特許 7409865 材料の残存寿命を推定する方法および装置

(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】

(24)【登録日】2023-12-25

(45)【発行日】2024-01-09

(54)【発明の名称】材料の残存寿命を推定する方法および装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 17/00 20060101AFI20231226BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20231226BHJP

   G01N 33/2045 20190101ALI20231226BHJP

   G01N 23/2055 20180101ALI20231226BHJP

   G01N 23/203 20060101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

G01N17/00

G01M99/00 Z

G01N33/2045 100

G01N23/2055 310

G01N23/203

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019232532

(22)【出願日】2019-12-24

(65)【公開番号】P2021101162

(43)【公開日】2021-07-08

【審査請求日】2022-12-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100174089

【弁理士】

【氏名又は名称】郷戸 学

(74)【代理人】

【識別番号】100186749

【弁理士】

【氏名又は名称】金沢 充博

(72)【発明者】

【氏名】早房 敬祐

(72)【発明者】

【氏名】中本 浩章

【審査官】佐々木 創太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－３２７４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８５６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１３５８０９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ １７／００－１９／１０

２３／００－２３／２２７６

３３／００－３３／４６

Ｆ０４Ｄ １／００－１３／１６

１７／００－１９／０２

２１／００－２５／１６

２９／００－３５／００

Ｇ０１Ｍ １３／００－１３／０４５

９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

目標材料の残存寿命を推定する方法であって、
前記目標材料の損傷評価値を測定し、
前記目標材料の損傷評価値に対応する寿命指標値を損傷カーブから決定する工程を含み、
前記損傷カーブは、前記目標材料と同じ材料からなる試料の、異なるキャビテーション時間での複数の損傷評価値と、対応する複数の寿命指標値とから特定される複数のデータ点から定められた近似線であり、
前記複数の寿命指標値は、前記異なるキャビテーション時間から、前記試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点までの時間長さを評価する指標である、方法。

【請求項2】

前記損傷評価値は、算術平均粗さ、結晶粒変形量、およびＸ線回析環の相対半値幅のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記試料の表面に接触する液体内でキャビテーションを発生させ、
前記試料の損傷評価値を測定し、
前記試料のキャビテーション壊食が起こるまで、前記キャビテーションを発生させる工程と、前記試料の損傷評価値を測定する工程を繰り返して、前記異なるキャビテーション時間での前記複数の損傷評価値を取得し、
前記複数の寿命指標値を前記複数の損傷評価値に割り当て、
前記複数の損傷評価値と、対応する前記複数の寿命指標値とから特定される複数のデータ点の近似線である前記損傷カーブを生成する工程をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記異なるキャビテーション時間を、前記試料のキャビテーション壊食開始時間で割り算することで、前記複数の寿命指標値を算定する工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

目標材料の残存寿命を推定するためのモニタリング装置であって、
前記目標材料の損傷評価値を測定する測定装置と、
損傷カーブが記憶された記憶装置を有する演算システムを備え、
前記演算システムは、前記目標材料の損傷評価値に対応する寿命指標値を前記損傷カーブから決定するように構成され、
前記損傷カーブは、前記目標材料と同じ材料からなる試料の、異なるキャビテーション時間での複数の損傷評価値と、対応する複数の寿命指標値とから特定される複数のデータ点から定められた近似線から構成され、
前記複数の寿命指標値は、前記異なるキャビテーション時間から、前記試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点までの時間長さを評価する指標である、モニタリング装置。

【請求項6】

前記測定装置は、算術平均粗さを測定する測定装置、結晶粒変形量を測定する測定装置、およびＸ線回析環の相対半値幅を測定する測定装置のうちのいずれか１つである、請求項５に記載のモニタリング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体を取り扱う液体ポンプなどの流体機械を構成する材料の残存寿命を推定する方法および装置に関し、特に材料のキャビテーション壊食が始まる時点までの期間を推定する方法および装置に関する。

