JP2013104742A - クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断方法及び診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クリープ損傷を受ける金属の余寿命をＡパラメータ法によって診断するに際し、参照線を描く向きを精度よく定める。
【解決手段】
金属のレプリカを顕微鏡撮影することで、粒界の画像データを取得する画像取得ステップ（Ｓ３）と、画像データに向きが異なる仮想参照線データを複数本描く仮想参照線描画ステップ（Ｓ５，Ｓ６，Ｓ８）と、仮想参照線データのそれぞれについて、粒界データ上のボイド画像データを計数するボイド計数ステップ（Ｓ７、Ｓ８）と、ボイド画像データの数が最も多い仮想参照線データを、参照線データに決定する参照線決定ステップ（Ｓ９）とを含み、Ａパラメータ法を用いて前記金属の余寿命を診断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断方法及び診断装置に関する。

発電施設が有するボイラーやタービンといったプラント機器では、動力用蒸気などの高温高圧流体が扱われている。年単位の長時間に亘って使用されると、ボイラーやタービンを構成する金属（例えばクロムモリブデン鋼やステンレス鋼）には、クリープ損傷などの経年劣化損傷が生じる。過度な損傷は機器の破損につながるため、プラント機器を長期間に亘って安全に使用するには、金属の余寿命を診断して適切な時期にメンテナンスを行うことが求められる。

ここで、メンテナンスサイクルを短く設定すると安全率が高まるものの、メンテナンス回数が増えるのでコストが嵩んでしまう。反対に、メンテナンスサイクルを長く設定すると、メンテナンス回数が減ってコストを抑制できるものの、安全率が低くなってしまう。このため、余寿命の診断精度を向上させ、メンテナンスサイクルを適切に定めることが重要になっている。

診断精度を向上させるため、種々の余寿命診断方法が開発されている。その診断手法の一つにＡパラメータ法がある。Ａパラメータ法は非破壊診断方法の一種であり、クリープボイドが生じた粒界（クリープボイド発生粒界）の数と観察粒界の総数との比率を指標として余寿命を求める方法である。以下に示す特許文献１〜３には、Ａパラメータ法を用いた診断方法が開示されている。

例えば、特許文献１，２には、クリープ損傷の進行度合いをＡパラメータによって評価する技術が開示されている。また、特許文献３には、犠牲型センサのクリープ損傷の進行度合いをＡパラメータによって評価する技術が開示されている。Ａパラメータ法では、クリープボイド発生粒界数と観察粒界総数との比率を指標にしているので、クリープボイド発生粒界を識別する必要がある。このクリープボイド発生粒界を識別するため、参照線が広く用いられている。

参照線とは、診断対象となる金属に作用する応力方向に描かれた直線であり、顕微鏡で撮影された画像から観察粒界を抽出するために用いられる。すなわち、画像に参照線を描き、参照線と交差した粒界を観察対象の粒界に定めている。そして、参照線を応力方向に描く理由は、ボイドの基となる転移（原子配列のずれ）が、クリープ歪みに起因して応力方向へ移動して応力方向と交差する向きの粒界に留まり、クリープ損傷を精度良く認識できるからである。このため、Ａパラメータ法での評価に際しては、参照線を描く向きが重要な要素になる。

特開２０１０−１４６００号公報 特開２００８−２０９３４４号公報 特開２００３−１０６９４７号公報

しかしながら、診断対象の金属について応力方向を判断することは容易なことではない。とりわけ、ボイラーのケーシングの様な形状について応力方向を判断することは困難である。このため、熱応力解析等を行って応力方向を推定する必要がある。また、顕微鏡写真は、診断対象となる金属の表面状態が転写されたレプリカに対して撮影される。このため、レプリカの採取後に応力方向を錯誤してしまうこともあり得る。そして、前述の特許文献１〜３の何れも、参照線を描く向きの精度向上については考慮されていなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、参照線を描く向きを精度よく定め、Ａパラメータ法による余寿命診断の精度を向上させることにある。

前記目的を達成するため、本発明は、クリープ損傷を受ける金属の余寿命を診断する方法であって、前記金属のレプリカを顕微鏡撮影することで、粒界の画像を取得する画像取得ステップと、前記画像に向きが異なる直線状の仮想参照線を複数本描く仮想参照線描画ステップと、前記仮想参照線のそれぞれについて、当該仮想参照線と交差する粒界上のボイドを計数するボイド計数ステップと、前記粒界上のボイドの数が最も多い仮想参照線を、参照線に決定する参照線決定ステップと、前記参照線と交差する粒界の数、及び、前記参照線と交差するとともにボイドが形成されている粒界の数を取得する粒界数取得ステップと、前記参照線と交差する粒界の数、及び、前記参照線と交差するとともにボイドが形成されている粒界の数に基づき、Ａパラメータ法を用いて前記金属の余寿命を診断する余寿命診断ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、向きを異ならせた仮想参照線を画像上に描き、それぞれの仮想参照線について、交差する粒界上のボイドを計数している。ここで、ボイド（ボイドの基となる転移）は、クリープ歪みを受けることにより、応力方向へ移動して応力方向と交差する方向の粒界に留まる。このため、粒界上のボイドの数が最も多い向きで描かれた仮想参照線が、応力方向に最も近い向きの仮想参照線であると推定できる。従って、この仮想参照線を参照線に決定することで、参照線を描く向きの精度を高めることができる。そして、決定された参照線を用いてＡパラメータ法による余寿命診断を行うことで、Ａパラメータ法による余寿命診断の精度を向上させることができる。

