JP6226112B1 - クリープ疲労試験方法、及びクリープ試験装置の制御装置 - Google Patents
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Abstract
クリープ疲労試験により実機の部材の状況を精度よく模擬する。クリープ試験装置の制御装置は、実機の運転時にクリープ疲労を生じさせる応力が作用する部材の状況を模擬すべく、実機の運転サイクルにおける応力−時間特性に追随するように応力を作用させる制御である応力制御を試験片に対して行うことにより、試験片のひずみ−時間特性を取得し、ひずみ−時間特性におけるひずみの変化に追随するように試験片に応力を作用させる制御であるひずみ制御を、上記運転サイクルについて繰り返し行う。上記応力−時間特性としては、例えば、部材について熱応力解析を行うことにより得られたものを用いる。上記ひずみ制御は、少なくとも上記応力−時間特性において応力が一定となる期間において行う。実機は、例えば、蒸気タービンであり、上記部材は、例えば、蒸気タービンの車室又は弁の少なくとも一部である。
Description
本発明は、クリープ疲労試験方法、及びクリープ試験装置の制御装置に関する。
特許文献１には、応力緩和現象を考慮に入れて蒸気タービンなどの高温に曝される部材の余寿命を評価するため、実機における部材の高温に曝される部位でクリープ疲労の進行状況を調査し、調査したクリープ疲労の進行状況に基づき、クリープの応力緩和現象を考慮した解析手法に基づく逆解析により、実機をモデル化した数値計算モデルに作用させて作用熱応力を求め、数値解析モデルのクリープ疲労が所定の進行状況になるまで、求めた作用熱応力を数値解析モデルに作用させ、解析手法を用いた数値解析を実行し、余寿命を算出することが記載されている。
特許文献２には、残存疲労寿命推定装置が、溶接部の応力又はひずみ、及び変位を連続的に測定し、測定した応力又はひずみ、及び変位を記憶し、応力又はひずみの振幅の頻度を計算し、応力又はひずみ、及び変位の測定中の測定期間を計測し、応力又はひずみと変位との関係における傾きを計算し、傾きの変化量に基づいて疲労亀裂発生寿命を判定し、応力又はひずみの振幅の頻度、測定期間及び疲労寿命データベースに基づいて疲労被害度および残存疲労寿命を計算し、疲労亀裂発生寿命に基づき残存疲労寿命を修正することが記載されている。
火力発電設備における蒸気タービンの車室や弁を構成している鋳鋼構造物の内面等の部材にあっては、蒸気タービンの起動停止時の熱応力変動による高温疲労と運転中の熱応力保持によるクリープを原因として亀裂が発生し進展する。そのため、クリープ疲労試験により亀裂の進展を正確に模擬するには、実機の起動停止時については熱応力変動を、実機の運転中については熱応力保持を、夫々考慮する必要がある。また実機の運転中については、さらにひずみを与え続けることによる応力緩和についても考慮する必要がある。
本発明はこうした背景に鑑みてなされたもので、クリープ疲労試験により実機の状況を精度よく模擬することを目的としている。
上記の課題を解決するための本発明は、クリープ疲労試験方法であって、実機の運転時にクリープ疲労を生じさせる応力が作用する部材の状況を模擬すべく、実機の運転サイクルにおける応力−時間特性に追随するように応力を作用させる制御である応力制御を試験片に対して行うことにより、前記試験片についてひずみ−時間特性を取得する第１ステップと、前記ひずみ−時間特性のひずみの変化に追随するように前記試験片に応力を作用させる制御であるひずみ制御を、前記運転サイクルについて繰り返し行う第２ステップと、を含む。
このように、第１ステップにて取得したひずみ−時間特性のひずみの変化に追随するように第２ステップにて試験片に応力を作用させるひずみ制御を行うことで、実機の起動停止時については熱応力変動を、実機の運転中については熱応力保持を、夫々反映することができる。また実機の運転中については、さらにひずみを与え続けることによる応力緩和についても反映することができる。このため、実機の状況を精度よく模擬することができる。
尚、上記応力−時間特性は、例えば、上記部材について熱応力解析を行うことにより得られたものである。上記第２ステップでは、上記ひずみ制御を少なくとも上記応力−時間特性において行うとしてもよい。上記実機は、例えば、蒸気タービンであり、また上記部材は、例えば、蒸気タービンの車室又は弁の少なくとも一部である。
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
本発明によれば、クリープ疲労試験により実機の状況を精度よく模擬することができる。
