JPS61277034A - 機械構造物の余寿命評価法 - Google Patents
機械構造物の余寿命評価法Info
- Publication number
- JPS61277034A JPS61277034A JP60118804A JP11880485A JPS61277034A JP S61277034 A JPS61277034 A JP S61277034A JP 60118804 A JP60118804 A JP 60118804A JP 11880485 A JP11880485 A JP 11880485A JP S61277034 A JPS61277034 A JP S61277034A
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- JP
- Japan
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- damage
- crack
- life
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- Pending
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- Investigating And Analyzing Materials By Characteristic Methods (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
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。
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１機械構造物の寿命評価法に係り、特に高温に
おいて繰返し負荷あるいは負荷変動を受ける機械構造物
に好適な余寿命評価法に関する。
おいて繰返し負荷あるいは負荷変動を受ける機械構造物
に好適な余寿命評価法に関する。
高温環境下において、繰返し負荷を受ける機械構造物と
して例えば蒸気タービンは、起動停止による熱応力の繰
返しあるいは運転中に負荷変動をその部材に受けるため
、部材には繰返し負荷による疲労損傷と高温下の一定負
荷によるクリープ損傷を同時に受けるものである。この
結果、部材には疲労とクリープによる損傷が累積して、
部材中に巨視的なき裂が生じ、構造的な健全性が損なわ
れる惧れがある。このような場合、構造物として強度信
頼性の面から残存する寿命の評価を随時行い機器の破損
やそれに伴うプラントの大事故を監視あるいは未然に防
止することが必要である。
して例えば蒸気タービンは、起動停止による熱応力の繰
返しあるいは運転中に負荷変動をその部材に受けるため
、部材には繰返し負荷による疲労損傷と高温下の一定負
荷によるクリープ損傷を同時に受けるものである。この
結果、部材には疲労とクリープによる損傷が累積して、
部材中に巨視的なき裂が生じ、構造的な健全性が損なわ
れる惧れがある。このような場合、構造物として強度信
頼性の面から残存する寿命の評価を随時行い機器の破損
やそれに伴うプラントの大事故を監視あるいは未然に防
止することが必要である。
従来における構造設計においては、ロータやケーシング
についてはクリープ強度を基準として十分な安全率を設
定して、その強度信頼性を高いものとしていた。したが
って、従来は機器の寿命評価は行われずにプラントの運
転が行われていた。
についてはクリープ強度を基準として十分な安全率を設
定して、その強度信頼性を高いものとしていた。したが
って、従来は機器の寿命評価は行われずにプラントの運
転が行われていた。
しかし現在、長期間稼働中の火力発電プラントが数多く
存在し、またそれらの部材の材料劣化の問題も重なり、
ロータやケーシングなどに対する高精度な余寿命評価技
術が強く要請されている。
存在し、またそれらの部材の材料劣化の問題も重なり、
ロータやケーシングなどに対する高精度な余寿命評価技
術が強く要請されている。
さて、蒸気タービンを例にとると、近年の大容量化や電
力需要形態の変化による運用条件の苛酷化により、ロー
タなケーシングの損傷の累積が加速されき裂が進展して
板厚を貫通し稀には重大事故を招く惧れも考えられるよ
うになり、これらを回避するため機器の寿命評価技術が
望まれる状況となっている。
力需要形態の変化による運用条件の苛酷化により、ロー
タなケーシングの損傷の累積が加速されき裂が進展して
板厚を貫通し稀には重大事故を招く惧れも考えられるよ
うになり、これらを回避するため機器の寿命評価技術が
望まれる状況となっている。
しかし、ケーシングやロータに対する有効な余寿命評価
技術やそれらの寿命監視システムといったものは、はと
