JP3998053B2 - オーステナイト鋼伝熱管材の損傷推定方法 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属材料の損傷を評価する方法に係り、特にボイラ、熱交換器等の高温耐圧部の伝熱管材として多用される耐熱鋼の損傷推定に好適なクリープ損傷推定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラや各種熱交換器等においては、高温、高圧の条件下でフェライト鋼又はオーステナイト鋼からなる伝熱管や配管類が多数使用されている。このような高温耐圧部の鋼管の保守管理においては、長期間の使用に伴い進行していくクリープ損傷の評価が重要な課題の一つである。
【０００３】
クリープ損傷の推定方法としては、レプリカ採取等の非破壊的な手法及びサンプル材を採取してクリープ破断試験を行う破壊法に大別されるが、伝熱管材は小径で本数が多く、大径管材に対して比較的容易にサンプル管を採取できるので、抜管してクリープ破断試験を行う方法が用いられることも多い。
【０００４】
ところで、従来発電用ボイラや各種熱交換器等に使用されるオーステナイト系耐熱鋼としては１８％Ｃｒ−８％Ｎｉをベースにチタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）又はモリブデン（Ｍｏ）等を添加したものが主流で、その強化メカニズムは、これら合金元素自体の固溶強化又は炭窒化物としての析出強化によるものであった。またクリープ破断強度の観点から、結晶粒度も比較的大きなものとなっていた。
【０００５】
しかし近年、銅（Ｃｕ）を添加した新しい高強度１８％Ｃｒ鋼が開発された。例えば１８Ｃｒ−９Ｎｉ−３Ｃｕ−Ｎｂ−Ｎ鋼、１８Ｃｒ−１０Ｎｉ−３Ｃｕ−Ｔｉ−Ｎｂ−Ｎ鋼である。その一部はすでに実機プラント高温耐圧部に採用され始めた。これらの耐熱鋼は従来の強化機構に加えてＣｕ富化相の析出による強化が大きな特徴である。また耐水蒸気酸化性の観点から結晶粒度も従来に比べて細粒となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記高強度１８％Ｃｒ鋼のような強化メカニズムや組織の異なる新しい耐熱鋼においては、従来のオーステナイト鋼に対して用いてきたキャビティ法等のクリープ損傷推定技術の適用は精度上問題があるが、まだ新しい適切な損傷推定方法が提案されていなかった。
【０００７】
本発明の課題は上記した従来技術の問題点を解消し、新しい銅（Ｃｕ）添加オーステナイト鋼伝熱管材のクリープ損傷を精度よく推定できる方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の課題は、実機から抜管したサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、Ｃｕ富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を次のような方法で計測することにより、クリープ損傷を精度よく推定する方法で達成される。
【０００９】
（１）高温で使用されるオーステナイト鋼伝熱管材の損傷評価方法において、オーステナイト鋼伝熱管材のサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、銅（Ｃｕ）富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を計測し、予め求めておいた黒点の密度とクリープ損傷率の関係を表わす線図からサンプル管のクリープ損傷率を求めて推定する。
【００１０】
（２）高温で使用されるオーステナイト鋼伝熱管材の損傷評価方法において、オーステナイト鋼伝熱管材のサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、銅（Ｃｕ）富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を計測し、黒点の密度が予め定めておいた一定値を下回るか否かでクリープ損傷の進行度を推定する。
【００１２】
【作用】
銅（Ｃｕ）富化相はクリープ強度と密接に関連するもので、実機使用初期に析出し、損傷の進行とともにわずかに減少していくが、損傷末期には大きく減少するため、黒点の密度の計測によりＣｕ富化相の変化を捉えれば、クリープ損傷を精度よく推定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
実施例１
実施例１による実機クリープ損傷推定方法の詳細を説明する。図１は高温で使用した１８Ｃｒ−９Ｎｉ−３Ｃｕ−Ｎｂ−Ｎ鋼の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察した像の一例を図面化したものである。この電子顕微鏡写真ではＣｕ富化相自体を直接観察することはできないが、Ｃｕ富化相の析出により生じる歪場が図中に黒く点在して見えるので、この黒点によりＣｕ富化相の変化を知ることができる。このＣｕ富化相の変化を定量化するには上記黒点の密度を計測するのが容易であることが分かった。
