JP4464043B2 - クリープ寿命評価方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、クリープ劣化を生じた部材のクリープ寿命消費率及び余寿命を評価するために、クリープボイドの結晶粒界占有率の最大値を用い、また実寿命と表面における寿命との対応を考慮した機器部材のクリープ寿命消費率を評価するものに関する。
背景技術
火力発電所を長時間にわたって安定的に運転するためには、設備の寿命を的確に把握することが必要である。現在国内にある事業用火力発電ユニットの８０％以上が、累積運転時間１０万時間を越えており、２０万時間を越えた火力発電ユニットも２０％程度となっている（参考文献１：岩本啓一，火力原子力発電，４８−８（１９９７），１４）。このため、定期検査時に経年火力発電ユニットのボイラ等について余寿命診断を行い、設備の状態を的確に把握し、適切な補修を行うことが、予防保全の面からも、またコスト低減の面からも重要である。
火力発電ボイラ高温部材の溶接部は、長時間の使用によるクリープ損傷の進展により金属組織にクリープボイド（以下、ボイドと称する）と称する微小な空孔が発生し、それらが成長・連結して１粒界長さ程度の微視き裂を形成する。形成された微視き裂は、その後、伝ぱ・合体を繰り返し、部材全体を破損に至らしめる。
現状ではクリープ寿命評価は材料表面を研磨・腐食し、Ａパラメータ法、組織対比法、ボイド面積率法（参考文献２：例えば、野中勇，園家啓嗣，中代雅士，米山弘志，北川正樹，石川島播磨技報，３２−５（１９９２），３１３）、ボイド面密度法、粒界損傷法（参考文献３：菊地賢司，加治芳行，材料，４４−５０５（１９９５），１２４４）等レプリカを使用したパラメータ法（参考文献４：社団法人日本鉄鋼協会，レプリカ法によるクリープ及びクリープ疲労損傷マニュアル“構造材料の信頼性評価技術部会高温強度ＷＧ研究成果報告書（別冊マニュアル），（１９９１），１）、または超音波ノイズエネルギー法、超音波スペクトロスコピー法（参考文献５：日本機械学会編，動力プラント・構造物の余寿命評価技術，（１９９２），８９，技報堂出版）等の非破壊検査で行っている。
粒界のボイドに着目した評価手法では、粒界線上ボイド占有率（参考文献６：江嶋恒行，周，大谷隆一，北村隆行，多田直哉，第３２回高温強度シンポジウム前刷集，（１９９４），９４）が損傷パラメータとして物理的意味が明確であることが明らかにされている（参考文献７：多田直哉，福田哲史，北村隆行，大谷隆一，材料４６−１，（１９９７），３９、参考文献８：多田直哉，北村隆行，大谷隆一，材料４５−１，（１９９６），１１０）。
すなわち、ある決められた領域内で単位面積範囲内におけるボイド面積率比（ボイド面積率法）及びある決められた領域内で主応力の方向に直線を引き、この直線と粒界との交点数に占めるボイドの発生した粒界の割合（Ａパラメータ法）等による部材のクリープ寿命消費率及び余寿命評価が、従来より行われてきた。
しかしながら、前記従来の手法では、従来手法より得られるクリープ寿命消費率と同一部位による破壊試験から得られるクリープ寿命消費率とを比較すると、安全側過ぎる評価となること及び実際のクリープ破壊のメカニズムが直接的に評価されていない等、機器部材の寿命評価制度に問題があった。
また、応力方向も考慮する場合も有り、実際に使用される機器（以下、実機と称する）部材は、多軸応力場であるため実用的ではなかった。また、評価点を多量に設定する必要があることからボイド発生状況の定量化及びクリープ寿命推定には時間を要していた。
発明の開示
本発明は、このような事情を考慮して開発されたものであり、前記課題を解決し、高精度のクリープ寿命消費率推定法を提供するものである。
前記課題を解決するために本発明は、実際の機器部材サイズの破壊試験片及び実際の機器部材をシミュレートした試験片により得られた結果から機器部材の大きさ等を考慮し修正したマスターカーブを使用して、実機部材の最大クリープボイド粒界占有率（ＭＢ）を求めることにより機器部材全体のクリープ寿命消費率推定を高精度で行うことが可能である点を特徴とするものである。
また、前記最大クリープボイド粒界占有率（ＭＢ）は、数２の式で表わされる。
【数２】
数２において、Ｌαはクリープボイドが存在する１粒界の全長、ｎはクリープボイドが存在する１粒界の全長Ｌαの粒界上にあるクリープボイドの個数、ｍはクリープボイドが存在する粒界数、ｌαは粒界とボイドの交線の粒界に沿った長さであるボイドの長さである。
図面の簡単な説明
第１図は、本発明にかかわる実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験における、クリープ中途止め試験に用いる試験片を示す図である。
第２図は、本発明にかかわる実施試験２のクリープ損傷連続観察試験に用いる試験片を示す図である。
第３図は、本発明にかかわる実施試験３の配管周溶接継手部内圧クリープ破壊試験に用いる中空丸棒を示す図である。
第４図は、本発明にかかわる実施試験４の高温再熱蒸気管エルボ長手溶接継手部の内圧クリープ破壊試験に用いる火力発電所高温再蒸気管廃材を示す図である。
第５図は、本発明にかかわる実施試験５の火力発電所廃材溶接継手部の単軸クリープ破断試験に用いる各廃材の試験片採取位置を示す図である。
第６図は、前記実施試験１におけるクリープ中途止め試験の結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Void）を示す。
第７図は、前記実施試験２のクリープ損傷連続観察試験の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第８図は、前記実施試験３における溶接継手部ボイド形態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第９図は、前記実施試験３における中途止め時のボイド分布状況を示す図である。
第１０図は、前記実施試験４における中途止めレプリカ観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第１１図は、実機廃材のボイド観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Void）を示す。
第１２図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大ボイド粒界占有率）の定義を説明するための図である。
第１３図は、前記実施試験結果から得られたボイド粒界占有率とクリープ破壊試験によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係を示す図である。
第１４図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大クリープボイド粒界占有率）法によって得られたマスターカーブと従来の各パラメータ法によって得られたマスターカーブとの比較を示す図である。
第１５図は、Ｍパラメータ法及び従来の方法によって得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）と前記クリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明にかかわる実施試験について添付図面を参照して以下説明する。
（実施試験１）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験は、クリープ損傷過程でのボイドの発生・成長挙動及び分布を把握するためになされるものであり、溶接熱影響部粗粒域（以下粗粒Ｈａｚと称する。）再現材（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を作成し、第１図に示す試験片でクリープ中途止め試験を実施した。試験は試験片Ａ（９０３Ｋ，６０．８ＭＰａ，破断時間ｔｒ＝１７７４ｈｒ）及び、試験片Ｂ（８４３Ｋ，１２３．５ＭＰａ，ｔｒ＝３３９６ｈｒ）を用いて実施した。中途止め時間ｔは、試験片Ａでは８００ｈｒ（クリープ寿命消費率ｔ／ｔｒ＝０．４５），１２００ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．６８），１６０８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．９１），１７７４ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝１．０）、試験片Ｂでは８１６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．２４），１１９０ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．３５），１５９６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４６），３３９６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝１．０）にて中途止めを実施した。
