JPH01129154A - 金属材料の脆化度検査法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、化学反応装置や火力発電設備等の構造部材用
の金属材料の脆化度を非破壊的かつ高精度に検査する方
法に関する。

（従来の技術） 化学反応装置や火力発電設備構造部材は高温長時間使用
中に金属組織の面から見ると炭化物の凝集粗大化、転位
組織の回復、不純物元素の結晶粒界への偏析、が進行し
て硬度が低下（軟化）したりじん性が低下（脆化）する
ことが最近の研究から明らかになっている。これらの材
質変化は、必然的に損傷蓄積を加速するので、構造部材
の信頼性や健全性を確保する上で極めて重要な因子とな
る。

ところで、上述した材質変化の内、特に脆化は従来にあ
っては部材から試験片を採取し破壊試験を行なうことに
よってのみ判定し得るものであった。そのため、実用的
には、上記の様な破壊試験の行えない部材にあっては、
脆化を合理的に考慮した部材の信頼性、健全性の評価は
困難であり、したがって従来は、設計段階で予め大きな
安全係数を設けて過度に安全側に評価する以外に脆化に
対処する方法はなかったと言える。

この様な情況において、近年、電気化学試験、具体的に
は金属材料の分極特性を計測することによって、金属材
料の経年的材質劣化を非破壊的に検出する方法が提案さ
れている（例えば、特開昭６０−１４１５５号、特開昭
６０−３５４６号公報）。

（発明が解決しようとする問題点） 前述の電気化学試験による脆化の非破壊的検査法は、不
純物の粒界偏析に伴う脆化現象を対象にしたものである
。しかしながら、高温下で長時間使用され゛る構造部材
の金属組織変化は、不純物の粒界゛偏析以外に炭化物反
応や転位組織変化、さらには金属間化合物反応も生じ得
るので、脆化現象はこれらによってもたらされることも
よくあることである。従って、不純物元素の粒界偏析以
外の金属組織的変化によってもたらされる脆化も非破壊
的に検出されなければ高温下で長期に亘って使用される
構造部材の信頼性や健全性確保のための評価には未だ不
十分である。

そこで、本発明は、特に高温下で長期に亘って使用され
る構造部材金属材料の脆化を、それが不純物の粒界偏析
によるものであるか否かのいかんに拘らず非破壊的かつ
高精度に検出し得る方法ならびにそのための装置を提供
することを目的としている。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段および作用）本発明に係
る脆化度検査方法は、化学反応装置や火力発電設備等の
構造部材用の金属材料め脆化度を非破壊的に検査する方
法であって、該金属材料の非破壊試験によって得られた
脆化度の検査データもしくはその修正データを、前記金
属材料に固有のデータであって測定対象たる前記金属材
料の脆化状態に非依存性の特性データに基づいて補正す
ることによって脆化度を算出することを特徴としている
。

さらに、本発明に係る金属材料の脆化度検査装置は、金
属材料表面の脆化度を電気化学的に検出するための電気
化学試験装置と、この電気化学試験装置以外の手段によ
って得られる非破壊的検査データを入力するための人力
装置と、この入力装置から入力されたデータに基づいて
前記電気化学試験装置で得られた脆化度の検査データを
補正するための演算装置と、この演算装置で演算された
データを出力するための出力装置とを具備してなること
を特徴としている。

本発明の脆化度検査方法においては、脆化度を得るため
の非破壊試験が、電気化学試験、硬度計測試験、ならび
に金属組織試験であり得る。一方これらの非破壊試験に
よって得られた脆化度の検出データを適宜修正するため
に用いられる特性データとしては、金属材料の化学的成
分データや引張り特性などの金属材料の製造記録データ
がある。

以下、このようなデータに基づいて金属材料の脆化度を
算出する具体的方法について説明する。

まず、構造部材の金属表面を鏡面研摩し、有機酸または
無機酸を主成分とする電解液を用い電気化学試験を行な
う。

次に、再度、表面を鏡面研摩し、有機酸または無機酸の
溶液で表面を腐食して微小な凹凸を生ぜしめ、この微小
な凹凸をプラスチックフィルムに転写して金属組織試験
を行ない、さらに引き続いて硬度計測も併せて行なう。

これらの電気化学試験、金属組織試験、硬度計測試験の
順番は特に指定する必要はなく、任意の順序で行なわれ
得る。

これらの試験により、電気化学試験からは電気化学パラ
メータを、金属組織試験からは結晶粒度を、また、硬度
計測試験からは硬度を得る。

そこで先ず、電気化学パラメータに対し、結晶粒度を用
い所定の手順の元に補正を行ない修正電気化学パラメー
タを決定する。これは、結晶粒界単位長さ当りの不純物
の粒界偏析量に対応するものである。

