JP2016183899A - 耐熱部材の使用温度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な作業で耐熱部材の使用温度を迅速に推定することができる耐熱部材の使用温度推定方法を提供することにある。
【解決手段】耐熱部材の表面組織を転写したレプリカを作成するレプリカ作成工程Ｓ１と、レプリカに基づき炭化物画像を作成する炭化物画像作成工程Ｓ２と、炭化物画像に基づき炭化物量を導出する炭化物量導出工程Ｓ４と、炭化物量と、予め作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いて、当該炭化物量に相当するＬＭＰを導出するラーソンミラーパラメータ導出工程Ｓ５と、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程で導出したＬＭＰと前記耐熱部材の使用時間とに基づき、ＬＭＰと絶対温度Ｔ（推定等価平均温度）と使用時間ｔとの関係式を用いて推定等価平均温度を導出する推定等価平均温度導出工程Ｓ６とを有する、ようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐熱部材の使用温度推定方法に関する。

従来、高温および高圧の環境下で使用される各種プラントでは、運転時間の経過に伴いクリープ損傷が進行し、寿命が消費されることが知られている。よって、前記各種プラントにおいて健全な運転を維持するためには、前記機器の余寿命を正確に推定し、適切な時期に前記機器を交換する必要がある。前記機器の余寿命の評価においては、運転中に曝されていた温度、すなわち、機器の使用温度（例えば、機器が受けた熱履歴）が重要な因子となっている。しかしながら、機器の温度を運転中に実測することは困難であり、機器の使用温度を推定する手法が種々開発されている。

例えば、下記特許文献１には、耐熱耐圧部材の表面に、熱時効により硬化するニッケル基合金からなる析出硬化型の材料を肉盛溶接し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定する熱履歴推定方法が記載されている。

特開２００６−２０８２１４号公報

しかしながら、上述の熱履歴推定方法では、対象が金属材料からなる耐熱耐圧部材であり、さらに耐熱耐圧材料の表面にニッケル基合金からなる析出硬化型の材料を肉盛溶接する必要があることから、作業が煩雑であるという課題があった。例えば、天然ガスを改質する改質器で用いられる触媒管の使用温度を推定する場合、作業が簡易、かつ、迅速であることが望まれていた。

以上のことから、本発明は前述した課題を解決するために為されたものであって、比較的簡易な作業で耐熱部材の使用温度を迅速に推定することができる耐熱部材の使用温度推定方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、耐熱部材の使用温度を推定する耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記耐熱部材の表面組織を転写したレプリカを作成するレプリカ作成工程と、前記レプリカ作成工程で得られた前記レプリカに基づき炭化物画像を作成する炭化物画像作成工程と、前記炭化物画像作成工程にて得られた炭化物画像に基づき炭化物量を導出する炭化物量導出工程と、前記炭化物量導出工程で得られた炭化物量と、予め作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いて、当該炭化物量導出工程で得られた炭化物量に相当するラーソンミラーパラメータを導出するラーソンミラーパラメータ導出工程と、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程で導出したラーソンミラーパラメータと前記耐熱部材の使用時間とに基づき、以下の式を用いて推定等価平均温度を導出する推定等価平均温度導出工程とを有する、ことを特徴とする。
ＬＭＰ＝Ｔ×（Ｃ＋ｌｏｇ（ｔ））／１０００
ＬＭＰがラーソンミラーパラメータであり、Ｔが推定等価平均温度（絶対温度（Ｋ））であり、Ｃは前記耐熱部材の材料定数であり、ｔが前記耐熱部材の使用時間である。

上述した課題を解決する第２の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第１の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物画像は、一次炭化物の画像、二次炭化物の画像、またはこれら両方の画像であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第１または第２の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物量は、炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率の少なくとも一方であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第１から第３の何れか一つの発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物画像作成工程にて得られた前記炭化物画像を二値化処理して炭化物二値化画像を作成する画像調整工程を有し、前記炭化物量導出工程は、前記炭化物画像の代わりに、前記画像調整工程にて得られた前記炭化物二値化画像に基づき炭化物量を導出することを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第１から第４の何れか一つの発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記耐熱部材は、天然ガスの改質に用いられる触媒管であることを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡易な作業で耐熱部材の使用温度を迅速に推定することができる。

