JPWO2014147830A1 - ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線の作成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法を提供する。すなわち、ベイナイト組織を有し加熱により劣化した第１製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの第１の関係を求める工程と、ベイナイト組織を有し加熱及び加圧により劣化した第２製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める工程と、第１の関係と第２の関係を用いて、所定のラーソンミラーパラメータにおける、第１製品の硬さと第２製品の硬さとの差を求めることによって、第２製品の硬さと差との第３の関係を求める工程と、第２の製品の硬さと損傷率との間の第４の関係を求める工程と、第３の関係と第４の関係を用いて、差と、第２製品の損傷率との第５の関係を求める工程と、第３の関係を用いて、クリープ余寿命を予測する製品の硬さから、対応する差を得る工程と、第５の関係を用いて、得られた差から、対応する製品の損傷率を求める工程とを含む、クリープ余寿命の予測方法とする。
Description
本発明は、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線の作成方法に関する。
火力発電設備や原子力発電設備等において用いられる機械部品は、長期間に渡って高温・高圧条件におかれることから、徐々に塑性変形を起こし、クリープ寿命に達すると破断してしまう。従って、火力発電設備や原子力発電設備を安全かつ経済的に運転するためには、用いられている機械部品のクリープ余寿命を的確に予測することによって、最適な時期に機械部品の交換を行うことが求められる。
このような機械部品に使用されている耐熱鋼のクリープ余寿命を予測する方法としては、例えば、目視検査、磁粉探傷検査、超音波探傷検査及び放射線探傷検査等の寿命末期に発生する亀裂を検出する方法、並びに、レプリカ法によるボイドや微視亀裂を検出する方法が知られているが、これらの方法では、亀裂が生じる前の余寿命を予測することができない。
亀裂が生じる前に余寿命を予測する方法として、特開昭６３−２３５８６１号公報に開示されているように、実際に稼動している火力発電設備や原子力発電設備の機械部品の耐熱鋼から試験片を切り出して、クリープ破断試験を行い、その破断時間から余寿命を予測する方法が知られているが、この方法では、実際に稼動している設備から試験片を切り出して長時間に渡って試験をする必要があり、煩雑である。
亀裂が生じる前に余寿命を予測する方法として、特開昭６３−２３５８６１号公報に開示されているように、実際に稼動している火力発電設備や原子力発電設備の機械部品の耐熱鋼から試験片を切り出して、クリープ破断試験を行い、その破断時間から余寿命を予測する方法が知られているが、この方法では、実際に稼動している設備から試験片を切り出して長時間に渡って試験をする必要があり、煩雑である。
本発明は、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線の作成方法を提供することを目的とする。
本発明に係るベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法に用いる検量線の作製方法は、ベイナイト組織を有し加熱により劣化した第１製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの第１の関係を求める工程と、ベイナイト組織を有し加熱及び加圧により劣化した第２製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める工程と、第１の関係と第２の関係とを用いて、所定のラーソンミラーパラメータにおける、第１製品の硬さと第２製品の硬さとの差を求めることによって、第２製品の硬さと前記差との第３の関係を表す検量線を作成する工程と、第２の製品の硬さと損傷率との間の第４の関係を求める工程と、第３の関係と第４の関係とを用いて、前記差と、第２製品の損傷率との第５の関係を表す検量線を作成する工程と、を含む。
本発明に係るベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法は、このようにして作成された検量線を用いても良い。
本発明に係るベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法は、ベイナイト組織を有し加熱により劣化した第１製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの第１の関係を求める工程と、ベイナイト組織を有し加熱及び加圧により劣化した第２製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める工程と、第１の関係と第２の関係とを用いて、所定のラーソンミラーパラメータにおける、第１製品の硬さと第２製品の硬さとの差を求めることによって、第２製品の硬さと前記差との第３の関係を求める工程と、第２の製品の硬さと損傷率との間の第４の関係を求める工程と、第３の関係と第４の関係とを用いて、前記差と、第２製品の損傷率との第５の関係を求める工程と、第３の関係を用いて、クリープ余寿命を予測する製品の硬さから、対応する前記差を得る工程と、第５の関係を用いて、前記得られた差から、対応する当該製品の損傷率を求める工程とを含む。
クリープ余寿命を予測する製品の硬さに対応する差を求めるために、第３の関係のうち、実質的に比例関係である硬さの範囲を用いることが好ましい。また、クリープ余寿命を予測する製品の損傷率を求めるために、第５の関係のうち、実質的に比例関係である差の範囲を用いることが好ましい。
クリープ余寿命を予測する製品、第１製品及び第２製品が中空管であることが好ましく、例えば、曲がり部分を有するボイラ用配管であっても良い。これらの場合に、加圧は内圧を加えることによって行うことが好ましい。
また、硬さが、ビッカース硬さであることが好ましい。
第１製品に加えられた温度と、第２製品に加えられた温度とが、同じであることが好ましい。
