JP2015188928A - 寿命評価方法及び寿命評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接継手部の形状を考慮して、溶接継手部の寿命を精度良く評価することができる。【解決手段】溶接継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価方法において、主き裂を含む溶接継手部を模擬した応力解析モデルを解析して、溶接継手部に作用する応力を取得する応力取得工程Ｓ２と、溶接継手部に発生した主き裂の長さを取得する主き裂長さ取得工程Ｓ３と、取得した主き裂を含む溶接継手部を模擬したき裂評価モデルを生成するモデル生成工程Ｓ４と、応力取得工程Ｓ２において取得した応力に基づいて、き裂評価モデルを解析して、き裂評価パラメータを算出するき裂評価パラメータ算出工程Ｓ５と、算出したき裂評価パラメータに基づいて、クリープき裂伝播速度を算出するクリープき裂伝播速度算出工程Ｓ６と、算出したクリープき裂伝播速度に基づいて、溶接継手部の寿命を算出する寿命算出工程Ｓ７とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、高温機器に使用される耐熱鋼管の溶接部において、特に、異なる材料同士をつなぎ合わせて形成される異材継手部の寿命を評価する寿命評価方法及び寿命評価装置に関するものである。

蒸気タービンやボイラ等の高温配管には、使用温度によって低合金鋼や高クロム鋼が使用されており、材料が変わる接合部には低合金鋼と高クロム鋼との異材溶接継手が存在する。配管の溶接部は、高温・長時間の使用に伴って主としてクリープ損傷に起因する経年劣化が進行し、特に異種材料による溶接継手部（以下、異材継手部という）では異材継手部の界面にクリープ損傷が生じ、ラボでのクリープ破断試験では試験条件によっては界面破断を生じる場合があることが文献で報告されている。このため、配管の溶接部では、損傷の有無を定期的又は稼動状況等に応じて検査し、検査結果に基づき必要に応じて配管の寿命を診断している。異材継手部を対象とした損傷の検査手法として、水蒸気酸化スケールの厚さが温度と時間の関数であることに基づいて、水蒸気酸化スケールの厚さから、高温状態にあることで生じるクリープ疲労で発生するき裂による損傷度を評価診断する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この損傷診断方法では、所定のパラメータとして、管内面の水蒸気酸化スケールと、ボイラの起動停止回数とを含んでいる。

特開２００３−９０５０６号公報

しかしながら、従来方法は配管の外表面におけるき裂発生までの寿命を評価するものが一般的であり、たとえば超音波探傷検査（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ、以下、「ＵＴ検査」と称する。）で配管の内面や内部にき裂発生が検出された場合には適用できない。ここで、検出されたき裂が限界き裂深さに達する前に、取り替え等のメンテナンス処置を進める必要があるが、異材継手部周りの取り替えを行うためには、異材継手部を構成する材料を手配することになり、この手配に時間を要することから、暫定的に異材継手部を継続して使用する場合がある。このため、配管の内面や内部にき裂発生が検出された場合、限界き裂に達するまでのき裂伝播寿命を精度良く評価することが望まれている。

ここで、異材継手部の界面に発生したき裂は、高温下で熱応力、内圧および外力が作用することにより時間の経過に伴ってき裂が進展するが、このき裂の進展を評価するためのき裂評価モデルは、一般的に、簡易なき裂評価モデルが用いられている。この簡易なき裂評価モデルは、計算負荷が軽く、また、き裂の進展が安全側、すなわち、き裂の進展が進み易いモデルとなっている。一方で、異材継手部の形状は、必ずしも簡易なき裂評価モデルと一致する形状とはなっておらず、異材継手部の寿命を評価するにあたって、過剰に安全側に評価される可能性がある。

そこで、本発明は、異材継手部の形状を考慮して、異材継手部の寿命を精度良く評価することができる寿命評価方法及び寿命評価装置を提供することを課題とする。

本発明の寿命評価方法は、異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価方法において、前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬した応力解析モデルを解析して、前記異材継手部に作用する応力を取得する応力取得工程と、前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さを取得する主き裂長さ取得工程と、取得した前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬したき裂評価モデルを生成するモデル生成工程と、前記応力取得工程において取得した前記応力に基づいて、前記き裂評価モデルを解析して、き裂評価パラメータを算出するき裂評価パラメータ算出工程と、前記き裂評価パラメータ算出工程において算出した前記き裂評価パラメータに基づいて、クリープき裂伝播速度を算出するクリープき裂伝播速度算出工程と、前記クリープき裂伝播速度算出工程において算出した前記クリープき裂伝播速度に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する寿命算出工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の寿命評価装置は、異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価装置において、
前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬した応力解析モデルを解析することで得られる前記異材継手部に作用する応力と、前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さと、を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記応力及び前記主き裂の長さを用いて、前記異材継手部の寿命を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、前記記憶部に記憶された前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬したき裂評価モデルを生成し、前記記憶部に記憶された前記応力に基づいて、前記き裂評価モデルを解析して、き裂評価パラメータを算出し、算出した前記き裂評価パラメータに基づいて、クリープき裂伝播速度を算出し、算出した前記クリープき裂伝播速度に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出することを特徴とする。

