JPH11237912A

JPH11237912A - 高温構造部材の保守管理方法および装置

Info

Publication number: JPH11237912A
Application number: JP3774998A
Authority: JP
Inventors: Itaru Murakami; 格村上; Takahiro Kubo; 貴博久保; Kazunari Fujiyama; 一成藤山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】損傷の正確な評価と予測に基づき、構造部材の
健全性を確保しつつ補修量の最適化を図る。【解決手段】高温構造部材に発生したき裂長さを計測す
ることにより、最大き裂長さとき裂長さ総和とを算出
し、この算出した２つの要素に基づいて、将来の年間運
用時間または起動停止回数の頻度に対応する将来の最大
き裂長さとき裂長さ総和を予測する。予測された最大き
裂長さと構造部材が許容する限界き裂長さとの比較によ
り、構造部材の補修間隔の最大値を求める。一方予測さ
れたき裂長さの総和より補修時のき裂補修量を算出し、
前記構造部材の補修間隔の最大値を超えず、かつ補修量
が最小となる補修間隔または部品の交換寿命を設定す
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、高温構造部材の保
守管理方法および装置に係り、特に微小き裂を許容する
部材のき裂損傷に対する保守管理方法あるいは高温状態
で長期間に亘り使用され部材材質が劣化する高温構造部
材の保守管理方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばガスタービンなどの大型の原動機
では、起動および停止の繰り返しに伴う温度変化により
ガスタービン燃焼器、ガスタービン静翼、ガスタービン
動翼などの構造部材に熱応力が発生し、この熱応力によ
る熱疲労損傷が長期間の運用に亘って蓄積され、構造部
材にき裂が発生する。最近の構造物には、損傷許容設計
の概念が取り入れられており、急速に進展して機器全体
の損傷に至る恐れがあるき裂や、構造物の性能を著しく
低下させるき裂以外は、検査によりき裂が認められて
も、無補修で運用に供される場合がある。

【０００３】この場合、き裂を許容するか補修するかの
判定は、定期検査を行った時点で、き裂長さ、き裂深さ
などを判断基準として行われているが、この判断基準は
構造部材の設計温度、設計応力あるいは同型機種の使用
実績などに基づいて設定されており、構造部材の製造状
態や運用条件のばらつきなどを包括して安全側の設定と
なっている。

【０００４】また、高温構造部材は長期間の運用に亘っ
て高温にさらされると、材質の変化を生じるが、この変
化が材質劣化となる構造部材では、その材質劣化を考慮
して構造部材の健全性を評価する必要がある。さらに、
構造部材の健全性の観点から、き裂が許容される場合で
も、き裂が残存することによって構造部材の損傷が加速
度的に進み、結果的に補修量が増大する可能性も考えら
れる。

【０００５】そこで、これらの要因を考慮した構造部材
の合理的な保守管理方法が強く求められている。

【０００６】構造部材に発生するき裂の発達過程とし
て、例えば特開昭６３−２４１３４１号の技術では、構
造部材のき裂の極値統計解析により、実機構造部材のき
裂長さを推定している。しかし、この技術は高温疲労試
験のテストピースの表面観察結果をもとに、実機き裂の
き裂長さを予測するものであり、テストピースのき裂と
比較して１桁〜２桁以上大きい実機き裂にそのまま適用
する事が困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】高温構造部材の補修間
隔や交換時期の設定を的確に行うためには、損傷の正確
な評価と予測に基づき、構造部材の健全性を確保しつつ
補修量の最適化を図る方法が必要とされる。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、き裂の発生および成長が主要損傷因子となる構
造部材について、保守管理を適正に行うことができる方
法を提供することを目的とする。

【０００９】また、本発明は運用に伴う構造部材の材質
劣化がき裂成長の挙動に影響を与える場合や、材質劣化
が部材の構造信頼性を大きく損なう場合において、構造
部材の合理的な保守管理を行うことができる方法を提供
することを目的とする。

【００１０】さらに、本発明は、前記の方法を好適に実
施するたことができる保守管理装置を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、高温構造部材に発生したき
裂長さを計測することにより、最大き裂長さとき裂長さ
総和とを算出し、この算出した２つの要素に基づいて、
将来の年間運用時間または起動停止回数の頻度に対応す
る将来の最大き裂長さとき裂長さ総和を予測し、予測さ
れた最大き裂長さと構造部材が許容する限界き裂長さと
の比較により、構造部材の補修間隔の最大値を求め、一
方予測されたき裂長さの総和より補修時のき裂補修量を
算出し、前記構造部材の補修間隔の最大値を超えず、か
つ補修量が最小となる補修間隔または部品の交換寿命を
設定することを特徴とする高温構造部材の保守管理方法
を提供する。

【００１２】請求項２の発明では、請求項１記載の高温
構造部材の保守管理方法において、管理対象となる高温
構造部材が運用に伴って材質劣化するものである場合、
材質劣化度を分極法により計測し、予め求めた材質劣化
度とき裂進展速度との関係により、将来の年間運用時間
または起動停止回数の頻度に対応して構造部材のき裂の
成長を予測することを特徴とする高温構造部材の保守管
理方法を提供する。

【００１３】請求項３の発明では、請求項１記載の高温
構造部材の保守管理方法において、管理対象となる高温
構造部材が運用に伴って材質劣化するものである場合、
材質劣化度を分極法により計測し、予め求めた材質劣化
度と材料の破壊じん性との関係により、将来の年間運用
時間または起動停止回数の頻度に対応して、構造部材の
破損に至る限界き裂長さを算出することを特徴とする高
温構造部材の保守管理方法を提供する。

【００１４】請求項４の発明では、請求項３記載の高温
構造部材の保守管理方法において、構造部材の破損に至
る限界き裂長の算出方法として、劣化材について計測さ
れた不安定破壊に移行する弾性応力拡大係数に基づい
て、前記劣化材におけるＫ_R曲線部材の弾性応力解析か
ら限界き裂長さを求めるＫ_R曲線法を適用することを特
徴とする高温構造部材の保守管理方法を提供する。

【００１５】請求項５の発明では、請求項３記載の高温
構造部材の保守管理方法において、構造部材の破損に至
る限界き裂長の算出方法として、劣化材につき不安定破
壊に移行するＪ積分値または修正Ｊ積分値に基づいて、
劣化材におけるＪ_R曲線またはＪ_M−Ｒ曲線を求め、前
記構造部材の弾塑性応力解析結果から限界き裂長さを求
めるＪ_R曲線法またはＪ_M−Ｒ曲線法を適用することを
特徴とする高温構造部材の保守管理方法を提供する。

【００１６】請求項６の発明では、請求項３記載の高温
構造部材の保守管理方法において、構造部材の破損に至
る限界き裂長の算出方法として、劣化材につき不安定破
壊に移行する際の応力と応力拡大係数との関係を表す破
壊評価線図に基づいて、構造部材の弾性応力解析より求
めた応力と応力拡大係数との組合せが前記破壊評価線図
に達するときのき裂長さを求める方法を適用することを
特徴とする高温構造部材の保守管理方法を提供する。

【００１７】請求項７の発明では、請求項３記載の高温
構造部材の保守管理方法において、構造部材の破損に至
る限界き裂長の算出方法として、劣化材につき不安定破
壊に移行する応力とＪ積分値との関係を表す破壊評価線
図に基づいて、構造部材の弾塑性応力解析より求めた応
力とＪ積分値との組合せが前記破壊評価線図に達すると
きのき裂長さを求める方法を適用することを特徴とする
高温構造部材の保守管理方法を提供する。

【００１８】請求項８の発明では、運用に伴い材質が劣
化し熱処理により材質が回復する高温構造部材につき、
運用後の材質劣化度および熱処理後の材質回復度を分極
法により計測し、将来の年間運用時間または起動停止回
数の頻度に対応して将来の材質を予測し、その予測され
た材質と前記構造部材の健全性を確保するために必要な
材質との比較により、前記高温部材の保守間隔または交
換寿命を設定することを特徴とする高温構造部材の保守
管理方法を提供する。

