JP2014119422A - 内圧試験装置および内圧試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内圧クリープ試験を連続して安全に行う。
【解決手段】内圧試験装置は、中空円筒状で密閉された試験片３と、試験片３の内部に流体を流し込むポンプ５と、試験片３内の密封状態を保持するように試験片３に連結されてポンプ５に連結された配管部１９と、炉１とポンプ５との間に取り付けられた逆止弁７と、炉１と逆止弁７との間に取り付けられて試験片３の内部の内圧を測定する圧力計９と、内圧の測定値に基づいてポンプ５の駆動を制御する第１の制御器１１ａと、炉１と逆止弁７との間に取り付けられたドレン弁１３と、内圧の測定値に基づいてドレン弁１３の開閉を制御する第２の制御器１１ｂと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内圧試験装置およびその装置を用いた試験方法に関する。

高温で内圧が負荷されている機器の材料寿命評価を行う際には、一般的に単軸クリープ試験または内圧クリープ試験が用いられている。

単軸クリープ試験は、丸棒または角棒を高温に保持して、軸方向に引張応力を負荷する試験である。この単軸クリープ試験は、時間−ひずみデータを連続的に取得することが可能である。時間−ひずみデータは、所定の材料について高温特性評価を行う上で、重要なデータとなる。しかし、単軸クリープ試験は、実機の内圧応力を模擬することが困難である。

これに対して内圧クリープ試験は、チューブ状の試験片の両端にフタを溶接して、高温下に保持して、試験片内にガスまたは水蒸気を注入し、内圧を負荷する試験である。この内圧クリープ試験は、例えば、特許文献１に開示されているようなものが知られている。

特開２００５−００３４５８号公報

内圧クリープ試験は、単軸クリープ試験とは異なり、実機の応力状態を模擬することが可能となる。しかし、内圧クリープ試験は、時間−ひずみデータを取得することができない。すなわち、当該試験は試験片の変形挙動を連続的に取得することができない。

内圧クリープ試験において時間−ひずみデータを取得するためには、都度試験を中断して変形量を測定することが挙げられる。しかし、このような測定方法では、測定回数が限られること、試験時間・費用が拡大すること、昇温・降温を繰り返すため試験結果に悪影響を及ぼすこと等のデメリットが発生する。

上述の特許文献１に示す例では、試験片の破断時を判定できるが、継時的な変形挙動は把握できない。

また、内圧クリープ試験では、試験片の変形が進行すると試験片内の容積が大きくなり内部の圧力が低下してしまう。このとき、圧力を自動的に追加する機構を設けると、過昇圧が発生する可能性がある。過昇圧の発生は、試験を安全に行うことを困難にする要因となる。このため、自動的に圧力を追加する機構を設けずに、圧力低下時に作業者による手作業で対応することが多い。

本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、内圧クリープ試験を連続して安全に行うことを可能にすることである。

上記目的を達成するための本発明に係る内圧試験装置は、内部を所定の温度に保持可能な炉と、前記炉の内に配置されて、軸方向に長い中空円筒状で密閉された金属製の試験片と、前記炉の外に配置されて、前記試験片の内部に流体を流し込むためのポンプと、前記試験片内の密封状態を保持するように前記試験片に連結されて、前記炉を貫通するように配置されて、前記ポンプに連結された配管部と、前記炉と前記ポンプとの間の前記配管部に取り付けられて、前記炉の側から前記ポンプに向かう前記流体の流れを防止する逆止弁と、前記炉と前記逆止弁との間の前記配管部に取り付けられて、前記試験片の内部の内圧を測定するための圧力計と、前記圧力計の測定値に基づいて、前記ポンプの駆動を制御する第１の制御器と、前記炉と前記逆止弁との間の前記配管部に取り付けられたドレン弁と、前記圧力計の前記測定値に基づいて、前記ドレン弁の開閉を制御する第２の制御器と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る内圧試験装置は、その実施形態で、前記圧力計の測定値に基づいて、前記試験片の内部の容積を算出する演算部を設けることができる。

また、本発明に係る内圧試験装置は、その実施形態で、前記試験片の外周面に対向する前記炉の壁面に取り付けられて、前記炉の外側から前記試験片を視認可能な透光性の耐熱ガラスと、前記耐熱ガラスの外側に配置されて、前記試験片の外周にレーザ光を照射して前記試験片の外径を測定するレーザ変位計と、を設けることができる。