前述の余寿命診断方法において、前記仮想参照線描画ステップでは、基準角度から±９０度の範囲内に規定角度間隔で、前記仮想参照線を複数本描くことが好ましい。この診断方法では、基準角度から±９０度の範囲内に、複数の仮想参照線が一定の角度毎に描かれるので、仮想参照線を描く向きを容易に設定できる。

前述の余寿命診断方法において、前記基準角度は、応力方向と推定される向きに定められることが好ましい。この診断方法では、仮想参照線と交差する粒界上のボイド数が、複数の仮想参照線で同じ数になった場合に、基準角度に基づいて重み付けができるので、確からしい仮想参照線を参照線に決定することができる。

前述の余寿命診断方法において、前記画像取得ステップでは、前記金属のレプリカを、撮影対象位置を変えながら複数回顕微鏡撮影することで複数の画像を取得し、前記仮想参照線描画ステップでは、前記画像のそれぞれに対して前記仮想参照線を描くことが好ましい。この診断方法では、参照線描画ステップにおいて画像のそれぞれに参照線を描いているので、画像を敷き詰めてつなぎ合わせ、必要とされる観察範囲を１枚の画像にするタイリングを行わずに済み、作業効率を高めることができる。

前述の余寿命診断方法において、前記余寿命診断ステップでは、Ａパラメータと金属の余寿命との相関関係を示すマスターカーブを予め取得しておき、前記粒界数取得ステップで得られた粒界数に基づくＡパラメータを前記マスターカーブにあてはめることで、前記金属の余寿命を診断することが好ましい。これにより、余寿命を容易に診断することができる。

また、本発明は、クリープ損傷を受ける金属の余寿命をコンピュータによって診断する余寿命診断装置であって、前記コンピュータに、前記金属のレプリカを顕微鏡撮影することで、粒界の画像を取得することで得られた画像データを取得させる画像取得ステップと、前記画像データに向きが異なる直線状の仮想参照線データを複数本描かせる仮想参照線描画ステップと、前記仮想参照線のそれぞれについて、当該仮想参照線データと交差する粒界データ上のボイド画像データを計数させるボイド計数ステップと、前記粒界データ上のボイド画像データの数が最も多い仮想参照線を、参照線データとして決定させる参照線決定ステップと、前記参照線データと交差する粒界データの数、及び、前記参照線データと交差するとともにボイド画像データが形成されている粒界データの数を取得させる粒界数取得ステップと、前記参照線データと交差する前記粒界データの数、及び、前記参照線データと交差するとともに前記ボイド画像データが形成されている前記粒界データの数に基づき、Ａパラメータ法を用いて前記金属の余寿命を診断させる余寿命診断ステップとを行わせることを特徴とする。

本発明によれば、クリープ損傷を受ける金属の余寿命をＡパラメータ法によって診断するに際し、参照線を描く向きを精度よく定めることができ、診断精度を向上させることができる。

余寿命診断システムの構成を示す外観図である。 余寿命診断システムの構成を示すブロック図である。 余寿命診断手順を説明するフローチャートである。 マトリクス状に撮影された複数の画像データを説明する概念図である。 重ね合わせた一部の画像データを説明する概念図である。 各画像データの重複部分を説明する図である。 各画像データに対して粒界データの補間やゴミ画像データの除去を行った状態を説明する概念図である。 基準仮想参照線データが描かれた画像データを説明する概念図である。 基準角度から３０度反時計回り（−方向）に仮想参照線データが描かれた画像データを説明する概念図である。 基準角度から３０度時計回り（＋方向）に仮想参照線基準角度が描かれた画像データを説明する概念図である。 基準仮想参照線データと粒界データの位置関係を説明する概念図である。 ボイド画像データ、交差粒界データ、及びボイド発生粒界データを説明する概念図である。 マスターカーブの一例を説明する図である。 複数の画像データの他の例を説明する概念図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、余寿命診断システムについて説明する。図１に示すように、本実施形態の余寿命診断システム１は、走査型電子顕微鏡２（以下単にＳＥＭ２という）と診断用コンピュータ３とを有する。

