では、配管外面に取り付けられた温度センサによって配管外面の温度変化を測定し、測定された配管外面の温度変化に基づいて、熱伝導方程式を用いた逆解析を行うことにより、配管内面の温度変化(温度の時間分布)を求めている。そして、上記の逆解析で求めた配管内面の温度変化を用いて、グリーン関数により配管の熱応力変化を算出し、この配管の熱応力変化と内圧応力変化とによって疲労損傷度変化を算出する。 Thus, various methods for estimating the temperature change of the inner surface of the pipe from the measured temperature of the outer surface of the pipe and evaluating thermal fatigue based on the estimated temperature change of the inner surface of the pipe have been studied. For example, in the method disclosed in Patent Document 1, the temperature change of the pipe outer surface is measured by a temperature sensor attached to the pipe outer surface, and the inverse analysis using the heat conduction equation is performed based on the measured temperature change of the pipe outer surface. Thus, the temperature change (temperature time distribution) on the inner surface of the pipe is obtained. Then, using the temperature change of the inner surface of the pipe obtained by the above reverse analysis, the thermal stress change of the pipe is calculated by the Green function, and the fatigue damage degree change is calculated by the thermal stress change and the internal pressure stress change of the pipe.
特許文献1に示されるグリーン関数を用いた手法では、構造解析を用いて、最初に配管内面に均一にデルタ関数的に時間変化する温度変化を与えたときの配管外面に表れる温度の時間変化や応力の時間変化をデータベースとして準備しておく。このときに、逆解析工程では、ある時間tの配管外面の温度は、過去に発生した配管内面の温度の時間変化(0≦τ<t)と上記データベースの重ね合わせで得られているとして、内面の温度の時間変化を算出する。このため、配管内面の温度の時間変化と配管外面の温度の時間変化との関係は、tが大きくなると時間ステップに応じた大きな行列となる。したがって、一次元的な板厚方向の推定は可能であるが、空間的な広がりを考慮するエルボ形状の配管の場合、多数の構造解析を用いた多大なデータベースを準備し、逆解析工程では大行列を解く必要が生じるため、適用することは困難である。 In the method using the Green function shown in Patent Document 1, the time change of the temperature appearing on the outer surface of the pipe when the temperature change that changes with time in the delta function is uniformly applied to the inner surface of the pipe using the structural analysis. A stress change with time is prepared as a database. At this time, in the reverse analysis step, the temperature of the pipe outer surface at a certain time t is obtained by superimposing the time variation of the temperature of the pipe inner surface generated in the past (0 ≦ τ <t) and the above database. The time change of the temperature of the inner surface is calculated. For this reason, the relationship between the time change of the temperature of the pipe inner surface and the time change of the temperature of the pipe outer surface becomes a large matrix corresponding to the time step as t increases. Therefore, it is possible to estimate the one-dimensional plate thickness direction, but in the case of elbow-shaped piping that takes into account the spatial spread, a large database using many structural analyzes is prepared, and the inverse analysis process is very large. It is difficult to apply because it requires the matrix to be solved.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、配管等の管状の構造物における外面の測定温度から内面の温度変化を短時間で且つ精度よく推定することのできる熱疲労評価方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a thermal fatigue evaluation method capable of accurately estimating the temperature change of the inner surface from the measured temperature of the outer surface in a tubular structure such as a pipe in a short time. The purpose is to do.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の熱疲労評価方法は、流体を流通させる中空部を有した管状の構造物の熱疲労を評価する方法であって、前記構造物の内面温度の時間変化及び外面温度の時間変化を、熱伝導方程式を満たすようにフーリエ級数で展開した形式で表し、前記内面温度の時間変化と外面温度の時間変化の各フーリエ級数展開項を比較することにより、各フーリエ級数展開項の係数比Mj及び位相遅れΔθj(j=1,2,・・)とを求める第1工程と、前記構造物の外面温度を温度センサで測定する第2工程と、前記第2工程で測定した外面測定温度をフーリエ級数で展開し、当該外面測定温度の各フーリエ級数展開項の係数に前記第1工程で求めた係数比Mjを掛けるとともに、各フーリエ級数展開項の位相を、前記第1工程で求めた位相遅れΔθjだけずらすことにより、前記構造物の内面温度の時間変化を推定する第3工程と、を有し、前記第3工程で推定した前記内面温度の時間変化に基づいて前記構造物の熱疲労損傷度を判定することを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the thermal fatigue evaluation method of the present invention is a method for evaluating thermal fatigue of a tubular structure having a hollow portion through which a fluid flows, and the structure The time variation of the inner surface temperature and the time variation of the outer surface temperature are expressed in a form expanded by Fourier series so as to satisfy the heat conduction equation, and each Fourier series expansion term of the time variation of the inner surface temperature and the time variation of the outer surface temperature is compared. Thus, the first step of obtaining the coefficient ratio M j and the phase delay Δθ j (j = 1, 2,...) Of each Fourier series expansion term, and the first step of measuring the outer surface temperature of the structure with a
次の本発明に係る熱疲労評価方法は、前記構造物の軸線に垂直な断面内において、前記外面測定温度を測定するための複数の温度測定点Bp(p=1,2,・・n)を前記構造物の外面に設けるとともに、前記内面温度の時間変化を推定するための複数の温度推定点Aq(q=1,2,・・m)を前記構造物の内面に設け、前記第1工程において、任意の前記温度測定点Bpと任意の前記温度推定点Aqとの間で係数比Mjpq及び位相遅れΔθjpqとを求め、前記第2工程において、前記複数の温度測定点Bpにおける温度を測定し、前記第3工程において、前記係数比Mjpq及び前記位相遅れΔθjpqを用いて、前記複数の温度推定点Aqの温度の時間変化を推定することを特徴とする。 In the thermal fatigue evaluation method according to the present invention, a plurality of temperature measurement points B p (p = 1, 2,... N) for measuring the outer surface measurement temperature in a cross section perpendicular to the axis of the structure. ) Is provided on the outer surface of the structure, and a plurality of temperature estimation points A q (q = 1, 2,... M) for estimating the time change of the inner surface temperature are provided on the inner surface of the structure. In the first step, a coefficient ratio M jpq and a phase delay Δθ jpq are obtained between the arbitrary temperature measurement point B p and the arbitrary temperature estimation point A q, and in the second step, the plurality of temperature measurements The temperature at the point B p is measured, and the time change of the temperature at the plurality of temperature estimation points A q is estimated using the coefficient ratio M jpq and the phase delay Δθ jpq in the third step. To do.
