JPS6031031A - 締付ボルトの応力伸び測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 化学工場では高温高圧の反応が行なわれておシ、安全操
業上、フランジ等の締付部の緩みの監視は重要な問題で
ある。

また、プラントの設計上、ボルト締付部にかかる応力、
締付ボルトの伸び等の測定は重要な項目である。

本発明はかかるプラントの監視あるいはプラント設計上
のデータ採取に適する、フランジ等の締付ボルトの応力
伸びを測定する装置に関する。

〔従来技術〕

従来は、締付ボルトの中心部に強度上問題のない大きさ
の貫通孔をあけ、この貫通孔に基部を締付ボルトの一端
に固定された伸び差検知棒を挿設し、通常デプスゲージ
等を用いて伸び量を検知する方法が大部分であった。

しかしながら、この方法では、測定精度及び分解能共悪
く実用的でない。即ち、測定の都度、測定者がデプスゲ
ージ等によシ測定するため測定精度が悪い（バラツキが
大となる）ばかりでなく、測定器自体の分解能が低いた
め微小変位（伸び量）から応力を知ることは極めて大き
な誤差を含むことになるためである。

特に、１高温で使用される締付ボルトをその測定対象と
した場合、安全上の理由及び締付ボルトから測定器への
伝熱によシ、測定器自身が熱膨張を生じ精度上多大な影
響を与えることもあり通常測定不可能である。当然連続
的に測定することも不可能とまる。

〔発明の目的〕

本発明は上記の欠点を解決するためになされたものでお
って、熱膨張の影響を殆んど受けることなく締付ボルト
の応力伸びを高分解能で高ｎ度に連続的に測定できる締
付ボルトの応力伸び測定装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

上記の目的を達成する本発明装置は図面に示すように締
付ボルト１の中心部に貫通孔２を穿設し、この貫通孔２
に基部を締付ボルト１の一端に固定した伸び差検知部３
を挿設すると共に、締付ボルト１の他端部に伸び差検知
棒端面との間のギャップを検知するギャップセンサ４ａ
（４ｂ）　を固定し、このギャップセンサ４ａ　（４ｂ
　）の出力よ如締付ボルトの応力伸びを測定するように
構成したものである。

〔第１実施例の構成〕 以下図面によって本発明の第１実施例を詳細に説明する
。

び差検知部の一例を組付けた状態を示す詳細断面図、第
２図はこの伸び差検知部を用いた本発明装置の第１実施
例の構成説明図である。

第１．第２図において５は例えば化学プラントの配管フ
ランジで、締付ボルト１とナツト６によって締付けられ
ている。７は締付ボルト１０頭部またはナツトである。

２は締付ボルト１の中心部に穿設した貫通孔、３はこの
貫通孔２に挿設した伸び差検知部で、その基部は締付ボ
ルトｌの一端にビス８によシ固定されている。９は締付
ボルト１の一端部に嵌着されたキャップで、このキャッ
プ端面を基準にビス８の締付けを調整して伸び差検知部
３を左右に微妙に動かし咳検知棒３の位置を校正するた
めのものである。１０は締付ボルトｌの他端部に嵌着さ
れたセンサ固定用キャップで、このキャップＩＯの端面
には伸び差検知部３の端面との間のギャップを検知する
ギャップセンサ、例えば渦流式非接触型ギャップセンサ
４ａが伸び差検知部３の端面に対向して固定されている
。このギャップセンサとしては数μｍ程度から敷部程度
までの伸び差を測定できる本のを使用する。

伸び差検知部３と、センサ固定用キャップ１０と。

ギャップセンサ４ａ等は自己温度補償型伸び差検知部１
１を構成している。

１２は高温下にある締付ボルトを対象とした場合のギャ
ップセンサの耐熱条件を緩和するためセンサ固定用キャ
ンプ１０に設けられたエア導入孔で、このエア導入孔１
２より導入されたエアにより伸び差検知部３の端面とセ
ンサ固定用キャップ１０とギャップセンサ４＆等を冷却
する。ギャップセンサ４ａの耐熱温度は最大２４０℃で
精度上好ましい温度は１００℃以下で、且つ一定の温度
で安定していることが望ましい。

