JP5602655B2 - Crack size estimation method - Google Patents

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Description

本発明は、原子力発電プラント等において内圧による疲労や応力腐食割れなどによって発生する構造物内面の亀裂の深さ及び表面長さ(以下、「亀裂サイズ」とも言う。)を推定する方法に関する。   The present invention relates to a method for estimating the depth and surface length (hereinafter also referred to as “crack size”) of a crack on the inner surface of a structure generated by fatigue or stress corrosion cracking due to internal pressure in a nuclear power plant or the like.

従来、例えば配管内面に発生した亀裂は、超音波検査によって検出することが多い。検出された亀裂は、その大きさが小さい場合または次回検査までの進展量が小さいと予想された場合は、補修しないでそのまま使用を継続することがある。そして、次回の検査時に亀裂の大きさを再度計測し、亀裂の進展の有無や進展予測の妥当性を確認する。しかし、超音波による計測では、配管内面の亀裂位置は推定できるが、板面に垂直な亀裂の深さを測定するには精度が悪く、また、板厚が薄い場合には亀裂深さを測定することができない。さらに、超音波探傷法による亀裂深さ測定の精度は数mmと言われており、亀裂進展の有無の判断や進展量の測定も困難である。   Conventionally, for example, a crack generated on the inner surface of a pipe is often detected by ultrasonic inspection. If the detected crack is small or if the amount of progress until the next inspection is expected to be small, it may continue to be used without being repaired. Then, the size of the crack is measured again at the next inspection, and the presence or absence of the progress of the crack and the validity of the progress prediction are confirmed. However, with ultrasonic measurement, the crack position on the inner surface of the pipe can be estimated, but the accuracy is poor in measuring the depth of the crack perpendicular to the plate surface, and when the plate thickness is thin, the crack depth is measured. Can not do it. Furthermore, it is said that the accuracy of crack depth measurement by the ultrasonic flaw detection method is several millimeters, and it is difficult to determine the presence or absence of crack growth and to measure the amount of progress.

一方、管内面に亀裂が発生している位置が予め分かっている場合に、その亀裂が発生している位置の管外面に歪ゲージを貼付し、該位置の歪変化を測定することにより、亀裂深さを推定する方法が知られている(特許文献1等)。この方法は、円筒体のような構造物において内面亀裂が発生し、この亀裂が板厚方向へ進展すると、該位置外面の歪が内面亀裂深さの増加にほぼ比例して増加するという知見に基づくもので、この内面亀裂深さと外面の歪との関係を利用して、外面の歪の測定値から内面亀裂深さを推定するものである。特許文献1では、外面の歪の測定値から内面亀裂深さの推定が可能となる理由は、負荷応力が一定で内面亀裂深さが増加すると、残存部分の剛性が低下するために外面の歪が増加することによると考えられていた(特許文献1、第2頁、右上欄1〜4行目)。   On the other hand, when the position where the crack is generated on the inner surface of the pipe is known in advance, a strain gauge is attached to the outer surface of the pipe where the crack is generated, and the change in strain at the position is measured. A method for estimating the depth is known (Patent Document 1, etc.). This method is based on the finding that when an internal crack occurs in a structure such as a cylinder and the crack progresses in the thickness direction, the strain on the outer surface of the position increases in proportion to the increase in the depth of the internal crack. Based on the relationship between the inner surface crack depth and the outer surface strain, the inner surface crack depth is estimated from the measured value of the outer surface strain. In Patent Document 1, the reason why the inner surface crack depth can be estimated from the measurement value of the outer surface strain is that when the load stress is constant and the inner surface crack depth is increased, the rigidity of the remaining portion decreases, so the outer surface strain is reduced. Is considered to increase (Patent Document 1, page 2, upper right column, lines 1 to 4).

特開昭55−119041号JP-A-55-119041

しかしながら、上記した管外面に歪ゲージを貼付して管内面の亀裂深さを推定する方法は、亀裂の深さを同定することはできるが、亀裂の構造物表面方向への広がり(表面長さ)を同時に同定することはできなかった。   However, the method of estimating the crack depth on the inner surface of the tube by applying a strain gauge to the outer surface of the tube described above can identify the depth of the crack, but it spreads the crack toward the surface of the structure (surface length). ) Could not be identified at the same time.

本発明は、内側に圧力がかかる構造物内面の亀裂について、亀裂の深さだけでなく表面長さも同定可能な亀裂サイズ推定方法を提供することを主たる目的とする。   The main object of the present invention is to provide a crack size estimation method that can identify not only the depth of a crack but also the surface length of a crack on the inner surface of a structure that is under pressure.

