JPS63298017A - 配管の振動疲労安全性評価方法および装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、配管の振動疲労安全性評価方法および装置に
係り、プラントの配管等において発生する振動疲労破壊
に対する配管の安全性評価に利用できる。

〔従来の技術〕

一般に、配管等においては内部を流動する流体の微小な
脈動などによって振動が発生し、この振動による疲労が
原因となって疲労破壊を生じることがある。このため、
特に危険物を扱うプラント等においては、事前に配管の
寿命あるいは安全性を把握しておくことが望まれ、従来
よりＳ−Ｎ線図等の基準線図を用いるなどの各種の振動
疲労破壊評価方法が考えられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の評価方法においては、基準となる線図の
算定にあたってＩＱｔｌｚ以下の振動数帯域が考慮され
ていなかったり、配管径や長さが考慮されていないため
応力との対応が明瞭でなく、感覚的で心理的な要素が大
きい。例えば、グツドマン線図では疲労限度（１５’ｋ
ｇ／ａｍ”　）の設定が現実の値（最大で３ｋｇ／Ｉ”
程度）とかけ離れているため、殆どの評定において安全
という結果になって実用的でないうえ、振動回数が１０
７以上の場合の処理を別に考慮する必要があり、配管の
振動疲労破壊に対する簡易で正確な安全性評価方法の実
現が求められていた。

また、前述のように、配管の振動疲労破壊に対する安全
性評価方法として決定的なものがないため装置の専用化
が進まないうえ、応力測定用と振動測定用などの多種の
装置が必要であるため、持ち運びや準備作業などの取り
扱いが困難であるほか、自動化が困難なため各測定手順
において人手による操作が不可欠であった。

本発明の目的は、簡易で正確な配管の振動疲労安全性評
価方法を提供するとともに、この方法に基づく一連の判
定手順を自動的に実行でき、かつ一体化および小型化が
可能な前記方法専用の評価装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の第１の発明は、従来の方法の問題点を解決する
安全性評価方法であり、通常の応力と繰返し数との関係
を表すＳ−Ｎ曲線が繰返し数Ｎ＝１０７までしか扱わな
いのに対し、実配管の耐用年数Ｙを考慮して修正マイナ
ー則により繰返し数Ｎ＝１０７以上の範囲についての強
度を決定するとともに、配管の相対変位量と公称応力と
の間には片持ち梁として理論的に相関することに着目し
てなされたものである。

すなわち、前記Ｓ−Ｎ曲線を最小２乗法により近偵した
場合の公称応力σの回帰式は σ−１０”１０４　ｘ　Ｎ−０１４４（１）である。ま
た、配管の耐用年数をＹとした場合、配管の振動数ｆに
よる総振動回数Ｎは Ｎ　＝６Ｇｘ６Ｑｘ２４ｘ３６５　ｘ　Ｙ　ｘ　ｆ　　
　　　（２）となる、ここで、外径ｄ、ヤング率Ｅの配
管においてうでの長さの片持ち梁としたときの公称応力
σと相対変位量δ。−２との関係は である。従って、式（１）、　（２’）　、　（３）よ
り、振動数ｒと相対変位量δ。−９との関係は、 Ｘｄ であり、安全率をＳとしかつ片振幅である相対変位量δ
。−２に代えて両振幅である相対振幅δｐ−ｐ−２・δ
。−２を用い、 で表され、実際の配管の振幅がこの振幅δ、−２を超え
ないならば、その伏態で耐用年数の期間が経過しても配
管にとって破壊に到るような応力とはならず、安全であ
ると判断できる。

本発明の第１の発明は、以上のような理論に基づいてな
されたものであり、配管表面の距離２を隔てた２位置間
の相対振幅δえおよび振動数ｆを検出し、前記距離ｌ、
前記配管の外径ｄ、ヤング率Ｅ、耐用年数Ｙ、安全率Ｓ
および前記振動数ｆに基づいて基準振幅 を計算し、前記相対振幅δＲが基準振幅δ３を超えた場
合に危険であると判定する配管の振動疲労安全性評価方
法である。

