(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法において、  運転時の上記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、上記曲げ応力と内圧応力との和をピーク応力として、当該材料の応力緩和曲線を作成し、上記応力緩和曲線から上記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、非破壊試験または破壊試験の実測結果を基準に、上記クリープ損傷比率から診断個所以外の上記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を特徴とするボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法。
【請求項２】
ボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法において、
運転時の上記ボイラ管寄スタッブ管台の溶接部での曲げ応力を、上記ボイラ管寄スタッブ管台の管寄中央からの距離、上記管台溶接部と天井壁までの管長さ、上記天井壁貫通部の拘束状態および上記管寄と上記天井壁の温度差をパラメータとして算出し、
算出した上記曲げ応力と内圧応力との和をピーク応力として、当該材料の応力緩和データから応力緩和曲線を作成し、
上記応力緩和曲線を微小時間Δｔに分割し、上記Δｔ間の平均応力から、当該材料のクリープ破断データを用いてクリープ損傷率を求め、上記クリープ損傷率を全時間にわたって総和し、上記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、
非破壊試験または破壊試験の実測による一箇所以上の上記ボイラ管寄スタッブ管台のクリープ損傷評価結果を基準に、上記クリープ損傷比率から診断個所以外の上記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を特徴とするボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法。
【請求項３】
最終的に算出した上記ボイラ管寄スタッブ管台の上記修正クリープ損傷比率を損傷の程度に応じて複数のレベルに階層分けし、上記各ボイラ管寄スタッブ管台の配置を示す図に上記修正クリープ損傷比率を色分けして表示することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法。
【請求項４】
上記応力緩和データおよび材料のクリープ破断データをデータベース化し、自動的に呼込む機能を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電用ボイラの材料損傷状態の評価方法に係わり、特にボイラ管寄スタッブ管台の溶接部のクリープ損傷に関し、ボイラ管寄スタッブ管台全数の損傷度合いを評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電用ボイラは多数の伝熱管を有しており、伝熱管を加熱することにより水を蒸気に変えて高温・高圧の蒸気をタービンに送っている。これらの伝熱管を集合させている管寄は厚肉耐圧部であり、破損した場合には重大な事故になり、取替工事も大掛かりなものになることから、予防保全上、重要な評価部位の一つである。
【０００３】
一つの管寄には数百本の伝熱管が接続されており、管寄としての弱点部位は伝熱管と管寄の接続部である。図５にボイラ管寄スタッブ管台の正面図（ａ）および側面図（ｂ）を示す。図に示すように、管寄スタッブ管台３、４、５は、一端は管寄１に溶接で接続され、他端は天井壁２を貫通している。溶接部６には、通常の内圧による応力の他に、運転中の管寄１と天井壁２との温度差に起因して管寄軸方向に曲げ応力が発生する。曲げ応力は高温であるため時間と共に緩和するが、応力緩和中にクリープ損傷が蓄積し、他の部位と比較してクリープ損傷が大きくなる。従って長時間運転後には管寄スタッブ管台３、４、５の溶接部６にはキャビティ等の欠陥が生じ、これが更に亀裂として進展すると最終的にはリークに至ることになる。
【０００４】
このような管寄スタッブ管台３、４、５のクリープ損傷状態については検査を定期的に行い、必要に応じて補修や取替等の対策を実施することにより、安定したボイラプラントの運営が可能になる。この場合、管寄スタッブ管台３、４、５の損傷状態の評価技術が重要であり、評価方法としては応力解析による方法と非破壊または破壊試験による方法がある。
【０００５】
まず応力解析による方法では伝熱管（管寄スタッブ管台）の仕様、寸法、管寄１から天井壁２までの距離Ｌ等の構造データと運転時の管寄１と天井壁２の温度差等の運転データから溶接部６に作用する応力を算出し、材料のクリープ破断データを基に損傷状態の評価を行う。
【０００６】
