JP5663896B2 - 高温使用部材の靱性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温使用部材の靱性評価方法に関するものである。

発電プラントなどで使用されるタービン装置の構成部品（タービンロータやタービン車室）において、高温高圧の蒸気に曝されることによって靱性の低下が生じることが知られている。
靱性の評価方法としては、シャルピー衝撃試験等の破壊靱性試験が従来から行われていた。しかし従来の方法では、実機から試験片を採取する必要があることから試験可能な範囲や数量が限定されるため、非破壊による靱性評価方法が望まれていた。
一方、タービン部品の非破壊検査法としては、炭化物析出量を用いて破壊エネルギーを評価する方法が知られていた（例えば特許文献１参照）。また本発明者らは、ＣｒＭｏＶ鋼材における特定の炭化物含有量の比率に基づいてクリープ損傷の進行度合いを評価するクリープ損傷評価法を提案した（特許文献２参照）。

特開平９−１９５７９５号公報 特許第３９９７１７８号公報

炭化物析出量を観測する特許文献１記載の評価方法では、定性的評価は可能であるが定量的評価は困難であった。また、特許文献２記載の技術は靱性評価とは全く異なるクリープ損傷の評価法であり、靱性の評価に適用可能であるかは不明であった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、非破壊により簡便に靱性を評価することができる高温使用部材の靱性評価方法を提供することを目的としている。

本発明の高温使用部材の靱性評価方法は、上記課題を解決するために、高温環境で使用される高温使用部材の靱性評価方法であって、未使用状態の前記高温使用部材における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０、若しくは、前記高温使用部材と同一材料により構成された物品の低温使用部位から採取された炭化物における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０を測定する工程と、高温環境で使用された後の前記高温使用部材に含まれる炭化物を採取し、前記炭化物中に含まれる２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ１を測定する工程と、前記含有比率Ｊ１から対照部材の含有比率Ｊ０を差し引いた差分ΔＪを算出する工程と、前記差分ΔＪを用いて破壊エネルギー中央温度の温度変化量ΔＦＡＴＴを算出する工程と、前記温度変化量ΔＦＡＴＴに基づいて前記高温使用部材の靱性を評価する工程と、を有することを特徴とする。

あるいは、本発明の高温使用部材の靱性評価方法は、高温環境で使用される高温使用部材の靱性評価方法であって、未使用状態の前記高温使用部材における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０、若しくは、前記高温使用部材と同一材料により構成された物品の低温使用部位から採取された炭化物における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０を測定する工程と、高温環境で使用された後の前記高温使用部材に含まれる炭化物を採取し、前記炭化物中に含まれる２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ１を測定する工程と、前記含有比率Ｊ１から、予め測定された対照部材の含有比率Ｊ０を差し引いた差分ΔＪを算出する工程と、前記差分ΔＪを用いて破壊エネルギー中央温度の温度変化量ΔＦＡＴＴを算出する工程と、前記温度変化量ΔＦＡＴＴからシフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’を算出する工程と、前記シフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’に基づいて前記高温使用部材の靱性を評価する工程と、を有することを特徴とする。

この靱性評価方法では、析出する炭化物の形態変化を反映する差分ΔＪ（含有比率Ｊ１、Ｊ０の差分）をパラメータとして用いており、さらに上記形態変化は、靱性低下の進行度合と良好な相関を有する。したがって本発明の評価方法によれば、上記形態変化に基づいた高精度な靱性の推定が可能である。
また、炭化物の形態変化の度合を反映した差分ΔＪを用いて評価していることから、評価対象部材における靱性低下の度合を定量的に推定することができる。したがって本実施形態の靱性評価方法を利用することで、評価対象部材の交換、補修の要否等を精度よく管理することができる。
さらに、差分ΔＪに基づいて温度変化量ΔＦＡＴＴを算出し、あるいはさらにシフト後のＦＡＴＴ’を算出している。いずれの指標を用いる場合でも評価対象部材の靱性を温度のパラメータで表現することができるため、管理基準を設定しやすいという利点も得られる。

