JP2013160580A - 構造物の寿命診断装置、方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】構造物の寿命診断装置10は、周辺部位j(j=1〜6)の実測硬度Hv(j)actを入力する実測データ入力部11と、評価部位s及び周辺部位jの負荷応力σ(s),σ(j)並びにこれらの使用温度T(s),T(j)を入力する解析データ入力部20と、硬度演算式から周辺部位jの演算硬度Hv(j)estを導く第1硬度演算部17と、周辺部位の実測硬度Hv(j)acに周辺部位の演算硬度Hv(j)estが一致するよう複数のパラメータの一部を更新させるフィッティング部18と、評価部位sの負荷応力σ(s)及び使用温度T(s)並びに前記更新されたパラメータに基づいて前記硬度演算式から評価部位の演算硬度Hv(s)estを導く第2硬度演算部21と、を備える。
【選択図】 図1
Description
これらフェライト系耐熱鋼は、製造初期において優れた高温強度を有しているが、高温環境化で長時間使用されると、強度上の材質劣化が進行する。
このため定期検査時に、劣化・損傷部位の補修もしくは部材の交換等の対処をし、プラント運用中の機器破損を回避し、電力の安定的な供給を確保している。
また、昨今の火力発電プラントでは、従来においてベースロード運転が基本であった大型火力発電プラントにおいてさえも、負荷変動運転の採用が増えている。
これら寿命診断方法は、フェライト系耐熱鋼の実際の損傷態様において支配的なクリープ損傷の進行が、硬度低下の挙動に対応していることを利用している。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に示すように、第1実施形態に係る構造物の寿命診断装置10は、構造物30(図2)の評価部位sの周辺に位置する周辺部位j(j=1〜6)の実測硬度Hv(j)actを入力する実測データ入力部11と、この評価部位s及び周辺部位jの負荷応力σ(s),σ(j)並びにこれらの使用温度T(s),T(j)を解析データとして入力する解析データ入力部20と、負荷応力σ(j),使用温度T(j)及び運転時間tの変数並びに複数のパラメータに基づく硬度演算式(図4;式(2))から周辺部位jの演算硬度Hv(j)estを導く第1硬度演算部17と、周辺部位jの実測硬度Hv(j)actに周辺部位jの演算硬度Hv(j)estが一致するよう複数のパラメータの一部を更新させるフィッティング部18と、評価部位sの負荷応力σ(s)及び使用温度T(s)並びに前記更新されたパラメータに基づいて硬度演算式(図4;式(2))から評価部位sの演算硬度Hv(s)estを導く第2硬度演算部21と、を備えている。
このような構造物30において、クリティカルな損傷が発生する恐れの高い評価部位sは、表面形状がフラットでない応力集中部である。このような評価部位sは、表面の曲率が大きく硬度の実測データの精度が低いため、代わりにその周辺部位j(j=1〜6)の実測硬度Hv(j)actを取得し、実測データ入力部11に入力する。
なお評価部位sの選定は、このような温度分布及び応力分布に基づいて、過酷な条件により損傷の進展が見込まれる部分を判断する。
そして、選定された評価部位s及びその周辺部位jの負荷応力σ(s),σ(j)並びにこれらの使用温度T(s),T(j)を、解析データとして解析データ入力部20に入力する。
構造物は、製造段階において所定の熱処理(焼入れ、焼き戻し)により硬度調整された後は、使用の有無にかかわらず、時間経過とともに硬度が低下する軟化特性を有する。
このような、経時的に変化する軟化特性は、材料の種類により一意的に定まる情報であるので、データベース化されて、軟化特性データベース12に保存されている。
つまり、構造物30の構成材料の軟化特性データベース12(図3の実線で示すデータ)から見積もられる評価時点testの硬度Hvestと実測データ入力部11から入力された周辺部位j(j=7〜9)の平均した実測硬度Hv(j)actとの差分が、軟化特性データベース12から見積もられる使用開始時t0の硬度Hv0_estと真の初期硬度Hv0との差分に等しいとする仮定に基づいている。
ここで、平均した実測硬度Hv(j)actを導く周辺部位j(j=7〜9)は、評価部位sから離れて負荷応力σ(j)がほぼ0である部分を選択する。
