(57)【要約】【課題】クリープ損傷および疲労損傷を一体的に取り扱うことで各損傷メカニズムの重畳効果を考慮でき、クリープ疲労損傷による機器寿命を高い精度で評価すること。【解決手段】本発明では、機器の運転に伴うクリープや疲労に基づく寿命を評価する演算部１を備えた機器寿命評価システムＵにおいて、演算部１は、機器の変動負荷状態で生じる相当非弾性ひずみの増加量に基づいて相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）を算出すると共に機器の定常負荷状態で生じる相当クリープひずみの増加量に基づいて相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を算出する処理（ステップＳ１０６、ステップＳ１０７）と、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）を用いて疲労損傷（φｐ）を算出し且つ相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を用いてクリープ損傷（φｃ）を算出して、この疲労損傷（φｐ）とクリープ損傷（φｃ）との和から機器の寿命を評価する処理（ステップＳ１０９〜ステップＳ１０４）とを実行するようにした。【選択図】  図３
2010216983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器の運転に伴うクリープや疲労に基づく寿命を評価する演算部を備えた機器寿命評価システムにおいて、
前記演算部は、機器の変動負荷状態で生じる相当非弾性ひずみの増加量に基づいて相当塑性ひずみ増分を算出する処理と、
機器の定常負荷状態で生じる相当クリープひずみの増加量に基づいて相当クリープひずみ増分を算出する処理と、
前記相当塑性ひずみ増分を用いて疲労損傷を算出し且つ相当クリープひずみ増分を用いてクリープ損傷を算出し、疲労損傷とクリープ損傷との和を用いてクリープ疲労損傷に基づく機器の寿命を評価する処理と、
を実行することを特徴とする機器寿命評価システム。
【請求項２】
前記クリープ損傷は、相当塑性ひずみ増分と相当クリープひずみ増分の和または積の関数として表されるクリープ損傷評価式を用いて算出されることを特徴とする請求項１に記載の機器寿命評価システム。
【請求項３】
前記演算部は、機器の各運転状態で算出した相当塑性ひずみ増分および相当クリープひずみ増分が予め設定した範囲に収まる場合を安定と判定し、安定な相当塑性ひずみ増分および相当クリープひずみ増分を用いて疲労損傷およびクリープ損傷を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の機器寿命評価システム。
【請求項４】
前記相当クリープひずみ増分は、最小クリープ速度を用いて算出することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の機器寿命評価システム。
【請求項５】
前記演算部は、相当塑性ひずみ増分が予め設定した範囲に収まらない場合、非弾性ひずみが破壊ひずみよりも大きい場合を条件として、延性破壊による機器寿命を算出することを特徴とする請求項３に記載の機器寿命評価システム。
【請求項６】
前記演算部は、機器の寿命評価で対象とした部分が弾性変形すると判断した場合、平均応力と応力振幅を用いて相当応力振幅を算出すると共にこの相当応力振幅を用いて疲労寿命を算出し、この疲労寿命と起動停止回数の比から疲労損傷を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の機器寿命評価システム。
【請求項７】
前記演算部は、強度試験の結果を用いてひずみが集中する部分を特定して、その特定した部分を対象として機器の寿命を評価することを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の機器寿命評価システム。
【請求項８】
機器の運転に伴うクリープや疲労に基づく寿命を評価する演算部を備えた機器寿命評価方法において、
機器の変動負荷状態で生じる相当非弾性ひずみの増加量に基づいて相当塑性ひずみ増分を算出するステップと、
機器の定常負荷状態で生じる相当クリープの増加量に基づいて相当クリープひずみ増分を算出するステップと、
前記相当塑性ひずみ増分を用いて疲労損傷を算出し且つ相当クリープひずみ増分を用いてクリープ損傷を算出し、疲労損傷とクリープ損傷との和を用いてクリープ疲労損傷に基づく機器の寿命を評価するステップと、
を備えることを特徴とする機器寿命評価方法。
【請求項９】
前記クリープ損傷を、相当塑性ひずみ増分と相当クリープひずみ増分の和または積の関数として表されるクリープ損傷評価式を用いて算出することを特徴とする請求項８に記載の機器寿命評価方法。
【請求項１０】
機器の各運転状態で算出した相当塑性ひずみ増分および相当クリープひずみ増分が予め設定した範囲に収まる場合を安定と判定し、安定な相当塑性ひずみ増分および相当クリープひずみ増分を用いて疲労損傷およびクリープ損傷を算出することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の機器寿命評価方法。
【請求項１１】
