JP6523816B2

JP6523816B2 - 構造物の寿命評価方法

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Publication number: JP6523816B2
Application number: JP2015124929A
Authority: JP
Inventors: 悠介鈴木; 犬飼　隆夫; 隆夫犬飼; 中谷　祐二郎; 祐二郎中谷; 健太郎高木; 辰也土井口
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: JP2017009439A

Description

本発明は、高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物のクリープ寿命を評価する構造物の寿命評価方法に関する。

火力発電プラントの主要な構成機器である蒸気タービンやボイラなどの構成材料には、耐熱鋼が使用されている。耐熱鋼は、高温環境下において優れた強度を発揮し、また、製造性やコストの要求を高いレベルで満足するといった特徴を有している。

これらの素材は、製造初期では優れた高温強度を有するものの、高温環境下で長時間使用されると、強度上の材質劣化が進行する。材質劣化が進行すると、最終的に、機器（構造物）における応力の集中する部位や溶接部分などから例えばクリープ損傷により破損が進行し、発電プラントの運転停止につながる懸念がある。このため、定期検査時に、劣化部位や損傷部位の補修若しくは部品交換などによって、プラント運用中の機器の破損を回避することで、電力の安定的な供給が確保されている。

ここで、発電プラントを安全かつ効率的に運用するためには、破損のリスクが高い例えば高温の環境で稼働する機器のクリープ損傷進行度の定量化や、破損時期の予測から導き出される機器の残存寿命の把握などによって、機器の補修時期若しくは交換時期を決定する必要がある。そこで、このようなクリープ損傷進行度及び残存寿命を定量化するために寿命評価技術が利用されている。

具体的な方法として、例えばクリープ損傷に伴い材料内部に発生する微小なボイド（空孔）の量を測定・評価する手法（ボイド法）、損傷と共に低下する素材の硬さを計測・評価する手法（硬さ法）などが挙げられる。これらの手法はボイドの発生量や硬さの低下量からクリープ損傷を間接的に予測する手法と言える。

一方、主蒸気温度が６００℃前後となる最新鋭の火力発電プラントにおいては、耐熱鋼の中でもＣｒを９ｗｔ％以上含むラスマルテンサイト組織を有する高Ｃｒ系耐熱鋼が使用されている。高Ｃｒ系耐熱鋼は従来から広く使用されてきた低合金鋼とは異なり、６００℃前後まで優れた高温強度を発揮する。その一方で、クリープ損傷により破断に至る直前まで材料内部でボイドが発生しない特徴を有しており、ボイド法では適切に寿命を管理するのが難しいという課題がある。また、鋳鋼品などの一部の高Ｃｒ系耐熱鋼では、クリープ損傷に伴う硬さ低下量が特にクリープ寿命の初期から中期で小さい。このため硬さ計測時のバラつきを考慮すると寿命予測幅が必然的に大きくなり、ボイド法と同様に課題がある。

このような課題に対し、近年では実機から微小なサンプルを採取し、そのサンプルを用いて破壊試験（ミニチュア試験）を行うことで、クリープ損傷量を直接的に評価する手法が提案されている。このような破壊試験を用いる方法は、機器へのダメージを最小限にとどめるために、可能な限り小さい試験片を採取することが望ましい。このため、厚さ０．２〜１ｍｍ程度の平板の試験片を高温で保持し、剛体球を一定荷重で押し付け、クリープ変形による試験片の変形や、クリープ破断により球が貫通するまでの破断時間を計測するＳＰＣ（ＳｍａｌｌＰｕｎｃｈＣｒｅｅｐ：スモールパンチクリープ）試験などの適用が検討されている。

具体的な寿命評価方法として、予め取得した新材のＳＰＣ試験結果と、実機から採取した損傷材のＳＰＣ試験結果とを比較してクリープ損傷量を定量化する手法（直接法）や、予め構築したデータベースを用いて、ＳＰＣ試験結果を従来型の単軸クリープ試験結果に換算してクリープ損傷量を定量化する手法（換算法）が提案されている。

