JPH01288758A - オーステナイト・ステンレス鋼の劣化度評価方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、例えば火力発電ボイラの加熱器管や化学プ
ラントの熱交換管として使用されるオーステナイト・ス
テンレス鋼の靭性及びクリープ性等の劣化度を、電気化
学的手法により非破壊的に定量評価するオーステナイト
・ステンレス鋼の劣化度評価方法に関する。

（従来の技術） 周知のように、オーステナイト・ステンレス鋼は、耐酸
化性及び耐クリープ性に優れた材料として、例えば火力
発電用ボイラや化学プラント等に幅広く利用されている
。しかしながら、このオーステナイト・ステンレス鋼は
、５００〜７００℃の高温下及び高圧下で使用されるこ
とが多いため、長時間の使用による材質劣化が進行する
と、局部的な熱流束等の諸因子により、突発的な管噴破
陣害や亀裂の発生に至ることが知られている。このため
、従来では、経験的な外観検査や各種の探傷検査等を定
期的に繰り返し、部材の交換や補修を行なうようにして
いる。

ところで、国内に設置されている火力発電設備は、いわ
ゆる高度成長期に建設されたものが多く、現在では、運
転開始以来１５年（約１０万時間）以上稼働しているプ
ラントが全体の約７０％を占めており、今後、設備は老
朽化の一途をたどることになる。

そこで、現在の電気事業としては、設備の信頼性を維持
しかつ寿命延伸対策を講じることが必要となっており、
特に、設計寿命とされる１０万時間を越えた部材に対し
ては、定期的な検査を実施して経年的な材質劣化の進行
状況を把握しておくことが肝要なこととなっている。

このため、従来より、オーステナイト・ステンレス鋼に
対する経年的な材質劣化、すなわち靭性やクリープ損傷
等を評価する手法が種々考えられ、多くの研究が実施さ
れている。例えば電力中央研究所の報告Ｎ　ｏ、２８３
０１９　（１９８３）では、１〜１０万時間使用した火
力発電ボイラ過熱器管の経年劣化特性について諸材料試
験を行ない、以下のような結論を述べている。

まず、オーステナイト・ステンレス鋼管は、運転時間の
経過とともに、硬さの増大、衝撃値の低下及び引張り強
度の増大に伴う伸びの低下が生じる。このことは、長時
間の使用により、材質の硬化と靭性の低下、つまり脆化
が起こることを示している。また、高温強度を表わすク
リープ破断強度は、高応力では長時間使用による低下が
現われるが、使用応力程度の低応力では長時間使用後も
新管の強度と大差ない。

さらに、オーステナイト・ステンレス鋼は、運転時間の
経過とともに結晶粒界上に析出物が生じ、次第に粗大化
する。この粒界析出物は、運転初期のクロム炭化物から
、運転時間がｌＯ万待時間およぶようになると、徐々に
シグマ相（Ｃｒ−Ｆｅ金属間化合物）に変化する。

以上のことより、機械的性質変化と思われていた経年劣
化は、長時間使用に伴うクリープ損傷によるものではな
く、組織変化に起因しているものと考えられる。このた
め、経年劣化の指標としては、金属組織変化に基づく評
価方法の開発が重要であることが示唆されている。

次に、「火力原子力発電」協会誌Ｖｏ１．３３　。

Ｎ　ｏ、９　　（１９８２）において、川口らの実施し
た「シグマ相の定量によるボイラ過熱器管の残寿命推定
」では、長時間使用した過熱器管についてクリープ試験
及び金属組織のシグマ相の定量ｎ１定を行なった結果、
シグマ析出量とクリープ歪速度との間には相関があり、
シグマ相の数を光学顕微鏡で計測して定量表示すること
によりクリープ歪速度を推定すれば、余寿命を予７１）
Ｊすることができるとしている。

上述した２件の研究報告は、いずれもボイラの燃焼ガス
雰囲気中におけるオーステナイト・ステンレス鋼管の経
年劣化が、金属組織の変化に基づくものであることを示
唆しており、特に後者の報告では、クリープ歪速度とシ
グマ析出量との相関関係は、各々のボイラの運転履歴や
材質等によって異なるため、この報告で得られたデータ
をそのまま他のボイラに適用することはできないという
問題を有している。

