JP6126962B2 - 溶接部材の寿命評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温かつ応力が負荷された環境で使用される溶接部材の寿命評価方法に関するものである。

一般的に、例えば汽力発電プラントの配管やタービンなどの構造部材は、高温環境下（最高約６００℃）で使用され、応力が作用していることから、長期運転に伴って、構造部材にはクリープ損傷が発生する。特に、クリープ損傷が進むと、構造部材の結晶粒界にクリープボイドや微小き裂が生成され、最終的にそれらが連結して、き裂が生じ、破損に至ることがある。そこで、発電プラントなどの安定運用のために高温で使用される構造部材の信頼性を確保する上で、クリープ損傷を精度良く評価し、正確な寿命（クリープ寿命）を知ることが重要である。

上述のようなクリープ損傷が生じた構造部材の寿命を評価する方法として、金属組織の変化、硬度変化などについて前述の構造部材の調査を行い、これらの変化量と、予め実験室での実験で把握した前述の金属組織の変化量や硬度変化量と寿命との関係に対応させて、寿命を評価する方法が知られている。

例えば特許文献１には、レプリカ法を用いて、評価対象となる構造部材の金属組織を観察し、クリープによって発生したボイドの個数密度（クリープボイド個数密度）を取得し、この評価対象となる構造部材のクリープボイド個数密度を、予め実験室などでの実験で把握したクリープボイド個数密度と構造部材の寿命との関係に対応させて、寿命を評価する方法が開示されている。

特開２００３−３１５２５１号公報

ところで、上述した構造部材は、一対の母材とこれらを接続する溶接継手とを有する溶接部材とされることがある。溶接部材として、例えば、タービンロータでは、翼を有するロータ同士が溶接継手によって接合されることにより構成されている。また、配管等においても車室や弁体と溶接継手により接合された構造を有している。このような溶接接合部では、溶接継手の近傍の溶接熱影響部において寿命が低下するおそれがある。しかしながら、これまでに溶接部材の寿命を精度良く評価する手法は確立されていなかった。

また、特許文献１に記載された手法を用いて溶接部材の寿命を評価した場合や硬度変化によって溶接部材の寿命を評価した場合、溶接部材の材質や付与される応力等の違いにより、変化量が小さくなることがある。すなわち、溶接部材の寿命の末期にならないと、変化量を把握することができず、クリープ損傷が小さい時の寿命評価の精度が低下してしまうことがあった。

この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、高温かつ応力が負荷された環境で使用され、クリープ損傷が生じた溶接部材の寿命を精度良く評価することが可能な溶接部材の寿命評価方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明の溶接部材の寿命評価方法は、一対の母材とこれらを接続する溶接継手とを有し、高温かつ応力が負荷された状態で使用される溶接部材の寿命評価方法であって、前記溶接部材の溶接熱影響部の硬度を検出する硬度検出工程と、予め求めた硬度変化と軟化パラメータとの関係に基づいて、前記硬度検出工程によって検出した硬度から前記特定箇所のメタル温度を取得する温度推定工程と、予め求めた応力とクリープ評価パラメータとの関係に基づいて、前記溶接部材の設計応力及び前記温度推定工程によって取得した前記メタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程と、累計使用時間を前記推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程と、を有する第一クリープ損傷度診断を備えることを特徴としている。

本発明の溶接部材の寿命評価方法によれば、第一クリープ損傷度診断は、溶接部材の特定箇所の硬度を検出する硬度検出工程と、予め求めた硬度変化と軟化パラメータとの関係に基づいて、前述の硬度検出工程によって検出した硬度から特定箇所のメタル温度を取得する温度推定工程と、を有しているので、溶接部材が使用されていた時のメタル温度を取得することができる。次いで、第一クリープ損傷度診断は、予め求めた溶接部材が破断するまでの応力とクリープ評価パラメータとの関係に基づいて、溶接部材の設計応力及び前述のメタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程と、を有しているので、精度の良い溶接部材の推定破断時間を取得することができる。そして、第一クリープ損傷度診断は、溶接部材の累計使用時間を前述のようにして求めた推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程を備えているので、第一損傷率を取得することができる。
このようにして、精度の良い損傷率を取得することによって、溶接部材の寿命を精度良く評価することが可能となる。また、本発明の溶接部材の寿命評価方法は、メタル温度を実測するのではなく、硬度の変化を評価することにより寿命を評価しているので、溶接部材を実測することが困難な場合でも適用することができる。
また、溶接部材が高温環境で使用されているときの溶接熱影響部における温度を取得することができる。また、溶接熱影響部は、高温環境における硬度の変化量が比較的大きいので、精度良く溶接部材のメタル温度を推定することが可能である。

