JP2009162647A - Method for designing lifetime of weld zone of high-temperature apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電プラント等に於いて使用される蒸気タービン等の高温機器溶接部の寿命設計方法に関する。 The present invention relates to a life design method for a welded portion of a high-temperature equipment such as a steam turbine used in a power plant or the like.
高温機器である蒸気タービンにおいては、高速で流動する高温蒸気によって回転力を得ているため、高温の蒸気が流入する機器には運転に伴って多くの損傷や変形が生じる。図２０に一般的な蒸気タービンの一部の構成を示す。この図２０に示されるような蒸気タービン２２０では、高温高圧になった蒸気が、高圧、中圧タービンの各段落で温度、圧力を低下しながら羽根を介してロータに回転力を与えている。すなわち、原動力は蒸気流体によってタービン動翼を介してロータ軸に伝達されるが、近年の発電プラントの大容量化に伴うタービンの作動流体量の増大や高温高圧化による作動条件の高度化から、使用する蒸気の温度、圧力は益々高くなり、また大量となっている。
In a steam turbine, which is a high-temperature equipment, rotational force is obtained by high-temperature steam that flows at high speed, and therefore, a large amount of damage or deformation occurs during operation of equipment into which high-temperature steam flows. FIG. 20 shows a configuration of a part of a general steam turbine. In the
このため、これら高温高圧の蒸気にさらされている機器には、高温下で部品に加わる応力によって材料自体の劣化とともに様々な損傷や変形を引き起こし、局部的にき裂が発生し、発生したき裂をもとにして機器全体の破壊を引き起こす可能性があった。特に機器の大型化に伴い数多くの部品から構成される機器では、溶接構造によって製作することが不可避となり、さらに何らかの損傷が発生した場合にはその補修のための溶接施工が必要なことから、当該溶接部からき裂が発生することも度々経験している。機器は高温で長時間使用されるため、材料はクリープ変形し、機器に多大な損傷を与え、重大な変形やき裂が発生することがあった。 For this reason, in equipment exposed to high-temperature and high-pressure steam, the stress applied to the components at high temperatures causes various damages and deformations along with deterioration of the material itself, and local cracks are generated. There was a possibility of causing destruction of the entire device based on the crack. Especially for equipment composed of a large number of parts as the equipment becomes larger, it is inevitable to make it with a welded structure, and if any damage occurs, welding work is required to repair it. We often experience cracks from welds. Since the equipment is used at high temperatures for a long time, the material creep-deformed, resulting in significant damage to the equipment, and significant deformation and cracking may occur.
このため、これまで様々な方法で、溶接部に対して材料の損傷、特にクリープ損傷を評価する方法が提案されてきた。図２１は、従来から母材に適用されているクリープ損傷を検出する方法の１つを示すものである。すなわち、この方法では、図２１に示すようなクリープボイド個数密度とクリープ寿命（ＭＬＡＳによる寿命消費率）の関係を用い、溶接金属内部のクリープボイドを超音波を用いた非破壊的方法によって求め、クリープ損傷を検出する方法である（例えば、特許文献１参照。）。 For this reason, there have been proposed various methods for evaluating material damage, particularly creep damage, on the welded portion. FIG. 21 shows one method for detecting creep damage that has been applied to a base material. That is, in this method, the creep void number density and the creep life (lifetime consumption rate by MLAS) as shown in FIG. 21 are used, and the creep void inside the weld metal is obtained by a nondestructive method using ultrasonic waves. This is a method for detecting creep damage (see, for example, Patent Document 1).
また、クリープボイドの個数密度が鋼種や適用環境によって変化することに着目し、図２２に示すように、ボイド個数密度の時間変化（ボイド個数密度変化率）とクリープ寿命消費率を関係付けて溶接部におけるクリープ損傷を評価する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。 Also, focusing on the fact that the number density of creep voids varies depending on the steel type and application environment, as shown in FIG. 22, welding is performed by associating the time variation of void number density (rate of change in void number density) and the creep life consumption rate There is known a method for evaluating creep damage in a portion (see, for example, Patent Document 2).
また、図２３のフローチャートに示すように、レプリカ法によって測定されるボイド個数密度に閾値を設け、超音波探傷検査（ＵＴ検査）による内部欠陥評価と余寿命評価を合理的に実施できるようにした方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。 In addition, as shown in the flowchart of FIG. 23, a threshold value is provided for the void number density measured by the replica method, so that internal defect evaluation and remaining life evaluation by ultrasonic flaw detection inspection (UT inspection) can be rationally performed. A method is known (for example, refer to Patent Document 3).
また、図２４のフローチャートに示すように、溶接部表面の損傷をレプリカ法によって行い、内部損傷をタンデム探傷法によって行うことにより、溶接部全域をカバーする評価が可能となると同時に、化学分析により材料内の不純物の定量を行うことによって、クリープ損傷評価の補正を行うようにした方法が知られている（例えば、特許文献４参照。）。 Further, as shown in the flowchart of FIG. 24, the surface of the welded portion is damaged by the replica method and the internal damage is performed by the tandem flaw detection method. A method is known in which the creep damage evaluation is corrected by quantifying the impurities contained therein (see, for example, Patent Document 4).
また以上に示した非破壊試験データを用いる方法の他に、解析的に寿命評価する方法も数多く提案されている。多くの方法では解析によって求められた局部的に最も大きな応力やひずみを基にして寿命評価を行っている。材料寿命データとしては高温の一定荷重による変形、破断に対するデータとしてクリープ破断データを、繰返しのひずみに対するデータとして低サイクル疲労データを用いて、それぞれクリープ損傷および疲労損傷を算出し、寿命評価を行っている。 In addition to the method using the nondestructive test data described above, many methods for analytically evaluating the lifetime have been proposed. In many methods, life evaluation is performed based on the locally highest stress and strain obtained by analysis. As material life data, creep damage and fatigue damage were calculated using creep rupture data as data for deformation and fracture at high temperature constant load, and low cycle fatigue data as data for repeated strains. Yes.
以上のように従来から、寿命評価の方法として、ボイドなどの非破壊試験や局部的な破壊試験または有限要素法（ＦＥＭ）解析によって得られる様々なデータを基に評価する方法が提案されている。 As described above, methods for evaluating life based on various data obtained by nondestructive testing such as voids, local destructive testing, or finite element method (FEM) analysis have been proposed. .
しかし、寿命評価に用いるデータはあくまで実験室で得られたクリープ損傷に対するもので、評価範囲もクリープボイドや硬さなど局部的に限定されるものであり、解析的に評価する場合でも高応力部として評価範囲は限定される。さらに、寿命評価結果は試験片レベルでは試験片全体に均一にクリープ損傷が生ずるために寿命評価精度は高いものの、実際の機器溶接部においては、かなりのクリープ損傷を生じていると判定されながら、実際にはクリープによる破断が生じた例はほとんどないのが実情である。 However, the data used for life evaluation is only for creep damage obtained in the laboratory, and the evaluation range is limited locally, such as creep void and hardness. As a result, the evaluation range is limited. Furthermore, the life evaluation result shows that even though the life evaluation accuracy is high because creep damage occurs uniformly throughout the test piece at the test piece level, it is determined that considerable creep damage has occurred in actual equipment welds, Actually, there are almost no examples of fracture due to creep.
