JPH03140841A - 高温構造部品の寿命監視方法 - Google Patents

高温構造部品の寿命監視方法

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JPH03140841A
JPH03140841A JP27926789A JP27926789A JPH03140841A JP H03140841 A JPH03140841 A JP H03140841A JP 27926789 A JP27926789 A JP 27926789A JP 27926789 A JP27926789 A JP 27926789A JP H03140841 A JPH03140841 A JP H03140841A
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JP
Japan
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creep
strain
life
temperature
true
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JP27926789A
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Bunji Ishii
石井 文治
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)

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】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、発電プラント等の高温環境で長期間にわたっ
て使用される構造部品の寿命監視方法に関する。
(従来技術) 一般に発電プラントを構成する機械構造部品等は高温環
境で10年以上の長期にわたって使用するものが多い。
これ等の構造部品は、定常運転の継続中にクリープによ
り部材を構成する金属結晶の結晶粒界でボイドが発生し
、それが互いに連結し、微小き裂が発生する。
このように高温で使用する構造部品は、運転状態、運転
履歴と部材の材料特性とが関係し合い、クリープ寿命消
費が累積する。この寿命消費の累積が進行した場合、部
材にき裂が発生し伝播する。
そして、部材の破壊という致命的かつ影響の大きい事態
に至る可能性がある。そのため、特に高温で長期間にわ
たって使用される火力発電プラント等の機械構造部品に
ついて、クリープ寿命消費状態を正確に監視して評価し
、高温下でクリープ損傷を受ける部品の効率的な保守管
理が重要な課題となってきた。
従来、この種の寿命診断を行なう方法として、以下に示
す方法がある。
計算による寿命監視法として、使用状態量としての温度
、圧力等を計測するとともに、熱応力を数値解析により
算出し、クリープ破断特性とプラントの運転履歴をもと
に、クリープ損傷を求める方法がある。
他方、金属組織観察によりクリープ損傷を評価する方法
として、実機構造部品よりリプリカを採取し、電子顕微
鏡によりボイドの発生状況を観察し、クリープ損傷を評
価する方法がある。
また、構造部品のクリープ損傷部位よりミニチュアのク
リープ破断試験片を採取し、クリープ破断試験により残
余寿命を求める方法もある。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、機械構造物の使用状態を表わす温度や圧
力の状態量から数値解析により熱応力、圧縮応力を算出
するには、複雑な構造物のモデル化、境界条件の与え方
等による解析誤差が含まれることが考えられる。また、
精度の良い数値解析を行なうには、コストの問題がある
。更に、クリープ挙動、弾塑性挙動の把握を行なうには
、非弾性解析が必要であり、構成方程式、ひずみ硬化剤
、流れ則等の仮定が入り解析精度の上に問題があり、多
大な計算時間を要し、経済的でない。また、簡易弾塑解
析手法があるが、やはり解析精度に問題がある。
また、クリープひずみを実測する場合、抵抗線ひずみゲ
ージによりひずみを計測する方法があるが、高温で長期
間使用すると、抵抗線が加熱烈火し零点がドリフトし、
またゲージの寿命も非常に短い。
一方、金属組織観察によりクリープ損傷を評価する方法
として、ボイドの発生、成長、合体、微小き裂の発生の
過程を観察することにより求める方法がある。しかしな
がら、この場合、定期検査に同調してレプリカ採取しな
ければならず、プラント稼働中に随時行なうことは、不
可能である。
また、構造部品のクリープ損傷部位よりミニチュアのク
リープ破断試験片を採取し、クリープ破断試験により残
余寿命を求める方法があるが、これは、構造部品の一部
を切断しなければならない。
本発明はこのような点を考慮になされたものであり、高
温構造部品のクリープ消費寿命を容易かつ精度良く監視
することができる高温構造部品の寿命監視方法を提供す
ることを目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 本発明は、高温構造部品の計測箇所のクリープひずみを
容量型ひずみゲージにより計測するととも前記計測箇所
の温度を計測し、計測された計測クリープひずみおよび
温度から貞クリープひずみを求め、この真クリープひず
みにより各クリープ状態を判定し、真クリープひずみか
ら求めたクリープひずみの速度と各温度におけるクリー
プ破断時間との関係からクリープ寿命消費量を求め、真
クリープひずみとクリープ破断延性設定値との比を求め
