JP2020003373A - 寿命予測方法、寿命予測装置および寿命予測装置用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】対象部品の余寿命の予測をより高精度で行うことができる寿命予測方法、寿命予測装置および寿命予測装置用プログラムを提供する。【解決手段】寿命予測方法は、応力負荷時における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータを取得する材料劣化データ取得手順２と、対象部品の変形量を取得する部品測定データ取得手順３と、材料劣化データ取得手順により取得された応力時劣化パラメータおよび部品測定データ取得手順により取得された対象部品の変形量に基づき、損傷量を推定する損傷量推定手順４と、損傷量推定手順により推定された損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行う余寿命推定手順５と、を有する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、劣化部品の寿命を予測する寿命予測方法、寿命予測装置および寿命予測装置用プログラムに関する。

火力発電等に使用される高温発電機器の構造部品は、応力が負荷され高温にて使用される。このため構造部品の材料が劣化しやすく、劣化の状況に応じ、構造部品の補修または交換などの処置が行われる。構造部品の補修や交換時期を決定するために、構造部品の劣化度合いを推定し、致命的損傷に至るまでの余寿命を予測する方法が知られている。

特開２００１−１２４７６３号公報 特開２０１４−００６０４８号公報

構造部品の劣化による火力発電等に使用される高温発電機器の故障は、劣化すると予測される余寿命推定の対象となる構造部品（以下対象部品と総称する）の余寿命を予測し、余寿命の短い対象部品に対し補修または交換等の処置が行われ防止される。

従来の余寿命を推定する方法では、対象部品の余寿命を必ずしも高精度で予測できているとは言えない。従来の方法は、対象部品の経年変化を、非応力負荷時の一定の温度における経過時間に対する劣化パラメータによって評価する。一方、実際の対象部品は、非応力負荷時の一定の温度ではなく、応力が負荷された温度変化のある環境にて使用される。

火力発電等に使用される高温発電機器における対象部品は、応力集中部における局所的応力により変形が生じ、破損または故障する可能性が高い。対象部品が変形すると、機械的性質などの劣化パラメータが変化する。しかしながら従来の余寿命を予測する方法では、応力が負荷されていない非応力負荷時の一定の温度における経過時間に対する劣化パラメータによって劣化を予測していた。このため、対象部品の余寿命の予測が高精度で行われないとの問題点があった。

対象部品の余寿命の予測が高精度で行われないことにより、補修または交換等の処置が行われる前に対象部品が破損または故障した場合、火力発電等に使用される高温発電機器等に不測の故障が発生することとなり望ましくない。一方、対象部品の余寿命の予測が高精度で行われないことにより、余寿命が長い対象部品に対し、早期に補修または交換等の処置を行うことは、不経済であるとともに、補修または交換等のために火力発電等に使用される高温発電機器を不必要に停止することとなり望ましくない。

本実施形態は、対象部品の余寿命の予測をより高精度で行うことができる寿命予測方法、寿命予測装置および寿命予測装置用プログラムを提供することを目的とする。

本実施形態の寿命予測方法は次のような手順を有することを特徴とする。
（１）応力負荷時における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータを取得する材料劣化データ取得手順。
（２）前記対象部品の変形量を取得する部品測定データ取得手順。
（３）前記材料劣化データ取得手順により取得された応力時劣化パラメータおよび前記部品測定データ取得手順により取得された前記対象部品の前記変形量に基づき、損傷量を推定する損傷量推定手順。
（４）前記損傷量推定手順により推定された前記損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行う余寿命推定手順。

また、上記に対応する特徴を有する寿命予測装置、寿命予測装置用プログラムも本実施形態の一態様である。

第１実施形態にかかる寿命予測装置を示すブロック図 第１実施形態にかかる寿命予測装置用プログラムのフローを示す図 第１実施形態にかかる損傷量推定手順に関する動作を説明する図 第１実施形態にかかる第２の劣化データ取得手順による応力時劣化パラメータの取得に関する動作を説明する図 第１実施形態にかかる第１の劣化データ取得手順および第２の劣化データ取得手順による応力時劣化パラメータの取得に関する動作を説明する図 第１実施形態にかかる余寿命推定手順による余寿命の予測に関する動作を説明する図

［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１を参照して本実施形態の一例として、寿命予測装置１について説明する。寿命予測装置１は、コンピュータ等により構成された装置である。寿命予測装置１は、余寿命推定の対象となる対象部品を含む高温発電機器の管理を行う電力管理室等に設置される。

（寿命予測装置１の全体構成）
本寿命予測装置１は、材料劣化データ取得部２、部品測定データ取得部３、損傷量推定部４、余寿命推定部５を有する。寿命予測装置１の各部は、コンピュータ内の演算部または、ソフトウェアモジュールにより構成される。また、寿命予測装置１の各部は、個別のコンピュータ装置やマイクロコンピュータチップまたはハードウェアにより実現されていてもよい。

寿命予測装置１は、余寿命推定の対象となる対象部品の応力時劣化パラメータを取得し、対象部品の変形量を取得し、対象部品の損傷量を推定し、余寿命の予測を行う。

（材料劣化データ取得部２）
材料劣化データ取得部２は、第１の劣化データ取得部２１、第２の劣化データ取得部２２により構成される。第１の劣化データ取得部２１、第２の劣化データ取得部２２は、コンピュータ内の演算部、ソフトウェアモジュール、個別のコンピュータ装置、マイクロコンピュータチップまたはハードウェアにより構成される。

