JP4968734B2

JP4968734B2 - オーステナイト鋼の使用温度推定方法

Info

Publication number: JP4968734B2
Application number: JP2007202043A
Authority: JP
Inventors: 大清水; 元六仲尾; 祐治福田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP2009036670A

Description

本発明は、火力発電用ボイラやゴミ焼却ボイラの高温部に使用されるオーステナイト系耐熱鋼のメタル温度の測定方法に関する。

近年、火力発電用大型ボイラにおいては、経済性の向上、ＣＯ_２ガス排出抑制の観点から、プラント効率を向上させるために蒸気条件が高温高圧化する傾向にあり、材料の使用条件が一層厳しくなってきている。このような背景の下、高温強度と耐食性を向上させたボイラ用耐熱鋼が開発、実用化された。近年は、フェライト系の材料としてはＣｒ含有量８〜１２％の耐熱鋼、またオーステナイト系の材料としてはＣｒ含有量１８〜２５％の耐熱鋼が使用されている。これらの耐熱鋼の中から高温となる過熱器管及び再熱器管への適用の検討及び選定は、メタル温度や石炭性状等に基づき、クリープ寿命や腐食量評価によりなされているが、評価に用いられるメタル温度は過去の実績データや解析で求めた値ベースとなっている。しかしながら、設計メタル温度と実メタル温度がどの程度適合しているかの確認は、稼動中のボイラ炉内で多数の管のメタル温度を簡単に計測する方法がないため、非常に困難であった。このため、クリープや腐食による余寿命診断を高精度に行うためには、実メタル温度を高精度に評価する必要があった。

この課題を解決するため、特許文献１〜特許文献３に示す使用中のメタル温度を推定する方法が提案されている。
特開２００４−１１６８１０号公報特開２００６−３００６０１号公報特開２００３−３４４２６１号公報

特許文献１（特開２００４−１１６８１０号公報）では、伝熱管パネルの異常なメタル温度を簡便かつ低コストに検知する方法が提案されているが、排熱回収ボイラの吊り下げ型伝熱管という特定装置・部位を対象としており、汎用性がない。また、特許文献２（特開２００６−３００６０１号公報）では、使用後の鋼材に析出した析出物の含有率変化を利用して、使用温度を推定する方法が提案されているが、析出物の含有率を測定するために、析出物のみをＩＣＰ発光分析およびＸ線回折分析により同定及び定量する方法を用いるので、使用中のメタル温度を推定する方法が簡便でない。

汎用性かつ簡便な温度推定手法としては、材料の硬さ変化を利用する方法があり、特許文献３（特開２００３−３４４２６１号公報）では、フェライト系耐熱鋼の時効による硬さ変化を利用した温度推定方法が考案されている。しかし、この手法は温度、時間と共に硬さが単調に低下するフェライト系耐熱鋼には適用できるが、オーステナイト系耐熱鋼の場合には、材料強度を高めるために添加している合金成分の析出等により、使用温度や材質によっては一旦硬さが増加し、その後低下する挙動を示すことがあり、適用できなかった。従って、オーステナイト系耐熱鋼のメタル温度を幅広く簡便に推定する有効な手段はないのが現状である。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題を解決し、汎用性のある簡便なオーステナイト系耐熱鋼管の表面温度を推定できる手法を提供することにある。

本発明の上記課題は、以下に示す解決手段により達成される。
請求項１記載の発明は、発電用ボイラステンレス鋼管に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法において、試験片の表面に冷間加工処理により硬化層を形成させ、該硬化層の硬さと、使用時間と使用温度との関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め求めておき、次に実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面に冷間加工処理により硬化層を形成させた後に、実際に高温で使用した当該硬化層の硬さを測定し、前記予め求めていた硬化層の硬さと、使用時間とＬＭＰとの関係から当該オーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法である。

請求項２記載の発明は、前記実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面に形成した硬化層の表面に保護カバーを設けた請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法である。

請求項３記載の発明は、前記実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面に形成した硬化層の表面に保護皮膜からなる被覆部を設けた請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法である。