【００１９】請求項９の発明では、運用に伴い材質が劣
化する高温構造部材につき、酸化層厚さを、超音波法を
用いて非破壊的に計測し、酸化層厚さと運転時間から被
計測部の使用温度を推定し、予め計測した温度および時
間と材質劣化との関係、ならびに前記推定された高温部
材の温度と将来の年間運用時間または起動停止回数の頻
度とに対応して将来の材質の変化を予測し、その予測さ
れた材質と構造部材の健全性を確保するために必要な材
質との比較により、保守間隔または交換寿命を設定する
ことを特徴とする高温構造部材の保守管理方法を提供す
る。

【００２０】請求項１０の発明では、運用に伴い材質が
劣化する高温構造部材につき、酸化層厚さを電磁気法を
用いて非破壊的に計測し、酸化層厚さと運転時間から被
計測部の使用温度を推定し、予め計測した温度および時
間と材質劣化との関係、ならびに前記推定された高温部
材の温度と将来の年間運用時間または起動停止回数の頻
度に対応して将来の材質の変化を予測し、その予測され
た材質と構造部材の健全性を確保するために必要な材質
との比較により、保守間隔または交換寿命を設定するこ
とを特徴とする高温構造部材の保守管理方法を提供す
る。

【００２１】請求項１１の発明では、コーティングを有
する高温構造部材表面に発生したき裂深さを超音波法ま
たは電磁気法または電位差法により計測し、将来の年間
運用時間または起動停止回数の頻度に対応して将来のき
裂深さを予測し、許容する限界き裂長さとの比較により
コーティングの交換寿命を設定することを特徴とする高
温構造部材の保守管理方法を提供する。

【００２２】請求項１２の発明では、高温構造部材の表
面き裂画像を入力する表面画像入力手段と、入力画像か
らき裂の位置および形状を計測する画像処理手段と、き
裂の位置および形状から最大き裂の位置および長さを計
測する最大き裂計測手段と、き裂の位置および形状から
き裂長さ総和を計測する総き裂長さ計測手段と、ガスタ
ービンの運転条件データに基づき構造部材に発生する応
力を解析する応力解析手段と、年間起動停止回数および
年間運用時間等の将来の運用条件を設定する運用条件設
定手段と、将来の運用条件より将来の最大き裂長さを予
測する最大き裂長さ予測手段と、最大き裂位置より構造
部材の破損限界き裂長さを設定する限界き裂設定手段
と、将来の運用条件より将来の総き裂長さを予測する総
き裂長さ予測手段と、総き裂長さより将来の補修量を推
定する補修量推定手段と、最大き裂を限界き裂以下に制
限しながら最適補修間隔を設定する補修間隔最適化手段
とを備えたことを特徴とする高温構造部材の保守管理装
置を提供する。

【００２３】請求項１３の発明では、高温構造部材のア
ノードピーク電流密度を計測する分極法計測手段と、ア
ノードピーク電流密度の計測データから材質を推定する
材質推定手段と、高温構造部材の材質劣化を回復させる
再熱処理などの材質回復手段と、材質回復手段適用前後
の材質の差から材質の回復度を推定する材質回復度推定
手段と、将来の年間運用時間または年間起動停止回数の
運用形態を加味して将来の材質を予測し、高温構造部材
の保守間隔または交換寿命を推定する保守間隔または交
換寿命推定手段とを備えたことを特徴とする高温構造部
材の保守管理装置を提供する。

【００２４】請求項１４の発明では、コーティング厚さ
計測手段と、コーティング内に導入されたき裂深さの計
測手段と、年間起動停止回数および年間運用時間等の将
来の運用条件を設定する運用条件設定手段と、現在のコ
ーティング内き裂深さと将来の運用条件より、将来のコ
ーティング内き裂深さを予測するコーティング内き裂深
さ予測手段と、コーティング内き裂深さ予測結果よりコ
ーティング内き裂が基材まで到達する時間を予測するコ
ーティング内き裂の基材到達時期予測手段と、基材に到
達する時間より最適なコーティングの交換寿命を設定す
るコーティング交換寿命設定手段とを備えたことを特徴
とする高温構造部材の保守管理装置を提供する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る高温構造部材
の保守管理方法の実施形態について、図面を参照して説
明する。なお、以下の実施形態はガスタービンの構造部
材を対象とする保守管理に適用したものである。

【００２６】第１実施形態（図１〜図１６）図１は、本実施形態による高温構造部材の保守管理装置
を概念的に示すブロック図である。

【００２７】本実施形態では、構造部材の表面き裂画像
を入力する表面画像入力手段１と、この表面画像入力手
段１で得られた入力画像から、き裂の位置および形状を
計測する画像処理手段２と、この画像処理手段２で計測
されたき裂の位置および形状から、最大き裂の位置およ
び長さを計測する最大き裂計測手段３と、き裂の位置お
よび形状から、き裂長さ総和を計測する総き裂長さ計測
手段４と、ガスタービンの運転条件データに基づき構造
部材に発生する応力を解析する応力解析手段５と、ガス
タービンの年間起動停止回数および年間運用時間等の将
来の運用条件を設定する運用条件設定手段６と、将来の
運用条件より将来の最大き裂長さを予測する最大き裂長
さ予測手段７と、最大き裂位置より構造部材の破損限界
き裂長さを設定する限界き裂設定手段８と、将来の運用
条件より将来の総き裂長さを予測する総き裂長さ予測手
段９と、総き裂長さより将来の補修量を推定する補修量
推定手段１０と、最大き裂を限界き裂以下に制限しなが
ら最適補修間隔を設定する補修間隔最適化手段１１とを
備える。

【００２８】以下、各手段１〜１１による処理Ａ〜Ｕに
ついて詳細に説明する。

【００２９】Ａ（表面画像入力手段）表面画像入力手段１は、例えばガスタービン静翼の翼面
画像をＣＣＤカメラなどの画像入力装置より入力するも
のである。画像位置の特定は、翼形状に合わせた専用の
マウント装置に画像入力を固定することにより、もしく
は翼面の形状や特定のマーカー位置を自動判別すること
により行う。また、画像入力に先立ち、染色探傷法や蛍
光探傷法を用いて、き裂の鮮明化処理を行ってもよい。
また、磁粉探傷やレーザ顕微鏡などのスキャニング装置
を用いる場合には、構造部材の曲率に沿ったガイドに画
像入力装置をセットし、計測を行う。

【００３０】Ｂ（画像処理手段）画像処理手段２は、画像入力手段１から入力されたデー
タを画像処理し、２値化、細線化等を行い、構造部材の
形状データを参照して、き裂データをディジタル化す
る。なお、画像入力手段としてスキャニング装置を用い
た場合には、画像入力時に画像入力手段の移動量を記録
し、画像データと照合すれば、構造部材の形状データを
参照する必要はない。

【００３１】Ｃ（最大き裂計測手段および総き裂長さ計
測手段）最大き裂計測手段３は、ディジタル化したき裂データか
ら最大き裂を抽出するものであり、総き裂長さ計測手段
４は、ディジタル化したき裂データよりき裂長さの総和
を算出するものである。評価対象部材が複数の部品から
構成されている場合などでは、各部品における最大き裂
もしくは総き裂長さをそれぞれ計測し、各部品につき評
価を行ってもよい。

【００３２】Ｄ（応力解析手段）応力解析手段５は、たとえばガスタービンの場合、燃焼
ガスの温度・圧力・流量、冷却媒体の流量、タービン回
転数などの設計条件より、部材各部位の温度・応力解析
を行う。また、上記燃焼ガスの温度・圧力・流量、冷却
媒体の流量、タービン回転数などが運転制御装置等で監
視されている場合、実際の計測値を用いて部材各部位の
温度・応力解析を行ってもよい。

【００３３】Ｅ（運用条件設定手段）運用条件設定手段６は、将来の年間起動停止回数や年間
運用時間などの運用条件を設定するもので、将来の部材
の運用が計画的になされる場合は、その数値を入力す
る。将来の部材の運用が不確定である場合は、過去の運
用実績から年間起動停止回数あるいは年間運用時間を推
定してもよい。