以下、本発明の一実施形態として、火力発電設備における蒸気タービン（以下、実機とも称する。）の車室や弁を構成している鋳鋼構造物の内面（以下、模擬対象部材とも称する。）の状況を模擬すべく行われるクリープ疲労試験について説明する。
図１に本実施形態で例示するクリープ試験装置１の概略的な構成を示している。同図に示すように、クリープ試験装置１は、模擬対象部材と同一もしくは模擬対象部材と類似する材質（ＣｒＭｏＶ鋳鋼等の金属材料）からなる試験片２がセットされる恒温槽３（電気炉）、試験片２を固定する上側固定具４ａ及び下側固定具４ｂ、上側ロッド５ａ及び下側ロッド５ｂ、引張圧縮装置６、荷重センサ７、変位センサ８、温度制御装置９、クリープ試験装置１の監視や制御を行う制御装置１０等を備える。制御装置１０には荷重センサ７や変位センサ８から送られてくる計測値が入力される。制御装置１０は引張圧縮装置６及び温度制御装置９と通信可能に接続している。
上側固定具４ａは、棒状に加工された試験片２の上端を固定する機構（チャック等）を備える。下側固定具４ｂは、試験片２の下端を固定する機構（チャック等）を備える。上側ロッド５ａは、上側固定具４ａに連続する棒状の部材であり、上側固定具４ａを上方側から支持する。下側ロッド５ｂは、下側固定具４ｂに連続する棒状の部材であり、下側固定具４ｂを下方側から支持する。
引張圧縮装置６は、下側ロッド５ｂ及び下側固定具４ｂを介して、試験片２に上下方向（試験片２の長手方向）の引張力又は圧縮力を作用させる。引張圧縮装置６は、制御装置１０から送られてくる制御信号に応じて引張力又は圧縮力を調節する機構を備える。上記機構として、例えば、電動機（モータ）とネジ構造とを組み合わせたもの、電動機と歯車を組み合わせたもの、油圧シリンダを用いたもの等がある。
荷重センサ７は、例えば、ひずみゲージ（ロードセル）を用いて構成される。荷重センサ７は、例えば、上側ロッド５ａの所定位置に設けられる。荷重センサ７は、試験片２に作用している引張力又は圧縮力の大きさを計測し、計測した値を制御装置１０に入力する。
変位センサ８は、例えば、ひずみゲージ（ロードセル）を用いて構成される。変位センサ８は、試験片２の変位（伸縮量）を計測し、計測した値を制御装置１０に入力する。
温度制御装置９は、恒温槽３内に設けられた温度センサ９ａから入力される値（恒温槽内（試験片）の温度）に基づくフィードバック制御により恒温槽３内に設けられたヒータ９ｂに供給する電力を調整し、恒温槽３内の温度（試験片２の温度）を制御する。温度制御装置９は、例えば、恒温槽内の温度（試験片２の温度）が制御装置１０から送られてくる設定温度になるようにヒータ９ｂに供給する電力を調整する。温度制御装置９は、温度センサ９ａにより計測された恒温槽３内の温度（試験片２の温度）の情報を制御装置１０に入力する。
尚、試験片２に作用する応力は試験片２の断面積によって変化するため、例えば、試験片２の形状（外形（外径））に関する情報を計測して制御装置１０に入力する形状センサをクリープ試験装置１に設けてもよい。上記形状センサとして、例えば、レーザ光を利用するもの（レーザ変位センサ）等がある。クリープ試験装置１は、上記形状センサから入力される値（断面積）を用いて試験片２に作用する応力を精度よく算出する。
制御装置１０は、荷重センサ７や変位センサ８から入力される信号に基づき引張圧縮装置６をフィードバック制御することにより試験片２に作用する応力を制御する。
図２に制御装置１０のハードウェア構成を示している。制御装置１０は、プロセッサ１１、メモリ１２、記憶装置１３、入力装置１４、出力装置１５、及び通信装置１６を備え、情報処理装置（コンピュータ）として機能する。プロセッサ１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等であり、メモリ１２や記憶装置１３からプログラムを読み出して実行する。メモリ１２は、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＮＶＲＡＭ（Non-Volatile RAM）等であり、プログラムやデータを記憶する。記憶装置１３は、ハードディスクドライブ、ＳＳＤ（Solid State Drive）等であり、プログラムやデータを記憶する。入力装置１４は、ユーザから操作入力を受け付けるインタフェースであり、タッチパネル、キーパッド、キーボード、マウス等である。出力装置１５は、ユーザに情報を提供するインタフェースであり、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等である。通信装置１６は、引張圧縮装置６、荷重センサ７、変位センサ８、及び温度制御装置９の各装置と通信するインタフェースを含み、例えば、Ｉ２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＲＳ−２３２Ｃ等のプロトコルに従って上記各装置と通信する。
