(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱鋼溶接部に作用する応力の分布を計算し、該計算値から耐熱鋼溶接部の損傷を予測する耐熱鋼溶接部の損傷予測方法において、
耐熱鋼溶接部の応力状態を表現するパラメータとして、下記式（１）で表されるＭを用いることを特徴とする耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
Ｍ＝Ａ・σ1・ＴＦB    （１）
ここで、Ａ，Ｂ：係数、σ1：最大主応力、ＴＦ：応力多軸度係数である。
【請求項２】
耐熱鋼溶接部におけるパラメータＭとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係（ａ）、又は耐熱鋼溶接部におけるパラメータＭとクリープボイドの面積率の増加速度との関係（ｂ）を予め求めておき、
耐熱鋼溶接部の対象部位におけるパラメータＭを求めて、該対象部位におけるパラメータＭと前記予め求めた関係（ａ）又は関係（ｂ）から対象部位におけるクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することを特徴とする請求項１記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
【請求項３】
有限要素法（ＦＥＭ）によるクリープ解析結果から求められる局所的な応力を用いてパラメータＭを計算することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
【請求項４】
前記クリープボイドの個数密度の増加速度又は前記クリープボイドの面積率の増加速度として、クリープボイドの発生初期からクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率が所定の最大値となる末期における平均増加速度を用いることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することを特徴とする請求項２記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
【請求項５】
前記関係（ａ）として、耐熱鋼溶接部の溶接熱影響部におけるパラメータＭとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係、前記関係（ｂ）として、耐熱鋼溶接部の溶接熱影響部におけるパラメータＭとクリープボイドの面積率の増加速度との関係を用いると共に、
前記耐熱鋼溶接部の対象部位を溶接熱影響部としたことを特徴とする請求項２記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
【請求項６】
耐熱鋼溶接部における所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度とクリープボイドの個数密度の平均増加速度との関係（ｃ）、又は耐熱鋼溶接部における所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度とクリープボイドの面積率の平均増加速度との関係（ｄ）を予め求めておき、
前記関係（ａ）から求められた対象部位におけるクリープボイドの個数密度の平均増加速度と前記関係（ｃ）から、対象部位における所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度を求めること、又は
前記関係（ｂ）から求められた対象部位におけるクリープボイドの面積率の平均増加速度と前記関係（ｄ）から、対象部位における所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、
クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することを特徴とする請求項４記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱鋼の損傷予測方法に係り、特に火力発電ボイラなどの火力発電プラントの高温・高圧配管に使用される高クロム鋼溶接継手の溶接部、溶接熱影響部の損傷を予測するのに有効な方法である。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントは高温・高圧環境で運転されるため、設備を構成する機器部材の耐熱鋼には、高温強度に優れた材料が用いられる。しかし、長期間に亘る高温での運転によってクリープ等による損傷が蓄積して材料の寿命に至ることがある。火力発電プラントの設計及び運用においては、耐熱鋼の寿命評価を適確に行い、信頼性を向上させることが重要である。
【０００３】
火力発電プラントの機器部材に用いられる耐熱鋼としては、クロム（Ｃｒ）を９〜１２％（質量％、以下同じ）程度含有した高Ｃｒ鋼が用いられるが、高Ｃｒ鋼は溶接部のクリープ損傷が選択的に進行することが知られている。火力発電プラントに使用される高Ｃｒ鋼には多種多様な溶接部が存在する。図１３には、その一例として、配管の軸方向に溶接部のある耐熱鋼（高Ｃｒ鋼）配管の斜視図を示す。
【０００４】
配管５０には軸方向に溶接部５１が存在する。図１４には、図１３の溶接部のＤ部を拡大した詳細図を示す。母材５２は溶接金属５３で溶接されており、溶接金属５３の両側には溶接熱影響部(ＨＡＺ：Ｈｅａｔ  ａｆｆｅｃｔｅｄ  ｚｏｎｅ）５４ａ，５４ｂが存在する。この溶接熱影響部５４は溶接時の温度上昇により母材５２が組織変化を起こした部分である。
【０００５】
