JP6481369B2 - Method for estimating the life of thermally expandable refractory materials - Google Patents
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本発明は、熱膨張性耐火材の寿命測定方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring the lifetime of a thermally expandable refractory material.
例えば原子力発電所等の建屋では、建屋の壁部に設けられた貫通孔を介して多数の配管やダクトが敷設されている。このような配管を通じて各種流体の供給や排出が行われる。配管と貫通孔との間には、屋内外の水密性又は気密性を確保するためにシール構造が設けられている。 For example, in a building such as a nuclear power plant, a large number of pipes and ducts are laid through through holes provided in a wall of the building. Various fluids are supplied and discharged through such piping. A seal structure is provided between the pipe and the through hole in order to ensure indoor or outdoor watertightness or airtightness.
このようなシール構造の一例として、下記特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1に記載されたシール構造は、貫通孔の内周面と配設部材(配管等)の外周面との間に充填された充填シール材と、充填シール材の屋外側に設けられた伸縮性部材と、を備えている。このような構成により、地震等の外力によって配設部材が貫通孔に対して相対変位した場合、伸縮性部材が変位に追従することで、地震の前後でシール性能を確保することができるとされている。なお、建屋と建屋の間の壁の貫通孔の場合は、伸縮性部材は、充填シール材の両面に設置していてもよい。
As an example of such a seal structure, one described in
一方、建屋を仕切る壁の貫通孔に配管を通す場合、壁と配管の隙間を通じて火炎が隣接する建屋に燃え移ることを防止するという要請もある。このために、隙間に熱膨張性耐火材を充填する例が知られている。熱膨脹性耐火材は、層状の化合物を含み、特定温度以上の熱源に曝されることで体積膨張する特性を備えている。具体的には、このような層状化合物として熱膨張性黒鉛や、バーミキュライト等の層間化合物が採用される。これらの層間化合物は、層間に、熱によってガス化・膨張する特性を備えた層間物を介在させた構造を有している。熱に曝された層間物は特定の温度に達するとガス化・膨張する。これにより、熱膨張性耐火材の体積が増加する。 On the other hand, when pipes are passed through the through holes in the wall that partitions the building, there is also a demand to prevent the flame from burning into the adjacent building through the gap between the wall and the pipe. For this reason, an example in which a gap is filled with a thermally expandable refractory material is known. The heat-expandable refractory material includes a layered compound, and has a property of expanding in volume when exposed to a heat source having a specific temperature or higher. Specifically, intercalation compounds such as thermally expandable graphite and vermiculite are employed as such layered compounds. These intercalation compounds have a structure in which interlaminars having the property of gasifying and expanding by heat are interposed between layers. Interlayers exposed to heat gasify and expand when a certain temperature is reached. Thereby, the volume of a thermally expansible refractory material increases.
このような熱膨脹性耐火材を建屋の壁部の貫通孔出入口に適用すれば、震災等によって配管と貫通孔内壁の間に発生した隙間を、火災時の熱によって膨張した熱膨張性耐火材によって閉塞することができる。すなわち、この隙間を通じて隣の建屋に火炎や熱が伝搬することを抑制することができる。 If such a heat-expandable refractory material is applied to the through-hole entrance / exit of the wall of the building, the gap between the pipe and the inner wall of the through-hole caused by the earthquake etc. will expand the heat-expandable refractory material due to the heat at the time of fire Can be occluded. That is, it is possible to suppress the propagation of flame and heat to the adjacent building through this gap.
しかしながら、上記のような熱膨張性耐火材を採用するに当たっては、その寿命の推定が難しいことが従来知られている。例えば、上述した原子力発電所等のプラントでは、建屋内外を連通する配管を通じて供給あるいは排出される流体は高温状態となるものが多い。このような高温流体の熱が熱膨脹性耐火材中に含まれる層間化合物に及んだ場合、層間化合物が加温され長期間をかけて層間物の脱離反応を起こす可能性がある。脱離反応が進行した場合、層間化合物の膨張率は所期の値を下回る懸念があり、実際の災害発生時等に、熱膨張性耐火材としての十分な性能を発揮できなくなる可能性がある。したがって、熱膨張性耐火材の寿命を容易かつ高精度で推定することを可能にする技術が望まれている。
特に従来は、実機プラントの特定の温度環境下で膨張耐火材が、例えば5年間保持された後、その膨張率が何倍になるのかを推定する方法が無く、膨張倍率を確認するためには実際に5年間、その温度で保持することで試験を行う以外に有効な方法が無かった。
However, it has been conventionally known that it is difficult to estimate the life of the heat-expandable refractory material as described above. For example, in a plant such as the above-described nuclear power plant, the fluid supplied or discharged through a pipe communicating outside the building is often in a high temperature state. When the heat of such a high-temperature fluid reaches the intercalation compound contained in the heat-expandable refractory material, the intercalation compound may be heated to cause a desorption reaction of the interlaminar over a long period of time. When the elimination reaction proceeds, there is a concern that the expansion rate of the intercalation compound may be lower than the expected value, and there is a possibility that sufficient performance as a thermally expandable refractory material may not be exhibited when an actual disaster occurs. . Therefore, a technique that makes it possible to estimate the life of a thermally expandable refractory material easily and with high accuracy is desired.
In particular, there is no conventional method for estimating the expansion rate of an expanded refractory material under a specific temperature environment of an actual plant, for example, after being held for 5 years. In fact, there was no effective method other than conducting the test by holding at that temperature for 5 years.
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであって、容易かつ高精度な熱膨脹性耐火材の寿命推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an easy and highly accurate method for estimating the life of a heat-expandable refractory material.
