JP2007192781A - Evaluation method and device for evaluating material deterioration behavior by tracer hydrogen - Google Patents

Evaluation method and device for evaluating material deterioration behavior by tracer hydrogen Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an evaluation method and device for measuring/evaluating precisely and easily a deteriorated/damaged state inside a material, by releasing hydrogen in a practical material by temperature elevation release analysis to analyze the released hydrogen obtained therein. <P>SOLUTION: The hydrogen captured or solid-dissolved in the material is released to an outside of the material by temperature elevation, and a material deterioration behavior is evaluated based on information obtained by the temperature elevation released hydrogen. The evaluation method/device include with a heating means for eliminating/releasing the hydrogen captured or solid-dissolved in the material, a collection means for collecting the eliminated/released hydrogen, a hydrogen information acquisition means for acquiring information as to the temperature elevation released hydrogen, and an information analytical means. The deteriorated/damaged behavior inside the material is investigated based on an elimination characteristic of the hydrogen captured in a deteriorated texture. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属材料に捕捉または固溶した水素を昇温脱離させ、その昇温脱離水素の情報に基づいて当該材料内の劣化・損傷性状について評価する手法、およびその評価を実プラント材料に対して非破壊的に実施するために必要な実機用測定機構を含む材料の劣化性状評価装置に関するものである。   The present invention relates to a technique for degrading hydrogen trapped or dissolved in a metal material by temperature programmed desorption, and evaluating degradation / damage properties in the material based on the information of the temperature desorbed hydrogen, and the evaluation of the actual plant The present invention relates to a material degradation property evaluation apparatus including a measurement mechanism for an actual machine necessary for non-destructive implementation of the material.

我が国の火力発電所は、その7割以上が稼働10万時間以上の経年プラントであり、また、環境問題などから経年設備の延命化や保全費の抑制、発電効率向上のため蒸気の高温高圧化などが図られ、より過酷な運転状況にある。このため、プラント機器の保守検査に対する透明性と確実性の確保が必要とされており、特に経年的な材料劣化・損傷を非破壊的な手法を用いて定量的かつ簡便に評価し、余寿命を高精度に予測するための技術が望まれている。   More than 70% of the thermal power plants in Japan are aged plants that operate 100,000 hours or more, and because of environmental problems, the life of the aged facilities is extended, maintenance costs are reduced, and steam is heated to high temperature and pressure to improve power generation efficiency. Etc., and is in a more severe driving situation. For this reason, it is necessary to ensure transparency and certainty for maintenance inspections of plant equipment, and in particular, quantitative and simple evaluation of material deterioration and damage over time using non-destructive methods, and remaining life There is a demand for a technique for predicting the above with high accuracy.

一般的なプラント機器の保守検査では、超音波探傷試験、放射線探傷試験、磁粉探傷試験、浸透探傷試験、過流探傷試験などの非破壊検査手法が多用されている。このような手法の検出対象は主として「損傷」であり、すなわち材料において減肉や割れなどのマクロ的変化が生じた場合には有効的な手法である。しかしこの「損傷」は、金属組織におけるマイクロメータもしくはナノメータレベルの微細変化に起因した材料の機械的特性変化など、つまり材質の「劣化」が積み重ねられた結果、またはそれら「劣化」部を起点として生ずるものであるため、実際に「損傷」が生ずる段階では材料の劣化は、かなり進行した状態であり、既に材料として寿命の中期〜末期に達していることが殆どである。一方、実プラント機器の保守検査においては、如何に材料の経年的変化を早期発見するかが重要なポイントであり、早期発見することによって機器の安全性が高いレベルで確保されるとともにその劣化・損傷の処置(補修)も軽微なもので済むことから経済的な面でも有利となる。そのため、材質「劣化」を出来るだけ早期にかつ定量的に評価するための手法の開発が求められており、これまでに様々な研究・開発が進められている。 In general plant equipment maintenance inspection, nondestructive inspection methods such as ultrasonic inspection, radiation inspection, magnetic particle inspection, penetration inspection, and overcurrent inspection are frequently used. The detection target of such a method is mainly “damage”, that is, an effective method when a macro change such as thinning or cracking occurs in the material. However, this "damage" is caused by changes in the mechanical properties of the material due to micro- or nanometer-level micro changes in the metal structure, that is, as a result of the accumulated "deterioration" of the material, or from these "deterioration" parts. Therefore, at the stage where “damage” actually occurs, the deterioration of the material is in a considerably advanced state, and most of the material has already reached the middle to the end of its life. On the other hand, in the maintenance inspection of actual plant equipment, it is important how to detect the secular change of materials at an early stage. Since the damage treatment (repair) may be minor, it is advantageous in terms of economy. Therefore, the development of a method for quantitatively evaluating the material “deterioration” as early as possible is required, and various research and development have been conducted so far.

例えば、特許文献1記載の「ステンレス鋼の鋭敏化度評価方法」においては、オーステナイトステンレス鋼表面の金属組織が転写されたレプリカフィルムに対して水素等のガスを添加するとともに、当該フィルム上の転写組織にトラップされた水素を昇温脱離分析法にて測定し材料表面の鋭敏化程度を測定する方法が開示されている。   For example, in the “method for evaluating the degree of sensitization of stainless steel” described in Patent Document 1, a gas such as hydrogen is added to a replica film to which the metal structure of the austenitic stainless steel surface is transferred, and the transfer on the film is performed. A method for measuring the degree of sensitization of the material surface by measuring hydrogen trapped in the tissue by a temperature programmed desorption analysis method is disclosed.

また、特許文献2記載の「プラント構造物の寿命予測方法およびその装置」においては、評価対象材と同じ金属試験片をセンサとしてプラント機器が曝されている実腐食環境内に暴露し、その試験片を透過してきた水素の量やその透過速度の情報と既知のマスターカーブとの比較から環境割れ損傷による寿命を予測する手法が開示されている。   Further, in the “Method and apparatus for predicting the life of plant structure” described in Patent Document 2, the same metal test piece as the material to be evaluated is exposed to the actual corrosive environment where the plant equipment is exposed, and the test is performed. There is disclosed a method for predicting the lifetime due to environmental cracking damage by comparing information on the amount of hydrogen permeating through the piece and the permeation speed information with a known master curve.

特許文献3記載の「欠陥検出装置及びその測定方法」においては、材料表面から原子をイオン化し脱離させる原理に基づく分析装置を利用するものであり、材料内の各種組織因子に重水素を導入・トラップさせ、組織因子を構成する原子とともにイオン化した水素を検出して材料内における欠陥を原子レベルで検出・可視化する手法が開示されている。   The “defect detection device and its measurement method” described in Patent Document 3 uses an analysis device based on the principle of ionizing and desorbing atoms from the material surface, and introduces deuterium into various tissue factors in the material. A technique for detecting and visualizing defects in a material at an atomic level by detecting hydrogen ionized together with atoms constituting a tissue factor by trapping is disclosed.

また、水素昇温脱離分析法は、従来から遅れ破壊(水素脆化)の研究分野で適用されている分析方法であり、学術文献も数多く存在する。非特許文献1に示される最近の研究では、昇温脱離水素の放出プロファイルを各組織因子に由来したプロファイルに分離したとの報告例もある。
特開平7−113801号公報 特開平8−68731号公報 特開平9−152410号公報 T.Yokota and Shiraga:“Evaluation of Hydrogen Content Trapped by Vanadium Precipitates in a Steel”、ISIJ International、Vol。43、2003、pp、534−538.
The hydrogen thermal desorption analysis method is an analysis method that has been applied in the field of delayed fracture (hydrogen embrittlement), and there are many academic literatures. In a recent study shown in Non-Patent Document 1, there is a report example that the release profile of temperature-programmed desorption hydrogen is separated into profiles derived from each tissue factor.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-113801 JP-A-8-68731 JP-A-9-152410 T.A. Yokota and Shiraga: “Evaluation of Hydrogen Content Trapped by Vanadium Precipitates in a Steel”, ISIJ International, Vol. 43, 2003, pp, 534-538.

しかし、従来の材料特性評価方法のうち、特許文献1に記載された手法はオーステナイトステンレス鋼表面における応力腐食割れの感受性評価に特化した劣化性状評価法であり、被検査材内部の劣化・損傷性状について評価する方法は明らかにされていない。またこの手法は、被検査体である前記ステンレス鋼表面より昇温脱離した水素等のガスを直接的に評価するものではなく、あくまでもレプリカフィルム上の転写組織より放出されたガスを利用した間接的な評価手法であることから、直接的な評価法に比べ評価精度の低下が懸念される。また、変動要素である被検査体表面のエッチング程度すなわちレプリカの品質に応じて水素トラップ量の増減を生ずることが考えられるが、その解決法は明らかにされていない。さらに、当該手法では、レプリカ採取作業以降の工程である、「水素トラップ処理」および「水素昇温脱離分析」を実機現場にて行うための方法詳細についても明らかにされていない。   However, among the conventional material property evaluation methods, the method described in Patent Document 1 is a deterioration property evaluation method specialized for stress corrosion cracking susceptibility evaluation on the surface of austenitic stainless steel. A method for evaluating the properties is not disclosed. In addition, this method does not directly evaluate hydrogen and other gases that have been desorbed from the surface of the stainless steel, which is the object to be inspected, but indirectly using the gas released from the transfer tissue on the replica film. Since this is a typical evaluation method, there is a concern that the evaluation accuracy may be reduced compared to the direct evaluation method. Further, although it is conceivable that the amount of hydrogen trap increases or decreases depending on the etching level of the surface of the object to be inspected, which is a variable factor, that is, the quality of the replica, the solution has not been clarified. Furthermore, in this method, details of methods for performing “hydrogen trap processing” and “hydrogen thermal desorption analysis”, which are steps after the replica collection operation, are not clarified.

特許文献2に記載された手法は、主として腐食環境における応力腐食割れによって生ずる金属材料の損傷に関する寿命予測に特化したものであり、材料の劣化性状について評価する方法は明らかにされていない。また本手法はセンサを通して透過してきた実機腐食環境中の水素を測定し、応力腐食割れの寿命を予測するものであり、昇温脱離水素を用いたものではない。さらに、本手法ではセンサとなる金属材料を実機内部に設置する必要があるため、評価の実施に際してはセンサ設置に関わる位置的な制約が伴うことが考えられる。   The technique described in Patent Document 2 is specialized in life prediction regarding damage to a metal material mainly caused by stress corrosion cracking in a corrosive environment, and a method for evaluating the deterioration property of the material has not been clarified. In addition, this method measures hydrogen in the actual corrosive environment that has permeated through the sensor and predicts the life of stress corrosion cracking, and does not use thermal desorption hydrogen. Furthermore, in this method, it is necessary to install a metal material to be used as a sensor inside the actual machine. Therefore, it is conceivable that there are positional restrictions related to sensor installation when performing the evaluation.

特許文献3に記載された手法は、材料の欠陥や転位、粒界、界面に前記重水素をトラップさせ、かつ前記材料を構成する原子とともに前記重水素を検出して前記欠陥や転位、粒界、界面を可視化することを特徴とする欠陥検出方法である。本手法は、イオン化した水素を分析するものであり、昇温脱離水素を用いたものではない。また当該手法の目的は欠陥位置の検出であり欠陥位置の可視化等については記述されているものの、材料の劣化性状について評価する方法については明記されていない。さらに、当該手法では、原子をイオン化させるための分析装置を必要とするため、実プラントの構成部位の様な大型部材に対し非破壊的に実施することは困難である。   The technique described in Patent Document 3 is a method in which the deuterium is trapped at a defect, dislocation, grain boundary, or interface of a material, and the deuterium is detected together with atoms constituting the material to detect the defect, dislocation, or grain boundary. A defect detection method characterized by visualizing an interface. This method analyzes ionized hydrogen and does not use temperature-programmed desorption hydrogen. The purpose of the method is to detect the defect position, and although the visualization of the defect position is described, the method for evaluating the deterioration property of the material is not specified. Furthermore, since this method requires an analyzer for ionizing atoms, it is difficult to perform non-destructively on large members such as constituent parts of an actual plant.