上記目的を達成するため、本発明に係る亀裂サイズ推定方法は、構造物内面の亀裂を予め検出する第1ステップと、検出された亀裂の構造物外面の歪を、前記亀裂の構造物外面に貼設された複数の歪ゲージによって測定する第2ステップと、前記複数の歪ゲージによって測定された複数の歪測定値を、有限要素解析により仮想構造物内面の仮想亀裂の深さ及び表面長さと前記仮想構造物外面の歪とについて予め求められた関係に導入し、該複数の歪測定値の各々に対応する仮想亀裂の深さ及び表面長さを導出する第3ステップと、前記複数の歪測定値の各々に対応する前記仮想亀裂の深さと表面長さとの関係を、複数の曲線としてグラフ化する第4ステップと、前記グラフ化された複数の曲線が交わる交点の深さと表面長さを求めることにより、検出された亀裂の深さと表面長さを推定する第5ステップと、を含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a crack size estimation method according to the present invention includes a first step of detecting a crack on the inner surface of a structure in advance, and a distortion of the detected outer surface of the structure on the outer surface of the crack. A second step of measuring with a plurality of strain gauges affixed, and a plurality of strain measurement values measured with the plurality of strain gauges, using a finite element analysis to determine the depth and surface length of the virtual crack on the inner surface of the virtual structure A third step of introducing a depth and a surface length of a virtual crack corresponding to each of the plurality of strain measurement values; A fourth step of graphing the relationship between the depth and surface length of the virtual crack corresponding to each of the measured values as a plurality of curves, and the depth and surface length of the intersection where the plurality of graphed curves intersect. By seeking Characterized in that it comprises a fifth step of estimating the depth and the surface length of the detected cracks, the.

前記第5ステップにおいて、前記複数の曲線の交点を複数選び、複数の交点について、各交点の深さと表面長さとを求め、第6ステップとして、前記各交点の深さと表面長さについて、重み係数を考慮した平均値を導出するステップを更に含むことが好ましい。   In the fifth step, a plurality of intersection points of the plurality of curves are selected, the depth and surface length of each intersection point are obtained for the plurality of intersection points, and as a sixth step, a weighting factor is calculated for the depth and surface length of each intersection point Preferably, the method further includes a step of deriving an average value in consideration of

また、亀裂が検出された前記構造物が厚さtの板状として場合に、歪ゲージのゲージ長さを0.1t以下とすることが好ましい。   In addition, when the structure in which the crack is detected has a plate shape with a thickness t, the strain gauge preferably has a gauge length of 0.1 t or less.

解析対象として、周方向の半楕円形状の亀裂が内面に存在する管(仮想構造物)の断面を示し、(a)は軸直角断面、(b)は軸平行断面である。As an analysis object, a cross section of a pipe (virtual structure) in which a semi-elliptical crack in the circumferential direction exists on the inner surface is shown, (a) is an axis perpendicular cross section, and (b) is an axis parallel cross section. 解析対象として、軸方向の半楕円形状の亀裂が内面に存在する管(仮想構造物)の断面を示し、(a)は軸直角断面、(b)は軸平行断面である。As an analysis target, a cross section of a pipe (virtual structure) in which a semi-elliptical crack in the axial direction exists on the inner surface is shown, (a) is a cross section perpendicular to the axis, and (b) is a cross section parallel to the axis. 図1(A)の解析対象をメッシュ分割した解析画像である。It is the analysis image which divided the analysis object of Drawing 1 (A) into a mesh. 図1(B)の解析対象をメッシュ分割した解析画像である。It is the analysis image which divided the analysis object of Drawing 1 (B) into meshes. 図1(A)の解析対象の周歪に関する、亀裂の深さ、亀裂の表面長さ、及び、外表面での歪の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth of a crack, the surface length of a crack, and the distortion in an outer surface regarding the circumferential strain of the analysis object of FIG. 図1(A)の解析対象の軸歪に関する、亀裂の深さ、亀裂の表面長さ、及び、外表面での歪の関係を示すグラフであるIt is a graph which shows the relationship of the depth of a crack, the surface length of a crack, and the distortion in an outer surface regarding the axial distortion of the analysis object of FIG. 1 (A). 図1(B)の解析対象の周歪に関する、亀裂の深さ、亀裂の表面長さ、及び、外表面での歪の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth of a crack, the surface length of a crack, and the distortion in an outer surface regarding the circumferential strain of the analysis object of FIG. 1 (B). 図1(B)の解析対象の軸歪に関する、亀裂の深さ、亀裂の表面長さ、及び、外表面での歪の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth of a crack, the surface length of a crack, and the distortion in an outer surface regarding the axial distortion of the analysis object of FIG. 1 (B). 図1(A)の解析対象に関する亀裂周辺での歪分布であって、亀裂の延びる方向に沿う亀裂中心からの距離と歪(周歪及び軸歪)との関係を示すグラフである。It is a strain distribution around the crack related to the analysis target in FIG. 1A, and is a graph showing the relationship between the distance from the crack center along the direction in which the crack extends and the strain (circumferential strain and axial strain). 図1(A)の解析対象に関する亀裂周辺での歪分布であって、亀裂の延びる方向と直交する方向に沿う亀裂中心からの距離と歪(周歪及び軸歪)との関係を示すグラフである。1A is a graph showing strain distribution around a crack related to the analysis target in FIG. 1A and showing a relationship between a distance from a crack center and a strain (circumferential strain and axial strain) along a direction orthogonal to a direction in which the crack extends. is there. 図1(B)の解析対象に関する亀裂周辺での歪分布であって、亀裂の延びる方向に沿う亀裂中心からの距離と歪(周歪及び軸歪)との関係を示すグラフである。It is a strain distribution around the crack regarding the analysis target in FIG. 1B, and is a graph showing the relationship between the distance from the crack center along the extending direction of the crack and the strain (circumferential strain and axial strain). 図1(B)の解析対象に関する亀裂周辺での歪分布であって、亀裂の延びる方向と直交する方向に沿う亀裂中心からの距離と歪(周歪及び軸歪)との関係を示すグラフである。1B is a graph showing the relationship between the strain (circumferential strain and axial strain) from the crack center along the direction perpendicular to the direction in which the crack extends, and the strain distribution around the crack related to the analysis target in FIG. is there. 図1(A)の解析対象に関する亀裂中心からの距離(x)と歪変化との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distance (x) from the crack center regarding the analysis object of FIG. 複数の歪ゲージを貼設した状態を一部拡大断面図とともに示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which affixed several strain gauges with a partial expanded sectional view. 複数の歪ゲージから推定される亀裂深さと表面長さの組合せを示すグラフである。It is a graph which shows the combination of the crack depth estimated from several strain gauges, and the surface length. 図6のLmの範囲内にある周方向と軸方向の歪ゲージを用いて、それらの歪ゲージの組合せから推定される亀裂深さの誤差(歪ゲージ出力に正規分布誤差を考慮)を示すグラフである。Graph showing crack depth error (considering normal distribution error in strain gauge output) estimated from the combination of strain gauges in the circumferential direction and axial direction within the range of Lm in FIG. It is.