１３はセンサ固定用キャンプ１０に設けられたエア排気
口、１４は締付ボルト１からギャップセンサ４ａへの輻
射熱を防止するための断熱材、１５は断熱材弁えである
。

また、熱膨張による測定誤差を軽減無視できるようにす
るため、締付ボルトｌ、伸び差検知部３゜センサ固定用
キャンプ１０及びギャップセンサ４ａの熱膨張係数を婢
しくしている。

５は伸び差計で、１６はギャップセンサ４ａよシ出力さ
れるボルト作用応力に伴う伸びに比例した電気（電圧）
信号（以下伸び信号という）を増幅するドライブアンプ
ユニット、１７はドライブアンプユニット１６の出力信
号中に含まれている誘導成分及び機械的振動等によるノ
イズ成分を除去するためのフィルタユニット、１８はフ
ィルタユニット１７の出力を入力して伸びを指示する指
示計、１９はフィルタユニット１７の入出力を表示する
ディスプレイユニット、加は電源である。

〔第１実施例の作用〕 まず、自己温度補償型伸び差検知部１１による伸び差検
知動作から説明する。

第３図はその伸び差検知動作の原理説明図でおる。

第３図（８３は締付ボルト１の締付は前の状態を示し、
この時の締付ボルト１の長さをｔＩ　ｅ伸び差検知部３
の端面とギャップセンサ４ａとの間のギヤツプをｉｔ、
とする。

この状態で締付ボルト１を締付けると第３図（ｂ＞示の
ように締付ボルト１に引張応力が作用し、締付は後の締
付ボルト１の長さは４となる。従って締付ボルト１の伸
びΔＬｌは４−ｔ＋であシ、これによってギャップもΔ
ｔ、からｄ４に変化する。ギャップの変化量はΔｔ、−
ａｔ、で、締付ボルト１の伸びΔＬ１に等しいから次の
（１）式が成立する。

ＪＬ１＝４　４＝Ｊ４−Δｔ、・・・・・・・・・・・
・・・・（１）一方、締付は時の引張応力σ１はヤング
率（締付ボルト材の縦弾性係数）をＥとすると、で表わ
される。

締付は後、プラントが運転状態に入シ、常温から加熱状
態に移行すると、第３図（ｂ）の締付は状態の長さｔ６
とギャップΔ４とギャップセンサ４ａの長さ１．の和Ｌ
６＋Δ４　＋Ｌｔに等しく、ギャップΔ４を無視すれば
ほぼｔ６＋４に等しいから、締付ホルトｌとセンサ固定
用キャンプ１０の長さの和等しくしであるので、熱膨張
によシはぼ等景仰びて！４＋Ｌｓ＊となる。

ギャップΔ４を無視したので、締付ボルト１とセンサ固
定用キャップ１０の長さの和が熱膨張によシ伸びた量と
、伸び差検知棒３とギャップセンサ４ａの長さの和が熱
膨張によシ伸びた量との間にはギャップΔ４に相当する
部分において伸び差を生じることになる。

しかしながら、通常ギャップΔ４は０．２〜２−程度で
あシ、伸び差Δ４−Δちとしては数μｍ以下であるので
、本発明の伸び差測定目的である数μｍ程度から数域程
度までの間の伸び差を測定することからすれば、許容誤
差内でアシ、伸び差Δち一Δ４は無視できる。従って、
第３図（ｂ）の締付は状態でのギャップΔ４と第３図（
ｃ）の締付は後の加熱状態でのギャップΔ４は等しく、
即ち、次に締付は後の加熱状態で締付ボルト１に外部応
力（引張応力）が作用すると、締付ボルト１のみがΔＬ
ｍ＝Ｌａ　Ｌｓ　だけ伸び、この伸びによってギャップ
もΔ４よシΔＬｍ　Ｖｃ’Ｒ化する。ギャップの変化量
はΔｔ４−Δ４で、締付ボルト１の伸びΔＬ。

