JPH0228554A - 高温用機器の損傷検出法 - 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〕 本発明は高温機器材料に発生する微視欠陥から材料の損
傷度を評価することに係り、特に発電プラント用機器材
料の残余寿命評価に好適な損傷検出技術に関する。

〔従来の技術］ 従来の損傷検出法は特開昭５６−３５０５９に記載され
ているように、金属基地中に微細析出したバナジウム炭
化物の粒間距離、粒径及び析出物を観察し、損傷との相
関性から損傷量を評価するものであった。また、レプリ
カにｆり微視組織を複写し、損傷を推定することを述べ
た文献はあるものの、その具体的定量化法については何
ら言及がない。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術は、高温機器用材料において問題となるクリー
プにともなう微視欠陥の発生を考慮していない点で問題
があった。

これは、前記の炭化物変化が無応力の状態でも高温に保
持するだけで発生する。このため、炭化物のみで材料の
損傷を正確に評価できないためである。

本発明の目的は、材料の損傷量と直接関係する微視欠陥
の形状変化を観察することにより、損傷量の推定精度を
向上せしめることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は高温下で使用される耐熱合金に対し組織上に発
生する微視欠陥の形状を計測し、これを微視欠陥と損傷
量との相関性に基づき予め設定した損傷量と対比するこ
とにより、損傷を検出する高温用機器の損傷検出法であ
る。

この耐熱合金としては、好ましくはＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系の
耐熱鋼が挙げられるが、その他にＳＯＳ系の耐熱鋼も挙
げられる。

この微視欠陥の形−状としては、微視欠陥の長さ、面積
、数、縦横比等が用いられる。

この微視欠陥は材料組織内に不均一に分布しかつ、形態
上もバラツキがある。そこで統計上意味のある代表値を
決定するため、視野内を格子状に分割し一定の範囲を観
察することが好ましい。

また、微視欠陥の大きさは数μ以下であるため、一つ一
つを観察しやすくするための腐食技術が重要である。即
ち、ナイタルによるエツチング１回以上実施して組織を
腐食させることにより微視欠陥の計測がより容易となる
。

さらに、材料内部に発生した微視欠陥は直接観察できな
い。この様な場合、微視欠陥の形状変化を内部摩擦、電
気抵抗あるいは熱伝導率の変化により検出し、これを微
視欠陥と損傷量との相関性に基づき予め設定した損°傷
量と対比させることにより損傷を検出することができる
。

材料の点では、微視欠陥の発生はＳ、Ｍｎ並びにＰが関
与している。したがってこれら不純物を低減すればクリ
ープ微視欠陥の発生寿命を向上できるため、クリープ強
度を向上することができる。

一方、高温部材の局所的なひずみを実測することは温度
が高いため不可能に近い。しかし、クリープ変形は微視
欠陥の形状変化と直接関係する量であるため、この微視
欠陥の形状を計測することにより変形量を算出すること
が可能となる。即ち、高温材料に対し組織上に発生する
微視欠陥の形態を計測し、これを微視欠陥との相関性に
基づき予め設定した損傷量と対比することにより実機部
材の変形量を検出することができる。

この耐熱合金の損傷検出法は発電プラント並びに化学プ
ラント等に使用される耐熱材料の残余寿命の測定法とし
て好適な方法である。

また、本発明の損傷検出法は耐熱合金であるＣｒＭｏ−
Ｖ系耐熱鋼からなる高温機器材料の他ＳＵＳ系耐熱鋼か
らなるに高温機器材料の損傷検出法としても適用できる
。

〔作　用〕

耐熱合金であるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系耐熱鋼の使用温度とな
る５５０℃近傍の温度域では微視欠陥型のクリープとな
ることが知られている。微視欠陥はＳ等の不純物を生成
核として発生し拡散により成長する。

