(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低合金鋼の金属組織における結晶粒界と析出物相との間の無析出物帯幅の情報に基づいて、前記低合金鋼の使用期間中の推定温度を求めるステップと、
前記低合金鋼の厚さを測定して、前記低合金鋼の酸化スケールの生成に伴って減肉する前記低合金鋼の前記使用期間中の実測減肉速度を求めるステップと、
前記低合金鋼の温度と前記低合金鋼の全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに複数示すマスターカーブに、前記低合金鋼の前記推定温度及び前記実測減肉速度をあてはめて前記低合金鋼の余寿命を推定するステップとを有することを特徴とする低合金鋼の余寿命診断方法。
【請求項２】
前記マスターカーブは、時間ごとの低合金鋼の損傷率を累積した累積損傷率と時間との相関を、前記低合金鋼の温度ごとに示した累積損傷率カーブに基づいて得られたものであり、
前記累積損傷率は、前記低合金鋼の減肉に伴って増加する前記損傷率の時間ごとの増加分を算出して、前記増加分を累積して求められることを特徴とする請求項１に記載の低合金鋼の余寿命診断方法。
【請求項３】
前記マスターカーブは、異なる前記減肉速度ごとに求めた複数の前記累積損傷率カーブから得られたものであることを特徴とする請求項２に記載の低合金鋼の余寿命診断方法。
【請求項４】
前記低合金鋼は、Ｃｒ及びＭｏを含み、前記Ｃｒが２．６０質量％以下、前記Ｍｏが１．１３質量％以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の低合金鋼の余寿命診断方法。
【請求項５】
低合金鋼の金属組織における結晶粒界と析出物相との間の無析出物帯幅の情報に基づいて、前記低合金鋼の使用期間中の推定温度を求める温度データ処理部と、
前記低合金鋼の温度と前記低合金鋼の全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに複数示すマスターカーブを格納する記憶部と、
前記低合金鋼の厚さを測定して得られた、前記低合金鋼の酸化スケールの生成に伴って減肉する前記低合金鋼の前記使用期間中の実測減肉速度と、前記低合金鋼の前記推定温度とを、前記マスターカーブにあてはめて前記低合金鋼の余寿命を算出する余寿命算出部とを有することを特徴とする低合金鋼の余寿命診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電設備のボイラ等に用いられる低合金鋼の余寿命診断方法及び余寿命診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所などの発電設備におけるボイラは、燃料を燃焼させる火炉と、火炉内に設置された過熱器や再過熱器等の熱交換器とを有する。過熱器や再過熱器にはボイラチューブと呼ばれる、合金鋼からなる細い配管が用いられており、ボイラチューブを通して、火炉内で加熱された水蒸気がタービンへと送られる。ボイラチューブは、熱を効率的に利用するために多くの本数が使用されており、また、ボイラチューブの一部は、燃料を燃焼させる火炉の中に設置されている。
【０００３】
したがって、ボイラチューブはクリープ破断等による損傷が発生しやすく、ボイラチューブの損傷は機器の故障につながることから、合金鋼の余寿命を予測して、適切な時期に機器のメンテナンス、交換を行うことが必要である。合金鋼の余寿命を診断する方法として、以下に示すような種々の方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断方法の一種であるＡパラメータ法について記載されている。Ａパラメータ法は、金属組織を観察して、ボイドが発生した粒界の数と観察粒界の総数との比率から余寿命を求める方法である。特許文献１には、金属組織を観察する際に複数の仮想参照線を描き、仮想参照線と交差するボイドの数が最も多い向きの仮想参照線を参照線と決定する方法が記載されている。これにより、参照線を描く向きの精度を高めて、余寿命診断の精度を向上させることができる。
【０００５】
特許文献２には、高Ｃｒ合金鋼の表面に生成した析出物の面積率を算出することにより合金鋼の脆化の度合いを判定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１０４７４２号公報
【特許文献２】特開２００９−０９２４７８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Thuy  Dang  Nguyen,  Kota  Sawada,  Hideaki  Kushima,  Masaaki  Tabuchi,  Kazuhiro  Kimura  「Change  of  precipitate  free  zone  during  long-term  creep  in  2.25Cr-1Mo  steel」  Materials  Science  &  Engineering  A  591  (2014)  130-135
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ボイラチューブには、Ｃｒ、Ｍｏの含有量が少ない低合金鋼が用いられており、ボイラチューブは高温の環境で長時間使用されるため、ボイラチューブを構成する低合金鋼の内面及び外面に酸化スケールが生成する。この酸化スケールの生成に伴って低合金鋼の肉厚が減少して、低合金鋼に発生する応力が大きくなるため、推定した余寿命の誤差が生じて、推定された余寿命よりも減肉した低合金鋼の実際の余寿命が短くなる可能性がある。
【０００９】
また、低合金鋼の温度の測定が困難な場合に、ボイラチューブの内面に生成する酸化スケールの厚さを実測して、酸化スケールの厚さから低合金鋼の使用温度を推定する方法が知られている。しかし、酸化スケールが剥離する場合や化学洗浄等により酸化スケールの厚さが変化する場合があるため、実際に生成した酸化スケールの厚さよりも実測した酸化スケールの厚さが薄く測定されるおそれがある。この場合、推定した低合金鋼の温度が実際の温度よりも低く推定されるため、精度良く低合金鋼の余寿命を推定することができない場合が生じる。
