JP3676320B2 - 低Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱鋼の余寿命予測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温で長時間使用された耐熱鋼、具体的には火力発電プラントのボイラなどに組み込まれた低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラントのボイラにおける管寄せなどの高温部位に使用されている材料は、使用によりクリープして寿命に達する以前に取り替えられる。従って、このような材料の残りの寿命、即ち余寿命を正確に知ることは、プラントの修繕費用の低減や延命に欠くことのできない重要事項であり、従来から使用中の硬さ変化から余寿命を予測する方法等が提案されている。
【０００３】
上記ボイラにおける管寄せなどの高温部位には、JIS G 3458に規定されるSTPA20から24、または同G 3462に規定されるSTBA20から24までの鋼やこれらの相当鋼、即ち低Cr−Mo系耐熱鋼が主に使用されている。この低Cr−Mo系耐熱鋼は、それ自体、硬さの経年変化が小さく、硬さによる余寿命予測は困難である（例えば、学振第123 号委員会報告、22(1981)，P14参照）。従って、その余寿命予測は、主として金属組織を基準の組織と対比する組織比較法により行われている。
【０００４】
しかし、組織比較法による余寿命の予測精度は、真の寿命の1/2 から２倍と大きな幅があり、正確性に欠けるだけでなく、その評価に多大な工数と費用がかかるという欠点がある。このため、組織比較法に比べて工数と費用が少なくてすみ、かつ高精度の余寿命予測方法の開発が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の実状に鑑みてなされたもので、その目的は、STPA20から24、またはSTBA20から24までの鋼やこれらの相当鋼からなる低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命を高い精度で予測する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明方法は、低Cr−Mo系耐熱鋼そのものの硬さの変化ではなく、溶接金属の硬さの変化から余寿命を予測する方法である。本発明の要旨は下記の低Cr−Mo系耐熱鋼の寿命予測方法にある。
【０００７】
評価対象材料の溶接部における溶接金属の硬さを測定し、この測定硬さに対応する下記の(1)式で表されるLMP値を、予めの実験により定めた溶接金属の硬さとLMP値との関係を示す下記の(2)式または(3)式に基づいて求め、求めたLMP値と運転記録に基づく既知の累積運転時間から(1)式により温度を求めてこの温度を評価対象材料の実際の使用温度とし、この使用温度と下記の応力σにおける評価対象材料の寿命から累積運転時間を差し引くことにより、評価対象材料の使用可能な残りの時間を求める低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命予測方法。
【０００８】
LMP＝Ｔ×(logｔ＋Ｃ) ・・・・・・・(1)
Ｈ＝Ｋ１×LMP＋Ｈ０ ・・・・・・・・・(2)
Ｈ＝Ｋ２×（LMP−LMPＣ）＋ＨＣ ・・・・(3)
ここで、
Ｔ ：温度(Ｋ)
ｔ ：時間(ｈ)
Ｃ ：定数
Ｈ ：溶接金属の測定硬さ(Hv)
Ｋ１ ：定数
Ｈ０ ：LMP＝０のときの硬さ(Hv)
Ｋ２ ：定数
LMPＣ：加速軟化が始まるときのLMPの値
ＨＣ ：加速軟化が始まるときの溶接金属の硬さ(Hv)
ただし、「Ｋ２＝ｆ(σ)」、「LMPＣ＝ｇ(σ)」であり、σは評価部位に負荷された応力(MPa)である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、比較的簡単に測定できる溶接金属の硬さの変化から低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命を精度よく予測できると考えて、種々の試験を行い、以下のことを知見して上記の本発明を完成させた。
【００１０】
