水車メンテナンス・ミニ特集

水車ステーベーンの余寿命解析
平松 洋一 *
Yo i c h i H i r a m a t s u

関西電力株式会社殿と当社は共同で、ステーベーンに代表される金属疲労を伴う水車部材の残存寿命評価法の開発に取り組んできた。本稿では、これまで専ら予防保全的に設備更新等が行われることが多かった水車ステーベーンのような部材に対し、合理的なメンテナンスを行う上で必要となる部材劣化の進展具合や残存寿命を精度良く評価する技術を紹介する。

キーワード：水車ステーベーン、NDI、欠陥、変動応力、余寿命解析、き裂進展、延命化

1.

欠陥モデル、欠陥の分布はじめにの技術範囲）（ 前稿：「水車工事へのＵＰＡ適用」

水車ステーベーンのような部材の健全性および残存寿命（余寿命）を評価する上で重要な技術と負荷条件（ 変動応力等）

して、「非破壊検査による欠陥検出精度の向上」

余寿命解析（本稿：「水車ステーベーンの余寿命解析」の技術範囲）

材料特性（材料試験等による）と「残存寿命評価精度の向上」があり、前稿「水車工事への UPA 適用」では「欠陥検出精度の向上」

補 修設備更新（次稿：「鋳鋼製水車部本の溶接補修方法〜」の技術範囲）に関する当社の取り組みを紹介した。
のみならず当社では関西電力㈱殿との共同研

図1 余寿命解析の技術的位置付け

究 1） として「残存寿命評価精度の向上」にも取り組んでおり、非破壊検査で得られた欠陥状況等

下、本稿では電気学会方式と略称する）が使われの知見に基づき、合理的で費用対効果の良い水車ることが一般的であったが、この方式は複数の欠メンテナンスに生かせる技術を開発し、引き続き陥が隣接して存在するような場合、それら欠陥群改良に取り組んでいる（図１に本技術紹介範囲のを包含する大きな欠陥とみなして評価しており、位置付けを示す）。

往々にして余寿命を保守的に（実際の余寿命より水車部材の劣化診断に関する技術としてはこれも短く）見積ってしまう傾向がある。

2）まで、電気学会技術報告の残存寿命評価手法 （以＊研究開発事業部

試験・解析技術部

数値解析グループ

そのためこの方式では過剰メンテナンスを招き次長̶ 8 ̶

かねず、安心ではあるが、「メンテナンスコストない。そこで実機ステーベーンに存在する代表が掛かる」という短所をもっていた。そこで当社的欠陥として「同一平面に存在する 2 個の表面では欠陥個々の性格および相互の干渉を電気学会き裂」を想定し、FEM 解析でその部材応力の方式より厳密に取り扱い、更に要素技術を確立す状態を求めてみた。その結果、き裂同士の距離るためテストピースによる疲労き裂進展試験によが近づくに従い、互いのき裂の干渉効果が急激る検証を踏まえて、独自の余寿命解析手法（以下、に大きくなることが分かった。そこで、様々な新方式という）を開発した。本稿ではその一端を大きさのき裂を想定し、き裂寸法の「長さ」と「深紹介するため先ず、電気学会方式と新方式の違いさ」、そしてき裂が生じている部材（母材）のについて述べ、次に電気学会方式と新方式の各々「幅」と「厚さ」の比をパラメータにして FEMにより推定したテストピースの余寿命を材料試験解析でパラメータスタディーを行い、干渉効果（疲労き裂進展試験）結果と比較し、新方式の妥の度合いをデータベースとして整備することと当性を検証する。

した。現状、幾つかの特殊例を除き、そのデー

2.

タベース整備は完了に近づきつつある。

電気学会方式と新方式（3）ソフトウェアとしての整備（1）欠陥のモデル化

このデータベースを有効利用できるよう、余寿命解析を目的としたき裂進展計算ソフトウェ

電気学会の方式では検出欠陥をモデル化す
る 方 法 お よ び 形 状 寸 法 の 読 み 取 り 方 と し て、
3）

アのシステム開発を同時に進めている。の基本的な考え方を踏襲している。す先ず最初に電気学会方式の計算ロジックを Cなわち隣接する複数欠陥を一体化した単一欠陥言語でプログラム化し、さらにデータ入力用のとしてモデル化してしまうため、実態よりも大GUI（Graphical User Interface）も備えて、ソフきな欠陥と見なして評価している。そしてこのトウェア「DenCrack」を作成した。DenCrack は、モデル化は欠陥 / き裂が進展してもその取り扱