ここで、設計応力とは、溶接部材が実際に使用される環境において設定された設計上の応力である。また、メタル温度とは、溶接部材の温度のことを意味している。
また、軟化パラメータは、温度と時間との関数であり、具体的には、溶接部材が高温環境に置かれる際の温度と、高温環境に置かれる時間との関数である。
また、クリープ評価パラメータも、温度と時間との関数であり、具体的には、溶接部材が高温環境に置かれる際の温度と、高温かつ所定の応力が負荷された状態において溶接部材が破断するまでの時間との関数である。

また、本発明の溶接部材の寿命評価方法は、前記溶接部材における溶接熱影響部の組織調査を行い、ボイド量を検出するボイド量検出工程と、予め求めたボイド量と損傷率との関係に基づいて、前記ボイド量検出工程によって検出したボイド量から第二損傷率を取得する第二損傷率算出工程と、を有する第二クリープ損傷度診断を備えることが好ましい。
この場合、溶接部材の溶接熱影響部のボイド量を検出するボイド量検出工程と、予め求めたボイド量と損傷率との関係に基づいて、前記ボイド量検出工程によって検出したボイド量から第二損傷率を取得する第二損傷率算出工程と、を有する第二クリープ損傷度診断を備えているので、第一クリープ損傷度診断と併せて、複数の評価手法による損傷率を取得し、溶接部材の寿命を評価することができ、寿命評価の精度をさらに高めることができる。

また、本発明の溶接部材の寿命評価方法は、前記第一損傷率及び前記第二損傷率のうち、損傷率の大きい方を用いて寿命評価を行うことが好ましい。
溶接部材の寿命を評価する場合、溶接部材の材質や付与される応力等の違いにより、硬度の変化量又はボイドの変化量が小さくなり、低損傷領域での損傷評価の精度が低くなることがあるが、この場合、第一損傷率及び第二損傷率のうち、損傷率の大きい方を用いて寿命評価を行う構成とされているので、低損傷域における寿命評価の精度を向上させることができる。また、このように複数の評価による損傷率のうち損傷率の大きい方を用いて寿命評価を行うことにより、溶接部材を使用する上で、より安全側の判断をすることができる。

また、本発明の溶接部材の寿命評価方法は、一対の母材とこれらを接続する溶接継手とを有し、高温かつ応力が負荷された状態で使用される溶接部材の寿命評価方法であって、前記溶接部材における前記溶接継手の外表面に予め設けられた評価用溶接金属部の硬度を検出する硬度検出工程と、予め求めた硬度変化と軟化パラメータとの関係に基づいて、前記硬度検出工程によって検出した硬度から前記特定箇所のメタル温度を取得する温度推定工程と、予め求めた応力とクリープ評価パラメータとの関係に基づいて、前記溶接部材の設計応力及び前記温度推定工程によって取得した前記メタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程と、累計使用時間を前記推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程と、を有する第一クリープ損傷度診断を備えるものであってもよい。
この溶接継手の外表面に予め設けられた評価用溶接金属部の初期硬度を、所定の硬度に予め調整しておくことによって、高温環境における溶接継手部の温度をより精度良く推定することができる。例えば、溶接継手は、焼きなましなどの処理をされて溶接時よりも硬度を低下させた上で使用されるが、評価用溶接金属部の強度を、焼きなましされた溶接継手よりも高めに設定することにより、高温環境に置ける硬度の変化量を大きくすることができ、メタル温度の推定精度を向上させることができる。