次に、製造記録データ（すなわち、金属材料のに固有の
データであって材料の脆化状態に非依存性の特性データ
）である金属材料の化学成分、あるいは必要に応じて引
張特性を用いて再度補正を行ない修正電気化学パラメー
タを決定する。これは、部材金属製造時の材料特性を反
映するものである。

一方、硬度は、不純物の粒界偏析と共に脆化のもうひと
つの要因である炭化物の粗大化程度に対応するものであ
る。

上記各検査データすなわち、修正電気化学パラメータと
硬度および化学成分、引張特性を用いて所定の手順に従
って脆化度を決定することができる。この場合の脆化度
は、たとえば、破面遷移温度として定量的に算出され得
る。

この様な手法により高温下で使用される構造部材金属表
面での電気化学試験を行なうことによって部材金属と電
解液との電気化学反応により、たとえば第６図に示され
る様な分極曲線（ｍ流・電圧曲線）を得ることができ、
図中に示す各種の電気化学パラメータが決定される。電
気化学試験から得られるこれら電気化学パラメータは不
純物の粒界偏析の程度に対応する量である。なお、後述
する本発明の実施例においては、この様な分極曲線によ
って得られるパラメータの内、再不働態化電流（再不働
態化電流密度）用いて脆化度を算出する場合について説
明する。

また、硬度計測試験を行なうことにより得られる硬度は
、炭化物の粗大化程度を代表する量である。金属組織試
験からは結晶粒寸法を表わす結晶、粒度が決定され、上
記電気化学パラメータの結晶粒度による補正に使用され
る。さらにまた、金属材料の化学成分や機械的特性は材
料側々のヒートの違いを考慮するために使用される。し
たがって、これらの検査、データから算出される金属材
料の脆化度は概念的には、下記（１）式で表わされ得る
。

脆化度−ｆ（非破壊計測データ、製造記録データ） −ｆ（電気化学パラメータ、硬度、結 晶粒度、化学成分１機械的性質 ・・・・・・・・・・・・（１） （実施例） 以下、本発明を、蒸気タービンロータの脆化度の検査に
適用した例に基づいて更に詳細に説明する。

本実施例の検査対象である高温部で使用されるタービン
ロータは、クロムが約１％、モリブデンが約１％、バナ
ジウムが約０，２５％含まれ高温強度に優れた材料から
なる。このＣｒＭｏＶロータは、高温で長時間使用され
る間に不純物の粒界偏析や炭化物の粗大化によって脆化
が進行し、それと共に破面遷移温度（ＦＡＴＴ）が上昇
する。

通常、脆化の進行によりき裂伝播速度は加速され、また
破壊抵抗性は低下するので、脆化の進行と共に、き裂は
一層伝播しやすくまた、破壊されやすくなる。この場合
のき裂伝播速度の加速および破壊抵抗性の低下の度合は
、脆化程度に左右されるので、高温下で長時間使用後の
ロータの脆化度を知ることは、ロータのその後の運転に
対する信頼性ならびに安全性を確保するための対策を講
じ電力の安定供給を図る上で極めて重要である。このよ
うな観点で、ＣｒＭｏＶ鋼部材においては、脆化度を定
量的に評価する基準としては破面遷移温度（ＦＡＴＴ）
が重要である。

以下、第２図に示すフローチャートを参照しながら脆化
度を評価する基準となる破面遷移温度（ＦＡＴＴ）の測
定方法について説明する。

まず、第２図に示すように、電気化学試験を実施して分
極曲線から再不働態化電流密度■　を求「 める。

第１図は本発明の装置の構成の概要を示すものである。

まず、電気化学試験を行なうために、開口部１を有し、
照合電極２と対極３と電解液４を内蔵するプローブ型電
解セル５が、ロータ６の電気化学試験部位表面の研摩後
、該部位に取りつけられる。プローブ型電解セル５は、
ポテンショスタット７、スキャナー８、クーロンメータ
９を具鑓して成る電気化学試験装置１０に電気的に接続
され、電気化学試験装置１０の出力は演算装置１１に入
力される。また、この演算装置１１には入力装置ｉ！１
２が接続され、入力装置！１２に入力された諸データは
演算袋Ｗ１１１に導かれる。さらに、演算装置ｉ！１１
には出力装置１．３が接続され、演算袋Ｗｔ１１の演算
結果の表示や、入力データのプリントアウト、あるいは
ＣＲＴ表示等の必要な出力操作を行なう。

