JPS63284452A - 高温部品の寿命評価装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、高温部品の寿命評価装置に係わり、特に蒸気
タービン等の高温部品のクリープ・疲労寿命を的確に評
価することのできる高温部品の寿命評価装置に関する。

（従来の技術） 従来、高温部品の寿命評価装置によって蒸気タービンの
高温部品等、クリープと疲労が重畳する条件での亀裂発
生寿命の算出を行う場合には、特願昭６０−６７８３７
号等に示されているように、起動停止時や負荷変動時等
の非定常時における使用状態量と材料状態量を基に疲労
損傷を算出し、定常運転時における使用状態量と材料状
態量を基にクリープ損傷を算出し、別個に求めたこれら
の損傷値を限界損傷特性と比較し、亀裂発生に至るまで
累積計篩を実施していた。

（発明が解決しようとする問題点） 上記説明の従来の高温部品の寿命評価装置では、疲労損
傷とクリープ損傷の各々に経年材質劣化の影響を反映し
、精度の良い寿命評価を行うことができる。

しかしながら、近年火力プラントにおいて、起動停止が
頻繁に行われるようになり、従来に増してクリープの疲
労寿命評価精度の向上が求められるようになった。特に
、クリープ・疲労寿命を左右する因子として、材料のク
リープ破断延性が重要であることが明らかになっている
が、従来の高温部品の寿命評価装置では、クリープ破断
延性に基づく正確な寿命評価を行うことができなかった
。。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたもので、
クリープ・疲労寿命を従来に較べて正確に評価すること
のできる高温部品の寿命評価装置を提供しようとするも
のである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の高温部品の寿命評価装置は、高温部品の温度と
応力とを検出および穐出する手段と、前記高温部品の硬
さ値とその変化を計測する手段と、前記硬さ値と前記応
力とから歪みおよび低サイクル疲労寿命を算出する手段
と、前記硬さ値と前記温度と前記応力と運転時間および
化学成分とからクリープ破断延性を算出する手段とを備
え、高温部品のクリープ・疲労寿命を評価することを特
徴とする。

（作　用） 本発明の高温部品の寿命評価装置では、高温部品の温度
、応力、硬さ値、運転時間および化学成分とからクリー
プ破断延性を推定する手段を備えている。

したがって、従来に較べてより正確にクリープ・疲労寿
命評価を行うことができる。

（実施例） 以下本発明の高温部品の寿命評価装置を、蒸気タービン
ロータの寿命評価に適用した実施例について図面を参照
して詳細に説明する。

第１図は、蒸気タービンロータの寿命評価を行う高温部
品の寿命評価装置を示すもので、蒸気タービンロータの
使用状態量を検出するための蒸気温度検出器１ａ、蒸気
圧力検出器１ｂ、ケーシング内面温度検出器１Ｃ１負荷
検出器１ｄは、温度算出器２および運転条件設定器３に
接続されており、温度算出器２は熱応力算出器４および
クリープ破断延性算出器５に、運転条件設定器３はクリ
ープ破断延性算出器５に接続されている。

また、この実施例の高温部品の寿命評価装置では、蒸気
ターくンロータの使用状態量を検出するだめの検出器と
してタービン回転数検出器」ｅが配置されており、ター
ごン回転数検出器１ｅは、遠心応力算出器６に接続され
ている。

上記熱応力算出器４および遠心応力算出器６は、応力加
算器７に接続されており、応力加算器７は、クリープ破
断延性算出器５および疲労寿命算出器８に接続されてい
る。

さらに、この実施例の高温部品の寿命評価装置では、材
料状態量を計測する計測装置として、硬さ計測装置９お
よび化学成分計測装置１ｏが配置されている。硬さ計測
装置９は、ロータ表面のラビリンスグループ等、高温か
つ低応力の部位に取付けられてお、す、クリープ破断延
性算出器５および疲労寿命算出器８に接続されている。

また、上記化学成分計測装置１０は、サンプル分析装置
であり、クリープ破断延性算出器５に接続されている。

そして、クリープ破断延性算出器５および疲労寿命算出
器８は、寿命算出器１１に接続されており１．寿命算出
器１１は、警報表示装置１２に接続されている。

上記構成のこの実施例の高温部品の寿命評価装置では、
次の様にして蒸気タービンロータの寿命評価を行う。

すなわち、温度算出器２において、まずロータの温度分
布を算出する。ロータの温度分布は、主蒸気温度検出器
１ａで検出される主蒸気温度を始めとする使用状態量の
時間変化から熱伝達率の時間変化を算出し、以下に示す
熱伝導の微分方程式を解くことによってロータの体積平
均温度Ｔａｖｅ、表面温度Ｔｓとして算出する。

ａθ／ｃ？ｔ ＝λ［（ａ２θ／θｒ２）＋（１／ｒ）（ａθ／ａｒ）
１ここで、 λ：温度電導率、θ：湿温度ｔ：時間、ｒ：半径法に、
この結果を基に、熱応力算出器４は、以下に示す式を解
くことによりロータ表面応力σＳを算出する。

