JP5801520B1 - 高クロム鋼管の余寿命を推定する余寿命推定方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の目的は、高温高圧流体を流通させる高クロム鋼管の余寿命を推定するに際し、モンクマングラント法で用いる定数の値を精度良く定めることにある。本発明に係る余寿命推定方法では、特に、高クロム鋼管のサンプルから取得された単軸での破断延性に対し、多軸での破断延性に変換するための第1係数と、サンプルの消費寿命を補正するための第2係数と、測定圧力を評価圧力に補正するための第3係数とを乗じることで、モンクマングラント法におけるひずみ速度と破断時間との積を示す定数を取得する定数取得工程(クリープ促進試験S1)を行うことを特徴としている。

Description

本発明は、ボイラー等で用いられる高温高圧流体(例えば動力用蒸気)を流通させる高クロム鋼管について、その余寿命を推定する余寿命推定方法に関する。
発電プラントのボイラーや蒸気タービンでは蒸気配管が用いられている。蒸気配管を流れる動力用蒸気には、例えば温度が280℃以上であって圧力が6Mpa以上とされた高温高圧の蒸気が用いられる。そして、火力発電プラントでは、発電効率を向上させるために、より高い温度と圧力の蒸気が用いられる傾向にある。
蒸気配管をはじめとする高温高圧流体用の配管は、高温高圧下に長時間に亘って曝されるため、熱応力によってクリープ疲労を受ける。クリープ疲労の耐力を向上させるため、配管には、9クロム鋼や12クロム鋼といった高クロム鋼(一般的なものよりもクロム含有率が高められたクロムモリブデン鋼)が好適に用いられる。この配管は、高クロム鋼からなる板状の母部材を円形に湾曲させ、母部材同士を溶接することで一体化される。しかし、高クロム鋼の溶接部は、寿命末期まで亀裂等の損傷が生じ難く、余寿命の推定が困難である。
そこで、特許文献1に記載の方法では、クリープ伸びとクリープひずみを用いて余寿命を診断(推定)している。また、特許文献2に記載の方法では、高クロム鋼管を模擬した鋼管サンプルを用いてモンクマングラント法における定数を求めている。
特開2008−122345号公報 特開2013−117485号公報
モンクマングラント法による余寿命評価は、早期からの余寿命診断を可能とするものである。そして、特許文献2に記載された方法は、高クロム鋼管を模擬した鋼管サンプルを用いて定数を求めていることから、モンクマングラント法による余寿命評価を行う上で有用な手法を提案している。ここで、モンクマングラント法による余寿命評価では、定数の値が極めて重要である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モンクマングラント法で用いる定数の値を精度良く定めることにある。
前述の目的を達成するため、本発明は、高クロム鋼からなる母部材同士を溶接することで一体化され、高温高圧流体を流通させる高クロム鋼管の余寿命を推定する余寿命推定方法であって、前記高クロム鋼管のサンプルから取得された単軸での破断延性に対し、多軸での破断延性に変換するための第1係数と、前記サンプルの消費寿命を補正するための第2係数と、測定圧力を評価圧力に補正するための第3係数とを乗じることで、モンクマングラント法におけるひずみ速度と破断時間との積を示す定数を取得する定数取得工程と、前記高クロム鋼管の外表面であって溶接材を挟む両側の前記母部材に取り付けられたセンサを用い、前記外表面における2点間の距離を測定することで、鋼管表面のひずみを測定するひずみ測定工程と、前記鋼管表面のひずみを示すひずみ情報を、測定時点を示す時刻情報と対応付けて複数回記録するひずみ情報記録工程と、複数組の前記ひずみ情報及び前記時刻情報と、前記定数とから前記高クロム鋼管の余寿命を推定する余寿命推定工程とを行うことを特徴とする。
本発明によれば、定数取得工程にて、第1係数〜第3係数を用いて単軸での破断延性からモンクマングラント法で用いる定数を取得しているので、この定数を精度良く定めることができる。
