JPH0676960B2 - Method and apparatus for evaluating remaining life of mechanical structure subjected to repeated load - Google Patents

Method and apparatus for evaluating remaining life of mechanical structure subjected to repeated load

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JPH0676960B2
JPH0676960B2 JP59260759A JP26075984A JPH0676960B2 JP H0676960 B2 JPH0676960 B2 JP H0676960B2 JP 59260759 A JP59260759 A JP 59260759A JP 26075984 A JP26075984 A JP 26075984A JP H0676960 B2 JPH0676960 B2 JP H0676960B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、繰返し荷重を受ける機械構造物の余寿命評価
方法及びその装置に係り、特に高温雰囲気のもとで、繰
返し荷重あるいは変動荷重を受ける機械構造物の余寿命
評価方法及びその装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for evaluating the remaining life of a machine structure subjected to cyclic load and its apparatus, and particularly to a cyclic load or a fluctuating load under a high temperature atmosphere. The present invention relates to a method and apparatus for evaluating the remaining life of a mechanical structure to be received.

〔発明の背景〕[Background of the Invention]

高温雰囲気のもとで繰返荷重を受ける機械構造物として
発電プラント用タービン等がある。発電プラント用ター
ビンは、起動停止の繰返し、あるいは、負荷の変動に伴
う。こうしたタービンを構成する機械構造物は、熱疲労
とクリープ損傷を同時に受ける。その結果、疲労とクリ
ープに由来する損傷の累積により、構造部材に亀裂が生
じて構造強度が低下する。このような場合、機械構造物
としての強度的な余寿命評価を行っておかないと機器の
破損や、それに伴う発電プラントの大事故に至る危険性
があるものと考えられる。特に、タービンケーシング,
ロータ及び各種弁類の強度上の余寿命評価を行うことは
重要である。
Turbine for a power plant is an example of a mechanical structure that receives a repeated load under a high temperature atmosphere. The turbine for a power generation plant is repeatedly started and stopped, or is accompanied by a change in load. The mechanical structures that make up such turbines are simultaneously subject to thermal fatigue and creep damage. As a result, the accumulation of damage resulting from fatigue and creep causes cracks in the structural member and reduces the structural strength. In such a case, unless the strength residual life of the mechanical structure is evaluated, there is a risk that the equipment may be damaged and a power plant accident may occur. Especially turbine casings,
It is important to evaluate the remaining life of the rotor and various valves in terms of strength.

従来、この種機器の設計に際して、使用材料のクリープ
強度を基準として大きな安全率を設定して、そのの強度
信頼性を高いものとしていた。そのため機器の余寿命評
価は、ほとんど行わないままプラントの運転がなされて
いた。しかし現在、稼動中の火力発電プラントの約半数
が設計耐用年数を越えており、これらプラントをこのま
ま使用できるか、あるいは新しいプラントに更新すべき
かの判定をすべき時期に来ており、余寿命の評価方法の
確立が望まれている。
Conventionally, when designing this kind of equipment, a large safety factor was set based on the creep strength of the material used, and its strength reliability was made high. Therefore, the plant was operated with almost no evaluation of the remaining life of the equipment. However, at present, about half of the thermal power plants in operation have exceeded the design service life, and it is time to decide whether these plants can be used as they are or whether they should be replaced with new plants. Establishment of evaluation method is desired.

また一方、電力需要形態の変化により、ベースロード用
として設計されたた発電プラントを変動負荷用として毎
日起動停止を行うような運用がなされており、このよう
に運用条件が過酷化したプラントでは、耐用年数が当然
短くなるものと推定される。こうした場合、余寿命がど
の程度あるかの評価が極めて重要である。
On the other hand, due to changes in the power demand pattern, operation is performed such that a power plant designed for base load is started and stopped daily for variable load, and in such a plant with severe operating conditions, It is estimated that the useful life will naturally be shortened. In such cases, it is extremely important to evaluate how much remaining life is.

タービンケーシングや主弁,加減弁についての強度的な
寿命や部材の損傷度を非破壊検査により判定することが
できれば、プラントの信頼性は大きく向上するものと思
われるが、まだこれを可能ならしめるに十分なものは提
案されていない。
If the strength of the turbine casing, the main valve, and the control valve and the degree of damage to the components can be determined by non-destructive inspection, the reliability of the plant will be greatly improved, but this is still possible. Not enough has been proposed.

わずかに、タービンロータについては、ロータ周囲の蒸
気及びガス温度やケーシング内側表面の温度を測定し、
測定値からロータに発生する熱応力を演算し、この熱応
力の変化率や絶対値からタービンの運転を制御し、ロー
タに過酷な熱応力が発生しないようにしたシステムが提
案されている(特公昭55−21169号,特公昭58−25842
号)。
Slightly, for turbine rotors, measure the steam and gas temperatures around the rotor and the temperature on the inside surface of the casing,
A system has been proposed in which the thermal stress generated in the rotor is calculated from the measured values, and the turbine operation is controlled based on the rate of change and absolute value of this thermal stress to prevent severe thermal stress from being generated in the rotor. JP-B 55-21169, JP-B 58-25842
issue).

しかし、このシステムは、タービンロータに過酷な応力
が発生するのを防ぎ、ロータの寿命が設計耐用年数より
短くなるのを防ぐものであり、余寿命を知ることはでき
ない。殊に、過去において、過酷な運用をされたプラン
トにおいては、その余寿命を評価することは不可能であ
る。
However, this system prevents the turbine rotor from being subjected to severe stress and prevents the life of the rotor from becoming shorter than the designed service life, and the remaining life cannot be known. Especially, in the past, it is impossible to evaluate the remaining life of a plant which has been operated harshly.

次に、蒸気タービンロータの余寿命備価コードとして線
形破壊力学を採用した「SAFER」が知られている(電力
中央研究報告,研究報告No283021,年和58年12月)。
Next, "SAFER", which adopts linear fracture mechanics as a residual life reserve code of a steam turbine rotor, is known (Research report of Central Electric Power Company, Research report No. 283021, December 1983).