本発明によって、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法、及び、この予測方法に用いる検量線の作成方法を提供することが可能となった。
以下、上記知見に基づき完成した本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明の目的、特徴、利点、および、そのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び具体的な実施例などは、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者にとって明らかである。
従来、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測する場合には、この製品を高温及び高圧条件においた場合の塑性変形の量と、この製品の損傷率との関係から、クリープ余寿命を求める方法が一般的に用いられてきた。
しかしながら、ベイナイト組織を有する製品について、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品と同様に、塑性変形の量と製品の損傷率との関係から、クリープ余寿命を予測しようと試みたところ、以下の問題が生じた。
（１）ベイナイト組織を有する製品は、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品と比べると堅固であるために、損傷率が小さい段階では変形量が非常に小さく、損傷率が小さい段階の余寿命を正確に予測することが困難である。
（２）ベイナイト組織を有する製品は、損傷率が大きい段階になって初めて大きい変形が生じるが、一度変形が生じると急激に破断に至るため、損傷率が大きい段階の余寿命を予測するためには、小まめに測定を行う必要があり煩雑である。
（３）ベイナイト組織を有する製品は、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品と比較すると、塑性変形の量が小さいことから、いずれの組織を有するか不明である製品の余寿命を、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品の変形量と損傷率との関係を用いて求めると、実際よりも低く損傷率が求まる可能性があり、結果として予期しない破断を招く危険性がある。
しかしながら、ベイナイト組織を有する製品について、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品と同様に、塑性変形の量と製品の損傷率との関係から、クリープ余寿命を予測しようと試みたところ、以下の問題が生じた。
（１）ベイナイト組織を有する製品は、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品と比べると堅固であるために、損傷率が小さい段階では変形量が非常に小さく、損傷率が小さい段階の余寿命を正確に予測することが困難である。
（２）ベイナイト組織を有する製品は、損傷率が大きい段階になって初めて大きい変形が生じるが、一度変形が生じると急激に破断に至るため、損傷率が大きい段階の余寿命を予測するためには、小まめに測定を行う必要があり煩雑である。
（３）ベイナイト組織を有する製品は、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品と比較すると、塑性変形の量が小さいことから、いずれの組織を有するか不明である製品の余寿命を、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品の変形量と損傷率との関係を用いて求めると、実際よりも低く損傷率が求まる可能性があり、結果として予期しない破断を招く危険性がある。
本発明者は、ベイナイト組織を有する製品の硬さに着目することによって、本発明に係るベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法を完成するに至った。
本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、製品の損傷率が小さい段階でも、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測することができる。また、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、製品の損傷率が大きい段階でも、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測することができる。加えて、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を適切に予測することができる。
具体的には、以下の通りである。
本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、製品の損傷率が小さい段階でも、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測することができる。また、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、製品の損傷率が大きい段階でも、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測することができる。加えて、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を適切に予測することができる。
具体的には、以下の通りである。
本発明に係るベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法は、ベイナイト組織を有し加熱により劣化した第１製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの第１の関係を求める工程と、ベイナイト組織を有し加熱及び加圧により劣化した第２製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める工程と、第１の関係と第２の関係とを用いて、所定のラーソンミラーパラメータにおける、第１製品の硬さと第２製品の硬さとの差を求めることによって、第２製品の硬さと前記差との第３の関係を求める工程と、第２の製品の硬さと損傷率との間の第４の関係を求める工程と、第３の関係と第４の関係とを用いて、前記差と、第２製品の損傷率との第５の関係を求める工程と、第３の関係を用いて、クリープ余寿命を予測する製品の硬さから、対応する前記差を求める工程と、第５の関係を用いて、前記得られた差から、対応する当該製品の損傷率を求める工程とを含む。