また、本発明に係る内圧試験装置は、その実施形態で、前記試験片の外周に貼付された少なくとも一つのひずみゲージを設けることができる。

また、本発明に係る内圧試験装置は、その実施形態で、前記試験片の内部には、酸化アルミニウムで形成された中子を複数充填することができる。

また、本発明に係る内圧試験装置は、その実施形態で、前記逆止弁と前記ポンプとの間の前記配管部に取り付けられて、前記ポンプが前記試験片に向かって流し込んだ前記流体の流量を測定する流量計を設けることができる。

また、本発明に係る内圧試験方法は、内部を所定の温度に保持可能な炉内に配置された中空円筒状で密閉された金属製の試験片の内圧を測定する内圧試験方法において、前記炉の温度を所定の温度で維持する温度維持工程と、前記試験片の内圧が所定の圧力なるまで、前記試験片の内部に流体を流し込む流入工程と、前記内圧を測定する内圧測定工程と、前記内圧測定工程中に、前記内圧が所定値より低くなるか否かを判定する第１の内圧値判定工程と、前記第１の内圧値判定工程で前記内圧が所定値よりも低い判定されたときに、前記流体を前記試験片の内部に流し込む第１の内圧調整工程と、前記内圧測定工程中に、前記内圧が所定値を超えるか否かを判定する第２の内圧値判定工程と、前記第２の内圧値判定工程で前記内圧が所定値を超えたと判定されたときに、前記流体を前記試験片の外部に排出して前記内圧を下げる第２の内圧調整工程と、前記内圧を体積に換算する体積算出工程と、前記体積算出工程で算出された前記体積に基づいて、所定の時刻で前記試験片の体積膨張量を算出する膨張量算出工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、内圧クリープ試験を連続して安全に行うことが可能になる。

図１は、本発明に係る第１の実施形態の内圧試験装置の概略ブロック図で、炉および試験片は断面で示している。 図２は、本発明に係る第２の実施形態の内圧試験装置の概略ブロック図で、炉および試験片は断面で示している。 図３は、本発明に係る第３の実施形態の内圧試験装置の概略ブロック図で、炉および試験片は一部断面で示している。

以下、本発明に係る内圧試験装置およびこの装置を用いた内圧試験方法の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の内圧試験装置は、内圧クリープ試験を行うための装置である。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の内圧試験装置の概略ブロック図で、炉１および試験片３は断面で示している。

先ず、本実施形態の内圧試験装置の構成について説明する。

この例の内圧試験装置は、試験片３と、炉１と、ポンプ５と、主配管１９と、排出用配管２３と、逆止弁７と、ドレン弁１３と、流量計１５と、二つの制御器、すなわち、第１の制御器１１ａおよび第２の制御器１１ｂと、を有する。さらに、内圧試験装置は、演算部１７、この例ではパーソナルコンピュータ１７（以下、ＰＣ１７と称す。）を有している。

炉１は、所定の温度を一定に保持することができる炉１で、数百度程度の温度を所定の時間保持することができる。

試験片３は、炉１の内で、炉１の内壁から所定の間隔を保つように配置される。試験片３の支持方法等は省略している。

詳細な図示は省略しているが、この試験片３は、中空円筒状の金属製の本体３ａと、この本体３ａの両端をふさぐ金属製のフタ３ｂと、で構成される。本体３ａは、軸方向（図１における左右方向）に長い部材である。各フタ３ｂは、本体３ａの両端に溶接等で固定されている。これにより、試験片３の内部は密閉された状態が保たれる。

試験片３の内部には、複数の中子４が充填されている。これらの中子４は酸化アルミニウムにより形成された球状体である。

ポンプ５は、炉１内の試験片３の内部に流体を流し込むためのもので、炉１の外に配置される。ここでの流体は、蒸気としている。

主配管１９は、一方の端部が試験片３内の密封状態を保持するように一方のフタ３ｂに連結される。反対側の端部は、ポンプ５に連結される。このとき、主配管１９は炉１を貫通するように配置される。この主配管１９は、試験片３に比べて、内圧に対する強度が高くなるように構成されている。

逆止弁７は、炉１とポンプ５との間の主配管１９に取り付けられて、炉１の側からポンプ５に向かう蒸気の流れ（逆流）を防止する。

圧力計９は、炉１と逆止弁７との間の主配管１９に取り付けられて、試験片３の内部の内圧を測定する。

ＰＣ１７は、圧力計９および第１の制御器１１ａそれぞれと、互いに電気的に接続されて通信可能である。ＰＣ１７は、圧力計９の測定値を読み込んで、この測定値に基づいて、第１の制御器１１ａに制御信号を送信するように構成されている。