てき裂発生寿命に至る過程を監視することを特徴とする
高温構造部品の寿命監視方法である。
(作 用) 本発明は、容量ひずみゲージを用いることにより、抵抗
線ひずみゲージ等に比べて高温下で長時間にわたって安
定した真クリープひずみの計測を行なうことができ、こ
の真クリープひずみを元にして精度のよい信頼性のある
クリープ寿命監視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実施例について説明する
。第1図乃至第7図は本発明による高温構造部品の寿命
監視方法の一実施例を示す図である。
まず、第2a図および第2b図によって、監視される高
温構造部品について説明する。
第2a図および第2b図に示すように、タービンケーシ
ング(高温構造部品)21は、高温度で使用され主蒸気
管22と再熱蒸気管23の間の部位24でクリープ損傷
を受ける。長期間使用したタービンケーシング21は、
定期点検時にクリープ損傷によるボイドおよび微視き裂
が多数観察される場合がある。このため、タービンケー
シング21の部位24のクリープ寿命を正確に監視し、
効率的な保守管理をしていく必要がある。
次に、タービンケーシング21の部位24に対する寿命
監視装置について、第1図、第2a図、および第2b図
により説明する。
第1図および第2b図に示すように、タービンケーシン
グ21の部位240所定計測箇所に、容量型ひずみゲー
ジ2および温度センサーである熱電対3が取付けられて
いる。第1図に示すように、容量型ひずみゲージ2は、
ひずみ計測用スキャナ4に接続され、このひずみ計測用
スキャナ4はまた標準キャパシタ5とブリッジを組んで
電気容量計測装置6に接続されている。さらに電気容量
計測装置6は計測ひずみ演算装置9および真ひずみ演算
装置10に順次に接続される。
一方、熱電対2は、温度計測用スキャナ7に接続され、
また、この温度計測用スキャナ7は温度計測装置8に接
続されている。さらに温度計測装置8は計測ひずみ装置
10および真ひずみ演算装置10に、順次接続されてい
る。
真ひずみ演算装置11はクリープ計測装置12に接続さ
れ、クリープ計測装置12はクリープ損傷演算装置13
およびクリープ破断延性比算出装置14に、それぞれ接
続されている。また、クリープ計測装置12、クリープ
損傷演算装置13、およびクリープ破断延性比算出装置
14は、それぞれ診断装置15に接続され、診断装置1
5は表示・警報装置16に接続されている。
なお、上述した計測ひずみ演算装置9、見かけひずみ演
算装置lO1真ひずみ演算装置11、クリープ計測装置
12、クリープ損傷演算装置13、クリープ破断延性比
算出装置14、および診断装置15によって、クリープ
寿命診断装置17が構成されている。
次に本発明による高温構造部品の寿命監視方法について
説明する。
まず、容量型高温ひずみゲージ2を用いて、ひずみの変
化を電気容量変化として検知する。容量型ひずみゲージ
2は、計測箇所の数に合せて複数使用できるように、個
々のひずみゲージ2に対し、標準キャパシタ5とブリッ
ジを組んだひずみ計測用スキャナ4を介して、シーケン
シャルに信号を電気容量計測装置6に送り込み、ひずみ
量を電気容量として計測するようになっている。
一方、熱電対2により測定箇所の温度を検知し、熱電対
2から温度計測用スキャナ7を介して、シーケンシャル
に信号を温度計測装置8に送り込み温度計測を行なう。
電気容量計測装置6で計測した電気容量は、計測ひずみ
演算装置9により計測クリープひずみに変換される。こ
のような変換は、第3図に示す個々の容fjk型ひずみ
ゲージにより設定された電気容量とひずみの関係の較正
曲線により行なわれる。
次にこの計測クリープひずみに基づき、真ひずみ演算装
置11により、真ひずみが算出される。
すなわち、計測クリープひずみには、ひずみゲージ2の
ゲージベース2aと被測定体であるタービンケーシング
24の線膨張係数の相違により発生する見かけひずみが
含まれている。
そこで、まず真ひずみ演算装置11により、第4図に示
す個々のひずみゲージ2に対し設定された見かけひずみ
と温度の関係の補正曲線と、計測された温度から見かけ
ひずみを求める。次に、計測クリープひずみから見かけ
ひずみを差し引き真クリープひずみを求める。
次に、クリープ計測装置12により、真クリープひずみ
の経時変化、すなわち第5図に示すクリープ曲線を求め
もとともに、単位時間Δを当りのひずみ変化量Δε か
らクリープひずみ速度ε。
一Δε /Δtを求める。また、クリープ計測袋置12
により単位時間△を当りのクリープひずみ速度の変化量
ΔCから、クリープひずみ速度変化率に一Δε /Δt
を求め、これらの結果からクリープ状態を判定する。
すなわち、クリープひずみ速度変化率におよびクリープ
ひずみ速度ε の値によって、以下のように判定する。
1にく0 ならば、1次りリープ領域 ii  K  −0かつ e  −const  ”qOならば、2次クリープ領
域 111ε −0ならば、リラクセイション領域1v  
 K>0  ならば、3次クリープ領域のように判定す
る。
次に、クリープ損傷演算装置13により、クリープ寿命
消費量を算出する。すなわち、クリープ計測装置12で
2次クリープと判定した場合、2次クリープ状態におけ
るクリープひずみ速度(2次りリープ速度)を用い、第
6図に示す各温度での2次クリープひずみ速度ご とク
リープ破断時間tRの関係から、クリープ破断時間tR
を求め、続いて、線型損傷則である時間分数の累積によ
り1 2 クリープ寿命消費量ΦCを次式により求める。
ΦC−Σ R ここで、tは各クリープ破断時間tRに対応する2次ク
