JP2019138856A - 損傷状態判定装置、損傷状態判定方法、プログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】高強度フェライト鋼材と他鋼材との溶接部をニッケル基合金系溶材で溶接した交換部材における溶接部の近傍の損傷状態をより適切に判定する。【解決手段】溶接鋼材における境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度に基づいて境界所定領域における損傷状態を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、損傷状態判定装置、損傷状態判定方法、プログラムに関する。
ボイラ等の高温な環境下で用いられる配管等の交換部材の中に、高強度フェライト鋼と他鋼材で構成され、それら鋼材を、ニッケルを含有する溶接材料によって溶接した配管等の交換部材が存在する。具体的には高強度フェライト鋼とオーステナイト系ステンレス鋼との溶接部をニッケル基合金系溶材で溶接した配管等の交換部材が存在する。このような交換部材のメンテナンスが従来から行われている。なお関連する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術は、フェライト系ＣｒＭｏ鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の小径管異材溶接継手部に発生するき裂の評価により損傷度や余寿命を評価している。
特開２００３−９０５０６号公報
上述のような高強度フェライト鋼とオーステナイト系ステンレス鋼との溶接部をニッケル基合金系溶材で溶接した配管等の交換部材における溶接部の近傍の損傷等をより適切に判定しメンテナンスできる技術が求められている。
そこでこの発明は、上述の課題を解決する損傷状態判定装置、損傷状態判定方法、プログラムを提供することを目的としている。
本発明の第１の態様によれば、損傷状態判定方法は、高強度フェライト鋼材と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の前記高強度フェライト鋼材と前記溶接材料との境界の近傍における境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度を検出し、前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とに基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定することを特徴とする。
上述の損傷状態判定方法において、前記溶接鋼材における高強度フェライト鋼材側で測定された前記境界所定領域の前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とを検出し、前記クロム濃度が第一下限閾値以上であり、前記ニッケル濃度が第二下限閾値未満である場合に、前記損傷状態が前記溶接鋼材により構成された交換部材の取替えを待機する交換待機状態であると判定し、前記クロム濃度が第一下限閾値未満であり、前記ニッケル濃度が第二下限閾値以上である場合に、前記損傷状態が前記交換部材の取替検討状態であると判定してよい。
上述の損傷状態判定方法において、前記交換待機状態は、少なくとも２以上の損傷状態に分類されてよい。
上述の損傷状態判定方法において、前記交換待機状態は、経年観察を示す損傷状態、次回定期検査時に検査対象であることを示す損傷状態、次回定期検査時に取替検討することを示す損傷状態の何れか２以上の損傷状態に分類されてよい。
上述の損傷状態判定方法は、前記境界所定領域を含む画像を取得し、前記境界所定領域における界面析出物の占有領域を示す析出物領域を算出し、前記析出物領域に基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定してよい。
上述の損傷状態判定方法は、前記画像に基づいて、前記境界所定領域の炭化物の占有領域を示す炭化物面積と、金属間化合物の占有領域を示す金属間化合物面積とを算出し、前記炭化物面積と前記金属間化合物面積の大きさとに基づいて、前記境界所定領域における損傷状態を判定してよい。
上述の損傷状態判定方法は、前記炭化物面積と前記金属間化合物面積とを比較し、前記炭化物面積の大きさが前記金属間化合物面積の大きさよりも大きいか、または略等しい場合に前記交換待機状態であると判定し、前記炭化物面積の大きさが前記金属間化合物面積の大きさよりも小さい場合に、前記取替検討状態であると判定してよい。
上述の損傷状態判定方法は、前記画像から検出したフェライトバンドの成長状態に基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定してよい。
上述の損傷状態判定方法は、前記画像における前記境界所定領域のクリープボイドの発生有無に基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定してよい。
