JPH09324900A

JPH09324900A - 配管等の熱疲労損傷監視方法および装置

Info

Publication number: JPH09324900A
Application number: JP8140137A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Hirano; 明彦平野; Makoto Hayashi; 眞琴林; Atsuya Hirano; 敦也平野; Shigeo Hattori; 成雄服部; Michiyoshi Yamamoto; 道好山本; Michinari Tani; 道成谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 1997-12-16

Abstract

(57)【要約】【課題】原子力プラントや火力プラントの配管および
ノズルが受けている熱疲労損傷の程度を、プラント稼動
中にオンラインで高精度に監視する方法および装置を提
供する。【解決手段】熱疲労を受ける配管１００および／また
はノズル７００の一部に、外周部から円孔を加工するこ
とによって薄肉部２０１を設け、この薄肉部２０１に熱
疲労損傷を集中させ、この先行的に集中する熱疲労損傷
の大きさを薄肉部２０１の背面でポテンシャル法によっ
て検出したり、薄肉部の熱疲労によるき裂の貫通を湿度
検出センサ２１５や温度測定センサ２１２によって検知
することによって、厚肉部の熱疲労損傷の大きさを評価
し、配管１００やノズル７００の熱疲労に対する健全性
を、プラント稼動中にオンラインで高精度に監視する。
これにより、配管およびノズルが熱疲労損傷よって破損
する前に、熱疲労損傷の蓄積を検知することができる。
以上のことにより、プラントの高信頼性を維持すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子力プラントや
火力プラントなどのように温度変動のある流体が内部を
流れる配管やノズルの熱疲労損傷を監視する方法および
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱疲労を受ける配管やノズルの熱疲労損
傷を監視する方法としては、例えば特願平１−４０１０
３号公報や、M. Hayashi et.al. `Fatigue Monitoring
Systemfor BWR Reactor Pressure Vessel' 11th Intern
ational Conference and Exhibits on NDE in the Nucl
ear and Pressure Vessel Industries に記載された方
法が知られている。これらの公知技術では、プラント機
器の疲労損傷の発生が予想される部位の近傍に流体の温
度、流体の流速、機器の温度を測定できるセンサを設
け、プラントの稼動中に温度や流速を測定し、これらの
データを用いて機器のひずみ履歴を解析し、熱疲労損傷
の程度を評価するようになっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
方法では、熱疲労損傷部位のひずみ変動履歴を評価でき
るが、精度の点では十分に高いとは言えない。すなわ
ち、これらの方法では、センサが設けられるのは、疲労
損傷の発生が予想される部位の近傍であって実際に疲労
損傷が発生する位置ではない。そのため、熱疲労損傷が
発生する部位から離れた位置にセンサを置いて測定した
データに基づいて解析手法を使って熱疲労損傷部位のひ
ずみ変動履歴を求めていることになる。したがって、評
価部位近傍に位置する炉水の溶存酸素濃度を正確に求め
ることができなかった。また、従来の技術によってひず
み変動履歴や温度変動履歴を求めたとしても、複雑なひ
ずみ変動履歴、温度変動履歴に基づいて材料の熱疲労損
傷を高精度に評価する方法は未だ開発されていない。

【０００４】さらに、例えば原子炉水環境中の原子炉構
造材料の疲労程度は、大気中疲労において支配的なひず
み振幅だけでなく、ひずみ速度、温度、炉水の溶存酸素
濃度等の影響を受けて変わることが知られている。この
うち原子炉構造材料に発生するひずみ振幅は、主として
温度変動で生じる熱ひずみによってもたらされたもので
ある。このようなプラントの温度変動は複雑であり、構
造材料の所定の部位の温度変動履歴を正確に知ることは
困難である。従って、構造材料の所定の部位のひずみ変
動履歴を正確に求めることは難しく、ひずみ振幅やひず
み速度を正確に評価することはできない。また、構造材
料の所定の部位近傍の炉水の溶存酸素濃度を正確に知る
ことも困難である。