ボイド観察は試験片を縦に二分割し、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する）を用いて行った。観察位置は比較的ボイドが多く発生している位置を１０００倍にて連続１００視野程度観察した。
（実施試験２）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験２のクリープ損傷連続観察試験は、ボイドの成長、連結及び微視き裂発生に至る過程を把捉するため、第２図に示す試験片Ｃ（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を用いて（９０３Ｋ，６８．６ＭＰａ，ｔｒ＝１３６ｈｒ）ＳＥＭに負荷装置と過熱コイルをつけて（以下、ＳＥＭサーボ試験機と称する）クリープ試験を行いながら試験片表面における結晶粒界上のボイドの発生・成長を連続的に観察した。
試験片は溶接継手部の熱影響部が中央にくる様に採取し、熱影響部中央の両端にＵ字切欠きを付けた。試験片表面はエッチングを施し、結晶粒界が判別出来るようにした。尚、試験時間は試験片表面が酸化されて観察が困難にならない程度の時間（約１００ｈｒ）とした。
観察は、両側の切欠底Ａを結んだ線上に観察部位（１）、（２）をとり１０００倍で観察した。試験片が破断するまで、適当なインターバルをおいて観察した。前記観察部位（１）では、１５ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．１１），３６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．２６），５９ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４３），８２ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．６０），１０６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．７８），１１８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．８７）、観察部位（２）では、５８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４３），８７ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．６４）、１０５ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．７７），１１８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．８７）であった。
（実施試験３）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験３の配管周溶接継手部内庄クリープ破壊試験（配管内圧クリープ試験）は、実機部材でのボイド発生、成長過程を把握するために、第３図に示す中実丸棒に周溶接を行い、中心をくり貫いた溶接継手管（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を試験片Ｄ（φ４０×ｔ８×ｌ４３０）とした内圧クリープ破壊試験（以下、配管内圧クリープ破壊試験と称する。９０３Ｋ，平均径の式による周方向応力６１．３ＭＰａ，ｔｒ＝４１３１ｈｒ）を実施した。
試験片溶接部は１〜４層の被覆アーク溶接で製作し、９９３Ｋ×ｌ．３ｈｒの溶接後熱処理を行った。詳細な溶接条件についてはできる限り実機における製作条件を模擬した。試験は、試験片を電気炉内で加熱し、加圧した水を注入し高圧蒸気にして内圧を負荷した。試験は中途止めを行い、中途止め時のボイド観察を実施した。中途止めは２０１０ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４９）、３０００ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．７３），４０００ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．９７）で実施した。
（実施試験４）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験４の高温再熱蒸気管エルボ長手溶接継手部の内圧クリープ破壊試験（実機加速試験）は、実機大型部材でボイドが発生・成長し、連結して破壊に至る過程を把握するために、第４図に示す火力発電所高温再熱蒸気管廃材（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼，廃却時のクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）は約０．５）を実機試験体（φ６６０．４×ｔ３１）とした内圧クリープ破壊試験（９２３Ｋ，内庄３．０ＭＰａ，エルボ腹部中央の最大主応力３９．２ＭＰａ，ｔｒ＝２９５０ｈｒ）を実施した。前記第４図中、Ｗは溶接部、Ａ，Ｂは溶接部Ｗの観察位置である。
前記試験は供試体の周囲を板型ヒーターで囲み、加熱した後、供試体内に加圧した水を注入し高圧蒸気にして内圧を負荷した。試験は中途止めを行い、その時の溶接継手部表面レプリカを採取、ＳＥＭによるボイド観察を実施した。供試体はエルボ部であり、２枚の板を曲げて長手方向にサブマージアーク溶接したものである。尚、中途止めはクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝約０．５，０．７，０．８，０．９で実施した。
（実施試験５）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験５の火力発電所材溶接継手部単軸クリープ破断試験（実機廃材試験）は、実機部材のクリープ寿命消費率とその時点でのボイド発生・成長形態を把握するため、実機廃材による単軸クリープ破断試験（以下、実機廃材試験と称する）とレプリカによるボイド観察を実施した。まず、実機部材の寿命消費率を算定するためクリープ破断試験を実施した。
試験片は実機表面のレプリカ調査によりボイドが認められた部位の表面近くの断面から採取した。周溶接部は直径１０ｍｍ，標点間距離５０ｍｍの丸棒試験片を、管寄スタブ溶接部は直径２ｍｍのミニチュアクリープ丸棒試験片を使い、不活性ガス雰囲気中でのクリープ破断試験を実施した。また、クリープ破断試験片採取部位の実機断面（表面近傍）レプリカを採取し、ＳＥＭによるボイド観察を実施した。試験片は火力発電所過熱器管寄周溶接部、再熱Ｙピース周溶接部、再熱器管寄スタブ溶接部から採取した。第５図に各廃材の試験片採取位置、表１に各廃材の使用条件を示す。前記第５図において、（１）はＳＨ管寄Ｔピースパイプ、（２）はＲＨＹピースパイプ、（３）はＲＨ管寄スタブ、●印は試験片の採取位置、Ｗは溶接部、ＳＷはスタブ溶接部、ＴＰＰはＴピースパイプ、Ｈは管寄（Header）、Ｔはチューブ（Tube）である。
【表１】
前記それぞれの実施試験の結果を第６図乃至第１１図に示す。
（実施試験１の結果）
前記実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験の試験片Ａ及びＢのボイド観察結果を第６図に示す。試験片Ａではクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４５で１μｍ程度のボイドが発生していた。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．６８で１μｍ程度のボイドが１粒界に２個発生、損傷末期であるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９１で数μｍ程度のボイドが１粒界に２個発生、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では５μｍ程度のボイドが１粒界に８個発生していた。供試材Ｂではクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．２４で１μｍ程度のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．３５で１μｍ程度のボイドが１粒界に１個、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４６で数μｍ程度のボイドが１粒界に３個、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では５μｍ程度のボイドが１粒界に５個発生しており、一部ボイドが連結していた。損傷初期〜後期にかけて発生した小さいボイドは成長速度が遅く、試験片が破断する直前でボイドが大きくなり連結・き裂になり易い傾向があった。また、ボイド損傷は特定の粒界へ集中する傾向があった。
（実施試験２の結果）
