JP2015121489A - 耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータを正確に求めることができる耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法を提供する。
【解決手段】耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法は、振幅データと検査対象の耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータとの対応関係を求める予備工程と、マップデータを取得する実測工程と、予備工程で求められた対応関係及び実測工程で取得されたマップデータに含まれる振幅データに基づいて、溶接部の余寿命パラメータを求める解析工程とを有する。実測工程は、溶接線に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置にプローブを順次配置し、複数の一時マップデータを取得する第１走査工程と、複数の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより実測工程で取得されるマップデータを生成する第１合成工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本開示は、耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法に関する。

ボイラや蒸気タービン等の蒸気を扱う機器の配管には、高温・高圧環境で使用されるため、高温強度に優れた材料が用いられる。例えば、この種の配管には、クロムを９〜１２質量％程度含有する高クロム鋼からなる耐熱鋼管や、類似組織を有しクロムを２〜３％質量％程度含有する低合金鋼からなる耐熱鋼管などが用いられている。

長期間に亘る高温での使用によって、耐熱鋼管には、クリープボイドやクラック等のクリープ損傷が生じる。特に、溶接熱影響部の細粒域に発生するクリープ損傷（いわゆる、Ｔｙｐｅ ＩＶ損傷）は、管外表面からでなく内部から進行することが知られている。
そこで、特許文献１に記載された金属材料の損傷評価方法では、フェイズドアレイ法を用いて検査対象の耐熱鋼管の内部におけるクリープボイド個数が測定され、測定結果に基づいてクリープ損傷が評価される。

具体的には、特許文献１に記載の金属材料の損傷評価方法では、クリープ個数密度と反射波の振幅（エコー高さ）との関係、及び、クリープ個数密度とクリープ損傷（余寿命）との関係が予め求められる。そして、検査対象の耐熱鋼管にフェイズドアレイ法を適用して得られた反射波の振幅を、上記２つの関係に当てはめることで、余寿命が評価される。

特開２００３−１４７０５号公報

フェイズドアレイ超音波探傷装置によって測定される反射波の振幅は、同一の傷からの反射波の振幅であっても、フェイズドアレイ超音波探傷装置からの超音波の入射角度によって微妙に変化する。
このため、特許文献１に記載の金属材料の損傷評価方法において、クリープボイド個数密度と反射波の振幅との関係を求めるために使用される反射波の振幅や、検査対象の耐熱鋼管について測定された反射波の振幅が、入射角度に依存する誤差を含んでしまう。この結果として、求められる余寿命についても誤差を含んだものとなってしまう。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータを正確に求めることができる耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法を提供することにある。

本発明の少なくとも一実施形態に係る耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法は、
測定位置に配置されたプローブを用いて超音波の反射波の振幅測定を実行可能であって該振幅測定の結果に基づいて座標に対応付けられた複数の振幅データからなるマップデータを作成可能なフェイズドアレイ超音波探傷装置を用いた耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法において、
前記フェイズドアレイ超音波探傷装置を検査対象の耐熱部材の溶接部に適用した場合に得られる振幅データと前記検査対象の耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータとの対応関係を求める予備工程と、
前記検査対象の耐熱部材の溶接部に前記フェイズドアレイ超音波探傷装置を適用してマップデータを取得する実測工程と、
前記予備工程で求められた対応関係、及び、前記実測工程で取得されたマップデータに含まれる振幅データに基づいて、前記検査対象の耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータを求める解析工程とを備え、
前記実測工程は、
前記検査対象の溶接部の溶接線に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置に前記プローブを順次配置し、複数の一時マップデータを取得する第１走査工程と、
前記第１走査工程で取得された前記複数の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより前記実測工程で取得されるマップデータを生成する第１合成工程と
を含む。

検査対象の任意の領域（反射領域）にクリープボイドやクラック等のクリープ損傷が存在する場合、クリープ損傷によって生じる超音波の反射波の振幅（エコー高さ）は、クリープ損傷に対する超音波の入射角度で変化する。
そこで、上述の構成では、実測工程に含まれる第１走査工程において、複数の測定位置でプローブを用いて反射波の振幅が測定される。これは、同一の反射領域について、複数の入射角度で反射波の振幅を測定することに相当する。このようにして測定された反射波の振幅データのうち最大の反射波の振幅データを抽出することで、入射角度に依存する反射波の振幅データの誤差が抑制される。この結果、正確な反射波の振幅データを用いて余寿命パラメータを求めることができ、余寿命パラメータを正確に検査することができる。

幾つかの実施形態では、
前記予備工程は、
溶接部を有する複数の標準試料についてクリープ試験を行い、余寿命パラメータの相違する溶接部を有する複数の標準試料を用意する工程と、
前記用意された複数の標準試料の溶接部における余寿命パラメータとクリープボイド個数密度との対応関係を求める工程と、
前記検査対象の耐熱部材の溶接部のうちから代表的な溶接部を選択する工程と、
前記代表的な溶接部に前記フェイズドアレイ超音波探傷装置を適用してマップデータを取得する代表溶接部実測工程と、
前記代表的な溶接部におけるクリープボイド個数密度を測定する工程と、
前記代表的な溶接部のマップデータに含まれる振幅データと前記代表的な溶接部のクリープボイド個数密度との対応関係を求める工程と、
前記余寿命パラメータとクリープボイド個数密度との対応関係、及び、前記振幅データとクリープボイド個数密度との対応関係に基づいて、前記振幅データと余寿命パラメータとの対応関係を求める工程と
を含む。

