KR100305723B1 - Method for Automatic Life Assessment of Mechanical Equipments under Complex Loads Using Strain - Google Patents
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Abstract
본 발명은 변형률을 이용한 복합하중을 받는 기계설비의 자동 수명평가 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복잡한 하중을 받는 기계설비의 사용수명을 정확히 측정하여 설비의 안전운전을 도모하고 기계설비의 교체시기를 정확히 예측할 수 있도록 하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to an automatic life assessment method of a mechanical equipment subjected to a complex load using a strain, and more particularly, to accurately measure the service life of a mechanical equipment subjected to a complex load to promote safe operation of the equipment and to replace the mechanical equipment. It is about making it possible to predict correctly.
본 발명은 열전대로부터 입력되는 온도와 변형률 측정센서로부터 입력되는 응력-변형률을 연속적으로 측정하여 신호변환장치로서 디지탈화한 후 컴퓨터에서 소성에너지 및 변형률 분할을 통하여 히스테리시스 루프를 해석하고 분석된 응력과 온도를 크리프 수명소비선도와 비교하여 크리프 수명을 평가하도록 하는 것이다.The present invention continuously measures the temperature input from the thermocouple and the stress-strain input from the strain measurement sensor and digitizes it as a signal converter, and then analyzes the hysteresis loop through the plastic energy and strain division in the computer and analyzes the analyzed stress and temperature. The creep life is compared with the creep life consumption diagram.
또한, 크리프와 피로가 동시에 작용하는 기계설비의 수명평가를 위하여 크리프 수명소비분률과 피로수명분률이 일정할 경우 재료에 따라 크리프와 피로의 상호작용에 따른 수명감소 효과를 크리프-피로 상호작용지수를 도입하여 계산토록 함으로써, 복합하중이 작용하는 기계설비의 수명을 실시간, 누적처리토록 하는 것이다.In addition, if the creep life consumption fraction and fatigue life fraction are constant, the creep-fatigue interaction index can be used to evaluate the life of mechanical equipment that simultaneously creep and fatigue. By introducing and calculating, the service life of the mechanical equipment under the combined load is to be accumulated in real time.
Description
본 발명은 변형률을 이용한 복합하중을 받는 기계설비의 자동 수명평가 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복잡한 하중을 받는 기계설비의 사용수명을 정확히 측정하여 설비의 안전운전을 도모하고 기계설비의 교체시기를 정확히 예측할 수 있도록 하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to an automatic life assessment method of a mechanical equipment subjected to a complex load using a strain, and more particularly, to accurately measure the service life of a mechanical equipment subjected to a complex load to promote safe operation of the equipment and to replace the mechanical equipment. It is about making it possible to predict correctly.
잘 알려진 바와 같이, 1990년대 후반 한국의 전력수요 증가율은 국민총생산의 증가와 더불어 문화수준의 향상에 따라 년간 6.2%로 예측되고 있는 실정이다.As is well known, in the late 1990s, Korea's electricity demand growth rate is expected to be 6.2% per year due to the increase in the national level and the level of culture.
이와 같은 전력공급 능력을 확충하기 위하여 필요한 신규발전소 건설은 막대한 자금조달의 어려움뿐 아니라 환경문제에 의한 인식이 확산되면서 발전소 입지난이 가중되어 갈수록 어려움에 부딪치고 있다. 따라서 신규발전소 건설이 어려운 상황에서도 날로 증가하는 전력수요를 충족하기 위해서는 설계수명에 이르는 발전설비의 수명을 연장하고 사용중인 설비의 신뢰성을 향상시켜 이용률을 향상시키는 것이 무엇보다도 선결과제라 할 수 있다.The construction of new power plants needed to expand such power supply capacity is facing difficulties as power plant location increases due to widespread funding difficulties and awareness of environmental issues. Therefore, in order to meet the ever-increasing demand for power even in the construction of new power plants, it is first and foremost to extend the service life of the power generation facilities to the design life and to improve the reliability of the equipment in use.
선진공업국들은 대부분의 화력발전소, 원자력발전소, 석유화학공장 및 정유공장들의 사용기간이 오래되어 기계설비들이 원래의 설계수명을 초과된 상태에서 사용되어지고 있다.Developed countries use most of the thermal power plants, nuclear power plants, petrochemical plants and refineries for a long time, and the machines are being used with their original design life exceeded.
이러한 노후된 기계설비를 폐기하고 새로운 설비를 건설하려면 경제적 부담 이외에도 신축에 따른 법적 절차가 까다로워져서 기존의 노후설비를 폐기하지 않고 수명을 연장하여 사용하는 경우가 많다.In order to dispose of these old machinery and construct new facilities, in addition to the economic burden, the legal procedures for new construction are complicated, and many of them are used for prolonging their life without disposing of the old obsolete equipment.
현재 국내에서 활용되고 있는 화력발전소의 65% 이상이 운전경력 10년을 넘고 있으며 법정운전 년수인 15년 이상을 경과한 것도 55%를 상회하고 있다. 특히, 중화학공장 및 발전설비는 고온·고압하에서 운전되는 특성 때문에 재료의 열화가 발생되어 기계설비의 강도저하로 인한 노후화가 진행된다. 이와 같은 재료의 열화를 발생시키는 요인은 고온상태의 운전조건 즉, 과다한 운전시간, 부하조건, 설비부식 등을 들 수 있으며, 대부분의 요인들이 복합적으로 작용하여 설비의 열화를 촉진시키게 된다. 그리고, 화력발전소의 경우에는 증기보일러의 파이프, 헤더, 튜브, 증기터빈의 로터, 터빈 캐이싱, 터빈 블레이드 등의 부위에서 재료열화에 의한 설비의 노후화 현상이 두드러지게 발생하므로 설비의 열화정도를 실시간으로, 정량적으로 평가할 수 있는 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.More than 65% of the thermal power plants currently used in Korea are over 10 years of driving experience, and more than 55% have passed more than 15 years of legal operation. In particular, heavy chemical plants and power generation facilities are operated under high temperature and high pressure, resulting in deterioration of materials and deterioration of mechanical facilities. Factors causing such deterioration of materials include high temperature operating conditions, ie excessive operating time, load conditions, equipment corrosion, etc., and most of the factors are combined to promote deterioration of equipment. In the case of thermal power plants, the deterioration of equipment due to material deterioration occurs in the steam boiler pipe, header, tube, steam turbine rotor, turbine casing, turbine blade, etc. As a result, there is a demand for technology development capable of quantitative evaluation.
