JPH07280798A - 炭素含有金属材料の加熱温度または加熱時間推定法 - Google Patents

炭素含有金属材料の加熱温度または加熱時間推定法

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JPH07280798A
JPH07280798A JP6099336A JP9933694A JPH07280798A JP H07280798 A JPH07280798 A JP H07280798A JP 6099336 A JP6099336 A JP 6099336A JP 9933694 A JP9933694 A JP 9933694A JP H07280798 A JPH07280798 A JP H07280798A
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JP
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temperature
heating
carbon
metal material
heating time
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JP6099336A
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Koichi Murakami
晃一 村上
Koki Yoshizawa
広喜 吉沢
Shigemitsu Kihara
重光 木原
Yukiya Nakagawa
幸也 中川
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IHI Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温環境下または高温高圧環境下で使用され
た炭素含有金属材料の加熱温度または加熱時間を正確か
つ簡便に推定する。 【構成】 高温環境下または高温高圧環境下で使用され
た炭素含有金属材料の炭素濃度の測定値と、予め求めて
おいた炭素含有金属材料の高温環境下または高温高圧環
境下における炭素濃度とラーソンミラーパラメータとの
間の相関関係とから、高温環境下または高温高圧環境下
で使用された炭素含有金属材料に対する加熱温度および
加熱時間の関係を求め、この関係に基づいて前記加熱温
度または加熱時間を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高温環境下または高温
高圧環境下で使用された炭素含有金属材料の加熱温度ま
たは加熱時間推定法に関し、加熱温度または加熱時間を
正確かつ簡便に推定する方法を提供することにより、前
記炭素含有金属材料の余寿命の正確な推定を可能にした
ものである。
【0002】
【従来の技術】高温環境下や高温高圧環境下で使用され
る炭素含有金属材料からなる部材、例えば火力発電プラ
ントのボイラ部材やジェットエンジンのタービン部材等
にはクリープなどの経年劣化損傷が発生する。そのた
め、経年劣化の程度を把握して破壊に至る前に経年劣化
が進行した部材の交換を行う必要がある。
【0003】かかる部材の交換を可及的無駄なく行うに
は、その余寿命を正確に把握して寿命の範囲内でできる
だけ長期間使用してから交換を行うことが有効である。
余寿命を正確に把握するには、前述の部材が使用された
高温環境下または高温高圧環境下における使用条件(加
熱時間、加熱温度さらには負荷応力等)を正確に把握し
ておく必要がある。使用条件を正確に把握することがで
きれば、材料毎に作成されたクリープ破断曲線を総合的
に勘案して、材料の余寿命を高精度に推定できるように
なる。
【0004】ここで、加熱時間は運転記録から、また負
荷応力はFEM構造解析結果からともに比較的正確に求
めることが可能であるが、加熱温度は直接測定すること
が難しく、また経費もかかるために推定値を用いること
が非常に多い。
【0005】また、部材によっては加熱温度は測定する
ことができても加熱時間が不明なもの、あるいは加熱温
度および加熱時間とも不明なものもある。
【0006】そのため、現実に運転された装置の一部と
して使用された部材の使用条件、特に加熱温度には推定
値が用いられることが多いが、その推定法として、例え
ば炭素鋼からなる部材の場合には部材から試験片を切り
出し、この試験片の組織観察を行って炭化物の種類、形
状さらには組成等を調べ、この組織観察結果を、予め作
成された加熱温度や加熱時間により変化する炭化物の種
類、形状さらには組成に関するマップを基準として目視
により比較して同定することにより、試験片の加熱温度
を推定する方法が知られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術で
は同定値のばらつきが大きく、また加熱の比較的初期の
段階において炭化物の組成は平衡に達してしまうため
に、必ずしも長時間運転部材に対する加熱温度の推定に
は適していないという問題があり、加熱温度の推定精度
が低かった。
【0008】本発明は、このような従来の技術が有する
問題に鑑みてなされたものであり、高温環境下または高
温高圧環境下で使用された炭素含有金属材料の加熱温度
または加熱時間を正確かつ簡便に推定する方法を提供し
ようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる炭素含有
金属材料の加熱温度または加熱時間推定法は、高温環境
下または高温高圧環境下で使用された炭素含有金属材料
の炭素濃度と加熱温度および加熱時間との間には一定の
相関関係があるとの新規な知見に基づいてなされたもの
であり、具体的には、高温環境下または高温高圧環境下
で使用された炭素含有金属材料の炭素濃度を測定し、測
定した炭素濃度と、予め求めておいた前記炭素含有金属
材料の高温環境下または高温高圧環境下における炭素濃
度と加熱温度および加熱時間を用いて表されるパラメー
タとの間の相関関係とから、高温環境下または高温高圧
環境下で使用された前記炭素含有金属材料に対する加熱
温度および加熱時間の関係を求め、前記関係に基づいて
前記加熱温度または加熱時間を推定することを特徴とす
るものである。
【0010】このようなパラメータとしては、下記式
によるラーソンミラーパラメータLMPや、下記式に
よるパラメータB等を用いることができる。
【0011】 LMP=T×(logt+C)・・・・・・・ ただし、LMP:ラーソンミラーパラメータ T:加熱温度(K) t:加熱時間(Hr) C:材料に応じた定数
【0012】
【数1】
【0013】ただし、 B:パラメータ t:時間 t:加熱時間 T:加熱温度 Q:活性化エネルギー(通常は自己拡散エネルギー) R:気体常数
【0014】
【作用】本発明者らによる新規な知見によれば、高温環
境下または高温高圧環境下で使用された炭素含有金属材
料の炭素濃度は、加熱の進行にともなって加熱時間およ
び加熱温度により表されるパラメータとの間の一定の相
関関係に基づいて単調に減少する。
【0015】そこで、本発明にかかる炭素含有金属材料
の加熱温度または加熱時間推定法によれば、予め、前記
炭素含有金属材料の炭素濃度と加熱時間および加熱温度
により表されるパラメータとの関係を求めておき、高温
環境下または高温高圧環境下で使用された炭素含有金属
材料の炭素濃度の測定結果を前記関係に適用することに
より、パラメータとしてLMPを用いた場合にはLMP
の値、Bを用いた場合にはBの値、すなわち加熱時間お
よび加熱温度の間の関係を求めることができるようにな
る。
【0016】そのため、既知の加熱時間または加熱温度
(多くの場合は運転記録があるために加熱時間が既知で
ある)を前記関係に適用することにより、加熱温度また
は加熱時間を推定できるようになる。
【0017】
【実施例】以下、本発明にかかる炭素含有金属材料の加
熱温度または加熱時間推定法の一実施例を図面を参照し
ながら詳細に説明する。本実施例における実験要領の概
要は以下のとおりである。すなわち、通常の運転条件で
運転された産業用ボイラの一部からその構成材であるS
TBA24鋼(2.25%Cr−1%Mo−0.1%C
鋼、ただし「%」は「重量%」を意味する)からなる試
験片を採取し、この試験片の炭素濃度を測定し、予めS
TBA24鋼について求めておいた高温環境下で使用さ
れた際の炭素濃度とLMPとの関係に基づいて、測定し
た炭素濃度に対応するLMPの値を求め、このLMPは
加熱温度および加熱時間の関数であるため、加熱温度お
よび加熱時間の間の関係を求めることができるようにな
る。ここで、前記産業用ボイラの運転記録等から加熱時
間を求めることができるため、求めた加熱時間を前述の
LMPの値を表す式に代入することにより、加熱温度を
正確に推定することができる。
【0018】すなわち、本実施例により現された本発明
にかかる炭素含有金属材料の加熱温度または加熱時間推
定法は、具体的には、以下に列記する3つの工程に則っ
て実施され、炭素含有金属材料としてのSTBA24鋼
の炭素濃度を化学分析等によって測定することにより、
最終的にSTBA24鋼の加熱温度または加熱時間を推
定するものである。
【0019】工程1:通常の運転条件で現実に運転され
てきた産業用ボイラの一部から、最低で0.5g程度の
STBA24鋼からなる試験片を採取する。試験片を採
取する位置は、化学組成の測定誤差を可及的排除するた
め、光学顕微鏡的に変質している層(例えば明らかな酸
化層や脱炭層等)を除外した部分であり、本実施例では
STBA24鋼からなる部材の基材部から採取する。
【0020】工程2:上記の工程1において採取された
STBA24鋼からなる試験片の組成を化学分析して、
試験片の炭素濃度を測定する。化学分析の方法は重量
法、導電率法、赤外線吸収法等の通常の化学分析方法の
いずれかを用いて行えばよく、本実施例では重量法を用
いて行う。
【0021】工程3:STBA24鋼について実験室的
に加熱を行った場合の炭素濃度とLMPとの関係を示す
グラフを作成する。図1は本発明者らがSTBA24鋼
について実験室的に確認した炭素濃度とLMPとの関係
を示すグラフである。同図に示すように、実験条件のう
ちの加熱温度および負荷応力等の加熱条件が異なって
も、炭素濃度およびLMPにより現わされるグラフは1
本の曲線を呈し、LMPが増加するにともなって炭素濃
度が単調に減少するグラフとなる。
【0022】なお、このグラフを作成する場合には、実
際の材料の使用条件および実験環境(特に雰囲気条件)
を可及的正確に再現しておくことが望ましい。LMPが
増加するにともなって炭素濃度が単調に減少する理由は
炭素含有金属材料から炭素原子が雰囲気中へ拡散してい
くためであると考えられるが、雰囲気の違いにより炭素
