JPH01311268A - 金属材料の余寿命評価法 - 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〕 本発明は、金属部品の余寿命評価方法に係り、特にボイ
ラ等の高温・高圧下で使用され、クリープ及び疲労損傷
を受ける金属材料の寿命評価法に関する。

〔従来の技術〕

火力発電プラントや化学装置などの高温・高圧下で長時
間使用される機器では、運転中に使用材料がクリープ損
傷を受ける。これらの高温高圧機器は通常１０万時間の
クリープ破断強度をベースに設計されており、その設計
寿命は１０万時間であるといえる。しかし、我国のボイ
ラの約半数は既に１０万時間以上運転されており、更に
今後長時間使用される予定である。このように設計寿命
を超えて長時間運転されるボイラに対しては、適切な余
寿命診断により、十分な安全性を確保するとともに必要
に応じ部分的な補修、取り換えを行って、寿命延長を計
る必要がある。従って、高精度の金属材料の余寿命診断
技術が各方面で検討されている。

材料損傷を直接検出する方法は、破壊的手法と非破壊的
手法に大きく分類される。破壊的手法とは、実機部材の
一部をサンプルとして採取し、引張試験、クリープ破断
試験等を行い、余寿命を評価する方法である。非破壊的
手法には、レプリカにより金属組織を写しとり、その金
属組織の状態から損傷の程度を推定する方法、及び加熱
、クリープ等に起因した物理量の変化を検出し、余寿命
を評価する方法がある。レプリカによる方法では、金属
組織の状態２例えばＣｒ　−Ｍ　ｏ　ＳＮではパーライ
トの分解程度、ステンレス鋼ではシグマ相の析出状況等
により定性的に評価する方法や、キャビティ（クリープ
損傷）を測定する方法、及び結晶粒の変形を測定する方
法（特願昭６２−２５８０８７号公報）等がある。

また、物理量を測定する方法では、硬さ（特開昭５７−
１０４６３”、号公報、特開昭５８−９２９５２号公報
）、電気抵抗（特開昭５８−６０２４８号公報）、超音
波音速く特開昭５３−１２０５８５号公報）、Ｘ線によ
るミスオリエンテーション及び渦電流によるコイルイン
ピーダンス（特開昭５３−８８７８１号公報）等の物理
量により余寿命を評価する方法等が提案されている。

しかし、従来技術は次のような問題点がある。

破壊的手法では、精度良く余寿命を評価できるが、サン
プル採取とサンプル採取後の補修、及び評価試験に多大
な時間と費用がかかるほか、構造上サンプル採取ができ
ない箇所がある。また、定期的なモニタリングには適し
ていない。これらの問題点は非破壊的手法によれば解決
できる。すなわち、非破壊的手法であるため、サンプル
採取及び補修の必要はなくＪ￥、価も比較的簡単にでき
る。更に、モニタリングにも適している。このようなこ
とから、非破壊的手法による余寿命診断法の研究が推進
されてきている。

前記の非破壊的手法の中で、特にボイラ材料のクリープ
損傷に対して好適なものは、レプリカによるキャビティ
の検出、及び結晶粒変形を測定する方法である。これら
は応力負荷によりクリープ変形することによって現われ
る現象であり、変形が比較的顕著になる損傷の半分程度
から有意な差が出る。このため、損傷率が大きい場合に
は有効な手段であるが、低損傷側の評価ができない。ま
た、応力負荷がなく、単純に高温で長時間加熱した場合
（時効）材質劣化によりクリープ強度は低下するが、そ
の評価もできない９一方、従来技術で述べた他の非破壊
的手法は、ボイラ材料に対してはクリープ損傷と直接対
応しない。例えば、硬さについてはタービン材料ではク
リープ損傷材とそれと同じ熱履歴を受けた時効材とでは
硬さ低下の割合が異なるため、その差によってクリープ
寿命評価が可能になる。しかし、ボイラ材料の場合は両
者の差がほとんどなく、クリープ損傷評価は不可能であ
る。従って、これらのパラメータは時効、すなわち温度
・時間支配による材質劣化に対応しているが、時効によ
るクリープ破断強度の定量的評価はなされていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、以上に述べた従来技術の問題点を解決するも
ので、その目的とするところは１時効損傷や低損傷側を
も含めた損傷全般に渡って、高精度で診断できる金属材
料の余寿命評価法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため、本発明に係る金属材料の余
寿命評価法は、金属材料の損傷評価パラメータとして応
力支配又は温度・時間支配のパラメータをそれぞれ少な
くとも１個測定し、その損傷評価パラメータを損傷の程
度に応じてランクに分類し、あらかじめ損傷の程度が既
知の材料について損傷評価パラメータのクリープ損傷に
対する寄与度合を算出し、寄与度合を前記ランクに乗し
てその総合点数を算出し、総合点数からクリープ損傷率
を算出して余寿命を評価するように構成されている。