本発明に係る亀裂サイズ推定方法の一実施形態について、以下に図1〜図8を参照しつつ説明する。   An embodiment of a crack size estimation method according to the present invention will be described below with reference to FIGS.

先ず、亀裂のある構造物をCAD等で仮想的にモデル化し、この仮想構造物を解析対象として、仮想亀裂について有限要素法によるコンピュータシミュレーション解析(有限要素解析)を実施する。   First, a structure having a crack is virtually modeled by CAD or the like, and a computer simulation analysis (finite element analysis) is performed on the virtual crack by a finite element method using the virtual structure as an analysis target.

本実施形態において、解析対象は、図1に示すように、周方向(図1(a))または軸方向(図1(b))の半楕円形状の亀裂1,2が内面に存在する、内圧(Pa)を受ける管(仮想構造物)3,4とした。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the analysis object has semi-elliptical cracks 1 and 2 in the circumferential direction (FIG. 1 (a)) or axial direction (FIG. 1 (b)) on the inner surface. The tubes (virtual structures) 3 and 4 that receive the internal pressure (Pa) were used.

仮想構造物としての管3,4は、内径(Ri)は43.64mm、肉厚(t)は13.5mm(4インチ管、スケジュール番号160相当)とした。管3,4の肉厚(t)に対して、亀裂(仮想亀裂)の表面長さ(2c)をt、2tおよび4tとし、深さ(a)を0から0.5tまで変化させた。   The pipes 3 and 4 as virtual structures have an inner diameter (Ri) of 43.64 mm and a wall thickness (t) of 13.5 mm (a 4-inch pipe, corresponding to schedule number 160). The surface length (2c) of the crack (virtual crack) was set to t, 2t, and 4t with respect to the thickness (t) of the tubes 3 and 4, and the depth (a) was changed from 0 to 0.5t.

有限要素解析には図2に示すように20節点要素でメッシュ分割を用い、汎用コードのABAQUSにて弾性解析を実施した。15MPaの内圧を亀裂面も含めて負荷し、キャップ効果を考慮するため、管端部に内圧相当の軸荷重を負荷した。ヤング率は180GPa、ポアソン比は0.3とした。   As shown in FIG. 2, the finite element analysis was performed using mesh division with 20-node elements, and the elastic analysis was performed with the general-purpose code ABAQUS. In order to apply an internal pressure of 15 MPa including the crack surface and to consider the cap effect, an axial load corresponding to the internal pressure was applied to the pipe end. The Young's modulus was 180 GPa and the Poisson's ratio was 0.3.