次に非破壊試験による方法は種々のものが提案されているが、現状ではレプリカ法によるキャビティ観察が主流である。レプリカ法は評価の対象とする部位を研磨・エッチングすることにより現出させた金属組織をレプリカ膜に写し取り、観察する方法で、キャビティの生成量等で損傷状態の評価を行う。
【０００７】
次に破壊試験による方法は、対象とする部位からサンプルを採取し、実際にクリープ破断試験を行うことにより損傷状態の評価を行う。
【０００８】
しかしながら上記の各方法では、一つの管寄１あたり数百本の管寄スタッブ管台全数の損傷状態を評価するのは困難である。すなわち応力解析による方法では、損傷状態の評価に使用するクリープ破断データ等の材料データや運転、構造データのばらつきから正確な評価が困難なことが多い。また、非破壊試験による方法や破壊試験による方法では、時間、コスト、作業面での制約から評価できる個所には限界がある。
【０００９】
このため、現状は応力解析による方法は使用されておらず、管寄１の端部、中央部及びその中間部（管寄１／４の個所）等の部位について数個所の管寄スタッブ管台に限定した非破壊試験による方法による評価が主に実施されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術で示したように、現状はボイラ管寄スタッブ管台全数の損傷状態の評価は行われておらず、管寄１あたり数百本ある管寄スタッブ管台３、４、５の損傷度の分布状態を知ることができない。したがって、一部の評価結果において部分的に損傷度が大きく、取替が必要となった場合に評価個所を増やして非破壊診断で評価しなおすか、あるいは応力解析を実施して取替範囲を特定する必要がある。
【００１１】
本発明は、上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、実際に対象とする部位からのレプリカまたはサンプルの抽出を行う非破壊試験等による評価個所数は最少限として、全数の管寄スタッブ管台のクリープ損傷状態の評価が行えるボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法を提供することを目的としている。
【００１２】
また、上記クリープ損傷状態の分布を容易に把握できるボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する為、本発明においては、ボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法において、運転時の上記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、上記曲げ応力と内圧応力との和をピーク応力として、当該材料の応力緩和曲線を作成し、上記応力緩和曲線から上記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、非破壊試験または破壊試験の実測結果を基準に、上記クリープ損傷比率から診断個所以外の上記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。
【００１４】
また、運転時の上記ボイラ管寄スタッブ管台の溶接部での曲げ応力を、上記ボイラ管寄スタッブ管台の管寄中央からの距離、上記管台溶接部と天井壁までの管長さ、上記天井壁貫通部の拘束状態および上記管寄と上記天井壁の温度差をパラメータとして算出し、上記算出した曲げ応力と内圧応力との和をピーク応力として、当該材料の応力緩和データから応力緩和曲線を作成し、上記応力緩和曲線を微小時間Δｔに分割し、上記Δｔ間の平均応力から、当該材料のクリープ破断データを用いてクリープ損傷率を求め、上記クリープ損傷率を全時間にわたって総和し、上記ボイラ管寄スタッブ管台の各スタッブ管台のクリープ損傷比率を算出し、さらに、非破壊試験または破壊試験の実測による一箇所以上の上記ボイラ管寄スタッブ管台のクリープ損傷評価結果を基準に、上記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。
【００１５】
また、最終的に算出した上記ボイラ管寄スタッブ管台の上記修正クリープ損傷比率を損傷の程度に応じて複数のレベルに階層分けし、上記各ボイラ管寄スタッブ管台の配置を示す図に上記修正クリープ損傷比率を色分けして表示する。
【００１６】
また、上記応力緩和データおよび材料のクリープ破断データをデータベース化し、自動的に呼込む機能を持たせる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