したがって、クリープによる寿命消費は微視欠陥の形態
変化に直接関係することから、この微視欠陥の形状を観
察することによって損傷量を検出することが可能となる
。

（実施例〕 次に本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例１ 第１図はＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系蒸気タービン材料を対象に以
下に示す方法によりクリープ中に発生した微視欠陥の平
均長さを観察した結果である。微視欠陥の長さａ　（第
２図及び第３図参照）は、クリープ損傷量の増加ととも
に直線的に増大し、かつ、損傷後期（クリープ損傷≧０
．６）に著しい増加を示す。したがって、本実施例によ
れば、微視欠陥の形状、特に微視欠陥の長さを計測する
ことによりクリープ損傷を推定することができる。また
、損傷後期で微視欠陥の長さが著しく増加することから
、クリープ損傷末期の損傷を評価する点で効果が顕著で
ある。

実施例２ 第４図は本損傷検出法を用いた残余寿命診断のフローチ
ャートを示す。事前に観察した微視欠陥の形状と第１図
に示す関係から残余寿命を推定し機器更新の時期を決定
することができる。第１表に本検出法によりＣｒ−Ｍｏ
−Ｖ系耐熱鋼の残余寿命を推定した結果を示す。推定は
真の寿命に対し約９０％の精度で推定が可能であること
を示す。

実施例３ 第５図に、第１図に示した微視欠陥の長さを観察するた
めの順序を示す。微視欠陥は観察用試料を１１１２００
にて湿式研摩後、５μダイヤモンドハフ及び帆０５μア
ルミナバフ研磨を行ない４％ナイタルエッチング、さら
に、０．０５μアルミナパフ及び４％ナイタルエッチン
グ後、水洗／乾燥後、超音波洗浄する。このような処理
をした試料を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する
ことにより初めて形状を把握することが可能となる。な
お、表面状態をプラスチックフィルムに転写し観察する
ことも可能である。

実施例４ 第６図に観察した視野の例を示す。約１０ｍｍＸ１０胴
の試料を０．５　ｍｍ等間隔に分割しその格子点を観察
視野とした。ＳＥＭによる観察倍率を２０００倍とし観
察視野数を１００以上、あるいは微視欠陥の観察個数を
５０以上とすることにより形状を示す値（長さ、面積、
縦横比）は一定値に収束し統計処理が可能となる。

実施例５ 第７図は微視欠陥の占有面積の増加にともなう電気抵抗
率（初期の電気抵抗との比）の変化を示す。電気抵抗は
クリニブによる組織の回復のため、減少するもののクリ
ープ末期に増加する。これは、全組織に占る微視欠陥の
占有面積が増加したためである。したがって電気抵抗は
微視欠陥占有率を直接観察せずにその増加を予測するた
め特にクリープ末期の損傷検出に効果的である。また、
同様に内部摩擦及び熱伝導でも微視欠陥の様な欠陥を感
知できる。したがってこれらの物性値に基く損傷検出が
可能である。

実施例６ 第８図はクリープひずみと微視欠陥の長さとの関係を示
す。微視欠陥の長さの増加とともにクリープひずみとの
直線性は失われる。しかし微視欠陥の長さが約３μｍ以
下の領域では、ひずみ量は微視欠陥の長さに対し直線的
に増加する。したがって、微視欠陥の長さを計測するこ
とによりクリープによる変形量を測定することが可能と
なる。

実施例７ 第２表に不純物の含有率を著しく低減させたＣｒ−Ｍｏ
−Ｖ耐熱鋼（鋼種Ａ−Ｃ）と従来型Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ耐熱
鋼（鋼種Ｄ）の化学組成及びクリープ破断強度を示す。

鋼種Ａ−Ｃのクリープ破断強度は鋼種Ｃに比べ２倍以上
高＜　、Ｓｔ、　Ｍｎ、　　ｐ並びにＳのいずれかを低
めることがクリープ破断強度の向上に著しく効果がある
ことを示す。