一方、ＳＰＣ試験は平板状の試験片に剛体球を押し付ける特性上、試験片内部には不均一なクリープひずみが生じる。このクリープひずみは従来型の単軸クリープ試験と異なり、ＳＰＣ試験での試験時間初期に急激に増加することが知られている。このため、ＳＰＣ試験は単軸クリープ試験に比べ、試験材料がクリープ破断まで許容する変形ひずみ（クリープ破断延性）によって結果が左右されることが指摘されている。

このクリープ破断延性は素材個々でばらつくと共に、実機の使用履歴により変動する。これまで、素材個々でばらつくクリープ破断延性を考慮したＳＰＣ試験法は報告があるものの、実機の使用履歴によるクリープ延性の変動を見越した評価手法は確立されていない。このため、ＳＰＣ試験を用いて様々な実機使用履歴を持つ素材のクリープ強度を適切に計測するのは、特に寿命評価の精度の観点から一定の懸念があると言える。

特開平７−１２８３２８号公報特許第５４７５１９８号公報

経済産業省，２０１２０９１９商局６６号，火力設備における電気事業省施工規則第９４条の２第２項第１号に規定する定期事業者検査の時期変更承認に係る標準的な審査基準例及び申請方法等について，別紙３．余寿命評価に関する指針．

以上より、従来から広く用いられてきたボイド法や硬さ法による寿命評価は、寿命に対する評価範囲や精度の点から、高Ｃｒ系耐熱鋼への適用が困難であると言える。また寿命を破壊試験から予測するＳＰＣ試験を用いた寿命評価方法も、特にクリープ破断延性などの変動を考慮すると、必ずしも満足のゆく精度が期待されているとは言い難い。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、高Ｃｒ系耐熱鋼から構成される構造物の寿命を高精度に評価できる構造物の寿命評価方法を提供することにある。

本発明に係る構造物の寿命評価方法は、Ｃｒ量が８．０ｗｔ％以上で且つ１１ｗｔ％以下となる高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物のクリープ寿命を評価する構造物の寿命評価方法において、前記構造物の損傷部位からサンプルを採取し、このサンプルの硬さを計測するサンプル採取・硬さ計測工程と、このサンプル採取・硬さ計測工程で計測した硬さ計測結果から、前記サンプルのクリープ寿命が後期であるか否かを判断する硬さによる寿命評価工程と、この硬さによる寿命評価工程でクリープ寿命が初期から中期と判断された前記サンプルに対して破壊試験を実施し、クリープ寿命及びクリープ損傷量を定量化する破壊試験による寿命評価工程と、前記硬さによる寿命評価工程で前記クリープ寿命が後期と判断された場合には前記硬さによる寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定し、前記クリープ寿命が初期から中期と判断された場合には前記破壊試験による寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定する寿命決定工程と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る構造物の寿命評価方法は、Ｃｒ量が８．０ｗｔ％以上で且つ１１ｗｔ％以下となる高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物のクリープ寿命を評価する構造物の寿命評価方法において、前記構造物の損傷部位の硬さを計測する硬さ計測工程と、この硬さ計測工程による硬さ計測結果から、前記損傷部位のクリープ寿命が後期であるか否かを判断する硬さによる寿命評価工程と、この硬さによる寿命評価工程によりクリープ寿命が初期から中期と判断された前記損傷部位からサンプルを採取し、このサンプルに対して破壊試験を実施して、クリープ寿命及びクリープ損傷量を定量化する破壊試験による寿命評価工程と、前記硬さによる寿命評価工程で前記クリープ寿命が後期と判断された場合には前記硬さによる寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定し、前記クリープ寿命が初期から中期と判断された場合には前記破壊試験による寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定する寿命決定工程と、を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、構造物の損傷部位に対して、そのクリープ寿命が後期の場合には硬さにより寿命評価を実行し、そのクリープ寿命が初期から中期の場合には破壊試験により寿命評価を実行することで、これまで困難であった高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物の寿命を高精度に評価できる。

