高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラム
【課題】クリープき裂進展評価において、き裂進展寿命を適確に評価することができる高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【解決手段】高温機器対象部品選定入力手段２０によって入力された情報および温度・応力解析用データベース２１に格納された温度・応力解析データから温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段２２と、温度・応力解析手段２２による解析情報、非破壊検査データベース２３に格納された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベース２４に格納されたクリープき裂進展寿命解析データからクリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段２５と、クリープき裂進展寿命解析手段による解析情報から高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段２６とを備える。
【解決手段】高温機器対象部品選定入力手段２０によって入力された情報および温度・応力解析用データベース２１に格納された温度・応力解析データから温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段２２と、温度・応力解析手段２２による解析情報、非破壊検査データベース２３に格納された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベース２４に格納されたクリープき裂進展寿命解析データからクリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段２５と、クリープき裂進展寿命解析手段による解析情報から高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段２６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、火力発電プラント、原子力発電プラントなどで使用される高温機器の寿命を診断する高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機器である蒸気タービンでは、高速で流動する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が生じる。一般的な蒸気タービンでは、高温高圧になった蒸気は、高圧タービンや中圧タービンの各段落で温度、圧力を低下させながらタービン動翼を介してタービンロータに回転力を与えている。すなわち、蒸気タービンの原動力は、蒸気によって得ており、タービン動翼を介してタービンロータに伝達される。近年の発電プラント等では、高効率化や大容量化の要求に伴って、使用する蒸気の温度や圧力は益々高くなり、また流量は益々増大する。
【０００３】
このため、これら高温高圧の蒸気に晒されている機器においては、高温下で構成部品に加わる応力によっても材料自体の劣化とともに様々な損傷を引き起こし、局部的にき裂を生じ、発生したき裂が原因となり機器全体に不具合を引き起こすことがあった。
【０００４】
図１５は、代表的な高温機器である蒸気弁６００の断面を示す図である。配管６１０より流入した蒸気６１１は、弁座６１２、弁棒６１３を経て加減弁に流出する。蒸気６１１が流動する際、弁箱６１４は、絶えず高温高圧の蒸気に晒されているため、応力が集中する弁箱６１４のコーナ部６１５などにき裂６１６を生じることがある。このき裂６１６の発生の要因は、蒸気圧力の応力によるクリープ損傷と繰返し熱応力による低サイクル疲労が主な要因であり、加えて材料自体も高温下で劣化することも大きな要因の１つとなっている。
【０００５】
このため、従来、様々な方法でき裂発生を予測し、機器の寿命を推定、診断する方法が提案されてきた。例えば、寿命診断方法として代表的な方法であり、材料寿命データの揺らぎを考慮することによって高精度に寿命診断する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この寿命診断方法では、材料寿命データに、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、それぞれクリープ損傷および疲労損傷を算出し、寿命診断を行っている。ここで算出された寿命診断結果は、機器にき裂が発生するまでの時間である。しかしながら、実際に高温機器が破損するのは、き裂が進展して、蒸気が流出し、運転が不可能となる状態であり、上記した寿命診断結果からこの状態となる時期を判定することはできなかった。
【０００６】
また、従来の寿命診断においては、寿命診断結果を安全側に評価するために、き裂の発生からき裂が完全に進展して機器を貫通するまでのき裂進展時間を無視する場合が多かった。しかしながら、機器の運用状態や材料の劣化状態によっては、き裂進展時間がほとんどない場合や非常に長い場合があり、上記したき裂進展時間を一概に無視するのは適当でないことがある。例えば、き裂進展時間がほとんどなく、き裂発生と同時に機器の破断となるような場合には、き裂の発生以前に寿命と判断されなければならない。このため、高温機器のき裂進展寿命を的確に診断できる方法が必要とされてきた。
【０００７】
また、構造強度評価システムとして、具体的な方法については述べられていないが、クリープ疲労によるき裂進展の評価を行う方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。 また、疲労き裂に対しては応力拡大係数範囲ΔＫを用い、応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対しては応力拡大係数Ｋを用いて、欠陥の進展を評価する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。この欠陥の進展を評価する方法は、比較的低温の腐食環境で使用される機器に対しては適切であるが、高温環境で使用される機器は応力腐食割れよりクリープによるき裂が重要となるため、高温機器には不適である。
【０００８】
さらに、疲労き裂に対して、応力拡大係数範囲ΔＫや修正Ｊ積分範囲ΔＣ*を用いて、クリープによるき裂進展を評価する方法が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。疲労き裂については、繰返し数が一般的には非常に少ないため、どの方法を適用しても進展量は小さく、その差は極僅かである。一方、クリープき裂進展については、運転時間がそのまま進展に有効な時間となるため、このき裂進展評価方法を用いた場合、評価の仕方によっては大きな差異を生じることもあり、適正ではない。また、現在、クリープき裂進展を評価する方法として、修正Ｊ積分Ｃ*による方法が有効とされているが、材料によっては適用が困難な場合があることが指摘されている。また、応力拡大係数Ｋは、疲労き裂の進展評価に有効なパラメータであり、その拡張的な適用からクリープき裂に対しても適用が試みられているが、適用条件によっては評価結果が不適となる場合もある。
【０００９】
ここで、公称応力σを変化させた場合のクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を説明する。図１６は、所定の試験片を用いて公称応力σを変化させた場合における、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を示した図である。図１６に示すように、公称応力σを変化させることによって、異なるき裂進展の結果が得られ、き裂進展特性は単に応力拡大係数Ｋのみに依存していないことがわかる。
【００１０】
また、応力拡大係数Ｋを変化させた場合のクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと公称応力σとの関係を説明する。図１７は、所定の試験片を用いて応力拡大係数Ｋを変化させた場合における、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと公称応力σとの関係を示した図である。図１７に示すように、応力拡大係数Ｋを異なったレベルで与えると、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと公称応力σとの関係がそれぞれ異なった傾向となる。
【００１１】
さらに、公称応力σを一定とし、試験片の有効厚さＷを変化させた場合のクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を説明する。図１８は、所定の試験片を用いて、公称応力σを一定とし、試験片の有効厚さＷを変化させた場合における、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を示した図である。図１８に示すように、公称応力σを一定としても、試験片の有効厚さＷを変えることで、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係がそれぞれ異なった傾向となる。
【００１２】
上記したように、クリープき裂進展を評価する場合には、疲労き裂の進展評価のように応力拡大係数Ｋのみ考慮することだけでは適正な評価を行うことができない。
【００１３】
また、従来、クリープき裂進展評価に有効とされた修正Ｊ積分Ｃ*においても次に示すような不都合が生じる。図１９は、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと修正Ｊ積分Ｃ*との関係を示した図である。なお、図中のｔｉはき裂進展開始時間であり、ｔｆはき裂進展終了時間である。一般に使用される低合金鋼では、図１９に示すように、縦軸をクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔ、横軸を修正Ｊ積分Ｃ*とした場合、縦軸側に凸な曲線が得られる。すなわち、試験初期に計測された修正Ｊ積分Ｃ*から試験経過とともに修正Ｊ積分Ｃ*の値が減少し、極小となった後、修正Ｊ積分Ｃ*の値が増加している。この試験の間には、き裂の進展は継続しており、試験結果をそのまま用いると、一つの修正Ｊ積分Ｃ*の値に対して、２つのクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔの値を得ることとなる。
【００１４】
ここで、図２０に、経過時間に伴う荷重点変位速度δおよびき裂長さａの変化の様子を示す。なお、図中のｔｉはき裂進展開始時間であり、ｔｆはき裂進展終了時間である。クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと修正Ｊ積分Ｃ*との関係において、上記した図１９に示すような縦軸側に凸な曲線を有するのは、次の式（１）に示すように、修正Ｊ積分Ｃ*が種々のパラメータの関数として表され、主に荷重点変位速度δによって決定されるからである。すなわち、試験の初期にはき裂の進展はほとんどないため、材料の通常のクリープ変形挙動となり、遷移クリープから定常クリープへの変化を示し、荷重点変位速度δは減少する傾向となる。この間にき裂の進展が生じると、荷重点変位速度δは、低下するのに対して、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔは増大することとなる。その後、き裂の進展とクリープ変形の加速によって、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔの増大とともに荷重点変位速度δが増大する。このようなクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと荷重点変位速度δとの変化により、クリープ変形とき裂の進展を伴う場合には、一つの修正Ｊ積分Ｃ*の値に対して、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔは２つの評価値を得ることとなる。なお、材料によっては、き裂進展開始の時間がずれることがあるためにクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔの２値評価とならない場合があるが、一般的には上記したように、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔは、２つの評価値を得る。
【数１】
ここで、σｒは有効断面応力、δは荷重点変位速度、ｎは２次クリープ速度の応力指数である。
【特許文献１】特開平６−９４５８９号公報
【特許文献２】特開２００３−１６７９２５号公報
【特許文献３】特開２００２−６２９０１号公報
【特許文献４】特開２００３−３０３２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記したように、クリープき裂進展を評価する場合には、従来用いられてきた応力拡大係数による評価方法や修正Ｊ積分による評価方法では、単独でクリープき裂進展を適切に評価することができなかった。そのため、高温機器のき裂進展寿命を適確に評価することができず、き裂発生寿命を含めた機器全体の寿命評価ができなかった。したがって、高温機器に生じたき裂のクリープによるクリープき裂進展速度を適正に評価できる方法の提供が重要な技術的課題であり、高温機器を安全に運用するためには不可欠である。
【００１６】