第１の劣化データ取得部２１は、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製されたサンプルの非応力負荷時の劣化パラメータが入力される。第１の劣化データ取得部２１は、非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する対象部品の非応力時劣化パラメータを取得し、非応力時劣化パラメータを第２の劣化データ取得部２２に出力する。

非応力負荷時のサンプルの劣化パラメータにかかるデータは、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製されたサンプル（以降、単純時効劣化材という場合がある）を劣化させることにより、作業者により作成される。単純時効劣化材は、所定の温度にて、熱処理炉等の加熱方法を用いて所定の時間保持され加速劣化される。

劣化パラメータは、対象部品が有する物性を数値で表したものである。劣化パラメータとして、結晶粒径、析出物やボイドの大きさ、微細き裂、酸化の発生程度等の金属組織情報、硬さ、ヤング率、引張強度などの機械的性質、線膨張係数、熱伝導率、電気伝導率、比熱、熱拡散率などの物性などのうち少なくとも一つが選択される。

非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する対象部品の非応力時劣化パラメータは、運転温度と運転時間から導出される。非応力時劣化パラメータの運転温度と運転時間からの導出は、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ法、Ｍａｎｓｏｎ−Ｈａｆｅｒｄ法、Ｏｒｒ−Ｓｈｅｒｂｙ−Ｄｏｒｎ法のいずれかを用いて行われる。

第１の劣化データ取得部２１は、単純時効劣化材の劣化にかかるデータに基づき予測された材料劣化パラメータによる、対象部品の非応力時劣化パラメータを取得する。取得された非応力時劣化パラメータは、第２の劣化データ取得部２２に出力される。

第２の劣化データ取得部２２は、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製されたサンプルの応力負荷時の劣化パラメータ、および第１の劣化データ取得部２１により取得された非応力時劣化パラメータが入力される。第２の劣化データ取得部２２は、応力負荷時における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータを取得し、応力時劣化パラメータを損傷量推定部４に出力する。

応力時劣化パラメータは、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製された応力負荷をかけたサンプル（以降、応力時効劣化材という場合がある）を劣化させることにより、作業者により作成される。応力時効劣化材は、応力負荷をかけ、所定の温度にて、熱処理炉等の加熱方法を用いて所定の時間保持され加速劣化される。

応力負荷は、圧縮、引張、せん断のうち少なくとも一つの力が、単軸または多軸的に加えられる。応力負荷は、振幅を有した力であってもよいし、一定時間一定に保持された力および一定時間振幅を有した力が繰り返されるものであってもよい。また、応力負荷は、時間とともに減衰する力であってもよい。応力時効劣化材の応力負荷時の劣化にかかるデータは、例えばクリープ破断試験により得られた図４に示すマクロ歪、ビッカース硬度により構成される。

応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータは、運転温度と運転時間から導出される。応力時劣化パラメータの運転温度と運転時間からの導出は、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ法、Ｍａｎｓｏｎ−Ｈａｆｅｒｄ法、Ｏｒｒ−Ｓｈｅｒｂｙ−Ｄｏｒｎ法のいずれかを用いて行われる。

第２の劣化データ取得部２２は、第１の劣化データ取得部２１により取得された非応力時劣化パラメータに基づき、対象部品の応力時劣化パラメータを取得する。取得された応力時劣化パラメータは、損傷量推定部４に出力される。

（部品測定データ取得部３）
部品測定データ取得部３は、第１の測定データ取得部３１、第２の測定データ取得部３２により構成される。第１の測定データ取得部３１、第２の測定データ取得部３２は、コンピュータ内の演算部、ソフトウェアモジュール、個別のコンピュータ装置、マイクロコンピュータチップまたはハードウェアにより構成される。

第１の測定データ取得部３１は、余寿命推定の対象となる対象部品の劣化度合いが入力される。第１の測定データ取得部３１は、余寿命推定の対象となる対象部品の劣化度合いを取得し、劣化度合いを第２の測定データ取得部３２に出力する。

余寿命推定の対象となる対象部品は、高温発電プラント用のタービン、ボイラのいずれかの部品である。余寿命推定の対象となる対象部品は、具体的には高温で運転する部品であるタービンロータ、動静翼、ケーシング、ボルト、バルブ、配管のいずれかである。これらの対象機器、部品について、非破壊的または破壊的手法を用いて測定された劣化パラメータが第１の測定データ取得部３１により取得される。

非破壊的手法として、超音波法、電磁的手法、浸透法、Ｘ線回折法、レプリカ法のうち少なくとも一つが用いられる。破壊的手法として、硬さ試験、引張試験、クリープ試験、疲労試験のうち少なくとも一つが用いられる。第１の測定データ取得部３１により取得される劣化度合いは、対象部品の応力集中箇所または変形箇所の劣化度合いであることが望ましい。

第１の測定データ取得部３１は、余寿命推定の対象となる対象部品の劣化度合いを取得する。取得された劣化度合いは、第２の測定データ取得部３２に出力される。

第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合い、および作業者により測定された対象部品の変形量が入力される。第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合いに基づき、対象部品の変形量を取得し、対象部品の変形量を損傷量推定部４に出力する。