ＳＥＭ２は、電子線を絞って電子ビームとして測定対象であるレプリカに照射し、このレプリカから放出される二次電子を検出することで、レプリカの画像データを得る装置である。ＳＥＭ２は、例えば図２に示すように、電子銃２１と、磁界レンズ２２と、試料ステージ２３と、二次電子検出器２４とを備えている。

電子銃２１は電子線を放出する部分であり、例えば熱電子を電位差によって加速させて放出する。磁界レンズ２２は電子線を集束させる部分であり、例えば磁界を発生させるコイルを備えている。このコイルに流す電流を調整することで発生される磁界の強さを変えることができ、電子銃２１から放出された電子線の集束度合いを調整できる。試料ステージ２３は測定対象となるレプリカが載置される部分であり、レプリカの向きや高さを調整することができる。これにより、レプリカにおける所望の位置に電子線を照射することができる。二次電子検出器２４は、電子線の照射によって測定対象から放出された二次電子を検出する部分である。検出された二次電子の量に応じた画像信号が診断用コンピュータ３に送信される。

診断用コンピュータ３は、ＳＥＭ２と通信してＳＥＭ２の動作制御を行うとともに、ＳＥＭ２より受信した画像信号からＳＥＭ画像を得る装置である。そして、得られたＳＥＭ画像に基づいて余寿命診断を行う。このため、診断用コンピュータ３は、余寿命診断装置に相当する。この診断用コンピュータ３は、例えば図２に示すように、コンピュータ本体３１と、表示部３２と、入力部３３とを有する。

コンピュータ本体３１は、診断用コンピュータ３による各種制御を行う部分であり、ＣＰＵ３４と、メモリ３５と、データ記憶部３６とを有している。ＣＰＵ３４は、制御の中心となる部分であり、メモリ３５に記憶された動作プログラムに従って動作する。メモリ３５は、ＳＲＡＭやハードディスクといった各種の記憶デバイスによって構成され、動作用のプログラムを記憶する他、動作時におけるデータの記憶を行うワークエリアとしても機能する。データ記憶部３６もまた、ＳＲＡＭやハードディスクといった各種の記憶デバイスによって構成され、各種の画像データや診断用のマスターカーブ（図１３を参照）の基となるデータなどが記憶される。

表示部３２は、ＳＥＭ画像やＳＥＭ２に対する操作画像といった各種の画像を表示する部分であり、例えば液晶ディスプレイによって構成される。入力部３３は、作業者の各種操作を受け付ける部分であり、例えばキーボードやマウスによって構成される。

この余寿命診断システム１では、ＳＥＭ２の動作が診断用コンピュータ３を通じて制御される。そして、診断用コンピュータ３では、ＳＥＭ２から送信された画像信号に基づいてレプリカのＳＥＭ画像を取得し、対象金属の余寿命を診断する。詳細は後述するが、この余寿命の診断処理において、診断用コンピュータ３は、向き（角度）を変えて複数種類の仮想参照線データを設定するとともに、各仮想参照線データについて粒界データ上のボイド画像データの数を計数する。そして、ボイド画像データの数が最も多い仮想参照線データを参照線データに決定し、Ａパラメータ法に基づく余寿命診断を行う。

図３は、余寿命の診断処理を説明するフローチャートである。この診断処理では、レプリカ採取処理（Ｓ１）、ＳＥＭ観察処理（Ｓ２）、観察画像取得処理（Ｓ３）、画像調整処理（Ｓ４）、仮想参照線の角度設定処理（Ｓ５）、仮想参照線の描画処理（Ｓ６）、交差粒界上のボイド計数処理（Ｓ７）、仮想参照線の設定要否判断（Ｓ８）、参照線決定処理（Ｓ９）、Ａパラメータ算出処理（Ｓ１０）、及び余寿命診断評価（Ｓ１１）が行われる。

なお、本実施形態では、ボイラー機器に広く使用されている２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼といった低合金鋼配管の溶接熱影響部（ＨＡＺ部）の余寿命を診断する場合について説明する。

レプリカ採取処理（Ｓ１）は、測定対象物における損傷が予測される対象部位（本実施形態ではＨＡＺ部）について組織をプラスチックフィルムに転写し、レプリカ（組織が転写されたプラスチックフィルム）を採取する処理である。このレプリカ採取処理では、鋼管の診断対象部位をグラインダー等で鏡面に研磨した後にエッチングを行う。その後、プラスチックフィルムを対象部位に張り付けて組織を転写することでレプリカを採取する。

ＳＥＭ観察処理（Ｓ２）は、採取されたレプリカをＳＥＭ２で観察する処理である。このＳＥＭ観察処理では、前処理として金などの蒸着処理を行い、レプリカの表面に金などの蒸着膜を形成する。蒸着膜を形成したならば、ＳＥＭ２による観察を行う。例えば、試料ステージ２３の上に蒸着膜が形成されたレプリカを載置し、診断用コンピュータ３を操作してレプリカの表面形状を観察する。