ここで注目すべきことは、応力拡大係数以外のパラメータを固定すれば、応力拡大係数とクリープき裂進展速度とは１対１の関係が存在し、両対数上では線形関係を有することである。修正Ｊ積分による評価方法では、上記式（１）に示すように、Ｃ*は荷重点変位速度をパラメータとして有しているが、このＣ*は、時間経過やき裂進展によって必ずしも単調増加の傾向とならないことが大きな障害である。修正Ｊ積分は、元々応力拡大係数が線型壊力学すなわち弾性変形を仮定した破壊力学のパラメータであったものに、弾塑性破壊力学のパラメータとして提案されたＪ積分を時間速度の概念を導入してクリープき裂進展の評価に使用できるように拡張、発展させたものである。しかしながら、実際にクリープき裂進展の評価に適用した場合には、２つの評価値を得るという問題があるとともに、実際のき裂進展寿命と整合性のないき裂進展評価となることがある。すなわち、２つの材料において、同一のＣ*に対してクリープき裂進展速度を得た場合、クリープき裂進展速度の値が大きい一方の材料であっても、き裂進展寿命は長い場合がある。これは、同一のＣ*であっても必ずしも同一の進展状態ではない場合があるからであり、材料間のき裂進展特性を比較する場合には実感と整合せず、大きな障害となっていた。
【００１７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、クリープき裂進展評価において、き裂進展寿命を適確に評価することができ、さらに従来からき裂進展評価に用いられている方法を組み合わせて構成可能な高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の高温機器の寿命診断装置は、高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段とを具備することを特徴とする。
【００１９】
この高温機器の寿命診断装置によれば、クリープき裂進展寿命解析手段によって、温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、非破壊検査データベースに格納された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、２つの評価値を得ることなく、クリープき裂進展寿命を適確に解析することができる。
【００２０】
本発明の高温機器の寿命診断方法は、高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力ステップと、前記選定情報入力ステップで入力された高温機器対象物品の選定情報および温度および応力を解析するための温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析ステップと、前記温度・応力解析ステップで解析された温度および応力の解析情報、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データおよびクリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析ステップと、前記クリープき裂進展寿命解析ステップによって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定ステップとを具備することを特徴とする。
【００２１】
この高温機器の寿命診断方法によれば、クリープき裂進展寿命解析ステップによって、温度・応力解析ステップで解析された温度および応力の解析情報、高温機器対象物品の各部位における予め計測された非破壊データおよびクリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、２つの評価値を得ることなく、クリープき裂進展寿命を適確に解析することができる。
【００２２】
本発明のプログラムは、高温機器の寿命を診断する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、前記コンピュータを、高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段として機能させることを特徴とする。
【００２３】
このプログラムによれば、クリープき裂進展寿命解析手段によって、温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、非破壊検査データベースに格納された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、２つの評価値を得ることなく、クリープき裂進展寿命を適確に解析するようコンピュータを機能させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラムによれば、クリープき裂進展評価において、き裂進展寿命を適確に評価することができ、さらに従来からき裂進展評価に用いられている方法を組み合わせて構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態の高温機器の寿命診断装置１０の構成図であり、図２は、高温機器の寿命診断装置１０の動作を示したフローチャートである。なお、高温機器の寿命診断装置１０は、例えば火力発電プラント、原子力発電プラントなどに備えられ、各プラントを構成する高温機器の寿命を診断するものである。
【００２７】
図１に示すように、高温機器の寿命診断装置１０は、高温機器対象部品選定入力手段２０と、温度・応力解析用データベース２１と、温度・応力解析手段２２と、非破壊検査データベース２３と、クリープき裂進展特性データベース２４と、クリープき裂進展寿命解析手段２５と、クリープき裂進展寿命判定手段２６とから構成されている。
【００２８】
高温機器対象部品選定入力手段２０は、高温機器対象物品の選定情報を入力する。入力される高温機器対象物品の選定情報として、例えば、プラント名称、高温機器部品名などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、高温機器対象部品選定入力手段２０は、キーボード、マウス、外部入力インターフェースなどで構成される。
【００２９】
温度・応力解析用データベース２１は、温度および応力を解析するための温度・応力解析データを記憶している。温度・応力解析データとして、例えば、プラント名称、プラント出力、高温機器部品名、高温機器部品の形状データ、使用材料、起動パターンとその回数、各起動パターンにおける起動時の初期温度、各起動パターンにおける起動時の温度および圧力の変化、蒸気圧力、定常運転時温度、定常回転数、運転開始の日時、部品更新の日時、総運転時間、定期点検の回数や時期など挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、温度・応力解析用データベース２１は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。
【００３０】
温度・応力解析手段２２は、高温機器対象部品選定入力手段２０によって入力された高温機器対象物品の選定情報および温度・応力解析用データベース２１に記憶された温度・応力解析データに基づいて、定常時や起動・停止の非定常時における温度および応力の解析を行う。また、温度および応力の解析結果に基づいて、高温機器対象物品の高応力部位や高温度部位を特定する。この温度・応力解析手段２２は、メモリやハードディスクなどの記憶装置に記憶され、ＣＰＵなどの演算手段により実行されるプログラムとして機能する。
【００３１】
非破壊検査データベース２３は、高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを記憶している。非破壊データとして、例えば、プラント名称、プラント出力、高温機器部品名、高温機器部品の形状データ、使用材料、検査方法、検査部位、検査の日時、総運転時間、総起動停止回数、材料の硬さデータ、炭化物形状・大きさや結晶粒径などの金属組織データ、ボイド面積率、ボイド発生粒界数を観察された粒界数で除したＡパラメータ、浸透探傷データ（ＰＴ）や磁気探傷データ（ＭＴ）などの表面欠陥データ、超音波探傷データ（ＵＴ）などの内部欠陥データ、鋳造欠陥やき裂状欠陥などの欠陥性状データ、はつり除去や放置などの欠陥処置データなど挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、非破壊検査データベース２３は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。
【００３２】
クリープき裂進展特性データベース２４は、クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを記憶している。クリープき裂進展寿命解析データとして、例えば、使用材料、使用温度、材料の硬さデータ、ボイド面積率、Ａパラメータ、クリープき裂進展寿命を解析する評価式に用いられる定数や指数など挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、クリープき裂進展特性データベース２４は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。
【００３３】
クリープき裂進展寿命解析手段２５は、温度・応力解析手段２２によって解析された温度および応力の解析情報、非破壊検査データベース２３に記憶された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベース２４に記憶されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析する。また、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、詳細は後述するが、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、き裂進展寿命を解析する。また、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、メモリやハードディスクなどの記憶装置に記憶され、ＣＰＵなどの演算手段により実行されるプログラムとして機能する。
【００３４】
クリープき裂進展寿命判定手段２６は、クリープき裂進展寿命解析手段２５によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、高温機器対象物品の交換時期を判定する。具体的には、クリープき裂進展寿命解析手段２５によって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定する。また、クリープき裂進展寿命判定手段２６は、メモリやハードディスクなどの記憶装置に記憶され、ＣＰＵなどの演算手段により実行されるプログラムとして機能する。ここで、温度・応力解析用データベース２１の説明で、温度・応力解析用データベース２１に、各高温機器対象物品に対する予め設定された定期点検間隔に係る情報が記憶されることを示したが、これに限らず、他のデータベースに記憶されてもよい。また、クリープき裂進展寿命判定手段２６において参照可能に、定期点検時期に係るデータベースを設けてもよい。
【００３５】
次に、高温機器の寿命診断装置１０の動作について説明する。
【００３６】
ここで、図３は、運転時間と硬さの関係の一例を示す図である。図４Ａおよび図４Ｂは、影響関数法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図である。図５は、き裂の進展距離と応力分布の関係の一例を示す図である。図６は、変位法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図である。図７は、仮想き裂進展法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図である。図８は、公称応力σをパラメータとした応力拡大係数Ｋとクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）の関係を示す図である。図９は、硬さＨＶと応力拡大係数Ｋをパラメータとした公称応力σとクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）の関係を示す図である。図１０は、硬さＨＶと部材の有効厚さＷをバラメータとした応力拡大係数Ｋとクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）の関係を示す図である。図１１は、使用時間とクリープ損傷を示す各パラメータの関係を示す図である。図１２は、評価式の定数や指数を決定する方法を説明するための図である。図１３は、き裂進展曲線と時間の関係を示す図である。
【００３７】
まず、高温機器対象部品選定入力手段２０によって入力された高温機器対象物品の選定情報に基づいて、寿命診断を行う高温機器対象物品を特定する（ステップＳ４０）。
【００３８】
続いて、温度・応力解析手段２２は、ステップＳ４０で特定された高温機器対象物品の情報に基づいて、温度・応力解析用データベース２１を参照し、温度および応力の解析に必要な情報を読み込み、定常時や起動・停止の非定常時における温度および応力の解析を実行する（ステップＳ４１）。また、温度および応力の解析結果に基づいて、き裂の発生が推定される高温機器対象物品の高応力部位や高温度部位を特定する（ステップＳ４１）。
【００３９】
続いて、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、ステップＳ４１で解析された温度および応力の結果に基づいて、高温機器対象物品の１つの部位、例えば、温度・応力解析の際にメッシングされた１メッシュについて、クリープき裂進展寿命の解析を実行する。なお、クリープき裂進展寿命解析を実行する部位は、高温機器対象物品のすべての部位について実行されることが好ましいが、ステップＳ４１において特定されたき裂の発生が推定される高応力部位や高温度部位についてのみ実行してもよい。
【００４０】