【００３４】Ｆ（最大き裂予測手段）最大き裂予測手段７は、現在の最大き裂と将来の運用条
件から最大き裂の推移を予測するものである。例えば図
２は、ガスタービン静翼に発生するき裂について、最大
き裂長さと起動停止運転回数との関係を示す特性図であ
る。この図２に示すように、最大き裂は初期に指数的に
成長し、その後その成長速度は低下する。部材の起動停
止回数と翼の最大き裂との関係については、翼毎に大き
なばらつきが見られるが、これは、き裂初生から比較的
小さいき裂に進展するまでの期間のばらつきに依存して
おり、最大き裂が１００mm程度であれば、その後のき裂
進展挙動のばらつきは小さい。従って、この場合には図
中の評価線をマスターカーブとして、最大き裂の推移を
予測することができる。

【００３５】また、応力解析手段５の結果を用いて、最
大き裂先端でのき裂進展速度を算出し、最大き裂の推移
を予測してもよい。例えば弾性応力解析結果に基づい
て、き裂先端の応力拡大係数幅ΔＫを算出し、予め求め
たき裂進展速度ｄａ／ｄＮとΔＫとの関係から、ΔＮ回
の起動停止回数の後の最大き裂進展量Δａ_maxを算出
し、検査時の最大き裂ａ_max,0との和ａ_max,0＋Δａ
_maxにより、ΔＮ回の起動停止回数の後の最大き裂長さ
を予測することができる。

【００３６】き裂進展速度ｄａ／ｄＮとΔＫの関係は、
次の（１）式により整理される。

【００３７】

【数１】

【００３８】従って、実験室的に材料定数Ｃ，ｍを計測
しておけば、き裂進展速度の予測が行える。

【００３９】ただし、ガスタービン静翼材に用いられる
材料、例えばＣｏ基合金であるるＦＳＸ４１４等では、
図３に示す応力拡大係数幅−き裂進展速度の特性図に見
られるように、長時間の運用に伴う加熱時効により、き
裂進展速度の上昇が認められる。このような場合には、
加熱劣化を考慮して、き裂進展速度の補正を行う必要が
ある。

【００４０】本実施形態では、材質劣化度を分極法によ
り計測し、予め求めた材質劣化度とき裂進展速度との関
係により、将来の年間運用時間または起動停止回数の頻
度に対応して構造部材のき裂の成長を予測することで、
き裂進展速度の補正を行う。

【００４１】図４は、このような補正を行う保守管理装
置の構成を示すブロック図であり、図１における最大き
裂予測手段７が、分極法計測手段１２、き裂伝ぱ速度推
定手段１３、き裂先端応力解析手段１４および最大き裂
算出手段１５を備えた構成とされている。

【００４２】分極計測手段１２は、分極法により材質劣
化度を測定するもので、電解液中で溶解する金属量を電
流の変化として計測するものである。

【００４３】図５は、この分極法に用いる計測装置の概
念を示したものであり、例えば計測物１２１の表面に電
解液１２２を接触させる状態とし、計測物１２１と電解
液１２２との間にポータブル分極装置１２３の照合電極
１２４および対極１２５からなる電極プローブ１２６を
配置して通電を行わせ、電位Ｖに基づいて劣化を検出す
るようになっている。

【００４４】例えばガスタービン静翼材に用いられる前
記のＦＳＸ４１４などでは、粒界への炭化物の析出によ
り材質が劣化するが、Ｃ_r炭化物の形成により基材中の
Ｃ_r量が低下し、基材金属の溶解量が増加することを利
用する。

【００４５】また、ガスタービン動翼材に用いられるＮ
ｉ基超合金であるＩＮ７３８等では、基材に分散する析
出強化因子のγ′相が凝集粗大化することにより劣化す
るが、この凝集粗大化によってγ′相の溶解量が増加す
るため、分極法により劣化を検出することができる。

【００４６】さらに、ガスタービン燃焼器材に用いられ
るＮｉ基超合金であるHastelloy X等では、劣化に伴う
針状の析出物が電解液に溶解するため、分極法によって
劣化を検出することができる。

【００４７】また、き裂伝ぱ速度推定手段１３は、分極
計測手段１２で得られた材料劣化パラメータから、き裂
伝ぱ速度パラメータを推定するもので、例えば（１）式
を用いて応力拡大係数幅から、き裂進展速度を推定する
場合には、（１）式の定数Ｃ，ｍがき裂伝ぱ速度パラメ
ータとなる。

【００４８】図６は、一例としてガスタービン静翼材に
用いられるFSX414について、分極法の最大電流密度Ｉ_p
と、き裂進展速度パラメータｍとの関係を示したもので
ある。また、図７は、その具体例として、熱時効時間と
分極法の最大電流密度Ｉ_pとの関係を示している。この
ような対応関係に基づき、図６の評価線をマスターカー
ブとして用いることにより、分極法計測結果から、き裂
伝ぱ速度を推定することができる。

【００４９】一方、き裂先端応力解析手段１４では、き
裂先端位置、き裂長さ、部材の応力分布等に基づいて、
き裂先端の応力を解析する。例えば（１）式により応力
拡大係数幅ΔＫから、き裂進展速度ｄａ／ｄＮを推定す
る場合には、き裂先端における応力拡大係数幅ΔＫを算
出しておき、このΔＫを使用すればよい。

【００５０】最大き裂算出手段１５は、き裂先端の応力
解析結果およびき裂伝ぱパラメータから最大き裂の変化
を算出するもので、下記の（２）式を使用して最大き裂
長さを推定する。

【００５１】

【数２】

【００５２】Ｇ（限界き裂長さ設定手段）限界き裂長さ設定手段８は、き裂長さの許容限界を設定
する手段である。

【００５３】限界き裂長さの設定法としては、き裂の位
置によらず、予め定めた一定の値（例えば２５０mm）を
以って限界き裂長さとしてもよいが、この方法は運用が
簡便である反面、き裂発生位置によっては設定限界き裂
長さに大きな裕度が必要とされる場合がある。このため
本実施形態では、構造部材の破損に至る限界のき裂長さ
を、最大き裂予測手段７により予測された最大き裂先端
位置と、応力解析手段１によって求められた構造部材の
応力解析結果から破壊力学的手法により求め、限界き裂
長さとする。

【００５４】また、ガスタービン静翼材に用いられるＦ
ＳＸ４１４等では、長時間の加熱時効により破壊靭性の
低下が認められる。このような場合には、加熱劣化を考
慮して破壊靭性の補正を行う必要がある。

【００５５】本実施形態では、予め求めた劣化度と材料
の破壊靭性との関係により、将来の年間運用時間または
起動停止回数の頻度に対応して、構造部材の破損に至る
限界長さにより、破壊靭性の補正を行う。

【００５６】図８は、このような補正を行う場合の限界
き裂長さ設定手段８を示すブロック図である。本実施形
態では、この図８に示すように、限界き裂長さ設定手段
８が、分極法計測手段１２、破壊靭性値解析手段１６、
き裂先端応力解析手段１４および破損限界き裂解析手段
１７を備えた構成とされている。

【００５７】分極計測手段１２は、分極法により材質劣
化度を測定するものであり、図５に示したものと同様の
手段を適用することができる。

【００５８】破壊靭性推定手段１６は、分極計測手段１
２で得られた材料劣化パラメータから、材料の破壊靭性
パラメータを推定するもので、例えばガスタービン静翼
材に用いられるＦＳＸ４１４について破壊靭性の指標と
してシャルピ衝撃値を取った場合には、図９に示すよう
に、分極法の最大電流密度Ｉ_pとシャルピ衝撃値との間
に良好な相関関係があることから、この図の評価線９を
マスターカーブとして用いることにより、分極法計測結
果から破壊靭性を推定すことができる。

【００５９】き裂先端応力解析手段１４は、き裂先端位
置、き裂長さ、および構造物の応力分布に基づいてき裂
先端の応力を解析するもので、図４に示した最大き裂予
測手段７のものと同様の手法を適用することができる。