【０００５】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、配管およびノズルの
熱疲労損傷を、プラント稼働中にオンラインで高精度に
検出することができる配管等の熱疲労損傷監視方法およ
び装置を提供することにある。また、他の目的は、熱疲
労損傷によって配管やノズルが破損する前に熱疲労損傷
の蓄積を検知することができる熱疲労損傷監視方法およ
び装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の手段は、内部を流れる流体の温度変動によっ
て熱疲労損傷を受ける配管等の熱疲労損傷を監視する熱
疲労損傷監視方法において、前記配管等のあらかじめ設
定した部位に流体に接する薄肉部を設け、当該薄肉部の
熱疲労損傷を検出し、あらかじめ当該薄肉部の熱疲労損
傷と薄肉部が形成された厚肉部との熱疲労損傷との関係
を調べておき、前記検出した薄肉部の熱疲労損傷から前
記厚肉部の熱疲労損傷の度合いを評価することを特徴と
している。

【０００７】この場合、前記薄肉部の熱疲労損傷として
熱疲労き裂を監視し、当該き裂の大きさを検出して前記
厚肉部の熱疲労損傷の度合いを評価するとよい。また、
前記薄肉部の熱疲労き裂の貫通を検出して、前記配管の
破損の危険性を評価するようにすることもできる。

【０００８】前記薄肉部の熱疲労損傷と薄肉部が形成さ
れた厚肉部との熱疲労損傷との関係は、応力振幅に対す
る疲労寿命繰り返し数と、薄肉部と厚肉部の形状と寸法
に対応する疲労寿命繰り返し係数とに基づいて求められ
る厚肉部の疲労損傷度が用いられる。

【０００９】なお、前記配管等のあらかじめ設定した部
位としては、前記熱疲労損傷を受ける可能性の高い箇所
に設定することが望ましい。

【００１０】上記目的を達成するため、第２の手段は、
内部を流れる流体の温度変動によって熱疲労損傷を受け
る配管等の熱疲労損傷を監視する熱疲労損傷監視装置に
おいて、前記配管等のあらかじめ設定した部位に配管等
の内周側に面した部分に薄肉部を有する穴を形成すると
ともに、当該穴の外周部であって前記薄肉部の背面側を
覆うように密閉する筒体を設け、さらに、前記薄肉部の
背面側にき裂の大きさを測定する手段を配置したことを
特徴としている。

【００１１】この場合、前記き裂の大きさを測定する手
段は、ポテンシャル法によって測定するための電圧供給
と電圧計測のための配線であり、前記筒体内の温度を検
出する手段や筒体内の湿度を検出する手段をさらに設け
るとよい。前記筒体は例えば配管の外周面に溶接により
接合され、当該筒体の端部は筒体を密閉可能な蓋によっ
て閉鎖される。また、前記あらかじめ設定した部位は熱
疲労損傷を受ける可能性の高い箇所であり、例えば、ノ
ズルの出口近傍などである。

【００１２】また、あらかじめ短い長さに設定した配管
の両端にフランジを設けるととともに、前記薄肉部、筒
体、き裂の大きさを測定する手段などを設けて１つのユ
ニットを構成し、当該ユニットを監視対象となる配管位
置、すなわちあらかじめ設定した部位に適宜装着可能と
するように構成することもできる。あるいは、前記薄肉
部が形成された穴を配管の円周方向に沿って複数個形成
するとともに、前記薄肉部の肉厚をそれぞれ異ならせ、
薄肉部のき裂の進展の状況やき裂の貫通時期を異ならせ
るようにすることもできる。

【００１３】なお、監視対象となる配管としては、例え
ば原子力プラントの配管やノズルなどが選定される。

【００１４】ここで、図１ないし図４を参照し、繰返し
熱ひずみの発生メカニズムについて考察する。

【００１５】ここでは、始めに図１（ａ）に示すように
配管の内部には高温流体３００が流れているものとす
る。このとき、図１（ｂ）に示すように配管１００もそ
の内周側３１０から外周側までほぼ一様な温度分布３２
０を有する高温の状態にある。このとき配管１００が大
きな拘束を受けていなければ熱拘束ひずみ３２１はほぼ
０である。

【００１６】このような状態で図２（ａ）に示すように
配管１００内に低温流体３０１が流入してきたとする
と、配管１００は内周側３１０から低温流体３０１によ
って冷却されていき、内周側３１０が低温の非定常温度
分布３３０になる。この状態では、非定常ひずみ３３１
は図２（ｂ）に示すようになり、内周側３１０には引張
りひずみが発生する。この後、図３（ａ）に示すように
低温流体３０１が定常的に流れると、温度分布３４０お
よびひずみ分布３４１は図３（ｂ）に示すようになり、
内周側３１０のひずみはほぼ０となる。

