JPH04256825A - 配管寿命診断法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は配管寿命診断法に係り、
特に発電プラント等の配管溶接継手部の内面形状の不連
続部を考慮して配管寿命を精度よく評価するための配管
寿命診断法に関する。

【０００２】

【従来の技術】わが国の電力需要は高度成長にともない
急速に増加し、この需要に対応するように火力発電所等
の各種発電プラントはその規模を拡大しながら今日に至
っている。特に、火力発電所はその出力向上のために高
温、高圧化が進むとともに大容量化が果たされ、電力供
給において主要な役割を占めている。一方、このような
状況のもとで火力発電所の各ユニットは、原子力発電の
出力との兼ね合いや昼夜の電力需給バランスを調整する
ために長時間にわたり連続使用される等過酷な運転条件
下に置かれている。このため長時間にわたり使用される
火力発電設備の信頼度を維持向上していくために発電施
設の各設備の経年劣化対策を計画的に実施していくこと
が必要となってきている。設備の経年劣化対策のひとつ
として主要部品の劣化状態を予め判断し、部材更新時期
を適切に決定する目的で主要部品の余寿命を把握する方
法がとられている。また、火力発電設備のうち蒸気ター
ビン、ボイラー等は指針等により、その点検部位、点検
項目および点検間隔などが明記されている。一方、この
指針では運用において、対象となる汽力設備の累積運転
時間が１０万時間を越えるかあるいは累積起動回数が２
５００回を越える場合には対象の汽力設備の主要部位の
余寿命診断が適切に行われており、主要部位の経年数が
その診断結果を踏まえて算定された余寿命に達していな
いという条件を満たせば所定の定期検査の時期を延長す
ることができるとしている。さらに上述の余寿命診断の
実施に関しても指針があり、この指針では寿命診断の初
回実施時期、対象部位、劣化要因及び手法、余寿命診断
の方法、余寿命診断方法、余寿命診断の再実施時期、余
寿命診断結果に基づく定期点検時期変更等の種々の運用
についての要領が示されている。

【０００３】ところで、火力発電設備のうちで最も厳し
い設計条件が設定されている対象部位はボイラー設備で
はボイラー管、ボイラー管寄、ボイラー管寄管台部が、
またタービン設備ではタービン車室、タービン車軸、タ
ービン動翼が挙げられる。これらの部位の余寿命を知る
ことは特に重要であり、各部位の劣化要因に応じて種々
の余寿命診断の方法が提案されている。これらの部材の
劣化要因としてはクリープと疲労とが知られており、と
もに経過時間に依存して劣化が進行する。クリープ現象
は常に一定の応力下にような部位に現れ、部材は変形を
生じて時間の経過にともない最終的にはクリープ破断に
至る。一方、疲労現象は繰返し応力が作用するような部
位に現れやすい。

【０００４】上述のクリープと疲労とに起因するクリー
プ寿命と疲労寿命とに対し、余寿命診断法がそれぞれ確
立されており、その診断方法に基づいて余寿命の判断を
することが可能である。

【０００５】クリープ寿命に対する余寿命診断方法とし
ては破壊検査法、硬度測定法、組織検査法等がある。

【０００６】破壊検査法とは、使用材から試料を採取し
、３種類程度の応力条件下あるいは温度条件下で各々３
本の試験片を用意し、クリープ破断試験を行い、その試
験結果をもとに代表的な外挿法パラメータであるラーソ
ンミラーパラメータＰ Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ　ｔ　） ここにＴ：絶対温度、Ｃ：材料定数、ｔ　：時間を利用
して外挿回帰曲線を求め、９９％信頼区間の下限線を作
成して未使用材曲線と比較し、消費寿命と推定余寿命と
を算出する検査法である。

【０００７】また硬度測定法とは部材の高温部あるいは
高応力部を選び、９点以上の位置のビッカース硬度（Ｈ
Ｖ）を測定し、９点以上の測定結果より９９％信頼区間
の硬度の下限値を求め、この硬度に応じた破断応力とラ
ーソンミラーパラメータＰとの外挿曲線に９９％信頼区
間の下限線を作成して未使用材の同曲線と比較し、消費
寿命と推定余寿命とを算出する測定法である。

【０００８】さらに組織検査法ではクリープ損傷と部材
の組織内に生じる微小な空孔の量とはＡパラメータ（単
位面積中の粒界数に占めるボイドが生成した粒界の割合
）とクリープ寿命消費率とに相関があるので、空孔量を
実測することでクリープ寿命消費量を推定する方法であ
る。