次の本発明に係る熱疲労評価方法は、前記第3工程で推定した前記内面温度の時間変化を用いて前記構造物内部の温度の時間変化を求める第4工程と、当該構造物内部の温度の時間変化を用いて前記構造物内部に発生する熱応力の時間変化を求める第5工程と、当該熱応力の時間変化に基づき疲労累積損傷係数を求める第6工程とを有することを特徴とする。 The thermal fatigue evaluation method according to the present invention includes a fourth step for obtaining a temporal change in the temperature inside the structure using the temporal change in the inner surface temperature estimated in the third step, and a temperature inside the structure. And a sixth step of obtaining a fatigue cumulative damage coefficient based on the temporal change of the thermal stress. The fifth step of obtaining a temporal change of the thermal stress generated in the structure using the temporal change of .
本発明の熱疲労評価方法では、構造物の内面温度の時間変化及び外面温度の時間変化を、熱伝導方程式を満たすようにフーリエ級数で展開した形式で表し、内面温度の時間変化と外面温度の時間変化の各フーリエ級数展開項を比較することにより、各フーリエ級数展開項の係数比Mj及び位相遅れΔθjとを求める。そして、配管の外面温度を温度センサで測定し、この外面測定温度をフーリエ級数で展開し、当該外面測定温度の各フーリエ級数展開項の係数に前記係数比Mjを掛けるとともに、各フーリエ級数展開項の位相を前記位相遅れΔθjだけずらすことにより、配管内面の温度の時間変化を推定する。上記手順を行うことで、従来のような膨大な計算を必要とせず、配管内面の温度変化を短時間で且つ精度よく推定することができる。その結果、配管の熱疲労評価を従来に比して効率的に行うことが可能となる。 In the thermal fatigue evaluation method of the present invention, the time change of the internal surface temperature of the structure and the time change of the external surface temperature are expressed in a form developed by Fourier series so as to satisfy the heat conduction equation. By comparing each Fourier series expansion term of time change, a coefficient ratio M j and a phase delay Δθ j of each Fourier series expansion term are obtained. Then, the outer surface temperature of the pipe is measured with a temperature sensor, the outer surface measured temperature is expanded by a Fourier series, the coefficient of each Fourier series expansion term of the outer surface measured temperature is multiplied by the coefficient ratio M j , and each Fourier series expansion is performed. By shifting the phase of the term by the phase delay Δθ j , the time change of the temperature of the pipe inner surface is estimated. By performing the above procedure, it is possible to accurately estimate the temperature change of the inner surface of the pipe in a short time without requiring a huge calculation as in the prior art. As a result, the thermal fatigue evaluation of piping can be performed more efficiently than in the past.
また、本発明の熱疲労評価方法によれば、構造物の軸線に垂直な断面内において温度分布をもつ場合においても、従来のような膨大な計算を必要とせず、構造物の内面の温度分布及び温度変化を短時間で且つ精度よく算出することができる。 Further, according to the thermal fatigue evaluation method of the present invention, even in the case where the temperature distribution is in a cross section perpendicular to the axis of the structure, the temperature distribution on the inner surface of the structure is not required, as in the conventional case. In addition, the temperature change can be calculated accurately in a short time.
また、本発明の熱疲労評価方法によれば、構造物に掛かる負荷を精度よく評価することができ、構造物を交換又は修理する時期等を正確に予測することができる。 Moreover, according to the thermal fatigue evaluation method of the present invention, it is possible to accurately evaluate the load applied to the structure, and accurately predict when to replace or repair the structure.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited by the mode for carrying out the invention. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
本発明に係る熱疲労評価方法は、例えば加圧水型原子力プラント(PWR:Pressurized Water Reactor)や沸騰水型原子力プラント(BWR:Boiling Water Reactor)等の原子力プラントに設けられる配管の熱疲労損傷を評価するのに好適に用いられる。なお、以下では配管の熱疲労を評価する場合について説明するが、評価対象となる構造物は配管に限定されるものではなく、原子炉容器や溶融炉など流体(気液二相の流れを含む)を流通させる中空部を有する管状の構造物全般が評価対象となる。 The thermal fatigue evaluation method according to the present invention evaluates thermal fatigue damage of piping provided in a nuclear power plant such as a pressurized water nuclear plant (PWR: Pressurized Water Reactor) or a boiling water nuclear plant (BWR: Boiling Water Reactor). It is used suitably for. In addition, although the case where thermal fatigue of piping is evaluated below is described, the structure to be evaluated is not limited to piping, and fluids such as reactor vessels and melting furnaces (including gas-liquid two-phase flows) General tubular structures having a hollow portion through which the gas is distributed are to be evaluated.