【００６０】破損限界き裂解析手段１７は、き裂先端の
応力解析結果および材料の破壊靭性値に基づいて、破損
に至る破壊限界き裂長さを算出するもので、き裂先端の
Ｋ値またはＪ積分値と材料の破壊靭性値Ｋ_IC、Ｊ_IC値を
比較し、Ｋ≧Ｋ_ICまたは、Ｊ≧Ｊ_ICとなる場合に不安定
破壊に至るものとするのが一般的である。しかし、ガス
タービン静翼やガスタービン燃焼器ライナのような薄板
構造部材では、平面ひずみ状態を前提としたＫ_IC、Ｊ_IC
に基づく破壊力学的評価が成立しないため、板厚効果の
補正が必要となる。

【００６１】本実施形態では、この補正を行うため、破
損限界き裂解析手段１７として、Ｋ_R曲線法、Ｊ_R曲線
法もしくはＪM-Ｒ曲線法を用いる。

【００６２】Ｋ_R曲線法は、ＡＳＴＭＥ５６１，“St
andard for R-Curve Determination”，pp.563-564. に
規格化されており、主に平面応力状態での弾性応力拡大
係数を用い、き裂長さに塑性域の補正を施して弾塑性状
態への拡張を図ったものである。塑性域補正を行った等
価き裂長さａ_eは、次式（３）で表わされる。

【００６３】

【数３】

【００６４】従って等価き裂進展量Δａ_eは次式（４）
で表わされ、以下の不安定破壊評価法におけるき裂長さ
として用いる。

【００６５】

【数４】

【００６６】図１０は、荷重制御負荷の場合の不安定破
壊評価法を示している（出典：D.E.McCabe and K.H.Sch
walbe，“Prediction of Instability Using theＫ_R-Cu
rve Approach”，ASTM STP 896, pp.99-113, 1985 ）。
この図１０におけるＫ_R曲線は、等価き裂進展量とΔａ
_eと、材料のき亀裂進展に対する抵抗Ｋ_Rとの関係とし
て、初期き裂長さａ₀を基点とした曲線として与えら
れ、各荷重レベルで（Ｐ₁，Ｐ₂…）での破壊駆動力と
して、き裂長さａと開口モードの弾性応力拡大係数Ｋ_I
との関係を引き、両者が接する点Ｋ_cが不安定破壊点と
なる。両者が交差する荷重レベルの場合、各々について
交差点の物理的き裂長さからリガメントを求め、そのリ
ガメントに対する塑性崩壊荷重を同時にチェックし、塑
性崩壊が生じない場合について安定・不安定破壊評価を
行う。

【００６７】本実施形態では、検査により得られた最大
き裂長さをａ₀としとて、部材の負荷応力に基づき、本
評価線図を用いて部材の不安定破壊が生じるか否かを予
測する。

【００６８】なお、変位制御の場合には、Ｋ_Iを変位の
関数（き裂駆動力）として表わし、図１１に示す変位ご
とのき裂駆動力曲線を描く。本手法は高延性材料につい
ては主に最大荷重点までの評価が有効である。

【００６９】また、Ｊ_R曲線法は、Ｋ_R曲線法のＫに代
えてＪ積分値を用いる方法であり（J.w.Hutchinson and
P.C.Paris,“Stability Analysis of J-Controlled Cr
ackGrowth",ASTM STP 668,pp.37-64, 1979 ）、ＪM-Ｒ
曲線法は、Ｋ_R曲線法のＫに代えて修正J 積分Ｊ_Mを用
いる方法である（H.A.Ernst,“Further Developmentson
the Modified J-integral", ASTM STP 995, pp.306-31
9, 1989.)。Ｊ_Mは塑性変形など非可逆変形を伴う場合
へのJ 積分の拡張として提案されたもので、次式で定義
される。

【００７０】

【数５】

【００７１】Ｊ_R曲線法およびＪ_M−Ｒ曲線法の代表的
なパラメータはＴＭ（TearingModulus ）であり、材料
定数である破壊抵抗Ｔ_Mmatと外力駆動力Ｔ_Mappとを計算
し、Ｔ_Mmat＝Ｔ_Mappを不安定破壊条件とする。(H.A.Ern
st and J. D. Landes, "Prediction of Instability Us
ing the Modified J, Ｊ_M−Resistance Curve Approac
h", ASTM STP 896, pp.128-138, 1985.）Ｊを弾性項Ｇと塑性項Ｊ_plとの和として考えると、Ｔ
_mmatおよびＴ_mappはそれぞれ次式より求められる。

【００７２】

【数６】

【００７３】

【数７】

【００７４】また、本実施形態では、破損限界き裂解析
手段１７として、応力と弾性応力拡大係数Ｋとの組合せ
または応力とＪ積分値との組合せにより、不安定破壊へ
移行するき裂長さを算出する、いわゆる２−パラメータ
法を用いることも可能である。

【００７５】応力拡大係数Ｋに基づく２−パラメータ法
（D.E.McCabe, "A Viewpoint onthe Failure Assessmen
t Diagram", ASTM STP 995, pp.261-279, 1989.) は、
Ｒ６法ともよばれ、構造物の破壊に対して次の前提をお
いている。

【００７６】（１）純弾性的な脆性破壊は、線形破壊力
学に従う、（２）完全な延性破壊は、塑性崩壊基準に従
う、（３）実際の破壊は、上記の中間であり、（１）と
（２）との組合せで評価できる。

【００７７】応力拡大係数と応力との関係は、Dugdale
モデルによっている。即ちDugdaleモデルは、

【数８】

【００７８】無限平板の引張りでは、塑性崩壊応力σ_L
は材料の降伏応力σ_yに等しいと考えられる。

【００７９】Ｒ６法では、縦軸に応力拡大係数の無次元
化パラメータＫ_r

【数９】をとり、横軸に塑性崩壊の無次元化パラメータＳ_r

【数１０】をとる。

【００８０】（８），（９），（１０）式から、Ｋ_rと
Ｓ_rの関係は、次式で与えられる。

【００８１】

【数１１】

【００８２】（１１）式によって得られた破壊評価線図
を図１２に示す。構造部材の応力拡大係数と応力との組
合せが、評価線図の破壊限界の内側にあるときは安全
で、外側にあるときは危険である。

【００８３】本実施形態では、設計値Ａ′（Ｋ′_r，
Ｓ′_r）に対し、検査によって得られた最大き裂長さ、
材料の降伏応力および負荷応力からＫ_rとＳ_rとを定
め、破壊限界値Ａとの比較により構造物の不安定破壊を
予測する。

【００８４】次に、Ｊ積分に基づく２−パラメータ法
は、応力拡大係数Ｋに基づく２−パラメータ法の弾性−
非弾性換算式の代わりにＪ積分またはＪ_M積分により構
成するものである（J.M.Bloom, "Deformation Plastici
ty Failure Assessment Diagram", ASTM STP 896, pp.1
14-127, 1985. ）。（１１）式のＫ_rはJ 積分を用いて
次式で表わされる。

【００８５】

【数１２】

【００８６】ここで塑性項Ｊ^Pについては、ハンドブッ
クに解析解が掲載されている(Kumar, M.D.German and
C.F.Shih, "An Engineering Approach for Elastic-Pla
sticFracture Analysis" ,EPRI Topical Report NP-193
1, Research Project 1237-1, 1981. ）。

【００８７】この図１３の場合にも、構造部材の応力拡
大係数と応力との組合せが評価線図の破壊限界の内側に
あるときは安定であり、外側にあるときは不安定であ
る。

【００８８】Ｊ積分に基づく破壊評価線図を図１３に示
す。

【００８９】Ｈ（総き裂長さ予測手段）総き裂長さ予測手段９は、現在の総き裂長さと将来の運
用条件から総き裂長さの推移を予測するものである。総
き裂長さは、例えばガスタービン静翼き裂の場合、図１
４に示すように起動停止回数に伴い指数関数的に増大す
る（村上他、“検査記録の統計解析に基づくガスタービ
ン静翼のき裂分布予測”、材料学会第１１回信頼性シ
ンポジウム前刷集, pp.169-173, 1992）。き裂の補修を
行った後のガスタービン静翼の総き裂長さの成長は図１
５に示すように、補修を行っていないガスタービン静翼
の総き裂長さの成長と同等である。従って、この場合に
は次式(13)をマスターカーブとして総き裂長さＬを予測
できる。