【０００９】一方、疲労寿命に対する余寿命診断の方法
には破壊検査法、硬度測定法、解析法等がある。

【００１０】破壊検査法とは、使用材から試料を採取し
、３種類程度の応力条件下で各々３本の試験片を用意し
、低サイクル疲労試験を行い、応力振幅と亀裂発生回数
との関係図上にラーソンミラーパラメータを利用して外
挿回帰曲線を求め、９９％信頼区間の下限線を作成して
未使用材の同曲線と比較し、消費寿命と推定余寿命とを
算出する検査法である。

【００１１】硬度測定法とは部材の高温部あるいは高応
力部を選び、９点以上の位置のビッカース硬度（ＨＶ）
を測定し、９点以上の測定結果より９９％信頼区間の硬
度の下限値を求め、この硬度に応じた応力振幅と亀裂発
生回数との外挿曲線に９９％信頼区間の下限線を作成し
て未使用材の同曲線と比較し、消費寿命と推定余寿命と
を算出する測定法である。

【００１２】解析法とは運転時の変動応力と起動回数の
履歴とから解析計算を行い、その結果から余寿命を推定
する方法である。

【００１３】このように経年劣化した火力発電設備の主
要部品の余寿命診断の方針は種々提案されているが、実
際には各配管部品の固有の余寿命診断をそれぞれ行う必
要がある。ここで例えば診断の対象をボイラーからター
ビンに至る主蒸気管、再熱蒸気管等の高温高圧蒸気管と
すると、上記方法のうち、破壊検査法、硬度測定法、組
織検査法を適用することができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
各検査法の対象となる配管部は一般にボイラー、タービ
ン、バルブ等に接続される部品であり、この部品は定期
検査時でもごく狭い範囲しか分解して内部を点検できな
い。このためこれら高温高圧蒸気管の点検、検査は現場
で管の外面から行うのが通常であり、内部の状況を考慮
できないという問題がある。

【００１５】また、高温高圧蒸気管の最も損傷しやすい
部位のひとつに管溶接継手部の内面溶接部近傍の形状が
不連続な部分がある。上述の硬度測定法や組織検査法で
は直接管の内面を検査できず、管外面での検査から内部
状態を推定するしかなく、高い局部応力が生じる管内面
の形状不連続部の推定寿命を過少評価してしまうおそれ
がある。したがって、管内面の劣化状態を把握するには
破壊検査法等により配管部材から試験片を直接採取する
必要がある。しかし、管の一部から試験片を除去してし
まうので、部材強度が低下するという問題がある。そこ
で、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点
を解消し、高い局部応力が生じる管内面の形状不連続部
の寿命を適正に推定するとともに、その他の因子を考慮
して配管部材の寿命診断をより高い精度で予測する配管
寿命診断方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は管内面の測定部位の形状を計測し、この計
測結果を用いて解析形状モデルを作成して応力解析を行
い、上記部位の局部応力値を算出するとともに、管外面
の硬度測定を行い、この硬度をもとに管応力値と外挿パ
ラメータとの関係を示す外挿曲線を作成し、この外挿曲
線上に上記局部応力値をプロットして管の消費寿命を推
定するようにしたことを特徴とするものである。

【００１７】

【作用】本発明による作用を図１を参照して説明する。 図１は高温高圧状態にある配管の寿命診断の処理フロー
を示しており、この処理フローに沿って説明する。

【００１８】まず、診断の対象となる配管部位の内面の
形状寸法を測定する。この計測により管内面、特に管溶
接継手での余盛部等の内面形状の不連続部分の寸法を正
確に計測することができ、この計測結果をもとに解析計
算用の形状モデルを作成し、所定の解析条件を考慮して
応力解析計算を行う。この応力解析計算により解析モデ
ルの各部位の応力、変位等を知ることができ、併せて各
部位での応力を比較して最大局部応力を算出でき、管内
面の最大応力を高精度で求めることができる。

【００１９】一方、管外面の所定測定点において硬度測
定を行い、この硬度をもとにクリープ破断強さと低サイ
クル疲労限界等の管強度特性と外挿パラメータとの関係
から管の材料劣化状態を示す外挿曲線を作成する。この
外挿曲線と未使用材料の材料強度特性を示す曲線上に上
記解析計算から求まった局部応力値をプロットし、曲線
との交点位置から管の消費寿命を算出することができる
。