高Ｃｒ耐熱鋼の溶接熱影響部５４ａ，５４ｂは、溶接金属５３や母材５２に比べてクリープ強度が低く、溶接部においては熱影響部に損傷(クリープボイドやき裂の発生)が集中することが知られている。図１５には溶接熱影響部５４ａ，５４ｂに発生したクリープボイド５７の例を示す。
【０００６】
配管５０が高温下で応力が作用した状態に長時間さらされると、結晶粒界５６上にクリープボイド５７と呼ばれる空孔が発生する。この空孔は長時間の使用による損傷の進行と共にその数が増加して、最終的には隣接するクリープボイド５７，５７同士が合体してき裂となる。  
図１６には、クリープボイド５７，５７同士が合体して、き裂５８が発生した溶接部５１を示す。溶接熱影響部５４ａ，５４ｂに発生したき裂５８は徐々に成長し、最終的には板厚方向Ｓに貫通して、内部流体のリークが発生する。
【０００７】
耐熱鋼の寿命評価を行う方法として、溶接部５１のクリープボイド５７の発生を検査し、この結果に基づいて残余寿命を推定する方法がある。  
下記特許文献１(耐熱鋼の寿命評価法)には、クリープボイドの個数密度を複数回測定し、その変化率から残余寿命を推定する方法が開示されている。また、下記特許文献２(クリープ寿命評価方法)には、クリープボイドの結晶粒界占有率のうち最大値を測定してクリープ寿命消費率を推定する方法が開示されている。
【０００８】
これらの文献に記載された耐熱鋼の寿命評価方法では、検査対象の耐熱鋼のクリープボイドの個数密度やクリープボイドの結晶粒界占有率を測定しながら、予め求めておいた結果に当てはめることで残余寿命を推定している。したがって、これらの方法の実施の際には、毎回クリープボイドの個数密度やクリープボイドの結晶粒界占有率を検出、測定しなければならず、操作が煩雑であり、もっと簡便で迅速な方法が好ましい。  
また、火力発電プラントの機器部材には多種多様のものがあるため、高Ｃｒ鋼の溶接部も多種多様であり、その形状によって作用する応力場の影響が異なる。
【０００９】
上記特許文献１及び特許文献２では、クリープボイドの個数密度やクリープボイドの結晶粒界占有率を使って損傷を予測するが、これらは応力状態の影響を受けるため、実験室において単軸(単純な応力状態)で求められたクリープボイドの個数密度やクリープボイドの結晶粒界占有率と損傷の関係が、実際の火力発電プラントなどの複雑な応力状態では成り立たない、したがって、これらの方法では、精度良く耐熱鋼の残余寿命を推定することは難しい。
【００１０】
そこで、下記特許文献３(耐熱鋼の劣化評価方法及びタービンの劣化評価方法)には、高Ｃｒ鋼の溶接部におけるクリープボイドの発生挙動が部材形状の影響、すなわち応力場の影響を受けることを考慮するために、クリープボイドの個数密度を応力多軸度係数で規格化した値を用いて、損傷の予測精度を向上させた劣化評価方法が開示されている。
【００１１】
しかし、特許文献３には、クリープボイドの個数密度を応力多軸度係数で規格化するという表現しか記載されておらず、規格化の具体的な内容については開示されていない。規格化の仕方によって耐熱鋼の残余寿命も変わってくるため、精度良く耐熱鋼の残余寿命を推定できるとは限らない。また、上記特許文献１や特許文献２と同様に、方法の実施の際には、毎回クリープボイドを検出してクリープボイドの個数密度を測定しなければならない。
【００１２】
火力発電プラントの設備、機器部材には多数の耐熱鋼溶接部が存在するが、それらは保温が施工されていたり、足場がなくアクセスが困難等の理由により、損傷度合いの検査を行うことが難しい。また、検査を実施しても、通常は耐熱鋼の板厚方向内部から損傷が生じる場合が多いため、耐熱鋼の表面からの検出が難しい。このような理由により、耐熱鋼にかかる応力の計算結果と耐熱鋼のメタル温度から損傷を精度良く推定、予測できる方法の開発が望まれている。
【００１３】
応力の大きさから損傷を予測する一般的な方法として、単軸丸棒クリープ試験結果（ＪＩＳ  Ｚ  ２２７１の金属材料のクリープ及びクリープ破断試験方法に規定）から耐熱鋼の損傷や寿命を推定する方法がある。
【００１４】
図１７には、単軸丸棒のクリープ試験片の形状を示す。  
丸棒クリープ試験片５９は評価対象となる耐熱鋼（高Ｃｒ鋼）で構成されており、母材６０の中央部に溶接部、すなわち溶接金属６１と溶接熱影響部６２がある。本試験片を高温下で図中の矢印Ｙ１及び矢印Ｙ２で示した方向に応力σを作用させて、破断するまでの時間を測定し、応力と破断時間との関係を調べる。
【００１５】
図１８には、この方法で求めたクリープ破断データの例を示す。図１９には、火力発電プラントにおける配管軸方向の溶接部に作用する応力を示す。  
配管５０の溶接金属５３、溶接熱影響部５４ａ、５４ｂには、配管の円周方向に応力σＣ、軸方向に応力σＬが作用する。図１８の関係を用いて図１９の溶接部の損傷を推定する場合には、配管に作用する周方向の応力σＣを用いて、図１８の関係より破断時間ｔｒを推定し、図１９の溶接部５１の損傷の進行度合いを推定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第３８２５３７８号公報
【特許文献２】特許第３９７６９３８号公報
【特許文献３】特開２００９−９２４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述した従来の方法は、操作が煩雑であったり、耐熱鋼の残余寿命の予測精度が高くないという問題がある。また、予測に用いるクリープ破断データ(図１８)は、図１７に示す単軸丸棒に応力を作用させた状態の丸棒クリープ試験片から求められたものである。しかし、実際に用いられる耐熱鋼溶接部の溶接継手は、例えば図１９に示したような２軸応力状態又は３軸応力状態（径方向に作用する応力を含める）にあり、単軸丸棒のクリープ試験とは応力状態が異なる。応力状態が異なれば溶接部の損傷の進行度合いも異なってくる。したがって、図１８に示したクリープ破断データを用いて、図１９に示すような溶接継手のクリープ損傷の進行度合いや寿命を精度良く予測することは難しい。