第１の制御器１１ａは、ＰＣ１７から送信された制御信号に基づいてポンプ５の駆動を制御する。

主配管１９には、炉１と逆止弁７との間に分岐部２１が形成される。排出用配管２３は、この分岐部２１に連結されて、所定の方向に延びる。

ドレン弁１３は、排出用配管２３に取り付けられる。通常は閉じられた状態が保持されている。

第２の制御器１１ｂは、圧力計９および第２の制御器１１ｂそれぞれと、互いに電気的に接続されて通信可能である。第２の制御器１１ｂは、圧力計９の測定値を読み込んで、この測定値に基づいて、ドレン弁１３の開閉動作を制御する。

例えば、内圧が所定値を超えたとき（過昇圧の状態）になると、第２の制御器１１ｂは、ドレン弁１３を開くように制御する。詳細な作用については後述する。

続いて、本実施形態の内圧試験装置を用いた試験方法について図１を参照しながら説明する。

先ず、内圧を測定できる状態になるまでの手順を説明する。

初めに炉１内に試験片３を固定する。このとき、炉１の内壁から所定の間隔を保つように固定されて、試験片３の内部には中子４が充填されて、本体３ａにフタ３ｂが固定され密閉状態が保たれている。

次に、一方（図１における右方）のフタ３ｂに主配管１９の端部を連結する。このとき、主配管１９は炉１を貫通している。試験片３のフタ３ｂに主配管１９が連結されているときは、試験片３の内部が密閉されている。この後に、炉１内を所定の温度まで加熱する

所定の温度で安定した後に、ポンプ５を駆動して試験片３の内部に蒸気を流し込む。このとき、蒸気は逆止弁７により、試験片３からポンプ５への流れが防止されている。ここで、圧力計９により試験片３の内圧が測定されて、流量計１５により試験片３に流入される蒸気量が測定されている。

続いて、継時的に体積膨張を測定する手順について説明する。

圧力計９により、試験片３の内圧低下をモニタリングする。

圧力計９により測定された試験片３の内圧の測定値は、ＰＣ１７に取り込まれる。ＰＣ１７は、取り込んだ測定値に基づいて、圧力の低下量（ΔＰ）から体積膨張率（ΔＶ）を算出する。これは、例えば、式（１）に示す気体の状態方程式を用いることで、圧力の低下量から体積膨張率を求めている。
ΔＶ＝ｎＲＴ／ΔＰ …（１）

このときのＴは一定値としておく。

試験片３は、溶接による両端拘束を加味した変形モードを考慮すると、中空円筒状の本体３ａの軸方向中央が膨れるように変形することとなる。その結果、体積膨張量を試験片３の本体３ａの外径に換算して、外径の膨張率を求めることができる。この例では、外径の膨張率の演算はＰＣ１７で行わせている。

これにより、継時的に外径の膨張率を算出することができ、その結果、連続的に時間―変位曲線を得ることができる。

また、中子４を充填することで、試験片３内に流入できる蒸気が少なくなるため、圧力の検出感度が向上する。これは、試験片３の内部の蒸気量に対して体積膨張量の比率が向上するためである。この例では、中子４を酸化アルミニウムで形成しているため、中子４の体積膨張の考慮は不要である。

このまま体積膨張が起こり続けると、試験片３の変形が進行する。これにより、試験片３の内部の容積が大きくなり内力が低下してしまう。また、内圧クリープ試験を安定して行うためには、試験片３の内圧を規定範囲内に収まるようにする必要がある。

ＰＣ１７は、取り込んだ測定値が規定範囲の下限より低いか否かを判定する。低いと判定されたときは、ＰＣ１７は、第１の制御器１１ａに対して、ポンプ５を駆動して試験片３内に蒸気を流入する旨の制御信号を送信する。当該制御信号を受信した第１の制御器１１ａは、ポンプ５を駆動して蒸気を試験片３に流入させる。

流入した蒸気量は、流量計１５により測定される。試験片３に流入された蒸気量を測定することで、試験片３が膨張した量、すなわち体積膨張量を算出できる。流量計１５による体積膨張量は、上述の状態方程式により換算した体積膨張量の信頼性を補うことが可能である。

続いて、過昇圧の抑制手順について説明する。

第２の制御器１１ｂは、取り込んだ測定値が規定範囲の上限より高いか否かを判定する。高いと判定されたとき、すなわち、過昇圧と判定されたときは、第２の制御器１１ｂは、ドレン弁１３を開いて試験片３内に蒸気を排出する。その後、内圧が規定範囲内になったら、第２の制御器１１ｂによってドレン弁１３を再び閉止する。

