JPH0972897A - クリープキャビティによる寿命評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐熱材料溶接部に発生したキャビティの成長
性を考慮したクリープキャビティによる寿命評価方法。 【構成】 結晶粒界数をカウントし（Ｓ０５）、キャビ
ティの性状によりランク分けした係数を設定し（Ｓ０
６）、結晶粒界数毎に係数の総和を求め、この値と結晶
粒界数Ｎとの比すなわちキャビティ指数を算出し（Ｓ０
７）、キャビティ指数からクリープ損傷率を求める（Ｓ
０８、Ｓ０９）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温で長期間にわ
たって使用されるフェライト系耐熱材料のクリ−プ損傷
を評価する方法に係り、特に溶接熱影響部におけるクリ
−プ損傷によりキャビティが発生する場合のキャビティ
定量化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電プラントや化学プラントにおい
て、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−プ、疲労あるいは時効損傷を受け、
材質が劣化することはよく知られている。クリープと
は、物体に力が加わった場合に、時間とともにその変形
が進行する現象であって、高温における金属材料にその
典型的な例がみられる。このような材質劣化は、使用材
料のメタル温度、作用応力及び使用時間によって支配さ
れるものであり、火力発電用ボイラではこれらの支配因
子を考慮し、通常１０万時間の寿命を保つように設計さ
れている。

【０００３】しかし、設計寿命を超えて運転されている
ボイラが多くなる傾向があり、また運転時間が１０万時
間以内でも、燃焼ガスの偏流等によるメタル温度の上昇
や使用材料中の偏析などに起因する材質劣化が原因とな
って材料が破断する事故も発生している。このような背
景から、使用材料の余寿命を的確に予測し、部分的な取
り換えや補修を計画的に実行することによって、プラン
ト全体としての寿命を延長するための技術が重要となっ
てきている。材料の余寿命を直接推定する技術は、一般
に破壊法と非破壊法に大別され、非破壊で材料の余寿命
を推定することができれば、評価時間の短縮、コストの
低減を図ることができ、さらに同一の点検部位を定期的
にモニタリングできるため非常に有効である。

【０００４】非破壊的な点検技術としては、使用材料表
面の金属組織をレプリカ膜に転写して、観察評価するレ
プリカ法が広く採用されている。特に、ボイラに多く使
用されているフェライト系耐熱材料の溶接部（溶接金
属、溶接部位近傍の熱影響部）では、クリ−プ損傷によ
り結晶粒界にキャビティが発生しやすく、「火力原子力
発電」Vol.39,No.6,p75〜p86に開示されたキャビティを
定量化して評価する手法が一般的である。ただし、キャ
ビティを定量化する手段として現状では次の３つが主に
使用されている。 １）粒界率 観察した結晶粒界数に対するキャビティの発生している
粒界数の比で表示し、Ａパラメ−タとも呼ばれている。 ２）面積率 観察した面積に対するキャビティの総面積の比で表示す
る。 ３）発生数 単位面積当たりのキャビティの発生数で表示する。上記
表示手段はそれぞれ特徴があり条件に応じて使い分けさ
れている。また、オ−ステナイト系ステンレス鋼に対し
ては、結晶粒界に生成したキャビティの結晶粒界方向の
長さを測定し、一定面積、または一定面積中の結晶粒界
の総長さで除した値（微小空洞線密度、または微小空洞
粒界率）でクリ−プ損傷を評価する方法として特開平6-
50966号公報に開示された技術が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のキャビ
ティ定量化の手段は実機評価に適用されているが、それ
ぞれ一長一短がある。すなわち、１）の粒界率や３）の
発生数は、単に数をカウントするだけであり、研磨の程
度やエッチングの度合いでキャビティの大きさが変化し
ても、その数への影響は比較的少ない。この点で測定は
容易であるが、これらの手段では単独のキャビティも、
連結して亀裂状になったキャビティも、同等のクリープ
損傷度合として評価される。しかし実際には、クリープ
損傷の初期では独立したキャビティが単独で発生する
が、クリープ損傷が進行してくると、それらのキャビテ
ィが連結して亀裂状になってくる。すなわち、クリープ
損傷の度合いによってキャビティの性状が異なるもので
あり、キャビティを全て同等として評価する１）の粒界
数や３）の発生数では、成長するキャビティの性状につ
いては考慮されていない点で問題点があった。

