JP5450903B1 - 加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線作成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法を提供する。すなわち、製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、得られた最大亀裂長さから製品の損傷率を求める工程とを含み、製品がベイナイト組織を有することを特徴とする、クリープ余寿命予測方法とする。
Description
本発明は、加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線作成方法に関する。
火力発電設備や原子力発電設備等において用いられる機械部品は、長期間に渡って高温・高圧条件におかれることから、徐々に塑性変形を起こし、クリープ寿命に達すると破断してしまう。従って、火力発電設備や原子力発電設備を安全かつ経済的に運転するためには、用いられている機械部品のクリープ余寿命を的確に予測することによって、最適な時期に機械部品の交換を行うことが求められる。
このような機械部品に使用されている耐熱鋼のクリープ余寿命を予測する方法としては、例えば特開昭６３−２３５８６１号公報が示すように、実際に稼動している火力発電設備や原子力発電設備の機械部品の耐熱鋼から試験片を切り出して、クリープ破断試験を行い、その破断時間から余寿命を予測する方法が知られているが、この方法では、実際に稼動している設備から試験片を切り出して長時間に渡って試験をする必要があり、煩雑である。
この他、目視検査、及び、レプリカ法によるクリープボイドを検出する方法などが知られており、例えば、クリープボイドを検出する方法の一種として、最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）を使用する方法が、例えば国際公報ＷＯ０２／０１４８３５号公報により報告されている。
この他、目視検査、及び、レプリカ法によるクリープボイドを検出する方法などが知られており、例えば、クリープボイドを検出する方法の一種として、最大ボイド粒界占有率（Ｍパラメータ）を使用する方法が、例えば国際公報ＷＯ０２／０１４８３５号公報により報告されている。
本発明は、加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線作成方法を提供することを目的とする。
本発明に係る、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線を作成する方法は、加熱及び加圧により劣化した第２製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、得られた最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する工程とを含み、第１製品および第２製品がベイナイト組織を有することを特徴とする。
また、本発明に係る、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線を作成する方法は、加熱及び加圧により劣化した第２製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める工程と、得られた結晶粒の数と第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する工程とを含み、第１製品および第２製品がベイナイト組織を有することを特徴としても良い。
最大亀裂が寸断されている場合に、寸断されている各箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、最大亀裂は寸断されていないものとみなして、最大亀裂長さ、または、最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求めることが好ましい。所定の割合が半分であることがより好ましい。
本発明に係る、加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法は、製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、得られた最大亀裂長さから製品の損傷率を求める工程とを含み、製品がベイナイト組織を有することを特徴とする。
また、本発明に係る、加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法は、製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める工程と、得られた結晶粒の数から製品の損傷率を求める工程とを含み、製品がベイナイト組織を有することを特徴としても良い。
最大亀裂が寸断されている場合に、寸断されている各箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、最大亀裂は寸断されていないものとみなして、最大亀裂長さ、または、最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求めることが好ましい。所定の割合が半分であることがより好ましい。
製品が中空管であることが好ましく、例えば、曲がり部分を有するボイラ用配管であっても良い。これらの場合に、加圧は製品に内圧を加えることにより行われるのが好ましい。
本発明によって、加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線作成方法を提供することが可能となった。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明の目的、特徴、利点、および、そのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び具体的な実施例などは、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者にとって明らかである。