【００１４】
図２に黒点の密度とクリープ損傷率（特定の温度、応力条件における使用時間／破断時間）の関係を示す。Ｃｕ富化相（黒点）は鋼管を製造した直後の新材の状態では生じていないが、高温使用中早期（例えば６００℃程度で数千時間以内）に析出し、寿命の大半の期間はほぼ安定しているが僅かに減少していき、寿命後半でさらに減少する。従って、実機より抜管した伝熱管サンプル材で上述の黒点の密度を計測すれば予め当該材料で作成した図２の線図からクリープ損傷を容易に推定する事ができる。
【００１５】
本実施例によれば、材料の強化メカニズムに基づいた冶金的な変化を直接利用するため、精度よくクリープ損傷を推定できる。
【００１６】
実施例２
前記実施例１ではＣｕ富化相の変化を透過型電子顕微鏡像に生じる黒点の密度で定量化し、予め求めておいた黒点の密度とクリープ損傷率の関係の線図からクリープ損傷を求める手段を示したが、電子顕微鏡観察には複数の視野の観察が望ましく、試料調製等でかなりの時間を要する場合がある。実機プラントの定期検査工事の工程等により十分な視野の観察ができない場合は精度がやや低下するため、以下のような方法で診断することができる。
【００１７】
すなわち図２で示した黒点密度とクリープ損傷率の関係を基に図３のようにある一定の黒点密度の下限値を決めておき、実機サンプル管のとクリープ損傷率と黒点密度の測定結果を、この下限値と比較し、この下限値を下回るサンプル管については損傷大と判定する。必要な場合はさらに詳細に観察を行う。
【００１８】
本実施例の方法によれば、損傷推定精度は低いもののクリープ損傷の程度の大きい部位を早期に摘出することができ、補修や交換等の対策を考慮した場合、実用上効果が大きい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、新しいＣｕ添加オーステナイト鋼に対してその強化メカニズムに基づいた手法でクリープ損傷を求めるため、精度よく損傷診断を行うことができる。また、損傷診断過程において画像処理技術の応用も容易であり、ボイラや熱交換器等の高温部材の保守管理を適切に行うことができるので、実プラントでの機器運用上の信頼性を高めることができ、工業的な効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による実施例で示した透過型電子顕微鏡像の模式図。
【図２】 本発明による実施例で示した黒点密度とクリープ損傷率の関係を表わす模式図。
【図３】 本発明による他の実施例で示した黒点密度とクリープ損傷率の関係を表わす模式図。
【発明の属する技術分野】
本発明は金属材料の損傷を評価する方法に係り、特にボイラ、熱交換器等の高温耐圧部の伝熱管材として多用される耐熱鋼の損傷推定に好適なクリープ損傷推定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラや各種熱交換器等においては、高温、高圧の条件下でフェライト鋼又はオーステナイト鋼からなる伝熱管や配管類が多数使用されている。このような高温耐圧部の鋼管の保守管理においては、長期間の使用に伴い進行していくクリープ損傷の評価が重要な課題の一つである。
【０００３】
クリープ損傷の推定方法としては、レプリカ採取等の非破壊的な手法及びサンプル材を採取してクリープ破断試験を行う破壊法に大別されるが、伝熱管材は小径で本数が多く、大径管材に対して比較的容易にサンプル管を採取できるので、抜管してクリープ破断試験を行う方法が用いられることも多い。
【０００４】
ところで、従来発電用ボイラや各種熱交換器等に使用されるオーステナイト系耐熱鋼としては１８％Ｃｒ−８％Ｎｉをベースにチタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）又はモリブデン（Ｍｏ）等を添加したものが主流で、その強化メカニズムは、これら合金元素自体の固溶強化又は炭窒化物としての析出強化によるものであった。またクリープ破断強度の観点から、結晶粒度も比較的大きなものとなっていた。
【０００５】
しかし近年、銅（Ｃｕ）を添加した新しい高強度１８％Ｃｒ鋼が開発された。例えば１８Ｃｒ−９Ｎｉ−３Ｃｕ−Ｎｂ−Ｎ鋼、１８Ｃｒ−１０Ｎｉ−３Ｃｕ−Ｔｉ−Ｎｂ−Ｎ鋼である。その一部はすでに実機プラント高温耐圧部に採用され始めた。これらの耐熱鋼は従来の強化機構に加えてＣｕ富化相の析出による強化が大きな特徴である。また耐水蒸気酸化性の観点から結晶粒度も従来に比べて細粒となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記高強度１８％Ｃｒ鋼のような強化メカニズムや組織の異なる新しい耐熱鋼においては、従来のオーステナイト鋼に対して用いてきたキャビティ法等のクリープ損傷推定技術の適用は精度上問題があるが、まだ新しい適切な損傷推定方法が提案されていなかった。