一様変動応力場のもとで 4 タイプのき裂すなわ

いは基本的には同一のままである。

ち、半だ円表面き裂、内在だ円、板厚貫通、片ASME

これに対し当社で取り組んでいる方式は、よ側貫通に対応したき裂進展計算を行うもので、り実態に近いモデル化を行うため、近接する複電気学会方式そのものをソフトウェア化したも数欠陥の相互の干渉を次項（2）のように考慮しのである。

つつ、先ずは個々の欠陥としてモデル化する手

続 い て、DenCrack に 残 留 応 力 や 任 意 応 力法を取る。次にき裂の成長に応じて、欠陥 / きを考慮できるように発展させたソフトウェア

裂が「孤立しつづける」、「繋がってしまう」と「IIC-Crack1」、「IIC-Crack2」を整備した。

いう過程を経て最終的に脆性破壊や破断に至る

現在は（2） で述べた FEM 解析の知見を折（寿命が尽きる）段階まで欠陥／き裂の進展をり込むことでデータベースの強化に努めてお追跡する。

り、このデータベースを利用できる、「IIC-Crack（2）欠陥 / き裂同士の相互干渉シリーズ」を更に強化した解析ソフトウェア

き裂同士の相互干渉に関する研究例としては「SimCrack シリーズ」（関西電力㈱殿との共同複数貫通き裂について理論解の報告例があるも研究）の開発を続けている。「SimCrack シリーのの、複数表面き裂に関する報告例は見当たらズ」は強化されたデータベースを利用すること

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IIC REVIEW/2007/4. No.37

PA-2
長さ2a = 12
深さ2c = 4

により、様々な欠陥 / き裂同士の組み合わせにPA-1
長さ2a = 48
深さ2c = 7対応が可能である。

作用面
2w =

3.

PA-3
長さ2a = 15
深さ2c = 2900

入口

出口

新方式の検証反作用面

90（1）ソフトウェアのあらまし
100

次に実機ステーベーンの欠陥に対するき裂進

き裂 A
長さ2a = 62
深さc = 13Flawmode = 1
Type = 1展計算の適用例を示す。最初に行うことはス
テーベーンの非破壊検査情報から解析対象であMT-1
長さ2a = 54
深さc = 4

き裂 B
長さ2a = 284
深さc = 84
Flawmode = 1Type = 1＜計算条件＞変動応力 = 34 MPa、平均応力= 68 MPa、材質= SC＜結果＞き裂 A→き裂B の繰返し数N1 = 7,829,190、き裂 B→PA-3の繰返し数N2 = 0る欠陥を選定することであり、一般的には、よ図３ 余寿命解析のモデル化 (2/2)

り深い欠陥を選ぶ。図２に示す例の場合、磁粉探傷法で発見された MT-1 という表面欠陥を選んだ。MT-1 のすぐ近くにフェーズドアレイ法で PA-1 という内在欠陥も検出されているが、「距離が十分に近い」ので、MT-1 と PA-1 を一つにまとめて、半だ円形の仮想き裂「き裂 A」を作る。き裂 A は、ステーベーンの変動応力を受けて進展し、PA-2 に突き当たり、その時点で、新たなき裂として「き裂 B」を考える。
き裂 B は更に進展し PA-3 に突き当たって遂には板厚貫通（寿命が尽きた）となる。
このき裂進展プロセスをソフトウェアで計算

図4

ソフトウェアのデータ入力画面するため、き裂の寸法を図 3 に示すように定義した。このき裂進展追跡で要する負荷回数が分かるので、負荷周期との関係から余寿命が推定できることになる。図４は、計算条件とき裂寸法のデータをソフトウェアに入力する画面である。図５のグラフは、き裂 A がき裂 B までフェーズドアレイで検出した内在欠陥PA-1

内在欠陥
PA-2

内在欠陥
PA-3
入口作用面
出口

き裂B（半だ円）
反作用面

き裂A（半だ円）

磁粉探傷法で検出した表面欠陥MT-1

図5＜欠陥のモデル化＞
Step１：MT-1 と 近隣の PA-1 を一体化して、き裂 Aを作る
Step２：き裂 Aが PA-2 まで進展（ΔT1 が求まる）、一体化したものをき裂 Bとする
Step３：き裂 Bが PA-3 まで進展（ΔT2 が求まる）、板厚貫通となる（ 寿命＝ΔT1 ＋ΔT2 ）図２ 余寿命解析のモデル化 (1/2)

