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

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K05973
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 旭吉 雅健 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (30342489)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 多軸 / クリープ / 寿命評価

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，新たな高温多軸クリープ実験手法の確立と高精度な寿命評価式の提案を目標として遂行している．
具体的な内容として，①一辺が50mm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，を設定して取り組んでいる．
①について：　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ために，とくに試験片の形状寸法に着目した．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遂行中である．さらに，試験片寸法の小型化は，評価対象素材が少なくて済むことや実機の任意の局所位置からの素材採取を可能とする等，多くのメリットを有していることから，60mm×60mm×10mmの素材から機械加工が可能な十字型試験片の形状および詳細寸法を決定した．また，同試験片用の小型の多軸クリープ試験装置の設計開発を行い，H30年度末までにその試験装置製作を完了した．併せて，クリープ試験中の十字型試験片の変位を非接触式で計測する手法も開発した．
②について：　これまでに準備した小型の十字型試験片と専用のクリープ試験装置を用いた予備試験を行い，多軸クリープ実験手法の確立を確認した．系統的な実験を開始しており，データの蓄積を図るとともに適切な多軸クリープ寿命評価式を開発した．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

申請当初は，初年度と2年目に(1)一辺が50mmの十字型試験片の形状寸法決定，(2)高温多軸クリープ実験技術の確立，(3)高温多軸クリープ実験，(4)高精度な寿命評価式の開発の完了を計画していた．
(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の基礎技術を開発した．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．
H30年度末までに試験装置本体を完成させたが，開発した試験装置は，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た．また，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．H30年度中に開発を完了した試験装置本体と変位計測手法を用いて，予備試験を行い，小型の十字型試験片を用いて多軸クリープ試験が可能であることを確認した．

Strategy for Future Research Activity

「7.　現在までの進捗状況」で前述したように，H30年度末までに十字型試験片の形状および寸法が決定して，非接触手法で変位計測も可能な高温多軸クリープ試験装置本体が準備できた．また，それらの予備試験も完了したことから，高温多軸クリープ実験手法確立については，目標を達成した．
今後は，系統的な高温多軸クリープ実験を早急に開始して，高精度な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．

Causes of Carryover

高温加熱炉内の十字型試験片の微小変位計測手法の開発においても，想定外の現象や課題が新たに生じた．それらの解決に計画以上の時間を要したために，申請当初計画からの遅れを生じている．
現在，申請当初に予定していたクリープ寿命取得実験を開始した状況であり，それらのデータ蓄積と詳細解析のために研究期間の延長を計画した．
H31(2019)年度は，これまでに得られた成果を国際会議や国内学会で報告することも計画している．