JP2019056469A - 金属壁部の冷却温度設定方法及び金属壁部の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のクリープ寿命を得ることができる金属壁部冷却方法を提供する。【解決手段】加圧流体を仕切る金属壁部の外表面の冷却後の温度と、冷却部分に作用する応力との関係を示す冷却温度応力関係を演算する冷却温度応力関係演算工程と、金属壁部の目標クリープ寿命となる温度と応力との関係を示す等寿命線と冷却温度応力関係から、目標クリープ寿命を満たす外表面の目標冷却後温度を演算する冷却後温度演算工程とを有し、冷却温度応力関係演算工程は、金属壁部の厚さを考慮して冷却温度応力関係を演算する。【選択図】図６

Description

本発明は、火力発電プラント、原子力発電プラント、化学プラントなどのプラントで用いられる配管や圧力容器を冷却する金属壁部の冷却温度設定方法及び金属壁部の冷却方法に関するものである。

例えば、火力発電プラントでは、ボイラで加熱された水蒸気を蒸気タービンに搬送する配管が設けられている。この配管は、金属配管であり、内部に高温で高圧の水蒸気が流通することから、この水蒸気により加熱された高温状態の環境下にある。このような金属配管は、上述した環境下で長時間使用されると、クリープ損傷が進行してクリープボイドが発生し、このクリープボイドがつながることで亀裂が生じ、最終的には破断に至る可能性がある。

このような配管の破断を防止するため、定期的な非破壊検査によりクリープボイドの成長度合いを分析してクリープ損傷度を導出し、金属配管の余寿命（クリープ寿命）評価を行っている。この場合、一般的に、金属配管は、母材部に比べて溶接部のクリープ損傷リスクが高いことから、主に、この溶接部が検査対象箇所となる。非破壊検査の結果、次の定期検査までの期間におけるクリープ損傷リスクを無視できない場合、プラント全体の運転温度を下げることで、金属配管のメタル温度を下げ、クリープ損傷リスクを低減する対策を講じることがあるが、プラント全体の運転温度を下げると、プラントの運転効率が低下してしまう欠点がある。

このように次の定期検査までの期間におけるクリープ損傷リスクを無視できない場合、金属配管の外表面を部分的に冷却してメタル温度を低下することで、クリープ損傷リスクを低減する手法が提案されている（特許文献１）。

特許第５７０１３４９号公報

しかし、特許文献１には、金属配管の外表面を冷却してクリープ損傷を低減することは開示されているものの、どの程度冷却すれば所望のクリープ寿命を得ることができるのかについての知見がない。さらに、板厚方向の温度差により発生する熱応力によって、配管が損傷（塑性変形等）する可能性があり、その抑止策については開示されていない。

このような事情に鑑みて、本開示は、所望のクリープ寿命を得ることができる金属壁部の冷却温度設定方法及び金属壁部の冷却方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の幾つかの実施形態に係る金属壁部の冷却温度設定方法及び金属壁部の冷却方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる金属壁部の冷却温度設定方法は、加圧流体を仕切る金属壁部の外表面の冷却後の温度と、冷却部分に作用する応力との関係を示す冷却温度応力関係を演算する冷却温度応力関係演算工程と、金属壁部の目標クリープ寿命となる温度と応力との関係を示す等寿命線と前記冷却温度応力関係から、前記目標クリープ寿命を満たす前記外表面の目標冷却後温度を演算する冷却後温度演算工程とを有し、前記冷却温度応力関係演算工程は、前記金属壁部の厚さを考慮して前記冷却温度応力関係を演算する。

所定のクリープ寿命を満たさない場合に、例えば配管とされた金属壁部の外表面を冷却したとしても、金属壁部の厚さ方向における温度分布による熱応力が重畳されるため、必ずしも所定のクリープ寿命を満たすわけではない。そこで、金属壁部の板厚を考慮して目標冷却後温度を演算することで、確実に目標クリープ寿命を満たすことができる。

