(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温配管の応力測定方法であって、
前記高温配管上の複数の測定点に対して、表面に格子パターンを付した測定部材を取り付ける第一ステップと、
前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が初期温度の状態にて行う第二ステップと、
前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が初期温度より高い高温状態で行う第三ステップと、
前記第二ステップと前記第三ステップで撮影した各格子パターンの画像データから、サンプリングモアレ法を用いて、配管温度変化に伴う各測定点の変位量を決定する第四ステップと、
前記第四ステップにて決定した各測定点の変位量に基づいて、前記高温状態における前記高温配管の応力分布を決定する第五ステップと、を含むことを特徴とする高温配管の応力測定方法。
【請求項２】
高温配管の応力測定方法であって、
前記高温配管上の複数の測定点に対して、表面に格子パターンを付した測定部材を取り付ける第一ステップと、
前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が初期温度の状態にて行う第二ステップと、
前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が前記初期温度から温度上昇する過程で一定時間おきに行う第三ステップと、
前記第二ステップと前記第三ステップで撮影した各格子パターンの画像データから、サンプリングモアレ法を用いて、配管温度上昇過程における各時点について、前記各測定点の変位量を決定する第四ステップと、
前記第四ステップにて決定した各測定点の変位量に基づいて、温度上昇過程における各時点の高温配管の応力分布を決定する第五ステップと、を含むことを特徴とする高温配管の応力測定方法。
【請求項３】
前記測定部材として、裏面に段差を持ち、前記高温配管の外周面に複数点で当接するマグネット板を使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高温配管の応力測定方法。
【請求項４】
高温配管の応力測定に使用される測定部材であって、
表面に格子パターンを付すと共に、裏面に段差を持ち、前記高温配管の外周面に複数点で当接するマグネット板からなることを特徴とする測定部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温配管の応力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、火力発電プラントでは、ボイラで加熱した高温高圧の蒸気を配管を利用してタービンに送っている。この種の高温で使用される配管は金属製であり、熱伸び・収縮を起こす。現状では、高温配管を支持する吊り装置にばね式のものを使用しているほか、配管に曲げ部を設けて高温配管の熱伸び・収縮を逃がすことで、応力を分散させている。
また、下記特許文献１には、サンプリングモアレ法を用いて構造物の変位量を測定する提案がされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６４８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来では、熱伸び・収縮量を設計時に計算で求めてあるが、実機配管の熱伸び・収縮量や応力分布が計算値通りであるか検証されていない。高温配管の寿命の消費や継手からの蒸気漏れを防ぐには、高温配管の応力を管理することが必要であり、高温配管の応力分布を測定する方法を確立することが求められていた。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、高温配管の応力測定を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、高温配管の応力測定方法であって、前記高温配管上の複数の測定点に対して、表面に格子パターンを付した測定部材を取り付ける第一ステップと、前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が初期温度の状態にて行う第二ステップと、前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が初期温度より高い高温状態で行う第三ステップと、前記第二ステップと前記第三ステップで撮影した各格子パターンの画像データから、サンプリングモアレ法を用いて、配管温度変化に伴う各測定点の変位量を決定する第四ステップと、前記第四ステップにて決定した各測定点の変位量に基づいて、前記高温状態における前記高温配管の応力分布を決定する第五ステップと、を含むところに特徴を有する。この発明によれば、高温配管の応力分布を測定することが可能である。
【０００６】
