JP3886865B2 - Metal material damage evaluation method and apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の損傷評価方法および装置に係り、特に、火力発電プラントや原子力発電プラント等の高温耐圧金属部材を用いた各種配管として使用される低合金鋼の溶接部に発生する脆性的なクリープ損傷等の微視損傷の進展度合いを評価し、該金属材料の寿命を診断する際に用いて好適な金属材料の損傷評価方法および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、火力発電プラントにおいては、運転時間が長時間に及ぶのに従い長時間使用による設備の劣化、頻繁な起動停止や急速な負荷変動等による熱疲労等を十分に考慮した保守管理が益々重要になってきている。
例えば、高温耐圧金属部材が用いられる大口径厚肉配管では、き裂等の傷は、多くの場合溶接部の内部で発生しているが、この傷は外表面の検査だけでは検出することができないために、この傷の早期検出及び、その寸法の正確な測定によるき裂のモニタリング手法の開発が求められている。
従来、余寿命(破断するまでの時間)を推定するために、表面損傷を直接検査することで余寿命を推定するMLAS法と、内部損傷を検査するTOFD法(Time Of Flight Diffraction)とがとられている。
【0003】
MLAS法とは、配管の表面をプラスチック膜に転写して表面のレプリカを採取し、このレプリカを光学顕微鏡を用いて観察することで、クリープ損傷による空孔(クリープボイド)や析出物等の有無及びその分布状態を調べ、これらと寿命との関係の参照データと照らし合わせて寿命を診断する方法である。
【0004】
また、TOFD法は以下のような測定原理である。図14はTOFD法の測定原理を説明するための説明図であり、超音波を発信する送信探触子1と、超音波を受信する受信探触子2とを、金属材料3の表面に、該金属材料3の内部に生じたき裂(欠陥)4を挟んで等距離に載置し、送信探触子1により金属材料3内に超音波5を発信させ、受信探触子2によりき裂4の上端及び下端からの回折波6を検出してその伝搬時間を測定し、き裂4の高さを式(1)により求めるものである。なお、図中、7は表面波、8は底面反射波である。
【0005】
L=Zb−Zt
=√(tb2・V2/4−S2)−√(tt2・V2/4−S2) ……(1)
ただし、L :き裂高さ
Zb :き裂先端の深さ
Zt :き裂底の深さ
D :送信探触子1と受信探触子2との間の距離
S :D/2
V :回折波の速度
tt :き裂先端からの回折波伝播時間
tb :き裂底からの回折波伝播時間
上述したTOFD法は、欠陥からの回折波を利用して探傷するために、従来の超音波探傷法と比べて欠陥の傾きの影響を受け難く、方向性のある欠陥を見落とす可能性が減少し、欠陥の検出性能が向上するという優れた点がある。
【0006】
しかしながら、き裂伝播計算では、単一のき裂が成長、進展することを前提としているために、例えば、複数の微視的なき裂が発生と合体を繰り返しながら成長する損傷のような場合においては、上記の方法による余寿命の診断が実際の損傷の状態と対応しなくなってしまうおそれがあり、その結果、余寿命の診断が正確さを欠いてしまうおそれがあるという問題点があった。
そこで、特願2000−367017においては、内部に複数の微視的なき裂が発生と合体を繰り返しながら成長するような損傷が生じる金属材料においても、余寿命を予測することができる評価方法が提案されている。
【0007】
この評価方法では、まずレプリカ法およびTOFD法の測定結果に基づいて初期損傷を推定し、この初期損傷から応力分布を推定する。次に、高温配管11の溶接部における粒界モデルを作成し、図15及び図16に基づき微視損傷進展シミュレーションを実施する。この解析モデルでは、粒界長さの集団を[L]、その平均をLm、標準偏差をLS、粒界の破壊抵抗値をR、その平均をRm、標準偏差をRSとする。
【0008】
各粒界モデルには、応力σによって定められるき裂発生駆動力Fが作用しており、き裂が生じていない段階では、粒界破壊駆動力をDとすると、損傷の進行速度dR/dt=−D=−Fである。
時間が経過するにつれ損傷が進行し、粒界の破壊抵抗値Rが負(R<0)になると、粒界が破壊しき裂が発生する。このき裂に隣接する粒界では、粒界破壊駆動力Dは、き裂発生駆動力Fと、き裂伝播駆動力Kと粒界に隣接するき裂長さaとの積との和に等しい(D=F+a・K)。
【0009】
時間を進めていくと、徐々にき裂数が増加したり、個々のき裂の長さが長くなったりする。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の評価方法においては、改良すべき点も多い。
問題点の一つは、応力分布の時刻変化に関する点である。余寿命診断の対象となる配管溶接部は、溶接ビード形状によって、応力が大きい部位と小さい部位とを持つ(応力分布を有する)。微視損傷の進展速度は応力に依存し、応力が大きい部位ほど損傷の進展が速い。損傷が進展した部位は見かけの剛性が低下し、その結果、応力が下がる。下がった分の応力は、まだ損傷の小さい部位が受け持つことになり、この部位の応力が上がる。したがって、この部位の損傷が進展する。これを繰り返すため、損傷の進展とともに応力分布は時々刻々変化する。しかし、従来の微視損傷進展計算では、応力分布は初期状態から破断まで変化しないとしているため、応力分布が初期と異なる寿命後半(約80%以後)においては、損傷の進展を正確に予測できず、このため、破断時刻も正確に推定することができなかった。このため、これ以後の破断に至るまでの寿命診断は精度が不十分であった。
【0011】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、余寿命をより正確に予測することができる金属材料の損傷評価方法および装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の金属材料の損傷評価方法は、金属材料の傷を評価する方法であって、前記金属材料の内部損傷状態を検査して損傷分布を求め、該損傷分布に基づいて前記金属材料の内部形状を推定し、さらに前記金属材料内部を粒界モデルで表すとともに、これら各粒界モデルに対して前記金属材料の内部形状に基づいて算出される応力を与えることにより、前記各粒界モデルの破壊進行過程を計算することを特徴とする。
【0013】
この発明においては、金属材料内部の形状を考慮して応力を粒界モデルに与えることにより、より正確な破壊進行過程を計算可能である。
【0014】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の金属材料の損傷評価方法において、前記金属材料の推定内部形状を種々に変え、該形状の推定確率と、前記各粒界モデルの破壊進行過程の計算によって得られた余寿命とを対応させて前記金属材料の余寿命確率を算出することを特徴とする。
【0015】
この発明においては、金属材料の内部を種々に推定し、その蓋然性と解析結果の余寿命とを対照させることにより、金属材料の余寿命を確率論的に評価することができる。
【0016】
請求項3に記載の発明は、金属材料の傷を評価する方法であって、前記金属材料の内部形状の粒界モデルを作成し、これら各粒界モデルに作用する初期応力を設定した後に所定時間経過後における破壊進行過程を計算し、さらに、その結果得られた前記粒界モデルの損傷に基づいて前記各粒界モデルに作用する応力を再計算し、該再計算後の応力に基づいてさらに所定時間経過後における破壊進行過程を計算することを特徴とする。
【0017】
請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の金属材料の損傷評価方法において、前記金属材料の内部形状の粒界モデルを作成し、これら各粒界モデルに作用する初期応力を設定した後に所定時間経過後における破壊進行過程を計算し、さらに、その結果得られた前記粒界モデルの損傷に基づいて前記各粒界モデルに作用する応力を再計算し、該再計算後の応力に基づいてさらに所定時間経過後における破壊進行過程を計算することを特徴とする。
【0018】
これら請求項3及び4に記載の発明においては、損傷によって変化する応力を考慮に入れたシミュレーションが可能である。
【0019】
請求項5に記載の発明は、請求項3または4に記載の金属材料の損傷評価方法において、前記破壊進行過程の計算を前記金属材料の破断まで繰り返すことを特徴とする。
【0020】
この発明においては、粒界モデルに作用する応力を逐次再計算することにより、破断時まで計算を続けることが可能となる。
【0021】
請求項6に記載の発明は、請求項1から5に記載の金属材料の損傷評価方法において、前記粒界モデルの破壊進行過程の計算によって求められた粒界モデルの損傷部位を、前記粒界モデルと重ね合わせて画面表示または印字することを特徴とする。
【0022】
