JP2017026435A - 配管の疲労試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラの燃焼熱を用いて水を加熱することによって得られる蒸気が通過する円筒型の配管の低コスト及び高精度の疲労試験方法を提供する。
【解決手段】配管と同等の試験用配管を準備する第１工程と、表面が絶縁被覆された可撓性コイルヒータを試験用配管の内部に設置する第２工程と、温度センサを試験用配管の外周面上に設置する第３工程と、試験用配管の断面に沿う方向に往復運動する疲労試験機の可動アームに対して試験用配管を装着する第４工程と、疲労試験機の一対の固定アームが可動アームを挟むように、一対の固定アームに対して試験用配管を装着する第５工程と、試験用配管の内部温度が一定温度になるように、温度センサの温度検知結果に基づいて可撓性コイルヒータの加熱温度を制御しつつ、可動アームを往復運動させることによって、試験用配管の疲労試験を行う第６工程と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、配管の疲労試験方法に関する。

例えば、火力発電所においてタービンを回転させるために設けられる発電用ボイラは、ボイラ給水を予熱する節炭器、ボイラのハウジングを形成しボイラ給水を飽和蒸気にする水冷壁、飽和蒸気を更に加熱して過熱蒸気にする過熱器、タービンからの蒸気を再加熱してタービンに再度供給する再熱器等を含んで構成されている。また、上記の過熱器や再熱器は、耐熱鋼（例えば低合金鋼）を材料とするボイラ管で構成されている。発電用ボイラの起動時、ボイラ管には高温高圧の蒸気が流れ、発電用ボイラの停止時、ボイラ管を流れる高温高圧の蒸気の流れが停止する。つまり、発電用ボイラの起動及び停止に伴って、ボイラ管には熱応力が発生する。発電用ボイラが長期間に亘って使用され続けると、ボイラ管には熱応力に従ってクリープ疲労損傷が発生し、ボイラ管の外周面が膨出するか或いはボイラ管の肉厚が減肉する等の変形を生じる虞がある。そこで、ボイラ管の劣化に起因する事故を未然に防止するために、ボイラ管の劣化状態を定期的に点検し、上記の膨出や減肉等の傾向管理を行っている（例えば特許文献１）。

特開２０１３−１２２４１１号公報

ボイラ管の劣化状態を点検した結果、ボイラ管のクリープ疲労損傷が進行し、ボイラ管の余寿命が予め定められた一定時間よりも短いと診断された場合、ボイラ管の該当部分を新品のボイラ管に交換する必要がある。

ボイラ管の余寿命は、ボイラ管を形成する材料（耐熱鋼の種類）や発電用ボイラ内の使用環境に応じて様々である。そのため、発電用ボイラに設置されるボイラ管と同一材料からなる試験用ボイラ管に対して使用環境を考慮した疲労試験を事前に行い、試験結果に基づいてボイラ管の大凡の交換時期を把握しておけば、ボイラ管の交換に係る準備作業を効率的に進めることが可能になる。尚、試験用ボイラ管の疲労試験には、例えば、試験用ボイラ管を収容しつつ試験用ボイラ管の管内及び管外の温度を実際の使用環境温度と同等の温度に設定するための高温炉が必要になる。しかし、高温炉は非常に高価であるため、疲労試験を導入する際の障害となっている。

そこで、本発明は、低コスト及び高精度の疲労試験を可能とする配管の疲労試験方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、ボイラの燃焼熱を用いて水を加熱することによって得られる蒸気が通過する円筒型の配管の疲労試験方法であって、前記配管と同等の試験用配管を準備する第１工程と、表面が絶縁被覆された可撓性コイルヒータを前記試験用配管の内部に設置する第２工程と、温度センサを前記試験用配管の外周面上に設置する第３工程と、前記試験用配管の断面に沿う方向に往復運動する疲労試験機の可動アームを前記試験用配管と結合する第４工程と、前記疲労試験機の一対の固定アームが前記可動アームを挟むように、前記一対の固定アームを前記試験用配管と結合する第５工程と、前記試験用配管の内部温度が一定温度になるように、前記温度センサの検知結果に基づいて前記可撓性コイルヒータの加熱温度を制御しつつ、前記可動アームを往復運動させることによって、前記試験用配管の疲労試験を行う第６工程と、を含む。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、低コスト及び高精度の疲労試験を行うことが可能になる。

