JP5020900B2 - 大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法及びこれを利用した大型鋳造構造体の使用寿命延長方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板圧延機のミルハウジングなどの最大寸法が５ｍを越えるような大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法及びこれを利用した大型鋳造構造体の使用寿命延長方法に関するものである。

厚板鋼板の仕上げ圧延に用いられる圧延機は圧延荷重が６０００トンを越え、そのミルハウジングは高さが６ｍに達する大型の一体鋳造品である。そしてこのミルハウジングは巨大な繰り返し応力を受けながら、２０〜５０年間にわたり使用されるものである。

これよりも小型の圧延機のミルハウジングの多くは鍛造品であるため、強度上の問題はほとんどない。しかし鍛造品とは異なり、鋳造品には気泡状の鋳物内部欠陥が不可避的に発生する可能性があり、その大きさや発生部位によっては長期間の使用中に鋳物内部欠陥を起点として亀裂（クラック）が進展し、最悪の場合には破壊に至る可能性がある。

そこで従来から、大型鋳造構造体の応力集中部位については作業員がカラーチェックや磁粉探傷などの目視による観察を行い、疲労亀裂が発生していないかどうかを監視していた。しかしこの方法では表層部の鋳物内部欠陥を起点とする疲労亀裂は初期段階において容易に発見することができるが、内部に存在する鋳物内部欠陥を起点とする疲労亀裂は、その亀裂が表層に達するまで発見することができず、表層部の疵除去の加工中に内部の欠陥が露出、顕在化した場合、疵除去の加工の予定や加工量などが大幅に狂ったり、最悪の場合は加工を中断し、別途診断の後、再加工するというような事態も発生した。

また構造体の内部に存在する欠陥の有無を、超音波探傷法によって検出すること自体は、例えば特許文献１に示されるように周知である。しかし超音波探傷法の検出精度の問題もあって、従来は検出された内部欠陥が亀裂の進展につながるか否かを正確に判断することができなかったり、探傷する構造体の探傷部分の形状によっては従来の超音波探傷機器では探傷できずに未検出部を残したままで疵除去の加工に入ることもあった。このため適切な対応策によって大型鋳造構造体の使用寿命の延長を図ることが困難であった。

なお、上記のような大型鋳造構造体の鋳物内部欠陥を検出する方法はこれまでほとんど開発されておらず、適切な先行特許文献は発見されなかった。
特開平１１−３２６２８９号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、疲労亀裂の発生起点となるような鋳物内部欠陥の有無を超音波探傷法により精度よく検出することができる大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法と、その診断結果に基づく大型鋳造構造体の使用寿命延長方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた請求項１に記載の大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法は、大型鋳造構造体の応力集中部位における使用時の発生応力分布をＦＥＭ解析により求め、そのＦＥＭ解析結果に基づいて、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の限界寸法を表層からの深さ別に求め、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を、表層からの深さに応じて異なる探傷法によって検出することを特徴とするものである。

また請求項２のように、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を、表層部は磁粉探傷法によって、表層から数十ｍｍまでの中層部深さは分割探傷子を用いた超音波探傷法によって、それよりも深部はフェイズドアレイを用いた超音波探傷法によって

また請求項３のように、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を超音波探傷法によって検出するに先立ち、模擬欠陥を形成したテストピースによる予備テストを行い、模擬欠陥検出結果を実際の超音波探傷の際の判定基準として用いることが好ましい。

また請求項４のように、大型鋳造構造体の代表的なものは鋼板圧延機のミルハウジングである。

さらに請求項５に記載の大型鋳造構造体の使用寿命延長方法は、請求項１または２に記載の大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法により検出された疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥が表層部以外にも存在するときには、切削して内部欠陥ごと取り除く、もしくは大型鋳造構造体の応力集中部位を円弧状に切削加工し応力緩和処置を実施することで、内部欠陥からの疲労亀裂進展懸念を解消することを特徴とするものである。

本発明の大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法によれば、大型鋳造構造体の応力集中部位における疲労亀裂進展の起点となる鋳物内部欠陥を、表層部のみならず内部についても超音波探傷法によって精度よく検出することができる。このため従来のように内部に存在する鋳物内部欠陥を起点とする疲労亀裂の発生を見落とすことはない。