〔作用〕

本発明によれば、金属材料の余寿命評価法を、応力支配
又は温度・時間支配のパラメータのそれぞれ少なくとも
１個を測定することによって行い、ランク付けして寄与
度合を乗じることによってその総合点数が算出される。

〔実施例〕

本発明の一実施例値を第１図〜第１１図を参照しながら
説明する。

金属材料の損傷パラメータとして応力支配又は温度・時
間支配のパラメータをそれぞれ少なくとも１個測定し、
その損傷評価パラメータの程度に応じてランクに分類し
、あらかじめ損傷の度合が既知の材料からそれぞれの損
傷評価パラメータのクリープ損傷に対する寄与度合を算
出し、寄与度合をランクに乗じてその総合点数を算出し
、この総合点数からクリープ損傷率を求めるように構成
されている。

各損傷評価パラメータは応力負荷により検出されるもの
と、応力負荷には関係なく時効により検出されるもの等
、クリープ損傷に対する寄４度合が異なる。すなわち、
応力負荷により検出されるパラメータは有効であるが、
低損傷側あるいは時効による材質劣化は検出できない。

逆に時効を検出するパラメータは高損傷側の評価ができ
ない。

そこで、両者のパラメータをクリープ損傷に対する寄与
度合を考慮し、組合せて評価することにより、損傷の全
般に渡る評価が可能となる。

実機ボイラの２１八−ＩＭｏ鋼で、第１図〜第３図に示
されるように、損傷が厳しいと推定される過熱器出口管
寄チューブレグ部等、数個所のレプリカ採取、硬さ測定
を実施した。損傷評価パラメータとしては、母材ではミ
クロ組織変化、硬さ。

結晶粒変形とし、溶接部（溶接金属及び溶接熱影響部）
ではミクロ組織変化、硬さ及びキャビティを選定した。

母材の各損傷評価パラメータのランク分けは第４図に示
されるが、溶接部では結晶粒変形の代りにキャビティに
なる。母材で結晶粒変形を、溶接部でキャビティをパラ
メータとして選定したのは以下の理由による。母材では
結晶粒内変形が生じやすく、結晶粒の変形が顕著である
が、溶接部では硬化しているため変形し難く、また、粒
界が不明確なため判定しにくい。一方、キャビティは溶
接部では早い時期に発生するが、母材では寿命末期にな
って初めて発生する。以上のことから、母材では結晶粒
変形を、溶接部ではキャビティをパラメータに選定した
。

次に各パラメータのランク分けについて説明する。Ｃｒ
−Ｍｏｐの組織は加熱によりパーライトが分解　凝集し
ていくが、その程度に応じて定性的に４段階にランク分
けしている。硬さはやはり加熱により低下していくが、
第５図に示されるようにビッカース硬さＨｖと室温の引
張強さ６との間には相関関係がある。そこでビッカース
硬さＨｖから引張強さ６を算出し、規格最低値６．Ｊと
比較している。

ビッカース硬さＨｖから引張強さ６の換算においては、
このデータのバラツキを考慮し、９９％信頼区間での上
限値６　ｍａｘ、回帰値６ｍ、及び下限値Ｊ　ｍｉｎを
求め、これらの値と規格最低値６゜どの比較で４段階に
ランク分けした。結晶粒変形については、第６図及び第
７図に示されるように、結晶粒Ｇの最大直径りの方向Ａ
と応力方向Ｓとのなす角度Ｏｍの分布の頻度Ｔを求めた
。Ｏｍはクリープ損傷率φＣが小さい場合にはあらゆる
角度に分−布するが、φＣが大きくなると応力方向（θ
ｍ＝０度）にピークを持つ分布になる。そこでこの分布
の差異を表すため、標準偏差Ｓｍを求めた。このＳｍ値
は変形係数と呼んでいるが、第８図に示されるようにク
リープ損傷率（使用または試験時間／破断時間）の増加
とともに低下している。このデータの回帰曲線を求め、
クリープ損傷率が０゜５．０．６５，０．８となるＳｍ
値を境界に４段階にランク分けした。キャビティについ
ては、第９図に示されるキャビテイ面積率Ｓｃとクリー
プ損傷率φＣとの関係を求め、結晶粒変形と同様にクリ
ープ損傷率φＣが０．５，０．６５，０．８となるＳｃ
値を境界に４段階にランク分けした。

なお、レプリカ法は、評価個所をグラインダー等で鏡面
仕上げして材質にあったエツチング液でエツチングする
。この場合、結晶粒を明確に出すため、やや長くエツチ
ングした方が良い。エツチングした個所に溶剤で溶かし
たレプリカ膜をはりつけ、乾燥後、はがすことによって
表面組織を転写できる。このレプリカ膜を顕微鏡でｗ１
察し、その結晶粒形状を画像処理装置によって測定する
ことによって、損傷評価パラメータとなる標準偏差Ｓ、
を算出することができる。