第１図におけるプローブ型電解セル５と電気化学試験装
置１０によってロータの電気化学試験を行なうに際して
用いる電解液４としては、有機酸と界面活性剤の混合溶
液が有効であり、特に、０．０５〜０．９％のピクリン
酸と０．０５〜０．５％のトリメチルベンゼンスルフオ
ン酸ナトリウムからなる溶液が好適である。

この溶液を用いた電気化学試験により、電気化学試験装
置１０は第２図に示すような分極曲線を計測する。この
場合の分極曲線は、測定部材を対象とする７ノ一ド分極
曲線であり、すなわち、上記電解液１に接触したロータ
６を陽極、白金などを対極３として外部電源により分極
させて、回路に流れる電流を電流計で測定すると共に、
電位は照合電極２に基づいてポテンショスタット７で測
定する。このようにして陽極電位と電流との関係を測定
し、これを繰返して第２図に示すような電流−電位曲Ｉ
Ｉ（アノード分極曲線）を得る。

ＣｒＭｏＶ鋼製ロータの脆化検査においては、電気化学
パラメータとしては、第２図中の最低電流値（再不働態
化電流値）を電気化学試験検査面の面積で除した値であ
る最低電流密度（再不働態化電流密度：Ｉ　）が適切で
ある。即ち、第１図に示す本発明の装置において電気化
学試験装置１０は、上述した電気化学試験により再不働
態化電流密度！　を算出する。

このようにして得られた再不働態化電流密度■　は、第
１図の演算装置１１により入力装置１２からの入力デー
タを用いて次の様に補正される。　先ず、入力データの
ひとつである金属組織試験の結果得られた結晶粒度ｎを
用いて、下記（２）式の様に結晶粒界単位長さ当りの再
不働態化電流密度に相当する修正値１　ｒ　／が演算さ
れる。

旦 Ｉ　′関Ｉ　／２２　　　　・・・・・・・・・（２）
ｌｒ 次に、この再不働態化電流密度■　の修正値Ｉ　′は、
更に入力装置１２からの入力データである化学成分の炭
素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、バナジウム（Ｖ）
の含有量（ｌ量％）を用いて修正され、修正値■　′が
演算される。

この場合の補正は、下記（３）式に基づいて算出され得
る。

■　　　′　−α　　　争　■　　　′　　＋　α　　
　・　Ｃ＋　α　３　　・　Ｐｒ　　　　ｌｒ　　　　
２ ＋α　・Ｓ＋α　・Ｖ＋α６ ・・・・・・・・・（３） 二二で、αｌ〜αＢは修正係数である。この場合の修正
係数は、多数のＦＡＴＴ、Ｉ　　’　、Ｃ，Ｐ。

ＳおよびＶの実測データから、ＦＡＴＴを従属変数とし
、その他を独立変数とする線形重回帰によって得ること
ができる。

この様に第１図の演算装置１１は、電気化学試験装置１
０で検出される再不働態化電流密度Ｉｒを入力装置１２
からの入力データをもとに上記（２）式と上記（３）式
で示す様に修正して、再不働態化電流密度２　の修正値
１　′を演算する。

ｌｒ 最後に、第１図における演算装置１１は、入力装置１２
からの入力データである硬度Ｈｖ、化学成分であるマン
ガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ
）およびモリブデン（Ｍ。

ケイ素（Ｓｉ）の含有量を用いて、下記（４）式に従っ
てＣｒＭｏＶ鋼の脆化度の指標である破面遷移温度（Ｆ
ＡＴＴ）を演算する。

ＦＡＴＴｌｋ　争■　′十ｋ　−Ｈｖ＋に３・ｌｒ　　
　　　　２ Ｍｎ＋ｋ　　”Ｖ＋に５”Ｃ＋ｋＢ＠ Ｓ＋ｋ　　　１１　（Ｃ＋Ｍｏ）　　φ　（Ｓ　ｉ　−
Ｖ）　＋　ｋｇ　争Ｐ　参（Ｓ　ｔ　＋　Ｍｎ）　＋に
９　　　　　　　　・・・・・・・・・・・・（４）こ
こで、ｋ１〜に９は修正係数である。この場合の修正係
数に１〜に９は、多数のＦＡＴＴ。