この発明においては、粒界モデルと、該粒界モデルに発生したボイドとを合わせて表示することで、解析結果を視覚的に理解しやすい状態で表すことができる。粒界モデルの次元は特に限定されない。例えば、コンピュータが作った粒界モデルを画面に表示させると共に、該粒界モデルに、損傷部位を太線で示す等が考えられる。
【0023】
請求項7に記載の発明は、請求項1から6に記載の金属材料の損傷評価方法において、前記金属材料の内部形状を画面表示または印字するとともに、前記粒界モデルの破壊進行過程の計算によって求められた粒界の損傷の度合いを前記金属材料の内部形状に重ね合わせて示すことを特徴とする。
【0024】
この発明においては、例えば金属内部の構造を画面に表示し、その構造中において、解析によって得られた損傷の度合いが大きい部位を色彩や濃度を変えて示す。このようにすることで、解析結果を視覚的に理解しやすい状態で表すことができる。
【0025】
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の金属材料の損傷評価方法において、前記金属材料の損傷状態を実際に検査した結果も同時に画面表示または印字することを特徴とする。
【0026】
この発明においては、解析結果と実際の検査結果とを照らし合わせることで、解析結果の妥当性を判断することができるとともに、解析結果と実際の検査結果とを総合して損傷の程度を判断することができる。
【0027】
請求項9に記載の発明は、金属材料の傷を評価する装置であって、前記金属材料の内部損傷分布に基づいて前記金属材料の内部形状を推定する内部形状推定手段と、前記金属材料内部を粒界モデルで表すとともに、これら各粒界モデルに対して前記金属材料の内部形状に基づいて算出される応力を与えることにより、前記各粒界モデルの破壊進行過程を計算する解析手段とを備えていることを特徴とする。
【0028】
この発明においては、金属材料内部の形状を考慮して応力を粒界モデルに与えることにより、より正確な破壊進行過程を計算可能である。
【0029】
【発明の実施の形態】
本発明の金属材料の損傷評価方法及び装置の各実施形態について、図面に基づき説明する。
図1は本発明の一実施形態として示した金属材料の損傷評価装置を示すブロック図である。
図において、符号10は金属材料の内部損傷状態を検査して損傷分布を求める内部検査手段、11は該損傷分布に基づいて前記金属材料の内部平均応力を算出する応力推定手段、12は推定された平均応力に基づいて前記金属材料の内部形状を推定するビード形状推定手段(内部形状推定手段)である。また、符号13は金属材料の内部形状に基づいて粒界モデルを作成するとともに前記金属材料の内部形状から該粒界モデルに作用する粒界平均応力を算出することにより、各粒界モデルの破壊進行過程を計算する解析手段である。符号14はビード形状推定手段12によって推定されたビード形状と解析手段13の解析結果とを評価する評価手段である。
内部検査手段10としては、図14に示したTOFD法を用いた検査装置を採用することができるが、これに限らず、フェーズドアレイ法等も採用可能である。
【0030】
図2(a)は金属材料3の一例である高温配管の溶接部を示す断面図であり、図において、符号21は低合金鋼管等からなる高温配管であり、低合金鋼板22が円筒状に曲げ加工され、その長手方向に沿った端面22a、22b同士が溶接部23で接合されている。溶接部23内には検出の対象となるHAZ部(weld heat affected zone;溶接熱影響部)24が生じている。なお、25は金属材料3の表面のレプリカを示す。
【0031】
この溶接部23組成は、例えば2.2%Cr−1%Mo−0.12%C−残部Feからなり、この溶接部23のクリープ損傷の進展速度と大きく関連する不純物は、例えば、P(リン)、As(ヒ素)、Sn(スズ)、Sb(アンチモン)である。
この溶接部23のクリープ損傷度(寿命消費率)は、図2(b)の図に示すように略正規分布を呈しており、これは溶接部23の不純物分析により得られた不純物Sbの濃度分布に略一致している。
【0032】
次に、本実施形態の金属材料の損傷評価方法について、図2に示す高温配管21を例に取り、図3に基づき説明する。
1.TOFD法による超音波探傷及び傷の分類
(1) TOFD法による超音波探傷
図14に示した送信探触子1と受信探触子2とを、高温配管21表面の周方向に沿った溶接部23を挟む位置に、該高温配管21の内部に生じたHAZ部24を挟んで等距離に載置し、送信探触子1により高温配管21内に超音波5を発信させ、受信探触子2によりHAZ部24からの回折波14を検出することによりHAZ部24内の損傷の有無を検出する。ここで、損傷が検出された場合には、損傷の位置、高さ及び長さの各値を求める。損傷位置の同定は、送信探触子1及び受信探触子2の双方を溶接線に沿って走査することにより行う。
【0033】
(2) 検出された傷の分類
損傷位置の位置、高さ、長さの各値から、この損傷を3種類のうちのいずれか1種に分類する。
TOFD法により検出された傷は、次の3種類に分類される。
A傷(密集傷)
複数の小さな損傷が密集したと推定されるもの。例えば、同じ深さにあると推定される2つの損傷が隣接し、かつ損傷間の間隔が大きい方の損傷の長さより短い場合が該当する。
B傷(面状傷)
厚さ方向に面状に広がる損傷と推定されるもの。
C傷(体積状傷)
スラグ巻き込み等の3次元に広がる損傷と推定されるもの。
【0034】
2.MLAS法による判定
(1) レプリカの採取
高温配管21の表面をプラスチック膜に転写する方法により、この高温配管21の表面のレプリカ25を採取する。
例えば、表面に粗研磨、細研磨を順次施し、該表面を鏡面に仕上げ、この鏡面の検査対象部分をエッチングにより選択除去し、このエッチングした部分にレプリカ用プラスチック膜を押貼し、このエッチングした面の凹凸をプラスチック膜に転写する。
【0035】
(2) レプリカの観察及び判定
光学顕微鏡を用いてレプリカ25を観察し、クリープ損傷による空孔(クリープボイド)の有無及びその分布状態を調べる。ここでは、損傷がクリープ損傷によるものか否かを大まかに判定する。
次いで、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてクリープボイドの有無及びその分布状態を精密に観察する。例えば、クリープボイドの生成数を計測し、この計測値に基づきクリープボイド面密度を求め、予め求められた寿命評価線図(クリープボイド面密度とクリープ損傷度(寿命消費率)との関係を示すグラフ)からクリープ損傷度を推定し、このクリープ損傷度により損傷がクリープ損傷によるものか否かを判定する。
【0036】
このように、レプリカ25にクリープ損傷が認められた場合は、検出された損傷がクリープ損傷による傷であると判定し、レプリカ25にクリープによる損傷が認められない場合は、検出された損傷はクリープ損傷によらない傷(製造時の傷)であると判定することができる。
【0037】
3.化学成分分析による判定
(1) 不純物の分析
溶接部23の試料採取領域の表面の酸化皮膜を、金属光沢が得られるまで研削して除去し、この露出した金属部分をさらに研削して切粉を採取する。次いで、この切粉を用いて、P、As、Sn、Sbの含有量を分析する。
各元素の分析方法は下記のとおりである。
P:原子吸光法(日本工業規格;JIS G 1257)
As、Sn、Sb:水素化物発生ICP発光分析法
【0038】
(2) クリープ特性評価
次いで、これらの不純物分析結果から、下記の式(2)に基づきクリープ脆化係数(CEF)を求める。
CEF=P(wt.%)+2.4As(wt.%)+3.6Sn(wt.%)
+8.2Sb(wt.%) ……(2)
このCEF値と、別途行った配管応力計算結果から、クリープ損傷度(寿命消費率)を推定し、このクリープ損傷度により検出された損傷がクリープ損傷によるものか否かを判定する。
【0039】
さて、上記のように検出されたクリープ損傷や、TOFD法により検出された損傷に基づき、応力推定手段11が実機の内部平均応力を推定する。具体的には、応力推定手段11は損傷が多い部位を応力が大きい部位であると推定し、さらに、使用条件、使用時間、内圧と板厚、配管曲げ応力等をも考慮して平均応力を推定する。
次に、ビード形状推定手段12が応力をもとにビード形状(溶接金属23の形状)を推定する。例えば、応力の大きい部位は図2(a)の符号18で示したような凹部となっており、このために応力が集中していると推定することができる。
但し、必ずしも正確にビード形状がわかるわけではないため、ビードのサイズと形状のばらつきを確率論的に推定し、種々に変えて以下の微視損傷進展シミュレーションを行う。
【0040】
次に、解析手段13がビード形状に基づいて微視損傷進展シミュレーションを行う。
まず、図4、図5に示すようにFEM要素Miからなる高温配管21のHAZ部24における粒界モデルを作成する。本例では1次元のモデルである。この解析モデルでは、粒界長さの集合を[L]、その平均をLm、標準偏差をLS、粒界の破壊抵抗値の集合を[R]、その平均をRm、標準偏差をRSとする。
各FEM要素Miに対して作用する応力(粒界平均応力)σiを決定する。これは上記ビード形状に基づくFEM解析などの解析によって定められる。例えば、ビードの凹部には応力が集中するため、応力σiは大きい値となる。