前記特定炭化物がＦｅ_３ＣとＭ_２３Ｃ_６型炭化物であることが好ましく、前記特定炭化物がＭ_７Ｃ_３型炭化物とＭ_６Ｃ型炭化物であってもよい。ここで、Ｍとは金属のことを表すが、本実施形態では大部分の材質はクロムである。
高温使用部材の使用に伴う損傷の進行とともに、Ｆｅ_３Ｃ型炭化物はＭ_２３Ｃ_６型炭化物に形態が変化し、Ｍ_７Ｃ_３型炭化物はＭ_６Ｃ型炭化物に形態が変化する。前者は鍛鋼において生じる変化であり、後者は鋳鋼において生じる変化である。したがって上記炭化物を特定炭化物として選定することで、高温使用部材の靱性低下の程度を精度よく評価することが可能である。特定炭化物としていずれの炭化物を選択するかは、高温使用部材の種類（組成等）に応じて選択すればよい。本願明細書の実施の形態では評価対象部材がＣｒＭｏＶ鍛鋼であるため、Ｆｅ_３Ｃ型炭化物からＭ_２３Ｃ_６型炭化物への形態変化を観測する場合について説明している。

前記含有比率Ｊ１を測定する工程が、Ｘ線回折分析により得られるチャートにおける２種類の前記特定炭化物のそれぞれのピーク強度から２種類の前記特定炭化物の含有量の比率を算出する工程であることが好ましい。
これにより、特定炭化物の含有量の比率を簡便にかつ精度よく取得することができる。

前記対照部材の含有比率Ｊ０が、未使用状態の前記高温使用部材における２種類の前記特定炭化物の含有比率であることが好ましい。このように予め基準となる含有比率Ｊ０を算出しておくことで、評価対象部材の含有比率Ｊ１を測定するのみで効率良く靱性評価を実施することが可能になる。

前記対照部材の含有比率Ｊ０が、前記高温使用部材と同一材料により構成された物品の低温使用部位から採取された炭化物における２種類の前記特定炭化物の含有比率であることも好ましい。このような評価方法とすれば、未使用状態での特定炭化物の含有比率Ｊ０が存在しない場合であっても靱性評価を実施することが可能になる。

本発明に係る高温使用部材の靱性評価方法によれば、簡便な手法によって精度よく定量的に靱性を評価することができる。

実施形態に係る高温使用部材の靱性評価方法を示すフローチャート。 高温使用部材の組織変化を示す写真。 抽出レプリカ法の説明図。 差分ΔＪの算出方法の説明図。 差分ΔＪと温度変化量ΔＦＡＴＴとの関係を示す図。

図１は、本発明の一実施の形態である高温使用部材の靱性評価方法を示すフローチャートである。
図１に示すように、本実施形態の靱性評価方法は、高温使用部材に含まれる炭化物を採取し、採取した炭化物中に含まれる２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ１を測定する工程Ｓ１０１と、含有比率Ｊ１から、予め測定された対照部材の含有比率Ｊ０を差し引いた差分ΔＪを算出する工程Ｓ１０２と、差分ΔＪを用いて破壊エネルギー中央温度の温度変化量ΔＦＡＴＴを算出する工程Ｓ１０３と、温度変化量ΔＦＡＴＴからシフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’を算出する工程Ｓ１０４と、シフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’に基づいて高温使用部材の靱性を評価する工程Ｓ１０５と、を含む。

本発明において評価対象とされる高温使用部材は、例えば、発電プラントのタービンロータやタービン車室などの５００℃以上の高温環境で使用されるＣｒＭｏＶ鋼材などである。かかる高温使用部材では、クリープ、脆化等の経年的な材料劣化が進行することが知られており、プラント停止時に損傷についての調査が行われている。
高温使用部材において靱性が低下する脆化現象は、経年劣化により金属結晶の粒界炭化物が粗大化し、この粗大化した炭化物を起点として亀裂が発生しやすくなることにより生じることが知られている。

