(57)【要約】【課題】プラント運転中においてもエキスパンションのべローズ山部の肉厚と初期肉厚との肉厚比を測定可能とすることである。【解決手段】エキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０とエキスパンションのバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線を予め記憶装置１４に記憶しておき、バネ定数比算出手段１３は、エキスパンションのべローズ谷部に配置された歪みセンサ１１で検出したエキスパンションの軸方向または周方向の歪みと初期軸方向歪みまたは初期周方向歪みを用いて、バネ定数Ｋと初期バネ定数Ｋ０とのバネ定数比Ｋ／Ｋ０を算出し、肉厚比演算手段１５は、バネ定数比算出手段１３で算出されたバネ定数比Ｋ／Ｋ０及び記憶装置１４に記憶した関係曲線に基づいてエキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０を求め出力装置１６に出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エキスパンションのべローズ谷部に配置されエキスパンションの軸方向または周方向の歪みを検出する歪みセンサと、前記歪みセンサで検出された軸方向または周方向の歪み及び初期歪みを用いてバネ定数と初期バネ定数とのバネ定数比を算出するバネ定数比算出手段と、前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚と初期肉厚との肉厚比と前記エキスパンションのバネ定数比との関係曲線を予め記憶した記憶装置と、前記バネ定数比算出手段で算出されたバネ定数比及び前記記憶装置に記憶した関係曲線に基づいて前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚比を求める肉厚比演算手段と、前記肉厚比演算手段で求めた前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚比を出力する出力装置とを備えたことを特徴とするエキスパンションのべローズ肉厚測定装置。
【請求項２】
前記エキスパンションは、ボイラの排気ダクトに熱伸びを吸収するために取り付けられたものであることを特徴とする請求項１記載のエキスパンションのべローズ肉厚測定装置。
【請求項３】
前記歪みセンサは、前記エキスパンションのべローズの端部の谷部に配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のエキスパンションのべローズ肉厚測定装置。
【請求項４】
前記肉厚比演算手段で求めた前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚比が管理基準値を維持しているか否かを判定し、前記肉厚比が管理基準値を下回るときは警報を出力する肉厚比判定手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のエキスパンションのべローズ肉厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エキスパンションのべローズの肉厚を測定するエキスパンションのべローズ肉厚測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所などでは、例えば大量の高温ガス（排気ガス等）をダクトを通して移送している。このダクトにはダクト自体の温度上昇による熱伸びを吸収するためにエキスパンションが取り付けられている。エキスパンションは、通常、波形もしくは角形のべローズ状（アコーディオンのようなもの）に形成された一種のバネである。エキスパンションは保温材により覆われているが、雨水の浸入などによりベローズの山部で腐食減肉が発生することがある。この腐食状態を検査するには、対象箇所であるベローズの山部はプラント運転中は高温であるので、プラントの定期点検中に保温材を剥がして外観点検する方法が取られている。その場合、エキスパンションは大きなものでは外周２０ｍに達するものがあり、このようなエキスパンションの腐食状態を検査するには、足場の設置や保温材の剥がし等に大きなコストがかかる。
【０００３】
ここで、保温材により覆われている配管の肉厚を保温材を剥がすことなく測定できるようにした配管肉厚測定装置がある（例えば、特許文献１参照）。これは、配管温度に基づいて配管材のヤング率を求め、配管の内圧及び配管表面の歪みを検出し、配管材のヤング率、配管の内圧及び配管表面の歪みに基づいて配管の肉厚を求めるものである。