前述の余寿命推定方法において、前記ひずみ測定工程では、前記溶接材を挟む一方の前記母部材に接合された台座と、他方の前記母部材に接合された反射板と、前記台座に着脱可能に取り付けられ、前記反射板に向けてレーザー光線を照射するとともに、前記反射板からの反射光を受光するレーザー変位計とを用い、前記高クロム鋼管の外表面における2点間の距離を測定することが好ましい。この方法では、レーザー変位計による高い精度での測定が実現できる。
前述の余寿命推定方法において、前記余寿命推定工程では、複数組の前記ひずみ情報及び前記時刻情報と前記定数とから前記高クロム鋼管の余寿命を推定するとともに、推定した余寿命が寿命末期に相当する期間の場合に、複数組の前記ひずみ情報及び前記時刻情報からひずみとひずみ速度とが対応付けられたひずみ―ひずみ速度データを用い、Ω法によって余寿命を算出することが好ましい。この方法では、モンクマングラント法で寿命末期と推定された場合に、Ω法による余寿命算出が行われるので、寿命末期における余寿命の推定精度を高めることができる。
本発明によれば、高温高圧流体を流す高クロム鋼管について、その余寿命を推定するための定数を精度良く定めることができる。
余寿命推定方法を説明するフローチャートである。 クリープ促進試験での測定サンプルとレーザー変位計を説明する図であり、(a)は平面方向から見た図、(b)は側面方向から見た図である。 クリープ促進試験でのクリープ寿命消費率(t/tr)とひずみの関係を説明する図である。 試験応力と限界ひずみの関係を説明する図である。 使用時間とクリープひずみ速度の積(t・ε’min)とクリープ寿命消費率(t/tr)の関係(マスターカーブ)を説明する図である。 Ω法で使用されるひずみとひずみ速度の関係を説明する図である。 他の手法で使用されるマスターカーブを説明する図である。 定期点検時におけるレーザー変位計の取り付け態様を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の余寿命推定方法では、図1に示すように、クリープ促進試験(S1)、台座取付工程(S2)、第1測定工程(S3)、第2測定工程(S5)、余寿命推定工程(S6)、報知工程(S7)、及び、交換工程(S9)が行われる。
余寿命推定方法の概略を説明する。この余寿命推定方法では、最初に、クリープ促進試験(S1)で、高クロム鋼管のサンプル(後述)による測定が行われる。すなわち、試験温度及び試験圧力とされた試験環境下にサンプルが曝され、規定時間が経過する毎にサンプルに対する加熱及び加圧が停止され、ひずみやクリープボイドが測定される。そして、得られた測定値からモンクマングラント法で用いる定数やLパラメータ等が取得される。従って、このクリープ促進試験は、定数取得工程に相当する。
次に、台座取付工程(S2)にて、測定対象の高クロム鋼管に対して台座と反射板とが取り付けられる。後述するが、この台座は、レーザー変位計を着脱可能に取り付けるためのものである。反射板は、レーザー変位計から照射されたレーザー光線を、レーザー変位計に向けて反射させるためのものである。台座が取り付けた後、第1測定工程(S3)にて、高クロム鋼管における所定区間の距離、クリープボイド、内部に生じた傷の初期状態が測定される。各種初期値が測定されると、定期点検時期が到来したか否かが判定され(S4)、定期点検時期が到来したならば、第2測定工程(S5)に移行される。この第2測定工程では、ひずみ取得工程(S5a)、ボイド測定工程(S5b)、及び傷測定工程(5c)が行われる。
ステップS5aのひずみ取得工程では、定期点検時期における高クロム鋼管における所定区間の距離が、台座に取り付けられたレーザー変位計によって測定される。測定された距離の情報は、測定日時の情報とともに記録される。この工程で測定された距離は、高クロム鋼管におけるひずみを表す。このため、ステップS5aのひずみ取得工程は、本発明に係るひずみ測定工程、並びにひずみ情報記録工程に相当する。ステップS5bのボイド測定工程では、高クロム鋼管の溶接部付近に形成されたクリープボイドが測定される。そして、測定結果(クリープボイドの位置、面積、数等)については、時刻情報とともに記録される。ステップS5cの傷測定工程では、フェーズドアレイ超音波探傷装置による超音波探傷が、高クロム鋼管における母部材と溶接材との境界部分に対して行われる。そして、測定結果(傷の高さ、長さ、位置等)については、時刻情報とともに記録される。