本発明に係る構造物の寿命評価方法における一実施形態を示すフローチャート。図１の硬さによる寿命評価工程で用いられる硬さ予測値ＨＶｅｓｔと硬さ計測値ＨＶａｃｔを示すグラフ。ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関指標Ｆ／σと、ＳＰＣ試験での破断時間と、クリープ破断延性との関係を示すグラフ。単軸クリープ試験から得られたクリープ破断延性（真破断ひずみ）の破断時間依存性を示すグラフ。図１の破壊試験による寿命評価工程で用いられる、ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関指標Ｆ／σと、ＳＰＣ試験における変形比との関係を示すグラフ。図１の破壊試験による寿命評価工程で実行される換算法を用いた寿命評価を示す概念図。図１の破壊試験による寿命評価工程で実行される直接法を用いた寿命評価を示す概念図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る構造物の寿命評価方法における一実施形態を示すフローチャートである。この図１に示す構造物の寿命評価方法は、Ｃｒ量が８．０ｗｔ％以上で且つ１１ｗｔ％以下となる高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物のクリープ寿命及びクリープ損傷量を評価するものであり、損傷部位特定工程Ｓ１、サンプル採取・硬さ計測工程Ｓ２、硬さによる寿命評価工程Ｓ３、破壊試験による寿命評価工程Ｓ４、及び寿命決定工程Ｓ５を有する。以下に、各工程に対して詳細に説明する。

＜損傷部位特定工程Ｓ１＞
この損傷部位特定工程Ｓ１では、設計情報である評価対象の機器（構造物）の形状寸法、使用環境での圧力条件、温度条件などを用いて機器の強度解析を行い、機器に発生する温度分布、発生応力などを得る。この場合の強度解析は、広く用いられている有限要素法（ＦＥＭ：ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）などを利用する。

この損傷部位特定工程Ｓ１を実施する目的は、機器（構造物）における損傷部位を特定することにある。この損傷部位特定工程Ｓ１での強度解析は、機器を設計するうえで必要な設計情報や、機器（例えば発電プラント）の運転記録（起動停止記録、温度記録など）を取得し、これらを用いることで解析可能である。本解析によって、定常運転時や起動停止時の温度の値、応力値を評価し、損傷の進行が予想される損傷部位を決定する。なお、機器における損傷部位（応力が集中する応力集中部など）や、この損傷部位での温度の値、応力値などが解析によらず予め判明している場合には、この損傷部位特定工程Ｓ１は省略可能である。

＜サンプル採取・硬さ計測工程Ｓ２＞
このサンプル採取・硬さ計測工程Ｓ２は、損傷部位特定工程Ｓ１により損傷の進行が予想された機器（構造物）の損傷部位を対象として、例えば機器の現地定期検査時に、機器（実機）の損傷部位から微小なサンプルを採取する工程である。具体的な微小サンプルの採取方法は、機械加工や放電加工などの既存の技術を用いることで実施可能である。

このサンプル採取・硬さ計測工程Ｓ２は、採取した微小サンプルをラボで切断し研磨して、硬さを計測する作業も含む。この硬さ計測作業は、例えば圧子押し込み型卓上硬さ計測機などを用いて行う。微小サンプルの表面が湾曲している場合には、微小サンプルの一部を切断して研磨することで平面状に作成して硬さ計測を実施する。これは、微小サンプルの硬さを正確に計測するためである。なお、超音波硬さ計などを用いて同様の精度で硬さ計測が可能な場合には、この超音波硬さ計を用いても良い。

＜硬さによる寿命評価工程Ｓ３＞
この硬さによる寿命評価工程Ｓ３は、サンプル採取・硬さ計測工程Ｓ２で計測した微小サンプルの硬さ計測結果から、損傷部位のクリープ寿命が後期であるか否かを判断して後工程を決定する。クリープ寿命が後期であるか否かの判断は、以下の式（１）で算出される硬さ差分値ΔＨＶｔが管理値ΔＨＶｍを越えるか否かで判断する。なお、管理値ΔＨＶｍは、予め構築したデータベースより高Ｃｒ系耐熱鋼の鋼種個々に応じて任意に設定されるものである。