前記実施試験２のクリープ損傷連続観察試験のＳＥＭサーボ試験機による試験片Ｃの観察部位（１）における同一部位のクリープ損傷連続観察結果を第７図に示す。観察部位（１）では、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．１１で同一粒界上にボイドＡ，Ｂ，Ｃが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．２６では、ボイドの形状・個数に変化はなかった。しかし、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４３になるとボイドＤ，Ｅ，Ｆ，Ｇが同一粒界上に発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．６０では、さらにボイドＨ，Ｉが発生し、ボイドＡ，Ｂ，Ｄ，Ｈ，Ｉが連結を開始し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７８になると、ボイドＡ，Ｂ，Ｄ，Ｈ，Ｉの連結によりき裂II（CrackI）が発生し、ボイドＥ，Ｆ，Ｃ，Ｇの連結によりき裂I（CrackII）が発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．８７ではそのき裂が合体しき裂III（CrackIII）となった。
観察部位（２）ではクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４２でボイドが３個発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．６４では、そのボイド周辺に多数のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７７で連結を開始し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．８７で２つのき裂に成長した。前記のクリープ中途止め試験と同様に、結晶粒界によって連結・微視き裂の形成が進行しているものとしていないものがあり、ボイドによる損傷が特定の粒界へ集中する傾向があった。
（実施試験３の結果）
前記実施試験３の配管内圧クリープ試験の溶接継手部のボイド形態代表写真を第８図に示す。溶接継手部の粗粒Ｈａｚのボイドは、粗粒Ｈａｚ再現材のボイドに比べて数が多く、かつ大きいものであった。ボイド発生状況はクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４９では、１μｍ程度のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７３では、同一粒界に複数のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９７では、ボイドの連結が認められ、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では、微視き裂を形成していた。
中途止め時のボイド分布状況を第９図（ｔ／ｔｒ＝０．４９と１．０）に示す。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４９では、結晶粒界上にランダムにボイドが発生しておりクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７３でも同様であった。損傷末期であるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９７では、ボイドが連結する粒界が認められ、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では、ボイドの連結が１結晶粒界長さ（微視き裂）に達していた。損傷の進行に伴うボイドの成長については、単軸クリープ破断試験と同様の傾向が認められた。以上の結果から、ボイドは初め粒界上にランダムに発生するが、その後は特定の粒界上に複数発生し、やがて連結し微視き裂に進展することが判った。
（実施試験４の結果）
前記実施試験４の実機加速試験の中途止めレプリカ観察結果を第１０図に示す。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．５０では、観察位置（Observation Point）Ａ，Ｂともに１結晶粒界に１個ボイドが発生していた粒界があり、ボイドの大ささは数μｍ程度であった。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７０ではボイドが発生した粒界が増加し、ある特定の粒界ではボイドが連結しているものもあった。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．８０では、連結がさらに進行し、観察位置（Observation Point）Ａのクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９０では、連結長さが１粒界（微視き裂）に達するものが発生した。前記第１０図中の１０は１粒界き裂（1 grain boundary crack）の部分を示す。
（実施試験５の結果）
前記実施試験５の実機廃材のボイド観察結果を第１１図に示す。クリ−プ破断試験により得られた各機器の廃却時点でのクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）を表２に示す。
【表２】
実機断面（表面近傍）におけるボイド発生数は数カ所であり、連結し微視き裂に成長しているものは観察されなかった。
前記実施試験１乃至５の試験結果から、ボイドの発生及び成長挙動について検討した。ボイドが発生する粒界は概ね主応力方向と交差するものであり、ある特定の粒界にボイドが集中して発生し、局所的に損傷が進行していた。この傾向は試験片においても、実機加速試験結果においても同様であった。この結果から、クリープ損傷は外表面で見る限り、まず先行的に特定の粒界が局所的損傷を受け、破断直前で付近の粒界き裂と合体すると考えられる。
また、前記各実施試験において、損傷末期にボイドがある特定の粒界に集中して発生連結する傾向があった。その要因について検討した結果、以下のことが考えられる。
（１）粒界固有の強度、すなわち結晶の方位差（界面エネルギー）が関係している。
（２）三次元的に見て主応力方向に垂直な結晶面に損傷が集中する。
（３）ボイドが発生すると周辺の応力分布が変化（参考文献９：北村隆行，大谷隆一，中山哲史，第４２期学術講演会前刷，（１９９３），２５）して更にボイドが成長し易くなる。
前記各種試験の結果、クリープ損傷によるボイドの発生は局在化して進行することが判った。この損傷挙動を踏まえ、観察視野内全てのボイド発生粒界について粒界長さ中のボイド長さの占める割合（ボイド粒界占有率）の最大値で寿命を評価する手法を最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）法としたのが、本発明のクリープ寿命評価方法である。
第１２図は、本発明におけるＭパラメータの定義を説明するための図であり、Ｌαはクリープボイドが存在する１粒界の全長、ｎはクリープボイドが存在する１粒界の全長Ｌαの粒界上にあるクリープボイドの個数、ｍはクリープボイドが存在する粒界数、ｌαは粒界とボイドの交線の粒界に沿った長さであるボイドの長さである。
第１２図からわかるように、最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）は、数３の式で表わされる。
【数３】
第１３図は、試験結果から得られたボイド粒界占有率とクリープ破壊試験によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係を示す図である。図中、実線が、配管内圧クリープ試験結果（●印）におけるボイド粒界占有率の最大値の近似曲線（Ｍパラメータ法のマスターカーブ）である。また、△印は高温高熱蒸気管の観察位置Ａにおけるクリープ試験結果、□印は高温高熱蒸気管の観察位置Ｂにおけるクリープ試験結果および◇印は発電所ボイラ廃材でのクリープ試験結果である。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０〜１．０に至るまでＭパラメータは下に凸の滑らかな曲線を示し、第１４図に示す従来法（ボイド面積率法や粒界線上ボイド占有率法）のような寿命後期でのパラメータ値の急激な増加は認められなかった。前記第１４図中、ＭＰはＭパラメータ、ＡＰはＡパラメータ、ＭＢは最大ボイド粒界占有率、ＡＦＶはボイド面積率である。
本発明の最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）法のパラメータの特徴を以下に示す。
（１）ボイドの成長・連結は、溶接熱影響部粗粒域の結晶粒界上のある特定の粒界について集中的に進行し、き裂発生、成長、破壊というメカニズムを直接的に反映している。
（２）多少のばらつきはあるものの、第１３図に示す通り肉厚の大小、溶接線の方向に関係無くクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）とよい相関を示している。