【００１７】次に、図４（ａ）に示すように高温流体３
００が配管１００内に流入してくると、温度分布３５０
およびひずみ分布３５１は図４（ｂ）に示すようにな
り、内周側３１０には圧縮ひずみが発生する。このよう
に高温流体３００と低温流体３０１の流入が繰り返され
ることにより、内周側３１０は引張りひずみと圧縮ひず
みの繰返しのひずみ振幅を受けることがわかる。

【００１８】そこで、図５ないし図８に示すように配管
１００の外周部に円孔を設けて薄肉部３６１を形成し、
この薄肉部３６１における繰返し熱ひずみの発生メカニ
ズムについてさらに考察する。

【００１９】はじめ図５（ａ）に示すように配管１００
の内部には高温流体３００が流れているものとする。こ
のとき、図５（ｂ）に示すように配管１００も内周側３
６０から外周側までほぼ一様な温度分布３７０を有する
高温の状態にある。このとき配管１００が大きな拘束を
受けていなければ熱拘束ひずみ３７１はほぼ０である。

【００２０】このような状態で図６（ａ）に示すように
配管１００内に低温流体３０１が流入してきたとする
と、配管１００はその内周側３６０から低温流体３０１
によって冷却されていく。このときは内周側３６０が低
温の非定常温度分布３８０になる。図２（ａ）の配管の
場合と比較して図６（ａ）の薄肉部３６１の場合には、
全体的に短時間で冷却されるため、温度分布３８０（図
６（ｂ））の方が温度分布３３０（図２（ｂ））に比べ
て低温側となり、同時に薄肉部３６１は円孔部のまわり
で拘束されるために、ひずみ分布３８１はひずみ分布３
３１よりも高い引張りひずみを薄肉部３６１の内周側３
６０において発生する。この後、図７（ａ）に示すよう
に低温流体３０１が定常的に流れると、温度分布３９０
およびひずみ分布３９１は図７（ｂ）に示すようにな
り、内周側３６０のひずみはほぼ０となる。

【００２１】次に，図８（ａ）に示すように高温流体３
００が配管１００内に流入してくると、温度分布３９５
およびひずみ分布３９６は図８（ｂ）に示すようにな
り、内周側３６０には圧縮ひずみが発生する。このと
き、図６で説明した引張りひずみ発生の場合と同様に、
内周側３６０の圧縮ひずみは図４の配管１００の内面３
１０に発生する圧縮ひずみよりも大きくなる。

【００２２】以上のように、高温流体３００と低温流体
３０１の配管１００内に流入が繰り返されることによ
り、内周側３６０は、内周側３１０よりも大きな引張り
ひずみと圧縮ひずみの繰返しひずみ振幅を受けることに
なる。したがって、配管１００の一部に薄肉部３６１を
設けることによって、配管の一部に熱疲労損傷を他の部
位よりも大きく受ける部位を設けることができる。この
原理に則って、本発明はなされている。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この熱疲労損傷を他の部位
よりも大きく受ける部位を利用して機器の熱疲労損傷を
監視する装置の実施形態について図面を参照して説明す
る。

【００２４】［第１の実施形態］図９は、配管１００に
薄肉部２０１を設け、この薄肉部２０１の前記ひずみを
検出するようにした第１の実施形態を示す断面図で、図
９（ａ）が縦断面を、図９（ｂ）が横断面をそれぞれ示
している。図９から分かるように、前述のように形成し
た薄肉部２０１の配管外周側を円筒容器２１３、円筒容
器蓋２１４で覆う。ここで、円筒容器蓋２１４は例えば
メタルパッキンを利用して、高温高圧流体が円筒容器２
１３内にあっても外部に流出しない構造にしてある。ま
た、円筒容器２１３は溶接部２１０を介して配管１００
と完全に接合されている。

【００２５】以上のように構成することにより、薄肉部
２０１の内周側２００に熱疲労き裂が発生してこれが進
展し、き裂が薄肉部２０１の肉厚を貫通して配管１００
の内部を流れる高温高圧流体が薄肉部２０１から漏出し
たとしても、円筒容器２１３、円筒容器蓋２１４および
溶接部２１０によって高温高圧流体が外部に漏出しない
ように完全密閉することができる。