本実施形態に係る疲労試験方法が実施される火力発電所の全体構成を示す図である。 本実施形態に係る疲労試験方法に用いられる疲労試験機に対して試験用ボイラ管が装着される前の様子を示す斜視図である。 本実施形態に係る疲労試験方法に用いられる疲労試験機に対して試験用ボイラ管が装着された後の様子を示す斜視図である。 本実施形態に係る疲労試験方法において、試験用ボイラ管の内部に挿入されるコイルヒータを示す斜視図である。 本実施形態に係る疲労試験方法を実施するための工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る疲労試験方法を実施するための次の工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る疲労試験方法を実施するための次の工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る疲労試験方法を実施するための次の工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る疲労試験方法を実施するための次の工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す斜視図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す分解平面図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す平面図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す他の平面図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法を実施するための工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法を実施するための次の工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法を実施するための次の工程を示す要部平面図である。 本実施形態に係る他の疲労試験方法を実施するための次の工程を示す要部平面図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝火力発電所の全体構成＝＝＝
図１は、本実施形態に係る疲労試験方法が実施される火力発電所の全体構成を示す図である。尚、図１に示す火力発電所の全体構成は、本実施形態に係る疲労試験方法の説明を容易に理解するための一例である。更に、本実施形態に係る疲労試験方法は、図１の火力発電所とは異なる構成の火力発電所内のボイラ管と同等の試験用ボイラ管に対して実施することも可能である。但し、疲労試験を行うための疲労試験機は、各火力発電所内のボイラ管の外径に応じて予め設計されている必要がある。

以下、図１を参照しつつ、火力発電所の全体構成について説明する。

火力発電所１は、ボイラ２、蒸気発生器３、水冷壁４、蒸気弁５、高圧タービン６、中圧タービン７、低圧タービン８、再熱器９、復水器１０、給水ポンプ１１、発電機１２を含んで構成されている。

ボイラ２は、外部から供給される燃料（例えば微粉炭の状態の石炭）と空気を混合して燃焼ガスを生成し、燃焼ガスの熱（燃焼熱）を用いて水を水蒸気に換える熱交換装置である。ボイラ２には、蒸気発生器３、水冷壁４、再熱器９が収容されている。蒸気発生器３は、復水器１０から供給される水を予熱する節炭器（不図示）と、水冷壁４から供給される飽和蒸気を更に加熱して過熱蒸気にする過熱器（不図示）と、を含んで構成されている。水冷壁４は、ボイラ２のハウジングを形成し、余熱された水を飽和蒸気にして過熱器に供給する。蒸気弁５は、蒸気発生器４で生成される過熱蒸気の流量を制御する調整弁である。

高圧タービン６、中圧タービン７、低圧タービン８の回転軸１３は同一であって、発電機１２の回転軸１４と結合されている。高圧タービン６には、蒸気発生器３で生成される過熱蒸気（第１蒸気）が蒸気弁５を介して供給される。高圧タービン６は、第１蒸気を膨張させ、膨張後の蒸気（第２蒸気）をボイラ２内の再熱器９に供給する。再熱器９は、第２蒸気を再熱し、再熱蒸気（第３蒸気）として中圧タービン７に供給する。中圧タービン７は、第３蒸気を膨張させ、膨張後の蒸気（第４蒸気）を低圧タービン８に供給する。低圧タービン８は、第４蒸気を膨張させる。

復水器１０は、低圧タービン８が第４蒸気を膨張させた後の排気を凝縮して復水に換える。給水ポンプ１１は、復水器１０で生成される復水を昇圧して給水としてボイラ２内の蒸気発生器３に戻している。

そして、発電機１２は、電力が発電されるように、第４蒸気が膨張した際に発生する動力で駆動される。

上記の蒸気発生器３や再熱器９は蒸気を循環させるボイラ管（配管）を含んで構成されている。本実施形態に係る疲労試験方法は、上記のボイラ管に対して実質的に材料、外径、肉厚等が同一の試験用ボイラ管を疲労試験機に装着することによって実施される。その詳細については後述する。

＝＝＝疲労試験機＝＝＝
図２は、本実施形態に係る疲労試験方法に用いられる疲労試験機に対して試験用ボイラ管が装着される前の様子を示す斜視図である。図３は、本実施形態に係る疲労試験方法に用いられる疲労試験機に対して試験用ボイラ管が装着された後の様子を示す斜視図である。尚、Ｘ軸は疲労試験機に装着された試験用ボイラ管の長手方向に沿う水平軸であり、Ｙ軸はＸ軸に直交する水平軸であり、Ｚ軸はＸ軸及びＹ軸に直交する垂直軸である。図４は、本実施形態に係る疲労試験方法において、試験用ボイラ管の内部に挿入されるコイルヒータを示す斜視図である。

以下、図２〜図４を参照しつつ、本実施形態に係る疲労試験方法において用いられる疲労試験機について説明する。

疲労試験機１００は、ボイラ２内における実際の温度環境と同等の温度環境を生成し、当該温度環境下において、ボイラ２内に設置されるボイラ管と同等である円筒型の試験用ボイラ管２００に対して、外周面の膨出や肉厚の減肉等のクリープ疲労損傷の程度を確認するための疲労試験を行う装置である。特に、疲労試験機１００は、例えば１〜２ｍに切断された試験用ボイラ管２００を水平に保持した状態で、試験用ボイラ管２００に対して垂直方向の曲げ荷重を継続的に加えるという疲労試験を行う装置である。上記の疲労試験を行うための要素として、疲労試験機１００は、試験用ボイラ管２００を水平に保持する固定機構３００と、試験用ボイラ管２００を保持しつつ試験用ボイラ管２００の断面に沿う方向に往復運動する可動機構４００と、を含んで構成されている。尚、試験用ボイラ管２００は、耐熱鋼（例えば低合金綱、高合金綱、炭素鋼、ステンレス鋼）を材料として形成されている。

