JP2007225333A - クリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一手法にて非破壊的に精度良くクリープ疲労損傷の評価を可能とする。
【解決手段】金属材料で構成された構造部材にクリープ損傷と疲労損傷とが重畳したクリープ疲労損傷が蓄積された際における構造部材の消費寿命を推定するクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法において、クリープ疲労損傷が蓄積された構造部材のボイド面積率を求め、あらかじめ実験的に求めてあるボイド面積率とクリープ疲労損傷量との関係を示したクリープ疲労損傷評価線図に照らして、構造部材の損傷量（余寿命）を推定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、蒸気タービンケーシングのような厚肉かつ構造上複雑な金属材料からなる構造部材に、クリープ損傷と疲労損傷とが重畳したクリープ疲労損傷が作用した際の損傷量の評価方法に係り、特に損傷量を金属組織観察により非破壊的に評価するクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法に関する。

例えば、蒸気タービンは、使用温度５００℃〜６００℃程度、圧力０．５ＭＰａ〜２５ＭＰａ程度で使用されている。蒸気タービンの金属材料で構成されている構造部材は、蒸気タービン運転中に経年劣化損傷を受ける。損傷の多くは、蒸気タービンの起動及び停止時に蓄積される疲労損傷（構造部材に繰り返しの力（応力）が付加された場合に、その繰り返し数の増大に伴い構造部材が受ける損傷：図５のＡ参照）と、定常運転の継続により蓄積されるクリープ損傷（構造部材に、高温（４５０℃以上）下で一定の引張力が作用することで、時間の経過と共に変形することで、構造部材が受ける損傷：図５のＢ参照）の双方が重畳して蓄積されることによるもの（クリープ疲労損傷：図５参照）である。

重畳時に構造部材が受ける損傷は、それぞれの損傷（疲労損傷及びクリープ損傷）が単独で作用する場合に比べ、大きくなることが一般に知られており、損傷蓄積がある限界値に達すると、微視き裂から巨視き裂の発生を引き起こして、甚大なる被害をもたらすこととなる。

しかも、これらの損傷は、全ての構造部材に対して均一に蓄積されるのではなく、蒸気タービンケーシングの各構造部材毎に損傷形態と損傷割合が異なるため、各構造部材（部材毎、部位毎）の損傷割合を正確に察知することは、安全性、信頼性並びに経済性の点からも極めて重要な課題である。

従来、クリープ疲労損傷を評価する方法として、線形損傷則が用いられていた。これは、予め実験的に作成された温度、応力などの物理量から、疲労単独損傷の破断線図（疲労単独損傷評価線図）とクリープ単独損傷の破断線図（クリープ単独損傷評価線図）とを作成しておき、これらの破断線図より、診断対象とするクリープ疲労損傷の疲労損傷要因から疲労損傷量を、クリープ損傷要因からクリープ損傷量を個別に算出し、算出された損傷量の合計（疲労損傷量＋クリープ損傷量）をクリープ疲労損傷量とするものである。

しかし、このような推定方法では、各々単独損傷での破断試験結果から作成した評価線図を用いて評価しているため、一連のクリープ疲労損傷の中で材料（構造部材等）が受けるクリープ損傷に対する疲労損傷の影響、またその逆に疲労損傷に対するクリープ損傷の影響が加味されていないという問題があった。

また、上述の通り、上記従来技術では、クリープ疲労損傷の疲労損傷要因から疲労損傷量を、クリープ損傷要因からクリープ損傷量を別々に算出評価しているが、一般的に、金属材料の評価精度は材料成分等の不均一のために倍半分の精度と言われており、実際は破断試験結果にはかなりのバラツキがある。このため、上記評価方法のように２つの評価線図（疲労単独損傷評価線図及びクリープ単独損傷評価線図）を用いてそれぞれの損傷量を算出し、これを合計する場合には、それぞれの線図の評価精度から、さらに精度が低くなるという問題があった。

これらの問題を解決する方法として、高温構造材料のクリープと疲労の重畳損傷推定方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。

この金属組織よりクリープ疲労損傷を評価する方法では、クリープ単独の損傷蓄積状態を反映する非破壊的計量値のひとつであるボイド（微小空孔）の定量化指標であるＡパラメータ（損傷粒界数／全粒界数）と、疲労単独の損傷蓄積状態を反映する非破壊的計量値のひとつである微視き裂の定量化指標である最大き裂長さとを求め、平行して金属組織状態の非破壊的計量値のひとつであるビッカース硬さ低下量比｛（損傷による軟化量−加熱による軟化量）／加熱による軟化量｝を求め、これらの３指標から、複合評価パラメータである規格化パラメータＤを算出し、規格化パラメータＤから、クリープ疲労損傷評価を行う。
特開平７−５０８６号公報（第３頁、段落０００９等）

