JPH02143158A - 材料劣化検出方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、蒸気タービンなどの高温部品の経時的劣化度
を計測し、寿命診断を行う材料劣化検出方法に関する。

（従来の技術） 一般にタービン用ロータ、ケーシング、配管など高温・
高応力下で使用される金属材料は長時間使用されると材
質劣化が生じ、その結果、き裂や変形、最終的には破壊
が発生する。このような構造物の安全性、信頼性を確保
するためには、使用中における金属材料の材質劣化を経
時的に検出して交換時期を明らかにする必要がある。

金属の材質劣化の検出方法としては、従来から実機部品
から試験片を切り出して破壊試験を行う方法があるが、
この方法では実機部材を削ることになるため、劣化程度
を経時的に検出することは困難である。

非破壊的に劣化を検出する方法としては、例えば特開昭
５６−１１３３６０号公報や「低合金鋼のクリープ損傷
の非破壊的診断に関する基礎検討」（材料、第３３巻３
７１号、１３７ページ）などが知られている。この方法
は第５図に示すように、実機部材の劣化とくにクリープ
損傷と電気抵抗率の変化として３１１定する方法で、材
料１１に給電端子１２と計測端子１３を取りつけ、電位
差計８１哩値から劣化度を計測する方法である。しかし
、これらの寸法では、第６図に示すように、電気抵抗比
率の変化ΔＲρがクリープ損傷φ。と必ずしも１対１の
関係なく、φｃく０．５までは直線的に増大しているが
、　φｃ＞Ｏ，Ｓでは逆に減少する傾向となっている。

この関係を補正するために加熱のみをうける材料の計測
値を併用する方法を提案されているが、いずれの方法に
おいても計測部材の全体平均または表面近傍のみの平均
的劣化度を計測して、寿命診断を行うため、計測精度は
低く、信頼性、安全性の確保のためには不十分である。

（発明が解決しようとする課り 上記のように、従来の高温部品の劣化計測方法では、破
壊的針８１ｇ法によってのみ部材内部の劣化度を精度よ
く計測でき、非破壊的計測法では表層や平均的な劣化度
の計測しか行なえず１部材内部の位置を確定した計測は
不可能である。

しかしながら、品温部材の材質劣化は内部と表面で一様
ではなく、温度及び応力的に各部位は異なった履歴を受
けるため、高湿部材全体の寿命診断を行うためには、各
部位の精度よい劣化度の検出が不可欠である。

また近年の知見としては、クリープ損傷に伴い発生する
ボイドは応力集中部の表面より、むしろ表面から数ｌｌ
ｌ１内部に入った部分に多く見い出されるなどの事例も
あり１部材内部の劣化度検出の重要性を示している。さ
らに従来から、蒸気タービンケーシング等の鋳鋼部品で
は鋳肌が残存する部分で脱炭という材質変化を示すが、
従来方法では脱炭層を除いてはじめて劣化計測が可能に
なるなどの問題点がある。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたもので、
高温部品の内部の劣化を位置を確定して検出し、部品の
寿命診断を行う材料劣化検出方法を提供することにある
。

〔発明の構成〕

（１１１題を解決するための手段） 本発明は予じめ被検体の外形寸法を計測して記憶させて
おき、その計測結果にもとずいて被検体に、超音波発信
子と検出子とをｔｆｌｉ！！Ｌ、超音波検出子から被検
体に送られた超音波の減衰率から材料劣化度合を決定す
るものである。

（作　　用） 本発明では、計測部位の外形形状を正確に」り定して超
音波発振子や超音波検出子の設置位置が精度よく得られ
るようにする。

次に計測部位をはさんで超音波発振子と超音波検出子を
対面位置に設置する。超音波発振子から出される超長波
は高温部材内部を透過する間にその強度を弱め、透過距
離や材質に依存して、検出子で得られる超長波の強度が
決まる。超音波発振子は微小距離づつ移動して、多数回
の計測を行う。

検出子で得られるその間の計測値はそれぞれの超音波通
過経路上にある各部位の超音波減衰率の積となり、逆に
材料内部の各部位の超音波減衰率はこれらの方程式の解
として求めることができる。

実験室的に超音波減衰率と材料劣化度１例えばクリープ
損傷φ。とけ１対１の関数関係があるため、各部位の超
音波減衰率からクリープ損傷φ。

を求めることができ１部材内部のクリープ損傷φＣを寿
命分布してとらえることができる。

（実　施　例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第４図に基づいて説
明する。

＠１図は本発明の一実施例の要部であり、高温部品等の
被検体１に計測装置を取りつけ、非破壊的劣化度の計測
を行っている状態を示している。

すなわち、被検体１の計測部位を囲む対面に超音波発振
子２及び検出子３を設置する。超音波発振子２と検出子
３はこれら制御し、超音波強度の計測を行う超長波域減
衰率計測装置４と接続している。また、減衰率計測装置
４は計測部位の外形形状を予め記憶している外形針４１
ｇ装置５とも接続しており、超音波発振子２や検出子３
の設置位置を正確に求めて、発振子２と各検出子３の相
互距離・や超音波の透過経路が精度よく求められるよう
になっている。減衰率計測装置４は劣化度検出器６と連
動して、各部位の超音波減衰率から劣化度例えばクリー
プ損傷φ。を算出する。得られた劣化度損傷分布は劣化
度検出器６と接続した表示器７に損傷分布として表示し
、計測部位の寿命診断を行う。

