JP6733748B1 - 余寿命診断曲線作成方法 - Google Patents

Abstract

ボイラ配管溶接部の余寿命を、より高精度に診断することが可能な余寿命診断曲線の作成方法を提供する。試験体に対しクリープ試験をすることにより得られたデータを用いて、ボイラ配管溶接部の損傷パラメータとクリープ寿命消費率との関係を示す余寿命診断曲線を作成する余寿命診断曲線作成方法であって、前記クリープ試験において、粒界キャビティによるクリープ破壊が発生する条件で破壊試験をすることにより、前記余寿命診断曲線を作成する。

Description

本発明は、余寿命診断曲線作成方法に関する。とりわけ、本発明は、ボイラ配管溶接部の部材における高精度な余寿命診断曲線の作成方法に関する。

従来、クリープ破壊を想定した場合の、金属材料の余寿命診断曲線（マスターカーブ）を作成する際には、コスト削減の観点から、試験体を高温に熱した上で、試験体に対し高い単軸応力を短時間かけるクリープ試験を行っていた。

例えば、特許文献１においては、クリープ試験片を単軸引張りクリープ試験に供することにより、余寿命診断曲線を得る方法を開示している。また、特許文献２においては、試験片を電気炉内で９００Ｋ以上まで加熱しながら、適宜中途止めを行い、各中途止め時において求めたパラメータを用いて、余寿命診断曲線を作成する方法を開示している。

特開２０１４−１３４４１７号公報 国際公開ＷＯ２００５／１２４３１５号公報

「クリープ破壊機構領域図」新谷紀雄（日本金属学会会報 第２６巻 第８号（１９８７））

しかし、従来技術の余寿命診断曲線の作成方法においては、上記のようにコストを削減するため、あるいは、より早く余寿命診断曲線を得るため、試験体に対し、実機で用いられる状況に比較して、はるかに厳しい温度や応力を与えていた。これにより、実機で用いられる状況を反映していることが想定される余寿命診断曲線に比較して、余裕度が高く精度が低い余寿命診断曲線が作成されていた。この余寿命診断曲線からは、余裕度の高さに由来して、実際よりも短く余寿命が算出されていた。

とりわけ、クリープ損傷の評価対象部材が火力発電設備で用いられることを想定した際、従来の余寿命診断曲線では、評価対象部材が実機で使用される場合に比べて、クリープボイドや亀裂が現れる時間が遅かった。すなわち、クリープボイドや亀裂が現れた時点での余寿命が短かった。

これにより、例えば、火力発電設備のボイラ配管溶接部に対し、従来の余寿命診断曲線を用いて余寿命を診断した場合、実際にはまだ十分な余寿命が存在するにもかかわらず、余寿命が残り少ないと判定し、使用部材を交換することがあった。延いては、クリープ試験のコストの削減分を、火力発電設備の設備コストが上回ることがあった。

そこで、本発明は、ボイラ配管溶接部の余寿命を、より高精度に診断することが可能な余寿命診断曲線の作成方法を提供する。

前記目的を達成するため、本発明は、次に記載する構成を備えている。
（１） 試験体に対しクリープ試験をすることにより得られたデータを用いて、ボイラ配管溶接部の損傷パラメータとクリープ寿命消費率との関係を示す余寿命診断曲線を作成する余寿命診断曲線作成方法であって、前記クリープ試験において、粒界キャビティによるクリープ破壊が発生する条件で破壊試験をすることにより、前記余寿命診断曲線を作成する、余寿命診断曲線作成方法。

（２） 上記の余寿命診断曲線作成方法では、前記クリープ試験において、前記試験体に対し、前記試験体が実機において使用される場合にかかる応力の２倍までの大きさの多軸応力をかけることにより、前記余寿命診断曲線を作成してもよい。

（３） 上記の余寿命診断曲線作成方法では、前記クリープ試験において、前記評価対象部材を、実機における使用温度から、実機における使用温度に５０度を加算した温度までの範囲で加熱することにより、前記余寿命診断曲線を作成してもよい。

（４） 上記の余寿命診断曲線作成方法では、前記試験体は、実機サイズの１／２倍〜１倍の大きさであってよい。

（５） 上記の余寿命診断曲線作成方法では、前記損傷パラメータは、ボイド面積率、ボイド個数密度、Ａパラメータ、及び亀裂長さのうち少なくとも１つであってよい。

本発明によれば、ボイラ配管溶接部の余寿命を、より高精度に診断することが可能となる。

材料のクリープ損傷の概念を示す図である。 １Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ鍛鉱の応力−破断時間曲線とクリープ破壊機構領域を示す図である。 本発明の実施形態に係る余寿命診断曲線作成方法のフローである。 本発明の実施形態で用いるクリープ試験装置の構成例である。 本発明の実施形態で用いるクリープ試験装置の構成例である。 本発明の実施形態に係る余寿命診断曲線作成方法により作成した余寿命診断曲線の実施例と比較例である。