上記有限要素解析の結果として、図3に、亀裂の表面長さ(2c)がt、2t、及び4tのそれぞれについて、亀裂1,2の深さ(a/t)と亀裂の中心位置で管外面の歪との関係を示す。   As a result of the above finite element analysis, FIG. 3 shows the case where the crack surface length (2c) is t, 2t, and 4t, respectively, at the depth (a / t) of the cracks 1 and 2 and the center position of the crack. The relationship with the distortion of the outer surface is shown.

図3において、歪は周方向歪(周歪)εθと軸方向歪(軸歪)εをそれぞれ示している。なお、図3において、各表面長さ(2c)における深さ(a/t)と歪との関係は、近似曲線で表示されているが、深さ(a/t)のプロット間隔(図3では0.05)をより細かくプロットすることにより近似曲線を用いずに点の集合としてグラフ表示してもよい。 3, the distortion shows the circumferential strain (circumferential strain) epsilon theta axial strain (axial strain) epsilon Z respectively. In FIG. 3, the relationship between the depth (a / t) and the strain at each surface length (2c) is represented by an approximate curve, but the plot interval of the depth (a / t) (FIG. 3). Then, 0.05) may be plotted more finely to display a graph as a set of points without using an approximate curve.

上記のような亀裂の表面長さ(2c)、亀裂の深さ(a/t)、及び、亀裂の外面での歪の関係は、データベース化され、記憶装置に保存される。なお、本実施形態では、図示都合上、亀裂の表面長さ(2c)を3つ(2c=t、2t、4t)にしているが、データベース化に際しては、亀裂の表面長さ(2c)の数を増やして詳細なデータベースを構築する。また、図3は亀裂の中心位置での管外面の歪のみとの関係を示しているが、後述するように、亀裂の中心位置から離隔する複数位置の管外面の歪についても有限要素解析を用いてデータベース化される。   The relationship between the crack surface length (2c), the crack depth (a / t), and the strain on the outer surface of the crack as described above is compiled into a database and stored in a storage device. In the present embodiment, for the sake of illustration, the crack surface length (2c) is set to three (2c = t, 2t, 4t). Increase the number and build a detailed database. FIG. 3 shows the relationship with only the strain on the outer surface of the tube at the center position of the crack. As will be described later, the finite element analysis is also performed on the strain on the outer surface of the tube at a plurality of positions separated from the center position of the crack. Database.

図3において、亀裂がない場合、つまり健全部における周歪εθは200μεであるが、軸歪εは約50μεとなっている。いずれも亀裂が大きくなる(亀裂が進展する)にしたがって歪が単調に低下している。例えば、亀裂長さ(2c)が2t(即ちc=1t)の場合、亀裂深さが0.5tとなると歪は50με以上低下しており、とくに、軸方向亀裂の周歪εθは100με以上低下している。亀裂深さが0から0.5tに進展したときに歪が100με低下する場合、歪の検出感度が5μεとすると、0.5t×(5/100)=0.025t(おおよそ0.34mm)の亀裂進展を検出できることになる。ただ、図3から分かるように、歪の変化は亀裂の形状(アスペクト比a/c)に依存し、亀裂の表面長さ(c)が大きい方が歪の変化が大きくなる。なお、亀裂が進展するに従って歪が低下するという解析結果は、従来の認識(上記特許文献1)と相違する。 In FIG. 3, when there is no crack, that is, the circumferential strain ε θ in the healthy part is 200 με, but the axial strain ε Z is about 50 με. In either case, the strain monotonously decreases as the crack grows (crack progresses). For example, when the crack length (2c) is 2t (ie, c = 1t), the strain is reduced by 50 με or more when the crack depth is 0.5 t. In particular, the circumferential strain ε θ of the axial crack is 100 με or more. It is falling. When the strain decreases by 100 με when the crack depth advances from 0 to 0.5 t, assuming that the strain detection sensitivity is 5 με, 0.5 t × (5/100) = 0.025 t (approximately 0.34 mm) Crack growth can be detected. However, as can be seen from FIG. 3, the change in strain depends on the shape of the crack (aspect ratio a / c), and the greater the crack surface length (c), the greater the change in strain. The analysis result that the strain decreases as the crack progresses is different from the conventional recognition (Patent Document 1).

上記有限要素解析による亀裂周囲での歪の分布を図4に示す。いずれの歪も亀裂中心の外表面で最小となっており、最も感度が大きくなった。亀裂面に沿った方向では、亀裂の長さの範囲で、亀裂面に垂直な方向では亀裂深さ(0.5t)程度の範囲で歪が大きく変化した。いずれの亀裂方向、歪方向についても亀裂中心から0.1t(1.35mm)程度の範囲では歪変化が小さい。したがって、歪ゲージのゲージ長さは0.1t以下とすることが望ましい。   The strain distribution around the crack by the finite element analysis is shown in FIG. Both strains were the smallest on the outer surface of the crack center, and the sensitivity was greatest. In the direction along the crack surface, the strain greatly changed in the range of the crack length, and in the direction perpendicular to the crack surface in the range of the crack depth (0.5 t). In any crack direction and strain direction, the strain change is small in the range of about 0.1 t (1.35 mm) from the crack center. Therefore, the gauge length of the strain gauge is desirably 0.1 t or less.

