JPH01284732A - 高温機器のクリープ余寿命評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、蒸気タービンロータ等に適用される高温機器
のクリープ余寿命評価方法に関する。

〔従来の技術〕

蒸気タービンロータ等の高温機器は、通常計算によって
余寿命が評価されるが、計算に使用するクリープ線図及
びクリープ破断線図によって評価結果が大きく変化する
ため、従来では各機器に使用されている鋼種について、
これまで蓄積されてきたクリープデータ及びクリープ破
断データの下限線を用いて余寿命が評価されていた。し
かしながら、このような方法によると安全側の余寿命を
与える傾向はあるが、精度が低いという問題があった。

そこで、使用中の機器の硬さを測定し、その測定値から
機器の現時点におけるクリープ線図及びクリープ破断線
図を推定して高温機器のクリープ余寿命を評価する方法
が考えられている（第２４回高温強度シンポジウム前刷
（昭和６１年）、材料学会、Ｐ９７）。ところが、この
ような方法では（１）硬さで現時点におけるクリープ損
傷が一義的に定まるのであれば、現時点でのクリープ破
断曲線を推定することは可能であるが、応力がない状態
で使用しても硬さは変化するので、硬さによって現時点
におけるクリープ損傷の程度を定めることは不可能であ
る（クリープ損傷は応力がないと生じない）。

（２）　　クリープ破断曲線は硬さのみでなく化学組成
によっても異なる。

などの問題があった。

［発明が解決しようとする課題〕 上述のように、使用中の機器の硬さを測定して、その測
定値から機器の現時点におけるクリープ線図及びクリー
プ破断線図を推定して高温機器のクリープ余寿命を評価
する方法では、精度の高い余寿命評価を行なうことがで
きないという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので
、精度の高い余寿命評価を行なうことができる高温機器
のクリープ余寿命評価方法を提供することを目的とする
ものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、高温機器の使用前
の硬さから使用前のクリープ線図及びクリープ破断線図
を推定してクリープ余寿命を評価することを特徴とする
。

〔作　用〕

本発明では、高温機器の使用前の硬さから使用前のクリ
ープ線図及びクリープ破断線図を推定するため、精度の
高い余寿命評価を行なうことができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は蒸気タービンロータの余寿命を評価する場合の
フローを示す図で、同図に示すように蒸気タービンロー
タの余寿命を評価するには、まずロータの使用前の硬さ
を推定する必要がある。以下、その方法について説明す
る。

蒸気タービンロータは、高温中にて応力を受けながら長
期間使用される。このため、ロータの硬さは経時的に変
化し、その硬さ変化は応力のない状態で長時間加熱して
得られる硬さ変化データがあれば推定することができる
。すなわち、使用前の硬さに対する比（硬さ変化比）を
次のようなノくラメータ Ｇ＝ｌｏｇＴ＋ｌｏｇ　（２Ｇ＋ｌｏｇｔ）＋ａ（ｃｒ
　　ｃＦｏ）　　　−（１）でプロットすると、応力を
受けた場合の硬さ変化は第２図に示すような硬さ変化曲
線で表わされ、これをパラメータ Ｐ　−Ｔ　　（２０＋　ｌｏｇ　　ｔ）　　　　　　　
　　　　　・・・（２）で表わすと、第３図に示すよう
な硬さ変化曲線となる。なお、（１）式においてａ及び
σ０は材料定数である。

従って、ロータの温度（Ｔ）、応力（σ）および使用時
間（１）が既知であれば、第２図及び第３図から硬さ変
化比（Ｈｖ／Ｈｖｏ）が求まるので、現在の測定硬さか
ら使用前の硬さを推定することができる。

ところで、ロータを長時間加熱した場合の硬さ変化は、
ロータの化学組成によって変わってくる。

ロータ材の違いによる硬さ変化の一例を第４図に示す。

同図に示すように各種ロータ材の硬さ変化は、Ｐ　−１
９，５Ｘ　１０３付近でその差が最も顕著に現われる。

そこで、各種ロータ材の長時間加熱に伴う硬さ変化と、
その加熱前の引張強さ及び化学組成との間に相関性があ
るかどうかを調べてみた結果、第５図に示すようにＰ　
−１９，５Ｘ　１０３付近での硬さ変化を次のようなパ
ラメータ ＰＳ＝ＳＴＸ　　（Ｍｎ十Ｎｌ＋Ｃ）／（（Ｃｒ＋　Ｖ
）　Ｘ　Ｃ）　＋　１５０（Ｍｏ＋　Ｃ）　　　　　・
・・（３）ただし、ＳＴ：引張強さ（Ｋｓｌ）　、Ｍ　
ｎ　、　Ｎ　ｉ。

