(57)【要約】【課題】溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量の双方を簡便に計測するひずみ計測方法、及びひずみ計測システムを提供すること。【解決手段】溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる複数の距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測するひずみ計測方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる複数の距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測するひずみ計測方法。
【請求項２】
レーザ距離計と反射板とを用いて、前記複数の距離の変化を測定する、請求項１に記載のひずみ計測方法。
【請求項３】
溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる２つの距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、請求項１または２に記載のひずみ計測方法。
【請求項４】
前記溶接線を挟む第１地点と、２つの第２地点との間の２つの距離の変化を測定することにより、前記溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、請求項１から３のいずれか１項に記載のひずみ計測方法。
【請求項５】
前記第１地点と２つの前記第２地点とを経由する２本の直線は、前記第１地点において略９０度で交わり、各々の直線は、前記溶接線と略４５度をなす、請求項４に記載のひずみ計測方法。
【請求項６】
溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる複数の距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測するひずみ計測システム。
【請求項７】
前記複数の距離の変化を測定するレーザ距離計と反射板とを備える、請求項６に記載のひずみ計測システム。
【請求項８】
溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる２つの距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、請求項６または７に記載のひずみ計測システム。
【請求項９】
前記溶接線を挟む第１地点と、２つの第２地点との間の２つの距離の変化を測定することにより、前記溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、請求項６から８のいずれか１項に記載のひずみ計測システム。
【請求項１０】
前記第１地点と２つの前記第２地点とを経由する２本の直線は、前記第１地点において略９０度で交わり、各々の直線は、前記溶接線と略４５度をなす、請求項９に記載のひずみ計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみ計測方法、及びひずみ計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温域で長時間使用され、かつ、起動停止が頻繁に繰り返される発電所のボイラや蒸気タービン等のプラント機器の材料は、熱疲労及びクリープ疲労により損傷し、劣化する。とりわけ、ボイラやプラント機器等では、配管が長いため溶接で接合されていることが多いが、配管の母材と溶接金属との境界に存在する溶接熱影響部において、熱損傷やクリープ損傷が発生しやすい。溶接熱影響部が損傷を受けると、主として溶接線と直行する方向に伸びひずみが生じ，ひずみがある程度以上の量になると、き裂が発生する。
【０００３】
例えば、ひずみ量を用いてプラント機器等の余寿命を診断する際は、伸びひずみ量のみをパラメータとして用いることがあった。溶接熱影響部が損傷を受けた場合、主として、溶接線と直行する方向に伸びひずみを生じることから、従来、溶接部の損傷を見積もるためには、特許文献１に記載のように、溶接部の伸びひずみのみを計測することが通例であった。具体的には、図７（ａ）及び（ｂ）に記載のように、レーザ距離計５１と、レーザ距離計５１から発信されるレーザを反射する反射板５２とを、両者が溶接部５３をまたぐと共に、レーザの発信方向が溶接線に直交するように設置し、これらを用いて、溶接部の伸びひずみを計測することが一般的であった。また、特許文献２に記載のように、溶接部などの異なる材質の部分を含む試験体のひずみを計測する際には、複数箇所のひずみを計測するにせよ、伸びひずみを計測することが一般的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５６３１６９号