【特許文献１】特開２００８−１０７３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のものでは、保温材により覆われている配管の肉厚を保温材を剥がすことなくプラント運転中に測定できるが、ダクトの内圧は小さいために内圧によるダクト表面の歪みはかなり小さく、減肉によるダクト表面の歪み変化を検出することは困難である。
【０００５】
そこで、エキスパンションのベローズ山部の腐食検査は、プラントの定期点検中に行っているのが現状であり、もし、プラント運転中にエキスパンションからのガスリークが発生した場合は、緊急にプラントを停止して修理しなければならないことになる。
【０００６】
本発明の目的は、プラント運転中においてもエキスパンションのべローズ山部の肉厚と初期肉厚との肉厚比を測定できるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置は、エキスパンションのべローズ谷部に配置されエキスパンションの軸方向または周方向の歪みを検出する歪みセンサと、前記歪みセンサで検出された軸方向または周方向の歪み及び初期歪みを用いてバネ定数と初期バネ定数とのバネ定数比を算出するバネ定数比算出手段と、前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚と初期肉厚との肉厚比と前記エキスパンションのバネ定数比との関係曲線を予め記憶した記憶装置と、前記バネ定数比算出手段で算出されたバネ定数比及び前記記憶装置に記憶した関係曲線に基づいて前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚比を求める肉厚比演算手段と、前記肉厚比演算手段で求めた前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚比を出力する出力装置とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置は、請求項１の発明において、前記エキスパンションは、ボイラの排気ダクトに熱伸びを吸収するために取り付けられたものであることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置は、請求項１または請求項２の発明において、前記歪みセンサは、前記エキスパンションのべローズの端部の谷部に配置されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明において、前記肉厚比演算手段で求めた前記エキスパンションのべローズ山部の肉厚比が管理基準値を維持しているか否かを判定し、前記肉厚比が管理基準値を下回るときは警報を出力する肉厚比判定手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、予めエキスパンションのべローズ谷部に歪みセンサを設置し、その歪みセンサで検出した軸方向歪みまたは周方向の歪みに基づいて、エキスパンションのべローズ山部の肉厚比を求めるので、プラント運転中においてもべローズ山部の腐食検査を行うことができる。従って、エキスパンションのベローズに歪みセンサの設置後においては、べローズ山部の腐食検査を行うにあたって、足場の設置や保温材を取り外して目視検査する必要がなくなり、検査コストを下げることができる。
【００１２】
また、エキスパンションのべローズ山部の肉厚比が管理基準値を下回るときは必要に応じて警報を出力することができるので、エキスパンションの取替えの時期を適切に報知できる。また、歪みセンサはエキスパンションのべローズの端部の谷部に配置されるので、歪みセンサの配置を容易に行え、しかも腐食による脱落を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の実施の形態に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置の一例を示す構成図である。歪みセンサ１１は、エキスパンションの軸方向または周方向の歪みを検出するものであり、歪みセンサ１１で検出されたエキスパンションの軸方向歪みεｚや周方向の歪みεθは、演算装置１２のバネ定数比算出手段１３に入力される。
【００１４】
バネ定数比算出手段１３は、エキスパンションの軸方向歪みεｚまたは周方向の歪みεθと初期軸方向歪みεｚ０または初期周方向歪みεθ０を用いて、そのバネ定数Ｋと初期バネ定数Ｋ０とのバネ定数比Ｋ／Ｋ０を算出する。すなわち、バネ定数が歪みに比例する関係を利用して、エキスパンションの軸方向歪みεｚまたは周方向の歪みεθと初期軸方向歪みεｚ０または初期周方向歪みεθ０から歪み／初期歪みによって、バネ定数Ｋと初期バネ定数Ｋ０とのバネ定数比Ｋ／Ｋ０を算出する。詳細は後述する。
【００１５】