また、非破壊的経年劣化診断技術として、電気化学的方
法を用いたものが蒸気タービンに適用された例が報告さ
れている(電気現場技術,第23巻,第261号)。
Further, as a nondestructive aging deterioration diagnosis technique, an example in which an electrochemical method is applied to a steam turbine has been reported (Electric field technology, Vol. 23, No. 261).

これら従来技術は、いずれもある条件のもとでは、ある
程度の信頼性があるが、他の条件では、二値をとること
があったり、信頼性に欠けるという問題を含んでいる。
All of these conventional techniques have a certain degree of reliability under certain conditions, but under other conditions, they may take a binary value or lack reliability.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明の目的は、繰返し荷重あるいは変動負荷を受ける
機械構造物の余寿命を非破壊的にかつ、高精度で求める
ことのできる余寿命評価方法並びにその装置を提供する
ことにある。
It is an object of the present invention to provide a residual life evaluation method and a device therefor capable of nondestructively and highly accurately determining the residual life of a mechanical structure subjected to a repeated load or a fluctuating load.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明は、高温雰囲気中のクリープ域の繰返し荷重下で
は、寿命初期に構造物表面に微少な亀裂が生じ、この亀
裂の進展と寿命とが密接な関係があるという新しい知見
に基づて、構造物表面にに生じた亀裂の最大長さから余
寿命を判定することを特徴とする。
The present invention, under the repeated load of the creep region in a high temperature atmosphere, based on a new finding that a minute crack occurs on the structure surface at the beginning of life, and the progress of this crack and the life are closely related, It is characterized in that the remaining life is judged from the maximum length of cracks generated on the surface of the structure.

更に、構造物表面に存在する最大亀裂長さを求めるに当
り、限られた面積のサンプリング表面上にある最大亀裂
長さから統計的な処理によって求めることを特徴とす
る。
Further, in obtaining the maximum crack length existing on the surface of the structure, the maximum crack length on the sampling surface of a limited area is obtained by statistical processing.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下、本発明の余寿命評価方法の原理について説明す
る。
Hereinafter, the principle of the remaining life evaluation method of the present invention will be described.

第1図は、蒸気タービンの主蒸気管などに使用されるオ
ーステナイト系ステンレス鋼(SUS316)の650℃雰囲気
における平滑試験片の亀裂発生までの繰返し数と、破断
までの繰返し数とを示したものである。第1図におい
て、縦軸はひずみ範囲、横軸は破損までの繰返し数であ
る。この場合、歪速度εは10-3/secであり、歪の加え方
すなわち荷重波形は、前記歪速度で単調に増加させ、所
定の歪範囲Δεに達すると単調に減少させる三角波状で
ある。この図で白抜き四角のマークは、試験片表面の最
大亀裂長さが0.05mmに達したときの繰返し数を示し、黒
抜き四角のマークは試験片が破断したときの繰返し数を
示している。
Fig. 1 shows the number of repetitions until crack initiation and the number of repetitions until breakage of a smooth test piece of austenitic stainless steel (SUS316) used for main steam pipes of steam turbines in a 650 ° C atmosphere. Is. In FIG. 1, the vertical axis is the strain range, and the horizontal axis is the number of repetitions until breakage. In this case, the strain rate ε is 10 −3 / sec, and the strain application method, that is, the load waveform, is a triangular waveform that monotonically increases at the strain rate and monotonously decreases when a predetermined strain range Δε is reached. In this figure, the white square mark indicates the number of repetitions when the maximum crack length on the surface of the test piece reached 0.05 mm, and the black square mark indicates the number of repetitions when the test piece broke. .

つまり、ひずみ範囲が1%の場合には、Nが約200回
で表面に0.05mmの亀裂が発生し、Nが1000回で破断に
至ったことを示している。
In other words, when the strain range is 1%, a crack of 0.05 mm occurs on the surface after N f has been repeated about 200 times, and fracture has occurred at 1000 times N f .

この図から明らかな如く、ひずみ範囲Δεがどのような
値であっても、破断に至る繰返し数の10〜20%の繰返し
数で必ず0.05mmの亀裂が発生している。換言すれば、0.
05mm程度微少亀裂が発生すると、そのままの繰返し荷重
を作用させておくと、微少亀裂が生じた繰返し数の5〜
10倍の繰返し数で破断が起ることを示している。
As is clear from this figure, no matter what value the strain range Δε has, a crack of 0.05 mm always occurs at a repetition rate of 10 to 20% of the repetition rate leading to fracture. In other words, 0.
If a minute crack of about 05 mm occurs, if the cyclic load is applied as it is, the number of repetitions of the minute crack is 5
It shows that fracture occurs at a repetition number of 10 times.

試験片の破断に至る寿命には、微少な亀裂の進展が大き
な因子となっており、亀裂進展過程を定量的に把握でき
れば、余寿命評価の精度は大幅に向上すると考えられ
る。
The development of minute cracks is a major factor in the life of the test piece until it breaks, and it is considered that the accuracy of the remaining life evaluation will be greatly improved if the crack growth process can be quantitatively grasped.

そこで、微少亀裂の進展状況を歪範囲Δεをパラメータ
として示すと第2図のようになる。使用した試験片はSU
S316、歪速度εは2×10-3/secで、荷重波形は三角波状
であった。
Therefore, the progress of microcracks is shown in FIG. 2 when the strain range Δε is shown as a parameter. The test piece used is SU
S316, strain rate ε was 2 × 10 -3 / sec, and the load waveform was triangular.

この第2図は、本発明に係る余寿命評価を行うためのパ
ラメータとして用いる微小亀裂の進展状況を示す実験デ
ータである。
FIG. 2 is experimental data showing the progress of microcracks used as a parameter for evaluating the remaining life according to the present invention.

第2図の縦軸は、試験片の表面に発生する亀裂長さを対
数目盛でとり、横軸に繰返し数Nをとって示している。
この図から明らかな如く、いずれの歪範囲においても進
展過程は、縦軸を対数目盛をとることにより図中で直線
近似できる。つまり、亀裂長さの対数と繰返し数とは直
接的な関係に近似できることがこの第2図から明らかに
なるものである。
The vertical axis of FIG. 2 represents the crack length generated on the surface of the test piece on a logarithmic scale, and the horizontal axis represents the number of repetitions N.
As is clear from this figure, the progress process in any strain range can be linearly approximated in the figure by taking a logarithmic scale on the vertical axis. That is, it is apparent from FIG. 2 that the logarithm of the crack length and the number of repetitions can be approximated to a direct relationship.

