(57)【要約】      （修正有）【課題】スケールの全層はく離や部分はく離が生じた場合には、使用温度推定が特定できないという問題を解決し、簡便で汎用性があるフェライト鋼からなる伝熱管などの管材の使用温度を推定するフェライト鋼の使用温度推定方法などを提供する。【解決手段】ボイラ伝熱管など管材の内面に生成する水蒸気酸化スケールの内層スケール３の硬さ又は該内層スケール３におけるフェライト鋼メタル４の近傍の硬さとフェライト鋼メタル４の温度の関係を予め実験により関係式を定め、この関係式と前記水蒸気酸化スケール内層の硬さから使用温度を求めるフェライト鋼の使用温度推定方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ伝熱管をはじめとする管材として使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、
管材の内径面に生成する水蒸気酸化スケール内層の硬さとフェライト鋼メタル温度の関係を予め実験により求めて関係式を定め、この関係式と前記水蒸気酸化スケール内層の硬さから使用温度を求めることを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法。
【請求項２】
ボイラ伝熱管をはじめとする管材として使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、
管材の内面に生成する水蒸気酸化スケール内層のフェライト鋼メタル近傍の硬さとフェライト鋼メタル温度の関係を予め実験により求めて関係式を定め、この関係式と前記水蒸気酸化スケール内層のフェライト鋼メタル近傍の硬さから使用温度を求めることを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法。
【請求項３】
ボイラ伝熱管をはじめとする管材として使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、
管材の外径面に生成する高温酸化スケール内層の硬さとフェライト鋼メタル温度の関係を予め実験により求めて関係式を定め、この関係式と前記高温酸化スケール内層のフェライト鋼メタル近傍の硬さから使用温度を求めることを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法。
【請求項４】
ボイラ伝熱管に使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、請求項１〜３のいずれかに記載した使用温度推定方法に、管材の表面からはく離したスケールを利用することを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法。
【請求項５】
ボイラ伝熱管に使用されるフェライト鋼の寿命評価において、請求項１〜４のいずれかに記載した使用温度推定方法により求めた温度を用いてクリープ破断寿命を推定することを特徴とするフェライト鋼の寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電用ボイラ伝熱管等に使用されるフェライト鋼の使用温度推定方法などに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２排出低減及び発電効率向上のため、６５０℃級および７００℃級Ａ−ＵＳＣボイラの開発が推進されている。Ａ−ＵＳＣボイラを実現させるためには、現用鋼に比べて高強度なＮｉ基合金の開発に加えて、高強度フェライト鋼の開発も必要不可欠である。過熱器管や主蒸気管等の高温部に使用されるフェライト鋼の余寿命診断は、使用温度や燃料性状等に基づき、クリープ寿命評価や腐食量評価により実施されている。
【０００３】
クリープ寿命や腐食量に与える使用温度の影響は、高温になるほど大きくなるため、Ａ−ＵＳＣボイラで使用されるフェライト鋼の余寿命診断に用いられる使用温度はより一層重要な因子となる。
【０００４】
実機ボイラ高温部伝熱管の使用温度は、通常、負荷変動による温度変化や管内径面に発生するスケールの伝熱阻害による温度上昇のため、伝熱管の部位により異なる。このため、設計温度を用いた余寿命診断では実機を正確に予測できない可能性がある。また、実機使用温度の測定は、稼動中のボイラ炉内で多数の管の使用温度を簡単に計測する方法がないため、非常に困難である。
【０００５】
以上のことから、フェライト鋼のクリープ寿命評価や腐食量評価による余寿命診断を高精度に行うためには、実機使用温度を高精度に予測する必要があった。