【００１０】
非特許文献１には、Ｃｒ２．２５質量％、Ｍｏ１質量％を含有する低合金鋼について、金属組織を観察して、結晶粒界と、析出物相との間に発生する無析出物帯（ＰＦＺ、Precipitate  free  zone）の幅から低合金鋼の温度を推定する方法が記載されている。しかし、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉を考慮した余寿命の診断方法については記載されていない。
【００１１】
特許文献１に記載されている余寿命診断方法は、ボイドが発生する箇所が、例えば溶接部など限られた部分であり、火炉の外側に位置する非加熱部のボイラチューブ等には適用できない。特許文献２に記載されている析出物の面積率による余寿命診断方法は、析出物が大きくなった状態は、すでに合金鋼のクリープ損傷や脆化が進行している状態であり、合金鋼の損傷が進行する前の適切な時期に余寿命を精度良く診断することが困難である。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決して、酸化スケールの生成による低合金鋼の減肉が生じた場合においても精度よく余寿命を推定することが可能な低合金鋼の余寿命診断方法及び余寿命診断装置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】
【００１３】
本発明の一態様による低合金鋼の余寿命診断方法は、低合金鋼の金属組織における結晶粒界と析出物相との間の無析出物帯幅の情報に基づいて、前記低合金鋼の使用期間中の推定温度を求めるステップと、前記低合金鋼の厚さを測定して、前記低合金鋼の酸化スケールの生成に伴って減肉する前記低合金鋼の前記使用期間中の実測減肉速度を求めるステップと、前記低合金鋼の温度と前記低合金鋼の全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに複数示すマスターカーブに、前記低合金鋼の前記推定温度及び前記実測減肉速度をあてはめて前記低合金鋼の余寿命を推定するステップとを有する。
【００１４】
また、本発明の他の態様による低合金鋼の余寿命診断装置は、低合金鋼の金属組織における結晶粒界と析出物相との間の無析出物帯幅の情報に基づいて、前記低合金鋼の使用期間中の推定温度を求める温度データ処理部と、前記低合金鋼の温度と前記低合金鋼の全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに複数示すマスターカーブを格納する記憶部と、前記低合金鋼の厚さを測定して得られた、前記低合金鋼の酸化スケールの生成に伴って減肉する前記低合金鋼の前記使用期間中の実測減肉速度と、前記低合金鋼の前記推定温度とを、前記マスターカーブにあてはめて前記低合金鋼の余寿命を算出する余寿命算出部とを有する。
【００１５】
上述した本発明の一態様又は他の態様によれば、低合金鋼の金属組織における無析出物帯の幅の情報に基づいて低合金鋼の温度を推定しているため、ボイドの数を評価する方法や析出物の面積を評価する方法に比べて、評価する低合金鋼の場所や時期の制約が少なく、簡便に低合金鋼の温度を推定することができる。また、低合金鋼の温度と全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに示した１つのマスターカーブに対して、推定した低合金鋼の温度と、実測により求められた減肉速度との２つのパラメータをあてはめることにより、低合金鋼の余寿命が求められる。したがって、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉が生じた場合であっても、精度良く低合金鋼の余寿命を推定することができる。
【００１６】
本発明の望ましい態様として、前記マスターカーブは、時間ごとの低合金鋼の損傷率を累積した累積損傷率と時間との相関を、前記低合金鋼の温度ごとに示した累積損傷率カーブに基づいて得られたものであり、前記累積損傷率は、前記低合金鋼の減肉に伴って増加する前記損傷率の時間ごとの増加分を算出して、前記増加分を累積して求められることが好ましい。これによれば、低合金鋼の減肉による損傷率の時間ごとの増加分を含めたマスターカーブが得られる。したがって、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉が生じた場合であっても、低合金鋼の余寿命を精度よく推定することができる。
【００１７】
本発明の望ましい態様として、前記マスターカーブは、異なる前記減肉速度ごとに求めた複数の前記累積損傷率カーブから得られたものであることが好ましい。これによれば、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉速度と、低合金鋼の温度とをパラメータに含めたマスターカーブを得ることができる。
【００１８】
本発明の望ましい態様として、前記低合金鋼は、Ｃｒ及びＭｏを含み、前記Ｃｒが２．６０質量％以下、前記Ｍｏが１．１３質量％以下であることが好ましい。この組成範囲であれは、低合金鋼の金属組織における無析出物帯幅の情報から、低合金鋼の温度を推定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る低合金鋼の余寿命診断方法及び低合金鋼の余寿命診断装置は、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉が生じた場合であっても、精度良く低合金鋼の余寿命を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施形態に係るボイラの構造を説明するための説明図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る低合金鋼の余寿命診断装置の構成図である。
【図３】図３は、低合金鋼の余寿命診断方法を説明するフロー図である。
【図４】図４は、低合金鋼の金属組織における無析出物帯幅を説明するための模式図であり、初期状態における低合金鋼の金属組織を示す模式図である。