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
本発明の一態様に係る熱膨脹性耐火材寿命推定方法は、層間化合物を含む熱膨張性耐火材の寿命推定方法であって、前記層間化合物を特定温度に曝した場合における質量減少率と体積膨張率との関係を取得することにより、必要とされる体積膨張率における質量減少率である許容質量減少率を求める質量減少率算出ステップと、互いに異なる複数の昇温速度で層間化合物を加熱した場合における前記許容質量減少率に到達する到達温度を、前記昇温速度ごとに測定する到達温度測定ステップと、前記到達温度測定ステップでの測定結果に基づいて、各昇温速度の対数と前記到達温度の逆数の関係をプロットし、これらプロットの傾きを活性化エネルギーの値として取得する活性化エネルギー取得ステップと、下記式に基づいて、前記活性化エネルギーの値を代入値として代入することにより、任意温度における前記許容質量減少率に到達するまでの耐用時間を算出する耐用時間算出ステップと、を含む。
τは前記耐用時間、ΔEは前記活性化エネルギー、Rは気体定数、Tは前記到達温度、Φは前記昇温速度、である。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The thermal expansion refractory life estimation method according to one aspect of the present invention is a lifetime estimation method for a thermal expansion refractory material containing an intercalation compound, wherein the mass reduction rate and volume expansion when the intercalation compound is exposed to a specific temperature. When the intercalation compound is heated at a plurality of different heating rates, and the mass reduction rate calculation step for obtaining the allowable mass reduction rate that is the mass reduction rate in the required volume expansion rate by obtaining the relationship with the rate And a logarithm of each temperature increase rate and the temperature reached based on a measurement result in the temperature reached measurement step for each temperature increase rate, and a measurement result in the temperature reached measurement step. And the activation energy acquisition step of acquiring the slope of these plots as the value of the activation energy, and the activation energy based on the following equation: By substituting the value of Energy as an assignment value, including a service life calculation step of calculating the useful time to reach the permissible mass reduction rate at any temperature, the.
τ is the service life, ΔE is the activation energy, R is a gas constant, T is the ultimate temperature, and Φ is the rate of temperature increase.
このような方法によれば、許容質量減少率に至るまでの時間を、層間化合物の活性化エネルギーの値から容易に推定することができる。ここで、許容質量減少率は、必要とされる体積膨張率を呈する時の質量減少率の値である。すなわち、この許容質量減少率に至るまでの時間を得ることで、必要とされる体積膨張率を維持できる時間、すなわち寿命を推定することができる。 According to such a method, the time to reach the allowable mass reduction rate can be easily estimated from the value of the activation energy of the intercalation compound. Here, the allowable mass reduction rate is the value of the mass reduction rate when exhibiting the required volume expansion rate. That is, by obtaining the time to reach this allowable mass reduction rate, it is possible to estimate the time during which the required volume expansion rate can be maintained, that is, the lifetime.
さらに、本発明の一態様に係る熱膨脹性耐火材の寿命推定方法は、互いに異なる複数の前記質量減少率ごとに、前記到達温度測定ステップから前記活性化エネルギー取得ステップまでの各ステップを複数回ずつ繰り返すことで、複数の前記活性化エネルギーの値を取得する繰り返しステップと、前記複数の前記活性化エネルギーの値同士の差分が目標とする閾値以下であるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップにて、前記差分が前記閾値以下であると判定された場合に、前記耐用時間算出ステップにおける前記代入値としての前記活性化エネルギーの値を決定する代入値決定ステップと、をさらに備えてもよい。 Furthermore, in the method for estimating the lifetime of the thermally expandable refractory material according to one aspect of the present invention, each step from the ultimate temperature measurement step to the activation energy acquisition step is performed a plurality of times for each of the plurality of different mass reduction rates. A repetition step of obtaining a plurality of values of the activation energy by repeating, a determination step of determining whether a difference between the values of the plurality of activation energy is equal to or less than a target threshold value, A substitution value determination step of determining a value of the activation energy as the substitution value in the durable time calculation step when it is determined in the determination step that the difference is equal to or less than the threshold value; Also good.
このような方法によれば、繰り返しステップによって、異なる質量減少率の下での活性化エネルギーの値がそれぞれ得られるとともに、これらの活性化エネルギーが後続の判定ステップにおいて比較される。これら複数の活性化エネルギーの差が閾値以下である場合、同一の反応機構を経ているものと認められることから、後続の耐用時間算出ステップによって得られる結果値の確からしさ・信頼度をさらに高めることができる。 According to such a method, the values of activation energies under different mass reduction rates are respectively obtained by the repetition step, and these activation energies are compared in subsequent determination steps. If the difference between these activation energies is less than or equal to the threshold value, it is recognized that they have undergone the same reaction mechanism, so that the accuracy and reliability of the result value obtained in the subsequent service life calculation step is further increased. Can do.
本発明によれば、容易かつ高精度な熱膨脹性耐火材の寿命推定方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lifetime estimation method of an easily and highly accurate heat-expandable refractory material can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面及び数式を参照して説明する。
本実施形態に係る熱膨脹性耐火材の寿命推定方法は、例えば原子力発電設備の建屋において、建屋を構成する壁部10の貫通孔11と、この貫通孔11に挿通される配管やダクトを含む配設部材12との間に設けられるシール構造100に適用される(図1(a)参照)。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings and mathematical formulas.
