JPH06317500A - 高温構造部材の損傷評価方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高温で使用される構造部材の損傷を、クリープ
損傷と疲労損傷とに区分けする。 【構成】高温で使用される構造部材について、予め疲労
損傷量−クリープ損傷量線図をデータベース化してお
き、実機材から測定したデータを疲労損傷量−クリープ
損傷量線図にプロットし、プロットした疲労損傷量−ク
リープ損傷量線図からクリープ損傷と疲労損傷とを識別
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高温で長期間にわたって
使用される構造部材の損傷評価方法および装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】蒸気タービンのボイラ、ケーシングなど
の高温で長期間使用される機器の構造部材は、主に定常
運転状態で蓄積されるクリープ損傷と、起動停止時に蓄
積される疲労損傷の両方を受ける。これらの損傷量を正
確に見積ることは、高温機器を安定運用させる上で非常
に重要となっている。

【０００３】従来確立されている損傷評価方法は、機器
の使用状態を表す温度や圧力、起動停止回数などの使用
状態量を基にして、損傷率や余寿命を計算により評価す
るもの（特公平１−２７３７７号公報、特公平１−２７
３７８号公報参照）が中心である。計算により高精度の
損傷評価結果を得るには、材料データ，構造部材の運転
履歴，温度，圧力などの計測データを完備することが必
要だが、使用状態量の計測精度の問題や計測ポイントに
制限があることなど、信頼できる計測データを得ること
はなかなか難しい。また、計算の段階で様々な仮定が存
在し、評価が画一的になり易く、構造部材固有の損傷特
性が得られにくい欠点があり、さらに損傷評価に時間と
費用がかかり過ぎる。

【０００４】そこで、近年材料の受けた損傷度を非破壊
的に測定した材料状態量変化より推定する方法が注目さ
れている。例えば金属組織中の材料状態量変化による実
体評価法は、金属組織を非破壊的に観察するレプリカ法
の技術が向上したことと画像処理技術の高精度化、簡素
化が図られたことを受けて、信頼性及び簡便性が飛躍的
に向上した。しかして、クリープ損傷評価に硬さあるい
はボイドを、疲労損傷評価に数ミクロンから数ミリの微
視き裂の長さを用いる方法などが提案されている。例え
ば、図６（ａ）のビッカース硬さ低下量とクリープ損傷
率の関係を示すクリープ損傷評価線図や図６（ｂ）の最
大亀裂長さと疲労損傷率の関係を示す疲労損傷評価線図
等があり、その外超音波、電磁気、音響などを用い、構
造部材から非破壊的に得られる情報で損傷度を診断する
方法も提案されている。

【０００５】ところで、最近、広範囲のクリープ損傷お
よび疲労損傷の評価方法として、図７に示すように、表
示（Ｉ）と表示（II）において各々非破壊的に計測され
る相異なる材料状態量ａ，ｂ及びクリープ損傷量と疲労
損傷量の関係を予め実験的に求め、予め定めた材料状態
量の差ごとにクリープ損傷量と疲労損傷量の関係を等高
線図として表示し、さらに実構造部材の当該材料状態量
ａ，ｂの計測値をはさむ等高線ａ₃ ，ａ₄ 及びｂ₄ ，ｂ
₅ で囲むバンドＡ，Ｂを表示し、さらに、表示（III ）
では表示（Ｉ）と表示（II）のうち実構造部材の当該材
料状態量ａ，ｂのバンドＡ，Ｂとそれらが交わる領域Ｒ
を表示し、この領域Ｒの座標から実構造部材のクリープ
損傷量と疲労損傷量を評価する構造部材の損傷評価方法
が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した損傷
評価方法は、クリープ損傷と疲労損傷の両方に依存する
材料状態量を一方の損傷量のみに関連づけるので、他方
の損傷量の影響が小さい場合のみに適用が限られる。つ
まり実験的にどちらか一方の損傷のみを与えた材料の損
傷診断、余寿命評価は行えるものの、実機におけるよう
に、蓄積されたクリープ損傷と疲労損傷の重畳した損傷
を評価するには不十分である。実機の高温構造部材の損
傷を評価する場合、材料状態量の変化は捕らえられて
も、それがクリープによるものか疲労によるものかまで
確実に評価することは難しい、という問題がある。

