JP5031404B2

JP5031404B2 - 測定対象物の状態評価方法

Info

Publication number: JP5031404B2
Application number: JP2007051451A
Authority: JP
Inventors: 勝幸柳原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: JP2008215933A

Description

本発明は、測定対象物の状態評価方法に関し、特に、アコースティックエミッション波を用いた対象物の状態を評価する方法に関するものである。

一般に、ボイラーチューブやタービンブレード等の高温環境下で使用される部材の高温耐食性を向上させる手段として、金属又は合金からなる部材表面にセラミックス皮膜をコーティングしたり、合金中にCr、Al及びSi等を添加して、合金表面に高温耐酸化性に優れる保護性酸化皮膜を形成する手法が採られている。しかし、これらの部材は、使用環境下で遠心力等の外部応力を受けたり、熱サイクルにより熱応力を受けたりする場合がある。このような場合、部材表面に施されたセラミックス皮膜や保護性酸化皮膜中に亀裂が生じ、さらには皮膜が剥離する場合があり、高温耐酸化性の急激な低下、さらには、皮膜の剥離によりチューブの閉塞やタービンの損傷を招く原因になる。

このような高温耐食性部材を上記使用環境下で使用する際の耐久性を評価するための試験として、高温引張試験及び熱サイクル酸化試験が知られている。高温引張試験は、使用環境での高温で、試験片に引張応力を負荷し、試験後の試験片の組織観察により、セラミックス皮膜や保護性酸化皮膜の破壊挙動及び剥離特性を評価するものである。また、熱サイクル酸化試験は、使用環境での高温と低温を繰り返し、質量変化及び試験後の試験片の組織観察により、セラミックス皮膜や保護性酸化皮膜の破壊挙動及び剥離特性を評価するものである。

いずれの試験においても、常温まで冷却した後に行う組織観察では、皮膜がどの過程において破壊したのか特定できない問題がある。また、亀裂が生じただけでは大きな質量変化は検出されず、それ以降の熱サイクル時に皮膜が剥離した時点で検出されるため、皮膜の破壊限界を知ることができないため、交換及び補修時期の予測が困難である。

皮膜の破壊挙動を連続的にモニターする手法として、アコースティックエミッション法(以後AE法と称する)がある。物体の内部で亀裂が生じる際やクラックが進展するのに伴って弾性エネルギーが解放されるため、弾性波が発生する。また、クラックが生じていなくても、応力によって材料が塑性域に入り転位の移動が始まると、それに起因した弾性波が生じる。これらの弾性波のことをアコースティックエミッション（AE）波と称している。例えば特許文献１には、高温引張試験及び熱サイクル酸化試験にAE法を組み合わせ、皮膜の破壊挙動を連続的にモニターする手法が取られている。

特開平２−２３１５４７号公報特開２００３−２７０２１８号公報

しかしながら、特に１０００℃以上の温度域における高温引張試験及び熱サイクル酸化試験にAE法を用いた場合、皮膜が破壊しているにもかかわらずAE信号が検出されない場合があり、AE法では皮膜の破壊挙動を連続的にモニターすることができないという問題があった。