이러한 요구에 부응하기 위한 종래에 있어서의 설비수명 평가방법은 크리프(creep)수명과 피로수명을 각각 별도로 계산하여 합하는 손상합산법에 의해 이루어지고 있다.Conventionally, in order to meet such demands, the conventional equipment life evaluation method is performed by a damage summation method in which creep life and fatigue life are separately calculated and summed.
크리프(creep)현상이란 금속이 고온(400℃ 이상)에서 일정하중(일정응력)을 받을 때 시간에 비례하여 오랜시간후 큰 변형 또는 파단을 일으키는 현상으로 시간과 함께 증가하는 변형량을 크리프 변형률 이라한다. 따라서, 고온에서 일정하중을 받는 초기부터 파단까지의 전체 수명을 크리프 수명이라 하며, 이러한 크리프 현상에 따르는 변형률과 시간과의 관계를 나타낸 것을 크리프 수명곡선이라 한다.Creep phenomenon is a phenomenon in which a large deformation or breakage occurs after a long time in proportion to time when a metal is subjected to a constant load (constant stress) at a high temperature (above 400 ° C). . Therefore, the whole life from the initial load to break at high temperature is called the creep life, and the creep life curve showing the relationship between the strain and the time caused by the creep phenomenon is called the creep life curve.
피로(fatigue)란 금속이 일정하중(일정응력)을 반복적으로 받게되는 경우 임계반복수에 도달되어 금속이 파괴되는 현상 말하며 금속이 받게되는 반복하중 초기부터 파단할때까지의 가해진 하중과 반복수와의 관계를 피로수명이라 한다.Fatigue is a phenomenon in which a metal is repeatedly subjected to a critical repetitive number and is destroyed when a metal is repeatedly subjected to a constant load (constant stress). The relationship between is called fatigue life.
실제 발전설비는 대부분의 구조물이 일정응력하에서 크리프를 받을 수 있는 고온에서 운전되고 있으며, 또한 대부분의 발전소가 전력수요상 반복되는 일일 또는 주말 기동정지를 통해 일정하중하에서 피로를 받고 있으므로 실제 설비들은 크리프와 피로를 복합적으로 받고 있는 것이다.Actual power plants are operated at high temperatures where most structures are subject to creep under constant stress, and since most power plants are fatigued under constant load through repeated daily or weekend shutdowns due to power demand, actual facilities are creep. You are being compounded with fatigue.
따라서 도 4(b)와 같이 발전 설비의 운전의 스트레인(strain)/시간의 관계가 사다리꼴 파형으로 한 주기가 이루어지고 계속 반복되므로 그래프 도 4(b)의 사다리꼴 파형으로 한 주기가 이루어지고 계속 반복되므로 그래프 도 4(b)의 사다리꼴 파형의 앞부분(기동시)과 뒷부분(정지시)는 피로로 간주하고, 운전시(직선부분)는 크리프로 간주하여 크리프와 피로 각각을 별도로 계산하여 합산하는 손상합산법에 의해 기계설비의 수명을 평가하고 있다.Therefore, as shown in (b) of FIG. 4 (b), the period of strain / time of operation of the power plant is made of a trapezoidal waveform, and the cycle is repeated. Therefore, one cycle is made of the trapezoidal waveform of FIG. Therefore, the front part (starting) and the rear part (at stopping) of the trapezoidal waveform of Fig. 4 (b) are regarded as fatigue, and the driving (straight line) is regarded as creep and the damage is calculated by adding each creep and fatigue separately. The summation method evaluates the life of mechanical equipment.
더욱 구체적으로 설명하면, 실험실에서 실제설비와 같은 환경(같은 재료,온도)로서 각각 별도로 크리프 실험과 피로실험을 실시하여 시편이 파단(破斷)될때까지 크리프 파단수명(tf)과 피로파단수명(Nf)을 계산하고 실제 발전설비의 사용된 크리프시간(정상운전시간 : t)과 피로시간(기동, 정지 반복횟수 :N)을 계산하여서 손상합산법인 다음의 (1)식에 의해 계산하므로써 해당설비의 파단수명을 평가하는 것이다.More specifically, the creep fracture life (t f ) and the fatigue failure life until the specimen is broken by conducting the creep test and the fatigue test separately in the same environment (same material and temperature) in the laboratory. By calculating (N f ) and calculating the creep time (normal operation time: t) and fatigue time (starting and stopping repetition number: N) of the actual power generation facility, and calculating it by the following equation (1) Evaluate the service life of the equipment.
즉, 종래방법인 손상합산법은 어떤 재료가 피로와 크리프 손상을 동시에 받을때 수명을 예측하는 가장 일반적이고 보편적인 방법으로서 크리프와 피로손상이 각각 독립적으로 작용하고 그 손상의 합이 임계치(1)에 도달하였을 때 파괴된다는 이론이다.That is, the conventional method of damage summation is the most common and common method of predicting the life when a material is subjected to fatigue and creep damage at the same time. Creep and fatigue damage act independently of each other, and the sum of the damages is the threshold value (1). It is the theory that when it reaches, it is destroyed.
Ni: i 상태의 피로하중이 가해진 사이클 수N i : Number of cycles subjected to fatigue load in state i
Nfi: i 상태의 피로하중이 가해질 때 파괴되는 사이클 수N fi : Number of cycles destroyed when fatigue load in state i
tj: j 상태의 크리프하중이 가해지는 시간t j : time to apply creep load of j state
tfj: j 상태의 크리프하중이 가해질 때 파괴되는 시간t fj : Time to break when creep load in j state is applied
Q : 허용되는 누적손상의 한계로서 사이클과 시간의 함수로서 일반적으로 1로 사용된다,Q: The limit of cumulative damage allowed, usually used as 1 as a function of cycle and time,
상기에 있어서 i, j는 재료에 가해지는 하중의 상태를 나타내는 것이며, 실제 설비에는 작은 하중의 크리프와 피로하중(j, i)에서 큰 크리프와 피로하중(p, q)에 이루기까지 다양한 하중이 나타나며 그러한 하중을 각각 크리프와 피로로 구분할 때 상기 (1)식과 같은 형태가 된다.In the above, i and j represent the state of the load applied to the material, and in actual installations, various loads vary from small creep and fatigue loads (j, i) to large creep and fatigue loads (p, q). And when such a load is divided into creep and fatigue, respectively, it becomes a form as shown in Equation (1).