上述の損傷状態判定方法は、前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とを前記境界から第一の距離の第一の境界所定領域において検出し、前記炭化物と前記金属間化合物とを前記境界から前記第一の距離より近い第二の距離の第二の境界所定領域において検出し、前記クリープボイドを前記境界からの距離が前記第一の距離に略等しい第三の距離の第三の境界所定領域において検出してよい。
本発明の第２の態様によれば、損傷状態判定装置は、高強度フェライト鋼材と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の前記高強度フェライト鋼材と前記溶接材料との境界の近傍における境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度を検出し、前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とに基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定することを特徴とする。
本発明の第３の態様によれば、プログラムは、損傷状態判定装置のコンピュータを、高強度フェライト鋼材と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の前記高強度フェライト鋼材と前記溶接材料との境界の近傍における境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度を検出する手段、前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とに基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定する手段、として機能させることを特徴とする。
本発明によれば、高強度フェライト鋼材と他鋼材との溶接部をニッケル基合金系溶材で溶接した交換部材における溶接部の近傍の損傷状態をより適切に判定することができる。
損傷状態判定装置を含むメンテナンスシステムの構成を示す図である。 損傷状態判定装置のハードウェア構成を示す図である。 損傷状態判定装置の機能ブロック図である。 透過型電子顕微鏡から取得したＴＥＭ画像を示す図である。 走査型電子顕微鏡から取得したＳＥＭ画像を示す図である。 ＴＥＭ画像の解析結果を示すグラフである。 損傷状態の複数のステージにおけるＴＥＭ画像の状態を示す。 損傷状態に応じた現象の分類表を示す図である。 ニッケル濃度に対するクロム濃度の割合の遷移を示すグラフである。 損傷状態判定装置の処理フローを示す図である。 高強度フェライト鋼材とニッケル基合金系溶材の化学成分を示す図である。
以下、本発明の一実施形態による損傷状態判定装置を図面を参照して説明する。
図１は同実施形態による損傷状態判定装置を含むメンテナンスシステムの構成を示す図である。
この図で示すようにメンテナンスシステム１００は、損傷状態判定装置１が透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope）２、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope）３、エネルギー分散型Ｘ線分光器４と通信接続されている。
本実施形態による損傷状態判定装置１は、高強度フェライト鋼と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の前記高強度フェライト鋼における溶接材料との境界所定領域であって、ニッケル基合金系溶金から高強度フェライト鋼母材に跨った極微小な領域の分析結果を用いる。損傷状態判定装置１は当該分析結果を用いて、高強度フェライト鋼における境界所定領域のクロムの濃度とニッケルの濃度を検出する。また損傷状態判定装置１は、取得した顕微鏡画像の解析に基づいてフェライトバンドが生じているかを判定し、顕微鏡画像の解析に基づいて境界所定領域にクリープボイドが生じているかを判定し、取得した顕微鏡画像の解析に基づいて境界所定領域の界面析出物の種類とその界面析出物の占有領域を示す析出物領域を算出する。そして損傷状態判定装置１は、少なくとも境界所定領域におけるクロムの濃度と、境界所定領域におけるニッケルの濃度と、フェライトバンドと、クリープボイド、析出物領域とのうちの少なくとも３つに基づいて、境界所定領域における損傷状態を判定する。本実施形態においては所定の高強度フェライト鋼材は９％のクロムを含有する。なお所定の高強度フェライト鋼材は９％クロムから１２％クロムの範囲のクロム含有量の鋼材であってよい。一例として本実施形態における９％のクロムを含有する高強度フェライト鋼材とニッケル基合金系溶材の化学成分は図１１で示す。
図２は本実施形態による損傷状態判定装置のハードウェア構成を示す図である。
この図で示すように損傷状態判定装置１はコンピュータであり、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）１０４などの記憶部、ユーザインタフェース１０５、通信モジュール１０６、データベース装置１０７等のハードウェアによって構成されてよい。