STPA20から24、またはSTBA20から24までの鋼やその相当鋼および改良鋼（この明細書では、これらをまとめて「低Cr−Mo系耐熱鋼」という）の経年硬さ変化は小さい。しかし、その溶接部、中でも溶接金属の使用前の硬さは母材部に比べて高く、その経年硬さ変化、即ち軟化の程度は、母材に較べて遙かに大きい。
【００１１】
なお、溶接金属の硬さ変化（軟化）が大きい理由の詳細は不明であるが、溶接金属は母材に比べると転位密度が高く、この転位が使用中の熱の影響を受けて消滅していくためと推定される。
【００１２】
そこで、溶接金属に注目し、その軟化に及ぼす種々の要因のうち、化学組成と負荷応力が軟化に及ぼす影響について、下記の試験を行って詳細に調べた。なお、溶接金属の軟化には使用温度も影響する。しかし、材料の使用温度は必ずしも設計値どおりではない。そこで、本発明方法では実際に装置の運転によって材料が曝された温度（使用温度）を溶接金属の硬さ変化から推定し、この推定値に基づいてに余寿命を予測することとした。この点が本発明方法の大きな特徴の一つである。
１．化学組成の影響
基本成分のうち特定の成分の含有量のみを変化させた多くの鋼を準備し、これらの鋼の厚さ10mmの板材の中央部を溶接材料を使用することなくTIG溶接した。この場合、溶接金属は母材とほぼ同じ化学組成となる。この溶接後の鋼板から溶接金属部分を含む試験片を切り出し、これを時効試験片とした。時効試験は、温度および保持時間を様々に変えて行った。
【００１３】
上記の試験結果から、下記の結論が得られた。
【００１４】
▲１▼時効による溶接金属の硬さ変化は、LMPと直線関係にある。ここで、LMPとは下記(1)式で表される、いわゆるラーソン・ミラー・パラメータ(Larson-Miller-Parameter)である。
【００１５】
LMP＝Ｔ×（logｔ＋Ｃ） ・・・(1)
ただし、Ｔは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは定数である。
【００１６】
なお、上記の定数Ｃは、一般に「20」とされるが、必ずしも「20」である必要はない。
【００１７】
図１は、Ｃ（炭素）含有量の異なる幾つかの溶接金属について、LMPと硬さの関係を示したものである。また、図２は、Mo含有量の異なる幾つかの溶接金属について、LMPと硬さの関係を示したものである。図示のとおり、どのＣ含有量の溶接金属においてもLMPと硬さとは直線関係にあり、その勾配も同じである。また、どのMo含有量の溶接金属においてもLMPと硬さとは直線関係にあり、その勾配はＣの場合と同じである。しかし、Ｃの場合とは異なり、含有量による差が極めて小さい。
【００１８】
▲２▼図１に示した直線関係は、Si、ＰおよびＳの含有量が異なる溶接金属でも同じであり、時効軟化直線の勾配（Ｋ１）も同じである。
【００１９】
▲３▼図２示した直線関係は、Mn、CrおよびＮの含有量が異なる溶接金属でも同じであり、時効軟化直線の勾配（Ｋ１）も図１の各直線の勾配と同じである。
【００２０】
▲４▼上記▲２▼および▲３▼より、上記(1)式中の温度Ｔを０(Ｋ)と仮定した場合、言い換えれば「LMP＝０」のときの硬さＨ０は各成分の含有量の組み合わせによりに決まる。
【００２１】
▲５▼即ち、本発明が対象とする低Cr系耐熱鋼では、「LMP＝０」のときの硬さＨ０が成分系に応じて異なるだけであり、その時効軟化直線は、下記の式(2)で表すことができる。
【００２２】
Ｈ＝Ｋ１×LMP＋Ｈ０ ・・・・・・・・・(2)
ここで、
Ｈ ：測定時点の溶接金属の硬さ(Hv)
Ｋ１：直線の勾配（定数）
Ｈ０：LMP＝０のときの硬さ(Hv)
図３に上記(2)式の関係を概念的に示す。
【００２３】
２．負荷応力の影響
外径Ｄと肉厚ｔＰの比(Ｄ／ｔＰ)が異なり、化学組成が同じ母管を種々異なる化学組成の溶接材料でTIG 溶接法により周溶接したものを試験片として、種々の温度と応力によるクリープ試験を行った。その試験途中で複数回中断し、中断の度に溶接金属の硬さを測定した。試験条件を前記の式(1)で定義されるLMPで表してこれを横軸とし、中断時に測定した溶接金属の硬さを縦軸にとって整理した。その結果を図４に示す。この図から下記の結論が得られる。
【００２４】
▲６▼応力σを負荷すると特定のLMP値(LMPＣ：応力軟化開始点)で軟化が加速され、その応力軟化は直線近似できて、次の(3)式で表すことができる。