【図５】図５は、低合金鋼の金属組織における無析出物帯幅を説明するための模式図であり、長時間使用後における低合金鋼の金属組織を示す模式図である。
【図６】図６は、無析出物帯幅とＬＭＰ値との関係を模式的に示すグラフである。
【図７】図７は、低合金鋼に生成する酸化スケールを説明するための、ボイラチューブの模式断面図である。
【図８】図８は、低合金鋼の温度と全寿命との相関を減肉速度ごとに示したマスターカーブである。
【図９】図９は、本実施形態に係るマスターカーブを求める方法を説明するフロー図である。
【図１０】図１０は、累積損傷率と時間との相関を模式的に示すグラフである。
【図１１】図１１は、累積損傷率と時間との相関を、低合金鋼の温度ごとに示した累積損傷率カーブである。
【図１２】図１２は、実施例における低合金鋼の漏洩部の金属組織を観察した写真である。
【図１３】図１３は、実施例における低合金鋼の健全部の金属組織を観察した写真である。
【図１４】図１４は、低合金鋼の漏洩部の金属組織から求められた無析出物帯幅の値を示す表である。
【図１５】図１５は、低合金鋼の健全部の金属組織から求められた無析出物帯幅の値を示す表である。
【図１６】図１６は、実施例における無析出物帯幅とＬＭＰ値との関係を模式的に示すグラフである。
【図１７】図１７は、実施例における累積損傷率カーブを示すグラフである。
【図１８】図１８は、実施例におけるマスターカーブを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る低合金鋼の余寿命診断方法及び余寿命診断装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施形態に記載された方法、装置及び変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
【００２２】
図１は、実施形態に係る火力発電所等の発電設備を構成するボイラの構造を説明するための説明図である。図１に示すように、ボイラ１は、火炉２と、火炉２の内部に配置された過熱器４及び再過熱器５を有している。過熱器４及び再過熱器５等を有する熱交換器には、ボイラチューブ８と呼ばれる細い配管が多数用いられている（図１では省略して各１本のみ示している）。図１に示すように、ボイラチューブ８は、火炉２内に位置する加熱部８ａと、加熱部８ａから連続して火炉２の外側に延びる非加熱部８ｂとを有する。火炉２内に微粉炭機３から微粉炭が供給されて、火炉２内で微粉炭が燃焼する。そして、火炉２内に配置された過熱器４のボイラチューブ８の内部で水蒸気が加熱されて過熱蒸気が生成し、過熱蒸気は、過熱器４からタービン（図示しない）へと送り出される。そして、タービン（図示しない）から取り出された蒸気は、火炉２内の再過熱器５に戻されてボイラチューブ８内で再加熱され、再度タービンへと送られる。
【００２３】
本実施形態の余寿命診断方法及び余寿命診断装置は、ボイラチューブ８を構成する低合金鋼の余寿命について、特に、火炉２の外側に位置する非加熱部８ｂの低合金鋼の余寿命を診断する方法について説明する。なお、本明細書において、低合金鋼とは添加元素の合計が５質量％以下の鋼である。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る低合金鋼の余寿命診断装置の構成図である。図２に示すように、本実施形態の余寿命診断装置１０は、入力部１５と、記憶部１６と、処理部２０と、出力部１７とを有する。なお、余寿命診断装置１０は、必要に応じてキーボード等の入力手段や、液晶ディスプレイ等の表示装置（図２では省略して示す）を備える。図２に示すように、入力部１５と処理部２０とは、バス５１を介して接続されている。また、記憶部１６と処理部２０とはバス５２を介し接続され、処理部２０と出力部１７とはバス５３を介して接続されている。
【００２５】
本実施形態の余寿命診断装置１０は、ＳＥＭ（Scanning  Electron  Microscope）等の外部の画像処理装置１１から、低合金鋼の金属組織の無析出物帯（ＰＦＺ、Precipitates  free  zone）幅の情報が得られる。なお、無析出物帯幅及び無析出物帯幅の測定方法については後述する。低合金鋼の金属組織の無析出物帯幅（ＰＦＺ幅）のデータは、入力部１５に入力される。その他に、タイマー１２から得られたボイラチューブ８の使用期間ｔｓや、低合金鋼の肉厚の測定器１３から得られたボイラチューブ８の形状のデータ等、低合金鋼の余寿命診断に必要なデータが入力部１５に入力される。入力部１５は、これらのデータを処理する回路部を有しており、入力された各データは処理部２０が利用できる適切な信号に変換される。
【００２６】
記憶部１６は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）等の揮発性メモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ、ハードディスクドライブ、あるいはこれらの組み合わせにより構成される。記憶部１６には、低合金鋼の余寿命診断方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや、無析出物帯幅（ＰＦＺ幅）とＬＭＰ値との相関を示すマスターカーブや、低合金鋼の温度と全寿命との相関を、低合金鋼の減肉速度ごとに示したマスターカーブ等の各種データが格納されている。
【００２７】
図２に示すように、処理部２０は、温度データ処理部２１と、余寿命算出部２２と、制御部２３、減肉速度算出部２４とを有している。制御部２３によって、処理部２０における各部の処理の実行や、各部同士のデータや処理結果等の受け渡しが制御される。また、入力部１５から処理部２０への各種データの受け渡しや、記憶部１６に格納されたデータについて記憶部１６から処理部２０への受け渡しについても、制御部２３が制御することができる。処理部２０では、入力部１５に入力された無析出物帯幅の情報や、記憶部１６に格納されたマスターカーブに基づいて、低合金鋼の余寿命を診断することが可能である。本実施形態において、処理部２０は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）やメモリ等を組み合わせて構成される。