また請求項２のように表層からの深さに応じて超音波探傷法を使い分けることによって、検出精度を更に高めるとともに、検出作業効率を高めることができる。また請求項３のように模擬欠陥を形成したテストピースによる予備テストを行い、模擬欠陥検出結果を実際の超音波探傷の際の判定基準として用いることによって、超音波探傷法による検出ミスを防止することができる。なお請求項４のように大型鋳造構造体の代表的なものは鋼板圧延機のミルハウジングであるが、本発明はこれ以外にも大型鋳造構造体の内部欠陥診断に適用可能である。

また請求項５に記載の大型鋳造構造体の使用寿命延長方法によれば、疲労亀裂進展の起点となる内部欠陥の除去もしくは、応力集中部位を円弧状に切削加工し応力緩和処置を実施する事で内部欠陥からの疲労亀裂進展を抑える事が出来、使用寿命の延長を図ることができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は本発明の手順を示すフローチャートである。図１により全体を概説すると、まずステップ１で大型鋳造構造体の応力集中部位を特定し、ステップ２で応力集中部位における発生応力の演算を行う。この演算は表面方向と深さ方向について行う。次にステップ３で、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の限界寸法を、表層からの深さ別に演算する。すなわち、どの深さにどの程度の大きさの鋳物内部欠陥が存在すると、使用中の発生応力による疲労亀裂が進展する可能性があるかを求める。

次にステップ５で疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を探傷するが、それに先立ってステップ４で、どのような深さにどのような大きさの鋳物内部欠陥が存在すると、超音波探傷の波形がどのようになるかを確認する予備テストを行い、模擬欠陥検出結果を実際の超音波探傷の際の判定基準とすることが好ましい。このようにして大型鋳造構造体の内部欠陥診断は完了するが、ステップ６で診断結果に基づいて応力集中部の手入れを行うことにより、大型鋳造構造体の使用寿命延長を図ることができる。尚、模擬欠陥とは、実際の気泡や亀裂などの疵を想定したモデル疵をテストピースの所定の深さに実際に付け、それを実際に超音波探傷して求めるものであり、検出結果をそのまま判定基準としてもよいし、検出結果をデータ加工して精度を上げたり、データ加工により実際に測定していない深さやモデル疵までをも想定して判定基準としてもよい。
以下に各ステップについて詳述する。

本発明において対象とする大型鋳造構造体は繰り返し荷重による疲労亀裂が発生する可能性のある構造体であり、大型とはその最大寸法が５ｍを越えるものとする。この実施形態では図２に示すとおり、大型鋳造構造体１は厚板を圧延する圧延機のミルハウジングである。周知のＦＥＭ解析により大型鋳造構造体１の使用時の応力解析を行い、応力集中部位を特定する。本実施形態では、図２中に破線で囲んだ３箇所がピックアップされた。それらはミルハウジングの圧下ナット格納部２と、フィードローラー中間軸穴底３と、基部受けコーナー部４である。しかしこれらの３箇所の中でも特に圧下ナット格納部２における発生荷重が大きいので、以下にこの部分について説明する。しかしその他の応力集中部位についても、同様の手法を適用可能である。なお、予め応力集中部位が特定されている場合には、ステップ１は省略できることはいうまでもない。

圧下ナット格納部２は、圧延ローラを圧下するためのナットをミルハウジングが支持している部分であるために圧延荷重が直接作用し、特に段状のコーナー部に応力集中による大きな荷重が発生する。そこでステップ２において、ＦＥＭ解析により応力集中部位における発生応力の演算を行う。この演算は圧延反力としてミルハウジングが受ける荷重を例えば６０００トンと設定し、表面方向と深さ方向について行う。その結果、例えば図３のグラフに示すように表層からの距離に応じて、その断面位置における最大発生応力を求めることができる。図示のように、発生応力は表層が最大で内部に向かうほど小さくなり、その値が材料の許容応力（この実施形態では１７０ＭＰａ）を超えていなければ疲労亀裂が発生する怖れはないはずである。しかし図３のグラフは材料が健全であることを前提としており、鋳物内部欠陥が存在するとその大きさによっては疲労亀裂が発生する。

