KR101098059B1

KR101098059B1 - 고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명 진단 방법

Info

Publication number: KR101098059B1
Application number: KR1020100014562A
Authority: KR
Inventors: 마사히꼬 아라이; 신이찌 고바야시; 히로유끼 도이; 히로아끼 지바; 다까시 하네이시
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2011-12-26
Also published as: AU2010200506A1; AU2010200506B2; KR20100105373A; US8225672B2; CA2693045A1; US20100236333A1; JP2010223624A; JP4750868B2; CA2693045C

Abstract

본 발명은 크리프 손상에 의한 조직 변화가 적은 고합금 볼트에 적용할 수 있고, 종래보다도 정밀도가 높은 볼트의 잔여 수명 진단법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명 진단 방법이며, 진단 대상인 볼트를 구성하는 볼트 재료의 크리프 시험을 행하여 수명 시간 및 수명 신장률을 구하는 공정, 수명 시간 및 크리프 시험 온도로부터 시간 온도 파라미터를 구하는 공정, 수명 신장률에 대해 시간 온도 파라미터를 플롯한 수명 진단선도를 작성하는 공정, 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률을 측정하는 공정 및 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률과 수명 진단선도를 사용하여 볼트의 잔여 수명을 진단하는 공정을 포함하는 진단 방법이다.

Description

고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명 진단 방법{METHOD FOR DIAGNOSING REMAINING LIFE OF BOLT USED UNDER HIGH TEMPERATURE}

본 발명은 고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명 진단 방법에 관한 것이다. 특히, 터빈 배관용, 터빈 밸브용 혹은 터빈 케이싱용 볼트와 같은 고온 하에서 사용되는 볼트의 열화 상태를 비파괴적으로 검출하여 상기 볼트의 잔여 수명을 진단하는 데 적합한 잔여 수명 진단 방법에 관한 것이다.

터빈을 구성하는 로터 샤프트나 케이싱, 케이싱 볼트 등은 일반적으로 CrMoV계 저합금강이나 12Cr강 페라이트계 스테인리스강 등을 사용하여 제조되고 있다. 이러한 종류의 고온 부재는, 일반적으로 300 내지 600℃ 정도의 고온 분위기 중에서 장시간에 걸쳐서 응력 부하를 받으면, 결정립계 및 입자 내에 탄화물이 석출되거나, 입계에 보이드가 생성됨으로써 열화되어 버린다. 그와 같은 열화는 터빈을 구성하는 각 부품에 균열을 발생시켜, 최종적으로는 터빈의 파괴 사고로 이어질 가능성이 있다. 그와 같은 사고를 미연에 방지하는 관점에서, 혹은 터빈의 경제적인 운용을 위해, 터빈 부품의 수명을 정확하게 진단하는 것은 중요하다.

고온 분위기 중에 장시간 노출되는 고온 부재의 손상 상태를 조사하는 방법으로서는, 종래에는 실제로 사용되고 있는 부재로부터 직접 시험편을 잘라내고, 잘라낸 시험편에 대해 파괴 시험을 행하고 있었지만, 최근에는 부재를 설치한 채로 손상 상태를 평가할 수 있는 비파괴 시험에 의한 진단법도 행해지고 있다.

예를 들어, 특허 문헌 1에는 고온 하에서 사용되는 내열 합금에 대해 조직 상에 발생하는 미시 결함의 형상을 계측하고, 이것을 미시 결함과 손상량의 상관성에 기초하여 미리 설정한 손상량과 대비함으로써 손상을 검출하는 고온용 기기의 손상 검출법이 개시되어 있다. 그러나, 예를 들어 최근 고온 부재에 자주 사용되고 있는 고Cr 페라이트계 내열강 등은 크리프 손상에 의한 조직 변화가 적어 입계에 보이드가 생성되기 어려우므로, 미시 결함으로부터 잔여 수명을 진단하는 것이 매우 곤란하다.