【特許文献２】特開平０５−２６４２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、溶接部においては、溶接線に直交する伸び方向のひずみだけではなく、溶接線に平行なねじり方向の力が働くことによるねじりひずみが発生するが、溶接部の伸び方向の変位を測定するだけでは、ねじりひずみを測定することはできなかった。とりわけ、溶接部にせん断力が加わることにより、ねじりひずみが発生しても、伸び方向の変位にはほとんど変化がない。このため、溶接部において、実際にはねじりひずみによる亀裂が発生しているにもかかわらず、伸びひずみ変形量を計測するだけでは、ひずみの発生を検知することはできなかった。
【０００６】
そこで本発明は、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量の双方を簡便に計測するひずみ計測方法、及びひずみ計測システム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】
【０００７】
具体的には、以下のような解決手段を提供する。
【０００８】
（１）  溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる複数の距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測するひずみ計測方法。
【０００９】
（１）によれば、溶接部の伸びひずみ変形量だけではなく、ねじりひずみ変形量を計測することが可能となる。延いては、伸びひずみ変形量だけではなく、ねじりひずみ変形量も加味することにより、溶接部が存在するプラント等の余寿命をより正確に判定することが可能となる。
【００１０】
（２）  （１）において、レーザ距離計と反射板とを用いて、前記複数の距離の変化を測定する、ひずみ計測方法。
【００１１】
（２）によれば、レーザ距離計を用いることにより、ひずみゲージ等の変位計を用いた場合に比較して、より正確にひずみ変形量を計測することが可能となる。
【００１２】
（３）  （１）、（２）において、溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる２つの距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、ひずみ計測方法。
【００１３】
（３）によれば、２つの距離の変化のみを測定することにより、より簡便に、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測することが可能となる。
【００１４】
（４）  （１）、（２）、（３）において、前記溶接線を挟む第１地点と、２つの第２地点との間の２つの距離の変化を測定することにより、前記溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、ひずみ計測方法。
【００１５】
（４）によれば、レーザ距離計または反射板を、第１地点にまとめて設置できるため、より簡便に、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測することが可能となる。
【００１６】
（５）  （４）において、前記第１地点と２つの前記第２地点とを経由する２本の直線は、前記第１地点において略９０度で交わり、各々の直線は、前記溶接線と略４５度をなす、ひずみ計測方法。
【００１７】
（５）によれば、上記の伸びひずみ変形量、及びねじりひずみ変形量を、より簡単な数式を用いて算出することが可能となる。
【００１８】
（６）  溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる複数の距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測するひずみ計測システム。
【００１９】
（６）によれば、溶接部の伸びひずみ変形量だけではなく、ねじりひずみ変形量を計測することが可能となる。延いては、伸びひずみ変形量だけではなく、ねじりひずみ変形量も加味することにより、溶接部が存在するプラント等の余寿命をより正確に判定することが可能となる。
【００２０】
（７）  （６）において、前記複数の距離の変化を測定するレーザ距離計と反射板とを備える、ひずみ計測システム。
【００２１】
（７）によれば、レーザ距離計を用いることにより、ひずみゲージ等の変位計を用いた場合に比較して、より正確にひずみ変形量を計測することが可能となる。
【００２２】
（８）  （６）、（７）において、溶接線をまたぎ、互いに方向が異なる２つの距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、ひずみ計測システム。
【００２３】
（８）によれば、２つの距離の変化のみを測定することにより、より簡便に、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測することが可能となる。
