JP4808110B2 - 損傷評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、損傷評価方法に関し、特に、発電所の蒸気配管等の経路長の長い配管の損傷評価方法に関する。

発電所などの蒸気配管等の高熱流体の流れる配管は、熱応力および内部圧力によりクリープ損傷が生じやすい。このような蒸気配管について、予め、補修や交換を行うことができるように、従来より、定期的な検査により配管の疲労状態の把握を行うとともに、数値解析を用いたシミュレーションにより配管の余寿命を評価している。

このような数値解析を用いたシミュレーションの方法として、例えば特許文献１には、配管の拘束支持箇所における変位を測定し、この変位に基づき、有限要素法を用いて配管の検査箇所の応力解析を行い、配管の損傷状況を求める方法が記載されている。また、例えば、特許文献２には、配管の屈曲部の前後複数点における変位を測定し、測定された変位に基づき、屈曲部に作用する曲げモーメントを算出し、算出された曲げモーメントに基づきクリープ損傷を求める方法が記載されている。
特開２００２−６２１９９号公報 特開２００３−２３２７１９号公報

ところで、発電所の蒸気配管は、高温の蒸気による熱応力を緩和させるため、全長が例えば、数百メートルにも達する。これに対して、特許文献１に記載されている方法では、蒸気配管全体を３次元弾性解析するため、計算量が膨大となり、高性能の計算機が必要となるとともに、数値解析に非常に時間がかかる。
また、特許文献２に記載されている方法では、屈曲部における損傷状況は求めることができるが、蒸気配管全体の損傷状況を評価することはできない。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、蒸気配管全体における損傷を計算負荷の少ない数値解析で精度良く評価できる損傷評価方法を提供することである。

本発明の損傷評価方法は、高温流体が流れる配管の損傷の評価方法であって、前記配管の所定の個所における前記高温流体の流れていない状態に対する前記高温流体の流れている状態での変位を測定する変位測定ステップと、前記配管全体をシェル要素によりモデル化し、シェルモデルを作成するシェルモデル作成ステップと、前記測定した変位を境界条件として設定し、前記作成したシェルモデルを用いてシェル解析を行うシェル解析ステップと、前記シェル解析の結果に基づき、解析対象部位を選定する部位特定ステップと、前記解析対象部位をソリッドモデルによりモデル化するソリッドモデル作成ステップと、前記シェル解析により得られた変位及び応力をソリッドモデルの境界値に設定するステップと、前記モデル化したソリッドモデルを用いた３次元弾性クリープ解析を行い、損傷を評価する３次元解析ステップとを備えることを特徴とする。

上記の損傷評価方法において、前記部位特定ステップは、前記シェル解析ステップで得られた解析結果において、溶接線を含み、かつ、前記溶接線の直角方向に引張方向に作用する最大主応力又は相当応力が所定値より高い部位を前記解析対象部位として選定してもよい。

また、前前記変位測定ステップは、前記配管端部及び配管を支持する構造が設けられた位置における変位を測定し、前記シェル解析ステップは、前記配管端部の変位及び前記支持する構造の種類に基づき選定した変位を境界条件として用いてもよい。

本発明によれば、シェル解析により配管全体の損傷状況を把握することができる。また、配管全体の損傷状況をシェル解析により検討し、解析結果において損傷の進行している部位についてのみ、３次元弾性解析を行うため、数値解析における計算負荷を低減することができる。

以下、本発明の損傷状況の判定方法の一実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態の損傷判定方法の適用の対象となる発電機の蒸気配管１０の一例を示す図である。同図に示すように、発電機の蒸気配管１０は、ボイラとタービンを結ぶように設けられており、高温の蒸気による熱応力を緩和させるため、全長数百メートルにも達する。そして、発電機の運転時には、蒸気配管１０内を高温の蒸気が流れるため、蒸気配管１０には熱応力が作用するため、蒸気配管１０にはクリープ損傷が発生しやすい。