固定機構３００は、試験用ボイラ管２００を水平に保持するための要素として、基台３０１、支脚３０２Ａ，３０２Ｂ、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂを含んで構成されている。基台３０１は、平板形状を呈し、試験用ボイラ管２００を載置するための部材である。支脚３０２Ａ，３０２Ｂは、基台３０１の上面（＋Ｚ側）がＸ軸及びＹ軸で形成されるＸＹ平面に沿って水平となるように、基台３０１の両端（±Ｘ側）において、基台３０１の下面（−Ｚ側）を支持する部材である。固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂは、基台３０１の両端（±Ｘ側）において、基台３０１の上面（＋Ｚ側）から上方（＋Ｚ方向）に向かって立設する部材である。固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂは、試験用ボイラ管２００を挿入するための円形状を呈する同一内径の挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂを有し、挿入孔３０４Ａ，３０４ＢをＸ軸に沿う方向から見たときに挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂが重なるように配置されている。

可動機構４００は、試験用ボイラ管２００を保持しつつ試験用ボイラ管２００の断面に沿う方向に往復運動するための要素として、橋渡板４０１、支脚４０２Ａ，４０２Ｂ、往復動装置４０３、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂを含んで構成されている。橋渡板４０１は、平板形状を呈し、固定機構３００を跨ぐように配置される部材である。支脚４０２Ａ，４０２Ｂは、橋渡板４０１の上面（＋Ｚ側）及び下面（−Ｚ側）がＸＹ平面に沿って水平となるように、橋渡板４０１の両端（±Ｘ側）において、橋渡板４０１の下面（−Ｚ側）を支持する部材である。往復動装置４０３は、橋渡板４０１の下面（−Ｚ側）の中心位置から吊り下がるように固定され、一定のトルクに従って試験用ボイラ管２００の断面に沿う方向（垂直方向：±Ｚ方向）に往復運動する装置である。例えば、往復動装置４０３として、シリンダが圧油動作に応じて往復運動する油圧シリンダを採用することが可能である。可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂは、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂの配列方向（Ｘ軸に沿う方向）において、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂの間に挟まるように、往復動装置４０３の先端箱４０５に対して一部が埋設されて固定される部材である。可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂは、試験用ボイラ管２００を挿入するための円形状を呈する挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂと同一内径の挿入孔４０６Ａ，４０６Ｂを有し、挿入孔４０６Ａ，４０６ＢをＸ軸に沿う方向から見たときに挿入孔４０６Ａ，４０６Ｂが重なって見えるように配置されている。尚、挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂ，４０６Ａ，４０６Ｂの内径は、試験用ボイラ管２００が挿入可能となるように、試験用ボイラ管２００の外径よりも僅かに大きく設定されている。そして、試験用ボイラ管２００を固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂ及び可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂに装着する場合、挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂ，４０６Ａ，４０６ＢをＸ軸に沿う方向から見たときに挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂ，４０６Ａ，４０６Ｂが重なって見えるように、往復動装置４０３の垂直方向における往復動位置が調整される。

可撓性コイルヒータ５００は、ボイラ２内における実際の温度環境と同等の温度環境を生成するために、試験用ボイラ管２００の内部を加熱する部材である。可撓性コイルヒータ５００の表面は、絶縁材料（例えばセラミックス）を用いて全体的に被覆されている。熱電対６００は、試験用ボイラ管２００の外周面の温度を検知する部材である。保温部材７００（図５Ｅ）は、疲労試験を行う際に、試験用ボイラ管２００の外周面を覆うように巻き付けられた後に、ワイヤ８００（図５Ｅ）を引き回して固定される部材である。疲労試験機１００は、熱電対６００による温度検知結果に基づいて、試験用ボイラ管２００の内部温度が一定温度（例えば６００℃）となるように、可撓性コイルヒータ５００の加熱温度（通電量）を制御する制御装置（不図示）を有している。尚、制御装置は、上記の制御に限らず、疲労試験に係る全ての制御を行う。

＝＝＝疲労試験＝＝＝
＜＜第１実施形態＞＞
図５Ａ〜図５Ｅは、本実施形態に係る疲労試験方法を実施するための工程を示す要部平面図である。疲労試験方法は、説明の便宜上、例えば図５Ａ〜図５Ｅの順序で実施されることとするが、疲労試験方法を最終的に実施できるのであれば、上記の順序を一部変更して実施されることとしてもよい。

以下、図５Ａ〜図５Ｅを参照しつつ、本実施形態に係る疲労試験方法を用いて行われる疲労試験について説明する。

先ず、ボイラ２内に設置されているボイラ管に対して材料、外径、肉厚等が実質的に同一の試験用ボイラ管２００を準備する。尚、試験用ボイラ管２００は、疲労試験機１００に装着する関係上、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂ間の距離を僅かに超える全長（例えば１〜２ｍ程度の全長）を有し、隣接する試験用ボイラ管２００の開口同士を突き合わせて溶接加工した結果生じる溶接部２０１を有することとする（工程１）。