従来、フェライト、オーステナイト及びベイナイトに代表される母材は、加熱及び加圧により劣化しても、亀裂はほとんど生じないと考えられてきた。このため、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を、亀裂を検出することによって予測することはなかった。
しかし、本発明者等は、ベイナイト組織を有する製品を加熱及び加圧すると、劣化に伴って亀裂が生じることを発見した。さらに、製品に生じた亀裂のうち最大の長さを有する亀裂に着目することによって、ベイナイト組織を有する製品の余寿命を予測できることを見出した。本発明は、これらの発見に基づいて、完成されたものである。
しかし、本発明者等は、ベイナイト組織を有する製品を加熱及び加圧すると、劣化に伴って亀裂が生じることを発見した。さらに、製品に生じた亀裂のうち最大の長さを有する亀裂に着目することによって、ベイナイト組織を有する製品の余寿命を予測できることを見出した。本発明は、これらの発見に基づいて、完成されたものである。
＝＝＝クリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線の作成方法＝＝＝
本発明に係る、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線を作成する方法は、加熱及び加圧により劣化した１または２以上の第２製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、得られた最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する工程とを含み、第１製品および第２製品がベイナイト組織を有することを特徴とする。
本発明に係る、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線を作成する方法は、加熱及び加圧により劣化した１または２以上の第２製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、得られた最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する工程とを含み、第１製品および第２製品がベイナイト組織を有することを特徴とする。
第１製品及び第２製品は、ベイナイト組織を有し、かつ、加熱及び加圧によってクリープ変形を生じる材料から構成されている。このような材料として、例えば、鋳鋼が挙げられるが、これに限定されない。第１製品及び第２製品は、同じ材料から構成されていることが好ましい。
第１製品及び第２製品の形は、特に限定されず、例えば、中空管、板、または、棒であることができるが、中空管であることが好ましい。中空管の断面は、どのような形であっても良く、例えば、円形、楕円形、または、多角形であることができるが、中空管の強度を考慮に入れれば、角を有さない円形または楕円形であることが好ましく、円形であることがより好ましい。
このような中空管として、例えば、曲がり部分を有するボイラ用配管が挙げられる。ボイラ用配管は、従来は、フェライト組織またはパーライト組織を有すると考えられていたため、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測する方法に従って、そのクリープ余寿命が予測されてきた。しかし、本発明者等は、ボイラ用配管の曲がり部分を作成する際のゆっくりとした加熱に伴い、この曲がり部分がベイナイト組織を有するように変化することを発見した。従って、本発明に係る検量線作成方法によって作成した検量線を用いて、曲がり部分を有するボイラ用配管のクリープ余寿命を予測すれば、このボイラ用配管のクリープ余寿命を精度良く予測することが可能となる。
なお、第１製品の形と第２製品の形とは、同じであっても異なっていても良いが、同じまたは相似形であることが好ましく、同じであることがより好ましい。
第１製品及び第２製品の形は、特に限定されず、例えば、中空管、板、または、棒であることができるが、中空管であることが好ましい。中空管の断面は、どのような形であっても良く、例えば、円形、楕円形、または、多角形であることができるが、中空管の強度を考慮に入れれば、角を有さない円形または楕円形であることが好ましく、円形であることがより好ましい。
このような中空管として、例えば、曲がり部分を有するボイラ用配管が挙げられる。ボイラ用配管は、従来は、フェライト組織またはパーライト組織を有すると考えられていたため、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測する方法に従って、そのクリープ余寿命が予測されてきた。しかし、本発明者等は、ボイラ用配管の曲がり部分を作成する際のゆっくりとした加熱に伴い、この曲がり部分がベイナイト組織を有するように変化することを発見した。従って、本発明に係る検量線作成方法によって作成した検量線を用いて、曲がり部分を有するボイラ用配管のクリープ余寿命を予測すれば、このボイラ用配管のクリープ余寿命を精度良く予測することが可能となる。
なお、第１製品の形と第２製品の形とは、同じであっても異なっていても良いが、同じまたは相似形であることが好ましく、同じであることがより好ましい。
第１製品及び第２製品は、それぞれ、一定の高温、及び、常圧よりも高い一定の圧力の条件下に置くことにより劣化させる。
温度の範囲は、各製品がベイナイト組織を有する限り特に限定されないが、例えば、２１０℃〜５５０℃の範囲であっても良く、３５０℃〜５５０℃の範囲であることが好ましい。第１製品の加熱温度と、第２製品の加熱温度とは、同じであっても異なっていても良いが、同じであることが好ましい。
圧力の範囲は、常圧（０．１ＭＰａ）よりも高ければ特に限定されないが、例えば、０．２ＭＰａ〜１０００ＭＰａであっても良く、０．３ＭＰａ〜５００ＭＰａであることが好ましく、０．５ＭＰａ〜３００ＭＰａであることがより好ましい。第１製品に加えられた圧力と、第２製品に加えられた圧力とは、同じであっても異なっていても良い。