一方、クリープ損傷と異なり疲労損傷に関しては、高サイクル疲労によって振動を生ずる部品が想定外の部位から短時間で破断する例が数多く見られる。これは高サイクル疲労が機器の予想外の振動応力や表面状態によって容易に生ずるためである。これに対して低サイクル疲労による損傷に関しては解析的に評価されたひずみに対しては寿命管理が確立されており、現在では低サイクル疲労によるき裂発生や破断は実機ではほとんど見られない。 On the other hand, regarding creep damage unlike creep damage, there are many examples in which parts that generate vibrations due to high cycle fatigue break from unexpected sites in a short time. This is because high cycle fatigue is easily caused by unexpected vibration stress and surface condition of the equipment. On the other hand, with regard to damage caused by low cycle fatigue, life management has been established for analytically evaluated strains, and cracks and fractures due to low cycle fatigue are rarely seen in actual machines.
疲労やクリープは材料に損傷を与える損傷の形態の一つであり、ともに高温機器溶接部の寿命評価においては非常に重要であるが、考慮すべき機器溶接部の評価方法は異なる。 Fatigue and creep are one form of damage that damages materials, and both are very important in the life evaluation of high-temperature equipment welds, but the equipment weld evaluation methods to be considered are different.
疲労損傷は局部的に応力変化が集中し、その最も高くなる部位に局部的にき裂を発生して、それを伝播して破断に至らせるが、クリープ損傷では損傷が集中する場合はまれであり、絶えず損傷を分散させる傾向にある。疲労損傷では、あまり大きな材料の変形を伴うことなく損傷が蓄積するため、損傷過程において周囲の大きな応力状況の変化がなく、損傷が蓄積する初期の応力状態が継続されてき裂発生に至る。このため、初期状態が明確に把握される低サイクル疲労による損傷に対しては運転過程で大きく変化する場合がない限り、その損傷は確実に把握され、寿命管理もしやすい。 In fatigue damage, stress changes are concentrated locally, and a crack is locally generated at the highest point and propagates to lead to fracture, but in creep damage, damage is rarely concentrated. There is a tendency to disperse damage constantly. In fatigue damage, damage accumulates without causing significant deformation of the material. Therefore, there is no change in the surrounding large stress state in the damage process, and the initial stress state in which damage accumulates is continued, leading to cracking. For this reason, damage caused by low cycle fatigue, whose initial state is clearly grasped, is surely grasped and life management is easy unless there is a large change in the operation process.
これに対して、クリープ損傷では、損傷過程において絶えずクリープ変形による応力変化を生じている。最初の負荷において、高応力となった部位は高応力であるがために他の部位よりクリープ変形を生じやすくなるため、高応力部のクリープ変形により自らの高応力状態を回避して応力を低下させる結果となる。このため、初期の応力状態からクリープ寿命を評価した場合には常に短寿命側の安全側の寿命評価を行うことになる。 On the other hand, in creep damage, stress changes due to creep deformation are constantly generated in the damage process. At the initial load, the part that became high stress is high stress, so it is more likely to undergo creep deformation than other parts, so the stress is reduced by avoiding its own high stress state by creep deformation of the high stress part. Result. For this reason, when the creep life is evaluated from the initial stress state, the life on the safety side on the short life side is always evaluated.
一定部位での損傷は、変形を生じない疲労損傷については経時的に直線的に損傷が累積するが、変形を伴うクリープ損傷は経時的に常に非線形に変化しており、瞬間的なある時点での評価は疲労損傷に対しては適切であるが、クリープ損傷に対しては大きな誤差を生ずることになる。 Damage at a certain location is linearly accumulated over time for fatigue damage that does not cause deformation, but creep damage that accompanies deformation always changes non-linearly over time. Although this evaluation is appropriate for fatigue damage, it produces a large error for creep damage.
非破壊的なデータを基にして寿命評価する場合でも、高応力部位から得られたデータを基に評価した場合には、初期の短時間における損傷過程で生じたデータを用いるために解析的に評価した結果と同様な結果となり、常に安全側の評価となる。この場合、どれだけ精度の高い非破壊的な方法を用いても、その時点での局部的な評価を行う限り評価精度の向上は望めない。 Even when evaluating the life based on non-destructive data, if the evaluation is based on data obtained from a high-stress site, the data generated during the initial short-time damage process is used analytically. The result is similar to the result of the evaluation, and is always a safety evaluation. In this case, no matter how high accuracy non-destructive method is used, improvement in evaluation accuracy cannot be expected as long as local evaluation at that time is performed.
以上のように、実際の機器の溶接部におけるクリープ損傷の評価において、これまでの方法では常に安全側の寿命推定となっていた。このため、従来に比べて寿命評価における評価精度を向上させることのできる高温機器溶接部の寿命設計方法の提供が必要とされていた。
上記したとおり、従来の方法では、ＦＥＭ解析などの解析的な方法を用いた場合でも、クリープ変形による損傷の分散を無視して、瞬間的な局部的評価データを用いて高温機器の溶接部のクリープ損傷を評価していたため、常に短寿命側の安全側評価となっていた。このため、クリープ変形に伴うクリープ損傷の分散を考慮した高精度な溶接部寿命評価を行うことのできる高温機器溶接部の寿命設計方法の開発が必要とされていた。 As described above, in the conventional method, even when an analytical method such as FEM analysis is used, the dispersion of damage due to creep deformation is ignored, and instantaneous local evaluation data is used for the welding of the high temperature equipment. Since creep damage was evaluated, it was always a safety evaluation on the short life side. For this reason, it has been necessary to develop a life design method for high-temperature equipment welds that can perform a highly accurate weld life assessment in consideration of the dispersion of creep damage due to creep deformation.
本発明は上記の従来の事情に対処してなされたもので、クリープ損傷の損傷過程におけるクリープ変形による応力変化を考慮し、疲労損傷の評価とともに従来に比べて高精度に高温機器溶接部の寿命評価を行うことのできる高温機器溶接部の寿命設計方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to the above-mentioned conventional circumstances, considering the stress change due to creep deformation in the damage process of creep damage, and evaluating the fatigue damage and the life of high-temperature equipment welds with higher accuracy than before. It aims at providing the lifetime design method of the high temperature equipment welding part which can be evaluated.
本発明の一態様は、高温機器の溶接部における評価部位に負荷される定常負荷からクリープ寿命を算出して高温機器溶接部の寿命設計を行う高温機器溶接部の寿命設計方法であって、前記溶接部に、変位により前記定常負荷が与えられる場合、クリープ変形による応力変化を予測して前記クリープ寿命を算出することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a life design method for a high temperature equipment welded portion that calculates a creep life from a steady load applied to an evaluation site in a welded portion of a high temperature equipment and performs a life design of the high temperature equipment welded portion, When the steady load is applied to the welded portion due to displacement, the creep life is calculated by predicting a stress change due to creep deformation.