次に、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂ及び可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂの配列方向（Ｘ軸に沿う方向）から見たときに、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂに夫々穿設されている挿入孔４０６Ａ，４０６Ｂが固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂに夫々穿設されている挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂと重なって見えるように、往復動装置４０３の垂直方向における往復動位置を調整する。この工程は、試験用ボイラ管２００を固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂ及び可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂに装着するための準備工程である（図５Ａ：工程２）。尚、往復動装置４０３の動作が停止しているとき（又は、往復動装置４０３の電源が投入されていないとき）、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂの垂直方向の停止位置（ニュートラルな停止位置）が工程２の位置となるように、往復動装置４０３が設計されている場合、工程２は不要である。

次に、試験用ボイラ管２００を挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂ，４０６Ａ，４０６Ｂに挿入し、試験用ボイラ管２００を固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂ及び可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂに装着する。この工程によって、試験用ボイラ管２００は、基台３０１上において水平に保持された状態になる。尚、溶接部２０１は、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂの間に存在していることとする（図５Ｂ：工程３）。

次に、可撓性コイルヒータ５００を試験用ボイラ管２００の一方の開口（−Ｘ側）から挿入し、可撓性コイルヒータ５００が試験用ボイラ管２００の内部に収まるように設置する。この工程によって、試験用ボイラ管２００の内部を加熱することが可能になる。可撓性コイルヒータ５００は、弾性変形しやすい性質を有する他にセラミックス等の絶縁材料によって絶縁被覆されているため、疲労試験の際に破損することなく加熱動作を継続することが可能になる（図５Ｃ：工程４）。

次に、試験用ボイラ管２００の長手方向（Ｘ軸に沿う方法）において、試験用ボイラ管２００が挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂ，４０６Ａ，４０６Ｂからずれないように、固定アーム３０３Ａの固定アーム３０３Ｂとは反対側（−Ｘ側）の面に対してキャップ９００Ａを装着し、同様に、固定アーム３０３Ｂの固定アーム３０３Ａとは反対側（＋Ｘ側）の面に対してキャップ９００Ｂを装着する。キャップ９００Ａ，９００Ｂの装着が行われると、試験用ボイラ管２００が挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂ，４０６Ａ，４０６Ｂからずれなくなる他に、試験用ボイラ管２００の両端の開口が塞がれることに伴って、可撓性コイルヒータ５００によって加熱された試験用ボイラ管２００の内部の熱が試験用ボイラ管２００の両端の開口から放熱し難くなる。又、キャップ９００Ａを装着する際に、試験用ボイラ管２００の一方の開口から露出する可撓性コイルヒータ５００の一方の端子を導線９０１Ａと電気的に接続する。同様に、試験用ボイラ管２００の他方の開口から露出する可撓性コイルヒータ５００の他方の端子を導線９０１Ｂと電気的に接続する。導線９０１Ａ，９０１Ｂは、制御装置から導出されてキャップ９００Ａ，９００Ｂを貫通する導線である。従って、制御装置は、可撓性コイルヒータ５００を通電し、試験用ボイラ管２００の内部を加熱することが可能になる。又、熱電対６００を試験用ボイラ管２００の外周面に取り付ける。熱電対６００は、制御装置と接続されている。従って、制御装置は、熱電対６００による温度検知結果に基づいて、試験用ボイラ管２００の内部温度が一定温度となるように、可撓性コイルヒータ５００の通電量を制御することが可能になる（図５Ｄ：行程５）。

次に、試験用ボイラ管２００の内部の熱が試験用ボイラ管２００自体を通して放熱し難くなるように、保温部材７００を試験用ボイラ管２００の外周面に巻き付けた後、ワイヤ８００を保温部材７００の外周面に引き回し、保温部材７００を試験用ボイラ管２００に固定する（図５Ｅ：行程６）。

上記の行程１〜工程６を行うことによって、試験用ボイラ管２００に対する疲労試験を行うための準備が完了する。そして、制御装置に対して疲労試験を行うための指示を入力すると、制御装置は、往復動装置４０３、可撓性コイルヒータ５００、熱電対６００を動作させる。具体的には、制御装置は、試験用ボイラ管２００の内部温度が一定温度となるように、熱電対６００から得られる温度検知結果に基づいて可撓性コイルヒータ５００の通電量を制御しつつ、試験用ボイラ管２００に対して一定の曲げ荷重が継続的に加わるように、往復動装置４０３を垂直方向に往復動させる。このようにして、試験用ボイラ管２００に対する疲労試験を行うことが可能になる。

＜＜第２実施形態＞＞
図６は、本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す斜視図である。図７は、本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す分解平面図である。図８は、本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す平面図である。図９は、本実施形態に係る他の疲労試験方法において、試験用ボイラ管に装着される補強装置を示す他の平面図である。