ここで、１０００℃以上の温度域において、AE法により皮膜の破壊挙動を連続的にモニターできない理由は現在のところ明らかではないが、以下のように考えられる。即ち、AE波が測定対象物及び導波部材を伝播する際に、当該構成原子の格子振動によりAE波の伝播は阻害される。高温になるほど格子振動が激しくなるため、高温域においてAE波が伝播する際の減衰率は増加し、AE法により皮膜の破壊挙動を連続的にモニターできなくなる。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、例えば、高温引張試験及び熱サイクル酸化試験にAE法を用いて皮膜の破壊挙動を連続的にモニターする場合等において、測定対象物の状態を定量的に評価が可能な状態評価方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
(1) アコースティックエミッション波を用いて測定対象物の状態を評価する方法であって、前記測定対象物とセンサーとを導波部材で接続し、前記測定対象物で発生したアコースティックエミッション波を前記導波部材を介して前記センサーで検出し、前記センサーによりアコースティックエミッション波を電気信号に変換して、解析装置で評価するに際し、アコースティックエミッション波の伝播減衰率の温度依存性に合わせて、前記測定対象物の温度に応じて、前記電気信号を増幅するアンプの増幅率を設定する測定対象物の状態評価方法であって、前記測定対象物の複数箇所に、前記センサーが前記導波部材を介してそれぞれ接続されており、任意の１つの前記センサーからアコースティックエミッション波を発振し、他の１つの前記センサーで該アコースティックエミッション波を検出することで前記測定対象物から前記導波部材を介して前記センサーに至る経路の測定系におけるアコースティックエミッション波の減衰率を予め求める測定対象物の状態評価方法であり、前記センサーは３個以上あり、測定対象物から各センサーに繋がるそれぞれの経路の減衰率を個別に求めることを特徴とする測定対象物の状態評価方法。
(2)前記各センサーでアコースティックエミッション波を検出した際の時間差から前記測定対象物で発生したアコースティックエミッション波のみを選別して検出する(1)記載の測定対象物の状態評価方法。
(3)前記測定対象物が鋼材である(1)または(2)に記載の測定対象物の状態評価方法。
である。

本発明によれば、例えば、高温度引張応力試験及び熱サイクル酸化試験において、AE法を用いて使用環境下における皮膜の破壊挙動を定量的に評価することが可能となる等、AE波を用いた評価において、測定対象物の温度条件による影響を受けずに、測定対象物の状態を正確に把握することが可能となる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る状態評価方法を行うシステムの構成を示す模式図である。以下の説明では、熱サイクル試験にAE法を適用する場合を例に挙げて説明する。

AE波検出用のセンサーとして、数百℃以上の高温域で作動するセンサーは存在しないため、本実施形態では、例えば、１０００℃程度の高温状態にある試験片で発生するAE波を、白金線やセラミックス管等を導波管（導波部材）として用いて、常温に設置されたセンサーまで伝播させて検出する。

図１において、AE波はセンサー１及びセンサー２により電気信号に変換され、アンプ３を介してコンピューター４に記録される。図１では、試験片５にスポット溶接された２本の白金線６を導波管として用い、それぞれの白金線６が試験片５からセンサー１及びセンサー２にAE波を伝播させる場合の例を示している。なお、試験片５としては、例えば鋼材を用いる。

なお、図１では２個のセンサー１，２を有するシステムを例示しているが、本発明は少なくとも１個以上のセンサーを有するシステムに適用することができ、２個のセンサーを有するシステムに限定されるものではない。

ここで、AE波を検出するだけではなく、AE波を発振可能なセンサーを用いることにより、例えばセンサー１からAE波を発振し、センサー２でそのAE波を検出することが可能となる。ここでは、あるセンサーで発振したAE波を他のセンサーで検出し、センサーの動作確認及びAE波の伝播状況を調べる試験をセンサーテストと称する。

センサーテストにおいて、AE波は、センサー１から試験片５まで伝播する際に減衰し、さらに試験片５からセンサー２まで伝播する際に減衰する。AE波がセンサー１から試験片５まで伝播する際の減衰率をa1、試験片５からセンサー２まで伝播する際の減衰率をa2とする。試験片５からセンサー１，２までの双方の経路において、試験片５と白金線６、白金線６とセンサー台７及びセンサー台７とセンサー１，２の各界面における接続方法及び白金線６の長さがほぼ等しい場合は、およそa1=a2となる。この場合、センサー１から発振したAE波の強度をA1、センサー２で検出したAE波の強度をA2とすると、A1とA2の関係は次式（１）で表すことができる。

A2=a1×a2×A1=a1²×A1 ・・・(1)

従って、センサー１，２と試験片５間におけるAE波の減衰率は次式（２）で表すことができる。
a1=a2=(A2/A1)^0.5 ・・・(2)