この構成によれば、クリープ試験に供された標準試料を用いることで、余寿命パラメータとクリープボイド個数密度との対応関係を正確に求めることができる。そして、検査対象から選択された代表的な溶接部を用いることで、振幅データとクリープボイド個数密度との対応関係を正確に求めることができる。これらの結果、余寿命パラメータとクリープボイド個数密度との正確な対応関係と、振幅データとクリープボイド個数密度との正確な対応関係に基づいて、振幅データと余寿命パラメータとの対応関係を正確に求めることができ、余寿命パラメータを正確に求めることができる。

幾つかの実施形態では、
前記代表溶接部実測工程は、
前記代表的な溶接部の溶接線に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置に前記プローブを順次配置し、複数の一時マップデータを取得する第２走査工程と、
前記第２走査工程で取得された前記複数の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより前記実測工程で取得されるマップデータを生成する第２合成工程と
を有する。

この構成によれば、代表的な溶接部についても、複数の測定位置でプローブを用いて反射波の振幅が測定される。これは、同一の反射領域について、複数の入射角度で反射波の振幅を測定することに相当する。このようにして測定された反射波の振幅データのうち最大の反射波の振幅データを抽出することで、入射角度に依存する反射波の振幅データの誤差が抑制される。この結果、正確な反射波の振幅データを用いて、振幅データとクリープボイド個数密度との対応関係を正確に求めることができ、ひいては余寿命パラメータを正確に検査することができる。

幾つかの実施形態では、
前記経路の位置を前記耐熱部材の溶接部の溶接線に沿う方向に変更し、前記実測工程及び前記解析工程を繰り返し実行する。
この構成によれば、検査対象の耐熱部材の溶接部の全域に渡って、余寿命パラメータを正確に検査することができる。

幾つかの実施形態では、
前記経路は矩形波形状を有する。

幾つかの実施形態では、
耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法は、
前記標準試料の厚さ又は直径に基づいて、前記第１走査工程において前記フェイズドアレイ超音波探傷装置のプローブを移動させる距離を決定する移動距離決定工程を更に備える。

クリープ試験では、標準試料の厚さ又は直径に相当する長さのクラックが発生すると標準試料が破断して寿命が尽きる。このため、標準試料の厚さ又は直径に相当する長さを有するクリープ損傷の存在を、検査対象の耐熱部材の溶接部において正確に把握することは重要である。
この点につき、この構成では、標準試料の厚さ又は直径に基づいて、第１走査工程においてフェイズドアレイ超音波探傷装置のプローブを移動させる距離を決定することで、標準試料の厚さ又は直径に相当する長さを有するクリープ損傷の存在を正確に把握することを可能にしている。

幾つかの実施形態では、
耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法は、
前記検査対象の耐熱部材の溶接部における熱影響部の位置を確認する熱影響部確認工程を更に備え、
前記解析工程において、前記実測工程で取得されたマップデータに含まれる振幅データのうち、前記熱影響部確認工程で確認された熱影響部の座標に対応する振幅データについて前記余寿命パラメータが求められる。

耐熱部材の内部で溶接熱影響部の細粒域に生じたクリープ損傷は成長しやすく、耐熱部材の寿命に大きな影響を与える。一方、耐熱部材の内部での熱影響部の位置は、外観からでは判断が困難である。この点、この構成によれば、熱影響部の座標に対応する振幅データを用いて余寿命パラメータを求めることで、耐熱部材の余寿命を正確に検査することができる。
また、クリープボイドの寸法は小さく、クリープボイドからの反射波と、母材や溶金中に普通に存在する析出物の偏析等からの反射波との区別が難しいという問題がある。この点、クリープ損傷によるクリープボイドは、溶接熱影響部に沿って発生、増加及び進展するため、反射源が溶接熱影響部に沿っているか否かで、反射源がクリープ損傷かそれ以外のものかを判定することができる。
しかしながら、熱影響部の位置を、設計図にて指定されていた当初の開先面の位置から推定することは困難である。なぜならば、溶接時における開先面近傍の母材の溶融等によって、開先形状が変化するからである。そのため、設計図に記載された開先形状と反射源の位置を照らし合わせてクリープ損傷か否かを判断すると、熱影響部の位置を見誤ることがある。そしてこの結果、クリープ損傷によるものではない通常の溶接検査で合格となるような溶接欠陥があっても、該溶接欠陥をクリープ損傷の進んだボイド密集と判断してしまう可能性がある。
この点、上述した構成によれば、クリープ損傷が発生する熱影響部の位置を特定した上で、熱影響部に対応する振幅データに基づいて余寿命パラメータを判定することで、クリープ損傷に対応する反射波に基づいて耐熱部材の余寿命を正確に検査することができる。