【００１８】
本発明の課題は、上記問題を解決し、実際に用いられる耐熱鋼溶接部に則した多軸応力状態にある溶接部の損傷(クリープボイドやき裂の発生)を精度良く予測できる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の課題は、耐熱鋼溶接部の局所的な応力状態を最大主応力σ1と応力多軸度係数ＴＦからなる下記式（１）の関数（パラメータ）  
Ｍ＝Ａ・σ1・ＴＦB    （１）  
で表し(ここで、Ａ，Ｂ：係数、σ1：最大主応力、ＴＦ：応力多軸度係数)、この局所応力状態Ｍとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係又は局所応力状態Ｍとクリープボイドの面積率の増加速度との関係を予め求めておき、実際に損傷を予測する際に評価対象となる溶接部の応力解析を行って評価対象部位における局所応力状態Ｍを求め、このＭを用いて耐熱鋼溶接部の損傷を予測することで解決される。  
なお、３次元問題では主応力は３つあり、大きい方からσ1，σ2，σ3と表記する。ここでは、一番大きいものを「最大主応力σ1」と表記している。
【００２０】
具体的には、予め求めた局所応力状態Ｍとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係又は局所応力状態Ｍとクリープボイドの面積率の増加速度との関係から評価対象部位のクリープボイドの個数密度の増加又はクリープボイドの面積率の増加を時間の関数として求め、更にこの結果からクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率が所定の最大値である限界値に達する時間（寿命）を求めることで、耐熱鋼溶接部の損傷度合いを予測できる。
【００２１】
すなわち、本発明の課題は、次の手段により解決することができる。  
請求項１記載の発明は、耐熱鋼溶接部に作用する応力の分布を計算し、該計算値から耐熱鋼溶接部の損傷を予測する耐熱鋼溶接部の損傷予測方法において、耐熱鋼溶接部の応力状態を表現するパラメータとして、下記式（１）で表されるＭを用いる耐熱鋼溶接部の損傷予測方法である。  
Ｍ＝Ａ・σ1・ＴＦB    （１）  
ここで、Ａ，Ｂ：係数、σ1：最大主応力、ＴＦ：応力多軸度係数である。
【００２２】
請求項２記載の発明は、耐熱鋼溶接部におけるパラメータＭとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係（ａ）、又は耐熱鋼溶接部におけるパラメータＭとクリープボイドの面積率の増加速度との関係（ｂ）を予め求めておき、耐熱鋼溶接部の対象部位におけるパラメータＭを求めて、該対象部位におけるパラメータＭと前記予め求めた関係（ａ）又は関係（ｂ）から対象部位におけるクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定する請求項１記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法である。
【００２３】
請求項３記載の発明は、有限要素法（ＦＥＭ）によるクリープ解析結果から求められる局所的な応力を用いてパラメータＭを計算する請求項１又は２に記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法である。
【００２４】
請求項４記載の発明は、前記クリープボイドの個数密度の増加速度又は前記クリープボイドの面積率の増加速度として、クリープボイドの発生初期からクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率が所定の最大値となる末期における平均増加速度を用いることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定する請求項２記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法である。
【００２５】
請求項５記載の発明は、前記関係（ａ）として、耐熱鋼溶接部の溶接熱影響部におけるパラメータＭとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係、前記関係（ｂ）として、耐熱鋼溶接部の溶接熱影響部におけるパラメータＭとクリープボイドの面積率の増加速度との関係を用いると共に、前記耐熱鋼溶接部の対象部位を溶接熱影響部とした請求項２記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法である。
【００２６】
請求項６記載の発明は、耐熱鋼溶接部における所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度とクリープボイドの個数密度の平均増加速度との関係（ｃ）、又は耐熱鋼溶接部における所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度とクリープボイドの面積率の平均増加速度との関係（ｄ）を予め求めておき、前記関係（ａ）から求められた対象部位におけるクリープボイドの個数密度の平均増加速度と前記関係（ｃ）から、対象部位における所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度を求めること、又は前記関係（ｂ）から求められた対象部位におけるクリープボイドの面積率の平均増加速度と前記関係（ｄ）から、対象部位における所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することを特徴とする請求項４記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法である。
