JP3303944B2 - 温度加速試験によるクリープ寿命評価法 - Google Patents

温度加速試験によるクリープ寿命評価法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、温度加速試験による
クリープ寿命評価法に関し、実機での破壊形態と同じ条
件で短時間に寿命評価ができるとともに、直線的な関係
から寿命を求めることができるようにしたのもである。
【0002】
【従来の技術】高温環境や高温高圧環境下で使用される
火力発電プラントのボイラ部材や原子力発電プラントの
部材などは、このような環境下で長期間使用すると、ク
リープ損傷やクリープ疲労損傷などの経年劣化損傷が生
じる。
【0003】このためボイラ部材などを長期間安全に使
用するためには、これまでに受けたクリープ損傷を計測
して寿命や余寿命を評価する必要がある。特に、高度成
長期に建設され設計寿命を迎えつつある発電プラント
を、近年の電力需要の高まりや新規発電プラントの立地
困難のために、その寿命を延伸して電力の安定供給を図
ろうとする場合には、一層余寿命の評価が重要となると
ともに、原子力プラントなどの安全管理上も寿命や余寿
命の評価が重要である。
【0004】従来、ボイラ部材などの損傷は、実機の設
計条件や運転履歴などに基づいて、応力解析を行って推
定したり、伝熱管のように実機から抜き取った管で試験
片を作り、実験室で加速試験を行って推定することが行
われていた。
【0005】これまでの加速試験では、実機での運転条
件より大きな試験応力を加えてクリープ試験を行って各
試験応力に対するクリープ破断時間を求め、応力とラー
ソンミラーパラメータとで整理し、得られた試験値から
曲線による相関関係を求めて実機でのクリープ破断時間
を推定することが行われている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、応力加速試
験を行うと、破断形態が粒内破断となって実機で起こる
粒界破断と異なるため、得られるクリープ破断時間やこ
れらから推定する実機の破断時間に対する誤差が大きく
なってしまうという問題がある。
【0007】また、応力加速試験を行って応力とラーソ
ンミラーパラメータとで整理した場合には、直線的な関
係で求めることができず、曲線的な相関関係が求められ
るだけであり、曲線の引き方によってクリープ破断時間
に大きな誤差が生じてしまうという問題がある。
【0008】この発明はかかる従来技術の課題に鑑みて
なされたもので、実機での破断形態と同じ状態で短時間
に加速試験ができ、しかもクリープ破断時間との間に直
線的な相関関係を求めることができる温度加速試験によ
る寿命評価法を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明の請求項1記載の温度加速試験による寿命
評価法は、クリープ延性材料に対して温度加速試験を行
ってクリープ寿命を評価するに際し、被評価部から採取
した試料に対して実機での使用温度より高い複数の試験
温度でクリープ試験を行って各試験温度とクリープ破断
が生じる寿命時間及び破断伸びとの直線的な関係を求め
た後、これら複数の試験結果を直線的に延長して実機温
度における破断伸びεr0を求め、この実機温度における
破断伸びεr0と各試験温度における破断伸びεr1との比
εr0/εr1を用いて各試験温度の破断時間tr を補正し
て各試験温度に対する補正した破断時間trcorr =(ε
r0/εr1)・tr を求めた後、これら各試験温度に対す
る補正した破断時間trcorrを直線的に延長して実機温
度におけるクリープ寿命時間を求めることを特徴とする
ものである。
【0010】
【0011】
【作用】この発明の請求項1記載の温度加速試験による
クリープ寿命評価法によれば、クリープ延性材料では、
試験温度を変えることによる影響が破断伸びなどに現れ
ることが実験的に得られたことから、被評価部から採取
した試料に対して実機での使用温度より高い複数の試験
温度でクリープ試験を行って各試験温度とクリープ破断
が生じる寿命時間及び破断伸びとの関係を求めるように
し、得られた複数の試験結果を直線的に延長して実機温
度における破断伸びεr0を求めておき、この実機温度に
おける破断伸びεr0と各試験温度における破断伸びεr1
との比εr0/εr1を用いて各試験温度の破断時間tr を
補正して各試験温度に対する補正した破断時間trcorr
