JPH04311606A - 原動機厚肉部材の寿命診断法 - 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］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電プラントのように
高温で使用される大型構造物の寿命診断法に係り、特に
、複雑な構造をしている厚肉部材の寿命診断法に関する
。

【０００２】

【従来の技術】一般に、発電プラントで使用される原動
機を構成するロータ、ケーシング、弁等の大型構造物は
、１０万時間寿命のクリープ破断強度を基準として設計
されている。しかし、実際の発電プラントは、高温中で
１０万時間を遥かに越える長時間に渡って使用される場
合が多く、しかも、設計当初に比べて過酷な運転方式を
取る発電プラントが増加してきている。

【０００３】発電機器を構成している構造部材は、高温
下で高い応力を受けている場合には、クリープ損傷が経
時的に蓄積し、発電プラントの起動、停止に伴う応力変
動によって疲労損傷が蓄積され、これら損傷量が材料の
限界値以上に蓄積されると、亀裂が発生し、これが伝播
して構造部材の破壊につながる。そこで、発電設備の安
定運用の面から、発電機器を構成する部材に蓄積された
クリープや疲労の損傷量を定量的に把握し、適切な補修
、交換の処置を行うことが、今日の老朽発電プラントの
重要な課題の一つとなっている。

【０００４】従来、クリープや疲労の損傷を定量的に捉
えるために、発電機器の温度、圧力等の使用状態量を計
測するとともに、定期的に材料の強度特性の指標になる
硬さや脆化度を非破壊的に検出することによって、強度
特性を修正して、これらの情報をもとに、発電機器の内
部の温度、応力を数値計算によって求め、評価時の損傷
量の定量的評価、並びに将来の損傷量の蓄積を予測し、
発電機器の寿命を評価することが行われている（特公平
１−２７３７７　号公報）。

【０００５】また、材料の劣化程度を直接非破壊的に検
出して、損傷量の定量評価を行っている（特開昭６１−
１７２０５９　号公報）。また、材料の一部を切り出し
て、微小の試験片を作ってクリープ破断試験によって寿
命を求める方法もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】厚肉構造部材は、製造
時に既に材料に多少の残留応力を内在している。これは
、例えば、鋳造や鍛造時の応力の名残であり、製造工程
で応力除去焼鈍を行っても、完全には取り切れないため
である。一方、熱処理保持中の温度の不均一や構造が複
雑な部材については、熱処理の冷却過程での温度の不均
一等によっても、初期残留応力の入る可能性がある。

【０００７】また、クリープや塑性等のような材料の非
弾性挙動が発電機器の運転中に不均一に生じている場合
にも、残留応力が生じる。特に、タービンの弁や高圧、
中圧初段動翼付近のケーシング、ロータ等のように、高
温の蒸気に直接晒されている部材については、応力集中
部のクリープ歪みの蓄積によって応力がリラクセーショ
ンし、作用応力とは符号が反対の残留応力が運転時間に
伴って増加する。寿命診断の対象となる部位は、このよ
うにクリープを強く受ける部位が多く、応力を正確に把
握していく必要がある。

【０００８】従来の数値計算による寿命診断法では、製
造当初から存在する残留応力は考慮しておらず、また、
クリープに伴う応力のリラクセーション挙動は、数値計
算によってある程度把握することは可能であるが、非弾
性解析となるため、計算時間、コストの面で問題があり
、また、材料のクリープ構成式、歪硬化則、流れ則の選
択等に多くの仮定があり、近似的な応力推定はできても
、高精度の残留応力の推定は困難であるという問題があ
った。

【０００９】材料の劣化程度を直接非破壊的に検出して
損傷量評価を行う技術は、現在のところ材料によるばら
つきが大きく、単一の手法では、精度の向上が必要とさ
れているため、いくつかの手法を組み合わせて総合的に
劣化度を判定するやり方が必要であり、将来の損傷の進
行程度が困難であるという問題もある。微小の試験片を
部材から取り出して試験する方法は、精度は高いが、部
材の一部を切断することになり、通常は実現不可能であ
る。

【００１０】本発明はかかる従来の問題点を解決するた
めになされたもので、その目的は、残留応力を定期的に
計測することによって応力状態を高精度で評価し、より
精度の高い寿命診断を行うことにある。［発明の構成］

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る原動機厚肉
部材の診断方法は、蒸気タービンのケーシング、弁等の
厚肉鋳造部材及びタービンロータ等の厚肉鍛造部材の寿
命診断に際し、寿命診断部位の残留応力を、Ｘ線法、磁
歪法、超音波法、コアドリル法、センタードリル法のい
ずれかで、定期的に測定して、当該寿命診断部位の温度
や圧力、遠心力等によって計算される応力値に残留応力
分を補正するものである。

【００１２】

【作用】残留応力は、定期検査等の原動機が停止した状
態で測定を行い、寿命評価部位である高温、高応力部位
がその対象となる。また、部材の定常及び起動停止時の
非定常の温度、圧力、回転数等の境界条件から、有限要
素法等の数値解析によって部材内部の温度、応力分布が
計算され、寿命評価部位の応力が計算される。次に、寿
命評価部位の応力から先に求めた残留応力を差し引くこ
とにより、残留応力補正を行う。この補正によって、実
際に寿命診断部位に運転中に作用している応力状態が求
まる。この応力状態と材料強度特性によって、材料のク
リープ損傷及び疲労損傷が計算され、将来の寿命評価を
行って寿命診断がなされる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１４】図１は本発明に係る原動機厚肉部材の寿命
診断法を示したブロック図であり、厚肉部品の寿命診断
部位の残留応力測定装置１と、当該寿命診断部位の使用
状態量である温度、圧力、回転数を検出する検出装置２
と、部材の温度、応力を計算する温度応力算出器３と、
計算された応力から残留応力を補正する残留応力補正装
置４と、硬さ、脆化度等の材料状態量を計測する検出装
置５と、材料状態量から材料特性を算出する材料特性算
出器６と、補正された応力と材料強度特性によって寿命
を診断する損傷演算器７とから構成されている。図２は
寿命診断部位の残留応力を測定し、従来の応力値から残
留応力分を補正して寿命診断をする過程の一実施例をブ
ロック線図で示したものである。

