JP2013228119A - ボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成により、エレファントスキン状亀裂発生前の予測が可能なボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置を提供する。
【解決手段】ボイラ伝熱管1の内面に形成される酸化スケール層5の厚さと、前記酸化スケール層5の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管1における亀裂損傷の兆候を診断すること特徴とする。
【選択図】図5
【解決手段】ボイラ伝熱管1の内面に形成される酸化スケール層5の厚さと、前記酸化スケール層5の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管1における亀裂損傷の兆候を診断すること特徴とする。
【選択図】図5
Description
本発明は、例えば火力発電ボイラ装置の火炉水壁管、過熱器管、再熱器管などのボイラ伝熱管で生じる亀裂、特に周方向亀裂(以下、エレファントスキン状亀裂と称する)に基づく損傷の診断方法および診断装置に関するものである。
石炭焚きボイラ装置や重油焚きボイラ装置では、ボイラ装置の運転中で火炉水壁管、過熱器管、再熱器管などの伝熱管に燃焼灰が付着・堆積すると伝熱効率が低下するため、ウォールブロワ(以下、WBと略記する)やスートブロワ(以下、SBと略記する)によって、定期的に高熱の過熱蒸気を吹き付けて、付着している燃焼灰を除去している。また、一部厚く付着・堆積すると、それの自重などにより付着していた燃焼灰が自然に脱落することもある。
図9(a)、(b)は、火炉内において伝熱管の表面にWBあるいはSB(以下、SBで代表する)を作動させた場合のエレファントスキン状亀裂の発生を説明するためのモデル図で、同図(a)は伝熱管の一部斜視図、同図(b)は同図(a)に示す伝熱管の周壁部の一部拡大断面図である。また、図10は、燃焼灰の脱着とSBの作動による伝熱管メタル温度などの変化を示す模式図である。
図9(a),(b)において、符号1は伝熱管、2はその伝熱管1の内側を流通する高温水、3は伝熱管1の外表面に付着・堆積している燃焼灰、4は燃焼灰3を除去するために作動させたSB、5は伝熱管1の内面に生じる酸化スケール、6はその酸化スケール5の内面に生じるパウダー状スケール、7は熱負荷火炎インピンジメント、8は伝熱管1の周壁部に繰り返して生じる内部応力、9は伝熱管1の周壁部に生じるエレファントスキン状亀裂、10は高温の燃焼ガスである。
また図10において、実線Xは燃焼灰3の付着ならびにSB4の作動による伝熱管1の外表面温度(以下、メタル温度と称する)の変動を示す特性線、点線Yは伝熱管1の内部応力8の変動を示す特性線、一点鎖線Zは伝熱管1の内面スケール5,6の生成・蓄積による伝熱管1のメタル温度の変動を示す特性線である。
600〜1200℃の火炉内条件下において、ボイラ装置の運転中に付着した燃焼灰3による断熱作用で伝熱管1のメタル温度は低い状態にあり、定期的にSB4を作動することにより300〜500℃の過熱蒸気を伝熱管1に吹き付けるための温度低下、付着していた燃焼灰3の脱落・除去で直接高温の燃焼ガス10(600〜1200℃)が触れることによるメタル温度の上昇、燃焼灰の付着によるメタル温度の低下などを繰り返し、これらが原因で伝熱管1の周壁内部にエレファントスキン状亀裂9が生成する。
図11は、熱負荷による伝熱管1の燃焼ガス流れ方向上流側と下流側(および伝熱管1の火炉側と火炉とは反対側)の温度差による熱ひずみを説明するための説明図である。図中の符号11は伝熱管1が晒される火炉熱、(A)は伝熱管1に対してガス上流側または火炉側、(B)はガス下流側または火炉とは反対側を示す。
実機の挙動では、燃焼灰の付着および灰付着後のSBによる脱着によって、初期は(A)側で400〜460℃(温度幅60℃、平均温度430℃)、(B)側では320〜380℃(平均温度350℃)となり、40〜80℃の温度差幅(平均温度差60℃)で変動する。一方、内面スケール生成後には、メタル温度が上昇し(A)側の温度の変動幅は460〜540℃(温度幅80℃、平均温度500℃)となり、温度差とともに絶対温度が上昇する。
また、SB4の作動による伝熱管1のメタル温度の急激な変化と伝熱管1の火炉側と火炉とは反対側の温度差により、伝熱管1に0.08%〜0.1%の範囲で熱ひずみが発生する。過熱器や再熱器などのコイル状の伝熱管では、燃焼ガス流れ方向上流側と下流側のメタル温度の差で熱ひずみが発生する。
なお、ボイラ装置の運転中には図9(b)に示すように、伝熱管1の管内面側に酸化スケール5およびパウダー状スケール6が付着して積層するため、これらが管内での熱伝達の障害物となり、これによるメタル温度の上昇が付加される。そのため図10の特性線Zに示すように、メタル温度が経時的に右肩上がりに上昇する。
伝熱管1は内部に高温水2または高温過熱蒸気を流通しながら加熱するものであり、そのため伝熱管1の管内面側では高温水2からの析出スケールまたは過熱蒸気による水蒸気酸化スケールが生成する。このスケールは、ほとんどが鉄酸化物(Fe2O3またはFe3O4)であり、その熱伝導率は伝熱管鋼材の1/20〜1/40と低いため、スケールの生成・堆積によりメタル温度が経時的に上昇する。
通常、ボイラ装置の運転でのWBやSBの作動回数は、燃焼灰の付着速度、燃焼灰の性状ならびに燃焼灰が付着する部位などによって設定回数は異なるが、50〜500回/年のオーダである。この他にも前述のように付着した燃焼灰が自然に脱落する回数も多い。
こうした熱応力の繰り返しによって、図9(b)に示すように、特に伝熱管1の燃焼ガス10の上流側または火炉側において周壁部の内部にエレファントスキン状亀裂9が発生し易く、それが進展して、短期間のうちに伝熱管1の損傷に繋がる。