まず、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、非破壊検査データベース２３を参照し、ステップＳ４１で解析された温度および応力の解析情報に対応する高温機器対象物品の１つの部位に係る硬さデータを読み込み、クリープき裂が発生する時（クリープき裂発生時）や発生するき裂長さを解析する（ステップＳ４２）。なお、クリープき裂が発生する時（クリープき裂発生時）の解析は、クリープ損傷と疲労損傷を考慮して従来の手法を用いて実行される。また、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、き裂発生時の硬さなどの材料特性情報をクリープき裂進展特性データベース２４に出力する（ステップＳ４２）。ここで、例えば、図３に示すように、材料の硬さＨＶは、運転時間の増加に伴って低下するという特性を有する。この硬さの変化曲線は、運転温度や応力の負荷状態によっても異なる。また、材料の硬さは、クリープき裂進展を評価するときにも大きな影響を与えるパラメータであるため、解析される部位の温度や運転時間、クリープ損傷度などから正確に算出する必要がある。
【００４１】
ここで、クリープき裂進展寿命解析は、き裂発生部位を対象として、想定されるき裂長さに対して実施する。想定されるき裂長さは、蛍光探傷や磁粉探傷などの非破壊検査で検出可能な長さである。
【００４２】
続いて、想定されるき裂長さに対して応力解析結果より得られる応力分布に基づいて、応力拡大係数Ｋを算出し、さらに、応力解析結果に基づいて公称応力σおよび部材の有効厚さＷを算出する（ステップＳ４３）。ここで、部材の有効厚さＷとは、余長部等を除いた負荷応力が実際に作用する部材の有効の厚さである。
【００４３】
応力拡大係数Ｋを算出する方法としては、例えば、影響関数法、変位法、仮想き裂進展法など複数の算出方法がある。以下に、影響関数法、変位法、仮想き裂進展法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法について説明する。
【００４４】
（影響関数法）
影響関数法は、上記した応力拡大係数Ｋを算出する方法の中で最も容易な方法とされ、き裂がない状態での応力分布を得ることで、仮想的にき裂が存在した時の応力拡大係数Ｋを算出することができる。
【００４５】
ここでは、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、高温機器対象物品の表面に深さｂ、表面長さ２ａの半楕円状のき裂１００が存在した場合における応力拡大係数Ｋの算出方法について説明する。
【００４６】
この場合、一般的には応力拡大係数Ｋは、次の式（２）によって算出される。
【数２】
【００４７】
ここで、ｇ（σ０）は応力分布に関する関数、ｆ（ａ、ｂ、Ｈ）はき裂形状に関する関数、Ｈは部材の厚さである。図５に示すように、ｇ（σ０）は、き裂１００の進展方向に算出して多項式近似した応力分布（σ０＝ｈ（Ｘ））の係数より決定される。ここで、Ｘはき裂進展距離である。応力分布が一定値Ｃ０である場合にはｇ（σ０）＝Ｃ０となる。ｆ（ａ、ｂ、Ｈ）は、き裂１００の楕円形状や大きさによって変化する値で、従来から用いられているハンドブック（STRESS INTENSITY FACTORS HANDBOOK Volume1-3, Y.MURAKAMI, PERGAMON PRESS）などで与えられている。なお、図４Ａおよび図４Ｂに示されたき裂１００は一例であり、これまでの破壊力学に関する成果として、様々なき裂形状について関数が与えられているので、最適なモデルを適宜選択して適用する。
【００４８】
（変位法）
図６に示すように、き裂面における相対変位量を用いて変位法により応力拡大係数Ｋを算出することができる。この方法では、有限要素法によってき裂部分について詳細なメッシュを作成し、荷重負荷時にき裂１１０が開口した際のき裂面上の相対変位量（Δδ）から応力拡大係数Ｋを求める。
【００４９】
変位法における応力拡大係数Ｋは、次の式（３）および式（４）によって算出される。
【数３】
【数４】
【００５０】
ここで、Ｅはヤング率、νはポアソン比、ｒｏはき裂先端１１１からの距離、Δδは相対変位量である。なお、実際には解析精度の関係上、き裂面上の多数の点において応力拡大係数Ｋを求め、最終的にき裂先端１１１に外挿してクリープき裂進展寿命解析に用いる応力拡大係数Ｋを算出する。この変位法は、破壊力学の基礎式から求められるものであるため、得られる値の精度が高い。
【００５１】
（仮想き裂進展法）
図７に示すように、有限要素法によるき裂解析によって解析された、き裂１２０が仮想的に極微少量進展したときのエネルギ変化量を用いて仮想き裂進展法により応力拡大係数Ｋを算出することができる。この仮想き裂進展法では、き裂長さがａであったき裂１２０が、微小長さδａだけき裂進展した場合、δａの部分の材料が微小量だけ変位して所定の応力の状態から開放されることによるエネルギ変化（エネルギ開放率）Ｇを用いて、応力拡大係数Ｋを算出する。言い換えると、エネルギ開放率Ｇは、き裂が進展していく場合のき裂の進展に必要なエネルギである。
【００５２】
仮想き裂進展法における応力拡大係数Ｋは、次の式（５）によって算出される。
【数５】
【００５３】
ここで、Ｅ’は平面応力と平面歪みの状態に対して、ヤング率Ｅとポアソン比νを用いて次の式（６）（平面応力）、式（７）（平面歪み）に示すように定義される。なお、Ｇは上記したエネルギ開放率である。また、エネルギ開放率Ｇは、有限要素法で容易に算出できるため、仮想き裂進展法は比較的簡単な解析モデルでも容易に応力拡大係数を算出することができる。
【数６】
【数７】
【００５４】
続いて、ステップＳ４３で算出された応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび部材の有効厚さＷを用いて、次の式（８）によってクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）、式（８）の定数や指数を算出する（ステップＳ４４）。
【数８】
【００５５】
ここで、Ｃは定数であり、ｍ、ｎ、およびｌは、それぞれ応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび有効厚さＷにかかる指数である。また、図８〜図１０に示すように、応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび有効厚さＷの３つのパラメータに基づいてクリープき裂進展速度を算出することができる。すなわち、ある硬さＨＶにおけるクリープき裂進展速度は、上記した評価式（式（８））によって算出することができる。
【００５６】
ここで、材料の硬さＨＶが変化すると、評価式（式（８））の定数や指数は硬さに依存して変わるので、評価する部位の硬さを正確に求める必要がある。評価式（式（８））の定数や指数は、クリープき裂進展特性データベース２４に記憶された、材料の損傷度合いを示すパラメータである硬さを用いて決められる以外に、クリープ損傷を示すＡパラメータやボイド面積率などのクリープボイドに関連したパラメータを用いて決められてもよい。図１１に示すように、Ａパラメータやボイド面積率は、使用時間に伴って増加する関係にある。
【００５７】
Ａパラメータは、走査型電子顕微鏡を用いた材料の組織観察において、観察視野中に引かれた参照線と交差する粒界の割合を示すものであり、ボイド発生粒界数を観察粒界数で除して算出される。このＡパラメータは、クリープ損傷とともにボイドを発生する材料に関しては、比較的よく用いられるパラメータである。Ａパラメータと使用時間との関係からＡパラメータを特定することができ、これを評価式（式（８））の定数や指数に関連付けることができる。
【００５８】
また、ボイド面積率は、走査型電子顕微鏡を用いた材料の組織観察において、観察視野中の観察視野面積当たりのボイド発生の面積の割合を示すものであり、ボイドの総面積を観察視野の総面積で除して算出される。このボイド面積率は、ボイドが比較的多く発生する場合に適用されることが好ましい。ボイド面積率と使用時間との関係からボイド面積率を特定することができ、これを評価式（式（８））の定数や指数に関連付けることができる。
【００５９】
このように、クリープ損傷とともに、材料の組織中に発生する損傷の形態に合わせて、最も合致するパラメータを用いて損傷度を評価し、損傷度に合わせて評価式（式（８））の定数や指数を決定することができる。なお、上記したＡパラメータやボイド面積率やステップ４４で算出された定数や指数は、クリープき裂進展特性データベース２４に出力され、記憶される。
【００６０】
また、評価式（式（８））は、応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび有効厚さＷに依存した指数や定数を有するため、単純にはそれぞれのパラメータを固定した試験を実施して、実験的に求める必要がある。しかしながら、現実的には一定荷重の試験を実施した場合には、クリープき裂進展とともに、応力拡大係数Ｋが増加し、他のパラメータを変化させることができないのが実情である。このため、図１２に示すように、試験データを重回帰分析することによって、数少ないデータからそれぞれの指数や定数を求めてもよい。すなわち、ある試験片に対して実施した試験結果から、あるき裂長さａにおけるクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、試験片の有効厚さＷを一つのデータセットとして、き裂発生から破断までのデータセットを採取する。また、試験片の大きさや負荷荷重を変えて、さらにデータを採取することにより多くのデータを得ることができる。次の式（９）に示すこれらのデータの対数値に対して線型重回帰分析することにより、最も小さい誤差を与える指数や定数を得ることができる。
【数９】
【００６１】
この線型重回帰分析を用いることにより、一つのパラメータのみを変化させる高度な試験方法を適用することなく、容易にそして確実に評価式（式（８））における指数や定数を決定することができる。
【００６２】
続いて、ステップＳ４４で算出されたクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）および/または定数や指数が決定された評価式（式（８））を用いて、ステップＳ４２で想定されたき裂長さから高温機器対象物品の破断に至るまでのき裂進展寿命を算出する（ステップＳ４５）。
【００６３】
き裂進展寿命の算出において、まず、初期き裂における応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、有効厚さＷを算出して短時間Δｔの間に進展するき裂の進展量Δａを算出する。続いて、初期き裂の長さａにこのき裂の進展量を加えた「ａ+Δａ」を新たに次のき裂長さａとして再計算を実行する。これを繰り返すことにより、破断までのき裂の進展過程を得ることができる。これに基づいて、破断するまでのき裂進展寿命を算出することができる。
【００６４】
次に、上記したステップＳ４２〜ステップＳ４５の処理を、高温機器対象物品の各部位、例えば、温度・応力解析の際にメッシングされた各メッシュについて実行する。
【００６５】
各部位についてステップＳ４２〜ステップＳ４５の処理が完了後、クリープき裂進展寿命判定手段２６は、得られた各部位におけるき裂進展寿命うち最小となるき裂進展寿命を特定する（ステップＳ４６）。この最小き裂進展寿命は、高温機器全体におけるき裂進展寿命となる。
【００６６】
続いて、クリープき裂進展寿命判定手段２６は、ステップＳ４６で特定された最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔よりも長いか否かを判定する（ステップＳ４７）。
【００６７】
ステップＳ４７の判定で、最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔よりも長いと判定した場合（ステップＳ４７のＹｅｓ）には、例えば、モニタやプリンタあるいは所定の記憶装置に判定した情報を出力する。このように最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔よりも長いとする判定結果を得た場合には、き裂発生を非破壊検査等により確認した後、高温機器対象物品が交換される。
【００６８】
ステップＳ４７の判定で、最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔以下と判定した場合（ステップＳ４７のＮｏ）には、例えば、モニタやプリンタあるいは所定の記憶装置に判定した情報を出力する。このように最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔以下とする判定結果を得た場合には、き裂発生時期を特定し、き裂発生前に高温機器対象物品の交換を行い、機器の安全運用を確保する必要がある。
【００６９】
ここで、ステップＳ４７において、最小き裂進展寿命を予め設定された定期点検間隔と比較して、その結果に基づいて部品交換を検討するのは、図１３に示すようなき裂進展曲線と時間の関係を有するからである。すなわち、図１３に示すように、定期点検直後に非破壊検出限界のき裂が発生したと仮定した場合、非損傷部位から発生したき裂においては、部品破断までのき裂進展時間は、次回の定期点検時期を越える時間となる。そのため、定期点検直後にき裂が発生したとしても、次回の定期点検時期までに部品破断に至ることはなく、進展過程のき裂として検出され、部品交換することで安全に運用することができる。これに対して、損傷部位から発生したき裂においては、硬さが低下するため、短時間で部品破断となる。このようにき裂進展寿命が評価された場合には、次回の定期点検時期よりも前にき裂進展寿命に達してしまうため、き裂発生と同時に部品寿命と判断し、き裂発生をもって部品交換しなければならない。
【００７０】
上記した高温機器の寿命診断を実行するための動作は、例えばコンピュータによって実行され、この処理を実行させるプログラムは、コンピュータを、高温機器対象部品選定入力手段２０と、温度・応力解析用データベース２１と、温度・応力解析手段２２と、非破壊検査データベース２３と、クリープき裂進展特性データベース２４と、クリープき裂進展寿命解析手段２５と、クリープき裂進展寿命判定手段２６として機能させる。
【００７１】
