JPH11142399A - 溶接部の損傷評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】非破壊試験により評価困難な溶接部、特に溶接
熱影響部細粒域の損傷を評価するのに好適な損傷評価方
法を提供する。 【解決手段】高温高圧で運転される溶接構造物の溶接部
の損傷を評価する方法であって、溶接構造物の使用温
度、圧力および形状に関するデータから溶接構造物の応
力を算出する過程と、算出した応力と使用材料の応力破
断データとの関係から、評価対象部位である溶接部の損
傷率と、非破壊試験による材料の損傷評価が可能な部位
の損傷率とを算出する過程と、算出した損傷率から、損
傷評価が可能な部位の損傷率に対する溶接部の損傷率の
比率を求める過程と、非破壊試験により損傷評価した部
位の損傷率に、溶接部の損傷率の比率を掛けて、溶接部
の損傷度合を間接的に評価する損傷評価方法とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火力発電用ボイラ
等、高温、高圧で使用される溶接構造物の健全性の評価
に係わり、特に非破壊検査では損傷評価が困難な部位で
ある溶接部および溶接熱影響部細粒域の損傷評価を高精
度に行うことができる損傷評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電プラントや化学プラント等の高
温・高圧下で長時間使用される機器においては、運転中
に使用材料がクリープ（Creep）、疲労（Fatigue）ある
いは時効（Aging）等による損傷を受け、材質が劣化す
ることはよく知られている。このような材質劣化は、使
用材料であるメタル温度、作用する応力および使用時間
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
を持つように設計されている。しかし、設計寿命を超え
て運転されているボイラも多くなってきており、また、
運転時間が１０万時間以内であっても、燃焼ガスの偏流
等によるメタル温度の上昇や材料中の偏析等に起因する
異常な材質劣化が原因して材料が破損される事故も生じ
ている。このような背景から、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行うことによ
って、プラント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。ボイラ等の構造物の余寿命診断法
としては、配管や管寄せ等の厚肉部位では、非破壊診断
法が主体であり、主にレプリカ法が用いられている。レ
プリカ法は、金属組織をレプリカ膜に写し取り、非破壊
的に金属組織の変化を観察することによって損傷度合を
診断する方法であり、現在、Ｃｒ含有量が２.２５（重
量）％以下のフェライト系鋼材のクリープ損傷診断に用
いられている。しかし、最近では、高強度の９〜１２重
量％Ｃｒ鋼系の材料が使用されてきており、これらの材
料では、クリープ損傷評価のパラメータとして、硬さ
（硬度）を基準にすることが有効であることは、本発明
者らの試験により明らかとなっている。評価対象部位は
溶接部、特に溶接熱影響部細粒域であることが多い。こ
れは、溶接熱影響部は溶接時に急熱急冷されるために冶
金的に不安定な組織となっており、形状的にも溶接止端
部であり、応力集中しやすいことが原因しているものと
考えられる。また、管寄せスタッブ管台溶接部等の狭隘
な部位が多く、このような部位ではレプリカ採取や硬さ
の測定は困難である。特に、９〜１２重量％Ｃｒ系鋼材
では、非常に幅の狭い溶接熱影響部の最外層の軟化部で
の損傷が大きく、この部位を特定して硬さを測定するこ
とはほとんど不可能に近い。一方、非破壊的な検査方法
として応力解析による損傷評価がある。これは対象部位
の温度、圧力等の運転データ、または形状データから発
生する応力を算出し、クリープ破断データ等の材料の応
力破断データと比較することにより溶接部の損傷を計算
する方法である。応力解析法では上記応力破断データさ
えあれば、どのような部位であっても損傷の評価はでき
るが、特に材料の応力破断データはばらつきが大きく、
