JPS6067837A - 高温で使用される構造部材の損傷診断方法およびその装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は高温で１０年以上の長期間にわたって使用され
る構造部材の損傷診断方法およびその装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に発電プラントや化学プラントを構成する各種機器
は高温で１０年以上の長期間にわたって使用されるもの
が多い。これらの熱機器を構成する構造部材には機器の
起動停止や負荷変動等の非定常運転の繰り返しにより部
材を構成する金属結晶の結晶粒内にすべり線が発生増加
してすべり帯を形成した後にすべり帯に沿って金属結晶
粒オーダの寸法の微少き裂が発生することが知られてい
る。

一方、定常運転の継続中にはクリープにより部材を構成
する金属結晶の結晶粒界で空孔が発生し、それらが互い
に連結する等により微小き裂が発生し、材料が受ける損
傷は蓄積される。また、微小き裂や製造当初から材料内
に存在するき裂が非定常運転の繰り返しや、定常運転の
継続により徐々に伝播して損傷は進行する。さらに高温
で使用される機器の構造部材には高温強度の優れた耐熱
鋼が用いられているが、耐熱鋼の上記疲労やクリープに
関する各種材料特性は高温に長時間さらされるというだ
けで徐々に変化して初期の強度的特性は徐々に失われて
いく。

このように高温で使用される構造部材には、機器の運転
状態と部材の材料特性とが関わりあって種々の損傷が蓄
積あるいは進行する。この様な損傷の蓄積や進行が放置
された場合には、部材にき裂が発生して伝播し、部材の
破壊という致命的かつ、影響の大きい事態に至る可能性
がある。元来これらの高温部材は裕度のある設計なし製
作されているが、例えば火力発電プラントでは近年電力
需要にあわせて比較的使用期間の長いものでは起動停止
等の非定常運転が頻繁に繰り返されるものが多くなり、
当初の予想以上に損傷量の蓄積や進行が速くなる場合が
ある。特に高温で長期間にわたって使用される火力発電
プラント等の機器の構造部材について損傷量の蓄積や進
行状態を正確に把握して支障なく使用できる期間を予知
診断する技術の開発が強く望まれている。

しかるに、従来の構造部材の損傷診断方法は、高温で使
用される機器の使用状態を表わす温度や圧力の状態量か
ら構造部材の世侭の度合いや寿命を予知するものにすぎ
ず、構造部材を構成する材料固有の特性とその変化を表
わす状態量については全く考慮されていなかった。また
、既に設置されて数年にわたって稼動している熱機器に
ついては、過去の運転モードや履歴に応じて材料特性が
初期状態から変化しているはずであるから、材料特性の
初期状態からの変化を定量的に算出して修正してやらな
い限り構造部材の正確な損傷の度合や寿命を予知するこ
とはできない。

〔発明の目的〕

そこで、本発明の目的はこれら従来未解決であった諸問
題を解決し、高温で使用される構造部側の使用状態を表
わす使用状態量と、構造部材な構成する材料固有の特性
およびその変化を表わす材料状態量と、構造部材を使用
した機器の運転履歴を考慮して構造部材の損傷量の蓄積
や進行を正確に把握できるようにした高温で使用される
構造部材の損傷診断方法およびその装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明は高温で使用される構
造部材の使用状態を表わす使用状態量を検出し、これを
基に構造部材に作用する温度と応力を算出する一方、上
記構造部材の材料固有の特性とその変化を表わす材料状
態量を計測し、これを基にして材料特性を算出し、それ
らの算出値をもとに上記構造部材が使われている機器の
運転履歴に応じて上記構造部材の損傷量を算出し、許容
値と比較することにより支障を来たすことなく使用でき
る期間を予知診断できるようにしたことを特徴とするも
のである。

〔発明の実施例〕

以下本発明による高温で使用される構造部材の損傷診断
方法およびその装置の実施例を図面を参照して説明する
。

第１図は本発明による構造部材の損傷診断方法の原理を
ブロック線図で示したものであり、符号１は検出装置を
示し、この検出装置１は高温部材の使用状態量である高
温流体温度、高温流体圧力、部材温度、回転数、負荷、
振動の検出装置であり、実際には熱電対、圧力計、回転
計等が１個もしくは複数個が使用される。符号２は温度
・応力算出器を示し、これは検出装置１によって検出さ
れた使用状態量から損傷診断をすべき部材の温度と作用
応力を算出するものである。

符号３は計測装置を示し、これは材料状態量として材料
の硬さ、金属組織、分極特性、欠陥、電磁気特性、音響
特性を計測する装置である。この装置として具体的には
硬さ計、腐食装置、分極試験装置、非破壊検査装置等が
予定され、必要な数だけ機器の被測定場所にセットする
。

