(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鋼材溶接部の所定の範囲内を観察し、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内における結晶粒界に形成される空隙に関連する指標を求め、当該指標と前記鋳鋼材溶接部の損傷率との予め形成された関係から、前記鋳鋼材溶接部の損傷率を求めるクリープ損傷評価方法であって、
前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内を観察した結果、１つの結晶粒界の長さ未満の長さを有する前記空隙であるボイドが前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成され、かつ、１つの結晶粒界の長さ以上の長さを有する前記空隙であるき裂が前記所定の範囲内のいずれの結晶粒界にも形成されていない場合には、前記所定の範囲内において前記ボイドが形成された結晶粒界のそれぞれにつき、１つの結晶粒界の長さに対する、当該結晶粒界上に形成された前記ボイドの長さの合計の比率を算出し、当該比率の最大値を前記指標として用い、前記き裂が前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成されている場合には、前記所定の範囲内において形成された前記き裂のうち、最大の長さを有する前記き裂がまたがる結晶粒界の個数を前記指標として用いることを特徴とするクリープ損傷評価方法。
【請求項２】
鋳鋼材溶接部の所定の範囲内を観察し、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内における結晶粒界に形成される空隙に関連する指標を求め、当該指標と前記鋳鋼材溶接部の損傷率との予め形成された関係から、前記鋳鋼材溶接部の損傷率を求めるクリープ損傷評価方法であって、
前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲を観察した結果、１つの結晶粒界の長さ未満の長さを有する前記空隙であるボイドが前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成され、かつ、１つの結晶粒界の長さ以上の長さを有する前記空隙であるき裂が前記所定の範囲内のいずれの結晶粒界にも形成されていない場合には、前記所定の範囲内において前記ボイドが形成された結晶粒界のそれぞれにつき、１つの結晶粒界の長さに対する、当該結晶粒界上に形成された前記ボイドの長さの合計の比率を算出し、当該比率の最大値を前記指標として用い、前記き裂が前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成されている場合には、前記所定の範囲内において形成された前記き裂のうち、最大の長さを有する前記き裂の長さを、前記所定の範囲内の結晶粒界の長さの平均で除した値を前記指標として用いることを特徴とするクリープ損傷評価方法。
【請求項３】
前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内において、前記最大の長さを有するき裂が溶接熱影響部の粗粒域内から当該溶接熱影響部の細粒域内へ延びている場合には、前記最大の長さを有するき裂のうち前記粗粒域内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記粗粒域内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、前記最大の長さを有するき裂のうち前記細粒域内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記細粒域内の結晶粒界の長さの平均で除した値との合計値を前記指標として用いることを特徴とする請求項１または２に記載のクリープ損傷評価方法。
【請求項４】
前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内において、前記最大の長さを有するき裂が溶接熱影響部の粗粒域内から溶接金属部内へ延びている場合には、前記最大の長さを有するき裂のうち前記粗粒域内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記粗粒域内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、前記最大の長さを有するき裂のうち前記溶接金属部内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記溶接金属部内の結晶粒界の長さの平均で除した値との合計値を前記指標として用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のクリープ損傷評価方法。
【請求項５】
前記指標と前記鋳鋼材溶接部の損傷率との関係は、
鋳鋼材溶接部を有する試験体を用意し、
前記試験体を用いてクリープ損傷試験を開始してから前記試験体が破断するまでの間において、数回、前記試験体の鋳鋼材溶接部を観察して前記指標を求め、
前記クリープ損傷試験を開始してから、前記指標を求める作業を行った時点までの各時間を、前記クリープ損傷試験を開始してから前記試験体が破断するまでの時間で除することにより損傷率を算出し、
前記試験体の鋳鋼材溶接部を観察して求めた前記指標と前記算出した損傷率とを対応付けることにより形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のクリープ損傷評価方法。
