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技術 材料の振動疲労管理方法

出願人 非破壊検査株式会社
発明者 小田将広今中拓一
出願日 1999年5月6日 (21年6ヶ月経過) 出願番号 1999-125749
公開日 2000年11月14日 (20年0ヶ月経過) 公開番号 2000-314730
状態 未査定
技術分野 超音波による材料の調査、分析 機械的応力負荷による材料の強さの調査
主要キーワード 限界振幅 火力発電施設 差込凹 ソケット溶接 疑似モデル 経時グラフ 差込管 非接触式変位計
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年11月14日)のものです。
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図面 (20)

課題

簡易な手段で材料の振動疲労が進行する状態にあるか否かを判定することの可能な材料の振動疲労管理方法を提供すること。

解決手段

ソケット溶接部40に対する通常強制振動を停止させた状態で、その一部をハンマー35で打撃することにより弾性波パルスを付与し、強制振動を減衰させ、加速度計31,32により第一、第二計測部T1,T2の相対変位計測する。減衰する振動を時間−周波数解析することでソケット溶接部40における基本振動波に対するn次高調波の強度を求め、このn次高調波が増減する遷移領域の変位幅をソケット溶接部40の疲労下限界振幅として求める。その後、通常強制振動を復帰させた状態で第一、第二計測部T1,T2の相対変位が疲労下限界振幅を越えるか否かで、振動疲労が進行中であるか否かについての管理を行う。

概要

背景

例えば、発電プラント配管系統においてソケット溶接部のルート部には応力集中が起こりやすい。しかも、配管系統にはモータータービン回転振動等が常時伝達しており、ルート部には繰り返し加重が作用しているので、振動疲労により亀裂が生じて漏洩を来す虞がある。

このような振動疲労による材料の破壊を未然に防ぐために、材料の振動疲労が進行する状態にあるか否かを管理することが望まれており、例えば、特開平10−26613号に示すような方法が提唱されていた。同従来技術によれば、AEセンサーによる最も受信強度の大きな基調波に対するn次高調波の受信強度により、振動疲労による劣化度監視していた。

しかし、同従来技術によれば、バックグラウンドノイズの低減のために、2つの音響センサ間の受信信号位相を合わせて差分をとったり、アベレージング処理を行っており、その信号処理が煩雑であった。

なお、3次高調波の顕著に発生し始める振動振幅材料疲労による転位が増殖し始める振動振幅、すなわち疲労が進行し始める振動振幅にほぼ対応していることは、定常波を利用した実験から知られていた。

概要

簡易な手段で材料の振動疲労が進行する状態にあるか否かを判定することの可能な材料の振動疲労管理方法を提供すること。

ソケット溶接部40に対する通常強制振動を停止させた状態で、その一部をハンマー35で打撃することにより弾性波パルスを付与し、強制振動を減衰させ、加速度計31,32により第一、第二計測部T1,T2の相対変位計測する。減衰する振動を時間−周波数解析することでソケット溶接部40における基本振動波に対するn次高調波の強度を求め、このn次高調波が増減する遷移領域の変位幅をソケット溶接部40の疲労下限界振幅として求める。その後、通常強制振動を復帰させた状態で第一、第二計測部T1,T2の相対変位が疲労下限界振幅を越えるか否かで、振動疲労が進行中であるか否かについての管理を行う。

目的

本発明は、簡易な手段で材料の振動疲労が進行する状態にあるか否かを判定することの可能な材料の振動疲労管理方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

材料(20,40)に弾性波パルスを付与し又はこの材料(20,40)に付与した臨時強制振動遮断することでこの材料(20,40)の振動減衰させ、変位計測手段(14,31,32)により前記材料(20,40)における一定箇所(T,T1,T2)の変位計測し、減衰する振動を時間−周波数解析することで前記材料(20,40)の基本振動波に対するn次高調波の強度を求め、このn次高調波が増減する遷移領域の変位幅を前記材料(20,40)の疲労下限界振幅として求める材料の振動疲労管理方法