For example, in a building of a nuclear power generation facility, a life estimation method for a heat-expandable refractory material according to the present embodiment includes a through
壁部10は、コンクリート等によって形成されることで、建屋の内外及び建屋間を隔てている。地震発生後に火災が発生する場合を想定し、この壁部10を挟んで、火災が発生した側の面は面10Aとされ、火災が発生していない側の面は面10Bとされている。さらに、壁部10にはこれら面10A側と面10B側とを連通する貫通孔11が形成されている。
The
貫通孔11には、管状に形成された配設部材12が挿通される。貫通孔11の開孔径はこの配設部材12の外径よりも大きく形成されている。これにより、貫通孔11の内周面と配設部材12の外周面との間には一定の間隙が形成される。貫通孔11と配設部材12の外周面との間の間隙には、屋内外及び建屋間の水密性又は気密性を確保するためのシール本体13が設けられている。
さらに、震災等によって配設部材12と貫通孔11の内壁との間にさらなる間隙が発生した後に火災が発生した場合に、火炎が隣接する建屋へ伝搬することを防ぐ目的で、熱膨張性耐火材14が設置されている。
An
Furthermore, in order to prevent a flame from propagating to an adjacent building when a fire occurs after a further gap is generated between the
シール本体13は、充填シール材13Aと、伸縮性部材13Cと、これら充填シール材13Aと伸縮性部材13Cとの間に介在するブレーカ材13Bと、を有している。さらに、伸縮性部材13Cの外側(すなわち、屋内側又は屋外側に面する側)には、熱膨脹性耐火材14がそれぞれ設けられている。
これらシール本体13及び熱膨張性耐火材14は、貫通孔11の内周面に対して固定材(不図示)によって固定されている。
The
The
充填シール材13Aは、耐熱性を有する弾性発泡材で形成されている。この充填シール材13Aは、貫通孔11の内周面と配設部材12との間に液相状態で充填された後、硬化することで貫通孔11の内周面と配設部材12との間をシールすることで、水密性を確保する部材である。
The
伸縮性部材13Cは、充填シール材13Aの屋外側及び屋内側の両面に設けられる、高い伸縮性を有する部材である。伸縮性部材13Cの外周側は貫通孔11の内周面に固定され、内周側は配設部材12の外周面に固定されている。さらに、伸縮性部材13Cと配設部材12との間、及び伸縮性部材13Cと貫通孔11との間には、不図示のプライマーが塗布されることが望ましい。このプライマーにより、伸縮性部材13Cと貫通孔11との間の接着強度、及び伸縮性部材13Cと配設部材12との間の接着強度をそれぞれ向上させることができる。
The
ブレーカ材13Bは、充填シール材13Aと伸縮性部材13Cの相対移動を許容するために設けられる。このようなブレーカ材13Bとしては、例えば板状に成形した発泡ポリエチレンや、ポリテトラフルオロエチレンのフィルム、シリコーン加工紙のような剥離紙等が好適に用いられる。
The
熱膨脹性耐火材14は、火炎等の熱源に曝されることで体積膨張する特性を備えている。このような材料としては、熱膨張性黒鉛や、バーミキュライト等の層状化合物が挙げられる。さらに、熱膨張性耐火材は、上記の層状化合物以外の成分として、形状を維持するためのマトリックス成分を有していてもよい。マトリックス成分は、層状化合物の膨張を妨げないように、燃焼時に消失する有機成分であることが望ましい。このような材料としては、ブチルゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム等のゴム系材料や、鉱物油等の油性材料が特に好適に用いられる。また、熱膨張性耐火材中における層状化合物の占める重量比率は、10〜60重量%であることが望ましい。
The heat-expandable
固定材としては、例えばロックウールやモルタル等が用いられる。また、シール本体13及び熱膨張性耐火材14と配設部材12との間にそれぞれ保温部材を設けてもよい。
As the fixing material, for example, rock wool or mortar is used. Further, a heat retaining member may be provided between the
熱膨脹性黒鉛は少なくとも、炭素原子から成る六角板状結晶が積層されたグラファイト層と、これらグラファイト層同士の間(層間)に挿入された層間物と、を含む炭素化合物である。層間物の一例としては、例えば硫酸塩と水とを含む化合物が考えられる。 The heat-expandable graphite is a carbon compound including at least a graphite layer in which hexagonal plate-like crystals composed of carbon atoms are laminated, and an interlayer inserted between these graphite layers (interlayers). As an example of the interlayer, for example, a compound containing sulfate and water can be considered.
このような熱膨脹性黒鉛が加熱された場合、上記の層間物が急速に分解・ガス化する。ガス化した層間物は、隣接するグラファイト層間隔を急激に押し広げる。これにより、熱膨張性黒鉛の体積が膨張することとなる。 When such a heat-expandable graphite is heated, the above-mentioned interlayer is rapidly decomposed and gasified. The gasified interlayer sharply expands the interval between adjacent graphite layers. As a result, the volume of the thermally expandable graphite expands.
さらに、バーミキュライトは、シリカアルミナから成る板状結晶が積層された層と層間に挿入された層間物からなる粘土鉱物である。層間物の一例としては、例えばアルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属のイオンと水が考えられる。 Further, vermiculite is a clay mineral composed of a layer in which plate-like crystals made of silica alumina are laminated and an interlayer inserted between the layers. As an example of the interlayer, for example, ions of alkali metal or alkaline earth metal and water can be considered.