【請求項６】
前記鋳鋼材溶接部を有する鋳鋼材は、クロムモリブデン鋼であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のクリープ損傷評価方法。
【請求項７】
前記鋳鋼材溶接部を有する鋳鋼材は、クロムモリブデンバナジウム鋼であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のクリープ損傷評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳鋼材溶接部におけるクリープ損傷評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ボイラ配管における溶接部や、蒸気タービン車室と配管との溶接部、あるいは蒸気タービン周りの弁と配管との溶接部等は、他の部位と比較して、高温・高圧の環境下での長時間の使用によりクリープ損傷し易く、適切な時期で補修または交換をすることなく使用を継続すると破断に至る。そのため、これら配管等の溶接部のクリープ損傷を評価し、当該溶接部の余寿命を予測し、補修または交換の適切な時期を設定することが望まれる。
【０００３】
下記の特許文献１には、ボイラ配管として一般に用いられる圧延管（例えばＳＴＰＡ２４等）の溶接部におけるクリープ損傷を評価するのに適した方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０５／１２４３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、蒸気タービン車室、その周りの弁、およびこれらに接続される配管等には、上記圧延管とは異なり、鋳鋼材が用いられている。このため、蒸気タービン車室と配管との溶接部や、蒸気タービン周りの弁と配管との溶接部等の鋳鋼材溶接部におけるクリープ損傷を評価するに当たり、上記圧延管の溶接部におけるクリープ損傷評価方法を用いたのでは、正しい評価結果を得ることができない。
【０００６】
すなわち、上記圧延管の溶接部も、鋳鋼材溶接部も、高温・高圧環境下での使用の継続により、溶接熱影響部の粗粒域における結晶粒界にボイドが形成され、１つの結晶粒界上に形成された複数のボイドが連結することで、き裂が形成される点は共通している。
【０００７】
しかし、上記圧延管の溶接部においては、その寿命の中期から粗粒域の結晶粒界にボイドが形成され始め、寿命末期にき裂となり、また、１つの結晶粒界の全長に相当する長さのき裂が形成された時点で溶接部が破断する危険性が高まる。このため、上記圧延管の溶接部におけるクリープ損傷評価法では、粗粒域において１つの結晶粒界の全長に相当する長さのき裂が形成された時点（粗粒域におけるＭパラメータが１に達した時点）で、溶接部が破断に至ると評価している。
【０００８】
これに対し、鋳鋼材溶接部においては、その寿命の初期から粗粒域の結晶粒界にボイドが形成され始め、中期になると、１つの結晶粒界上に形成された複数のボイドが連結して短いき裂（微視き裂）となり、末期になると、短いき裂同士が連結し、複数の結晶粒界にまたがる長いき裂が形成され、さらに、そのき裂が粗粒域から溶接金属部または細粒域まで進展し、そして破断に至ることが判明している。このように、ボイドが形成され始める時期や破断に至る際のき裂の長さ等が、上記圧延管の溶接部と鋳鋼材溶接部とでは異なるため、上記圧延管の溶接部におけるクリープ損傷評価方法を用いて鋳鋼材溶接部のクリープ損傷を評価した場合には、正しい評価結果を得ることができないものと考えられる。
【０００９】
本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、鋳鋼材溶接部のクリープ損傷を正しく評価することができるクリープ損傷評価方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第１のクリープ損傷評価方法は、鋳鋼材溶接部の所定の範囲内を観察し、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内における結晶粒界に形成される空隙に関連する指標を求め、当該指標と前記鋳鋼材溶接部の損傷率との予め形成された関係から、前記鋳鋼材溶接部の損傷率を求めるクリープ損傷評価方法であって、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内を観察した結果、１つの結晶粒界の長さ未満の長さを有する前記空隙であるボイドが前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成され、かつ、１つの結晶粒界の長さ以上の長さを有する前記空隙であるき裂が前記所定の範囲内のいずれの結晶粒界にも形成されていない場合には、前記所定の範囲内において前記ボイドが形成された結晶粒界のそれぞれにつき、１つの結晶粒界の長さに対する、当該結晶粒界上に形成された前記ボイドの長さの合計の比率を算出し、当該比率の最大値を前記指標として用い、前記き裂が前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成されている場合には、前記所定の範囲内において形成された前記き裂のうち、最大の長さを有する前記き裂がまたがる結晶粒界の個数を前記指標として用いることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２のクリープ損傷評価方法は、鋳鋼材溶接部の所定の範囲内を観察し、