WO2005124314A1 - クリープ余寿命の評価方法 - Google Patents

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WO2005124314A1
WO2005124314A1 PCT/JP2005/011267 JP2005011267W WO2005124314A1 WO 2005124314 A1 WO2005124314 A1 WO 2005124314A1 JP 2005011267 W JP2005011267 W JP 2005011267W WO 2005124314 A1 WO2005124314 A1 WO 2005124314A1
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WO
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creep
life
void
remaining
evaluation
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PCT/JP2005/011267
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English (en)
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Inventor
Hidetaka Nishida
Original Assignee
The Chugoku Electric Power Co., Inc.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/006—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light of metals

Definitions

  • the present invention relates to a technology for evaluating a remaining life of a device member subjected to creep damage.
  • Non-Patent Document 1 At present, more than 80% of commercial thermal power generation units in Japan have accumulated operation hours exceeding 100,000 hours, and the remaining 20% The situation is over 200,000 hours. For this reason, at the time of periodic inspection, for the boiler of the thermal power generation unit, the location under the harshest conditions is selected from the past life-span diagnosis history, structure, stress, temperature, weighting, etc., and the creep deterioration progresses. It is important to understand the situation accurately and repair appropriately.
  • Non-Patent Document 2 As a conventional method for evaluating the remaining creep life, which focuses on voids generated in actual machine members, the surfaces of the members are polished and corroded, and a film made of acetyl cellulose is attached. An evaluation method using a copy of the surface of the member (hereinafter referred to as “replica”) is described. Methods for evaluating the remaining life or creep damage using this replica include A-meter, microstructure comparison, void area ratio (Non-Patent Document 3), void area density, grain boundary damage (non- An evaluation method using various parameters such as Patent Document 4) is known.
  • a parameter indicating the state of creep deterioration of a real machine member is obtained, and the "creep life consumption rate" is expressed as a ratio of the actual use time to the total time (life) from the time of new material to creep rupture.
  • the remaining life of the members of the actual machine is estimated.
  • a creep test is performed to create a master curve representing the relationship between the parameters of each method and the creep life consumption rate.
  • a replica of the surface force of the target actual machine member is sampled, and the parameter obtained on the replica is compared with the master curve, whereby the creep life consumption rate of the actual machine member can be estimated.
  • the time indicating the remaining life of the actual machine member can be estimated based on the actual use time and the creep life consumption rate at the time of evaluating the remaining life of the actual machine member. Specifically, assuming that the creep life consumption rate at the time of evaluation is “A” and the actual use time is “B”, the remaining life t is
  • Non-Patent Document 5 describes a method for estimating the remaining creep life by a non-destructive inspection such as an ultrasonic noise energy method or an ultrasonic statroscopy method.
  • Non-Patent Documents 6 and 7 below describe the physical meaning of the “void occupancy on the grain boundary line” (Non-Patent Document 8) used as an index focusing on voids at grain boundaries as a creep damage parameter. It is stated that it is clear.
  • the "A-parameter method” draws a straight line parallel to the stress axis within a predetermined region, and determines the number of intersections between the straight line and the grain boundary line.
  • the ratio is a parameter, and is generally called the "A parameter for measurement”.
  • the A parameter is based on the idea that if at least one void exists at the grain boundary, the grain interface is considered to be severely damaged and the entire grain boundary is regarded as a small crack.
  • the physical meaning of the commonly used measurement A parameter is considered to be sparse.
  • the "void area ratio method” uses the ratio of the void area per unit area in a predetermined region as a parameter, and the "void area density method” uses the unit area (usually lmm 2 ).
  • This evaluation method uses the number of voids per hit as a parameter.
  • This void area density method is easy to measure because it only needs to find the number of voids.
  • the area density is proportional to the radius and the number of voids and inversely proportional to the crystal grain size, and thus has a problem that it does not directly represent the number of voids actually present inside the member.
  • “Void occupancy on grain boundary line method” is a method for each grain boundary line within a predetermined range appearing on a cut surface or a surface of a member, for each void on the grain boundary line with respect to the length of the grain boundary line. This is an evaluation method that calculates the ratio of the total length and uses the average value as a parameter. This parameter has a one-to-one correspondence with the effective area used in conventional damage mechanics, which is equivalent to the area ratio of voids at the grain interface, which is the path of creep rupture. There is a problem that the force is difficult to measure compared to other methods.
  • Patent Document 1 describes a creep (remaining) life evaluation method capable of easily and accurately estimating the "creep life consumption rate" of a creep-degraded device member.
  • the ratio of the total length of voids on a grain boundary to the length of one grain boundary of a member is determined for each grain boundary, and the maximum value is determined as a parameter (“M parameter” t).
  • M parameter a parameter that is determined for each grain boundary.
  • This method is referred to as the “M-parameter method”.
  • M-parameter method it is possible to obtain an evaluation that the creep life consumption rate is high and the remaining life is short, that is, the risk of creep fracture is high, as the M-parameter force is closer to 1 ".
  • Patent Document 1 International Publication WO02Z014835
  • Non-patent Document 1 Keiichi Iwamoto, Thermal and Nuclear Power, 48-8 (1997), 14
  • Non-Patent Document 2 Japan Iron and Steel Association, Creep and Creep-Fatigue Damage Manual by Replica Method "Structural Material Reliability Evaluation Technology Subcommittee High-Temperature Strength WG Research Results Report (separate volume manual), (1991), 1
  • Non-Patent Document 3 Isamu Nonaka, Keiji Sonoya, Masashi Nakashiro, Hiroshi Yoneyama, Masaaki Kitagawa, Harima Ishikawajima Harima Technical Report, 32-5 (1992), 313
  • Non-patent Document 4 Kenji Kikuchi, Yoshiyuki Kaji, Materials, 44-505 (1995), 1244
  • Non-Patent Document 5 Japan Society of Mechanical Engineers, Power Plant 'Remaining Life Evaluation Technology for Structures, (1992)
  • Non-Patent Document 6 Naoya Tada, Tetsushi Fukuda, Takayuki Kitamura, Ryuichi Otani, Materials 46-1, (1997), 39
  • Non-Patent Document 7 Naoya Tada, Takayuki Kitamura, Ryuichi Otani, Materials 45-1, (1996), 110
  • Non-Patent Document 8 Tsuneyuki Eshima, Zhou, Ryuichi Otani, Takayuki Kitamura, Naoya Tada, 32nd High Temperature Strength Symposium Preprints, (1994), 94
  • the metal structures of the weld metal portion and the heat affected zone of the weld in particular, have a particle size of about 100 micrometers (m) in order from the weld metal side (200 ⁇ m). m) and a fine-grained part consisting of crystals with a grain size of about 1 ⁇ m to 10 ⁇ m. Considering that recent experiments have shown that the grain grows to almost the same size as one crystal grain boundary in the above, when the ⁇ fine grain part '' is evaluated by the above M-parameter method, the creep life There is a possibility that the M-parameter force reaches 1 "in the early stage, that is, the risk of creep rupture is high.
  • creep rupture is mainly attributable to the fact that voids generated on grain boundaries grow, connect, and coalesce to form microcracks.
  • intensive cracks occur in the second half of the creep life, even if one void has the same size as one grain boundary in the fine grain part, there is a high risk of creep rupture immediately. Therefore, it is difficult for the M-parameter method to accurately evaluate the creep life of “fine-grained parts”.
  • the portions that lead to creep rupture in the coarse-grained portion and the fine-grained portion are determined by various conditions such as differences in welding methods such as longitudinal welding or girth welding and the degree of application of stress. It is important to accurately evaluate the creep life of fine-grained parts in view of the fact that they differ from each other and that the actual parts are subjected to various types of welding and are placed in a multiaxial stress field.
  • an object of the present invention is to provide a method capable of accurately evaluating the remaining life of a device member that has been subjected to creep damage, in particular, its fine grain portion.
  • the present invention relates to a method for evaluating the time until a creep-damaged device member undergoes creep rupture or a remaining life represented by a creep life consumption rate, wherein the surface of the device member is evaluated.
