JP5055163B2

JP5055163B2 - クリープ損傷の評価方法

Info

Publication number: JP5055163B2
Application number: JP2008046765A
Authority: JP
Inventors: 正嗣清水; 伸好駒井; 敏幸今里; 正昭藤田; 啓椎橋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2009204432A

Description

本発明は、陸用ボイラーシステム用配管の溶接側等に適用され、母材（管寄せ等）に溶接材を溶接し、該溶接材の溶接側のクリープ損傷の程度を評価するクリープ損傷の評価方法に関する。

陸用ボイラーシステム等のプラント配管の溶接構造においては、管寄せ（母材）に多くの管を溶接する溶接部が、高温、長時間の使用で生じるクリープ損傷によって、管寄せの強度に比べて大幅に低下する。従って、かかるプラント配管の溶接構造の健全性を確保するには、クリープ損傷を高精度に且つ早期に検出する必要がある。

かかるクリープ損傷の程度を検査し評価する方法の１つとして、従来、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す方法が行われていた。
即ち、図４（Ａ）において、図示しない管寄せ（母材）に溶接板１を溶接部３で溶接し、かかる溶接部３のクリープ損傷を検知する際には、溶接部３の表面にフィルム１１を貼って、該フィルム１１を通して、溶接部３に発生する無数のボイド５ａの数と分布を検知し、かかるボイド５ａの数と分布とを解析して、溶接部３の寿命消費率を推定していた。

また、本件出願人の発明にかかる特許文献１（特許３６５２９４３号公報）には、金属材料内の傷を挟んで送信探触子と受信探触子とを載置し、前記送信探触子により該金属材料内に超音波を発信して、前記傷からの回折波を受信探触子により検出することにより、前記金属材料内の傷の有無を判定し、傷があるとされた場合に、この傷の位置、高さ及び長さの各値を求め、この傷が密集した傷であるか否かを判定する、ように構成されている。

特許３６５２９４３号公報

図４（Ａ）に示す方法によって、実験により検出された寿命消費率とボイド５ａの個数密度の関係を、図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）において、Ａが溶接部３の表面のボイド５ａの個数密度、Ｂが該溶接部３の表面から図４（Ａ）のＡ＝１ｍｍ程度深い位置のボイド５ａの個数密度である。
図４（Ｂ）に明らかなように、寿命消費率は溶接部３の表面（図のＡ）よりも溶接部３の表面直下の方が短くなる。

従って、前記溶接部の表面直下におけるクリープ損傷の程度を正しく評価し得るクリープ損傷の評価方法が要求されるが、前記図４（Ａ）のシステムでは不可能であり、また、特許文献１（特許３６５２９４３号公報）の技術では、前記要求に応えることができるが、構造がやや複雑である、という観点から簡単で低コストの装置で以って溶接部の表面直下におけるクリープ損傷の程度を正しく評価し得る装置の提供が望まれる。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、きわめて簡単な手法で且つ低コストの装置で以って管材の溶接側の表面直下におけるクリープ損傷の程度を正しく評価し得るクリープ損傷の評価方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、母材に溶接された管材の溶接側のクリープ損傷の程度を評価するクリープ損傷の評価方法であって、前記管材の溶接側の第１の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第１の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第１受信工程と、前記第１受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第１算出工程と、前記第１の箇所とは前記管材の円周方向にて位置が異なる前記管材の溶接側の第２の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第２の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第２受信工程と、前記第２受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第２算出工程と、前記第１算出工程及び前記第２算出工程でそれぞれ算出された減衰率Ｄｂにより、前記管材の溶接側の円周方向でのクリープ損傷の程度の分布を検出し、評価する評価工程と、を備えることを特徴とする（請求項１）。

そして、前記発明において、予め実験によって前記減衰率Ｄｂの許容値Ｄｂｍを求めておき、前記減衰率の算出値Ｄｂが前記許容値Ｄｂｍを超えたとき、前記管材の溶接側のクリープ損傷を判定する（請求項２）。