前記相当クリープひずみ増分を、最小クリープ速度を用いて算出することを特徴とする請求項８ないし請求項１０の何れか１項に記載の機器寿命評価方法。
【請求項１２】
前記相当塑性ひずみ増分が予め設定した範囲に収まらない場合、その非弾性ひずみが破壊ひずみよりも大きい場合を条件として、延性破壊による機器寿命を算出することを特徴とする請求項１０に記載の機器寿命評価方法。
【請求項１３】
機器の寿命評価で対象とした部分が弾性変形すると判断した場合、平均応力と応力振幅を用いて相当応力振幅を算出すると共にこの相当応力振幅を用いて疲労寿命を算出し、この疲労寿命と起動停止回数の比から疲労損傷を算出することを特徴とする請求項８ないし請求項１２の何れか１項に記載の機器寿命評価方法。
【請求項１４】
強度試験の結果を用いてひずみが集中する部分を特定して、その特定した部分を対象として機器の寿命を評価することを特徴とする請求項８ないし請求項１３の何れか１項に記載の機器寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器の寿命評価技術に係り、特に、機器の運転に伴って進行するクリープや疲労に基づく寿命を評価する機器寿命評価システムおよび機器寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温環境で用いられる各種の機器は、高温下で作用する応力によって材料の劣化や様々な変形ないし損傷を引き起しやすく機能喪失に至りやすい。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラントの蒸気タービンは、高温高圧下で且つ高速で流動する蒸気から回転力を得ており、蒸気と接触するロータや翼には損傷や変形が特に生じやすい。近年、発電プラントの出力大容量化に伴ってタービン駆動に用いられる蒸気量が拡大し且つ高温高圧化する傾向とも相俟って、応力損傷による機器の寿命を精度よく評価することが重要になっている。このため、従来、様々な機器寿命評価技術が提案されている（特許文献１〜５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２２５３３３号公報
【特許文献２】特開平７−２０９１５７号公報
【特許文献３】特開平９−３１１１００号公報
【特許文献４】特開２０００−４６９０５号公報
【特許文献５】特開昭５７−１６８０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
機器寿命の評価に用いるデータはあくまで実験室で得られた試験片の損傷に関わるものである。試験片では、損傷が全体的に且つ均一的に生ずるが、実機においては損傷が生じる部位とそうでない部位とが混在するのが通常であり、従来の機器寿命評価技術では安全側に過敏な評価となる傾向がある。というのは、例えば試験片からみたクリープ損傷によれば機器の寿命と判定される場合であっても、クリープ損傷による破断が生じた例はほとんどないのが実情である。その一方で、疲労損傷に関しては、高サイクル疲労が想定される機器が想定外の部分で短時間に破断したりする例が数多く見られる。
【０００５】
クリープ損傷や疲労損傷は、いずれも機器寿命評価においては非常に重要な損傷現象であり、各損傷現象の重畳効果を考慮することができれば、過渡の安全側或いは危険側の評価とならないような高精度の機器寿命評価が可能になると考えられる。しかしながら、クリープ損傷と疲労損傷のメカニズムは異なるため、各損傷メカニズムの重畳効果を考慮することは困難であるとされてきた。
【０００６】
例えば、特許文献１および特許文献２の機器寿命評価技術は、疲労による損傷を考慮しない。特許文献３の機器寿命評価技術は、クリープによる損傷を考慮しない。特許文献４および特許文献５の機器寿命評価技術は、クリープおよび疲労の各損傷メカニズムを考慮するものの、特許文献４の技術は特定の評価式を用いて機器寿命を評価するものであり適用範囲が限定され、特許文献５の技術は塑性ひずみに基づき算出した機器寿命とクリープひずみに基づき算出した機器寿命をわざわざ合算する必要があり機器寿命評価の手順が複雑である。また、特許文献１〜５で説明される機器寿命評価技術は、いずれもクリープ変形による損傷の分散が考慮されておらず、加えて、初期の短期間で取得した試験データを用いて機器のクリープ損傷等を評価しているため、機器寿命の評価精度の向上には限界がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、クリープ損傷および疲労損傷を一体的に取り扱うことで各損傷メカニズムの重畳効果を考慮でき、クリープ疲労損傷による機器寿命を高い精度で評価できる機器寿命評価システムおよび機器寿命評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明に係る機器寿命評価システムでは、機器の運転に伴うクリープや疲労に基づく寿命を評価する演算部を備えた機器寿命評価システムにおいて、前記演算部は、機器の変動負荷状態で生じる相当非弾性ひずみの増加量に基づいて相当塑性ひずみ増分を算出する処理と、機器の定常負荷状態で生じる相当クリープひずみの増加量に基づいて相当クリープひずみ増分を算出する処理と、前記相当塑性ひずみ増分を用いて疲労損傷を算出し且つ相当クリープひずみ増