σＳ＝［（Ｅα）／（１−υ）１　（ＴＳ　−Ｔａｖｅ
）ここで、 Ｅ：ヤング率、υ：ポアッソン比、α：線膨張係数、 また、タービン回転数検出器１ｅで検出される使用状態
量すなわちタービン回転数から、遠心応力算出器６にお
いて、ロータの内外径、ホイニル厚等の形状を基にして
、ロータ中心孔の遠心応力を算出する。

そして、熱応力算出器４および遠心応力算出器６におい
て算出された熱応力および遠心応力は、応力加算器７に
入力される。

一方、材料状態量を計測する目測装置である硬さ計測装
置９では、硬さＩＩＶを計測し、この硬さＨＶを疲労寿
命算出器８に送るとともに、予め入力された部材の製造
時の硬ざＨｖｏと計測時の硬さＨＶとの差ΔＨｖ＝　Ｈ
ｖ−ＨＶＯを算出し、硬さ変化としてクリープ破断延性
算出器５に送出する。

また、上記硬さ計測装置９と同様に、材料状態量を計測
する計測装置である化学成分計１１１１装置１０におい
ては、ロータからサンプルが得られる場合その化学成分
を分析し結果を記憶する。この分析は評価対象部位につ
いて１回限りでよく、またサンプルが得られない場合は
製造時の記憶を入力することにより代用できる。なお、
この場合は化学成分計測装置１０は、削除できる。化学
成分計測装置１０の出力である化学成分パラメータＥｃ
はロータ材料について、次式で与えられる。

Ｅｃ＝Ａ・［Ｐ］十Ｂ・［Ｓ］　・・・・・・（６）こ
こで［Ｐコニリンの重量％ ［Ｓ］：イオウの重量％ Ａ、Ｂ：定数 上記化学成分パラメータＥｃの信号は、クリープ破断延
性算出器５に入力される。

なお、前記応力加算器７は、応力を連続的に計算するが
、起動時のピーク応力σｍａｘをクリープ破断延性算出
器５に送出する。運転条件設定器３は、主蒸気温度検出
器１ａ等の出力である使用状態量を基に、起動〜停止の
時間をモニタし、１起動停止が終了した時点での連続運
転時間ｔｈを算出し、記憶する共に、クリープ破断延性
算出器５へ送出する。

第２図は、上述のようにｃｒｍａｘ　、　ｔｈ　１Ｅｃ
　５ＴｓｓΔＨｖを入力されたクリープ破断延性算出器
５における演算処理のようすを示すものである。

同図に示すように、クリープ破断延性算出器５は、応力
加算器７の出力であるピーク応力σｍａｘと、運転条件
設定器３の出力で連続運転時間ｔｈおよび温度算出器２
の出力である温度Ｔｓを基に、まず連続運転中のりラク
セーション応力σＣを算出する（ａ）。

次に、化学成分計測装置１０の出力である化学成分パラ
メータＥｃと上記σＣおよび温度Ｔｓにより、部材の製
造時のクリープ破断絞りＲ＾０を算出する（ｂ）。

また、硬さ計測装置９の出力である硬さ変化ΔＨｖと上
記σＣおよび温度Ｔｓにより、部材の測定時点でのクリ
ープ破断絞りの変化量ΔＲＡを算出する（Ｃ）。

そして、次式に示すように、上記Ｒ＾０とΔＲＡを加算
して、計測時点でのクリープ破断絞りＲＡを求め、 ＲＡ＝ＲＡＯ＋ΔＲＡ　　　　（％） 次に、 εｆｃ＝　１００・ｌｏｇ［１００／（１００−ＲＡ）
］　　　　（％）により絞りを破断伸びに変換して、ク
リープ破断延性εｆｃを得る（ｄ）。

以上のように算出したクリープ破断延性εｆｃは、温度
Ｔｓおよび連続運転時間ｔｈと共に寿命算出器１１に入
力される。

また同時に、疲労寿命算出器８は、以下に示すようにし
て、疲労寿命Ｎ　Ｃｏ、歪み範囲Δεｔを算出し、寿命
算出器１１に送出する。

なお、前述のように、応力加算器７は、熱応力算出器４
および遠心応力算出器６の出力からロータ表面の熱応力
と遠心応力との合成応力を算出する。ロータ表面で最も
応力の厳しい部位は、第３図に示すホイール付根のヒー
トグループ２１であり、負荷状態は、縦軸を歪み、横軸
を時間とした第４図のグラフに示すように、歪み制御台
形波で近似される。したがって、応力加算器７の出力に
基づき歪みを算出する必要がある。

すなわち、疲労寿命算出器４は、第５図に示すように、
硬さ計測装置９の出力である硬さＨｖにより、まず繰返
し耐力σｙａを、 ｃｙｙａ＝ＡＩｌｖ＋Ｂ　　　　　　Ａ、　Ｂ　：定数
により推定する（Ａ＞。