【００２８】
処理部２０で得られた低合金鋼の余寿命診断結果は、出力部１７に出力される。出力部１７は、余寿命診断結果を表示部１８に表示させることができ、あるいは、余寿命診断結果を出力信号として外部回路（図示しない）に出力することができる。
【００２９】
次に、低合金鋼の余寿命診断装置１０を用いた余寿命診断方法について説明する。図３は低合金鋼の余寿命診断方法を説明するフロー図である。
【００３０】
まず、低合金鋼の金属組織における結晶粒界と析出物相との間の無析出物帯幅の情報が、入力部１５に入力される（ステップＳＴ１１）。低合金鋼の金属組織における無析出物帯幅の情報は、外部の画像処理装置（ＳＥＭ）１１を用いて測定される。図４及び図５は、低合金鋼の金属組織における無析出物帯幅を説明するための模式図であり、図４は初期状態における低合金鋼の金属組織を示す模式図であり、図５は長時間使用後における金属組織を示す模式図である。
【００３１】
ボイラチューブ８には、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を添加したフェライト系の合金鋼であって、Ｃｒ、Ｍｏの添加量が少ない低合金鋼が一般的に用いられている。本実施形態において、ボイラチューブ８を構成する低合金鋼として、Ｃｒ２．２５質量％、Ｍｏ１質量％を含有するクロムモリブデン鋼であるＳＴＢＡ２４が用いられている。本実施形態の低合金鋼は、図４に示すように、フェライト６１とパーライト６２とが混在した金属組織を有している。図４に示すように、低合金鋼が加熱されるとフェライト６１の粒内に、主に炭化物からなる析出物６４が析出する。高温状態でさらに長時間使用されると、図５に示すように、各析出物６４の大きさが大きくなるとともに、フェライト６１同士の結晶粒界６３及びフェライト６１とパーライト６２との結晶粒界６３に析出物６５が析出して、結晶粒界６３の近傍で析出物６４が消失する。これにより、フェライト６１の各粒内において、析出物相６６と無析出物帯（ＰＦＺ：precipitates  free  zone）６７とが発生する。析出物相６６は、各粒内の中央部で析出物６４が析出している領域である。また、無析出物帯６７は、結晶粒界６３の近傍で析出物６４が消失することにより発生し、析出物相６６を囲んで結晶粒界６３と析出物相６６との間に形成される領域である。
【００３２】
結晶粒界６３と析出物相６６との間の無析出物帯幅（ＰＦＺ幅）６８を測定するために、まず、ボイラチューブ８から低合金鋼のレプリカを採取する。本実施形態において、レプリカは、図１に示す火炉２よりも外側に位置するボイラチューブ８の非加熱部８ｂから採取する。非加熱部８ｂのレプリカ採取箇所について、外表面をグラインダー等で鏡面研磨して、エッチング処理が施される。その後、レプリカ採取箇所にプラスチックフィルムを張り付けて金属組織を転写することで、レプリカが採取される。そして、採取したレプリカに、必要に応じて金蒸着等の処理を施して、図２に示す画像処理装置（ＳＥＭ）１１を用いて、低合金鋼の金属組織の画像が得られる。
【００３３】
次に、画像処理装置（ＳＥＭ）１１により得られた画像から、無析出物帯幅６８を測定する。無析出物帯幅６８の測定方法は、特に限定されず、例えば、複数の結晶粒の無析出物帯幅６８をランダムに測定し平均値を算出する方法や、所定の方向に参照線を描いて、参照線と交差する無析出物帯幅６８の平均値を算出する方法等が挙げられる。なお、各結晶粒の無析出物帯幅６８の測定は、図５の矢印６８に示すように、結晶粒界６３の各辺の中央部で測定することが好ましい。結晶粒界６３の各辺の中央部では、結晶粒界６３同士が交差して形成される角部と比較して、析出物相６６の外縁と結晶粒界６３とが略平行に形成される。したがって、結晶粒界６３の各辺の中央部で測定することにより無析出物帯幅６８の測定ばらつきが低減される。また、図５に示すように、無析出物帯６７は、フェライト６１同士の結晶粒界６３の近傍、及びフェライト６１とパーライト６２との結晶粒界６３の近傍の両方に発生するが、無析出物帯幅６８の測定はいずれを測定してもよい。しかし、温度５５０℃程度以上では、無析出物帯６７は主にフェライト６１同士の結晶粒界近傍に発生するため、フェライト６１同士の結晶粒界６３にて無析出物帯幅６８の測定を行うことが好ましい。
【００３４】
以上のような方法で測定された、低合金鋼の金属組織における結晶粒界６３と析出物相６６との間の無析出物帯幅６８の情報が、入力部１５に入力された後、温度データ処理部２１は、入力部１５から無析出物帯幅６８の情報を受け取って、ＬＭＰ（Larson-Miller  Parameter）の値を算出する（ステップＳＴ１２）。非特許文献１に記載されているように、長時間加熱された低合金鋼（ＳＴＢＡ２４）について、無析出物帯幅６８とＬＭＰとの相関があることが知られている。ここで、ＬＭＰは、応力（強度）を時間及び温度の関数で表した時間温度パラメータの一つであり、式（１）で表される。式（１）に示すＴは低合金鋼の温度であり、ｔｒはクリープ破断時間（全寿命）である。
【００３５】
ＬＭＰ＝（Ｔ＋２７３）×（ｌｏｇｔｒ＋２０）          （１）
【００３６】
図６は、無析出物帯幅６８とＬＭＰとの関係を模式的に示すグラフである。図６に示すように、ＬＭＰが所定の値以下の範囲では、無析出物帯幅６８はほとんど変化せず、ＬＭＰが所定の値以上では、ＬＭＰが大きくなるにしたがって無析出物帯幅６８が増大する傾向を示す。この無析出物帯幅６８とＬＭＰとの相関を示すデータは、あらかじめ図２に示す余寿命診断装置１０の記憶部１６に、マスターカーブとして格納されている。温度データ処理部２１は、記憶部１６に格納された無析出物帯幅６８とＬＭＰとの相関を示すマスターカーブを読み込む。そして、図６に示すように、入力部１５から受け取った無析出物帯幅６８の情報（ＷＰＦＺ）の値をマスターカーブにあてはめることにより、測定された無析出物帯幅６８の情報（ＷＰＦＺ）に対応するＬＭＰ値が算出される。
【００３７】