製品に圧力を加える方法は、特に限定されず、外圧を加えても良く、内圧を加えても良いが、各製品が中空管である場合には内圧を加えることが好ましい。第２製品に内圧を加える場合には、内圧クリープ試験により第２製品を劣化させることが好ましい。内圧クリープ試験は、高温炉中で中空管に内圧を加え、必要に応じて中空管をクリープ破断させることによって、中空管の寿命を測定する方法である。内圧クリープ試験は、中空管そのものを試験対象とできるため、例えば中空管をボイラの配管として用いた場合に生じる、中空管の外表面および内表面の酸化物など変質層の影響を含めて試験できる点で優れている。さらに、ボイラで実際に用いられる場合と同様に、内圧による応力を中空管に加えることから、ボイラ用配管の寿命を精度よく測定することが可能である。
温度の範囲は、各製品がベイナイト組織を有する限り特に限定されないが、例えば、２１０℃〜５５０℃の範囲であっても良く、３５０℃〜５５０℃の範囲であることが好ましい。第１製品の加熱温度と、第２製品の加熱温度とは、同じであっても異なっていても良いが、同じであることが好ましい。
圧力の範囲は、常圧（０．１ＭＰａ）よりも高ければ特に限定されないが、例えば、０．２ＭＰａ〜１０００ＭＰａであっても良く、０．３ＭＰａ〜５００ＭＰａであることが好ましく、０．５ＭＰａ〜３００ＭＰａであることがより好ましい。第１製品に加えられた圧力と、第２製品に加えられた圧力とは、同じであっても異なっていても良い。
製品に圧力を加える方法は、特に限定されず、外圧を加えても良く、内圧を加えても良いが、各製品が中空管である場合には内圧を加えることが好ましい。第２製品に内圧を加える場合には、内圧クリープ試験により第２製品を劣化させることが好ましい。内圧クリープ試験は、高温炉中で中空管に内圧を加え、必要に応じて中空管をクリープ破断させることによって、中空管の寿命を測定する方法である。内圧クリープ試験は、中空管そのものを試験対象とできるため、例えば中空管をボイラの配管として用いた場合に生じる、中空管の外表面および内表面の酸化物など変質層の影響を含めて試験できる点で優れている。さらに、ボイラで実際に用いられる場合と同様に、内圧による応力を中空管に加えることから、ボイラ用配管の寿命を精度よく測定することが可能である。
最大亀裂とは、加熱及び加圧による劣化に伴って製品に生じた亀裂のうち、最長の長さを有する亀裂をいう。
亀裂が寸断されている場合には、寸断されている箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、これら両亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、亀裂の長さを求めることが好ましい。本発明者等は、亀裂が途中で寸断されている場合において、寸断されている箇所が今後亀裂になるか否かは、この寸断箇所が隣接している両亀裂のうち長い方の亀裂から強い影響を受けることを見出した。さらに、長い方の長さに対して寸断箇所の長さが所定の割合以下である場合には、この寸断箇所が今後亀裂になりやすいと評価できることを見出した。これらの発見に基づき、寸断箇所を上記のようにみなすことによって、第１製品のクリープ余寿命を精度良く予測できる検量線を作成することが可能となる。所定の割合は、例えば、半分であることが好ましく、４割であることがより好ましく、３割であることがさらに好ましい。
亀裂が寸断されている場合には、寸断されている箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、これら両亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、亀裂の長さを求めることが好ましい。本発明者等は、亀裂が途中で寸断されている場合において、寸断されている箇所が今後亀裂になるか否かは、この寸断箇所が隣接している両亀裂のうち長い方の亀裂から強い影響を受けることを見出した。さらに、長い方の長さに対して寸断箇所の長さが所定の割合以下である場合には、この寸断箇所が今後亀裂になりやすいと評価できることを見出した。これらの発見に基づき、寸断箇所を上記のようにみなすことによって、第１製品のクリープ余寿命を精度良く予測できる検量線を作成することが可能となる。所定の割合は、例えば、半分であることが好ましく、４割であることがより好ましく、３割であることがさらに好ましい。
亀裂の長さとは、亀裂の両端を結んだ直線の長さであり、また、寸断されている箇所の長さとは、寸断されている箇所とこの寸断箇所が隣接する両亀裂とが作る２つの交点間の直線の長さである。
亀裂の長さの求め方を、図１を用いて具体的に説明する。ベイナイト組織を有する製品１００において、亀裂１０（図１中に太い線で記載）が複数の結晶粒１に沿って生じている。亀裂１０は途中で寸断されているが、寸断されている箇所の長さ３が、この寸断箇所が隣接する両亀裂のうちの長い方の長さ４の半分以下であることから、亀裂１０は寸断箇所も含めて一つの亀裂であるとみなす。この結果、亀裂１０の長さは亀裂長さ２であると求まる。
亀裂の長さの求め方を、図１を用いて具体的に説明する。ベイナイト組織を有する製品１００において、亀裂１０（図１中に太い線で記載）が複数の結晶粒１に沿って生じている。亀裂１０は途中で寸断されているが、寸断されている箇所の長さ３が、この寸断箇所が隣接する両亀裂のうちの長い方の長さ４の半分以下であることから、亀裂１０は寸断箇所も含めて一つの亀裂であるとみなす。この結果、亀裂１０の長さは亀裂長さ２であると求まる。
亀裂の長さを測定する方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって製品の表面の組織観察を行うことによって測定しても良い。
また、最大亀裂の長さを測定するにあたっては、測定対象である製品の全体を観察し、製品に生じた全ての亀裂の中で最大の亀裂の長さを測定しても良いが、製品において所定の評価範囲を設定し、その評価範囲内に生じた亀裂の中において最大の亀裂の長さを測定しても良い。
評価範囲を設定する場合、評価範囲の位置は、製品の任意の箇所に設定することができるが、その製品において亀裂が生じやすい箇所を含むように設定することが好ましい。当業者であれば、このような箇所を、経験則や計算から求めることができる。また、評価範囲の広さは、任意であるが、例えば、０．３ｍｍ２〜１．０ｍｍ２の範囲内で設定しても良い。
