JP2802114B2

JP2802114B2 - 部材の余寿命診断方法及びその診断装置並びに余寿命表示方法及びその表示装置

Info

Publication number: JP2802114B2
Application number: JP1235723A
Authority: JP
Inventors: 茂雄桜井; 正広大高; 翼清水; 了市金子
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH0399252A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は材料を劣化させる環境下例えば高温環境下や
高放射線下等で使用される部材の余寿命診断に係り、特
に、部材の全寿命を非熟練者でも的確に信頼性良く且つ
迅速に診断するに好適な余寿命診断方法及びし断装置並
びに診断結果を表示する表示方法及び表示装置に関す
る。

［従来の技術］火力発電プラントや原子力発電プラント等を運転する
場合、その運転の安全性や電力の安定供給を図る必要が
ある。そこで、プラントを構成する各種の部品が損壊し
て故障を起こし、プラントを長時間運転停止させること
がないように、各部品が最良の状態となるように保つ必
要がある。一方、まだ寿命が尽きないのに部品を新品に
交換するのは、コストが嵩み無駄であると共に、一般的
な初期故障等の高さを鑑みるとプラントの円滑な運転を
も阻害する要因となる。従って、各部品の余寿命を診断
し、損壊する要因の高い部品から交換するのがコストの
面からも、また、プラント運転効率や安全性の面からも
好ましい。

従来の余寿命診断では、例えば特開昭60−196657号公
報に記載されているように、高温部材の使用状態量から
温度・応力を算出し、この算出量と高温部材の硬さ・分
極特性・欠陥状態等の部材状態量とから、この高温部材
の受けている損傷量を算出し、この算出値から余寿命を
推定している。

実際に行われている余寿命診断では、上記従来技術と
同様に複数項目に及ぶ非破壊検査結果を評価し、その部
品の余寿命を推定している。

［発明が解決しようとする課題］従来の余寿命診断技術では、複数項目に及ぶ非破壊検
査結果を用いて余寿命を推定しているが、的確な推定を
行うには、硬度な知識と豊かな経験がないとできず、非
熟練者がこの余寿命を診断することができないという問
題がある。これは、従来はやみくもに色々な非破壊検査
結果を求め、これらの相互関係（因果関係）を定量化す
ることなく、この因果関係を経験に頼って判断している
ためである。

本発明の第１の目的は、的確な余寿命を診断すること
ができる（高温）部材の余寿命診断方法及び装置を提供
することにある。

本発明の第２の目的は、非熟練者でも容易且つ迅速に
余寿命を判断できる表示方法及び表示装置を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］上記第１の目的は、部材の物理量を検出してその部材
の現時点での限界損傷長さa cr（この長さは、傷の長さ
がこの長さに達したときその部材が損壊することを示す
値である。従って、この長さは材料の劣化が進むにつれ
て短くなる。）を求め、この限界損傷長さa crと、実際
に検出した部材表面あるいは内部の傷の長さａとから部
材の余寿命を診断することで、達成される。

上記第１の目的は、また、部材の物理量を検出してそ
の部材の限界損傷長さa crの進行予測線を求め、実際の
部材表面あるいは内部の傷の長さの検出値ａから、傷の
成長予測線を求め、両予測線の交点を寿命限界値として
余寿命を診断することで達成される。

上記第２の目的は、限界損傷長さa crと、傷の実際に
検出した長さａとを、時間軸を共通にしたグラフ画面上
に過去のデータと共に表示することで、達成される。

上記第２の目的は、また、上記進行予測線と成長予測
線を時間軸を共通にしたグラフ画面上に表示すること
で、達成される。

［作用］部材の内部または表面で成長する傷がある程度の長さ
になると、その部材はその傷により使用不能となり、部
材の寿命が尽きることになる。従って、傷の成長を予測
することで、その部材の余寿命を診断することができ
る。しかし、傷の長さの予測だけで、的確な診断はでき
ない。つまり、その部材の材質が何の劣化も受けなけれ
ば、傷の長さの予測だけで、十分な余寿命の診断も可能
であるが、材質自体が劣化していくと、予測より短い傷
の長さでその部材は使用不能となる。つまり、材質の劣
化の程度によりその部材の限界損傷長さは短くなる。そ
こで、本発明は、材質の劣化の程度と傷の長さの両方を
勘案して診断するので、的確な余寿命の診断が可能とな
る。