伝熱管1のエレファントスキン状亀裂9は、通常の熱疲労亀裂と同様、応力の振幅(σR)、亀裂の深さ(a)、構造の関数となる応力拡大係数の範囲(ΔK=f1×σR×√(π×a))[但し、式中f1は形状係数]および亀裂進展速度(da/dN)の関係式(da/dN=C×ΔKD)によって予測可能である。
ボイラ伝熱管におけるエレファントスキン状亀裂の進展を高精度に予測する手法として、従来、管外表面スケールの生成・割れによる亀裂進展と、管内表面スケールによるメタル温度上昇・熱応力増加を考慮した伝熱管の熱疲労亀裂損傷診断法が、特開2007−205692号公報(特許文献1)として提案されている。
この熱疲労亀裂損傷診断法は具体的には、管外表面の高温スケールの生成量を求めてスケールの割れを評価し、管内面側における酸化スケールの生成量を求め、管内面側スケール生成量に起因する伝熱管メタル温度の上昇が、熱疲労亀裂進展量および管外表面のスケール生成量を加速させることを組み込んで、熱疲労亀裂の損傷度を診察するものである。
前記提案の方法は有効な手段であるが、次のような問題点があった。
すなわち、このエレファントスキン状亀裂進展の予測法は、実際のボイラ装置における亀裂深さの測定結果を基にして、今後の亀裂進展を高精度に予測する手法であるため、エレファントスキン状亀裂発生前の予測は困難である。
すなわち、このエレファントスキン状亀裂進展の予測法は、実際のボイラ装置における亀裂深さの測定結果を基にして、今後の亀裂進展を高精度に予測する手法であるため、エレファントスキン状亀裂発生前の予測は困難である。
また、近年、ボイラ蒸気の高温化と、水処理として酸素処理(OTまたはCWT)を行っているボイラ装置における伝熱管内面にパウダー状スケールが付着するなどの問題を有しており、亀裂進展速度が増加する傾向にあり、亀裂発生後の進展よりも、むしろ亀裂発生前の予測を高精度にすることが求められている。
本発明の目的は、このような従来技術の課題を解消し、簡単な構成により、エレファントスキン状亀裂発生前の予測が可能なボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明の第1の手段は、ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さと、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候を診断すること特徴とするものである。
本発明の第2の手段は前記第1の手段において、
前記酸化スケール層の最大厚さをx、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値yとした場合に、そのxとyの関係が、y≦0.2xであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、y≧0.3xであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするものである。
前記酸化スケール層の最大厚さをx、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値yとした場合に、そのxとyの関係が、y≦0.2xであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、y≧0.3xであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするものである。
本発明の第3の手段は前記第2の手段において、
前記xとyの関係が0.2x<y<0.3xであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするものである。
前記xとyの関係が0.2x<y<0.3xであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするものである。
本発明の第4の手段は前記第1ないし第3の手段のいずれかにおいて、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするものである。
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするものである。
本発明の第5の手段は前記第4の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするものである。
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするものである。
本発明の第6の手段は前記第5の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするものである。
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするものである。
本発明の第7の手段は前記第5の手段において、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするものである。
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするものである。
本発明の第8の手段は、ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さを測定する酸化スケール層厚さ測定手段と、
その酸化スケール層厚さ測定手段によって測定された酸化スケール層の厚さと、その酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候の有無を診断する例えば後述するデータ処理装置などからなる亀裂損傷兆候診断手段とを備えたこと特徴とするものである。
その酸化スケール層厚さ測定手段によって測定された酸化スケール層の厚さと、その酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候の有無を診断する例えば後述するデータ処理装置などからなる亀裂損傷兆候診断手段とを備えたこと特徴とするものである。