次に、ロータを円筒とみなしたときの呼称応力σＯとヒ
ートグループ２１における局所応力σＳとの比、σＳ／
σ０を応力集中係数Ｋｔとして、Ｋｔ＝σＳ／σ０ 歪み集中率にεと、σ０／σｙａとの関係から、σ０／
σｙａに対応するにεを決定する（Ｂ）。

そして、ヒートグループ２１に加わる起動〜停止間の歪
み範囲Δεｔを、Ｅをヤング率として、Δεｔ＝（２σ
ｏ／−Ｅ）Ｋε により算出する（Ｃ＞。

、さらに、特願昭６０−６７８３７号等に示されている
ように、材料の低サイクル疲労特性は硬さＨｖで決まる
ので、Δεｔと疲労寿命ＮＣＯの関係にΔεｔの値を代
入し、ＮＧＯを算出する（Ｄ）。

第６図は、上述のようにεｆｃ１Δεｔ１ＮＣＯ１Ｔｓ
、ｔｈの各データを入力された寿命算出器１１における
演算処理のようすを示すものである。

同図に示すようにまず寿命算出器１１は、εｆｃ。

Ｔｓ、ｔｈ、Δεｔ１の各データを基に寿命比ｒを算出
する（イ）。

次に、クリープ疲労寿命Ｎｅｔ、ｔｒと疲労寿命ＮＧＯ
の積で求まるので、 ＮＣ＝　ｒｘＮｃ。

によりクリープ疲労寿命Ｎｃを求める（口）。

この後、１起動等停止当りの寿命消費率Δφを、Δφ＝
　１／ＮＣ として、現在までの寿命消費率の累計φを、φ＝Σ１／
Ｎｃｉ りより求める。なお、ここでｉは過去の起動すべてにつ
いての和である（ハ）。

そして、上述のようにして求めた寿命消費率の累計φが
１となっているかを調べ（ニ）、１となる場合は、警報
表示器１２により警報を発する（ホ）。

また、寿命消費率の累計φが１とならない場合は、今１
麦の運転条件と、過去の硬さ変化データを基に、招来の
硬さ変化を推定し、硬さＨｖを疲労寿命算出器８に、硬
さ変化ΔＨｖをクリープ破断延性算出器５にフィードバ
ックする（へ）。

そして、上記の緒手順を繰返して、寿命消費率の累計φ
が１となる時点を亀裂発生と判定し、判定された余寿命
を基に、警報表示器１２は、予め設定された基準値に照
らして、必要な警報および指示を表示する。

上記説明のこの実施例の高温部品の寿命評価装置では、
経年劣化したロータ部材のクリープ破断延性を硬さと化
学分析により半年破壊的に推定し、これにより経年劣化
の影響を充分考慮したクリープ・疲労寿命評価が行える
。しかも、将来の硬さ変化を推定して余寿命評価を行う
ので、精度の良い寿命推定が可能である。

なお、本発明は上記ロータのみならず、ケーシング、弁
等タービン高温部品やボイラ部品など高温部品に広く適
用できるものである。

［発明の効果］ 上記説明のように、本発明の高温部品の寿命評価装置は
、高温で使用される構造部材のクリープ疲労寿命を支配
する材料特性であるクリープ破断延性を半年破壊的に推
定するようにしたので、経　・年男化した部材の寿命評
価が従来に比べ一段と精度良く行え、きめ細かい保守管
理が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高温部品の寿命評価装置を蒸気タービ
ンロータに適用した実施例の構成図、第２図は蒸気ター
ビンロータを示す縦断面図、第３図はヒートグループに
生じる歪み変化を示すグラフ、第４図は第１図に示すク
リープ破断延性算出器の処理手順を示す説明図、第５図
は第１図に示す疲労寿命算出器の処理手順を示す説明図
、第６図は第１図に示す寿命算出器の処理手順を示す説
明図である。 １ａ〜１ｅ・・・・・・検出器 ２・・・・・・・・・・・・・・・・・・温度算出器４
・・・・・・・・・・・・・・・・・・応力算出器５・
・・・・・・・・・・・・・・・・・クリープ破断延性
算出器８・・・・・・・・・・・・・・・・・・疲労寿
命算出器９・・・・・・・・・・・・・・・・・・化学
成分計測装置１０・・・・・・・・・・・・・・・硬さ
計測装置１１・・・・・・・・・・・・・・・寿命算出
器代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　第子丸　　健 第２図 第４図 第５因

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温部品の温度と応力とを検出および算出する手
   段と、前記高温部品の硬さ値とその変化を計測する手段
   と、前記硬さ値と前記応力とから歪みおよび低サイクル
   疲労寿命を算出する手段と、前記硬さ値と前記温度と前
   記応力と運転時間および化学成分とからクリープ破断延
   性を算出する手段とを備え、高温部品のクリープ・疲労
   寿命を評価することを特徴とする高温部品の寿命評価装
   置。