JP2014145657A

JP2014145657A - 金属部材の寿命評価方法及び寿命評価装置

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Publication number: JP2014145657A
Application number: JP2013014283A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukumori; 健治福盛
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2014-08-14

Abstract

【課題】溶接部を有するオーステナイト系ステンレス鋼製の金属部材の寿命を簡易な工程で評価する方法及び寿命評価装置を提供する。
【解決手段】本発明の金属部材の寿命評価方法は、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなる新品の部材と、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなり、高温環境で経年使用された部材とが溶接部１６により溶接された金属部材１０において、前記経年使用された部材の熱影響部の磁性率が取得される工程と、前記熱影響部の磁性率と、予め作成された、時効処理が施された完全オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率と磁性率との相関を表すマスターカーブとが照合され、前記金属部材１０の寿命消費率が取得される工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、高温環境下で使用されるステンレス鋼製部材の溶接継手部の寿命を評価する方法、及び、該寿命評価方法を実施するための寿命評価装置に関する。

火力発電プラントにおける過熱器管や伝熱管などの高温部材には、高温耐久性に優れるステンレス鋼（火ＳＵＳ３０４Ｊ１ＨＴＢ、火ＳＵＳ３１０Ｊ１ＴＢ、火ＳＵＳ３４７ＨＴＢなど）が使用されている。

これらの材料は経年劣化しにくい材質であると考えられてきたが、運用後１０年近く経過したステンレス鋼製伝熱管においてクリープ損傷が原因と考えられる破損の発生が報告されている。このため、上記のステンレス製の高温部材についても、クリープ特性評価や寿命評価を行う必要が生じている。

ＳＵＳ３０４鋼の場合、クリープ変形により磁気特性の変化が生じることが報告されている（非特許文献１）。特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼のクリープ損傷による材料劣化度を磁化率から検知する方法が開示されている。

特開昭６０−１５８３４９号公報

永江勇二ら、「ＳＵＳ３０４鋼の高温損傷による磁気特性および金属組織変化」、Ｊ．Ｓｏｃ．Ｍａｔ．Ｓｃｉ．，Ｊａｐａｎ、Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．２，（２００５年）Ｐ.１１６−１２１

例えば伝熱管等の配管に損傷が発生した場合、損傷個所周囲の配管を切断除去し、新しい配管（短管）を既設管に溶接して繋ぐ切替え補修が行われる。一般的に、溶接部は、入熱の影響、金属組織の不連続性、残留応力等により、母材部に比べて強度が低下する場合が多い。このため、切替え補修を行った場合、溶接継手部の寿命が更に低下すると考えられる。しかしながら、従来は、経年劣化した部材に溶接を施した際の溶接継手部の特性や余寿命評価についてほとんど検討は行われていなかった。

本発明は、溶接部を有するオーステナイト系ステンレス鋼製の金属部材の寿命を簡易な工程で評価する方法、及び、この評価方法に使用される寿命評価装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなる新品の部材と、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなり、高温環境で経年使用された部材とが溶接部により溶接された金属部材において、前記経年使用された部材の熱影響部の磁性率が取得される工程と、前記熱影響部の磁性率と、予め作成された、時効処理が施された完全オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率と磁性率との相関を表すマスターカーブとが照合され、前記金属部材の寿命消費率が取得される工程とを含む金属部材の寿命評価方法である。

本発明の第２の態様は、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなる新品の部材と、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなり、高温環境で経年使用された部材とが溶接部により溶接された金属部材について、前記経年使用された部材の熱影響部の磁性率を取得する磁性率取得手段と、前記熱影響部の磁性率と、予め作成された、時効処理が施された完全オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率と磁性率との相関を表すマスターカーブとを照合し、前記金属部材の寿命消費率を取得する寿命消費率取得手段とを備える寿命評価装置である。

一般に、完全オーステナイト系ステンレス鋼は、磁性を有さない材料であることが知られている。しかし本発明者らは、経年劣化した完全オーステナイト系ステンレス鋼に溶接を施工すると、経年劣化した母材の溶接熱影響部に磁性が発生することを見出した。さらに、発生した磁性率は、ステンレス鋼の経年劣化度合いと良好な相関があることを見出した。これは、経年劣化した部材に溶接時の熱履歴が与えられることにより、熱影響部にδフェライト相が析出するためである。

本発明は上記の性質を利用し、予め時効処理された完全オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率と磁性率との相関を表すマスターカーブを作成しておき、溶接が施工された金属部材の経年使用された部材の熱影響部の磁性率とマスターカーブとを照合することによって、計測対象の金属部材の寿命消費率を推定している。上記方法及び装置によれば、簡易的かつ非破壊で迅速に寿命評価を行うことができる。