さらに、本発明の幾つかの実施形態では、前記冷却後温度演算工程は、前記冷却後の温度の条件で前記冷却部分に作用する応力が、該温度における前記等寿命線上の応力以下となるように前記目標冷却後温度を演算する。

等寿命線上の応力以下となるように目標冷却後温度を演算することとしたので、確実に目標クリープ寿命を満たすことができる。

さらに、本発明の幾つかの実施形態では、前記冷却後温度演算工程は、前記外表面を冷却した後にクリープ寿命が減少しない温度幅ΔＴ０を演算し、該温度幅ΔＴ０を超えるように前記目標冷却後温度を演算する。

本発明者等が検討したところ、金属壁部の外表面を冷却した後であっても所定の温度幅の範囲では却ってクリープ寿命が減少する領域があることを見出した。そこで、このようなクリープ寿命が減少しない温度幅を演算し、この温度幅を超えるように目標冷却後温度を演算することとした。

さらに、本発明の幾つかの実施形態では、前記外表面の冷却によって前記金属壁部が塑性変形を示す冷却後温度を前記目標冷却後温度の下限温度として演算する。

金属壁部の外表面を過度に冷却すると、熱応力が大きくなり金属壁部に塑性変形を生じさせることになる。このときの外表面の冷却後温度を目標値の下限温度として演算する。これにより、金属壁部の塑性変形による破損等を防止することができる。
塑性変形を示す温度としては、例えば、降伏応力を超える応力を示す温度を用いることができる。また、進行性変形を示すシェイクダウン強度を用いても良い。

さらに、本発明の幾つかの実施形態では、前記金属壁部は、配管とされ、該配管の管軸方向及び／又は管周方向の温度分布に応じて前記目標冷却後温度を補正する補正工程を有する。

配管の管軸方向及び／又は管周方向に温度分布が生じると、温度分布に応じて管軸方向及び／又は管周方向に熱応力が重畳的に発生する。この熱応力を考慮して目標冷却後温度を補正することによって、確実に目標クリープ寿命を満たすことができる。

さらに、本発明の幾つかの実施形態では、前記目標冷却後温度に対応する応力と、該目標冷却後温度にて前記目標クリープ寿命となる応力との差分に相当する差分応力を演算する差分応力演算工程と、前記配管の管軸方向及び／又は管周方向の温度分布によって生じる熱応力が、前記差分応力よりも小さくなるように前記温度分布を設定する温度分布設定工程とを備えている。

目標冷却後温度は目標クリープ寿命を満たすので、この目標冷却後温度に対応する応力と、目標クリープ寿命となる応力との間には所定の差分応力が存在する。この差分応力に相当する応力をさらに付加しても目標クリープ寿命を満たす。したがって、配管の管軸方向及び／又は管周方向に温度分布が生じて熱応力が発生したとしても、差分応力に相当する応力は許容することができる。そこで、差分応力よりも、温度分布によって生じる熱応力を小さくなるように温度分布を設定することで、目標クリープ寿命を満たすことができる。これにより、配管に生じた温度分布に応じて目標冷却後温度を補正する必要がなく、温度分布を設定するだけで足りるので、煩雑な運転を回避することができる。
温度分布を設定する方法としては、例えば、冷却媒体を流す方向や流量を変化させたり、冷却フィンを設置したり、冷却する領域の形状を変更するといった方法が挙げられる。

