JP3652418B2 - ボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電用ボイラの予防保全材料損傷診断予測方法に係り、特にボイラ水壁管の腐食疲労損傷の評価および予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電用ボイラを十年以上運転すると、ボイラ水壁管などの伝熱管内面に腐食疲労による腐食を伴った線状亀裂が発生することがある。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、代表的な腐食疲労による亀裂の発生状態を示す。なお、図５（ａ）はボイラ水壁管（伝熱管）１の内面の腐食疲労亀裂６が進展していく状態を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面を示し、図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＢ部の腐食疲労亀裂６を拡大した図である。
このような腐食疲労亀裂６が進展していくと、伝熱管内の高温、高圧水の漏洩事故や噴破事故に繋がることから経年ボイラでは、腐食疲労による亀裂の進展の解析が重要な課題となっている。
特に、火力発電用ボイラの水壁管には、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すような応力振幅測定用の金属部品４が溶接によって多数取り付けられている。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面を示す。この金属部品４が、ボイラ水壁管１に直接溶接された部分では、ボイラの起動停止時のような大幅な温度変動時に、金属部品４とボイラ水壁管１との間に温度差が生じ熱応力が発生する。この熱応力の発生の繰返しと、腐食作用との組み合わせにより、金属部品４が直接溶接されたボイラ水壁管１の内面に腐食疲労による亀裂が発生しやすいことが知られており、運転時間が十万時間以上、運転年数で十数年以上の火力発電用ボイラにおいては重大な課題となっている。特に火力発電用ボイラでは、最近の電力需要に対応するためボイラの起動停止回数が従来より大幅に増加しており、腐食疲労による亀裂が発生しやすい条件となっている。
ボイラの水壁管内面の腐食疲労は、熱応力または歪み振幅の大きさと、それらの繰返し数と繰返し速度、または歪み速度と腐食環境条件と、使用されている材料の特性の影響を受けることが米国電力研究所（ＥＰＲＩ）等の調査研究で明らかになっている〔▲１▼R.W.Patterson et al.:Corrosion Fatigue Boiler Tube Failure in Waterwalls and Economizers;EPRI Report TR-10045('93-12)、▲２▼J.Stodala et al.:Status of Corrosion Fatigue Failure Investigation in Drum Type Utility Boilers;50th Annual Meeting International Water Conference('89-10)〕。
しかしながら、これらをボイラ水壁間内面の腐食疲労の評価、診断および予測に使用しようとする場合は影響因子が多い上に、応力または歪み振幅の大きさが金属部品の形状寸法や設置場所の温度条件の影響を受けることについての考慮はなされておらず、検査した箇所のデータを用いて、金属部品の形状寸法や設置場所が異なる検査していない箇所の損傷や亀裂深さの程度および余寿命を推定したり予測することができないというのが現状である。
また、大型火力発電用ボイラの水壁管には、通常２０〜３０種の多くの種類の金属部品が多数取付けられており、腐食疲労が生じ得る伝熱管の部位は、２万から数万箇所にのぼる。このような非常に多数の部位を、限られた定検期間中に検査することは困難であり、何らかの手段で推定したり予測せざるを得ない。また、すでに発生している腐食疲労亀裂が、今後どのような腐食形状や速度で進展していくかを予測することも重要な課題となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、大型火力発電用ボイラ等の水壁管には腐食疲労を評価するために２０〜３０種類からなる多種類の応力振幅測定用の金属部品が多数個取り付けられており、対象とする伝熱管の部位は２万ないし数万箇所にも及んでいる。このように非常に多数の伝熱管の部位を、限られた定検期間中に検査することは実際上困難であり、また、すでに発生している腐食疲労亀裂が今後どのような形状や速度で進展していくのかを予測することも重要な課題となっている。
また、ボイラ水壁間内面の腐食疲労の評価、診断および予測を行う場合には影響因子が多い上に、応力または歪み振幅の大きさが金属部品の形状寸法や設置場所の温度条件の影響を受けることについての考慮はなされておらず、検査した箇所のデータを用いて、検査していない箇所の損傷や亀裂深さの程度および余寿命を推定したり予測したりすることは難しいという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術における課題ないしは問題点を解消するものであって、ボイラ水壁管の腐食疲労のように対象部位や影響因子が多くて一概に損傷度が評価できない予防保全課題に対して、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的な評価が可能な解析診断および予測する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、
ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価し、診断もしくは予測する方法であって、上記ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さ（ａ ＣＦ ）を、高温水中での疲労亀裂進展速度と、ボイラの停止中を含めた腐食または孔食進展速度との線形加算により算出する下記の（数１）式〔式中、（ｄａ／ｄＮ）は応力振幅から求められる高温水中での疲労亀裂進展速度、Ｎはボイラの起動停止回数、（ｄａ／ｄｔ）は腐食または孔食進展速度、ｔはボイラの腐食に関与する時間（運転時間、運転年数、停止時間および酸洗時間等）を表わす。〕
ａ ＣＦ ＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ………（数１）
を用いて、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このようなボイラ水壁管の診断予測方法とすることにより、ボイラ水壁管の腐食疲労のように対象部位や影響因子が多くて一概に損傷度が評価できない予防保全課題に対して、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に評価できる効果がある。
本発明は請求項１において、ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さ（ａ ＣＦ ）を、上記の（数１）式から算出して、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このように、本発明者らの見出した経験式である（数１）式を用いることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に算出できる効果がある。
また、本発明は請求項２に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管を任意の一定面積ごとに区切って複数の区画を形成し、該区画を複数のゾーンに分類して番地付けを行うと共に、上記区画のボイラ水壁管に応力振幅測定用の金属部品を溶接により装着し、該金属部品の種類とゾーンごとの応力係数を設定して、上記金属部品を装着した区画のボイラ水壁管の内面もしくは溶接部の応力振幅を求め、腐食疲労亀裂深さを算出してボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このようなボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の経年劣化寿命を支配する腐食疲労亀裂損傷について、部分的な検査結果からボイラ全体の損傷度合を迅速に診断、予測できる効果がある。
また、本発明は請求項３に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの検査値を用いて、（数１）式から腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出し、この（ｄａ／ｄｔ）値と、応力振幅から算出される疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）の値を用いて、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを予測するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このような腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、（数１）式から、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを容易に診断予測できる効果がある。