つづいて、一つの分割要素、例えばi番目の分割要素として記号iで表すMiにおけるパラメータである、き裂発生駆動力Fiと、き裂伝播駆動力Kiを決定する。Fi、Kiは、図6に示すようにともに温度と応力σiとによって定まる値である。
さらに、シミュレーションにあたって、高温配管21の材料特性、負荷特性等のデータも用いる。これらのデータについては、不純物の影響を考慮するために、化学成分分析による不純物の含有量の定量結果に基づき高温配管21の材料特性及び負荷特性を修正する。
【0041】
この応力負荷に対応した高温配管21の負荷モデルを作成する。FEM要素Mi内の各粒界は、応力σiによってき裂発生駆動力Fiを受けている。シミュレーションを開始すると、時間とともに内部にき裂が発生する。図5において、各粒界は粒界破壊駆動力Diを受けることにより、破壊抵抗値Riは時間とともに減少し、負(Ri<0)になると、粒界が破壊してき裂が発生する。このき裂に隣接する粒界では、粒界破壊駆動力Diは、き裂発生駆動力Fiと、き裂伝播駆動力Kiと粒界に隣接するき裂長さaiとの積との和に等しい(Di=Fi+ai・Ki)。つまり、き裂に隣接する粒界においては、損傷の進行速度dRi/dt=−Di=Fi+ai・Kiであり、き裂に隣接しない粒界においては、損傷の進行速度dRi/dt=−Di=Fiである。
【0042】
このように、ある時間経過後の各分割要素に対する損傷(クリープボイド)が求められる。
なお、実機使用時間までシミュレーションを行い、実際の検査と上記解析結果とを比較して解析条件を確認する。実際の検査と解析結果とが大きく違った場合、解析条件を異ならせて再計算を行う。
以上のことを所定時間(例えばクリープボイドの数に基づいて従来の方法で想定される寿命の6割)行い、破断判定処理を行う。
【0043】
破断に至ったか否かは溶接部全体での全き裂の長さの総和Σaがある閾値に達したかどうかで決められる。この閾値は以下のようにして決められる。
(1)有効応力σeffが引張限界、降伏応力等の値を超えた場合
クリープボイドが形成されていない粒界が支持する応力が有効応力である。HAZ部24の高さをh、HAZ部に作用する荷重をPとすると、有効応力σeffは、σeff=P/(h−Σa)となる。この有効応力がある値(例えば材料の降伏応力や引張限界、弾性限界)を超える場合のΣaを閾値と判断する。
(2)有効応力σeffが所与のクリープ破断寿命に相当する値を超えた場合
図7に示す有効応力σeffとクリープ破断時間との既知の対応に基づき、例えばクリープ破断寿命が、残り100時間となるσeffを与えるΣaとなった時点で破断と判断する。になった時点で破断と判断する。
(3)き裂の長さの合計がある値を超えた場合
き裂が一つだけある場合にはC*を用いたき裂伝播計算により、余寿命を求めることができる。仮想的に長さΣaの一つのき裂がある場合を想定し、C*によるき裂伝播計算を行い、その余寿命が100hrとなる場合のΣaを閾値とする。なお、C*は応力と材料のクリープ特性に依存する破壊力学パラメータである。
その他、Σaに関わらず破断を判定する条件や、上記3つ以外の方法から破断Σaを定めることも考えられる。
なお、これらの条件を一つでも満たしていれば破断と判断してもよいし、組み合わせて複数の条件を満たしている場合に破断と判断してもよい。
【0044】
破断に至っていない場合にはシミュレーションを続行するが、上記のように各粒界モデル要素Miにはクリープボイドが発生している。ボイドが発生した部分は応力を支持することができなくなり、その分、ボイドが発生していない他の粒界モデル要素Mi'が応力を支持するため、その要素内粒界平均応力は大きくなる。このため、ボイド発生により生ずる応力分布の変化をシミュレーション条件に付加する。
具体的には、図9に示すように、ボイド個数密度と「損傷材のヤング率/未損傷材のヤング率」との関係を用いる。損傷材においてはボイド個数密度の増加に伴って剛性が低下する。この剛性を用いて、FEM解析などにより応力を求める。この新たな応力σiに基づいて再びき裂発生駆動力Fi、き裂伝播駆動力Kiを求め、再度シミュレーションを行う。
これを想定寿命の6割、7割、8割……と続けて行き、最終的に破断に至るまで逐次応力σiを更新しながらシミュレーションを行う。
【0045】
破断に至った場合には、種々に推定したビードのサイズと形状のばらつきの確率(蓋然性)に対する、破断時間のシミュレーション結果とを評価手段14が多数集計し、図10に示すように余寿命と累積破壊確率との関係による確率論的寿命評価を算出する。
【0046】
このように、本実施形態においては、粒界モデルに作用する応力を逐次再計算してシミュレーションを行うため、より正確な余寿命を算出することができる。
なお、本実施形態において示した微視損傷進展シミュレーションは、本発明を適用した一例であり、他の解析に本発明を適用することができるのは言うまでもない。
【0047】
また、以下のように画面表示を行っても良い。
図4、図5に示した粒界モデルを、例えば板厚方向に30列程度設定する。このときの粒界モデルは所定の正規分布に基づいてランダムに設定する。ここでは、解析が簡単な1次元粒界モデルを2次元的に配列することによって擬似的に2次元データを得る(このような処理を行うことによって実際に起こる現象を容易にかつ正確に把握することができる)。これを表したのが図11である。図において、符号20は粒界を表し、符号21で示した太線はボイド(損傷)を表している。
このように、擬似的に構成した2次元粒界モデル20と、該粒界モデルに発生したボイド21とを合わせて表示することで、解析結果を視覚的に理解しやすい状態で表すことができる。
【0048】
さらに、図12に示したように表示することもできる。
図12において、符号25はボイドの発生状態を金属材料の内部形状全体について示したものである。内部形状25には、ボイド密度に合わせて色の濃度、色彩を変えた損傷状態25aが重ね合わせて表示されている。例えば、解析から推定された3mm以上のき裂、損傷50%以上の領域を赤く表示するなどして、わかりやすく表示する。符号26は、一部を拡大したものであり、図11と同じ粒界モデルである。カーソルを符号25の内部形状の任意の位置に合わせると、符号26の拡大状態を見ることができる。
また、符号27は推定応力、符号28は損傷の度合いである。これらを一つの画面に表示させることができ、解析結果を視覚的に理解しやすい状態で表すことができる。
【0049】
さらに、図13のように表示しても良い。
図13において、符号30はボイドの発生状態を内部形状全体について示したものであり、図12の符号25と同じものである。
符号31はMLAS法により採取されたレプリカの写真、符号32はTOFD法による検査結果、符号33はフェーズドアレイ法による検査結果である。
これら、解析結果30と非破壊検査結果31〜33とを画面に表示させる。解析結果30,TOFD法による検査結果32,フェーズドアレイ法による検査結果33とは、図のように別個に表示させても良いし、重ね合わせて表示させても良い。
このように表示させることで、解析結果の妥当性を判断することができるとともに、解析結果と実際の検査結果とを総合して損傷の程度を判断することができる。
なお、図11〜図13においては、擬似的に構成した2次元粒界モデルについて示したが、1次元、3次元について同様の解析、表示を行っても良い。
また、上記では画面に表示させるようにしているが、プリントアウトを行うようにしても良い。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては以下の効果を得ることができる。
請求項1に記載の発明によれば、応力分布と金属材料内部の形状を用いる事でより正確な破壊進行過程を計算可能である。したがって、余寿命をより正確に予測することができる。
請求項2に記載の発明によれば、金属材料の内部を種々に推定し、その蓋然性と解析結果の余寿命とを対照させることにより、金属材料の余寿命を確率論的に評価することができる。
請求項3及び4に記載の発明によれば、損傷によって変化する応力を考慮に入れたシミュレーションが可能であるため、正確な余寿命を予測することができる。
請求項5に記載の発明によれば、粒界モデルに作用する応力を逐次再計算することにより、破断時まで計算を続けることが可能となる。
請求項6に記載の発明によれば、粒界モデルと、該粒界モデルに発生したボイドとを合わせて表示することで、解析結果を視覚的に理解しやすい状態で表すことができる。
請求項7に記載の発明によれば、金属材料の内部構造と損傷状態とを合わせて表示することで、解析結果を視覚的に理解しやすい状態で表すことができる。
請求項8に記載の発明によれば、解析結果と実際の検査結果とを照らし合わせることで、解析結果の妥当性を判断することができるとともに、解析結果と実際の検査結果とを総合して損傷の程度を判断することができる。
請求項9に記載の発明によれば、応力分布と金属材料内部の形状を用いる事でより正確な破壊進行過程を計算可能である。したがって、余寿命をより正確に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態として示した金属材料の損傷評価装置を示すブロック図である。