このため、実際には、各々のボイラから適時切出した多
数の供試管について、一定条件でクリープ試験等の材料
試験を実施する必要がある。しかしながら、クリープ試
験は、試験に要する時間が長くかかるとともに、解析が
繁雑である等、迅速性及び簡便性に欠けるという問題が
生じる。また、光学顕微鏡による金属組織のシグマ相の
定ｔＴＦｊ定は、シグマ相を出現させる腐蝕条件やその
計測技術の適否によって、大幅に誤差が生じるという不
都合を有している。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、従来のオーステナイト・ステンレス鋼の
劣化度評価手段では、試験時間、解析作業及び正確性等
の種々の面に対して、満足のいくものではないという問
題を有している。

そこで、この発明は上記事情を考慮してなされたもので
、迅速かつ容易でしかも正確にオーステナイト・ステン
レス鋼の劣化度を評価し得る極めて良好なオーステナイ
ト・ステンレス鋼の劣化度評価方法を提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） すなわち、この発明に係るオーステナイト・ステンレス
鋼の劣化度評価方法は、オーステナイト・ステンレス鋼
の試料と、該試料に対向して設置された電極とをアルカ
リ性溶液中に浸し、試料と電極との間に直流電圧を印加
して、該試料と電極との間を流れる電流を計測し、この
電流密度値とシャルピー衝撃試験における衝撃値及びク
リープ破断試験における破断時間との相関関係から得ら
れる基準曲線を用いて、試料の劣化度を定量評価するよ
うにしたものである。

（作用） 上記のような方法によれば、微視組織変化による炭化物
金属間化合物（例えばシグマ相）の析出状態を電気化学
的に測定しで、力学的諸特性との相関関係からオーステ
ナイト・ステンレス鋼の靭性及びクリープ性等の劣化度
を、非破壊的に定量評価するようにしているので、迅速
かつ容易でしかも正確にオーステナイト・ステンレス鋼
の劣化度を評価することができる。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を説明するに先立ち、低温シ
ャルピー衝撃試験及びクリープ破断試験等の材料試験手
段による劣化度評価方法について、簡単に述べておくこ
とにする。

（］）　　低温シャルピー衝撃試験法による靭性評砧方
法 シャルピー衝撃試験法は、ＪＩＳ　Ｂ　７７２２に規定
されているが、材料の衝撃力に対する抵抗、つ才り靭性
または脆性を判定する目的で用いられる。

通常、得られた試験片の断面積当りの破断に要したエネ
ルギー値（衝撃値）を縦軸にとり、横軸に試験温度をと
って、温度による衝撃値の変化や、試験片の破断様式が
脆性破面から延征破面に移り変わる試験温度つまり遷移
温度等を求め、材１の脆性範囲を定性的に判断する手段
として用いられている。

以前では、上述したシャルピー衝撃試験は、延性及び脆
性を明確に示すフェライト系鋼の靭性評価に限定されて
使用されていたが、この発明では、オーステナイト拳ス
テンレス鋼についても、シャルピー衝撃試験により靭性
評価が可能であることを示している。

なお、試験温度は、供試材の用途や性質等によって範囲
が異なり、一般には、高温で使用するものは室温から使
用最高温度までの範囲で行なわれ、低温で使用するもの
は室温から使用最低温度までの範囲で行なわれる。

この発明のちととなるシャルピー衝撃試験の特徴は、５
５０〜６５０℃の高温域で使用された材料の脆化挙動を
、使用条件より遥かに低い温度である室温から液体窒素
温度（−１９６℃）までの低温域で試験した結果を用い
ることにある。例えば過熱器ステンレス鋼管におけるシ
ャルピー衝撃試験の試験結果は、第２図に示すようにな
る。