【０００７】
本発明の課題は上記した従来技術の問題点を解消し、新しい銅（Ｃｕ）添加オーステナイト鋼伝熱管材のクリープ損傷を精度よく推定できる方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の課題は、実機から抜管したサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、Ｃｕ富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を次のような方法で計測することにより、クリープ損傷を精度よく推定する方法で達成される。
【０００９】
（１）高温で使用されるオーステナイト鋼伝熱管材の損傷評価方法において、オーステナイト鋼伝熱管材のサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、銅（Ｃｕ）富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を計測し、予め求めておいた黒点の密度とクリープ損傷率の関係を表わす線図からサンプル管のクリープ損傷率を求めて推定する。
【００１０】
（２）高温で使用されるオーステナイト鋼伝熱管材の損傷評価方法において、オーステナイト鋼伝熱管材のサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、銅（Ｃｕ）富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を計測し、黒点の密度が予め定めておいた一定値を下回るか否かでクリープ損傷の進行度を推定する。
【００１２】
【作用】
銅（Ｃｕ）富化相はクリープ強度と密接に関連するもので、実機使用初期に析出し、損傷の進行とともにわずかに減少していくが、損傷末期には大きく減少するため、黒点の密度の計測によりＣｕ富化相の変化を捉えれば、クリープ損傷を精度よく推定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
実施例１
実施例１による実機クリープ損傷推定方法の詳細を説明する。図１は高温で使用した１８Ｃｒ−９Ｎｉ−３Ｃｕ−Ｎｂ−Ｎ鋼の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察した像の一例を図面化したものである。この電子顕微鏡写真ではＣｕ富化相自体を直接観察することはできないが、Ｃｕ富化相の析出により生じる歪場が図中に黒く点在して見えるので、この黒点によりＣｕ富化相の変化を知ることができる。このＣｕ富化相の変化を定量化するには上記黒点の密度を計測するのが容易であることが分かった。
【００１４】
図２に黒点の密度とクリープ損傷率（特定の温度、応力条件における使用時間／破断時間）の関係を示す。Ｃｕ富化相（黒点）は鋼管を製造した直後の新材の状態では生じていないが、高温使用中早期（例えば６００℃程度で数千時間以内）に析出し、寿命の大半の期間はほぼ安定しているが僅かに減少していき、寿命後半でさらに減少する。従って、実機より抜管した伝熱管サンプル材で上述の黒点の密度を計測すれば予め当該材料で作成した図２の線図からクリープ損傷を容易に推定する事ができる。
【００１５】
本実施例によれば、材料の強化メカニズムに基づいた冶金的な変化を直接利用するため、精度よくクリープ損傷を推定できる。
【００１６】
実施例２
前記実施例１ではＣｕ富化相の変化を透過型電子顕微鏡像に生じる黒点の密度で定量化し、予め求めておいた黒点の密度とクリープ損傷率の関係の線図からクリープ損傷を求める手段を示したが、電子顕微鏡観察には複数の視野の観察が望ましく、試料調製等でかなりの時間を要する場合がある。実機プラントの定期検査工事の工程等により十分な視野の観察ができない場合は精度がやや低下するため、以下のような方法で診断することができる。
【００１７】
すなわち図２で示した黒点密度とクリープ損傷率の関係を基に図３のようにある一定の黒点密度の下限値を決めておき、実機サンプル管のとクリープ損傷率と黒点密度の測定結果を、この下限値と比較し、この下限値を下回るサンプル管については損傷大と判定する。必要な場合はさらに詳細に観察を行う。
【００１８】
