JP5500612B2 - 高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター - Google Patents

Description

本発明は、測定技術分野に属し、具体的に構造及び材料の変形測定技術分野に属し、具体的には高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター（伸縮計）に関し、上記エクステンソメーターにより高温で材料及び構造の局部変形についてリアルタイムにオンラインで測定する。

エネルギー及び環境の問題が顕著に増加し、高効率及び省エネルギーの理念がプロセス工業装置の設計製造及び運行メンテナンスを統率し始めることにより、石油、化学工業、電力、冶金等のプロセス工業装置が高温、高圧及び大型化の向けてに発展してくる。これらの業種に用いられる圧力容器及び管路は常に長期で高温環境にあり、必ず高温で回復不可な変形が発生し、材料の力学性能及び物理性能の変質を引き起こし、プロセス工業の全体の安全性、信頼性及び経済目標の実現に深刻な脅威を与える。このため、高温高圧プロセス装備の安全性を保証するために、不必要な停止を避け、設備安全の監視測定が幅広い注視を引き起こす。高温、高圧の環境下で、変形測定は構造安全を保証する最も直接的かつ信頼できる監視測定方法である。実験室における模擬的な高温環境では、試料の局部変形の精確な測定も高温材料変形及び損傷の法則を研究するための基礎となる。

しかしながら、高精度、高信頼性を有する変形感応装置は、高温で長時間の変形測定を実現するためのキーポイントである。該問題に対して国内外の研究者が既にいくつかの感応装置、例えば、アメリカ特許である特許文献１における歪みフォロワー（Strain follower）、中国特許出願である特許文献２における高周波反響高温伸び疲労エクステンソメーター、及び、中国特許出願である特許文献３における腐食環境での伸び疲労実験のための歪みテスト装置等、を設計し、これらの感応装置は、実験室における標準の実験試料のみ測定できる。工業的な需要を満たす為に、新しく設計された特許文献４における伸び式高温部材変形感応装置は、パイプの局部変形について有効な監視測定を行うことができるが、その精度は使用過程中で需要を満足させることができない。

米国特許第４９３６１５０号明細書 中国特許出願第２００４１００７２１８９．２号明細書 中国特許出願第２００９１００５４５４４．５号明細書 中国特許出願第２００９１００４５６５７．９号明細書

本発明の解決しようとする技術問題は、実験室及び工学的に応用価値のある高温変形拡大測定エクステンソメーターを提供し、異なる高温部材或は試験部品の表面変形状況を測定する。該エクステンソメーターは重量が軽く、安定性が良く、取付が便利で、使用寿命が長く、測定精度が高い。

本発明は、下記の技術的解決法により実現する：
一対の伸びロッド、二つの取付ブロック、二つの接続具、変形拡大機構、センサー及びセンサーフレームを含む高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーターであり、上記伸びロッドが円形棒であり、その一端が平面であり、その他端が錐状であり、取付孔に取付螺子を挿入することにより取付ブロックのそれぞれを伸びロッドにおける平面側の一端に固定し、上記取付ブロックが第一取付ブロック及び第二取付ブロックを含み、第一取付ブロックと第二取付ブロックとの接触面の中部に円形の伸びロッド取付面を設けており、伸びロッド取付面にそれぞれ四つの取付孔を開設し、第二取付ブロックの一側に第一半円形ボスを備え、第一半円形ボスの中部に第一固定孔を開設し、上記接続具の一端を第二半円形ボスとし、第二半円形ボス内に第二固定孔を設けており、取付螺子を第一固定孔及び第二固定孔に挿入することにより接続具及び第二取付ブロックを固定し、接続具の他端を直方体とし、直方体内に二つの固定溝を配設し、固定溝に変形拡大機構及びセンサーフレームを取付け、上記変形拡大機構を振幅の不変な階梯式に対称となる方形柱体とし、階梯結合部及び柱体の中間部位に四つのフレキシブルヒンジを対称に開設し、この四つのフレキシブルヒンジがアーチ形構造を構成し、変形拡大機構の両端にそれぞれ二つの取付孔を開設することで変形拡大機構を接続具に取付け、アーチ形構造の丸天井が下に向かい、変形拡大機構の中点を出力端として作用させ、上記センサーフレームにセンサーを取付け、センサーが変形拡大機構に垂直となり、センサーがテスト端末と連続することを特徴する。

上記技術的解決法では、二つの接続具が同一直線上に取付けられ、且つ該直線が二つの伸びロッドの頂端に位置する直線に平行とすることで、試料（被測定部品）の変形を等量で接続具上の変形拡大機構に伝送することを確保する。

上記技術解決法では、接続具と取付ブロックとの角度が０度を上回って９０度以下の範囲内で調整されることで、平面、曲面等の異なる表面形状を有する試料に取付けることができる。