また、本発明は請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）および腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）から、ボイラ水壁管に装着されているそれぞれの金属部品の水壁管部位における将来の腐食疲労亀裂深さを予測すると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さの算出から余寿命を求めるボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることもできる。このような腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の将来の腐食疲労亀裂深さを迅速、かつ正確に予測できると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さから余寿命を的確に予測できる効果がある。
また、本発明は請求項４に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に対して、安全性を高める補正係数を設定し、腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に応じて、上記補正係数の加減を行うボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このように安全性を高める補正係数を設定することにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、信頼性の高いボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることができ、安全性の高いボイラの運用を行うことができる効果がある。
また、本発明は上記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法を、少なくとも２種以上組み合わせて用い、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることも可能である。このようなボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、ボイラの万全の運用をはかることができる。
【０００６】
本発明の基本構成を示す（数１）式は、発明者らの研究結果に基づく経験式である。図５は、上述したようにボイラ水壁管内面の腐食疲労亀裂の一例を示すもので、図２および図３は、本発明者らが実際のボイラ水壁管の検査の結果から得られた腐食疲労亀裂深さを、ボイラ運転時間および起動停止回数により整理したものである。いずれのパラメータの場合も、正の相関があるものの、ばらつきは非常に大きく、これら単独の因子では評価することはできない。
ボイラ水壁管は、通常ＪＩＳ−ＳＴＢ４１０のようなボイラ伝熱管用炭素鋼管が用いられている。この炭素鋼の高温水中での疲労寿命は、温度、水中の溶存酸素濃度（ＤＯ）、歪み振幅または応力振幅、歪み速度または繰返し速度、および材料側の因子の影響を受けることが分かっている。高温、高溶存酸素で歪み振幅が大きくなり、歪み速度が遅いほど環境効果による寿命が低下することが分かっている。
ボイラ水壁管に設ける金属部品の溶接部において、起動停止時に生じる応力の振幅は、金属部品の形状や寸法、および取り付け場所によって異なるが１００〜４００ＭＰａの範囲にあるのがほとんどであり、縦弾性係数（Ｅ）で除した歪み振幅は０.０５〜０.２％の範囲となる。ボイラ起動停止時の歪み速度は０.０００４％／ｓのオーダにあり、こうした歪み速度での高温水中疲労寿命は０.２％の歪み振幅でも数千回以上となる。このことは、樋口らの研究〔樋口、坂本：高温純水中における炭素鋼の低サイクル疲労特性：鉄と鋼、Ｖｏｌ.７１、Ｎｏ.８（’８５−８）〕でも明らかにされている。高温水中での疲労寿命は、２５０℃、ＤＯ＝８ｐｐｍの加速条件で求めたものであり、この線図を用いる限り数百回のボイラ起動停止で、寿命に相当する腐食疲労亀裂が生じた事象を高温水中での疲労特性からだけで説明することはできない。
本発明は、こうした考察および、図５に示した腐食疲労亀裂の形態から、実際の腐食疲労亀裂が高温水中疲労とボイラ停止中等での孔食（腐食）の線形加算で表わし得ることに着目したものである。このことを数式化すると、上述したように、次の（数１）式のようになる。
ａCF＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ………（数１）
〔式中、ａCFは腐食疲労亀裂深さ、（ｄａ／ｄＮ）は高温水中での疲労亀裂進展速度、Ｎはボイラの起動停止回数、（ｄａ／ｄｔ）は腐食または孔食進展速度ｔはボイラの腐食に関与する時間、例えば、運転時間、運転年数、停止時間、酸洗時間等を表わす。〕
本発明の腐食疲労亀裂の発生および進展モデルは次のように考えられている。
▲１▼ボイラの起動停止時の熱応力による管内付着スケールに割れが発生する。
▲２▼スケール割れ部に孔食が発生する。
▲３▼孔食（ピット）下で疲労亀裂が進展する。
▲４▼腐食と疲労の繰返しによる腐食疲労亀裂が進展する。
（数１）式による高温水中の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、応力または歪み振幅、歪み速度または繰返し速度、および腐食疲労亀裂深さの関数になるものである。具体的な数式例として、発明者らの調査研究によると、次の（数２）式のようになる。
【０００７】
【数２】
【０００８】
式中、εaは歪み振幅（＝応力振幅／縦弾性係数＝σa／Ｅ）、εは歪み速度、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは高温水中の腐食疲労実験から求めた回帰係数またはベキ数を表わし、具体例として、ａ＝０.８５、ｂ＝８、ｃ＝−０.５、
ｄ＝−０.５８２、ｅ＝０.００１（亀裂深さが０ｍｍの時）で示すことができる。 上記（数２）式を用いれば、任意の歪み振幅（または応力振幅）、任意の歪み速度、および腐食疲労亀裂深さに対して、高温水中での疲労亀裂進展速度を算出したり、設定することができる。なお、高温水中での疲労亀裂進展速度の算出について述べたが、本発明においてこれらの式は、固定的なものではなく、新たな調査研究の結果により更新したり、変更し得る性質のものである。
高温水中の疲労亀裂進展速度を決定する歪みまたは応力振幅等の応力負荷条件は、応力解析によって求められるものであり、一般的には、有限要素法による応力解析結果が使用される。ボイラの起動停止時の管内流体、伝熱管表面および金属部品の温度測定結果に基づく有限要素法の応力解析結果は現状では最も精度の高い応力解析法であるが、本発明において特に応力解析法を特定するものではない。単純な金属部品と伝熱管の温度差から算出される簡易応力振幅値であっても高温水中の疲労亀裂進展速度を求めることができる。本発明においては、安全性や信頼性の向上の点から、「応力振幅算出法の信頼度（安全）係数（以下Ｋ2と言う）」を導入する。
Ｋ2の値は、調査研究データの蓄積で変更されうる性質のものであるが、本発明においては、次のように設定する。
（１）有限要素法の応力解析の場合…………………Ｋ2＝１.０〜１.１
（２）簡易応力解析の場合…………………………Ｋ2＝１.３〜１.５
応力振幅の信頼度係数は、通常は次のようにして用いることができる。例えば、簡易応力解析（Ｋ2＝１.５）で、３００ＭＰａの応力振幅と算出された場合、３００×１.５＝４５０ＭＰａの応力振幅（ひずみ振幅＝応力振幅／縦弾性係数＝４５０／２０５８００＝０.００２２）として、高温水中疲労亀裂進展速度を算出できる。
上述した（数１）式で、腐食疲労亀裂深さを予測したり、算出する場合に、高温水中の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）、起動停止回数（Ｎ）、腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）が分かれば、そのまま計算できるが、腐食または孔食進展速度は、長年のボイラの運転条件（運転中の水質条件、停止中の環境条件、脱スケール用酸洗条件等）に左右され、一概に求められず、またプラント特有の値になるケースも多い。本発明では、腐食または孔食進展速度が既知の場合を除いて、部分的な腐食疲労亀裂深さの測定結果から上記（数１）式を用いて、腐食または孔食進展速度を算出し設定することとした。また、腐食疲労亀裂深さの測定点が複数点ある場合には、重み付けを考慮した平均的な腐食または孔食進展速度を算出すれば良い。
上述した方法による腐食または孔食進展速度算出法では、腐食疲労亀裂深さの測定精度が重要となる。そこで本発明では、腐食疲労亀裂深さの計測方法に対しても信頼度（安全）係数（腐食疲労亀裂深さの計測信頼度係数：Ｋ1）を採用することとした。Ｋ1もＫ2と同様、調査研究データや新たな検査計測法の開発蓄積により変更される性質のものであるが、本発明では次のように設定した。
（１）抜管断面観察、統計的評価………………………………Ｋ1＝１.０
（２）抜管断面観察、代表断面調査での亀裂深さの計測……Ｋ1＝１.２
（３）超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査………………Ｋ1＝１.５。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を挙げ、評価ケース別に記載し、具体的数値をあてはめて解析の結果を説明する。
〈第１の実施の形態〉
（数１）式の右項が既知で、現状の腐食疲労亀裂深さを予測する方法。
ａCF＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ……（数１）