第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合いに基づき、対象部品の応力集中箇所または変形箇所の変形量を取得する。応力集中部または変形箇所は、部品の致命的損傷を生じる箇所となる場合が多いからである。応力集中部は、例えばタービンではロータ中心孔、ホイール、ケーシング、バルブ、配管等の曲率部、ロータ、動静翼の植込み部、ボルトのネジ底などである。

変形量とは、負荷された応力により発生する材料中の歪の量であり負荷された応力の形態によって異なる。変形量には、圧縮歪、引張歪、せん断歪などがある。試験片による測定の場合、変形量には前記に加え、伸び、絞りも含まれる。変形量は、非破壊の実機により測定される。または、変形量は実機を模したモデルを用い解析的に推定することにより算出されてもよい。非破壊で計測する方法として、歪ゲージ貼付法、格子法、画像相関法等がある。解析的に推定する方法として、有限要素法を用いた弾塑性解析等がある。

第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合いに基づき、対象部品の変形量を取得する。取得された対象部品の変形量は、損傷量推定部４に出力される。

（損傷量推定部４）
損傷量推定部４は、コンピュータ内の演算部、ソフトウェアモジュール、個別のコンピュータ装置、マイクロコンピュータチップまたはハードウェアにより構成される。

損傷量推定部４は、材料劣化データ取得部２により取得された応力時劣化パラメータ、および部品測定データ取得部３により取得された対象部品の変形量に基づき、損傷量を推定し、損傷量を余寿命推定部５に出力する。

損傷量推定部４は、部品測定データ取得部３により取得された対象部品の変形量に基づき、材料劣化データ取得部２により取得された応力時劣化パラメータの補正を図３に示すように行い、評価箇所の損傷量を推定する。

損傷量推定部４は、第１の劣化データ取得部２１により取得された非応力時劣化パラメータと、第２の劣化データ取得部２２により取得された応力時劣化パラメータの関係性を把握する。非応力時劣化パラメータと応力時劣化パラメータの関係性は、劣化パラメータ、温度−時間パラメータ、および変形量を用いて単純な数式で記述できることが望ましい。

損傷量推定部４は、第１の測定データ取得部３１により取得された対象部品の劣化度合いから導かれる温度対時間のパラメータである損傷量を算出する。さらに、損傷量推定部４は、第２の測定データ取得部３２により取得された対象部品の変形量を用いて、変形量によって補正すべき損傷量を算出する。

損傷量推定部４は、材料劣化データ取得部２により取得された応力時劣化パラメータおよび部品測定データ取得部３により取得された対象部品の変形量に基づき、損傷量を推定する。推定された損傷量は余寿命推定部５に出力される。

（余寿命推定部５）
余寿命推定部５は、コンピュータ内の演算部、ソフトウェアモジュール、個別のコンピュータ装置、マイクロコンピュータチップまたはハードウェアにより構成される。

余寿命推定部５は、損傷量推定部４により推定された損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行い、出力する。

余寿命推定部５は、損傷量推定部４により推定された損傷量と、予め設定された対象部品の致命的損傷量の差分を算出する。致命的損傷量とは、対象部品を補修または交換しなければならない致命的損傷、例えば塑性変形、き裂発生、破断などに至るまでの時間等のパラメータである。例えば致命的損傷量は、クリープ損傷の場合における１％クリープ歪に到達するまでの時間または破断時間等である。

致命的損傷量は、予め行われた実験によるデータまたは実験データによる推定により決定される。算出される対象部品の余寿命は、致命的損傷量と、損傷量推定部４により推定された損傷量の差分である。

余寿命推定部５は、損傷量推定部４により推定された損傷量と予め設定された致命的損傷量の差分を算出し余寿命の予測を行う。予測された余寿命は、寿命予測装置１から出力される。

以上が、寿命予測装置１の構成である。

［１−２．作用］
次に、図１〜６に基づき本実施形態の寿命予測方法の手順、寿命予測装置１の動作および寿命予測装置用プログラムの動作の概要を説明する。図２に示す手順により劣化部品の寿命を予測する寿命予測方法は実行される。また、図２に示すステップにて寿命予測装置用プログラムは動作を行う。

作業者は、本実施形態の寿命予測方法により、余寿命推定の対象となる対象部品の応力時劣化パラメータを取得し、対象部品の変形量を取得し、対象部品の損傷量を推定し、劣化部品の寿命の予測を行う。劣化部品の寿命の予測は、寿命予測装置１を用いて行われる。寿命予測装置１は、図２に示すステップにて動作し劣化部品の寿命の予測を行う。以下に、劣化部品の寿命の予測の一例として、タービンロータ用Ｎｉ基耐熱合金の、応力集中が想定される植込み部の、クリープ損傷によって破断に至るまでの余寿命を推定する場合について説明する。

（ステップＳ０１：第１の劣化データ取得手順：非応力時劣化パラメータを取得する）
最初に、作業者は、寿命予測装置１の材料劣化データ取得部２の第１の劣化データ取得部２１を用い、非応力時劣化パラメータを取得する。

作業者は、実機の対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製したＮｉ基合金のブロックを用いて、熱処理炉によって加熱時効を行う。所定の温度および時間保持後の単純時効劣化材の硬さを、ビッカース硬度計によって測定する。温度−時間パラメータは、保持した所定の温度および時間について、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ法を用いて算出される。このようにして得られるビッカース硬度と温度−時間パラメータのデータは、複数条件にて作成される。

