JP5293677B2 - 金属材料の腐食疲労寿命診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種ガスや空気等の気体搬送に用いられる遠心圧縮機，各種液体の搬送装置に用いられる軸流ポンプ等の羽根車に用いられる金属材料の腐食疲労寿命の診断方法に係り、特に腐食疲労試験が実施できない使用環境における寿命診断法に関する。

遠心圧縮機や軸流ポンプに用いられる羽根車の中で、図１３に示される心板２，側板３，羽根１から構成される羽根車１００の製造では、通常それらの構成部材を溶接して接合し一体化する。この羽根車の溶接方法としては、図１４に示されるように個別部材として加工された羽根１，心板２，側板３を、アーク溶接，ＭＩＧ溶接，ＴＩＧ溶接等のアーク溶接方法で肉盛溶接する方法がある。また、図１５に示されるように、精密鋳造と機械加工による削り出し等で心板２と一体形成した羽根１を側板３と重ね合わせて、図１６に示すように、開先をアーク溶接法で充填肉盛り溶接して羽根端部と側板を接合する方法が多く用いられている。

遠心圧縮機や軸流ポンプが稼動する時には、羽根車１００に大きな遠心力が掛かるため、仕様に合致した適切な材料を用い、かつ、適切な溶接方法により製作されなかった場合には、この溶接部分に過大な応力が加わり、疲労破断に懸念がある。特に、酸性環境や酸化性環境，高濃度塩化物環境など、金属材料に対する腐食性が高い使用環境で用いられる場合には、用いられる金属材料の腐食が起点となり疲労破断に至る腐食疲労により、遠心圧縮機や軸流ポンプの寿命が決まる。

腐食疲労寿命を評価する方法として、例えば、非特許文献１に見られるように、使用環境を模擬した腐食環境中において疲労試験を実施し、大気中での疲労試験で得られた疲労強度と比較してその低下率から疲労寿命を推定する技術が公開されている。

上記の公知技術を石油採掘プラントやその精製プラントなど高濃度の硫化水素を含有する環境で使用される遠心圧縮機の腐食疲労寿命評価に適用する場合、腐食性が高く、かつ、有害化学物質である硫化水素の使用に関わる安全技術面から、その腐食環境を模擬して疲労試験を実施することは現状不可能であり、直接実験的に腐食疲労寿命を推定できない課題がある。

また、直接実験的に腐食疲労寿命を推定できる環境の場合でも、例えば、海水中で使用される軸流ポンプの腐食疲労寿命評価の場合は、腐食疲労試験には費用と時間を要するため、軸流ポンプの開発コストを削減し、開発時間を短縮することができない課題がある。

江原隆一郎 他：材料、４６（６）、３１６（１９９７）

本発明の目的は、直接腐食疲労試験により寿命評価できない使用環境における圧縮機等の機器に使用される金属材料の腐食疲労寿命を推定することにより、機器の設計寿命に適した高信頼性の機器を提供することにある。

本発明の金属材料の腐食疲労寿命診断方法は、評価対象となる機器に用いられる金属材料の腐食疲労寿命を診断するに当たり、想定する使用環境中における臨界孔食温度を評価する第１の工程、想定される最高使用温度と臨界孔食温度を比較する第２の工程、想定される使用環境中における孔食深さを推定する第３の工程、孔食内の応力拡大係数範囲を推定する第４の工程、推定した応力拡大係数範囲と疲労き裂進展の下限界値と比較する第５の工程から構成され、一定時間経過毎に第３の工程から第５の工程を繰り返して応力拡大係数範囲の推定値が疲労き裂進展の下限界値と等しくなる時間を予測することから、評価対象となる機器の寿命を評価することを特徴とする。

本発明の腐食疲労寿命診断方法では、直接腐食疲労試験により寿命評価できない使用環境における圧縮機等の機器に使用される金属材料の腐食疲労寿命を推定することにより、設計寿命に適した信頼性の高い機器を提供できる効果がある。

