(57)【要約】【課題】ボイラを構成する装置などの機器の起動停止時の熱応力に起因した「低」サイクル疲労損傷損傷の起こりやすさ診断法及び該「低」サイクル疲労損傷損傷リスクベース評価法を提供すること。【解決手段】機器の温度(Ｔ)、起動停止回数(Ｎ)、応力集中部や溶接部の有無によって決定する機器に固有の破損係数(Ｆ)、ヤング率(Ｅ)、および機器の材質によって決定される疲労寿命によって損傷の起こりやすさ指数(破損確率)を算出し、機器の起動停止時の熱応力に起因した「低」サイクル疲労損傷の起こりやすさ診断することができる。また、前記得られた低サイクル疲労損傷の起こりやすさを縦軸にとり、横軸に影響度合をとり、機器のリスクを評価するＲＢＭ(リスクベースメンテナンス)法を実行して機器の予防保全に役立てる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
損傷の起こりやすさ指数（破損確率）を、機器に固有の破損係数(Ｆ)、機器内の温度差(ΔＴ)及び機器のヤング率(Ｅ)から算出されるひずみ(ε=Ｆ×ΔＴ/Ｅ)を指標として評価することを特徴とする機器の低サイクル疲労損傷起こりやすさ診断法。
【請求項２】
機器の起動停止回数(Ｎ)と機器の使用温度(Ｔ)と、予め回帰された疲労に関する材料物性値(疲労曲線)とを用いて機器の累積損傷確率を算出することを特徴とする請求項１記載の機器の低サイクル疲労損傷起こりやすさ診断法。
【請求項３】
機器は、ボイラ装置であることを特徴とする請求項１記載の装置の低サイクル疲労損傷起こりやすさ診断法。
【請求項４】
縦軸に機器の損傷の起こりやすさ、横軸に機器の損傷が生じた場合の影響度合をとってリスクを評価する機器の低サイクル疲労損傷リスク評価法において、
縦軸に請求項１の方法で算出した機器の低サイクル疲労損傷起こりやすさ指数（破損確率）をとり、
横軸に得られた機器の運転停止期間中の発電出力計画及び売電量から算出する損害額、補償費、補修費、労災費、環境対策費及び二次被害対策費を含めた項目の係数と入力値の積の和からなる機器の低サイクル疲労損傷による影響度合（ＣＦ）をとって、
４×４又は５×５のますに分けて得られる、前記損傷の起こりやすさ指数と損傷による影響度合の積の大小でリスクを評価する機器の低サイクル疲労損傷リスク評価法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器の低サイクル疲労損傷起こりやすさ診断法とリスク評価法に係り、特にボイラの蒸発管などで生じ得るアルカリ応力腐食割れ（ＳＣＣ）やアルカリ腐食損傷の危険度（リスク）を高精度に評価診断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
装置損傷のリスクベースメンテナンス（ＲＢＭ）評価法が米国石油協会（ＡＰＩ）のＡＰＩ５８１：Risk-Based Inspection Base Resource Document、 May 2000に紹介されている。
【０００３】
石油化学プラントや火力発電プラントなどの大型設備において、近年では規制緩和の点からリスクを考慮した保全計画、すなわち、ＲＢＭが主流になってきている。
【０００４】
図３にＲＢＭの一例を示すが、図３のＲＢＭは、損傷確率を査定した損傷の起こりやすさを縦軸に、損傷が生じた際の経済的及び人的被害の大きさを査定した影響度合を横軸にとって、装置の各部位の損傷リスクを評価し、損傷の起こりやすさと影響度合の両方が大きい部位や損傷を見出し、保全の優先順位をつけたり、リスク低減法を評価診断する手法である。ＲＢＭにより装置の各部位の検査や補修などの予防保全計画の最適化を図ることができ、この評価方法でプラント稼働率の向上や運転、補修コストの低減につながる効果がある。
【０００５】
ＲＢＭ診断法は１９８０年代の原子力プラントの評価を皮切りに、石油化学工業や発電プラント用に開発されており、種々の方法が提案されている。その中で米国石油協会（American Petroleum Institute：ＡＰＩ）の手法（ＡＰＩ５８１：Risk-Based Inspection Base Resource Document、 May 2000）は、判定や診断が客観的でデータベースも整備されている。
【０００６】