分を用いてクリープ損傷を算出し、疲労損傷とクリープ損傷との和を用いてクリープ疲労損傷に基づく機器の寿命を評価する処理とを実行することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る機器寿命評価方法では、機器の運転に伴うクリープや疲労に基づく寿命を評価する演算部を備えた機器寿命評価方法において、機器の変動負荷状態で生じる相当非弾性ひずみの増加量に基づいて相当塑性ひずみ増分を算出するステップと、機器の定常負荷状態で生じる相当クリープの増加量に基づいて相当クリープひずみ増分を算出するステップと、前記相当塑性ひずみ増分を用いて疲労損傷を算出し且つ相当クリープひずみ増分を用いてクリープ損傷を算出し、疲労損傷とクリープ損傷との和を用いてクリープ疲労損傷に基づく機器の寿命を評価するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、クリープ損傷および疲労損傷を一体的に取り扱うことで各損傷メカニズムの重畳効果を考慮でき、クリープ疲労損傷による機器寿命を高い精度で評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る機器寿命評価システムの第１実施形態を示す図。
【図２】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される機器寿命評価処理の流れを示すフローチャート。
【図３】図２の続きを示すフローチャート。
【図４】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図５】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図６】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図７】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図８】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図９】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図１０】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図１１】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図１２】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図１３】図１の機器寿命評価システムの演算部にて実行される処理の説明図。
【図１４】本発明に係る機器寿命評価システムの第２実施形態の説明図。
【図１５】本発明に係る機器寿命評価システムの第２実施形態の説明図。
【図１６】本発明に係る機器寿命評価システムの第３実施形態を示すフローチャート。
【図１７】本発明に係る機器寿命評価システムの第４実施形態の説明図。
【図１８】本発明に係る機器寿命評価システムの第５実施形態の説明図。
【図１９】本発明の適用例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る機器寿命評価システムおよび機器寿命評価方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る機器寿命評価システムの第１実施形態を示す機能ブロック図である。
【００１４】
本実施形態の機器寿命評価システムＵは、例えばパーソナルコンピュータを用いて構成され、図１に示すように、演算部１、機器特性記憶部２、材料特性記憶部３、入力装置４および表示装置５を備える。
【００１５】
演算部１は、クリープ疲労損傷に基づく機器寿命評価処理を実行する。機器特性記憶部２および材料特性記憶部３は、演算部１で実行される機器寿命評価処理に必要な各種のデータを記憶するものであり、ハードディスクその他の記憶媒体を用いて構成される。入力装置４は、機器寿命評価処理に必要なデータの選択や入力などを支援するものであり、マウスやキーボードなどの操作デバイスを用いて構成される。表示装置５は、ユーザにより選択される各種の機器寿命評価処理の結果を表示する。
【００１６】
図２および図３は機器寿命評価システムＵの演算部１にて実行される機器寿命評価処理の流れを示すフローチャートである。
【００１７】
ステップＳ１０１は、機器寿命の評価対象となる対象機器を判別するステップである。対象機器は、原子力発電プラントに設けられる蒸気タービンなどであり、ユーザにより選択される。
【００１８】
ステップＳ１０２は、ステップＳ１０１で判別した対象機器に関わる機器特性データを機器特性記憶部２から取得するステップである。機器特性データは、例えば、機器寿命評価で対象とする対象部材の形状、対象部材の使用環境に関わる温度および圧力、回転数、機器の起動停止回数、連続運転時間などから構成される。なお、「回転数」は、発電プラントの蒸気タービンのように回転機構を有する場合に取得され、回転機構を有しない場合は取得されない。
【００１９】
