(57)【要約】【課題】構造物の寿命を容易かつ精度よく推定する。【解決手段】情報処理装置１００が、構造物の所定部位に負荷を与えた場合のクリープ損傷率を、構造物の表面に設定した複数の第１要素、及び構造物の内部に設定した複数の第２要素について夫々求め、第１要素のうち、クリープ損傷率が所定の閾値を超える隣接する一群の第１要素を特定することにより表面に生じる第１の亀裂の長さを求め、第２要素のうちクリープ損傷率が所定の閾値を超える隣接する一群の第２要素を特定することにより構造物の厚み方向に生じる第２の亀裂の長さを求め、第２の亀裂の長さを構造物の余裕肉厚で除した値を寿命比として求め、第１の亀裂の長さと寿命比との関係を出力する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の寿命を推定する方法であって、
情報処理装置が、
構造物の所定部位に負荷を与えた場合のクリープ損傷率を、前記構造物の表面に設定した複数の第１要素、及び前記構造物の内部に設定した複数の第２要素について夫々求め、
前記第１要素のうち、前記クリープ損傷率が所定の閾値を超える隣接する一群の前記第１要素を特定することにより前記表面に生じる第１の亀裂の長さを求め、
前記第２要素のうち前記クリープ損傷率が前記所定の閾値を超える隣接する一群の前記第２要素を特定することにより前記構造物の厚み方向に生じる第２の亀裂の長さを求め、
前記第２の亀裂の長さを前記構造物の余裕肉厚で除した値を寿命比として求め、
前記第１の亀裂の長さと、前記寿命比との関係を出力する
ことを特徴とする構造物の寿命を推定する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の配管の寿命を推定する方法であって、
前記第１要素及び前記第２要素のうち少なくともいずれかは、前記構造物の前記所定部位に前記負荷を与えた場合の塑性ひずみが最大となる要素である
ことを特徴とする構造物の寿命を推定する方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の配管の寿命を推定する方法であって、
前記構造物は、溶接部を有する配管であり、
前記情報処理装置は、
前記第１の亀裂の長さとして、前記配管の横断面のうち前記溶接部における断面の円周方向に発生する亀裂の長さを求め、
前記第２の亀裂の長さとして、前記断面の径方向に発生する亀裂の長さを求める
ことを特徴とする構造物の寿命を推定する方法。
【請求項４】
請求項３に記載の配管の寿命を推定する方法であって、
前記情報処理装置は、
前記第１の亀裂の長さを前記配管の円周長で規格化した値と、前記寿命比との関係を出力する
ことを特徴とする構造物の寿命を推定する方法。
【請求項５】
構造物の所定部位に負荷を与えた場合のクリープ損傷率を、前記構造物の表面に設定した複数の第１要素、及び前記構造物の内部に設定した複数の第２要素について夫々求めるクリープ損傷率算出部と、
前記第１要素のうち、前記クリープ損傷率が所定の閾値を超える隣接する一群の前記第１要素を特定することにより前記表面に生じる第１の亀裂の長さを求め、前記第２要素のうち前記クリープ損傷率が前記所定の閾値を超える隣接する一群の前記第２要素を特定することにより前記構造物の厚み方向に生じる第２の亀裂の長さを求める亀裂長さ算出部と、
前記第２の亀裂の長さを前記構造物の余裕肉厚で除した値を寿命比として求める寿命比算出部と、
前記第１の亀裂の長さと、前記寿命比との関係を出力する結果出力部と、