次に、記憶装置１４には、エキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０と、エキスパンションのバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線が予め記憶されている。この関係曲線については後述する。
【００１６】
肉厚比演算手段１５は、バネ定数比算出手段１３で算出されたバネ定数比Ｋ／Ｋ０及び記憶装置１４に記憶された肉厚比ｔ／ｔ０とバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線に基づいて、エキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０を求め、求めたエキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０を出力装置１６に出力するとともに記憶装置１４に記憶する。これにより、エキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０が分かるので、エキスパンションのべローズ山部の腐食状態を容易に把握できる。出力装置１６は表示装置や印刷装置等である。
【００１７】
図２はエキスパンションの説明図であり、図２（ａ）はボイラの排気ダクト１７にエキスパンションを取り付けた状態を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ部分の拡大図である。
【００１８】
ボイラの排気ダクト１７には、ボイラからの大量の高温ガス（排気ガス等）が移送されてくるので、この排気ダクト１７は温度上昇により熱伸びする。その熱伸びを吸収するために排気ダクト１７の間にエキスパンション１８が取り付けられている。エキスパンションは、図２（ａ）に示すように、波形もしくは角形のべローズ１９を有した一種のバネであり、図２（ｂ）に示すように、べローズ１９は、複数の山部１９ａ及び谷部１９ｂを有している。図２（ｂ）では、３個の山部１９ａと３個の谷部１９ｂを有している場合を示している。谷部１９ｂについては、ベローズ１９の両端部の谷部１９ｂ’は、それぞれ１／２個の谷部１９ｂとして扱い、ベローズ１９の両端部の谷部１９ｂ’で１個の谷部１９ｂとしてカウントする。
【００１９】
本発明の実施の形態では、歪みセンサ１１はエキスパンション１９のべローズ谷部１９ｂまたはベローズ端部の谷部１９ｂ’に配置する。エキスパンション１８は保温材により覆われて使用されるので、保温材で覆う前にエキスパンション１９のべローズ谷部１９ｂまたはベローズ端部の谷部１９ｂ’に歪みセンサ１１を配置する。
【００２０】
歪みセンサ１１をべローズ谷部１９ｂに配置するのは以下の理由による。本来的には、腐食減肉するべローズ山部１９ａに歪みセンサ１１を直接取り付けることが望ましいが、そうすると、べローズ山部１９ａが腐食環境であることから、歪みセンサ１１の設置後に歪みセンサ１１自身が外れる可能性がある。そこで、歪みセンサ１１のはずれを防止するために、べローズ谷部１９ｂまたはベローズ端部の谷部１９ｂ’に歪みセンサ１１を配置する。
【００２１】
また、歪みセンサ１１の取り付けの方向は、歪みが大きい軸方向（ガスの流れ方向）を基本とするが、歪みセンサ１１の取付箇所に曲率があり歪みセンサ１１の取り付けが困難な場合には周方向への取り付けも可である。
【００２２】
通常、プラント運転中は高温状態であるのでエキスパンション１８のべローズ１９は排気ダクト１７の熱膨張による伸びを吸収するために圧縮されている。そのときにべローズ谷部１９ｂの外側には圧縮応力が作用する。その応力σのために軸方向には圧縮歪みが発生し、周方向には引張り歪みが発生する。べローズ山部１９ａの腐食減肉が進行すると、排気ダクト１７の熱伸びによる圧縮方向変位一定のまま、べローズ１９の剛性が低下(バネ定数が低下）する。するとべローズ谷部１９ｂの外側の圧縮応力が低下し、軸方向圧縮歪みと周方向の引張り歪みとがそれぞれ低下する。この歪み変化を計測することで、べローズ１９の腐食減肉の程度を把握する。
【００２３】
次に、記憶装置１４に予め記憶されたエキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０と、エキスパンションのバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線について説明する。
【００２４】