図３に制御装置１０が備える機能、及び制御装置１０が記憶するデータを示している。同図に示すように、制御装置１０は、クリープ疲労試験実施部１１０を備える。またクリープ疲労試験実施部１１０は、応力−時間特性取得部１１１、応力制御試験処理部１１２、及びひずみ制御試験処理部１１３、の各機能を備える。これらの機能は、プロセッサ１１が、メモリ１２や記憶装置１３に格納されているプログラムを読み出して実行することにより、もしくは、制御装置１０が備えるハードウェア（ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）等）により実現される。また同図に示すように、制御装置１０は、応力−時間特性１２１、ひずみ−時間特性１２２、及びクリープ疲労試験結果１２３を記憶する。
クリープ疲労試験実施部１１０は、応力−時間特性取得部１１１、応力制御試験処理部１１２、及びひずみ制御試験処理部１１３の各機能により、試験片２についてクリープ疲労試験を実施する。
応力−時間特性取得部１１１は、実機の起動から停止までの運転サイクルにおける模擬対象部材の応力−時間特性を取得し、取得した応力−時間特性を応力−時間特性１２１として記憶する。応力−時間特性取得部１１１は、例えば、他の情報処理装置によって生成された応力−時間特性を、入力装置１４や通信装置１６を介して取得する。また応力−時間特性取得部１１１は、例えば、模擬対象部材について有限要素法による熱応力解析を行うことにより、応力−時間特性を取得する。尚、クリープ疲労試験を効率よく行うべく、応力−時間特性取得部１１１が取得する応力−時間特性として、実機の運転サイクルに時間軸を短縮したものを用いてもよい。
応力制御試験処理部１１２は、応力−時間特性１２１に追随するように試験片２に応力を作用させる制御（以下、応力制御とも称する。）を行うことにより、試験片２についてひずみ−時間特性を取得する。応力制御試験処理部１１２は、取得したひずみ−時間特性をひずみ−時間特性１２２として記憶する。
ひずみ制御試験処理部１１３は、ひずみ−時間特性１２２のひずみの変化に追随するように試験片２に応力を作用させる制御（以下、ひずみ制御とも称する。）を繰り返し行うことにより試験片２についてクリープ試験を行う。ひずみ制御試験処理部１１３は、上記ひずみ制御を、少なくとも応力−時間特性１２１において応力が一定となる期間において行う。
続いて、試験片２についてクリープ疲労試験を行う際にクリープ疲労試験実施部１１０が行う処理（以下、クリープ疲労試験処理Ｓ４００と称する。）について説明する。
図４は、クリープ疲労試験処理Ｓ４００を説明するフローチャートである。以下、同図とともにクリープ疲労試験処理Ｓ４００について説明する。
同図に示すように、まず応力−時間特性取得部１１１が、実機の起動から停止までの運転サイクルにおける模擬対象部材の応力−時間特性を取得し、取得した応力−時間特性を応力−時間特性１２１として記憶する（Ｓ４１１）。
図５に応力−時間特性１２１の一例を示す。同図に示すグラフの横軸の時間幅は、実機の起動から停止までの１回の運転サイクルに相当する。尚、クリープ疲労試験を効率よく行うべく、上記時間幅は実際の時間幅よりも適宜短縮される。
同図において、０〜０．６（ｈ）の期間は実機の起動期間に相当し、このうち０〜０．２（ｈ）の期間は圧縮力が、また０．２〜０．６（ｈ）の期間は引張力が、試験片２に作用している。また０．６〜３．４（ｈ）の期間は実機の運転期間（高温保持）に相当し、試験片２に作用する応力は一定である。また３．４〜３．６（ｈ）の期間は実機の停止期間に相当し、３．４〜３．５（ｈ）の期間は引張力が、３．５〜３．６（ｈ）の期間は圧縮力が、試験片２に作用している。
図４に戻り、続いて、応力制御試験処理部１１２が、実機の起動から停止までの一回の運転サイクルについて、Ｓ４１１で記憶した応力−時間特性１２１に追随するように試験片２に応力を作用させる制御（応力制御）を行うことにより、試験片２についてひずみ−時間特性を取得し、取得したひずみ−時間特性をひずみ−時間特性１２２として記憶する（Ｓ４１２）。
図６に、ひずみ−時間特性１２２の一例を示す。同図において、０〜０．６（ｈ）の実機の起動期間のうち、０〜０．２（ｈ）の期間は圧縮力によりひずみが減少し、０．２〜０．６（ｈ）の期間は引張力によりひずみが増加している。また０．６〜３．４（ｈ）の実機の運転期間（高温保持）では試験片２に作用する応力は一定であり、ひずみは徐々に増大している。また３．４〜３．６（ｈ）の実機の停止期間のうち、３．４〜３．５（ｈ）の期間は引張力が減少してひずみが減少し、３．５〜３．６（ｈ）の期間は圧縮力によりひずみがさらに減少している。
