JPS6327732A - 円筒状金属機器の寿命予知方法 - 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） 本発明は円筒状金属機器の寿命予知方法に係り、特にボ
イラや化学プラントなどに使用される金属材料のように
、高温・高圧下で使用され、クリープ損傷を受ける金属
材料の外径寸法の変形量を知ることにより金属材料の寿
命を予知する方法に関するものである。

（従来の技術） 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、運転中に使用材料がクリープ損傷
を受け、材料劣化することは良く知られた事実である。

このような材質劣化は、材料の使用温度、材料に作用す
る応力およ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、通常
ｌＯ万時間（連続運転で約１２年）の寿命を持つように
、使用材料の材質および寸法形状を決めている。しかし
ながら、最近では設計寿命である１０万時間を越える発
電プラントが増加し、また中間負荷運用や毎日の起動停
止を行なうなど、発電プラントの使用条件が過酷になる
状況にある。このようなことから材料の寿命を的確に判
定する技術の確立が必要不可欠となってきている。特に
ボイラのヘッダ等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、その取り替えが著しく困芹であり、
ボイラプラントの効率的な運用を図るためには、ヘッダ
等の厚肉管の寿命推定が最も重要な課題となってくる。

材料の寿命を判定する方法としては、円筒状全屈材料の
外径ひずみのような形状変化によりクリープ損傷の程度
を判定する方法がある（鉄と鋼、１９８５年、第７号、
８６９〜８７５頁）。第４図は、２　’Ａ　Ｃｒ　　Ｉ
　Ｍ　ｏ　Ｓｕの６００°Ｃ１内圧１０ｋｇ／ｃｎｌで
使用された円筒状材料の外径クリープひずみ曲線を示す
が、この図から分かるように、寿命の８０％を超えると
クリープひずみが大きく増加することがわかる。したが
って、クリープひずみの急激な増加が生じたことを検知
することにより、材料の残余寿命の推定を行なうことが
できる。

この方法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利点が多い。ク
リープひずみ量を測定できることを前提にして、次式の
ように損傷率φｃｓを評価することが知られている（特
開昭５８−９２９５２号）。

φｃｓ＝ε／εｔ　　　ε：クリープひずみεｔ：クリ
ープ破断ひずみ （発明が解決しようとする問題点） しかしながら、クリープひずみ測定に関する従来技術を
実際のボイラプラントなどに用いるには次のような問題
がある。

ボイラを設計する際は、車軸クリープ試験においてクリ
ープひずみが１０００時間で０．０１％以下となるよう
に部材の寸法・形状を定めている。

円筒の外径クリープひずみは車軸クリープひずみの約１
／３であることより、例えば直径５００１のヘッダの外
径を１年（８７６０時間）おきに測定する場合には、ボ
イラ過熱器ヘッダが健全な状態ならば、１４６μｍ以下
の直径の変化が生しることになる。この値は健全な状態
での変化量であり、異常値としては３倍程度の５００μ
ｍの変化量を検出することになるが、大径鋼管において
は以下に示すように測定上の困難がある。

例えば、実際のボイラ過熱管ヘッダでは外表面が高温酸
化により減肉していること、また外径ひずみが全周にわ
たっては均一でないことなどにより、外径の絶対値から
精度よくクリープによる外径ひずみを求めることは非常
に困難である。また、たとえ、ヘッダの外表面に防食加
工を行って腐食による減肉を防いでも、測定位置の僅か
な「ずれ」や、測定位置への付着物の生成、測定時の温
度および測定者による個人誤差などの発生が考えられ、
これらにより外径の絶対値は太き（バラツキを生じ、精
度よく外径ひずみを求めることはやはり困難である。以
上のように、外径寸法の絶対値からクリープによる外径
ひずみを精度よく求めるには多くの問題点がある。

本発明の目的は、ボイラ用過熱器のヘッダなどのような
大径管の外径寸法を直接測定することなく、簡単な方法
で金属材料の寿命を予知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） 本発明は、測定すべきヘッダなどの管体に温度変化を与
え、この温度変化に基づく管体の外径寸法の変化量をσ
り定することにより、上記管体の外径寸法そのものを求
めようとするものである。すなわち、本発明は、円筒状
の金Ｈ機器の形状変化によってクリープひずみを求め、
これにより該金属機器の寿命を予知する方法において、
上記金属機器に温度変化を与え、その温度変化に基づく
該金属機器の半径方向寸法変化を求め、それにより前記
クリープひずみを推定することを特徴とする。

長期間にわたって使用されるへンダなどの管体について
、適当な時間間隔をおいて前記温度変化に基づ（管体の
外１条寸法の変化量を測定すれば、使用時間の経過とと
もに生しる管体外１条のクリープひずみを求めることが
でき、前述の第４図で説明したように、その寿命を予知
することができる。

まず発明の原理について説明する。ヘッダのような外径
を測定すべき管体の温度を、均一にΔＴ（Ｃ）上昇させ
た場合に生じる外半径の増加量をΔＴとすれば、ΔＴは
次式で表わされる。