【００９０】

【数１３】

【００９１】なお、複数のき裂が初期に発生して、それ
ぞれのき裂が破壊力学的に成長する構造部材の場合に
は、応力解析手段１５の結果を用いて、各き裂先端での
き裂進展速度を算出して総き裂長さを予測してもよい
が、ガスタービン静翼など多数のき裂が連続的に発生
し、互いに連結して成長する構造部材ではこの方法は実
用的ではなく、本実施形態では（１３）式をマスターカ
ーブとして採用する。

【００９２】Ｉ（補修量推定手段）補修量推定手段１０では、予測された総き裂長さＬに基
づいて、き裂補修量を推定する。き裂補修量の算出に
は、「一定の基準値（例えば２０mm以上など）を超えた
き裂のみを補修すると仮定する」、「き裂発生位置の違
いでき裂長さの重みづけを行う」等の方法を採用しても
よいが、本実施の形態では、単純に

【数１４】として補修量の推定を行う。

【００９３】Ｊ（補修量最適化手段）補修最適化手段１１は、予測された最大き裂が、設定さ
れた限界き裂を超えないことを制約条件に、補修量を最
小化するものである。本実施形態では、ガスタービン高
温部品の定期的な検査を行い、検査時に補修をおこなう
ことから、次の手順で補修の最適化を行う。

【００９４】まず、図１６に示すように、ガスタービン
の運転から廃却までの検査回数をｎ−１、評価時点での
検査回数をｊとする。また、ｉ回目の検査後に補修を行
う（あるいは行った）場合はＲ_i＝１、補修を行わない
（あるいは行わなかった）場合はＲ_i＝０と表わすこと
とする。今後の構造部材の補修計画は、全く補修を行わ
ない場合｛Ｒ｝＝｛Ｒ_j，Ｒ_j+1，…，Ｒ_n｝＝｛０，
０，…，０｝から、毎回補修を行う場合｛Ｒ｝＝｛１，
１，…，１｝まで２_n-j+1通りの選択肢があることにな
る。

【００９５】この全ての補修パターンについて、最大き
裂ａ_maxの予測を行い、廃却までの間に限界き裂長さを
超える場合を排除する。なお、毎回補修を行っても、い
ずれかの検査時期にａ_maxが限界き裂長さを超える場合
には、その１回前の点検時に該構造部材が使用限界に達
すると判定する。

【００９６】次に、各補修時における補修量Ｌ_Ri（ｉ番
目の検査時における補修量）を推定し、廃却までの総補
修量Ｃ_Lを次の式で定義する。

【００９７】

【数１５】（１５）式により求めた廃却までの総補修量Ｃ_Lの内、
最小のＣ_Lを与える｛Ｒ｝を最適補修間隔として選定す
る。

【００９８】また、構造部材の廃却寿命が一定でない場
合には、ｎ＝ｊ，ｊ＋１，ｊ＋２…とおいて、それぞれ
のｎにつき前記手順で最適補修間隔を求める。最適補修
間隔での総補修量をＣ_Lmin,nと書くと、（１６）式の値
が最小となるｎを使用限界として設定する。

【００９９】

【数１６】ここで、（１６）式右項のＣ_Nは構造部材を廃却して新
品交換する場合のコストに対応する値であり、ｎが大き
くなるほど左項の値が増大し、右項の値は減少する。

【０１００】以上のように、本実施形態によれば、最大
き裂長さと、き裂長さの総和という２つの要素に基づい
て、将来の最大き裂長さの予測値と部材が許容する限界
き裂長さの比較により補修間隔の最大値を求める一方、
き裂長さの総和の予測値から補修時のき裂補修量を求め
るという２つの方法により、安全な領域の範囲内で補修
量を最小とすることができる。

【０１０１】したがって、損傷の予測に基づき、構造物
の健全性を確保しつつ、最適な保守管理を実現すること
ができる。

【０１０２】第２実施形態（図１７〜図２５）図１７は、本発明に係る高温構造部材の保守管理装置の
第２実施形態を概念的に示すブロック図である。

【０１０３】本実施形態では、高温構造部材のアノード
ピーク電流密度を計測する分極法計測手段２１（２１
ａ，２１ｂ）と、アノードピーク電流密度の計測データ
から材質を推定する材質推定手段２２（２２ａ，２２
ｂ）と、高温構造部材の材質劣化を回復させる再熱処理
などを行う材質回復手段２３と、材質回復手段適用前後
の材質の差から材質の回復度を推定する材質回復度推定
手段２４と、将来の年間運用時間または年間起動停止回
数の運用形態を加味して将来の材質を予測し、高温構造
部材の保守間隔または交換寿命を推定する保守間隔また
は交換寿命推定手段２５とを備える。

【０１０４】Ｋ（分極法計測手段）分極法計測手段２１ａは、構造部材の被計測部を浸した
電解液中にある電圧を印加したときの電流値を計測する
ものである。被計測部から溶解する金属相の量により電
流値が変化するため、金属組織変化を非破壊的に計測す
ることができる。

【０１０５】Ｌ（材質推定手段）材質推定手段２２ａは、分極法計測手段２１ａにより計
測した電流値から、予め得られている電流値と材質との
相関関係を利用して、被計測部の材質を推定するもので
ある。ここで材質とは、金属組織に依存する引張強度、
延性、クリープ特性、疲労特性、き裂伝ぱ特性、衝撃特
性、破壊じん性などのパラメータを指す。

【０１０６】一例として、図１８に、ガスタービンで採
用されているＦＳＸ４１４を高温で長時間時効した材料
を用いて採取した、材質と電流値との相関を示す。この
図１８中では材質として、延性を表わすパラメータの一
つである引張試験の伸びを取り上げ、電流値として、ア
ノードピーク電流値を取り上げている。

【０１０７】この図１８に示すように、両値には明瞭な
相関があるので、分極法計測手段２１で計測した電流値
に基づいて、より被計測部の材質を精度良く、かつ非破
壊的に推定することが可能である。

【０１０８】Ｍ（材質回復手段）材質回復手段２３は、運用により劣化した高温構造部材
の材質を回復させるもので、たとえば再熱処理などがこ
れにあたる。

【０１０９】図１９は、ガスタービンの使用翼につい
て、再熱処理前後での高温引張試験片の伸び計測結果
を、未使用材のデータとならべて表示したものである。
未使用材に比べて使用翼で低下した伸びが、再熱処理に
より回復していることが明らかである。

【０１１０】このように、運用による高温暴露により材
料中に劣化相が出現した場合や、強化相が変形した場合
など、製作時の熱処理を再度施すことにより、材料組織
を未使用時に近い状態まで回復させることができる。

【０１１１】材質回復手段２３の適用によって構造部材
の材質を回復させた後にも、分極法計測手段２１ｂおよ
び材質推定手段２２ｂによって分極法計測および材質推
定を行う。これらの分極計測手段２１ｂおよび材質推定
手段２２ｂの構成は、材質回復手段適用前のもの２１
ａ，２１ｂと同じである。

【０１１２】Ｎ（材質回復度推定手段）材質回復度推定手段２４は、材質回復手段２３適用前後
における材質推定手段２２ａ，２２ｂによる推定結果の
差を計算して、材質の回復状態を推定し、構造物の健全
性を確保するために必要な材質と比較するものである。
仕様どおりに材質が回復していない場合は、再度材質回
復手段２３を適用するように指示を出す。また、再度の
材質回復手段適用にあたっては、条件の変更あるいは手
法の変更を行う場合もある。

【０１１３】Ｏ（保守間隔または交換寿命推定手段）保守間隔または交換寿命推定手段２５は、材質回復度の
推定結果を基に、将来の年間運用時間または年間起動停
止回数の運用形態を加味して、将来の材質を予測するも
のである。

