JP5232759B2

JP5232759B2 - 溶射膜の膜質評価方法

Info

Publication number: JP5232759B2
Application number: JP2009261125A
Authority: JP
Inventors: 康弘田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP2011106922A

Description

本発明は、溶射膜の膜質評価方法に関し、特に、腐食や摩耗からの減肉保護を目的として溶射を施した部位の溶射膜の膜質評価方法に関するものである。

循環流動床ボイラの火炉の内壁下部は、摩耗や高温環境に耐えられるよう耐火材で保護されている。耐火材内面には蒸発管が設置されているが，耐火材施工範囲は炉底から所定高さまでである。つまり，熱交換の必要性もあり，耐火材上方には蒸発管が露出する構造となる。従来から、耐火材の直上では循環流動材（循環粒子）による蒸発管の摩耗減肉が懸念されていたため、蒸発管の外壁には耐摩耗の目的で溶射膜が施工されている。

しかしながら、石炭、木屑、高カロリー固形燃料（ＲＰＦ）、タイヤ等を混焼する廃棄物焚き循環流動床ボイラでは、火炉内に塩素や硫黄などの金属腐食成分が混入するため、腐食により蒸発管外壁に施工された溶射膜が劣化し、蒸発管外壁が減肉されやすくなるという問題が生じていた。そのため、蒸発管外壁に施工される溶射膜の耐食性を向上させるべく、溶射膜の材料や溶射方法などの検討が行われている。

施工後の溶射膜は、膜厚、硬さ、あるいは母材との密着状況などを計測することで、施工された溶射膜の良否判定が行われている。
特許文献１には、溶射膜の膜厚を断面から観察するための皮膜の切断方法が開示さている。
特許文献２には、溶射膜の電気抵抗を測定することによって、溶射膜の剥離の有無等を検査する方法が開示されている。
特許文献３には、打撃装置を機械化し、更に音の変化の測定をセンサにより検出し演算処理することで、溶射膜と母材との密着状況を定量的に測定する方法が開示されている。

特開昭６１−１６９７３８号公報（産業上の利用分野、従来技術１行目〜４行目）特開平９−２４３５８３号公報（段落[０００９]、[００３５]）特開平５−２１５６５４号公報（請求項１、請求項２）

溶射によって施工された膜の膜質は、溶射の際の条件（溶射ガンと被溶射面との間の溶射距離や溶射角度）に左右される。従って、溶射膜の材料や溶射方法が改善されたとしても、健全な溶射膜が施工されているか否かは、実機によって異なる可能性がある。適切な条件で施工されなかった場合、膜厚が一定であっても、硬さが低く、緻密性の低い粗雑な溶射膜となる。しかしながら、特許文献１〜３に記載の溶射膜の評価方法は、いずれも膜の硬さや緻密性を関連させて評価するものではない。

硬さが低いと、耐摩耗性も低下する。ここでいう硬さとは、一般に、ビッカース硬さなどの断面硬さを意味する。断面硬さは、試験体を切断後、その断面部にて押し込み硬さ試験法で計測される。これは一定荷重を加えてできる圧痕（くぼみ）の面積または深さから変形のしにくさ（硬さ）を評価する方法であるが、実機に施工された溶射膜を切断することはできないため施工後の溶射膜硬さを計測することはできない。また，超音波硬さ計などで非破壊により硬さを計測する手法もあるが、溶射膜などの薄い表面処理層の硬さは母材の硬さの影響もでてくることから、精度の高い硬さ計測をすることはできない。

廃棄物焚き循環流動床ボイラでは、燃料として用いられるＲＰＦ中にＨＣｌが多く含まれている。そのため、運転中にＨＣｌガスや同ガスからＫＣｌ、ＮａＣｌなどが気相凝縮し、気孔内に腐食性ガスや溶融塩が侵入して、膜を内部から腐食させてしまう。緻密性が低い溶射膜では気孔が多く存在するため、耐食性の低い溶射膜となる。