Ｃ，Ｃｒ、Ｖ：化学組成（ｗｔ％） で表わすことができた。また、その他のＰにおける硬さ
変化比（Ｈｖ／Ｈｖｏ）は、Ｐ−１９，５Ｘ　１０３に
おける硬さ変化比（Ｈｖ／Ｈｖｏ）が判明すれば、第６
図に示すような作図法で近似的に求めることができる。

従って、対象とするロータについて、その受人材料試験
成績書に記載の引張強さを代用するとともに化学組成を
用いれば、長時間加熱に伴う硬さ変化を推定できること
になる。なお、上述した推定法と実験データとの対応例
を第７図に示す。

また、（１）式に示す応力σにはロータが受けていたク
リープ応力を用いる必要がある。そこで、第１図に示す
ように受人材料試験成績書に記載の引張強さを代用し゛
てクリープ曲線を定め、それによってクリープ応力を計
算する。

第８図はロータの中心孔におけるロータ長手方向の温度
分布とクリープ応力の計算結果を示す図で、同図から長
手方向の各位置におけるクリープ応力の変化を知ること
ができるので、（１）式を用いて現在までの硬さ変化比
を推定できる。また、第９図はロータ長手方向の各位置
における硬さ変化比の推定結果を示す図で、同図を用い
て現時点での硬さ測定値から使用前の硬さを推定するこ
とができる。なお、第１０図は実測値から使用前の硬さ
を推定した結果を示す図で、同図に示すように測定値に
は谷状の分布がロータの長手方向に認められるのに対し
、推定された初期硬さの分布はほぼ均一となっている。

使用前ロータは同中央部では強度が均一になるよう製造
されているので、上記の推定結果はほぼ正しいと考えら
れる。

次に使用前の硬さから使用前のクリープ線図及びクリー
プ破断線図を推定する方法について説明する。

蒸気タービンロータは、ロータ材についてこれまで数多
くのクリープ破断試験が行われている。

そこで、これらの試験データを用いてクリープ破断線図
の表示について検討した結果、次の４つの表示法が代表
的と考えられる。すなわち、横軸にＬ　ａｒｓｏｎ　−
Ｍ　ｌ１ｌｅｒパラメータＰ　−Ｔ　　（２０＋ｌｏｇ
　　ｔ　ｒ　）　　　　　　　　−（４）あるいはＯ８
Ｄパラメータ Ｑ　＝　ｌｏｇ　ｔ　ｒ　−１９８００／　Ｔ　　　　
　−（５）をとり、縦軸にはｌｏｇσあるいはσをとる
か、Ｐあるいは Ｑ＝Ａ２　（Ｉｏｇσ）　２＋ＡＩ　（ｌｏｇσ）　＋
Ａｏ　　−（６）Ｐあるいは Ｑ　−Ｂ　１　ａ　＋　Ｂ　ｏ−（７）の４種類がある
。なお、Ｔ：温度（Ｋ）、ｔｒ：破断時間（ｈｒ）であ
る。

そこで、既存のデータについてどの式が最もクリープ破
断データを信頼性が高く表わすことができるかを検討し
た。その方法は、まず一つの材料についてのクリープ破
断データを最小二乗法で式化する。すなわち、例えば（
６）式の場合、Ｐを定めるとＡＯ＋　Ａ　１　＊　Ａ２
が求められると同時に、推定精度を示す偏差が求まる。

この操作によって数多くのロータ材の整理を行い、全偏
差で上記の４つの表示式の比較ができ、最善の表示式が
求められる。上記の４つの表示式中で仮に下記の式Ｔ　
（２Ｇ＋Ｉｏｇｔ　ｒ　）　＝８１　（７＋ＢＯ・・・
（８）が最善であると判定されたとして以下説明を行な
う。

（８）式が最も良い表示式であれば、各材料の８１及び
Ｂｏと試験前の引張強さ及び化学組成との重回帰解析を
行なう。そして％Ｂ１とＢｏが引張強さ及び化学組成で
関係づけることができる式を求める。その例は以下の如
くである。

Ｂｌ　＝３３．７５　＋２１１　ｘ（ニー４２ＸＭｎ−
３３７０ｘＰ＋２３７０Ｘ　Ｓ　−３９Ｘ　Ｃｒ−１，
５７８σＢ　　　　　・・・（９）Ｂｏ　＝１３９００
−５１３０ＸＣ＋５１１Ｘ　Ｓ　ｉ　＋２５４　ＸＭｎ
　＋１１００００Ｘ　Ｐ　−６７７００ＸＳ＋１２３０
ＸＣｒ−４４４０ＸＶ＋１０６Ｘｆｆｓ　　　−・−（
ｔｏ）ここで、Ｃ，Ｓ　ｔ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｖ：
化学組成（ｗｔ％）、σＢ：引張強さＣＫ９／ｍｍ２）
である。