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内における結晶粒界に形成される空隙に関連する指標を求め、当該指標と前記鋳鋼材溶接部の損傷率との予め形成された関係から、前記鋳鋼材溶接部の損傷率を求めるクリープ損傷評価方法であって、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲を観察した結果、１つの結晶粒界の長さ未満の長さを有する前記空隙であるボイドが前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成され、かつ、１つの結晶粒界の長さ以上の長さを有する前記空隙であるき裂が前記所定の範囲内のいずれの結晶粒界にも形成されていない場合には、前記所定の範囲内において前記ボイドが形成された結晶粒界のそれぞれにつき、１つの結晶粒界の長さに対する、当該結晶粒界上に形成された前記ボイドの長さの合計の比率を算出し、当該比率の最大値を前記指標として用い、前記き裂が前記所定の範囲内のいずれかの結晶粒界に形成されている場合には、前記所定の範囲内において形成された前記き裂のうち、最大の長さを有する前記き裂の長さを、前記所定の範囲内の結晶粒界の長さの平均で除した値を前記指標として用いることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３のクリープ損傷評価方法は、上述した本発明の第１または第２のクリープ損傷評価方法において、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内において、前記最大の長さを有するき裂が溶接熱影響部の粗粒域内から当該溶接熱影響部の細粒域内へ延びている場合には、前記最大の長さを有するき裂のうち前記粗粒域内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記粗粒域内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、前記最大の長さを有するき裂のうち前記細粒域内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記細粒域内の結晶粒界の長さの平均で除した値との合計値を前記指標として用いることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４のクリープ損傷評価方法は、上述した本発明の第１ないし第３のいずれかのクリープ損傷評価方法において、前記鋳鋼材溶接部の前記所定の範囲内において、前記最大の長さを有するき裂が溶接熱影響部の粗粒域内から溶接金属部内へ延びている場合には、前記最大の長さを有するき裂のうち前記粗粒域内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記粗粒域内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、前記最大の長さを有するき裂のうち前記溶接金属部内に存在する部分の長さを、前記所定の範囲内における前記溶接金属部内の結晶粒界の長さの平均で除した値との合計値を前記指標として用いることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第５のクリープ損傷評価方法は、上述した本発明の第１ないし第４のいずれかのクリープ損傷評価方法において、前記指標と前記鋳鋼材溶接部の損傷率との関係は、鋳鋼材溶接部を有する試験体を用意し、前記試験体を用いてクリープ損傷試験を開始してから前記試験体が破断するまでの間において、数回、前記試験体の鋳鋼材溶接部を観察して前記指標を求め、前記クリープ損傷試験を開始してから、前記指標を求める作業を行った時点までの各時間を、前記クリープ損傷試験を開始してから前記試験体が破断するまでの時間で除することにより損傷率を算出し、前記試験体の鋳鋼材溶接部を観察して求めた前記指標と前記算出した損傷率とを対応付けることにより形成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第６のクリープ損傷評価方法は、上述した本発明の第１ないし第５のいずれかのクリープ損傷評価方法において、前記鋳鋼材溶接部を有する鋳鋼材は、クロムモリブデン鋼であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第７のクリープ損傷評価方法は、上述した本発明の第１ないし第５のいずれかのクリープ損傷評価方法において、前記鋳鋼材溶接部を有する鋳鋼材は、クロムモリブデンバナジウム鋼であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、鋳鋼材溶接部のクリープ損傷を正しく評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】鋳鋼材溶接部を有する部位を備えた蒸気タービンを示す説明図である。
【図２】鋳鋼材溶接部の構造を示す説明図である。
【図３】図２中の矢示ＩＩＩーＩＩＩ方向から見た鋳鋼材溶接部を示す断面図である。
【図４】鋳鋼材溶接部におけるクリープ損傷の進行状態を示す説明図である。
【図５】粗粒域内の結晶粒界上にボイドが形成された状態を示す説明図である。
【図６】粗粒域内の結晶粒界上にき裂が形成された状態を示す説明図である。