【００２５】
Ｈ＝Ｋ２×（LMP−LMPＣ）＋ＨＣ ・・・・(3)
ここで、
Ｈ ：測定時点の溶接金属の硬さ(Hv)
Ｋ２：直線の勾配（定数）
LMPＣ：応力軟化開始点のLMP値
ＨＣ：LMPがLMPＣのときの溶接金属の硬さ(Hv)
▲７▼負荷応力σが大きいほど上記の応力軟化直線の傾きＫ２は大きくなる。また、負荷応力σが大きいほど上記のLMPＣ値は小さくなる。即ち、早い時期に加速軟化が始まる。即ち、Ｋ２は次の(4)式で表され、LMPＣは下記の(5)式で表される。
【００２６】
Ｋ２ ＝ｆ(σ) ・・・・(4)
LMPＣ＝ｇ(σ) ・・・・(5)
▲８▼外径Ｄと肉厚ｔＰの比(Ｄ／ｔＰ)は、応力軟化に影響を及ぼさない。また、溶接金属の化学組成は応力軟化直線の傾きＫ２に影響を及ぼさない。
【００２７】
前記の(4)式および(5)式は、成分系が異なっても同じであり、実験により定めることができる。一方、σは装置の設計に当たって決められる値である。従って、Ｋ２およびLMPＣの値は予め求めておくことができる。
【００２８】
図４には、成分系ＡとＢの２種の溶接金属の時効軟化直線を示した。実線で示すのが前記の(2)式の軟化直線、即ち、負荷応力がない場合の軟化直線である。破線が応力が負荷されている場合の軟化直線である。この場合は、LMPＣに達するまでは、応力負荷のない直線にそって軟化するが、LMPＣに達した以降は軟化が加速されて、破線にそって軟化していく。図中にLMPＣ１とLMPＣ２があるのは、負荷応力の大小によってLMPＣが現れる点が異なることを示している。
【００２９】
以上のことから、次のようにして低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命を予想できることが明らかである。
【００３０】
まず、或る時間使用した低Cr−Mo系耐熱鋼の溶接部の溶接金属の硬さＨを測定する。その測定値を前記の(2)式または(3)式に代入すればLMP 値が特定できる。
【００３１】
即ち、(2)式（Ｈ＝Ｋ１×LMP＋Ｈ０）から、
LMP＝（Ｈ−Ｈ０）／Ｋ１ ・・・・・・・・(2)-1
となり、(3)式（Ｈ＝Ｋ２×（LMP−LMPＣ）＋ＨＣ）から、
LMP＝（ＨＣ−Ｈ）／Ｋ２＋LMPＣ ・・・・・・・・(3)-1
となる。
【００３２】
ここで、LMPの算出に(2)-1式と(3)-1式のいずれを用いるかは、次のようにして決める。即ち、Ｈ＞ＨＣの場合（即ち、実測した溶接金属の硬さＨがＨＣよりも高い場合）は、加速軟化領域に入っていないので、(2)-1式を用いる。一方、Ｈ＜ＨＣの場合（即ち、実測した溶接金属の硬さＨがＨＣよりも低い場合）は、加速軟化領域に入っているので、(3)-1式を用いる。
【００３３】
なお、(2)-1式および(3)-1式のＫ１およびＫ２は実験によって予め求めておく。また、(3)-1式のLMPＣは上記の(5)式で決まり、ＨＣは(2)式と(3)式で表される直線の交点であるので、(2)式のLMPに代えて(5)式で決まったLMPＣを代入し、下記の式(6)で表すことができる。
【００３４】
ＨＣ＝Ｋ１×LMPＣ＋Ｈ０ ・・・・(6)
さらに、(2)-1式および(6)式中のＨ０は、実験結果から下記の(7)式で表すことができることが確認された。
【００３５】
Ｈ０＝ｆ(Ｍ) ・・・・・・・・(7)
ここで、ｆ(Ｍ)は溶接金属の成分の含有量の関数であり、ＭはＣ、Si、Mn、Cr、Mo、Ｎ、ＰおよびＳ等で、Ｈ０は実験により容易に求めることができる。
【００３６】
Ｈ０を求めるための溶接金属の化学組成は、硬さＨの測定と合わせて分析を行って知るのが望ましいが、既知の場合にはその値としてもよい。
【００３７】
LMPの値がわかれば、運転記録から累積使用時間ｔは既知であるから、前記の式(1) により実際の使用温度Ｔを正確に知ることができる。即ち、(1)式、LMP＝Ｔ（logｔ＋Ｃ）から
Ｔ＝LMP／（logｔ＋Ｃ）・・・・・・・(1)-1
であるから、LMPとｔがわかれば、Ｔが算出できる。
【００３８】
上記のようにして評価対象材料の使用温度Ｔが判明すれば、その材料の余寿命は次のようにして予測できる。
【００３９】
耐熱鋼の温度Ｔ、負荷応力σにおける使用可能な時間（寿命）ｔ０については、データベースが存在する。従って、上記の式(1)-1によって、評価対象材料の使用温度Ｔが判明すれば、その温度における使用可能な時間ｔ０から累積使用時間ｔを差し引くことより、当該材料の使用可能な残り時間ｔｒを正確に算出できる。