【００２６】配管１００の内部に高温流体と低温流体が
交互に繰返して流入する場合、配管１００の内部は熱疲
労を受けるが、前述のように薄肉部２０１の内周側２０
０で、特に高い熱疲労を受ける。したがって、薄肉部内
周側２００は、他の部位よりも先行的に熱疲労損傷２０
２を受ける。高い熱疲労損傷を受けると、まず微少寸法
の熱疲労き裂が発生する。さらに熱疲労損傷を受ける
と、この熱疲労き裂が進展する。円筒容器２１３の内部
には、ポテンシャル法によるき裂計測用の電圧供給と電
圧計測のための配線２１１が設置されており、薄肉部２
０１に存在する熱疲労き裂の大きさを計測することがで
きる。

【００２７】ここで、熱疲労損傷の程度を表すパラメー
タである疲労損傷度Ｄ＝Ｎ／Ｎ_f （Ｎ：疲労繰返し数、Ｎ_f：疲労寿命繰返し数）と、き
裂の大きさａとの関係を、評価対象である材料の種類と
使用環境に対して予め把握しておく。

【００２８】薄肉部２０１のき裂は、ひずみ制御型に近
いモードで進展している。ひずみ制御型の場合、また荷
重制御型でもその後期の過程を除いて、き裂の大きさａ
の２倍を対数にとったｌｏｇ（２ａ）と疲労損傷度Ｎ／
Ｎ_fとの間には、一般的に図１０に示すような直線関係
のあることが知られている。材料や環境の種類によって
は両者の関係が直線関係になるとは限らないが、いずれ
にしてもどのような関係にあるかを事前に把握していれ
ばよい。この関係を、疲労損傷度の基準曲線とする。

【００２９】また、使用材料および環境に対応する図１
１のような疲労寿命繰返し数Ｎ_fと繰返し負荷応力振幅
（またはひずみ振幅）Ｓとの関係いわゆるＳ−Ｎ線図を
求めておく。この関係は、多くの研究成果がデータベー
ス化されていることから、使用頻度の高い材料や環境に
よってはこのデータベースを参照することができる。配
管１００内面で、ある繰返し熱負荷を受けた場合に、薄
肉部２０１の内周側２００で発生する応力振幅Ｓ₀と厚
肉部２０３での内周側２００で発生する応力振幅Ｓ_tが
同じ熱伝達係数を仮定して与えることにより容易に計算
され、図１１のＳ−Ｎ線図を用いて、図１２に示すよう
に、応力振幅Ｓ₀に対する疲労寿命繰返し数Ｎ_f0と応力
振幅Ｓ_tに対する疲労寿命繰返し数Ｎ_ftを求めて、薄肉
部２０１と厚肉部２０３の形状と寸法に対応する疲労寿
命繰返し数割り増し係数Ｆ_a＝Ｎ_ft／Ｎ_ｆ０が求められる。

【００３０】いま、ポテンシャル法でき裂の寸法を測定
したところ、き裂寸法がａ_１であったとする。図１０
の疲労損傷度の基準曲線に基づくと、薄肉部２０１にａ
＝ａ₁のき裂が存在しているときに、薄肉部２０１の疲
労損傷度Ｄ₁＝Ｎ／Ｎ_f0 は図１３に示すようにして求めることができ、疲労寿命
繰返し数割り増し係数Ｆ_a＝Ｎ_ft／Ｎ_f0 を用いて、次式（１）から、厚肉部２０３の疲労損傷度
Ｄ_tを評価することができる。

【００３１】Ｄ_t＝Ｄ₁×（１／Ｆ_a）＝Ｎ／Ｎ_f0×（Ｎ_f0／Ｎ_ft）＝Ｎ／Ｎ_ft ・・・（１）Ｄ_tは、厚肉部２０３における疲労寿命の消費割合を示
しており、例えば、Ｄ_t＝０：疲労損傷無しＤ_t＝０．５：疲労寿命消費割合５０％Ｄ_t＝１．０：疲労寿命を意味している。