【図７】内圧クリープ損傷試験において用いられる試験装置を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態によるクリープ損傷評価において用い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】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態によるクリープ損傷評価方法は、鋳鋼材溶接部を観察し、鋳鋼材溶接部の結晶粒界に形成される空隙に関連する指標Ｍを求め、当該指標Ｍに基づき、鋳鋼材溶接部のクリープ損傷を評価する方法である。
【００２０】
（鋳鋼材溶接部のクリープ損傷）
本発明の実施形態によるクリープ損傷評価方法の詳細を説明する前に、鋳鋼材溶接部およびそのクリープ損傷について説明する。
【００２１】
図１は、火力発電設備等において用いられる蒸気タービンを示している。図１に示すように、蒸気タービン１は、外部車室２、組合せ再熱弁（ＣＲＶ）３、および主蒸気または再熱蒸気が流れる配管４等を備えている。これら外部車室２、組合せ再熱弁３、および配管４等には、例えばクロムモリブデン鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ）またはクロムモリブデンバラジウム鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ０．１Ｖまたは１Ｃｒ１Ｍｏ０．２５Ｖ）等の鋳鋼材が用いられている。また、外部車室２と配管４との間、および組合せ再熱弁３と配管４との間は周溶接により接続され、それぞれの部材間には鋳鋼材溶接部５が形成されている。
【００２２】
図２は、例えば蒸気タービン１における外部車室２の蒸気流入部２Ａと配管４等の管状の鋳鋼材同士を周溶接することにより形成された鋳鋼材溶接部５の構造を示している。図３は、図２中の矢示ＩＩＩーＩＩＩ方向から見た鋳鋼材溶接部５の断面を示している。
【００２３】
図２または図３に示すように、鋳鋼材からなる母材１１同士を周溶接することにより、これら母材１１間において、これら母材１１の全周にわたり鋳鋼材溶接部５が形成される。具体的には、これら母材１１の軸方向（これら母材１１が並ぶ方向）における中間部には、溶接材料が溶融することにより溶接金属部１２が形成される。また、溶接金属部１２の軸方向両側には溶接熱影響部１３が形成される。溶接熱影響部１３は、溶接の熱の影響を受けて組織、冶金的性質、および機械的性質等が変化した、溶融していない母材１１の部分である。溶接熱影響部１３は、溶接金属部１２および溶接の熱の影響を受けていない母材１１の部分と硬さおよび靱性が異なる。本実施形態では、溶接金属部１２および溶接熱影響部１３を鋳鋼材溶接部５ということとする。
【００２４】
また、溶接熱影響部１３には粗粒域１４および細粒域１５が形成されている。溶接熱影響部１３において、粗粒域１４は溶接金属部１２に接近した場所に位置し、細粒域１５は溶接金属部１２から離れた場所に位置する。粗粒域１４は細粒域１５と比較し、結晶粒子が粗く、各結晶粒界の長さが長い。また、粗粒域１４は溶接金属部１２と比較し、結晶粒子が粗く、各結晶粒界の長さが長い。また、粗粒域１４の幅（軸方向長さ）は例えば５００μｍ程度である。
【００２５】
図４は、主に溶接熱影響部１３におけるクリープ損傷の状態を示している。図５は粗粒域１４内の結晶粒界上にボイドが形成された状態を示している。図６は、粗粒域１４内の結晶粒界上にき裂が形成された状態を示している。
【００２６】
外部車室２および配管４等の鋳鋼材は、高温および高圧の環境下で使用され、特に、配管４には、図２中の矢示Ａにより示すように、その周方向に大きな応力が作用する。このような環境下で鋳鋼材を長時間使用すると、鋳鋼材の他の部分と比較して強度の低い鋳鋼材溶接部５がクリープ損傷する。具体的には、まず、鋳鋼材溶接部５の溶接熱影響部１３における粗粒域１４内の結晶粒界上に空隙が形成される。その後、空隙は溶接金属部１２または溶接熱影響部１３の細粒域１５へ進展する。ここで、本実施形態において、「空隙」とは、１つの結晶粒界の長さよりも短いごく微小な隙間から、複数の結晶粒界にまたがる長い割れまでを含む広い意味を有するものとする。また、１つの結晶粒界の長さ未満の長さを有する空隙を「ボイド」といい、１つの結晶粒界の長さ以上の長さを有する空隙を「き裂」ということとする。
【００２７】
鋳鋼材溶接部５のクリープ損傷についてより具体的に説明する。鋳鋼材の使用を開始してある程度の時間が経過すると、図４（１）に示すように、鋳鋼材溶接部５の溶接熱影響部１３における粗粒域１４内にボイド２２が形成される。ボイド２２は、図５に示すように、結晶粒界２１上に位置し、結晶粒界２１に沿うように形成される。
【００２８】
鋳鋼材の使用をさらに継続すると、図４（２）に示すように、粗粒域１４内におけるボイド２２の個数が増加する。図５に示すように、ボイド２２の形成は、１つの結晶粒界２１に集中する傾向がある。このため、鋳鋼材の使用を継続すると、１つの結晶粒界２１内に複数のボイド２２が形成されていくことが多い。
【００２９】
鋳鋼材の使用をさらに継続すると、図４（３）に示すように、１つの結晶粒界２１内に形成された複数のボイド２２が互いに連結する。そして、ボイド２２の長さが１つの結晶粒界２１の長さに達したとき、それはき裂２３となる。
【００３０】
鋳鋼材の使用をさらに継続すると、図４（４）に示すように、互いに近接した場所に位置する複数の結晶粒界２１上に形成されたボイド２２またはき裂２３が互いに連結することより、長いき裂２３が形成される。そして、き裂２３は、鋳鋼材の使用の継続により一層長くなり、図６に示すように、複数の結晶粒界２１にまたがるようになる。なお、図６に示すき裂２３は、長さＬを有し、５つの結晶粒界２１にまたがっている。
【００３１】
