JPS61202136A - 高温ボルトの寿命管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、高温雰囲気中で用いられ、定期的に分解、再
組立を行うボルトの寿命管理方法に関する。例えば、蒸
気タービンのケーシング締付ボルトにあっては、使用状
態では、５０００程度の高温になシ、しかも１〜２年毎
に定期的に点検のため、ボルトを取り外し、点検後、再
組立を行っており、クリープによる損傷を受けやすい。

本発明は、このような使われ方をするボルトの寿命消費
状況を精度良く診断する方法に関する。

〔発明の背景〕

従来、高温雰囲気中で使用される金属材料の寿命診断は
、金属材料が劣化することにより、硬度及び電気抵抗が
変化することに着目し、金属材料の表面硬度を測定した
り、電気抵抗を測定することにより診断を行っていた。

雑誌「火力原子力発電Ｊ　Ｖｏ　１．３５、Ａ９の「火
力タービン材料の劣化診断技術の開発」に、電気抵抗を
測定することによりクリープ損傷を診断できることが開
示されている。

この従来の方法では、クリープ損傷による抵抗値変化が
小さいため、測定誤差の影響が大きく、熱起電力や表面
酸化被膜の影響を考慮する必要がある。また、表面硬度
を測定する場合には、ボルトを分解した時しか測定がで
きない上に、寿命消費が機器の使用状態が過去、現在、
将来にわたり同一であることが前提となっており、分解
、組立の頻度が変っても、そのことが寿命消費に反映さ
れていないため、診断結果の精度が高いとは言えないも
のであった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高温雰囲気中で使用されるボルトの寿
命を精度良く診断するための寿命管理方法を提供するこ
とにある。

更に、本発明の目的は、ボルトを直接検査することなく
、ボルトの使用雰囲気温度、ボルトの使用履歴から寿命
消費量を精度良く把握できる寿命管理方法を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本発明は、高温ボルトの寿命に及ぼす主要外因子である
雰囲気温度、ボルトの初期締付応力、分解組立回数、使
用時間から、クリープ損傷による寿命消費量を演算によ
り求めることを特徴とする。

〔発明の実施例〕

高温、高圧下で用いられる蒸気タービンの主要蒸気弁に
適用した場合について説明する。

第３図において、弁ケーシング１にカバー２を複数本の
植込ボルト３、カラー４、ナツト５により締付け、２４
６Ｋｇ／ｌ？７１２ｇ、　　５６６Ｃと云うような高温
、高圧下で用いられる。

そして、カバー２は弁の定期検査毎に開放され、ボルト
３により再締付される。従って、植込ボルト３に作用す
る締付応力は第４図に示す様になる。

即ち、初期締付応力σ０は高温下でのクリープの為に応
力緩和し、再締付により再び大きな締付応力となる。こ
の繰返しによりクリープ歪が蓄積してクリープによる寿
命を消費していく。

又、タービンの起動停止時には弁ケーシング１、カバー
２とボルト３との温度差、変形等により過渡的に大きな
熱応力が発生し、これの繰返しにより疲労寿命を消費す
る。

ボルト３はこのクリープによる損傷寿命消費量φｃと疲
労による損傷寿命消費量φｆとによりマイナーの直線被
害剤からφｃ十φｔ　＝　１．０になると寿命となる。

次に、それぞれの寿命消費量の求め方を説明する。

（１）クリープ損傷寿命消費量φｃ 第４図はボルトの締付応力が時間と共に低下していく応
力緩和特性を示す。

ボルト材質及び温度によりこの特性は実験により求めら
れている。

初期締付から再締付までの時間をΔｔｌ〜Δｔ０に細分
する。この各々の時間における平均応力をσｌ〜σ、と
する。

一方、材料のクリープ破断強度は実験により求められパ
ラメータを用い第５図のようにラーソン、ミラー（Ｌａ
ｒｓｏｎ　−Ｍｉ　１ｌｅｎ）のクリープ破断線図とし
て整理されている。

