JP2013137230A - ボイラ火炉溶射管のクリープ損傷評価方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】溶射皮膜3の表面から磁粉探傷検査(MT)を実施して磁粉の分布を検出し、磁粉の分布から溶射皮膜3に存在する軸方向亀裂4の有無を評価する。軸方向亀裂4がある場合に、その位置における溶射皮膜3のひずみを計測して、それから母管材料のひずみを予測する。予測値が閾値未満の場合に、その箇所を補修なしで再使用する。
【選択図】図5
Description
そこで、水管ボイラでは、火炉壁管の腐食防止を主目的として、火炉壁管の表面に耐腐食材料を溶射することが広く行われている。以下、耐腐食材料を溶射した火炉壁管を「溶射管」と呼ぶ。
なお、「軸方向亀裂」とはフープ応力に起因し、軸方向に延びる亀裂を意味する。
この方法は、皮膜表面上の2地点に微小電流を流した状態で、2地点の内側に位置した別の2地点間の電気抵抗を測定し、これを予め同条件で測定した正常皮膜の電気抵抗値と比較するものである。
そのため、膨出管や漏洩管が発生する前に、溶射管表面の軸方向亀裂(クリープ損傷)を早期に発見し修復することが、従来から望まれていた。
また、溶射管の軸方向の熱膨張により溶射皮膜には周方向亀裂が通常存在する。「周方向亀裂」とは熱膨張に起因し、周方向に延びる亀裂を意味する。
この周方向亀裂は、溶射管のクリープ損傷との相関が低いことが知られている。しかし、特許文献1の手段では、周方向亀裂による電気抵抗の変化も同様に検出するため、欠陥検出の精度が低い問題点があった。
また、検出されるのが電気抵抗値のみであるので、表面亀裂の位置や形状が判断できなかった。
また、皮膜表面の抵抗(汚れに起因する)により、電気抵抗値が大きく変動するため、皮膜表面を正常皮膜と同程度まで洗浄する必要があった。
なお、SUMP検査とは、母管表面の組織を樹脂フィルムに転写してレプリカを作成し、このレプリカを顕微鏡等で検査して非破壊的に組織を観察する方法である。
特に、大型水管ボイラの火炉壁管の面積は非常に大きく、その全面の溶射皮膜を除去するには、長期間、ボイラの稼動を停止する必要が生じ、稼働率が大幅に低下することとなる。
また、火炉壁管の大部分の箇所は損傷がないにも関らず、検査後に再度皮膜を溶射する必要があり、結果的に無駄な労力を要していた。
(A)母管材料の母管限界ひずみと、溶射皮膜の皮膜限界ひずみとをそれぞれ予め計測して、母管限界ひずみが皮膜限界ひずみより大きいことを確認し、
(B)溶射皮膜の表面から磁粉探傷検査を実施して磁粉の分布を検出し、
(C)前記磁粉の分布から溶射皮膜に存在する軸方向亀裂の有無を評価する、ことを特徴とするボイラ火炉溶射管のクリープ損傷評価方法が提供される。
従って、火炉の熱負荷が増大し、内圧により溶射管に過大なフープ応力(周方向応力)が作用する場合には、母管表面と溶射皮膜にはほぼ同一のひずみが発生する。
また、溶射管の溶射皮膜は、一般的に耐腐食性、耐摩耗のある非鉄系材料(代表的には50Ni−50Cr)であり、その限界ひずみは母管材料より小さい(例えば0.3%前後)。
従って、ほとんどすべての水管ボイラにおいて、母管の限界ひずみは溶射皮膜の限界ひずみより大きく、フープ応力により母管表面に軸方向亀裂が発生する時には、ほぼ確実に溶射皮膜にも同一箇所に軸方向亀裂が発生する。しかし、逆に母管表面に軸方向亀裂が発生しない時であっても、溶射皮膜に軸方向亀裂が発生する場合がある。
また、溶射皮膜に軸方向亀裂があっても、そのひずみが小さければ、その箇所の母管は健全であると判断できる。
さらに、溶射皮膜に軸方向亀裂があり、そのひずみが大きい場合には、その箇所の母管は損傷を受けている可能性があると判断できる。
しかし、本発明の発明者等は、母管と溶射皮膜の双方の同一箇所に軸方向亀裂が発生している場合には、磁粉探傷検査により軸方向亀裂が発生している同一の箇所を検出できることを新規に発見した。
本発明は、かかる新規の知見に基づくものである。
なお「限界ひずみ」とは、材料の表面に割れが発生する最小ひずみを意味する。
またこれらのクリープ損傷は、片面からの過熱により発生しており、その損傷に寄与している主な応力は、流体側の内圧Pによるフープ応力σ(管の円周方向応力)と判断される。
フープ応力σは、溶射管1の寸法と流体側の内圧Pから、算出することができる。
また図中の■は、部分的に膨出した「膨出管」の例を示している。
また、膨出管と漏洩管の管断面のプロファイルを基に、クリープひずみを試算した結果、膨出時、蒸気漏洩時とも、ひずみは約3%程度と試算された。
これらの結果と図2から、母管2は約3%程度のクリープひずみの進行によって損傷(外面の軸方向亀裂4又はその肉厚貫通)に至っていることが検証された。
なお、「割れ発生限界ひずみ」とは、割れが発生する最小ひずみを意味し、上述した限界ひずみと同じである。
なお、ラーソンミラーパラメータとは、異なる温度におけるクリープ破断データを統一的に整理するためのパラメータである。ラーソンミラーパラメータPは、この例では式(1)で求めている。
ここでTは絶対温度(K)、tは破断時間(h)である。