図5は、上記有限要素解析による計算結果をもとに、a/t=0.5、c=t,a/c=0.5の周方向の亀裂による歪の変化(亀裂ない場合の歪からの変化量)を示す。t=13.5mmであることから、x=13.5mm(xは亀裂中心から亀裂長さ方向の距離)がちょうど亀裂の端部に相当する。亀裂による歪変化はこれより広い範囲で観察され、軸方向歪の変化の方が大きいことが分かる。   FIG. 5 shows the change in strain due to cracks in the circumferential direction of a / t = 0.5, c = t, and a / c = 0.5 (strain without cracks based on the calculation result by the finite element analysis. The amount of change from Since t = 13.5 mm, x = 13.5 mm (x is the distance in the crack length direction from the crack center) just corresponds to the end of the crack. The strain change due to the crack is observed in a wider range, and it can be seen that the change in the axial strain is larger.

上記したように、亀裂が成長することによって、管外面の歪は変化するが、その変化は亀裂形状(アスペクト比)に依存する。そのため、単一の歪変化からは亀裂が深さ方向へ進展したか表面方向へ進展したのかが判断できない。   As described above, as the crack grows, the strain on the outer surface of the tube changes, but the change depends on the crack shape (aspect ratio). Therefore, it cannot be determined from a single strain change whether the crack has progressed in the depth direction or the surface direction.

亀裂を例えば半楕円形状と仮定すれば、亀裂の形状は深さと長さの2自由度となり、少なくとも2枚の歪ゲージの出力から理論上は推定可能となる。なお、亀裂形状は、半楕円形状に限らず、方形、半年形、異形等、種々の形状に仮定することができる。   If the crack is assumed to be, for example, a semi-elliptical shape, the shape of the crack has two degrees of freedom, depth and length, and can be theoretically estimated from the outputs of at least two strain gauges. The crack shape is not limited to a semi-elliptical shape, and can be assumed to be various shapes such as a square shape, a semi-annular shape, and an irregular shape.

管内面の軸方向の亀裂を例として、図6に示すように、半楕円形状の亀裂2の管外面に、複数の歪ゲージ5…5を所定間隔(図では2mm間隔)で設置した場合を想定し、以下に説明するようにして亀裂2の深さ(a)と表面長さ(2c)を同定する。各々の歪ゲージ5…5は、管4の周方向と軸方向の歪を測定して出力するもの(直交2方向を測定可能なもの)を用いることができる。   As an example of an axial crack on the inner surface of the tube, as shown in FIG. 6, a plurality of strain gauges 5... 5 are installed on the outer surface of the semi-elliptical crack 2 at a predetermined interval (2 mm interval in the figure). Assuming that the depth (a) and the surface length (2c) of the crack 2 are identified as described below. Each of the strain gauges 5... 5 can measure and output strain in the circumferential direction and axial direction of the tube 4 (capable of measuring two orthogonal directions).

図6の亀裂の中心にある歪ゲージ、即ち、図6の距離X=0mmの歪ゲージの出力から得られる深さと表面長さの関係は、先に構築したデータベースを利用して求めることができる。   The relationship between the depth and the surface length obtained from the output of the strain gauge at the center of the crack in FIG. 6, that is, the strain gauge with the distance X = 0 mm in FIG. 6, can be obtained using the database constructed previously. .

例えば、図3(A)を参照すれば、周歪(εθ)が150μεのとき、c=1tではa=0.5、c=2tではa≒0.46、c=0.5tではa>0.5(図外)となっている。上記したように、図3(A)において表面長さ(2c)の数を増やせば、図3(A)に表示される曲線の数が増え、その結果、歪値に対する深さと表面長さとの関係の数が増える。そのようにして図3に表示される曲線の数を増やしたグラフを用いて、ある歪値(周歪及び軸歪)に対する深さと表面長さの組をプロットしたグラフが、図7のX=0mmのプロット群である。なお、図7では、c/tが0.1間隔でプロットされている。 For example, referring to FIG. 3A, when the circumferential strain (ε θ ) is 150 με, a = 0.5 at c = 1t, a≈0.46 at c = 2t, and a = 0.46 at c = 0.5t. > 0.5 (not shown). As described above, increasing the number of surface lengths (2c) in FIG. 3 (A) increases the number of curves displayed in FIG. 3 (A). The number of relationships increases. Using the graph in which the number of curves displayed in FIG. 3 is increased as described above, a graph in which a set of depth and surface length with respect to a certain strain value (circumferential strain and axial strain) is plotted is X = A plot group of 0 mm. In FIG. 7, c / t is plotted at intervals of 0.1.