本発明の主な実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法の手順を説明するためのフローチャートである。 前記耐熱部材の使用温度推定方法で作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの関係を示すグラフであって、図２（ａ）に炭化物の粒子密度個数（個／ｍｍ²）とラーソンミラーパラメータとの関係を示し、図２（ｂ）に炭化物の面積率（％）とラーソンミラーパラメータとの関係を示す。 前記耐熱部材の使用温度推定方法の評価対象の一例である触媒管の概略図である。

本発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法の主な実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［主な実施形態］
本発明の主な実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法について、図１から図３に基づいて説明する。
本実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法では、天然ガス改質器に設けられる複数のホットコレクタのそれぞれに連結される、数１００本から成る複数の触媒管に適用した場合について説明する。

前記天然ガス改質器は、例えば、図３に示すように、触媒管本体１１、ショートピース１２、ピグテール１３で構成される触媒管１４を複数備える。触媒管本体１１は、軸心が上下方向に延在するように立設配置されている。ショートピース１２は、触媒管本体１１の下端部に連結され、軸心が上下方向に延在するように立設配置されている。ピグテール１３は、ショートピース１２の下端部に連結され、触媒管本体１１よりも小径をなし、屈曲配置されている。ピグテール１３の他端部がホットコレクタ１５に連結されている。ホットコレクタ１５は、軸心が水平方向（図示例では紙面表裏方向）に延在するように配置されている。ホットコレクタ１５には、触媒管１４と左右対称の位置に図示しない触媒管のピグテールの他端部が連結されている。さらに、ホットコレクタ１５の軸心方向にて所定の間隔で当該ホットコレクタ１５に連結される左右一対の触媒管が配置されている。天然ガス改質器には、複数の触媒管１４が連結されたホットコレクタ１５を複数配置しても良い。

触媒管本体１１、ショートピース１２、ピグテール１３は、例えば、ＨＰ−Ｎｂ−Ｔｉ（２５Ｃｒ−３５Ｎｉ−Ｎｂ、Ｔｉ）およびアロイ８００Ｈ（Ｆｅ−３２Ｎｉ−２０Ｃｒ）で構成されている。触媒管本体１１は、導入された混合ガス（メタンガス、水蒸気）２１が反応して生成ガス（水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素）２２を生成している。この生成ガス２２は、ショートピース１２、ピグテール１３を介してホットコレクタ１５に流通している。

触媒管本体１１は、約９００℃以上の炉内に配置される。ショートピース１２およびピグテール１３は、炉外に配置されるものの、内部を約９００℃のガスが流通している。

本実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、図１に示すように、レプリカ作成工程Ｓ１と、炭化物画像作成工程Ｓ２と、画像調整工程Ｓ３と、炭化物量導出工程Ｓ４と、ラーソンミラーパラメータ導出工程Ｓ５と、推定等価平均温度導出工程Ｓ６とを有する。

レプリカ作成工程Ｓ１では、従来のレプリカ法によりレプリカを作成する。このレプリカ作成工程Ｓ１にて、触媒管本体１１の表面組織を転写したレプリカを作成する。前記レプリカとして、フィルムを用いることが好ましい。なお、触媒管本体１１の表面組織をレプリカに転写する前に、触媒管本体１１に対し、研磨およびエッチングにより表面組織を現出させることが好ましい。

炭化物画像作成工程Ｓ２にて、レプリカ作成工程Ｓ１で得られた触媒管本体１１の表面組織が転写されたフィルムから炭化物の画像が作成される。炭化物の画像は、一次炭化物の画像（一次炭化物画像）または二次炭化物の画像（二次炭化物画像）であることが好ましく、これら両方の画像であることがより好ましい。これは、詳細につき後述する触媒管本体１１の使用温度の推定をより確実に行うことができるからである。各画像は、従来の画像編集ソフトウェアにより作成される。一次炭化物とは、凝固時にデンドライト境界に沿って晶出する炭化物である。二次炭化物とは、高温時効に伴って粒内に分散析出する析出物である。