以上の検討結果から、高温(例えば600℃)におけるクリープ損傷が発生する場合の母管2の割れ発生限界ひずみは約3%であり、溶射皮膜3の割れ発生限界ひずみは、約0.3%である、と予想される。
また、溶射管1の溶射皮膜3は、一般的に耐腐食性、耐摩耗のある非鉄系材料(代表的には50Ni−50Cr)であり、その限界ひずみは母管2の材料より小さい(例えば0.3%前後)。
従って、火炉の熱負荷が増大し、内圧により溶射管1に過大なフープ応力(周方向応力)が作用する場合には、母管2の表面と溶射皮膜3にはほぼ同一のひずみが発生する。
言い換えれば、溶射管1が過熱され管内面流体の圧力Pによるフープ応力σが作用した場合は、溶射皮膜3の割れが先に生じ、その後に母管2の表面に軸方向亀裂4が発生すると判断される。
上述の例では、母管2の材料の限界ひずみ(母管限界ひずみ)は3%前後であり、皮膜材料3の限界ひずみ(皮膜限界ひずみ)は0.3%前後である。
なお、ほとんどすべての水管ボイラにおいて、母管限界ひずみは皮膜限界ひずみより大きいといえる。
また、この段階では、溶射皮膜3のSUMP検査のための研磨も不要である。
磁粉探傷検査(Magnetic particle Testing:MT)とは、検査対象(この例では溶射皮膜3の表面)に細かい強磁性体の粉(磁粉)を振りかけ、傷や小さな凹みのある箇所に磁粉が引き寄せられることにより、視認しにくい大きさの微細な傷や凹みを検出する非破壊検査である。
本発明では、磁粉探傷検査(MT)の一種である極間法を適用した。「極間法」とは、検査される部位を電磁石又は永久磁石の磁極間に位置決めし、磁極間を磁化する方法である。
しかし、本発明の発明者等は、母管2と溶射皮膜3の双方の同一箇所に軸方向亀裂4が発生している場合には、磁粉探傷検査により軸方向亀裂4が発生している同一の箇所を検出できることを新規に発見した。
上述したように、溶射皮膜3は非磁性体であるが、その膜厚は薄く(200〜400μm)、かつ母管2は強磁性体であるため、母管2と溶射皮膜3の双方の同一箇所に軸方向亀裂4が発生している場合には、磁粉探傷検査により軸方向亀裂4が発生している箇所を検出できる。
なお、磁粉の分布から、周方向に延びる周方向亀裂5も検出されるが、周方向亀裂5は、溶射管1のクリープ損傷との相関が低いことから、本発明では検出から除外する(無視する)。
溶射皮膜3のひずみは、溶射皮膜3の表面を鏡面状態に研磨し、その表面の組織をSUMP検査で再検査することで、正確に計測することができる。
母管材料のひずみは、母管表面と溶射皮膜3にほぼ同一のひずみが発生することから、実質的に同一又は半径方向位置により補正することで予測することができる。
「補修を要する閾値」は、母管の損傷比率とクリープひずみとの関係図(図2)から、求めることができる。例えば、図2から、溶射皮膜3による割れ検出限界をひずみ約0.3%とすると、母管2のクリープ損傷は小さく、実用上十分な耐力を有していると考えられる。
従ってS7において、母管材料のひずみの予測値が前記閾値未満の場合(NO)には、その箇所を補修なしで再使用することができる(S12)。
この場合、溶射皮膜3にも1〜2%のひずみに相当する軸方向亀裂4が存在するため、磁粉探傷検査により容易かつ確実に検出することができる。
補修は、補修する箇所の溶射管1の表面から溶射皮膜3を除去して母管2の表面を露出させ(S8)、母管表面を鏡面状態に研磨し(S9)、母管表面の組織をSUMP検査で再検査する(S10)。
次いで、再検査結果に基づき、必要な場合にその箇所を交換する。
よって、溶射皮膜3の検査により母管2のSUMP検査を大幅に省略することが可能となる。
なお、磁粉探傷検査で軸方向亀裂4が検出されていない部位では、SUMP検査でも異常が検出されず、良い相関があることが確認された。また、磁粉探傷検査では、肉眼で観察されない溶射皮膜3の微細な割れを検出することができた。
4 軸方向亀裂、5 周方向亀裂
Claims (4)
- 水管ボイラの火炉壁管を構成する母管とその表面に溶射された溶射皮膜とからなる溶射管のクリープ損傷評価方法であって、
(A)母管材料の母管限界ひずみと、溶射皮膜の皮膜限界ひずみとをそれぞれ予め計測して、母管限界ひずみが皮膜限界ひずみより大きいことを確認し、
(B)溶射皮膜の表面から磁粉探傷検査を実施して磁粉の分布を検出し、
(C)前記磁粉の分布から溶射皮膜に存在する軸方向亀裂の有無を評価する、ことを特徴とするボイラ火炉溶射管のクリープ損傷評価方法。 - 前記磁粉探傷検査を極間法で実施する、ことを特徴とする請求項1に記載のクリープ損傷評価方法。
- 前記(C)において、軸方向亀裂がある場合に、その位置における溶射皮膜のひずみを計測して、それから母管材料のひずみを予測し、
予測値が補修を要する閾値を超える場合に、その箇所を補修し、
予測値が前記閾値未満の場合に、その箇所を補修なしで再使用する、ことを特徴とする請求項1に記載のクリープ損傷評価方法。 - 補修する箇所の溶射管の表面から溶射皮膜を除去して母管の表面を露出させ、母管表面を鏡面状態に研磨し、母管表面の組織をSUMP検査で再検査する、ことを特徴とする請求項3に記載のクリープ損傷評価方法。
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