특허 문헌 2에는 진단 대상의 고온 부재에 초음파를 조사하여 음속치를 측정하여, 미사용재 및 무부하 가열재의 음속치와 비교함으로써 잔여 수명을 산출하는 수명 예측법이 개시되어 있다. 특허 문헌 3에는 고온에서 사용되고 있는 금속 재료 부분의 경도 저하와 크리프 변형의 관계를 이용한 고온 부재의 수명 예측법이 개시되어 있다. 그러나, 이들 수명 예측법은 예측 정밀도의 면에서 만족할 수 있는 것은 아니었다.

[특허문헌1]일본특허출원공개평2-28554호공보 [특허문헌2]일본특허출원공개제2003-270220호공보 [특허문헌3]일본특허출원공개소58-92952호공보

본 발명은 크리프 손상에 의한 조직 변화가 적은 고합금으로 이루어지는 고온 부재에도 적용할 수 있는, 종래보다도 정밀도가 높은 고온 부재의 잔여 수명 진단법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 고온 하에서 사용되는 볼트는, 용접부 등과는 달리, 응력이 균일하게 가해지기 때문에 균일하게 변형되는 것에 착안하여, 고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명을 진단하기 위한 새로운 진단법을 발견하였다. 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명 진단 방법이며, 진단 대상인 볼트를 구성하는 볼트 재료의 크리프 시험을 행하여 수명 시간 및 수명 신장률을 구하는 공정, 수명 시간 및 크리프 시험 온도로부터 시간 온도 파라미터를 구하는 공정, 수명 신장률에 대해 시간 온도 파라미터를 플롯한 수명 진단선도를 작성하는 공정, 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률을 측정하는 공정 및 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률과 수명 진단선도를 사용하여 볼트의 잔여 수명을 진단하는 공정을 포함하는 상기 방법.

(2) 수명 시간이 제3기 크리프 개시 시간이고, 수명 신장률이 제3기 크리프 개시 시에 있어서의 신장률인 (1)에 기재된 방법.

(3) 고온 하에서 사용되는 볼트가 터빈 배관용, 터빈 밸브용 혹은 터빈 케이싱용 볼트인 (1) 또는 (2)에 기재된 방법.

(4) 볼트 재료가 8 내지 13질량％의 Cr을 포함하는 페라이트계 단강인 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 방법.

(5) 상기 시간 온도 파라미터가 맨슨 하퍼드(Manson-Haferd) 파라미터인 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 방법.

본 발명의 진단 방법에 따르면, 터빈 둘레에 사용되는 것과 같은 고합금으로 이루어지는 볼트의 잔여 수명을 간단한 측정으로 고정밀도로 진단할 수 있다. 본 발명의 방법은 플랜트의 안전한 운용에 기여하는 것이다.

도 1은 크리프 신장 곡선의 예를 도시하는 모식도.
도 2는 크리프 신장 곡선에 있어서의 제3기 크리프 개시 시간과 제3기 크리프 개시 변형을 구하는 방법을 설명하는 모식도.
도 3은 실시예에 의해 얻어진 수명 진단선도.
도 4는 볼트의 변형량의 측정 방법을 설명하는 도면.
도 5는 수명 진단선도를 사용하여 볼트의 잔여 수명을 진단하는 방법을 설명하는 도면.