この構成によれば、主き裂を含む異材継手部を模擬したき裂評価モデルを解析して、異材継手部の寿命を算出するための因子となるき裂評価パラメータを算出することができる。このため、異材継手部の形状に応じたき裂評価パラメータを算出することができるため、異材継手部の寿命を精度良く算出することができる。

また、前記き裂評価パラメータ算出工程では、前記応力取得工程において取得した前記応力のうち、前記主き裂の先端側における前記応力を用いて、前記き裂評価モデルを解析することが好ましい。

この構成によれば、主き裂の先端側における応力を用いることで、主き裂が進展する側の応力を適切に評価することができるため、異材継手部の寿命をより精度良く算出することができる。

図１は、内表面にき裂が発生した溶接継手部（の異材継手界面）を、軸方向に直交する面で切ったときの断面図である。 図２は、き裂が発生した溶接継手部を、軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。 図３は、本実施例に係る寿命評価装置のブロック図である。 図４は、本実施例に係る寿命評価方法に関するフローチャートである。 図５は、積分経路の定義に関する説明図である。

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。

本実施例に係る寿命評価方法は、異なる金属材料同士を溶接によりつなぎ合わせることで形成される溶接継手部（異材継手部）１０の寿命を推定する方法である。この寿命評価方法では、溶接継手部１０に発生した主き裂１１が、溶接継手部１０の厚み方向において、処置可能な限界き裂に達するまでの寿命を推定している。先ず、寿命評価方法の説明に先立ち、評価対象となる溶接継手部１０について説明する。

図１は、内表面にき裂が発生した溶接継手部（の異材継手界面）を、軸方向に直交する面で切ったときの断面図である。図２は、き裂が発生した溶接継手部を、軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。図３は、本実施例に係る寿命評価装置のブロック図である。図４は、本実施例に係る寿命評価方法に関するフローチャートである。図５は、積分経路の定義に関する説明図である。

図１及び図２に示すように、溶接継手部１０は、円筒形の第１母材１８と、円筒形の第２母材１９とを接合する、いわゆる溶金部である。第１母材１８は、高クロム鋼を用いて構成され、第１母材１８の第２母材１９側の端面には、インコネル（登録商標）等のニッケル基合金を用いてバタリング部１０ａが形成されている。第２母材１９は、低合金鋼を用いて構成され、第２母材１９の第１母材１８側の端面にも、インコネル等のニッケル基合金を用いてバタリング部１０ｂが形成されている。そして、第１母材１８のバタリング部１０ａと第２母材１９のバタリング部１０ｂとが突き合せて形成される開先に対し、インコネル等のニッケル基合金からなる溶加材を用いて溶接することにより、溶接継手部１０が形成される。このため、溶接継手部１０は、インコネル等のニッケル基合金を用いて構成される。

ここで、溶接継手部１０には、高温下で熱応力、内圧および外力が作用することにより時間の経過に伴ってクリープ損傷が進行していく。

次に、図１及び図２を参照して、溶接継手部１０に発生する主き裂１１について説明する。図２に示すように、主き裂１１は、主に、高クロム鋼を用いて構成される第１母材１８と、溶接継手部１０との界面に発生する。また、図１に示すように、主き裂１１は、例えば、第１母材１８及び第２母材１９の周方向の一部に亘って形成されている。この主き裂１１は、溶接継手部１０の厚さ方向に沿って伝播する。ここで、主き裂１１としては、単体のき裂１１であってもよいし、複数のき裂を厚さ方向に沿ってつなぎ合わせて単一のき裂とみなしたみなしき裂１１であってもよい。なお、主き裂１１の厚み方向における長さをａとする。

次に、溶接継手部１０の寿命を評価する寿命評価装置２０について説明する。寿命評価装置２０は、記憶部２１と、記憶部２１に格納されたデータに基づいて演算を行う演算部２２とを備えている。

記憶部２１は、溶接継手部１０に作用する作用応力に関するデータＤ１、溶接継手部１０周りの温度に関するデータＤ２、及び溶接継手部１０に発生する主き裂１１の長さに関するデータＤ３等が記憶されている。