んどないのが現状である。ロータやケーシングについて
の強度的な寿命や部材の損傷度を算出し、それらを高精
度に監視して評価できれば、プラントの信頼性は大きく
向上するものと思われる。しかし、未だこれを可能なら
しめる構成として満足のいくものは提案されていない。
技術やそれらの寿命監視システムといったものは、はと
んどないのが現状である。ロータやケーシングについて
の強度的な寿命や部材の損傷度を算出し、それらを高精
度に監視して評価できれば、プラントの信頼性は大きく
向上するものと思われる。しかし、未だこれを可能なら
しめる構成として満足のいくものは提案されていない。
ロータについては、周囲の蒸気温度及びケーシングの内
表面温度の測定により、発生する熱応力を推定し、その
熱応力の変化率や絶対値からタービンの運転を制御する
システムが提案されている。
表面温度の測定により、発生する熱応力を推定し、その
熱応力の変化率や絶対値からタービンの運転を制御する
システムが提案されている。
例えば特開昭５０−１４９８０４号である。
〔発明の目的〕
上記事情に鑑み、本発明の目的は、高温において繰返し
負荷あるいは変動負荷によって疲労とクリープ損傷を受
ける機械構造物において、部材表面の微視的な損傷の変
化量に基づいて部材の寿命を算出し、これにより未然に
構造物の破損を防止し、最終的にはプラントの安全性と
信頼性を保証し得る機械構造物の余寿命評価法とその装
置を提供することにある。
負荷あるいは変動負荷によって疲労とクリープ損傷を受
ける機械構造物において、部材表面の微視的な損傷の変
化量に基づいて部材の寿命を算出し、これにより未然に
構造物の破損を防止し、最終的にはプラントの安全性と
信頼性を保証し得る機械構造物の余寿命評価法とその装
置を提供することにある。
本発明においては、高温クリープ域の繰返し負荷下で寿
命の初期に部材表面に生じる微視的な損傷に着目し、こ
れらの成長過程を定量的に明らかにすることにより、寿
命消費率を算出し高温機器の余寿命を評価することを特
徴とする。
命の初期に部材表面に生じる微視的な損傷に着目し、こ
れらの成長過程を定量的に明らかにすることにより、寿
命消費率を算出し高温機器の余寿命を評価することを特
徴とする。
以上、本発明の余寿命評価法の原理について説明する。
第１図は、発明者らがタービンの主蒸気管などの構造材
であるオーステナイトステンレス鋼の６５０℃において
得た低サイクル疲労寿命を示したもので、平滑丸棒試験
片のき裂発生時点と破断寿命を明らかにしたものである
。結晶粒径程度の大きさである０、０５ｍの微小なき裂
は破断寿命の早期に発生していることが知られる。この
事実は試験片の破断に至る寿命の大半が微小なき裂の成
長過程であるこを示しており、この過程を定量的に把握
できれば寿命評価を精度良く行えるものと思われる。そ
こでこの微小なき裂の成長過程を詳細に追跡した結果が
第２図である６き裂の成長が指数関数的であることから
、縦軸にはき裂長さの対数、横軸には繰返し数をとって
示した。
であるオーステナイトステンレス鋼の６５０℃において
得た低サイクル疲労寿命を示したもので、平滑丸棒試験
片のき裂発生時点と破断寿命を明らかにしたものである
。結晶粒径程度の大きさである０、０５ｍの微小なき裂
は破断寿命の早期に発生していることが知られる。この
事実は試験片の破断に至る寿命の大半が微小なき裂の成
長過程であるこを示しており、この過程を定量的に把握
できれば寿命評価を精度良く行えるものと思われる。そ
こでこの微小なき裂の成長過程を詳細に追跡した結果が
第２図である６き裂の成長が指数関数的であることから
、縦軸にはき裂長さの対数、横軸には繰返し数をとって
示した。
いずれの負荷ひずみ範囲でも成長過程は図中で直７線で
良く近似できる。ところで、高温において疲労寿命は負
荷ひずみ速度や負荷波形に依存することが知られている
。発明者らがこれについて調べた結果を第３図に示す。
良く近似できる。ところで、高温において疲労寿命は負
荷ひずみ速度や負荷波形に依存することが知られている
。発明者らがこれについて調べた結果を第３図に示す。
顕著なりリープ損傷′が生じる引張保持波形や低速高速
の鋸歯微三角波形でも、破損までの寿命の大半は微小な
き裂の成長過程に費やされている。このように実機条件
である高温下で遠心力や内圧の一定負荷を受ける場合の
損傷であるクリープと起動停止の繰返しに起因する損傷
である疲労が重畳する条件下でも、微小なき裂の長さの
対数ｌｏｇ２ａと繰返し数Ｎとの間には直線関係が成立
し次式が得られる。
の鋸歯微三角波形でも、破損までの寿命の大半は微小な
き裂の成長過程に費やされている。このように実機条件
である高温下で遠心力や内圧の一定負荷を受ける場合の
損傷であるクリープと起動停止の繰返しに起因する損傷
