JP5157756B2 - 水素脆化の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の水素脆化の検査方法に関する。詳しくは、金属材料の水素脆化を渦流探傷法で容易に検査する方法に関する。

チタンを腐食環境で長時間使用した場合に、腐食に伴って発生した水素を吸収し、チタンの水素化物が析出し、伸びが低下し、強度が低下する場合がある。この現象はチタンの水素脆化と呼ばれている。チタンは石油精製プラント、石油化学プラント等の熱交換器のチューブの他、クラッド鋼板等として使用されている。水素脆化が見られる金属材料としては、チタンのみならず、ジルコニウムやタンタルが挙げられる。
これらの水素脆化を検出し、その状況を把握することは、設備の点検時期および設備の更新時期を決定する上で重要である。

金属材料の水素脆化を検査する方法として渦流探傷法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。水素脆化を渦流探傷法で検査する際には、校正するために、水素脆化を起し、吸蔵水素量が判っている基準試験材が必要である。
しかしながら、渦流探傷法は非破壊検査であり、好ましい方法であるが、人工的に水素脆化を制御して所定の吸蔵水素量の試験材とすることは困難であり、従って水素脆化を渦流探傷法で検査する際に、基準試験材が入手し難く、誰でも容易に検査し難いという問題点を有している。
石油学会規格 JPI-8R-13-2003 63〜68頁

本発明は、金属材料の水素脆化を渦流探傷法で検査する際に必要な基準試験材を容易に入手可能とし、水素脆化を容易に検査する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、渦流探傷シミュレーションによって基準となる吸蔵水素量の水素脆化部のリサージュ波形と同等のリサージュ波形を示す欠陥の形状を求め、この形状の人工欠陥を設けた試験材を作製し、基準試験材として検査に用いることによって、水素脆化を容易に検査できることを見出し、本発明に至った。

すなわち本発明は、金属材料の水素脆化を渦流探傷法で検査する方法において、渦流探傷シミュレーションによって基準となる吸蔵水素量の水素脆化部のリサージュ波形と同等のリサージュ波形を示す欠陥の形状を求め、この形状の人工欠陥を設けた試験材を作製し、基準試験材として検査に用いることを特徴とする水素脆化の検査方法である。

本発明の方法によって、基準試験材の入手が容易になり、水素脆化を渦流探傷法で容易に検査することができる。

金属材料に水素脆化が発生し、吸蔵水素量が増大すると伸び特性や絞り特性が低下し、さらに大量の水素を吸蔵するとクラック発生の原因となることが知られている。吸蔵水素量が増大すると比抵抗が上昇（導電率が低下）する（図１および表１参照。）（特開平１−３１６６５９号公報）。吸蔵水素量が６００ｐｐｍまでは変化は見られないが、約１０００ｐｐｍを超えると急激に上昇している。従って、吸蔵水素量が１０００ｐｐｍ以上である場合には金属材料の更新などを検討する必要がある。

％ＩＡＣＳ：焼鈍した純銅の導電率を１００％として表示。

また、実際に使用したチタン管で確認された水素脆化部の形状は、管外表面から深さが約０．８ｍｍで直径が約１．６ｍｍφの半球状であった。本発明においては簡単化し、水素脆化部の形状としては、この半球状の体積と同等の直径１．６ｍｍφで深さ０．６ｍｍｄの円柱状とする。

上記のことから基準となる吸蔵水素量の水素脆化部は、大きさが１．６ｍｍφ×０．６ｍｍｄの円柱状で吸蔵水素量が１０００ｐｐｍとする。

本発明においては、シミュレーションによって、上記基準の水素脆化部について求めたリサージュ波形と同等のリサージュ波形を示す欠陥形状を求める。

渦流探傷シミュレーションの方法は公知であり、シミュレーションソフトが市販されている。その例として、Ｖｉｃ−３Ｄ（Victor technologies製）が挙げられる。
シミュレーションに際しては（Ａ）試験材料の情報、（Ｂ）欠陥の情報および（Ｃ）コイルの情報を入力して行う。

（Ａ）試験材料の情報としては、形状（伝熱管の場合、外径、内径、肉厚）、電磁気特性（導電率、透磁率、誘電率）が挙げられる。
（Ｂ）欠陥の情報としては形状（円柱か直方体（立方体）か、き裂は直方体形状で幅をき裂幅として小さく設定）、電磁気特性（導電率、透磁率、誘電率、欠陥部が割れやボイド等の空洞か材質変化（水素脆化など）なのか）、向き（管に対してき裂や欠陥の発生方向（軸方向、周方向など））が挙げられる。
（Ｃ）コイルの情報としては、形状（外径、内径、巻幅、巻数、円形か方形か）、向き（コイルの設置方向（周方向、軸方向など）、管の中心軸からのズレ量（リフトオフ））、試験周波数が挙げられる。

シミュレーションによって、基準の水素脆化部について求めたリサージュ波形と同等のリサージュ波形を示す欠陥形状は、トライアンドエラーによって求める。すなわち、類似の種々の大きさの欠陥形状についてリサージュ波形を求め、基準の水素脆化部について求めたリサージュ波形と同等のものを求める。
この形状の人工欠陥を設けた試験材を作製し、基準試験材として検査に用いる。

上記の基準の水素脆化部について求めた同等の人工欠陥の例は、実施例で示すとおり、０．２５ｍｍφ×０．６ｍｍｄの平底穴となる。これに限定されるものでなく、これより直径が大きく、深さが浅いものでも該当する形状がある。