ところで、クリープ疲労損傷において、ボイドが連結して、微視き裂が発生する損傷量（損傷量約５０％）以降では、ボイド数の把握が困難となる。すなわち、図６に示すように、クリープ疲労損傷が進行すると、材料組織中の結晶粒界にボイドという空孔が発生する。損傷中期（図中（II）の段階）くらいまでは、このボイドがランダムに発生し、これが徐々に増えてくるので、この個数を指標として損傷の度合いを判断することができる。しかし、さらに損傷が進むと、増えてきたボイドが連結し始めて一つのき裂（微視き裂及び巨視き裂を含む）となってしまうため、ボイド個数の増加が無くなってしまい、それ以降の損傷量にボイドの個数を指標とすることができなくなる。

このため、上記従来技術（特許文献１）では、損傷評価精度を上げるために、最大き裂長さやビッカース硬さ低下量比もパラメータとして用いている。

このように、上記従来技術（特許文献１）では、各パラメータを算出するに当たり、クリープ損傷、疲労損傷各々単独の試験を行うこと、さらに、評価対象が金属材料であることを考慮（前述）すると、これら各試験結果のデータはバラツキを有しており、さらに組み合わせることでバラツキの度合いが拡大し評価精度の向上には繋がらない可能性があると共に、様々なパラメータを必要とし、複雑なクリープ疲労損傷評価方法となってしまうという問題があった。

この発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、一手法にて非破壊的に精度良くクリープ疲労損傷の評価が可能なクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法を提供することにある。

上述した目的を達成するため、この発明の第１の要旨のクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法よれば、金属材料で構成された構造部材にクリープ損傷と疲労損傷とが重畳したクリープ疲労損傷が蓄積された際における構造部材の余寿命を推定するクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法において、クリープ疲労損傷が蓄積された構造部材のボイド面積率を下記の式（１）に従って求める。そして、あらかじめ実験的に求めてあるボイド面積率とクリープ疲労損傷量との関係を示したクリープ疲労損傷評価線図に照らして、前記構造部材の損傷量を推定する。

（ボイド面積率）＝（ボイド計測範囲におけるボイドの面積）／（ボイド計測範囲の
面積）・・・・・（１）
この発明では、好ましくはクリープ疲労損傷評価線図が、構造部材の形状およびこれに作用する温度・圧力に起因するひずみ量に対応した全ひずみ量毎に複数作成されることが好ましい。

この発明によれば、複雑な計算あるいはボイド数量と他の複数の損傷状態量との組み合わせによってクリープ疲労損傷評価を行うこと無く、ボイドの発生面積割合（ボイド面積率という）の計測という一つの手法にて、非破壊的にクリープ疲労損傷評価、従って余寿命診断を行うことができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する条件等は、この発明の範囲内の単なる好適例に過ぎない。また、この発明は、構造部材にボイドが発生するような温度及び圧力の各条件で利用される構造部材について評価できる。

この実施形態では、過去にクリープ疲労損傷が多く発生している蒸気タービンケーシング（Ｃｒ-Ｍｏ-Ｖ鋳鋼）材の損傷評価（余寿命診断）をする場合を例に挙げて説明する。

図１は、この発明の実施形態の内容を説明するための図である。

まず、予め実験室にて、実機（蒸気タービンケーシング）の構造部材に見立てた金属材料にクリープ疲労損傷を与える中断試験（後述）を実施する（Ｓ１）。

続いて、中断試験片である金属材料の組織をレプリカフィルムを用いて行うことで採取し（Ｓ２Ａ）、採取組織から、式（１）で求まるボイド面積率、すなわち、一定の計測面積（計測範囲）に対するボイドの占める面積割合（ボイド面積率）を算出する（Ｓ３Ａ）。

（ボイド面積率）＝（ボイド計測範囲におけるボイドの面積）／（ボイド計測範囲
の面積） ………（１）
続いて、このボイド面積率を縦軸に、中断試験で与えたクリープ疲労損傷の損傷量（後述）を横軸にとり、グラフにプロットして、クリープ疲労損傷評価線図を作成する（Ｓ４）。

上記手順にてクリープ疲労損傷の評価線図を実験室にて求めたのち、実機材料の金属組織を採取観察し（Ｓ２Ｂ）、ボイド面積率を算出する（Ｓ３Ｂ）。

ここで、クリープ疲労損傷でのボイド形状に影響を与えるのは疲労損傷における引張と圧縮（疲労損傷）であることが実験的に分かっている。すなわち、ボイドはクリープ損傷という要因が無ければ発生しないこと、また、クリープ損傷疲労では、クリープ損傷の要因が含まれているのでボイドが発生するが、クリープ損傷のみの場合とは異なり、疲労損傷量の大きさ（違い）によって、ボイドの発生状態（形状）が異なる。