符号４は材料特性算出器を示し、上記材料状態量の計測
結果に基づいて、計測時点における材料特性を算出する
ものであり、材料特性としては引張特性（引張強さ、耐
力）、疲労特性（低サイクル疲労、高サイクル疲労）、
クリープ特性（クリープ速度、クリープラブチャ強度）
、キ裂伝播特性（疲労き裂伝播速度、クリープき裂伝播
速度）、破壊特性（破壊じん性、５０％破面遷移温度、
衝撃値）が考えられる。

前記温度応力算出器２と材料特性算出器４との出力は損
傷演算器５に加えられ、この損傷演算器５は非定常運転
の繰り返しによる疲労損傷量や定常運転の継続によるク
リーブ損傷量の蓄積を演算する。また、構造部材中に欠
陥が存在する場合や欠陥の存在を想定する場合には、非
定常運転の繰り返しによる疲労き裂伝播損傷量や定常運
転の継続によるクリープき裂伝播損傷量の進行を演算す
ることができる。

筐た、前記温度・応力算出器２と材料特性算出器４との
出力は許容値算出器６にも加えられ、この許容値算出器
６は、作用応力や損傷量の蓄積または進行に対する許容
値を算出するもので、作用応力に対する許容値である許
容応力値は、材料特性算出器４の出力のうち、引張強さ
、耐力、クリープラブチャ強度、疲労強度を基に適切な
安全率を設けて算出する。き裂伝播損傷量の進行に対す
る許容値である限界き裂寸法は温度・応力算出器２と材
料特性算出器４の出力である破壊じん性とから適当な安
全率を設けて算出する。疲労クリープ損傷量の蓄積およ
び疲労クリープ組合せ損傷量の蓄積に対する許容値であ
るき裂発生限界損傷値は許容値算出器６に予め設定され
ている。

符号７は診断装置を示し、診断装置７は接傷演算器５と
許容値算出器６との出力を比較して構造部材が支障を来
たすことなく使用できる期間の予知診断を行なう装置で
あり、その結果は表示警報装置８に伝えられ、診断装置
７の出力に応じて診断結果の表示咬たは必要な警報を発
するものである。

ところで、上述した検出装器１から表示警報装置８に至
る各装置を既に設置されて稼動している熱機器の構造部
材に設置した場合、設置以降のデータを採取することは
もちろんできるが、設置以前のデータについては採取不
能である。そのために、設置以前の構造部材の損傷量の
蓄積や進行が未知のままでそれによる修正が行われない
と精度の高い損傷診断は出来ないことになる。そこで、
本発明では設置以前の損傷量蓄積や進行を正確に把握す
るために条件設定器りが設けられている。

この条件設定器９は、それ以前の運転履歴と、代表的な
運転パターンでの温度・応力状態と各非定常運転回数、
定常運転時間等、損傷量の蓄積、進行の演算に必要な全
てのパラメータを設定するものである。又、条件設定器
９は、今後予想される運転履歴と、代表的な運転パター
ンでの温度・応力状態と各非定常運転回数、定常運転時
間等、損傷量の蓄積や進行の演算に必要なパラメータも
設定するもので、これらのパラメータを通して損傷演算
器５は、本発明の装置設置以前の損傷量蓄積や進行状態
、設置後の実稼動中の損傷量蓄積や進行状態、更に、今
後に予想される運転履歴での損傷量蓄積や進行状態の全
てを演算することができる。従って、診断装置７により
、構造部材が支障なく使用できる期間を適切に予知診断
することができる。

なお実稼状態での温度・応力を精度よく算出するために
は検出器１による使用状態の検出が望せしいが、構造部
材によっては形状の複雑さ等から検出器１の設置が困難
か、あるいは設置することによって応力集中が生じる等
、構造部材に悪影響を及ぼすことが懸念されるものもあ
る。そこで、このような場合には、損傷量の蓄積や進行
の演算に必要な全てのパラメータを設定する条件設定器
９で代行することもできる。

次に本発明を蒸気タービンの高温部ロータの中心孔の損
傷診断装置に適用した実施例について説明する。

第２図は高中圧蒸気タービンの断面図を示し、外部ケー
シング１１内には第１内部ケーシング１２および第２内
部ケーシング１３が軸方向に離間して配設されている。

さらに両内部ケーシング１２、１３内にはロータ１４が
貫挿され、外部ケーシング１１の両端部に設けられたグ
ランドパツキンヘッド１５、１６および第１内部ケーシ
ング１２の一端に設けられたグランドパツキンヘッド１
７によって上記ロータ１４に沿う蒸気洩れを防止するよ
うにしである。

しかして、高温高圧の蒸気は蒸気供給口１８から伸縮可
能な連通管１９を経て第１内部ケーシング１２内にある
ノズルボックス２０に供給される。蒸気はここから高速
流となってロータ４に植設された羽根、２１に当りロー
タ１４に運動エネルギを与えた後、再びノズルダイアフ
ラム２２にあるノズルを通り高速流となって次の羽根に
当る。このようにして順次羽根およびノズルを通過する
毎に蒸気は圧力および温度が低下し、高圧タービン出口
部力に到り、そこでは蒸気供給口１８部の１／４〜１／
８程度の圧力となる。高圧タービン出口部２３の蒸気は
、一旦蒸気タービン出口２３より外部に導き出され、ボ
イラの再熱器（図示省略）を通って再熱され、再び高温
蒸気となって中圧タービン入口部２４に供給される。