請求項４記載の発明は、発電用ボイラステンレス鋼管に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法において、試験片の表面に冷間加工処理により硬化層を形成させ、該硬化層の硬さと、使用時間と使用温度との関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め求めておき、次に実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の内表面に冷間加工処理により硬化層を形成させた後に、実際に高温で使用した当該硬化層の硬さを測定し、前記予め求めていた硬化層の硬さと、使用時間とＬＭＰとの関係から当該オーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法である。

請求項５記載の発明は、発電用ボイラステンレス鋼管に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法において、試験片の表面に冷間加工処理により硬化層を形成させて該硬化層の硬さと、使用時間と使用温度との関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め求めておき、次に既運転中のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面または内表面に冷間加工処理により硬化層を形成させた後に、さらに再運転後に実際に高温で使用した当該硬化層の硬さを測定し、前記予め求めていた硬化層の硬さと、使用時間とＬＭＰとの関係から当該オーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法である。

上記請求項１、４、５記載の発明において、オーステナイト系耐熱鋼の冷間加工処理による硬化層の硬さ上昇は、合金成分の析出等による硬さの変化分に比べると十分大きいため、硬さ変化を利用する温度推定が可能となる。

また、上記請求項２、３記載の発明のように、高硫黄含有量の重油焚きボイラ又は石炭焚きボイラでは高温腐食性が高く、管外面へのショットなどの冷間加工処理層が、運転中腐食減肉によって消失する可能性がある場合は、硬化層の上に耐食カバーを設ける。

上記請求項５記載の発明のように、既設運転中のボイラにおいては、定期検査などの停止中に伝熱管の外表面または内表面にショットブラストなどの冷間加工処理を施し、再運転後硬化層の硬さを測定して伝熱管の温度を推定する。

請求項１〜５記載の本発明によれば、オーステナイト系耐熱鋼の表面温度推定には従来適用困難であった、汎用性のある簡便な伝熱管表面の硬さ変化を利用する温度推定が可能となる。また、本発明の手法は材料の表面の硬さと運転時間のみで評価できるので、ボイラの定期点検時に評価部位の表面硬さの測定結果と運転時間から運転時の実メタル温度を推定することができ、材料の寿命評価に適用できる。さらに、異常な表面温度など不適合がある部位を早期に発見することが可能となり、伝熱管の噴破などのトラブルを未然に防ぐことができ、ボイラの予防保全に貢献できる。また、高価な装置も必要なく、経済的で汎用性がある。

請求項２、３記載の本発明によれば、硬化層に保護カバーを設けているので、腐食環境が厳しい部位であっても、高温酸化量は抑制され、温度推定精度を低下させることなく管外面から温度推定できる。

以下、本発明の原理を図面により説明する。図１に示すようにオーステナイト系耐熱鋼管１の表面にショットブラスト加工等の冷間加工処理を施すと硬化層２が形成される。硬化層２とは材料表面近傍の結晶粒内に冷間加工に伴うすべり変形を多数発生させて生じる硬化部位のことである。なお図１（ａ）はオーステナイト系耐熱鋼管１の表面側の断面図であり、図１（ｂ）は、顕微鏡によるオーステナイト系耐熱鋼管１の表面側の断面写真である。この硬化層２は、ショット用下降ノズル３から小さな鋼片や鋼球を圧縮空気で噴出させて耐熱鋼管１などの材料表面に衝突させる図２に示すようなショットブラスト加工処理により、容易に形成できる。

冷間加工処理したオーステナイト系耐熱鋼管１の表面近傍の硬さを測定した例を図３に示すが、材料表面近傍の硬さは肉厚中央側より２００Ｈｖ以上硬化し、管表面からの深さ８０μｍまでの範囲では硬さはほぼ一定であるのが分かる。従って、評価には硬さがほぼ一定の範囲である管表面からの深さ８０μｍまでの値を用いることが望ましい。

