(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、前記ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、
前記超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、
前記共鳴周波数における超音波の変移を測定する工程と、
前記共鳴周波数における音速を求める工程と、
前記超音波の変移から前記ベイナイト組織の第１損傷率を求める工程と、
前記音速から前記ベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、
第１損傷率及び第２損傷率に基づいて前記ベイナイト組織の補正損傷率を求める工程とを含み、
前記超音波の変移から非線形超音波量を算出し、前記非線形超音波量から第１損傷率を求める、クリープ余寿命の予測方法。
【請求項２】
第１損傷率が複数存在する場合に、第１損傷率の中から、第２損傷率に最も近い第１損傷率を選択する工程を更に含み、
第２損傷率に最も近い第１損傷率及び第２損傷率に基づいて、補正損傷率を求めることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１損傷率と第２損傷率とを平均することによって、補正損傷率を求めることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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、レプリカ法によるクリープ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。また、特開昭６３−２３５８６１号公報が示すように、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。
これらの方法に対して、特開２００１−３４３３６８号公報が示すように、亀裂が生じる前の余寿命を予測することができ、実際に稼動している設備から試験片を切り出す必要もない方法として、磁性を有する耐熱鋼に非接触で超音波を励起させることによって超音波共鳴を発生させ、この超音波共鳴の減衰具合から余寿命を予測する方法が報告されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、共鳴周波数における超音波の変移を測定する工程と、共鳴周波数における音速を求める工程と、超音波の変移からベイナイト組織の第１損傷率を求める工程と、音速からベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、第１損傷率及び第２損傷率に基づいてベイナイト組織の補正損傷率を求める工程とを含む。【０００６】
第１損傷率が複数存在する場合に、第１損傷率の中から、第２損傷率に最も近い第１損傷率を選択する工程を更に含み、第２損傷率に最も近い第１損傷率及び第２損傷率に基づいて、補正損傷率を求めることが好ましい。
第１損傷率と第２損傷率とを平均することによって、補正損傷率を求めることが好ましい。【０００７】
超音波の変移から減衰係数を算出し、減衰係数から第１損傷率を求めることが好ましく、または、超音波の変移から非線形超音波量を算出し、非線形超音波量から第１損傷率を求めることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によって、ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態における、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴの概略図である。
【図２】一実施形態における、磁場及び軸対称ＳＨ波の概略図である。
【図３】一実施形態における、複数の共鳴ピークを示すグラフである。
【図４】一実施形態における、ｆ１（９９）の共鳴ピークを示すグラフである。
【図５】一実施形態における、減衰曲線を示すグラフである。
【図６】一実施形態における、減衰係数及び損傷率の関係、並びに、音速及び損傷率の関係を示すグラフである。
【図７】一実施形態における、未損傷の試料を用いた場合の共鳴周波数を示すグラフである。
【図８】一実施形態における、損傷している試料を用いた場合の共鳴周波数を示すグラフである。
【図９】一実施形態における、非線形超音波量及び損傷率の関係、並びに、音速及び損傷率の関係を示すグラフである。
【図１０】一実施形態における、ｆ１（９９）の減衰係数の測定結果を示すグラフである。
【図１１】一実施形態における、ｆ１（９９）での共鳴周波数の相対的移動量を示すグラフである。
