JP4688096B2 - 耐熱部材の熱履歴推定方法 - Google Patents

Description

本発明は燃焼プラント設備に係わり、金属材料からなる例えば伝熱管などの耐熱（耐圧）部材の運転中のメタル温度を推定するのに好適な熱履歴推定方法に関する。

ボイラ、石炭ガス化炉、ごみ焼却炉等の燃焼プラント設備において、水壁管などの部材は火炉内の輻射熱を受けて高温になり、内部流体との熱交換を行うが、水壁管の温度は火炉の輻射熱のばらつきに大きく影響され、部分的に温度が不均一になり易く、正確なメタル温度の推定が困難な場合がある。そして場合によっては水壁管などの部材の酸化や高温による腐食、硫化によってバーナ近傍部位が大きな損傷を受けることがある。

特に、例えば大型の石炭焚きボイラでは火炉幅が３０ｍに達するものもあるため、水壁全体の温度分布を正確に把握することは容易ではない。

またバーナ近傍等で設計時の予測以上に高温になる領域があった場合、高温による酸化や腐食、更に硫化腐食等によって火炉の水壁管などの部材が減肉、漏洩にいたる危険があり、より高温の場合はクリープ損傷によって火炉の水壁管などの部材の膨出や噴破事故を引き起こす場合もある。

このような現象を防ぐため、水壁等の火炉内側に熱電対を設置して水壁管のメタル温度を実測する場合がある。しかし実測には計測機器が必要なため測定点数が限られること、また長期間、例えば２〜４年の定検周期に亘って火炉内において連続で測定するには、熱電対自身の信頼性も考慮すると現実的ではなく、温度分布の推定、評価は数値解析による場合が大きかった。また火炉内は広く、水壁管などの部材のメタル温度の測定対象が広範囲であるため、熱電対による計測は費用や熱電対自身の耐久性の問題があり、限られた測定にしか用いられていない。
特開２００３−２９４６０５号公報 特開平６−１４８０４９号公報

一方、熱電対等により温度を計測するのではなく、容易に計測できる耐熱部材の材料特性の変化を利用して、その部材が受けた熱履歴や損傷を推定する方法も提案されている。例えば上記特許文献１に記載された発明では、活性化エネルギーを用いることによってオーステナイト鋼(ステンレス鋼)製部材の硬さの変化から部材の機械的性質の劣化を評価する方法が提案されている。またその他にも上記特許文献２に記載された発明では、炭素鋼やＣｒ（クロム）−Ｍｏ（モリブデン）鋼の硬さ変化（熱時効による硬度軟化）から熱履歴やクリープ損傷を推定する方法も提案されている。硬さは対象とする部材のサンプリング等を必要としない非破壊検査法として、比較的容易に計測することができる。
しかし、一般にボイラ鋼管として広く用いられてきた材料は、炭素鋼、Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼、Ｃｒ１８〜２５重量％系オーステナイト鋼であり、熱時効によって軟化あるいは硬化といった変化を示すものの、硬さ変化の絶対値が小さい（例えば鋼種によるが、数万時間ではビッカース硬さで２０〜４０Ｈｖ程度）ため、測定精度あるいは熱履歴、物性値の推定精度の面で信頼性が低いという問題があった。また各々の鋼種毎に、初期硬さや実験室的な熱時効硬化特性のデータを予め求めておく必要があったことから非常に煩雑であった。そしてプラント建設時から多くの材料について初期硬さのデータを採取しておくことはほとんど困難であり、実用上の大きな障害となっていた。燃焼プラントにおける耐熱耐圧部材のメタル温度を推定する方法として、容易に適用でき、かつ炉壁の腐食雰囲気に対しても信頼性の高い温度推定法が求められている。

本発明の課題は上記の問題点を解消し、燃焼プラント設備において、一般的に使用されている広い範囲の材料からなる部材に対して、容易にかつ精度良く、長期間に亘って熱履歴（温度）を求めることができる方法を提供することである。