ここでボルトの材料と使用雰囲気温度が既知であるので
絶対温度ＴＲと材料定数Ｃが与えられ作用応力σＣと破
断時間ｔを求めることが出来る。

従って、前記のσ五〜σ、各々に対する破断時間ｔＨ〜
１１．を求めることが出来る。

クリープ損傷による寿命消費φｃ′はΔ１１／ｌｆ１を
積算することにより得られる。

即ち これはボルトの締付から分解までの１サイクルの寿命消
費量であるので締付目数がＮ回の時はＮφｃ′となる。

φｃ＝Ｎφｃ′　　　　　　　　　・・・（２）締付か
ら分解までの１サイクルの寿命消費量φｃ′を求めるに
当って、（１）式のｎは１０程度にとれば実用上問題の
起らない程度の精度でφｃ′を求めることができる。ｎ
を更に大きくとれば精度が良くなることは勿論である。

（２）疲労損傷による寿命消費量φｆ メタ−ンの起動停止時には弁ケーシング１、カバー２と
ボルト３との温度差、変形等により過渡的に大きな熱応
力がボルト３に発生する。

この起動時の代表的な熱応力σｆ！を計算により求める
。

すなわち、温度差による熱応力が一番大きくなるのは、
ボルトが冷えている状態で、弁ケーシングの温度が一旧
昇しているときであり、タービンの運転では、コールド
スタート時である。一般のタービンプラントでは、ケー
シング内壁温度は第２図に示すようにタービン停止時も
かなり高い温度に保たれており再起動時の温度低下ΔＴ
は１００Ｃ程度であり、コールドスタート時のボルトと
弁ケーシングの温度差より小さい。したがって、コール
ドスタート時のボルトと弁ケーシングの温度差を実験的
に測定しておけば、このときボルトに発生する熱応力σ
ｔ１は演算により求めることができる。

一方、材料の疲労特性は実験により求められており第６
図のようになる。

よって、σ１１の応力が繰返し作用した場合の破断繰返
し数ｎｆｌが得られる。

従って、起動回数ｎの場合の疲労による寿命消費量は次
式により求められる。

一般にφｆはφｃに比べ小さい。

特に、タービンの高温ボルトにあっては、φｆはφｃの
１／２０程度であるため、φｃのみによって寿命消費量
を求めても良い。

次に寿命消費量算出の具体例を記す。

条件 適用品；蒸気タービン主蒸気止め弁 ボルト材質；　１２　Ｃｒ　Ｍ、ｏＷＶ鋼使鋼部用温度
１Ｔ＝５３ ８Ｇ使用時間Ｈｔ＝ｓｏｏｏｏ時間 プラントの起動回数；ｎ＝１０００回 ボルト締付回数；Ｎ＝１回 （ａ）　　クリープ損傷による寿命消費量φｃ１２Ｃ１
２ｃｒ”Ｖ鋼の５３８Ｃにおけるホルト締付応力の緩和
特性データを第７図に、１２ＣｒＭｏＷＶ鋼のクリープ
破断線図第８図に示す。

これら特性図より第１回目のボルト締付より第２回目（
Ｎ＝２）のボルト締付までの使用時間７０００Ｈｒまで
のクリープ損傷による寿命消費量を前記の（１）式より
求めると １−１　　　ｔｒ＋ 累計ボルト締付回数Ｎ＝７であるので前記伐）式よりφ
ｃが得られる。

φｃ＝Ｎφｃ’＝７Ｘ０．０９＝０．６３（ｂ）　　疲
労損傷による寿命消費量φｆタービンの起動時の代表的
な熱応力はカバー２とボルト３との温度差、変形等より
代表的な熱応力σ１　！＊　６０　Ｋｇ／　ａｍ”が計
算により求められる。

この応力の繰返しによりボルトが破断する繰返し数は第
９図よりｎｔ　１＝３００００回となる。一方プラント
の起動回数ｎ＝１０００回である。

従って、前記（３）式より疲労損傷による寿命消費量が
求められる。

（Ｃ）　　ボルトの寿命消費量φ φは、φｃとφｆの和として求められるのでφ＝φｃ＋
φｔ　＝０．６３＋０．０３＝０．６６ つまり、このプラントのボルトは、６６％の寿命が消費
されていることになり、このままの使用状態を続けるな
らば、あと３回の分解組立で寿命となることが予想でき
る。