図３はエキスパンションのベローズの動作説明図であり、図３（ａ）は排気ダクトに熱伸びが生じていない場合のベローズ状態図、図３（ｂ）は排気ダクトに熱伸びが生じている場合のベローズ状態図である。図３（ａ）において、山部１９ａも谷部１９ｂも一山としてカウントすると、図３（ａ）のエキスパンション１８のベローズ１９は６個の山を有していることになる。山と山とのピッチ（ベローズピッチの１／２）をｈ、ベローズ肉厚をｔ、ベローズ高さをＷとし、ベローズの縦弾性係数をＥ、ベローズの有効直径をＤｘとする。図３（ｂ）に示すように、エキスパンション１８のベローズ１９が軸方向に縮むとき、一山あたり(山と谷もそれぞれ一山とする)のバネ定数ｋは（１）式で与えられる。なお、図３（ｂ）のδは一山あたりの変位量である。
【数１】
2010025610.tif 000003
【００２５】
ここで、６個の山を有したベローズ１９（山と谷とがそれぞれ３個あるベローズ１９）で、山側のバネ定数をｋ１、谷側のバネ定数をｋ２とすると、エキスパンション１８のベローズ１９全体のバネ定数Ｋは（２）式で表される。
【数２】
2010025610.tif 000004
【００２６】
いま、ベローズ山部１９ａの腐食減肉が均等に進行して、その部分のベローズ肉厚ｔが初期肉厚ｔ０のａ倍｛ａ＝ｔ／ｔ０）＜１｝になり、一方、ベローズ谷部１９ｂのベローズ肉厚ｔは初期肉厚ｔ０のままであったとすると、（１）式より分かるようにバネ定数ｋはベローズ肉厚ｔの３乗に比例することから、山側のバネ定数をｋ１は（３）式で示される。
【数３】
2010025610.tif 000005
【００２７】
この（３）式を（２）式に代入すると、ベローズ山部１９ａに腐食減肉が均等に進行している場合のエキスパンション１８のベローズ１９全体のバネ定数Ｋが得られる。これを（４）式に示す。
【数４】
2010025610.tif 000006
【００２８】
一方、エキスパンション１８のベローズ１９全体の初期バネ定数Ｋ０は、ベローズ山部１９ａの一山のバネ定数ｋ１とベローズ谷部１９ｂの一山のバネ定数ｋ２とが等しい（ｋ１＝ｋ２）ときである。（２）式にｋ１＝ｋ２を代入し、エキスパンション１８のベローズ１９全体の初期バネ定数Ｋ０は、（５）式で示される。
【数５】
2010025610.tif 000007
【００２９】
この（５）式を（４）式に代入すると、（６）式に示すように、エキスパンション１８のベローズ１９全体のバネ定数Ｋとその初期バネ定数Ｋ０とのバネ定数比Ｋ／Ｋ０が得られる。
【数６】
2010025610.tif 000008
【００３０】
この（６）式の変数ａはベローズ山部の肉厚比（ａ＝ｔ／ｔ０）であるので、（６）式は、エキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０とエキスパンションのバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線を表している。
【００３１】
図４は、エキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０とエキスパンションのバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線のグラフである。このグラフから分かるように、肉厚比ｔ／ｔ０が５０％でバネ定数比Ｋ／Ｋ０は約２０％になる。肉厚比ｔ／ｔ０が２０％でバネ定数比Ｋ／Ｋ０は約２％に低下する。
【００３２】
この場合、べローズ谷部１９ｂの圧縮応力もそれぞれ初期応力の２０％、２％になり、それに伴い軸方向歪みεｚ及び周方向歪みεθはそれぞれ初期歪みの２０％、２％となる。すなわち、軸方向歪みεｚ／εｚ0及び周方向歪みεθ／εθ0はバネ定数比Ｋ／Ｋ０と等しいので、歪みセンサ１１で軸方向歪みεｚ及び周方向歪みεθを検出し、初期軸方向歪みεｚ０または初期周方向歪みεθ０を用いて、バネ定数比算出手段１３でバネ定数比Ｋ／Ｋ０を算出することになる。
【００３３】
次に、歪みセンサ１１で検出する歪みの感度が腐食減肉による歪み変化を捉えるのに適しているかどうかの検証について説明する。
【００３４】
エキスパンション１８のベローズ１９が軸方向に縮むとき、ベローズ山部１９ａの頂部またはベローズ谷部１９ｂの底部で軸方向応力σが最大になる。このときの軸方向応力σは（７）式で示される。
【数７】
2010025610.tif 000009
【００３５】
ただし、σ：軸方向応力（Ｎ／ｍｍ２）、E：縦弾性係数（Ｎ／ｍｍ２）、ｔ：べローズ肉厚（ｍｍ）、δ：ひと山あたり(山と谷もそれぞれひと山とカウントする)の変位量（ｍｍ）、ｈ：べローズピッチの１／２、Ｗ：べローズ高さ（ｍｍ）である。
【００３６】
この（７）式から分かるように、ベローズ谷部１９ｂの底部での軸方向応力σは、変位量δやベローズ肉厚ｔを変数とする関数で示される。変位量δはべローズ山部１９ａの腐食減肉が進行した状態であっても一定であるので、軸方向応力σは、ベローズ肉厚ｔの関数で示されることになる。つまり、ベローズが減肉しベローズ肉厚ｔが小さくなると軸方向応力σが小さくなり、（１）式よりバネ定数ｋも小さくなる。