【背景技術】

【0002】

液体ポンプなどの流体機械の運転中に、液体中にキャビテーションが起こることがある。キャビテーションは、液体の圧力低下に起因して気泡が液体中に生じ、液体の圧力上昇に伴って気泡が崩壊する現象である。気泡が崩壊するとき、強い衝撃圧が発生する。この衝撃圧が流体機械を構成する材料の表面に繰り返し作用すると、材料の表面が徐々に崩れ落ち、ついには材料に亀裂や穴が生じることがある。このようなキャビテーションに起因して材料の表面が崩れ落ちる現象は、キャビテーション壊食と呼ばれる。

【0003】

キャビテーション自体を抑えるための様々な技術は従来から提案されているが、キャビテーションを完全に無くすことは難しい。キャビテーション壊食が起こると、流体機械の性能が低下し、あるいは大きな振動または騒音が発生する。したがって、キャビテーション壊食が始まる前に、流体機械を点検または補修することが望ましい。

【0004】

図１１は、キャビテーション時間の経過に伴う壊食量の変化と、キャビテーション時間の経過に伴う壊食速度の変化を示すグラフである。図１１に示すように、壊食の進行は、（１）潜伏期、（２）加速期と最大加速期、（３）減速期と定常期、の３つに大きく分けられる。
潜伏期は、キャビテーション壊食が起こる前の期間である。潜伏期では、材料はキャビテーションの衝撃圧を受け続けるものの、損傷は材料内部に蓄積され、材料表面には現れない。具体的には、材料の塑性変形や結晶変化などが材料内で進行し、塑性変形の結果として凹凸が材料表面に生じることがあるが、材料の崩落は始まらない。
加速期は、キャビテーション壊食が発生し始め、壊食速度が急峻に上昇している期間である。最大加速期は、最大壊食速度でキャビテーション壊食が進んでいる期間である。
減速期は、壊食速度が徐々に低下する期間である。
定常期は、壊食速度がほぼ一定となる期間である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１３－２４９８０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

潜伏期では、キャビテーション自体は起こるものの、キャビテーション壊食は発生しない。したがって、潜伏期の終点、すなわち、キャビテーション壊食の開始点を予測し、必要に応じて材料の点検または補修をすることが望ましい。しかしながら、上述の通り、潜伏期では、衝撃圧に起因する損傷は材料内部に蓄積され、材料表面には現れない。このため、潜伏期の終点を予測することは難しい。

【0007】

そこで、本発明は、キャビテーション壊食が起こり始める時点までの期間である、材料の残存寿命を正確に予測することができる方法および装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

一態様では、目標材料の残存寿命を推定する方法であって、前記目標材料の損傷評価値を測定し、前記目標材料の損傷評価値に対応する寿命指標値を損傷カーブから決定する工程を含み、前記損傷カーブは、前記目標材料と同じ材料からなる試料の、異なるキャビテーション時間での複数の損傷評価値と、対応する複数の寿命指標値とから特定される複数のデータ点から定められた近似線であり、前記複数の寿命指標値は、前記異なるキャビテーション時間から、前記試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点までの時間長さを評価する指標である、方法が提供される。

【0009】

一態様では、前記損傷評価値は、算術平均粗さ、結晶粒変形量、およびＸ線回析環の相対半値幅のうちの少なくとも１つである。
一態様では、前記方法は、前記試料の表面に接触する液体内でキャビテーションを発生させ、前記試料の損傷評価値を測定し、前記試料のキャビテーション壊食が起こるまで、前記キャビテーションを発生させる工程と、前記試料の損傷評価値を測定する工程を繰り返して、前記異なるキャビテーション時間での前記複数の損傷評価値を取得し、前記複数の寿命指標値を前記複数の損傷評価値に割り当て、前記複数の損傷評価値と、対応する前記複数の寿命指標値とから特定される複数のデータ点の近似線である前記損傷カーブを生成する工程をさらに含む。
一態様では、前記方法は、前記異なるキャビテーション時間を、前記試料のキャビテーション壊食開始時間で割り算することで、前記複数の寿命指標値を算定する工程をさらに含む。

