JP5943829B2 - 補強を施した高温経年管の寿命予測システム及び寿命予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ用の配管等、高温で使用される補強を施した高温経年管の寿命予測システム、寿命予測方法に関する。

火力発電設備のボイラ用の配管等、高温で使用される配管は、熱の影響よって減肉したり膨出することがある。そこで、定期検査の結果、減肉や膨出が認められた配管については、交換を行うこととしている。
しかし、配管の交換には、減肉個所や膨出個所の切断、開先加工、溶接作業、熱処理等、複数の工程を踏む必要があるため、時間と手間を要してしまう、また、交換用の配管を在庫していない場合には、設備の稼働が行えず、経済的な損失も増大する。

そこで、例えば特許文献１には、配管（母材）よりも線膨張係数の小さいセラミック繊維材を配管に巻き付けることで配管を補強する構成が開示されている。この構成によれば、配管が昇温されると、母材とセラミック繊維との熱膨張差によりセラミック繊維から配管に圧縮応力が発生し、これによってクリープによる配管の劣化を抑えることができる。

特開２００７−７１３６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術を採用して配管を補強したとしても、補強により配管寿命がどれだけ延命されたのかが分からない。したがって、場合によっては、定期的な検査に加えて、より短期間で補強部位の点検を行わななければならない。その結果、点検の手間とコストがかかる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、補強後の配管寿命を高精度に予測し、検査の手間とコストを抑えることのできる補強を施した高温経年管の寿命予測システム及び寿命予測方法を提供することを目的とする。

ここで、本出願人は、配管の適切な補強方法について鋭意検討を行い、その結果、配管に、配管を形成する材料よりもクリープ特性に優れた材料（例えば配管が低クロム鋼からなる場合、低合金鋼、高クロム鋼、ステンレス鋼、インコネル（ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標）、炭素繊維等）からなるワイヤやワイヤメッシュを配管に巻き付けることによって、配管の補強を図るのが有効であるのを見出した。

そこでなされた本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、配管の外周にワイヤを巻き付けることでクリープ破壊に対する補強を施した高温経年管の寿命予測システムであって、前記ワイヤのクリープ定数Ｋ _ワイヤ 及びべき数ｎ _ワイヤ と、補強を施す前の前記配管のクリープ定数Ｋ _管 及びべき数ｎ _管 とを取得する定数取得部と、取得した前記クリープ定数Ｋ _ワイヤ ，Ｋ _管、 前記べき数Ｋ _ワイヤ， ｎ _管、 前記配管の肉厚ｓ、前記配管の外径Ｄ、前記ワイヤの直径ｄに基づいて、下記（１）式により補強を施したことにより内圧Ｐが作用した前記配管のクリープ応力σ _管 を求める応力演算部と、補強直前の前記配管におけるクリープ破断寿命相関式ｔ _Ｒ （σ，Ｔ）と、補強直前の配管の寿命消費率Ｄｃと、前記応力演算部で求められた前記クリープ応力σ _管 と、前記配管の使用環境温度Ｔとに基づき、下記（２）式により、補強を施した前記配管の残寿命ｔを算定する寿命算定部とを備えることを特徴とする。

このような構成により、管の外周にワイヤを巻き付けてクリープ破壊に対する補強を施した場合、管に作用するクリープ応力と、管が使用される環境条件（例えば温度等）とに基づいて、補強後の配管の寿命を予測することができる。