腐食疲労寿命を診断する手順を示した図。 ＣＰＴを測定した電解装置を示す図。 電流と温度との関係を示す図。 孔食深さと浸漬時間との関係を示す図。 応力拡大係数範囲を推定した結果を経時変化として示す図。 孔食深さと、曲げ応力振幅との関係を示す図。 腐食疲労寿命と曲げ応力振幅との関係を示す図。 腐食疲労寿命を診断する手順を示した図。 ＣＰＴを測定した装置を示す図。 電流と時間との関係を示す図。 孔食深さと浸漬時間との関係を示す図。 ３００ＭＰａ負荷した場合のΔＫの経時変化を示した図。 羽根車の構成を示す図。 羽根車の構成を示す図。 羽根車の構成を示す図。 羽根車の構成を示す図。

以下、本発明の詳細について実施例を用いて説明する。

図１は、腐食疲労寿命を診断する手順を示した図である。腐食疲労寿命の診断は、以下の７ステップで構成される。
（ステップ１）：想定環境中における臨界孔食温度（ＣＰＴ）の評価。
（ステップ２）：ＣＰＴと想定使用温度との比較。
（ステップ３）：腐食試験ｔにおける孔食深さの推定。
（ステップ４）：腐食試験ｔで発生した孔食内部における応力拡大係数範囲（ΔＫ(ｔ)）
の推定。
（ステップ５）：想定する使用環境中における疲労き裂進展の下限界値(ΔＫth)の設定。
（ステップ６）：ΔＫ(ｔ)とΔＫthの比較。
（ステップ７）：腐食疲労寿命の推定。

ここで、腐食試験ｔの時間を変えて、３）から６）のステップを繰り返し、ΔＫ(ｔ)とΔＫthが等しくなる時間を推定することから、腐食疲労寿命を推定できる。

先ず始めに、本発明の妥当性を検証するため、６０℃の海水中で使用するポンプを想定して、ポンプに使用されるステンレス鋼の腐食疲労寿命を直径８mmの丸棒試験片を用いた回転曲げ腐食疲労試験の結果と比較評価することを試みた。

（ステップ１）
想定環境が海水であるため、先ず始めに想定環境を模擬した人工海水中におけるＣＰＴを図２に示す電解装置を用いて測定した。測定装置は、定電位電解装置４，温度調節器５，記録計６，反応槽７，ヒータ８から構成される。また反応槽７内には、人工海水を注入するとともに、評価対象となる金属材料９（ここではステンレス鋼）を基準電極１０，対極１１，熱電対１２とともに人工海水中に浸漬した。ここでは、基準電極１０として、塩化カリウム飽和水溶液銀／塩化銀電極を用いた。

反応槽７内の人工海水の温度が室温で安定するまで待った後に、定電位電解装置４を用いて基準電極に対して０.７４Ｖで一定になるように評価対象金属材料９と対極１１の間に電位を印加し、その時に流れる電流を記録計６で記録した。

次に、評価対象金属材料９と対極１１の間に電位を印加するとともに熱電対１２で人工海水の温度を監視しながら、温度調節器５とヒータ８を用いて１分当たり１℃の昇温速度で人工海水の温度を上昇させ、その時に流れる電流を記録計６で記録した。図３に示すように、今回の測定では約７０℃を越えると電流値が急激に上昇する結果が得られたので、ＣＰＴを７０℃と見積もった。

（ステップ２）
今回６０℃での使用を想定しているため、ＣＰＴ（７０℃）は使用温度（６０℃）より高温であり、評価対象のステンレス鋼は使用できる可能性があることがわかった。

（ステップ３）
評価対象となるステンレス鋼の孔食深さの経時変化を評価するため、６０℃で使用環境と同一濃度の人工海水中に評価対象のステンレス鋼を浸漬し、所定時間ことに取り出して、発生した孔食の深さを計測した。図４は、測定された孔食深さの最大値を浸漬時間に対して示した図である。図中には、孔食深さの経時変化を最小二乗法で求めた推定曲線も示してあり、この測定結果から想定環境中における孔食の進展速度を推定できる。