【0010】

一態様では、目標材料の残存寿命を推定するためのモニタリング装置であって、前記目標材料の損傷評価値を測定する測定装置と、損傷カーブが記憶された記憶装置を有する演算システムを備え、前記演算システムは、前記目標材料の損傷評価値に対応する寿命指標値を前記損傷カーブから決定するように構成され、前記損傷カーブは、前記目標材料と同じ材料からなる試料の、異なるキャビテーション時間での複数の損傷評価値と、対応する複数の寿命指標値とから特定される複数のデータ点から定められた近似線から構成され、前記複数の寿命指標値は、前記異なるキャビテーション時間から、前記試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点までの時間長さを評価する指標である、モニタリング装置が提供される。
一態様では、前記測定装置は、算術平均粗さを測定する測定装置、結晶粒変形量を測定する測定装置、およびＸ線回析環の相対半値幅を測定する測定装置のうちのいずれか１つである。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る方法および装置によれば、目標材料の損傷評価値と、同じ材料からなる試料の損傷カーブに基づいて、目標材料の残存寿命を正確に示す寿命指標値を決定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】モニタリング装置の一実施形態を示す模式図である。

【図2】算術平均粗さの定義を説明する図である。

【図3】目標材料と同じ材料からなる試料の算術平均粗さの、キャビテーション時間の経過に伴う変化を示すグラフである。

【図4】目標材料の算術平均粗さの測定値に対応する損傷カーブ上の寿命指標値を決定する工程を説明する図である。

【図5】目標材料と同じ材料からなる試料の結晶粒変形量の、キャビテーション時間の経過に伴う変化を示すグラフである。

【図6】目標材料の結晶粒変形量の測定値に対応する損傷カーブ上の寿命指標値を決定する工程を説明する図である。

【図7】目標材料と同じ材料からなる試料の相対半値幅の、キャビテーション時間の経過に伴う変化を示すグラフである。

【図8】目標材料の相対半値幅の測定値に対応する損傷カーブ上の寿命指標値を決定する工程を説明する図である。

【図9】損傷カーブを生成するときに使用されるキャビテーション発生装置の模式図である。

【図10】損傷カーブを用いて目標材料の残存寿命を推定する方法を説明するフローチャートである。

【図11】キャビテーション時間の経過に伴う壊食量の変化と、キャビテーション時間の経過に伴う壊食速度の変化を示すグラフである。

【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。
以下に説明する実施形態は、水などの液体を取り扱う液体ポンプなどの流体機械を構成する材料の残存寿命を推定する方法および装置に関する。以下、残存寿命を推定すべき材料を、目標材料と称する。目標材料は、キャビテーションが起きやすい流体機械の部位を構成する材料である。目標材料は、流体機械に着脱可能に取り付けられた部材であってもよい。キャビテーションが起きやすい部位の例としては、流体機械の液体吸込口、羽根車、羽根車を収容するケーシングなどが挙げられる。

【0014】

図１は、目標材料の残存寿命を推定するためのモニタリング装置の一実施形態を示す模式図である。モニタリング装置は、流体機械（例えば液体ポンプ）１の一部を構成する目標材料２の損傷評価値を測定する３つの測定装置５，６，７と、損傷評価値から目標材料２の残存寿命を決定する演算システム１０を備えている。損傷評価値は、キャビテーションに起因する目標材料２の損傷の程度を評価するための指標である。本実施形態では、損傷評価値として、算術平均粗さ、結晶粒変形量、およびＸ線回析環の相対半値幅の３つの指標が使用されている。

【0015】

３つの測定装置５，６，７は、目標材料２の算術平均粗さを測定する測定装置５と、目標材料２の結晶粒変形量を測定する測定装置６と、目標材料２のＸ線回析環の相対半値幅を測定する測定装置７を含む。一実施形態では、損傷評価値は、算術平均粗さ、結晶粒変形量、およびＸ線回析環の相対半値幅のうちのいずれか１つまたは２つであってもよい。この場合は、モニタリング装置は、３つの測定装置５，６，７のうちのいずれか１つまたは２つのみを備えてもよい。

【0016】

演算システム１０は、少なくとも１台のコンピュータを備えている。演算システム１０は、データベースおよびプログラムが格納された記憶装置１０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置１０ｂを備えている。記憶装置１０ａは、ＲＡＭなどの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。処理装置１０ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、演算システム１０の具体的構成はこれらの例に限定されない。