加熱により劣化した第１製品とは、常圧及び一定の高温の条件下に置くことにより劣化した、ベイナイト組織を有する製品をいう。温度の範囲は、第１製品がベイナイト組織を有する限り特に限定されないが、例えば、２１０℃〜５５０℃の範囲であっても良く、３５０℃〜５５０℃の範囲であることが好ましい。
また、加熱及び加圧により劣化した第２製品とは、一定の高温、及び、常圧よりも高い一定の圧力の条件下に置くことにより劣化した、ベイナイト組織を有する製品をいう。
温度の範囲は、第２製品がベイナイト組織を有する限り特に限定されないが、例えば、２１０℃〜５５０℃の範囲であっても良く、３５０℃〜５５０℃の範囲であることが好ましい。第１製品に加えられた温度と、第２製品に加えられた温度とは、同じであっても異なっていても良いが、同じであることが好ましい。
圧力の範囲は、常圧（０．１ＭＰａ）よりも高ければ特に限定されないが、例えば、０．２ＭＰａ〜１０００ＭＰａであっても良く、０．３ＭＰａ〜５００ＭＰａであることが好ましく、０．５ＭＰａ〜３００ＭＰａであることがより好ましい。
圧力を加える方法は、特に限定されず、例えば、単軸クリープ試験、または、内圧クリープ試験により行っても良いが、第２製品の構造が中空管である場合には、内圧クリープ試験により行うことが好ましい。内圧クリープ試験は、高温炉中で中空管に内圧を加え、必要に応じて中空管をクリープ破断させることによって、中空管の余寿命または寿命を予測または測定する方法である。内圧クリープ試験は、中空管を試験対象とできるため、例えば中空管をボイラの配管として実際に用いた場合に生じる、中空管の外表面および内表面の酸化物など変質層の影響を含めて試験できる点で優れている。さらに、ボイラで実際に用いられる場合と同様に、内圧による応力を中空管に加えることから、精度よく余寿命または寿命を予測または測定することが可能である。
温度の範囲は、第２製品がベイナイト組織を有する限り特に限定されないが、例えば、２１０℃〜５５０℃の範囲であっても良く、３５０℃〜５５０℃の範囲であることが好ましい。第１製品に加えられた温度と、第２製品に加えられた温度とは、同じであっても異なっていても良いが、同じであることが好ましい。
圧力の範囲は、常圧（０．１ＭＰａ）よりも高ければ特に限定されないが、例えば、０．２ＭＰａ〜１０００ＭＰａであっても良く、０．３ＭＰａ〜５００ＭＰａであることが好ましく、０．５ＭＰａ〜３００ＭＰａであることがより好ましい。
圧力を加える方法は、特に限定されず、例えば、単軸クリープ試験、または、内圧クリープ試験により行っても良いが、第２製品の構造が中空管である場合には、内圧クリープ試験により行うことが好ましい。内圧クリープ試験は、高温炉中で中空管に内圧を加え、必要に応じて中空管をクリープ破断させることによって、中空管の余寿命または寿命を予測または測定する方法である。内圧クリープ試験は、中空管を試験対象とできるため、例えば中空管をボイラの配管として実際に用いた場合に生じる、中空管の外表面および内表面の酸化物など変質層の影響を含めて試験できる点で優れている。さらに、ボイラで実際に用いられる場合と同様に、内圧による応力を中空管に加えることから、精度よく余寿命または寿命を予測または測定することが可能である。
第１製品及び第２製品の構造、並びに、クリープ余寿命の予測対象となるベイナイト組織を有する製品の構造は、特に限定されず、例えば、中空管、板、または、棒であることができるが、中空管であることが好ましい。中空管の断面は、どのような形であっても良く、例えば、円形、楕円形、または、多角形であることができるが、中空管の強度を考慮すれば、角を有さない円形または楕円形であることが好ましく、円形であることがより好ましい。
このような中空管として、例えば、曲がり部分を有するボイラ用配管が挙げられる。ボイラ用配管は、従来は、フェライト組織またはパーライト組織を有すると考えられていたため、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測する方法に従って、そのクリープ余寿命が予測されてきた。しかし、本発明者は、ボイラ用配管の曲がり部分を作成する際のゆっくりとした加熱に伴い、この曲がり部分がベイナイト組織へと変化することを発見した。従って、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いて、曲がり部分を有するボイラ用配管のクリープ余寿命を予測すれば、このボイラ用配管のクリープ余寿命を精度良く予測することが可能となる。
なお、第１製品の構造と、第２製品の構造と、クリープ余寿命の予測対象となるベイナイト組織を有する製品の構造とは、ベイナイト組織を有する同じ材料から構成されてさえいれば、同じであっても異なっていても良いが、同じであることが好ましい。
このような中空管として、例えば、曲がり部分を有するボイラ用配管が挙げられる。ボイラ用配管は、従来は、フェライト組織またはパーライト組織を有すると考えられていたため、フェライト組織またはパーライト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測する方法に従って、そのクリープ余寿命が予測されてきた。しかし、本発明者は、ボイラ用配管の曲がり部分を作成する際のゆっくりとした加熱に伴い、この曲がり部分がベイナイト組織へと変化することを発見した。従って、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いて、曲がり部分を有するボイラ用配管のクリープ余寿命を予測すれば、このボイラ用配管のクリープ余寿命を精度良く予測することが可能となる。
なお、第１製品の構造と、第２製品の構造と、クリープ余寿命の予測対象となるベイナイト組織を有する製品の構造とは、ベイナイト組織を有する同じ材料から構成されてさえいれば、同じであっても異なっていても良いが、同じであることが好ましい。