【０１１４】図２０は、図１９に示した回復状況に基づ
いて、構造部材の運転時間と高温引張試験における伸び
との関係を示した図である。未使用材（運転時間＝０）
の伸びが、約２７％と十分な延性を有しているのに対
し、約４５０００時間運転された部材の伸びは１２％程
度まで低下する。

【０１１５】しかし、再熱処理を施すと、２５％まで回
復する。この運用中の劣化カーブと材質回復手段２３に
よる材質回復度から、将来の運用形態を基に、次回の定
期検査時までの材質劣化度合を予測する。例えば健全性
を確保するのに必要な材質を約２％の伸びとすると、回
復を繰り返すことにより約１４０００時間後に再熱処理
を施すことで、再び材質を回復させることが可能である
と推定される。

【０１１６】また材質回復手段による材質回復実績か
ら、次回定期検査時に、さらに材質回復手段２３を適用
した後の材質を予測することも可能である。その結果に
基づいて、次々回の定期検査時の材質予測など、将来の
運用による材質劣化を的確に評価可能である。

【０１１７】さらに、この保守間隔または交換寿命推定
手段２５では、将来の材質劣化推定結果と、設計で明ら
かになっている構造物の健全性を確保するために必要な
材質との比較により、最も有効な保守間隔を設定できる
だけでなく、構造物の交換寿命を予測することが可能で
ある。

【０１１８】保守間隔または交換寿命推定においては、
被計測部の温度を正しく評価するために、供試温度推定
手段２６から運用中に付着した酸化層厚さに基づく高温
暴露中の供試温度の推定値を入力することで、より正確
な保守管理または交換寿命の推定を行うことが可能であ
る。酸化層厚さの推定方法としては、構造部材を切断し
て顕微鏡などで観察する手法もあるが、部材を非破壊で
計測する手法として、表面超音波法または電磁気法が有
効である。

【０１１９】表面超音波法では、図２１に示すように、
超音波送信プローブ２７と超音波受信プローブ２８とを
用い、超音波Ｓを被計測部２９に入射させるとともに、
受信する。この表面超音波計測法では、計測周波数を変
化させることにより、図２２に示すように、酸化皮膜２
９ａと被測定部２９表面とのそれぞれを伝ぱする超音波
音速Ｖの相違が生じる。このため、酸化皮膜２９ａの厚
さδは図２３に示す表面超音波の較正曲線３０ａによ
り、正確な値を求めることができる。なお被測定部２９
の表面超音波音速Ｖは、予めテストピースにより計測
し、基準線３０に対する特性を求めておく。

【０１２０】一方、渦電流法では、図２４に示すように
渦電流プローブ２７ａを被計測部２９に接触または近接
して磁場ｚを形成し、被計測部２９の透磁率と導電率と
から決定される渦電流量を計測する。予め酸化皮膜単独
の渦電流量と、酸化皮膜のない構造材料の渦電流量を計
測しておき、図２５に示すように、出力電圧の較正曲線
３０ｂで較正し、酸化皮膜の厚さδを測定するものであ
る。

【０１２１】以上のように、表面超音波計測法あるいは
渦電流法を用いれば、酸化皮膜の厚さを自動的にかつ非
破壊的に測定できるので、被計測部２９の供試温度を精
度良く較正することが可能となり、構造部材の補修間隔
または交換寿命の推定精度を一層高めることができる。

【０１２２】第３実施形態（図２６〜図３０）図２６は、本発明の第３実施形態による構造部材の保守
管理装置を概念的に示すブロック図である。

【０１２３】本実施形態では、コーティング厚さ計測手
段３１と、コーティング内に導入されたき裂深さ計測手
段３２と、年間起動停止回数および年間運用時間等の将
来の運用条件を設定する運用条件設定手段３３と、現在
のコーティング内き裂深さと将来の運用条件より、将来
のコーティング内き裂深さを予測するコーティング内き
裂深さ予測手段３４ａと、コーティング内き裂深さ予測
結果よりコーティング内き裂が基材まで到達する時間を
予測するコーティング内き裂の基材到達時期予測手段３
４ｂと、基材に到達する時間より最適なコーティングの
交換寿命を設定するコーティング交換寿命設定手段３５
とを備える。

【０１２４】なお、一般的にコーティングを補修する際
には、全面のコーティングを除去した後、再度コーティ
ングを施すため、き裂深さまたはき裂長さによって補修
量は増減しない。

【０１２５】Ｐ（コーティング厚さ計測手段）コーティング厚さ計測手段３１は、運用に伴うコーティ
ングの減肉を計測する手段であり、例えば表面超音波法
によりコーティング層と基材とを伝ぱする超音波の音速
を、あらかじめ定めた周波数で計測することにより得ら
れる。

【０１２６】図２７は、表面超音波法によるコーティン
グ厚さの計測システムを示す図である。物質によって決
定される臨界角方向から送信プローブ３６により超音波
を入射した場合、被計測部２９の表面を伝ぱする表面超
音波Ｓ１が励起され、臨界角方向に漏洩するため、受信
プローブ３７にて受信される。

【０１２７】この表面超音波Ｓ１は表面から１波長程度
の深さを伝ぱするため、周波数の選定により特定の深さ
までの情報を選択的に得ることが可能である。ここでは
コーティング層２９ｂの弾性特性と被計測部２９の基材
２９ｃの弾性特性とが異なるため、表面超音波Ｓ１が伝
ぱする深さの中に、コーティング層２９ｂと基材２９ｃ
とがどの程度の割合で含まれるかによって、受信プロー
ブ３６で計測される音速が異なる。

【０１２８】つまり、図２８に示すように、表面超音波
Ｓ１の伝ぱ深さが、すべてコーティング層２９ｂで占め
られる場合には、コーティング単独の音速が計測され、
コーティング層２９ｂが全くない場合には、基材２９ｃ
単独の音速が計測される。さらに、表面超音波が伝ぱす
る深さの中に、コーティング層２９ｂおよび基材２９ｃ
の双方が含まれる場合には、コーティング層２９ｂの厚
さによって音速が変化する。

【０１２９】従って、コーティング施工時のコーティン
グ層２９の厚さに対応する周波数の表面超音波の音速を
計測することで、コーティング層２９の厚さを計測する
ことが可能である。

【０１３０】なお、ここでは超音波法による計測技術に
ついて説明したが、他に渦電流法、交流電位差法、直流
電位差法などでも計測可能であるので、それらの手法を
適用してもよい。

【０１３１】Ｑ（コーティング内き裂深さ計測手段）コーティング内き裂深さ計測手段３２は、コーティング
内の最大き裂深さを測定する手段であり、例えば表面超
音波法によりコーティング層近傍を伝ぱする超音波の強
度が、低下する度合いを検出することによって得られ
る。

【０１３２】図２９は表面超音波法によるコーティング
内のき裂深さの計測システム図である。

【０１３３】コーティング層２９ｂを伝ぱする表面超音
波Ｓ１は、コーティング層２９ｂ内に存在するき裂３８
により反射する。したがって受信プローブ３７で検出さ
れる超音波の強度は、プローブ３６，３７間の最大き裂
深さにより定量的に変化する。

【０１３４】図３０は、検出される超音波強度比と最大
き裂深さとの相関を示した図である。

【０１３５】き裂３８が存在しない（き裂深さが０）場
合の強度を１００％として規格化すれば、表面超音波Ｓ
１が伝ぱする深さまでき裂３８が導入されている場合の
強度は０％となる。表面超音波Ｓ１が伝ぱする深さは、
前記のように計測する周波数により決定される。

【０１３６】本実施形態では、コーティング施工時のコ
ーティング厚さに対応する周波数を計測に用いるが、コ
ーティング厚さ計測手段３１により求めた評価時の、コ
ーティング厚さに対応する周波数を用いてもよい。