【００４０】
以上に説明した本発明の余寿命を予測する方法の手順を詳細に説明すれば以下のとおりである。
【００４１】
ステップ１：
評価部位の材料の溶接部における溶接金属の硬さＨを測定する。一方、この溶接金属の化学組成は、前述したように、既知な場合にはその値、既知でない場合にはその表層部から試料を採取して分析するか、または携帯型の発光分光分析器を用いて分析する等して特定するとともに、この部分に負荷された応力σを設計仕様に基づいて特定、即ち「負荷された応力σ＝設計応力」とする。
【００４２】
ここで、溶接金属の化学組成は、組み立て時の溶接が溶接材料を使用しない溶接の場合は評価部位の材料と同じとしてよく、溶接が溶接材料を使用した溶接の場合は溶接材料と同じにしてもよい。また、応力σは、設計応力に代えて設計内圧または運転実績内圧に基づいて求められる負荷応力としてもよい。
【００４３】
ステップ２：
特定した化学組成に基づいて前記の(7)式によりＨ０を求めて(2)式を確定する一方、特定した応力σに基づいて前記の(4)式および(5)式よりＫ２とLMPＣを求めとともに(6)式によりＨＣを求め、(3)式を確定する。
【００４４】
ステップ３：
実測硬さＨとステップ２で求めたＨＣを対比し、Ｈ＞ＨＣの場合には実測硬さＨを確定した(2)式の変形式である(2)-1式に代入し、Ｈ＜ＨＣの場合には実測硬さＨとステップ２で求めたＨＣを確定した(3)式の変形式である(3)-1式に代入してLMPを求める。
【００４５】
ステップ４：
ステップ３で求めたLMPと運転記録から既知の累積運転時間ｔを前記の(1)式の変形式である(1)-1式に代入して評価部位の実際の使用温度Ｔを求め、この温度を評価部位の材料の実際の使用温度Ｔとする。
【００４６】
ステップ５：
評価部位の材料と同じ材料の、ステップ４で求めた温度Ｔと、ステップ１で確定した応力σにおける使用可能な全運転時間ｔ０をデータベースから抽出し、下記の式(8)により運転可能な残りの時間ｔｒを求める。
【００４７】
ｔｒ＝ｔ０−t ・・・・・・・(8)
【００４８】
【実施例】
STBA24製の鋼管が組み込まれた複数のボイラを対象に、本発明の方法と従来の組織比較法によりその余寿命予測を行い、その結果を表１に示した。なお、表１中の寿命消費率(％)は下記の(9)式により定義される値である。
【００４９】
寿命消費率(％)＝(ｔ／ｔ０)×100 ・・・・・(9)
表１からわかるように、従来の組織比較法によった場合の寿命消費率には幅があってその取り替え時期を明確に決定しにくい。これに対し、本発明の方法によった場合には、特定の寿命消費率が得られるので、その取り替え時期を決定しやすい。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【発明の効果】
本発明の方法では、初期硬さが高く、しかも使用による時効軟化が大きい溶接金属の硬さを測定するので実際の使用温度を正確に知ることができ、残りの使用可能な時間を正確に求めることができる。その結果、経年材料の取り替え時期の決定が正確かつ容易に行え、プラントの修繕費用や延命に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験結果の一例を示す図で、Ｃが溶接金属の硬さとLMPとの関係に及ぼす影響を示す図である。
【図２】実験結果の一例を示す図で、Moが溶接金属の硬さとLMPとの関係に及ぼす影響を示す図である。
【図３】時効軟化が成分系に応じて異なることを示す概念図である。
【図４】実験結果の一例を示す図で、負荷応力が溶接金属の硬さとLMPとの関係に及ぼす影響を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温で長時間使用された耐熱鋼、具体的には火力発電プラントのボイラなどに組み込まれた低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラントのボイラにおける管寄せなどの高温部位に使用されている材料は、使用によりクリープして寿命に達する以前に取り替えられる。従って、このような材料の残りの寿命、即ち余寿命を正確に知ることは、プラントの修繕費用の低減や延命に欠くことのできない重要事項であり、従来から使用中の硬さ変化から余寿命を予測する方法等が提案されている。
