JP2003090506A - ボイラ伝熱管異材継手溶接部の損傷診断法と装置 - Google Patents
ボイラ伝熱管異材継手溶接部の損傷診断法と装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ボイラの過熱器管又は再熱器管に使用されて
いるフェライト系ＣｒＭｏ鋼とオーステナイト系ＳＵＳ
鋼の異材継手溶接部に生じる特有のき裂発生型材料損傷
を高精度に診断評価する方法と装置を提供すること。 【解決手段】 (1)ボイラの過熱器管又は再熱器管の異
材継手溶接部に生じるき裂を対象としＣｒＭｏ鋼の管
内面水蒸気酸化スケール12の厚さの最大値13、管内面
水蒸気酸化スケール厚さの最大値13と最小値14の比及び
起動停止繰返し数を関数としたインデックスにより損
傷度及び余寿命を決定する。(2)前記異材継手溶接部の
損傷をＣｒＭｏ鋼の管内面水蒸気酸化スケール厚さの
最大値13、管内面水蒸気酸化スケール厚さの最大値13
と最小値14の比及び起動停止繰返し数のべき乗積とし
たインデックスにより損傷度や余寿命を診断する。
いるフェライト系ＣｒＭｏ鋼とオーステナイト系ＳＵＳ
鋼の異材継手溶接部に生じる特有のき裂発生型材料損傷
を高精度に診断評価する方法と装置を提供すること。 【解決手段】 (1)ボイラの過熱器管又は再熱器管の異
材継手溶接部に生じるき裂を対象としＣｒＭｏ鋼の管
内面水蒸気酸化スケール12の厚さの最大値13、管内面
水蒸気酸化スケール厚さの最大値13と最小値14の比及び
起動停止繰返し数を関数としたインデックスにより損
傷度及び余寿命を決定する。(2)前記異材継手溶接部の
損傷をＣｒＭｏ鋼の管内面水蒸気酸化スケール厚さの
最大値13、管内面水蒸気酸化スケール厚さの最大値13
と最小値14の比及び起動停止繰返し数のべき乗積とし
たインデックスにより損傷度や余寿命を診断する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電システム
に関わり、特にボイラの過熱器や再熱器管の異種金属溶
接継手（以下異材継手又はＤＭＷ：Dissimilar Metal W
eldと略称する）に発生するき裂発生材料損傷診断方法
と装置に関する。
に関わり、特にボイラの過熱器や再熱器管の異種金属溶
接継手（以下異材継手又はＤＭＷ：Dissimilar Metal W
eldと略称する）に発生するき裂発生材料損傷診断方法
と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図７に示す火力発電用ボイラ１の過熱器
２や再熱器３の伝熱管の材質は、使用されるメタル温度
及び圧力条件により使い分けられており、概略で５００
℃以下の低温部ではＳＴＢ４１０等の炭素鋼、５００〜
５５０℃ではＳＴＢＡ２４を代表とするフェライト系低
合金鋼（以下、ＣｒＭｏ鋼と略称する）、５５０℃以上
ではＳＵＳ３２１ＨＴＢやＳＵＳ３４７ＨＴＢを代表と
するオーステナイト系ステンレス鋼（以下ＳＵＳ鋼と略
称する）が使用されている。
２や再熱器３の伝熱管の材質は、使用されるメタル温度
及び圧力条件により使い分けられており、概略で５００
℃以下の低温部ではＳＴＢ４１０等の炭素鋼、５００〜
５５０℃ではＳＴＢＡ２４を代表とするフェライト系低
合金鋼（以下、ＣｒＭｏ鋼と略称する）、５５０℃以上
ではＳＵＳ３２１ＨＴＢやＳＵＳ３４７ＨＴＢを代表と
するオーステナイト系ステンレス鋼（以下ＳＵＳ鋼と略
称する）が使用されている。
【０００３】図７に、火力発電用ボイラの断面概要図
（図７（ａ））及び過熱器管の構造図（図７（ｂ））の
一例を示す。過熱器入口管寄４及び過熱器出口管寄７を
備えた過熱器２では、過熱器入口管寄４から比較的低温
の蒸気が流入する低温部伝熱管５にＣｒＭｏ鋼、前記比
較的低温の蒸気が熱吸収により比較的高温となる蒸気が
流入する高温部伝熱管６にＳＵＳ鋼が使用されている。
（図７（ａ））及び過熱器管の構造図（図７（ｂ））の
一例を示す。過熱器入口管寄４及び過熱器出口管寄７を
備えた過熱器２では、過熱器入口管寄４から比較的低温
の蒸気が流入する低温部伝熱管５にＣｒＭｏ鋼、前記比
較的低温の蒸気が熱吸収により比較的高温となる蒸気が
流入する高温部伝熱管６にＳＵＳ鋼が使用されている。
【０００４】図８は、過熱器２のＣｒＭｏ鋼からなる低
温部伝熱管５とＳＵＳ鋼からなる高温部伝熱管６の異材
継手の代表的な構成を示す。ＣｒＭｏ鋼に比べＳＵＳ鋼
の方が高温強度が高いこと、異材継手は溶接後熱処理と
して行う応力除去焼鈍（通常ＳＲ処理と称される）によ
りクリープ強度が向上すること、異材継手の溶接は欠陥
が出やすい等の理由から、現地溶接でなく、設備が整っ
ており、温度、湿度等の管理の行き届いた製造工場にお
いて行うことが望ましい。
温部伝熱管５とＳＵＳ鋼からなる高温部伝熱管６の異材
継手の代表的な構成を示す。ＣｒＭｏ鋼に比べＳＵＳ鋼
の方が高温強度が高いこと、異材継手は溶接後熱処理と
して行う応力除去焼鈍（通常ＳＲ処理と称される）によ
りクリープ強度が向上すること、異材継手の溶接は欠陥
が出やすい等の理由から、現地溶接でなく、設備が整っ
ており、温度、湿度等の管理の行き届いた製造工場にお
いて行うことが望ましい。
【０００５】ＣｒＭｏ鋼からなる低温部伝熱管５とＳＵ
Ｓ鋼からなる高温部伝熱管６の異材継手は設計強度上外
径や肉厚が異なる場合があり、このため異材継手は、内
径を変化させたＳＵＳ鋼からなる短管８を挟んで製作さ
れることがある。
Ｓ鋼からなる高温部伝熱管６の異材継手は設計強度上外
径や肉厚が異なる場合があり、このため異材継手は、内
径を変化させたＳＵＳ鋼からなる短管８を挟んで製作さ