請求項2

材料(20,40)に対して常時与えられる通常強制振動を停止させた状態で前記疲労下限界振幅を求め、前記通常強制振動を与えた状態での前記変位幅と前記疲労限界幅とを比較することにより、前記材料(20,40)が振動疲労進行状態にあるか否かを判定する請求項1に記載の材料の振動疲労管理方法。

請求項3

前記材料(40)をハンマー(35)等で打撃することにより前記弾性波パルスを付与し、前記変位計測手段として加速度計(31,32)、レーザー変位計(14)又は渦電流式変位計を用いることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の材料の振動疲労管理方法。

請求項4

前記材料(40)が管台(43)とこの管台(43)に差し込まれ且つ溶接された差込管(44)である請求項1〜3のいずれかに記載の材料の振動疲労管理方法。

請求項5

前記変位計測手段(31,32)を前記管台(43)又はその近傍の第一計測部(T1)と前記差込管(44)のうちこの管台(43)から離隔した第二計測部(T2)とに取り付け、この第二計測部(T2)が第一計測部(T1)に対して変位する相対的変位幅を前記変位幅とする請求項4に記載の材料の振動疲労管理方法。

技術分野

0001

本発明は、振動疲労により破損する虞のある材料の振動疲労管理方法に関するものである。

背景技術

0002

例えば、発電プラント配管系統においてソケット溶接部のルート部には応力集中が起こりやすい。しかも、配管系統にはモータータービン回転振動等が常時伝達しており、ルート部には繰り返し加重が作用しているので、振動疲労により亀裂が生じて漏洩を来す虞がある。

0003

このような振動疲労による材料の破壊を未然に防ぐために、材料の振動疲労が進行する状態にあるか否かを管理することが望まれており、例えば、特開平10−26613号に示すような方法が提唱されていた。同従来技術によれば、AEセンサーによる最も受信強度の大きな基調波に対するn次高調波の受信強度により、振動疲労による劣化度監視していた。

0004

しかし、同従来技術によれば、バックグラウンドノイズの低減のために、2つの音響センサ間の受信信号位相を合わせて差分をとったり、アベレージング処理を行っており、その信号処理が煩雑であった。

0005

なお、3次高調波の顕著に発生し始める振動振幅材料疲労による転位が増殖し始める振動振幅、すなわち疲労が進行し始める振動振幅にほぼ対応していることは、定常波を利用した実験から知られていた。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は、簡易な手段で材料の振動疲労が進行する状態にあるか否かを判定することの可能な材料の振動疲労管理方法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

0007

上記目的を達成するため、本発明に係る材料の振動疲労管理方法の特徴は、材料に弾性波パルスを付与し又はこの材料に付与した臨時強制振動遮断することでこの材料の振動減衰させ、変位計測手段により前記材料における一定箇所変位計測し、減衰する振動を時間−周波数解析することで前記材料の基本振動波に対するn次高調波の強度を求め、このn次高調波が増減する遷移領域の変位幅を前記材料の疲労下限界振幅として求めることにある。

0008

上記特徴に記載の管理方法を実際のプラント等に適用するに際しては、材料に対して常時与えられる通常強制振動を停止させた状態で前記疲労下限界振幅を求め、前記通常強制振動を与えた状態での前記変位幅と前記疲労下限界振幅とを比較することにより、前記材料が振動疲労進行状態にあるか否かを判定するとよい。

0009

前記弾性波パルスを付与するにあたっては、前記材料をハンマー等で打撃すればよく、また、前記変位計測手段として例えば加速度計レーザー変位計又は渦電流式変位計を用いることができる。

0010

本発明を適用する前記材料としては、例えば管台とこの管台に差し込まれ且つ溶接された差込管とを備えたソケット溶接部等が適当である。そして、この材料を管理するには、前記変位計測手段を前記管台又はその近傍の第一計測部と前記差込管のうちこの管台から離隔した第二計測部とに取り付け、この第二計測部が第一計測部に対して変位する相対的変位幅を前記変位幅とすればよい。後述するように、管台での溶込み不良部に最も応力が集中して亀裂が入り易く、その原因となるのが第一計測部に対する第二計測部の相対移動だからである。

