JP2015505612A - 回転子材料の決定論的疲労寿命予測の方法及びシステム - Google Patents

Abstract

疲労寿命予測の方法は、対象物の臨界亀裂サイズを計算するステップと；対象物の超音波データの第一の欠陥を識別するステップと；第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は第一の欠陥が孤立しているかの決定を行うステップと；決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算するステップと；初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算するステップと、を備える。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１２年１月２３日出願の米国仮出願第６１／５８９４２６号の優先権を主張し、その開示全体が参照として本願に組み込まれる。

本発明は、回転子材料の疲労寿命予測に関する。

疲労寿命予測は、タービン発電機における重要な管理タスクである。キャスティング、バルブ、回転子の材料は、高温高圧環境における長期間稼働によって冶金学的に劣化する。破壊及びクリープによる亀裂が、過酷な状況における稼働年月において発生して発達し得る。確実な寿命予測法が、ライフサイクルコストを低減する保全及び修理計画のために当該分野において望まれている。

数十年間にわたる努力にもかかわらず、複数の困難及び課題が当該分野には残っている。高温高圧環境における疲労亀裂伝播は、複雑な動的プロセスであり、多くの専門分野及び経験的判断が関係している。過酷な環境下における疲労寿命予測においては、以下の二つの主な要因を注意深く含むようにしなければならない：（１）時間及び温度に依存した疲労及びクリープ疲労の亀裂成長；（２）多重亀裂相互作用、及びその最終的な疲労寿命に対する影響。疲労亀裂成長は、応力拡大係数だけではなく、Ｊ積分によるものである。多重亀裂の相互作用、又は亀裂と境界との間の相互作用が、応力拡大係数及びＪ積分に影響を与える。蒸気タービン又はガスタービンに対する典型的な負荷プロファイルにおける保持時間も、疲労亀裂成長に影響を与える。専門知識のない一般的なエンジニアが寿命予測を上手く行うことは簡単ではない。

このプロセスに必要とされる有用な経験的情報を管理することができるシステムが望まれている。

本発明の例示的な実施形態では、疲労寿命予測の方法は、対象物の臨界亀裂サイズを計算するステップと；対象物の超音波データの第一の欠陥を識別するステップと；第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は第一の欠陥が孤立しているかの決定を行うステップと；決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算するステップと；初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算するステップと、を含む。

対象物はタービン発電機の部品を含む。部品は回転子を含む。相互作用についての所定の基準に合致する場合に、第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用している。合体についての所定の基準に合致する場合に、第一の欠陥が第二の欠陥と合体する。

疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算するステップは、初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに合致するか又は超えるまで、繰り返される。

負荷周期は、対象物に印加される最少応力、対象物に印加される最大応力、対象物の温度暴露、及び、保持時間を含む。

本発明の例示的な実施形態では、疲労寿命予測のシステムは、プログラムを記憶するためのメモリデバイスと、メモリデバイスと通信するプロセッサと、を備え、プロセッサが、プログラムを用いて、対象物の臨界亀裂サイズを計算し、対象物の超音波データの第一の欠陥を識別し、第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は第一の欠陥が孤立しているかの決定を行い、決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算し、初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算する。

対象物はタービン発電機の部品を含む。部品は回転子を含む。相互作用についての所定の基準に合致する場合に、第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用している。合体についての所定の基準に合致する場合に、第一の欠陥が第二の欠陥と合体する。

プロセッサは、プログラムコードを用いて、初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに合致するか又は超えるまで、疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算することを繰り返す。

本発明の例示的な実施形態では、疲労寿命予測用のコンピュータプログラム製品は、コンピュータ可読プログラムコードを有する非一時的コンピュータ可読ストレージ媒体を備え、コンピュータ可読プログラムコードが、対象物の臨界亀裂サイズを計算するステップと；対象物の超音波データの第一の欠陥を識別するステップと；第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は第一の欠陥が孤立しているかの決定を行うステップと；決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算するステップと；初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算するステップとを行うように構成されている。

対象物はタービン発電機の部品を含む。部品は回転子を含む。相互作用についての所定の基準に合致する場合に、第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用している。合体についての所定の基準に合致する場合に、第一の欠陥が第二の欠陥と合体する。

疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算するステップが、初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに合致するか又は超えるまで、繰り返される

本発明の例示的な実施形態では、疲労寿命予測の方法は、対象物の臨界亀裂サイズを計算するステップと；対象物の第一の欠陥を識別するステップと；第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は第一の欠陥が孤立しているかの決定を行うステップと；決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算するステップと；初期亀裂サイズが臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる初期亀裂サイズの増大を計算するステップと、を含む。

第一の欠陥及び第二の欠陥は非超音波データを用いて発見される

多様な幾何学的構成についての亀裂先端（Ａ及びＢ）の拡大比率を示す。 多様な幾何学的構成についての亀裂先端（Ａ及びＢ）の拡大比率を示す。 多様な幾何学的構成についての亀裂先端（Ａ及びＢ）の拡大比率を示す。 多様な幾何学的構成についての亀裂先端（Ａ及びＢ）の拡大比率を示す。 相互作用の説明図である。 合体の説明図である。 遠隔張力下での平坦な歪みにおけるダブルエッジノッチパネル（ＤＥＮＯ）に対するｈ（ａ／ｗ，ｎ）の応答曲面を示す。 遠隔張力下での平坦な歪みにおけるセンタークラックパネル（ＣＣＰＬ）に対するｈ（ａ／ｗ，ｎ）の応答曲面を示す。 本発明の例示的な実施形態を実現可能なシステムソフトウェアプラットフォームを示す。 本発明の例示的な実施形態に係る図６のシステムソフトウェアプラットフォームの疲労寿命予測モジュールを示す。 本発明の例示的な実施形態に係る亀裂成長及び寿命計算のフローチャートである。 超音波検査データから計算された応答画像を示す。 超音波検査データから計算された応答画像を示す。 本発明の例示的な実施形態に従って計算された欠陥の疲労亀裂成長軌跡を示すグラフである。 本発明の例示的な実施形態を実施可能なコンピュータシステムを示す。 一対の表を示す。 表を示す。 三つの例示的な負荷周期を示す。