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、構造物の寿命を推定する方法、及び情報処理装置に関し、特に構造物の寿命を推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、高温下での応力負荷の影響を受けやすいボイラ管寄の損傷評価方法として、運転時のボイラ管寄スタッブ管台の溶接部での曲げ応力を算出し、曲げ応力と内圧応力との和をピーク応力として、材料の応力緩和曲線を作成し、応力緩和曲線から各ボイラ管寄スタッブ管台のクリープ損傷比率を算出し、非破壊試験等の実測結果を基準に、クリープ損傷比率から診断個所以外のボイラ管寄スタッブ管台の修正クリープ損傷比率を算出することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２１８１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし特許文献１に開示されている技術は現在の損傷状態を評価するものであり、将来における亀裂の発生時期を予測することは難しい。また火力発電所などにおいて定期検査時に行われているＭＴ検査（磁粉探傷検査）も現在の亀裂の状態を確認する方法に過ぎず、将来の亀裂の発生時期の予測に用いることはできない。
【０００５】
一方、クリープ疲労試験等、実機の使用条件を再現する試験を行って亀裂の発生時期を予測することも考えられる。しかし例えばボイラの管寄スタブ部溶接部のように、実機の耐用時間が長い場合は、予測に多大な時間を要することになる。
【０００６】
また破壊力学に基づく亀裂進展解析により亀裂の発生時期を予測することも考えられる。しかし亀裂進展解析は、亀裂が既に発生していることを前提としてその亀裂の進展速度を予測するものであり、将来における亀裂の発生タイミングの予測には不向きである。
【０００７】
本発明はこのような背景に鑑みてなされたもので、構造物の寿命を容易かつ精度よく推定することが可能な構造物の寿命を推定する方法、及び情報処理装置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】
上記目的を達成するための本発明の一つは、構造物の寿命を推定する方法であって、情報処理装置が、構造物の所定部位に負荷を与えた場合のクリープ損傷率を、前記構造物の表面に設定した複数の第１要素、及び前記構造物の内部に設定した複数の第２要素について夫々求め、前記第１要素のうち、前記クリープ損傷率が所定の閾値を超える隣接する一群の前記第１要素を特定することにより前記表面に生じる第１の亀裂の長さを求め、前記第２要素のうち前記クリープ損傷率が前記所定の閾値を超える隣接する一群の前記第２要素を特定することにより前記構造物の厚み方向に生じる第２の亀裂の長さを求め、前記第２の亀裂の長さを前記構造物の余裕肉厚で除した値を寿命比として求め、前記第１の亀裂の長さと前記寿命比との関係を出力することとする。
【０００９】
本発明によれば、構造物の表面に生じる亀裂の長さと、構造物の厚み方向に生じる亀裂の長さを構造物の余裕肉厚で除した値である寿命比との関係が得られるので、作業者等は、この関係と構造物の表面に現在生じている亀裂の長さの測定結果とを比較することで、その構造物の寿命を容易かつ精度よく推定することができる。
【００１０】
本発明の他の一つは、前記第１要素及び前記第２要素のうち少なくともいずれかは、前記構造物の前記所定部位に前記負荷を与えた場合の塑性ひずみが最大となる要素であることとする。
【００１１】
本発明の他の一つは、上記構造物の寿命を推定する方法であって、前記構造物は、溶接部を有する配管であり、前記情報処理装置は、前記第１の亀裂の長さとして、前記配管の横断面のうち前記溶接部における断面の円周方向に発生する亀裂の長さを求め、前記第２の亀裂の長さとして、前記断面の径方向に発生する亀裂の長さを求めることとする。
【００１２】
本発明の他の一つは、上記構造物の寿命を推定する方法であって、情報処理装置は、第１の亀裂の長さを配管の円周長で規格化した値と、前記寿命比との関係を出力することとする。
【００１３】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、構造物の寿命を容易かつ精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】予測システムを構成する情報処理装置１００のハードウエア構成である。
【図２】情報処理装置１００が備える主な機能を説明する図である。