図6の距離X=2mm、4mm、6mmの場合についても、上記と同様にして歪に対する深さと表面長さの関係が図7にプロットされている。図3で示したグラフは、亀裂の中心位置、即ち、図6の距離X=0mmの場合のグラフであり、図示していないが、図6の距離X=2mm、4mm、6mmの場合に図3に対応するグラフは、距離X=0のデータベースを作成した際の有限要素解析から得ることができる。   In the case of the distance X = 2 mm, 4 mm, and 6 mm in FIG. 6, the relationship between the depth and the surface length with respect to strain is plotted in FIG. The graph shown in FIG. 3 is a graph at the center of the crack, that is, when the distance X = 0 mm in FIG. 6 and is not shown, but is shown when the distance X = 2 mm, 4 mm, and 6 mm in FIG. The graph corresponding to 3 can be obtained from the finite element analysis when the database of the distance X = 0 is created.

上記のように、1枚の歪ゲージ出力から亀裂サイズを推定する場合、亀裂の深さと長さは一意に決定されず、歪量に対応する深さと表面長さの組み合わせを有することになる。図7から分かるように、亀裂の深さと表面長さの関係は、歪ゲージの位置によって異なる曲線を描く。そして、図7に示されているように、計算条件としたa/t=0.5、c=tにおいて全ての曲線が交わっている。したがって、2枚の歪ゲージの出力を用いることで、亀裂の深さと表面長さとの関係を示す2本の曲線が一点で交差し、その交点から亀裂の深さと表面長さの2種類のパラメータが推定できる。   As described above, when the crack size is estimated from one strain gauge output, the depth and length of the crack are not uniquely determined, and have a combination of depth and surface length corresponding to the strain amount. As can be seen from FIG. 7, the relationship between the depth of the crack and the surface length draws a different curve depending on the position of the strain gauge. As shown in FIG. 7, all the curves intersect at a / t = 0.5 and c = t as calculation conditions. Therefore, by using the output of two strain gauges, two curves indicating the relationship between the crack depth and the surface length intersect at one point, and two kinds of parameters, the crack depth and the surface length, from the intersection point. Can be estimated.

実際の測定では、亀裂の位置を超音波探傷法等によって予め検出しておいて、検出された亀裂の構造物外面に、所定間隔で複数の歪ゲージを貼設する。歪ゲージは、公知の歪ゲージを用いることができる。例えば、2mm間隔で5個の歪ゲージが一体となった集合ゲージ等も市販されており、これを用いることもできる。   In actual measurement, the position of the crack is detected in advance by an ultrasonic flaw detection method or the like, and a plurality of strain gauges are attached to the outer surface of the detected crack structure at predetermined intervals. A known strain gauge can be used as the strain gauge. For example, a collective gauge in which five strain gauges are integrated at intervals of 2 mm is also commercially available, and this can also be used.

実際の測定では歪測定誤差が存在するため、図7のように全ての曲線が1点で交わることがない。しかし、複数の歪ゲージから2枚の歪ゲージを選択し、選択した2枚の歪ゲージから得られる仮想亀裂の深さと表面長さとの相関関係を示す2本の曲線の交点から、仮想亀裂の深さと長さを求めることができ、得られた仮想亀裂の深さと表面長さを実際の亀裂の深さと表面長さとして推定できる。歪ゲージの出力をオンラインでモニタリングし、実際の亀裂の深さ方向及び表面長さ方向への進展度合いを監視することができる。   In actual measurement, since there is a distortion measurement error, all the curves do not intersect at one point as shown in FIG. However, two strain gauges are selected from a plurality of strain gauges, and from the intersection of two curves indicating the correlation between the depth of the virtual crack and the surface length obtained from the two selected strain gauges, The depth and length can be determined, and the depth and surface length of the obtained virtual crack can be estimated as the actual crack depth and surface length. The strain gauge output can be monitored online, and the progress of the actual crack in the depth direction and the surface length direction can be monitored.

複数の歪ゲージから選択される2枚の歪ゲージの組み合わせを変えることで、仮想亀裂の深さと表面長さの組を複数組推定することができる。推定された複数組の亀裂の深さと表面長さについて平均をとることで推定精度の向上が図られる。図8は、図6に示したLの範囲内にある周方向と軸方向の歪ゲージを用いて、それらの全て組み合わせから推定される亀裂深さの誤差を示している。例えば、L=4mmの場合、x=0,2,4mmにある周方向と軸方向の歪ゲージ、計6枚を用いて推定することになる。 By changing the combination of two strain gauges selected from a plurality of strain gauges, a plurality of pairs of virtual crack depth and surface length can be estimated. The estimation accuracy can be improved by taking an average of the estimated depth and surface length of a plurality of sets of cracks. 8, with the circumferential direction and the axial strain gauges in the range of L m as shown in FIG. 6 illustrates the error of crack depth is estimated from all of them combined. For example, when L m = 4 mm, the estimation is performed using a total of six strain gauges in the circumferential and axial directions at x = 0, 2, and 4 mm.

