JP3594383B2

JP3594383B2 - 高温腐食試験体とこれを用いた高温腐食試験方法

Info

Publication number: JP3594383B2
Application number: JP31496895A
Authority: JP
Inventors: 恭佐藤; 吉輝阿部; 昌光橋本; 広治田村; 祐治福田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1995-12-04
Filing date: 1995-12-04
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2015-12-04
Also published as: JPH09159600A

Description

【０００１】
【産業上の属する技術分野】
本発明は、ボイラ等、実プラントの高温部の伝熱管の一部に試験体を挿入し、実機環境下に長時間曝して伝熱管材料特性の変化を求める実缶試験において、試験体外表面の温度を周囲の伝熱管よりも高い温度条件で実施する腐食試験の腐食減肉量を正確に求めるに好適な試験体の形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ、熱交換器等の伝熱管には、使用する温度や圧力に応じて組成の異なる種々の金属材料が使用されている。近年特に発電用大型ボイラでは蒸気条件が高温・高圧化する傾向にあり、高温部伝熱管の使用条件が厳しくなっている。このような背景の下で、高温強度と耐食性を向上させた新しい材料が多数開発されている。新しい材料を実用化するためには、実験室的に高い温度や圧力を再現した条件下で試験を行ない、高温強度や耐食性を評価するが、最終的には実機環境下で長時間使用して材料特性の変化を確認する実缶試験が必要である。特に高温腐食に関しては、実機での使用雰囲気を実験室的に再現することが難しく実缶試験が重要となる。ボイラの実缶試験では、既設のプラントにより図１６及び図１７に示すように、（１）既設の伝熱管の一部を試験体に置換えて取り付ける方法、（２）試験体用のル−プを新設して高温の蒸気を通す方法が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記（１）の方法の場合、単に試験体を挿入しただけでは既設プラントの使用条件以上の高温・高圧条件は得られない。このため、管の肉厚を厚くし、伝熱経路を長くして管外面の温度を上昇させることもできるが、試験温度範囲を拡張して数段階の試験温度を得るためには、図１７に示すように、伝熱管５の一部に肉厚ｔの異なる数種類の試験体１を製作して組み込まねばならない。また流路にオリフィスを設けて蒸気流量を調節して蒸気温度を高めて試験体の温度を上昇させることもできるが、プラントの他の部分への影響を考慮せねばならず、プラントの改造に多大な時間と費用を要する。上記（２）の方法の場合は、蒸気温度を任意に高めることができるが、既設プラントの改造工事が大規模になるだけでなく試験用の蒸気も必要となり、改造及び試験費用が莫大なものとなる。
【０００４】
いずれにしても試験体１に蒸気を通すため、試験体１の形状は図１７に示すような管状体となる。この場合、試験後の腐食減肉量の測定には以下の問題が生じる。すなわち、腐食減肉量Δｔは、試験体１の試験前の肉厚と試験後の肉厚の差として計測するのが一般的であるが、以下の問題点がある。すなわち、
（ａ）試験体１が管状体であるため肉厚は試験前に直接計測できず、外面側から超音波法等による非破壊的手段で計測するので測定精度に限界がある。また、試験体１が長尺になると全ての位置の実肉厚を測定するのは困難である。
（ｂ）試験後に試験体１を切断し、断面から肉厚を測定する際、内面側の水蒸気による酸化が顕著なときは計測値に誤差が生じる。
【０００５】
試験体１の腐食減肉量が、水蒸気による酸化や板厚測定誤差に比して十分大きい場合は、これらの影響はほとんど無視することができた。しかし、耐食性の優れた新材料の開発により、これらの材料による実缶試験では、材料、温度、時間等の試験条件によっては腐食量が比較的小さく、腐食減肉量の測定精度に問題が生じる場合もある。本発明の目的は、既設プラントの他の部分に影響を与えることなく上記の問題点を解決し、任意の高温度条件において、低原価により精度の優れた腐食試験の実施が可能な実缶試験用の試験体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、管の断面形状を変化させて部分的に肉厚を厚くした管状の試験体を既設プラントの伝熱管の一部に挿入して試験することにより達成される。すなわち、肉厚の厚い部分は管外面の温度が上昇するが、周方向で肉厚が異なるため、位置によって管外面の温度が異なり、１本の試験体により、温度差による腐食挙動の変化を評価することができる。また、試験体の外表面の一部に耐腐食性に優れる被覆層を設けた試験体を製作し、これを実缶に挿入して従来と同様に試験を行なった後、抜管して切断し、被覆層のある部分と被覆層のない部分の試験体の表面を比較して試験中の腐食減肉量を求めることにより達成される。被覆層のある部分では、試験体は被覆層に保護されて腐食せず、被覆層のない部分のみが試験条件に応じて腐食する。このため両位置で試験体の表面を比較すれば、正確な腐食減肉量を求めることができる。さらにまた、管の外面に突起を設け、この突起の高さを管長手方向に対して変化させたの管状試験体を既設プラントの伝熱管の一部に挿入して試験することにより達成される。突起先端部の外面温度が高くなりまた突起高さの差によって外面温度が異なるので、１本の試験体により任意の温度範囲における腐食試験を行なうことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
本発明の実施の形態１を図面に基づいて説明する。
図１は本実施の形態の試験体の管断面形状を示す図である。この試験体１の管内径は、試験体１を接合する既設の伝熱管５と同一寸法であるが、外形を楕円形にして半径方向の管肉厚を変化させたものである。本実施の形態では、最小肉厚を既設管の肉厚ｔと同一とし、最大肉厚を２ｔとした場合の例を示す。
次に、図１に示した形状の試験体１を実際のボイラに過熱器伝熱管の一部として挿入した場合を想定し、有限要素法による熱伝導解析を行なって試験体１の温度分布を求めた。解析では管内径１８ｍｍ、最小肉厚７．４ｍｍ、最大肉厚１４．８ｍｍとし、また管外側の燃焼ガス温度を１０８４℃、管内側の蒸気温度を５９３℃とした。解析によって得られた温度分布を図２に示す。同一断面においても外表面温度は厚肉の部分ほど高くなり、肉厚最小部と肉厚最大部では、外表面温度の差は５５℃となった。高温腐食の場合、５０℃前後の温度加速ができれば実用的な試験の実施が可能である。本実施の形態の場合、管外表面に沿って５０℃以上の大きな温度差で分布しているため、試験後、管外表面に沿って同一断面を観察することにより、各温度における腐食試験結果を得ることができる。
【０００８】
このような温度分布はガス温度と蒸気温度に大きく依存するので、詳細な温度分布を求めるには、熱伝導解析、あるいは、実機使用条件を再現した加熱実験を行なう必要がある。しかし種々のケ−スについて解析を実施した結果、使用条件（ガス温度、蒸気条件等）が変わらなければ、管の肉厚を変化させた場合の管外表面温度は、管肉厚をパラメ−タとして簡単な関数として表示できることを見出した。図３は、図２の解析結果から求めた管の最大肉厚ｔに対する外表面温度Ｔの関係を示す特性図である。図３により、管の最大肉厚ｔと外表面温度Ｔは良好な相関関係があることが分かった。例えば次式により、それぞれは近似的に求めることができる。