また、本発明の幾つかの実施形態は、上記のいずれかの金属壁部の冷却温度設定方法と、前記目標冷却後温度まで前記金属壁部を冷却する冷却工程とを有する。

金属壁部の外表面を冷却した場合における金属壁部の厚さ方向における温度分布による熱応力を考慮することとしたので、所望のクリープ寿命を得ることができる。

第１実施形態に係る配管冷却方法を適用する配管冷却構造を示した縦断面図である。 所定のクリープ寿命に対する温度及び応力の関係を得る方法を示したグラフである。 等寿命線図上に所定の配管の予寿命を示す方法を示したフローチャートである。 最短寿命となる温度及び応力を示したグラフである。 等寿命線図を示したグラフである。 等寿命線図上に配管を冷却した場合に生じる応力変化を示したグラフである。 等寿命線図を用いたクリープ寿命管理マップを示した図である。 第３実施形態にかかる配管冷却方法の等寿命線図を示したグラフである。 第３実施形態を説明するフローチャートである。 第３実施形態にかかる配管冷却方法の等寿命線図を拡大して示したグラフである。 一実施例にかかる配管の外表面の温度分布を示したグラフである。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１には、冷却対象となる配管（金属壁部）を部分的に冷却する配管冷却構造１が示されている。配管２の外周には保温材４が配置されている。配管２には、溶接部３が円周方向（管周方向）に形成されており、この溶接部３を含む領域において保温材４の一部が除去されて空間Ｓが形成されている。空間Ｓによって、配管２の外表面２ａが外部（大気）に露出する。なお、溶接部が管軸方向に形成されている場合は、管軸方向に形成された溶接部に沿った領域が露出するように保温材４が部分的に除去される。

配管２は、中心軸線Ｃ１を有する円管とされており、低合金鋼（1.25Cr-Mo鋼または2.25Cr-Mo鋼等）、高Cr鋼（9Cr鋼）、オーステナイト鋼（SUS316）、Ni基合金鋼（HR6W）等を用いた金属製とされている。配管２は、例えば火力発電プラントのボイラに用いられる主蒸気配管や再熱蒸気配管とされており、内部には５００℃以上７００℃以下の高温過熱蒸気（加圧流体）が流れる。配管２内の圧力は、１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下とされる。配管２外の圧力は大気圧とされる。配管２の外径は、２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とされ、配管２の板厚は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされている。

ＭＴ検査（Magnetic Particle Testing：磁粉探傷検査）やＰＴ検査（Penetrant Testing：浸透探傷検査）等の非破壊検査、非破壊評価または解析法を用いた配管２のクリープ破断の余寿命評価により、クリープ破断リスクの高い溶接部３が確認され、定常の継続使用が出来ないと判断された場合に、配管２のクリープ破断リスクの高い溶接部３を被覆している保温材４を除去し、外部から空気等の冷却媒体を例えば矢印Ａ１に示すように配管２の外表面２ａへ導き、外表面温度を局所的に低下させ、所望の目標クリープ寿命を得る。

次に、上記の配管冷却構造１を用いる際に、配管２の外表面２ａの冷却温度を決定する方法について説明する。

図２には、所定のクリープ寿命に対する温度及び応力の関係を得る方法が示されている。クリープ破断によって決まるクリープ寿命は、主として材料、温度及び応力に支配される。すなわち、同一の材料の場合、図２の左グラフのように、クリープ寿命に対して温度毎に応力が決まる。これを、所定のクリープ寿命（例えば目標クリープ寿命）に対して横軸を温度、縦軸を応力として整理すると、図２の右グラフのようにクリープ寿命曲線を示す曲線Ｌ１が得られる（目標クリープ寿命演算工程）。同グラフに示された線Ｌ１は、所定のクリープ寿命となる温度及び圧力を示す。この右グラフを以下では等寿命線図という。

応力は、熱応力と内圧応力との合計値となる。
熱応力は以下のように算出される。配管内部の蒸気条件（蒸気温度、熱伝達率等）、配管外部の冷却条件（雰囲気温度、熱伝達率、輻射率等）を考慮して、板厚方向の温度分布を算定する。そして、得られた温度分布と円筒の熱応力公式等から熱応力を算出する。
内圧応力については、蒸気の圧力を用いて厚肉円筒公式等から算出する。
そして、上述のように求めた熱応力と内圧応力とを加算して合計値を算出する。このうち、板厚方向の応力と温度の関係から、最も寿命が短い場所（通常は外表面、引張り応力作用）を評価位置として、冷却部に作用する応力とする。
なお、熱応力や内圧応力の計算には、上述した所定の公式を用いても良いが、ＦＥＭ等を用いて数値計算を行ってもよい。

