(57)【要約】【課題】容易かつ安価にクリープボイドによる鋼材の損傷を評価する高クロム鋼材の損傷評価方法を提供する。【解決手段】クリープボイドを生じる所定の温度範囲及び所定の圧力範囲で使用される高クロム鋼材の損傷評価方法であって、高クロム鋼材外表面にレプリカ膜を作成し、レプリカ膜を高クロム鋼材外表面から剥離するレプリカ膜作成工程（Ｓ２）と、測定を行う所定面積内のレプリカ膜に転写されたＭ２３Ｃ６（Ｍは金属元素、Ｃは炭素）で表される複数の粒界炭化物の大きさを測り、粒界炭化物のうち少なくとも最大のものを基準寸法と比較する粒界炭化物評価工程（Ｓ３）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クリープボイドを生じる所定の温度範囲及び所定の圧力範囲で使用される高クロム鋼材の損傷評価方法であって、
高クロム鋼材外表面にレプリカ膜を作成し、該レプリカ膜を前記高クロム鋼材外表面から剥離するレプリカ膜作成工程と、
前記レプリカ膜に転写されたＭ２３Ｃ６（Ｍは金属元素、Ｃは炭素）で表される複数の粒界炭化物の大きさを測定し、測定した複数の前記粒界炭化物の大きさの平均値を基準寸法と比較する粒界炭化物評価工程と
を有することを特徴とする高クロム鋼材の損傷評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高クロム鋼材の損傷評価方法において、
前記レプリカ膜作成工程の前に、前記高クロム鋼材外表面を研磨してエッチングする前処理工程を行うことを特徴とする高クロム鋼材の損傷評価方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の高クロム鋼材の損傷評価方法において、
前記高クロム鋼材が改良９クロム１モリブデン鋼材であり、
前記粒界炭化物評価工程において、測定した複数の前記粒界炭化物の大きさの平均値が前記基準寸法である２００ｎｍに達したときに前記改良９クロム１モリブデン鋼材が寿命に達したと評価することを特徴とする高クロム鋼材の損傷評価方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の高クロム鋼材の損傷評価方法において、
前記高クロム鋼材が１２クロム鋼材であり、
前記粒界炭化物評価工程において、測定した複数の前記粒界炭化物の大きさの平均値が前記基準寸法である３００ｎｍに達したときに前記１２クロム鋼材が寿命に達したと評価することを特徴とする高クロム鋼材の損傷評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温・高圧下で使用される高クロム鋼材の劣化を評価するクリープ損傷評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用ボイラや化学プラントで使用される配管には、高温蒸気や高圧ガス等の流体が流されているが、装置の高性能化や高効率化に伴って、流体の温度や圧力を高めたいという要望が常に出されている。ただし、配管は高温・高圧下で使用されると損傷が生じやすくなり、配管が使用できなくなるまでの寿命が短くなる。
配管の外表面と内表面の間の配管内部の損傷を検出する方法として、従来超音波法が一般的に使用されていた（例えば、特許文献１参照）。
この方法によれば、超音波センサを回転させながら被検体に照射し、被検体の組織方位と超音波センサの角度による超音波の音速の変化から、被検体の劣化を評価することができる。
【特許文献１】特開平９−１５９６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の方法では、１ｍｍ以上のき裂は検出することができるが、それより小さなき裂やクリープボイドを検出することは困難であった。
また、高温・高圧下で使用される配管の損傷はクリープボイドによるものが支配的であり、特に高温強度を改善させた高クロム鋼材では、配管を使用するに従って配管の粒界にクリープボイドが成長し、き裂がほとんど成長することなく一気に配管が破断に至るという傾向が強くなってきている。
【０００４】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、容易かつ安価にクリープボイドによる鋼材の損傷を評価する高クロム鋼材の損傷評価方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の高クロム鋼材の損傷評価方法は、クリープボイドを生じる所定の温度範囲及び所定の圧力範囲で使用される高クロム鋼材の損傷評価方法であって、高クロム鋼材外表面にレプリカ膜を作成し、該レプリカ膜を前記高クロム鋼材外表面から剥離するレプリカ膜作成工程と、前記レプリカ膜に転写されたＭ２３Ｃ６（Ｍは金属元素、Ｃは炭素）で表される複数の粒界炭化物の大きさを測定し、測定した複数の前記粒界炭化物の大きさの平均値を基準寸法と比較する粒界炭化物評価工程とを有することを特徴としている。
なお、ここで言う高クロム鋼材とは、鋼材中のクロムの含有量が重量パーセントで９％以上のフェライト鋼のことを意味する。