【図１２】一実施形態における、非線形超音波量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明に係るベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法は、電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、共鳴周波数における超音波の変移を求める工程と、共鳴周波数における音速を求める工程と、前記超音波の変移からベイナイソ組織の第１損傷率を求める工程と、音速からベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、第１損傷率及び第２損傷率に基づいてベイナイト組織の補正損傷率を求める工程とを含む。
【００１２】
本発明者等は、ベイナイト組織を測定対象とした場合に、電磁超音波探触子を用いて非接触で超音波を励起させた場合に得られる、減衰係数や非線形超音波量などの共鳴周波数における超音波の変移と、損傷率などの時間との関係が１対１対応にならないことを見出した。即ち、ある減衰係数または非線形超音波量に対応する損傷率が、複数存在することを見出した。このような場合、減衰係数または非線形超音波量のみからでは、対応する損傷率を求めることができないという問題が生じた。
このような問題を解決するために発明された、本発明に係るベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法によって、電磁超音波共鳴法（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｏｓｏｎａｎｃｅ、以下「ＥＭＡＲ法」ともいう）によって共鳴周波数における超音波の変移から第１損傷率を求め、ＥＭＡＲ法によって測定された音速から第２損傷率を求め、第１損傷率を第２損傷率で補正すれば、より精度が優れた補正損傷率を求めることが可能になる。ここで、共鳴周波数における超音波の変移から、共鳴周波数における減衰係数、または、共鳴周波数における非線形超音波量を求めることが好ましく、いずれから第１損傷率を求めてもよい。
【００１３】
ＥＭＡＲ法は、電磁超音波探触子（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｏｓｏｎａｎｃｅ、以下「ＥＭＡＴ」ともいう）と超音波共鳴法とを組み合わせた、非破壊的に材料特性を測定する方法である。ＥＭＡＴは、電磁気的な作用（ローレンツ力または磁歪）によって非接触で超音波を送受信できるため、音響結合剤や遅延剤を必要としない。このため、ＥＭＡＴを用いるＥＭＡＲ法は、測定する材料内のエネルギ損失だけを正確に測定することができる。さらに、ＥＭＡＲ法は、ＥＭＡＴに超音波共鳴法を組み合わせることによって、共鳴状態での同位相の多重エコーを受信してＥＭＡＴのＳ／Ｎ比を向上させることができるため、低いことが知られるＥＭＡＴの変換効率を大幅に改善させることができる。
【００１４】
ＥＭＡＴとしては、ローレンツ力型のＥＭＡＴを用いても良く、磁歪型のＥＭＡＴを用いても良いが、強磁性を有するベイナイト組織を予測対象とすることから、磁歪型のＥＭＡＴを用いることが好ましい。磁歪型のＥＭＡＴとして、例えば、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴなどを用いても良い。
以下、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴを用いる場合を例として、本発明に係るベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を説明する。
【００１５】
図１が示すように、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴ１は、測定対象である試験片２の長軸方向に沿った静磁場を与えるソレイドコイル３と、円周方向に動磁場を与える蛇行コイル４とを備える。ＥＭＡＴ１が、軸対称ＳＨ波を発生させる原理は、以下の通りである。まず、ソレノイドコイル３に直流電流を流すことによって、試験片２の長軸方向に静磁場Ｈοを生じさせる。次に、蛇行コイル４に高周波電流を流すことによって、蛇行コイル４の直下において、静磁場に直交する方向に変動磁場Ｈωを励起させる。このため、図２が示すように、試験片２の表面は、これら２つの磁場の合成磁場Ｈｔ（Ｈο＋Ｈω）によって磁化される。なお、図２における蛇行コイル４の矢印の向きは、電流の流れる方向を示している。合成磁場を周期的に変動させると、磁歪のため周期的に試験片２の表面がせん断変形し、これが超音波源となって、軸対称ＳＨ波５を発生させることができる。
【００１６】
軸対称ＳＨ波は、試験片２の長軸方向に偏向し、円周方向に伝播する表面ＳＨ波である。軸対称ＳＨ波の長軸方向の変位を、ｒ、θ及びｚで表される円筒座標系で、ｕｚ（ｒ，θ，ｚ）とおくと、均質等方媒体に対する運動方程式は、下記式(１)で表される。
0005450905.tif 000002
（式中、ρは密度であり、μは剛性率である。）
【００１７】
また、周期境界条件である、ｕｚ（θ）＝ｕｚ(θ＋２π)を適用すると、変位ｕｚは、式（２）で表される。
0005450905.tif 000003
（式中、Ｒ（ｒ）は半径ｒに依存する変位振幅であり、ωはＳＨ波の角速度であり、ｎは整数である。）