画像調整工程Ｓ３にて、炭化物画像作成工程Ｓ２で作成された炭化物画像を調整して炭化物の抽出が容易な画像が作成される。炭化物画像が一次炭化物画像である場合には、当該一次炭化物画像を調整して、一次炭化物を抽出が容易な画像が作成される。炭化物画像が二次炭化物画像である場合には、当該二次炭化物画像を調整して、二次炭化物を抽出が容易な画像が作成される。炭化物画像（一次炭化物画像、二次炭化物画像）を調整する方法として、二値化処理を用いることが好ましい。前記炭化物画像が一次炭化物画像である場合には、一次炭化物画像を二値化処理して一次炭化物二値化画像が作成される。前記炭化物画像が二次炭化物画像である場合には、二次炭化物画像を二値化処理して二次炭化物二値化画像が作成される。これにより、前記炭化物画像（一次炭化物画像、二次炭化物画像）を二値化処理して得られた炭化物二値化画像（一次炭化物二値化画像、二次炭化物二値化画像）から炭化物（一次炭化物、二次炭化物）の抽出が容易になる。

炭化物量導出工程Ｓ４は、画像調整工程Ｓ３で得られた画像に基づき炭化物量が導出される。画像調整工程Ｓ３で得られた画像が一次炭化物二値化画像である場合には、当該一次炭化物二値化画像に基づき一次炭化物量が導出される。画像調整工程Ｓ３で得られた画像が二次炭化物二値化画像である場合には、当該二次炭化物二値化画像に基づき二次炭化物量が導出される。画像調整工程Ｓ３で得られた画像が一次炭化物二値化画像および二次炭化物二値化画像である場合には、当該一次炭化物二値化画像に基づき一次炭化物量が導出されると共に、当該二次炭化物二値化画像に基づき二次炭化物量が導出される。炭化物量として、画像調整工程Ｓ３で得られた画像を画像解析し炭化物の個数を計測し単位面積当たりで換算して得られる炭化物の粒子個数密度や、画像調整工程Ｓ３で得られた画像を画像解析し炭化物の面積を計測し単位面積当たりで換算して得られる炭化物の面積率を用いることが好ましく、前記炭化物の粒子個数密度および前記炭化物の面積率の両方を用いることがより好ましい。

ラーソンミラーパラメータ導出工程Ｓ５にて、予め作成された、ラーソンミラーパラメータと炭化物量（炭化物の粒子個数密度、炭化物の面積率）の相関線図（マスターカーブ）を用いて、炭化物量導出工程Ｓ４で得られた炭化物量（炭化物の粒子個数密度、炭化物の面積率）に相当するラーソンミラーパラメータを取得する。なお、前記炭化物量として、上述した一次炭化物量や二次炭化物量であることが好ましい。

例えば、炭化物量導出工程Ｓ４で得られた炭化物量が炭化物の粒子個数密度である場合、予め作成された、ラーソンミラーパラメータと炭化物の粒子個数密度の相関線図（マスターカーブ）を用いて、図２（ａ）に示すように、炭化物量導出工程Ｓ４で得られた炭化物の粒子個数密度に相当するラーソンミラーパラメータを取得する。炭化物量導出工程Ｓ４で得られた炭化物量が炭化物の面積率である場合、予め作成された、ラーソンミラーパラメータと炭化物の面積率の相関線図（マスターカーブ）を用いて、図２（ｂ）に示すように、炭化物量導出工程Ｓ４で得られた炭化物の面積率に相当するラーソンミラーパラメータを取得する。

ラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）は次式の関係を満たしている。
ＬＭＰ＝Ｔ×（Ｃ＋ｌｏｇ（ｔ））／１０００ （１）
Ｔは推定対象である触媒管本体１１の運転（使用）温度をなす絶対温度（Ｋ）であり、Ｃは推定対象である触媒管本体１１の材料定数であり、ｔは推定対象である触媒管本体１１の運転（使用）時間である。

推定等価平均温度導出工程Ｓ６にて、ラーソンミラーパラメータと絶対温度と運転時間との関係式（１）を用いて、ラーソンミラーパラメータ導出工程Ｓ５で得られたラーソンミラーパラメータと既知の運転時間とに基づき運転中（使用中）の推定等価平均温度が導出される。

