(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温機器に使用される高強度耐熱鋼の母材部若しくは溶接熱影響部のクリープ損傷の評価方法において、
前記クリープ損傷の評価部位における旧オーステナイト粒界と亜結晶粒界とを区別せずにいずれかの隣り合った結晶粒界間の結晶方位角度差が３°以上の方位角度差を持つ結晶粒の、クリープ損傷経過に基づく平均粒径変化の挙動を、前もって生成した該結晶粒径とクリープ損傷度合の対応線図若しくはマップに基づいて比較することによりクリープ損傷度合の評価を行うことを特徴とする高精度クリープ損傷評価方法。
【請求項２】
フェライトおよびパーライトの二相組織を有するフェライト鋼の母材部、オーステナイト系ステンレス鋼の母材部、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイト組織を基本とするフェライト耐熱鋼の溶接熱影響部の細粒域、若しくはオーステナイト系ステンレス鋼の溶接熱影響部の粗粒域で、
前記隣り合った結晶粒界間の方位角度差が３°以上の方位角度差を持つ結晶粒界の、クリープ損傷経過に基づいて減少する平均粒径変化の挙動を、前もって生成した該結晶粒とクリープ損傷度合の対応線図若しくはマップに基づいて比較することによりクリープ損傷度合の評価を行うことを特徴とする請求項１記載の高精度クリープ損傷評価方法。
【請求項３】
焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイト組織を基本とするフェライト系耐熱鋼の母材部若しくはその溶接熱影響部の粗粒域、若しくはフェライトおよびパーライトの二相組織を基本とするフェライト鋼の溶接熱影響部の粗粒域で、
前記隣り合った結晶粒界間の方位角度差が３°以上の方位角度差を持つ結晶粒界の、クリープ損傷経過に基づいて増加する平均粒径変化の挙動を、前もって生成した該結晶粒径とクリープ損傷度合の対応線図若しくはマップに基づいて比較することにより、クリープ損傷度合の評価を行うことを特徴とする請求項１記載の高精度クリープ損傷評価方法。
【請求項４】
前記マップが所定応力単位毎に生成された前記隣り合った結晶粒界間の結晶方位角度差が３°以上の方位角度差を持つ結晶粒の結晶粒径とクリープ損傷度合の対応線図を応力幅毎に複数枚重ね合わせた３次元マップであり、前記評価部位における負荷応力に基づいて前記マップより対応する線図を選択若しくは補間計算をして、該選択若しくは補完された線図よりクリープ損傷度合の評価を行うことを特徴とする請求項１、２若しくは３記載の高精度クリープ損傷評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントなどに使用される高強度耐熱鋼のクリープ損傷の程度を短時間で精度良く求める評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
わが国の火力発電プラントは、昭和３０年から４０年にかけて集中的に建設されたため、現在では全プラントの半数以上が１０万時間以上の長時間に亘って運転されている状況にある。これらのプラントを今後も安全に使用していくためには、精度の高い寿命評価を行って適切なメンテナンスを行っていく必要がある。従来からクリープ寿命の評価には、破壊試験が最も信頼性が高く、評価方法としてよく用いられているが、試験に時間を要し、他の方法に比べて費用がかかるのが問題となっていた。最近では、破壊試験に代えて、より簡便な金属組織学的な評価方法などが適用されている。
【０００３】
また、最近の高蒸気条件発電プラントには、高強度フェライト系鋼やオーステナイト系ステンレス鋼が使用されているが、クリープ損傷に伴う組織変化が軽微なため、金属組織学的な手法が適用できずにいた。そのため簡便な硬さ測定によるクリープ損傷評価方法などが提案されている。
【０００４】