【０１３７】また、コーティング層２９ｂのき裂３８が
基材２９ｃに達した後の基材２９ｃ内部の進展をも考慮
し、その進展量も併せて計測する場合には、より低い周
波数を用いてき裂深さを計測してもよい。ここでは超音
波法による計測技術に説明したが、他に渦電流法、交流
電位差法、直流電位差法などでも計測可能であるので、
それらの手法を適用してもよい。

【０１３８】Ｒ（運用条件設定手段）運用条件設定手段３３は、将来の年間起動停止回数や、
年間運用時間などの運用条件を設定するもので、第１実
施形態で示した運用条件設定手段６と同様のものであ
る。この実施形態の運用条件設定手段３３は、将来の部
材の運用が計画的になされる場合には、その数値を入力
する。将来の部材の運用が不確定である場合には、過去
の運用実績に基づいて年間起動停止回数あるいは年間運
用時間を推定してもよい。

【０１３９】Ｓ（コーティング内き裂深さ予測手段）コーティング内き裂深さ予測手段３４ａは、現在のコー
ティング内き裂の深さと、将来の運用条件から、コーテ
ィング内き裂の進展傾向を予測するものであり、第１実
施形態における最大き裂予測手段と同様である。コーテ
ィング厚さと、き裂深さとの差が、き裂先端から基材ま
での距離に相当するため、本実施形態では、検査時にコ
ーティング厚さを追跡計測することによってコーティン
グ厚さの変化量を予測し、一方、き裂深さは、き裂進展
速度と応力との関係から推定する。

【０１４０】なお、コーティング層の劣化が、き裂進展
速度に寄与する場合には、第１実施形態と同様の手順で
劣化の影響を補正してもよい。

【０１４１】また、コーティング層２９ｂの減肉速度
が、き裂進展速度と比較して無視できない場合には、コ
ーティング層２９ｂの減肉に伴うき裂深さの減少も考慮
して、評価を行ってもよい。さらに、コーティング厚さ
の予測と同様に、最大き裂進展の追跡調査を行い、その
進展傾向から将来のき裂深さを予測してもよい。

【０１４２】Ｔ（コーティング内き裂の基材到達時期予
測手段）コーティング内き裂の基材到達時期予測手段３４ｂは、
将来の運用条件で運用された場合の、コーティング内き
裂深さの予測結果と、現在のコーティング厚さから、コ
ーティング層をき裂が貫通し、基材にまで到達する時期
を予測するものである。

【０１４３】Ｕ（コーティング交換寿命設定手段）コーティング交換寿命設定手段３５は、コーティングの
交換寿命を設定する手段である。ガスタービン動翼など
では、コーティング層は強度を受け持たないものとして
設計されており、き裂が存在しても運用には支障がない
が、基材のき裂は許容しない。

【０１４４】したがって、本実施形態では、コーティン
グき裂が基材に到達する時期を限界き裂深さとして設定
し、限界き裂深さに至る直前の点検時をコーティング交
換寿命と設定する。なお、基材き裂を許容する設計の場
合には、き裂深さとコーティング厚さとの差を基材き裂
の深さと定義し、第１実施形態の限界き裂設定手段と同
様の手段により限界き裂深さを設定し、コーティング交
換寿命を設定してもよい。

【０１４５】以上のように、本実施形態ではコーティン
グを有する構造部材につき、き裂深さの合理的な予測が
行え、構造部材の健全性を確保しつつ最適な保守管理を
実現することができる。

【０１４６】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、損傷の正確な評価と予測とに基づき、構造部材の健
全性を確保しつつ補修量の最適化を図ることができ、高
温構造部材の補修間隔や交換時期の設定を的確に行うこ
とができる。

【０１４７】また、本発明によれば、運用に伴う構造部
材の材質劣化がき裂成長挙動に影響を与える場合や、材
質劣化が部材の構造信頼性を大きく損なう場合について
も、合理的な構造部材の最適保守管理が実現できる。

【０１４８】従って、保守管理の実施に当って、過度の
安全側評価を避けることができ、保守管理コストを低減
できるなどの効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による保守管理方法およ
び装置を説明するためのブロック図。