〔１．発明の概要〕
上記のように、従来の余寿命診断曲線では、クリープ損傷の評価対象部材が実機で使用される場合に比べて、クリープボイドや亀裂が現れる時間が遅かった。これは、試験体に対し単軸応力をかけていること、及び、クリープボイドの成長が難しいほど、試験体を高温に熱した上で、試験体に高い応力をかけていることに由来する。

例えば非特許文献１は、クリープ領域での破壊機構は、主として、粒内クリープ破壊、粒界三重点クラック生成による破壊、及び粒界キャビティ生成による破壊とに分けられることを開示している。

なお、粒内クリープ破壊とは結晶粒の粒内における破壊であり、主として高応力の状況下で発生する。
また、粒界三重点クラック生成とは、３本の粒界から構成される粒界三重点において、亀裂が生成されることである。
また、粒界キャビティとは、クリープの進行に従って、結晶粒の粒界に発生する微小な孔のことである。図１に示すように、時間経過に伴い、粒界キャビティ同士が連結してクリープボイドと呼ばれる数μｍ径の孔となる。やがてクリープボイド同士が連結してクリープボイドの連結合体となり、ミクロ亀裂、更にはマクロ亀裂となる。

非特許文献１は、図２に示すような、発電設備で用いられる頻度の高い１Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ鍛鋼の、応力と破断時間との関係を示す曲線と、クリープ領域での温度や応力により種々変化する破壊の様相と、この温度・応力の領域との対応関係を示すクリープ破壊機構領域図を開示している。
概して、この鋼種が実際に使用される温度が７７３〜８２３Ｋ、応力が１００ＭＰａであることを考慮すると、図２は、領域Ｃに見られるように、クリープによって生じ得る破壊が、粒界キャビティ生成による破壊であることを示している。（なお、図２のグラフには、「再結晶ラプチャー」の領域Ｒが存在するが、「再結晶ラプチャー」とは、再結晶を伴う破断のことである。）

すなわち、ボイラ配管溶接部が実機で使用される状況を反映して余寿命診断曲線を作成するためには、評価対象部材としての試験体に、粒界キャビティによる破壊を起こすクリープ試験を実施する必要がある。

そこで、本発明においては、クリープ損傷の評価対象部材が、粒界キャビティによるクリープ破壊を起こす条件でクリープ試験を実施し、このクリープ試験によって得られるデータを用いて、余寿命診断曲線を作成する。

〔２．実施例〕
図３は、実施例における余寿命診断曲線作成方法のフローチャートを示す。
ステップＳ１において、ボイラ配管溶接部の試験体をクリープ試験装置に設置し、試験体の外周に設けられた加熱装置により、この試験体を加熱する。

試験体は、実機で実際に用いられている配管やエルボ、又は、実機サイズの１／２〜１倍の大きさの試験体であると共に、この試験体を、実機での使用温度から、実機での使用温度に５０℃を加算した温度までの範囲に加熱する。

また、クリープ試験装置としては、例えば、特開２００９−１０９３５６号に開示されるような、試験体の熱膨張による各変位の影響を受けることがないクリープ試験装置を用いてもよい。

以下、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら、特開２００９−１０９３５６号に開示されるクリープ試験装置の概要について説明する。図４Ａは、クリープ試験装置１の正面図を、図４Ｂはクリープ試験装置１の側面図を示す。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、クリープ試験装置１は、一対の支柱２及び３と、これら支柱２及び３の上端部に設置される固定梁４と、支柱２、３の中央部に設けられる接合柱部５とを備える。固定梁４の所定位置には、試験体Ｐに所定の荷重を作用させる一対の荷重負荷装置１０が設置される。
荷重負荷装置１０は、スクリュージャッキ２０、ロードセル３０、ガイドローラ４１を有する連結ビーム４０、中間スペーサ５０、スペーサ７０、及び、中間スペーサ５０とスペーサ７０との間に嵌装されるスライド支承装置６０を備える。
なお、図４Ａにおいて支柱２及び３を記載した場合、支柱２及び３の真後ろに、荷重負荷装置１０、すなわち、スクリュージャッキ２０、ロードセル３０、ガイドローラ４１を有する連結ビーム４０、中間スペーサ５０、スライド支承装置６０、及びスペーサ７０が隠れる図面となってしまうため、図４Ａにおいては、支柱２及び３は省略する。