発明の効果

0011

このように、上記本発明に係る材料の振動疲労管理方法の特徴によれば、ハンマー等の打撃によりn次高調波が増減する遷移領域の変位幅を前記材料の疲労下限界振幅として求めるという簡易な事前作業により、材料の振動疲労が進行する状態にあるか否かを判定することが可能となった。しかも、一定部分振幅を求めるという直接的な測定なので、バックグラウンドノイズに強い正確な管理を実施することができるようになった。

発明を実施するための最良の形態

0012

次に、添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。図1は、材料に金属片を用いて振幅とn次高調波との関係を計測するための計測装置10の概要を示す図である。この計測装置10は、大略、材料たる金属片20を保持する試験台11と、金属片20を強制振動させる励磁コイル19等と、金属片20における計測部Tの変位を測定するためのレーザー変位計14等を備えている。

0013

金属片20はSUS304で構成されたノッチ21を有する小片であり、試験台11のクランプ12によりノッチ21の近傍で保持されている。金属片20の先端には励磁小片22を接着してあり、励磁コイル19によりこの励磁小片22に周期的に磁力を作用させることで金属片20を振動させることが可能となっている。

0014

発振器17は定常波を発生させ、アンプ18及び励磁コイル19を介して金属片20を振動させる。発振器17の周波数は金属片20と共振させるように適宜変更可能であり、発振器17の振動数カウンター17aに表示されると共に、アナライザー15に基調波として入力される。

0015

レーザー変位計14は、金属片20の適当な一定箇所である計測部Tに対してレーザー光照射及び受光するプローブ14aとこれらのレーザー光に基づき計測部Tの変位を求める計測部14bとを備えている。レーザー変位計14による計測部Tの変位信号は計測部Tの振動として先の発振器17の基調波と共にアナライザー15で関連づけられ、パーソナルコンピューター16においてFFT

0016

計測部Tの振幅は発振器17からの共振波をアンプ18によって増幅する際の発振器の出力を調節することにより変更することが可能である。図6〜8はそれぞれかかる増幅度を調節することにより得られた計測部Tの変位信号であって、図6は金属片20の転位が増殖する非線形領域での共振波形を示すグラフ図7は金属片20の転位が増殖を始める遷移領域での共振波形を示すグラフ、図8は金属片20の転位が増殖しない線形領域での共振波形を示すグラフである。

0017

図9〜11はそれぞれ図6〜8の振幅に対応する振幅での金属片20の共振時の周波数スペクトルを示すグラフである。すなわち、図9は金属片20の非線形領域での共振時の周波数スペクトル、図10は金属片20の遷移領域での共振時の周波数スペクトル、図11は金属片20の線形領域での共振時の周波数スペクトルを示すグラフである。

0018

一方、図12は、金属片20を十分な振幅で振動させた後、アンプ18の出力を遮断することで得られた金属片20の減衰振動波形を示すグラフである。また、図13〜15は、それぞれ図9〜11と同程度の計測部Tの振幅における減衰波形から得た周波数スペクトルを示すグラフである。すなわち、図13は金属片20の減衰振動波形から得た非線形領域での周波数スペクトル、図14は金属片20の減衰振動波形から得た遷移領域での周波数スペクトル、図15は金属片20の減衰振動波形から得た線形領域での周波数スペクトルを示すグラフである。

0019

図9〜11に示す共振時には、従来よりn次高調波が発生し始める振幅から転位の増殖が始まることが知られている。図13〜15に示すように、減衰波形を利用しても同様に転位の増殖が始まる振幅からn次高調波が増大し始めることが確認された。

0020

n次高調波の中でも、3次高調波の強度が最も転位の増殖現象を捕らえるのに適切である。この点に注目し、図16は、金属片20の減衰振動波形から得た3次高調波強度と振幅との関係を示すグラフである。同グラフ中、白丸は共振波形を用いたテストによるものであり、黒丸は減衰波形を用いたテストによるものである。同グラフからも減衰波形を用いても共振波形を用いた場合と同様の評価が行えること、及び、遷移領域における計測部Tでの変位幅は0.018mm程度であり、この変位幅を金属片20の疲労下限界振幅として管理すればよいことが判明した。