=(εr0/εr1)・tr を求めるようにしており、これ
ら各試験温度に対する補正した破断時間trcorr を直線
的に延長するようにして、実機温度におけるクリープ寿
命時間を求めるようにしている。
【0012】
【0013】この発明により、実機での破断形態と同じ
状態で短時間に加速試験ができ、しかもクリープ破断時
間との間に直線的な相関関係を求めてクリープ延性材料
寿命を高精度に評価することができるようになる。
【0014】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図面を参照しな
がら詳細に説明する。図1はこの発明の温度加速試験に
よるクリープ寿命評価法の一実施例の原理を示すフロー
チャートであり、(A)にクリープ脆性材による参考例
を、(B)にこの発明のクリープ延性材の場合をそれぞ
表すものである。
【0015】この温度加速試験によるクリープ寿命評価
法では、まず、被評価材を実機などから採取した後、実
機と同一の応力を付加した状態で実機での使用温度より
高い温度で試験を行って、各試験温度における硬さ、破
断伸びや破断時間を求めておき、試験温度に対する硬さ
との関係、試験温度に対する破断伸びとの関係や試験温
度に対する破断時間との関係から直線的な関係を求めて
実機温度での寿命を評価するものであり、被評価材料を
クリープ脆性材とクリープ延性材に別けてそれぞれを評
価するようにし、クリープ延性材に対しては破断伸びの
影響を除くため補正するようにしている。
【0016】以下に具体例とともに、説明する。 (1) 被評価部からの試料の採取は、ボイラ部材な
どから直接大きな試料を切り出して試験片を作成した
り、長さが7mm程度で平行部の直径が2mm程度のミニチ
ュアの試料を切り出してつかみ部を溶接して試験片を作
成する。
【0017】(2) こうして得られた試験片に対し
て実機と同一の応力を付加した状態で、実機での使用温
度より高い温度で試験を行う(温度加速試験)。
【0018】この場合の試験温度は、実機での破断形態
と同一となるような温度範囲であり、使用材料により適
宜選択されるが、たとえばボイラ部材である18Cr −
8Ni 鋼(クリープ脆性材)や2.25Cr −1Mo 鋼
(クリープ延性材)では、実機での使用温度が550℃
である場合に、加速試験温度をクリープ延性材に対して
は600〜700℃、またクリープ脆性材に対しては7
30〜830℃としてこれら範囲内で複数の温度でクリ
ープ試験が行われる。
【0019】そして、各試験温度においてクリープ試験
が行われ、破断時間および破断伸びが測定される。
【0020】(3) こうして得られた各試験温度に
おける破断時間および破断伸びはクリープ脆性材とクリ
ープ延性材に別けてそれぞれ評価される。
【0021】 (A) 参考例としてのクリープ脆性材の場合(たとえ
ば18Cr −8Ni鋼など) クリープ脆性材では、試験温度に対する硬さの関係
および試験温度に対する破断伸びに対する関係を求める
と、たとえば図2に示すように表すことができ、温度の
影響が全く無いことが分かる。
【0022】また、科学技術庁金属材料研究所(NRI
M)で行われた同一材料の実機温度での破断伸びの実験
値も、今回の温度加速試験の実験値の延長線上にあり、
試験温度を変えることによる影響がないことから、温度
加速試験による実験値を直線的に延長して実機温度での
破断伸びの値を推定して求めることができるとともに、
破断伸びの影響がないことも分かる。
【0023】 そこで、試験温度に対する破断時間の
関係を求めると、図3に示すようになり、各試験温度の
破断時間を結ぶと1本の直線を引くことができ、この直
線を用いて実機温度での破断時間を推定することができ
る。
【0024】なお、こうして温度加速試験から推定した
実機温度の破断時間と、NRIMでの実機温度で求めた
実験値と一致している。
【0025】 したがって、クリープ脆性材の被評価
部から試料を採取し、これを用いて温度加速試験を行
い、得られた各試験温度における破断時間の関係から直
線関係を見出だし、この直線を用いて実機温度の破断時
間を推定することがでる。
【0026】こうしてクリープ脆性材の破断時間が分か
れば、その寿命を評価することができる。
【0027】 (B) この発明の実施例のクリープ延性材の場合(た
とえば2.25Cr−1Mo 鋼など) クリープ延性材では、試験温度に対する硬さの関係
および試験温度に対する破断伸びに対する関係を求める