【図2】 同損傷評価装置が適用される高温配管の溶接部を示す断面図である。
【図3】 同損傷評価装置によって実現される損傷評価方法の一部を示す流れ図である。
【図4】 HAZ部を配管厚さ方向に粒界モデルで表した図である。
【図5】 前記損傷評価装置による粒界破壊抵抗分布モデルを示した模式図である。
【図6】 (a)は応力とき裂発生駆動力との関係、(b)は応力とき裂伝播駆動力Kとの関係を示した図である。
【図7】 クリープ破断時間と有効応力との関係を示した図である。
【図8】 余寿命と有効応力との関係を示した図である。
【図9】 ボイド個数密度とヤング率の低下とを示した図である。
【図10】 余寿命と累積破壊確率とを示した図である。
【図11】 擬似的に構成した2次元粒界モデルと、損傷部位とを重ねて表示した状態である。
【図12】 ボイドの発生状態を内部形状全体について、推定応力と損傷の度合いとを合わせて表示した状態の図である。
【図13】 解析結果と非破壊検査とを共に表示した状態の図である。
【図14】 TOFD法の測定原理を説明するための説明図である。
【図15】 微視損傷進展シミュレーションを示す流れ図である。
【図16】 微視損傷進展シミュレーションの粒界破壊抵抗分布モデルを示す模式図である。
【符号の説明】
10 内部検査手段
11 応力推定手段
12 ビード形状推定手段(内部形状推定手段)
13 解析手段
14 評価手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal material damage evaluation method and apparatus, and more particularly to brittleness generated in welds of low alloy steel used as various pipes using high-temperature pressure-resistant metal members such as thermal power plants and nuclear power plants. The present invention relates to a damage evaluation method and apparatus for a metal material suitable for use in evaluating the progress of microscopic damage such as creep damage and diagnosing the life of the metal material.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in thermal power plants, maintenance management that fully considers thermal fatigue due to equipment deterioration due to long-term use, frequent start / stop, rapid load fluctuations, etc. is becoming more and more important as the operation time becomes longer. It has become to.
For example, in large-diameter thick-walled pipes that use high-temperature pressure-resistant metal members, cracks and other scratches often occur inside the weld, but this scratch can be detected only by inspection of the outer surface. Therefore, there is a demand for the development of a crack monitoring method by early detection of this scratch and accurate measurement of its size.
Conventionally, in order to estimate the remaining life (time to break), the MLAS method that estimates the remaining life by directly inspecting the surface damage and the TOFD method (Time Of Flight Diffraction) that inspects the internal damage It has been.
[0003]
The MLAS method is a method of taking a replica of a surface by transferring the surface of a pipe to a plastic film, and observing the replica using an optical microscope. And the distribution state thereof, and the life is diagnosed by comparing with the reference data of the relationship between these and the life.
[0004]
The TOFD method is based on the following measurement principle. FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the measurement principle of the TOFD method. A transmitting probe 1 for transmitting ultrasonic waves and a receiving probe 2 for receiving ultrasonic waves are placed on the surface of the metal material 3. The crack (defect) 4 generated inside the metal material 3 is placed at an equal distance, the ultrasonic wave 5 is transmitted into the metal material 3 by the transmission probe 1, and the crack is generated by the reception probe 2. The diffracted wave 6 from the upper end and the lower end of 4 is detected, the propagation time thereof is measured, and the height of the crack 4 is obtained by equation (1). In the figure, 7 is a surface wave, and 8 is a bottom surface reflected wave.
[0005]
L = Zb-Zt
= √ (tb2 · V2 / 4−S2) −√ (tt2 · V2 / 4−S2) (1)
Where L: crack height
Zb: Depth of crack tip
Zt: Depth of crack bottom
D: Distance between the transmission probe 1 and the reception probe 2
S: D / 2
V: Speed of diffracted wave
tt: Diffraction wave propagation time from crack tip
tb: Diffraction wave propagation time from crack bottom
Since the TOFD method described above uses a diffracted wave from a defect to detect flaws, it is less affected by the inclination of the defect than the conventional ultrasonic flaw detection method, and the possibility of overlooking a directional defect is reduced. The defect detection performance is improved.