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）
（４）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（Ｂ）予測項目
現状の腐食疲労亀裂の深さ（ａCFP）
〔評価ステップ〕
（１）（数２）式より疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求める。
（２）（数１）式に、（ｄａ／ｄＮ）、Ｎ、（ｄａ／ｄｔ）およびｔを代入して、現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）を算出する。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ
疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）＝０.０１８ｍｍ／年
ボイラの腐食に関与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
【００１０】
〈第２の実施の形態〉
（数１）式の右項が既知で、将来の腐食疲労亀裂進深さを予測する方法。
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）
（４）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（Ｂ）予測項目
将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）を算出する。（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数３）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ……（数３）
（３）（数３）式により、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測する場合、（ｄａ／ｄＮ）および（ｄａ／ｄｔ）が、これまでと同じで一定として算出しても良く、また亀裂進展に伴って（ｄａ／ｄＮ）あるいは（ｄａ／ｄｔ）が変化するとして計算しても良い。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ、（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）＝０.０１８ｍｍ／年
腐食進展に寄与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
今後の起動停止回数（Ｎ）＝４０回／年
今後の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、応力振幅σa＝２６７ＭＰａ、ａCFP＝０.５４５（ｍｍ）とすると、
（ｄａ／ｄＮ）＝０．０００７７ｍｍ／回となる。
３年後の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測すると、
【００１１】
〈第３の実施の形態〉
腐食または孔食腐食速度（ｄａ／ｄｔ）が未知の場合の将来の腐食疲労亀裂深さを予測する方法。
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（４）現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）
（Ｂ）予測項目
将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により腐食または孔食腐食速度（ｄａ／ｄｔ）を算出する。
（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数４）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）CF・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）Pit・ｔ……（数４)
（３）上述のように、腐食疲労亀裂深さの測定法が抜管断面観察、統計的評価の場合、そのままａCFP値を用いればよいが、代表断面観察、超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査の場合は、計測されたａCFPのそれぞれのＫ1を乗じて上記（１）の計算を行う。また、応力解析手法により応力振幅算出法の信頼度係数（Ｋ2）を使用することは上述した通りである。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ、（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
腐食進展に寄与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）＝０.６（ｍｍ）…代表断面観察法による。
ａCFPの代表値＝０.６×Ｋ1＝０.６×１.２＝０.７２（ｍｍ）
今後のボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４０回／年
今後の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、σa＝２６７ＭＰａ、ａCFP＝０.５４５を代入し求めると、（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００７７ｍｍ／回となる。
【００１２】
３年後の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測すると、
【００１３】
〈第４の実施の形態〉
応力振幅値が簡易解析である場合の将来の腐食疲労亀裂深さを予測する方法。
（Ａ）既知項目
（１）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（２）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（３）現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）
（Ｂ）予測項目
応力振幅値（σa）が簡易解析である場合の将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出する。
（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数４）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）CF・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）Pit・ｔ……（数４)
（３）上述のように、腐食疲労亀裂深さの測定法が抜管断面観察、統計的評価の場合、そのままａCFP値を用いればよいが、代表断面観察、超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査の場合は、計測されたａCFPのそれぞれのＫ1を乗じて上記（１）の計算を行う。また、応力解析手法により応力振幅算出法の信頼度係数（Ｋ2）を使用する。
〔具体的計算例〕
簡易解析の応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ
疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
ボイラの腐食に関与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）＝０.６（ｍｍ）…代表断面観察法による。
ａCFPの代表値＝０.６×Ｋ1＝０.６×１.２＝０.７２（ｍｍ）
今後のボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４０回／年
今後の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、σa＝２６７×１.４ＭＰａ、ａCFP＝０.５４５を代入して求めると、（ｄａ／ｄＮ）＝０.００３０９ｍｍ／回となる。
３年後の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測する。
【００１４】
〈第５の実施の形態〉
腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）が未知で、将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）を予測し、余寿命を算出する。
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（４）現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）
（Ｂ）予測項目
将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）および残肉厚が設計必要肉厚以下になるまでの余寿命の算出。
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出する。
（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数４）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）CF・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）Pit・ｔ……（数４)