また、本発明の溶接部材の寿命評価方法は、一対の母材とこれらを接続する溶接継手とを有し、高温かつ応力が負荷された状態で使用される溶接部材の寿命評価方法であって、
前記溶接部材は、翼を有する複数のロータが溶接継手によって溶接されたタービンロータであり、
隣接する前記翼の間隙における前記ロータに設けられた硬度測定用の試験体の硬度を検出する硬度検出工程と、
予め求めた硬度変化と軟化パラメータとの関係に基づいて、前記硬度検出工程によって検出した硬度から前記特定箇所のメタル温度を取得する温度推定工程と、
予め求めた応力とクリープ評価パラメータとの関係に基づいて、前記溶接部材の設計応力及び前記温度推定工程によって取得した前記メタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程と、
累計使用時間を前記推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程と、を有する第一クリープ損傷度診断を備えるものであってもよい。
この場合、隣接する翼の間隙におけるロータに設けられた硬度測定用の試験体を上述の特定箇所として設定することにより、上述のようにして精度の良いメタル温度を取得することができる。
また、タービンロータは、低損傷領域において、硬度変化やボイド量の変化が小さくなる場合があるが、上述の第一損傷率及び第二損傷率を評価することによって、低損傷域における寿命評価の精度を向上させることができる。

本発明によれば、高温かつ応力が負荷された環境で使用され、クリープ損傷が生じた溶接部材の寿命を精度良く評価することが可能な溶接部材の寿命評価方法を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法が評価の対象とするタービンロータ（溶接部材）の概略説明図である。 本発明の第一実施形態に係るタービンロータ（溶接部材）の寿命評価方法のフロー図である。 第一実施形態に係るタービンロータ（溶接部材）における硬度と測定位置との関係を示す図である。 クリープ試験前後におけるＨＡＺ部の硬度の比と、軟化パラメータとの関係を示す図である。 クリープ試験において、タービンロータ（溶接部材）に負荷される応力と、クリープ評価パラメータとの関係を示す図である。 クリープ試験におけるボイド個数密度と損傷率との関係を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法が評価の対象とするタービンロータ（溶接部材）の概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るタービンロータ（溶接部材）の寿命評価方法のフロー図である。 第二実施形態に係るタービンロータ（溶接部材）における硬度と測定位置との関係を示す図である。 本発明の第三実施形態に係るタービンロータ（溶接部材）の寿命評価方法のフロー図である。

（第一実施形態）
以下に、本発明の実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法について添付した図面を参照して説明する。
まず、本発明の実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法が評価の対象とするタービンロータ１０（溶接部材）について説明する。タービンロータ１０は、図１に示すように、翼（図示なし）を有する複数のロータ１１（母材）が溶接継手１２（溶接金属部）によって溶接されることによって構成されている。図１に示すように、一対のロータ１１、１１（母材）の溶接部においては、ロータ１１と溶接継手１２との接合界面において、ロータ１１側に溶接熱影響部１３（ＨＡＺ部）が形成されている。

上述のロータ１１の材質は、例えば低合金鋼、高クロム鋼、Ｎｉ基超合金などで構成されている。本実施形態においては、一対のロータ１１のうち、一方のロータ１１は低合金鋼で構成され、他方のロータ１１は高クロム鋼で構成されている。
また、溶接継手１２（溶接金属部）の材質は、母材と同様の素材であり、例えば低合金鋼、高クロム鋼、Ｎｉ基超合金などで構成されている。

上述のタービンロータ１０は、例えば蒸気タービンに用いられるタービンロータ１０であって、現状最高約６００℃の高温環境で使用される。また、タービンロータ１０は、高温環境において回転して使用されるため、遠心力が作用し、タービンロータ１０に応力が負荷されることになる。
このように、高温かつ応力が負荷された状態で使用されるタービンロータ１０には、クリープによる損傷が生じる。本実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法は、このクリープによる損傷が生じたタービンロータ１０（溶接部材）の寿命を評価するためのものである。