本発明に係る検量線作成方法によれば、ベイナイト組織を有する製品の余寿命を予測するにあたって最大亀裂長さを適用することによって、評価範囲を任意に設定しても、設定の仕方に依存する誤差が極めて少ない検量線を作成できるという有利な効果を奏する。
また、最大亀裂の長さを測定するにあたっては、測定対象である製品の全体を観察し、製品に生じた全ての亀裂の中で最大の亀裂の長さを測定しても良いが、製品において所定の評価範囲を設定し、その評価範囲内に生じた亀裂の中において最大の亀裂の長さを測定しても良い。
評価範囲を設定する場合、評価範囲の位置は、製品の任意の箇所に設定することができるが、その製品において亀裂が生じやすい箇所を含むように設定することが好ましい。当業者であれば、このような箇所を、経験則や計算から求めることができる。また、評価範囲の広さは、任意であるが、例えば、０．３ｍｍ２〜１．０ｍｍ２の範囲内で設定しても良い。
本発明に係る検量線作成方法によれば、ベイナイト組織を有する製品の余寿命を予測するにあたって最大亀裂長さを適用することによって、評価範囲を任意に設定しても、設定の仕方に依存する誤差が極めて少ない検量線を作成できるという有利な効果を奏する。
このようにして求めた第２製品の最大亀裂長さと損傷率との関係を表す検量線を作成することによって、第１製品のクリープ余寿命を予測するための検量線とすることができる。
製品の損傷率とは、その製品の寿命に対して、寿命を決定するのと同じ加熱条件と同じ加圧条件の下でどれだけの時間が経過したのかを表す割合である。ここで、製品の寿命とは、一定の加熱及び一定の加圧によって、その製品が破断するのに要する時間である。製品の寿命は、公知の方法で求めることができ、例えば、その製品と同じ材料から作られた同一構造の製品を、実際に壊れるまで一定に加熱及び加圧することによって測定することができる。
例えば、ある製品の寿命が１００００時間であり、寿命を決定するのと同じ加熱条件と同じ加圧条件の下での経過時間が８０００時間である場合には、損傷率は、８０００÷１００００＝０．８０と求めることができる。逆に、ある製品の寿命が１００００であり、損傷率が０．８０の場合には、寿命を決定するのと同じ加熱条件と同じ加圧条件の下での、その製品の余寿命は、１００００ｘ０．８０＝２０００時間と求めることができる。なお、寿命を決定する条件が複数であった場合、余寿命を予測する場合の加熱条件及び加圧条件は、いずれか一つの条件に一致していれば良い。
製品の損傷率とは、その製品の寿命に対して、寿命を決定するのと同じ加熱条件と同じ加圧条件の下でどれだけの時間が経過したのかを表す割合である。ここで、製品の寿命とは、一定の加熱及び一定の加圧によって、その製品が破断するのに要する時間である。製品の寿命は、公知の方法で求めることができ、例えば、その製品と同じ材料から作られた同一構造の製品を、実際に壊れるまで一定に加熱及び加圧することによって測定することができる。
例えば、ある製品の寿命が１００００時間であり、寿命を決定するのと同じ加熱条件と同じ加圧条件の下での経過時間が８０００時間である場合には、損傷率は、８０００÷１００００＝０．８０と求めることができる。逆に、ある製品の寿命が１００００であり、損傷率が０．８０の場合には、寿命を決定するのと同じ加熱条件と同じ加圧条件の下での、その製品の余寿命は、１００００ｘ０．８０＝２０００時間と求めることができる。なお、寿命を決定する条件が複数であった場合、余寿命を予測する場合の加熱条件及び加圧条件は、いずれか一つの条件に一致していれば良い。
第２製品として、１種類の製品のみを用いても良く、互いに異なる温度で加熱され、かつ、互いに異なる圧力で加圧された少なくとも２種類の製品を用いても良い。この場合、これら２種類の製品のそれぞれについて最大亀裂長さを適宜求め、求めた全ての最大亀裂長さを用いて第２製品の損傷率との関係を求めることによって、検量線を作成する。加熱加圧条件が異なる少なくとも２種類の製品を用いて検量線を作成することによって、検量線の精度を向上させることができる。
加熱加圧条件が異なる少なくとも２種類の製品を用いる場合、これら製品の寿命が、同程度であることが好ましい。同程度とは、２種類以上の製品の寿命が、長い方の寿命を基準として短い方が２５％以内の差であることが好ましく、２０％以内の差であることがより好ましく、１０％以内の差であることがさらに好ましい。当業者であれば、２種類以上の製品の寿命が同程度となるように、各製品に加える温度と圧力とを適切に設定することができる。
例えば、本願の実施例１では、５５０℃で加熱し１４５ＭＰａで加圧した製品と、５２５℃で加熱し２４０ＭＰａで加圧した製品との２種類の製品を用い、これらに共通する関係として、図８に示す近似曲線を、最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線として得た。
加熱加圧条件が異なる少なくとも２種類の製品を用いる場合、これら製品の寿命が、同程度であることが好ましい。同程度とは、２種類以上の製品の寿命が、長い方の寿命を基準として短い方が２５％以内の差であることが好ましく、２０％以内の差であることがより好ましく、１０％以内の差であることがさらに好ましい。当業者であれば、２種類以上の製品の寿命が同程度となるように、各製品に加える温度と圧力とを適切に設定することができる。
例えば、本願の実施例１では、５５０℃で加熱し１４５ＭＰａで加圧した製品と、５２５℃で加熱し２４０ＭＰａで加圧した製品との２種類の製品を用い、これらに共通する関係として、図８に示す近似曲線を、最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線として得た。
このようにして作成した検量線を用いて、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測することができる。