また、本発明は、配管の外周にワイヤを巻き付けることでクリープ破壊に対する補強を施した高温経年管の寿命予測方法であって、前記ワイヤのクリープ定数Ｋ _ワイヤ 及びべき数ｎ _ワイヤ と、補強を施す前の前記配管のクリープ定数Ｋ _管 及びべき数ｎ _管 とを取得するステップと、取得した前記クリープ定数Ｋ _ワイヤ ，Ｋ _管、 前記べき数Ｋ _ワイヤ， ｎ _管、 前記配管の肉厚ｓ、前記配管の外径Ｄ、前記ワイヤの直径ｄに基づいて、下記（３）式により補強を施したことにより内圧Ｐが作用した前記配管のクリープ応力σ _管 を求めるステップと、補強直前の前記配管におけるクリープ破断寿命相関式ｔ _Ｒ （σ，Ｔ）と、補強直前の配管の寿命消費率Ｄｃと、前記クリープ応力σ _管 を求めるステップで求められた前記クリープ応力σ _管 と、前記配管の使用環境温度Ｔとに基づき、下記（４）式により、補強を施した前記配管の残寿命ｔを算定するステップと、を備えることを特徴とすることもできる。

本発明によれば、補強後の配管寿命を高精度に予測し、検査の手間とコストを抑えることが可能となる。

本発明の実施形態に係る補強を施した高温経年管の寿命予測システムが予測対象とする、ワイヤにより補強された配管を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る補強を施した高温経年管の寿命予測システムの機能的な構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る補強を施した高温経年管の寿命予測システムにおける配管の寿命予測処理の流れを示す図である。 ワイヤを巻き付けた配管に発生するクリープ応力を検討するためのモデルを示す図であり、（ａ）は配管の中心軸線を含む半断面図、（ｂ）は配管の中心軸線に直交する断面図、（ｃ）は、検討モデルを示す図である。 ワイヤのピッチをあけた場合の応力の変化を示す図、（ｂ）はワイヤのピッチをあけた場合の検討モデルを示す図である。 ワイヤメッシュを巻き付けることによって補強を施した配管の例を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による補強を施した高温経年管の寿命予測システムム、補強を施した高温経年管の寿命予測方法を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

ここではまず、寿命予測システム１０の詳細な構成を説明するに先立ち、本実施形態に係る寿命予測システム１０における寿命の予測対象とする、配管（管）１の補強工法について説明する。
図１に示すように、火力発電用のボイラ等に用いられる配管１を補強するには、配管１を形成する材料（例えば低クロム鋼）よりもクリープ特性に優れた材料（例えば高クロム鋼、ステンレス鋼、インコネル、セラミックス、炭素繊維等）からなるワイヤ２を配管１の外周面１ａに螺旋状に巻き付ける。この際、ワイヤ２は、配管１の外周面１ａ上で、配管１の中心軸線方向に間隔をあけながら螺旋状に巻き付けてもよいし、配管１の中心軸線方向に間隔をあけずに密に巻き付けてもよい。

図２は、上記したような補強工法によって補強された配管１（補強された高温経年管）の寿命を予測するための寿命予測システム１０の構成を示す図である。
この図２に示すように、寿命予測システム１０は、いわゆるコンピュータ装置からなり、キーボードやマウス等の入力部１１と、入力部１１から入力された指令に基づいて所定の処理を実行する処理部１２と、処理部１２によってなされた処理結果等の情報を出力するモニタ等からなる情報出力部１３と、を備えている。

処理部１２は、予め入力部１１により外部から入力された情報を記憶する情報記憶部１４と、情報記憶部１４から、ワイヤ２によって補強された配管１の寿命算定に必要な情報を取得する情報取得部１５と、情報取得部１５で取得した寿命算定に必要な情報に基づいて、配管１に作用するクリープ応力を求める応力演算部１６と、求められたクリープ応力、および与えられた環境条件とに基づいて、ワイヤ２により補強された配管１の寿命を算定する寿命算定部１７と、を備える。

このような処理部１２は、予めインストールされたコンピュータプログラムに基づいて、寿命予測システム１０を構成するコンピュータ装置の制御チップが、メモリ等の記憶媒体等と協働して所定の処理を実行することによって、機能的に実現される構成である。

以下、このような寿命予測システム１０において、配管１の寿命を予測する方法について説明する。
図３は、配管１の寿命を予測するために寿命予測システム１０がコンピュータプログラムに基づいて自動的に実行する寿命予測処理の流れを示す図である。
これには、寿命予測処理を実行するに先立ち、予め、入力部１１によって、情報記憶部１４に対し、以下の情報を記憶させておく。