図３は本実施形態による損傷状態判定装置の機能ブロック図である。
損傷状態判定装置１のＣＰＵ１０１はユーザ操作に基づいて、記憶している損傷状態判定プログラムを実行する。これにより損傷状態判定装置１には、制御部１１、濃度検出部１２、炭化物面積算出部１３、化合物面積算出部１４、フェライトバンド判定部１５、クリープボイド判定部１６、損傷状態判定部１７、メンテナンス管理部１８の機能部を備える。
制御部１１は各機能部を制御する。
濃度検出部１２は、高強度フェライト鋼と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の高強度フェライト鋼における溶接材料との境界所定領域であって、ニッケル基合金系溶金から高強度フェライト鋼母材に跨った極微小な領域のエネルギー分散型Ｘ線分析結果をエネルギー分散型Ｘ線分光器４から取得する。濃度検出部１２は、そのエネルギー分散型Ｘ線分析結果を用いて、高強度フェライト鋼における境界所定領域のクロムとニッケルの濃度を検出する。濃度検出部１２はその他の手法、例えば電子線マイクロアナライザーによりクロムとニッケルの濃度を検出してもよい。
炭化物面積算出部１３は、析出領域算出部の一態様であり、取得した顕微鏡画像（透過型電子顕微鏡画像や走査型電子顕微鏡画像）の解析に基づいて境界所定領域の炭化物の占有領域を示す炭化物面積を算出する。
化合物面積算出部１４は、析出領域算出部の一態様であり、取得した顕微鏡画像（透過型電子顕微鏡画像）の解析に基づいて境界所定領域の金属間化合物の占有領域を示す化合物面積を算出する。
フェライトバンド判定部１５は、顕微鏡画像（透過型電子顕微鏡画像や走査型電子顕微鏡画像や電子後方散乱解析等）の解析に基づいてフェライトバンドが生じているかを判定する。
クリープボイド判定部１６は顕微鏡画像（走査型電子顕微鏡画像や光学顕微鏡画像等）の解析に基づいて境界所定領域にクリープボイドが生じているかを判定する。
損傷状態判定部１７は高強度フェライト鋼における境界所定領域における損傷状態を判定する。
メンテナンス管理部１８は損傷状態に基づいてユーザにメンテナンス情報を出力する。
図４は透過型電子顕微鏡から取得したＴＥＭ画像を示す図である。
図４で示すＴＥＭ画像Ｇ１において破線で示す境界Ｌ１より左側の領域が高強度フェライト鋼を示す。また境界Ｌ１付近より右側の領域がニッケル基合金系溶材を示す。境界Ｌ１は高強度フェライト鋼とニッケル基合金系溶材の境界を示す。図４で示すＴＥＭ画像Ｇ１は、高強度フェライト鋼とオーステナイト系ステンレス鋼との溶接部をニッケル基合金系溶材で溶接した配管の交換部材（溶接鋼材）の当該溶接部を透過型電子顕微鏡２が撮影した画像である。そしてこのＴＥＭ画像Ｇ１においては図４で示すようにＴＥＭ画像Ｇ１の境界Ｌ１より左側領域には、金属間化合物Ｏ１や、炭化物・炭窒化物（以下、単に炭化物Ｏ２と呼ぶ）の析出が検出できる。なお図４で示すＴＥＭ画像Ｇ１は溶接部の損傷状態がある程度進行している場合の例であり、この場合、高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近にその境界Ｌ１に沿って、炭化物Ｏ２や金属間化合物Ｏ１が析出することが確認できる。この金属間化合物Ｏ１が析出する領域は高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近の領域である。損傷状態判定装置１は、ＴＥＭ画像Ｇ１を用いて境界Ｌ１から所定の第一の距離離れた第一の境界所定領域ａ１をエネルギー分散型Ｘ線分析により解析した結果を取得し、その結果からクロム濃度とニッケル濃度を測定する。なお炭化物Ｏ２はＭ２３Ｃ６、金属間化合物Ｏ１は一例としてＧ相に含まれる化合物である。また損傷状態判定装置１は、境界Ｌ１から所定の第二の距離離れた第二の境界所定領域ａ２を画像解析し、炭化物Ｏ２と金属間化合物Ｏ１の面積を算出する。第二の境界所定領域ａ２は第一の境界所定領域ａ１よりも境界Ｌ１に距離が近い位置に設定される。第一の境界所定領域ａ１や第二の境界所定領域ａ２の境界からの距離や大きさは予め計測により推定されている。
図５は走査型電子顕微鏡から取得したＳＥＭ画像を示す図である。
図５で示すＳＥＭ画像Ｇ２において破線で示す境界Ｌ２より左側の領域が高強度フェライト鋼を示す。また境界Ｌ２より右側の領域がニッケル基合金系溶材を示す。図５で示すＳＥＭ画像Ｇ２は、高強度フェライト鋼とオーステナイト系ステンレス鋼との溶接部をニッケル基合金系溶材で溶接した配管の交換部材（溶接鋼材）の当該溶接部を走査型電子顕微鏡３が撮影した画像である。このＳＥＭ画像Ｇ２においてはＴＥＭ画像Ｇ１と同様に、溶接部の損傷状態がある程度進行している場合の例である。このようなＳＥＭ画像Ｇ２には境界Ｌ２より左側領域には、クリープボイドＯ３が出現することが確認できる。このクリープボイドＯ３が出現する領域は高強度フェライト鋼側の境界Ｌ２付近の第三の境界所定領域ａ３である。第三の境界所定領域ａ３の境界Ｌ１から第三の距離離れる。第三の境界所定領域ａ３の境界Ｌ１からの距離や大きさは予め計測により推定されている。なお第一の境界所定領域ａ１と第三の境界所定領域ａ３の境界Ｌ１を基準とした位置は略等しい距離に設定された位置であってよい。図５において境界Ｌ２と第三の境界所定領域ａ３との間には第二の境界所定領域ａ２が位置する。この第二の境界所定領域ａ２には交換部材が高温化での経年使用されることにより、上述したように金属間化合物Ｏ１や、炭化物Ｏ２が析出する。