【図２】前記第１実施形態における起動停止運転回数と
最大き裂長さの関係を示す図。

【図３】前記第１実施形態における応力拡大係数幅ΔＫ
とき裂進展速度ｄａ／ｄｎの関係を示す図。

【図４】前記第１実施形態における最大き裂予測手段の
構成例を示すブロック図。

【図５】前記第１実施形態における分極法計測装置を示
す図。

【図６】前記第１実施形態におけるガスタービン静翼材
のき裂進展速度パラメータと、分極法で計測された電流
密度との関係を示す図。

【図７】前記第１実施形態におけるガスタービン静翼材
の熱時効時間と分極法で計測された電流密度との関係を
示す図。

【図８】前記第１実施形態における限界き裂設定手段の
構成例を示すブロック図。

【図９】前記第１実施形態におけるガスタービン静翼材
のシャルピ衝撃値と分極法で計測された電流密度との関
係を示す図。

【図１０】前記第１実施形態における荷重制御負荷の場
合の不安定破壊評価法を示す図。

【図１１】前記第１実施形態における変位毎のき裂駆動
力曲線を示す図。

【図１２】前記第１実施形態における破壊評価特性を示
す線図。

【図１３】前記第１実施形態におけるＪ積分に基づく破
壊評価特性を示す線図。

【図１４】前記第１実施形態における起動停止か異数と
総き裂長さの関係を示す図。

【図１５】前記第１実施形態におけるプラント総運転時
間と総き裂長さの関係を示す図。

【図１６】前記第１実施形態における運転開始から廃却
までの定期検査回数と補修有無について示す図。

【図１７】本発明の第２実施形態による保守管理方法お
よび装置を説明するためのブロック図。

【図１８】前記第２実施形態におけるガスタービン静翼
材の延性と分極法で計測した電流密度との関係を示す
図。

【図１９】前記第２実施形態における運用中の劣化と再
熱処理による材質の回復状況を示す図。

【図２０】前記第２実施形態における構造部材の運転時
間と高温引張り試験における伸びとの関係を示す図。

【図２１】前記第２実施形態における表面超音波法によ
る構造部材の厚み計測方法を示す図。

【図２２】前記第２実施形態における表面超音波法によ
る酸化皮膜厚さ計測方法を示す図。

【図２３】前記第２実施形態における酸化皮膜厚さと表
面超音波音速との関係を示す図。

【図２４】前記第２実施形態における渦電流法による構
造部材の厚み計測方法を示す図。

【図２５】前記第２実施形態における酸化皮膜厚さと渦
電流法による出力電圧との関係を示す図。

【図２６】本発明の第３実施形態による保持管理方法お
よび装置を説明するためのブロック図。

【図２７】前記第３実施形態における表面超音波法によ
るコーティング厚さの計測システムを示す図。

【図２８】前記第３実施形態におけるコーティング厚さ
と表面超音波音速との関係を示す図。

【図２９】前記第３実施形態における表面超音波法によ
るコーティング内き裂深さの計測システムを示す図。

【図３０】前記第３実施形態におけるコーティング内き
裂深さと超音波の受信強度との関係を示す図。

【符号の説明】

１表面画像入力手段２画像処理手段３最大き裂計測手段４総き裂長さ計測手段５応力解析手段６運用条件設定手段７最大き裂長さ予測手段８限界き裂設定手段９総き裂長さ予測手段１０補修量推定手段１１補修間隔最適化手段１１とを備える。１２分極法計測手段１３き裂伝ぱ速度推定手段１４き裂先端応力解析手段１５最大き裂算出手段１６破壊靭性推定手段１７破損限界き裂解析手段２１，２１ａ，２１ｂ分極法計測手段２２，２２ａ，２２ｂアノードピーク電流密度２３材質回復手段２４材質回復度推定手段２５交換寿命推定手段２６供試温度推定手段２７超音波送信プローブ２７ａ渦電流プローブ２８超音波受信プローブ２９被計測部２９ａ酸化皮膜２９ｂコーティング層２９ｃ基材３０基準線３０ａ較正曲線３０ｂ較正曲線３１コーティング厚さ計測手段３２き裂深さ計測手段３３運用条件設定手段３４ａコーティング内き裂深さ予測手段３４ｂコーティング内き裂基材到達時期予測手段３５コーティング交換寿命設定手段３６送信プローブ３７受信プローブ３８き裂１２１計測物１２２電解液１２３ポータブル分極装置１２４照合電極１２５対極１２６電極プローブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温構造部材に発生したき裂長さを計測
することにより、最大き裂長さとき裂長さ総和とを算出
し、この算出した２つの要素に基づいて、将来の年間運
用時間または起動停止回数の頻度に対応する将来の最大
き裂長さとき裂長さ総和を予測し、予測された最大き裂
長さと構造部材が許容する限界き裂長さとの比較によ
り、構造部材の補修間隔の最大値を求め、一方予測され
たき裂長さの総和より補修時のき裂補修量を算出し、前
記構造部材の補修間隔の最大値を超えず、かつ補修量が
最小となる補修間隔または部品の交換寿命を設定するこ
とを特徴とする高温構造部材の保守管理方法。
【請求項２】請求項１記載の高温構造部材の保守管理
方法において、管理対象となる高温構造部材が運用に伴
って材質劣化するものである場合、材質劣化度を分極法
により計測し、予め求めた材質劣化度とき裂進展速度と
の関係により、将来の年間運用時間または起動停止回数
の頻度に対応して構造部材のき裂の成長を予測すること
を特徴とする高温構造部材の保守管理方法。
【請求項３】請求項１記載の高温構造部材の保守管理
方法において、管理対象となる高温構造部材が運用に伴
って材質劣化するものである場合、材質劣化度を分極法
により計測し、予め求めた材質劣化度と材料の破壊じん
性との関係により、将来の年間運用時間または起動停止
回数の頻度に対応して、構造部材の破損に至る限界き裂
長さを算出することを特徴とする高温構造部材の保守管
理方法。
【請求項４】請求項３記載の高温構造部材の保守管理
方法において、構造部材の破損に至る限界き裂長の算出
方法として、劣化材について計測された不安定破壊に移
行する弾性応力拡大係数に基づいて、前記劣化材におけ
るＫ_R曲線部材の弾性応力解析から限界き裂長さを求め
るＫ_R曲線法を適用することを特徴とする高温構造部材
の保守管理方法。
【請求項５】請求項３記載の高温構造部材の保守管理
方法において、構造部材の破損に至る限界き裂長の算出
方法として、劣化材につき不安定破壊に移行するＪ積分
値または修正Ｊ積分値に基づいて、劣化材におけるＪ_R
曲線またはＪ_M −Ｒ曲線を求め、前記構造部材の弾塑性
応力解析結果から限界き裂長さを求めるＪ_R曲線法また
はＪ_M −Ｒ曲線法を適用することを特徴とする高温構造
部材の保守管理方法。
【請求項６】請求項３記載の高温構造部材の保守管理
方法において、構造部材の破損に至る限界き裂長の算出
方法として、劣化材につき不安定破壊に移行する際の応
力と応力拡大係数との関係を表す破壊評価線図に基づい
て、構造部材の弾性応力解析より求めた応力と応力拡大
係数との組合せが前記破壊評価線図に達するときのき裂
長さを求める方法を適用することを特徴とする高温構造
部材の保守管理方法。
【請求項７】請求項３記載の高温構造部材の保守管理
方法において、構造部材の破損に至る限界き裂長の算出
方法として、劣化材につき不安定破壊に移行する応力と
Ｊ積分値との関係を表す破壊評価線図に基づいて、構造
部材の弾塑性応力解析より求めた応力とＪ積分値との組
合せが前記破壊評価線図に達するときのき裂長さを求め
る方法を適用することを特徴とする高温構造部材の保守
管理方法。
【請求項８】運用に伴い材質が劣化し熱処理により材
質が回復する高温構造部材につき、運用後の材質劣化度
および熱処理後の材質回復度を分極法により計測し、将
来の年間運用時間または起動停止回数の頻度に対応して
将来の材質を予測し、その予測された材質と前記構造部
材の健全性を確保するために必要な材質との比較によ
り、前記高温部材の保守間隔または交換寿命を設定する
ことを特徴とする高温構造部材の保守管理方法。
【請求項９】運用に伴い材質が劣化する高温構造部材
につき、酸化層厚さを、超音波法を用いて非破壊的に計
測し、酸化層厚さと運転時間から被計測部の使用温度を
推定し、予め計測した温度および時間と材質劣化との関
係、ならびに前記推定された高温部材の温度と将来の年
間運用時間または起動停止回数の頻度とに対応して将来
の材質の変化を予測し、その予測された材質と構造部材
の健全性を確保するために必要な材質との比較により、
保守間隔または交換寿命を設定することを特徴とする高
温構造部材の保守管理方法。
【請求項１０】運用に伴い材質が劣化する高温構造部
材につき、酸化層厚さを電磁気法を用いて非破壊的に計
測し、酸化層厚さと運転時間から被計測部の使用温度を
推定し、予め計測した温度および時間と材質劣化との関
係、ならびに前記推定された高温部材の温度と将来の年
間運用時間または起動停止回数の頻度に対応して将来の
材質の変化を予測し、その予測された材質と構造部材の
健全性を確保するために必要な材質との比較により、保
守間隔または交換寿命を設定することを特徴とする高温
構造部材の保守管理方法。
【請求項１１】コーティングを有する高温構造部材表
面に発生したき裂深さを超音波法または電磁気法または
電位差法により計測し、将来の年間運用時間または起動
停止回数の頻度に対応して将来のき裂深さを予測し、許
容する限界き裂長さとの比較によりコーティングの交換
寿命を設定することを特徴とする高温構造部材の保守管
理方法。
【請求項１２】高温構造部材の表面き裂画像を入力す
る表面画像入力手段と、入力画像からき裂の位置および
形状を計測する画像処理手段と、き裂の位置および形状
から最大き裂の位置および長さを計測する最大き裂計測
手段と、き裂の位置および形状からき裂長さ総和を計測
する総き裂長さ計測手段と、ガスタービンの運転条件デ
ータに基づき構造部材に発生する応力を解析する応力解
析手段と、年間起動停止回数および年間運用時間等の将
来の運用条件を設定する運用条件設定手段と、将来の運
用条件より将来の最大き裂長さを予測する最大き裂長さ
予測手段と、最大き裂位置より構造部材の破損限界き裂
長さを設定する限界き裂設定手段と、将来の運用条件よ
り将来の総き裂長さを予測する総き裂長さ予測手段と、
総き裂長さより将来の補修量を推定する補修量推定手段
と、最大き裂を限界き裂以下に制限しながら最適補修間
隔を設定する補修間隔最適化手段とを備えたことを特徴
とする高温構造部材の保守管理装置。
【請求項１３】高温構造部材のアノードピーク電流密
度を計測する分極法計測手段と、アノードピーク電流密
度の計測データから材質を推定する材質推定手段と、高
温構造部材の材質劣化を回復させる再熱処理などの材質
回復手段と、材質回復手段適用前後の材質の差から材質
の回復度を推定する材質回復度推定手段と、将来の年間
運用時間または年間起動停止回数の運用形態を加味して
将来の材質を予測し、高温構造部材の保守間隔または交
換寿命を推定する保守間隔または交換寿命推定手段とを
備えたことを特徴とする高温構造部材の保守管理装置。
【請求項１４】コーティング厚さ計測手段と、コーテ
ィング内に導入されたき裂深さの計測手段と、年間起動
停止回数および年間運用時間等の将来の運用条件を設定
する運用条件設定手段と、現在のコーティング内き裂深
さと将来の運用条件より、将来のコーティング内き裂深
さを予測するコーティング内き裂深さ予測手段と、コー
ティング内き裂深さ予測結果よりコーティング内き裂が
基材まで到達する時間を予測するコーティング内き裂の
基材到達時期予測手段と、基材に到達する時間より最適
なコーティングの交換寿命を設定するコーティング交換
寿命設定手段とを備えたことを特徴とする高温構造部材
の保守管理装置。