作用応力に関するデータＤ１は、溶接継手部１０の応力解析（ＦＥＭ解析（有限要素解析））を行うことで得られるデータとなっている。具体的に、作用応力に関するデータＤ１を取得する場合、寿命評価装置２０は、主き裂１１を含む継手部の形状を模擬した応力解析モデルを生成する。そして、寿命評価装置２０は、応力解析モデルを応力解析することで、溶接継手部１０に作用する応力の分布を算出する。温度に関するデータＤ２は、溶接継手部１０周りの解析によって得られるデータとなっている。

主き裂１１の長さに関するデータＤ３は、溶接継手部１０の検査時において計測されることにより得られるデータとなっている。ここで、主き裂１１の長さは、図２に示す超音波探傷装置３０を用いて計測される。

ここで、超音波探傷装置３０は、溶接継手部１０近傍に配置される超音波探触子３１と、超音波探触子３１に接続された超音波探傷器３２とを備える。超音波探触子３１は、超音波を発信（照射）可能に構成されると共に、き裂等によって反射された超音波（反射波）を受信可能に構成されている。超音波探触子３１は、溶接継手部１０へ向けて、超音波を送信可能に設置される。超音波探傷器３２は、超音波探触子３１から照射する超音波の照射信号を生成すると共に、超音波探触子３１を介して入力された反射波の反射信号を取得している。そして、超音波探傷器３２は、反射波に基づいて、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを取得する。そして、超音波探傷装置３０によって探傷することで取得された溶接継手部１０の主き裂１１は、寿命評価装置２０に入力され、これにより、寿命評価装置２０は、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを取得する。

演算部２２は、記憶部２１に記憶された各種データに基づいて、主き裂１１が発生した溶接継手部１０の寿命を算出する演算処理を実行している。

ここで、主き裂１１の寿命を評価するにあたって用いられるき裂評価モデルは、溶接継手部１０の形状を模擬して生成される。つまり、図１に示すように、溶接継手部１０に発生した主き裂１１が、周方向の一部に亘って形成される場合、寿命評価装置２０は、主き裂１１を含む溶接継手部１０を模擬したき裂評価モデルを生成する。

そして、寿命評価装置２０は、生成したき裂評価モデルをき裂解析（ＦＥＭ解析）することで、き裂評価パラメータＣ^＊を算出している。ここで、Ｃ^＊は、下記する計算式（１）で表される。なお、計算式（１）は、弾塑性き裂成長評価パラメータＪ積分から、アナロジ（類推）によって導かれたものである。ここで、Ｊ積分については経路独立性が存在することから、Ｃ^＊積分も同様に経路独立性が存在する。よって、Ｃ^＊積分は、Ｊ積分のひずみεをひずみ速度ε’（つまり、（^・）付のε）に、変位ｕを、変位速度ｕ’（つまり、（^・）付のｕ）に置き換えることで定義される。

なお、計算式（１）に記載される各種パラメータは、下記のとおりである。
Ｃ^＊：Ｃ^＊積分（き裂評価パラメータ）
Γ：積分経路
Ｗ^＊：ひずみエネルギ密度
ｎ_ｉ：Γ上に立てた外向き単位法線ベクトルのｘ_ｉ成分
ｔ_ｉ（＝σ_ｉｊｎ_ｉ）：表面力
σ_ｉｊ：応力
ｕ_ｉ：変位
なお、ｕ_ｉ，１＝∂ｕ_ｉ／∂ｘ_１である。
（^・）付の記号：時間微分を表す。
ｓ：積分経路上のき裂先端からの距離
このとき、積分経路Γは、図５に示す経路で定義される。

また、Ｗ^＊は、下記する計算式（２）で表される。

なお、計算式（２）に記載される各種パラメータは、下記のとおりである。
ε_ｉｊ：ひずみ
σ_ｉｊ：応力

次に、図４を参照して、上記の記憶部２１及び演算部２２を備える寿命評価装置２０によって、主き裂１１が発生した溶接継手部１０の寿命を評価する演算処理（寿命評価方法）について説明する。

図４に示すように、寿命評価装置２０による溶接継手部１０の寿命の評価に先立ち、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の応力を取得すべく、寿命評価装置２０は、主き裂１１を含む溶接継手部１０の形状を模擬する応力解析モデルを生成する（ステップＳ１）。この後、寿命評価装置２０は、応力解析モデルをＦＥＭ解析することで、溶接継手部１０に作用する応力の分布を算出し、算出した応力を取得する（ステップＳ２：応力取得工程）。

続いて、図２に示す超音波探傷装置３０を用いて溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを計測する（ステップＳ３）。超音波探傷装置３０によって探傷することで取得された溶接継手部１０の主き裂１１は、寿命評価装置２０に入力され、これにより、寿命評価装置２０は、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを取得する（主き裂長さ取得工程）。