ＡＰＩ５８１では（１）全面腐食及び局部腐食（Appendix Ｇ）、（２）応力腐食割れ（ＳＣＣ、Appendix Ｈ）、（３）高温での水素腐食（Appendix Ｉ）、（４）クリープ損傷（Appendix Ｊ）、（５）機械的振動による疲労損傷（Appendix Ｋ）、（６）脆性破壊（Appendix Ｌ）、（７）ライニング（Appendix Ｍ）、（８）外面損傷（Appendix Ｎ）が評価できるが、石油化学プラントを主対象としているため、火力発電用ボイラ設備に適用するためには、いくつかの補正が必要である事象もある。
【０００７】
図４はＡＰＩ５８１における配管に対する機械的な「高」サイクル疲労損傷評価フローを示す。「高」サイクル疲労損傷の破壊確率は、基本となる配管の破壊確率に過去の破損経験の有無、振動の頻度、振動源の種類、設計変更の有無、配管の複雑さ、配管の溶接方法等で決定される補正係数を乗ずることによって求めることができ、客観的な配管の診断ができるフローである。
【０００８】
図３における損傷の起こりやすさは、図４で求められた、例えば配管の損傷確率を示す指標が、１〜１０の場合１、１１〜１００の場合２、１０１〜１，０００の場合３、１，００１から１０，０００の場合４、１０，００１〜１００，０００の場合５というふうに対数判定するものである。また、図３の横軸の影響度合いは、人的被害、装置補修費、プラント停止日数などの運転停止期間中の発電出力計画及び売電量から算出する損害額から算出される。
【０００９】
また、ボイラ伝熱管の損傷時点における損傷の計測データに基づいて腐食疲労の進展の度合い、減肉損傷速度、伝熱管のき裂進展深さなどを求めて伝熱管の寿命を診断する方法（特開平１１−２９４７０８号公報）や管の腐食の防止の原因になる伝熱管内の水質の異常状態を診断する方法（特開平５−２６４５３８号公報）などが知られている。
【特許文献１】特開平１１−２９４７０８号公報
【特許文献２】特開平５−２６４５３８号公報
【非特許文献３】米国石油協会(API)のAPI581「Risk-Based Inspection Base Resource Document 」H1~H30ページ、 May 2000年発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記ＡＰＩ５８１のＲＢＭの中にも、Ａｐｐｅｎｄｉｘ−Ｋとして疲労損傷に対する診断方法が示されているが、図４で示した損傷評価フローからも分かるように対象が配管に限定されており、更に機械的な振動に起因する疲労損傷(「高」サイクル疲労損傷)を目的として作られている。したがって、ボイラの管寄せ等で問題となる起動停止時の熱応力に起因した「低」サイクル疲労損傷に対しては適用できない。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、ボイラを構成する装置などの機器の起動停止時の熱応力に起因した「低」サイクル疲労損傷損傷の起こりやすさ診断法及び該「低」サイクル疲労損傷リスクベース評価法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の課題は、次の解決手段で解決される。  
請求項１記載の発明は、損傷の起こりやすさ指数（破損確率）を、機器に固有の破損係数(Ｆ)、機器内の温度差(ΔＴ)及び機器のヤング率(Ｅ)から算出されるひずみ(ε=Ｆ×ΔＴ/Ｅ)を指標として評価することを特徴とする機器の低サイクル疲労損傷起こりやすさ診断法である。
【００１３】
請求項４記載の発明は、縦軸に機器の損傷の起こりやすさ、横軸に機器の損傷が生じた場合の影響度合をとってリスクを評価する機器の低サイクル疲労損傷リスク評価法において、縦軸に請求項１の方法で算出した機器の低サイクル疲労損傷起こりやすさ指数（破損確率）をとり、横軸に得られた機器の運転停止期間中の発電出力計画及び売電量から算出する損害額、補償費、補修費、労災費、環境対策費及び二次被害対策費を含めた項目の係数と入力値の積の和からなる機器の低サイクル疲労損傷による影響度合（ＣＦ）をとって、４×４又は５×５のますに分けて得られる、前記損傷の起こりやすさ指数と損傷による影響度合の積の大小でリスクを評価する機器の低サイクル疲労損傷リスク評価法である。
【００１４】