次に温度データ処理部２１は、入力部１５に入力された既知の値である低合金鋼の使用期間ｔｓのデータを受け取るとともに、あらかじめ記憶部１６に格納された下記の式（２）を読み込む。そして、温度データ処理部２１は、ステップＳＴ１２で算出されたＬＭＰ値と、入力部１５から受け取った低合金鋼の使用期間ｔｓとを用いて、式（２）から低合金鋼の使用期間中の推定温度Ｔｓを算出する（ステップＳＴ１３）。
【００３８】
Ｔｓ＝ＬＭＰ／（ｌｏｇｔｓ＋２０）−２７３          （２）
【００３９】
以上のように、温度データ処理部２１において、低合金鋼の金属組織における無析出物帯幅６８の情報に基づいて、低合金鋼の使用期間中の推定温度が算出される。無析出物帯幅６８の情報に基づいて低合金鋼の温度を推定しているため、従来から知られているボイドの数を評価する方法に比べて、適用できる箇所が溶接部等に限定される等の制約が少なく、本実施形態に示すように非加熱部８ｂの低合金鋼においても温度の推定が可能である。また、析出物の面積を評価する方法に比べて、低合金鋼の損傷が進行する前の適切な時期に温度を推定することができる。したがって、本実施形態によれば、簡便に低合金鋼の温度を推定することができる。
【００４０】
次に、実際に測定された低合金鋼の肉厚に基づいて、減肉速度算出部２４が低合金鋼の実測減肉速度を算出する。（ステップＳＴ１４）。図７は、低合金鋼に生成する酸化スケールを説明するための、ボイラチューブの模式断面図である。図７に示すように、本実施形態のボイラチューブ８は、管状の低合金鋼８２を有している。ボイラチューブ８は高温の環境下で使用され、また、内部に高温の水蒸気等が存在する状態で使用されるため、図７に示すように、低合金鋼８２の内面側には内面側酸化スケール８５が生成するとともに、外面側には外面側酸化スケール８６が生成する。なお、図７に示すＬはボイラチューブ８の外径であり、Ｐはボイラチューブ８の内圧である。
【００４１】
内面側酸化スケール８５及び外面側酸化スケール８６は、低合金鋼８２の鉄が外方に拡散することによって生成し、鉄の酸化物（Ｆｅ３Ｏ４）が主成分である。なお、低合金鋼８２の内面側には、低合金鋼８２と内面側酸化スケール８５との間に図示しない内層スケールが生成され、内面側酸化スケール８５と内層スケール（図示しない）との２層構造となる。内層スケールは、酸素が低合金鋼８２の内方に拡散することにより生成し、鉄とクロムの酸化物（（Ｆｅ、Ｃｒ）３Ｏ４）が主成分である。図７に示すように酸化スケール（内面側酸化スケール８５及び外面側酸化スケール８６）の生成に伴って、低合金鋼８２の厚さが減肉する。
【００４２】
低合金鋼８２の減肉速度を求めるために、低合金鋼８２の厚さδを測定する。まず、ボイラチューブ８の外面側に生成した外面側酸化スケール８６をグラインダー等により研磨して除去する。そして、超音波測定器のプローブを低合金鋼８２の表面に当接させて超音波を送信し、低合金鋼８２の内面から反射した超音波を受信することにより、その伝播時間から低合金鋼８２の厚さを算出することができる。
【００４３】
図２に示す余寿命診断装置１０において、既知のデータである初期の低合金鋼の厚さδｉｎｔと、タイマー１２から得られた低合金鋼の使用期間ｔｓと、肉厚の測定器（超音波測定器）１３を用いて求められた低合金鋼の厚さδのデータが入力部１５に入力される。減肉速度算出部２４は、初期の低合金鋼の厚さδｉｎｔ、低合金鋼８２の使用期間ｔｓ、低合金鋼の厚さδのデータを入力部１５から受け取って、これらのデータを用いて下記の式（３）から実測減肉速度を算出する。
【００４４】
実測減肉速度＝（δ−δｉｎｔ）／ｔｓ          （３）
【００４５】
次に、余寿命算出部２２は、ステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１３で算出された低合金鋼の推定温度を温度データ処理部２１から受け取るとともに、ステップＳＴ１４において算出された低合金鋼の実測減肉速度のデータを入力部１５から受け取る。そして、余寿命算出部２２は、低合金鋼の温度と低合金鋼の全寿命との相関を減肉速度ごとに示すマスターカーブを記憶部１６から読み込んで、低合金鋼の推定温度と実測減肉速度とをマスターカーブにあてはめて低合金鋼の全寿命を求める（ステップＳＴ１５）。本実施形態のマスターカーブは、あらかじめ計算して求められ、図２に示す記憶部１６に格納されたものである。なお、本実施形態のマスターカーブを求める方法については後述する。
【００４６】
図８は、本実施形態に係る、低合金鋼の温度と全寿命の相関を減肉速度ごとに示したマスターカーブである。図８に示すように、マスターカーブは、低合金鋼の温度と全寿命の相関を示すカーブを有しており、このカーブが減肉速度ごとに複数本示されている。低合金鋼の温度が高温側の領域（５７０℃以上）では、低合金鋼の温度と全寿命の相関を示すカーブの傾きが比較的小さく、温度が低温側の領域（５７０℃以下）では、傾きが大きくなっている。これは、低温側の領域では、クリープ損傷だけではなく、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉の増大によって、低合金鋼の余寿命が大きく変化することを示している。
【００４７】
図８に示すように、余寿命算出部２２は、ステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１３で算出された低合金鋼の推定温度Ｔｓをマスターカーブの縦軸にあてはめ、また、ステップＳＴ１４で入力された実測減肉速度と一致する減肉速度のカーブ、または近い値の減肉速度に対応するカーブを選択する。これにより、低合金鋼の推定温度と実測減肉速度をパラメータに含めて低合金鋼の全寿命ｔｒが推定される。
【００４８】
さらに、余寿命算出部２２は、マスターカーブから推定された全寿命ｔｒの値を用いて、下記の式（４）から低合金鋼の余寿命を算出することができる（ステップＳＴ１６）。なお、式（４）において、使用期間ｔｓは既知の値である。
【００４９】
余寿命＝全寿命ｔｒ−使用期間ｔｓ              （４）
【００５０】
また、余寿命算出部２２は、下記の式（５）から寿命消費率を算出することもできる（ステップＳＴ１６）。