この場合において、診断用コンピュータ３は、ＳＥＭ２から送信された画像信号に基づいてレプリカのＳＥＭ画像データ（以下、画像データという）を生成し、表示部３２に表示させる。作業者は、入力部３３を操作することで、粒界が表示部３２で視認できるように表示倍率を定める。また、作業者は、入力部３３を操作することで試料ステージ２３を動作させ、レプリカの観察方向を定める。例えば、ＨＡＺ部に作用する応力の方向と推定される方向（応力推定方向）が、表示部３２の表示画面において横方向（矩形状画面の下縁と平行な方向）となるように観察方向を定める。なお、応力推定方向は、鋼管の形状や熱応力解析の結果等から定めることができる。

観察画像取得処理（Ｓ３）では、診断用コンピュータ３が、ＳＥＭ２で撮影された観察画像に対応する画像データを取得する。例えば、作業者からの入力部３３への操作によって撮影が指示されると、診断用コンピュータ３は、生成した画像データをデータ記憶部３６に記憶させる。このとき、診断用コンピュータ３は、ＳＥＭ２を制御して試料ステージ２３を移動させつつ画像信号を取得し、平面方向へマトリクス状（行列状）に並ぶ複数の画像データを得る。すなわち、複数のＳＥＭ画像が撮影される。その結果、Ａパラメータの算出に必要な平面範囲に亘って、複数の画像データが取得される。この画像データは、表示部３２での表示画面に対応した横長矩形状範囲の画像データである。このため、表示画像と同様に、横方向が応力推定方向に相当する。

なお、本実施形態では、図４に示すように、Ａ列〜Ｇ列、及び、第１行〜第６行からなる４２枚の画像データＧＲを取得した場合を例に挙げて説明する。便宜上、以下の説明では、Ａ列第１行の画像データを画像データＧＲ（Ａ１）と、Ｂ列第１行の画像データを画像データＧＲ（Ｂ１）と表し、以下同様に、Ｇ列第６行の画像データを画像データＧＲ（Ｇ６）と表す。

各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）には、粒界の画像データである粒界データＬ、ボイドの画像データであるボイド画像データＶ、及び、ゴミの画像データであるゴミ画像データＮが含まれている。これらの画像データＬ，Ｖ，Ｎのうち、粒界データＬは、例えば、始点座標と終点座標とを有する直線のデータとして取得される。また、ボイド画像データＶやゴミ画像データＮは、例えば、ボイドやゴミの外周に添った多角形の画像データ、中心と半径からなる円形の画像データ、或いは、長軸と短軸の組からなる楕円形の画像データなどとして取得される。

また、図５に一部を示すように、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）は、隣接する他の画像データＧＲとの間で、ハッチングで示す縁部分のデータＥＤを共有している。これにより、Ａパラメータの算出に必要とされる平面範囲を隈無く網羅している。

そして、この観察画像取得処理は、撮影対象位置を変えながら、レプリカを複数回顕微鏡撮影することで、複数の画像（画像データ）を取得する画像取得ステップに相当する。

画像調整処理（Ｓ４）では、診断用コンピュータ３が、取得した各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）に対して各種の調整を行う。例えば、図５に示すように、ＳＥＭ２から得られた画像データＧＲには、ゴミ画像データＮ１や余分な粒界データＬ１が存在する。また、粒界データＬ２や粒界データＬ３のように、粒界データ同士の間が欠けていたりする。このようなデータをそのまま用いて処理を進めると、求められたＡパラメータの精度が損なわれ、ひいては余寿命の診断結果にまで影響が及んでしまう。そこで、画像調整処理では、ゴミ画像データＮ１の除去、余分な粒界データＬ１の除去、欠けている粒界データＬ２，Ｌ３同士の補間などが行われる。

図５に示すゴミ画像データＮ１は、粒界データの上に位置していないことから、ボイド画像データとは異なるものとして区別できる。なお、ゴミ画像データについては、形状が細長い場合やボイド画像データよりも有意に大きい場合も、ボイド画像データとは異なるものとして区別できる。また、図５に示す粒界データＬ１の延長線上には、対応する粒界データが存在しない。このため、余分な粒界データであると判断できる。一方、粒界データＬ２については、その延長線上に粒界データＬ３が存在するため、粒界データＬ２と粒界データＬ３とは同じ粒界を表すデータとして、粒界データＬ２，Ｌ３同士を補間することで１つの粒界データとして扱うことができる。

これらのゴミ画像データの除去処理、余分な粒界データの除去処理、及び、粒界データ同士の補間処理を、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）に対して行うと、図７に示すように、各画像データＧＲにおいてゴミ画像データＮや余分な粒界データＬが除去され、かつ、欠けた粒界画像Ｌ同士が補間される。これにより、診断に適したクリアな画像になる。