である疲労が重畳する条件下でも、微小なき裂の長さの
対数ｌｏｇ２ａと繰返し数Ｎとの間には直線関係が成立
し次式が得られる。
ｌｏｇ ２ ａ ＝ ＣＮ （１
）したがって、微小なき裂の進展速度は、次式の様に導
かれる。
）したがって、微小なき裂の進展速度は、次式の様に導
かれる。
ｄ ａ／ ｄ Ｎ−Ｃ’ ａ （２
）上式（２）において、初期き裂長さとして結晶粒径を
とり２ａ、＝Ｏ，α５＋ａｍ、最終き裂長さとして実験
値をとり２ａ、＝１０ｍｍとして両辺積分すれば、定数
Ｃ′は、次式の如く求まる。
）上式（２）において、初期き裂長さとして結晶粒径を
とり２ａ、＝Ｏ，α５＋ａｍ、最終き裂長さとして実験
値をとり２ａ、＝１０ｍｍとして両辺積分すれば、定数
Ｃ′は、次式の如く求まる。
Ｃ’ ＝２．３／Ｎ、−Ｎ、 （３）とこ
ろで、き裂発生寿命Ｎ、は、全寿命の早期にき裂が発生
することからＮ、＝０とする。したがって、（１）式か
ら、新しくき裂長さと寿命比との関係として次式が得ら
れる。
ろで、き裂発生寿命Ｎ、は、全寿命の早期にき裂が発生
することからＮ、＝０とする。したがって、（１）式か
ら、新しくき裂長さと寿命比との関係として次式が得ら
れる。
ｌｏｇ ２ ａ ＝ ２．３ Ｎ／Ｎｒ＋ｌｏｇ ２
ａ、（４）この式の、意味するところは、き裂長さが求
められれば、寿命比Ｎ ／ Ｎ ｔすなわち寿命消費率
（損傷量）が求まるということである。この（４）式に
基づいて種々の条件下の微小なき裂と寿命比の関係を示
したのが第４図である。多種類の負荷条件にもかかわら
ず、Ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ２のばらつきの範囲に実験デ
ータは収まっている。本発明は、この新しい事実を基に
なされた。
ａ、（４）この式の、意味するところは、き裂長さが求
められれば、寿命比Ｎ ／ Ｎ ｔすなわち寿命消費率
（損傷量）が求まるということである。この（４）式に
基づいて種々の条件下の微小なき裂と寿命比の関係を示
したのが第４図である。多種類の負荷条件にもかかわら
ず、Ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ２のばらつきの範囲に実験デ
ータは収まっている。本発明は、この新しい事実を基に
なされた。
以下、図面を参照して本発明の実施の一例について説明
する。この例は、本発明の装置の一実施例を、蒸気ター
ビンの余寿命監視システムに適用したものである。
する。この例は、本発明の装置の一実施例を、蒸気ター
ビンの余寿命監視システムに適用したものである。
第５図に示すのは高圧段蒸気タービンであるがこれは、
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、初
段翼部４に入る。その後。
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、初
段翼部４に入る。その後。
高圧段を通り、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としてケー
シング外に出る。
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としてケー
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過大な熱応力が部材
に負荷される。また、この繰返しによる疲労損傷及び高
温下で高圧の長期負荷によるクリープ損傷を同時に受け
るものでもある。
機械構造物であって起動停止時には過大な熱応力が部材
に負荷される。また、この繰返しによる疲労損傷及び高
温下で高圧の長期負荷によるクリープ損傷を同時に受け
るものでもある。
ここで、本発明の実施例として微小なき裂の測定に電気
的な測定手段による方法を、蒸気タービンケーシングの
最大応力発生位置の一つである主蒸気入口部に適用した
例をとり上げる。第６ｗ！ｉは。
的な測定手段による方法を、蒸気タービンケーシングの
最大応力発生位置の一つである主蒸気入口部に適用した
例をとり上げる。第６ｗ！ｉは。
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とを継なぐ溶接部であり高速蒸気５にさらさ
れるため部材肉厚の温度差及び材料の熱膨張差にもとづ
く熱応力が起動停止各に繰返されるため、特に溶接部１
２近傍１３は過大な負荷が織成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。本発明の装置
の基本構成を第７図に示す。図中の検出装置については
第８図、第９図、および第１０図により説明する。
ーシング１とを継なぐ溶接部であり高速蒸気５にさらさ
れるため部材肉厚の温度差及び材料の熱膨張差にもとづ