次に、き裂進展寿命の評価を行うための試験データの取得方法について図１４を参照して説明する。図１４は、試験データを収得すべき試験材を得る方法を説明するための図である。
【００７２】
実際の機器のき裂進展寿命を評価する場合には、様々な状態の材料に関する評価式（式（８））を準備する必要があり、そのためにそれぞれに対応した材料試験を実施し、試験データを取得しなければならない。多くの場合には、実際に使用された高温機器を解析し、最も損傷している部分から試験片を採取して、試験データを取得する。
【００７３】
また、別の試験データ取得方法としては、図１４に示すような高温で長時間内圧を負荷した円筒材３００から試験片３１０を採取して、試験を行う方法である。機器のき裂発生部は、損傷度が最も高くなるが、この部分から進展したき裂は、常にき裂発生部よりも損傷度が低い部分を進むことになる。このため、き裂進展部分が様々な損傷状態の材料となるため、クリープき裂進展寿命を精度よく解析するためには、硬さやクリープ損傷の異なる材料について試験データを採取する必要がある。図１４に示すように、内圧を負荷した円筒材３００では、円周方向と軸方向に同時に応力が発生するために、実際の機器の応力状態に類似した応力状態となる。そのため、このような円筒材３００から試験片３１０を採取することにより実機損傷を模擬した様々な材料について試験データを得ることができる。
【００７４】
このように、実際に使用された機器から試験片を採取し、または様々な条件で試験を実施した内圧を負荷した円筒材３００から試験片３１０を採取し、この試験片を用いて試験データを得ることで、実機の使用時に生じる様々な損傷状態を再現した試験データを容易に得ることができる。
【００７５】
以上、本発明の高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法、高温機器の寿命診断をするためのプログラムによれば、クリープき裂進展寿命を、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、有効厚さＷのすべての演算因子を備える評価式（８）を用いて解析することで、クリープき裂進展寿命を精度よく求めることができる。さらに、クリープき裂進展寿命を、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、有効厚さＷのすべての演算因子を備える評価式（８）を用いて解析することで、応力拡大係数Ｋや公称応力σ単独でクリープき裂進展寿命を評価する際に生じた他のパラメータの影響を回避でき、クリープき裂進展寿命を精度よく求めることができる。
【００７６】
また、前述したように、従来のクリープき裂進展寿命の評価に用いられていたパラメータである修正Ｊ積分Ｃ*では、一つのＣ*の値に対して、２つのクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）のデータを得ることとなる。これに対して、本発明では、応力拡大係数Ｋや公称応力σは、クリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）に対して常に単調増加の傾向にあり、両対数上では直線関係を有しているため、その適用が容易であり、２値評価となることはない。
【００７７】
さらに、前述したように、実際に機器に生じたき裂に対してＣ*を適用する場合には、機器の形状に合わせて３次元モデルの有限要素法による解析を実施しなければならない。これに対して、本発明によれば、使用するパラメータは、従来使用していた応力拡大係数Ｋや公称応力σであり、１回の応力解析によって得た応力分布によって評価パラメータの値を得ることができる。
【００７８】
本発明では、既存解析モデルの結果と応力分布を用いた影響関数法、精度の高い応力拡大係数の値が得られる変位法、複雑なき裂形状に適する仮想き裂進展法などによって応力拡大係数Ｋを算出することとができ、最も状況に適した算出方法を選択して最適な応力拡大係数Ｋを得ることができる。このように、最適と考えられる算出方法により容易に応力拡大係数を得ることができるため、実際の機器への適用に際しても大きな効果が得られる。
【００７９】
また、本発明では、試験データを重回帰分析することによって、数少ない試験データから評価式に用いる指数や定数を容易にかつ適正に求めることができる。すなわち、ある試験片に対して実施した試験結果から、あるき裂長さａにおけるクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、試験片の有効厚さＷを一つのデータセットとして、き裂発生から破断までのデータセットを採取する。また、試験片の大きさや負荷荷重を変えて、さらにデータを採取することにより多くのデータを得ることができる。これらのデータの対数値に対して線型重回帰分析することにより、最も小さい誤差を与える指数や定数を得ることができる。
【００８０】
さらに、本発明では、き裂進展寿命解析を対象部品の各部位に対して実施して、最小となるき裂進展寿命を求め、この最小き裂進展寿命と機器の定期点検間隔とを比較して、部品交換時期を合理的に決定し、機器を安全に運用することができる。
【００８１】
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施の形態の高温機器の寿命診断装置の構成図。
【図２】高温機器の寿命診断装置の動作を示したフローチャート。
【図３】運転時間と硬さの関係の一例を示す図。
【図４Ａ】影響関数法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図４Ｂ】影響関数法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図５】き裂の進展距離と応力分布の関係の一例を示す図。
【図６】変位法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図７】仮想き裂進展法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図８】公称応力をパラメータとした応力拡大係数とクリープき裂進展速度の関係を示す図。
【図９】硬さと応力拡大係数をパラメータとした公称応力とクリープき裂進展速度の関係を示す図。
【図１０】硬さと部材の有効厚さをバラメータとした応力拡大係数とクリープき裂進展速度の関係を示す図。
【図１１】使用時間とクリープ損傷を示す各パラメータの関係を示す図。
【図１２】評価式の定数や指数を決定する方法を説明するための図。
【図１３】き裂進展曲線と時間の関係を示す図。
【図１４】試験データを収得すべき試験材を得る方法を説明するための図。
【図１５】代表的な高温機器である蒸気弁の断面を示す図。
【図１６】所定の試験片を用いて公称応力を変化させた場合におけるクリープき裂進展速度と応力拡大係数との関係を示した図。
【図１７】所定の試験片を用いて応力拡大係数を変化させた場合におけるクリープき裂進展速度と公称応力との関係を示した図。
【図１８】所定の試験片を用いて、公称応力を一定とし、試験片の有効厚さを変化させた場合におけるクリープき裂進展速度と応力拡大係数との関係を示した図。
【図１９】クリープき裂進展速度と修正Ｊ積分Ｃ*との関係を示した図。
【図２０】経過時間に伴う荷重点変位速度およびき裂長さの変化の様子を示す図。
【符号の説明】
【００８３】
１０…高温機器の寿命診断装置、２０…高温機器対象部品選定入力手段、２１…温度・応力解析用データベース、２２…温度・応力解析手段、２３…非破壊検査データベース、２４…クリープき裂進展特性データベース、２５…クリープき裂進展寿命解析手段、２６…クリープき裂進展寿命判定手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、火力発電プラント、原子力発電プラントなどで使用される高温機器の寿命を診断する高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機器である蒸気タービンでは、高速で流動する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が生じる。一般的な蒸気タービンでは、高温高圧になった蒸気は、高圧タービンや中圧タービンの各段落で温度、圧力を低下させながらタービン動翼を介してタービンロータに回転力を与えている。すなわち、蒸気タービンの原動力は、蒸気によって得ており、タービン動翼を介してタービンロータに伝達される。近年の発電プラント等では、高効率化や大容量化の要求に伴って、使用する蒸気の温度や圧力は益々高くなり、また流量は益々増大する。
【０００３】
このため、これら高温高圧の蒸気に晒されている機器においては、高温下で構成部品に加わる応力によっても材料自体の劣化とともに様々な損傷を引き起こし、局部的にき裂を生じ、発生したき裂が原因となり機器全体に不具合を引き起こすことがあった。
【０００４】
図１５は、代表的な高温機器である蒸気弁６００の断面を示す図である。配管６１０より流入した蒸気６１１は、弁座６１２、弁棒６１３を経て加減弁に流出する。蒸気６１１が流動する際、弁箱６１４は、絶えず高温高圧の蒸気に晒されているため、応力が集中する弁箱６１４のコーナ部６１５などにき裂６１６を生じることがある。このき裂６１６の発生の要因は、蒸気圧力の応力によるクリープ損傷と繰返し熱応力による低サイクル疲労が主な要因であり、加えて材料自体も高温下で劣化することも大きな要因の１つとなっている。
【０００５】
このため、従来、様々な方法でき裂発生を予測し、機器の寿命を推定、診断する方法が提案されてきた。例えば、寿命診断方法として代表的な方法であり、材料寿命データの揺らぎを考慮することによって高精度に寿命診断する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この寿命診断方法では、材料寿命データに、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、それぞれクリープ損傷および疲労損傷を算出し、寿命診断を行っている。ここで算出された寿命診断結果は、機器にき裂が発生するまでの時間である。しかしながら、実際に高温機器が破損するのは、き裂が進展して、蒸気が流出し、運転が不可能となる状態であり、上記した寿命診断結果からこの状態となる時期を判定することはできなかった。
【０００６】
また、従来の寿命診断においては、寿命診断結果を安全側に評価するために、き裂の発生からき裂が完全に進展して機器を貫通するまでのき裂進展時間を無視する場合が多かった。しかしながら、機器の運用状態や材料の劣化状態によっては、き裂進展時間がほとんどない場合や非常に長い場合があり、上記したき裂進展時間を一概に無視するのは適当でないことがある。例えば、き裂進展時間がほとんどなく、き裂発生と同時に機器の破断となるような場合には、き裂の発生以前に寿命と判断されなければならない。このため、高温機器のき裂進展寿命を的確に診断できる方法が必要とされてきた。
【０００７】
また、構造強度評価システムとして、具体的な方法については述べられていないが、クリープ疲労によるき裂進展の評価を行う方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。 また、疲労き裂に対しては応力拡大係数範囲ΔＫを用い、応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対しては応力拡大係数Ｋを用いて、欠陥の進展を評価する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。この欠陥の進展を評価する方法は、比較的低温の腐食環境で使用される機器に対しては適切であるが、高温環境で使用される機器は応力腐食割れよりクリープによるき裂が重要となるため、高温機器には不適である。
【０００８】
さらに、疲労き裂に対して、応力拡大係数範囲ΔＫや修正Ｊ積分範囲ΔＣ*を用いて、クリープによるき裂進展を評価する方法が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。疲労き裂については、繰返し数が一般的には非常に少ないため、どの方法を適用しても進展量は小さく、その差は極僅かである。一方、クリープき裂進展については、運転時間がそのまま進展に有効な時間となるため、このき裂進展評価方法を用いた場合、評価の仕方によっては大きな差異を生じることもあり、適正ではない。また、現在、クリープき裂進展を評価する方法として、修正Ｊ積分Ｃ*による方法が有効とされているが、材料によっては適用が困難な場合があることが指摘されている。また、応力拡大係数Ｋは、疲労き裂の進展評価に有効なパラメータであり、その拡張的な適用からクリープき裂に対しても適用が試みられているが、適用条件によっては評価結果が不適となる場合もある。
【０００９】
ここで、公称応力σを変化させた場合のクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を説明する。図１６は、所定の試験片を用いて公称応力σを変化させた場合における、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を示した図である。図１６に示すように、公称応力σを変化させることによって、異なるき裂進展の結果が得られ、き裂進展特性は単に応力拡大係数Ｋのみに依存していないことがわかる。
【００１０】
また、応力拡大係数Ｋを変化させた場合のクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと公称応力σとの関係を説明する。図１７は、所定の試験片を用いて応力拡大係数Ｋを変化させた場合における、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと公称応力σとの関係を示した図である。図１７に示すように、応力拡大係数Ｋを異なったレベルで与えると、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと公称応力σとの関係がそれぞれ異なった傾向となる。