이와 같은 손상합산법인 (1)식에서
그러나 실제로 현장에서 운전되고 있는 설비들은 도4(b)와 같이 크리프와 피로의 주기적인 사이클을 받고 있으며 사용시간이 지속됨에 따라 크리프와 피로가 각각 독립적으로만 작용하지 않고 서로 손상은 상승시키는 상승효과(相乘效果)로 상호 영향을 끼치고 있기 때문에 크리프와 피로가 한 주기내에 동시 작용할 때에는 정확한 수명예측을 위해 크리프-피로간 상호작용을 고려하지 않으면 안된다.In practice, however, facilities operating in the field are subjected to cyclic creep and fatigue cycles as shown in Fig. 4 (b), and as the use time continues, the creep and fatigue do not work independently, but the synergy effect is increased. Since creep and fatigue act simultaneously in a cycle, creep-fatigue interactions must be considered for accurate life prediction.
또한 종래 손상합산법은 크리프와 피로가 동시적으로 이루어지므로 실제설비로부터 데이터를 취득할 경우 신호가 서로 복합되어 나타나므로 직접 데이터를 취득할 수 있는 방법을 제시하지 못하므로 실시간 수명평가가 이루어지지 않는 문제점이 지적된다.In addition, in the conventional damage summation method, since creep and fatigue are simultaneously performed, when data is acquired from a real facility, signals appear to be mixed with each other. Therefore, a method of directly acquiring data cannot be provided. The problem is pointed out.
본 발명은 상기와 같은 종래의 손상합산법에 의한 설비의 수명평가 방법 문제점을 해결하게 위하여 창안된 것인데 본 발명의 목적은 운전중인 설비에 열전대와 변형률 센서를 이용하여 직접 금속에서 나타나는 응력과 변형률을 연속적으로 측정하여 컴퓨터 화면에 나타나는 히스테리시스 루프를 해석하고, 크리프 수명과 피로수명과 복합적으로 평각하여 누적수명 소비량을 계산함과 동시에 실시간으로 수명평가를 수행하도록 함으로써, 복잡한 하중을 동시에 받는 산업용 설비의 사용 수명을 정확히 측정케 함과 동시에 설비의 교체시기를 정확히 예측하여 설비의 안전운전을 도모하고, 산업용 설비의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 함을 그 특징으로 한다.The present invention was devised to solve the problems of the method for evaluating the service life of a facility by the conventional damage summation method. The object of the present invention is to measure the stress and strain directly occurring in a metal using a thermocouple and a strain sensor in a facility in operation. Use of industrial equipment that is subjected to complex loads by analyzing the hysteresis loops displayed on the computer screen continuously and calculating the cumulative life consumption simultaneously with complex creep life and fatigue life, and performing life assessment in real time. It can be used to accurately measure the service life and at the same time accurately predict the replacement time of the equipment to promote safe operation of the equipment and improve the reliability of the industrial equipment.
도 1 은 본 발명을 설명하기 위한 일시예의 전체 시스템 구성도1 is an overall system configuration of a temporary example for explaining the present invention
도 2 는 본 발명에 있어서, 탄·소성 변형률의 분할도로서Fig. 2 is a split view of the elastic and plastic strain in the present invention.
(a)는 pp-타입 사이클(a) is the pp-type cycle
(b)는 cp-타입 사이클(b) the cp-type cycle
(c)는 pc-타입 사이클(c) is a pc-type cycle
(d)는 cc-타입 사이클(d) cc-type cycle
도 3 은 본 발명에 있어서, 탄·소성 변형에너지를 설명하기 위한 구분도Figure 3 is a division diagram for explaining the elastic and plastic deformation energy in the present invention
도 4(a)는 본 발명에 있어서, 실험에 의한 변형률 분할법과 수명의 관계 그래프Fig. 4 (a) is a graph showing the relationship between the strain division method and the life span according to the present invention.
도 4(b)는 실제설비의 열응력 및 변형률을 실험적으로 모사하기 위한 사다리꼴 파형도Figure 4 (b) is a trapezoidal waveform diagram for experimentally simulating the thermal stress and strain of the actual equipment
도 5 는 본 발명에 있어서, 실험에 의한 소성 변형에너지법과 수명의 관계 그래프5 is a graph illustrating the relationship between the plastic strain energy method and the lifespan according to the present invention;
도 6 은 크리프 파단수명을 구하는 크리프 수명선도를 나타낸 그래프6 is a graph showing creep lifespans for obtaining creep rupture life.
도 7 은 도 6에 대한 실험 그래프7 is an experimental graph for FIG. 6
도 8 은 본 발명에 있어서, 실험에 의한 크리프-피로 상호작용효과 분석 그래프FIG. 8 is a graph illustrating creep-fatigue interaction effect analysis according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
1 : 응력변형률센서 2 : 열전대1: strain strain sensor 2: thermocouple
3 : 기계설비 4 : 신호변환장치3: hardware 4: signal converter
5 : 컴퓨터5: computer
상기의 목적을 달성하는 본 발명은 실시간적으로 현장에서 센서로부터 데이터를 취득하여 설비에서 발생되는 응력과 변형률을 신호변환장치를 이용하여 컴퓨터 화면에 히스테리시스 루프로 받아 실시간적으로 크리프와 피로의 상호작용에 의한 설비의 수명을 계산하고자 하는 것이다.In order to achieve the above object, the present invention obtains data from a sensor in the field in real time, and receives stress and strain generated in a facility as a hysteresis loop on a computer screen using a signal conversion device to interact with creep and fatigue in real time. It is intended to calculate the service life of the equipment.