【０００３】
上記ボイラにおける管寄せなどの高温部位には、JIS G 3458に規定されるSTPA20から24、または同G 3462に規定されるSTBA20から24までの鋼やこれらの相当鋼、即ち低Cr−Mo系耐熱鋼が主に使用されている。この低Cr−Mo系耐熱鋼は、それ自体、硬さの経年変化が小さく、硬さによる余寿命予測は困難である（例えば、学振第123 号委員会報告、22(1981)，P14参照）。従って、その余寿命予測は、主として金属組織を基準の組織と対比する組織比較法により行われている。
【０００４】
しかし、組織比較法による余寿命の予測精度は、真の寿命の1/2 から２倍と大きな幅があり、正確性に欠けるだけでなく、その評価に多大な工数と費用がかかるという欠点がある。このため、組織比較法に比べて工数と費用が少なくてすみ、かつ高精度の余寿命予測方法の開発が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の実状に鑑みてなされたもので、その目的は、STPA20から24、またはSTBA20から24までの鋼やこれらの相当鋼からなる低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命を高い精度で予測する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明方法は、低Cr−Mo系耐熱鋼そのものの硬さの変化ではなく、溶接金属の硬さの変化から余寿命を予測する方法である。本発明の要旨は下記の低Cr−Mo系耐熱鋼の寿命予測方法にある。
【０００７】
評価対象材料の溶接部における溶接金属の硬さを測定し、この測定硬さに対応する下記の(1)式で表されるLMP値を、予めの実験により定めた溶接金属の硬さとLMP値との関係を示す下記の(2)式または(3)式に基づいて求め、求めたLMP値と運転記録に基づく既知の累積運転時間から(1)式により温度を求めてこの温度を評価対象材料の実際の使用温度とし、この使用温度と下記の応力σにおける評価対象材料の寿命から累積運転時間を差し引くことにより、評価対象材料の使用可能な残りの時間を求める低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命予測方法。
【０００８】
LMP＝Ｔ×(logｔ＋Ｃ) ・・・・・・・(1)
Ｈ＝Ｋ１×LMP＋Ｈ０ ・・・・・・・・・(2)
Ｈ＝Ｋ２×（LMP−LMPＣ）＋ＨＣ ・・・・(3)
ここで、
Ｔ ：温度(Ｋ)
ｔ ：時間(ｈ)
Ｃ ：定数
Ｈ ：溶接金属の測定硬さ(Hv)
Ｋ１ ：定数
Ｈ０ ：LMP＝０のときの硬さ(Hv)
Ｋ２ ：定数
LMPＣ：加速軟化が始まるときのLMPの値
ＨＣ ：加速軟化が始まるときの溶接金属の硬さ(Hv)
ただし、「Ｋ２＝ｆ(σ)」、「LMPＣ＝ｇ(σ)」であり、σは評価部位に負荷された応力(MPa)である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、比較的簡単に測定できる溶接金属の硬さの変化から低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命を精度よく予測できると考えて、種々の試験を行い、以下のことを知見して上記の本発明を完成させた。
【００１０】
STPA20から24、またはSTBA20から24までの鋼やその相当鋼および改良鋼（この明細書では、これらをまとめて「低Cr−Mo系耐熱鋼」という）の経年硬さ変化は小さい。しかし、その溶接部、中でも溶接金属の使用前の硬さは母材部に比べて高く、その経年硬さ変化、即ち軟化の程度は、母材に較べて遙かに大きい。
【００１１】
なお、溶接金属の硬さ変化（軟化）が大きい理由の詳細は不明であるが、溶接金属は母材に比べると転位密度が高く、この転位が使用中の熱の影響を受けて消滅していくためと推定される。
【００１２】