0021

次に、実際の配管系統におけるソケット溶接部40への本発明の適用例について説明する。

0022

図2は、試験対象たる材料としてソケット溶接部40の疑似モデルを用いて振幅とn次高調波のうちの3次高調波との関係を計測するための計測装置30の概要を示す図である。このソケット溶接部40は、載置台41の上に載置した基台42に管台43を固定し、管台43の差込凹部に枝管44を差し込んで溶着金属45で溶接し、さらに枝管44の上にバルブフランジの代わりとなる重り46を載置してなる。

0023

図3図4は上記疑似モデルの実際の構成例を示している。載置台41,基台42に相当する主管47上に管台43が溶着金属47aを介して溶接されている。また、差込管たる枝管44は管台43に形成した差込凹部43aに双方の中心軸Xを一致させて差し込まれ、溶着金属45により溶着される。溶着金属45のルート部には溶け込み不良部45aが生じやすく、管台43に対する枝管44先端部分の相対変位により溶け込み不良部45aに応力集中が生じ、この溶け込み不良部45aからCrが生じやすい。本実施形態では、この溶け込み不良部45aに作用する振動疲労に伴う転位を3次高調波により管理することで、Crの発生を未然防止することを目的としている。なお、火力発電施設を例にとると、通常強制振動の原因には、タービンや給水ポンプのモーターの回転振動、水の流動に伴うサージング等が含まれる。

0024

計測装置30は、一対の第一,第二加速度計31,32とこれらの出力を増幅する第一,第二アンプ33,34と、第一,第二加速度計31,32の変位をそれぞれ算出するアナライザー15と、処理及び結果を表示するためのパーソナルコンピューター16とを備えている。第一加速度計31は管台43又はその近傍である基台42等の一定箇所である第一計測部T1に取り付けられ、第二加速度計32は枝管44の管台43から離隔した一定箇所である第二計測部T2上に取り付けられる。そして、第一,第二加速度計31,32により関知される加速度の差分より、第一計測部T1に対する第二計測部T2の相対変位の経時グラフを求めることができる。

0025

図17は、ハンマー35により重り46を横向きに打撃することで生じさせたソケット溶接部40での減衰振動波形を示すグラフである。この波形縦軸は第一計測部T1に対する第二計測部T2の相対変位を示している。

0026

図18〜20は、それぞれソケット溶接部40での減衰振動波形である図17のグラフをアナライザー15によりFFT処理することにより得られた周波数スペクトルである。ここに、図18は非線形領域での周波数スペクトル、図19は遷移領域での周波数スペクトル、図20は線形領域での周波数スペクトルを示すグラフである。

0027

一方、図21は、図17減衰振動近似するが、第二計測部T2の絶対変位に基づいてソケット溶接部近傍での減衰振動波形から得た3次高調波強度と振幅との関係を示すグラフである。同グラフ中、黒丸は第二加速度計32を用いて計測し、白丸は第二計測部T2の変位を上述のレーザー変位計を用いて計測したものである。同グラフより、第二計測部T2の疲労下限界振幅は0.073mmであり、また、第一計測部T1の疲労限界時における振幅が0.027mm程度であることを考慮すれば、第一計測部T1に対する第二計測部T2の相対変位での疲労下限界振幅を図19に示す0.1mmとして扱うのが適当である。

0028

実際の配管系統で本発明を実施するに際しては、まず、発電プラント等を停止させて上述の通常強制振動を停止させる。次いで、適宜第一,第二計測部T1,T2等に第一,第二加速度計31,32等を取り付け、ハンマー35等で配管の一部を打撃し、減衰振動を発生させる。このとき、上述の手順により適宜箇所の疲労下限界振幅を求める。