また、ここで言う高クロム鋼材がクリープボイドを生じる所定の温度範囲及び所定の圧力範囲とは、一般的に５００℃以上７００℃以下の温度範囲、１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の圧力範囲のことを意味する。
また、ここで言う粒界炭化物の大きさとは、レプリカ膜に転写された粒界炭化物の面積と等しい面積を有する円の直径の長さのことである。
【０００６】
この発明によれば、高クロム鋼材表面にレプリカ膜を作成し、走査型電子顕微鏡等でレプリカ膜に転写されたＭ２３Ｃ６（Ｍは金属元素、Ｃは炭素）で表される複数の粒界炭化物の大きさを計測し、うち少なくとも最大のものを基準寸法と比較する。高クロム鋼材がクリープボイドを生じる所定の温度範囲及び所定の圧力範囲で使用されると、鋼材内部の粒界にはクリープボイドと粒界炭化物が析出し成長していく。ただし、応力の状態が異なるため鋼材の外表面にはクリープボイドは析出し難くなるが、粒界炭化物は鋼材内部と同様に鋼材外表面にも析出する。そして、粒界へ析出した粒界炭化物の大きさが、粒界へのクリープボイドの析出しやすさの主要因となる。また、このような温度範囲及び圧力範囲で使用される高クロム鋼材の損傷はクリープボイドによるものが支配的である。
すなわち、高クロム鋼材の外表面に析出した粒界炭化物の大きさを測定することで、鋼材内部の粒界に析出したクリープボイドの状態を推測することができ、高クロム鋼材の損傷を評価することが可能となる。
このように本発明による高クロム鋼材の損傷評価方法では、超音波法で用いられる超音波送受信器や超音波データ処理装置が不要になり、超音波法に比較して容易かつ安価に高クロム鋼材の損傷を評価することができる。
【０００７】
また、前記レプリカ膜作成工程の前に、前記高クロム鋼材外表面を研磨してエッチングする前処理工程を行うことがより好ましい。
この発明によれば、高クロム鋼材外表面の酸化物膜やゴミを取り除くことで高クロム鋼材外表面に粒界炭化物を明瞭に露出させ、レプリカ膜に粒界炭化物をより鮮明に転写させることができる。
【０００８】
また、前記高クロム鋼材が改良９クロム１モリブデン鋼材であり、前記粒界炭化物評価工程において、測定した複数の前記粒界炭化物の大きさの平均値が前記基準寸法である２００ｎｍに達したときに前記改良９クロム１モリブデン鋼材が寿命に達したと評価することがより好ましい。
この発明によれば、改良９クロム１モリブデン鋼材の鋼材内部のクリープ損傷を、レプリカ膜に転写された鋼材外表面の粒界炭化物の大きさの平均値と基準寸法である２００ｎｍを比較するだけで、改良９クロム１モリブデン鋼材の寿命を容易に評価することができる。
【０００９】
また、前記高クロム鋼材が１２クロム鋼材であり、前記粒界炭化物評価工程において、測定した複数の前記粒界炭化物の大きさの平均値が前記基準寸法である３００ｎｍに達したときに前記１２クロム鋼材が寿命に達したと評価することがより好ましい。
この発明によれば、１２クロム鋼材の鋼材内部のクリープ損傷を、レプリカ膜に転写された鋼材外表面の粒界炭化物の大きさの平均値と基準寸法である３００ｎｍを比較するだけで、１２クロム鋼材の寿命を容易に評価することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の高クロム鋼材の損傷評価方法によれば、容易かつ安価にクリープボイドによる鋼材の損傷を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の高クロム鋼材の損傷評価方法を図面を参照して詳細に説明する。図１から図７は、本発明の実施形態の高クロム鋼材の損傷評価方法の説明図である。図１は損傷評価方法のフローチャート、図２から図７は各工程を示す説明図である。
なお、ここで言う高クロム鋼材とは、鋼材中のクロムの含有量が重量パーセントで９％以上のフェライト鋼のことを意味する。
また、本実施形態では、高クロム鋼材が改良９クロム１モリブデン鋼材の場合について説明する。なお、表１に改良９クロム１モリブデン鋼材の化学組成（重量％）を示す。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
まず、各工程を始める前に、後の工程の作業が行い易いように、図２に示すようにクリープボイドを生じる所定の温度範囲及び所定の圧力範囲で使用された配管１から微小なサンプル２を取り出す。そしてこの後で、このサンプル２に対して後述する各工程を行う。
改良９クロム１モリブデン鋼材が使用される配管１は発電用ボイラや化学プラントの耐熱用に用いられ、配管１の肉厚は０．０１ｍから０．１ｍのものが主に用いられている。
また、ここで言う改良９クロム１モリブデン鋼材等の高クロム鋼材がクリープボイドを生じる所定の温度範囲及び所定の圧力範囲とは、一般的に５００℃以上７００℃以下の温度範囲、１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の圧力範囲のことを意味する。
なお、配管１への影響を最小限とするため、配管１から微小なサンプル２を取り出すことなく、後述する各工程を配管１の外表面に対して直接行ってもよい。
【００１４】
