JPS63157058A - 金属部材の寿命予知法 - 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〕 本発明はボイラなどの高温、高圧下で使用されクリープ
損傷を受ける金属部材の残留ひずみを測定し、非破壊的
に金属部材の寿命を判定する方法に関する。

〔従来技術〕

火力発電プラントや化学装置など高温、高圧下で長時間
使用される機器では、運転中に機器構成部材がクリープ
損傷を受け、材料劣化することは良く知られている事実
である。このような材料劣化は１部材の使用温度２作用
応力及び使用時間によって支配されるものであり、火力
発電用ボイラではこれらの支配因子を考慮し２通常ｌＯ
万時間（連続運転で約１２年）の寿命を持つように、使
用部材の材質および寸法形状を定めている。しかしなが
ら、最近では設計寿命であるｌＯ万待時間超えた発電プ
ラントが増加してきている。また、中間負荷運転の場合
や毎日起動停止を行う運転など使用条件が過酷になるこ
とも予想される。このようなことから、使用部材の寿命
を正確に推定する技術の確立が必要不可欠となってきて
いる。

特に、ボイラの過熱器のヘッダや主蒸気管などの厚肉管
がクリープ損傷を受けて寿命に達した場合には、その取
り換えが著しく困難であり、ボイラプラントの効率的な
運用を図るためには、上記厚肉管の寿命を定期的に推定
し計画的な補修や取換えをはかることが最も重要となる
。

使用部材の寿命を推定する方法としては、クリープ変形
により生じた円筒の外径ひずみのような残留ひずみによ
りクリープ損傷を判定する方法がある（鉄と鋼、第６５
年、第７号、ｐ８６９〜Ｐ　８７５）。

第７図は２．２５（ｗｔ％）Ｃｒ−１（ｖｔ％）　Ｍ　
ｏ鋼の６００℃。

内圧１０ｋｇ／醜鳳８での円筒の外径クリープひずみ曲
線を示す、この図から分かるように、寿命の８０％を超
えるとクリープ変形により外径ひずみ、すなわち残留ひ
ずみが急激に増加する。したがって。

残留ひずみの急激な増加をとらえることにより。

部材の残余寿命の推定を行なうことができる。この方法
では、非破壊的な検査が可能であること。

同一部材の経年変化の追跡、集積データの活用が容易で
あること、また評価に要する時間が短いことなどの利点
が多く、クリープひずみ量を測定できることを前提にし
て、損傷率φｃｓ＝ε／ε。

（ε：クリープひずみ　εｔ：クリープ破断ひすみ）で
評価することが知られている（特開昭５８−９２９５２
号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、クリープ変形による残留ひずみの測定に
関する従来技術を実機に用いると、つぎのような問題が
生じる。

例えば、ボイラの設計においては、車軸クリープ試験に
おけるクリープひずみが１０００時間で０．０１％以下
となるように部材の形状を定めている０円筒のクリープ
による外径ひずみ、すなわち残留ひずみは単軸クリープ
ひずみの約１７３であることより１例えば直径５００鳳
−の円筒の外径を１年（８７６０時間）おきに測定して
外径ひずみ（残留ひずみ）を測定する場合には１円筒が
健全な状態ならば１４６−以下の直径の変化が生じるこ
とになる。

この値は、健全な状態での変化量であり、異常値として
はこの３倍程度のＳＯＯ，の変化量を検出することにな
るが、ボイラなとで用いられている大径鋼管においては
、以下に示すように測定が困難である。

実機では、大径鋼管の表面が高温酸化により減肉してい
ること、また外径ひずみ（残留ひずみ）が大径鋼管の全
周にわたって均一でないことなどより、外径の絶対値か
ら精度よくクリープによる残留ひずみを求めることは非
常に困難である。また、たとえ大径鋼管の表面を防食加
工して腐食による減肉を防いでも、ひずみ測定位置のわ
ずかなずれや９ｗｇ定位置への付着物および測定者の個
人差を考えた場合に、外径の絶対値は大きくばらつき、
精度よく残留ひずみを求めることは極めて難しい、さら
に、上記の手法では、応力集中部のような局所的な残留
ひずみの測定を行うことができない。

上述したごとく、従来技術においては、大径鋼管などの
外径の変化から、クリープによる残留ひずみを精度よく
求めるには多くの問題点があり。

また局所的な残留ひずみの測定ができなかった。

本発明の目的は、クリープ変形による残留ひずみを、Ｎ
便な方法で精度よく測定すると共に１局所的な残留ひず
みをも測定することができ、非破壊的に金属部材の寿命
を判定する方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記本発明の目的は、クリープ変形を生じる金属部材に
非クリープ部材を固着させ、非クリープ部材に生じた弾
性の残留ひずみを測定することにより、達成される。