幾つかの実施形態では、
前記フェイズドアレイ超音波探傷装置による反射波の測定において、周波数が１０ＭＨｚ以上の横波の超音波又は周波数が２０ＭＨｚ以上の縦波の超音波が用いられる。

微小なクリープボイドを検出するには、超音波の波長を短くする必要がある一方で、波長が短くなると超音波の減衰が大きくなってしまうという問題がある。この点、この構成によれば、周波数が１０ＭＨｚ以上の横波の超音波又は周波数が２０ＭＨｚ以上の縦波の超音波を用いることで、微小なクリープボイドの存在を反射波の振幅データに基づいて的確に検出することができる。この結果として、検査対象の耐熱部材の溶接部の余寿命パラメータを正確に求めることができる。

幾つかの実施形態では、
前記実測工程は、
前記フェイズドアレイ超音波探傷装置の感度を前記第１走査工程における感度とは異なる値に調整する工程と、
前記検査対象の耐熱部材の溶接部の溶接線に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置に、前記感度が調整されたフェイズドアレイ超音波探傷装置のプローブを順次配置し、複数の補正用の一時マップデータを取得する工程と、
前記複数の補正用の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより補正用のマップデータを合成する工程と、
前記補正用のマップデータを利用して、前記第１合成工程で生成されたマップデータを補正する工程と
を更に有し、
前記解析工程において、前記補正されたマップデータを用いて余寿命パラメータが求められる。

電気的ノイズに由来する振幅データは、感度を変えたとしても、感度に比例して変化することはない。このため、上述した構成のように感度を変えて反射波の振幅データを測定して比較すれば、任意の座標に対応づけられた振幅データが電気的ノイズに由来するものであるか否かを判定することができる。そして、電気的ノイズに由来する反射波の振幅データを除外すれば、余寿命パラメータをより正確に求めることができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータを正確に求めることができる耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法が提供される。

本発明の少なくとも一実施形態に係る耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法の概略的な手順を示すフローチャートである。 図１中の実測工程の概略的な手順を示すフローチャートである。 図１の余寿命検査方法が適用される検査対象の耐熱鋼管の一部の断面と、フェイズドアレイ超音波探傷装置の構成を概略的に示す図である。 図２中の第１走査工程を説明するための図である。 任意の一つの測定位置に配置されたプローブを用いて得られる一つの一時マップデータを概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係る予備工程の概略的な手順を示すフローチャートである。 図６の予備工程で用いられる標準試料を概略的に示す平面図である。 Ｐｒ−ρｖ対応関係取得工程で求められる余寿命パラメータとクリープボイド個数密度との対応関係を表す第１マスターカーブを概略的に示すグラフである。 振幅−ρｖ対応関係取得工程で求められる振幅データとクリープボイド個数密度との対応関係を表す第２マスターカーブを概略的に示すグラフである。 振幅−Ｐｒ対応関係取得工程で求められる振幅データと余寿命パラメータとの対応関係を表す第３マスターカーブを概略的に示すグラフである。 幾つかの実施形態に係る代表溶接部実測工程の概略的な手順を示すフローチャートである。 幾つかの実施形態に係る実測工程の概略的な手順を示すフローチャートである。 図１２の実測工程を説明するための図である。 幾つかの実施形態に係る実測工程の概略的な手順を示すフローチャートである。 図１４の実測工程を説明するための図である。 幾つかの実施形態に係る耐熱鋼管の溶接部の余寿命検査方法の概略的な手順を示すフローチャートである。 図１６に含まれる熱影響部確認工程を説明するための図である。 幾つかの実施形態に係る耐熱鋼管の溶接部の余寿命検査方法の概略的な手順を示すフローチャートである。 図１８の余寿命検査方法を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の少なくとも一実施形態に係る耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法（以下、単に余寿命検査方法ともいう）の概略的な手順を示すフローチャートである。図２は、図１中の実測工程の概略的な手順を示すフローチャートである。図３は、図１の余寿命検査方法が適用される検査対象の耐熱鋼管１０の一部の断面と、図１の余寿命検査方法に用いられるフェイズドアレイ超音波探傷装置（以下、単に探傷装置ともいう）１２の構成を概略的に示す図である。

耐熱鋼管１０は、例えばボイラに使用される蒸気管であり、第１の管１４ａと第２の管１４ｂが、溶接部１６を介して接続されている。第１の管１４ａ及び第２の管１４ｂは、例えば、クロムを９〜１２質量％程度含有する高クロム鋼や、高クロム鋼と類似組織を有しクロムを２〜３質量％程度含有する高強度低合金鋼からなる。

溶接部１６は、環形状を有し、溶金１８と、溶金１８の両側の熱影響部２０とからなる。熱影響部２０には、長期間に亘る高温での使用によってクリープボイドが発生する。クリープボイドは長時間の使用によってその数が増加し、隣接するクリープボイド同士が繋がってクラックとなる。そして、クラックは徐々に成長し、最終的には溶接部１６を厚さ方向に貫通して、内部流体のリークが発生する。このため、ボイラ等の運用においては、耐熱鋼管１０の溶接部１６の余寿命検査を適確に行う必要がある。