各製品の硬さを測定する方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、ビッカース硬さ、または、マイクロビッカース硬さを測定することが好ましく、ビッカース硬さを測定することがより好ましい。なお、ビッカース硬さを測定する際には、１ｋｇ以上の荷重を用い、マイクロビッカース硬さを測定する際には、１ｋｇ未満の荷重を用いる。
硬さの測定は、製品の１箇所のみについて行っても良いが、精度を向上させることを考慮に入れれば、複数個所について行い、得られた測定値の平均値を製品の硬さとして採用することが好ましい。
製品の硬さは、その製品の異なる複数の損傷率において、測定することが好ましい。
硬さの測定は、製品の１箇所のみについて行っても良いが、精度を向上させることを考慮に入れれば、複数個所について行い、得られた測定値の平均値を製品の硬さとして採用することが好ましい。
製品の硬さは、その製品の異なる複数の損傷率において、測定することが好ましい。
なお、製品の損傷率とは、その製品の寿命に対して、どれだけの時間が経過したのかを表す割合である。製品の寿命とは、加熱及び／又は加圧によって、その製品が破断するのに要する時間である。例えば、ある製品の寿命が１００００時間であり、経過時間が８０００時間である場合には、損傷率は、８０００÷１００００＝０．８０と求めることができる。逆に、ある製品の寿命が１００００であり、損傷率が０．８０の場合には、その製品の余寿命は、１００００ｘ０．８０＝２０００時間と求めることができる。
製品の寿命は、公知の方法で求めることができ、例えば、その製品と同じ材料から作られた同一構造の製品を、実際に壊れるまで加熱及び／又は加圧することによって測定することができる。
製品の寿命は、公知の方法で求めることができ、例えば、その製品と同じ材料から作られた同一構造の製品を、実際に壊れるまで加熱及び／又は加圧することによって測定することができる。
第１製品及び第２製品の加熱温度、加熱時間及び硬さから、ラーソンミラーパラメータＬＭＰを算出する。ラーソンミラーパラメータＬＭＰは、ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔｒ）、［式中、Ｔは絶対温度（Ｋ）で表した加熱温度であり、ｔｒは加熱時間（ｈ）であり、Ｃは定数である］、を用いて求めることができる。ベイナイト組織を有する製品においては、Ｃとして２０を用いることが好ましい。
このようにして得た、第１製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第１の関係を求める。この関係を例えばグラフにすると、曲線となる。
第１製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めるにあたっては、加熱により劣化した製品として、ある温度で加熱した製品Ａのみを用いて、製品Ａの硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めても良い。または、ある温度で加熱した製品Ａ及びある温度とは異なる温度で加熱した製品Ｂの２種類、もしくは、それぞれ異なる温度で加熱した３種類以上の製品を用いて、これら各製品における硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求め、これら各製品に共通する関係を求めても良い。例えば、本願の実施例１では、５２５℃で加熱した製品と５５０℃で加熱した製品との２種類の製品を用いて、これら製品に共通する関係として、図１に示す近似曲線を求めた。
第１製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めるにあたっては、加熱により劣化した製品として、ある温度で加熱した製品Ａのみを用いて、製品Ａの硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めても良い。または、ある温度で加熱した製品Ａ及びある温度とは異なる温度で加熱した製品Ｂの２種類、もしくは、それぞれ異なる温度で加熱した３種類以上の製品を用いて、これら各製品における硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求め、これら各製品に共通する関係を求めても良い。例えば、本願の実施例１では、５２５℃で加熱した製品と５５０℃で加熱した製品との２種類の製品を用いて、これら製品に共通する関係として、図１に示す近似曲線を求めた。
同様に、第２製品の硬さを測定し、さらに、第２製品の加熱温度、加熱時間及び硬さから、ラーソンミラーパラメータＬＭＰを算出する。
このようにして得られた第２製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める。この関係を例えばグラフにすると、曲線となる。
第２製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めるにあたっては、加熱及び加圧により劣化した製品として、ある温度で加熱し、かつ、ある圧力で加圧した製品ａのみを用い、製品ａの硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めても良い。または、ある温度で加熱し、かつ、ある圧力で加圧した製品ａ及びある温度とは異なる温度で加熱し、かつ、ある圧力とは異なる圧力で加圧した製品ｂの２種類、もしくは、それぞれ異なる温度で加熱し、かつ、それぞれ異なる圧力で加圧した３種類以上の製品を用いて、各製品における硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求め、これらに共通する関係を求めても良い。例えば、本願の実施例１では、５２５℃で加熱し、２４０ＭＰａで加圧した製品と、５５０℃で加熱し、１４５ＭＰａで加圧した製品との２種類の製品を用いて、これら製品に共通する関係として、図１に示す近似曲線を求めた。
なお、第２の製品として、２種類以上の製品を用いてこれらに共通する関係を求める場合には、これら２種類以上の製品の寿命が、同程度であることが好ましい。同程度とは、２種類以上の製品の寿命が、例えば互いに２割以内の差であることが好ましく、１割以内の差であることがより好ましい。当業者であれば、２種類以上の製品の寿命が同程度となるように、各製品に加える温度と圧力とを適切に設定することができる。