非特許文献1では、昇温脱離水素の放出プロファイルを組織因子に由来したプロファイルに分離することを試みているが、その目的は金属材料の遅れ破壊に関与する悪性水素と組織因子との相関を調べるためのものであり、水素自体は、材料劣化・損傷性状評を価するためのトレーサーとして利用することを念頭においたものではない。そのため当該文献では材料劣化・損傷性状の評価を行うための方法について明記されていない。   In Non-Patent Document 1, an attempt is made to separate the release profile of temperature-programmed desorbed hydrogen into a profile derived from tissue factor. The purpose is to correlate malignant hydrogen involved in delayed destruction of metal material and tissue factor. Hydrogen itself is not intended to be used as a tracer for evaluating material deterioration and damage characteristics. Therefore, this document does not specify a method for evaluating material deterioration / damage properties.

本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、材料中にある水素を昇温脱離により放出させ、その際に得られる昇温脱離水素情報に基づいて材料内の劣化・損傷状態を評価しようとするものである。   The present invention has been made against the background described above. Hydrogen in a material is released by temperature-programmed desorption, and the degradation / damage state in the material is determined based on the temperature-programmed desorption hydrogen information obtained at that time. It is something to be evaluated.

すなわち、本発明のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法の発明において、請求項1記載の発明は、被検査体である金属材料に捕捉または固溶している水素を昇温により材料外部へ放出させ、その昇温脱離水素より得られる情報に基づいて前記材料内の劣化・損傷性状について評価することを特徴とする。   That is, in the invention of the material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to the present invention, the invention according to claim 1 is characterized in that hydrogen trapped or dissolved in a metal material as an object to be inspected is released to the outside of the material by raising the temperature. The deterioration / damage property in the material is evaluated based on the information obtained from the temperature-programmed desorption hydrogen.

請求項2記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法の発明は、請求項1に記載の発明において、前記昇温脱離水素に関する情報から材料劣化・損傷に関与する組織因子に由来する昇温脱離水素の情報を分離して前記評価を行うことを特徴とする。なお、前記組織因子とは、金属材料組織において、一般的に光学顕微鏡および電子顕微鏡による観察対象として認知されているものを意図している。   According to a second aspect of the invention of the material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to the second aspect, in the first aspect of the present invention, the temperature-programmed desorption derived from the tissue factor related to the material degradation / damage from the information on the temperature-programmed desorption hydrogen The evaluation is performed by separating information on hydrogen separation. In addition, the said tissue factor intends what is generally recognized as an observation object by an optical microscope and an electron microscope in a metal material structure | tissue.

請求項3記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法の発明は、請求項1または2のいずれかに記載の発明において、水素の能動的な添加により水素が捕捉または固溶された前記材料から放出する昇温脱離水素によって前記評価を行うことを特徴とする。 According to a third aspect of the invention of the material degradation property evaluation method using the tracer hydrogen according to the first aspect, the hydrogen is released from the material in which hydrogen is trapped or dissolved by active addition of hydrogen. The evaluation is performed by temperature-programmed desorption hydrogen.

請求項4記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記昇温脱離水素の放出プロファイルの変化によって前記評価を行うことを特徴とする。 The invention of the material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to claim 4 is characterized in that, in the invention according to any one of claims 1 to 3, the evaluation is performed by changing the release profile of the temperature-programmed desorption hydrogen. And

請求項5記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、前記昇温脱離水素の放出プロファイルにおけるピーク高さの変化よって前記評価を行うことを特徴とする。   The invention of the material deterioration property evaluation method using tracer hydrogen according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the evaluation is performed by a change in peak height in the temperature release desorption hydrogen release profile. It is characterized by performing.

請求項6記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法は、請求項1〜5のいずれかに記載の発明において、前記昇温脱離水素の放出水素量によって前記評価を行うことを特徴とする。   The material deterioration property evaluation method using tracer hydrogen according to claim 6 is characterized in that, in the invention according to any one of claims 1 to 5, the evaluation is performed based on the amount of released hydrogen of the temperature-programmed desorption hydrogen.

請求項7記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法の発明は、請求項1〜8のいずれかに記載の発明において、水素の能動的な添加により水素が捕捉または固溶された高Crフェライト系耐熱鋼に対して、 100℃/時の昇温速度にて昇温させた際に放出される昇温脱離水素の情報に基づいて当該耐熱鋼について前記評価を行うことを特徴とする。 The invention of the material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 8, wherein the high Cr ferrite system in which hydrogen is captured or dissolved by active addition of hydrogen. The heat-resistant steel is characterized in that the evaluation is performed on the heat-resistant steel on the basis of information on the temperature-programmed desorbed hydrogen released when the temperature is raised at a heating rate of 100 ° C./hour.

請求項8記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法の発明は、請求項1〜7のいずれかに記載の発明において、前記材料が実プラントにおける構成部位であり、該構成部位の任意領域を対象にして非破壊的に前記評価を行うことを特徴とする。   The invention of the material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the material is a constituent part in an actual plant, and an arbitrary region of the constituent part is targeted. Thus, the evaluation is performed non-destructively.

請求項9載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置の発明は、金属材料に捕捉または固溶している水素を昇温により材料外部へ脱離・放出させる加熱手段と、脱離・放出された前記水素を捕集するための捕集手段と、前記昇温脱離水素に関する情報を取得する水素情報取得手段および解情報析手段とを備えることを特徴とする。   The invention of the material degradation property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 9 includes a heating means for desorbing / releasing hydrogen trapped or dissolved in the metal material to the outside of the material by heating, and desorbed / released It is characterized by comprising a collecting means for collecting the hydrogen, a hydrogen information obtaining means for obtaining information on the temperature-programmed desorption hydrogen, and an analysis information analyzing means.

請求項10記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置の発明は、請求項9に記載の発明において、前記材料に対しその内部へ水素を捕捉または固溶させるための水素の能動的な添加が可能なことを特徴とする。 According to the invention of the material degradation property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 10, in the invention according to claim 9, hydrogen can be actively added to trap or dissolve hydrogen into the material. It is characterized by that.

請求項11記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置の発明は、請求項9または10のいずれかに記載の発明において、前記加熱手段は、前記材料の任意部位において一定の面積もしくは体積を均一な条件で、連続的または段階的に制御しながら加熱昇温することができることを特徴とする。   The invention of the material degradation property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 11 is the invention according to any one of claims 9 and 10, wherein the heating means has a uniform area or volume at any part of the material. It is characterized in that the temperature of the heating can be increased under continuous or stepwise control.

請求項12記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置の発明は、請求項9〜11のいずれかに記載の発明において、前記加熱手段は、加熱昇温に用いるエネルギーを前記材料表面の一定領域に集中させるものであることを特徴とする。   The invention of the material deterioration property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 12 is the invention according to any one of claims 9 to 11, wherein the heating means supplies energy used for heating and heating to a certain region of the material surface. It is characterized by being concentrated.

請求項13記載のトレーサー水素による材料性状評価装置の発明は、請求項9〜12のいずれかに記載の発明において、前記材料の測定面を露出させて該材料を覆う内層セルと、該内層セルを覆う外層セルを有し、前記内層セルに、キャリアガス供給源に一端が接続されたキャリアガス供給管と前記水素情報取得手段に一端が接続された水素捕捉供給管とが気密に接続されており、さらに外層セル外部に、前記材料の測定面を加熱する前記加熱手段が配置され、前記外層セルと内層セルの少なくとも一部は、前記加熱手段による加熱昇温エネルギーが前記測定面に向けて通過可能とされていることを特徴とする。 The invention of the material property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 13 is the invention according to any one of claims 9 to 12, wherein an inner layer cell that covers the material by exposing a measurement surface of the material, and the inner layer cell A carrier gas supply pipe having one end connected to a carrier gas supply source and a hydrogen capture supply pipe having one end connected to the hydrogen information acquisition means are airtightly connected to the inner layer cell. Further, the heating means for heating the measurement surface of the material is arranged outside the outer layer cell, and at least a part of the outer layer cell and the inner layer cell is heated by the heating means toward the measurement surface. It is possible to pass.

請求項14記載のトレーサー水素による材料性状評価装置の発明は、請求項13記載の発明において、前記外層内を真空可能にしたことを特徴とする。   The invention for a material property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 14 is characterized in that, in the invention according to claim 13, the inside of the outer layer can be evacuated.

請求項15記載のトレーサー水素による材料性状評価装置の発明は、請求項11〜14のいずれかに記載の発明において、前記材料として、実プラントにおける任意の構成部位を対象とすることを特徴とする。 The invention of the material property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 15 is the invention according to any one of claims 11 to 14, wherein the material is an arbitrary component in an actual plant. .

これまで水素と金属材料に関する研究は、遅れ破壊、つまり金属材料内の水素によって引き起こされる有害な機械的特性変化のメカニズム解明やその抑制法開発という観点より進められており、昇温脱離分析法もその評価手法の一つとして適用されている。そこでの昇温脱離分析法は、試験片へ水素を添加することにより遅れ破壊の状況を模擬し、その上で当該試験片より放出した昇温脱離水素を用いて金属材料の遅れ破壊に関与する悪性水素と組織因子との相関を調べるためのものであり、水素は、遅れ破壊状態を模擬するための材料として使用されている。   So far, research on hydrogen and metal materials has been advanced from the viewpoint of elucidating the mechanism of delayed fracture, that is, harmful mechanical property changes caused by hydrogen in metal materials, and developing a suppression method. Is also applied as one of the evaluation methods. The temperature programmed desorption analysis method simulates the state of delayed fracture by adding hydrogen to the test piece, and then uses the temperature desorbed hydrogen released from the test piece to delay the metal material. It is for investigating the correlation between malignant hydrogen involved and tissue factor, and hydrogen is used as a material for simulating a delayed fracture state.

これに対して本発明は、同じく昇温脱離分析法を利用しているが、原子サイズがもっとも小さい水素の性質を積極的に活かし、遅れ破壊に対しては悪性であるこの水素をあくまでも組織性状トレーサーとして積極的に利用して昇温脱離水素より材料内の劣化・損傷について評価を行うものであり、遅れ破壊に適用されている当該分析法に比べて特に水素の利用方法は大きく異なっている。このことからも本発明は、従来にない発想・概念に基づいた新規発明であるといえる。 On the other hand, the present invention similarly uses the temperature programmed desorption analysis method, but actively utilizes the properties of hydrogen having the smallest atomic size, and this hydrogen, which is malignant against delayed fracture, is used only as a tissue. It is actively used as a property tracer to evaluate deterioration and damage in materials rather than thermal desorption hydrogen, and the method of using hydrogen is significantly different from the analysis method applied to delayed fracture. ing. From this fact, it can be said that the present invention is a novel invention based on an unconventional idea / concept.

