JP5752061B2 - 配管の寿命の評価基準設定方法及び配管の寿命評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管の寿命の評価基準設定方法及び配管の寿命評価方法に関する。

陸用ボイラ、舶用ボイラ及び化学プラント等で用いられる配管には、ボイラの伝熱管のように、高温・高圧下で長時間使用されるものがある。
この種の配管は、クリープ損傷によって徐々に膨張し、外径歪み（外径クリープ歪み）が生ずる。外径歪みと配管の寿命とは相関があることが知られている。例えば、特許文献１の図７には、２．２５（ｗｔ％）Ｃｒ−１（ｗｔ％）Ｍｏ綱の６００℃、内圧１０ｋｇ／ｍｍ^２での円筒の外径クリープ歪み曲線が示されている。この外径クリープ歪み曲線によれば、２．２５（ｗｔ％）Ｃｒ−１（ｗｔ％）Ｍｏ綱からなる配管を、６００℃、内圧１０ｋｇ／ｍｍ^２で使用したときに、外径クリープ歪みから配管の寿命を正確に予測することができると考えられる。

特開昭６３−１５７０５８号公報

しかしながら、配管は種々の材料からなり、温度や内圧等の配管の使用条件も様々である。配管の種類や使用条件毎に、外径クリープ歪み曲線を実験的に取得することは困難であり、費用も膨大になる。このため、現実には、配管の寿命の評価基準として、実験的に取得した外径クリープ歪み曲線を用いることは困難である。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされ、その目的とするところは、クリープ破壊によって規定される配管の寿命の評価基準を正確且つ容易に設定することができる、配管の寿命の評価基準設定方法、及び、当該評価基準設定方法によって求められた外径歪み−寿命関数に基づいて、配管の寿命を正確且つ容易に評価する配管の寿命評価方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明の一態様によれば、クリープ破壊によって規定される配管の寿命を評価するために用いられる評価基準の設定方法であって、評価対象の配管と同じ材料からなる丸棒の引っ張り試験の結果に基づいて、前記配管の外径歪みと前記配管の寿命の関係を表す外径歪み−寿命関数を前記評価基準として求める工程を備えることを特徴とする配管の寿命の評価基準設定方法が提供される。

本発明の一態様の配管の寿命の評価基準設定方法では、丸棒の引っ張り試験の結果に基づいて、配管の外径歪みと配管の寿命の関係を示す、外径歪み−寿命関数が求められる。外径歪み−寿命関数を用いれば、配管の外径を測定して外径歪みを求めれば、配管の余寿命を推定することができる。そして、推定された余寿命が短ければ、配管の交換等の必要な対応を行うことができる。

あるいは、外径歪み−寿命関数を用いれば、残存すべき配管の余寿命を予め設定し、該余寿命に対応する外径歪みの許容値を求めることができる。そして、外径歪みの許容値を基準として、配管の管理を行うことができる。例えば、外径歪みが許容値以内であれば、特に対応することなく経過観察を行い、許容値を超えた場合に必要な対応をとればよい。

好ましくは、前記外径歪み−寿命関数は、次式で表される。

ここで、上記式中の、ｄε_θ／ｄｔは配管の周方向歪み速度を表し、ε_θは配管の周方向歪み（外径歪み）を表し、σ_θは周方向応力を表し、ｋ及びｎはそれぞれ定数を表し、そして、ｋ（σ_θ）^ｎは、丸棒の引っ張り試験により求められる、単軸歪み速度（ｄε／ｄｔ＝ｋ（σ）^ｎ）を表す。
この構成によれば、丸棒の単軸歪み速度に係数３^{（ｎ＋１）／２}×２^{−（ｎ＋１）}を乗じることで、配管の外径歪みと寿命の関係を正確に表す、外径歪み−寿命関数を容易に求めることができる。

また、上記した目的を達成するために、本発明の一態様によれば、配管の外径を測定して外径歪みを求める外径歪み測定工程と、上述した配管の寿命の評価基準設定方法によって求められた外径歪み−寿命関数に、前記外径歪み測定工程で求められた外径歪みを当てはめて、前記配管の寿命を評価する寿命評価工程と、を備えることを特徴とする配管の寿命の評価方法が提供される。