本発明の例示的な実施形態によると、時間依存疲労クリープ破壊分析用の方法論が提供される。本方法論は、破壊力学及び塑性に基づいていて、特にプログラミング用に設計される。多重亀裂間の相互作用、及び亀裂と回転子表面との間の相互作用が系統的に含まれる。本方法論は、Ｓｉｅｍｅｎｓ ＡｕｔｏＮＤＥ等のエキスパートシステムソフトウェア（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏを用いて実行され、十分な三次元（３Ｄ）可視化性能を有する）に実装され得る。本システムは、確率論的疲労寿命予測用の非破壊評価（ＮＤＥ，ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）試験を直接サポートする。

本開示は以下のように体系化される。まず、高温での時間及び温度依存の疲労亀裂伝播の理論的基礎が提供される。また、開発されたモデルを用いた疲労寿命予測の決定論的分析が提供される。第二に、亀裂‐亀裂条件と、亀裂‐表面条件についての相互作用の基準が、本発明の例示的な実施形態に従って説明される。次に、本発明の例示的な実施形態を組み込んだモジュールを備えたエキスパートシステムＡｕｔｏＮＤＥが紹介される。これに続いて、例を用いて、本発明の方法論及びエキスパートシステムソフトウェアのデモンストレーションを行う。最後に、結論を与える。

一般的な疲労寿命予測方法論

このセクションでは、高温における疲労寿命予測の方法論、並びに、クリープ疲労亀裂成長モデル、亀裂伝播の時間及び温度依存性について述べる。

疲労亀裂成長モデル

高温における亀裂サイズの増分は、一般的に以下のように表される、
ここで、ａは亀裂サイズであり、Ｎは周期的負荷の回数である。

第一項は、純粋な疲労の寄与を記述する。以下の式のパリスモデルは、式（１）の第一項について最も一般的に用いられるモデルの一つである、
ここで、Ｃ_０及びｎ_０は実験データから推定された二つのモデルパラメータである。ΔＫは、周期的応力拡大範囲である。

式（１）の第二項は、時間依存のクリープ又は疲労クリープの寄与を記述し、［ｄａ／ｄｔ］_ａｖｅは平均亀裂成長率であり、ｔ_ｈは保持時間である。（Ｃ_ｔ）_ａｖｅを用いて、台形負荷波形についての時間依存亀裂成長を相関させることができる。保持時間ｔ_ｈ中において、（Ｃ_ｔ）_ａｖｅは以下のように定義される
Ｃ_ｔパラメータについての以下の表現は、広範なクリープ条件に対してクリープ亀裂成長率を表すことが分かっている
ここで、（Ｃ_ｔ）_ＳＳＣは、小規模クリープ（ＳＳＣ，ｓｍａｌｌ ｓｃａｌｅ ｃｒｅｅｐ）領域における（Ｃ_ｔ）の値を表し、Ｃ^＊（ｔ）は、小規模クリープ条件と広範囲クリープ条件との間の移行領域におけるＣ^＊の時間依存値を表す。弾性、塑性、及びクリープ変形の二つの一般的な場合を以下簡単に紹介する。

弾性、塑性、一次、及び二次クリープ

回転子鋼の弾性、塑性、一次、及び二次クリープの変形速度を、以下の単軸構成式によって記述することができる
ここで、Ａ_１、ｐ及びｎ_１は一次クリープを記述する定数であり、Ａ及びｎは二次クリープを記述するパラメータである。σは応力である。式（４）及び（５）に従って振る舞う成分に対するＣ_ｔの値を推定するための表現は
によって与えられる。ここで、νはポアソン比であり、Ｅは弾性率であり、Ｗは試料の幅であり、Ｆは幾何学的補正関数であり、Ｆ’は、ａ／ＷについてのＦの導関数であり、
は、以下のように与えられるクリープ領域の変化率である
有限要素分析によると、βは、０．３３であると求められるスケーリング定数であり、
は、クリープ先端応力場の無次元定数である。項Ｉ_ｎ１は一次クリープ指数の無次元関数である
I_n1=6.568-0.4744n₁+0.0404n₁ ²-0.001126n₁ ³ (9)
Ｃ_ｈ ^＊の値は、Ｃ^＊についての表現において、Ａを［（１＋ｐ）Ａ_１］^{１／（１＋ｐ）}で置換し、ｎをｎ_１で置換することによって得ることができる。適切な置換によって、弾性、塑性、一次、及び二次クリープによって変形する材料についての（Ｃ_ｔ）_ａｖｅの表現を、式（４）の積分によって得ることができる
ΔＫ_ｈは、保持時間の応力拡大範囲である。ｔ_ｐｌは、塑性によるクリープ遅延を記述するタイムシフト定数であり、以下のように推定可能であり
ここで、ξ≒０．５５は、有限要素分析によるスケーリング定数であり、σ_ｙは降伏応力であり、ｍは周期的塑性指数である。