また、余寿命診断装置による診断結果を表示するに当
たり、限界損傷長さと実際に検出した傷の長さを画面上
に共通時間軸を用いて表示することで、一目で劣化の進
行及び傷の成長が分かり、非熟練者でも容易に判定する
ことが可能となる。

［実施例］以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例における余寿命診断装置
のブロック構成図である。本実施例における余寿命診断
装置は、部材表面の傷を検出する損傷度検出システム１
と、部材の劣化程度を検出する劣化度検出システム２
と、両システム1,2の検出値の相関関係から余寿命を診
断する余寿命診断器３と、該余寿命診断器３の診断結果
を表示する表示装置４からなる。

損傷度検出システム１として、本実施例では、後述す
るように光学的に部材表面の傷を直接検出するが、これ
に限定されるものではなく、例えば超音波探傷装置で部
材内部の傷を検出するものでもよいことはいうまでもな
い。また、劣化度検出システム２として、本実施例で
は、部材の磁気特性を検出するが、これに限定されるも
のではなく、例えば、部材の電気抵抗や硬度等劣化に従
って変化する物理量を検出するものであればよい。更
に、この実施例では、熱による部材の余寿命を診断する
が、熱疲労によるものに限るものではなく、例えば、中
性子線等の放射線を浴びて損傷，劣化を受ける部材や、
他の運転サイクルを繰り返すことで損傷，劣化を受ける
部材の余寿命診断にも適用できることは当然である。

本実施例に係る損傷度検出システム１は、光学的損傷
検出器である表面微視損傷検出器５と、該検出器５で撮
られた損傷画像の倍率や焦点等を調節する撮像制御装置
６と、検出対象とする部材表面の傷の位置となるように
検出器５の位置制御を行う位置制御装置７と、損傷画像
を画像処理してディジタル化し損傷の長さを検出する画
像処理装置８と、検出した傷の夫々の長さの統計処理を
行い部材の損傷度を演算する損傷度演算装置９からな
る。

実際に、部材の損傷度を検出する場合に問題となるの
は、検出器５が寸法1mm以下の損傷を制度良く検出する
ことができるか否かである。損傷の主たる形態である金
属材中に含まれる非金属介在物等の微細欠陥や腐食孔か
ら発生する亀裂（寿命初期に発生する亀裂）は数十μｍ
オーダー（結晶粒−グレイン−と同程度）であり、これ
は微視的領域の問題である。この微視的損傷の成長と該
部材の寿命とは、例えば特開昭61−139743号公報記載の
様に、部材に加わる負荷状態や材質にかかわらず一意的
な関係がある。このため、損傷の長さを微視的損傷の時
から精度良く検出することが重要となる。しかし、従来
は係る微視的損傷をあまり問題としておらず、このた
め、検出器も高精度のものを使用していなかった。しか
し、本発明では、微視的損傷の時から問題となるため、
検出器５として、高精度のものを使用している。

第２図は、表面微視損傷検出器５の詳細構成図であ
る。この検出器５は、被観察物（余寿命診断対象部材）
20の表面の画像を検出器内に取り込むプリズム21と、プ
リズム21により取り込まれた画像を拡大するレンズ系22
と、拡大された像の倍率を調整するズームレンズ23と、
これらの光学系で得た画像を電気信号に変換するCCD等
の個体撮像素子でなる光電変換装置（TVカメラ）24と、
ズームレンズの撮像調節を行うサーボモータ26と、光電
変換装置24と第１図に示す撮像制御装置６とを接続する
ケーブル25とからなる。尚、サーボモータ26は、ケーブ
ル25を介して撮像制御装置６から送出されてくる制御信
号で制御される。斯かる構成により、数十μｍの微細な
損傷でも拡大して検出することが可能となる。