以上のように各パラメータはランク分けするが。

ミクロ組織変化、硬さ変化は主として加熱時効に起因し
、結晶粒変形、キャビティは応力負荷に起因するもので
ある。従って、クリープ損傷に対する寄与度合が異なる
。そこでクリープ損傷が既知の材料を使用してこれらの
パラメータを測定し、重回帰分析により各パラメータの
クリープ損傷に対する寄与度合を求めた。すなわち、ミ
クロ組織。

硬さ、結晶粒変形（母材）、キャビティ（溶接部）の各
ランクをそれぞれ、Ｍｘ＋　Ｈｘ＊　Ｇｘ、　Ｃｘ＋ク
リープ損傷率をφＣとすると、 φｃ＝ａＭｘ十ｂＨｘ＋ｃ（Ｃｘ又はＧｘ）＋ｄ・・・
・（１） となるような最適の係数１　ａ、ｂ、ｃ、ｄを重回帰分
析により求める。この係数を利用することにより、実機
部材のクリープ損傷率を算出できるが、多くの個所を診
断するには更に簡便化する必要がある。そこで、各パラ
メータの係数の比を算出し。

各ランクのポイントをつける。このポイントは第４図に
併記される。余寿命の算出方法としては、このポイント
の総和とクリープ損傷率の関係を損傷が既知の材料から
求めておき、この関係からクリープ損傷率を算出する。

ポイントの総和Ｐとクリープ損傷率φＣの関係は次式で
表される。

φｃ＝２ＸＰ＋４　　　　　　　・・・・（２）この式
を用いることにより、実機部材のクリープ損傷率を求め
ることができる。第１０図は本実施例で求めたクリープ
損傷率と同一個所で、破壊試験及び結晶粒変形又はキャ
ビティ単独で評価した結果との関係を示しているが、両
者は良く一致している。この図に示すデータは比較的高
損傷側のデータであるが、本実施例により精度良く余寿
命評価できていることが分かる。第１１図は理論解析に
よる評価結果との比較であるが、低損傷側で理論解析値
の方が低くなっている。理論解析ではクリープ破断強度
をベースにしているため、時効による材質劣化に伴うク
リープ強度の低下は考慮していない。従って、理論解析
値が低くなるのは時効によるクリープ強度低下を考慮し
ていないためであり１本実施例ではこの点が改良されて
おり、時効によるクリープ強度低下も定量的に評価でき
る。

以上のように本実施例では従来定量的に評価できなかっ
た低損傷側及び時効による損傷を含めて、全範囲のクリ
ープ損傷を定量的に高精度で診断できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レプリカ採取、硬さ測定という簡潔な
非破壊的手法を用い、各パラメータについて数段階のラ
ンク分けをするという簡便な方法で定量的な金属材料の
余寿命評価が可能になる。

また、複数のパラメータを用いるため信頼性が高く、高
精度の診断が可能になる。更に、結晶粒変形やキャビテ
ィの応力支配の損傷評価パラメータでは評価できなかっ
た低損傷側及び時効による損傷も含めて全範囲のクリー
プ損傷評価が可能となる。従って２本発明により火力発
電プラント等の高温・高圧機器の簡便で高精度の余寿命
評価が可能となり、設備の適切な保守管理、長寿命化、
信頼性向上等、工業的価値が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例におけるボイラの測
定位置を示す斜視図、第４図は本発明の一実施例におけ
る各損傷評価パラメータのランク分は及び各ランクのポ
イントを示す図、第５図はビッカース硬さと引張強さの
関係及びランク分は基準を示すグラフ、第６図及び第７
図は結晶粒の最大長径の方向と応力方向とのなす角度の
分布を示すグラフ、第８図は０ｍ（７１標準偏差である
変形係数とクリープ損傷率との関係を示すグラフ、第９
図はキャビテイ面積率とクリープ損傷率との関係を示す
グラフ、第１０図は本発明の一実施例で求めたクリープ
損傷率と破壊試験、非破壊試験（結晶粒変形、キャビテ
ィ）で求めたクリープ損傷率との関係を示すグラフ、第
１１図は理論解析によるクリープ損傷率との関係を示す
グラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、金属材料の損傷評価パラメータとして応力支配又は
   温度・時間支配のパラメータをそれぞれ少なくとも１個
   測定し、その損傷評価パラメータを損傷の程度に応じて
   ランクに分類し、あらかじめ損傷の程度が既知の材料に
   ついて前記損傷評価パラメータのクリープ損傷に対する
   寄与度合を算出し、該寄与度合を前記ランクに乗じてそ
   の総合点数を算出し、該総合点数からクリープ損傷率を
   算出して余寿命を評価することを特徴とする金属材料の
   余寿命評価法。