クリープ寿命は、具体的には、最弱部となる溶接部３のクリープ寿命を用いる。溶接部３のクリープ寿命は、丸棒試験片を一様温度にて所定の応力を負荷したときの破断寿命を強度実験によって取得し、Larson-Millerパラメータ（温度と寿命の関数）にて寿命評価式の定式化を行うことで求められる。クリープ等寿命線は、定式化された寿命評価式を用いて予め設定することができる。例えば、１０万時間の等寿命線（９９％下限線）を求める場合には、温度毎に１０万時間に相当する応力を算出して、温度と応力の関係式を等寿命線図のグラフとして出力する。

図３を用いて、図２を用いて説明した等寿命線図上に所定の配管の余寿命を示す方法を説明する。
まず、運転時または設計時における配管２の板厚方向の温度分布を取得する（ステップＳ１）。温度は、熱電対等の温度センサで取得した値や、設計時に想定した温度が用いられる。なお、保温材４が被覆されている配管２では、板厚方向の温度分布は略ゼロである（つまり外表面の温度は、内表面の温度とほぼ等しくなる）。図１のように保温材４を剥がした空間Ｓに露出する配管２に板厚方向の温度分布が生じる。

そして、板厚方向の応力分布を取得する（ステップＳ２）。応力は、配管２内を流れる蒸気の圧力による内圧応力と、板厚方向の温度分布による熱応力の重ね合わせになる。図１に示したように溶接部３が配管２の周方向に存在する周継手の場合には、配管２の管軸方向における応力がクリープ寿命に対して大きな要因となるので、管軸方向の応力を調べる。一方、溶接部が配管２の管軸方向に存在する長手継手の場合には、配管２の管周方向における応力がクリープ寿命に対して大きな要因となるので、管周方向の応力を調べる。

ステップＳ３では、ステップＳ１で得た温度とステップＳ２で得た応力とに基づいて、配管２の板厚方向における余寿命分布を算出する。この余寿命は、図２の左グラフからクリープ寿命として得ることができる。

そして、ステップＳ４にて、最短寿命となる位置の温度Ｔ１及び応力σ１を取得する。図４には、この温度Ｔ１及び応力σ１が示されている。図４は、縦軸が板厚を示し、上側が配管２の外表面、下側が配管２の内表面を示す。横軸は、左から、温度、応力、クリープ寿命を示す。同図から分かるように、温度は、配管２の内表面側に高温の蒸気が流れているので高く、配管２の外表面側は外気側なので低くなり、外表面の温度はＴ１となる。応力は、配管２の外表面側は温度が低く内表面側は温度が高いので、外表面側に引張りの熱応力が生じ、内表面側に圧縮の熱応力が生じる。したがって、内圧応力と熱応力とを重ね合わせると、配管２の外表面が最も応力が大きくなる位置となり、応力σ１を示す。クリープ寿命は、応力が最も大きくなる外表面が最も小さくなる。したがって、最短寿命となる位置は、配管２の外表面２ａでかつ溶接部３となる。

ステップＳ５では、ステップＳ４にて得られた最短寿命となる温度Ｔ１及び応力σ１を等寿命線図にプロットする。

図５には、ステップＳ５にてプロットしたプロット点Ｐ１が示されている。同図において、実線で示す曲線Ｌ２は、次回の定期検査までのクリープ寿命を示し、破線で示す曲線Ｌ３はこのクリープ寿命に対して所定の安全率を考慮した目標クリープ寿命を示す。曲線Ｌ２及び曲線Ｌ３は、下に凸となる曲線形状となっている。

図５からわかるように、プロット点Ｐ１は、曲線Ｌ２のクリープ寿命よりも右上側（すなわち高温側でかつ高応力側）に位置しているので、次回の定期検査までのクリープ寿命を有していないことを意味する。
なお、プロット点Ｐ１における温度は約６００℃である。これは、高温過熱蒸気の対象温度範囲である５００℃から７００℃の平均の値を代表的に用いたものである。これ以降、約６００℃のケースを前提に説明する。