また、本発明の第２の発明は、前記第１の発明の評価方
法に必要な機能を一体化して小型化および作業の自動化
を図るものである。

すなわち、配管表面の所定距離２を隔てて取付けられた
振動検出子および比較検出子と、振動検出子の振動数ｆ
および振幅δ１を検知する振動検出用振動計と、比較検
出子の振幅δ２を検知する比較検出用振動計と、前記振
幅δ１から振幅δ：を減算して相対振幅δ、を出力する
相対振幅検出手段と、前記距離ｌ、前記配管の外径ｄ、
ヤング率Ｅ、耐用年数Ｙ、安全率Ｓおよび前記振動数ｒ
に基づいて基準振幅 を算出する基準振幅設定手段と、基準振幅δＳと相対振
幅δ１とを比較して相対振幅δ、が基準振幅δ、を超え
た場合に危険であると判定する比較器と、比較器におけ
る判定結果を表示する表示手段とを設けて構成する。

〔作用〕

このような本発明の第１の発明である配管の振動疲労安
全性評価方法おいては、広範囲な振動数領域および振動
回数に対応し、かつ配管の外径、長さに対応した安全性
評価を行うことにより、従来の各種評価方法の問題点を
解決する。また、安全性評価にあたって必要となる振動
数ｆおよび相対振幅δ１．δ２を、当該配管の距離ｌを
隔てた２位置に配された振動ピックアップ等で一括して
検出すればよく、従来のように応力を測定するために別
にひずみゲージ等を配置する必要をなくして測定に必要
な装置および手順を筒略化し、さらにＹ＄備作業等を容
易かつ迅速にする。

また、第２の発明である配管の振動疲労安全性評価装置
おいては、前記配管の振動疲労安全性評価方法に必要な
各機能を一体化し、小型軽量化により携帯性を向上し、
かつ前記方法を一連の手順として実行するとともに、各
手順の処理を自動化して安全性評価作業の能率を向上す
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、評価装置１０は、配管１に取付けられ
た振動検出子１１および比較検出子１２により配管１の
振動を検出し、本発明の振動疲労安全性評価方法に基づ
いて配管１の振動疲労安全性を評価するものである。

ここで、配管１は主管２から枝分かれした枝管であり、
外径ｄ−３８ｍｎ＋テヤング率Ｅ　＝２１０００Ｋｇｆ
／＋ｍ−の配管用鋼管（５ＴＰＧ３８　）からなり、主
管２からの技分かれ部分をガセット３によって補強され
ている。

また、振動検出子１１および比較検出子１２は、ともに
適用振動数帯域３〜１００Ｈｚの圧電タイプのせん新型
加速度ピックアップであり、比較検出子１２は配管１の
表面のガセット３が連結された位置に小型マグネットに
よって取付けられ、振動検出子１１は比較検出子１２か
ら距離１　＝３００ｍｍの位置に同様に取付けられてい
る。

さらに、評価装置１０は、前面に第２図に示すような操
作パネル２０を有し、振動検出子１１および比較検出子
１２を入力ジャック２１．２２に接続されているととも
に、前記安全性評価方法に基づく判定を実行する第３図
に示すような内部構成を備えている。

第３図において、評価装置１０内の振動検出用振動計３
１および比較検出用振動計３２には、各々入力ジャック
２１．２２を介して振動検出子１１および比較検出子１
２が接続されており、振動検出用振動計３１は振動検出
子３１からの出力信号から振動数ｆおよび振幅δ１を検
出するとともに、比較検出用振動計３２は比較検出子Ｉ
２の出力信号から振幅δ２を検出するように構成されて
いる。

これらの振動検出用振動計３１および比較検出用振動計
３２には相対振幅検出手段４０が接続されている。この
相対振幅検出手段４０は、減算器４１と、振動数補正回
路４２と、ピークホールド回路４３とを備え、減算器４
１で振幅δ１から振幅δ２を減算し、得られた振幅信号
δ、から振動数ｆの影響を除去するために振動数補正回
路４２で（−ｏ・１４４に応じた補正を行い、ピークホ
ールド回路４３でピーク値をホールドして相対振幅δ５
を検出するように構成されている。

ここで、ピークホールド回路４３には制御回路４４およ
びタイマー回路４５が接続されており、ピークホールド
回路４３には制御回路４４からタイマー回路４５でカウ
ントされる時間Ｔに基づいてトリガ信号が出力され、ピ
ークホールド回路４３は、第４図（Ａ）および（Ｂ）に
示すように、各周波数成分が混在した状態の振幅信号δ
、の包絡線δ、、、をとり、この包絡線δ１．に対して
トリガ信号で区切られる測定時間Ｔの範囲内での最大値
および最小値をホールドし、これらの差を相対振幅δ、
とじて出力するように構成されている。