図２は、高温使用部材の一例としてのＣｒＭｏＶ鋼材（鍛鋼）のＳＥＭ写真であり、図２（ａ）は未使用材、図２（ｂ）は損傷材のものである。図２において黒く表示されている粒状の組織が炭化物であり、図２（ａ）に示す未使用材では、微細な炭化物（Ｆｅ_３Ｃ、Ｍｏ_２Ｃ、Ｖ_４Ｃ_３など）が均一に分散されているのに対して、図２（ｂ）の損傷材では、亀裂の起点となりうる粗大な炭化物（Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物；Ｍ＝Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｒ等）が析出している。このように炭化物の形態変化と靱性の低下との間には密接な関係があり、炭化物の形態変化を観測することで靱性の変化を推定することが可能である。

以下、本実施形態の靱性評価方法について具体的に説明する。
まず、含有比率Ｊ１を測定する工程Ｓ１０１における高温使用部材から炭化物を採取する方法としては、任意の方法を用いることができる。特に限定されるものではないが、このような析出物の採取方法として、例えば、従来より一般に用いられている抽出レプリカ法を好ましく用いることができる。

図３は、抽出レプリカ法の概略を示す図である。図３に示すように、抽出レプリカ法は、薄膜１２を評価対象の高温使用部材１０の表面に付着させ、その後剥離することにより薄膜１２が付着した表面の炭化物１１を薄膜１２に転写させる工程（図３（ａ））と、薄膜１２から炭化物１１を回収する工程（図３（ｂ））とを有する採取方法である。

薄膜１２としては、図３に示すように予め用意されたもの（レプリカフィルム）を用いてもよいし、プラスティック液を高温使用部材１０の表面に塗布し、これを乾燥させることにより溶媒を揮発させて薄膜１２を形成してもよい。図３（ａ）には、レプリカフィルム（例えばアセチルセルロースフィルム）からなる薄膜１２を高温使用部材１０の表面に貼り付けた後、剥離することで炭化物１１を薄膜１２に転写する工程が示されている。実際のレプリカ抽出法では、図３（ａ）に示す工程［１］〜［３］を繰り返して行い、精度よく測定ができる程度の量の炭化物１１を回収することが好ましい。
また、薄膜１２を高温使用部材１０の表面に付着させるに際しては、高温使用部材１０の表面にダイヤモンドペースト等を用いた機械的研磨による鏡面処理を施した後、高温使用部材１０の材質に応じたエッチング液（例えば硝酸アルコール溶液）を用いて研磨面を部分的に溶解させ、高温使用部材１０から炭化物１１を脱離させやすくすることが好ましい。

薄膜１２に炭化物１１を転写させた後は、図３（ｂ）に示すように、抽出装置２０を用いて炭化物１１を薄膜１２から回収する。抽出装置２０は抽出液（例えばアセトン）を収容した本体２１と、フィルタ２２を備えた抽出部２３とを備えている。抽出装置２０によれば、抽出液中に薄膜１２を浸漬させることで炭化物１１を薄膜１２から脱離させ、抽出液中に浮遊する炭化物１１をフィルタ２２により回収することができる。
なお、図３に示す抽出装置２０は一例であり、薄膜１２から炭化物１１を回収可能であれば任意の構成の装置を用いることができる。また、抽出装置２０に超音波印加装置等の振動付与手段を設け、炭化物１１を効率良く脱離させられるようにしてもよい。

次に、高温使用部材１０から採取された炭化物１１中の特定炭化物（Ｆｅ_３Ｃ及びＭ_２３Ｃ_６型炭化物、あるいは、Ｍ_７Ｃ_３型炭化物及びＭ_６Ｃ型炭化物）の同定及び定量方法としては、Ｘ線回折や、電子顕微鏡写真とＸＭＡ解析により得られるマッピング画像とを対照させる方法など、種々の方法を用いることができる。これらのうちでも、簡便かつ高精度に同定及び定量を行うことができるという点から、Ｘ線回折による分析を行うことが好ましい。
本実施形態の場合、図３（ｂ）に示す抽出装置２０において炭化物１１を付着させたフィルタ２２をＸ線回折測定に用いることができる。