（３）上述のように、腐食疲労亀裂深さの測定法が抜管断面観察、統計的評価の場合、そのままａCFP値を用いればよいが、代表断面観察、超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査の場合は、計測されたａCFPのそれぞれにＫ1を乗じて、上記（１）の計算を行う。将来の腐食疲労亀裂深さの計算は、ある任意の時間ステップ（例えば１年ごと）で実施し、亀裂深さに応じた疲労亀裂進展速度を用いる。
（４）腐食疲労による寿命は、その系やプラント特有の取り方があるが、ここでは、残肉厚が設計必要肉厚（ｔsr）以下になった時を寿命として計算した。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ
疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）（＝運転年数）＝１８.５年
現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）＝０.６（ｍｍ）…代表断面観察法による。
ａCFPの代表値＝０.６×Ｋ1＝０.６×１.２＝０.７２
今後のボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４０回／年
管の肉厚（ｔ）＝４.２（ｍｍ）
設計必要肉厚（ｔsr）＝３.０（ｍｍ）、許容亀裂深さ＝１.２（ｍｍ）
腐食疲労亀裂進展予測線図：図１（計算方法は、第３の実施の形態と同じ。）
余寿命：７年。
【００１５】
【発明の効果】
本発明のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断または予測方法を用いることにより、ボイラ水壁管の経年劣化寿命を支配する腐食疲労亀裂損傷の評価、診断および腐食進展の予測を確実に行うことが可能となり、信頼性の高いプラントの運転を実現することができる。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さを、高温水中での疲労亀裂進展速度と、ボイラの停止中を含めた腐食または孔食進展速度との線形加算により求めて、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようなボイラ水壁管の診断予測方法とすることにより、ボイラ水壁管の腐食疲労のように対象部位や影響因子が多くて一概に損傷度が評価できない予防保全課題に対して、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に評価できる効果がある。
また、本発明は請求項１に記載のように、ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さ（ａＣＦ）を、次の（数１）式
ａＣＦ＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ………（数１）
〔式中、（ｄａ／ｄＮ）は応力振幅から求められる高温水中での疲労亀裂進展速度、Ｎはボイラの起動停止回数、（ｄａ／ｄｔ）は腐食または孔食進展速度、ｔはボイラの腐食に関与する時間（運転時間、運転年数、停止時間および酸洗時間等）を表わす。〕
から算出して、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このように、本発明者らの見出した経験式である（数１）式を用いることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に算出できる効果がある。
また、本発明は請求項２に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管を任意の一定面積ごとに区切って複数の区画を形成し、該区画を複数のゾーンに分類して番地付けを行うと共に、上記区画のボイラ水壁管に応力振幅測定用の金属部品を溶接により装着し、該金属部品の種類とゾーンごとの応力係数を設定して、上記金属部品を装着した区画のボイラ水壁管の内面もしくは溶接部の応力振幅を求め、腐食疲労亀裂深さを算出してボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようにすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の経年劣化寿命を支配する腐食疲労亀裂損傷について、部分的な検査結果からボイラ全体の損傷度合を迅速に診断、予測できる。
また、本発明は請求項３に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの検査値を用いて、（数１）式から腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出し、この（ｄａ／ｄｔ）値と、応力振幅から算出される疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）の値を用いて、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを予測するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようにすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを容易に診断し予測することができる。
また、本発明は請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）および腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）から、ボイラ水壁管に装着されているそれぞれの金属部品の水壁管部位における将来の腐食疲労亀裂深さを予測すると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さの算出から余寿命を求めるボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようにすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の将来の腐食疲労亀裂深さを迅速、かつ正確に予測できると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さから余寿命を的確に予測できる。
また、本発明は請求項４に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に対して、安全性を高める補正係数を設定し、腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に応じて、上記補正係数の加減を行うボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このように安全性を高める補正係数を設定することにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、信頼性の高いボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることができ、安全性の高いボイラの運用を行うことができる。
また、本発明は請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法を、少なくとも２種以上組み合わせて用いることも可能であり、このようにすることにより、信頼性の高いボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法を実施でき、ボイラの万全の運用をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示したボイラ水壁管の腐食疲労亀裂進展予測線図。
【図２】本発明の実施の形態で例示したボイラの起動停止回数と水壁管の腐食疲労亀裂深さとの関係を示すグラフ。
【図３】本発明の実施の形態で例示したボイラの運転時間と水壁管の腐食疲労亀裂深さとの関係を示すグラフ。
【図４】応力振幅測定用の金属部品をボイラ水壁管に溶接により取り付けた状態を示す模式図。
【図５】ボイラ水壁管内面の腐食疲労亀裂の発生状況を示す図。
【符号の説明】
１…１…ボイラ水壁管（伝熱管）
２…メンブレンバー
３…フィラープレート
４…金属部品
５…溶接部
６…腐食疲労亀裂
７…シールボックス
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電用ボイラの予防保全材料損傷診断予測方法に係り、特にボイラ水壁管の腐食疲労損傷の評価および予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電用ボイラを十年以上運転すると、ボイラ水壁管などの伝熱管内面に腐食疲労による腐食を伴った線状亀裂が発生することがある。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、代表的な腐食疲労による亀裂の発生状態を示す。なお、図５（ａ）はボイラ水壁管（伝熱管）１の内面の腐食疲労亀裂６が進展していく状態を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面を示し、図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＢ部の腐食疲労亀裂６を拡大した図である。
このような腐食疲労亀裂６が進展していくと、伝熱管内の高温、高圧水の漏洩事故や噴破事故に繋がることから経年ボイラでは、腐食疲労による亀裂の進展の解析が重要な課題となっている。