【０００６】これに対し、２）の面積率ではキャビティ
の面積を測定するためにキャビティの大きさ、すなわち
成長性は考慮されるが、面積を測定する評価に時間がか
かるという問題点がある。さらにキャビティは研磨の程
度やエッチングの度合いでキャビティの面積が変化する
可能性があるために、研磨やエッチングに細心の注意を
払う必要がある。また、微小空洞線密度や微小空洞粒界
率は、オ−ステナイト系ステンレス鋼の評価法である
が、これらについても同様の問題点があって、キャビテ
ィの長さを測定するために多大の時間がかかり、研磨や
エッチングによってキャビティの大きさが変化するため
に細心の注意を払う必要がある。本発明の目的は、粒界
率や発生数では評価できないキャビティの成長性を考慮
することができ、しかも面積率や微小空洞線密度、微小
空洞粒界率の問題点である前処理や測定の困難さの軽減
が可能で簡便なキャビティ定量化方法を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、以下の方
法により解決できる。まず、キャビティを損傷の程度に
応じて定性的にランク分けし、各ランクに対する係数を
設定する。次に結晶粒界数をカウントしながらキャビテ
ィを観察し、各結晶粒界のキャビティの性状から、結晶
粒界数毎にそのランクに応じた係数の総和を求める。ク
リ−プ損傷評価パラメ−タとしては、観察した結晶粒界
数と前記キャビティ係数の総和との比率を採用し、これ
をキャビティ指数と称する。

【０００８】ランク分けの基準は細かくすると判断が難
しくなるため、４〜６段階程度が好ましく、「キャビテ
ィなし」「独立した単独のキャビティ」「独立した複数
のキャビティ」「連結したキャビティ」「亀裂状のキャ
ビティ」等、クリ−プ損傷に応じてキャビティが成長し
ている状態に応じてその程度を定性的に表わした表現と
する（図２参照）。または、観察した粒界に存在するキ
ャビティの総長さを測定し、その長さ、あるいはその粒
界長さとキャビティの総長さの比を基準にしてランク分
けをする。

【０００９】キャビティ定量化法として、結晶粒界率は
数をカウントするだけであり、比較的簡便である。しか
し、結晶粒界数ではキャビティの大きさ、すなわちキャ
ビティの成長性を考慮できない。そこで、キャビティの
ある粒界をカウントする時にキャビティの性状を評価
し、これをランク分けして定量化することによりキャビ
ティの成長性を評価していわゆる重み付けを行なう。

【００１０】キャビティは損傷の初期では単独で粒界上
に小さなものが発生し、損傷の進行に伴いその数が増
え、さらに連結して粒界全体が亀裂状の大きなキャビテ
ィに成長する。したがって、この成長の度合いをランク
付けして損傷の程度に応じた係数を設定し、キャビティ
のある結晶粒界数をカウントするときにその係数を乗じ
る。これらを結晶粒界数毎に全て加算した値と、観察し
た全粒界数との比率、すなわちキャビティ指数を、キャ
ビティ定量化のパラメ−タとして採用する。このように
すれば比較的簡便な手段により、キャビティの成長性を
考慮したクリープの寿命評価が可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の実施の形態を示すキャ
ビティ定量化法のフロ−を示した図である。まず、キャ
ビティを観察するために評価部位を研磨・エッチング
し、レプリカを採取する。この場合、研磨やエッチング
の程度を厳密に管理する必要はなく、通常にキャビティ
を観察できる条件であれば問題はない。次に、採取した
レプリカの表面に、白金または金をコ−ティングし、レ
プリカを走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microsc
ope,以下ＳＥＭと記す）で観察できるようにする。この
レプリカをＳＥＭで観察してキャビティを定量化する。
粒界率では、結晶粒界を観察し、全ての粒界数に対する
キャビティの存在する粒界数の比率を求めるが、本実施
の形態では、粒界上のキャビティの有無と共に、キャビ
ティの性状も評価する。本実施の形態では、図２に示す
ようにキャビティの性状を次の５段階にランク分けし、
係数を設定した。 ランク０：キャビティなし …係数：０ ランク１：独立した単独のキャビティ …係数：１ ランク２：独立した複数のキャビティ …係数：２ ランク３：連結したキャビティ …係数：３ ランク４：粒界全体にわたる亀裂状のキャビティ …係数：４ 粒界の観察時にキャビティの性状を評価してこの基準で
ランク分けし、その係数を採用する。すなわち、粒界に
キャビティが存在した場合、結晶粒界率では常に「１」
とカウントされるが、本発明ではキャビティの性状に応
じて「１」〜「４」になる。例えば、１０結晶粒界を観
察してそのうちの１結晶粒界に連結したキャビティが存
在した場合、結晶粒界率では0.1であるが、本実施の形
態の定量化法では、0.3となる。このようにしてキャビ
ティのランクを考慮した結晶粒界率、すなわち、キャビ
ティ指数を求め、あらかじめ実験室試験で求めておいた
クリ−プ損傷率とキャビティ指数の関係にあてはめ、推
定クリ−プ損傷率を求める。このようなランク分けは比
較的簡単にできるため、結晶粒界率を評価する場合と比
べても評価時間は殆ど増加しない。