[実施例1]
図1は、評価対象となる円形の配管10を軸線に直交する面で切断した断面図である。図示は省略するが、配管10の中空部11には流体が流れているものとする。また、図1では、配管内面(内表面)12から配管内部13を通じて配管外面(外表面)14に温度が伝わる様子が概念的に示されている。図中、符号15は、配管内面12の温度の変動(振動)を示し、符号16は、配管外面14の温度の変動(振動)を示している。配管10の外面における所定部位には、配管外面14の温度を検出する熱電対等の温度センサ17が設置されており、温度センサ17の検出信号は、熱疲労評価を実行する解析装置(図3を参照)に入力されるように構成されている。
[Example 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
図2は、実施例1の熱疲労評価方法の手順を示すフローチャートである。実施例1の熱疲労評価方法では、まず、配管内面12の時間変化と配管外面14の温度の時間変化を、熱伝導方程式を満たすようにフーリエ級数で展開した形式で表し、内面温度の時間変化と外面温度の時間変化の各フーリエ級数展開項を比較することにより、各フーリエ級数展開項の係数比Mjと位相遅れΔθjとを求め、各フーリエ級数展開項ごとに係数比Mj及び位相遅れΔθjについてのデータベースを予め作成しておく(第1工程:ステップS01)。次いで、温度センサ17によって配管外面14の温度を測定する(第2工程:ステップS02)。次いで、測定した配管外面14の測定温度をフーリエ級数で展開し、ステップS01で求めた係数比Mjと位相遅れΔθjとを用いて、逆解析手法により配管内面12の温度の時間変化を算出する(第3工程:ステップS03)。次いで、ステップS03で求めた配管内面12の温度を境界条件として、熱伝導方程式を解くことにより、配管内部13の温度変化を算出する(第4工程:ステップS04)。次いで、この配管内部13の温度変化を用いて熱応力解析を行うことにより、評価対象部位に作用する熱応力を算出する(第5工程:ステップS05)。そして、ステップS05で求めた熱応力に基づいて評価対象部位の熱疲労損傷計算を行う(第6工程:ステップS06)。
FIG. 2 is a flowchart illustrating the procedure of the thermal fatigue evaluation method of the first embodiment. In the thermal fatigue evaluation method of the first embodiment, first, the time change of the pipe
上記の第1工程〜第6工程(ステップS01〜S06)は、コンピュータと、そのコンピュータに実行させるプログラムによって実現することができ、そのプログラムは、コンピュータが読み取り可能なハードディスク、フレキシブルディスク(FD)、CD−ROM、MO、DVDなどの記録媒体に格納することができる。また、このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。 The first to sixth steps (steps S01 to S06) can be realized by a computer and a program executed by the computer. The program includes a computer-readable hard disk, a flexible disk (FD), It can be stored in a recording medium such as a CD-ROM, MO, or DVD. This program can be distributed via a network such as the Internet.
以下では、まず、実施例1の熱疲労評価方法の概念、及び、各工程で算出するデータの内容について説明する。 Below, first, the concept of the thermal fatigue evaluation method of Example 1 and the contents of data calculated in each step will be described.
(第1工程:係数比及び位相遅れの算出)
実施例1では、配管10を無限平板とみなし、且つ、配管内面12の全体が一様な温度であり、さらに配管外面14の全体も一様な温度であるとみなして、一次元の数理解を算出する。
(First step: calculation of coefficient ratio and phase delay)
In the first embodiment, the
配管内部の温度Tをeat+bxの形で表せるとする。ここで、xは壁面に垂直な方向にとった座標で、配管内面12でx=0、配管外面14でx=h(h:板厚)である。これを熱伝導方程式に代入して以下の(数1)式が得られる。この(数1)式に、x=0およびx=hを代入すると、以下の(数2)、(数3)式のように配管内外面の温度が表される。
次に、(数2)、(数3)式において内外面のフーリエ級数展開した各項のj番目同士を比較することにより係数の比を求める。その結果、求めたj番目フーリエ級数項の係数の比(係数比)をMj(j=1,2,・・)とする。ここで係数比Mjは、図1に示すように、配管内面12での温度の振動15が配管内部13を通じて配管外面14に伝わり、配管外面14の温度の振動16になったとき、振幅が1/Mjに減衰していることを表しており、係数比Mjの逆数は減衰率に対応する。
Next, the ratio of the coefficients is obtained by comparing j-ths of the terms in the Fourier series expansion of the inner and outer surfaces in the formulas (2) and (3). As a result, the ratio of the obtained j-th Fourier series term coefficient (coefficient ratio) is M j (j = 1, 2,...). Here, as shown in FIG. 1, the coefficient ratio M j is such that when the
さらに、(数2)、(数3)式において内外面のフーリエ級数展開した各項のj番目同士を比較することにより位相遅れΔθjを求めておく。ここで、Δθjは、配管内面12での温度の振動15が位相Δθjだけ遅れて配管外面14に伝わり、配管外面14の温度の振動16になることを表している。上記の係数比Mj及び位相遅れΔθjは、下記の(数4)式で表される。
以上の方法により求めた係数比Mj及び位相遅れΔθjのデータベースを構築しておく。ここで、データベースは、第1工程の演算を実行するコンピュータにおけるハードディスク等の情報記録媒体、あるいは、コンピュータ外部に設けられた情報記録媒体に構築される。 A database of the coefficient ratio M j and the phase delay Δθ j obtained by the above method is constructed. Here, the database is constructed on an information recording medium such as a hard disk in a computer executing the calculation of the first step, or an information recording medium provided outside the computer.