次にステップ３において、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の限界寸法を、表層からの深さ別に演算する。この計算は鋳物内部欠陥の断面形状を図４に示すような楕円形と仮定し、その周囲の材料が上記した最大発生応力下に置かれたときに、鋳物内部欠陥のＡ点とＢ点に発生する応力のうちの最大値を計算する方法によって行なう。計算の過程は省略するが、その結果、図５ののように各応力での鋳物内部欠陥の限界寸法が分かる。図３のグラフから表層からの距離ごとの発生応力は分かっているので、例えば図６に示すような表層からの距離ごとの鋳物内部欠陥の限界寸法のグラフが作成出来る。

図６の場合においては、表層部では相当直径が１ｍｍ以上の鋳物内部欠陥があると疲労亀裂が発生する可能性があるが、表層から数十ｍｍ（例えば３０ｍｍ）までの中層部では３ｍｍまでの鋳物内部欠陥は許容され、それよりも深層部では１０ｍｍまで許容されることとなる。そこでステップ５において実際の大型鋳造構造体１について鋳物内部欠陥の探傷を行い、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を確認することとなる。

この探傷は超音波を利用して行なうが、冒頭にも記述したように超音波探傷法の検出精度は十分ではなく、被検査体の形状や材質の影響を受けて複雑な反射波形や死角が生ずるので、ステップ４においてどのような深さにどのような大きさの鋳物内部欠陥が存在すると、超音波探傷の波形がどのようになるかを確認する予備テストを行うことが好ましい。この予備テストは、前述のように大型鋳造構造体１とほぼ同材質のテストピースに様々な大きさの模擬欠陥をドリル等により形成し、実際に超音波探傷を行なって反射波形を確認する方法で行なう。ただし予備テストはその都度行なう必要はないので、本発明の必須要件ではない。

本発明では表層部から深層部に至るまで様々な深さにおける鋳物内部欠陥の探傷を行なうが、複数の異なる探傷法を使い分けることにより探傷精度を高めることが好ましい。すなわち、表面から数ｍｍ以内の表層部については磁粉探傷法で、表層から数十ｍｍまでの中層部は分割探傷子を用いた超音波探傷法によって、それよりも深部はフェイズドアレイを用いた超音波探傷法によって検出することが好ましい。

磁粉探傷法は、強磁性材料の表面及び表面直下の比較的浅い部分に鋳物内部欠陥などの磁気的な不連続があると、その部分から磁束が漏洩し磁極が生じることを利用した探傷方であり、試験体表面に磁性粉に顔料または蛍光体を付着したものを散布し、付着した磁粉によって形成される磁粉模様を目視観察する方法（JIS G 0565―1992）である。この方法によって、表層部に存在する相当直径が０.１ｍｍ以上の鋳物内部欠陥を正確に検出することができる。

分割探傷子を用いた超音波探傷法は、超音波探傷子を発振子と受信子とに分割して隣接配置して行なう超音波探傷法であり、パルス発振による反射ノイズを除去を行なうことにより、中層部については直径が２ｍｍ以上の鋳物内部欠陥を正確に検出することができる。しかし表層から数十ｍｍ（例えば３０ｍｍ）を超える深層部については、この方法では検出精度が低下するとともに作業性も低下するため、フェイズドアレイを用いた超音波探傷法を用いる。

フェイズドアレイを用いた超音波探傷法は、超音波探傷子を細かく分割してリニアアレイとし、各探傷子からの超音波発振のタイミングを制御することで深層部までの探傷を可能とする技術であり、超音波探傷技術としては前記した特許文献１にも開示されているように既存の技術である。この方法により表層から数百ｍｍの領域に存在する直径が３ｍｍ以上の鋳物内部欠陥を正確に検出することができる。

上記したように本発明では、表層からの深さに応じて異なる探傷法を用い、大型鋳造構造体１の応力集中部位に存在する鋳物内部欠陥の検出を行なう。表層部では小さい鋳物内部欠陥でも疲労亀裂の発生原因となるが、表面からの深さが大きくなると小さい鋳物内部欠陥の存在は疲労亀裂の発生原因とはならないので、上記したように異なる探傷法を使い分けることが好ましい。