探傷装置１２は、探傷装置本体２２と、探傷装置本体２２と電気的に接続されたプローブ２４とを有する。
探傷装置本体２２は、例えばコンピュータによって構成される。
プローブ２４は、一列に配列された複数の振動素子２６からなるアレイ素子２８を有する。各振動素子２６は圧電素子からなり、電気信号が加えられることによって振動して超音波を出射し、超音波が入射したときに超音波の振幅に対応する電気信号を出力するように構成されている。超音波の出射角度は、圧電素子に加える電気信号の位相を調整することによって制御可能である。

プローブ２４は、耐熱鋼管１０の表面の測定位置に配置され、探傷装置本体２２は、プローブ２４を用いて、超音波の反射波の振幅を測定可能である。そして、探傷装置本体２２は、振幅の測定結果に基づいて、座標に対応付けられた複数の振幅データからなるマップデータを作成可能である。

図１に示したように、余寿命検査方法は、予備工程Ｓ１０と、実測工程Ｓ１２と、解析工程Ｓ１４とを有する。
予備工程Ｓ１０では、探傷装置１２を検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６に適用した場合に得られる振幅データと検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６の余寿命に関係する余寿命パラメータＰｒとの対応関係が求められる。
なお、余寿命とは、現時点から溶接部１６がクリープ損傷により破断するまでの時間であるが、余寿命パラメータＰｒは、溶接部１６の余寿命に関係する値を表すものであればよく、全寿命に対し現時点までに経過した時間の割合を示す寿命消費率であってもよい。また、余寿命パラメータＰｒは、クリープ損傷の程度を表すものであってもよく、クリープボイド個数密度であってもよい。

実測工程Ｓ１２では、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６に探傷装置１２を適用してマップデータが取得される。
解析工程Ｓ１４では、予備工程Ｓ１０で求められた対応関係、及び、実測工程Ｓ１２で取得されたマップデータに含まれる振幅データに基づいて、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６の余寿命に関係する余寿命パラメータＰｒが求められる。

そして図２に示したように、サブルーチンとしての実測工程Ｓ１２は、第１走査工程Ｓ２０と、第１合成工程Ｓ２２とを含む。
図４は、第１走査工程Ｓ２０を説明するための図であり、図５は、任意の一つの測定位置に配置されたプローブ２４を用いて得られる一つの一時マップデータを概略的に示す図である。一時マップデータは、座標に対応付けられた複数の振幅データからなり、図５では、振幅データの大きさ（エコー高さ）がグラデーションで表現されている。

図４に示したように、第１走査工程Ｓ２０では、検査対象の溶接部１６の溶接線２９に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置にプローブ２４が順次配置され、複数の測定位置に対応して複数の一時マップデータが取得される。
なお、溶接線２９は溶接部１６の延在方向（長手方向）に沿って延びている。検査対象が耐熱鋼管１０の溶接部１６である場合、溶接線２９は耐熱鋼管１０の周方向に延びており、溶接線２９に直交する方向は、耐熱鋼管１０の軸線方向に延びている。

第１合成工程Ｓ２２では、第１走査工程Ｓ２０で取得された複数の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより、実測工程Ｓ１２で取得されるマップデータが生成される。
具体的には、図４に示したように、測定位置が近い場合、複数の一時マップデータ間で座標が重なる。したがって、複数の一時マップデータを取得した場合、同一の座標に対応付けられた複数の振幅データが存在することになる。これらの複数の振幅データのうち最大値が、該座標に対応するものとして抽出される。そして、全ての座標の各々について振幅データの最大値が抽出され、抽出された最大値を組み合わせて、実測工程Ｓ１２で取得されるべき一つのマップデータが生成される。かくして生成されたマップデータが解析工程Ｓ１４に供され、余寿命パラメータＰｒが求められる。

検査対象の任意の領域（反射領域）にクリープボイドやクラック等のクリープ損傷が存在する場合、クリープ損傷によって生じる超音波の反射波の振幅（エコー高さ）は、クリープ損傷に対する超音波の入射角度で変化する。
そこで、上述の構成では、実測工程Ｓ１２に含まれる第１走査工程Ｓ２０において、複数の測定位置でプローブ２４を用いて反射波の振幅が測定される。これは、同一の反射領域について、複数の入射角度で反射波の振幅を測定することに相当する。このようにして測定された反射波の振幅データのうち最大の反射波の振幅データを抽出することで、入射角度に依存する反射波の振幅データの誤差が抑制される。この結果、正確な反射波の振幅データを用いて余寿命パラメータＰｒを求めることができ、余寿命パラメータＰｒを正確に検査することができる。

図６は、幾つかの実施形態に係る予備工程Ｓ１０の概略的な手順を示すフローチャートである。
サブルーチンとしての予備工程Ｓ１０は、図６に示したように、標準試料準備工程Ｓ３０、Ｐｒ−ρｖ対応関係取得工程Ｓ３２、代表溶接部選択工程Ｓ３４、代表溶接部実測工程Ｓ３６、代表溶接部ρｖ測定工程Ｓ３８、振幅−ρｖ対応関係取得工程Ｓ４０、及び、振幅−Ｐｒ対応関係取得工程Ｓ４２を含む。