１、’　、Ｈｖ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃ，Ｓ、（Ｃ＋Ｍｏ）（Ｓ
　ｉ　−Ｖ）　、　　Ｐ　（Ｓ　ｉ　＋Ｍｎ）の実測デ
ータから、ＦＡＴＴを従属変数、その他を独立変数とす
る線形重回帰により求めることができる。

上記の脆化度検出手順において再不働態化電流密度Ｉ　
の修正値■　′の演算に必要な結晶粒度ｒ ｎは次の様に金属組織試験から決定される。

まずロータの脆化度検査部位の表面をグラインダで研摩
し鏡面状態に仕上げ、有機溶剤で洗浄して自然乾燥させ
る。次に、第４図に示す様に有機酸と界面活性剤の混合
溶液から成る腐食液１５を含み一端が開口した腐食セル
１６を脆化検査表面１７に押若、保持して脆化検査表面
を腐食させる。

表面が十分、腐食された後、腐食セル１６を取りはずし
表面を有機溶剤で洗浄し自然乾燥させる。

続いて、有機酸のエステルで軟化させたプラスチックフ
ィルムを腐食面に貼付して自然乾燥させ腐食面の金属組
織に対応する微細な凹凸をプラスチックフィルムに転写
する。自然乾燥後、プラスチックフィルムをロータから
剥離して顕微鏡にて観察する（金属組織試験）。

第５図は結晶粒度の異なる二種類のＣｒＭｏＶロータ部
材の金属組織表面を上記の手順に従って採取したプラス
チックフィルム（レプリカ）を用いて観察した顕微鏡写
真である。この場合、第５図（ａ）は、粗粒結晶組織を
有する部材の例であり、一方、第５図（ｂ）は、比較的
微細な結晶組織を有する部材の例である。この様な金属
組織の観察によって結晶粒度を測定することができるが
、この場合の結晶粒度測定法としては、ＪＩＳ−ＧＯ５
５１に規定された方法を用いることができる。尚、金属
組織観察のための測定材料表面の腐食は、第４図の腐食
セルに限られるものではなく、たとえば第１図のプロー
ブ型電解セル５と電気化学試験装置１０による電気化学
試験によっても可能である。

上記の脆化度検出手順において、上記（４）式で脆化度
を演算するための硬度は、ショア硬度計、エコーチップ
硬度計など市販の硬度計を用いた硬度計測試験によって
得ることができる。

また、上記の脆化度検出手順において上記（３）式によ
る電気化学パラメーター　′の演算や上記（４）式の脆
化度の演算に使用される化学成分の含有量は製造記録デ
ータを使用すればよい。

以上示した様に、本実施例によれば、高温下で長時間に
亘って使用された蒸気タービン用ＣｒＭｏＶロータ鋼の
経年劣化後の脆化度を破面遷移温度として、電気化学試
験、硬度計測試験、金属組織試験という非破壊試験、お
よび化学成分の含有量などの脆化状態に非依存性のデー
タといういずれも非破壊的データのみを用いて決定する
ことができる。

破面遷移温度は従来、被測定部材から試験片を採取する
ことによってのみ知り得るものであること、また、最近
の電気化学試験による非破壊的方法では不純物の粒界偏
析が主原因となる脆化の検出に有効であるものの、不純
物の粒界偏析が主原因でなく、炭化物の粗大化も大きな
脆化の要因である場合は、さほど有効でないことを考え
れば、本発明は、不純物の粒界偏析、炭化物の粗大化の
いずれに起因する脆化現象であっても、上述したような
非破壊的情報のみによって破面遷移温度を迅速にしかも
正確に決定できることの効果は大きい。

近年、火力発電設備の老朽化が著しく、たとえばロータ
という火力発電設備の中核的な部品の脆化の程度が、火
力発電設備全体の安全性、信頼性、健全性を大きく支配
するものであることを考えれば、本発明は非破壊的にロ
ータの脆化度の高精度かつ迅速な検査を可能にするもの
であり、脆化度に応じて適切な部品更新時期を設定でき
る等、電力の安定供給に極めて大きな役割を果たすこと
ができ、社会的貢献度も極めて高いものであると言えよ
う。

本発明の方法ならびに装置は、上記のような高温下で長
期に渡って使用される蒸気タービンロータ以外の他の構
造部材にも適用可能である。蒸気タービンロータ以外の
構造部材に適用するには、電気化学試験を行なう為の電
解液の種類と、電気化学パラメータを、さらには金属組
織観察のための腐食液を適宜に選定すればよい。これに
よって、ロータへの実施例と同様の効果を得ることがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、特に高温長時間使用による構造部材用
金属材料の脆化度を、電気化学試験、硬度計測試験、金
属組織試験という非破壊試験、および製造記録データと
いう、いずれも非破壊的なデータのみに基づいて、正確
かつ迅速に得ることができる。