本発明の第9の手段は前記第8の手段において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記酸化スケール層の最大厚さをx、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値yとした場合に、そのxとyの関係が、y≦0.2xであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、y≧0.3xであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするものである。
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記酸化スケール層の最大厚さをx、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値yとした場合に、そのxとyの関係が、y≦0.2xであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、y≧0.3xであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするものである。
本発明の第10の手段は前記第9の手段において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記xとyの関係が0.2x<y<0.3xであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするものである。
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記xとyの関係が0.2x<y<0.3xであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするものである。
本発明の第11の手段は前記第8ないし第10の手段のいずれかにおいて、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするものである。
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするものである。
本発明の第12の手段は前記第11の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするものである。
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするものである。
本発明の第13の手段は前記第12の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするものである。
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするものである。
本発明の第14の手段は前記第12の手段において、
前記酸化スケール層厚さ測定手段が超音波センサーであって、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から前記超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするものである。
前記酸化スケール層厚さ測定手段が超音波センサーであって、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から前記超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするものである。
本発明は前述のような構成になっており、簡単な構成により、エレファントスキン状亀裂発生前の予測が可能なボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置を提供することができる。
前述したように、火力発電ボイラ装置の火炉水壁管、過熱器管、再熱器管などの高温伝熱管では、600〜1200℃の火炉内条件という管外側からの熱負荷、およびSBまたはWBの作動による急激なメタル温度変化と、熱応力の発生によって管外表面に0.08〜0.1%の熱ひずみが発生する。
図6は、水壁管材料と同等のSB49炭素鋼の試験管体を用い、500℃での疲労特性図である。同図の横軸は試験管体に与える温度(500℃)の繰り返し回数、縦軸はその温度変化に伴う試験管体の全ひずみ振幅であり、ひずみ速度を違わせて試験を行い、前記試験管体が破断するまでの繰り返し回数を測定したものである。
図中の○印は試験管体のひずみ速度が10−3S−1(10−3/sec)、◇印はひずみ速度が10−4S−1(10−4/sec)、△印はひずみ速度が10−5S−1(10−5/sec)ものを示している。温度変化の繰り返しによるひずみ量は、通常0.1%以下であり、この図6の試験結果から明らかなように、純粋な熱疲労のみによって前記試験体が損傷することはないことが分かる(参考文献:NRIM,FDS/No.22 1980)。
しかしながら、前述の温度変化に加えて管外表面への例えばH2S(図9(b)参照)による硫化などによる高温腐食、管内表面では管内付着スケールによる温度および熱応力上昇への影響、管内付着スケールの割れなどが組み合わされることにより、伝熱管の損傷に至る事象が生じている。
図7は、硬質酸化スケールの割れと剥離の発生限界ひずみを示す特性図で、横軸に酸化スケールの厚さを、縦軸に全ひずみ(%)をとっている。ここでは、管内に付着したスケールのうち、管内表面側に生成・付着する硬質の酸化スケールについてそれの厚さとひずみの関係が示されている。なお、この図の出典は、EPRI FP−686 TPS76−655 8である。
ひずみは引っ張りおよび圧縮の状態で発生し、図7の全ひずみが0%より上の領域の引っ張り時は、小さいひずみでも割れが発生し、大きくなると剥離や浮きが起こる。多層スケールではやや大きいひずみで剥離及び浮きが発生する。また、図7の全ひずみが0%より下の領域の圧縮時は、凸面ではより小さい圧縮ひずみで剥離や浮きが生じる。