さらに、火災などの熱によって膨張した熱膨張性耐火材14は、一定の時間、膨張した形状を保持することができる。
Furthermore, the heat-expandable
したがって、熱膨張性耐火材14をシール本体13の両側に設置した場合、地震によりシール本体13及び熱膨張性耐火材14と配設部材12との間に隙間15が生じ、その後に火災が発生しても、隣接する建屋への火炎の伝搬を抑制することができる。具体的には、図1(b)に示すように、震災によってシール本体13や熱膨張性耐火材14が損壊あるいは変形し、同時に壁部10の近傍(面10A側)で火災が発生した場合、火炎の温度に曝された膨張前の熱膨張性耐火材14(14A)が体積膨張することで損壊箇所を含む貫通孔11の全体を閉塞する(14B)。これにより、壁部10における面10B側への火炎の伝搬が防止され、隣接する建屋への延焼を防ぐことができる。
Therefore, when the heat-expandable
ここで、上述した原子力発電所等では、配設部材12中を流通する流体は、熱膨張性耐火材14の分解が生じる分解温度以下でありながらも、比較的に高温の状態となるものが多い。このような流体の熱が熱膨脹性耐火材14中の層間化合物に及んだ場合、長期稼働の間に層間化合物から徐々に層間物が脱離する可能性がある。この脱離反応が進行した場合、層間化合物の膨張率は予め設定された設計値を下回る懸念がある。このような場合、熱膨張性耐火材14が耐用寿命を迎えたものと判断される。
Here, in the above-described nuclear power plant or the like, the fluid flowing in the disposing
本実施形態に係る熱膨脹性耐火材14の寿命推定方法は、上述のような脱離反応が発生し得る環境下で運用される熱膨脹性耐火材14の寿命を推定するために用いられる。具体的には、この寿命推定方法は、質量減少率算出ステップと、到達温度測定ステップと、活性化エネルギー取得ステップと、耐用時間算出ステップと、を含む。
The lifetime estimation method of the thermally expandable
質量減少率算出ステップでは、熱膨張性耐火材を一定の環境温度下で長時間にわたって保持した場合における質量減少率が算出される。質量減少率とは、初期状態における熱膨張性耐火材の質量(初期質量)に対して、上記の脱離反応によって生じる質量の減少量を質量パーセント(wt%)で表現したものである。この質量減少率は下記のような特性を示す。 In the mass reduction rate calculation step, a mass reduction rate is calculated when the thermally expandable refractory material is held for a long time at a constant environmental temperature. The mass reduction rate is a mass percent (wt%) of the mass reduction caused by the above desorption reaction with respect to the mass (initial mass) of the thermally expandable refractory material in the initial state. This mass reduction rate exhibits the following characteristics.
図2に示すように、熱膨脹性耐火材は、上記の分解温度値以下の特定の環境温度下で長時間にわたって保持された場合、保持時間の開始直後には、層間物の本来の脱離の活性化エネルギーより小さい吸着エネルギーで層状化合物に吸着した物質、あるはマトリックス中の低温揮発成分の脱離に伴う質量減少が起こる。次いで層間物の脱離に伴う質量減少が起こる。 As shown in FIG. 2, when the heat-expandable refractory material is held for a long time at a specific environmental temperature equal to or lower than the above decomposition temperature value, immediately after the start of the holding time, Mass reduction occurs due to desorption of substances adsorbed on the layered compound with an adsorption energy smaller than the activation energy, or low-temperature volatile components in the matrix. Next, mass loss accompanying delamination of the interlayer occurs.
一定の保持時間が経過し、一定の保持温度に相当する脱離の活性化エネルギー以下の脱離の活性化エネルギーを有する物質の脱離が完了し、特定の質量減少率に達した時点で質量の減少は実質的に終息する。
加えて、図3に示すように、熱膨張性耐火材の熱膨張率は、この質量減少率の値に依存する特性を有している。すなわち、質量減少率が特定の値を取る場合、熱膨張率は一意に決定される。さらに、質量減少率の値が増加した場合、熱膨張率は減少する傾向を示す。
Mass when a certain retention time has elapsed and desorption of a substance having an activation energy equal to or lower than the desorption activation energy corresponding to a certain holding temperature is completed and a specific mass reduction rate is reached. The decrease is substantially terminated.
In addition, as shown in FIG. 3, the coefficient of thermal expansion of the thermally expandable refractory material has a characteristic that depends on the value of the mass reduction rate. That is, when the mass reduction rate takes a specific value, the coefficient of thermal expansion is uniquely determined. Furthermore, when the value of the mass reduction rate increases, the thermal expansion coefficient tends to decrease.
上述の熱膨脹性耐火材を適用した場合、貫通孔の開孔径及び熱膨張性耐火材の使用量等に基づいて、有事に必要とされる熱膨張率が目標熱膨張率X1として予め決定される。すなわち目標熱膨張率X1の分だけ膨張した熱膨脹性耐火材は、貫通孔を十分に閉塞することが可能となる。 When the above-mentioned heat-expandable refractory material is applied, the necessary thermal expansion coefficient is determined in advance as the target thermal expansion coefficient X1 based on the opening diameter of the through holes and the amount of use of the heat-expandable refractory material. . That is, the heat-expandable refractory material expanded by the target coefficient of thermal expansion X1 can sufficiently close the through hole.
ここで、上記のように質量減少率が特定の値を取る場合、熱膨張率は一意に決定される。したがって、予め決定された目標熱膨張率X1の値に基づいて、この値を達成可能な質量減少率(以下、許容質量減少率wt1と定義する)が求められる。以上により、質量減少率算出ステップが完了する。 Here, when the mass reduction rate takes a specific value as described above, the thermal expansion coefficient is uniquely determined. Therefore, based on a predetermined target thermal expansion coefficient X1, a mass reduction rate that can achieve this value (hereinafter defined as an allowable mass reduction rate wt1) is obtained. Thus, the mass reduction rate calculation step is completed.
