JP4808110B2 - Damage assessment method - Google Patents
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Description
本発明は、損傷評価方法に関し、特に、発電所の蒸気配管等の経路長の長い配管の損傷評価方法に関する。 The present invention relates to a damage evaluation method, and more particularly to a damage evaluation method for a pipe having a long path length such as a steam pipe of a power plant.
発電所などの蒸気配管等の高熱流体の流れる配管は、熱応力および内部圧力によりクリープ損傷が生じやすい。このような蒸気配管について、予め、補修や交換を行うことができるように、従来より、定期的な検査により配管の疲労状態の把握を行うとともに、数値解析を用いたシミュレーションにより配管の余寿命を評価している。 Pipes through which high-temperature fluid flows, such as steam pipes in power plants, are susceptible to creep damage due to thermal stress and internal pressure. In order to be able to repair and replace such steam pipes in advance, it has traditionally been possible to grasp the fatigue state of the pipes through periodic inspections, and to increase the remaining life of the pipes through simulation using numerical analysis. Evaluating.
このような数値解析を用いたシミュレーションの方法として、例えば特許文献1には、配管の拘束支持箇所における変位を測定し、この変位に基づき、有限要素法を用いて配管の検査箇所の応力解析を行い、配管の損傷状況を求める方法が記載されている。また、例えば、特許文献2には、配管の屈曲部の前後複数点における変位を測定し、測定された変位に基づき、屈曲部に作用する曲げモーメントを算出し、算出された曲げモーメントに基づきクリープ損傷を求める方法が記載されている。
ところで、発電所の蒸気配管は、高温の蒸気による熱応力を緩和させるため、全長が例えば、数百メートルにも達する。これに対して、特許文献1に記載されている方法では、蒸気配管全体を3次元弾性解析するため、計算量が膨大となり、高性能の計算機が必要となるとともに、数値解析に非常に時間がかかる。
また、特許文献2に記載されている方法では、屈曲部における損傷状況は求めることができるが、蒸気配管全体の損傷状況を評価することはできない。
By the way, the steam pipe of the power plant relaxes the thermal stress caused by the high-temperature steam, so that the total length reaches several hundred meters, for example. On the other hand, in the method described in Patent Document 1, since the entire steam pipe is subjected to a three-dimensional elastic analysis, the calculation amount becomes enormous, a high-performance computer is required, and the numerical analysis takes a very long time. Take it.
In addition, in the method described in Patent Document 2, the damage state at the bent portion can be obtained, but the damage state of the entire steam pipe cannot be evaluated.
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、蒸気配管全体における損傷を計算負荷の少ない数値解析で精度良く評価できる損傷評価方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a damage evaluation method capable of accurately evaluating damage in the entire steam pipe by numerical analysis with a small calculation load.
本発明の損傷評価方法は、高温流体が流れる配管の損傷の評価方法であって、前記配管の所定の個所における前記高温流体の流れていない状態に対する前記高温流体の流れている状態での変位を測定する変位測定ステップと、前記配管全体をシェル要素によりモデル化し、シェルモデルを作成するシェルモデル作成ステップと、前記測定した変位を境界条件として設定し、前記作成したシェルモデルを用いてシェル解析を行うシェル解析ステップと、前記シェル解析の結果に基づき、解析対象部位を選定する部位特定ステップと、前記解析対象部位をソリッドモデルによりモデル化するソリッドモデル作成ステップと、前記シェル解析により得られた変位及び応力をソリッドモデルの境界値に設定するステップと、前記モデル化したソリッドモデルを用いた3次元弾性クリープ解析を行い、損傷を評価する3次元解析ステップとを備えることを特徴とする。 The damage evaluation method of the present invention is an evaluation method of damage to a pipe through which a high-temperature fluid flows, and the displacement in a state where the high-temperature fluid is flowing with respect to a state where the high-temperature fluid is not flowing in a predetermined portion of the pipe. A displacement measuring step for measuring, a shell model creating step for modeling the entire pipe by shell elements, and creating a shell model, and setting the measured displacement as a boundary condition, and performing shell analysis using the created shell model A shell analysis step to be performed; a site specifying step for selecting a site to be analyzed based on the result of the shell analysis; a solid model creating step for modeling the site to be analyzed with a solid model; and a displacement obtained by the shell analysis And setting the stress to the boundary value of the solid model, and the modeled solid For 3-dimensional elastic creep analysis using Dell, characterized in that it comprises a three-dimensional analysis step of evaluating the damage.