そこで、溶接金属に注目し、その軟化に及ぼす種々の要因のうち、化学組成と負荷応力が軟化に及ぼす影響について、下記の試験を行って詳細に調べた。なお、溶接金属の軟化には使用温度も影響する。しかし、材料の使用温度は必ずしも設計値どおりではない。そこで、本発明方法では実際に装置の運転によって材料が曝された温度（使用温度）を溶接金属の硬さ変化から推定し、この推定値に基づいてに余寿命を予測することとした。この点が本発明方法の大きな特徴の一つである。
１．化学組成の影響
基本成分のうち特定の成分の含有量のみを変化させた多くの鋼を準備し、これらの鋼の厚さ10mmの板材の中央部を溶接材料を使用することなくTIG溶接した。この場合、溶接金属は母材とほぼ同じ化学組成となる。この溶接後の鋼板から溶接金属部分を含む試験片を切り出し、これを時効試験片とした。時効試験は、温度および保持時間を様々に変えて行った。
【００１３】
上記の試験結果から、下記の結論が得られた。
【００１４】
▲１▼時効による溶接金属の硬さ変化は、LMPと直線関係にある。ここで、LMPとは下記(1)式で表される、いわゆるラーソン・ミラー・パラメータ(Larson-Miller-Parameter)である。
【００１５】
LMP＝Ｔ×（logｔ＋Ｃ） ・・・(1)
ただし、Ｔは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは定数である。
【００１６】
なお、上記の定数Ｃは、一般に「20」とされるが、必ずしも「20」である必要はない。
【００１７】
図１は、Ｃ（炭素）含有量の異なる幾つかの溶接金属について、LMPと硬さの関係を示したものである。また、図２は、Mo含有量の異なる幾つかの溶接金属について、LMPと硬さの関係を示したものである。図示のとおり、どのＣ含有量の溶接金属においてもLMPと硬さとは直線関係にあり、その勾配も同じである。また、どのMo含有量の溶接金属においてもLMPと硬さとは直線関係にあり、その勾配はＣの場合と同じである。しかし、Ｃの場合とは異なり、含有量による差が極めて小さい。
【００１８】
▲２▼図１に示した直線関係は、Si、ＰおよびＳの含有量が異なる溶接金属でも同じであり、時効軟化直線の勾配（Ｋ１）も同じである。
【００１９】
▲３▼図２示した直線関係は、Mn、CrおよびＮの含有量が異なる溶接金属でも同じであり、時効軟化直線の勾配（Ｋ１）も図１の各直線の勾配と同じである。
【００２０】
▲４▼上記▲２▼および▲３▼より、上記(1)式中の温度Ｔを０(Ｋ)と仮定した場合、言い換えれば「LMP＝０」のときの硬さＨ０は各成分の含有量の組み合わせによりに決まる。
【００２１】
▲５▼即ち、本発明が対象とする低Cr系耐熱鋼では、「LMP＝０」のときの硬さＨ０が成分系に応じて異なるだけであり、その時効軟化直線は、下記の式(2)で表すことができる。
【００２２】
Ｈ＝Ｋ１×LMP＋Ｈ０ ・・・・・・・・・(2)
ここで、
Ｈ ：測定時点の溶接金属の硬さ(Hv)
Ｋ１：直線の勾配（定数）
Ｈ０：LMP＝０のときの硬さ(Hv)
図３に上記(2)式の関係を概念的に示す。
【００２３】
２．負荷応力の影響
外径Ｄと肉厚ｔＰの比(Ｄ／ｔＰ)が異なり、化学組成が同じ母管を種々異なる化学組成の溶接材料でTIG 溶接法により周溶接したものを試験片として、種々の温度と応力によるクリープ試験を行った。その試験途中で複数回中断し、中断の度に溶接金属の硬さを測定した。試験条件を前記の式(1)で定義されるLMPで表してこれを横軸とし、中断時に測定した溶接金属の硬さを縦軸にとって整理した。その結果を図４に示す。この図から下記の結論が得られる。
【００２４】
▲６▼応力σを負荷すると特定のLMP値(LMPＣ：応力軟化開始点)で軟化が加速され、その応力軟化は直線近似できて、次の(3)式で表すことができる。
【００２５】
Ｈ＝Ｋ２×（LMP−LMPＣ）＋ＨＣ ・・・・(3)
ここで、
Ｈ ：測定時点の溶接金属の硬さ(Hv)
Ｋ２：直線の勾配（定数）
LMPＣ：応力軟化開始点のLMP値
ＨＣ：LMPがLMPＣのときの溶接金属の硬さ(Hv)
▲７▼負荷応力σが大きいほど上記の応力軟化直線の傾きＫ２は大きくなる。また、負荷応力σが大きいほど上記のLMPＣ値は小さくなる。即ち、早い時期に加速軟化が始まる。即ち、Ｋ２は次の(4)式で表され、LMPＣは下記の(5)式で表される。
【００２６】
Ｋ２ ＝ｆ(σ) ・・・・(4)
LMPＣ＝ｇ(σ) ・・・・(5)
▲８▼外径Ｄと肉厚ｔＰの比(Ｄ／ｔＰ)は、応力軟化に影響を及ぼさない。また、溶接金属の化学組成は応力軟化直線の傾きＫ２に影響を及ぼさない。