鋳鋼材の使用をさらに継続すると、図４（５）に示すように、粗粒域１４内に形成された複数のき裂２３が互いに連結し、き裂２３の長さが、粗粒域１４の幅（軸方向長さ）に相当する長さとなる。
【００３２】
鋳鋼材の使用をさらに継続すると、図４（６）に示すように、き裂２３が粗粒域１４内を逸脱し、溶接金属部１２内へ進入する。すなわち、粗粒域１４内に形成されたき裂２３と連続するように溶接金属部１２内にもき裂２３が形成される。また、き裂２３は、粗粒域１４内を逸脱し、細粒域１５内へ進入する。すなわち、粗粒域１４内に形成されたき裂２３と連続するように細粒域１５内にもき裂２３が形成される。クリープ損傷がこの段階に達すると、き裂２３の深さ（管状の鋳鋼材の径方向に進行するき裂の長さ）が大きくなり、粗粒域１４または細粒域１５において母材を貫通し、または溶接金属部１２を貫通し、破断に至る。このような鋳鋼材溶接部５におけるクリープ損傷の進行の態様は、ボイラ配管等に一般的に用いられる圧延管の溶接部におけるクリープ損傷の進行の態様とは異なる。
【００３３】
（クリープ損傷評価方法）
次に、本発明の実施形態によるクリープ損傷評価方法について詳細に説明する。
【００３４】
本発明の実施形態によるクリープ損傷評価方法では、鋳鋼材溶接部５を観察し、鋳鋼材溶接部５における結晶粒界に形成される空隙に関連する指標Ｍを求め、当該指標Ｍと鋳鋼材溶接部５の損傷率との予め形成された関係から、鋳鋼材溶接部５の損傷率を求める。
【００３５】
具体的には、実機における鋳鋼材溶接部５に対してクリープ損傷評価方法を適用してクリープ損傷を評価する前に、上記指標Ｍと鋳鋼材溶接部５の損傷率との関係を示すマスターカーブを形成する。このマスターカーブは、試験装置を作製し、作製した試験装置を用いて内圧クリープ損傷試験を行い、この試験の結果に基づいて形成する。マスターカーブを形成した後、実機における鋳鋼材溶接部５を観察し、上記指標Ｍを求め、当該指標Ｍを、マスターカーブに当てはめて鋳鋼材溶接部５の損傷率を求める。
【００３６】
図７は、マスターカーブを形成するために行われる内圧クリープ損傷試験において用いられる試験装置を示している。図７に示すように、試験装置３１は、管状に形成された鋳鋼材からなる一対の試験片３２、３３を周溶接により互いに接続することにより形成された試験体３４を備えている。試験体３４において、試験片３２と試験片３３との間には試験体溶接部３５が形成されている。試験体溶接部３５は、図２または図３に示す鋳鋼材溶接部５と同様の構造を有する。すなわち、試験体溶接部３５には、溶接金属部１２、並びに粗粒域１４および細粒域１５を有する溶接熱影響部１３が形成されている。
【００３７】
試験体３４は、例えば実機の配管４よりも小さく形成することができる。例えば試験体３４の長さは２４０ｍｍ程度である。
【００３８】
また、各試験片３２、３３の鋳鋼材の化学成分は、実機の鋳鋼材の化学成分と同一または類似していることが望ましい。各試験片３２、３３の鋳鋼材の化学成分は、実機で用いられている鋳鋼材の化学組成、組織、硬さ、引張強度等を模擬して決める。
【００３９】
本実施形態においては、実機が上述した蒸気タービン１であり、蒸気タービン１に用いられている鋳鋼材として、クロムモリブデン鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ）、クロムモリブデンバラジウム鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ０．１Ｖ）、およびクロムモリブデンバラジウム鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ０．２５Ｖ）が考えられるので、これら３種類の鋳鋼材から形成された３種類の試験片３２、３３を作製する。そして、例えばこれら３種類の鋳鋼材からなる一対の試験片３２、３３同士を周溶接により接続した３種類の試験体３４を作製する。なお、本実施形態では、同一の化学成分を有する鋳鋼材から形成された一対の試験片３２、３３同士を接続することとする。そして、これら３種類の試験体３４を組み込んだ３種類の試験装置３１を作製する。
【００４０】
下記の表１は、上記３種類の鋳鋼材に対応するようにそれぞれ形成される試験片３２、３３の鋳鋼材の化学成分の具体例を示す表である。表１は、紙面の大きさの都合上、表が上下２つに分かれているが、上側の表の右端と、下側の表の左端とを繋げて１つの表として見る。
【表１】
0005903120.tif 000002
【００４１】
また、下記の表２は、上記３種類の鋳鋼材に対応するようにそれぞれ形成される試験片３２、３３同士の溶接に用いられる溶接材料の具体例を示している。
【表２】
0005903120.tif 000003
【００４２】
また、各試験片３２、３３の作製に当たっては、実機の鋳鋼材に近い鋳鋼材を再現するために、次のような処理を行う。（ａ）まず、真空溶解炉で材料の溶解・鋳込みを行い、上記成分の鋼塊を鋳造する。（ｂ）続いて、焼きならしを行い、試験片３２、３３とする材料の組織を、実機の材料の組織に近づけまたは一致させるように調整する。具体的には、鋼塊を、１５０度以下の温度から９７０度程度へ加熱した後、３００度以下の温度まで冷却する。（ｃ）続いて、焼きもどしを行い、試験片３２、３３とする材料の硬さおよび強度を、実機の材料の硬さまたは強度に近づけまたは一致させるように調整する。具体的には、１５０度以下の温度から最適温度まで加熱し、炉冷後、３００度以下の温度となるまで冷却する。（ｄ）続いて、鋼塊を管状の試験片３２、３３の形状に加工する。（ｅ）続いて、試験片３２、３３を互いに周溶接により接続する。（ｆ）続いて、焼き鈍しを行い、試験片３２、３３における溶接応力を除去する。具体的には、１５０度以下の温度から最適温度まで加熱し、炉冷後、３００度以下の温度となるまで冷却する。