以下、図６〜図９を参照しつつ、試験用ボイラ管２００に装着される補強装置２５０について説明する。

補強装置２５０は、ボイラ２内に設置されているボイラ管の余寿命がクリープ疲労損傷に伴って短くなるのを抑制するために、ボイラ管の外周面に対して密着するように装着される補強部材である。本疲労試験において、補強装置２５０は、ボイラ管の代わりに試験用ボイラ管２００の外周面に対して密着するように装着される。補強装置２５０は、試験用ボイラ管２００の外周面に対して密着するように装着される第１補強部材２５１Ａ及び第２補強部材２５１Ｂを含んで構成されている。

第１補強部材２５１Ａは、耐熱鋼（例えばステンレス鋼ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４）を材料として形成されている。又、第１補強部材２５１Ａは、Ｘ軸及びＹ軸で形成されるＸＹ平面が試験用ボイラ管２００の中心軸を通るように試験用ボイラ管２００が切断された場合の、試験用ボイラ管２００の上側（＋Ｚ側）の半周分の外周面に対して面接触するように、半円筒形状を呈している。又、第１補強部材２５１ＡのＸ軸に沿う方向の長さＬは、試験用ボイラ管２００が熱応力に応じたクリープ疲労損傷や応力腐食割れＳＣＣ（Stress Corrosion Cracking）を発生し難くなるように、例えば試験用ボイラ管２００の直径の２倍以上の長さに設定されている。又、第１補強部材２５１Ａの肉厚は、Ｘ軸に沿う方向の両端に熱応力が集中しないように、Ｘ軸に沿う方向において第１補強部材２５１Ａの中央から両端に向かうにつれて薄くなっている。特に、第１補強部材２５１Ａの肉厚は、Ｘ軸に沿う方向において、第１補強部材２５０Ａの中央付近では一定であるが、第１補強部材２５１Ａの中央から遠ざかった位置から両端に向かうにつれて、円錐の外周面のように一定割合で徐々に薄くなっている。尚、一定割合は、Ｘ軸に沿う方向の長さ１００ｍｍに対して肉厚が５ｍｍ薄くなる程度の割合に設定されていることとする。又、第１補強部材２５１Ａの両端の肉厚は、５ｍｍ程度に設定されることとする。

第１補強部材２５０ＡのＹ軸に沿う方向の両側（±Ｙ側）には、第１フランジ２５２がＸ軸に沿う方向に設けられている。又、第１フランジ２５２は、耐熱鋼（例えばステンレス鋼ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４）を材料として形成され、例えば長尺Ｌ’（＜Ｌ）の平板形状を呈している。又、第１フランジ２５２には、Ｘ軸に沿う方向に複数の第１孔２５３が実質的に等間隔で穿設されている。又、第１フランジ２５２は、第１補強部材１００Ａに対して、溶接加工によって一体的に設けられている。

同様に、第２補強部材２５１Ｂは、耐熱鋼（例えばステンレス鋼ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４）を材料として形成されている。又、第２補強部材２５１Ｂは、Ｘ軸及びＹ軸で形成されるＸＹ平面が試験用ボイラ管２００の中心軸を通るように試験用ボイラ管２００が切断された場合の、試験用ボイラ管２００の下側（−Ｚ側）の半周分の外周面に対して面接触するように、半円筒形状を呈している。又、第２補強部材２５１ＢのＸ軸に沿う方向の長さは、試験用ボイラ管２００が熱応力に応じたクリープ疲労損傷や応力腐食割れを発生し難くなるように、例えば試験用ボイラ管２００の直径の２倍以上の長さに設定されている。又、第２補強部材２５１Ｂの肉厚は、Ｘ軸に沿う方向の両端に熱応力が集中しないように、第２補強部材２５１ＢのＸ軸に沿う方向の中央から両端に向かうにつれて薄くなっている。特に、第２補強部材２５１Ｂの肉厚は、Ｘ軸に沿う方向において、第２補強部材２５１Ｂ中央付近では一定であるが、第２補強部材２５１Ｂの中央から遠ざかった位置から両端に向かうにつれて、円錐の外周面のように一定割合で徐々に薄くなっている。尚、一定割合は、Ｘ軸に沿う方向の長さ１００ｍｍに対して肉厚が５ｍｍ薄くなる程度の割合に設定されていることとする。又、第２補強部材２５１Ｂの両端の肉厚は、５ｍｍ程度に設定されることとする。

第２補強部材２５１ＢのＹ軸に沿う方向の両側（±Ｙ側）には、第２フランジ２５４がＸ軸に沿う方向に設けられている。又、第２フランジ２５４は、耐熱鋼（例えばステンレス鋼ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４）を材料として形成され、長尺Ｌ’（＜Ｌ）の平板形状を呈している。又、第２フランジ２５４には、Ｘ軸に沿う方向に複数の第２孔２５５が実質的に等間隔で穿設されている。又、第２フランジ２５５は、第２補強部材２５１Ｂに対して、溶接加工によって一体的に設けられている。

