高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価方法およびプログラム
【課題】締結構造体の応力変化やクリープ損傷を容易に十分な精度で評価することができ、高温機器の締結構造を評価することができる高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価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】高温機器の締結構造評価装置１０は、締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段２１と、演算条件を収得する演算条件収得手段２２と、演算条件およびクリープ強度データに基づいてクリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段２３と、クリープひずみ速度に基づいて応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段２４と、演算条件、クリープ強度データおよび応力に基づいてクリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段２５と、応力緩和量およびクリープ損傷量に基づいて締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段２６とを具備する。
【解決手段】高温機器の締結構造評価装置１０は、締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段２１と、演算条件を収得する演算条件収得手段２２と、演算条件およびクリープ強度データに基づいてクリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段２３と、クリープひずみ速度に基づいて応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段２４と、演算条件、クリープ強度データおよび応力に基づいてクリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段２５と、応力緩和量およびクリープ損傷量に基づいて締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段２６とを具備する。
【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締結構造を評価する高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温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、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の破壊を引き起こすことがあった。
【０００４】
図１２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。弁箱６１４自体は一体構造であるが、蒸気弁として使用する場合には、蒸気６１１を密封することができ、さらに分解組立が可能なように、座金６１６を介して上蓋６１５が締結ボルト６１７により接合されている。このため、この締結ボルト６１７には、蒸気タービンの稼動中では、高温下で絶えず締付力の他に蒸気圧力による荷重が負荷されている。このように高温で長時間使用されると、材料はクリープ変形するが、締結ボルト６１７は、一定変位状態を維持するため、ボルト締付力の低下、すなわちボルト応力の緩和という形でクリープ変形が生じる。この応力緩和が大きい場合には、上蓋６１５を十分な力で弁箱６１４に固定できないため、蒸気漏れなどを引き起こすことがあった。
【０００５】
このため、これまで様々な方法で、ボルトの応力緩和を低減する方法が提案されいる。図１３は、締結部フランジの変形を防止するために断熱部材を適用した従来の締結構造体の断面を示す図である。図１３に示すように、断熱部材片６３０をボルト接合部付近の車室６３１内面に固着させてボルト６３２が接合するフランジに流入する熱量を低減させ、ボルト６３２の温度上昇を抑え、ボルト６３２の応力緩和や損傷低減を狙った技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。蒸気タービン起動時には非定常温度変化により、車室内面が急加熱されフランジに大きな熱応力が発生する。その結果、フランジ内面の材料が降伏変形し、その後の定常状態へ戻る段階で塑性変形領域が開口することがある。開口部付近のボルトは高温に保持されるため、ボルト締付力の緩和が進み、蒸気漏れが発生する。特許文献１に記載された発明では、ハニカム６３３を板状に結合して構成した複数の断熱部材片６３０をタービンの車室６３１の内面に固着することにより、フランジに流入する熱量を抑えて、車室６３１の内外面の温度差を小さくし、発生する熱応力を低減させている。
【０００６】
図１４は、接触面圧を低下させるために用いられた角形状座金を適用した従来の締結構造体の斜視図である。また、図１５は、図１４に示した従来の締結構造体の断面を示す図である。図１４および図１５に示すように、蒸気タービン車室フランジ部の締付用のボルト６４０において、角形状座金６４１とフランジ６４２との接触面積を大きくして、急速起動時のボルト締付力の上昇によるフランジ６４２の塑性変形を防ぐ技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。蒸気タービンの急速起動時には、ボルトより先にフランジが加熱されるために、フランジがボルトより大きく熱膨張し、その結果、ボルトの締付力が急増する。これにより、通常の円板状の座金のみを用いた場合には、座面に大きな接触面圧が発生し、フランジが塑性変形により変形する。その状態で、定常温度状態となると、塑性変形の分だけ締付力が不足するため、最終的には蒸気漏れなどの問題を生じる。特許文献２に記載された発明では、フランジ６４２に接触する座金の受圧面積を増やした角形状座金６４１を用いることでフランジ６４２の塑性変形を防いでいる。
【０００７】
上記したように、従来においては、締結力低下による蒸気漏れや被締結物の変形を防止することを図った技術は示されているが、締結ボルトの応力変化やクリープ損傷を評価する技術は示されていない。ここで、締結ボルトは、高温で長時間に亘りほぼ一定の負荷がかけられているため、高温劣化やクリープ損傷が蓄積することになり、実際の部品ではクリープ損傷によるき裂の発生やボルト破断に至ることがある。
【０００８】
ここで、図１６は、蒸気弁６００の上蓋６１５を接合する締結ボルト６１７に係る損傷例を示す断面図である。締結ボルト６１７は、高温長時間での使用により応力の最も厳しい第１ネジのネジ底６２０からき裂６２１が発生し、締結ボルト６１７を貫通する形で進展し、ボルト破断に至っている。材料は一定の負荷の下、高温で長時間使用されると、クリープ変形を生じるが、締結ボルトは一定変位状態に維持されて使用されているため、ボルト締付力の低下、すなわちボルト応力の緩和という形で、クリープ変形が反映される。すなわち、通常、運転中は一定として評価される運転時の応力も、締結ボルトの場合には、応力緩和に伴い締結物との関係において絶えず変化する応力履歴となる。
【特許文献１】特開平１０−２０５３０６号公報
【特許文献２】特開平１０−１９０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように、従来においては、締結力低下による蒸気漏れや被締結物の変形を防止することを図った技術は示されているが、締結ボルトの応力変化やクリープ損傷を評価する技術は示されていない。そのため、高温機器の締結において、締結ボルトが破損したり、締付力が過度に低下するなどの問題を生じていた。また、従来の技術では、締結ボルトの応力変化を簡単に精度良く評価する方法は示されておらず、締結ボルトの締め過ぎによるボルト破断や、応力緩和の過度の進行による蒸気漏れなどの問題も生じていた。
【００１０】
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、締結構造体の応力変化やクリープ損傷を容易に十分な精度で評価することができとともに、高温機器の締結構造を評価することができる高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の高温機器の締結構造評価装置は、高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明の高温機器の締結構造評価方法は、高温機器の締結構造を評価する高温機器の締結構造評価装置における締結構造評価方法であって、高温機器を締結する締結構造体の選定情報を選定情報収得手段が収得する選定情報収得ステップと、前記選定情報収得手段が収得した締結構造体に対応する演算条件を演算条件収得手段が収得する演算条件収得ステップと、前記演算条件収得手段が収得した演算条件、およびクリープ強度データベースから入力したクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度算出手段がクリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出ステップと、前記クリープひずみ速度算出手段が算出したクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量算出手段が応力緩和量を算出する応力緩和量算出ステップと、前記演算条件収得手段が収得した演算条件、前記クリープ強度データベースから入力したクリープ損傷量を算出するためのクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量算出手段がクリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出ステップと、前記応力緩和量算出手段が算出した応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段が算出したクリープ損傷量に基づいて、締結構造判定手段が前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造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締結構造評価方法。
【００１３】
本発明のプログラムは、高温機器の締結構造を評価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、高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段として機能させることを特徴とする。
【００１４】
上記した高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価方法およびプログラムによれば、締結構造体における応力変化やクリープ損傷量等を算出するとともに、締結構造体における応力緩和量を算出し、この応力緩和量に基づいて、締結構造の評価を行なう。これによって、高温機器の締結構造を高い信頼性を有して評価することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価方法およびプログラムによれば、締結構造体の応力変化やクリープ損傷量を容易に十分な精度で評価することができとともに、応力緩和量に基づいて高温機器の締結構造を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置１０の主要な構成を示す機能ブロック図であり、図２は、高温機器の締結構造評価装置１０の動作を示したフローチャートである。なお、高温機器の締結構造評価装置１０（以下、締結構造評価装置１０という）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締結構造の評価をするものである。
【００１８】
締結構造評価装置１０は、本発明に係る締結構造評価方法を実行する機能を実現すべく書き換え可能メモリなどのプログラムデータベース２０に格納されたプログラムを制御手段３０により実行するコンピュータ等によって構成される。この制御手段３０は、内部での種々の演算処理を実行するＣＰＵ等の演算手段、システム情報等が記憶されたＲＯＭ等の不揮発性メモリや更新可能に情報を記憶するＲＡＭ等の半導体メモリで構成された記憶手段、および内部での種々の動作や外部との情報授受を司る制御手段等を有する。また、制御手段３０は、出入力インターフェース４０からの入力やインストールされたプログラムの内容等に応じて様々な情報処理を実行するものとなっており、後述の動作における各種演算の処理を実行したり、各構成部を制御する中核を担う。
【００１９】
また、締結構造評価装置１０は、コンピュータ等が一般に備えられるキーボードやポインティング・デバイス等で構成される、使用者等による文字入力や選択入力等を受け付けて制御手段３０等へ供給する出入力インターフェース４０を備えている。さらに、締結構造評価装置１０は、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等で構成される、制御手段３０による制御の下で所定の情報表示をする表示手段６０を備えている。また、締結構造評価装置１０は、ハードディスク等の記憶手段で構成される、プログラムデータベース２０やクリープ強度データベース５０等を備えている。そして、上記した各構成部は、システムバス７０で接続されている。
【００２０】
次に、プログラムデータベース２０に格納された各種機能手段について説明する。
【００２１】