例えば本出願人は、フェライト系耐熱鋼の溶接部の余寿命を評価する方法において、該耐熱鋼の溶接熱影響部及び母材の硬さを測定し、上記溶接熱影響部の硬さと母材の硬さの差と、溶接熱影響部のクリープ損傷度との関係を示す基準線図に、調査位置の溶接熱影響部硬さ或いは溶接熱影響部と母材の硬さの差を当てはめることによって該耐熱鋼の寿命を評価することを特徴とするフェライト系耐熱鋼の余寿命評価方法を提案している。（特開平２−２４８８６０）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらかかる従来技術においても硬さの測定精度の問題や、熱処理及び時効などクリープ損傷以外の影響によっても、硬さは変化するため、クリープ損傷評価の精度に問題が残っている。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、例えば火力発電プラントなど、高温機器に使用される耐熱鋼、特に、フェライトおよびパーライトの二相組織を基本とするフェライト鋼、マルテンサイト組織を基本とする高強度フェライト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス鋼等の夫々の母材部および溶接継手等の溶接熱影響部のクリープ損傷評価を精度良く且つ短時間でできるクリープ損傷評価方法を提案する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
さて、近年組織解析機器および研究が進歩して、最近プラントに使用され始めた高強度耐熱鋼のクリープ損傷に伴う微細組織の変化を解明できるようになった。
耐熱鋼の微細組織は、隣り合った結晶間の結晶方位角度差（以下方位差という）が大きな旧オーステナイト粒と、その旧オーステナイト粒内中に隣り合った結晶間の方位差が略２〜３°近くの比較的小さな亜結晶粒（サブグレイン）で構成されている。クリープ損傷とともに、それらの結晶粒径が大径化したり小径化したりする挙動を、前もって生成した該結晶粒径とクリープ損傷率の対応線図やマップに基づいて比較することにより、短時間で精度のよいクリープ損傷評価ができることを見出した。即ち本発明の特徴は、３°以上の方位差を持つ結晶粒の平均粒径の変化でクリープ損傷評価を行うもので、簡単に言えば、旧オーステナイト粒および亜結晶粒を区別しなくても、現状の機器（ＥＢＳＰ）などで観察される最小の結晶粒径の変化を測定すれば、基準図と比較してクリープ損傷評価が可能という点である。
そこで本発明は火力発電のボイラー用鋼管のように、高温機器に使用される高強度耐熱鋼の母材部若しくは溶接熱影響部のクリープ損傷の評価方法において、
前記クリープ損傷の評価部位における旧オーステナイト粒界近傍の亜結晶粒界と旧オーステナイト粒界の隣り合った結晶粒界間の結晶方位角度差が３°以上の方位角度差を持つ結晶粒の、クリープ損傷経過に基づく平均粒径変化の挙動を、前もって生成した該結晶粒径とクリープ損傷度合の対応線図若しくはマップに基づいて比較することによりクリープ損傷度合の評価を行うことを特徴とする。
【０００７】
具体的には、フェライトおよびパーライトの二相組織を有するフェライト鋼の母材部、オーステナイト系ステンレス鋼の母材部、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイト組織を基本とするフェライト耐熱鋼の溶接熱影響部の細粒域、若しくはオーステナイト系ステンレス鋼の溶接熱影響部の粗粒域で、
前記クリープ損傷の評価部位における結晶方位角度差が略２〜３°以上の方位差を持つ結晶粒の、クリープ損傷経過に基づいて減少する平均粒径の挙動を、前もって生成した該結晶粒とクリープ損傷度合の対応線図若しくはマップに基づいて比較するのがよく、
又、焼戻しマルテンサイト又は焼戻しベイナイト組織を基本とするフェライト系耐熱鋼の母材部若しくはその溶接熱影響部の粗粒域、若しくはフェライトおよびパーライトの二相組織を基本とするフェライト鋼の溶接熱影響部の粗粒域で、
前記クリープ損傷の評価部位における結晶方位角度差が３°以上の方位差を結晶粒の、クリープ損傷経過に基づいて増加する平均粒径変化の挙動を、前もって生成した亜結晶粒径とクリープ損傷度合の対応線図若しくはマップに基づいて比較するのがよい。
【０００８】