本発明は、高温配管の応力測定方法であって、前記高温配管上の複数の測定点に対して、表面に格子パターンを付した測定部材を取り付ける第一ステップと、前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が初期温度の状態にて行う第二ステップと、前記高温配管上の複数の測定点に取り付けた前記各測定部材の格子パターンを一又は複数のカメラにより同時撮影する処理を、前記高温配管が前記初期温度から温度上昇する過程で一定時間おきに行う第三ステップと、前記第二ステップと前記第三ステップで撮影した各格子パターンの画像データから、サンプリングモアレ法を用いて、配管温度上昇過程における各時点について、前記各測定点の変位量を決定する第四ステップと、前記第四ステップにて決定した各測定点の変位量に基づいて、温度上昇過程における各時点の高温配管の応力分布を決定する第五ステップと、を含むところに特徴を有する。この発明によれば、温度上昇過程における各時刻の高温配管の応力分布を測定することが可能である。
【０００７】
この発明の実施態様として、以下の構成とすることが好ましい。
・前記測定部材として、裏面に段差を持ち前記高温配管の外周面に複数点で当接するマグネット板を使用する。このようにすれば、高温配管に対して取り付けたマグネット板の姿勢を安定させることが可能であり、高温配管における各測定点の変位量を正確に計測できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高温配管の応力分布を測定することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１においてサンプリングモアレ法の測定原理を示す図
【図２】同じく測定原理を示す図
【図３】火力発電プラントの概略図
【図４】高温配管の拡大図
【図５】マグネット板の斜視図
【図６】高温配管５にマグネット板を取り付けた状態を示す断面図
【図７】高温配管５にマグネット板を取り付けた状態を示す斜視図
【図８】高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を示す図
【図９】実施形態２において発電機出力と配管温度の相関を示す図
【図１０】撮影時刻Ｔ１における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を示す図
【図１１】撮影時刻Ｔ５における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を示す図
【図１２】撮影時刻Ｔ１０における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図８を参照して説明する。
１．サンプリングモアレ法（位相シフトモアレ法）
サンプリングモアレ法は、格子パターンの微小な変位がモアレパターンの変位に拡大して現れることを利用して、構造物の微小な変位量を測定するものである。以下、サンプリングモアレ法による変位量の測定原理を、一次元の変位量を例にとって説明する。
【００１１】
格子パターンは黒と白の縞模様のパターンであり、格子パターンを画像処理することにより、モアレパターンが得られる。例えば、図１の（ａ）に示すように、縞模様がＸ方向に繰り返された一次元格子パターン５０をデジタルカメラ２０で撮影すると、図１の（ｂ）に示す画像が得られる。尚、図１の（ｂ）に示す小さな格子はカメラ２０の１画素を示している。
【００１２】
そして、得られた一次元格子パターン５０の画像から、図１の（ｃ）に示すように、例えば４画素ごとに画素を間引いて、間引いた画素間を濃度が連続的に変化するように補間すると、図１の（ｄ）に示すように、モアレパターン６０が現れる。
【００１３】
モアレパターン６０の周期は、一次元格子パターン５０の周期に比べて長い。そして、図２に示すように一次元格子パターン５０のＸ方向の変位量が「δ１」であったとすると、モアレパターン６０のＸ方向の変位量は「δ２」となり、一次元格子パターン５０の微小な変位量がモアレパターン６０に拡大して現れる。そして、「δ１」と「δ２」は、次の（１）式の関係となる。
【００１４】
δ１＝δ２（Ｐｓ／Ｐｍ）・・・・・（１）式
Ｐｓは、一次元格子パターン５０のピッチ（１周期の長さ）である。また、Ｐｍは、モアレパターンのピッチ（１周期の長さ）である。
【００１５】
そのため、測定対象物に予め格子パターン５０を付しておいて、モアレパターン６０の変化量を調べることにより、上記（１）式から、測定対象物の変位量を計測出来る。
【００１６】
尚、格子パターン５０の繰り返しピッチＬ１に対して画素の間引き間隔Ｌ２を出来る限り近く設定することが好ましい。というのも、Ｌ１をＬ２に近くすると、測定対象物の変位量の測定誤差を小さくなるからである。また、Ｌ１とＬ２の大小関係を、Ｌ１＞Ｌ２に設定すると、測定対象物の変位に対してモアレパターンの変位が逆方向になり、Ｌ２＞Ｌ１に設定すると、測定対象物の変位に対してモアレパターンの変位が同方向になることが知られている。
【００１７】
