JP4260615B2 - 疲労センサ - Google Patents
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Description
本発明は、低温環境下において構造物の疲労による損傷度を計測する疲労センサに関する。
一般的に、液化天然ガス貯蔵関連施設のような低温環境に曝される構造部材には、アルミ合金（例えば、Ａ５０８３）が採用されることが多い。これに対して、疲労センサの材質としては、耐腐食性および製作容易性を考慮して純ニッケル（Ｎｉ）が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
前記構造部材に適用されるアルミ合金の線膨張係数が約２３ｘ１０-6／℃であり、前記疲労センサに適用される純Ｎｉの線膨張係数が約１３ｘ１０-6／℃である。
そのため、常温時に疲労センサを前記構造部材（被検出部材）上に固着して構造部材を常温（例えば２５℃）より低い温度（例えば、上記液化天然ガス貯蔵関連施設の場合には−１６０℃）まで冷却したときに、構造部材が疲労センサよりも収縮し、疲労センサに弛みが生じ、疲労センサとして機能しない場合がある。これは、疲労センサが常時機能するには疲労センサに常時引張力が付与される状態になければならないにも拘わらず、上記のとおり、疲労センサに弛みが生じ、疲労センサに適切な引張力を付与することができないからである。従って、従来の疲労センサでは、低温環境における構造部材の疲労による損傷度を精度良く計測することができない。
特許第３３４２４６７号公報 （第５頁）
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、低温環境下において被検出部材の疲労による損傷度を精度良く計測することができる疲労センサを提供することを目的とする。
本発明に係る疲労損傷度検出方法は、低温環境に曝される被検出部材の疲労損傷度を検出するための方法であって、箔状の基板と、前記基板の一表面上に長手方向両端部が固着され、長手方向両端部間の中央部に、前記長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットが形成された箔状の破断片とを備えた疲労センサにおいて、前記破断片を前記被検出部材に比して線膨張係数が大きい材料から形成し、前記疲労センサの前記基板の他表面を前記被検出部材に固定し、前記固定後の状態において前記被検出部材及び前記疲労センサを冷却し、前記冷却後の状態において前記スリットから進展したき裂進展長によって前記被検出部材の疲労損傷度を検出する。
これによれば、低温環境下において被検出部材の疲労による損傷度を精度良く計測することができる。
概説すると、常温状態において破断片の長手方向両端部を基板の一表面上にそれぞれ固着した後、基板の他表面を被検出部材上に固着し、そのあと被検出部材を常温より低い温度まで冷却すると、破断片の線膨張係数が被検出部材に比して大きいため、破断片は被検出部材よりも収縮しようとする。ところが破断片および基板が被検出部材に比して十分薄い（すなわち破断片および基板の剛性は被検出部材に比して小さい）ので、基板の他表面を被検出部材上に固着した後は、破断片および基板は被検出部材の収縮に追従する。従って、破断片は上記のように被検出部材よりも収縮することができず、被検出部材に引っ張られる。これにより、破断片は、低温環境下において常時引張力が付与されることになり、疲労センサとして機能する。
前記被検出部材がアルミ合金から形成される場合に、前記破断片が純アルミ、純マグネシウム、または純亜鉛から形成されることが望ましい。これにより、破断片が被検出部材と略同一の線膨張係数またはこれを超える線膨張係数を有することになる。その結果、上述のとおり、低温環境下において被検出部材の疲労による損傷度を精度良く計測することができる。
本発明によれば、低温環境下において被検出部材の疲労による損傷度を精度良く計測することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る疲労センサの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２は破断片の候補材とその線膨張係数とを示す図表である。図３は基板の候補材とその線膨張係数とを示す図表である。
本実施の形態に係る疲労センサは、稼働中の機械および構造物など被検出部材の疲労損傷度を検出するために用いられる。
図１（ａ）に示すように、この疲労センサ１は、箔状の基板２と、該基板２の一表面３上に固着される長手方向（図１の左右方向）両端部４、５間の中央部６に、前記長手方向に垂直な幅方向一側部７から幅方向他側部８に向かって延びるスリット９が形成される箔状の破断片１０とを備える。図１（ｂ）に示すように、この疲労センサ１は、基板２の他表面１１を被検出部材１２に固定して、前記スリット９から進展したき裂進展長ａによって被検出部材１２の疲労損傷度を検出する。