このように作成されたデータは、非応力負荷時の劣化パラメータとして作業者により第１の劣化データ取得部２１に入力される。第１の劣化データ取得部２１に、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製されたサンプルの、非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する対象部品の劣化にかかるデータである非応力負荷時の劣化パラメータが入力される。第１の劣化データ取得部２１は、非応力時劣化パラメータを取得し、第２の劣化データ取得部２２に出力する。

非応力時劣化パラメータは、第１の劣化データ取得部２１から通信回線を介し、電文にて出力される。非応力時劣化パラメータは、一時的に外部の記憶装置に記憶され、この外部の記憶装置が接続されることにより、第２の劣化データ取得部２２に入力されるようにしてもよい。

非応力負荷時のサンプルの劣化にかかるデータは、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製された単純時効劣化材を劣化させることにより、作業者により作成される。単純時効劣化材は、所定の温度にて、熱処理炉等の加熱方法を用いて所定の時間保持され加速劣化される。

劣化パラメータは、対象部品が有する物性を数値で表したものである。劣化パラメータとして、結晶粒径、析出物やボイドの大きさ、微細き裂、酸化の発生程度等の金属組織情報、硬さ、ヤング率、引張強度などの機械的性質、線膨張係数、熱伝導率、電気伝導率、比熱、熱拡散率などの物性などのうち少なくとも一つが用いられるようにしてもよい。

非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する対象部品の非応力時劣化パラメータは、運転温度と運転時間から導出される。非応力時劣化パラメータの運転温度と運転時間からの導出は、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ法、Ｍａｎｓｏｎ−Ｈａｆｅｒｄ法、Ｏｒｒ−Ｓｈｅｒｂｙ−Ｄｏｒｎ法のいずれかが用いられるようにしてもよい。

第１の劣化データ取得部２１は、単純時効劣化材の劣化にかかるデータに基づく、対象部品の非応力時劣化パラメータを取得する。取得された非応力時劣化パラメータは、第２の劣化データ取得部２２に出力される。

（ステップＳ０２：第２の劣化データ取得手順：応力時劣化パラメータを取得する）
次に、作業者は、寿命予測装置１の材料劣化データ取得部２の第２の劣化データ取得部２２を用い、応力時劣化パラメータを取得する。第２の劣化データ取得部２２には、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製されたサンプルの応力負荷時の劣化パラメータ、および第１の劣化データ取得部２１により取得された非応力時劣化パラメータが入力される。

作業者は、実機の対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製したＮｉ基合金をクリープ試験片形状に複数本加工し、一定の単軸応力下で保持するクリープ破断試験を実施する。所定の温度および時間保持後に、破断した試験片について、標点間内の複数位置における断面積を計測し、各断面の絞り値からマクロ歪を求める。さらにマクロ歪を求めた標点間内の複数位置の硬さを、ビッカース硬度計によって測定する。ビッカース硬度とマクロ歪の測定データは、複数条件にて作成される。

作成されたデータは、応力時劣化パラメータである応力負荷時の劣化にかかるデータとして、作業者により第２の劣化データ取得部２２に入力される。第２の劣化データ取得部２２に、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製されたサンプルの応力時劣化パラメータが入力される。また、第２の劣化データ取得部２２に、第１の劣化データ取得部２１により取得された非応力時劣化パラメータが入力される。第２の劣化データ取得部２２は、応力負荷時における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータを取得し、応力時劣化パラメータを損傷量推定部４に出力する。

応力時劣化パラメータは、第２の劣化データ取得部２２から通信回線を介し、電文にて出力される。応力時劣化パラメータは、一時的に外部の記憶装置に記憶され、この外部の記憶装置が接続されることにより、損傷量推定部４に入力されるようにしてもよい。

応力負荷時のサンプルの劣化にかかるデータは、対象部品に相当する化学成分、製造要領によって作製された応力負荷をかけたサンプル応力時効劣化材を劣化させることにより、作業者により作成される。応力時効劣化材は、応力負荷をかけ、所定の温度にて、熱処理炉等の加熱方法を用いて所定の時間保持され加速劣化される。

応力負荷は、圧縮、引張、せん断のうち少なくとも一つの力が、単軸または多軸的に加えられるようにしてもよい。応力負荷は、振幅を有した力であってもよいし、一定時間一定に保持された力および一定時間振幅を有した力が繰り返されるものであってもよい。また、応力負荷は、時間とともに減衰する力であってもよい。

応力負荷時の劣化にかかるデータは、例えば図４に示すように、温度、圧力を変動させた場合のマクロ歪、ビッカース硬度の関係を示すものである。応力負荷時の劣化にかかるデータは、例えば応力時効劣化材のクリープ破断試験により得られる。図４に示す応力負荷時の劣化にかかるデータは、ビッカース硬さとマクロ歪の相関を示し、本実施形態におけるＮｉ基耐熱合金の硬さとマクロ歪が、線形関係にあることを示す。応力負荷時の劣化にかかるデータは、圧縮歪、引張歪、せん断とビッカース硬度の関係を示すものであってもよい。

応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータは、運転温度と運転時間から導出される。応力時劣化パラメータの運転温度と運転時間からの導出は、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ法、Ｍａｎｓｏｎ−Ｈａｆｅｒｄ法、Ｏｒｒ−Ｓｈｅｒｂｙ−Ｄｏｒｎ法のいずれかを用いて行われるようにしてもよい。応力時効劣化材の応力負荷時の劣化にかかるデータである応力時劣化パラメータは、例えば図５に示すマクロ歪、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ法に基づいて構成される。図４は、ステップＳ０１とステップＳ０２において取得した、ビッカース硬さと温度−時間パラメータの相関と、それに及ぼすマクロ歪の影響を示す。