標準試料準備工程Ｓ３０では、例えば図７に示す形状を有する、溶接部３０をそれぞれ有する複数の標準試料３２が用意される。各標準試料３２は、第１の円柱部３４ａと第２の円柱部３４ｂを有し、第１の円柱部３４ａと第２の円柱部３４ｂが溶接部３０を介して相互に接続されている。第１の円柱部３４ａ及び第２の円柱部３４ｂの直径は例えば６ｍｍである。第１の円柱部３４ａと第２の円柱部３４ｂは、検査対象の耐熱鋼管１０の第１の管１４ａ及び第２の管１４ｂと同じ材料からなる。また、標準試料３２の溶接部３０は、溶金３６と、溶金３６の両側の熱影響部３８とからなる。

そして、標準試料準備工程Ｓ３０では、溶接部３０を有する複数の標準試料３２が、所定の引張強度での高温クリープ試験に供される。高温クリープ試験は何回かに分けて中断され、その都度幾つかの標準試料３２が抜き取られる。これにより、余寿命パラメータＰｒの相違する溶接部３０を有する複数の標準試料３２が用意される。
なお例えば、抜き取りは、破断時間の２０％、４０％、６０％、及び、８０％に相当する時間で行われる。

Ｐｒ−ρｖ対応関係取得工程Ｓ３２では、用意された複数の標準試料３２の溶接部３０における余寿命パラメータＰｒとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係が求められる。図８は、Ｐｒ−ρｖ対応関係取得工程Ｓ３２で求められる余寿命パラメータＰｒとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を表す第１マスターカーブを概略的に示すグラフである。なお、図８では、余寿命パラメータＰｒは寿命消費率である。

代表溶接部選択工程Ｓ３４では、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６のうちから代表的な溶接部１６が選択される。代表的な溶接部１６は、探傷装置１２によってクリープ損傷を検出可能なものであればよい。代表的な溶接部１６の数は特に限定されることはないが、複数の代表的な溶接部１６を選択してもよい。

代表溶接部実測工程Ｓ３６では、代表的な溶接部１６に探傷装置１２を適用してマップデータが取得される。

代表溶接部ρｖ測定工程Ｓ３８では、代表的な溶接部１６におけるクリープボイド個数密度ρｖが測定される。このクリープボイド個数密度ρｖの測定は、代表溶接部実測工程Ｓ３６において、クリープ損傷が検出された座標にて実施される。クリープボイド個数密度ρｖの測定は、異なる座標で複数回行われてもよい。例えばクリープボイド個数密度ρｖの測定は、標準試料３２を切断して断面を研磨し、研磨された断面の金属組織を観察することにより行われる。

振幅−ρｖ対応関係取得工程Ｓ４０では、代表溶接部実測工程Ｓ３６で取得された代表的な溶接部１６のマップデータに含まれる振幅データと、代表溶接部ρｖ測定工程Ｓ３８で測定された代表的な溶接部１６のクリープボイド個数密度ρｖあるいはクリープ損傷の程度との対応関係が求められる。図９は、振幅−ρｖ対応関係取得工程Ｓ４０で求められる振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を表す第２マスターカーブを概略的に示すグラフである。

振幅−Ｐｒ対応関係取得工程Ｓ４２では、Ｐｒ−ρｖ対応関係取得工程Ｓ３２で取得された余寿命パラメータＰｒとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係、及び、振幅−ρｖ対応関係取得工程Ｓ４０で取得された振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係に基づいて、振幅データと余寿命パラメータＰｒとの対応関係が求められる。図１０は、振幅−Ｐｒ対応関係取得工程Ｓ４２で求められる振幅データと余寿命パラメータＰｒとの対応関係を表す第３マスターカーブを概略的に示すグラフである。なお、図１０では、余寿命パラメータＰｒは寿命消費率である。

上述した構成によれば、クリープ試験に供された標準試料３２を用いることで、余寿命パラメータＰｒとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を正確に求めることができる。そして、検査対象の耐熱鋼管１０から選択された代表的な溶接部１６を用いることで、振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を正確に求めることができる。これらの結果、余寿命パラメータＰｒとクリープボイド個数密度ρｖとの正確な対応関係と、振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの正確な対応関係に基づいて、振幅データと余寿命パラメータＰｒとの対応関係を正確に求めることができ、余寿命パラメータＰｒを正確に求めることができる。

図１１は、幾つかの実施形態に係る図６中の代表溶接部実測工程Ｓ３６の概略的な手順を示すフローチャートである。
幾つかの実施形態では、予備工程Ｓ１０に含まれる代表溶接部実測工程Ｓ３６は、第２走査工程Ｓ５０と、第２合成工程Ｓ５２とを含む。

第２走査工程Ｓ５０では、選択された代表的な溶接部１６の溶接線２９に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置にプローブ２４が順次配置され、複数の測定位置に対応して複数の一時マップデータが取得される。
第２合成工程Ｓ５２では、第２走査工程Ｓ５０で取得された複数の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより代表溶接部実測工程Ｓ３６で取得されるマップデータが生成される。