金属材料の水素脆化を渦流探傷法で検査する際には、欠陥に対してコイル幅が大きく、金属材料に広く近接して配置可能な励磁コイル、いわゆる一様渦電流コイルと呼ばれる
励磁コイルを有する一様渦電流プローブを用いて行うのが良い。このことによって吸蔵水素量が高くなくても水素脆化を検出できる。

金属材料について渦流探傷して得られたリサージュ波形が、人工欠陥（０．２５ｍｍφ×０．６ｍｍｄの平底穴）を設けた基準試験材について渦流探傷して得られたリサージュ波形と同等またはそれ以上の大きさである場合には、少なくとも吸蔵水素量が約１０００ｐｐｍ以上、または水素脆化の形状が大きくなっている可能性があり、更新などの検討が必要となる。
基準試験材は一種でなく、吸蔵水素量を変えて求めた人工欠陥を設けた複数の基準試験材を用いて検査するのも良い。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

渦流探傷シミュレーションソフトＶｉｃ−３Ｄ（Victor technologies製）を用いて、基準となる吸蔵水素量（１０００ｐｐｍ）の水素脆化部を有するチタン製伝熱管についてシミュレーションし、これらの水素脆化部と同等の欠陥形状を求めた。なお、５０００ｐｐｍの吸蔵水素量の水素脆化部についても同様に行った。

シミュレーションに際しての入力情報は以下のとおりである。
（１）伝熱管形状
外径：１９．０ｍｍφ、内径：１６．６ｍｍφ、肉厚：１．２ｍｍ
（２）伝熱管健全部の電磁気特性
導電率：３．６５（ＩＡＣＳ％）、透磁率：１（−）、誘電率：１（−）
（３）コイルの形状
外径：１５．５ｍｍφ、内径：１４．５ｍｍφ、巻幅：１ｍｍ、巻数：６０回、ボビ
ン型
（４）コイルの向き
周方向に巻いてあり、管の中心とコイルの中心が同じ。１ｍｍ間隔で２個配置。
（５）コイル試験周波数：１００ｋＨｚ
（６）水素脆化部形状
１．６ｍｍφ×０．６ｍｍｄの円柱状で、円柱の高さ方向が管の肉厚方向と同じ。
（７）水素脆化部の電磁気特性
・吸蔵水素量が１０００ｐｐｍ
導電率：３．５１（ＩＡＣＳ％）、透磁率：１（−）、誘電率：１（−）
・吸蔵水素量が５０００ｐｐｍ
導電率：３．０８（ＩＡＣＳ％）、透磁率：１（−）、誘電率：１（−）
（８）欠陥の電磁気特性
導電率：０（ＩＡＣＳ％）、透磁率：１（−）、誘電率：１（−）

シミュレーションした結果、形状が１．６ｍｍφ×０．６ｍｍｄで吸蔵水素量が１０００ｐｐｍの水素脆化部のリサージュ波形と同等のリサージュ波形を示す欠陥形状の例は、０．２５ｍｍφ×０．６ｍｍｄの平底穴であった。吸蔵水素量が５０００ｐｐｍの場合は、０．５ｍｍφ×０．６ｍｍｄの平底穴であった。得られたリサージュ波形を図２、図３に示す。

人工欠陥を設けたチタン製伝熱管について渦流探傷試験を行った。
図４にこの試験の模式図を示す。外径１９．０ｍｍφ、肉厚１．２ｍｍのチタン製伝熱管１の外表面には０．２５ｍｍφ×０．６ｍｍｄの平底穴の人工欠陥が設けられている。伝熱管内をプローブ３を走査して試験した。プローブには励磁コイル４および検出コイル５が設けられている。プローブの励磁コイルは発信器（図示していない。）に接続され、周波数７５ｋＨｚで励起し、検出コイルは渦流探傷器（図示していない。）に接続されている。
励磁コイルおよび検出コイルの仕様を表２に示す。この励磁コイルは、欠陥に対してコイル幅が広く、伝熱管内面に広く近接しており、いわゆる一様渦電流コイルと呼ばれるものである。

結果を図５に示す。図５は得られたリサージュ波形のラインデータ（Ｘ軸、Ｙ軸の振幅信号）であり、人工欠陥が検出されている。

実際の伝熱管について、上記と同様に試験して、図５に示すと同程度またはそれ以上の振幅変化を示す場合には、吸蔵水素量が１０００ｐｐｍ以上の水素脆化が発生している可能性があり、更新などの検討が必要である。

吸蔵水素量と比抵抗との関係を示す図である。 吸蔵水素量１０００ｐｐｍの場合のシミュレーション結果を示す図である。 吸蔵水素量５０００ｐｐｍの場合のシミュレーション結果を示す図である。 人工欠陥についての渦流探傷試験を説明するための模式図である。 人工欠陥についての渦流探傷試験の結果を示す図である。

符号の説明

１ チタン製伝熱管
２ 人工欠陥
３ プローブ
４ 励磁コイル
５ 検出コイル

Claims (3)

1. 金属材料の水素脆化を渦流探傷法で検査する方法において、渦流探傷シミュレーションによって基準となる吸蔵水素量の水素脆化部のリサージュ波形と同等のリサージュ波形を示す欠陥の形状を求め、この形状の人工欠陥を設けた試験材を作製し、基準試験材として検査に用いることを特徴とする水素脆化の検査方法。
2. 基準となる吸蔵水素量が１０００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１記載の水素脆化の検査方法。
3. 一様渦電流プローブを用いて検査を行うことを特徴とする請求項１記載の水素脆化の検査方法。

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