この図7によれば、全ひずみが0.1%では、酸化スケール厚さが60μm以上で割れが発生することになる[参考文献:J.Armitt et al.:The spalling of steam-grown oxide from superheater and reheater tube steels:EPRI FP-686,76-655(1978)]。
図8は、割れが生じた酸化スケールのモデルを説明するための拡大断面図である。図中の1aは伝熱管としての火炉水壁管、5は酸化スケール、6はパウダー状スケール、12は酸化スケール5内の割れ、13は酸化スケール5内の剥離を示す。
火炉水壁管1aの管内表面には、ボイラ装置の運転中に硬質の酸化スケール5が生成し、その上にパウダー状スケール6が付着する。このパウダー状スケール6も熱伝導率が低く、それが厚くなると火炉水壁管1aのメタル温度が上昇し、さらに酸化スケール5が厚くなる。
図8に示すように、割れ12は酸化スケール5内で発生し、その割れ12は次第に酸化スケール5内を伝播し、ついには酸化スケール5が剥離13する。本発明では、この酸化スケール5の割れ12を早期に検出することにより、エレファントスキン状亀裂の兆候と判断する。また、酸化スケール5に割れ12が発生している場合、その火炉水壁管1aでは亀裂は生じていなくて近傍の火炉水壁管1aで微小なエレファントスキン状亀裂が発生している場合もあり、ほぼ同条件の部位では全数かつ広範囲に検査しなくても全体の診断が可能である。
通常、伝熱管への燃焼灰の付着により、外観ではエレファントスキン状亀裂は検出しづらく、磁気探傷法(MT)による測定では、火炉周壁の水壁管の範囲(縦60m、横20mの火炉4面)を研磨しなければならず、極めて長時間でかつ多工数の検査となる。
次に本発明の実施例について図面とともに説明する。
図1は、本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置での酸化スケールの厚さを測定する状態を示した横断面図である。
図1は、本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置での酸化スケールの厚さを測定する状態を示した横断面図である。
図1ならびに後述する図2に示すように、水壁管1aは、隣接する水壁管1aの間にメンブレンバー14と呼ばれる平板が配置されており、水壁管1aとメンブレンバー14とは、火炉の内側および火炉の外側をそれぞれ肉盛溶接15により接合されており、全体として火炉周壁を構成するパネル構造になっている。
水壁管1aの火炉の内側に生成した管内面の酸化スケール5の厚さは、火炉の内側から例えばグリセリンなどの接触媒体16を塗布した超音波(UT)センサープローブを備えた超音波センサー17を用いて測定する。図1中の符号20は、超音波センサー17(UTセンサープローブ)から酸化スケール5に向けて出射される超音波パルスであり、酸化スケール5からのエコーを受信することにより、酸化スケール5の厚さを精密に測定することができる。この実施例では、UTセンサープローブから酸化スケール5に向けて垂直に超音波パルス20を入れる垂直法を採用している。
図2は、本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置の概略構成図である。同図に示すように、このエレファントスキン状亀裂診断装置は、超音波センサー17と、管内酸化スケール厚さ測定装置18ならびにデータ処理装置19から主に構成されており、各機器は図に示すような接続関係になっている。
前述の超音波センサー17によって取得された信号は図2に示すようにUT法管内酸化スケール厚さ測定装置18に送られて、酸化スケールの厚さが演算される。さらにこの酸化スケール厚さ測定装置18によって演算された酸化スケール厚さに関するデータはデータ処理装置19に送られて、諸種のデータ処理がなされる。このデータ処理装置19の働きについては、後で図4を用いて説明する。
図1に示すように、火炉の内側から酸化スケール5の厚さを測定するときは、火炉内に足場を組む必要があり、多くの手間がかかり、測定が困難な場合もある。その場合には図3に示すように、火炉の外側から接触媒体16を塗布した超音波(UT)センサープローブを備えた超音波センサー17を用いて、水壁管1aの火炉の内側に生成した酸化スケール5の厚さを測定する。
この場合、UTセンサープローブから出射される超音波パルス20を水壁管1aの周壁部内で屈曲させることにより、火炉の外側とは反対の火炉の内側の管内面酸化スケール5の厚さを測定することができる。
図1〜3に示した装置により水壁管1aの管内面スケール厚さが測定できるが、酸化スケール5内に割れ12や剥離13があれば、スケール厚さデータがばらつきにより偏差の大きいデータとなる。本発明はこの傾向を利用して、エレファントスキン状亀裂の発生前を予測するものである。
図4は、本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂の診断方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートで説明する各種の判断や演算などの処理は、図2に示すデータ処理装置19でシーケンシャルに行われる。
まず、この診断方法はステップ(以下、Sと略記する)1で、診断しようとしている水壁管1aにおいて、過去にエレファントスキン状亀裂が発生した事例があるか否かの調査を行う。そして、過去にエレファントスキン状亀裂が発生した事例が有ると判断されると、S2でその事例に基づいて水壁管1aの亀裂進展解析および寿命評価を行う。
S1で診断しようとしている水壁管1aにおいて、過去にエレファントスキン状亀裂が発生した事例がないと判断されると、S3で水壁管1aの管内表面における酸化スケールの厚さの測定を行う。この酸化スケールの厚さの測定は例えば前述の図1,2に示した装置を用いて行われ、図1において超音波センサー17を水壁管1aの周方向に沿って例えば火炉内側の左右45℃内、軸方向50〜200mmの範囲で約10点測定し、その標準偏差および最大スケール厚さを算出する。