と、たとえば図4に示すように表すことができ、破断伸
びに温度の影響が大きく表れることが分かる。
【0028】 しかし、この場合の試験温度と破断面
伸びとの間には、直線関係があることが分かり、この直
線の延長上にNRIMで行われた同一材料の実機温度で
の破断伸びの実験値も乗ることから、温度加速試験によ
って得られる実験値を結ぶ直線関係を求めることで、実
機温度での破断伸びを推定することができる。
【0029】 一方、試験温度に対する破断時間の関
係を求めると、図5に示すようになり、各試験温度の破
断時間を結ぶと1本の直線を引くことができるが、この
温度加速試験結果から得られた直線上にNRIMでの実
機温度で求めた実験値が乗らず、温度加速試験結果を結
ぶ直線から実機温度での破断時間を推定すると、大きな
誤差を生じてしまう。
【0030】 そこで、各試験温度での破断伸びの影
響を考慮して破断時間を補正する。
【0031】この補正には、実機温度における破断伸び
εr0と各試験温度における破断伸びεr1の比を用い、破
断時間tr を補正して補正後の破断時間trcorr を求め
ると、次式で表すことができる。
【0032】trcorr =(εr0/εr1)・tr このような破断伸びの影響を補正したものが、図5中の
補正後の値(白丸)であり、これら補正後の値を結ぶ直
線を延長すると、NRIMでの実機温度で求めた実験値
と一致することが分かる。
【0033】 したがって、クリープ延性材の場合に
は、被評価部から試料を採取し、これを用いて温度加速
試験を行い、得られた各試験温度における破断伸びの関
係から直線関係を見出だし、この直線を用いて実機温度
の破断伸びεr0を推定する。
【0034】そして、温度加速試験の各試験温度におけ
る破断伸びεr1および各試験温度における破断時間tr
を補正して各試験温度における補正破断時間trcorr を
求める。
【0035】そして、得られた各試験温度における補正
破断時間の関係から直線関係を見出だし、この直線を用
いて実機温度の破断時間を推定する。
【0036】こうして破断時間が求められれば、クリー
プ延性材の被評価部の寿命を評価することができる。
【0037】以上のように、温度加速試験によってクリ
ープ寿命を求めるようにすると、各試験温度と破断時間
との間に直線関係を見出だすことができ、応力加速試験
によって得られる曲線関係に比べ、容易に寿命を評価す
ることができる。
【0038】また、温度加速試験では、それぞれの実験
における組織を観察したところ、破断形態が実機温度と
同一の粒界破壊であることが確認され、この点からも高
精度に寿命を評価することができる。
【0039】さらに、これまでのクリープ試験と異な
り、クリープ評価材料を参考例のクリープ脆性材料と
の発明のクリープ延性材料に分けて評価するようにした
ので、破断面伸びの影響があるクリープ延性材料につい
ても高精度に寿命を評価することが可能となった。
【0040】また、このクリープ寿命評価法では、予め
校正曲線を求めるための実験を行う必要がなく、被評価
部から採取した試料に対して試験を行うだけで寿命の評
価ができる。
【0041】なお、上記実施例では、2.25Cr −1
Mo 鋼を具体例として説明したが、これら以外の材料に
ついても同様にクリープ寿命を評価することができる。
【0042】また、この発明の要旨を変更しない範囲で
各構成要素に変更を加えるようにしても良い。
【0043】
【発明の効果】以上、一実施例とともに具体的に説明し
たようにこの発明の請求項1記載の温度加速試験による
クリープ寿命評価法によれば、クリープ延性材料では、
試験温度を変えることによる影響が破断伸びなどに現れ
ることが実験的に得られたことから、被評価部から採取
した試料に対して実機での使用温度より高い複数の試験
温度でクリープ試験を行って各試験温度とクリープ破断
が生じる寿命時間及び破断伸びとの関係を求めるように
し、得られた複数の試験結果を直線的に延長して実機温
度における破断伸びεr0を求めておき、この実機温度に
おける破断伸びεr0と各試験温度における破断伸びεr1
との比εr0/εr1を用いて各試験温度の破断時間tr を
補正して各試験温度に対する補正した破断時間trcorr
=(εr0/εr1)・tr を求めるようにしたので、これ
ら各試験温度に対する補正した破断時間trcorr を直線
的に延長するようにして、実機温度におけるクリープ寿
命時間を求めることができる。