【図３】予測システムにより寿命を推定しようとする配管構造１０を説明する図である。
【図４】配管構造モデル４０をＸＹＺ軸の正方向から眺めた断面斜視図である。
【図５】配管構造モデル４０をＸＹ軸正方向かつＺ軸負方向から眺めた断面斜視図である。
【図６】配管６０と台座５０との接合部付近をＸＹ平面で切断した断面図である。
【図７】シミュレーションに際し配管構造モデル４０に与えた負荷を示す図である。
【図８】シミュレーションに使用したパラメータの詳細である。
【図９】シミュレーションに使用したパラメータの詳細である。
【図１０】シミュレーションに際して情報処理装置１００が行う処理を説明するフローチャートである。
【図１１】溶接部６２近傍の斜視図である。
【図１２】応力の軸方向（Ｙ軸負方向）成分の大きさの分布を示す図である。
【図１３】応力の軸方向（Ｙ軸負方向）成分の大きさの分布を示す図である。
【図１４】配管６０と台座５０との接合部付近をＸＹＺ軸の正方向から眺めた拡大斜視図である。
【図１５】損傷評価面の模式図である。
【図１６】Ｓ１００１で特定した塑性ひずみが最大となった要素について、Ｓ１００４の処理を８０サイクルまで繰り返した場合におけるクリープ損傷率の一例を示す図である。
【図１７】情報処理装置１００の出力の一例である。
【図１８】配管６０及び治具７０のヤング率及びポアソン比を説明する図である。
【図１９】配管６０の弾塑性を説明する図である。
【図２０】配管６０のクリープ特性を説明する図である。
【図２１】配管６０が受ける真応力σと、塑性ひずみεＰとの関係を示す図である。
【図２２】配管６０への応力とクリープひずみ速度との関係を示す図である。
【図２３】ラーソンミラーパラメータと応力との関係を示す図である。
【図２４】最小クリープ速度ｄε／ｄｔとクリープ破断時間Ｔｒとの関係を示す図である。
【図２５】有効クリープ延性ｄε／ｄｔ・Ｔｒと応力σとの関係を示す図である。
【図２６】シミュレーションの結果とクリープ疲労試験の結果との比較を示す図である。
【図２７】シミュレーションの結果とクリープ疲労試験の結果との比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の一実施形態として説明する構造物寿命予測システム（以下、予測システムと称する。）は、情報処理装置に入力された構造物の情報（例えば、寸法や素材等のデータ）に基づき、当該構造物の所定部位に負荷を与えた場合における構造物の状態を有限要素法（ Finite Element Method）により解析し、構造物の寿命を予測するものである。
【００１７】
図１に予測システムを構成する情報処理装置１００のハードウエア構成を示す。情報処理装置１００は、中央処理装置１１１、主記憶装置１１２（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等）、外部記憶装置１１３（ハードディスクやＳＳＤ等）、入力装置１１４（タッチパネルやマウス等）、及び表示装置１１５（液晶ディスプレイ等）を備える。
【００１８】
図２に情報処理装置１００が備える主な機能を示す。情報処理装置１００は、クリープ損傷率算出部１３１、亀裂長さ算出部１３２、寿命比算出部１３３、及び結果出力部１３４の各機能を備える。これらの機能は、情報処理装置１００のハードウエアによって、もしくは、情報処理装置１００の中央処理装置１１１が、主記憶装置１１２又は外部記憶装置１１３に格納されているプログラムを読み出して実行することにより実現される。
【００１９】
同図に示す機能のうち、クリープ損傷率算出部１３１は、構造物の所定部位に負荷を与えた場合のクリープ損傷率を、構造物の表面に設定した複数の要素（以下、第１要素と称する。）、及び構造物の内部に設定した複数の要素（以下、第２要素と称する。）の夫々について求める。
【００２０】