このようにして得られた第２製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める。この関係を例えばグラフにすると、曲線となる。
第２製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めるにあたっては、加熱及び加圧により劣化した製品として、ある温度で加熱し、かつ、ある圧力で加圧した製品ａのみを用い、製品ａの硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求めても良い。または、ある温度で加熱し、かつ、ある圧力で加圧した製品ａ及びある温度とは異なる温度で加熱し、かつ、ある圧力とは異なる圧力で加圧した製品ｂの２種類、もしくは、それぞれ異なる温度で加熱し、かつ、それぞれ異なる圧力で加圧した３種類以上の製品を用いて、各製品における硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を求め、これらに共通する関係を求めても良い。例えば、本願の実施例１では、５２５℃で加熱し、２４０ＭＰａで加圧した製品と、５５０℃で加熱し、１４５ＭＰａで加圧した製品との２種類の製品を用いて、これら製品に共通する関係として、図１に示す近似曲線を求めた。
なお、第２の製品として、２種類以上の製品を用いてこれらに共通する関係を求める場合には、これら２種類以上の製品の寿命が、同程度であることが好ましい。同程度とは、２種類以上の製品の寿命が、例えば互いに２割以内の差であることが好ましく、１割以内の差であることがより好ましい。当業者であれば、２種類以上の製品の寿命が同程度となるように、各製品に加える温度と圧力とを適切に設定することができる。
このようにして得られた、第１製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第１の関係と、第２製品の硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を用いて、所定のラーソンミラーパラメータにおける、加熱により劣化した第１製品の硬さと、加熱及び加圧により劣化した第２製品の硬さとの差を求める。例えば、ラーソンミラーパラメータが１９．０の時に、第１製品の硬さが１９１ＨＶであり、第２製品の硬さが１９０ＨＶである場合には、このラーソンミラーパラメータにおける、第１製品の硬さと第２製品の硬さとの差は１となる。
次いで、この作業を、複数のラーソンミラーパラメータで行うことにより、両製品間の硬さの差と、第２製品の硬さとの第３の関係を求める。求めた関係は、少なくとも一部分、望ましくは全体において実質的に比例関係になることが好ましい。即ち、この関係を表す検量線を作成すると、少なくとも一部分、望ましくは全体において実質的に直線となる。
両製品間の硬さの差と、第２製品の硬さとの第３の関係が、比例関係にあるか否かで、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法の精度を評価することができる。例えば、測定した全領域において、両製品間の硬さの差と、第２製品の硬さとの関係が比例関係にあるならば、この全領域において、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いることによって、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を精度良く測定することができる。
一方で、例えば、第２製品の硬さが１５０以上の領域では、両製品間の硬さの差と、第２製品の硬さとの関係が比例関係にあるが、第２製品の硬さが１５０未満の領域では、この関係が指数関数などとなり比例関係にない場合には、予測対象となる製品の硬さが１５０以上の場合に、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いることによって、その製品のクリープ余寿命を精度良く予測することができると分かる。なお、この場合、予測対象となる製品の硬さが１５０未満の領域では、精度は下がるものの、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良く、または、公知の別法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良い。
一方で、例えば、第２製品の硬さが１５０以上の領域では、両製品間の硬さの差と、第２製品の硬さとの関係が比例関係にあるが、第２製品の硬さが１５０未満の領域では、この関係が指数関数などとなり比例関係にない場合には、予測対象となる製品の硬さが１５０以上の場合に、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いることによって、その製品のクリープ余寿命を精度良く予測することができると分かる。なお、この場合、予測対象となる製品の硬さが１５０未満の領域では、精度は下がるものの、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良く、または、公知の別法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良い。
このように、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、第１製品及び第２製品間の硬さの差と、第２製品の硬さとの第３の関係が、比例関係になるか否かで、対象となるベイナイト組織を有する製品において、どの程度の精度でクリープ余寿命を予測できるのかを評価することができる。このため、対象製品が予測に反して早期に破損するなどの事故を防ぐことができる。
さらに、第２製品の硬さを、この硬さを与えた時の第２製品の損傷率に変換することによって、第２の製品の硬さと損傷率との間の第４の関係を求める。
そして、第３の関係と第４の関係とを用いて、両製品間の硬さの差と、第２製品の損傷率との第５の関係を求める。求めた関係は、少なくとも一部分、望ましくは全体において実質的に比例関係になることが好ましい。即ち、この関係を表す検量線を作成すると、少なくとも一部分、望ましくは全体において実質的に直線となる。