また、本発明に係る、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線を作成する方法は、加熱及び加圧により劣化した１または２以上の第２製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める工程と、得られた結晶粒の数と第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する工程とを含み、第１製品および第２製品がベイナイト組織を有することを特徴としても良い。
即ち、上述した方法において、最大亀裂長さを求める代わりに最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求め、さらに、最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する代わりに、最大亀裂がまたがる結晶粒の数と第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する。
即ち、上述した方法において、最大亀裂長さを求める代わりに最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求め、さらに、最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する代わりに、最大亀裂がまたがる結晶粒の数と第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する。
亀裂がまたがる結晶粒の数とは、亀裂が走る結晶粒界の面または辺の数をいう。亀裂が寸断されている場合には、寸断されている箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、これら両亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、亀裂がまたがる結晶粒の数を求めることが好ましい。このようにみなすことによって、第１製品のクリープ余寿命を精度良く予測できる検量線とすることができる。所定の割合は、例えば、半分であることが好ましい。
亀裂がまたがる結晶粒の数の求め方を、図１を用いて具体的に説明する。ベイナイト組織を有する製品１００において、亀裂１０（図１中に太い線で記載）が複数の結晶粒１に沿って生じている。亀裂１０は途中で寸断されているが、寸断されている箇所の長さ３が、この寸断箇所が隣接する両亀裂のうちの長い方の長さ４の半分以下であることから、亀裂１０は寸断箇所も含めて一つの亀裂であるとみなす。この結果、亀裂１０がまたがる結晶粒の数は６であると求まる。
亀裂がまたがる結晶粒の数の求め方を、図１を用いて具体的に説明する。ベイナイト組織を有する製品１００において、亀裂１０（図１中に太い線で記載）が複数の結晶粒１に沿って生じている。亀裂１０は途中で寸断されているが、寸断されている箇所の長さ３が、この寸断箇所が隣接する両亀裂のうちの長い方の長さ４の半分以下であることから、亀裂１０は寸断箇所も含めて一つの亀裂であるとみなす。この結果、亀裂１０がまたがる結晶粒の数は６であると求まる。
亀裂がまたがる結晶粒の数を測定する方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって製品の表面の組織観察を行うことによって測定しても良い。
また、亀裂がまたがる結晶粒の数を測定するにあたっては、製品の全体を観察し、製品に生じた全ての亀裂の中で最大の亀裂がまたがる結晶粒の数を測定しても良いが、製品において所定の評価範囲を設定し、その評価範囲内に生じた亀裂の中から最大の亀裂がまたがる結晶粒の数を測定しても良い。
評価範囲を設定する場合、評価範囲の位置は、製品の任意の箇所に設定することができるが、その製品において亀裂が生じやすい箇所を含むように設定することが好ましい。当業者であれば、このような箇所を、経験則や計算から求めることができる。また、評価範囲の広さの設定は、任意であるが、例えば、０．３ｍｍ２〜１．０ｍｍ２の範囲内であっても良い。
本発明に係る検量線作成方法によれば、ベイナイト組織を有する製品の余寿命の予測するにあたって、最大亀裂がまたがる結晶粒の数を適用することによって、評価範囲を任意に設定しても、設定の仕方に依存する誤差が極めて少ない検量線を作成できるという有利な効果を奏する。
また、亀裂がまたがる結晶粒の数を測定するにあたっては、製品の全体を観察し、製品に生じた全ての亀裂の中で最大の亀裂がまたがる結晶粒の数を測定しても良いが、製品において所定の評価範囲を設定し、その評価範囲内に生じた亀裂の中から最大の亀裂がまたがる結晶粒の数を測定しても良い。
評価範囲を設定する場合、評価範囲の位置は、製品の任意の箇所に設定することができるが、その製品において亀裂が生じやすい箇所を含むように設定することが好ましい。当業者であれば、このような箇所を、経験則や計算から求めることができる。また、評価範囲の広さの設定は、任意であるが、例えば、０．３ｍｍ２〜１．０ｍｍ２の範囲内であっても良い。
本発明に係る検量線作成方法によれば、ベイナイト組織を有する製品の余寿命の予測するにあたって、最大亀裂がまたがる結晶粒の数を適用することによって、評価範囲を任意に設定しても、設定の仕方に依存する誤差が極めて少ない検量線を作成できるという有利な効果を奏する。
このようにして得られた最大亀裂がまたがる結晶粒の数と、第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成することによって、第１製品のクリープ余寿命を予測するための検量線とすることができる。そして、このようにして作成した検量線を用いて、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測することができる。
＝＝＝クリープ余寿命を予測する方法＝＝
本発明に係る加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法は、製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、得られた最大亀裂長さからその製品の損傷率を求める工程とを含み、製品がベイナイト組織を有することを特徴とする。