そこで、この中圧タービン入口部２４に供給された蒸気
は再びノズルおよび羽根を通りロータ１４に回転エネル
ギを与えて中圧タービン出口部２５から排出される。

タービンの運転中、ロータ１４は高温にさらされたまま
高速で回転し、ロータ中心孔の表面２６にはロータ円周
方向に最大の遠心応力が作用する。まだ、タービンの起
動停止等の非定常運転中にはロータ中心孔２６とロータ
外表面２７との間の温度差に起因して中心孔表面２６に
はロータ円周方向に熱応力が引張最大となり、前記遠心
応力と重畳して極めて高い応力状態が発生する。また外
表面コアでも大きな熱応力が発生する。このようにロー
タは高温にさらされつつ長時間使用される間に材料特性
に変化が生じると共に前記定常運転の継続および非定常
運転の繰り返しによりクリープや疲労の損傷の蓄積やク
リープき裂伝播や疲労き裂伝播による損傷が進行する。

このように構成されたタービン高温部ロータ中心孔の診
断に本発明を適用する際、ロータの使用状態量の検出と
材料状態量の計測を次のように行なう。

ロータの使用状態量は、主蒸気温度、主蒸気圧力、ケー
シング内面温度、負荷、回転数であり、いずれも蒸気タ
ービンでは通常連続的に検出、監視されているもので検
出結果は後述するようにロータ中心孔の温度・応力の算
出に使用される。一方、ロータの材料状態量は硬さ、分
極特性、欠陥であり、これらはタービン停止時に計測さ
れるものである。硬さ計測位置は高温低応力部位である
外表面ラビリンスグループであり、計測結果は後述する
ように損傷量の演算に必要な材料特性の算出および許容
値の算出に使用される。分極特性の計測位置はロータ外
表面で運転時の温度が４５０℃以上の部位であり、計測
結果は同じくき裂伝播損傷量演算に必要な材料特性の算
出および許容値の算出に使用される。また、欠陥はロー
タ中心孔で計測されき裂伝播損傷量の演算に使用される
。

次に上記使用状態量の検出結果と材料状態量の計測結果
を基にしてロータが支障を来たすことなく使用できる期
間の予知診断方法とその装置を第３図を参照して説明す
る。

第３図中、検出装置３１は、ロータの使用状態量である
主蒸気温度、主蒸気圧力、ケーシング内面温度、負荷を
検出する熱電対、圧力計等の総称であり検出装置３２は
、ロータの使用状態量のひとつである回転数を検出する
回転計である。又、計測装置３３は、ロータの硬さを計
測する為の硬さ計、計測装置３１はロータの分極特性を
計測する為の分極試験装置であり、計測装置３５は、中
心孔の欠陥検査を行なう為の非破壊検査装置の総称であ
る。

これらの検出装置と計測装置による検出および計測結果
から部材の温度、応力、材料特性が次の様に算出される
。

まずロータ中心孔の温度は、検出装置３１で検出される
主蒸気温度を初めとする使用状態量３６の時間変化から
熟伝達率の時間変化を算出し、（１）式に示す熱伝導の
微分方程式を解くことによって算出され、 ここで、λ；温度伝導率、θ；湯温度ｔ：時間、ｒ；半
径 ロータ体積平均温度Ｔａｖｅ、中心孔温度ＴＢがせる。

次にこの結果をもとに（２）式からロータ中心孔応力σ
ＢＲが算出できる。

ここで、Ｅ：ヤング率、ν：ボアツソン比、α：線膨張
係数 上記ロータ温度の算出は温度算出器３７が行ない、また
熱応力の算出は熱応力算出器３７′が行なうが、後述す
る損傷量演算の精度は応力の算出精度にもよるため、温
度と応力のいずれも差分法により精度よく算出すること
が望ましい。また、検出装置３２は使用状態量としての
回転数を検出し、遠心応力算出器３９がロータの内外径
、ホイール厚等の形状をもとにしてロータ中心孔の遠心
応力を算出する。上記熱応力算出器３７′と遠心応力算
出器３９との出力は応力加算器４０に加えられロータ中
心孔の熱応力と遠心応力との合成応力とを算出する。

次に材料の引張強さ、耐力、低サイクル疲労特性、クリ
ープラブチャ特性等き裂発生に対する損傷蓄積の演算や
作用応力の許容値算出のための材料特性の算出につじで
説明する。