ステップＳ１０３は、ステップＳ１０１で判別した対象機器に関わる材料特性データを材料特性記憶部３から取得するステップである。材料特性データは、例えば、繰り返し応力ひずみ特性やクリープ特性などから構成される。
【００２０】
ステップＳ１０４は、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３で取得した機器特性データおよび材料特性データに基づき、初回のＦＥＭ（有限要素法）解析を行うステップである。このＦＥＭ解析では、クリープ疲労損傷に非弾性変形を考慮すべく、弾塑性クリープ解析を実行する。
【００２１】
ステップＳ１０５は、ステップＳ１０４のＦＥＭ解析結果に基づき、対象機器の高応力部位および高ひずみ部位を抽出するステップである。
【００２２】
図４〜図６は機器寿命評価システムＵの演算部１にて実行される処理（ステップＳ１０５）の説明図であり、図４は対象機器の運転状態と負荷および応力とのタイミングチャート、図５は対象機器の各運転状態にて作用する負荷と応力の関係図、図６は対象機器の運転状態と相当非弾性ひずみとのタイミングチャートである。
【００２３】
図４および図５に示すように、対象機器の起動時（変動負荷時）には応力の上昇に伴ってひずみが大きくなり相当塑性ひずみ増分(Δεｐ)が現れる。対象機器が定常運転（定常負荷時）に入ると、例えば遠心力などの荷重は一定となり、応力が低下する一方でクリープ変形が進行し、相当クリープひずみ増分(Δεｃ)が現れる。そして、対象機器の停止時には、応力・ひずみは大きく低下していく。
【００２４】
一般に、機器の各負荷状態における塑性ひずみやクリープひずみはＦＥＭ解析で得ることができる。しかし、機器の注目する部材の形状が複雑であればあるほど、負荷態様も複雑となって高応力部位および高ひずみ部位を特定することが困難となる。そこで、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４のＦＥＭ解析で得られる相当非弾性ひずみが各負荷状態に対応して増加することに注目して高応力部位および高ひずみを得る。この方法を説明する。
【００２５】
対象機器の初回の起動時（変動負荷状態）には、応力増大に伴って塑性変形が進行することで相当非弾性ひずみが生じるため、これを対象機器の起動時および停止時の相当塑性ひずみ増分（Δεp）として算出する。対象機器が定常運転（定常負荷状態）に入ると、相当クリープひずみが生じるため、これを対象機器の定常運転時の相当クリープひずみ増分（Δεc）として算出する。なお、対象機器の停止時には、応力は低下するものの相当非弾性ひずみは常に正の値となり応力変化や時間経過とともに増加する量であるため、停止時であっても相当非弾性ひずみは増大する。また、その値は、起動時の値とほぼ同一となる。
【００２６】
次いで、対象機器の各運転履歴に対してＦＥＭ解析して得られた相当非弾性ひずみを用いてひずみ分布を算出する。そして、算出したひずみ分布に基づいて、対象機器の高応力部位および高ひずみ部位を抽出する。すなわち、相当非弾性ひずみに基づく相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）ならびに相当クリープひずみに基づく相当クリープひずみ増分（Δεｃ）のみを用いて、高応力部位および高ひずみ部位を抽出する。
【００２７】
ステップＳ１０６は、ステップＳ１０５で抽出した対象部材の高応力部位および高ひずみ部位を対象とし、負荷変化に基づく相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）および相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を算出するするステップである。ここで、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）は、起動停止時等における負荷変化時の熱応力、遠心力或いは圧力等によるひずみであり、相当クリープひずみ増分（Δεｃ）は、一定負荷時の熱応力、遠心力或いは圧力等によるひずみである。
【００２８】
ステップＳ１０７は、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０６の処理で用いた条件（機器特性データ、材料特性データ）と同一の条件で、対象機器の２回目以降の起動、定常運転および停止の運転履歴に対してＦＥＭ解析を実行するステップである。すなわち、このＦＥＭ解析は、２回目以降の運転履歴について、ステップＳ１０５で抽出した対象機器の高応力部位および高ひずみ部位を対象とし、変動負荷時の相当塑性ひずみ増分（Δεp）や定常負荷時の相当クリープひずみ変化（Δεc）を算出することを目的とする。
【００２９】
ステップＳ１０８は、ステップＳ１０７で算出した相当塑性ひずみ増分（Δεp）が規定幅よりも小さいか否か（Ｙｅｓ／Ｎｏ）を判定すると共に、ステップＳ１０７で算出した相当クリープひずみ増分（Δεc）が規定幅よりも小さいか否か（Ｙｅｓ／Ｎｏ）を判定するステップである。このステップＳ１０８で＜Ｎｏ＞と判定した場合は、ステップＳ１０７に移行し、対象機器の次回の起動、定常運転および停止の運転履歴に対してＦＥＭ解析を実行する。すなわち、ステップＳ１０７で＜Ｙｅｓ＞と判定するまで、ステップＳ１０７→ステップＳ１０８の処理を繰り返す。
【００３０】