【００１８】
式（２）を式（１）に代入して整理すると、式（３）になる。
0005450905.tif 000004
（式中、Ｖｓは横波の音速であり、√（μ／ρ）である。）
【００１９】
式（３）は、ベッセルの微分方程式であることから、その一般解は、ｃ１及びｃ２を用いて式（４）のように表すことができる。
0005450905.tif 000005
（式中、Ｊｎ及びＹｎは、それぞれ、ｎ次の第一種及び第二種ベッセル関数であり、ｒ’は、ｒω／Ｖｓとした。）
【００２０】
ここで、試験片２として中空の棒を用いる場合には、内外周表面では応力が０であるとの境界条件から、式（５）で表される振動数方程式が得られる。
0005450905.tif 000006
（式中、Ｒａ及びＲｂは、それぞれ、中空の棒の外半径及び内半径である。）
【００２１】
一方で、試験片２として中実の棒を用いる場合には、棒の中心でＲ（ｒ’）が有限値となるようにｃ２＝０であり、また、棒の表面で応カが０であるとの境界条件から、式(６)で表される振動数方程式が得られる。
0005450905.tif 000007
（式中、Ｋｓは波数であり、ω／Ｖｓである。また、Ｒａは、中実の棒の半径である。）
【００２２】
式（５）及び式（６）において、ｎは、蛇行コイル４のターン数であり、式（７）によって決まる１以上の整数である。
0005450905.tif 000008
（式中、δは、蛇行コイル４の平行部分の間隔であり、Ｒａは、中空の棒の外半径または中実の棒の半径である。）
例えば、δ＝０．９ｍｍの蛇行コイル４を用いた場合には、中空の棒（外径φ５６．５ｍｍ）を用いるとｎは９９となり、中実の棒（直径φ６ｍｍ）では１０となる。
式（５）または式（６）を解くことによって、共鳴周波数ｆｍ（ｎ）（但し、ｍは、１以上の整数である）が得られる。
【００２３】
共鳴周波数における減衰係数は、以下の方法で求めることができる。まず、ＥＭＡＴに高出力のバースト波信号を入力することによって、試験片２に超音波を励起させる。なお、高出力のバースト波信号は、当業者であれば適宜適切に設定することができるが、例えば、５０μｓ以下であっても良く、音速でバースト波の時間で２、３周周回するように設定しても良い。ＳＨ波が伝播し、蛇行コイル４の真下を通る度に、同じ蛇行コイル４によって受信される。周波数を掃引して受信信号の振幅を測定すると、例えば、図３に示すような、複数の共鳴ピークが観測できる。共鳴周波数ｆｍ（ｎ）は、式（５）または式（６）から求めることができる。なお、図３は、実施例で示すように、蛇行コイル４としてδが０．９ｍｍのものを用い、試験片２として、ベイナイト組織を有するクロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られた中空の棒（外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ）を用いた際の結果である。
単位時間当たりの超音波の減衰を表す減衰係数は、図４に示すように、各共鳴周波数において超音波を励起させて共鳴状態を作った後、超音波の残響を測定することによって図５に示すような減衰曲線を得、さらに、この減衰曲線に指数関数を近似することによって求めることができる。
【００２４】
共鳴周波数における音速は、式（５）および式（６）から求めることができる。
【００２５】
このようにして得られたベイナイト組織における、減衰係数及び損傷率の関係、並びに、音速及び損傷率の関係は、図６のようになる。図６が示すように、ある減衰係数においては、対応する損傷率が複数存在する。このため、減衰係数のみからでは、ベイナイト組織の損傷率を求めることができない。そこで、減衰係数から第１損傷率を求め、さらに、音速から第２損傷率を求め、これら第１損傷率と第２損傷率との両方に基づくことによって、精度が優れた補正損傷率を求めることができる。
補正損傷率を求める方法は、特に限定されないが、例えば、複数存在する第１損傷率のいずれか１つと第２損傷率とを平均することによって求めても良く、また、複数存在する第１損傷率の中から第２損傷率に最も近いものを選択し、この第２損傷率に最も近い第１損傷率と第２損傷率とを平均することによって、求めることが好ましい。
このようにして得られた補正損傷率から、ベイナイト組織のクリープ寿命を精度良く予測することができる。
【００２６】
上記の方法では、減衰係数から第１損傷率を求めたが、非線形超音波量から第１損傷率を求めても良い。
非線形超音波量は、ＥＭＲＡ法を用いて、共鳴周波数の移動を測定することによって求める（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下「ＮＲＵＳ法」ともいう）。具体的には、試験片２を比較的低振幅、例えば、１０−６オーダーのひずみ振幅、で加振し、加振力の変化に伴う試験片２の共鳴周波数の移動を測定する。試験片２として未損傷の試料を用いた場合には、図７に示すように、共鳴周波数の移動は観測されないが、試験片２として損傷している試料を用いた場合には、図８に示すように、共鳴周波数の移動が観測される。この共鳴周波数の移動量Δｆを、図７に示すような振幅依存性がない共鳴周波数ｆ０で割ることによって、非線形超音波量を求めることができる。
