JP6760522B1 - 歪み検出装置 - Google Patents
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Abstract
歪み検出装置１は、ボイラ配管２の一部である第１配管２１の第１端部２１０と第２配管２２の第２端部２２０との溶接部３を跨いだ状態で第１端部２１０と第２端部２２０とに固定される金属板４と、金属板４上に固定され第１配管２１及び第２配管２２の軸方向（第１方向Ｄ１）に延びる光ファイバ５と、を備える。このように、溶接部３を跨いで金属板４が第１配管２１と第２配管２２とに固定され、光ファイバ５が金属板４の上に固定されるため、ボイラ配管２の溶接部３の歪みを精度良く検出することができる。
Description
本発明は、歪み検出装置に関する。
光ファイバ内で生じるブリルアン散乱光の周波数が歪みにより変化する性質を利用した歪み検出装置が公知である（例えば特許文献１）。特許文献１に記載の歪み検出装置は、測定対象物であるケーブルボルトの軸方向の歪み量を検出する。
ここで、例えば火力発電所のボイラ配管の内部には、常時、高温且つ高圧の蒸気が流れるため、ボイラ配管はクリープが生じやすいという特性がある。また、ボイラ配管の溶接部は、クリープ現象により、当該溶接部以外の一般部位よりも破損しやすい。従って、ボイラ配管においては、破損を未然に検知するためにも、溶接部の歪みを検知することが重要となる。
本発明は、前記の課題に鑑みてなされたもので、ボイラ配管の溶接部の歪みを精度良く検出することができる歪み検出装置を提供することを目的とする。
本発明に係る歪み検出装置は、ボイラ配管の一部である第１配管の第１端部と第２配管の第２端部との溶接部を跨いだ状態で前記第１端部と前記第２端部とに固定される金属板と、前記金属板上に固定され前記第１配管及び前記第２配管の軸方向に延びる光ファイバと、を備える。
本発明によれば、ボイラ配管の溶接部の歪みを精度良く検出することができる歪み検出装置を提供することができる。
以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。なお、以下の説明においては、測定対象物の延び方向である第１方向Ｄ１は、第１配管２１及び第２配管２２の軸方向である。また、第１方向Ｄ１に直交する方向は、第２方向Ｄ２である。
図１は、実施形態に係る歪み検出装置１及び歪み検出装置１が設けられたボイラ配管２を示す模式的な斜視図である。図２は、図１のII-II線による断面図である。図３は、図２のIII-III線による断面図である。図４は、図１の歪み検出装置１の近傍部を拡大した斜視図である。
歪み検出装置１は、例えば、図１に示す火力発電所のボイラ配管２の溶接部３の歪みを測定する場合に適用される。ボイラ配管２は、ボイラから蒸気タービンまで延びる。ボイラ配管２の内部には、ボイラで発生した高温且つ高圧の蒸気が常に流れている。即ち、ボイラで発生した高温且つ高圧の蒸気は、ボイラ配管２を介して蒸気タービンまで常時送られている。金属部材や金属製品などにおいては、長時間の間、一定荷重が加わった状態が続くと、金属部材等の変形が増大していくクリープ現象が生じる場合がある。従って、ボイラ配管２には、このような高温環境下においてクリープが生じやすい。また、ボイラ配管２においては、溶接部３に破損が生じやすい。従って、歪み検出装置１は、ボイラ配管２の溶接部３の歪み検知を行うものである。
ボイラ配管２は、第１配管２１と、第２配管２２と、第１配管２１と第２配管２２とを接合する溶接部３と、を備える。即ち、第１配管２１は、第１方向Ｄ１に延びており、第１配管２１も第１方向Ｄ１に延びている。第１配管２１と第２配管２２とは、ボイラ配管２の一部である。第１配管２１の軸心と第２配管２２の軸心とは一致する。第１配管２１における第１方向Ｄ１の第１端部２１０と第２配管２２における第１方向Ｄ１の第２端部２２０とは、溶接部３を介して接合される。
ボイラ配管２は、例えば、高クロムフェライト鋼鋼管である。第１配管２１の材質と第２配管２２の材質とは同一である。よって、実施形態において、第１配管２１及び第２配管２２は、ともに高クロムフェライト鋼鋼管である。ただし、本実施形態では、第１配管２１及び第２配管２２の材質は、高クロムフェライト鋼に限定されない。
溶接部３は、溶接金属３１と、熱影響部３２，３３と、を備える。
溶接金属３１は、例えば、高クロムフェライト鋼である。熱影響部３２，３３は、溶接金属３１の第１方向Ｄ１の両側に配置される。熱影響部３２は、第１配管２１と溶接金属３１との間に位置する。熱影響部３３は、第２配管２２と溶接金属３１との間に位置する。熱影響部３２，３３は、第１配管２１と第２配管２２とを溶接金属３１を用いて溶接する際に、熱の影響を受けた部分である。熱影響部３２，３３は、機械的性質等が第１配管２１、第２配管２２、及び溶接金属３１と異なる。