プロット点Ｐ１におけるクリープ寿命を延命化するために、図１で示したように配管２の外表面の冷却部分を部分的に冷却する。
図６には、配管２の外表面を冷却した場合の温度及び応力が示されている。同図の曲線Ｌ４に示すように、配管２の外表面を冷却すると、配管２の温度は低下するが、配管２の板厚方向の温度差が増大して熱応力が大きくなるので全体としての応力は増大する。なお、この曲線Ｌ４の傾きは、配管の板厚や拘束状態によって変化する。
そして、プロット点Ｐ１から温度幅ΔＴ０以内の範囲では、次回の定期検査までのクリープ寿命を示す曲線Ｌ２よりも上側に温度及び応力が存在することになる。これは、クリープ寿命が延命化されておらず、むしろ短命化されていることを意味する。したがって、配管２の外表面を冷却する場合には、温度幅ΔＴ０を超えるように目標冷却後温度を定める必要がある。
この温度幅ΔＴ０は、曲線Ｌ２の形状や曲線Ｌ４の傾きによって変化するが、上述した配管２の条件であれば通常は５０℃以上になる。よって、配管２の外表面の目標冷却後温度は冷却前温度に対して、温度幅ΔＴ０以上、具体的には５０℃以上に設定される。

プロット点Ｐ１から温度幅ΔＴ１を超えると、曲線Ｌ３で示した目標クリープ寿命を満たすことになる。したがって、配管２を冷却する目標冷却後温度は、温度幅ΔＴ１を超えるように定められる。

一方で、配管２の外表面を過度に冷却すると、熱応力が大きくなり配管２の応力が降伏点を超えて塑性変形が生じ、進行性変形やプラントの発停に伴う疲労損傷などが発生するおそれがある。そこで、図６に一点鎖線の曲線Ｌ５で示した最大応力を超えないように目標冷却後温度の下限を定める。
ここで、図６の曲線Ｌ５で示す最大応力には、例として降伏強度を用いている。曲線Ｌ５が屈曲しているのは、降伏強度の温度依存性を反映したためである。このように曲線Ｌ５が屈曲している場合には、目標冷却温度の下限である曲線Ｌ４との交点の温度は単純な計算では求めることができず、図示等により確認しながら求めるのが好ましい（図７にて後述する）。
例えば、目標冷却後温度の下限値は、曲線Ｌ５と曲線Ｌ３との交点となる４００℃とされる。曲線Ｌ５と曲線Ｌ３との交点となる４００℃は、配管２の目標クリープ寿命となる応力と、降伏強度とが等しくなる温度を表している。目標クリープ寿命を満足させるためには、曲線Ｌ３の左側の領域に至るように配管２の外表面を冷却する必要がある。目標冷却後温度の下限値を曲線Ｌ５と曲線Ｌ３との交点となる４００℃とされれば、目標クリープ寿命を満足させた状態（曲線Ｌ３の左側の領域内）で、発生する応力を確実に曲線Ｌ５以下（降伏強度以下）にすることできる。つまり、降伏強度の影響を考慮する必要が無くなり、目標クリープ寿命を満足するか否かのみを考慮して安心して目標冷却後温度を設定することができる。