れることがある。
【０００６】通常は、まず低温部伝熱管（ＣｒＭｏ鋼
管）５と短管８を異材溶接金属（Ｎｉ基合金）９で溶接
し、ＳＲ処理をした後に高温部伝熱管（ＳＵＳ鋼管）６
と短管８をＳＵＳ溶接金属１０で溶接する方法がとられ
る。
管）５と短管８を異材溶接金属（Ｎｉ基合金）９で溶接
し、ＳＲ処理をした後に高温部伝熱管（ＳＵＳ鋼管）６
と短管８をＳＵＳ溶接金属１０で溶接する方法がとられ
る。
【０００７】以前は、低温部伝熱管５と短管８との溶接
継手部に使用する溶加材料（溶接ワイヤ）としてＳＵＳ
系溶接金属を用いることがあったが、異材溶接金属とし
てＮｉ基合金系溶接金属を使った場合に比べ、低温部伝
熱管（ＣｒＭｏ鋼）５に対してＳＵＳ溶接金属の方が線
膨張率の差が大きく、熱応力により早期にき裂等の損傷
が生じるので、最近はほとんどＮｉ基合金９の溶接金属
が用いられていた。
継手部に使用する溶加材料（溶接ワイヤ）としてＳＵＳ
系溶接金属を用いることがあったが、異材溶接金属とし
てＮｉ基合金系溶接金属を使った場合に比べ、低温部伝
熱管（ＣｒＭｏ鋼）５に対してＳＵＳ溶接金属の方が線
膨張率の差が大きく、熱応力により早期にき裂等の損傷
が生じるので、最近はほとんどＮｉ基合金９の溶接金属
が用いられていた。
【０００８】しかしながら、最新の報告では、前記のよ
うに異材継手の溶接に熱膨張率がＣｒＭｏ鋼とＳＵＳ鋼
の中間のＮｉ基合金（通常インコネル１８２又はインコ
ネル８２と称されるＮｉ基合金が用いられている）を用
いても、長時間運転又は起動停止の多いボイラにおいて
は、異材継手のＣｒＭｏ鋼側溶接境界部で、き裂発生型
の材料損傷が生じることが報告されている（出典：B.Do
oley、W.McNaughton:Boiler Tube Failures:Theory and
Practice、 Vol.1:Boiler Tube Fundamentals、Chapter 3
5、 Volume 3、 Dissimilar Metal Weld Failures、 pp35-
1(1995-6)）。
うに異材継手の溶接に熱膨張率がＣｒＭｏ鋼とＳＵＳ鋼
の中間のＮｉ基合金（通常インコネル１８２又はインコ
ネル８２と称されるＮｉ基合金が用いられている）を用
いても、長時間運転又は起動停止の多いボイラにおいて
は、異材継手のＣｒＭｏ鋼側溶接境界部で、き裂発生型
の材料損傷が生じることが報告されている（出典：B.Do
oley、W.McNaughton:Boiler Tube Failures:Theory and
Practice、 Vol.1:Boiler Tube Fundamentals、Chapter 3
5、 Volume 3、 Dissimilar Metal Weld Failures、 pp35-
1(1995-6)）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図９は、異材継手にき
裂発生型材料損傷が生じたときの模式図である。ボイラ
過熱器管や再熱器管の異材継手の溶接部のき裂は、管外
面からの周方向及び管内面側に進展するき裂であり、図
９に示す溶接部と母材との境界（ＣｒＭｏ鋼からなる低
温部伝熱管（母材）５とＮｉ基溶接金属９からなる溶接
部の境界）にき裂（境界割れ）１１が発生する。き裂発
生までの運転時間は３万〜１５万時間といわれており、
熱応力値（温度差、拘束力）が高く、かつ繰返し数が多
いほど短時間にき裂１１が生じ易いといわれているが、
現状のき裂評価手法は定性的な段階を出ておらず、損傷
度を精度よく診断評価する手法がないのが実情である。
裂発生型材料損傷が生じたときの模式図である。ボイラ
過熱器管や再熱器管の異材継手の溶接部のき裂は、管外
面からの周方向及び管内面側に進展するき裂であり、図
９に示す溶接部と母材との境界（ＣｒＭｏ鋼からなる低
温部伝熱管（母材）５とＮｉ基溶接金属９からなる溶接
部の境界）にき裂（境界割れ）１１が発生する。き裂発
生までの運転時間は３万〜１５万時間といわれており、
熱応力値（温度差、拘束力）が高く、かつ繰返し数が多
いほど短時間にき裂１１が生じ易いといわれているが、
現状のき裂評価手法は定性的な段階を出ておらず、損傷
度を精度よく診断評価する手法がないのが実情である。
【００１０】過熱器管内は１０〜３０Ｍｐａ、５００〜
６００℃の高温高圧蒸気環境であり、異材継手で図９に
示したようなき裂１１が発生すると、過熱器管の破断に
つながり、緊急運転停止や大幅な修理工事に繋がる問題
となる。また高温高圧蒸気が噴出するため、安全上も多
大な問題点を生じさせる。
６００℃の高温高圧蒸気環境であり、異材継手で図９に
示したようなき裂１１が発生すると、過熱器管の破断に
つながり、緊急運転停止や大幅な修理工事に繋がる問題
となる。また高温高圧蒸気が噴出するため、安全上も多
大な問題点を生じさせる。
【００１１】本発明の課題は、従来技術の問題点を解決
し、ボイラの過熱器管又は再熱器管に使用されているフ
ェライト系ＣｒＭｏ鋼とオーステナイト系ＳＵＳ鋼の異
材継手の溶接部に生じる特有のき裂発生型材料損傷を高
精度に診断評価する方法と装置を提供することにある。
し、ボイラの過熱器管又は再熱器管に使用されているフ
ェライト系ＣｒＭｏ鋼とオーステナイト系ＳＵＳ鋼の異
材継手の溶接部に生じる特有のき裂発生型材料損傷を高
精度に診断評価する方法と装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題は、下記の方法
を採用することにより解決できる。 （１）ボイラの過熱器管又は再熱器管の異材継手の溶接