まず材料の硬さと引張強さσＢとの間には、第４図に示
したように温度をパラメータにした相関があり、引張強
さσＢは、温度と硬さを含む（３）式で記述することが
でき、 σＢ＝ｆ１（温度、硬さ）……………（３）材料特性算
出器４２は、硬さ計測結果を用い、（３）式から所定の
温度での引張強さσＢを算出する。又、耐力σｙｓも同
様に第５図の様に硬さとの相関があり（４）式による記
述ができ、 σｙｚ＝ｆ２（温度、硬さ）……………（４）材料特性
算出器４２は、硬さ計測結果と、（４）式とから所定の
温度 なお、第４図、第５図とも温度１＜温度２＜温度３の順
に温度が高いことを示している。

１だ、ある温度での硬さと低サイクル疲労特性との間に
は第６図に示したような相関があり、硬さの異なるいず
れの曲線も温度と硬さをパラメータにした（５）式で応
力σと破損くり返し数Ｎｆの関係が表わされる。

Ｎｆ＝ｆ３（σ、温度、硬度）…………（５）材料特性
算出器４２は（５）式をもとに硬さ計測結果を用い所定
の温度での低サイクル疲労特性を算出する。この図で硬
さ１＜硬さ２＜硬さ３＜硬さ４の順に硬さが高く、低サ
イクル疲労特性は良好であることを示し、ロータの高温
長時間使用により初期状態から変化した低サイクル疲労
特性は硬さの変化から算出できる。

クリープラブチャ特性は、第７図の様に、硬さとの相関
があり、硬さの異なるいずれの曲線も、硬さ、ラーソン
ミラーパラメータＰ、応力σの関係を（６）式の様に表
わすことができる。

Ｐ＝ｆ４（σ、硬さ）………………（６）材料特性算出
器４２は（６）式をもとに硬さ計測結果を用ｂクリープ
ラブチャ特性を算出する。

ラーソンミラーパラメータＰは、ロータ材のクリープラ
ブチャ試験における試験温度Ｔ（絶対温度）と破断時間
ｔとの関係を（７）式の様に与えるものである。

Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔ）………………（７）ここで、Ｃ
は材料定数である。

第７図で、硬さ１＜硬さ２＜硬さ３＜硬さ４の順に硬さ
が高く、同一応力では硬さが高い程、ラーンンミラーパ
ラメータＰは大きな値となりクリープラブチャ特性が優
れていることを示し、ロータの高温長時間使用により初
期状態から変化したクリープラブチャ特性は硬さの変化
から算出することができる。

続いて、計測装置３４により計測されたロータの材料状
態量４３であるロータ高温部の分極特性から、材料特性
算出器４４による疲労き裂伝播速度、クリープき裂伝播
速度の、き裂伝播損傷量進行の演算や、その許容値であ
る限界き裂寸法算出のための材料特性である破壊じん性
の算出について説明する。

第８図は、ある温度での分極特性と疲労き裂伝播速度ｄ
ａ／ｄＮの関係を示すものであるが、温度の効果も含み
疲労き裂伝播速度ｄａ／ｄＮは、温度、応力拡大係数範
囲ΔＫ，分極特性をパラメータとする（８）式で表わす
ことができる。

ｄａ／ｄＮ＝ｆ５（ΔＫ、温度、分極特性）………（８
）材料特性算出器４４は（８）式をもとに分極特性計測
結果を用い疲労き裂伝播速度ｄａ／ｄＮを算出する。

第８図において、分極１＜分極２＜分極３の順にじん性
が低下していることを示し、ロータの高温長時間使用に
伴なうじん性低下により初期状態から変化した疲労き裂
伝播速度ｄａ／ｄＮは分極特性の変化から算出すること
ができる。

第９図は、ある温度での分極特性とクリープき裂伝播速
度ｄａ／ｄｔは、温度、応力拡大係数Ｋ，分極特性を含
む（９）式の様に表わすことができる。

ｄａ／ｄｔ＝ｆ６（Ｋ、温度、分極特性）………（９）
第９図で、分極１＜分極２＜分極３の順にじん性が低下
していることを示し、ロータの高温長時間使用によるじ
ん性低下に伴ない、初期状態から変化したクリープき裂
伝播速度ｄａ／ｄｔも分極特性の変化から算出すること
ができる。材料特性算出器４４は（９）式をもとに分極
特性計測結果を用いクリープき裂伝播速反ｄａ／ｄｔを
算出する。

第１０図は、分極特性と破壊じん性ＫＩＣの関係を示す
もので、破壊じん性ＫＩＣの温度変化は分極特性毎に別
々の線図になるが、温度、分極特性を含む（１０）式で
表わすことができる。

ＫＩＣ＝ｆ７（温度、分極特性）…………（１０）第１
０図において、分極１＜分極２＜分極３の順にじん性が
低下していることを示し、ロータの高温長時間使用によ
るじん性低下に伴ない初期状態から変化した破壊じん性
ＫＩＣも分極特性の変化から算出できる。材料特性算出
器は（１０）式をもとに分極特性計測結果を用い破壊じ
ん性ＫＩＣを算出する。

これらの方法により、従来未解決であったロータの高温
長時間使用により初期状態から変化した材料特性を定量
的に算出することができるので損傷量の蓄積や進行は従
来にも増して高い精度で演算することができる。