なお、この許容質量減少率wt1を実際に求めるに当たっては、熱膨張性耐火材の試料切片を一定の環境温度下で保持することで、図2に示すグラフを取得するとともに、この試料切片を層間物の分解温度以上の温度下、例えば600℃で燃焼させることで、図3に示す熱膨張率と質量減少率との相関を表すグラフを取得することができる。 In order to actually determine the allowable mass reduction rate wt1, by holding the sample section of the thermally expandable refractory material at a constant environmental temperature, the graph shown in FIG. By burning at a temperature equal to or higher than the decomposition temperature of the object, for example, at 600 ° C., a graph showing the correlation between the coefficient of thermal expansion and the mass reduction rate shown in FIG. 3 can be obtained.
続いて、上述の許容質量減少率wt1に基づいて、到達温度測定ステップを実施する。到達温度測定ステップでは、許容質量減少率wt1を示すような温度値が求められる。具体的には、上述の試料切片の環境温度を一定の速度で昇温させながら試料切片の質量変化を測定し、許容質量減少率wt1に達した時点における温度値を、到達温度Tとして取得する。 Subsequently, an ultimate temperature measurement step is performed based on the above-described allowable mass reduction rate wt1. In the ultimate temperature measurement step, a temperature value indicating the allowable mass reduction rate wt1 is obtained. Specifically, the mass change of the sample section is measured while raising the ambient temperature of the sample section at a constant rate, and the temperature value at the time when the allowable mass reduction rate wt1 is reached is acquired as the reached temperature T. .
本実施形態では、図4に示すように、互いに異なる複数(4つ)の昇温速度Φ1,Φ2,Φ3,Φ4ごとに、それぞれの到達温度T(T1,T2,T3,T4)を測定する。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the ultimate temperatures T (T1, T2, T3, T4) are measured for each of a plurality (four) of temperature increase rates Φ1, Φ2, Φ3, and Φ4. .
続いて、上記の到達温度Tの各値に基づいて、後続の活性化エネルギー取得ステップを実行する。本ステップでは、非定温速度論解析として公知の手法である小澤法に基づいて、熱膨張性耐火材の層間物が脱離する際の活性化エネルギーが推定される。以下で、本ステップの詳細について説明する。 Subsequently, the subsequent activation energy acquisition step is executed based on each value of the reached temperature T. In this step, the activation energy when the interlayer of the thermally expandable refractory is desorbed is estimated based on the Ozawa method, which is a well-known method for non-constant temperature kinetic analysis. Details of this step will be described below.
小澤法は、上述した昇温速度Φと、活性化エネルギーΔEと、到達温度Tとの間に、以下の(1)式に示すような関係があることを示している。なお、(1)式において、Rは気体定数を表している。 The Ozawa method shows that there is a relationship represented by the following equation (1) among the above-described temperature increase rate Φ, activation energy ΔE, and ultimate temperature T. In the formula (1), R represents a gas constant.
ここで、上述の昇温速度Φ1〜Φ4それぞれの対数(LogΦ)と、到達温度T1〜T4それぞれの逆数(1/T1,1/T2,1/T3,1/T4)の関係をプロットすると、図5に示すようなグラフが得られる。このグラフに示すように、特定の質量減少率(許容質量減少率wt1)の下では、これら昇温速度Φの対数と、到達温度Tの逆数との間の関係は一定の傾きAを有する一次関数として近似(直線近似)できることが分かる。すなわち、(1)式を(1´)式のように変形した場合、LogΦは、傾きAとして(0.4567×ΔE)/Rを有する、1/Tの一次関数として表現される。 Here, when the relationship between the logarithm (LogΦ) of each of the temperature rising speeds Φ1 to Φ4 and the reciprocal number (1 / T1, 1 / T2, 1 / T3, 1 / T4) of each of the reached temperatures T1 to T4 is plotted, A graph as shown in FIG. 5 is obtained. As shown in this graph, under a specific mass reduction rate (allowable mass reduction rate wt1), the relationship between the logarithm of the temperature increase rate Φ and the reciprocal of the ultimate temperature T has a constant slope A. It can be seen that it can be approximated as a function (linear approximation). That is, when the expression (1) is transformed into the expression (1 ′), LogΦ is expressed as a linear function of 1 / T having an inclination A of (0.4567 × ΔE) / R.
気体定数Rは所与の値であることから、この傾きAの値に基づいて、許容質量減少率wt1を取る場合における活性化エネルギーの値(ΔE1)を一意に求めることができる。以上により、活性化エネルギー取得ステップが完了する。 Since the gas constant R is a given value, the activation energy value (ΔE1) when the allowable mass reduction rate wt1 is taken can be uniquely determined based on the value of the slope A. Thus, the activation energy acquisition step is completed.
続いて、上記の活性化エネルギーの値ΔE1に基づいて、後続の耐用時間算出ステップを実施する。本ステップでは、上述の小澤法によって示される(2)式に基づいて、活性化エネルギーの値ΔE1を代入値として代入することにより、任意温度における許容質量減少率wt1に到達するまでの時間τを算出する。(2)式に示すように、小澤法においては、所定の質量減少率に至るまでの時間τは、活性化エネルギーΔEの値、及び昇温速度Φの各値に基づいて決定されることを示されている。 Subsequently, a subsequent service life calculation step is performed based on the activation energy value ΔE1. In this step, by substituting the activation energy value ΔE1 as a substitution value based on the equation (2) shown by the Ozawa method described above, the time τ until the allowable mass reduction rate wt1 at an arbitrary temperature is reached. calculate. As shown in the equation (2), in the Ozawa method, the time τ until reaching a predetermined mass reduction rate is determined based on the value of the activation energy ΔE and each value of the heating rate Φ. It is shown.