(第2工程:配管外面温度の測定)
図1に示すように、温度センサ17を用いて、配管外面14の一箇所の温度の時間変化を測定する。温度センサ17の検出信号は、解析装置20(図3を参照)に入力される。
(2nd step: Measurement of pipe outer surface temperature)
As shown in FIG. 1, a
(第3工程:配管内面温度の算出)
次に、第2工程で測定した配管外面14の測定温度から配管内面12の温度の時間変化を推定する逆解析手法について説明する。第2工程で測定した配管外面14の測定温度Toutをフーリエ級数で展開した結果を、下記の(数5)式で表す。
Next, an inverse analysis method for estimating the time change of the temperature of the pipe
そして、上述したデータベースに格納されている係数比Mj及び位相遅れΔθjを用いて、上記(数5)式の各フーリエ級数展開項の係数aj、bjに係数比Mjを乗ずる操作、及び、上記(数5)式の各フーリエ級数展開項の位相をΔθjずらす操作を行う。すると、配管内面12の温度の時間変化Tinは、下記の(数6)式のように表される。
このように、配管外面14及び配管内面12の温度の時間変化をフーリエ級数で展開した形式で表現し、フーリエ級数の各項ごとに独立して係数比Mjと位相遅れΔθjについてのデータベースを作成しておき、その値を用いて、配管外面14の測定温度から配管内面12の温度を推定する逆解析を行うようにしたので、従来のような膨大な計算を必要とせず、短時間で且つ精度よく配管内面12の温度の時間変化を推定することができる。
Thus, the time change of the temperature of the pipe
(第4工程:配管内部温度の算出)
上記第3工程により算出した配管内面12の温度の時間変化を境界条件として、熱伝導方程式を数値計算により解き、配管内部13の各点における温度の時間変化を求める。
(4th step: Calculation of pipe internal temperature)
Using the time change of the temperature of the pipe
(第5工程:熱応力算出工程)
上記の第4工程で求めた配管内部13の各点における温度の時間変化を用いて、配管10に発生する熱応力の分布と時間変化を算出する。熱応力分布と時間変化は、下記の(数7)式から求めることができる。数値計算によって内面のステップ的な温度変化に対する応力の変化を、有限要素法や有限差分法等を用いて算出しておき、内面の温度変化量に応じて、重ね合わせて応力変化を得る。
The distribution and temporal change of the thermal stress generated in the
(第6工程:熱疲労損傷計算工程)
上記の第5工程で求めた熱応力の時間変化に基づいて、評価対象部位の熱疲労損傷計算を行う。本実施例では、熱疲労損傷計算の一例として、以下に説明するように疲労累積損傷係数を求める。
(6th process: Thermal fatigue damage calculation process)
Based on the temporal change of the thermal stress obtained in the fifth step, the thermal fatigue damage calculation of the evaluation target part is performed. In this embodiment, as an example of thermal fatigue damage calculation, a fatigue cumulative damage coefficient is obtained as described below.
まず、配管10に発生する熱応力σと、熱応力が配管10に何回生じた場合に配管10が疲労限界に達したとみなすかという疲労限界回数Nとの関係を予め求めておく。例えば、10Mpa〜20MPaの熱応力が配管10に加わった場合の疲労限界回数Nmax1、20Mpa〜30Mpaの熱応力が配管10に加わった場合の疲労限界回数Nmax2を求めておく。同様に30MPa以上のすべての応力についても疲労限界回数を求めておく。
First, a relationship between the thermal stress σ generated in the
そして、上記の第5工程で求めた熱応力の時間変化から、10Mpa〜20MPaの応力が加わった回数N1、20Mpa〜30Mpaの熱応力が加わった回数N2を求める。同様に、30Mpa以上の熱応力についても回数を求める。次に、配管10の所定部位における疲労累積損傷係数Ufを、下記の(数8)式から求める。
そして、Uf<1であれば、配管10の所定部位の熱疲労度は限界に達しておらず、配管10を交換もしくは修理をする必要はないと判定する。一方、Uf>1であれば、配管10の所定部位の熱疲労度が限界に達しており、配管10を交換もしくは修理をする必要があると判定する。
If U f <1, it is determined that the thermal fatigue level of the predetermined portion of the
次に、上述した熱疲労評価方法を実行する解析装置について説明する。図3は、上述した熱疲労評価方法を実行する解析装置20の構成の一例を示したブロック図である。図3に例示される解析装置20は、パーソナルコンピュータ等の演算装置にプログラムを読み込ませることによって具現化されるもので、係数比及び位相遅れ算出部21と、配管外面温度測定部22と、配管内面温度算出部23と、配管内部温度算出部24と、熱応力算出部25と、疲労累積損傷係数算出部26とを備えている。係数比及び位相遅れ算出部21は、上述した係数比Mj及び位相遅れΔθjの各データを格納するデータベース27を備えている。
Next, an analysis apparatus that executes the above-described thermal fatigue evaluation method will be described. FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the
係数比及び位相遅れ算出部21は、上述した第1工程の演算処理を行うものである。具体的には、係数比及び位相遅れ算出部21は、上記(数4)式から係数比Mj及び位相遅れΔθjを算出し、算出した係数比Mj及び位相遅れΔθjをデータベース27に格納する。
The coefficient ratio and phase
配管外面温度測定部22は、上述した第2工程を行うものであり、温度センサ17からの検出信号に基づき配管外面14の温度を測定する。
The pipe outer surface