なお、試験に用いたステンレス鋼管材は、過熱器管にＳ
ＵＳ　３１８　ＨＴＢを採用しているボイラから採取し
たものであり、第２図中、 「拳」・・・新しいステンレス鋼の特性、「ム」　（試
料シンボルＨ３−１ａ−１０）　−約ｔｏｏｅｏｏ時間
使用したステンレス鋼の特性、 「■」　（試料シンボルＡ２−８）・・・約８００００
時間使用したステンレス鋼の特性、 「★」　（試料シンボルＮ４−２ａ−９）　・＝約９３
９００時間使用したステンレス鋼の特性、 「Ｏ」　（試料シンボルＮ４−２ａ−８）−約８３００
０時間使用したステンレス鋼の特性、 「Δ」　（試料シンボルＮ４−１ａ−３）−約３５３０
０時間使用したステンレス鋼の特性、 「口」　（試料シンボルＡ２−２ａ−８）−・・約８３
０００時間使用したステンレス鋼の特性、 「×」（試料シンボルＭＳ−８）・・・約８００００時
間使用したステンレス鋼の特性、 となっている。

第２図から明らかなように、室温以下の温度では、長時
間使用した材料はど衝撃値が低下するとともに、その破
断面が粒界割れを示しており、力学的な破断特性は、新
材と明らかに異なる挙動を示している。このような衝撃
値の低下の原因は、長時間使用によって金属組織の不連
続部分であり化学的エネルギーの高い粒界に、炭化物や
金属間化合物よりなる析出物が集積し、結晶量結合力が
低下するためであると考えられている。

（２）　　クリープ破断試験法による損傷評価方法クリ
ープ破断試験は、一定温度の下に一定荷重にどれだけ長
く耐えられるかを比較する評価方法であり、高温におけ
る材料の強度を評価する方法として、最も信頼性が高い
とされている。ところが、実際の使用条件で試験を行な
うと、致方時間を必要とするため、通常は試験温度また
は試験応力を高くした、いわゆる加速試験を行なうよう
にしている。この場合、材料の不均一性に基づくデータ
のばらつきを考慮して、同一の試験を数回行なうように
している。

第３図は、クリープ破断試験の結果を示すもので、試験
に用いたステンレス鋼は、第２図で示したシャルピー衝
撃試験のときと同じものを用いている。この場合、試験
の温度ｔは８２３°にで、荷重σは２０　ｋｇｆ／　ａ
ｍ２である。また、第３図中容試料シンボルの末尾の数
字は使用時間を万単位で表わしている。第３図から明ら
かなように、新しい材料（Ｎ　ｅｗ）は破断するまでに
最も長い時間を要するが、使用履歴時間及び使用温度に
依存して破断時間は短くなる傾向を示している。

（３）電気化学的手法による劣化度評価方法近年、化学
プラントや発電プラント等の長時間使用に伴う材質変化
を定量的に評価して、設備の余寿命や寿命延伸技術の指
標に使用しようとする開発が行なわれている。しかしな
がら、現場で簡便かつ迅速に取り扱える非破壊的な測定
方法は未だ確立されていないため、その方面の技術開発
が強く要望されている。このような要求に対して、磁気
、Ｘ線、　ＡＥ　（音響）及び渦電流等の手法が研究さ
れているが、金属組織の微少な変化を敏感に捕える方法
としては、電気化学的手法が最も適している。

この電気化学的手法は、ある電解質溶液中に、金属試料
と該試料表面に向かいあった電極（通常は白金）とを浸
し、試料と電極との間に生じる電位差と、試料表面の溶
解によって生じるアノード電流を計測することにより、
試料の耐蝕性や腐蝕速度等を比較評価するものである。

この場合の電位及び電流は、材料の組成や熱履歴すなわ
ち金属組織に大きく依存して変化するので、これを利用
して組織変化の挙動を電流密度の変化として測定するこ
とが行なわれている。例えばオーステナイト・ステンレ
ス鋼の溶接によって生じる溶接部の鋭敏化現象（耐蝕性
の低下と応力腐蝕割れの発生）の判定法は、電気化学的
再活性化法（ＥＰＲ法）によって耐粒界腐蝕性を定量的
に評価する技術として実用化されている。