この複数の厚さデータから酸化スケール厚の偏差値y[=(最大スケール厚さ値x)−(最小スケール厚さ値)]を演算して、S4で酸化スケール厚の偏差値yの評価を行う。データ処理装置19(図2参照)には、この評価のためにy>0.2x(S4参照)ならびにy>0.3x(S6参照)の評価式が予め設定されている。なお、これら評価式の設定の根拠については、後から図5を用いて説明する。
そしてS4での偏差値yの評価結果、y>0.2xでない(S4でNo)と判断されると、すなわちy≦0.2xであると、その水壁管1aはエレファントスキン状亀裂の発生がない健全管とみなし、S5でボイラ装置の運転を継続する。
前記S4での偏差値yの評価結果、y>0.2xである (S4でYes)と判断されると、次にS6に進み偏差値yがy≧0.3xであるか否かの評価がなされる。その評価結果、y≧0.3xでない(S6でNo)と判断されると、すなわち0.2x<y<0.3xであると、エレファントスキン状亀裂の兆候は見られるものの、直ちに亀裂進展解析などを行う必要はないとみなし、S7でボイラ装置の運転を継続して、水壁管1aの監視を継続する。
前記S6での偏差値yの評価結果、y≧0.3xである (S6でYes)と判断されると、エレファントスキン状亀裂の兆候が確認されたとして、次にS8に進み管外面研磨後、MT(磁気探傷法)による外面検査でエレファントスキン状亀裂の進展の解析、および寿命評価を行う。
図5は、UTによる管内面のスケール厚さとエレファントスキン状亀裂の有無との関係を求めた特性図である。この図は実機サンプル管(水壁管材料と同等のSB49炭素鋼管)の実測値に基づいて作成した図であり、各10〜20点でスケール厚さを測定し、その標準偏差および最大スケール厚さと外面のエレファントスキン断面観察によって求めた結果である。
同図の横軸は最大スケール厚さxをとり、縦軸はスケール厚さの偏差値y[=(最大スケール厚さx)−(最小スケール厚さ)]をとっている。また、図中の○印のプロットはエレファントスキン状亀裂が発生していない健全管を示し、□印のプロットは前記水壁管、隣接する水壁管、あるいは類似管でエレファントスキン状亀裂が発生したものを示している。また、図中のL1はy=0.2xの関係を示す仕切り線、L2はy=0.3xの関係を示す仕切り線である。
この図5から明らかなように、○印で示されている全ての試験管体はL1:y=0.2xの仕切り線より下側の領域にあり、○印で示されている試験管体のように、酸化スケールに割れが発生していない場合、スケール厚さのばらつき(偏差y)が小さいという特色を有している。
一方、□印で示されている全ての試験管体はL2:y=0.3xの仕切り線より上側の領域にあり、□印で示されている試験管体のように、酸化スケールに割れが発生している場合、○印で示されている試験管体よりもスケール厚さのばらつき(偏差y)が大きいという特色を有している。さらに、酸化スケールに割れが発生している管近傍でエレファントスキン状亀裂が発生している。このようなことから、スケールの厚さとその偏差値に基づいて、エレファントスキン状亀裂の兆候を診断することが可能である。
具体例として、図5中のプロットP1に示す試験管体のように、最大スケール厚さが100μmあっても、最小スケール厚さが90μmで、その偏差値が10μmの場合、すなわち、y≦0.2xの場合、エレファントスキン状亀裂が発生する兆候は見られず、健全な伝熱管であることが推定される。
一方、図5中のプロットP2に示す試験管体のように、最大スケール厚さが同じ100μmあって、最小スケール厚さが70μmで、その偏差値が30μmの場合、すなわち、y≧0.3xの場合、エレファントスキン状亀裂損傷の可能性があり、管外面研磨後、MTによる外面検査でエレファントスキン状亀裂の進展の解析、および寿命評価を行う必要がある。
なお、偏差値が20μmを超えて、30μm未満の場合は、UTによるエレファントスキン状亀裂進展を継続監視することになる。
なお、偏差値が20μmを超えて、30μm未満の場合は、UTによるエレファントスキン状亀裂進展を継続監視することになる。
前記実施例では火炉水壁管における亀裂損傷について説明したが、本発明は火炉水壁管に限定されるものではなく、例えば過熱器管や再熱器管などの他のボイラ伝熱管においても適用可能である。
本発明によれば、SBやWBの運用に伴う熱応力の繰り返しやボイラ装置の起動・停止に伴う熱応力の繰り返しと高温ガスの影響が組合わさって生じるボイラ伝熱管のエレファントスキン状亀裂の兆候を診断することができ、ボイラ装置の安全かつ安定運転に寄与できる。
特に、ボイラ伝熱管のエレファントスキン状亀裂は、通常、水壁管で構成される縦60m、横20mの火炉4面の周壁の管外面をサンドブラストや研磨装置を用いて研磨し、MTなどにより亀裂の有無を検査し、亀裂が検出されれば電位差法などにより亀裂の深さを測定していたが、本発明によれば、ボイラ伝熱管の外面からの検査で損傷兆候の有無を簡易にかつ短時間に診察でき、定期検査での工期短縮に寄与でき、ひいてはボイラ装置の運転効率の向上に伴う経済的効果がある。
1・・・ボイラ伝熱管、
1a・・・火炉水壁管、
2・・・高温水、
3・・・燃焼灰、
4・・・スートブロワ(SB)、
5・・・酸化物スケール、
6・・・パウダー状スケール、
8・・・内部応力、
9・・・エレファントスキン状亀裂、
10・・・燃焼ガス、
12・・・割れ、
13・・・剥離、
17・・・超音波センサー、
18・・・酸化スケール厚さ測定装置、
19・・・データ処理装置、
20・・・超音波パルス。
1a・・・火炉水壁管、
2・・・高温水、
3・・・燃焼灰、
4・・・スートブロワ(SB)、
5・・・酸化物スケール、
6・・・パウダー状スケール、
8・・・内部応力、
9・・・エレファントスキン状亀裂、
10・・・燃焼ガス、
12・・・割れ、
