JPH0797011B2

JPH0797011B2 - 金属部材のひずみ検出方法

Info

Publication number: JPH0797011B2
Application number: JP61290451A
Authority: JP
Inventors: 恭佐藤
Original assignee: バブコツク日立株式会社
Priority date: 1986-12-08
Filing date: 1986-12-08
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPS63144204A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は金属部材のひずみ検出方法にかかり、とくにひ
ずみゲージ等使用できない高温にある部材、または溶接
ビードのようにゲージの貼着できない個所の運転中にお
ける最大ひずみ発生部の検出、その部材にたいする曲げ
方向の検出をし、装置の運転に際しての安全を確保する
ひずみ検出方法に関する。

＜従来の技術及びその問題点＞ボイラ，化学プラント等においては多数の金属部材が高
温で使用されている。これらの部材の接合部には、プラ
ントの起動・停止に伴う温度の変化に起因して配管系全
体の変形によつて設計時に予想したより大きな応力が作
用し、長期間使用中に疲労又はクリープによつて破壊に
至ることがある。このためしばしばプラントの運転中に
そのような問題を生ずるであろう部分の応力測定を行
い、過大な応力を検出した場合は補修あるいは改造を行
つて事故を未然に防いでいる。

この応力測定について、配管の溶接部を対象とした場合
の従来の技術による検出方法を以下図を用いて説明す
る。第７図はボイラ等で一般的な管寄の構造を示したも
ので、管寄２に連絡管１及び多数の伝熱管３が溶接され
ている状態を示す。管寄２の長手方向への熱膨張あるい
は他の配管からの外力により、連絡管１には例えば図中
矢印（Ａ）の方向、伝熱管３には（Ｂ）の方向に曲げ応
力が作用することが多く、この溶接部に繰返しの応力が
集中する。この曲げ応力の方向を知ることにより、対策
案が検討されている。

第８図は、第７図における連絡管１と管寄２の問題とす
る部分の溶接部４の周囲を拡大して示したものである。

このような溶接部（測定線）に作用する応力を測定する
方法としては、従来は、ひずみゲージ６を溶接部４の近
傍に貼付け、実際に発生するひずみ値から応力を計算し
て求めていた。溶接部４の近傍にひずみゲージ貼る理由
は、溶接部４の上では溶接ビード形状の凹凸が激しく、
ひずみゲージを貼ることができないためである。またゲ
ージのために溶接部をグラインダー仕上することは製品
価格を著しく高いものにするので実施できない。

またひずみゲージを用いる場合、被測定物の温度が室温
より高いときは、次のような問題がある。

（１）みかけひずみ温度の上昇によりひずみゲージにみかけ上のひずみが生
じるため、あらかじめ求めておいたひずみゲージ個々の
温度−みかけひずみ特性をもとに、実測値を補正する必
要がある。このため測定機器の構成としては例えば第９
図に示すような複雑なものとなる。

さらにひずみゲージを貼付けた近傍の温度を測定するた
めの熱電対も用意する必要がある。

（２）ゲージ貼付作業一般の箔型ひずみゲージを貼るには、その位置をエメリ
ーペーパー等で研摩して酸化スケールを除去し、5mm角
程度のゲージを瞬間接着剤で金属表面に貼り付けるた
め、非常に繊細で熟練を要する作業となる。

さらに高温での測定では、ゲージ貼付後、一度所定の温
度に加熱してゲージをなじませる必要がある。

（３）温度限界箔型高温ひずみゲージの場合、200℃前後が使用限界で
あり、過熱蒸気管の温度たる500℃までの測定には特殊
な溶接型のゲージを用いる必要があるが、この種のゲー
ジは箔型に比べて寸法が大きく、取扱いも複雑で溶接部
近傍のような局部のひずみ測定には適していない。

以上のように、多くの技術的な問題あるいは作業性の問
題から、実機構造物の局部的な高温ひずみの測定は、そ
の準備に労力と時間を要する困難な作業となる上、測定
できる温度にも限界があつた。

＜発明の目的＞本発明の目的は、上記した従来技術の問題をなくし、高
温で、配管溶接部のような局部においても過大ひずみの
発生を容易に検出する方法を提案することにある。