この課題を解決するため、運転中の伝熱管の使用温度を推定する方法として以下に示すような提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３００６０１号公報
【特許文献２】特開２００３−３４４２６１号公報
【特許文献３】特開２０１１−６４３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１には、使用後の鋼材に析出した析出物質の含有率変化を利用して、使用温度を推定する方法が提案されている。しかし、前記析出物質の含有率を測定するために、析出物質のみをＩＣＰ発光分析およびＸ線回折分析により同定および定量化する必要があり、そのために操作が煩雑である。
【０００８】
また、上記特許文献２には、フェライト鋼の時効による硬さの変化を利用した使用温度の推定方法が提案されている。しかしこの方法は、温度、時間とともに硬さが単調に低下するフェライト鋼のみに適用可能であり、従って伝熱管の材質に制限があり、汎用性がない。
【０００９】
さらに、上記特許文献３には、フェライト鋼のスケール厚さを利用した使用温度の推定方法が提案されているが、この方法は、スケール厚さ、時間および温度の関係から求まるスケールの成長速度を用いて使用温度を推定するため、スケールの全層はく離や部分はく離が生じた場合には、推定使用温度が特定できないという問題がある。
【００１０】
このように、フェライト鋼からなる実機管の使用温度を幅広く簡便に推定する方法がないのが現状である。
本発明の課題は、スケールの全層はく離や部分はく離が生じた場合には、使用温度推定が特定できないという問題を解決し、簡便で汎用性があるフェライト鋼からなる伝熱管などの管材の使用温度を推定するフェライト鋼の使用温度推定方法などを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。  
請求項１記載の発明は、ボイラ伝熱管をはじめとする管材として使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、管材の内径面に生成する水蒸気酸化スケール内層の硬さとフェライト鋼メタル温度の関係を予め実験により求めて関係式を定め、この関係式と前記水蒸気酸化スケール内層の硬さから使用温度を求めることを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法である。
【００１２】
請求項２記載の発明は、ボイラ伝熱管をはじめとする管材として使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、管材の内面に生成する水蒸気酸化スケール内層のフェライト鋼メタル近傍の硬さとフェライト鋼メタル温度の関係を予め実験により求めて関係式を定め、この関係式と前記水蒸気酸化スケール内層のフェライト鋼メタル近傍の硬さから使用温度を求めることを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法である。
【００１３】
請求項３記載の発明は、ボイラ伝熱管をはじめとする管材として使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、管材の外径面に生成する高温酸化スケール内層の硬さとフェライト鋼メタル温度の関係を予め実験により求めて関係式を定め、この関係式と前記高温酸化スケール内層のフェライト鋼メタル近傍の硬さから使用温度を求めることを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法である。
【００１４】
請求項４記載の発明は、ボイラ伝熱管に使用されるフェライト鋼の使用温度を推定する方法において、請求項１〜３のいずれかに記載した使用温度推定方法に、管材の表面からはく離したスケールを利用することを特徴とするフェライト鋼の使用温度推定方法である。
【００１５】
請求項５記載の発明は、ボイラ伝熱管に使用されるフェライト鋼の寿命評価において、請求項１〜４のいずれかに記載した使用温度推定方法により求めた温度を用いてクリープ破断寿命を推定することを特徴とするフェライト鋼の寿命評価方法である。
（作用）
本発明により、ボイラの定期点検時に評価対象となるフェライト鋼製伝熱管内面の水蒸気酸化スケールの内層硬さなどを測定することにより、運転時の使用温度を推定することができ、材料の寿命評価に適用できる。さらに、異常な温度など不適合がある部位を早期に発見することが可能となり、伝熱管の噴破などのトラブルを未然に防ぐことができる。