ΔＨＶｔ＝ＨＶｅｓｔ−ＨＶａｃｔ ……（１）
ここで、ＨＶｅｓｔは、予め構築してデータベースに格納されたクリープ損傷に伴う硬さ変化データ、損傷部位特定工程Ｓ１で算出した微小サンプル（損傷部位）の温度及び応力値、並びに構造物の運転時間を用いて算出した硬さ予測値である。また、ＨＶａｃｔは、サンプル採取・硬さ計測工程Ｓ２で計測した微小サンプルの硬さ計測値である。

この硬さによる寿命評価工程Ｓ３では、硬さ差分値ΔＨＶｔが管理値ΔＨＶｍを越えるか否かで、図１のように後工程を決定する。すなわち、硬さ差分値ΔＨＶｔが管理値ΔＨＶｍを越える場合（ΔＨＶｔ≧ΔＨＶｍ）には寿命決定工程Ｓ５へ進み、越えない場合（ΔＨＶｔ＜ΔＨＶｍ）には、破壊試験による寿命評価工程Ｓ４へ進む。

以下に、式（１）の詳細を説明する。図２に示したＨＶｅｓｔは、データベースに格納されたクリープ損傷に伴う硬さ変化データを用いて、ある一定の温度、応力値におけるクリープ損傷に伴う硬さの変化を予測したものである。またＨＶａｃｔは、ＨＶｅｓｔを予測したときと等しい温度、応力値において実際に単軸クリープ試験を実施し、クリープ試験時間に対して実験的に計測した硬さを示したものである。Ｘ軸は、単軸クリープ試験でのクリープ寿命比ｔ／ｔｒ、すなわちクリープ損傷量φｃであり、Ｙ軸は硬さ（ビッカース硬さ）である。なお、ｔはクリープ試験時間であり、ｔｒはクリープ破断するまでの時間である。

図２によって、クリープ寿命の初期から中期（クリープ寿命比ｔ／ｔｒ＝０〜０．８程度）では両者は比較的良く整合するが、クリープ寿命の後期（クリープ寿命比ｔ／ｔｒ＝０．８以降）では、ＨＶｅｓｔ＞ＨＶａｃｔとなって両者は大きく乖離する。この乖離は、硬さ計測結果ＨＶａｃｔが急激に低下したためであり、この低下原因は、クリープ寿命の後期に発生する加速クリープにより、材料内部の転位密度が急速に低下したためと考えられる。従って、この硬さによる寿命評価工程Ｓ３で用いるデータベースを、上記加速クリープによる軟化を含めずに構築することで、式（１）の硬さ差分値ΔＨＶｔの大小により、クリープ寿命が後期であるか否かの判断を確実に行うことが可能になる。

なお、硬さ差分値ΔＨＶｔが十分に小さい場合、すなわちクリープ寿命が初期から中期である場合には、硬さのみでは適切な寿命評価結果を得るのが困難である。これは、特にクリープ寿命の初期から中期においての硬さの変化幅が例えば図２で示した材料であると、ＨＶ３０程度と小さいためである。つまり、硬さ計測値をＹ軸にプロットしたとき、ＨＶｅｓｔの曲線から、その硬さ計測値でのクリープ寿命比ｔ／ｔｒを試算できるが、そのＨＶｅｓｔの曲線の傾きが小さい（浅い）ため、対応するクリープ寿命比ｔ／ｔｒのバンド幅が大きくなって、適切なクリープ寿命比ｔ／ｔｒを試算するのが困難になるためである。この問題を解決するために、次工程Ｓ４のＳＰＣ試験による寿命評価を行う。

＜破壊試験による寿命評価工程Ｓ４＞
この破壊試験による寿命評価工程Ｓ４では、硬さによる寿命評価工程Ｓ３でクリープ寿命が初期から中期であると判断された微小サンプル（損傷部位）に対して、破壊試験としてのＳＰＣ試験を用いてクリープ寿命評価を行い、クリープ寿命及びクリープ損傷量を算出して定量化する工程である。