本実施例の方法によれば、損傷推定精度は低いもののクリープ損傷の程度の大きい部位を早期に摘出することができ、補修や交換等の対策を考慮した場合、実用上効果が大きい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、新しいＣｕ添加オーステナイト鋼に対してその強化メカニズムに基づいた手法でクリープ損傷を求めるため、精度よく損傷診断を行うことができる。また、損傷診断過程において画像処理技術の応用も容易であり、ボイラや熱交換器等の高温部材の保守管理を適切に行うことができるので、実プラントでの機器運用上の信頼性を高めることができ、工業的な効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による実施例で示した透過型電子顕微鏡像の模式図。
【図２】 本発明による実施例で示した黒点密度とクリープ損傷率の関係を表わす模式図。
【図３】 本発明による他の実施例で示した黒点密度とクリープ損傷率の関係を表わす模式図。
Claims (2)
- 高温で使用されるオーステナイト鋼伝熱管材の損傷評価方法において、オーステナイト鋼伝熱管材のサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、銅（Ｃｕ）富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を計測し、予め求めておいた黒点の密度とクリープ損傷率の関係を表わす線図からサンプル管のクリープ損傷率を求めることを特徴とするクリープ損傷推定方法。
- 高温で使用されるオーステナイト鋼伝熱管材の損傷評価方法において、オーステナイト鋼伝熱管材のサンプル管の金属組織を透過型電子顕微鏡で観察し、銅（Ｃｕ）富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度を計測し、黒点の密度が予め定めておいた一定値を下回るか否かでクリープ損傷の進行度を推定することを特徴とするクリープ損傷推定方法。
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|---|---|---|---|
| JP2002052019A JP3998053B2 (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | オーステナイト鋼伝熱管材の損傷推定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002052019A JP3998053B2 (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | オーステナイト鋼伝熱管材の損傷推定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003254916A JP2003254916A (ja) | 2003-09-10 |
| JP3998053B2 true JP3998053B2 (ja) | 2007-10-24 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2002052019A Expired - Fee Related JP3998053B2 (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | オーステナイト鋼伝熱管材の損傷推定方法 |
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| US20170370857A1 (en) * | 2016-06-23 | 2017-12-28 | General Electric Company | Distributed sensor network for nondestructively monitoring and inspecting insulated electrical machine components |
| JP6680900B2 (ja) * | 2016-11-18 | 2020-04-15 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Ｃｕ（銅）を含むオーステナイト系耐熱鋼の使用温度の推定方法、Ｃｕを含むオーステナイト系耐熱鋼のクリープ損傷寿命の推定方法、Ｃｕを含むオーステナイト系耐熱鋼製伝熱管の使用温度の推定方法及びＣｕを含むオーステナイト系耐熱鋼製伝熱管のクリープ損傷寿命の推定方法 |
| CN109596273B (zh) * | 2018-10-30 | 2021-02-09 | 苏州迈拓金属检测服务有限公司 | 一种换热器泄露点准确定位的方法 |
-
2002
- 2002-02-27 JP JP2002052019A patent/JP3998053B2/ja not_active Expired - Fee Related
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