金属材料の劣化は、様々な組織的な変化を伴うことが知られている。一方、材料内における水素の存在状態とその後の脱離特性は様々な組織の性状に依存して変化するため、金属材料から放出される昇温脱離水素を計測しその変化を捉えることによって、材料劣化やそれに起因した損傷に関与する組織因子に関する情報を得ることができる。また本発明では、実機用測定装置を新規考案したことにより、これまでには不可能であった実プラント構造材の様な重厚長大部材に対する直接的かつ非破壊的な水素昇温脱離分析についても、それを実施することが可能となり、実プラント構造材用の非破壊的な材料劣化性状評価手法としての活用もできる。 It is known that deterioration of metallic materials is accompanied by various organizational changes. On the other hand, since the existence state of hydrogen in the material and the subsequent desorption characteristics change depending on the properties of various tissues, by measuring the temperature-programmed desorption hydrogen released from the metal material and capturing the change, Information on tissue factors involved in material degradation and damage resulting therefrom can be obtained. In addition, in the present invention, by directly devising a measurement device for actual equipment, direct and non-destructive hydrogen thermal desorption analysis for heavy and long members such as actual plant structural materials, which was impossible until now, However, it can be implemented, and can be used as a non-destructive material degradation property evaluation method for actual plant structural materials.

本発明は下記に示す課題点に着目し解決することにより、従来にない独創的な機能・用途・効果を得るに至っている。 The present invention pays attention to the following problems and solves them, and thus has achieved an unprecedented original function, application, and effect.

(1)昇温脱離分析法から得られる水素の放出特性は、材質、試験片形状、水素チャージ条件、測定条件などによって大きく異なるため、水素昇温脱離分析法による材料劣化・損傷性状の評価を行う上では、様々な測定好適条件の解明および昇温脱離水素とそれに対応した組織因子との関係解明が必須である。この必要解決課題については、以降「昇温脱離水素解析による材料劣化評価法に関する課題」と称する。 (1) The hydrogen release characteristics obtained from thermal desorption analysis vary greatly depending on the material, specimen shape, hydrogen charge conditions, measurement conditions, etc. In conducting the evaluation, it is essential to elucidate various measurement suitable conditions and elucidate the relationship between the temperature-programmed desorption hydrogen and the corresponding tissue factor. This necessary solution is hereinafter referred to as “problems relating to a material deterioration evaluation method by temperature-programmed desorption hydrogen analysis”.

(2)従来の水素昇温脱離分析法は、実験室に設置された据え置き型の測定装置によって行われるものであり、前記装置に備え付けられた気密チャンバ内に挿入した小型試験片を一定の昇温速度にて加熱し、その際に試料から放出された昇温脱離水素の情報を得るものである。よって、従来の前記装置では実プラント構造材料の様な大型部材に対して、直接的かつ非破壊的に水素昇温脱離分析を適用することが不可能であり、従来技術や装置を単純に改良適用するだけでは、本発明が必要とする実機において非破壊的評価を行うための必要機能を得ることは難しい。そこで本発明では、任意部材上の一定領域に対し均一な条件でかつ昇温速度を制御しながら加熱する手段、また放出された水素を捕集する手段、さらには放出された水素の情報を取得するとともに解析を行うための手段を備えた新装置を開発することが必要である。以上の必要解決課題点については、以降「実機測定用装置に関する課題」と称する。 (2) The conventional hydrogen temperature programmed desorption analysis method is performed by a stationary measuring device installed in a laboratory, and a small test piece inserted in an airtight chamber provided in the device is fixed. Heating is performed at a rate of temperature increase, and information on the temperature-programmed desorbed hydrogen released from the sample at that time is obtained. Therefore, it is impossible to apply hydrogen thermal desorption analysis directly and non-destructively to large members such as actual plant structural materials with the above-mentioned conventional apparatus. It is difficult to obtain a necessary function for performing nondestructive evaluation in an actual machine required by the present invention only by applying the improvement. Therefore, in the present invention, a means for heating a certain region on an arbitrary member under uniform conditions while controlling the rate of temperature rise, a means for collecting released hydrogen, and information on the released hydrogen are obtained. In addition, it is necessary to develop a new device equipped with means for performing analysis. The above necessary solution problems are hereinafter referred to as “problems relating to an actual machine measuring apparatus”.

(1)昇温脱離水素解析による材料劣化評価法に関する課題
本課題の解決目標は、[1]「測定好適条件の解明」および[2]「昇温脱離水素とそれに対応した各種材料組織との関係解明」である。
(1) Issues related to material degradation evaluation methods by temperature-programmed desorption hydrogen analysis [1] “Elucidation of suitable measurement conditions” and [2] “temperature-programmed desorption hydrogen and various material structures corresponding to them” Elucidation of the relationship.

[1]「好適条件の解明」は、昇温脱離水素の情報に基づく材料劣化・損傷評価を精度良く行う上での必要前提条件として位置づけられる。そのため我々は、被検査体の形状、重量、水素吸蔵量、拡散速度などを検討するとともに、水素の能動的な添加方法とその時間、また水素を能動的に添加してから水素昇温脱離させるまでの時間、更には昇温速度や昇温温度範囲等に関する理論的・実験的解析を行い、それから得られた種々の好適条件を本発明における実験・検討に反映することで、精度良く材料劣化評価を行うことが可能となった。   [1] “Elucidation of suitable conditions” is positioned as a necessary precondition for accurately performing material deterioration / damage evaluation based on information of temperature-programmed desorption hydrogen. Therefore, we examined the shape, weight, hydrogen storage capacity, diffusion rate, etc. of the object to be inspected, as well as the active hydrogen addition method and time, and hydrogen thermal desorption after hydrogen was actively added. By conducting theoretical / experimental analysis on the time required for heating, the rate of temperature rise, the temperature rise temperature range, etc., and reflecting the various preferred conditions obtained in the experiment / examination in the present invention, the material can be accurately obtained. It became possible to perform deterioration evaluation.

その好適条件の一例として、昇温温度について得られた好適例を示す。水素の昇温脱離分析に際しては、材料性状評価を行うために十分な水素量及び水素放出の適切な経時的変化量を得ることが必要である。実験・検討の結果、昇温速度が遅すぎる場合、水素の放出速度が温度に応じて敏感に変化するため昇温脱離水素の経時的変化を詳細に評価することができるが、単位時間当たりに放出される水素量は低下することが明らかとなった。一方、昇温速度が速すぎると、単位時間当たりの水素放出量が増大するため水素量の分析・比較を行う上での長所となるが、昇温脱離水素の経時的変化が詳細に評価できないことが明らかとなった。また昇温脱離水素の測定条件を一定とするためには、被検査体である材料内に対して均一に水素を捕捉または固溶させることも有効であり、そのためには材料に対し十分な水素を能動的に添加することにより達成できることが分かった。 As an example of the preferred conditions, a preferred example obtained for the temperature rise is shown. In the temperature programmed desorption analysis of hydrogen, it is necessary to obtain a sufficient amount of hydrogen and an appropriate amount of change over time of hydrogen release for evaluating material properties. As a result of experiments and examinations, when the rate of temperature rise is too slow, the hydrogen release rate changes sensitively depending on the temperature, so it is possible to evaluate the change over time of the temperature-programmed desorption hydrogen in detail. It has been clarified that the amount of hydrogen released is reduced. On the other hand, if the rate of temperature rise is too fast, the amount of hydrogen released per unit time increases, which is an advantage in analyzing and comparing the amount of hydrogen. It became clear that it was not possible. In addition, in order to make the temperature-desorbed hydrogen measurement conditions constant, it is also effective to uniformly capture or dissolve hydrogen in the material that is the object to be inspected. It has been found that this can be achieved by actively adding hydrogen.

以上の様な検討を行った結果、ある特定の測定システム系においては、水素が能動的に添加された材料に対して昇温速度100℃/時をもって昇温させることにより、材料の劣化性状を評価するために必要な昇温脱離水素の情報を、より評価精度の向上に寄与する形で得られることを明らかとしている。 As a result of the above examination, in a specific measurement system system, the deterioration property of the material is improved by raising the temperature of the material to which hydrogen is actively added at a rate of temperature rise of 100 ° C./hour. It has been clarified that the information on the temperature-programmed desorption hydrogen necessary for the evaluation can be obtained in a form that contributes to the improvement of the evaluation accuracy.

なお、ここで提示した好適条件はある特定の材料および測定システム系において有効なものであるが、同様の概念・手法を用いることによって、他の材料および測定システム系においても好適条件を提供することが出来る。 The preferred conditions presented here are effective for a specific material and measurement system. However, by using the same concept and method, the preferred conditions can be provided for other materials and measurement systems. I can do it.

[2]「昇温脱離水素とそれに対応した各種材料組織との関係解明」を行うための手法およびその概念を説明する。なお、下記に示す内容は本発明の範囲を限定するものではなく、一例として示すものである。例えば特定の材料系に対し、高温稼動プラントでの代表的劣化現象であるクリープ損傷や時効などの劣化状態を再現すべく、様々な温度、時間、負荷応力を適用して系統だった経年劣化模擬材を作製する。その劣化模擬材の組織性状を種々の従来から一般的に用いられている分析・評価手法を用いて調べると共に、劣化度合い(例えば、時効条件やクリープ寿命比、負荷応力度合い)との相関関係を定量化する。さらに、それら劣化模擬材の昇温脱離水素について昇温加熱機構付ガスクロマトグラフを用いて好適条件下で測定し、その放出プロファイルをデータベース化する。なお、水素分析を行う装置はガスクロマトゲラフに限定されるものではなく、四重極型ガス分析装置など、放出プロファイル(温度および時間に対する水素の放出量、放出速度、プロファイルピーク温度、ピーク半値幅などの情報を含む)が得られるものであれば手段は構わない。このような方法を経ることにより、任意の材料劣化程度と昇温脱離水素との関係(マスターカーブ)を得ることができることから、評価材から得られた昇温脱離水素とそのマスターカーブとの比較から材料劣化評価が可能となる。   [2] A method and concept for “elucidation of relationship between temperature-programmed desorption hydrogen and various material structures corresponding to it” will be described. In addition, the content shown below does not limit the range of this invention, but shows as an example. For example, to reproduce the deterioration state such as creep damage and aging, which are typical deterioration phenomena in a high temperature operation plant, for a specific material system, systematic aging deterioration simulation was applied by applying various temperature, time and load stress. Make the material. While investigating the structural properties of the simulated deterioration material using various conventionally used analysis / evaluation techniques, the correlation with the degree of deterioration (eg, aging conditions, creep life ratio, degree of load stress) Quantify. Furthermore, the temperature-programmed desorption hydrogen of these deterioration simulation materials is measured under suitable conditions using a gas chromatograph with a temperature-heating mechanism, and the release profile is made into a database. The device for hydrogen analysis is not limited to gas chromatograph, but the release profile (hydrogen release amount, release rate, profile peak temperature, peak half-value width with respect to temperature and time) such as a quadrupole gas analyzer. Any other means can be used as long as the information can be obtained. By passing through such a method, it is possible to obtain a relationship (master curve) between any degree of material degradation and temperature-programmed desorption hydrogen, so that temperature-programmed desorption hydrogen obtained from the evaluation material and its master curve From this comparison, material deterioration can be evaluated.