【００５１】
寿命消費率＝使用期間ｔｓ／全寿命ｔｒ          （５）
【００５２】
以上のように、ステップＳＴ１１からステップＳＴ１６に従って低合金鋼の余寿命を推定することができる。本実施形態の低合金鋼の余寿命診断方法及び余寿命診断装置１０によれば、低合金鋼の金属組織における無析出物帯幅６８の情報に基づいて低合金鋼の温度を推定しているため、ボイドの数を評価する方法や析出物の面積を評価する方法に比べて、評価する低合金鋼の場所や時期の制約が少なく、簡便に低合金鋼の温度を推定することができる。また、低合金鋼の温度と低合金鋼の全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに示す１つのマスターカーブに対して、推定した低合金鋼の推定温度と、実測により求められた実測減肉速度との２つのパラメータをあてはめることにより、低合金鋼の余寿命が求められる。したがって、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉が生じた場合であっても、精度良く低合金鋼の余寿命を推定することができる。
【００５３】
なお、本実施形態の余寿命診断方法及び余寿命診断装置１０は、適宜変更することができる。例えば、ステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１３に示す低合金鋼の推定温度Ｔｓを求めるステップの前に、ステップＳＴ１４に示す低合金鋼の実測減肉速度を算出するステップを実行することができる。また、ステップＳＴ１５で用いるマスターカーブは、図８に示すものに限定されず、低合金鋼の温度と減肉速度との２つのパラメータに対応する低合金鋼の全寿命の相関が示されていればよい。例えば、低合金鋼の温度と全寿命との相関、及び減肉速度と全寿命との相関を等高線図や３次元的に示したデータであっても、同様に低合金鋼の余寿命を推定することができる。
【００５４】
次に、図８に示すマスターカーブを求める方法について説明する。図９は、低合金鋼の温度と低合金鋼の全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに示すマスターカーブを求める方法を説明するフロー図である。
【００５５】
図９に示すステップＳＴ２１では、酸化スケール（内面側酸化スケール８５及び外面側酸化スケール８６）の生成に伴って、時間の経過により変化する低合金鋼の肉厚δ（ｔ）を算出する。時間ｔにおける肉厚δ（ｔ）は、下記の式（６）により求められる。なお、δ（ｔ）は肉厚、δｉｎｔは初期肉厚、δｅｎｄは漏洩時肉厚、ｔｒは漏洩時間（全寿命）である。
【００５６】
δ（ｔ）＝δｉｎｔ−（δｉｎｔ−δｅｎｄ）×ｔ／ｔｒ          （６）
【００５７】
次に、ステップＳＴ２２では、時間の経過に伴って変化するボイラチューブ８の外径Ｌ（ｔ）を求める。実際のボイラチューブ８の観察結果から、ボイラチューブ８の内面側と外面側は同程度の厚さで減肉すると仮定できるため、Ｌ（ｔ）は、下記の式（７）によって求められる。ここで、Ｌｉｎｔはボイラチューブ８の初期外径である。
【００５８】
Ｌ（ｔ）＝Ｌｉｎｔ−（δｉｎｔ−δｅｎｄ）×ｔ／ｔｒ          （７）
【００５９】
ステップＳＴ２１で算出されたδ（ｔ）とステップＳＴ２２で算出されたＬ（ｔ）とを用いて、ステップＳＴ２３で、低合金鋼の周方向応力σ（ｔ）を求める。周方向応力σ（ｔ）は、式（８）の平均径の式より求められる。ここで、Ｐはボイラチューブ８の内圧である。
【００６０】
σ（ｔ）＝（Ｐ／２）×（Ｌ（ｔ）／δ（ｔ）−１）          （８）
【００６１】
ここで、ある仮定した低合金鋼の温度Ｔ´（℃）、応力σ´（ＭＰａ）での全寿命ｔｒは、下記の式（９）で求められる。
【００６２】
ｌｏｇｔｒ＝ｌｏｇｔａ＋［（Ｔ´＋２７３．１５）−Ｔａ］×［ｂ０＋ｂ１×ｌｏｇσ´＋ｂ２×（ｌｏｇσ´）２］          （９）
【００６３】
式（９）の各パラメータの値は次の通りである。Ｔａ＝３８０．０、ｌｏｇｔａ＝１６．０５３０７、ｂ０＝−４．３９１７３９×１０−２、ｂ１＝３．１２１８０１×１０−２、ｂ２＝−１．１３０５０２×１０−２。なお、式（９）及び各パラメータの値は、応力とＭＨＰ（Manson-Haferd  Parameter）との相関を表したグラフ（出典：科学技術庁  金属材料技術研究所  クリープデータシートＮｏ．３Ｂ）から求められたものである。
【００６４】
次にステップＳＴ２４では、時間ｔにおけるクリープ破断時間ｔｒ（ｔ）を求める。ある時間ｔにおけるクリープ破断時間ｔｒ（ｔ）は、ステップＳＴ２３で求められたσ（ｔ）を式（９）の応力σ´に代入することで算出される。
【００６５】
ステップＳＴ２５では、低合金鋼の累積損傷率の時間変化を求める。図１０は、累積損傷率と時間との相関を模式的に示すグラフである。ここで、損傷率は寿命の消費率で表されるため、ある時間ｔでの累積損傷率をｆ（ｔ）とすると、時間ｔから時間ｔ＋Δｔまでの時間Δｔにおける損傷率の増加分は、Δｔ／ｔｒ（ｔ）で表される。
【００６６】
したがって、ある時間ｔでの累積損傷率ｆ（ｔ）について、時間ステップΔｔごとに積算した場合、時間ｔ＝ｎ×Δｔと、時間ｔ＝（ｎ＋１）×Δｔとの間の累積損傷率ｆ（ｔ）は、下記の式（１０）に示す関係で表される。
【００６７】
ｆ（（ｎ＋１）×Δｔ）＝ｆ（ｎ×Δｔ）＋Δｔ／ｔｒ（ｎ×Δｔ）        （１０）
【００６８】
よって、時間（ｔ＝ｎ×Δｔ）での累積損傷率ｆ（ｎ×Δｔ）は、時間Δｔごとの損傷率の増加分を累積することにより求めることができ、下記の式（１１）で与えられる。なお、式（１１）では、台形積分によりｆ（ｎ×Δｔ）を求めている。式（１１）に基づいて、図１０に示すように、時間Δｔごとに増大する累積損傷率が求められる。ここで累積損傷率が１になる時間ｔが全寿命ｔｒである。
【００６９】
【数１】
0005911937.tif 000002
【００７０】
図１１は、累積損傷率と時間との相関を、低合金鋼の温度ごとに示した累積損傷率カーブである。図１１に示す累積損傷率カーブは、図１０の累積損傷率と時間との相関を示すグラフと同様に式（１１）に基づいて算出することができ、低合金鋼の減肉速度は一定にして、仮定した低合金鋼の温度Ｔ´（℃）を異ならせて、異なる低合金鋼の温度ごとに累積損傷率の時間変化を求めた。