上記の式(2)に対して、活性化エネルギーΔE、及び昇温速度Φの各値を代入することで、τの値が求められる。ここで、上述のように本実施形態では、許容質量減少率wt1に到達した時点で、熱膨張性耐火材の耐用寿命を迎えたものと判断する。したがって、このτは、熱膨張性耐火材の耐用時間、すなわち寿命を表すものとなる。以上により、本実施形態に係る熱膨脹性耐火材の寿命推定方法の全てのステップが完了する。 The value of τ is obtained by substituting the activation energy ΔE and the temperature increase rate Φ into the above equation (2). Here, as described above, in the present embodiment, when the allowable mass reduction rate wt1 is reached, it is determined that the useful life of the thermally expandable refractory material has been reached. Therefore, this τ represents the service life of the thermally expandable refractory material, that is, the lifetime. Thus, all the steps of the method for estimating the lifetime of the thermally expandable refractory material according to the present embodiment are completed.
このような方法によれば、上述した小澤法に基づく解析によって、熱膨張性耐火材の活性化エネルギーの値に基づいて、その寿命を容易かつ高精度に求めることができる。加えて、本方法では、実験に基づく実測値が必要となるステップは、許容質量減少率wt1を算出するための質量減少率算出ステップのみであることから、比較的に短時間で熱膨張性耐火材の寿命(耐用時間)を推定することができる。 According to such a method, based on the value of the activation energy of the thermally expandable refractory material, the life can be easily and accurately obtained by the analysis based on the Ozawa method described above. In addition, in this method, the only step that requires an actually measured value based on the experiment is the mass reduction rate calculation step for calculating the allowable mass reduction rate wt1, and therefore, the thermal expansion fire resistance in a relatively short time. The life (lifetime) of the material can be estimated.
これにより、例えば上述のシール本体13に加えて、シール構造100の一部に熱膨張性耐火材を適用した場合に、熱膨張性耐火材の寿命を容易かつ高精度に知ることができることから、保守計画を容易に立案することが可能となる。
Thereby, in addition to the above-described
さらに加えて、上述の方法によれば、所望の寿命(耐用時間)を有する熱膨脹性耐火材を、適用環境下における環境温度に基づいて設計・製造することも可能となる。 In addition, according to the above-described method, it is possible to design and manufacture a heat-expandable refractory material having a desired life (durable time) based on the environmental temperature under the application environment.
以上、本発明の実施形態について図面及び数式を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更等も含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings and numerical formula, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The change of the range which does not deviate from the summary of this invention, etc. are included.
例えば、上述の実施形態では、質量減少率算出ステップと、到達温度測定ステップと、活性化エネルギー取得ステップと、をそれぞれ1回ずつ順次実行することで活性化エネルギーΔEの値を取得し、これに基づいて後続の耐用時間算出ステップを実行する例について説明した。 For example, in the above-described embodiment, the value of the activation energy ΔE is acquired by sequentially executing the mass reduction rate calculation step, the reached temperature measurement step, and the activation energy acquisition step once each. An example in which the subsequent service life calculation step is executed based on the above has been described.
しかしながら、活性化エネルギーの推定精度、すなわち寿命推定精度を向上させるために、図10に示すように、これら達温度測定ステップと、活性化エネルギー取得ステップと、をそれぞれ複数ずつ含む繰り返しステップと、判定ステップと、代入値決定ステップと、を実行してもよい。
なお、目標とする熱膨張倍率を変更する場合は、質量減少率算出ステップから再度実行する必要がある。
However, in order to improve the estimation accuracy of activation energy, that is, the lifetime estimation accuracy, as shown in FIG. 10, a determination is made of a repetition step including a plurality of these temperature measurement steps and activation energy acquisition steps. You may perform a step and a substitution value determination step.
In addition, when changing the target thermal expansion magnification, it is necessary to perform again from the mass reduction rate calculation step.
具体的には、繰り返しステップでは、互いに異なる複数の質量減少率ごとに、到達温度測定ステップから活性化エネルギー取得ステップまでの各ステップを複数回ずつ繰り返すことで、複数個の活性化エネルギーの値を取得する。 Specifically, in the repetition step, for each of a plurality of different mass reduction rates, the steps from the ultimate temperature measurement step to the activation energy acquisition step are repeated a plurality of times, thereby obtaining a plurality of activation energy values. get.
さらに、繰り返しステップによって得られた複数の活性化エネルギーの値同士を比較し、これら値同士の差分が予め定められた目標の閾値以下であるか否かを判定するステップ(判定ステップ)を実行する。この判定ステップにおいて、複数の活性化エネルギー同士の値が閾値以下であると判定された場合に、これら複数の活性化エネルギー値の中から、寿命推定したい質量減少率における活性化エネルギーを選択して、上述の耐用時間算出ステップにて参照した(2)式に代入値として代入する(代入値決定ステップ)。 Furthermore, a plurality of activation energy values obtained by the repetition step are compared with each other, and a step (determination step) for determining whether or not a difference between these values is equal to or less than a predetermined target threshold value is executed. . In this determination step, when it is determined that the values of the plurality of activation energies are equal to or less than the threshold value, the activation energy at the mass reduction rate to be estimated for life is selected from the plurality of activation energy values. Then, the value is substituted as a substitution value in the formula (2) referred to in the above-mentioned service life calculation step (substitution value determination step).
上述のような繰り返しステップ、及び判定ステップを含む方法において、活性化エネルギーの値同士の差分が閾値以下であると判定された場合、すなわち、活性化エネルギーの値が互いにおおむね等しいと判定された場合には、前記複数の質量減少率の範囲において対象となる熱膨脹性耐火材の質量減少は、化学的に単一の反応機構(脱離反応)を経て生じているものとみなすことができる。これにより、最終的に得られる熱膨脹性耐火材の耐用時間値(τ)の信頼度・確からしさをさらに向上させることができる。 In the method including the repetition step and the determination step as described above, when it is determined that the difference between the activation energy values is equal to or less than the threshold value, that is, when the activation energy values are determined to be substantially equal to each other. The mass reduction of the target heat-expandable refractory material in the range of the plurality of mass reduction rates can be regarded as occurring chemically through a single reaction mechanism (elimination reaction). Thereby, it is possible to further improve the reliability and accuracy of the service life value (τ) of the finally obtained heat-expandable refractory material.