[0006]
However, since the crack propagation calculation assumes that a single crack grows and propagates, for example, in the case of damage where multiple microscopic cracks grow and repeat coalescence. However, there is a possibility that the remaining life diagnosis by the above method may not correspond to the actual damage state, and as a result, the remaining life diagnosis may be inaccurate.
Therefore, Japanese Patent Application No. 2000-367017 proposes an evaluation method capable of predicting the remaining life even in a metal material in which a plurality of microscopic cracks are internally generated and damaged in such a manner that they grow while repeating coalescence. Has been.
[0007]
In this evaluation method, initial damage is first estimated based on the measurement results of the replica method and the TOFD method, and the stress distribution is estimated from the initial damage. Next, a grain boundary model in the welded portion of the high-temperature pipe 11 is created, and a microscopic damage progress simulation is performed based on FIGS. 15 and 16. In this analysis model, the grain boundary length group is [L], the average is Lm, the standard deviation is LS, the fracture resistance value of the grain boundary is R, the average is Rm, and the standard deviation is RS.
[0008]
The crack generation driving force F determined by the stress σ acts on each grain boundary model, and at the stage where no crack is generated, assuming that the grain boundary fracture driving force is D, the damage progress rate dR / dt = −D = −F.
When the damage progresses as time passes and the fracture resistance value R of the grain boundary becomes negative (R <0), the grain boundary breaks and a crack occurs. At the grain boundary adjacent to the crack, the grain boundary fracture driving force D is equal to the sum of the crack generation driving force F and the product of the crack propagation driving force K and the crack length a adjacent to the grain boundary. (D = F + a · K).
[0009]
As time progresses, the number of cracks gradually increases and the length of each crack increases.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above evaluation method has many points to be improved.
One of the problems is related to the time distribution of the stress distribution. The pipe welded portion to be subjected to the remaining life diagnosis has a portion having a large stress and a portion having a small stress (having a stress distribution) depending on the shape of the weld bead. The growth rate of microscopic damage depends on the stress, and the damage progresses faster as the stress increases. The portion where the damage has progressed has a reduced apparent rigidity, resulting in a decrease in stress. The part of the stress that has been lowered will still be handled by the part with small damage, and the stress at this part will increase. Therefore, damage of this part progresses. To repeat this, the stress distribution changes from moment to moment as the damage progresses. However, in the conventional microscopic damage progress calculation, the stress distribution does not change from the initial state to the fracture, so the damage progress can be accurately predicted in the latter half of the life (after about 80%) where the stress distribution is different from the initial state. Therefore, the break time could not be estimated accurately. For this reason, the accuracy of the life diagnosis up to the subsequent fracture was insufficient.
[0011]
This invention is made | formed in view of said situation, Comprising: It aims at providing the damage evaluation method and apparatus of a metal material which can estimate a remaining life more correctly.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The damage evaluation method for a metal material according to claim 1 is a method for evaluating a flaw in a metal material, wherein an internal damage state of the metal material is inspected to obtain a damage distribution, and the metal is determined based on the damage distribution. By estimating the internal shape of the material and further expressing the interior of the metal material with a grain boundary model, and applying a stress calculated based on the internal shape of the metal material to each of the grain boundary models, It is characterized by calculating the destruction process of the boundary model.
[0013]
In the present invention, the fracture progress process can be calculated more accurately by applying stress to the grain boundary model in consideration of the shape inside the metal material.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, in the damage evaluation method for a metal material according to the first aspect, the estimated internal shape of the metal material is changed variously, the estimated probability of the shape, and the fracture progress of each grain boundary model. The remaining life probability of the metal material is calculated in correspondence with the remaining life obtained by the calculation of the process.
[0015]
In the present invention, the remaining life of the metal material can be probabilistically evaluated by variously estimating the inside of the metal material and comparing the probability with the remaining life of the analysis result.
[0016]
The invention according to claim 3 is a method for evaluating scratches on a metal material, wherein a grain boundary model of an internal shape of the metal material is created, and an initial stress acting on each grain boundary model is set, and then a predetermined value is set. Calculate the fracture progress after a lapse of time, recalculate the stress acting on each grain boundary model based on the damage of the grain boundary model obtained as a result, and based on the stress after the recalculation Furthermore, it is characterized in that a fracture progress process after a predetermined time has elapsed is calculated.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in the damage evaluation method for a metal material according to the first or second aspect, a grain boundary model of the internal shape of the metal material is created, and initial stress acting on each of the grain boundary models is determined. After the setting, calculate the progress of fracture after a predetermined time, and recalculate the stress acting on each grain boundary model based on the damage of the grain boundary model obtained as a result. Further, the fracture progressing process after a predetermined time has been calculated based on the stress.
[0018]
In the inventions according to the third and fourth aspects, it is possible to perform a simulation in consideration of a stress that changes due to damage.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in the damage assessment method for a metal material according to the third or fourth aspect, the calculation of the progress of the fracture is repeated until the fracture of the metal material.
[0020]
In the present invention, it is possible to continue the calculation until the time of fracture by sequentially recalculating the stress acting on the grain boundary model.
[0021]
The invention according to claim 6 is the metal material damage evaluation method according to any one of claims 1 to 5, wherein the grain boundary model damage site obtained by calculation of a fracture progress process of the grain boundary model is represented by the grain boundary. It is characterized by being displayed on the screen or printed in superposition with the model.
[0022]
In the present invention, by displaying the grain boundary model and the void generated in the grain boundary model together, the analysis result can be represented in a state that is easy to understand visually. The dimension of the grain boundary model is not particularly limited. For example, it is conceivable that a grain boundary model created by a computer is displayed on the screen, and a damaged part is indicated by a bold line on the grain boundary model.
[0023]
The invention according to claim 7 is the damage evaluation method for a metal material according to any one of claims 1 to 6, wherein the internal shape of the metal material is displayed or printed on the screen, and the fracture progress process of the grain boundary model is calculated. The degree of damage of the obtained grain boundary is shown superimposed on the internal shape of the metal material.
[0024]
In the present invention, for example, a structure inside a metal is displayed on a screen, and a portion having a large degree of damage obtained by analysis in the structure is shown by changing its color and density. By doing in this way, an analysis result can be expressed in a state that is easy to understand visually.
[0025]
According to an eighth aspect of the present invention, in the damage evaluation method for a metallic material according to the seventh aspect, the result of actually inspecting the damaged state of the metallic material is simultaneously displayed on a screen or printed.
[0026]
In the present invention, the validity of the analysis result can be determined by comparing the analysis result and the actual inspection result, and the degree of damage is determined by combining the analysis result and the actual inspection result. be able to.
[0027]
The invention according to claim 9 is an apparatus for evaluating a flaw in a metal material, the internal shape estimating means for estimating the internal shape of the metal material based on the internal damage distribution of the metal material, and the inside of the metal material An analysis means for calculating the progress of fracture of each grain boundary model by applying a stress calculated based on the internal shape of the metal material to each grain boundary model. It is characterized by having.
[0028]
In the present invention, the fracture progress process can be calculated more accurately by applying stress to the grain boundary model in consideration of the shape inside the metal material.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a metal material damage evaluation method and apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a metal material damage evaluation apparatus shown as an embodiment of the present invention.