上記の説明から明らかなように、第１補強部材２５１Ａ及び第２補強部材２５１Ｂは、両部材２５１Ａ，２５１Ｂの間に試験用ボイラ管２００を挟むように配置したときに対称な形状を呈することとなる。よって、第１補強部材２５１Ａ及び第２補強部材２５１Ｂが試験用ボイラ管２００を境に対称となるように配置された状態において、第１フランジ２５２及び第２フランジ２５４を重ね合わせると、第１補強部材２５１Ａ及び第２補強部材２５１Ｂの内周面（窪んでいる側の面）が試験用ボイラ管２００の外周面に対して面接触し、複数の第１孔２５３及び複数の第２孔２５５同士がずれることなく重なり合った状態になる。そして、複数の第１孔２５３及び複数の第２孔２５５に複数のボルト２５６を挿入した後、複数のボルト２５６に複数のナット２５７を螺合させて締め付けると、第１補強部材２５１Ａ及び第２補強部材２５１Ｂは試験用ボイラ管２００の外周面に対して密着して装着された状態になる。尚、第１補強部材２５１Ａ及び第２補強部材２５１Ｂが重なり合うことによって形成される補強装置２５０の内径は、一定のままである。

図１０Ａ〜図１０Ｄは、本実施形態に係る他の疲労試験方法を実施するための工程を示す要部平面図である。疲労試験方法は、説明の便宜上、例えば図１０Ａ〜図１０Ｄの順序で実施されることとするが、疲労試験方法を最終的に実施できるのであれば、上記の順序を一部変更して実施されることとしてもよい。又、図１０Ａ〜図１０Ｄの工程を実施するにあたって、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂは基台３０１に対して着脱自在な機構によって取り付けられ、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂは先端箱４０５に対して着脱自在な機構によって取り付けられ、挿入孔４０７Ａ，４０７Ｂは補強装置２５０を挿入可能な径を有することとする。又、説明の便宜上、図１０Ｂ及び図１０Ｃにおいて、第１フランジ２５２、第２フランジ２５４、ボルト２５６、ナット２５７、固定バンド２５８は省略されている。

以下、図１０Ａ〜図１０Ｄを参照しつつ、本実施形態に係る他の疲労試験方法を用いて行われる疲労試験について説明する。

先ず、ボイラ２内に設置されているボイラ管に対して材料、外径、肉厚等が実質的に同一の試験用ボイラ管２００を準備する。尚、試験用ボイラ管２００は、疲労試験機１００に装着する関係上、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂ間の距離を僅かに超える全長（例えば１〜２ｍ程度の全長）を有し、隣接する試験用ボイラ管２００の開口同士を突き合わせて溶接加工した結果生じる溶接部２０１を有することとする。そして、試験用ボイラ管２００の両端が露出するように、試験用ボイラ管２００の溶接部２０１を含む外周面に対して補強装置２５０を装着する（工程１）。

次に、基台３０１から固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂを取り外し、先端箱４０５から可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂを取り外す。そして、第１フランジ２５２及び第２フランジ２５４の一端（−Ｘ側）が可動アーム４０４Ａに当接するまで、補強装置２５０が装着された状態である試験用ボイラ管２００の一端（−Ｘ側）を可動アーム４０４Ａに穿設された挿入孔４０７Ａに挿入するとともに、第１フランジ２５２及び第２フランジ２５４の他端（＋Ｘ側）が可動アーム４０４Ｂに当接するまで、上記の試験用ボイラ管２００の他端（＋Ｘ側）を可動アーム４０４Ｂに穿設された挿入孔４０７Ｂに挿入する。可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂが第１フランジ２５２及び第２フランジ２５４を挟んだ状態になったら、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂを先端箱４０５に取り付ける。次に、可動アーム４０４Ａの可動アーム４０４Ｂとは反対側（−Ｘ側）における補強装置２５０の外周面と、可動アーム４０４Ｂの可動アーム４０４Ａとは反対側（＋Ｘ側）における補強装置２５０の外周面と、に対して、第１補強部材２５１Ａ及び第２補強部材２５１Ｂを試験用ボイラ管２００に密着させるための固定バンド２５８を装着する。次に、上記の試験用ボイラ管２００の一端を固定アーム３０３Ａに穿設された挿入孔３０４Ａに挿入するとともに、上記の試験用ボイラ管２００の他端を固定アーム３０３Ｂに穿設された挿入孔３０４Ｂに挿入する。固定アーム３０４Ａ，３０４Ｂが補強装置２５０の両端に当接したら、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂの垂直位置を調整しながら、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂを基台３０１に取り付ける。これによって、試験用ボイラ管２００は、疲労試験機１００に固定される。尚、溶接部２０１は、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂの間に存在していることとする（図１０Ａ：工程２）。

次に、可撓性コイルヒータ５００を試験用ボイラ管２００の一方の開口（−Ｘ側）から挿入し、可撓性コイルヒータ５００が試験用ボイラ管２００の内部に収まるように設置する。この工程によって、試験用ボイラ管２００の内部を加熱することが可能になる。可撓性コイルヒータ５００は、弾性変形しやすい性質を有する他にセラミックス等の絶縁材料によって絶縁被覆されているため、疲労試験の際に破損することなく加熱動作を継続することが可能になる（図１０Ｂ：工程３）。