配管内面温度算出部23は、上述した第3工程の演算処理を行うものである。具体的には、配管内面温度算出部23は、配管外面温度測定部22から配管外面14の測定温度データを受け取り、この配管外面14の測定温度データをフーリエ級数で展開して上記(数5)式を作成する。そして、配管内面温度算出部23は、データベース27に格納された係数比Mj及び位相遅れΔθjとを用いて、(数5)式における各フーリエ級数展開項の係数aj、bjに係数比Mjを乗ずる処理、及び、(数5)式における各フーリエ級数展開項の位相をΔθjずらす処理を行うことにより、上記(数6)式、すなわち、配管内面12の温度の時間変化Tinを算出する。
The pipe inner surface temperature calculation unit 23 performs the arithmetic process of the third step described above. Specifically, the pipe inner surface temperature calculation unit 23 receives the measurement temperature data of the pipe
配管内部温度算出部24は、上述した第4工程の演算処理を行うものである。具体的には、配管内部温度算出部24は、配管内面温度算出部23から配管内面温度の時間変化のデータを受け取り、このデータを境界条件として、熱伝導方程式を有限要素法等の数値計算により解くことにより、熱配管内部13の各点における温度の時間変化を算出する。
The pipe internal
熱応力算出部25は、上述した第5工程の演算処理を行うものであり、配管内部温度算出部24から配管内部温度の時間変化のデータを受け取り、このデータを用いて、上記(数7)式から配管10に発生する熱応力の時間変化を算出する。
The thermal
疲労累積損傷係数算出部26は、上述した第6工程の演算処理を行うものであり、熱応力算出部25から熱応力データを受け取り、この熱応力データを用いて、上記(数8)式から配管10の所定部位における疲労累積損傷係数Ufを算出する。
The fatigue cumulative damage
なお、解析装置20の各部において算出した値は、ディスプレイやプリンタ等の出力手段(図示せず)を通じて出力を行うことが可能である。
The values calculated in each part of the
以上説明したように、実施例1の熱疲労評価方法では、まず、配管内面12の温度の時間変化及び配管外面14の温度の時間変化をフーリエ級数で展開した形式で表し、フーリエ級数の各展開項ごとに係数比Mj及び位相遅れΔθjについてのデータベースを予め作成する。そして、配管10の外面温度を温度センサで測定し、この外面測定温度をフーリエ級数で展開し、当該外面測定温度の各フーリエ級数展開項の係数に係数比Mjを乗じるとともに、各フーリエ級数展開項の位相をΔθjずらすことにより、配管内面12の温度の時間変化を推定する。このような手順を行うことで、従来のような膨大な計算を必要とせず、配管内面12の温度変化を短時間で且つ精度よく推定することが可能となる。その結果、配管10の熱疲労評価を従来に比して効率的に行うことが可能となる。
As described above, in the thermal fatigue evaluation method of the first embodiment, first, the time change of the temperature of the pipe
[実施例2]
次に、実施例2の熱疲労評価方法について説明する。なお、実施例2の熱疲労評価方法の手順は上述した実施例1と同じであるため、図2のフローチャートを使用して説明する。また、実施例2の熱疲労評価方法を実行する解析装置は、図3に示した実施例1の解析装置20と同じ構成であるため、図3の解析装置20を使用して説明する。
[Example 2]
Next, the thermal fatigue evaluation method of Example 2 will be described. In addition, since the procedure of the thermal fatigue evaluation method of Example 2 is the same as that of Example 1 mentioned above, it demonstrates using the flowchart of FIG. Moreover, since the analyzer which performs the thermal fatigue evaluation method of Example 2 is the same structure as the
上述した原子力プラントには、主配管から分岐する分岐管が多数設けられている。例えば主配管と分岐間の結合部など高温水と低温水とが合流する部位には、高温水と低温水の熱成層(高温流体と低温流体との間に形成される境界層)が形成され、この熱成層の界面の位置が分岐管内で時間とともに変動することが起こる。このため、配管内面の温度は一様ではなく、配管の中心軸線に垂直な断面において、配管周方向に温度分布が生じる。このような場合において、配管内面での周方向の温度分布を推定するために、以下の方法を適用する。 The nuclear power plant described above is provided with a number of branch pipes that branch from the main pipe. For example, thermal stratification (boundary layer formed between the high-temperature fluid and the low-temperature fluid) is formed at the portion where the high-temperature water and low-temperature water merge, such as the joint between the main pipe and the branch. In addition, the position of the interface of this thermal stratification varies with time in the branch pipe. For this reason, the temperature of the pipe inner surface is not uniform, and a temperature distribution is generated in the pipe circumferential direction in a cross section perpendicular to the central axis of the pipe. In such a case, the following method is applied to estimate the temperature distribution in the circumferential direction on the inner surface of the pipe.