【００３２】このように、プラント運転中に薄肉部２０
１の熱疲労き裂の大きさａを常時計測することにより、
薄肉部２０１の熱疲労による損傷２００の程度を定量的
に把握することができる。そして、薄肉部２０１の熱疲
労損傷２００の程度から、配管１００全体が受けている
熱疲労損傷の程度を知ることが可能となり、配管１００
の熱疲労損傷の監視を行うことができる。この熱疲労き
裂がある大きさまで進展すると、不安定的にき裂が進展
し、薄肉部２０１を貫通する。熱疲労き裂が薄肉部２０
１を貫通すると、配管１００の内部を流れている高圧流
体がこのき裂を通って流出する。そして、円筒容器２１
３の内部に取り付けられた温度測定センサ２１２や湿分
検出センサ２１５によって高圧流体が熱疲労き裂を通っ
て流出しはじめた瞬間の温度変化あるいは湿度変化を検
出して、薄肉部２０１を熱疲労き裂が貫通したことが貫
通した直後に察知される。このときの疲労損傷度Ｄ
_tは、薄肉部２０１の厚さによって変わってくる。薄肉
部２０１が比較的薄い場合には、熱疲労き裂の貫通時は
疲労損傷度Ｄ₁＜０．５となり、薄肉部２０１が比較的
厚い場合には、熱疲労き裂の貫通時には疲労損傷度Ｄ₁
＞０．５になる。また、熱疲労き裂貫通時に疲労損傷度
Ｄ₁＝０．５になるように薄肉部２０１の厚さを定める
ことも可能である。すなわち、必要な安全裕度やどのよ
うな状態を検知したいかと言う目的によって薄肉部２０
１の厚さを設計し、目的に応じた疲労損傷度を検出する
ことができる。

【００３３】また、薄肉部寸法をいずれに設計するにし
ても、薄肉部２０１における熱疲労き裂の貫通を検知す
ることによって、薄肉部２０１の疲労損傷度Ｄ₁を求め
ることができ、式（１）から、厚肉部２０３の疲労損傷
度Ｄ_tを評価することができる。したがって、薄肉部２
０１における熱疲労き裂の貫通を検知する事で配管１０
０の熱疲労損傷の大きさを定量的に知ることができ、プ
ラントの運転を継続するか、あるいは一時停止してプラ
ントの検査を行うかを意志決定することができる。

【００３４】［第２の実施形態］第２の実施形態を図１
４に示す。この実施形態は、ノズル部分の熱疲労による
損傷を検出する例である。図１４に示すように、圧力容
器と配管の接合部には通常ノズル７００が取り付けられ
ており、ノズル７００の内部には流体７０１が流れてい
る。このようなノズル７００において、高温流体７０２
と低温流体７０３が交互にノズル７００の内部に流入す
ると、ノズルの内面は熱疲労を受ける。そこで、ノズル
７００において最も厳しい熱疲労を受ける部位の外周側
に、薄肉部７１０を設ける。薄肉部７１０の内周側７１
１は特に高い繰返し熱ひずみを受けて熱疲労損傷７１２
が発生する。薄肉部７１０の外周側には円筒容器２１
３、円筒容器蓋２１４、溶接部２１０、電圧供給と電圧
計測のための配線２１１、温度測定センサ２１２および
湿分検出センサ２１５で構成された熱疲労損傷の監視装
置が取り付けられる。

【００３５】このように各部を構成し、熱疲労損傷７１
２に生じたき裂の寸法を電圧供給と電圧計測のための配
線２１１を用いたポテンシャル法によりプラント稼動中
に検出し、薄肉部７１０の熱疲労損傷７１２の程度を定
量的に検知する。この薄肉部７１０で評価した熱疲労損
傷程度から、前述の方法によってノズルの熱疲労損傷程
度を予測する。また、薄肉部７１０を熱疲労き裂が貫通
し、ノズル内部の流体が漏洩するのに伴う急激な温度の
変動や湿度の変動を前述のように温度測定センサ２１２
および湿分検出センサ２１５によって検知し、薄肉部７
１０において熱疲労損傷７１２の程度がある大きさに達
したことを知ることができる。そして、熱疲労損傷７１
２の大きさとプラントの保守性とを勘案し、必要があれ
ばプラントを一次停止してノズルの熱疲労損傷の程度を
調べることで、プラントの安全性を高水準に保持するこ
とができる。また、薄肉部７１０の肉厚を所定の大きさ
にしておくことで、検出する熱疲労損傷の程度を変える
ことができる。たとえば、薄肉部の厚さを小さくすれ
ば、熱疲労損傷があまり大きくない状態すなわち初期の
損傷を、また、薄肉部の厚さを比較的大きくしておけ
ば、熱疲労損傷がかなり進んだ状態を検知することが可
能である。