図７および図８は機器寿命評価システムＵの演算部１にて実行される処理（ステップＳ１０８）の説明図であり、図７は対象機器の運転履歴初期の応力・ひずみの特性図、図８は対象機器の起動停止回数と相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）の関係図である。
【００３１】
一般に、対象機器の起動停止を繰り返していくと、図７に示すように、応力・ひずみの傾向は初回の起動時とは一致せず、僅かにずれていく特性を示す。かかる応力・ひずみ特性は、対象機器において高変形部位と低変形部位の混在およびその不連続性による。しかし、対象機器に対する負荷が繰り返されるにつれ、高変形部位と低変形部位の不連続性が縮小して応力・ひずみ特性はより安定性を増していく。
【００３２】
すなわち、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）は、図８に示すように、起動停止回数が増えるにつれて一定値に近づく特性がある。ステップＳ１０８は、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）が予め設定された規定幅に収まったことを指標として、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）が安定したと判定する。この規定幅は、例えば、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）の５％、というように設定する。
【００３３】
ステップＳ１０９は、ステップＳ１０８で＜Ｙｅｓ＞と判定した場合に実行し、対象機器の亀裂発生寿命（Ｎｆ１）を算出するステップである。亀裂発生寿命（Ｎｆ１）は、対象機器に亀裂が発生するまでの寿命（可能な起動停止回数）である。この亀裂発生寿命（Ｎｆ１）の算出はステップＳ１０８で安定（定常）となった相当塑性ひずみ増分（Δεp）と相当クリープひずみ増分（Δεc）の積或いは和を用いて行う。
【００３４】
図９〜図１３は機器寿命評価システムＵの演算部１にて実行される処理（ステップＳ１０９）の説明図である。
【００３５】
ステップＳ１０９では、以下に説明する材料固有の評価式１〜３の何れかを用いてクリープ損傷（φｃ）を算出する。
【００３６】
[評価式１]
機器の材料によっては、図９に示すよう、クリープ損傷（φｃ）を亀裂発生寿命（Ｎｃ）で除した値と、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）および相当クリープひずみ増分（Δεｃ）の積とが、リニアスケール上でほぼ直線関係となる場合がある。この場合、εｆ１を材料定数として、“Φc（Ｎｏ／Ｎｃ）＝Ｎｃ・Δεp・Δεｃ／εｆ１”というクリープ損傷の評価式を得ることができる。
【００３７】
[評価式２]
機器の材料によっては、図１０に示すよう、クリープ損傷（φｃ）を亀裂発生寿命（Ｎｃ）で除した値と、相当塑性ひずみ増分（Δεp）および相当クリープひずみ増分（Δεc）の和に直線関係が見られる場合がある。この場合、εｆ２を材料定数として、“Φｃ（Ｎｏ／Ｎｃ）＝Ｎｃ・(Δεp+Δεc)／εｆ２”というクリープ損傷の評価式を得ることができる。
【００３８】
[評価式３]
機器の材料によっては、図１１に示すよう、クリープ損傷（φｃ）を亀裂発生寿命（Ｎｃ）で除した値と、相当塑性ひずみ増分（Δε）と相当クリープひずみ増分（Δεc）の和が指数関係で表される場合がある。この場合、εｆ３を材料定数として、“φｃ（Ｎｏ／Ｎｃ）＝Ｎｃ・(Δεｐ+Δεｃ)ｍ／εｆ３”というクリープ損傷の評価式を得ることができる。
【００３９】
各材料定数εｆ１、εｆ１２、εｆ３は、クリープ延性量に関係した量であり、実験室系での試験結果から得ることができる。ステップＳ１０９のクリープ損傷（φｃ）の算出処理では、評価式１〜３の中から対象部材との関係で最も精度良く成立する評価式を例えば自動的に判別・選択して用いる。
【００４０】
また、ステップＳ１０９では、以下に説明する材料固有の評価式４を用いて疲労損傷（φｐ）を算出する。
【００４１】
[評価式４]
一般に、疲労損傷にあっては、図１２に示すよう、線形損傷則と同様に相当塑性ひずみ増分（Δεp）を基にした低サイクル疲労試験の評価式、すなわち、“Δεｐ＝Ｃ・Ｎｆｍ”によって評価する。この評価式を用いて、相当塑性ひずみ増分（Δεp）に対応する限界の起動停止回数の指標となる基準繰り返し数（Ｎｆ）を読み取り、読み取った基準繰り返し数（Ｎｆ）と起動停止回数（Ｎｏ）との比（Ｎｏ／Ｎｆ）を算出し、これを疲労損傷（φｆ）とする。
【００４２】
ステップＳ１１０は、ステップＳ１０９で算出したクリープ損傷（φｃ）および疲労損傷（φｐ）を用いて亀裂発生寿命（Ｎｆ１）が起動停止回数（Ｎｏ）よりも大きいか否か（Ｙｅｓ／Ｎｏ）を判定するステップである。
【００４３】
図１３は機器寿命評価システムＵの演算部１にて実行される処理（ステップＳ１１０）の説明図であり、クリープ損傷（φｃ）を横軸とし且つ疲労損傷（φｆ）を縦軸として、φｆ＋φｃ＝１を満たす直線を亀裂発生寿命領域と非亀裂発生寿命領域の境界線としたクリープ疲労損傷線テーブルである。
【００４４】
