JPH0875107A - 高温耐圧部の寿命評価法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温で使用される部位の寿命を精度よく評価
可能とする。 【構成】 高温で使用される部位を選定する評価部位の
選定ステップ１と、部位を一つ以上の運転履歴ごとに応
力解析する起動モード別の熱応力解析ステップ２とを有
し寿命評価する高温耐圧部の寿命評価法であって、各運
転履歴の時系列的な並び換えステップ３と、寿命評価す
る時点までの部位の各運転履歴に基づき使用履歴を算出
するラーソン・ミラー・パラメータの計算ステップ４
と、各使用履歴に対応して予め決められているデータベ
ース５より材料物性値を選択するクリープ破断データの
選択ステップ６と、部位を各運転履歴に沿い時系列順に
応力解析しかつ寿命計算するｉ番目の起動モードでの寿
命計算ステップ７と、各寿命の総和ステップ８とを含
む。 【効果】 安全側で高精度の寿命の評価と、計画的な保
守管理が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温で長期間にわたっ
て使用される材料の寿命評価に係わり、特に火力発電用
ボイラの部位の寿命を評価するのに好適な高温耐圧部の
寿命評価法に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電プラントや化学プラント等の高
温・高圧下で長時間使用される機器では、運転中に使用
材料がクリープ及び疲労等の損傷を受け、寿命を消費す
ることがよく知られている。このようなプラントの設計
時には寿命評価を実施し、各部材（部位）の構造、寸法
及び材質を決定している。また、設計時だけではなく、
長時間運転すると設計当時には予想できなかった部位の
寿命評価が必要となる場合がある。さらに、使用条件の
変更等で評価部位の応力状態が変化することもあり、こ
のような場合にもその時点からの余寿命を評価する必要
がある。

【０００３】従来の高温耐圧部の寿命評価法において
は、図６に示すように、まず、高温で使用される使用条
件の厳しい部位を選定する評価部位の選定ステップ１
と、その部位の応力状態を有限要素法等で応力解析する
起動モード別の熱応力解析ステップ２と、使用材料の新
材のクリープ破断データや低サイクル疲労データと比較
することにより部位の寿命を計算する新材データとの比
較による各起動モードでの寿命計算ステップ７ａと、寿
命の総和ステップ８ａとを有している。この場合、定常
運転状態で発生する応力の他に起動停止や負荷変化時に
はかなり大きな熱応力が発生し、その後緩和していく。
火力発電用ボイラでは起動モード（運転履歴）を、コー
ルドスタート（定期検査時等の完全に冷えた状態からの
起動）、ウォームスタート（週末停止でやや温度が高い
状態からの起動）及びホットスタート（毎日起動停止で
かなり温度が高い状態からの起動）等の３〜４種類程度
に分類できる。

【０００４】クリープ破断に関してはコールドスター
ト、ウォームスタート及びホットスタート等の起動時の
応力緩和を考慮した寿命評価を新材（未使用材料）のク
リープ破断データとの比較で行い、各起動モードが何回
あるかをカウントして総和し全クリープ寿命を算出す
る。この場合、応力緩和を考慮した寿命評価は次のよう
な方法で行う。

【０００５】図７に示すように起動時にはかなり大きな
熱応力が発生する。しかし、この熱応力は応力緩和とい
う現象によって時間の経過とともに急激に低下して一定
値になる。そこで、図に示すようにタイムステップを切
り、単位時間当りの寿命を総和する。時間Δｔの間は一
定応力と考え、その間の平均応力σｉを算出し、その平
均応力における破断時間ｔｒｉを新材のクリープ破断デ
ータより求め、クリープ損傷率を算出して総和する。ク
リープ損傷率φｃは（数１）式で求められる。

【０００６】 φｃ＝Σ（Δｔ／ｔｒｉ） ……（数１） 低サイクル疲労に関しては応力振幅がそれぞれの起動モ
ードや負荷変化によって異なるため、同じ起動モードが
何回あるかをカウントし、応力振幅ごとの疲労損傷を新
材の疲労データを基に算出し、その総和を疲労損傷とし
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の高温耐圧部の寿
命評価法においては、応力解析により余寿命評価を行う
場合、比較のための材料データ（材料物性値）、すなわ
ちクリープ破断データや高温低サイクル疲労データが必
要になる。このような材料データは公的機関が試験し、
公表している材料データを用いることが多い。例えば、
金属材料技術研究所発行のクリープデータシートや疲れ
データシートは、信頼性の高さとデータの豊富さとによ
り広く用いられている。このようなデータシートは材料
メーカより材料を入手し、それを供試材として試験した
もので、いわゆる新材のデータシートである。しかし、
実際には高温の使用により材質が劣化して強度が変化し
ている。すなわち、比較となる材料データは評価する時
点によって変える必要があるが、現状では便宜上新材の
材料データを用いている。この場合、低サイクル疲労に
関しては高温の使用による材料データの変化は小さい
が、クリープ破断に関しては高温使用により材料データ
が変化する可能性が高い。また、溶接部に関しても母材
と同等という前提で母材の材料データを使用している
が、溶接部の強度は高温の長時間使用により母材より低
くなる可能性もある。

