JPH04252933A - 構造部材の損傷診断方法 - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、発電プラントや化学プ
ラントなどのように高温で使用される各種機器の構造部
材の損傷診断方法に関し、特にクリープ損傷および疲労
損傷の一方または双方を受ける可能性のある場所で使用
される構造部材の損傷診断方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】発電プラントや化学プラント等のように
高温で使用される各種機器の構造部材は、機器の起動停
止や負荷変動等の非定常運転の繰返しにより疲労損傷が
蓄積し、一方、定常運転の継続中にはクリープ損傷が蓄
積することが知られている。また、これらの構造部材は
高温にさらされるだけで疲労やクリープの特性が次第に
変化して、構造部材の製造当初の材料特性に比べて強度
的に劣化することも知られている。

【０００４】このように構造部材がクリープ損傷や疲労
損傷を受けたままの状態で機器を運転し続けると、構造
部材にき裂が発生し、それが伝播して部材の破壊にいた
る危険性がある。そのため、これらの構造部材の損傷量
の蓄積度合いや将来の損傷の進行状態を的確に予想でき
る技術の出現が望まれている。

【０００５】従来の構造部材の損傷診断法は、例えば特
公平１−２７３７７号に示されるように、高温構造部材
の使用環境状態を表す物理量である使用状態量を検出し
、これをもとに構造部材に作用する温度と応力を算出し
、一方、上記構造部材の材料固有の特性とその経年変化
を代表する計測量である材料状態量を計測し、これをも
とにして損傷診断に必要な機械的材料特性を算出し、そ
れらの算出値を使用して上記構造部材が使われている機
器の非定常運転の繰返し毎、および定常運転の継続中に
疲労やクリープのき裂発生およびき裂伝播の破壊に対す
る損傷量を算出して加算し、それらの損傷量や作用応力
に対する許容値と比較することにより、使用可能期間を
予知診断するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構造部材の損傷診
断法においては、疲労およびクリープ特性は加熱劣化部
位の硬さ計測結果から、図１および図２に示すように、
硬さをパラメータとした特性曲線によって特性値を表す
ことができる。これらの図中、硬さ１が最も軟らかく、
硬さ４がもっとも硬い状態を示す。

【０００７】これらの特性曲線は材料試験によって得ら
れたデータバンドの中央線、あるいは下限線に対して、
安全率を取って決められたものであるために、材料が本
来有している強度の確率論的なばらつきについての考慮
がなされておらず、構造部材の確定論的な損傷評価にと
どまっていたため、損傷診断結果に対する信頼性評価が
できなかった。

【０００８】［発明の構成］

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の構造部材の損傷
診断方法においては、構造部材が使用される機器の運転
状態を表すデータを収集し、あらかじめ設定した構造部
材の形状・境界条件データベースを用いて前記構造部材
の温度・応力解析を行い、この構造部材の温度および応
力分布を求め、一方、前記構造部材を構成している材料
の非破壊データを収集し、あらかじめ実験室的に求めた
クリープ・疲労材料強度特性データベースおよび前記構
造部材の温度・応力分布を用いてこの構造部材のクリー
プおよび疲労強度特性のばらつき分布を求め、現在およ
び将来の前記構造部材のクリープ時間と疲労繰返し数と
の比からクリープ損傷量および疲労損傷量の分布を計算
し、あらかじめ設定したクリープ・疲労相互作用特性の
破壊確率分布と組合わせることによって現在および将来
の破壊確率を求めることを特徴とする。

【００１０】

【作用】上述のように構成した本発明の方法においては
、構造部材の損傷診断に構造部材固有の強度特性のばら
つきを確率分布として導入し、損傷診断を確率論的に評
価するようにしたので、従来の確定論的な損傷診断に比
べて合理的評価が可能である。

【００１１】

【実施例】次に、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。

【００１２】図３は、本発明方法において使用される構
造部材損傷診断装置の構成例を示すもので、この構造部
材損傷診断装置は、運転状態検出装置１と、非破壊検査
装置２と、構造部材の形状・境界条件データベース３と
、温度・応力解析装置４と、クリープ、疲労の強度デー
タを有する材料強度特性データベース５と、強度特性分
布計算装置６と、損傷演算器７と、破壊確率演算器８と
から構成されている。上記において、運転状態検出装置
１は、機器の運転状態を表す回転数、蒸気温度や流量、
負荷および運転履歴等を検出あるいは記録する装置の総
称であり、例えば、タービンロータの場合には、回転速
度計、蒸気圧力計、蒸気温度計、蒸気流量計などから構
成される。