【００４３】
また、図７に示すように、試験装置３１は、底側端栓３７、導管側端栓３８および導管３９を備えている。底側端栓３７は、一方の試験片３２の一方の端部に溶接により固定され、当該試験片３２の一方の端部を閉塞している。導管側端栓３８は、他方の試験片３３の他方の端部に溶接により固定されている。導管３９は、導管側端栓３８に形成された孔３８Ａに連通するように導管側端栓３８に溶接により接続されている。また、底側端栓３７、導管側端栓３８および導管３９はそれぞれ例えばステンレス鋼材により形成されている。また、試験体３４の内部には、例えばステンレス鋼により形成された円柱状の中子４０が設けられている。中子４０の直径は試験体３４の内径よりもわずかに小さい。
【００４４】
このような構成を有する試験装置３１においては、導管３９から試験体３４内の空間に高圧の加圧用気体を供給することができる。また、試験体３４内の空間は、導管３９に連通する孔３８Ａを除き、加圧用気体が外部に漏れることができないように気密に形成されているため、導管３９から試験体３４内の空間に加圧用気体を供給することで、試験体３４内の圧力を高めることができる。なお、試験体３４の内部に中子４０を設けることにより、試験体３４内の空間の体積を小さくし、試験体３４内へ供給する加圧用気体の量を少なくし、試験体３４の破断時における加圧用気体の外部への噴出量を抑制している。
【００４５】
さて、以上のようにして作製された試験装置３１を用いて行う内圧クリープ損傷試験について説明する。内圧クリープ損傷試験は、上述した３種類の鋳鋼材に対応する３種類の試験装置３１を用い、当該３種類の鋳鋼材についてそれぞれ行う。以下、ある１種類の鋳鋼材について行う内圧クリープ損傷試験の内容を説明するが、他の２種類の鋳鋼材についてそれぞれ行う内圧クリープ損傷試験の内容もそれと同様である。
【００４６】
内圧クリープ損傷試験において、まず、複数（例えば１５通り）の中途止め時間を設定する。続いて、試験装置３１を電気炉内に設置し、試験体３４を所定の試験温度まで加熱する。試験体３４の温度が試験温度となって安定した後、試験装置３１の導管３９を介して、試験体３４内に加圧用気体を所定の圧力をもって供給し、試験体３４内の圧力を所定の試験圧力にする。加圧用気体には、一般にアルゴン等の不活性ガスが用いられる。試験体３４内の圧力が試験圧力になった後、加圧用気体の供給を停止し、試験体３４内の圧力が保たれるようにし、試験を開始する。そして、試験を開始してから最初の中途止め時間が経過するまで、この状態を維持する。なお、この間、定期的に試験体３４内の圧力を監視し、圧力が低下していれば、加圧用気体を供給し、試験体３４内の圧力を試験圧力に保つようにする。
【００４７】
ここで、試験温度は、実機における蒸気温度と同一または類似の温度とすることが望ましい。また、試験圧力は、実機の配管４内に加わる圧力と同一または類似の圧力とすることが望ましい。
【００４８】
下記の表３は、上記３種類の鋳鋼材に対応するクリープ損傷試験に適用される試験温度および試験圧力の具体例を示している。
【表３】
0005903120.tif 000004
【００４９】
内圧クリープ損傷試験を開始してから最初の中途止め時間が経過した時点で、試験体３４の加熱および試験体３４内の加圧を中断する。そして、試験体３４の試験体溶接部３５を観察する。本実施形態では、例えばレプリカ法により試験体溶接部３５の観察を行う。すなわち、試験体溶接部３５の表面を写したレプリカを作製し、これを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する。
【００５０】
また、試験体溶接部３５の観察は、試験体溶接部３５に所定の観察範囲を設定し、観察範囲内を観察することにより行う。本実施形態における観察範囲は、試験体溶接部３５の粗粒域１４の一部、細粒域１５の一部および溶接金属部１２の一部を含む範囲である。観察範囲を設定する方法として、例えば、観察に用いる走査型電子顕微鏡で観察可能な範囲に基づいて観察範囲を設定する方法がある。なお、観察範囲を、クリープ損傷の程度（進行具合）に応じて次のように変更するようにしてもよい。すなわち、ボイドまたはき裂が粗粒域１４内にのみ形成されるに止まっている期間は、観察範囲を粗粒域１４の一部のみとし、き裂が溶接金属部１２または細粒域１５にも形成されるに至った以降の期間は、観察範囲を溶接金属部１２または細粒域１５に拡張してもよい。
【００５１】
試験体３４の試験体溶接部３５を観察した結果、試験体溶接部３５における結晶粒界に空隙が形成されている場合には、当該空隙に関連する指標Ｍ（Ｍパラメータ）を求める。本実施形態では、次の５つのケースにつき、それぞれ異なる５通りの指標Ｍの決定方法を採用している。
【００５２】
まず、第１のケース、すなわち、試験体溶接部３５の観察範囲内を観察した結果、図５に示すように、ボイド２２が観察範囲内における粗粒域１４内のいずれかの結晶粒界２１に形成され、かつ、き裂が観察範囲内のいずれの結晶粒界２１にも形成されていない場合には、観察範囲内においてボイド２２が形成された結晶粒界２１のそれぞれにつき、１つの結晶粒界２１の長さに対する、当該結晶粒界２１上に形成されたボイド２２の長さの合計の比率を算出し、当該比率の最大値を指標Ｍとして用いる。すなわち、第１のケースにおける指標Ｍを決定する式は、次の通りである。
【００５３】
Ｍ＝ＭＡＸ（Σ粗粒域における１結晶粒界内におけるボイド長さｄｉ／１結晶粒界長さＤ）  （１）
