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クリープ・疲労解析による燃料電池発電用改質器の寿命予測

目的

燐酸型燃料電池発電等に使用される改質器(リフォーマ)では最高温度が800℃以上になる上、WSS運転(Weekly Start-up and Shut-down)による温度変動と圧力変動が繰り返されるため、改質管等の耐熱構造部材には疲労、クリープ、ラチェットの相互作用が問題となる。そこで有限要素法による構造解析と改質管材料のクリープ・疲労特性を用いて改質器の寿命を算定し、材料変更による長寿命化の可能性を検討した。

方法

・有限要素法による熱伝導および弾塑性クリープ解析により運転に伴う改質管の温度、応力-歪履歴を求め、これから1サイクル中の分割歪成分とラチェット歪成分を算出した(図1,2)。
・材料の設計疲労寿命線図の取得にはMansonの歪範囲分割法を適用した(図3)。
・また寿命推定にはラチェット変形による延性消耗も考慮した。

試験装置・ソフト

FEM解析: 非線形汎用構造解析コードABAQUS
疲労試験装置: 高周波加熱式油圧サーボ疲労試験機

結果

・有限要素法による弾塑性クリープ解析によって改質器の応力-歪履歴を求め、これから寿命計算に必要な、各非弾性歪範囲とラチェット歪を分割した(図2)。
・歪範囲分割法により各種改質管材料のクリープ・疲労重畳条件下での設計疲労寿命曲線を求め、選定すべき材料の絞り込みができた(図3)。
・設計疲労寿命曲線(図3)と有限要素法から得られた分割歪(図2)から改質器の寿命を推定した。現用および改良材について同様の解析を行うことによって、変形が少なく寿命の長い改質管材料が明らかになった。

お客様の成果

燃料電池発電用改質器の開発にあたり、現用材により設計寿命を確保できること、更に改良材料の使用によって機能と寿命が更に向上することが明らかなり、燃料電池発電プラントの商用化に向けて前進した。

イメージ ※クリックすると拡大します。

  • 図1 改質管の図および使用温度・圧力条件
  • 図2 改質管内表面の相当応力・相当歪ヒステリシス線図
  • 図3 歪範囲分割法に基づく改質管改良材料の低サイクル疲労寿命線図

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