損傷評価にその絶対値を用いることには問題が多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で述べたよう
に、非破壊試験による損傷評価方法では、溶接部、特に
溶接熱影響部の損傷を評価するためのデータを採取する
のが極めて困難な部位である場合が多い。また、応力解
析による損傷評価方法では、材料の応力破断データのば
らつきが大きく、その材料の応力破断データから推定し
た損傷の絶対値には問題が多い。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消し、非破壊試験により損傷評価が困難な部位
である溶接部、特に溶接熱影響部細粒域の損傷を高精度
に評価することができる損傷評価方法を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような方
法とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、高温高圧で運転される溶接構造物の溶接部
の損傷を評価する方法であって、上記溶接構造物の使用
温度、圧力および形状に関するデータから溶接構造物の
応力を算出する過程と、上記算出した応力と使用材料の
応力破断データとの関係から、評価対象部位である溶接
部の損傷率と、非破壊試験による材料の損傷評価が可能
な部位の損傷率とを算出する過程と、上記算出した損傷
率から、非破壊試験による損傷評価が可能な部位の損傷
率を基準とした上記溶接部の損傷率の比率を算出する過
程と、非破壊試験により損傷評価した部位の損傷率に、
上記溶接部の損傷率の比率を乗じて溶接部の損傷率を推
定する過程により、溶接部の損傷度合を間接的に評価す
る損傷評価方法とするものである。上記請求項１に記載
のように、損傷分布の評価が精度良く行える応力解析に
より、溶接部の損傷率と非破壊試験が可能な部位の損傷
率を算出して、非破壊試験が可能な部位の損傷率に対す
る溶接部の損傷率の比率を求め、非破壊試験で高精度に
実測評価ができる部位の損傷評価結果に、上記溶接部の
損傷率の比率を掛けて溶接部の損傷率を算出し、これに
より溶接部の損傷を評価しているので、非破壊試験によ
る診断評価が困難な部位である溶接部の損傷を間接的に
精度良く評価できる効果がある。また、本発明は請求項
２に記載のように、請求項１において、非破壊試験によ
る損傷評価は、重量％で、２.２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼
よりなる母材においては、結晶粒の変形度合をレプリカ
膜に写し取り損傷を評価するレプリカ法による損傷評価
法を用い、９〜１２％Ｃｒ系鋼よりなる母材においては
硬さの変化による損傷評価法を用いる溶接部の損傷評価
方法とするものである。上記請求項２に記載のように、
母材の種類に適した非破壊試験により実測した高精度の
損傷結果を基準とするので、溶接部の損傷評価の精度を
向上できる効果がある。また、本発明は請求項３に記載
のように、請求項１または請求項２において、溶接部の
損傷評価材料は、クロム含有量が９〜１２重量％の焼戻
しマルテンサイト単相組織の鋼材よりなり、溶接部とは
溶接熱影響部細粒域を含む領域の損傷評価方法とするも
のである。上記請求項３に記載のように、クロム含有量
が９〜１２重量％鋼の溶接部で最もクリープ破断が生じ
易い溶接熱影響部細粒域の損傷を高精度に評価できる効
果がある。また、本発明は請求項４に記載のように、請
求項１ないし請求項３のいずれか１項において、非破壊
試験による損傷評価が可能な部位は、評価対象部位であ
る溶接部近傍の溶接構造物の母材部とするものである。
上記請求項４に記載のように、非破壊試験を行う部位を
溶接部近傍の母材部とするので精度の高い非破壊試験に
よる実測評価が得られ、溶接部の損傷評価の精度を向上
できる効果がある。本発明の溶接部の損傷評価方法は、
まず、応力解析により、対象となる溶接部、すなわち溶
接熱影響部細粒域を含む部位の損傷率（％）と、非破壊
試験により損傷評価が可能な部位の損傷率（％）を算出
する。応力解析の方法としては有限要素法を用い、温
度、圧力等のデータや形状データを用いて評価対象部位
である溶接部と非破壊試験による損傷評価が可能な部位