板厚が３倍程度まではこのような簡単な関数で管外表面の温度を推定できる。従って試験体１の設計の際には、基本的な外形パタ−ン（この場合は楕円）で解析を行なって式（２）のような管肉厚と外表面温度の関係を求めておき、試験体１の肉厚を試験したい温度に合わせて決めればよい。
【０００９】
本実施の形態による試験体１を使用すれば、既設の伝熱管５と伝熱管５の間に試験体１を挿入するだけで高い試験温度が得られるだけでなく、１本の試験体により約５０℃の連続した温度範囲の条件で試験を実施することが可能である。さらに実缶試験後の調査においても、同一断面の観察により、上記温度範囲の腐食量を測定することができ、調査効率向上の面でも大きな効果が得られる。
【００１０】
なお、本実施の形態では管外形を楕円状にしたが、肉厚を変化させればどんな形状でもよく、矩形、三角形、その他の不定形でもよい。このような外形を有する伝熱管は、ひと回り大きい厚肉の管から機械加工してもよいし、熱間押出成形加工によっても容易に製管することができる。
【００１１】
〈実施の形態２〉
本発明による実施の形態２を図４、図５により説明する。本実施の形態は、基本的な考えは実施の形態１と同様であるが、試験体１の管外面に１個あるいは複数の突起２を溶接することにより、管の肉厚を変化させたのと同じ効果を得ようとするものである。この試験体１の温度分布解析結果を図５に、また解析結果から求めた突起高さｈと突起先端温度の関係を図６に示す。本実施の形態の形状では、図６に示すように、突起２の高さｈに依存して先端ほど高温になるので、突起２の高さを調節することによって任意の試験温度が得られる。突起２の形状は連続的な外表面を有する楕円形状の場合に比べて周囲への熱の伝導速度が小さくなるため、より高い外面（先端）温度を得ることができる。さらに本実施の形態は、通常の方法で製管した管状試験体１の外面に、棒状に加工した突起２を溶接する構造のため、突起２の高さに制限がなく、先端温度で１００℃程度の温度加速の実現も可能である。突起２は溶接でなく、一体形に製管してもよいのは勿論である。
なお、既設の伝熱管５の外面に突起２を直接溶接によって取付けてもよい。この場合、管としての評価はできないが、突起部だけで試験ができるので、容易に既設プラントへ組み込むことができる。
【００１２】
〈実施の形態３〉
本発明の実施の形態３を図面に基づいて説明する。図７は本実施の形態の試験体１の外観図である。従来と同様の伝熱管形状の試験体１の外表面に、耐腐食性に優れた５０Ｃｒ−５０Ｎｉの金属粉末を溶射して形成した環状の被覆層３を設けたものである。すなわち、試験体１の表面を部分的に溶射金属を用いて環状の被覆層３が形成されている。図８（ａ）は、図７の試験体１の管長手方向の断面を示した図であって、ｔ_Ａは試験前の板厚であるが、本実施の形態ではｔ_Ａを正確に測定する必要はなく、この試験体１を従来と同様の方法で実缶に挿入し、一定期間の実缶腐食試験を行なう。
【００１３】
図８（ｂ）は試験終了後の断面状況を示した図である。試験体１は被覆層３の部分では腐食しないが、その他の部分では材料、環境、温度、期間等の試験条件に応じて腐食して減肉する。従って被覆層３と試験体１の外表面の寸法差Δｔが高温腐食による腐食減肉量となる。溶射層は切断した試験体１の断面を研磨してエッチングし、金属用の光学顕微鏡によって観察すれば明瞭に判別できるので、Δｔは容易にかつ正確に測定することが可能である。
【００１４】