配管１についての情報：Ｎｏｒｔｏｎ則によるクリープ定数Ｋ_管、べき数ｎ_管
ワイヤ２についての情報：Ｎｏｒｔｏｎ則によるクリープ定数Ｋ_ワイヤ、べき数ｎ_ワイヤ

そして、寿命予測処理を行うに際しては、まず、入力部１１によって、情報記憶部１４に対し、寿命予測処理条件として、配管１およびワイヤ２の寸法データ、補強を施す直前の段階における配管１の寿命消費率Ｄｃ、配管１についてのクリープ破断寿命相関式ｔＲ（σ，Ｔ）を記憶させる（ステップＳ１０１）。
また、入力部１１において、ワイヤ２により補強した配管１を使用する環境条件として、想定される使用環境温度Ｔを入力し、情報記憶部１４に記憶させておく（ステップＳ１０２）。

ここで、ステップＳ１０１では、配管１およびワイヤ２の寸法データとして、配管１の肉厚ｓ、配管１の外径Ｄ、ワイヤ２の径ｄを記憶させる。

なお、補強を施す直前の段階における配管１の寿命消費率Ｄｃは、非破壊検査、破壊検査、設計計算等、公知の適宜手法により算出することができる。
例えば、非破壊検査によって寿命消費率Ｄｃを求める場合、まず非破壊検査によって、補強を施す直前の配管１の損傷の状態を評価する。具体的には、非破壊検査としては、ＭＴ（磁粉探傷）、ＰＴ（浸透探傷検査）、ＴＯＦＤ（Time Of Flight Diffraction）法、ＰＡ（フェイズドアレイ）、硬さ法等が挙げられ、これらの手法によって配管１の損傷の状態を評価可能な評価値を取得する。一方で、配管１の材料データとして、温度及びクリープ応力を様々な条件として様々なクリープ寿命を有する供試体を作成し、当該供試体について非破壊検査を行って評価値を得て、当該配管１の材料における非破壊検査の評価値とクリープ寿命との関係を取得しておく。そして、実際の補強を施す直前の段階において非破壊検査を実施することで得られた評価値を、予め取得した非破壊検査の評価値とクリープ寿命との関係に当て嵌めることでクリープ寿命を求め、これにより寿命消費率Ｄｃを算定する。

破壊検査によって寿命消費率Ｄｃを算出するには、配管１を模した供試体について、温度、応力を同条件として保管していたものを用意しておく。そして、補強を施す直前において、実際に破壊検査を行って、損傷の状態を評価可能な評価値、例えば強度を取得する。
一方で、配管１の材料データとして、上記同様に当該配管１の材料における破壊検査の評価値とクリープ寿命との関係を取得しておく。そして、実際の補強を施す直前の段階において破壊検査を実施することで得られた評価値を、予め取得した破壊検査の評価値とクリープ寿命との関係に当て嵌めることでクリープ寿命を求め、これにより寿命消費率Ｄｃを算定する。

また、設計計算により寿命消費率Ｄｃを算出するには、補強を施す直前の段階における配管１に生じている応力を計算により求めておく。一方で、配管１の材料データとして、温度、応力をパラメータとしたクリープ寿命との相関を求めておく。そして、実際の補強を施す直前の段階において計算によって求められた応力値を、予め取得した上記相関に当て嵌めることでクリープ寿命を求め、これにより寿命消費率Ｄｃを算定する。

また、クリープ破断寿命相関式ｔＲ（σ，Ｔ）は、配管１を形成する材料について、応力、温度を変動させたときに、それぞれの応力、温度でクリープ破断寿命を測定した結果をプロットしたものから求められる。