次に、本発明と従来法との感度及び精度を比較してみる。
（マスターカーブの作成）
配管内圧クリープ試験データを使った、従来法（ボイド面積率法、Ａパラメータ法、粒界線上ボイド占有率法）のマスターカーブを第１４図にまとめて表示した。今回は、Ｍパラメータ（最大ボイド粒界占有率）法の感度及び精度の確認を同一条件で行うため、従来のマスターカーブではなく、Ｍパラメータ法と同様に配管内圧クリープ試験のデータを用いて従来法のマスターカーブを作成した。
第１３図の曲線（或いは直線）が寿命評価に用いたマスターカーブである。
（感度比較）
Ｍパラメータ法の感度を確認するため、従来法によって得られたマスターカーブとの比較を行った（第１４図）。ここで、感度とは、クリープ寿命消費率に対する各パラメータ値の変化割合と定義する。感度が良いとは、第１４図ではグラフの傾斜が大であるものをいう。ボイド面積率法と粒界線上ボイド占有率法は、損傷初期の感度は悪く、損傷後期から末期にかけて良くなっている。Ａパラメータ法は損傷中期から感度が良い。それは、クリープ寿命消費とともに損傷粒界数（ボイドが１個以上あればカウントされる）が比例的に増加してくる現象を反映しているからである。Ｍパラメータ法は各手法の中で損傷初期から変化が最も大きく、損傷末期に至るまで滑らかな下に凸の曲線を示した。この挙動の差はボイド面積率法、粒界線上ボイド占有率法はある評価エリア内の平均値で評価するため、損傷初期の反応が微小であり、ボイドが急増する損傷後期から末期にかけて反応するが、逆にＭパラメータ法は局在化した損傷部（つまり最大損傷部）のみに着目して評価するため損傷初期から反応があるものと考えられる。
（精度比較）
Ｍパラメータ法の精度を確認するため、各パラメータ法のマスターカーブから得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）とクリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係について検討した。用いたデータは第１３図の白抜き印（△，□，◇，つまり実機加速試験及び実機廃材試験データ）である。この白抜き印のデータは試験における中途止め時（又は廃却時）の各クリープ損傷パラメータ値を表している。この損傷パラメータ値から、第１３図中に示すマスターカーブを用いてクリープ寿命消費率を求めた。各パラメータ法から得られたクリープ寿命消費率と破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（配管内圧クリープ試験、実機加速試験はクリープ破壊時間に対する中途止め時間の比、実機廃材試験についてはクリープ破断試験から得られた余寿命に、運転時間を加えた全寿命に対する運転時間の比）を比較することにより精度比較を行った。その結果を第１５図に示す。
第１５図は、従来の法によって得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）と前記クリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を示す図である。図中、Ｆ２は２のファクタ（Factor of ２）、Ｆ１．５は１．５のファクタ（Factor of 1.5）、○印はボイド面積率、△印はＡパラメータ、□印はボイド粒界占有率、◇印はＭパラメータである。また、図中のｙ＝ｘは各パラメータ法から得られたクリープ寿命消費率と破壊試験から得られたクリープ寿命消費率が等しいことを示している。今回の試験結果では、各パラメータ法とも破壊試験から得られたクリープ寿命消費率と正の相関があり、ほぼ２のファクタの精度であった。特にＭパラメータ法は、第１５図の太い実線で示す通りほぼ１．５のファクタ（Factor of 1.5）の精度であった。
また、Ｍパラメータ法では常にｙ＝ｘよりも上部に位置している。つまり、評価したクリープ寿命消費率は破壊試験よりも大きくなっている。それは、Ｍパラメータ法は、最大損傷部（常に微視き裂に発展しやすい粒界）のみに着目しているため、安全側に評価する特徴を有している。
また、ボイラ用低合金鋼（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）の溶接熱影響部粗粒域に着目して、各種条件でのクリープ中途止め試験を実施し、さらに実機加速試験結果を含めてクリープ損傷の経時変化をボイドの定量化によって精度良く推定する可能性について検討を行った。得られた主な結果は以下の通りである。
（１）ボイドは、損傷初期〜中期にかけてはランダムに散在していた。損傷中期以降になると、部材表面においては、ある特定の粒界において先行的にボイドの成長・連結が著しく進行していた。つまり損傷は局所的に進行する傾向があった。
（２）ボイド発生・成長挙動に基づき、最大損傷部を評価する“最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）法”を新たに発明した。
（３）外表面でクリープ損傷が局所的に進行することに着目し、局所評価である“Ｍパラメータ法”によりボイドの定量化を行った。そして、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を整理した結果、評価対象物の肉厚の大小及び溶接方向に関係なく下に凸の滑らかな曲線上に分布する関係が認められた。また、ボイド面積率法や粒界線上ボイド占有率法のような損傷末期におけるパラメータ値の急激な上昇は認められず損傷初期から末期まで良好な感度を示した。
（４）Ｍパラメータ法によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）とクリープ破壊試験によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係については、ほぼ１．５のファクタ（Factor of 1.5）の精度であった。また、Ｍパラメータ法は、最大損傷部のみに着目しているため安全側に評価する特徴を有していた。
このように、本発明であるＭパラメータ法は、従来の任意エリア内の平均的な損傷評価手法に対して、ボイドによるクリープ損傷メカニズムを反映し、最大損傷部を直接評価する新しい手法である。多軸応力条件下である実機加速試験、実機廃材試験結果、感度・精度ともに良好であり、実機の寿命評価に十分適用可能であるものと考える。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、実際の機器部材において熟練者でなくても高精度のクリープ寿命消費率の評価を行うことができる。また、従来法の評価よりクリープ寿命を最大２倍程度伸ばすことが可能である。
また、構成が単純であることから、画像処理等を用いた自動化が可能であり、迅速かつ高精度のクリープ寿命消費率の評価を行うことが可能である。したがって産業上の利用価値は高い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明にかかわる実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験における、クリープ中途止め試験に用いる試験片を示す図である。
第２図は、本発明にかかわる実施試験２のクリープ損傷連続観察試験に用いる試験片を示す図である。
第３図は、本発明にかかわる実施試験３の配管周溶接継手部内圧クリープ破壊試験に用いる中空丸棒を示す図である。
第４図は、本発明にかかわる実施試験４の高温再熱蒸気管エルボ長手溶接継手部の内圧クリープ破壊試験に用いる火力発電所高温再蒸気管廃材を示す図である。
第５図は、本発明にかかわる実施試験５の火力発電所廃材溶接継手部の単軸クリープ破断試験に用いる各廃材の試験片採取位置を示す図である。
第６図は、前記実施試験１におけるクリープ中途止め試験の結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Ｖｏｉｄ）を示す。
第７図は、前記実施試験２のクリープ損傷連続観察試験の結果を示す走査型電子顕徴鏡写真である。
第８図は、前記実施試験３における溶接継手部ボイド形態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第９図は、前記実施試験３における中途止め時のボイド分布状況を示す図である。
第１０図は、前記実施試験４における中途止めレプリカ観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第１１図は、実機廃材のボイド観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Ｖｏｉｄ）を示す。
第１２図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大ボイド粒界占有率）の定義を説明するための図である。
第１３図は、前記実施試験結果から得られたボイド粒界占有率とクリープ破壊試験によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係を示す図である。