ここで、実際の測定を想定し、誤差は図中に示した標準偏差を有する正規分布で全ての歪ゲージ出力に与えた。そして、歪ゲージの測定誤差を変化させた1000回の計算から得られる推定値の誤差を図8に示している(図中の塗りつぶしプロット)。   Here, assuming actual measurement, the error was given to all strain gauge outputs in a normal distribution having the standard deviation shown in the figure. FIG. 8 shows the error of the estimated value obtained from 1000 calculations with the strain gauge measurement error changed (filled plot in the figure).

歪ゲージの誤差の標準偏差が5μεの場合、亀裂深さの推定誤差はL=4mmまでは低下するが、それ以上では逆に誤差が増加した。また、誤差の標準偏差が2μεの場合は歪ゲージの数が増えるほど誤差が増加した。歪ゲージの貼り付け位置が亀裂中心より離れると、歪の変化量が小さくなり(感度が悪くなり)、測定精度が低下する。そして、このような感度の悪い(精度の悪い)歪ゲージを用いた推定値を用いることで、平均から得られる推定誤差が低下する結果となった。このように、複数の歪ゲージから推定される亀裂深さの単純な平均値を用いる場合は、歪ゲージの数を増やしても必ずしも誤差を低減させることができない。 When the standard deviation of the strain gauge error is 5 με, the crack depth estimation error decreases to L m = 4 mm, but the error increases conversely. When the standard deviation of the error was 2 με, the error increased as the number of strain gauges increased. If the position where the strain gauge is attached is separated from the center of the crack, the amount of change in strain becomes smaller (sensitivity becomes worse), and the measurement accuracy decreases. Then, by using an estimated value using such a strain gauge with poor sensitivity (poor accuracy), the estimation error obtained from the average is reduced. Thus, when a simple average value of crack depths estimated from a plurality of strain gauges is used, the error cannot always be reduced even if the number of strain gauges is increased.

図8に示されているように、歪ゲージの数を単純に増加させると誤差が大きくなる場合が出現する。そこで、各歪ゲージの組み合わせの単純な平均を用いるのではなく、平均に重みを考慮することが好ましい。具体的には、n枚のゲージを用いて、その中の2枚のゲージiとkの組み合わせから推定される亀裂サイズ(深さ又は表面長さ)aest (i,k)に対する重みw(i,k)を定義し、亀裂サイズ(深さ又は方面長さ)aestを次式(1)により求める。 As shown in FIG. 8, when the number of strain gauges is simply increased, the error increases. Therefore, it is preferable not to use a simple average of the combinations of strain gauges but to consider the weight in the average. Specifically, using n gauges, a weight w ( for a crack size (depth or surface length) a est (i, k) estimated from a combination of two gauges i and k among them. i, k) is defined, and the crack size (depth or direction length) a est is obtained by the following equation (1).

この式で、w(i,k)を全て同じ数値にした場合が、先に示した単純平均をした場合に相当する。例えば、図7において軸方向歪の曲線はほとんど一致している。このような場合、歪ゲージの誤差によって、2本の曲線の交点が大きくずれることになり、推定精度が悪くなる傾向にある。逆に、2本の曲線の交わる角度が大きい組み合わせは誤差が小さくなる。また、亀裂サイズに対する歪変化の大きさが測定誤差に対して小さくなると推定精度は低下する。 In this equation, the case where w (i, k) are all set to the same numerical value corresponds to the case where the above-described simple average is performed. For example, in FIG. 7, the axial strain curves almost coincide. In such a case, the intersecting point of the two curves is greatly shifted due to the strain gauge error, and the estimation accuracy tends to deteriorate. Conversely, a combination having a large angle at which two curves intersect reduces the error. In addition, when the magnitude of the strain change with respect to the crack size becomes small with respect to the measurement error, the estimation accuracy decreases.

上記のように、歪ゲージの組み合わせやゲージの貼り付け位置によって精度が異なることから、精度の良い推定値に対しては重みw(i,k)を相対的に大きくすることで、推定精度の向上を図ることができる。 As described above, the accuracy varies depending on the combination of strain gauges and the position where the gauges are attached. Therefore, by increasing the weight w (i, k) relative to an accurate estimated value, Improvements can be made.

最終的に得られる亀裂深さの推定値aestの誤差が小さくなるように、それぞれのひずみゲージの組み合わせに対して重み変化させる収束計算を実施した。ここでは、歪ゲージの誤差を乱数で与えるモンテカルロ法により、歪ゲージの誤差の影響を最小とする重み係数の組み合わせを試行錯誤で決定した。 Convergence calculation was performed to change the weight for each combination of strain gauges so that the error of the estimated crack depth estimated value a est was reduced. Here, a combination of weighting factors that minimizes the influence of the strain gauge error was determined by trial and error by the Monte Carlo method that gives the error of the strain gauge as a random number.