余寿命推定工程(S6)では、まずモンクマングラント法に則って高クロム鋼管の余寿命が推定される。その際、ステップS1のクリープ促進試験で取得した定数と、複数組のひずみ情報及び時刻情報とが用いられる。そして、モンクマングラント法に則って推定された余寿命が高クロム鋼管の寿命末期を示した場合には、Ω法に基づく余寿命推定が行われる。すなわち、ひずみとひずみ速度とが対応付けられたひずみ―ひずみ速度データ(図6を参照)が用いられ、Ω法によって余寿命が算出される。また、モンクマングラント法で推定した余寿命が、高クロム鋼管の寿命末期を示していない場合であっても、Lパラメータ、ボイド個数密度、及び、傷の情報をマスターカーブにあてはめて得られた余寿命の少なくとも1つが、高クロム鋼管の寿命末期を示す場合には、Ω法に基づく余寿命推定が行われる。
報知工程(S7)では、余寿命推定工程で推定された余寿命が報知される。例えば、コンピュータシステムのディスプレイに表示させたり、用紙に印刷されたりする。なお、モンクマングラントで算出された余寿命が、他の方法で算出された余寿命に修正された場合には、寿命末期を示す情報(メッセージ等)と共に、修正後の余寿命を報知する。
ステップS4で定期点検時期ではないと判定された場合、又は、ステップS7で余寿命が報知された場合には、高クロム鋼管の交換時期が到来したか否かが判定され(S8)、交換時期が到来したならば、交換工程(S9)にて高クロム鋼管が新しいものに交換される。その後、ステップS2にて、台座取付工程以下の処理が繰り返し行われる。一方、交換時期が到来していなければ、ステップS4にて、定期点検時期が到来したか否かの判断が行われる。
次に、余寿命推定方法における特徴について説明する。この余寿命推定方法では、クリープ促進試験(S1)に特徴を有しているため、この促進試験を中心に説明する。
クリープ促進試験(S1)では、高クロム鋼管のサンプルが用いられる。このサンプルは、発電設備で高温高圧蒸気の流通用に使用され、交換された蒸気配管から切り出されたものであり、交換までの使用時間が既知である。そして、図2(a),(b)に示すように、サンプル1は、溶接材2を挟んで両側に母部材3が位置するように切り出される。すなわち、母部材3の部分が平面視略長方形状をし、溶接材2及び熱影響部4が角柱状をするように切り出される。また、各母部材3における溶接材2とは反対側の縁部には、それぞれ金属製の支持部5が溶接されている。なお、図2(a),(b)に符号6で示す部材は、支持部5と母部材3とを溶接する溶接材である。
また、溶接材2を挟んで一側の母部材3の表面には台座7が溶接され、他側の母部材3の表面には反射板8が溶接されている。台座7は、レーザー変位計9を着脱可能に取り付けるためのものであり、台座取付工程(S2)にて対象の高クロム鋼に溶接される台座17と同じ金属材料で作製され、かつ、同じ形状とされている。反射板8は、レーザー変位計9から照射されたレーザー光線LXを、レーザー変位計9に向けて反射させるための金属板材である。この反射板8もまた、台座取付工程にて溶接される反射板18と同じ金属材料で作製され、かつ、同じ形状とされている。そして、台座7(レーザー変位計9)と反射板8の距離Wは規定値とされ、後述する台座取付工程でも同じ値に定められる。
台座7及び反射板8を取り付けたならば、促進試験の開始時点における測定が行われる。ここでは、台座7にレーザー変位計9が取り付けられ、反射板8までの所定区間について距離が測定される。また、このサンプル1について、クリープボイド及び内部に生じた傷も測定される。クリープボイドについては、例えば、サンプル1の外表面でレプリカが採取され、このレプリカを顕微鏡にて観察することで測定される。また、傷については、例えば、サンプル1に対する超音波探傷を行うことで測定される。