弾性、塑性、及び二次クリープのみ

一次クリープの振る舞いが考慮されないか、又は無視可能であると仮定すると、式（５）が
となる。この場合、式（４）のクリープ領域膨張率
は、二次クリープの定数Ａ及びｎの関数であり、
と表され、αは、スケーリング関数であり、クリープ領域膨張率の表現からのｎに依存する。αは
と表され、３≦ｎ≦１３について、α_ｎ ^ｎ＋１＝０．６９である。式（７）の項Ｃ_ｈ ^＊によって記述されるＣ^＊の時間依存振る舞いは適切ではない。従って、弾性、塑性、及び二次クリープによって変形する材料について、（Ｃ_ｔ）_ａｖｅの表現は以下の形となる
この場合のクリープ遅延時間ｔ_ｐｌは
によって与えられる。純粋なクリープ条件下において、（Ｃ_ｔ）_ａｖｅ及びｄａ／ｄｔは、
［ｄａ／ｄｔ］_ａｖｅ＝Ｂ（Ｃ_ｔ）_ａｖｅ ^ｑ （１７）
によって相関し、ここで、Ｂ及びｑは二つの較正パラメータである。周期依存亀裂成長に対してパリス方程式を用いると、式（１）を以下のように記述することができる

応力拡大計算用の幾何学的形状の補正因子

図１Ａ〜図１Ｄに示される四種類の亀裂の幾何学的形状（ジオメトリ）を用いて、ＮＤＥ識別及び相互作用を表す。これらの場合の各々についてのＣ^＊の表現を、完全塑性Ｊ積分の解から導出することができる。図１Ａ及び図１Ｂの幾何学的構成は、ダブルエッジノッチパネル（ＤＥＮＯ，ｄｏｕｂｌｅ ｅｄｇｅ ｎｏｔｃｈｅｄ ｐａｎｅｌ，両縁切欠パネル）としてモデル化されている。図１Ｃの構成は、センタークラックパネル（ＣＣＰＬ，ｃｅｎｔｅｒ ｃｒａｃｋｅｄ ｐａｎｅｌ，中心亀裂パネル）としてモデル化されている。図１Ｄの構成は、孤立又はエッジ接続亀裂としてモデル化されている。

これら四つの場合のＣ^＊が、式（１９）に、（ａ，ｂ）の場合、（ｃ）の場合、（ｄ）の場合について順に示されている

これら四つの場合のＫの計算における幾何学的補正関数Ｆ（ａ／Ｗ）が、式（２０）に、（ａ，ｂ）の場合、（ｃ）の場合、（ｄ）の場合について順に示されている

応力拡大計算のためのクラック形状パラメータＱ及び位置パラメータＣ_１を以下の式において定義する。式（２１）において、厚さ方向（孤立）、非厚さ方向（孤立）、厚さ方向（表面）、非厚さ方向（表面）が順に示されている。式（２２）において、埋没亀裂、表面亀裂が順に示されている。
及び

式（１９）において用いられる関数ｈ（ａ／Ｗ，ｎ）がＴａｂｌｅ１及びＴａｂｌｅ２（表１及び表２）（図１２を参照）に、それぞれＤＥＮＯ型及びＣＣＰＬ型の試料についてまとめられている。ｈ（ａ／Ｗ，ｎ）についての対応する表面プロットが図４及び図５に示されている。ａ／Ｗの値及びクリープ指数ｎが与えられると、Ｔａｂｌｅ１及びＴａｂｌｅ２を用いて、ｈ（ａ／Ｗ，ｎ）の関数値が補間される。

応力拡大計算用の相互作用の拡大比率

亀裂‐亀裂相互作用及び亀裂‐表面相互作用によって誘起される応力拡大計算用の拡大比率を、図１Ａに示される試料の幾何学的構成を用いて表すことができる。以下の多項式フィッティング関数が使用可能である

図１Ｂに示されるような二つの相互作用している亀裂の上の自由表面に対する影響を記述するため、対応する拡大比率を各場合において増大させ得る。

温度依存パラメータ

クリープ疲労は、時間依存でもあるし、温度依存でもある。時間依存性は式（１７）において構築されている。クリープ試験を用いて、多くの温度依存パラメータを得ることができる。温度依存パラメータは、Ｔａｂｌｅ３（表３）（図１３を参照）に列挙されている。

決定論的残存寿命予測

残存寿命の推定には、ＮＤＥ試験データから抽出された初期亀裂サイズａ_０と、臨界亀裂サイズａ_ｃとの計算が含まれる。システム不良は、亀裂サイズが臨界亀裂サイズよりも大きいこととして定義され、ａ_ｃは
として表され、ここで、Ｋ_ＩＣは、モードＩの臨界応力拡大である。Ｃ_１及びＱはそれぞれ式（２２）、式（２１）において定義されている。Δσは、上述のように定義される。

亀裂成長率は、主に、亀裂先端における周期的応力拡大範囲によるものである。亀裂の幾何学的構成、形状、位置及び相互作用を考慮した応力拡大範囲の計算は
となり、ここで、Ｍは、式（２３）又は式（２４）に従った値をとる。Ｃ_１及びＱはそれぞれ式（２２）、式（２１）において定義されている。式（１）を再構成すると、
が得られる。式（１８）を用いて、ａ_０からａ_ｃまで式（２７）を積分することによって、疲労寿命を以下のように得ることができる