【0017】

測定装置５、測定装置６、および測定装置７によって測定された３つの損傷評価値は、自動または手動で演算システム１０に入力される。演算システム１０は、図示しない入力装置を有している。本実施形態では、測定装置５、測定装置６、および測定装置７は、有線通信または無線通信により演算システム１０に接続されている。一実施形態では、測定装置５、測定装置６、および測定装置７は、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信ネットワークにより演算システム１０に接続されてもよい。さらに、一実施形態では、測定装置５，６，７のうちの少なくとも１つ、あるいは測定装置５，６，７のいずれかの一部は、演算システム１０と一体に構成されてもよい。

【0018】

図２は、算術平均粗さの定義を説明する図である。図２に示すように、算術平均粗さは、ある基準面から凹凸までの差の絶対値の平均である。算術平均粗さを測定する装置の例としては、三次元表面形状測定装置が挙げられる。このような三次元表面形状測定装置は、市場で入手することが可能である。本実施形態の測定装置５は、三次元表面形状測定装置を少なくとも備えている。

【0019】

測定装置５は、目標材料２の算術平均粗さを直接または間接に測定するように構成されている。一例では、測定装置５は、目標材料２の表面をレーザ光で走査し、目標材料２の算術平均粗さを直接測定してもよい。他の例では、シリコーン樹脂などからなる粘性材料を目標材料２の表面に押し付けて、目標材料２の表面形状を粘性材料に転写し、転写された表面形状をレーザ光で走査し、目標材料２の算術平均粗さを間接的に測定してもよい。測定装置５によって生成された算術平均粗さの測定値は、演算システム１０に入力される。

【0020】

図３は、目標材料２と同じ材料からなる試料の算術平均粗さの、キャビテーション時間の経過に伴う変化を示すグラフである。図３の縦軸は試料の算術平均粗さを表し、横軸はキャビテーション時間と、後述する寿命指標値を表している。キャビテーション時間は、試料に接触している液体中にキャビテーションが発生している時間である。

【0021】

図３に示すグラフは、次のようにして作成した。試料の表面を水などの液体に接触させ、液体中にキャビテーションを発生させる（キャビテーション工程）。ある時間が経過した後、試料を液体から離し、試料の表面の算術平均粗さを測定装置５により直接または間接に測定する（表面粗さ測定工程）。測定後、試料の表面を再び液体に接触させ、液体中にキャビテーションを発生させる。キャビテーション工程と、表面粗さ測定工程は、試料にキャビテーション壊食が起こるまで繰り返される。これらの２つの工程は、試料のキャビテーション壊食が発生した後もさらに繰り返してもよい。結果として、異なるキャビテーション時間での算術平均粗さの複数の測定値が取得される。上記異なるキャビテーション時間は、キャビテーション時間軸に沿って等間隔または不等間隔で分布する。

【0022】

演算システム１０は、上記異なるキャビテーション時間と、試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時間（以下、キャビテーション壊食開始時間という）と、算術平均粗さの複数の測定値を記憶装置１０ａ内に記憶する。キャビテーション壊食開始時間は、キャビテーション壊食が起こり始めるまで、試料に接触している液体中にキャビテーションを起こし続けた累積時間に相当する。

【0023】

演算システム１０は、上記異なるキャビテーション時間をキャビテーション壊食開始時間で割り算することで、複数の寿命指標値を算定する。寿命指標値は、上記異なるキャビテーション時間から、試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点までの時間長さを評価する指標である。図３において時点ｔ１は、算術平均粗さの測定値の変化率が、所定のしきい値を下回った時点である。時点ｔｃは、試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点であり、試料のキャビテーション壊食開始時間に相当する。時点ｔｃに対応する寿命指標値は１である。

【0024】

図３の横軸の上段はキャビテーション時間を表し、下段は寿命指標値を表す。寿命指標値は、試料の残存寿命を表している。すなわち、寿命指標値が１に近いほど、試料の残存寿命は少ない。時点ｔ１に対応する寿命指標値は約０．３であり、これは試料の残存寿命の約３０％に達したことを示している。図３から分かるように、算術平均粗さは、キャビテーション時間とともに増加する。したがって、算術平均粗さは、キャビテーションに起因する材料の損傷の程度を示す損傷評価値として使用することができる。

