(57)【要約】【課題】オーステナイト系ステンレス鋼で構成される機械部品が置かれる環境を考慮した寿命評価とすることで、該機械部品の寿命評価の精度を向上させる。【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼からなり、複数の異なる温度及び応力環境に対応した析出物析出量を有する複数のサンプル片を用意する準備工程と、複数のサンプル片を用い、クリープボイド個数密度とクリープによる寿命消費率との関係を示す第１の関係線図を作成する第１の線図作成工程と、寿命評価対象となる機械部品の析出物析出量を計測する計測工程と、計測した機械部品の析出物析出量に対し、対応する析出物析出量を有するサンプル片を選択する選択工程と、機械部品のクリープボイド個数密度を計測し、このクリープボイド個数密度と選択されたサンプル片の第１の関係線図から機械部品のクリープによる寿命消費率を求める寿命評価工程とからなる。【選択図】図２
2014142304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温及び応力負荷環境下で運転される機械部品を構成するオーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価方法において、
オーステナイト系ステンレス鋼からなり、複数の異なる温度及び応力環境に対応した析出物析出量を有する複数のサンプル片を用意する準備工程と、
前記複数のサンプル片を用い、クリープボイド個数密度とクリープによる寿命消費率との関係を示す第１の関係線図を作成する第１の線図作成工程と、
寿命評価対象となる機械部品の析出物析出量を計測する計測工程と、
計測した前記機械部品の析出物析出量に対し、対応する析出物析出量を有するサンプル片を選択する選択工程と、
前記機械部品のクリープボイド個数密度を計測し、このクリープボイド個数密度と選択されたサンプル片の前記第１の関係線図から前記機械部品のクリープによる寿命消費率を求める寿命評価工程とからなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価方法。
【請求項２】
前記複数の温度及び応力環境が、時間経過に伴って温度勾配があり、かつ応力が負荷される高負荷環境と、一定温度でかつ応力が負荷される中負荷環境と、一定温度で応力が負荷されない低負荷環境とに分類され、
前記低負荷環境から前記高負荷環境に向かって、対応する析出物析出量として順々に高い析出物析出量を設定することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価方法。
【請求項３】
時効時間及び温度に基づいて設定された時効パラメータと、オーステナイト系ステンレス鋼の析出物析出量との関係を示す第２の関係線図を作成する第２の線図作成工程をさらに含み、
前記準備工程において、前記第２の関係線図から前記複数のサンプル片の析出物析出量を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温及び応力負荷環境下に置かれたオーステナイト系ステンレス鋼の予寿命を精度良く推定可能な寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼は、低温から高温までの温度域で、強度、靱性などの機械的性質及び溶接性などに優れており、幅広い用途に使用されている。火力プラントのボイラなど、６００℃以上の高温条件下で使用される機器の構成材料としても、オーステナイト系ステンレス鋼が広く使用されている。火力プラントのボイラ等は、高温高圧環境下で運転されるので、ボイラ等を構成するオーステナイト系ステンレス鋼は、長期に亘る運転によりクリープ損傷が蓄積されることがある。
【０００３】
クリープ損傷とは、高温及び応力負荷環境下で放置しておくと、材料の引張強度以下の応力でも歪が発生し、これによって、クリープボイド（微小な空洞）や結晶粒の粗大化、さらには微視き裂が発生する現象である。微視き裂が大きくなると、ついには破断に至る場合もある。そのため、オーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価を精度良く行うことで、機器の安全な運転を確保する必要がある。図３は、機械部品の表面に発生したクリープボイドの一例を示す。
【０００４】
従来、オーステナイト系ステンレス鋼のクリープ損傷度を評価する方法として、以下の手法を行っている。一つの手法として、評価対象となる材料を切り出してクリープ破断試験等の破壊試験法を用い、クリープ損傷度を評価している。別な手法として、評価対象となる材料の使用された温度、圧力、時間から、強度低下前の未使用材の強度を用い、応力解析法によってクリープ損傷度を推定する手法がある。
【０００５】