プログラムデータベース２０には、選定情報収得手段２１、演算条件収得手段２２、クリープひずみ速度算出手段２３、応力緩和量算出手段２４、クリープ損傷量算出手段２５、締結構造判定手段２６、設定変更情報収得手段２７の機能手段が格納されている。
【００２２】
選定情報収得手段２１は、出入力インターフェース４０等によって入力された、例えば高温機器を締結する締結構造体の選定情報等の情報を収得する。締結構造体の選定情報として、例えば、プラント名称、高温機器部品名、締結部品名等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、締結構造体の一例として、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体などが挙げられる。この場合には、ボルトおよび座金の双方について、以下に述べる、クリープひずみ速度算出手段２３によるクリープひずみ速度の算出、応力緩和量算出手段２４による応力緩和量の算出、クリープ損傷量算出手段２５によるクリープ損傷量の算出などが実行される。
【００２３】
演算条件収得手段２２は、出入力インターフェース４０等によって入力された、選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する。演算条件として、例えば、対象部品に対する初期応力σ０、使用温度Ｔ、運転時間ｔｆ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、運転時間ｔｆは、所定の微少時間に分割され、微少時間前の応力を初期応力として該微少時間後の応力を算出して、以下の各算出手段における処理に用いられる。なお、対象部品等によってこれらの演算条件が所定の条件に定められる場合には、これらの演算条件は、例えば、対象部品等に対応させてデータベース等に予め格納されてもよい。
【００２４】
クリープひずみ速度算出手段２３は、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、およびクリープ強度データベース５０に格納されたクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出する。ここで、例えば、上記した、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体を締結構造体とする場合、微少時間後におけるクリープひずみ速度を算出するときに用いられる応力値は、微少時間前における、ボルトおよび座金の双方について算出された応力緩和量のうち大きな方の値が初期応力として用いられる。なお、クリープ強度データベース５０には、例えば、各材料名に対応させて、各使用温度におけるクリープ曲線データ、クリープ破断特性データ、ヤング率等の種々のデータが格納されている。
【００２５】
応力緩和量算出手段２４は、クリープひずみ速度算出手段２３によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する。
【００２６】
クリープ損傷量算出手段２５は、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、クリープ強度データベース５０に格納されたクリープ強度データおよび算出された微少時間後における応力に基づいて、クリープ損傷量を算出する。
【００２７】
締結構造判定手段２６は、応力緩和量算出手段２４によって算出された応力緩和量、およびクリープ損傷量算出手段２５によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する。この締結構造が適正か否かの評価は、例えば、予め設定された最小設定応力や許容クリープ損傷量の値に基づいて実行される。例えば、上記した、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体を締結構造体とする場合、締結構造が適正か否かの評価をする際に用いられる応力緩和量やクリープ損傷量は、ボルトに係る値が用いられることが好ましい。これは、座金に比べてボルトが破損する方が経済性に影響を与えるからである。
【００２８】
設定変更情報収得手段２７は、締結構造判定手段２６によって締結構造が不適であると判定した場合に締結構造体の締結構造の設定変更情報を収得する。この設定変更情報として、例えば、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体を締結構造体とする場合、締結構造評価が実行された座金やボルトの材料と異なる材料に係る情報、締結構造評価が実行された座金やボルトのサイズ、特に座金表面の面積やボルト直径等が異なる座金やボルトに係る情報等が挙げられる。これらの設定変更情報は、出入力インターフェース４０等によって入力されてもよいし、また、締結構造が不適であると判定された場合に、次の仕様について評価を実行するために予め設定された情報を入力してもよい。この予め設定された情報は、例えば、所定のデータベース等に格納される。
【００２９】
なお、上記した締結構造評価装置１０における各種機能手段２１〜２７は、上記したように、メモリやＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの適宜なプログラムデータベース２０等の記憶装置に格納したプログラムとして実現してもよいし、ハードウェアとして実現してもよい。プログラムとして実現する場合には、本発明の締結構造評価装置１０の制御手段３０がプログラム実行に合わせてプログラムデータベース２０より該当するプログラムを制御手段３０のメモリ等に読み出して、これを実行することとなる。
【００３０】
次に、締結構造評価装置１０の動作について説明する。
【００３１】
ここで、図３は、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体の断面を示す図である。なお、ここでは、出入力インターフェース４０から入力された締結構造体に係る情報が、図３に示すような座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体に係る情報である場合について説明する。
【００３２】
ここで、図３に示すように、締結される構造物２０１と、この構造物２０１とボルト２０２との間に設けられる座金２０３とで構成される被締結物は、ボルト２０２と同様に高温下で荷重を受けているため、初期応力状態からクリープ変形して応力が緩和する。その応力緩和量は、ボルト２０２と同様に求められ、この被締結物の応力緩和量がボルト２０２の応力緩和量より小さい場合には、被締結物のクリープ変形がボルト２０２の応力緩和に影響を与えることは小さいと判断される。そのため、ボルト２０２の応力緩和が支配的に作用する。一方、被締結物のクリープ変形が大きくなり、応力緩和量がボルト２０２の応力緩和量より大きくなる場合には、被締結物の応力緩和が支配的に作用するため、被締結物の応力緩和挙動に基づいて応力変化を計算する必要がある。そのため、ここでは、後述するクリープひずみ速度の算出、応力緩和量の算出、クリープ損傷量の算出は、ボルトおよび座金の双方について実行される。
【００３３】
まず、締結構造評価装置１０は、出入力インターフェース４０から締結構造体に係る情報が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。
【００３４】
ステップＳ１０１の判定で、締結構造体に係る情報が入力されていないと判定した場合（ステップＳ１０１のＮｏ）には、締結構造評価装置１０は、処理をステップＳ１０１に戻す。
【００３５】
一方、ステップＳ１０１の判定で、締結構造体に係る情報が入力されたと判定した場合（ステップＳ１０１のＹｅｓ）には、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって選定情報収得手段２１を機能させ、締結構造体に係る情報を収得する（ステップＳ１０２）。なお、締結構造評価装置１０は、締結構造体に係る情報を制御手段３０のＲＡＭ等に記憶する。上記したように、ここでは、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体に係る情報が収得される。この場合における締結構造体の選定情報には、例えば、プラント名称、高温機器部品名、締結部品名等が含まれる。
【００３６】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって演算条件収得手段２２を機能させ、収得した締結構造体に対応する演算条件を、例えば、予め設定されたデータベース等から収得する（ステップＳ１０３）。なお、演算条件は、出入力インターフェース４０から入力された情報であってもよい。また、締結構造評価装置１０は、演算条件に係る情報を制御手段３０のＲＡＭ等に記憶する。
【００３７】
続いて、締結構造評価装置１０の制御手段３０は、記憶した演算条件に含まれる運転時間ｔｆを、所定の微少時間Δｔに分割する。ここで、微少時間Δｔは、均一に分割される必要はなく、緩和応力が過度に大きくならない程度に設定されることが好ましい。また、微少時間Δｔは、応力が大きいほど小さく設定することが好ましい。また、応力緩和量が小さな低応力の場合には、微少時間Δｔを比較的大きくしても緩和応力に大きな誤差を生じることはない。すなわち、微少時間Δｔは、緩和応力がほぼ一定となるように設定されることが好ましい。また、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によってクリープひずみ速度算出手段２３を機能させ、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、およびクリープ強度データベース５０に格納されたクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、微少時間Δｔ後に生ずるクリープひずみεｃ、または微少時間Δｔ間におけるクリープひずみ速度εｃを算出する（ステップＳ１０４）。ここで、クリープひずみεｃやクリープひずみ速度εｃは、高温機器部品を構成する材料毎等に対応してクリープ強度データベース５０に格納された、各温度および各応力におけるクリープ曲線データから算出される。なお、クリープひずみ速度εｃに微少時間Δｔを乗じたものが微少時間Δｔ後に生ずるクリープひずみεｃとなる。また、クリープひずみ速度を算出するときに用いられる応力値は、初期応力として、微少時間前における、ボルトおよび座金の双方について算出された応力緩和量のうち大きな方の値が用いられる。
【００３８】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって応力緩和量算出手段２４を機能させ、クリープひずみ速度算出手段２３によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、被締結物の変形量を考慮して、微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσを算出する（ステップＳ１０５）。ここで、被締結物の変形とは、Δｔ時間における被締結物のクリープ変形であり、被締結物に発生する応力が小さい場合には、ボルトのクリープ変形以上の変形が生じないため、被締結物の変形は無視できる。一方、被締結物の応力が大きい場合や、被締結物が低強度材で構成される場合には、ボルト２０２がクリープ変形する以上の変形量となるため、ボルト２０２の応力は、被締結物の変形に合わせて大きく低下することとなる。
【００３９】
ステップＳ１０５で算出される微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、クリープひずみεｃが全て弾性変形により応力低下するとして、微少時間Δｔにおけるクリープひずみεｃとヤング率Ｅとの積により算出される。すなわち、微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、クリープひずみ速度算出手段２３によって算出された微少時間Δｔ後に生ずるクリープひずみεｃにヤング率Ｅを乗じることで算出される。
【００４０】
また、他の応力緩和量Δσの算出方法について、図４を参照して説明する。図４は、クリープ破断特性と最小クリープひずみ速度からの応力緩和算出法を説明するための概略図である。
【００４１】
まず、締結構造体を構成する材料のクリープ破断特性から初期応力σ０における、使用温度Ｔでのクリープ破断時間ｔｒを得る。クリープ破断時間は温度により変化するが、温度とクリープ破断時間を統合したラーソンミラーパラメータ（Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔｒ））等のパラメータを用いることによりマスターカーブでの評価が可能となる。なお、Ｃは、材料によって決まる定数である。続いて、クリープ破断時間ｔｒとクリープ変形における最小クリープひずみ速度εｍｉｎとには、両対数線図上でほぼ傾きが−１となる関係（Monkman-Grant則）が周知であり、この関係に基づいて、初期応力σ０における最小クリープひずみ速度εｍｉｎを得ることができる。微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、クリープひずみがすべて弾性応力に置き換えられるとして、最小クリープひずみ速度εｍｉｎ、微少時間Δｔおよびヤング率Ｅの積として与えられる。
【００４２】
ここで、最小クリープひずみ速度は、材料が一定応力でクリープ変形するときの最も小さい変形速度であるため、これを用いて得られた応力緩和量は最も小さいものとして評価される。しかし、締結構造体は、起動停止などを繰り返して使用されるため、運転中のほぼ中間的な状態を評価する場合には、上記の最小クリープ速度を用いた応力緩和量Δσの算出方法によって大きな誤差を生じることはない。
【００４３】
さらに、他の応力緩和量Δσの算出方法について、図５を参照して説明する。図５は、時間とクリープひずみ速度の関係を説明するための概略図である。