＜手段の概要＞この発明は、金属部材の表面に測定線を挟んで、少なく
とも一対の給電端子を設けると共に、前記給電端子と同
じ側の部材表面で、かつこの対の給電端子の内側に、さ
らに前記測定線を挟んで設ける対の電圧検出端子であつ
て、この対の電圧検出端子を前記測定線に沿って複数設
け、これら電圧検出端子の電圧値の運転前と運転中の値
の比を対比し、部材各部の運転によるひずみの分布を求
めることを特徴とする金属部材のひずみ検出方法であ
る。要するにこの発明は、金属材料よりなる部材のひず
み計測の対象とする個所を中間に位置させた２つの端子
よりなる給電端子の組と、前記２つの給電端子の中間で
かつひずみ計測対象個所をその中間に位置させる２つの
電圧用端子よりなる電圧端子組とで形成されるひずみ計
測端子組を、前記部材のひずみ計測対象に対し複数組設
け、夫々の電圧計測値の運転前と運転中の値の比を対比
し、ひずみ発生個所を求めることを特徴とする金属材料
のひずみ検出方法である。

＜実施例＞以下図面を用いて本願発明の具体的な一実施例を説明す
る。第１図は本発明によるひずみ測定の際の基本的な装
置の構成例を示したもので、溶接部４（対象とする個
所）をはさんだ位置のひずみを測定する場合のものであ
る。

溶接部４をはさんだ２点に１組の電位差検出導線15を、
その外側の２点に１組の給電導線16を抵抗溶接等で接続
する。２つの電圧用端子に接続する検出導線15はスキヤ
ナ９を介して微小電圧計13,記録計11へ接続しており、
１対の検出導線15を抵抗溶接した２点間の電位差を記録
する。一方給電導線16には定電流電源14が接続してあ
り、抵抗溶接した１対の給電導線間に一定値の電流を供
給する。但し定電流電源14は１台で、第１図に示したよ
うに複数の給電導線16を直列につなげればよい。

第２図は、実際の部材溶接部に検出導線15及び給電導線
16を配した状態を示す第１図に対応する斜視図である。

以上の計測装置により以下の方法で運転中のひずみ分布
を求める。

運転前の冷間において定電流電源より定電流を供給し、
１対の検出導線15からなる測定部について対象とする夫
々の測定部の冷間の電圧ΔVoをスキャナー６（第１図）
で切り替え測定する。

次いで装置（ボイラ等）が運転に入ったとき、スキャナ
ー６で切り替え運転中の前記夫々の測定部の電圧ΔＶを
測定する。

これによる運転中の夫々の測定部のΔV/ΔVoは、その測
定部に引張応力、または圧縮応力が働いているか、また
は働いていないかにより、第５図の（イ）、（ロ）、
（ハ）のようになり、これを対比することにより、運転
による夫々の測定部のひずみ分布を求めることができ
る。

＜他の実施例＞第１〜第５図で説明した実施例では、測定する範囲の温
度が均一であるという場合について示したが、温度差の
ある場合は、対象位置の表面温度を測定することにより
補正して適用できる。第６図は温度測定用の熱電対17を
抵抗溶接した例を示す。

材料の電気伝導率ρの温度に対する変化率ｄρ/dTは同
一鋼種であれば同一とみなせるので、あらかじめ種々の
温度範囲でｄρ/dTを求めておく。

実施に際しては、例えば温度T_Bの位置での電位差△Ｖを
温度T_Aでの値△Ｖ′に補正するには次式となる。

この方法によれば測定しようとする範囲の温度が同一で
なくても適用できる。

（１）ひずみと△Ｖの関係一般に検出導線を抵抗溶接した２点間の電位差△Ｖは次
式によつて表わされる。

△Ｖ＝ｆ・ρ・l/S ……（２） f:形状係数 ρ：電気伝導率 l:2点間の距離 S:2点間の断面積この２点間に過大な引張応力が作用して大きなひずみが
生じると、ｌ及びＳが変化して△Ｖが変化する。実機部
材の場合、肉厚が厚いためＳの変化量△Ｓはほとんど無
視でき、△Ｖは式（２）のように表わせるためｌの変化
（すなわちひずみ）に比例する。

△Ｖ＝ｆ・ρ・ｌ ……（３）従つて第３図に示すようにひずみの増加に伴ない、電位
差△Ｖも増加する。

（２）温度と△Ｖの関係また電気伝導率ρは温度は関数であり、温度が上昇する
とρが増大するため、第４図のように△Ｖも増大する。
このρの絶対値は材料の組成によつて異なるが、同一鋼
種であれば温度に対する変化率はほとんど等しい。