歪み検出装置１は、金属板４と、光ファイバ５と、を備える。
金属板４は、第１配管２１の第１端部２１０と、第２配管２２の第２端部２２０と、に固定される。換言すると、金属板４は、溶接部３を跨いだ状態で、第１配管２１の第１端部２１０と、第２配管２２の第２端部２２０と、にスポット溶接で接合される。ＳＰはスポット溶接部を示す。金属板４の材質は、第１配管２１及び第２配管２２の材質と同一である。実施形態では、金属板４の材質は、高クロムフェライト鋼である。ただし、本実施形態では、金属板４の材質は、高クロムフェライト鋼に限定されない。
光ファイバ５は、第１方向Ｄ１に延びている。光ファイバ５は、金属管６１，６２の内部に収容された被覆部分５１と、金属管６１，６２から露出した露出部分５２と、を備える。
金属管６１，６２は、材質が例えばステンレス鋼である。金属管６１，６２は、例えば０．５ｍｍ以上且つ１ｍｍ以下の直径を有する。金属管６１，６２の端部６１０，６２０は金属板４の上に載置される。露出部分５２は、図３に示すように、金属板４の上にろう付けされる。即ち、図３に示すように、光ファイバ５の露出部分５２は、ろう付け部分７を介して金属板４の上に接合される。
ろう付けに用いられるろう材は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ｆｅ−Ｃｒ合金の少なくともいずれかを含む。なお、ＮｉにＳｉ、Ｂ、Ｃｒなどを添加して融点を下げて濡れ性を向上させることが可能である。Ｎｉを含むろう材は、低融点で自溶性があり鉄系母材に濡れ性がよく、耐食性もよいという特徴がある。Ａｕを含むろう材は、耐食性に優れるという特徴がある。
図４に示すように、金属板４は、平面視で矩形状である。金属板４は、第１方向Ｄ１に延びる第１辺４１及び第２辺４２と、第２方向Ｄ２に延びる第３辺４３及び第４辺４４と、を有する。第１辺４１及び第２辺４２の第１方向Ｄ１に沿った長さはＬ１である。第３辺４３及び第４辺４４の第２方向Ｄ２に沿った長さはＬ２である。第１辺４１と第２辺４２との離隔距離は長さＬ２である。第３辺４３と第４辺４４との離隔距離は長さＬ１である。長さＬ１は長さＬ２よりも長い。長さＬ１は、例えば５０ｍｍ以上且つ７０ｍｍ以下である。長さＬ２は、例えば１０ｍｍである。金属板４の厚さは、例えば０．５ｍｍ以上且つ１ｍｍ以下である。
複数のスポット溶接部ＳＰは、金属板４における第２方向Ｄ２の両端部に配置される。実施形態では、金属板４において図４での上側の端部に第１方向Ｄ１に沿って４つのスポット溶接部ＳＰが等間隔に配置される。金属板４において図４での下側の端部に第１方向Ｄ１に沿って４つのスポット溶接部ＳＰが等間隔に配置される。光ファイバ５は、金属板４の第２方向Ｄ２の中央に配置される。従って、図４での上側の端部に配置されるスポット溶接部ＳＰと、図４での下側の端部に配置されるスポット溶接部ＳＰとは、光ファイバ５を挟んで対称に配置される。
次いで、実施形態に係る歪み検出装置１を設置する手順を簡単に説明する。
まず、金属板４をボイラ配管２に接合する。詳細には、第１配管２１と第２配管２２との溶接部３を跨いで金属板４を配置し、金属板４の第１配管２１の第１端部２１０と第２配管２２の第２端部２２０とに金属板４をスポット溶接する。
次に、金属管６１，６２の内部に光ファイバ５を挿入する。金属管６１，６２は、例えばステンレス鋼を含む円筒状の部材である。この金属管６１，６２に光ファイバ５を挿入することにより、光ファイバ５を金属管６１，６２で被覆する。
さらに、光ファイバ５が挿入された金属管をボイラ配管２の外表面の上に載置する。金属板４に対応する部位の金属管を剥ぎ取って、光ファイバ５を露出させる。これにより、光ファイバ５は、光ファイバ５が金属管６１，６２で覆われた被覆部分５１と、光ファイバ５が金属管６１，６２から露出した露出部分５２と、を含むようになる。
その後、光ファイバ５の露出部分５２を金属板４にろう付けし、ろう材が冷却されて固化することにより、光ファイバ５の露出部分５２が金属板４にろう付け部分７を介して固定される。
以上説明したように、本実施形態に係る歪み検出装置１は、第１配管２１の第１端部２１０と第２配管２２の第２端部２２０との溶接部３を跨いだ状態で第１端部２１０と第２端部２２０とに固定される金属板４と、金属板４上に固定され第１配管２１及び第２配管２２の軸方向（第１方向Ｄ１）に延びる光ファイバ５と、を備える。前述したように、ボイラ配管２においては、溶接部３が当該溶接部３以外の一般部位よりも靱性が低いため、溶接部３に破損が生じやすい。また、ボイラ配管２には、高温環境下においてクリープが生じやすい。従って、ボイラ配管２において、破損を未然に検知するためにも、溶接部３の歪みを検知することが重要となる。よって、本実施形態に係る歪み検出装置１は、ボイラ配管２の溶接部３の歪みを精度良く検出するものである。具体的には、歪み検出装置１は、溶接部３を跨いで金属板４が第１配管２１と第２配管２２とに固定され、光ファイバ５が金属板４の上に固定されるため、ボイラ配管２の溶接部３の歪みを精度良く検出することができる。