次に、固定アーム３０３Ａの固定アーム３０３Ｂとは反対側（−Ｘ側）の面に対してキャップ９００Ａを装着し、同様に、固定アーム３０３Ｂの固定アーム３０３Ａとは反対側（＋Ｘ側）の面に対してキャップ９００Ｂを装着する。キャップ９００Ａ，９００Ｂの装着が行われると、試験用ボイラ管２００の両端の開口が塞がれることに伴って、可撓性コイルヒータ５００によって加熱された試験用ボイラ管２００の内部の熱が試験用ボイラ管２００の両端の開口から放熱し難くなる。又、キャップ９００Ａを装着する際に、試験用ボイラ管２００の一方の開口から見える可撓性コイルヒータ５００の一方の端子を導線９０１Ａと電気的に接続する。同様に、試験用ボイラ管２００の他方の開口から見える可撓性コイルヒータ５００の他方の端子を導線９０１Ｂと電気的に接続する。導線９０１Ａ，９０１Ｂは、制御装置から導出されてキャップ９００Ａ，９００Ｂを貫通する導線である。従って、制御装置は、可撓性コイルヒータ５００の通電量を制御しつつ、試験用ボイラ管２００の内部を加熱することが可能になる。又、熱電対６００を補強装置２５０の外周面に取り付ける。熱電対６００は、制御装置と接続されている。従って、制御装置は、熱電対６００による温度検知結果に基づいて、試験用ボイラ管２００の内部温度が一定温度となるように、可撓性コイルヒータ５００の通電量を制御することが可能になる（図１０Ｃ：行程４）。

次に、試験用ボイラ管２００の内部の熱が試験用ボイラ管２００及び補強装置２５０を通して放熱し難くなるように、保温部材７００を試験用ボイラ管２００の外周面に巻き付けた後、ワイヤ８００を保温部材７００の外周面に引き回し、保温部材７００を試験用ボイラ管２００に固定する（図１０Ｄ：行程５）。

上記の行程１〜工程５を行うことによって、試験用ボイラ管２００に対する疲労試験を行うための準備が完了する。そして、制御装置に対して疲労試験を行うための指示を入力すると、制御装置は、往復動装置４０３、可撓性コイルヒータ５００、熱電対６００を動作させる。具体的には、制御装置は、試験用ボイラ管２００の内部温度が一定温度となるように、熱電対６００から得られる温度検知結果に基づいて可撓性コイルヒータ５００の通電量を制御しつつ、試験用ボイラ管２００に対して一定の曲げ荷重が継続的に加わるように、往復動装置４０３を垂直方向に往復動させる。このようにして、ボイラ管に補強装置２５０を装着する実際の使用環境と同等の使用環境を実現しながら、試験用ボイラ管２００に対する疲労試験を行うことが可能になる。

以上説明したように、本実施形態に係る、ボイラの燃焼熱を用いて水を加熱することによって得られる蒸気が通過する円筒型のボイラ管の疲労試験方法は、ボイラ管と同等の試験用ボイラ管２００を準備する第１工程と、表面が絶縁被覆された可撓性コイルヒータ５００を試験用ボイラ管２００の内部に設置する第２工程と、熱電対６００を試験用ボイラ管２００の外周面上に設置する第３工程と、試験用ボイラ管２００の断面に沿う方向に往復運動する疲労試験機１００の可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂに対して試験用ボイラ管５００を装着する第４工程と、疲労試験機１００の固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂが可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂを挟むように、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂに対して試験用ボイラ管２００を装着する第５工程と、試験用ボイラ管の内部温度が一定温度になるように、熱電対６００の温度検知結果に基づいて可撓性コイルヒータ５００の加熱温度を制御しつつ、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂを往復運動させることによって、試験用ボイラ管２００の疲労試験を行う第６工程と、を含む。そして、第１工程〜第５工程を行うことによって、低コスト及び高精度の疲労試験を行うことが可能になる。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、試験用ボイラ管２００の外周面に保温部材７００を巻き付けて固定する第７工程を、第６工程の前に含む。そして、第７工程を行うことによって、試験用ボイラ管２００の内部の熱が試験用ボイラ管２００を通して放熱し難くなるため、更に高精度の疲労試験を行うことが可能になる。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、試験用ボイラ管２００の内部の熱が試験用ボイラ管２００の両端の開口から放熱し難くなるように、開口をキャップ９００Ａ，９００Ｂで塞ぐ第８工程を、第６工程の前に含む。そして、第８工程を行うことによって、試験用ボイラ管２００の内部の熱が試験用ボイラ管２００を通して放熱し難くなるため、更に高精度の疲労試験を行うことが可能になる。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、図６に示すような、試験用ボイラ管２００の長手方向に沿う方向の長さが試験用ボイラ管２００の直径の２倍以上に設定されるとともに試験用ボイラ管２００の断面に沿う方向の肉厚が両端に向かうにつれて薄くなる補強装置２５０を、試験用ボイラ管２００の外周面に装着する。そして、ボイラ管に補強装置２５０を装着する実際の使用環境と同等の使用環境を実現しながら、試験用ボイラ管２００に対する疲労試験を行うことが可能になる。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、図７に示すように、補強装置２５０を試験用ボイラ管２００の溶接部２０１を含む外周面に装着する。そして、ボイラ管に補強装置２５０を装着する実際の使用環境と同等の使用環境を実現しながら、試験用ボイラ管２００に対する疲労試験を行うことが可能になる。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４からなる補強装置２５０を試験用ボイラ管２００の外周面に装着することとする。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、熱電対６００を試験用ボイラ管２００又は補強装置２５０の外周面上に配置することとする。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂに形成される挿入孔４０６Ａ，４０６Ｂ，４０７Ａ，４０７Ｂに試験用ボイラ管２００を挿入することによって、可動アーム４０４Ａ，４０４Ｂを試験用ボイラ管２００と結合することとする。