第２の劣化データ取得部２２は、第１の劣化データ取得部２１により取得された非応力時劣化パラメータに基づき、対象部品の応力時劣化パラメータを取得する。取得された応力時劣化パラメータは、損傷量推定部４に出力される。

（ステップＳ０３：第１の測定データ取得手順：対象部品の劣化度合いを取得する）
次に、作業者は、寿命予測装置１の部品測定データ取得部３の第１の測定データ取得部３１を用い、対象部品の劣化度合いを取得する。第１の測定データ取得部３１には、余寿命推定の対象となる対象部品の劣化度合いが入力される。

作業者は、評価対象とする対象部品である実機のタービンロータの、植込み部近傍の硬さを、エコーチップ硬度計等の測定機器により測定する。この際、硬さを測定する箇所は、評価対象箇所とする応力集中部あるいは変形箇所であることが望ましい。評価対象箇所の硬さを直接測定できない場合は、評価対象箇所の近傍で、同じ温度条件に晒された箇所であることが望ましい。測定された硬さが、劣化度合いとされる。

第１の測定データ取得部３１は、余寿命推定の対象となる対象部品の劣化度合いを取得し、劣化度合いを第２の測定データ取得部３２に出力する。

対象部品の劣化度合いは、第１の測定データ取得部３１から通信回線を介し、電文にて出力される。対象部品の劣化度合いは、一時的に外部の記憶装置に記憶され、この外部の記憶装置が接続されることにより、第２の測定データ取得部３２に入力されるようにしてもよい。

余寿命推定の対象となる対象部品は、高温発電プラント用のタービン、ボイラの部品である高温で運転する部品であるタービンロータ、動静翼、ケーシング、ボルト、バルブ、配管のいずれかであってもよい。これらの対象機器、部品について、非破壊的または破壊的手法を用いて測定された劣化パラメータが第１の測定データ取得部３１により取得される。

非破壊的手法として、超音波法、電磁的手法、浸透法、Ｘ線回折法、レプリカ法のうち少なくとも一つが用いられるようにしてもよい。破壊的手法として、硬さ試験、引張試験、クリープ試験、疲労試験のうち少なくとも一つが用いられるようにしてもよい。第１の測定データ取得部３１により取得される劣化度合いは、対象部品の応力集中箇所または変形箇所の劣化度合いであることが望ましい。

第１の測定データ取得部３１は、余寿命推定の対象となる対象部品の劣化度合いを取得する。取得された劣化度合いは、第２の測定データ取得部３２に出力される。

（ステップＳ０４：第２の測定データ取得手順：対象部品の変形量を取得する）
次に、作業者は、寿命予測装置１の部品測定データ取得部３の第２の測定データ取得部３２を用い、対象部品の変形量を取得する。第２の測定データ取得部３２は、作業者により測定された対象部品の変形量が入力される。

第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合い、および作業者により測定された対象部品の変形量が入力される。第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合いに基づき、対象部品の変形量を取得する。作業者は、評価対象とする植込み部の応力集中部の引張方向へのマクロ歪を、有限要素法を用いた弾塑性解析により算出する。

対象部品の変形量は、第２の測定データ取得部３２から通信回線を介し、電文にて出力される。対象部品の変形量は、一時的に外部の記憶装置に記憶され、この外部の記憶装置が接続されることにより、損傷量推定部４に入力されるようにしてもよい。

第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合いに基づき、対象部品の応力集中箇所または変形箇所の変形量を取得する。変形量は、対象部品の応力集中箇所または変形箇所について作業者により測定される。応力集中部または変形箇所は、部品の致命的損傷を生じる箇所となる場合が多いからである。応力集中部は、例えばタービンではロータ中心孔、ホイール、ケーシング、バルブ、配管等の曲率部、ロータ、動静翼の植込み部、ボルトのネジ底などである。

変形量とは、負荷された応力により発生する材料中の歪の量であり負荷された応力の形態によって異なる。変形量には、圧縮歪、引張歪、せん断歪などがある。試験片による測定の場合、変形量には前記に加え、伸び、絞りも含まれる。変形量は、非破壊の実機により測定される。または、変形量は実機を模したモデルを用い解析的に推定することにより算出されてもよい。非破壊で計測する方法として、歪ゲージ貼付法、格子法、画像相関法等が用いられるようにしてもよい。解析的に推定する方法として、有限要素法を用いた弾塑性解析等が用いられるようにしてもよい。

第２の測定データ取得部３２は、第１の測定データ取得部３１により取得された劣化度合いに基づき、対象部品の変形量を取得する。取得された対象部品の変形量は、損傷量推定部４に出力される。

（ステップＳ０５：損傷量推定手順：損傷量を推定する）
次に、作業者は、寿命予測装置１の損傷量推定部４を用い、損傷量を推定する。

損傷量推定部４は、材料劣化データ取得部２により取得された応力時劣化パラメータおよび部品測定データ取得部３により取得された対象部品の変形量に基づき、損傷量を推定する。