In the figure, reference numeral 10 is an internal inspection means for inspecting the internal damage state of the metal material to obtain a damage distribution, 11 is a stress estimation means for calculating the internal average stress of the metal material based on the damage distribution, and 12 is estimated. Bead shape estimation means (internal shape estimation means) for estimating the internal shape of the metal material based on the average stress. Reference numeral 13 denotes a grain boundary model based on the internal shape of the metal material, and calculates the grain boundary average stress acting on the grain boundary model from the internal shape of the metal material. It is an analysis means for calculating the progress process. Reference numeral 14 denotes evaluation means for evaluating the bead shape estimated by the bead shape estimation means 12 and the analysis result of the analysis means 13.
As the internal inspection means 10, an inspection apparatus using the TOFD method shown in FIG. 14 can be adopted, but not limited to this, a phased array method or the like can also be adopted.
[0030]
FIG. 2A is a cross-sectional view showing a welded portion of a high-temperature pipe which is an example of the metal material 3. In the figure, reference numeral 21 is a high-temperature pipe made of a low alloy steel pipe or the like, and the low alloy steel plate 22 is cylindrical. Bending is performed, and end faces 22 a and 22 b along the longitudinal direction are joined by a welded portion 23. A HAZ part (weld heat affected zone) 24 to be detected is generated in the welded part 23. Reference numeral 25 denotes a replica of the surface of the metal material 3.
[0031]
The composition of the welded portion 23 is composed of, for example, 2.2% Cr-1% Mo-0.12% C-balance Fe, and impurities greatly related to the creep damage progress rate of the welded portion 23 are, for example, P ( Phosphorus), As (arsenic), Sn (tin), and Sb (antimony).
The creep damage degree (lifetime consumption rate) of the welded portion 23 has a substantially normal distribution as shown in FIG. 2 (b), and this is the concentration of the impurity Sb obtained by the impurity analysis of the welded portion 23. It almost matches the distribution.
[0032]
Next, the metal material damage evaluation method of the present embodiment will be described with reference to FIG. 3, taking the high-temperature pipe 21 shown in FIG. 2 as an example.
1. Ultrasonic flaw detection by the TOFD method and classification of flaws
(1) Ultrasonic flaw detection by TOFD method
The HAZ portion 24 generated inside the high-temperature pipe 21 is placed at a position where the transmission probe 1 and the reception probe 2 shown in FIG. 14 are sandwiched by the welded portion 23 along the circumferential direction of the surface of the high-temperature pipe 21. The ultrasonic probe 5 is transmitted in the high-temperature pipe 21 by the transmission probe 1 and the diffracted wave 14 from the HAZ unit 24 is detected by the reception probe 2. Detect the presence of damage. Here, when damage is detected, values of the position, height, and length of the damage are obtained. The damage position is identified by scanning both the transmission probe 1 and the reception probe 2 along the weld line.
[0033]
(2) Classification of detected flaws
This damage is classified into any one of three types from the values of the position, height, and length of the damage position.
Scratches detected by the TOFD method are classified into the following three types.
A wound (crowded wound)
It is estimated that several small damages are dense. For example, this is the case when two damages estimated to be at the same depth are adjacent and the distance between the damages is shorter than the length of the damage.
B wound (planar wound)
It is estimated that the damage spreads in a plane in the thickness direction.
C wound (volumetric wound)
Presumed to be three-dimensional damage such as slag entrainment.
[0034]
2. Judgment by MLAS method
(1) Collecting replicas
A replica 25 of the surface of the high temperature pipe 21 is collected by a method of transferring the surface of the high temperature pipe 21 to a plastic film.
For example, rough polishing and fine polishing are sequentially applied to the surface, the surface is finished to a mirror surface, the inspection target portion of the mirror surface is selectively removed by etching, and a plastic film for replica is pressed and etched on the etched portion. The surface irregularities are transferred to a plastic film.
[0035]
(2) Observation and determination of replica
The replica 25 is observed using an optical microscope, and the presence or absence of vacancies (creep voids) due to creep damage and the distribution state thereof are examined. Here, it is roughly determined whether or not the damage is caused by creep damage.
Next, the presence or absence of creep voids and their distribution state are precisely observed using a scanning electron microscope (SEM). For example, the number of creep voids generated is measured, the creep void surface density is calculated based on this measured value, and the relationship between the previously obtained life evaluation diagram (creep void surface density and creep damage degree (lifetime consumption rate) is shown. The creep damage degree is estimated from the graph), and whether or not the damage is caused by the creep damage is determined based on the creep damage degree.
[0036]
As described above, when creep damage is recognized in the replica 25, it is determined that the detected damage is a damage due to creep damage. When the damage due to creep is not recognized in the replica 25, the detected damage is creep. It can be determined that the scratch is not due to damage (scratch during manufacturing).
[0037]
3. Judgment by chemical component analysis
(1) Impurity analysis
The oxide film on the surface of the sampling region of the weld 23 is removed by grinding until a metallic luster is obtained, and the exposed metal portion is further ground to collect chips. Next, the contents of P, As, Sn, and Sb are analyzed using the chips.
The analysis method of each element is as follows.
P: Atomic absorption method (Japanese Industrial Standard; JIS G 1257)
As, Sn, Sb: Hydride generation ICP emission spectrometry
[0038]
(2) Creep property evaluation
Next, from these impurity analysis results, a creep embrittlement coefficient (CEF) is obtained based on the following formula (2).
CEF = P (wt.%) + 2.4 As (wt.%) + 3.6 Sn (wt.%)
+ 8.2Sb (wt.%) (2)
The creep damage degree (lifetime consumption rate) is estimated from the CEF value and the separately calculated piping stress calculation result, and it is determined whether or not the damage detected by the creep damage degree is due to creep damage.
[0039]
Now, based on the creep damage detected as described above and the damage detected by the TOFD method, the stress estimation means 11 estimates the internal average stress of the actual machine. Specifically, the stress estimation means 11 estimates that the part with a lot of damage is a part with a large stress, and further calculates the average stress in consideration of the use conditions, use time, internal pressure and plate thickness, pipe bending stress, and the like. presume.
Next, the bead shape estimation means 12 estimates the bead shape (the shape of the weld metal 23) based on the stress. For example, the part where the stress is large is a recess as indicated by reference numeral 18 in FIG. 2A, and it can be estimated that the stress is concentrated for this reason.
However, since the bead shape is not necessarily accurately determined, the variation in bead size and shape is probabilistically estimated, and the following microscopic damage progress simulation is performed in various ways.
[0040]
Next, the analysis means 13 performs a microscopic damage progress simulation based on the bead shape.
First, as shown in FIGS. 4 and 5, a grain boundary model in the HAZ portion 24 of the high-temperature pipe 21 made of the FEM element Mi is created. In this example, it is a one-dimensional model. In this analysis model, the set of grain boundary lengths is [L], the average is Lm, the standard deviation is LS, the set of fracture resistance values at the grain boundaries is [R], the average is Rm, and the standard deviation is RS. .
The stress (grain boundary average stress) σi acting on each FEM element Mi is determined. This is determined by analysis such as FEM analysis based on the bead shape. For example, since stress concentrates in the concave portion of the bead, the stress σi has a large value.
Subsequently, a crack generation driving force Fi and a crack propagation driving force Ki, which are parameters in Mi represented by the symbol i as an i-th dividing element, for example, are determined. Fi and Ki are values determined by temperature and stress σi as shown in FIG.