次に、前処理工程（ステップＳ１）において、図３に示すようにサンプル２の外表面を常法により鏡面研磨し、外表面の酸化物膜３やゴミを取り除く。そして化学エッチング等のエッジングを行い、Ｍ２３Ｃ６（Ｍは金属元素、Ｃは炭素）で表される複数の粒界炭化物を溶解することなく、改良９クロム１モリブデン鋼母材を溶解する。すると図４に示すように、サンプル２の外表面の粒界に粒界炭化物４が明瞭に見えてくる。
【００１５】
次に、レプリカ膜作成工程（ステップＳ２）において、図４及び図５に示すように、酢酸メチルを含ませたアセチルセルロース膜５を、サンプル２の外表面に圧着・乾燥させる。そして乾燥の後、アセチルセルロース膜５をサンプル２の外表面から剥離し、図６に示すようにサンプル２の外表面を転写したレプリカ膜６を作成する。
【００１６】
最後に、粒界炭化物評価工程（ステップＳ３）において、まずレプリカ膜６に転写されたサンプル２外表面の各粒界炭化物４の面積と等しい面積を有する円の直径をそれぞれ求める。
図７に示すレプリカ膜６を走査型電子顕微鏡で観察し、レプリカ膜６には転写された粒界炭化物の跡７が３カ所あり、それぞれの大きさを図７の上方から、２００ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍと測定したとする。なお、ここで言う粒界炭化物４の大きさとは、レプリカ膜６に転写された粒界炭化物４の面積と等しい面積を有する円の直径の長さのことである。
この時、粒界炭化物４の大きさの平均値は１５０ｎｍとなり、この値を基準寸法である２００ｎｍと比較して、改良９クロム１モリブデン鋼材の寿命を評価する。粒界炭化物４の大きさの平均値の基準寸法２００ｎｍに対する比率は７５％となる。これにより、本サンプル２はまだ寿命には達していないが、改良９クロム１モリブデン鋼材の寿命の７５％に当たる時間まで既に使用されたと評価される。
【００１７】
改良９クロム１モリブデン鋼材がクリープボイドを生じる上記の所定の温度範囲及び所定の圧力範囲で使用されると、鋼材内部の粒界にはクリープボイドと粒界炭化物４が析出し成長していく。ただし、応力の状態が異なるため鋼材の外表面にはクリープボイドは析出し難くなるが、粒界炭化物４は鋼材内部と同様に析出する。そして、粒界へ析出した粒界炭化物４の大きさが、粒界へのクリープボイドの析出しやすさの主要因となる。また、このような温度範囲及び圧力範囲で使用される高クロム鋼材の損傷はクリープボイドによるものが支配的である。
すなわち、改良９クロム１モリブデン鋼材の外表面に析出した粒界炭化物４の大きさを測定することで、鋼材内部の粒界に析出したクリープボイドの状態を推測することができ、改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷を評価することが可能となる。
このように本発明による高クロム鋼材の損傷評価方法では、超音波法で用いられる超音波送受信器や超音波データ処理装置が不要になり、超音波法に比較して容易かつ安価に改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷を評価することができる。
また、前処理工程においてサンプル２の外表面の酸化物膜やゴミを取り除くことで、サンプル２の外表面に粒界炭化物４を明瞭に露出させ、レプリカ膜６に粒界炭化物４をより鮮明に転写させることができる。
【００１８】
ここで、図８に、改良９クロム１モリブデン鋼材の６５０℃におけるクリープ試験結果を示す。図８の横軸は破断に要した時間（時間）であり縦軸は作用応力（ＭＰａ）を示す。
このクリープ試験に用いた改良９クロム１モリブデン鋼材は、１０５０℃で１時間焼きならしした後で７８０℃で１時間焼き戻しされている。改良９クロム１モリブデン鋼材の鋼板が有するＶ型溝（溝の角度は２５°）をアーク溶接で覆い隠すように溶接し、その後７４０℃で２時間溶接後の熱処理を行った。Ｖ型溝を溶接で覆い隠した跡には、溶接による複数の線が表れていた。
そしてこの鋼板を用いて、溶接の線と引張り軸が垂直になるように機械加工して試験片を作成した。大気中、６５０℃、そして所定の応力を負荷してクリープ破断試験を行い微細構造の分析を行った。
【００１９】
試験結果を図８中の白抜きの丸印で示す。なお、ＮＲＩＭクリープデータシートに報告された、改良９クロム１モリブデン鋼材の応力−破断曲線も図中に点線で示す。
溶接して接続した試験片でクリープ試験を行うと、溶接の熱影響を受けた領域（以下、「ＨＡＺ」と称する）内のみで破断して、全ての試験片が破断した。そして、溶接して接続した試験片の破断寿命は、Ｖ型溝を設けたり溶接を行ったりしていない改良９クロム１モリブデン鋼材の母材の寿命より短かった。
【００２０】
図９に、クリープ試験を行って破断した試験片を用いて、ＨＡＺと母材の境界（以下、「ＨＡＺ境界」と称する）で析出物の大きさを測定した例を示す。図９の横軸は析出物の大きさ（ｎｍ）を表し、縦軸は析出物の個数（個）を表す。
析出物の大きさは走査型電子顕微鏡で測定した。改良９クロム１モリブデン鋼材における主な析出物は、Ｍ２３Ｃ６で表される炭化物と、ＭＸで表される炭化窒化物である。なお、これらの析出物は、主に粒界に析出するので、それぞれ上述したように粒界炭化物及び粒界炭化窒化物とも称される。また、最も数多く測定される析出物の大きさを以下で「析出物の大きさの平均値」と称し、測定結果を比較した。