特に、火力発電用ボイラの水壁管には、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すような応力振幅測定用の金属部品４が溶接によって多数取り付けられている。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面を示す。この金属部品４が、ボイラ水壁管１に直接溶接された部分では、ボイラの起動停止時のような大幅な温度変動時に、金属部品４とボイラ水壁管１との間に温度差が生じ熱応力が発生する。この熱応力の発生の繰返しと、腐食作用との組み合わせにより、金属部品４が直接溶接されたボイラ水壁管１の内面に腐食疲労による亀裂が発生しやすいことが知られており、運転時間が十万時間以上、運転年数で十数年以上の火力発電用ボイラにおいては重大な課題となっている。特に火力発電用ボイラでは、最近の電力需要に対応するためボイラの起動停止回数が従来より大幅に増加しており、腐食疲労による亀裂が発生しやすい条件となっている。
ボイラの水壁管内面の腐食疲労は、熱応力または歪み振幅の大きさと、それらの繰返し数と繰返し速度、または歪み速度と腐食環境条件と、使用されている材料の特性の影響を受けることが米国電力研究所（ＥＰＲＩ）等の調査研究で明らかになっている〔▲１▼R.W.Patterson et al.:Corrosion Fatigue Boiler Tube Failure in Waterwalls and Economizers;EPRI Report TR-10045('93-12)、▲２▼J.Stodala et al.:Status of Corrosion Fatigue Failure Investigation in Drum Type Utility Boilers;50th Annual Meeting International Water Conference('89-10)〕。
しかしながら、これらをボイラ水壁間内面の腐食疲労の評価、診断および予測に使用しようとする場合は影響因子が多い上に、応力または歪み振幅の大きさが金属部品の形状寸法や設置場所の温度条件の影響を受けることについての考慮はなされておらず、検査した箇所のデータを用いて、金属部品の形状寸法や設置場所が異なる検査していない箇所の損傷や亀裂深さの程度および余寿命を推定したり予測することができないというのが現状である。
また、大型火力発電用ボイラの水壁管には、通常２０〜３０種の多くの種類の金属部品が多数取付けられており、腐食疲労が生じ得る伝熱管の部位は、２万から数万箇所にのぼる。このような非常に多数の部位を、限られた定検期間中に検査することは困難であり、何らかの手段で推定したり予測せざるを得ない。また、すでに発生している腐食疲労亀裂が、今後どのような腐食形状や速度で進展していくかを予測することも重要な課題となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、大型火力発電用ボイラ等の水壁管には腐食疲労を評価するために２０〜３０種類からなる多種類の応力振幅測定用の金属部品が多数個取り付けられており、対象とする伝熱管の部位は２万ないし数万箇所にも及んでいる。このように非常に多数の伝熱管の部位を、限られた定検期間中に検査することは実際上困難であり、また、すでに発生している腐食疲労亀裂が今後どのような形状や速度で進展していくのかを予測することも重要な課題となっている。
また、ボイラ水壁間内面の腐食疲労の評価、診断および予測を行う場合には影響因子が多い上に、応力または歪み振幅の大きさが金属部品の形状寸法や設置場所の温度条件の影響を受けることについての考慮はなされておらず、検査した箇所のデータを用いて、検査していない箇所の損傷や亀裂深さの程度および余寿命を推定したり予測したりすることは難しいという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術における課題ないしは問題点を解消するものであって、ボイラ水壁管の腐食疲労のように対象部位や影響因子が多くて一概に損傷度が評価できない予防保全課題に対して、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的な評価が可能な解析診断および予測する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、
ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価し、診断もしくは予測する方法であって、上記ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さ（ａ ＣＦ ）を、高温水中での疲労亀裂進展速度と、ボイラの停止中を含めた腐食または孔食進展速度との線形加算により算出する下記の（数１）式〔式中、（ｄａ／ｄＮ）は応力振幅から求められる高温水中での疲労亀裂進展速度、Ｎはボイラの起動停止回数、（ｄａ／ｄｔ）は腐食または孔食進展速度、ｔはボイラの腐食に関与する時間（運転時間、運転年数、停止時間および酸洗時間等）を表わす。〕
ａ ＣＦ ＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ………（数１）
を用いて、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このようなボイラ水壁管の診断予測方法とすることにより、ボイラ水壁管の腐食疲労のように対象部位や影響因子が多くて一概に損傷度が評価できない予防保全課題に対して、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に評価できる効果がある。
本発明は請求項１において、ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さ（ａ ＣＦ ）を、上記の（数１）式から算出して、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このように、本発明者らの見出した経験式である（数１）式を用いることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に算出できる効果がある。
また、本発明は請求項２に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管を任意の一定面積ごとに区切って複数の区画を形成し、該区画を複数のゾーンに分類して番地付けを行うと共に、上記区画のボイラ水壁管に応力振幅測定用の金属部品を溶接により装着し、該金属部品の種類とゾーンごとの応力係数を設定して、上記金属部品を装着した区画のボイラ水壁管の内面もしくは溶接部の応力振幅を求め、腐食疲労亀裂深さを算出してボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このようなボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の経年劣化寿命を支配する腐食疲労亀裂損傷について、部分的な検査結果からボイラ全体の損傷度合を迅速に診断、予測できる効果がある。
また、本発明は請求項３に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの検査値を用いて、（数１）式から腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出し、この（ｄａ／ｄｔ）値と、応力振幅から算出される疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）の値を用いて、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを予測するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このような腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、（数１）式から、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを容易に診断予測できる効果がある。
また、本発明は請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）および腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）から、ボイラ水壁管に装着されているそれぞれの金属部品の水壁管部位における将来の腐食疲労亀裂深さを予測すると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さの算出から余寿命を求めるボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることもできる。このような腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の将来の腐食疲労亀裂深さを迅速、かつ正確に予測できると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さから余寿命を的確に予測できる効果がある。