【００３６】［第３の実施形態］図１５に第３の実施形
態を示す。この実施形態は、比較的短い配管１０６を用
意してユニットを構成し、この短い配管１０６（ユニッ
ト）を利用して第１および第２の実施形態と同様に熱疲
労損傷を検出しようとする例である。

【００３７】そこで、短い配管１０６の両端に短管用フ
ランジ５０１を設け、主配管１０５の端部には主配管用
フランジ５０２を用意しておく。短管用フランジ５０１
と主配管用フランジ５０２を接合し、短い配管１０６
を、主配管１０５の途中に取り付ける。短い配管１０６
にはその外周側に薄肉部２０１を加工しておき、この薄
肉部２０１を円筒容器２１３、円筒容器蓋２１４、溶接
部２１０で完全に囲う。また、薄肉部２０１には、第１
および第２の実施形態と同様に電圧供給と電圧計測のた
めの配線２１１、温度測定センサ２１２および湿分検出
センサ２１５を取り付けておく。薄肉部２０１の肉厚は
比較的薄めにしておく。薄肉部２０１の内周側２００に
熱疲労損傷２０２が入り、き裂が進展している状態にお
けるき裂の寸法を電圧供給と電圧計測の配線２１１を用
いたポテンシャル法により測定し、薄肉部２０１の熱疲
労損傷程度を調べる。薄肉部２０１の熱疲労損傷程度か
ら配管全体の熱疲労損傷程度を把握する。また、熱疲労
き裂が進展し、薄肉部２０１を貫通した時点を温度測定
センサ２１２および湿分検出センサ２１５を用いて検出
する。この段階で、熱疲労損傷の程度を定量的に把握す
ることができる。薄肉部２０１の肉厚は比較的小さいの
で、これは熱疲労損傷程度があまり大きくない初期の熱
疲労損傷の検知にあたる。この段階でプラントを一時停
止し、配管あるいはノズルが熱疲労損傷を受けているか
どうかを検査することができる。

【００３８】そして、薄肉部２０１のき裂が貫通して計
測が不可能になると、短管側のフランジ５０１と主配管
側のフランジ５０２を外して、短い配管１０６を取り外
し、円筒容器２１３、円筒容器蓋２１４、溶接部２１
０、薄肉部２０１、電圧供給と電圧計測の配線２１１、
温度測定センサ２１２および湿分検出センサ２１５を有
する新しい短い配管１０６を再び主配管１０５に接合
し、この短い配管を用いて熱疲労損傷の程度を継続して
監視する。

【００３９】したがって、この実施形態によれば、継続
的な熱疲労損傷の監視が低コストで行える。

【００４０】［第４の実施形態］図１６に第４の実施形
態を示す。この実施形態は、配管１００の円周方向に沿
って穴深さの異なる円孔６０１，６０２，６０３，６０
４を複数設け、円孔６０１，６０２，６０３，６０４の
それぞれの外周側に第１および第３の実施形態と同様の
円筒容器２１３、円筒容器蓋２１４、溶接部２１０、電
圧供給と電圧計測のための配線２１１、温度測定センサ
２１２および湿分検出センサ２１５を設置する。

【００４１】円孔６０１，６０２，６０３，６０４の配
管内側との間に形成された薄肉部は、熱疲労損傷を先行
的に集中して受ける部位である。薄肉部の肉厚の薄いも
のほど熱ひずみ振幅は大きくなり、熱疲労損傷は先行的
に大きく生じる。プラントの運転に伴い、円孔６０１，
６０２，６０３，６０４が設けられた薄肉部が熱疲労損
傷を受けると、薄肉部には熱疲労き裂が発生し、これが
進展して薄肉部の貫通にいたる。薄肉部の肉厚が小さい
ほどき裂進展距離が小さくなるため、き裂は短時間で貫
通しやすい。薄肉部の厚さが小さいものほど、発生する
熱ひずみ振幅は大きく、またき裂進展距離が小さいこと
から、初期の熱疲労損傷でき裂が肉厚を貫通する。よっ
て、最も薄い肉厚を有する円孔部からのき裂の貫通によ
る流体の漏洩を検出することで、初期の熱疲労損傷があ
る大きさまで達したことを検知する事ができる。