く熱応力が起動停止各に繰返されるため、特に溶接部１
２近傍１３は過大な負荷が織成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。本発明の装置
の基本構成を第７図に示す。図中の検出装置については
第８図、第９図、および第１０図により説明する。
第８図においては損傷監視位置１３の表面に微小き裂の
成長に基づく損傷センサー１４を接着しその信号を電位
差測定部に取り込むことを示している０次に第９図に電
位差測定部の回路図を示す。
成長に基づく損傷センサー１４を接着しその信号を電位
差測定部に取り込むことを示している０次に第９図に電
位差測定部の回路図を示す。
すなわち、電位差測定部は、定電流発生装置と電位差検
出ボルトメータ１７より構成されている。
出ボルトメータ１７より構成されている。
損傷センサー１４は、中央部に微小なき裂を予め有して
おり、この初期微小き裂の近傍には電位差変化を測定す
るボルトメータ゛に接続されている端子が接着されてい
る。ここで、電位差比Ｖ／Ｖ。
おり、この初期微小き裂の近傍には電位差変化を測定す
るボルトメータ゛に接続されている端子が接着されてい
る。ここで、電位差比Ｖ／Ｖ。
は第１０図に示す様にき裂長さ２ａと対応があることが
知られている。予め第１０図の様な関係を求めておけば
、電位差比からき裂長さを求めるのは容易である。した
がって、損傷センサー１４の両端にひずみが繰返し負荷
されると中央部のき裂は成長してゆき、その結果繰返し
数と電位差比とノｊの関係は、第１１図の如くに求まる
。そこで、先に示した第４図の様に、電位差比と寿命消
費率の間にも一義的な関係が求まり第１２図の様になる
。
知られている。予め第１０図の様な関係を求めておけば
、電位差比からき裂長さを求めるのは容易である。した
がって、損傷センサー１４の両端にひずみが繰返し負荷
されると中央部のき裂は成長してゆき、その結果繰返し
数と電位差比とノｊの関係は、第１１図の如くに求まる
。そこで、先に示した第４図の様に、電位差比と寿命消
費率の間にも一義的な関係が求まり第１２図の様になる
。
したがって、損傷センサーの電位差比を測定することに
より、寿命消費率が求められることになる。
より、寿命消費率が求められることになる。
次に損傷センサーの具体例を第１３図に示す。
これは、監視対象位置にスポット溶接などで接着するた
め、面端に対象部材と同一材質の台座状の端部２０を一
対設け、その両端の中央部に初期参照き裂を有するセン
サ一部２１を設けた実施例である。初期き裂の近傍には
き裂成長に伴う電位差変化を測定する端子２２及び一定
電流を加える端子２３を設け、第９図に示した基本回路
を構成することにより先に示した第１２図の原理により
寿命消費率が求まることになる。
め、面端に対象部材と同一材質の台座状の端部２０を一
対設け、その両端の中央部に初期参照き裂を有するセン
サ一部２１を設けた実施例である。初期き裂の近傍には
き裂成長に伴う電位差変化を測定する端子２２及び一定
電流を加える端子２３を設け、第９図に示した基本回路
を構成することにより先に示した第１２図の原理により
寿命消費率が求まることになる。
第１４図は、この発明の他の実施例を示すものである。
上記実施例と異宿る点は、損傷センサーと同時にひずみ
を計測できる様に容量形ひずみゲージを組合せた点にあ
る。該ひずみゲージは弓形に張り出した１対のバネ性に
富む薄板２７に１対の電極２５を設は該電極間が台座２
０の伸び縮みに伴って変化することにより静電容量が変
化しこれをひずみ量に変換するものである。この実施例
ではさらに損傷の程度をひずみ量からも検出できるので
寿命消費率が高精度に求まる効果がある。
を計測できる様に容量形ひずみゲージを組合せた点にあ
る。該ひずみゲージは弓形に張り出した１対のバネ性に
富む薄板２７に１対の電極２５を設は該電極間が台座２
０の伸び縮みに伴って変化することにより静電容量が変
化しこれをひずみ量に変換するものである。この実施例
ではさらに損傷の程度をひずみ量からも検出できるので
寿命消費率が高精度に求まる効果がある。
以上述べた様に、本発明によれば、機械構造物の部材に
おいてそ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破損を未然に防止し
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。
おいてそ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破損を未然に防止し
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。
第１図から第４図は、本発明の余寿命評価法の基本的な