  • the number of specific voids existing over a plurality of grain boundaries within a predetermined range is determined, and the ratio of the number of the specific voids to the area of the predetermined range is defined as a specific void density, and based on the specific void density. Then, the remaining life of the device member is evaluated.
  • the specific void is an extended void existing over at least 1/2 of each length of at least two grain boundaries, or generated on a plurality of grain boundaries. It is a connecting void formed by merging the voids.
  • the evaluation of the remaining life is to estimate the time by referring to the evaluation criterion obtained for the relationship between the specific void density and the remaining life in a creep test.
  • the evaluation of the remaining life is performed by evaluating the void number density, which is a ratio of the number of all voids in the area to a predetermined area, and other parameters.
  • the shortest of the time estimated by the evaluation criterion of each parameter should be the remaining life.
  • a more specific embodiment is directed to a void present on the surface of a fine grain portion formed of a crystal having a grain size of 10 ⁇ m or less of an equipment member.
  • the surface of the device member is imaged, and the number of voids is obtained on the image.
  • the surface of the device member is polished and corroded, and then a film made of acetyl cellulose or the like is attached to the device member.
  • the number of specific voids existing over a plurality of crystal grain boundaries within a predetermined range on the surface of an equipment member is determined, and is expressed by the ratio of the number of specific voids to the area of the range.
  • the specific void density By determining the specific void density, the remaining life of equipment components that have undergone creep damage can be evaluated. In this evaluation method, it is necessary to detect only a specific void among all voids within a predetermined range, and therefore, the evaluation can be performed more quickly and easily than the conventional void number density method.
  • the specific voids that exist over a plurality of grain boundaries are voids that have grown from one grain boundary to two or more grain boundaries.
  • the number serves as an index indicating the degree of progress of creep deterioration of the surface of the device member. Therefore, by using the above-mentioned parameter of “specific void density”, the state of creep deterioration, specifically, the remaining life can be accurately grasped, and even in the “fine grain part” where the crystal grain boundary is small, two or more By paying attention to voids extending across the grain boundaries, it is possible to accurately evaluate the remaining life of fine-grained parts, which is difficult with conventional evaluation methods such as the A-parameter method.
  • the specific void an extended void existing over at least 1/2 of each length of at least two crystal grain boundaries, or a void generated on a plurality of crystal grain boundaries.
  • an evaluation criterion for example, a master curve described later
  • a creep test based on the relationship between the specific void density and the remaining life as described above
  • the evaluation criterion for the “specific void density” is also referred to, and the time estimated by the evaluation criterion for each parameter is referred to.
  • the shortest of these is the remaining life of the equipment members, it is possible to make evaluations from a safer side.
  • a master curve representing the relationship between each parameter and the creep life consumption rate as well as functions and data representing the relationship between them can be used as described later.
  • the surface of a fine grain portion formed of a crystal having a grain size of 10 ⁇ m or less is selected as a portion for calculating the number of voids within a predetermined range. Can be.
  • the surface of the equipment member is imaged as a means for measuring voids present on the surface of the equipment member, the specific void is automatically recognized by a machine such as a computer, and the image is obtained. Above, their number can be determined quickly and easily.
  • the image of the surface of the device member may be obtained by polishing and corroding the surface of the device member and then attaching a film made of acetyl cellulose or the like, or photographing the surface of the device member using imaging means. Obtained by imaging the surface of.
  • FIG. 1 is a main flowchart of a creep remaining life evaluation method of an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a specimen and a void observation position used in a creep test.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specimen and a void observation position used in a creep test.
  • FIG. 4 is a diagram showing a specimen and a void observation position used in a creep test.
  • FIG. 5 is a diagram showing a position where a test piece is collected from actual waste wood of a thermal power plant.
  • FIG. 6 is an electron micrograph showing the occurrence of voids at each interruption in the creep rupture test for pipe internal pressure.
  • FIG. 7 is a diagram showing a state of void generation at an observation position at each interruption during an internal pressure creep rupture test (actual machine acceleration test).
  • FIG. 8 is a view showing a basic concept of an L parameter.
  • FIG. 10 is a diagram showing a basic concept of a void number density which is a parameter of the void number density method.
  • FIG. 1 is a main flowchart of the remaining creep life evaluation method of the present invention.
  • a predetermined parameter based on a small hole called a void existing on the surface of the actual machine member is obtained, and the obtained parameter is evaluated based on an evaluation criterion representing the relationship between the parameter created in advance and the remaining life.
  • an evaluation criterion representing the relationship between the parameter created in advance and the remaining life.
  • FIGS. 2 to 4 show the specimens used in the creep test and the void observation position in each specimen.
  • the test piece shown in Fig. 2 is a test piece 1 collected from a welded part that has been damaged by creep in a high-temperature reheated steam pipe in operation. Conduct a creep rupture test. The test conditions are shown below.
  • test stress (tensile) is 68.6MPa.
  • the metal structure near the welded portion 2 of the test piece 1 includes, from the weld metal side, a coarse-grained portion 3 formed of crystals having a grain size of about 100 ⁇ m or less, It is composed of fine-grained parts 4 formed of crystals of about ⁇ m to 10 ⁇ m. In the method for evaluating the remaining creep life of the embodiment, voids are observed in the fine grain portion 4.
  • the test specimen shown in Fig. 3 is a test in which girth welding is performed on a solid round bar ( ⁇ 40Xt8XL430) made of 2.25Cr-lMo steel, for example, and the pipe strength of the welded joint penetrating the center is also obtained.
  • Piece 5 The girth weld 6 of the test piece 5 is preferably prepared by 1 to 4 layers of covered arc welding so as to be as close as possible to the weld of the actual machine member, and is preferably heat-treated at 993KX for 1.3 hours. For this test piece 5, a creep rupture test for the internal pressure of the pipe is performed.
  • test piece 5 While heating the test piece 5 in an electric furnace, pressurized water is injected into the test piece 5, and high pressure steam is applied to apply internal pressure. In this test as well, interruption is performed as appropriate, voids in the fine grain portion are observed at each interruption, and the L parameter is obtained by the method described later.
  • the test conditions are shown below.
  • Circumferential stress is 61.3MPa (according to the formula of average diameter).
  • Specimen 7 in Fig. 4 is, for example, a waste material of a high-temperature reheated steam pipe elbow made of 2.25Cr-lMo steel, and a welded portion 8 of this specimen 7 has a pair of bent pieces having the same curvature. After assembling the plates into a tube, they are formed by submerged arc welding performed in the longitudinal direction. For this specimen 7, an internal pressure creep rupture test (acceleration test on actual equipment) is performed with appropriate interruption. Specifically, after heating the specimen 7 by surrounding it with a plate-shaped heater, water under pressure is injected into the specimen 7, and high-pressure steam is applied to apply internal pressure. In this test, for example, at two observation positions 9a and 9b defined on the surface in the vicinity of the welded portion 8, the voids of the fine-grained portion at each interruption are observed, and the L parameter is obtained. The test conditions are shown below.
  • Test stress is 3.0MPa
  • Fig. 5 shows a position where a test piece was taken from a waste material of an actual power plant of a thermal power plant in order to perform another creep test.
  • T piece pipe near the SH pipe in (a) and the RHY piece pipe in (b) voids were observed on the surfaces near the circumferential welds 10 and 11, and the diameter was 10 mm from the cross section near the part where the presence of voids was recognized.
  • the RH stub-side stub of (c) a 2mm diameter miniature creep round bar specimen is taken from the cross section near the stub welded part 12 where the presence of voids has been recognized.
  • For these test pieces perform a uniaxial creep rupture test in an inert gas atmosphere while appropriately stopping them, observe the voids in the fine grain portion at each stop, and obtain the L parameter.
  • the following table shows the usage conditions of each waste material.
  • Fig. 6 shows the state of void formation at each interruption in the pipe internal pressure creep rupture test using test piece 5 (Fig. 3).
  • the surface of the test piece 5 may be directly imaged using a scanning electron microscope (hereinafter, “SEM” t) as shown in the figure, and the surface of the test piece 5 may be It can also be polished and corroded, and a replica obtained by attaching a predetermined film (for example, an acetyl cellulose film) and copying the surface of the member can be observed with a SEM.