본 발명의 잔여 수명 진단 방법은 고온 하에서 사용되는 볼트를 진단 대상으로 한다. 고온이라 함은, 금속 재료가 크리프를 일으키는 온도[일반적으로 0.4Tm(Tm : 금속의 융점)으로 되어 있음]를 의미한다. 본 발명의 진단 방법은, 예를 들어 300℃ 이상, 특히 500℃ 이상, 특히 600℃ 이상의 고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명 진단에 적합하다. 본 명세서에서 말하는 볼트에는 육각 볼트, 스터드 볼트 또는 스루 볼트 등 다양한 형상의 볼트가 포함된다. 본 발명이 진단 대상으로 하는 볼트는, 예를 들어 각종 화학 플랜트나 터빈 등에 있어서 배관이나 케이싱 등의 체결에 사용되고 있는, 장시간 고온 하에서 응력을 받는 볼트이다. 특히, 본 발명은 장시간 고온 하에서 응력을 받는 터빈용 볼트, 즉 터빈 배관용, 터빈 밸브용, 터빈 케이싱용 및 그 밖의 터빈에 사용되는 볼트의 잔여 수명을 진단하는 데 적합하다. 터빈용 볼트 중에서도, 500℃ 이상, 특히 600℃ 이상의 온도에서 운전되는 터빈용 볼트는 고온 하에 노출되므로 특별히 열화가 진행되기 쉽고, 또한 파손에 의해 대사고를 일으킬 가능성도 높다. 본 발명의 진단 방법은 그와 같은 터빈용 볼트의 잔여 수명을 고정밀도로 진단하는 데 적합하다. 또한, 본 명세서에 있어서의 터빈에는 증기 터빈, 가스 터빈, 그 밖의 고온에서 운전되는 터빈이 포함된다.

볼트는 장시간 고온 하에서 응력을 받은 경우에는 나사부보다도 가는 직경의 섕크부에 크리프 변형이 발생하고, 또한 변형부 단면적이 대략 일정하다고 하는 특징을 갖는다. 또한, 볼트의 온도는 전체적으로 대략 일정하다고 간주할 수 있다. 그로 인해, 볼트의 크리프 손상에 의한 신장량은 고정밀도로 평가할 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서의 볼트라 함은, 크리프 변형에 의한 변형부 단면적이 대략 일정한 체결 부재라고도 할 수 있다.

본 발명의 잔여 수명 진단 방법은 진단 대상인 볼트를 구성하는 볼트 재료의 크리프 시험을 행하여 수명 시간 및 수명 신장률을 구하는 공정, 수명 시간 및 크리프 시험 온도(크리프 시험을 행하였을 때의 시험 온도)로부터 시간 온도 파라미터를 구하는 공정, 수명 신장률에 대해 시간 온도 파라미터를 플롯한 수명 진단선도를 작성하는 공정, 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률을 측정하는 공정 및 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률과 수명 진단선도를 사용하여 볼트의 잔여 수명을 진단하는 공정을 포함하는 것이다.

볼트 재료의 크리프 시험은 당업자에게 알려진 일반적인 방법, 예를 들어 JIS Z 2271(금속 재료의 크리프 및 크리프 파단 시험 방법)에 따라, 평행부 직경 6㎜, 혹은 10㎜의 환봉 플랜지가 구비된 시험편을 사용하여 측정할 수 있다. 크리프 시험은 응력 및/또는 시험 온도를 바꾸어 복수 행한다. 도 1은 시험 온도 600℃에서 3종류의 응력으로 행한 크리프 시험에 의해 얻어진 크리프 신장 곡선의 예를 도시하는 모식도이다. 또한, 크리프 파단했을 때의 변형인 파단 신장은 온도, 응력에 거의 의존하지 않고 일정해진다. 신뢰성이 있는 수명 진단선도를 작성하기 위해, 크리프 시험은 적어도 3종류, 바람직하게는 8종류 이상, 보다 바람직하게는 10종류 이상의 응력과 시험 온도의 조합으로 행한다. 각각의 크리프 시험에 있어서는, 피시험 재료가 수명에 이르렀다고 판단되었을 때의 크리프 파단 신장에 대한 피시험 재료의 신장률(수명 신장률) 및 피시험 재료가 수명에 이르렀다고 판단될 때까지 걸린 시간(수명 시간)을 구한다. 피시험 재료의 크리프 신장 곡선 상에 있어서의 수명점은 진단 대상인 볼트에 요구되는 요건 등에 따라서 임의로 결정할 수 있다.