ところで、高温雰囲気中での寿命は、歪速度や荷重波形
に大きく依存する。そこで次に、種々の荷重波形につい
て、前述した微小亀裂の亀裂進展状況を第3図を用いて
説明する。この図では、荷荷重波形としてF−F,S−S,S
−F,F−S,Hold390sec、の5種について示しているが、
それぞれの波形の意味するところは次の通りである。
By the way, the life in a high temperature atmosphere largely depends on the strain rate and the load waveform. Therefore, next, with respect to various load waveforms, the crack progress situation of the aforementioned microcracks will be described with reference to FIG. In this figure, the load load waveform is FF, SS-S, S
-F, F-S, Hold390sec is shown, but
The meaning of each waveform is as follows.

(i)F−F…=2×10-3/secで歪を加え、同じ速度
で反対に歪を与える (ii)S−S…=5×10-3/secで歪を加え、同じ速度
で反対に歪を与える (iii)S−F…プラス方向には=5×10-3/sec、反
対方向には2×10-5/secで歪を与える。
(I) Strain is applied at FF ... = 2 × 10 −3 / sec and oppositely given at the same speed (ii) S−S ... = Strain is added at 5 × 10 −3 / sec and the same speed is applied (Iii) S−F ... Strain is applied at + 5 × 10 −3 / sec in the plus direction and 2 × 10 −5 / sec in the opposite direction.

(iv)F−S…上記(iii)の逆 (v)Hold390sec…ステップ状に歪を与えその状態で39
0sec保持し、逆方向にに同じ歪を加える 第3図の結果が示すように、一般にはクリープ損傷が著
しいと考えられているHold390secや、鋸歯状の荷重波形
でも破断に至るまでの寿命の大半は微少な亀裂の進展に
よるものである。このようにクリープと疲労が重畳する
損傷状態でも亀裂長さの対数log2aと繰返し数Nとの間
は、寿命に至る繰返し数Nを例えば1500回とすると、寿
命の大半、すなわち繰返し数が約200〜1500回の間でほ
ぼ直線関係で近似でき、次式が成り立つ。
(Iv) F-S ... Reverse of (iii) above (v) Hold 390sec ...
Hold for 0 sec and apply the same strain in the opposite direction. As shown in the results in Fig. 3, Hold390 sec, which is generally considered to cause significant creep damage, and most of the life until fracture even with a sawtooth load waveform. Is due to the development of minute cracks. Even in the damage state in which creep and fatigue are superimposed in this way, if the number of cycles N reaching the life is, for example, 1500 between the logarithm log2a of the crack length and the number of cycles N, most of the life, that is, the number of cycles is about 200. Approximately linearly approximated between ~ 1500 times, the following equation holds.

log2a=C・N …(1) したがって、亀裂進展速度da/dNは と導かれる。log2a = C · N (1) Therefore, the crack growth rate da / dN is Is led.

微少亀裂の進展則(2)式において、初期亀裂長さとし
て、結晶粒径の0.05mm,最終亀裂長さとして試験片破断
亀裂長さ約10mmとすれば(2)式から となるから、 と求めることができる。
If the initial crack length is 0.05 mm in the crystal grain size and the final crack length is about 10 mm in the fracture crack of the test piece in the equation (2) for the microcrack propagation law, Therefore, Can be asked.

ところで、亀裂発生寿命N0(50μmの亀裂が発生するま
での繰返し数)は、破断寿命の極めて早期であるから、
これを無視しN0=0とする。これは、機械構造部材には
機械加工傷や、表表面粗さから供用前に数μmから数十
μmの亀裂が存在することから合理的な仮定である。
By the way, since the crack initiation life N 0 (the number of repetitions until a crack of 50 μm occurs) is extremely early in the fracture life,
Ignore this and set N 0 = 0. This is a rational assumption because the mechanical structural member has machining scratches and cracks of several μm to several tens μm before use due to surface roughness.

ところで、(4)式を(1)式に代入すれば、 となる。すなわち、亀裂長さが分れば、寿命比N/N
なわち余寿命が推定できることを示している。しかし、
(5)式においてC′の影響が大きい場合には余寿命の
推定に大きな誤差が生ずる恐れがある。
By the way, if equation (4) is substituted into equation (1), Becomes That is, if the crack length is known, the life ratio N / N f ,
That is, it indicates that the remaining life can be estimated. But,
If the effect of C'in the equation (5) is large, a large error may occur in the estimation of the remaining life.

そこで上述した、C′の余寿命推定に対する影響(誤
差)の有無を、実験によって確認する必要がある。その
実験結果を第4図に示す。この第4図は、歪範囲,荷重
波形の種類等の種々の条件下における微小亀裂の進展を
実測し、亀裂長さと寿命比との関係で示したものであ
る。この図の各マークの意味するところは、第3図と同
様であり、各ケースの歪範囲をカッコ内に示している。
第4図で、RTは、室温において、荷重波形F−Fで歪を
与えたことを示し、Precrept(10kg/mm2,100hr)とは、
あらかじじめカッコ内の条件でクリープを発生させたも
のを試験片に使用したことを意味している。
Therefore, it is necessary to confirm by experiment whether or not the above-mentioned influence (error) of C ′ on the remaining life estimation. The experimental results are shown in FIG. FIG. 4 shows the relationship between the crack length and the life ratio obtained by actually measuring the progress of microcracks under various conditions such as strain range and type of load waveform. The meaning of each mark in this figure is the same as in FIG. 3, and the distortion range of each case is shown in parentheses.
In FIG. 4, RT shows that the strain was given by the load waveform F-F at room temperature, and Precrept (10 kg / mm 2 , 100 hr) is
This means that the test piece was one that caused creep under the conditions in parentheses.

各種類の荷重条件にもかかわらず、log2aとN/Nとの関
係は、Factor of 2のばらつきの範囲で直線関係が成り
立つことが分った。
Despite the type of loading conditions, the relationship between the log2a and N / N f was found that a linear relationship is established in the range of variation of Factor of 2.