また、火力発電タービン・ロータやケーシングの低合金
鋼等が、長時間使用に伴って金属組織変化を起こし脆化
する現象が知られているが、これを評価する技術として
、特殊な電解液を用いた電気化学的再活性化法（ＥＰＲ
法）により、粒界の析出物を検出して力学的材料試験デ
ータとの相関からその脆化度を評価する手法が実用化さ
れつつある。

この発明の特徴は、上記（１）の説明で述べたように、
５５０〜６５０℃の高温域で使用されたオーステナイト
・ステンレス鋼の微視組織の変化を、所定の検出溶液中
でアノード分極法を行なうことによってアノード活性電
流密度の変化として捕え、このアノード活性電流密度を
、これと予め多くの材料試験データから作成した力学的
諸特性との相関基準曲線に外挿して、靭性及びクリープ
損傷を判定することにある。

以下、この発明の一実施例について図面を参照して詳細
に説明する。第４図は、この実施例で説明するアノード
分極測定装置を概略的に示している。すなわち、１１は
ガラス製の電解槽で、アルカリ性の電解質溶液１２が封
入されている。この電解質溶液１２内には、ホルダー１
３に支持されたオーステナイト・ステンレス鋼の試料１
４と、該試料１４に対向した電極１５とが浸漬されてい
る。

そして、上記試料１４及び電極１５は、それぞれポテン
ショ・スタット１６に接続されて電圧値の計測及び電圧
の印加等が行なわれるようになされている。また、上記
電解質溶液１２内には、プローブ１７の一端が浸漬され
、その他端は水槽１８内の電解液１９に浸漬されている
。さらに、上記電解液１９内には、寒天塩橋２０の一端
が浸漬され、その他端は水槽２１内のＫＣＬ飽和溶液２
２に浸漬されている。そして、このＫＣＬ飽和溶液２２
内には、上記ポテンショ・スタット１６に接続されたＫ
ＣＬ照合電極２３が浸漬されており、これによって試料
１４と電極１５との間を流れる電流が計測される。

なお、上記ポテンショ・スタット１Ｂには、関数発生器
（ポテンシャルプログラマ−）２４が接続され、この関
数発生器２４には、ＡＣ／ＤＣ（交流／直流）変換器２
５を介してプロッター２６が接続されている。

上記のような測定装置において、まず、電解質溶液ｌｚ
中に高純度窒素ガスを送り込み、約３０分間バブリング
して十分に脱酸素処理を行なった後、試料１４と電極１
５との間に生じる自然電位（通常的−〇、５ｖある）を
計測する。その後、試料１４と電極１５との間の電位を
上記自然電位から徐々に増加させていくと、試料１４と
電極１５との間を流れる電流の密度も徐々に上昇する。

そして、この電流密度は、第５図（ａ）、（ｂ）に示す
ように、試料１４と電極１５との間の電位が０．２〜０
．３Ｖのとき最大ピークに達する。これは、耐熱材料の
組織に析出する炭化物及び金属間化合物が、０．２〜０
，３ｖの電位で選択的に溶解反応を起こすときに生じる
アノード電流が、これら析出物の分布量に比例して増加
することに起因する。

なお、第５図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実機材及び新
材を所定の温度で一定時間熱処理した人工時効材のアノ
ード分極測定結果を示している。

すなわち、第５図（ａ）において、試料シンボル（Ｈ３
−１０）は使用時間１０万時間の試料であり、試料シン
ボル（Ｎ４−３）は使用時間３万時間の試料であって、
使用時間が長いものほどピーク電流密度が高いことがわ
かる。

また、第５図（ｂ）において、試料シンボル（ＬＭＰ　
２１．０）　、　　（ＬＭＰ　２１．５）　、　　（Ｌ
ＭＰ　２２．０）の順に加熱温度と処理時間が高くなる
もので、加熱パラメータが高いものほどピーク電流密度
が高いことがわかる。すなわち、時間と温度の増加に伴
ってピーク電流も増加していくものである。

そして、上記アノード活性最大ピーク電流密度Ｉｐは、
同一の供試材から切出した試験片に対して、シャルピー
衝撃試験及びクリープ破断試験を施した結果から得られ
た衝撃値及びクリープ損傷率と、対応関係にあることが
実証された。すなわち、第６図は、ピーク電流密度Ｉｐ
とシャルピー衝撃値との相関関係を示す基準曲線である
。また、第７図は、ピーク電流密度Ｉｐとクリープ損傷
率との相関関係を示す基準曲線である。