連結ビーム４０により、荷重負荷装置１０が傾斜することが抑止される。
また、連結ビーム４０の外側に、ガイドローラ支持部材４３が取り付けられ、ガイドローラ支持部材４３の端部４２が支柱２、３に固定されることにより、曲げ荷重により角変位が発生した場合でも、中間スペーサ５０の水平位置が保持される。
更に、スライド支承装置６０が存在することにより、試験体Ｐの熱膨張によりスペーサ７０が動いた場合、及び曲げ荷重による角変位が発生した場合でも、荷重負荷装置１０の平衡状態が保持される。

なお、試験体Ｐは、一対の支持架台６により下端面が支持されると共に、支持架台６の上面にはサポート７が設けられ、サポート７の内端面８には、試験体Ｐの外周面と当接自在な円筒座９が設けられる。

ステップＳ２において、クリープ試験装置により、試験体Ｐに対し、例えば曲げと内圧を加えることにより、多軸応力をかけながら、断続的に損傷パラメータを取得する。
具体的には、試験体Ｐ内に給水装置で給水すると共に、ステップＳ１で実行される加熱により水蒸気を発生させて、試験体Ｐに内圧をかける。この状態で、上記の荷重負荷装置１０を用いて試験体Ｐに対し荷重を加えることにより、試験体Ｐに曲げ力を加える。これらにより、試験体Ｐに多軸応力が加えられる。

上記のように、従来の余寿命診断曲線作成方法においては、試験体に対し、単軸応力を加えていた。しかし、ボイラの溶接部の実際の使用状況においては、溶接部に対し、単軸応力ではなく、曲げ応力と内圧による２軸（多軸）の応力がかかる。本発明の余寿命診断曲線作成方法においては、この溶接部の実際の使用状況を反映するよう、試験体に対し曲げ応力と内圧による２軸（多軸）の応力を加えることにより、より精度の高い余寿命診断曲線を作成することが可能となる。

なお、多軸応力の大きさは、実機において評価対象部材に係る応力の２倍までの大きさである。
また、損傷パラメータとしては、例えば、ボイド面積率、ボイド個数密度、Ａパラメータ、及び亀裂長さのうち少なくとも１つを用いることが可能である。

ボイド面積率としては、所定の試験時間経過時において、試験体Ｐ内の評価視野中のボイド占有面積を算定し、評価視野の面積に対するボイド占有面積の割合を算出することにより、ボイド面積率を取得することが可能である。

ボイド個数密度としては、所定の試験時間経過時において、評価視野中のボイド発生量を算定し、評価視野の面積に対するボイド発生量の割合を算出することにより、ボイド個数密度を取得することが可能である。

Ａパラメータとしては、所定の試験時間経過時において、試験体Ｐの表面に対し、アセチルセルロースフィルム等を用いて金属組織を写し取って顕微鏡で検視する。その際、最大応力方向と平行な平行線を横切る粒界の総数と、ボイド発生粒界数をカウントする。そして、粒界総数に対するボイド発生粒界数を算出することにより、Ａパラメータを取得することが可能である。

亀裂長さとしては、評価視野内の最長の亀裂の長さを取得することが可能である。更に、亀裂が寸断されている場合、寸断箇所の長さが、隣接する両亀裂のうち長い方の長さに対して所定の割合以下であれば、これら両亀裂及び寸断箇所は繋がった１つの亀裂であるとみなして、亀裂の長さを求めてもよい。

ステップＳ３において、試験体Ｐの寿命時間を取得する。
具体的には、試験体Ｐがクリープ破壊するまで、クリープ試験装置で加力し、試験開始から、試験体Ｐが破壊された時間までの長さを、寿命時間としてもよい。
あるいは、ステップＳ２における損傷パラメータとして、ボイド面積率、ボイド個数密度、又はＡパラメータを用いた場合、これらのパラメータの値が「１」となった時点までの試験時間を、寿命時間としてもよい。この場合には、試験体Ｐを実際に破壊するよりも短い時間、とりわけ実大試験による破壊試験をするよりも短い時間で、余寿命診断曲線を作成することが可能となる。
あるいは、公知の理論式を用いて、試験体の寿命時間を算出してもよい。この場合にも、試験体Ｐを実際に破壊するよりも短い時間、とりわけ実大試験による破壊試験をするよりも短い時間で、余寿命診断曲線を作成することが可能となる。

ステップＳ４において、ステップＳ２で取得した各損傷パラメータに対応する試験時間を、ステップＳ３で取得した寿命時間で除算することにより、各損傷パラメータに対応する寿命消費率を算出する。

ステップＳ５において、各損傷パラメータの値を縦軸、各損傷パラメータに対応する寿命消費率を横軸として、余寿命診断曲線を作成する。

なお、ステップＳ３において、例えば、公知の理論式を用いて寿命時間を算出する場合には、ステップＳ３の実施順を、ステップＳ１又はステップＳ２以前に繰り上げることが可能である。