本発明の一態様の配管の寿命の評価方法によれば、外径歪み測定工程で求められた外径歪みを外径歪み−寿命関数に当てはめることによって、配管の余寿命を正確に推定することができる。従って、配管の交換等の必要な対応を適切なタイミングで実行することができる。

好ましくは、配管の寿命の評価方法は、標準ゲージを用いて、複数の配管の中から外径を測定すべき配管を選択するスクリーニング工程を更に備え、前記標準ゲージは、相互に離間した２つの基準面を有し、前記基標面の間隔は、前記外径歪み−寿命関数に所定の寿命消費率を当てはめて得られる、外径歪みの許容値に対応して設定される。

この構成によれば、寿命を評価すべき配管が多数存在していても、スクリーニング工程で標準ゲージを用いて、外径を測定すべき配管の数を絞り込むことができる。この際、標準ゲージの基準面の間隔を、外径歪み−寿命関数に基づいて設定することによって、外径を測定すべき配管の数を的確に絞り込むことができる。

好ましくは、前記標準ゲージの前記基準面は、評価対象の配管の長手方向に一致させられるべき方向にて、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さをそれぞれ有する。
この構成によれば、基準面は、配管を挟んだときに、配管に対して長手方向に沿って線接触する。この結果として、基準面の離間方向が配管の直径方向に正確に一致し、配管の外径が正確且つ容易に検査される。

本発明によれば、クリープ破壊によって規定される配管の寿命の評価基準を正確且つ容易に設定することができる、配管の寿命の評価基準設定方法、及び、当該評価基準設定方法によって求められた外径歪み−寿命関数に基づいて、配管の寿命を正確且つ容易に評価する配管の寿命評価方法を提供が提供される。

本発明の一実施形態に係る配管クリープ破壊検査方法の手順を概略的に示すフローチャートである。 図１中のスクリーニング工程で用いられる標準ゲージを概略的に示す平面図である。 図２の標準ゲージを概略的に示す斜視図である。 図１中のスクリーニング工程を説明するための図である。 図１中の寿命評価工程で用いられる外径歪み−寿命関数を示す図である。 ＮＩＭＳが提供している丸棒引張試験結果を示す図である。 図６の丸棒引張試験結果に基づいて求められた外径歪み−寿命関数を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

＜配管クリープ破壊検査方法＞
図１は、一実施形態の配管クリープ破壊検査方法の手順を概略的に示すフローチャートである。検査対象の配管の種類は特には限定されないが、配管は、例えば、陸用ボイラ、舶用ボイラ又は化学プラント等で用いられる配管である。本実施形態では、配管は、ボイラの伝熱管であり、伝熱管は高温・高圧下で使用される。

配管クリープ破壊検査方法は、スクリーニング（選択）工程Ｓ１０、外径歪み測定工程Ｓ１２、寿命評価工程Ｓ１４、亀裂確認工程Ｓ１６、及び、交換範囲確認工程Ｓ１８を有する。
＜スクリーニング工程＞
スクリーニング工程Ｓ１０では、図２及び図３に示す標準ゲージ１０を用いて配管１６の外径が基準値以上であるか否かが検査される。図２及び図３は、それぞれ標準ゲージ１０を概略的に示す平面図及び斜視図である。

標準ゲージ１０は、略Ｕ字形状を有し、測定方向に相互に離間した２つの基準面１２，１４を有する。基準面１２，１４は、測定方向に対し垂直な平坦面からなる。基準面１２，１４の間隔ｄは、所定の基準値に設定されている。

好ましくは、検査対象の配管の軸線方向（長手方向）に一致させられるべき方向での基準面１２，１４の長さＴは、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。
また好ましくは、標準ゲージ１０は、６０以上６５以下のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を有し、或いは、６９７以上８３２以下のビッカース硬さ（ＨＶ）を有する。そのために、好ましくは、標準ゲージ１０は、焼き入れされた合金工具綱からなる。

図４は、スクリーニング工程Ｓ１０を説明するための図である。図４では、検査対象の複数の配管１６が、相互に並列に配列された状態で、ヘッダ管（管寄せ）１８に接続されている。スクリーニング工程Ｓ１０では、標準ゲージ１０の基準面１２，１４で配管１６の外周面を挟んだ状態で、標準ゲージ１０を配管１６の長手方向に移動させることによって、配管１６の膨張部を探す。また、標準ゲージ１０の基準面１２，１４で配管１６の外周面を挟んだ状態で、標準ゲージ１０を配管１６の周方向に回転させることで、膨張方向を探す。標準ゲージ１０の移動又は回転が妨げられることによって膨張部又は膨張方向が発見される。