（３）△V/△V₀による評価ところで△Ｖの値は検出導線を取り付けた位置による材
料組成の違い、また１対の検出導線の２点間の距離ｌの
わずかな差に影響されるため、複数の対の検出導線間の
△Ｖの値は、各々多少異なることがある。その場合、各
々の運転前の値を△V₀とし、電位差比△V/△V₀を比較す
ると、運転前は1.0で運転開始後、温度の上昇とボイラ
等の運転圧力の上昇に起因する内圧応力の増加による内
圧ひずみの発生により第５図（ロ）のように時間の経過
とともに大きく増加し、定常運転状態（定常温度で定常
圧力）ではほぼ一定値に達する。実際には内圧ひずみに
よる△V/△V₀の変化は温度の上昇による△V/△V₀の変化
に比べて無視できる程度に小さい。

ボイラ管寄のように大型部材でしかも保温材につつまれ
ており、定常運転状態で測定しようとする部分の温度が
等しい場合には、過大応力による大きなひずみが存在し
なければ複数の対の検出導線からの電位差比△V/△V₀の
値は等しく、第５図中（ロ）のような１本の曲線とな
る。

すなわち、このことは運転開始前に検出した各部の電位
差ΔVoに違いがあつても、運転温度及び運転圧力に対し
各部の電位差ΔV/ΔVoは付近に曲げ応力が発生しなけれ
ば同じように比例的に変化することを示している。

（４）ひずみがある場合の△V/△V₀の変化前述したように配管に曲げ応力が作用している場合、曲
げ方向の溶接部円周上約1/4の範囲に引張応力が作用
し、その反対側の約1/4の範囲には圧縮応力が作用す
る。それらの間の範囲は中立となり、発生する応力は小
さい。

この場合の電位差比の変化は位置によつて異なり、引張
応力が作用している部分は曲げ応力の作用していない場
合の（ロ）にひずみによる増加分が加わり、（イ）の曲
線となる。一方圧縮応力が作用している部分は（ロ）か
ら圧縮ひずみ分が差引かれ、（ハ）の曲線となり、各部
の△V/ΔVoを対比すると、運転によるひずみの分布を求
めることができる。

（５）試算ここで曲げ応力による△V/△V₀の差を試算して示す。公
称30Kg/mm²の曲げ応力が配管に作用し、溶接部の応力集
中係数を2,縦弾性係数を15,000Kg/mm²とするととなる。すなわち△V/△V₀の変化も0.4％で、第５図中
（イ）と（ハ）の差は２倍の0.8％となり、十分検出可
能である。

＜発明の効果＞本発明を実施することにより、従来技術のゲージ法に比
べて簡単な機器を用い、簡単な準備（導線の抵抗溶接）
で最大ひずみの生じている位置を検出でき、曲げ応力の
有無、その方向を知ることができるので、作業性が大幅
に改善される。

また従来の箔型ゲージの使用できない300℃以上の高温
域においても適用できる上、温度が高いほど電気電導率
ρが大きくなつて測定する電位差の値が増加するので、
測定精度が向上するという利点がある。

このように本発明によるひずみ検出法は、従来技術に比
べて特に高温でのひずみ測定に効果大である。

さらに、検出導線を抵抗溶接した２点間にき裂が発生し
た場合、電位差は大きく増加するので、き裂の発生も検
出可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す装置のブロック線図、
第２図はひずみ計測の対象とする部材に導線を接続した
ときの斜視図、第３図はひずみ対電位差の線図、第４図
は温度対電位差の線図、第５図は時間に対する電位差比
の線図、第６図は本発明の他の実施例にかかる導線接続
の状態を示す斜視図、第７図は一般的管寄せの側面図、
第８図はストレンゲージを貼着した従来の計測手段によ
る場合を示す斜視図、第９図は第８図の従来手段による
接続を示すブロツク線図である。１……連絡管、２……管寄３……伝熱管、４……溶接部５……ひずみゲージ、６……リード線７……ブリツジボツクス、８……動ひずみ計９……スキヤナー、10……パソコン 13……微小電圧計、14……定電流電源 15……検出導線、16……給電導線 17……熱電対

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属部材の表面に測定線を挟んで、少なく
とも一対の給電端子を設けると共に、前記給電端子と同
じ側の部材表面で、かつこの対の給電端子の内側に、さ
らに前記測定線を挟んで設ける対の電圧検出端子であつ
て、この対の電圧検出端子を前記測定線に沿って複数設
け、これら電圧検出端子の電圧値の運転前と運転中の値
の比を対比し、部材各部の運転によるひずみの分布を求
めることを特徴とする金属部材のひずみ検出方法。