【００２７】
（作用）
耐熱鋼溶接部におけるクリープ損傷(クリープボイドの個数密度の増加挙動又はクリープボイドの面積率の増加挙動)は、応力状態の影響を大きく受ける。特に、一方向の応力ではなく、３方向の応力(応力の３軸状態)の影響を受ける。本発明によれば、溶接熱影響部などの溶接部の評価対象部位における３軸応力状態を考慮し、予め求めた、３軸応力状態とクリープボイドの個数密度の増加挙動との関係又は３軸応力状態とクリープボイドの面積率の増加挙動との関係を用いてクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率の増加を予測するため、高精度に溶接熱影響部などの溶接部の損傷挙動を予測することが可能となる。
【００２８】
請求項１記載の発明によれば、耐熱鋼溶接部の応力状態を表現するパラメータとして、上記式（１）で表されるＭを用いることで、応力解析等の計算によって、簡便で迅速に精度良く損傷(クリープボイドやき裂の発生)を予測できる。
【００２９】
請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の作用に加えて、予め求めておいた関係（ａ）又は関係（ｂ）と耐熱鋼溶接部の対象部位におけるパラメータＭから対象部位におけるクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定できるため、その都度クリープボイドを検出してクリープボイドの個数密度や面積率を測定するなどの煩雑な操作をすることなく、より実際に用いられる耐熱鋼溶接部に則した精度の良い予測が可能となる。
【００３０】
例えば、以下のように行う。  
予め、耐熱鋼溶接部の各評価部位におけるクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を検出してクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めると共に、前記耐熱鋼溶接部の各評価部位におけるパラメータＭを求めて、該パラメータＭとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係（ａ）、又はパラメータＭとクリープボイドの面積率の増加速度との関係（ｂ）を求めておく。  
そして、実際に損傷を予測する際に、耐熱鋼溶接部の対象部位の最大主応力σ1及び応力多軸度係数ＴＦを求め、該求めた最大主応力σ1及び応力多軸度係数ＴＦを上記式（１）に当てはめてパラメータＭを求め、該求めたパラメータＭから前記予め求めた関係（ａ）又は（ｂ）を用いて、対象部位におけるクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、対象部位におけるクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することが可能である。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、上記請求項１又は２に記載の発明の作用に加えて、有限要素法（ＦＥＭ）によるクリープ解析結果からパラメータＭを計算することで、溶接部の形状が複雑であっても適用可能であり、容易に耐熱鋼溶接部の損傷を予測できる。有限要素法（ＦＥＭ）によるクリープ解析を実施すると、各点における主応力(σ1，σ2，σ3)、ミーゼスの相当応力が求まる。これらを上記式（１）に代入すると応力多軸度係数ＴＦが求まる。
【００３２】
請求項４記載の発明によれば、上記請求項２に記載の発明の作用に加えて、関係（ａ）のクリープボイドの個数密度の増加速度又は関係（ｂ）のクリープボイドの面積率の増加速度として、損傷初期から末期における平均増加速度を用いる。クリープボイドの個数密度やクリープボイドの面積率の増加には、ばらつきがあるが、平均増加速度を用いることで、正確な平均的速度を算出できる。
【００３３】
請求項５記載の発明によれば、上記請求項２に記載の発明の作用に加えて、耐熱鋼溶接部の溶接熱影響部におけるクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度が把握できるため、特に溶接による影響が大きい溶接熱影響部による損傷を予測できる。
【００３４】
また、耐熱鋼溶接部に発生するクリープボイドの増加速度は、発生し始める初期に比べてクリープボイド同士が合体してき裂となる末期の方が増加する。  