【０００７】また、上記した損傷評価方法の表示装置で
は図７の表示（III ）に示すように、実構造部材の材料
状態量ａ，ｂのバンドＡ，Ｂはイ，ロ，ハ，ニの４箇所
で交わっている。従ってバンドＡ，Ｂの交わる領域Ｒの
座標、即ちクリープ損傷量と疲労損傷量は４通り以上得
られることになり、しかも材料状態量の差、即ち等高線
の間隔も計測誤差などを考えるとあまり小さくすること
ができないので、材料状態量の種類によっては損傷量を
的確に判断できないという問題がある。

【０００８】本発明は上記した従来未解決であった諸問
題を解決するために成されたもので、その目的は、構造
部材を構成する材料固有の特性およびその変化を表す材
料状態量により広範囲のクリープと疲労の重畳した損傷
を受ける部位をクリープ損傷と疲労損傷とに分けて評価
する高温構造部材の損傷評価方法および装置を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の高温構造部材の損傷評価方法
は、高温で使用される構造部材について、クリープと疲
労の両方の損傷が重畳して蓄積する損傷評価部位から、
非破壊的手法により２種類以上の材料状態量を計測し、
予めデータベースとして実験的に求めてある各材料状態
量とクリープ損傷及び疲労損傷相互の関係に照らして、
各材料状態量の各々からクリープ損傷と疲労損傷の組み
合わせを、計測した材料状態量の数だけ求め、重畳損傷
を受ける部位の複数個の材料状態量が共通して与えるク
リープ損傷と疲労損傷を分離して決定することを特徴と
する。

【００１０】また、本発明の請求項２の高温構造部材の
損傷評価方法は、高温で使用される構造部材の非破壊的
に計測される２種類以上の材料状態量について、当該材
料状態量に対応するクリープ損傷量と疲労損傷量の関係
を予め実験的に求め、かつ予め定めた材料状態量の差ご
とにクリープ損傷量と疲労損傷量の関係を等高線図とし
て表示し、また実部材を計測して求めた２種類以上の材
料状態量を当該等高線図上に表示して実部材のクリープ
損傷量と疲労損傷量を表示装置に表示し、さらに実部材
の材料状態量の計測値をはさむ当該材料状態量の２つの
等高線から予め指定した内挿法によって当該計測値に対
応する等高線を表示することにより当該構造部材の損傷
を評価することを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明の請求項３の高温構造部材
の損傷評価装置は、高温で使用される構造部材の材料状
態量を計測する計測装置と、計測された材料状態量より
損傷評価対象材料の損傷度を演算して前記記憶装置に記
憶された材料状態量と比較する演算装置と、前記構造材
料ごとの材料状態量データベースをストックしている記
憶装置と、この比較した損傷評価結果を表示する表示装
置とから構成されたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の損傷評価方法によると、高温で長期間
にわたって使用される構造部材に用いられる材料に、実
験室的に広範囲にわたるあらゆる割合のクリープ損傷と
疲労損傷を与え、材料固有の特性とその経年劣化を代表
する材料状態量の値を非破壊的に測定し、クリープ損傷
（Ｘ軸）−疲労損傷（Ｙ軸）マップ上に整理する。構造
部材ごとに硬さ、微視き裂長さおよび密度、分極特性、
欠陥数および長さ、炭化物球状化率および密度、結晶粒
界回復幅、析出物粒間距離および密度、Ｘ線回析特性、
超音波特性、電磁気特性、音響特性の材料状態量すべ
て、もしくはいずれか２種類以上についてそれぞれクリ
ープ損傷−疲労損傷マップを作成し、データベースとす
る。そのクリープ損傷−疲労損傷マップ上で予め構造部
材ごと、個々の高温構造部材の材料状態量初期値ごとに
決定した幅の等高線図として表示する。このようにして
評価対象材料より計測した材料状態量の値を上記データ
ベースとそれぞれ照合し、材料状態量ごとに計測した絶
対値が含まれる等高線データバンドを求め、そのバンド
を別のクリープ損傷−疲労損傷マップ上にすべて書き移
すと、各バンドの交点が一義的に決定でき、その交点の
Ｘ座標、Ｙ座標がそれぞれ評価対象材料のクリープ損
傷、疲労損傷となる。各損傷決定の際には、確率論も取
り入れて最も信頼性の高い損傷評価を行う。