本発明によれば、クリープ損傷の損傷過程におけるクリープ変形による応力変化を考慮し、疲労損傷の評価とともに従来に比べて高精度に高温機器溶接部の寿命評価を行うことのできる高温機器溶接部の寿命設計方法を提供することができる。 According to the present invention, considering the stress change due to creep deformation in the damage process of creep damage, the life of a high temperature equipment welded part can be evaluated with high accuracy compared to the conventional technique along with fatigue damage evaluation. A lifetime design method can be provided.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る高温機器溶接部の寿命設計方法の概略構成を示したものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a life design method for a high temperature equipment weld according to this embodiment.
図１に示すように、本実施形態の高温機器溶接部の寿命設計方法では、まず高温機器のうち対象となる高温対象部品を選定する（１０１）。次に、選定した高温対象部品のなかで溶接を行う構造溶接部位を選定する（１０２）。構造溶接部位は応力変化や温度変化の小さな部位や製造上の部品形状から規定される部位となる。 As shown in FIG. 1, in the life design method for a high-temperature equipment welded portion of this embodiment, first, a target high-temperature target part is selected from the high-temperature equipment (101). Next, a structural welding part to be welded is selected from the selected high temperature target parts (102). The structural welding part is a part defined by a part having a small stress change or temperature change or a manufacturing part shape.
次に、溶接材料データベース（溶接材料ＤＢ）１２０から最適な溶接材料を選定する（１０３）。この溶接材料データベース１２０には、異なった母材や同種の母材に対して実施し、溶接時の割れや欠陥が無かった過去の溶接実施例から最適な溶接材料が挙げられている。
Next, an optimum welding material is selected from the welding material database (welding material DB) 120 (103). This
次に、選定された溶接材料に適用する溶接開先形状及び溶接方法を、溶接材料データベース１２０から取得する（１０４）。これにより、溶接部の溶接金属の溶接量が決定される（１０５）。 Next, a welding groove shape and a welding method to be applied to the selected welding material are acquired from the welding material database 120 (104). Thereby, the welding amount of the weld metal of a welding part is determined (105).
次に、溶接部位に負荷する主要な荷重を、定常的に負荷する荷重と過渡的に負荷する荷重に分類し、定常負荷に対する評価を行うとともに（１０６）、変動負荷に対する評価を行う（１０７）。定常負荷としては遠心力、圧力、締結力等があり、変動負荷としては非定常熱応力、遠心力等がある。遠心力、圧力は定常運転状態では定常負荷であるが、起動停止に伴う過渡的な荷重変化と考えると変動負荷となる。 Next, the main load applied to the welded part is classified into a load that is constantly applied and a load that is applied transiently, and an evaluation is performed on the steady load (106) and an evaluation is performed on the variable load (107). . The steady load includes centrifugal force, pressure, fastening force, and the like, and the variable load includes unsteady thermal stress, centrifugal force, and the like. Centrifugal force and pressure are steady loads in a steady operation state, but they become fluctuating loads when considered as transient load changes accompanying start-stop.
変動負荷つまり過渡的な荷重に対しては、疲労に伴う損傷を考慮する。このため、これらの過渡的な荷重により発生する応力、ひずみをできるだけ局所評価点でとらえて、各溶接部局部評価点での発生応力、ひずみを算出し（１０８）、これに基づいて各溶接部局部評価点の疲労損傷を算出し、疲労強度評価を行う（１０９）。 For fluctuating or transient loads, consider fatigue damage. Therefore, the stress and strain generated by these transient loads are captured at the local evaluation points as much as possible, and the generated stress and strain at each local weld evaluation point are calculated (108). The fatigue damage at the local evaluation point is calculated, and the fatigue strength is evaluated (109).
遠心力等のような機器の起動停止に伴う疲労損傷の場合には、遠心力により発生する応力、ひずみの変動によって疲労破断する繰返し回数(疲労寿命)に対する起動停止の回数の比で疲労損傷を表す。起動停止回数が増える毎に損傷は線形的に増大し、定期的な起動停止であれば時間に対しても線型的な増大となる。一般的にはＦＥＭ解析により、各荷重の荷重変化によって生ずる応力、ひずみを求めて、疲労損傷を算出することになる。 In the case of fatigue damage due to starting and stopping of equipment such as centrifugal force, the fatigue damage is determined by the ratio of the number of starting and stopping times to the number of repeated fatigue cycles (fatigue life) due to fluctuations in stress and strain generated by centrifugal force. To express. The damage increases linearly as the number of activation / deactivation increases, and if the activation is stopped periodically, the damage increases linearly with respect to time. In general, fatigue damage is calculated by obtaining stress and strain caused by load changes of each load by FEM analysis.
図２に示す蒸気タービンの弁２００では、配管２０１との接合部に溶接部２０２が設けられており、溶接部断面をクリープの評価断面２０３、形状的に段差を生じている部分を、疲労損傷を評価する評価点２０４とする。なお、図２において、２０５は弁箱、２０６は上蓋、２０７は弁箱２０５に上蓋２０６を固着するためのボルトである。
In the
定常負荷つまり定常的な荷重に対しては、クリープ損傷を考慮することになる。クリープ損傷は、変位により定常負荷が与えられる場合、クリープ変形による応力変化を予測して算出する。この際、変位により定常負荷が与えられ初期状態が繰返し負荷されない場合と、初期状態が繰返し負荷される場合とでクリープ変形による応力変化が異なる。以下では、初期状態が繰返し負荷されない場合について説明する。 For steady loads, that is, steady loads, creep damage is considered. Creep damage is calculated by predicting the stress change due to creep deformation when a steady load is applied by displacement. At this time, the stress change due to creep deformation differs between when the steady load is applied due to the displacement and the initial state is not repeatedly loaded, and when the initial state is repeatedly loaded. Hereinafter, a case where the initial state is not repeatedly loaded will be described.
このようなクリープ損傷に対しては、主要部の溶接部評価断面を設定し、この溶接部評価断面に対して各負荷荷重から平均応力を算出する（１１０）。そして、算出された平均応力によって溶接部評価断面のクリープ損傷を算出し、クリープ強度評価を行う（１１１） For such creep damage, a welded section evaluation cross section of the main part is set, and an average stress is calculated from each load for this welded section evaluated cross section (110). Then, the creep damage of the weld evaluation cross section is calculated from the calculated average stress, and the creep strength is evaluated (111).