上記の損傷評価方法において、前記部位特定ステップは、前記シェル解析ステップで得られた解析結果において、溶接線を含み、かつ、前記溶接線の直角方向に引張方向に作用する最大主応力又は相当応力が所定値より高い部位を前記解析対象部位として選定してもよい。 In the damage evaluation method, the site specifying step includes a maximum principal stress or an equivalent stress that includes a weld line and acts in a tensile direction in a direction perpendicular to the weld line in the analysis result obtained in the shell analysis step. May be selected as the analysis target part.
また、前前記変位測定ステップは、前記配管端部及び配管を支持する構造が設けられた位置における変位を測定し、前記シェル解析ステップは、前記配管端部の変位及び前記支持する構造の種類に基づき選定した変位を境界条件として用いてもよい。 Further, the previous displacement measuring step measures a displacement at a position where the structure supporting the pipe end and the pipe is provided, and the shell analyzing step determines the displacement of the pipe end and the type of the supporting structure. The displacement selected based on the boundary condition may be used.
本発明によれば、シェル解析により配管全体の損傷状況を把握することができる。また、配管全体の損傷状況をシェル解析により検討し、解析結果において損傷の進行している部位についてのみ、3次元弾性解析を行うため、数値解析における計算負荷を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to grasp the damage status of the entire pipe by shell analysis. In addition, the damage situation of the entire pipe is examined by shell analysis, and the three-dimensional elastic analysis is performed only on the portion where damage is progressing in the analysis result, so the calculation load in the numerical analysis can be reduced.
以下、本発明の損傷状況の判定方法の一実施形態を図面に基づき説明する。
図1は、本実施形態の損傷判定方法の適用の対象となる発電機の蒸気配管10の一例を示す図である。同図に示すように、発電機の蒸気配管10は、ボイラとタービンを結ぶように設けられており、高温の蒸気による熱応力を緩和させるため、全長数百メートルにも達する。そして、発電機の運転時には、蒸気配管10内を高温の蒸気が流れるため、蒸気配管10には熱応力が作用するため、蒸気配管10にはクリープ損傷が発生しやすい。
Hereinafter, an embodiment of a damage status determination method of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a
また、蒸気配管10を支持するために、支持する箇所に要求される性能に合わせて、様々な種類の支持構造が用いられている。後に詳述するように、本実施形態の損傷判定方法では、蒸気配管の所定箇所における発電機の停止状態(つまり、高温流体が流れていない状態)に対する運動状態(つまり、高温流体が流れている状態)の変位を測定し、測定した変位をシェル解析における境界条件として用いるが、その際、支持構造の種類に応じて境界条件を選定する。そこで、まず、蒸気配管を支持するために用いられている主な支持構造について説明する。
図2は、発電所の蒸気配管10を支持するために用いられている主な支持構造の種類を示す図である。同図に示すように、蒸気配管10の支持構造は、リジットハンガ、コンスタントハンガ、防振器支持、レストレイントハンガ、及びスプリングハンガに分類でき、さらに、コンスタントハンガは、ボルト支持、Uベルト支持、及びリング支持に分類することができる。
Further, in order to support the
FIG. 2 is a diagram showing the types of main support structures used to support the
図3は、リジットハンガ50の構成を示す図である。同図に示すように、リジットハンガ50は、天井などから鉛直方向に延びる伸縮性のないハンガ51で蒸気配管10を支持している。このため、蒸気配管10は、鉛直方向の移動は拘束されているが、水平方向に移動する可能性がある。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the