図４に戻り、続いて、ひずみ制御試験処理部１１３は、実機の起動から停止までの一回の運転サイクルについて、ひずみ−時間特性１２２のひずみの変化に追随するように試験片２に応力を作用させる制御（ひずみ制御）を行う（Ｓ４１３）。
具体的には、ひずみ制御試験処理部１１３は、ひずみ−時間特性１２２のひずみの変化に追随するように試験片２に応力を作用させる制御（ひずみ制御）を行う。これによりひずみについては図６のグラフに従って変化させつつ、応力が時間とともに低下していく様子、即ち応力緩和を模擬することができる。
図４に戻り、クリープ疲労試験実施部１１０は、停止条件が成立するまで、Ｓ４１３の処理を繰り返すことにより、試験片２についてクリープ疲労試験を行う（Ｓ４１４：ＮＯ）。ここで停止条件とは、例えば、試験片２が破断したこと、Ｓ４１３の処理の実行回数が予め設定された繰り返し回数に達したこと等である。
Ｓ４１４において停止条件が成立すると（Ｓ４１４：ＹＥＳ）、クリープ疲労試験実施部１１０は、試験結果（試験片２が破断するまでの運転サイクルの実行回数、クリープ疲労試験中に試験片２の状態について取得される各種情報等）を出力する（４１５）。
以上に説明したように、本実施形態のクリープ疲労試験においては、応力制御試験処理部１１２によって取得されたひずみ−時間特性１２２のひずみの変化に追随するようにひずみ制御試験処理部１１３が試験片２に応力を作用させるひずみ制御を行うことで、実機の起動停止時については熱応力変動を、実機の運転中については熱応力保持を、夫々反映することができる。また実機の運転中については、さらにひずみを与え続けることによる応力緩和についても反映することができる。このため、実機の状況を精度よく模擬することができる。
尚、以上に説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
１ クリープ試験装置、２ 試験片、３ 高温槽、４ａ 上側固定具、４ｂ 下側固定具、５ａ 上側ロッド、５ｂ 下側ロッド、６ 引張圧縮装置、７ 荷重センサ、８ 変位センサ、９ 温度制御装置、１０ 制御装置、１１０ クリープ疲労試験実施部、１１１ 応力−時間特性取得部、１１２ 応力制御試験処理部、１１３ ひずみ制御試験処理部、１２１ 応力−時間特性、１２２ ひずみ−時間特性、１２３ クリープ疲労試験結果
Claims (8)
- クリープ疲労試験方法であって、
実機の運転時にクリープ疲労を生じさせる応力が作用する部材の状況を模擬すべく、実機の運転サイクルにおける応力−時間特性に追随するように応力を作用させる制御である応力制御を試験片に対して行うことにより、前記試験片についてひずみ−時間特性を取得する第１ステップと、
前記ひずみ−時間特性のひずみの変化に追随するように前記試験片に応力を作用させる制御であるひずみ制御を、前記運転サイクルについて繰り返し行う第２ステップと、
を含む、クリープ疲労試験方法。 - 請求項１に記載のクリープ疲労試験方法であって、
前記応力−時間特性は前記部材について熱応力解析を行うことにより得られたものである、
クリープ疲労試験方法。 - 請求項１又は２に記載のクリープ疲労試験方法であって、
前記第２ステップにおいて、前記ひずみ制御を少なくとも前記応力−時間特性において応力が一定となる期間において行う、
クリープ疲労試験方法。 - 請求項１又は２に記載のクリープ疲労試験方法であって、
前記実機は蒸気タービンであり、前記部材は蒸気タービンの車室又は弁の少なくとも一部である、
クリープ疲労試験方法。 - クリープ試験装置の制御装置であって、
実機の運転時にクリープ疲労を生じさせる応力が作用する部材の状況を模擬すべく、実機の運転サイクルにおける応力−時間特性に追随するように応力を作用させる制御である応力制御を試験片に対して行うことにより、前記試験片についてひずみ−時間特性を取得する、応力制御試験処理部と、
前記ひずみ−時間特性のひずみの変化に追随するように前記試験片に応力を作用させる制御であるひずみ制御を、前記運転サイクルについて繰り返し行う、ひずみ制御試験処理部と、
を備える、クリープ試験装置の制御装置。 - 請求項５に記載のクリープ試験装置の制御装置であって、
前記応力−時間特性は前記部材について熱応力解析を行うことにより得られたものである、
クリープ試験装置の制御装置。 - 請求項５又は６に記載のクリープ試験装置の制御装置であって、
前記ひずみ制御試験処理部は、前記ひずみ制御を少なくとも前記応力−時間特性において応力が一定となる期間において行う、
クリープ試験装置の制御装置。 - 請求項５又は６に記載のクリープ試験装置の制御装置であって、
前記実機は蒸気タービンであり、前記部材は蒸気タービンの車室又は弁の少なくとも一部である、
クリープ試験装置の制御装置。
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