また、本発明は、前記第１の箇所及び前記第２の箇所とは前記管材の円周方向にて位置が異なる前記管材の溶接側の第３の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第３の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第３受信工程と、
前記第３受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第３算出工程と、
前記第１の箇所、前記第２の箇所及び前記第３の箇所とは前記管材の円周方向にて位置が異なる前記管材の溶接側の第４の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第４の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第４受信工程と、
前記第４受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第４算出工程と、を更に備え、
前記評価工程では、前記第１算出工程、前記第２算出工程、前記第３算出工程及び前記第４算出工程でそれぞれ算出された減衰率Ｄｂにより、前記管材の溶接側の円周方向でのクリープ損傷の程度の分布を検出し、
前記母材の長手方向に一致する前記管材の円周方向の位置を９０°及び２７０°としたときに、前記第１の箇所、前記第２の箇所、前記第３の箇所及び前記第４の箇所の円周方向の位置はそれぞれ０°、９０°、１８０°及び２７０°である（請求項３）。

本発明によれば、母材に管材を溶接し、垂直探触子からの超音波を、前記管材の溶接側の円周方向の少なくとも２箇所に照射し、各超音波について底面からの反射エコーを繰り返し受信し、各超音波について第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）とを用いて減衰率Ｄｂを算出して、この減衰率Ｄｂにより前記溶接側の円周方向の少なくとも２箇所についてクリープ損傷を判定すれば（請求項１）、
管材の軸方向の曲げ荷重に対して、円周方向の少なくとも２箇所に装着した垂直探触子からの反射エコーの高さ（Ｂ１）と（Ｂ２）を対比して計測することにより、曲げ荷重に対する円周方向におけるクリープ損傷の程度の分布を検出し、評価することができる。
また、垂直探触子とこれに付随した超音波解析装置を備えるのみという、きわめて簡単な手法で且つ低コストの装置で以って、管材の溶接側の表面から表面直下におけるクリープ損傷の程度を評価することができる。

また、前記発明において、予め実験によって前記減衰率の許容値Ｄｂｍを求めておき、前記減衰率の算出値Ｄｂが前記許容値Ｄｂｍを超えたとき、前記管材の溶接側のクリープ損傷を判定する（請求項２）ことにより、減衰率の算出値Ｄｂを許容値Ｄｂｍに対比しつつクリープ損傷による破損の時期を検出できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

参考例１

図１（Ａ）は参考例１にかかる陸用ボイラーシステム用配管の溶接部構造の要部断面図、（Ｂ）は超音波の波形線図である。
図１（Ａ）において、２は管寄せ（母材）で、これに溶接管１を溶接で溶接している。３は溶接部である。
かかる陸用ボイラーシステのプラント配管の溶接構造においては、管寄せ２（母材）に多くの溶接管１を溶接する溶接部３が、高温、長時間の使用で生じるクリープ損傷によって、管寄せの強度に比べて大幅に低下する。従って、かかるプラント配管の溶接構造の健全性を確保するには、クリープ損傷を高精度に且つ早期に検出する必要がある。

参考例１においては、前記溶接部３に接近して垂直探触子４を設け、該垂直探触子４の検知出力を超音波解析装置９に入力している。
かかるクリープ損傷の評価装置において、垂直探触子４からの超音波を溶接管１の溶接部３の側（管材の溶接側）に照射し、管材の溶接側の底面からの反射エコーを垂直探触子４を経由して超音波解析装置９で繰り返し受信する。
そして、図１（Ｂ）の超音波の波形線図のように、第１回目の反射エコーの高さＢ１と第２回目の反射エコーの高さＢ２と、前記溶接材１の板厚Ｔ＝Ｗ１と前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離Ｗ２を計測する。