コンスタントハンガは、蒸気配管10が上下に移動しても、常に一定の荷重で蒸気配管10を支持する支持構造であり、本実施形態では、ボルト支持、Uベルト支持、及びリング支持が用いられている。図4は、コンスタントハンガの構成を示す図であり、同図(A)は、ボルト支持100を、(B)は、Uベルト支持200を、(C)は、リング支持300を示す。
同図(A)に示すように、ボルト支持100では、蒸気配管10の上部に開口を有する板状の取付部材11が設けられており、この取付部材11の開口にボルト12を挿通させ、鉛直方向に延びる支持部材13に固定することにより、蒸気配管10を支持している。また、支持部材13は、常に一定の荷重で鉛直上方に支持されている。ここで、取付部材11に設けられたボルト12を挿通させるための開口は、ボルト径よりも大きい。このため、蒸気配管10は水平方向に移動する可能性がある。
The constant hanger is a support structure that always supports the
As shown in FIG. 2A, the
また、同図(B)に示すように、Uベルト支持200では、蒸気配管10に当接するように支持部材22を設け、蒸気配管10をUベルト21により支持部材22に固定することにより支持している。また、支持部材22は、常に一定の荷重で鉛直上方に支持されているが、Uベルト21が蒸気配管10の移動に応じて変形してしまう可能性がある。
Further, as shown in FIG. 5B, the U-belt
また、同図(C)に示すように、リング支持300では、蒸気配管10の外周に巻き付けるようにリング31が取り付けられており、このリング31は、常に一定の荷重で鉛直上方に支持されている。リング支持300では、蒸気配管10が軸方向にスライドする可能性がある。
Further, as shown in FIG. 5C, in the
また、図5は防振器支持400の構成を示す図である。同図に示すように、防振器支持400では、蒸気配管10にリング41を巻きつけ、このリング41を防振器42より斜めに延びるパイプ43で支持することにより蒸気配管10を支持している。蒸気配管10はリング41で支持されており、配管軸方向にスライドするため、軸方向の変位は信頼できない。さらに、変位を測定する際には、斜めに出されたパイプ43上で変位を測定しているため、蒸気配管10が回転していても、測定値にはその影響が反映されない。
また、レストレイントハンガでは、蒸気配管10が溶接などにより支持部材に取り付けられており、軸方向についての移動が完全に固定されているが、その他の方向に移動する可能性がある。
また、図6は、スプリングハンガ500の構成を示す図である。同図に示すように、スプリングハンガ500では、コイルばね52を介して蒸気配管10を支持しており、蒸気配管10により作用する荷重に応じて鉛直方向変位が変化する。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the
Further, in the restraint hanger, the
FIG. 6 is a view showing the configuration of the
従来技術の欄で説明したように、このような蒸気配管のクリープ損傷を予測するため、有限要素法などの数値解析を用いたシミュレーションを行っていた。しかし、蒸気配管10が全長数百メートルと非常に長いため、有限要素法を用いた数値解析では、計算時間が長時間かかるという問題があった。
As described in the section of the prior art, in order to predict such creep damage of the steam pipe, a simulation using numerical analysis such as a finite element method has been performed. However, since the
これに対し、本実施形態の損傷状況の判定方法は、蒸気配管の損傷状況を判定するためのものであり、停止時と起動時とで支持部材の位置における変位等を測定し、その結果に基づき、シェル要素により蒸気配管全体をモデル化したシェルモデルを用いて解析を行い、蒸気配管全体における損傷の進行している部位を特定し、この部位について3次元弾性クリープ解析を行い、損傷の進行状況を特定するものである。 On the other hand, the damage status determination method of the present embodiment is for determining the damage status of the steam pipe, and measures the displacement or the like at the position of the support member at the time of stopping and at the time of starting. Based on the analysis, the shell model that modeled the entire steam pipe with the shell element is used to identify the part of the steam pipe where the damage is progressing, and the three-dimensional elastic creep analysis is performed on this part. It identifies the situation.