次に第３図を参照しながら、損傷量の蓄積と進行の演算
について説明する。

まず、き裂発生に対する損傷量の蓄積の演算について説
明する。

き裂発生に対する損傷蓄積のひとつである疲労損傷量の
蓄積は、応力が変動する非定常運転の繰り返しによるも
のであるが、非定常運転１回当すで蓄積される疲労損傷
量Δφｆは（１１）式で算出される。

Δφｆ＝１／Ｎｆ………………………（１１）ここでＮ
ｆは非定常運転時の温度での応力の繰り返し（低サイク
ル疲労）による破損くり返し数である。従って、非定常
運転１回当りに蓄積される疲労損傷量Δφｆは破損くり
返し数Ｎｆをめることと、（１１）式の演算を行なうこ
とによって成される。

第３図において、材料特性算出器４２により、前記した
様に、ロータの硬さ計測から、ロータの高温長時間使用
による特性の変化を考慮した低サイクル疲労特性が（５
）式で算出されているので、損傷量演算器４５は、温度
算出器３７と応力加算器４０の出力を使用して、前記し
た（５）式より破損くり返し数Ｎｆを算出し（１１）式
の演算を実行して非定常運転１回当りで蓄積される疲労
損傷量Δφｆを算出する。損傷量加算器４６は非定常運
転毎に損傷量演算４５の出力を加算するものである。第
１１図は、以上述べた第３図の損傷量演算器４５と損傷
量加算器４６の機能手順を疲労損傷量蓄積演算部につい
て示したものである。

次に、き裂発生に対する損傷蓄積のもうひとつのもので
あるクリープ損傷量の蓄積は、高温一定応力の定常運転
が継続されることによるもので、定常運転の継続中の単
位時間当りに蓄積されるクリープ損傷量Δφｃは（１２
）式で算出される。

Δφｃ＝１／Ｔｒ……………………（１２）ここで、Ｔ
ｒは定常運転時の温度および、その時の応力の作用によ
るクリープ破損時間である。従って定常運転単位時間当
り蓄積されるクリープ損傷量Δφｃはクリープ破断時間
Ｔｒをめることと（１２）式の演算を実行することによ
って成される。

第３図において材料特性演算器４２により前記した様に
ロータの硬さからロータの高温長時間使用による特性の
変化を考慮したクリープラプチャ特性が算出されている
ので損傷量演算器４５は応力加算器４３の定常運転時の
出力を使用し、ラーソンミラーパラメータＰを（６）式
より算出し、次に、温度算出器３７の定常運転時の出力
を使用して（７）式のラーソンミラーパラメータＰ、温
度Ｔ、クリープ破損時間Ｔｒの関係からＴｒ＝１０（Ｐ
／Ｔ−Ｃ）の演算を実行しクリープ破損時間Ｔｒを算出
し、（１２）式の演算を実行して定常運転中単位時間当
りに蓄積されるクリープ損傷量Δφｃを算出する。損傷
量演算器４６は定常運転中に逐次、損傷量加算器４５の
出力を加算するものである。第１２図は損傷量演算器４
５と損傷量加算器４６の機能手順をクリープ損傷量蓄積
演算部について示したものである。

続いて、き裂伝播損傷量の進行の演算について説明する
。

まず、き裂伝播損傷量のひとつである疲労き裂伝播損傷
量は応力が変動する非定常運転のくり返しにより進行す
るもので、非定常運転１回当りに進行する疲労き裂伝播
損傷量Δａｆは疲労き裂伝播速度ｄａ／ｄＮに等しく、
（１３）式で算出される。

Δａｆ＝ｄａ／ｄＮ＝Ｃ（ΔＫ）ｎ…………（１３）こ
こで、Ｃ、ｎは材料定数 従って、計測装置３５で計測された材料状態量のひとつ
である欠陥５２の寸法又は、非破壊検査の検査限界値ａ
に、非定常運転の繰り返し長、（１３）式で算出される
疲労き裂伝播損傷量Δａｆを加算することにより、非定
常運転のくり返しによる疲労き裂伝播損傷量ａ＋Δａｆ
が演算できる。ところで、（１３）式中の応力拡大係数
範囲ΔＫは、伝播する欠陥の先端で変動する応力状態の
厳しさを表わす破壊力学的パラメータであるが、欠陥寸
法ａ、変動応力範囲Δσ、部材形状、欠陥形状等から、
（１４）式の様に表わされる。