第１４図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大クリープボイド粒界占有率）法によって得られたマスターカーブと従来の各パラメータ法によって得られたマスターカーブとの比較を示す図である。
第１５図は、Ｍパラメータ法及び従来の方法によって得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）と前記クリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を示す図である。
本発明は、クリープ劣化を生じた部材のクリープ寿命消費率及び余寿命を評価するために、クリープボイドの結晶粒界占有率の最大値を用い、また実寿命と表面における寿命との対応を考慮した機器部材のクリープ寿命消費率を評価するものに関する。
背景技術
火力発電所を長時間にわたって安定的に運転するためには、設備の寿命を的確に把握することが必要である。現在国内にある事業用火力発電ユニットの８０％以上が、累積運転時間１０万時間を越えており、２０万時間を越えた火力発電ユニットも２０％程度となっている（参考文献１：岩本啓一，火力原子力発電，４８−８（１９９７），１４）。このため、定期検査時に経年火力発電ユニットのボイラ等について余寿命診断を行い、設備の状態を的確に把握し、適切な補修を行うことが、予防保全の面からも、またコスト低減の面からも重要である。
火力発電ボイラ高温部材の溶接部は、長時間の使用によるクリープ損傷の進展により金属組織にクリープボイド（以下、ボイドと称する）と称する微小な空孔が発生し、それらが成長・連結して１粒界長さ程度の微視き裂を形成する。形成された微視き裂は、その後、伝ぱ・合体を繰り返し、部材全体を破損に至らしめる。
現状ではクリープ寿命評価は材料表面を研磨・腐食し、Ａパラメータ法、組織対比法、ボイド面積率法（参考文献２：例えば、野中勇，園家啓嗣，中代雅士，米山弘志，北川正樹，石川島播磨技報，３２−５（１９９２），３１３）、ボイド面密度法、粒界損傷法（参考文献３：菊地賢司，加治芳行，材料，４４−５０５（１９９５），１２４４）等レプリカを使用したパラメータ法（参考文献４：社団法人日本鉄鋼協会，レプリカ法によるクリープ及びクリープ疲労損傷マニュアル“構造材料の信頼性評価技術部会高温強度ＷＧ研究成果報告書（別冊マニュアル），（１９９１），１）、または超音波ノイズエネルギー法、超音波スペクトロスコピー法（参考文献５：日本機械学会編，動力プラント・構造物の余寿命評価技術，（１９９２），８９，技報堂出版）等の非破壊検査で行っている。
粒界のボイドに着目した評価手法では、粒界線上ボイド占有率（参考文献６：江嶋恒行，周，大谷隆一，北村隆行，多田直哉，第３２回高温強度シンポジウム前刷集，（１９９４），９４）が損傷パラメータとして物理的意味が明確であることが明らかにされている（参考文献７：多田直哉，福田哲史，北村隆行，大谷隆一，材料４６−１，（１９９７），３９、参考文献８：多田直哉，北村隆行，大谷隆一，材料４５−１，（１９９６），１１０）。
すなわち、ある決められた領域内で単位面積範囲内におけるボイド面積率比（ボイド面積率法）及びある決められた領域内で主応力の方向に直線を引き、この直線と粒界との交点数に占めるボイドの発生した粒界の割合（Ａパラメータ法）等による部材のクリープ寿命消費率及び余寿命評価が、従来より行われてきた。
しかしながら、前記従来の手法では、従来手法より得られるクリープ寿命消費率と同一部位による破壊試験から得られるクリープ寿命消費率とを比較すると、安全側過ぎる評価となること及び実際のクリープ破壊のメカニズムが直接的に評価されていない等、機器部材の寿命評価制度に問題があった。
また、応力方向も考慮する場合も有り、実際に使用される機器（以下、実機と称する）部材は、多軸応力場であるため実用的ではなかった。また、評価点を多量に設定する必要があることからボイド発生状況の定量化及びクリープ寿命推定には時間を要していた。
発明の開示
本発明は、このような事情を考慮して開発されたものであり、前記課題を解決し、高精度のクリープ寿命消費率推定法を提供するものである。
前記課題を解決するために本発明は、実際の機器部材サイズの破壊試験片及び実際の機器部材をシミュレートした試験片により得られた結果から機器部材の大きさ等を考慮し修正したマスターカーブを使用して、実機部材の最大クリープボイド粒界占有率（ＭＢ）を求めることにより機器部材全体のクリープ寿命消費率推定を高精度で行うことが可能である点を特徴とするものである。
また、前記最大クリープボイド粒界占有率（ＭＢ）は、数２の式で表わされる。
【数２】
図面の簡単な説明
第１図は、本発明にかかわる実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験における、クリープ中途止め試験に用いる試験片を示す図である。
第２図は、本発明にかかわる実施試験２のクリープ損傷連続観察試験に用いる試験片を示す図である。
第３図は、本発明にかかわる実施試験３の配管周溶接継手部内圧クリープ破壊試験に用いる中空丸棒を示す図である。
第４図は、本発明にかかわる実施試験４の高温再熱蒸気管エルボ長手溶接継手部の内圧クリープ破壊試験に用いる火力発電所高温再蒸気管廃材を示す図である。
第５図は、本発明にかかわる実施試験５の火力発電所廃材溶接継手部の単軸クリープ破断試験に用いる各廃材の試験片採取位置を示す図である。
第６図は、前記実施試験１におけるクリープ中途止め試験の結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Void）を示す。
第７図は、前記実施試験２のクリープ損傷連続観察試験の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第８図は、前記実施試験３における溶接継手部ボイド形態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第９図は、前記実施試験３における中途止め時のボイド分布状況を示す図である。
第１０図は、前記実施試験４における中途止めレプリカ観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第１１図は、実機廃材のボイド観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Void）を示す。
第１２図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大ボイド粒界占有率）の定義を説明するための図である。
第１３図は、前記実施試験結果から得られたボイド粒界占有率とクリープ破壊試験によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係を示す図である。
第１４図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大クリープボイド粒界占有率）法によって得られたマスターカーブと従来の各パラメータ法によって得られたマスターカーブとの比較を示す図である。
第１５図は、Ｍパラメータ法及び従来の方法によって得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）と前記クリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明にかかわる実施試験について添付図面を参照して以下説明する。
（実施試験１）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験は、クリープ損傷過程でのボイドの発生・成長挙動及び分布を把握するためになされるものであり、溶接熱影響部粗粒域（以下粗粒Ｈａｚと称する。）再現材（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を作成し、第１図に示す試験片でクリープ中途止め試験を実施した。試験は試験片Ａ（９０３Ｋ，６０．８ＭＰａ，破断時間ｔｒ＝１７７４ｈｒ）及び、試験片Ｂ（８４３Ｋ，１２３．５ＭＰａ，ｔｒ＝３３９６ｈｒ）を用いて実施した。中途止め時間ｔは、試験片Ａでは８００ｈｒ（クリープ寿命消費率ｔ／ｔｒ＝０．４５），１２００ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．６８），１６０８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．９１），１７７４ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝１．０）、試験片Ｂでは８１６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．２４），１１９０ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．３５），１５９６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４６），３３９６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝１．０）にて中途止めを実施した。