上記第１の態様において、前記経年使用された部材の前記熱影響部の外側に位置し、前記熱影響部からの距離が異なる複数の計測位置において、前記経年使用された部材の磁性率が計測され、前記計測位置での磁性率と、各々の前記計測位置と前記熱影響部の中央との距離と、各々の前記計測位置と溶接部の中央との距離とから、前記熱影響部の磁性率が前記溶接部の磁性率と分離して算出されることが好ましい。

この場合、前記磁性率と前記距離とから、有限要素法を用いた解析により前記熱影響部の磁性率が取得されることが好ましい。

上記第２の態様において、前記磁性率取得手段が、前記経年使用された部材の前記熱影響部の外側に位置し、前記熱影響部からの距離が異なる複数の計測位置において計測された、前記経年使用された部材の磁性率と、各々の前記計測位置と前記熱影響部の中央との距離と、各々の前記計測位置と溶接部の中央との距離とから、前記熱影響部の磁性率と前記溶接部の磁性率とを分離して算出することが好ましい。

この場合、前記磁性率取得手段が、前記磁性率と前記距離とから、有限要素法を用いて前記熱影響部の磁性率を取得することが好ましい。

磁性を有する溶接金属を用いた場合、熱影響部の磁性と溶接部の磁性との両方の影響が反映された磁性率が計測されてしまう。そこで、経年使用された部材の熱影響部の外側の母材の複数位置で磁性率を計測し、計測位置と熱影響部あるいは溶接部との距離と磁性率とを考慮することにより、熱影響部のみの磁性率を取得することができる。こうすることにより、評価精度を向上させることができる。
また、有限要素法による解析を用いることにより、熱影響部全体の三次元的な磁性率の分布が取得される。

上記態様において、前記金属部材が、高温環境下で使用される配管とされる。本発明の寿命評価方法を用いれば、火力プラント等といった、高温環境で使用される配管（金属部材）を有する機器を、安全に運用することが可能となる。

本発明の評価方法及び寿命評価装置を用いれば、経年使用されたオーステナイト系ステンレス鋼部材を溶接補修した後の溶接継手部の寿命を簡易的かつ非破壊で行うことができる。この結果、溶接継手部の劣化診断を迅速に行うことができ、オーステナイト系ステンレス鋼製の高温部材を有する機器の運用を安全に実施することが可能となる。

評価対象となる金属部材の概略図である。配管とされる溶接継手材の軸方向の断面概略図である。マスターカーブの一例である。高温環境で使用された配管の溶接部近傍断面の磁性率の測定結果である。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属部材の寿命評価方法における評価対象となる金属部材の概略図である。本実施形態の評価対象は、高温環境で経年使用された部材（以下、経年劣化部材と称する）２と、新品の部材３とが溶接部４により溶接された溶接継手部を有する金属部材１である。具体例として、図１の金属部材１は、火力発電プラントの伝熱管など、高温環境下で使用される配管において、切替え補修された溶接継手部である。この場合、経年劣化部材２は既設管であり、新品の部材３は新管となる。あるいは、金属部材は、例えば２つの板状の部材を溶接金属で溶接したものであっても良い。

経年劣化部材２及び新品の部材３は、完全オーステナイト系ステンレス鋼製であり、例えば火ＳＵＳ３１０Ｊ１ＴＢなどである。溶接部４は、共金材（ＴＩＧＨＲ３Ｃ等）などの溶接金属からなる。

完全オーステナイト系ステンレス鋼製の経年劣化部材２に溶接を施工すると、溶接部４近傍の経年劣化部材２の熱影響部５に磁性が発生する。磁性は、溶接部４と経年劣化部材２との境界から５ｍｍ程度の範囲に発生する。この磁性は、完全オーステナイト系ステンレス鋼中にδフェライト相が析出したことに起因する。δフェライト相の析出量は、経年劣化部材２の劣化度合いに応じて異なる。

本実施形態の金属部材の寿命評価方法及び寿命評価装置を以下で説明する。
本実施形態において、寿命評価装置はコンピュータである。寿命評価装置は、磁性率取得手段と、寿命消費率取得手段とを備える。

まず、完全オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率と磁性率との相関を表すマスターカーブが予め取得される。以下では、溶接継手部を有する配管を例に挙げて、マスターカーブを取得する工程を説明する。また、以下では、寿命評価装置がマスターカーブを取得し作成する場合を説明する。

同ロットの完全オーステナイト系ステンレス鋼管から複数の試料が切り出される。試料に、評価対象の金属部材が設置される温度で異なる時間加熱する時効処理が施される。あるいは、時効処理は金属部材が設置される温度よりも高い温度にて実施し、熱負荷を加速的に付与しても良い。時効処理により、劣化度合いが異なる複数の試料（時効材）が作製される。

