JP5783553B2

JP5783553B2 - 配管寿命決定方法

Info

Publication number: JP5783553B2
Application number: JP2011037482A
Authority: JP
Inventors: 平川　裕一; 裕一平川; 新吾伊達; 正義中井; 川浪　精一; 精一川浪; 是木村; 吉田　博明; 博明吉田; 壮男徳本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: JP2012173217A

Description

本発明は、配管の損傷状態から寿命を決定する配管寿命決定方法に関する。

蒸気タービンやボイラ等の高温配管には、使用温度によって低合金鋼や高クロム鋼が使用されており、材料が変わる接合部には低合金鋼と高クロム鋼との異材溶接継手が存在する。配管の溶接部は、高温・長時間の使用に伴って主としてクリープ損傷に起因する経年劣化が進行し、特に異材溶接継手における溶接部（以下、異材溶接継手部という）では継手界面損傷の発生が懸念される。このため配管の溶接部では、損傷の有無を定期的又は稼動状況等に応じて検査し、検査結果に基づいて必要に応じて配管の寿命を診断している。損傷の検査としては、例えば、配管表面からレプリカや抽出レプリカを採取して金属組織から劣化状態を評価する方法がある（例えば、特許文献１参照）。また、異材継手を対象とした手法では、水蒸気酸化スケールの厚さが温度と時間の関数であることに基づいて、水蒸気酸化スケールの厚さから、高温状態にあることで生じるクリープ疲労で発生するき裂による損傷度を評価診断する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、溶接継手内面の検査方法としては、超音波探傷検査法（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ、以下、「ＵＴ検査」と称する。）を用いた配管の損傷の検査方法が知られている。このＵＴ検査は、図９に示すように、配管１に発信用探触子２と受信用探触子３とを配管１の軸線方向に沿って溶接部４を跨いで配置し、発信用探触子２から超音波を発信し、配管１の溶接部４で反射した反射波を受信用探触子３で受信する。そして、図１０に示すように、受信用探触子３で受信した反射波の強度を検出し、ピークＰの存在から、内部損傷の有無や位置などを検出する。

特許第２０８４６２２号公報特開２００３−９０５０６号公報

しかしながら、特許文献１による方法では、主として共材溶接継手の熱影響部が評価対象であり、異材溶接継手部における界面の経年劣化事象には直接利用できなかった。また、特許文献２による方法では、特定の温度履歴によって水蒸気酸化スケールが析出する場合だけしか検出することができず、確実に損傷の発生を検出することはできなかった。

さらに、上記の溶接継手内面のＵＴ検査による方法では、発信用探触子２から発信された超音波が溶接部４と配管１の母材との界面５で反射される場合もあり、必ずしも効果的に損傷を検出することができなかった。また、検出できる損傷は配管１の内部の損傷に限られていた。すなわち、配管１に発生するクラック等は、場合によっては配管の中（肉厚中）には損傷が発生せず、先に配管表面に損傷が発生し始める場合がある。このような場合に、ＵＴ検査法だけでは、損傷状態の把握並びに寿命診断を的確に行うことが困難であるという問題が生じていた。特に、低合金鋼と高クロム鋼との材料組合せにおける溶接金属には、高クロム鋼と低合金鋼の中間の線膨張係数を持つインコネル系材料(Ni基合金)が溶接材料に用いられる場合があり、溶接金属中の超音波透過性が悪いためにこの場合は溶接金属を介しての超音波探傷が困難である。

そこで、本発明は、配管の異材溶接継手部における界面に生じる経年劣化による損傷状態を的確に把握することができる配管寿命決定方法を提供することを目的とする。

さらに、その損傷具合に応じて配管の異材溶接継手部の寿命を的確に決定することができる配管寿命決定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、本発明は、配管の異材溶接継手部の界面における損傷を検査し、配管の寿命を決定する方法であって、レプリカフィルムを用いて前記界面の表面の損傷に関わる情報を採取して損傷の発生状態に関する情報を取得する表面観察ステップと、
超音波を発信する発信部と超音波を受信可能な受信部とを有するプローブを用いて前記発信部から前記異材溶接継手部の界面に向けて超音波を発信し、前記受信部で反射波を受信することで前記界面の内部の損傷の発生状態に関する情報を取得する内部観察ステップと、前記表面観察ステップと前記内部観察ステップとで取得した損傷の発生状態に関する情報に基づいて配管の寿命を決定する寿命決定ステップと、を備え、前記表面観察ステップは、前記界面の表面における特定析出物の面積率を測定する手順と、ボイドの存在及び大きさを測定する手順と、を有し、前記内部観察ステップは、前記界面の内部におけるボイドの存在及び大きさを測定する手順を有し、前記寿命決定ステップは、前記表面観察ステップ及び前記内部観察ステップにおいて前記ボイドが測定されなかった場合に、前記表面における前記特定析出物の面積率に基づき前記配管のき裂発生までの寿命を決定し、前記表面観察ステップまたは前記内部観察ステップにおいて前記き裂が測定された場合に、前記き裂の大きさから得られる前記配管の肉厚方向き裂長さに基づき前記配管の寿命を決定する、ことを特徴とする。