そして、前記超音波解析装置９において、次の（１）式から減衰率Ｄｂを求める。
減衰率Ｄｂは、
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）（１）
この減衰率Ｄｂにより、前記管材の溶接側のクリープ損傷の程度を評価することができる。
図３は、かかる前記参考例１における減衰率Ｄｂの実験値に基づいて、算出した値Ｓである。

即ち、予め実験によって前記減衰率の許容値Ｄｂｍを求めておき、前記（１）式による減衰率の算出値Ｄｂが前記許容値Ｄｂｍを超えたとき、前記管材の溶接側のクリープ損傷を判定する。
これにより、前記減衰率の算出値Ｄｂを許容値Ｄｂｍに対比しつつ、クリープ損傷による破損の時期を検出できる。

従って、かかる参考例によれば、垂直探触子４からの超音波を管材の溶接側に照射し、底面からの反射エコーを繰り返し受信し、前記超音波解析装置９において、第１回目の反射エコーの高さＢ１と第２回目の反射エコーの高さＢ２とを用いて減衰率Ｄｂを算出して、この減衰率Ｄｂにより、前記管材の溶接側のクリープ損傷を判定するので、管材の溶接側の表面のみでなく、管材の溶接側の内側、特に材料劣化の度合いの大きい管材の溶接側の表面直下における状況も含んでいる。
これにより、前記第１回目の反射エコーの高さＢ１と第２回目の反射エコーの高さＢ２を対比して計測することにより、管材の溶接側の表面から深さ方向に正しく、クリープ損傷の程度を評価することができる。

また、垂直探触子４とこれに付随した超音波解析装置９を備えるのみという、きわめて簡単な手法で且つ低コストの装置で以って、管材の溶接側の表面から表面直下におけるクリープ損傷の程度を評価することができる。

図２（Ａ）は本発明の実施例１にかかる陸用ボイラーシステム用配管２本の溶接部構造の要部側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ矢視図である。
この実施例１においては、管寄せ２（母材）に多くの（この例では２本の）溶接管１、１を溶接する溶接部３が、図２（Ａ）のような曲げ荷重Ｙを受ける場合には、前記垂直探触子４を円周方向に沿って２箇所以上に設ける。

そして、前記各垂直探触子４からの超音波を、前記管材１の溶接部３の側（管材の溶接側）の円周方向の少なくとも２箇所に照射し、各超音波について底面（内面）からの反射エコーを繰り返し受信する。
以下の作動は前記参考例１と同様である。
即ち、実施例１においては、前記溶接部３に接近して設けた各垂直探触子４の検知出力を超音波解析装置９に入力し、図１（Ｂ）の超音波の波形線図のように、第１回目の反射エコーの高さＢ１と第２回目の反射エコーの高さＢ２と、前記溶接管１の板厚Ｔ＝Ｗ１と前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離Ｗ２を計測する。
そして、前記超音波解析装置９において、次の（１）式から減衰率Ｄｂを求める。
減衰率Ｄｂは、
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）（１）
この減衰率Ｄｂにより、前記管材の溶接側のクリープ損傷の程度を評価することができる。

この実施例１においては、各垂直探触子４からの超音波を管材の溶接側の円周方向の少なくとも２箇所について、前記減衰率Ｄｂにより前記管材の溶接側の円周方向の少なくとも円周方向２箇所についてクリープ損傷を判定できるので、図２（Ｂ）のように、円周方向に沿って例えば０°，９０°，１８０°，２７０のように、円周方向に沿って減衰率Ｄｂ及びクリープ損傷の程度を判定することが可能となる。
従って管材１の軸方向の曲げ荷重Ｙに対して、円周方向の少なくとも２箇所に装着した垂直探触子４からの反射エコーの高さＢ１とＢ２を対比して計測することにより、曲げ荷重Ｙに対する円周方向におけるクリープ損傷の程度の分布を検出し、評価することができる。