図２は、溶接継手材の配管軸方向の断面概略図である。図２に示すように、上記時効材１１と未時効材（時効材と同ロットの鋼管から得た時効処理が施されていない試料）１２とが溶接金属（溶接部１６）により溶接され、溶接継手材１０が作製される。

作製された溶接継手材１０について、寿命評価装置の磁性率取得手段は、時効材１１側の熱影響部１３の磁性率を取得する。
熱影響部１３の磁性率は、時効材１１側の熱影響部１３にフェライトスコープ、テスラメータ等の磁性測定機器の端子を取り付け、該磁性測定機器を用いて計測することができる。計測された磁性率の値は、寿命評価装置の磁性率取得手段に送信される。

溶接金属自体が磁性を有する場合、上記方法で計測される磁性率は、熱影響部１３の磁性と溶接部１６の磁性との両方の影響が反映された値になる。そこで、以下の手法により、熱影響部１３の磁性率のみを取得する。

図２に示すように、溶接継手材１０の時効材１１側の熱影響部１３の外側において、熱影響部１３からの距離が異なる複数の位置に、磁性測定機器１４の端子１５が設置される。例えば、図２では、配管である溶接継手材１０の軸方向に沿った同一直線上の２点（計測位置）Ｐ_１，Ｐ_２に端子１５が設置される。なお、１つの時効材１１全体では均一の時効処理が施されており、時効材１１の劣化状態は均一であると考えることができる。従って、マスターカーブの取得において、計測位置Ｐ_１，Ｐ_２は必ずしも溶接継手材１０の軸方向に沿った同一直線上に位置する必要はない。計測位置Ｐ_１，Ｐ_２は、熱影響部１３からの距離が異なっていれば、配管の円周方向に異なる位置に設定されていても構わない。

磁性測定機器は、計測位置Ｐ_１，Ｐ_２それぞれでの磁性率χ_１（％），χ_２（％）が計測される。計測されたχ_１，χ_２の値は、寿命評価装置の磁性率取得手段に送信される。

熱影響部１３及び溶接部１６に近い側の計測位置Ｐ_１と熱影響部１３の中央との距離をＬ_１、計測位置Ｐ_１と溶接部１６の中央との距離をＬ_２、計測位置Ｐ_１と計測位置Ｐ_２との距離をＸ、溶接部１６の磁性率をＡ（％）、熱影響部１３の磁性率をＢ（％）とすると、磁性率χ_１，χ_２はそれぞれ式（１），（２）で表される。
χ_１＝Ｂ／Ｌ_１＋Ａ／Ｌ_２ …（１）
χ_２＝Ｂ／（Ｌ_１＋Ｘ）＋Ａ（Ｌ_２＋Ｘ） …（２）
熱影響部の中央位置は、経験的に溶接部との境界から２〜３ｍｍの位置となる。溶接部の中央は、溶接ビードの中央位置となる。

磁性率取得手段は、式（１），（２）の方程式を解くことにより、溶接部１６の磁性率Ａと熱影響部１３の磁性率Ｂを分離して取得することができる。

上記の手法による熱影響部の磁性率Ｂの取得は、時効処理が異なる時効材１１を溶接した溶接継手材１０の各々について行う。

熱影響部の磁性率Ｂが取得された溶接継手材を用いてクリープ試験を行い、各溶接継手材１０の破断時間が取得される。クリープ試験条件は、評価対象の金属部材が設置される環境を考慮した条件に設定されることが好ましい。
取得された破断時間は、寿命評価装置の寿命消費率取得手段に送信される。寿命消費率取得手段は、取得された各溶接継手材１０の破断時間から、寿命消費率を算出する。寿命消費率ｔ／ｔｒは、設計時の総寿命時間に対する寿命消費時間の比である。本実施形態の場合、式（３）により算出される。
ｔ／ｔｒ＝ｔ_ｎ／ｔ_０ …（３）
ｔ_０：未時効材のみのクリープ破断時間
ｔ_ｎ：時効材と未時効材を溶接した溶接継手材のクリープ破断時間

図３はマスターカーブの一例である。寿命消費率取得手段は、取得した寿命消費率ｔ／ｔｒに対応する磁性率Ｂをプロットし、マスターカーブを作成する。マスターカーブは、コンピュータのメモリに格納される。