また、図５に示すように、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）は、隣接する画像データＧＲとの間で、ハッチングで示す縁部分のデータＥＤを共有している。この縁部分（重複部分）のデータＥＤを複数の画像データＧＲに割り当ててしまうと、同一の粒界データＬやボイド画像データＶであるにも拘わらず、別の粒界データＬやボイド画像データＶとしてカウントされてしまう虞がある。そこで、画像調整処理では、各画像データＧＲの縁部分のデータＥＤを１つの画像データＧＲに割り振るようにし、他の画像データＧＲについては対象外領域として設定している。

例えば、図６に示すように、各画像データＧＲにおける右端部から下端部に亘って倒Ｌ状の対象外領域ＥＸを設定する。これにより、画像データＧＲ（Ａ１）、画像データＧＲ（Ｂ１）、画像データＧＲ（Ａ２）及び画像データＧＲ（Ｂ２）の４つが重なっている重複部分ＥＤ１については画像データＧＲ（Ｂ２）に割り振られる。また、重複部分ＥＤ１から横方向（長辺方向）に延びる重複部分ＥＤ２については画像データＧＲ（Ａ２）に割り振られ、重複部分ＥＤ１から縦方向（短辺方向）に延びる重複部分ＥＤ３については画像データＧＲ（Ｂ１）に割り振られる。その結果、異なる画像データＧＲに存在する同一の粒界データＬやボイド画像データＶを、重複してカウントしてしまう不具合を防止できる。

以上の画像調整処理が終了したならば、診断用コンピュータ３は、仮想参照線データＲＬの設定処理（Ｓ５，Ｓ６）を行う。この設定処理は、仮想参照線データＲＬの角度を設定する角度設定処理（Ｓ５）と、仮想参照線データＲＬの描画を行う描画処理（Ｓ６）とから構成されている。

角度設定処理（Ｓ５）では、まず、応力推定方向が基準角度（０度）に設定される。前述したように、本実施形態では各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）における横方向が応力推定方向に定められている。このため、基準角度もこの横方向に定められる。その後、基準角度で描かれた仮想参照線データＲＬに基づいてボイド画像データＶの計数処理（Ｓ６−Ｓ７，後述）が行われると、角度設定処理が再度行われる。この場合、基準角度から規定角度間隔だけ回転された角度が、次の仮想参照線データＲＬを描画する角度として設定される。本実施形態では、規定角度間隔が３０度に設定されているので、反時計回りに３０度（−３０度）だけ回転された角度が設定される。

この角度設定処理は、規定角度範囲に亘って描かれた仮想参照線データＲＬのそれぞれについて、ボイド画像データＶの計数処理（Ｓ７）が行われるまで繰り返し行われる（Ｓ８）。本実施形態では、基準角度から±９０度の範囲が規定角度範囲に設定されている。このため、基準角度から時計回りに３０度（＋３０度）だけ回転された角度、反時計回りに６０度（−６０度）だけ回転された角度、時計回りに６０度（＋６０度）だけ回転された角度、反時計回りに９０度（−９０度）だけ回転された角度の順に、仮想参照線データＲＬを描画するための角度が設定される。

なお、本実施形態では、規定角度間隔を３０度に、規定角度範囲を基準角度から±９０度の範囲に、角度の設定順序を基準角度から近い順にそれぞれ設定したが、これらの条件に限定されるものではない。例えば、規定角度間隔を２０度や１０度に設定してもよい。また、規定角度範囲に関し、基準角度から±４５度の範囲に設定してもよいし、基準角度から時計回りに１２０度となる範囲に設定してもよい。

描画処理（Ｓ６）では、角度設定処理で設定された角度に沿った向きの仮想参照線データＲＬが各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）に描画される。例えば、図８に示すように、角度設定処理で基準角度が設定された場合には、画像データＧＲにおける短辺の中央位置から長辺と平行な方向に向けて基準仮想参照線データＲＬが描画される。そして、図９に示すように、基準角度から３０度反時計回りに回転された角度が設定された場合には、右肩上がりの対角線に沿った仮想参照線データＲＬが画像データＧＲに描画される。また、図１０に示すように、基準角度から３０度時計回りに回転された角度が設定された場合には、右肩下がりの対角線に沿った仮想参照線データＲＬが画像データＧＲに描画される。なお、本実施形態では、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）における中心座標を回転中心にして仮想参照線データＲＬの向きを定めている。

ボイド計数処理（Ｓ７）において、診断用コンピュータ３は、描画処理で画像データＧＲの上に描かれた仮想参照線データＲＬについて、この仮想参照線データＲＬと交差する粒界データＬ上のボイド画像データＶを計数する。このボイド計数処理では、まず、仮想参照線データＲＬと交差する粒界データＬがこれらのデータを構成する座標データ等によって特定され、特定された粒界データＬと重なる位置にボイド画像データＶが存在するか否かが座標データ等によって判断される。そして、存在する場合には、存在するボイド画像データＶの分だけカウントアップされる。なお、ボイド画像データＶの計数は、例えばメモリ３５のワークエリアに設定されたカウンタを利用して行われる。