例えば、ボイラなとで用いられている大径鋼管は高温、
高圧下で使用されるためにクリープ変形を生じ、一定期
間の運転後には残留ひずみが生じる。したがって、クリ
ープ変形を生じる金属部材にボイラなどの運転温度にお
いてクリープ変形をほとんど生じないか、または実際上
無視できる。

例えばセラミックのような非クリープ部材を固着させれ
ば、使用される金属部材のクリープ変形に追従して非ク
リープ部材は弾性変形を生じ、金属部材の残留ひずみと
同じ値の弾性ひずみが非クリープ部材に残留する。この
非クリープ部材に残留した弾性ひずみは、非クリープ部
材にひずみゲージを接着し、その後非クリープ部材を金
属部材から解放した際に生じる弾性ひずみとして高精度
に測定することができる。

第８図はボイラ運転サイクル中に大径鋼管外表面に生じ
るひずみの変化を示す模式図である。起動時における温
度および圧力の上昇に伴って第８図に示す○からＡに向
かってひずみが増加する。

さらに、定常運転中に生じるクリープひずみにより、ひ
ずみはＡからＢに向かって増加する。その後、ボイラ停
止時には温度および圧力の降下により、ＢからＣに向か
いひずみは減少する６しかしながら、運転停止時には運
転中に生じたクリープひずみにより第８図中のＣＤに示
す残留ひずみが生じる。

一方、大径鋼管外表面に固着させた非クリープ部材は鋼
管外表面の変形に追従して、第９図に示すごとく、０→
Ａ→Ｂ−＋Ｃと移動し、鋼管外表面と同一のひずみの変
化を示すが、非クリープ部材ではクリープ変形が生じな
いために、Ｃにおいて鋼管より非クリープ材を切り離せ
ば、第９図中のＣＤに示すひずみが回復する。したがっ
て、この回復するひずみＣＤを測定することにより、大
径鋼管外表面の残留ひずみを求めることができ、この残
留ひずみにより鋼管の寿命を正確に推定することができ
る。

なお、非クリープ部材としては塑性ひずみの影響が生じ
ないようにボイラ運転サイクル中には塑性変形を生じな
いものを用いる必要がある。

〔作用〕

本発明による金属部材の寿命予知法は、非クリープ部材
を金属材料に固着させることにより、金属部材の残留ひ
ずみを高精度に、かつ容易に測定することができ、その
寿命の判定を行なうことができる。すなわち、非クリー
プ部材に残留した弾性ひずみは、ひずみゲージを用いる
ことにより１　／　１０００％までの精度で測定できる
。この１／１０００％の測定精度は、１年間で大径鋼管
に生じるクリープひずみが０．１％程度であるから、十
分な精度でひずみを測定することができる。

また、非クリープ部材の大きさは、ひずみゲージのサイ
ズ程度でよいため９本発明の方法により局所的な残留ひ
ずみを測定すことができる。さらに、応力集中部のよう
な残留ひずみの方向が不明な位置では、ロゼツト形のひ
ずみゲージを用いることにより、任意方向の残留ひずみ
を測定すこともできる。

本発明による方法では、残留ひずみを非クリープ部材が
記憶していることから、大径鋼管表面の酸化は測定精度
に影響を与えず、常に高精度な結果が得られる。同様に
、摩耗の激しい部材の場合においても、非クリープ材が
摩耗により消失しない限り、残留ひずみの測定を行なう
ことができることから、ボイラ火炉内の伝熱管のクリー
プ損傷の推定にも用いることができる。また、残留ひず
みの測定後、同一箇所に非クリープ材を取り付けられる
ことから、同一箇所において長期間にわたり、ひずみデ
ータの収集を行なうことも可能である。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ２図面に基づいてさらに
詳細に説明する。図において、同一符号を付したものは
同じ部品もしくは同一機能を有する部分である。

（実施例１） 第１図は、非クリープ部材としてセラミックス溶射層２
を用い、大径鋼管１への取付は状況を示したものである
。非クリープ部材であるセラミックス溶射層２は大径鋼
管１に溶射して、板状の層となし大径鋼管１に接合され
ているが、残留ひずみの測定を容易にするために、セラ
ミックス溶射層２の一部をマスキング材３を用いてマス
キングしている。このセラミックスとしては、アルミナ
またはジルコニア系のものを用いれば、ボイラ運転時の
細管の最上限温度である６００℃程度まで加熱しても剥
離することはない、また、マスキング材３としてはコー
ティング用のパテなどを用いることができる。