Further, in the simulation, data such as material characteristics and load characteristics of the high temperature pipe 21 are also used. For these data, in order to consider the influence of impurities, the material characteristics and load characteristics of the high-temperature pipe 21 are corrected based on the quantification result of the impurity content by chemical component analysis.
[0041]
A load model of the high temperature pipe 21 corresponding to this stress load is created. Each grain boundary in the FEM element Mi receives a crack generation driving force Fi due to the stress σi. When the simulation is started, cracks are generated with time. In FIG. 5, when each grain boundary receives a grain boundary fracture driving force Di, the fracture resistance Ri decreases with time, and when it becomes negative (Ri <0), the grain boundary breaks and a crack is generated. At the grain boundary adjacent to the crack, the grain boundary fracture driving force Di is equal to the sum of the crack generation driving force Fi and the product of the crack propagation driving force Ki and the crack length ai adjacent to the grain boundary. (Di = Fi + ai / Ki). That is, at the grain boundary adjacent to the crack, the damage progress rate dRi / dt = −Di = Fi + ai · Ki, and at the grain boundary not adjacent to the crack, the damage progress rate dRi / dt = −Di = Fi.
[0042]
In this way, damage (creep void) to each divided element after a certain period of time is obtained.
The simulation is performed until the actual machine usage time, and the analysis condition is confirmed by comparing the actual inspection with the analysis result. If the actual inspection and the analysis result differ greatly, recalculation is performed with different analysis conditions.
The above is performed for a predetermined time (for example, 60% of the life expected by the conventional method based on the number of creep voids), and the fracture determination process is performed.
[0043]
Whether or not the fracture has occurred is determined by whether or not the total sum Σa of all the cracks in the entire weld has reached a certain threshold value. This threshold is determined as follows.
(1) When the effective stress σeff exceeds values such as tensile limit and yield stress
The stress supported by the grain boundary where no creep void is formed is the effective stress. When the height of the HAZ portion 24 is h and the load acting on the HAZ portion is P, the effective stress σeff is σeff = P / (h−Σa). Σa when this effective stress exceeds a certain value (for example, yield stress of material, tensile limit, elastic limit) is determined as a threshold value.
(2) When the effective stress σeff exceeds the value corresponding to a given creep rupture life
Based on the known correspondence between the effective stress σeff and the creep rupture time shown in FIG. 7, for example, the creep rupture life is determined to be ruptured when Σa giving σeff which is the remaining 100 hours. When it becomes, it is judged as a fracture.
(3) When the total crack length exceeds a certain value
When there is only one crack, the remaining life can be obtained by crack propagation calculation using C *. Assuming a case where there is virtually one crack of length Σa, a crack propagation calculation by C * is performed, and Σa when the remaining lifetime is 100 hr is set as a threshold value. C * is a fracture mechanics parameter that depends on the stress and creep characteristics of the material.
In addition, it is conceivable that the fracture Σa is determined based on conditions for determining fracture regardless of Σa and methods other than the above three methods.
It should be noted that if any one of these conditions is satisfied, it may be determined as a fracture, and if a plurality of conditions are satisfied in combination, it may be determined as a fracture.
[0044]
When the fracture has not been reached, the simulation is continued. As described above, creep voids are generated in each grain boundary model element Mi. The portion where the void is generated cannot support the stress, and accordingly, the other grain boundary model element Mi ′ where the void is not generated supports the stress, so that the grain boundary average stress within the element becomes large. For this reason, a change in stress distribution caused by void generation is added to the simulation conditions.
Specifically, as shown in FIG. 9, the relationship between the void number density and “Young's modulus of damaged material / Young's modulus of undamaged material” is used. In the damaged material, the rigidity decreases as the void number density increases. Using this rigidity, the stress is obtained by FEM analysis or the like. Based on the new stress σi, the crack generation driving force Fi and the crack propagation driving force Ki are obtained again, and the simulation is performed again.
This is followed by 60%, 70%, 80%, etc. of the assumed life, and the simulation is performed while successively updating the stress σi until finally breaking.
[0045]
In the case of rupture, the evaluation means 14 aggregates many simulation results of the rupture time with respect to the probability (probability) of variously estimated bead sizes and shapes, and the remaining life as shown in FIG. Calculate probabilistic life assessment based on cumulative failure probability.
[0046]
Thus, in this embodiment, since the simulation is performed by sequentially recalculating the stress acting on the grain boundary model, a more accurate remaining life can be calculated.
It should be noted that the microscopic damage progress simulation shown in the present embodiment is an example to which the present invention is applied, and it goes without saying that the present invention can be applied to other analyses.
[0047]
Further, screen display may be performed as follows.
For example, the grain boundary model shown in FIGS. 4 and 5 is set to about 30 rows in the thickness direction. The grain boundary model at this time is set at random based on a predetermined normal distribution. Here, pseudo two-dimensional data is obtained by two-dimensionally arranging a one-dimensional grain boundary model that is easy to analyze (to easily and accurately grasp the phenomenon that actually occurs by performing such processing) be able to). This is shown in FIG. In the figure, reference numeral 20 represents a grain boundary, and a thick line indicated by reference numeral 21 represents a void (damage).
In this way, by displaying the two-dimensional grain boundary model 20 constructed in a pseudo manner and the void 21 generated in the grain boundary model, the analysis result can be expressed in a state that is easy to understand visually. .
[0048]
Furthermore, it can also be displayed as shown in FIG.
In FIG. 12, reference numeral 25 indicates the state of occurrence of voids for the entire internal shape of the metal material. In the internal shape 25, a damage state 25a in which the color density and color are changed in accordance with the void density is displayed in an overlapping manner. For example, a crack of 3 mm or more estimated from the analysis and an area of damage of 50% or more are displayed in red, for example, so that they can be easily understood. Reference numeral 26 is a partially enlarged view and is the same grain boundary model as FIG. When the cursor is moved to an arbitrary position of the internal shape of the reference numeral 25, the enlarged state of the reference numeral 26 can be seen.
Reference numeral 27 denotes an estimated stress, and reference numeral 28 denotes a degree of damage. These can be displayed on one screen, and the analysis result can be expressed in a state that is easy to visually understand.
[0049]
Furthermore, it may be displayed as shown in FIG.
In FIG. 13, reference numeral 30 indicates a void generation state for the entire internal shape, and is the same as reference numeral 25 in FIG. 12.
Reference numeral 31 is a photograph of a replica collected by the MLAS method, reference numeral 32 is an inspection result by the TOFD method, and reference numeral 33 is an inspection result by the phased array method.
The analysis result 30 and the nondestructive inspection results 31 to 33 are displayed on the screen. The analysis result 30, the inspection result 32 by the TOFD method, and the inspection result 33 by the phased array method may be displayed separately as shown in FIG.
By displaying in this way, the validity of the analysis result can be determined, and the degree of damage can be determined by combining the analysis result and the actual inspection result.
11 to 13 show the pseudo-configured two-dimensional grain boundary model, the same analysis and display may be performed for one and three dimensions.
In the above description, the image is displayed on the screen. However, it may be printed out.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, the following effects can be obtained in the present invention.
According to the first aspect of the present invention, a more accurate fracture progress process can be calculated by using the stress distribution and the shape inside the metal material. Therefore, the remaining life can be predicted more accurately.
According to the second aspect of the present invention, it is possible to probabilistically evaluate the remaining life of the metal material by variously estimating the inside of the metal material and comparing the probability with the remaining life of the analysis result. it can.
According to the third and fourth aspects of the invention, since a simulation taking into account the stress that changes due to damage is possible, an accurate remaining life can be predicted.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to continue the calculation until the breakage by sequentially recalculating the stress acting on the grain boundary model.
