特許 6819151 積層構造物の余寿命推定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6819151

(24)【登録日】2021年1月6日

(45)【発行日】2021年1月27日

(54)【発明の名称】積層構造物の余寿命推定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/08 20060101AFI20210114BHJP

   G01N 17/00 20060101ALI20210114BHJP

【ＦＩ】

   G01N3/08

   G01N17/00

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-171837(P2016-171837)

(22)【出願日】2016年9月2日

(65)【公開番号】特開2018-36219(P2018-36219A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2019年8月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003687

【氏名又は名称】東京電力ホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100179833

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 将尚

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】山中 淳平

【審査官】 萩田 裕介

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−３３１５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３０８０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３９４８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ３／００ − ３／６２

Ｇ０１Ｎ １７／００ −１９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに接着された複数の薄層を含む積層構造物の少なくとも一部を用いて複数の試験片を作製する工程と、
前記試験片のうち、第１の温度条件で加熱処理するものを第１の試験片として、複数の前記第１の試験片に対して各々異なる加熱時間を設定し、前記加熱時間が経過した後に、それぞれの第１の前記試験片を前記薄層の積層方向の両端で支持して前記薄層が破断する引張強度を測定する引張試験と、破断した前記薄層を接着して第１の前記試験片を再調製する試験片修復とを繰り返し実行し、第１の前記試験片が最初に破断する引張強度を加熱時間別に導出する第１試験工程と、
前記第１の温度条件とは異なる第２の温度条件で加熱処理する試験片を第２の前記試験片として、前記加熱時間が経過した後に、それぞれの第２の前記試験片に対して前記引張試験と前記試験片修復とを繰り返し実行し、第２の前記試験片が最初に破断する引張強度を加熱時間別に導出する第２試験工程と、
前記第１試験工程及び前記第２試験工程の結果に基づき、加熱温度と、前記試験片が最初に破断する引張強度が閾値を下回る加熱時間との関係を導出する工程と、を含む、積層構造物の余寿命推定方法。

【請求項2】

前記第１試験工程及び前記第２試験工程において、
最初に前記引張試験に供する前記試験片が破断していた場合に、破断箇所の数を前記薄層の最初の破断回数として計上し、前記試験片の修復を行った後、前記引張試験と前記試験片修復とを繰り返し実行する、請求項１に記載の積層構造物の余寿命推定方法。

【請求項3】

前記積層構造物が、コンデンサブッシング用のコンデンサコアである、請求項１又は２に記載の積層構造物の余寿命推定方法。

【請求項4】

前記積層構造物が、樹脂層が積層された三次元造形物である、請求項１又は２に記載の積層構造物の余寿命推定方法。

【請求項5】

前記積層構造物が、複数の板材と複数のゴム層とが交互に複数積層された積層ゴム部材である、請求項１又は２に記載の積層構造物の余寿命推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層構造物の余寿命推定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の層が相互に接着された積層構造物は、経年劣化や使用状況により積層の境界が剥離し、強度や機能が低下することがある。
例えば、変圧器ブッシングの一種であるレジン塗工紙コンデンサブッシングは、フェノール樹脂を塗布した絶縁紙を、金属箔と交互に積層しながら同軸に巻き固めた構造を有する。この種のブッシングでは、フェノール樹脂の経時的な劣化により絶縁紙に剥離を生じ、絶縁性の低下により製品寿命に達する。ブッシングの劣化診断方法としては、コアの外周部に電極を取り付け、誘電正接、静電容量、絶縁抵抗を測定することで劣化度を診断する方法が知られている（特許文献１参照）。
また、積層品の劣化診断方法として、硬度と機械強度との関係に基づいて硬度測定値から劣化度合を診断する方法も知られている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平３−２７７９５１号公報