第１図の劣化度検出システム２は、検査対象部材が熱
疲労でどの程度脆化しているかを検出するものである。
本実施例では、どの程度脆化している否かを、その部材
の磁気ヒステリシスループの面積から判断する。そのた
め、本実施例における劣化検出システム２は、詳細は後
述する磁気劣化検出装置10と、該検出装置10の励磁や磁
気検出の制御を行う磁化制御装置11と、検査対象位置の
制御を行う位置制御装置12と、検出装置10による検出デ
ータを劣化パラメータとして処理するデータ処理装置13
と、データ処理した劣化パラメータをその部材材料のデ
ータベースの格納データに基づいて評価する劣化度演算
装置14から成る。

第３図は、磁気劣化検出装置10の詳細構成図である。
この検出装置は、磁化制御装置11からの制御信号を受け
て波形が制御される波形制御型発振器31と、発振出力を
増幅するアンプ32と、アンプ32から出力される電流が流
れることで励磁される励磁コイル33と、該励磁コイル33
と被測定対象部材20との間に設けられる磁気センサ34
と、該センサ34の出力を変換する変換器35とから成る。

次に、上述した構成の余寿命診断装置による診断原理
について説明する。

多くの高温機器に用いられる低合金鋼は、高温で長時
間使用すると脆化することが知られている。そこで、材
料を長時間高温に晒しその磁気特性の変化を調べた結果
が第４表に示す特性グラフである。このグラフは、横軸
が、温度Ｔと時間ｔのパラメータＰであり、縦軸が、磁
化特性として磁気ヒステリシスループの面積Ａである。
パラメータＰに対して、検出したヒステリシスループ面
積Ａをプロットしていくと、第４図に示す関係があるこ
とが分かる。つまり、ヒステリシスループ面積Ａは、パ
ラメータＰつまり温度Ｔと時間ｔの関数であることが分
かる。

一方、材料の脆化（劣化）を定量的に表示するシャル
ピー衝撃値（CVN）と磁化ヒステリシスループ面積Ａと
は、第５図に示す様に、相関関係を有することが実験に
より判明している。つまり、部材が高温に晒された場
合、その温度Ｔと高温下に置かれた時間ｔに応じてヒス
テリシスループ面積Ａが変化し、この面積Ａはシャルピ
ー衝撃値と相関関係を持つので、ヒステリシスループ面
積Ａからその部材の劣化度を評価することができる。

本発明では、この劣化度の進行程度と、損傷の進行程
度の両方から、部材の余寿命を診断するのである。そこ
で、次に、非破壊的に検出した損傷度（本実施例では部
材表面の傷の長さａ）と同じ非破壊的に検出した劣化度
（本実施例では磁化ヒステリシスループ面積ａ）とを使
用して、余寿命を診断する原理について説明する。

第７図は、第１図に示す余寿命診断器で実行される余
寿命診断手順を示すフローチャートである。先ず、損傷
度を検出器５で検出する。本実施例では、傷の長さａを
検出する。尚、この長さａは、検出した長さａそのまま
でもよいし、また、特開昭61−139743号公報記載の技術
の様にこの長さａに補正を施した値でもよい。本実施例
では、多数の傷の長さを夫々検出してその統計的処理に
より代表的な長さａを算出している（ステップ１）。次
に、ステップ２では、その算出した長さａから次回例え
ば６ケ月後の損傷長さaiを推定する。例えば、Δａだけ
成長すると推定される場合には、 ai＝ｅ＋Δａとする。Δａの推定は、例えば前回の検出・算出ａとの
差から推定してもよいが、本実施例では、現時点の傷の
長さの検出値あるいは算出値から直接次式から求める。

log a＝Ｃ（t/tr）ここで、Ｃは実験的に定めたり、グレインサイズで定
めることのできる定数であり、その値としては例えば
「0.2」程度である。trは、破断寿命でありこの値は不
明である。しかし、その部材の高温下での経過時間ｔと
の比（t/tr）とａとの関係は分かっているので、この式
から損傷の成長の程度が分かる。