以上は（８）式を最善として説明したが、他の表示によ
る式についてもそのどれかが最善と判断された場合は、
（８）式で行なったと同様に重回帰を行い、引張強さ及
び化学組成で関係つけられる式を求めることができる。

なお、ロータの硬さＨＶと引張強さσＢとの間には次の
関係が成立する。

ａ　ａ　＝　０．３２Ｈｖ　　　　　　　　　　−（１
１）従って、ロータの使用前の硬さが推定されれば、受
人材料試験成績書に記載の化学組成を用いることによっ
て使用前のクリープ破断線図を推定できることになる。

また、クリープ破断時間ｔｒと定常クリープ速度εＳと
の間には比較的広い温度範囲及び応力範囲で次の関係が
成立することが知られているので、 ｔｏｇｔｒ　−０，５７４−０，９４６ｔｏｇｓεｓ　
　＝ｉ１２）（１２）式を（８）式に代入すれば使用前
のクリープ線図が求められ、次のように表わすことがで
きる。

Ｔ　（２０，５７４０，９４６＋ｏｇεｓ　）　−Ｂｌ
　（Ｆ＋ＢＯ・”　（１３）以上の説明を要約すると、
次のようになる。

■　受人材料試験成績書のデータを基にクリープ曲線を
定める。

■　得られたクリープ曲線を用いてロータの温度と共に
クリープ応力の時間的変化を計算する。

■　受人材料試験成績書のデータを基に硬さ変化比線図
を定める。

■　余寿命を求めたい位置での現時点までの硬さ変化比
を■と■とから推定する。

■　硬さ測定を行い、使用前の硬さを■の結果から計算
する。

■　得られた使用前硬さ及び材料試験成績書に記載の化
学組成を基に使用前のクリープ及びクリープ破断線図を
推定する。

■　得られたクリープ及びクリープ破断線図からクリー
プ損傷を計算する。

■　クリープ損傷が１になる時間から現在までの使用時
間を引く。得られた結果が余寿命となる。

なお、ロータ材の引張強さ及び材質が不明な場合には、
ロータの外周部から小さなサンプルをとって成分分析を
行なうと共に、引張強さには仮定値を代入して使用前硬
さの推定を行なう仮定を繰返し行なえば、引張強さを求
めることができる。

それにはロータの長手方向の硬さ分布測定結果との比較
を行なう必要がある。値が妥当であれば、第１０図に示
すように使用前硬さの分布が均一となると共に、温度及
び応力の低い位置での実測値（そこでは使用前硬さがほ
ぼそのまま保たれている）とほぼ合致する筈である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、高温機器の使用前
の硬さから使用前のクリープ線図及びクリープ破断線図
を推定するため、精度の高い余寿命評価を行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１０図は本発明による高温機器のクリープ余
寿命評価方法を説明するための図で、第１図は余寿命評
価の概略フロー図、第２図および第３図はロータの硬さ
変化を示す線図、第４図は各種ロータ材の長時間加熱に
伴う硬さ変化を示す線図、第５図はＰ　−１９，５Ｘ　
１０３付近での硬さ変化比とパラメータＦＳとの対応図
、第６図は長時間加熱に伴う硬さ変化曲線の作図法を示
す図、第７図は長時間加熱に伴う硬さ変化曲線の推定と
実験結果例を示す図、第８図はロータ中心孔の長手方向
における温度及びクリープ応力を示す分布図、第９図は
ロータ中心孔の長手方向における硬さ変化比を示す分布
図、第１０図はロータ中心孔の長手方向における硬さ測
定値と使用前の硬さを示す分布図である。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 ）ｆラメータＧ−１ｏｇＴ＋）ｏｇ（２０＋ｌｏｇｔ）
第２図 ノｒフメータＰ−Ｔ（２０＋Ｉｌｏｇｔ）第３図 第４図 Ｆ５ 第５図 と 第　６１ Ｌａｒｓｏｎ　Ｍｉｌｌｅ「ノ１’ラメ−ｙ　　　Ｐ−
Ｔ（２０＋ｔｏｇｔ）第７図 第８あ ローダ率かうの団　　（ｍｍ） 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高温機器の使用前の硬さから使用前のクリープ線図及び
   クリープ破断線図を推定してクリープ余寿命を評価する
   ことを特徴とする高温機器のクリープ余寿命評価方法。