ところで、複雑な組織を有する合金鋼などから測定される昇温脱離水素の放出プロファイル上には、材料内からの水素放出を反映するピークや変曲点がいくつか出現する。これは、測定された放出プロファイル自体が、単一の組織因子(トラップサイト)からの放出に対応したものではなく、複数の組織因子から放出された水素が包含して形成されているためである。これらを分離・検討することにより、材料劣化に関与している個々の組織因子の性状変化を精度良く評価することができる。なお、前記組織因子とは、金属材料組織において、一般的に光学顕微鏡および電子顕微鏡による観察対象として認知されているものを意図しており、その例としては、転位、格子欠陥、ボイド、固溶元素、析出物、炭化物、結晶粒径、粒界構造、欠乏・偏析域、および旧γ粒界、パケット境界、ブロック境界、析出物/マトリックス境界などの各種界面などが挙げられる。   Meanwhile, some peaks and inflection points that reflect hydrogen release from the material appear on the release profile of hydrogen desorption hydrogen measured from alloy steel having a complex structure. This is because the measured release profile itself does not correspond to the release from a single tissue factor (trap site) but is formed to include hydrogen released from multiple tissue factors. . By separating and examining these, changes in the properties of individual tissue factors involved in material degradation can be accurately evaluated. The tissue factor is intended to be a metal material structure that is generally recognized as an object to be observed by an optical microscope and an electron microscope. Examples thereof include dislocations, lattice defects, voids, and solid solutions. Examples include elements, precipitates, carbides, crystal grain sizes, grain boundary structures, depletion / segregation regions, and various interfaces such as old γ grain boundaries, packet boundaries, block boundaries, and precipitate / matrix boundaries.

個々の組織因子に対応したピーク同定のためには、化学成分と組織構造が単純な基本鋼種の昇温脱離水素データを蓄積し、さらには、特定の組織因子のみを発現させた供試材あるいは逆に特定組織因子を欠損させた供試材(遺伝子研究でのノックアウトマウス)の昇温脱離水素データをデータベース化する。例えば、炭化物が存在しない鋼のプロファイルを計測し、炭化物を含む該鋼との昇温脱離水素データを比較することにより、昇温脱離水素データに及ぼす炭化物の影響を分離する。これにより、各種炭化物からの水素放出が、何℃にピークを有するのかが分かる。さらに炭化物の量を変化させた鋼の昇温脱離水素データを測定比較することで、該炭化物に関与する昇温脱離水素(放出プロファイルやそのピーク高さおよび放出水素量の変動を含む)へ及ぼす炭化物量の影響を評価することができる。また、冷間加工を施した供試材の昇温脱離水素データからは、昇温脱離水素に及ぼす転位組織あるいは格子欠陥(原子空孔)の影響を評価することができる。さらに、多結晶材料(粗粒材、細粒材)と単結晶材料の比較から、粒界の影響を抽出できる。このような手段を経ることにより、各組織因子に由来した昇温脱離水素が明確となるとともに、該組織因子の性状変化に由来した放出プロファイルの形状、放出ピークの出現温度、放出プロファイルのピーク値および放出水素量等の変動を把握することができる。このような組織因子量の変化に伴う前記の様な各種プロファイル情報の変動をデータベース化し、さらには後述する放出プロファイルの分離の方法を必要に応じて併用することで、個々の組織因子の性状変化を精度良く評価することが可能となる。 In order to identify peaks corresponding to individual structure factors, temperature-programmed desorption hydrogen data for basic steel types with a simple chemical composition and structure are accumulated, and furthermore, a test material that expresses only specific structure factors. Or, conversely, the temperature-programmed desorption hydrogen data of the test material (knockout mouse in genetic research) lacking a specific tissue factor is made into a database. For example, the influence of carbides on temperature-programmed desorption hydrogen data is separated by measuring the profile of steel that does not contain carbides and comparing the temperature-programmed desorption hydrogen data with the steel containing carbides. As a result, it can be seen at what temperature the hydrogen release from various carbides has a peak. Furthermore, by measuring and comparing the temperature-programmed desorption hydrogen data of steels with varying amounts of carbide, the temperature-programmed desorption hydrogen involved in the carbide (including changes in the emission profile, its peak height and the amount of hydrogen released) The influence of the amount of carbide on Further, from the temperature-programmed desorption hydrogen data of the cold-worked specimen, the influence of dislocation structures or lattice defects (atomic vacancies) on the temperature-programmed desorption hydrogen can be evaluated. Furthermore, the influence of grain boundaries can be extracted from a comparison between a polycrystalline material (coarse grain material, fine grain material) and a single crystal material. Through such means, the temperature-programmed desorption hydrogen derived from each tissue factor is clarified, and the shape of the release profile, the appearance temperature of the release peak, the peak of the release profile derived from the change in the properties of the tissue factor It is possible to grasp fluctuations in the value and the amount of released hydrogen. Changes in the characteristics of individual tissue factors by creating a database of the above-mentioned changes in various profile information accompanying changes in the amount of tissue factor, and further using the release profile separation method described below as needed. Can be evaluated with high accuracy.

測定された昇温脱離水素の放出プロファイルより、個々の組織因子に対応した放出プロファイルを分離するためには、個々の分離プロファイルがガウス分布関数で近似できるとして算出を進める方法がある。測定されたままの放出プロファイルや評価対象材料の素性ならびに構築されたデータベースとの比較から、各組織因子に由来した分離放出プロファイルのピーク温度を抽出・設定する。さらに個々の分離プロファイルの重ね合わせが、測定されたまま(分離前)の放出プロファイル形状とほぼ等しくなるように分離プロファイルの高さ・幅等に関与するガウス分布関数上のパラメータを調整することで、放出プロファイルの分離が達成できる。   In order to separate the release profile corresponding to each tissue factor from the measured release profile of temperature-programmed desorbed hydrogen, there is a method of proceeding the calculation assuming that each separation profile can be approximated by a Gaussian distribution function. The peak temperature of the separation release profile derived from each tissue factor is extracted and set from the release profile as measured, the characteristics of the material to be evaluated, and comparison with the constructed database. Furthermore, by adjusting the parameters on the Gaussian distribution function related to the height and width of the separation profile so that the superposition of the individual separation profiles is approximately equal to the emission profile shape as measured (before separation). , Separation of the release profile can be achieved.

また、その他の放出プロファイル分離方法として、材料劣化性状を評価する上で比較対象となる各々の材料(例えば、健全材と劣化材)から測定されたそれぞれの放出プロファイルにおいて、それらの差分をとることにより測定されたままのプロファイルに包含されていた特定組織因子に由来する個々のプロファイルを分離・顕在化させることもできる。   As another release profile separation method, the difference between the release profiles measured from the respective materials (for example, the healthy material and the deteriorated material) to be compared in evaluating the material deterioration property is taken. Individual profiles derived from specific tissue factors that were included in the profile as measured by can also be separated and revealed.

なお、各組織因子に由来した昇温脱離水素の分離放出プロファイルについては、分離放出プロファイルのピーク出現温度を用いて、組織因子からの水素脱離の活性化エネルギーを算出することで検証を行うことができる。すなわち、水素と各組織因子(例えば、転位)の結合エネルギー、その密度(転位密度)、格子内拡散の活性化エネルギーなどから理論的な計算を行い、さらに実測データを検証することで、組織に由来した昇温脱離水素の出現温度の正当性を評価できる。 In addition, the separation / release profile of temperature-programmed desorption hydrogen derived from each tissue factor is verified by calculating the activation energy of hydrogen desorption from the tissue factor using the peak appearance temperature of the separation / release profile. be able to. That is, theoretical calculations are performed based on the binding energy of hydrogen and each tissue factor (for example, dislocations), its density (dislocation density), activation energy of intra-lattice diffusion, etc. The validity of the appearance temperature of the temperature-programmed desorbed hydrogen can be evaluated.

(2)実機測定用装置に関する課題
本課題の解決目標は、非破壊で実プラント構造部材に対して直接水素放出プロファイル計測が可能な新しい装置の開発である。装置使用方法および条件等を考慮すると、本装置に具備すべき機構は、[1]「被検面の一定領域を制御された条件にて昇温させるための昇温加熱機構」と、[2]「放出される水素を捕集するためのセル機構」、および[3]「材料に取り付け固定するための、取り付け保持機構」から構成されるものである。それら機構を提供するために、本発明にて考案・開発された技術を次に示す。
(2) Issues related to actual machine measuring device The solution target of this problem is the development of a new device capable of directly measuring the hydrogen release profile for non-destructive actual plant structural members. Considering the method of using the apparatus and the conditions, etc., the mechanism to be provided in this apparatus is [1] “temperature raising and heating mechanism for raising the temperature of a certain region of the test surface under controlled conditions” and [2 ] "Cell mechanism for collecting released hydrogen" and [3] "Mounting and holding mechanism for fixing to material". In order to provide these mechanisms, the technologies devised and developed by the present invention are as follows.

[1]「被検面の一定領域を制御された条件にて昇温させるための昇温加熱機構」を提供する一例として、赤外線集光方式を発案した。赤外線を加熱エネルギーとして利用する集光加熱器を用いて調査を行った結果、熱が周囲に逃げてしまうような大型部材の表面上であっても、作動距離と出力のバランスを上手く計るとともに、必要に応じて赤外線を目標領域に収束させるための反射体を使用することで、温度分布が均一な微小領域をつくることが可能である。この赤外線集光加熱機に対し市販の昇温プログラム装置を取り付けることにより、均一な条件で連続的もしくは段階的に制御しながら加熱昇温することが出来る。この昇温領域は、評価対象部位において三次元的な広がりを有するが、その広がりは汎用的な伝熱計算により予測可能である。なお、大型部材に対して昇温する場合には、予め大型部材に対し材料内に添加された水素へ影響を及ぼさない様に考慮しながら余熱を施すことにより、熱が著しく周囲に逃げてしまう事態を避けることが出来ることから、昇温温度制御を無理なく実施することが可能となる。 [1] An infrared condensing method has been devised as an example of providing a “temperature raising and heating mechanism for raising the temperature of a certain region of a test surface under controlled conditions”. As a result of investigating using a condensing heater that uses infrared rays as heating energy, even on the surface of a large member where heat escapes to the surroundings, the working distance and output are well balanced, By using a reflector for converging infrared rays to the target region as necessary, it is possible to create a minute region with a uniform temperature distribution. By attaching a commercially available temperature raising program device to this infrared condensing heater, the temperature can be raised while being controlled continuously or stepwise under uniform conditions. This temperature rise region has a three-dimensional spread in the evaluation target portion, but the spread can be predicted by general-purpose heat transfer calculation. When the temperature of the large member is increased, heat is relieved to the surroundings by applying the residual heat while taking into consideration that the large member is not affected by the hydrogen added to the material in advance. Since the situation can be avoided, the temperature rise temperature control can be carried out without difficulty.