亀裂長さ算出部１３２は、クリープ損傷率算出部１３１が求めた第１要素のうち、クリープ損傷率が所定の閾値を超えている隣接する一群の第１要素を特定することにより、表面に生じる亀裂の長さ（以下、第１亀裂長さと称する。）を求める。また亀裂長さ算出部１３２は、クリープ損傷率算出部１３１が求めた第２要素のうち、クリープ損傷率が所定の閾値を超えている隣接する一群の第２要素を特定することにより、構造物の厚み方向に生じる亀裂の長さ（以下、第２亀裂長さと称する。）を求める。
【００２１】
寿命比算出部１３３は、第２亀裂長さを構造物の余裕肉厚で除した値（以下、寿命比と称する。）を求める。尚、この寿命比は構造物の寿命を表すパラメータであり、例えば、寿命比が１（１００％）となった時点が寿命到達時とされる。
【００２２】
結果出力部１３４は、クリープ損傷率算出部１３１が求めた第１亀裂長さと、寿命比算出部１３３が求めた寿命比との関係を出力する。
【００２３】
図３は、予測システムにより寿命を推定しようとする構造物の一例として示す配管構造１０を説明する図である。この配管構造１０は、火力発電所におけるボイラ管スタブ溶接部周辺の構造であり、管寄２０、この管寄２０に溶接された複数のボイラ管３０を含む。
ボイラ管３０の溶接止端部３５には、例えば、ボイラ装置（不図示）の起動及び停止に伴い発生する応力５０によって生じる亀裂３６が発生する。
【００２４】
亀裂３６は、例えば表面付近から発生し、ボイラ管３０の径方向に進展していく。尚、亀裂３６の進展速度（ボイラ管３０の寿命）は、例えばボイラユニットの運転モード（起動停止の回数）によって変化する。
【００２５】
図４及び図５は、図３に示した亀裂３６の進展を解析すべく予測システムに設定（入力）した配管構造１０のモデル（以下、配管構造モデル４０と称する。）である。図４は配管構造モデル４０をＸＹＺ軸の正方向から眺めた断面斜視図、図５は配管構造モデル４０をＸＹ軸正方向かつＺ軸負方向から眺めた断面斜視図である。これらの図に示しているように、配管構造モデル４０は、Ｙ軸方向をその長手方向とする略直方体形状の台座部５０と、台座部５０との溶接部６２を有する配管６０と、配管６０を固定する略直方体形状の治具７０とを有する。
【００２６】
図４に示すように、台座部５０は略直方体状であり、各辺の長さは、夫々、１２０．０ｍｍ（Ｙ軸方向）、５０．０ｍｍ（Ｘ軸方向）、６０．０ｍｍ（Ｚ軸方向）である。
【００２７】
また治具７０は略直方体状であり、各辺の長さは夫々、８０．０ｍｍ（Ｙ軸方向）、３０．０ｍｍ（Ｘ軸方向）である。
【００２８】
略円筒状の配管６０の外径は５０．８ｍｍ、内径は３７．８ｍｍである。台座部５０と治具７０の対向する面（側面５１と側面７１）は平行であり、面間の距離は１５０．０ｍｍである。
【００２９】
図６は、配管６０と台座５０との接合部付近をＸＹ平面で切断した断面図である。同図に示すように、溶接止端部のＸＹ平面による切断面の曲率半径Ｒは２ｍｍである。
【００３０】
図７に、シミュレーションに際して配管構造モデル４０に与えた負荷の方向を示す。同図に示すように、負荷は治具７０の上面からＹ軸負方向に与えた。
【００３１】
図８及び図９に、シミュレーションに際して設定した各種パラメータの詳細を示す。図９に示すように配管６０の温度は摂氏５５０℃とした。負荷は繰り返し印加した（負荷が印加される時間（保持時間）＝１０ｈ，周波数（保持時間を除く）＝０．０３Ｈｚ）。尚、負荷を印加した際の配管６０の変位は約１．４ｍｍであった。
【００３２】
図１０はシミュレーションに際して情報処理装置１００が行う処理を説明するフローチャートである。以下、同図とともに説明する。
【００３３】
同図に示すように、まず情報処理装置１００は、繰り返し配管６０に負荷を与えた場合に配管構造モデル４０の各要素に生じる塑性ひずみを求め、塑性ひずみが最大となる要素を特定する（Ｓ１００１）。
【００３４】
図１１に配管構造モデル４０の溶接部近傍の斜視図を示している。この例では、情報処理装置１００は、符号１１０で示す要素を塑性ひずみが最大となる要素として特定する。また図１２に、配管６０に２０サイクル目の負荷を与えた時点（変位を１．４ｍｍに上昇させた時点）における応力の軸方向（Ｘ軸正方向）成分の大きさ（ＭＰａ）の分布（配管構造モデル４０における分布）を、図１３に、さらにその後１０時間変位を保持した時点における応力の軸方向（Ｘ軸正方向）成分の大きさ（ＭＰａ）の分布（配管構造モデル４０における分布）を、夫々示す。