さらに、別な手法として、まず、レプリカ法によって評価対象となる材料の表面の金属組織を観察し、発生したクリープボイドの個数密度を計測する。次に、計測した個数密度を、実験室で取得したクリープボイドの個数密度とクリープによる寿命消費率（破断までの時間を１００％とする寿命消費率）との関係線図（図４）に当てはめることで、寿命消費率を非破壊的に評価する手法がある。
【０００６】
特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼の表面のクリープボイド及び粒界析出物の結晶粒界方向の長さを計測し、粒界損傷線密度（単位面積当たりのクリープボイドの結晶粒界方向長さの合計値）、及び粒界損傷率（単位面積当たりの粒界析出物の結晶粒界方向長さの合計値）を求め、予め実験室での試験によって求めてあるこれらの値と寿命消費率との関係を示す線図に、計測値を当てはめることで、オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率を求めている。
【０００７】
オーステナイト系ステンレス鋼は、高温に曝されると、しばしば低温靱性が低下する。これは、ＦｅとＣｒの金属間化合物であるσ相や炭化物が析出することが主な原因である。このσ相や炭化物の析出がオーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費率を増加させることが知られている。特許文献２には、オーステナイト系ステンレス鋼のσ相の析出量と、高周波領域における超音波の減衰率との間に相関があることに着目し、超音波探傷法を用いて非破壊的に寿命消費率を予測する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−０３４６２５号公報
【特許文献２】特開平０８−０２９４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
破壊試験法は評価対象となる機械部品の強度を低下させると共に、機械部品の補修が必要となるので、なるべく避けたい評価方法である。応力解析法はほぼ確立された手法であるが、精度はさほど良くない。
近年、オーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価を短期間で非破壊的に行うニーズが増えている。しかし、従来の非破壊的評価方法は、一定温度、一定応力下での静的な環境で行われる実験室での試験の結果に基づいて評価を行っている点に問題がある。実際に用いられている機械部品では、温度分布（熱勾配）や温度変動等があり、このような環境下で発生するクリープ損傷は、静的な環境での実験結果とは必ずしも一致しない。そのため、実際に機械部品が置かれた温度及び応力負荷の環境を加味した試験を行うことで、寿命評価の精度を向上させる必要がある。
【００１０】
特許文献１に開示された非破壊的評価方法も、静的な環境で行われる実験室試験の結果に基づいて、粒界損傷線密度や粒界損傷率を求めており、機械部品が実際に置かれた環境下での実験結果とは一致しないという問題がある。特許文献２に開示された非破壊的評価方法も、同様に、静的な実験室試験の結果であり、また、超音波の減衰率とクリープによる寿命消費率との相関は、特許文献２中の図３に示すように、バラツキがあり、さらに精度が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、オーステナイト系ステンレス鋼で構成される機械部品が置かれる環境を考慮した寿命評価とすることで、該機械部品の寿命評価の精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的を達成するため、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価方法は、高温及び応力負荷環境下で運転される機械部品を構成するオーステナイト系ステンレス鋼の寿命評価方法であって、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、複数の異なる温度及び応力環境に対応したσ相や炭化物等の析出物の析出量を有する複数のサンプル片を用意する準備工程と、これら複数のサンプル片を用い、クリープボイド個数密度とクリープによる寿命消費率との関係を示す第１の関係線図を作成する第１の線図作成工程と、寿命評価対象となる機械部品の析出物析出量を計測する計測工程と、計測した前記機械部品の析出物析出量に対し、対応する析出物析出量を有するサンプル片を選択する選択工程と、機械部品のクリープボイド個数密度を計測し、このクリープボイド個数密度と選択されたサンプル片の第１の関係線図から機械部品のクリープによる寿命消費率を求める寿命評価工程とからなる。
【００１３】