第２図は劣化度計測の前に実施する外形計測における構
成を示す。計測部位の超音波発振子２や検出子３を設置
する面に沿って動く触針子８と、これを計測面方向に直
動させるシリンダー９より成る外形検出器りは外形計測
器コントローラ１０により制御され、同時に触針子８と
シリンダー９の動きから求められる計測部位の外形形状
のデータを得るため外形計測装置５に接続されている。

次に本実施例の作用を説明する。

まず、計測部位の外形形状を正確に得るため。

外形計測を行う、第２図において、触針子８は支持部分
を支点として揺動動作し、また触針子８の支持部分全体
はシリンダー９により直進動作するため、シリンダー９
を計測面にほぼ平行に直進させることにより触針子８の
振れ角度およびシリンダ−９変位量から計測面の外形形
状が求められる。

シリンダー９の動作は外形計測器コントローラ１０が制
御し、得られた外形形状の信号データは外形計測装置５
に蓄えられる。

次に計測部位をはさんで対画する位置に超音波発振子２
と検出子３を設置する。超音波検出子３は単体でも計測
は可能であるが、この場合検出子３を移動させなければ
ならず、この際、設置面の性状の差異により、誤差を生
じやすいため複数個の検出子３を固定して設置する方が
精度のよい値が得られる。超音波発振子２と検出子３の
設置位置は外形計測装置！！５の外形形状データを用い
て、正確に得ることができる。超音波発振子２より一定
強度の超音波を発振して対面する複数個の超音波検出子
３で部材内部を透過し強度の減衰した超音波を検出する
。検出部位を仮想的に縦横多数に分割した微小要素の集
合体とすると、各検出子３の得た超音波の強度は発振子
２と検出子３の位置から決定される複数個の微小要素内
で減衰される超音波強度の積となる。すなわちｉ番目の
検出子の検出強度Ｓｉ、超音波発振子の強度ｓ０．　Ｊ
番目の微小要素の減衰率Ｒｊとすると、Ｎ個の検出子か
ら以下のＮ個の式が得られる。

５ｉ＝Ｓ０ｘ　　（Ｒｊｘ・−ｘｈｌ　　　　　　　［
ｉ　＝　１−　Ｎ　）発振子の位置を移動してｎ個の計
測を行なえばｎ×Ｎ個の式が得られ、これらの式から逆
に各微小要素の減衰率Ｒｊ、・・・Ｒ，を求めることが
できる。

実験室的に材料の劣化度、例えばクリープ損傷と超音波
減衰率との間には第３図に示すように１対１の関数関係
が成り立っているため、各微小要素の減衰率計測結果か
ら直接クリープ損傷の算出が可能となる。

この結果は材料劣化度の分布図として、第４図に示すよ
うな計測部位における等クリープ損傷分布図を描くこと
ができ５部材の損傷状態を把握し、寿命診断も可能とな
る。

高温部品等の被検体は多くの場合、製造時に欠陥を生ず
ることがあるが、これらの欠陥は母材と比べ超音波減衰
特性が異なるため、材料劣化に伴う減衰率の変化を明確
にとらえるには被検体の使用初期状態から計測を行い、
欠陥部位を母材部位と区別して経時的に一定期間毎に計
測を行うことが必要である。

したがって、本実施例によれば、高温で使用される部材
の経時的な劣化を超音波を用いて非破壊的に、かつ内部
の位置を確定して計測することができ、従来の試験片を
採取して破壊的に劣化度を計測する方法に比べても、短
時間でかつ精度のよい寿命診断が行なえる。

また、他の実施例としては超音波の減衰率の特性を用い
る代りに、超音波速度の劣化度依存性を用いる方法であ
り、超音波発振子２から発振される超音波の検出子３に
到達する時間を計測して、超音波発振子２と検出子３の
距離や通過する微小要素から同様に、各微小要素内の音
速を求め、さらに劣化度を算出することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、高温使用部材の経時的な
材質劣化を計測するため計測部位をはさむ対面位置に設
置した超音波発振子及び検出子を用いて、計測部位内の
微小要素の超音波減衰率を求め、これから実験室内に得
た劣化度の関係から計測部位内の各位置における劣化度
を非破壊的に計測する方法で、従来の破壊的試験法に比
べても短時間で精度のよう計測ができ、また従来の非破
壊的方法では不可能であった材料内部の劣化程度を位置
を確定して定量的に求めることができるなど１本発明に
よる効果は大きい。さらに部品の初期状態から計測する
ことにより欠陥位置、大きさの計測も同時に可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る劣化検出装置の一実施例を示す概
略図、第２図は第１図の外形計測装置の挙動を説明する
図、第３図は超音波減衰率とクリープ損傷の関係を示す
グラフ、第４図は劣化度検出結果をクリープ損傷分布図
として表示した図。 第５図は従来の非破壊的劣化検出結果の一例を示す図で
、第６図は従来の非破壊的劣化検出結果の一例を示すグ
ラフである。 １・・・被検体。 ３・・・検出子、 ５・・・外形計測装置。 ７・・・表示器。 ２・・・超音波発信子、 ４・・・減衰率計測装置、 ６・・・劣化度検出器、 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 クツ−７°ず一イ品 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 予じめ被検体の外形寸法を計測して記憶させておき、そ
   の計測結果にもとずいて被検体に、超音波発信子と検出
   子とを設置し、超音波発信子から被検体に送られた超音
   波の減衰率から材料劣化度合を決定することを特徴とす
   る材料劣化検出方法。