本発明の例示的な実施形態に係る超音波指標相互作用及び合体基準

内部亀裂は、高温高圧条件において伝播し得る。ボア（穴開き）回転子とは異なり、ソリッド（中実）回転子は、内部表面を有さず、ボア回転子のような表面亀裂を有さない。内部亀裂は、回転子半径の４０％の深度以内に通常は位置している。従って、ソリッド回転子においては、表面亀裂を検討しない。超音波走査をソリッド回転子の外側から行い、鉄心全体の周囲で走査を行う。疑わしい指標（欠陥指示模様）をデータプリプロセッサにおいて分析する。データプリプロセッサは、指標の位置を円筒座標でマッピングする。この指標情報が与えられると、指標が円形であると仮定して、各指標に対する初期亀裂サイズを推定する。二つの超音波指標の間の相互作用は、経験的及び予測知識に基づいている。二つの指標の各対を分析して、相互作用しているかどうかを決定する。指標が他の指標との相互作用を有さない場合、それを孤立した亀裂として取り扱う。二つの指標が互いに相互作用している場合、対応する幾何学的構成及び亀裂形状の補正因子を用いて、応力拡大係数の計算における相互作用の影響を補償し得る。二つの亀裂は、亀裂伝播過程のある時点において一つの大きな亀裂に合体し得る。周期毎の方法に基づいた亀裂成長計算は、各反復（イタレーション）におけるこれらの変化を検討し得る。亀裂成長は、図２に示されるように、ｒ‐ｚ平面内においてのみ生じると仮定される。

二つの指標の相互作用基準

二つの指標の相互作用基準は二つの側面に依存している。二つの指標の間の空間的距離をＳで表し、ここで、Ｓ＝√（（ｘ_１−ｘ_２）^２＋（ｙ_１−ｙ_２）^２＋（ｚ_１−ｚ_２）^２）である。ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１及びｘ_２、ｙ_２、ｚ_２は二つの座標のデカルト座標である。ｘ＝ｒｃｏｓ（θ）及びｙ＝ｒｓｉｎ（θ）を用いれば、円筒座標（ｒ，θ，ｚ）をデカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ）に変換するのは容易である。二つの指標の最大直径をＤ＝ｍａｘ（Ｄ１，Ｄ２）で表す。相互作用の第一の基準はＳ＜３Ｄである。亀裂成長がｒ‐ｚ平面内のみにおいて生じるという仮定を行っているので、相互作用を制限するように角距離の制限を課すことができる。図２は、長さＤ１及びＤ２の二つの指標についてのｒ‐θ平面における角距離を示す。距離２ｈ＝ｒ_ａｖｅΔθであり、ここで、ｒ_ａｖｅ＝（Ｄ_１＋Ｄ_２）／２は、二つの指標の平均半径であり、Δθ＝｜θ_１−θ_２｜は、二つの指標の間の角度差である。相互作用の第二の基準は２ｈ／Ｄ＜０．８である。両方の基準が満たされると、亀裂成長の計算において、二つの亀裂を、相互作用している亀裂として考慮する。幾何学的相互作用係数は、図１Ａに示される試料に従って計算される。

二つの指標の合体

亀裂成長は動的過程である。二つの小さな孤立した亀裂が別々に成長し、互いに相互作用して、最終的には一つの亀裂に合体し得る。現状における二つの相互作用している亀裂の合体基準が図３に示されている。二つの亀裂が一つの亀裂に合体した後において、サイズＤ_ｎｅｗのこの新たな亀裂が、他の亀裂と相互作用又は合体し続けることも可能である。従って、一周期における亀裂成長計算における各反復において、新たな亀裂サイズを用いてこれら全ての基準を評価して、相互作用及び合体を決定することができる。

本発明の例示的な実施形態に係るエキスパートシステム

ＡｕｔｏＮＤＥソフトウェアプラットフォームを、超音波検査データ分析及び視覚化並びに寿命予測用の総合的ツールとしてＶｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏを用いて実装する（図６を参照）。ＡｕｔｏＮＤＥは、多様なアプリケーションに適合するように非常にフレキシブルに設計される。ＡｕｔｏＮＤＥの主なコンポーネントの一つはデータ分析及び可視化であり、生の超音波検査データを人間が解読可能な画像に変換することを含む。本発明の例示的な実施形態によると、欠陥領域識別及びグループ化アルゴリズムが、生データとは無関係な画像分析目的でＡｕｔｏＮＤＥに組み込まれる。コンポーネントが超音波検査からの生データを変換して、欠陥領域を決定すると、本発明の例示的な実施形態に係る疲労予測モジュールがＡｕｔｏＮＤＥによって呼び出されて、疲労欠陥成長軌跡及び残存寿命の推定等の必要な計算を完了させる。本発明の例示的な実施形態によると、相互作用及び合体の基準は、疲労寿命予測モジュールの機能として実装される。従って、基準及びモジュールの両方を簡単にカスタマイズして、他のアプリケーションの場合に用いることができる。

以下においては、図７に示されるＡｕｔｏＮＤＥの疲労寿命予測コンポーネントに更に注目し、データ分析及び可視化コンポーネントの関する詳細については説明しない。本発明の例示的な実施形態に係る相互作用及び合体の基準を備えた疲労成長及び寿命計算の全体的な手順が図８に示されている。疲労寿命予測モジュールの基本的な手順は以下の通りである：まず、臨界亀裂サイズを材料の情報に基づいて計算する。ユーザによって指定された負荷プロファイルから、周期的疲労事象及びクリープ疲労事象等の情報を記憶する。次に、プログラムがＮＤＥ走査データをロードして、指標を対応する初期亀裂サイズに変換して、上記「超音波指標相互作用及び合体基準」において説明した基準を用いて相互作用分析を行う。二つのＮＤＥ指標が一つの指標に合体し得て、それに応じて、合体した指標の初期亀裂サイズが再計算される。実際の亀裂成長計算用の前処理を行った後で、プログラムが、式（２８）を用いて各指標について疲労寿命を計算して、結果をユーザに報告する。