【0025】

演算システム１０は、算定された複数の寿命指標値を、算術平均粗さの対応する複数の測定値にそれぞれ割り当てる。演算システム１０は、複数の寿命指標値を、算術平均粗さの対応する複数の測定値にそれぞれ関連付けた状態で、記憶装置１０ａに記憶する。さらに、演算システム１０は、図３に示すように、算術平均粗さの複数の測定値と、対応する複数の寿命指標値とにより特定される複数のデータ点ＤＰ１の近似線を生成し、この近似線からなる損傷カーブＣ１を決定する。より具体的には、演算システム１０は、算術平均粗さの複数の測定値と、対応する複数の寿命指標値とにより特定される複数のデータ点ＤＰ１を、算術平均粗さと寿命指標値を表す座標軸を持つ座標系（図３参照）上にプロットし、この座標系上の複数のデータ点ＤＰ１から定められた近似線からなる損傷カーブＣ１を生成する。演算システム１０は、損傷カーブＣ１を記憶装置１０ａ内に記憶する。

【0026】

演算システム１０は、測定装置５によって生成された目標材料２の算術平均粗さの測定値を損傷カーブＣ１に適用することにより、目標材料２の残存寿命を推定することができる。具体的には、図４に示すように、演算システム１０は、目標材料２の算術平均粗さの測定値Ｍ１に対応する損傷カーブＣ１上の寿命指標値Ｌ１を決定する。この決定された寿命指標値Ｌ１は、目標材料２の残存寿命を表している。すなわち、寿命指標値Ｌ１が１に近いほど、目標材料２の残存寿命は少ない。したがって、ユーザーは、寿命指標値Ｌ１から、目標材料２の残存寿命を知ることができる。

【0027】

次に、損傷評価値の他の１つである結晶粒変形量（ＭＣＤ（Modified Crystal Deformation）値）について説明する。結晶粒変形量は、材料を構成する結晶粒の全体の変形量を示す指標である。結晶粒変形量を測定することができる装置の例としては、電子線後方散乱回析装置（ＥＢＳＤ装置）が挙げられる。このような電子線後方散乱回析装置は、市場で入手することが可能である。本実施形態の測定装置６は、電子線後方散乱回析装置を少なくとも備えている。

【0028】

測定装置６は、目標材料２の結晶粒変形量を測定するように構成されている。一例では、測定装置６は、目標材料２の表面に電子線を照射し、目標材料２から放出される反射電子（後方散乱電子）の回析を分析して、目標材料２の結晶粒変形量を測定するように構成される。目標材料２は、流体機械１に着脱可能に取り付けられたダミー材料であってもよい。この場合は、結晶粒変形量を測定するために、ダミー材料からなる目標材料２を流体機械１から取り外してもよい。複数のダミー材料からなる複数の目標材料２を流体機械１に着脱可能に取り付け、結晶粒変形量を測定するために複数の目標材料２を１つずつ流体機械１から取り外してもよい。測定装置６によって生成された結晶粒変形量の測定値は、演算システム１０に入力される。

【0029】

図５は、目標材料２と同じ材料からなる試料の結晶粒変形量の、キャビテーション時間の経過に伴う変化を示すグラフである。図５の縦軸は試料の結晶粒変形量を表し、横軸はキャビテーション時間と、寿命指標値を表している。

【0030】

図５に示すグラフは、次のようにして作成した。試料の表面を水などの液体に接触させ、液体中にキャビテーションを発生させる（キャビテーション工程）。ある時間が経過した後、試料を液体から離し、試料の結晶粒変形量を測定装置６により測定する（結晶粒変形量測定工程）。測定後、試料の表面を再び液体に接触させ、液体中にキャビテーションを発生させる。キャビテーション工程と、結晶粒変形量測定工程は、試料にキャビテーション壊食が起こるまで繰り返される。これらの２つの工程は、試料のキャビテーション壊食が発生した後もさらに繰り返してもよい。結果として、異なるキャビテーション時間での結晶粒変形量の複数の測定値が取得される。上記異なるキャビテーション時間は、キャビテーション時間軸に沿って等間隔または不等間隔で分布する。