次に、本発明の第一実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法について、図２から図６を参照して説明する。
第一実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法は、第一クリープ損傷度診断Ｓ１０と、第二クリープ損傷度診断Ｓ２０とを備え、これらの結果によって、タービンロータ１０（溶接部材）の寿命を把握するものである。

まず、第一クリープ損傷度診断Ｓ１０について説明する。この第一クリープ損傷度診断Ｓ１０は、硬度検出工程Ｓ１１と、温度推定工程Ｓ１２と、破断時間推定工程Ｓ１３と、第一損傷率算出工程Ｓ１４とを有している。以下に、各工程の詳細を説明する。

（硬度検出工程Ｓ１１）
第一クリープ損傷度診断Ｓ１０において、まず、硬度検出工程Ｓ１１が行われる。硬度検出工程Ｓ１１は、タービンロータ１０の運転前後の硬度を測定して、硬度を検出（把握）する工程であり、本実施形態では、図１のＡに示す破線上におけるビッカース硬度を測定している。ここで、タービンロータ１０の運転前後の硬度とは、タービンロータ１０が使用される前の硬度と、タービンロータ１０が運転されてクリープ損傷が生じた後の硬度とを意味している。

この測定結果の一例を図３に示す。なお、図３に示される硬度の測定結果は、タービンロータ１０の運転前における硬度の測定結果である。本実施形態では、後述する温度推定工程Ｓ１２において、図３の矢印Ｂに示される位置における硬度を用いて温度推定を行う。この矢印Ｂで示される箇所は、溶接熱影響部１３（ＨＡＺ部）における最も硬度が高い位置である。

（温度推定工程Ｓ１２）
次いで、温度推定工程Ｓ１２が行われる。この温度推定工程Ｓ１２は、タービンロータ１０が運転されているときのタービンロータ１０のメタル温度を把握する工程である。ここで、メタル温度とは、雰囲気温度ではなく、タービンロータ１０の温度のことを意味している。
具体的には、温度推定工程Ｓ１２は、予め求めた硬度変化と、温度と時間の関数である軟化パラメータとの関係（図４において曲線Ｃ）に基づいて、前述の硬度検出工程Ｓ１１によって検出した硬度から前記特定箇所のメタル温度を取得する工程である。なお、軟化パラメータは、ＬＭＰ（Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）にて表現され、一般的に、ＬＭＰ＝Ｔ＊（ｌｏｇｔ＋α）（Ｔ：温度、ｔ：時間、α：定数）、によって表される。ここで、定数αは、例えば２０とすれば良い。

ここで、予め求めた硬度変化と、軟化パラメータとの関係は、予め実験室での実験によって得られるものであり、例えば、実験室にて、寿命評価の対象となるタービンロータ１０と同様の溶接部を有するものを試験片としてクリープ試験や長時間加熱試験を行い、硬度の変化と、当該試験における温度と時間との関数である軟化パラメータと、の関係により得ることができる。図４においては、縦軸は硬度変化として、加熱後の試験片（溶接部材）の硬度ＨＶと、加熱前の硬度ＨＶ０との比とされている。また、横軸は、加熱の温度と時間の関数である軟化パラメータとされている。

メタル温度の推定方法を具体的に説明すると、矢印Ｂで示される位置におけるタービンロータ１０のＨＶ／ＨＶ０（Ｙ１）を求め、このＹ１を曲線Ｃに対応させることにより、Ｘ１の値を求める。そして、Ｘ１の値と軟化パラメータとの関係、及びタービンロータ１０の運転時間から、タービンロータ１０のメタル温度Ｔ１を算出する。

（破断時間推定工程Ｓ１３）
次に、破断時間推定工程Ｓ１３が行われる。破断時間推定工程Ｓ１３では、予め求めた応力と、クリープ評価パラメータとして時間と温度との関数であるＬＭＰ（Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）との関係（図５において曲線Ｄ）に基づいて、前記溶接部材の設計応力及び前記温度推定工程Ｓ１２によって取得したメタル温度から推定破断時間を取得する工程である。