ΔＴ−γ×α×ΔＴ　・・・・・・（１）ただし、αは
線膨張係数である。この式から外半ｆＹは次の式で求め
られる。

Ｔ−ΔＴ／α×ΔＴ　・・・・・・（２）したがって、
外半径γはΔγと八Ｔを測定することにより求めること
ができる。

本発明においては、ヘッダ等の外表面の外半径測定位置
に、セラミックスのような耐食性材料をコーティングす
ること等により、表面の減肉を防げば、測定位置のわず
かなずれや、測定位置への付着物および測定者の個人差
による誤差の影響をほとんど受けることなく、正確に外
径を測定することができる。また、温度を測定すること
により、外径測定時の外気温度の影響も簡単に考慮でき
る。

なお、温度勾配が管体の板厚方向にある場合には、（１
）式と（２）式の代わりに、次の（３）〜（５）式を用
いて外径を求めることができる。

ただし、ｂは外半径、ａは内半径、νは材料のポアソン
比であり、Ｔは管体内表面の温度である。

また、内半径ａは外径測定位置の板厚りを用いてａ＝ｂ
−ｈ　　・・・・・・（６） として定義されるものである。この場合、管体内表面の
温度Ｔと板厚りを；πり定する必要があるが、この温度
は、加熱方法に対応した寸法形状をパラメータとして温
度分布計箆を実施しておき、このデータを使用して求め
ることができる。また、板厚も超音波板厚測定器により
正確に測定できる。

（３）式は外半径に関する非線形方程式となるが、その
解はコンピュータを用いることにより容易に求めること
ができる。

さらに、この方法の大きな特徴としては、非常に大きな
直径のものにも適用できることである。

本発明において、ヘッダ等の管体の温度上昇を行なう方
法としては、リボンヒータを管体に巻き付けて強制的に
加熱する方法があげられる。

以下、図面に示す実施例により、本発明による寿命予知
のための形状測定法について説明する。

（実施例） 第１図は、本発明の寿命予知方法の一実施例を示したも
ので、外径を測定すべきヘッダ２の外壁面にリボンヒー
タ７と耐食性形状測定部１を取付けた状態を示している
。第１Ａ図は、その断面図である。この耐食性形状測定
部１は、前述のようにセラミックス等の耐食材料でコー
ティングしたもので、任意の部位に設けることができる
。このような測定部１は、ヘッダを据付ける際に生じる
拘束状態によっては、半径方向の変位が一様でないため
に、３個所設けられているが、２個所でよい場合もある
。また、ヘッダ加熱用のリボンヒータ７は測定部１の両
側に配置され、温度差の測定と加熱温度の制御および温
度分布の確認用に、熱電対３が耐食性形状測定部１に配
置されている。

なお、１２はへソダに接続された加熱管である。

このような耐食性測定部ｌを設けることにより、ヘッダ
表面の高温腐食による測定誤差を防ぐことができる。

第２図は、本発明による外１子測定法の実施例を示す説
明図である。被測定材料であるヘッダ２には、耐食性形
状測定部１が形成され、これに変位を測定するための圧
子４ａが当接している。ヘッダ２に設けた耐食性形状測
定部１の変位は作動トランス４により測定され、一方、
変位測定時の温度は熱電対３により測定される。作動ト
ランス４は加熱の影響を受けない他のヘッダや天井また
は床部分に設けた基準点１０から支持されている。

第２図の装置を用いて、外径５００　ｍｍ、板厚１００
ｍの２７．　Ｃｒ　７１　Ｍ　ｏの円筒を２０°Ｃから
外表面１２０℃まで加熱して、表面変位を測定したとこ
ろ、０．２７４　ａｘの表面変位が得られた。このとき
の内表面温度の測定値は１１０°Ｃであり、また材料定
数は、ν＝０．３、α−１，１５Ｘ１０−５であった。

この測定結果と式（３）〜（６）を用いて外径を算出し
た結果、５００．０８２　ｍ＠の外径がＩＨられた。こ
の結果からも分かるように、この方法で、円筒形状部材
の外径を′請度よく求め得ることが分かる。

第３図は、本発明の他の実施例を示すもので、温度の測
定に表面温度計５を、変位の測定用にし−ザ距離計６を
用いた例である。温度の測定には、このほかに赤外温度
計を用いることも可能である。

また、変位のｊｌｊｌｌ定には超音波距離計や光距離計
（白色光または赤外線等）を用いることができる。

レーザ距離計を用いた場合には、オングストローム単位
での変位の測定が可能である。

（発明の効果） 本発明によれば、非常に直径の大きな円筒状機器であっ
ても簡便かつ非破壊的な方法でクリープひずみを測定す
ることができ、これによりクリープ損傷を的確に評価し
てその寿命を予知することができ、その工業的な価値は
非常に大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する際の測定点の選定や被測定物
の加熱方法を示す図、第１Ａ図はその断面図、第２図、
第３図は本発明による外径測定法の実施例を示す図、第
４図は円筒状材料の外径クリープひずみ曲線を示す図で
ある。 ｌ・・・耐食性形状測定部、２・・・ヘッダ、３・・・
熱電対、４・・・作動トランス、５・・・表面温度計、
６・・・レーザ距離計、７・・・リボンヒーク、１２・
・・加熱管。 代理人　弁理士　川　北　武　長 第１図 第２図 第−３図 第４図 時　　間　　（ｈ−ｒ　）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状の金属機器の形状変化によってクリープひ
   ずみを求め、これにより該金属機器の寿命を予知する方
   法において、上記金属機器に温度変化を与え、その温度
   変化に基づく該金属機器の半径方向寸法変化を求め、そ
   れにより前記クリープひずみを推定することを特徴とす
   る円筒状金属機器の寿命予知方法。