【００４２】さらに熱疲労損傷が進むと、熱疲労損傷に
よるき裂は２番目に薄肉部肉厚の小さい円孔部で貫通す
る。これにより、さらに熱疲労損傷が進んだある段階の
熱疲労損傷程度を知ることができる。この事象を繰り返
すことで、熱疲労損傷の進行を段階的に、定量的かつ高
精度に検出することができる。したがって、この検出結
果を利用して、プラントの熱疲労損傷程度を把握し、プ
ラントの熱疲労に対する健全性を確保することができ
る。

【００４３】

【発明の効果】これまでの説明で明らかなように、本発
明によれば、監視対象となる配管等に薄肉部を形成し、
薄肉部の熱疲労損傷もしくは熱疲労き裂から厚肉部の熱
疲労損傷を定量的に検出することが可能となり、これに
よって熱疲労損傷をプラントの稼働中にオンラインで高
精度に評価することができる。また、配管等が熱疲労損
傷によって破損する前に熱疲労損傷の蓄積を検知するこ
とが可能となり、上記評価とも相俟ってプラントの高信
頼性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】繰返し熱ひずみ発生のメカニズムを示す説明図
である。

【図２】繰返し熱ひずみ発生のメカニズムを示す説明図
である。

【図３】繰返し熱ひずみ発生のメカニズムを示す説明図
である。

【図４】繰返し熱ひずみ発生のメカニズムを示す説明図
である。

【図５】薄肉部において繰返し高熱ひずみが発生するメ
カニズムを示す説明図である。

【図６】薄肉部において繰返し高熱ひずみが発生するメ
カニズムを示す説明図である。

【図７】薄肉部において繰返し高熱ひずみが発生するメ
カニズムを示す説明図である。

【図８】薄肉部において繰返し高熱ひずみが発生するメ
カニズムを示す説明図である。

【図９】第１の実施形態に係る熱疲労損傷監視装置を示
す説明図である。

【図１０】疲労損傷度基準曲線の概念を示す説明図であ
る。

【図１１】疲労寿命繰返し数と繰返し負荷応力振幅（ま
たはひずみ振幅）の関係いわゆるＳ−Ｎ線図の概念を示
す説明図である。

【図１２】Ｓ−Ｎ線図を用いて薄肉部２０１と厚肉部２
０３の形状と寸法に対応する疲労寿命繰返し数割り増し
係数Ｆ_a＝Ｎ_ft／Ｎ_f0を求める方法を示す説明図であ
る。

【図１３】疲労損傷度の基準曲線を用いて疲労損傷度を
求める方法を示す説明図である。

【図１４】ノズルに適用した第２の実施形態に係る熱疲
労損傷監視装置を示す説明図である。

【図１５】ユニット化した第３の実施形態に係る熱疲労
損傷監視装置を示す説明図である。

【図１６】感度の異なる熱疲労損傷監視装置を複数設置
した第４の実施形態を示す説明図である。

【符号の説明】

１００配管１０１流体の流れ１０２７０１流体１０５主配管１０６短い配管２００，３１０配管内周側２０１，３６１，７１０薄肉部２０２，７１２熱疲労損傷２０３厚肉部２１０溶接部２１１電圧供給と電圧計測の配線２１２温度測定センサ２１３円筒容器２１４円筒容器蓋２１５湿分検出センサ３００，７０２高温流体３０１，７０３低温流体３２０，３３０，３４０，３５０，３７０，３８０，３
９０，３９５温度分布３２１，３３１，３４１，３５１，３７１，３８１，３
９１，３９６熱拘束ひずみ分布３６０円孔部内周側５０１短配管フランジ５０２主配管フランジ６０１，６０２，６０３，６０４円孔７００ノズル７１１円孔部内周側