[2]「放出される水素を捕集するためのセル機構」および[3]「材料に取り付け固定するための、取り付け保持機構」を提供する一例として、実機用水素捕集セルを発案した。該セルは、材料表面に密着させ、加熱の際に放出される水素を捕集するための容器であるが、[1]にて提示したように、昇温加熱エネルギーとして用いる赤外線を目標とする材料表面へ到達させるためにセル内部を透過させる必要があるため、セル本体の多くは石英ガラス製などの透明性を有するものが望ましい(以下では石英ガラスを用いたとして説明する)。また、放出される水素が微量である場合も想定し、また水素分析に用いる分析装置の感度を考慮すると、できるだけセル容積を小型化することが望ましい。しかしながらセル本体には、セルを材料表面に固定するための機構や昇温機構などを取り付けなければならず、そのためのスペースと強度も兼ね備えていなければならない。そこで、セルを二重構造として水素を捕集する内層セルと、各種セル構造部材を取り付けるための外層セルとに分離することも一つの方法である。ステンレス鋼+石英ガラスを主体とする外層と石英ガラスを主体とする内層との二重壁構造とし、その上で両層の間における空間を真空とすれば、セル本体を実機部材表面に密着させることも達成できる。材料より放出された水素は昇温均熱領域を覆っている内層内に溜められ、キャリアガスとともに水素測定装置へ供給される。放出される水素ガスを漏洩させないようにするためのセルと材料表面との密着方法は、昇温によって形成される高温状態に耐え得る性能を有するシーリング材を用いると共に、前述の真空雰囲気による密着方法や被昇温材が磁性材料であれば、マグネットベースなどを併用することにより強固な密着を形成することが可能である。 [2] As an example of providing “a cell mechanism for collecting released hydrogen” and [3] “an attachment holding mechanism for attaching and fixing to a material”, an actual hydrogen collection cell was conceived. The cell is a container for closely adhering to the material surface and collecting hydrogen released during heating, but as shown in [1], the target is infrared rays used as heating and heating energy. Since it is necessary to permeate the inside of the cell in order to reach the surface of the material, most of the cell body preferably has transparency such as quartz glass (hereinafter, explanation will be made assuming that quartz glass is used). In addition, assuming that a small amount of hydrogen is released and considering the sensitivity of the analyzer used for hydrogen analysis, it is desirable to make the cell volume as small as possible. However, the cell body must be equipped with a mechanism for fixing the cell to the surface of the material, a temperature raising mechanism, and the like, and must have both space and strength. Therefore, it is one method to separate the cell into an inner layer cell that collects hydrogen with a double structure and an outer layer cell for attaching various cell structure members. A double-wall structure consisting of an outer layer mainly composed of stainless steel + quartz glass and an inner layer mainly composed of quartz glass, and if the space between the two layers is evacuated, the cell body is brought into close contact with the actual member surface. Can also be achieved. Hydrogen released from the material is stored in the inner layer covering the temperature rising and soaking region, and is supplied to the hydrogen measuring device together with the carrier gas. In order to prevent leakage of released hydrogen gas, the method for adhering the cell to the surface of the material uses a sealing material having a performance capable of withstanding a high temperature state formed by temperature rise, and the method for adhering in the vacuum atmosphere described above If the material to be heated is a magnetic material, it is possible to form strong adhesion by using a magnet base together.

なお、上記に種々示した「課題を解決するための手段」については、手段概念における一つの適用例を用いて説明したものであり本発明を限定するものではない。本特許請求項目に関わる技術的概念の範囲において、各種の変更および修正は容易に想定されるものであり、それらについても、本発明における技術的範囲に含有されるものと了解される。例えば、[1]「一定面積の被検面を制御された条件にて昇温させるための昇温加熱機構」の説明では加熱エネルギー源として赤外線を使用しているが、それに代えてレーザー光線、電磁誘導加熱、またはその他発熱体による昇温炉等々を用いることが可能である。これら加熱源が、測定に必要な有効な加熱エネルギーを供給できることを前提とすれば、エネルギーを供給するといった目的概念としては全く同一のものであり、本発明における技術的範囲に含まれることは常識的に理解できる。   It should be noted that the “means for solving the problems” described above in various ways have been described using one application example in the concept of means, and do not limit the present invention. Various changes and modifications are easily assumed within the scope of the technical concept related to the claimed items, and it is understood that these are also included in the technical scope of the present invention. For example, in the description of [1] “Temperature raising and heating mechanism for raising the temperature of a test surface under a certain area under controlled conditions”, infrared rays are used as a heating energy source. It is possible to use induction heating, a heating furnace with other heating elements, or the like. Assuming that these heating sources can supply effective heating energy required for measurement, the concept of supplying energy is exactly the same, and it is common sense that it is included in the technical scope of the present invention. Can understand.

高Crフェライト系耐熱鋼などの高温用構造材料は、緻密かつ複雑な組織制御によってその優れた高温特性を発現していることから、当該材料に対して高精度な寿命診断を下すには、多岐にわたる組織因子、例えば転位組織、析出物、固溶元素濃度、粒界構造などを評価する必要がある。しかしながら、従来技術によりそれら組織因子を評価するには、各々の組織因子の評価に適した、TEM、SEM、SIMS、AES、XRDなどの様々な分析装置を用いる手法を行わなくてはならず多大な労力と時間が費やされてきた。   High-temperature structural materials such as high Cr ferritic heat-resistant steels exhibit excellent high-temperature properties through precise and complex structure control. It is necessary to evaluate various structure factors such as dislocation structures, precipitates, solid solution element concentrations, and grain boundary structures. However, in order to evaluate these tissue factors according to the conventional technique, it is necessary to perform a method using various analyzers such as TEM, SEM, SIMS, AES, and XRD suitable for the evaluation of each tissue factor. A lot of effort and time has been spent.

それに対して本発明は、劣化により性状変化を生じた組織因子に捕捉された水素の昇温脱離特性から材料の劣化性状を調べるものであるため、下記の効果を得ることが出来る。
(1)多岐にわたる組織因子の劣化性状を単一の測定手法にて評価可能であり、材料劣化・損傷の評価に要する労力と時間を大幅に削減させることが可能である。
(2)材料の劣化・損傷性状に関する情報が含まれる水素放出プロファイルを、レプリカ等を介するのではなく被検査体である金属材料より直接的に取得する手法であるため、材料劣化評価精度の向上を果たすことも可能となる。
(3)大型の被評価材に対しても非破壊的な材料劣化性状を評価することが可能となる。
(4)供用中の実機プラント機器に対しても損傷(サンプリング)の影響を与えることなく、非破壊的な材料劣化性状を評価することが可能となる。
(5)初期の材料劣化を高感度に評価することができることから、劣化機器の早期発見が可能となり、プラント機器損傷のリスクを低減させることができる。
(6)現在、国民の関心が高く社会的ニーズとして捉えられている、「プラントの安全性と健全性」の向上に大きく資することが可能であるとともに、プラントユーザー側からの高い要望である、「信頼性と経済性のバランスに優れた保守メンテナンス」に対し、その解決法を提供することが可能となる。
On the other hand, the present invention examines the degradation characteristics of the material from the temperature desorption characteristics of hydrogen trapped by the tissue factor that has undergone a property change due to degradation, and therefore can obtain the following effects.
(1) Degradation properties of a wide variety of tissue factors can be evaluated by a single measurement method, and the labor and time required for evaluating material degradation / damage can be greatly reduced.
(2) Improve the accuracy of material deterioration evaluation because it is a technique for acquiring a hydrogen release profile that contains information on material deterioration / damage properties directly from the metal material that is the object to be inspected rather than via a replica. Can also be fulfilled.
(3) It is possible to evaluate nondestructive material deterioration properties even for large materials to be evaluated.
(4) It is possible to evaluate the non-destructive material deterioration property without affecting the actual plant equipment in service without damage (sampling).
(5) Since initial material deterioration can be evaluated with high sensitivity, early detection of deteriorated equipment becomes possible, and the risk of damage to plant equipment can be reduced.
(6) At present, it can greatly contribute to the improvement of “plant safety and soundness”, which is widely regarded as a social need, and is a high demand from plant users. It is possible to provide a solution for “maintenance and maintenance with a good balance between reliability and economy”.

なお、本発明の効果については、その背景技術として高温用構造材料を用いて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、材料の劣化性状を非破壊で評価するための種々の用途に適用することが可能である。例えば、水素吸蔵合金や水素燃料電池などを含む、水素を利用するエネルギーシステムにおいて、水素の製造、輸送、貯蔵、充填などに用いられる構造用金属材料の健全性および劣化評価を非破壊的に行うための手法を提供することも一つの用途として考えられる。   Although the effects of the present invention have been described using a high-temperature structural material as the background technology, the scope of the present invention is not limited to this, and is for nondestructive evaluation of the deterioration properties of the material. It is possible to apply to various uses. For example, nondestructive evaluation of soundness and deterioration of structural metal materials used for hydrogen production, transportation, storage, filling, etc. in energy systems using hydrogen, including hydrogen storage alloys and hydrogen fuel cells Providing a technique for this is also considered as one application.

以下、本発明の代表実施形態を説明する。
はじめに、水素昇温脱離分析法による材料劣化性状評価の形態について説明する。
Hereinafter, representative embodiments of the present invention will be described.
First, the form of material deterioration property evaluation by hydrogen thermal desorption analysis will be described.

図1は、検討された好適測定条件下において、異なる組織を有する鋼から得られた昇温脱離水素の放出プロファイル例を示す。X軸を昇温温度、またY軸は水素放出速度である。各鋼種において、昇温脱離水素の放出プロファイルの形状(放出プロファイルのピーク出現温度、ピーク高さを含む)に変化を生じていることがわかる。ここで、各鋼種の組織因子を考慮すると、純鉄や炭素鋼に比べCr含有量の大きい高Crフェライト系耐熱鋼(該図における10%Cr鋼)の放出プロファイルについては、ピーク高さが増加し、またピークの幅も広がっていることがわかる。この変化を利用することにより、固溶元素量の変動について昇温脱離水素の放出プロファイルから評価することができる。またこれと同様に、金属組織構造(フェライト/ベイナイト/マルテンサイト等)や析出物の析出形態ならびに転位密度などについても、水素放出プロファイルに反映されることが確認された。   FIG. 1 shows an example of a thermal desorption hydrogen release profile obtained from steels having different structures under the preferred measurement conditions studied. The X axis is the temperature rise, and the Y axis is the hydrogen release rate. It can be seen that there is a change in the shape of the release profile of the temperature-programmed desorption hydrogen (including the peak appearance temperature and peak height of the release profile) in each steel type. Here, in consideration of the structure factor of each steel type, the peak height increases for the release profile of high Cr ferritic heat resistant steel (10% Cr steel in the figure) having a large Cr content compared to pure iron and carbon steel. It can also be seen that the width of the peak is also widened. By utilizing this change, it is possible to evaluate the variation in the amount of the solid solution element from the temperature release desorption hydrogen release profile. Similarly, it was confirmed that the metal structure (ferrite / bainite / martensite, etc.), the precipitation form of precipitates, the dislocation density, and the like are also reflected in the hydrogen release profile.

図2は高Crフェライト系耐熱鋼の劣化模擬材における昇温脱離水素の放出プロファイル例を示す。X軸を昇温温度、またY軸は水素放出速度である。本図は、未使用材と経年劣化模擬材(クリープ寿命の20%を消費している材料)に予め検討された好適測定条件に基づき水素を能動的に添加し、その後に計測された昇温脱離水素の放出プロファイルである。劣化模擬材のピーク出現温度は未使用材に比べ幾分低温側にシフトしており、またピークの高さは3分の1程度まで減少している。このように、材料の劣化進行に伴い放出プロファイルのピーク出現温度ならびにピーク高さなどに変化が生ずることから、これら情報を利用することにより材料の劣化度合いを評価することが可能となる。また同様に、加熱時効が施された劣化模擬材においても、昇温脱離水素の放出プロファイル形状の変化より材料の劣化度合いを評価することが明らかになっている。   FIG. 2 shows an example of a temperature release desorption hydrogen release profile in a deterioration simulation material of a high Cr ferritic heat resistant steel. The X axis is the temperature rise, and the Y axis is the hydrogen release rate. This figure shows that hydrogen is actively added to unused materials and aging degradation materials (materials that consume 20% of the creep life) based on suitable measurement conditions studied in advance, and then the measured temperature rise It is a release profile of desorbed hydrogen. The peak appearance temperature of the deterioration simulation material is shifted somewhat to the low temperature side compared to the unused material, and the peak height is reduced to about one third. As described above, since the peak appearance temperature and the peak height of the release profile change as the deterioration of the material progresses, it is possible to evaluate the degree of deterioration of the material by using these information. Similarly, it has been clarified that the deterioration degree of the material is evaluated from the change in the shape of the release profile of the temperature-programmed desorbed hydrogen even in the deterioration simulated material subjected to the heat aging.