＜外径歪み測定工程＞
外径が基準値を超えている配管１６については、外径歪み測定工程Ｓ１２にて、外径歪み（周方向歪みε_θ）が測定によって求められる。具体的には、配管１６の膨張部の膨張方向での直径Ｄ１がノギスを用いて測定される。そして、測定された直径Ｄ１と配管１６の仕様上又は使用前の直径Ｄ０との差（Ｄ１−Ｄ０）をＤ０で除算して、得られた商（Ｄ１−Ｄ０）／Ｄ０を百分率で表示した値が外径歪みである。

＜寿命評価工程＞
続いて、寿命評価工程Ｓ１４が実行される。寿命評価工程Ｓ１４では、外径歪み測定工程Ｓ１２で求められた外径歪みの値を後述する外径歪み−寿命関数に代入して、配管１６の余寿命の推定値が求められる。そして、配管１６の余寿命の推定値が、次回の検査まで有るか否かが判定される。

＜亀裂確認工程＞
寿命評価工程Ｓ１４での判定の結果、余寿命の推定値が次回の検査まで有る配管１６については、亀裂確認工程Ｓ１６にて、亀裂の有無が検査される。亀裂の有無の検査方法としては、磁粉探傷試験(ＭＴ： Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ)又はレプリカ法等を用いることができる。

＜交換範囲確認工程＞
亀裂確認工程Ｓ１６で亀裂が発見された場合、又は、寿命評価工程Ｓ１４での判定の結果、余寿命の推定値が次回の検査まで無かった場合、交換範囲確認工程Ｓ１８が行われる。交換範囲確認工程Ｓ１８では、いずれの配管１６を交換するかが決定される。そして、決定に従って、配管１６が交換される。
交換範囲確認工程Ｓ１８が終了すると、配管クリープ破壊検査方法が終了するが、スクリーニング工程Ｓ１０で、外径が基準値以上の配管１６が無かった場合、あるいは、亀裂確認工程Ｓ１６で亀裂が発見されなかった場合にも、配管クリープ破壊検査方法が終了する。

＜外径歪み−寿命関数及びその求め方（配管寿命評価基準の設定方法）＞
寿命評価工程Ｓ１４で用いられる外径歪み−寿命関数は、クリープ破壊で規定される配管１６の寿命を判定するための基準（配管寿命評価基準）である。クリープ破壊で規定される寿命とは、破壊の主因がクリープ破壊であるという意味である。

図５は外径歪み−寿命関数を示すグラフである。図５のグラフの縦軸は外径歪み（周方向歪み）であり、横軸は寿命消費率である。寿命消費率の単位はｔ／ｔｒであり、ｔは現在までの経過時間、ｔｒはクリープ破壊までの時間である。つまり横軸は、ｔｒを用いて規格化されているが、規格化せずに単なる時間ｔであってもよい。
外径歪み−寿命関数は次式（１）にて表される。

ここで、式（１）中、ｄε_θ／ｄｔは配管１６の周方向歪み速度を表しており、ε_θは配管１６の周方向歪み（外径歪み）を表しており、σ_θは周方向応力を表しており、そして、ｋ及びｎはそれぞれ定数を表している。
また、式（１）中のｋ（σ_θ）^ｎは、配管１６と同じ材料からなる丸棒の引っ張り試験により求められる、単軸歪み速度（ｄε／ｄｔ＝ｋ（σ）^ｎ）を表している。単軸歪み速度は、図５中に、丸棒引張試験結果として示されている。
つまり、外径歪み−寿命関数は、丸棒の単軸歪み速度に係数３^{（ｎ＋１）／２}×２^{−（ｎ＋１）}を乗じることで求めることができる。定数ｋ及びｎは、丸棒引張試験結果をｋ（σ_θ）^ｎを用いて近似することによって、それぞれ求めることができる。