次に、各評価断面と各評価点でのクリープ寿命と疲労寿命を評価し（１１２）、各溶接部に対してのクリープ損傷と、疲労損傷との割合で消費寿命を評価し、溶接部各評価断面、評価点の設計寿命が満足できるか否かを判断する（１１３）。 Next, the creep life and fatigue life at each evaluation section and each evaluation point were evaluated (112), and the consumption life was evaluated by the ratio of creep damage to each weld and fatigue damage. It is determined whether or not the design life of the evaluation section and the evaluation point can be satisfied (113).
この判断では、構造設計データベース（構造設計ＤＢ）１２１から得られる限界損傷線図上でクリープ損傷と疲労損傷を評価し、限界損傷に達した段階で、き裂発生となるため、評価断面でのクリープ損傷と評価点での疲労損傷が限界線を超える場合には、溶接部の寿命が設計寿命以下となり、再度溶接設計を行うことになる。この場合、溶接部位（１０２）や溶接材料（１０３）、開先形状や溶接方法（１０４）を見直し、再度寿命を算出して設計寿命を満足するまでこれを繰り返す。以上の過程を完全に満たした段階で許容溶接構造として決定される（１１４）。 In this judgment, creep damage and fatigue damage are evaluated on the limit damage diagram obtained from the structural design database (structural design DB) 121, and cracks are generated when the limit damage is reached. When creep damage and fatigue damage at the evaluation point exceed the limit line, the weld life is less than the design life, and the welding design is performed again. In this case, the welded part (102), the welding material (103), the groove shape and the welding method (104) are reviewed, the life is calculated again, and this is repeated until the design life is satisfied. When the above process is completely satisfied, the allowable welded structure is determined (114).
次に、上記したクリープ損傷の評価方法について詳細に説明する。上記したとおり、溶接部の複数の評価断面に対して各負荷荷重から算出される平均応力によってクリープ損傷を評価する。図３に示す一般的な溶接部３００に対して、まず溶着金属の中央部に対して評価断面（溶着金属評価断面）３０１を設定できるとともに、母材側の溶接部との境界部に形成される熱影響部は母材が熱的に変質した層であり、この部分に沿って評価断面（熱影響部評価断面）３０２を設定できる。材料によっては溶接金属側の境界層の強度が低い場合にはこの断面に対しても、評価断面を設定して評価する。なお、図３において３０３は母材部評価断面である。 Next, the creep damage evaluation method described above will be described in detail. As described above, creep damage is evaluated by the average stress calculated from each load for a plurality of evaluation sections of the weld. With respect to the general welded portion 300 shown in FIG. 3, an evaluation cross section (welded metal evaluation cross section) 301 can first be set with respect to the central portion of the weld metal, and is formed at a boundary portion with the weld portion on the base metal side. The heat affected zone is a layer in which the base material is thermally altered, and an evaluation cross section (heat affected zone evaluation cross section) 302 can be set along this portion. Depending on the material, when the strength of the boundary layer on the weld metal side is low, this cross section is also set and evaluated. In FIG. 3, reference numeral 303 denotes a base material portion evaluation section.
クリープ損傷の評価においてはミーゼス相当応力の平均応力が最も大きくなる評価断面によって評価するが、その理由となる応力分布の変化を図４に示す。なお、図４において縦軸は応力、横軸は評価断面での位置を示す。初期状態においては、内圧や熱応力により発生する応力は局部的な応力集中によって、最大応力部分や最小応力となる部分を有する分布となる（初期応力分布）。しかし、高温で初期状態の負荷が継続すると、最大応力部分のクリープ変形が進行し、応力は低下する傾向となる。逆に低応力部分は高応力部分の負荷を分担するため応力の上昇傾向となる。長時間にわたり一定の負荷状態が継続すると、最終的には評価断面に沿って応力はほぼ均一な分布となる（最終応力分布）。 In the evaluation of creep damage, evaluation is performed by an evaluation cross section in which the average stress of Mises equivalent stress is the largest. FIG. 4 shows a change in stress distribution as the reason. In FIG. 4, the vertical axis indicates stress, and the horizontal axis indicates the position on the evaluation cross section. In the initial state, the stress generated by internal pressure or thermal stress has a distribution having a maximum stress portion and a minimum stress portion due to local stress concentration (initial stress distribution). However, if the initial load continues at a high temperature, creep deformation of the maximum stress portion proceeds and the stress tends to decrease. Conversely, the low stress portion tends to increase the stress because it shares the load of the high stress portion. When a constant load state continues for a long time, the stress finally has a substantially uniform distribution along the evaluation section (final stress distribution).
図５は、縦軸を応力、横軸を時間として、高応力部と低応力部の時間に対する応力変化を示したもので、高応力部は初期他状態の応力が高いものの、短時間で急激に低下し、一定の応力となる。逆に低応力部の応力は初期状態の応力から徐々に応力が高くなり、高応力部の応力と同程度の応力に収斂することとなる。この収斂する応力がこの評価断面での平均応力であり、この応力でクリープ損傷を評価することにより、簡易ながら精度の高いクリープ寿命を評価することができる。 FIG. 5 shows the stress change with respect to the time of the high stress portion and the low stress portion, with the vertical axis representing stress and the horizontal axis representing time. To a constant stress. Conversely, the stress in the low stress portion gradually increases from the stress in the initial state, and converges to the same level as the stress in the high stress portion. This convergent stress is the average stress in this evaluation section, and by evaluating creep damage with this stress, it is possible to evaluate a simple and highly accurate creep life.
図６は、縦軸を応力及び損傷、横軸を時間として、高応力部の応力と損傷の時間変化を示したものである。通常の非破壊的方法等によりクリープ損傷を評価する場合には、高応力の最も損傷の大きい部分に対して、局部的にクリープ損傷の評価を行う。このため、評価結果の精度が高く、正確にその時点でのクリープ損傷が評価されたとしても、損傷の時間に対する変化は線型変化でないため、初期状態と評価結果を線型推定して得た寿命評価結果（図中点線で示す）は必ず実寿命に比べて短寿命となる。端的には、ある時点でのクリープ損傷が１／２となっていても、寿命消費速度は時間に対して変化するため寿命消費は１／２ではなく、それ以下であるということである。 FIG. 6 shows the time change of stress and damage in the high stress portion, with the vertical axis representing stress and damage and the horizontal axis representing time. When creep damage is evaluated by an ordinary non-destructive method or the like, creep damage is locally evaluated for the most damaged portion having the highest stress. For this reason, even if the accuracy of the evaluation result is high and the creep damage at that time is accurately evaluated, the change in damage over time is not a linear change, so the life evaluation obtained by linearly estimating the initial state and the evaluation result The result (indicated by the dotted line in the figure) always has a shorter life than the actual life. In short, even if the creep damage at a certain point is ½, the life consumption rate changes with time, so the life consumption is not ½, but less.