部に生じるき裂を対象とし、ＣｒＭｏ鋼の管内面水蒸
気酸化スケール厚さの最大値、管内面水蒸気酸化スケ
ール厚さの最大値と最小値の比及び起動停止繰返し数
を関数としたインデックスにより損傷度及び余寿命を決
定する。 （２）前記異材継手の溶接部の損傷を、ＣｒＭｏ鋼の
管内面水蒸気酸化スケール厚さの最大値、管内面水蒸
気酸化スケール厚さの最大値と最小値の比及び起動停
止繰返し数のべき乗積としたインデックスにより診断す
る。 （３）前記異材継手の溶接部の損傷を、ＣｒＭｏ鋼の管
内面水蒸気酸化スケール厚さ測定装置及び異材継手溶接
部の損傷診断装置により、オンライン又はオフラインに
より損傷度や余寿命を診断したり、その結果を図示す
る。
を採用することにより解決できる。 （１）ボイラの過熱器管又は再熱器管の異材継手の溶接
部に生じるき裂を対象とし、ＣｒＭｏ鋼の管内面水蒸
気酸化スケール厚さの最大値、管内面水蒸気酸化スケ
ール厚さの最大値と最小値の比及び起動停止繰返し数
を関数としたインデックスにより損傷度及び余寿命を決
定する。 （２）前記異材継手の溶接部の損傷を、ＣｒＭｏ鋼の
管内面水蒸気酸化スケール厚さの最大値、管内面水蒸
気酸化スケール厚さの最大値と最小値の比及び起動停
止繰返し数のべき乗積としたインデックスにより診断す
る。 （３）前記異材継手の溶接部の損傷を、ＣｒＭｏ鋼の管
内面水蒸気酸化スケール厚さ測定装置及び異材継手溶接
部の損傷診断装置により、オンライン又はオフラインに
より損傷度や余寿命を診断したり、その結果を図示す
る。
【００１３】
【作用】ボイラの過熱器又は再熱器管の異材継手の溶接
部の損傷を調査検討した結果、き裂発生型材料損傷の損
傷度、すなわち損傷の進展度は、当該異材継手溶接部の
メタル温度が長時間の間、高温度状態にあること、異材
継手の溶接部から数メートル以内の部位又はサポートや
後流側伝熱管等関連部材との温度差や拘束力に基づく発
生応力、応力の上昇や下降の繰返し数に依存することが
明らかとなった。
部の損傷を調査検討した結果、き裂発生型材料損傷の損
傷度、すなわち損傷の進展度は、当該異材継手溶接部の
メタル温度が長時間の間、高温度状態にあること、異材
継手の溶接部から数メートル以内の部位又はサポートや
後流側伝熱管等関連部材との温度差や拘束力に基づく発
生応力、応力の上昇や下降の繰返し数に依存することが
明らかとなった。
【００１４】これは、異材継手の溶接部のき裂発生型材
料損傷のメカニズムが、クリープ及びクリープ疲労によ
るものであることにより、高温で長時間、高い応力がか
かり、また応力の繰返し数が多いほど損傷が進むことに
なる。
料損傷のメカニズムが、クリープ及びクリープ疲労によ
るものであることにより、高温で長時間、高い応力がか
かり、また応力の繰返し数が多いほど損傷が進むことに
なる。
【００１５】ガス温度１０００〜１３００℃の雰囲気中
に設置している過熱器や再熱器管のメタル温度を継続的
に実測することは困難であり、負荷される熱応力を実測
することもできない。更に、燃料、燃料燃焼条件、運転
モード及び負荷は、経時的に変化するのが通常であり、
経時的なメタル温度変化履歴を累積的に解析することが
重要となる。
に設置している過熱器や再熱器管のメタル温度を継続的
に実測することは困難であり、負荷される熱応力を実測
することもできない。更に、燃料、燃料燃焼条件、運転
モード及び負荷は、経時的に変化するのが通常であり、
経時的なメタル温度変化履歴を累積的に解析することが
重要となる。
【００１６】運転モードや燃焼条件によって変化する過
熱器管又は再熱器管のメタル温度の時間履歴と等価な数
値や温度差から生じる熱応力値が測定し得る代替値で評
価できれば、異材継手の溶接部の損傷度を診断できるこ
とになる。
熱器管又は再熱器管のメタル温度の時間履歴と等価な数
値や温度差から生じる熱応力値が測定し得る代替値で評
価できれば、異材継手の溶接部の損傷度を診断できるこ
とになる。
【００１７】本発明は、異材継手溶接部の温度の履歴を
管内の水蒸気酸化スケール厚さで評価しようとするもの
である。
管内の水蒸気酸化スケール厚さで評価しようとするもの
である。
【００１８】過熱器や再熱器管の内面は、高温高圧の過
熱水蒸気と接しているため伝熱管と水蒸気の直接反応に
より酸化スケール（以下、水蒸気酸化スケールと称す
る。）が生じる。該水蒸気酸化スケールの成長は、拡散
支配のため放物線則に従い、その反応速度定数（Ｋｐ）
がアレニウス型になることが知られている。
熱水蒸気と接しているため伝熱管と水蒸気の直接反応に
より酸化スケール（以下、水蒸気酸化スケールと称す
る。）が生じる。該水蒸気酸化スケールの成長は、拡散
支配のため放物線則に従い、その反応速度定数（Ｋｐ）
がアレニウス型になることが知られている。
【００１９】
Ｙ2＝Ｋｐ・ｔ （１）
Ｋｐ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ） （２）
ここで、Ｙ：水蒸気酸化スケール厚さ（ｍｍ）、Ｋｐ：
反応速度定数、ｔ：時間（ｈ）、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶
対温度（Ｋ）、Ａ、Ｑ：材料定数（ＣｒとＳｉ量の影響
を受ける）である。
反応速度定数、ｔ：時間（ｈ）、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶
対温度（Ｋ）、Ａ、Ｑ：材料定数（ＣｒとＳｉ量の影響
を受ける）である。
【００２０】（１）式及び（２）式から伝熱管の管内の
水蒸気酸化スケール厚さが、温度と時間の関数であり、
材料のクリープ強度やミクロ組織劣化を評価するラルソ