また、上記では、１次元格子パターン５０を例にとって説明したが、格子パターンを二次元に拡張すると、測定対象物の２次元変位量（Ｘ方向とＹ方向の変位量）が計測出来る。
２．測定対象物の構造説明
火力発電プラントＵはボイラ３、高温配管５、タービン７、発電機９などを備え、ボイラ１で加熱した高温・高圧の蒸気を、高温配管５を介してタービン７に送って発電機９により発電するものである。
【００１８】
上記高温配管５は、外径が１ｍ程度の大型管であり、ＳＢ４２などの炭素鋼よりなる。高温配管５は、ばね式の吊り装置により吊られた状態で支持されている。また、高温配管５は、フランジ６間にパッキンを介挿させることで、継手部分における気密を確保する構成となっている。係る高温配管５は、発電機９の出力が０％〜１００％まで変化するとき、配管温度（表面温度）が初期温度（約２０℃）〜約２８０℃に上昇する。そのため、熱伸びが生じ、高温配管５の各部に応力が発生する。
【００１９】
本実施形態では、図３に示すＡ部の高温配管５を測定対象として温度変化に伴う高温配管５の応力分布を測定する。尚、Ａ部の高温配管５は、図４に示すように、高温配管５Ａと高温配管５Ｂを直線状の高温配管５Ｃで連結した構造となっており、その全長は、概ね１０ｍ程度である。尚、各高温配管５Ａ、５Ｂ、５Ｃはパッキンを介挿させたフランジ６により結合されている。
【００２０】
３．高温配管５に格子パターン１２を取り付けるためのマグネット板１０の構造説明
マグネット板１０（本発明の「測定部材」に相当）は、フェライトを焼結したものであり、概ね１００ｍｍ程度の正方形をしている。図５に示すように、マグネット板１０の表面には、２次元格子パターン１２が印刷されている。二次元格子パターン１２は白色と黒色とを交互に繰り返す縞模様をＸ方向、Ｙ方向の２方向に形成したものである。
【００２１】
また、マグネット板１０の裏面であって、図５に示す右手前側の縁部には段差部１５が形成されている。段差部１５はマグネット板１０の裏面に小マグネット板を重ねたものであり、マグネット板１０の全長に渡っている。このような段差部１５を設けることで、図６に示すように、測定対象である高温配管５に対してマグネット板１０を取り付けた時に、マグネット板１０を高温配管５の外周面に２点当たりさせることが可能となる。
【００２２】
４．高温配管５の応力測定方法
応力測定方法は、以下に説明する第一ステップから第五ステップの５つのステップから構成されている。尚、測定開始前の状態において火力発電プラントＵは停止状態（発電機出力は０％）にあり、高温配管５の配管温度は初期温度（約２０度）であるとする。
【００２３】
まず、第一ステップでは、高温配管５上の複数の測定点Ｐに対して、格子パターン１２を印刷した表面を上に向けて、マグネット板１０を取り付ける作業が行われる。図４に示すように、測定点Ｐは、高温配管５Ａ〜５Ｃの全体（配管外周面やフランジ外周面など）に概ね均等に設定してあるので、この実施形態では、図７に示すように、高温配管５Ａ〜５Ｃの全体にマグネット板１０を取り付ける必要がある。
【００２４】
続く、第二ステップでは、高温配管５が初期温度である状態にて、高温配管５の各測定点Ｐに取り付けたマグネット板１０の格子パターン１２を、カメラ２０により、Ｚ方向（Ｘ−Ｙ平面に直交する方向）から同時撮影する撮影処理が行われる。図７に示すように、この実施形態では、測定エリアを３つに分割して各エリアごとにカメラ２０を設置しており、３台のカメラ２０Ａ〜２０Ｃを使用して、高温配管５の各測定点Ｐに取り付けたマグネット板１０の格子パターン１２を、分担して同時撮影する。
【００２５】
尚、この例では、測定点Ｐの個数を概ね１５０程度に設定してあり、１台のカメラ２０で概ね５０個程度のマグネット板１０を撮影するようになっている。
【００２６】
続く、第三ステップは、火力発電プラントＵの運転開始後に行われる。具体的に説明すると、運転開始後、発電機出力は上昇し、やがて１００％になり、高温配管５の配管温度は約２８０℃（蒸気温は３００℃）の高温状態となる。第三ステップでは、配管温度が約２８０℃の高温状態になった時点で、高温配管５の各測定点Ｐに取り付けたマグネット板１０の格子パターン１２を、３台のカメラ２０によって、Ｚ方向（Ｘ−Ｙ平面に直交する方向）から同時撮影する。
【００２７】
次に、第四ステップでは、第二ステップと第三ステップで撮影した各格子パターン１２の画像データから、サンプリングモアレ法を用いて、各測定点ＰのＸ方向の変位量と、Ｙ方向の変位量を決定する。
【００２８】
例えば、図７に示すカメラ２０Ｃの正面に位置する測定点Ｐ１のＸ方向の変位量であれば、測定点Ｐ１に取り付けたマグネット板１０の格子パターン１２の画像データから初期温度におけるＸ方向のモアレパターンと、高温状態におけるＸ方向のモアレパターンをまず生成する。
【００２９】
次に、両モアレパターンを比較してモアレパターンのＸ方向の変位量を計測する。これにより、計測したＸ方向のモアレパターンの変位量から、測定点Ｐ１のＸ方向の変位量を、上記（１）式を使って求めることが可能である。また、同様にして、Ｙ方向のモアレパターンの変位量から測定点Ｐ１のＹ方向の変位量を、上記（１）式を使って求めることが出来る。