これにより、過昇圧による試験片３の破裂等を回避することができる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、内圧を規定範囲内に保ちながら、継時的に体積膨張を算出することができ、内圧クリープ試験中に連続的に時間−変位曲線を得ることが可能になる。これにより、高温強度特性評価および解析に必要となるデータを実機の使用条件に近い試験で取得することができるようになる。

また、従来は試験中の圧力調整は手動で行っていたため圧力変動が生じていたが、本実施形態によれば、内圧の変動を抑制しながら自動で圧力を所定の範囲に保つことが可能となる。

その結果、内圧クリープ試験を連続して安全且つ安定的に行うことが可能になる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態の内圧試験装置の概略ブロック図で、炉１および試験片３は断面で示している。本実施形態は、第１の実施形態（図１）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の内圧試験装置は、２枚の耐熱ガラス、すなわち、第１の耐熱ガラス２５ａおよび第２の耐熱ガラス２５ｂと、二つのレーザ変位計、すなわち、第１のレーザ変位計２７ａおよび第２のレーザ変位計２７ｂと、を有する。

炉１は、試験片３の本体３ａの外周面に対向する壁面の所定の位置が開口している。この開口を塞ぐように、第１の耐熱ガラス２５ａが取り付けられている。また、第１の耐熱ガラス２５ａに対向する壁面も開口している。この開口を塞ぐように第２の耐熱ガラス２５ｂが取り付けられている。

第１の耐熱ガラス２５ａおよび第２の耐熱ガラス２５ｂは、共に透光特性を有し、炉１の外部から内部を視認可能である。

第１のレーザ変位計２７ａは、炉１の外側で第１の耐熱ガラス２５ａを介して本体３ａの外周面にレーザ光を照射可能な位置に配置されている。第２のレーザ変位計２７ｂは、炉１の外側で第２の耐熱ガラス２５ｂを介して本体３ａの外周面にレーザ光を照射可能な位置に配置されている。

第１のレーザ変位計２７ａおよび第２のレーザ変位計２７ｂは、試験片３の外周にレーザ光を照射して試験片３の外周面の変位を測定する。この変位量が外径の膨張量となる。

レーザ光を照射する位置は、第１の実施形態（図１）で説明した試験片３の変形モードを考慮して、変形が最大になる本体３ａの軸方向中央部とする。この例では、レーザ光同士が同じ直線状にあるように配置されている。

試験片３の本体３ａが軸対象に変形すると仮定した場合には、耐熱ガラスを透過できる位置であれば、レーザ光同士でなす角度を任意に設定してもよい。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、外径を直接的に測定することが可能になる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態の内圧試験装置の概略ブロック図で、炉１および試験片３は一部断面で示している。本実施形態は、第１の実施形態（図１）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の内圧試験装置は、試験片３の本体３ａの外周面にひずみゲージ２９が貼付されている。図３では、ひずみゲージ２９の配線等の図示は省略している。このひずみゲージ２９は、高温用で９５０度程度までの温度下で使用できるものを用いるのがよい。

このひずみゲージ２９により、周方向の伸びを検出することで、外径の変位を求めることができる。ひずみゲージ２９を貼付する位置は、第１の実施形態（図１）で説明した試験片３の変形モードを考慮して、変形が最大になる本体３ａの軸方向中央部とする。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、外径を直接的に測定することが可能になる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、ポンプ５を駆動する第１の制御器１１ａと、ドレン弁１３を駆動する第２の制御器１１ｂとが別体になっているが、これに限らない。第１の制御器１１ａおよび第２の制御器１１ｂを一つの制御器としてもよい。

また、第２の制御器１１ｂは、圧力計９の測定値が直接入力されるように構成されているが、これに限らない。例えば、ＰＣ１７が読み込んだ内圧の測定値に基づいて、第２の制御器１１ｂがドレン弁１３の開閉を制御してもよい。

また、第１の実施形態では、理想気体であることに基づいて体積膨張率を算出しているが、これに限らない。例えば、ファンデルワールスの状態方程式等を用いて、より高精度に体積膨張率を算出することも可能である。

また、第２の実施形態では、レーザ変位計を２台用いているがこれに限らない。１台または３台以上用いてもよい。同様に、第３の実施形態では、ひずみゲージ２９を１枚貼付した例で説明したがこれに限らない。ひずみゲージ２９を複数枚貼付してもよい。