一方、劣化検出装置10でヒステリシスループ面積Ａを
検出し、この面積Ａからその部材における限界損傷長さ
a crを算出する（ステップ３）。この算出原理を説明す
る。限界損傷長さa crは、その部材の靭性に係わるもの
である。このため、限界損傷長さa crは、その部材の破
壊抵抗を示す破壊靭性値KICから次式により求めること
ができる。

f:部材の形状パラメータ σ：応力また、この破壊靭性値KICは、前述したシャルピー衝
撃値CVNと次の関係があるので、シャルピー衝撃値CVNか
ら求めることができる。

（KIC/σys）^２＝５｛（CVN/σys）−0.05｝ σys:材料の降伏点一方、前述したように、シャルピー衝撃値CVNと、ヒ
ステリシスループ面積Ａとは、第５図に示す関係があ
る。つまり、 log CVN＝Ａなる関係がある。従って、限界損傷長さa crは、ヒステ
リシスループ面積Ａから求めることができる。

次のステップ４では、この限界損傷長さa crの進行を
予測して、例えば６ケ月後の限界損傷予測長さa criを
予測する。この予測つまり、限界損傷予測長さがどの程
度の割合で減少していくかのΔａ′を予測し a cri＝a cr−Δａ′ として求める。Δａ′は、今回求めた限界損傷長さと前
回求めた限界予測長さから求めることでもよいが、本実
施例では、今回求めた限界損傷長さだけからこのΔａ′
つまりa criを予測する。限界損傷長さa crは、前述し
たように、シャルピー衝撃値CVNと相関関係を有するヒ
ステリシスループ面積Ａから求まり、この面積Ａがパラ
メータＰ（温度Ｔと時間ｔの関数）の関数であることか
ら、限界損傷長さa crはシャルピー衝撃値とパラメータ
Ｐの関数となる。従って、限界損傷長さa crから限界損
傷予測長さa criが求まる。

次のステップ５では、ステップ２で求めた長さaiと、
ステップ４で求めた長さa criの大小比較を行い、予測
損傷長さaiが限界損傷予測長さa criに達してない場合
には、予測期間後において、つまり、前記例では６ケ月
後にも未だ寿命は尽きないので、その部材の余寿命の診
断を行い（ステップ６）、ステップ1,3に戻る。余寿命
の診断は、詳細は後述するように、予測損傷長さaiの延
長線と限界損傷予測値a criの延長線との交点を寿命100
％として、それに達するまでの時間として求める。

ステップ５での判定で、予測損傷長さaiが限界損傷予
測長さa cri以上になる場合、予測期間後には必ず寿命
が尽きるので、ステップ７にてその部材の補修や交換を
行う。

第７図のステップ６における余寿命診断において、本
実施例では、表示装置第６図に示すグラフを表示して、
非熟練者でも容易且つ迅速に余寿命を診断できるように
する。

第６図に示す様に、余寿命診断器３は過去の検出・算
出データを格納しており、今回検出しあるいは算出した
損傷長さaiと、限界損傷長さa crを画面上にプロットす
る。このとき、画面の横軸を共通にして（例えばt/trと
する。）プロットし、損傷長さａの成長と、限界損傷長
さの短くなる傾向とが一目瞭然となるようにする。これ
により、非熟練者でも部材の劣化傾向と傷の成長の程度
並びに両者の相関関係が容易に把握できる。

また、この表示画面において、各プロット点の延長線
（予測線）を例えば最小二乗法で求めて表示させること
で、その傾向がより明確になる。更に、過去の予測線と
今回の予測線の変化程度が分かる様に、今回の予測線と
過去の予測線とを色分けして表示するようにしてもよ
い。本実施例では、最小二乗法で予測線を求めるのでは
なく、今回の検出値だけから予測線を求めるので、この
予測線も最小二乗法で求めた予測線と同時に色分け表示
することで、その診断精度を高めることが可能となる。

尚、部材の余寿命は、その部材の形状，位置等が異な
ると、場所によって異なってくるのが普通である。従っ
て、表示装置に部材全体を表示し併せて各部の余寿命に
対応させてこの表示画面上で濃淡表示したり色分け表示
し、どの部分の余寿命が短くどの部分の余寿命が長いか
も分かる様にすると、その傾向も一目瞭然となる。