ここで、図５の曲線Ｄは、寿命評価の対象となるタービンロータ１０と同様の溶接部を有するものを試験片として、種々の応力を負荷した状態で、クリープ試験を行い、破断が生じるまでの時間を求めることによって得ることができる。また、クリープ評価パラメータは、前述の試験片がクリープ試験される際の温度と、試験片が破断するまでの温度との関数である。
破断時間の推定方法を具体的に説明すると、タービンロータ１０の設計応力Ｙ２を、曲線Ｄに対応させて、クリープ評価パラメータの値Ｘ２を求め、このＸ２の値とクリープ評価パラメータとの関係、温度推定工程Ｓ１２で得られたメタル温度Ｔ１の関係から推定破断時間を取得する。

（第一損傷率算出工程Ｓ１４）
次に、第一損傷率算出工程Ｓ１４が行われる。この第一損傷率算出工程Ｓ１４は、累計使用時間を前記推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する工程である。この第一損傷率は、タービンロータ１０が運転されたことによって損傷を受けたときのタービンロータ１０のクリープ損傷率である。
以上のようにして、第一損傷率が算出される。

次に、第二クリープ損傷度診断Ｓ２０について説明する。第二クリープ損傷度診断Ｓ２０は、ボイド量検出工程Ｓ２１と、第二損傷率算出工程Ｓ２２とを有している。以下に、各工程について詳細を説明する。

（ボイド量検出工程Ｓ２１）
第二クリープ損傷度診断Ｓ２０では、まずボイド量検出工程Ｓ２１が行われる。このボイド量検出工程Ｓ２１は、タービンロータ１０の溶接熱影響部１３の組織調査を行い、ボイド量を検出する工程である。ボイド量として具体的には、例えばボイドの個数密度やボイドの面積率などが挙げられ、本実施形態では、ボイド量として、ボイドの個数密度を検出する。
ボイドの評価方法は、例えばレプリカ法を用いることができる。レプリカ法は、所定の処理を施して現出させた測定対象箇所の表面の金属組織に対応する凹凸をフィルムに転写し、この転写した凹凸を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などを用いて組織観察する方法であり、例えば観察されたクリープボイドを所定の面積当たりのボイドの個数として測定できる。

（第二損傷率算出工程Ｓ２２）
次に、第二損傷率算出工程Ｓ２２が行われる。この第二損傷率算出工程Ｓ２２は、予め求めたボイド量と損傷率（図６において示す曲線Ｅ）との関係に基づいて、ボイド量検出工程Ｓ２１によって検出したボイド量から第二損傷率を取得する工程である。
曲線Ｅは、例えば実験室において、寿命評価の対象となるタービンロータ１０と同様の溶接部を有するものを試験片として、クリープ試験を行い、ボイド個数密度を測定することによって予め取得しておけばよい。
第二損傷率の算出方法を具体的に説明すると、ボイド量検出工程Ｓ２１で求められたボイドの個数密度Ｙ３を、曲線Ｅに対応させることによって第二損傷率Ｘ３が算出される。

上述のようにして、第一損傷率及び第二損傷率を取得することができる。本実施形態では、第一損傷率及び第二損傷率のうち、大きい方を選択して、タービンロータ１０の寿命を把握する構成とされている。
上述のようにして、本実施形態であるタービンロータ１０（溶接部材）の寿命評価方法が完了する。

以上のような構成とされた本実施形態に係る溶接部材（タービンロータ）の寿命評価方法によれば、第一クリープ損傷度診断Ｓ１０は、硬度検出工程Ｓ１１と、温度推定工程Ｓ１２とを有しているので、タービンロータ１０が使用されていた時のメタル温度を取得することができる。
さらに、第一クリープ損傷度診断Ｓ１０は、予め求めた応力と軟化パラメータとの関係に基づいて、タービンロータ１０の設計応力及び前述のメタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程Ｓ１３とを有しているので、精度の良い推定破断時間を取得することができる。そして、第一クリープ損傷度診断Ｓ１０は、タービンロータ１０の累計使用時間を前述のようにして求めた推定破断時間で除し、この値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程Ｓ１４を有しているので、クリープ損傷率である第一損傷率を取得することができる。
このようにして、精度の良い損傷率を取得することによって、タービンロータ１０（溶接部材）の寿命を精度良く評価することが可能となる。