【００２７】
このようにして得られたベイナイト組織における非線形超音波量及び損傷率の関係を、音速及び損傷率の関係と並べて、図９に示す。減衰係数の場合と同様に、ある非線形超音波量においては、対応する損傷率が複数存在する。このため、非線形超音波量のみからでは、ベイナイト組織の損傷率を求めることができない。そこで、非線形超音波量から第１損傷率を求め、さらに、音速から第２損傷率を求め、これら第１損傷率と第２損傷率との両方に基づくことによって、精度が優れた補正損傷率を求めることができる。
補正損傷率を求める方法は、減衰係数から第１損傷率を求めた場合と同様である。このようにして得られた補正損傷率から、ベイナイト組織のクリープ寿命を精度良く予測することができる。
【実施例】
【００２８】
ベイナイト組織を有するクロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られた中空の棒（外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ、長さ３５．０ｍｍ）を試料として、温度が５５０℃、応力が１４５ＭＰａの条件下での、試料の長さ１０．０ｍｍの箇所における、共鳴周波数、減衰係数及び非線形超音波量を測定した。併せて、試料の長さ１０．０ｍｍの箇所における外径及び肉厚を測定した。
減衰係数は、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴ（蛇行コイルの平行部分の間隔δ０．９ｍｍ）及びＲＩＴＥＣ社製ＲＡＭ１００００を用いて測定した。非線形超音波量は、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴとＲＩＴＥＣ社製ＲＡＭ５０００を用いて、加振力を１０〜１００まで１０単位で変化させることによって測定した。試料の外径は、試料に酸化被膜がついたままの状態でノギスを用いて測定した。試料の厚さは、試料の酸化被膜を除去してから、パナメトリック社製Ｍｏｄｅｌ２６ＭＧ−ＸＴを用いて測定した。【００２９】
試料の外径及び肉厚の測定結果、並びに、ｆ１（９９）及びｆ２（９９）における共鳴周波数及び減衰係数の測定結果を表１に示す。また、ｆ１（９９）における減衰係数の測定結果を、図１０にグラフとして示す。【００３０】
【表１】
0005450905.tif 000009
【００３１】
図１０から明らかなように、ベイナイト組織を測定対象とした場合には、例えば０．００５μｓ−１のようなある減衰係数においては、対応する損傷率が複数存在し、減衰係数のみからではベイナイト組織の損傷率を求められないことが示された。【００３２】
また、ｆ１（９９）における、各振幅力に対する共鳴周波数を正規化することによって求めた、共鳴周波数の相対的移動量を図１１に示す。さらに、加振力１０の時の共鳴周波数を振幅依存性がない共鳴周波数であるｆ０とし、加振力が１００の時の共鳴周波数をｆｍａｘとして、Δｆ＝ｆ０−ｆｍａｘを求めることによって、図１１を非線形超音波量（Δｆ／ｆ０）ｘ１００に変換した結果を図１２に示す。
図１２から明らかなように、ベイナイト組織を測定対象とした場合には、例えば０．１０のようなある減衰係数においては、対応する損傷率が複数存在し、非線形超音波量のみからではベイナイト組織の損傷率を求められないことが示された。
【符号の説明】
【００３３】
１    ＥＭＡＴ
２    試験片
３    ソレイドコイル
４    蛇行コイル
５    軸対称ＳＨ波
【要約】
【課題】ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を提供する。
【解決手段】電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、共鳴周波数における超音波の変移を測定する工程と、共鳴周波数における音速を求める工程と、超音波の変移から前記ベイナイト組織の第１損傷率を求める工程と、音速からベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、第１損傷率及び第２損傷率に基づいてベイナイト組織の補正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。【図１】
0005450905.tif 000010
【図２】
0005450905.tif 000011
【図３】
0005450905.tif 000012
【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】
0005450905.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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