일반적으로 금속 재료의 수명이라 함은, 금속의 파단 시 혹은 그 근방이라고 생각되고 있다. 그러나, 금속이 크리프에 의해 파단에 이르는 데는, 변형 속도가 저하되는 제1기 크리프(1차 크리프), 변형 속도가 대략 일정하게 유지되는 제2기 크리프(2차 크리프), 변형 속도가 가속하는 제3기 크리프(3차 크리프)를 경유하지만, 배관이나 케이싱 등의 체결에 사용되고 있는 볼트의 경우, 파단에 이르지 않아도, 제3기 크리프로 천이되어 버리면 변형이 급격하게 커짐으로써 누설 등을 일으켜, 볼트로서의 기능을 달성하지 못하게 되어 버린다. 그로 인해, 본 발명에 있어서 볼트의 수명은 제3기 크리프 개시 시로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 있어서 수명 시간은 제3기 크리프 개시 시간으로 하고, 수명 신장률은 제3기 크리프 개시 시에 있어서의 신장률로 하는 것이 바람직하다.

크리프 신장 곡선에 있어서의 제3기 크리프 개시점은 당업자가 통상 행하는 방법에 의해 구할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이 제2기 크리프(천이 영역)의 기울기로부터 임의의 변형량(예를 들어, 0.02％ 내지 0.2％)을 오프셋함으로써 얻어진 직선과 크리프 신장 곡선의 교차점을 제3기 크리프 개시점으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서의 시간 온도 파라미터라 함은, 크리프 파단 시간의 추정에 있어서 단시간의 시험 결과로부터 장시간 거동을 추정하기 위해 일반적으로 사용되고 있는 파단 파라미터(Pr)이다. 주된 시간 온도 파라미터로서는, 이하의 Orr-Sherby-Dorn(올 셔비 돈, 식 A), Larson-Miller, (랄손 미러, 식 B) 및 Manson-Haferd(맨슨 하퍼드, 식 C)의 파라미터를 들 수 있다.

[식 A]

[식 B]

[식 C]

[식 중, Q는 활성화 에너지, to 및 To는 파라미터 상수, R은 기체 상수, T는 크리프 시험 온도, tr은 파단 시간이다]

시간 온도 파라미터는 수명 신장률에 대해 플롯했을 때에 소정의 함수(바람직하게는 직선 형상의 함수)에 의해 근사할 수 있도록, 진단 대상으로 되는 볼트의 볼트 재료 등에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기한 식 A 내지 식 C의 파라미터 중, Manson-Haferd 파라미터를 본 발명의 진단 방법에 적절하게 이용할 수 있다. Manson-Haferd 파라미터는, 특히 8 내지 13질량％의 Cr을 포함하는 페라이트계 단강으로 이루어지는 볼트 재료에 적합하다.

수명 진단선도에 있어서의 수명 진단선은 수명 신장률에 대해 시간 온도 파라미터를 플롯하여, 플롯한 점을 근사하는 함수(바람직하게는 직선 형상의 함수)를 구함으로써 얻을 수 있다. 수명 진단선을 볼트 재료마다 실험적으로 구해 두면, 볼트가 사용되고 있는 분위기의 온도와 볼트의 사용 시간으로부터 시간 온도 파라미터를 구하여, 볼트의 사용 전후의 신장률을 측정하고, 얻어진 시간 온도 파라미터와 신장률을 수명 진단선도 상에 플롯함으로써, 볼트의 잔여 수명을 간단하게 진단할 수 있다. 또한, 이 수명 진단선도에 따르면, 넓은 응력 범위에 대응한 볼트의 잔여 수명 진단 방법을 제공할 수 있다.

볼트의 잔여 수명은, 예를 들어 수명 소비율이라고 하는 형태로 구할 수 있다. 예를 들어, 볼트의 신장률을 기준으로 한 수명 소비율(Φ)은 이하의 식 a에 의해 구할 수 있다.

[식 a]

수명 신장률은 볼트의 사용 조건으로부터 시간 온도 파라미터값을 구하고, 수명 진단선 함수에 대입함으로써 구할 수 있다.