(第1工程:係数比及び位相遅れの算出)
図4は、配管10を中心軸線に直交する面で切断した断面図である。図示は省略するが、配管10の中空部11には流体が流れているものとする。また、図4中の複数の矢印は、配管内面12の任意の点における温度が、配管内部13を通じて配管外面14の複数の点に伝わる様子を概念的に示している。
(First step: calculation of coefficient ratio and phase delay)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
この実施例2では、配管10の中心軸線に垂直な断面内において、配管内面12で周方向に温度分布をもち、配管10の長さ方向(軸線に平行な方向)の温度分布は一様であると仮定する。また、配管外面14も同様に、配管10の中心軸線に垂直な断面において、配管外面14で周方向に温度分布をもち、配管10の長さ方向(軸線に平行な方向)の温度分布は一様であると仮定する。この場合、配管外面14での各点での温度は、配管内面12におけるすべての点の温度によって決まる。
In the second embodiment, in the cross section perpendicular to the central axis of the
図4に示すように、配管10の中心軸線に垂直な断面内において、配管外面14及び配管内面12の各周方向に複数の点を設ける。配管外面14のn箇所の点(温度測定点)をBp(p=1,2,・・n)とし、それぞれの点での温度をToutp(p=1,2,・・n)とする。さらに、配管内面12のm箇所の点(温度推定点)をAq(q=1,2,・・m)とし、それぞれの点での温度をTinq(q=1,2,・・m)とする。
As shown in FIG. 4, a plurality of points are provided in each circumferential direction of the pipe
次に、上述した実施例1における第1工程(係数比及び位相遅れ算出工程)で適用した方法を拡張し、配管内面12の点Aqにおける温度の初期値からの増加量が、下記の(数9)式で表わすようにフーリエ級数で展開した形式で変化していると仮定する。
そして、上記(数9)式を境界条件として熱伝導方程式を数値計算により解き、配管外面14の点Bpにおける温度の時間変化を求める。そして、求めた配管外面14における温度の時間変化をフーリエ級数で展開した結果、下記の(数10)式で表せたとする。
次に、(数9)式における点Aqをフーリエ級数展開したj番目の項と、(数10)式における点Bpをフーリエ級数展開したj番目の項とを比較することにより係数の比を求める。その結果、求めたj番目フーリエ級数項の係数の比(係数比)をMjpq(j=1,2,・・)とする。ここで係数比Mjpqは、配管内面12での点Aqでの温度の振動が配管内部13を通じて配管外面14に伝わり、配管外面14の点Bpでの温度の振動になったとき、振幅が1/Mjpqに減衰していることを表しており、係数比Mjpqの逆数は減衰率Rjpqに対応する。
Next, the ratio of the coefficients is obtained by comparing the j-th term obtained by Fourier series expansion of the point A q in the equation (9) and the j-th term obtained by Fourier series expansion of the point B p in the equation (10). Ask for. As a result, the ratio of the obtained j-th Fourier series term coefficient (coefficient ratio) is M jpq (j = 1, 2,...). Here, the coefficient ratio M jpq has an amplitude when the vibration of the temperature at the point A q on the pipe
(数9)式と(数10)式とを用いて、減衰率Rjpq及び位相遅れΔθjpqを求める。さらに、減衰率Rjpq及び位相遅れΔθjpqとを用いて、複素係数Hjpqを下記の(数11)式で求める。
そして、以上の方法により求めた複素係数Hjpqを、図3に示した解析装置20の記憶領域に格納し、データベース27を構築しておく。
Then, the complex coefficient H jpq obtained by the above method is stored in the storage area of the
(第2工程:配管外面温度の測定)
図4に示すように、配管外面14の各点Bp(p=1,2,・・n)には温度センサ17が設けられている。そして、各温度センサ17により点Bp(p=1,2,・・n)の温度の時間変化を測定する。
(2nd step: Measurement of pipe outer surface temperature)
As shown in FIG. 4, a
(第3工程:配管内面温度の算出)
上記の第2工程で求めた配管外面14の点Bpでの測定温度をフーリエ級数で展開して、下記の(数12)式で表す。
The temperature measured at the point B p of an outer surface of a
一方、配管内面12の点Aqの温度変化はフーリエ級数で展開して、下記の(数13)式で表されると仮定する。
配管内面12の点Aqのすべての点(q=1〜m)での温度の時間変化は、配管内面14の点Bpの温度変化に表れることより、(数12)式はデータベース27に格納されている複素係数Hjpqを用い、下記の(数14)式で表される。
これは配管内面12の点Aqの全ての点のフーリエ級数の係数と配管外面14の点Bpの全ての点のフーリエ級数の係数との連立一次方程式になる。ここで、(数12)式と(数14)式のフーリエ級数の係数の関係は周波数領域で独立して算出することが可能であるので、j番目のフーリエ級数の係数だけの連立一次方程式になる。
This is a simultaneous linear equation of the coefficients of the Fourier series at all points A q on the pipe
そこで、ΔToutjpをj番目のフーリエ級数を複素数(ajp+i・bjp)とし、ΔTinjqをj番目のフーリエ級数を複素数(cjq+i・djq)とすると、(数14)式は、下記の(数15)式のような形式で表すことができる。
ここで、行列の成分Hjpq(p=1,2,・・n、q=1,2,・・m)は複素数であり、RjpqとΔθjpqとに相当する情報をもつ。そして、上記の第1工程(ステップS01)においてMjpq及びΔθjpqからなるデータベースを予め作成する工程は、Hjpqからなるデータベースを予め作成しておく工程に対応する。 Here, the matrix component H jpq (p = 1, 2,... N, q = 1, 2,... M ) is a complex number and has information corresponding to R jpq and Δθ jpq . The step of creating a database consisting of M jpq and Δθ jpq in advance in the first step (step S01) corresponds to the step of creating a database consisting of H jpq in advance.
ここで、配管外面14の点Bpにおける温度は、配管内面12のすべての点における温度により決定されるが、Hjpqは、配管外面14の点Bpにおける温度の決定に、配管内面12の点Aqにおける温度が寄与する割合(クロスターム)を表わす量である。
Here, the temperature at the point B p on the pipe
さらに、上記の(数15)式を用いて、配管内面12の温度を以下のように求める。まず、(数15)式の行列Hを、対角成分のみを有する行列と非対角成分のみを有する行列とに分ける。
上記の(数16)式を下記の(数17)式のように変形する。
はじめにΔTinjqとして、適切な初期値を仮定する。そして、この初期値と測定で求めたΔToutjpとを(数17)式の右辺に代入し、左辺のΔTinjqを求める。求めたΔTinjqと、測定で求めたΔToutjpとを(数17)式の右辺に再び代入し、左辺のΔTinjqを求める。これを繰り返して、ΔTinjqが収束したことが確認されたならば、そのときの値をΔTinjqとする。通常は、上記操作を4、5回繰り返すことで、十分に収束する。 First , an appropriate initial value is assumed as ΔTin jq . Then, the initial value and ΔTout jp obtained by measurement are substituted into the right side of Equation (17) to obtain ΔTin jq on the left side. The obtained ΔTin jq and ΔTout jp obtained by the measurement are substituted again in the right side of Equation (17) to obtain ΔTin jq on the left side. If it is confirmed that ΔTin jq has converged by repeating this, the value at that time is set to ΔTin jq . Normally, the above operation is repeated 4 or 5 times to achieve sufficient convergence.