【００４４】
この微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、各応力で得られるクリープひずみ速度データを用いて算出される。図５の各曲線に示されるように、クリープ変形の初期において大きくクリープ変形するためクリープひずみ速度は大きいが、短時間で低下し、安定した定常状態のクリープひずみ速度となる。また、クリープひずみ速度は、破断直前において増大する。曲線は下に凸の形状を示し、最小値が最小クリープ速度となる。ボルトや被締結物の応力緩和は、基本的にはこれらの曲線上をそれぞれの応力、時間の条件を満足しながら移動しているものと考えられる。そのため、初期状態から逐次、微少時間に区切って応力状態を解析することができる。例えば、初期状態で応力がσ１である場合には、時間０におけるひずみ速度をε１とすると応力緩和量Δσ１は、「Δσ１＝Ｅ・ε１・Δｔ」となり、微少時間Δｔ後の応力σ２は、「σ２＝σ１−Δσ１」となる。さらに次の微少時間Δｔ後の応力緩和量Δσ２は、「Δσ２＝Ｅ・ε２・Δｔ」となり、この緩和後の応力σ３は、「σ３＝σ２−Δσ２」となる。これらの計算を繰り返し実施することにより、運転時間に相当する応力変化を把握することができる。
【００４５】
この応力緩和量Δσの算出方法は、例えば、運転があまり繰り返されることのない単一の運転を行なう高温機器の締結構造を評価する場合に特に有効であり、高い精度の結果を得ることができる。
【００４６】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によってクリープ損傷量算出手段２５を機能させ、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、クリープ強度データベース５０に格納されたクリープ強度データおよび算出された微少時間後における応力に基づいて、クリープ損傷量を算出する（ステップＳ１０６）。
【００４７】
ステップＳ１０６で算出される微少時間Δｔにおけるクリープ損傷量Δφｃは、初期応力「σ０」と緩和後の応力「σ０−Δσ」との平均応力「σ０− Δσ／２」におけるクリープ破断時間ｔｒを求め、このクリープ破断時間ｔｒで微少時間Δｔを除して（Δφｃ＝Δｔ/ｔｒ）算出される。初期状態からΔｔ時間後の計算時間ｔ=Δｔにおいて、応力は「σ０− Δσ」、クリープ損傷量は、初期損傷量に加えて「Δφｃ＝Δｔ/ｔｒ」となる。なお、計算時間が「ｔ＝０」におけるクリープ損傷量は「０」である。次の微少時間Δｔにおいても同様な計算を行うが、その初期値は応力については「σ０」を「σ０− Δσ」として、クリープ損傷量については「０」を「Δｔ/ｔｒ」として、計算時間ｔについては「０」を「Δｔ」として計算を実行する。
【００４８】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって計算時間ｔが設定された運転時間ｔｆよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０７）。
【００４９】
ステップＳ１０７の判定で、計算時間ｔが設定された運転時間ｔｆよりも小さいと判定した場合（ステップＳ１０７のＹｅｓ）には、ステップＳ１０４からの処理を、処理が実行されていない微少時間Δｔについて再度実行する。すなわち、計算時間ｔが始めに設定した運転時間ｔｆに達するまでステップＳ１０４〜ステップＳ１０６の処理が繰り返し実行される。
【００５０】
一方、ステップＳ１０７の判定で、計算時間ｔが設定された運転時間ｔｆであると判定した場合（ステップＳ１０７のＮｏ）には、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって締結構造判定手段２６を機能させ、応力緩和量算出手段２４によって算出された応力緩和量、およびクリープ損傷量算出手段２５によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する（ステップＳ１０８）。締結構造体の締結構造が適正か否かの評価は、計算時間ｔが運転時間ｔｆとなったときの応力値である最終応力値が予め設定された最小設定応力値以上で、かつクリープ損傷量が予め設定された許容設定損傷量以下であるか否かで判定する。ここで、締結構造体の締結構造が適正か否かの評価には、ボルトに係る応力緩和量やクリープ損傷量の値が用いられる。また、運転時間ｔｆは、連続して使用される時間であるため、一旦休止して構造物の分解や組立を行う場合には、平均的な運転時間において生じた損傷が繰り返し生じるものとして、繰り返される回数を掛けてクリープ損傷量を算出することが好ましい。
【００５１】
ステップＳ１０８の判定で、計算時間ｔが運転時間ｔｆとなったときの応力値である最終応力値が予め設定された最小設定応力値以上で、かつ最終的に蓄積される損傷量であるクリープ損傷量が予め設定された許容設定損傷量以下であると判定された場合（ステップＳ１０８のＹｅｓ）には、評価された締結構造体の締結構造が適正となり、締結構造が決定される（ステップＳ１０９）。この際、締結構造評価装置１０の表示手段６０には、例えば、評価された締結構造体の締結構造が適正であることに係る情報等が表示される。
【００５２】
一方、計算時間ｔが運転時間ｔｆとなったときの応力値である最終応力値が予め設定された最小設定応力値より小さい、および／またはクリープ損傷量が予め設定された許容設定損傷量よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１０８のＮｏ）には、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって設定変更情報収得手段２７を機能させ、締結構造体の締結構造の設定変更情報を収得する（ステップＳ１１０）。
【００５３】
この締結構造の設定変更情報は、出入力インターフェース４０等によって入力された情報、または予めデータベース等に記憶された情報に基づくもので、締結構造評価が実行された座金やボルトの材料と異なる材料に係る情報、締結構造評価が実行された座金やボルトのサイズ、特に、座金表面の面積やボルトの直径等が異なる座金やボルトに係る情報等である。例えば、出入力インターフェース４０等によって、座金の材料を変更する情報が入力された場合には、座金の材料に係る情報を、入力された情報に書き換え、上記したステップＳ１０４からの締結構造評価を計算時間ｔが運転時間ｔｆとなるまで再度実行する。このように、評価された締結構造体の締結構造が適正でないと判定された場合には、締結構造の設定を変更して、締結構造体の締結構造を再度評価する。
【００５４】
次に、種々の締結構造体の締結構造による応力特性や、座金とボルトの面積比と最終応力およびクリープ損傷量との関係について例を挙げて、図６〜図１０を参照して説明する。なお、座金とボルトの面積比とは、座金の表面の面積とボルトのネジ部の断面積との比（座金の表面の面積／ボルトのネジ部の断面積）をいう。
【００５５】
図６は、低強度材料からなる座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図である。図７は、高強度材料からなる座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図である。図８は、座金とボルトの面積比と最終応力およびクリープ損傷量との関係を説明するための概略図である。図９は、座金とボルトの面積比と最終応力の関係における材料依存性を説明するための概略図である。図１０は、座金とボルトの面積比とクリープ損傷の関係における材料依存性を説明するための概略図である。
【００５６】
図６に示すように、座金とボルトの面積比を比較的大きくし（座金／ボルトの面積比が１〜４程度）、低強度材料からなる座金を用いた場合には、初期状態では座金とボルトの面積比が大きく負荷応力の小さいため、クリープ変形は小さいく、ボルトの応力はそれ自体の応力緩和特性に沿って変化する。一方、応力が低下し、ボルトと座金のクリープ変形量がほぼ同じ状態となった後は、クリープ強度がボルト材より低い分、座金のクリープ変形が大きくなり、座金の応力緩和特性が支配的となって急激な応力低下が生じる。この場合、座金を備えない状態に比べて、運転後にはクリープ損傷は小さくなるが、ボルト締付力のかなり大きな低下が予測される。
【００５７】
図７に示すように、座金とボルトの面積比を小さくし（座金／ボルトの面積比が０.７〜１程度）、ボルト材よりも高強度の座金を用いた場合には、初期状態では座金とボルトの面積比が小さいため、座金には過大な応力が発生してボルト以上のクリープ変形が発生し、座金のクリープ変形が支配的となって応力が緩和する。そのため、座金を備えない状態に比べて、初期状態において急激に応力が低下する。一方、一定の応力低下を生じた後は、座金が高強度材料で構成されるため、座金のクリープ変形は小さくなり、全体の応力低下は抑えられる。最終的な応力は、座金を備えない状態とほとんど変わらない状態となる。また、ボルトにおいては、初期状態における高応力の状態が比較的短いため、全体のクリープ損傷は、座金を備えない状態に比べてはるかに小さくなる。
【００５８】
このように、ボルトの応力緩和量は、被締結物との関係において大きく変化するため、被締結物である座金や構造物の材料、形状を適切に選定して適用することが重要となる。蒸気タービンでは、ボルト材として、例えば１２ＣｒＭｏＷＶ鋼を、座金材として、ボルト材より強度の高い、例えば１２ＣｒＮｉＭｏＶＮｂＮ鋼を用いることにより上記締結構造が得られる。
【００５９】
また、被締結物である座金に生ずる応力は、座金とボルトの面積比によって大きく変化するため、座金とボルトの面積比を基に最終応力やクリープ損傷量の傾向を求め、最適な状態を求めることができる。図８に示すように、座金とボルトの面積比が一定値（限界面積比）以上では、最終応力およびクリープ損傷量ともに一定値となるが、この限界面積比より小さい面積比では、最終応力およびクリープ損傷量は、面積比の減少とともに低下する。この限界面積比の値は、材料の組み合わせや計算上の運転時間などによって変化するが、この限界面積比以上となる大きさの座金を用いた場合には、座金に発生する応力は小さいため、ボルトの応力緩和挙動に影響がないことを示している。すなわち、この限界面積比は、計算上の限界面積比となる。この限界面積比よりも小さい面積比で座金を用いた場合には、座金のクリープ変形がボルトの応力緩和挙動に影響を与えるため、最終応力、クリープ損傷量とも低下する傾向にある。
【００６０】
さらに、最終応力とクリープ損傷量の変化する傾向は、座金とボルトの材料の強度によって変化する。図９に示すように、座金がボルトよりも低強度材で構成された場合、最終応力は、限界面積比よりも小さな面積比の範囲で急激に低下する。一方、座金がボルトよりも高強度材で構成された場合、最終応力は、限界面積比よりも小さな面積比の範囲で僅かに低下する程度である。また、図１０に示すように、クリープ損傷量は、座金がボルトよりも高強度材で構成された場合の方が、座金がボルトよりも低強度材で構成された場合よりも、限界面積比よりも小さな面積比の範囲で急激に低下する。以上のように、高強度材を座金として用いた場合の方が低強度材を座金として用いた場合よりも、最終応力やクリープ損傷量を考慮すると適合性が高い。
【００６１】
また、これらの結果を実際の締結構造に適用することにより、最終の締結力はほとんど変わらないが、クリープ損傷量を格段に低下させることができる締結構造を得ることができる。これらの締結構造は実際の構造として長時間、安全に使用に耐えることができる構造物となる。
【００６２】
なお、限界面積比自体を比較すると、低強度材が１より大きいのに対して、高強度材では１より小さくなるため、高強度材を用いる場合には、座金の接触面積の僅かな設定の誤差が大きな応力や損傷の誤差となる可能性がある。そのため、高強度材を座金に使用する場合には、低強度材を座金に使用する場合よりも、より慎重な設定等が必要となる。
【００６３】
上記した一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置１０によれば、高温締結機器のうち対象となるボルト等の部品を選定して、初期応力σ０、温度Ｔ、運転時間ｔｆを設定し、この初期状態からの応力変化とクリープ損傷量の累積を微少時間毎に求めることができる。従来の応力緩和の評価では、実験で得られたデータをそのまま適用していたため、被締結物のクリープ変形を考慮することなく過度に安全側の評価となっていた。しかし、本発明では、ボルトの応力緩和量と被締結物の応力緩和量を比較することにより、どちらの変形が支配的であるかを判断しながら応力変化を推定している。そのため、様々な締結構造に適用が可能であり、また得られた結果も高い信頼性が得られる。
【００６４】
ここで、上記した最小クリープ速度を用いて評価を行う場合、過度に応力緩和を小さく見積もる危険性があるが、実際の機器の運用状態を再現した試験における実験データは、ほぼ推定値と一致した傾向となった。これは実際の機器では、起動停止を繰り返すため、各運転時間での初期状態でも構造機器の各材料は、ほぼ定常クリープ状態、すなわち最小クリープ速度で得られる状態で使用されるためであると考えられる。このため、本発明の最小クリープ速度を用いた評価方法は、比較的容易な方法でありながら、長時間における応力変化を精度良く推定することができる。
【００６５】
また、本発明では、運転時間を微少時間に分割し、初期状態から逐次、応力緩和量とクリープ損傷量を算出しているため、ボルトや被締結物の応力状態を考慮しながら応力変化を評価することができる。したがって、単純に実験で得られた応力緩和データを適用する場合よりも、本発明に係る締結構造評価で得られた結果は高い精度となる。
【００６６】
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。