ここで、Ｑ：欠陥形状パラメータ ｇ（γ）：部材形状パラメータ ロータ中心孔表面の欠陥については（１４）式において
、ｇ（γ）＝１．１２である。第３図にお込て、材料特
性算出器４４により、前記した様に、ロータの分極特性
の計測から、ロータの高温長時間使用に伴なう特性の変
化を考慮した疲労き裂伝播速度ｄａ／ｄＮが（８）式の
様に算出されて込るので、損傷量演算器４５は温度算出
器３７の出力である非定常運転時の温度を使用し、又、
計測装置３５によって計測された上記欠陥寸法ａと応力
加算器４０の非定常運転時の出力である応力範囲Δσと
から、（１４）式で応力拡大係数範囲ΔＫを算出し、そ
れらの算出結果をもとに前記した（１３）式により非定
常運転１回当力の疲労き裂伝播損傷量ΔＱｆを算出する
。損傷量加算器４６は損傷量演算器４５の出力を非定常
運転毎加算し、加算結果であるａ＋Δａｆは、新たに欠
陥寸法８と置き換えて再度、損傷量演算器４５にフィー
ドバックさせる。これは（１３）式で示した様に、疲労
き裂伝播損傷量Δａｆが応力拡大係数範囲ΔＫによって
変化し、又、応力拡大係数ΔＫが、（１４）式で示した
様に欠陥寸法ａによって変化するので、逐次、欠陥寸法
を更新しながら応力拡大係数範囲ΔＫ，ひいては、疲労
き裂伝播損傷量Δａｆを演算する必要がある為である。

第３図の４７の工程が、このフィードパックを表わして
いる。第１３図は、以上説明した第３図の損傷量演算器
４５と損傷量演算器４６の機能手順を疲労き裂伝播損傷
量進行演算部について示したものである。

次に、き裂伝播損傷量のもうひとつのものであるクリー
プき裂伝播損傷号は、高温の一定応力状態である定常運
転の継続中に進行するもので、定常運転単位時間当りに
進行するクリープき裂伝播損傷量Δａｃは、クリープき
裂伝播速度ｄａ／ｄｔに等しく（１５）式で算出される
。

Δａｃ＝ｄａ／ｄｔ＝ＡＫｍ………………（１５）ここ
で、Ａ、ｍは材料定数 従って、非破壊検査で検出された欠陥の寸法、又は、非
破壊検査の検査限界値ａに定常運転の継続中、（１５）
式で算出されるクリープき裂伝播損傷量Δａｃを加算す
ることにより、定常運転中のクリープき裂伝播損傷量ａ
＋Δａｃが演算できる。（１５）式中のＫは、伝播する
欠陥の先端での応力の厳しさを表わす破壊力学的パラメ
ータで応力拡大係数と呼ばれるもので、欠陥寸法ａ、一
定応力値σ、部材形状、欠陥形状等から（１６）式の様
に表わされる。

ここで、Ｑ：欠陥形状パラメータ ｇ（γ）：部材形状パラメータ ロータ中心孔表面の欠陥については（１６）式において
ｇ（γ）＝１．１２である。

第３図において材料特性演算器４４により、前記した様
にロータの分極特性の計測から、ロータの高温長時間使
用に伴なう特性の変化を考慮したクリープき裂伝播速度
が（９）式で算出されているので、損傷量演算器４５は
、温度算出器３７の出力である定常運転時の温度を使用
し、又、計測装置３５によって計測された欠陥寸法ａと
、応力加算器３０の出力である定常運転中の応力σとか
ら（１６）式により応力拡大係数Ｋを算出し、それらの
算出結果をもとに、前記した（１５）式により定常運転
単位時間当りのクリープき裂伝播損傷量Δａｃを演算す
る。損傷量加算器４６は、損傷量演算器４５の出力を定
常運転中単位時間毎に加算し、加算結果であるａ＋Δａ
ｃは新たに欠陥寸法ａと置きかえて再度、損傷量演算器
４５にフィードバックさせる。これも、（１５）式で示
した様にクリープき裂伝播損傷量Δａｃが、応力拡大係
数Ｋによって変化し、応力拡大係数Ｋは（１６）式で示
した様に、欠陥寸法ａによって変化するので、逐次、欠
陥寸法８を更新しながら応力拡大係数Ｋ、ひいてはクリ
ープき裂伝播損傷量Δａｃを演算する必要がある為で、
前記した疲労き裂伝播損傷量Δａｆの演算の取り扱かい
と全く同じである。第３図において４７の工程がこのフ
ィードバックを表わしている。第１４図は以上説明した
損傷量演算器４５と損傷量演算器４６の機能手順をクリ
ープき裂伝播損傷量進行演算部について示したものであ
る。

なお、き裂伝播損偏量演算の説明で疲労またはクリープ
単独の場合のき裂伝播を挙げて説明したが両者が時系列
的に交互に発生する場合でも演算機能は全く同じである
。

以上の様に高温長時間使用によって変化した材料特性を
基に演算された損傷蓄積量又は揖傷進行量は逐次、診断
装置４８に転送される。診断装置４８は、許容値算出器
４９の出力結果と、損傷量演算器４６の出力結果とを比
較しながら診断を行なう。