図１１の例において、画像データＧＲ（Ａ１）の粒界データＬ１１，Ｌ１２が基準仮想参照線データＲＬと交差している。このため、これらの粒界データＬ１１，Ｌ１２が特定される。そして、粒界データＬ１２の上に存在するボイド画像データＶ１が検出され、カウンタがカウントアップされる。同様に、画像データＧＲ（Ａ２）については、粒界データＬ１３〜Ｌ１５が特定され、粒界データＬ１４，Ｌ１５の交点に存在するボイド画像データＶ２が検出される。また、画像データＧＲ（Ｂ１）及びＧＲ（Ｂ２）については、粒界データＬ１６〜Ｌ２２が特定されるが、これらの粒界データＬ１６〜Ｌ２２の上にはボイド画像データＶが存在しない。このため、カウンタに対するカウントアップは行われない。

なお、このボイド計数処理では、ボイド画像データＶのカウント数に加え、仮想参照線データＲＬと交差する粒界データＬの数（交差粒界データの数）とボイドが発生しているボイド発生粒界データの数についても計数する。そして、これらの計数結果についてもメモリ３５のワークエリアに記録される。例えば、図１２に実線で示す粒界データＬ１１〜Ｌ２２が特定され、これらの総数が交差粒界データの数として記録される。また、ボイド画像データＶ（Ｖ１，Ｖ２）が重なっている粒界データＬ１２，Ｌ１４，Ｌ１５が特定され、これらの総数がボイド発生粒界データの数として記録される。さらに、交差粒界データの数からボイド発生粒界データの数を減じた数が未発生粒界データの数として記録される。

これらの処理を、図８に示す各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）に対して行ったならば、基準仮想参照線データＲＬについてのボイド計数処理が終了する。このボイド計数処理は、向き（角度）の異なる全ての仮想参照線データＲＬについて行われる。このため、次のサイクルでは、図９に一部を示す、右肩上がりの仮想参照線データＲＬが描かれた各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）について、ボイド計数処理が行われる。さらに、次のサイクルでは、図１０に一部を示す、右肩下がりの仮想参照線データＲＬが描かれた各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）について、ボイド計数処理が行われる。

仮想参照線データＲＬの全ての向きに対するボイド計数処理が終了したならば、参照線決定処理（Ｓ８）が行われる。この参照線決定処理において、診断用コンピュータ３は、仮想参照線データＲＬ毎に計数したボイド画像データＶの数を比較し、最もボイド画像データＶの数が多い仮想参照線データＲＬを、参照線データに決定する。このように決定した理由は、ボイドの基となる転移（原子配列のずれ）が、クリープ歪みに起因して応力方向へ移動して応力方向と交差する方向の粒界に留まるからである。

すなわち、粒界の方向が応力方向と直交する向きに近いほど、その粒界には多くのボイドが留まることになる。このため、粒界データＬの上に位置するボイド画像データＶの数が最も多い向きの仮想参照線データＲＬは、向きの異なる複数の仮想参照線データＲＬのうち、最も応力方向に近い角度の仮想参照線データＲＬと推定できる。そこで、参照線決定処理では、最もボイド画像データＶの数が多い仮想参照線データＲＬを、参照線データに決定している。

便宜上、以下の説明では、基準仮想参照線データＲＬにおけるボイド画像データＶの数が最も多かったものとする。すなわち、参照線決定処理において、基準仮想参照線データＲＬが参照線データに決定されたものとする。

続くＡパラメータ算出処理（Ｓ１０）において、診断用コンピュータ３は、決定した参照線データに対する交差粒界データの数とボイド発生粒界データの数をメモリ３５から読み出してＡパラメータを算出する。このため、Ａパラメータ算出処理（Ｓ１０）は、参照線データと交差する交差粒界データの数、及び、参照線データと交差するとともにボイド画像データが重なっているボイド発生粒界データの数を取得する粒界数取得ステップに相当する。

ここで、Ａパラメータは、次式（１）に基づいて算出される。すなわち、ボイド発生粒界データの数を交差粒界データの数（ボイド発生粒界データの数＋未発生粒界データの数）で除することによって算出される。

便宜上、図１１及び図１２に示す４つの画像データＧＲで説明すると、図中実線で示すように、画像データＧＲ（Ａ１）において交差粒界データの数は粒界データＬ１１，Ｌ１２の２つ、ボイド発生粒界データの数は粒界データＬ１２の１つである。また、画像データＧＲ（Ａ２）において交差粒界データの数は粒界データＬ１３，Ｌ１４，Ｌ１５の３つ、ボイド発生粒界データの数は粒界データＬ１４，Ｌ１５の２つである。同様に、画像データＧＲ（Ｂ１）において交差粒界データの数は粒界データＬ１６〜Ｌ１８の３つ、ボイド発生粒界データの数は０であり、画像データＧＲ（Ｂ２）において交差粒界データの数は粒界データＬ１９〜Ｌ２２の４つ、ボイド発生粒界データＬの数は０である。そうすると、交差粒界データの総数は１２、ボイド発生粒界データの総数は３となり、Ａパラメータとして０．２５が得られる。診断用コンピュータ３は、算出したＡパラメータの値をメモリ３５に記憶させ、Ａパラメータ算出処理を終了する。