以上が本実施例における余寿命診断装置の説明である
が、本実施例において、好適に部材の磁気特性を検出で
きる検出装置の一例を第８図に示す。この検出装置は、
超伝導量子干渉素子（SQUID）を磁気センサとして使用
する。第８図において、81がSQIDである。この検出装置
では、非磁性材料で形成した容器87内に、超伝導材料で
形成した励磁コイル83と液体ヘリウム等の冷却材88とを
入れ、この励磁コイル83に電流を流し、発生させた強力
な磁場で測定対象部材20を励磁する。そして、励磁コイ
ル38の測定対象部材対向面以外を磁気シールド84で覆
い、励磁コイルの中央に配置したピックアップコイル82
の検出信号を、磁気シールド84外に配置したSQUID81に
導き、SQUID81の検出信号89を磁化制御装置に介してデ
ータ処理装置に送るようにする。尚、86は冷却材88の冷
却装置であり、85はパイプであり、これらにより、冷却
材88は再循環され冷却される。

斯かる超伝導量子干渉素子を使用する構成とすること
で、磁場の検出を高感度にでき、材料劣化の検出精度が
飛躍的に向上する。

光学的表面微視損傷検出器としてレーザ顕微鏡や超音
波顕微鏡を使用すると、更に表面の損傷の検出精度が向
上する。

［発明の効果］本発明によれば、部材の的確な余寿命を、非熟練者で
も、容易且つ迅速に診断でき、これにより、該部材を使
用する装置の信頼性・安全性を向上させることができ、
また、保守管理を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る余寿命診断装置の構成
図、第２図は第１図に示す表面微視損傷検出器の詳細構
成図、第３図は第１図に示す磁気劣化検出装置の詳細構
成図、第４図は磁気ヒステリシスループ面積とパラメー
タＰ（温度Ｔと時間ｔの関数）との関係を示すグラフ、
第５図はシャルピー衝撃値と磁気ヒステリシスループ面
積との関係を示すグラフ、第６図は本発明の一実施例に
係る表示装置の表示画面例を示す説明図、第７図は第１
図に示す余寿命診断器で実行する診断手順を示すフロー
チャート、第８図は磁気劣化検出装置の別実施例の説明
図である。１……損傷度検出システム、２……劣化度検出システ
ム、３……余寿命診断器、４……表示装置、20……診断
対象部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金子了市茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 33/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高温に晒される部材の余寿命を診断する方
法において、熱疲労により前記部材の表面あるいは内部
で成長する傷の長さａを測定し、熱時効により劣化する
前記部材の物理量を測定し該測定値から限界損傷長さa
crを求め、両長さa,a crから前記部材の余寿命を診断す
ることを特徴とする余寿命診断方法。
【請求項２】高温環境下で使用される部材の余寿命を診
断する方法において、熱を受けて前記部材の表面あるい
は内部で成長する傷の長さａを測定し、該長さａの成長
予測線を求め、熱を受けて劣化する前記部材の物理量を
測定し、該測定値から該部材の破壊抵抗を示す破壊靭性
値を求め、該破壊靭性値から限界損傷長さa crを求め、
該限界損傷長さa crの予測線を求め、該予測線と前記成
長予測線の交点を寿命100％として前記部材の余寿命を
診断することを特徴とする余寿命診断方法。
【請求項３】請求項２において、成長予測線は、材料定
数をC,経過時間をt,破断寿命をtrとし、 t/tr＝log a/C で求め、材料定数Ｃは、部材のグレインサイズあるいは
実験値から定めることを特徴とする余寿命診断方法。
【請求項４】材料を劣化させる環境下で用いられる部材
の余寿命を診断する方法において、経時的に成長する前
記部材表面あるいは内部の傷の長さを検出し、経時的に
劣化が進む前記部材の物理量を測定し、前記検出による
傷の長さと前記測定による物理量の値とから前記部材の