以下、本実施形態の損傷状況の判定方法について、詳細に説明する。
図7は、本実施形態の損傷状況の判定方法の流れを示すフローチャートである。
同図に示すように、まず、ステップ100において、蒸気配管10の端部、及び支持構造が設置されている位置における発電機の停止状態(つまり、高温流体が流れていない状態)に対する運動状態(つまり、高温流体が流れている状態)の変位を測定する。また、同時に、支持構造の種類についても調べる。
Hereinafter, the damage status determination method of the present embodiment will be described in detail.
FIG. 7 is a flowchart showing the flow of the damage status determination method of the present embodiment.
As shown in the figure, first, in
ここで、上述したように蒸気配管10の支持構造が設置されている位置においても特定の方向には変位が生じ、後述するステップ106でのシェル解析における境界条件として用いるのに、適しない場合がある。そこで、ステップ102において、シェル解析における境界条件として用いる変位を以下に述べるようにして選定する。
Here, as described above, even in the position where the support structure of the
上述したように、リジットハンガ50により支持されている場合、蒸気配管10は、鉛直方向の移動は拘束されているが、水平方向に移動する可能性がある。このため、鉛直方向の変位のみ(すなわち、変位をゼロとする)を用いることとする。
また、コンスタントハンガのボルト支持100では、蒸気配管10は水平方向に移動する可能性がある。このため、鉛直方向の変位のみを用いることとする。
また、Uベルト支持200では、Uベルト21が変形してしまう。Uベルト支持200では、変位を支持部材22で測定しているため、Uベルト支持200において測定された変位は全方向とも用いないこととする。
また、リング支持300では、蒸気配管10が配管軸方向にスライドする可能性があるため、配管軸方向以外の方向の変位を用いることとする。
As described above, when supported by the
In the constant
Further, in the
In the
また、防振器支持400では、蒸気配管10が管軸方向にスライドする可能性がある。さらに、斜めに出されたパイプ43上で変位を測定しているため、蒸気配管10の回転の影響を測定することができない。このため、防振器支持400において、測定された変位は用いないこととする。
Further, in the
また、レストレイントハンガでは、蒸気配管10は、軸方向についての移動が完全に固定されているが、その他の方向には移動する可能性がある。このため、配管軸方向の変位のみを用いる(すなわち、配管軸方向についての変位をゼロとする)こととする。
なお、スプリングハンガ500では、コイルばね52を介して鉛直方向に支持している。このため、鉛直方向のバネ定数として、コイルばね52の設計値を用いることとする。
また、蒸気配管10の出入り口は、配管中心の座標を固定する(すなわち変位をゼロとする)ものとする。
以上のように選定した変位及び蒸気配管端部における変位を後述するステップ106における境界条件として用いる。
In the restraint hanger, the
The
Moreover, the entrance / exit of the steam piping 10 shall fix the coordinate of the piping center (namely, a displacement shall be zero).
The displacement selected as described above and the displacement at the end of the steam pipe are used as boundary conditions in step 106 described later.
次に、ステップ104において、蒸気配管全体をシェル要素及びビーム要素によりモデル化し、シェルモデルを作成する。
次に、ステップ106において、作成したシェルモデルを用いるとともに、ステップ102で選定された変位を境界条件として与えることによりシェル解析を行う。
Next, in step 104, the entire steam pipe is modeled by a shell element and a beam element to create a shell model.
Next, in step 106, a shell analysis is performed by using the created shell model and giving the displacement selected in step 102 as a boundary condition.