【００２４】
（９）  （６）、（７）、（８）において、前記溶接線を挟む第１地点と、２つの第２地点との間の２つの距離を測定することにより、前記溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する、ひずみ計測システム。
【００２５】
（９）によれば、レーザ距離計または反射板を、第１地点にまとめて設置できるため、より簡便に、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測することが可能となる。
【００２６】
（１０）  （９）において、前記第１地点と２つの前記第２地点とを経由する２本の直線は、前記第１地点において略９０度で交わり、各々の直線は、前記溶接線と略４５度をなす、ひずみ計測システム。
【００２７】
（１０）によれば、上記の伸びひずみ変形量、及びねじりひずみ変形量を、より簡単な数式を用いて算出することが可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量の双方を簡便に計測するひずみ計測方法、及びひずみ計測システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態におけるひずみ計測システムの全体構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるひずみ計測システムの各構成要素の配置箇所を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるひずみ計測システムにおいて、伸びひずみ変形のみが生じた際の測定距離の変化を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるひずみ計測システムにおいて、ねじりひずみ変形のみが生じた際の測定距離の変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるひずみ計測システムにおいて、伸びひずみ変形とねじりひずみ変形が生じた際の測定距離の変化を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態におけるひずみ計測システムの全体構成を示す図である。
【図７】従来のひずみ計測システムの全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
図１に本発明の実施形態におけるひずみ計測システム１００の構成を示す。ひずみ計測システム１００は、２つのレーザ距離計１１Ａ及び１１Ｂと、２枚の反射板１２Ａ及び１２Ｂとを備える。図１においては、溶接部２１を挟んで、２つの異なる地点Ｐ及び地点Ｑと、地点Ｒとが存在する。地点Ｐにはレーザ距離計１１Ａが、地点Ｑにはレーザ距離計１１Ｂが存在する。地点Ｒには、地点Ｒを囲うように２枚の反射板１２Ａ及び１２Ｂが存在する。すなわち、地点Ｒに複数の反射板が設置され、地点Ｐ及び地点Ｑの各々にレーザ距離計が設置されている。また、レーザ距離計１１Ａのレーザ発信方向と、反射板１２Ａの正面とは直交する位置関係にあり、レーザ距離計１１Ｂのレーザ発信方向と、反射板１２Ｂの正面とも直交する位置関係にある。
【００３２】
レーザ距離計１１Ａは、反射板１２Ａに対してレーザを発信し、反射板１２Ａで反射されたレーザを受信することにより、レーザ距離計１１Ａと反射板１２Ａとの間の距離を測定する。同様に、レーザ距離計１１Ｂは、反射板１２Ｂに対してレーザを発信し、反射板１２Ｂで反射されたレーザを受信することにより、レーザ距離計１１Ｂと反射板１２Ｂとの間の距離を測定する。
【００３３】
図２に、レーザ距離計１１Ａ及び１１Ｂと、反射板１２Ａ及び１２Ｂの、より詳細な位置関係、及び、各地点間距離の符号を示す。レーザ距離計１１Ａから反射板１２Ａにレーザを発信する方向は、溶接線と平行な方向及び溶接線に直交する方向の双方と略４５度をなす。同様に、レーザ距離計１１Ｂから反射板１２Ｂにレーザを発信する方向は、溶接線と平行な方向及び溶接線に直交する方向の双方と略４５度をなす。すなわち、地点Ｒと、２つの地点Ｐ及び地点Ｑとを経由する２本の直線は、地点Ｒにおいて略９０度で交わり、各々の直線は、溶接線と略４５度をなす。
【００３４】
また、図２において、地点Ｒを通り、溶接線と平行な軸をＸ軸とすると共に、レーザ距離計１１Ａ側からレーザ距離計１１Ｂ側に向かう方向を、Ｘ軸の正方向とする。地点Ｒを通り、Ｘ軸に直交する軸をＺ軸とし、反射板１２Ａ側からレーザ距離計１１Ａ側に向かう方向をＺ軸の正方向とする。
レーザ距離計１１Ａのレーザ発信点Ｓから、発信されたレーザが反射板１２Ａに衝突する点Ｔまでの距離をＬ１０とする。レーザ距離計１１Ａから発信されたレーザが反射板１２Ａに衝突した点Ｔを通りＸ軸に平行な直線に、Ｌ１０を投影した距離をＸ１０とする。レーザ距離計１１Ａのレーザ発信点Ｓを通りＺ軸に平行な直線に、Ｌ１０を投影した距離をＺ１０とする。