【００６７】
例えば、締結構造体の締結構造における応力を評価する際に、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いてもよい。このＦＥＭ解析では、ボルトや座金等の被締結物の形状データを入力することにより、自動的にメッシュモデルを作成して、解析を実行することができる。ここで、図１１は、クリープひずみの時間依存性を示す各応力でのデータを説明するための概略図である。なお、ＦＥＭ解析は、クリープ解析が可能な非線形解析であるため、図１１に示すようなクリープひずみの時間依存性を示す各応力でのデータを必要とする。
【００６８】
また、得られた応力とクリープ損傷量が許容できるかを、図２に示したステップＳ１０７と同様の処理によって判定することにより、締結構造の安全性を確認することができる。また、ステップＳ１０７の判定で締結構造が許容されない場合には、ステップＳ１１０と同様の処理により、締結構造の設定を変更して再度ＦＥＭ解析し、その変更された締結構造が許容できるか否かを判定して、最終的に締結構造を決定することができる。
【００６９】
また、ＦＥＭ解析を利用した締結構造評価は、クリープ変形データとして単純なクリープ変形におけるデータを用いているため、比較的長時間の運転を繰り返すことなく運転される締結構造体を評価する際に有効である。また、図１および図２に示した方法で締結構造体を評価した後に、確認のためＦＥＭ解析を利用して締結構造評価を行なうこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置の主要な構成を示す機能ブロック図。
【図２】本発明の一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置の動作を示したフローチャート。
【図３】座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体の断面を示す図。
【図４】クリープ破断特性と最小クリープひずみ速度からの応力緩和算出法を説明するための概略図。
【図５】時間とクリープひずみ速度の関係を説明するための概略図。
【図６】低強度材料からなる座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図。
【図７】高強度材料からなるの座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図。
【図８】座金とボルトの面積比と最終応力およびクリープ損傷量との関係を説明するための概略図。
【図９】座金とボルトの面積比と最終応力の関係における材料依存性を説明するための概略図。
【図１０】座金とボルトの面積比とクリープ損傷の関係における材料依存性を説明するための概略図。
【図１１】クリープひずみの時間依存性を示す各応力でのデータを説明するための概略図。
【図１２】代表的な高温機器である蒸気弁の断面を示す図。
【図１３】締結部フランジの変形を防止するために断熱部材を適用した従来の締結構造体の断面を示す図。
【図１４】接触面圧を低下させるために用いられた角形状座金を適用した従来の締結構造体の斜視図。
【図１５】図１４に示した従来の締結構造体の断面を示す図。
【図１６】蒸気弁の上蓋を接合する締結ボルトに係る損傷例を示す断面図。
【符号の説明】
【００７１】
１０…高温機器の締結構造評価装置、２０…プログラムデータベース、２１…選定情報収得手段、２２…演算条件収得手段、２３…クリープひずみ速度算出手段、２４…応力緩和量算出手段、２５…クリープ損傷量算出手段、２６…締結構造判定手段、２７…設定変更情報収得手段、３０…制御手段、４０…出入力インターフェース、５０…クリープ強度データベース、６０…表示手段、７０…システムバス。
【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締結構造を評価する高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温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、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の破壊を引き起こすことがあった。
【０００４】
図１２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。弁箱６１４自体は一体構造であるが、蒸気弁として使用する場合には、蒸気６１１を密封することができ、さらに分解組立が可能なように、座金６１６を介して上蓋６１５が締結ボルト６１７により接合されている。このため、この締結ボルト６１７には、蒸気タービンの稼動中では、高温下で絶えず締付力の他に蒸気圧力による荷重が負荷されている。このように高温で長時間使用されると、材料はクリープ変形するが、締結ボルト６１７は、一定変位状態を維持するため、ボルト締付力の低下、すなわちボルト応力の緩和という形でクリープ変形が生じる。この応力緩和が大きい場合には、上蓋６１５を十分な力で弁箱６１４に固定できないため、蒸気漏れなどを引き起こすことがあった。
【０００５】
このため、これまで様々な方法で、ボルトの応力緩和を低減する方法が提案されいる。図１３は、締結部フランジの変形を防止するために断熱部材を適用した従来の締結構造体の断面を示す図である。図１３に示すように、断熱部材片６３０をボルト接合部付近の車室６３１内面に固着させてボルト６３２が接合するフランジに流入する熱量を低減させ、ボルト６３２の温度上昇を抑え、ボルト６３２の応力緩和や損傷低減を狙った技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。蒸気タービン起動時には非定常温度変化により、車室内面が急加熱されフランジに大きな熱応力が発生する。その結果、フランジ内面の材料が降伏変形し、その後の定常状態へ戻る段階で塑性変形領域が開口することがある。開口部付近のボルトは高温に保持されるため、ボルト締付力の緩和が進み、蒸気漏れが発生する。特許文献１に記載された発明では、ハニカム６３３を板状に結合して構成した複数の断熱部材片６３０をタービンの車室６３１の内面に固着することにより、フランジに流入する熱量を抑えて、車室６３１の内外面の温度差を小さくし、発生する熱応力を低減させている。
【０００６】
図１４は、接触面圧を低下させるために用いられた角形状座金を適用した従来の締結構造体の斜視図である。また、図１５は、図１４に示した従来の締結構造体の断面を示す図である。図１４および図１５に示すように、蒸気タービン車室フランジ部の締付用のボルト６４０において、角形状座金６４１とフランジ６４２との接触面積を大きくして、急速起動時のボルト締付力の上昇によるフランジ６４２の塑性変形を防ぐ技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。蒸気タービンの急速起動時には、ボルトより先にフランジが加熱されるために、フランジがボルトより大きく熱膨張し、その結果、ボルトの締付力が急増する。これにより、通常の円板状の座金のみを用いた場合には、座面に大きな接触面圧が発生し、フランジが塑性変形により変形する。その状態で、定常温度状態となると、塑性変形の分だけ締付力が不足するため、最終的には蒸気漏れなどの問題を生じる。特許文献２に記載された発明では、フランジ６４２に接触する座金の受圧面積を増やした角形状座金６４１を用いることでフランジ６４２の塑性変形を防いでいる。
【０００７】
上記したように、従来においては、締結力低下による蒸気漏れや被締結物の変形を防止することを図った技術は示されているが、締結ボルトの応力変化やクリープ損傷を評価する技術は示されていない。ここで、締結ボルトは、高温で長時間に亘りほぼ一定の負荷がかけられているため、高温劣化やクリープ損傷が蓄積することになり、実際の部品ではクリープ損傷によるき裂の発生やボルト破断に至ることがある。
【０００８】
ここで、図１６は、蒸気弁６００の上蓋６１５を接合する締結ボルト６１７に係る損傷例を示す断面図である。締結ボルト６１７は、高温長時間での使用により応力の最も厳しい第１ネジのネジ底６２０からき裂６２１が発生し、締結ボルト６１７を貫通する形で進展し、ボルト破断に至っている。材料は一定の負荷の下、高温で長時間使用されると、クリープ変形を生じるが、締結ボルトは一定変位状態に維持されて使用されているため、ボルト締付力の低下、すなわちボルト応力の緩和という形で、クリープ変形が反映される。すなわち、通常、運転中は一定として評価される運転時の応力も、締結ボルトの場合には、応力緩和に伴い締結物との関係において絶えず変化する応力履歴となる。
【特許文献１】特開平１０−２０５３０６号公報
【特許文献２】特開平１０−１９０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように、従来においては、締結力低下による蒸気漏れや被締結物の変形を防止することを図った技術は示されているが、締結ボルトの応力変化やクリープ損傷を評価する技術は示されていない。そのため、高温機器の締結において、締結ボルトが破損したり、締付力が過度に低下するなどの問題を生じていた。また、従来の技術では、締結ボルトの応力変化を簡単に精度良く評価する方法は示されておらず、締結ボルトの締め過ぎによるボルト破断や、応力緩和の過度の進行による蒸気漏れなどの問題も生じていた。
【００１０】
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、締結構造体の応力変化やクリープ損傷を容易に十分な精度で評価することができとともに、高温機器の締結構造を評価することができる高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の高温機器の締結構造評価装置は、高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明の高温機器の締結構造評価方法は、高温機器の締結構造を評価する高温機器の締結構造評価装置における締結構造評価方法であって、高温機器を締結する締結構造体の選定情報を選定情報収得手段が収得する選定情報収得ステップと、前記選定情報収得手段が収得した締結構造体に対応する演算条件を演算条件収得手段が収得する演算条件収得ステップと、前記演算条件収得手段が収得した演算条件、およびクリープ強度データベースから入力したクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度算出手段がクリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出ステップと、前記クリープひずみ速度算出手段が算出したクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量算出手段が応力緩和量を算出する応力緩和量算出ステップと、前記演算条件収得手段が収得した演算条件、前記クリープ強度データベースから入力したクリープ損傷量を算出するためのクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量算出手段がクリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出ステップと、前記応力緩和量算出手段が算出した応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段が算出したクリープ損傷量に基づいて、締結構造判定手段が前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造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締結構造評価方法。
【００１３】
本発明のプログラムは、高温機器の締結構造を評価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、高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段として機能させることを特徴とする。
【００１４】
上記した高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価方法およびプログラムによれば、締結構造体における応力変化やクリープ損傷量等を算出するとともに、締結構造体における応力緩和量を算出し、この応力緩和量に基づいて、締結構造の評価を行なう。これによって、高温機器の締結構造を高い信頼性を有して評価することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の高温機器の締結構造評価装置、高温機器の締結構造評価方法およびプログラムによれば、締結構造体の応力変化やクリープ損傷量を容易に十分な精度で評価することができとともに、応力緩和量に基づいて高温機器の締結構造を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置１０の主要な構成を示す機能ブロック図であり、図２は、高温機器の締結構造評価装置１０の動作を示したフローチャートである。なお、高温機器の締結構造評価装置１０（以下、締結構造評価装置１０という）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締結構造の評価をするものである。
【００１８】
締結構造評価装置１０は、本発明に係る締結構造評価方法を実行する機能を実現すべく書き換え可能メモリなどのプログラムデータベース２０に格納されたプログラムを制御手段３０により実行するコンピュータ等によって構成される。この制御手段３０は、内部での種々の演算処理を実行するＣＰＵ等の演算手段、システム情報等が記憶されたＲＯＭ等の不揮発性メモリや更新可能に情報を記憶するＲＡＭ等の半導体メモリで構成された記憶手段、および内部での種々の動作や外部との情報授受を司る制御手段等を有する。また、制御手段３０は、出入力インターフェース４０からの入力やインストールされたプログラムの内容等に応じて様々な情報処理を実行するものとなっており、後述の動作における各種演算の処理を実行したり、各構成部を制御する中核を担う。