【００１２】次に具体的な評価をするために、STBA24
(2.25Cr-1Mo鋼）の再現溶接熱影響部を作製し、650℃,5
9MPaでクリ−プ破断試験を実施した。破断時間は1210h
であったが、さらに同条件で試験を実施し、クリ-プ損
傷率(破断時間を１としたときの時間比)が約0.2、0.4、
0.6、0.8となる時間でクリ−プ破断試験を中止した損傷
材を作製した。このような損傷材のレプリカを採取しキ
ャビティの生成状態を測定した。図３はクリ−プ損傷率
と本実施の形態でのキャビティ指数との関係を求めて図
示したものである。参考のために、同じ試験片の結晶粒
界率を調べ、クリ−プ損傷率との関係を図示したのが図
４である。

【００１３】２つの図を比較すると、キャビティが発生
し始めた段階では、両者はほぼ同じ値であるが、クリ−
プ損傷の進行に伴い、本実施の形態のキャビティ定量化
パラメ−タの値が大きくなる。これは、キャビティの大
きさ、すなわちキャビティの成長性を考慮した結果であ
り、クリ−プ損傷評価に対して感度が向上していること
を示している。したがって、本実施の形態のキャビティ
定量化パラメ−タを使用すれば、結晶粒界率の測定に比
べて評価時間がそれ程増大することなく、結晶粒界率で
は考慮できなかったキャビティの成長を考慮した精度の
高い評価が可能になる。

【００１４】なお、調査した結晶粒界数はいずれも400
としたが、この程度の数の粒界数を調査すればデ−タの
ばらつきが小さくなり、安定した結果が得られる。

【００１５】本手法の実機での適用性を確認するため
に、事業用ボイラの過熱器管として高温・高圧下で約15
万時間使用されたSTBA24伝熱管の溶接部のクリ−プ寿命
評価を実施した。まず、伝熱管溶接部の表面を鏡面まで
研磨し、ナイタ−ル（５％硝酸アルコ−ル）でエッチン
グして金属組織を現出させた。この部分の金属組織をレ
プリカ転写し、表面を白金でコ−ティングして走査型電
子顕微鏡（倍率1000倍）で観察した。観察した結晶粒界
数は４００で、前述した方法でキャビティ指数を求め、
図３に照らし合わせてクリ−プ寿命を評価した。また、
レプリカを採取した後に当該部位を抜管し、クリ−プ破
断試験片を採取して破壊試験によるクリ−プ寿命評価を
実施した。破壊試験によるクリ−プ寿命評価では、抜管
サンプルのクリ−プ破断試験結果と、同鋼種の未使用材
のクリ−プ破断試験結果との比較でクリ−プ寿命を求め
た。本実施の形態におけるクリ−プ寿命評価の一実施例
を（表１）に示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】（表１）によれば、両者の結果はよく一致
しており、本発明によるクリ−プ寿命評価法の妥当性が
明らかになった。本手法をSTBA23,STBA22およびSTBA28
にも適用したが同様の結果が得られた。

【００１８】

【発明の効果】本発明の実施により、クリ−プ損傷によ
って発生するキャビティを比較的簡便に、かつクリ−プ
損傷の進行に伴うキャビティの成長を考慮して定量化で
きるため、高精度のクリ−プ損傷評価が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるキャビティの評価
手順を示すフロ−図である。

【図２】本発明の実施の形態におけるキャビティのラン
ク分けを示す図である。

【図３】本発明の実施の形態におけるキャビティ指数と
クリ−プ損傷率との関係を表わす図である。

【図４】図３と同じ実施の形態におけるキャビティの結
晶粒界率とクリ−プ損傷率の関係を表わす図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】耐熱材料溶接部の表面を研磨しエッチング
   して金属組織を現出させそのレプリカを採取して観察す
   る耐熱材料のクリ−プキャビティによる寿命評価方法に
   おいて、 結晶粒界数を計数するステップと、 発生したキャビティ性状によりランク分けした係数を決
   めるステップと、 前記結晶粒界数毎に前記係数の総和を求めるステップ
   と、 前記係数の総和と前記結晶粒界数の比すなわちキャビテ
   ィ指数を算出するステップと、 前記キャビティ指数に対するクリープ破断時間との時間
   比すなわちクリープ損傷率との関係特性図を求めるステ
   ップと、 前記特性図に基づいて前記キャビティ指数から前記クリ
   ープ損傷率を求めることを特徴とするクリープキャビテ
   ィによる寿命評価方法。