ンミラーパラメータ（Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｔ）、Ｔ：
絶対温度、Ｃ：定数、ｔ：時間）と同等の温度・時間関
数で整理できるため、異材継手溶接部のメタル温度の履
歴を、水蒸気酸化スケール厚さの測定値から推定するこ
とができる。
水蒸気酸化スケール厚さが、温度と時間の関数であり、
材料のクリープ強度やミクロ組織劣化を評価するラルソ
ンミラーパラメータ（Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｔ）、Ｔ：
絶対温度、Ｃ：定数、ｔ：時間）と同等の温度・時間関
数で整理できるため、異材継手溶接部のメタル温度の履
歴を、水蒸気酸化スケール厚さの測定値から推定するこ
とができる。
【００２１】図１０は、ＳＴＢＡ２４鋼の水蒸気酸化ス
ケール厚さの温度と時間の関係を示す。図１０は、実験
室的な水蒸気酸化試験により、温度及び時間の条件に応
じた水蒸気酸化スケール厚さから（２）式での材料定数
ＡとＱを算出して求めたものである。図７に示すボイラ
の過熱器２内において、例えば運転時間が５０，０００
時間で厚さ５００μｍの水蒸気酸化スケールが生成して
おれば、等価メタル温度は５７２℃となり、５７２℃で
５０，０００時間と等価な熱履歴を受けたことになり、
熱履歴条件を評価することができる。
ケール厚さの温度と時間の関係を示す。図１０は、実験
室的な水蒸気酸化試験により、温度及び時間の条件に応
じた水蒸気酸化スケール厚さから（２）式での材料定数
ＡとＱを算出して求めたものである。図７に示すボイラ
の過熱器２内において、例えば運転時間が５０，０００
時間で厚さ５００μｍの水蒸気酸化スケールが生成して
おれば、等価メタル温度は５７２℃となり、５７２℃で
５０，０００時間と等価な熱履歴を受けたことになり、
熱履歴条件を評価することができる。
【００２２】異材継手溶接部の温度履歴の推定に用いる
管内の水蒸気酸化スケール厚さの測定位置に関し、ここ
ではＣｒＭｏ鋼側のスケール厚さを測定するのは次の理
由による。図９に示す溶接金属のＮｉ基合金９や隣接の
ＳＵＳ鋼からなる短管８に比べＣｒＭｏ鋼からなる過熱
器低温部伝熱管５の方が水蒸気酸化がされやすく、スケ
ールが剥離しにくいことから、スケールがそのまま残存
しており、ＣｒＭｏ鋼側の水蒸気酸化スケールの厚さを
測定した方が高精度に予測可能である。また異材継手溶
接部の損傷は、より高温側で生じることから、管周方向
での最大値で評価すべきである。
管内の水蒸気酸化スケール厚さの測定位置に関し、ここ
ではＣｒＭｏ鋼側のスケール厚さを測定するのは次の理
由による。図９に示す溶接金属のＮｉ基合金９や隣接の
ＳＵＳ鋼からなる短管８に比べＣｒＭｏ鋼からなる過熱
器低温部伝熱管５の方が水蒸気酸化がされやすく、スケ
ールが剥離しにくいことから、スケールがそのまま残存
しており、ＣｒＭｏ鋼側の水蒸気酸化スケールの厚さを
測定した方が高精度に予測可能である。また異材継手溶
接部の損傷は、より高温側で生じることから、管周方向
での最大値で評価すべきである。
【００２３】次に、異材継手の溶接部でのき裂発生を支
配する管軸方向の熱応力は、当該部位の温度差、別の見
方をすれば異材継手溶接部の最高温度と最低温度の差に
起因しているが、炉内雰囲気が８００〜１２００℃であ
るため、この熱応力を実測することが不可能である。先
に述べたように過熱器管や再熱器管のメタル温度は、管
内面の水蒸気酸化スケールの厚さ測定から推定すること
ができるので、異材継手の溶接部の管周方向又は熱応力
に影響を及ぼす範囲でのスケール厚さを測定し、その最
大値（最高温度）と最小値（最低温度）の比や差から熱
応力に等価な数値を求めることができる。
配する管軸方向の熱応力は、当該部位の温度差、別の見
方をすれば異材継手溶接部の最高温度と最低温度の差に
起因しているが、炉内雰囲気が８００〜１２００℃であ
るため、この熱応力を実測することが不可能である。先
に述べたように過熱器管や再熱器管のメタル温度は、管
内面の水蒸気酸化スケールの厚さ測定から推定すること
ができるので、異材継手の溶接部の管周方向又は熱応力
に影響を及ぼす範囲でのスケール厚さを測定し、その最
大値（最高温度）と最小値（最低温度）の比や差から熱
応力に等価な数値を求めることができる。
【００２４】異材継手溶接管のクリープ疲労によるき裂
発生及び進展は、先に述べた管の昇温（温度）、熱応力
値（温度差）に加えて、その繰返し数の影響を受ける。
そこで本発明の異材継手材料損傷診断法での評価指数に
は、熱応力の繰返し数に相当合致するボイラの起動停止
回数も関数とすることができる。
発生及び進展は、先に述べた管の昇温（温度）、熱応力
値（温度差）に加えて、その繰返し数の影響を受ける。
そこで本発明の異材継手材料損傷診断法での評価指数に
は、熱応力の繰返し数に相当合致するボイラの起動停止
回数も関数とすることができる。
【００２５】具体的には、
（１）ボイラの過熱器管又は再熱器管の異材継手の溶接
部に生じるき裂を対象とし、フェライト系鋼の管内面
水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）、管
内水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）と最
小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ）及び起動停止繰返し
数（ＳＳ）を関数としたインデックス（ＤＭＷ−Ｌ）に
より損傷度を評価診断し、交換時期を決定するものであ
