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この投稿では、熱電対カバーの破断故障を分析する8つの方法について専門的に解説しています。昌晖計器は、現地調査や実務経験、関連資料をもとに、よく見られる熱電対カバーの破断原因をまとめ、計器技術者の参考としています。 熱電対は温度計測においてよく使用される温度検出素子で、工業生産や科学研究などの分野で広く応用されています。それは媒体の温度を直接測定し、リアルタイムで温度信号を熱起電力信号に変換し、さらに電気計器を通じて測定対象となる媒体の温度に変換することで、温度の表示、伝送、制御を実現します。高温、高圧、腐食性の高い媒体や、高速で流れる流体の衝撃があるような環境で使用されることが多いため、温度センサーが正常かつ安全に、安定して動作し続けるために、一般的に熱電対を保護するためのカバーが用いられます。熱電対カバーの設計目的は熱電対の正常な動作を保護することにあるが、実際の使用においても多くの場合保護機能を果たす。しかし、現在の熱電対の故障の種類を分析すると、熱電対カバーの破断が依然として最も一般的な故障形態であることがわかる。昌晖計器は、熱電対カバーの破断に関する研究方法を分類して説明し、破断故障の一般的な原因を整理・分析し、熱電対カバーの破断を防ぐための対策を概説している。 熱電対カバーの破損原因 yunrun.com.cn/tech/2904.html 1. 熱電対カバーの外観と選定 図1 温度センサー保護管THERMOWELL 図2 熱電対カバー 図1と図2はそれぞれ一般的な熱電対カバーの写真であり、熱電対カバーの選定方法や技術仕様については「温度センサー保護管THERMOWELL」で詳しくご確認いただけます。 2、熱電対カバーの破断故障解析方法 昌晖計器は本稿において、破断が発生した熱電対カバーについて分析研究を行っている。破壊原因を特定し、対策を見出すためには、通常、マクロ破面解析、化学組成分析、力学的性質分析、金属組織学分析、走査型電子顕微鏡分析といった手法が用いられる。また、腐食評価解析、モード解析、数値シミュレーション解析は、構造の腐食や激しい振動、流体の衝撃などが原因で生じるカップリングの破断解析においてもよく用いられる手法です。 ①マクロ破面解析は、一般的に熱電対カバーの破断部に何も処理を施さないか、または簡単な超音波洗浄のみを行った後に、破断領域の位置やその周辺部品の全体的な状態、断面の形状特性、寸法、瞬間破断領域と拡大破断領域の区別、破面の色の分布、破断部の平滑度や滑らかさ、破断のタイプ、顕著な塑性変形の有無、腐食斑点の有無、そして溶接欠陥であるエッジビットの有無などを把握するために用いられます。これにより、カバーの破断状況についての初期の理解を得て、さらなる分析研究の基盤を築くことができます。図3は熱電対カバーの破面のマクロ写真で、破面表面は滑らかで仕上がりが良く、疲労破壊特有の貝殻状の模様が見られる。 http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051714288764.png 図3 熱電対カバーの破断面のマクロ写真 ②化学組成分析 壊れた熱電対カバーから塊状のサンプルを採取し、化学分析やエネルギー分散分析法を用いて、カバーの基材となる材料の化学組成を分析する。これにより、実際の材料中の各元素の含有量が、規格で定められている値と一致しているかどうかを確認する。例えば、夏明六らは、ある破損したステンレス製カバーの化学組成を分析した結果、そのP元素の含有量が高品質な鋼材としての要件を満たしていることがわかった；しかし、S元素の含有量が高く、S含有量の過剰はこの耐熱鋼の性能に甚大な悪影響を及ぼし、材料の熱脆性を引き起こしたり、高温での持続強度が低下したりして、カバープレートの使用寿命に影響を与える可能性があります。 ③力学的性質の分析 熱電対カバーの力学的性質の分析は、主に引張試験などを通じて、材料の実際の力学的性質が規格で定められた基準値を満たしているかどうかを確認するものである。文献によると、20Cr25Ni20からなるある熱電対カバーの力学的性質の分析結果では、そのカバーの引張強度は材料の規格性能要件を満たしている一方で、塑性は20Cr25Ni20鋼の要求値を下回っており、引張試験後の試料にはある程度の塑性変形が見られた。 ④金属組織分析 熱電対カバーの破断に関する金属組織分析では、通常、破断面、溶接部、接合部から金属組織のサンプルを採取し、研摩・研磨した後、適切な比率のシュウ酸溶液でエッチングを行い、顕微鏡下でその金属組織を観察して、基材の組織タイプや溶接部の融合状態などを判断する。図4に示すある熱電対カバーの金属組織の顕微写真によると、分析の結果、基質組織内に炭化物粒子が多数存在していることがわかった。これは、このカバー材料の炭素含有量が非常に高いことを示している。さらに詳しく分析すると、炭化物の数だけでなく、その分布も明らかな帯状を呈しており、これは鋼材の性能に直接的な悪影響を及ぼし、材料に異方性を引き起こす原因となる。さらに、硬度試験の結果、多数の炭化物粒子相の析出により熱電対カバー材が著しく硬化したことが確認された。 http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051711177149.png 図4 熱電対カバー管の金属組織顕微写真 ⑤走査型電子顕微鏡による分析 走査型電子顕微鏡による分析とは、一般的に金属組織分析を基礎として、走査型電子顕微鏡を用いて破面の微細な形状をさらに観察・分析するものである。