2017 Fiscal Year Research-status Report
微小素材試験片を用いた火力発電プラントの高温多軸クリープ余寿命評価法の開発
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16K05973
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
旭吉 雅健 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (30342489)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 多軸 / クリープ / 寿命評価 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
火力発電プラントのボイラー配管や航空エンジンのタービン動翼等に代表される高温構造機器では，その健全性保証のために多軸応力状態でのクリープ損傷評価が要求される．この問題解決のために，本研究課題では十字型形状の試験片を用いた高温多軸クリープ実験手法と高精度な寿命評価式を提案する．
本研究課題の最終目標は，実験力学的手法によって高精度な高温多軸クリープ寿命評価式を開発することであるが，とくに試験片の形状寸法に着目する．十字型試験片のX軸およびY軸の二軸方向に荷重を負荷する手法は，実験室で模擬できる多軸応力状態範囲が広いメリットを有していることから，同試験片を用いたクリープ実験を行う．十字型試験片で高温多軸クリープデータを蓄積して，それらを詳細解析することで寿命評価法の高精度化を図る．
さらに，試験片のサイズ小型化を実現して，実機での局所位置の正確な損傷量把握を可能とする．具体的には，溶接タイプの試験片を提案する．すなわち，実機から採取した小型試料サンプルに実験荷重負荷用の素材を溶接で取付けた試験片での実験手法の妥当性を検証する．
上述した最終目標達成のために①50mmの小型十字型試験片を用いた高温多軸クリープ実験手法の確立，②高温多軸クリープ寿命評価式の開発，③溶接タイプ小型十字型試験片の形状寸法の決定，④微小素材を用いた損傷量評価手法の確立，の4つの具体的課題を設定している．初年度のH28年度は，①に用いる十字型試験片の形状および寸法を数値解析によって詳細に検討して決定完了した．2年目のH29年度は，②の遂行のために十字型試験片用高温多軸クリープ試験装置の詳細を設計して開発した．とくに十字型試験片のクリープひずみを非接触式で計測する手法を開発した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初計画では，初年度は(1)一辺が50mmの十字型試験片の形状寸法決定，と(2)高温多軸クリープ実験技術の確立を，2年目のH29年度は(3)高温多軸クリープ実験，と(4)高精度な寿命評価式の開発を立てていた．
(1)での数値解析に計画以上の時間が必要であったことや，十字型試験片の微小変位を高温環境で計測する手法が未確立であったことから，初年度は(2)までを完了できなかった．H29年度は，まず(2)を完了させるために，(1)で開発した十字型試験片用の高温多軸クリープ試験装置の設計開発と，同試験片の微小変位計測手法開発を設定した．高温多軸クリープ試験装置については，約400Nの重錘を用いて十字型試験片標点部で約200MPaの相当応力を発生させる機構や，それらの詳細な寸法を決定した．現在は高温多軸クリープ試験装置の加工組立て中である．開発した試験装置本体は，その設置面積が600mm×600mmであり，当初の目標である卓上型省スペースを達成している．
高温加熱炉内の十字型試験片の微小変位を非接触式で計測する手法も確立した．その具体的手法として，十字型試験片標点部にあらかじめ計測点を記しておき，光学カメラを用いて耐熱ガラス越しに炉内の試験片標点部の静止画を撮影する．定期的に撮影した静止画中の計測点の移動を画像解析によって数値化することで標点部の変位やひずみを算出する手法である．これまでに，室温および高温環境中での要素試験を経て，同手法の妥当性と精度を検証した．
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| Strategy for Future Research Activity |
「7.現在までの進捗状況」で前述したように，高温多軸クリープ試験装置本体と変位計測手法が準備できたことから，早急に試験装置の動作確認や予備試験を行うことによって高温多軸クリープ実験技術を確立する．実験技術確立後は，H29年度に実施予定であった十字型試験片を用いた高温多軸クリープ実験実施による高精度寿命評価式開発に取り組む．具体的には，オーステナイト系ステンレス鋼SUS304の多軸クリープ実験を行うが，クリープ破断寿命やクリープ変形特性に及ぼす応力多軸度や環境温度の影響に関して，系統的な実験計画に沿って遂行する．当初計画ではH30年度は，(5)溶接タイプ試験片の設計，と(6)微小素材を用いた損傷量評価手法の構築を予定していた．(5)については，上述したSUS304鋼の高温多軸クリープ実験遂行と同時に，平行してその素案設計を開始する．
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| Causes of Carryover |
（理由）十字型試験片用の高温多軸クリープ試験装置や微小変位計測手法の確立に計画以上の時間を要したために，H29年度中には試験片を用いた高温多軸クリープ実験を遂行できなかった．計上していた予算のほとんどが試験片であったことから次年度使用が生じた．
（使用計画）高精度な寿命評価法確立のためには当初の研究計画どおりの実験遂行が必要であることから，準備する試験片の本数は変更しない．一方で，時間の制約もあることから，実験スケジュールや設定応力条件の見直しとさらなる効率化を図ることで，実験を完了させる予定である．
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