TWI712794B - 預測目標物壽命之電子設備 - Google Patents

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楊學文
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一種預測目標物壽命之電子設備，係包括：配置於一目標物上之應變件，以量測該目標物之應變狀態；以及電子裝置，係接收該應變件所量測出之應變狀態之訊號，並依該訊號進行演算以預測該目標物之剩餘壽命；其中，該演算之方法係採用對應拉森米勒公式之第一公式配合對應該目標物之總壽命之第二公式，俾藉由該應變件直接結合於該目標物上，以直接反映出該目標物之應變量，並精準演算出該目標物所受之應力，以供該電子裝置利用該第一公式與第二公式精準預測出該目標物之剩餘壽命。

Description

預測目標物壽命之電子設備
本發明係有關一種預測目標物壽命之電子設備，尤指一種預測位於高溫及高壓環境下之金屬物壽命之電子設備。
目前國內對電廠鍋爐之管路及管道潛變壽命的預測係採用潛變過程相關的方法，如空洞形核及生長、游離碳化物成分等金相特徵變化的計量技術。
習知潛變過程之預測方法係採用對照表，如第1圖所示，將各種因素進行交集比對，以得到壽命可能性。例如，物理破壞為ID等級，顯微組織變化為IM等級，析出物分佈為IP等級，潛變破壞等級為A等級，故對應之潛變壽命消耗為0~10%。
惟，習知潛變過程之預測方法採用對照表之方式只能得知該潛變壽命消耗之區間範圍，並無法準確得知剩餘壽命，因而容易誤判鍋爐之管路之斷裂時間點，導致電廠意外發生。
再者，若物理破壞為ID等級，顯微組織變化為IM等級，析出物分佈為IP等級，潛變破壞等級為F等級，此時需以聯集方式對應該 潛變壽命消耗，其值為0~70%，更難以得知剩餘壽命，因而無法準確預測鍋爐之管路之斷裂時間點。
因此，如何克服習知技術之種種缺點，實為目前各界亟欲解決之技術問題。
鑑於上述習知技術之種種缺失，本發明係提供一種預測目標物壽命之電子設備，係包括：量測裝置，係包含配置於一目標物上之應變件，以量測該目標物之應變狀態；以及電子裝置，係通訊連接該量測裝置，以接收該量測裝置所量測出之應變狀態之訊號，並依該訊號進行演算以預測該目標物之剩餘壽命；其中，該演算之方法係採用第一公式配合第二公式，該第一公式係對應拉森米勒公式，先模擬出以應力狀態為縱座標且拉森米勒參數為橫座標之曲線，再以該應變狀態透過前述曲線推出已知拉森米勒參數，進而建立該已知拉森米勒參數與該目標物之總壽命及已使用時間之關係，且該第二公式係對應該目標物之總壽命，該總壽命係定義為該目標物之已使用時間與該剩餘壽命之總和。
前述之電子設備中，該量測裝置復包含一電性連接該應變件之量測主機。例如，該量測主機復電性連接該電子裝置。
前述之電子設備中，該應變件係藉由陶瓷材結合於該目標物上。例如，該應變件係嵌埋於該陶瓷材中。
前述之電子設備中，該應變件係藉由支撐件架設於該目標物上。例如，該應變件係藉由陶瓷材結合於該支撐件上。
前述之電子設備中，該拉森米勒公式為P=T(C+logt)，P表示拉森米勒(LM)參數，T表示環境溫度，C表示材料常數，t表示斷裂時間。該電子裝置依據拉森米勒公式，以應力狀態為縱座標且拉森米勒參數為橫座標，預先模擬出第一曲線與第二曲線，該第一曲線係表示該目標物之初始狀態，該第二曲線係表示該目標物之運行狀態。
前述之電子設備中，該第一公式為P’=Tzeng(C+logt)，P’表示已知拉森米勒參數，Tzeng表示特定係數，C表示材料常數，t表示壽命。
由上可知，本發明之預測目標物壽命之電子設備中，主要藉由該量測裝置之配置，使該應變件直接結合於該目標物上，以直接反映出該目標物之應變量，使該量測裝置可精準演算出該目標物所受之應力，因而後續配合該第一公式與第二公式，該電子裝置能精準預測出該目標物之剩餘壽命，故相較於習知技術，採用本發明之電子設備可有效判斷出鍋爐之金屬爐管或管道之斷裂時間點，以避免意外發生。
1:電子設備
1a,2a:量測裝置
1b:電子裝置
10:應變件
11:陶瓷材
12:量測主機
12a,13:電線
21:支撐件
9:目標物
f:應變方向
L1:第一曲線
L2:第二曲線
第1圖係為習知預測目標物之剩餘壽命之對照表之示意圖。
第2圖係為本發明之預測目標物壽命之電子設備之平面示意圖。
第2’圖係為本發明之預測目標物壽命之電子設備之另一實施例之局部立體示意圖。
第3圖係為本發明之預測目標物壽命之電子設備於演算中所採用之曲線圖。
第4圖係為本發明之預測目標物壽命之電子設備於演算中所採用之量化表。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當視為本發明可實施之範疇。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
第2圖係為本發明之預測目標物壽命之電子設備1之平面示意圖。如第2圖所示，該電子設備1係包括：一量測裝置1a以及一電子裝置1b。
所述之量測裝置1a係包含配置於一目標物9上之應變件10，以量測該目標物9之應變狀態，其中，該目標物9係例如為位於高溫及高壓環境中之電廠發電鍋爐用以產生蒸汽及加熱蒸汽之金屬爐管金屬管路。
於本實施例中，該量測裝置1a復包含一電性連接該應變件10之量測主機12，其藉由電線13電性連接該電子裝置1b，以傳輸來自該應變件10所得之應變狀態之訊號至該電子裝置1b。
再者，該應變件10係藉由陶瓷材11結合於該目標物9上。例如，該應變件10係嵌埋於該陶瓷材11中。具體地，該應變件10係為片體，其藉由熔融狀陶瓷層黏附於該目標物9上，待該陶瓷層冷卻固化後，再將複數用以電性連接該量測主機12之電線12a連接該應變件10，之後覆蓋另一熔融狀陶瓷層於該應變件10與該些電線12a之端部上，以當該另一陶瓷層冷卻固化後，該應變件10夾層於該兩陶瓷層之間，使該應變件10係嵌埋於該陶瓷材11中。
或者，如第2’圖所示，該應變件10係藉由支撐件21架設於該目標物9上，於本實施例中，該支撐件21為恆力結構，以於其形變時，其所產生之作用力不變。例如，該應變件10係藉由陶瓷材11結合於該支撐件21上。具體地，該支撐件21係為環箍狀，且該應變件10藉由熔融狀陶瓷層黏附於該支撐件21上，待該陶瓷層冷卻固化後，再將複數用以電性連接該量測主機12之電線12a連接該應變件10，之後覆蓋另一熔融狀陶瓷層於該應變件10與該些電線12a之端部上，以當該另一陶瓷層冷卻固化後，該應變件10夾層於該兩陶瓷層之間，使該應變件10係嵌埋於該陶瓷材11中，且該陶瓷材11固著於該支撐件21上，故於該量測裝置2a進行量測應變作業時，可將該支撐件21套住該目標物9。亦即，本發明藉由先將應變件10結合至該支撐件21上，可方便使用者直接將該支撐件21套設於該目標物9上。