【００１６】
なお、本発明はボイラの伝熱管に限らず、例えば、蒸気タービン周りの主蒸気管、再熱器管などの高温の過熱蒸気を内部に流すメタルからなるフェライト鋼製の管材を用いる場合に適用できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ボイラ伝熱管などの管材として使用されるフェライト鋼の使用温度を推定することが可能となり、寿命評価を行うことができるので、ボイラ等の予防保全に貢献できる。また、高価な装置も必要なく、経済的で汎用性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る高温で使用された前後のフェライト鋼製伝熱管の表面近傍を表した模式図（図１（ａ）使用前と図１（ｂ）使用後）である。
【図２】本発明に係る６００〜７００℃の水蒸気中で１万時間試験後の１１Ｃｒフェライト鋼の水蒸気酸化スケール内層硬さとフェライト鋼メタルとスケールとの界面からの距離の関係図である。
【図３】本発明に係る試料を研磨して試料の表面に現れたスケールを鏡面仕上げした斜視図である。
【図４】本発明の効果を説明するためのフェライト鋼メタルとスケールとの界面から２０μｍの位置にある内層スケール硬さとメタル温度の関係図である
【図５】本発明の効果を説明するための管の円周方向の応力σとＬＭＰとの関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について図面および式を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
まず、フェライト鋼からなる伝熱管の内径面に生成する水蒸気酸化スケールについて説明する。
図１は高温で使用された後のフェライト鋼製伝熱管の表面近傍を表した模式図である。フェライト鋼メタル４が置かれる雰囲気には高温のＨ２ＯやＯ２の分子からなる気体１が存在する。図１（ａ）に示す伝熱管の内径面に水蒸気が存在する高温雰囲気で使用すると図１（ｂ）に示すように水蒸気酸化スケールが生成する。前記水蒸気酸化スケールは外層スケール２と内層スケール３の２層構造となる。外層スケール２は鉄の外方拡散によって生成する鉄酸化物(Ｆｅ３Ｏ４)で、内層スケール３は酸素の内方拡散によって生成する鉄とクロムの酸化物(（Ｆｅ，Ｃｒ）３Ｏ４)である。
【００２１】
外層スケール２の性状は温度や材料成分の影響を受けないが、内層スケール３は材料や温度によってスケール中の性状（Ｃｒ含有量）が異なる傾向にある。そこで、内層スケール３に着目し、鋭意研究を重ねた結果、内層スケール３の硬さが温度に強く依存することを知見した。
【００２２】
図２は６００〜７００℃の水蒸気中で１万時間試験後の１１Ｃｒフェライト鋼の水蒸気酸化スケールの内層スケール３の硬さ（Ｈｖ）と当該フェライト鋼のメタル４の界面Ｓ（図１（ｂ）参照）からの距離（μｍ）の関係を示す。
【００２３】
内層スケール３の硬さは温度の増加に伴い低下し、特にメタル界面Ｓの近傍で温度依存性が顕著であることが分かった。そこで、メタルの界面Ｓから２０μｍの位置にある内層スケール３の硬さとメタルの温度の関係について整理した。その結果を図４に示す。内層スケール３の硬さと温度はほぼ直線関係にあり、下式で示されることが分かった。
【００２４】
Ｔ＝−０．３５２Ｈｖ＋８２０．６  （１）
ここで、Ｔは１１Ｃｒフェライト鋼のメタル温度（℃）、Ｈｖは内層スケール３の硬さ（Ｈｖ)である。
【００２５】
例えば、実機で使用された１１Ｃｒフェライト鋼の水蒸気酸化スケールの内層スケール３におけるメタル界面Ｓから２０μｍの位置での硬さが５５０Ｈｖとした場合、使用温度は（１）式から６２７℃と予測することができる。  
【００２６】
このように、内層スケール３の硬さを測定することだけで実機の使用温度を推定することができるので、簡便でかつ汎用性のある手法である。
なお、本実施例では管材用のメタルとして１１Ｃｒフェライト鋼を使用したが、Ｃｒ量が大きく異なる場合は同じ温度でも内層スケール３の硬さが変化するため、別途内層スケール３の硬さと温度の関係を整理する必要がある。
【００２７】
また、近似式については、内層スケール３の硬さと温度の関係を線形近似式で表すと良い相関を示したので採用したが、データ数の変化等により関係式も変化する可能性があり、公知の対数近似式や多項近似式等の他の関数を使用してもよい。
【実施例２】
【００２８】