ここで通常結晶粒は、旧オーステナイト粒のことを指し、すべての耐熱鋼で観察される。その結晶粒界は、大傾角粒界と称され、結晶粒界間の結晶方位角度差が２０°前後といわれている。また、亜結晶粒は旧オーステナイト粒と異なって、小傾角粒界で囲まれた領域のことを指し、結晶粒界間の結晶方位角度差が１〜３°と非常に小さい。そのため粒界が不安定で、クリープ変形などによって、粒界が移動し易い。亜結晶粒は旧オーステナイト粒内中に存在し、粒径は旧オーステナイトよりも小さい。
【０００９】
さて、このクリープ損傷度合と平均粒径の関係は、使用温度による影響は小さいものの、応力によって影響されるので、クリープ損傷評価対象部分に負荷されている応力毎のクリープ損傷率と平均粒径の関係を事前に求めておくことが望ましい。
従って前記クリープ損傷率と平均粒径の関係を示すカーブは、ある程度幅を持たせた応力毎に複数個作成してマップ化（図６のグラフ図を応力幅毎に複数枚重ね合わせた３次元マップ）し、これを選択するか若しくは補間計算により求めておくことが好ましい。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記マップが所定応力単位毎に生成された前記隣り合った結晶粒界間の結晶方位角度差が３°以上の方位角度差を持つ結晶粒の結晶粒径とクリープ損傷度合の対応線図を応力幅毎に複数枚重ね合わせた３次元マップであり、前記評価部位における負荷応力に基づいて前記マップより対応する線図を選択若しくは補間計算をして、該選択若しくは補完された線図よりクリープ損傷度合の評価を行うことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
以下、本発明のクリープ損傷評価の試験手順を順を追って説明する。
先ず、供試材の母材として火力発電のボイラー等に使用される熱交換器ボイラー用鋼管を使用した。
具体的には材質はフェライト鋼２種類とオーステナイト系ステンレス鋼１種類でその詳細は下記に記す通りである。
１．フェライト鋼
１Ａ．フェライトおよびパーライトの二相組織を基本とするフェライト鋼
ＪＩＳ  ＳＴＢＡ２４  （２.２５Ｃｒ−１Ｍｏ）φ５０.８×ｔ９.５ｍｍ
１Ｂ．焼戻しマルテンサイト組織を基本とする高強度フェライト系耐熱鋼
火ＳＴＢＡ２８＊（９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ）φ５４.０×ｔ１０.２ｍｍ
２．オーステナイト系ステンレス鋼
火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ＊（１８Ｃｒ−８Nｉ−Ｎｂ）φ４５.０×ｔ１１.２ｍｍ
＊旧資源エネルギー庁監修、水力、火力、電気設備の技術基準の解釈  別表１で定められたボイラ、熱交換ステンレス鋼管
【００１２】
上記３種類の母材について、図１上段に示すＵ字形開先形状のものを図１下段に示す溶接条件にて多層積層溶接にて継ぎ手溶接を行った。
【００１３】
次に前記母材と溶接継ぎ手夫々の３種類の供試材から試験片を採取した。すなわち、母材部および溶接部からそれぞれ図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すクリープ試験片を研削加工により切り出した。
【００１４】
【表１】
0003643806.tif 000002
【００１５】
クリープ試験条件は、前記１Ａの（ＳＴＢＡ２４）の母材と溶接継手においては５５０℃×１１０ＭＰａで、又前記１Ｂの（火ＳＴＢＡ２８）の母材と溶接継手においては６００℃×１３０ＭＰａ、更に前記２の（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）の母材と溶接継手においては６５０℃×１３０ＭＰａによって行った。
この結果、クリープ中途止め時間とクリープ損傷率の関係は表１に示すとおりとなった。
【００１６】
次にクリープ途中止め試験片の平行部から小片を切り出し、応力負荷方向に平行に樹脂埋めし、エメリー紙の♯１２００まで研磨後、最終的に０．１μｍのダイアモンドペーストで鏡面になるように仕上げた。
研磨面は加工層を除去するため１０％過塩素酸・エタノール溶液中で約１５Ｖの電位をかけ、電解研磨を行った。
【００１７】
次にそれらの試料片を結晶方位解析装置で測定した。