したがって、本実施形態によれば、レプリカ作成工程Ｓ１で得られたレプリカから炭化物画像を作成し、必要に応じて画像調整（例えば、二値化処理）し、前記画像から炭化物量を導出し、導出した炭化物量と予め作成された、炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いてラーソンミラーパラメータを導出し、導出したラーソンミラーパラメータと運転（使用）時間に基づき、ラーソンミラーパラメータと絶対温度（推定等価平均温度）と運転（使用）時間との関係式（１）を用いて、運転中（使用中）の推定等価平均温度を導出することができる。これにより、従来、不明であった運転温度を非破壊で、かつ比較的簡易な作業で、かつ、迅速に推定することができる。また、運転中に温度変動があったとしても、推定等価平均温度を導出することができることから、この推定等価平均温度に基づき、クリープ変形を考慮した耐熱部材の余寿命を評価することができる。

前記炭化物画像が、一次炭化物の画像、二次炭化物の画像、またはこれら両方の画像であることにより、炭化物量を確実に導出することができ、比較的簡易な作業で触媒管本体１１の使用温度をより確実に推定することができる。

前記耐熱部材は、天然ガスの改質に用いられる触媒管であることにより、比較的簡易な作業で触媒管の使用温度を確実に推定することができる。

［他の実施形態］
なお、上記では、画像調整工程Ｓ３で得られた画像に基づき炭化物量を導出する場合について説明したが、炭化物画像作成工程Ｓ２で作成された炭化物画像（例えば、一次炭化物画像、二次炭化物画像）に基づき炭化物量を導出するようにした耐熱部材の使用温度推定方法とすることも可能である。

なお、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程Ｓ５において、ラーソンミラーパラメータと炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率との相関線図（マスターカーブ）は、１つの炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率が２つ以上ラーソンミラーパラメータを示す場合には、ラーソンミラーパラメータをそれぞれ導出することが好ましい。これは、導出したラーソンミラーパラメータを用いることで、運転中（使用中）の推定等価平均温度の範囲を導出でき、この温度範囲に基づき、クリープ変形を考慮した耐熱部材の余寿命を評価することができるからである。

上記では、使用温度の推定対象を触媒管とした場合について説明したが、高温保持すると組織中の一次炭化物および二次炭化物の形態が変化する耐熱部材の等価平均温度推定に適用することも可能である。このような場合であっても、上述の耐熱部材の等価平均温度推定方法と同様な作用効果を奏する。

１１ 触媒管本体
１２ ショートピース
１３ ピグテール
１４ 触媒管
１５ ホットコレクタ
２１ 混合ガス（Ｈ₂Ｏ，ＣＨ₄）
２２ 生成ガス（Ｈ₂，Ｈ₂Ｏ，ＣＯ，ＣＯ₂）

Claims (5)

1. 耐熱部材の使用温度を推定する耐熱部材の使用温度推定方法であって、
   前記耐熱部材の表面組織を転写したレプリカを作成するレプリカ作成工程と、
   前記レプリカ作成工程で得られた前記レプリカに基づき炭化物画像を作成する炭化物画像作成工程と、
   前記炭化物画像作成工程にて得られた炭化物画像に基づき炭化物量を導出する炭化物量導出工程と、
   前記炭化物量導出工程で得られた炭化物量と、予め作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いて、当該炭化物量導出工程で得られた炭化物量に相当するラーソンミラーパラメータを導出するラーソンミラーパラメータ導出工程と、
   前記ラーソンミラーパラメータ導出工程で導出したラーソンミラーパラメータと前記耐熱部材の使用時間とに基づき、以下の式を用いて推定等価平均温度を導出する推定等価平均温度導出工程と
   を有する、ことを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。
   ＬＭＰ＝Ｔ×（Ｃ＋ｌｏｇ（ｔ））／１０００
   ＬＭＰがラーソンミラーパラメータであり、Ｔが推定等価平均温度（絶対温度（Ｋ））であり、Ｃは前記耐熱部材の材料定数であり、ｔが前記耐熱部材の使用時間である。
2. 請求項１に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、
   前記炭化物画像は、一次炭化物の画像、二次炭化物の画像、またはこれら両方の画像である
   ことを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、
   前記炭化物量は、炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率の少なくとも一方である
   ことを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、
   前記炭化物画像作成工程にて得られた前記炭化物画像を二値化処理して炭化物二値化画像を作成する画像調整工程を有し、
   前記炭化物量導出工程は、前記炭化物画像の代わりに、前記画像調整工程にて得られた前記炭化物二値化画像に基づき炭化物量を導出する
   ことを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、
   前記耐熱部材は、天然ガスの改質に用いられる触媒管である
   ことを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。

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