このような方法により、配管10の軸線に垂直な断面内において周方向に温度分布がある場合であっても、配管内面12の温度分布と温度変化を、短時間で且つ精度よく推定することが可能となる。
By such a method, even if there is a temperature distribution in the circumferential direction in a cross section perpendicular to the axis of the
なお、配管10の軸線に垂直な断面内において配管内面12で周方向に温度分布をもち、さらに、配管10の長さ方向(軸線に平行な方向)にも温度分布を持つ場合には、上記の(数15)式を拡張し、ΔToutjp、ΔTinjqを2次元の行列に、また、Hjpqを3次元のテンソルに拡張すればよい。
If the pipe
(第4工程:配管内部温度の算出)
上記の第3工程により配管内面12の温度分布と温度の時間変化を求めた後、求めた配管内面12の温度分布と時間変化を配管内面12における境界条件として、熱伝導方程式を数値計算により解き、配管内部13の各点における時間変化を求める。
(4th step: Calculation of pipe internal temperature)
After obtaining the temperature distribution of the pipe
(第5工程:熱応力算出)
上記の第4工程で求めた配管内部13の各点における温度の時間変化を用いて、配管10に発生する熱応力の分布と時間変化を算出する。熱応力分布と時間変化は、上記の(数6)式を用いる。
(5th step: thermal stress calculation)
The distribution and temporal change of the thermal stress generated in the
(第6工程:熱疲労損傷計算)
上記の第5工程で求めた熱応力の時間変化に基づいて、評価対象部位の熱疲労損傷計算を行う。熱疲労損傷計算は、実施例1と同様にして、配管10が疲労限界に達しているか否かを判定する。疲労累積損傷係数Ufは、実施例1で説明した(数7)式を用いて算出する。
(6th step: Thermal fatigue damage calculation)
Based on the temporal change of the thermal stress obtained in the fifth step, the thermal fatigue damage calculation of the evaluation target part is performed. The thermal fatigue damage calculation is performed in the same manner as in Example 1 to determine whether or not the
以上の実施例2における第1工程〜第6工程(ステップS01〜S06)は、コンピュータと、そのコンピュータに実行させるプログラムによって実現することができ、そのプログラムは、コンピュータが読み取り可能なハードディスク、フレキシブルディスク(FD)、CD−ROM、MO、DVDなどの記録媒体に格納することができる。また、このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。 The first to sixth steps (steps S01 to S06) in the second embodiment can be realized by a computer and a program executed by the computer. The program can be a computer-readable hard disk or flexible disk. (FD), CD-ROM, MO, DVD and the like can be stored. This program can be distributed via a network such as the Internet.
次に、実施例2の熱疲労評価方法を実行する解析装置について説明する。なお、実施例2の熱疲労評価方法を実行する解析装置の構成は、上述した実施例1で使用する解析装置20と同じ構成であるため、以下では図3を用いて説明する。実施例2の熱疲労評価方法を実行する解析装置20は、実施例1と同様に、係数比及び位相遅れ算出部21と、配管外面温度測定部22と、配管内面温度算出部23と、配管内部温度算出部24と、熱応力算出部25と、疲労累積損傷係数算出部26とを備えている。係数比及び位相遅れ算出部21は、上述した係数比Mjpq及び位相遅れΔθjpqからなる複素係数Hjpqの各データを格納する記憶領域であるデータベース27を備えている。
Next, an analysis apparatus that executes the thermal fatigue evaluation method of Example 2 will be described. In addition, since the structure of the analyzer which performs the thermal fatigue evaluation method of Example 2 is the same structure as the
係数比及び位相遅れ算出部21は、上述した第1工程の演算処理を行うものである。具体的には、係数比及び位相遅れ算出部21は、上記(数11)式から係数比Mjpqと位相遅れΔθjpqからなる複素係数Hjpqを算出し、算出した係数比Mjpq及び位相遅れΔθjpqからなる複素係数Hjpqをデータベース27に格納する。
The coefficient ratio and phase
配管外面温度測定部22は、上述した第2工程を行うものであり、温度センサ17からの検出信号に基づき配管外面14における各点Bpの温度を測定する。
The pipe outer surface
配管内面温度算出部23は、上述した第3工程の演算処理を行うものである。具体的には、配管内面温度算出部23は、配管外面温度測定部22から配管外面14における各点Bpの測定温度データを受け取り、この測定温度データをフーリエ級数で展開して上記(数12)式を作成する。そして、配管内面温度算出部23は、データベース27に格納された係数比Mjpq及び位相遅れΔθjpqとを用いて、(数12)式における各フーリエ級数展開項の係数ajp、bjpに係数比Mjpqを乗ずる処理、及び、(数12)式における各フーリエ級数展開項の位相をΔθjpqずらす処理を行うことにより、上記(数17)式、すなわち、配管内面12の点Aqでの温度の時間変化を算出する。
The pipe inner surface temperature calculation unit 23 performs the arithmetic process of the third step described above. Specifically, the pipe inner surface temperature calculation unit 23 receives the measurement temperature data of each point B p on the pipe
配管内部温度算出部24は、上述した第4工程の演算処理を行うものである。具体的には、配管内部温度算出部24は、配管内面12の点Aqでの温度の時間変化配のデータを受け取り、このデータを境界条件として、熱伝導方程式を適用した有限要素法等の数値計算を実行することにより、配管内部13の各点における温度の時間変化を算出する。
The pipe internal
熱応力算出部25は、上述した第5工程の演算処理を行うものであり、配管内部温度算出部24から配管内部温度の時間変化のデータを受け取り、このデータを用いて、上記(数7)式から配管10に発生する熱応力の時間変化を算出する。
The thermal
疲労累積損傷係数算出部26は、上述した第6工程の演算処理を行うものであり、熱応力算出部25から熱応力データを受け取り、この熱応力データを用いて、上記(数8)式から配管10の所定部位における疲労累積損傷係数Ufを算出する。
The fatigue cumulative damage