【００１３】また、本発明の損傷評価装置は、評価対象
材料より各材料状態量を計測する装置、材料データベー
スの記憶装置、損傷を演算する装置ならびに評価結果表
示装置より成る。計測装置には２種類以上の材料状態量
を測定する機能が盛り込まれており、計測装置より測定
された材料状態量は、損傷演算装置において記憶装置中
に記憶されている材料データベースと照合され、最も信
頼性の高い各データバンドおよびデータバンドの交点を
決定する。決定された交点の座標をクリープ損傷、疲労
損傷とし、その結果を表示装置によって画像、デジタル
として表示するものである。

【００１４】このように本発明方法によると、評価対象
材料の材料状態量測定によりクリープと疲労とが重畳し
た損傷も考慮した上で、対応するクリープ損傷と疲労損
傷を一義的に得ることができ、実体評価をベースにした
高精度の損傷評価が可能で、従来の計算による損傷評価
方法と違い、高度な計算装置を必要としないし、しか
も、本発明装置を用いると評価対象材料の材料状態量を
計測したその場で損傷評価が行える。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図１は本発明の第１実施例である高温構造部材の損
傷評価装置のブロック構成図である。

【００１６】同図において、１０は構造部材の材料状態
量の計測装置で、この計測装置１０は硬さ計、腐食装
置、レプリカ採取装置、分極試験装置、非破壊検査装置
などで構成され、必要な数だけ構造部材の被測定場所に
セットされる。この計測装置１０からの出力は損傷演算
装置１１に伝えられる。この損傷演算装置１１は記憶装
置１２にストックされている評価対象部材の材料データ
ベースと計測結果とを照合し、材料状態量ごとの等高線
データバンドと、各データバンドの交点を求める。この
交点のＸ，Ｙ座標をそれぞれクリープ損傷、疲労損傷と
し、確率論の適用により最適損傷値を決定する。この演
算結果を表示装置１３に伝える。表示装置１３は、評価
結果をクリープ損傷−疲労損傷マップとして画像表示
し、さらには最適損傷値の絶対値としてデジタル値で表
示する。

【００１７】次に、本発明の損傷評価方法を、ＣｒＭｏ
Ｖ鍛鋼（蒸気タービンロータ材）に適用した場合につい
て説明する。まず、図３に示すように、予め実験的に材
料データベースとしてクリープ損傷（Ｘ軸）−疲労損傷
（Ｙ軸）マップ上に作成する。今回の損傷評価には、材
料状態量として硬さ，微視き裂長さ，分極特性，欠陥
数，炭化物球状化率を採用している。すなわち、図３
（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ硬さ，微視き裂長さ，分極特
性，欠陥数，炭化物球状化率の材料状態量の材料データ
ベースである。原点はクリープ損傷，疲労損傷どちらも
存在しない材料の初期状態を示している。

【００１８】図３（ａ）の１は、設計段階で一定の安全
率を乗じた後のＣｒＭｏＶ鍛鋼のき裂発生限界の下限線
で、通常この下限線を超えた構造部材は寿命と診断さ
れ、交換される。即ち、この下限線より原点側の領域に
おいて損傷を正確に評価することが重要となる。また、
このき裂発生限界下限線は、材料組成、製造方法が同じ
であれば、材料使用用途を問わず過去の経験より一義的
に定義できる。

【００１９】図３（ａ）の２は、予め実験的に求めたビ
ッカース硬さ絶対値の等高線である。ビッカース硬さと
クリープ損傷には明確な相関が存在することがよく知ら
れているが、疲労損傷ともある程度の相関がある。即
ち、クリープ損傷側（Ｘ軸）では密な等高線、疲労損傷
側（Ｙ軸）では疎な等高線が得られ、重畳損傷を受けた
場合の相関を調べると、図３（ａ）に示すような等高線
が描ける。ＣｒＭｏＶ鍛鋼の評価対象材料より測定した
ビッカース硬さの絶対値は１９０だったので、その値が
含まれる等高線データバンドは３で示したハッチング部
分となる。なお、材料状態量の計測には誤差が含まれる
ことが避けられないが、等高線の間隔はその計測誤差を
上回るレベルに定められている。