【特許文献2】特開平６−３３１５２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１記載の方法では、ブッシングの性能の劣化状態を診断することは可能であるものの、診断対象のブッシングの余寿命を推定することはできなかった。
特許文献２記載の方法では、繰り返し引張疲労強度を測定することにより機械強度と硬度との関係を算出しており、積層構造の剥離に起因する劣化を推定することはできなかった。

【0005】

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、積層構造の剥離に起因する劣化の発生を適切に推定でき、積層構造物の余寿命を簡便に推定することができる方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明における一態様の積層構造物の余寿命推定方法は、互いに接着された複数の薄層を含む積層構造物の少なくとも一部を用いて複数の試験片を作製する工程と、第１の前記試験片を第１の温度条件で加熱処理し、所定の加熱時間が経過する毎に、前記試験片を前記薄層の積層方向の両端で支持して前記薄層が破断する引張強度を測定する引張試験と、破断した前記薄層を接着して前記試験片を再調製する試験片修復とを繰り返し実行し、前記加熱時間毎に前記試験片が最初に破断する引張強度を導出する第１試験工程と、第２の前記試験片を、前記第１の温度条件とは異なる第２の温度条件で加熱処理し、所定の加熱時間が経過する毎に、前記引張試験と前記試験片修復とを繰り返し実行し、前記加熱時間毎に前記試験片が最初に破断する引張強度を導出する第２試験工程と、前記第１試験工程及び前記第２試験工程の結果に基づき、加熱温度と、前記試験片が最初に破断する引張強度が閾値を下回る加熱時間との関係を導出する工程と、を含む。

【0007】

また、本発明における一態様の積層構造物の余寿命推定方法において、前記第１試験工程及び前記第２試験工程において、最初に前記引張試験に供する前記試験片が破断していた場合に、破断箇所の数を前記薄層の最初の破断回数として計上し、前記試験片の修復を行った後、前記引張試験と前記試験片修復とを繰り返し実行する方法としてもよい。

【0008】

また、本発明における一態様の積層構造物の余寿命推定方法において、前記積層構造物が、コンデンサブッシング用のコンデンサコアである方法としてもよい。

【0009】

また、本発明における一態様の積層構造物の余寿命推定方法において、前記積層構造物が、樹脂層が積層された三次元造形物である方法としてもよい。

【0010】

また、本発明における一態様の積層構造物の余寿命推定方法において、前記積層構造物が、複数の板材と複数のゴム層とが交互に複数積層された積層ゴム部材である方法としてもよい。

【発明の効果】

【0011】

上記した積層構造物の余寿命推定方法によれば、積層構造の剥離に起因する劣化の発生を適切に推定でき、積層構造物の余寿命を簡便に推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る積層構造物の余寿命推定方法の処理を示すフローチャート。

【図2】本発明に係る積層構造物として変圧器ブッシングの一部を示す斜視図である。

【図3】積層構造物の一部から試験片を作製する工程を説明するための図。

【図4】（ａ）〜（ｅ）は、第１試験工程を説明するための図。

【図5】引張試験の結果を示すグラフ。

【図6】実破断回数を考慮した１回目破断応力の推定（温度：７０℃一定）を示すグラフ。

【図7】表１に示した応力に関し、試験片の温度（５０℃，７０℃，８０℃）及び加熱時間（２０００ｈ，４０００ｈ）をパラメーターとして求めたアレニウス曲線を示す図。

【図8】変圧器ブッシングの寿命評価を推定するための図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0014】

［積層構造物の余寿命推定方法］
本発明では、積層構造物として変圧器ブッシングの余寿命を推定する。

【0015】

図１は、本発明の一実施形態に係る積層構造物の余寿命推定方法の処理を示すフローチャートである。図２は、本発明に係る積層構造物として変圧器ブッシングの一部を示す斜視図である。図３は、変圧器ブッシングの一部から試験片を作製する工程を説明するための図である。図４（ａ）〜（ｅ）は、第１試験工程を説明するための図である。