実際の熱サイクル試験では、上記のセンサーテストの半分の行程で、試験片５で発生したAE波が各センサー１，２に伝播し、その際の減衰率は(２)式で求めたa1(＝a2)となる。それぞれのセンサーに繋がる経路の減衰率をより正確に求めるには、３個以上のセンサーを有するシステムにより同様の試験を行い、試験片から各センサーに繋がるそれぞれの経路の減衰率を個別に求めることができる。
例えば、センサーが３個の場合、試験片からセンサー１，２，３まで伝播する際の減衰率をそれぞれa1,a2,a3とする。また、センサー１から強度A11のAE波を発振した際に、センサー２及びセンサー３で検出したAE波の強度をA21及びA31とする。さらに、センサー２から強度A22のAE波を発振した際に、センサー３で検出したAE波の強度をA32とすると、それぞれの強度の関係は次式（３）、（４）、（５）で表すことができる。
A21=a1×a2×A11 ・・・(3)
A31=a1×a3×A11 ・・・(4)
A32=a2×a3×A22 ・・・(5)
従って、センサー１，２，３と試験片５間におけるAE波の減衰率a1,a2,a3はそれぞれ次式(6)、(7)、(8)で表すことができる。
a1=((A21×A22×A31)/(A11²×A32))^0.5 ・・・(6)
a2=((A21×A32)/(A22×A31))^0.5 ・・・(7)
a3=((A31×A32)/(A21×A22))^0.5 ・・・(8)
ここで、減衰率は、試験片５及び導波管（白金線６）の材質、長さ及び太さにより変化する。

AE法では、試験片５で発生したAE波の他に、周辺の電気機器の影響で発生する電気的ノイズや、振動等の物理的なノイズが、同時にAE信号のノイズとして検出されるため、AE波の振幅に相当する強度に閾値を設定し、ノイズを除去しながら、AE波のみを検出する手法が一般的に用いられている。

本発明者は、AE波の減衰と試験片５の温度との関係を詳細に検討し、試験片５及び導波管（白金線６）が高温になると、減衰率が大きくなることを見出した。さらに本発明者は、試験片５及び導波管が高温になり減衰率が非常に大きくなると、AE波が発生してもセンサー１，２が検出する時点では、AE波の強度が上述の閾値より小さくなるため、AE波が除去されて記録されないことを見出した。また、試験片５及び導波管の温度分布により減衰率が変化するため、実際に試験する際の試験片５及び導波管の構成において、試験毎に減衰率の温度依存性を求めることが必要である。ただし、簡易的には試験片５の形状や導波管の接続場所、材質、太さ及び長さがほぼ一定であれば、二回目以降の試験では、先の試験で求めた減衰率を使用することができる。

また、従来、アンプ３の増幅率は、常温において強いAE波をセンサー１，２が検出した際に飽和しない増幅率に固定されており、試験系の温度変化に応じて変更するようなことはしない。ここで、本実施形態では、減衰率の逆数を強度の補正係数と定義する。強度の補正係数の温度依存性に比例するように、自動あるいは手動でアンプ３の増幅率を試験片５の温度に対して変化させることにより、試験片５で発生する同一強度のAE波は、試験片５の温度にかかわらず同一強度の信号としてコンピューター４に記録することが可能となる。

一方、高温においてアンプ３の増幅率を増加させることは、ノイズを除去するために設定したAE強度の閾値を相対的に小さくすることに相当するため、ノイズの割合が増加する場合がある。ここで、複数のセンサー１，２を用いることにより、それぞれのセンサー１，２がAE波を検出するまでの時間差から試験片５上におけるAE波の発生位置を決定することが可能である。

そして、AE法における上記手法を活用し、それぞれのセンサーでAE波を検出する時間の差に閾値を設定することにより、試料（試験片５）上で発生したAE波のみを選別して検出することが可能となる。時間差が閾値を越えている場合、AE波が試験片５から発生したと考えることができ、ノイズとAE波の識別が可能となる。この検出時間差、即ち、AE波の発生位置による選択検出機構により、ノイズの割合を増加させることなく、アンプ３の増幅率を試験片５の温度に応じて変化させることが可能となる。

以上より、本実施形態によれば、高温域で十分な大きさのAE波が発生してもセンサー１，２が検出する時点ではAE波の強度が閾値より小さくなるため検出されないという従来の課題を解決できるだけではなく、AE法から得られる情報により、皮膜の破壊挙動の定量的な解析が、試験温度にかかわらず可能となる。