【００２０】

【実施例】以下本発明による配管寿命診断法の一実施例
を添付図面を参照して説明する。

【００２１】図１は高温高圧状態にある配管の寿命診断
を行う処理フローを示したものである。図１において、
本診断法は大きく４個の処理ブロックから構成されてい
る。第１ブロック１００では計測・計測結果処理を行う
。すなわち配管の形状や硬度を計測し、その計測結果デ
ータを解析処理して応力解析に使用する解析モデルを作
成したり、診断評価のための回帰曲線を算出する。

【００２２】第２ブロック２００ではプラントの運転条
件の調査を行う。この調査では第３ブロック３００で行
われる応力解析計算のための入力データ（運転時の配管
圧力、運転時の管内温度及び温度履歴、各部位での温度
分布）や第４ブロック４００で行われる配管の寿命診断
・評価の運転条件データ（運転実績、起動停止回数、運
転時間等）を収集する。

【００２３】第３ブロック３００では第１ブロック１０
０で作成された解析形状モデルを使用した応力解析計算
を行う。この応力解析計算はコンピュータを使用し、有
限要素法解析（ＦＥＭ）等により２次元あるいは３次元
モデルを作成して行う。この際、解析形状モデルの形状
データ及び材質データは第１ブロック１００及び第２ブ
ロック２００であらかじめ計測あるいは設定されたもの
を使用する。応力解析は運転時圧力等の各種の設計条件
に対応した作用荷重に対する応力解析と、第２ブロック
２００で行った温度分布解析により求まった熱応力によ
る熱応力解析とについて行う。

【００２４】第４ブロック４００では計測結果から求め
た外挿回帰曲線をもとに、第３ブロック３００で算出し
た局部最大応力、運転条件データ、今後のプラント運転
計画等を加味して配管の余寿命等を推定し、評価を行う
。

【００２５】以上の評価を行い、最終的には以上のデー
タをもとに発電設備の定期検査、部材の取換え時期の計
画、決定を行うようになっている。

【００２６】次に上述の第１ブロック１００の計測等の
処理手順についてその詳細を説明する。火力発電設備に
おいて、ボイラーから蒸気タービンに至る管路系統には
主蒸気管、主蒸気リード管等が配置されており、これら
の管には通常シームレス管が使用されている。これらシ
ームレス管は直管、曲り管、エルボ、ティ（Ｔ）等の形
状の部材に加工され、これらを適宜組み合わせて溶接接
合し、所定形状の配管ルートを構成するようになってい
る。通常これら配管の溶接継手の形状不連続部分が損傷
の起点となるので、この部位に着目して所定を計測を行
う。

【００２７】図２は溶接継手部の管内面形状不連続部の
形状を計測する一実施例を示したものである。この配管
１は溶接開先をとるために機械加工により管端部１ａに
所定角度のテーパ２が設けられている。また、ルート３
には余盛部４が形成されている。これらテーパ２と余盛
部４とにより、溶接継手部５の管内面は凹凸のある形状
不連続部分６が形成され、応力集中が起こりやすくなっ
ている。この形状不連続部分の形状を正確に計測するた
めに本実施例ではパテ型取り法を採用している。　　こ
のパテ型取り法について図２を用いて説明する。図２に
おいて、符号５は管溶接継手部を示しており、この溶接
継手部５の近傍の管表面には小口径座７が穿設されてい
る。この小口径座７は配管溶接継手部５を放射線検査す
るための図示しないガンマ線発生装置を挿入するために
設けられた小孔である。この小口径座７は検査後は図示
しないプラグにより密栓されている。本実施例ではこの
小口径座７を利用して管内面の形状不連続部分６の形状
計測を行っている。すなわちこの小口径座７を経由して
型取り装置８が管内に挿入されている。この型取り装置
８は形状不連続部分６のパテ型を取るための装置で、装
置先端には、図示しない電磁石が内蔵された皿状のパテ
押え９が備えられている。また、このパテ押え９の一面
には型取り用のパテ１０が貼り付けられており、パテ押
え９自身はリンク機構で組み立てられ、小口径座７から
容易に挿入できるようになっている。さらにパテ押え９
にはリンク機構を自在に操作可能なワイヤ状の操作ガイ
ドフレーム１１が取り付けられている。この操作ガイド
フレーム１１の手元側には操作ハンドル１２が接続され
ており、パテ押え９を管内面の所定位置に固着させる動
作を手元で行えるようになっている。また、パテ押え９
のパテ１０の取付けられた側の反対面にはパテ押え９を
管内面に押圧するための加圧部１３が設けられており、
この加圧部１３は操作ガイドフレーム１１の内部に延設
された送気管１４に接続されている。