また、本発明は請求項４に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に対して、安全性を高める補正係数を設定し、腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に応じて、上記補正係数の加減を行うボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このように安全性を高める補正係数を設定することにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、信頼性の高いボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることができ、安全性の高いボイラの運用を行うことができる効果がある。
また、本発明は上記請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法を、少なくとも２種以上組み合わせて用い、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることも可能である。このようなボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることにより、ボイラの万全の運用をはかることができる。
【０００６】
本発明の基本構成を示す（数１）式は、発明者らの研究結果に基づく経験式である。図５は、上述したようにボイラ水壁管内面の腐食疲労亀裂の一例を示すもので、図２および図３は、本発明者らが実際のボイラ水壁管の検査の結果から得られた腐食疲労亀裂深さを、ボイラ運転時間および起動停止回数により整理したものである。いずれのパラメータの場合も、正の相関があるものの、ばらつきは非常に大きく、これら単独の因子では評価することはできない。
ボイラ水壁管は、通常ＪＩＳ−ＳＴＢ４１０のようなボイラ伝熱管用炭素鋼管が用いられている。この炭素鋼の高温水中での疲労寿命は、温度、水中の溶存酸素濃度（ＤＯ）、歪み振幅または応力振幅、歪み速度または繰返し速度、および材料側の因子の影響を受けることが分かっている。高温、高溶存酸素で歪み振幅が大きくなり、歪み速度が遅いほど環境効果による寿命が低下することが分かっている。
ボイラ水壁管に設ける金属部品の溶接部において、起動停止時に生じる応力の振幅は、金属部品の形状や寸法、および取り付け場所によって異なるが１００〜４００ＭＰａの範囲にあるのがほとんどであり、縦弾性係数（Ｅ）で除した歪み振幅は０.０５〜０.２％の範囲となる。ボイラ起動停止時の歪み速度は０.０００４％／ｓのオーダにあり、こうした歪み速度での高温水中疲労寿命は０.２％の歪み振幅でも数千回以上となる。このことは、樋口らの研究〔樋口、坂本：高温純水中における炭素鋼の低サイクル疲労特性：鉄と鋼、Ｖｏｌ.７１、Ｎｏ.８（’８５−８）〕でも明らかにされている。高温水中での疲労寿命は、２５０℃、ＤＯ＝８ｐｐｍの加速条件で求めたものであり、この線図を用いる限り数百回のボイラ起動停止で、寿命に相当する腐食疲労亀裂が生じた事象を高温水中での疲労特性からだけで説明することはできない。
本発明は、こうした考察および、図５に示した腐食疲労亀裂の形態から、実際の腐食疲労亀裂が高温水中疲労とボイラ停止中等での孔食（腐食）の線形加算で表わし得ることに着目したものである。このことを数式化すると、上述したように、次の（数１）式のようになる。
ａCF＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ………（数１）
〔式中、ａCFは腐食疲労亀裂深さ、（ｄａ／ｄＮ）は高温水中での疲労亀裂進展速度、Ｎはボイラの起動停止回数、（ｄａ／ｄｔ）は腐食または孔食進展速度ｔはボイラの腐食に関与する時間、例えば、運転時間、運転年数、停止時間、酸洗時間等を表わす。〕
本発明の腐食疲労亀裂の発生および進展モデルは次のように考えられている。
▲１▼ボイラの起動停止時の熱応力による管内付着スケールに割れが発生する。
▲２▼スケール割れ部に孔食が発生する。
▲３▼孔食（ピット）下で疲労亀裂が進展する。
▲４▼腐食と疲労の繰返しによる腐食疲労亀裂が進展する。
（数１）式による高温水中の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、応力または歪み振幅、歪み速度または繰返し速度、および腐食疲労亀裂深さの関数になるものである。具体的な数式例として、発明者らの調査研究によると、次の（数２）式のようになる。
【０００７】
【数２】
式中、εaは歪み振幅（＝応力振幅／縦弾性係数＝σa／Ｅ）、εは歪み速度、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは高温水中の腐食疲労実験から求めた回帰係数またはベキ数を表わし、具体例として、ａ＝０.８５、ｂ＝８、ｃ＝−０.５、
ｄ＝−０.５８２、ｅ＝０.００１（亀裂深さが０ｍｍの時）で示すことができる。 上記（数２）式を用いれば、任意の歪み振幅（または応力振幅）、任意の歪み速度、および腐食疲労亀裂深さに対して、高温水中での疲労亀裂進展速度を算出したり、設定することができる。なお、高温水中での疲労亀裂進展速度の算出について述べたが、本発明においてこれらの式は、固定的なものではなく、新たな調査研究の結果により更新したり、変更し得る性質のものである。
高温水中の疲労亀裂進展速度を決定する歪みまたは応力振幅等の応力負荷条件は、応力解析によって求められるものであり、一般的には、有限要素法による応力解析結果が使用される。ボイラの起動停止時の管内流体、伝熱管表面および金属部品の温度測定結果に基づく有限要素法の応力解析結果は現状では最も精度の高い応力解析法であるが、本発明において特に応力解析法を特定するものではない。単純な金属部品と伝熱管の温度差から算出される簡易応力振幅値であっても高温水中の疲労亀裂進展速度を求めることができる。本発明においては、安全性や信頼性の向上の点から、「応力振幅算出法の信頼度（安全）係数（以下Ｋ2と言う）」を導入する。
Ｋ2の値は、調査研究データの蓄積で変更されうる性質のものであるが、本発明においては、次のように設定する。
（１）有限要素法の応力解析の場合…………………Ｋ2＝１.０〜１.１
（２）簡易応力解析の場合…………………………Ｋ2＝１.３〜１.５
応力振幅の信頼度係数は、通常は次のようにして用いることができる。例えば、簡易応力解析（Ｋ2＝１.５）で、３００ＭＰａの応力振幅と算出された場合、３００×１.５＝４５０ＭＰａの応力振幅（ひずみ振幅＝応力振幅／縦弾性係数＝４５０／２０５８００＝０.００２２）として、高温水中疲労亀裂進展速度を算出できる。
上述した（数１）式で、腐食疲労亀裂深さを予測したり、算出する場合に、高温水中の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）、起動停止回数（Ｎ）、腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）が分かれば、そのまま計算できるが、腐食または孔食進展速度は、長年のボイラの運転条件（運転中の水質条件、停止中の環境条件、脱スケール用酸洗条件等）に左右され、一概に求められず、またプラント特有の値になるケースも多い。本発明では、腐食または孔食進展速度が既知の場合を除いて、部分的な腐食疲労亀裂深さの測定結果から上記（数１）式を用いて、腐食または孔食進展速度を算出し設定することとした。また、腐食疲労亀裂深さの測定点が複数点ある場合には、重み付けを考慮した平均的な腐食または孔食進展速度を算出すれば良い。
上述した方法による腐食または孔食進展速度算出法では、腐食疲労亀裂深さの測定精度が重要となる。そこで本発明では、腐食疲労亀裂深さの計測方法に対しても信頼度（安全）係数（腐食疲労亀裂深さの計測信頼度係数：Ｋ1）を採用することとした。Ｋ1もＫ2と同様、調査研究データや新たな検査計測法の開発蓄積により変更される性質のものであるが、本発明では次のように設定した。
（１）抜管断面観察、統計的評価………………………………Ｋ1＝１.０
（２）抜管断面観察、代表断面調査での亀裂深さの計測……Ｋ1＝１.２
（３）超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査………………Ｋ1＝１.５。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を挙げ、評価ケース別に記載し、具体的数値をあてはめて解析の結果を説明する。
〈第１の実施の形態〉
（数１）式の右項が既知で、現状の腐食疲労亀裂深さを予測する方法。
ａCF＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ……（数１）
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）
（４）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（Ｂ）予測項目
現状の腐食疲労亀裂の深さ（ａCFP）
〔評価ステップ〕
（１）（数２）式より疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求める。
（２）（数１）式に、（ｄａ／ｄＮ）、Ｎ、（ｄａ／ｄｔ）およびｔを代入して、現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）を算出する。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ
疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）＝０.０１８ｍｍ／年
ボイラの腐食に関与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
〈第２の実施の形態〉
（数１）式の右項が既知で、将来の腐食疲労亀裂進深さを予測する方法。
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）