前記基板２は、被検出部材１２の熱による伸縮に追従するように複数（多数箇所）好ましくは全面において被検出部材１２と接合されている。
前記破断片１０の長手方向両端部４、５は、接着剤１３、１４を介して基板２の一表面３上に接合されている。またこれに代えて、パラレルギャップ式抵抗溶接またはマイクロプラズマ溶接によって長手方向両端部４、５を基板２の一表面３上に接合しても構わない。これにより、被検出部材１２から基板２を介して長手方向両端部４、５に歪みが確実に伝達される。
また破断片１０には、スリット９が形成される中央部６を含む中間部１５が幅方向全長に亘って長手方向両端部４、５よりも薄く形成されている。その結果、被検出部材１２から基板２を介して長手方向両端部４、５に伝達された歪みによって中間部１５に大きな応力を発生させることができる。これにより、スリット９の先端９ａに応力集中が生じ、き裂が進展しやすくなり、破断片１０にわずかな歪みが伝達されても容易にき裂を発生させることができ、疲労センサ１の感度を向上させることができる。
中間部１５には、スリット９の先端９ａから幅方向他側部８に亘ってき裂進展領域１６が形成されている。このき裂進展領域１６に、き裂進展長ａを電気的に検出するき裂進展長検出部材１７が取り付けられている。
このき裂進展検出部材１７は、き裂の進展方向、すなわち幅方向に直角な長手方向に沿って延びる複数の電気抵抗線１８を有する。各電気抵抗線１８は、幅方向に等間隔をあけて平行に配置され、両端部が電気的に並列的に接続され、電気絶縁性樹脂である例えばエポキシ樹脂によってシート状に被覆され、前記き裂進展領域１６に接着剤によって接着される。
スリット９の先端９ａからき裂が進展すると、電気抵抗線１８が順次的に破断し、このような破断による抵抗値の経時的変化を図示しない計測装置によって計測する。これにより、き裂の進展状況を定量的に検出することができる。
なお、ここでは、電気抵抗線１８の抵抗値の経時変化を計測することによりき裂の進展長ａを計測しているが、これに代えて歪みゲージによって計測してもよいし、またき裂進展領域１６に目盛を付して、視覚的にき裂の進展長ａを計測してもよい。視覚的に計測するために、例えば公知のＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなどを用いることができる。
前記破断片１０は、本実施形態において、長さが１２mm、幅が５mm、厚さが０．１mmに選択されている。また前記中間部１５は、本実施形態において、長さが２mm、厚さが０．０２mmに選択されている。また前記基板２は、本実施形態において、長さが１４mm、幅が７mm、厚さが０．０５mmに選択されている。これらの寸法は、被検出部材１２に比べて十分に小さくなるように設定されている。これにより、被検出部材１２の歪みが基板２を介して破断片１０に確実に伝達される。
またこの破断片１０は、被検出部材１２と略同一の線膨張係数を有する材料、または、被検出部材１２より大きい線膨張係数を有する材料から形成されている。例えば図２に示すように被検出部材１２がアルミ合金（Ａ５０８３）である場合には、破断片１０として純アルミ、純マグネシウム、または純亜鉛を用いることができる。なお、線膨張係数がこれらの材料と同等であれば、これらの材料を含む合金または他の材料であっても構わない。
前記基板２は、破断片１０と略同一の線膨張係数を有する材料、または、破断片１０より線膨張係数が小さい材料から形成されている。例えば図３に示すように破断片１０が純アルミである場合には、基板２として純アルミ、SUS304、インバー鋼を用いることができる。なお、線膨張係数がこれらの材料と同等であれば、これらの材料を含む合金または他の材料であっても構わない。
特に、破断片１０が被検出部材１２と略同一の線膨張係数を有する材料から形成される場合には、疲労センサ１を被検出部材１２上に固着した状態で、予め破断片１０に引張力が生ずるようにすることが望ましい。これは、破断片１０および被検出部材１２を常温より低い温度に冷却しただけでは、これらの線膨張係数が略同一であることから、これらの部材がほぼ同じ量収縮し、破断片１０に引張力が付与されないからである。
前記破断片１０に予め引張力を付与する方法としては、例えば、破断片１０の長手方向両端部４、５を、常温より高い温度、例えば７０℃に上昇した状態で、基板２の一表面３上に接合する方法が考えられる。すなわち、この方法では、破断片１０が延びた状態で基板２の一表面３上に接合される。そのあと破断片１０を常温まで冷却すると、破断片１０は収縮しようとする。しかし破断片１０の長手方向両端部４、５が基板２の一表面３上に固定されているので、破断片１０の収縮が基板２によって規制される。その結果、破断片１０に引張力が付与される。その他の方法として、基板２を破断片１０に比して線膨張係数が小さい材料から形成し、破断片１０と基板２とを、疲労センサ１を被検出部材１２上に固着するときの温度（例えば、常温）より高い温度（例えば７０℃）で接合する方法が考えられる。この方法では、破断片１０と基板２とを接合した後元の温度まで冷却すると、両者の線膨張係数の差により破断片１０が基板２に対して収縮しようとする。これにより、破断片１０に引張力が付与される。より具体的には、例えば破断片１０が純アルミからなる場合に、基板２としてSUS304、インバー鋼を用いることができる。なお、これらの方法は一例でありこれに限定するものではない。