この破壊試験による寿命評価工程Ｓ４では、サンプル採取・硬さ計測工程Ｓ２で採取した微小サンプルを加工して試験片とし、ＳＰＣ試験に供する。得られたＳＰＣ試験結果を、例えばＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関指標（Ｆ／σ）と、ＳＰＣ試験における変形比との関係（図５）を用いて単軸クリープ試験結果に換算し、クリープ寿命（残存寿命）及びクリープ損傷量を予測する。この際、硬さによる寿命評価工程Ｓ３によって、破壊試験による寿命評価工程Ｓ４での微小サンプル（試験片）がクリープ寿命初期から中期になっていることから、この試験片に対して適切な寿命予測が可能となる。以下詳細に関して述べる。

ここで、ＳＰＣ試験は、微小サンプルを平板状に加工した試験片を５００〜７００℃に保持し、この試験片に一定荷重で剛体球を押し付け、試験片の変形から貫通に至るまでの時間および変形量を計測し、計測された変形量を用いてクリープ損傷量を定量化する試験である。

通常の寿命評価で機器（構造物）のクリープ損傷量やクリープ寿命を定量的に評価する際には、単軸クリープ試験で得られる破断時間を指標とする。これは、単軸クリープ試験で一定時間以上の破断時間を持つよう設定された許容応力を用いて、機器の設計が行なわれているためである。但し、ＳＰＣ試験では単軸クリープ試験に比べて実機（構造物）から採集するサンプルを微小として試験片に加工でき、実機へのダメージを最小限に留めることができるため、このＳＰＣ試験を用いた寿命評価方法が望ましい。

このＳＰＣ試験を用いた寿命評価には直接法と換算法とがある。直接法は、予め取得した新材（未損傷材）のＳＰＣ試験結果と、実機の損傷部位から採取した微小サンプル（試験片）のＳＰＣ試験結果とを比較してクリープ損傷量を定量化し、クリープ寿命を算出する手法である。

また、換算法は、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果に換算する手法を予め構築し（後に詳説）、実機の損傷部位から採取した微小サンプル（試験片）のＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果に換算して、クリープ損傷量及びクリープ寿命を評価する手法である。ＳＰＣ試験結果から単軸クリープ試験結果に正しく換算可能であれば、非特許文献１に記載される「破壊試験法のパラメータ法やアイソスソレス法」に準ずる手法で寿命の評価が可能になる。

上述の直接法、換算法を問わず、ＳＰＣ試験結果を用いてクリープ損傷量およびクリープ寿命を評価するには、従来型の単軸クリープ試験結果とＳＰＣ試験結果との間で対応を適切に取る必要がある。本実施形態では、硬さによる寿命評価工程Ｓ３によってクリープ寿命が初期から中期となった微小サンプルに対してＳＰＣ試験を実施している。以下、最初に換算法を用いて、ＳＰＣ試験結果から単軸クリープ試験特性を予測する手法を説明する。

換算法による寿命評価では、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果に適切に換算する手法の構築が重要である。このため、最初に、両者の相関性を示す指標として、破断時間が等しくなる単軸クリープ試験での応力σとＳＰＣ試験での荷重Ｆとの関係を、強度解析を用いて調査した。この結果を図３に示す。Ｘ軸はＳＰＣ試験での破断時間であり、Ｙ軸は強度解析から得た応力σと荷重Ｆの比を、便宜的に相関指標（Ｆ／σ）として示している。

ここで、相関指標Ｆ／σが、いかなる試験条件においても略一定値（一定の相関性）であったり、ＳＰＣ試験条件である荷重Ｆの関数となっていれば、試験結果に左右されずに、ＳＰＣ試験結果から単軸クリープ試験結果を適切に予測することが可能になる。すなわち、荷重ＦにおけるＳＰＣ試験での破断時間は、予め既知である相関指標Ｆ／σを用いて、応力σにおける単軸クリープ試験での破断時間と読み替えることができる。

しかしながら、図３によれば、相関指標Ｆ／σは、ＳＰＣ試験での破断時間（＝単軸クリープ試験での破断時間）と、試験片の素材特性であるクリープ破断延性（ひずみ）によって左右されることが判る。