ボイド観察は試験片を縦に二分割し、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する）を用いて行った。観察位置は比較的ボイドが多く発生している位置を１０００倍にて連続１００視野程度観察した。
（実施試験２）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験２のクリープ損傷連続観察試験は、ボイドの成長、連結及び微視き裂発生に至る過程を把捉するため、第２図に示す試験片Ｃ（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を用いて（９０３Ｋ，６８．６ＭＰａ，ｔｒ＝１３６ｈｒ）ＳＥＭに負荷装置と過熱コイルをつけて（以下、ＳＥＭサーボ試験機と称する）クリープ試験を行いながら試験片表面における結晶粒界上のボイドの発生・成長を連続的に観察した。
試験片は溶接継手部の熱影響部が中央にくる様に採取し、熱影響部中央の両端にＵ字切欠きを付けた。試験片表面はエッチングを施し、結晶粒界が判別出来るようにした。尚、試験時間は試験片表面が酸化されて観察が困難にならない程度の時間（約１００ｈｒ）とした。
観察は、両側の切欠底Ａを結んだ線上に観察部位（１）、（２）をとり１０００倍で観察した。試験片が破断するまで、適当なインターバルをおいて観察した。前記観察部位（１）では、１５ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．１１），３６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．２６），５９ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４３），８２ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．６０），１０６ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．７８），１１８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．８７）、観察部位（２）では、５８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４３），８７ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．６４）、１０５ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．７７），１１８ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．８７）であった。
（実施試験３）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験３の配管周溶接継手部内庄クリープ破壊試験（配管内圧クリープ試験）は、実機部材でのボイド発生、成長過程を把握するために、第３図に示す中実丸棒に周溶接を行い、中心をくり貫いた溶接継手管（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を試験片Ｄ（φ４０×ｔ８×ｌ４３０）とした内圧クリープ破壊試験（以下、配管内圧クリープ破壊試験と称する。９０３Ｋ，平均径の式による周方向応力６１．３ＭＰａ，ｔｒ＝４１３１ｈｒ）を実施した。
試験片溶接部は１〜４層の被覆アーク溶接で製作し、９９３Ｋ×ｌ．３ｈｒの溶接後熱処理を行った。詳細な溶接条件についてはできる限り実機における製作条件を模擬した。試験は、試験片を電気炉内で加熱し、加圧した水を注入し高圧蒸気にして内圧を負荷した。試験は中途止めを行い、中途止め時のボイド観察を実施した。中途止めは２０１０ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．４９）、３０００ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．７３），４０００ｈｒ（ｔ／ｔｒ＝０．９７）で実施した。
（実施試験４）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験４の高温再熱蒸気管エルボ長手溶接継手部の内圧クリープ破壊試験（実機加速試験）は、実機大型部材でボイドが発生・成長し、連結して破壊に至る過程を把握するために、第４図に示す火力発電所高温再熱蒸気管廃材（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼，廃却時のクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）は約０．５）を実機試験体（φ６６０．４×ｔ３１）とした内圧クリープ破壊試験（９２３Ｋ，内庄３．０ＭＰａ，エルボ腹部中央の最大主応力３９．２ＭＰａ，ｔｒ＝２９５０ｈｒ）を実施した。前記第４図中、Ｗは溶接部、Ａ，Ｂは溶接部Ｗの観察位置である。
前記試験は供試体の周囲を板型ヒーターで囲み、加熱した後、供試体内に加圧した水を注入し高圧蒸気にして内圧を負荷した。試験は中途止めを行い、その時の溶接継手部表面レプリカを採取、ＳＥＭによるボイド観察を実施した。供試体はエルボ部であり、２枚の板を曲げて長手方向にサブマージアーク溶接したものである。尚、中途止めはクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝約０．５，０．７，０．８，０．９で実施した。
（実施試験５）
本発明のクリープ寿命評価方法を見出すための実施試験５の火力発電所材溶接継手部単軸クリープ破断試験（実機廃材試験）は、実機部材のクリープ寿命消費率とその時点でのボイド発生・成長形態を把握するため、実機廃材による単軸クリープ破断試験（以下、実機廃材試験と称する）とレプリカによるボイド観察を実施した。まず、実機部材の寿命消費率を算定するためクリープ破断試験を実施した。
試験片は実機表面のレプリカ調査によりボイドが認められた部位の表面近くの断面から採取した。周溶接部は直径１０ｍｍ，標点間距離５０ｍｍの丸棒試験片を、管寄スタブ溶接部は直径２ｍｍのミニチュアクリープ丸棒試験片を使い、不活性ガス雰囲気中でのクリープ破断試験を実施した。また、クリープ破断試験片採取部位の実機断面（表面近傍）レプリカを採取し、ＳＥＭによるボイド観察を実施した。試験片は火力発電所過熱器管寄周溶接部、再熱Ｙピース周溶接部、再熱器管寄スタブ溶接部から採取した。第５図に各廃材の試験片採取位置、表１に各廃材の使用条件を示す。前記第５図において、（１）はＳＨ管寄Ｔピースパイプ、（２）はＲＨＹピースパイプ、（３）はＲＨ管寄スタブ、●印は試験片の採取位置、Ｗは溶接部、ＳＷはスタブ溶接部、ＴＰＰはＴピースパイプ、Ｈは管寄（Header）、Ｔはチューブ（Tube）である。
【表１】
（実施試験１の結果）
前記実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験の試験片Ａ及びＢのボイド観察結果を第６図に示す。試験片Ａではクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４５で１μｍ程度のボイドが発生していた。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．６８で１μｍ程度のボイドが１粒界に２個発生、損傷末期であるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９１で数μｍ程度のボイドが１粒界に２個発生、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では５μｍ程度のボイドが１粒界に８個発生していた。供試材Ｂではクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．２４で１μｍ程度のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．３５で１μｍ程度のボイドが１粒界に１個、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４６で数μｍ程度のボイドが１粒界に３個、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では５μｍ程度のボイドが１粒界に５個発生しており、一部ボイドが連結していた。損傷初期〜後期にかけて発生した小さいボイドは成長速度が遅く、試験片が破断する直前でボイドが大きくなり連結・き裂になり易い傾向があった。また、ボイド損傷は特定の粒界へ集中する傾向があった。
（実施試験２の結果）