ステップＳ１１０では、評価式１〜３を用いて算出した現在のクリープ損傷（φｃ）と評価式４を用いて算出した疲労損傷（φｆ）を併せたクリープ疲労損傷をクリープ疲労損傷テーブルにプロットする。このとき、φｆ＋φｃ＞１の領域は亀裂発生寿命領域となり、φｆ＋φｃ＜１の領域は非亀裂発生寿命領域となる。そして、クリープ疲労損傷テーブルにおいて、プロットした現在のクリープ疲労損傷が、亀裂発生寿命領域に存在するか或いは非亀裂発生寿命領域に存在するかを判定する。
【００４５】
ステップＳ１１１は、ステップＳ１１０で＜Ｙｅｓ＞と判定した場合に実行し、対象機器の亀裂発生余寿命（Ｎｆ１−Ｎｏ）を算出するステップである。亀裂発生余寿命（Ｎｆ１−Ｎｏ）は、現在のクリープ損傷（φｃ）および疲労損傷（φｆ）から定まる１つのクリープ疲労損傷が、φｆ＋φｃ＝１を満たす境界線からどの程度離れているかの判定により算出される。
【００４６】
ステップＳ１１２は、ステップＳ１１０で＜Ｎｏ＞と判定した場合に実行し、対象機器の亀裂進展寿命（Ｎｆ２）を算出するステップである。亀裂進展寿命（Ｎｆ２）は、対象機器の注目する対象部材が破断するまでの寿命である。この亀裂進展寿命（Ｎｆ２）の算出は、ステップＳ１０７の処理で抽出された対象機器の高応力部位を対象として亀裂の長さの進展を解析する亀裂進展解析を用いて算出される。なお、亀裂進展解析は、亀裂長さ（ａ）、応力拡大係数（Δσ）やひずみ拡大係数（σｃ）などのパラメータを用いて行われる。
【００４７】
ステップＳ１１３は、ステップＳ１０９で算出した亀裂発生寿命（Ｎｆ１）とステップＳ１１２で算出した亀裂進展寿命（Ｎｆ２）との和（Ｎｆ１＋Ｎｆ２）が現在の起動停止回数（Ｎｏ）よりも大きいか否か（Ｙｅｓ／Ｎｏ）を判定するステップである。
【００４８】
ステップＳ１１４は、ステップＳ１１３で＜Ｙｅｓ＞と判定した場合に実行し、対象部材の亀裂進展余寿命（Ｎｆ１＋Ｎｆ２−Ｎｏ）を算出するステップである。亀裂進展余寿命（Ｎｆ１＋Ｎｆ２−Ｎｏ）は、対象部材が亀裂進展により破断することなく繰り返し可能な残りの起動停止回数である。
【００４９】
ステップＳ１１５は、ステップＳ１１４で＜Ｎｏ＞と判定した場合に実行し、対象機器の緊急停止を行うステップである。すなわち、対象機器の起動停止回数が亀裂発生寿命（Ｎｆ１）と亀裂進展寿命（Ｎｆ２）の和を既に超過している場合は、対象部材の破断がいつ生じてもおかしくない状態であるとして、対象機器を強制的に停止させる。
【００５０】
次に、機器寿命評価システムＵの効果を説明する。
【００５１】
クリープ損傷や疲労損傷は、いずれも機器寿命評価においては非常に重要な損傷現象であり、各損傷現象の重畳効果を考慮することができれば、過渡の安全側或いは危険側の評価とならないような高精度の機器寿命評価が可能になると考えられる。しかしながら、クリープ損傷と疲労損傷のメカニズムは異なることから、各損傷メカニズムの重畳効果を考慮することは困難であるとされてきた。そのため、従来の機器寿命評価技術では、線形損傷則に基づき、疲労損傷による機器寿命については起動停止の回数で評価し、クリープ損傷による機器寿命については機器の連続運転時間等を用いて評価するなどして、各損傷メカニズムごとに機器寿命評価を行っていた。すなわち、クリープ損傷と疲労損傷の各損傷メカニズムの重畳効果を十分に考慮したものとは言えず、機器寿命評価の精度が十分でないとされていた。
【００５２】
これに対し、機器寿命評価システムＵの演算部１は、機器の変動負荷状態で生じる相当非弾性ひずみの増加量に基づいて相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）を算出すると共に機器の定常負荷状態で生じる相当クリープひずみの増加量に基づいて相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を算出する処理（ステップＳ１０６、ステップＳ１０７）と、相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）を用いて疲労損傷（φｐ）を算出し且つ相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を用いてクリープ損傷（φｃ）を算出して、この疲労損傷（φｐ）とクリープ損傷（φｃ）との和から機器の寿命を評価する処理（ステップＳ１０９〜ステップＳ１０４）とを実行する（図１３参照）。このため、クリープ損傷および疲労損傷を一体的に取り扱うことで各損傷メカニズムの重畳効果を考慮でき、クリープ疲労損傷による機器寿命を高い精度で評価できる。
【００５３】
また、クリープ損傷（φｃ）は、予め用意される複数のクリープ損傷評価式（評価式１〜３）の中から、機器の寿命評価で対象とする部材材料との関係で最も精度の高い評価式を用いて算出される。このため、一層高い精度で機器寿命評価を行なえるようになる。
【００５４】
さらに、演算部１は、機器の各運転状態で算出した相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）および相当クリープひずみ増分（Δεｃ）が予め設定した規定幅に収まる場合を安定と判定し、安定な相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）および相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を用いて疲労損傷（φｐ）およびクリープ損傷（εｃ）を算出する。すなわち、実験室で行われる損傷過程初期の短期間にて取得した言わば不安定な試験データを用いて各損傷現象による機器寿命を判定するものではない。言い換えると、クリープ変形による損傷の分散等を十分に考慮できるため、高い精度で機器寿命評価を行なえるようになる。
