液化天然ガス（LNG）プラントの遠心圧縮機において、極低温運転中にブレードが壊滅的に破損する事故が発生しました。その後の調査により、ニッケル基超合金は鋳造時に検出されなかった微小気孔が原因で破損したことが明らかになりました。本技術記事では、産業用コンピュータ断層撮影（CT）と有限要素法（FEM）シミュレーションを組み合わせることで、破損を再現し疲労モデルを検証し、エネルギー業界にとって重要なワークフローを確立した方法を詳述します。🔬
ワークフロー：体積スキャンからnCodeによるシミュレーションへ ⚙️
プロセスは、X線装置を用いた破損ブレードの高解像度産業用CTスキャンから始まりました。体積データはVolume Graphicsにインポートされ、応力集中領域に位置する50ミクロン未満の内部微小気孔をセグメンテーションしました。その後、これらの欠陥を実際の幾何学的エンティティとして組み込んだ高忠実度六面体メッシュを生成しました。モデルはSiemens Simcenterにエクスポートされ、運転サイクルの極低温荷重と回転荷重が適用されました。最後に、nCodeがSmith-Watson-Topper基準を用いて多軸疲労シミュレーションを実行し、き裂発生領域を検出された気孔と相関付けました。実際の破断面と応力モデルの相関は、推定寿命において3%未満の偏差を示しました。
重要部品の予知保全のための教訓 🛠️
この事例は、産業用CTが非破壊検査ツールであるだけでなく、実際の欠陥を考慮した疲労シミュレーションの基盤となることを示しています。体積データをnCodeに統合することで、過酷な条件下にさらされる超合金設計における安全率を調整することが可能になります。シミュレーションエンジニアへのメッセージは明確です。メッシュ生成時に微小気孔を無視すると、極低温環境での壊滅的な破損リスクを過小評価する可能性があります。ここで提示された方法論は、将来のLNG分野における事故調査の標準として位置づけられます。
シミュレーションエンジニアとして、3D CTスキャンを用いて極低温疲労FEMモデルを検証する際、破損したブレードで観察された実際のき裂と数値予測との間のどの収束基準が、調査の精度を判断する上で最も重要だと考えますか？
(追伸：材料疲労は、10時間シミュレーション後のあなたの疲労と同じです。)