図４のグラフ中の実線は、上記の試験方法を用いることにより生成された余寿命診断曲線の実施例を示す。より詳細には、ＳＴＰＡ２４やＳＴＰＡ２２等のボイラー・タービン材料からなる０．５×４ｍ×ｔ３８ｍｍの試験体に対し、温度６３０℃、曲げ力１００ＫＮ、内部蒸気圧１０ＭＰａ程度で、多軸応力を加える試験を行った。

〔３．比較例〕
比較例として、上記の特許文献１及び２に記載の方法を用いることにより、余寿命診断曲線を作成した。
具体的には、実機の溶接部から採取した試験片であって、長さ１５０ｍｍ、溶接部を含む最も細い中央部の長さが５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍである試験体を、５７５℃（８４８．１５Ｋ）に加熱しつつ、適宜中途止めをしながら、１２５ＭＰａの単軸応力で、短時間引っ張る破断試験を行うことにより、余寿命診断曲線を作成した。この比較例の余寿命診断曲線を、図４の点線として示す。

〔４．実施例と比較例との比較〕
実施例を比較例と比較すると、実施例の余寿命診断曲線は、クリープ寿命消費率が低い時間から立ち上がり、その後、緩やかに上昇する形態を有する。すなわち、特定のボイド個数密度におけるクリープ寿命消費率は、比較例に比べて小さな値を取り、評価対象部材の実機での使用態様や、実際の劣化の度合いを反映する度合いが高いと言える。

〔５．発明の効果〕
本発明の余寿命診断曲線作成方法においては、粒界キャビティによるクリープ破壊が発生する条件で破壊試験をすることにより、余寿命診断曲線を作成する。
これにより、ボイラ配管溶接部が実機で使用される状況を反映して余寿命診断曲線を作成することが可能となり、ボイラ配管溶接部の余寿命を、より高精度に診断することが可能となる。

また、本発明の余寿命診断曲線作成方法は、クリープ試験において、実機サイズの１／２倍〜１倍の大きさの試験体を、実機における使用温度から実機における使用温度に５０度を加算した温度までの範囲で加熱しながら、試験体に対し、実機において使用される場合にかかる応力の２倍までの大きさの多軸応力をかけることにより、余寿命診断曲線を作成する。
これにより、上記の粒界キャビティによるクリープ破壊が発生する条件で破壊試験をすることが可能となる。更に、実機サイズよりも小さな試験体を用いた場合、試験体を実機における使用温度よりも高い温度まで加熱した場合、及び、試験体に対し実機において使用される場合に係る応力よりも高い応力を加えた場合には、実際の使用状況を反映した実大試験によって余寿命診断曲線を作成する場合よりも早く、余寿命診断曲線を作成することが可能となる。

また、本発明の余寿命診断曲線作成方法によって作成される余寿命診断曲線は、ボイド面積率、ボイド個数密度、Ａパラメータ、及び亀裂長さのうち少なくとも１つを損傷パラメータとする。
これにより、実機において、熟練者でなくても高精度のクリープ寿命消費率の評価を行うことができる。また、上記のように、損傷パラメータとして、ボイド面積率、ボイド個数密度、又はＡパラメータを用い、これらのパラメータの値が「１」となった時点までの試験時間を、寿命時間とした場合には、試験体の破壊を待たずして、余寿命診断曲線を作成することが可能となる。

１ クリープ試験装置
１０ 荷重負荷装置
２０ スクリュージャッキ
３０ ロードセル
４０ 連結ビーム
４１ ガイドローラ
５０ 中間スペーサ
６０ スライド支承装置
７０ スペーサ

Claims (3)

1. 試験体に対しクリープ試験をすることにより得られたデータを用いて、ボイラ配管溶接部の損傷パラメータとクリープ寿命消費率との関係を示す余寿命診断曲線を作成する余寿命診断曲線作成方法であって、
   前記損傷パラメータは、ボイド面積率、ボイド個数密度、及びＡパラメータのうち少なくとも１つであり、
   前記クリープ試験において、実機サイズの１／２倍〜１倍の大きさである前記試験体に対し、曲げ力と内圧との双方を加えることにより、粒界キャビティによるクリープ破壊が発生する条件で破壊試験をすると共に、前記損傷パラメータの実測値を用いて寿命時間を設定することにより、前記余寿命診断曲線を作成する、余寿命診断曲線作成方法。
2. 前記クリープ試験において、前記試験体に対し、前記試験体が実機において使用される場合にかかる応力の２倍までの大きさの多軸応力をかけることにより、前記余寿命診断曲線を作成する、請求項１に記載の余寿命診断曲線作成方法。
3. 前記クリープ試験において、前記試験体を、実機における使用温度から、実機における使用温度に５０度を加算した温度までの範囲で加熱することにより、前記余寿命診断曲線を作成する、請求項１又は２に記載の余寿命診断曲線作成方法。

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