JPS61139743A - 繰返し荷重を受ける機械構造物の余寿命評価方法およびその装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 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忙関する。

〔発明の背景〕

高温雰囲気のもとで繰返し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
伴い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シ、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９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、タービンゲージング、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。

従来、この稲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、は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
設計耐用年数金越えておシ、これらプラン）ｆ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。

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
起動停止を行うよりな運用がなされてお９、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が、余寿命がどの程度あるかの
評価が極めて重要である。

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Ｖｃぶり判定すること
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。

ワスカに、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、ａ−
夕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）。

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。

次に、蒸気タービンロータの余寿命評価コードとして線
形破壊力学を採用したｒ　８ＡＦＦＪＬ　Ｊが知られて
ちる。（電力中央研究所報告、研究報告Ａ　２８３０２
１　、　　昭和５８年１２月）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） 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、池の条件では、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。

〔発明の目的〕

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Ｋその装置を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

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圧微少な亀裂が生じ、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
に基づいて、構造物表面に生じた亀裂の最大長さから余
寿命比を判定することｔ−特徴とする。

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。

以下、本発明の余寿命評価方法の原理について説明する
。

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（Ｓ（Ｊ８３１６）の６５
０Ｃ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。この
場合、歪速度ε°はＩＱ−３／’ＦＩＬ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
状に加えた。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０．０５＋ｏ＋に達したときの繰返
し数全示し、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。

つまり、ひずみ範囲が１俤の場合には、Ｎｆが約２００
回で表面に０．０５ｆｌの亀裂が発生し、Ｎｆが１００
０回で破断に至ったことを示している。

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０．００５ｍの亀裂が発住している。換言
すれば、０．００５ｍ　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いくと、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。

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、余寿命評価の棺匿は大幅に向上すると考えられる
。

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。愛用した試験片は８
（Ｊ８３１６、歪速度ｉは２Ｘ１０−”７派で、荷重波
形は三角波状でめった。

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Ｎｔ−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、図中で直線近似できる。つまム亀裂長さの
対数と繰返し数とはリニヤ−な関係にあることを示して
いる。

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、穐々の荷重波形につい
て亀裂進展状況を示したのが第３図である。この図では
、荷重波形としてＦ−Ｆ。

８−８．　Ｓ　−Ｆ、　Ｆ−８，Ｈｏ１ｄ３９０ｚ、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］虫りである。

（ｉ）　　Ｆ−Ｆ・・・ｔ　＝２ｘ　Ｌ　Ｏ−１／Ｓ（
イ）で歪を加え、同じ速度で反対に歪を与える （Ｉｔ）　　Ｓ−３・・・；　＝ｓ　Ｘ　１　ｏ−５／
：戎で歪を加え、同じ速度で反対に歪を与える （ｌ＋ｉ）　　Ｓ　−Ｆ・・・プラス方向には６　＝　
２Ｘ　ｌ　ｏ−３／（８）、反対方向にはｇ＝５ｘ１０
−５／（８）で歪を与える （ｉＶ）　　Ｆ　−Ｓ・・・上記（ｉｉ＋　＞の逆（Ｖ
）　　Ｈｏ１ｄ３９ｏｓｅｃ・・・ステップ状に歪を与
えその状態で３９０Ｓｉ３Ｇ保持し、逆 方向に同じ歪を加える 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Ｈｏ１ｄ３９０ＳｅＣ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ｔｏｇ２ａと繰
返し数Ｎの間は、はぼ直線関係で近似でき、次式がＦＥ
ｔ、ｂ立つ。

ｔｏｇ　２　ａ　＝　Ｃ−Ｎ　　　　　　　・・・・・
・・・・・・・（１）したがって、亀裂進展速度ｄ　ａ
　／　ｄ　Ｎはと導かれる。

微少亀裂の進展側（２）式において、初期主裂長さとし
て、結晶粒径の５０μｍ１最終亀裂長さとして試験片破
断亀裂長さ約１０ｍとすればＣ）式からとなるから、 と求めることができる。