つまり、ある一定のクリープ破断延性を有する場合（１．６ｍｍ／ｍｍ以上）には、相関指標Ｆ／σは、ＳＰＣ試験での破断時間（試験結果）に拘らず略一定であり、ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験は一定の相関性を持つ。このため、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験の試験結果に適切に換算することが可能になる。一方、図３によれば、上記値（１．６ｍｍ／ｍｍ）を下回るクリープ破断延性を示す場合には、相関指標Ｆ／σは、クリープ破断延性の低下に伴い、ＳＰＣ試験での破断時間に対して鋭敏に変化する。すなわち、ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関性は、そのＳＰＣ試験での試験結果（破断時間）や試験片の素材特性に依存し、一定ではない。クリープ破断延性は、試験片の素材個々でバラツク上に、実機（構造物）の運転におけるクリープ損傷によっても変化すると考えられる。このため、クリープ破断延性が１．６ｍｍ／ｍｍを下回る場合には、試験片の素材個々の特性やクリープ損傷量によってＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関性が変化すると考えられる。

ところで、上述のように相関指標Ｆ／σに影響を及ぼすクリープ破断延性について、高Ｃｒ系耐熱鋼の単軸クリープ試験結果から得たクリープ破断延性の例を図４に示す。Ｘ軸は単軸クリープ試験での破断時間であり、Ｙ軸は破断絞りにより算出された真破断ひずみ（クリープ破断延性と同義）である。図４より、単軸クリープ試験での破断時間の増加に伴いクリープ破断延性が低下し、特に、実際の発電プラント（構造物）での運転時間１０万時間超では、クリープ破断延性（真破断ひずみ）は０．５〜１．５ｍｍ／ｍｍを示すと予想される。従って、このようなクリープ破断延性を示す材料に対して、ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験との相関性を得る手法の構築が必要になる。

そこで、真破断ひずみが異なる４種類の素材に対して相関指標Ｆ／σを調査し、その際のＳＰＣ試験における変形比（定常変形量／（遷移及び定常変形量））と相関指標Ｆ／σとの関係を示したグラフ（図５）を作成した。この図５では、真破断ひずみ０．９〜２．０ｍｍ／ｍｍの素材（試験片）Ａ〜Ｄであれば、ＳＰＣ試験における変形比と相関指標Ｆ／σとの間に線形的な関係が成立する。これにより、実際の寿命評価対象として想定されるクリープ破断延性０．５〜１．５ｍｍ／ｍｍの大部分（つまり、クリープ寿命比が初期から中期の試験片）について、ＳＰＣ試験における変形比と相関指標Ｆ／σとの関係（図５）を用いることで、ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関性を定義する手法の構築が可能となり、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果に換算することが可能になる。

ＳＰＣ試験結果から単軸クリープ試験結果への換算は、図５及び図６を用いて次のようにして行う。まず、実機の損傷部位から算出した微小サンプル（試験片）についてＳＰＣ試験を実施して、試験片に対する荷重Ｆ、試験片の変形比（定常変形量／（遷移及び定常変形量））、試験片の破断時間を求める。次に、図５を用いて、ＳＰＣ試験における変形比から相関指標Ｆ／σの値を求め、ＳＰＣ試験での既知の荷重Ｆから応力σを求める。そして、求めた応力σを図６の縦軸にプロットし、ＳＰＣ試験の破断時間が単軸クリープ試験の破断時間に等しいとして図６の横軸にプロットすることで、図６の実線Ｍを得る。

この実線Ｍは、実機の損傷部位から採取した微小サンプル（試験片）のＳＰＣ試験結果を換算して得た単軸クリープ破断特性である。予め取得されてデータベースに格納された新材（未損傷材）についての単軸クリープ試験結果特性Ｎと上記実線Ｍとにおいて、損傷部位特定工程Ｓ１で得られた寿命評価時点での実機運転応力との交点から、クリープ寿命（残存寿命）及びクリープ損傷量を予測して評価する。