【0044】
【0045】そして、この発明により、実機での破断形
態と同じ状態で短時間に加速試験ができ、しかもクリー
プ破断時間との間に直線的な相関関係を求めてクリープ
延性材料の寿命を高精度に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の温度加速試験によるクリープ寿命評
価法の一実施例の原理を示すフローチャートであり、
(A)にクリープ脆性材による参考例を、(B)にこの
発明のクリープ延性材の場合をそれぞれ表すものであ
る。
【図2】参考例としてのクリープ脆性材の温度加速試験
によるクリープ寿命評価法による温度と硬さ及び破断伸
びの関係を示すグラフである。
【図3】参考例としてのクリープ脆性材の温度加速試験
によるクリープ寿命評価法による温度と破断時間の関係
を示すグラフである。
【図4】この発明の温度加速試験によるクリープ寿命評
価法をクリープ延性材に適用した一実施例の温度と硬さ
及び破断伸びの関係を示すグラフである。
【図5】この発明の温度加速試験によるクリープ寿命評
価法をクリープ延性材に適用した一実施例の温度と破断
時間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
σ 応力 T 温度 tr 破断時間 trcoor 補正後の破断時間 εr0 実機温度における破断伸び εr1 各試験温度における破断伸び
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−135142(JP,A) 特開 平4−286935(JP,A) 特開 昭63−134934(JP,A) 園家、酒井、北川,ミニチュアサンプ ル・クリープ手法による余寿命評価技術 の開発,石川島播磨技報,日本,1992年 1月 1日,第32巻第1号,p.29− 34 園家、酒井、北川,ミニチュア試験片 によるクリープ破断特性の評価,材料と プロセス,日本,社団法人 日本鉄鋼協 会,1991年 3月 5日,第4巻第3 号,P.844 金丸、清水、大場、八木、加藤、服 部,長期使用ボイラ鋼管の内圧クリープ 破断強度とIso−stress法によ る寿命評価,火力原子力発電,日本,社 団法人 火力原子力発電技術協会,1990 年 3月15日,第41巻 第3号,PP. 326−334 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 3/00 - 3/62 G01N 17/00 - 17/04 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クリープ延性材料に対して温度加速試験
    を行ってクリープ寿命を評価するに際し、被評価部から
    採取した試料に対して実機での使用温度より高い複数の
    試験温度でクリープ試験を行って各試験温度とクリープ
    破断が生じる寿命時間及び破断伸びとの直線的な関係を
    求めた後、これら複数の試験結果を直線的に延長して実
    機温度における破断伸びεr0を求め、この実機温度にお
    ける破断伸びεr0と各試験温度における破断伸びεr1と
    の比εr0/εr1を用いて各試験温度の破断時間tr を補
    正して各試験温度に対する補正した破断時間trcorr =
    (εr0/εr1)・tr を求めた後、これら各試験温度に
    対する補正した破断時間trcorr を直線的に延長して実
    機温度におけるクリープ寿命時間を求めることを特徴と
    する温度加速試験によるクリープ寿命評価法。
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園家、酒井、北川,ミニチュアサンプル・クリープ手法による余寿命評価技術の開発,石川島播磨技報,日本,1992年 1月 1日,第32巻第1号,p.29−34
園家、酒井、北川,ミニチュア試験片によるクリープ破断特性の評価,材料とプロセス,日本,社団法人 日本鉄鋼協会,1991年 3月 5日,第4巻第3号,P.844
金丸、清水、大場、八木、加藤、服部,長期使用ボイラ鋼管の内圧クリープ破断強度とIso−stress法による寿命評価,火力原子力発電,日本,社団法人 火力原子力発電技術協会,1990年 3月15日,第41巻 第3号,PP.326−334

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