に等しいから ΔＬｓ　＝Ａｓ　４　＝Δｔ４−Δ４　・・・・・・・
・・・・・・・・（４）が成立する。

一方、加熱状態での外部応力（引張応力）σ、はで表わ
される。

かくして上記（２）式で示す応力が締付ボルト１に作用
した時に上記（１）式で示す伸び量ΔＬｌだけ締付ボル
ト１が伸びることになシ、マた上記（５）式で示す応力
が締付ボルト１に作用した時に上記（４）式で示す伸び
量ΔＬｓだけ締付ボルト１が伸びることになり、ギャッ
プセンサ４ａよｐそれぞれの伸び量ΔＬ７．ΔＬ、に比
例した電気（電圧）信号が出力され、ドライブアンプユ
ニット１６により増幅されることになる。

第４図はドライブアンプユニット１６のギャップ対出力
電圧の関係を示す特性線図である。

いま、プラントが運転状態に入る前の締付ボルト１の締
付は時の伸び量ΔＬｌ（ギャップの変化量）が例えば１
＋ｗになるように伸び差検知棒３とギャップセンサ４ａ
の相対位置を設定（初期設定）しておくと、この伸び量
ΔＬ１＝１ｍに比例した出力・電圧５ＶＤＣがドライブ
アンプユニット１６より得られる。またプラントが運転
状態に入シ、締付ボルト１の外部応力作用時の伸び量Δ
Ｌｍ（ギャップの変化量）が例えば１．５ｍであると、
この伸び量Δｌ４＝１．５ｍに比例した出力電圧７．５
ＶＤＣがドライブアンプユニット１６より得られる。

従って出力電圧の差７．５−５＝２゜５ＶＤＣをめるこ
とにより運転開始後に締付ボルト１が外部応力により伸
び大量（伸び差）Δｔ＝ΔＬ、−ΔＬｌ＝１．５−１．
０＝０．５ｍを知ることができるが、ドライブアンプユ
ニット１６の動作を第５図示のようにゼロシフト修正を
行うようにしておけば、上記の演算を行わずに済むので
望ましい。

即ち、第５図に示すように運転開始前の締付は時の出力
電圧５ＶＤＣが零電圧になシ、運転開始後の外部応力作
用時の出力電圧７．５ＶＤＣが２．５ＶＤＣになるよう
にゼロシフト修正しておけば、この２．５ＶＤＣの出力
により締付ボルト１の伸び量Δｔは直ちに０゜５闘であ
るとすることができる。

ドライブアンプユニット１６の出力信号（上記の例では
２．５ＶＤＣの電圧信号）中には通常、若干の”１ °誘導成分及び機械的振動等によるノイズ成分（第５図
参照）を含んでいるので、フィルタユニット１７により
ノイズ成分を除去し、しかる後、指示計１８に入力する
ことにより運転開始後の外部応力による締付ボルト１の
伸び、上記の例では０．５■を指示することができる。

また、ディスプレイユニット１９によりフィルタユニッ
ト１７の入出力（ノイズ成分を含んだ伸び信号、ノイズ
成分を含まない伸び信号）を表示することもできる。

〔第２実施例の構成〕 第１夾施例ではギャップセンサとして渦流式非接触型ギ
ャップセンサを用いた場合を示したが、ノズル背圧式非
接触型ギャップセンサや光学的ギャップセンサを用いる
ことができる。また必ずしも非接触型のものを用いる必
要はなく、締付ボルトの温度条件によっては差動トラン
ス等接触型ギャップセンサを用いることができる。要す
るに数μｍ程度から数−程度迄の間の伸び差を精度よく
測定できるもので、最高分解能が１μｍであればよい。

第６図はノズル背圧式非接触型ギャップセンサを用い九
第２実施例の一部の構成説明図である。

第６図において４ｂはノズル背圧式非接触型ギャップセ
ンサで、４ｂＩは背圧測定エアーノズル、４ｂ、は基準
背圧発生エアーノズルである。２１ハギヤツプセンサ４
ｂよシ得られる伸びに比例した差圧を検出して伸び信号
を出力する差圧検出ユニット、ｎは空気絞りユニット、
乙は空気減圧ユニット、冴は空気源である。

〔第２実施例の作用〕 次にその作用を説明する。運転開始後に締付ボルト１に
外部応力が作用して伸びを生じると、背圧測定エアーノ
ズル４ｂ、と基準背圧発生エアーノズル４ｂ、間に伸び
に比例した差圧が生じ、この差圧が差圧検出ユニット２
１により検出されてこれよシ伸び信号が出力する。この
伸び信号はこれに含まれているノイズ成分をフィルタユ
ニット１７によシ除去して指示計１８に入力し、外部応
力による締付ボルトの伸びを指示し、あるいはディスプ
レイユニット１９により伸び信号を表示することができ
る。