前記実施試験２のクリープ損傷連続観察試験のＳＥＭサーボ試験機による試験片Ｃの観察部位（１）における同一部位のクリープ損傷連続観察結果を第７図に示す。観察部位（１）では、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．１１で同一粒界上にボイドＡ，Ｂ，Ｃが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．２６では、ボイドの形状・個数に変化はなかった。しかし、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４３になるとボイドＤ，Ｅ，Ｆ，Ｇが同一粒界上に発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．６０では、さらにボイドＨ，Ｉが発生し、ボイドＡ，Ｂ，Ｄ，Ｈ，Ｉが連結を開始し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７８になると、ボイドＡ，Ｂ，Ｄ，Ｈ，Ｉの連結によりき裂II（CrackI）が発生し、ボイドＥ，Ｆ，Ｃ，Ｇの連結によりき裂I（CrackII）が発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．８７ではそのき裂が合体しき裂III（CrackIII）となった。
観察部位（２）ではクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４２でボイドが３個発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．６４では、そのボイド周辺に多数のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７７で連結を開始し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．８７で２つのき裂に成長した。前記のクリープ中途止め試験と同様に、結晶粒界によって連結・微視き裂の形成が進行しているものとしていないものがあり、ボイドによる損傷が特定の粒界へ集中する傾向があった。
（実施試験３の結果）
前記実施試験３の配管内圧クリープ試験の溶接継手部のボイド形態代表写真を第８図に示す。溶接継手部の粗粒Ｈａｚのボイドは、粗粒Ｈａｚ再現材のボイドに比べて数が多く、かつ大きいものであった。ボイド発生状況はクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４９では、１μｍ程度のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７３では、同一粒界に複数のボイドが発生し、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９７では、ボイドの連結が認められ、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では、微視き裂を形成していた。
中途止め時のボイド分布状況を第９図（ｔ／ｔｒ＝０．４９と１．０）に示す。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．４９では、結晶粒界上にランダムにボイドが発生しておりクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７３でも同様であった。損傷末期であるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９７では、ボイドが連結する粒界が認められ、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝１．０では、ボイドの連結が１結晶粒界長さ（微視き裂）に達していた。損傷の進行に伴うボイドの成長については、単軸クリープ破断試験と同様の傾向が認められた。以上の結果から、ボイドは初め粒界上にランダムに発生するが、その後は特定の粒界上に複数発生し、やがて連結し微視き裂に進展することが判った。
（実施試験４の結果）
前記実施試験４の実機加速試験の中途止めレプリカ観察結果を第１０図に示す。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．５０では、観察位置（Observation Point）Ａ，Ｂともに１結晶粒界に１個ボイドが発生していた粒界があり、ボイドの大ささは数μｍ程度であった。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．７０ではボイドが発生した粒界が増加し、ある特定の粒界ではボイドが連結しているものもあった。クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．８０では、連結がさらに進行し、観察位置（Observation Point）Ａのクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）＝０．９０では、連結長さが１粒界（微視き裂）に達するものが発生した。前記第１０図中の１０は１粒界き裂（1 grain boundary crack）の部分を示す。
（実施試験５の結果）
前記実施試験５の実機廃材のボイド観察結果を第１１図に示す。クリ−プ破断試験により得られた各機器の廃却時点でのクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）を表２に示す。
【表２】
前記実施試験１乃至５の試験結果から、ボイドの発生及び成長挙動について検討した。ボイドが発生する粒界は概ね主応力方向と交差するものであり、ある特定の粒界にボイドが集中して発生し、局所的に損傷が進行していた。この傾向は試験片においても、実機加速試験結果においても同様であった。この結果から、クリープ損傷は外表面で見る限り、まず先行的に特定の粒界が局所的損傷を受け、破断直前で付近の粒界き裂と合体すると考えられる。
また、前記各実施試験において、損傷末期にボイドがある特定の粒界に集中して発生連結する傾向があった。その要因について検討した結果、以下のことが考えられる。
（１）粒界固有の強度、すなわち結晶の方位差（界面エネルギー）が関係している。
（２）三次元的に見て主応力方向に垂直な結晶面に損傷が集中する。
（３）ボイドが発生すると周辺の応力分布が変化（参考文献９：北村隆行，大谷隆一，中山哲史，第４２期学術講演会前刷，（１９９３），２５）して更にボイドが成長し易くなる。
前記各種試験の結果、クリープ損傷によるボイドの発生は局在化して進行することが判った。この損傷挙動を踏まえ、観察視野内全てのボイド発生粒界について粒界長さ中のボイド長さの占める割合（ボイド粒界占有率）の最大値で寿命を評価する手法を最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）法としたのが、本発明のクリープ寿命評価方法である。
第１２図は、本発明におけるＭパラメータの定義を説明するための図であり、Ｌαはクリープボイドが存在する１粒界の全長、ｎはクリープボイドが存在する１粒界の全長Ｌαの粒界上にあるクリープボイドの個数、ｍはクリープボイドが存在する粒界数、ｌαは粒界とボイドの交線の粒界に沿った長さであるボイドの長さである。
第１２図からわかるように、最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）は、数３の式で表わされる。
【数３】
本発明の最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）法のパラメータの特徴を以下に示す。
（１）ボイドの成長・連結は、溶接熱影響部粗粒域の結晶粒界上のある特定の粒界について集中的に進行し、き裂発生、成長、破壊というメカニズムを直接的に反映している。
（２）多少のばらつきはあるものの、第１３図に示す通り肉厚の大小、溶接線の方向に関係無くクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）とよい相関を示している。
次に、本発明と従来法との感度及び精度を比較してみる。
（マスターカーブの作成）
配管内圧クリープ試験データを使った、従来法（ボイド面積率法、Ａパラメータ法、粒界線上ボイド占有率法）のマスターカーブを第１４図にまとめて表示した。今回は、Ｍパラメータ（最大ボイド粒界占有率）法の感度及び精度の確認を同一条件で行うため、従来のマスターカーブではなく、Ｍパラメータ法と同様に配管内圧クリープ試験のデータを用いて従来法のマスターカーブを作成した。
第１３図の曲線（或いは直線）が寿命評価に用いたマスターカーブである。
（感度比較）