すなわち、この第4図に示す実験データは、Factor of
2のばらつきの範囲内においては、上述したC′の影響
はほとんどないことを証明するものである。
That is, the experimental data shown in FIG.
This proves that within the range of the variation of 2, there is almost no influence of the above C '.

この新しい知見が本発明の余寿命評価方法の基本となっ
ている。ところで、第4図の亀裂長さは、主亀裂すなわ
ち、機械構造物に使用される機械構造材料としての試験
片を破断に至らしめる亀裂の進展挙動である。しかし、
実際の構造部材の表面には、微少な亀裂が多数発生し、
それらが成長あるいは合体を繰返して大きな亀裂に成長
し、ついには破断に至らしめる。よって、構造部材が破
断に至るまでの亀裂の数は変化するので、寿命に至るま
での過程における亀裂の数の変化を把握しなければなら
ない。
This new finding is the basis of the remaining life evaluation method of the present invention. By the way, the crack length in FIG. 4 is a main crack, that is, a crack propagation behavior that causes a test piece as a mechanical structural material used for a mechanical structure to break. But,
Many small cracks occur on the surface of the actual structural member,
They repeatedly grow or coalesce to grow into large cracks, which eventually lead to fracture. Therefore, since the number of cracks until the structural member breaks changes, it is necessary to grasp the change in the number of cracks in the process of reaching the life.

この亀裂数の変化の実験データを第5図を用いて説明す
る。第5図は、試験片表面の一定面積(5×5mm2)に生
じる亀裂数の変化を示したものである。この図から、繰
返し数400回までは、各亀裂は独立に発生し成長する
が、その後は、亀裂同士の合体成長により、一定面積中
の亀裂数は減少の傾向を示している。これらの微小亀裂
群の挙動が実際の損傷の進展と直接対応している。そこ
で、これらの微小な亀裂群を統計学的に取扱って、第4
図に示す亀裂長さと寿命比との関係から余寿命評価を行
うため、分布亀裂のうちの最大亀裂長さを推定する方法
を導入する。
Experimental data on the change in the number of cracks will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a change in the number of cracks generated in a certain area (5 × 5 mm 2 ) on the surface of the test piece. From this figure, each crack independently grows and grows up to 400 repetitions, but thereafter, the number of cracks in a certain area tends to decrease due to coalescence growth of the cracks. The behavior of these microcrack groups directly corresponds to the actual damage evolution. Therefore, statistically treating these minute crack groups,
In order to evaluate the remaining life from the relationship between the crack length and the life ratio shown in the figure, a method of estimating the maximum crack length of the distributed cracks will be introduced.

その前に、まず亀裂長さの分布が数理統計的に取扱える
ことを確認するために、亀裂長さをワイブルプロットし
た結果を第6図に示す。この第6図の縦軸は累積頻度F
(2a)、横軸は亀裂長さである。この図は、例えば亀裂
長さ0.5mm、繰返し数Nが502回の時の累積頻度は約92%
であり、亀裂長さ0.5mmの以下の亀裂数は全体の亀裂数
のうち約92%であることを示す。そして、繰返し数Nが
大きくなれば、長い亀裂長さを有するもの例えば1.0〜
6.0mmの亀裂が繰返し数Nが小さいときよりも多く存在
する確率が高くなることが確認される。これは第5図に
おいて説明したように、繰返し数Nが大きくなればなる
ほど亀裂同士が合体して1つの亀裂長さが長くなると共
に、全体の亀裂の個数が少なくなることを表している。
Before that, in order to confirm that the distribution of the crack length can be handled mathematically and statistically, the results of Weibull plotting of the crack length are shown in FIG. The vertical axis of FIG. 6 indicates the cumulative frequency F.
(2a), the horizontal axis is the crack length. This figure shows that the cumulative frequency is about 92% when the crack length is 0.5 mm and the number of cycles N is 502.
The number of cracks having a crack length of 0.5 mm or less is about 92% of the total number of cracks. If the number of repetitions N becomes large, the one having a long crack length, for example, 1.0 to
It is confirmed that there is a higher probability that 6.0 mm cracks are present more than when the number of repetitions N is small. This means that, as described with reference to FIG. 5, as the number of repetitions N increases, the cracks coalesce and the length of one crack becomes longer, and the total number of cracks becomes smaller.

こうしたことより明らかな如く、亀裂長さの分布はワイ
ブル分布で近似できる。よって、亀裂長さの分布が数理
統計的に取扱えることが確認される。
As is clear from these facts, the crack length distribution can be approximated by the Weibull distribution. Therefore, it is confirmed that the distribution of crack length can be handled mathematically and statistically.

ところで機械構造物の強度は、分布する亀裂のうちで最
大のものの長さによって決る。したがって、検出した微
少亀裂群の中から、最大のもの、これを主亀裂と定義す
れば、主亀裂の大きさが、その時点における損傷度を示
すパラメータであると考えられる。そこで実際の機器の
損傷度を求める場合、機器のサンプリング表面中に存在
する亀裂分布から、評価対象領域中の最大亀裂長さを予
測する極値統計手法を用いる。
By the way, the strength of a mechanical structure is determined by the length of the largest distributed crack. Therefore, if the largest one of the detected microcracks is defined as the main crack, the size of the main crack is considered to be a parameter indicating the degree of damage at that time. Therefore, when the damage degree of an actual device is obtained, an extreme value statistical method for predicting the maximum crack length in the evaluation target region from the crack distribution existing in the sampling surface of the device is used.

すなわち、最大値の分布は次式で表わされる二重指数型
分布のGumbel分布に従う。
That is, the distribution of the maximum value follows the double exponential Gumbel distribution represented by the following equation.