本実施の形態によれば、腐食量の少ない場合にも、試験条件によって正確に腐食減肉量を測定することができる。また試験体１の周方向に対して腐食量が分布している場合でも、円周上の任意の位置におけるΔｔを求めればよく、試験精度を従来の方法に比べて大幅に向上させることができる。さらに試験前の正確な肉厚を知る必要がない上に、断面写真によって観察すればよいから、試験前後の調査作業も容易になる。
【００１５】
なお、本実施の形態では、被覆層３の形成方法として溶射を用いたが、クロマイズ等の表面処理によって耐腐食性に優れた被覆層３を形成してもよい。また、管の円周方向に腐食量の差がなく、管の長手方向に腐食量が分布すると予測される場合には、被覆層３を環状に形成せず、管の長手方向に沿って帯状に形成すればよい。
【００１６】
〈実施の形態４〉
本発明の実施の形態４を図９に示す。本実施の形態は、基本的な考えは実施の形態３と同様であるが、溶射による被覆層３を試験体１の外表面に格子状に形成したものである。この場合、図７に比べて溶射作業の実施に手間を要するが、管の長手方向の断面（図１０参照）、あるいは管の円周方向の断面（図１１参照）に対するΔｔを求めることができるので、試験体１表面の腐食量の分布が予測困難な場合に好適である。
【００１７】
〈実施の形態５〉
本発明の実施の形態５を図面に基づいて説明する。図１２（ａ）は本実施の形態の試験体１の横断面の形状を示す図である。図１２（ａ）のＡ−Ａ’断面を図１２（ｂ）に示す。本実施の形態は、試験体１からなる伝熱管５の外面長手方向に棒状の突起２’を設け、突起２’の高さｈを長手方向に対して連続的に変化させた管状の試験体１である。管内径ｄ及び管肉厚ｔは試験体１を接合する既設の伝熱管５と同一寸法を有する。
【００１８】
次に、図１２（ａ）、（ｂ）に示す形状の試験体１を、実際のボイラに過熱器の伝熱管５の一部として挿入した場合を想定し、有限要素法による熱伝導解析を行なって試験体１の温度分布を求めた。この解析では、管内径ｄ＝３６ｍｍ、管肉厚ｔ＝７．４ｍｍ、最大突起高さｈ_ｍａｘ＝８ｍｍ、最小突起高さｈ_ｍｉｎ＝４ｍｍ、及び突起肉厚ｗ＝８ｍｍとし、また管外側の燃焼ガス温度を１０８４℃、管内側の蒸気温度を５９３℃とした。解析によって得られた温度分布を図１３（ａ）、（ｂ）に示す。突起先端温度は突起高さｈが高い部分ほど高くなり、突起高さ最大部の外面温度と突起３のない部分の管外面温度との差は約６０℃となった。高温腐食の場合、５０℃前後の温度加速ができれば実用的な試験が行なうことができる。本実施の形態の試験体１を使用することにより、十分実用的な実缶試験を行なうことができる。また本実施の形態の場合、突起先端部では管長手方向に約２０℃の温度勾配があり、管長手方向の異なる断面で突起先端部を観察することにより、異なる温度での腐食試験結果を求めることができる。この温度範囲は、突起高さｈ_ｍａｘとｈ_ｍｉｎの差を大きくすることにより、さらに拡大することができる。
【００１９】
このような温度分布は、ガス温度と蒸気温度に大きく依存するので、詳細な温度分布を求めるためには、熱伝導解析あるいは実機使用条件を再現した加熱実験を行なう必要がある。しかし種々のケ−スについて解析を実施した結果、使用条件（ガス温度、蒸気条件等）が変わらなければ、突起高さｈを変化させた場合の突起先端の外面温度は、突起高さｈをパラメ−タとして簡単な関数で表わすことができることを見出した。図１４は、上述の解析結果から、突起高さｈと突起先端温度Ｔの関係を求めたものであるが、両者には良好な相関関係があり、例えば次式によって近似的に求めることができる。