本発明の配管寿命決定方法によれば、表面観察ステップで、配管の表面の損傷の発生状態に関する情報が取得される。また、内部観察ステップでは、プローブの受信部での超音波の検出結果に基づいて配管の内部の損傷の発生状態に関する情報が取得される。ここで、プローブとして発信部と受信部とを有するものを用いることで、異材溶接継手部を境にして一方側から超音波を発信し、また異材溶接継手部の界面での反射波を受信し、当該反射波の特性から損傷を検出することとなる。このため、異材溶接継手部が超音波を高い比率で反射させてしまうとしても、その信号の健全部の信号と損傷部との信号比較が可能なため、的確に異材溶接継手部の界面における損傷を検出することができる。図１０の検査法の場合は、界面５からの信号は受信することができないため、界面信号と損傷部との識別ができない。そして、診断ステップでは、表面観察ステップと内部観察ステップとで取得した損傷の発生状態に関する情報に基づいて配管の損傷度合いを診断することで、配管の異材溶接継手部の界面における損傷状態を的確に把握することができる。

本発明の配管寿命決定方法によれば、配管の異材溶接継手における界面の損傷具合に応じて配管の寿命を的確に決定することができる。

本発明では、配管の異材溶接継手における界面に生じる経年劣化による損傷状態を的確に把握することができる。

本発明の一実施形態に関わる配管検査方法及び配管寿命決定方法に採用される検査方法の一例の説明図である。リニアフェーズドアレイプローブを用いた場合の配管断面方向の説明図である。リニアフェーズドアレイプローブを用いた場合の配管斜視図である。リニアフェーズドアレイプローブを用いた場合の検出結果であるタンデムニリア探傷画像の説明図である。本発明の一実施形態に関わる配管検査方法から配管寿命決定方法に至るルーチンのフロー図である。（Ａ）は析出物の発生状態の一例を示す説明図、（Ｂ）は析出物の解析結果のグラフ図である。析出物の発生とき裂の発生との関係を時系列で示すグラフ図である。配管肉厚方向のき裂長さと貫通時間との相対関係を示すグラフ図である。一対の発信子と受信子とを用いた場合の配管斜視図である。一対の発信子と受信子とを用いた場合のグラフ図である。

次に、本発明の一実施形態に係る配管検査方法及び配管寿命決定方法について、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施例は本発明の配管検査方法及び配管寿命決定方法における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は本発明の一実施形態に関わる配管検査方法及び配管寿命決定方法に採用される検査方法の一例の説明図、図２は本発明の一実施形態に関わる配管検査方法から配管寿命決定方法に至るルーチンのフロー図である。

尚、本発明の配管検査方法及び配管寿命決定方法には、後述するステップで取得したデータが入力されると共に、その入力データに基づいて損傷有無（位置）・損傷の度合い、寿命決定を判定するためのプログラムを格納した電子計算機（パーソナルコンピュータ等）を用いるが、ここではその図示や詳細な説明は省略する。

図１において、１０は一方の配管（母材）、１１は他方の配管（母材）、１２は異材溶接継手部を形成する溶接金属、１３はボイドの結合、１４はボイドである。尚、本実施の形態においては、配管１０は高クロム鋼、配管１１は低合金鋼、溶接金属１２はニッケル基合金である。

ところで、一般的な経年劣化の損傷パターンとしては、ボイド発生→ボイド成長及び増加→ボイドの結合→き裂の生成→巨視的なき裂の進展、であるが、図１においては、説明の便宜上、配管１０と溶接金属１２との表面寄りの界面付近にボイドの結合１３が発生し、配管内部界面付近に多数のボイド１４が発生している状態で区別して図示している。したがって、以下の説明では、ボイド１４の固有の場合を除き、ボイドの結合１３にはボイド１４が含まれるものとして説明する。