Ｘ線回折を用いた特定炭化物の同定及び定量は、以下の方法により行うことができる。Ｘ線回折（ＣｕＫα）により炭化物を分析すると、図４に概略形状を示すチャートが得られる。図４（ａ）は未使用材（対照部材）から採取した炭化物を測定した場合のチャートを示し、図４（ｂ）は評価対象部材（所定期間使用後の高温使用部材）から採取した炭化物を測定した場合のチャートを示している。

図４（ａ）（ｂ）に示されるように、所定期間使用後の高温使用部材では、未使用材と比較して、回折角度Ａ（約４５°）の位置の回折強度が相対的に低下し、回折角度Ｂ（約４４．３°）の位置の回折強度が相対的に上昇している。図４（ａ）における回折角度Ａ，Ｂのピークは、いずれもＦｅ_３Ｃに由来するものであるが、図４（ｂ）では、Ｆｅ_３Ｃの他にＭ_２３Ｃ_６型炭化物のピークが確認されており、回折角度Ｂの位置には、Ｆｅ_３ＣのピークにＦｅ_３Ｃの一部が変化したＭ_２３Ｃ_６型炭化物のピークが重畳されている。

なお、図４に示すチャートは特定炭化物がＦｅ_３Ｃ及びＭ_２３Ｃ_６型炭化物である場合のものであり、特定炭化物がＭ_７Ｃ_３型炭化物及びＭ_６Ｃ型炭化物である場合には当然異なる形状のチャートとなる。例えば、製造時の熱処理温度が比較的低い鍛造品ではＦｅ_３Ｃが比較的多く析出し、製造時の熱処理温度が比較的高い鋳造品ではＭ_７Ｃ_３型炭化物が比較的多く析出する。このように評価対象部材の種類によって析出しやすい炭化物が異なるため、より靱性の変化を反映しやすい形態変化を示す特定炭化物を選択することが好ましい。

本実施形態において、評価対象部材における特定炭化物の含有比率Ｊ１は、図４（ｂ）に示す評価対象部材におけるピークＢの位置の回折強度Ｉ_Ｂを、ピークＡの位置の回折強度Ｉ_Ａで除した値（Ｉ_Ｂ／Ｉ_Ａ）である。一方、対照部材における特定炭化物の含有比率Ｊ０は、図４（ａ）に示す評価対象部材におけるピークＢの位置の回折強度Ｉ_Ｂを、ピークＡの位置の回折強度Ｉ_Ａで除した値（Ｉ_Ｂ／Ｉ_Ａ）である。

上記特定炭化物の含有比率Ｊ１、Ｊ０を算出したならば、次に、工程Ｓ１０２において、差分ΔＪ＝Ｊ１−Ｊ０を算出する。その後、工程Ｓ１０３に移行し、差分ΔＪに基づいて評価対象部材のΔＦＡＴＴを算出する。ここで、ΔＦＡＴＴは、ＦＡＴＴ（５０％破面遷移温度）の基準値からの変位幅（℃）であり、部材の脆化の指標として用いることができる。

ΔＦＡＴＴを算出する方法としては、予め実測値に基づいて設定された差分ΔＪとΔＦＡＴＴとの関係式（検量曲線）を用いて演算する方法を例示することができる。検量曲線は例えば以下の方法により作成する。
まず、予め複数のサンプル（未使用材を含む高温使用履歴の異なる複数のサンプル）を用意し、これらについて衝撃試験を実施することによりＦＡＴＴを測定し、測定結果に基づいて温度変化量ΔＦＡＴＴを算出する。その一方で、同一のサンプルについて抽出レプリカ法及びＸ線回折法などを用いて差分ΔＪを算出する。そして、得られたΔＦＡＴＴとΔＪとをプロットし、これらを対応づける検量曲線を作成する。図５は、検量曲線の一例を示す図であり、実測値に基づいて算出された差分ΔＪと温度変化量ΔＦＡＴＴから得られた検量曲線を示している。