また、第２のケース、すなわち、試験体溶接部３５の観察範囲内を観察した結果、図６に示すように、き裂が観察範囲内における粗粒域１４内のいずれかの結晶粒界２１に形成されている場合には、観察範囲内において形成されたき裂のうち、最大の長さを有するき裂がまたがる結晶粒界の個数を指標Ｍとして用いる。すなわち、第２のケースにおける指標Ｍを決定する式は、次の通りである。
【００５４】
Ｍ＝粗粒域において最大長さのき裂がまたがる結晶粒界の個数  （２Ａ）
なお、この第２のケースにおいて、観察範囲内における粗粒域１４内に形成されたき裂のうち、最大の長さを有するき裂の長さを、観察範囲内における粗粒域１４内の結晶粒界の長さの平均で除した値を指標Ｍとして用いてもよい。すなわち、第２のケースにおける指標Ｍを決定する他の式は、次の通りである。
【００５５】
Ｍ＝粗粒域において最大長のき裂の長さ／粗粒域における結晶粒界長さの平均    （２Ｂ）
また、第３のケース、すなわち、試験体溶接部３５の観察範囲内を観察した結果、き裂が観察範囲内における粗粒域１４内から細粒域１５内へ延びている場合には、観察範囲内における粗粒域１４内から細粒域１５内へ延びているき裂のうち、最大の長さを有するき裂を特定し、当該最大の長さを有するき裂のうち、粗粒域１４内に存在する部分の長さを、観察範囲内における前記粗粒域１４内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、当該最大の長さを有するき裂のうち細粒域１５内に存在する部分の長さを、観察範囲内における細粒域１５内の結晶粒界の長さの平均で除した値との合計値を指標Ｍとして用いる。すなわち、第３のケースにおける指標Ｍを決定する式は、次の通りである。
【００５６】
Ｍ＝最大長のき裂の粗粒域内部分の長さ／粗粒域における結晶粒界長さの平均＋最大長のき裂の細粒域内部分の長さ／細粒域における結晶粒界長さの平均  （３）
また、第４のケース、すなわち、試験体溶接部３５の観察範囲内を観察した結果、き裂が観察範囲内における粗粒域１４内から溶接金属部１２内へ延びている場合には、観察範囲内における粗粒域１４内から溶接金属部１２内へ延びているき裂のうち、最大の長さを有するき裂を特定し、当該最大の長さを有するき裂のうち、粗粒域１４内に存在する部分の長さを、観察範囲内における前記粗粒域１４内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、当該最大の長さを有するき裂のうち溶接金属部１２内に存在する部分の長さを、観察範囲内における溶接金属部１２内の結晶粒界の長さの平均で除した値との合計値を指標Ｍとして用いる。すなわち、第４のケースにおける指標Ｍを決定する式は、次の通りである。
【００５７】
Ｍ＝最大長のき裂の粗粒域内部分の長さ／粗粒域における結晶粒界長さの平均＋最大長のき裂の溶接金属部内部分の長さ／溶接金属部における結晶粒界長さの平均  （４）
また、第５のケース、すなわち、試験体溶接部３５の観察範囲内を観察した結果、き裂が観察範囲内における粗粒域１４内から細粒域１５内および溶接金属部１２内の双方へ延びている場合には、観察範囲内における粗粒域１４内から細粒域１５および溶接金属部１２内の双方へ延びているき裂のうち、最大の長さを有するき裂を特定し、当該最大の長さを有するき裂のうち、粗粒域１４内に存在する部分の長さを、観察範囲内における前記粗粒域１４内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、当該最大の長さを有するき裂のうち細粒域１５内に存在する部分の長さを、観察範囲内における細粒域１５内の結晶粒界の長さの平均で除した値と、当該最大の長さを有するき裂のうち溶接金属部１２内に存在する部分の長さを、観察範囲内における溶接金属部１２内の結晶粒界の長さの平均で除した値との合計値を指標Ｍとして用いる。すなわち、第５のケースにおける指標Ｍを決定する式は、次の通りである。
【００５８】
Ｍ＝最大長のき裂の粗粒域内部分の長さ／粗粒域における結晶粒界長さの平均＋最大長のき裂の細粒域内部分の長さ／細粒域における結晶粒界長さの平均＋最大長のき裂の溶接金属部内部分の長さ／溶接金属部における結晶粒界長さの平均  （５）
このようにして、試験体溶接部３５に形成された空隙に関連する指標Ｍを求めた後、または、試験体溶接部３５を観察した結果、試験体溶接部３５に空隙が形成されていなかったことが確認された後、試験体３４の加熱および試験体３４内の加圧を再開する。その後、次の中途止め時間が経過するまで試験体３４の加熱および試験体３４内の加圧状態を維持し、当該中途止め時間が経過した時点で試験体３４の加熱および試験体３４内の加圧を中断して試験体溶接部３５を観察し、試験体溶接部３５に空隙が形成さている場合には指標Ｍを求めるといった作業を、試験体３４が破断するまで繰り返し行う。
【００５９】
試験体３４が破断した時点で、試験体３４の加熱および試験体３４内の加圧を停止し、内圧クリープ損傷試験を終了する。そして、内圧クリープ損傷試験を開始した時点（試験体３４を試験温度に加熱し、かつ試験体３４の内圧を試験圧力にする初回の操作を行い、最初の中途止め時間へ向けて試験を開始した時点）から試験体３４が破断するまでの時間である破断時間を計算する。なお、破断時間を計算する際、試験体３４の加熱および試験体３４内の加圧を中断していた時間を除外する。
【００６０】
続いて、指標Ｍを求めた各中途止め時間を破断時間で除することにより、試験体溶接部３５の損傷率を算出する。これにより、当該内圧クリープ損傷試験において求めた指標Ｍにそれぞれ対応する試験体溶接部３５の損傷率が算出される。そして、マスターカーブを形成するに当たり、これら試験体溶接部３５の損傷率を、鋳鋼材溶接部５の損傷率として用いる。