ここで、x:極値変数で1サンプル中の最大亀裂長さ λ:位置パラメータ α:尺度パラメータ λ,αのパパラメータを決定する方法としては、サンプ
ルデータから線形不偏推定子が極値計算法として用いる
ことができる。または、図式計算法としては、確率紙を
用いる方法が考えられる。一例として確率紙による方法
を第7図に示す。この第7図は、評価対象表面における
微小亀裂の最大寸法を推定する方法を説明するための図
である。図中の白抜きのの丸印は、サンプリング面積内
における微小亀裂の最大寸法を表す。この場合のサンプ
リング点数(箇所)は7点なので、前述の丸印は7個あ
る。そして縦軸には累積頻度F(y)をとり、横軸に
は亀裂長さ2aを算術目盛で示すと極値統計紙が得られ
る。前述した丸印をこの極値統計紙上にプロットし、こ
れらのプロットデータから亀裂長さと累積頻度との関係
が直線的に近似できることが確認できる。右側の縦軸は
再現期間Tで対象領域中の最大亀裂長さを予測する際に
用いられるものである。この場合、Tは実際に評価され
る機器の評価対象領域と1つのサンプリングの面積との
比、すなわち(評価対象面積)/(1つのサンプリング
の面積)で与えられる。そして先に求めた近似直線と再
現時間Tを用いて評価対象面積内における微小亀裂の最
大亀裂長さを求める。第7図の場合、再現期間T=6な
ので、亀裂長さは約0.95mmとなる。
Here, x is the extreme value variable, the maximum crack length in one sample λ: Position parameter α: Scale parameter λ, α is determined by a linear unbiased estimator from the sample data using the extreme value calculation method. Can be used as Alternatively, a method using probability paper can be considered as the graphic calculation method. As an example, a method using probability paper is shown in FIG. FIG. 7 is a diagram for explaining a method for estimating the maximum size of microcracks on the surface to be evaluated. The white circles in the figure represent the maximum size of the microcracks within the sampling area. Since the number of sampling points (locations) in this case is 7, there are 7 circles. Then, the cumulative frequency F y (y) is plotted on the vertical axis, and the crack length 2a is plotted on the horizontal axis on an arithmetic scale to obtain an extreme value statistical paper. It is possible to confirm that the relationship between the crack length and the cumulative frequency can be linearly approximated by plotting the above-mentioned circles on this extreme value statistical paper and using these plotted data. The vertical axis on the right side is used when predicting the maximum crack length in the target area in the reproduction period T. In this case, T is given by the ratio of the evaluation target area of the actually evaluated device to the area of one sampling, that is, (evaluation target area) / (area of one sampling). Then, the maximum crack length of the microcracks in the evaluation target area is calculated using the previously calculated approximation line and the reproduction time T. In the case of FIG. 7, since the reproduction period T = 6, the crack length is about 0.95 mm.

この様にして求めた最大亀裂長さの予測値と実測値とを
比較した例を第8図に示す。第8図において、黒丸印
は、最大亀裂長さの予測値をもとにして求めた寿命比で
あり、白抜き四角は、評価表面全体から検出した最大亀
裂長さから求めた寿命比であり、予測値と実測値とは良
く合っている。
An example of comparison between the predicted value of the maximum crack length thus obtained and the actual measured value is shown in FIG. In FIG. 8, the black circles represent the life ratio obtained based on the predicted value of the maximum crack length, and the open squares represent the life ratio obtained from the maximum crack length detected from the entire evaluation surface. The predicted value and the measured value are in good agreement.

したがって、この図より極値統計手法を微小亀裂分布に
適用して最大亀裂長さを推定する方法が高精度であるこ
とが実証され、この予測値から先に明らかにした亀裂長
さと寿命比との関係により余寿命を求めることができ
る。
Therefore, it is demonstrated from this figure that the method of estimating the maximum crack length by applying the extreme value statistical method to the microcrack distribution is highly accurate, and from this predicted value, the crack length and the life ratio The remaining life can be obtained from the relationship.

尚、破断亀裂長さを10mmとして説明したが、機器によっ
ては、更に大きくとも使用に耐える場合もある。そこ
で、適用する機器によって、使用限界となる亀裂長さを
予め設定しておくとよい。
Although the length of the fracture crack has been described as 10 mm, depending on the device, even a larger size may withstand use. Therefore, it is advisable to preset the crack length, which is the limit of use, depending on the equipment to be applied.

以上説明したように、本実施例に示した余寿評価方法
は、まず機械構造物の評価対象領域(面積)の中から複
数箇所の亀裂分布をサンプリングし、この亀裂分布から
微小亀裂の最大亀裂長さを検出し、この最大亀裂長さと
サンプリング面積から第7図において説明したように極
値統計手法を用いて機械構造物全表面積における微小亀
裂の最大亀裂長さを推定する。そして、この最大亀裂長
さと、第4図において説明した亀裂長さと寿命比との関
係特性を用いて余寿命を評価するものである。
As described above, the life expectancy evaluation method shown in the present embodiment firstly samples the crack distribution at a plurality of locations from the evaluation target area (area) of the mechanical structure, and from this crack distribution, the maximum crack of the microcracks is sampled. The length is detected, and the maximum crack length of the microcracks in the total surface area of the mechanical structure is estimated from the maximum crack length and the sampling area by using the extreme value statistical method as described in FIG. Then, the remaining life is evaluated by using the maximum crack length and the relationship characteristic between the crack length and the life ratio described in FIG.

更に、材質,材料強度により、限界亀裂に至るまでの繰
返し数N、つまり破断寿命が異なるので予め、同一材
質の試験片により、ある歪範囲でのNを求め、第4図
に示す寿命比N/Nと亀裂長さとの特性を求めておけ
ば、最大亀裂長さから、その時点の寿命比が求められ
る。
Furthermore, the material, the material strength, the repetition number N f up to the limit cracking, i.e. advance since rupture life are different, the test piece of the same material, determine the N f in a certain strain range, life shown in FIG. 4 If the characteristics of the ratio N / N f and the crack length are obtained, the life ratio at that time can be obtained from the maximum crack length.

次に、以上で述べた評価方法を実施するための装置につ
いて説明する。ここでは、評価対象として蒸気タービン
のケーシングを選んだ。
Next, an apparatus for carrying out the evaluation method described above will be described. Here, the casing of the steam turbine was selected for evaluation.