このことから、疲労損傷の大きさ（引張と圧縮の絶対値の和：全ひずみ量）の違いにより評価線図が異なってしまうことを考慮し、実機では構造部材の各々の形状等によりひずみ量が異なるため、これに対応できるように全ひずみ量毎に評価線図を作成しておく必要がある（本出願人による実験結果によれば、実機に作用する全ひずみ量は３つないし４つ程度に分類できる）。そのため、評価対象部位（構造部材）に作用する全ひずみ量を事前に把握しておく必要がある。この全ひずみ量は、計測でも数値解析でも算出できるが、この実施形態では数値解析的（有限要素法による熱応力解析）に算出しておく。

尚、実機における評価対象部位（構造部材）である金属組織の採取は、前述と同様にレプリカフィルムを用いて行うことで、実機からの計測は非破壊的に行われる。

以上の手順で算出された実機の評価対象部位のボイド面積率を、前述のクリープ疲労損傷評価線図と照らし合わせることにより、実機材料の損傷量従って構造部材の余寿命を推定する。尚、実機の評価対象部位のボイド面積率と、実験室データによるボイド面積率から求められたクリープ疲労損傷評価線図とは、それぞれ上述の全ひずみ量等が同一の環境で求められたもの同士について照らし合わせが行われるようにする必要がある。

次に、クリープ疲労損傷評価線図の作成手順について図２を参照して詳細に説明する。

図２は、クリープ疲労損傷評価線図の作成手順について示した図である。

この実施形態では、クリープ疲労損傷評価線図作成のためのクリープ疲労損傷付与試験として、短軸ひずみ制御にて試験片に圧縮ひずみと引張ひずみを与え、各サイクル（ひずみが０の状態から圧縮→引張→引張保持→圧縮を経て再びひずみが０になる一連の動作（図５参照））毎に、引張最大ひずみでその状態を一定時間保持する試験（保持サイクル疲労試験とも称する）を実施する。

また、試験条件のうち、温度、保持サイクル疲労試験における引張保持時間及びひずみ量については、実機の運転パターンを模擬するため、数種類変化させる。

クリープ疲労損傷付与試験（中断試験）について、以下に述べる。

まず、温度、引張最大ひずみでその状態を保持する保持時間及びひずみ量の試験条件を設定し（Ｓ１０）、保持サイクル疲労試験（クリープ疲労損傷付与試験）を実施し（Ｓ１１）、破断繰返し数、すなわち、クリープ疲労損傷付与試験を行い、試験片が破断するまでのサイクル数を求める（Ｓ１２）。

次に、同条件の下で試験片に損傷（保持サイクル疲労試験により試験片にかかる負荷）を与え、破断繰返し数を１００％として、例えば、該破断繰り返し数の２０％、４０％、６０％、８０％の繰り返し数（サイクル）を与えた劣化材（試験片）を作成する（Ｓ１３）。ここで、試験片に与えた繰り返し数と、同一条件での破断繰り返し数との比を損傷量（クリープ疲労損傷量）と定義する。

続いて、それぞれのクリープ疲労損傷付与試験片（劣化材）を軸方向（試験片に圧縮ひずみと引張ひずみを与える方向）に中心部から半割し、現れた表面に対して鏡面研磨、エッチングを施した後、レプリカフィルムにより金属組織を転写することで、金属組織の採取を行う。そして、レプリカフィルムを顕微鏡で写真撮影する（Ｓ１４）。

続いて、写真撮影して得た写真から、一定測定範囲におけるボイドの発生面積を計測し、計測面積との比であるボイド面積率を算出する（Ｓ１５）。

ここで、ボイドの発生面積の計測方法の一例について詳細に説明する。まず、金属組織を転写したレプリカフィルムを電子顕微鏡を用いて撮影し、金属組織写真を電子データ化する。この段階で、微小孔であるボイドはレプリカフィルムでは凸となるため金属組織写真上では黒い背景中の数ミクロンの白点として現れる。従って、周知の通り、黒い領域と白い領域とを二値化処理によって選別すれば、写真領域中に白領域の専有面積を得ることが出来る。

そこで、この電子データ化した金属組織写真を公知の画像処理ソフト（三谷産業製ＷＩＮＲＯＯＦ）にて、ボイドの白い部分と組織の黒い部分とに二値化処理する。そして、上述の画像処理ソフト上で、ボイドである白い部分の面積を計測する。これを、一定の計測範囲について行い、計測範囲の全面積とボイドの面積の比を求め、ボイド面積率とする。

尚、このボイド面積率は、試験片を直接観察することで行うことも可能であるが、実機材料からの金属組織（データ）の採取が非破壊的に行われる必要性から、データ採取がレプリカフィルムとなることを考慮し、実機材料データとの整合を図るためにレプリカ法を採用した。