上記のステップＳ１０２が完了すると、情報取得部１５において、情報記憶部１４に記憶された情報から、寿命算定に必要な情報として、配管１、ワイヤ２のクリープ定数（定数Ｋ_管およびべき数ｎ_管、定数Ｋ_ワイヤおよびべき数ｎ_ワイヤ）と、寿命予測処理条件（配管１の肉厚ｓおよび外径Ｄ、ワイヤ２の径ｄ、配管１の寿命消費率Ｄｃ、配管１についてのクリープ破断寿命相関式ｔＲ（σ，Ｔ））、使用環境温度Ｔを取得する(ステップＳ１０３)。

続いて、応力演算部１６は、情報取得部１５で取得した寿命算定に必要な情報に基づいて、ワイヤ２による補強後の配管１に、内圧Ｐが作用した時のクリープ応力σ管を求める（ステップＳ１０４）。
これには、以下の式（５）に基づいてクリープ応力σ管を算出する。

ここで、上記の式（５）は、以下のようにして得られる。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ワイヤ２により補強した配管１を、その周方向の一部の一定長の範囲（図４（ａ）、（ｂ）の点線の範囲）を切り出すことによって、図４（ｃ）に示すような検討モデルを生成する。このモデルは、配管１に内圧Ｐが作用したときに、ワイヤ２と配管１とが、それぞれ、両端の二点で支持されて引張応力が作用することを示している。
このモデルにおいて、配管１に内圧Ｐが作用したときの配管１のクリープ速度ε_ｃ管、ワイヤ２のクリープ速度ε_ｃワイヤは、以下の（６）式、（７）式で表わされる。

そして、ワイヤ２により補強された配管１において、配管１に内圧Ｐが作用すると、配管１のクリープ速度ε_ｃ管、ワイヤ２のクリープ速度ε_ｃワイヤは等しい。

また、内圧Ｐが作用したときに、図４（ｂ）の周方向に一定長を有するモデルでは、配管１とワイヤ２が負担する周方向荷重Ｐ_θの総和は、以下の（８）式で表わされる。
さらに、この周方向荷重Ｐ_θは、以下の（９）式で表わされる。

ここで、配管１の断面積とワイヤ２の断面積との間には、図４（ａ）に示すように、一巻き分のワイヤ２におけるワイヤ２と配管１の断面積に基づき、
断面積Ａワイヤ ＝πｄ^２／４
断面積Ａ管 ＝ｄ×ｓ
の関係がある。
このような（６）式〜（９）式に基づいて、上記の（５）式を導出することができる。

さて、ステップＳ１０３において、内圧Ｐが作用した時のクリープ応力σ管を求めた後、寿命算定部１７において、クリープ応力σ管と、使用環境温度Ｔとに基づき、以下の式（１０）式により、ワイヤ２により補強された配管１の、補強後の残寿命ｔを算定する（ステップＳ１０５）。

ここで、上記の式（１０）における（１−Ｄｃ）の項は、補強時における配管１の残寿命率を表しており、配管１の寿命全体を１としたときに、補強時の寿命消費率が例えば０．８ならば、残寿命率（１−Ｄｃ）は０．２となる。

上記の式（１０）に、クリープ応力σ管と、使用環境温度Ｔとを入力することによって、ワイヤ２により補強された配管１を、想定される使用環境温度Ｔで使用したときの、配管１がクリープ破断するまでの残寿命ｔを算定することができる。

上述したようにして、ワイヤ２を配管１に巻き付けて補強を行った場合に、補強後の配管１の残寿命ｔを高精度に予測することが可能となる。その結果、補強後に、補強部位の検査を必要以上に行う必要がなくなり、その手間とコストを抑えることができる。

また、予測された補強後の配管寿命によって、ワイヤ２による配管１の補強効果が十分であるか否かを評価することもできる。例えば、補強前に比較して補強後の配管寿命があまり延びていなければ、補強効果が低いと判断することができる。このような場合には、他の補強手法を用いたり、場合によっては、ワイヤ２による補強よりも、配管１を交換してしまった方が効率的である、等と判断することもできる。