また、本実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法は、タービンロータ１０の溶接部における溶接熱影響部１３のボイド量を検出するボイド量検出工程Ｓ２１と、予め求めたボイド量と損傷率との関係に基づいて、ボイド量検出工程Ｓ２１によって検出したボイド量から第二損傷率を取得する第二損傷率算出工程Ｓ２２とを有する第二クリープ損傷度診断Ｓ２０を備えているので、第一クリープ損傷度診断Ｓ１０と併せて、複数の評価手法による損傷率を取得し、溶接部材の寿命を評価することができ、寿命評価の精度をさらに高めることができる。

タービンロータ１０の寿命を評価する場合、ロータ１１及び溶接継手１２の材質や付与される応力等の違いにより、硬度変化量又はボイド量の変化量が小さくなり、低損傷領域での損傷評価の精度が低くなることがある。しかしながら、本実実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法は、前記第一損傷率及び前記第二損傷率のうち、損傷率の大きい方を用いて寿命評価を行う構成とされているので、低損傷域における寿命評価の精度を向上させることができる。

また、本実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法において、硬度試験が溶接熱影響部１３に行われる構成とされているので、タービンロータ１０が高温環境で使用されているときの溶接熱影響部１３におけるメタル温度を取得することができる。また、溶接熱影響部１３は、高温環境における硬度の変化量が比較的大きいので、精度良くタービンロータ１０のメタル温度を推定することが可能である。さらに、本実施形態においては、溶接熱影響部１３において、図３のＢで示される硬度の高い位置の硬度変化を測定する構成とされているので、比較的大きな硬度変化を得ることができ、メタル温度の推定精度が向上する。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係る溶接部材の評価方法について説明する。第二実施形態において、第一実施形態で説明した溶接部材の評価方法と同様の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。

この第二実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法が評価の対象とするタービンロータ１１０（溶接部材）は、図７に示すように、複数のロータ１１（母材）が溶接継手１２（溶接金属部）によって溶接されることによって構成されている。図７に示すように、一対のロータ１１（母材）の溶接部においては、ロータ１１と溶接継手１２との接合界面において、ロータ１１側に溶接熱影響部１３が形成されている。そして、本実施形態においては、溶接継手１２の外周面の一部分に、予め評価用溶接金属部１１４が形成されている。溶接継手１２は、溶接後においては、硬度が高いため焼きなましがされた上で使用されるが、評価用溶接金属部１１４は、溶接継手１２よりも硬度が高く設定されている。

次に、本発明の第二実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法について、図８及び図９を参照して説明する。
第二実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法は、第一クリープ損傷度診断Ｓ１１０と、第二クリープ損傷度診断Ｓ２０とを備え、これらの結果によって、タービンロータ１１０（溶接部材）の寿命を把握するものである。なお、第二クリープ損傷度診断Ｓ２０は、第一実施形態で説明したものと同様の構成であるため詳細な説明を省略する。

第二実施形態において、第一クリープ損傷度診断Ｓ１１０は、硬度検出工程Ｓ１１１と、温度推定工程Ｓ１２と、破断時間推定工程Ｓ１３と、第一損傷率算出工程Ｓ１４とを有している。なお、硬度検出工程Ｓ１１１以外の工程は、第一実施形態と同様の構成である。

（硬度検出工程Ｓ１１１）
第一クリープ損傷度診断Ｓ１１０において、まず、硬度検出工程Ｓ１１１が行われる。硬度検出工程Ｓ１１１は、タービンロータ１１０の運転前後の硬度を測定して、硬度を検出（把握）する工程であり、本実施形態では、図７のＦに示す破線上におけるビッカース硬度を測定している。
この測定結果の一例を図９に示す。なお、図９に示される硬度の測定結果は、タービンロータ１１０の運転前における硬度の測定結果である。第二実施形態では、温度推定工程Ｓ１２において、タービンロータ１１０の評価用溶接金属部１１４の硬度を用いて温度推定を行う。図９に示されるように、評価用溶接金属部１１４においては、溶接継手１２よりも硬度が高くなっている。