余寿命を診断することを特徴とする余寿命診断方法。
【請求項５】材料を劣化させる環境下で用いられる部材
の余寿命を診断する方法において、経時的に成長する前
記部材表面あるいは内部の傷の長さを検出し、経時的に
劣化が進む前記部材の物理量を測定し該測定値から限界
損傷長さを算出し、前記の検出した傷の長さから傷の成
長予測線を求め、前記の算出した限界損傷長さから該限
界損傷長さの進行予測線を求め、前記成長予測線と前記
進行予測線の交点を寿命の限界点として前記部材の余寿
命を求めることを特徴とする余寿命診断方法。
【請求項６】高温環境下で使用される部材の余寿命を診
断する余寿命診断装置において、熱を受けて前記部材の
表面あるいは内部で成長する傷の長さを測定する非破壊
損傷検出手段と、熱を受けて劣化する前記部材の物理量
を測定する非破壊劣化検出手段と、前記の両検出手段の
検出値から前記部材の余寿命を演算する演算手段とを備
えることを特徴とする高温部材の余寿命診断装置。
【請求項７】高温環境下で使用される部材の余寿命を診
断する余寿命診断装置において、熱を受けて前記部材の
表面あるいは内部で成長する傷の長さを測定する非破壊
損傷検出手段と、熱を受けて劣化する前記部材の物理量
を測定する非破壊劣化検出手段と、前記非破壊損傷検出
手段の検出値から傷の長さの成長予測線を算出し、非破
壊劣化検出手段の検出値から限界損傷長さの進行予測線
を算出し該進行予測線と前記成長予測線の交点を寿命10
0％として前記部材の余寿命を算出する演算手段とを備
えることを特徴とする高温部材の余寿命診断装置。
【請求項８】請求項７において、演算手段は、検出した
傷の長さａを用い、成長予測線を、材料定数をC,経過時
間をt,破断寿命をtrとし、 t/tr＝log a/C で求め、材料定数Ｃは、部材のグレインサイズあるいは
実験値から定めることを特徴とする余寿命診断装置。
【請求項９】材料を劣化させる環境下で用いられる部材
の余寿命を診断する装置において、経時的に成長する前
記部材表面あるいは内部の傷の長さを非破壊的に検出す
る手段と、経時的に劣化が進む前記部材の物理量を非破
壊的に測定する手段と、該測定値から限界損傷長さを算
出し検出した傷の長さから傷の成長予測線を求め算出し
た限界損傷長さから該限界損傷長さの進行予測線を求め
成長予測線と進行予測線の交点を寿命の限界点として前
記部材の余寿命を算出する演算手段とを備えることを特
徴とする余寿命診断装置。
【請求項１０】材料を劣化させる環境下で用いられる部
材の余寿命を診断する装置において、経時的に成長する
前記部材表面あるいは内部の傷の長さを非破壊的に検出
する手段と、経時的に劣化が進む前記部材の物理量を非
破壊的に測定する手段と、前記検出による傷の長さと前
記測定による物理量の値とから前記部材の余寿命を演算
する演算手段とを備えることを特徴とする余寿命診断装
置。
【請求項１１】請求項６乃至請求項10のいずれかに記載
の余寿命診断装置による診断結果を表示する余寿命表示
方法において、部材表面あるいは内部の傷の長さの検出
値と測定した物理量の測定値とを時間軸を共通にしたグ
ラフ画面上に過去のデータと共に表示することを特徴と
する余寿命表示方法。
【請求項１２】請求項７乃至請求項９のいずれかに記載
の余寿命診断装置による診断結果を表示する余寿命表示
方法において、求めた成長予測線と進行予測線とを時間
軸を共通にしてグラフ画面上に表示することを特徴とす
る余寿命表示方法。
【請求項１３】請求項６乃至請求項10のいずれかに記載
の余寿命診断装置による診断結果を表示する余寿命表示
装置において、部材表面あるいは内部の傷の長さの検出
値と測定した物理量の測定値とを時間軸を共通にしたグ
ラフ画面上に過去のデータと共に表示することを特徴と
する余寿命表示装置。
【請求項１４】請求項７乃至請求項９のいずれかに記載
の余寿命診断装置による診断結果を表示する余寿命表示
装置において、求めた成長予測線と進行予測線とを時間
軸を共通にしてグラフ画面上に表示することを特徴とす
る余寿命表示装置。