【0016】

図１に示す余寿命推定方法では、まず、変圧器ブッシングの少なくとも一部を用いて、処理に用いる複数の試験片を作製する（ステップＳ１）。変圧器ブッシング（積層構造物）１は、中心導体１２と、電極が形成された絶縁紙（薄層）１４にフェノールレジンを塗布したものを中心導体１２の外周に同心状に巻き上げたコンデンサコア１６と、を備えた積層構造のレジン塗工紙コンデンサからなる。

【0017】

ここでは、互いに接着された複数の絶縁紙１４を含む変圧器ブッシング１を、その軸方向に交差する方向に切断して所定の厚さで輪切り加工を行い、図２に示すような試料１８を作製する。さらに図３に示すように、試料１８のうち、中心導体１２及びコンデンサコア１６の軸回りにおける所定領域を径方向へ切り出すことで、互いに接着された絶縁紙１４の積層方向に長さを有する棒状の試験片２０を複数作製する。本実施形態では、第１の試験片２０Ａ，２０Ｂ、第２の試験片２０Ｃ，２０Ｄ、第３の試験片２０Ｅ，２０Ｆをそれぞれ５つずつ用意する。

【0018】

次に、複数の試験片を加熱劣化させて引張試験を行うために、各試験片２０Ａ〜２０Ｆをそれぞれ５つずつ、互いに異なる温度及び時間で加熱する。本実施形態では、所定の温度にて強制的に劣化させた各試験片に対して引張試験を行うことで、各試験片２０Ａ〜２０Ｆの破断応力をそれぞれ測定する。

【0019】

１．第１試験工程
１−１．（第１の試験片２０Ａ：設定温度「５０℃」、加熱時間「２０００ｈ」）
先ず、５つの第１の試験片２０Ａに対する引張試験を実施する。
作製した複数の試験片２０のうち、第１の試験片２０Ａを５つ加熱処理装置内に入れ、第１の温度条件である５０°に設定して加熱処理を行う（ステップＳ２）。

【0020】

複数の第１の試験片２０Ａの加熱処理が加熱時間「２０００ｈ」を経過したところで（ステップＳ３）、加熱処理装置から５つの第１の試験片２０Ａを取り出して各第１の試験片２０Ａに破断（絶縁紙１４間の剥離）が生じていないかをそれぞれ確認する（ステップＳ４）。

【0021】

上述した試験片を作製する工程において、切断時の振動等によって互いに接着されていた絶縁紙１４どうしの界面剥離が生じて試験片が破断している場合があることから、ここでは、加熱処理装置から取り出した第１の試験片２０Ａに破断が生じていないかどうかを確認する。第１の試験片２０Ａに破断が生じていた場合には、破断面に接着材を塗布して剥離した絶縁紙１４どうしを接着して試験片を再調製する修復を行う（ステップＳ４１）。１つの試験片内における破断箇所は１箇所に限られず複数箇所存在する場合があるが、その場合は全ての破断箇所の修復を行う。

【0022】

一方、加熱処理装置から取り出した時点で第１の試験片２０Ａに破断が確認されなければ、図４（ａ）に示すような引張試験機２に第１の試験片をセットし、引張試験を実施する（ステップＳ５）。引張試験では、第１の試験片２０Ａの両端（絶縁紙１４の積層方向における両端）を各引張試験用治具２１，２２にて支持し、引張強度を測定する。このとき、第１の試験片２０Ａの両端を引張試験用治具２１，２２にそれぞれ接着材を介して取り付ける。そして、固定治具２１に対して可動治具２２を一方向へ引くことで（ステップＳ５１）、第１の試験片２０Ａに対して絶縁紙１４の積層方向に引張応力が負荷される。第１の試験片２０Ａが破断するまで引張応力を高めていき、図４（ｂ）に示すように第１の試験片２０Ａが破断したときの破断応力を測定する。その後、図４（ｃ）に示すように破断面（界面剥離した絶縁紙１４の表面）に接着材を塗布し、破断箇所を修復する（ステップＳ５２）。続けて、図４（ｄ）に示すように、修復した第１の試験片２０Ａに対して再び引張試験を実施し、図４（ｅ）に示すように、第１の試験片２０Ａが再び破断したときの破断応力を測定する。２回目の引張試験における破断箇所は、１回目の引張試験における修復箇所とは異なる箇所である。