疲労寿命予測の全体的な手順が図８に示されている。ステップ８０２では、ユーザの直接入力又はコンピュータファイルシステムに記憶された外部ファイルのいずれかから材料特性を読み込む。ステップ８０３では、ユーザの直接入力又はコンピュータファイルシステムに記憶された外部ファイルのいずれかから温度情報と共に疲労負荷を読み込む。ステップ８０２及び８０３は共に、式（２５）を用いて臨界亀裂サイズを決定するためのステップ８０１に必要な情報を提供する。ステップ８０４では、コンピュータファイルシステムのファイルから、指標サイズ、欠陥位置、検査プローブ等の情報を読み込む。また、ユーザは、欠陥の追加や削除等の編集を手動で行うこともできる。ステップ８０５では、ステップ８０４の情報を用いて、相互作用及び合体分析を行う。複数の指標の相互作用が見つかると、ステップ８０６において、相互作用している指標の最大サイズ値（例えば、図３の直径Ｄ）に基づいて、全ての相互作用している指標のサイズを再評価する。合体基準に合致すると、ステップ８０７において、二つの指標を一つの指標に合体して、図３の直径Ｄ_ｎｅｗに基づいて指標サイズを再評価する。それ以外の場合、ステップ８０５が終了した後において、指標サイズは変化していないままである。ステップ８０８では、式（３０）〜式（３１）を用いた初期亀裂サイズ計算のために、ステップ８０５、ステップ８０６及びステップ８０７からの指標サイズの結果を用いる。式（３０）のＥＲＳは、指標サイズに等しい（直径に関して）。ステップ８０８の結果としての初期亀裂サイズの値の各々を用いて、疲労寿命を計算する。計算は、周期積分機構を用いて、反復手順で行われる。各初期亀裂サイズ値について、ステップ８１０では、一回の負荷周期中に疲労が寄与する亀裂成長量（Δａ_１）を計算する。ステップ８０９では、一回の負荷周期中にクリープが寄与する亀裂成長量（Δａ_２）を計算する。ステップ８１１では、二つの成分を足し合わせることによって、一回の負荷周期中の亀裂成長量（Δａ）を得る。ステップ８１２では、負荷周期前の亀裂サイズ（ａ_Ｎ）に亀裂成長量（Δａ）を足すことによって現在の亀裂サイズ（ａ_Ｎ＋１）を得て、疲労寿命を１だけ（つまり、Ｎ＝Ｎ＋１）増やす。ステップ８１３では、現在の亀裂サイズ（ａ_Ｎ＋１）が臨界亀裂サイズ（ａ_ｃ）よりも大きいかどうかを調べる。大きくなければ、ステップ８０９、８１０、８１１、８１２、８１３を繰り返す。ステップ８１３において現在の亀裂サイズが臨界亀裂サイズ（ａ_ｃ）よりも大きいと識別されると、反復を終了する。その時の値Ｎが、計算されている指標の疲労寿命である。

図１４は三つの例示的な負荷周期を示す。負荷周期は、以下の情報によって特徴付けられる（分単位）：最少応力（例えば、−２０ＭＰａ）、最大応力（例えば、５００ＭＰａ）、温度（例えば、５００Ｆ）、保持時間（例えば、１００時間）。

本発明の例示的な実施形態の例

このセクションでは、工学的な例を用いて、本発明の方法論の全体的なアイディアのデモンストレーションを行う。この例の手順ステップは以下の通りである：まず、超音波検査データを分析して、対象の応答画像を再構築するのに用いる。次に、グループ化アルゴリズムを用いて、欠陥（例えば、疲労亀裂）を識別し、ＤＧＳ（ｄｉｓｔａｎｃｅ ｇａｉｎ ｓｉｚｅ，距離・増幅率・サイズ）法を用いて、各亀裂のサイズを推定する。そして、推定結果に基づいて、疲労亀裂成長モデルを用いて、各亀裂の疲労寿命を計算する。本発明の相互作用基準は、複数の亀裂間の相互作用の影響と、亀裂と境界との間の相互作用の影響を含ませるように計算に組み込まれる。疲労寿命予測結果を用いて、次回の検査業務の間隔を決定することができる。

超音波試験データ及び画像再構築の例

超音波検査データの取得は、適切な設備及びソフトウェアを用いて行われ、データがＲＤＴＩＦＦフォーマットで報告される。結果のデータファイルは、サンプリング周波数、対象内の音速、プローブの移動等の全ての情報を記憶する。この例では寿命予測の方法論に注目しているので、取得設定、データフォーマット、データストレージの詳細についてはここで説明しない。プローブの移動が円周方向に沿ったものであるので、対象の同じ位置が、一点よりも多くの応答データポイントで頻繁にカバーされることになる。従って、再構築プロセスは、データの最大値をとることで、複数のデータポイントを使用する。例えば、画像座標（３００，２００）の画素は、異なる円周方向位置からプローブによって報告される０．９、０．８、０．５（１で正規化されている）等の複数の超音波応答データ値を有し得るが、０．９の最大値が再構築画像に用いられる。再構築超音波応答画像が図９Ａに示されていて、欠陥領域が図９Ｂで注記されている。