したがって、請求項６記載の発明によれば、上記請求項４に記載の発明の作用に加えて、所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度とクリープボイドの個数密度の平均増加速度との関係（ｃ）、又は所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度とクリープボイドの面積率の平均増加速度との関係（ｄ）を予め求めておき、関係（ａ）と関係（ｃ）、又は関係（ｂ）と関係（ｄ）から所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度又は所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、クリープボイドの個数密度の増加量又はクリープボイドの面積率の増加量を時間の関数として求めることができる。したがって、クリープボイドの個数密度の増加が、より正確に把握できるため、測定時点の対象部位におけるクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を精度良く推定できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法によれば、簡便で迅速に、実際に用いられる耐熱鋼溶接部に則した複雑な応力状態にある溶接熱影響部の損傷(クリープボイドやき裂の発生)を精度良く予測することができる。また、詳しい検査が必要な部位を予測することもできる。また、配管の内部流体のリークなどによる過度な損傷を未然に防止することが可能となる。
【００３６】
具体的には以下の効果を有する。  
請求項１記載の発明によれば、耐熱鋼溶接部の応力状態を表現するパラメータとして、上記式（１）で表されるＭを用いることで、応力解析等の計算によって、簡便で迅速に、精度良く耐熱鋼溶接部の損傷を予測できる。
【００３７】
請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、煩雑な操作をすることなく、予め求めた関係から、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することが可能であると共に、より実際に用いられる耐熱鋼溶接部に則した精度の良い予測が可能となる。
【００３８】
請求項３記載の発明によれば、上記請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、有限要素法によるクリープ解析結果からパラメータＭを計算することで、溶接部の形状が複雑でも、容易に耐熱鋼溶接部の損傷を予測できる。
【００３９】
請求項４記載の発明によれば、上記請求項２に記載の発明の効果に加えて、関係（ａ）や関係（ｂ）の増加速度に平均増加速度を用いることで、正確な平均的速度を算出でき、精度良く耐熱鋼溶接部の損傷を予測できる。
【００４０】
請求項５記載の発明によれば、上記請求項２に記載の発明の効果に加えて、特に溶接による影響が大きい溶接熱影響部による損傷を予測できるため、より実際に用いられる耐熱鋼溶接部に則した損傷の予測が精度良くできる。
【００４１】
請求項６記載の発明によれば、上記請求項４に記載の発明の効果に加えて、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率の増加が、より正確に把握できることで、測定時点の対象部位におけるクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を精度良く推定できる。したがって、より実際に用いられる耐熱鋼溶接部に則した、精度の良い損傷の予測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法に用いるクリープボイドの個数密度の平均増加速度と応力パラメータ(Ｍ＝Ａ・σ1・ＴＦB)との関係を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法に用いる配管の溶接熱影響部における局所応力を評価した位置を示した側面図である。
【図３】図２の溶接熱影響部における局所応力の分布を示した図である。
【図４】図２の溶接熱影響部における応力多軸度係数ＴＦの分布を示した図である。
【図５】本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法の実施例１のフローチャートである。
【図６】本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法の実施例１において用いる所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度Ｎｖとクリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍとの関係を示した図である。
【図７】本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法（実施例１）の精度を確認するために用いた配管の図である。
【図８】図７のＢ部の詳細図である。
【図９】本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法（実施例１）の精度を確認するために用いたＦＥＭ応力解析モデルを示した図である。
【図１０】本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法（実施例１）で予測したクリープボイドの個数密度の変化と実験値との比較を示した図である。
【図１１】本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法（実施例１）で予測したクリープボイドの個数密度の肉厚方向での分布と実験値との比較を示した図である。
【図１２】本発明の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法（実施例２）で用いるクリープボイドの面積率の平均増加速度と応力パラメータ(Ｍ＝Ａ・σ1・ＴＦB)との関係を示した図である。
【図１３】配管の軸方向に溶接部のある一般的な耐熱鋼（高Ｃｒ鋼）配管の斜視図である。
【図１４】図１３のＤ部の詳細図である。
【図１５】図１３の配管の溶接熱影響部に発生したクリープボイドを示した図である。