上述した構成によれば、検査対象の耐熱鋼管１０の代表的な溶接部１６についても、複数の測定位置でプローブ２４を用いて反射波の振幅が測定される。これは、同一の反射領域について、複数の入射角度で反射波の振幅を測定することに相当する。このようにして測定された反射波の振幅データのうち最大の反射波の振幅データを抽出することで、入射角度に依存する反射波の振幅データの誤差が抑制される。この結果、正確な反射波の振幅データを用いて、振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を正確に求めることができ、ひいては余寿命パラメータＰｒを正確に検査することができる。

図１２は、幾つかの実施形態に係る実測工程Ｓ１２の概略的な手順を示すフローチャートである。図１３は、図１２の実測工程Ｓ１２を説明するための図である。
幾つかの実施形態では、経路の位置を耐熱鋼管１０の溶接部１６の溶接線２９に沿う方向に変更し、複数の経路について、実測工程Ｓ１２及び解析工程Ｓ１４が繰り返し実行される。そのために図１３に示したように、第１合成工程Ｓ２２の終了後に、全経路について第１走査工程Ｓ２０が実行されたか否か判定され（Ｓ６０）、判定結果がいいえの場合、経路変更工程Ｓ６２が実行され、経路が変更される。経路変更工程Ｓ６２を実行することで、プローブ２４は、例えば図１３中の一点鎖線４０に沿って移動させられる。つまり、経路が、二軸に沿った矩形波形状を有する。
この構成によれば、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６の全域に渡って、余寿命パラメータＰｒを正確に検査することができる。

図１４は、幾つかの実施形態に係る実測工程Ｓ１２の概略的な手順を示すフローチャートである。図１５は、図１４の実測工程Ｓ１２を説明するための図である。
幾つかの実施形態では、実測工程Ｓ１２は移動距離決定工程Ｓ７０を更に有する。移動距離決定工程Ｓ７０では、標準試料３２の厚さ又は直径に基づいて、第１走査工程Ｓ２０において探傷装置１２のプローブ２４を移動させる距離が決定される。

図１５に示したように、プローブ２４からの超音波の出射角度がθであり、プローブ２４の移動距離（走査距離）がＬである場合、検査対象の溶接部１６の深さ方向において、同一の入射角度で検査可能な検査範囲の長さをｔとすると、次式（１）及び（２）が成立する。
ｔ＝（ｔａｎθ）／Ｌ・・・（１）
Ｌ＝ｔ＊ｔａｎθ ・・・（２）
が成立する。
そこで、本実施形態では、標準試料３２の厚さ又は直径がＤであるとき、ｔ＝Ｄとして、次式（３）が成立するように、移動距離Ｌが設定される。
Ｌ＝Ｄ＊ｔａｎθ ・・・（３）

クリープ試験では、標準試料３２の厚さ又は直径に相当する長さのクラックが発生すると標準試料３２が破断して寿命が尽きる。このため、標準試料３２の厚さ又は直径に相当する長さを有するクリープ損傷の存在を、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６において正確に把握することは重要である。
この点につき、この構成では、標準試料３２の厚さ又は直径に基づいて、第１走査工程Ｓ２０において探傷装置１２のプローブ２４を移動させる距離を決定することで、標準試料３２の厚さ又は直径に相当する長さを有するクリープ損傷の存在を正確に把握することを可能にしている。

図１６は、幾つかの実施形態に係る耐熱鋼管１０の溶接部１６の余寿命検査方法の概略的な手順を示すフローチャートである。図１７は、図１６に含まれる熱影響部確認工程を説明するための図である。

図１６に示したように、幾つかの実施形態では、耐熱鋼管１０の溶接部１６の余寿命検査方法は、熱影響部確認工程Ｓ８０を更に有している。
熱影響部確認工程Ｓ８０では、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６における熱影響部２０の位置が確認される。例えば、通常の超音波探傷装置を用いて、図１７に示したように検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６の断面像を取得することにより、熱影響部２０の位置（座標）を確認することができる。
そして、解析工程Ｓ１４では、実測工程Ｓ１２で取得されたマップデータに含まれる振幅データのうち、熱影響部確認工程Ｓ８０で確認された熱影響部２０の座標に対応する振幅データについて余寿命パラメータＰｒが求められる。

耐熱鋼管１０の内部で溶接の熱影響部２０の細粒域に生じたクリープ損傷は成長しやすく、耐熱鋼管１０の寿命に大きな影響を与える。一方、耐熱鋼管１０の内部での熱影響部２０の位置は、外観からでは判断が困難である。この点、この構成によれば、熱影響部２０の座標に対応する振幅データを用いて余寿命パラメータＰｒを求めることで、耐熱鋼管１０の余寿命を正確に検査することができる。

また、クリープボイドの寸法は小さく、クリープボイドからの反射波と、母材（第１の管１４ａ、第２の管１４ｂ）や溶金１８中に普通に存在する析出物の偏析等からの反射波との区別が難しいという問題がある。この点、クリープ損傷によるクリープボイドは、溶接熱影響部２０に沿って発生、増加及び進展するため、反射源が溶接熱影響部２０に沿っているか否かで、反射源がクリープ損傷かそれ以外のものかを判定することができる。