【００３５】
図１０に戻り、続いて情報処理装置１００は、塑性ひずみが最大となった要素を通る、配管構造モデル４０のＹＺ平面に平行な面（以下、損傷評価面と称する。）を特定する（Ｓ１００２）。
【００３６】
図１４は配管６０と台座５０との接合部付近をＸＹＺ軸の正方向から眺めた拡大斜視図である。情報処理装置１００は、例えば、配管構造モデル４０を符号１４０で示す要素（図１１の要素１１０と同じ）を通るＹＺ平面に平行な面で切断した面を、損傷評価面として特定する。
【００３７】
図１５は損傷評価面を模式的に示した図である。同図に示すように、損傷評価面は、円周方向に連なる第１要素（１８要素）と、径方向に連なる第２要素（１６個）とを含む。
【００３８】
図１０に戻り、続いて情報処理装置１００は、配管６０に負荷を与えた場合における、損傷評価面の第１要素の夫々のクリープ損傷率、及び損傷評価面の第２要素の夫々のクリープ損傷率を求める（Ｓ１００３）。
【００３９】
続いて情報処理装置１００は、さらに１サイクルの負荷を配管６０に与えた場合における損傷評価面の第１要素の夫々のクリープ損傷率、及び損傷評価面の第２要素の夫々のクリープ損傷率を求める。
【００４０】
また情報処理装置１００は、求めたクリープ損傷率が１以上となった一群の第１要素を特定し、特定した一群の第１要素に基づき第１亀裂長さを求める（Ｓ１００４）。具体的には、情報処理装置１００は、クリープ損傷率が１以上となった第１要素が連なる部分を特定し、その部分の長さを第１亀裂長さとする。
【００４１】
また情報処理装置１００は、求めたクリープ損傷率が１以上となった一群の第２要素を特定し、特定した一群の第２要素に基づき第２亀裂長さを求める（Ｓ１００４）。具体的には、情報処理装置１００は、クリープ損傷率が１以上となった第２要素が連なる部分を特定し、その部分の長さを第２亀裂長さとする。
【００４２】
尚、情報処理装置１００は、Ｓ１００４の処理を、所定の回数、繰り返し実行する（Ｓ１００５：ＮＯ）。
【００４３】
図１６にＳ１００１で特定した塑性ひずみが最大となった要素についてＳ１００４の処理を８０サイクルまで繰り返した場合におけるクリープ損傷率の一例を示す。
【００４４】
図１０に戻り、続いて情報処理装置１００は、Ｓ１００４の処理で求めた第２亀裂長さに基づき配管６０の寿命比を求める（Ｓ１００６）。
【００４５】
情報処理装置１００は、Ｓ１００４の処理で求めた第１亀裂長さと寿命比との関係を出力する（Ｓ１００７）。具体的には、情報処理装置１００は、図１７に示すように、横軸を寿命比（％）とし、第１亀裂長さを配管６０の円周長で除した（規格化した）値（以下、亀裂長さ比と称する。）を縦軸とした図を出力する。
【００４６】
作業者は、実機の配管６０の亀裂長さ比（図１７の縦軸の値）を測定し、同図から対応する横軸の値（寿命比）を読み取る。
【００４７】
＜シミュレーションに用いた材料の特性＞
図１８は配管６０及び治具７０のヤング率及びポアソン比である。配管６０は１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼（ＪＩＳ相当  ＳＴＢＡ２２）とし、ヤング率は１５６．１（Ｇｐａ）、ポアソン比νは０．３５３とした。治具７０は１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼とし、ヤング率は２０４（ＧＰａ）、ポアソン比νは０．３とした。
【００４８】
図１９に配管６０の弾塑性を示す。配管６０の降伏応力σは２７２．９（ＭＰａ）とし、加工硬化係数Ｈは８６５０（ＭＰａ）とした。
【００４９】
図２０に配管６０のクリープ特性を示す。クリープ特性を表すパラメータＣは１．７６２×１０−１７とし、パラメータｎは５．３６２とし、クリープ構成則はｄｅｃｒ／ｄｔ＝Ｃｓｎ（ｄｅｃｒ／ｄｔはクリープひずみ速度、ｓは応力）とした。