【図１６】図１３の配管の溶接熱影響部に発生したき裂を示した図である。
【図１７】従来の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法で使用される単軸丸棒のクリープ試験片を示した図である。
【図１８】図１７の丸棒単軸クリープ試験片を用いて求めたクリープ破断データの例を示した図である。
【図１９】図１３の配管の軸方向の溶接部に作用する応力を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下に、 耐熱鋼溶接部の損傷の予測原理について説明する。  
図１には、本実施形態の損傷予測方法による、損傷の予測に用いるクリープボイドの個数密度(単位面積あたりのクリープボイドの数)の単位時間あたりの増加量（平均増加速度）と応力パラメータ(Ｍ＝Ａ・σ1・ＴＦB)の関係の一例を示す。
【００４４】
図１の求め方は次の通りである。  
すなわち、後述する図７に示すような試験体の配管６のクリープ試験を実施する。溶接熱影響部８ａ〜８ｄにおいて、肉厚方向の位置によって、最大主応力σ1と応力多軸度係数ＴＦは異なる。肉厚方向の６点について、クリープボイドの成長状況を顕微鏡で観察し、クリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍを測定する。一方、３軸の応力解析により、これら６点の最大主応力σ1と応力多軸度係数ＴＦを求める。これらを両対数グラフにプロットし、直線回帰して、係数Ａ、Ｂを決める。
【００４５】
図１の縦軸に示す平均増加速度Ｎｖｍは下記のようにして求める。  
すなわち、図７に示すような試験体の配管６のクリープ試験を数本（例えば、５本）用意する。これらを同じ実験条件で実験を開始する。寿命が１０００ｈの場合、１本は１０００ｈまで、残りは２００ｈ毎に実験を取りやめ、切断し、配管６の内部のクリープボイド発生状況を観察する。なお、観察部位は全ての溶接熱影響部８ａ〜８ｄとする。５本の試験片より、クリープボイドの個数密度Ｎと時間との関係を求める。この関係の勾配がクリープボイドの個体密度の増加速度Ｎｖ（個／ｍｍ2／ｈ）となり、これらの平均値が平均増加速度Ｎｖｍとなる。  
なお、レプリカ法（評価部位の金属組織をレプリカ膜に写しとって走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察し、それによって評価する方法）によって、クリープボイドの個数密度を測定することも考えられるが、この場合、測定可能なのは表面のみである。
【００４６】
また、配管６の損傷の評価部位を溶接熱影響部８ａ〜８ｄに限らず、溶接部７ａ，７ｂの溶接金属や母材としても良いが、溶接熱影響部８ａ〜８ｄは他の溶接部分に比べてクリープ強度が低く、溶接部においては熱影響部に損傷が集中するため、特に溶接による影響が大きい溶接熱影響部８ａ〜８ｄを評価部位とすることが好ましい。
【００４７】
そして、この平均増加速度Ｎｖｍは、損傷が小さい領域(クリープボイドが発生し始めた領域)から大きな領域(クリープボイド同士が合体してき裂になる領域)までの平均値である。クリープボイドの個数密度やクリープボイドの面積率の増加には、ばらつきがあるが、初期（新材など）から寿命末期の平均として速度を算出することで(考えられる最も長いサンプリング時間で速度を評価）、正確な平均的速度を算出できる。
【００４８】
図１の横軸は、次式（１）で表されるパラメータであり、溶接熱影響部４における局所応力の３軸応力状態を表す。  
Ｍ＝Ａ・σ1・ＴＦB    （１）  
ここで、ＡとＢは係数であり、σ1は主応力であり、ＴＦは応力の３軸度を表す応力多軸度係数ＴＦ（Ｔｒｉａｘｉａｌｉｔｙ  Ｆａｃｔｏｒ)であり、次式（２）で定義される。  
ＴＦ = (σ1 + σ2 +σ3)／σm    （２）  
ここで、σ1，σ2，σ3(大きい方から表記)は、配管の場合はそれぞれ周方向、軸方向、半径方向の主応力である。σmはミーゼスの相当応力である。
【００４９】
図２には、本発明の一実施形態の損傷予測方法に用いる配管１の溶接熱影響部４における局所応力を評価した位置を示す側面図を示す。  
図２の耐熱鋼配管１の溶接熱影響部４ａにおいて、有限要素法によるクリープ解析（図９）を実施し、管の外表面から応力評価線５に沿った応力分布を調べた結果を図３に示す。
【００５０】
図３に示した周方向、軸方向、半径方向の応力は、応力評価線５上における局所的な応力である。図３の横軸は、配管１の外表面からの距離ｘを肉厚ｔで割り、無次元化した値（ｘ／ｔ）である。配管１には、内圧によって軸方向に応力σＬ、円周方向にσＣの応力が作用しているが、母材２、溶接金属３、溶接熱影響部４ａ，４ｂのクリープボイドの変形速度がそれぞれ異なるため、溶接熱影響部４ａ，４ｂには複雑な局所応力が生じている。溶接熱影響部４ａで言えば肉厚中央部Ａ点の応力が最も大きく、軸方向、周方向、径方向（図示せず）の共に引張りの３軸引張り応力状態になっている。なお、厳密には３軸であるが、径方向の応力は他に比べて小さいため、ほぼ二軸状態と考えても良い。
【００５１】
図４には、図２の耐熱鋼配管１の溶接熱影響部４ａにおける応力多軸度係数ＴＦの分布を示し、応力評価線５上の応力多軸度係数ＴＦと外表面からの距離（ｘ／ｔ）との関係を示す。この応力多軸度係数ＴＦは、図３の各主応力σ1，σ2，σ3を上記式（２）に当てはめて求めたものである。  
前述のように、肉厚中央部Ａ点の応力が大きく３軸状態になるため、応力の３軸度を表すＴＦは、肉厚中央部のＡ点で最も大きくなっている。
【００５２】