즉, 열전대로부터 입력되는 온도로부터 실시간 크리프 온도를 알 수 있으며 변형률 측정센서로부터 실시간 측정되는 변형률은 재료의 성질관계(응력=탄성계수×변형률)로부터 역시 실시간으로 응력이 입력되므로 결과적으로 온도, 응력, 변형률을 연속적으로 측정하여 신호변환장치로서 디지탈화한 후 컴퓨터에서 실시간적으로 응력과 변형률이 그려지는 궤적(히스테리시스 루프)을 도2와 같이 크리프부분과 피로부분을 각 타입별로 분할하고 분할된 루프를 계산하여 수명을 평가하는 것이다.That is, the real-time creep temperature can be known from the temperature input from the thermocouple, and the strain measured in real time from the strain measurement sensor is also inputted in real time from the property relationship of the material (stress = elastic modulus x strain). After measuring the strain continuously and digitizing it as a signal converter, divide the creep and fatigue sections by each type and calculate the divided loops as shown in Fig.2. Is to assess the lifetime.
이와 같은 본 발명에 따른 설비 수명 자동측정방법을 통해 얻을 수 있는 기술적 특징은;Technical features that can be obtained through the automatic equipment life measurement method according to the present invention;
첫 번째, 도 2와 같이 실시간 입력되는 응력과 변형률의 궤적(히스테리시스 루프)의 분할을 통해 나타난 각 루프로부터 조합에 의해 직접 수명을 평가할 수 있다.First, as shown in FIG. 2, the lifetime can be directly evaluated by a combination from each loop represented through the division of the real-time input stress and strain trajectory (hysteresis loop).
두 번째, 도 2와 같이 실시간 입력되는 응력과 변형률의 궤적(히스테리시스 루프)의 분할을 통해 나타난 각 루프를 계산하는 방법으로 금속내부에 연속적으로 축적되는 소성변형에너지에 의해 수명을 평가하는 방법이다. 본 방법은 금속이 온도와 응력을 받게되면 초기에는 히스테리시스 루프의 내부면적을 나타내는 소성 변형에너지가 미세하게 존재하다가 점점 시간이 지남에 따라 커지거 임계값에 도달되어 파손되므로 이러한 소성변형에너지를 계산하기 위해 실시간적으로 히스테리시스 루프의 내부면적을 계산하여 수명을 평가하는 방법이다.Second, as shown in FIG. 2, the loops are calculated by dividing the trajectory (hysteresis loop) of stress and strain input in real time, thereby evaluating the life by plastic strain energy continuously accumulated in the metal. In order to calculate this plastic strain energy, when the metal is subjected to temperature and stress, the plastic strain energy, which initially represents the internal area of the hysteresis loop, is present in a small amount, and gradually increases and breaks as the threshold is reached. It is a method of evaluating the lifetime by calculating the inner area of the hysteresis loop in real time.
세 번째, 두 번째와 같이 실시간 입력되는 응력과 변형률의 궤적(히스테리시스 루프)의 분할을 통해 나타난 각 루프를 탄성부분과 소성부분 변형률로 나누어 수명관계를 나타낸 식을 이용하여 탄성변형수명곡선과 소성변형수명곡선의 합으로 최종 수명곡선을 얻어 크리프와 피로의 복합된 수명을 평가하는 방법이다.Third, the elastic deformation life curve and plastic deformation are expressed by using the equation that shows the life relationship by dividing each loop represented by elastic part and plastic part strain as shown by the division of the real-time input stress and strain trajectory (hysteresis loop). It is a method to evaluate the combined life of creep and fatigue by obtaining the final life curve by the sum of the life curves.
네 번째, 실시간 크리프 수명을 계산할 수 있다. 실제 설비가 받게되는 손상은 피로손상보다는 크리프 손상이 크므로(전체 손상 100%중 70%) 크리프 수명을 실시간으로 계산하는 것은 매우 중요하다. 크리프 손상은 온도, 응력, 시간의 함수이므로 열전대로부터 실시간 측정되는 온도와 변형률로부터 계산된 응력을 통해 실시간 크리프를 계산하고 크리프 수명소비선도와 비교하여 크리프 수명을 평가하도록 하는 것이다.Fourth, real-time creep life can be calculated. Since the actual damage to the plant is greater than the damage to fatigue (70% of 100% of total damage), it is very important to calculate the creep life in real time. Since creep damage is a function of temperature, stress, and time, stresses are calculated from real-time measurements of temperature and strain from thermocouples, and the creep life is calculated by comparing creep life consumption diagrams.
다섯번째, 종래방법인 손상합산법을 변형시킨 방법으로 기존 크리프와 피로를 별도로 계산하는 방식 대신 크리프와 피로가 상호영향을 미치는 정도를 계산하여 지수로 도입, 식(1)의 크리프 손상과 피로손상황에 적용시켜 복합하중이 작용하는 기계설비의 수명을 실시간, 누적처리토록 하는 것이다.Fifth, instead of calculating the existing creep and fatigue separately as a modified method of damage summing, the creep damage and fatigue loss of Equation (1) are introduced as an index. It is applied to the situation so that the life of the mechanical equipment with the combined load is real time and accumulated.
이하 본 발명에 따른 변형률을 이용한 복합하중을 받는 기계설비의 자동 수명평가 방법의 실시예를 보다 구체적으로 설명하기도 한다.Hereinafter, an embodiment of an automatic life assessment method for a mechanical facility receiving a complex load using a strain according to the present invention will be described in more detail.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전체시스템 구성도로서, 복합하중을 받는 기계설비의 수명을 정확히 평가하기 발전설비에 있어서 운전중 응력집중 및 파손이 예상되는 부위의 기계설비(3)에 응력변형률센서(1)와 열전대(2)를 취부하고, 상기 응력변형률센서(1)와 열전대(2)에서 검출된 전류 및 전압신호를 A/D신호 변환장치(4)에 의해 디지탈 신호로 변환 시킨후 수명분석장치 및 수명표시장치를 갖는 컴퓨터(5)로 송신하도록 하는 것이다.1 is an overall system configuration according to an embodiment of the present invention, to accurately evaluate the life of a mechanical equipment subjected to a complex load in the mechanical equipment (3) of the site where stress concentration and breakage during operation in the power generation equipment is expected The strain strain sensor 1 and the thermocouple 2 are mounted, and the current and voltage signals detected by the strain strain sensor 1 and the thermocouple 2 are converted into digital signals by the A / D signal converter 4. And then transmit the data to the computer 5 having the life analysis device and the life display device.