両製品間の硬さの差と第２製品の硬さとの第３の関係と同様に、両製品間の硬さの差と、第２製品の損傷率との第５の関係が、比例関係にあるか否かで、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法の精度を評価することができる。例えば、全損傷率において、両製品間の硬さの差と、第２製品の損傷率との関係が比例関係にあるならば、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いることによって、予測対象となる製品の損傷率がどのような値であっても、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を精度良く測定することができる。
一方で、例えば、第２製品の損傷率が０．８以下の領域では、両製品間の硬さの差と、第２製品の損傷率との関係が比例関係にあるが、第２製品の損傷率が０．８より大きい領域では、この関係が指数関数などとなり比例関係にない場合には、予測対象となる製品の損傷率が０．８以下の場合に、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いることによって、その製品のクリープ余寿命を精度良く予測することができると分かる。なお、この場合、予測対象となる製品の損傷率が０．８より大きい時には、精度は下がるものの、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良く、または、公知の別法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良い。
一方で、例えば、第２製品の損傷率が０．８以下の領域では、両製品間の硬さの差と、第２製品の損傷率との関係が比例関係にあるが、第２製品の損傷率が０．８より大きい領域では、この関係が指数関数などとなり比例関係にない場合には、予測対象となる製品の損傷率が０．８以下の場合に、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いることによって、その製品のクリープ余寿命を精度良く予測することができると分かる。なお、この場合、予測対象となる製品の損傷率が０．８より大きい時には、精度は下がるものの、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良く、または、公知の別法を用いて、その製品のクリープ余寿命を予測しても良い。
このように、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、第１製品及び第２製品間の硬さの差と、第２製品の損傷率とが、比例関係になるか否かで、対象となるベイナイト組織を有する製品において、どの程度の精度でクリープ余寿命を予測できるのかを評価することができる。このため、対象製品が予測に反して早期に破損するなどの事故を防ぐことができる。
本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、このようにして求めた、第１製品及び第２製品間の硬さの差と第２製品の硬さとの第３の関係、並びに、両製品の硬さの差と第２製品の損傷率との第５の関係を用いて、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測することができる。すなわち、第３の関係を用いて、クリープ余寿命を予測する製品の硬さから、製品間の硬さの差を求め、第５の関係を用いて、得られた硬さの差から、対応する製品の損傷率を求めることによって、クリープ余寿命を予測する製品の損傷率を求めることができる。
また、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法に用いる検量線の作成方法は、このようにして求めた、第１製品及び第２製品間の硬さの差と第２製品の硬さとの第３の関係、並びに、両製品の硬さの差と第２製品の損傷率との第５の関係を用いて、第３の関係を表す検量線、及び、第５の関係を表す検量線を作成することができる。
以下、ボイラの配管として使用されることにより加熱及び加圧された、ベイナイト組織を有する製品を予測対象とする場合を例にして、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法を用いて、クリープ余寿命を予測する方法を説明する。
まず、このボイラの配管の硬さを測定する。次に、「第１製品及び第２製品の硬さの差と、第２製品の硬さとの第３の関係」における第２製品の硬さに、測定された硬さの値を代入することによって、測定値に対応する硬さの差を求める。「両製品の硬さの差と、第２製品の損傷率との第５の関係」における両製品の硬さの差に、測定値に対応する硬さの差の値を代入することによって、測定値に対応する損傷率を求めることができる。求めた損傷率から、予測対象であるホイラの配管の余寿命を、予測することができる。
まず、このボイラの配管の硬さを測定する。次に、「第１製品及び第２製品の硬さの差と、第２製品の硬さとの第３の関係」における第２製品の硬さに、測定された硬さの値を代入することによって、測定値に対応する硬さの差を求める。「両製品の硬さの差と、第２製品の損傷率との第５の関係」における両製品の硬さの差に、測定値に対応する硬さの差の値を代入することによって、測定値に対応する損傷率を求めることができる。求めた損傷率から、予測対象であるホイラの配管の余寿命を、予測することができる。
本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、「第１製品及び第２製品の硬さの差と、第２製品の硬さとの第３の関係」、並びに、「両製品の硬さの差と、第２製品の損傷率との第５の関係」に基づいて、ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命を予測する。基づく両関係のいずれにも、温度及び圧力のパラメータが用いられていないことから明らかなように、本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、第１製品及び第２製品に加えられた温度及び圧力とは異なる温度及び圧力の条件下で使用された製品であっても、これらの関係を用いて、クリープ余寿命を精度良く予測することができる。