また、蒸気配管１０を支持するために、支持する箇所に要求される性能に合わせて、様々な種類の支持構造が用いられている。後に詳述するように、本実施形態の損傷判定方法では、蒸気配管の所定箇所における発電機の停止状態（つまり、高温流体が流れていない状態）に対する運動状態（つまり、高温流体が流れている状態）の変位を測定し、測定した変位をシェル解析における境界条件として用いるが、その際、支持構造の種類に応じて境界条件を選定する。そこで、まず、蒸気配管を支持するために用いられている主な支持構造について説明する。
図２は、発電所の蒸気配管１０を支持するために用いられている主な支持構造の種類を示す図である。同図に示すように、蒸気配管１０の支持構造は、リジットハンガ、コンスタントハンガ、防振器支持、レストレイントハンガ、及びスプリングハンガに分類でき、さらに、コンスタントハンガは、ボルト支持、Ｕベルト支持、及びリング支持に分類することができる。

図３は、リジットハンガ５０の構成を示す図である。同図に示すように、リジットハンガ５０は、天井などから鉛直方向に延びる伸縮性のないハンガ５１で蒸気配管１０を支持している。このため、蒸気配管１０は、鉛直方向の移動は拘束されているが、水平方向に移動する可能性がある。

コンスタントハンガは、蒸気配管１０が上下に移動しても、常に一定の荷重で蒸気配管１０を支持する支持構造であり、本実施形態では、ボルト支持、Ｕベルト支持、及びリング支持が用いられている。図４は、コンスタントハンガの構成を示す図であり、同図（Ａ）は、ボルト支持１００を、（Ｂ）は、Ｕベルト支持２００を、（Ｃ）は、リング支持３００を示す。
同図（Ａ）に示すように、ボルト支持１００では、蒸気配管１０の上部に開口を有する板状の取付部材１１が設けられており、この取付部材１１の開口にボルト１２を挿通させ、鉛直方向に延びる支持部材１３に固定することにより、蒸気配管１０を支持している。また、支持部材１３は、常に一定の荷重で鉛直上方に支持されている。ここで、取付部材１１に設けられたボルト１２を挿通させるための開口は、ボルト径よりも大きい。このため、蒸気配管１０は水平方向に移動する可能性がある。

また、同図（Ｂ）に示すように、Ｕベルト支持２００では、蒸気配管１０に当接するように支持部材２２を設け、蒸気配管１０をＵベルト２１により支持部材２２に固定することにより支持している。また、支持部材２２は、常に一定の荷重で鉛直上方に支持されているが、Ｕベルト２１が蒸気配管１０の移動に応じて変形してしまう可能性がある。

また、同図（Ｃ）に示すように、リング支持３００では、蒸気配管１０の外周に巻き付けるようにリング３１が取り付けられており、このリング３１は、常に一定の荷重で鉛直上方に支持されている。リング支持３００では、蒸気配管１０が軸方向にスライドする可能性がある。

また、図５は防振器支持４００の構成を示す図である。同図に示すように、防振器支持４００では、蒸気配管１０にリング４１を巻きつけ、このリング４１を防振器４２より斜めに延びるパイプ４３で支持することにより蒸気配管１０を支持している。蒸気配管１０はリング４１で支持されており、配管軸方向にスライドするため、軸方向の変位は信頼できない。さらに、変位を測定する際には、斜めに出されたパイプ４３上で変位を測定しているため、蒸気配管１０が回転していても、測定値にはその影響が反映されない。
また、レストレイントハンガでは、蒸気配管１０が溶接などにより支持部材に取り付けられており、軸方向についての移動が完全に固定されているが、その他の方向に移動する可能性がある。
また、図６は、スプリングハンガ５００の構成を示す図である。同図に示すように、スプリングハンガ５００では、コイルばね５２を介して蒸気配管１０を支持しており、蒸気配管１０により作用する荷重に応じて鉛直方向変位が変化する。

従来技術の欄で説明したように、このような蒸気配管のクリープ損傷を予測するため、有限要素法などの数値解析を用いたシミュレーションを行っていた。しかし、蒸気配管１０が全長数百メートルと非常に長いため、有限要素法を用いた数値解析では、計算時間が長時間かかるという問題があった。

これに対し、本実施形態の損傷状況の判定方法は、蒸気配管の損傷状況を判定するためのものであり、停止時と起動時とで支持部材の位置における変位等を測定し、その結果に基づき、シェル要素により蒸気配管全体をモデル化したシェルモデルを用いて解析を行い、蒸気配管全体における損傷の進行している部位を特定し、この部位について３次元弾性クリープ解析を行い、損傷の進行状況を特定するものである。