  • SEM scanning electron microscope
  • the surface of the test piece 5 is polished by, for example, rough polishing with a grinder, successively polishing with a grindstone of No. 120 to No. 1000, and then polishing it to about 3 m to lm. It is better to sequentially perform puff polishing with diamond particles and perform mirror finishing.
  • a corrosive solution is impregnated into absorbent cotton and applied to the polished surface to obtain a crystal grain boundary in the metal structure. Can be made identifiable.
  • the following two types of corrosion liquids can be used for corrosion. Wear.
  • sodium dodecylbenzenesulfonate is preferably used and mixed at a ratio of 1 g to 100 ml of saturated picric acid.
  • a replica softening material for example, methyl acetate
  • acetyl cellulose film is stuck, and the replica softening material is sufficient. After drying, the surface of the test piece 5 can be copied by peeling off the acetyl cellulose film.
  • the occurrence of voids in a predetermined range (for example, 30 mm 2 ) is observed in advance by an optical microscope or the like, and damage is most aggravated. After confirming the location, if the location is observed with an SEM (for example, observed at a magnification of 1000), the damage can progress, and the void can be observed without missing the location.
  • a predetermined range for example, 30 mm 2
  • the number of voids increases on the surface of the test piece 5 with the elapse of time in the pipe internal pressure creep rupture test. For example, as shown in the figure, the state of void generation at each stop
  • each of the above interruptions was represented by a creep life consumption rate (tZtr), which was obtained as a result of a pipe internal pressure creep rupture test until specimen 5 creep ruptured. Values are shown.
  • voids are initially generated randomly on a plurality of grain boundaries, and thereafter are generated intensively at a specific position, and eventually connect to form microscopic cracks. .
  • FIG. 7 shows the occurrence of voids at observation positions 9a and 9b at the time of each interruption in the internal pressure creep rupture test (actual machine acceleration test) using specimen 7 (FIG. 4).
  • the void observation method is the same as described above. In this test as well, voids began to form randomly on multiple grain boundaries. After that, it increases intensively at a specific position, and it is apparent that they eventually join to form a microcrack.
  • FIG. 8 shows the basic concept of the L parameter for evaluating the remaining life of the equipment member by the creep remaining life evaluation method of the embodiment.
  • the L parameter is represented by a ratio of the number of voids existing over a plurality of crystal grain boundaries within the predetermined range to the area of a predetermined range on the surface of the void observation position. Specifically, a void existing over a half or more of each length of at least two crystal grain boundaries within a predetermined range (for example, 1 mm 2 ) on the surface of the observation position (hereinafter, referred to as “ The number of connected voids).
  • the central void 16b is present on the three crystal grain boundaries 15 and completely covers the two crystal grain boundaries 15, and thus is counted as a connection void.
  • the voids 16c are present on the three grain boundaries 15 and do not completely cover the grain boundaries 15. However, the voids 16c are more than 1/2 of each length of the two grain boundaries 15. Since they exist all over, this is also counted as a connected void.
  • the L parameter is defined by the following equation.
  • A is the area of the evaluation target group (for example, 1 mm 2 )
  • m is the number of connected voids within the evaluation range
  • FIG. 9 is a master curve showing the relationship between the L parameter and the creep life consumption rate.
  • the creep life consumption rate is represented by the ratio of the total time “t” to the total time “tr” to the time to the creep rupture of the new material and the total time “t” of the time used in the creep test and the actual use time. . Therefore
  • the L parameter is almost “0” in the first half of the life of the device member, and increases in the second half of the life.
  • Connected voids exist over at least 1/2 of each length of at least two grain boundaries, that is, are formed by connecting a plurality of voids.
  • an L parameter of an actual machine member to be evaluated is obtained (ST3).
  • a portion under the most severe conditions is comprehensively considered in consideration of the past history of remaining life diagnosis, structure, stress, temperature, load, and the like. Is selected, and a replica is collected for the surface force at that location. If the surface of the member copied to this replica is enlarged and displayed by SEM, the L parameter in a predetermined range can be obtained.
  • the L parameter obtained from the actual machine member is compared with the master curve (Fig. 9), which is the evaluation standard of the remaining life created in ST2 (ST4), and the time until the actual machine member undergoes creep failure is estimated. Yes (ST5).
  • the corresponding creep life consumption rate is estimated to be “tZtr ⁇ 0.94” from the master curve. can do. That is, according to this master curve, the remaining life of the member can be estimated to be 6% of the total life.
  • the time corresponding to "6% of the total service life” is set at the time of the evaluation of the actual machine component to be evaluated. If the actual usage time is "t ⁇ 7000hr", it can be obtained by the following equation.
  • the remaining life of the creep damaged actual machine member can be estimated using the L parameter as a parameter, but the accuracy and reliability of the remaining life evaluation are In order to enhance the reliability, it is better to compare the above estimation result with the estimation result obtained by the conventional remaining life evaluation method.
  • the void number density which is a parameter of the conventional void number density method, is obtained from an actual machine member, and is compared with a master curve of the void number density method (ST6) to estimate the remaining life by the method.
  • FIG. 10 shows the basic concept of the void number density, which is a parameter of the void number density method.
  • the void number density is a ratio of the number of all voids 20 existing in a predetermined range to the area (for example, 1 mm 2 ) of the range, and can be obtained by the following equation.
  • A is the area to be evaluated (for example, 1 mm 2 )
  • n is the number of alll within the evaluation range
  • the number of all these voids is counted regardless of the size of each void 20. This operation is performed within a predetermined range, and divided by the area of the range to obtain a void number density.
  • FIG. 11 shows a master curve of the void number density method. This master curve is It can be created by itself through the creep test described in ST1 of the flowchart (Fig. 1), and the master curve by the void number density method and other conventional remaining life evaluation methods is publicly available. It is also possible to use it.
  • the void number density obtained from the replica of the actual machine member by the above method is “650 / mm 2 ”
  • the corresponding creep life consumption rate from the master curve in the figure is “tZtr ⁇ O. 92 "It can be estimated. That is, according to the master curve of the void number density method, the remaining life of the member is a time corresponding to 8% of the total life, and can be obtained by the following equation (ST7).
  • the shortest time obtained as a result of the remaining life estimation by each method is estimated as the time until the actual machine member to be evaluated reaches creep rupture (ST8). That is, the remaining life based on the L parameter is “447 hours” and the remaining life according to the void number density method is “609 hours”. Therefore, the remaining life of the member can be estimated to be “447 hours”.
  • the method for evaluating the remaining life of the actual machine member by the method for evaluating the remaining creep life of the embodiment has been described above.
  • the reliability of the L parameter in the creep life evaluation method of the present invention will be described.
  • the reliability of the creep life evaluation means how close the evaluation result (remaining life or creep life consumption rate) based on the parameters adopted is to the result of the creep test. Therefore, not all conceivable parameters can be used as they are in the evaluation of the remaining life of actual equipment components, but it is necessary to confirm in advance the reliability of the parameters to be adopted in the evaluation of the remaining life. .
  • the following shows an example of the results of an accuracy confirmation test for confirming the reliability of the L parameter.
  • the rupture time was 85 hours, and the creep test power was obtained.
  • the expanded voids that exist over at least half of the length of at least two crystal grain boundaries are formed by combining voids generated on a plurality of crystal grain boundaries. If the expanded voids can be clearly distinguished from those that have grown larger due to the growth of one void and those that have combined multiple voids, the expanded voids are considered to be connected. Well, you can count them separately.
  • the estimation result by the conventional void number density method was compared, but the estimation result by the evaluation method based on other parameters was compared. It can also be targeted.
  • an A parameter method, a tissue contrast method, a void area ratio method, or a void area density method can be employed.
  • a force S employing a master curve representing the relationship between the L parameter and the creep life consumption rate, and a database representing the relationship between the two were created.
  • the remaining life can also be evaluated by comparing this with the L parameter obtained from the actual machine components. In either method, the remaining life can be automatically calculated by using a computer and inputting the obtained L parameters for the actual machine members.
  • connection voids can be automatically recognized by a machine such as a computer, and the number thereof can be quickly and easily obtained on the image.