次に、ステップ108において、後述する3次元弾性クリープ解析を行う必要のある解析対象部位を特定する。
ここで、最大主応力又は相当応力が大きいほど、クリープ損傷率が大きくなる。また、溶接部では、溶接線と直角方向に大きな引張応力が作用すると亀裂が発生しやすい。このため、本実施形態では、シェル解析の結果において最大主応力や相当応力の高い部位であり、かつ、溶接線と直角方向に大きな引張応力が作用する部位を、クリープ損傷を評価する対象部位とすることとした。
Next, in step 108, an analysis target portion that needs to be subjected to a three-dimensional elastic creep analysis described later is specified.
Here, the creep damage rate increases as the maximum principal stress or equivalent stress increases. Further, in the welded portion, cracks are likely to occur when a large tensile stress acts in a direction perpendicular to the weld line. For this reason, in the present embodiment, the site where the maximum principal stress and the equivalent stress are high in the result of the shell analysis and where a large tensile stress acts in the direction perpendicular to the weld line is the target site for evaluating creep damage. It was decided to.
次に、ステップ110において、解析の対象とされた部位を3次元ソリッド要素とビーム要素によりモデル化し、ソリッドモデルを作成する。
次に、ステップ112において、シェル解析により得られた解析対象部位に作用する変位及び応力をソリッドモデルの境界値として設定する。
次に、ステップ114において、作成されたソリッドモデルを用いて、有限要素法により3次元弾性クリープ解析を行う。
Next, in step 110, the part to be analyzed is modeled by a three-dimensional solid element and a beam element to create a solid model.
Next, in step 112, the displacement and stress acting on the analysis target part obtained by the shell analysis are set as the boundary value of the solid model.
Next, in step 114, a three-dimensional elastic creep analysis is performed by the finite element method using the created solid model.
次に、ステップ116において、3次元弾性クリープ解析により得られたひずみに基づき、解析対象部位のクリープ損傷率を算出する。以上の工程により、蒸気配管全体における損傷状況及び損傷の大きい部分におけるクリープ損傷を求めることができる。 Next, in step 116, based on the strain obtained by the three-dimensional elastic creep analysis, the creep damage rate of the site to be analyzed is calculated. By the above process, the damage situation in the whole steam pipe and the creep damage in the damaged part can be obtained.
ここで、上述した本実施形態の損傷判定方法により、クリープ損傷を精度良く評価できることを確かめるため、損傷判定方法により得られたひずみと、実在の発電所の蒸気配管10における配管温度が高温で安定した際に測定したひずみとを比較した。図8は、エルボ(屈曲部の配管)の円周における実機の測定値と、シェル解析の結果におけるひずみと、3次元弾性解析の結果得られたひずみとを比較する表である。同図に示すように、シェル解析により得られたひずみも3次元弾性クリープ解析により得られたひずみも、実際の蒸気配管におけるひずみの80%に近い値が得られており、非常に精度良く算出できていることがわかる。これにより、本実施形態の損傷評価方法によれば、高精度の解析を行うことができることが確かめられた。
Here, in order to confirm that the creep damage can be accurately evaluated by the damage determination method of the present embodiment described above, the strain obtained by the damage determination method and the pipe temperature in the
また、本実施形態の損傷判定方法によれば、蒸気配管全体をシェル解析により算出するため、蒸気配管全体を3次元弾性クリープ解析するのに比べて、解析時間を大幅に短縮することができる。また、蒸気配管全体の解析にはシェル解析を用いているため、蒸気配管全体の応力状態を算出することができ、損傷が発生している部位を確実に検出することができる。また、3次元弾性クリープ解析の対象となる範囲が小さく、詳細な解析を行うことができるため、クリープ損傷率を部位ごとに外表面及び内部をmm単位で算出することができ、損傷状況を高い精度で評価することができる。 Further, according to the damage determination method of the present embodiment, since the entire steam pipe is calculated by shell analysis, the analysis time can be greatly shortened as compared with the case where the entire steam pipe is subjected to three-dimensional elastic creep analysis. Further, since shell analysis is used for the analysis of the entire steam pipe, the stress state of the entire steam pipe can be calculated, and the site where damage has occurred can be reliably detected. In addition, since the range to be subjected to the three-dimensional elastic creep analysis is small and detailed analysis can be performed, the creep damage rate can be calculated for each part on the outer surface and inside in mm units, and the damage situation is high. Can be evaluated with accuracy.