【００５０】
図２１に、シミュレーションに用いた、配管６０が受ける真応力σ（ＭＰａ）と塑性ひずみεＰ（ｍｍ／ｍｍ）との関係を示す。また図２２に、シミュレーションに用いた、クリープ構成則に基づく配管６０への応力（ＭＰａ）とクリープひずみ速度（１／ｈ）との関係を示す。
【００５１】
＜クリープ損傷率について＞
シミュレーションにおいて、クリープ損傷率ｄｃは、次式から求めた。
2014098584.tif 000003
【００５２】
ここでＮｆは破損繰り返し数（配管６０が破損するまでのサイクル数）、ｔＨは１サイクルあたりの変形時間、ｅｃはクリープひずみ、εｆは有効クリープ延性、εｓは最小クリープ速度、ｔｔはクリープ破断時間（配管６０が破断するまでの時間）である。
【００５３】
図２３乃至図２５にクリープ損傷率ｄｃの算出に用いたデータを示す。図２３は、ラーソンミラー（Larson-Miller）パラメータＬＭＰ（Ｋ or ＭＰａ）（ＬＭＰ＝Ｔ×（Ｃ＋ｌｏｇ（Ｔｒ））。Ｃは定数（１９．５９）、Ｔは温度（５５０＋２７３．１５（Ｋ））、Ｔｒはクリープ破断時間（ｈ）である。）と応力σ（ＭＰａ）の関係である。図２４は最小クリープ速度ｄε／ｄｔ（１／ｈｒ）とクリープ破断時間Ｔｒ（ｈｒ）との関係、図２５は有効クリープ延性ｄε／ｄｔ・Ｔｒ（ｍｍ／ｍｍ）と応力σ（ＭＰａ）との関係である。
【００５４】
＜実測値との比較＞
図２６及び図２７に、予測システムによるシミュレーションの結果と、実際に行ったクリープ疲労試験の結果とを比較したグラフを示す。このうち図２６は、第１亀裂長さ（横軸）と第２亀裂長さ（縦軸）との関係について両者を比較した結果である。図２７は、寿命比（横軸）と亀裂長さ比（縦軸）との関係について両者を比較した結果である。これらの図から、予測システムによるシミュレーションによって実測値と遜色ない結果が得られることがわかる。
【００５５】
以上に説明したように、本実施形態の情報処理装置１００によれば、構造物の表面に生じる亀裂の長さと、構造物の厚み方向に生じる亀裂の長さを構造物の余裕肉厚で除した値である寿命比との関係が得られるので、作業者等は、この関係と構造物の表面に現在生じている亀裂の長さの測定結果とを比較することで、構造物の寿命を容易かつ精度よく推定することができる。
【００５６】
尚、以上に説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００５７】
１  構造物寿命推定システム
１０  配管構造
２０  管寄
３０  ボイラ管
３５  溶接止端部
６０  配管
１００  情報処理装置
１３１  クリープ損傷率算出部
１３２  亀裂長さ算出部
１３３  寿命比算出部
１３４  結果出力部
【図１】
2014098584.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2014098584.tif 000018
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図４】
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【図５】
2014098584.tif 000023
【図６】
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【図７】
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【図１１】
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【図１２】
2014098584.tif 000027
【図１３】
2014098584.tif 000028
【図１４】
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【図２４】
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