【００２８】次に上述の型取り装置８を使用して管内面
の形状不連続部分６の形状を計測する方法について簡単
に説明する。まず、あらかじめ小口径座７を介して図示
しないファイバースコープにより管内面の状態を観察し
て計測すべき形状不連続部分６の位置を確認する。そし
て型取り装置８を小口径座７から挿入し、操作ガイドフ
レーム１１を操作ハンドル１２で操作してパテ押え９を
計測位置に誘導し、パテ押え９が所定位置に達したら、
内蔵された電磁石を作動させてパテ押え９を管内面に固
着する。次いで送気管１４を介して圧縮空気を加圧部１
３に送り、パテ押え９内部のパテ１０を形状不連続部分
６の表面に押圧して型取りする。型取り後、パテ押え９
部分を管内部から取り出し、型取りしたパテ１０を３次
元計測器等にかけ、立体形状をトレースして寸法計測す
る。そして計測された寸法をもとに有限要素法等の応力
解析のための解析形状モデルを作成する。

【００２９】一方、管外面の硬度は内面の形状を採取し
た位置の近傍を含めるようにして所定計測位置を選定し
て試験を行う。本実施例ではビッカース硬度試験（ＨＶ
）により硬度を求める。さらにこの硬度をもとにクリー
プ破断強さと低サイクル疲労限界等の管強度特性と外挿
パラメータとの関係から管の材料劣化状態を示す外挿回
帰曲線を作成する。この外挿回帰曲線は外挿法パラメー
タであるラーソンミラーパラメータＰを利用して求める
が、このパラメータＰは次式で表される。 Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ　ｔ　） ここにＴ：絶対温度、Ｃ：材料定数、ｔ　：時間また、
この外挿回帰曲線の９９％信頼区間の下限線を作成する
とともに、併せて未使用材曲線も設定する。このとき、
クリープ損傷評価に対するベースとしてクリープ破断強
さ特性を考慮し、疲労損傷評価に対するベースとして低
サイクル疲労特性を考慮している。

【００３０】次に第３ブロック３００の応力解析計算結
果の一例について説明する。図３は有限要素法による形
状不連続部分近傍の管応力解析結果を図出力の形式で示
したもので、各要素の応力値を比較して等応力値を結ん
だ等応力線図である。矢印で示したように形状不連続部
分６で応力集中を生じていることが分かる。この部位で
の局部応力値を第４ブロック４００での診断に使用する
。

【００３１】図４は第１ブロック１００で作成した外挿
回帰曲線（実線）と未使用材曲線（破線）を示している
。これらの曲線に対して縦軸の応力値σをプロットして
各部位の消費寿命を推定することができる。このとき、
σ１　は形状不連続部分６を考慮した場合の局部最大応
力を示しており、σ２　は形状不連続部分６を考慮しな
い場合の局部応力を示している。σ１　の場合の方が消
費寿命が大きく、余寿命が小さいことが分かる。この結
果から形状不連続部分６を考慮することにより部材の評
価を安全側に見積もることができ、より精度の高い配管
寿命診断が可能になる。

【００３２】また、管内面の形状不連続部分６の形状を
計測するにはパテ型取り法の他、超音波肉厚測定器によ
り所定位置の肉厚を測定したり、放射線検査による溶接
形状結果とを併用したりすることも可能である。さらに
、余寿命を推定するためのデータとして熱電対を取付け
、運転起動時及び通常運転時の温度記録を計測すること
もできる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、管内面の形状不連続部分を直接計測し、応力
解析を行って局部応力を非破壊状態で正確に把握できる
とともに、外挿法により配管の余寿命を精度良く評価し
、配管寿命に対して適切な診断を行える等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による配管診断方法の一実施例を示した
処理フロー図。

【図２】本発明に使用される形状測定装置の一実施例を
示した概略側面図。

【図３】応力解析計算結果の一例を示した等応力線図。

【図４】外挿パラメータと応力との関係を示した線図。

【符号の説明】

１　　管 ５　　溶接継手部 ６　　形状不連続部分 ８　　型取り装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管内面の測定部位の形状を計測し、この計
   測結果を用いて解析形状モデルを作成して応力解析を行
   い、上記部位の局部応力値を算出するとともに、管外面
   の硬度測定を行い、この硬度をもとに管応力値と外挿パ
   ラメータとの関係を示す外挿曲線を作成し、この外挿曲
   線上に上記局部応力値をプロットして管の消費寿命を推
   定するようにしたことを特徴とする配管寿命診断法。