上記技術解決法では、固定溝にある変形拡大機構の取付位置を調整することで、異なる測定スパンの要求を満たすことができる。

上記技術解決法では、被測定部品表面の変形が伸びロッドにより伝送され、変形拡大機構により機械的に拡大された後、センサーにより測定を行う。変形拡大機構に用いられるフレキシブルヒンジは円型、楕円型、面取り直梁型、放物線型及び双曲線型等の幾何構造とする。

上記技術解決法では、センサーはＬＶＤＴ変位センサー、変位センサー、渦電流センサー、レーザー変位センサー等とすることができる。

上記エクステンソメーター中では、当作動環境が更に複雑になり、且つ長時間で高温構造について測定を行う必要がある時、固定ブロック１９を利用して被測定部品の表面に溶接できる。実験室環境で作動する時、軽い耐高温フレキシブルセラミックファイバーロープを採用してエクステンソメーターを試料（被測定部品）上に固定できる。

本発明の利点は、以下の点にある。

１．本発明は高温環境で各種構造の局部変形に対してリアルタイムでオンライン測定でき、被測定素子の表面温度が1200℃に達でき、且つ測定精度が高く、格外に高い線形性及び解像度があり、テスト結果が正確で、信頼性および再現性に優れている。

２．本発明は表面形状の異なる構造に適用でき、異なるスパンの要求を満たし、且つ体積が小さく、重量が軽く、様々なコンディションに適応でき、応用範囲が広い。

３．本発明はフレキシブルヒンジから構成される変形拡大機構を導入し、摩擦が無く、潤滑する必要がなく、コンパクトであり、メンテナンスする必要がなく、実質的に組立する必要がない等の特徴を備える。

４．本発明は変形拡大機構を導入し、変形を機械的に拡大してから測定行い、大きくエクステンソメーターの解像度及び信頼性を向上させる。

５．感応部品と被測定素子との間に保温材料を充填でき、伸びロッドが導熱係数比較的小さい材料を採用して制作され、センサーが高温環境より隔離させ、感応部品の作動環境を著しく改善し、高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーターの使用寿命を延長し、高い実際応用価値を具備する。

本発明による高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーターの概略図である。 取付ブロック及び接続具の取付状態の概略図である。 センサーフレーム３の取付状態の概略図である。 本発明のエクステンソメーターによる変形拡大機構６の構造の概略図である。 本発明のエクステンソメーターによる変形拡大機構の構造を簡略化した図である。 固定ブロック１９の取付状態の概略図である。 二つのセラミックファイバーロープにより被測定部品２１に固定される本発明の概略図である。 本発明のエクステンソメーターによる実験１の取付状態の概略図である。 本発明のエクステンソメーターおよび高温歪みゲージ２３の測定結果を比較したグラフである。 本発明のエクステンソメーターによる実験２の取付状態の概略図である。 本発明のエクステンソメーターおよび実験室の従来の伸び装置２４の測定結果を比較したグラフである。

１：センサー、２：クリップ、３：センサーフレーム、４：接続具、５：取付ブロック、５a：取付ブロックＩ、５ｂ：取付ブロックＩＩ、６：変形拡大機構、７：伸びロッド、 ８：被測定部品、９：テスト端末、１０：取付螺子、１１：伸びロッド取付面、１２：取付孔、１３a：固定孔、１３ｂ：固定孔、１４：固定溝、１５：取付ボルト、１６：取付孔、１７：フレキシブルヒンジ、１８：出力端、１９a：固定ブロックＩ、１９ｂ：固定ブロックＩＩ、２０：センサー、２１：被測定部品、２２：セラミックファイバーロープ、２４：従来の伸び装置、２５：小孔

以下、図面および実施形態に基づいて本発明を説明する。

伸びロッド７が耐高温、導熱係数の低い酸化ジルコニウムセラミック材料を採用する。クリップ２、センサーフレーム３、接続具４、取付ブロック５がそれぞれ軽質のアルミニウム合金材料を採用する。変形拡大機構６が比較的小さい弾性率及び比較的高い強度のあるＡＬ７０７５を採用する。感応部品と被測定素子との間に保温材料を充填する時、二つの伸びロッド７の長さが保温材料の厚さを上回ることにより、取付機構、接続機構、拡大機構及びセンサーが全て被測定部品の保温層の外部に作動することを確保する。長時間で高温構造にて測定を行う時、固定ブロック１９を使用する必要がある。固定ブロック１９が耐高温材料を採用し、その熱膨張係数が被測定部品の使用材料の熱膨張係数と近づくため、長期作業中でエクステンソメーターの脱落を避ける。実験室環境で操作する時、軽い耐高温フレキシブルセラミックファイバーロープ２２を使用してエクステンソメーターを試料に固定できる。