の応力を算出する。そして、損傷率（％）は、上記算出
した応力からクリープ破断や疲労破断等の材料データを
基準にして算出する。この応力解析による損傷率（％）
の計算値から、非破壊試験による損傷評価が可能な部位
の損傷率に対する溶接部の損傷率の比率（相対的な損傷
比率）を求める。この場合、非破壊試験による損傷評価
が可能な部位は、どのような部位（任意の部位）であっ
ても良いが、溶接部近傍の母材部とするのが一般的であ
る。次に、上記非破壊試験による損傷評価が可能な部位
で、非破壊試験により損傷評価試験を実施する。非破壊
検査方法は、鋼種、部位（母材、溶接部）に適した方法
を用いる。例えば、２.２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の母材で
は、結晶粒の変形度合でクリープ損傷を評価するレプリ
カを用いた結晶粒変形法、また、９〜１２Ｃｒ系鋼の母
材では硬さ（硬度）の変化による評価方法が適してい
る。このように、非破壊検査法で求めた母材での損傷率
に、応力解析による計算により求めた溶接部の損傷比率
を掛ける（乗じる）ことにより、溶接部の損傷率を算出
し、精度良く溶接部の損傷度合を評価することができ
る。非破壊的検査法は、実際に使用している材料そのも
のを評価することができるので、クリープ強度等の材料
の応力破断データのばらつきを考慮する必要もなく、精
度の高い損傷率の診断が可能となる。一方、応力解析に
よる損傷評価方法においては、材料の応力破断データは
ばらつきが大きいので、損傷評価の絶対値として用いる
ことには問題が生じるが、どの部分の損傷が大きいか等
の評価対象部位の損傷分布（損傷度合の比較）に対して
は問題なく適用することができる。本発明の溶接部の損
傷評価方法は、応力解析による損傷評価方法と、非破壊
的検査法による損傷評価方法との両者の長所を活かし
て、非破壊試験による診断が困難な部位にある溶接部の
損傷を高精度に評価できる損傷評価方法を実現するもの
である。すなわち、損傷分布の評価を精度良く行える応
力解析によって、評価対象部位である溶接部の損傷率
と、非破壊試験が可能な部位の損傷率を算出し、これか
ら非破壊試験が可能な部位の損傷率に対する溶接部の損
傷比率を求め、非破壊試験による高精度の実測評価がで
きる部位の損傷評価結果に、上記溶接部の損傷比率を掛
け合わせることにより、非破壊試験による診断評価が困
難とされる部位である溶接部の損傷を精度良く評価でき
るようにしたものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の一例を挙
げ、さらに詳細に説明する。図１は、火力発電用ボイラ
の縦断面構造を示す模式図であり、損傷評価対象部位
は、図２（ａ）に示すＡ部で、その拡大図を、図２
（ｂ）に示す。図において、二次過熱器出口管寄せ１に
はスタッブ管１３が複数本溶接されており、二次過熱器
出口管寄せ１にスタッブ管１３が溶接されている部分を
スタッブ管台溶接部１２と言う。 図２（ｂ）に示す、
部位Ａは、スタッブ管台溶接部１２の溶接熱影響部細粒
域である。この部位Ａの材質は、火ＳＴＢＡ２８（ ９
Ｃｒ−１Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ鋼）であり、損傷評価診断時点
におけるボイラ１１の運転時間は約８５０００時間であ
った。まず、スタッブ管台溶接部１２の部分の溶接止端
部である部位Ａのクリープ損傷率（％）を、有限要素法
を用いた応力解析により算出した。応力解析では、溶接
金属、溶接熱影響部細粒域および母材に分割し、それぞ
れの材料データを使用した。応力解析による計算の結
果、評価対象部位である溶接熱影響部細粒域（部位
Ａ）、すなわちスタッブ管台溶接止端部の応力解析によ
るクリープ損傷率（％）は３８.５となり、スタッブ管
の母材部（部位Ｂ）は２７.３となった。したがって、
部位Ｂである母材部のクリープ損傷率（２７.３％）
と、スタッブ管台溶接止端部のクリープ損傷率（３８.
５％）の比率（損傷比率）は、１：１.４となり、その
結果を、表１に示す。すなわち、母材部（部位Ｂ）のク
リープ損傷率に対する溶接熱影響部細粒域（部位Ａ）の
損傷比率は１.４となる。