【００１９】
また、締結構造評価装置１０は、コンピュータ等が一般に備えられるキーボードやポインティング・デバイス等で構成される、使用者等による文字入力や選択入力等を受け付けて制御手段３０等へ供給する出入力インターフェース４０を備えている。さらに、締結構造評価装置１０は、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等で構成される、制御手段３０による制御の下で所定の情報表示をする表示手段６０を備えている。また、締結構造評価装置１０は、ハードディスク等の記憶手段で構成される、プログラムデータベース２０やクリープ強度データベース５０等を備えている。そして、上記した各構成部は、システムバス７０で接続されている。
【００２０】
次に、プログラムデータベース２０に格納された各種機能手段について説明する。
【００２１】
プログラムデータベース２０には、選定情報収得手段２１、演算条件収得手段２２、クリープひずみ速度算出手段２３、応力緩和量算出手段２４、クリープ損傷量算出手段２５、締結構造判定手段２６、設定変更情報収得手段２７の機能手段が格納されている。
【００２２】
選定情報収得手段２１は、出入力インターフェース４０等によって入力された、例えば高温機器を締結する締結構造体の選定情報等の情報を収得する。締結構造体の選定情報として、例えば、プラント名称、高温機器部品名、締結部品名等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、締結構造体の一例として、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体などが挙げられる。この場合には、ボルトおよび座金の双方について、以下に述べる、クリープひずみ速度算出手段２３によるクリープひずみ速度の算出、応力緩和量算出手段２４による応力緩和量の算出、クリープ損傷量算出手段２５によるクリープ損傷量の算出などが実行される。
【００２３】
演算条件収得手段２２は、出入力インターフェース４０等によって入力された、選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する。演算条件として、例えば、対象部品に対する初期応力σ０、使用温度Ｔ、運転時間ｔｆ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、運転時間ｔｆは、所定の微少時間に分割され、微少時間前の応力を初期応力として該微少時間後の応力を算出して、以下の各算出手段における処理に用いられる。なお、対象部品等によってこれらの演算条件が所定の条件に定められる場合には、これらの演算条件は、例えば、対象部品等に対応させてデータベース等に予め格納されてもよい。
【００２４】
クリープひずみ速度算出手段２３は、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、およびクリープ強度データベース５０に格納されたクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出する。ここで、例えば、上記した、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体を締結構造体とする場合、微少時間後におけるクリープひずみ速度を算出するときに用いられる応力値は、微少時間前における、ボルトおよび座金の双方について算出された応力緩和量のうち大きな方の値が初期応力として用いられる。なお、クリープ強度データベース５０には、例えば、各材料名に対応させて、各使用温度におけるクリープ曲線データ、クリープ破断特性データ、ヤング率等の種々のデータが格納されている。
【００２５】
応力緩和量算出手段２４は、クリープひずみ速度算出手段２３によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する。
【００２６】
クリープ損傷量算出手段２５は、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、クリープ強度データベース５０に格納されたクリープ強度データおよび算出された微少時間後における応力に基づいて、クリープ損傷量を算出する。
【００２７】
締結構造判定手段２６は、応力緩和量算出手段２４によって算出された応力緩和量、およびクリープ損傷量算出手段２５によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する。この締結構造が適正か否かの評価は、例えば、予め設定された最小設定応力や許容クリープ損傷量の値に基づいて実行される。例えば、上記した、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体を締結構造体とする場合、締結構造が適正か否かの評価をする際に用いられる応力緩和量やクリープ損傷量は、ボルトに係る値が用いられることが好ましい。これは、座金に比べてボルトが破損する方が経済性に影響を与えるからである。
【００２８】
設定変更情報収得手段２７は、締結構造判定手段２６によって締結構造が不適であると判定した場合に締結構造体の締結構造の設定変更情報を収得する。この設定変更情報として、例えば、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体を締結構造体とする場合、締結構造評価が実行された座金やボルトの材料と異なる材料に係る情報、締結構造評価が実行された座金やボルトのサイズ、特に座金表面の面積やボルト直径等が異なる座金やボルトに係る情報等が挙げられる。これらの設定変更情報は、出入力インターフェース４０等によって入力されてもよいし、また、締結構造が不適であると判定された場合に、次の仕様について評価を実行するために予め設定された情報を入力してもよい。この予め設定された情報は、例えば、所定のデータベース等に格納される。
【００２９】
なお、上記した締結構造評価装置１０における各種機能手段２１〜２７は、上記したように、メモリやＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの適宜なプログラムデータベース２０等の記憶装置に格納したプログラムとして実現してもよいし、ハードウェアとして実現してもよい。プログラムとして実現する場合には、本発明の締結構造評価装置１０の制御手段３０がプログラム実行に合わせてプログラムデータベース２０より該当するプログラムを制御手段３０のメモリ等に読み出して、これを実行することとなる。
【００３０】
次に、締結構造評価装置１０の動作について説明する。
【００３１】
ここで、図３は、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体の断面を示す図である。なお、ここでは、出入力インターフェース４０から入力された締結構造体に係る情報が、図３に示すような座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体に係る情報である場合について説明する。
【００３２】
ここで、図３に示すように、締結される構造物２０１と、この構造物２０１とボルト２０２との間に設けられる座金２０３とで構成される被締結物は、ボルト２０２と同様に高温下で荷重を受けているため、初期応力状態からクリープ変形して応力が緩和する。その応力緩和量は、ボルト２０２と同様に求められ、この被締結物の応力緩和量がボルト２０２の応力緩和量より小さい場合には、被締結物のクリープ変形がボルト２０２の応力緩和に影響を与えることは小さいと判断される。そのため、ボルト２０２の応力緩和が支配的に作用する。一方、被締結物のクリープ変形が大きくなり、応力緩和量がボルト２０２の応力緩和量より大きくなる場合には、被締結物の応力緩和が支配的に作用するため、被締結物の応力緩和挙動に基づいて応力変化を計算する必要がある。そのため、ここでは、後述するクリープひずみ速度の算出、応力緩和量の算出、クリープ損傷量の算出は、ボルトおよび座金の双方について実行される。
【００３３】
まず、締結構造評価装置１０は、出入力インターフェース４０から締結構造体に係る情報が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。
【００３４】
ステップＳ１０１の判定で、締結構造体に係る情報が入力されていないと判定した場合（ステップＳ１０１のＮｏ）には、締結構造評価装置１０は、処理をステップＳ１０１に戻す。
【００３５】
一方、ステップＳ１０１の判定で、締結構造体に係る情報が入力されたと判定した場合（ステップＳ１０１のＹｅｓ）には、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって選定情報収得手段２１を機能させ、締結構造体に係る情報を収得する（ステップＳ１０２）。なお、締結構造評価装置１０は、締結構造体に係る情報を制御手段３０のＲＡＭ等に記憶する。上記したように、ここでは、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体に係る情報が収得される。この場合における締結構造体の選定情報には、例えば、プラント名称、高温機器部品名、締結部品名等が含まれる。
【００３６】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって演算条件収得手段２２を機能させ、収得した締結構造体に対応する演算条件を、例えば、予め設定されたデータベース等から収得する（ステップＳ１０３）。なお、演算条件は、出入力インターフェース４０から入力された情報であってもよい。また、締結構造評価装置１０は、演算条件に係る情報を制御手段３０のＲＡＭ等に記憶する。
【００３７】
続いて、締結構造評価装置１０の制御手段３０は、記憶した演算条件に含まれる運転時間ｔｆを、所定の微少時間Δｔに分割する。ここで、微少時間Δｔは、均一に分割される必要はなく、緩和応力が過度に大きくならない程度に設定されることが好ましい。また、微少時間Δｔは、応力が大きいほど小さく設定することが好ましい。また、応力緩和量が小さな低応力の場合には、微少時間Δｔを比較的大きくしても緩和応力に大きな誤差を生じることはない。すなわち、微少時間Δｔは、緩和応力がほぼ一定となるように設定されることが好ましい。また、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によってクリープひずみ速度算出手段２３を機能させ、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、およびクリープ強度データベース５０に格納されたクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、微少時間Δｔ後に生ずるクリープひずみεｃ、または微少時間Δｔ間におけるクリープひずみ速度εｃを算出する（ステップＳ１０４）。ここで、クリープひずみεｃやクリープひずみ速度εｃは、高温機器部品を構成する材料毎等に対応してクリープ強度データベース５０に格納された、各温度および各応力におけるクリープ曲線データから算出される。なお、クリープひずみ速度εｃに微少時間Δｔを乗じたものが微少時間Δｔ後に生ずるクリープひずみεｃとなる。また、クリープひずみ速度を算出するときに用いられる応力値は、初期応力として、微少時間前における、ボルトおよび座金の双方について算出された応力緩和量のうち大きな方の値が用いられる。
【００３８】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって応力緩和量算出手段２４を機能させ、クリープひずみ速度算出手段２３によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、被締結物の変形量を考慮して、微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσを算出する（ステップＳ１０５）。ここで、被締結物の変形とは、Δｔ時間における被締結物のクリープ変形であり、被締結物に発生する応力が小さい場合には、ボルトのクリープ変形以上の変形が生じないため、被締結物の変形は無視できる。一方、被締結物の応力が大きい場合や、被締結物が低強度材で構成される場合には、ボルト２０２がクリープ変形する以上の変形量となるため、ボルト２０２の応力は、被締結物の変形に合わせて大きく低下することとなる。
【００３９】
ステップＳ１０５で算出される微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、クリープひずみεｃが全て弾性変形により応力低下するとして、微少時間Δｔにおけるクリープひずみεｃとヤング率Ｅとの積により算出される。すなわち、微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、クリープひずみ速度算出手段２３によって算出された微少時間Δｔ後に生ずるクリープひずみεｃにヤング率Ｅを乗じることで算出される。
【００４０】
また、他の応力緩和量Δσの算出方法について、図４を参照して説明する。図４は、クリープ破断特性と最小クリープひずみ速度からの応力緩和算出法を説明するための概略図である。
【００４１】