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Abstract

　クリープ損傷を受けている機器部材、特にその細粒部における余寿命を精度よく評価することができる方法を提供する。クリープ損傷を受けている機器部材がクリープ破壊するまでの時間で表される余寿命を評価するための方法である。機器部材の表面において、１mm2の範囲内で少なくとも２つの結晶粒界の各長さの1/2以上に亘って存在する連結ボイドの個数を求め、上記1mm2の面積に対する当該連結ボイドの個数の比をＬパラメータとし、このＬパラメータに基づいて機器部材の余寿命を評価する。

Description

タリープ余寿命の評価方法
技術分野
[0001] 本発明は、クリープ損傷を受けている機器部材の余寿命を評価する技術に関する 背景技術
[0002] 例えば、火力発電ボイラゃ蒸気タービンに使用される高温部材のように、高温-高 圧下で長時間使用される機器部材においては、特に溶接部付近 (溶接金属部、溶 接熱影響部、及び母材)で、時間の経過と共にクリープ損傷による劣化が進展し、金 属組織にボイド又はキヤビティと呼ばれる微小な空孔若しくは空隙 (これらを総称して 「ボイド」という）が発生する。ボイドは成長しながら、連結し、合体し、やがて 1 (結晶） 粒界長さ程度の微視き裂を形成し、微視き裂が更に伝播と連結とを繰り返すことによ つて、部材全体を破壊 (クリープ破壊）に至らせる。従って、火力発電ユニットを長時 間に亘つて安定的に運転するためには、機器部材がクリープ破壊するまでの時間又 は後述の「クリープ寿命消費率」で表される余寿命を、的確に把握することが必要で ある。
[0003] 下記の非特許文献 1によれば、現在、日本国内の 80%以上の事業用火力発電ュニ ットは、累積運転時間が 10万時間を超えており、その他の 20%についても 20万時間を 超えているという状況である。このため、定期検査時には、火力発電ユニットのボイラ 等について、過去の余寿命診断経歴、構造、応力、温度、加重等の条件から、最も 過酷な条件下にある箇所を選定し、クリープ劣化の進展状況を的確に把握し、適切 に補修することが重要である。
[0004] 下記の非特許文献 2には、実機部材に発生したボイドに注目した従来のクリープ余 寿命評価方法として、部材表面を研磨し、腐食させ、ァセチルセルロース製等の膜を 貼り付けて部材表面を写しとつたもの（以下「レプリカ」 、う）を用いた評価方法が記 載されている。このレプリカを用いた余寿命或いはクリープ損傷評価方法としては、 A ノ メータ、組織対比、ボイド面積率 (非特許文献 3)、ボイド面積密度、粒界損傷 (非 特許文献 4)等の各種パラメータによる評価方法が知られている。
[0005] これらの方法では、実機部材のクリープ劣化の状態を表すパラメータを求め、新材 の時からクリープ破壊までの総時間（寿命）に対する実使用時間の割合で表される「 クリープ寿命消費率」を求めることによって、実機部材の余寿命を推定する。具体的 には、上記いずれの方法においても、まず、クリープ試験を行い、各方法のパラメ一 タとクリープ寿命消費率との関係を表すマスターカーブを作成する。そして、対象とす る実機部材の表面力もレプリカを採取し、このレプリカ上で求めたパラメータを上記マ スターカーブと照合することにより、当該実機部材のクリープ寿命消費率を推定する ことができる。更に、実機部材の余寿命評価時における実使用時間とクリープ寿命消 費率とに基づいて、実機部材の余寿命を表す時間を推定することができる。具体的 には、評価時におけるクリープ寿命消費率を" A"、実使用時間を" B"とすると、余寿 命 tは、
"t = B X { (1— A) ZA}"の式により求めることができる。
[0006] このほかにも、下記の非特許文献 5には、超音波ノイズエネルギー法や超音波スぺ タトロスコピー法等の非破壊検査にてクリープ余寿命を推定する方法が記載されてい る。また、下記の非特許文献 6、 7には、粒界のボイドに着目した指標として用いられ る「粒界線上ボイド占有率」（非特許文献 8)について、クリープ損傷パラメータとして の物理的意味が明確であることが記載されている。
[0007] 上記の各評価法のうち「Aパラメータ法」は、決められた領域内で応力軸に平行な 直線を引き、この直線と粒界線との交点数に占めるボイドの発生した粒界線の割合を ノ ラメータとするものであり、一般に「測定用 Aパラメータ」と呼ばれている。し力しなが ら、 Aパラメータは、粒界に 1つでもボイドが存在すれば、その粒界面は大きな損傷を 受けたとして、その粒界全体を微小き裂とみなす、という考え方に基づくため、一般的 に用いられる測定用 Aパラメータの物理的意味は希薄とされて 、る。
[0008] 「ボイド面積率法」は、決められた領域内で単位面積当たりのボイドの面積の割合を ノ ラメータとするものであり、「ボイド面積密度法」は、単位面積 (通常 lmm2)当たりに 存在するボイドの個数をパラメータとする評価方法である。このボイド面積密度法は、 ボイドの個数を求めるだけでよいため、測定は容易である力 このパラメータ (ボイド 面積密度）は、ボイドの半径及び個数に比例し、結晶粒径に反比例するため、部材 内部に実際に存在するボイドの個数を直接表すものではないという問題点がある。
[0009] 「粒界線上ボイド占有率法」は、部材の切断面又は表面に現れた所定の範囲内に ある各粒界線について、粒界線の長さに対する、該粒界線上にある各ボイドの長さの 合計の割合を求め、その平均値をパラメータとする評価方法である。このパラメータ は、クリープ破壊の経路となる粒界面上でのボイドの面積率と等しぐ従来の損傷力 学で用いられてきた有効断面積と一対一の対応関係があるため、物理的な意味が明 確であるとされている力 他の方法と比べて測定が困難であるという問題点がある。
[0010] 下記の特許文献 1には、クリープ劣化した機器部材の「クリープ寿命消費率」を簡単 に精度よく推定することができるクリープ (余）寿命評価方法が記載されて 、る。この 方法は、部材の 1つの結晶粒界の長さに対する該粒界上にあるボイドの長さの合計 の割合を各粒界にっ 、て求め、その最大値をパラメータ（「Mパラメータ」 t 、う）とす る評価方法であることから、「Mパラメータ法」と呼ばれている。この Mパラメータ法で は、 Mパラメータ力 1 "に近いほど、クリープ寿命消費率が高く余寿命が短い、即ちク リーブ破壊の危険性が高 、と 、う評価を得ることができる。
[0011] 特許文献 1：国際公開 WO02Z014835号公報
非特許文献 1 :岩本啓一，火力原子力発電， 48-8 (1997) , 14
非特許文献 2 :社団法人日本鉄鋼協会，レプリカ法によるクリープ及びクリープ疲労 損傷マニュアル"構造材料の信頼性評価技術部会高温強度 WG研究成果報告書（ 別冊マニュアル）, (1991) , 1
非特許文献 3 :野中勇，園家啓嗣，中代雅士，米山弘志，北川正榭，石川島播磨技 報， 32- 5 (1992) , 313
非特許文献 4:菊地賢司，加治芳行，材料， 44- 505 (1995) , 1244
非特許文献 5 :日本機械学会編，動力プラント '構造物の余寿命評価技術， (1992)
, 89,技報堂出版
非特許文献 6 :多田直哉，福田哲史，北村隆行，大谷隆一，材料 46— 1, (1997) , 3 9
非特許文献 7 :多田直哉，北村隆行，大谷隆一，材料 45— 1, (1996) , 110 非特許文献 8 :江嶋恒行，周，大谷隆一，北村隆行，多田直哉，第 32回高温強度シ ンポジゥム前刷集， (1994) , 94
発明の開示
[0012] し力しながら、上記のような機器部材において、特に溶接金属部及び溶接熱影響 部の金属組織は、溶接金属側から順に、主に粒径約 100マイクロメートル m)程度 (200 μ m以上のものもある）の結晶力 成る粗粒部と、粒径 1 μ m〜10 μ m程度の結 晶から成る細粒部とで構成される点、及び、 1つのボイドが細粒部における 1つの結 晶粒界とほぼ同じ大きさに成長することが最近の実験で判明した点を踏まえると、上 記の Mパラメータ法で「細粒部」を評価する場合には、クリープ寿命の初期において Mパラメータ力 1 "に達する、即ちクリープ破壊の危険性が高いという評価に至るお それがある。