なお、タイマー回路４５は操作パネル２０に測定時間設
定ダイヤル４５Ａを備え、評価条件に応じて測定時間Ｔ
を第１表に示す６段階に設定可能である。

第１表 一方、振動検出用振動計３１には基準振幅設定手段５０
が接続されており、この基準振幅設定手段５０は、距離
２の値を設定する距離設定部５１と、外径ｄの値を設定
する外径設定部５２と、これら距離２、外径ｄおよび振
動検出用振動計３１からの振動数ｆに基づいて基準振幅 １１．２５Ｘ　（Ｙ　ｘ　ｆ　）　−’１４’Ｘ　ｌ”
δ、＝□ ＸＥＸｄ を演算する基準振幅演算部５３とを備えて構成されてい
る。なお、本実施例においては、予め耐用年数Ｙは通常
の配管１に充分な２０年に設定され、安全率ＳはＡ　Ｓ
　Ｍ　Ｅ　ｓｒｃｍ規格に準じてＳ＝２に設定されてい
る。

ここで、距離設定部５１は操作パネル２０に距離設定ダ
イヤル５１Ａを備え、評価′条件に応じて距離２を第２
表に示す７段階に設定可能である。

第２表 また、外径設定部５２も操作パネル２ｏに外径設定ダイ
ヤル５２Ａを備え、外径ｄを評価条件に応じて第３表に
示す１２段階に設定可能である。なお、第３表において
、Ｄ（Ｐ）は呼び径であり、ｄ　（ｍｓ）が外径である
。

第３表 このような基準振幅設定手段５ｏの出力側には比較器３
３が接続されている。

比較器３３は、ピークホールド回路４３と同４１に制御
回路４４からのトリガ信号に基づいて動作するものであ
り、測定時間Ｔごとに比較器３３によってピークホール
ド回路４３で計測される相対振幅δえと、同時刻に検出
された振動数ｆに基づいて基準振幅設定手段５０で設定
された基準振幅δ、とを比較し、その結果を表示手段３
４に出力する。

表示手段３４は、操作パネル２０に７素子のＬＥＤによ
るインジケータ３４Ａを備え、基準振幅δ、に対する相
対振幅δＲのレベルを表示するように構成されており、
相対振幅δ、が基準振幅δ、を超えた場合には危険、同
じであれば注意、相対振幅６つが基準振幅δ、よりも小
さければ安全であると判読できるように構成されている
。

なお、第２図において、操作パネル２０には入力ジャッ
ク２１．２２における入力レベルを表示する入力レベル
インジケータ２３および入力ゲイン調整用のゲイン調整
ダイヤル２４が設けられているとともに、精度調整用の
キャリブレーションスイッチ２５、動作状態表示用の動
作インジケータ２６、システムリセット用のリセットボ
タン２７および判定動作の開始を指示するスタートスイ
ッチ２８が設けられている。

このように構成された本実施例において配管１の安全性
を評価するにあたっては、判定動作に先立って評価条件
を操作パネル２０に設定しておく。

すなわち、外径設定ダイヤル５２Ａを配管１の外径ｄ＝
３８ｍｎ＋を超えない最大゛のものである３４ＩｌｌＩ
ｌ＝呼び径１手ゝに設定し、距離設定ダイヤル５１Ａを
配管１上の振動検出子１１と比較検出子１２との距′Ｍ
ｉ　＝　３００ｍ５＋に設定するとともに、測定時間設
定ダイヤル４５Ａを測定時間Ｔ−１０秒に設定する。

次に、スタートスイッチ２８を操作することにより一連
の判定動作が開始され、測定時間Ｔ毎に繰返し判定動作
を行う。

すなわち、振動検出用振動計３１および比較検出用振動
計３２で検出される配管１の振幅δ１゜δ２および振動
数ｆに基づき、相対振幅検出手段４０で測定時間Ｔの範
囲内での相対振幅δ、のピーク値を算出するとともに、
振動数１、外径ｄおよび距離２に基づいて基準振幅設定
手段５０で基準振幅δ、を計算し、さらに、比較器３３
での基準振幅δ３と相対振幅δ、との比較結果に応じて
表示手段３４で相対振幅δ、が基準振幅δ、を超えた場
合には危険、同じであれば注意、相対振幅６つが基準振
幅δ、よりも小さければ安全として判定結果を表示する
。

このような本実施例によれば、以下に示すような効果が
得られる。

すなわち、配管ｌに繰返し応力が加わった場合の理論的
な疲労破壊限界値に基づく基準振幅δ。

を設定し、配管１の相対振幅δえを検出して基準振幅δ
、と比較するため、配管１の振動疲労の安全性を正確か
つ容易に評価できる。

また、実測するのは配管１に取付けた振動検出子１１お
よび比較検出子１２からの振幅δ１．δ２および振動数
ｆだけでよく、安全性評価作業に必要な装置類が少なく
てすむため評価装置１０を一体にまとめて小型化できる
とともに、評価装置１０に一連の判定手順を自動実行さ
せることができ、作業を極めて簡単にできる。