次に使用時間及び使用温度が明確な冷間加工処理が施された１８Ｃｒ８Ｎｉオーステナイト系耐熱鋼管１の試験片表面近傍の硬さを測定し、式（１）に示す温度と時間の関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）と測定硬さをプロットした結果を図４に示す。
ＬＭＰ＝Ｔ×（ｌｏｇｔ＋Ｃ）（１）
ここで、Ｔは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは定数である。
なお、上記の定数Ｃは一般的に２０とされるが、必ずしも２０である必要はない。

図４で示した関係を３次関数で近似すると、下式で表される。
ＬＭＰ＝８．２８×１０³−５．９６×１０²・Ｈｖ＋１．９６・Ｈｖ²−２．１８×１０^-3・Ｈｖ³ （２）
ここで、Ｈｖは管表面から深さ４０〜６０μｍの位置の硬さ（Ｈｖ）である。

本結果では、ＬＭＰと硬さの関係は３次式で表すと最も良い相関を示したので採用したが、対象となるオーステナイト系耐熱鋼により関係式が変化する可能性があるので、３次直線に限定するものではなく、直線や２次直線等の他の関数を使用してもよい。（２）式で示される硬化層２の硬さとＬＭＰの関係式を、各オーステナイト系耐熱鋼管１で作成しておくことで、実機での使用時間と使用後の鋼管１の硬化層２の硬さから、温度を推定することができる。

推定方法としては、温度推定したいオーステナイト系耐熱鋼管１の表面にショットブラスト加工処理により硬化層２を形成させる。次にこの硬化層２を形成させた鋼管１を実機の高温部である期間使用し、使用後に鋼管１の硬化層２の硬さを測定する。実機での使用時間を５０，０００ｈ、使用後の硬化層２の硬さを２５０Ｈｖとした場合、（１）及び（２）式を用いて温度を推定すると、図５に示すように管表面の温度は６２６℃と推定できる。９５％信頼区間上限値は６５５℃となり平均値より２９℃高い値を示すが、この信頼範囲については、硬さとＬＭＰの関係式（２）式をデータ数を増加させて改良することにより、小さくすることも可能である。

このようにして、本発明により、使用時間と硬さから実機の伝熱管表面の温度を推定することができる。なお、温度と時間の関数にＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）を使用して説明したが、特にこれに限定するものではなく、例えばＯＳＤ（Ｏｒｒ−Ｓｈｅｒｂｙ−Ｄｏｒｎ）パラメータやＭＨ（Ｍｎｓｏｎ−Ｈａｆｅｒｄ）パラメータを使用してもよい。

上記の実施例１では、材料表面近傍の硬さを用いた温度推定原理と方法について説明した。実際に実機のオーステナイト系耐熱鋼管１の外面から温度を推定する場合、図６に示すように、温度を測定したい鋼管１の管外面に冷間加工による硬化層２を形成させ、温度推定に適用する。管外面の場合、燃焼ガスや付着灰による高温酸化が生じるため、ブラシや脱スケール溶液などにより管表面の酸化物を除去した後、ポータブル硬度計を用いて硬さを測定する。

ただし、より高温で使用期間が長い場合には高温酸化量が増加するため、硬さ測定の推奨範囲である表面からの深さ８０μｍ以上減肉し、推定精度が著しく低下する可能性がある。従って、腐食環境が厳しい部位には図７に示すように、硬化層２を高耐食性のステンレス製の保護カバー４で覆うことが望ましい。保護カバー４により高温酸化量は抑制され、温度推定精度を低下させることなく管外面から温度推定できる。鋼管表面の酸化防止についてはステンレス製の酸化防止保護カバー４に限定するものでなく、例えば耐熱塗料などの皮膜を使用してもよい。
なお、管外面への硬化層形成は定期点検期間中に新たに形成することが可能であり、既存のボイラのオーステナイト系耐熱鋼管１にも適用できる。