結晶方位解析装置は、公知のＥＢＳＰ（Electron  Backscatter  Diffraction  Pattern）法に基づいて行う。ＥＢＳＰ法は、空間分解能（μｍ）０.１μｍ、測定深さ０.０５μｍ、角度範囲±４０°方位精度０.５°、と、方位精度や分解能はＴＥＭ／菊池線法に及ばないものの、ＥＣＰ（Electron  Channeling  Pattern）法などに比較して空間分解能が高く特に図３に示すように、電子線３１が当てられる試料３２を約７０°傾斜した状態でセットし、出てきたＴＥＭ／菊池パターンを表面をリン酸コーテイング３３したＴＶカメラ３４にて取り込み、観察／解析を行うＳＥＭを用いるので、バルクの試料で観察可能なために、試料の準備が比較的容易であること、そして一点当たりの指数付けが圧倒的に早いことなどで、優れた特徴を有す。この結果材料の個々の隣り合った結晶粒又は亜結晶粒の方位角度差を定量的に評価できる。
【００１８】
そして前記ＳＥＭにより得られた結晶方位像のうち、結晶方位差が２〜３°以上の界面を境界とみなして、その平均粒径を見積もった。ここでは結晶方位が比較的大きな旧オーステナイト粒界中に含まれる隣り合った結晶の方位差が比較的小さな微細結晶を亜結晶粒と呼ぶことにする。
【００１９】
図４及び図５にその亜結晶粒のクリープ損傷に伴う組織変化の模式図を示す。図４は（ＳＴＢＡ２４）および（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）の母材部、（火ＳＴＢＡ２８）の溶接熱影響部（細粒域）および（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）の溶接熱影響部（粗粒域）の結晶変化の模式図で、クリープ損傷率が０→０.５→０.９と増加するに連れ、旧オーステナイト粒界１中に亜結晶粒界２形成され、その平均亜結晶粒径が小さくなることが理解できる。
又図５は（ＳＴＢＡ２４）の溶接熱影響部（粗粒域）と、（火ＳＴＢＡ２８）の母材および溶接熱影響部（粗粒域）の結晶粒変化の模式図で、クリープ損傷率が０→０.５→０.９と増加するに連れ、旧オーステナイト粒界１中に存在していた亜結晶粒界２が減少し、その平均粒径が大きくなっていることが理解できる。ここでは、亜結晶粒界と同様の粒界性状をもつマルテンサイトおよびベイナイトラスも亜結晶粒として取り扱った。
【００２０】
また、クリープ損傷に伴う結晶方位差及び平均結晶粒径の測定結果を表２及び表３に示す。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
【表３】
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【００２３】
表２は（ＳＴＢＡ２４）の母材（２.２５Ｃｒ−１Ｍｏ）のクリープ損傷率に伴う旧オーステナイト粒界１（Ａ〜Ｄ）と亜結晶粒界２（Ａ１〜Ｄ３、Ａ１・１〜Ｄ３）の隣接した結晶の方位差と平均結晶粒径を示す。
表３は（火ＳＴＢＡ２８）のクリープ損傷率に伴う旧オーステナイト粒界１（Ａ〜Ｈ）と亜結晶粒界２（Ａ１〜Ｇ１）の隣接した結晶の方位差と平均結晶粒径を示す。
尚、亜結晶粒界２は結晶方位差の小さな粒界、それに対して旧オーステナイト粒界１は大傾角粒界と呼ばれており、一般的に結晶方位差が大きい。
表２及び表３の結晶の表記は図４及び図５に対応する。
【００２４】
表２及び表３において、母材及び溶接熱影響部で亜結晶粒の粒径変化挙動は異なったが、亜結晶粒平均径は図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す挙動をとることがわかった。
即ち、図６（Ａ）に示すように母材では、（ＳＴＢＡ２４）および（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）ではクリープ損傷とともに平均粒が小さくなるのに対して、（火ＳＴＢＡ２８）では、逆に大きくなるよなカーブを描く。
図６（Ｂ）に示すように溶接継手部では、（ＳＴＢＡ２４）および（火ＳＴＢＡ２８）の溶接熱影響部の粗粒域でクリープ損傷とともに平均粒径は大きくなり、（火ＳＴＢＡ２８）の溶接熱影響部の粗粒域及び（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）の溶接熱影響部の粗粒域で平均粒径はクリープ損傷前に比較して、さらに微細化することがわかった。