以上の手順で得たデータを元に、未使用材、破断材のデータも加えて、縦軸にボイド面積率、横軸に損傷量をプロットすることで、クリープ疲労損傷評価線図が得られる（Ｓ１６）。

ところで、既述の通り、クリープ疲労損傷とは、疲労損傷の要因とクリープ損傷の要因が重畳したものである。したがって、同じ保持サイクル疲労試験でも、保持時間が極端に短い場合（例えば引張保持時間が１０分程度）にはクリープ損傷の要因が殆ど作用せず、疲労損傷の要因が強く支配する。また、逆に、保持時間が極端に長い場合（例えば引張保持時間が数千時間で破断繰り返し数が数回程度）には疲労損傷の要因が殆ど作用せず、クリープ損傷の要因が強く支配する。

ここで、クリープ疲労損傷が作用するといわれている蒸気タービンケーシングなどでは、起動及び停止回数が多いとされている。したがって、実機でのクリープ疲労損傷を考えた場合、その保持時間（一回の起動停止の間での引張保持時間）は数時間〜数百時間あることを考慮した場合、実験結果から、この引張保持時間の範囲内では、同ひずみ範囲で同損傷の場合に、ボイド面積率はほぼ同じであることが判明している。このことから、クリープ疲労損傷評価線図は、保持時間の長短によらず、一つで十分であることが判明している。

一方、ひずみ量については、全ひずみ量（引張側ひずみ量と圧縮側ひずみ量の総和）の違いによりクリープ疲労損傷評価線図が異なる。よって、実機評価部位に対応した各全ひずみ量毎のクリープ疲労損傷評価線図を作成することが必要である。

図３は、この実施形態におけるクリープ疲労損傷の付与された試験片の走査電子顕微鏡による顕微鏡組織観察写真（倍率：５００倍）の写しである。また、図４は、図３と同材料、同損傷量のクリープ単独損傷の付与された試験片の顕微鏡組織観察写真（倍率：５００倍）の写しである。両者を比較すると同損傷量でも、クリープ疲労損傷の付与された試験片（図３）の方がクリープ単独損傷の付与された試験片（図４）よりもボイド径が小さく、かつ散在していることが分かる。

これは、クリープ疲労損傷における疲労損傷の影響により、クリープ損傷で発生したボイドの成長が抑制されるためであると考えられることから、この発明ではボイドの生成状体、特にボイドの面積割合を観察し定量化することで、クリープ疲労損傷を評価できるとした。

従って、この発明によれば、実験室にて様々な損傷量のクリープ疲労損傷材の金属組織を実際に観察することで、その損傷量でのボイド面積率（計測面積に対するボイドの面積割合）をプロットしたクリープ疲労損傷評価線図を作成しておき、実機から計測されたボイド面積率をクリープ疲労損傷評価線図と照らし合わせることにより、一手法で、評価対象部位（構造部材）のクリープ疲労損傷評価（余寿命評価）を非破壊的に行うことができる。

（実施形態の変形例）
なお、この発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等もこの発明に含まれるものである。

例えば、この発明を実施するための最良の方法などは、以上の記載で開示されているが、この発明は、これに限定されるものではない。すなわち、この発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、この発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、方法、動作、数量、その他の詳細な方法において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

したがって、上記に開示した方法、動作などを限定した記載は、この発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、この発明を限定するものではないから、それらの方法、動作などの限定の一部若しくは全部の限定を外した方法の名称での記載は、この発明に含まれるものである。

この発明の実施形態の内容を説明するための図である。 クリープ疲労損傷評価線図の作成手順について示した図である。 この実施形態におけるクリープ疲労損傷の付与された試験片の顕微鏡組織観察写真の写しである。 図３と同材料、同損傷量のクリープ単独損傷の付与された試験片の顕微鏡組織観察写真の写しである。 診断対象部位のクリープ疲労損傷サイクルを示した図である クリープ疲労損傷金属組織イメージを示した図である。

Claims (2)

1. 金属材料で構成された構造部材にクリープ損傷と疲労損傷とが重畳したクリープ疲労損傷が蓄積された際における前記構造部材の余寿命を推定するクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法において、
   前記クリープ疲労損傷が蓄積された構造部材のボイド面積率を下記の式（１）に従って求め、あらかじめ実験的に求めてあるボイド面積率とクリープ疲労損傷量との関係を示したクリープ疲労損傷評価線図に照らして、前記構造部材の損傷量を推定することを特徴とするクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法。
   （ボイド面積率）＝（ボイド計測範囲におけるボイドの面積）／（ボイド計測範囲 の面積）・・・・・（１）
2. 前記クリープ疲労損傷評価線図は、前記構造部材の形状およびこれに作用する温度・圧力に起因するひずみ量に対応した全ひずみ量毎に複数作成されることを特徴とする請求項１に記載のクリープ疲労損傷に関する金属組織による損傷評価方法。