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者服部成雄茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者山本道好茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者谷道成茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部を流れる流体の温度変動によって熱
疲労損傷を受ける配管等の熱疲労損傷を監視する熱疲労
損傷監視方法において、前記配管等のあらかじめ設定した部位に流体に接する薄
肉部を設け、当該薄肉部の熱疲労損傷を検出し、あらかじめ当該薄肉部の熱疲労損傷と薄肉部が形成され
た厚肉部との熱疲労損傷との関係を調べておき、前記検出した薄肉部の熱疲労損傷から前記厚肉部の熱疲
労損傷の度合いを評価することを特徴とする配管等の熱
疲労損傷監視方法。
【請求項２】前記薄肉部の熱疲労損傷が熱疲労き裂で
あり、当該き裂の大きさを検出して前記厚肉部の熱疲労
損傷の度合いを評価することを特徴とする請求項１記載
の配管等の熱疲労損傷監視方法。
【請求項３】前記薄肉部の熱疲労き裂の貫通を検出し
て、前記熱疲労損傷の度合いおよび／または前記配管の
破損の危険性を評価することを特徴とする請求項２記載
の熱疲労損傷監視方法。
【請求項４】前記薄肉部の熱疲労損傷と薄肉部が形成
された厚肉部との熱疲労損傷との関係が、応力振幅に対
する疲労寿命繰り返し数と、薄肉部と厚肉部の形状と寸
法に対応する疲労寿命繰り返し係数とに基づいて求めら
れる厚肉部の疲労損傷度であることを特徴とする請求項
１記載の配管等の熱疲労損傷監視方法。
【請求項５】前記配管等のあらかじめ設定した部位
が、前記熱疲労損傷を受ける可能性の高い箇所に設定さ
れていることを特徴とする請求項１記載の配管等の熱疲
労損傷監視方法。
【請求項６】内部を流れる流体の温度変動によって熱
疲労損傷を受ける配管等の熱疲労損傷を監視する熱疲労
損傷監視装置において、前記配管等のあらかじめ設定した部位に前記配管等の内
周側に面した部分に薄肉部を有する穴を形成するととも
に、当該穴の外周部であって前記薄肉部の背面側を覆う
ように密閉する筒体を設け、さらに、前記薄肉部の背面
側にき裂の大きさを測定する手段を配置したことを特徴
とする配管等の熱疲労損傷監視装置。
【請求項７】前記き裂を測定する手段が、ポテンシャ
ル法によって測定するための電圧供給と電圧計測のため
の配線であることを特徴とする請求項６記載の配管等の
熱疲労損傷監視装置。
【請求項８】前記筒体内の温度を検出する手段をさら
に備えていることを特徴とする請求項６記載の配管等の
熱疲労損傷監視装置。
【請求項９】前記筒体内の湿度を検出する手段をさら
に備えているとことを特徴とする請求項６ないし８のい
ずれか１項に記載の配管等の熱疲労損傷監視装置。
【請求項１０】前記筒体は配管の外周面に溶接により
接合され、当該筒体の端部は筒体を密閉可能な蓋によっ
て閉鎖されていることを特徴とする請求項６ないし９の
いずれか１項に記載の配管等の熱疲労損傷監視装置。
【請求項１１】前記あらかじめ設定した部位が、前記
熱疲労損傷を受ける可能性の高い箇所に設定されている
ことを特徴とする請求項６記載の配管等の熱疲労損傷監
視装置。
【請求項１２】前記前記熱疲労損傷を受ける可能性の
高い箇所が、ノズルの出口近傍であることを特徴とする
請求項１１記載の配管等の熱疲労損傷監視装置。
【請求項１３】前記配管のあらかじめ設定した部位が
あらかじめ短い長さに設定した配管であって、当該配管
の両端にフランジを設けて１つのユニットを構成し、当
該ユニットを監視対象となる配管位置に適宜装着可能と
したことを特徴とする請求項６記載の配管等の熱疲労損
傷監視装置。
【請求項１４】前記薄肉部が形成された穴を配管の円
周方向に沿って複数個形成するとともに、前記薄肉部の
肉厚がそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項６
記載の配管等の熱疲労損傷監視装置。
【請求項１５】前記配管等が原子力プラントの配管お
よびノズルであることを特徴とする請求項６記載の配管
等の熱疲労損傷監視装置。