余寿命診断評価（Ｓ１１）において、診断用コンピュータ３は、マスターカーブをデータ記憶部３６から読み出し、算出したＡパラメータの値をあてはめることで、鋼管（金属）のクリープ損傷率（すなわち余寿命）を取得する。そして、先に説明したＡパラメータ算出処理（Ｓ１０）及びこの余寿命診断評価（Ｓ１１）は、交差粒界データＬの数及びボイド発生粒界データＬの数に基づき、Ａパラメータ法を用いて金属の余寿命を診断する余寿命診断ステップに相当する。

マスターカーブは、例えば図１３に示すように、横軸をクリープ損傷率とし、縦軸をＡパラメータとした場合の相関関係を示すグラフであり、鋼管のクリープ促進試験によって予め取得されたものである。そして、クリープ損傷率は、鋼管の余寿命を表す指標でもあるので、このマスターカーブは、Ａパラメータと鋼管の余寿命との相関関係を示しているといえる。

従って、診断用コンピュータ３は、算出したＡパラメータの値をマスターカーブにあてはめることで鋼管の余寿命を診断する。そして、余寿命に基づいて交換時期と判断された場合には、その旨を表示部３２で表示することで作業者に報知する。また、十分に余寿命がある場合にも、その余寿命を表示部３２で表示することで作業者に報知する。

この余寿命診断評価が終了すると一連の診断処理が終了し、次のレプリカに対する診断が前述した手順に則って繰り返し行われる。

以上説明したように、本実施形態の余寿命診断システム１では、向きを異ならせた仮想参照線データＲＬを画像データＧＲに描き（Ｓ５，Ｓ６）、それぞれの仮想参照線データＲＬについて、交差する粒界データＬ上のボイド画像データＶを計数している（Ｓ７）。この計数結果から応力方向に最も近い向きの仮想参照線データＲＬを特定し、参照線データに決定しているので（Ｓ８）、参照線データの描画方向を、高い精度で応力方向に揃えることができる。そして、決定された参照線データを用いてＡパラメータ法による余寿命診断を行っているので（Ｓ１０，Ｓ１１）、Ａパラメータ法による余寿命診断の精度を向上させることができる。

また、この余寿命診断システム１では、図８〜図１０で説明したように、基準角度から±９０度の範囲内において、規定角度間隔である３０度毎に複数本の仮想参照線データＲＬを描いている。これにより、仮想参照線データＲＬを描く向きを容易に設定できる。この基準角度に関し、本実施形態では、応力方向と推定される角度に定められているので、異なる角度でのボイド画像データＶの計数結果が等しくなった場合に、その優劣を容易に判断できる。

例えば、基準角度から３０度の角度に描いた仮想参照線データＲＬでのボイド画像データＶの計数結果と、基準角度から４５度の角度に描いた仮想参照線データＲＬでのボイド画像データＶの計数結果とが等しく、かつ、最も多かった場合に、基準角度に基づく重み付けを用いてどちらの結果を参照するかについて判断をすることができる。この場合、基準角度に近い３０度の仮想参照線データＲＬを参照線データに決定することができる。

また、この余寿命診断システム１では、仮想参照線データＲＬの描画処理（Ｓ６）において、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）のそれぞれに仮想参照線データＲＬを描画しているので、従来行われていたタイリング（複数画像の結合処理）を行わずに済む。これにより、短時間で診断結果を得ることができ、診断の作業効率を高めることができる。また、仮想参照線データＲＬの描画やこの仮想参照線データＲＬに交差する粒界データＬのカウント等が自動化されているので、熟練した作業者でなくとも診断が可能になるし、作業者毎の診断ばらつきを少なくすることもできる。

また、余寿命診断評価（Ｓ１１）では、Ａパラメータと鋼管のクリープ損傷率（余寿命）との相関関係を示すマスターカーブを予め取得しておき、Ａパラメータ算出処理（Ｓ１０）で算出したＡパラメータをこのマスターカーブにあてはめることで、鋼管の余寿命を診断しているので、鋼管の余寿命を容易に診断することができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。例えば、次のように構成してもよい。

前述した実施形態の観察画像取得処理（Ｓ３）では、隣接する画像データＧＲの縁部分同士を重複させていたが、この方法に限定されない。例えば、図１４に示すように、画像データＧＲの縁部分を重複させない状態で矩形状の画像を取得するようにしてもよい。このようにすることで、各画像データＧＲについて診断対象とする範囲と診断対象としない範囲を切り分けずに粒界数の取得を行えば済むので、処理の一層の簡素化が図れる。