0029

その後、発電プラント等の運転再開して、通常強制振動を配管系統に与えながら、第一,第二加速度計T1,T2等の振動振幅を求める。本実施形態では、第一加速度計T1に対する第二加速度計T2の相対変位が疲労下限界振幅である0.1mmを越えた場合に、同ソケット溶接部40における材料の振動疲労が進行する状態にあると判定する。この判定に対して同箇所の振幅を減少させるように配管系統に減衰装置を装着する等の対策を講ずることが望ましい。また、同箇所を重点監視箇所とし、振幅と運転時間との積分により転位の増殖の程度を推定するようにしてもよい。

0030

最後に、本発明のさらに他の実施の形態について以下列挙する。上記実施形態では、材料に対してハンマーや電磁石により臨時強制振動を付与した。しかし、この臨時強制振動を与える手段は、付勢手段を利用した打撃装置や、圧電素子を利用した超音波発振器等であっても構わない。

0031

上記実施形態では、本発明の適用対象として主管に対し枝管を接合するソケット溶接部を例示した。しかし、ソケット溶接部40としては、例えば図5に示すように、エルボ管51の両端に管台43,43を取り付けたエルボー部でもよく、また、本発明の適用対象は配管や溶接部に限られるものではない。

0032

上記実施形態では、1軸方向に対する変位の振幅を検出した。しかし、2軸以上の方向に対する変位の振幅を検出することで振動疲労を管理しても構わない。

0033

上記実施形態では、加速度計を用いて相対変位を検出したが、レーザー変位計を用いて相対変位を検出しても構わない。また、変位計としては、加速度計やレーザー変位計の代わりに渦電流式変位計等の非接触式変位計を用いてもよい。

0034

なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、この記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。

図面の簡単な説明

0035

図1材料に金属片を用いて振幅とn次高調波との関係を計測するための計測装置の概要を示す図である。
図2材料にソケット溶接部の疑似モデルを用いて振幅とn次高調波との関係を計測するための計測装置の概要を示す図である。
図3本発明にかかる振動疲労管理方法の実施対象となる主管と枝管とのソケット溶接部を示す図である。
図4図3の要部断面である。
図5本発明にかかる振動疲労管理方法の実施対象となるエルボー部におけるソケット溶接部を示す図である。
図6材料たる金属片の非線形領域での共振波形を示すグラフである。
図7金属片の遷移領域での共振波形を示すグラフである。
図8金属片の線形領域での共振波形を示すグラフである。
図9金属片の非線形領域での共振時の周波数スペクトルを示すグラフである。
図10金属片の遷移領域での共振時の周波数スペクトルを示すグラフである。
図11金属片の線形領域での共振時の周波数スペクトルを示すグラフである。
図12金属片の減衰振動波形を示すグラフである。
図13金属片の減衰振動波形から得た非線形領域での周波数スペクトルを示すグラフである。
図14金属片の減衰振動波形から得た遷移領域での周波数スペクトルを示すグラフである。
図15金属片の減衰振動波形から得た線形領域での周波数スペクトルを示すグラフである。
図16金属片の減衰振動波形から得た3次高調波強度と振幅との関係を示すグラフである。
図17ソケット溶接部での減衰振動波形を示すグラフである。
図18ソケット溶接部での減衰振動波形から得た非線形領域での周波数スペクトルを示すグラフである。
図19ソケット溶接部での減衰振動波形から得た遷移領域での周波数スペクトルを示すグラフである。
図20ソケット溶接部での減衰振動波形から得た線形領域での周波数スペクトルを示すグラフである。
図21ソケット溶接部近傍での減衰振動波形から得た3次高調波強度と振幅との関係を示すグラフである。

--

0036

10計測装置
11試験台
12クランプ
13 載置台
14レーザー変位計
14aプローブ
14b計測部
15アナライザー
16パーソナルコンピューター
17発振器
17aカウンター
18アンプ
19励磁コイル
20金属片(材料)
21ノッチ
22励磁小片
30 計測装置
31 第一加速度計
32 第二加速度計
33 第一アンプ
34 第二アンプ
35ハンマー
40ソケット溶接部(材料)
41 載置台
42基台
43管台
43a差込凹部
44枝管(差込管)
45溶着金属
45a溶け込み不良部
46重り
47主管
47a 溶着金属
51エルボ管
T 計測部
T1 第一計測部
T2 第二計測部
X中心軸。

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