なお、本実施形態では、蒸気配管10がリジットハンガ、コンスタントハンガ、防振器支持、レストレイントハンガ、及びスプリングハンガにより支持されている場合について説明したが、これに限らず、他の支持構造が用いられていればよい。このような場合には、その支持構造において測定された変位の中で信頼性の高いもののみを境界条件に用いればよい、
In the present embodiment, the case where the
10 蒸気配管
11 突起部
12 ボルト
13、22、32、51 支持部材
21 Uベルト
31、41 リング
42 防振器
50 リジットハンガ
52 コイルばね
100 ボルト支持
200 Uベルト支持
300 リング支持
400 防振器支持
500 スプリングハンガ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記配管の所定の個所における前記高温流体の流れていない状態に対する前記高温流体の流れている状態での変位を測定する変位測定ステップと、
前記配管全体をシェル要素によりモデル化し、シェルモデルを作成するシェルモデル作成ステップと、
前記測定した変位を境界条件として設定し、前記作成したシェルモデルを用いてシェル解析を行うシェル解析ステップと、
前記シェル解析の結果に基づき、解析対象部位を選定する部位特定ステップと、
前記解析対象部位をソリッドモデルによりモデル化するソリッドモデル作成ステップと、
前記シェル解析により得られた変位及び応力をソリッドモデルの境界値に設定するステップと、
前記モデル化したソリッドモデルを用いた3次元弾性クリープ解析を行い、損傷を評価する3次元解析ステップとを備えることを特徴とする損傷評価方法。 A method for evaluating damage to piping through which a high-temperature fluid flows,
A displacement measuring step for measuring a displacement in a state where the high-temperature fluid is flowing with respect to a state where the high-temperature fluid is not flowing in a predetermined portion of the pipe;
A shell model creating step of modeling the entire pipe by shell elements and creating a shell model;
A shell analysis step of setting the measured displacement as a boundary condition and performing a shell analysis using the created shell model;
Based on the result of the shell analysis, a site specifying step for selecting a site to be analyzed;
A solid model creating step of modeling the analysis object part by a solid model;
Setting the displacement and stress obtained by the shell analysis to the boundary value of the solid model;
A damage evaluation method comprising: a three-dimensional analysis step of performing damage analysis by performing three-dimensional elastic creep analysis using the modeled solid model.
前記部位特定ステップは、
前記シェル解析ステップで得られた解析結果において、溶接線を含み、かつ、前記溶接線の直角方向に引張方向に作用する最大主応力又は相当応力が所定値より高い部位を前記解析対象部位として選定することを特徴とする損傷評価方法。 The damage evaluation method according to claim 1,
The site specifying step includes
In the analysis result obtained in the shell analysis step, a portion including a weld line and having a maximum principal stress or equivalent stress acting in a tensile direction perpendicular to the weld line in a tensile direction is selected as the analysis target portion. A damage evaluation method characterized by:
前記変位測定ステップは、前記配管端部及び配管を支持する構造が設けられた位置における変位を測定し、
前記シェル解析ステップは、前記配管端部の変位及び前記支持する構造の種類に基づき選定した変位を境界条件として用いることを特徴とする損傷評価方法。
The damage evaluation method according to claim 1 or 2,
The displacement measuring step measures a displacement at a position where a structure for supporting the pipe end and the pipe is provided,
The shell analysis step uses a displacement selected based on the displacement of the pipe end and the type of structure to be supported as a boundary condition.
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