図２に示すように、エクステンソメーターの取付け時、先ず取付ブロック５を伸びロッド７の平面端に取付け、そして接続具４を第二取付ブロック５ｂ上に取付ける。図３に示すように、そして変形拡大機構６及びセンサーフレーム３を接続具４に取付け、センサー１をセンサーフレーム３上に取付け、且つ変形拡大機構６の凸部を下に向ける。最後に固定ブロック１９（図６）あるいはセラミックファイバーロープ２２（図７）を利用してエクステンソメーターを被測定部品上に固定する。

上記エクステンソメーターの作動原理は、被測定部品が変形を発生する時に当該変形が伸びロッド７により引き出され、二つの接続具４の間の水平距離の変化に変換される。引き伸ばされた変形ΔＸは変形拡大機構６に伝送され、変形拡大機構６の両端に水平方向の変位負荷ΔＸを加えることに相当する。変形拡大機構６の構造は図４に示すように、四つのフレキシブルヒンジ１７により構成され、且つ出力端１８を備え、変形拡大機構６の中間位置に位置し、二つの端部がそれぞれ二つのフレキシブルヒンジ１７により二つの方形柱体に接続し、二つの方形柱体がまた二つのフレキシブルヒンジ１７により二つの取付端に接続し、二つの取付端にそれぞれ二つの取付孔１６を開設し、且つ出力端１８が二つのフレキシブルヒンジ１７により二つの方形柱体に接続する構造が、二つの取付端から突出し、階梯式対称方形柱体を構成する。面５に示すように、点Ａ、Ｃがそれぞれ初期状態の両端のヒンジ１７で示され、点Ｂが出力端で示される。荷重を受けた後、変形拡大機構６におけるフレキシブルヒンジ１７が変形し、変形拡大機構６の両端にあるフレキシブルヒンジ１７が点Ａ′、Ｃ′に移動し、出力端１８がＢ′点に移動する。出力端１８の出力位移ΔＹが水平方向の荷重ΔＸを上回り、二者の比ΔＹ／２ΔＸが変形拡大機構６の拡大倍数となる。変形拡大機構６の拡大倍数は常数であり、入力量の変化で変化しない。変形拡大機構６の出力値がセンサー１に伝送される。

〔実施例１〕
ある石油化学工場のメイン蒸気管路の条件をモデル化することにより、本発明は、メイン蒸気管路の局部変形を測定するためにテストされた。メイン蒸気管路の主要なパラメータは、材料１０ＣｒＭｏ９１０、圧力１０ＭＰａ、温度５４０℃、規格Φ２７３×２８ｍｍ、保温層厚み１００ｍｍとする。試験中に使用される伸びロッド７は長さが１５０ｍｍとする。エクステンソメーターを安定に被測定管路の表面に固定できるように、一対の固定ブロック１９（それぞれ１９ａ及び１９ｂと表示）を採用し、固定ブロック１９が点溶接方式により被測定管路の表面に固定される。

エクステンソメーターの取付時、管路の保温層を取り外し、取付箇所を磨いて汚れを落した後にエクステンソメーターを管路に固定する。取り付けは、実施形態のプロセスにおける操作手順に従って行われる。エクステンソメーターの精確性をチェックするために、二つの固定ブロック１９の中間に一枚の高温歪みゲージ２３（ＫＨＣＭ−１０−１２０−Ｇ１５−１１Ｃ２Ｍ）を取付ける。図８に示すように、歪みゲージの測定データとエクステンソメーターの測定データとを対比する。本発明によるエクステンソメーター及び歪みゲージをそれぞれデータ採集モジュール及びコンピュータに接続し、データ採集システムを初期位置に対してリセットし、準備動作が完了する。

高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーターのオンライン監視測定期間は半年とする。

実験結果：
本発明のエクステンソメーターは、管路の運用中にメイン蒸気管路の変形を明らかに測定した。本発明によるエクステンソメーターと歪みゲージ２３とを対比すると、本発明は被測定部品の変形を５倍に拡大した後に測定でき、且つ全プロセスにおいて歪曲しない。本発明のエクステンソメーターにて測定したデータを拡大倍数５で除して得るデータと、歪みゲージ２３によって測定したデータとを対比すると、図９に示すように、本発明では精度の向上が±０．２μｍに達し、解像度が０．２μｍに達することが判明し、本発明によるエクステンソメーターがメイン蒸気管路を監視測定する要求を満たすことが可能であると立証できる。

〔実施例２〕
実験室における本発明によるエクステンソメーターの精度及び信頼性を検証するために、図１０に示すように、本発明によるエクステンソメーター及び実験室に既設されたＩＮＳＴＲＯＮ会社の伸び装置２４が、同時に電子クリープ試験機のクリープ試験試料に取付けられ、従来の伸び装置２４の測定結果と本発明の測定結果とを対比する。エクステンソメーターが耐高温セラミックファイバーロープ２２により試料に固定され、従来の伸び装置２４の二つの止め具に二つの円形小孔２５をそれぞれ開設し、伸びロッド７の円錐状の頂端がそれぞれの円形小孔２５内に挿入される。