第9図は、蒸気タービンの高圧段タービンケーシングを
示している。これは図示の如く上ケーシング1及び下ケ
ーシング2より成っている。高温高圧の主蒸気5は、加
減弁室3を通り、ケーシング内を軸方向に流れ高圧排気
6として再熱器(図示せず)に入り、ここで再び高温高
圧に加熱された後、再熱蒸気7として中圧段に入る。中
圧段を通過した後、蒸気の大部分は中圧排気として低圧
段に行き残りは抽気9としケーシング外に出る。
FIG. 9 shows a high pressure turbine casing of a steam turbine. It comprises an upper casing 1 and a lower casing 2 as shown. The high-temperature and high-pressure main steam 5 flows axially in the casing through the control valve chamber 3 and enters a reheater (not shown) as high-pressure exhaust 6, where it is heated again to high temperature and high pressure and then reheated. Enter the medium pressure stage as steam 7. After passing through the intermediate pressure stage, most of the steam is discharged to the low pressure stage as medium pressure exhaust and the rest is discharged as bleed air 9 to the outside of the casing.

このようなケーシングは、高温高圧の蒸気にさらされる
機械構造物であって起動停止時には前記の高温蒸気流体
に起因する急激な部材肉厚間の温度差により大きな熱応
力が発生する。したがってケーシングには、起動停止に
よる熱応力の繰返しに起因する疲労損傷及び高温下で高
い内圧の長期負荷によるクリープ損傷を同時にに受ける
ものである。
Such a casing is a mechanical structure that is exposed to high-temperature and high-pressure steam, and when starting and stopping, a large thermal stress is generated due to the rapid temperature difference between the member thicknesses caused by the high-temperature steam fluid. Therefore, the casing simultaneously suffers fatigue damage due to repeated thermal stress due to start and stop and creep damage due to long-term load of high internal pressure at high temperature.

本発明においては、クリープと疲労損傷を受ける高温機
器の部材表面に生じる微視的な損傷を検出することによ
りこれらのデータにに基づき該部材の損傷度及び余寿命
評価を行うものであるが、上記の様な蒸気タービンケー
シングに本発明を具体化するに当っては、まず最も損傷
が大きいと思われる領域を設定し検査対象部を限定す
る。これにはケーシング全体の応力解析による最大応力
発生位置の算出や過去の実績により決定することができ
る。対象領域が設定されればその領域内で無作為に何点
か損傷のサンプリングを行うことになる。ここで、実施
例として蒸気タービンケーシングの過大応力発生位置の
一つである主蒸気管入口部をとり上げる。第10図に主蒸
気管入口部を示す。図中12は主蒸気管11とケーシング1
を接続する溶接部であり高速蒸気5にさらされるため部
材肉厚方向の温度差に基づく熱応力が起動停止毎に繰返
しかかる。特に溶接部12近傍13は材料及び構造が不連続
部になり過大な負荷が繰返されクリープと疲労の損傷も
他の部位に比べ大きいと考えられる。この様な部位に本
発明の装置を適用する場合の基本構成のブロツク図を第
11図に示す。図中、14は、評価対象表面上に存在する数
μmから数mmまでの微小な亀裂分布を検出する検出器で
あって、該評価対象の一定面積内を無作為にサンプリン
グを行う機能を有する。第12図に微小亀裂の分布の例を
示す。これは、650℃でクリープ疲労損傷を受けた寿命
初期の部材表面の観察例である。15は入力されたサンプ
リング内に在る1つの微小亀裂分布の中から極値の亀裂
長さを見いだし且ついくつかのサンプリングの極値から
極値統計手法によりサンプリング面積の数倍から数十倍
の評価対象面積内に存在する最大の亀裂長さを推定する
演算を行う演器である。この様な演算ソフトウェアとし
て、線型不偏推定子法を用い極値統計分布のパラメータ
を推定する。またこの演算部にはサンプリングデータに
対し統計学によるX2検定やKolmogorov−Smirnov検定を
行い観測サンプリングデータを得る。更に、演器は、こ
のデータがある一定の分布からの標本とみなせるかどう
か判定する適合度検定を行いデータ数やサンプリングの
適正度を判定する。不適当な場合は、もう一度検出部14
でサンプリングを行うようフィードバックをかける機能
も有する。データ数やサンプリングが適正であることが
確認できればその推定値は、損傷度を評価する判定器16
へ入り余寿命が算出され、表示装置17で出力されること
になる。出力の値としては、推定最大亀裂長さとその分
散値及びそれに基づく余寿命が表示される。
In the present invention, the degree of damage and the remaining life of the member are evaluated based on these data by detecting microscopic damages that occur on the surface of the member of the high-temperature equipment that is subject to creep and fatigue damage. In embodying the present invention in a steam turbine casing such as that described above, first, a region that is considered to be most damaged is set to limit an inspection target portion. This can be determined by calculating the maximum stress generation position by stress analysis of the entire casing or by past results. When the target area is set, some points of damage are randomly sampled in the area. Here, as an example, the inlet portion of the main steam pipe, which is one of the overstress generation positions of the steam turbine casing, is taken up. Figure 10 shows the main steam pipe inlet. In the figure, 12 is the main steam pipe 11 and casing 1.
Since it is a welded part that connects the parts to each other and is exposed to the high-speed steam 5, thermal stress based on the temperature difference in the member thickness direction is repeatedly applied at each start and stop. In particular, it is considered that the material 13 and the structure 13 near the welded portion 12 become discontinuous portions and an excessive load is repeated, and the damages due to creep and fatigue are larger than those of other portions. A block diagram of the basic configuration when the device of the present invention is applied to such a part is shown in FIG.
Shown in Figure 11. In the figure, 14 is a detector for detecting a minute crack distribution of several μm to several mm existing on the surface to be evaluated, which has a function of randomly sampling within a certain area of the object to be evaluated. . Figure 12 shows an example of the distribution of microcracks. This is an example of observing the surface of a member that has undergone creep fatigue damage at 650 ° C in the early life. 15 finds the crack length of the extreme value from the distribution of one microcrack existing in the input sampling, and from the extreme value of some sampling, the extreme value statistical method It is an instrument that performs a calculation to estimate the maximum crack length existing in the area to be evaluated. As such calculation software, the parameters of the extreme value statistical distribution are estimated using the linear unbiased estimator method. In addition, this operation unit obtains observed sampling data by performing X 2 tests and Kolmogorov-Smirnov tests by statistics on the sampling data. Furthermore, the instrument performs a goodness-of-fit test to determine whether this data can be regarded as a sample from a certain distribution, and determines the number of data and the appropriateness of sampling. If it is inappropriate, the detector 14
It also has a function to give feedback so that sampling can be performed. If it can be confirmed that the number of data and sampling are appropriate, the estimated value is used as a judgment unit for evaluating the degree of damage.
The remaining life is calculated and is output on the display device 17. As the output value, the estimated maximum crack length, its dispersion value, and the remaining life based on it are displayed.