原理の説明図、第５図は本発明の実施例の断面図、第６
図は同じく部分詳細図、第７図は要部の説明ブロック図
、第８図は要部説明図、第９図は電位差測定部の回路図
、第１０〜第１２図は特性線図、第１３図、第１４図は
他の実施例の説明図である。 １．２・・・タービンケーシング、１１・・・主蒸気管
。 １４・・・損傷センサー、２２．２３・・・電極リード
線。
原理の説明図、第５図は本発明の実施例の断面図、第６
図は同じく部分詳細図、第７図は要部の説明ブロック図
、第８図は要部説明図、第９図は電位差測定部の回路図
、第１０〜第１２図は特性線図、第１３図、第１４図は
他の実施例の説明図である。 １．２・・・タービンケーシング、１１・・・主蒸気管
。 １４・・・損傷センサー、２２．２３・・・電極リード
線。
Claims (1)
- １、繰返し負荷あるいは変動負荷を受ける機械構造物の
余寿命算定において、部材表面の発生き裂の寸法と部材
の損傷量との関係により、余寿命を算出することを特徴
とする機械構造物の余寿命評価法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60118804A JPS61277034A (ja) | 1985-06-03 | 1985-06-03 | 機械構造物の余寿命評価法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60118804A JPS61277034A (ja) | 1985-06-03 | 1985-06-03 | 機械構造物の余寿命評価法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61277034A true JPS61277034A (ja) | 1986-12-08 |
Family
ID=14745531
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60118804A Pending JPS61277034A (ja) | 1985-06-03 | 1985-06-03 | 機械構造物の余寿命評価法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61277034A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0228554A (ja) * | 1988-07-19 | 1990-01-30 | Hitachi Ltd | 高温用機器の損傷検出法 |
| JPH0450634A (ja) * | 1990-06-12 | 1992-02-19 | Komatsu Ltd | 構造物の寿命推定方法 |
| JP2001153756A (ja) * | 1999-11-29 | 2001-06-08 | Toshiba Corp | タービンロータの亀裂進展予測方法 |
| KR100367298B1 (ko) * | 2000-07-12 | 2003-01-09 | 한국전기연구원 | 열전 발전 모듈의 수명 시험 장치 |
| CN102680258A (zh) * | 2011-12-13 | 2012-09-19 | 河南科技大学 | 一种在役机械装备结构疲劳状态估算方法 |
-
1985
- 1985-06-03 JP JP60118804A patent/JPS61277034A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0228554A (ja) * | 1988-07-19 | 1990-01-30 | Hitachi Ltd | 高温用機器の損傷検出法 |
| JPH0450634A (ja) * | 1990-06-12 | 1992-02-19 | Komatsu Ltd | 構造物の寿命推定方法 |
| JP2001153756A (ja) * | 1999-11-29 | 2001-06-08 | Toshiba Corp | タービンロータの亀裂進展予測方法 |
| KR100367298B1 (ko) * | 2000-07-12 | 2003-01-09 | 한국전기연구원 | 열전 발전 모듈의 수명 시험 장치 |
| CN102680258A (zh) * | 2011-12-13 | 2012-09-19 | 河南科技大学 | 一种在役机械装备结构疲劳状态估算方法 |
| CN102680258B (zh) * | 2011-12-13 | 2014-04-16 | 河南科技大学 | 一种在役机械装备结构疲劳状态估算方法 |
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