【００１１】
さらに、公称応力σを一定とし、試験片の有効厚さＷを変化させた場合のクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を説明する。図１８は、所定の試験片を用いて、公称応力σを一定とし、試験片の有効厚さＷを変化させた場合における、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係を示した図である。図１８に示すように、公称応力σを一定としても、試験片の有効厚さＷを変えることで、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと応力拡大係数Ｋとの関係がそれぞれ異なった傾向となる。
【００１２】
上記したように、クリープき裂進展を評価する場合には、疲労き裂の進展評価のように応力拡大係数Ｋのみ考慮することだけでは適正な評価を行うことができない。
【００１３】
また、従来、クリープき裂進展評価に有効とされた修正Ｊ積分Ｃ*においても次に示すような不都合が生じる。図１９は、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと修正Ｊ積分Ｃ*との関係を示した図である。なお、図中のｔｉはき裂進展開始時間であり、ｔｆはき裂進展終了時間である。一般に使用される低合金鋼では、図１９に示すように、縦軸をクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔ、横軸を修正Ｊ積分Ｃ*とした場合、縦軸側に凸な曲線が得られる。すなわち、試験初期に計測された修正Ｊ積分Ｃ*から試験経過とともに修正Ｊ積分Ｃ*の値が減少し、極小となった後、修正Ｊ積分Ｃ*の値が増加している。この試験の間には、き裂の進展は継続しており、試験結果をそのまま用いると、一つの修正Ｊ積分Ｃ*の値に対して、２つのクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔの値を得ることとなる。
【００１４】
ここで、図２０に、経過時間に伴う荷重点変位速度δおよびき裂長さａの変化の様子を示す。なお、図中のｔｉはき裂進展開始時間であり、ｔｆはき裂進展終了時間である。クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと修正Ｊ積分Ｃ*との関係において、上記した図１９に示すような縦軸側に凸な曲線を有するのは、次の式（１）に示すように、修正Ｊ積分Ｃ*が種々のパラメータの関数として表され、主に荷重点変位速度δによって決定されるからである。すなわち、試験の初期にはき裂の進展はほとんどないため、材料の通常のクリープ変形挙動となり、遷移クリープから定常クリープへの変化を示し、荷重点変位速度δは減少する傾向となる。この間にき裂の進展が生じると、荷重点変位速度δは、低下するのに対して、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔは増大することとなる。その後、き裂の進展とクリープ変形の加速によって、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔの増大とともに荷重点変位速度δが増大する。このようなクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔと荷重点変位速度δとの変化により、クリープ変形とき裂の進展を伴う場合には、一つの修正Ｊ積分Ｃ*の値に対して、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔは２つの評価値を得ることとなる。なお、材料によっては、き裂進展開始の時間がずれることがあるためにクリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔの２値評価とならない場合があるが、一般的には上記したように、クリープき裂進展速度ｄａ／ｄｔは、２つの評価値を得る。
【数１】
ここで、σｒは有効断面応力、δは荷重点変位速度、ｎは２次クリープ速度の応力指数である。
【特許文献１】特開平６−９４５８９号公報
【特許文献２】特開２００３−１６７９２５号公報
【特許文献３】特開２００２−６２９０１号公報
【特許文献４】特開２００３−３０３２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記したように、クリープき裂進展を評価する場合には、従来用いられてきた応力拡大係数による評価方法や修正Ｊ積分による評価方法では、単独でクリープき裂進展を適切に評価することができなかった。そのため、高温機器のき裂進展寿命を適確に評価することができず、き裂発生寿命を含めた機器全体の寿命評価ができなかった。したがって、高温機器に生じたき裂のクリープによるクリープき裂進展速度を適正に評価できる方法の提供が重要な技術的課題であり、高温機器を安全に運用するためには不可欠である。
【００１６】
ここで注目すべきことは、応力拡大係数以外のパラメータを固定すれば、応力拡大係数とクリープき裂進展速度とは１対１の関係が存在し、両対数上では線形関係を有することである。修正Ｊ積分による評価方法では、上記式（１）に示すように、Ｃ*は荷重点変位速度をパラメータとして有しているが、このＣ*は、時間経過やき裂進展によって必ずしも単調増加の傾向とならないことが大きな障害である。修正Ｊ積分は、元々応力拡大係数が線型壊力学すなわち弾性変形を仮定した破壊力学のパラメータであったものに、弾塑性破壊力学のパラメータとして提案されたＪ積分を時間速度の概念を導入してクリープき裂進展の評価に使用できるように拡張、発展させたものである。しかしながら、実際にクリープき裂進展の評価に適用した場合には、２つの評価値を得るという問題があるとともに、実際のき裂進展寿命と整合性のないき裂進展評価となることがある。すなわち、２つの材料において、同一のＣ*に対してクリープき裂進展速度を得た場合、クリープき裂進展速度の値が大きい一方の材料であっても、き裂進展寿命は長い場合がある。これは、同一のＣ*であっても必ずしも同一の進展状態ではない場合があるからであり、材料間のき裂進展特性を比較する場合には実感と整合せず、大きな障害となっていた。
【００１７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、クリープき裂進展評価において、き裂進展寿命を適確に評価することができ、さらに従来からき裂進展評価に用いられている方法を組み合わせて構成可能な高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の高温機器の寿命診断装置は、高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段とを具備することを特徴とする。
【００１９】
この高温機器の寿命診断装置によれば、クリープき裂進展寿命解析手段によって、温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、非破壊検査データベースに格納された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、２つの評価値を得ることなく、クリープき裂進展寿命を適確に解析することができる。
【００２０】
本発明の高温機器の寿命診断方法は、高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力ステップと、前記選定情報入力ステップで入力された高温機器対象物品の選定情報および温度および応力を解析するための温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析ステップと、前記温度・応力解析ステップで解析された温度および応力の解析情報、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データおよびクリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析ステップと、前記クリープき裂進展寿命解析ステップによって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定ステップとを具備することを特徴とする。
【００２１】
この高温機器の寿命診断方法によれば、クリープき裂進展寿命解析ステップによって、温度・応力解析ステップで解析された温度および応力の解析情報、高温機器対象物品の各部位における予め計測された非破壊データおよびクリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、２つの評価値を得ることなく、クリープき裂進展寿命を適確に解析することができる。
【００２２】
本発明のプログラムは、高温機器の寿命を診断する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、前記コンピュータを、高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段として機能させることを特徴とする。
【００２３】
このプログラムによれば、クリープき裂進展寿命解析手段によって、温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、非破壊検査データベースに格納された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、２つの評価値を得ることなく、クリープき裂進展寿命を適確に解析するようコンピュータを機能させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法およびプログラムによれば、クリープき裂進展評価において、き裂進展寿命を適確に評価することができ、さらに従来からき裂進展評価に用いられている方法を組み合わせて構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態の高温機器の寿命診断装置１０の構成図であり、図２は、高温機器の寿命診断装置１０の動作を示したフローチャートである。なお、高温機器の寿命診断装置１０は、例えば火力発電プラント、原子力発電プラントなどに備えられ、各プラントを構成する高温機器の寿命を診断するものである。
【００２７】
図１に示すように、高温機器の寿命診断装置１０は、高温機器対象部品選定入力手段２０と、温度・応力解析用データベース２１と、温度・応力解析手段２２と、非破壊検査データベース２３と、クリープき裂進展特性データベース２４と、クリープき裂進展寿命解析手段２５と、クリープき裂進展寿命判定手段２６とから構成されている。
【００２８】
高温機器対象部品選定入力手段２０は、高温機器対象物品の選定情報を入力する。入力される高温機器対象物品の選定情報として、例えば、プラント名称、高温機器部品名などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、高温機器対象部品選定入力手段２０は、キーボード、マウス、外部入力インターフェースなどで構成される。
【００２９】
温度・応力解析用データベース２１は、温度および応力を解析するための温度・応力解析データを記憶している。温度・応力解析データとして、例えば、プラント名称、プラント出力、高温機器部品名、高温機器部品の形状データ、使用材料、起動パターンとその回数、各起動パターンにおける起動時の初期温度、各起動パターンにおける起動時の温度および圧力の変化、蒸気圧力、定常運転時温度、定常回転数、運転開始の日時、部品更新の日時、総運転時間、定期点検の回数や時期など挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、温度・応力解析用データベース２１は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。
【００３０】
温度・応力解析手段２２は、高温機器対象部品選定入力手段２０によって入力された高温機器対象物品の選定情報および温度・応力解析用データベース２１に記憶された温度・応力解析データに基づいて、定常時や起動・停止の非定常時における温度および応力の解析を行う。また、温度および応力の解析結果に基づいて、高温機器対象物品の高応力部位や高温度部位を特定する。この温度・応力解析手段２２は、メモリやハードディスクなどの記憶装置に記憶され、ＣＰＵなどの演算手段により実行されるプログラムとして機能する。
【００３１】
非破壊検査データベース２３は、高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを記憶している。非破壊データとして、例えば、プラント名称、プラント出力、高温機器部品名、高温機器部品の形状データ、使用材料、検査方法、検査部位、検査の日時、総運転時間、総起動停止回数、材料の硬さデータ、炭化物形状・大きさや結晶粒径などの金属組織データ、ボイド面積率、ボイド発生粒界数を観察された粒界数で除したＡパラメータ、浸透探傷データ（ＰＴ）や磁気探傷データ（ＭＴ）などの表面欠陥データ、超音波探傷データ（ＵＴ）などの内部欠陥データ、鋳造欠陥やき裂状欠陥などの欠陥性状データ、はつり除去や放置などの欠陥処置データなど挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、非破壊検査データベース２３は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。
【００３２】
クリープき裂進展特性データベース２４は、クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを記憶している。クリープき裂進展寿命解析データとして、例えば、使用材料、使用温度、材料の硬さデータ、ボイド面積率、Ａパラメータ、クリープき裂進展寿命を解析する評価式に用いられる定数や指数など挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、クリープき裂進展特性データベース２４は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。