損傷量推定部４は、ステップＳ０４により出力された対象部品の変形量である有限要素法によって取得したマクロ歪に基づいて、ステップＳ０２により出力された対象部品の応力時劣化パラメータにかかるマスターカーブの補正を行う。さらに、補正したマスターカーブに、ステップＳ０３にて取得した硬さをあてはめ、マクロ歪を考慮した時間対温度パラメータ、すなわち損傷量を推定する。

損傷量推定部４は、部品測定データ取得部３により取得された対象部品の変形量に基づき、図３に示すように材料劣化データ取得部２により取得された応力時劣化パラメータの補正を行い、評価箇所の損傷量を推定する。

損傷量推定部４は、第１の劣化データ取得部２１により取得された非応力時劣化パラメータと、第２の劣化データ取得部２２により取得された応力時劣化パラメータの関係性を把握する。非応力時劣化パラメータと応力時劣化パラメータの関係性は、劣化パラメータ、温度−時間パラメータ、および変形量を用いて単純な数式で記述できることが望ましい。

損傷量推定部４は、第１の測定データ取得部３１により取得された対象部品の劣化度合いから導かれる温度対時間のパラメータである損傷量を算出する。さらに、損傷量推定部４は、第２の測定データ取得部３２により取得された対象部品の変形量を用いて、変形量によって補正すべき損傷量を算出する。

損傷量推定部４は、材料劣化データ取得部２により取得された応力時劣化パラメータおよび部品測定データ取得部３により取得された対象部品の変形量に基づき、損傷量を推定する。推定された損傷量は余寿命推定部５に出力される。

推定された損傷量は、損傷量推定部４から通信回線を介し、電文にて出力される。推定された損傷量は、一時的に外部の記憶装置に記憶され、この外部の記憶装置が接続されることにより、余寿命推定部５に入力されるようにしてもよい。

（ステップＳ０６：余寿命推定手順：余寿命の予測を行う）
次に、作業者は、寿命予測装置１の余寿命推定部５を用い、余寿命の予測を行う。

余寿命推定部５は、損傷量推定部４により推定された損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行う。図６に示すように、対象部品であるＮｉ基合金について、複数条件にて実施されたクリープ破断試験により作成された推定破断曲線が、作業者により予め準備されている。余寿命推定部５は、将来の実機の運転条件に応じて推定される致命的損傷量と、ステップＳ０５により出力された植込み部の損傷量の差分を求め、余寿命を推定する。

余寿命推定部５は、損傷量推定部４により推定された損傷量と、予め設定された対象部品の致命的損傷量の差分を算出する。致命的損傷量とは、対象部品を補修または交換しなければならない致命的損傷、例えば塑性変形、き裂発生、破断などに至るまでの時間等のパラメータである。例えば致命的損傷量は、クリープ損傷の場合における１％クリープ歪に到達するまでの時間または破断時間等である。

致命的損傷量は、予め行われた実験によるデータまたは実験データによる推定により決定される。算出される対象部品の余寿命は、致命的損傷量と、損傷量推定部４により推定された損傷量の差分である。

余寿命推定部５は、損傷量推定部４により推定された損傷量と予め設定された致命的損傷量の差分を算出し余寿命の予測を行う。予測された余寿命は、寿命予測装置１から出力される。

予測された余寿命は、寿命予測装置１の余寿命推定部５から通信回線を介し、電文にて出力される。予測された余寿命は、外部の記憶装置に記憶され出力されるようにしてもよい。

作業者は、寿命予測装置１から出力された劣化予測の対象となる対象部品の余寿命に基づき、対象部品の補修または交換等の処置を行う。以上が、寿命予測方法の手順である。また、上記は、寿命予測装置１の動作および寿命予測装置用プログラムの動作である。

［１−３．効果］
（１）本実施形態によれば、寿命予測方法は、応力負荷時における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータを取得する材料劣化データ取得手順と、対象部品の変形量を取得する部品測定データ取得手順と、材料劣化データ取得手順により取得された応力時劣化パラメータおよび部品測定データ取得手順により取得された対象部品の変形量に基づき、損傷量を推定する損傷量推定手順と、損傷量推定手順により推定された損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行う余寿命推定手順とを有するので、対象部品の余寿命の予測をより高精度で行うことができる寿命予測方法を提供することができる。

また寿命予測装置および寿命予測装置用プログラムは上記に対応する各部および各ステップを有するので、対象部品の余寿命の予測をより高精度で行うことができる寿命予測装置および寿命予測装置用プログラムを提供することができる。

本実施形態の寿命予測方法によれば、応力を負荷された評価対象箇所の余寿命を、単純時効劣化材のみによって評価した場合より、精度よく推定することができる。さらに、本実施形態の寿命予測方法によれば、実機の設計または運用上の制約により、直接的に評価対象箇所の劣化パラメータを取得できない場合であっても、より精度よく寿命を推定することができる。

（２）本実施形態によれば、材料劣化データ取得手順は、非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する対象部品の非応力時劣化パラメータを取得する第１の劣化データ取得手順と、第１の劣化データ取得手順により取得された非応力時劣化パラメータに基づき、応力負荷時における経過時間に対する対象部品の応力時劣化パラメータを取得する第２の劣化データ取得手順とを有するので、対象部品に応力を負荷した時の応力時劣化パラメータを用い、余寿命の予測を行うことができる。このため、対象部品の余寿命の予測をより高精度で行うことができる寿命予測方法、寿命予測装置および寿命予測装置用プログラムを提供することができる。