[0013] また、前述のように、クリープ破壊は粒界上で発生したボイドが成長、連結、合体し て微視き裂を形成することが主要因である点、及び、微視き裂は特にクリープ寿命の 後半において集中的に発生する点を踏まえると、 1つのボイドが細粒部における 1つ の結晶粒界と同じ大きさになっても、直ちにクリープ破壊の危険性が高いとはいえな いため、 Mパラメータ法は、「細粒部」に対してはクリープ寿命を精度よく評価すること が困難である。
[0014] 一方、種々のクリープ試験の結果によれば、粗粒部と細粒部においてクリープ破壊 に至る部分は、長手溶接又は周溶接等の溶接方法の違いや応力の掛かり具合等の 各種条件によって異なる点、及び、実機部材は各種の溶接が施され、かつ多軸応力 場に置かれている点を考慮すると、細粒部におけるクリープ寿命を精度よく評価する ことも重要である。
[0015] また、細粒部を評価する場合、例えば、従来の Aパラメータ法では、測定対象となる 損傷を受けている粒界が不明確であること、及び粒界数が非常に多くなることから、 細粒部を評価するのは実際上困難である。
[0016] 本発明は、以上の状況に鑑み、クリープ損傷を受けている機器部材、特にその細 粒部における余寿命を精度よく評価することができる方法を提供することを目的とす る。 [0017] 本発明は、クリープ損傷を受けている機器部材がクリープ破壊するまでの時間又は クリープ寿命消費率で表される余寿命を評価するための方法にぉ ヽて、前記機器部 材の表面において、所定の範囲内で複数の結晶粒界に亘つて存在する特定ボイド の個数を求め、前記所定の範囲の面積に対する当該特定ボイドの個数の比を特定 ボイド密度とし、該特定ボイド密度に基づ ヽて前記機器部材の余寿命を評価すること を特徴とする。
[0018] 発明の実施態様では、上記特定ボイドは、少なくとも 2つの結晶粒界の各長さの 1/2 以上に亘つて存在する拡張ボイドであり、或いは、複数の結晶粒界上で発生したボイ ドが合体することによって形成された連結ボイドである。
[0019] また、余寿命の評価は、上記特定ボイド密度と余寿命との関係についてクリープ試 験力 得られた評価基準を参照することにより、前記時間を推定することである。或い は、余寿命の評価は、上記特定ボイド密度についての評価基準に加えて、所定の範 囲の面積に対する当該範囲内の全ボイドの個数の比であるボイド個数密度その他の パラメータについての評価基準も参照し、各パラメータの評価基準で推定される時間 のうち最短のものを余寿命とすることである。
[0020] より具体的な態様では、機器部材の粒径 10 μ m以下の結晶で形成される細粒部の 表面に存在するボイドを対象とする。
[0021] また、機器部材の表面を画像ィ匕して、該画像上でボイドの個数を求める。この場合 、機器部材の表面を研磨して腐食させた後にァセチルセルロース製等の膜を貼り付 けて該表面を写しとる力、又は撮像手段を用いて機器部材の表面を撮像することに よって、機器部材の表面を画像ィ匕することが可能である。
[0022] 本発明によれば、機器部材の表面において所定の範囲内で複数の結晶粒界に亘 つて存在する特定ボイドの個数を求め、その範囲の面積に対する特定ボイドの個数 の比で表される特定ボイド密度を求めることにより、クリープ損傷を受けている機器部 材の余寿命を評価することができる。この評価法は、所定の範囲内にあるボイドの全 てではなぐそのうちの特定ボイドのみを検出すればよいので、従来のボイド個数密 度法よりも迅速且つ容易に評価できる。また、複数の結晶粒界に亘つて存在する特 定ボイドは、 1つの粒界を越えて 2以上の粒界に跨るまでに成長したボイドであるので 、その個数は、当該機器部材の表面のクリープ劣化の進行の度合いを示す指標とな る。従って、上記の「特定ボイド密度」というパラメータを用いることで、クリープ劣化の 状況、具体的には余寿命を正しく把握できると共に、結晶粒界が小さい「細粒部」に おいても 2以上の粒界に跨るボイドに着目することで、従来の Aパラメータ法等の評 価方法では困難な細粒部における余寿命の評価を精度よく行うことができる。
[0023] 具体的態様によれば、特定ボイドとして、少なくとも 2つの結晶粒界の各長さの 1/2 以上に亘つて存在する拡張ボイド、或いは、複数の結晶粒界上で発生したボイドが 合体することによって形成された連結ボイドを検出することにより、クリープ劣化の進 行の度合いをより正確に把握できる。
[0024] また、具体的な余寿命の評価法として、上記のような特定ボイド密度と余寿命との 関係につ 1ヽてクリープ試験で得られた評価基準 (例えば、後述のマスターカーブ)を 参照ないし照合することにより、機器部材がクリープ破壊するまでの時間（或いはタリ ープ寿命消費率)を推定することができる。
[0025] 更に、上記「特定ボイド密度」についての評価基準のほかに、「ボイド個数密度」そ の他のパラメータにつ 、ての評価基準も参照し、各パラメータの評価基準で推定され る時間のうち最短のものを機器部材の余寿命とすることで、より安全側に立った評価 が可能である。これらの評価基準としては、後述のとおり各パラメータとクリープ寿命 消費率との関係を表すマスターカーブその他、両者の関係を表す関数やデータなど を用いることができる。
[0026] また、本発明によれば、所定の範囲内にあるボイドの個数を求める箇所として、前 述のように粒径 10 μ m以下の結晶で形成される細粒部の表面を選ぶことができる。
[0027] 更に、本発明方法の実施に際しては、機器部材表面に存在するボイドを測定する 手段として、機器部材の表面を画像化すれば、コンピュータ等の機械によって特定ボ イドを自動認識し、画像上でそれらの個数を迅速且つ容易に求めることができる。こ の場合、機器部材の表面の画像は、機器部材の表面を研磨して腐食させた後にァ セチルセルロース製等の膜を貼り付けて該表面を写しとること、又は撮像手段を用い て機器部材の表面を撮像することによって得られる。
図面の簡単な説明 [0028] [図 1]実施例のクリープ余寿命評価方法のメインフローチャート。
[図 2]クリープ試験に用いた供試体及びボイド観察位置を示す図。
[図 3]クリープ試験に用いた供試体及びボイド観察位置を示す図。
[図 4]クリープ試験に用いた供試体及びボイド観察位置を示す図。
[図 5]火力発電所の実機廃材において試験片を採取した位置を示す図。
[図 6]配管内圧クリープ破壊試験の各中途止め時におけるボイドの発生状況を示す 電子顕微鏡写真。
[図 7]内圧クリープ破壊試験 (実機加速試験)の各中途止め時における観察位置のボ イド発生状況を示す図。
[図 8]Lパラメータの基本的な考え方を示す図。
[図 9]Lパラメータのマスターカーブ。
[図 10]ボイド個数密度法のパラメータであるボイド個数密度の基本的な考え方を示す 図。
[図 11]ボイド個数密度法のマスターカーブ。
発明を実施するための最良の形態
[0029] 図 1は、本発明のクリープ余寿命評価方法のメインフローチャートである。
[0030] 実施例では、発電プラントのボイラにおいて高温'高圧下で使用されてクリープ損 傷して 、る部材が、クリープ破壊に至るまでの時間で表される余寿命を評価する方法 について説明する。
[0031] このクリープ余寿命評価方法では、実機部材の表面に存在するボイドと呼ばれる微 小な空孔に基づく所定のパラメータを求め、これを、予め作成したパラメータ及び余 寿命の関係を表す評価基準に照らし合わせることによって、当該部材の余寿命を評 価する。そこで、上記評価基準を作成するため、各種供試体を用いてクリープ試験を 行い、適宜中途止めを行いながら上記パラメータとしての後述のボイド連結密度 (Voi ds Linking Density Parameter [以下、 Lパラメータという])を求める（ステップ [以下、 S Tと表記する] 1)。
[0032] 図 2〜図 4は、クリープ試験に用いる供試体及び各供試体におけるボイド観察位置 を示す。 [0033] 図 2に示す供試体は、実働中の高温再熱蒸気管にてクリープ損傷を受けている溶 接部から採取した試験片 1であり、これを用いて、適宜中途止めを行いながらクリープ 破断試験を行う。試験条件を以下に示す。
[0034] (1)試験温度は、 883.15K
(2)試験応力（引っ張り）は、 68.6MPa。
[0035] また、図のように、試験片 1の溶接部 2付近の金属組織は、溶接金属側から、粒径 約 100 μ m以下の結晶で形成される粗粒部 3と、粒径 1 μ m〜10 μ m程度の結晶で形 成される細粒部 4とで構成されている。実施例のクリープ余寿命評価方法では、細粒 部 4にお 、てボイドを観察する。