上記の実施例１，２では鋼管外表面から温度推定する適用例を示したが、オーステナイト系耐熱鋼管１の管内表面に硬化層２を形成させて、温度推定に使用してもよい。管内表面の硬さ測定は鋼管１を切断・抜管し、断面で硬さを測定する必要があるが、切断・復旧工事は定期点検期間中に比較的容易に行うことができるため、可能である。また、管内表面への硬化層２の形成は、図８に示すように管内面の水蒸気酸化抑制用にショット加工を施す装置があり、容易に施工可能である。

上記の実施例１〜３ではボイラ管への適用例を示したが、高温で使用される機器であれば、化学装置に使用されるオーステナイト系耐熱鋼等にも広く適用できる。

上記の実施例１〜３では新設ボイラ管への適用例を示したが、高温で使用される機器であれば、既設運転中のプラントに使用されているオーステナイト系耐熱鋼等にも広く適用できる。この場合は、定期点検などの停止中に管の外表面又は内表面にショットブラストなどの冷間加工処理を施し、再運転後にその部分の硬さ測定結果とその間の運転時間から伝熱管温度が推定できる。

発電プラントの発電効率向上のため、ボイラ蒸気条件はさらなる高温・高圧化が予想され、高温部過熱器管や再熱器管の実温度推定は材料寿命評価に不可欠であり、本発明はより一層重要となる。

本発明になる実施例に用いたオーステナイト系耐熱鋼管の硬化層形成分部の断面図（図１（ａ））と断面写真（図１（ｂ））である。本発明になる実施例に用いたオーステナイト系耐熱鋼管へのショット加工方法の説明図である。本発明になる実施例に用いたオーステナイト系耐熱鋼管の表面からの距離と表面の硬さの関係を示す図である。本発明の効果を説明するためのＬＭＰとオーステナイト系耐熱鋼管の表面の硬さの関係を示す図である。本発明の効果を説明するための使用時間及び使用後の管表面硬さからの温度推定するショット層の硬さと温度の関係を示す図である。本発明になる実施例に用いたオーステナイト系耐熱鋼管外面へのショット加工方法を説明する図である。本発明になる実施例に用いた管外面にショット加工を施した後、保護カバーを設置したオーステナイト系耐熱鋼管の斜視図である。本発明になる実施例に用いたオーステナイト系耐熱鋼管内面へのショット加工方法を説明する図である。

符号の説明

１オーステナイト系耐熱鋼管
２ショット加工による硬化層
３ショット加工用ノズル
４酸化防止保護カバー

Claims

発電用ボイラステンレス鋼管に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法において、
試験片の表面に冷間加工処理により硬化層を形成させ、
該硬化層の硬さと、使用時間と使用温度との関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め求めておき、
次に実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面に冷間加工処理により硬化層を形成させた後に、実際に高温で使用した当該硬化層の硬さを測定し、前記予め求めていた硬化層の硬さと、使用時間とＬＭＰとの関係から当該オーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法。
前記実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面に形成した硬化層の表面に保護カバーを設けたことを特徴とする請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法。
前記実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面に形成した硬化層の表面に保護皮膜からなる被覆部を設けたことを特徴とする請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法。
発電用ボイラステンレス鋼管に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法において、
試験片の表面に冷間加工処理により硬化層を形成させ、
該硬化層の硬さと、使用時間と使用温度との関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め求めておき、
次に実際に使用する前のオーステナイト系ステンレス鋼管の内表面に冷間加工処理により硬化層を形成させた後に、実際に高温で使用した当該硬化層の硬さを測定し、前記予め求めていた硬化層の硬さと、使用時間とＬＭＰとの関係から当該オーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法。
発電用ボイラステンレス鋼管に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法において、試験片の表面に冷間加工処理により硬化層を形成させて該硬化層の硬さと、使用時間と使用温度との関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め求めておき、次に既運転中のオーステナイト系ステンレス鋼管の外表面または内表面に冷間加工処理により硬化層を形成させた後に、さらに再運転後に実際に高温で使用した当該硬化層の硬さを測定し、前記予め求めていた硬化層の硬さと、使用時間とＬＭＰとの関係から当該オーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼管の実際の使用温度を推定する方法。