【0023】

このように、引張試験と修復作業を予め設定した回数まで繰り返し実行する。本例では一旦破断した箇所を修復して完全に接着したのちに引張試験を実行し、１つの試験片に対して合計８回以上の引張試験を繰り返し実施した。このようにして、他の４つの第１の試験片２０Ａに対しても同様の引張試験を実施する。

【0024】

１−２．（第１の試験片２０Ｂ：設定温度「５０℃」、加熱時間「４０００ｈ」）
次に、５つの第１の試験片２０Ｂに対する引張試験を実施する。
第１の試験片２０Ｂを第１の温度条件である５０°で加熱し、加熱処理が加熱時間「４０００ｈ」を経過したところで、加熱処理装置内から５つの第１の試験片２０Ｂを取り出し、破断の有無を確認する。破断があった場合は修復してから引張試験を行い、破断していない場合にはそのまま引張試験を実施する。先に述べた第１の試験片２０Ａのときと同様に引張試験をそれぞれ実行し、各第１の試験片２０Ｂに対してそれぞれ合計８回以上の引張試験を繰り返し実施する。
このようにして、加熱時間毎に第１の試験片２０Ａ，２０Ｂについて破断するときの引張強度を計測する。

【0025】

２．第２試験工程
２−１．（第２の試験片２０Ｃ：設定温度「７０℃」、加熱時間「２０００ｈ」）
次に、５つの第２の試験片２０Ｃに対する引張試験を実施する。
第２の試験片２０Ｃを第２の温度条件である７０°で加熱し、加熱処理が加熱時間「２０００ｈ」を経過したところで、加熱処理装置内から５つの第２の試験片２０Ｃを取り出し、破断の有無を確認する。破断があった場合は修復してから引張試験を行い、破断していない場合にはそのまま引張試験を実施する。先に述べた第１の試験片２０Ａのときと同様に引張試験をそれぞれ実行し、各第２の試験片２０Ｃに対してそれぞれ合計８回以上の引張試験を繰り返し実施する。

【0026】

２−２．（第２の試験片２０Ｄ：設定温度「７０℃」、加熱時間「４０００ｈ」）
次に、５つの第２の試験片２０Ｄに対する引張試験を実施する。
第２の試験片２０Ｄを第２の温度条件である７０°で加熱し、加熱処理が加熱時間「４０００ｈ」を経過したところで、加熱処理装置内から５つの第２の試験片２０Ｄを取り出し、第１試験工程と同様にこれ以降の処理をそれぞれ実行し、各第２の試験片２０Ｄに対して合計８回以上の引張試験を繰り返し実施する。
このようにして、加熱時間毎に第２の試験片２０Ｃ，２０Ｄについて破断するときの引張強度を計測する。

【0027】

３．第３試験工程
３−１．（第３の試験片２０Ｅ：設定温度「８０℃」、加熱時間「２０００ｈ」）
次に、５つの第３の試験片２０Ｅに対する引張試験を実施する。
第３の試験片２０Ｅを第３の温度条件である８０°で加熱し、加熱処理が加熱時間「２０００ｈ」を経過したところで、加熱処理装置内から５つの第３の試験片２０Ｅを取り出し、第１試験工程と同様にこれ以降の処理をそれぞれ実行し、各第３の試験片２０Ｅに対して合計８回以上の引張試験を繰り返し実施する。