【００３０】
次に、第五ステップでは、第四ステップにて決定した各測定点Ｐの変位量に基づいて、高温配管５の連続体モデルを生成する。具体的には、逆問題解析（解析には有限要素法を用いる）を、コンピュータを用いて行って、各測定点Ｐに対応する連続体モデルの節点（連続体モデルを各要素に分割した時の節点）の変位量が、第四ステップで算出した変位量に概ね一致するように、各節点の変位量、各節点に加わる力が決定される。これにより、第四ステップで求めた変位量を模擬した高温配管５の連続体モデルが生成される。
【００３１】
この連続体モデルを生成することで、同時に高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの変位量（連続体としての変位量）と、高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布が得られる。というのも、各節点の変位量を積み上げることで、高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの変位量（連続体としての変位量）を求めることが可能であり、各節点に加わる力が、高温状態における高温配管５の応力であるからである。そして、この実施形態では、図８に示すように、解析結果である高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を色の変化で表示することとしている。図８の例であれば、高温配管５Ａ〜５ＢのコーナのＢ部〜Ｄ部に引っ張り方向の応力が作用していることが見てとれる。
【００３２】
尚、有限要素法とは、数値解析の手法のうち、対象を微小で単純な要素の集合体とみなして、各要素に分割して要素ごとの解析を行い、全体の挙動の近似値を求める手法のことである。
【００３３】
５．効果説明
以上説明したように、本実施形態では、高温配管５の応力分布が測定出来る。よって、実測値に基づく高温配管５の応力管理が可能となり、継手からの蒸気漏れを未然に防止することや、高温配管５の劣化を抑制して寿命を伸ばすことが可能となる。
【００３４】
例えば、蒸気漏れについて言えば、引っ張り方向の応力が作用している場所は、パッキンが緩み易く、蒸気漏れを起こしやすい。従って、引っ張り方向の応力が働いていて蒸気漏れが起き易い、と判断される箇所が発見された場合には、当該部分のフランジ６を強く締めてパッキンが緩まないようにしたり、また、吊り装置による高温配管５の吊り構造を見直して、応力の分散化を図ることで、蒸気漏洩を未然に防止出来る。
【００３５】
また、本実施形態では、マグネット板１０の裏面に段差を設けて、高温配管５の外周面にマグネット板１０が複数点で当接するようにしてある。このようにすれば、高温配管５に対して取り付けたマグネット板１０の姿勢を安定させることが可能であり、高温配管５における各測定点Ｐの変位量を正確に計測できる。
【００３６】
＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２を図９ないし図１２によって説明する。実施形態１では、高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を測定した例を示した。実施形態２では、配管温度が初期温度から最高温度に到達する過程における、各時刻（時点）の高温配管５の応力分布を測定するものである。
【００３７】
具体的に説明すると、実施形態２の応力測定方法は、実施形態１と同様に、第一ステップから第五ステップの５つのステップから構成されている。
【００３８】
まず、第一ステップでは、実施形態１と同様に、高温配管５Ａ〜５Ｃ上の複数の測定点Ｐに対して、格子パターン１２を印刷した表面を上に向けて、マグネット板１０を取り付ける作業を行う。
【００３９】
続く、第二ステップでは、高温配管５が初期温度（一例として約２０度）である撮影時刻Ｔ０にて、高温配管５Ａ〜５Ｃの各測定点Ｐに取り付けたマグネット板１０の格子パターン１２を、３台のカメラ２０により同時撮影する。
【００４０】
続く、第三ステップでは、発電機出力が上昇を開始してから一定時間おきに、高温配管５Ａ〜５Ｃの各測定点Ｐに取り付けたマグネット板１０の格子パターン１２を、３台のカメラ２０により同時撮影する。図９に示すように、発電機９の出力と配管温度には関係性がある。そのため、発電機出力が上昇を開始してから一定時間おきに撮影を行うことで、高温配管５Ａ〜５Ｃが初期温度から温度上昇する過程の格子パターン１２の画像データが得られる。
【００４１】
尚、図９のＴ１〜Ｔ１３は撮影時刻を示しており、この例では、発電機出力が上昇を開始してから１００％に達するまでの間に、高温配管５Ａ〜５Ｃの各測定点Ｐに取り付けたマグネット板１０の格子パターン１２を１３回撮影した。
【００４２】