なお、目標冷却後温度の下限は、曲線Ｌ５のように降伏応力と曲線Ｌ３との交点を用いる他に、所定の条件を定めることによって選定することができる。

第１には、シェイクダウン強度を用いて目標冷却後温度の下限値を選定する。シェイクダウンとは、所定の応力によって進行性変形を示す現象を示し、シェイクダウンが発生する応力をシェイクダウン強度といい、例えば降伏応力の２倍の値が用いられる。シェイクダウン強度を用いた目標冷却後温度の下限値は、例えばシェイクダウン強度を示す曲線Ｌ７と曲線Ｌ３との交点となる３００℃とされる。効果は、上述の降伏強度をシェイクダウン強度に置き換えたものとなる。
なお、最大応力（強度）には、シェイクダウン強度や降伏強度以外にも、疲労強度を用いてもよい。
第２には、曲線Ｌ４と平行でかつ曲線Ｌ２に接するように設けた曲線Ｌ４’と曲線Ｌ５との交点である２００℃に設定される。曲線Ｌ４は、種々の温度応力条件で検討した曲線のなかで最も傾きが小さい（即ち水平に近い）曲線を選ぶことが好ましい。このようにして得られた曲線Ｌ４’は、目標冷却後温度の下限としての限界値として選定することができる。

以上の演算を経て、配管２の目標冷却後温度は、温度幅ΔＴ１を超えるように定められる（冷却後温度演算工程）。

上述のように、配管２の外表面の目標冷却後温度は、２００℃以上、好ましくは３００℃以上、より好ましくは４００℃以上に設定される。
さらに、配管２の外表面の冷却前後の温度差は、４００℃以下、好ましくは３００℃以下、より好ましくは２００℃以下に設定される。その理由は以下の通りである。
配管２の板厚方向の温度差による熱応力によって降伏強度を超えるには、４００℃以上の温度差が必要となる。したがって、配管２の塑性変形を防止することができる最大範囲として、外表面の冷却前後の温度差（板厚方向の温度差に相当）は４００℃以下と設定される。

さらに、裕度をもって配管２の塑性変形を防止できる範囲として、配管２の外表面の冷却前後の温度差は３００℃以下と設定される。
一方、配管２の内部を流通する蒸気温度を５００〜７００℃、蒸気と配管２との熱伝達率を５００〜３０００ｗ／ｍ^２ｋ、外気温度を２０〜１００℃、外気と配管２との熱伝達率を２０〜３００ｗ／ｍ^２ｋ、輻射率を０．５〜１．０とした場合、配管２の板厚方向の温度差は２００℃以下となる。この温度差の範囲内では、材料の降伏強度を超えない。例えば、配管２の板厚方向の温度差が９０℃の場合には熱応力は１２０ＭＰａとなる。

したがって、さらなる裕度をもって配管２の塑性変形を防止でき、かつ外気接触による簡易かつ実用的な方法で冷却できる範囲として、外表面の冷却前後の温度差は２００℃以下と設定される。

図７には、上述のように得られた等寿命線図を用いたクリープ寿命管理用マップが示されている。このクリープ寿命管理用マップは、ディスプレイ等の表示装置に示しても良い。
同図に示すように、目標クリープ寿命曲線である曲線Ｌ３よりも右上の領域Ａ１は、次回の定期検査までのクリープ寿命を満たさないのでＮＧ（不可）となる。
曲線Ｌ３よりも左側であっても、シェイクダウン強度を示す曲線Ｌ７よりも上側の領域Ａ２は、進行性変形が生じるのでＮＧとなる。
領域Ａ２の下側でかつ曲線Ｌ５よりも上側で、曲線Ｌ３よりも左側の領域Ａ３は、配管２の外表面２ａに塑性変形は生じるが、進行性変形は生じないので、条件付きＯＫ（条件付き可）となる。
曲線Ｌ５よりも下側でかつ曲線Ｌ３よりも左側の領域Ａ４は、次回の定期検査までのクリープ寿命を満たし、かつ塑性変形も生じないのでＯＫ（可）となる。

以上の演算は、情報処理装置を用いて行ってもよい。情報処理装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

上記構成によれば、以下の作用効果を奏する。
所定のクリープ寿命を満たさない場合（図６のプロットした点Ｐ１参照）に、配管２の外表面を冷却したとしても、配管２の厚さ方向における温度分布による熱応力が重畳されるため、必ずしも所定のクリープ寿命を満たすわけではない。本実施形態では、配管２の板厚を考慮して目標冷却後温度を演算することとしたので、確実に目標クリープ寿命を満たすことができる。