［実施例１］
クロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られたベイナイト組織を有する円筒管（外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ、長さ３５．０ｍｍ）を試料として、熱時効による劣化試験と内圧クリープ試験とを行った。熱時効による劣化試験は、温度が５２５℃（試験１）または５５０℃（試験２）の条件下で行い、内圧クリープ試験は、温度が５２５℃の場合には２４０ＭＰａの内圧を加え（試験３）、また、温度が５５０℃の場合には１４５ＭＰａの内圧を加えて行った（試験４）。なお、試験３における試料の寿命と、試験４における試料の寿命とは、互いに１割以内の誤差であり、ほぼ同じであった。
クロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られたベイナイト組織を有する円筒管（外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ、長さ３５．０ｍｍ）を試料として、熱時効による劣化試験と内圧クリープ試験とを行った。熱時効による劣化試験は、温度が５２５℃（試験１）または５５０℃（試験２）の条件下で行い、内圧クリープ試験は、温度が５２５℃の場合には２４０ＭＰａの内圧を加え（試験３）、また、温度が５５０℃の場合には１４５ＭＰａの内圧を加えて行った（試験４）。なお、試験３における試料の寿命と、試験４における試料の寿命とは、互いに１割以内の誤差であり、ほぼ同じであった。
各試験について、損傷率が０．１９、０．２６、０．５０、０．７０、０．８０および０．９０の時に、試料の１０箇所についてビッカース硬さを測定し、その平均を求めた。得られた平均硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を、図１に示す。なお、ラーソンミラーパラメータＬＭＰは、ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔｒ）、［式中、Ｔは絶対温度（Ｋ）で表した加熱温度であり、ｔｒは加熱時間（ｈ）であり、Ｃは定数２０である］、を用いて求めた。
図１が示すように、熱時効による劣化（試験１および２）の測定結果から求めた近似曲線と、内圧クリープによる劣化（試験３および４）の測定結果から求めた近似曲線との間で、同一のＬＭＰに対する硬さに差が生じた。この硬さの差をΔＨとして算出し、算出されたΔＨと、そのΔＨを与える場合の内圧クリープによる劣化時の硬さとの関係を求めた。結果を図２に示す。図２から明らかなように、ΔＨと内圧クリープによる劣化時の硬さとは、比例関係にあることが示された。
さらに、図２の内圧クリープによる劣化時の硬さを、その硬さを与えた場合の損傷率に変換した結果を図３に示す。図３は、ΔＨと損傷率との関係を示している。図３から明らかなように、ΔＨと損傷率との関係も、比例関係にあることが示された。
図１が示すように、熱時効による劣化（試験１および２）の測定結果から求めた近似曲線と、内圧クリープによる劣化（試験３および４）の測定結果から求めた近似曲線との間で、同一のＬＭＰに対する硬さに差が生じた。この硬さの差をΔＨとして算出し、算出されたΔＨと、そのΔＨを与える場合の内圧クリープによる劣化時の硬さとの関係を求めた。結果を図２に示す。図２から明らかなように、ΔＨと内圧クリープによる劣化時の硬さとは、比例関係にあることが示された。
さらに、図２の内圧クリープによる劣化時の硬さを、その硬さを与えた場合の損傷率に変換した結果を図３に示す。図３は、ΔＨと損傷率との関係を示している。図３から明らかなように、ΔＨと損傷率との関係も、比例関係にあることが示された。
［実施例２］
実施例２では、実施例１で作成した図２及び図３を用いて、ベイナイト組織を有する中空管のクリープ余寿命を予測した。
クロムモリブデン鉄鋼鋼材で作られた配管（ＳＴＰＡ２２、ＪＩＳ規格 Ｇ ３４５７「配管用アーク溶接炭素鋼鋼管」）を、火力発電所のボイラで使用できるように、加熱しながらゆっくりと曲げ加工した。加工した配管の曲がり部分の組織を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で検査したところ、ベイナイト組織が生成していた。このようにして加工した配管に対し、５５０℃の温度下で、１４５ＭＰａの内圧を加えた。
ある時間経過したところで、配管の曲がり部分のビッカース硬さを測定したところ１９０ＨＶであった。図２より、１９０ＨＶの時のΔＨは１．０であると求まり、そして、図３より、ΔＨが１．０の時の損傷率は０．１０と求まることから、配管の曲がり部分の損傷率は０．１０であると予測することができた。即ち、この配管の曲がり部分の余寿命は、現在までの使用時間の約９倍であると予測することができた。
実施例２では、実施例１で作成した図２及び図３を用いて、ベイナイト組織を有する中空管のクリープ余寿命を予測した。
クロムモリブデン鉄鋼鋼材で作られた配管（ＳＴＰＡ２２、ＪＩＳ規格 Ｇ ３４５７「配管用アーク溶接炭素鋼鋼管」）を、火力発電所のボイラで使用できるように、加熱しながらゆっくりと曲げ加工した。加工した配管の曲がり部分の組織を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で検査したところ、ベイナイト組織が生成していた。このようにして加工した配管に対し、５５０℃の温度下で、１４５ＭＰａの内圧を加えた。
ある時間経過したところで、配管の曲がり部分のビッカース硬さを測定したところ１９０ＨＶであった。図２より、１９０ＨＶの時のΔＨは１．０であると求まり、そして、図３より、ΔＨが１．０の時の損傷率は０．１０と求まることから、配管の曲がり部分の損傷率は０．１０であると予測することができた。即ち、この配管の曲がり部分の余寿命は、現在までの使用時間の約９倍であると予測することができた。
なお、本実施例では、図１〜図３を作成する場合と、実際に余寿命を予測する際とで、同じ温度及び圧力を適用したが、図２及び図３において温度及び圧力のパラメータが用いられていないことからも明らかなように、異なる温度及び圧力の条件下で使用された配管であっても、同一材料で構成されてさえいれば、図２及び図３を用いて、その余寿命を予測することができる。