図７は、縦軸を応力、横軸を破断時間として、実部品を模擬した溶接試験片に対して実施したクリープ破断試験の結果と、通常の単軸クリープ破断試験の結果を比較して示したものである。ケーシングを模擬した溶接部を有する厚肉円筒試験片に対して、蒸気による内圧を負荷した試験を実施すると、それぞれ平均応力が最も高くなる評価断面に沿って平均応力で評価した場合（図７中円形のマークで示す。）は、単軸のクリープ破断データと良く一致するが、最大応力で評価した場合（図７中正方形のマークで示す。）は、常に短寿命側の推定となり、実寿命と大きなずれを生じている。この結果から、評価断面に沿った平均応力によるクリープ損傷の評価は簡易ながら、時間に対して非線形で変化する損傷を線形で評価できる方法であることがわかる。 FIG. 7 shows a comparison between the results of a creep rupture test performed on a welded specimen simulating an actual part and the results of a normal uniaxial creep rupture test, with the vertical axis representing stress and the horizontal axis representing the rupture time. It is a thing. When a thick cylindrical test piece having a welded part simulating a casing is subjected to a test with internal pressure applied by steam, the average stress is evaluated along the evaluation cross section where the average stress is highest (in FIG. 7). ) Is in good agreement with the uniaxial creep rupture data, but when evaluated with the maximum stress (indicated by the square mark in FIG. 7), it is always an estimate on the short life side, and the actual life There is a big gap. From this result, it can be seen that creep damage due to average stress along the evaluation cross section is a simple method, but it is a method that can linearly evaluate damage that changes nonlinearly with respect to time.
クリープ損傷は、一定変位により定常負荷を与える負荷形態で、初期の負荷形態が繰り返し負荷される場合には、損傷が最大応力部位に限定されることになる。その一例は、図２に示した蒸気弁２００の上蓋２０６の取り付けボルト２０７である。このボルトは取り付け時の締結力と蒸気の内圧に抗して長時間にわたり引張荷重が負荷されている。また形状的にネジにより荷重を伝えているため、そのネジ底には応力の集中により過大な応力が発生する。このボルトに対してもクリープ損傷評価断面としてネジ底を含む断面を設定でき、全寿命にわたり蒸気弁を分解し、再組立することなく初期の組立状態で使用する場合には、上記の平均応力によってクリープ寿命を評価できる。
Creep damage is a load form in which a constant load is applied by a constant displacement. When the initial load form is repeatedly loaded, the damage is limited to the maximum stress site. One example is the mounting bolt 207 of the upper lid 206 of the
しかし、ボルトによる締結構造であるため、メンテナンスのため定期的な分解と再組立が行われることになる。このように変位型の定荷重負荷で初期状態が繰返し負荷される場合には、応力が平均化することなく最大応力部にクリープ損傷が蓄積し、当該部のみにき裂が発生し、進展してボルトの破断に至ることがある。 However, since it is a fastening structure using bolts, periodic disassembly and reassembly are performed for maintenance. In this way, when the initial state is repeatedly applied with a displacement-type constant load, creep damage accumulates in the maximum stressed part without averaging the stress, and a crack is generated only in that part. The bolt may break.
図８は、縦軸を応力、横軸を評価断面での位置として、その過程を模式的に示したもので、ネジ底に発した高応力は時間の経過とともに応力緩和して応力が低下するが、十分に低下して平均的な応力分布となる以前に、分解、組立が実施されると組立直後に初期の高応力状態が再現されることになる。この過程が繰り返されることにより、ネジ底の高応力状態は緩和されることなく維持されることになり、クリープ損傷が局部的に蓄積されることになる。すなわちこのような状態で使用される場合には、高応力部（局所部位）のみにクリープ損傷が累積するとしてクリープ寿命を評価する必要がある。 FIG. 8 schematically shows the process, with the vertical axis representing stress and the horizontal axis representing the position in the evaluation cross section. The high stress generated at the screw bottom relaxes with time and the stress decreases. However, if the disassembly and assembly are performed before the average stress distribution is sufficiently reduced, the initial high stress state is reproduced immediately after the assembly. By repeating this process, the high stress state of the screw bottom is maintained without being relaxed, and creep damage is accumulated locally. That is, when used in such a state, it is necessary to evaluate the creep life as creep damage accumulates only in a high stress portion (local site).
この場合、ネジ底の高応力が応力緩和により低下する過程でのクリープ破断時間に対する比からクリープ損傷を評価し、その損傷範囲は例えば非破壊検査により検出可能な大きさとすることにより安全側にその範囲を決めることができる。当該ボルトのような使用形態にある溶接部に対しては、同様なクリープ損傷の集中を考慮して寿命を算出する必要がある。 In this case, the creep damage is evaluated from the ratio to the creep rupture time in the process in which the high stress at the screw bottom decreases due to stress relaxation. The range can be determined. It is necessary to calculate the life of a welded part such as a bolt in consideration of the same concentration of creep damage.
しかし、縦軸を応力、横軸を時間とした図９に示すように、ケーシングの内圧による応力のように蒸気タービンの起動・停止により内圧が変化しても、応力の変化過程に変動を生ずるものの、全体としてクリープ変形過程が継続している場合には、上記のクリープ損傷の局部的な累積は生じないため、通常の平均応力評価によりクリープ損傷を評価できる。 However, as shown in FIG. 9 in which the vertical axis represents stress and the horizontal axis represents time, even if the internal pressure changes due to the start / stop of the steam turbine, such as stress due to the internal pressure of the casing, the change process of the stress occurs. However, when the creep deformation process continues as a whole, the above-mentioned local accumulation of the creep damage does not occur, and therefore the creep damage can be evaluated by a normal average stress evaluation.
一般的にクリープ寿命は、溶接部と母材では強度の相違から同一の応力に対しても異なった値となる。このため、母材と同一のクリープ寿命を得るためには、クリープを生じる荷重に対して負担する断面の厚さを変化させることによって同一の寿命とすることができる。 Generally, the creep life is different for the same stress due to the difference in strength between the weld and the base metal. For this reason, in order to obtain the same creep life as that of the base material, the same life can be obtained by changing the thickness of the cross section to be borne for the load causing the creep.
図１０は、縦軸を応力、横軸を破断時間として、母材と同一のクリープ寿命とする場合の溶接部の応力設定の方法を示すものである。溶接部のクリープ強度（図１０中四角形のマークで示す。）が母材のクリープ強度（図１０中円形のマークで示す。）に比べて低い場合には、同一の設計寿命で設定したクリープ寿命に対して当該の応力値を設定応力とすることで、母材と同一のクリープ寿命を確保することができる。この場合には当該断面の厚さを厚くする事により同一の負荷に対して低応力状態を実現できる。逆に溶接部の強度が母材より高い場合には、母材よりも薄肉化して高応力化しても同一のクリープ寿命とすることができる。 FIG. 10 shows a method for setting the stress of the weld when the vertical axis represents stress and the horizontal axis represents the rupture time and the creep life is the same as that of the base material. When the creep strength of the welded portion (indicated by a square mark in FIG. 10) is lower than the creep strength of the base material (indicated by a circular mark in FIG. 10), the creep life set with the same design life However, by setting the stress value as the set stress, the same creep life as that of the base material can be ensured. In this case, a low stress state can be realized with respect to the same load by increasing the thickness of the cross section. Conversely, when the strength of the welded portion is higher than that of the base material, the same creep life can be achieved even if the thickness is made thinner than the base material and the stress is increased.