実機に施工された溶射膜の硬さや緻密性を評価する方法として、実機に溶射膜を施工する際に、同時試験片を作製し、その同時試験片に施工された溶射膜の硬さを確認するという手法が知られている。しかし、施工条件を真に同条件とすることができないため、実機と同時試験片で異なる膜質の溶射膜が施工されている可能性がある。
上記理由により、実機に施工された溶射膜の緻密性や硬さなどの膜質を現場で評価できる手法が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、実機に施工された溶射膜の膜質が健全であるか否かを現場で評価できる膜質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に、本発明は、溶射膜の電気抵抗率と非破壊硬さと膜厚とを相関させ、前記相関関係から前記溶射膜の所定の機能を満たすために必要とされる要求領域を設定する設定工程と、被評価対象物に施工された溶射膜の電気抵抗率、膜厚、及び非破壊硬さを計測する計測工程と、前記計測によって得られた各値が前記要求領域内にあるとき、前記被評価対象物に施工された溶射膜が健全であると判断する判断工程とを備える溶射膜の膜質評価方法を提供する。

本発明によれば、溶射膜の電気抵抗率、非破壊硬さ、及び膜厚を評価指標とし、これら３つの指標を相関させる。
電気抵抗率を計測することで、溶射膜の緻密性を評価することができる。緻密性が高い溶射膜では、電気抵抗率が低くなる。溶射膜の硬さを非破壊硬さとして計測することで、実機に施工された溶射膜の硬さを現場で評価することができる。非破壊硬さとは、被評価対象物を変形させずに計測した硬さを意味する。非破壊硬さを計測するにあたり、膜厚を一定以上厚くすることで、計測精度が確保される。

電気抵抗率、非破壊硬さ、膜厚はそれぞれ溶射膜の膜質を評価する指標として知られているが、指標ごとに要求領域を設定すると、全ての指標を満たす要求領域とするためには、それぞれ狭い範囲に設定せざるを得ない。すべての指標が各要求領域内に納まるような溶射膜は、至極健全な膜となるが、溶射膜が施工されたものの用途によっては、溶射膜に求められる機能に対して過剰性能となる場合もある。
上記３つの指標を相関させることで、同じ膜厚であっても、電気抵抗率によって非破壊硬さの要求範囲が異なったりするため、設定できる要求領域を広くすることができる。例えば、膜厚が少し薄い場合であっても、非破壊硬さが高く、電気抵抗率の低い膜であれば健全であると判断することができるようになる。それによって、適正な膜質を有する溶射膜とするための要求領域を設定することが可能となる。

被評価対象物に施工された溶射膜は、電気抵抗率、非破壊硬さ、及び膜厚が計測される。得られた計測値が、上記で設定した要求領域にあれば、その溶射膜は健全な膜であると判断することができる。健全な膜とは、用途に応じた膜厚、緻密性及び硬さを有する膜をさす。このような膜は、耐食性及び耐摩耗性に優れる。

上記発明において、前記非破壊硬さが、断面硬さと相関していることが好ましい。
非破壊硬さ計測は、計測方式によって算出される硬さ値が異なる。そのため、溶射膜の真の硬さを断面硬さとして計測し、非破壊硬さと相関させておくことで、他の指標との関係付けが容易となる。
非破壊硬さ計測は、母材の硬さの影響を受けやすい。そのため、溶射膜は所定の膜厚を有することが好ましい。また、溶射膜の緻密性が低下すると、非破壊硬さ計測における母材の硬さの影響が大きくなるため、溶射膜は所定の緻密性を有することが好ましい。

本発明によれば、溶射膜の電気抵抗、非破壊硬さ、及び膜厚を相関させて、要求領域を設定することで、実機の用途に応じた適正な膜質を有する溶射膜が施工されているか否かを現場で評価することができる。