オーステナイト系ステンレス鋼の寿命消費過程は、前半で、結晶粒界にσ相や炭化物が析出し、後半で、σ相や炭化物に隣接してクリープボイドが形成される。本発明方法は、機械部品を構成するオーステナイト系ステンレス鋼のクリープ損傷の進行程度が組織の状態により異なること、及び組織の変化が機械部品が置かれた温度及び応力負荷の環境下で異なることを考慮した寿命評価を行う。本発明者等は、厳しい温度及び応力環境にあるオーステナイト系ステンレス鋼ほど、σ相や炭化物等の析出物の析出の進行が早くなることを見い出した。そのため、機械部品の置かれた温度及び応力負荷の環境の違いを、一義的に析出物析出量の違いに置き換えるようにしている。即ち、寿命消費の初期の段階で機械部品の析出物析出量を計測し、この析出物析出量からその後の寿命消費の推移を複数のパターンに分けて推定する。
【００１４】
まず、準備工程で、複数の異なる温度及び応力負荷の環境に対応した析出物析出量を有する複数のサンプル片を用意する。次に、これらのサンプル片を用いて、クリープボイド個数密度とクリープによる寿命消費率（以下「寿命消費率」という。）との関係を示す第１の関係線図を作成する。一方、寿命評価対象となる機械部品の析出物析出量を計測し、この析出物析出量に対応した析出物析出量を有するサンプル片を選択する。次に、選択されたサンプル片の第１の関係線図から機械部品の寿命消費率を求める。
【００１５】
このように、機械部品が置かれた温度及び応力負荷の環境を一義的に析出物析出量に置き換えることで、簡便な手法で、機械部品が置かれた温度及び応力負荷の環境を考慮した寿命消費率を求めることができる。そのため、寿命消費率の精度を向上できる。
【００１６】
本発明の一態様として、複数の温度及び応力環境を、時間経過に伴って温度勾配があり、かつ応力が負荷される高負荷環境と、一定温度でかつ応力が負荷される中負荷環境と、一定温度で応力が負荷されない低負荷環境とに分類し、低負荷環境に対応した析出物析出量から高負荷環境に対応した析出物析出量に向かって、順々に高い析出物析出量を設定する。
前記３つの負荷環境は、通常、機械部品が置かれると思われる負荷環境である。これによって、通常の負荷環境において、精度良い寿命消費率を求めることができる。
【００１７】
また、本発明者等は、時効時間及び温度に基づいて設定された時効パラメータを用いることで、複数のサンプル片の析出物析出量を決定するのが容易になることを見い出した。即ち、本発明の一態様として、この時効パラメータとオーステナイト系ステンレス鋼の析出物析出量との関係を示す第２の関係線図を形成し、準備工程において、第２の関係線図から複数のサンプル片の析出物析出量を決定するようにする。これによって、実際の負荷環境に即した析出物析出量を設定できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、寿命消費の前半段階で析出する析出物の析出量に基づいて、寿命消費の後半段階で発生するクリープボイドと寿命消費率との相関を表す線図を選択することで、オーステナイト系ステンレス鋼が置かれた温度及び応力負荷環境を考慮した精度良い寿命予測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係り、時効パラメータと析出物析出量との関係を示す線図である。
【図２】前記実施形態に係り、寿命消費率とクリープボイド個数密度との関係を示す線図である。
【図３】クリープボイドが発生した金属表面の金属組織図である。
【図４】クリープによる寿命消費率とクリープボイド個数密度との一般的な関係を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、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い。
【００２１】
本発明の一実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。本実施形態では、オーステナイト系ステンレス鋼で構成される機械部品のクリープ損傷の進行程度が、結晶粒界に析出する析出物の析出量によって異なること、及び析出物析出量が機械部品が置かれた温度及び応力環境によって異なることを考慮し、クリープ損傷の指標としてのクリープボイドの形成状況と寿命消費率との相関を表す線図を作成する。特許文献２のように、従来の寿命評価でも、析出物の影響を加味する例があるが、これは等温度状態の実験室での試験で評価したものであり、実際の温度及び応力負荷環境を考慮していない。
【００２２】
図１に、析出物の析出量と時効パラメータとの関係を示す線図である。ここで、横軸となる時効パラメータは、「Ｔ×（Ｃ＋ｌｏｇ（ｔ））」で示され、Ｔは温度（Ｋ）、Ｃは定数、ｔは時間（ｈ）である。図１において、縦軸は、析出物の析出量を示し、析出物の析出量を領域イ、領域ロ及び領域ハに区分する。領域イと領域ロとの境界は、例えば、析出物の形成が主に粒界にある場合で粒界の交点を中心とする領域イと粒界全体で形成される領域ロのように設定する。また、領域ロと領域ハとの境界は、例えば、析出物の形成が粒内でも明瞭に生じる領域ハのようにして設定する。