従って試験体１の設計の際には、基本的な試験体１の形状寸法で解析を行なって式（４）のような突起高さｈと突起先端外面温度の関係を求めておき、試験体１の突起高さｈを試験したい温度に合わせて決めればよい。
【００２０】
なお、本実施の形態では、伝熱管５と突起２’を一体構造としたが、管状の試験体１に対して別途に加工した棒状の突起３を溶接によって取り付けてもよい。また、既設伝熱管５の外面に棒状の突起２’を直接溶接によって取り付けてもよい。この場合、伝熱管５としての評価はできないが、突起２’だけで試験は実施できるので、容易に既設プラントに組込むことができる。
【００２１】
〈実施の形態６〉
本発明による実施の形態６を図１５（ａ）、（ｂ）に示す。図１５（ａ）は試験体１の縦断面図である。本実施の形態は、階段状に突起の高さを変化させたもので、階段の段数分に相当する温度の影響を評価できるに過ぎないが、同一温度の試験体が多く採取できるため、より詳細な調査を行ない正確な結果を得ることができる。
【００２２】
図１５（ｂ）は、図１５（ａ）と同一の思想に基づく実施の形態であるが、各段と段の間に隙間を設けたものである。実缶試験に供した後、突起部だけ各段毎に試験体１から容易に切り取ることができるため、同じ高さの突起２’を複数設け、一年後、次に三年後に取り出すといったように、期間をおいた試験結果を求めるのに好適である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の実施により、プラントの大幅な改造等を行うことなく、単に１本の試験体を既設の伝熱管の間に挿入することにより、広い高温度範囲における腐食試験を行なうことができ、また、実缶試験において腐食量が少ない場合でも、正確な腐食減肉量を求めることができる。さらにまた、腐食減肉量の調査作業自体も容易になるので、新しい材料の開発・実用化が促進されるという大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の試験体の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の試験体の温度分布を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の試験体の管板厚と管外表面温度の関係を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態２の試験体の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２の試験体の温度分布を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２の試験体の突起高さと管外表面温度の関係を示す特性図である。
【図７】本発明の実施の形態３の試験体の外観図である。
【図８】本発明の実施の形態３の試験体の試験前の縦断面図（ａ）と試験後の縦断面図（ｂ）である。
【図９】本発明の実施の形態４の試験体の外観図である。
【図１０】本発明の実施の形態４の縦断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態４の横断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態５の試験体の横断面図（ａ）、縦断面図（ｂ）である。の実缶試験の実施状況を示すボイラ構造図である。
【図１３】本発明の実施の形態５の試験体の横断面（ａ）と縦断面（ｂ）における温度分析結果を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態５の試験体の突起高さと突起先端外面温度の関係を示す特性図である。
【図１５】本発明の実施の形態６の試験体の縦断面図（ａ）、（ｂ）である。
【図１６】従来の実缶試験の実施状況を示すボイラ構造図である。
【図１７】従来の実缶試験体の装着状態を示す図である。
【符号の説明】
１…試験体２、２’…突起
３…被覆層４…管寄せ
５…伝熱管６…ボイラ火炉