また本発明の課題は、当測定対象となる部位の材料の初期硬さを必要としない、簡便で有益な熱履歴（温度）推定方法を提供することにある。

本発明の上記課題は、任意の部位或いは任意の鋼種からなる高温耐圧部材の表面に熱時効により硬化する析出硬化型の材料を肉盛溶接或いは溶射し、設備の運転前及び運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め熱時効試験で求めておいた溶接箇所或いは溶射層の硬化特性のデータと比較し、硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、耐熱耐圧部材の温度を推定することにより、容易に達成される。具体的には以下の方法により達成される。

請求項１記載の発明は、燃焼プラント設備において、金属材料からなる耐熱耐圧部材の表面に、熱時効により硬化するニッケル（Ｎｉ）基合金からなる析出硬化型の材料を肉盛溶接し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定することを特徴とする熱履歴推定方法である。

請求項２記載の発明は、燃焼プラント設備において、金属材料からなる耐熱耐圧部材の表面に、熱時効により硬化するニッケル（Ｎｉ）基合金からなる析出硬化型の材料を溶射し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定することを特徴とする熱履歴推定方法である。

請求項３記載の発明は、燃焼プラント設備において、金属材料からなる耐熱耐圧部材の一部に、熱時効により硬化するニッケル（Ｎｉ）基合金からなる析出硬化型の材料からなる前記耐熱耐圧部材の一部と同一形状の部材を挿入し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定することを特徴とする熱履歴推定方法である。

請求項４記載の発明は、前記析出硬化型の材料として、チタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含有し、γ’が析出するニッケル（Ｎｉ）基合金を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱履歴推定方法である。

請求項５記載の発明は、前記耐熱耐圧部材は、少なくとも炭素鋼、クロム（Ｃｒ）−モリブデン（Ｍｏ）合金鋼或いはオーステナイト鋼のいずれか一種を含む部材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱履歴推定方法である。

（作 用）
請求項１から３記載の発明によれば、部材表面へ析出硬化型の材料を肉盛溶接或いは溶射又は挿入することは、部材の鋼種にとらわれることなく施工可能で、各々の部材の初期硬さを知る必要がない。そして耐熱耐圧部材上に肉盛溶接した材料や溶射層又は挿入した部材が熱時効により硬化するため、燃焼プラント設備の運転前後の硬さの変化を測定することにより当該材料の熱履歴を求め、耐熱耐圧部材の温度を推定できる。また熱電対による計測のように、常時計測機器を使用する必要がないので、測定対象を多数点、広範囲に設定することが可能である。

請求項４記載の発明によれば、請求項１から３記載の発明の作用に加えて、析出硬化型の材料がＮｉ基であるため耐食性に優れ、ほとんどの使用環境において、設備の運用中の腐食或いは高温酸化等による影響をほとんど無視できるので、信頼性も高い。

請求項５記載の発明によれば、請求項１から４記載の発明の作用に加えて、γ’析出型のＮｉ基合金は熱時効による硬さの変化（硬化）量が従来のボイラ鋼管材料に比べて２倍程度と格段に大きく、熱履歴を十分精度よく推定可能である。

請求項６記載の発明によれば、請求項１から５記載の発明の作用に加えて、燃焼プラント設備において耐熱耐圧部材として多用されている炭素鋼、Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼或いはオーステナイト鋼などの硬さ変化の絶対値が小さく測定精度あるいは熱履歴、物性値の推定精度の面で信頼性が低い鋼種でも、析出硬化型の材料が熱時効により硬化することにより当該材料の熱履歴を求め、これら鋼種の温度を推定できる。

本発明によれば、上記問題点を解消し、従来技術による方法より精度よく確実に耐熱耐圧部材の熱履歴を推定することができる。また、本発明は多数の対象部位に対して容易に実施でき、各々の部材の初期硬さを知る必要がない。更に長期間に亘って信頼性の高い測定を行うことができ、燃料プラント設備の安定した運転に寄与できるので、工業的な効果も大きい。

そして更に請求項１記載の発明によれば、実機設備の長時間運転中に計測器等を必要としないので、多くの箇所を測定対象として設定することができ、実機運転中に肉盛箇所が腐食する恐れもほとんどないので、長時間運転に対する信頼性も高い。

また請求項２記載の発明によれば、対象とする耐熱耐圧部材の肉厚或いは板厚が薄く、肉盛溶接を行った場合で熱変形が問題となる場合にも、特に好適である。

また請求項３記載の発明によれば、特に構造上、評価対象部位が特定されていて継続的に長期間（例えば１０年以上）硬さを測定するような場合にも、長期間に亘る硬さ測定の信頼性が高い。