【００７１】
図１１に示すように、低合金鋼の温度ごとに示した累積損傷率カーブを求めることにより、累積損傷率が１になる時間、すなわち低合金鋼の全寿命と、低合金鋼の温度との関係を得ることができる。図１１に示すように、低合金鋼の温度が高くなるほど、全寿命（累積損傷率が１になる時間）が小さくなる傾向を示している。また、低合金鋼の温度が低くなるにしたがって、累積損傷カーブに変曲点が現れるようになり、累積損傷率の傾きが小さい領域と、累積損傷率の傾きが大きい領域とに分かれる。これは、低合金鋼の温度が低い場合、クリープ損傷だけではなく、低合金鋼の減肉による損傷率が増大していることを示している。
【００７２】
次にステップＳＴ２６では、低合金鋼の減肉速度を変えた場合の累積損傷率カーブについて、ステップＳＴ２１からステップＳＴ２５と同様に求めることができる。したがって、図１１に示す累積損傷率カーブと同様のカーブについて、減肉速度を異ならせた条件ごとに複数得ることができる。
【００７３】
ステップＳＴ２５及びステップＳＴ２６で得られた、低合金鋼の温度ごとに示した累積損傷率カーブと、低合金鋼の減肉速度を変えた場合の複数の累積損傷率カーブとから、それぞれ、ある減肉速度、ある温度に対して累積損傷率が１になる時間（全寿命）を求める。これをプロットすることにより、図８に示すように、低合金鋼の温度と全寿命の相関を示すカーブを、低合金鋼の減肉速度ごとに複数本示したマスターカーブが得られる。そして、ステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２７により求められたマスターカーブは、図２に示す低合金鋼の余寿命診断装置１０の記憶部１６にあらかじめ格納される。
【００７４】
以上のように、本実施形態において、低合金鋼の温度及び低合金鋼の減肉速度の両方をパラメータに含めたマスターカーブが得られる。
【００７５】
本実施形態の低合金鋼の余寿命診断方法及び余寿命診断装置１０によれば、図９に示すステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２７により、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉速度と、低合金鋼の温度とをパラメータに含めた１つのマスターカーブを得ることができる。よって、低合金鋼の推定温度と実測減肉速度との２つのパラメータを１つのマスターカーブにあてはめることにより簡便に低合金鋼の余寿命の推定が可能になる。
【００７６】
また、ステップＳＴ２５〜ステップＳＴ２７に示すように、本実施形態のマスターカーブは、累積損傷率と時間との相関を、低合金鋼の温度ごとに示した累積損傷率カーブに基づいて得られたものである。そして、累積損傷率は、低合金鋼の減肉に伴って増加する損傷率の時間ごとの増加分を算出して、この増加分を累積して求められる。したがって、酸化スケールの生成に伴う低合金鋼の減肉が生じた場合であっても、低合金鋼の減肉による損傷率の増大を含めた低合金鋼の余寿命を精度良く診断することができる。
【００７７】
本実施形態において、ステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２３に示すように、低合金鋼の内面側と外面側との両方の酸化減肉を合計して、低合金鋼の減肉速度を算出している。したがって、実測減肉速度と、マスターカーブにおける減肉速度との誤差の発生を低減して、精度良く低合金鋼の余寿命を診断することができる。
【００７８】
なお、本実施形態において、低合金鋼としてＳＴＢＡ２４（Ｃｒ２．２５質量％、Ｍｏ１質量％）を用いているが、これに限定されるものではない。Ｃｒの含有量が２．６０質量％以下、Ｍｏの含有量が１．１３質量％以下のクロムモリブデン鋼であれば、図３に示すステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１３と同様の方法により無析出物帯幅６８を測定し、この無析出物帯幅６８の情報に基づいて低合金鋼の温度を推定することが可能である。
【００７９】
また、本実施形態の余寿命診断方法及び余寿命診断装置１０では、火炉２の外側に位置する非加熱部８ｂのボイラチューブ８に用いられる低合金鋼について余寿命の推定を行ったが、これに限定されない。例えば、火炉の内部に位置する加熱部８ａのボイラチューブ８、あるいは、ボイラチューブ８以外のボイラやタービンを構成する低合金鋼であっても、高温で長時間使用されクリープ損傷と酸化スケールの生成による減肉が生じる低合金鋼について、同様に余寿命を推定することができる。
【００８０】
（実施例）
以下、実際のボイラチューブから試料を採取して、推定した低合金鋼の温度と、実測した低合金鋼の減肉速度に基づいて余寿命を推定した結果を示す。
【００８１】
本実施例において、試料として用いたボイラチューブの材質は、Ｃｒ２．２５質量％、Ｍｏ１質量％を含有するクロムモリブデン鋼のＳＴＢＡ２４である。また、使用時間約２１．７万時間で漏洩が発生したボイラチューブの廃材から試料を採取した。ボイラチューブの初期外径は６３．５ｍｍ、初期肉厚は５ｍｍ、内圧は３．２ＭＰａである。
【００８２】
本実施例において、低合金鋼の温度を推定するために、低合金鋼の金属組織を観察して、無析出物帯（ＰＦＺ：precipitates  free  zone）幅の観察を行った。観察に用いたレプリカは、ボイラチューブの漏洩が発生した漏洩部（試料１）と、漏洩部の近傍の健全部（試料２）との２箇所の外表面から採取した。
【００８３】
図１２及び図１３は、実施例における低合金鋼の金属組織を観察した写真である。図１２及び図１３は、ＳＥＭにより低合金鋼の金属組織を２０００倍に拡大して観察した写真を示し、図１２は漏洩部（試料１）のＳＥＭ写真を、図１３は健全部（試料２）のＳＥＭ写真を示す。なお、図１２、図１３に示す各写真は析出物を見やすくするために、白黒を反転して表示している。
【００８４】