次に、疲労損傷の評価法について説明する。図１１は段差部３１０に設けられた溶接部３１１の疲労損傷評価点の例を示す。当該溶接部３１１は段差部３１０による形状的な不連続のために、応力やひずみの集中を生じる。その大きさは評価点（溶接金属評価点）３１２を通る断面に沿った応力やひずみの分布を描くとことによって得ることができる。疲労損傷は応力やひずみの大きさによって算出の方法が異なる。過渡的な負荷によって生じる応力が溶接材料の引張と圧縮の耐力σｙを超えて繰り返される場合、すなわち応力範囲Δσ＞２σｙの場合には過渡的な負荷の繰り返しによって低サイクル疲労と呼ばれる繰り返しの塑性変形を伴う疲労となるため、低サイクル疲労データを用いた疲労損傷が必要となる。 Next, the fatigue damage evaluation method will be described. FIG. 11 shows an example of fatigue damage evaluation points of the welded portion 311 provided in the stepped portion 310. The welded portion 311 causes stress and strain concentration due to the shape discontinuity due to the stepped portion 310. The size can be obtained by drawing the distribution of stress and strain along the cross section passing through the evaluation point (weld metal evaluation point) 312. Fatigue damage is calculated differently depending on the magnitude of stress and strain. When the stress caused by the transient load is repeated beyond the tensile and compressive strength σy of the welding material, that is, when the stress range Δσ> 2σy, repeated plastic deformation called low cycle fatigue due to repeated transient load Therefore, fatigue damage using low cycle fatigue data is required.
図１２は、縦軸をひずみ範囲Δε、横軸を破断繰り返し数Ｎｆとして、低サイクル疲労曲線による疲労寿命算出の方法を示すものである。ＦＥＭ解析等で得られた評価点におけるひずみ範囲の値Δεｔにより疲労寿命を得ることができる。 FIG. 12 shows a fatigue life calculation method using a low cycle fatigue curve with the vertical axis representing the strain range Δε and the horizontal axis representing the number of repetitions of fracture Nf. The fatigue life can be obtained by the strain range value Δεt at the evaluation point obtained by FEM analysis or the like.
過渡的な負荷によって生じる応力が溶接材料の引張と圧縮の両方の耐力σｙを超えずに繰り返される場合、すなわち応力範囲Δσ＜２σｙの場合には過渡的な負荷の繰り返しによって高サイクル疲労と呼ばれる疲労となる。この場合には繰り返される応力の平均応力と応力の振幅によって疲労破壊するか否かを判定する。 Fatigue called high cycle fatigue due to repeated transient loading when the stress caused by transient loading is repeated without exceeding both tensile and compressive proof stress σy of the welding material, ie, when stress range Δσ <2σy It becomes. In this case, it is determined whether or not the fatigue fracture is caused by the average stress of repeated stress and the amplitude of the stress.
図１３のうち、上部に示す図１３（Ａ）は、縦軸を応力振幅σａ、横軸を平均応力σｍとして、評価点の状態をプロットしたものである。ここで平均応力なしで疲労破壊しない上限応力振幅(疲労限) σＷと平均応力軸上の引張強さσＢを結んだ直線が疲労破壊の限界線となり、この限界線以下の条件ではどのような状態でも疲労破壊することなく安全である。 FIG. 13A shown in the upper part of FIG. 13 plots the state of the evaluation points with the vertical axis representing the stress amplitude σa and the horizontal axis representing the average stress σm. Here, the upper limit stress amplitude (fatigue limit) that does not cause fatigue failure without average stress The straight line connecting σW and the tensile strength σB on the average stress axis is the limit line for fatigue failure, and under any condition below this limit line But it is safe without fatigue failure.
しかし、この領域を超えた応力条件にある場合には疲労寿命は有限寿命となるため、疲労寿命を算出する必要がある。この場合、図中点線で示すように、まず平均応力軸上の引張強さσＢと評価点の応力条件（評価点の平均応力、応力振幅）のプロットを結んで、応力振幅軸（縦軸）上に延長し、その交点を相当応力振幅σｅｑとする。次に、縦軸を相当応力振幅σｅｑ、横軸を破断繰り返し数Ｎｆとした図１３の下部の図１３（Ｂ）に示すように、通常の平均応力の無い高サイクル疲労曲線上において、この相当応力振幅σｅｑにあたる破断繰り返し数Ｎｆを読み取ることによって評価点における疲労寿命を得ることができる。 However, when the stress condition exceeds this range, the fatigue life becomes a finite life, so it is necessary to calculate the fatigue life. In this case, as shown by the dotted line in the figure, first, a plot of the tensile strength σB on the average stress axis and the stress condition of the evaluation point (average stress of the evaluation point, stress amplitude) is connected, and the stress amplitude axis (vertical axis) The intersection is extended to the equivalent stress amplitude σeq. Next, as shown in FIG. 13B at the bottom of FIG. 13 with the vertical axis representing the equivalent stress amplitude σeq and the horizontal axis representing the number of repetitions of fracture Nf, this equivalent on the normal high cycle fatigue curve without average stress. The fatigue life at the evaluation point can be obtained by reading the number of repeated fractures Nf corresponding to the stress amplitude σeq.
以上のようにして得られたクリープ寿命ｔｒと疲労寿命Ｎｆを基にして、設計寿命内での使用時間ｔと繰り返し数ｎとの分数によりそれぞれクリープ損傷Φc＝ｔ／ｔｒ、疲労損傷Φf＝ｎ／Ｎｆを算出する。そして、縦軸を疲労損傷Φf、横軸をクリープ損傷Φcとした図１４に示す限界損傷線図上でクリープ損傷と疲労損傷をプロットし、限界損傷線以下であれば、設定した設計寿命は安全な領域にあるため許容される溶接構造となる。限界損傷線を越えた位置にプロットされる場合には、設定した設計寿命内でき裂を発生し、局部的な破壊を生ずることとなるため、当該の溶接構造は許容されず、再設計が必要となる。この場合には材料や溶接開先形状、溶接部全体の形状に対して見直しが必要となる。 Based on the creep life tr and fatigue life Nf obtained as described above, the creep damage Φc = t / tr and the fatigue damage Φf = n are determined by the fraction of the use time t and the number of repetitions n within the design life, respectively. / Nf is calculated. Then, the vertical axis represents fatigue damage Φf and the horizontal axis represents creep damage Φc. The creep damage and fatigue damage are plotted on the limit damage diagram shown in FIG. Therefore, it is an acceptable welded structure. If it is plotted at a position beyond the critical damage line, a crack will occur within the set design life and a local fracture will occur. Therefore, the welded structure is not allowed and must be redesigned. It becomes. In this case, it is necessary to review the material, the weld groove shape, and the overall shape of the weld.