疲労亀裂サイズ推定のためのＤＧＳ法の例

ＤＧＳ法は、プローブから異なる距離に位置する反射体の異なるサイズに起因する異なるエコーの大きさをグラフ表示する。ＤＧＳ図を、一つが直径１０ｍｍ、もう一つが直径２０ｍｍという特定のプローブで用いるために作成した。最近のＤＧＳ図は、個々のプローブ及び金属試験片の種類に対してカスタマイズされる。こうした図は、欠陥の実際のサイズを反映しないものであり得るが、欠陥サイズを、較正又は比較ブロックと同じ様に、等価欠陥サイズ（ＥＦＳ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｆｌａｗ ｓｉｚｅ）として、等価なディスクサイズに関連付ける。

この例では、用いられた試験プローブ用のＤＧＳサイジングの式は、式（２９）で与えられる
ここで、ｄ_０は較正又は比較孔の直径であり、ｈ_０は較正強度であり、ｈ_１は欠陥領域の最大超音波検査強度であり、ｇ_０は較正利得であり、ｇ_１は超音波検査利得であり、ｄ_１は等価反射体サイズ（ＥＲＳ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｓｉｚｅ）である。この例では、検査データからの最大強度はｈ_１＝０．９１７６（１で正規化されている）であり、較正強度はｈ_０＝０．８であり、較正利得はｇ_０＝１８ｄＢであり、検査利得はｇ_１＝２２ｄＢであり、較正等価反射体サイズｄ_０は２．５ｍｍである。この情報を用いて、欠陥の等価反射体サイズが、ｄ_１＝２．１ｍｍと計算される。そして、ＥＲＳが、実際の欠陥サイズ（ＲＤＳ，ｒｅａｌ ｄｅｆｅｃｔ ｓｉｚｅ）に変換され、ＲＤＳを用いて、疲労寿命予測用の等価初期欠陥サイズ（ＥＩＦＳ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｉｎｉｔｉａｌ ｆｌａｗ ｓｉｚｅ）が得られる。ＤＧＳ等価反射体サイズからＲＤＳへの変換は、式（３０）に示されていて、ＲＤＳからＥＩＦＳへの変換は式（３１）に示されている。
ここで、ｒ＝０．４は、楕円状亀裂の短軸対長軸の比率である。欠陥のＥＩＦＳは、式（３０）及び式（３１）を用いて、ａ_０＝１．３ｍｍと計算される。

疲労寿命予測の例

この例では、回転子の動作プロファイルに基づいて、クリープを考慮せず、周期的疲労亀裂成長モデル（例えば、式（２））のみを用いる。この回転子の材料は、２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５／ＴＬＶ９１２３ １８であり、式（２）で用いられる対応モデルパラメータは、Ｃ_０＝１．２６０４×１０^−１３と、ｎ_０＝３．１である。この材料の破壊靱性は１４２ＭＰａ√（ｍ）であり、この材料の臨界亀裂サイズは１６．３ｍｍである。与えられた情報に基づいて、疲労寿命が、コールド、ウォーム、ホットスタートについて合計で２３８２スタート（始動数）であると計算される。疲労亀裂成長軌跡が図１０に示されている。疲労寿命予測結果に基づき、この回転子が、略２０００スタート又は２０００時間（いずれか早い方）にわたって更に作動することが再保証される。

結論

本開示は、超音波検査データを用いた革新的な疲労寿命予測方法論を提供する。破壊力学及びクリープ効果による疲労亀裂成長について説明してきた。亀裂‐亀裂相互作用、亀裂‐境界相互作用、多重亀裂合体の基準について詳述してきた。本発明の方法を全般的にデモンストレーションするため、超音波検査データを用いて、実際的で工学的な例が与えられている。提供された方法論及び必要な計算は、エキスパートシステムソフトウェアプラットフォーム（例えば、ＡｕｔｏＮＤＥ）の一部として実施される。上記の説明から、複数の結論が導かれる。

本発明の方法論は、意思決定のための産業的発電機回転子の疲労寿命予測に直接適用可能である。例えば、超音波検査データに基づいて、状態監視保全用に、回転子の残存寿命を推定することができる。

ソフトウェアプラットフォームＡｕｔｏＮＤＥは、本発明の方法論で実施されると、超音波検査データを分析して、欠陥領域を識別することができ、多量のデータに対して非常に効率的である。ＡｕｔｏＮＤＥシステムの二次元（２Ｄ）／三次元（３Ｄ）可視化性能が、本発明の方法の全体的な効率を改善することができる。

当業者には理解されるように、本発明の態様は、システム、方法、又はコンピュータプログラム製品として実施され得る。従って、本発明の態様は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マクロコード等）、又は、ソフトウェアの態様及びハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形式となり得て、これら全てが、本願において一般的に、“回路”、“モジュール”、“システム”と指称され得る。更に、本発明の態様は、一つ又は複数のコンピュータ可読媒体に実装されたコンピュータプログラム製品の形式となり得て、そのコンピュータ可読媒体には、コンピュータ可読プログラムが実装される。

一つ又は複数のコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせが利用可能である。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体、又はコンピュータ可読ストレージ媒体であり得る。コンピュータ可読ストレージ媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁的、赤外線、若しくは半導体のシステム、装置、若しくはデバイス、又はこれらの適切な組み合わせであり得るが、これらに限定されるものではない。コンピュータ可読ストレージ媒体のより具体的な例（不完全な一覧）として、一つ又は複数のワイヤを有する電気接続、携帯型コンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ，ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ，ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、イレーサブルプログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ（ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）又はフラッシュメモリ）、光ファイバ、携帯型コンパクトディスクリードオンリメモリ（ＣＤ‐ＲＯＭ，ｃｏｍｐａｃｔ ｄｉｓｃ ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、光学ストレージデバイス、磁気ストレージデバイス、これらの適切な組み合わせが挙げられる。本願において、コンピュータ可読ストレージ媒体は、命令実行システム、装置又はデバイスによって又はこれに関連して用いられるプログラムを含む又は記憶することができる任意の有形媒体であり得る。

コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読プログラムコードが例えばベースバンドで又は搬送波の一部として実装される伝播データ信号を含み得る。このような伝播信号は、多様な形式となり得て、電磁的、光学的、又はこれらの適切な組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読ストレージ媒体ではなく、命令実行システム、装置又はデバイスによって又はこれと関連して用いられるプログラムを通信、伝播又は伝達することができるコンピュータ可読媒体であり得る。

コンピュータ可読媒体に実装されるプログラムコードは、適切な媒体（無線、有線、光ファイバケーブル、ＲＦ等が挙げられるが、これに限定されるものではない）、又はこれらの適切な組み合わせを用いて、伝達され得る。

本発明の態様用の演算を行うコンピュータプログラムコードは、一つ又は複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれ得て、そうしたプログラミング言語として、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋等のオブジェクト指向プログラミング言語や、Ｃ等の従来の手続型プログラミング言語等が挙げられる。プログラムコードは、スタンドアローン型ソフトウェアパッケージとして、ユーザのコンピュータで完全に実行されるか、ユーザのコンピュータで部分的に実行されるか、ユーザのコンピュータで部分的に且つリモートコンピュータで部分的に実行されるか、又は、リモートコンピュータ又はサーバで完全に実行され得る。後者の場合、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ，ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）やワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ，ｗｉｄｅ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）等の任意のタイプのネットワークを介してユーザのコンピュータに接続され得て、又は、接続は外部コンピュータになされ得る（例えば、インターネットサービスプロバイダを用いてインターネットを介して）。

本発明の態様は、本発明の実施形態に係る方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート及び／又はブロック図を参照して説明されている。フローチャート及び／又はブロック図の各ブロック、及びフローチャート及び／又はブロック図のブロックの組み合わせが、コンピュータプログラム命令によって実行可能であることを理解されたい。こうしたコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又はマシンを生成する他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供され得て、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、フローチャート及び／又はブロック図の一つ又は複数のブロックにおいて特定されている機能／動作を行うための手段を生じさせる。

こうしたコンピュータプログラム命令は、特定の方法でコンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他のデバイスを機能させることができるコンピュータ可読媒体内にも記憶され得て、コンピュータ可読媒体に記憶された命令が、フローチャート及び／又はブロック図の一つ又は複数のブロックにおいて特性されている機能／動作を実施する命令を含む製品を生じさせるようになる。

コンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他のデバイスにもロードされて、そのコンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他のデバイスで実施される一組の演算ステップがコンピュータ実施プロセスを生じさせ得て、コンピュータ又は他のプログラム可能装置で実行される命令が、フローチャート及び／又はブロック図の一つ又は複数のブロックにおいて特定されている機能／動作を実施するためのプロセスを提供するようになる。

次に、図１１を参照すると、本発明の例示的な実施形態に従い、コンピュータシステム１１０１は、特に、中央処理装置（ＣＰＵ，ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）１１０２、メモリ１１０３、入出力（Ｉ／Ｏ，ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）インターフェース１１０４を備え得る。コンピュータシステム１１０１は、一般的に、Ｉ／Ｏインターフェース１１０４を介して、ディスプレイ１１０５及び多様な入力デバイス１１０６（マウスやキーボード等）に接続される。支持回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、通信バス等の回路を含み得る。メモリ１１０３は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ディスクドライブ、テープドライブ等、又はこれらの組み合わせを含み得る。本発明の例示的な実施形態は、メモリ１１０３に記憶されたルーチン１１０７として実装され、信号源１１０８からの信号を処理するようにＣＰＵ１１０２によって実行され得る。そうすると、コンピュータシステム１１０１は、本発明のルーチン１１０７を実行する際には専用コンピュータシステムになる汎用コンピュータシステムである。

また、コンピュータシステム１１０１は、オペレーティングシステム及びマイクロ命令コードも含む。本願で説明される多様なプロセス及び機能は、マイクロ命令コードの一部であるか、又は、オペレーティングシステムを介して実行されるアプリケーションプログラムの一部（又はこれらの組み合わせ）であり得る。また、追加のデータストレージデバイスや印刷デバイス等の他の多様な周辺デバイスもコンピュータシステム１１０１に接続され得る。

図面のフローチャート及びブロック図は、本発明の多様な実施形態に係るシステム、方法及びコンピュータプログラム製品の考えられる実施形態の設計、機能、演算を例示している。この点に関して、フローチャートやブロック図の各ブロックは、モジュール、セグメント、又はコードの一部であり得て、特定の論理機能を実施するための一つ又は複数の実行可能命令を備える。一部代替実施形態では、ブロックに示される機能が、図面に示される順番以外で生じることには留意されたい。例えば、含まれる機能に応じて、続けて示される二つのブロックが、実質的に同時に実行されたり、場合によってはブロックが逆の順番で実行されたりし得る。また、ブロック図及び／又はフローチャートの図面の各ブロック、並びに、ブロック図及び／又はフローチャートの図面のブロックの組み合わせを、特定の機能又は動作を実行する専用のハードウェアベースシステム、又は、専用のハードウェア及びコンピュータ命令の組み合わせによって実行可能であることも留意されたい。