リープひずみ速度での保持時間である。
次にクリープ破断延性比算出装置14により、真クリー
プひずみε と第7図に示す各温度でのクリープ破断延
性設定値εgとの比M−ε。78gを求める。
次に診断装置15において、クリープひずみ曲線をモニ
タするとともに、累積クリープ寿命消費量ΦCにより、
構造部品のクリープ損傷を受けていく経過を監視する。
そして、クリープひずみ速度変化率Kにより3次クリー
プと判断した場合、き裂発生寿命に近づいていると判断
し、それ以降は真クリープひずみとクリープ破断延性設
定値比M1およびクリープひずみ速度により、き裂発生
寿命に至る過程を監視する。
次に表示・警報装置16において、クリープひずみの経
時変化曲線、クリープ寿命消費量、各クリープ状態、ク
リープひずみ速度、クリープひずみ速度変化率、真クリ
ープひずみとクリープ破断延性設定値の比を表示し、更
に、3次クリープ領域に突入したことを警告する。
本実施例によれば、容量型ひずみゲージを用いることに
より、抵抗線ひずみゲージ等に比べて高温下で10万時
間以上の長時間にわたって安定した真クリープひずみの
計測を行なうことができる。
また、このような真クリープひずみを元にして、クリー
プ曲線を定めるとともに1.1,2.3次等めクリープ
状態を判定し、クリープひずみ速度から求めたクリープ
破断時間による累積クリープ寿命消費量、真クリープひ
ずみとクリープ破断延性との比等により総合的に寿命監
視を行なうことにより、非常に精度の良い信頼性のある
クリープ寿命監視を行なうことができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、長時間にわたっ
て安定した真クリープひずみの計測を行なうことができ
るとともに、この真クリープひずみを基にして精度の良
い信頼性のあるクリープ寿命監視をオンラインで行なう
ことができる。また、構造部品の計測箇所を切断する必
要がないので、クリープ寿命監視を容易に行なうことが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による寿命監視方法を実施するための寿
命監視装置の系統図であり、第2a図は監視されるター
ビンケーシングを示す図であり、第2b図はタービンケ
ーシングに設置された寿命監視装置の系統図であり、第
3図は容量型ひずみゲージにより計測した電気容量をひ
ずみに換算する較正曲線であり、第4図は容量型ひずみ
ゲージのゲージベースと被測定体であるケーシング材の
線膨張係数の相違により発生する見かけひずみを補正す
るための見かけひずみと温度の関係を示す補正曲線であ
り、第5図は時間と真クリープひずみの関係で示すクリ
ープ曲線であり、第6図は2次クリープひずみ速度とク
リープ破断時間の関係を示す線図であり、第7図はター
ビンケーシングのクリープ破断延性設定値を示す線図で
ある。 2・・・容量型ひずみゲージ、3・・・熱電対、4・・
・ひずみ計測用スキャナ、6・・・電気容量計測装置、
7・・・温度計測用スキャナ、8・・・温度計測装置、
9・・・計測ひずみ演算装置、10・・・見かけひずみ
演算装置、11・・・真ひずみ演算装置、12・・・ク
リープ計測装置、13・・・クリープ損傷演算装置、1
4・・・クリープ破断延性比算出装置、15・・・診断
装置、16・・・表示・警報装置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、高温構造部品の計測箇所のクリープひずみを容量型
    ひずみゲージにより計測するとともに前記計測箇所の温
    度を計測し、計測された計測クリープひずみおよび温度
    から真クリープひずみを求め、この真クリープひずみに
    より各クリープ状態を判定し、真クリープひずみから求
    めたクリープひずみ速度と各温度におけるクリープ破断
    時間との関係からクリープ寿命消費量を求め、真クリー
    プひずみとクリープ破断延性設定値との比を求めてき裂
    発生寿命に至る過程を監視することを特徴とする高温構
    造部品の寿命監視方法。 2、容量型ひずみのゲージの出力である電気容量から、
    ひずみと電気容量の関係の較正曲線を用いて計測クリー
    プひずみを算出し、温度変化と容量型ひずみゲージのゲ
    ージベースと計測箇所との線膨張係数の相違から見かけ
    ひずみを算出し、前記計測クリープひずみから前記見か
    けひずみを差し引くことにより真クリープひずみを求め
    ることを特徴とする請求項1記載の高温構造部品の寿命
    監視方法。 3、真クリープひずみから、クリープひずみ速度および
    クリープひずみ速度変化率を求め、これらクリープひず
    み速度およびクリープひずみ速度変化率からクリープ状
    態を判定することを特徴とする請求項1記載の高温構造
    部品の寿命監視方法。 4、クリープ状態が2次クリープであると判定した場合
    、クリープひずみ速度と各温度におけるクリープ破断時
    間との関係からクリープ寿命消費量を求め、このクリー
    プ寿命消費量により構造部品のクリープ損傷過程を監視
    することを特徴とする請求項1記載の高温構造部品の寿
    命監視方法。 5、クリープ状態が3次クリープであると判定した場合
    、クリープひずみ速度、および真クリープひずみとクリ
    ープ破断延性設定値との比からき裂発生寿命に至る過程
    を監視することを特徴とする請求項1記載の高温構造部
    品の寿命監視方法。
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