【００２０】以下同様に、微視き裂長さ、分極特性、欠
陥数、炭化物球状化率を評価対象材料からそれぞれ測定
し、予め求めていたデータベースと照らし合わせ、測定
値が含まれる等高線データバンドを決定する。ハッチン
グ部分４〜７は、それぞれ評価対象材料より計測した微
視き裂長さ、分極特性、欠陥数、炭化物球状化率の絶対
値が含まれる等高線データバンドを示す。

【００２１】図３（ａ）〜（ｅ）に示した材料データベ
ースより求めた各材料状態量ごとの等高線データバンド
を書き移したクリープ損傷（Ｘ軸）−疲労損傷（Ｙ軸）
マップが図２である。このマップ上で等高線データバン
ドの共通する非常に狭い領域（以下交点Ｐという）が一
義的に決定できる。

【００２２】このようにして決定されたデータバンドの
交点Ｐより、Ｙ軸、Ｘ軸に平行線を引き、その平行線と
Ｘ軸、Ｙ軸の交点がそれぞれ評価対象材のクリープ損傷
量、疲労損傷量となる。評価したＣｒＭｏＶ鍛鋼の損傷
は、クリープ損傷４３％、疲労損傷２０％となり、綿密
な計算による評価結果（クリープ損傷４７％、疲労損傷
２１％）に略一致している。

【００２３】上述した本実施例によれば、クリープ疲労
重畳損傷を受ける高温構造部材の材料状態量を非破壊的
に計測することで、重畳損傷をクリープ損傷と疲労損傷
とに分けて評価することができる。また図２よりき裂発
生限界下限線に対するレベルを的確に判断できるので、
交換、補修の必要性あるいは時期を知ることができ、破
壊を未然に防げるばかりでなく、それ以後最も長寿命と
なる運転法および運転サイクルへのアドバイスが可能と
なる。

【００２４】図４は本発明の第２実施例における表示装
置の表示を示したもので、表示（Ｉ）には高温構造部材
の非破壊的に計測される材料状態量ａについて予め実験
的に求めたクリープ損傷量と疲労損傷量の関係における
等高線図が点線で、実高温部材を測定して求めた材料状
態量に対応する等高線ａj が、隣接する２つの等高線ａ
₃ ，ａ₄ から予め指定した内挿法によって求められ、実
線で表示されている。また、図４の表示（II）には非破
壊的に計測される材料状態量ｂについて予め実験的に求
めたクリープ損傷労と疲労損傷量の関係における等高線
図が点線で、実高温部材を測定して求めた材料状態量に
対応する等高線ｂj が、隣接する２つの等高線ｂ₄ ，ｂ
₅ から予め指定した内挿法によって求められ、実線で示
されている。さらに、図４の表示（III ）では、実高温
構造部材の材料状態量に関係する表示（Ｉ）における３
つの等高線ａj ，ａ₃ ，ａ₄ と表示（II）における３つ
の等高線ｂj ，ｂ₄ ，ｂ₅ が重ね合せて表示されてい
る。従って、実高温構造部材のクリープ損傷量と疲労損
傷量は表示（III ）における非破壊的に計測した相異な
る材料状態量に対応する２つの等高線ａj ，ｂj の交点
Ｑの座標が一義的に求められる。

【００２５】なお、本実施例における材料状態量ａ，ｂ
としては高温構造部材を非破壊的に計測して求められる
硬さ、微視き裂長さ、分極特性、欠陥数、炭化物球状化
率等から任意に選択したものである。また、材料状態量
の差、即ち、等高線の間隔は計測誤差を考慮して定めら
れるもので、例えば材料状態量としてビッカース硬さを
用いる場合の等高線間隔は計測誤差５〜１０を上回るレ
ベルに定められる。さらに、クリープ損傷量と疲労損傷
量の関係における実高温構造部材の材料状態量の等高線
ａj ，ｂj を既存の等高線ａ₃ ，ａ₄ 、あるいはｂ₄ ，
ｂ₅ から内挿する方法は材料状態量の種類、あるいは同
一材料状態量であってもその等高線の位置に応じて選択
できる。