또한, 수명 진단선도를 사용한 볼트의 수명 진단은 소정의 볼트 신장률에 있어서의 수명 시간과 볼트의 사용 시간을 비교한다고 하는 방법으로도 행할 수 있다. 이 경우, 수명 소비율(Φ)은 이하의 식 b에 의해 구할 수 있다.

[식 b]

수명 시간은 볼트 신장률을 수명 진단선 함수에 대입하여 시간 온도 파라미터값을 구하고, 그 값과 볼트가 사용되고 있는 분위기의 온도 및 시간 온도 파라미터의 식으로부터 구할 수 있다.

볼트의 잔여 수명 진단에 사용하는 볼트의 신장률은, 예를 들어 화학 플랜트나 터빈 등에 있어서 운전을 정지하여 행하는 정기 점검 시 등에, 대상이 되는 볼트의 미사용 시와 비교했을 때의 신장을 측정함으로써 구할 수 있다. 본 발명의 진단 방법에 따르면, 고온에서의 운전 중에 볼트의 신장을 계속해서 측정할 필요는 특별히 없고, 볼트의 잔여 수명 진단을 보다 용이하게 행할 수 있다. 볼트의 신장의 측정은 통상의 측정 방법, 예를 들어 버니어 캘리퍼스를 사용한 접촉 방식의 측정, 혹은 광학적 혹은 전자기적인 비접촉 방식의 측정에 의해 행할 수 있다. 잔여 수명 진단을 보다 고정밀도로 행하기 위해서는, 볼트의 신장의 측정은 보다 정밀하게 행하는 것이 바람직하다. 또한, 잔여 수명 진단의 결과, 수명이 완전히 소비되어 있지 않다고 진단된 볼트는 다시 사용할 수 있다.

본 발명의 진단 방법이 대상으로 하는 볼트의 재료는 특별히 제한되는 것은 아니다. 그러나, 고온 하에서 사용되는 볼트의 재료로서는, 8 내지 13질량％의 Cr을 포함하는 페라이트계 단강, 특히 C를 0.05 내지 0.20질량％(바람직하게는 0.09 내지 0.15질량％), Si를 0.2질량％ 이하(바람직하게는 0.15질량％ 이하), Mn을 0.01 내지 1.5질량％(바람직하게는 0.1 내지 0.7질량％, 보다 바람직하게는 0.35 내지 0.65질량％), Ni를 0.005 내지 0.60질량％(바람직하게는 0.01 내지 0.50질량％, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.4질량％), Cr을 8.0 내지 13.0질량％(바람직하게는 9.0 내지 12.0질량％), Mo를 0.05 내지 2.0질량％(바람직하게는 0.05 내지 1.5질량％), W를 0.2 내지 5.0질량％(바람직하게는 0.3 내지 3.0질량％), V를 0.05 내지 0.30질량％(바람직하게는 0.15 내지 0.30질량％), Nb 및 Ta 중 적어도 하나를 0.01 내지 0.20질량％(바람직하게는 0.04 내지 0.15질량％), Co를 3질량％ 이하, N을 0.01 내지 0.1질량％(바람직하게는 0.01 내지 0.04질량％), B를 0.0001 내지 0.030질량％(바람직하게는 0.005 내지 0.025질량％) 및 Al을 0.0005 내지 0.04질량％ 포함하는 페라이트계 단강이 특히 바람직하다.

C는 켄칭성을 확보하고, 또한 템퍼링 과정에서 M₂₃C₆형 탄화물을 석출시켜 고온 강도를 높이기 위해 불가결한 원소로, 최저 0.05질량％를 필요로 한다. 그러나, 0.20질량％를 초과하면 M₂₃C₆형 탄화물을 과도하게 석출시켜, 매트릭스 강도를 낮게 하여 장시간측의 고온 강도를 손상시키므로, 0.05 내지 0.20질량％, 특히 0.09 내지 0.15질량％로 하는 것이 바람직하다.