被測定部品２１を標準クリープ円棒試料とし、材料をＰ９２鋼とし、実験温度を６００℃とし、保温層厚みを１００ｍｍとする。クリープ実験期間を３６００時間とする。

試験時、本発明に使用された伸びロッド７の長さを１５０ｍｍとする。

実験結果：
本発明による変形拡大エクステンソメーターの測定したデータと従来の伸び装置２４の測定したデータとを比較したところ、本発明のエクステンソメーターでは、被測定部品の変形を５倍に拡大した後に精確に測定でき、且つ全プロセスにおいて歪曲による誤動作がないことが判明した。本発明のエクステンソメーターにより測定されたデータを拡大倍数５で割って得るデータと、従来の伸び装置２４の測定したデータとを対比すれば、図１１に示すように、実験室の従来の伸び装置２４に対して、本発明のエクステンソメーターは、高い精度及び高い解像度がそれぞれ、±０．２μｍ及び０．２μｍに達することが判明した。

この明細書において、本発明はその特定の実施例を参照して記述されたが、勿論、これらの実施例は本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で修改及び変換できることは明らかである。このため、上述した明細書及び図面は例示にすぎず制限されるものではない。

Claims (6)

1. 一対の伸びロッド（７）、二つの取付ブロック（５）、二つの接続具（４）、変形拡大機構（６）、センサー（１）及びセンサーフレーム（３）を含み、上記伸びロッド（７）が円形棒であり、その一端が平面であり、その他端が錐状であり、取付孔（１２）に取付螺子（１０）を挿入することにより前記取付ブロック（５）のそれぞれを前記伸びロッド（７）における平面側の一端に固定し、上記取付ブロック（５）が第一取付ブロック（５ａ）及び第二取付ブロック（５ｂ）を含み、前記第一取付ブロック（５ａ）と前記第二取付ブロック（５ｂ）との接触面の中部に円形の伸びロッド取付面（１１）を設けており、前記伸びロッド取付面（１１）上にそれぞれ四つの取付孔（１２）を開設し、前記第二取付ブロック（５ｂ）の一側に第一半円形ボスを備え、前記第一半円形ボスの中部に第一固定孔（１３ａ）を開設し、上記接続具（４）の一端を第二半円形ボスとし、前記第二半円形ボス内に第二固定孔（１３ｂ）を設けており、前記取付螺子（１０）を前記第一固定孔（１３ａ）及び前記第二固定孔（１３ｂ）に挿入することにより前記接続具（４）及び前記第二取付ブロック（５ｂ）を固定し、前記接続具（４）の他端を直方体とし、前記直方体内に二つの固定溝（１４）を配設し、前記固定溝（１４）上に前記変形拡大機構（６）及び前記センサーフレーム（３）を取付け、上記変形拡大機構（６）を振幅の不変な階梯式に対称となる方形柱体とし、階梯結合部位及び柱体の中間部位に四つのフレキシブルヒンジ（１７）を対称に開設し、この四つのフレキシブルヒンジ（１７）がアーチ形構造を構成し、前記変形拡大機構（６）の両端にそれぞれ二つの取付孔（１６）を開設することで前記変形拡大機構（６）を前記接続具（４）に取付け、アーチ形構造の丸天井が下に向かい、前記変形拡大機構（６）の中点を出力端（１８）として作用させ、上記センサーフレーム（３）にセンサー（１）を取付け、前記センサー（１）が前記変形拡大機構（６）に垂直となり、前記センサー（１）がテスト端末（９）に接続する高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター。
2. 前記二つの接続具（４）が同一直線上に取付けられ、且つ該直線が前記二つの伸びロッド（７）の頂端に位置する直線に平行とすることで、試料の変形を等量に前記接続具上の前記変形拡大機構（６）に伝送するのを確保する請求項１に記載の高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター。
3. 異なる表面形状を有する試料に取付けるため、前記接続具（４）と前記取付ブロック（５）との角度が０度を上回って９０度以下の範囲内で調整される請求項１に記載の高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター。
4. 異なる測定スパンの要求を満たすため、前記固定溝（１４）における前記変形拡大機構（６）の取付位置を調整する請求項１に記載の高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター。
5. 被測定部品表面の変形が前記伸びロッド（７）により伝送され、前記変形拡大機構（６）により機械的に拡大されて前記センサー（１）により測定される請求項１に記載の高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター。
6. 前記変形拡大機構（６）に用いられるフレキシブルヒンジ（１７）が円型、楕円型、面取り直梁型、放物線型或は双曲線型である請求項４に記載の高温構造の変形拡大測定用エクステンソメーター。

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