但し、クリープ寿命後期の微小サンプルに対しては、上述の図４で示したクリープ破断延性０．５〜１．５ｍｍ／ｍｍを下回る場合があることが想定される。これは、実機を使用したときのクリープ損傷によって一定量のクリープ歪が蓄積し、微小サンプル（試験片）の素材が持つ本来のクリープ破断延性に対し、ＳＰＣ試験時点でのクリープ破断延性が見かけ上低下している可能性があるためである。しかし、このようにクリープ破断延性が大幅に低下している微小サンプル（試験片）については、硬さによる寿命評価工程Ｓ３で硬さ計測結果からクリープ寿命が後期であるか否かの判定を行うことで、この破壊試験による寿命評価工程Ｓ４における寿命評価の対象から除外されている。

次に、ＳＰＣ試験を用いた直接法による寿命評価について、図７を用いて説明する。この直接法による寿命評価においても、硬さによる寿命評価工程Ｓ３においてクリープ寿命後期の微小サンプル（試験片）は除かれ、クリープ寿命の初期から中期の微小サンプル（試験片）が対象になる。

まず、実機の損傷部位から採取した微小サンプル（試験片）について、ＳＰＣ試験で得られた試験片の破断時間を横軸に、試験片への荷重を縦軸にそれぞれプロットすることで、実機サンプルのＳＰＣ試験結果特性Ｘを得る。次に、予め取得されてデータベースに格納された新材（未損傷材）についてのＳＰＣ試験結果特性Ｙと上記特性Ｘとを比較する。すると、任意のＳＰＣ試験荷重における交点からクリープ損傷量（損傷割合）が得られ、このクリープ損傷量に寿命評価時点までの運転時間を考慮（例えば積算）することで、クリープ寿命を算出して評価する。

＜寿命決定工程Ｓ５＞
この寿命決定工程Ｓ５は、硬さによる寿命評価工程Ｓ３及び破壊試験による寿命評価工程Ｓ４での評価結果から、最終的な寿命を決定する工程である。すなわち、硬さによる寿命評価工程Ｓ３においてクリープ寿命が後期（クリープ寿命比ｔ／ｔｒ＝０．８以上）であると判断された微小サンプル（試験片）については、そのクリープ寿命比０．８以上を最終な寿命とする。また、クリープ寿命が初期から中期であると判断された微小サンプル（試験片）については、ＳＰＣ試験を実施して直接法または換算法により評価した寿命評価値を最終的な寿命とする。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。

（１）構造物である機器（実機）の損傷部位から採取した微小サンプルに対して、そのクリープ寿命が後期の場合には、硬さによる寿命評価工程Ｓ３によって硬さによる寿命評価を実行し、上記微小サンプルのクリープ寿命が初期から中期の場合には、破壊試験による寿命評価工程Ｓ４によってＳＰＣ試験による寿命評価を実行することで、これまで困難であった高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物の寿命を高精度に評価できる。

（２）破壊試験による寿命評価工程Ｓ４では、クリープ寿命が初期から中期と判断された微小サンプルに対して破壊試験（ＳＰＣ試験）を実施することで、直接法の場合にも換算法の場合にも、微小サンプルのクリープ寿命を高精度に評価できる。

特に換算法では、ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関指標（Ｆ／σ）とＳＰＣ試験による変形比との関係（図５）を用いて、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果に換算することで、非特許文献１の破壊評価法に準ずる評価を行うことができる。この際に、硬さによる寿命評価工程Ｓ３によりクリープ寿命後期のサンプルが除外されることで、破壊試験による寿命評価工程Ｓ４におけるＳＰＣ試験結果から単軸クリープ試験結果への換算精度が高まり、換算法で実施する寿命評価の精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、硬さによる寿命評価工程Ｓ３と破壊試験による寿命評価工程Ｓ４の区分けをクリープ寿命比０．８前後としたが、必ずしもこの値である必要はない。これは、微小サンプル（試験片）の素材個々の特性や硬さ検出精度によって、上述の区分けのための最適値が変動するからである。