本発明者らは、耐熱鋼の溶接熱影響部におけるクリープボイドの発生、成長挙動の観察結果から、図３及び図４に示した熱影響部の各点（各評価部位）の局所応力と、各評価部位におけるクリープボイドの個数密度の増加挙動又はクリープボイドの面積率の増加挙動には、図１のような関係があること、そして、この関係を用いることにより精度良く溶接熱影響部の損傷を予測できることを見出した。  
そして、図１の関係を、予め実測して用意しておくことで、以下に示す実施例１の耐熱鋼溶接部の予測方法に適用する。
【実施例１】
【００５３】
（耐熱鋼溶接部の予測方法の具体例）  
前述の予測原理を用いて、耐熱鋼溶接部の損傷を予測する方法を具体的に説明する。図５に損傷予測方法の実施例のフローチャートを示す。
【００５４】
火力発電ボイラの運転を開始すると、最初に、計算を行う時間ステップ（測定時間間隔）の大きさΔｔを決定する。計算の時間ステップΔｔは、例えば下記のようにして決める。  
１０万時間までの計算（損傷進行の予測）を行いたい場合、計算の時間ステップは１００分割もあれば十分と考える。したがって、この場合、Δｔ＝１０万時間／１００＝１０００ｈとなる。
【００５５】
そして、クリープボイドの個数Ｎ及び測定時間ｔを初期値（ゼロ）に設定する。次に、評価対象部位について、有限要素法によるクリープ解析を実施し、測定時間ｔにおける応力分布を求める。すなわち、評価対象部位における主応力σ1，σ2，σ3を求める。
【００５６】
クリープボイドは火力発電ボイラの運転開始直後からは発生せず、所定の時間が経過後に発生し始めるため、一回目の測定時間ｔが、予め設定したクリープボイドの発生開始時間以上かどうか確認する。一回目の測定時間ｔが予め設定したクリープボイドの発生開始時間未満であれば、一回目の測定時間ｔをΔｔだけ進め（新しい測定時間はｔ＋Δｔとなる)、新しい測定時間ｔにおけるクリープ解析を実施する。
【００５７】
一方、クリープボイドの発生開始時間が、予め設定したクリープボイドの発生開始時間以上であれば、溶接熱影響部の各評価対象部位において、上記（１）式で表される応力パラメータＭの算出に必要となる主応力σ1、応力多軸度係数ＴＦを有限要素法によるクリープ解析（図９）により計算して、これらの値から応力パラメータＭを算出する。
【００５８】
更に、予め用意しておいた図１の関係を用いて応力パラメータＭからクリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍを決定する。図１のＮｖｍは、クリープボイドが発生し始める初期から、クリープボイド同士が合体してき裂となる末期（クリープボイドの個数密度Ｎが所定の最大値となる時）までの平均値である。
【００５９】
図６には、所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度Ｎｖとクリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍとの関係を示し、具体的にはクリープボイドの個数密度Ｎと（所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度Ｎｖ）／（クリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍ）との関係を示す。図６は、クリープボイドの個数密度の増加速度が一定ではなく、加速することを考慮したい場合の、平均増加速度からの補正方法を示したものである。
【００６０】
図６の関係は、図１の平均増加速度Ｎｖｍを求める際のクリープボイドの個数密度Ｎとクリープボイドの個体密度の増加速度Ｎｖとの関係から求まる。したがって、図１の平均増加速度Ｎｖｍを求める際に、図６の関係も予め求めておく。  
図６から分かるように、クリープボイドが発生し始める初期に比べてクリープボイド同士が合体してき裂となる末期の方がその速度、すなわち所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度Ｎｖが増加する。
【００６１】
したがって、予め用意しておいた図６に示した関係を用いて、クリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍから測定時間ｔにおけるクリープボイドの個数密度Ｎに対応するクリープボイドの個数密度の増加速度Ｎｖを求める。例えば、図５の場合はＮの初期値が０であるから、Ｎ＝０のときのＮｖを求める。そして、この増加速度Ｎｖに時間ステップΔｔを乗じたものが、このステップにおけるクリープボイドの個数密度の増加量ΔＮとなる。このΔＮをＮに加えることによって測定時間ｔにおけるクリープボイドの個数密度Ｎが算出できる。
【００６２】
上記の方法をまとめると以下のようになる。  
ある計算ステップ（時間ステップ）において、応力パラメータＭからクリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍを求める。このクリープボイドの個数密度の平均増加速度Ｎｖｍと前のステップにおけるクリープボイドの個数密度Ｎを用いて、図６よりこのときのクリープボイドの個数密度の増加速度Ｎｖを求める。クリープボイドの個数密度の増加速度ＮｖにΔｔを掛けてΔＮ（この時間ステップにおけるクリープボイド数の増加量）を求め、前のステップにおけるクリープボイドの個数密度ＮにΔＮを足してこの時間ステップのクリープボイドの個数密度Ｎとする。  
したがって、測定時間ｔにおける耐熱鋼溶接部の損傷の予測がより精度良くできるようになる。
【００６３】