以下、本実施形態の損傷状況の判定方法について、詳細に説明する。
図７は、本実施形態の損傷状況の判定方法の流れを示すフローチャートである。
同図に示すように、まず、ステップ１００において、蒸気配管１０の端部、及び支持構造が設置されている位置における発電機の停止状態（つまり、高温流体が流れていない状態）に対する運動状態（つまり、高温流体が流れている状態）の変位を測定する。また、同時に、支持構造の種類についても調べる。

ここで、上述したように蒸気配管１０の支持構造が設置されている位置においても特定の方向には変位が生じ、後述するステップ１０６でのシェル解析における境界条件として用いるのに、適しない場合がある。そこで、ステップ１０２において、シェル解析における境界条件として用いる変位を以下に述べるようにして選定する。

上述したように、リジットハンガ５０により支持されている場合、蒸気配管１０は、鉛直方向の移動は拘束されているが、水平方向に移動する可能性がある。このため、鉛直方向の変位のみ（すなわち、変位をゼロとする）を用いることとする。
また、コンスタントハンガのボルト支持１００では、蒸気配管１０は水平方向に移動する可能性がある。このため、鉛直方向の変位のみを用いることとする。
また、Ｕベルト支持２００では、Ｕベルト２１が変形してしまう。Ｕベルト支持２００では、変位を支持部材２２で測定しているため、Ｕベルト支持２００において測定された変位は全方向とも用いないこととする。
また、リング支持３００では、蒸気配管１０が配管軸方向にスライドする可能性があるため、配管軸方向以外の方向の変位を用いることとする。

また、防振器支持４００では、蒸気配管１０が管軸方向にスライドする可能性がある。さらに、斜めに出されたパイプ４３上で変位を測定しているため、蒸気配管１０の回転の影響を測定することができない。このため、防振器支持４００において、測定された変位は用いないこととする。

また、レストレイントハンガでは、蒸気配管１０は、軸方向についての移動が完全に固定されているが、その他の方向には移動する可能性がある。このため、配管軸方向の変位のみを用いる（すなわち、配管軸方向についての変位をゼロとする）こととする。
なお、スプリングハンガ５００では、コイルばね５２を介して鉛直方向に支持している。このため、鉛直方向のバネ定数として、コイルばね５２の設計値を用いることとする。
また、蒸気配管１０の出入り口は、配管中心の座標を固定する（すなわち変位をゼロとする）ものとする。
以上のように選定した変位及び蒸気配管端部における変位を後述するステップ１０６における境界条件として用いる。

次に、ステップ１０４において、蒸気配管全体をシェル要素及びビーム要素によりモデル化し、シェルモデルを作成する。
次に、ステップ１０６において、作成したシェルモデルを用いるとともに、ステップ１０２で選定された変位を境界条件として与えることによりシェル解析を行う。

次に、ステップ１０８において、後述する３次元弾性クリープ解析を行う必要のある解析対象部位を特定する。
ここで、最大主応力又は相当応力が大きいほど、クリープ損傷率が大きくなる。また、溶接部では、溶接線と直角方向に大きな引張応力が作用すると亀裂が発生しやすい。このため、本実施形態では、シェル解析の結果において最大主応力や相当応力の高い部位であり、かつ、溶接線と直角方向に大きな引張応力が作用する部位を、クリープ損傷を評価する対象部位とすることとした。

次に、ステップ１１０において、解析の対象とされた部位を３次元ソリッド要素とビーム要素によりモデル化し、ソリッドモデルを作成する。
次に、ステップ１１２において、シェル解析により得られた解析対象部位に作用する変位及び応力をソリッドモデルの境界値として設定する。
次に、ステップ１１４において、作成されたソリッドモデルを用いて、有限要素法により３次元弾性クリープ解析を行う。

次に、ステップ１１６において、３次元弾性クリープ解析により得られたひずみに基づき、解析対象部位のクリープ損傷率を算出する。以上の工程により、蒸気配管全体における損傷状況及び損傷の大きい部分におけるクリープ損傷を求めることができる。