Si는 라베스상의 생성을 촉진하고, 또한 입계 편석 등에 의해 연성을 저하시키므로, 0.20질량％ 이하, 특히 0.15질량％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 그러나, Si는 탈산제로서 0.01질량％ 이상의 극히 미량 추가함으로써, 후술하는 Al 탈산과의 관계로부터 양호한 고온 특성이 얻어지는 것이다.

Mn은 δ페라이트의 생성을 억제하고, M₂₃C₆형 탄화물의 석출을 촉진하는 원소로서 최저 0.01질량％는 필요하지만, 1.5질량％를 초과하면 내산화성을 열화시키므로, 0.01 내지 1.5질량％, 특히 0.1 내지 0.7질량％, 특히 0.35 내지 0.65질량％로 하는 것이 바람직하다.

Ni는 δ페라이트의 생성을 억제하여, 인성을 부여하는 원소로, 최저 0.005질량％ 필요하지만, 0.6질량％를 초과하면 고온 강도를 저하시키므로, 0.005 내지 0.60질량％, 특히 0.01 내지 0.50질량％, 특히 0.1 내지 0.50질량％로 하는 것이 바람직하다.

Cr은 내산화성을 부여하여, M₂₃C₆형 탄화물을 석출시켜 고온 강도를 높이기 위해 불가결한 원소로, 최저 8질량％ 필요하지만, 13질량％를 초과하면 δ페라이트를 생성하여 고온 강도 및 인성을 저하시키므로, 8.0 내지 13.0질량％, 특히 9.0 내지 12.0질량％로 하는 것이 바람직하다.

Mo는 M₂₃C₆형 탄화물의 미세 석출을 촉진하여, 응집을 방해하는 작용이 있고, 이로 인해 고온 강도를 장시간 유지하는데 유효하고, 최저 0.05질량％ 필요하지만, 2.0질량％ 이상으로 되면 δ페라이트를 생성하기 쉽게 하므로, 0.05 내지 2.0질량％, 특히 0.05 내지 1.5질량％로 하는 것이 바람직하다.

W는 Mo 이상으로 M₂₃C₆형 탄화물의 응집 조대화를 억제하는 작용이 강하고, 또한 매트릭스를 고용 강화하므로 고온 강도의 향상에 유효하고, 최저 0.2질량％ 필요하지만, 5.0질량％를 초과하면 δ페라이트나 라베스상을 생성하기 쉬워져, 반대로 고온 강도를 저하시키므로, 0.3 내지 3.0질량％로 하는 것이 바람직하다.

V는 V의 탄질화물을 석출하여 고온 강도를 높이는 데 유효하고, 최저 0.05질량％를 필요로 하지만, 0.3질량％를 초과하면 탄소를 과도하게 고정하여, M₂₃C₆형 탄화물의 석출량을 감소시켜 반대로 고온 강도를 저하시키므로, 0.05 내지 0.3질량％, 특히 0.15 내지 0.30질량％로 하는 것이 바람직하다.

Nb 및 Ta 중 적어도 하나는 NbC나 TaC를 생성하여 결정립의 미세화에 도움이 되고, 또한 일부는 켄칭 시에 고용되어 템퍼링 과정에서 NbC나 TaC를 석출하여, 고온 강도를 높이는 작용이 있어, 최저 0.01질량％ 필요하지만, 0.20질량％를 초과하면 V와 마찬가지로 탄소를 과도하게 고정하여, M₂₃C₆형 탄화물의 석출량을 감소시켜 고온 강도의 저하를 초래하므로, 0.01 내지 0.20질량％, 특히 0.04 내지 0.15질량％로 하는 것이 바람직하다.

Co는 δ페라이트의 생성을 억제하는 효과가 있고, 또한 고용 강화에 의해 고온 강도를 올리는 작용이 있다. 그러나, 고가의 원소이므로, 상한을 3질량％ 정도로 하는 것이 바람직하다. 600℃ 이상에서 사용하는 경우에는, 1.0질량％ 이상 포함하는 것이 유효하다.