図3は昇温脱離水素の放出水素量による材料劣化評価例を示す。高Crフェライト系耐熱鋼の未使用材と劣化模擬材(クリープ寿命の0.5、5、20、40、60、86、100%を消費している材料)に水素を能動的に添加した後に計測された水素放出プロファイルから放出水素量(C)を算出し、寿命消費率に対してプロットしたものが図3である。X軸は寿命消費率、Y軸は水素量を示している。寿命消費率が0%から20%程度へ変化する過程において放出水素量(C)は急激に減少しており、その後の減少は比較的緩やかになっている。このような放出水素量Cの減少よりクリープ寿命の低下を評価することができる。また同様な例として、加熱時効が施された劣化模擬材においても、材料の劣化に伴い放出水素量(C)が変化することが明らかとなっている。 FIG. 3 shows an example of material deterioration evaluation based on the amount of hydrogen released from temperature-programmed desorption hydrogen. After actively adding hydrogen to unused high Cr ferritic heat-resisting steel and simulated deterioration material (material consuming 0.5, 5, 20, 40, 60, 86, 100% of the creep life) FIG. 3 shows the amount of released hydrogen (C H ) calculated from the measured hydrogen release profile and plotted against the lifetime consumption rate. The X axis indicates the lifetime consumption rate, and the Y axis indicates the amount of hydrogen. In the process of changing the lifetime consumption rate from 0% to about 20%, the amount of released hydrogen (C H ) decreases rapidly, and the subsequent decrease becomes relatively moderate. A decrease in creep life than the decrease of such release hydrogen content C H can be evaluated. Further, as a similar example, it has been clarified that the amount of released hydrogen (C H ) changes with deterioration of the material even in the deterioration simulated material subjected to heat aging.

高Crフェライト系耐熱鋼に対する組織因子の解析結果の一例を図4に示す。概図は、マトリックス中の固溶元素の含有量とCとの関係を表しており、X軸は供試材の母相中に固溶している固溶強化元素(Mo、W)、Y軸は放出水素量(C)を示している。高Crフェライト系耐熱鋼では、固溶強化元素(Mo、W)の枯渇が劣化に関与していることが学術論文等で明らかにされている。当該図より、固溶元素の含有量と放出水素量(C)と間に明瞭な相関関係が認められており、放出水素量(C)は材料劣化損傷を評価するための有力な指標なることがわかる。このような評価が可能なのは組織因子の変化、つまり材料劣化に伴う固溶強化元素の低減が水素量Cに反映されているためである。 An example of the analysis result of the structure factor for the high Cr ferritic heat resistant steel is shown in FIG. The schematic diagram shows the relationship between the content of the solid solution element in the matrix and C H , and the X axis is the solid solution strengthening element (Mo, W) dissolved in the matrix of the test material, The Y axis shows the amount of released hydrogen (C H ). In high Cr ferritic heat-resisting steels, it has been clarified in academic papers that depletion of solid solution strengthening elements (Mo, W) is involved in deterioration. From the figure, there is a clear correlation between the content of the solid solution element and the amount of released hydrogen (C H ), and the amount of released hydrogen (C H ) is a powerful index for evaluating material deterioration damage. I understand that Such assessment can of change of tissue factor, i.e. the reduction of solid solution strengthening element due to material deterioration is because it is reflected in the amount of hydrogen C H.

このように、ピーク高さやピーク出現温度などの情報を含む放出プロファイルの形状およびそれを用いて算出された放出水素量などのパラメータを指標として用いることで、材料の劣化程度を評価することが可能であり、また図3からも明らかなように、従来の非破壊検査技術では検出困難であった初期段階の劣化(例えば、クリープ寿命消費率20%以下)に対して優れた検出性を有していることがわかる。 In this way, it is possible to evaluate the degree of material degradation by using the shape of the emission profile including information such as peak height and peak appearance temperature and parameters such as the amount of released hydrogen calculated using it as indicators. As is clear from FIG. 3, it has excellent detectability with respect to deterioration at an early stage (for example, creep life consumption rate of 20% or less), which was difficult to detect with the conventional nondestructive inspection technology. You can see that

次に、水素放出プロファイルの分離による材料劣化性状評価の概念を示す。図5(a)(b)に、合金鋼の新材と劣化材の水素放出プロファイル例を示している。(a)と(b)の比較から、材料の劣化に伴い計測される昇温脱離水素の放出挙動が変動しており、すなわち放出プロファイル全体の形状やピーク高さならびに水素放出量などに差異を生ずることがわかる。該図で示されている様に、計測されるプロファイルは複数の様々な組織因子からの水素放出ピーク(P1、P2、P3)が包含されたものであることから、劣化に伴う組織因子の変化を評価するためには、プロファイル全体を各組織因子ごとに分離する必要がある。プロファイルの分離は、例えば、分離プロファイルがガウス分布を示すと仮定して算出することが可能である。   Next, the concept of material deterioration property evaluation by separating the hydrogen release profile will be shown. FIGS. 5A and 5B show examples of hydrogen release profiles of new and deteriorated alloy steel. From the comparison of (a) and (b), the temperature-released hydrogen release behavior measured with material deterioration varies, that is, the overall release profile differs in shape, peak height, and hydrogen release amount. It can be seen that As shown in the figure, the measured profile includes hydrogen release peaks (P1, P2, P3) from a plurality of various tissue factors. In order to evaluate, it is necessary to separate the entire profile for each tissue factor. The profile separation can be calculated, for example, assuming that the separation profile exhibits a Gaussian distribution.

また、任意の評価対象となる放出プロファイル間にて、その差分をとることも放出プロファイル分離の有力な方法である。例えば図6(a)(b)では、新材と劣化材料から得られた放出プロファイルの差分をとることにより、複数ピークを顕在化させることが可能となっている。 In addition, taking a difference between release profiles to be arbitrarily evaluated is also an effective method for separating release profiles. For example, in FIGS. 6 (a) and 6 (b), it is possible to reveal a plurality of peaks by taking the difference between the release profiles obtained from the new material and the deteriorated material.

分離された放出プロファイルについては、図7(a)(b)(C)に示す様に、各々の分離放出プロファイルより得られる情報(ここでは、放出水素量)を既知のマスターカーブと比較することで、組織因子を評価することができる。該図では、その一例として分離放出プロファイルから求められた放出水素量と劣化と関連する由来組織因子A、B、Cとの関係が示されている。図7のグラフより、材料の劣化が進むにつれて放出水素量が減少し、由来組織因子Aの増加、由来組織因子Bの減少、由来組織因子Cの減少を劣化の程度と関連付けて定量的に評価することが可能になる。 For the separated release profiles, as shown in FIGS. 7 (a), (b) and (C), the information obtained from each separated release profile (here, the amount of released hydrogen) should be compared with a known master curve. Thus, the tissue factor can be evaluated. In the figure, as an example, the relationship between the amount of released hydrogen obtained from the separated release profile and the derived tissue factors A, B, and C related to deterioration is shown. From the graph of FIG. 7, the amount of released hydrogen decreases as the material progresses, and the increase in the derived tissue factor A, the decrease in the derived tissue factor B, and the decrease in the derived tissue factor C are quantitatively evaluated in association with the degree of deterioration. It becomes possible to do.

図8は、分離された放出プロファイルと組織との対応に関する概念を示している。図5および図7で示した様に、分離した放出プロファイルP1、P2、P3の変化は、劣化に関連した由来組織因子(A、B、C)の変化に起因していると考えられる。このように、劣化に伴い変化した由来組織因子とともに分離放出プロファイルも大きく変動していることから、各分離放出プロファイルが劣化性状評価のための有用な指標になることが理解できる。なお、ここで示した各分離放出プロファイルとその由来組織因子との関係については、本特許の概念の理解を助けるため一例として示したものであり、放出プロファイルの出現形態やその変化傾向、またプロファイル分離形態、ならびに各ピークに対応する由来組織名称などは、材料種やその性状によって異なることは容易に想定される。しかしながら、前記で示したような放出プロファイルの同定および分離方法を用いることにより、各分離放出プロファイルを材料劣化・損傷に対応づけられた組織因子評価のための有用な指標として用いることができる。   FIG. 8 illustrates the concept of the correspondence between the separated release profile and the tissue. As shown in FIGS. 5 and 7, changes in the separated release profiles P1, P2, and P3 are considered to be caused by changes in the derived tissue factors (A, B, and C) related to deterioration. As described above, since the separation and release profile also fluctuates greatly together with the derived tissue factor that has changed due to deterioration, it can be understood that each separation and release profile is a useful index for evaluation of deterioration properties. The relationship between each release profile shown here and its derived tissue factor is shown as an example to help understanding of the concept of this patent. The appearance of the release profile, its changing tendency, and the profile It is easily assumed that the form of separation and the name of the derived tissue corresponding to each peak differ depending on the type of material and its properties. However, by using the method for identifying and separating the release profile as described above, each separated release profile can be used as a useful index for tissue factor evaluation associated with material deterioration / damage.

次に、図9は実機測定用の材料性状評価装置の一例を模式図として示すものであり、以下に、実機材(実プラント材)に対して昇温脱離分析法を適用して、材料性状評価を行う際の装置構成例について説明する。この材料性状評価装置1は、材料に水素の能動的な添加するための水素チャージ装置10と、水素添加後の材料を昇温させて水素を捕集する昇温加熱機構付き水素捕集セル20とを有している。該セル20には、ガス導入側に、キャリアガス供給源20に送気管21を介して接続され、ガス排出側に、送気管22を介して水素情報取得手段である水素分析装置40が接続されている。   Next, FIG. 9 shows an example of a material property evaluation apparatus for actual machine measurement as a schematic diagram. In the following, a temperature-programmed desorption analysis method is applied to actual equipment (actual plant material) to obtain a material. An apparatus configuration example when performing property evaluation will be described. This material property evaluation apparatus 1 includes a hydrogen charging apparatus 10 for actively adding hydrogen to a material, and a hydrogen collection cell 20 with a temperature raising and heating mechanism that raises the temperature of the material after hydrogen addition and collects hydrogen. And have. The cell 20 is connected to a carrier gas supply source 20 via an air supply pipe 21 on the gas introduction side, and a hydrogen analyzer 40 as hydrogen information acquisition means is connected to the gas discharge side via an air supply pipe 22. ing.

水素を能動的に添加するための水素チャージ装置の詳細を図10に基づいて説明する。ここで提示する例は電気化学的手法によるものであり、この形態では、実機の構成部位である材料2において、所定面積を有する任意のチャージ面(試料電極)2aを露出してその外側を覆う耐薬品性や非導電性を備えた塗料もしくはフィルムなどからなるマスキング材11と該マスキング材11上に配置する筒型のセル容器12を備え、さらに該セル容器12内に配置する対極13と、材料2側に電気的に接続する導線14を備える。セル容器12の設置に配置においては、材料2に対する固定およびマスキング材11と密着性を確保するために、接着性やシーリング性を備えた充填材16を用いても良い。セル容器12内には、電解液15を収容する。これによりセル容器12内に溜められた電解液15と所定チャージ面2aとが直接触れることで、実験室内におけるビーカー試験と同等な水素電解チャージ作業ができる。なお、セル容器2の内部や外部にヒータなどを設置することで、液温を保持するようにしても良い。   Details of a hydrogen charging apparatus for actively adding hydrogen will be described with reference to FIG. The example presented here is based on an electrochemical technique. In this embodiment, an arbitrary charge surface (sample electrode) 2a having a predetermined area is exposed and covered outside in the material 2 which is a constituent part of an actual machine. A masking material 11 made of a paint or film having chemical resistance and non-conductivity, a cylindrical cell container 12 disposed on the masking material 11, and a counter electrode 13 disposed in the cell container 12; Conductive wires 14 are electrically connected to the material 2 side. In the arrangement of the cell container 12, a filler 16 having adhesiveness or sealing property may be used in order to secure the material 2 and the adhesion to the masking material 11. An electrolytic solution 15 is accommodated in the cell container 12. As a result, the electrolytic solution 15 stored in the cell container 12 and the predetermined charge surface 2a are in direct contact with each other, so that the hydrogen electrolysis charging operation equivalent to the beaker test in the laboratory can be performed. The liquid temperature may be maintained by installing a heater or the like inside or outside the cell container 2.