【0028】

３．第３試験工程
３−２．（第３の試験片２０Ｆ：設定温度「８０℃」、加熱時間「４０００ｈ」）
第３の試験片２０Ｆを第３の温度条件である８０°で加熱し、加熱処理が加熱時間「４０００ｈ」を経過したところで、加熱処理装置内から５つの第３の試験片２０Ｆを取り出し、第１試験工程と同様にこれ以降の処理をそれぞれ実行し、各第３の試験片２０Ｆに対して合計８回以上の引張試験を繰り返し実施する。
このようにして、加熱時間毎に第３の試験片２０Ｅ，２０Ｆについて破断するときの引張強度を計測する。

【0029】

全ての試験片に対する引張試験が終了し、加熱処理装置内の試験片が全てなくなると、加熱処理が終了したと判断し（ステップＳ６）、加熱処理を終了する（ステップＳ７）。

【0030】

［引張試験結果］
図５は、引張試験の結果を示すグラフであって、引張試験の回数と最大応力との関係を示す。なお、図５では、一例として、加熱温度７０℃、加熱時間４０００ｈで加速劣化させた５つの試験片の各々に対して行った複数回の引張試験のうち、１回目から８回目までの試験結果（回数と最大応力との関係）と、その平均を示している。図５に示すように、引張試験の回数とともに最大応力（引張強さ）が増加する傾向にあることを確認できた。また、加熱温度及び加熱時間が異なる他のパラメーターの試験片に対する引張試験の結果も同様の傾向であることを確認できた。

【0031】

［余寿命評価］
次に、各試験片による引張試験結果をもとに余寿命評価を行う。
強制的に加熱劣化させていない初期（常温）の試験片に対する引張試験結果を「初期」として示し、各加熱温度（５０℃，７０℃，８０℃）における加熱時間が２０００ｈの各試験片における引張試験の平均の結果と、各温度（５０℃，７０℃，８０℃）における加熱時間が４０００ｈの各試験片における引張試験の平均の結果と、それぞれ比較した。

【0032】

以下では、一例として、加熱温度７０℃で加速劣化させた試験片に対する試験結果をもとに比較を行った。
図６は、実破断回数を考慮した１回目破断応力の推定（温度：７０℃一定）を示すグラフである。同図において、縦軸に最大応力を示し、横軸に実破断回数を示す。本実施形態では、試験片作製途中に生じたと思われる初期状態の試験片における破断箇所を、絶縁紙１４間の最初の破断回数として加えたものを、実破断回数として整理を行った。例えば、引張試験前の初期状態（常温）で試験片に破断した箇所が２箇所あった場合には、２回の破断があったものとして引張試験の破断回数にカウントする。

【0033】

図６に示すように、初期の試験片では、試験片作製後に破断箇所が１箇所存在したことから、引張試験を１回実施したものとみなし、合計１０回の引張試験を実施した結果を示した。加熱時間が２０００ｈの試験片及び加熱時間が４０００ｈの試験片では、それぞれ、各試験片の作製後に破断箇所が３箇所存在したことから、各試験片ともに、引張試験をそれぞれ３回実施したものとみなし、合計８回以上の引張試験を実施した結果をそれぞれ示した。

【0034】

図６に示す結果から、実破断回数（１１回）と最大応力（試験片５つの平均）との関係は、加熱時間に関わらず、実破断回数が増えるほど応力が大きくなり、引張強度が高まる傾向が見られる。

【0035】

また、図６に示した近似曲線の推移から、初期の試験片が１回目に破断する応力を推定できる。この初期の試験片が１回目に破断する応力を基準応力σ［Ｎ／ｃｍ^２］とする。

【0036】

加熱時間が２０００ｈの試験片においても、実破断回数（９回）と最大応力（試験片５つの平均）との関係は、実破断回数が増えるほど最大応力が大きくなり、引張強度が高まる傾向が見られる。近似曲線の推移から、７０℃、２０００ｈで加速劣化させた試験片が１回目に破断する応力は、基準応力σと比べると０．７８σ［Ｎ／ｃｍ^２］程度であると推定できる。