さらに、実測した配管１の振幅δ１．δ２および振動数
ｆを用いるとともに、評価作業のつど外径ｄや距離１等
の評価条件を設定するため、正確で定量的な判定が行え
るとともに、１０Ｈｚ以下の振動数帯域、あるいは振動
回数が１０７以上の場合であっても何ら問題なく安全性
評価が行え、従来の評価方法に比べて安全性評価の信幀
性を著しく高めることができる。

また、評価条件′は、操作パネル２０に配置された測定
時間設定ダイヤル４５Ａ、距離設定ダイヤル５１Ａおよ
び外径設定ダイヤル５２Ａにより簡単に設定でき、多様
な評価条件に対応できる。

さらに、７素子ＬＥＤのインジケータ３４Ａを用いた表
示回路３４によって相対振幅δ、の基準振幅δ、に対す
る大きさを定量的に表示できるとともに、安全、注意お
よび危険の別を表示することができ、判読が確実かつ容
易である。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
以下に示すような変形をも含むものである。

例えば、基準振幅設定手段５０において、耐用年数Ｙは
２０年に限られるものではなく、あるいは距離や外径と
同様に操作パネル２０において設定変更が可能なように
構成してもよく、安全率Ｓについても同様に実施時にお
いて適宜変更してよい。

また、基準振幅設定手段５０は前記実施例にように各項
目をその都度計算するのではなく、第５図に示すように
、距離２、外径ｄ１ヤング率Ｅ１耐用年数Ｙおよび安全
率Ｓといった項目の値に基づいて、予め複数の演算式 を計算して演算式記憶回路５４に保持しておき、演算式
選択回路５５で距離設定部５１、外径設定部５２等の項
目の値に応じて演算式記憶回路５４内の該当する演算式
を選択し、選択された演算式Ｃｆｉと振動数ｆにより演
算実行回路５６で基準振幅δ、＝ｃ、ｘ　ｒ−’・１４
４を演算するように構成してもよく、この場合、判定動
作毎の計算時間を短縮でき、多様な項目について設定変
更を可能とする場合でも何ら問題なく評価作業を行うこ
とができる。しかし、前記実施例のように構成した場合
のほうが構成が簡単であり、評価装置ｌＯをより小型化
できる。

さらに、相対振幅検出手段４０は、前記実施例にように
減算器４１、振動数補正回路４２、ピーク、ホールド回
路４３、制御回路４４およびタイマー回路４５を備えた
ものに限るものではなく他の構成によるものであっても
よい。特に、ピークホールド回路４３は、前記実施例に
ように、振幅信号δ、の包絡線δ、。に対して最大値お
よび最小値の差をとって相対振幅δ、とするものに限ら
ず、例えば、振幅信号δ、を周波数成分毎に分離し、各
成分毎の最大、最小をとるように構成してもよく、より
細かな評価が可能となる。しかし、前記実施例の場合の
ほうが構成を簡単にできる。

また、振動検出用振動計３１、比較検出用振動計３２お
よび表示手段３４等は実施にあたって各機能を実現しう
るちのを適宜選択すればよく、さらに、相対振幅検出手
段４０および基準振幅設定手段５０、比較器３３等はア
ナログ演算回路、ロジックにより演算を行うもの、ある
いはマイクロプロセッサを用いて各機能を実現するもの
を用いてもよい。

一方、振動検出子１１および比較検出子１２は圧電タイ
プのせん新型加速度ピックアップに限らず、他の構造の
もの、あるいは特性の異なるものであっても利用可能で
あり、評価条件に適したものを適宜選択すればよい。

また、操作パネル２０の配置および構成は前記実施例に
限らず、適宜変更してよく、入力レベルインジケータ２
３、ゲイン調整ダイヤル２４、キャリブレーションスイ
ッチ２５、動作インジケータ２６、リセットボタン２７
等は必要に応じて省略してよく、あるいはその他必要な
操作装置を増設してもよい。

さらに、前記実施例においては主管２から分岐しかつガ
セント３で補強された配管１に対する安全性評価の例を
示したが、本発明の振動疲労安全性評価方法および装置
はこのような例に限らず、多様な配管に適用して優れた
効果が得られるものである。