同様に、レーザ距離計１１Ｂのレーザ発信点Ｕから、発信されたレーザが反射板１２Ｂに衝突する点Ｖまでの距離をＬ２０とする。レーザ距離計１１Ｂから発信されたレーザが反射板１２Ｂに衝突する点Ｖを通りＸ軸に平行な直線に、Ｌ２０を投影した距離をＸ２０とする。レーザ距離計１１Ｂのレーザ発信点Ｕを通りＺ軸に平行な直線に、Ｌ２０を投影した距離をＺ２０とする。
【００３５】
ここで、図３を参照しながら、溶接部が、溶接線と平行方向にはねじれずに、溶接線と垂直方向に伸びたのみの場合について考察する。溶接部がＺ方向にΔＺだけ伸び、レーザ距離計１１Ａのレーザ発信点Ｓとレーザ距離計１１Ｂのレーザ発信点Ｕの双方が、Ｚ方向にΔＺ移動したとする。これにより、図３に記載のように、Ｌ１０がＬ１１に、Ｌ２０がＬ２１に変化したとすると、以下の数式（１）及び（２）が成立する。
【数１】
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【００３６】
数式（１）及び数式（２）の各々は、ΔＺを左辺とした場合、以下の数式（３）及び数式（４）に変形される。
【数２】
2018072028.tif 000004
【００３７】
ここで、溶接線と垂直方向の伸びひずみ変形量（平均）は、以下の数式（５）及び（６）で表わされることから、上記の数式（３）又は数式（４）のいずれかによって算出されるΔＺを、数式（５）及び（６）に代入することにより、伸びひずみ変形量（平均）を算出することが可能である。
【数３】
2018072028.tif 000005
【００３８】
すなわち、レーザ距離計１１Ａと反射板１２Ａとの間の距離の変化、及び、レーザ距離計１１Ｂと反射板１２Ｂとの間の距離の変化を計測することのみにより、溶接部の伸びひずみ変形量を算出することが可能である。
【００３９】
次に、図４を参照しながら、溶接部が、溶接線と垂直方向に伸びずに、溶接線と平行方向にねじれるのみの場合について考察する。溶接部がＸ方向にΔＸだけずれ、レーザ距離計１１Ａのレーザ発信点Ｓとレーザ距離計１１Ｂのレーザ発信点Ｕの双方が、Ｘ方向にΔＸだけ移動したとする。これにより、図４に記載のように、Ｌ１０がＬ１１に、Ｌ２０がＬ２１に変化したとすると、以下の数式（７）及び（８）が成立する。
【数４】
2018072028.tif 000006
【００４０】
数式（７）及び数式（８）の各々は、ΔＸを左辺とした場合、以下の数式（９）及び数式（１０）に変形される。
【数５】
2018072028.tif 000007
【００４１】
ここで、溶接線と平行方向のねじりひずみ変形量（平均）は、以下の数式（１１）及び（１２）で表わされることから、上記の数式（９）又は数式（１０）のいずれかによって算出されるΔＸを、数式（１１）及び（１２）に代入することにより、ねじりひずみ変形量（平均）を算出することが可能である。
【数６】
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【００４２】
すなわち、レーザ距離計１１Ａと反射板１２Ａとの間の距離の変化、及び、レーザ距離計１１Ｂと反射板１２Ｂとの間の距離の変化を計測することのみにより、溶接金属のねじりひずみ変形量を算出することが可能である。
【００４３】
次に、図５を参照しながら、溶接金属が、溶接線と垂直方向に伸びると共に、溶接線と平行方向にねじれる場合、すなわち、伸びとねじりが重畳する場合について考察する。溶接金属がＺ方向にΔＺだけ伸びると共に、Ｘ方向にΔＸだけずれることにより、レーザ距離計１１Ａのレーザ発信点Ｓとレーザ距離計１１Ｂのレーザ発信点Ｕの双方が、Ｘ方向にΔＸ、Ｚ方向にΔＺ移動したとする。これにより、図５に記載のように、Ｌ１０がＬ１１に、Ｌ２０がＬ２１に変化したとすると、以下の数式（１３）及び（１４）が成立する。
【数７】
2018072028.tif 000009
【００４４】
数式（１３）及び数式（１４）の各々は、以下の数式（１５）及び数式（１６）に変形される。
【数８】
2018072028.tif 000010
【００４５】
上記の数式（１５）及び数式（１６）を、ΔＺ及びΔＸを変数とする連立方程式と考えると、ΔＺ及びΔＸのそれぞれは、以下の数式（１７）及び数式（１８）のように求められる。
【数９】
2018072028.tif 000011
【００４６】
溶接線と垂直方向の伸びひずみ変形量（平均）は、上記の数式（５）及び数式（６）、溶接線と平行方向のねじりひずみ変形量（平均）は、上記の数式（１１）及び数式（１２）により求められる。そこで、数式（１９）によって求められるΔＺ、及び数式（２０）によって求められるΔＸをこれら数式（５）、数式（６）、数式（１１）、数式（１２）に代入すると、上記の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量は、以下のように算出される。