ステップ５による探傷の結果、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥が検出されなかった場合には、大型鋳造構造体１は健全な状態にあると判断され、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥が表層部のみに存在するときには表層部のみをハンドグラインダーなどの工具を用いて削り取り、大型鋳造構造体１の使用寿命を延長する。

また、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥が表層部以外にも存在するときには、図７に示すように大型鋳造構造体１の応力集中部位を円弧状に切削加工する。これによって応力集中部位の曲率半径Ｒを大きくすることによって、応力集中が緩和されるので発生応力そのものを低下させることができる。また切削加工される範囲内に疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥が存在する場合には、それを除去することができる。このようにして、大型鋳造構造体１の使用寿命を延長することができる。ただしこの切削加工にはおのずから限界があり、過剰な切削は大型鋳造構造体１の強度低下につながるから、ＦＥＭ解析などによる応力集中部位における発生応力の演算によって、適切な切削代を確認することが必要である。

上記した実施形態に示した圧延荷重が６０００トンの厚板圧延機のミルハウジングについて本発明を適用した。その材質はＳＣ４６である。圧下ナット格納部のコーナー表層部に最大長さ３ｍｍのヘアークラックが検出されたので、その部分をハンドグラインダーにより切削し、ヘアークラックを除去した。

その後、応力緩和処置を実施するため圧下ナット格納部のR形状を大きくした。R形状を大きくする前に、本発明を用い、内部欠陥調査を実施した。その結果、表層から深さ５ｍｍの位置に直径１ｍｍ、表層から深さ１５ｍｍの位置に直径２ｍｍの内部欠陥が検出された。これらの内部欠陥は、亀裂発生懸念のあるサイズではなかったが、R形状拡大の切削範囲内であったため、R形状の加工を実施することで除去された。切削途中にて表層から深さ５ｍｍと１０ｍｍの位置で、直径１ｍｍと２ｍｍの内部欠陥を発見し、本件の有効性が確認された。
以上より、ミルハウジングが健全な事が確認出来、R形状を大きくして1年経過した今でも亀裂の発生はなく健全な状態を維持出来ている。

本発明の手順を示すフローチャートである。 大型鋳造構造体である圧延機のミルハウジングの説明図である。 表層からの距離とその位置における最大発生応力との関係を示すグラフである。 鋳物内部欠陥のモデルを示す説明図である。 応力と鋳物内部欠陥の限界寸法との関係を示すグラフである。 表層からの深さと許容される鋳物内部欠陥のサイズとの関係を示すグラフである。 応力集中部位を円弧状に切削加工した様子を示す断面図である。

符号の説明

１ 大型鋳造構造体
２ 圧下ナット格納部
３ フィードローラー中間軸穴底
４ 基部受けコーナー部

Claims (5)

1. 大型鋳造構造体の応力集中部位における使用時の発生応力分布をＦＥＭ解析により求め、
   そのＦＥＭ解析結果に基づいて、疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の限界寸法を表層からの深さ別に求め、
   疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を、表層からの深さに応じて異なる探傷法によって検出することを特徴とする大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法。
2. 疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を、表層部は磁粉探傷法によって、表層から数十ｍｍまでの中層部は分割探傷子を用いた超音波探傷法によって、それよりも深部はフェイズドアレイを用いた超音波探傷法によって検出することを特徴とする請求項１記載の大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法。
3. 疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥の有無を超音波探傷法によって検出するに先立ち、模擬欠陥を形成したテストピースによる予備テストを行い、模擬欠陥検出結果を実際の超音波探傷の際の判定基準として用いることを特徴とする請求項２記載の大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法。
4. 大型鋳造構造体が、鋼板圧延機のミルハウジングであることを特徴とする請求項１記載の大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法。
5. 請求項１または２に記載の大型鋳造構造体の内部欠陥診断方法により検出された疲労亀裂が進展する可能性のある鋳物内部欠陥が表層部以外にも存在するときには、切削し内部欠陥ごと取り除く、もしくは大型鋳造構造体の応力集中部位を円弧状に切削加工し、応力緩和処置を実施することで、内部欠陥からの疲労亀裂進展懸念を解消することを特徴とする大型鋳造構造体の使用寿命延長方法。

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