次いで、評価対象の金属部材１について、熱影響部の磁性率が取得される。計測値は、磁性率取得手段に送信される。金属部材１の熱影響部の磁性率は、上記で説明した溶接継手材と同じ手法で計測される。この場合、図２における溶接継手材１０が金属部材１に、時効材１１が経年劣化部材２に、未時効材１２が新品の部材３に相当する。

図４は、高温環境で使用された配管の溶接部近傍断面の磁性率の測定結果の一例である。図４での磁性率は、フェライトスコープで計測した。図４に示すように、ガスの流れの分布により熱負荷の度合いに偏りが生じるために、熱影響部からの距離が同じであっても周方向位置により磁性率が異なる。
また、溶接部及び熱影響部は三次元的に体積を有する部位であり、実際には体積当たりの磁性率が計測されることになる。
そこで、実機に使用される金属部材１では、熱影響部からの距離が異なる位置だけでなく、同距離であっても異なる位置（配管の場合は周方向）を含む複数（３点以上）の計測位置で、磁性率の計測が実施される。

磁性率取得手段は、複数の計測位置での磁性率を式（１），（２）で表し、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて解析し、経年劣化部材２の熱影響部の磁性率を算出する。こうすることにより、熱影響部の三次元的な磁性分布が取得されることができる。

次に、コンピュータのメモリに格納されていた図３のマスターカーブが呼び出される。磁性率取得手段は、計測部から取得した磁性率の値、あるいは、算出した熱影響部のみの磁性率の値Ｂを寿命消費率取得手段に送信する。
寿命消費率取得手段は、磁性率取得手段から受信した磁性率とマスターカーブとを照合する。寿命消費率取得手段は、マスターカーブ上で受信した磁性率Ｂに対応する寿命消費率Ｌの値を取得する。この取得された寿命消費率の値が、金属部材１の経年劣化部材２の寿命消費率（評価値Ｌ）と推定される。
上述のように熱影響部の三次元的な磁性分布が分かると、熱影響部の任意位置での寿命消費率の取得が可能となる。

上記工程で取得した寿命消費率が所定値を超えた場合に、その経年劣化部材２及び溶接部４の切替え補修が実施される。本実施形態の寿命評価方法を用いれば、金属部材の破損前に余寿命を非破壊で評価することができるので、機器を安全に運用することが可能となる。

１金属部材
２経年劣化部材
３新品の部材
４，１６溶接部
１０溶接継手材
１１時効材
１２未時効材
１３熱影響部
１４磁性測定機器
１５端子

Claims

完全オーステナイト系ステンレス鋼からなる新品の部材と、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなり、高温環境で経年使用された部材とが溶接部により溶接された金属部材において、前記経年使用された部材の熱影響部の磁性率が取得される工程と、
前記熱影響部の磁性率と、予め作成された、時効処理が施された完全オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率と磁性率との相関を表すマスターカーブとが照合され、前記金属部材の寿命消費率が取得される工程とを含む金属部材の寿命評価方法。
前記経年使用された部材の前記熱影響部の外側に位置し、前記熱影響部からの距離が異なる複数の計測位置において、前記経年使用された部材の磁性率が計測され、
前記計測位置での磁性率と、各々の前記計測位置と前記熱影響部の中央との距離と、各々の前記計測位置と溶接部の中央との距離とから、前記熱影響部の磁性率が前記溶接部の磁性率と分離して算出される請求項１に記載の金属部材の寿命評価方法。
前記磁性率と前記距離とから、有限要素法を用いた解析により前記熱影響部の磁性率が取得される請求項２に記載の金属部材の寿命評価方法。
前記金属部材が、高温環境下で使用される配管である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属部材の寿命評価方法。
完全オーステナイト系ステンレス鋼からなる新品の部材と、完全オーステナイト系ステンレス鋼からなり、高温環境で経年使用された部材とが溶接部により溶接された金属部材について、前記経年使用された部材の熱影響部の磁性率を取得する磁性率取得手段と、
前記熱影響部の磁性率と、予め作成された、時効処理が施された完全オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率と磁性率との相関を表すマスターカーブとを照合し、前記金属部材の寿命消費率を取得する寿命消費率取得手段とを備える寿命評価装置。
前記磁性率取得手段が、前記経年使用された部材の前記熱影響部の外側に位置し、前記熱影響部からの距離が異なる複数の計測位置において計測された、前記経年使用された部材の磁性率と、各々の前記計測位置と前記熱影響部の中央との距離と、各々の前記計測位置と溶接部の中央との距離とから、前記熱影響部の磁性率と前記溶接部の磁性率とを分離して算出する請求項５に記載の寿命評価装置。
前記磁性率取得手段が、前記磁性率と前記距離とから、有限要素法を用いて前記熱影響部の磁性率を取得する請求項６に記載の寿命評価装置。