[0036] 図 3の供試体は、例えば、 2.25Cr-lMo鋼で作られた中実丸棒（ φ 40 X t8 X L430) に周溶接を行い、中心をくり貫いた溶接継手管力も成る試験片 5である。この試験片 5の周溶接部 6は、 1〜4層の被覆アーク溶接にてできる限り実機部材の溶接部に近 い状態となるように作成し、 993KX 1.3hrにて熱処理するのがよい。この試験片 5につ いては、配管内圧クリープ破壊試験を行う。具体的には、試験片 5を電気炉内で加熱 しながら、試験片 5に加圧した水を注入し、高圧蒸気にして内圧を負荷すればよい。 この試験においても、適宜中途止めを行い、各中途止め時において細粒部における ボイドを観察し、後述の方法により Lパラメータを求める。試験条件を以下に示す。
[0037] (1)試験温度は、 903K
(2)周方向応力は、 61.3MPa (平均径の式による）。
[0038] 図 4の供試体 7は、例えば、 2.25Cr-lMo鋼で作られた高温再熱蒸気管エルボの廃 材であり、この供試体 7の溶接部 8は、同じ曲率で曲げた一対の板を管状に組み合 わせた後、長手方向に施したサブマージアーク溶接で形成される。この供試体 7につ いては、適宜中途止めを行いながら内圧クリープ破壊試験 (実機加速試験)を行う。 具体的には、供試体 7の周囲を板型ヒーターで囲んで加熱した後、供試体 7内にカロ 圧した水を注入し、高圧蒸気にして内圧を負荷する。この試験においては、例えば、 溶接部 8付近の表面上に定めた 2つの観察位置 9a、 9bにおいて、各中途止め時に おける細粒部のボイドを観察し、 Lパラメータを求める。試験条件を以下に示す。
[0039] (1)試験温度は、 923K (2)試験応力は、内庄 3.0MPa
(3)エルボ腹部中央の最大主応力は、 39.2MPa
(4)供試体 7の廃却時までの実使用時間は、約 1475hr。
[0040] 図 5は、更に別のクリープ試験を行うため、火力発電所の実機廃材から試験片を採 取した位置を示す。 (a)の SH管寄 Tピースパイプ及び (b)の RHYピースパイプでは 、周溶接部 10、 11付近の表面においてボイドを観察し、ボイドの存在が認められた 部位近傍の断面から、直径 10mmで標点間距離 50mmの丸棒試験片を採取する。 (c) の RH管寄スタブでは、ボイドの存在が認められた管寄スタブ溶接部 12近傍の断面 から、直径 2mmのミニチュアクリープ丸棒試験片を採取する。これらの試験片につい ては、適宜中途止めを行いながら、不活性ガス雰囲気中での単軸クリープ破断試験 を行い、各中途止め時において細粒部にてボイドを観察し、 Lパラメータを求める。各 廃材の使用条件を以下の表に示す。
[0041] [表 1]
Figure imgf000011_0001
[0042] 図 6は、試験片 5 (図 3)を用いた配管内圧クリープ破壊試験の各中途止め時におけ るボイドの発生状況を示す。ボイド観察においては、例えば、図のように走査型電子 顕微鏡 (以下「SEM」 t 、う）を用いて試験片 5の表面を直接画像ィ匕してもょ 、し、試験 片 5の表面を研磨し、腐食させ、所定の膜 (例えば、ァセチルセルロースフィルム）を 貼り付けて部材表面を写しとつたレプリカを SEMで画像ィ匕して観察することもできる。
[0043] レプリカ採取において、試験片 5の表面を研磨するには、例えば、グラインダにて粗 研磨し、 120番〜 1000番の研ぎ目の砥石にて順次研磨した後、 3 m〜l m程度の ダイヤモンド粒子によるパフ研磨を順次行 、、鏡面仕上げを行うのがよ 、。
[0044] 試験片 5の表面を腐食させるには、例えば、上記のように表面を研磨した後に、腐 食液を脱脂綿に染み込ませて研磨面に塗布することにより、金属組織中の結晶粒界 を識別可能にすることができる。腐食には、以下の 2種類の腐食液を用いることがで きる。
[0045] (1)ピクリン酸:飽和ピクリン酸 (メタノールに溶解） +界面活性剤
(2)硝酸（5ml) +メタノール（95ml)。
[0046] 上記界面活性剤には、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを用い、飽和 ピクリン酸 100mlに対して 1 gの割合で混ぜ合わせるのがよい。
[0047] そして、レプリカを採取するには、腐食した試験片 5の表面にレプリカ軟ィ匕材 (例え ば、酢酸メチル）を塗布し、ァセチルセルロースフィルムを貼り付けて、レプリカ軟化材 が十分乾燥した後、ァセチルセルロースフィルムを剥がせば、試験片 5の表面を写し とることができる。
[0048] また、ボイド観察においては、予め光学顕微鏡等により所定の範囲（例えば、 30mm2 )におけるボイド発生状況を観察して、最も損傷が進行している (ボイドの発生 '連結 が集中している)箇所を確認した後、その箇所を SEMにて観察 (例えば、 1000倍で観 察)すれば、損傷が進行して 、る箇所を見逃すことなくボイド観察を行うことができる。
[0049] 再び図 6に戻り、試験片 5の表面では、配管内圧クリープ破壊試験における時間の 経過とともに、ボイドの数が増加しているのがわかる。例えば、各中途止め時における ボイド発生状況は、図に示すように、
(1)クリープ寿命消費率 (tZtr) =0.49では、 1 μ m程度のボイドが発生し、
(2) tZtr=0.73では、同一粒界に複数のボイドが発生し、
(3) t/tr = 0.97では、ボイドの連結が認められ、
(4) tZtr= 1.0では、微視き裂を形成して!/、た。
[0050] ここで、上記各中途止め時をクリープ寿命消費率 (tZtr)で表したが、これは、試験 片 5がクリープ破壊に至るまで配管内圧クリープ破壊試験を行った結果カゝら得られた 値を示している。
[0051] このように、ボイドは、初め複数の粒界上にランダムに発生する力 その後は特定の 位置で集中的に発生し、やがてこれらが連結して微視き裂を形成することがわかる。
[0052] 図 7は、供試体 7 (図 4)を用いた内圧クリープ破壊試験 (実機加速試験)の各中途 止め時における観察位置 9a、 9bのボイド発生状況を示す。ボイド観察方法は、上記 と同様である。この試験においても、ボイドは、複数の粒界上にランダムに発生し始め た後、特定の位置で集中的に増加し、やがてこれらが連結して微視き裂を形成する ことがわ力ゝる。
[0053] 図 8は、実施例のクリープ余寿命評価方法にて機器部材の余寿命を評価するため の Lパラメータの基本的な考え方を示す。
[0054] Lパラメータは、ボイド観察位置表面の所定の範囲の面積に対する該範囲内にお V、て複数の結晶粒界に亘つて存在するボイドの個数の比で表される。具体的な求め 方は、まず、観察位置の表面における所定の範囲（例えば、 1mm2)内で、少なくとも 2 つの結晶粒界の各長さの 1/2以上に亘つて存在するボイド（以下「連結ボイド」という） の個数を求める。
[0055] 例えば、図のように、ある範囲において結晶粒界 15上に 3つのボイド 16a、 16b、 1 6cが存在する場合、最も上にあるボイド 16aは、 1つの結晶粒界上にのみ存在するも のであるため、連結ボイドとして数えず、無視することができる。
[0056] 次に、中央のボイド 16bは、 3つの結晶粒界 15上に存在し、かつ 2つの結晶粒界 1 5を完全に覆っているため、これを連結ボイドとして数える。
[0057] そして、ボイド 16cは、 3つの結晶粒界 15上に存在し、かつ完全に覆っている結晶 粒界 15はないものの、 2つの結晶粒界 15の各長さの 1/2以上に亘つて存在するので 、これも連結ボイドとして数える。
[0058] 上記の方法によって、各クリープ試験の中途止め時において、観察位置表面にお ける所定の範囲（例えば、 1mm2)内で連結ボイドの個数を求めた後、この個数を、評 価対象範囲の面積 (例えば、 1mm2)で除した値で表される Lパラメータを求める。従つ て、 Lパラメータは、以下の式で定義される。
[0059] [数 1]
Lパラメータ =mZA
Aは、 評価対象範圉の面積 （例えば、 1 mm2)
mは、 評価対象範圏内にある連結ボイドの個数
[0060] 再びメインフローチャート（図 1)に戻り、上記の各種クリープ試験を終えた後、各中 途止め時において求めた Lパラメータに基づいて、評価基準としてのマスターカーブ を作成する（ST2)。 [0061] 図 9は、 Lパラメータとクリープ寿命消費率との関係を表すマスターカーブである。