【００１３】非破壊検査装置２は構造部材の非破壊的材
料状態、すなわち硬さ、金属組織、分極特性、欠陥等を
検出する装置の総称である。

【００１４】構造部材の形状・境界条件データベース３
としては、ロータの形状をモデル化した有限要素法メッ
シュおよび解析に必要な境界条件をデータベース化した
ものが使用される。

【００１５】温度・応力解析装置４は、運転状態検出装
置１からのデータと、あらかじめ作られた構造部材の形
状・境界条件データベース３からのデータに基づいて、
構造部材の温度・応力解析を有限要素法や差分法等の手
段で行い、温度および応力分布を求めるものである。

【００１６】強度特性分布計算装置６は、材料強度デー
タベース５と非破壊検査装置２から得られる材料状態情
報と、温度・応力解析装置４より得られる温度・応力デ
ータとを用い、構造部材に特有のクリープ破断特性およ
び疲労破壊特性をデータのばらつきを加味して算出する
ものである。

【００１７】損傷演算器７は、現在および将来のクリー
プ時間および疲労繰返し数と、強度特性分布計算装置６
から得られる構造部材のクリープ特性、疲労特性分布お
よび温度・応力解析装置４から得られる温度・応力デー
タに基づいて、クリープ損傷量および疲労損傷量の確率
分布を求めるものである。

【００１８】破壊確率演算器８は損傷演算器７から得ら
れるクリープ損傷量および疲労損傷量の確率分布と、材
料強度特性データベース５から得られるクリープ・疲労
相互特性の破壊確率分布とから、現在および将来の構造
部材の破壊確率を求めて表示するのである。

【００１９】上記において、材料強度特性データベース
５に蓄積されるクリープ、疲労の強度データは、以下に
説明するようなデータ群から構成される。

【００２０】蒸気タービンの高圧ロータや中圧ロータに
は、主にＣｒＭｏＶ鍜鋼が使用されているが、長時間使
用した各種ロータから切り出した材料や新材など硬さの
異なるＣｒＭｏＶ鍜鋼についてクリープ破壊試験を行い
、ラーソンミラーパラメータと応力の関係をプロットす
ると、図４のようにきわめてばらつきが大きくなる。 この材料の硬さとクリープ破断特性の間には良好な対応
関係があり、この関係を利用して、例えば硬さＨｖ＝２
２０　の値に基準化すると、図５のようにばらつきはか
なり減少する。

【００２１】しかし、この場合でも、硬さによるクリー
プ破断特性の推定線に対して同一応力でもラーソンミラ
ーパラメータの値で±５００　程度のばらつきが存在す
る。

【００２２】そこで、５図の個々のデータについて、温
度を５６６　℃としたときのクリープ破断寿命を求め、
図５のクリープ破断特性の推定線との寿命比μから順序
統計を行なって破壊確率Ｐｆを求め、ワイブル確率紙に
プロットすると、図６に示すように、３母数ワイブル分
布で近似できる。それ故、図６の関係と任意の硬さおよ
び応力に対応するクリープ破断寿命の推定線値を用いれ
ば、この温度のクリープ破断寿命の累積確率分布を求め
ることができる。

【００２３】同様にして、任意の温度についても、図５
、図６の方法を用いてクリープ破断寿命の確率分布を求
めることができる。従って、クリープ破断特性はばらつ
きをワイブル分布として、材料強度特性データベース５
を構成している。

【００２４】また、低サイクル疲労特性についても硬さ
による推定式があるため、疲労寿命の実験値と推定値の
比μをワイブルプロットすると、図７に示すように、３
母数ワイブル分布で近似することができる。それ故、任
意の硬さ、ひずみ範囲から低サイクル疲労寿命の累積確
率分布を求めることができる。従って、低サイクル疲労
特性も、データのばらつきをワイブル分布として、材料
強度特性データベース５を構成している。

【００２５】クリープ・疲労相互作用特性については、
クリープ損傷量をφｃ、疲労損傷量をφｆ　とし、次式
のように損傷量Ｄを定義することによって、評価するこ
とができる。

【００２６】 φｃ　ｍ　＋φｆ　ｎ　＝Ｄ ここで、ｍ＝０．６　、ｎ＝１．６　とした場合の損傷
量Ｄは、図８に示すように３母数ワイブル分布として表
すことができる。

【００２７】従って、クリープ・疲労相互作用特性は、
図９中の曲線で示すように等破壊確率線として描くこと
ができ、この分布形態で材料強度特性データベース５を
構成している。