開始時点における測定を行ったならば、サンプル1に対する加熱及び加圧が行われる。ここでは、両側の支持部5に対して所定応力の引っ張り力を付与した状態でサンプルが炉の中に配置される。その後、炉の中が所定温度に調整される。この状態が規定時間維持されたならば中途止めが行われる。すなわち、炉の温度を下げられ、サンプル1が取り出される。そして、取り出されたサンプル1に対し、レーザー変位計9による距離測定、レプリカによるクリープボイドの測定、及び、超音波探傷による内部に生じた傷の測定が行われる。そして、各測定値が第1回中途止め時の測定値として、経過時間の情報とともに記録される。
第1回中途止め時の測定値が記録されたならば、再度サンプル1に対する加熱及び加圧が行われる。ここでも、所定応力の引っ張り力を付与した状態のサンプル1が炉の中に配置され、その後、炉の中が所定温度に調整される。この状態で規定時間維持されたならば、第2回の中途止めが行われ、第1回と同様に第2回中途止め時の測定値が経過時間の情報とともに記録される。以後は、サンプル1に対する加熱及び加圧と測定とが、サンプル1が破断するまで繰り返し行われる。これにより、第3回以降の中途止め時の測定値が記録される。
サンプル1が破断するまで、このサンプル1に対する加熱と測定とが繰り返し行われたならば、モンクマングラント法で用いる定数、すなわちひずみ速度と破断時間との積を示す定数が算出される。式(1)に示すように、この定数は、単軸での破断延性と、第1係数〜第3係数とを用いて算出される。
定数X=単軸での破断延性CR×第1係数×第2係数×第3係数 ・・・ (1)
式(1)において、単軸での破断延性は、クリープ促進試験における測定で取得される。第1係数は、単軸での破断延性を多軸での破断延性に変換するための係数である。第2係数は、サンプル1の消費寿命を補正するため係数である。第3係数は、測定圧力を評価圧力に補正するための係数である。
単軸での破断延性は、レーザー変位計9によって測定された距離、すなわち台座7及び反射板8の接合位置によって規定される所定区間の距離に基づいて取得される。ここで、図3は、クリープ促進試験でのクリープ寿命消費率(t/tr)とひずみの関係を説明する図であり、横軸がサンプル1のクリープ寿命消費率を示し、縦軸がひずみを示している。そして、クリープ寿命消費率は、促進試験の開始時点を0とし、破断時点を1としている。また、ひずみは、促進試験の開始時点における距離を基準として算出される。図3の例では、ひずみとクリープ寿命消費率の組が直線近似されており、破断延性としてCR[%]が求められている。
第1係数は、前述したように、単軸での破断延性を多軸での破断延性に変換するための係数である。この第1係数は、ミーゼス相当応力及び静水圧応力に基づき算出され、例えば0.5とされる。
第2係数は、前述したように、サンプル1の消費寿命を補正するため係数である。この第2係数は、サンプル1の基となった高クロム鋼管が実際に使用された実使用時間と、この促進試験での試験時間(試験開始から破断までの時間)に基づいて定められる。例えば、促進試験の試験時間に試験温度や試験圧力を加味し、高クロム鋼管の使用環境下での試験時間が算出される。そして、算出された試験時間と実試験時間とから、破断までに要した破断時間、及び、破断時間に占める試験時間の割合が算出される。さらに、破断時間に占める試験時間の割合から、第2係数が算出される。例えば、破断時間を1とした場合における試験時間が0.2である場合、第2係数は1/0.2=5となる。
第3係数は、前述したように、測定圧力を評価圧力に補正するための係数である。この第3係数は、試験応力と限界ひずみの関係から算出される。ここで、図4は、試験応力と限界ひずみの関係を示す図である。同図において、横軸は試験応力[MPa]であり、横軸は限界ひずみ[%]である。そして、上向き三角形の記号で示す各点は9Cr鋼の測定点であり、下向き三角形の記号で示す各点は12Cr鋼の測定点である。
同種金属の測定点を一次近似することで、その金属毎に試験応力と限界ひずみの関係を示す一次式が取得される。そして、取得された一次式を用いて評価圧力に対応する限界ひずみが取得され、さらに、試験応力に対応する限界ひずみと評価圧力に対応する限界ひずみから第3係数が取得される。例えば、試験応力P1に対応する限界ひずみST1が0.65%、評価圧力P2に対応する限界ひずみST2が0.60%である場合、第3係数は0.60%/0.65%=0.92となる。