（３）本実施形態によれば、第１の劣化データ取得手順は、対象部品の材料サンプルの硬度に基づき非応力時劣化パラメータを取得するので、対象部品のクリープ損傷に対する余寿命を、より精度よく予測することができる。

（４）本実施形態によれば、第２の劣化データ取得手順は、対象部品の材料サンプルのマクロ歪と、第１の劣化データ取得手順により取得された非応力時劣化パラメータに基づき、対象部品のマクロ歪と硬度の相関関係を示す応力時劣化パラメータを取得するので、応力が負荷された対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

（５）本実施形態によれば、部品測定データ取得手順は、対象部品の劣化度合いを取得する第１の測定データ取得手順と、第１の測定データ取得手順により取得された劣化度合いに基づき対象部品の変形量を取得する第２の測定データ取得手順とを有するので、実機の対象部品の劣化度合いおよび変形量に基づき、対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

（６）本実施形態によれば、第２の測定データ取得手順は、対象部品の応力集中箇所または変形箇所の変形量を取得するので、対象部品における、より劣化が進行しやすい部分の変形量に基づき、余寿命を予測することができる。その結果、対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

（７）本実施形態によれば、余寿命推定手順により予測される余寿命は、クリープ損傷、低サイクル疲労損傷、高サイクル疲労損傷、リラクゼーション、酸化腐食による損傷のうち少なくとも一つであるので、多岐にわたる損傷に基づき、余寿命を予測することができる。その結果、対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

（８）本実施形態によれば、材料劣化データ取得手順により取得される応力時劣化パラメータは、対象部品の金属組織情報、機械的性質または物性のうち少なくとも一つであるので、多面的に余寿命を予測することができる。その結果、対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

（９）本実施形態によれば、対象部品の材質は、低合金フェライト系耐熱鋼、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼、オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ耐熱合金またはＣｏ基耐熱合金のいずれかであるので、高温で使用される発電プラント用装置の対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

（１０）本実施形態によれば、対象部品は、高温発電プラント用のタービン、ボイラのいずれかの部品であるので、高温で使用される発電プラント用装置の対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

（１１）本実施形態によれば、対象部品は、タービンロータ、動静翼、ケーシング、ボルト、バルブ、配管のいずれかであるので、高温で使用される発電プラント用装置の対象部品の余寿命を、より精度よく予測することができる。

［他の実施形態］
変形例を含めた実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。以下は、その一例である。

（１）上記実施形態では、非応力時劣化パラメータを取得する手順であるステップＳ０１および応力時劣化パラメータを取得する手順であるステップＳ０２を実行した後に、対象部品の劣化度合いを取得する手順であるステップＳ０３および対象部品の変形量を取得する手順であるステップＳ０４を実行するものとした。しかしながら、ステップＳ０１〜ステップＳ０４の実行の順序は、これに限られない。例えばステップＳ０３およびステップＳ０４を先に実行し、その後に、ステップＳ０１およびステップＳ０２を実行するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、第１の劣化データ取得部２１は、対象部品の非応力時劣化パラメータが入力されるものとした。しかしながら、第１の劣化データ取得部２１は、通信部を有し、データベース等に記憶された非応力時劣化パラメータを、インターネット等の通信回線を介し通信により取得するものであってもよい。

（３）上記実施形態では、第２の劣化データ取得部２２は、対象部品の応力時劣化パラメータが入力されるものとした。しかしながら、第２の劣化データ取得部２２は、通信部を有し、データベース等に記憶された応力時劣化パラメータを、インターネット等の通信回線を介し通信により取得するものであってもよい。

（４）上記実施形態では、第１の測定データ取得部３１は、対象部品の劣化度合いが入力されるものとした。しかしながら、第１の測定データ取得部３１は、通信部を有し、データベース等に記憶された対象部品の劣化度合いを、インターネット等の通信回線を介し通信により取得するものであってもよい。また、第１の測定データ取得部３１は、測定部を有し、対象部品の劣化度合いを測定するものであってもよい。

（５）上記実施形態では、第２の測定データ取得部３２は、対象部品の変形量が入力されるものとした。しかしながら、第２の測定データ取得部３２は、通信部を有し、データベース等に記憶された対象部品の変形量を、インターネット等の通信回線を介し通信により取得するものであってもよい。また、第２の測定データ取得部３２は、測定部を有し、対象部品の変形量を測定するものであってもよい。

（６）対象部品の材質は、高温発電機器用の構造部品として用いられる低合金フェライト系耐熱鋼、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼、オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ耐熱合金（Ｎｉ基超合金）、Ｃｏ基耐熱合金（Ｃｏ基超合金）などであってもよい。上記実施形態による寿命予測方法に適している材質は、劣化パラメータに対する変形量の影響が顕著である材質である。例えば、Ｎｉ耐熱合金は、変形に応じて加工硬化し、硬さなどの劣化パラメータが変形量に線形比例して増加するため、上記実施形態による寿命予測方法に適している。

（７）余寿命推定手順により予測される余寿命は、クリープ損傷、低サイクル疲労損傷、高サイクル疲労損傷、リラクゼーション、酸化腐食による損傷、またはこれらの損傷の重畳であってもよい。上記実施形態による寿命予測方法に適している損傷形態は、変形量を定量化しやすい損傷形態である。例えば、実施例で示したクリープ損傷は、定引張応力下での単軸の変形であり、破断試験などの評価方法も確立されており、上記実施形態による寿命予測方法に適している。