【０００８】なお、タービン材料を対象に、高温使用に
よる材質劣化を考慮し、硬さ測定値によってクリープ破
断データを選択する方法がある（火力原子力発電 Vol．
40，No．10参照）。しかし、この方法は硬さとクリープ
損傷との相対関係が比較的明確なタービン材料に対する
方法であり、ボイラ材料は加工性及び溶接性を考慮して
炭素含有量を低く抑えているため高温での使用による硬
さ変化が小さく、この方法は適用できない。また、この
方法では硬さを測定する必要があるが、応力解析により
寿命評価する箇所は、基本的に管の内面等の硬さ測定が
困難な場所であり、硬さ測定が可能な場所ではレプリカ
を利用した別の非破壊診断法がある。たとえ、硬さ測定
が可能であっても溶接部、特に溶接熱影響部では連続的
に硬さが変化しており、溶接熱影響部のどの位置の硬さ
を採用すればよいのか不明確である。さらに、硬さを測
定した時点のクリープ破断強度は特定できるが、本来は
高温使用によりクリープ破断強度は連続的に変化するも
のであり、寿命あるいは余寿命を評価するためには評価
に使用するクリープ破断データを連続的に変える必要が
ある。

【０００９】また、クリープ破断データや高温低サイク
ル疲労データの他に応力解析には応力緩和特性、縦弾性
係数及び応力−ひずみ線図が必要となるが、これらのデ
ータも高温での使用により変化する。この中で縦弾性係
数の高温使用に伴う変化は小さいが、応力−ひずみ線図
や応力緩和特性はかなり変化する。以上のように、選定
された部位の寿命評価に当り、高温の使用履歴に応じた
材料物性値が決められてなく評価の精度が低い問題点が
ある。

【００１０】本発明の目的は、高温で使用される部位の
寿命を精度よく評価することのできる高温耐圧部の寿命
評価法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る高温耐圧部の寿命評価法は、高温で使
用される部位を選定し、部位を少なくとも一つの運転履
歴に応じて応力解析し寿命を評価する高温耐圧部の寿命
評価法において、寿命を評価する時点までの部位のそれ
ぞれの運転履歴に基づき使用履歴を算出し、それぞれの
使用履歴に対応して予め決められている材料物性値を用
い、部位をそれぞれの運転履歴に沿い時系列順に応力解
析しかつ寿命計算してそれぞれの運転履歴の寿命を総和
する構成とする。

【００１２】そして材料物性値は、クリープ破断特性で
ある構成でもよい。

【００１３】また材料物性値は、母材及び溶接部のクリ
ープ破断特性、応力緩和特性、縦弾性係数及び応力−ひ
ずみ線図である構成でもよい。

【００１４】まず、通常の余寿命評価と同様に、対象部
位の応力解析を起動モード別に実施する。次に、各起動
モードを実際の運転パターンまたは予想される運転パタ
ーンに沿って時系列的に並べる。そして、順番に寿命計
算を行うが、この時、寿命計算の対象となっている起動
モードに達するまでの使用履歴（ラーソン・ミラー・パ
ラメータ）を計算し、その材質劣化に応じたクリープ破
断データを用いて寿命計算を行う。材質劣化に関係する
使用履歴は使用温度と使用時間との関数であり、その程
度に応じた材料データ、すなわちクリープ破断データ
は、予め経年材のクリープ破断データの解析を行い、使
用履歴別に用意しておく。また、母材と溶接部とでは高
温の使用によるクリープ破断強度の低下の度合が異なる
ため、母材と溶接部とは区別して材料データを用意し、
対象部位によって使い分ける。

【００１５】このようにして、順次、材質劣化を考慮し
た使用履歴別のクリープ破断データを用いて寿命計算を
行い、最終的に寿命を総和する。

【００１６】さらに厳密な評価をするためには応力解析
に使用する材料データ、すなわち縦弾性係数、応力緩和
特性及び応力−ひずみ線図も使用履歴に対応したものを
用いる。この場合の手順は、起動モードに沿って順次使
用履歴の計算、使用履歴に対応する材料データの選択、
応力解析及び寿命評価を繰り返し、それらを総和する。