画像データＧＲの縁部分を重複させずに、複数の画像を撮影する場合、各画像データＧＲはマトリクス状に拡がっていなくてもよい。例えば、千鳥状に拡がっていてもよい。さらに、画像データＧＲ上で応力推定方向が判るならば、各画像は矩形状でなくてもよい。そして、各画像データＧＲを矩形状に定めてマトリクス状に位置を異ならせて撮影すると、応力推定方向の揃った必要な範囲の画像データＧＲを容易に得ることができる。

また、前述の実施形態では、ＳＥＭ２による観察画像を画像データＧＲとして取得する場合について説明したが、本発明は、観察画像をプリンタ用紙や印画紙等の紙媒体に印刷等した場合についても同様に適用できる。この場合、紙媒体に直接仮想参照線を引いて交差粒界数等を計数すればよい。

また、観察に必要な範囲及び拡大率の画像が得られるのであれば、１枚の画像からＡパラメータを求めてもよい。この場合、互いに平行な複数本の仮想参照線（仮想参照線データＲＬ）を、向きを異ならせて画像上（画像データＧＲ上）に複数回描けばよい。

１…余寿命診断システム，２…走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ），３…診断用コンピュータ，２１…電子銃，２２…磁界レンズ，２３…試料ステージ，２４…二次電子検出器，３１…コンピュータ本体，３２…表示部，３３…入力部，３４…ＣＰＵ，３５…メモリ，３６…データ記憶部，ＧＲ…画像データ，Ｌ…粒界データ，Ｖ…ボイド画像データ，Ｎ…ゴミ画像データ，ＥＤ…縁部分のデータ，ＲＬ…仮想参照線データ

Claims (6)

1. クリープ損傷を受ける金属の余寿命を診断する方法であって、
   前記金属のレプリカを顕微鏡撮影することで、粒界の画像を取得する画像取得ステップと、
   前記画像に向きが異なる直線状の仮想参照線を複数本描く仮想参照線描画ステップと、
   前記仮想参照線のそれぞれについて、当該仮想参照線と交差する粒界上のボイドを計数するボイド計数ステップと、
   前記粒界上のボイドの数が最も多い仮想参照線を、参照線に決定する参照線決定ステップと、
   前記参照線と交差する粒界の数、及び、前記参照線と交差するとともにボイドが形成されている粒界の数を取得する粒界数取得ステップと、
   前記参照線と交差する粒界の数、及び、前記参照線と交差するとともにボイドが形成されている粒界の数に基づき、Ａパラメータ法を用いて前記金属の余寿命を診断する余寿命診断ステップと
   を有することを特徴とする余寿命診断方法。
2. 前記仮想参照線描画ステップでは、基準角度から±９０度の範囲内に規定角度間隔で、前記仮想参照線を複数本描くことを特徴とする請求項１に記載の余寿命診断方法。
3. 前記基準角度は、応力方向と推定される向きに定められることを特徴とする請求項２に記載の余寿命診断方法。
4. 前記画像取得ステップでは、前記金属のレプリカを、撮影対象位置を変えながら複数回顕微鏡撮影することで複数の画像を取得し、
   前記仮想参照線描画ステップでは、前記画像のそれぞれに対して前記仮想参照線を描くことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の余寿命診断方法。
5. 前記余寿命診断ステップでは、Ａパラメータと金属の余寿命との相関関係を示すマスターカーブを予め取得しておき、前記粒界数取得ステップで得られた粒界数に基づくＡパラメータを前記マスターカーブにあてはめることで、前記金属の余寿命を診断することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の余寿命診断方法。
6. クリープ損傷を受ける金属の余寿命をコンピュータによって診断する余寿命診断装置であって、
   前記コンピュータに、
   前記金属のレプリカを顕微鏡撮影することで、粒界の画像を取得することで得られた画像データを取得させる画像取得ステップと、
   前記画像データに向きが異なる直線状の仮想参照線データを複数本描かせる仮想参照線描画ステップと、
   前記仮想参照線のそれぞれについて、当該仮想参照線データと交差する粒界データ上のボイド画像データを計数させるボイド計数ステップと、
   前記粒界データ上のボイド画像データの数が最も多い仮想参照線を、参照線データとして決定させる参照線決定ステップと、
   前記参照線データと交差する粒界データの数、及び、前記参照線データと交差するとともにボイド画像データが形成されている粒界データの数を取得させる粒界数取得ステップと、
   前記参照線データと交差する前記粒界データの数、及び、前記参照線データと交差するとともに前記ボイド画像データが形成されている前記粒界データの数に基づき、Ａパラメータ法を用いて前記金属の余寿命を診断させる余寿命診断ステップと
   を行わせることを特徴とする余寿命診断装置。

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