そして、上記手順をクリープボイドの個数密度Ｎが所定の最大値となる限界値Ｎｃ（例えば８００個／ｍｍ2程度）に達するまで計算を繰り返し行う。なお、限界値Ｎｃはクリープボイド同士が合体してき裂となる末期における値であり、耐熱鋼の種類や評価対象部位によって異なる。この計算によって、時間ｔ（０〜限界値に達する時間まで）におけるクリープボイドの個数密度Ｎが算出できる。すなわち、図１０のような関係が求められる。
【００６４】
耐熱鋼溶接部の損傷の予測は、上記の計算から求められた測定時間ｔにおけるクリープボイドの個数密度Ｎから行うことができる。そして、クリープボイドの個数密度Ｎが限界値Ｎｃに達する時間が、その耐熱鋼の寿命であると予測できる。
【００６５】
（上記方法の精度確認）  
図７には、本実施例の精度を確認するために用いた耐熱鋼配管の図を示し、図８には、図７のＢ部の詳細図を示す。
【００６６】
図１及び図５に示した損傷予測方法の有効性を確認するため、図７に示す試験体の耐熱鋼配管６を用いて本実施例の方法による予測結果と実験結果を比較した。図７の配管６は、軸方向に溶接部７と溶接熱影響部８があり、内圧Ｐを受ける耐熱鋼配管６である。図８に図７のＢ部の詳細を示す。溶接熱影響部８ａに点線９で示した線に沿って、本実施例の方法及び実験で求めたクリープボイドの個数密度を比較した。
【００６７】
図９には、図７の配管６の詳細な応力分布を求めるための有限要素法（ＦＥＭ）解析モデル１０を示す。  
この解析モデル１０を用いて、図５のフローチャートに従って応力パラメータＭを求め、図１の関係からクリープボイドの個数密度の時間変化を予測した。また、実験では、途中で試験を止めて、配管６を切断し、配管６の内部のクリープボイド発生状況（断面）を観察した。
【００６８】
図１０には、図８のＣ点におけるクリープボイドの個数密度の時間変化を示す。実線が本実施例の方法による結果を示し、プロット点が実験で求めた結果を示している。図１０からも、予測値と実験値の両者は良く一致することが確認された。
【００６９】
図１１には、図８の点線９に沿ったクリープボイドの個数密度の分布を示す。  
図１１の横軸は、配管６の外表面からの距離ｘを肉厚ｔで割り、無次元化した値（ｘ／ｔ）である。  
図１１においても、実線で示した予測値とプロット点で示した実験値は良く一致していることが確認された。以上の結果から、本実施例の方法によって、精度良くクリープボイドの個数密度の増加を予測できることが確認された。
【００７０】
したがって、本実施例の方法により、実際に用いられる耐熱鋼溶接部に則した複雑な応力状態にある溶接熱影響部の損傷を精度良く予測することができる。そして、このように予め求めた関係と計算値から耐熱鋼溶接部の損傷を予測することが可能となる。  
そして、より詳しい検査が必要な部位を予測することもでき、耐熱鋼溶接部の検査や耐熱鋼自体の取替えの必要性を把握できる。例えば、検査として、レプリカ法(これは表面のみに適用可能)や超音波探傷(これは肉厚内部の検査も可能)などがある。
【実施例２】
【００７１】
図１２には、クリープボイドの面積率の平均増加速度と応力パラメータＭとの関係を示す。  
クリープボイドの面積率は、レプリカ法でも、上述した平均増加速度Ｎｖｍの求め方と同様に実際に切断した断面を用いても良く、顕微鏡写真の面積を測って算出する。クリープボイドの面積率は、図１５に示したクリープボイドの占める面積をある一定の観察面積で割った値である。クリープボイドの占める面積を求めることで、クリープボイドの面積率は、クリープボイドの個数密度を求める方法と同様に求めることができる。
【００７２】
実施例１では、クリープボイドの個数密度Ｎの増加から損傷の増加を予測したが、クリープボイドの面積率を耐熱鋼溶接部の損傷評価に用いる場合においても、図１２に示す関係を用いれば、実施例１と同様な方法で、クリープボイドの面積率の増加、すなわち耐熱鋼溶接部の損傷の増加を予測することが可能である。
【００７３】
図５のフローの「クリープボイドの個数密度」、「クリープボイドの個数密度の増加速度」、「クリープボイドの個数密度の平均増加速度」をそれぞれ「クリープボイドの面積率」、「クリープボイドの面積率の増加速度」、「クリープボイドの面積率の平均増加速度」と置き換えることで実施例１と同様に耐熱鋼溶接部の損傷を予測できる。  
そして、本実施例においても実施例１と同様な効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、火力発電用のプラントに限らず、特に高温・高圧配管に使用される高クロムの溶接部、特に溶接熱影響部の損傷を予測するのに有効な方法である。
【符号の説明】
【００７５】
１  配管                      ２  母材
３  溶接金属                  ４  溶接熱影響部
５  応力評価線                ６  配管（試験体）
７  溶接部                    ８  溶接熱影響部
９  点線
１０  有限要素法解析モデル
５０  配管                  ５１  溶接部
５２  母材                  ５３  溶接金属
５４  溶接熱影響部          ５６  結晶粒界
５７  クリープボイド        ５８  き裂
５９  丸棒クリープ試験片    ６０  母材
６１  溶接金属              ６２  溶接熱影響部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0005492057.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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