本発明によれば、機器の温度(Ｔ)、起動停止回数(Ｎ)、応力集中部や溶接部の有無によって決定する機器に固有の破損係数(Ｆ)、ヤング率(Ｅ)、および機器の材質によって決定される疲労寿命によって損傷の起こりやすさ指数(破損確率)を算出し、機器の起動停止時の熱応力に起因した「低」サイクル疲労損傷の起こりやすさを診断することができる。また、前記得られた低サイクル疲労損傷の起こりやすさを縦軸にとり、横軸に影響度合をとり、機器のリスクを評価するＲＢＭ(リスクベースメンテナンス)法により達成される。
【００１５】
具体的には下記の方法が考えられる。  
（１)   縦軸に損傷の起こりやすさ、横軸に影響度合をとり、装置のリスクを評価するＲＢＭ(リスクベースメンテナンス)法において、機器に固有の破損係数(Ｆ)は対象とする機器の起動停止回数、応力集中部や溶接部の有無、材料(鋼種)、過去の破損状況を考慮して設定されている。例えば、配管の場合はＦ＝２．０（ＭＰａ／℃）、管台溶接部の場合はＦ＝５．０（ＭＰａ／℃）と設定している。そこで、機器の熱応力等に起因する低サイクル疲労損傷診断法において、損傷の起こりやすさ指数(破損確率)を機器に固有の破損係数(Ｆ)、機器内の温度差(ΔＴ)、機器のヤング率(Ｅ)から算出されるひずみ(ε=Ｆ×ΔＴ/Ｅ)を指標として評価する。
【００１６】
（２）上記（１）のひずみ(ε)とボイラの起動停止回数(Ｎ)を用いて、対象としている材料の低サイクル疲労損傷試験結果を予め回帰して求めてある低サイクル疲労寿命との比較を行うことにより機器の低サイクル疲労損傷の起こりやすさ指数(破損確率)を求め、機器の熱応力等に起因する低サイクル疲労損傷診断法において、損傷の起こりやすさを診断する。
【００１７】
（３)   縦軸に前記（２）の機器の低サイクル疲労損傷の起こりやすさをとり、横軸に影響度合をとることで、機器のリスクを評価するＲＢＭ(リスクベースメンテナンス)法を実行する。
【００１８】
（作用）
ボイラの管寄せや水壁等のように、起動停止時の熱応力に起因した低サイクル疲労損傷を受ける機器においては、その低サイクル疲労損傷は、主としてボイラの起動停止回数Ｎとその温度Ｔ、発生応力(発生ひずみ)、材質により決定される。
【００１９】
機器に発生する応力σは機器内の温度差ΔＴに比例すると考えられるから、式（１）のような関係式が得られる。ここで、Ｆは機器に固有の破損係数であり、機器における応力集中の度合いや溶接部の有無などによって決まる。この破損係数は予め、有限要素法解析等によって決定される。機器に固有の破損係数Ｆは、例えば配管では２．０（ＭＰａ／℃）、管台の溶接部では５．０（ＭＰａ／℃）、配管の付着金物では６．０（ＭＰａ／℃）、水壁では１０．０（ＭＰａ／℃）、過去に破損事例がある場合は１１．０（ＭＰａ／℃）などのように設定されている。  
σ＝Ｆ×ΔＴ                                            （１）
【００２０】
このことから、当該部位に発生するひずみεは機器のヤング率Ｅを用いて式（２）のように表される。  
ε＝σ/Ｅ                                                （２）
【００２１】
次に、予め機器に用いられている材料の低サイクル疲労試験を実施し、その結果を回帰して得られる低サイクル疲労物性値（ａ、ｂ、ｃ、ＳＥＥ）を求める。低サイクル疲労物性値の一例を表１、２に示す。  
【００２２】
【表１】
2005134115.tif 000003
【００２３】
【表２】
2005134115.tif 000004
【００２４】
表１は評価フローに用いる低サイクル疲労物性値のうちＳＢ４９鋼（ボイラ及び圧力容器用炭素鋼）の値を、表２はＳＣＭＶ３鋼（ボイラ及び圧力容器用Ｃｒ−Ｍｏ鋼)の値を示している。
【００２５】
これらの値を用いて式（３）より低サイクル疲労寿命Ｎｆを求める。  
ｌｏｇ（Ｎｆ）＝ａ×ｌｏｇ（ε−ｂ）＋ｃ                    （３）
【００２６】
このようにして低サイクル疲労寿命Ｎｆが分かれば、低サイクル疲労データの標準偏差ＳＥＥとボイラの起動停止回数Ｎとを加味することで、機器の破損確率は式（４）を用いて求めることができる。  
破損確率＝累積確率（ｌｏｇ（Ｎ）−ｌｏｇ（Ｎｆ）／ＳＥＥ）  （４）
【００２７】