ところで、亀裂発生寿命Ｎｏ（５０μｍの亀裂が発生す
るまでの繰返し数）は、全寿命つまり破断寿命の早期で
あるから、これを無視しＮｏ”０とする。これは、機械
構造部材には機械加工傷や、表面粗さから供用前に数μ
ｍ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。

ところで、（４）弐ｋ　（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　ｔ
　ｔなわち余寿命が推定できることを示している。（５
）式においてＣ′の影響が大きい場合には余寿命の推定
に犬さな誤差が生ずる恐れがある。

そこで、種々の条件下における亀裂の進展と、寿命比と
の関係を実測し、その結果を第４図に示す。第４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
ースの歪純囲をカッコ内に示している。第６図で、］−
１，Ｔ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／団”＋　　
１００ｈｒ）とは、あらかじめカッコ内の条件でクリー
プヲ発生させたもの全試験片に使用したこと１［味して
いる。

多種類の荷取条件にもかかわらず、４０ｇ２ａとＮ　／
　Ｎ　ｔとの関係は、ｌ；’ａｃｔｏｒ　ｏｆ　２　（
Ｄばらつきの範囲で直線関係が成り立つことが分った。

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
ち試験片全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、微少な亀裂が多収発
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。第５図は、試験
片表面の一定面積（５Ｘ５Ｂ”）に生ずる亀裂数の変化
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
１頃向を示している。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全推定する方法を導入する。

その前に、まず１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、亀裂長さをワイプルプロットし
た結果ｔ−第６図に示す。こ、の図よシ明らかな如く、
ワイプル分布で亀裂長さの分布が近似できる。ところで
機械構漬物の強度は、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？
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。

すなわち、最大値の分布は仄式で表わされる二重指数型
分布のＱｕｍｂｅ１分布に従う。

Ｘ−λ Ｆ、　（ｘ）　＝　ｅｘｐ　Ｃ−ｅｘｐ　（−−）　］
　　−（６）α ココで、Ｘ：極値変数で１ザンプル中の最大亀裂長さ λ：位駈パラメータ α：尺度パラメータ λ、αの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。−例として確率紙による方法を
第７図に示す。第７図は、縦軸に累積頻度Ｆア（ｙ）を
とり、横軸には、亀裂長さ２ａｔ−算術目盛で示すと極
値統計紙が得られる。右側の縦軸は再現期間Ｔと呼ばれ
るもので対象領域中の最大を装長さ全予測する際に用い
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で
与えられる。

この様にして求めた最大亀裂長さの予測値と実測値を比
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。

したがって、極値統計手法を微小亀裂分布に適用して最
大亀裂長き全推定する方法が高精度であることが確めら
れ、この予測値から先に明らかにした亀裂長さと寿命比
の関係により余寿命を求めることができる。

尚、破断亀裂長さを１０隨として説明したが、機器＆′
ｉ：よっては、更に大きくとも使用に耐える場合もめる
ので、適用する機器によって、便用限界となる亀裂長さ
を予め設定しておくものでｂる。

更に、材質、材料強度によシ、限界亀裂に至るまでの繰
返し数Ｎｔつまり破断寿命が異るので予め、同一材質の
試験片によシ、ある歪範囲でのＮｔｔ−求め、第４図に
示す。寿命比Ｎ／Ｎｆと亀波長さ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。

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。

第９図は、蒸気タービンの＾三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よす成っている。高温高圧の主蒸気５は、加
減弁室３を通シ、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。

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シ犬さな熱応
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受けるも
のでめる。

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なうことになる。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ける。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を接続する浴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
繰返されるため、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去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
ロック図を第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１Ｍまでの微小な亀裂分布
を検出する一装置であって、該評価対象の一定面積内ケ
無作為にサンプリングを行う機能’に！する。第１２図
に微小亀裂の分布の例を示す。これは、６５０Ｃでクリ
ープ疲労損傷ヲ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ヲ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算装置である
。