図９中の２本の点線は、２つの析出物の分布をそれぞれ示し、実線は２本の点線の合計を示す。析出物の大きさの最頻値が６３（ｎｍ）のものがＭＸであり、析出物の大きさの平均値が２３５（ｎｍ）のものがＭ２３Ｃ６である。
この結果から、クリープ試験で破断した改良９クロム１モリブデン鋼材には、６０（ｎｍ）から１（μｍ）程度の大きさのＭ２３Ｃ６炭化物が析出していることが分かった。
【００２１】
そして、クリープ試験の前後において、アーク溶接を行った近傍のＭ２３Ｃ６炭化物とＭＸ炭化窒化物の大きさの平均値を測定した結果を図１０に示す。図１０の横軸は溶接により溶融した線からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は析出物の大きさの最頻値（ｎｍ）を表す。また図中塗り潰した印はクリープ試験前の測定結果、白抜き印はクリープ試験後の測定結果の測定結果を示す。図中に一点鎖線で挟まれた範囲が上述したＨＡＺであり、それより図１０における右側の範囲は溶接による熱の影響を受けていない母材である。
この結果により、改良９クロム１モリブデン鋼材のＨＡＺ及び母材において、いずれの場合にもクリープ試験を行うことにより、鋼材中のＭ２３Ｃ６炭化物の大きさの最頻値が増加することが分かった。特にＨＡＺ範囲の右側の母材によるクリープ試験では、破断時の粒界炭化物の大きさの平均値は２００ｎｍであった。
【００２２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、高クロム鋼材の損傷評価方法を改良９クロム１モリブデン鋼材に適用した例を説明したが、本発明の高クロム鋼材の損傷評価方法は１２クロム鋼材にも適用することができる。
なお表２に、１２クロム鋼材の化学組成（重量％）を示す。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
この場合に、高クロム鋼材の損傷評価方法の大きさの平均値を比較する基準寸法として、２００ｎｍの替わりに３００ｎｍを用いる。
【００２５】
また、本発明の高クロム鋼材の損傷評価方法は前述した二種類の高クロム鋼材以外にも適用可能である。また、この時に高クロム鋼材外表面の複数の粒界炭化物４の大きさの平均値と基準寸法と比較するのでなく、複数の粒界炭化物の中で大きさが最も大きいものと別の基準寸法を比較してもよい。
【００２６】
また、上記実施形態では、レプリカ膜作成工程の前に前処理工程を行ったが、この前処理工程は行わなくてもよい。サンプル２の外表面の酸化物膜３やゴミがわずかな場合はこの前処理工程を省略しても粒界炭化物４を鮮明に転写させたレプリカ膜６が得られるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態の改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷評価方法のフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態の改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷評価方法の各工程を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態の改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷評価方法の各工程を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態の改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷評価方法の各工程を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態の改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷評価方法の各工程を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態の改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷評価方法の各工程を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態の改良９クロム１モリブデン鋼材の損傷評価方法の各工程を示す説明図である。
【図８】改良９クロム１モリブデン鋼材の６５０℃におけるクリープ試験結果である。
【図９】クリープ試験を行って破断した試験片を用いて析出物の大きさを測定した例を示す図である。
【図１０】クリープ試験の前後において、アーク溶接を行った近傍のＭ２３Ｃ６炭化物とＭＸ炭化窒化物の大きさを測定した結果の図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  配管
２  サンプル
３  酸化物膜
４  粒界炭化物
５  アセチルセルロース膜
６  レプリカ膜
７  粒界炭化物の跡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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