【００５５】
そして、機器寿命評価システムＵにあっては、クリープ損傷（φｃ）を相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を用いて算出するため、線形損傷則に基づいてクリープ損傷を算出するために不可欠なクリープ破断特性のデータが不要となる。
【００５６】
（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態の機器寿命評価システムＵにおける演算部１にて実行される相当クリープひずみ増分（Δεｃ）ならびに相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）の算出処理を変更した例である。
【００５７】
図１４は相当クリープひずみ増分（Δεｃ）の算出処理の説明図である。
【００５８】
工程１：対象部材の材料に関わるクリープ破断特性（図１４（ａ）参照）を準備し、そのクリープ破断特性から対象機器の定常運転の初期応力（σｏ）に対する使用温度（Ｔ）でのクリープ破断時間（ｔｒ）を取得する。なお、クリープ破断時間（ｔｒ）は、温度（Ｔ）とクリープ破断時間（ｔｒ）との関係を表すラーソンミラーパラメータ“Ｐ＝Ｔ(Ｃ＋ｌｏｇｔｒ)”を用いて取得できる。なお、Ｃは、材料定数である。
【００５９】
工程２：工程１で取得したクリープ破断時間（ｔｒ）とクリープ変形の最小クリープ速度（εｍｉｎ）は、両対数線図上で傾きがほぼ−１となる関係（Ｍｏｎｋｍａｎ−Ｇｒａｎｔ則）があることが知られている（図１４（ｂ）参照）。そのため、この関係を用いて、初期応力（σｏ）の最小クリープ速度（εｍｉｎ）を取得する。
【００６０】
ここで、クリープひずみ（εｃ）は、最小クリープ速度（εｍｉｎ）と微小時間（Δt）の積として与えられる。最小クリープ速度（εｍｉｎ）は、ある材料が一定応力でクリープ変形する場合において最も変形速度が小さいときの変形速度である。
【００６１】
工程３：機器寿命評価システムＵにおける演算部１で相当クリープひずみ増分（Δεｃ）の算出処理を実行する。この計算は、予め設定した運転時間（ｔｒ）に到達するまで最小クリープ速度（εｍｉｎ）を計算時間（ｔ）で積分して行う。計算終了後の積分されたクリープひずみ（εｃ）は定常運転終了時の相当クリープひずみ増分（Δεｃ）となる。
【００６２】
ここで、相当クリープひずみ増分（Δεｃ）は最小クリープ速度（εｍｉｎ）を用いて算出されため、かかる相当クリープひずみ増分（Δεｃ）を用いた機器寿命の評価は危険側評価とみることができる。しかし、最小クリープ速度（εｍｉｎ）の変化が比較的小さくなる対象機器の定常運転状態を対象として機器寿命評価を行う場合にあっては、機器寿命評価の誤差を抑えることができる。
【００６３】
図１５は相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）の算出処理の説明図である。
【００６４】
通常は弾塑性解析により機器の起動停止時の応力ひずみ変化を得るが、弾性状態でのひずみしか得られない場合は、簡易的に図１５を用いて塑性状態でのひずみを得ることができる。すなわち、見かけ上、弾性解析で応力σeが降伏応力を越えた状態となった場合には、例えば、引張試験から得られる応力ひずみ曲線“ε・σ＝σｅ２ ／Ｅ”を用いて、その交点から塑性変形状態でのひずみ（ε）を得ることができる。得られた塑性変形状態のひずみ（ε）から弾性ひずみ成分を除くことにより、起動停止時の相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）を取得できる。機器寿命評価システムＵは、かかる方法により相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）を算出する。
【００６５】
（効果）
機器寿命評価システムＵによれば、相当クリープひずみ増分（Δεｃ）ならびに相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）を簡易な方法で算出でき、機器寿命評価を容易に行うことができる。
【００６６】
（第３実施形態）
図１６は本発明に係る機器寿命評価システムの第３実施形態を示すフローチャートである。本実施形態は、第１実施形態の機器寿命評価システムＵにおける演算部１にて実行される処理を追加した例である。
【００６７】
ステップＳ２０１は、ステップＳ１０８で＜Ｎｏ＞と判定した場合に実行し、対象部材の非弾性ひずみ（εie）を算出するステップである。
【００６８】
ステップＳ２０２は、ステップＳ２０１で算出した対象部材の非弾性ひずみ（εie）が破壊ひずみ（εｆ）よりも小さいか否か（Ｙｅｓ／Ｎｏ）を判定するステップである。このステップＳ２０２で＜Ｙｅｓ＞と判定した場合は、ステップＳ１０７に移行する。
【００６９】