（ステップ４）
図４で孔食深さが測定できたので、この孔食深さにおける応力拡大係数範囲（ΔＫ）を推定した。今回丸棒の周方向に半円状の孔食が発生した場合を仮定し、ΔＫの計算には、米国石油協会規格ＡＰＩ ＲＰ５７９に掲載の計算式を適用し、曲げ応力が３００ＭＰａ負荷した場合を想定してΔＫを推定した。図５は図４の結果に基づき、応力拡大係数範囲を推定した結果を経時変化として示す。図中には、ΔＫの経時変化を最小二乗法で求めた推定曲線も示してある。図５に示すように、孔食深さの進展に伴い、ΔＫが増大することが推定できた。

（ステップ５）
評価対象となる金属材料に所定の条件の人工海水を滴下し腐食させながら、回転曲げ疲労試験を実施し、その試験結果から疲労き裂進展の下限界値（ΔＫth）を設定した。図６は、疲労試験後に破断部を観察し、破断部に発生していた孔食の深さを負荷した曲げ応力振幅に対してプロットした図である。図中には、ステップ４で用いたΔＫの計算式からΔＫthを０.５，１.０，２.０ＭＰａ・ｍ^0.5に設定したときの孔食深さと曲げ応力振幅との関係を示す曲線も合わせて示している。腐食疲労試験結果のデータプロットは、全てΔＫthが２.０ＭＰａ・ｍ^0.5の曲線より孔食深さが大きい方にあるため、ここでは、ΔＫthの値として、２.０ＭＰａ・ｍ^0.5を設定した。

（ステップ６）
上記ΔＫthが２.０ＭＰａ・ｍ^0.5の設定値を図５に当てはめると、浸漬時間８時間では、ΔＫ(８ｈ)は２.０ＭＰａ・ｍ^0.5よりも小さな値になったが、浸漬時間２４時間では、ΔＫ(２４ｈ)は２.０ＭＰａ・ｍ^0.5よりも大きな値となり、今回の設定条件では、腐食疲労寿命は、８時間と２４時間との間に存在することがわかった。

（ステップ７）
上記の計算方法により、ΔＫthを２.０ＭＰａ・ｍ^0.5に設定したときの腐食疲労寿命と曲げ応力振幅との関係を図７に示す．今回評価対象なる金属材料の大気中における疲労限も合わせて示している。図７から、負荷された曲げ応力が疲労限よりも大きい場合には、その負荷応力の頻度により寿命が決定する。一方、疲労限よりも負荷された曲げ応力が小さい場合には、線図に従い負荷された応力に応じて、孔食の進展に伴い寿命が決まることを示している。図７と腐食疲労試験結果とを比較した結果、両者は良く一致することが確認できた。

上記では、孔食深さの測定値から腐食疲労寿命を推定したが、図４に示した孔食深さの経時変化の推定曲線（孔食進展速度曲線）を用いて、同様に腐食疲労寿命を推定できる。

上記実施例１が示すように、臨界孔食温度の測定、孔食深さと孔食内のΔＫ値の推定、ΔＫthの設定から当該環境における腐食疲労寿命を推定できる。実施例１では、本発明の検証のために腐食疲労試験結果と比較したが、図７の線図が得られた後は、腐食疲労試験を実施せずに腐食疲労寿命を推定でき、設計寿命に適した信頼性の高い機器を提供できる。

また、直接腐食疲労試験を実施せずにポンプ等の機器に使用される金属材料の腐食寿命を推定することにより、機器の設計寿命に適した信頼性の高い機器を短期間かつ安価に提供できる。