そして請求項４記載の発明によれば、請求項１から３記載の発明の効果に加えて、Ｎｉ基合金には、一般のボイラ材料に比べて高温強度が格段に高いものが多くあるので、設備運用上安全の障害となることはない。また長期間に渡る硬さ測定の信頼性が高い。

更に請求項５記載の発明によれば、請求項１から４記載の発明の効果に加えて、Ｔｉ及びＡｌを含有するγ’析出型のＮｉ基合金の場合、熱時効による析出硬化幅が大きいため、熱履歴を十分精度よく推定可能である。

更に請求項６記載の発明によれば、請求項１から５記載の発明の効果に加えて、燃焼プラント設備において耐熱耐圧部材として多用されている鋼種毎に実験室的に時効硬化特性のデータを揃えておく必要がなく、炭素鋼からオーステナイト鋼まで広い範囲の鋼種に対して同一の硬化特性データを適用でき、簡便な方法により熱履歴を推定することができる。そしてこれら硬さ変化の絶対値が小さい鋼種でも測定精度あるいは熱履歴、物性値の推定精度の面で信頼性が高い。

以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。

以下に本発明の一実施例であるＮｉ基合金をボイラ水壁管に肉盛溶接して熱履歴を推定する方法について詳細を説明する。表１には、本発明の肉盛溶接材料の化学組成の一例を示す。

図１は、本発明の一実施例による肉盛溶接の状況を示す説明図である。ボイラ内は、水壁管１とメンブレンバー２からなり、図１ではボイラ水壁管１の火炉内側表面への肉盛状況を示している。図１に示すように肉盛溶接範囲３は、繰返しによる硬さ測定が可能な程度の面積があれば十分で、例えば５ｃｍ四方の範囲でよい。
また溶接法はアーク溶接、ティグ溶接、アルゴン溶接、ガス溶接など種々のアーク溶接法を用いることができ、これらの方法に限定されるものではない。そして肉盛溶接後、設備の運転前に初期値としての硬さ（Ｈｉ）を測定する。硬さ測定方法としてはポータブルのビッカース硬さ計のほか電子ショア硬さ計等、一般に市販されている現場測定用のものを用いればよく、特に限定されない。

一方、予め同じ溶接材料を用いて試験片に肉盛溶接を行い、実機設備で想定される温度を含む範囲の数種類の温度で実験室的に熱時効試験を行っておく。図２は熱時効による硬化特性を示す説明図である。図２に示すように、熱時効の温度毎に時間と硬さの変化を求めておく。そして設備の運転後、例えば２年後の定検時に再度硬さを測定し、この時の硬さをＨｘとすると、図２の当該運転時間の位置においてＨｘと予め求めた硬化曲線とを比較することにより、運転中のメタル温度を求めることができる。もし初期値Ｈｉが実験室的な熱時効試験の初期値Ｈｏと異なる場合は、Ｈｘ’＝Ｈｘ×(Ｈｏ／Ｈｉ)として補正を行い、Ｈｘ’を図２に当てはめればよい。

実験室的な熱時効試験を多数行って図２の曲線を得るのが望ましいが、数温度条件の実験データを温度−時間パラメータ、例えばＬａｒｓｏｎ−ＭｉｌｌｅｒパラメータＬＭＰとして知られる次式で整理し、この式から任意の温度における硬化曲線を計算して多くの温度曲線を描いてもよい。
ＬＭＰ＝Ｔ×｛Ｌｏｇ(ｔ)＋Ｃ｝ （ここでＴは絶対温度、ｔは時間(ｈ)を示す。） ・・・・・（１）
なお、Ｔｉ及びＡｌを含有するγ’析出型のＮｉ基合金の場合、熱時効による析出硬化幅が大きいが、著しく高温になると固溶して硬化幅が小さくなる場合があるので、対象とする使用温度で十分硬化する材料を選定することが必要である。一般には７５０℃程度までの温度範囲であれば問題なく硬化する。