α:析出物粒径と硬さの関係から得られる定数
β:転位密度と硬さの関係から決定する定数
χ,δ:クリープ試験により事前に仮決定する係数
C:析出物構成元素含有量(仮決定)
k:ボルツマン定数
Qd:析出物構成元素の自己拡散エネルギー
Qρ:無負荷状態における転位の活性化エネルギー
μ:せん断弾性率
そして、χ,δ,Cは、対象鋼種のクリープ試験やミルシート値を用いて仮決定され、初期硬度Hv0とともにパラメータ更新部15において更新の対象となる更新パラメータである。
この硬度演算式(図4;式(2))から導かれる演算硬度Hv(j)estは、析出物(炭窒化物等)の形状変化(粗大化/消失)が寄与する硬度Hv(j)pre(図4;式(2a))と、転位相互拘束が寄与する硬度Hv(j)dis(図4;式(2b))との加算結果で示される。
また図4;式(2b)で示される硬度Hv(j)disは、転位密度の現象速度が転位密度に依存すると仮定している。
そして、第1硬度演算部17は、負荷応力σ(j)、使用温度T(j)及び運転時間tの変数並びに複数のパラメータに基づいて硬度演算式(図4;(2))から周辺部位jの演算硬度Hv(j)estを導く。
つまり、フィッティング部18は、更新パラメータ(χ,δ,C,Hv0)をパラメータ更新部15で更新させながら、硬度演算式(図4;式(2))による演算を繰り返し、演算硬度Hv(j)est及び実測硬度v(j)actで表される目的関数(図5;式(3))が最小値を示す最適パラメータを決定する。
つまり、図5の軟化特性関数401,402,40nのグラフは、硬度演算式(図4;(2))に対し、パラメータ更新部15において更新された最適パラメータ及び固定パラメータを用い、それぞれ周辺部位j(j=1,2…n)における負荷応力σ(j)、使用温度T(j)を適用し、横軸を運転時間tとし縦軸を硬度として導かれている。
そして、導かれた軟化特性関数401,402,40n上に、対応する実測硬度Hv(j)act(j=1,2…n)が近似する様子が示されている。
そして第2硬度演算部21は、評価部位sの負荷応力σ(s)及び使用温度T(s)並びにこれらパラメータに基づいて硬度演算式(図4;記号jを記号sに変更した式(2))から評価部位sの演算硬度Hv(s)estを導く。
導かれた軟化特性関数40sは、実測不可能で応力集中する評価部位sの硬度Hv(s)estの挙動を示している。この評価部位sの軟化特性関数40sに基づいて、評価部位sの損傷の進行程度を高精度に定量化することができ、この評価部位sのクリープ軟化特性を高精度に予測することができる。
寿命推定部23は、第2硬度演算部21で演算された評価部位の硬度Hv(s)が、使用開始時の初期硬度Hv0から破断限界量ΔHvrupだけ低下した時点を寿命tLと推定する(図5;式(4))。さらに、この寿命tLと評価時点testの差が余命ということになる。
表示部24は、寿命tLもしくは余命の推定結果、又は軟化特性グラフ(図5)等をオペレータに対し表示する。
運転条件を模擬した構造解析により、運転中の構造物30の温度分布及び応力分布を得る。この温度分布及び応力分布に基づいて評価部位sを選定しその負荷応力σ(s)及び使用温度T(s)の解析データを取得する(S11)。
次に、構造物30の構成材料の軟化特性データベース(図3)及び実測硬度Hv(j)actに基づき、図4;式(1)から使用開始時t0の初期硬度Hv0を仮決定する(S14)。
さらに、周辺部位j(j=1〜n)の実測硬度Hv(j)actと演算硬度Hv(j)estが一致するよう変動パラメータを更新させ(S17;No)、図5;式(3)に基づく両者の乖離が最小になる最適パラメータを決定する(S17;Yes,S18)。
上述した第1実施形態では、評価部位sの実測硬度を得ることが困難なために、その周辺部位jの実測硬度Hv(j)actを構造物の寿命診断の拠り所とした。
第2実施形態は、構造物の形状に依存して、この周辺部位jの実測硬度Hv(j)actの点数を充分に確保できない場合を想定する。
つまり、第2実施形態では、図4;式(2a)(2b)に代入される初期硬度Hv0を、図7;式(5)に置き換えて、変動パラメータを減らし、最適パラメータを求める。
Claims (8)
- 構造物の評価部位の周辺に位置する周辺部位の実測硬度を入力する実測データ入力部と、
前記評価部位及び前記周辺部位の負荷応力並びにこれらの使用温度を解析データとして入力する解析データ入力部と、