図６はＴＥＭ画像の解析結果を示すグラフである。
図６の左側の縦に並ぶ３つの画像はそれぞれ、下から順に未使用の交換部材（第一ステージ（Ｉ）の交換部材）の溶接部のＴＥＭ画像Ｇ１−１、そのＴＥＭ画像Ｇ１−１に対応するニッケル濃度グラフ画像Ｇ１−１１、クロム濃度グラフ画像Ｇ１−１２を示す。ニッケル濃度グラフ画像Ｇ１−１１は、ＴＥＭ画像Ｇ１−１における左右方向の位置が同じ位置の画素のニッケル濃度の、縦方向の各画素の統計値を示す。統計値は平均値であってよい。クロム濃度グラフ画像Ｇ１−１２は、ＴＥＭ画像Ｇ−１における左右方向の位置が同じ位置の画素のクロム濃度の、縦方向の各画素の統計値を示す。統計値は平均値であってよい。
図６右側の縦に並ぶ３つの画像はそれぞれ、下から順に損傷状態が進行した交換部材（第四ステージ（ＩＶ）の交換部材）の溶接部のＴＥＭ画像Ｇ１−２、そのＴＥＭ画像Ｇ１−２に対応するニッケル濃度グラフ画像Ｇ１−２１、クロム濃度グラフ画像Ｇ１−２２を示す。ニッケル濃度グラフ画像Ｇ１−２１は、ＴＥＭ画像Ｇ１−２における左右方向の位置が同じ位置の画素のニッケル濃度の、縦方向の各画素の統計値を示す。統計値は平均値であってよい。クロム濃度グラフ画像Ｇ１−２２は、ＴＥＭ画像Ｇ１における左右方向の位置が同じ位置の画素のクロム濃度の、縦方向の各画素の統計値を示す。統計値は平均値であってよい。
画像Ｇ１−１１と画像Ｇ１−２１との比較、および画像Ｇ１−１２と画像Ｇ１−２２との比較をすると分かるように、損傷進行状態のニッケルおよびクロムの各濃度が、高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近で未使用状態と比較して高くなっている。なお画像Ｇ１−２１における高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近でニッケルの値が高くピークを示し、また、画像Ｇ１−２２高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近でクロムの値が高くピークを示しているが、これはＧ相に含まれる金属化合物の析出に基づくものである。また画像Ｇ１−１２および画像Ｇ１−２２の比較、画像Ｇ１−１１および画像Ｇ１−２１の比較により、損傷進行状態においては、高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近でクロム濃度が低下し、ニッケル濃度が高くなっていることが判定できる。高強度フェライト鋼材とニッケルを含有する溶接材料との境界では高温経年使用に伴いクロムとニッケルが溶接材料から高強度フェライト鋼材側に拡散する。これに伴い境界Ｌ１近傍の高強度フェライト鋼材側で炭化物Ｏ２やクロムやニッケルを主成分とする金属間化合物Ｏ１が析出し、この析出物周囲の高強度フェライト鋼材でクロム濃度が低下する。また、溶接材料からのニッケルの拡散により、高強度フェライト鋼材のニッケル濃度が全体的に上昇する。このように境界所定領域（第二の境界所定領域ａ２）のクロムとニッケルの濃度変化は損傷状態と相関があるため、当該境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度を検出することで当該部の損傷状態を判定する事ができる。
図７は損傷状態の複数のステージにおけるＴＥＭ画像の状態を示す。
図７では、交換部材の溶接部の損傷状態を、第一ステージ（Ｉ）から第四ステージ（ＩＶ）の４つのステージに区分した場合の各ステージにおけるＴＥＭ画像Ｇ１の状態を示す。
第一ステージ（Ｉ）５１は、交換部材の未使用状態におけるＴＥＭ画像Ｇ１を示しており、境界Ｌ１より左側領域の高強度フェライト鋼側において、境界Ｌ１付近にその境界Ｌ１に沿って、炭化物Ｏ２の析出が確認できる。また第一ステージ（Ｉ）５１のＴＥＭ画像Ｇ１では高強度フェライト鋼の領域全体においても炭化物Ｏ２が分散して現れる。
第二ステージ（ＩＩ）５２は、交換部材の高温環境での使用後における初期の損傷状態のＴＥＭ画像Ｇ１を示しており、境界Ｌ１より左側領域の高強度フェライト鋼側において、境界Ｌ１付近にその境界Ｌ１に沿って、炭化物Ｏ２とともに金属間化合物Ｏ１の析出が確認できる。また第二ステージ（ＩＩ）５２のＴＥＭ画像Ｇ１では高強度フェライト鋼の領域において炭化物Ｏ２が第一ステージ（Ｉ）５１のＴＥＭ画像Ｇ１と比較して減少している。具体的には、境界Ｌ１付近にその境界に沿って金属間化合物Ｏ１が析出するものの、炭化物Ｏ２の面積は、金属間化合物Ｏ１の面積より大きい（炭化物面積≧金属間化合物面積）。また第二ステージ（ＩＩ）５２においては高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近において軽微なフェライトバンドが生成されている。