【００１７】

【作用】本発明によれば、ボイラ用ＣｒＭｏ鋼の種々の
経年材について多くのデータを収集し解析した結果を基
にしているため、以下のことが明らかになった。

【００１８】低サイクル疲労に関しては新材と経年材と
の差はほとんど見られず、また、母材と溶接部の差もな
かった。したがって、低サイクル疲労強度は経年材であ
っても新材のデータが使用できる。

【００１９】クリープ破断に関しては明らかに新材と経
年材との差が認められた。すなわち、寿命を評価する時
点までの使用履歴によってクリープ破断強度が変化し、
使用履歴に対応したクリープ破断データを用いて寿命を
評価することにより寿命評価の精度向上が図られる。ま
た、母材と溶接部とでは溶接部の方が高温使用によるク
リープ破断強度の低下の度合が大きく、母材と溶接部と
を区別する必要がある。

【００２０】さらに応力解析に必要な材料データ、すな
わち応力緩和特性、縦弾性係数及び応力−ひずみ線図も
高温使用によって変化する。これらの材料の寿命評価に
対する影響はクリープ破断データほど顕著ではないが、
この変化を考慮することにより厳密な評価が可能にな
る。なお、この中で縦弾性係数の高温使用による変化は
小さいが、応力緩和特性及び応力−ひずみ線図は比較的
変化が大きい。

【００２１】このようにそれまでの使用履歴に対応した
母材及び溶接部別の材料データを使用することにより、
正確な寿命評価が可能となる。

【００２２】

【実施例】本発明の一実施例を図１を参照しながら説明
する。図１は本実施例のフローチャートを示したもので
ある。図１に示すように、高温で使用される部位を選定
する評価部位の選定ステップ１と、部位を一つ以上の運
転履歴（起動モード）ごとに応力解析する起動モード別
の熱応力解析ステップ２とを有し寿命評価する高温耐圧
部の寿命評価法であって、各運転履歴の時系列的な並び
換えステップ３と、寿命評価する時点までの部位の各運
転履歴に基づき使用履歴（ラーソン・ミラー・パラメー
タ；ＬＭＰ）を算出するラーソン・ミラー・パラメータ
の計算ステップ４と、各使用履歴に対応して予め決めら
れているデータベース（経年材等のクリープ破断データ
ベース）５より材料物性値を選択するクリープ破断デー
タの選択ステップ６と、部位を各運転履歴に沿い時系列
順に応力解析しかつ寿命計算するｉ番目の起動モードで
の寿命計算ステップ７と、各寿命の総和ステップ８とを
含む構成である。

【００２３】すなわち、まず最初に評価対象の部位を選
択する。本実施例での評価対象の部位は図２に示すボイ
ラの主蒸気管Ｙピース部（材質；２.２５Ｃｒ−１Ｍｏ
鋼）であり、実機で約１２万時間使用されたものであ
る。この部位の現在までの寿命消費を評価し、本部位の
健全性を評価するため、次に応力解析を実施するが、本
実施例では３次元有限要素法を用いた。実機に取り付け
た熱電対の温度データを基に、熱伝導解析を行った。図
３に対象部位の有限要素分割を示すが、このような要素
分割でコールドスタート、ウォームスタート及びホット
スタート等の各起動モードの過渡的な温度分布を計算
し、その結果から熱応力を算出した。最も応力の高くな
る部位はコーナ部内側でその部位Ａの相当応力でクリー
プ寿命及び疲労寿命を評価する。

【００２４】本実施例でも低サイクル疲労に関する評価
は従来方法と同じである。これは高温低サイクル疲労デ
ータが新材と経年材とでほとんど変化しないという調査
結果に基づいている。

【００２５】クリープ破断に関しては従来方法と異な
り、高温の長時間使用による材質劣化を考慮している。
このため図１に示すように、各起動モードを記録（現時
点までの評価）あるいは計画（今後の評価）に基づいて
時系列的に並べ、それぞれの使用履歴を計算する。この
使用履歴は評価部位の使用温度及び使用時間の関数とし
て（数２）式で計算されるラーソン・ミラー・パラメー
タＰ（Ｌarson−ＭillerパラメータＰ；ＬＭＰ）で表さ
れる。

【００２６】

【数２】

【００２７】このラーソン・ミラー・パラメータＰ値に
よって損傷計算に使用するクリープ破断データを選択す
る。クリープ破断データは使用時間と使用温度とによっ
て時々刻々変化するものであるが、多くのクリープ破断
データを整理してみると、クリープ破断データのばらつ
きが大きいために細かく分類するのが困難であることが
分かった。すなわち、本来はＰ値によってクリープ破断
データをぞれぞれ変化させるべきであるが、本実施例で
は１０００点以上の経年材のクリープ破断データを調査
した結果より、Ｐ値が２０，２１，２２を境界にして４
段階に分け、それぞれのＰ値に応じて図４に示すクリー
プ破断データを使用した。このうち、Ｐ値が２０以下の
データは新材のデータであり、高温長時間の使用によっ
て強度が低下するのが分かる。特に高応力側ではＰ値の
低下の度合いが著しい。なお、このクリープ破断データ
は９０％信頼区間下限値を示しており、安全側の評価が
できるようにしている。