このクリープ損傷率と平均粒径の関係は、試験温度による影響は小さいものの、応力によって影響されるので、クリープ損傷評価対象部分に負荷されている応力のクリープ損傷率と平均粒径の関係を事前に求めておくことが望ましい。
従って前記クリープ損傷率と平均粒径の関係を示すカーブは、ある程度幅を持たせた応力毎に複数個作成し、マップ化（図６のグラフ図を応力幅毎に複数枚重ね合わせた３次元マップ）しておくことが好ましい。
このようにマップ作成後、下記の図７に示すフローチャート図に基づいてクリープ損傷評価を行う。
（Ｓ１）  評価材料の選択：例えば（ＳＴＢＡ２４）、（火ＳＴＢＡ２８）、（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）か否か。
（Ｓ２）  評価対象部の選択：母材か又は溶接熱影響部の粗粒域か細粒域か？
（Ｓ３）  材料と評価対象部に対応するマップ選択
（Ｓ４)  クリープ損傷評価対象部分に負荷応力の選択
（Ｓ５)  前記選択したマップより対応する応力／材料／評価対象部に対応する結晶方位２〜３°以上の結晶粒もしくは亜結晶粒の平均粒径とクリープ損傷率関係図のグラフ選択。
（Ｓ６）  試料片をＳＥＭを用いた結晶方位解析装置で、結晶方位と平均粒径を測定し、結晶方位３°以上の結晶粒もしくは亜結晶粒の平均粒径を測定する。
（Ｓ７)  前記（Ｓ５)で選択したグラフ図に測定した平均粒径を当てはめてクリープ損傷率を求める。
以上のようにクリープ損傷率と平均粒径の関係グラフを用いて、実機プラントから採取した小片の結晶粒もしくは亜結晶粒径を測定し、対応をとることで、短時間で高精度のクリープ損傷評価が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、従来から精度の高い寿命評価法として知られているクリープ破壊試験のような長時間試験が不要で、同等の精度を保つクリープ損傷評価を極短時間で実施できる。そのため、クリープ損傷を受けた発電プラントの耐圧部の寿命評価を精度よく行って、残寿命を正確に見積もることができ、プラントの信頼性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｕ字形開先形状のものの、溶接前の開先形状（上段）、多層積層溶接にて継ぎ手溶接を行う溶接条件（下段）を示す。
【図２】  本実施例に適用する供試片形状と溶接部からの試験片採取要領を示す。
【図３】  公知のＥＢＳＰ法に基づく結晶方位パターンの観察／解析を行うＳＥＭ装置。
【図４】  結晶粒あるいは亜結晶粒のクリープ損傷に伴う組織変化の模式図で、（ＳＴＢＡ２４）および（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）の母材部、（火ＳＴＢＡ２８）の溶接熱影響部（細粒域）および（火ＳＵＳＴＰ３４７Ｈ）の溶接熱影響部（粗粒域）の結晶粒変化の模式図である。
【図５】  （ＳＴＢＡ２４）の溶接熱影響部（粗粒域）と（火ＳＴＢＡ２８）の母材および溶接熱影響部（粗粒域）の結晶粒変化の模式図である。
【図６】  亜結晶粒の粒径変化とクリープ損傷率との関係を示すグラフ図で、（Ａ) は母材の性質、（Ｂ)は溶接熱影響部による変化を示す。
【図７】  母材の性質及び溶接熱影響部で亜結晶粒の方位差と粒径変化からクリープ損傷率を求めるまでのフロー図である。
【符号の説明】
１    旧オーステナイト粒界（Ａ〜Ｄ）（Ａ〜Ｈ）
２    亜結晶粒界（Ａ１〜Ｄ３、Ａ１−１〜Ｄ３）（Ａ１〜Ｇ１）
３    母材
【図１】
0003643806.tif 000005
【図２】
0003643806.tif 000006
【図３】
0003643806.tif 000007
【図４】
0003643806.tif 000008
【図５】
0003643806.tif 000009
【図６】
0003643806.tif 000010
【図７】
0003643806.tif 000011