分析の必要性に応じて、通常は複数の異なる倍率で観察を行い、き裂の発生位置や進展方向、進展領域の大きさ、瞬間的な破断領域の形状、および破面の特徴を把握し、それによってカバー管の破断原因を評価するための重要なステップとなる。 ⑥腐食評価分析 腐食評価分析は必須のオプションではなく、腐食によって生じたと思われる明らかな腐食斑点があり、それが原因でケーシングが破断した場合にのみ、腐食評価を行う必要があります。また、破断後の処理が長期間行われず、破面に明らかな酸化物が見られる熱電対カバーについても、腐食に関する分析が行われることがある。 ⑦モード解析では、熱電対カバーの破断は多くの場合、強い振動や共鳴によって引き起こされるため、モード解析が用いられることがあります。モード解析には、現場でのモード試験を行う方法もあれば、有限要素法によるモード解析のシミュレーション研究を行う方法もあります。その目的は、構造物や流体の各階の固有振動数を特定することであり、特に振動の影響が大きい低階の固有振動数については、構造物と流体の固有振動数が同じか近い値にならないようにしなければなりません。 ⑧数値シミュレーション解析 モード解析において言及される、ANSYSなどの有限要素解析ソフトウェアを用いたモード解析も数値シミュレーション解析の範疇に属するが、熱電対カバーの破壊については計算流体力学的手法（すなわちCFD法）に基づいて研究が行われることも多い。例えば、ある論文では大渦モデリング法を用いて管内流れが熱電対カバーに与える影響について数値シミュレーションを行い、熱電対カバーが受ける力の状況を算出した。そしてその結果をさらに分析することで、熱電対カバーが受ける力を軽減するための有効な対策を提案している。 3、熱電対カバーの破断原因 熱電対カバーが破断する原因は多種多様であり、実際の状況もそれぞれ異なる可能性があります。昌晖計器は、現地調査や実務経験、関連資料をもとに、よく見られる破断原因をまとめました：①溶接欠陥 熱電対カバーの破断位置を統計した結果、溶接部およびその周辺が破断が多発する領域であり、これは主に溶接欠陥に起因しています。ある研究では、減圧転油ライン用の熱電対カバーの破断原因を分析する際、溶接品質が悪いことや熱影響部の組織が不均一であること、さらにカバーの溶接における噛み込み欠陥によって外壁の根元部分に不純物が偏在し、微細組織にも緩みや空洞などの欠陥が生じると指摘している。これらの要因により、強い衝撃荷重が作用するとき裂が発生し急速に拡大し、最終的に熱電対カバーが破断して機能しなくなるのである。 ②カバーチューブの振動：熱電対用カバーチューブを接続する主管路には通常、流体が満たされている。もし流体の密度が高く、流速が速すぎて乱流状態になると、カバーチューブの周囲で渦が発生する。この渦がカバーチューブの両側から周期的に離脱する際、カバーチューブに周期的に変動する揚力と抗力が生じ、それによって管内の圧力分布が絶えず変化する。また、カバーチューブに作用する流体の圧力や方向も絶えず変わり、最終的に管路の振動を引き起こす。流体の加振周波数がカバーの固有周波数に近い、あるいは同じになると、共振が発生する。強い共鳴が生じると、カバー管内に周期的な交番応力が発生する。長期間にわたって大きな交番応力を受け続けるカバー管では、応力が特に大きい部分で疲労破壊が起こる。 ③腐食による剥離 熱電対のカバーは、高温・高圧・高湿度といった過酷な環境や、強い腐食性を持つ媒体の中に常に置かれているため、腐食によって破断し機能しなくなることもよくあります。腐食の中には肉眼で直接観察できるものもあれば、金属組織学的分析を行わないと発見できないものもあります。例えば粒界腐食の場合、粒界腐食が起きている部分は疲労破壊のきっかけとなる亀裂の発生源にもなりがちです。 ④カバー管の材質選定が不適切である。熱電対用カバー管は、材料の強度や過酷な環境に対する耐性などが高く求められる。一般的に、材質選定の誤りによってカバー管が破損するケースには3つあり、1つ目は材料が関連する規格の要求を全く満たしていないことである；二つ目は、実際に使用される材料が設計時に選定された材料と一致しないことです（これは化学組成分析でよく見られる問題であり、化学組成分析を行う理由の一つでもあります）；三つ目は、材料選定において強度への影響が重視され、高温高圧耐性や耐腐食性などの考慮が欠けているか、またはこれらの要因がもたらす長期的な影響が考慮されていないことである。 ⑤熱電対の取り付け位置が不適切である場合、熱電対のカバーが破損する位置がエルボー、スリット板、テーパーホース、バルブなどの部品の近くにある場合、それはおそらく熱電対の取り付け位置が不適切だからでしょう。これらの場所は振動力やエネルギーが集中しやすい領域です。したがって、温度測定や制御に必要でない限り、熱電対の取り付け位置はできるだけこれらの領域を避けるべきです。 ⑥熱電対の取り付け方法が不適切な場合、熱電対カバーを配管に垂直に取り付けると、その応力状態は片持ち梁モデルに簡略化できる。破断は一般的にカバーと主管路の接続部で発生し、この領域は片持ち梁の根元にあたり、最も大きな応力がかかる部分であり、応力集中が生じやすい箇所でもある。したがって、傾斜して取り付けても使用要件を満たせる熱電対の場合は、一定の角度で傾けて取り付けることができる。さらに、熱電対カバーが主管路内に入る長さも破断に影響を与える重要な要因であり、適切に選定する必要がある。 本稿では、熱電対カバーの破断故障の解析方法や、一般的な破断原因について解説しています。引き続き、「熱電対カバーの破断を防ぐための対策とは？」という記事もご覧ください。 著者：ユアン・ウェイ、ヤン・ジーロン