次に許容値の算出と診断について説明する。

高温で使用される構造部材の許容値は部材の高温強度特
性である各種材料特性をもとに決められる。それらの材
料特性は引張強さ、耐力、クリープラブチャ特性、破壊
じん性である。許容値は通常材料特性の未使用状態での
データバンドの中央値又は下限値に安全率を設けて設定
されているが、前述したように高温長時間使用によりこ
れらの材料特性は変化するので許容値もその変化を考慮
する必要がある。材料特性の内引張強さ、耐力、クリー
プラブチャ特性は前述したようだ部材の硬さを計測する
ことにより算出できる。また破壊じん性は前述したよう
に部材の分極特性の計測を通して算出できる。

第３図において、許容値算出器４９は、硬さ計測値をも
とに算出した材料の引張強さ、耐力、クリープラプチャ
特性を示す材料特性算出器４２からの出力と、温度算出
器３７および応力加算器４０の定常運転時の出力とを合
せ、必要な安全率を設けて作用応力に対する許容値を算
出する。また、疲労損傷量、クリープ損傷量およびその
組合せに対しては必要な安全率を設けた許容値を内蔵し
ている。

さらに許容値算出器４９は材料特性算出器４４が分極特
性計測結果をもとに算出する破壊じん性ＫＩＣと温度算
出器３７と応力加算器３７′の非定常運転時の出力をも
とに（１７）式の演算を行ない必要な安全率を設けてき
裂伝播損傷量に対する許容値である限界き裂寸法ａｃｒ
の算出も行なう。

ただしσ：作用応力、Ｑ：欠陥形状パラメータｇ（γ）
：部材形状パラメータ 次に診断装置４８および表示装置５０について説明する
。

診断装置４８は応力加算器４０と損傷量加算器４６との
出力と許容値算出器４９の出力とを比較しながら、高温
で長時間使用された部材の作用応力および損傷蓄積量ま
たは進行量の状態を判定し、必要に応じて表示警報装置
５０に出力を与える。この表示警報装置５０は診断装置
４８の診断結果にもとづく出力結果に応じて高温部材の
作用応力および損傷蓄積量または進行量の状態を表示す
る。

最後に条件設定器５１の機能について説明する。

上述した本発明による装置を既存の熱機器に設置した場
合、設置以前の運転による損傷量の蓄積や進行は不明の
ままであり、その後の損傷量の蓄積や進行を演算しても
精度の高い損傷診断はできない。そこで、この点を解決
するため、本発明の装置を設置以前の運転履歴での代表
的な運転パターンでの温度・応力状態と、各非定常運転
回数、定常運転時間等本発明装置を設置する以前、運転
履歴による損傷量の蓄積や進行の演算に必要な全てのパ
ラメータの設定もできるようになって込る。

したがって、既存の熱機器に対して本発明装置を設置し
ても機器の運転開始からの損傷量の蓄積や進行状態の把
握と支障なく使用できる期間の予知診断が可能となる。

なお、条件設定器５１の他の使い方として、今後想定さ
れる運転履歴にもとづく損傷量の蓄積や進行の演算に必
要な全てのパラメータを予め設定し、実際の機器の使用
状態量と材料状態量とを実測することなく損傷量の蓄積
や進行の演算を行なうことができる。