原子の拡散速度が大きく影響を受けて誤差を伴う可能性
があるためである。本実施例では大気中で行った。
【0023】また、負荷応力が数kgf/mmと低い
場合(鋼の場合)には、炭素濃度に対する負荷応力の影
響は無視できる。さらに、LMPの値が同一の条件であ
れば、試験温度(加熱温度)を上昇することにより試験
時間(加熱時間)の短縮を図ることもできる。
【0024】工程3では、このグラフの炭素濃度に、工
程2で測定した試験片の炭素濃度を適用して前記曲線と
交差した場所のLMPの値Xを読み取る。したがって、
下記式により規定される関係、すなわち LMP=T×(logt+20)=X・・・・・・・・ ただし、T:加熱温度(K) t:加熱時間(Hr) が求められる。
【0025】ここで、本実施例で用いた産業用ボイラ等
の装置では運転記録等が保存されており、この運転記録
等を調べることにより加熱時間tを正確に調べること
ができる。したがって、この加熱時間tを上記の式
に代入することにより、産業用ボイラの一部からその構
成材であるSTBA24鋼に対する加熱温度Tを、T
=e(X/t1−20)として推定することができ
る。
【0026】したがって、上述のSTBA24鋼に対す
るこれまでの加熱温度をTとして、また加熱時間をt
として、ともに正確に推定することができ、STBA
24鋼からなる部材の余寿命を正確に推定できるように
なる。
【0027】すなわち、こうして推定した加熱温度およ
び加熱時間と、STBA24鋼について既に作成されて
いるクリープ破断曲線とを総合的に勘案して、材料の余
寿命を高精度に推定できるようになる。
【0028】図2にはクリープ破断曲線の一例を示す。
このクリープ破断曲線は、STBA24鋼からなる鋼管
について、加熱温度および負荷応力が破断時間に及ぼす
影響を示したものであり、本発明にかかる炭素含有金属
材料の加熱温度または加熱時間推定法により推定した加
熱温度と、例えばFEM構造解析結果から求めた負荷応
力とから、破断時間を推定することができるようにな
る。
【0029】
【変形例】本発明にかかる炭素含有金属材料の加熱温度
または加熱時間推定法が適用対象とする炭素含有金属材
料は、炭素を含有するとともに当該炭素の濃度が高温環
境下または高温高圧環境下での加熱にともなって減少す
る金属材料であり、例えば、炭素鋼としてCr鋼やNi
−Cr鋼等があり、炭素鋼以外ではCr−Ni−Co系
合金やNi基超合金等がある。
【0030】他の実施例として、縦軸に炭素濃度、横軸
に加熱時間をプロットし、加熱温度毎の両者の関係を予
め図3に例示するように求めておくことにより、この図
3に示すグラフに基づいて炭素濃度と加熱時間または加
熱温度から、加熱温度または加熱時間を推定できる。
【0031】さらに、本実施例ではパラメータとしてL
MPを用いたが、前述した式により表されるB等の他
のパラメータを用いてもよい。
【0032】
【発明の効果】本発明にかかる炭素含有金属材料の加熱
温度または加熱時間推定法では、高温環境下または高温
高圧環境下で使用された炭素含有金属材料の炭素濃度を
測定し、測定した炭素濃度を、予め求めた前記炭素含有
金属材料の炭素濃度と加熱時間および加熱温度との関係
に代入することにより、高温環境下または高温高圧環境
下で使用された炭素含有金属材料の加熱温度および加熱
時間の間の関係を特定でき、加熱時間または加熱温度が
判れば、加熱温度または加熱時間を推定することが可能
となった。
【0033】したがって、前記炭素含有金属材料を用い
た部材の余寿命を正確に推定できるようになり、その余
寿命を正確に把握して寿命の範囲内でできるだけ長期間
使用することにより、かかる部材の交換を可及的無駄な
く行うことができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】産業用ボイラ用STBA24鋼について、炭素
濃度およびLMPとの関係を示したグラフである。
【図2】クリープ破断曲線の一例を示すグラフである。
【図3】縦軸に炭素濃度、横軸に加熱時間をプロット
し、加熱温度毎の両者の関係の一例を示すグラフであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 幸也 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高温環境下または高温高圧環境下で使用
    された炭素含有金属材料の炭素濃度を測定し、測定した
    炭素濃度と、予め求めておいた前記炭素含有金属材料の
    高温環境下または高温高圧環境下における炭素濃度と加
    熱温度および加熱時間を用いて表されるパラメータとの
    間の相関関係とから、高温環境下または高温高圧環境下
    で使用された前記炭素含有金属材料に対する加熱温度お
    よび加熱時間の関係を求め、前記関係に基づいて前記加
    熱温度または加熱時間を推定することを特徴とする炭素
    含有金属材料の加熱温度または加熱時間推定法。
JP6099336A 1994-04-13 1994-04-13 炭素含有金属材料の加熱温度または加熱時間推定法 Pending JPH07280798A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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