第三ステージ（ＩＩＩ）５３は、交換部材の高温環境での使用による損傷状態が第二ステージ（ＩＩ）５２よりも進行した場合のＴＥＭ画像Ｇ１を示している。当該ＴＥＭ画像Ｇ１は、境界Ｌ１より左側領域の高強度フェライト鋼側において、境界Ｌ１付近にその境界Ｌ１に沿って、炭化物Ｏ２とともに金属間化合物Ｏ１の析出が確認でき、この金属間化合物Ｏ１の面積が第二ステージ（ＩＩ）５２よりも増加する。また第三ステージ（ＩＩＩ）５３のＴＥＭ画像Ｇ１では高強度フェライト鋼の領域において炭化物Ｏ２が第二ステージ（ＩＩ）５２のＴＥＭ画像Ｇ１と比較して減少している。具体的には、依然として第二の実施形態と同様に、境界Ｌ１付近にその境界Ｌ１に沿って析出する炭化物Ｏ２の面積が、金属間化合物Ｏ１の面積より大きい（炭化物面積≧金属間化合物面積）。また第三ステージ（ＩＩＩ）５３においては高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近においてフェライトバンドが成長、粗大化する。さらに第三ステージ（ＩＩＩ）５３においてはＳＥＭ画像Ｇ２からクリープボイドが発生していることを検出することができる。
第一ステージ（Ｉ）５１、第二ステージ（ＩＩ）５２、第三ステージ（ＩＩＩ）５３における境界所定領域におけるクロム濃度は面積当たり８％以上である。また第一ステージ（Ｉ）５１、第二ステージ（ＩＩ）５２、第三ステージ（ＩＩＩ）５３における境界所定領域におけるニッケル濃度は面積当たり０．４％未満である。
第四ステージ（ＩＶ）５４は、交換部材の高温環境での使用による損傷状態が第三ステージ（ＩＩＩ）５３よりも進行した場合のＴＥＭ画像Ｇ１を示している。当該ＴＥＭ画像Ｇ１も第三ステージ（ＩＩＩ）５３と同様に、境界Ｌ１より左側領域の高強度フェライト鋼側において、境界Ｌ１付近にその境界Ｌ１に沿って、炭化物Ｏ２とともに金属間化合物Ｏ１の析出が確認でき、この金属間化合物Ｏ１の面積が第三ステージ（ＩＩＩ）５３よりも増加する。また第四ステージ（ＩＶ）５４のＴＥＭ画像Ｇ１では高強度フェライト鋼の領域において炭化物Ｏ２が第二ステージ（ＩＩ）５２、第三ステージ（ＩＩＩ）５３のＴＥＭ画像Ｇ１と比較して減少している。具体的には、境界Ｌ１付近にその境界Ｌ１に沿って析出する金属間化合物Ｏ１の面積が、炭化物Ｏ２の面積より大きくなる。また第四ステージ（ＩＶ）５４においては高強度フェライト鋼側の境界Ｌ１付近においてフェライトバンドが成長、粗大化する。また第四ステージ（ＩＶ）５４においてはＳＥＭ画像Ｇ２からクリープボイドが検出でき、このクリープボイドの面積は第四ステージ（ＩＶ）５４のクリープボイドの面積よりも大きい。
第四ステージ（ＩＶ）５４における境界所定領域におけるクロム濃度は面積当たり８％未満である。また第四ステージ（ＩＶ）５４における境界所定領域におけるニッケル濃度は面積当たり０．４％以上となる。
図８は損傷状態に応じた現象の分類表を示す図である。
この図が示すように、第一ステージ（Ｉ）５１では、境界所定領域の界面析出物は炭化物Ｏ２、フェライトバンド無し、クリープボイド無し、クロム濃度８．０％以上、ニッケル濃度０．４％未満となる。
第二ステージ（ＩＩ）５２では、境界所定領域の界面析出物は炭化物Ｏ２と金属間化合物Ｏ１、フェライトバンド生じているが低成長・非粗大、クリープボイド無し、クロム濃度８．０％以上、ニッケル濃度０．４％未満となる。なお第二ステージ（ＩＩ）５２において境界所定領域の界面析出物の面積は炭化物面積≧金属間化合物面積となる。
第三ステージ（ＩＩＩ）５３では、境界所定領域の界面析出物は炭化物Ｏ２と金属間化合物Ｏ１、フェライトバンド成長・粗大化、クリープボイド有り、クロム濃度８．０％以上、ニッケル濃度０．４％未満となる。なお第三ステージ（ＩＩＩ）５３において境界所定領域の界面析出物の面積は炭化物面積≧金属間化合物面積となる。
第四ステージ（ＩＶ）５４では、境界所定領域の界面析出物は炭化物Ｏ２と金属間化合物Ｏ１、フェライトバンド成長・粗大化、クリープボイド有り、クロム濃度８．０％未満、ニッケル濃度０．４％以上となる。なお第四ステージ（ＩＶ）５４において境界所定領域の界面析出物の面積は炭化物面積＜金属間化合物面積となる。
なお本実施形態において境界Ｌ１の近傍の高強度フェライト鋼側の表面に析出する金属間化合物Ｏ１炭化物Ｏ２を界面析出物と定義する。
図９はニッケル濃度に対するクロム濃度の割合の遷移を示すグラフである。
この図で示すようにニッケル濃度に対するクロム濃度の割合が低下すると、クリープ強度が減少し、損傷状態が進行する。
図１０は損傷状態判定装置の処理フローを示す図である。
次に損傷状態判定装置の処理フローについて順を追って説明する。
損傷状態判定装置１は透過型電子顕微鏡２よりＴＥＭ画像Ｇ１を取得する（ステップＳ１０１）。損傷状態判定装置１は走査型電子顕微鏡３からＳＥＭ画像Ｇ２を取得する（ステップＳ１０２）。なお、ＳＥＭ画像Ｇ２を取得した後にＴＥＭ画像Ｇ１を取得してもよい。損傷状態判定装置１の制御部１０は解析者からの操作に基づいて損傷状態判定処理を開始する。