【0037】

加熱時間が４０００ｈの試験片においても、実破断回数（８回）と最大応力（試験片５つの平均）との関係は、実破断回数が増えるほど最大応力が大きくなり、引張強度が高まる傾向が見られる。近似曲線の推移から、７０℃、４０００ｈで加速劣化させた試験片が１回目に破断する応力は、基準応力σと比べると０．６２σ［Ｎ／ｃｍ^２］程度であると推定できる。

【0038】

表１は、加熱温度及び加熱時間と１回目の破断応力との関係を示す表である。
表１から、加熱温度が高く且つ加熱時間が長いほど破断応力が低下する傾向が見られた。

【0039】

【表1】

【0040】

図７は、表１に示した応力に関し、試験片の温度（５０℃，７０℃，８０℃）及び加熱時間（２０００ｈ，４０００ｈ）をパラメーターとして求めたアレニウス曲線を示す図である。実破断回数が１回目の破断応力と破断時間との関係を加熱時間（初期，２０００ｈ，４０００ｈ）ごとに示す。ここでは、破断応力の初期値σ［Ｎ／ｃｍ^２］に対して、初期値の３０％を閾値（製品寿命と判断される破断応力）としている。閾値は初期値の３０％に限られず、実際に劣化が生じたものから採取した試験片の測定結果から設定する。

【0041】

次に、表１に基づいて近似曲線を作成し、加熱時間ごとに閾値を下回るまでにかかる時間を推定する。

【0042】

加熱温度５０℃で加速劣化を行った試験片の場合、表１のデータに基づいて作成した近似曲線から、１０００００時間を経過する少し前に閾値以下に低下すると推測される。加熱温度７０℃で加速劣化を行った試験片の場合、表１のデータに基づいて作成した近似曲線から、略１００００時間を経過したときに閾値以下に低下すると推測される。加熱温度８０℃で加速劣化を行った試験片の場合、表１のデータに基づいて作成した近似曲線から、略８０００時間を経過したときに閾値以下に低下すると推測される。

【0043】

このように、上述した第１試験工程、第２試験工程及び第３試験工程の結果に基づいて、加熱温度と、各試験片が最初に破断する引張強度が閾値を下回る加熱時間との関係を導出する。

【0044】

図８は、変圧器ブッシングの寿命評価を推定するための図である。
ここでは、図７において推測される閾値応力を低下する時間と加熱温度との関係から寿命推定線を作成し、変圧器ブッシングを所定の温度で使用した場合に寿命になる年数を推定する。
図８に示すように、２５℃で使用した場合には、使用寿命が３８００００時間程度（約４３年）になると推定される。これに対し、４０℃で使用した場合には、使用寿命が１７５０００時間程度（約２０年）になると推定される。さらに、５０℃で使用した場合には１３００００時間程度（約１５年）、７０℃で使用した場合には５５０００時間程度（約６年）、８０℃で使用した場合には２５０００時間程度（約３年）が寿命であると推定される。

【0045】

本実施形態の余寿命推定方法によれば、試験片の引張試験を繰り返し実施して実破断回数が１回目のときの接着力を把握することによって、積層構造物である変圧器ブッシュの強度評価を行うことができる。１つの試験片に対して複数回の引張試験を実施することにより、試験片内で弱い部分から順に破断していくことから、最も弱い部分の強度を知ることができる。変圧器ブッシングの強度低下の傾向を把握することで、経時的な劣化を診断し、使用環境の温度においてあと何年間に亘って使用可能か余寿命を推定することができる。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明の積層構造物の余寿命推定方法により、変圧器ブッシングの他に、樹脂層が積層された三次元造形物（３Ｄプリンタ）や、複数の板材と複数のゴム層とが交互に複数積層された積層ゴム部材など、積層界面の剥離により製品寿命となるような積層構造物の余寿命評価を行うことができる。

【符号の説明】

【0047】

１…変圧器ブッシング（積層構造物）、１４…絶縁紙（薄層）、１６…コンデンサコア、２０…試験片

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】