【００３７】
いま、図３に示すように、一山が６つあるエキスパンション１８のベローズ１９を想定する。代表的なサイズとして、ｔ=２．３mm、δ＝５mm、ｈ＝３７．５mm、W＝１２０mm、E＝２０．５×１０４（Ｎ／ｍｍ２）とし、（７）式に代入すると、軸方向応力σの値は、σ≒４４［ｋｇｆ／ｍｍ２］となる。
【００３８】
軸方向歪みεＺはεＺ=σ／Eであるので、εＺ＝−２１００μＳＴ（−は圧縮を意味する）となり、周方向歪みεθはポアソン比ν（＝０．３）を用いてεθ＝νσ／Eで表させるので、εθ＝６３０μＳＴとなる。つまり、初期軸方向歪みが２１００μＳＴ、初期周方向歪みが６３０μＳＴとなる。例えば、残存肉厚が２０％となった時、バネ定数は約２％になり、歪みも初期歪みに対して２％となる。この時の減肉による歪み変化は歪みセンサの精度１μST〜２μSTを大きく上回ることになり、十分に検知可能であることが検証できる。
【００３９】
次に、図５は本発明の実施の形態に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置の他の一例を示す構成図である。この一例は、図１に示したものに対し、肉厚比演算手段１５で求めたエキスパンション１８のべローズ山部１９ａの肉厚比ｔ／ｔ０が管理基準値を維持しているか否かを判定する肉厚比判定手段２０と、肉厚比判定手段２０により肉厚比ｔ／ｔ０が管理基準値を下回ると判定されたとき警報を出力する警報装置２１とを追加して設けたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４０】
肉厚比判定手段２０は、肉厚比演算手段１５で求めたエキスパンションのべローズ山部１９ａの肉厚比ｔ／ｔ０を入力し、その肉厚比ｔ／ｔ０と管理基準値とを比較する。そして、べローズ山部１９ａの肉厚比ｔ／ｔ０が管理基準値を下回るときは警報装置２１に警報を出力するとともに記憶装置１４に警報状態であることを記憶する。これにより、エキスパンションからのガスリークが発生する前に警報状態を放置できるので安全性が向上する。
【００４１】
本発明の実施の形態によれば、エキスパンション１８のべローズ山部１９ａの肉厚ｔと初期肉厚ｔ０との肉厚比ｔ／ｔ０と、エキスパンション１８のバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線を予め記憶装置１４に記憶しておき、エキスパンション１８のべローズ谷部１９ｂに歪みセンサ１１を設置し、その歪みセンサ１１で検出した軸方向の歪みεｚまたは周方向の歪みεθと初期軸方向歪みεｚ０または初期周方向歪みεθ０を用いて、バネ定数Ｋと初期バネ定数Ｋ０とのバネ定数比Ｋ／Ｋ０を算出し、記憶装置１４に記憶している関係曲線からエキスパンション１８のべローズ山部１９ａの肉厚比ｔ／ｔ０を求めるので、歪みセンサ１１の設置後においては、足場の設置や保温材を取り外して目視検査する必要がなくなり、検査コストを下げることができる。
【００４２】
また、プラント運転中の検査も可能となり、エキスパンション１８のべローズ山部１９ａの肉厚比ｔ／ｔ０が管理基準値を下回るときは警報を出力することができるので、エキスパンション１８の取替えの時期をこれまでよりも正確に知ることができる。従って、過剰な取り替えやプラントの緊急停止を減少させることが可能となる。また、歪みセンサ１１はエキスパンション１８のべローズ１９の端部の谷部１９ｂ’に配置されるので、歪みセンサ１１の配置を容易に行え、しかも腐食による脱落を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置の一例を示す構成図。
【図２】本発明の実施の形態におけるエキスパンションの説明図。
【図３】本発明の実施の形態におけるエキスパンションのベローズの動作説明図。
【図４】本発明の実施の形態におけるエキスパンションのべローズ山部の肉厚比ｔ／ｔ０とエキスパンションのバネ定数比Ｋ／Ｋ０との関係曲線のグラフ。
【図５】本発明の実施の形態に係わるエキスパンションのべローズ肉厚測定装置の他の一例を示す構成図。
【符号の説明】
【００４４】
１１…歪みセンサ、１２…演算装置、１３…バネ定数比算出手段、１４…記憶装置、１５…肉厚比演算手段、１６…出力装置、１７…排気ダクト、１８…エキスパンション、１９…ベローズ、２０…肉厚比判定手段、２１…警報装置
【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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