例えば、ワイヤ２を、配管１の軸線方向に間隔（ピッチ）を隔てて配管１に巻き付けた場合、図５（ａ）に示すように、ワイヤ２のピッチが大きいほど、配管１やワイヤ２に作用する応力が大きくなる。
このような場合、図５（ｂ）に示すように、ワイヤ２で補強した配管１をモデル化したときに、モデルにおける計算範囲内において、配管１の断面積に対して、ワイヤ２の断面積が小さくなるのみであり、上記実施形態と同様にして寿命予測を行うことができる。

したがって、ワイヤ２を、ピッチをあけて巻いて補強を行った場合、その補強効果が十分であるか否かを判断できる。これによって、巻き付けるワイヤ２のピッチの許容限界を設定することが可能となる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、配管１の補強にワイヤ２を用いたが、図６に示すように、ワイヤ２に代えて、ワイヤメッシュ５を配管１に巻き付けることによって補強を図ることもできる。ワイヤメッシュ５を用いた場合、図４（ａ）に示したようなモデルにおいて、ワイヤ断面積が２倍になるので、その条件で上記と同様にして寿命予測を行えばよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１ 配管（管）
２ ワイヤ
５ ワイヤメッシュ
１０ 寿命予測システム
１１ 入力部
１２ 処理部
１３ 情報出力部
１４ 情報記憶部
１５ 情報取得部
１６ 応力演算部
１７ 寿命算定部

Claims (2)

1. 配管の外周にワイヤを巻き付けることでクリープ破壊に対する補強を施した高温経年管の寿命予測システムであって、
   前記ワイヤのクリープ定数Ｋ _ワイヤ 及びべき数ｎ _ワイヤ と、補強を施す前の前記配管のクリープ定数Ｋ _管 及びべき数ｎ _管 とを取得する定数取得部と、
   取得した前記クリープ定数Ｋ _ワイヤ ，Ｋ _管、 前記べき数Ｋ _ワイヤ， ｎ _管、 前記配管の肉厚ｓ、前記配管の外径Ｄ、前記ワイヤの直径ｄに基づいて、下記（１）式により補強を施したことにより内圧Ｐが作用した前記配管のクリープ応力σ _管 を求める応力演算部と、
   補強直前の前記配管におけるクリープ破断寿命相関式ｔ _Ｒ （σ，Ｔ）と、補強直前の配管の寿命消費率Ｄｃと、前記応力演算部で求められた前記クリープ応力σ _管 と、前記配管の使用環境温度Ｔとに基づき、下記（２）式により、補強を施した前記配管の残寿命ｔを算定する寿命算定部とを備えることを特徴とする補強を施した高温経年管の寿命予測システム。
   

   

   
2. 配管の外周にワイヤを巻き付けることでクリープ破壊に対する補強を施した高温経年管の寿命予測方法であって、
   前記ワイヤのクリープ定数Ｋ _ワイヤ 及びべき数ｎ _ワイヤ と、補強を施す前の前記配管のクリープ定数Ｋ _管 及びべき数ｎ _管 とを取得するステップと、
   取得した前記クリープ定数Ｋ _ワイヤ ，Ｋ _管、 前記べき数Ｋ _ワイヤ， ｎ _管、 前記配管の肉厚ｓ、前記配管の外径Ｄ、前記ワイヤの直径ｄに基づいて、下記（３）式により補強を施したことにより内圧Ｐが作用した前記配管のクリープ応力σ _管 を求めるステップと、
   補強直前の前記配管におけるクリープ破断寿命相関式ｔ _Ｒ （σ，Ｔ）と、補強直前の配管の寿命消費率Ｄｃと、前記クリープ応力σ _管 を求めるステップで求められた前記クリープ応力σ _管 と、前記配管の使用環境温度Ｔとに基づき、下記（４）式により、補強を施した前記配管の残寿命ｔを算定するステップと、
   を備えることを特徴とする補強を施した高温経年管の寿命予測方法。
   

   

   

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