〔発明の効果〕

以上２つの実施例の説明よシ明らかなように本発明によ
れば、締付ボルトの他端部に伸び差検知棒端面との間の
ギャップを検知するギャップセンサを固定し、このギャ
ップセンサの出力を指示し、あるいは表示することによ
シ熱膨張の影響を殆んど受けることなく締付ボルトの応
力伸びを高分解能で高精度に連続的に測定でき、また応
力伸びの測定から応力に換算したり、応力目盛定めを行
っておくこと等により応力を知ることができる。

〔発明の応用例〕

締付ボルト１の熱が伸び差検知部３に伝えられ、該検知
棒３が加熱されることになるので、両者間に温度差があ
る場合にはその温度差によって誤差（伸び差）を生じ測
定精度が低下するおそれがある。

第７図は上記温度差による誤差を補正し、測定精度を一
層向上させ、あるいは応力伸び量から応力を演算するこ
とができる応用例の構成説明図である。

この装置は自己補償型伸び差検知部１１に渦流式非接触
センサ４ａを用いた例でおる。

第７図において、湖は締付ボルト温度センサ、ｎは伸び
差検知棒端面センサである。路はこれらノ温度センサ加
、２７より出力される締付ボルト温度Ｔ、に比例した電
気信号（以下締付ボルト温度Ｔ。

の信号という）と伸び差検知棒端面ＴＩに比例した電気
信号（以下伸び差検知棒温度Ｔ、の信号という）の差を
出力する温度差計ユニット、四は締付ボルト１の応力の
作用する実効長さく予じめボルト温度Ｔ、においてめた
長さ）ｔ”−４締付ボルト材のヤンニットである。

閏はフィルタユニット１７よ多出力する伸びＪｔの信号
と、温度差計二二ツ）２８より出力する温度差ΔＴの信
号と、定数設定ユニツ）２９よ多出力する締付ボルト１
の実効長さｔの信号及び熱膨張係数αの信号とを入力し
て温度差ΔＴによる誤差を補正し補正した伸びΔｌに比
例した電気信号（以下伸びΔｌの信号という）を出力す
る伸び差補正ユニットである。

３１は伸び差補正ユニツ）３０よ多出力する伸びΔｌの
信号と定数設定ユニツ）２９より出力する締付ボルト１
の実効長さｔの信号トヤング率Ｅの信号及び基準応力σ
Ｂの信号を入力して応力σを演算すると共に応力σと基
準応力σＢの差σ−σＢ＝Δσを演算し、応力σに比例
した電気信号（以下応力σの信号という）を出力すると
共に、ｄσが許容巾を越えたとき警報信号を出力する応
力比較演算ユニットである。

３２ハ各二二ツ）　１６　、１７　、２８〜３１の出力
値を表示し、かつ警報表示（ランプ点灯）を行うディス
プレイユニットである。

〔応用例の作用〕

以下その作用を説明する。まず、締付ボルト１の温度Ｔ
ｔ＆伸び検知棒３の温度Ｔｔが等しくないＴ、肉Ｔ１の
場合はΔｔ〜Δｌで通常’ｒ＊＞’ｒ＋ｔΔＬ〉Δｌで
あシ、補正が行われる。

伸び差補正ユニット（資）は、伸びＪｔの信号と温度差
Ｔ、−Ｔ、＝ΔＴの信号と締付ボルト１の実効長さｔの
信号と熱膨張係数αの信号を入力して温度差ΔＴによる
誤差を補正し、即ち Δｔｌ＝Δｔ−（ｔＸａ＋ΔＴ）・・団・・川・・・・
・（６）の演算を行い、補正した伸びｉｔ’の信号を出
力する。

またＴ、−Ｔ、即ちＴｔ　Ｔｔ＝ΔＴ＝Ｏの場合は上記
（６）式の演算はΔ２／＝Δｔとなり、実質的に補正が
行われないのと同じ結果になって伸びΔｔ′の信号を出
力する。