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、上述の実施形態と同様の方法に基づいて、熱膨張性耐火材の寿命を推定する試験を行った例を示す。 Next, examples of the present invention will be described. In this example, an example is shown in which a test for estimating the lifetime of a thermally expandable refractory material is performed based on the same method as in the above embodiment.
この試験では、熱膨張性耐火材として熱膨脹性黒鉛を用いた。まず、熱膨張性黒鉛を一定温度における加熱環境下にて一定期間保持し、質量減少率を測定した。このときの環境温度は110℃とし、保持期間を30日とした。図6に示すように、保持5日目に質量減少率3.5%に達した後、30日目までほぼ質量減少が生じないことが分かった。 In this test, thermally expandable graphite was used as the thermally expandable refractory material. First, the thermally expandable graphite was held for a certain period in a heating environment at a certain temperature, and the mass reduction rate was measured. The environmental temperature at this time was 110 ° C., and the holding period was 30 days. As shown in FIG. 6, after reaching the mass reduction rate of 3.5% on the 5th day of holding, it was found that almost no mass reduction occurred until the 30th day.
続いて、上記の110℃で5日間及び30日間保持した熱膨張性黒鉛を、600℃の電気炉で30分間にわたって燃焼させ、燃焼前後における体積膨張率(熱膨張率)を測定したところ、13倍であることが確認された。すなわち、質量減少率が3.5wt%未満であれば、この熱膨脹性黒鉛は少なくとも約10倍の熱膨張率を呈するものと推定される。 Subsequently, the thermally expandable graphite held at 110 ° C. for 5 days and 30 days was burned in an electric furnace at 600 ° C. for 30 minutes, and the volume expansion coefficient (thermal expansion coefficient) before and after combustion was measured. It was confirmed that it was double. That is, if the mass reduction rate is less than 3.5 wt%, it is estimated that this thermally expandable graphite exhibits a thermal expansion coefficient of at least about 10 times.
続いて、4つの異なる昇温速度の下で熱膨張性黒鉛を加熱し、それぞれの質量減少率と、温度との関係を測定した。具体的には、昇温速度Φを、2.5,5,10,20の4つに設定した。測定結果を図7の質量減少率曲線として示す。図7における各プロットは、当該質量減少率に到達した時の熱膨張性黒鉛の到達温度Tの逆数値(1/T)を表している。同図の結果から、例えば、昇温速度Φ=5(deg./min)の下で、質量減少率4wt%に到達した時の到達温度の逆数値(1/T)は、0.00210であることが分かる。 Subsequently, the thermally expandable graphite was heated at four different temperature rising rates, and the relationship between the respective mass reduction rates and temperatures was measured. Specifically, the heating rate Φ was set to four of 2.5, 5, 10, and 20. A measurement result is shown as a mass reduction rate curve of FIG. Each plot in FIG. 7 represents an inverse value (1 / T) of the reached temperature T of the thermally expandable graphite when the mass reduction rate is reached. From the results shown in FIG. 9, for example, the reciprocal value (1 / T) of the reached temperature when the mass reduction rate reaches 4 wt% under the temperature rising rate Φ = 5 (deg./min) is 0.00210. I understand that there is.
このように、昇温速度Φの増加に伴って、質量減少率曲線は高温側にシフトすることが分かる。このシフト量は、熱膨張性黒鉛に含まれる層間物の分解・ガス化に要する活性化エネルギーの値に依存するものと認められる。 Thus, it can be seen that the mass decrease rate curve shifts to the high temperature side as the temperature increase rate Φ increases. This shift amount is recognized to depend on the value of the activation energy required for the decomposition and gasification of the interlayer contained in the thermally expandable graphite.
次いで、図7の質量減少率曲線から、昇温速度Φの自然対数(LogΦ)と、各到達温度の逆数値(1/T)を新たにプロットすると、図8に示す結果が得られた。同図に示すように、特定の質量減少率においては、上記LogΦの値と、1/Tの値との関係は、直線近似できることが分かる。この直線の傾きは、上述の実施形態における式(1´)から活性化エネルギーΔEの値に依存している。さらに、図8に示す5つの近似直線は、いずれも同等の傾きを有していることから、活性化エネルギーΔEの値は、いずれの質量減少率においてもほぼ同等であるものと認められる。すなわち、これら5つの質量減少率値を含む範囲内では、単一の反応機構をもつ脱離反応が生じていることが確認される。 Next, when the natural logarithm (LogΦ) of the heating rate Φ and the reciprocal value (1 / T) of each achieved temperature are newly plotted from the mass reduction rate curve of FIG. 7, the result shown in FIG. 8 is obtained. As shown in the figure, it can be seen that the relationship between the value of LogΦ and the value of 1 / T can be linearly approximated at a specific mass reduction rate. The slope of this straight line depends on the value of the activation energy ΔE from the equation (1 ′) in the above-described embodiment. Furthermore, since the five approximate straight lines shown in FIG. 8 all have the same slope, it is recognized that the value of the activation energy ΔE is almost the same at any mass reduction rate. That is, it is confirmed that an elimination reaction having a single reaction mechanism occurs within a range including these five mass reduction rate values.