【００２８】クリープ破断による消費寿命の計算は時系
列に並べた起動モードに対して、順次、使用履歴を計算
し、使用履歴に対応した適切なクリープ破断強度をデー
タベースより選択してそれぞれのクリープ寿命消費率を
計算し、最終的に総和する。

【００２９】このようにして寿命評価した結果を従来方
法と比較し表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】本実施例による評価は従来方法による評価
よりも消費寿命が大きくなっているが、これは高温長時
間による材質劣化を考慮しているためである。なお、本
実施例では母材の評価を実施しているが、溶接部の場合
は母材とクリープ破断強度が異なる。これは数多くの経
年材のクリープ破断データを調査した結果であり、本実
施例では使用履歴によってクリープ破断強度を選択する
場合に、母材か溶接部かを選択し、それに対応したクリ
ープ破断強度を選択するようになっている。

【００３２】図５に本発明の他の実施例のフローチャー
トを示す。この実施例では応力解析に使用するデータも
使用履歴に適応したものを使用する。すなわち、応力緩
和特性、縦弾性係数及び応力−ひずみ線図の高温使用に
よる変化をデータベース５ａとして用意しておき、運転
パターンに沿って時系列順に使用履歴を計算し（ステッ
プ４）、使用履歴にあった材料物性値（応力緩和特性、
縦弾性係数、応力−ひずみ線図及び母材及び溶接部のク
リープ破断特性）を選択し（ステップ６ａ）、応力解析
（ステップ２ａ）及び寿命評価（ステップ７）を繰り返
して最終的に寿命を総和する（ステップ８）。本実施例
では応力解析を各材料物性値ごとに実施するため、評価
に多大の時間を要するが、より厳密な評価が可能とな
る。

【００３３】本発明によれば、高温の長時間加熱による
材質劣化を考慮した寿命評価が可能となる。従来方法で
は材質劣化を考慮していないため非安全側の評価になっ
ており、予想外に損傷が進行して予期せぬ破損に到る可
能性があったのに対し、本実施例では高精度の評価にな
り、破損時期が的確に把握できるため計画的な保守管理
が可能となり、その工業的価値は非常に大きい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、高温で使用される部位
の運転履歴に基づく使用履歴を計算し、使用履歴に対応
して予め決めてある材料物性値により寿命計算するた
め、材質劣化を考慮した安全側で高精度の寿命の評価が
可能となり、破損時期が的確に把握できるため計画的な
保守管理が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すフローチャートであ
る。

【図２】図１の評価部位であるボイラの主蒸気管Ｙピー
ス部を示す図である。

【図３】図１の応力解析に用いた評価部位の有限要素分
割を示す図である。

【図４】２.２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の使用履歴別クリープ
破断データを示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施例を示すフローチャートであ
る。

【図６】従来の技術を示すフローチャートである。

【図７】応力緩和状態を説明する図である。

【符号の説明】

１ 評価部位の選定ステップ ２ 起動モード別の熱応力解析ステップ ３ 起動モードの時系列的な並び換えステップ ４ ラーソン・ミラー・パラメータの計算ステップ ５ 経年材のクリープ破断データベース ６ クリープ破断データの選択ステップ ７ ｉ番目の起動モードでの寿命計算ステップ ８ 寿命の総和

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温で使用される部位を選定し、該部位
   を少なくとも一つの運転履歴に応じて応力解析し寿命を
   評価する高温耐圧部の寿命評価法において、前記寿命を
   評価する時点までの前記部位のそれぞれの運転履歴に基
   づき使用履歴を算出し、それぞれの使用履歴に対応して
   予め決められている材料物性値を用い、前記部位をそれ
   ぞれの運転履歴に沿い時系列順に応力解析しかつ寿命計
   算してそれぞれの運転履歴の寿命を総和することを特徴
   とする高温耐圧部の寿命評価法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の高温耐圧部の寿命評価法
   において、材料物性値は、クリープ破断特性であること
   を特徴とする高温耐圧部の寿命評価法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の高温耐圧部の寿命評価法
   において、材料物性値は、母材及び溶接部のクリープ破
   断特性、応力緩和特性、縦弾性係数及び応力−ひずみ線
   図であることを特徴とする高温耐圧部の寿命評価法。