参考例２

この参考例２は、図示を省略するが、前記垂直探触子４からの超音波を溶接部３に照射し、底面からの反射エコーを超音波解析装置９にて繰り返し受信し、第１回目の反射エコーの高さＢ１を計測する。
そして、第２回目の反射エコーＢ２が得られ難いときには、ボイドノイズが前記反射エコーの高さＢ１付近で一定値よりも大きくなったら、損傷予兆の状態にあるものと判定する。
これにより、第２回目の反射エコーＢ２が得られ難い、厚肉の溶接管１の場合でも、管材の溶接側の表面直下における状況も含んだ、クリープ損傷を検知できる。

きわめて簡単な手法で且つ低コストの装置で以って、管材の溶接側の表面直下におけるクリープ損傷の程度を正しく評価し得るクリープ損傷の評価方法を提供できる。

（Ａ）は参考例１にかかる陸用ボイラーシステム用配管の溶接部構造の要部断面図、（Ｂ）は超音波の波形線図である。（Ａ）は本発明の実施例１にかかる陸用ボイラーシステム用配管２本の溶接部構造の要部側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ矢視図である。前記参考例１における減衰率の実験に基づく算出値である。（Ａ）は従来技術にかかるクリープ損傷の程度を検査する方法の説明図、（Ｂ）ボイド個数密度線図である。

１溶接材
２管寄せ（母材）
３溶接部
４垂直探触子
９超音波解析装置
Ｂ１第１回目の反射エコーの高さ
Ｂ２第２回目の反射エコーの高さ
Ｔ板厚

Claims

母材に溶接された管材の溶接側のクリープ損傷の程度を評価するクリープ損傷の評価方法であって、
前記管材の溶接側の第１の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第１の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第１受信工程と、
前記第１受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第１算出工程と、
前記第１の箇所とは前記管材の円周方向にて位置が異なる前記管材の溶接側の第２の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第２の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第２受信工程と、
前記第２受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第２算出工程と、
前記第１算出工程及び前記第２算出工程でそれぞれ算出された減衰率Ｄｂにより、前記管材の溶接側の円周方向でのクリープ損傷の程度の分布を検出し、評価する評価工程と、
を備えることを特徴とするクリープ損傷の評価方法。
予め実験によって前記減衰率Ｄｂの許容値Ｄｂｍを求めておき、前記減衰率の算出値Ｄｂが前記許容値Ｄｂｍを超えたとき、前記管材の溶接側のクリープ損傷を判定することを特徴とする請求項１に記載のクリープ損傷の評価方法。
前記第１の箇所及び前記第２の箇所とは前記管材の円周方向にて位置が異なる前記管材の溶接側の第３の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第３の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第３受信工程と、
前記第３受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第３算出工程と、
前記第１の箇所、前記第２の箇所及び前記第３の箇所とは前記管材の円周方向にて位置が異なる前記管材の溶接側の第４の箇所に装着された垂直探触子によって、前記第４の箇所に超音波を照射して前記管材の内面からの反射エコーを繰り返し受信する第４受信工程と、
前記第４受信工程で受信された超音波に基づき、第１回目の反射エコーの高さ（Ｂ１）と、第２回目の反射エコーの高さ（Ｂ２）と、前記管材の板厚（Ｗ１）と、前記第２回目の反射エコーが出るときの板厚原点からの距離（Ｗ２）を用いて、減衰率Ｄｂを次式：
Ｄｂ＝２０（ｌｏｇ（Ｂ１／Ｂ２））／（Ｗ２−Ｗ１）
で算出する第４算出工程と、を更に備え、
前記評価工程では、前記第１算出工程、前記第２算出工程、前記第３算出工程及び前記第４算出工程でそれぞれ算出された減衰率Ｄｂにより、前記管材の溶接側の円周方向でのクリープ損傷の程度の分布を検出し、
前記母材の長手方向に一致する前記管材の円周方向の位置を９０°及び２７０°としたときに、前記第１の箇所、前記第２の箇所、前記第３の箇所及び前記第４の箇所の円周方向の位置はそれぞれ０°、９０°、１８０°及び２７０°である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のクリープ損傷の評価方法。