図８は、腐食疲労寿命を診断する手順を示した本発明の他の実施例の図である。腐食疲労寿命の診断は、以下の７ステップで構成される。
（ステップ１）：想定環境中における臨界孔食温度（ＣＰＴ）の評価。
（ステップ２）：ＣＰＴと想定使用温度との比較。
（ステップ３）：想定環境中における孔食進展速度の評価。
（ステップ４）：孔食内部における応力拡大係数範囲（ΔＫ）の推定。
（ステップ５）：想定する使用環境中における疲労き裂進展の下限界値(ΔＫth)の設定。
（ステップ６）：孔食内におけるΔＫの経時変化の評価。
（ステップ７）：腐食疲労寿命の推定。

上記の腐食疲労寿命診断方法に従い、実施例１と同じ条件において、評価対象材料と白金とを短絡させた時のガルバニック電流の計測によりＣＰＴおよび進展速度を評価する方法を以下に示す。

（ステップ１）
想定環境を模擬した人工海水中におけるＣＰＴを図９に示す装置を用いて測定した。測定装置は、無抵抗電流計１３，温度調節器５，記録計６，反応槽７，ヒータ８から構成される。また反応槽７内には、人工海水を注入するとともに、評価対象となる金属材料９（ここではステンレス鋼）と、白金製の対極１１′，熱電対１２とともに人工海水中に浸漬した。

反応槽７内の人工海水の温度が室温で安定するまで待った後に、無抵抗電流計１３を介して評価対象金属材料９と対極１１′を短絡させ、電極の電位差により発生するガルバニック電流を記録計６で記録した。

次に、熱電対１２で人工海水の温度を監視しながら、温度調節器５とヒータ８を用いて１分当たり１℃の昇温速度で人工海水の温度を上昇させ、その時に流れるガルバニック電流を記録計６で記録し、ガルバニック電流の急激な上昇からＣＰＴを見積もった。今回の測定では、図３とほぼ同様に約７０℃を越えると電流値が急激に上昇する結果が得られたので、ＣＰＴを７０℃と見積もった。

（ステップ２）
今回６０℃での使用を想定しているため、ＣＰＴ（７０℃）は使用温度（６０℃）より高温であり、評価対象のステンレス鋼は使用できる可能性があることがわかった。

（ステップ３）
評価対象となるステンレス鋼の孔食深さの経時変化を評価するため、図９に示した装置を用いて、６０℃で使用環境と同一濃度の人工海水中に評価対象のステンレス鋼と白金製の対極１１′を短絡させ、電極の電位差により発生するガルバニック電流の経時変化を記録計６で記録した。測定の一例を図１０に示す。図１０に示されるように、一時的な電流の増大が繰り返されることがわかった。一時的な電流の増大は、一時的な孔食の発生・進展と消滅に対応する電流変化と考えられるので、電流値と浸漬時間から電気量を求め、この電気量から孔食深さを推定した。図１１は、電気量から推定した孔食深さのを浸漬時間に対して示した図である。図は電気量の経時変化にスムージング処理を施した後に孔食深さの経時変化に換算した結果である。この電気量の測定結果から想定環境中における孔食の進展速度が評価できる。実施例１と同様の条件だったが、ガルバニック電流の測定に基づく孔食深さの方が、実施例１に示した直接孔食深さの測定結果よりもやや大きな値となった。

（ステップ４）
孔食内における応力拡大係数範囲（ΔＫ）は、丸棒の周方向に半円状の孔食が発生した場合を仮定し、計算には米国石油協会規格ＡＰＩ ＲＰ５７９に掲載の計算式を適用し、曲げ応力が３００ＭＰａ負荷した場合を想定してΔＫを推定することとした。

（ステップ５）
前記の通り、回転曲げ腐食疲労試験の結果から疲労き裂進展の下限界値（ΔＫth）を設定した。ここでは、ΔＫthの値として、２.０ＭＰａ・ｍ^0.5を設定した。

（ステップ６）
図１１に示した孔食深さの経時変化の評価結果に基づき、（ステップ４）の計算条件によりΔＫthの経時変化を推定した。図１２は、曲げ応力として３００ＭＰａ負荷した場合におけるΔＫの経時変化を示した図である。

