JP2004144549A

JP2004144549A - 非破壊高温クリープ損傷評価方法

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Publication number: JP2004144549A
Application number: JP2002308126A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Shiba; 志波　光晴; Ryoichi Kume; 粂　亮一
Original assignee: HATSUDEN SETSUBI GIJUTSU KENSA; HATSUDEN SETSUBI GIJUTSU KENSA KYOKAI
Current assignee: HATSUDEN SETSUBI GIJUTSU KENSA; HATSUDEN SETSUBI GIJUTSU KENSA KYOKAI
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP3728286B2

Abstract

【課題】供用中のボイラ等の高温機器において、非破壊測定された物理量を用いて、クリープ損傷率を評価しおよび寿命・余寿命時間を求める方法を提供する。
【解決手段】高温クリープ損傷機構は、組織変化により生じた炭化物等の析出物を起因とし、応力負荷によりボイド発生、連結、亀裂進展が生じて破壊に至る。クリープ時の交流磁化測定量には、熱時効による組織的な変化に起因する変化量および応力負荷に伴う損傷に起因する量が入っている。クリープ損傷は、組織変化を引き金とし、応力負荷により進展することから、直接の損傷評価に対応する量は、応力負荷に伴う損傷量である。高温クリープ時の測定量から熱時効による変化量を除き、応力負荷に伴う損傷に対応する量を応力支配型損傷量と定義して抽出し、評価する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、供用中のボイラ等の高温機器において、非破壊測定された物理量を用いて高温クリープ損傷を評価し、寿命・余寿命時間を求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の損傷を非破壊評価することは、高経年化したプラントの信頼性を保証し、事故および保全に対する経済性を向上させる上では不可欠な技術である。特に、ボイラ等の機器は、高温、高圧で用いられているために、供用中に材料に高温クリープ損傷が生じ、漏洩等の事故が起こる。そのため、予防保全の観点から機器の交換および補修を定期的に行い、クリープ損傷率を知ることによって、機器の交換・補修時期の予測が求められている。
【０００３】
材料の高温クリープ損傷率を非破壊評価する方法は、金属組織を直接または間接に観察し、組織の変化から高温クリープ損傷率を評価する方法（以下、単に「組織観察法」と言う。）と、超音波特性、硬さ特性、電磁気特性等に関する材料の物理量を非破壊測定し、予め求められた測定量と損傷率との相関関係から評価する方法（以下、単に「物理量測定法」と言う。）との２種類に大別できる。
【０００４】
組織観察法のうち代表的なレプリカ法では、実機の金属組織をレプリカに写し取り、光学顕微鏡または電子走査型顕微鏡を用いて、炭化物の析出、ボイド率、結晶粒性状等の組織状態を評価し、損傷率と対応させている。レプリカ採取工程において、測定時に実機の表面を鏡面研磨し、腐食させる前処理が必要になる。写し取ったレプリカの評価工程においては、ラボ等に持ち帰り、材料に応じて解析しなければならない。そのため、測定と評価には高度な熟練と多くの時間が要求される。
【０００５】
一方、物理量測定法は、組織観察法に比べて、一般に前処理が簡便であり、測定時に直接値が得られる。測定量と損傷率との相関関係が予め求められていれば、その場で損傷率を評価できる。しかし、測定量と損傷率との相関関係は、単純には求められない。測定手法によりその相関関係が異なるため、現場適用に当たり評価手法の確立が望まれていた。
【０００６】
これまでのクリープ損傷評価手法としては、Ｗｉｌｓｈｉｒｅ、横堀等によるクリープ損傷マスターカーブの研究において、材料破断歪を予め求めておけば、負荷中の歪変化率を基にしたマスターカーブにより、クリープ寿命を推定できることが示されている（例えば、非特許文献１参照）。これらの手法を用いて構造物の非破壊評価を行うには、一定期間連続して歪測定を行わなければならず、実機への適用には大きな困難があった。
【０００７】
【非特許文献１】
日本学術振興会先端材料強度第１２９委員会編、「材料強度と破壊学−創造的発展と応用−」、技報堂出版、第１版、（１９９９年）、第１９８−２０２ページ。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
実機における従来の物理量測定法の問題は、以下の３点に整理できる。第１点は、評価のためのマスターカーブ作成方法であり、第２点は評価の基準となる試験片、特に初期材の問題であり、第３点は測定量から損傷率を評価する方法である。
【０００９】
マスターカーブの作成方法においては、高温クリープ損傷機構は、材料および供用条件により異なり、かつ、測定手法ごとに検出される信号が異なる傾向にある。そのため、評価を行う供用条件と同一か同様と見なせられる試験体を用意する。実機と同様な条件で高温クリープ試験、または実機の損傷機構と同等と見なせられるクリープ加速試験を破断まで行い、非破壊測定量と損傷率との相関関係を示すマスターカーブを作成しなければならなかった。このことは、実機と同様な材料について、複数の試験条件（圧力、温度、時間）で多くのクリープ破断試験を行わなければならない。その結果、マスターカーブの作成には多大なコストと時間を要した。
【００１０】
評価の基準となる試験片、特に初期材の問題について述べる。非破壊測定量のマスターカーブを用いた評価は、初期材の測定値を損傷０％とし、破断時の測定量をクリープ損傷率１００％として行われる。このことから、初期材の測定値は重要になる。しかし、非破壊測定量の初期値は、材料の成分、熱処理、加工履歴等の製造条件により異なる。そのため、実機の測定値からクリープ損傷率を評価する場合、実機と同じ材料および加工条件の初期材を入手し、測定することが求められてきた。しかし、高温クリープ損傷評価を必要とするプラントは、高経年化したものが多く、製造時と同じ材料を初期材として入手するにはかなりの困難が伴った。
【００１１】
測定量からクリープ損傷率を評価する方法について述べる。高温クリープ損傷は、熱時効による組織の変化を基にして負荷応力の影響により生じたボイドが発生し、亀裂として進展することにより破損に至るものである。しかし、非破壊測定量である高温クリープ損傷測定量は、熱時効による変化量と応力負荷による変化量との双方を含んでいる。そのために、表１に示すように、物理量測定法による高温クリープ損傷測定値は、温度と時間（熱時効）による組織変化と、応力による組織変化の状態に対応する各々の検出特性との組合せにより複雑な挙動が見られた。
【００１２】
【表１】