次いで、温度推定工程Ｓ１２、破断時間推定工程Ｓ１３、第一損傷率算出工程Ｓ１４が順に行われ、第一損傷率が算出される。

第二実施形態おいても、第一実施形態と同様に、第一損傷率及び第二損傷率を取得し、第一損傷率及び第二損傷率のうち、大きい方を選択して、タービンロータ１１０の寿命を把握する。
上述のようにして、本実施形態である溶接部材（タービンロータ１１０）の寿命評価方法が完了する。

以上のような構成とされた第二実施形態に係る溶接部材（タービンロータ１１０）の寿命評価方法によれば、溶接継手１２の外表面に予め設けられた評価用溶接金属部１１４の硬度を、溶接継手１２よりも硬度が高く設定されているので、クリープによる硬度変化を大きくすることができ、タービンロータ１１０のメタル温度をより精度良く推定することができる。このように、メタル温度の推定精度が向上することにより、精度良く寿命を評価することができる。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態に係る溶接部材の評価方法について説明する。第三実施形態において、第一実施形態で説明した溶接部材の評価方法と同様の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。

この第三実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法が評価の対象とするタービンロータ（溶接部材）は、翼を有する複数のロータ（母材）が溶接継手（溶接金属部）によって溶接されることによって構成されている。一対のロータ（母材）の溶接部においては、ロータと溶接継手との接合界面において、ロータ側に溶接熱影響部が形成されている。そして、第三実施形態においては、隣接する翼の間隙におけるロータ（溶接継手の近傍）に硬度測定用の試験体が予め設けられている。

次に、本発明の第三実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法について、図１０を参照して説明する。
第三実施形態に係る溶接部材の寿命評価方法は、第一クリープ損傷度診断Ｓ２１０と、第二クリープ損傷度診断Ｓ２０とを備え、これらの結果によって、タービンロータ（溶接部材）の寿命を把握するものである。なお、第二クリープ損傷度診断Ｓ２０は、第一実施形態で説明したものと同様の構成であるため詳細な説明を省略する。

第三実施形態において、第一クリープ損傷度診断Ｓ２１０は、硬度検出工程Ｓ２１１と、温度推定工程Ｓ１２と、破断時間推定工程Ｓ１３と、第一損傷率算出工程Ｓ１４とを有している。以下に、硬度検出工程Ｓ２１１の詳細を説明する。

（硬度検出工程Ｓ２１１）
第一クリープ損傷度診断Ｓ２１０において、まず、硬度検出工程Ｓ２１１が行われる。硬度検出工程Ｓ２１１は、運転前後のタービンロータの硬度を測定して、硬度を検出（把握）する工程であり、第三実施形態では、予め設けられた硬度測定用の試験体の硬度変化を取得する。
次いで、温度推定工程Ｓ１２、破断時間推定工程Ｓ１３、第一損傷率算出工程Ｓ１４が順に行われ、第一損傷率が算出される。

第三実施形態においても、第一実施形態と同様に、第一損傷率及び第二損傷率を取得し、第一損傷率及び第二損傷率のうち、大きい方を選択して、タービンロータの寿命を把握する。
上述のようにして、本実施形態である溶接部材（タービンロータ）の寿命評価方法が完了する。

以上のような構成とされた第三実施形態に係る溶接部材（タービンロータ）の寿命評価方法によれば、硬度測定用の試験体が予めロータに設けられているので、この試験体の硬度を測定することにより、精度の良いメタル温度を取得することができる。

以上、本発明の実施形態である、溶接部材の寿命評価方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、この発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