【００２６】上記した本実施例によれば、実高温構造部
材のクリープ損傷量と疲労損傷量は表示（III ）の交点
Ｑの座標が一義的に求められるので、そのレベルを的確
に把握して表示（III ）のき裂発生下限界線に到達する
前に高温構造部材を交換あるいは補修して、部材の破壊
による機能損失を未然に防止できる。

【００２７】図５は本発明の第３実施例における表示装
置の表示を示したもので、前記図４の実施例の表示装置
の表示（III ）における４本の等高線ａ₃ ，ａ₄ ，ｂ
₄ ，ｂ₅ を除き実高温構造部材を非破壊的に計測して求
めた相異なる材料状態量の等高線ａj ，ｂj のみを表し
て、その交点Ｑの座標を把握し易くしたもので、本実施
例によっても図４の実施例と同等の効果が得られる。

【００２８】なお、図４および図５に示した本発明の各
実施例の表示では既存の等高線と内挿によって求めた新
たな等高線を点線と実線で識別できるようにしたが、
色、濃度、あるいは点滅などによる識別を採用すること
もできる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
計算による評価をするまでもなく、評価対象材料より測
定した２種類以上の材料状態量により、実験的に求めた
材料データベースと照合するだけで、クリープ損傷と疲
労損傷が重畳した損傷をそれぞれ分離して評価すること
が可能で、同時に的確な余寿命の診断もできる。また、
本発明は非破壊計測手法を開発し、データベースを構築
することによりあらゆる構造材料への適用が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のブロック構成図。

【図２】本発明によるクリープ損傷量と疲労損傷量との
関係を示したマップ図。

【図３】材料状態量ごとの材料データベースを示した図
で、同図（ａ）は硬さのデータベース、同図（ｂ）は微
視き裂長さのデータベース、同図（ｃ）は分極特性のデ
ータベース、同図（ｄ）は欠陥数のデータベース、同図
（ｅ）は炭化物球状化率のデータベースを示した図。

【図４】本発明の第２実施例における表示装置による表
示を示した図。

【図５】本発明の第３実施例における表示装置による表
示の一部を示した図。

【図６】従来のＣｒＭｏＶ鍛鋼蒸気タービンロータ材の
材料状態量を示したもので、同図（ａ）はクリープ損傷
評価線図、同図（ｂ）は疲労損傷評価線図。

【図７】従来の損傷評価装置における表示装置による表
示を示した図。

【符号の説明】

１０…計測装置、１１…損傷演算装置、１２…記憶装
置、１３…表示装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温で使用される構造部材について、ク
   リープと疲労の両方の損傷が重畳して蓄積する損傷評価
   部位から、非破壊的手法により２種類以上の材料状態量
   を計測し、予めデータベースとして実験的に求めてある
   各材料状態量とクリープ損傷及び疲労損傷相互の関係に
   照らして、各材料状態量の各々からクリープ損傷と疲労
   損傷の組み合わせを、計測した材料状態量の数だけ求
   め、重畳損傷を受ける部位の複数個の材料状態量が共通
   して与えるクリープ損傷と疲労損傷を分離して決定する
   ことを特徴とする高温構造部材の損傷評価方法。
2. 【請求項２】 高温で使用される構造部材の非破壊的に
   計測される２種類以上の材料状態量について、当該材料
   状態量に対応するクリープ損傷量と疲労損傷量の関係を
   予め実験的に求め、かつ予め定めた材料状態量の差ごと
   にクリープ損傷量と疲労損傷量の関係を等高線図として
   表示し、また実部材を計測して求めた２種類以上の材料
   状態量を当該等高線図上に表示して実部材のクリープ損
   傷量と疲労損傷量を表示装置に表示し、さらに実部材の
   材料状態量の計測値をはさむ当該材料状態量の２つの等
   高線から予め指定した内挿法によって当該計測値に対応
   する等高線を表示することにより当該構造部材の損傷を
   評価することを特徴とする高温構造部材の損傷評価方
   法。
3. 【請求項３】 高温で使用される構造部材の材料状態量
   を計測する計測装置と、計測された材料状態量より損傷
   評価対象材料の損傷度を演算して前記記憶装置に記憶さ
   れた材料状態量と比較する演算装置と、前記構造材料ご
   との材料状態量データベースをストックしている記憶装
   置と、この比較した損傷評価結果を表示する表示装置と
   から構成されたことを特徴とする高温構造部材の損傷評
   価装置。