なお、第８図は、新材を所定の温度で一定時間熱処理し
た人工時効材と、実機材の金属組織に出現した粒界析出
物とを元素分析し、主要成分のクロムＣｒと鉄Ｆｅとの
比率Ｃｒ／Ｆｅと上記ピーク電流密度Ｉｐとの相関関係
をそれぞれ示したもので、図中点線で示した曲線が人工
時効材に対応し、実線で示した曲線が実機材に対応して
いる。

熱処理材と実機材とは、析出過程が異なることが明らか
であり、実機材のデータの重要性がわかるものである。

第１図は、上記ピーク電流密度１ｐと、クリープ損傷率
、靭性劣化度及びＣｒ／Ｆｅ率との相関関係を示す各基
準曲線をまとめて示したもので、図中点線で示す曲線が
靭性劣化度に対応し、実線で示す曲線がクリープ損傷率
に対応し、二点鎖線で示す曲線がＣｒ／Ｆｅ率に対応し
ている。すなわち、長時間使用した材料のピーク電流密
度Ｉｐの限界値を４０μＡとすると、そのときのクリー
プ損傷率は７０〜７５％で、靭性劣化度は５５％の範囲
であることを示している。

そして、以上の測定によって得られたアノード活性ピー
ク電流密度Ｉｐを、予め多くの材料をシャルピー衝撃試
験及びクリープ破断試験して得られたデータから作成し
た基準曲線に外挿することにより、対象とする試料の経
年変化による靭性及びクリープ損傷の進５行状況を、迅
速かつ容易でしかも正確に定量評価することができる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではなく
、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施
することができる。

（発明の効果） したがって、以上詳述したようにこの発明によれば、迅
速かつ容易でしかも正確にオーステナイト・ステンレス
鋼の劣化度を評価し得る極めて良好なオーステナイトや
ステンレス鋼の劣化度評価方法を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るオーステナイト・ステンレス鋼
の劣化度評価方法の一実施例を説明するためのもので、
ピーク電流密度とクリープ損傷率、靭性劣化度及びＣｒ
／Ｆｅ率との相関関係を表わす各基準曲線をまとめて示
す特性曲線図、第２図はシャルピー衝撃試験による衝撃
値と温度との関係を示す特性図、第３図はクリープ破断
試験による破断時間と伸びとの関係を示す特性曲線図１
、第４図は同実施例を実現するためのアノード分極測定
装置の概略を示す構成図、第５図は試料と電極との間の
電位とそこを流れる電流との関係を示す特性曲線図、第
６図はピーク電流密度と衝撃値との相関関係を示す特性
曲線図、第７図はピーク電流密度とクリープ損傷率との
相関関係を示す特性曲線図、第８図はピーク電流密度と
Ｃｒ　／　Ｆ　ｅ率との関係を示す特性曲線図である。 １１・・・電解槽、１２・・・電解質溶液、１Ｂ・・・
ホルダー、１４・・・試料、１５・・・電極、１Ｂ・・
・ポテンショ・スタット、１７・・・プローブ、１８・
・・水槽、１９・・・電解液、２０・・・寒天塩橋、２
１・・・水槽、２２・・・ＫＣＬ飽和溶液、２３・・・
ＫＣＬ照合電極、２４・・・関数発生器、２５・・・Ａ
Ｃ／ＤＣ変換器、２６・・・プロッター。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 逼　ａ　　（’Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. オーステナイト・ステンレス鋼の試料と該試料に対向し
   て設置された電極とをアルカリ性溶液中に浸し、前記試
   料と電極との間に直流電圧を印加して該試料と電極との
   間を流れる電流を計測し、この電流密度値とシャルピー
   衝撃試験における衝撃値及びクリープ破断試験における
   破断時間との相関関係から得られる基準曲線を用いて前
   記試料の劣化度を定量評価することを特徴とするオース
   テナイト・ステンレス鋼の劣化度評価方法。