因此，當該目標物9產生應變(如第2圖所示之應變方向f)時，該應變件10會一併產生應變，且該應變件10會將其量測出之應變量傳輸至該量測主機12中，使該量測主機12經資料處理後呈現出該目標物9所受之應力(應力與應變係為正比關係)。
所述之電子裝置1b係為電腦，其通訊連接該量測裝置1a(如電性連接該量測主機12)，以接收該量測裝置1a所量測出之應變狀態之訊號，並依該訊號進行演算以預測該目標物9之剩餘壽命。
於本實施例中，該電子裝置1b依據拉森米勒公式(Larson-Miller Equation)模擬出一參考資料，再依據該參考資料進行推導，以形成對應該拉森米勒公式之第一公式。具體地，如第3圖所示，該電子裝置1b依據拉森米勒公式，如下所示之公式(LM)，以應力狀態為縱座標且拉森米勒參數為橫座標，預先模擬出第一曲線L1與第二曲線L2，該第一曲線L1係表示該目標物9之初始狀態(即新的金屬管路)，該第二曲線L2係表示該目標物9之運行狀態(即已使用的金屬管路)，亦可將第3圖量化成表格，如第4圖所示。
P=T(C+logt).............................................................(LM)，其中，P係表示拉森米勒(LM)參數，T係表示環境溫度，C係表示材料常數，t係表示斷裂時間。接著，當該量測主機12實際獲取該目標物9所受之應力σ後，可由第3圖中對應該第一曲線L1與第二曲線L2得到已知拉森米勒參數，再推導出該第一公式，如下所示之公式(1)： P’=Tzeng(C+logt)............................................................(1)，其中，P’係表示已知拉森米勒參數，Tzeng係表示特定係數，C係表示材料常數，t係表示壽命。因此，由於可由第3圖中對應該第一曲線L1與第 二曲線L2得到兩個已知拉森米勒參數，故可列出兩組第一公式，如下所示之公式(1-1)及公式(1-2)：P1’=Tzeng(C+logt 0).................................................(1-1)；P2’=Tzeng(C+logt 1).................................................(1-2)，其中，P1’係表示第一曲線L1對應之已知拉森米勒參數，P2’係表示第二曲線L2對應之已知拉森米勒參數，t0係表示總壽命，t1係表示剩餘壽命。
再者，該電子裝置1b之演算方法係採用第一公式配合第二公式，且該第二公式係對應該目標物9之總壽命，如下所示之公式(2)：t0=top+t1........................................................................(2)，其中，t0係表示總壽命，top係表示已使用時間，t1係表示剩餘壽命，以令該總壽命係定義為該目標物9之已使用時間與該剩餘壽命之總和。
因此，該電子裝置1b之演算方法係為一組三個未知數(Tzeng、t0、t1)之方程式F，即如下所示之公式(1-1)、公式(1-2)及公式(2)之組合：P1’=Tzeng(C+logt 0)...................................................(1-1)；P2’=Tzeng(C+logt 1)...................................................(1-2)；t0=top+t1.....................................................................(2)，其中，P1’、P2’、C及top均為已知數。
於一實施例中，在使用該電子設備1時，該目標物9(鍋爐之爐管或蒸汽管道)之內壓力為17.4Mpa，該目標物9之管壁厚度為6.5mm，該目標物9之外徑為44.3mm，該目標物9之ASME(美國機械工程師協會)規範之係數y為0.7，該目標物9之環境溫度為650℃，該目標物9已運作252728小時。首先，該量測裝置1a係測量該目標物9運轉當下之爐管材料所產生的應變量，該應變件10所量測出之應變量ε為0.0005，再將該應變量ε轉換成 該目標物9所承受的應力σ，該量測主機12演算出之目標物9所受之應力σ為87MPa(K×0.0005=87MPa，其中，K為已知數值174000)。接著，該電子裝置1b將該應力σ之數值對應第3圖所示之第一曲線L1與第二曲線L2或第4圖之量化表，以獲取兩個已知拉森米勒參數P1’、P2’(如第4圖所示之編號22)，且該材料常數C依據該目標物9之材質係定義為30，故該方程式F呈現如下所示之公式(F-1)、公式(F-2)及公式(F-3)：30567=Tzeng(30+logt 0)..............................................(F-1)；30082=Tzeng(30+logt 1)..............................................(F-2)；t0=252728+t1...............................................................(F-3)。因此，該電子裝置1b經演算後可得到該目標物9之剩餘壽命t 1為94877小時，該目標物9之總壽命t 0為347605小時。
綜上所述，本發明之預測目標物壽命之電子設備1主要藉由該量測裝置1a之配置，使該應變件10直接結合於該目標物9上，以利用高溫應力及溫度即時監測且直接反映出該目標物9之應變量ε，使該量測主機12精準演算出該目標物9所受之應力σ，因而後續配合該第一公式與第二公式，該電子裝置1b能精準預測出該目標物9之剩餘壽命t 1，故相較於習知技術，採用本發明之電子設備1能更準確及合理地計算出電廠鍋爐蒸汽管道材料之剩餘壽命，以有效判斷出鍋爐之金屬爐管或管道之斷裂時間點，因而能避免意外發生。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧電子設備
1a‧‧‧量測裝置
1b‧‧‧電子裝置
10‧‧‧應變件
11‧‧‧陶瓷材
12‧‧‧量測主機
12a,13‧‧‧電線
9‧‧‧目標物
f‧‧‧應變方向