【０００７】

【表１】

【０００８】次に、母材部（部位Ｂ）における硬さ（ビ
ッカース硬さＨｖ）を実測し、その結果から非破壊検査
法に基づいてクリープ損傷率（％）を求めた。すなわ
ち、本材料である９Ｃｒ−１Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ鋼では、図
３に示すように、クリープ損傷の進行（クリープ損傷率
％の増大）と共に、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が低下し、
クリープ損傷率（％）と良い相関関係があることを本発
明者らは見出している。図３は、本発明者らが実験室的
に種々の条件でクリープ中断試験（破断まで試験をせ
ず、その途中で試験を中断してクリープ損傷率を求める
試験）を行い、クリープ損傷率と硬さの変化との関係を
求めたものであり、硬さの測定値からクリープ損傷率を
高精度に求めることができる非破壊検査法である。母材
部のビッカース硬さ（Ｈｖ）の実測値は１９８Ｈｖであ
り、図３に示す検定曲線から、この部分のクリープ損傷
率は３５％と評価することができる。この結果に、上記
応力解析で求めた損傷比率（１.４）を当てはめると
（３５％×１.４）、溶接熱影響部細粒域のクリープ損
傷率は４９％であると評価診断できる。

【０００９】

【発明の効果】本発明の溶接部の損傷評価方法は、非破
壊試験により損傷評価が困難な部位である溶接部の損傷
評価を精度良く行う方法であって、損傷分布の評価が可
能な応力解析によって、評価対象部位である溶接部の損
傷率と非破壊試験が可能な部位の損傷率を算出して、非
破壊試験が可能な部位の損傷率に対する溶接部の損傷比
率を求め、実測して高精度の診断評価が得られる非破壊
試験による損傷評価（直接検査しやすい部品の寿命評
価）に、上記応力解析により求めた溶接部の損傷比率を
当てはめることにより、非破壊試験による診断が困難な
部位である溶接熱影響部細粒域の損傷率の評価を精度良
く行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態で例示した火力発電用ボイ
ラの縦断面構造を示す模式図。

【図２】本発明の実施の形態で例示した損傷評価対象部
である二次過熱器出口管寄せスタッブ管台溶接部を示す
模式図。

【図３】本発明の実施の形態で例示した９Ｃｒ−１Ｍ
ｏ、Ｎｂ、Ｖ鋼（火ＳＴＢＡ２８の母材）のビッカース
硬さ（Ｈｖ）とクリープ損傷率（％）の関係を示す図。

【符号の説明】

１…二次過熱器出口管寄せ ２…二次過熱器入口管寄せ ３…再熱器出口管寄せ ４…再熱器入口管寄せ ５…二次過熱器 ６…再熱器 ７…一次過熱器 ８…横置き再熱器 ９…横置き再熱器管寄せ １０…主蒸気管 １１…ボイラ １２…スタッブ管台溶接部 １３…スタッブ管 １４…天井壁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温高圧で運転される溶接構造物の溶接部
   の損傷を評価する方法であって、 上記溶接構造物の使用温度、圧力および形状に関するデ
   ータから溶接構造物の応力を算出する過程と、 上記算出した応力と使用材料の応力破断データとの関係
   から、評価対象部位である溶接部の損傷率と、非破壊試
   験による材料の損傷評価が可能な部位の損傷率とを算出
   する過程と、 上記算出した損傷率から、非破壊試験による損傷評価が
   可能な部位の損傷率を基準とした上記溶接部の損傷率の
   比率を算出する過程と、 非破壊試験により損傷評価した部位の損傷率に、上記溶
   接部の損傷率の比率を乗じて溶接部の損傷率を推定する
   過程により、溶接部の損傷度合を評価することを特徴と
   する溶接部の損傷評価方法。
2. 【請求項２】請求項１において、非破壊試験による損傷
   評価は、重量％で、２.２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼よりな
   る母材においては、結晶粒の変形度合をレプリカ膜に写
   し取り損傷を評価するレプリカ法による損傷評価法を用
   い、９〜１２％Ｃｒ系鋼よりなる母材においては硬さの
   変化による損傷評価法を用いることを特徴とする溶接部
   の損傷評価方法。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、溶接部
   の損傷評価材料は、クロム含有量が９〜１２重量％の焼
   戻しマルテンサイト単相組織の鋼材よりなり、溶接部と
   は溶接熱影響部細粒域を含むことを特徴とする溶接部の
   損傷評価方法。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
   おいて、非破壊試験による損傷評価が可能な部位は、評
   価対象部位である溶接部近傍の溶接構造物の母材部であ
   ることを特徴とする溶接部の損傷評価方法。