大きさが30mm×30mm×4mmのFe-5%Cr合金を試験片５とし、図１と同様に、同じ長さの２本の白金線６を試験片の両端にスポット溶接した。試験片５は、それぞれの白金線６からセンサー台７を介して２個のセンサー１，２に繋がっている。また、CCDカメラにより、試験片表面の形態観察を連続的に行った。熱サイクル酸化試験は、露点が50℃の大気中で、1200℃において1時間酸化後に、30分で800℃まで温度を下げ、800℃で1時間酸化後に、30分で1200℃まで温度を上げるサイクルを繰り返した。熱サイクル酸化試験に先立ち、熱サイクル酸化試験と同一条件で1200℃と800℃を5回繰り返しながら、センサーテストを温度が変化する行程で20℃毎に行った。AE波の強度の閾値は35dBとし、時間差の閾値は、試験片５及び導波管の大きさ及び材質を考慮し、50μsとした。

試験片５近傍の熱電対の温度に対して、アンプの増幅率を強度の補正係数に比例して自動的に変化させながら、２個のAE波のセンサー１，２で検出したAE波の総数変化である累積イベント数を、図２に示す。本実施例によれば、初めの1200℃から800℃への冷却過程でAE波が検出された。AE波を検出する時間の差に閾値を設定した場合、温度変化の2サイクル目では大きなAE信号を検出し、その時点でCCDカメラでも亀裂の発生が確認された(図２中の本発明例1)。

また、AE波を検出する時間の差に閾値を設定しない場合、温度変化の1サイクル目からAE信号を検出可能である。しかし、1200℃、800℃の一定温度に保持している場合において、一定温度に保持している最中でもノイズと思われる非常に多くのAE信号が検出され、亀裂の発生に伴うAE波とノイズの区別が困難である(図２中の本発明例２)。一方、アンプ３の増幅率を常温のままにした場合、4サイクル目以降に初めて顕著なAE波の発生が検出され、小さな亀裂の発生に伴うAE波（本発明例１において１サイクル目で検出されたＡＥ波）を検出することができなかった(図２中の比較例)。

このように、本発明の方法により、高温状態の対象物に発生するAE波を検知可能となり、しかも、AE波の強度、AE波の検出時間差に適切な閾値を設けることで、鋼材表面に生成する酸化皮膜の亀裂発生を的確に把握することが可能となることが確認できた。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態における代表的な熱サイクル酸化実験の評価方法の模式図である。本発明の一実施形態における試験温度と累積イベント数の関係を示した図である。

符号の説明

1:AEセンサー、 2:AEセンサー、 3:アンプ、 4:コンピューター、
5:試験片、 6:白金線、 7:センサー台

Claims

アコースティックエミッション波を用いて測定対象物の状態を評価する方法であって、
前記測定対象物とセンサーとを導波部材で接続し、前記測定対象物で発生したアコースティックエミッション波を前記導波部材を介して前記センサーで検出し、前記センサーによりアコースティックエミッション波を電気信号に変換して、解析装置で評価するに際し、
アコースティックエミッション波の伝播減衰率の温度依存性に合わせて、前記測定対象物の温度に応じて、前記電気信号を増幅するアンプの増幅率を設定する測定対象物の状態評価方法であって、
前記測定対象物の複数箇所に、前記センサーが前記導波部材を介してそれぞれ接続されており、
任意の１つの前記センサーからアコースティックエミッション波を発振し、他の１つの前記センサーで該アコースティックエミッション波を検出することで前記測定対象物から前記導波部材を介して前記センサーに至る経路の測定系におけるアコースティックエミッション波の減衰率を予め求める測定対象物の状態評価方法であり、
前記センサーは３個以上あり、測定対象物から各センサーに繋がるそれぞれの経路の減衰率を個別に求めることを特徴とする、測定対象物の状態評価方法。
前記各センサーでアコースティックエミッション波を検出した際の時間差から前記測定対象物で発生したアコースティックエミッション波のみを選別して検出することを特徴とする、請求項１記載の測定対象物の状態評価方法。
前記測定対象物が鋼材であることを特徴とする、請求項１または２に記載の測定対象物の状態評価方法。