まず、締結構造体を構成する材料のクリープ破断特性から初期応力σ０における、使用温度Ｔでのクリープ破断時間ｔｒを得る。クリープ破断時間は温度により変化するが、温度とクリープ破断時間を統合したラーソンミラーパラメータ（Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔｒ））等のパラメータを用いることによりマスターカーブでの評価が可能となる。なお、Ｃは、材料によって決まる定数である。続いて、クリープ破断時間ｔｒとクリープ変形における最小クリープひずみ速度εｍｉｎとには、両対数線図上でほぼ傾きが−１となる関係（Monkman-Grant則）が周知であり、この関係に基づいて、初期応力σ０における最小クリープひずみ速度εｍｉｎを得ることができる。微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、クリープひずみがすべて弾性応力に置き換えられるとして、最小クリープひずみ速度εｍｉｎ、微少時間Δｔおよびヤング率Ｅの積として与えられる。
【００４２】
ここで、最小クリープひずみ速度は、材料が一定応力でクリープ変形するときの最も小さい変形速度であるため、これを用いて得られた応力緩和量は最も小さいものとして評価される。しかし、締結構造体は、起動停止などを繰り返して使用されるため、運転中のほぼ中間的な状態を評価する場合には、上記の最小クリープ速度を用いた応力緩和量Δσの算出方法によって大きな誤差を生じることはない。
【００４３】
さらに、他の応力緩和量Δσの算出方法について、図５を参照して説明する。図５は、時間とクリープひずみ速度の関係を説明するための概略図である。
【００４４】
この微少時間Δｔにおける応力緩和量Δσは、各応力で得られるクリープひずみ速度データを用いて算出される。図５の各曲線に示されるように、クリープ変形の初期において大きくクリープ変形するためクリープひずみ速度は大きいが、短時間で低下し、安定した定常状態のクリープひずみ速度となる。また、クリープひずみ速度は、破断直前において増大する。曲線は下に凸の形状を示し、最小値が最小クリープ速度となる。ボルトや被締結物の応力緩和は、基本的にはこれらの曲線上をそれぞれの応力、時間の条件を満足しながら移動しているものと考えられる。そのため、初期状態から逐次、微少時間に区切って応力状態を解析することができる。例えば、初期状態で応力がσ１である場合には、時間０におけるひずみ速度をε１とすると応力緩和量Δσ１は、「Δσ１＝Ｅ・ε１・Δｔ」となり、微少時間Δｔ後の応力σ２は、「σ２＝σ１−Δσ１」となる。さらに次の微少時間Δｔ後の応力緩和量Δσ２は、「Δσ２＝Ｅ・ε２・Δｔ」となり、この緩和後の応力σ３は、「σ３＝σ２−Δσ２」となる。これらの計算を繰り返し実施することにより、運転時間に相当する応力変化を把握することができる。
【００４５】
この応力緩和量Δσの算出方法は、例えば、運転があまり繰り返されることのない単一の運転を行なう高温機器の締結構造を評価する場合に特に有効であり、高い精度の結果を得ることができる。
【００４６】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によってクリープ損傷量算出手段２５を機能させ、演算条件収得手段２２によって収得された演算条件、クリープ強度データベース５０に格納されたクリープ強度データおよび算出された微少時間後における応力に基づいて、クリープ損傷量を算出する（ステップＳ１０６）。
【００４７】
ステップＳ１０６で算出される微少時間Δｔにおけるクリープ損傷量Δφｃは、初期応力「σ０」と緩和後の応力「σ０−Δσ」との平均応力「σ０− Δσ／２」におけるクリープ破断時間ｔｒを求め、このクリープ破断時間ｔｒで微少時間Δｔを除して（Δφｃ＝Δｔ/ｔｒ）算出される。初期状態からΔｔ時間後の計算時間ｔ=Δｔにおいて、応力は「σ０− Δσ」、クリープ損傷量は、初期損傷量に加えて「Δφｃ＝Δｔ/ｔｒ」となる。なお、計算時間が「ｔ＝０」におけるクリープ損傷量は「０」である。次の微少時間Δｔにおいても同様な計算を行うが、その初期値は応力については「σ０」を「σ０− Δσ」として、クリープ損傷量については「０」を「Δｔ/ｔｒ」として、計算時間ｔについては「０」を「Δｔ」として計算を実行する。
【００４８】
続いて、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって計算時間ｔが設定された運転時間ｔｆよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０７）。
【００４９】
ステップＳ１０７の判定で、計算時間ｔが設定された運転時間ｔｆよりも小さいと判定した場合（ステップＳ１０７のＹｅｓ）には、ステップＳ１０４からの処理を、処理が実行されていない微少時間Δｔについて再度実行する。すなわち、計算時間ｔが始めに設定した運転時間ｔｆに達するまでステップＳ１０４〜ステップＳ１０６の処理が繰り返し実行される。
【００５０】
一方、ステップＳ１０７の判定で、計算時間ｔが設定された運転時間ｔｆであると判定した場合（ステップＳ１０７のＮｏ）には、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって締結構造判定手段２６を機能させ、応力緩和量算出手段２４によって算出された応力緩和量、およびクリープ損傷量算出手段２５によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する（ステップＳ１０８）。締結構造体の締結構造が適正か否かの評価は、計算時間ｔが運転時間ｔｆとなったときの応力値である最終応力値が予め設定された最小設定応力値以上で、かつクリープ損傷量が予め設定された許容設定損傷量以下であるか否かで判定する。ここで、締結構造体の締結構造が適正か否かの評価には、ボルトに係る応力緩和量やクリープ損傷量の値が用いられる。また、運転時間ｔｆは、連続して使用される時間であるため、一旦休止して構造物の分解や組立を行う場合には、平均的な運転時間において生じた損傷が繰り返し生じるものとして、繰り返される回数を掛けてクリープ損傷量を算出することが好ましい。
【００５１】
ステップＳ１０８の判定で、計算時間ｔが運転時間ｔｆとなったときの応力値である最終応力値が予め設定された最小設定応力値以上で、かつ最終的に蓄積される損傷量であるクリープ損傷量が予め設定された許容設定損傷量以下であると判定された場合（ステップＳ１０８のＹｅｓ）には、評価された締結構造体の締結構造が適正となり、締結構造が決定される（ステップＳ１０９）。この際、締結構造評価装置１０の表示手段６０には、例えば、評価された締結構造体の締結構造が適正であることに係る情報等が表示される。
【００５２】
一方、計算時間ｔが運転時間ｔｆとなったときの応力値である最終応力値が予め設定された最小設定応力値より小さい、および／またはクリープ損傷量が予め設定された許容設定損傷量よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１０８のＮｏ）には、締結構造評価装置１０は、制御手段３０によって設定変更情報収得手段２７を機能させ、締結構造体の締結構造の設定変更情報を収得する（ステップＳ１１０）。
【００５３】
この締結構造の設定変更情報は、出入力インターフェース４０等によって入力された情報、または予めデータベース等に記憶された情報に基づくもので、締結構造評価が実行された座金やボルトの材料と異なる材料に係る情報、締結構造評価が実行された座金やボルトのサイズ、特に、座金表面の面積やボルトの直径等が異なる座金やボルトに係る情報等である。例えば、出入力インターフェース４０等によって、座金の材料を変更する情報が入力された場合には、座金の材料に係る情報を、入力された情報に書き換え、上記したステップＳ１０４からの締結構造評価を計算時間ｔが運転時間ｔｆとなるまで再度実行する。このように、評価された締結構造体の締結構造が適正でないと判定された場合には、締結構造の設定を変更して、締結構造体の締結構造を再度評価する。
【００５４】
次に、種々の締結構造体の締結構造による応力特性や、座金とボルトの面積比と最終応力およびクリープ損傷量との関係について例を挙げて、図６〜図１０を参照して説明する。なお、座金とボルトの面積比とは、座金の表面の面積とボルトのネジ部の断面積との比（座金の表面の面積／ボルトのネジ部の断面積）をいう。
【００５５】
図６は、低強度材料からなる座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図である。図７は、高強度材料からなる座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図である。図８は、座金とボルトの面積比と最終応力およびクリープ損傷量との関係を説明するための概略図である。図９は、座金とボルトの面積比と最終応力の関係における材料依存性を説明するための概略図である。図１０は、座金とボルトの面積比とクリープ損傷の関係における材料依存性を説明するための概略図である。
【００５６】
図６に示すように、座金とボルトの面積比を比較的大きくし（座金／ボルトの面積比が１〜４程度）、低強度材料からなる座金を用いた場合には、初期状態では座金とボルトの面積比が大きく負荷応力の小さいため、クリープ変形は小さいく、ボルトの応力はそれ自体の応力緩和特性に沿って変化する。一方、応力が低下し、ボルトと座金のクリープ変形量がほぼ同じ状態となった後は、クリープ強度がボルト材より低い分、座金のクリープ変形が大きくなり、座金の応力緩和特性が支配的となって急激な応力低下が生じる。この場合、座金を備えない状態に比べて、運転後にはクリープ損傷は小さくなるが、ボルト締付力のかなり大きな低下が予測される。
【００５７】
図７に示すように、座金とボルトの面積比を小さくし（座金／ボルトの面積比が０.７〜１程度）、ボルト材よりも高強度の座金を用いた場合には、初期状態では座金とボルトの面積比が小さいため、座金には過大な応力が発生してボルト以上のクリープ変形が発生し、座金のクリープ変形が支配的となって応力が緩和する。そのため、座金を備えない状態に比べて、初期状態において急激に応力が低下する。一方、一定の応力低下を生じた後は、座金が高強度材料で構成されるため、座金のクリープ変形は小さくなり、全体の応力低下は抑えられる。最終的な応力は、座金を備えない状態とほとんど変わらない状態となる。また、ボルトにおいては、初期状態における高応力の状態が比較的短いため、全体のクリープ損傷は、座金を備えない状態に比べてはるかに小さくなる。
【００５８】
このように、ボルトの応力緩和量は、被締結物との関係において大きく変化するため、被締結物である座金や構造物の材料、形状を適切に選定して適用することが重要となる。蒸気タービンでは、ボルト材として、例えば１２ＣｒＭｏＷＶ鋼を、座金材として、ボルト材より強度の高い、例えば１２ＣｒＮｉＭｏＶＮｂＮ鋼を用いることにより上記締結構造が得られる。
【００５９】
また、被締結物である座金に生ずる応力は、座金とボルトの面積比によって大きく変化するため、座金とボルトの面積比を基に最終応力やクリープ損傷量の傾向を求め、最適な状態を求めることができる。図８に示すように、座金とボルトの面積比が一定値（限界面積比）以上では、最終応力およびクリープ損傷量ともに一定値となるが、この限界面積比より小さい面積比では、最終応力およびクリープ損傷量は、面積比の減少とともに低下する。この限界面積比の値は、材料の組み合わせや計算上の運転時間などによって変化するが、この限界面積比以上となる大きさの座金を用いた場合には、座金に発生する応力は小さいため、ボルトの応力緩和挙動に影響がないことを示している。すなわち、この限界面積比は、計算上の限界面積比となる。この限界面積比よりも小さい面積比で座金を用いた場合には、座金のクリープ変形がボルトの応力緩和挙動に影響を与えるため、最終応力、クリープ損傷量とも低下する傾向にある。
【００６０】
さらに、最終応力とクリープ損傷量の変化する傾向は、座金とボルトの材料の強度によって変化する。図９に示すように、座金がボルトよりも低強度材で構成された場合、最終応力は、限界面積比よりも小さな面積比の範囲で急激に低下する。一方、座金がボルトよりも高強度材で構成された場合、最終応力は、限界面積比よりも小さな面積比の範囲で僅かに低下する程度である。また、図１０に示すように、クリープ損傷量は、座金がボルトよりも高強度材で構成された場合の方が、座金がボルトよりも低強度材で構成された場合よりも、限界面積比よりも小さな面積比の範囲で急激に低下する。以上のように、高強度材を座金として用いた場合の方が低強度材を座金として用いた場合よりも、最終応力やクリープ損傷量を考慮すると適合性が高い。
【００６１】
また、これらの結果を実際の締結構造に適用することにより、最終の締結力はほとんど変わらないが、クリープ損傷量を格段に低下させることができる締結構造を得ることができる。これらの締結構造は実際の構造として長時間、安全に使用に耐えることができる構造物となる。
【００６２】
なお、限界面積比自体を比較すると、低強度材が１より大きいのに対して、高強度材では１より小さくなるため、高強度材を用いる場合には、座金の接触面積の僅かな設定の誤差が大きな応力や損傷の誤差となる可能性がある。そのため、高強度材を座金に使用する場合には、低強度材を座金に使用する場合よりも、より慎重な設定等が必要となる。
【００６３】
上記した一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置１０によれば、高温締結機器のうち対象となるボルト等の部品を選定して、初期応力σ０、温度Ｔ、運転時間ｔｆを設定し、この初期状態からの応力変化とクリープ損傷量の累積を微少時間毎に求めることができる。従来の応力緩和の評価では、実験で得られたデータをそのまま適用していたため、被締結物のクリープ変形を考慮することなく過度に安全側の評価となっていた。しかし、本発明では、ボルトの応力緩和量と被締結物の応力緩和量を比較することにより、どちらの変形が支配的であるかを判断しながら応力変化を推定している。そのため、様々な締結構造に適用が可能であり、また得られた結果も高い信頼性が得られる。