【００１３】
これらの問題により、物理量測定法を用いて実機の測定量から高温クリープ損傷率を求めるには多くの困難があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
高温クリープ損傷機構は、組織変化により生じた炭化物等の析出物を起因とし、応力負荷によりボイド発生、連結、亀裂進展が生じて破壊に至る。クリープ時の交流磁化測定量には、熱時効による組織的な変化に起因する変化量および応力負荷に伴う損傷に起因する量が入っている。クリープ損傷は、組織変化を引き金とし、応力負荷により進展することから、直接の損傷評価に対応する量は、応力負荷に伴う損傷量である。高温クリープ時の測定量から熱時効による変化量を除き、応力負荷に伴う損傷（以下、単に「応力支配型損傷」と言う。）に対応する量を応力支配型損傷量と定義して抽出し、評価する。
【００１５】
本発明では、実機における高温クリープ損傷の評価対象は、ボイド発生等の応力の影響により生じる損傷である。応力負荷により発生する損傷を評価の対象として、硬さと交流磁化法という測定原理が異なる複数の非破壊評価手法に応用したとところ、よい結果が得られた。この方法を一般化することにより、物理量測定法を用いて実機の高温クリープ損傷評価を行う方法を提供する。
【００１６】
本発明の非破壊高温クリープ損傷評価方法は、実機の高温クリープ測定量および熱時効測定量を物理量測定装置（物理量測定法に基づく装置）によって測定すること、前記測定量から応力支配型損傷量を導出すること、前記応力支配型損傷量をパラメータとして用いて、高温クリープ損傷率を評価することからなる。
【００１７】
本発明の方法は、熱処理温度および加工履歴を変えた同じ材質について複数の試験体を用いて熱時効時の物理量測定を行い、一定の値に収斂する時間と温度（ラーソンミラーパラメータＬ）の熱時効測定量を基準値として熱時効材の条件を決めること、該熱時効材から前記応力支配型損傷量を導出することからなる。高温クリープ寿命予測を行うための基準値として、高温クリープ破断時の破断応力と前記物理量測定装置で得られた測定量に基づいてマスターカーブを作成することができる。高温クリープ寿命を、破断応力時の測定量である強度因子と、寿命・余寿命という時間因子との相関関係から求めることができる。
【００１８】
【発明の実施形態】
高温クリープ損傷を、非破壊測定量により評価する方法として、応力支配型損傷量をパラメータとして用いて評価する本発明の方法の実施形態について、図１−７を参照して説明する。図１は、以下に述べる本発明の方法の概要を示す説明図である。
【００１９】
ボイラ等の高温機器の実機は、運転温度および時間が管理され、記録として残されている。その実機は、応力変動に起因する損傷の可能性が高いこと、および高温クリープ損傷進展を支配するボイドの合体を基点としたクリープ亀裂進展は応力により大きく影響を受けることから、応力支配型の損傷を想定する。
【００２０】
物理量測定法による高温クリープ時における測定量Ｍ^Ｃ（Ｔ、ｔ、σ）は、下記（１）式に示すように、熱時効量Ｍ^Ａ（Ｔ、ｔ）と応力支配型損傷量Ｓ（σ）の畳込み積分であるとする。下記（２）式に示すように、非破壊測定量Ｍ^Ｃ（ｔ）から、熱時効量を逆畳込み積分により、応力支配型損傷量を抽出することが可能となる。下記（１）、（２）式において、Ｔは温度、ｔは時間、σは応力である。
【００２１】
【数１】