Ｍパラメータ法の感度を確認するため、従来法によって得られたマスターカーブとの比較を行った（第１４図）。ここで、感度とは、クリープ寿命消費率に対する各パラメータ値の変化割合と定義する。感度が良いとは、第１４図ではグラフの傾斜が大であるものをいう。ボイド面積率法と粒界線上ボイド占有率法は、損傷初期の感度は悪く、損傷後期から末期にかけて良くなっている。Ａパラメータ法は損傷中期から感度が良い。それは、クリープ寿命消費とともに損傷粒界数（ボイドが１個以上あればカウントされる）が比例的に増加してくる現象を反映しているからである。Ｍパラメータ法は各手法の中で損傷初期から変化が最も大きく、損傷末期に至るまで滑らかな下に凸の曲線を示した。この挙動の差はボイド面積率法、粒界線上ボイド占有率法はある評価エリア内の平均値で評価するため、損傷初期の反応が微小であり、ボイドが急増する損傷後期から末期にかけて反応するが、逆にＭパラメータ法は局在化した損傷部（つまり最大損傷部）のみに着目して評価するため損傷初期から反応があるものと考えられる。
（精度比較）
Ｍパラメータ法の精度を確認するため、各パラメータ法のマスターカーブから得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）とクリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係について検討した。用いたデータは第１３図の白抜き印（△，□，◇，つまり実機加速試験及び実機廃材試験データ）である。この白抜き印のデータは試験における中途止め時（又は廃却時）の各クリープ損傷パラメータ値を表している。この損傷パラメータ値から、第１３図中に示すマスターカーブを用いてクリープ寿命消費率を求めた。各パラメータ法から得られたクリープ寿命消費率と破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（配管内圧クリープ試験、実機加速試験はクリープ破壊時間に対する中途止め時間の比、実機廃材試験についてはクリープ破断試験から得られた余寿命に、運転時間を加えた全寿命に対する運転時間の比）を比較することにより精度比較を行った。その結果を第１５図に示す。
第１５図は、従来の法によって得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）と前記クリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を示す図である。図中、Ｆ２は２のファクタ（Factor of ２）、Ｆ１．５は１．５のファクタ（Factor of 1.5）、○印はボイド面積率、△印はＡパラメータ、□印はボイド粒界占有率、◇印はＭパラメータである。また、図中のｙ＝ｘは各パラメータ法から得られたクリープ寿命消費率と破壊試験から得られたクリープ寿命消費率が等しいことを示している。今回の試験結果では、各パラメータ法とも破壊試験から得られたクリープ寿命消費率と正の相関があり、ほぼ２のファクタの精度であった。特にＭパラメータ法は、第１５図の太い実線で示す通りほぼ１．５のファクタ（Factor of 1.5）の精度であった。
また、Ｍパラメータ法では常にｙ＝ｘよりも上部に位置している。つまり、評価したクリープ寿命消費率は破壊試験よりも大きくなっている。それは、Ｍパラメータ法は、最大損傷部（常に微視き裂に発展しやすい粒界）のみに着目しているため、安全側に評価する特徴を有している。
また、ボイラ用低合金鋼（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）の溶接熱影響部粗粒域に着目して、各種条件でのクリープ中途止め試験を実施し、さらに実機加速試験結果を含めてクリープ損傷の経時変化をボイドの定量化によって精度良く推定する可能性について検討を行った。得られた主な結果は以下の通りである。
（１）ボイドは、損傷初期〜中期にかけてはランダムに散在していた。損傷中期以降になると、部材表面においては、ある特定の粒界において先行的にボイドの成長・連結が著しく進行していた。つまり損傷は局所的に進行する傾向があった。
（２）ボイド発生・成長挙動に基づき、最大損傷部を評価する“最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）法”を新たに発明した。
（３）外表面でクリープ損傷が局所的に進行することに着目し、局所評価である“Ｍパラメータ法”によりボイドの定量化を行った。そして、クリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を整理した結果、評価対象物の肉厚の大小及び溶接方向に関係なく下に凸の滑らかな曲線上に分布する関係が認められた。また、ボイド面積率法や粒界線上ボイド占有率法のような損傷末期におけるパラメータ値の急激な上昇は認められず損傷初期から末期まで良好な感度を示した。
（４）Ｍパラメータ法によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）とクリープ破壊試験によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係については、ほぼ１．５のファクタ（Factor of 1.5）の精度であった。また、Ｍパラメータ法は、最大損傷部のみに着目しているため安全側に評価する特徴を有していた。
このように、本発明であるＭパラメータ法は、従来の任意エリア内の平均的な損傷評価手法に対して、ボイドによるクリープ損傷メカニズムを反映し、最大損傷部を直接評価する新しい手法である。多軸応力条件下である実機加速試験、実機廃材試験結果、感度・精度ともに良好であり、実機の寿命評価に十分適用可能であるものと考える。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、実際の機器部材において熟練者でなくても高精度のクリープ寿命消費率の評価を行うことができる。また、従来法の評価よりクリープ寿命を最大２倍程度伸ばすことが可能である。
また、構成が単純であることから、画像処理等を用いた自動化が可能であり、迅速かつ高精度のクリープ寿命消費率の評価を行うことが可能である。したがって産業上の利用価値は高い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明にかかわる実施試験１の単軸クリープ破断試験片によるボイド成長挙動確認試験における、クリープ中途止め試験に用いる試験片を示す図である。
第２図は、本発明にかかわる実施試験２のクリープ損傷連続観察試験に用いる試験片を示す図である。
第３図は、本発明にかかわる実施試験３の配管周溶接継手部内圧クリープ破壊試験に用いる中空丸棒を示す図である。
第４図は、本発明にかかわる実施試験４の高温再熱蒸気管エルボ長手溶接継手部の内圧クリープ破壊試験に用いる火力発電所高温再蒸気管廃材を示す図である。
第５図は、本発明にかかわる実施試験５の火力発電所廃材溶接継手部の単軸クリープ破断試験に用いる各廃材の試験片採取位置を示す図である。
第６図は、前記実施試験１におけるクリープ中途止め試験の結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Ｖｏｉｄ）を示す。
第７図は、前記実施試験２のクリープ損傷連続観察試験の結果を示す走査型電子顕徴鏡写真である。
第８図は、前記実施試験３における溶接継手部ボイド形態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第９図は、前記実施試験３における中途止め時のボイド分布状況を示す図である。
第１０図は、前記実施試験４における中途止めレプリカ観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。
第１１図は、実機廃材のボイド観察結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、○印はボイド（Ｖｏｉｄ）を示す。
第１２図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大ボイド粒界占有率）の定義を説明するための図である。
第１３図は、前記実施試験結果から得られたボイド粒界占有率とクリープ破壊試験によるクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）の関係を示す図である。
第１４図は、本発明にかかわるＭパラメータ（最大クリープボイド粒界占有率）法によって得られたマスターカーブと従来の各パラメータ法によって得られたマスターカーブとの比較を示す図である。
第１５図は、Ｍパラメータ法及び従来の方法によって得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）と前記クリープ破壊試験から得られたクリープ寿命消費率（ｔ／ｔｒ）との関係を示す図である。
Claims (1)
- 高温長時間使用によりクリープ劣化した機器部材のクリープ寿命消費率を推定するクリープ寿命評価方法であって、クリープボイドが存在する粒界の全長と前記粒界に存在するクリープボイドのボイドの長さを測定する第１のステップと、前記第１のステップの結果に基づいて数１の式により最大クリープボイド粒界占有率（ＭＢ）を求める第２のステップと、を含むクリープ寿命評価方法。
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