また、第１の実施形態の特徴に、第２の実施形態の特徴を組み合わせてもよい。すなわち、体積膨張を気体の状態方程式から算出する方法と、レーザ変位計で直接的に外径変化を求める方法と、を互いに組み合わせてもよい。

同様に、第１の実施形態の特徴に、第３の実施形態の特徴を組み合わせてもよい。すなわち、体積膨張を気体の状態方程式から算出する方法と、ひずみゲージ２９で直接的に外周面のひずみを求める方法と、を互いに組み合わせてもよい。

さらに、第１〜第３の実施形態の特徴のすべてを互いに組み合わせてもよい。

１ 炉
３ 試験片
３ａ 本体
３ｂ フタ
４ 中子
５ ポンプ
７ 逆止弁
９ 圧力計
１１ａ 第１の制御器
１１ｂ 第２の制御器
１３ ドレン弁
１５ 流量計
１７ 演算部（パーソナルコンピュータ、ＰＣ）
１９ 主配管
２１ 分岐部
２３ 排出用配管
２５ａ 第１の耐熱ガラス
２５ｂ 第２の耐熱ガラス
２７ａ 第１のレーザ変位計
２７ｂ 第２のレーザ変位計
２９ ひずみゲージ

Claims (7)

1. 内部を所定の温度に保持可能な炉と、
   前記炉の内に配置されて、軸方向に長い中空円筒状で密閉された金属製の試験片と、
   前記炉の外に配置されて、前記試験片の内部に流体を流し込むためのポンプと、
   前記試験片内の密封状態を保持するように前記試験片に連結されて、前記炉を貫通するように配置されて、前記ポンプに連結された配管部と、
   前記炉と前記ポンプとの間の前記配管部に取り付けられて、前記炉の側から前記ポンプに向かう前記流体の流れを防止する逆止弁と、
   前記炉と前記逆止弁との間の前記配管部に取り付けられて、前記試験片の内部の内圧を測定するための圧力計と、
   前記圧力計の測定値に基づいて、前記ポンプの駆動を制御する第１の制御器と、
   前記炉と前記逆止弁との間の前記配管部に取り付けられたドレン弁と、
   前記圧力計の前記測定値に基づいて、前記ドレン弁の開閉を制御する第２の制御器と、
   を有することを特徴とする内圧試験装置。
2. 前記圧力計の測定値に基づいて、前記試験片の内部の容積を算出する演算部を有すること、を特徴とする請求項１に記載の内圧試験装置。
3. 前記試験片の外周面に対向する前記炉の壁面に取り付けられて、前記炉の外側から前記試験片を視認可能な透光性の耐熱ガラスと、
   前記耐熱ガラスの外側に配置されて、前記試験片の外周にレーザ光を照射して前記試験片の外径を測定するレーザ変位計と、
   を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内圧試験装置。
4. 前記試験片の外周に貼付された少なくとも一つのひずみゲージを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の内圧試験装置。
5. 前記試験片の内部には、酸化アルミニウムで形成された中子が複数充填されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の内圧試験装置。
6. 前記逆止弁と前記ポンプとの間の前記配管部に取り付けられて、前記ポンプが前記試験片に向かって流し込んだ前記流体の流量を測定する流量計を有していること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の内圧試験装置。
7. 内部を所定の温度に保持可能な炉内に配置された中空円筒状で密閉された金属製の試験片の内圧を測定する内圧試験方法において、
   前記炉の温度を所定の温度で維持する温度維持工程と、
   前記試験片の内圧が所定の圧力なるまで、前記試験片の内部に流体を流し込む流入工程と、
   前記内圧を測定する内圧測定工程と、
   前記内圧測定工程中に、前記内圧が所定値より低くなるか否かを判定する第１の内圧値判定工程と、
   前記第１の内圧値判定工程で前記内圧が所定値よりも低い判定されたときに、前記流体を前記試験片の内部に流し込む第１の内圧調整工程と、
   前記内圧測定工程中に、前記内圧が所定値を超えるか否かを判定する第２の内圧値判定工程と、
   前記第２の内圧値判定工程で前記内圧が所定値を超えたと判定されたときに、前記流体を前記試験片の外部に排出して前記内圧を下げる第２の内圧調整工程と、
   前記内圧を体積に換算する体積算出工程と、
   前記体積算出工程で算出された前記体積に基づいて、所定の時刻で前記試験片の体積膨張量を算出する膨張量算出工程と、
   を有することを特徴とする内圧試験方法。
   
   

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