差分ΔＪは、高温使用部材に含まれる炭化物の形態変化を反映するパラメータである。先に説明したように、かかる形態変化により生じる粗大化した炭化物が起点となって亀裂が発生することにより高温使用部材の脆化が生じることから、靱性の変化を反映させた温度変化量ΔＦＡＴＴと上記ΔＪとの間には、特に部材のクリープ損傷率が比較的高い（５０％程度以上）領域で良好な相関が見られる。
したがって、予め差分ΔＪと温度変化量ΔＦＡＴＴとの関係（検量曲線）を用意しておけば、評価対象部材から採取した炭化物を測定し、その測定結果から差分ΔＪを算出するという簡便な作業のみで、評価対象部材の温度変化量ΔＦＡＴＴを高精度に推定することができる。

そして、工程Ｓ１０４において、工程Ｓ１０３で取得された温度変化量ΔＦＡＴＴから、高温使用により変化した（シフトした）５０％破面遷移温度ＦＡＴＴ’を算出する。具体的には、未使用材のＦＡＴＴは鋼材の仕様書や先の関数設定の過程で取得できるため、ＦＡＴＴ’＝ＦＡＴＴ＋ΔＦＡＴＴなる式により算出することができる。
このようにしてＦＡＴＴ’を所得することで、続く工程Ｓ１０５において、シフト後のＦＡＴＴ’から評価対象部材の使用温度における靱性を評価することができ、かかる評価に基づいて評価対象部材の交換、補修の要否等を精度よく管理することができる。

なお、上記実施の形態では、温度変化量ΔＦＡＴＴからシフト後のＦＡＴＴ’を算出し、このＦＡＴＴ’に基づいて評価対象部材の靱性を評価することとしたが、温度変化量ΔＦＡＴＴは高温使用部材の靱性低下（脆化）に伴って大きくなるため、予め温度変化量ΔＦＡＴＴと、靱性低下の進行度合とを関連付ける作業を行い、温度変化量ΔＦＡＴＴの値により管理基準を作成しておけば、ＦＡＴＴ’を算出しなくてもよい。

また、上記実施の形態では、特定炭化物の含有比率Ｊ１、Ｊ０の算出に、回折角度Ａ（約４５°）、回折角度Ｂ（約４４．３°）における回折強度を用いたが、計算に用いる回折強度（ピーク）は特定炭化物の種類に応じて選択すればよい。
また、特定炭化物が上記実施形態と同様にＦｅ_３Ｃ及びＭ_２３Ｃ_６型炭化物である場合に、他のピークの回折強度を用いることもできる。例えば、回折角度Ｂにおける回折強度Ｉ_Ｂに代えて、回折角度Ｃ、Ｄにおける回折強度Ｉ_Ｃ、Ｉ_Ｄを用いてもよい。この場合、Ｊ１＝（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）／Ｉ_Ａ、Ｊ０＝Ｉ_Ｃ／Ｉ_Ａとして算出することができる。

また、上記実施の形態では、対照部材として未使用材を用いる場合について説明したが、靱性評価時に未使用材が入手できないこともある。その場合には、評価対象部材と同種の鋼材からなる実機の部位のうち、使用時に高温にならない部位（例えば２００℃以上に加熱されない部位）を対照部材として用いることもできる。高温使用部材の靱性低下は継続的に高温環境に置かれることにより生じるため、低温に保持された部位の鋼材であれば靱性低下はほとんど生じないと考えられ、対照部材として用いることが可能である。