〔発明の効果〕 以上に述べたように、本発明の配管の振動疲労安全性評
価方法によれば、簡易で正確な配管の振動疲労安全性評
価が行えるとともに、本発明の配管の振動疲労安全性評
価装置によれば、前記方法に基づく一連の評価手順を自
動的に実行でき、かつ一体化および小型化して取扱いお
よび評価作業を著しく簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は前記
実施例の評価装置を示す正面図、第３図は前記実施例の
要部を示す構成図、第４図は前記実施例の測定状態を示
す波形図、第５図は本発明の変形例を示す構成図である
。 １・・・配管、１０・・・評価装置、１１・・・振動検
出子、１２・・・比較検出子、３１・・・振動検出用振
動計、３２・・・比較検出用振動計、３３・・・比較器
、３３・・・表示手段、４０・・・相対振幅検出手段、
５０・・・基準振幅設定手段、５４・・・演算式記憶回
路、５５・・・演算式選択回路、５６・・・演算実行回
路、！・・・振動検出子と比較検出子との距離、ｄ・・
・配管の外径、Ｅ・・・配管のヤング率、Ｙ・・・耐用
年数、Ｓ・・・安全率、Ｔ・・・測定時間、ｆ・・・振
動数、δ７．δ２・・・振幅、δ、・・・相対振幅、δ
、・・・基準振幅、Ｃ７・・・演算式。 代理人　弁理士　木下実三（ほか１名）第１図 ｔコ　　　　勇　　　　　　　　　コｌＡ　　　　　　
　　！ｌ）ｉ！Ａ　　　　７８　　　１７　　　　　ｌ
ｂへ第　３図 ４Ａ 第４図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）配管表面の距離ｌを隔てた２位置間の相対振幅δ
   ＿Ｒおよび振動数ｆを検出し、前記距離ｌ、前記配管の
   外径ｄ、ヤング率Ｅ、耐用年数Ｙ、安全率Ｓおよび前記
   振動数ｆに基づいて基準振幅δ＿Ｓ＝１１．２５×（Ｙ
   ×ｆ）＾−＾０＾．＾１＾４＾４×ｌ＾２／Ｓ×Ｅ×ｄ
   を計算し、前記相対振幅δ＿Ｒが基準振幅δ＿Ｓを超え
   た場合に危険であると判定することを特徴とする配管の
   振動疲労安全性評価方法
2. （２）配管表面の所定距離ｌを隔てて取付けられた振動
   検出子および比較検出子と、振動検出子の振動数ｆおよ
   び振幅δ＿１を検知する振動検出用振動計と、比較検出
   子の振幅δ＿２を検知する比較検出用振動計と、前記振
   幅δ＿１から振幅δ＿２を減算して相対振幅δ＿Ｒを出
   力する相対振幅検出手段と、前記距離ｌ、前記配管の外
   径ｄ、ヤング率Ｅ、耐用年数Ｙ、安全率Ｓおよび前記振
   動数ｆに基づいて基準振幅 δ＿Ｓ＝１１．２５×（Ｙ×ｆ）＾−＾０＾．＾１＾４
   ＾４×ｌ＾２／Ｓ×Ｅ×ｄを算出する基準振幅設定手段
   と、基準振幅δ＿Ｓと相対振幅δ＿Ｒとを比較して相対
   振幅δ＿Ｒが基準振幅δ＿Ｓを超えた場合に危険である
   と判定する比較器と、比較器における判定結果を表示す
   る表示手段とを備えて構成されたことを特徴とする配管
   の振動疲労安全性評価装置。
3. （３）特許請求の範囲第２項において、前記基準振幅設
   定手段は、前記距離ｌ、前記配管の外径ｄ、ヤング率Ｅ
   、耐用年数Ｙおよび安全率Ｓの値に基づいて予め計算さ
   れた複数の演算式 Ｃ＿ｎ＝１１．２５×Ｙ＾−＾０＾．＾１＾４＾４×ｌ
   ＾２／Ｓ×Ｅ×ｄを保持する演算式記憶回路と、前記距
   離ｌ、前記配管の外径ｄ、ヤング率Ｅ、耐用年数Ｙおよ
   び安全率Ｓの値に応じて演算式記憶回路内の該当する演
   算式を選択する演算式選択回路と、選択された演算式Ｃ
   ＿ｎと前記振動数ｆとにより基準振幅δ＿Ｓ＝Ｃ＿ｎ×
   ｆ＾−＾０＾．＾１＾４＾４を演算する演算実行回路と
   を備えて構成されたことを特徴とする配管の振動疲労安
   全性評価装置。