上記実施例１では、水蒸気酸化スケールの内層スケール３のメタルとの界面Ｓから２０μｍの位置における内層スケール３の硬さから使用温度を推定する方法を示したが、特にこれに限定するものではなく、前記水蒸気酸化スケールの内層スケール３におけるメタル界面Ｓから２０μｍの位置以外の位置の内層スケール３の硬さや内層スケール３の全体の硬さの平均硬さ、あるいは内層スケール３の硬さの最大値など、他の指標の内層硬さから使用温度を推定することも可能である。
【実施例３】
【００２９】
上記実施例１では、伝熱管内面側に生成する水蒸気酸化スケールの内層スケール３の硬さから使用温度を推定する方法を示したが、伝熱管の管外径面側に生成する高温酸化スケールも管内径面側に生成する水蒸気酸化スケールと同様に高温酸化スケールからなる２層構造となることから、高温酸化スケールの内層側の高温酸化スケールの硬さから使用温度を推定することも可能である。前記高温酸化スケールを用いた使用温度推定は、伝熱管の外径面側から採取したスケールにより評価ができるので、抜管せずに推定できる特徴がある。
【実施例４】
【００３０】
上記実施例１〜３では、管内径面および管外径面に生成し、かつ管表面に残存した状態の水蒸気酸化スケールまたは高温酸化スケールから使用温度を推定する方法を示したが、はく離して管の途中に設けたストラップなどに堆積しているはく離スケールあるいは前記のような管表面からスケールを採取し、該スケールをエポキシ樹脂などの樹脂に埋めた後に研磨し、その後、該スケール部分の断面方向から内層スケールの硬さを測定することにより、使用温度を推定することも可能である。その方法は、よく知られているように、次のようにして行う。
【００３１】
すなわち、はく離したスケールを熱硬化性エポキシ樹脂などに埋め込み、加圧加熱成形して試料を作成する。次いで試料を研磨して、図３に斜視図で示すように熱硬化性エポキシ樹脂などからなる試料６の表面に現れたスケール７を鏡面仕上げする。前記鏡面状のスケール７の表面に現れる金属組織を観察し、内層スケールを確認し、その硬度を測定する。
【００３２】
なお、管内径面からの水蒸気酸化スケールや管外径面からの高温酸化スケールのはく離スケール（飛散スケール）を評価に用いる場合、スケールの内層を特定する必要があるが、 ＥＤＸ分析（Energy dispersive X-ray spectrometry）等による組成分析によって、Ｃｒが存在する酸化スケールを内層であると特定できる。また、飛散スケールでは低合金鋼と高Ｃｒ鋼のスケールが混在する可能性があるが、ＥＤＸ等による組成分析でのスケール中のＣｒ量の濃度から、低合金鋼か高Ｃｒ鋼かの判断は容易にできる。
【実施例５】
【００３３】
上記実施例１〜４では管内径面および管外径面に生成した水蒸気酸化スケールおよび高温酸化スケールの内層硬さから使用温度を推定する方法を示したが、ここでは、上記実施例１〜４で得られた使用温度推定方法により求めた温度を用いたフェライト鋼の寿命評価方法について説明する。
【００３４】
図５は応力とクリープ破断データを温度と時間を一元化したＬＭＰとの関係を表したものである。ＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）は温度と時間の関数で下式で表される。
ＬＭＰ＝Ｔ×（ｌｏｇｔ＋Ｃ）        （２）
ここで、Ｔは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは定数である。
【００３５】
また、管の円周方向の応力（σ）は、下式で示す平均径の式より算出できる。
σ＝Ｐ×（ＯＤ−ｔ）／（２ｔ）        （３）
ここで、Ｐは内圧（ＭＰａ）、ＯＤは外径（ｍｍ）、ｔは管厚（ｍｍ）である。
【００３６】
円周方向応力（σ）は設計データから求めることができるので、この応力においてクリープ破断するＬＭＰは図５から算出できる。ＬＭＰは（２）式で示したように温度と時間の関数であるので、フェライト鋼の温度推定方法により求めた使用温度を用いることで、クリープ破断時間が算定できる。
【００３７】
このようにして、本発明により推定した使用温度を用いて、フェライト鋼のクリープ破断寿命を推定することも可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  管内面又は管外面のガス雰囲気
２  管内面又は管外面に生成する酸化スケールの外層
３  管内面又は管外面に生成する酸化スケールの内層
４  フェライト鋼製伝熱管
６  試料
７  スケール
【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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