上記設置、準備後、チャージ面(試料電極)2aと対極13間に適切な電流を流し、チャージ面(試料電極)2aにて生成する水素を材料2内にチャージする。このセルと定電流・定電圧装置を組み合わせることにより、所定部位に対して、好適条件による水素電解チャージが可能となる。チャージ後には、速やかにチャージ面(試料電極)2aを洗浄、乾燥させて水素昇温分析に供する。なお、昇温開始までの間における水素の自然放出量を一定にするためにも、昇温開始までの時間を一定にするように管理することが望ましい。   After the above installation and preparation, an appropriate current is passed between the charge surface (sample electrode) 2a and the counter electrode 13 to charge the hydrogen generated in the charge surface (sample electrode) 2a into the material 2. By combining this cell with a constant current / constant voltage device, it is possible to perform hydrogen electrolysis charging under suitable conditions for a predetermined portion. After charging, the charge surface (sample electrode) 2a is immediately washed and dried, and subjected to hydrogen temperature rising analysis. In order to make the spontaneous release amount of hydrogen before the start of temperature rise constant, it is desirable to manage the time until the start of temperature rise to be constant.

なお、前記の電気化学的手法は、水素を能動的に添加する手法の一つにすぎず、気相水素を評価対象部位に直接暴露する方法など、各種物理的・化学的方法を採用することによっても目的を達成可能である。   The electrochemical method described above is only one of the methods for actively adding hydrogen, and various physical and chemical methods such as a method of directly exposing gas phase hydrogen to the evaluation target site should be adopted. The purpose can also be achieved.

次に、評価対象部位に対する昇温加熱および水素の捕集を行う昇温加熱機構付き水素捕集セル30の一例について図11に基づいて説明する。該セル30は、本発明の加熱手段および水素捕集手段に相当するものであり、前記したチャージ面2aを測定面として露出させるように覆う筒型キャップ形状の内層セル32と該内層セル32の外周側に距離を隔てて同心状に配置する筒型の外層セル33とを備えている。内層セル32は、透明耐熱硝子製からなり、外層セル33には、透明耐熱硝子製の透明天板34が固定されている。上記内層セル32は、放出された水素を捕集しその水素を水素分析装置40へ送り込むものであり、その内層セル32の一側壁には外部の図示しないキャリアガス供給源20に接続された送気管21が接続され、他側壁には外部の水素分析装置40に接続された送気管22が接続されている。また、外層セル33は、加熱エネルギー源の一例として後述する赤外線反射炉やセル30を実機表面に固定するための構造を有している。さらに外層セル33には、外層セル33内を真空にするための排気管35が接続されており、該排気管35は、図示しない真空ポンプに接続されている。   Next, an example of the hydrogen collection cell 30 with a temperature raising and heating mechanism that performs temperature rise heating and hydrogen collection for the evaluation target portion will be described with reference to FIG. The cell 30 corresponds to the heating means and the hydrogen collecting means of the present invention, and includes a cylindrical cap-shaped inner layer cell 32 that covers the charge surface 2a exposed as a measurement surface, and an inner cell 32 of the inner layer cell 32. A cylindrical outer layer cell 33 arranged concentrically at a distance from the outer peripheral side is provided. The inner layer cell 32 is made of transparent heat-resistant glass, and a transparent top plate 34 made of transparent heat-resistant glass is fixed to the outer layer cell 33. The inner layer cell 32 collects the released hydrogen and sends the hydrogen to the hydrogen analyzer 40. One side wall of the inner layer cell 32 is connected to an external carrier gas supply source 20 (not shown). A trachea 21 is connected, and an air supply pipe 22 connected to an external hydrogen analyzer 40 is connected to the other side wall. The outer layer cell 33 has a structure for fixing an infrared reflection furnace and a cell 30 described later as an example of a heating energy source to the surface of the actual machine. Further, an exhaust pipe 35 for evacuating the outer layer cell 33 is connected to the outer layer cell 33, and the exhaust pipe 35 is connected to a vacuum pump (not shown).

また、外層セル33の透明天板34上には、測定面に向けたエネルギー集中手段に相当する楕円面ミラー36内に加熱エネルギー源の一例である赤外線ランプ37を配置した集光式の赤外線反射炉が設置されており、該赤外線反射炉は外層セル33に取付けられている。また、楕円面ミラー36の下方には、さらに筒状に配した補助集光ミラー38が設置されている。   Further, on the transparent top plate 34 of the outer layer cell 33, a condensing infrared reflection in which an infrared lamp 37, which is an example of a heating energy source, is disposed in an elliptical mirror 36 corresponding to an energy concentrating means toward the measurement surface. A furnace is installed, and the infrared reflection furnace is attached to the outer layer cell 33. Further, below the ellipsoidal mirror 36, an auxiliary condensing mirror 38 arranged in a cylindrical shape is installed.

次に、上記装置の動作について説明する。材料2のチャージ面(試料電極)2aを覆うように内層セル32を材料2の表面上に設置し、さらに外層セル33をその外周側に配置し、封止材31により内層セル32および外層セル33と材料2との間を気密に封止する。次いで、図示しない真空ポンプにより排気管35を通して外層セル33内を真空引きする。内層セル32と外層セル33間を真空化することにより外部環境に存在する水素が内層セル32内に混入することを防ぐことができるとともに、圧力差によりセル30を実機表面に固定することができる。さらに磁石39や吸盤、接着材などを併用することで、実機表面に対し強固な取り付けが可能である。   Next, the operation of the above apparatus will be described. The inner layer cell 32 is placed on the surface of the material 2 so as to cover the charge surface (sample electrode) 2 a of the material 2, and the outer layer cell 33 is arranged on the outer peripheral side thereof, and the inner layer cell 32 and outer layer cell are sealed by the sealing material 31. The space between the material 33 and the material 2 is hermetically sealed. Next, the outer layer cell 33 is evacuated through the exhaust pipe 35 by a vacuum pump (not shown). By vacuuming between the inner layer cell 32 and the outer layer cell 33, it is possible to prevent hydrogen existing in the external environment from being mixed into the inner layer cell 32 and to fix the cell 30 to the actual machine surface by a pressure difference. . Further, by using a magnet 39, a suction cup, an adhesive, etc., it is possible to attach firmly to the actual machine surface.

次いで、赤外線ランプ37より照射された赤外線を楕円面ミラー36および補助集光ミラー38を用いて評価対象部位に照射し昇温させる。照射エネルギーは、外層セル33の透明天板34および内層セル32を通過して、チャージ面(試料電極)2aに照射される。チャージ面(試料電極)2aの実測温度は、熱電対39−1により測定される。この際、赤外線ランプの出力制御のために汎用的な調温器を用いることにより、一定の制御された温度調整が可能となる。赤外線が評価対象以外の周辺部にも照射されることを防ぐためには、必要に応じて所定領域以外に対して遮熱用のコーティングもしくは断熱材を用いることが有効である。評価対象材の質量が大きく、照射熱の放散が著しく所定の昇温制御が妨げられる場合には、例えばラバーヒータの様な補助加熱装置を評価対象材に適用し、材料内にチャージされた水素へ影響を及ぼさない様に考慮しながら予め余熱を施すことにより、その回避を達成できる。   Next, infrared rays irradiated from the infrared lamp 37 are irradiated to the evaluation target portion using the ellipsoidal mirror 36 and the auxiliary condensing mirror 38 to raise the temperature. The irradiation energy passes through the transparent top plate 34 and the inner layer cell 32 of the outer layer cell 33 and is irradiated to the charge surface (sample electrode) 2a. The actually measured temperature of the charge surface (sample electrode) 2a is measured by a thermocouple 39-1. At this time, by using a general-purpose temperature controller for controlling the output of the infrared lamp, a certain controlled temperature adjustment can be performed. In order to prevent the infrared rays from being irradiated to the peripheral portion other than the evaluation target, it is effective to use a heat shielding coating or a heat insulating material for a region other than the predetermined region as necessary. When the mass of the material to be evaluated is large and the dissipation of irradiation heat is remarkably hindered by the specified temperature rise control, an auxiliary heating device such as a rubber heater is applied to the material to be evaluated, and the hydrogen charged in the material is charged. This can be avoided by applying preheat in advance so as not to affect the process.

なお、上記加熱に際しては、同時にキャリアガス供給源からArなどのキャリアガスを送気管21によって内層セル32内に送気する。すると、昇温放出された水素は搬送媒体(キャリアガス)とともに、送気管22を通して水素分析装置40へ送りこまれ、分析に供される。   During the heating, a carrier gas such as Ar is simultaneously supplied from the carrier gas supply source into the inner layer cell 32 through the air supply tube 21. Then, the temperature-released hydrogen is sent together with the carrier medium (carrier gas) to the hydrogen analyzer 40 through the air feed tube 22 and is subjected to analysis.

次に、水素分析装置について説明する。
水素分析装置40は、図12に示すように、送気管22から送られるガスを分析するためのガスクロマトグラフ41を備え、タイマ42による一定時間毎の測定が可能になっている。ガスクロマトグラフ41の測定結果は、本発明の情報分析手段に相当する解析手段43に出力されるように構成されている。解析手段43は、例えばCPUとこれを動作させるプログラムとによって構成することができる。解析手段43には、HDDやフラッシュメモリなどからなる、データの記憶保持が可能な記憶装置44と解析結果を表示するCRTなどの表示手段45が接続されている。記憶装置44には、標準試料の昇温脱離水素の放出データや由来組織因子の変化に対応する水素量ピーク値変化や水素量ピーク値変化に対応する劣化度評価データなどを記憶しておくことができる。
Next, the hydrogen analyzer will be described.
As shown in FIG. 12, the hydrogen analyzer 40 includes a gas chromatograph 41 for analyzing the gas sent from the air supply pipe 22, and measurement by a timer 42 is possible at regular intervals. The measurement result of the gas chromatograph 41 is configured to be output to the analysis unit 43 corresponding to the information analysis unit of the present invention. The analysis means 43 can be comprised by CPU and the program which operates this, for example. The analysis means 43 is connected to a storage device 44 made of an HDD, a flash memory or the like and capable of storing data, and a display means 45 such as a CRT for displaying the analysis result. The storage device 44 stores temperature-programmed desorption hydrogen release data of the standard sample, hydrogen amount peak value changes corresponding to changes in the derived tissue factor, deterioration degree evaluation data corresponding to hydrogen amount peak value changes, and the like. be able to.