【００２２】
【数２】

【００２３】
物理量として測定可能な量は、高温クリープ測定量と熱時効測定量とである。予めＴ、ｔ、σが既知の場合、実機の測定量から、実機と同等な熱時効測定量を逆畳込み積分によって、応力支配型損傷量を抽出することができる。ただし、逆畳込み積分の計算方法は、各物理量測定法固有の応答関数により異なる。
【００２４】
応力支配型損傷量を導出する熱時効材の条件を決める方法について述べる。一般に、金属系構造材料は、ＪＩＳ等において同じ型式のものでも、製造元により材料の成分や熱処理、加工履歴等の製造条件が異なる。そのため、例えば、同じ製造元であってもロットが異なれば、物理量測定法による測定値が異なるという現象が見られた。物理量測定法により測定された値を用いて、損傷率を評価する場合、基準値として損傷がない状態としてこのような初期材を用いることには大きな問題がある。一方、一定の時間を経過した熱時効材では、熱活性化過程により製造時の加工条件や熱処理条件の違いが消失し、材料組成本来に基づく値に収斂する傾向が実験的に得られている。
【００２５】
そこで、初期材の製造時の加工条件や熱処理条件の違いを受けず、材料本来の特性を基準値として得る方法として、熱処理温度および加工履歴を変えた同じ材質における複数の試験体を用いて、熱時効時の物理量測定を行い、一定の値に収斂する時間と温度（ラーソンミラーパラメータＬ）以降の熱時効測定量を基準として用いる。熱時効測定量のマスターカーブｆ（Ｍ_Ｌ）は、熱時効時の測定量Ｍ^Ａ（Ｔ、ｔ）を縦軸とし、横軸をラーソンミラーパラメータＬとしてプロットし、回帰直線または曲線を用いることで実験的に、下記（３）式として導出される。
【００２６】
【数３】

【００２７】
高温クリープ寿命予測を行うための基準値として、高温クリープ破断時の破断応力と物理量測定法のマスターカーブを用いる方法について述べる。物理量測定法の高温クリープ時における測定量Ｍ^Ｃ（Ｔ、ｔ、σ）において、材料の臨界値Ｍ_Ｃ ^Ｃ（Ｔ、ｔ、σ）になった場合、高温クリープ破断時における強度（クリープラプチャー強度）σ_Ｂにおいて破壊が生じるとする。これは、下記（４）式で表される。
【００２８】
【数４】

【００２９】
（４）式の右辺は、クリープラプチャー強度を横軸に、物理量測定法の値を縦軸にしてプロットし、回帰直線または曲線を用いることで実験的に導出される。
高温クリープ寿命を、破断応力時の測定量である強度因子と、寿命・余寿命の時間因子との相関関係から求める方法について述べる。供用中の材料についての測定値Ｍ^Ｃ（Ｔ、ｔ、σ）が臨界値Ｍ_Ｃ ^Ｃ（Ｔ、ｔ、σ）になった場合、破壊が生じるとする。上記（１）、（４）式より、応力支配型損傷量Ｓ_Ｃ（σ）を臨界応力支配型損傷量として下記（５）式で表すことができる。
【００３０】
【数５】