【0031】

演算システム１０は、上記異なるキャビテーション時間と、試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時間であるキャビテーション壊食開始時間と、結晶粒変形量の複数の測定値を記憶装置１０ａ内に記憶する。演算システム１０は、上記異なるキャビテーション時間をキャビテーション壊食開始時間で割り算することで、複数の寿命指標値を算定する。図５において時点ｔｃは、試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点であり、試料のキャビテーション壊食開始時間に相当する。時点ｔｃに対応する寿命指標値は１である。

【0032】

図５の横軸の上段はキャビテーション時間を表し、下段は寿命指標値を表す。寿命指標値は、試料の残存寿命を表している。すなわち、寿命指標値が１に近いほど、試料の残存寿命は少ない。図５から分かるように、結晶粒変形量は、キャビテーション時間とともに増加する。したがって、結晶粒変形量は、キャビテーションに起因する材料の損傷の程度を示す損傷評価値として使用することができる。

【0033】

演算システム１０は、算定された複数の寿命指標値を、結晶粒変形量の対応する複数の測定値にそれぞれ割り当てる。演算システム１０は、複数の寿命指標値を、結晶粒変形量の対応する複数の測定値にそれぞれ関連付けた状態で、記憶装置１０ａに記憶する。さらに、演算システム１０は、結晶粒変形量の複数の測定値と、対応する複数の寿命指標値とにより特定される複数のデータ点ＤＰ２の近似線を生成し、この近似線からなる損傷カーブＣ２を決定する。より具体的には、演算システム１０は、結晶粒変形量の複数の測定値と、対応する複数の寿命指標値とにより特定される複数のデータ点ＤＰ２を、結晶粒変形量と寿命指標値を表す座標軸を持つ座標系（図５参照）上にプロットし、この座標系上の複数のデータ点ＤＰ２から定められた近似線からなる損傷カーブＣ２を生成する。演算システム１０は、損傷カーブＣ２を記憶装置１０ａ内に記憶する。

【0034】

演算システム１０は、測定装置６によって生成された目標材料２の結晶粒変形量の測定値を損傷カーブＣ２に適用することにより、目標材料２の残存寿命を推定することができる。具体的には、図６に示すように、演算システム１０は、目標材料２の結晶粒変形量の測定値Ｍ２に対応する損傷カーブＣ２上の寿命指標値Ｌ２を決定する。この決定された寿命指標値Ｌ２は、目標材料２の残存寿命を表している。すなわち、寿命指標値Ｌ２が１に近いほど、目標材料２の残存寿命は少ない。したがって、ユーザーは、寿命指標値Ｌ２から、目標材料２の残存寿命を知ることができる。

【0035】

次に、損傷評価値のさらに他の１つであるＸ線回析環の相対半値幅について説明する。半値幅は、Ｘ線が材料に入射したときに得られるＸ線回析環（デバイ環とも言う）の半値幅である。相対半値幅は、Ｘ線回析環の半値幅の基準値に対する相対的な値である。半値幅の基準値は、例えば、材料が損傷していないときに測定された半値幅の初期値である。本実施形態では、Ｘ線回析環の相対半値幅は、半値幅の現在値を上記基準値で割り算して得られた値である。

【0036】

Ｘ線回析環の半値幅を測定することができる装置の例としては、Ｘ線残留応力測定装置が挙げられる。このようなＸ線残留応力測定装置は、市場で入手することが可能である。本実施形態では、Ｘ線回析環の相対半値幅を測定する測定装置７は、Ｘ線回析環の半値幅を測定するＸ線残留応力測定装置と、得られた半値幅から相対半値幅を算定する算定装置を備えている。この算定装置はＸ線残留応力測定装置と一体であってもよい。測定装置７によって生成されたＸ線回析環の相対半値幅の測定値は、演算システム１０に入力される。

【0037】

図７は、目標材料２と同じ材料からなる試料の相対半値幅の、キャビテーション時間の経過に伴う変化を示すグラフである。図７の縦軸は試料の結晶粒変形量を表し、横軸はキャビテーション時間と、後述する寿命指標値を表している。