第13図は、主蒸気管溶接部に対し拡大レンズ系を有する
TVカメラを検出部として用いた実施例である。検出部18
は、20〜100倍に交換可能な拡大レンズ19を有し、入力
視野を感知しビデオ信号に変換する高感度な画像センサ
20(例えば固体撮像素子)を有する小型の工業用テレビ
カメラ21を内部中央に設置してなる。該画像センサ20の
両側には対象部の微小な亀裂の観察を容易にするために
照明用光源22を設け、検出部ヘッド下部の鏡22aを介し
て対象部表面に約45゜の角度で照射する。この様な検出
部18からの入力ビデオ信号は、画像解析システム23に入
り画像処理が施される。前述の第12図の様な検出した入
力画像に対しある一定しきい値を設定し画像のグレー像
の処理を行い2値画像化24する。その後エッジ検出処理
を行い画像上の全ての微小亀裂の長さを求め数値化25す
る。数値化されたデータ26は、演算器、例えば一般的な
パーソナルコンピューター27により統計処理を行い、い
くつかの観察サンプリングから評価対象部に存在する最
大亀裂長さを求めその値に基づく余寿命評価を行いCRT2
8などでその結果を出力する。
FIG. 13 has a magnifying lens system for the main steam pipe weld
This is an example in which a TV camera is used as a detection unit. Detector 18
Is a high-sensitivity image sensor that has a magnifying lens 19 that can be replaced by 20 to 100 times, and detects the input field of view and converts it into a video signal.
A small industrial television camera 21 having 20 (for example, a solid-state image sensor) is installed in the center of the inside. Illumination light sources 22 are provided on both sides of the image sensor 20 to facilitate observation of minute cracks in the target portion, and the surface of the target portion is illuminated at an angle of about 45 ° through a mirror 22a below the detection unit head. To do. The input video signal from the detection unit 18 enters the image analysis system 23 and undergoes image processing. A certain threshold value is set for the detected input image as shown in FIG. 12 and a gray image of the image is processed to form a binary image 24. After that, edge detection processing is performed and the lengths of all the microcracks on the image are obtained and digitized 25. The digitized data 26 is statistically processed by an arithmetic unit, for example, a general personal computer 27, and the maximum crack length existing in the evaluation target part is obtained from several observation samplings to evaluate the remaining life based on the value. Perform CRT2
Output the result with 8.

本発明の検出部は、第14図に示す様に、拡大レンズ19を
付けたTVカメラ固体撮像素子18を使用することにより小
型化が可能になる。また検出部29からの入力信号の処理
部はマイクロプロセッサー群を内蔵したものでもよく、
表示装置31を設けたコンパクトな余寿命評価装置30が構
成できる。この様にすることにより検出部18をオペレー
ターにより任意の位置の損傷のサンプリングができかつ
検出部18の入力原画像を表示装置31でモニターしながら
操作が可能となる。
As shown in FIG. 14, the detector of the present invention can be miniaturized by using a TV camera solid-state image pickup device 18 with a magnifying lens 19. Further, the processing unit of the input signal from the detection unit 29 may have a built-in microprocessor group,
A compact remaining life evaluation device 30 provided with the display device 31 can be configured. By doing so, the operator can sample the damage of the detection unit 18 at an arbitrary position and can operate the display unit 31 while monitoring the input original image of the detection unit 18.

他の実施例として第15図に示すものは、微小な亀裂分布
をさらに分解能高く検出するために磁粉探傷装置を第14
図の装置と組合せたものである。これは、対象部を磁化
したとき、もし表面に欠陥があるとその欠陥によって磁
束にさえぎられ、その欠陥の存在する表面に磁束の洩れ
が生じ、その部分に小さな磁極ができる。この部分に微
細な鉄粉をかけると、その鉄粉は磁極に吸い付けられ、
欠陥上に鉄粉による凝集模様ができる。この凝集模様を
見やすくするために蛍光染料をまぶした鉄粉を用い、紫
外線を照射して検査する方法を用いたものである。
As another embodiment, the one shown in FIG. 15 has a magnetic particle flaw detector for detecting a fine crack distribution with high resolution 14th.
It is a combination with the device shown. This is because, when the target portion is magnetized, if there is a defect on the surface, the magnetic flux is blocked by the defect, the magnetic flux leaks to the surface where the defect exists, and a small magnetic pole is formed at that portion. If you apply fine iron powder to this part, the iron powder will be attracted to the magnetic poles,
Agglomeration pattern due to iron powder is formed on the defect. In order to make this aggregate pattern easy to see, iron powder sprinkled with a fluorescent dye is used, and a method of irradiating with ultraviolet rays and inspecting is used.