N은 V의 질화물을 석출하거나, 또한 고용된 상태에서 Mo나 W와 공동으로 IS 효과(침입형 고용 원소와 치환형 고용 원소의 상호 작용)에 의해 고온 강도를 높이거나 하는 작용이 있어, 최저 0.01질량％는 필요하지만, 0.1질량％를 초과하면 연성을 저하시키므로, 0.01 내지 0.1질량％, 특히 0.01 내지 0.04질량％로 하는 것이 바람직하다.

B는 입계 강화 작용과, M₂₃C₆ 중에 고용되어 M₂₃C₆형 탄화물의 응집 조대화를 방해하는 작용에 의해 고온 강도를 향상시키는 효과를 갖고, 최저 0.0001질량％ 첨가하면 유효하지만, 0.030질량％를 초과하면 인성을 낮게 하여 단조성을 저해하므로, 0.0001 내지 0.030질량％, 특히 0.0005 내지 0.025질량％로 하는 것이 바람직하다.

Al은 탈산제 및 결정립 미세화제로서 0.0005질량％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Al은 강질화물 형성 원소로, 크리프에 유효하게 작용하는 질소를 고착함으로써, 특히 0.040질량％를 초과하면 장시간 크리프 강도를 저하시키는 작용을 갖는다. 따라서, 그 상한을 0.040질량％로 하면 바람직하다. Al은 0.001 내지 0.030질량％ 첨가하면 특히 바람직하다.

(실시예)

이하, 실시예를 사용하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

1. 수명 진단선도의 작성

우선, 볼트재의 크리프 시험을 행하여, 제3기 크리프 개시 시를 수명으로 하는 수명 진단선도를 작성하였다. 사용한 볼트재의 화학 조성은 이하의 표 1과 같다.

원료를 일렉트로 슬래그 재용해법에 의해 용해하고, 열간 단조에 의해 시료를 제작하였다. 시료는 켄칭(1100℃ × 1시간, 유냉) 후, 템퍼링(700℃ × 4시간, 공냉)을 행하였다. 시료로부터 복수의 크리프 시험편을 채취하였다. 570℃, 600℃, 625℃ 또는 650℃의 분위기 하, 복수의 응력으로 크리프 시험을 행하여 온도와 응력이 다른 복수의 크리프 신장 곡선을 구하였다.

도 2는 크리프 신장 곡선에 있어서의 제3기 크리프 개시 시간과 제3기 크리프 개시 변형[제3기 크리프 개시 시의 변형(신장률)]을 구하는 방법을 설명하는 모식도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제2기 크리프(천이 영역)의 기울기로부터 변형량을 0.2％ 오프셋함으로써 얻어진 직선과 크리프 신장 곡선의 교차점과 제3기 크리프 개시점을 정의하여, 제3기 크리프 개시 시간(tss)과 제3기 크리프 개시 변형(εss)을 구하였다.

다음에, 크리프 시험 온도와 얻어진 제3기 크리프 개시 시간(tss)으로부터, Manson-Haferd 파라미터를 구하고, 그 Manson-Haferd 파라미터에 대해 제3기 크리프 개시 변형을 플롯한 수명 진단선도를 작성하였다. 도 3은 그 수명 진단선도이다. 제3기 크리프 개시 변형을 Y, Manson-Haferd 파라미터를 X로 하면, 양자의 관계는 이하의 식 I에 의해 근사되는 것을 알 수 있었다.