【００２７】
前記の(4)式および(5)式は、成分系が異なっても同じであり、実験により定めることができる。一方、σは装置の設計に当たって決められる値である。従って、Ｋ２およびLMPＣの値は予め求めておくことができる。
【００２８】
図４には、成分系ＡとＢの２種の溶接金属の時効軟化直線を示した。実線で示すのが前記の(2)式の軟化直線、即ち、負荷応力がない場合の軟化直線である。破線が応力が負荷されている場合の軟化直線である。この場合は、LMPＣに達するまでは、応力負荷のない直線にそって軟化するが、LMPＣに達した以降は軟化が加速されて、破線にそって軟化していく。図中にLMPＣ１とLMPＣ２があるのは、負荷応力の大小によってLMPＣが現れる点が異なることを示している。
【００２９】
以上のことから、次のようにして低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命を予想できることが明らかである。
【００３０】
まず、或る時間使用した低Cr−Mo系耐熱鋼の溶接部の溶接金属の硬さＨを測定する。その測定値を前記の(2)式または(3)式に代入すればLMP 値が特定できる。
【００３１】
即ち、(2)式（Ｈ＝Ｋ１×LMP＋Ｈ０）から、
LMP＝（Ｈ−Ｈ０）／Ｋ１ ・・・・・・・・(2)-1
となり、(3)式（Ｈ＝Ｋ２×（LMP−LMPＣ）＋ＨＣ）から、
LMP＝（ＨＣ−Ｈ）／Ｋ２＋LMPＣ ・・・・・・・・(3)-1
となる。
【００３２】
ここで、LMPの算出に(2)-1式と(3)-1式のいずれを用いるかは、次のようにして決める。即ち、Ｈ＞ＨＣの場合（即ち、実測した溶接金属の硬さＨがＨＣよりも高い場合）は、加速軟化領域に入っていないので、(2)-1式を用いる。一方、Ｈ＜ＨＣの場合（即ち、実測した溶接金属の硬さＨがＨＣよりも低い場合）は、加速軟化領域に入っているので、(3)-1式を用いる。
【００３３】
なお、(2)-1式および(3)-1式のＫ１およびＫ２は実験によって予め求めておく。また、(3)-1式のLMPＣは上記の(5)式で決まり、ＨＣは(2)式と(3)式で表される直線の交点であるので、(2)式のLMPに代えて(5)式で決まったLMPＣを代入し、下記の式(6)で表すことができる。
【００３４】
ＨＣ＝Ｋ１×LMPＣ＋Ｈ０ ・・・・(6)
さらに、(2)-1式および(6)式中のＨ０は、実験結果から下記の(7)式で表すことができることが確認された。
【００３５】
Ｈ０＝ｆ(Ｍ) ・・・・・・・・(7)
ここで、ｆ(Ｍ)は溶接金属の成分の含有量の関数であり、ＭはＣ、Si、Mn、Cr、Mo、Ｎ、ＰおよびＳ等で、Ｈ０は実験により容易に求めることができる。
【００３６】
Ｈ０を求めるための溶接金属の化学組成は、硬さＨの測定と合わせて分析を行って知るのが望ましいが、既知の場合にはその値としてもよい。
【００３７】
LMPの値がわかれば、運転記録から累積使用時間ｔは既知であるから、前記の式(1) により実際の使用温度Ｔを正確に知ることができる。即ち、(1)式、LMP＝Ｔ（logｔ＋Ｃ）から
Ｔ＝LMP／（logｔ＋Ｃ）・・・・・・・(1)-1
であるから、LMPとｔがわかれば、Ｔが算出できる。
【００３８】
上記のようにして評価対象材料の使用温度Ｔが判明すれば、その材料の余寿命は次のようにして予測できる。
【００３９】
耐熱鋼の温度Ｔ、負荷応力σにおける使用可能な時間（寿命）ｔ０については、データベースが存在する。従って、上記の式(1)-1によって、評価対象材料の使用温度Ｔが判明すれば、その温度における使用可能な時間ｔ０から累積使用時間ｔを差し引くことより、当該材料の使用可能な残り時間ｔｒを正確に算出できる。
【００４０】
以上に説明した本発明の余寿命を予測する方法の手順を詳細に説明すれば以下のとおりである。
【００４１】
ステップ１：
評価部位の材料の溶接部における溶接金属の硬さＨを測定する。一方、この溶接金属の化学組成は、前述したように、既知な場合にはその値、既知でない場合にはその表層部から試料を採取して分析するか、または携帯型の発光分光分析器を用いて分析する等して特定するとともに、この部分に負荷された応力σを設計仕様に基づいて特定、即ち「負荷された応力σ＝設計応力」とする。
【００４２】