【0038】

図７に示すグラフは、次のようにして作成した。試料の表面を水などの液体に接触させ、液体中にキャビテーションを発生させる（キャビテーション工程）。ある時間が経過した後、試料を液体から離し、試料の相対半値幅を測定装置７により測定する（相対半値幅測定工程）。測定後、試料の表面を再び液体に接触させ、液体中にキャビテーションを発生させる。キャビテーション工程と、相対半値幅測定工程は、試料にキャビテーション壊食が起こるまで繰り返される。これらの２つの工程は、試料のキャビテーション壊食が発生した後もさらに繰り返してもよい。結果として、異なるキャビテーション時間での相対半値幅の複数の測定値が取得される。上記異なるキャビテーション時間は、キャビテーション時間軸に沿って等間隔または不等間隔で分布する。

【0039】

演算システム１０は、上記異なるキャビテーション時間と、試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時間であるキャビテーション壊食開始時間と、相対半値幅の複数の測定値を記憶装置１０ａ内に記憶する。演算システム１０は、上記異なるキャビテーション時間をキャビテーション壊食開始時間で割り算することで、複数の寿命指標値を算定する。図７において時点ｔｃは、試料のキャビテーション壊食が起こり始めた時点であり、試料のキャビテーション壊食開始時間に相当する。時点ｔｃに対応する寿命指標値は１である。

【0040】

図７の横軸の上段はキャビテーション時間を表し、下段は寿命指標値を表す。寿命指標値は、試料の残存寿命を表している。すなわち、寿命指標値が１に近いほど、試料の残存寿命は少ない。図７から分かるように、相対半値幅は、キャビテーション時間とともに減少する。したがって、相対半値幅は、キャビテーションに起因する材料の損傷の程度を示す損傷評価値として使用することができる。

【0041】

演算システム１０は、算定された複数の寿命指標値を、相対半値幅の対応する複数の測定値にそれぞれ割り当てる。演算システム１０は、複数の寿命指標値を、相対半値幅の対応する複数の測定値にそれぞれ関連付けた状態で、記憶装置１０ａに記憶する。さらに、演算システム１０は、相対半値幅の複数の測定値と、対応する複数の寿命指標値とにより特定される複数のデータ点ＤＰ３の近似線を生成し、この近似線からなる損傷カーブＣ３を決定する。より具体的には、演算システム１０は、相対半値幅の複数の測定値と、対応する複数の寿命指標値とにより特定される複数のデータＤＰ３点を、相対半値幅と寿命指標値を表す座標軸を持つ座標系（図７参照）上にプロットし、この座標系上の複数のデータ点ＤＰ３から定められた近似線からなる損傷カーブＣ３を生成する。演算システム１０は、損傷カーブＣ３を記憶装置１０ａ内に記憶する。

【0042】

演算システム１０は、測定装置７によって生成された目標材料２の相対半値幅の測定値を損傷カーブＣ３に適用することにより、目標材料２の残存寿命を推定することができる。具体的には、図８に示すように、演算システム１０は、目標材料２の相対半値幅の測定値Ｍ３に対応する損傷カーブＣ３上の寿命指標値Ｌ３を決定する。この決定された寿命指標値Ｌ３は、目標材料２の残存寿命を表している。すなわち、寿命指標値Ｌ３が１に近いほど、目標材料２の残存寿命は少ない。したがって、ユーザーは、寿命指標値Ｌ３から、目標材料２の残存寿命を知ることができる。

【0043】

図９は、損傷カーブＣ１、損傷カーブＣ２、および損傷カーブＣ３を生成するときに使用されるキャビテーション発生装置２０の模式図である。キャビテーション発生装置２０は、超音波発生器２１を有する磁歪式振動装置２２と、磁歪式振動装置２２に連結された振動増幅装置としての増幅ホーン２４と、増幅ホーン２４の下方に配置された試料ステージ２６と、試料ステージ２６が配置された液体槽２９と、液体槽２９内の液体の温度を制御する液体温度制御装置３１を備えている。液体槽２９内には、水などの液体が貯留されている。液体温度制御装置３１は、液体槽２９内の液体を予め設定された温度に保つように構成されている。試料４０は試料ステージ２６上に配置される。

【0044】

超音波発生器２１が作動すると、磁歪式振動装置２２は振動を発生するように構成されている。振動は増幅ホーン２４内で増幅され、振動は増幅ホーン２４の端部から液体に伝わり、液体中にキャビテーションを発生させる。試料ステージ２６上の試料４０は、キャビテーションの気泡が崩壊するときに発生する衝撃圧を受け、損傷を受ける。