【００３３】
クリープき裂進展寿命解析手段２５は、温度・応力解析手段２２によって解析された温度および応力の解析情報、非破壊検査データベース２３に記憶された非破壊データおよびクリープき裂進展特性データベース２４に記憶されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析する。また、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、詳細は後述するが、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、き裂進展寿命を解析する。また、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、メモリやハードディスクなどの記憶装置に記憶され、ＣＰＵなどの演算手段により実行されるプログラムとして機能する。
【００３４】
クリープき裂進展寿命判定手段２６は、クリープき裂進展寿命解析手段２５によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、高温機器対象物品の交換時期を判定する。具体的には、クリープき裂進展寿命解析手段２５によって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定する。また、クリープき裂進展寿命判定手段２６は、メモリやハードディスクなどの記憶装置に記憶され、ＣＰＵなどの演算手段により実行されるプログラムとして機能する。ここで、温度・応力解析用データベース２１の説明で、温度・応力解析用データベース２１に、各高温機器対象物品に対する予め設定された定期点検間隔に係る情報が記憶されることを示したが、これに限らず、他のデータベースに記憶されてもよい。また、クリープき裂進展寿命判定手段２６において参照可能に、定期点検時期に係るデータベースを設けてもよい。
【００３５】
次に、高温機器の寿命診断装置１０の動作について説明する。
【００３６】
ここで、図３は、運転時間と硬さの関係の一例を示す図である。図４Ａおよび図４Ｂは、影響関数法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図である。図５は、き裂の進展距離と応力分布の関係の一例を示す図である。図６は、変位法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図である。図７は、仮想き裂進展法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図である。図８は、公称応力σをパラメータとした応力拡大係数Ｋとクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）の関係を示す図である。図９は、硬さＨＶと応力拡大係数Ｋをパラメータとした公称応力σとクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）の関係を示す図である。図１０は、硬さＨＶと部材の有効厚さＷをバラメータとした応力拡大係数Ｋとクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）の関係を示す図である。図１１は、使用時間とクリープ損傷を示す各パラメータの関係を示す図である。図１２は、評価式の定数や指数を決定する方法を説明するための図である。図１３は、き裂進展曲線と時間の関係を示す図である。
【００３７】
まず、高温機器対象部品選定入力手段２０によって入力された高温機器対象物品の選定情報に基づいて、寿命診断を行う高温機器対象物品を特定する（ステップＳ４０）。
【００３８】
続いて、温度・応力解析手段２２は、ステップＳ４０で特定された高温機器対象物品の情報に基づいて、温度・応力解析用データベース２１を参照し、温度および応力の解析に必要な情報を読み込み、定常時や起動・停止の非定常時における温度および応力の解析を実行する（ステップＳ４１）。また、温度および応力の解析結果に基づいて、き裂の発生が推定される高温機器対象物品の高応力部位や高温度部位を特定する（ステップＳ４１）。
【００３９】
続いて、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、ステップＳ４１で解析された温度および応力の結果に基づいて、高温機器対象物品の１つの部位、例えば、温度・応力解析の際にメッシングされた１メッシュについて、クリープき裂進展寿命の解析を実行する。なお、クリープき裂進展寿命解析を実行する部位は、高温機器対象物品のすべての部位について実行されることが好ましいが、ステップＳ４１において特定されたき裂の発生が推定される高応力部位や高温度部位についてのみ実行してもよい。
【００４０】
まず、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、非破壊検査データベース２３を参照し、ステップＳ４１で解析された温度および応力の解析情報に対応する高温機器対象物品の１つの部位に係る硬さデータを読み込み、クリープき裂が発生する時（クリープき裂発生時）や発生するき裂長さを解析する（ステップＳ４２）。なお、クリープき裂が発生する時（クリープき裂発生時）の解析は、クリープ損傷と疲労損傷を考慮して従来の手法を用いて実行される。また、クリープき裂進展寿命解析手段２５は、き裂発生時の硬さなどの材料特性情報をクリープき裂進展特性データベース２４に出力する（ステップＳ４２）。ここで、例えば、図３に示すように、材料の硬さＨＶは、運転時間の増加に伴って低下するという特性を有する。この硬さの変化曲線は、運転温度や応力の負荷状態によっても異なる。また、材料の硬さは、クリープき裂進展を評価するときにも大きな影響を与えるパラメータであるため、解析される部位の温度や運転時間、クリープ損傷度などから正確に算出する必要がある。
【００４１】
ここで、クリープき裂進展寿命解析は、き裂発生部位を対象として、想定されるき裂長さに対して実施する。想定されるき裂長さは、蛍光探傷や磁粉探傷などの非破壊検査で検出可能な長さである。
【００４２】
続いて、想定されるき裂長さに対して応力解析結果より得られる応力分布に基づいて、応力拡大係数Ｋを算出し、さらに、応力解析結果に基づいて公称応力σおよび部材の有効厚さＷを算出する（ステップＳ４３）。ここで、部材の有効厚さＷとは、余長部等を除いた負荷応力が実際に作用する部材の有効の厚さである。
【００４３】
応力拡大係数Ｋを算出する方法としては、例えば、影響関数法、変位法、仮想き裂進展法など複数の算出方法がある。以下に、影響関数法、変位法、仮想き裂進展法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法について説明する。
【００４４】
（影響関数法）
影響関数法は、上記した応力拡大係数Ｋを算出する方法の中で最も容易な方法とされ、き裂がない状態での応力分布を得ることで、仮想的にき裂が存在した時の応力拡大係数Ｋを算出することができる。
【００４５】
ここでは、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、高温機器対象物品の表面に深さｂ、表面長さ２ａの半楕円状のき裂１００が存在した場合における応力拡大係数Ｋの算出方法について説明する。
【００４６】
この場合、一般的には応力拡大係数Ｋは、次の式（２）によって算出される。
【数２】
【００４７】
ここで、ｇ（σ０）は応力分布に関する関数、ｆ（ａ、ｂ、Ｈ）はき裂形状に関する関数、Ｈは部材の厚さである。図５に示すように、ｇ（σ０）は、き裂１００の進展方向に算出して多項式近似した応力分布（σ０＝ｈ（Ｘ））の係数より決定される。ここで、Ｘはき裂進展距離である。応力分布が一定値Ｃ０である場合にはｇ（σ０）＝Ｃ０となる。ｆ（ａ、ｂ、Ｈ）は、き裂１００の楕円形状や大きさによって変化する値で、従来から用いられているハンドブック（STRESS INTENSITY FACTORS HANDBOOK Volume1-3, Y.MURAKAMI, PERGAMON PRESS）などで与えられている。なお、図４Ａおよび図４Ｂに示されたき裂１００は一例であり、これまでの破壊力学に関する成果として、様々なき裂形状について関数が与えられているので、最適なモデルを適宜選択して適用する。
【００４８】
（変位法）
図６に示すように、き裂面における相対変位量を用いて変位法により応力拡大係数Ｋを算出することができる。この方法では、有限要素法によってき裂部分について詳細なメッシュを作成し、荷重負荷時にき裂１１０が開口した際のき裂面上の相対変位量（Δδ）から応力拡大係数Ｋを求める。
【００４９】
変位法における応力拡大係数Ｋは、次の式（３）および式（４）によって算出される。
【数３】
【数４】
【００５０】
ここで、Ｅはヤング率、νはポアソン比、ｒｏはき裂先端１１１からの距離、Δδは相対変位量である。なお、実際には解析精度の関係上、き裂面上の多数の点において応力拡大係数Ｋを求め、最終的にき裂先端１１１に外挿してクリープき裂進展寿命解析に用いる応力拡大係数Ｋを算出する。この変位法は、破壊力学の基礎式から求められるものであるため、得られる値の精度が高い。
【００５１】
（仮想き裂進展法）
図７に示すように、有限要素法によるき裂解析によって解析された、き裂１２０が仮想的に極微少量進展したときのエネルギ変化量を用いて仮想き裂進展法により応力拡大係数Ｋを算出することができる。この仮想き裂進展法では、き裂長さがａであったき裂１２０が、微小長さδａだけき裂進展した場合、δａの部分の材料が微小量だけ変位して所定の応力の状態から開放されることによるエネルギ変化（エネルギ開放率）Ｇを用いて、応力拡大係数Ｋを算出する。言い換えると、エネルギ開放率Ｇは、き裂が進展していく場合のき裂の進展に必要なエネルギである。
【００５２】
仮想き裂進展法における応力拡大係数Ｋは、次の式（５）によって算出される。
【数５】
【００５３】
ここで、Ｅ’は平面応力と平面歪みの状態に対して、ヤング率Ｅとポアソン比νを用いて次の式（６）（平面応力）、式（７）（平面歪み）に示すように定義される。なお、Ｇは上記したエネルギ開放率である。また、エネルギ開放率Ｇは、有限要素法で容易に算出できるため、仮想き裂進展法は比較的簡単な解析モデルでも容易に応力拡大係数を算出することができる。
【数６】
【数７】
【００５４】
続いて、ステップＳ４３で算出された応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび部材の有効厚さＷを用いて、次の式（８）によってクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）、式（８）の定数や指数を算出する（ステップＳ４４）。
【数８】
【００５５】
ここで、Ｃは定数であり、ｍ、ｎ、およびｌは、それぞれ応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび有効厚さＷにかかる指数である。また、図８〜図１０に示すように、応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび有効厚さＷの３つのパラメータに基づいてクリープき裂進展速度を算出することができる。すなわち、ある硬さＨＶにおけるクリープき裂進展速度は、上記した評価式（式（８））によって算出することができる。
【００５６】
ここで、材料の硬さＨＶが変化すると、評価式（式（８））の定数や指数は硬さに依存して変わるので、評価する部位の硬さを正確に求める必要がある。評価式（式（８））の定数や指数は、クリープき裂進展特性データベース２４に記憶された、材料の損傷度合いを示すパラメータである硬さを用いて決められる以外に、クリープ損傷を示すＡパラメータやボイド面積率などのクリープボイドに関連したパラメータを用いて決められてもよい。図１１に示すように、Ａパラメータやボイド面積率は、使用時間に伴って増加する関係にある。
【００５７】
Ａパラメータは、走査型電子顕微鏡を用いた材料の組織観察において、観察視野中に引かれた参照線と交差する粒界の割合を示すものであり、ボイド発生粒界数を観察粒界数で除して算出される。このＡパラメータは、クリープ損傷とともにボイドを発生する材料に関しては、比較的よく用いられるパラメータである。Ａパラメータと使用時間との関係からＡパラメータを特定することができ、これを評価式（式（８））の定数や指数に関連付けることができる。
【００５８】
また、ボイド面積率は、走査型電子顕微鏡を用いた材料の組織観察において、観察視野中の観察視野面積当たりのボイド発生の面積の割合を示すものであり、ボイドの総面積を観察視野の総面積で除して算出される。このボイド面積率は、ボイドが比較的多く発生する場合に適用されることが好ましい。ボイド面積率と使用時間との関係からボイド面積率を特定することができ、これを評価式（式（８））の定数や指数に関連付けることができる。
【００５９】
このように、クリープ損傷とともに、材料の組織中に発生する損傷の形態に合わせて、最も合致するパラメータを用いて損傷度を評価し、損傷度に合わせて評価式（式（８））の定数や指数を決定することができる。なお、上記したＡパラメータやボイド面積率やステップ４４で算出された定数や指数は、クリープき裂進展特性データベース２４に出力され、記憶される。
【００６０】