ステップＳ２０３は、ステップＳ２０２で＜Ｎｏ＞と判定した場合に実行し、非弾性ひずみ（εie）による破壊現象に至るまでの破壊余寿命を算出するステップである。なお、他のステップは、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７０】
（効果）
一般に、非弾性ひずみ（εie）が蓄積して破壊現象に至ることは稀であるが、対象機器が高温に曝され且つ低応力の弾性変形部分がほとんど無いケースでは対象部材が延性破壊することがある。本実施形態の機器寿命評価システムＵにあっては、非弾性ひずみ（εie）を加味した機器寿命評価を行うことができるため、機器寿命評価の信頼性が高められる。
【００７１】
（第４実施形態）
図１７は本発明に係る機器寿命評価システムの第４実施形態の説明図である。この図１７は、図３のフローチャートにおけるステップＳ１０７で実行される繰り返しのＦＥＭ解析により、対象機器の高ひずみ部位が完全に弾性変形すると判断される場合における疲労損傷の算出例を説明するものである。
【００７２】
一般に、初期の負荷状態にて高ひずみが発生した部位であっても、繰り返しのＦＥＭ解析を行うにつれて相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）がゼロになる場合がある。これは繰り返しの塑性変形がまったく消滅し、弾性変形のみを繰り返す状態となったことを意味する。この状態では、第１実施形態で説明した評価式４によっては疲労損傷を算出できない。相当塑性ひずみ増分（Δεｐ）がゼロになる状態の疲労損傷は、先ず、対象機器の起動停止に伴う応力変化から平均応力（σｍ）と応力振幅（σａ）を算出する。
【００７３】
次に、この変動応力状態（平均応力（σｍ）と応力振幅（σａ）の関数）を、修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図上にプロットする（図１７（ｂ）参照）。この変動応力状態（σｍ,σａ）が縦軸の疲労限（σｗ）と横軸の引張強さ（σB）を結んだ限界線よりも下方に存在すれば、疲労破壊はないため疲労損傷を考慮する必要は無い。
【００７４】
一方、変動応力状態がその限界線よりも上方に存在すれば、横軸の引張強さ（σB）とプロットした点を結んで縦軸との交点を求める。この交点は、相当応力振幅（σｅｑ）と呼ばれるものであり、この相当応力振幅（σｅｑ）を用いて通常のＳＮ曲線から繰り返し数を読みとる。読み取った繰り返し数が疲労寿命（Ｎｆ）となる。そして、疲労寿命（Ｎｆ）と起動停止回数（Ｎｏ）との比をとって疲労損傷を求める。機器寿命評価システムＵは、かかる方法により弾性変形状態での疲労損傷を算出する。
【００７５】
（効果）
本実施形態の機器寿命評価システムＵにあっては、高ひずみ部位が完全に弾性変形状態となった場合でも疲労損傷を求めることができ、したがって、様々な機器使用条件で機器寿命評価を行えるようになる。
【００７６】
（第５実施形態）
図１８は本発明に係る機器寿命評価システムの第５実施形態の説明図である。この図１８は、機器の溶接部のように材料の強度特性が複雑に変化する場合における機器寿命評価の説明図である。
【００７７】
機器の溶接部は、溶着金属の他に溶接時の熱影響を受けた母材などが混ざって構成され、様々な材料特性が入り組んで構成されるのが通常である。このような溶接部を対象とした機器寿命評価を行うにあたって、溶接部を構成する全ての材料特性を個別に考慮して解析することは困難である。
【００７８】
そこで、溶接部を１つの材料ないし部位として捉える。そして、溶接部を対象に行った強度試験結果（強度特性）を用いて溶接部のどの部位にどの程度のひずみが発生するかを特定する。この特定は、母材の強度特性としての相当塑性ひずみ増分（Δεｏ）と溶接部の強度特性としての相当塑性ひずみ増分（Δε１）との比で定義されるひずみ集中係数を指標として行う（図１８参照）。機器寿命評価システムＵの演算部１は、かかる方法による機器寿命評価を行う。
【００７９】
（効果）
本実施形態の機器寿命評価システムＵにあっては、機器の溶接部などのように複雑な材料特性を持つ部位を対象とした機器寿命評価を容易に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る機器寿命評価システムは、機器の寿命評価を行うに止まらず、機器の新規設計或いは仕様変更への場面に適用できる。例えば、各実施形態の機器寿命評価システムを用いて評価した機器寿命が設計寿命を満足しない場合は、機器特性や材料特性を見直して設計寿命を満足する機器を設計する（図１９参照）。また、本発明に係る機器寿命評価システムは、ＦＥＭ解析を用いて機器の寿命評価を行うものであるため、設計段階の機器の部材形状、運転条件、材料特性などが分かれば、設計段階であっても寿命評価が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
Ｕ……機器寿命評価システム，  １……演算部，  ２……機器特性記憶部，  ３……材料特性記憶部，  ４……入力装置，  ５……表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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