第１配管２１の材質は、第２配管２２の材質と同一であり、金属板４の材質は、第１配管２１及び第２配管２２の材質と同一である。このように、第１配管２１、第２配管２２、及び金属板４の材質は、全て同一である。従って、第１配管２１と第２配管２２との接合強度は、第１配管２１と第２配管２２との材質が異なる場合よりも、大きくなる。また、金属板４と第１配管２１及び第２配管２２との接合強度は、金属板４と第１配管２１及び第２配管２２との材質が相違する場合よりも、大きくなる。
光ファイバ５は、金属板４にろう付けされる。金属板４の表面の方が、第１配管２１及び第２配管２２よりも外表面の凹凸が小さい。従って、光ファイバ５を第１配管２１及び第２配管２２に直接ろう付けする場合よりも、光ファイバ５の接合強度が大きくなる。
ろう付けのろう材は、Ｎｉ、Ａｕ、及びＦｅ−Ｃｒ合金の少なくともいずれかを含む。Ｎｉを含むろう材は、低融点で自溶性があり鉄系母材に濡れ性がよく、耐食性もよいというメリットがある。Ａｕを含むろう材は、耐食性に優れるというメリットがある。なお、ＮｉにＳｉ、Ｂ、Ｃｒなどを添加して融点を下げて濡れ性を向上させることが可能である。
金属板４は、第１方向Ｄ１（軸方向）に沿って延びる平面視で矩形状である。金属板４において、第１方向Ｄ１の長さＬ１は、第２方向Ｄ２の長さＬ２よりも長い。このように、歪みが生じる第１方向Ｄ１に沿った長さＬ１を第２方向Ｄ２の長さＬ２よりも長くすることにより、金属板４を小さい面積に抑制することができる。
光ファイバ５は、被覆部分５１と、露出部分５２と、を有する。被覆部分５１は、第１方向Ｄ１（軸方向）に延びる金属管６１，６２の内部に収容される部分である。露出部分５２は、金属管６１，６２から露出し金属板４に固定される部分である。被覆部分５１において、光ファイバ５は金属管６１，６２によって被覆されるため、光ファイバ５の損傷が抑制される。
金属管６１，６２は、ステンレス鋼を含むため、金属管６１，６２の腐食が、より抑制される。
金属板４は、第１端部２１０と第２端部２２０とにスポット溶接されるため、アーク溶接等の融接よりも、金属板４への入熱量が小さい。従って、本実施形態によれば、金属板４の熱変形が小さく、溶接の作業時間も短い。
なお、前記実施形態における歪み検出装置の具体的構成はあくまで一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、金属管６１，６２の内部に光ファイバ５を収容した被覆部分５１を設けたが、被覆部分５１を設けずに露出部分５２のみでもよい。
１ 歪み検出装置
２ ボイラ配管
３ 溶接部
４ 金属板
５ 光ファイバ
２１ 第１配管
２２ 第２配管
５１ 被覆部分
５２ 露出部分
６１，６２ 金属管
２１０ 第１端部
２２０ 第２端部
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
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６１，６２ 金属管
２１０ 第１端部
２２０ 第２端部
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
Claims (7)
- ボイラ配管の一部である第１配管の第１端部と第２配管の第２端部との溶接部を跨いだ状態で前記第１端部と前記第２端部とに固定される金属板と、
前記金属板上に固定され前記第１配管及び前記第２配管の軸方向に延びる光ファイバと、を備え、
前記光ファイバは、
前記軸方向に延びる金属管の内部に収容される被覆部分と、
前記金属管から露出し前記金属板に固定される露出部分と、を有し、
前記露出部分は、ボイラ配管の径方向外側からみて前記溶接部に重なる部位に位置する、
歪み検出装置。 - 前記第１配管の材質は、前記第２配管の材質と同一であり、
前記金属板の材質は、前記第１配管及び前記第２配管の材質と同一である、
請求項１に記載の歪み検出装置。 - 前記光ファイバは、金属板にろう付けされる、
請求項１又は２に記載の歪み検出装置。 - 前記ろう付けのろう材は、Ｎｉ、Ａｕ、及びＦｅ−Ｃｒ合金の少なくともいずれかを含む、
請求項３に記載の歪み検出装置。 - 前記金属板は、前記軸方向に沿って延びる平面視で矩形状であり、前記軸方向に沿った第１方向の長さは、前記第１方向に直交する第２方向の長さよりも長い、
請求項１から４のいずれか１項に記載の歪み検出装置。 - 前記金属管は、ステンレス鋼を含む、
請求項１から５のいずれか１項に記載の歪み検出装置。 - 前記金属板は、前記第１端部と前記第２端部とにスポット溶接される、
請求項１から６のいずれか１項に記載の歪み検出装置。
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