［実施例３］
実施例１において、損傷率が０の時、試験２で損傷率が約０．５及び約０．９の時、並びに、試験４で損傷率が約０．５の時に、ＴＥＭによる試料の組織検査を行った。具体的には、各試料について２箇所を、結晶粒内を中心として、１００００倍及び４００００万倍の倍率で組織検査した。
損傷率が０の時の結果を図４に、試験２における損傷率が０．５の時の結果を図５に、試験２における損傷率が０．９の時に結果を図６に、そして、試験４における損傷率が０．５の時の結果を図７に示す。
実施例１において、損傷率が０の時、試験２で損傷率が約０．５及び約０．９の時、並びに、試験４で損傷率が約０．５の時に、ＴＥＭによる試料の組織検査を行った。具体的には、各試料について２箇所を、結晶粒内を中心として、１００００倍及び４００００万倍の倍率で組織検査した。
損傷率が０の時の結果を図４に、試験２における損傷率が０．５の時の結果を図５に、試験２における損傷率が０．９の時に結果を図６に、そして、試験４における損傷率が０．５の時の結果を図７に示す。
図４が示すように、損傷率が０の時は、結晶粒内に黒線として見える転位が数多く入っており、試料全体が堅固であることが分かる。これに対し、図５及び図６が示すように、熱時効により劣化した試料は、加熱時間が多くなるに従って、転位が減少していき、試料が柔らかくなったことが分かる。さらに、図５及び図７が示すように、損傷率は約０．５でほぼ同じであるが、熱時効により劣化した試料と内圧クリープにより劣化した試料とを比較すると、内圧クリープにより劣化した試料の方が転位が少なく、組織がより柔らかくなったことが分かる。
このように、熱時効により劣化した試料と内圧クリープにより劣化した試料との間では、同一の材料からできた試料を、同一の損傷率で比較した場合であっても、両者の固さには差があることが、組織検査によっても示された。
このように、熱時効により劣化した試料と内圧クリープにより劣化した試料との間では、同一の材料からできた試料を、同一の損傷率で比較した場合であっても、両者の固さには差があることが、組織検査によっても示された。
Claims (10)
- ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法に用いる検量線の作成方法であって、
ベイナイト組織を有し加熱により劣化した第１製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの第１の関係を求める工程と、
ベイナイト組織を有し加熱及び加圧により劣化した第２製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める工程と、
第１の関係と第２の関係を用いて、所定のラーソンミラーパラメータにおける、第１製品の硬さと第２製品の硬さとの差を求めることによって、第２製品の硬さと前記差との第３の関係を表す検量線を作成する工程と、
第２の製品の硬さと損傷率との間の第４の関係を求める工程と、
第３の関係と第４の関係を用いて、前記差と、第２製品の損傷率との第５の関係を表す検量線を作成する工程と、を含む方法。 - ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法であって、請求項１に記載の作成方法によって作成された検量線を用いることを特徴とする、クリープ余寿命の予測方法。
- ベイナイト組織を有する製品のクリープ余寿命の予測方法であって、
ベイナイト組織を有し加熱により劣化した第１製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの第１の関係を求める工程と、
ベイナイト組織を有し加熱及び加圧により劣化した第２製品の、硬さとラーソンミラーパラメータとの間の第２の関係を求める工程と、
第１の関係と第２の関係とを用いて、所定のラーソンミラーパラメータにおける、第１製品の硬さと第２製品の硬さとの差を求めることによって、第２製品の硬さと前記差との第３の関係を求める工程と、
第２の製品の硬さと損傷率との間の第４の関係を求める工程と、
第３の関係と第４の関係とを用いて、前記差と、第２製品の損傷率との第５の関係を求める工程と、
第３の関係を用いて、クリープ余寿命を予測する製品の硬さから、対応する前記差を得る工程と、
第５の関係を用いて、前記得られた差から、対応する当該製品の損傷率を求める工程とを含む、クリープ余寿命の予測方法。 - 前記クリープ余寿命を予測する製品の硬さに対応する差を求めるために、第３の関係のうち、実質的に比例関係である硬さの範囲を用いることを特徴とする、請求項２に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 前記クリープ余寿命を予測する製品の損傷率を求めるために、第５の関係のうち、実質的に比例関係である差の範囲を用いることを特徴とする、請求項３または４に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 前記クリープ余寿命を予測する製品、第１製品及び第２製品が、中空管であることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 前記クリープ余寿命を予測する製品が曲がり部分を有するボイラ用配管であることを特徴とする、請求項５に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 前記加圧が内圧を加えることにより行われることを特徴とする、請求項６または７に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 前記硬さがビッカース硬さであることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか１項に記載のクリープ余寿命の予測方法。
- 第１製品に加えられた温度と、第２製品に加えられた温度とが、同じであることを特徴とする、請求項３〜９のいずれか１項に記載のクリープ余寿命の予測方法。
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