このようなボイドの結合１３は、その表面での発生状況はレプリカフィルム１５によって、その内部での発生状況はリニアフェーズドアレイプローブ１６によって検出される。

リニアフェーズドアレイプローブ１６は、図２に示すように、複数の発信子２１〜２６を直線状に配置した発信部２０と、この発信子２１〜２６と同数で１対１で対応した複数の受信子３１〜３６を配置した受信部３０とを一体に備え、各発信子２１〜２６から発信された超音波を受信子３１〜３６で受信する。この送・受信走査は電子スキャンにより高速に行われる。リニアフェーズドアレイプローブ１６は、図３に示すように、配管１０（１１）の周方向全周にずらすことによって配管１０（１１）の全周を検査することができる。損傷信号を受信した場合は、図４に示すように、タンデムニリア探傷画像として取得することができる。尚、図４に示した例では、三箇所にき裂画像１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが表示され、配管１０の周方向の三箇所にボイドの結合１３が発生していることを示す。また、肉厚方向（図４要変更）と周方向の幅でボイドの結合１３の肉厚方向の大きさと周方向の長さを認識することができる。

次に、図２に基づいて、本発明の一実施形態に関わる配管検査方法から配管寿命決定方法に至るルーチンを説明する。

（表面観察ステップ）
まず、表面観察ステップとして、配管の異材溶接継手における界面の表面の損傷に関わる情報を採取して損傷の発生状態に関する情報を取得する（ステップＳ１〜ステップＳ４）。

（ステップＳ１）
ステップＳ１では、レプリカフィルム１５を用いて配管１０と溶接金属１２との界面付近のレプリカ採取が行われてステップＳ２へと移行する。図６（Ａ）に示すように、配管１０と溶接金属１２との界面付近の表面に経年劣化に伴って界面特有の析出物１７が発生する。そこで、表面を研磨およびエッチングして、その析出物１７をレプリカフィルム１５に転移させて採取する。また、別のレプリカフィルム１５を用いて、ボイドやき裂の凹凸を転移させて採取する。

（ステップＳ２）
ステップＳ２では、その析出物の有無や特定析出物の量といった析出物解析を行う。この析出物解析では、特定元素の析出物の発生量を測定することで寿命前半〜中期の巨視的なき裂発生以前の損傷を判定することができる。尚、ここでの特定元素の析出物とは、配管１０や溶接金属１２の材料によって異なる。

異材溶接継手界面の特定析出物としては、例えば溶接金属１２がニッケル基合金である場合は、図６に示すように、Ｓｉ，Ｍo，Ｃｒ，Ｎｉ等が検出される析出物１７が界面近傍の領域のみに析出する。したがって、公知の材料分析器等を用いて析出物を解析し、その解析結果をデータ化してパーソナルコンピュータに入力し、例えば、界面近傍の単位面積当たりの特定析出物の面積率の計測値を入力することにより、表面損傷状態をデータ化することができる。

（ステップＳ３）
ステップＳ３では、寿命中期以降の経年劣化が進んだ状態においては、表面にボイドや複数のボイドが連結して微視き裂状に成長した機械的損傷が出現するため、その凹凸を転写してボイド評価を行う。このボイド評価では、ボイドやボイドの結合１３の状態をレプリカフィルム１５に転写することで行う。ボイドやボイドの結合１３が存在すると界面付近の表面に凹凸（基本的に凹）が形成されることから、その凹凸の存在や大きさを、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、画像処理等により数値化する。そして、例えば、単位面積当たりのボイドやボイドの結合１３の占有面積を算出することにより、表面損傷状態をデータ化することができる。

（ステップＳ４）
ステップＳ４では、ステップＳ２およびステップＳ３でデータ化された数値情報を基に、寿命前半〜中期のき裂発生以前の表面損傷を判定する。
即ち、図７の曲線Ｐに示すように、ボイドの結合１３の発生以前の寿命前半においては、寿命比（寿命に対する現在の消費した寿命の割合）が大きく（残寿命が短く）なると、特定析出物の面積率が増加していく。また、特定析出物の析出量の増加率は、初期において高く、次第に減少していく傾向がある。尚、図７のグラフ中、単位ｔ／ｔｒとは、実時間（ｔ）に対する設定破断時間（Ｔｒ）を示す。
また、図７の曲線Ｃに示すように、表面におけるボイドは、寿命初期においては発生せず、寿命中期に発生し、末期において急激に増大してき裂状に成長していく。
これら特定析出物量と凹凸量とから表面のき裂発生までの寿命を評価するが、ステップＳ３の観察において、既にき裂の発生およびき裂長さが同定できた場合は、ステップＳ７へと移行する。