水素分析装置40では、タイマ42に設定された間隔(例えば5分毎)で材料2から昇温放出される水素量を測定することができる。この際に、加熱手段における昇温速度を管理することで、経過時間に対する温度を知ることができる。解析手段43では、ガスクロマトグラフ41からの測定水素量や、タイマ42からの測定間隔、昇温データなどから図6に示すような昇温脱離水素の放出プロファイルを得ることができる。解析手段43では、必要に応じて、標準試料におけるプロファイルの差分算出や、ガウス分布に基づくプロファイルの分離などによって、一または二以上の由来組織因子の変化に対応する水素量ピーク値変化を取得することができる。なお、解析手段43では、上記のような差分やプロファイル分離を行うことなく、水素量の測定データや取得プロファイルを記憶装置44に記憶させたり、表示手段に45表示させたりするものであってもよい。また、解析手段43では、由来組織因子の変化に対応する水素量ピーク値変化を取得する場合、該変化量に対応する劣化度などを記憶装置に記憶させたデータから取得することも可能である。   The hydrogen analyzer 40 can measure the amount of hydrogen released from the material 2 at a temperature set in the timer 42 (for example, every 5 minutes). At this time, the temperature with respect to the elapsed time can be known by managing the temperature increase rate in the heating means. The analysis means 43 can obtain a temperature-programmed desorption hydrogen release profile as shown in FIG. 6 from the measured hydrogen amount from the gas chromatograph 41, the measurement interval from the timer 42, the temperature rise data, and the like. In the analysis means 43, if necessary, a change in the peak amount of hydrogen corresponding to a change in one or more derived tissue factors is obtained by calculating the difference in the profile of the standard sample or separating the profile based on the Gaussian distribution. be able to. The analysis means 43 may store the hydrogen amount measurement data and the acquired profile in the storage device 44 or display them on the display means 45 without performing the difference or profile separation as described above. Good. In addition, in the analysis means 43, when acquiring the hydrogen amount peak value change corresponding to the change of the derived tissue factor, it is also possible to acquire the deterioration degree corresponding to the change amount from the data stored in the storage device. .

すなわち、これら分析によって実機の材料2の性状を非破壊で正確かつ容易に把握することができ、劣化を高精度に評価することが可能になる。以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記説明に限定されるものではなく、当然に本発明の範囲を逸脱しない範囲で変更が可能である。 In other words, the properties of the actual material 2 can be grasped accurately and easily by these analyzes, and the deterioration can be evaluated with high accuracy. Although the present invention has been described based on the above embodiment, the present invention is not limited to the above description, and can naturally be modified without departing from the scope of the present invention.

本発明における、昇温脱離水素の放出プロファイルとそれに対応した各種材料との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the discharge | release profile of temperature-programmed desorption hydrogen, and various materials corresponding to it in this invention. 同じく、未使用材と劣化模擬材における昇温脱離分析から得られた水素放出プロファイル例を示すグラフである。Similarly, it is a graph showing an example of a hydrogen release profile obtained from a temperature programmed desorption analysis for an unused material and a deterioration simulation material. 同じく、水素量による材料劣化評価例を示すグラフである。Similarly, it is a graph which shows the example of material deterioration evaluation by the amount of hydrogen. 同じく、水素量の低減と固溶強化元素の含有量の低下との関係を示すグラフである。Similarly, it is a graph which shows the relationship between the reduction | decrease of hydrogen amount, and the fall of content of a solid solution strengthening element. 同じく、昇温脱離水素の放出プロファイルの一例を示すグラフである。Similarly, it is a graph which shows an example of the discharge | release profile of temperature rising desorption hydrogen. 同じく、水素放出プロファイルにおける標準材との差分の関係を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the relationship of the difference with the standard material in a hydrogen discharge | release profile. 同じく、分離された昇温脱離水素の放出プロファイルと組織性状評価との関係例(概念)を示すグラフである。Similarly, it is a graph showing an example (concept) of the relationship between the release profile of separated thermal desorption hydrogen and the evaluation of tissue properties. 同じく、分離された昇温脱離水素の放出プロファイルと組織との対応例(概念)を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the example of correspondence (concept) with the discharge | release profile of the separated thermal desorption hydrogen, and a structure | tissue. 本発明の一実施形態における実機測定用装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus for real machine measurement in one Embodiment of this invention. 同じく、水素チャージ装置を示す断面図である。Similarly, it is sectional drawing which shows a hydrogen charging device. 同じく、昇温加熱機構付き水素捕集セルを示す断面図である。Similarly, it is sectional drawing which shows a hydrogen collection cell with a heating-up heating mechanism. 同じく、水素分析装置を示すブロック図である。Similarly, it is a block diagram showing a hydrogen analyzer.

符号の説明Explanation of symbols

1 材料性状評価装置
2 材料
2a チャージ面(試料電極)
10 水素チャージ装置
12 セル容器
13 対極
14 導線
15 電解液
16 充填材
20 キャリアガス供給源
21 送気管
22 送気管
30 昇温加熱機構付き水素捕集セル
32 内層セル
33 外層セル
34 透明天板
35 排気管
36 楕円面ミラー
37 赤外線ランプ
38 補助集光ミラー
39 磁石
39−1 熱電対
40 水素分析装置
41 ガスクロマトグラフ
42 タイマ
43 解析手段
44 記憶装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Material property evaluation apparatus 2 Material 2a Charge surface (sample electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hydrogen charging apparatus 12 Cell container 13 Counter electrode 14 Conductor 15 Electrolytic solution 16 Filler 20 Carrier gas supply source 21 Air supply pipe 22 Air supply pipe 30 Hydrogen collection cell 32 with temperature rising heating mechanism Inner layer cell 33 Outer layer cell 34 Transparent top plate 35 Exhaust Tube 36 Ellipsoidal mirror 37 Infrared lamp 38 Auxiliary condensing mirror 39 Magnet 39-1 Thermocouple 40 Hydrogen analyzer 41 Gas chromatograph 42 Timer 43 Analyzing means 44 Storage device

Claims (15)

被検査体である金属材料に捕捉または固溶している水素を昇温により材料外部へ放出させ、その昇温脱離水素より得られる情報に基づいて当該材料内の劣化・損傷性状について評価することを特徴とするトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。   The hydrogen trapped or dissolved in the metal material to be inspected is released to the outside of the material by raising the temperature, and the deterioration / damage properties in the material are evaluated based on the information obtained from the temperature-desorbed hydrogen. A material deterioration property evaluation method using tracer hydrogen. 前記昇温脱離水素に関する情報から、材料劣化・損傷に関与する組織因子に由来した昇温脱離水素の情報を分離して前記評価を行うことを特徴とする請求項1記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。   The tracer hydrogen according to claim 1, wherein the evaluation is performed by separating information on the temperature-programmed desorption hydrogen derived from a tissue factor involved in material degradation / damage from the information on the temperature-programmed desorption hydrogen. Material degradation property evaluation method. 水素の能動的な添加により水素が捕捉または固溶された前記材料から放出する昇温脱離水素によって前記評価を行うことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。   3. The material using tracer hydrogen according to claim 1, wherein the evaluation is performed by temperature-programmed desorption hydrogen released from the material in which hydrogen is captured or dissolved by active addition of hydrogen. Degradation property evaluation method. 前記昇温脱離水素の放出プロファイルの変化によって前記評価を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。   The material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein the evaluation is performed by changing a release profile of the temperature-programmed desorption hydrogen. 前記昇温脱離水素の放出プロファイルにおけるピーク高さの変化よって前記評価を行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。   The material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to any one of claims 1 to 4, wherein the evaluation is performed based on a change in peak height in the release profile of the temperature-programmed desorption hydrogen. 前記昇温脱離水素の放出水素量によって前記評価を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。   The material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to any one of claims 1 to 5, wherein the evaluation is performed based on a released hydrogen amount of the temperature-programmed desorption hydrogen. 水素の能動的な添加により水素が捕捉または固溶された高Crフェライト系耐熱鋼に対して、 100℃/時の昇温速度にて昇温させた際に放出される昇温脱離水素の情報に基づいて当該耐熱鋼の前記評価を行うことを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。 For high Cr ferritic heat resistant steel in which hydrogen is trapped or dissolved by active addition of hydrogen, the temperature of desorbed hydrogen released when the temperature is raised at a rate of 100 ° C./hour The material degradation property evaluation method using tracer hydrogen according to any one of claims 1 to 6, wherein the evaluation of the heat-resistant steel is performed based on information. 前記材料が実プラントにおける構成部位であり、該構成部位の任意領域を対象にして非破壊的に前記評価を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価方法。   The material deterioration due to tracer hydrogen according to any one of claims 1 to 7, wherein the material is a constituent part in an actual plant, and the evaluation is performed nondestructively for an arbitrary region of the constituent part. Property evaluation method. 金属材料に捕捉または固溶している水素を昇温により材料外部へ脱離・放出させる加熱手段と、前記脱離・放出水素を捕集するための捕集手段と、前記昇温脱離水素に関する情報を取得する水素情報取得手段および情報解析手段とを備えることを特徴とするトレーサー水素による材料劣化性状評価装置。   Heating means for desorbing and releasing hydrogen trapped or dissolved in the metal material to the outside of the material by raising the temperature, collection means for collecting the desorbed and released hydrogen, and the temperature-desorbed hydrogen An apparatus for evaluating material deterioration properties by tracer hydrogen, comprising: hydrogen information acquisition means for acquiring information on information and information analysis means. 前記材料に対し、水素を捕捉または固溶させるための水素の能動的な添加が可能なことを特徴とする請求項9に記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置。   The material deterioration property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 9, wherein hydrogen can be actively added to the material to capture or dissolve hydrogen. 前記加熱手段は、前記材料の任意部位において一定領域を均一な条件で、連続的または段階的に制御しながら加熱昇温することができることを特徴とする請求項9または10のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置。   The heating means can heat and raise a temperature while controlling a constant region in an arbitrary part of the material under uniform conditions continuously or stepwise. Material degradation property evaluation equipment by tracer hydrogen. 前記加熱手段は、加熱昇温に用いるエネルギーを前記材料表面の一定領域に集中させるものであることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置。   The material deterioration property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to any one of claims 9 to 11, wherein the heating means concentrates energy used for heating and heating in a certain region of the material surface. 前記水素捕集手段は、前記材料の露出測定面を覆い放出水素を捕集するための内層セルと、該内層セルを覆う外層セルを有し、前記内層セルに、キャリアガス供給源に一端が接続されたキャリアガス供給管と前記水素情報取得手段に一端が接続された捕集水素供給管とが気密に接続されており、さらに外層セル外部に、前記材料の測定面を加熱する前記加熱手段が配置され、前記外層セルと内層セルの少なくとも一部は、前記加熱手段による加熱昇温エネルギーが前記測定面に向けて通過可能とされていることを特徴とする請求項9〜12のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置。   The hydrogen collecting means has an inner layer cell for covering the exposed measurement surface of the material and collecting released hydrogen, and an outer layer cell for covering the inner layer cell. One end of the carrier gas supply source is provided in the inner layer cell. The heating means for heating the measurement surface of the material to the outside of the outer layer cell, wherein the connected carrier gas supply pipe and the collected hydrogen supply pipe having one end connected to the hydrogen information acquisition means are hermetically connected 13, and at least a part of the outer layer cell and the inner layer cell is configured such that heating temperature rise energy by the heating means can pass toward the measurement surface. The material deterioration property evaluation apparatus by tracer hydrogen described in 1. 前記外層内を真空可能にしたことを特徴とする請求項13記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置。   The material deterioration property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to claim 13, wherein the inside of the outer layer can be evacuated. 前記材料として、実プラントにおける任意の構成部位を対象とすることを特徴とする請求項9〜14のいずれかに記載のトレーサー水素による材料劣化性状評価装置。
The material deterioration property evaluation apparatus using tracer hydrogen according to any one of claims 9 to 14, wherein the material is an arbitrary component in an actual plant.
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