例えば、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測するには、以下のようにして行う。
まず、第１製品に生じた最大亀裂の長さを求める。次いで、得られた最大亀裂長さを、上述の方法によって作成した検量線の最大亀裂長さに挿入することによって、対応する製品の損傷率を求めることができる。例えば、対応する損傷率が０．８０であると求まった場合には、第１製品の余寿命は、これまでに加熱及び加圧した時間の２５％であると予測することができる。
本発明に係る加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法は、製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、得られた最大亀裂長さからその製品の損傷率を求める工程とを含み、製品がベイナイト組織を有することを特徴とする。
例えば、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測するには、以下のようにして行う。
まず、第１製品に生じた最大亀裂の長さを求める。次いで、得られた最大亀裂長さを、上述の方法によって作成した検量線の最大亀裂長さに挿入することによって、対応する製品の損傷率を求めることができる。例えば、対応する損傷率が０．８０であると求まった場合には、第１製品の余寿命は、これまでに加熱及び加圧した時間の２５％であると予測することができる。
また、本発明に係る加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法は、製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める工程と、得られた結晶粒の数からその製品の損傷率を求める工程とを含み、製品がベイナイト組織を有することを特徴としても良い。
この場合、例えば、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測するには、以下のようにして行う。
まず、第１製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める。次いで、得られた結晶粒の数を、上述の方法によって作成した検量線における、最大亀裂がまたがる結晶粒の数に挿入する。これにより、対応する製品の損傷率を求めることができる。例えば、対応する損傷率が０．８０であると求まった場合には、第１製品の余寿命は、これまでに加熱及び加圧した時間の２５％であると予測することができる。
この場合、例えば、加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測するには、以下のようにして行う。
まず、第１製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める。次いで、得られた結晶粒の数を、上述の方法によって作成した検量線における、最大亀裂がまたがる結晶粒の数に挿入する。これにより、対応する製品の損傷率を求めることができる。例えば、対応する損傷率が０．８０であると求まった場合には、第１製品の余寿命は、これまでに加熱及び加圧した時間の２５％であると予測することができる。
［実施例１］
クロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られたベイナイト組織を有する円筒管（ＳＴＰＡ２２、外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ、長さ３５．０ｍｍ）を試料として、内圧クリープ試験を行った。１つの試料には、温度５５０℃の条件下で１４５ＭＰａの内圧を加え（試験１）、別の試料には、温度５２５℃の条件下で２４０ＭＰａの内圧を加えた（試験２）。なお、試験１における試料の寿命と、試験２における試料の寿命とは、試験１における試料に対して、試験２における試料の寿命は約２３％短く、同程度であった。
クロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られたベイナイト組織を有する円筒管（ＳＴＰＡ２２、外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ、長さ３５．０ｍｍ）を試料として、内圧クリープ試験を行った。１つの試料には、温度５５０℃の条件下で１４５ＭＰａの内圧を加え（試験１）、別の試料には、温度５２５℃の条件下で２４０ＭＰａの内圧を加えた（試験２）。なお、試験１における試料の寿命と、試験２における試料の寿命とは、試験１における試料に対して、試験２における試料の寿命は約２３％短く、同程度であった。
試験１については、損傷率が、０、０．１１、０．１８、０．２５、０．４７、０．６６、０．７６、０．８５および１．００の時に、また、試験２については、損傷率が、０．００、０．１４、０．２３、０．３２、０．６１、０．８５、０．９８および１．００の時に、試料の組織観察を行った。
具体的には、各試料について、観察毎に評価範囲を定めた。評価範囲の位置の設定は、円筒管において亀裂が生じやすいとされる管の長さ方向の中央部分を含むように設定した。また、評価範囲の面積の設定は、亀裂が１．０ｍｍ２以上の面積にわたる場合には亀裂全体を含むように定め、これ以外の場合には０．３ｍｍ２または１．０ｍｍ２の広さを有するように設定した。
定めた評価範囲について、１０倍、５０倍、１００倍及び４００倍の倍率で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて組織観察をし、評価範囲内に存在するボイドの数、さらに、亀裂が存在した場合には、最も長い亀裂について、最大亀裂長さ、及び、最大亀裂がまたがる結晶粒の数（以下、「拡張Ｍパラメータ」ともいう）を測定した。なお、亀裂が途中で寸断されていた場合には、その寸断されている箇所の各長さが、寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さの半分以下であれば、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、最大亀裂長さ及び拡張Ｍパラメータを求めた。