상기에 있어서 수명분석장치는 응력변형률센서(1)로 부터 입력되는 변형률 변화량으로부터 응력과 변형률의 궤적인 히스테리시스 루프를 그리고 이로부터 각 루프의 내부면적을 계산하여 수명을 평가하거나, 루프의 탄·소성 변형률을 분할하여 각각의 변형률 곡선을 합하여 최종수명곡선을 계산하도록 한다.In the above, the life analysis device evaluates the life by calculating the inner hysteresis loop of stress and strain from the strain change input from the stress strain sensor 1 and calculating the inner area of each loop, or the elasticity and plasticity of the loop. Divide the strain and add each strain curve to calculate the final life curve.
또한 열전대(2)로부터 들어오는 온도와 응력변화를 크리프 파라메타(tf= T (20 + log t) ×103; 여기서,(tf)는 구하고자 하는 크리프 수명,(tf)은 운전시간)를 이용하여 수명을 계산하고 해당재료의 크리프 파단수명 커브와 비교하여 얼마만큼의 크리프 수명이 소비되었는가를 실시간적으로 쉽게 알 수 있다.In addition, the creep parameter (t f = T (20 + log t) × 10 3 ; where (t f ) is the creep life to be obtained and (t f ) is the operating time) It is easy to know how much creep life was consumed in real time by calculating the life span and comparing it with the creep rupture life curve of the material.
또한, 도 8과 같이 종래방법인 손상합산법을 수정하기 위하여 분할된 히스테리시스루프로부터 각각 크리프 수명과 피로수명을 계산하고 각각의 기울기를 나타내면 기존방법인 손상합산법(Linear damage rule)의 기울기보다 크리프와 피로가 각각 작은 값을 갖게 된다. 이러한 줄어든 값만큼 크리프와 피로의 상호작용에 의해 그만큼 수명을 단축시키게 된다. 이러한 값들을 정량화하여 지수로 표현하고 지속적으로 누적처리하면 실시간으로 크리프-피로 상호작용에 의한 수명을 계산할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 8, the creep life and the fatigue life are calculated from the divided hysteresis loops to correct the damage summation method, which is a conventional method, and the respective slopes indicate creeps rather than the slope of the conventional damage damage method. And fatigue each have a small value. By this reduced value, the interaction between creep and fatigue shortens the lifetime. Quantifying these values, expressing them in exponents, and continuously accumulating them can calculate the lifetime due to creep-fatigue interactions in real time.
지금까지 언급한 장치 시스템외에 본 발명에서 언급하고자 하는 세부적인 수명계산절차를 언급하면 다음과 같다.When referring to the detailed life calculation procedure to be mentioned in the present invention in addition to the device system mentioned so far as follows.
먼저, 센서로부터 입력된 변형률을 분할하여 직접 수명을 평가하는 방법이다.First, a method of directly evaluating life by dividing a strain input from a sensor.
본 발명은 기계설비(3)로부터 실시간적으로 얻어지는 변형률(Strain)과 응력(Stress)를 이용하여 데이터를 얻고, 이 데이터는 실시간적으로 컴퓨터(5) 내에서 변형률을 X축으로, 응력을 Y출으로 하여 도 2와 같이 작용하는 하중의 타입에 따라 다음의 식에 의하여 실시간적으로 하중을 분할한다. 이는 구조물 또는 시편을 한번 인장해서 압축하는 한사이클의 반복하중을 가하면 도 3과 같은 재료 내부에 응력-변형률의 궤적인 히스테리시스 루프(이력곡선)이 발생하게 되나, 실제로 산업구조물에서 발생되는 이력곡선은 수많은 크리프와 피로의 반복하중을 받는 크기가 다양한 사이클의 하중을 받으며 컴퓨터(5)를 이용하여 많은 크리프와 피로의 변형률을 분할하여야 하는 것이다. 왜냐하면 이력곡선의 내부면적은 재료 내부에 축적된 소형변형에너지가 되고 이러한 소셩변형에너지는 크리프와 피로수명에 직접 관련되기 때문이다. 다시 변형률 성분과 피로수명에 관한 관계식을 설명하면 다음과 같다. 실시간으로 얻어진 변형률은 측정부위에서 크리프와 피로에 의해 인장과 압축을 받으며 다음 (a),(b),(c),(d) 4가지로 구분되며, 이를 수식화하면 식(2)와 같다.The present invention obtains data by using the strain and stress obtained in real time from the mechanical equipment 3, and the data is obtained in real time in the computer 5 with the strain as the X axis and the stress as Y. According to the type of load acting as shown in Fig. 2, the load is divided in real time by the following equation. This is because when one cycle of repeated loading to compress the structure or specimen is applied, a hysteresis loop (hysteresis curve) of stress-strain is generated inside the material as shown in FIG. 3, but the hysteresis curve generated in the industrial structure is The magnitude of the cyclic load of numerous creep and fatigue is to be subjected to various cycle loads, and the computer 5 should be used to divide the strain of many creep and fatigue. This is because the internal area of the hysteresis curve becomes the small strain energy accumulated inside the material, and the small strain energy is directly related to creep and fatigue life. The relationship between the strain component and the fatigue life is explained as follows. The strain obtained in real time is tensioned and compressed by creep and fatigue at the measurement site and is divided into the following four types (a), (b), (c), and (d).
Δεij(Nij)m= C (2)Δε ij (N ij ) m = C (2)
상기 (2)식에서 i, j 는 측정부위에서 받는 p(플라스틱-plastic-소셩변형)와 c(크리프변형)를 나타내며 m은 재료상수로서 재질마다 실험을 통해 구할 수 있는 상수(숫자)이며, c 역시 변형량과 수명사이의 관계를 나타내는 상수(숫자)이며, Nij는 크리프와 피로의 총횟수이고, 상기 p와 c는 다음과 같다.In Equation (2), i and j represent p (plastic-plastic-strain deformation) and c (creep deformation) received at the measurement site, and m is a material constant, which is a constant (number) that can be obtained through experiments for each material. Again, it is a constant (number) indicating the relationship between the amount of deformation and the service life, N ij is the total number of creep and fatigue, and p and c are as follows.