しかしながら、熱影響部２０の位置を、設計図にて指定されていた当初の開先面の位置から推定することは困難である。なぜならば、溶接時における開先面近傍の母材の溶融等によって、開先形状が変化するからである。そのため、設計図に記載された開先形状と反射源の位置を照らし合わせてクリープ損傷か否かを判断すると、熱影響部２０の位置を見誤ることがある。そしてこの結果、クリープ損傷によるものではない通常の溶接検査で合格となるような溶接欠陥があっても、該溶接欠陥をクリープ損傷の進んだボイド密集と判断してしまう可能性がある。
この点、上述した構成によれば、クリープ損傷が発生する熱影響部２０の位置を特定した上で、熱影響部２０に対応する振幅データに基づいて余寿命パラメータを判定することで、クリープ損傷に対応する反射波に基づいて耐熱部材の余寿命を正確に検査することができる。

幾つかの実施形態では、探傷装置１２による反射波の測定において、周波数が１０ＭＨｚ以上の横波の超音波又は周波数が２０ＭＨｚ以上の縦波の超音波が用いられる。

微小なクリープボイドを検出するには、超音波の波長を短くする必要がある一方で、波長が短くなると超音波の減衰が大きくなってしまうという問題がある。この点、この構成によれば、周波数が１０ＭＨｚ以上の横波の超音波又は周波数が２０ＭＨｚ以上の縦波の超音波を用いることで、微小なクリープボイドの存在を反射波の振幅データに基づいて的確に検出することができる。この結果として、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６の余寿命パラメータＰｒを正確に求めることができる。

図１８は、幾つかの実施形態に係る耐熱鋼管１０の溶接部１６の余寿命検査方法の概略的な手順を示すフローチャートである。図１９は、図１８の余寿命検査方法を説明するための図である。
図１８に示したように、幾つかの実施形態では、実測工程Ｓ１２は、感度調整工程Ｓ９０と、補正用一時マップデータ取得工程Ｓ９２と、補正用マップデータ合成工程Ｓ９４と、マップデータ補正工程Ｓ９６とを有する。そして、解析工程Ｓ１４において、マップデータ補正工程Ｓ９６で補正されたマップデータを用いて余寿命パラメータが求められる。

より詳しくは、感度調整工程Ｓ９０では、探傷装置１２の感度が第１走査工程Ｓ２０における感度とは異なる値に調整される。
補正用一時マップデータ取得工程Ｓ９２では、検査対象の耐熱鋼管１０の溶接部１６の溶接線２９に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置に、感度が調整された探傷装置１２のプローブ２４を順次配置し、複数の測定位置に対応して複数の補正用の一時マップデータが取得される。

補正用マップデータ合成工程Ｓ９４では、補正用一時マップデータ取得工程Ｓ９２で取得された複数の補正用の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより補正用のマップデータが合成される。
マップデータ補正工程Ｓ９６では、補正用マップデータ合成工程Ｓ９４で合成された補正用のマップデータを利用して、第１合成工程Ｓ２２で生成されたマップデータが補正される。

ここで、図１９の（ａ）は、通常の感度で測定された反射波の振幅の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、感度を例えば２倍（＋６ｄＢ）にして測定された反射波の振幅の時間変化を示すグラフであり、（ｃ）は、（ｂ）の振幅を１／２倍（―６ｄＢ）して得られるグラフであり、（ｄ）は、（ａ）から（ｃ）を差し引いて得られるグラフである。

電気的ノイズに由来する振幅データは、図１９（ｂ）のように感度を変えたとしても、感度に比例して変化することはない。このため、上述した構成のように感度を変えて反射波の振幅データを測定して比較すれば、任意の座標に対応づけられた振幅データが電気的ノイズに由来するものであるか否かを判定することができる。そして、電気的ノイズに由来する反射波の振幅データを除外すれば、余寿命パラメータＰｒをより正確に求めることができる。

本発明は上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した幾つかの実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、検査対象の耐熱鋼管１０の代表的な溶接部１６に探傷装置１２を適用し、振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を求めたが、標準試料３２の形状等によっては、標準試料３２に探傷装置１２を適用し、振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を求めてもよい。すなわち、標準試料３２に対し探傷装置１２を適用してマップデータを測定するとともにクリープボイド個数密度ρｖの測定を行い、振幅データとクリープボイド個数密度ρｖとの対応関係を求めてもよい。

最後に、本発明の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法は、耐熱鋼管１０以外の耐熱部材にも適用可能である。