なお、鋼種Ａ−Ｃは真空炭素脱酸法（Ｖ　ＣＤ）により
、また鋼種りは塩基性電気炉にて真空脱酸し？官製され
た。

実施例８ ５５０°Ｃの温度下で、あるクリープ損傷を受けた１％
Ｃｒ−１，２％Ｍｏ−０，２５％Ｖ耐熱鋼より、第５図
に示す順序により観察試料を作成し観察に供した。

観察は第６図に示す視野（約４００の格子点）に対し、
走査型電子顕微鏡を用い実施した。その後、画像解析装
置にて微視欠陥の形態を定量化し、観察された微視欠陥
の平均長さが約１．３５μｍであることがわかった。同
様の材料より予め得られている微視欠陥の長さとクリー
プ損傷（第１図）の関係に本観察結果を代入し、本供試
材のクリープ損傷が約０．５５であることが判明した。

したがって、今後、温度、５５０’Ｃ，応力２４５ＭＰ
ａの条件下で使用すれば、全寿命が約２８００ｈである
ことから、約１２６０ｈで寿命となることが明らかとな
った。

一方、本供試材を同一の条件でクリープ試験した結果、
木材は１３９３ｈで破断し、本発明法にて得られた寿命
との差は１０％以下であることがわかった。

なお、試料を観察する場合、表面状態をプラスチックフ
ィルムに転写すれば非破壊的に組繊観察することが可能
となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば耐熱合金の損傷量を高精度に推定するこ
とが可能であり、火力発電プラント及び化学プラント等
、高温機器材料の損傷検出に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はクリープ損傷、と微視欠陥の長さの関係図、第
２図は組織上に発生した微視欠陥の例をふす図、第３図
は第２図の矢印で示す近傍部分の梗写図、第４図は本発
明を用いた残余寿命診断方法のフローチャート、第５図
は微小欠陥の長さをし察するための順序を示す図、第６
図は本発明の昂小欠陥観察視野を示すメツシュ図、第７
図は本発明の微小欠陥の占有面積率と電気抵抗変化を来
場相関図、第８図は本発明の一実施例であるクリブひず
みと微小欠陥の長さの関係図である。 ０．２ ０．４ ０．６ ０．８ １．０ クリープ損傷（負荷時間／寿命） 第２図 第４図 第６図 ←Ｘ ０．５ｒｒ＋ｍピンチ 第７図 クリープ損傷 第８図 微視欠陥の長さ（μｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温下で使用される耐熱合金に対し組織上に発生す
   る微視欠陥の形状を計測し、これを微視欠陥と損傷量と
   の相関性に基づき予め設定した損傷量と対比することに
   より、損傷を検出することを特徴とする高温用機器の損
   傷検出法。 ２、高温下で使用される耐熱合金に対し組織上に発生す
   る微視欠陥を内部摩擦、電気抵抗並びに熱伝導率により
   検出し、これを微視欠陥と損傷量との相関性に基づき予
   め設定した損傷量と対比することにより、損傷を検出す
   ることを特徴とする高温用機器の損傷検出法。 ３、高温下で使用される耐熱合金に対し組織上に発生す
   る微視欠陥の形態を計測し、これを微視欠陥と変形量と
   の相関性に基づき予め設定した損傷量と対比することに
   より変形量を検出することを特徴とする実機部材の変形
   量の検出法。 ４、請求項１に記載した損傷検出方法により、発電プラ
   ント並びに化学プラント等に使用される耐熱材料の残余
   寿命を測定することを特徴とする残余寿命の測定法。 ５、ナイタルによるエッチングを１回以上実施して組織
   を腐食させることにより微視欠陥の形状を計測すること
   を特徴とする請求項１記載の損傷検出法。 ６、微視欠陥の形状の計測を格子状に分割し、その交点
   を観察することにより行なうことを特徴とする請求項１
   記載の損傷検出法。 ７、微視欠陥の形状が微視欠陥の長さであることを特徴
   とする請求項１記載の損傷検出法。 ８、微視欠陥の形状が微視欠陥の面積であることを特徴
   とする請求項１記載の損傷検出法。 ９、微視欠陥の形状が微視欠陥の数であることを特徴と
   する請求項１記載の損傷検出法。１０、微視欠陥の形状
   が微視欠陥の縦横比であることを特徴とする請求項１記
   載の損傷検出法。