以上のように構成される疲労センサ１の作用・効果について述べる。
（１）破断片１０の線膨張係数が被検出部材１２より大きい場合
例えば、被検出部材１２としてアルミ合金（Ａ５０８３）を用い、破断片１０として純亜鉛を用いる。
（１）破断片１０の線膨張係数が被検出部材１２より大きい場合
例えば、被検出部材１２としてアルミ合金（Ａ５０８３）を用い、破断片１０として純亜鉛を用いる。
この場合、疲労センサ１を被検出部材１２上に固着したあと、これらを、例えば、常温（２５℃）から液化天然ガスの温度（−１６０℃）まで冷却すると、破断片１０の線膨張係数が被検出部材１２よりも大きいため、破断片１０は被検出部材１２よりも収縮しようとする。ところが上記のように破断片１０および基板２が被検出部材１２に比して十分薄い（すなわち破断片１０および基板２の剛性は被検出部材１２に比して小さい）ので、基板２の他表面１１を被検出部材１２上に固着した後は、破断片１０および基板２は被検出部材１２の収縮に追従する。従って、破断片１０は上記のように被検出部材１２よりも収縮することができず被検出部材１２に引っ張られる。その結果、破断片１０は、低温環境において弛むことなく常時引張力が付与される。これにより、疲労センサ１は低温環境下において被検出部材１２の疲労損傷度を精度良く計測することができる。
なお、ここでは、破断片１０に引張力を予め付与していないが、冷却前後の温度差が小さい場合には引張力を付与しても構わない。これにより、冷却前後の温度差が大きい場合と同等の引張力を破断片１０に付与することができるので、被検出部材１２の疲労損傷度を精度良く計測することができる。
（２）破断片１０の線膨張係数が被検出部材１２と略同一である場合
例えば、被検出部材１２としてアルミ合金（Ａ５０８３）を用い、破断片１０として純アルミを用いる。
（２）破断片１０の線膨張係数が被検出部材１２と略同一である場合
例えば、被検出部材１２としてアルミ合金（Ａ５０８３）を用い、破断片１０として純アルミを用いる。
この場合、破断片１０に予め引張力を付加した状態の疲労センサ１を被検出部材１２上に固着したあと、これらを被検出部材１２とともに冷却すると、被検出部材１２および破断片１０の各線膨張係数が略同一であるので、これらの部材は各々ほぼ同じ量収縮する。破断片１０および被検出部材１２の各線膨張係数が略同一であるので、両者はほぼ同じ量収縮する。しかも上述したように破断片１０および基板２が被検出部材１２に比して十分薄い（すなわち破断片１０および基板２の剛性は被検出部材１２に比して小さい）ので、基板２の他表面１１を被検出部材１２上に固着した後は、破断片１０および基板２は被検出部材１２の収縮に追従する。従って、前記引張力はそのまま維持される。その結果、破断片１０の線膨張係数が被検出部材１２と略同一である場合でも、疲労センサ１は低温環境下において被検出部材１２の疲労損傷度を精度良く計測することができる。
なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
１…疲労センサ
２…基板
３…一表面
４、５…長手方向両端部
６…中央部
７…一側部
８…他側部
９…スリット
１０…破断片
１１…他表面
１２…被検出部材
１３、１４…接着剤
１５…中間部
１６…き裂進展領域
１７…き裂進展長検出部材
１８…電気抵抗線
ａ…き裂進展長
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１７…き裂進展長検出部材
１８…電気抵抗線
ａ…き裂進展長
Claims (2)
- 低温環境に曝される被検出部材の疲労損傷度を検出するための方法であって、
箔状の基板と、前記基板の一表面上に長手方向両端部が固着され、長手方向両端部間の中央部に、前記長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットが形成された箔状の破断片とを備えた疲労センサにおいて、前記破断片を前記被検出部材に比して線膨張係数が大きい材料から形成し、
前記疲労センサの前記基板の他表面を前記被検出部材に固定し、
前記固定後の状態において前記被検出部材及び前記疲労センサを冷却し、
前記冷却後の状態において前記スリットから進展したき裂進展長によって前記被検出部材の疲労損傷度を検出する、疲労損傷度検出方法。 - 前記被検出部材がアルミ合金から形成される場合に、前記破断片を純アルミ、純マグネシウム、または純亜鉛から形成する、請求項１記載の疲労損傷度検出方法。
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