（４）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（Ｂ）予測項目
将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）を算出する。（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数３）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ……（数３）
（３）（数３）式により、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測する場合、（ｄａ／ｄＮ）および（ｄａ／ｄｔ）が、これまでと同じで一定として算出しても良く、また亀裂進展に伴って（ｄａ／ｄＮ）あるいは（ｄａ／ｄｔ）が変化するとして計算しても良い。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ、（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）＝０.０１８ｍｍ／年
腐食進展に寄与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
今後の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、応力振幅σa＝２６７ＭＰａ、ａCFP＝０.５４５（ｍｍ）とすると、
（ｄａ／ｄＮ）＝０．０００７７ｍｍ／回となる。
３年後の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測すると、
〈第３の実施の形態〉
腐食または孔食腐食速度（ｄａ／ｄｔ）が未知の場合の将来の腐食疲労亀裂深さを予測する方法。
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（４）現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）
（Ｂ）予測項目
将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により腐食または孔食腐食速度（ｄａ／ｄｔ）を算出する。
（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数４）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）CF・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）Pit・ｔ……（数４)
（３）上述のように、腐食疲労亀裂深さの測定法が抜管断面観察、統計的評価の場合、そのままａCFP値を用いればよいが、代表断面観察、超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査の場合は、計測されたａCFPのそれぞれのＫ1を乗じて上記（１）の計算を行う。また、応力解析手法により応力振幅算出法の信頼度係数（Ｋ2）を使用することは上述した通りである。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ、（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
腐食進展に寄与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）＝０.６（ｍｍ）…代表断面観察法による。
ａCFPの代表値＝０.６×Ｋ1＝０.６×１.２＝０.７２（ｍｍ）
今後の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、σa＝２６７ＭＰａ、ａCFP＝０.５４５を代入し求めると、（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００７７ｍｍ／回となる。
【００１２】
３年後の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測すると、
〈第４の実施の形態〉
応力振幅値が簡易解析である場合の将来の腐食疲労亀裂深さを予測する方法。
（Ａ）既知項目
（１）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（２）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（３）現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）
（Ｂ）予測項目
応力振幅値（σa）が簡易解析である場合の将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出する。
（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数４）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）CF・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）Pit・ｔ……（数４)
（３）上述のように、腐食疲労亀裂深さの測定法が抜管断面観察、統計的評価の場合、そのままａCFP値を用いればよいが、代表断面観察、超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査の場合は、計測されたａCFPのそれぞれのＫ1を乗じて上記（１）の計算を行う。また、応力解析手法により応力振幅算出法の信頼度係数（Ｋ2）を使用する。
〔具体的計算例〕
簡易解析の応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ
疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
ボイラの腐食に関与する時間（＝運転年数）＝１８.５年
現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）＝０.６（ｍｍ）…代表断面観察法による。
ａCFPの代表値＝０.６×Ｋ1＝０.６×１.２＝０.７２（ｍｍ）
今後の疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）は、σa＝２６７×１.４ＭＰａ、ａCFP＝０.５４５を代入して求めると、（ｄａ／ｄＮ）＝０.００３０９ｍｍ／回となる。
３年後の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を予測する。
〈第５の実施の形態〉
腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）が未知で、将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）を予測し、余寿命を算出する。
（Ａ）既知項目
（１）応力振幅（σa）
（２）ボイラの起動停止回数（Ｎ）
（３）ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）
（４）現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）
（Ｂ）予測項目
将来の腐食疲労亀裂進展（ａCFF）および残肉厚が設計必要肉厚以下になるまでの余寿命の算出。
〔評価ステップ〕
（１）第１の実施の形態と同様に、（数２）式により疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）を求め、（数１）式により腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出する。
（２）予測時点までのボイラの起動停止回数（Ｎ）およびボイラの腐食に関与する時間（ｔ）を、次の（数４）式に代入し、将来の腐食疲労亀裂深さ（ａCFF）を算出する。
ａCFF＝ａCFP＋（ｄａ／ｄＮ）CF・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）Pit・ｔ……（数４)
（３）上述のように、腐食疲労亀裂深さの測定法が抜管断面観察、統計的評価の場合、そのままａCFP値を用いればよいが、代表断面観察、超音波または漏洩磁束法等の非破壊検査の場合は、計測されたａCFPのそれぞれにＫ1を乗じて、上記（１）の計算を行う。将来の腐食疲労亀裂深さの計算は、ある任意の時間ステップ（例えば１年ごと）で実施し、亀裂深さに応じた疲労亀裂進展速度を用いる。
（４）腐食疲労による寿命は、その系やプラント特有の取り方があるが、ここでは、残肉厚が設計必要肉厚（ｔsr）以下になった時を寿命として計算した。
〔具体的計算例〕
応力振幅（σa）＝２６７ＭＰａ
疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）＝０.０００４７ｍｍ／回
ボイラの起動停止回数（Ｎ）＝４５０回
ボイラの腐食に関与する時間（ｔ）（＝運転年数）＝１８.５年
現状の腐食疲労亀裂深さ（ａCFP）＝０.６（ｍｍ）…代表断面観察法による。
ａCFPの代表値＝０.６×Ｋ1＝０.６×１.２＝０.７２
管の肉厚（ｔ）＝４.２（ｍｍ）
設計必要肉厚（ｔsr）＝３.０（ｍｍ）、許容亀裂深さ＝１.２（ｍｍ）
腐食疲労亀裂進展予測線図：図１（計算方法は、第３の実施の形態と同じ。）
余寿命：７年。
【００１５】
【発明の効果】