ここで、上述した本実施形態の損傷判定方法により、クリープ損傷を精度良く評価できることを確かめるため、損傷判定方法により得られたひずみと、実在の発電所の蒸気配管１０における配管温度が高温で安定した際に測定したひずみとを比較した。図８は、エルボ（屈曲部の配管）の円周における実機の測定値と、シェル解析の結果におけるひずみと、３次元弾性解析の結果得られたひずみとを比較する表である。同図に示すように、シェル解析により得られたひずみも３次元弾性クリープ解析により得られたひずみも、実際の蒸気配管におけるひずみの８０％に近い値が得られており、非常に精度良く算出できていることがわかる。これにより、本実施形態の損傷評価方法によれば、高精度の解析を行うことができることが確かめられた。

また、本実施形態の損傷判定方法によれば、蒸気配管全体をシェル解析により算出するため、蒸気配管全体を３次元弾性クリープ解析するのに比べて、解析時間を大幅に短縮することができる。また、蒸気配管全体の解析にはシェル解析を用いているため、蒸気配管全体の応力状態を算出することができ、損傷が発生している部位を確実に検出することができる。また、３次元弾性クリープ解析の対象となる範囲が小さく、詳細な解析を行うことができるため、クリープ損傷率を部位ごとに外表面及び内部をｍｍ単位で算出することができ、損傷状況を高い精度で評価することができる。

なお、本実施形態では、蒸気配管１０がリジットハンガ、コンスタントハンガ、防振器支持、レストレイントハンガ、及びスプリングハンガにより支持されている場合について説明したが、これに限らず、他の支持構造が用いられていればよい。このような場合には、その支持構造において測定された変位の中で信頼性の高いもののみを境界条件に用いればよい、

本実施形態の損傷判定方法の適用の対象となる発電所の蒸気配管の一例を示す図である。 発電所の蒸気配管を支持するために用いられている主な支持構造の種類を示す図である。 リジットハンガの構成を示す図である。 コンスタントハンガの構成を示す図であり、同図（Ａ）は、ボルト支持の支持構造を、（Ｂ）は、Ｕベルト支持の支持構造を、（Ｃ）は、リング支持の支持構造を示す。 防振器支持の構成を示す図である。 スプリングハンガの構成を示す図である。 本実施形態の損傷状況の判定方法の流れを示すフローチャートである。 エルボの円周における実機の測定値と、シェル解析の結果におけるひずみと、３次元弾性解析の結果得られたひずみとを比較する表である。

符号の説明

１０ 蒸気配管
１１ 突起部
１２ ボルト
１３、２２、３２、５１ 支持部材
２１ Ｕベルト
３１、４１ リング
４２ 防振器
５０ リジットハンガ
５２ コイルばね
１００ ボルト支持
２００ Ｕベルト支持
３００ リング支持
４００ 防振器支持
５００ スプリングハンガ

Claims (3)

1. 高温流体が流れる配管の損傷の評価方法であって、
   前記配管の所定の個所における前記高温流体の流れていない状態に対する前記高温流体の流れている状態での変位を測定する変位測定ステップと、
   前記配管全体をシェル要素によりモデル化し、シェルモデルを作成するシェルモデル作成ステップと、
   前記測定した変位を境界条件として設定し、前記作成したシェルモデルを用いてシェル解析を行うシェル解析ステップと、
   前記シェル解析の結果に基づき、解析対象部位を選定する部位特定ステップと、
   前記解析対象部位をソリッドモデルによりモデル化するソリッドモデル作成ステップと、
   前記シェル解析により得られた変位及び応力をソリッドモデルの境界値に設定するステップと、
   前記モデル化したソリッドモデルを用いた３次元弾性クリープ解析を行い、損傷を評価する３次元解析ステップとを備えることを特徴とする損傷評価方法。
2. 請求項１記載の損傷評価方法であって、
   前記部位特定ステップは、
   前記シェル解析ステップで得られた解析結果において、溶接線を含み、かつ、前記溶接線の直角方向に引張方向に作用する最大主応力又は相当応力が所定値より高い部位を前記解析対象部位として選定することを特徴とする損傷評価方法。
3. 請求項１又は２記載の損傷評価方法であって、
   前記変位測定ステップは、前記配管端部及び配管を支持する構造が設けられた位置における変位を測定し、
   前記シェル解析ステップは、前記配管端部の変位及び前記支持する構造の種類に基づき選定した変位を境界条件として用いることを特徴とする損傷評価方法。
   

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