る。 （２）また、前記異材継手の溶接部の損傷を、フェラ
イト系鋼の管内面水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔ
ｓｍａｘ）、管内水蒸気酸化スケール厚さの最大値
（ｔｓｍａｘ）と最小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ）及
び起動停止繰返し数（ＳＳ）のべき乗積とした式
（３）のインデックス（ＤＭＷ−Ｌ）'により診断する
こともできる。 （ＤＭＷ−Ｌ）'＝α×ｔｓｍａｘβ×Ｒｔγ×ＳＳδ （３）
部に生じるき裂を対象とし、フェライト系鋼の管内面
水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）、管
内水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）と最
小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ）及び起動停止繰返し
数（ＳＳ）を関数としたインデックス（ＤＭＷ−Ｌ）に
より損傷度を評価診断し、交換時期を決定するものであ
る。 （２）また、前記異材継手の溶接部の損傷を、フェラ
イト系鋼の管内面水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔ
ｓｍａｘ）、管内水蒸気酸化スケール厚さの最大値
（ｔｓｍａｘ）と最小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ）及
び起動停止繰返し数（ＳＳ）のべき乗積とした式
（３）のインデックス（ＤＭＷ−Ｌ）'により診断する
こともできる。 （ＤＭＷ−Ｌ）'＝α×ｔｓｍａｘβ×Ｒｔγ×ＳＳδ （３）
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施例を図
面をもって説明する。 実施例１ 図１は、本発明になるボイラ過熱器又は再熱器管におけ
る異材継手の溶接部き裂発生型材料損傷手法の一実施例
である。
面をもって説明する。 実施例１ 図１は、本発明になるボイラ過熱器又は再熱器管におけ
る異材継手の溶接部き裂発生型材料損傷手法の一実施例
である。
【００２６】（１）加熱温度、加熱時間、（２）熱応力
（温度差）及び（３）繰返し数の影響因子に対して、
フェライト系のＣｒＭｏ鋼の管内面水蒸気酸化スケール
厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）、管内水蒸気酸化スケー
ル厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）と最小値（ｔｓｍｉｎ）
の比（Ｒｔ）、起動停止繰返し数（ＳＳ）を代替評価
診断項目とし、これらの数値の関数としたインデックス
（ＤＭＷ−Ｌ）により損傷度を評価診断するものであ
る。
（温度差）及び（３）繰返し数の影響因子に対して、
フェライト系のＣｒＭｏ鋼の管内面水蒸気酸化スケール
厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）、管内水蒸気酸化スケー
ル厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）と最小値（ｔｓｍｉｎ）
の比（Ｒｔ）、起動停止繰返し数（ＳＳ）を代替評価
診断項目とし、これらの数値の関数としたインデックス
（ＤＭＷ−Ｌ）により損傷度を評価診断するものであ
る。
【００２７】フェライト系鋼側の水蒸気酸化スケール厚
さの最大値（ｔｓｍａｘ）１３や水蒸気酸化スケール厚
さの最小値（ｔｓｍｉｎ）１４は、抜管サンプル材の断
面観察法（破壊測定法）や超音波内面スケール厚さ測定
法（非破壊検査法）のいずれの方法でも測定可能であ
り、精度、測定期間、予算に応じて選定すればよい。各
管内水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）と
最小値（ｔｓｍｉｎ）は、通常、管の周方向及び軸方向
に数点から十数点測定して求められる。
さの最大値（ｔｓｍａｘ）１３や水蒸気酸化スケール厚
さの最小値（ｔｓｍｉｎ）１４は、抜管サンプル材の断
面観察法（破壊測定法）や超音波内面スケール厚さ測定
法（非破壊検査法）のいずれの方法でも測定可能であ
り、精度、測定期間、予算に応じて選定すればよい。各
管内水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）と
最小値（ｔｓｍｉｎ）は、通常、管の周方向及び軸方向
に数点から十数点測定して求められる。
【００２８】上記フェライト系ＣｒＭｏ鋼の管内面水
蒸気酸化スケール１２の厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）、
管内水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）
と最小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ）、起動停止繰返
し数（ＳＳ）を関数とした指数（ＤＭＷ−Ｌ）により損
傷度を評価診断する方法が本発明の基本的な構成である
が、本発明はその他に、関数的には、前記各項目のべき
乗の積で評価するする方法でも良く、指数（ＤＭＷ−
Ｌ）'により損傷度を評価診断する方法は、前記インデ
ックス（ＤＭＷ−Ｌ）による方法より評価度度合い有意
差が大きく、評価がより明確に行える。