(a) Δεpp: 인장소성변형후 압축소성변형에 의해 생성된 변형량(a) Δε pp : Deformation produced by compressive plastic deformation after tensile plastic deformation
(b) Δεcp: 인장크리프변형후 압축소성변형에 의해 생성된 변형량(b) Δε cp : amount of deformation produced by compressive plastic deformation after tensile creep deformation
(c) Δεpc: 인장소성변형후 압축크리프변형에 의해 생성된 변형량(c) Δε pc : Deformation produced by compression creep deformation after tensile plastic deformation
(d) Δεcc: 인장크리프변형후 압축크리프변형에 의해 생성된 변형량(d) Δε cc : Deformation amount produced by compression creep deformation after tensile creep deformation
일반적으로 (2)식에서 센서가 부착된 해당 부위에 만약 인장크리프만 작용된다면 Δεp(Nf)m= C로 바로 피로수명을 계산할 수 있지만, 본 발명에서 언급하는 사항은 하중이 복합적으로 작용되는 경우이므로 (3)식과 같이 (a),(b),(c),(d)4가지 경우를 합산하여야 한다.In general, if only tensile creep is applied to the site where the sensor is attached in Equation (2), fatigue life can be calculated immediately as Δε p (N f ) m = C. Since four cases (a), (b), (c), and (d) should be summed up as shown in (3).
상기 (3)식에서 fij는 (a), (b),(c),(d)의 각 분할된 항을 나타내는 것으로 크리프와 소송변형량의 실시간 분률을 나타낸다. 변형률 분할은 히스테리시스루프로부터 분할된 부분들의 선형적 누적이고 실제의 복잡한 루프(loop)들은 분할하기 어렵다는 단점을 가지고 있지만 전산프로그램으로 해결할 수 있으며 온도와 무관한 식으로 표시되는 장점을 가지고 있다.In formula (3), f ij represents the divided terms of (a), (b), (c), and (d), and represents the real-time fraction of creep and litigation strain. Strain splitting has the disadvantage that the linear cumulative and actual complex loops of the parts divided from the hysteresis loop are difficult to divide, but can be solved by computer programs and have the advantage of being displayed in a temperature-independent manner.
다음은 소성변형에너지에 의해 수명을 계산하는 방법이다. 설비들 각 금속은 크리프와 피로하중을 받으면서 초기에는 대부분 열로 소비되며 매우 미세한 양만큼만 재료에 흡수되어 소성변형에너지로 나타나다 장시간이 흐름에 따라 재료에 흡수되는 양(소성변형에너지)이 커져 임계값에 이르러 파괴된다.The following is a method of calculating the life by plastic strain energy. Facilities Each metal is initially consumed as heat while being subjected to creep and fatigue loads, and is absorbed into the material by only a very small amount and appears as plastic strain energy. Is destroyed.
이러한 소성변형에너지는 가해진 응력과 변형률의 궤적인 히스테리시스 루프의 내부면적이며 소비되는 총에너지는 이들 루프의 합으로서 각 재료는 에너지를 흡수할 수 있는 일정용량을 가지고 있어 이 단계치에 도달할 때 재료는 파손된다.This plastic strain energy is the inner area of the hysteresis loop, which is the trajectory of the applied stress and strain, and the total energy consumed is the sum of these loops. Each material has a constant capacity to absorb energy, Is broken.
도 3에 소성변형에너지를 설명하고 있으며, ΔWp는 소성에너지, ΔWe는 탄성에너지, Δεae는 탄성변형률 범위, Δεap는 소성변형률 범위를 나타낸다. 이러한 각 성분의 합은 전체에너지 ΔWt와 전체변형률 범위 Δεaf가 된다. 결국 도 3에서 ΔWp(소성변형에너지)는 곡선 내부 면적을 나타내며 실시간적으로 내부면적을 계산, (4)식을 이용하여 수명을 평가하게 된다.3, and explaining the plastic deformation energy, p is the firing energy ΔW, ΔW e is the elastic energy, Δεa e is an elastic deformation range, Δεa p denotes a plastic strain range. The sum of these components is the total energy ΔW t and the total strain range Δεa f . As a result, ΔW p (plastic deformation energy) in FIG. 3 represents the inner area of the curve, and the inner area is calculated in real time, and the life is evaluated using the equation (4).
ΔWp= A(Nf)n(4)ΔW p = A (N f ) n (4)
여기서 A,n은 재질과 사용시간에 따른 상수(숫자)이고,Nf는 피로 수명이 다음은 히스테리곡선의 탄서변형률 범위와 소성 변형률 범위를 나누어 각각의 수명곡선을 계산한 후 합하여 최종 수명곡선을 통해 수명을 평가하는 방법이다.Where A and n are constants (numbers) according to the material and time of use, and N f is the fatigue life, and then the life curve is calculated by dividing the hysteresis curve and the plastic strain range. It is a way of evaluating life span.
히스테리시스곡선 탄성변형률 범위량과 소성변형률 범위량을 계산, 곡선을 그리고 각 곡선을 합하도록 프로그램화하고 그때마다 해당 하중반복수를 카운트하면 도4A와 같은 곡선이 얻어진다. 그러한 각 변형률 범위량과 수명과의 관계를 나타내는 식이 (5)식으로 표현된다( Δεt는 총변형률).Hysteresis curve The elastic strain range and the plastic strain range are calculated, plotted, and programmed to sum each curve, and each time the number of load repetitions is counted to obtain a curve as shown in FIG. 4A. An equation representing the relationship between each such strain range amount and the lifetime is expressed by equation (5) (Δε t is the total strain).