上記実施の形態では、溶接部材の寿命評価方法は、第一クリープ損傷度診断と、第二クリープ損傷度診断とを備える構成について説明したが、これに限定されるものではなく、溶接部材の寿命評価方法は、第一クリープ損傷度診断のみを備える構成とされても良い。
また、溶接部材の寿命評価方法は、第一損傷率及び第二損傷率を算出し、損傷率の大きい方を用いて寿命を評価する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、所定の基準に応じて、どちらかの損傷率を選択して寿命を評価する構成としても良い。

１０、１１０ タービンロータ
１１ ロータ
１２ 溶接継手（溶接金属部）
１３ 溶接熱影響部
１１４ 評価用溶接金属部
Ｓ１０、Ｓ１１０、Ｓ２１０ 第一クリープ損傷度診断
Ｓ１１、Ｓ１１１、Ｓ２１１ 硬度検出工程
Ｓ１２ 温度推定工程
Ｓ１３ 破断時間推定工程
Ｓ１４ 第一損傷率算出工程
Ｓ２０ 第二クリープ損傷度診断
Ｓ２１ ボイド量検出工程
Ｓ２２ 第二損傷率算出工程

Claims (5)

1. 一対の母材とこれらを接続する溶接継手とを有し、高温かつ応力が負荷された状態で使用される溶接部材の寿命評価方法であって、
   前記溶接部材の溶接熱影響部の硬度を検出する硬度検出工程と、
   予め求めた硬度変化と軟化パラメータとの関係に基づいて、前記硬度検出工程によって検出した硬度から前記特定箇所のメタル温度を取得する温度推定工程と、
   予め求めた応力とクリープ評価パラメータとの関係に基づいて、前記溶接部材の設計応力及び前記温度推定工程によって取得した前記メタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程と、
   累計使用時間を前記推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程と、を有する第一クリープ損傷度診断を備えることを特徴とする溶接部材の寿命評価方法。
2. 一対の母材とこれらを接続する溶接継手とを有し、高温かつ応力が負荷された状態で使用される溶接部材の寿命評価方法であって、
   前記溶接部材における前記溶接継手の外表面に予め設けられた評価用溶接金属部の硬度を検出する硬度検出工程と、
   予め求めた硬度変化と軟化パラメータとの関係に基づいて、前記硬度検出工程によって検出した硬度から前記特定箇所のメタル温度を取得する温度推定工程と、
   予め求めた応力とクリープ評価パラメータとの関係に基づいて、前記溶接部材の設計応力及び前記温度推定工程によって取得した前記メタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程と、
   累計使用時間を前記推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程と、を有する第一クリープ損傷度診断を備えることを特徴とする溶接部材の寿命評価方法。
3. 一対の母材とこれらを接続する溶接継手とを有し、高温かつ応力が負荷された状態で使用される溶接部材の寿命評価方法であって、
   前記溶接部材は、翼を有する複数のロータが溶接継手によって溶接されたタービンロータであり、
   隣接する前記翼の間隙における前記ロータに設けられた硬度測定用の試験体の硬度を検出する硬度検出工程と、
   予め求めた硬度変化と軟化パラメータとの関係に基づいて、前記硬度検出工程によって検出した硬度から前記特定箇所のメタル温度を取得する温度推定工程と、
   予め求めた応力とクリープ評価パラメータとの関係に基づいて、前記溶接部材の設計応力及び前記温度推定工程によって取得した前記メタル温度から推定破断時間を取得する破断時間推定工程と、
   累計使用時間を前記推定破断時間で除した値を第一損傷率として取得する第一損傷率算出工程と、を有する第一クリープ損傷度診断を備えることを特徴とする溶接部材の寿命評価方法。
4. 前記溶接部材における溶接熱影響部の組織調査を行い、ボイド量を検出するボイド量検出工程と、
   予め求めたボイド量と損傷率との関係に基づいて、前記ボイド量検出工程によって検出したボイド量から求めた前記損傷率を、第二損傷率として取得する第二損傷率算出工程と、を有する第二クリープ損傷度診断を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の溶接部材の寿命評価方法。
5. 前記第一損傷率及び前記第二損傷率のうち、損傷率の大きい方を用いて寿命評価を行うことを特徴とする請求項４に記載の溶接部材の寿命評価方法。

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