【数１０】
2018072028.tif 000012
【００４７】
すなわち、レーザ距離計１１Ａと反射板１２Ａとの間の距離の変化、及び、レーザ距離計１１Ｂと反射板１２Ｂとの間の距離の変化を測定することのみにより、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量の双方を個別に算出することが可能である。より一般的には、溶接線を挟む第１地点と、２つの第２地点との間の複数の距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形とねじりひずみ変形とを個別に計測することが可能である。
【００４８】
〔実施形態の効果〕
以上、説明したように構成された本実施形態によれば、溶接線を挟み、互いに方向が異なる２つの距離の変化を測定することにより、溶接部の伸びひずみ変形とねじりひずみ変形とを計測することが可能である。これにより、溶接部の伸びひずみ変形量だけではなく、ねじりひずみ変形量を計測することが簡便となる。延いては、伸びひずみ変形量だけではなく、ねじりひずみ変形量も加味することにより、溶接部が存在するプラント等の余寿命をより正確に判定することが可能となる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、レーザ距離計と反射板とを用いて、上記の２つの距離の変化を測定する。これにより、ひずみゲージ等の変位計を用いた場合に比較して、より正確にひずみ変形量を計測することが可能となる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、溶接線を挟む第１地点と、２つの第２地点との間の２つの距離の変化を測定することにより、前記溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測する。これにより、レーザ距離計または反射板を、第１地点にまとめて設置できるため、より簡便に、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量とを計測することが可能となる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、上記の第１地点と２つの第２地点とを経由する２本の直線は、上記の第１地点において略９０度で交わり、各々の直線は、上記の溶接線と略４５度をなす。これにより、上記の伸びひずみ変形量、及びねじりひずみ変形量を、より簡単な数式を用いて算出することが可能となる。
【００５２】
〔変形例〕
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
【００５３】
例えば、上記の実施形態では、図１に記載のように、溶接線を挟む第１地点と複数の第２地点とにおいて、第１地点に２枚の反射板を設置し、第２地点の各々にレーザ距離計を設置するとしたが、これには限定されない。例えば、図６に記載のように、溶接線を挟む第１地点と複数の第２地点のうち、第１地点に２つのレーザ距離計を設置し、第２地点の各々に反射板を設置してもよい。
【００５４】
また、上記の実施形態では、上記の第１地点と上記の第２地点とを経由する２本の直線は、第１地点において略９０度で交わり、各々の直線は、溶接線と略４５度をなすとしたが、これには限定されない。２本の直線の方向が異なると共に、双方が溶接線をまたぎさえすれば、溶接部の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量を、個別に計測することが可能である。例えば、第２地点の変位方向において、溶接線と平行方向と垂直方向のいずれが支配的かにより、レーザの発信方向が溶接線となす角度を適宜変更することが可能である。
【００５５】
また、上記の実施形態では、上記の第１地点と２つの第２地点との間の２つの距離を計測したが、これには限定されない。溶接部をまたぐと同時に、互いに方向が異なる３つ以上の距離を測定することにより、より正確に、上記の伸びひずみ変形量とねじりひずみ変形量を計測することが可能となる。
【００５６】
また、上記の実施形態に係るひずみ計測システムが設置されるプラント等において、平常時には、上記の第１地点及び第２地点に、レーザ距離計及び反射板を載置する台座のみを設置しておき、ひずみ変形量の計測時にのみ、台座にレーザ距離計及び反射板を載置してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１１Ａ  １１Ｂ  ５１  レーザ距離計
１２Ａ  １２Ｂ  ５２反射板
２１  ５３  溶接部
１００  １１０  ひずみ計測システム
【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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