【００２８】強度特性分布計算装置６は、材料強度特性
データベース５に、温度・応力解析によって求めた応力
、ひずみおよび温度を指定し、データのばらつき分布を
決定するワイブル分布の定数を利用して、クリープの破
断時間の確率分布を求め、また、低サイクル疲労の破断
繰返し数の確率分布を求める。

【００２９】損傷演算器７は、構造部材の疲労繰返し数
と破断繰返し数の比の合計によって疲労損傷量φｆ　を
求め、定常応力保持時間に対するクリープ破断時間の比
からクリープ損傷量φｃ　を求める。ここで、破断繰返
し数とクリープ破断時間は確率分布であるから、疲労損
傷量φｆ　、クリープ損傷量φｃ　ともに確率分布とし
て計算される。

【００３０】以上のようにして求めた損傷量Ｄを、［φ
ｆ　−φｃ　］平面上に確率分布として表示すると、図
１０のように確率密度の等高線表示となる。

【００３１】破壊確率演算器８はこの損傷量Ｄの確率密
度分布と、クリープ・疲労相互作用特性の破壊確率分布
の積を［φｆ　−φｃ　］平面全体に対して積分するこ
とによって構造部材の破壊確率を計算するものである。 また、将来の運転が予測されるときには、将来の運転に
対する損傷量を逐次累積して、破壊確率演算器によつて
破壊確率を計算することができる。

【００３２】上述のように、本実施例では、ロータ材の
損傷診断に、ロータ材固有の強度特性のばらつきを確率
分布として新たに導入したので、損傷診断を破壊確率で
表すことができ、従来の強度特性値を下限線あるいは中
央線に安全率をかけた確定論的な損傷診断に比べて、ロ
ータ材の損傷評価精度が向上するとともに、従来にも増
して合理的評価を行うことができる。

【００３３】なお、上記実施例ではロータに作用する応
力、温度、回転数については確率変数としていなかった
が、これらの使用状態についても確率変数の扱いをする
ことによって、更に高度な評価が可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
構造部材の損傷診断に新たに構造部材固有の強度特性の
ばらつきを確率分布として導入することによって、損傷
診断を確率論的に評価することが可能となったので、従
来の確定論的な損傷診断に比べて合理的評価が可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　構造部材の疲労特性の硬さ依存性を例示す
るグラフ、

【図２】　　構造部材のクリープ破断特性の硬さ依存性
を例示するグラフ、

【図３】　　本発明において使用される構造部材の損傷
診断装置の構成例を示すブロック図、

【図４】　　種々の硬さのロータ材についてのクリープ
破断特性を示すプロット図、

【図５】　　クリープ破断特性データを特定の硬さで基
準化した場合のクリープ破断特性を示すプロット図、

【
図６】　　クリープ破断寿命の硬さによる推定値と実験
値の比のワイブルプロット図、

【図７】　　低サイクル疲労寿命の硬さによる推定値と
実験値の比のワイブルプロット図、

【図８】　　クリープ・疲労相互作用特性の限界損傷値
Ｄのワイブルプロット図、

【図９】　　クリープ・疲労相互作用特性の等破壊確率
線を例示するグラフ、

【図１０】　　［疲労損傷量φｆ　−クリープ損傷量φ
ｃ　］平面上における損傷量を例示する確率密度分布図
である。

【符号の説明】

１……運転状態検出装置 ２……非破壊検査装置 ３……構造部材の形状・環境条件データベース４……温
度・応力解析装置 ５……材料強度特性データベース ６……強度特性分布計算装置 ７……損傷演算器 ８……破壊確率演算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　構造部材が使用される機器の運転状態
   を表すデータを収集し、あらかじめ設定した構造部材の
   形状・境界条件データベースを用いて前記構造部材の温
   度・応力解析を行い、この構造部材の温度および応力分
   布を求め、一方、前記構造部材を構成している材料の非
   破壊データを収集し、あらかじめ実験室的に求めたクリ
   ープ・疲労材料強度特性データベースおよび前記構造部
   材の温度・応力分布を用いて構造部材のクリープおよび
   疲労強度特性のばらつき分布を求め、現在および将来の
   前記構造部材のクリープ時間と疲労繰返し数との比から
   クリープ損傷量および疲労損傷量の分布を計算し、あら
   かじめ設定したクリープ・疲労相互作用特性の破壊確率
   分布と組合わせることによって現在および将来の破壊確
   率を求めることを特徴とする構造部材の損傷診断方法。