본 발명은 사인파형 저주기피로 수명예측을 통해 각 해석방법의 결과를 검증한 후 크리프-피로 상호작용을 규명하기 위하여 사다리꼴(trapezoidal) 파형에 유지시간(hold time)은 각각 1, 10, 30분으로 하였으며 변형률 제어(Strain control)는 0.2∼0.6%로 하였다. 변형률 속도는 각 유지시간 및 변형률에 대하여 일정하게(0.004/see) 유지할 경우의 변형률 및 소성에너지가 도 4 및 도 5에서와 같이 수명과 직접적인 함수관계에 있음을 증명하고 있다.In the present invention, after verifying the results of each analysis method through sinusoidal low-cycle fatigue life prediction, hold time is 1, 10, and 30 minutes in trapezoidal waveforms to identify creep-fatigue interactions. Strain control was 0.2 to 0.6%. The strain rate demonstrates that the strain and the plastic energy in the case of maintaining constant (0.004 / see) for each holding time and strain have a direct functional relationship with the lifetime as shown in FIGS. 4 and 5.
즉, 도 4는 사다리꼴 파형실험을 통하여 나타난 결과를 변형률 진폭(Strain amplitude)과 사이클 수(Number of reversal)의 관계를 나타낸 것이다.In other words, Figure 4 shows the relationship between the strain amplitude (Strain amplitude) and the number of cycles (R) of the results obtained through the trapezoidal waveform experiment.
구체적으로 설명하면, 히스테리시스 곡선으로부터 각 탄성 및 소성변형률 범위를 계산한 후 프로그램상에서 조합한 후 지속적으로 카운트되는 반복수와의 관계를 실시간으로 그림면 도 4를 얻을 수 있으며 파단 수명을 예측할 수 있다.Specifically, it is possible to calculate the respective elastic and plastic strain ranges from the hysteresis curve and combine them in a program and obtain a real-time picture of FIG.
그리고, 도 5는 실시간 입력된 히스테리시스 곡선(도 3)을 통해 이것의 내부면적을 계산하면 해당재료, 각각 변형률의 소성에너지( Δεap)가 얻어지며 각각 변형률 실험의 파단 사이클 수와의 관계인 식(4)를 이용하여 그래프로 그리면 도 5와 같은 소성에너지와 수명과의 곡선을 만들 수 있다.5 shows the plastic energy (Δεa p ) of the material, strain, and the relationship with the number of breaking cycles of the strain test, respectively, when the internal area of the hysteresis curve (FIG. 3) is calculated. If the graph is drawn using 4), a curve between the firing energy and the lifetime as shown in FIG. 5 can be made.
그런데, 히스테리시스 루프의 내부면적인 소성에너지를 구하는 방법은 두가지가 있다. 즉, 첫번째는 이론적으로 히스테리시스 루프의 면적을 구하는 (4)식을 이용하는 것과 두번째는 컴퓨터상에 나타난 히스테리시스 루프의 내부면적을 컴퓨터의 연산처리 기능을 이용하여 직접 적분해서 얻는 방법이다.However, there are two ways to find the plastic energy of the inner surface of the hysteresis loop. In other words, the first method uses the equation (4) to theoretically calculate the area of the hysteresis loop, and the second method is to directly integrate the internal area of the hysteresis loop shown on the computer by using the computational processing function of the computer.
도 5의 그래프는 상온(20℃) 및 고온(515℃)에서 각각의 방법을 이용하여 구한 결과가 상당히 일치하므로 연산처리 기능을 이용하여 소성에너지를 정확하게 측정할 수 있다는 것이다. 따라서 도 5의 각각 데이터들은 위의 두가지 경우에 대한 데이터들이다.The graph of FIG. 5 shows that the results obtained using the respective methods at room temperature (20 ° C.) and high temperature (515 ° C.) are fairly consistent, and thus the plastic energy can be accurately measured using a computational processing function. Accordingly, the data of FIG. 5 are data for the above two cases.
결국 도 4 및 도 5는 운전중인 설비의 수명은 설비에서 현장측정된 히스테리시스 루프(이력곡선)의 탄·소성 변형률 및 파단수명과 직접적인 관계가 있다는 것을 도 4 및 도 5에서 보여주고 있고, 식 (4), (5) 및 도 4, 도 5에서 구해진 것과 같은 연산처리 및 그래프 기능이 컴퓨터를 이용해서 계산된다는 것이다.4 and 5 show in Figs. 4 and 5 that the lifetime of the equipment in operation is directly related to the elastic and plastic strain and the fracture life of the hysteresis loop (history curve) measured in the field. 4), (5) and computational and graphing functions such as those obtained in FIGS. 4 and 5 are calculated using a computer.
다음은 크리프만을 별도로 실시간 수명을 계산하고자 하는 것이다. 크리프 손상은 온도, 응력, 시간의 함수이므로 열전대로부터 실시간 측정되는 온도와 변형률로부터 계산된 응력을 통해 실시간 크리프를 계산하고 크리프 수명소비선도와 비교하여 크리프 수명을 평가하도록 하는 것이다.Next, we want to calculate the real-time lifetime separately for creep only. Since creep damage is a function of temperature, stress, and time, stresses are calculated from real-time measurements of temperature and strain from thermocouples, and the creep life is calculated by comparing creep life consumption diagrams.
한편, 본 발명은 상술한 바와 같이 히스테리시스 루프를 해석하고 분석된 응력과 온도를 크리프수명 소비선도와 비교하여 크리프수명을 평가하도록 하는데, 도 6은 크리프 파단수명을 구하는 크리프수명 소비선도를 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6에 대한 실험 그래프이다.Meanwhile, the present invention analyzes the hysteresis loop and compares the analyzed stress and temperature with the creep life consumption diagram to evaluate the creep life. FIG. 6 is a graph showing the creep life consumption diagram for obtaining the creep rupture life. 7 is an experimental graph of FIG. 6.
즉, 사용응력과 온도를 알면 각 재질마다 사용응력 및 온도에서 크리프 파라메타 (t5= T (20 + log t) ×103)를 이용하여 해당 설비재질의 크리프 수명(t5)을 구할수 있으므로 사용온도와 응력은 열전대와 변형률 센서로부터 실시간적으로 입력되므로 크리프 수명을 평가할 수 있다.That is, if the stress and temperature are used, the creep life (t 5 ) of the corresponding material can be obtained using the creep parameter (t 5 = T (20 + log t) × 10 3 ) at the stress and temperature for each material. Service temperature and stress are input in real time from thermocouples and strain sensors to assess creep life.