According to the invention described in claim 6, by displaying the grain boundary model and the void generated in the grain boundary model together, the analysis result can be expressed in a state that is easy to understand visually.
According to the seventh aspect of the present invention, by displaying the internal structure of the metal material and the damage state together, the analysis result can be expressed in a state that is easy to understand visually.
According to the invention described in claim 8, the validity of the analysis result can be determined by comparing the analysis result with the actual inspection result, and the analysis result and the actual inspection result are combined. The degree of damage can be determined.
According to the ninth aspect of the invention, a more accurate fracture progress process can be calculated by using the stress distribution and the shape inside the metal material. Therefore, the remaining life can be predicted more accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a damage evaluation apparatus for a metal material shown as an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a weld portion of a high-temperature pipe to which the damage evaluation apparatus is applied.
FIG. 3 is a flowchart showing a part of a damage evaluation method realized by the damage evaluation apparatus.
FIG. 4 is a diagram in which a HAZ portion is represented by a grain boundary model in a pipe thickness direction.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a grain boundary fracture resistance distribution model by the damage evaluation apparatus.
6A is a diagram showing a relationship between stress and a crack generation driving force, and FIG. 6B is a diagram showing a relationship between stress and a crack propagation driving force K. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between creep rupture time and effective stress.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between remaining life and effective stress.
FIG. 9 is a diagram showing a void number density and a decrease in Young's modulus.
FIG. 10 is a diagram showing a remaining life and a cumulative failure probability.
FIG. 11 shows a state in which a pseudo two-dimensional grain boundary model and a damaged part are displayed in an overlapping manner.
FIG. 12 is a diagram showing a state in which the state of occurrence of voids is displayed for the entire internal shape together with the estimated stress and the degree of damage.
FIG. 13 is a diagram showing a state in which an analysis result and a nondestructive inspection are both displayed.
FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the measurement principle of the TOFD method.
FIG. 15 is a flowchart showing a microscopic damage progress simulation.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a grain boundary fracture resistance distribution model of a microscopic damage progress simulation.
[Explanation of symbols]
10 Internal inspection means
11 Stress estimation means
12 Bead shape estimation means (internal shape estimation means)
13 Analysis means
14 Evaluation means

Claims (9)

金属材料の傷を評価する方法であって、
前記金属材料の内部損傷状態を検査して損傷分布を求め、該損傷分布に基づいて前記金属材料の内部形状を推定し、さらに前記金属材料内部を粒界モデルで表すとともに、これら各粒界モデルに対して前記金属材料の内部形状に基づいて算出される応力を与えることにより、前記各粒界モデルの破壊進行過程を計算することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
A method for evaluating scratches on a metal material,
The internal damage state of the metal material is inspected to determine the damage distribution, the internal shape of the metal material is estimated based on the damage distribution, the interior of the metal material is represented by a grain boundary model, and each of these grain boundary models A damage evaluation method for a metal material, wherein the fracture progress process of each grain boundary model is calculated by applying a stress calculated based on the internal shape of the metal material.
請求項1に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記金属材料の推定内部形状を種々に変え、該形状の推定確率と、前記各粒界モデルの破壊進行過程の計算によって得られた余寿命とを対応させて前記金属材料の余寿命確率を算出することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
In the metal material damage evaluation method according to claim 1,
The estimated internal shape of the metal material is variously changed, and the estimated life probability of the metal material is calculated by corresponding the estimated probability of the shape and the remaining life obtained by calculating the fracture progress of each grain boundary model. A method for evaluating damage of a metal material, comprising:
金属材料の傷を評価する方法であって、
前記金属材料の内部形状の粒界モデルを作成し、これら各粒界モデルに作用する初期応力を設定した後に所定時間経過後における破壊進行過程を計算し、さらに、その結果得られた前記粒界モデルの損傷に基づいて前記各粒界モデルに作用する応力を再計算し、該再計算後の応力に基づいてさらに所定時間経過後における破壊進行過程を計算することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
A method for evaluating scratches on a metal material,
Create a grain boundary model of the internal shape of the metal material, set the initial stress acting on each grain boundary model, calculate the fracture progress process after a predetermined time, and further, the grain boundary obtained as a result The metal material damage characterized by recalculating the stress acting on each grain boundary model based on the model damage, and further calculating the progress of fracture after a predetermined time based on the stress after the recalculation Evaluation methods.
請求項1または2に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記金属材料の内部形状の粒界モデルを作成し、これら各粒界モデルに作用する初期応力を設定した後に所定時間経過後における破壊進行過程を計算し、さらに、その結果得られた前記粒界モデルの損傷に基づいて前記各粒界モデルに作用する応力を再計算し、該再計算後の応力に基づいてさらに所定時間経過後における破壊進行過程を計算することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
The damage evaluation method for a metal material according to claim 1 or 2,
Create a grain boundary model of the internal shape of the metal material, set the initial stress acting on each grain boundary model, calculate the fracture progress process after a predetermined time, and further, the grain boundary obtained as a result The metal material damage characterized by recalculating the stress acting on each grain boundary model based on the model damage, and further calculating the progress of fracture after a predetermined time based on the stress after the recalculation Evaluation methods.
請求項3または4に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記破壊進行過程の計算を前記金属材料の破断まで繰り返すことを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
In the metal material damage evaluation method according to claim 3 or 4,
A method for evaluating damage to a metal material, wherein the calculation of the progress of the fracture is repeated until the metal material is broken.
請求項1から5に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記粒界モデルの破壊進行過程の計算によって求められた粒界モデルの損傷部位を、前記粒界モデルと重ね合わせて画面表示または印字することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
In the metal material damage evaluation method according to claim 1,
A damage evaluation method for a metal material, characterized in that a damaged part of a grain boundary model obtained by calculation of a fracture progress process of the grain boundary model is displayed on a screen or printed while being superimposed on the grain boundary model.
請求項1から6に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記金属材料の内部形状を画面表示または印字するとともに、前記粒界モデルの破壊進行過程の計算によって求められた粒界の損傷の度合いを前記金属材料の内部形状に重ね合わせて示すことを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
In the metal material damage evaluation method according to claim 1,
The internal shape of the metal material is displayed or printed on the screen, and the degree of damage of the grain boundary obtained by calculation of the fracture progress process of the grain boundary model is superimposed on the internal shape of the metal material. To evaluate damage to metallic materials.
請求項7に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記金属材料の損傷状態を実際に検査した結果も同時に画面表示または印字することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
In the metal material damage evaluation method according to claim 7,
A method for evaluating damage of a metal material, wherein the result of actually inspecting the damaged state of the metal material is simultaneously displayed on a screen or printed.
金属材料の傷を評価する装置であって、
前記金属材料の内部損傷分布に基づいて前記金属材料の内部形状を推定する内部形状推定手段と、前記金属材料内部を粒界モデルで表すとともに、これら各粒界モデルに対して前記金属材料の内部形状に基づいて算出される応力を与えることにより、前記各粒界モデルの破壊進行過程を計算する解析手段とを備えていることを特徴とする金属材料の損傷評価装置。
An apparatus for evaluating scratches on metal materials,
Internal shape estimation means for estimating the internal shape of the metal material based on the distribution of internal damage of the metal material, and the inside of the metal material is represented by a grain boundary model, and the interior of the metal material with respect to each grain boundary model An apparatus for evaluating damage of a metal material, comprising: an analysis unit that calculates a fracture progression process of each grain boundary model by applying a stress calculated based on a shape.
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