図１２及び図１３に示すように、白色の点線で示す結晶粒界には、析出物が析出しており、多数の炭化物が結晶粒界に沿って棒状に形成される。また、図１２及び図１３に示す低合金鋼の金属組織はフェライトとパーライトが混在しており、フェライトの結晶粒内では、白色の実線で囲む析出物相において析出物が析出している。結晶粒界と析出物相との間には析出物が消失した無析出物帯が観察され、この無析出物帯の幅について、図１２及び図１３に示す矢印の箇所を測定した。図１２及び図１３に示す数字は、矢印で示す各測定箇所での無析出物帯の幅の大きさである（単位：μｍ）。なお、無析出物帯の幅の測定は、結晶粒界同士が接続した角部から離れた箇所、つまり、結晶粒界の辺の中央部で行った。この領域であれば、結晶粒界と析出物相の外縁とが略平行に形成されるため、無析出物帯の幅の測定バラツキを抑制することができる。
【００８５】
図１４及び図１５は、低合金鋼の金属組織から求められた無析出物帯幅の値を示す表である。図１４に示す表１は、漏洩部（試料１）について無析出物帯の幅を測定した結果であり、図１５に示す表２は、健全部（試料２）について無析出物帯の幅を測定した結果である。図１４、図１５に示すように、漏洩部（試料１）と健全部（試料２）のそれぞれについて３箇所の異なる部位の観察を行い、図１２、図１３に示すものと同様の条件でＳＥＭ写真を撮影して無析出物帯の幅を測定した。また、各部位について５箇所の無析出物帯の幅を測定して平均値を算出した。その結果、漏洩部（試料１）における無析出物帯幅の平均値は、３．２７μｍであり、健全部（試料２）における無析出物帯幅の平均値は、３．７３μｍであった。
【００８６】
図１６は、実施例における無析出物帯幅とＬＭＰ値との関係を模式的に示すグラフである。図１６に示す無析出物帯幅とＬＭＰ値との関係は、あらかじめマスターカーブとして記憶部１６に格納されていたものである。このマスターカーブに、実測した漏洩部（試料１）の無析出物帯幅と、健全部（試料２）の無析出物帯幅とをあてはめることにより、それぞれのＬＭＰ値が得られる。本実施例において、漏洩部（試料１）の推定されたＬＭＰ値は２１３２５であり、健全部（試料２）の推定されたＬＭＰ値は２１５００であった。
【００８７】
求められたＬＭＰ値と既知の使用期間ｔｓとを下記の式（２）に代入して、低合金鋼の推定温度Ｔが算出される。その結果、漏洩部（試料１）の推定温度は５６８．６℃、健全部（試料２）の推定温度は５７５．５℃であり、漏洩部（試料１）と健全部（試料２）との推定温度の平均値は５７２℃であった。
【００８８】
Ｔ＝ＬＭＰ／（ｌｏｇｔｓ＋２０）−２７３          （２）
【００８９】
図１７は、本実施例における累積損傷率カーブを示すグラフである。図１８は、実施例におけるマスターカーブを示すグラフである。図１７のグラフは、上述した本実施例のボイラチューブの寸法（初期外径６３．５ｍｍ、初期肉厚５ｍｍ）を用いて、図９のステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２５に従って求められたものである。なお減肉速度は１．６×１０−５ｍｍ／ｈ一定として算出した。また、図１７に示すように、累積損傷率と時間との相関のグラフを、低合金鋼の温度ごとに複数算出している。本実施例では低合金鋼の温度を５１０℃〜５９０℃まで異ならせている。
【００９０】
次に、累積損傷率カーブから、各温度における累積損傷率が１になる時間をプロットすることにより、図１８に示す、低合金鋼の温度と全寿命との相関を示すグラフのうち、減肉速度が１．６×１０−５ｍｍ／ｈのカーブが得られる。本実施例では、図１８に示すように、減肉速度を１．０×１０−５ｍｍ／ｈ〜２．０×１０−５ｍｍ／ｈの範囲で０．２×１０−５ｍｍ／ｈごとに変えた場合について、それぞれ低合金鋼の温度と全寿命との相関を示すカーブを算出して、マスターカーブを求めた。
【００９１】
図１８に示すように、無析出物帯幅の情報から求められた低合金鋼の推定温度５７２℃と、実測により得られた低合金鋼の減肉速度１．６１×１０−５ｍｍ／ｈとを１つのマスターカーブにあてはめることにより、本実施例の低合金鋼の全寿命が約２２．４万時間と推定された。実際の漏洩時間は２１．７万時間であったことから、本実施例により精度良く低合金鋼の寿命を推定可能であることが示された。
【符号の説明】
【００９２】
１  ボイラ
８  ボイラチューブ
８ａ  加熱部
８ｂ  非加熱部
１０  余寿命診断装置
１１  画像処理装置
１５  入力部
１６  記憶部
１７  出力部
１８  表示部
２０  処理部
２１  温度データ処理部
２２  余寿命算出部
２３  制御部
２４  減肉速度算出部
５１〜５３  バス
６１  フェライト
６２  パーライト
６３  結晶粒界
６４、６５  析出物
６６  析出物相
６７  無析出物帯
６８  無析出物帯幅
８２  低合金鋼
８５  内面側酸化スケール
８６  外面側酸化スケール
【要約】
【課題】酸化スケールの生成による低合金鋼の減肉が生じた場合においても、精度よく余寿命を診断することが可能な低合金鋼の余寿命診断方法及び余寿命診断装置を提供する。
【解決手段】低合金鋼の余寿命診断方法は、低合金鋼の金属組織における結晶粒界と析出物相との間の無析出物帯幅の情報に基づいて、低合金鋼の使用期間中の推定温度を求めるステップ（ＳＴ１１〜ＳＴ１３）と、低合金鋼の厚さを測定して、低合金鋼の酸化スケールの生成に伴って減肉する低合金鋼の使用期間中の実測減肉速度を求めるステップ（ＳＴ１４）と、低合金鋼の温度と低合金鋼の全寿命との相関を、異なる減肉速度ごとに複数示すマスターカーブに、低合金鋼の推定温度及び実測減肉速度をあてはめて低合金鋼の余寿命を推定するステップ（ＳＴ１５、ＳＴ１６）とを有する。
【選択図】図３【図１】
0005911937.tif 000003
【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１２】
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【図１３】
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