蒸気酸化スケール１２の厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）、
管内水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ）
と最小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ）、起動停止繰返
し数（ＳＳ）を関数とした指数（ＤＭＷ−Ｌ）により損
傷度を評価診断する方法が本発明の基本的な構成である
が、本発明はその他に、関数的には、前記各項目のべき
乗の積で評価するする方法でも良く、指数（ＤＭＷ−
Ｌ）'により損傷度を評価診断する方法は、前記インデ
ックス（ＤＭＷ−Ｌ）による方法より評価度度合い有意
差が大きく、評価がより明確に行える。
【００２９】
（ＤＭＷ−Ｌ）'＝α×ｔｓｍａｘβ×Ｒｔγ×ＳＳδ （３）
ここで、（ＤＭＷ−Ｌ）'：異材継手溶接部のき裂発生
インデックス（Dissimilar Metal Weld-Lifeの略、ＤＭ
Ｗ−Ｌ＝１．０で寿命としたインデックス）、α、β、
γ、δ：全体係数及び各項目の指数である。α、β、
γ、δは、異材継手のクリープ疲労実験や実機管の調査
結果の回帰により求まるものである。
インデックス（Dissimilar Metal Weld-Lifeの略、ＤＭ
Ｗ−Ｌ＝１．０で寿命としたインデックス）、α、β、
γ、δ：全体係数及び各項目の指数である。α、β、
γ、δは、異材継手のクリープ疲労実験や実機管の調査
結果の回帰により求まるものである。
【００３０】なお、フェライト系ＣｒＭｏ鋼のｔｓｍａ
ｘ、ｔｓｍｉｎは、異材継手の溶接部から２ｍ以内の範
囲で、周方向の厚さを測定し、その最大値及び最小値を
それぞれｔｓｍａｘ、ｔｓｍｉｎと定義できるが、極大
値や極小値等適正な値にならない場合などは、火炉に面
した高温側とその反対の低温側について、複数点測定
し、統計解析により最大値や最小値を求めて、ｔｓｍａ
ｘ、ｔｓｍｉｎの代表値とするとより高精度に診断でき
る。
ｘ、ｔｓｍｉｎは、異材継手の溶接部から２ｍ以内の範
囲で、周方向の厚さを測定し、その最大値及び最小値を
それぞれｔｓｍａｘ、ｔｓｍｉｎと定義できるが、極大
値や極小値等適正な値にならない場合などは、火炉に面
した高温側とその反対の低温側について、複数点測定
し、統計解析により最大値や最小値を求めて、ｔｓｍａ
ｘ、ｔｓｍｉｎの代表値とするとより高精度に診断でき
る。
【００３１】図２は、き裂発生寿命と本発明での診断指
数（ＤＭＷ−Ｌ）'の関係線図である。両者間に誤差
（図２の点線）を考慮した直線関係を持たせ、き裂発生
寿命が１になった時点（き裂発生時点）を寿命とし、各
項目の数値を入力して、診断指数（ＤＭＷ−Ｌ）'を求
め、その値からき裂発生寿命を診断するものである。ク
リープや疲労等の損傷診断の事例から、き裂発生寿命が
０．５以下では、通常運転を継続し、０．５〜０．７５
では、精密検査すると共に更新時期を計画すべきであ
る。０．７５以上では、短期にき裂発生に至るので早期
に更新すべきといえる。こうした評価から損傷度を診断
できると同時に更新時期が設定可能である。
数（ＤＭＷ−Ｌ）'の関係線図である。両者間に誤差
（図２の点線）を考慮した直線関係を持たせ、き裂発生
寿命が１になった時点（き裂発生時点）を寿命とし、各
項目の数値を入力して、診断指数（ＤＭＷ−Ｌ）'を求
め、その値からき裂発生寿命を診断するものである。ク
リープや疲労等の損傷診断の事例から、き裂発生寿命が
０．５以下では、通常運転を継続し、０．５〜０．７５
では、精密検査すると共に更新時期を計画すべきであ
る。０．７５以上では、短期にき裂発生に至るので早期
に更新すべきといえる。こうした評価から損傷度を診断
できると同時に更新時期が設定可能である。
【００３２】図３は、ボイラ複数缶の材料調査とき裂発
生寿命評価結果から、各項目の指数及び係数を回帰分析
によって求め、異材継手の溶接部のき裂発生材料損傷を
診断した一例である。ここで示したプラントと同型で同
じような運用がなされるボイラにおいては、この係数及
び指数を用いて、き裂発生寿命が評価診断できる。
生寿命評価結果から、各項目の指数及び係数を回帰分析
によって求め、異材継手の溶接部のき裂発生材料損傷を
診断した一例である。ここで示したプラントと同型で同
じような運用がなされるボイラにおいては、この係数及
び指数を用いて、き裂発生寿命が評価診断できる。
【００３３】図３で診断したプラントは、異材継手溶接
部の溶接金属がＮｉ基のインコネル８２系であるが、本
手法は、Ｎｉ基の別の溶接金属（インコネル１８２系）
やステンレス鋼（ＳＵＳ３０９系等）にも適用できる。
溶接金属の材質が変化した場合には、診断指数（ＤＭＷ
−Ｌ）'を構成する式（３）の係数や指数が変化するの
で、別の回帰解析が必要となる。
部の溶接金属がＮｉ基のインコネル８２系であるが、本
手法は、Ｎｉ基の別の溶接金属（インコネル１８２系）
やステンレス鋼（ＳＵＳ３０９系等）にも適用できる。
溶接金属の材質が変化した場合には、診断指数（ＤＭＷ
−Ｌ）'を構成する式（３）の係数や指数が変化するの
で、別の回帰解析が必要となる。
【００３４】実施例２
図４は、実施例１での異材継手の溶接部の損傷や余寿命
を診断する方法の具体的な装置構成の一例である。図４
は、オンライン診断の例であるが、水蒸気酸化スケール
厚さ等の測定結果をオフラインで入力し、診断、表示す
る方法も本発明に含まれる。
を診断する方法の具体的な装置構成の一例である。図４
は、オンライン診断の例であるが、水蒸気酸化スケール
厚さ等の測定結果をオフラインで入力し、診断、表示す
る方法も本発明に含まれる。