以上説明したように、実施例2の熱疲労評価方法では、配管10の軸線に垂直な断面内において、配管外面14の温度を測定するための複数の温度測定点Bp(p=1,2,・・n)を配管外面14に設けるとともに、配管内面温度の時間変化を推定するための複数の温度推定点Aq(q=1,2,・・m)を配管内面12に設ける。そして、第1工程において、上述した手順により温度測定点Bpと温度推定点Aqとの間で係数比MjpqとΔθjpqを求め、第2工程において、配管外面14における複数の温度測定点Bpにおける温度を測定し、第3工程において、複数の温度測定点Bpにおける温度をフーリエ級数で展開し、各フーリエ級数展開項の係数に係数比Mjpqを掛けるとともに、各フーリエ級数展開項の位相をΔθjpqずらすことにより、配管内面12における複数の温度推定点Aqの温度の時間変化を推定する。このような手順を行うことで、配管10の軸線に垂直な断面において配管10の周方向に温度分布をもつ場合においても、従来のような膨大な計算を必要とせず、配管内面12の温度分布及び温度変化を短時間で且つ精度よく推定することが可能となる。
As described above, in the thermal fatigue evaluation method of the second embodiment, a plurality of temperature measurement points B p (p = 1, 2) for measuring the temperature of the pipe
以上のように、本発明に係る熱疲労評価方法は、発電プラント等の配管の熱疲労評価に有用に用いられる。 As described above, the thermal fatigue evaluation method according to the present invention is usefully used for the thermal fatigue evaluation of piping such as a power plant.
10 配管(構造物)
11 中空部
12 配管内面
13 配管内部
14 配管外面
17 温度センサ
20 解析装置
21 係数比及び位相遅れ算出部
22 配管外面温度測定部
23 配管内面温度算出部
24 配管内部温度算出部
25 熱応力算出部
26 疲労累積損傷係数算出部
10 Piping (structure)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記構造物の内面温度の時間変化及び外面温度の時間変化を、熱伝導方程式を満たすようにフーリエ級数で展開した形式で表し、前記内面温度の時間変化と外面温度の時間変化の各フーリエ級数展開項を比較することにより、各フーリエ級数展開項の係数比Mj及び位相遅れΔθj(j=1,2,・・)とを求める第1工程と、
前記構造物の外面温度を温度センサで測定する第2工程と、
前記第2工程で測定した外面測定温度をフーリエ級数で展開し、当該外面測定温度の各フーリエ級数展開項の係数に前記第1工程で求めた係数比Mjを掛けるとともに、各フーリエ級数展開項の位相を、前記第1工程で求めた位相遅れΔθjだけずらすことにより、 前記構造物の内面温度の時間変化を推定する第3工程と、を有し、
前記第3工程で推定した前記内面温度の時間変化に基づいて前記構造物の熱疲労損傷度を判定することを特徴とする熱疲労評価方法。 A method for evaluating thermal fatigue of a tubular structure having a hollow portion through which a fluid flows,
The time variation of the inner surface temperature of the structure and the time variation of the outer surface temperature are expressed in a form expanded by Fourier series so as to satisfy the heat conduction equation, and each Fourier series expansion of the time variation of the inner surface temperature and the time variation of the outer surface temperature. A first step of determining the coefficient ratio M j and phase delay Δθ j (j = 1, 2,...) Of each Fourier series expansion term by comparing the terms;
A second step of measuring the outer surface temperature of the structure with a temperature sensor;
The outer surface measurement temperature measured in the second step is expanded by a Fourier series, the coefficient of each Fourier series expansion term of the outer surface measurement temperature is multiplied by the coefficient ratio M j obtained in the first step, and each Fourier series expansion term. And a third step of estimating a time change of the inner surface temperature of the structure by shifting the phase of the phase by the phase delay Δθ j obtained in the first step,
The thermal fatigue evaluation method characterized by determining the thermal fatigue damage degree of the said structure based on the time change of the said internal surface temperature estimated at the said 3rd process.
前記第1工程において、任意の前記温度測定点Bpと任意の前記温度推定点Aqとの間で係数比Mjpq及び位相遅れΔθjpqとを求め、前記第2工程において、前記複数の温度測定点Bpにおける温度を測定し、前記第3工程において、前記係数比Mjpq及び前記位相遅れΔθjpqを用いて、前記複数の温度推定点Aqの温度の時間変化を推定することを特徴とする請求項1に記載の熱疲労評価方法。 In a cross section perpendicular to the axis of the structure, a plurality of temperature measurement points B p (p = 1, 2,... N) for measuring the outer surface measurement temperature are provided on the outer surface of the structure. A plurality of temperature estimation points A q (q = 1, 2,... M) for estimating temporal changes in the inner surface temperature are provided on the inner surface of the structure,
In the first step, a coefficient ratio M jpq and a phase delay Δθ jpq are obtained between the arbitrary temperature measurement point B p and the arbitrary temperature estimation point A q, and in the second step, the plurality of temperatures The temperature at the measurement point B p is measured, and the time change of the temperature at the plurality of temperature estimation points A q is estimated using the coefficient ratio M jpq and the phase delay Δθ jpq in the third step. The thermal fatigue evaluation method according to claim 1.
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