式（４）で得られた破損確率を機器の低サイクル疲労損傷の起こりやすさとして縦軸にとり、横軸に人的被害、装置補修費、プラント停止日数などの運転停止期間中の発電出力計画及び売電量から算出する損害額から算出される影響度合をとり、機器のリスクを評価するＲＢＭ(リスクベースメンテナンス)法を実行する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ボイラの管寄せ等で問題となる熱応力に起因する低サイクル疲労損傷を高精度に診断でき、ＲＢＭでの損傷の起こりやすさを高精度に判定できる。ＲＢＭでのリスクを精度よく判定できると検査や補修などの予防保全計画の最適化が図れ、プラント稼働率の向上や運転、補修コストの低減につながる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施例を図２に沿って説明する。  
図１は、本発明による実施例で低サイクル疲労損傷の起こりやすさ判定指数の評価フローチャートであり、図２は、本発明による低サイクル疲労を対象としたＲＢＭの損傷の起こりやすさを判定するＳＢ４９鋼（ボイラ及び圧力容器用炭素鋼）に対する評価フローである。
【００３０】
図１と図２は、本発明による低サイクル疲労を対象としたＲＢＭの損傷の起こりやすさを判定する実際のフローチャートである。損傷の起こりやすさ判定指数（破損確率）は、以下の流れで実際に算出される。
【００３１】
（１）対象とする機器の材質（例えばＳＢ４９鋼）と温度（例えば３００℃）からヤング率Ｅを算出する。  
（２）本実施例では管台の溶接部を想定したので、機器に固有の破損係数Ｆは１０．０となり、温度差ΔＴは１２０℃となる。  
（３）求められたヤング率Ｅ（１９２３００ＭＰａ）と破損係数Ｆ、温度差ΔＴを用いて式（１）、（２）から発生するひずみεを求めると０．６２（％）となる。  
（４）表１に示す低サイクル疲労物性値（ａ、ｂ、ｃ、ＳＥＥ）を用いて式（３）から低サイクル疲労寿命Ｎｆを求めると、Ｎｆ＝１１１０となる。  
（５）（１）〜（４）で求められた疲労寿命Ｎｆと低サイクル疲労物性値ＳＥＥ（０．２１２６）とボイラの起動停止回数Ｎ（２０００回）を用いて式（４）から破損確率を求めることができる。本実施例の場合、機器の破損確率は８８．５（％）であると計算されている。
【００３２】
このように本実施例では、低サイクル疲労損傷の起こりやすさ指数（破損確率）を機器に固有の破損係数（Ｆ）、機器内の温度差（ΔＴ）、機器のヤング率（Ｅ）から算出されるひずみ（ε＝Ｆ×ΔＴ／Ｅ）を指標として評価することができる。
【００３３】
得られた低サイクル疲労損傷の起こりやすさ指数（破損確率）を縦軸にとり、横軸に機器の運転停止期間、人的被害、装置補修費などの運転停止期間中の発電出力計画及び売電量から算出する損害額、補償費、補修費、労災費、環境対策費及び二次被害対策費を含めた項目の係数と入力値の積の和からなる機器の低サイクル疲労損傷による影響度合（ＣＦ）をとって、図３に示す４×４又は５×５のますに分けて得られる、前記損傷の起こりやすさ指数と損傷による影響度合の積の大小で機器のリスクを評価するＲＢＭ(リスクベースメンテナンス)法を実行することができる。なお、影響度合（ＣＦ）には発電出力、売電量を導入してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によれば、ボイラの管寄せ等で問題となる熱応力に起因する低サイクル疲労損傷を高精度に診断でき、ＲＢＭでの損傷の起こりやすさを高精度に判定でき、機器の損傷による影響度合を予測して、機器の予防保全計画の最適化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明になる実施例で低サイクル疲労損傷の起こりやすさ判定指数の評価フローチャートである。
【図２】本発明になる具体的な実施例であるＳＢ４９鋼(ボイラ及び圧力容器用炭素鋼)に対する評価フローである。
【図３】損傷確率を査定した損傷の起こりやすさを縦軸に、損傷が生じた際の経済的及び人的被害の大きさを査定した影響度合を横軸にとって、装置の各部位の損傷リスクを評価するＡＰＩ５８１のＲＢＭ評価法のグラフである。
【図４】従来技術であるＡＰＩ５８１のＲＢＭ評価のうち機械的な振動に対する高サイクル疲労損傷評価フローである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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