次に、図8における、質量減少率が3.5wt%である時の近似直線の傾きから、上記の式(1´)に基づいて活性化エネルギー値ΔEを算出したところ、ΔE≒235kJ/molとなった。さらに、このΔEの値を上記の式(2)に代入して、到達温度T=110(℃)の下で、質量減少率3.5wt%に到達する時間(耐用時間τ)を算出したところ、日数に換算した換算値τ´はτ´≒1470(日)となった。 Next, when the activation energy value ΔE is calculated based on the above equation (1 ′) from the slope of the approximate line when the mass reduction rate is 3.5 wt% in FIG. 8, ΔE≈235 kJ / mol. It became. Furthermore, when the value of ΔE was substituted into the above equation (2), the time to reach the mass reduction rate of 3.5 wt% under the ultimate temperature T = 110 (° C.) was calculated (service life time τ). The converted value τ ′ converted to days was τ′≈1470 (days).
以上の結果から、本試験に用いた熱膨脹性黒鉛は110℃で保持された場合、約1470日(約4年)にわたって、少なくとも約10倍の熱膨張率を維持できると推定された。 From the above results, it was estimated that the thermally expandable graphite used in this test can maintain a coefficient of thermal expansion of at least about 10 times over about 1470 days (about 4 years) when held at 110 ° C.
さらに、上記の試験によって推定した活性化エネルギーΔEの値が上述の253kJ/mol未満である場合、言い換えると層間物の脱離反応がより起きやすい場合には、これにともなって耐用時間τの値が小さくなるため、例えば上述のシール構造における熱膨張性耐火材として用いた場合には耐用期間が短くなる。一方で、ΔEの値が253kJ/molよりも大きい場合には、耐用時間τの値を大きく確保することができるため、耐用期間を長くすることができる。すなわち、活性化エネルギーΔEの値を基準として、環境温度における熱膨張性耐火材の耐用年数を推定し、これに合わせて設備のメンテナンス計画の精度を高めることが可能となる。 Further, when the activation energy ΔE estimated by the above test is less than the above-mentioned 253 kJ / mol, in other words, when the delamination reaction of the interlayer is more likely to occur, the value of the service life τ is accordingly increased. Therefore, for example, when used as a thermally expandable refractory material in the above-described seal structure, the service life is shortened. On the other hand, when the value of ΔE is larger than 253 kJ / mol, since the value of the service life τ can be secured large, the service life can be extended. That is, it is possible to estimate the service life of the thermally expandable refractory material at the environmental temperature based on the value of the activation energy ΔE, and to increase the accuracy of the equipment maintenance plan accordingly.
100 …シール構造
10 …壁部
10A …面(火災発生側)
10B …面(火災未発生側)
11 …貫通孔
12 …配設部材
13 …シール本体
14A …熱膨張性耐火材(膨張前)
14B …熱膨張性耐火材(膨張後)
15 …地震で発生した隙間
100 ...
10B ... side (no fire occurrence side)
DESCRIPTION OF
14B ... Thermally expandable refractory material (after expansion)
15 ... Gap generated by the earthquake
Claims (2)
前記層間化合物を特定温度に曝した場合における質量減少率と体積膨張率との関係を取得することにより、必要とされる体積膨張率における質量減少率である許容質量減少率を求める質量減少率算出ステップと、
互いに異なる複数の昇温速度で層間化合物を加熱した場合における前記許容質量減少率に到達する到達温度を、前記昇温速度ごとに測定する到達温度測定ステップと、
前記到達温度測定ステップでの測定結果に基づいて、各昇温速度の対数と前記到達温度の逆数の関係をプロットし、これらプロットの傾きを活性化エネルギーの値として取得する活性化エネルギー取得ステップと、
下記式に基づいて、前記活性化エネルギーの値を代入値として代入することにより、任意温度における前記許容質量減少率に到達するまでの耐用時間を算出する耐用時間算出ステップと、
を含む、熱膨張性耐火材の寿命推定方法。
By calculating the relationship between the mass reduction rate and the volume expansion rate when the intercalation compound is exposed to a specific temperature, the mass reduction rate calculation for obtaining the allowable mass reduction rate which is the mass reduction rate in the required volume expansion rate is obtained. Steps,
An ultimate temperature measurement step for measuring the ultimate temperature at which the allowable mass reduction rate is reached when the intercalation compound is heated at a plurality of different temperature elevation rates, for each temperature elevation rate;
An activation energy acquisition step of plotting the relationship between the logarithm of each heating rate and the reciprocal of the ultimate temperature based on the measurement result in the ultimate temperature measurement step, and obtaining the slope of these plots as the value of the activation energy; ,
Based on the following formula, by substituting the value of the activation energy as a substitution value, a durable time calculating step for calculating a durable time until the allowable mass reduction rate at an arbitrary temperature is reached;
A method for estimating the life of a thermally expandable refractory material, comprising:
前記複数の前記活性化エネルギーの値同士の差分が目標とする閾値以下であるか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにて、前記差分が前記閾値以下であると判定された場合に、前記耐用時間算出ステップにおける前記代入値としての前記活性化エネルギーの値を決定する代入値決定ステップと、
をさらに備える請求項1に記載の、熱膨張性耐火材の寿命推定方法。 For each of a plurality of different mass reduction rates different from each other, by repeating each step from the ultimate temperature measurement step to the activation energy acquisition step multiple times, a repetition step of acquiring a plurality of activation energy values;
A determination step of determining whether a difference between the plurality of activation energy values is equal to or less than a target threshold;
In the determination step, when it is determined that the difference is equal to or less than the threshold value, a substitution value determination step that determines the value of the activation energy as the substitution value in the durable time calculation step;
The life estimation method of a thermally expandable refractory material according to claim 1, further comprising:
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