損傷状態判定処理の開始後、濃度検出部１２はＴＥＭ画像Ｇ１を取得する。濃度検出部１２はＴＥＭ画像Ｇ１の画像処理により、その色の画素値から高強度フェライト鋼と、ニッケル基合金系溶材の境界Ｌ１を検出する。濃度検出部１２はその境界Ｌ１に基づいて図４で示す第一の境界所定領域ａ１を特定し、エネルギー分散型Ｘ線分光器４に第一の境界所定領域ａ１の座標を出力する。なお第一の境界所定領域ａ１の特定は境界Ｌ１の位置に基づいて予め定められた距離や範囲に基づいて特定されてよいし、過去のデータを用いて特定されてもよい。エネルギー分散型Ｘ線分光器４は第一の境界所定領域ａ１の元素濃度プロファイルを生成し、その元素濃度プロファイルを損傷状態判定装置１へ出力する。濃度検出部１２は元素濃度プロファイルを用いて図４で示す第一の境界所定領域a１のクロム濃度とニッケル濃度を検出する（ステップＳ１０３）。なお高強度フェライト鋼やニッケル基合金系溶材の画素値、は予め実験等で定まっている。
濃度検出部１２は、ＴＥＭ画像Ｇ１に基づいて、図６で示すようなニッケル濃度グラフ画像Ｇ１−１１，Ｇ１−２１と、クロム濃度グラフ画像Ｇ１−１２，Ｇ１−２２とを作成してもよい。また濃度検出部１２は、それらニッケル濃度グラフ画像Ｇ１−１１，Ｇ１−２１と、クロム濃度グラフ画像Ｇ１−１２，Ｇ１−２２とをモニタに出力するようにしてもよい。
損傷状態判定部１７はクロム濃度とニッケル濃度が第四ステージを示す所定の濃度範囲に含まれるかを判定する（ステップＳ１０４）。具体的には損傷状態判定部１７は、クロム濃度８．０％（第一下限閾値）未満かつニッケル濃度が０．４％（第二下限閾値）以上かを判定する。損傷状態判定部１７はクロム濃度８．０％未満かつニッケル濃度が０．４％以上である場合には交換部材の溶接部の損傷状態が第四ステージ（ＩＶ）であると判定する（ステップＳ１０５）。第四ステージ（ＩＶ）は取替検討状態に該当する。なおクロム濃度８．０％（第一下限閾値）以上かつニッケル濃度が０．４％（第二下限閾値）未満である場合には第一ステージ（Ｉ）から第三ステージ（ＩＩＩ）の何れかの損傷状態となり、以下のように判定する。第一ステージ（Ｉ）から第三ステージ（ＩＩＩ）は損傷判定対象である交換部材の交換待機状態の例である。交換待機状態は少なくとも２以上の損傷状態に分類されてよい。
炭化物面積算出部１３は、既に検出された境界Ｌ１に基づいて図４で示す第二の境界所定領域ａ２を特定する。第二の境界所定領域ａ２の特定も境界Ｌ１の位置に基づいて予め定められた距離や範囲に基づいて特定されてよいし、過去のデータを用いて特定されてもよい。第二の境界所定領域ａ２は損傷状態が進むにつれて金属間化合物Ｏ１が析出する領域である。炭化物面積算出部１３は、この第二の境界所定領域ａ２の各画素値に基づいて、炭化物Ｏ２の面積を算出する（ステップＳ１０６）。第二の境界所定領域ａ２は損傷状態が進むにつれて金属間化合物Ｏ１が析出する領域でもある。化合物面積算出部１４は、この第二の境界所定領域ａ２の各画素値に基づいて、金属間化合物Ｏ１の面積を算出する（ステップＳ１０７）。なお炭化物Ｏ２や金属間化合物Ｏ１の画素値、は予め実験等で定まっている。
損傷状態判定部１７は第二の境界所定領域ａ２における金属間化合物Ｏ１の面積率に基づいて金属間化合物Ｏ１の面積率が第一ステージ（Ｉ）を示す所定の面積率未満かを判定する（ステップＳ１０８）。損傷状態判定部１７は金属間化合物Ｏ１の面積率が第一ステージ（Ｉ）を示す所定の面積率未満である場合、交換部材の溶接部の損傷状態が第一ステージ（Ｉ）であると判定する（ステップＳ１０９）。第一ステージ（Ｉ）は交換待機状態（経年観察）に該当する。
次にフェライトバンド判定部１５は、ＴＥＭ画像Ｇ１に基づいて、境界Ｌ１近傍の領域にフェライトバンドが生じているかを判定する。またフェライトバンド判定部１５は、フェライトバンドが生じていると判定した場合、フェライトバンド判定部１５は、ＴＥＭ画像Ｇ１から得られるフェライトバンドが成長・粗大化しているかを判定する（ステップＳ１１０）。これらの判定には例えばフェライトバンド判定部１５は画像に基づいて機械学習の手法やパターン認識の手法を用いて画像中にフェライトバンドが生じているか、また、フェライトバンドが成長・粗大化しているかを判定するようにしてよい。
またクリープボイド判定部１６は、ＳＥＭ画像Ｇ２に基づいて境界Ｌ１を検出するとともに、その境界Ｌ１に基づいて図５で示す第三の境界所定領域ａ３を特定する。そしてクリープボイド判定部１６は、境界Ｌ１近傍の第三の境界所定領域ａ３にクリープボイドが生じているかを判定する（ステップＳ１１１）。この判定には例えばクリープボイド判定部１６はＳＥＭ画像Ｇ２の画素値に基づいてＳＥＭ画像Ｇ２中の第三の境界所定領域ａ３にクリープボイドが生じているかを判定するようにしてよい。
損傷状態判定部１７はフェライトバンドが成長・粗大化しているかの判定結果と、クリープボイドが発生しているかの判定結果とに基づいて、交換部材の溶接部の損傷状態が第二ステージ（ＩＩ）か第三ステージ（ＩＩＩ）かを判定する（ステップＳ１１２）。具体的には、損傷状態判定部１７はクリープボイドが発生していない場合には損傷状態が第二ステージ（ＩＩ）であると判定する（ステップＳ１１３）。第二ステージ（ＩＩ）は交換待機状態（次回定期検査時の検査対象）に該当する。また損傷状態判定部１７はフェライトバンドが成長・粗大化している場合には交換部材の溶接部の損傷状態が第三ステージ（ＩＩＩ）であると判定する（ステップＳ１１４）。第三ステージ（ＩＩＩ）は交換待機状態（次回定期検査時の取替対象）に該当する。