続く、第四ステップでは、第二ステップと第三ステップで撮影した各格子パターン１２の画像データから、各撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３について、各測定点ＰのＸ方向の変位量とＹ方向の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて決定する。
【００４３】
例えば、撮影時刻Ｔ３について各測定点ＰのＸ方向の変位量と、Ｙ方向の変位量を決定する場合には、撮影時刻Ｔ０において撮影した格子パターン１２の画像データと、撮影時刻Ｔ３において撮影した格子パターン１２の画像データから、各測定点ＰについてＸ方向、Ｙ方向のモアレパターンの変位量をそれぞれ求め、求めたモアレパターンの変位量から各測定点ＰのＸ方向の変位量とＹ方向の変位量を、上記（１）式を用いて、決定すればよい。
【００４４】
もしくは、撮影時刻Ｔ０において撮影した格子パターン１２の画像データと、撮影時刻Ｔ１において撮影した格子パターン１２の画像データから、各測定点ＰについてＸ方向、Ｙ方向のモアレパターンの変位量をそれぞれ求め、次に、撮影時刻Ｔ１において撮影した格子パターン１２の画像データと、撮影時刻Ｔ２において撮影した格子パターン１２の画像データから、各測定点ＰについてＸ方向、Ｙ方向のモアレパターンの変位量をそれぞれ求めることを順次繰り返したうえで、それらを積算することでＸ方向の変位量とＹ方向の変位量を、上記（１）式を用いて、決定してもよい。
【００４５】
続く、第五ステップでは、第四ステップで決定した各撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３における各測定点ＰのＸ方向の変位量とＹ方向の変位量から、各撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３における高温配管５の連続体モデルを、有限要素法を用いて生成する。そして、各撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３における連続体モデルを生成することで、同時に各撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３における高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの変位量（連続体としての変位量）と、各撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３における高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布が得られる。
【００４６】
尚、各撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３における高温状態における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布の例として、図１０に撮影時刻Ｔ１における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を示し、図１１に撮影時刻Ｔ５における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を示し、図１２に撮影時刻Ｔ１０における高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を示した。
【００４７】
以上説明したように、実施形態２では、配管温度が初期温度から最高温度に到達する過程における各時点（撮影時刻Ｔ１〜Ｔ１３）の高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布を測定できる。そのため、温度上昇過程において、高温配管５Ａ〜５Ｂの応力分布がどのように変化するかを知ることが出来る
【００４８】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４９】
（１）実施形態１、２では、高温配管５の一例としてボイラとタービンとの間を連結する蒸気配管を例示したが、内部の流体により温度変化が生じる配管であればよく、例えば、ＬＮＧなどの配管の応力測定にも使用できる。
【００５０】
（２）実施形態１、２では、高温配管５に取り付けた複数のマグネット板を３台のカメラにより分担して撮影した例を示したが、撮影対象のマグネット板１０が１台のカメラ視野に収まれば、撮影を１台のカメラで行うことも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
５...高温配管
６...フランジ
１０...マグネット板（本発明の「測定部材」に相当）
２０（２０Ａ〜２０Ｃの総称）...カメラ
【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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