[0062] クリープ寿命消費率は、新材の時力 クリープ破壊に至るまでの総時間" tr"に対す るクリープ試験に供した時間及び実使用時間の合計時間" t"の比で表される。従って
、供試体力 Sクリープ破壊に至ったときは、 "t/tr= l"であり、この値が小さいほど新材 の状態に近 、、即ち余寿命が長 、と評価することができる。
[0063] このマスターカーブによれば、 Lパラメータは、機器部材の寿命の前半ではほぼ" 0" であり、寿命の後半において増加することを示す。これにより、このマスターカーブは
(1) クリープ破壊は、粒界上で発生したボイドが成長、合体、連結して微視き裂を 形成することが主要因である点、
(2) 微視き裂は、特にクリープ寿命の後半において集中的に発生する点、
(3) 連結ボイドは、少なくとも 2以上の粒界の各長さの 1/2以上に亘つて存在する、 即ち複数のボイドが連結してできたものである点
をよく反映して 、ることがわ力る。
[0064] 次に、実際に発電プラントのボイラにおいて使用され、クリープ損傷している部材の 余寿命を評価するため、評価対象の実機部材カゝら Lパラメータを求める（ST3)。
[0065] 具体的には、当該部材の溶接部のうち、過去の余寿命診断経歴、構造、応力、温 度、荷重等の条件を総合的に勘案して、最も過酷な条件下にある箇所を選び、該箇 所の表面力もレプリカを採取する。このレプリカに写しとつた部材表面を SEMで拡大 表示すれば、所定の範囲における Lパラメータを求めることができる。
[0066] そして、実機部材カも求めた Lパラメータを、 ST2で作成した余寿命の評価基準で あるマスターカーブ（図 9)と照合し (ST4)、実機部材がクリープ破壊するまでの時間 を推定する（ST5)。
[0067] 具体的には、例えば、実機部材のレプリカから求めた Lパラメータが" 67個/ mm2"と すると、マスターカーブから、これに対応するクリープ寿命消費率を" tZtr^0.94"と 推定することができる。即ち、このマスターカーブによれば、当該部材の余寿命は、 全寿命の 6%であると推定することができる。
[0068] この"全寿命の 6%"に相当する時間は、評価対象の実機部材の当該評価時におけ る実使用時間が" t^7000hr"とすると、以下の式により求めることができる。
[0069] [数 2]
7 0 0 0 X ( 0 . 0 6 / 0 . 9 4 ) = 4 4 7 ( h r )
[0070] また、 ST1のクリープ試験力も得られた Lパラメータとクリープ寿命消費率との関係 を表すデータに基づいて、コンピュータにてマスターカーブを作成すれば、実機部材 カゝら求めた Lパラメータの値を入力するだけで、クリープ寿命消費率及び余寿命を、 上記の計算式に基づいて即座に求めることができる。
[0071] 以上のように、実施例のクリープ余寿命評価方法では、 Lパラメータをパラメータとし て、クリープ損傷している実機部材の余寿命を推定することができるが、余寿命評価 の精度及び信頼性を高めるため、上記の推定結果を、従来の余寿命評価方法によ る推定結果と比較するのがよい。例えば、従来のボイド個数密度法のパラメータであ るボイド個数密度を実機部材から求め、ボイド個数密度法のマスターカーブと照合し て（ST6)、当該方法による余寿命を推定することができる。
[0072] 図 10は、ボイド個数密度法のパラメータであるボイド個数密度の基本的な考え方を 示す。ボイド個数密度は、所定の範囲の面積 (例えば、 1mm2)に対する該範囲内に 存在する全ボイド 20の個数の比であり、以下の式により求めることができる。
[0073] [数 3]
ボイド個数密度 = nZA
Aは、 評価对象範囲の面積 （例えば、 1 mm2)
nは、 評価対象範囲内にある全ポイドの個数
[0074] 具体的には、図に示したある範囲において、 6つのボイド 20が存在する場合には、 各ボイド 20の大きさに係わらず、これら全てのボイドの個数を数える。この作業を、所 定の範囲内で行 、、当該範囲の面積で除してボイド個数密度を求める。
[0075] また、ボイド個数密度を求める場合においても、 ST1で説明したように、光学顕微鏡 等により予め所定の範囲 (例えば、 30mm2)を観察し、損傷の最も進行している箇所を 選び、当該箇所を SEMにて拡大して観察するのがよい。
[0076] 図 11は、ボイド個数密度法のマスターカーブである。このマスターカーブは、メイン フローチャート（図 1)の ST1で説明したクリープ試験を通して自ら作成することもでき るし、ボイド個数密度法その他の従来の余寿命評価方法によるマスターカーブは、一 般に公開されているため、これを利用することも可能である。
[0077] 上記の方法により、実機部材のレプリカから求めたボイド個数密度が" 650個/ mm2" とすると、図のマスターカーブから、これに対応するクリープ寿命消費率を" tZtr^O. 92"と推定することができる。即ち、ボイド個数密度法のマスターカーブによれば、当 該部材の余寿命は、全寿命の 8%に相当する時間であり、以下の式により求めることが できる（ST7)。
[0078] [数 4]
7 0 0 0 X ( 0 . 0 8 / 0 , 9 2 ) = 6 0 9 h r
[0079] 最後に、各方法による余寿命推定結果として得た時間のうち最短のものを、評価対 象の実機部材がクリープ破壊に至るまでの時間と推定する（ST8)。即ち、 Lパラメ一 タに基づく余寿命は" 447hr"で、ボイド個数密度法による余寿命は" 609hr"であるから 、当該部材の余寿命は、 "447hr"と推定することができる。
[0080] 以上、実施例のクリープ余寿命評価方法により実機部材の余寿命を評価する方法 について説明したが、本発明のクリープ寿命評価方法における Lパラメータの信頼性 について触れておく。クリープ寿命評価の信頼性とは、採用したパラメータによる評 価結果 (余寿命又はクリープ寿命消費率）が、クリープ試験の結果にどれだけ近いも のであるかをいう。従って、考えられ得るあらゆるパラメータを、実機部材の余寿命評 価にそのまま用いることができるわけではなぐ余寿命評価に採用しょうとするパラメ ータの信頼性を予め確認しておくことが必要である。以下、 Lパラメータの信頼性を確 認するための精度確認試験結果の一例を示す。
[0081] (1) 実機規模高温再熱蒸気管シミュレート破壊試験（15mm角 X L50mmの供試体を 用いたクリープ試験）について
破断時間は 147hrであり、クリープ試験力 得られたクリープ寿命消費率は、 "tZtr = 0.93"であった。一方、このときの供試体細粒部表面で Lパラメータを適用した結果 であるクリープ寿命消費率も、 "tZtr=0.93"であった。
[0082] (2) 実機廃却材クリープ試験（ φ 20mm X L50mmの供試体を用いたクリープ試験） について
破断時間は 85hrであり、クリープ試験力 得られたクリープ寿命消費率は、 "tZtr = 0.96"であった。一方、このときの供試体細粒部表面で Lパラメータを適用した結果 であるクリープ寿命消費率は、 "tZtr=0.98"であった。
[0083] このように、クリープ試験結果と Lパラメータによる結果 (クリープ寿命消費率）は、ほ ぼ一致 (約 1%程度の誤差)しており、 Lパラメータの信頼性は、非常に高いものである ことを確認することができる。
[0084] また、実施例では、少なくとも 2つの結晶粒界の各長さの 1/2以上に亘つて存在する 拡張ボイドを、複数の結晶粒界上で発生したボイドが合体することによって形成され た連結ボイドと捉えている力 拡張ボイドのうち、 1つのボイドが成長して大きくなつた ものと複数のボイドが合体したものとを明確に区別することができる場合には、連結し たものとそうでな 、ものとを区別して数えるようにしてもょ 、。
[0085] また、実施例では、メインフローチャート（図 1)の ST6〜ST8において、従来のボイ ド個数密度法による推定結果を比較対象としたが、その他のパラメータに基づく評価 方法による推定結果を比較対象とすることもできる。その他の方法としては、例えば、 Aパラメータ法、組織対比法、ボイド面積率法、又はボイド面積密度法を採用すること ができる。