本発明のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断または予測方法を用いることにより、ボイラ水壁管の経年劣化寿命を支配する腐食疲労亀裂損傷の評価、診断および腐食進展の予測を確実に行うことが可能となり、信頼性の高いプラントの運転を実現することができる。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さを、高温水中での疲労亀裂進展速度と、ボイラの停止中を含めた腐食または孔食進展速度との線形加算により求めて、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようなボイラ水壁管の診断予測方法とすることにより、ボイラ水壁管の腐食疲労のように対象部位や影響因子が多くて一概に損傷度が評価できない予防保全課題に対して、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に評価できる効果がある。
また、本発明は請求項１に記載のように、ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さ（ａＣＦ）を、次の（数１）式
ａＣＦ＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ………（数１）
〔式中、（ｄａ／ｄＮ）は応力振幅から求められる高温水中での疲労亀裂進展速度、Ｎはボイラの起動停止回数、（ｄａ／ｄｔ）は腐食または孔食進展速度、ｔはボイラの腐食に関与する時間（運転時間、運転年数、停止時間および酸洗時間等）を表わす。〕
から算出して、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものである。このように、本発明者らの見出した経験式である（数１）式を用いることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管全体の損傷度合や余寿命を適正、かつ定量的に算出できる効果がある。
また、本発明は請求項２に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管を任意の一定面積ごとに区切って複数の区画を形成し、該区画を複数のゾーンに分類して番地付けを行うと共に、上記区画のボイラ水壁管に応力振幅測定用の金属部品を溶接により装着し、該金属部品の種類とゾーンごとの応力係数を設定して、上記金属部品を装着した区画のボイラ水壁管の内面もしくは溶接部の応力振幅を求め、腐食疲労亀裂深さを算出してボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようにすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の経年劣化寿命を支配する腐食疲労亀裂損傷について、部分的な検査結果からボイラ全体の損傷度合を迅速に診断、予測できる。
また、本発明は請求項３に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの検査値を用いて、（数１）式から腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出し、この（ｄａ／ｄｔ）値と、応力振幅から算出される疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）の値を用いて、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを予測するボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようにすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを容易に診断し予測することができる。
また、本発明は請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）および腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）から、ボイラ水壁管に装着されているそれぞれの金属部品の水壁管部位における将来の腐食疲労亀裂深さを予測すると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さの算出から余寿命を求めるボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このようにすることにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、ボイラ水壁管の将来の腐食疲労亀裂深さを迅速、かつ正確に予測できると共に、許容亀裂深さまでの残肉厚さから余寿命を的確に予測できる。
また、本発明は請求項４に記載のように、請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に対して、安全性を高める補正係数を設定し、腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に応じて、上記補正係数の加減を行うボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とするものであり、このように安全性を高める補正係数を設定することにより、上記請求項１の共通の効果に加えて、信頼性の高いボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法とすることができ、安全性の高いボイラの運用を行うことができる。
また、本発明は請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法を、少なくとも２種以上組み合わせて用いることも可能であり、このようにすることにより、信頼性の高いボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法を実施でき、ボイラの万全の運用をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示したボイラ水壁管の腐食疲労亀裂進展予測線図。
【図２】本発明の実施の形態で例示したボイラの起動停止回数と水壁管の腐食疲労亀裂深さとの関係を示すグラフ。
【図３】本発明の実施の形態で例示したボイラの運転時間と水壁管の腐食疲労亀裂深さとの関係を示すグラフ。
【図４】応力振幅測定用の金属部品をボイラ水壁管に溶接により取り付けた状態を示す模式図。
【図５】ボイラ水壁管内面の腐食疲労亀裂の発生状況を示す図。
【符号の説明】
１…１…ボイラ水壁管（伝熱管）
２…メンブレンバー
３…フィラープレート
４…金属部品
５…溶接部
６…腐食疲労亀裂
７…シールボックス
Claims (4)
- ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価し、診断もしくは予測する方法であって、上記ボイラ水壁管の腐食疲労亀裂深さ（ａ ＣＦ ）を、高温水中での疲労亀裂進展速度と、ボイラの停止中を含めた腐食または孔食進展速度との線形加算により算出する下記の（数１）式〔式中、（ｄａ／ｄＮ）は応力振幅から求められる高温水中での疲労亀裂進展速度、Ｎはボイラの起動停止回数、（ｄａ／ｄｔ）は腐食または孔食進展速度、ｔはボイラの腐食に関与する時間を表わす。〕
ａ ＣＦ ＝（ｄａ／ｄＮ）・Ｎ＋（ｄａ／ｄｔ）・ｔ………（数１）
を用いて、ボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価することを特徴とするボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法。 - 請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管を任意の一定面積ごとに区切って複数の区画を形成し、該区画を複数のゾーンに分類して番地付けを行うと共に、上記区画のボイラ水壁管に応力振幅測定用の金属部品を溶接により装着し、該金属部品の種類とゾーンごとの応力係数を設定して、上記金属部品を装着した区画のボイラ水壁管の内面もしくは溶接部の応力振幅を求め、腐食疲労亀裂深さを算出してボイラ水壁管の腐食疲労損傷度合を評価することを特徴とするボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法。
- 請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの検査値を用いて、（数１）式から腐食または孔食進展速度（ｄａ／ｄｔ）を算出し、この（ｄａ／ｄｔ）値と、応力振幅から算出される疲労亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）の値を用いて、未検査のボイラ水壁管部位の腐食疲労亀裂深さを予測することを特徴とするボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法。
- 請求項１に記載のボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法において、ボイラ水壁管の部分的な腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に対して、安全性を高める補正係数を設定し、腐食疲労亀裂深さの測定値および応力振幅の解析値に応じて、上記補正係数の加減を行うことを特徴とするボイラ水壁管の腐食疲労損傷診断予測方法。
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