配管２の外表面を冷却した後であっても、図６の温度幅がΔＴ０以内の範囲では却ってクリープ寿命が増大する領域があることを見出した。そこで、このようなクリープ寿命が減少しない温度幅ΔＴ０を演算し、温度幅ΔＴ０を超えるように目標冷却後温度を演算することとした。

配管２の外表面を過度に冷却すると、熱応力が大きくなり配管に塑性変形を生じさせることになる（図６の一点鎖線参照）。このときの外表面の冷却後温度を目標値の下限温度として演算する。これにより、配管２の塑性変形による破損等を防止することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
本実施形態では、第１実施形態に対して配管２の管軸方向の温度分布を考慮する点で相違し、その他の点は同様である。したがって、以下では第１実施形態に対する相違点について説明する。

図１に示したように、配管２の管軸方向の一部分のみの保温材４を除去すると、管軸方向に温度分布が生じることになる。管軸方向に温度分布が生じると、この温度分布によって更に熱応力が発生することになる。
これをグラフで表すと図８のようになる。同図に示されているように、管軸方向の温度分布による熱応力が重畳された分だけ、この熱応力を考慮しない曲線Ｌ４よりも曲線Ｌ６のように応力が高くなる。そこで、第１実施形態では曲線Ｌ４に基づいて温度幅ΔＴ１を超えるように目標冷却後温度を設定していたものを、曲線Ｌ６で定まる温度幅ΔＴ１’を超えるように目標冷却後温度を補正する（補正工程）。
これにより、確実に目標クリープ寿命を満たすことができる。

なお、管軸方向の温度分布に代えて、管周方向の温度分布による熱応力を用いるようにしても良いし、管軸方向及び管周方向の温度分布を用いるようにしても良い。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。
第２実施形態では、管軸方向や管周方向の温度分布に応じて目標冷却後温度を補正することとしたが、配管２に生じる管軸方向や管周方向の温度分布を把握しておく必要がある。これに対して、本実施形態は、管軸方向や管周方向の温度分布を所定範囲に制限することによって、更に簡便な冷却方法を提供する。

図９に示すように、ステップＳ１１にて、温度低減量を設定する。温度低減量は、図８に示したプロット点Ｐ１から目標冷却後温度までの温度差を意味する。したがって、プロット点Ｐ１から温度幅ΔＴ１’を超える温度低減量であり、これにより決定された目標冷却後温度を図１０に符号Ｔａで示す。なお、図１０は、図８に示した曲線Ｌ３と曲線Ｌ４とが交差する領域を拡大して示している。

図９に示すように、ステップＳ１２では、目標クリープ寿命を下回る応力増加量を算出する。具体的には、図１０に示すように、目標冷却後温度Ｔａにおける曲線Ｌ４が示す応力と、目標冷却後温度Ｔａにおける曲線Ｌ３が示す応力（管軸方向及び管周方向の温度分布による熱応力を考慮しないときの応力）との差分応力Δσを算出する（差分応力演算工程）。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２で得られた差分応力Δσに相当する熱応力を生じさせる温度勾配Δｔを演算する。
図１のように溶接部３が配管２の周方向に存在する周継手の場合には、配管２の管軸方向における温度変化は、溶接部３を中心として±１００ｍｍで、５０℃以下とするのが好ましい。一方、溶接部が配管２の管軸方向に存在する長手継手の場合には、配管２の管周方向の冷却部分における温度変化は、５０℃以下とするのが好ましい。

そして、ステップＳ１４にて、ステップＳ１３で得られた温度勾配Δｔを超えないように配管２の冷却の制御を行う（温度分布設定工程）。冷却の制御方法としては、冷却空気（冷却媒体）を流す方向や流量を変化させたり、冷却フィンを設置したり、冷却する領域の形状を変更する（例えば保温材４を剥がす領域を変更する）といった方法が挙げられる。