（内部観察ステップ）
次に、内部観察ステップとして、超音波を発信する発信部２０と超音波を受信可能な受信部３０とを有するプローブ１６を用いて発信部２０から溶接金属１２に向けて超音波を発信し、受信部３０で反射波を受信することで配管１０の内部の損傷の発生状態に関する情報を取得する（ステップＳ５〜ステップＳ６）

（ステップＳ５）
ステップＳ５では、異材溶接継手内部の界面にＵＴ検出限界以上の長さのき裂（ボイド１３が連結してき裂状に成長したもの）が発生しているか否かを評価し、ステップＳ６にてき裂長さが同定できた場合には、ステップＳ７へと移行する。ここでは、図１に示したリニアフェーズドアレイプローブ１６（又は、図９に示した一対の発信子２と受信子３でも良い）を用いる。この際、検出作業は配管１０の全周に対して行う。

（診断ステップ）
そして、診断ステップとして、表面観察ステップと内部観察ステップとで取得したき裂発生状態に関する情報に基づいて配管１０の残寿命を診断する（ステップＳ７〜ステップＳ８）。

（ステップＳ７）
ステップＳ７では、表面で損傷が発生している場合、内部で損傷が発生している場合いずれにおいても、き裂が成長していくことになるため、き裂の大きさにより寿命を評価することができる。上述した表面観察・評価結果と内部観察・評価結果とから、検出された長さのき裂の今後のき裂進展挙動を計算し、ステップＳ８へと移行する。

（ステップＳ８）
ステップＳ８では、ステップＳ７での計算結果から配管の残寿命を決定する。この際、パーソナルコンピュータは、図８に示すように、配管１０（１１）の肉厚方向のき裂長さと貫通時間との相対関係をテーブル化したデータを表面損傷の場合と内部損傷の場合とで持っており、それぞれ検出したき裂長さを当てはめることで、貫通までの時間を求め、これにより残寿命を計算する。そして、表面損傷から求められた残寿命と、内部損傷から求められた残寿命を比較して、より寿命が短い方を、当該配管の残寿命として選択する。

ところで、上記実施の形態においては、配管の大きさや肉厚、材料（溶金含む）に関して特に限定されるものでもない。この際、上述したテーブルは、その材質や肉厚（強度）及び使用環境を考慮して決定される。

１０…配管
１１…配管
１２…溶接部
１３…表面のボイドおよびボイドの結合
１４…内部のボイドおよびボイドの結合
１５…レプリカフィルム
１６…リニアフェーズドアレイプローブ
１７…界面特有の析出物
２０…発信部
２１〜２６…発信子
３０…受信部
３１〜３６…受信子

Claims

配管の異材溶接継手部の界面における損傷を検査し、配管の寿命を決定する方法であって、
レプリカフィルムを用いて前記界面の表面の損傷に関わる情報を採取して損傷の発生状態に関する情報を取得する表面観察ステップと、
超音波を発信する発信部と超音波を受信可能な受信部とを有するプローブを用いて前記発信部から前記異材溶接継手部の界面に向けて超音波を発信し、前記受信部で反射波を受信することで前記界面の内部の損傷の発生状態に関する情報を取得する内部観察ステップと、
前記表面観察ステップと前記内部観察ステップとで取得した損傷の発生状態に関する情報に基づいて配管の寿命を決定する寿命決定ステップと、を備え、
前記表面観察ステップは、前記界面の表面における特定析出物の面積率を測定する手順と、ボイドの存在及び大きさを測定する手順と、を有し、
前記内部観察ステップは、前記界面の内部におけるボイドの存在及び大きさを測定する手順を有し、
前記寿命決定ステップは、前記表面観察ステップ及び前記内部観察ステップにおいて前記ボイドが測定されなかった場合に、前記表面における前記特定析出物の面積率に基づき前記配管のき裂発生までの寿命を決定し、
前記表面観察ステップまたは前記内部観察ステップにおいて前記き裂が測定された場合に、前記き裂の大きさから得られる前記配管の肉厚方向き裂長さに基づき前記配管の寿命を決定する、ことを特徴とする配管寿命決定方法。