【００１５】ここで、８はケーシングの断面を示したも
のである。このケーシング８の寿命診断部位の残留応力
を、Ｘ線ゴニオメータ９によって測定する。蒸気温度、
蒸気圧力、回転数等の運転データは、運転チャート１０
から得られる。また、同じ寿命診断部位の材料の強度特
性を、硬さ計１１によって、算出する。次に、本実施例
の作用を説明する。

【００１６】図２において、部材温度応力算出器３によ
って、ケーシング８の応力分布は、図３に示すような応
力分布１４が得られる。ここで、ケーシング８の内表面
１２の応力を内面応力σｉ　とし、外表面１３の応力を
外面応力σｏ　とする。また、図２において、残留応力
計測装置１によって得られる残留応力値は、図４に示す
ように、内表面１２及び外表面１３においてそれぞれ内
面残留応力σＲｉ、外面残留応力σＲｏとして得られる
。部材内部の残留応力分布は、断面全体のバランスから
応力分布１５のように推定できる。そこで、図２の応力
補正装置４では、図３の応力分布１４と、図４の応力分
布１５を重ね合わせて真の応力分布を算出する。こうし
て得られた応力分布が、図５に示す応力分布１６である
。ここで、補正後の内表面１２の表面応力σａｉ及び補
正後の外表面１３の表面応力σａｏは、以下のように、
図３の値と図４の値を加算したものである。σａｉ＝σ
ｉ　＋σＲｉ　　　　　　　　　　　　　　…（１） σａｏ＝σｉ　＋σＲｏ　　　　　　　　　　　　　　
…（２）

【００１７】以上で得られた応力から損傷量を
計算する。まず、図２において、硬さ計１１から材料特
性算出器６によって、クリープ破断特性曲線を得る。こ
うして得られたクリープ破断特性曲線が、図６の１７で
ある。 図６において、内面応力σａｉからラーソン・ミラーパ
ラメータを求めると、Ｐ１　となる。同様に、従来の方
法で求めた応力σｉ　から求められるパラメータは、Ｐ
２　である。ラーソン・ミラーパラメータＰは、温度Ｔ
（°Ｋ）、クリープ破断寿命ｔｒから以下のようにして
計算される。Ｐ＝Ｔ（２０＋ｌｏｇ（ｔｒ）　）　　　
　　　　　…（３）従って、クリープ損傷量φｃは、運
転時間をｔとすると、φｃ＝ｔ／１０（Ｐ／Ｔ−２０）
　　　　　　　　　　…（４）となる。本実施例の場合
、Ｐ１　＞Ｐ２　であるから、クリープ損傷量は、残留
応力を考慮した場合の法が、従来の方法よりも小さく評
価されることがわかる。

【００１８】以上のように、本実施例によれば、Ｘ線に
よる寿命診断部位の定期的残留応力計測によって、従来
考慮されていなかった部位の初期残留応力並びに発電プ
ラント運転中に生じるクリープ歪みに起因する残留応力
を高精度で評価し、残留応力を補正することができるの
で、非弾性解析による大規模な数値計算が不要となり、
より制度の良い信頼性のある寿命診断が簡便に行えるよ
うになる。

【００１９】なお、上記実施例では、残留応力測定手段
としてＸ線法を使用したが、この他の磁歪法、超音波法
、歪みゲージを利用したコアドリル法、センタードリル
法等の手段で、残留応力を測定しても同様の効果が得ら
れることは明らかである。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、部材内
部の応力状態がより正確に把握できるために、従来の寿
命診断にも増して高精度な機器の寿命評価が可能となる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る原動機厚肉部材の寿命診断法を示
したブロック図である。

【図２】本発明の一実施例を示したブロック図である。

【図３】使用状態量から求められるケーシングの断面の
応力分布を示す図である。

【図４】Ｘ線残留応力測定によって求められたケーシン
グ内外面の残留応力を示す図である。

【図５】使用状態量によって求めた応力分布から残留応
力分を補正したケーシングの応力分布を示す図である。

【図６】クリープ破断特性を示す図である。

【符号の説明】

１………残留応力計測装置 ２………温度圧力回転数検出装置 ３………部材温度応力算出器 ４………応力補正装置 ５………硬さ脆化度検出装置 ６………材料特性算出器 ７………損傷演算器 ８………ケーシング ９………Ｘ線ゴニオメータ １０………運転チャート １１………硬さ計 １２………ケーシング内表面 １３………ケーシング外表面 １４………応力分布 １５………部材内部の残留応力分布 １６………補正後の応力分布

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　蒸気タービンのケーシング、弁等の厚
   肉鋳造部材及びタービンロータ等の厚肉鍛造部材の寿命
   診断に際し、寿命診断部位の残留応力を、Ｘ線法、磁歪
   法、超音波法、コアドリル法、センタードリル法のいず
   れかで定期的に測定して、当該寿命診断部位の温度や圧
   力、遠心力等によって計算される応力値に残留応力分を
   補正することを特徴とする原動機厚肉部材の寿命診断法
   。