第２図は、一定期間のボイラ運転後の大径鋼管１に生じ
た残留ひずみを測定するために、セラミックス溶射層２
にひずみゲージ４を取付けた様子を示したものである。

第３図は、セラミックス溶射層２を大径鋼管１の拘束よ
り解放して、その残留ひずみを測定するために、セラミ
ックス溶射層２を切り出した様子を示したものである。

本実施例において、セラミックスの溶射および残留ひず
みの測定は、ボイラの定期点検時に行なうものであるが
、その時の温度差による熱ひずみによる誤差を防ぐため
に、熱電対７を用いた温度の測定結果で補正を行なうこ
とによって、さらに精度のよいひずみ測定が可能となる
。

本実施例において示すように、セラミックス溶射層２は
大径鋼管１に溶射されており、大径鋼管１のクリープ変
形に追従することができる。また。

マスキング材３を用いることにより、残留ひずみを測定
する際のセラミックス溶射層２の切り出しが容易となる
。

セラミックス溶射層２の大きさは、ひずみゲージ４（−
辺の長さが１■飄〜５鳳■程度の矩形）のサイズよりや
や大きいものであればよいことから。

大径鋼管１の局所的な残留ひずみの測定も可能となる。

また、ボイラなどの運転中に生じる酸化や摩耗の影響を
受けることなく、残留ひずみの測定が行なえる。

（実施例２） 第４図は、あらかじめセラミックス溶射層２を金属板５
に溶射しておき、その金属板５を鋼管に溶接する方法を
示した例である。この方法を用いれば、溶射作業をボイ
ラ内で行なう必要がなく。

作業がより容易となる。

（実施例３） 第５図および第６図はマスキング材３を装入する代りに
、穴のあいた金属板７にセラミックス溶射層２を形成し
た例を示したものであり、第５図はその側断面図、第６
図はその平面図である。この穴のあいた金属板７にセラ
ミックスを溶射する際には、あらかじめ穴の部分をパテ
などで塞いでおけば、残留ひずみ測定部と同一の曲率の
セラミックス溶射層２を形成させることができる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく本発明によれば、簡便かつ非
破壊的な方法で、実機のクリープ変形による残留ひずみ
を高精度に測定することができ。

これによりクリープ損傷を正確に評価することができる
ので、高温、高圧で使用される金属部材の寿命を精度よ
く判定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明の実施例１におけ
る残留ひずみ測定法の順序を示す模式図。 第４図は本発明の実施例２における残留ひずみ測定法の
模式図、第５図および第６図は本発明の実施例３におけ
る残留ひずみ測定法の模式図、第７図は２．２５Ｃｒ　
−Ｉ　Ｍｏ鋼の６００℃、内圧１０ｋｇ／ａｍ”におけ
る外径クリープひずみを示すグラフ、第８図は大径鋼管
外表面に生じるひずみの変化を示すグラフ、第９図は非
クリープ部材のひずみの変化を示すグラフである。 １・・・大径鋼管　　　　　２・・・セラミックス溶射
層３・・・マスキング材　　　４・・・ひずみゲージ５
・・・金属板　　　　　　６・・・溶接部７・・・穴の
あいた金属板 代理人弁理士　　中　村　純之助 ｌ４’−１図 １−２　　図 １３図 ７０１列電灯 弁゛４　門 オ′５図 １６図 時間（ｈ） ２８（資） 時　間 ？９図 晴　　間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温、高圧下で使用される金属部材のクリープ変形
   により生じる残留ひずみを測定して、非破壊的に上記金
   属部材の寿命を測定する方法において、上記金属部材に
   比べてクリープ変形が著しく小さいか、もしくはクリー
   プ変形が生じない非クリープ部材を、上記金属部材に固
   着し、該非クリープ部材を固着した金属部材のクリープ
   変形後に、上記非クリープ部材に残留した弾性ひずみを
   測定することにより、上記金属部材に生じた残留ひずみ
   を求め、上記金属部材の寿命を判定することを特徴とす
   る金属部材の寿命予知法。 ２、金属部材に固着させる非クリープ部材としてセラミ
   ックスを用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の金属部材の寿命予知法。 ３、非クリープ部材として、アルミナ系またはジルコニ
   ア系のセラミックスを用い、該セラミックスを、クリー
   プ変形により生じる残留ひずみを測定する金属部材上に
   、マスキング材を介して溶射して固着させるか、もしく
   は上記金属部材に溶着した金属板上に、マスキング材を
   介して溶射して固着させることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項または第２項に記載の金属部材の寿命予知法
   。 ４、マスキング材として、パテもしくは穴あき金属板を
   用いることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   金属部材の寿命予知法。