13・・・剥離、
17・・・超音波センサー、
18・・・酸化スケール厚さ測定装置、
19・・・データ処理装置、
20・・・超音波パルス。
Claims (14)
- ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さと、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候を診断すること特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
- 請求項1に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の最大厚さをx、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値yとした場合に、そのxとyの関係が、y≦0.2xであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、y≧0.3xであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。 - 請求項2に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記xとyの関係が0.2x<y<0.3xであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。 - 請求項4に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。 - 請求項5に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。 - 請求項5に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。 - ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さを測定する酸化スケール層厚さ測定手段と、
その酸化スケール層厚さ測定手段によって測定された酸化スケール層の厚さと、その酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候の有無を診断する亀裂損傷兆候診断手段とを備えたこと特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。 - 請求項8に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記酸化スケール層の最大厚さをx、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値yとした場合に、そのxとyの関係が、y≦0.2xであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、y≧0.3xであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。 - 請求項9に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記xとyの関係が0.2x<y<0.3xであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。 - 請求項8ないし10のいずれか1項に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。 - 請求項11に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。 - 請求項12に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。 - 請求項12に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層厚さ測定手段が超音波センサーであって、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から前記超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
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JP2012098901A JP2013228119A (ja) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | ボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016200536A (ja) * | 2015-04-13 | 2016-12-01 | 株式会社Ihi | 測定装置および燃焼炉設備 |
JP2017181018A (ja) * | 2016-03-23 | 2017-10-05 | 株式会社平井工業 | ボイラー水管の補修方法、研磨グラインダー及び研磨砥石 |
JP2019158454A (ja) * | 2018-03-09 | 2019-09-19 | 三菱重工業株式会社 | 腐食深さ推定方法、腐食深さ推定プログラム、交換時期算出方法及び交換時期算出プログラム |
-
2012
- 2012-04-24 JP JP2012098901A patent/JP2013228119A/ja active Pending
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JP2019158454A (ja) * | 2018-03-09 | 2019-09-19 | 三菱重工業株式会社 | 腐食深さ推定方法、腐食深さ推定プログラム、交換時期算出方法及び交換時期算出プログラム |
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