以上のように、本実施形態では特にクリープ損傷評価において、従来の方法とは異なり、溶接部の局部的な高応力部での瞬間的な損傷評価にとらわれることなく、全寿命にわたりクリープ変形によって応力状態が変化し、損傷の累積速度が変化していく状態で、これまで得られた知見により相当応力の平均応力が最も大きくなる評価断面を設定することにより、簡易で高精度なクリープ損傷の評価が可能である。 As described above, in this embodiment, particularly in the creep damage evaluation, unlike the conventional method, the stress due to the creep deformation over the entire life is not limited to the instantaneous damage evaluation in the local high stress portion of the welded portion. By setting the evaluation cross section where the average stress of the equivalent stress is maximized based on the knowledge obtained so far, with the state of change and the cumulative damage rate changing, simple and highly accurate evaluation of creep damage Is possible.
また、定常荷重の負荷形態により高応力状態が局部的に持続する場合には、クリープ損傷が局部的に累積するとして評価する。さらに、疲労損傷とクリープ損傷の相互作用による寿命の低下を考慮して、限界損傷を評価することにより、限界損傷に達した段階でのき裂の発生範囲を特定した。以上のように負荷形態に応じてクリープ損傷評価における応力の平均化と損傷の累積範囲を適正化して評価することにより、クリープ寿命を簡易で高精度に評価することができ、溶接部を有する高温機器の安全運用に大いに貢献することができる。 Moreover, when a high stress state is sustained locally due to the load form of the steady load, it is evaluated that creep damage accumulates locally. In addition, the critical damage was evaluated in consideration of the decrease in life due to the interaction between fatigue damage and creep damage, and the crack initiation range when the critical damage was reached was identified. As described above, the creep life can be easily and accurately evaluated by averaging the stress in the creep damage evaluation and optimizing the cumulative range of damage according to the load form as described above. It can greatly contribute to the safe operation of equipment.
以上のように、本実施形態では、高温機器のうち対象となる溶接部を選定し、評価部位ごとに負荷する主要な荷重を定常的に負荷する荷重と過渡的に負荷する荷重に分類している。このように、クリープ損傷を評価すべき定常的な荷重と、疲労損傷を評価すべき過渡的な荷重を明確に区別し、それぞれの損傷の発生する範囲を明確にすることによって、損傷の相互作用が生ずる範囲も明らかになる。 As described above, in the present embodiment, the target welded portion is selected from the high-temperature equipment, and the main loads loaded for each evaluation part are classified into loads that are constantly loaded and loads that are transiently loaded. Yes. In this way, it is possible to clearly distinguish between the steady load that should be evaluated for creep damage and the transient load that should be evaluated for fatigue damage. The range where this occurs is also clarified.
過渡的な荷重に対しては疲労損傷を考慮し、過渡的な荷重により発生する応力、ひずみをできるだけ局所評価点でとらえて、各評価点での疲労損傷を算出する。一般的にはＦＥＭ解析により、各荷重の荷重変化によって生ずる応力、ひずみを求めて、疲労損傷を算出する。疲労損傷は荷重の繰返しにより常に線形で損傷が累積するため、局部的な線型損傷和によって容易に評価される。 Fatigue damage is taken into account for transient loads, stress and strain generated by transient loads are captured at local evaluation points as much as possible, and fatigue damage at each evaluation point is calculated. Generally, fatigue damage is calculated by obtaining stress and strain caused by load changes of each load by FEM analysis. Since fatigue damage is always linear and accumulates with repeated loading, it is easily evaluated by local linear damage sum.
定常的な荷重によるクリープ損傷に対しては、その負荷形態により損傷が局所に限定されることがあるが、クリープ損傷が局部的に累積しない一般的なクリープ損傷に対しては、主要部の評価断面に対して各負荷荷重から算出されるミーゼス相当応力の平均応力によってクリープ損傷を評価する。 For creep damage due to steady load, the damage may be locally limited depending on the load form, but for general creep damage where creep damage does not accumulate locally, evaluation of the main part Creep damage is evaluated by the average stress of Mises equivalent stress calculated from each load applied to the cross section.
従来の方法では、最大応力によってそのまま評価したり、非破壊的な手法によって得た損傷評価パラメータを用いてクリープ寿命を算出していた。しかし、これらの結果はクリープ損傷が時間に対して非線形的に累積していくことを無視していたため、全て安全側の短寿命評価なっていた。本実施形態では、応力分布と損傷速度の変化により、応力分布と損傷が平準化されるという実験的事実を用いることによって、評価断面に沿った平均応力を設定し、この応力によってクリープ損傷を評価することによりクリープ寿命を簡易で、精度良く評価することができる。またクリープ損傷を平均応力で評価することにより、局部的には非線形で累積するクリープ損傷が時間に対しては線形で累積する量に変換することができ、限界損傷と比較する場合の限界寿命評価が容易に実施できるようになる。 In the conventional method, the creep life is calculated using the damage evaluation parameters obtained by the direct evaluation based on the maximum stress or the non-destructive method. However, these results neglected that the creep damage accumulated non-linearly with respect to time, so all of them were evaluated as short life on the safe side. In this embodiment, the average stress along the evaluation cross section is set by using the experimental fact that the stress distribution and the damage are leveled by the change of the stress distribution and the damage rate, and the creep damage is evaluated by this stress. By doing so, the creep life can be evaluated easily and accurately. In addition, by evaluating creep damage with average stress, creep damage that accumulates locally in a nonlinear manner can be converted into an amount that accumulates linearly with respect to time. Can be easily implemented.
一定変位により定常負荷を与える負荷形態で、初期の負荷形態が繰り返し負荷される場合には、クリープ損傷が最大応力部位に限定されることになる。この場合には、一定変位負荷中の最大応力部の応力変化からクリープ損傷を算出し、これが繰り返され、最大応力部のみに累積するとしてクリープ損傷を評価する。本実施形態ではクリープ損傷がクリープ変形により平均化しやすいことを示しているが、部品の負荷形態によっては局部的に高応力状態が持続し、クリープ損傷が局部的に累積することも示しており、その評価方法としてクリープ損傷の算出法と累積する範囲を示している。以上のように本実施形態は高温機器溶接部の様々な負荷形態に対応した損傷評価方法を示しており、その適用性は高い。 When the initial load form is repeatedly applied in a load form that gives a steady load by a constant displacement, the creep damage is limited to the maximum stress site. In this case, the creep damage is calculated from the stress change of the maximum stress portion under a constant displacement load, and this is repeated, and the creep damage is evaluated as accumulating only in the maximum stress portion. In this embodiment, it is shown that creep damage is easily averaged by creep deformation, but depending on the load form of the part, a high stress state is locally maintained, and it is also shown that creep damage accumulates locally, As the evaluation method, the creep damage calculation method and the accumulated range are shown. As described above, this embodiment shows a damage evaluation method corresponding to various load forms of a high-temperature equipment welded portion, and its applicability is high.