【0045】

目標材料２と同じ材料からなる試料４０は、試料ステージ２６上に置かれる。試料４０にキャビテーション壊食が起こるまで、キャビテーション発生装置２０によるキャビテーションの発生と、測定装置５による算術平均粗さの測定が繰り返される。結果として、異なるキャビテーション時間での算術平均粗さの複数の測定値が取得される。これらの算術平均粗さの測定値から特定されるデータ点は、図３を参照して説明したように、座標系上にプロットされ、これらデータ点から損傷カーブＣ１が作成される。同様にして、キャビテーション発生装置２０と測定装置６を使用して結晶粒変形量の複数の測定値が取得され、キャビテーション発生装置２０と測定装置７を使用してＸ線回析環の相対半値幅の複数の測定値が取得される。

【0046】

図１０は、損傷カーブＣ１、損傷カーブＣ２、および損傷カーブＣ３を用いて、流体機械１を構成する目標材料２の残存寿命を推定する方法を説明するフローチャートである。

【0047】

ステップ１では、図９に示すキャビテーション発生装置２０を用いて、流体機械１の一部を構成する目標材料２と同じ材料からなる試料４０を、キャビテーション発生装置２０の液体槽２９内の液体に接触させ、液体にキャビテーションを発生させる。キャビテーションに起因して、試料４０は損傷を受ける。

【0048】

ステップ２では、試料４０を液体から取り出し、図１に示す３つの測定装置５，６，７を用いて、試料４０の３種の損傷評価値である、算術平均粗さと、結晶粒変形量と、Ｘ線回析環の相対半値幅を測定する。これらの３種の損傷評価値は、演算システム１０の記憶装置１０ａ内に記憶される。
ステップ１のキャビテーション発生工程と、ステップ２の損傷評価値の測定工程は、試料４０にキャビテーション壊食が起こるまで繰り返される。

【0049】

ステップ３では、演算システム１０は、試料４０のキャビテーション壊食が起こり始めた時間であるキャビテーション壊食開始時間を記憶装置１０ａに記憶する。
ステップ４では、演算システム１０は、各種の損傷評価値が測定された異なるキャビテーション時間を、上記キャビテーション壊食開始時間で割り算して、複数の寿命指標値を算定する。
ステップ５では、演算システム１０は、図３、図５、図７を参照して説明した工程に従って、損傷カーブＣ１、損傷カーブＣ２、および損傷カーブＣ３を生成する。演算システム１０は、これら３つの損傷カーブＣ１，Ｃ２，Ｃ３を記憶装置１０ａに記憶する。

【0050】

ステップ６では、図１に示す３つの測定装置５，６，７は、流体機械１の一部を構成する目標材料２の算術平均粗さと、結晶粒変形量と、Ｘ線回析環の相対半値幅を測定する。目標材料２は、流体機械１に着脱可能に取り付けられたダミー材料であることもある。
ステップ７では、演算システム１０は、目標材料２の算術平均粗さの測定値に対応する第１寿命指標値を損傷カーブＣ１から決定し、目標材料２の結晶粒変形量の測定値に対応する第２寿命指標値を損傷カーブＣ２から決定し、目標材料２のＸ線回析環の相対半値幅に対応する第３寿命指標値を損傷カーブＣ３から決定する。

【0051】

一実施形態では、演算システム１０は、第１寿命指標値と、第２寿命指標値と、第３寿命指標値の平均を算定してもよい。

【0052】

図１０に示す実施形態では、１つの試料４０を用いて３つの損傷評価値が測定されるが、これら３つの損傷評価値は３つの試料を用いて別々に測定されてもよい。さらに、３つの損傷評価値のうちのいずれか１つまたは２つのみを用いて、１つまたは２つの寿命指標値を決定してもよい。

【0053】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0054】

１ 流体機械
２ 目標材料
５，６，７ 測定装置
１０ 演算システム
２０ キャビテーション発生装置
２１ 超音波発生器
２２ 磁歪式振動装置
２４ 増幅ホーン
２６ 試料ステージ
２９ 液体槽
３１ 液体温度制御装置
４０ 試料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】