【００２３】
曲線Ａは、一定温度及び応力無負荷状態の環境下で行った実験結果を示し、曲線Ｂは、一定温度及び応力負荷状態の環境下で行った実験結果を示し、曲線Ｃは、時間経過と共に一定の温度勾配を有し、かつ応力負荷状態の環境下で行った実験結果を示している。
【００２４】
次に、領域イ、領域ロ及び領域ハの夫々に属する析出物析出量を有するサンプル片を用意する。この場合、図１の関係線図を目安に、これらサンプル片の析出物析出量を選定する。次に、これらサンプル片のクリープボイド個数密度（一定面積中に発生したクリープボイドの個数）を計測しながら、クリープ試験及び中途止め状態における検査を行う。これらの試験及び検査により、図２に示す、クリープボイド個数密度と寿命消費率との関係線図を作成する。図２において、寿命曲線Ｘは、領域イの析出物析出量を有するサンプル片の試験結果であり、寿命曲線Ｙは、領域ロの析出物析出量を有するサンプル片の試験結果であり、寿命曲線Ｚは、領域ハの析出物析出量を有するサンプル片の試験結果である。
【００２５】
なお、クリープボイド個数密度の計測は、機械部品が薄肉材の場合、レプリカ法等を用いて、表面のクリープボイド個数を計測すればよい。しかし、厚肉材の場合、内部のクリープボイド個数を計測しないと、正確な寿命消費率を予測できない。
【００２６】
次に、オーステナイト系ステンレス鋼で構成され、寿命評価対象となる機械部品の析出物析出量を計測する。そして、この機械部品の析出物析出量が領域イ、ロ又はハのうち、どの領域に属するかを確認する。次に、この機械部品が属する領域に対応したサンプル片及び該サンプル片の寿命曲線を選択する。そして、この機械部品のクリープボイド個数密度を計測し、図２から、この機械部品の寿命消費率を求める。
【００２７】
時効試験のような静的状態（一定温度及び応力無負荷状態）での試験と比べて、クリープ試験のような応力負荷の状況では、析出物の析出は促進される傾向がある。そのため、従来行った等温状態での寿命評価は、温度勾配や温度変動があり、かつ応力が負荷された環境下にある機械部品の寿命評価においては、これらの影響を反映していない。
【００２８】
理想的には、温度勾配をもたせた試験片を用いてクリープ試験を行い、中途止め状態での検査結果を反映させた評価線図を作成するとよい。しかし、このような試験は実施が困難であり、現実的ではない。そこで、本実施形態では、予め析出物を析出させた状態でクリープ試験や中途止め状態での検査を行う。これによって、温度及び応力環境が異なる環境下での寿命曲線を得ることができる。
【００２９】
本実施形態によれば、寿命評価対象となる機械部品が置かれた温度及び応力環境の違いを、析出物の析出量の違いに置き換え、この機械部品の寿命消費の初期の段階で計測した析出物析出量に基づいて、この機械部品が置かれた温度及び応力環境を考慮した寿命評価が可能になる。従って、精度良い寿命消費率を予測できる。また、図２に示すように、時効パラメータと析出物析出量との相関を示す相関線図を作成することで、実際に機械部品が置かれた温度及び応力環境に対応した析出物析出領域の設定が容易になる。さらに、寿命消費率を精度良く推定できるので、機械部品の残存寿命を精度良く推定できるため、機械部品の保守管理に貢献できる。
【００３０】
実際に、ボイラプラントに組み込まれ、オーステナイト系ステンレス鋼（１８Ｃｒ系鋼）で構成された蒸気配管の寿命評価を、本実施形態の方法によって行った。この結果から、本発明方法によれば、従来の寿命評価方法と比べて、精度良い寿命予測結果を得ることができた。
【００３１】
なお、前記実施形態では、温度及び時効時間のみを考慮し、機械部品に負荷される応力を考慮しない時効パラメータを用いたが、負荷応力も考慮した時効パラメータを用いるようにしてもよい。これによって、さらに実際の温度及び応力負荷環境に即した寿命評価が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼で構成される機械部品が置かれる環境を考慮した寿命評価が可能になり、機械部品の寿命評価の精度を向上できる。
【符号の説明】
【００３３】
イ、ロ、ハ                              析出物析出量領域
Ｃｖ                                    クリープボイド
Ｘ、Ｙ、Ｚ                              寿命曲線
【図１】
2014142304.tif 000003
【図２】
2014142304.tif 000004
【図４】
2014142304.tif 000005
【図３】
2014142304.tif 000006