総合的な寿命評価では各部品に対して主要評価断面でクリープ損傷を評価して、疲労損傷とともに設計寿命を評価する。限界損傷線図上でクリープ損傷と疲労損傷をプロットし、限界損傷線以下であれば、設定した設計寿命は安全な領域にあるため許容される溶接構造となる。限界損傷線を越えた位置にプロットされる場合には、設定した設計寿命内でき裂を発生し、局部的な破壊を生ずることとなるため、当該の溶接構造は許容されず、再設計が必要となる。この場合には材料や溶接開先形状、溶接部全体の形状に対して見直しが必要となる。以上のように、限界損傷評価によって、損傷の相互作用による寿命の低下が考慮され、当該溶接構造が許容されるか否かが明確となる。 In comprehensive life evaluation, creep damage is evaluated at each main evaluation section for each part, and design life is evaluated together with fatigue damage. If creep damage and fatigue damage are plotted on the limit damage diagram, and if they are below the limit damage line, the set design life is in a safe region, and the welded structure is allowed. If it is plotted at a position beyond the critical damage line, a crack will occur within the set design life and a local fracture will occur. Therefore, the welded structure is not allowed and must be redesigned. It becomes. In this case, it is necessary to review the material, the weld groove shape, and the overall shape of the weld. As described above, it is clarified whether or not the welded structure is allowed by considering the reduction in life due to the interaction of damage by the limit damage evaluation.
他の実施形態として、図１５、１６に示すように簡易的にケーシングや蒸気弁などの厚肉容器の溶接部における平均応力を算出することができる。図１５に示す方法は、最も単純に平均応力を算出する方法として、内壁側での最大応力と、外壁側での最小応力の単純な算術平均を用いる方法であり、方法が簡易であるが、得られた結果は全体的な分布を考慮すると高めの応力なるため、短寿命側の評価となる。 As another embodiment, as shown in FIGS. 15 and 16, it is possible to simply calculate an average stress in a welded portion of a thick-walled container such as a casing or a steam valve. The method shown in FIG. 15 is a method that uses a simple arithmetic average of the maximum stress on the inner wall side and the minimum stress on the outer wall side as the simplest method of calculating the average stress, and the method is simple, Since the obtained result is a higher stress in consideration of the overall distribution, it is evaluated on the short life side.
図１６に示す方法は、内壁側から外壁に対して応力が線分上に分布するとして平均応力で分割した場合に、応力×距離の面積すなわち積分値が同一なるように分割した場合の応力である。この積分平均応力は、上記した単純平均応力に比べて小さな値となるが、応力形状から見ると妥当な値を与える。 The method shown in FIG. 16 is the stress when the stress is divided so that the area of the stress × distance, that is, the integral value, is the same when the stress is distributed on the line segment from the inner wall side to the outer wall. is there. This integrated average stress is smaller than the above-mentioned simple average stress, but gives an appropriate value when viewed from the stress shape.
上記２つの方法は、適用する部位と状態によって、最適な方法を適用することができる。最も簡易な単純平均応力も、比較的薄肉の容器の場合には、簡易でしかも十分な精度が得られるため、必ずしも常に最も複雑な方法を適用することはない。 The above two methods can be applied in an optimum manner depending on the site and state to be applied. Even the simplest simple average stress, in the case of a relatively thin container, is simple and sufficient accuracy is obtained, so the most complicated method is not always applied.
以上の実施形態では、内圧や熱応力によって損傷するケーシングや蒸気弁において、平均応力を簡易に求めることができ、形状や使用状態により最適な方法を選定して高精度にクリープ寿命を評価することができる。 In the above embodiment, the average stress can be easily obtained for casings and steam valves damaged by internal pressure and thermal stress, and the creep life is evaluated with high accuracy by selecting the optimum method according to the shape and usage conditions. Can do.
さらに別の実施形態として、図１７に示すように、応力が複雑に変化してクリープ損傷の評価断面が特定できない場合には、代表的な評価断面について短時間の有限要素法解析を実施して応力変化傾向をつかみ、得られた応力変化傾向を外挿して長時間の使用状態での評価応力を決定し、評価断面を特定することができる。本実施形態では、精度の高い有限要素法解析を適用することにより長時間の応力状態や損傷状態を推定し、容易にクリープ寿命評価を行うことができる。 As another embodiment, as shown in FIG. 17, when stress changes in a complex manner and an evaluation cross section of creep damage cannot be specified, a short finite element method analysis is performed on a representative evaluation cross section. It is possible to grasp the stress change tendency, extrapolate the obtained stress change tendency, determine the evaluation stress in a long-time use state, and specify the evaluation cross section. In the present embodiment, it is possible to estimate a long-time stress state or damage state by applying a highly accurate finite element method analysis, and to easily perform a creep life evaluation.
さらにまた別の実施形態として、図１８に示すように溶接部に溶け込み不良などの溶接欠陥を生じた場合を想定し、当該欠陥をき裂とみなして、設計寿命内での疲労とクリープによるき裂進展を考慮することにより、設計寿命内で安全に使用できるかを判断することができる。以上のようにき裂進展寿命による寿命評価を併用することにより、より安全に寿命を判断可能となる。 As yet another embodiment, assuming that a weld defect such as a penetration failure occurs in the weld as shown in FIG. 18, the defect is regarded as a crack, and fatigue and creep within the design life are considered. By considering the crack growth, it can be determined whether it can be used safely within the design life. As described above, the life can be determined more safely by using the life evaluation based on the crack propagation life together.
以上説明した蒸気タービンの弁、ケーシングなどの圧力容器の溶接部だけでなく、本発明は、回転体である図１９に示すような異材継ぎ手を有し高温で使用されるロータ１９０などにも適用可能であり、高温機器の溶接部の様々な負荷に対応した簡易で、高精度な寿命設計方法を提供することができ、その効果は甚大である。
In addition to the welded portion of the pressure vessel such as the steam turbine valve and casing described above, the present invention is also applicable to a
２００……蒸気タービンの弁、２０１……配管、２０２……溶接部、２０３……評価断面、２０４……評価点、２０５……弁箱、２０６……上蓋、２０７……ボルト。 200 ... Steam turbine valve, 201 ... Piping, 202 ... Welded part, 203 ... Evaluation section, 204 ... Evaluation point, 205 ... Valve box, 206 ... Upper lid, 207 ... Bolt.
Claims (12)
前記溶接部に、変位により前記定常負荷が与えられる場合、クリープ変形による応力変化を予測して前記クリープ寿命を算出することを特徴とする高温機器溶接部の寿命設計方法。 A life design method for a high temperature equipment welded part that calculates a creep life from a steady load applied to an evaluation site in a welded part of a high temperature equipment and performs a life design of the high temperature equipment welded part,
A life design method for a high temperature equipment welded portion, wherein when the steady load is applied to the welded portion due to displacement, a stress change due to creep deformation is predicted to calculate the creep life.
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