本願で用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであり、本発明を限定するものではない。本願においては、特に断らない限り、単数形での記載は、複数形の場合も含むものである。本願において用いられる場合、“備える”との用語は、言及された特徴、整数、ステップ、工程、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するものであるが、一つ以上の他の特徴、整数、ステップ、工程、要素、構成要素、それらの組み合わせの存在を排除するものではない。

添付の特許請求の範囲における対応する構造、材料、動作、全てのミーンズ（ステップ）プラスファンクションの要素の等価物は、特許請求されている他の要素と組み合わさって機能を実行するための任意の構造、材料、又は動作を含むものである。本発明の説明は、例示及び説明目的のものであって、包括的なものではなく、本発明を開示されたものに限定するものでもない。当業者には、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多様な修正及び変更が明らかなものである。実施形態は、本発明の原理及び実際の適用を最も良く説明するために選択及び記載されたものであり、当業者は、想定される具体的な使用に適したものとして多様な修正を備えた多様な実施形態について本発明を理解することができるものである。

Claims (21)

1. 疲労寿命予測の方法であって、
   対象物の臨界亀裂サイズを計算するステップと、
   前記対象物の超音波データの第一の欠陥を識別するステップと、
   前記第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、前記第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は前記第一の欠陥が孤立しているかの決定を行うステップと、
   前記決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算するステップと、
   前記初期亀裂サイズが前記臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる前記初期亀裂サイズの増大を計算するステップと、を備えた方法。
2. 前記対象物がタービン発電機の部品を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記部品が回転子を含む、請求項２に記載の方法。
4. 相互作用についての所定の基準に合致する場合に、前記第一の欠陥が前記第二の欠陥と相互作用している、請求項１に記載の方法。
5. 合体についての所定の基準に合致する場合に、前記第一の欠陥が前記第二の欠陥と合体する、請求項１に記載の方法。
6. 前記疲労及びクリープによる前記初期亀裂サイズの増大を計算するステップが、前記初期亀裂サイズが前記臨界亀裂サイズに合致するか又は超えるまで、繰り返される、請求項１に記載の方法。
7. 負荷周期が、前記対象物に印加される最少応力、前記対象物に印加される最大応力、前記対象物の温度暴露、及び、保持時間を含む、請求項１に記載の方法。
8. 疲労寿命予測のシステムであって、
   プログラムを記憶するためのメモリデバイスと、
   前記メモリデバイスと通信するプロセッサと、を備え、
   前記プロセッサが、前記プログラムを用いて、
   対象物の臨界亀裂サイズを計算し、
   前記対象物の超音波データの第一の欠陥を識別し、
   前記第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、前記第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は前記第一の欠陥が孤立しているかの決定を行い、
   前記決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算し、
   前記初期亀裂サイズが前記臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる前記初期亀裂サイズの増大を計算する、システム。
9. 前記対象物がタービン発電機の部品を含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記部品が回転子を含む、請求項９に記載のシステム。
11. 相互作用についての所定の基準に合致する場合に、前記第一の欠陥が前記第二の欠陥と相互作用している、請求項８に記載のシステム。
12. 合体についての所定の基準に合致する場合に、前記第一の欠陥が前記第二の欠陥と合体する、請求項８に記載のシステム。
13. 前記プロセッサが、プログラムコードを用いて、前記初期亀裂サイズが前記臨界亀裂サイズに合致するか又は超えるまで、前記疲労及びクリープによる前記初期亀裂サイズの増大を計算することを繰り返す、請求項８に記載のシステム。
14. 疲労寿命予測用のコンピュータプログラム製品であって、
    コンピュータ可読プログラムコードを有する非一時的コンピュータ可読ストレージ媒体を備え、
    前記コンピュータ可読プログラムコードが、
    対象物の臨界亀裂サイズを計算するステップと、
    前記対象物の超音波データの第一の欠陥を識別するステップと、
    前記第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、前記第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は前記第一の欠陥が孤立しているかの決定を行うステップと、
    前記決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算するステップと、
    前記初期亀裂サイズが前記臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる前記初期亀裂サイズの増大を計算するステップとを行うように構成されている、コンピュータプログラム製品。
15. 前記対象物がタービン発電機の部品を含む、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
16. 前記部品が回転子を含む、請求項１５に記載のコンピュータプログラム製品。
17. 相互作用についての所定の基準に合致する場合に、前記第一の欠陥が前記第二の欠陥と相互作用している、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
18. 合体についての所定の基準に合致する場合に、前記第一の欠陥が前記第二の欠陥と合体する、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
19. 前記疲労及びクリープによる前記初期亀裂サイズの増大を計算するステップが、前記初期亀裂サイズが前記臨界亀裂サイズに合致するか又は超えるまで、繰り返される、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
20. 疲労寿命予測の方法であって、
    対象物の臨界亀裂サイズを計算するステップと、
    前記対象物の第一の欠陥を識別するステップと、
    前記第一の欠陥が第二の欠陥と相互作用しているか、前記第一の欠陥が第二の欠陥と合体するか、又は前記第一の欠陥が孤立しているかの決定を行うステップと、
    前記決定に基づいて、初期亀裂サイズを計算するステップと、
    前記初期亀裂サイズが前記臨界亀裂サイズに到達するまでの負荷周期数を決定するために、疲労及びクリープによる前記初期亀裂サイズの増大を計算するステップと、を備えた方法。
21. 前記第一の欠陥及び前記第二の欠陥が非超音波データを用いて発見される、請求項２０に記載の方法。