１０ 耐熱鋼管（耐熱部材）
１２ フェイズドアレイ超音波探傷装置
１４ａ 第１の管
１４ｂ 第２の管
１６ 溶接部
１８ 溶金
２０ 熱影響部
２２ 探傷装置本体
２４ プローブ
２６ 振動素子
２８ アレイ素子
３０ 溶接部
３２ 標準試料
３４ａ 第１の円柱部
３４ｂ 第２の円柱部
３６ 溶金
３８ 熱影響部
Ｓ１０ 予備工程
Ｓ１２ 実測工程
Ｓ１４ 解析工程
Ｓ２０ 第１走査工程
Ｓ２２ 第１合成工程
Ｓ３０ 標準試料準備工程
Ｓ３２ Ｐｒ−ρｖ対応関係取得工程
Ｓ３４ 代表溶接部選択工程
Ｓ３６ 代表溶接部実測工程
Ｓ３８ 代表溶接部ρｖ測定工程
Ｓ４０ 振幅−ρｖ対応関係取得工程
Ｓ４２ 振幅−Ｐｒ対応関係取得工程
Ｓ５０ 第２走査工程
Ｓ５２ 第２合成工程

Claims (9)

1. 測定位置に配置されたプローブを用いて超音波の反射波の振幅測定を実行可能であって該振幅測定の結果に基づいて座標に対応付けられた複数の振幅データからなるマップデータを作成可能なフェイズドアレイ超音波探傷装置を用いた耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法において、
   前記フェイズドアレイ超音波探傷装置を検査対象の耐熱部材の溶接部に適用した場合に得られる振幅データと前記検査対象の耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータとの対応関係を求める予備工程と、
   前記検査対象の耐熱部材の溶接部に前記フェイズドアレイ超音波探傷装置を適用してマップデータを取得する実測工程と、
   前記予備工程で求められた対応関係、及び、前記実測工程で取得されたマップデータに含まれる振幅データに基づいて、前記検査対象の耐熱部材の溶接部の余寿命に関係する余寿命パラメータを求める解析工程とを備え、
   前記実測工程は、
   前記検査対象の溶接部の溶接線に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置に前記プローブを順次配置し、複数の一時マップデータを取得する第１走査工程と、
   前記第１走査工程で取得された前記複数の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより前記実測工程で取得されるマップデータを生成する第１合成工程と
   を含む
   ことを特徴とする耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
2. 前記予備工程は、
   溶接部を有する複数の標準試料についてクリープ試験を行い、余寿命パラメータの相違する溶接部を有する複数の標準試料を用意する工程と、
   前記用意された複数の標準試料の溶接部における余寿命パラメータとクリープボイド個数密度との対応関係を求める工程と、
   前記検査対象の耐熱部材の溶接部のうちから代表的な溶接部を選択する工程と、
   前記代表的な溶接部に前記フェイズドアレイ超音波探傷装置を適用してマップデータを取得する代表溶接部実測工程と、
   前記代表的な溶接部におけるクリープボイド個数密度を測定する工程と、
   前記代表的な溶接部のマップデータに含まれる振幅データと前記代表的な溶接部のクリープボイド個数密度との対応関係を求める工程と、
   前記余寿命パラメータとクリープボイド個数密度との対応関係、及び、前記振幅データとクリープボイド個数密度との対応関係に基づいて、前記振幅データと余寿命パラメータとの対応関係を求める工程と
   を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
3. 前記代表溶接部実測工程は、
   前記代表的な溶接部の溶接線に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置に前記プローブを順次配置し、複数の一時マップデータを取得する第２走査工程と、
   前記第２走査工程で取得された前記複数の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより前記実測工程で取得されるマップデータを生成する第２合成工程と
   を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
4. 前記経路の位置を前記耐熱部材の溶接部の溶接線に沿う方向に変更し、前記実測工程及び前記解析工程を繰り返し実行する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
5. 前記経路は矩形波形状を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
6. 前記標準試料の厚さ又は直径に基づいて、前記第１走査工程において前記フェイズドアレイ超音波探傷装置のプローブを移動させる距離を決定する移動距離決定工程を更に備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
7. 前記検査対象の耐熱部材の溶接部における熱影響部の位置を確認する熱影響部確認工程を更に備え、
   前記解析工程において、前記実測工程で取得されたマップデータに含まれる振幅データのうち、前記熱影響部確認工程で確認された熱影響部の座標に対応する振幅データについて前記余寿命パラメータが求められる
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
8. 前記フェイズドアレイ超音波探傷装置による反射波の測定において、周波数が１０ＭＨｚ以上の横波の超音波又は周波数が２０ＭＨｚ以上の縦波の超音波が用いられる
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。
9. 前記実測工程は、
   前記フェイズドアレイ超音波探傷装置の感度を前記第１走査工程における感度とは異なる値に調整する工程と、
   前記検査対象の耐熱部材の溶接部の溶接線に対し直交する方向に沿って延びる経路上の複数の測定位置に、前記感度が調整されたフェイズドアレイ超音波探傷装置のプローブを順次配置し、複数の補正用の一時マップデータを取得する工程と、
   前記複数の補正用の一時マップデータに含まれる複数の振幅データから、座標毎に最大の振幅データを抽出して組み合わせることにより補正用のマップデータを合成する工程と、
   前記補正用のマップデータを利用して、前記第１合成工程で生成されたマップデータを補正する工程と
   を更に有し、
   前記解析工程において、前記補正されたマップデータを用いて余寿命パラメータが求められる
   ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の耐熱部材の溶接部の余寿命検査方法。