[식 I]

2. 수명 진단선도를 사용한 볼트의 평가

우선, 볼트 체결 시험을 행하여, 수명을 완전히 소비한 볼트와 수명이 아직 남아 있는 볼트를 준비하였다. 볼트는 전체 길이(Lo) 300㎜, 섕크부 길이(lo) 240㎜의 것을 제작하였다. 다른 2개의 수준의 초기 체결 응력으로 볼트를 체결하고, 증기 터빈 케이싱의 체결을 상정한 시험 환경(온도 580℃)에 있어서 볼트 체결 시험을 행하였다. 약 50,000시간을 경과한 단계에서 한쪽이 증기 누설을 일으켜, 수명을 완전히 소비했다고 판단되었으므로, 시험을 종료하였다. 이하, 증기 누설을 일으킨 볼트를 볼트 A, 증기 누설을 일으키지 않았던 볼트를 볼트 B로 한다.

다음에, 볼트의 신장을 측정하여 수명 진단선도로부터 볼트의 잔여 수명을 진단하였다. 도 4는 볼트의 변형량의 측정 방법을 설명하는 도면이다. 볼트는 섕크부만이 크리프 변형되므로, 사용 전의 볼트 전체 길이(Lo), 섕크부 길이(1o) 및 사용 후의 볼트 전체 길이(L)로부터, 볼트의 변형량(ε)은 이하의 식 II에 의해 구할 수 있다.

[식 II]

볼트 A는 사용 후에 전체 길이가 1.2㎜ 신장되어 있고, 변형량은 0.50％였다. 볼트 B는 사용 후에 전체 길이가 0.65㎜ 신장되어 있고, 변형량은 0.27％였다.

도 5는 수명 진단선도를 사용하여 볼트 A 및 볼트 B의 잔여 수명을 진단하는 방법을 설명하는 도면이다. 우선, 시험 온도(580℃)와 시험 시간(약 50,000 시간)으로부터 Manson-Haferd 파라미터를 구한 바, 도 5 중에 도시한 바와 같은 값으로 되었다. 이 값과 상기한 식 I에서 나타내는 함수에 기초하여, 볼트의 변형량으로부터 각 볼트의 잔여 수명을 진단하였다. 또한, 제3기 크리프 개시 변형(εss)과 볼트의 변형량(ε)으로부터 수명 소비율(Φ)을 이하의 식 III에 의해 구하였다.

[식 III]

증기 누설을 일으킨 볼트 A는 식 I에서 나타내는 함수보다 위에 플롯되어, 수명의 소비는 약 200％로, 수명이 지났다고 진단되었다. 증기 누설을 일으키지 않았던 볼트 B는 식 I에서 나타내는 함수보다 아래로 플롯되어, 수명의 소비는 약 40％로, 아직 수명은 다 되지 않았다고 진단되었다.

Claims

고온 하에서 사용되는 볼트의 잔여 수명 진단 방법이며, 진단 대상인 볼트를구성하는 볼트 재료의 크리프 시험을 행하여 수명 시간 및 수명 신장률을 구하는 공정, 수명 시간 및 크리프 시험 온도로부터 시간 온도 파라미터를 구하는 공정, 수명 신장률에 대해 시간 온도 파라미터를 플롯한 수명 진단선도를 작성하는 공정, 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률을 측정하는 공정 및 진단 대상인 볼트의 사용 전후의 신장률과 수명 진단선도를 사용하여 볼트의 잔여 수명을 진단하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 볼트의 잔여 수명 진단 방법.
제1항에 있어서, 수명 시간이 제3기 크리프 개시 시간이고, 수명 신장률이 제3기 크리프 개시 시에 있어서의 신장률인 것을 특징으로 하는, 볼트의 잔여 수명 진단 방법.
제1항에 있어서, 고온 하에서 사용되는 볼트가, 터빈 배관용, 터빈 밸브용 혹은 터빈 케이싱용 볼트인 것을 특징으로 하는, 볼트의 잔여 수명 진단 방법.
제1항에 있어서, 볼트 재료가 8 내지 13질량％의 Cr을 포함하는 페라이트계 단강인 것을 특징으로 하는, 볼트의 잔여 수명 진단 방법.
제1항에 있어서, 상기 시간 온도 파라미터가 맨슨 하퍼드(Manson-Haferd) 파라미터인 것을 특징으로 하는, 볼트의 잔여 수명 진단 방법.