さらに本発明の方法ならびに装置によれば、近年明らか
になった高温長時間使用中に進行する構造部材金属材料
の脆化を、部材から試験片を採取する破壊的な方法を用
いることなく知ることができるので、発電プラントや化
学プラントなど高温下で長期に亘ワて使用される構造部
材金属材料の安全性や信頼性あるいは健全性を維持する
ことに必要な種々の対策を適切な時期に施すことができ
、このため火力発電プラントでは電力の安定供給に資す
ることになりまた、化学反応装置では安全かつ安定した
操業を可能にするので、本発明は社会的要求に鑑みても
産業上すこぶる有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の全体構成図、第２図は脆化度検
出手順を示すフローチャート、第３図は蒸気タービン用
ＣｒＭｏＶロータの電気化学試験で得られる分極曲線の
例、第４図は金属組織試験の為の腐食セルをの断面図、
第５図（ａ）および（ｂ）は蒸気タービン用ＣｒＭｏＶ
ロータの金属組織の顕微鏡写Ａ（１００倍）、第６図は
金属材料の電気化学試験によって得られる分極曲線とこ
の分極曲線で示される各種分極パラメータの定義を示す
図である。 １・・・開口部、２・・・照合電極、３・・・対極、４
・・・電解液、５・・・電解セル、７・・・ポテンショ
スタット、８・・・スキャナ、９・・・クーロンメータ
、１０・・・分極試験装置、１１・・・演算装置、１２
・・・入力装置、１３・・・出力装置。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 図面のｉ′？’７区内′ｉｉに季二更なし）第１図 第２図 第６図 １　事件の表示 昭和６２年　特許願　第２８９１２４号２　発明の名称 金属材料の脆化度検査法および装置 ３　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （３０７）　　株式会社東芝 ４代理人 昭和６３年２月３日 図　　面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、構造部材用の金属材料の脆化度を非破壊的に検査す
   る方法であって、該金属材料の非破壊試験によって得ら
   れた脆化度の検査データもしくはその修正データを、前
   記金属材料に固有のデータであって測定対象たる前記金
   属材料の脆化状態に非依存性の特性データに基づいて補
   正することによって脆化度を算出することを特徴とする
   、金属材料の脆化度検査法。 ２、非破壊試験が、電気化学試験、硬度計測試験および
   金属組織試験である、特許請求の範囲第１項に記載の金
   属材料の脆化度検査法。 ３、脆化状態に非依存性の特性データが、化学的成分デ
   ータおよび（または）機械的性質データである、特許請
   求の範囲第１項に記載の金属材料の脆化度検査法。 ４、電気化学試験が無機酸または有機酸を含む電解液を
   用いた試験であり、この試験により金属材料の高温長時
   間使用中に生じる不純物元素の粒界偏析を伴う材質変化
   を電気化学パラメータとして検出する、特許請求の範囲
   第２項に記載の金属材料の脆化度検出法。 ５、硬度計測試験が、金属材料の高温長時間使用中に生
   じる炭化物の粗大化、転位組織の回復を伴う材質変化を
   検出する試験である、特許請求の範囲第２項に記載の金
   属材料の脆化度検査法。 ６、構造部材金属材料の表面を鏡面研摩し有機酸で腐食
   し、乾燥した後、有機酸のエステルまたはケトン類に溶
   解させたプラスチックフィルムを腐食面に貼付し、腐食
   によって生じた微小凹凸をプラスチックフィルムに転写
   し、得られた転写フィルムを顕微鏡で観察して当該金属
   材料の金属結晶粒寸法を決定する金属組織検査が行われ
   る、特許請求の範囲第２項に記載の金属材料の脆化度検
   査法。 ７、金属材料表面の脆化度を電気化学的に検出するため
   の電気化学試験装置と、この電気化学試験装置以外の手
   段によって得られる非破壊的検査データを入力するため
   の入力装置と、この入力装置から入力されたデータに基
   づいて前記電気化学試験装置で得られた脆化度の検査デ
   ータを補正するための演算装置と、この演算装置で演算
   されたデータを出力するための出力装置とを具備してな
   ることを特徴とする、金属材料の脆化度検査装置。