そして、下記表1のような重みの組み合わせを得た。   Then, combinations of weights as shown in Table 1 below were obtained.

この表はLm=6mm、ひずみゲージ誤差の標準偏差5μεの場合の結果を示しているが、x=6mmの位置にある周方向ひずみゲージは重みが全て零で、亀裂サイズの推定には使用しないことになる。また、軸方向ひずみゲージ同士の組み合わせ、周方向歪ゲージ同士の組み合わせには重みが零の場合が多い。このように得られた重みを用いて(1)式から亀裂深さを推定した誤差を図8に示す(白抜きのプロット)。重みを考慮することで、歪ゲージ数が増加しても同定誤差が増加することはない。そして、ゲージ数を増やすことで、誤差が大きく低減していることが分かる。ただし、同定精度はLm=12mm程度、つまり亀裂長さ近傍で飽和している。このように、重みを考慮することで、誤差を低減させることができる。 This table shows the result when Lm = 6mm and the standard deviation of strain gauge error is 5με. However, the circumferential strain gauge at x = 6mm has all weights and is not used to estimate crack size. It will be. In many cases, the combination of the axial strain gauges and the combination of the circumferential strain gauges have zero weight. FIG. 8 shows an error in estimating the crack depth from the equation (1) using the weights thus obtained (open plot). By considering the weight, the identification error does not increase even if the number of strain gauges increases. It can be seen that the error is greatly reduced by increasing the number of gauges. However, the identification accuracy is about Lm = 12 mm, that is, saturated near the crack length. Thus, the error can be reduced by considering the weight.

本発明は、原子力発電プラントや航空機など、構造物内面に亀裂が存在した状態で使用する可能性のある全ての分野に利用できる。   The present invention can be applied to all fields that may be used in a state where a crack exists on the inner surface of a structure, such as a nuclear power plant or an aircraft.

1 周方向の亀裂
2 軸方向の亀裂
3、4 管(構造物)
5 歪ゲージ
1 Circumferential crack 2 Axial crack 3, 4 Tube (structure)
5 Strain gauge

Claims (3)

構造物内面の亀裂を予め検出する第1ステップと、
検出された亀裂の構造物外面の歪を、前記亀裂の構造物外面に貼設された複数の歪ゲージによって測定する第2ステップと、
前記複数の歪ゲージによって測定された複数の歪測定値を、有限要素解析により仮想構造物内面の仮想亀裂の深さ及び表面長さと前記仮想構造物外面の歪とについて予め求められた関係に導入し、該複数の歪測定値の各々に対応する仮想亀裂の深さ及び表面長さを導出する第3ステップと、
前記複数の歪測定値の各々に対応する前記仮想亀裂の深さと表面長さとの関係を、複数の曲線としてグラフ化する第4ステップと、
前記グラフ化された複数の曲線が交わる交点の深さと表面長さを求めることにより、検出された亀裂の深さと表面長さを推定する第5ステップと、
を含むことを特徴とする亀裂サイズ推定方法。
A first step of detecting a crack on the inner surface of the structure in advance;
A second step of measuring strain detected on the outer surface of the crack structure by a plurality of strain gauges attached to the outer surface of the crack structure;
A plurality of strain measurement values measured by the plurality of strain gauges are introduced into a relationship obtained in advance for the depth and surface length of the virtual crack on the inner surface of the virtual structure and the strain on the outer surface of the virtual structure by finite element analysis. A third step of deriving a virtual crack depth and surface length corresponding to each of the plurality of strain measurements;
A fourth step of graphing the relationship between the virtual crack depth and the surface length corresponding to each of the plurality of strain measurements as a plurality of curves;
A fifth step of estimating the depth and surface length of the detected crack by determining the depth and surface length of the intersection where the plurality of graphed curves intersect;
The crack size estimation method characterized by including.
前記第5ステップにおいて、前記複数の曲線の交点を複数選び、複数の交点について、各交点の深さと表面長さとを求め、
前記各交点の深さと表面長さについて、重み係数を考慮した平均値を導出する第6ステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の亀裂サイズ推定方法。
In the fifth step, a plurality of intersections of the plurality of curves are selected, and for the plurality of intersections, a depth and a surface length of each intersection are obtained,
The crack size estimation method according to claim 1, further comprising a sixth step of deriving an average value in consideration of a weighting factor for the depth and the surface length of each intersection.
亀裂が検出された前記構造物が厚さtの板状であって、歪ゲージのゲージ長さを0.1t以下とすることを特徴とする請求項1または2に記載の亀裂サイズ推定方法。   The crack size estimation method according to claim 1 or 2, wherein the structure in which the crack is detected has a plate shape with a thickness t, and the gauge length of the strain gauge is 0.1 t or less.
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