[0086] 更に、実施例では、実機部材の余寿命評価基準として、 Lパラメータとクリープ寿命 消費率との関係を表すマスターカーブを採用した力 S、両者の関係を表すデータべ一 スを作成しておき、これと実機部材カも求めた Lパラメータとを照合して余寿命を評価 することもできる。いずれの方法においても、コンピュータを用いて、実機部材カも求 めた Lパラメータを入力することによって余寿命を自動的に算出させるようにすること ができる。
[0087] また、実施例では、実機部材カも Lパラメータを求める際には、部材表面のレプリカ を採取して、レプリカを SEM等により拡大して目視によりボイドを観察している力 レブ リカ等で部材表面を画像ィ匕した後、コンピュータ等の機械をよつて連結ボイドを自動 認識し、画像上でそれらの個数を迅速かつ容易に求めることも可能である。

Claims

請求の範囲
[1] クリープ損傷を受けて 、る機器部材カ sクリープ破壊するまでの時間又はクリープ寿 命消費率で表される余寿命を評価するための方法において、
前記機器部材の表面において、所定の範囲内で複数の結晶粒界に亘つて存在す る特定ボイドの個数を求め、前記所定の範囲の面積に対する当該特定ボイドの個数 の比を特定ボイド密度とし、該特定ボイド密度に基づ ヽて前記機器部材の余寿命を 評価することを特徴とするクリープ余寿命評価方法。
[2] 請求項 1記載のクリープ余寿命評価方法にぉ 、て、前記特定ボイドは、少なくとも 2 つの結晶粒界の各長さの 1/2以上に亘つて存在する拡張ボイドであることを特徴とす るクリープ余寿命評価方法。
[3] 請求項 1又は 2記載のクリープ余寿命評価方法にお 、て、前記特定ボイドは、複数 の結晶粒界上で発生したボイドが合体することによって形成された連結ボイドである クリープ余寿命評価方法。
[4] 請求項 1乃至 3のいずれか記載のクリープ余寿命評価方法において、前記余寿命 の評価は、前記特定ボイド密度と余寿命との関係にっ ヽてクリープ試験カゝら得られた 評価基準を参照することにより、前記時間を推定することであるクリープ余寿命評価 方法。
[5] 請求項 4記載のクリープ余寿命評価方法にお 、て、前記余寿命の評価は、前記特 定ボイド密度についての評価基準に加えて、前記所定の範囲の面積に対する当該 範囲内の全ボイドの個数の比であるボイド個数密度その他のパラメータについての 評価基準も参照し、各パラメータの評価基準で推定される時間のうち最短のものを前 記余寿命とすることであるクリープ余寿命評価方法。
[6] 請求項 1乃至 5の 、ずれか記載のクリープ余寿命評価方法にぉ 、て、前記機器部 材の粒径 10 μ m以下の結晶で形成される細粒部の表面に存在するボイドを対象とす ることを特徴とするクリープ余寿命評価方法。
[7] 請求項 1乃至 6の 、ずれか記載のクリープ余寿命評価方法にぉ 、て、前記機器部 材の表面を画像ィ匕し、該画像上で前記ボイドの個数を求めることを特徴とするタリー プ余寿命評価方法。 請求項 7記載のクリープ余寿命評価方法にぉ 、て、前記機器部材の表面の画像は 、前記機器部材の表面を研磨して腐食させた後所定の膜を貼り付けて該表面を写し とること、又は撮像手段を用いて前記機器部材の表面を撮像することによって得られ ることを特徴とするクリープ余寿命評価方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008122345A (ja) * 2006-11-15 2008-05-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高強度鋼溶接部のクリープ伸びによる寿命評価方法及び高強度鋼溶接部の寿命評価方法
CN101470059B (zh) * 2007-11-28 2012-07-25 宝理塑料株式会社 成形部件的脆性蠕变破坏剩余寿命预测法
JP2013140095A (ja) * 2012-01-05 2013-07-18 Chugoku Electric Power Co Inc:The クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断装置および余寿命診断プログラム
JP2014134417A (ja) * 2013-01-09 2014-07-24 Chugoku Electric Power Co Inc:The クリープ損傷評価方法
JP2015117960A (ja) * 2013-12-17 2015-06-25 三菱重工業株式会社 配管の寿命評価方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4565367B2 (ja) * 2000-06-07 2010-10-20 株式会社ヴァレオサーマルシステムズ 可変容量型斜板式圧縮機

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11230928A (ja) * 1998-02-12 1999-08-27 Hitachi Ltd 応力腐食割れ感受性診断方法及びその装置
WO2002014835A1 (fr) * 2000-08-16 2002-02-21 The Chugoku Electric Power Co., Inc. Procédé d'évaluation de la limite de fluage

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11230928A (ja) * 1998-02-12 1999-08-27 Hitachi Ltd 応力腐食割れ感受性診断方法及びその装置
WO2002014835A1 (fr) * 2000-08-16 2002-02-21 The Chugoku Electric Power Co., Inc. Procédé d'évaluation de la limite de fluage

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KIKUCHI K. ET AL: "Ryukai Sonshoritsu Parameter no Teian", JOURNAL OF THE SOCIETY OF MATERIALS OF JAPAN, vol. 44, no. 505, 15 October 1995 (1995-10-15), pages 1244 - 1248, XP002995866 *
KIKUCHI K. ET AL: "Yo Yugamizai no Ryukai Sonshoritsu", NIPPON KIKAI GAKKAI TSUJO SOKAI KOENKAI KOEN RONBUNSHU, vol. 73, no. 2, 1 April 1996 (1996-04-01), pages 274 - 275, XP002995865 *
NISHIDA H.: "Koon Joki Haikan Yosetsubu ni Okeru Shin Yojumyo Shuho no Kaihatsu", NIPPON KIKAI GAKKAI ZAIRYO RIKIGAKU BUMON KOENKAI KOEN RONBUNSHU, 20 July 2004 (2004-07-20), pages 173 - 174, XP002995867 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008122345A (ja) * 2006-11-15 2008-05-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高強度鋼溶接部のクリープ伸びによる寿命評価方法及び高強度鋼溶接部の寿命評価方法
CN101470059B (zh) * 2007-11-28 2012-07-25 宝理塑料株式会社 成形部件的脆性蠕变破坏剩余寿命预测法
JP2013140095A (ja) * 2012-01-05 2013-07-18 Chugoku Electric Power Co Inc:The クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断装置および余寿命診断プログラム
JP2014134417A (ja) * 2013-01-09 2014-07-24 Chugoku Electric Power Co Inc:The クリープ損傷評価方法
JP2015117960A (ja) * 2013-12-17 2015-06-25 三菱重工業株式会社 配管の寿命評価方法

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