【００３５】図４では、管内面の水蒸気酸化スケール厚
さ測定用超音波端子１５を図８で説明した過熱器低温部
伝熱管５と過熱器高温部伝熱管６を溶接接続した異材継
手溶接部のＣｒＭｏ鋼側に設置し、管内水蒸気酸化スケ
ール厚さ測定装置１６により周方向のスケール厚さを複
数点測定し、その結果を異材継手の溶接金属であるＮｉ
基合金９から成る溶接部の損傷及び余寿命診断装置１７
にインプットし、解析、診断するようにしたものであ
る。
さ測定用超音波端子１５を図８で説明した過熱器低温部
伝熱管５と過熱器高温部伝熱管６を溶接接続した異材継
手溶接部のＣｒＭｏ鋼側に設置し、管内水蒸気酸化スケ
ール厚さ測定装置１６により周方向のスケール厚さを複
数点測定し、その結果を異材継手の溶接金属であるＮｉ
基合金９から成る溶接部の損傷及び余寿命診断装置１７
にインプットし、解析、診断するようにしたものであ
る。
【００３６】図５は、異材継手の溶接部の損傷及び余寿
命診断装置１７のＣＲＴ等モニター画面の一例である。
起動停止回数ＳＳ等オフラインで入力する項目とｔｓｍ
ａｘ、Ｒｔ等計器測定結果から自動的に入力される項目
及び（ＤＭＷ−Ｌ）等の解析診断結果が表示されるよう
にしたものである。
命診断装置１７のＣＲＴ等モニター画面の一例である。
起動停止回数ＳＳ等オフラインで入力する項目とｔｓｍ
ａｘ、Ｒｔ等計器測定結果から自動的に入力される項目
及び（ＤＭＷ−Ｌ）等の解析診断結果が表示されるよう
にしたものである。
【００３７】事業用ボイラでは、過熱器管を例にとって
も伝熱管は炉幅方向に５０〜１５０本、ガス流れ方向
（奥行き方向）に３〜１０段あり、対象数は、膨大な数
になる。これらの多大な数の対象部位について、全て調
査することは長時間が必要であり、更に全体の損傷度や
余寿命分布が表示できれば、有効な診断手法となる。
も伝熱管は炉幅方向に５０〜１５０本、ガス流れ方向
（奥行き方向）に３〜１０段あり、対象数は、膨大な数
になる。これらの多大な数の対象部位について、全て調
査することは長時間が必要であり、更に全体の損傷度や
余寿命分布が表示できれば、有効な診断手法となる。
【００３８】図６は、異材継手の溶接部の余寿命分布の
表示結果の一例である。ある部分的な検査に基づく解析
結果と炉内ガス温度分布や管内水蒸気温度分布により炉
幅方向及び奥行き方向（２段目、３段目）の余寿命分布
を表示したものである。
表示結果の一例である。ある部分的な検査に基づく解析
結果と炉内ガス温度分布や管内水蒸気温度分布により炉
幅方向及び奥行き方向（２段目、３段目）の余寿命分布
を表示したものである。
【００３９】
【発明の効果】本発明は、以上のような構成であること
から、過熱器や再熱器管異材継手溶接部に生じる複雑な
影響因子のき裂発生型材料損傷を高精度且つ簡易的に診
断評価でき、適切な更新時期を設定できるので経済的且
つ安定したプラント運転が可能となる。
から、過熱器や再熱器管異材継手溶接部に生じる複雑な
影響因子のき裂発生型材料損傷を高精度且つ簡易的に診
断評価でき、適切な更新時期を設定できるので経済的且
つ安定したプラント運転が可能となる。
【図１】 本発明になるボイラ過熱器又は再熱器管異材
継手の溶接部き裂発生型材料損傷手法の一実施例を示す
図である。
継手の溶接部き裂発生型材料損傷手法の一実施例を示す
図である。
【図２】 本発明になるき裂発生寿命と診断インデック
ス（ＤＭＷ−Ｌ）'の関係線図である。
ス（ＤＭＷ−Ｌ）'の関係線図である。
【図３】 本発明になる異材継手溶接部のき裂発生材料
損傷を診断した一例である。
損傷を診断した一例である。
【図４】 本発明になる異材継手溶接部の損傷や余寿命
を診断する方法の具体的な装置構成の一例である。
を診断する方法の具体的な装置構成の一例である。
【図５】 本発明になる異材継手溶接部の損傷及び余寿
命診断装置のＣＲＴ等モニター画面の一例である。
命診断装置のＣＲＴ等モニター画面の一例である。
【図６】 本発明になる異材継手溶接部の余寿命分布の
表示結果の一例である。
表示結果の一例である。
【図７】 火力発電用ボイラの断面概要図（図７
（ａ））と過熱器管の構造図（図７（ｂ））の一例を示
す図である。
（ａ））と過熱器管の構造図（図７（ｂ））の一例を示
す図である。
【図８】 過熱器のＣｒＭｏ鋼からなる低温部伝熱管と
ＳＵＳ鋼からなる高温部伝熱管の異材継手の代表的な構
成を示す図である。
ＳＵＳ鋼からなる高温部伝熱管の異材継手の代表的な構
成を示す図である。
【図９】 異材継手にき裂発生型材料損傷が生じたとき
の模式図である。
の模式図である。
【図１０】 ＳＴＢＡ２４鋼の水蒸気酸化スケール厚さ
の温度と時間の関係を示すデータである。
の温度と時間の関係を示すデータである。
１ ボイラ ２ 吊下型過熱器
３ 吊下型再熱器 ４ 過熱器入口管寄
５ 過熱器低温部伝熱管（フェライト系鋼）
６ 過熱器高温部伝熱管（オーステナイト系ステンレス
鋼） ７ 過熱器出口管寄 ８ 短管（ＳＵＳ） ９ 異材溶接金属（Ｎｉ基合金） １０ ＳＵＳ溶接金属 １１ 異材継手溶接境界割
れ １２ ＣｒＭｏ鋼内面水蒸気酸化スケール １３ 水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ） １４ 水蒸気酸化スケール厚さの最小値（ｔｓｍｉｎ） １５ 管内水蒸気酸化スケール厚さ測定用超音波端子 １６ 管内水蒸気酸化スケール厚さ測定装置 １７ 異材継手溶接部の損傷及び余寿命診断装置
鋼） ７ 過熱器出口管寄 ８ 短管（ＳＵＳ） ９ 異材溶接金属（Ｎｉ基合金） １０ ＳＵＳ溶接金属 １１ 異材継手溶接境界割