１・・・寿命予測装置
２・・・材料劣化データ取得部
３・・・部品測定データ取得部
４・・・損傷量推定部
５・・・余寿命推定部
２１・・・第１の劣化データ取得部
２２・・・第２の劣化データ取得部
３１・・・第１の測定データ取得部
３２・・・第２の測定データ取得部

Claims (13)

1. 劣化予測の対象となる対象部品の余寿命を予測する方法であって、
   応力負荷時における経過時間に対する前記対象部品の応力時劣化パラメータを取得する材料劣化データ取得手順と、
   前記対象部品の変形量を取得する部品測定データ取得手順と、
   前記材料劣化データ取得手順により取得された応力時劣化パラメータおよび前記部品測定データ取得手順により取得された前記対象部品の前記変形量に基づき、損傷量を推定する損傷量推定手順と、
   前記損傷量推定手順により推定された前記損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行う余寿命推定手順と、
   を有する寿命予測方法。
2. 前記材料劣化データ取得手順は、
   非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する前記対象部品の非応力時劣化パラメータを取得する第１の劣化データ取得手順と、
   前記第１の劣化データ取得手順により取得された前記非応力時劣化パラメータに基づき、応力負荷時における経過時間に対する前記対象部品の応力時劣化パラメータを取得する第２の劣化データ取得手順と、
   を有する請求項１に記載の寿命予測方法。
3. 前記第１の劣化データ取得手順は、対象部品の材料サンプルの硬度に基づき非応力時劣化パラメータを取得する、
   請求項２に記載の寿命予測方法。
4. 前記第２の劣化データ取得手順は、対象部品の材料サンプルのマクロ歪と、前記第１の劣化データ取得手順により取得された前記非応力時劣化パラメータに基づき、前記対象部品のマクロ歪と硬度の相関関係を示す応力時劣化パラメータを取得する、
   請求項３に記載の寿命予測方法。
5. 前記部品測定データ取得手順は、
   前記対象部品の劣化度合いを取得する第１の測定データ取得手順と、
   前記第１の測定データ取得手順により取得された前記劣化度合いに基づき前記対象部品の変形量を取得する第２の測定データ取得手順と、
   を有する請求項１に記載の寿命予測方法。
6. 前記第２の測定データ取得手順は、前記対象部品の応力集中箇所または変形箇所の変形量を取得する、
   請求項５に記載の寿命予測方法。
7. 前記余寿命推定手順により予測される余寿命は、クリープ損傷、低サイクル疲労損傷、高サイクル疲労損傷、リラクゼーション、酸化腐食による損傷のうち少なくとも一つである
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の寿命予測方法。
8. 前記材料劣化データ取得手順により取得される前記応力時劣化パラメータは、前記対象部品の金属組織情報、機械的性質または物性のうち少なくとも一つである、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の寿命予測方法。
9. 前記対象部品の材質は、低合金フェライト系耐熱鋼、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼、オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ耐熱合金またはＣｏ基耐熱合金のいずれかである、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の寿命予測方法。
10. 前記対象部品は、高温発電プラント用のタービン、ボイラのいずれかの部品である、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の寿命予測方法。
11. 前記対象部品は、タービンロータ、動静翼、ケーシング、ボルト、バルブ、配管のいずれかである、
    請求項１０に記載の寿命予測方法。
12. 劣化予測の対象となる対象部品の余寿命を予測する装置であって、
    非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する前記対象部品の非応力時劣化パラメータを取得する第１の劣化データ取得部と、
    前記第１の劣化データ取得部により取得された前記非応力時劣化パラメータに基づき、応力負荷時における経過時間に対する前記対象部品の応力時劣化パラメータを取得する第２の劣化データ取得部と、
    前記対象部品の劣化度合いを取得する第１の測定データ取得部と、
    前記第１の測定データ取得部により取得された劣化度合いに基づき、前記対象部品の変形量を取得する第２の測定データ取得部と、
    前記第２の劣化データ取得部により取得された応力時劣化パラメータおよび前記第２の測定データ取得部により取得された前記対象部品の前記変形量に基づき、損傷量を推定する損傷量推定部と、
    前記損傷量推定部により推定された前記損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行う余寿命推定部と、
    を有する寿命予測装置。
13. 劣化予測の対象となる対象部品の余寿命を予測する装置用プログラムであって、
    非応力負荷時の所定の温度における経過時間に対する前記対象部品の非応力時劣化パラメータを取得する第１の劣化データ取得ステップと、
    前記第１の劣化データ取得ステップにより取得された前記非応力時劣化パラメータに基づき、応力負荷時における経過時間に対する前記対象部品の応力時劣化パラメータを取得する第２の劣化データ取得ステップと、
    前記対象部品の劣化度合いを取得する第１の測定データ取得ステップと、
    前記第１の測定データ取得ステップにより取得された劣化度合いに基づき、前記対象部品の変形量を取得する第２の測定データ取得ステップと、
    前記第２の劣化データ取得ステップにより取得された応力時劣化パラメータおよび前記第２の測定データ取得ステップより取得された前記対象部品の前記変形量に基づき、損傷量を推定する損傷量推定ステップと、
    前記損傷量推定ステップにより推定された前記損傷量と予め設定された損傷量との差分を算出し余寿命の予測を行う余寿命推定ステップと、
    を有する寿命予測装置用プログラム。
    
    

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