なお、図５中の丸棒引張試験結果は、材料がＨＣＭ１２Ａで温度が６５０℃の場合であり、この場合、係数３^{（ｎ＋１）／２}×２^{−（ｎ＋１）}は０．５１になる。丸棒引張試験結果は、自ら丸棒引張試験を実施して取得してもよいが、独立行政法人物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ）等が提供している公のデータを入手してもよい。丸棒試験結果の場合、図５の縦軸は単軸歪みである。

式（１）は、以下に示すように式（２）に式（３）を代入し、代入後の式を整理することによって求められる。式（２）は、ノートン則を応用して内圧を受ける円筒１６のクリープ速度を表す式であり、Ｓ_ｉｊは、偏差応力テンソルである。式（３）は、相当応力σ_ｅと周方向応力σ_θの関係を表す式である。

また、図５には、２つの内圧クリープ試験結果（ｎ＝１，２）と、内圧クリープ試験結果から求めた近似曲線を示している。図５に示すように、寿命消費率が約０．７までの範囲では、外径歪み−寿命関数は近似曲線と良く一致している。そして、寿命消費率が約０．８までの範囲では、外径歪み−寿命関数と近似曲線の誤差は１０％程度である。
図５の外径歪み−寿命関数によれば、例えば、外径歪みの測定値が１．０％であれば、寿命消費率が約０．７７であることがわかり、寿命消費率から余寿命がわかる。

また、外径歪み−寿命関数は、スクリーニング工程Ｓ１０での基準値、換言すれば、外径歪みの許容値の設定にも用いることができる。
例えば、配管１６の寿命消費率が０．６未満であれば、無条件に交換の必要が無いとすれば、外径歪み−寿命関数によれば、外形歪みが約０．６６％未満の配管１６については交換の必要が無いことになる。

具体的には、配管１６の仕様上の外径が４０ｍｍであれば、現在の外径が４０．２６４ｍｍ未満であれば、交換の必要が無いことになる。そこで、余裕をみて、外径歪みの許容値に４０．２ｍｍを設定し、間隔ｄが４０．２ｍｍの標準ゲージ１０を用いてスクリーニング工程Ｓ１０を行えば、交換が必要無い配管１６と、交換が必要になるかもしれない配管１６とを簡単に選別することができる。

図６は、ＮＩＭＳが提供している丸棒引張試験結果を示しており、図７は、図６の丸棒引張試験結果に基づいて得られた外径歪み−寿命関数を示している。なお、図６の丸棒引張試験結果は、いずれも材料がＨＳＭ１２Ａのものである。丸棒引張試験条件を表１に示す。

図６から、同じ材料であっても、任意の寿命消費率での単軸歪みの大きさは、試験条件に依存して大きく変化することがわかる。これに対し、図７からは、同じ材料であれば、任意の寿命消費率での外径歪みの大きさは、試験条件に依存してそれ程変化せず、外径歪み−寿命関数の試験条件に対する依存性は、単軸歪みと比べて相対的に小さいことがわかる。これより、外径歪み−寿命関数を評価基準として用いる場合、基礎とする丸棒試験結果の試験条件は、配管１６の現実の使用環境に対応しているのが好ましいが、厳密に一致している必要は必ずしもないことがわかる。

上述した一実施形態の配管クリープ破壊検査方法をボイラの定期検査に適用した場合、例えば、スクリーニング工程Ｓ１０では１本のヘッダ管１８当たり６００本の配管１６が検査される。そして、ボイラの運転条件等にもよるが、スクリーニング工程Ｓ１０によれば、例えば、外径が基準値を超えている配管１６が、１本のヘッダ管１８当たり約１００本発見される。
そして、これら約１００本の配管１６について、外径歪み測定工程Ｓ１２で外径が測定され、寿命評価工程Ｓ１４で余寿命が評価される。そして、例えば、約３０本の配管１６について亀裂確認工程Ｓ１６が行われる。

上述した一実施形態の配管クリープ破壊検査方法では、予め、外径歪み−寿命関数が配管寿命評価基準の設定方法によって求められている。配管寿命評価基準の設定方法では、丸棒の引っ張り試験の結果に基づいて、外径歪み−寿命関数が求められる。外径歪み−寿命関数を用いれば、配管１６の外径を測定して外径歪みを求めれば、配管１６の余寿命を正確に推定することができる。そして、推定された余寿命が短ければ、配管１６の交換等の必要な対応を行うことができる。