【００３１】
上記（１）、（３）、（５）式より、破断時の測定量と供用時の測定量の比Ｒ_Ｍは、下記（６）式となる。
【００３２】
【数６】

【００３３】
ここで、応力支配型損傷量Ｓ（σ）および臨界応力支配型損傷量Ｓ_Ｃ（σ）を用いて、応力支配型損傷率Ｒ_Ｓを下記（７）式のように定義する。すなわち、下記（７）式のＲ_Ｓは、破断試験片と供用材の測定量から各々熱時効の影響を除いた応力による損傷の比である。
【００３４】
【数７】

【００３５】
次にクリープ損傷率Ｄ_Ｃを、クリープ供用時間ｔ_ａ、破断時間をｔ_ｆとし、下記（８）式のように定義する。この（８）式は、寿命消費率とも呼ばれている。
【００３６】
【数８】

【００３７】
次に、応力支配型損傷率Ｒ_Ｓとクリープ損傷率Ｄ_Ｃのマスターカーブ作成方法について述べる。クリープ破断試験時の時間ｔ_ｆを１００％とし、その間の途中経過における測定量を各々（７）式で求めたＲ_Ｓとしてプロットする。このようにして、応力支配型損傷率Ｒ_Ｓとクリープ損傷率Ｄ_Ｃのマスターカーブが作成される。このマスターカーブから、測定された応力支配型損傷率Ｒ_Ｓと測定時ｔ_ａとによって破断時間ｔ_ｆが下記（９）式で推定できる。また、余寿命ｔ_ｒは、下記（１０）式で求められる。
【００３８】
【数９】

【００３９】
【数１０】

【００４０】
次に、本発明の方法を実施するさいに用いる物理量測定装置（物理量測定法に基づく装置）の一例を、図８に示す。
【００４１】
図８は、物理量測定装置の概略ブロック図である。図８において、交流磁化プローブ１２は、強磁性体のクリープ損傷材である試験体１０を交流磁化しかつ交流磁化された波形を検出する。可変交流電源１４は試験体１０に印加される交流磁束を交流磁化プローブ１２に発生させるため、その交流磁化プローブ１２に交流電圧（または電流）を印加する。検出波形増幅部１６は、交流磁化プローブ１２で検出された交流磁化波形を増幅する。Ａ／Ｄ変換部１８は、交流磁化プローブ１２に印加される可変交流電源１４からの交流電圧（または電流）および検出された交流磁化波形の電圧（または電流）を変換する。パーソナル・コンピュータ２０は、Ａ／Ｄ変換部１８から印加および検出された交流磁化波形の電圧（または電流）のディジタル・データを受け取り波形処理、演算処理および表示等を行うよう機能する。Ａ／Ｄ変換部１８は、１対のＡ／Ｄ変換器３０および３２を有し、検出波形増幅部１６および可変交流電源１４からのアナログ形式の交流磁化検出波形を２チャンネル同期サンプリングによりディジタル化する。パーソナル・コンピュータ２０は、ハードウエアとしては通常の構成のものであり、Ａ／Ｄ変換部１８からのディジタル・データを受け取る入力インタフェース４０、種々の処理を行うマイクロプロセッサ４２、その処理プログラムおよびデータ等を記憶するメモリ４４、処理結果等を表示するディスプレイ４６およびデータや操作指令等を入力するキーボード４８を含む。
【００４２】
【実施例】
硬さ測定例
図２は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼についての熱時効時におけるラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）と硬さとのマスターカーブ例を示す。硬さとＬＭＰとの関係は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼の測定結果は、線形の関係（回帰直線）を示した。
【００４３】
図３は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、およびＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼のクリープラプチャー強度と硬さとのマスターカーブ例を示す。試験片の材料、クリープ温度、時間が異なるにもかかわらず、クリープラプチャー強度と硬さとは、線形の関係を示した。
【００４４】
図４は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、およびＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の硬さ比（応力支配型損傷率）とクリープ損傷率とのマスターカーブ例を示す。硬さ測定における上記（１）、（２）式の関係は、実験的に単純な線形関数として取り扱うことができる。熱時効時の硬さをＨ^Ｃ（Ｔ、ｔ）、クリープ損傷時の硬さをＨ^Ａ（Ｔ、ｔ、σ）とする。応力支配型損傷量Ｓ^Ｈ（σ）は、下記（１１）式で求められた。硬さ比（応力支配型損傷率）とクリープ損傷率とのマスターカーブは、試験片の材質、クリープ温度、時間が異なるにもかかわらず、ほぼ１本の直線上に乗ることが示された。
【００４５】
【数１１】