また、評価式（式（８））は、応力拡大係数Ｋ、公称応力σおよび有効厚さＷに依存した指数や定数を有するため、単純にはそれぞれのパラメータを固定した試験を実施して、実験的に求める必要がある。しかしながら、現実的には一定荷重の試験を実施した場合には、クリープき裂進展とともに、応力拡大係数Ｋが増加し、他のパラメータを変化させることができないのが実情である。このため、図１２に示すように、試験データを重回帰分析することによって、数少ないデータからそれぞれの指数や定数を求めてもよい。すなわち、ある試験片に対して実施した試験結果から、あるき裂長さａにおけるクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、試験片の有効厚さＷを一つのデータセットとして、き裂発生から破断までのデータセットを採取する。また、試験片の大きさや負荷荷重を変えて、さらにデータを採取することにより多くのデータを得ることができる。次の式（９）に示すこれらのデータの対数値に対して線型重回帰分析することにより、最も小さい誤差を与える指数や定数を得ることができる。
【数９】
【００６１】
この線型重回帰分析を用いることにより、一つのパラメータのみを変化させる高度な試験方法を適用することなく、容易にそして確実に評価式（式（８））における指数や定数を決定することができる。
【００６２】
続いて、ステップＳ４４で算出されたクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）および/または定数や指数が決定された評価式（式（８））を用いて、ステップＳ４２で想定されたき裂長さから高温機器対象物品の破断に至るまでのき裂進展寿命を算出する（ステップＳ４５）。
【００６３】
き裂進展寿命の算出において、まず、初期き裂における応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、有効厚さＷを算出して短時間Δｔの間に進展するき裂の進展量Δａを算出する。続いて、初期き裂の長さａにこのき裂の進展量を加えた「ａ+Δａ」を新たに次のき裂長さａとして再計算を実行する。これを繰り返すことにより、破断までのき裂の進展過程を得ることができる。これに基づいて、破断するまでのき裂進展寿命を算出することができる。
【００６４】
次に、上記したステップＳ４２〜ステップＳ４５の処理を、高温機器対象物品の各部位、例えば、温度・応力解析の際にメッシングされた各メッシュについて実行する。
【００６５】
各部位についてステップＳ４２〜ステップＳ４５の処理が完了後、クリープき裂進展寿命判定手段２６は、得られた各部位におけるき裂進展寿命うち最小となるき裂進展寿命を特定する（ステップＳ４６）。この最小き裂進展寿命は、高温機器全体におけるき裂進展寿命となる。
【００６６】
続いて、クリープき裂進展寿命判定手段２６は、ステップＳ４６で特定された最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔よりも長いか否かを判定する（ステップＳ４７）。
【００６７】
ステップＳ４７の判定で、最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔よりも長いと判定した場合（ステップＳ４７のＹｅｓ）には、例えば、モニタやプリンタあるいは所定の記憶装置に判定した情報を出力する。このように最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔よりも長いとする判定結果を得た場合には、き裂発生を非破壊検査等により確認した後、高温機器対象物品が交換される。
【００６８】
ステップＳ４７の判定で、最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔以下と判定した場合（ステップＳ４７のＮｏ）には、例えば、モニタやプリンタあるいは所定の記憶装置に判定した情報を出力する。このように最小き裂進展寿命が、予め設定された定期点検間隔以下とする判定結果を得た場合には、き裂発生時期を特定し、き裂発生前に高温機器対象物品の交換を行い、機器の安全運用を確保する必要がある。
【００６９】
ここで、ステップＳ４７において、最小き裂進展寿命を予め設定された定期点検間隔と比較して、その結果に基づいて部品交換を検討するのは、図１３に示すようなき裂進展曲線と時間の関係を有するからである。すなわち、図１３に示すように、定期点検直後に非破壊検出限界のき裂が発生したと仮定した場合、非損傷部位から発生したき裂においては、部品破断までのき裂進展時間は、次回の定期点検時期を越える時間となる。そのため、定期点検直後にき裂が発生したとしても、次回の定期点検時期までに部品破断に至ることはなく、進展過程のき裂として検出され、部品交換することで安全に運用することができる。これに対して、損傷部位から発生したき裂においては、硬さが低下するため、短時間で部品破断となる。このようにき裂進展寿命が評価された場合には、次回の定期点検時期よりも前にき裂進展寿命に達してしまうため、き裂発生と同時に部品寿命と判断し、き裂発生をもって部品交換しなければならない。
【００７０】
上記した高温機器の寿命診断を実行するための動作は、例えばコンピュータによって実行され、この処理を実行させるプログラムは、コンピュータを、高温機器対象部品選定入力手段２０と、温度・応力解析用データベース２１と、温度・応力解析手段２２と、非破壊検査データベース２３と、クリープき裂進展特性データベース２４と、クリープき裂進展寿命解析手段２５と、クリープき裂進展寿命判定手段２６として機能させる。
【００７１】
次に、き裂進展寿命の評価を行うための試験データの取得方法について図１４を参照して説明する。図１４は、試験データを収得すべき試験材を得る方法を説明するための図である。
【００７２】
実際の機器のき裂進展寿命を評価する場合には、様々な状態の材料に関する評価式（式（８））を準備する必要があり、そのためにそれぞれに対応した材料試験を実施し、試験データを取得しなければならない。多くの場合には、実際に使用された高温機器を解析し、最も損傷している部分から試験片を採取して、試験データを取得する。
【００７３】
また、別の試験データ取得方法としては、図１４に示すような高温で長時間内圧を負荷した円筒材３００から試験片３１０を採取して、試験を行う方法である。機器のき裂発生部は、損傷度が最も高くなるが、この部分から進展したき裂は、常にき裂発生部よりも損傷度が低い部分を進むことになる。このため、き裂進展部分が様々な損傷状態の材料となるため、クリープき裂進展寿命を精度よく解析するためには、硬さやクリープ損傷の異なる材料について試験データを採取する必要がある。図１４に示すように、内圧を負荷した円筒材３００では、円周方向と軸方向に同時に応力が発生するために、実際の機器の応力状態に類似した応力状態となる。そのため、このような円筒材３００から試験片３１０を採取することにより実機損傷を模擬した様々な材料について試験データを得ることができる。
【００７４】
このように、実際に使用された機器から試験片を採取し、または様々な条件で試験を実施した内圧を負荷した円筒材３００から試験片３１０を採取し、この試験片を用いて試験データを得ることで、実機の使用時に生じる様々な損傷状態を再現した試験データを容易に得ることができる。
【００７５】
以上、本発明の高温機器の寿命診断装置、高温機器の寿命診断方法、高温機器の寿命診断をするためのプログラムによれば、クリープき裂進展寿命を、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、有効厚さＷのすべての演算因子を備える評価式（８）を用いて解析することで、クリープき裂進展寿命を精度よく求めることができる。さらに、クリープき裂進展寿命を、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、有効厚さＷのすべての演算因子を備える評価式（８）を用いて解析することで、応力拡大係数Ｋや公称応力σ単独でクリープき裂進展寿命を評価する際に生じた他のパラメータの影響を回避でき、クリープき裂進展寿命を精度よく求めることができる。
【００７６】
また、前述したように、従来のクリープき裂進展寿命の評価に用いられていたパラメータである修正Ｊ積分Ｃ*では、一つのＣ*の値に対して、２つのクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）のデータを得ることとなる。これに対して、本発明では、応力拡大係数Ｋや公称応力σは、クリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）に対して常に単調増加の傾向にあり、両対数上では直線関係を有しているため、その適用が容易であり、２値評価となることはない。
【００７７】
さらに、前述したように、実際に機器に生じたき裂に対してＣ*を適用する場合には、機器の形状に合わせて３次元モデルの有限要素法による解析を実施しなければならない。これに対して、本発明によれば、使用するパラメータは、従来使用していた応力拡大係数Ｋや公称応力σであり、１回の応力解析によって得た応力分布によって評価パラメータの値を得ることができる。
【００７８】
本発明では、既存解析モデルの結果と応力分布を用いた影響関数法、精度の高い応力拡大係数の値が得られる変位法、複雑なき裂形状に適する仮想き裂進展法などによって応力拡大係数Ｋを算出することとができ、最も状況に適した算出方法を選択して最適な応力拡大係数Ｋを得ることができる。このように、最適と考えられる算出方法により容易に応力拡大係数を得ることができるため、実際の機器への適用に際しても大きな効果が得られる。
【００７９】
また、本発明では、試験データを重回帰分析することによって、数少ない試験データから評価式に用いる指数や定数を容易にかつ適正に求めることができる。すなわち、ある試験片に対して実施した試験結果から、あるき裂長さａにおけるクリープき裂進展速度（ｄａ／ｄｔ）、応力拡大係数Ｋ、公称応力σ、試験片の有効厚さＷを一つのデータセットとして、き裂発生から破断までのデータセットを採取する。また、試験片の大きさや負荷荷重を変えて、さらにデータを採取することにより多くのデータを得ることができる。これらのデータの対数値に対して線型重回帰分析することにより、最も小さい誤差を与える指数や定数を得ることができる。
【００８０】
さらに、本発明では、き裂進展寿命解析を対象部品の各部位に対して実施して、最小となるき裂進展寿命を求め、この最小き裂進展寿命と機器の定期点検間隔とを比較して、部品交換時期を合理的に決定し、機器を安全に運用することができる。
【００８１】
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施の形態の高温機器の寿命診断装置の構成図。
【図２】高温機器の寿命診断装置の動作を示したフローチャート。
【図３】運転時間と硬さの関係の一例を示す図。
【図４Ａ】影響関数法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図４Ｂ】影響関数法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図５】き裂の進展距離と応力分布の関係の一例を示す図。
【図６】変位法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図７】仮想き裂進展法によって応力拡大係数Ｋを算出する方法を説明するための図。
【図８】公称応力をパラメータとした応力拡大係数とクリープき裂進展速度の関係を示す図。
【図９】硬さと応力拡大係数をパラメータとした公称応力とクリープき裂進展速度の関係を示す図。
【図１０】硬さと部材の有効厚さをバラメータとした応力拡大係数とクリープき裂進展速度の関係を示す図。
【図１１】使用時間とクリープ損傷を示す各パラメータの関係を示す図。
【図１２】評価式の定数や指数を決定する方法を説明するための図。
【図１３】き裂進展曲線と時間の関係を示す図。
【図１４】試験データを収得すべき試験材を得る方法を説明するための図。
【図１５】代表的な高温機器である蒸気弁の断面を示す図。
【図１６】所定の試験片を用いて公称応力を変化させた場合におけるクリープき裂進展速度と応力拡大係数との関係を示した図。
【図１７】所定の試験片を用いて応力拡大係数を変化させた場合におけるクリープき裂進展速度と公称応力との関係を示した図。
【図１８】所定の試験片を用いて、公称応力を一定とし、試験片の有効厚さを変化させた場合におけるクリープき裂進展速度と応力拡大係数との関係を示した図。
【図１９】クリープき裂進展速度と修正Ｊ積分Ｃ*との関係を示した図。
【図２０】経過時間に伴う荷重点変位速度およびき裂長さの変化の様子を示す図。
【符号の説明】
【００８３】
１０…高温機器の寿命診断装置、２０…高温機器対象部品選定入力手段、２１…温度・応力解析用データベース、２２…温度・応力解析手段、２３…非破壊検査データベース、２４…クリープき裂進展特性データベース、２５…クリープき裂進展寿命解析手段、２６…クリープき裂進展寿命判定手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、
温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、
前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、
前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、
クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、
前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、
前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段と
を具備することを特徴とする高温機器の寿命診断装置。
【請求項２】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、クリープき裂発生時を解析し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、前記解析されたクリープき裂発生時以後のき裂進展寿命を解析することを特徴とする請求項１記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項３】