（ステップ７）
図１２の曲線に基づき、応力拡大係数範囲が２.０ＭＰａ・ｍ^0.5に達する、すなわち、ΔＫthに達する時間を見積もるとおおよそ８時間となる。このことから、今回の評価条件における腐食疲労寿命は、約８時間であることがわかった。

上記実施例２が示すように、臨界孔食温度の測定、孔食深さとΔＫ値の経時変化の評価、ΔＫthの設定から当該環境における腐食疲労寿命を推定でき、設計寿命に適した信頼性の高い機器を提供できる。

また、直接腐食疲労試験を実施せずにポンプ等の機器に使用される金属材料の腐食寿命を推定することにより、機器の設計寿命に適した信頼性の高い機器を短期間かつ安価に提供できる。

１ 羽根
２ 心板
３ 側板
４ 定電位電解装置
５ 温度調節器
６ 記録計
７ 反応槽
８ ヒータ
９ 評価対象金属材料
１０ 基準電極
１１，１１′ 対極
１２ 熱電対
１３ 無抵抗電流計
１００ 羽根車

Claims (7)

1. 評価対象となる機器に用いられる金属材料の腐食疲労寿命を診断するに当たり、想定する使用環境中における臨界孔食温度を評価する第１の工程、想定される最高使用温度と臨界孔食温度を比較する第２の工程、想定される使用環境中における孔食深さを推定する第３の工程、孔食内の応力拡大係数範囲を推定する第４の工程、推定した応力拡大係数範囲と疲労き裂進展の下限界値と比較する第５の工程から構成され、一定時間経過毎に第３の工程から第５の工程を繰り返して応力拡大係数範囲の推定値が疲労き裂進展の下限界値と等しくなる時間を予測することから、評価対象となる機器の寿命を評価することを特徴とする金属材料の腐食疲労寿命診断方法。
2. 評価対象となる機器に用いられる金属材料の腐食疲労寿命を診断するに当たり、想定する使用環境中における臨界孔食温度を評価する第１の工程、想定される最高使用温度と臨界孔食温度を比較する第２の工程、想定する使用環境中における孔食進展速度を評価する第３の工程、孔食内の応力拡大係数範囲を推定する第４の工程、孔食進展速度の評価結果に基づき、孔食内の応力拡大係数範囲の経時変化を推定する第５の工程から構成され、推定した応力拡大係数範囲が疲労き裂進展の下限界値と等しくなる期間から評価対象となる機器の寿命を評価することを特徴とする金属材料の腐食疲労寿命診断方法。
3. 評価対象となる機器に用いられる金属材料の腐食疲労寿命を診断するに当たり、想定する使用環境中に評価対象となる金属材料を浸漬した後、一定時間毎に金属材料を取り出して孔食深さを測定し、孔食深さに経時変化から孔食進展速度を予測することを特徴とする請求項１または２に記載された金属材料の腐食疲労寿命診断方法。
4. 評価対象となる機器に用いられる金属材料の腐食疲労寿命を診断するに当たり、想定する使用環境中に評価対象となる金属材料を浸漬した後に電気化学的に定電位に保持して電気量の経時変化を計測し、計測値に基づいて孔食深さに経時変化から孔食進展速度を予測することを特徴とする請求項１または２に記載された金属材料の腐食疲労寿命診断方法。
5. 評価対象となる機器に用いられる金属材料の腐食疲労寿命を診断するに当たり、想定する使用環境中に評価対象となる金属材料と白金とを無抵抗電流計を介して接続して電気量の経時変化を計測し、計測値に基づいて孔食深さに経時変化から孔食進展速度を予測することを特徴とする請求項１または２に記載された金属材料の腐食疲労寿命診断方法。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の診断方法に基づき、羽根車の腐食疲労寿命を推定することを特徴とする遠心圧縮機の寿命診断方法。
7. 請求項１乃至５の何れかに記載の診断方法に基づき、羽根車の腐食疲労寿命を推定することを特徴とするポンプの寿命診断方法。

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