次に、寿命評価装置２０は、ステップＳ３において計測した主き裂１１を含む溶接継手部１０の形状を模擬するき裂評価モデルを生成する（ステップＳ４：モデル生成工程）。この後、寿命評価装置２０は、ステップＳ２において取得した応力をき裂評価モデルに与え、き裂評価モデルを計算式（１）に基づくＦＥＭ解析を実行することで、き裂評価パラメータを算出し、算出したき裂評価パラメータを取得する（ステップＳ５：き裂評価パラメータ算出工程）。ここで、寿命評価装置２０は、ステップＳ５において、き裂評価モデルに応力を与える場合、主き裂１１の先端側における応力を与え、この応力に基づいて、き裂評価モデルを解析する。

ステップＳ５において、き裂評価パラメータＣ^＊を算出すると、寿命評価装置２０は、き裂評価パラメータＣ^＊に基づいて、クリープき裂伝播速度を算出する（ステップＳ６：クリープき裂伝播速度算出工程）。ここで、き裂評価パラメータＣ^＊と、クリープき裂伝播速度は、所定の相関関係があることから、寿命評価装置２０は、き裂評価パラメータＣ^＊から所定の相関関係に基づいてクリープき裂伝播速度を算出する。

ステップＳ６において、クリープき裂伝播速度が算出されると、寿命評価装置２０は、下記する計算式（３）に基づいて、主き裂１１が進展する長さａを求める。なお、ｄａ／ｄｔは、クリープき裂伝播速度である。

そして、寿命評価装置２０は、進展する主き裂１１の長さａが、限界き裂に達するまでの時間を、溶接継手部１０の寿命として算出する（ステップＳ７：寿命算出工程）。なお、寿命評価装置２０は、主き裂１１の長さａが進展する毎に、き裂評価モデルを生成し、き裂評価モデルのＦＥＭ解析を繰り返し実行している。以上のように、寿命評価装置２０は、上記の一連のステップを実行することで、溶接継手部１０の寿命を算出し、溶接継手部１０の寿命を算出する演算処理を終了する。

以上のように、本実施例によれば、主き裂１１を含む溶接継手部１０を模擬したき裂評価モデルを解析して、溶接継手部１０の寿命を算出するための因子となるき裂評価パラメータＣ^＊を算出することができる。このため、溶接継手部１０の形状に応じたき裂評価パラメータＣ^＊を算出することができるため、溶接継手部１０の寿命を精度良く算出することができる。

また、本実施例によれば、主き裂１１の先端側における応力をき裂評価モデルに与えてＦＥＭ解析を行うことができるため、主き裂１１が進展する側の応力を適切に評価することができ、溶接継手部１０の寿命をより精度良く算出することができる。

１０ 溶接継手部
１０ａ 第１母材のバタリング部
１０ｂ 第２母材のバタリング部
１１ 主き裂
１８ 第１母材
１９ 第２母材
２０ 寿命評価装置
２１ 記憶部
２２ 演算部
３０ 超音波探傷装置
３１ 超音波探触子
３２ 超音波探傷器
Ｄ１ 作用応力に関するデータ
Ｄ２ 温度に関するデータ
Ｄ３ 主き裂の長さに関するデータ

Claims (3)

1. 異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価方法において、
   前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬した応力解析モデルを解析して、前記異材継手部に作用する応力を取得する応力取得工程と、
   前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さを取得する主き裂長さ取得工程と、
   取得した前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬したき裂評価モデルを生成するモデル生成工程と、
   前記応力取得工程において取得した前記応力に基づいて、前記き裂評価モデルを解析して、き裂評価パラメータを算出するき裂評価パラメータ算出工程と、
   前記き裂評価パラメータ算出工程において算出した前記き裂評価パラメータに基づいて、クリープき裂伝播速度を算出するクリープき裂伝播速度算出工程と、
   前記クリープき裂伝播速度算出工程において算出した前記クリープき裂伝播速度に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する寿命算出工程と、を備えることを特徴とする寿命評価方法。
2. 前記き裂評価パラメータ算出工程では、
   前記応力取得工程において取得した前記応力のうち、前記主き裂の先端側における前記応力を用いて、前記き裂評価モデルを解析することを特徴とする請求項１に記載の寿命評価方法。
3. 異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価装置において、
   前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬した応力解析モデルを解析することで得られる前記異材継手部に作用する応力と、前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さと、を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記応力及び前記主き裂の長さを用いて、前記異材継手部の寿命を算出する演算部と、を備え、
   前記演算部は、
   前記記憶部に記憶された前記主き裂を含む前記異材継手部を模擬したき裂評価モデルを生成し、
   前記記憶部に記憶された前記応力に基づいて、前記き裂評価モデルを解析して、き裂評価パラメータを算出し、
   算出した前記き裂評価パラメータに基づいて、クリープき裂伝播速度を算出し、
   算出した前記クリープき裂伝播速度に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出することを特徴とする寿命評価装置。

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