前記負荷応力、前記使用温度及び運転時間の変数並びに複数のパラメータに基づく硬度演算式から前記周辺部位の演算硬度を導く第1硬度演算部と、
前記周辺部位の実測硬度に前記周辺部位の演算硬度が一致するよう前記複数のパラメータの一部を更新させるフィッティング部と、
前記評価部位の前記負荷応力及び前記使用温度並びに前記更新されたパラメータに基づいて前記硬度演算式から前記評価部位の演算硬度を導く第2硬度演算部と、を備えることを特徴とする構造物の寿命診断装置。 - 請求項1に記載の構造物の寿命診断装置において、
前記複数のパラメータの一つである使用開始時の初期硬度を、前記構造物の構成材料の軟化特性データベース及び前記実測硬度に基づき仮決定する初期硬度仮決定部を備えることを特徴とする構造物の寿命診断装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の構造物の寿命診断装置において、
前記フィッティング部は、前記複数のパラメータの一つである使用開始時の初期硬度も前記更新の対象に含めることを特徴とする構造物の寿命診断装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の構造物の寿命診断装置において、
前記評価部位の演算硬度が、使用開始時の初期硬度から所定の破断限界量だけ低下した時点を寿命と推定する寿命推定部を備えることを特徴とする構造物の寿命診断装置。 - 請求項1に記載の構造物の寿命診断装置において、
前記複数のパラメータの一つである使用開始時の初期硬度を、前記構造物の時効処理における構成材料の最大硬度に基づき仮決定することを特徴とする構造物の寿命診断装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の構造物の寿命診断装置において、
前記構造物の構成材料は高クロムフェライト系耐熱鋼であることを特徴とする構造物の寿命診断装置。 - 構造物の評価部位の周辺に位置する周辺部位の実測硬度を入力するステップと、
前記評価部位及び前記周辺部位の負荷応力並びにこれらの使用温度を解析データとして入力するステップと、
前記負荷応力、前記使用温度及び運転時間の変数並びに複数のパラメータに基づく硬度演算式から前記周辺部位の演算硬度を導くステップと、
前記周辺部位の実測硬度に前記周辺部位の演算硬度が一致するよう前記複数のパラメータの一部を更新させるステップと、
前記評価部位の前記負荷応力及び前記使用温度並びに前記更新されたパラメータに基づいて前記硬度演算式から前記評価部位の演算硬度を導くステップと、を含むことを特徴とする構造物の寿命診断方法。 - コンピュータに、
構造物の評価部位の周辺に位置する周辺部位の実測硬度を入力するステップ、
前記評価部位及び前記周辺部位の負荷応力並びにこれらの使用温度を解析データとして入力するステップ、
前記負荷応力、前記使用温度及び運転時間の変数並びに複数のパラメータに基づく硬度演算式から前記周辺部位の演算硬度を導くステップ、
前記周辺部位の実測硬度に前記周辺部位の演算硬度が一致するよう前記複数のパラメータの一部を更新させるステップ、
前記評価部位の前記負荷応力及び前記使用温度並びに前記更新されたパラメータに基づいて前記硬度演算式から前記評価部位の演算硬度を導くステップ、を実行させることを特徴とする構造物の寿命診断プログラム。
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CN113449395A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-28 | 西安热工研究院有限公司 | 一种基于离线检验的亚临界锅炉锅筒下降管与管座的状态评估方法 |
CN114062421A (zh) * | 2020-07-31 | 2022-02-18 | 麦克汰股份有限公司 | 结构物的寿命诊断方法及诊断系统 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60179628A (ja) * | 1984-02-28 | 1985-09-13 | Toshiba Corp | 金属部品のクリ−プ寿命決定方法 |
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