管寄スタッブ管台の損傷は、クリープと共に疲労が重畳し、更にボイラによっては管寄軸方向に温度分布があるなど、複雑な要因により引き起こされる。従って、応力解析による方法だけでは、これらの条件を考慮することが困難であり、クリープ破断データ等の材料データや運転、構造データのばらつきから管寄スタッブ管台全数についての正確な値は算出できないのが現状である。しかしながら、応力解析で算出した各管寄スタッブ管台のクリープ損傷比率については、発明者等の研究調査によれば実際の物と比較して妥当な比率を得ることができた。非破壊や破壊試験による方法は実際に損傷状態を評価しており、正確な評価ができる。本発明は両者の利点を生かしたものであり、まず応力解析で各管寄スタッブ管の損傷比率（φｏ）を求め、次に一箇所以上の非破壊または破壊試験の結果から診断個所以外の管寄スタップ管台の修正クリープ損傷比率（φｃ）を算出するようにしたものである。
【００１８】
なお、ボイラの起動停止回数が多くなれば、繰返しの曲げ応力が作用するために低サイクル疲労損傷の評価をする必要が生じるが、発明者等の研究調査によれば起動停止回数が２０００回以下の程度であれば低サイクル疲労による損傷は非常に少なく、問題とはならないことから現在運転されているボイラにおいてはほとんどの場合、クリープ損傷だけを考慮すれば良い。
【００１９】
具体的には次のような方法で評価する。
【００２０】
まず、応力解析により全ての管寄スタッブ管台に対して、使用材料のクリープ損傷率を計算する。すなわち、図５に示す管寄１中央からの距離Ｗ、溶接部６と天井壁２までのチューブレグ長さ（Ｌ）、および管の天井壁貫通部７の拘束状態をパラメータとすれば、運転時の管寄１と天井壁２の温度差（ΔＴ）から発生する曲げ応力（σｂ）は次式で求められる。
【００２１】
【数１】
σｂ＝Ｃ／２・Ｅ・Δδ・ｄ０／Ｌ２                          （１）
ここで、
Ｃは天井貫通部構造による定数で、
溶接タイプは、    Ｃ＝６とし
キャスタタイプは  Ｃ＝４，５とし
カラータイプは    Ｃ＝３とする。また
Ｅはヤング率、
ｄ０はスタッブ管外径、
Δδは熱伸び差であり、Δδ＝ΔＴ・α・Ｗで求められる。
【００２２】
ここで、αは線膨張係数である。
【００２３】
この曲げ応力σｂに内圧応力を加えたものが求めるスタッブ管溶接部６に作用する応力である。起動直後にはこの応力が作用するが高温であるために応力緩和し、最終的には内圧応力に近づく。したがって、クリープ損傷の計算は応力緩和を考慮して算出する。図４に起動時からの応力緩和曲線を示す。上記応力緩和曲線を微小時間Δｔに区切り、それぞれのΔｔにおいては一定の応力が作用するとして各微小時間Δｔでのクリープ損傷率を当該材料のクリープ破断データを基に算出する。すなわちｔｉ（ｉ番目のΔｔ）での平均応力をσｉ，応力σｉでのクリープ破断時間をｔｒｉとすると、クリープ損傷率の総和φ０（クリープ損傷比率と呼ぶ）は次式で与えられる。
【００２４】
【数２】
φ０＝Σ（ｔｉ／ｔｒｉ）                                    （２）
これは一回の起動分の損傷であり、全運転時間の損傷を計算するためには起動停止回数を考慮する必要あるが、本発明ではボイラ管寄スタッブ管台全数の損傷比率を求めることが目的であり、起動一回分の解析を実施すれば良い。
【００２５】
次に非破壊または破壊試験により少なくとも一箇所以上の実測を行い、クリープ損傷状態の評価を実施する。その結果を上記応力解析で求めたクリープ損傷比率にあてはめ、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（φｃ）を算出する。
【００２６】
このようにして求めた修正クリープ損傷比率分布を視覚的に表示するために、損傷比率の程度に応じてランク分けし、それぞれのボイラ管寄スタッブ管台の位置にカラー表示することで、一目で全体の損傷状態が把握できる。
【００２７】
本発明の実施の形態を図１のフローチャート図を用いて説明する。
【００２８】
図に示すように、まず、構造データ（管寄スタッブ管台の材質、寸法、配置、チューブレグ長さＬ、天井壁貫通部７の拘束状態）、運転データ（圧力、温度、運転時の天井壁２と管寄１の温度差）を入力する。材料データ（ヤング率、線膨張係数、クリープ破断データ、応力緩和データ）はデータベース化されており、入力された構造データから自動的に呼込めるようになっている。これらのデータの他に、非破壊または破壊試験により評価した実測データすなわち管寄スタッブ管台３、４、５の位置とクリープ損傷比率を入力する。
【００２９】
次に、（数１）式から曲げ応力σｂを計算し、曲げ応力σｂと内圧応力とを足し合わせた発生応力を算出する。次に上記算出した発生応力を基に図４に示すような応力緩和曲線を作成する。次に上記応力緩和曲線を微小時間Δｔに区切り、Δｔの間は一定の応力が作用するとして（数２）式のクリープ損傷比率計算を実施する。この場合、図４に示すように連続的な応力緩和曲線をステップ状にして計算するため、Δｔは小さい程厳密な計算になるが逆に計算時間が長くなる。種々検討した結果、Δｔが１ｈ以下では損傷比率計算結果にほとんど影響を及ぼさないことから、本実施の形態ではΔｔを１ｈに設定している。算出した上記クリープ損傷比率は起動一回分の値である。次に各管寄スタッブ管台の損傷比率を求めるために、基準となる管寄スタッブ管台の損傷比率を１とし、各管寄スタッブ管台の損傷比率を計算する。ここでは管寄１の端部において管寄横断方向で中央部に位置する管寄スタッブ管台５の損傷比率を１としている。