前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂発生時におけるき裂の長さは、前記高温機器対象物品の外部から非破壊検査により検出可能な長さであることを特徴とする請求項２記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項４】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、前記解析されたき裂発生時以後のクリープき裂進展寿命を解析する際、クリープき裂発生時におけるき裂の進展部分の材料特性を演算因子として前記応力拡大係数を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項５】
前記応力拡大係数が、前記き裂の進展部分の断面応力分布から得られた係数を用いて影響関数法により算出されることを特徴とする請求項４記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項６】
前記応力拡大係数が、有限要素法によるき裂解析によって解析されたき裂面における相対変位量を用いて変位法により算出されることを特徴とする請求項４記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項７】
前記応力拡大係数が、有限要素法によるき裂解析によって解析された、き裂が仮想的に極微少量進展したときのエネルギ変化量を用いて仮想き裂進展法により算出されることを特徴とする請求項４記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項８】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データである、材料の硬さ、ボイド面積率、またはボイド発生粒界数を観察された粒界数で除したＡパラメータを用いて、前記評価式の定数および指数を決定することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項９】
前記評価式の定数および指数には、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さを変化させた試験データを用いた多重解析によって得られた誤差が最小となる値が用いられることを特徴とする請求項８記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項１０】
前記非破壊データは、実機で使用した材料または実機と作用応力が同等な環境で得られた材料から取得すること特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項１１】
前記クリープき裂進展寿命判定手段が、前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項１２】
高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力ステップと、
前記選定情報入力ステップで入力された高温機器対象物品の選定情報および温度および応力を解析するための温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析ステップと、
前記温度・応力解析ステップで解析された温度および応力の解析情報、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データおよびクリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析ステップと、
前記クリープき裂進展寿命解析ステップによって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定ステップと
を具備することを特徴とする高温機器の寿命診断方法。
【請求項１３】
前記クリープき裂進展寿命解析ステップにおいて、クリープき裂発生時を解析し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、前記解析されたクリープき裂発生時以後のき裂進展寿命を解析することを特徴とする請求項１２記載の高温機器の寿命診断方法。
【請求項１４】
高温機器の寿命を診断する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータを、
高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、
温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、
前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、
前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、
クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、
前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、
前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項１５】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、クリープき裂発生時を解析し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、前記解析されたクリープき裂発生時以後のき裂進展寿命を解析することを特徴とする請求項１４記載のプログラム。
【請求項１】
高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、
温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、
前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、
前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、
クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、
前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、
前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段と
を具備することを特徴とする高温機器の寿命診断装置。
【請求項２】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、クリープき裂発生時を解析し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、前記解析されたクリープき裂発生時以後のき裂進展寿命を解析することを特徴とする請求項１記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項３】
前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂発生時におけるき裂の長さは、前記高温機器対象物品の外部から非破壊検査により検出可能な長さであることを特徴とする請求項２記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項４】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、前記解析されたき裂発生時以後のクリープき裂進展寿命を解析する際、クリープき裂発生時におけるき裂の進展部分の材料特性を演算因子として前記応力拡大係数を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項５】
前記応力拡大係数が、前記き裂の進展部分の断面応力分布から得られた係数を用いて影響関数法により算出されることを特徴とする請求項４記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項６】
前記応力拡大係数が、有限要素法によるき裂解析によって解析されたき裂面における相対変位量を用いて変位法により算出されることを特徴とする請求項４記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項７】
前記応力拡大係数が、有限要素法によるき裂解析によって解析された、き裂が仮想的に極微少量進展したときのエネルギ変化量を用いて仮想き裂進展法により算出されることを特徴とする請求項４記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項８】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データである、材料の硬さ、ボイド面積率、またはボイド発生粒界数を観察された粒界数で除したＡパラメータを用いて、前記評価式の定数および指数を決定することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項９】
前記評価式の定数および指数には、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さを変化させた試験データを用いた多重解析によって得られた誤差が最小となる値が用いられることを特徴とする請求項８記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項１０】
前記非破壊データは、実機で使用した材料または実機と作用応力が同等な環境で得られた材料から取得すること特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項１１】
前記クリープき裂進展寿命判定手段が、前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の高温機器の寿命診断装置。
【請求項１２】
高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力ステップと、
前記選定情報入力ステップで入力された高温機器対象物品の選定情報および温度および応力を解析するための温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析ステップと、
前記温度・応力解析ステップで解析された温度および応力の解析情報、前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データおよびクリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析ステップと、
前記クリープき裂進展寿命解析ステップによって解析されたクリープき裂進展寿命と予め設定された定期点検間隔とを比較して、高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定ステップと
を具備することを特徴とする高温機器の寿命診断方法。
【請求項１３】
前記クリープき裂進展寿命解析ステップにおいて、クリープき裂発生時を解析し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、前記解析されたクリープき裂発生時以後のき裂進展寿命を解析することを特徴とする請求項１２記載の高温機器の寿命診断方法。
【請求項１４】
高温機器の寿命を診断する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータを、
高温機器対象物品の選定情報を入力する選定情報入力手段と、
温度および応力を解析するための温度・応力解析データを格納する温度・応力解析用データベースと、
前記選定情報入力手段によって入力された高温機器対象物品の選定情報および前記温度・応力解析用データベースに格納された前記温度・応力解析データに基づいて、温度および応力の解析を行う温度・応力解析手段と、
前記高温機器対象物品の各部位において予め計測された非破壊データを格納する非破壊検査データベースと、
クリープき裂進展寿命を解析するためのクリープき裂進展寿命解析データを格納するクリープき裂進展特性データベースと、
前記温度・応力解析手段によって解析された温度および応力の解析情報、前記非破壊検査データベースに格納された前記非破壊データおよび前記クリープき裂進展特性データベースに格納されたクリープき裂進展寿命解析データに基づいて、クリープき裂進展寿命を解析するクリープき裂進展寿命解析手段と、
前記クリープき裂進展寿命解析手段によって解析されたクリープき裂進展寿命に基づいて、前記高温機器対象物品の交換時期を判定するクリープき裂進展寿命判定手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項１５】
前記クリープき裂進展寿命解析手段において、クリープき裂発生時を解析し、応力拡大係数、公称応力および部材有効厚さを算出し、前記応力拡大係数、前記公称応力および前記部材有効厚さのすべてを演算因子として備える評価式を用いて、前記解析されたクリープき裂発生時以後のき裂進展寿命を解析することを特徴とする請求項１４記載のプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００８−３００９（Ｐ２００８−３００９Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７４４４２（Ｐ２００６−１７４４４２）
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]