Claims (10)

  1. 一種預測目標物壽命之電子設備，係包括：量測裝置，係包含配置於一目標物上之應變件，以量測該目標物之應變狀態而取得一訊號；以及電子裝置，係通訊連接該量測裝置，以接收該量測裝置所量測出之應變狀態之訊號，並依該訊號進行演算以預測該目標物之剩餘壽命；其中，該演算之方法係採用兩組第一公式配合第二公式進行該演算，該第一公式係由拉森米勒公式(Larson-Miller Equation)推導而得者，其係先模擬出以應力狀態為縱座標且拉森米勒參數為橫座標之曲線，再以該應變狀態透過前述曲線推出已知拉森米勒參數，進而建立該已知拉森米勒參數與該目標物之總壽命及已使用時間之關係，且該第二公式係對應該目標物之總壽命，該總壽命係定義為該目標物之已使用時間與該剩餘壽命之總和。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電子設備，其中，該量測裝置復包含一電性連接該應變件之量測主機。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電子設備，其中，該量測主機復電性連接該電子裝置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電子設備，其中，該應變件係藉由陶瓷材結合於該目標物上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電子設備，其中，該應變件係嵌埋於該陶瓷材中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電子設備，其中，該應變件係藉由支撐件架設於該目標物上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電子設備，其中，該應變件係藉由陶瓷材結合於該支撐件上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電子設備，其中，該拉森米勒公式為P=T(C+logt)，P表示拉森米勒(LM)參數，T表示環境溫度，C表示材料常數，t表示斷裂時間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電子設備，其中，該電子裝置依據拉森米勒公式，以應力狀態為縱座標且拉森米勒參數為橫座標，預先模擬出第一曲線與第二曲線，該第一曲線係表示該目標物之初始狀態，該第二曲線係表示該目標物之運行狀態。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電子設備，其中，該第一公式為P’=Tzeng(C+logt)，P’表示已知拉森米勒參數，Tzeng表示特定係數，C表示材料常數，t表示壽命。
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