【００３０】
次に非破壊または破壊試験で評価した、一箇所以上の管寄スタッブ管台のクリープ損傷評価結果を基準に、応力解析で求めた損傷比率から診断個所以外の管寄スタッブ管台の修正クリープ損傷比率を算出する。二箇所以上の評価結果がある場合には、それぞれの結果から求めた修正クリープ損傷比率の平均を使用する。ここで上記のように二箇所以上の評価結果がある場合に、応力解析で求めたクリープ損傷比率分布の傾向と大きく異なると、応力解析の精度が著しく低いことになるが、上述したように発明者等の詳細な研究調査によれば多少の誤差はあるものの応力解析のクリープ損傷比率分布と同じ傾向であり問題はない。
【００３１】
発明者等は本発明の評価方法を用いて、約２０万時間使用された火力発電ボイラの二次過熱器出口管寄の損傷状態の評価を実施した。このボイラのデータを以下に示す。
【００３２】
0003553259.tif 000002
本発明の評価方法を用いて評価した結果、各列（管寄横断方向の管台の配列）の直管（各列５本の管台のうちの中央管台）で管寄端から１０本目までの修正クリープ損傷比率が８０％を越えていた。そこで、管寄左より１，５，１０列目の直管を非破壊試験したところ、多数のキャビティが観察され、キャビティ面積率は０．０３〜０．０８であった。図６にキャビティ面積率と修正クリープ損傷比率との関係を示す。図６によれば、キャビティ面積率０．０３〜０．０８はそれぞれ修正クリープ損傷比率８０〜１００％となっている。
【００３３】
上記の評価方法により、最少の実測数から管寄スタッブ管台全数の評価が可能になる。
【００３４】
図２に本発明の他の実施の形態を、評価結果の表示方法を付加して、フローチャート図で示した。
【００３５】
図に示すように、修正クリープ損傷比率の計算までは図１と同じであるが、次に損傷状態の評価結果を修正クリープ損傷比率に応じてランク分けし、図３に示すように、管寄スタッブ管台全数の位置を前後左右で示し、修正クリープ損傷比率をカラー表示（本表は濃淡表示）した。ここでは修正クリープ損傷比率を以下のようにランク分けし表示している。
【００３６】
ランク１：修正クリープ損傷比率（φｃ）    ４０％未満
ランク２：修正クリープ損傷比率（φｃ）    ４０％以上  ６０％未満
ランク３：修正クリープ損傷比率（φｃ）    ６０％以上  ８０％未満
ランク４：修正クリープ損傷比率（φｃ）    ８０％以上
このランク分け基準は使用者が任意に設定することができる。
【００３７】
このような評価方法により、管寄スタッブ管台の修正クリープ損傷比率分布が一目で把握でき、取替範囲の決定や取替計画を容易に作成することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明に係るボイラ管寄スタッブ管台の損傷評価方法においては、材料の応力緩和曲線よりクリープ損傷比率を求め、一方非破壊試験または破壊試験の実測結果を基準に、修正クリープ損傷比率を算出しているので、少ない実測結果から診断個所以外の上記ボイラ管寄スタッブ管台の修正クリープ損傷比率の評価が容易にできる。
【００３９】
また、最終的に算出した上記ボイラ管寄スタッブ管台の上記修正クリープ損傷比率をレベルに階層分けするときには、色分けして表示するので、管寄スタッブ管台の損傷度合いの分布状態を一目で把握でき、ボイラ管寄スタッブ管台の保守管理の精度を向上させることができる。
【００４０】
また、応力緩和データおよび材料のクリープ破断データをデータベース化したときには、自動的に各種データを呼込むことができるので、効率的な損傷評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すフローチャート図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示すフローチャート図である。
【図３】約２０万時間使用されたボイラの二次過熱器出口管寄スタッブ管台に本発明の評価方法を実施し、損傷状態の評価及び表示を行った例である。
【図４】材料の応力緩和曲線を示す図である。
【図５】ボイラ管寄スタッブ管台の構成図である。
【図６】キャビティ面積率と修正クリープ損傷比率の関係を示す図である。
【符号の説明】
１    管寄
２    天井壁
３    管寄スタッブ管台
４    管寄スタッブ管台
５    管寄スタッブ管台（中央管台）
６    溶接部
７    天井貫通部
【図１】
0003553259.tif 000003
【図２】
0003553259.tif 000004
【図３】
0003553259.tif 000005
【図４】
0003553259.tif 000006
【図５】
0003553259.tif 000007
【図６】
0003553259.tif 000008