また、組織観察に加えて、上記各損傷率の時に、試料の長さ方向の中央部分において、試料の外径及びビッカース硬さを測定した。測定した外径からは、損傷率が０の時の外形を基準として膨張率を求めた。
具体的には、各試料について、観察毎に評価範囲を定めた。評価範囲の位置の設定は、円筒管において亀裂が生じやすいとされる管の長さ方向の中央部分を含むように設定した。また、評価範囲の面積の設定は、亀裂が１．０ｍｍ２以上の面積にわたる場合には亀裂全体を含むように定め、これ以外の場合には０．３ｍｍ２または１．０ｍｍ２の広さを有するように設定した。
定めた評価範囲について、１０倍、５０倍、１００倍及び４００倍の倍率で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて組織観察をし、評価範囲内に存在するボイドの数、さらに、亀裂が存在した場合には、最も長い亀裂について、最大亀裂長さ、及び、最大亀裂がまたがる結晶粒の数（以下、「拡張Ｍパラメータ」ともいう）を測定した。なお、亀裂が途中で寸断されていた場合には、その寸断されている箇所の各長さが、寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さの半分以下であれば、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、最大亀裂長さ及び拡張Ｍパラメータを求めた。
また、組織観察に加えて、上記各損傷率の時に、試料の長さ方向の中央部分において、試料の外径及びビッカース硬さを測定した。測定した外径からは、損傷率が０の時の外形を基準として膨張率を求めた。
得られたＳＥＭの像のうち、代表して、試験１における損傷率が０．７６の像を図２に、損傷率が０．８５の像を図３に、及び、損傷率が１．００の像を図４に、並びに、試験２における損傷率が０．７０の像を図５に、損傷率が０．９８の像を図６に、及び、損傷率が１．００の像を図７に示す。
例えば図２（ｂ）が示すように、試験１における損傷率が０．７６の時の最大亀裂は、途中で寸断されているが、寸断されている箇所の長さが、隣接する両亀裂のうち長い方の長さの半分以下であったため、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、最大亀裂長さを５１８μｍと求め、拡張Ｍパラメータを６と求めた。同様に、図３（ａ）が示すように、試験１における損傷率が０．８５の時の最大亀裂は、複数個所が途中で寸断されているが、寸断されている各箇所の長さが、それぞれが隣接する両亀裂のうち長いほうの亀裂の長さの半分以下であったため、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、最大亀裂長さを１．０９ｍｍと求め、拡張Ｍパラメータを１４と求めた。
例えば図２（ｂ）が示すように、試験１における損傷率が０．７６の時の最大亀裂は、途中で寸断されているが、寸断されている箇所の長さが、隣接する両亀裂のうち長い方の長さの半分以下であったため、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、最大亀裂長さを５１８μｍと求め、拡張Ｍパラメータを６と求めた。同様に、図３（ａ）が示すように、試験１における損傷率が０．８５の時の最大亀裂は、複数個所が途中で寸断されているが、寸断されている各箇所の長さが、それぞれが隣接する両亀裂のうち長いほうの亀裂の長さの半分以下であったため、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなして、最大亀裂長さを１．０９ｍｍと求め、拡張Ｍパラメータを１４と求めた。
このようにして、全てのＳＥＭの像から求めたボイドの数、最大亀裂長さ及び拡張Ｍパラメータ、並びに、試料の膨張率及びビッカース硬さの結果を、試験１については表１に、試験２については表２にまとめて示す。
表１及び表２が示すように、評価範囲が１．０ｍｍ２の広さの場合と、０．３ｍｍ２の広さを有する場合とを、同じ損傷率で比較すると、ボイドの個数は面積に比例せず誤差が生じたが、拡張Ｍパラメータの値は同一となった。従って、拡張Ｍパラメータを使用してベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測すれば、評価範囲の設定の仕方による誤差が生じにくく、この結果、クリープ余寿命を精度良く予測できることが示された。
さらに、表１及び表２に基づいて作成した、最大亀裂長さと損傷率との関係を表すグラフを図８に、拡張Ｍパラメータと損傷率との関係を表すグラフを図９に示す。
図８及び図９が示すように、最大亀裂が途中で寸断されている場合に、寸断されている箇所の各長さが、寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さの半分以下であれば、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなした最大亀裂長さを採用することによって、最大亀裂長さと損傷率との間、及び、拡張Ｍパラメータと損傷率との間には、良好な相関関係が存在することが分かる。
これら、最大亀裂長さと損傷率との関係を表す図８、および／または、拡張Ｍパラメータと損傷率との関係を表す図９を用いることによって、実施例１で使用した試料と同一の材料から作られた、ベイナイト組織を有する他の製品のクリープ余寿命を予測することができる。
図８及び図９が示すように、最大亀裂が途中で寸断されている場合に、寸断されている箇所の各長さが、寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さの半分以下であれば、これらの亀裂及び寸断箇所は繋がった一つの亀裂であるとみなした最大亀裂長さを採用することによって、最大亀裂長さと損傷率との間、及び、拡張Ｍパラメータと損傷率との間には、良好な相関関係が存在することが分かる。
これら、最大亀裂長さと損傷率との関係を表す図８、および／または、拡張Ｍパラメータと損傷率との関係を表す図９を用いることによって、実施例１で使用した試料と同一の材料から作られた、ベイナイト組織を有する他の製品のクリープ余寿命を予測することができる。