上記構成によれば、以下の作用効果を奏する。
差分応力Δσよりも温度分布によって生じる熱応力を小さくなるように管軸方向及び／又は管周方向の温度分布を設定することで、目標クリープ寿命を満たすことができる。これにより、第２実施形態のように配管２に生じた温度分布に応じて目標冷却後温度を補正する必要がなく、温度分布を設定するだけで足りるので、煩雑な運転を回避することができる。

［実施例１］
図１１は、幾つかの実施形態を適用して冷却した後の配管２の外表面温度の一実施例が示されている。本実施例は、図１に示したように、配管２の周方向に溶接部３が存在する周継手であり、この溶接部３を含むように部分的に−１８０ｍｍから＋１８０ｍｍの領域の保温材４が剥がされて冷却されている。

運転温度（すなわち蒸気温度）が５７０℃の場合に、配管２の外表面の最低温度は４８０℃（＞４５０℃）、板厚方向の温度差は９０℃（＜２００℃）、管軸方向の温度差は±１００ｍｍの領域で３０℃（＜５０℃）となっており、上述した各実施形態の温度条件を満たしている。

なお、上述した各実施形態では、配管２の冷却方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、加圧流体を仕切る金属壁部であれば適用できるものであり、例えば圧力容器にも適用できるものである。

また、上述した各実施形態では、配管２内を流れる蒸気の温度を６００℃として説明したが、５００℃以上７００℃までの蒸気温度に応じて等寿命線図を作成し、長寿命化を図ることができる。

１ 配管冷却構造
２ 配管
２ａ 外表面
３ 溶接部
４ 保温材
Ｓ 空間

Claims (7)

1. 加圧流体を仕切る金属壁部の外表面の冷却後の温度と、冷却部分に作用する応力との関係を示す冷却温度応力関係を演算する冷却温度応力関係演算工程と、
   金属壁部の目標クリープ寿命となる温度と応力との関係を示す等寿命線と前記冷却温度応力関係から、前記目標クリープ寿命を満たす前記外表面の目標冷却後温度を演算する冷却後温度演算工程と、
   を有し、
   前記冷却温度応力関係演算工程は、前記金属壁部の厚さを考慮して前記冷却温度応力関係を演算する金属壁部の冷却温度設定方法。
2. 前記冷却後温度演算工程は、前記冷却後の温度の条件で前記冷却部分に作用する応力が、該温度における前記等寿命線上の応力以下となるように前記目標冷却後温度を演算する請求項１に記載の金属壁部の冷却温度設定方法。
3. 前記冷却後温度演算工程は、前記外表面を冷却した後にクリープ寿命が減少しない温度幅ΔＴ０を演算し、該温度幅ΔＴ０を超えるように前記目標冷却後温度を演算する請求項１又は２に記載の金属壁部の冷却温度設定方法。
4. 前記外表面の冷却によって前記金属壁部が塑性変形を示す冷却後温度を前記目標冷却後温度の下限温度として演算する請求項１から３のいずれかに記載の金属壁部の冷却温度設定方法。
5. 前記金属壁部は、配管とされ、
   該配管の管軸方向及び／又は管周方向の温度分布に応じて前記目標冷却後温度を補正する補正工程を有する請求項１から４のいずれかに記載の金属壁部の冷却温度設定方法。
6. 前記目標冷却後温度に対応する応力と、該目標冷却後温度にて前記目標クリープ寿命となる応力との差分に相当する差分応力を演算する差分応力演算工程と、
   前記配管の管軸方向及び／又は管周方向の温度分布によって生じる熱応力が、前記差分応力よりも小さくなるように前記温度分布を設定する温度分布設定工程と、
   を備えている請求項５に記載の金属壁部の冷却温度設定方法。
7. 請求項１から６のいずれかに記載された金属壁部の冷却温度設定方法と、
   前記目標冷却後温度まで前記金属壁部を冷却する冷却工程と、
   を有する金属壁部の冷却方法。
   
   

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