Claims

伝熱管の高温腐食試験において、
前記伝熱管の一部に、内径寸法と同一寸法を有し、伝熱管長手方向と直角な断面に関する半径方向の肉厚を異にする外形を備えた管状の試験体を前記伝熱管の一部に装着し、
前記試験体の外表面温度と前記試験体の肉厚との関係、すなわちｔ＝ｆ（Ｔ）に基づき、高温度条件と腐食減肉量の関係を求める高温腐食試験を行なうことを特徴とする高温腐食試験方法。
前記試験体の長手方向と直角な断面の外形を楕円としたことを特徴とする請求項１記載の試験体。
前記試験体の長手方向と直角な断面の外形を同一不定形状としたことを特徴とする請求項１記載の試験体。
前記管状の試験体は、管外表面に同一幅で長手方向の高さが連続して変化する突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の試験体。
前記管状の試験体は、管外表面に同一幅で長手方向の高さが段階的に変化する突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の試験体。
前記管状の試験体は、管外表面に同一幅で高さを異にする複数個の突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の試験体。
前記管状の試験材の突起は、管外表面に溶接したものであることを特徴とする請求項４〜請求項６記載の試験体。
前記伝熱管の外表面に突起を直接溶接して前記試験体を形成したことを特徴とする請求項１記載の試験体。
伝熱管の高温腐食試験において、
前記伝熱管と同一の内外径寸法を有し、この伝熱管の外表面に耐腐食性の優れた被覆層を格子状に形成してなる管状の試験体を、前記伝熱管の一部に装着し、
前記被覆層のない部分の腐食減肉量を測定することにより、高温度条件と腐食減肉量の関係を求める高温腐食試験を行なうを特徴とする高温腐食試験方法。