本実施形態において作成する評価マップの一例としてのグラフである。任意の電気抵抗率に対する非破壊硬さと膜厚との関係を図１より出力したグラフの一例である。溶射膜の非破壊硬さと断面硬さとの関係を示すグラフである。微小電気抵抗法によって電気抵抗率を計測する装置の概略を示す正断面図である。図４に示す装置の測定回路図である。溶射膜の電気抵抗率と断面硬さとの関係を示すグラフである。溶射膜を施工した試験片の断面写真である。（ａ）は緻密な溶射膜が施工された試験片、（ｂ）は粗雑な溶射膜が施工された試験片を示す。溶射膜の膜厚と非破壊硬さとの関係を示すグラフである。溶射膜の膜厚と電気抵抗率との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る溶射膜の膜質評価方法の一実施形態について説明する。
本実施形態における溶射膜の膜質評価方法は、予め任意の溶射膜の電気抵抗率と非破壊硬さと膜厚とを相関させて、溶射膜としての機能（耐食性や耐摩耗性など）を満たすために必要とされる要求領域を設定する設定工程と、被評価対象物に施工された溶射膜の電気抵抗率、膜厚、及び非破壊硬さとを計測する計測工程と、計測によって得られた各値が要求領域内にあるか否かで被評価対象物に施工された溶射膜の健全性を判断する判断工程とを備える。

設定工程では、まず、溶射膜の電気抵抗率と非破壊硬さと膜厚とを相関させる。例えば、溶射の施工条件を変更するなどして様々な膜質を有する溶射膜を施工し、施工した各溶射膜の電気抵抗率と非破壊硬さと膜厚とをそれぞれ計測する。本実施形態においては、計測によって得られた値をデーターベース化し、電気抵抗率と非破壊硬さと膜厚とをそれぞれ軸として有する３次元の評価マップを作成する。図１に、本実施形態において作成する評価マップの一例としてのグラフを示す。ｘ軸は溶射膜の電気抵抗率、ｙ軸は溶射膜の非破壊硬さ、及びｚ軸は溶射膜の膜厚である。

電気抵抗率は、微小電気抵抗法（ＳＥＲ：ＳｍａｌｌＥｌｅｃｔｒｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）にて計測する。電気抵抗率は、溶射膜の緻密性を評価するための指標となる。溶射膜の緻密性が高いと電気抵抗率は低下する。溶射膜の緻密性を高めることで、膜中への腐食性ガスの侵入を防ぐことができる。すなわち、耐食性の高い溶射膜となる。

非破壊硬さは、ＭＩＣ１０、Ｄｙｎａｍｉｃ、及びＥｑｕｏＴｉｐなどの非破壊硬さ計測器にて計測する。溶射膜の硬さは、耐摩耗性を評価する指標となる。溶射膜の硬度が高いほど耐摩耗性が向上する。
非破壊硬さは、予め断面硬さとの相関関係を明らかにしておくと良い。断面硬さは、ビッカース硬さ計測器などを用いて計測する。断面硬さと相関させる場合、非破壊硬さは、相関させたい断面硬さの単位に変換して出力させる。

膜厚は、電磁膜厚計や超音波膜厚計で計測する。溶射膜の膜が一定以上の厚さであると、非破壊硬さの計測の精度を高めることができる。溶射膜の膜厚が厚ければ、溶射膜の耐食性及び耐摩耗性は向上する。一方、膜厚が厚すぎると割れや剥離などの問題が生じる。

次に、溶射膜の所定の機能を満たすために必要とされる要求領域を設定する。溶射膜の所定の機能を満たすために必要とされる要求領域は、被評価対象物の用途に応じて適宜設定する。所定の機能とは、例えば、循環流動床ボイラの蒸発管（伝熱管）に施工される溶射膜の場合であれば、循環流動材による摩耗減肉に一定期間耐えられる耐摩耗性が挙げられる。例えば、廃棄物焚き循環流動床ボイラの蒸発管に施工される溶射膜の場合であれば、上記耐摩耗性に加え，燃料に含まれる塩素や硫黄などの金属腐食成分による腐食に一定期間耐えられるだけの耐食性が挙げられる。要求領域は溶射膜の電気抵抗率と膜厚と非破壊硬さとが相関されて設定されているため、図１に示されるように、膜厚が規定膜厚内にある溶射膜であっても、電気抵抗率が異なれば、要求領域に入る非破壊硬さの範囲も変化する。