［実施例２］
実施例２では、実施例１で作成した図８及び図９を用いて、ベイナイト組織を有する円筒管のクリープ余寿命を予測した。
クロムモリブデン鉄鋼鋼材で作られた配管（ＳＴＰＡ２２、ＪＩＳ規格 Ｇ ３４５７「配管用アーク溶接炭素鋼鋼管」）を、火力発電所のボイラで使用できるように、ゆっくりと加熱しながら曲げ加工した。加工した配管の曲がり部分の組織をＳＥＭで検査したところ、ベイナイト組織が生成していた。このようにして加工した配管に対し、５５０℃の温度下で、１４５ＭＰａの内圧を加えた。
実施例２では、実施例１で作成した図８及び図９を用いて、ベイナイト組織を有する円筒管のクリープ余寿命を予測した。
クロムモリブデン鉄鋼鋼材で作られた配管（ＳＴＰＡ２２、ＪＩＳ規格 Ｇ ３４５７「配管用アーク溶接炭素鋼鋼管」）を、火力発電所のボイラで使用できるように、ゆっくりと加熱しながら曲げ加工した。加工した配管の曲がり部分の組織をＳＥＭで検査したところ、ベイナイト組織が生成していた。このようにして加工した配管に対し、５５０℃の温度下で、１４５ＭＰａの内圧を加えた。
ある時間経過したところで、配管の曲がり部分について、ＳＥＭを用いて組織観察した。得られたＳＥＭの像から最大亀裂長さを求めたところ、１．７ｍｍであった。実施例１で作成した図８より、最大亀裂長さが１．７ｍｍの時の損傷率は０．９５であると求まることから、ボイラの配管の曲がり部分の損傷率は０．９５であると予測することができた。即ち、この配管の曲がり部分の余寿命は、現在までの使用時間の約５％であると予測することができた。
同様にして、得られたＳＥＭの像から拡張Ｍパラメータを求めたところ、２５であった。実施例１で作成した図９より、拡張Ｍパラメータが２５の時の損傷率は０．９５であると求まることから、ボイラの配管の曲がり部分の損傷率は０．９５であると予測することができた。即ち、この配管の曲がり部分の余寿命は、現在までの使用時間の約５％であると予測することができた。
１ 結晶粒
２ 亀裂長さ
３ 寸断されている箇所の長さ
４ 寸断箇所が隣接する亀裂のうち長い方の長さ
１０ 亀裂
１００ ベイナイト組織を有する製品
２ 亀裂長さ
３ 寸断されている箇所の長さ
４ 寸断箇所が隣接する亀裂のうち長い方の長さ
１０ 亀裂
１００ ベイナイト組織を有する製品
Claims (9)
- 加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線を作成する方法であって、
加熱及び加圧により劣化した第２製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、
得られた最大亀裂長さと第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する工程とを含み、
第１製品および第２製品がベイナイト組織を有し、
最大亀裂が寸断されている場合に、寸断されている各箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、最大亀裂は寸断されていないものとみなして、最大亀裂長さを求めることを特徴とする、検量線の作成方法。 - 加熱及び加圧により劣化した第１製品のクリープ余寿命を予測する方法に用いる検量線を作成する方法であって、
加熱及び加圧により劣化した第２製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める工程と、
得られた結晶粒の数と第２製品の損傷率との関係を表す検量線を作成する工程とを含み、
第１製品および第２製品がベイナイト組織を有し、
最大亀裂が寸断されている場合に、寸断されている各箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、最大亀裂は寸断されていないものとみなして、最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求めることを特徴とする、検量線の作成方法。 - 所定の割合が半分であることを特徴とする、請求項１または２に記載の検量線作成方法。
- 加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法であって、
前記製品に生じた最大亀裂の長さを求める工程と、
得られた最大亀裂長さから前記製品の損傷率を求める工程とを含み、
前記製品がベイナイト組織を有し、
最大亀裂が寸断されている場合に、寸断されている各箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、最大亀裂は寸断されていないものとみなして、最大亀裂長さを求めることを特徴とする、クリープ余寿命予測方法。 - 加熱及び加圧により劣化した製品のクリープ余寿命を予測する方法であって、
前記製品に生じた最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求める工程と、
得られた結晶粒の数から前記製品の損傷率を求める工程とを含み、
前記製品がベイナイト組織を有し、
最大亀裂が寸断されている場合に、寸断されている各箇所の長さが、その寸断箇所が隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、最大亀裂は寸断されていないものとみなして、最大亀裂がまたがる結晶粒の数を求めることを特徴とする、クリープ余寿命予測方法。 - 所定の割合が半分であることを特徴とする、請求項４または５に記載のクリープ余寿命予測方法。
- 前記製品が中空管であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 前記製品が曲がり部分を有するボイラ用配管であることを特徴とする、請求項７に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 前記加圧が前記製品に内圧を加えることにより行われることを特徴とする、請求項７または８に記載のクリープ余寿命の予測方法。
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