なお、上述した例は蒸気タービンのロータに適用した場
合について説明したが、本発明はこれに限らず高温で使
用される機器の一般に対して適用できるものである。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高温
で使用される構造部材の使用状態量から温度応力を算出
する一方、構造部材の材料固有の特性とその変化を表わ
す材料状態量から材料特性を算出し、これらの算出値を
条件設定器によって運転履歴に応じて修正し損傷の蓄積
量と進行状態を算出して許容値と比較し構造部材が支障
できる期間を予知診断することができ、この損傷診断は
オンラインであってもオフラインであってもよく常時構
造部材を監視することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の一実施例を示したブロック
線図、第２図は本発明を適用した蒸気タービンの半部縦
断面図、第３図は本発明を蒸気タービン高温部ロータ中
心孔の損傷診断へ適用した例を示したブロック線図、第
４図は硬さと引張強さとの関係を示した線図、第５図は
硬さと耐力との関係を示した線図、第６図は破損くり返
し数と応力との関係を示した線図、第７図はラソンミラ
ーパラメータと応力との関係を示した線図、第８図は応
力拡大係数範囲と疲労き裂伝播速度との関係を示した線
図、第９図は応力拡大係数とクリープき裂伝播速度との
関係を示した線図、第１０図は温度と破壊じん性との関
係を示した線図、第１１図は第３図中損傷量演算器と損
傷量加算器の機能手順を示すフローチャート、第１２図
はクリープ損傷量蓄積演算部の機能手順を示したフロー
チャート、第１３図は疲労き裂伝播損傷量進行演算部の
機能手順を示したフローチャート、第１４図はクリープ
き裂伝播損傷量進行演算部の機能手順を示したフローチ
ャートである。 １…検出装置、２…温度・応力算出器、３…計測装置、
４…材料特性算出器、５…損傷演算器、６…許容値算出
器、７…診断装置、８…表示警報装置、９…条件設定器
。 出願人代理人　猪　股　清 第４　図　手５　図 硯之　砿ざ 玉叉損くり込ｔ１欠Ｎｆ　ラーソンミラーパラメータβ
虞力駄株莱（吃囲ΔＫ　尻刀払人４米篭（Ｋ弗　／／　
図 第　１２　図 弗　／３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高温で使用される構造部材の使用状態を表わす使用
   状態量を検出し、これを基に構造部材に作用する温度と
   応力を算出する一方、上記構造部材の材料固有の特性と
   その変化を表わす材料状態量を計測し、これを基にして
   材料特性を算出し、それらの算出値をもとに上記構造部
   材が使われている機器の運転履歴に応じて上記構造部材
   の損傷量を算出し、許容値と比較することにより支障を
   来たすことなく使用できる期間を予知診断できるように
   したことを特徴とする、高温で使用される構造部材の損
   傷診断方法。 ２．前記構造部材の使用状態量として高温流体温度、高
   温流体圧力、部材温度、回転数、負荷、振動を検出する
   ようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の損傷診断方法。 ３、前記材料状態量として構造部材の材料の硬さ、分極
   特性、欠陥、金属組織、電磁気特性、音響特性を検出す
   るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の損傷診断方法。 ４．前記構造部材の損傷量は、機器の非定常運転のくり
   返しによって構造部材内に蓄積される疲労損傷量と定常
   運転の継続によって蓄積されるクリープ損傷量とからな
   るき裂発生までの損傷蓄積量と、非定常運転や定常運転
   中に伝播し破壊力学的に算出される疲労き裂伝播損傷量
   とクリープき裂伝播損傷量とからなるき裂発生から破壊
   までの損傷進行量であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の損傷診断方法。 ５．前記構造部材の材料状態量である材料の硬さからは
   高温長時間使用により変化した後の材料特性である引張
   、低サイクル疲労、クリープラブチャ特性を算出し、分
   極特性からは高温長時間使用により変化した後の材料特
   性であるき裂伝播破壊特性を算出するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の損傷診断方法
   。 ６、前記構造部材の損傷量のうち、疲労損傷量は材料の
   硬さから算出される低サイクル疲労特性から算出し、前
   記クリープ損傷量は材料の硬さから算出されるクリープ
   ラブチャ特性にもとづいて決定し、また疲労き裂伝播損
   傷量とクリープき裂伝播損傷量は材料の分極特性から算
   出されるき裂伝播破壊特性をもとに前記構造部材を有す
   る機器の運転履歴に応じて演算するようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第を項に記載の損傷診断方法。 ７．前記許容値は作用応力に対する許容応力値とき裂発
   生に対する疲労損傷量、クリープ損傷量、および疲労ク
   リープ組合せ損傷量のき裂発生限界損傷値と、疲労き裂
   伝播損傷量、クリープき裂伝播損傷量およびその組合せ
   損傷量のき裂伝播破壊に対する限界き裂寸法であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の損傷診断方
   法。 ８．前記許容値の内、許容応力値は前記材料の硬さから
   算出される引張特性、疲労特性、クリープラブチャ特性
   から算出し、き裂発生限界損傷値は予め設定され限界き
   裂寸法は前記材料特性のうち分極特性から算出される破
   壊特性をもとに算出するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第７項に記載の損傷診断方法。 ９．高温で使用される構造部材の使用状態を表わす使用
   状態量を検出する検出装置と、構造部材の材料固有の特
   性とその変化を表わす材料状態量を計測する計測装置と
   、前記検出装置により検出された使用状態量から構造部
   材に発生する温度と応力を算出する温度応力算出器と、
   前記計測装置により計測された材料状態量から材料特性
   を算出する材料特性算出器と、構造部材の運転履歴や運
   転状態を表わす損傷量演算に必要な全てのパラメータを
   設定する条件設定器と、前記温度応力算出器と材料特性
   算出器の出力および条件設定器による設定値から損傷の
   蓄積量と進行量を演算する損傷量演算器と、前記温度応
   力貸出器と材料特性算出器の出力から構造部材の許容値
   を算出する許容値算出器と、前記損傷量演算器と許容値
   算出器との出力を比較して構造部材が支障なく使用でき
   る期間を予知診断する診断装置と、診断装置からの診断
   データを表示し異常の発生が予知された場合に警報を発
   する表示警報装置とを備えたことを特徴とする、高温で
   使用される構造部材の損傷診断装置。 １０、前記榮件設定器は、機器の運転開始時から本装置
   が設置されるまでの期間中の運転履歴や運転状態の損傷
   量の蓄積や進行の演算に必要な全てのパラメータを設定
   できるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第９
   項記載の構造部材の損傷診断装置。 １１．前記条件設定器は、使用状態量が直接検出できな
   いような高温で使用される構造部材の任意の部位の損傷
   量演算に必要な全てのパラメータを設定することができ
   るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第９項記
   載の構造部材の損傷診断装置。