計測工程では、被評価対象物に施工された溶射膜の電気抵抗率、非破壊硬さ、及び膜厚を計測する。各指標の計測方法は、設定工程と同様とする。

判断工程では、上記計測工程で得られた電気抵抗率、膜厚、及び非破壊硬さの計測値を上記設定工程で作成した３次元の評価マップに挿入し、予め設定した要求領域内にあるか否かを確認する。具体的には、例えば、計測によって得られた電気抵抗率に対する非破壊硬さと膜厚との関係を示すグラフをデーターベースから出力する。図２に、溶射膜における任意の電気抵抗率に対する非破壊硬さと膜厚との関係を図１より出力したグラフの例を示す。電気抵抗率が小さい順に、図２（ａ）〜（ｄ）とする。出力したグラフに非破壊硬さ及び膜厚の計測値を挿入し、それぞれが交差する点Ａが要求領域内（例えば図２中では断面硬さ９００ＨＶ以上と設定）にあるか否かを確認する。交差する点Ａが要求領域内にある場合、健全な溶射膜が施工されていると判断する。

＜実施例＞
以下に、任意の溶射膜を施工した試験片の電気抵抗率、非破壊硬さ、断面硬さ、膜厚を計測し、関係付けた例を示す。
（非破壊硬さと断面硬さとの関係）
膜厚が約３００μｍの溶射膜を、溶射ガン先端と溶射対象面との距離（溶射距離）が異なる条件で施工し、試験片とした。以下に施工条件を示す。
溶射対象：ボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管（ＪＩＳＳＴＢ５１０）
溶射材：Ｃｒ_３Ｃ_２−ＮｉＣｒ
溶射方法：高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）
ガス流量：酸素／プロピレン／エアー＝４０／４０／４８
溶射角度：９０°
溶射距離：２５０ｍｍ、３００ｍｍ、３５０ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍ

上記で作製した試験片の非破壊硬さ及び断面硬さを異なる計測機器を用いて計測した。非破壊硬さは、ＭＩＣ１０、Ｄｙｎａｍｉｃ、及びＥｑｕｏＴｉｐにて計測した。断面硬さは、微小硬さ試験機（Ｍｉｔｕｔｏｙｏ製）を用いてビッカース硬さを計測した。ＭＩＣ１０とは、ＵＣＩ（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＣｏｎｔａｃｔＩｍｐｅｄａｎｃｅ）方式で硬さを計測する非破壊硬さ計測器である。具体的には、プローブが試験片に接触した際の共振周波数の変化量（圧痕面積と弾性係数による）で硬さを算出する。Ｄｙｎａｍｉｃとは、インパクトボディが、試験片に当たる前に生じる信号と、試験片に当たって跳ね返るときに生じる信号との電圧差に基づいて硬さを算出する非破壊硬さ計測器である。ＥｑｕｏＴｉｐとは、超硬合金球が先端に埋め込まれたハンマーをスプリングで試験片に衝突させ、その衝突前後の速度比から硬さを算出する非破壊硬さ計測器である。各非破壊硬さ計測器での測定値の単位は、自動変換させ、それぞれビッカース硬さの単位で出力させた。

図３に、非破壊硬さと断面硬さとの関係を示す。同図において、横軸は非破壊硬さ計測器による計測値、縦軸は同一試験片をビッカース硬さ計測器で計測したときの断面硬さ計測値である。なお、断面硬さ＝非破壊硬さであると仮定したときのビッカース硬さ計測器による計測値を対照とした。
図３から、溶射距離が短いほど、硬くなる傾向が示された。また、同一試験片であっても、計測に用いる機器によって異なる非破壊硬さを示すことが確認された。しかしながら、ＭＩＣ１０を用いた計測値は、対照と同程度の硬さを示した。