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き裂進展の計算結果（1/2）

図6

き裂進展の計算結果（2/2）

進展した時の計算結果であり、き裂寸法と繰返びに電気学会方式によるものと比較し、推定精し数の関係が示されている。き裂進展の過程は、度を検証する。ここでの余寿命とはあらかじめ図６のような簡単なアニメーション画でも確認与えた欠陥を持つテストピースに繰り返し一定できる。

負荷を与え、欠陥から生じた亀裂がある一定量（2）精度検証に達した時点での負荷の繰り返し回数を指す

この新方式の SimCrack シリーズで推定したものとし、SimCrack シリーズでも同様の現象

余寿命を、テストピース（コンパクト試験片）をシミュレーションして比較している。図７にによる材料試験（疲労破壊試験）との結果なら横軸に材料試験結果から求めた余寿命を横軸にSimCrack2a

余寿命の比較

SimCrack2

計算値 （繰返し数）

DenCrack

1.E+06

1E+5

計算値は、試験値より下側（安全側）にある

1E+4
5E+3

2E+3

試値
験計＝

1.E+03
1.E+03値
算

電気学会方式

2E+3

5E+3

1E+4

1E+5

1.E+06

試験値 （繰返し数）
図７

余寿命の計算値と試験値

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IIC REVIEW/2007/4. No.37

とり、この新方式による余寿命を縦軸にとって当社では今後とも、欠陥間干渉のデータベース

SimCrack シリーズの推定値を四角ならびに三を充実させ多種多様な欠陥状況に対応できるよう角マークで示した。本図には点線で試験値＝計に適用性の向上と、実機検証の蓄積による高い残算値となる線も目安として併せて記すが、この存寿命の予測精度と信頼性の向上を目指し、開発点線より右下側にあれば実際（試験値）より短を続けていく予定である。

命側（安全側）に推定していることになる。本5. 謝 辞図によれば新方式による余寿命（四角、三角マーク）は総じて実際より安全側に推定しているこ

最後に本稿で紹介した技術の最新の部分とが分かる。また DenCrack による電気学会方（SimCrack シリーズ）は、関西電力㈱殿との共同式による余寿命（丸マーク）も同図中に示すが、研究の成果であることを付記し、ご指導を賜った新方式の方が概ね延命側に評価しており、新方関西電力㈱殿の青山順氏、奥出邦夫氏、松本康寛

式が電気学会方式に対して過剰安全となってい氏ならびに多くの関係者の方々に心より深甚なるないことがこの図より分かり、新方式の有効性謝意を表します。

が確認できる。

参考文献
４．まとめ

1）青山順、奥出邦夫、中山英治、飯田伊佐務、

水車部位のメンテナンスを費用対効果の点から水力発電設備における水車主要部位の新しい合理的に行うには、設備の劣化度合いを的確に把残存寿命評価手法の開発、ターボ機械 第 34握することと、その劣化がどのように今後進んで巻第 6 号（2006 年）いくかを把握することが重要である。そこで当社

2）水車発電機器の劣化評価調査専門委員会、水は、水車の検査にフェーズドアレイ UT を適用（前

力発電設備の現状と劣化診断技術−水車およ稿）したことのみならず、き裂進展プロセスを見び水車発電機の主要部位について−、電気学直して新たなモデル化を行って、残存寿命（余寿会技術報告（Ⅱ部）、第 308 号（1989 年）命）評価に用いることのできるき裂進展解析手法

3）ASME Boiler and Pressure Vessel Committeeを開発し、ソフトウェアとして整備した。そしてSubcommittee on Nuclear Power, Rules for Inservice

このソフトウェアの特徴と実機ステーベーンに適Inspection of Nuclear Power Plant Components,用した例を紹介し、電気学会方式と比較してそのASME Boiler and Pressure Vessel Code, An

有効性を示した。

International Code, Section XI (2001-7), 22-33

研究開発事業部
試験・解析技術部 数値解析グループ
次長

平松 洋一
TEL. 045-759-2127
FAX. 045-759-2282

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