れ １２ ＣｒＭｏ鋼内面水蒸気酸化スケール １３ 水蒸気酸化スケール厚さの最大値（ｔｓｍａｘ） １４ 水蒸気酸化スケール厚さの最小値（ｔｓｍｉｎ） １５ 管内水蒸気酸化スケール厚さ測定用超音波端子 １６ 管内水蒸気酸化スケール厚さ測定装置 １７ 異材継手溶接部の損傷及び余寿命診断装置
Claims (5)
- 【請求項１】 ボイラの過熱器又は再熱器管のフェライ
ト系低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継
手溶接部に対して、フェライト系低合金鋼管内面の水
蒸気酸化スケール厚さの代表最大値（ｔｓｍａｘ）又は
前記最大値（ｔｓｍａｘ）と等価な温度−時間数値、
フェライト系低合金鋼管内面の水蒸気酸化スケール厚さ
の代表最大値（ｔｓｍａｘ）と代表最小値（ｔｓｍｉ
ｎ）の比（Ｒｔ＝ｔｓｍａｘ／ｔｓｍｉｎ）及びボイ
ラの起動停止回数（ＳＳ）の関数によりき裂発生型材料
損傷度や余寿命を算出することを特徴とするボイラ伝熱
管異材継手溶接部の損傷診断法。 - 【請求項２】 ボイラの過熱器又は再熱器管のフェライ
ト系低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継
手溶接部に対して、フェライト系低合金鋼管内面の水
蒸気酸化スケール厚さの代表最大値（ｔｓｍａｘ）又は
前記最大値（ｔｓｍａｘ）と等価な温度−時間数値、
フェライト系低合金鋼管内面の水蒸気酸化スケール厚さ
の代表最大値（ｔｓｍａｘ）と代表最小値（ｔｓｍｉ
ｎ）の比（Ｒｔ＝ｔｓｍａｘ／ｔｓｍｉｎ）及びボイ
ラの起動停止回数（ＳＳ）のべき乗の積からなる関数
（＝α×ｔｓｍａｘβ×Ｒｔγ×ＳＳδ）によりき裂発
生型材料損傷度や余寿命を算出することを特徴とするボ
イラ伝熱管異材継手溶接部の損傷診断法。 - 【請求項３】 ボイラの過熱器又は再熱器管のフェライ
ト系低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材溶
接部のき裂発生型材料損傷を診断したり余寿命を評価す
る損傷診断法において、フェライト系低合金鋼側の管内
面水蒸気酸化スケール厚さ測定装置及び異材継手溶接部
の損傷及び余寿命診断装置により、オンライン又はオフ
ラインによりき裂発生型材料損傷度や余寿命を算出した
り、診断結果を表示することを特徴とするボイラ伝熱管
異材継手溶接部の損傷診断法。 - 【請求項４】 ボイラの過熱器又は再熱器管のフェライ
ト系低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継
手溶接部に対して、フェライト系低合金鋼管内面の水蒸
気酸化スケール厚さの測定器と、該測定器で得られる
フェライト系低合金鋼管内面の水蒸気酸化スケール厚さ
の代表最大値（ｔｓｍａｘ）又は前記最大値（ｔｓｍａ
ｘ）と等価な温度−時間数値、フェライト系低合金鋼
管内面の水蒸気酸化スケール厚さの代表最大値（ｔｓｍ
ａｘ）と代表最小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ＝ｔｓｍ
ａｘ／ｔｓｍｉｎ）及びボイラの起動停止回数（Ｓ
Ｓ）の関数によりき裂発生型材料損傷度や余寿命を算出
する演算器を備えたことを特徴とするボイラ伝熱管異材
継手溶接部の損傷診断装置。 - 【請求項５】 ボイラの過熱器又は再熱器管のフェライ
ト系低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継
手溶接部に対して、フェライト系低合金鋼管内面の水蒸
気酸化スケール厚さの測定器と、該測定器で得られる
フェライト系低合金鋼管内面の水蒸気酸化スケール厚さ
の代表最大値（ｔｓｍａｘ）又は前記最大値（ｔｓｍａ
ｘ）と等価な温度−時間数値、フェライト系低合金鋼
管内面の水蒸気酸化スケール厚さの代表最大値（ｔｓｍ
ａｘ）と代表最小値（ｔｓｍｉｎ）の比（Ｒｔ＝ｔｓｍ
ａｘ／ｔｓｍｉｎ）及びボイラの起動停止回数（Ｓ
Ｓ）のべき乗の積からなる関数（＝α×ｔｓｍａｘβ×
Ｒｔγ×ＳＳδ）によりき裂発生型材料損傷度や余寿命
を算出する演算器を備えたことを特徴とするボイラ伝熱
管異材継手溶接部の損傷診断装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001278198A JP2003090506A (ja) | 2001-09-13 | 2001-09-13 | ボイラ伝熱管異材継手溶接部の損傷診断法と装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001278198A JP2003090506A (ja) | 2001-09-13 | 2001-09-13 | ボイラ伝熱管異材継手溶接部の損傷診断法と装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003090506A true JP2003090506A (ja) | 2003-03-28 |
Family
ID=19102606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001278198A Pending JP2003090506A (ja) | 2001-09-13 | 2001-09-13 | ボイラ伝熱管異材継手溶接部の損傷診断法と装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003090506A (ja) |
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