（電気抵抗率と断面硬さとの関係）
上記検討（非破壊硬さと断面硬さとの関係）と同様の試験片を用いて、電気抵抗率を計測した。
図４は、電気抵抗率の計測に用いた装置の概略を示す正断面図である。図５は、図４に示す装置の測定回路図である。この計測装置は、微小電気抵抗法によって溶射膜の緻密性を定量評価することが可能である。具体的には、被計測溶射膜面上の２地点間に所定の微小電流を流した状態で、前記２地点間の内側に位置した別の２地点間の電気抵抗率を測定し、予め同条件で計測した標準溶射膜の電気抵抗率と比較する方法である。例えば、溶射膜が緻密に形成されている場合、溶射材：Ｃｒ_３Ｃ_２−ＮｉＣｒのＮｉＣｒ合金によるバインダー部も緻密に形成されているため、電流が流れやすい。すなわち、電気抵抗率が小さくなる。一方、気孔率が大きいなど溶射膜が粗雑である場合、ＮｉＣｒ合金によるバインダー部に電流が流れにくいため電気抵抗率は大きくなる。

図６に、電気抵抗率と断面硬さとの関係を示す。同図において、横軸は溶射膜の電気抵抗率、縦軸は断面硬さである。
図６から、電気抵抗率の上昇に伴い、断面硬さも低くなる傾向が確認された。

（膜厚と緻密性との関係）
上記検討（非破壊硬さと断面硬さとの関係）と同様の試験片の断面を電子顕微鏡で観察した。図７（ａ）は溶射距離２５０ｍｍ、図７（ｂ）は溶射距離５００ｍｍで溶射膜を施工した試験片の断面写真である。
母材の上に溶射膜が施工されており、溶射膜に観察される黒い部分が気孔である。図７から、溶射距離が短いほど、緻密な膜が形成されていることが確認された。

（膜厚と非破壊硬さとの関係）
溶射距離を一定として膜厚の異なる溶射膜を施工し、試験片とした。溶射距離を一定とすることで、いずれの試験片においても、同じ膜質（気孔率、硬さなど）の溶射膜が施工されるものとする。溶射距離は２５０ｍｍ、膜厚は２００μｍ、３００μｍ、４００μｍとし、それ以外の施工条件は、上記検討（非破壊硬さと断面硬さとの関係）の施工条件と同様とした。

上記で作製した試験片の非破壊硬さをＭＩＣ１０によって計測した。
膜厚と非破壊硬さとの関係を図８に示す。同図において、横軸は溶射膜の膜厚、縦軸は非破壊硬さである。
図８から、溶射膜の膜厚が薄くなると、非破壊硬さが低下する傾向が確認された。膜厚が薄い場合、母材の硬さの影響を受けやすくなり、その結果、非破壊硬さが低下しているものと考えられる。なお、母材の影響は、溶射膜の緻密性が粗雑になるにつれて顕著になると推察される。

上記検討（膜厚と非破壊硬さとの関係）と同様の試験片を用いて、電気抵抗率を計測した。
図９に、膜厚と電気抵抗効率との関係を示す。同図において、横軸は溶射膜の膜厚、縦軸は電気抵抗率である。図９から、溶射距離が一定であれば、膜厚が電気抵抗に及ぼす影響は少ないことが確認された。これは、施工された溶射膜の緻密性が一定であれば、ＮｉＣｒ合金によるバインダー部に流れる電流量も同等となるためと考えられる。

なお、本実施形態では、廃棄物焚き循環流動床ボイラの蒸発管に施工される溶射膜について説明したが、本発明はこれに限定されず、石炭焚き循環流動床ボイラ等、他の用途に用いられる溶射膜であってもよい。

Claims

溶射膜の電気抵抗率と非破壊硬さと膜厚とを相関させ、前記相関関係から前記溶射膜の所定の機能を満たすために必要とされる要求領域を設定する設定工程と、
被評価対象物に施工された溶射膜の電気抵抗率、膜厚、及び非破壊硬さを計測する計測工程と、
前記計測によって得られた各値が前記要求領域内にあるとき、前記被評価対象物に施工された溶射膜が健全であると判断する判断工程とを備える溶射膜の膜質評価方法。
前記非破壊硬さが、断面硬さと相関している請求項１に記載の溶射膜の膜質評価方法。