【００６４】
ここで、上記した最小クリープ速度を用いて評価を行う場合、過度に応力緩和を小さく見積もる危険性があるが、実際の機器の運用状態を再現した試験における実験データは、ほぼ推定値と一致した傾向となった。これは実際の機器では、起動停止を繰り返すため、各運転時間での初期状態でも構造機器の各材料は、ほぼ定常クリープ状態、すなわち最小クリープ速度で得られる状態で使用されるためであると考えられる。このため、本発明の最小クリープ速度を用いた評価方法は、比較的容易な方法でありながら、長時間における応力変化を精度良く推定することができる。
【００６５】
また、本発明では、運転時間を微少時間に分割し、初期状態から逐次、応力緩和量とクリープ損傷量を算出しているため、ボルトや被締結物の応力状態を考慮しながら応力変化を評価することができる。したがって、単純に実験で得られた応力緩和データを適用する場合よりも、本発明に係る締結構造評価で得られた結果は高い精度となる。
【００６６】
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。
【００６７】
例えば、締結構造体の締結構造における応力を評価する際に、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いてもよい。このＦＥＭ解析では、ボルトや座金等の被締結物の形状データを入力することにより、自動的にメッシュモデルを作成して、解析を実行することができる。ここで、図１１は、クリープひずみの時間依存性を示す各応力でのデータを説明するための概略図である。なお、ＦＥＭ解析は、クリープ解析が可能な非線形解析であるため、図１１に示すようなクリープひずみの時間依存性を示す各応力でのデータを必要とする。
【００６８】
また、得られた応力とクリープ損傷量が許容できるかを、図２に示したステップＳ１０７と同様の処理によって判定することにより、締結構造の安全性を確認することができる。また、ステップＳ１０７の判定で締結構造が許容されない場合には、ステップＳ１１０と同様の処理により、締結構造の設定を変更して再度ＦＥＭ解析し、その変更された締結構造が許容できるか否かを判定して、最終的に締結構造を決定することができる。
【００６９】
また、ＦＥＭ解析を利用した締結構造評価は、クリープ変形データとして単純なクリープ変形におけるデータを用いているため、比較的長時間の運転を繰り返すことなく運転される締結構造体を評価する際に有効である。また、図１および図２に示した方法で締結構造体を評価した後に、確認のためＦＥＭ解析を利用して締結構造評価を行なうこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置の主要な構成を示す機能ブロック図。
【図２】本発明の一実施の形態の高温機器の締結構造評価装置の動作を示したフローチャート。
【図３】座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体からなる締結構造体の断面を示す図。
【図４】クリープ破断特性と最小クリープひずみ速度からの応力緩和算出法を説明するための概略図。
【図５】時間とクリープひずみ速度の関係を説明するための概略図。
【図６】低強度材料からなる座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図。
【図７】高強度材料からなるの座金を用いた場合の応力変化を説明するための概略図。
【図８】座金とボルトの面積比と最終応力およびクリープ損傷量との関係を説明するための概略図。
【図９】座金とボルトの面積比と最終応力の関係における材料依存性を説明するための概略図。
【図１０】座金とボルトの面積比とクリープ損傷の関係における材料依存性を説明するための概略図。
【図１１】クリープひずみの時間依存性を示す各応力でのデータを説明するための概略図。
【図１２】代表的な高温機器である蒸気弁の断面を示す図。
【図１３】締結部フランジの変形を防止するために断熱部材を適用した従来の締結構造体の断面を示す図。
【図１４】接触面圧を低下させるために用いられた角形状座金を適用した従来の締結構造体の斜視図。
【図１５】図１４に示した従来の締結構造体の断面を示す図。
【図１６】蒸気弁の上蓋を接合する締結ボルトに係る損傷例を示す断面図。
【符号の説明】
【００７１】
１０…高温機器の締結構造評価装置、２０…プログラムデータベース、２１…選定情報収得手段、２２…演算条件収得手段、２３…クリープひずみ速度算出手段、２４…応力緩和量算出手段、２５…クリープ損傷量算出手段、２６…締結構造判定手段、２７…設定変更情報収得手段、３０…制御手段、４０…出入力インターフェース、５０…クリープ強度データベース、６０…表示手段、７０…システムバス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、
前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、
クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、
前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、
前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段と
を具備することを特徴とする高温機器の締結構造評価装置。
【請求項２】
前記締結構造体が、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体であり、前記ボルトおよび前記座金の双方について、前記クリープひずみ速度算出手段によるクリープひずみ速度の算出、前記応力緩和量算出手段による応力緩和量の算出、クリープ損傷量算出手段によるクリープ損傷量の算出を実行することを特徴とする請求項１記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項３】
前記演算条件収得手段によって収得される演算条件には、少なくとも前記締結構造体の初期応力、使用温度および前記高温機器の運転時間の情報が含まれ、前記運転時間を所定の微少時間に分割し、微少時間前の応力を初期応力として該微少時間後の応力を算出することを特徴とする請求項１または２記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項４】
前記初期応力が、前記応力緩和量算出手段によって算出された、前記ボルトおよび前記座金の応力緩和量のうち大きな方の値に基づいて設定されることを特徴とする請求項３記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項５】
前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係から、入力された使用温度と応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ破断時間とクリープ速度との関係から、前記算出されたクリープ破断時間に基づいてクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項６】
前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された、クリープ試験結果から得られた各応力に対するクリープひずみ速度と時間との関係から、所定時間後のクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項７】
前記クリープ損傷量算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係から、前記微少時間前後における応力の平均応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記微少時間を前記算出されたクリープ破断時間で除してクリープ損傷量を算出することを特徴とする請求項３記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項８】
前記締結構造判定手段が、前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量に基づいて算出される前記運転時間後の前記ボルトにおける応力、およびクリープ損傷量算出手段によって算出された前記運転時間後の前記ボルトにおけるクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価することを特徴とする請求項３記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項９】
前記締結構造判定手段によって締結構造が不適であると判定した場合に前記締結構造体の締結構造の設定変更情報を収得する設定変更情報収得手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項１０】
高温機器の締結構造を評価する高温機器の締結構造評価装置における締結構造評価方法であって、
高温機器を締結する締結構造体の選定情報を選定情報収得手段が収得する選定情報収得ステップと、
前記選定情報収得手段が収得した締結構造体に対応する演算条件を演算条件収得手段が収得する演算条件収得ステップと、
前記演算条件収得手段が収得した演算条件、およびクリープ強度データベースから入力したクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度算出手段がクリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出ステップと、
前記クリープひずみ速度算出手段が算出したクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量算出手段が応力緩和量を算出する応力緩和量算出ステップと、
前記演算条件収得手段が収得した演算条件、前記クリープ強度データベースから入力したクリープ損傷量を算出するためのクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量算出手段がクリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出ステップと、
前記応力緩和量算出手段が算出した応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段が算出したクリープ損傷量に基づいて、締結構造判定手段が前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定ステップと
を具備することを特徴とする高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１１】
前記締結構造体が、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体であり、前記ボルトおよび前記座金の双方について、前記クリープひずみ速度算出ステップにおけるクリープひずみ速度の算出、前記応力緩和量算出ステップにおける応力緩和量の算出、クリープ損傷量算出ステップにおけるクリープ損傷量の算出を実行することを特徴とする請求項１０記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１２】
前記演算条件収得ステップで前記演算条件収得手段が収得する演算条件には、少なくとも前記締結構造体の初期応力、使用温度および前記高温機器の運転時間の情報が含まれ、前記運転時間を所定の微少時間に分割し、微少時間前の応力を初期応力として該微少時間後の応力を算出することを特徴とする請求項１０または１１記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１３】
前記初期応力が、前記応力緩和量算出ステップで算出された、前記ボルトおよび前記座金の応力緩和量のうち大きな方の値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１２記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１４】
前記クリープひずみ速度算出ステップにおいて、前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係を参照し、入力された使用温度と応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ破断時間とクリープ速度との関係を参照し、前記算出されたクリープ破断時間に基づいてクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１５】
前記クリープひずみ速度算出ステップにおいて、前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された、クリープ試験結果から得られた各応力に対するクリープひずみ速度と時間との関係を参照し、所定時間後のクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１６】
前記クリープ損傷量算出ステップにおいて、前記クリープ損傷量算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係を参照し、前記微少時間前後における応力の平均応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記微少時間を前記算出されたクリープ破断時間で除してクリープ損傷量を算出することを特徴とする請求項１２記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１７】