又、本実施形態に係る疲労試験方法において、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂに形成される挿入孔３０４Ａ，３０４Ｂに試験用ボイラ管２００を挿入することによって、固定アーム３０３Ａ，３０３Ｂを試験用ボイラ管２００と結合することとする。

尚、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１００ 疲労試験機
２００ 試験用ボイラ管
２０１ 溶接部
２５０ 補強装置
２５１Ａ 第１補強部材
２５１Ｂ 第２補強部材
２５２ 第１フランジ
２５３ 第１孔
２５４ 第２フランジ
２５５ 第２孔
２５６ ボルト
２５７ ナット
２５８ 固定バンド
３００ 固定機構
３０１ 基台
３０２Ａ，３０２Ｂ，４０２Ａ，４０２Ｂ 支脚
３０３Ａ，３０３Ｂ 固定アーム
３０４Ａ，３０４Ｂ，４０６Ａ，４０６Ｂ，４０７Ａ，４０７Ｂ 挿入孔
４００ 可動機構
４０１ 橋渡板
４０３ 往復動装置
４０４Ａ，４０４Ｂ 可動アーム
４０５ 先端箱
５００ 可撓性コイルヒータ
６００ 熱電対
７００ 保温部材
８００ ワイヤ

Claims (10)

1. ボイラの燃焼熱を用いて水を加熱することによって得られる蒸気が通過する円筒型の配管の疲労試験方法であって、
   前記配管と同等の試験用配管を準備する第１工程と、
   表面が絶縁被覆された可撓性コイルヒータを前記試験用配管の内部に設置する第２工程と、
   温度センサを前記試験用配管の外周面上に設置する第３工程と、
   前記試験用配管の断面に沿う方向に往復運動する疲労試験機の可動アームに対して前記試験用配管を装着する第４工程と、
   前記疲労試験機の一対の固定アームが前記可動アームを挟むように、前記一対の固定アームに対して前記試験用配管を装着する第５工程と、
   前記試験用配管の内部温度が一定温度になるように、前記温度センサの温度検知結果に基づいて前記可撓性コイルヒータの加熱温度を制御しつつ、前記可動アームを往復運動させることによって、前記試験用配管の疲労試験を行う第６工程と、
   を含むことを特徴とする配管の疲労試験方法。
2. 前記第４工程において、前記試験用配管の断面に沿う方向に往復運動する前記疲労試験機の一対の可動アームに対して前記試験用配管を装着する
   ことを特徴とする請求項１に記載の配管の疲労試験方法。
3. 前記試験用配管の外周面に保温部材を巻き付けて固定する第７工程
   を前記第６工程の前に含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の配管の疲労試験方法。
4. 前記試験用配管の内部の熱が前記試験用配管の両端の開口から放熱しないように、前記開口を蓋部材で塞ぐ第８工程
   を前記第６工程の前に含むことを特徴とする請求項３に記載の配管の疲労試験方法。
5. 前記第１工程において、前記試験用配管の長手方向に沿う方向の長さが前記試験用配管の直径の２倍以上に設定されるとともに前記試験用配管の断面に沿う方向の肉厚が両端に向かうにつれて薄くなる補強部材を、前記試験用配管の外周面に装着する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の配管の疲労試験方法。
6. 前記第１工程において、前記補強部材を前記試験用配管の溶接部を含む外周面に装着する
   ことを特徴とする請求項５に記載の配管の疲労試験方法。
7. 前記第１工程において、ステンレス鋼からなる前記補強部材を前記試験用配管の外周面に装着する
   ことを特徴とする請求項６に記載の配管の疲労試験方法。
8. 前記第３工程において、熱電対を含む前記温度センサを前記試験用配管の外周面上に配置する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の配管の疲労試験方法。
9. 前記第４工程において、前記可動アームに形成される挿入孔に前記試験用配管を挿入することによって、前記可動アームを前記試験用配管と結合する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の配管の疲労試験方法。
10. 前記第５工程において、前記一対の固定アームに形成される挿入孔に前記試験用配管を挿入することによって、前記一対の固定アームを前記試験用配管と結合する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の配管の疲労試験方法。

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