このように、損傷状態判定部１７は、第一の境界所定領域ａ１におけるクロム濃度、ニッケル濃度、第二の境界所定領域ａ２における炭化物Ｏ２の面積、金属間化合物Ｏ１の面積、フェライトバンドの有無、フェライトバンドの成長状態、クリープボイドの有無の各情報を取得し、それらの情報に基づいて、損傷状態が第一ステージ（Ｉ）５１〜第四ステージ（ＩＶ）５４の何れであるかを判定する。損傷状態判定部１７は判定結果である第一ステージ（Ｉ）５１〜第四ステージ（ＩＶ）の何れの判定結果であるかの情報をモニタ等に出力するようにしてもよい。
損傷状態判定部１７は、第二の境界所定領域ａ２における界面析出物が炭化物Ｏ２のみ（または金属間化合物Ｏ１が所定面積以下）であり、フェライトバンド無し、クリープボイド無し、第一の境界所定領域ａ１においてクロム濃度８％以上、第一の境界所定領域ａ１においてニッケル濃度０．４％未満である場合には交換部材の溶接部の損傷状態が第一ステージ（Ｉ）であると判定する。損傷状態判定部１７これらの情報のうちの何れか一つまたは複数を用いて交換部材の溶接部の損傷状態が第一ステージ（Ｉ）であると判定してよい。
損傷状態判定部１７は、第二の境界所定領域ａ２において、界面析出物である炭化物Ｏ２と金属間化合物Ｏ１の面積が炭化物面積≧金属間化合物面積、フェライトバンド出現（軽微）、クリープボイド無し、第一の境界所定領域ａ１においてクロム濃度８％以上、第一の境界所定領域ａ１においてニッケル濃度０．４％未満である場合には交換部材の溶接部の損傷状態が第二ステージ（ＩＩ）であると判定する。損傷状態判定部１７これらの情報のうちの何れか一つまたは複数を用いて交換部材の溶接部の損傷状態が第二ステージ（ＩＩ）であると判定してよい。
損傷状態判定部１７は、第二の境界所定領域ａ２において、界面析出物が炭化物Ｏ２と金属間化合物Ｏ１の面積が炭化物面積≧金属間化合物面積、フェライトバンドの状態が成長・粗大化、クリープボイド有り、第一の境界所定領域ａ１においてクロム濃度８％以上、第一の境界所定領域ａ１においてニッケル濃度０．４％未満である場合には交換部材の溶接部の損傷状態が第三ステージ（ＩＩＩ）であると判定する。損傷状態判定部１７はこれらの情報のうちの何れか一つまたは複数を用いて交換部材の溶接部の損傷状態が第三ステージ（ＩＩＩ）であると判定してよい。
損傷状態判定部１７は、第二の境界所定領域ａ２において、界面析出物が炭化物Ｏ２と金属間化合物Ｏ１の面積が炭化物面積＜金属間化合物面積、フェライトバンドの状態が成長・粗大化、クリープボイド有り、第一の境界所定領域ａ１においてクロム濃度８％未満、第一の境界所定領域ａ１においてニッケル濃度０．４％以上である場合には交換部材の溶接部の損傷状態が第四ステージ（ＩＶ）であると判定する。損傷状態判定部１７これらの情報のうちの何れか一つまたは複数を用いて交換部材の溶接部の損傷状態が第四ステージ（ＩＶ）であると判定してよい。
メンテナンス管理部１８は、各交換部材の検査年月日を予めデータベースに格納している。メンテナンス管理部１８は、ユーザから入力された上記処理の対象となる交換部材のＩＤを取得する。メンテナンス管理部１８はデータベースから交換部材のＩＤに紐づいて記録されている次回の検査年月日に、さらに、損傷状態に応じたメンテナンス管理情報を記録する（ステップＳ１１５）。例えばメンテナンス管理部１８は、損傷状態が第一ステージ（Ｉ）である場合には、「経年観察」の情報を交換部材のＩＤに対応づけて記録する。メンテナンス管理部１８は、損傷状態が第二ステージ（ＩＩ）である場合には、「次回定期検査時に再検査」の情報を交換部材のＩＤに対応づけて記録する。メンテナンス管理部１８は、損傷状態が第三ステージ（ＩＩＩ）である場合には、「次回定期検査時に取り換え検討」の情報を交換部材のＩＤに対応づけて記録する。メンテナンス管理部１８は、損傷状態が第四ステージ（ＩＶ）である場合には、「次回検査時に取り換え検討」の情報（取替検討状態）を交換部材のＩＤに対応づけて記録する。つまり上述の損傷状態判定装置１の処理は、炭化物面積の大きさが金属間化合物面積の大きさよりも大きいか、または略等しい場合に交換待機状態であると判定し、炭化物面積の大きさが金属間化合物面積の大きさよりも小さい場合に、取替検討状態であると判定している。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の処理によれば、高強度フェライト鋼と他鋼材との溶接部をニッケル基合金系溶材で溶接した交換部材における溶接部の近傍の損傷状態をより適切に判定することができる。
上述の損傷状態判定装置１は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
１・・・損傷状態判定装置
１１・・・制御部
１２・・・濃度検出部
１３・・・炭化物面積算出部
１４・・・化合物面積算出部
１５・・・フェライトバンド判定部
１６・・・クリープボイド判定部
１７・・・損傷状態判定部
１８・・・メンテナンス管理部

Claims (12)