応力比較演算ユニット３１はこの伸びΔｔ′の信号と締
付ボルト１の実効長さｔの信号と締付ボルトのヤング率
Ｅの信号と基準応力σＢの信号とを入力して応力ｌの演
算、即ち σ＝　Ａｔ×Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・（？）
の演算を行うと共に、基準応力４ＦＢとの差の演算即ち σ−σＢ＝Δσ・山・・・・・・・・・・・・・・（８
）の演算を行う。

ディスプレイユニット３２は応力比較演算二ニット３１
より出力する応力σの信号を入力してこれを光示し、そ
の値より応力σを測定する。また応力σと基準応力σＢ
の差Δσが許容巾を越えたとき応力比較演算ユニット３
１よ多出力する警報信号によシ警報を発し、締付ボルト
１の使用限界を越え、危険状態になったことを報知する
。

またディスプレイユニット３２はドライブアンプ二二ッ
）１６の出力（ノイズ成分を含む補正前の伸び信−号）
、フィルタユニット１７の出力（ノイズ成分を除去した
補正前の伸び信号）、温度差計ユニッ）２８の出力（締
付ボルト温度ＴＩと伸び差検知棒温度Ｔ１の差の信号）
、定数設定ユニツ）２９の出力（締付ボルトの実効長さ
ｔ、ヤング率Ｅ、基準応力＃Ｂ、熱膨張係数α等の信号
）及び伸び差補正ユニット（資）の出力（補正後の伸び
信号）吟を表示する。

この応用例によれば、締付ボルト１の伸び差や応力を一
層寓精度に測定することかで色る。

なお、本発明装置はフランジ等を結合する多数の締付ボ
ルトのうち、１個以上好ましくは２〜４個に組付けられ
る。

かくして本発明装置の組付けによシブラントの締付部の
監視あるいはプラント設計上のデータ採取（締付ボルト
の伸び、応力等に関するデータ採取）を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は締付ボルトに本発明自己温度補償型伸び差検知
部の一例を組付けた状態を示す詳細断面図、第２図はこ
の伸び差検知部を用いた本発明装置の第１実施例の構成
説明図、第３図（ａ）〜（ｄ）は第１図の伸び差検知部
による伸び差検知動作の原理説明図、第４図は第２図の
第１実施例におけるドライブアンプユニットのギャップ
対出力電圧の関係を示す特性線図、第５図は同じくゼロ
シフト修正を行った場合のドライブアンプユニットのギ
ャップ対出力電圧の関係を示す特性線図、第６図は本発
明装置の第２実施例の一部の構成説明図、第７図は本発
明装置の応用例の構成説明図である。 １・・・・・・・・・締付ボルト、２・・・・・・・・
・貫通孔、３・・・・・・・・・伸び差検知部、４ａ、
４ｂ・・・・・・・・・ギャップセンサ、１０・・・・
・・・・・センサ固定用キャップ、１１・・・・・・・
・・自己温度補償型伸び差検知部、１６・・・・・・・
・・ドライブアンプユニット、１７・・・・・・・・・
フィルタユニット、１８・・・・・・・・・指示計、１
９・・・・・・・・・ディスプレイユニット、加・・・
・・・電源、２１・・・・・・・・・差圧検出ユニット
、ｎ・・・・・・・・・空気絞りユニット、る・・・・
・・・・・空気減圧ユニット、冴・・・・・・・・・空
気源、５・・・・・・・・・伸び差計、あ・・・・・・
・・・締付ボルト温度センサ、ｎ・・・・・川・伸び差
検知部温度センサ、沼・・・・・・・・・温度差計ユニ
ット、四・・川・・・・定数設定ユニット、（ト）・・
田川・伸び差補正ユニ’、／）、３１・・・・・・・・
・応力比較演算ユニット、３２・・・・川・・ディスプ
レイユニット。 手続補正書（方式） 昭和閏年　特　許　願第１３９６８４号２、発明の名称 締付ボルトの応力伸び測定装置 ６０５　三菱油化株式会社 ７、補正の内容 図面中、第３図を別紙のように訂正する。 等３回

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 締付ボルトの中心部に貫通孔を穿設し、該貫通孔に基部
   を締付ボルトの一端に固定した伸び差検知棒を挿設する
   と共に、締付ボルトの他端部に伸び差検知棒端面との間
   のギャップを検知するギヤ