あるいは、外径歪み−寿命関数を用いれば、残存すべき配管１６の余寿命を予め設定し、該余寿命に対応する外径歪みの許容値を求めることができる。そして、外径歪みの許容値を基準として、配管１６の管理を行うことができる。例えば上述したように、外径歪みの許容値に対応する間隔を有する標準ゲージ１０を用いてスクリーニング工程Ｓ１０を実行し、外径が許容値以内であれば、特に対応することなく経過観察を行い、許容値を超えた場合に、必要な対応をとればよい。

上述した一実施形態の配管クリープ破壊検査方法では、式（１）で表される外径歪み−寿命関数が用いられている。この外径歪み−寿命関数は、配管の外径歪みと寿命の関係を正確に表す一方で、容易に求めることができる。従って、この配管クリープ破壊検査方法では、配管の寿命が正確且つ容易に評価される。そしてこの結果として、配管の交換等の必要な対応を適切なタイミングで行うことができる。

上述した一実施形態の配管クリープ破壊検査方法では、検査すべき配管１６が多数存在していても、スクリーニング工程Ｓ１０で標準ゲージ１０を用いて、外径を測定すべき配管１６の数を絞り込むことができる。この際、標準ゲージ１０の基準面の間隔を、外径歪み−寿命関数に基づいて設定することによって、外径を測定すべき配管１６の数を的確に絞り込むことができる。

上述した一実施形態の配管クリープ破壊検査方法では、好ましい態様として、標準ゲージ１０の基準面１２，１４が、検査対象の配管１６の長手方向に一致させられるべき方向にて、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さＴをそれぞれ有する。このため、基準面１２，１４は、配管１６を挟んだときに、配管１６に対して長手方向に沿って線接触する。この結果として、標準ゲージ１０の測定方向、即ち基準面１２，１４の離間方向が配管１６の直径方向に正確に一致し、配管１６の外径が正確且つ容易に検査される。

本発明は、上述した一実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、スクリーニング工程Ｓ１０は、標準ゲージ１０を用いて行うのが好ましいが、ノギスを用いて行ってもよい。また、検査対象の配管１６の数が少なければ、スクリーニング工程Ｓ１０を省略してもよい。
また、外径歪み−寿命関数は式（１）で示されるものが好ましいが、式（１）に若干の変更を加えたものであってもよい。

１０ 標準ゲージ
１２ 基準面
１４ 基準面
１６ 配管
１８ ヘッダ管

Claims (4)

1. クリープ破壊によって規定される配管の寿命を評価するために用いられる評価基準の設定方法であって、
   評価対象の配管と同じ材料からなる丸棒の引っ張り試験の結果に基づいて、前記配管の外径歪みと前記配管の寿命の関係を表す外径歪み−寿命関数を前記評価基準として求める工程を備え、
   前記外径歪み−寿命関数は、次式：
   

   

   
   で表され、式中、ｄε _θ ／ｄｔは配管の周方向歪み速度を表し、ε _θ は配管の周方向歪みを表し、σ _θ は周方向応力を表し、ｋ及びｎはそれぞれ定数を表し、そして、ｋ（σ _θ ） ^ｎ は丸棒の引っ張り試験により求められる単軸歪み速度を表す、
   ことを特徴とする配管の寿命の評価基準設定方法。
2. 配管の外径を測定して外径歪みを求める外径歪み測定工程と、
   請求項１に記載の配管の寿命の評価基準設定方法によって求められた外径歪み−寿命関数に、前記外径歪み測定工程で求められた外径歪みを当てはめて、前記配管の寿命を評価する寿命評価工程と、
   を備えることを特徴とする配管の寿命の評価方法。
3. 標準ゲージを用いて、複数の配管の中から外径を測定すべき配管を選択するスクリーニング工程を更に備え、
   前記標準ゲージは、相互に離間した２つの基準面を有し、
   前記基準面の間隔は、前記外径歪み−寿命関数に所定の寿命消費率を当てはめて得られる、外径歪みの許容値に対応して設定される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の配管の寿命の評価方法。
4. 前記標準ゲージの前記基準面は、評価対象の配管の長手方向に一致させられるべき方向にて、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さをそれぞれ有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の配管の寿命の評価方法。

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