この様な演韓ン７トウエアとして、線型不偏推定手法を
用い極値統計分布のパラメータを推定する。

またこの〆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ＫＯＩｍｏｇｏｒｏｖ−ｆ９ｍｉ　ｒｎ
ｏｖ検定を行ない観測サンプリングデータがめる一足の
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
を行ないデータ数やサンプリングの適正度を判定し不適
当な場合は、もう一度検出部１４でサンプリングを行な
うよ５フイードパンクをかける機能も４イする。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へ入シ余寿命が
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。

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右カメラ検出部とした実施例である。検出部１８
は、２０〜１００倍に交換可能な拡大レンズ１９を・４
し入力視野全感知しビデオ信号に変換する高感度な画像
センナ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を設は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に入シ画像処理が厖される。

前述の第１２図の様な検出した入力画像に対しある一定
しきい値上設定し画像のグレー像の処理を行ない２値画
像化２４する。その後エツジ検出処理を行ない画像上の
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、演算部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ない、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ないＣＲＴ２８
などでその結果を出力する。

本発明の検出部は、第１４図に示す様に、拡大レンズ１
９ｔ−付けたＴＶ右カメラ固体撮像素子１ｓｔ−使用す
ることにより小製化が可能になる。

また検出部２９からの入力信号の処理部はマイクロプロ
セッサ一群を内蔵し表示装置３１を設けたコンパクトな
宗寿命評価装置３０が構成できる。

この様にすることによυ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１
８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。

他の実施例として蕗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深傷装＃３３，
３４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、こ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。

対象に蛍光磁粉液をかけ電源３４と電極３３によシ対象
部を磁化させ、この電極部には前述の検出部１８を設は
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。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれば、機械得造物部材の
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
を行な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
。

【図面の簡単な説明】

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１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１Ｏ図は、主蒸気管部分の詳細図、第１１
図は本発明を実権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４２　凹 慢１五し教　　Ｎ 躬　３　口 婦ｉｔ教〜 馬　４　口 寿命比　１’／／Ｎｆ 嬶１４ｔ／糧ｃ’Ｊ　　、＝　　丁 １５　　６　　　昏Δ モ裂長之　２（２（”ｍｔｎ） 馬　］　２ き裂−＆ｚ２（ｘ（ｒｎ言） 藁　８　口 寿命ししＮ／）Ｊｆ 冶　９　口 第　１０　　口 躬　　　ｎ　　　日 蔓　；３　乙 ￥−１１４巳

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、評価対象材料の亀裂長さと寿命比との関係特性
   を予め実験的に求め、評価対象表面に生じた最大亀裂長
   さを求め、この最大亀裂長さから、前記亀裂長さと寿命
   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。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記最大亀裂長さ
   は、評価対象表面中のいくつかのサンプリング表面に存
   在する最大亀裂長さに対して極値統計手法により推定し
   て求め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。 ３、繰返し負荷あるいは変動負荷を受ける機械構造物の
   余寿命評価装置において、部材表面の微視損傷を検出す
   る検出器、該微視損傷の分布に対して統計処理を行ない
   最大の損傷を推定する演算器、該演算器で算出された損
   傷の最大値から余寿命を判定する判定器とこの判定結果
   を表示する表示装置から構成されたことを特徴とする機
   械構造物の余寿命評価装置。 ４、部材表面の損傷を検出する検出器は、拡大レンズを
   有するＴＶカメラを用い無作為に損傷のサンプリングを
   行える機構を有することを特徴とする特許請求の範囲の
   第３項に記載の機械構造物の余寿命評価装置。 ５、最大の損傷を推定する演算器は、検出したＴＶカメ
   ラの像を入力原画像としビデオ信号としてディジタル入
   力化し画像解析に基づいた数理統計処理を行うことを特
   徴とする特許請求の範囲の第３項乃至第４項に記載の機
   械構造物の余寿命評価装置。