  1. 高強度フェライト鋼材と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の前記高強度フェライト鋼材と前記溶接材料との境界の近傍における境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度を検出し、
    前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とに基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定する
    損傷状態判定方法。
  2. 前記溶接鋼材における高強度フェライト鋼材側で測定された前記境界所定領域の前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とを検出し、
    前記クロム濃度が第一下限閾値以上であり、前記ニッケル濃度が第二下限閾値未満である場合に、前記損傷状態が前記溶接鋼材により構成された交換部材の取替えを待機する交換待機状態であると判定し、
    前記クロム濃度が第一下限閾値未満であり、前記ニッケル濃度が第二下限閾値以上である場合に、前記損傷状態が前記交換部材の取替検討状態であると判定する
    請求項１に記載の損傷状態判定方法。
  3. 前記交換待機状態は、少なくとも２以上の損傷状態に分類される
    請求項２に記載の損傷状態判定方法。
  4. 前記交換待機状態は、経年観察を示す損傷状態、次回定期検査時に検査対象であることを示す損傷状態、次回定期検査時に取替検討することを示す損傷状態の何れか２以上の損傷状態に分類される
    請求項３に記載の損傷状態判定方法。
  5. 前記境界所定領域を含む画像を取得し、
    前記境界所定領域における界面析出物の占有領域を示す析出物領域を算出し、
    前記析出物領域に基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定する
    請求項２から請求項４の何れか一項に記載の損傷状態判定方法。
  6. 前記画像に基づいて、前記境界所定領域の炭化物の占有領域を示す炭化物面積と、金属間化合物の占有領域を示す金属間化合物面積とを算出し、
    前記炭化物面積と前記金属間化合物面積の大きさとに基づいて、前記境界所定領域における損傷状態を判定する
    請求項５に記載の損傷状態判定方法。
  7. 前記炭化物面積と前記金属間化合物面積とを比較し、
    前記炭化物面積の大きさが前記金属間化合物面積の大きさよりも大きいか、または略等しい場合に前記交換待機状態であると判定し、
    前記炭化物面積の大きさが前記金属間化合物面積の大きさよりも小さい場合に、前記取替検討状態であると判定する
    請求項６に記載の損傷状態判定方法。
  8. 前記画像から検出したフェライトバンドの成長状態に基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定する
    請求項６または請求項７に記載の損傷状態判定方法。
  9. 前記画像における前記境界所定領域のクリープボイドの発生有無に基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定する
    請求項６から請求項８の何れか一項に記載の損傷状態判定方法。
  10. 前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とを前記境界から第一の距離の第一の境界所定領域において検出し、
    前記炭化物と前記金属間化合物とを前記境界から前記第一の距離より近い第二の距離の第二の境界所定領域において検出し、
    前記クリープボイドを前記境界からの距離が前記第一の距離に略等しい第三の距離の第三の境界所定領域において検出する
    請求項９に記載の損傷状態判定方法。
  11. 高強度フェライト鋼材と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の前記高強度フェライト鋼材と前記溶接材料との境界の近傍における境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度を検出し、
    前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とに基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定する
    損傷状態判定装置。
  12. 損傷状態判定装置のコンピュータを、
    高強度フェライト鋼材と他鋼材とがニッケルを含有する溶接材料によって溶接された溶接鋼材の前記高強度フェライト鋼材と前記溶接材料との境界の近傍における境界所定領域のクロム濃度とニッケル濃度を検出する手段、
    前記クロム濃度と前記ニッケル濃度とに基づいて前記境界所定領域における損傷状態を判定する手段、
    として機能させるプログラム。
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