式(1)に基づき、モンクマングラント法で用いる定数Xが取得されると、マスターカーブが作成される。ここで、図5は、使用時間とクリープひずみ速度の積(t・ε’min)とクリープ寿命消費率(t/tr)の関係(マスターカーブ)の一例である。同図に示すように、クリープ寿命消費率が1の時点における、使用時間とクリープひずみ速度の積(t・ε’min)が定数Xに相当する。
なお、この定数Xを取得するに際し、この実施形態のように、交換された高クロム鋼管から溶接部分を切り出したサンプル1を用いる他、高クロム鋼管を模擬した鋼管サンプルを用いてもよい。
また、このクリープ促進試験(S1)では、測定結果に基づき、Ω法の評価基準も作成される。ここで、Ω法とは、クリープひずみ速度のひずみに対する傾き(Ω)とクリープひずみ速度と余寿命の積は、常に一定(定数)になるという法則である。このため、2組以上のクリープひずみ速度情報を用いることで、Ω法の定数を削除でき、余寿命を推定することができる。このΩ法では、クリープひずみ速度のひずみに対する傾きを用いている。このため、図6に示すように、横軸にひずみをとり、縦軸にクリープひずみ速度をとってプロットし、傾きを取得する。
あわせて、このクリープ促進試験(S1)では、図7に示すように、測定で得られたクリープボイドの情報に基づいて、Lパラメータ(ボイド連結密度パラメータ)及びボイド個数密度のマスターカーブも作成される。さらに、測定で得られた傷の情報に基づいて傷高さ(深さ)のマスターカーブも作成される。
次に、台座取付工程(S2)について説明する。台座取付工程では、測定対象の高クロム鋼管11に対し、台座17と反射板18が接合される。この台座17は、ステップS1のクリープ促進試験で説明したように、レーザー変位計9を着脱可能に取り付けるためのものである。また、反射板18は、レーザー変位計9から照射されたレーザー光線LXを、レーザー変位計9に向けて反射させるための金属板材である。
台座17と反射板18を高クロム鋼管11の外表面に接合するに際しては、図8に示すように、溶接材12を挟む一方の母部材13に対し、台座17を溶接によって接合する。同様に、溶接材2を挟む他方の母部材3に対し、反射板18を溶接によって接合する。すなわち、反射板18と台座17に取り付けられたレーザー変位計9とが、溶接材12を挟んで両側の母部材13,13に取り付けられる。その際、レーザー変位計9と反射板18までの所定区間の距離Wを、サンプル1における所定区間の距離Wに揃える。
その後は、前述した各工程が行われる。簡単に説明すると、第1測定工程(S3)にて各種初期値が測定され、定期点検時期が到来する毎に第2測定工程(S5)にて所定区間の距離、クリープボイド、内部に生じた傷が測定される(S5a〜S5c)。また、余寿命推定工程(S6)にて、モンクマングラント法に則って高クロム鋼管11の余寿命が推定される。あわせて、Lパラメータ、ボイド個数密度、及び、傷の情報に基づく余寿命も推定される。そして、各方法で推定された余寿命のうちの少なくとも1つが高クロム鋼管11の寿命末期を示す場合には、Ω法に基づく余寿命推定が行われる。余寿命が推定されたならば、報知工程(S7)にて余寿命が報知される。報知された余寿命に基づき、高クロム鋼管11の交換時期が判定され(S8)、交換時期である場合には交換工程(S9)にて高クロム鋼管11が新しいものに交換される。
以上の説明から判るように、本実施形態の余寿命推定方法によれば、ステップS1のクリープ促進試験(定数取得工程)にて、高クロム鋼管のサンプル1から取得された単軸での破断延性に対し、多軸での破断延性に変換するための第1係数と、サンプル1の消費寿命を補正するための第2係数と、測定圧力を評価圧力に補正するための第3係数とを乗じることで、モンクマングラント法におけるひずみ速度と破断時間との積を示す定数Xを取得しているので、この定数Xを精度良く定めることができる。