【００４６】
これにより、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、およびＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼については、図２に示す熱時効時の硬さ測定結果があれば、供用時の実機における硬さ測定結果から損傷率を求め、寿命、余寿命評価が可能になった。
【００４７】
交流磁化測定例
図５は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の熱時効時のＬＭＰとクリープ試験時の２つのパラメータ（第三高調波比とヒステリシスロス）の測定結果例を示す。熱時効時と、クリープ損傷時とではパラメータの変化量が異なる。
【００４８】
図６は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のクリープ破断強度と２つのパラメータ（第三高調波比とヒステリシスロス）のマスターカーブ例を示す。破断強度との関係では、パラメータにより傾向が変わるため、評価に用いるパラメータごとにマスターカーブが必要である。
【００４９】
交流磁化測定における第三高調波比とヒステリシスロス比における上記（１）、（２）式との関係は、硬さと同様に実験的に単純な線形関数として取り扱うことができる。熱時効時の交流磁化パラメータをＭ^Ｃ（Ｔ、ｔ、σ）、クリープ損傷時の硬さをＭ^Ａ（Ｔ、ｔ、σ）とする。応力支配型損傷量Ｓ^Ｍ（σ）は、下記（１２）式で求められた。
【００５０】
【数１２】

【００５１】
図７は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の２つのパラメータ（第三高調波比とヒステリシスロス）で求めた応力支配型損傷率とクリープ損傷率とのマスターカーブ例を示す。これにより、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼においては、供用時の実機における交流磁化測定結果から損傷率を求め、寿命、余寿命評価が可能になった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、供用中のボイラ等の高温機器において、非破壊測定された物理量から初期材のバラツキの影響および熱時効による変化量を除き、応力負荷にのみ伴う応力支配型損傷量を用いて、高温クリープ損傷率を評価し、寿命・余寿命時間を求めることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の概要を示す説明図である。
【図２】２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼についての熱時効時におけるラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）と硬さとのマスターカーブ例を示す。
【図３】２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、およびＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼のクリープラプチャー強度と硬さとのマスターカーブ例を示す。
【図４】２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、およびＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の硬さ比（応力支配型損傷率）とクリープ損傷率とのマスターカーブ例を示す。
【図５】２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の熱時効時のＬＭＰとクリープ試験時の２つのパラメータ（第三高調波比とヒステリシスロス）の測定結果例を示す。
【図６】２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のクリープ破断強度と２つのパラメータ（第三高調波比とヒステリシスロス）のマスターカーブ例を示す。
【図７】２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の２つのパラメータ（第三高調波比とヒステリシスロス）で求めた応力支配型損傷率とクリープ損傷率とのマスターカーブ例を示す。
【図８】本発明の方法を実施するするさいに用いる物理量測定装置の一例の概略ブロック図である。

Claims

実機の高温クリープ測定量および熱時効測定量を物理量測定装置によって測定すること、前記測定量から応力支配型損傷量を導出すること、前記応力支配型損傷量をパラメータとして用いて、高温クリープ損傷率を評価することからなる、非破壊高温クリープ損傷評価方法。
熱処理温度および加工履歴を変えた同じ材質について複数の試験体を用いて熱時効時の物理量測定を行い、一定の値に収斂する時間と温度（ラーソンミラーパラメータＬ）の熱時効測定量を基準値として熱時効材の条件を決めること、該熱時効材から前記応力支配型損傷量を導出することからさらになる、請求項１に記載の方法。
高温クリープ寿命予測を行うための基準値として、高温クリープ破断時の破断応力と前記物理量測定装置で得られた測定量に基づいてマスターカーブを作成することからさらになる、請求項１に記載の方法。
高温クリープ寿命を、破断応力時の測定量である強度因子と、寿命・余寿命という時間因子との相関関係から求めることからさらになる、請求項１に記載の方法。