本発明によれば、ボイラ等で高温部材として用いられている炭素鋼、Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼、オーステナイト鋼等の鋼種によらず、どのような金属材料でも同一の比較データ（図２の曲線）で評価することができ、しかもγ’析出型Ｎｉ基合金は、上記従来のボイラ部材よりも熱時効による硬さ変化も大きいので、従来の硬さを利用する方法に比べて容易かつ正確に温度を推定することができる。また、本実施例では、実機設備の長時間運転中に計測器等を必要としないので、多くの箇所を測定対象として設定することができ、実機運転中に肉盛箇所が腐食する恐れもほとんどないので、長時間運転に対する信頼性も高い。

実施例１では、Ｎｉ基合金をボイラ水壁管に肉盛溶接して熱履歴を推定する方法を挙げたが、肉盛溶接によらず、Ｎｉ基合金の粉末を部材表面に溶射し、部材表面にＮｉ基合金の層を形成する方法も適用できる。熱履歴を推定する方法は実施例１と同様であり、同じ効果が得られる。本実施例は対象とする部材の肉厚或いは板厚が薄くて、肉盛溶接を行った場合に熱変形が問題となる場合に、特に好適である。溶射層の厚さとしては、ビッカース硬さで測定する場合、荷重９．８１Ｎで測定するとして圧痕の深さを考慮し、少なくとも１００μｍ程度、好ましくは２００μｍ程度あればよい。

部材表面に肉盛溶接或いは溶射する材料は、耐食性に優れ、かつ熱時効によって十分硬化するものであればＮｉ基合金に限らず、どのような材料でもよい。どのような材料でも実施例１及び実施例２と同様の効果が得られる。

実施例１〜３では、対象部材を多数設定できる方法として、既設の部材表面に溶射或いは肉盛溶接する方法を示したが、構造上、評価対象部位が特定されていて継続的に長期間（例えば１０年以上）硬さを測定するような場合には、Ｎｉ基合金等で部材と同一形状に製作したもの（例えばボイラ鋼管であれば短管）を部材の間に溶接によって挿入してもよい。Ｎｉ基合金には、一般のボイラ材料に比べて高温強度が格段に高いものが多くあるので、設備の運用上安全の障害となることはない。本実施例での作用、効果は実施例１〜実施例３と同様であるが、長期間に亘る硬さ測定の信頼性が高い。

石炭焚きボイラなどの燃焼プラント設備において、例えばボイラなどの水壁管内の蒸気条件は高温・高圧化の傾向にある。また水壁管等だけでなく、高温部伝熱管などに対しても温度推定の必要性は高まっている。更にボイラだけでなく、石炭ガス化設備やごみ焼却設備においても重要な問題であり、水壁管などの腐食だけでなくクリープ損傷評価にも有用なため、多方面での利用可能性が考えられる。

本発明の一実施例による肉盛溶接の状況を示す説明図である。 本発明の一実施例による、熱時効による硬化特性を示す説明図である。

符号の説明

１ 水壁管
２ メンブレンバー
３ 肉盛溶接範囲

Claims (5)

1. 燃焼プラント設備において、金属材料からなる耐熱耐圧部材の表面に、熱時効により硬化するニッケル（Ｎｉ）基合金からなる析出硬化型の材料を肉盛溶接し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定することを特徴とする熱履歴推定方法。
2. 燃焼プラント設備において、金属材料からなる耐熱耐圧部材の表面に、熱時効により硬化するニッケル（Ｎｉ）基合金からなる析出硬化型の材料を溶射し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定することを特徴とする熱履歴推定方法。
3. 燃焼プラント設備において、金属材料からなる耐熱耐圧部材の一部に、熱時効により硬化するニッケル（Ｎｉ）基合金からなる析出硬化型の材料からなる前記耐熱耐圧部材の一部と同一形状の部材を挿入し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定することを特徴とする熱履歴推定方法。
4. 前記析出硬化型の材料として、チタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含有し、γ’が析出するニッケル（Ｎｉ）基合金を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱履歴推定方法。
5. 前記耐熱耐圧部材は、少なくとも炭素鋼、クロム（Ｃｒ）−モリブデン（Ｍｏ）合金鋼或いはオーステナイト鋼のいずれか一種を含む部材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱履歴推定方法。

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