また、ステップS1のクリープ促進試験、及び、ステップS5の第2測定工程(ひずみ測定工程)では、溶接材2,12を挟む一方の母部材3,13に接合された台座7,17と、他方の母部材3,13に接合された反射板8,18と、台座7,17に着脱可能に取り付けられ、反射板8,18に向けてレーザー光線LXを照射するとともに、反射板8,18からの反射光を受光するレーザー変位計9とを用い、サンプル1や高クロム鋼管11の外表面における2点間の距離を測定しているので、レーザー変位計9による高い精度での測定が実現できる。
また、ステップS6の余寿命推定工程では、複数組のひずみ情報及び時刻情報と定数とから高クロム鋼管11の余寿命を推定するとともに、推定した余寿命が寿命末期に相当する期間の場合に、複数組のひずみ情報及び時刻情報からひずみとひずみ速度とが対応付けられたひずみ―ひずみ速度データを用い、Ω法によって余寿命を算出しているので、寿命末期における余寿命の推定精度を高めることができる。
なお、以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれるものである。
例えば、高温高圧流体に関し、前述の実施形態では動力用蒸気を例示したが、動力用蒸気と同等の温度及び圧力の流体を流通させる高クロム鋼管であれば、同様に本発明を適用できる。
また、高クロム鋼管11の表面ひずみを測定するための装置に関し、前述の実施形態ではレーザー変位計9を例示したが、表面ひずみを測定できれば他の装置を使ってもよい。例えば、抵抗型のひずみセンサや静電容量型のひずみセンサを用いてもよい。この場合も、センサは、溶接材12を挟む両側の母部材13に取り付けられる。
1…高クロム鋼管のサンプル
2…溶接材
3…母部材
4…熱影響部
5…支持部
6…溶接材
7…台座
8…反射板
9…レーザー変位計
11…高クロム鋼管
12…溶接材
13…母部材
17…台座
18…反射板
LX…レーザー光線
W…台座(レーザー変位計)と反射板の距離

Claims (3)

  1. 高クロム鋼からなる母部材同士を溶接することで一体化され、高温高圧流体を流通させる高クロム鋼管の余寿命を推定する余寿命推定方法であって、
    前記高クロム鋼管のサンプルから取得された単軸での破断延性に対し、多軸での破断延性に変換するための第1係数と、前記サンプルの消費寿命を補正するための第2係数と、測定圧力を評価圧力に補正するための第3係数とを乗じることで、モンクマングラント法におけるひずみ速度と破断時間との積を示す定数を取得する定数取得工程と、
    前記高クロム鋼管の外表面であって溶接材を挟む両側の前記母部材に取り付けられたセンサを用い、前記外表面における2点間の距離を測定することで、鋼管表面のひずみを測定するひずみ測定工程と、
    前記鋼管表面のひずみを示すひずみ情報を、測定時点を示す時刻情報と対応付けて複数回記録するひずみ情報記録工程と、
    複数組の前記ひずみ情報及び前記時刻情報と、前記定数とから前記高クロム鋼管の余寿命を推定する余寿命推定工程とを行うことを特徴とする余寿命推定方法。
  2. 前記ひずみ測定工程では、前記溶接材を挟む一方の前記母部材に接合された台座と、他方の前記母部材に接合された反射板と、前記台座に着脱可能に取り付けられ、前記反射板に向けてレーザー光線を照射するとともに、前記反射板からの反射光を受光するレーザー変位計とを用い、前記高クロム鋼管の外表面における2点間の距離を測定することを特徴とする請求項1に記載の余寿命推定方法。
  3. 前記余寿命推定工程では、複数組の前記ひずみ情報及び前記時刻情報と前記定数とから前記高クロム鋼管の余寿命を推定するとともに、推定した余寿命が寿命末期に相当する期間の場合に、複数組の前記ひずみ情報及び前記時刻情報からひずみとひずみ速度とが対応付けられたひずみ―ひずみ速度データを用い、Ω法によって余寿命を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の余寿命推定方法。
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