対象に蛍光磁粉液をかけ電極34と電極33により対象部を
磁化させ、この電極部には前述の検出部18を設け対象部
を照射する光源としては蛍光光源を用いたものである。
この実施例によれば、さらに微小亀裂の分布の観察が容
易になるという効果がある。
A fluorescent magnetic powder solution is applied to an object to magnetize the object part by the electrodes 34 and 33, and the detection part 18 is provided on the electrode part, and a fluorescent light source is used as a light source for irradiating the object part.
According to this embodiment, there is an effect that it becomes easier to observe the distribution of microcracks.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたようにこの発明によれば、機械構造物部材の
寿命初期から生じる微視的な損傷に基づいた余寿命評価
を行うので機械構造物の事故を未然に防止しかつプラン
トの信頼性を保証することができるという効果がある。
As described above, according to the present invention, the remaining life is evaluated based on the microscopic damage that occurs from the beginning of the life of the mechanical structure member, so that the accident of the mechanical structure can be prevented and the reliability of the plant can be improved. There is an effect that it can be guaranteed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、試験片の破損までの繰返し数と表面に微小亀
裂が生ずるまでの繰返し数を示す特性図、第2図及び第
3図は、亀裂進展状況を示す特性図、第4図は亀裂長さ
と寿命比の関係を示す特性図、第5図は表面亀裂数と繰
返し数の関係を示す特性図、第6図及び第7図は、累積
頻度と亀裂長さの関係を示す特性図、第8図は、亀裂長
さと寿命比との特性図、第9図は、タービンケーシング
の断面図、第10図は、主蒸気管部分の詳細図、第11図は
本発明を実施した装置のブロック図、第12図は検査対象
表面の亀裂分布を示す図、第13図は、本発明装置の概略
構成を示す図、第14図及及び第15図は本発明の他の実施
例を示す概略図である。 18……検出部、20……画像センサ、23……画像解析シス
テム、27……演算部、28……表示装置。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the number of repetitions until breakage of the test piece and the number of repetitions until microcracks are generated on the surface, FIGS. 2 and 3 are characteristic diagrams showing the progress of cracks, and FIG. A characteristic diagram showing the relationship between the crack length and the life ratio, FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of surface cracks and the number of repetitions, and FIGS. 6 and 7 are characteristic diagrams showing the relationship between the cumulative frequency and the crack length. FIG. 8 is a characteristic diagram of crack length and life ratio, FIG. 9 is a sectional view of a turbine casing, FIG. 10 is a detailed view of a main steam pipe portion, and FIG. 11 is an apparatus implementing the present invention. Block diagram, FIG. 12 is a diagram showing a crack distribution on the surface to be inspected, FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of the device of the present invention, FIGS. 14 and 15 are other embodiments of the present invention. It is a schematic diagram showing. 18 …… Detector, 20 …… Image sensor, 23 …… Image analysis system, 27 …… Calculator, 28 …… Display device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇佐美 三郎 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 宮田 寛 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 鳥谷 初 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 坪内 邦良 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 金子 了市 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭57−151841(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Saburo Usami 502 Jinritsu-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Machinery Research Institute Ltd. (72) Hiro Miyata 502 Kintate-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Nitate Manufacturing Co., Ltd. Inside the Mechanical Research Laboratory (72) Inventor Toritani Hajime 3-1-1, Saiwaicho, Hitachi City, Ibaraki Hitachi Ltd. Hitachi Factory (72) Inventor Kuniyoshi Tsubouchi 502 Kandachicho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Hitate Co., Ltd. Machinery Research Laboratory (72) Inventor Ryoichi Kaneko 3-1-1 Sachimachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Ltd. Hitachi Factory (56) References JP 57-151841 (JP, A)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】繰返し荷重を受ける機械構造物の余寿命評
価方法において、 (a)前記機械構造物に使用する機械構造材料に限界亀
裂が発生するまでの荷重の繰返し数と前記機械構造材料
が受ける荷重の繰返し数との比からなる寿命比と、前記
機械構造材料に生じる微小亀裂群の中の最大亀裂長さと
の関係特性を予め求め、 (b)前記機械構造物の複数のサンプリング表面から前
記最大亀裂長さをそれぞれ求め、 (c)前記サンプリングされた最大亀裂長さから統計的
な手法を用いて前記機械構造物の表面における最大亀裂
長さを推定し、 (d)この推定された最大亀裂長さを用いて、前記予め
求められた最大亀裂長さと寿命比との関係特性から、余
寿命を算出することを特徴とする繰返し荷重を受ける機
械構造物の余寿命評価方法。
1. A method for evaluating the remaining life of a mechanical structure subjected to a cyclic load, comprising: (a) the number of repetitions of a load until a critical crack occurs in the mechanical structure material used for the mechanical structure and the mechanical structure material; The relationship between the life ratio, which is the ratio of the number of times the load is received, and the maximum crack length in the microcrack group that occurs in the mechanical structure material is obtained in advance, and (b) from a plurality of sampling surfaces of the mechanical structure. Each of the maximum crack lengths is obtained, (c) the maximum crack length on the surface of the mechanical structure is estimated from the sampled maximum crack length using a statistical method, and (d) the estimated maximum crack length is estimated. A method for evaluating the remaining life of a mechanical structure subjected to cyclic loading, wherein the remaining life is calculated from the previously obtained relationship between the maximum crack length and the life ratio using the maximum crack length.
【請求項2】繰り返し荷重を受ける機械構造物の余寿命
評価装置において、 (a)前記機械構造物の表面における複数のサンプリン
グ表面から、前記機械構造物のサンプリング表面に生じ
る微小亀裂群の中の最大亀裂長さを検出する検出器と、 (b)前記検出器により検出された最大亀裂長さから統
計的な手法を用いて前記表面における微小亀裂の最大亀
裂長さを推定する演算器と、 (c)前記演算器で推定された最大亀裂長さを用いて、
前記機械構造物に使用される機械構造材料に生じる微小
亀裂群の中の最大亀裂長さと、該機械構造材料に限界亀
裂が発生するまでの荷重の繰返し数と前記機械構造材料
が受ける荷重の繰返し数との比からなる寿命比との関係
特性から、前記機械構造物の余寿命を判定する判定手段
と、 (d)前記判定手段の判定結果を表示する表示装置と、 を有することを特徴とする繰返し荷重を受ける機械構造
物の余寿命評価装置。
2. An apparatus for evaluating a remaining life of a mechanical structure subjected to a repeated load, comprising: (a) selecting a plurality of sampling surfaces on the surface of the mechanical structure from among a group of microcracks generated on the sampling surface of the mechanical structure. A detector for detecting the maximum crack length, and (b) a calculator for estimating the maximum crack length of the microcracks on the surface using a statistical method from the maximum crack length detected by the detector, (C) Using the maximum crack length estimated by the calculator,
The maximum crack length in the microcrack group that occurs in the mechanical structural material used for the mechanical structure, the number of repetitions of the load until a critical crack occurs in the mechanical structural material, and the repetition of the load that the mechanical structural material receives And a display device for displaying the determination result of the determination means, the determination means determining the remaining life of the mechanical structure based on the relationship characteristic with the life ratio, which is a ratio of the number to the number. Remaining life assessment system for machine structures subjected to repeated loads.
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