ここで、溶接金属の化学組成は、組み立て時の溶接が溶接材料を使用しない溶接の場合は評価部位の材料と同じとしてよく、溶接が溶接材料を使用した溶接の場合は溶接材料と同じにしてもよい。また、応力σは、設計応力に代えて設計内圧または運転実績内圧に基づいて求められる負荷応力としてもよい。
【００４３】
ステップ２：
特定した化学組成に基づいて前記の(7)式によりＨ０を求めて(2)式を確定する一方、特定した応力σに基づいて前記の(4)式および(5)式よりＫ２とLMPＣを求めとともに(6)式によりＨＣを求め、(3)式を確定する。
【００４４】
ステップ３：
実測硬さＨとステップ２で求めたＨＣを対比し、Ｈ＞ＨＣの場合には実測硬さＨを確定した(2)式の変形式である(2)-1式に代入し、Ｈ＜ＨＣの場合には実測硬さＨとステップ２で求めたＨＣを確定した(3)式の変形式である(3)-1式に代入してLMPを求める。
【００４５】
ステップ４：
ステップ３で求めたLMPと運転記録から既知の累積運転時間ｔを前記の(1)式の変形式である(1)-1式に代入して評価部位の実際の使用温度Ｔを求め、この温度を評価部位の材料の実際の使用温度Ｔとする。
【００４６】
ステップ５：
評価部位の材料と同じ材料の、ステップ４で求めた温度Ｔと、ステップ１で確定した応力σにおける使用可能な全運転時間ｔ０をデータベースから抽出し、下記の式(8)により運転可能な残りの時間ｔｒを求める。
【００４７】
ｔｒ＝ｔ０−t ・・・・・・・(8)
【００４８】
【実施例】
STBA24製の鋼管が組み込まれた複数のボイラを対象に、本発明の方法と従来の組織比較法によりその余寿命予測を行い、その結果を表１に示した。なお、表１中の寿命消費率(％)は下記の(9)式により定義される値である。
【００４９】
寿命消費率(％)＝(ｔ／ｔ０)×100 ・・・・・(9)
表１からわかるように、従来の組織比較法によった場合の寿命消費率には幅があってその取り替え時期を明確に決定しにくい。これに対し、本発明の方法によった場合には、特定の寿命消費率が得られるので、その取り替え時期を決定しやすい。
【００５０】
【表１】
【発明の効果】
本発明の方法では、初期硬さが高く、しかも使用による時効軟化が大きい溶接金属の硬さを測定するので実際の使用温度を正確に知ることができ、残りの使用可能な時間を正確に求めることができる。その結果、経年材料の取り替え時期の決定が正確かつ容易に行え、プラントの修繕費用や延命に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験結果の一例を示す図で、Ｃが溶接金属の硬さとLMPとの関係に及ぼす影響を示す図である。
【図２】実験結果の一例を示す図で、Moが溶接金属の硬さとLMPとの関係に及ぼす影響を示す図である。
【図３】時効軟化が成分系に応じて異なることを示す概念図である。
【図４】実験結果の一例を示す図で、負荷応力が溶接金属の硬さとLMPとの関係に及ぼす影響を示す図である。
Claims (1)
- 評価対象材料の溶接部における溶接金属の硬さを測定し、この測定硬さに対応する下記の(1)式で表されるLMP値を、予めの実験により定めた溶接金属の硬さとLMP値との関係を示す下記の(2)式または(3)式に基づいて求め、求めたLMP値と運転記録に基づく既知の累積運転時間から(1)式により温度を求めてこの温度を評価対象材料の実際の使用温度とし、この使用温度と下記の応力σにおける評価対象材料の寿命から累積運転時間を差し引くことにより、評価対象材料の使用可能な残りの時間を求めることを特徴とする低Cr−Mo系耐熱鋼の余寿命予測方法。
LMP＝Ｔ×(logｔ＋Ｃ) ・・・・・・・(1)
Ｈ＝Ｋ１×LMP＋Ｈ０ ・・・・・・・・・(2)
Ｈ＝Ｋ２×（LMP−LMPＣ）＋ＨＣ ・・・・(3)
ここで、
Ｔ ：温度(Ｋ)
ｔ ：時間(ｈ)
Ｃ ：定数
Ｈ ：溶接金属の測定硬さ(Hv)
Ｋ１ ：定数
Ｈ０ ：LMP＝０のときの硬さ(Hv)
Ｋ２ ：定数
LMPＣ：加速軟化が始まるときのLMPの値
ＨＣ ：加速軟化が始まるときの溶接金属の硬さ(Hv)
ただし、「Ｋ２＝ｆ(σ)」、「LMPＣ＝ｇ(σ)」であり、σは評価部位に負荷された応力(MPa)である。
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