다음은 종래방법인 선형손상합산법을 변경하고자 하는 것이다. 도 8은 실험에 의한 크리프-피로 상호작용효과 분석그래프이다. 앞서 설명한 바와 같이 크리프 손상과 피로손상의 합은 각각의 손상의 합을 취하는 손상합산법에 의거하면 1에서 유지되어야 한다. 그러나 실제 크리프와 피로손상은 상호적으로 서로의 수명에 영향을 끼쳐 각각의 손상을 합산하는 방식의 파단수명보다 빨리 파단이 발생하게 된다. 따라서 기존의 손상합산법에 수정계수(상호작용지수)를 통해 일찍 파단되는 크리프-피로 상호작용의 수명을 정확히 측정할 수 있다. 즉, 크리프수명 소비분률과 피로수명 분률이 일정할 경우 재료에 따라 크리프와 피로의 상호작용에 따른 수명감소 효과를 크리프-피로 상호작용지수 a, b를 도입하여 다음의 (6)식과 같이 계산하면 일찍 파단되는 크리프-피로 상호작용의 수명을 정확히 측정할 수 있다.The following is to change the conventional linear damage summing method. Figure 8 is a graph of the creep-fatigue interaction effect by the experiment. As mentioned earlier, the sum of creep damage and fatigue damage must be maintained at 1 according to the damage summation method, which takes the sum of each damage. However, the actual creep and fatigue damage mutually affect each other's lifespan so that failure occurs faster than the failure life of the sum of the damages. Therefore, the correction factor (interaction index) can be used to accurately measure the lifetime of creep-fatigue interactions that are broken early. That is, if the creep life consumption fraction and the fatigue life fraction are constant, the life-reduced effect of creep-fatigue interaction indexes is calculated by introducing the creep-fatigue interaction indexes a and b according to the material according to the following equation (6). Accurate measurement of the lifetime of early creep-fatigue interactions can be achieved.
상기 (6)식에서 EXP = exponential인 ex의 의미이며, N는 피로사용시간이고, t는 크리프사용시간이며, Q는 누적손상계수로서 (1)식과 의미는 동일하나, 손상합산법은 항상1로 나타나지만, 크리프와 피로가 복합적으로 작용시는 항상 1이하로 나타나 수명을 단축시키게 된다.In Equation (6), EXP = exponential means e x , N is fatigue time, t is creep time, Q is cumulative damage coefficient, and the same meaning as in (1), but the damage summation method is always 1 However, when creep and fatigue are combined, they always appear below 1, shortening their lifespan.
더욱 구체적으로 도 8을 통해 설명하면 예컨데, 어느 설비가 0.004의 변형률(Strain)으로 운전된다고 할때 단순한 손상합산법으로 계산하면 그 설비의 파단수명은 피로(fatigue) 손상이 0.4일때 크리프 손상은 0.6에서 파단되는 것으로 생각되지만, 0.004의 변형률하 (a=3.08, b=1.39)에서 피로손상이 0.4일때 크리프 손상은 약 0.35에서 파단되는 것으로 손상합산법 보다 서로 상호작용에 의해 약 25%의 수명 감소가 발생하게 된다.More specifically, referring to FIG. 8, for example, when a plant is operated at a strain of 0.004, the damage life of the plant is 0.6 when the damage damage is 0.4, and the creep damage is 0.6. It is thought to break at, but when the fatigue damage is 0.4 at a strain of 0.004 (a = 3.08, b = 1.39), the creep damage breaks at about 0.35, reducing the lifespan by about 25% by interacting with each other than the damage summing method. Will occur.
이상과 같이 본 발명에 따른 변형률을 이용한 복합하중을 받는 기계설비의 자동 수명평가 방법은 현장에서 직접 센서로부터 데이터를 취득하고 정확하게 실시간적으로 설비의 수명을 자동 평가하도록 하는 것으로, 그 방법으로는 변형률 분할에 의해 수명을 평가하는 방법, 소성변형에너지에 의해 수명을 평가하는 방법, 탄성변형률 범위량과 소성변형률 범위량의 합산에 의해 수명을 평가하는 방법, 크리프만을 실시간적으로 수명을 평가하는 방법을 언급하였으며, 이러한 크리프와 피로의 복합하중시 기존의 손상합산법에 상호작용 지수를 첨가하여 수명을 평가함으로써 수명평가의 정확성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 세부적으로 수명을 평가하는 방법을 프로그래밍하여 실시간으로 자동으로 수명을 평가하게 되는 것이다.As described above, the automatic life assessment method for a mechanical facility receiving a complex load using the strain according to the present invention is to obtain data directly from the sensor in the field and to automatically evaluate the life of the facility accurately and in real time. The method of evaluating the life by dividing, the method of evaluating the life by plastic strain energy, the method of evaluating the life by summing the elastic strain range amount and the plastic strain range amount, and the method of evaluating the life of creep only in real time. As mentioned above, it is possible to improve the accuracy of the life assessment by adding the interaction index to the existing damage summing method for the composite load of creep and fatigue, and to improve the accuracy of the life assessment. It will automatically evaluate the lifespan.
이상과 같이 본 발명은 기계설비의 중요 요소중에서 응력을 많이 받게 되어 취약부위로부터 선정된 곳에 변형률 측정장치를 부착하고, 발전소와 같은 산업설비의 기동 및 정지에 이르는 한 사이클의 히스테리시스 루프를 얻고 크리프-피로 상호작용에 의한 평가를 실시간적으로 수행할 수 있도록 함으로써, 운전중인 설비의 잔여수명을 상시 감시하게 되어 설비 신뢰도 향상에 크게 기여할 수 있는 효과를 가진다.As described above, the present invention is stressed among the important elements of the mechanical equipment, and attaches a strain measuring device to a selected part of the weak area, and obtains a hysteresis loop of one cycle leading to starting and stopping of the industrial equipment such as a power plant and creep- By allowing the fatigue interaction evaluation to be performed in real time, the remaining life of the equipment in operation is constantly monitored, which greatly contributes to improving the reliability of the equipment.
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