前記締結構造判定ステップにおいて、前記締結構造判定手段が、前記応力緩和量算出ステップで算出された応力緩和量に基づいて算出される前記運転時間後の前記ボルトにおける応力、およびクリープ損傷量算出ステップで算出された前記運転時間後の前記ボルトにおけるクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価することを特徴とする請求項１２記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１８】
前記締結構造判定ステップで締結構造が不適であると判定した場合に前記締結構造体の締結構造の設定変更情報を設定変更情報収得手段が収得する設定変更情報収得ステップをさらに具備したことを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１９】
高温機器の締結構造を評価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、
高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、
前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、
クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、
前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、
前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造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１】
高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、
前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、
クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、
前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、
前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定手段と
を具備することを特徴とする高温機器の締結構造評価装置。
【請求項２】
前記締結構造体が、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体であり、前記ボルトおよび前記座金の双方について、前記クリープひずみ速度算出手段によるクリープひずみ速度の算出、前記応力緩和量算出手段による応力緩和量の算出、クリープ損傷量算出手段によるクリープ損傷量の算出を実行することを特徴とする請求項１記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項３】
前記演算条件収得手段によって収得される演算条件には、少なくとも前記締結構造体の初期応力、使用温度および前記高温機器の運転時間の情報が含まれ、前記運転時間を所定の微少時間に分割し、微少時間前の応力を初期応力として該微少時間後の応力を算出することを特徴とする請求項１または２記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項４】
前記初期応力が、前記応力緩和量算出手段によって算出された、前記ボルトおよび前記座金の応力緩和量のうち大きな方の値に基づいて設定されることを特徴とする請求項３記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項５】
前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係から、入力された使用温度と応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ破断時間とクリープ速度との関係から、前記算出されたクリープ破断時間に基づいてクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項６】
前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された、クリープ試験結果から得られた各応力に対するクリープひずみ速度と時間との関係から、所定時間後のクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項７】
前記クリープ損傷量算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係から、前記微少時間前後における応力の平均応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記微少時間を前記算出されたクリープ破断時間で除してクリープ損傷量を算出することを特徴とする請求項３記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項８】
前記締結構造判定手段が、前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量に基づいて算出される前記運転時間後の前記ボルトにおける応力、およびクリープ損傷量算出手段によって算出された前記運転時間後の前記ボルトにおけるクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価することを特徴とする請求項３記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項９】
前記締結構造判定手段によって締結構造が不適であると判定した場合に前記締結構造体の締結構造の設定変更情報を収得する設定変更情報収得手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価装置。
【請求項１０】
高温機器の締結構造を評価する高温機器の締結構造評価装置における締結構造評価方法であって、
高温機器を締結する締結構造体の選定情報を選定情報収得手段が収得する選定情報収得ステップと、
前記選定情報収得手段が収得した締結構造体に対応する演算条件を演算条件収得手段が収得する演算条件収得ステップと、
前記演算条件収得手段が収得した演算条件、およびクリープ強度データベースから入力したクリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度算出手段がクリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出ステップと、
前記クリープひずみ速度算出手段が算出したクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量算出手段が応力緩和量を算出する応力緩和量算出ステップと、
前記演算条件収得手段が収得した演算条件、前記クリープ強度データベースから入力したクリープ損傷量を算出するためのクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量算出手段がクリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出ステップと、
前記応力緩和量算出手段が算出した応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段が算出したクリープ損傷量に基づいて、締結構造判定手段が前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造判定ステップと
を具備することを特徴とする高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１１】
前記締結構造体が、座金を介してボルトによって締結されるネジ締結体であり、前記ボルトおよび前記座金の双方について、前記クリープひずみ速度算出ステップにおけるクリープひずみ速度の算出、前記応力緩和量算出ステップにおける応力緩和量の算出、クリープ損傷量算出ステップにおけるクリープ損傷量の算出を実行することを特徴とする請求項１０記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１２】
前記演算条件収得ステップで前記演算条件収得手段が収得する演算条件には、少なくとも前記締結構造体の初期応力、使用温度および前記高温機器の運転時間の情報が含まれ、前記運転時間を所定の微少時間に分割し、微少時間前の応力を初期応力として該微少時間後の応力を算出することを特徴とする請求項１０または１１記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１３】
前記初期応力が、前記応力緩和量算出ステップで算出された、前記ボルトおよび前記座金の応力緩和量のうち大きな方の値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１２記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１４】
前記クリープひずみ速度算出ステップにおいて、前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係を参照し、入力された使用温度と応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ破断時間とクリープ速度との関係を参照し、前記算出されたクリープ破断時間に基づいてクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１５】
前記クリープひずみ速度算出ステップにおいて、前記クリープひずみ速度算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された、クリープ試験結果から得られた各応力に対するクリープひずみ速度と時間との関係を参照し、所定時間後のクリープひずみ速度を算出することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１６】
前記クリープ損傷量算出ステップにおいて、前記クリープ損傷量算出手段が、前記クリープ強度データベースに格納された各温度における応力とクリープ破断時間との関係を参照し、前記微少時間前後における応力の平均応力に基づいてクリープ破断時間を算出し、前記微少時間を前記算出されたクリープ破断時間で除してクリープ損傷量を算出することを特徴とする請求項１２記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１７】
前記締結構造判定ステップにおいて、前記締結構造判定手段が、前記応力緩和量算出ステップで算出された応力緩和量に基づいて算出される前記運転時間後の前記ボルトにおける応力、およびクリープ損傷量算出ステップで算出された前記運転時間後の前記ボルトにおけるクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価することを特徴とする請求項１２記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１８】
前記締結構造判定ステップで締結構造が不適であると判定した場合に前記締結構造体の締結構造の設定変更情報を設定変更情報収得手段が収得する設定変更情報収得ステップをさらに具備したことを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項記載の高温機器の締結構造評価方法。
【請求項１９】
高温機器の締結構造を評価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、
高温機器を締結する締結構造体の選定情報を収得する選定情報収得手段と、
前記選定情報収得手段によって収得された締結構造体に対応する演算条件を収得する演算条件収得手段と、
クリープひずみ速度を算出するためのクリープ強度データを格納するクリープ強度データベースと、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、および前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データに基づいて、クリープひずみ速度を算出するクリープひずみ速度算出手段と、
前記クリープひずみ速度算出手段によって算出されたクリープひずみ速度に基づいて、応力緩和量を算出する応力緩和量算出手段と、
前記演算条件収得手段によって収得された演算条件、前記クリープ強度データベースに格納されたクリープ強度データおよび応力に基づいて、クリープ損傷量を算出するクリープ損傷量算出手段と、
前記応力緩和量算出手段によって算出された応力緩和量、および前記クリープ損傷量算出手段によって算出されたクリープ損傷量に基づいて、前記締結構造体の締結構造が適正か否かを評価する締結構造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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−２３２７３８（Ｐ２００８−２３２７３８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７０９４５（Ｐ２００７−７０９４５）
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
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