若し、今後の分解組立の周期が従来より短ぐなることが
予想されるならば、第７図の１回当りの分解組立の周期
を７０００時間より短い周期についてφｃ′を演算し、
このφｃ′によって、残寿命０．３４を除算すれば、こ
のボルトが後、何回の分解組立に耐えられるか予測でき
る。

更に、使用罪囲気温度が変化した場合には、第４図及び
第７図に示す締付応力緩和特性が変化するとともに、第
５図及び第８図に示すラーソン、ミラーのクリープ破断
曲線が温度によって変るので、それぞれの温度における
特性からφｃ′を求めることができる。

第１図は、ボルトの材質が１２ＣｒＭｏＷＶ鋼の場合、
使用時間ｔ１　プラントの起動回数１１ボルトの分解組
立回数Ｎ１使用温度Ｔをパラメータとして、ボルトの寿
命消費量φを求めて図表化したものでおる。この図表は
、使用時間ｔが５万時間で、起動回数ｎが１０００回の
場合、第１象限のｔが５万時間とｎ＝１０００との交点
を水平に延し、第２象限のＮ＝７との交点を下方に見て
、第３象限の’Ｉ’＝５３８ｔＧとの交点を水平に見て
φ＝６６％を得る。この値は、先の演算で求めたφ；６
６％とほぼ一致する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ボルトを検査することなく、持合消費
量を精度よく把握することが出来るのでボルトの代替品
（予備品）を事前に準備出来機器の適切な予防保全を計
ることが出来る。

又、計算機等による保守管理の自動化も可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した高温ボルト寿命管理線図、
第２図は、ケーシング内壁の温度変化を示す特性図、第
３図は、主蒸気弁の断面図、第４図は、締付応力緩和特
性図、第５図は、ラーソンーミラーのクリープ破断線図
、第６図は、疲労特性図、第７図は、締付応力緩和特性
図、第８図は、クリープ破断特性図、第９図は、疲労曲
線図である。 １・・・弁ケーシング、２・・・カバー、３・・・ボル
ト、４・・・カラー、５・・・ナツト。 （１２）　　　　　　　　　　　−＝ ；陶：；　ノ　目 第２目 一叶Ｍ　− 詰　４図 →４史用府＆’７　　（〃とり −ｆ７５　口 ／’＝　Ｔｌ？　　（ｃ　ｆＩｏｇｌ〕Ｘ／Ｄ−’力　
／　Ｈ −一一シー　グ乙 一イ１；（ｉ）’ｆ４ｒ４Ｆａγ（Ｈン・）→笛　２　
口 某　ｑＩＥＪ −１１を返り数　→

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温雰囲気中で使用され、かつ定期的に分解再組立
   を行うボルトにおいて、ボルトの締付応力緩和特性をボ
   ルト材質、ボルトの初期締付力、雰囲気温度から実験的
   に求め、初期締付から再締付までの時間を細分し、前記
   締付応力緩和特性から各々の細分された時間Δｔ＿１〜
   Δ＿ｔ＿ｎにおける平均締付応力から、これら各平均応
   力に対応する破断時間ｔ＿ｆ＿１〜ｔ＿ｆ＿ｎと前記細
   分された時間Δｔ＿１〜Δｔ＿ｎの比Δｔ＿１／ｔ＿ｆ
   ＿１〜Δｔ＿ｎ／ｔ＿ｆ＿ｎの総和と、分解、再組立の
   回数との積によつて求められたクリープ寿命消費φ＿ｃ
   からボルトの寿命を判定することを特徴とする高温ボル
   トの寿命管理方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、ボルト
   の初期締付から再締付までの時間を少くとも１０等分す
   ることを特徴とする高温ボルトの寿命管理方法。 ３、特許請求の範囲第１項記載の方法において、更に、
   ボルトの雰囲気温度が繰返し変化する場合、雰囲気温度
   の変化に基因してボルトに生ずる熱応力を求め、この熱
   応力が繰返し作用した場合の破断繰返し数ｎ＿ｆ＿１と
   実際の温度変化繰返し数ｎとの比として求められる繰返
   し疲労による寿命消費量φ＿ｆと前記クリープ寿命消費
   量φ＿ｃとの和からボルトの寿命を判定することを特徴
   とする高温ボルトの寿命管理方法。