以上、詳細に説明したように、本実施形態の高温使用部材の靱性評価方法によれば、高温使用部材の靱性の変化と良い層間のある炭化物の形態変化を反映した差分ΔＪ（＝Ｊ１−Ｊ０）を用いていることで、使用温度における評価対象部材の靱性を高精度に推定することができる。また、炭化物の形態変化の度合を反映した差分ΔＪを用いて評価していることから、評価対象部材における靱性低下の度合を定量的に推定することができる。したがって本実施形態の靱性評価方法を利用することで、評価対象部材の交換、補修の要否等を精度よく管理することができる。

また、差分ΔＪに基づいて温度変化量ΔＦＡＴＴを算出し、また必要に応じてシフト後のＦＡＴＴ’を算出している。いずれの指標を用いる場合でも評価対象部材の靱性を温度のパラメータで表現することができるため、管理基準を設定しやすいという利点も得られる。

１０ 高温使用部材、１１ 炭化物、１２ 薄膜、２０ 抽出装置、２１ 本体、２２ フィルタ、２３ 抽出部、Ｓ１０１ 特定炭化物の含有比率Ｊ１を測定する工程、Ｓ１０２ 含有比率Ｊ１から、予め測定された対照部材の含有比率Ｊ０を差し引いた差分ΔＪを算出する工程、Ｓ１０３ 差分ΔＪを用いて破壊エネルギー中央温度の温度変化量ΔＦＡＴＴを算出する工程、Ｓ１０４ 温度変化量ΔＦＡＴＴからシフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’を算出する工程、Ｓ１０５ シフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’に基づいて高温使用部材の靱性を評価する工程

Claims (5)

1. 高温環境で使用される高温使用部材の靱性評価方法であって、
   未使用状態の前記高温使用部材における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０、若しくは、前記高温使用部材と同一材料により構成された物品の低温使用部位から採取された炭化物における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０を測定する工程と、
   高温環境で使用された後の前記高温使用部材に含まれる炭化物を採取し、前記炭化物中に含まれる前記２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ１を測定する工程と、
   前記含有比率Ｊ１から前記含有比率Ｊ０を差し引いた差分ΔＪを算出する工程と、
   前記差分ΔＪを用いて破壊エネルギー中央温度の温度変化量ΔＦＡＴＴを算出する工程と、
   前記温度変化量ΔＦＡＴＴに基づいて前記高温使用部材の靱性を評価する工程と、
   を有することを特徴とする高温使用部材の靱性評価方法。
2. 高温環境で使用される高温使用部材の靱性評価方法であって、
   未使用状態の前記高温使用部材における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０、若しくは、前記高温使用部材と同一材料により構成された物品の低温使用部位から採取された炭化物における２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ０を測定する工程と、
   高温環境で使用された後の前記高温使用部材に含まれる炭化物を採取し、前記炭化物中に含まれる前記２種類の特定炭化物の含有比率Ｊ１を測定する工程と、
   前記含有比率Ｊ１から前記含有比率Ｊ０を差し引いた差分ΔＪを算出する工程と、
   前記差分ΔＪを用いて破壊エネルギー中央温度の温度変化量ΔＦＡＴＴを算出する工程と、
   前記温度変化量ΔＦＡＴＴからシフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’を算出する工程と、
   前記シフト後の破壊エネルギー中央温度ＦＡＴＴ’に基づいて前記高温使用部材の靱性を評価する工程と、
   を有することを特徴とする高温使用部材の靱性評価方法。
3. 前記特定炭化物がＦｅ_３ＣとＭ_２３Ｃ_６型炭化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温使用部材の靱性評価方法。
4. 前記特定炭化物がＭ_７Ｃ_３型炭化物とＭ_６Ｃ型炭化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温使用部材の靱性評価方法。
5. 前記含有比率Ｊ１を測定する工程が、Ｘ線回折分析により得られるチャートにおける２種類の前記特定炭化物のそれぞれのピーク強度から２種類の前記特定炭化物の含有量の比率を算出する工程であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の高温使用部材の靱性評価方法。