また、本実施形態では、微小サンプルの採取後に硬さ計測を行っている。しかし、例えば寿命評価対象である構造物の表面に直接取り付ける形式の圧子押し込み型の硬さ計測計などを用いて、微小サンプルを採取しなくとも同等程度の精度で硬さ計測が可能な場合には、微小サンプルの採取前に硬さ計測を実施して硬さによる寿命評価工程Ｓ３を行うことが可能である。この場合、破壊試験による寿命評価工程Ｓ４のために、クリープ寿命が初期から中期であると判断された損傷部位のみで微小サンプルを採取することで、採取サンプル数を削減でき、寿命評価費用を低減できる。

Ｓ１損傷部位特定工程
Ｓ２サンプル採取・硬さ計測工程
Ｓ３硬さによる寿命評価工程
Ｓ４破壊試験による寿命評価工程
Ｓ５寿命決定工程

Claims

Ｃｒ量が８．０ｗｔ％以上で且つ１１ｗｔ％以下となる高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物のクリープ寿命を評価する構造物の寿命評価方法において、
前記構造物の損傷部位からサンプルを採取し、このサンプルの硬さを計測するサンプル採取・硬さ計測工程と、
このサンプル採取・硬さ計測工程で計測した硬さ計測結果から、前記サンプルのクリープ寿命が後期であるか否かを判断する硬さによる寿命評価工程と、
この硬さによる寿命評価工程でクリープ寿命が初期から中期と判断された前記サンプルに対して破壊試験を実施し、クリープ寿命及びクリープ損傷量を定量化する破壊試験による寿命評価工程と、
前記硬さによる寿命評価工程で前記クリープ寿命が後期と判断された場合には前記硬さによる寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定し、前記クリープ寿命が初期から中期と判断された場合には前記破壊試験による寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定する寿命決定工程と、を有することを特徴とする構造物の寿命評価方法。
Ｃｒ量が８．０ｗｔ％以上で且つ１１ｗｔ％以下となる高Ｃｒ系耐熱鋼から構成された構造物のクリープ寿命を評価する構造物の寿命評価方法において、
前記構造物の損傷部位の硬さを計測する硬さ計測工程と、
この硬さ計測工程による硬さ計測結果から、前記損傷部位のクリープ寿命が後期であるか否かを判断する硬さによる寿命評価工程と、
この硬さによる寿命評価工程によりクリープ寿命が初期から中期と判断された前記損傷部位からサンプルを採取し、このサンプルに対して破壊試験を実施して、クリープ寿命及びクリープ損傷量を定量化する破壊試験による寿命評価工程と、
前記硬さによる寿命評価工程で前記クリープ寿命が後期と判断された場合には前記硬さによる寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定し、前記クリープ寿命が初期から中期と判断された場合には前記破壊試験による寿命評価工程による評価結果から最終的な寿命を決定する寿命決定工程と、を有することを特徴とする構造物の寿命評価方法。
前記構造物の損傷部位を前記構造物の強度解析により特定する損傷部位特定工程を、更に追加して有することを特徴とする請求項１または２に記載の構造物の寿命評価方法。
前記硬さによる寿命評価工程においてクリープ寿命が後期であるか否かの判断は、構造物の構造解析より得られた損傷部位の温度及び応力値、前記構造物の運転時間、並びに予め構築されたクリープ損傷に伴う硬さ変化データを用いて算出された硬さ予測値と、実際に計測された硬さ計測値との差分を算出し、この差分値が所定値を越えるか否かにより判断することを特徴とする請求項３に記載の構造物の寿命評価方法。
前記破壊試験による寿命評価工程における破壊試験は、サンプルを平板状に加工した試験片を５００〜７００℃に保持し、この試験片に一定荷重で剛体球を押し付け、前記試験片の変形から貫通に至るまでの時間および変形量を計測し、計測された変形量を用いてクリープ損傷量を定量化するＳＰＣ試験であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の構造物の寿命評価方法。
前記破壊試験による寿命評価工程では、ＳＰＣ試験と単軸クリープ試験の相関指標Ｆ／σと、前記ＳＰＣ試験における変形比との関係を用いることで、前記ＳＰＣ試験と前記単軸クリープ試験との相関性を定義してＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果に換算し、この換算法を用いてサンプルのクリープ寿命及びクリープ損傷量を定量化することを特徴とする請求項５に記載の構造物の寿命評価方法。