【００６１】
続いて、当該内圧クリープ損傷試験において求めた複数の指標Ｍと、上述したように算出した鋳鋼材溶接部５（試験体溶接部３５）の複数の損傷率とをそれぞれ対応付けることにより、マスターカーブを形成する。
【００６２】
なお、上述した５つのケースにおいて、第１、第２および第３のケースは、試験を開始してから試験体溶接部３５が破断に至るまで、この順序で起こることが多い。また、第１、第２および第４のケースも、試験を開始してから試験体溶接部３５が破断に至るまで、この順序で起こることが多い。また、第５のケースは、第３または第４のケースが起こった後に起こることが多い。すなわち、上述した第１ないし第５のケースは、鋳鋼材溶接部５（試験体溶接部３５）の損傷率が０％から１００％へ変化する過程でそれぞれ起こり得る。したがって、ある１種類の鋳鋼材につき、上述した第１ないし第５のケースごとにそれぞれ異なる決定方法で決定された複数の指標Ｍは、１つのマスターカーブを形成するために組合わされて用いられる。
【００６３】
ここで、図８はマスターカーブの具体例を示している。図８では、上述した３種類の鋳鋼材の試験体３４のそれぞれについて行った内圧クリープ損傷試験により求めた指標Ｍと損傷率との関係をプロットしている。また、図８に示すマスターカーブを形成するための内圧クリープ損傷試験では、各種類の鋳鋼材の１つの試験体３４において２つの観察範囲を設定している。第１の観察範囲は、試験体３４において底側端栓３７が設けられた側（底側）に位置する粗粒域１４の一部、細粒域１５の一部および溶接金属部１２の一部に設定している。第２の観察範囲は、試験体３４において導管側端栓３８が設けられた側（導管側）に位置する粗粒域１４の一部、細粒域１５の一部および溶接金属部１２の一部に設定している。このため、図８に示すマスターカーブを形成するための内圧クリープ損傷試験では、各種類の鋳鋼材の１つの試験体３４につき、第１の観察範囲内の観察に基づく指標Ｍと、第２の観察範囲内の観察に基づく指標Ｍとの２通りの指標Ｍを求め、これら２通りの指標Ｍを互いに別の指標Ｍと捉えている。そして、図８では、これら２通りの指標Ｍと損傷率との関係（鋳鋼材が３種類なので、合計６通りの指標と損傷率との関係）にそれぞれ異なる記号を割り当ててプロットしている。
【００６４】
すなわち、図８において、黒塗り正方形の記号は、クロムモリブデン鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ）における底側の観察範囲における指標Ｍと損傷率との関係を示し、白塗り正方形の記号は、当該鋳鋼材における導管側の観察範囲における指標Ｍと損傷率との関係を示す。また、黒塗り菱形の記号は、クロムモリブデンバラジウム鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ０．１Ｖ）における底側の観察範囲における指標Ｍと損傷率との関係を示し、白塗り菱形の記号は、当該鋳鋼材における導管側の観察範囲における指標Ｍと損傷率との関係を示す。また、黒塗り三角形の記号は、クロムモリブデンバラジウム鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ０．２５Ｖ）における底側の観察範囲における指標Ｍと損傷率との関係を示し、白塗り三角形の記号は、当該鋳鋼材における導管側の観察範囲における指標Ｍと損傷率との関係を示す。図８を見るとわかる通り、いずれの指標Ｍと損傷率との関係も、指標Ｍが大きくなるに連れて損傷率が高くなっている。
【００６５】
また、図８には、１つのマスターカーブＣが描かれている。このマスターカーブＣは、図８において、各損傷率につき、最も小さい指標Ｍを選択し、それら選択した指標Ｍの点上またはその近傍を通るように描いた曲線である。このように、各損傷率につき、最も小さい指標Ｍを選択することで、実機の鋳鋼材溶接部５の観察から求められた各指標Ｍについて最も高い損傷率を認定することが可能になり、損傷の度合いを高く見積もった、安全寄りのクリープ損傷評価が可能になる。
【００６６】
このようにマスターカーブを形成した後は、実機における鋳鋼材溶接部５を観察し、指標Ｍを求め、当該指標Ｍを、マスターカーブに当てはめて実機の鋳鋼材溶接部５の損傷率を求める。実機における鋳鋼材溶接部５の観察方法として例えばレプリカ法を採用することができる。また、実機の鋳鋼材溶接部５における指標Ｍの決定方法は、上述した試験体溶接部３５における指標Ｍの決定方法と同じである。
【００６７】
本実施形態によるクリープ損傷評価方法により求めた実機の鋳鋼材溶接部５の損傷率を用いて下記の計算を行うことで、実機の鋳鋼材溶接部５の余寿命を知ることができる。
【００６８】
余寿命＝運転時間×（１ー損傷率）／損傷率  （６）
ただし、運転時間とは、実機の使用を開始してから評価時までの時間である。
【００６９】
以上説明した通り、本発明の実施形態によるクリープ損傷評価方法によれば、鋳鋼材溶接部５のクリープ損傷評価を正しく行うことができる。具体的には、鋳鋼材溶接部５の正しい損傷率を求めることができ、鋳鋼材溶接部５の余寿命の予測の精度を高めることができる。特に、本発明の実施形態によるクリープ損傷評価方法によれば、上述した５つのケースごとに指標Ｍの決定方法を切り替えることで、図４に示すように、時間の経過に伴い、空隙が、粗粒域１４内におけるボイド２２から、粗粒域１４内におけるき裂に変化し、さらに粗粒域１４と細粒域１５または溶接金属部１２とにまたがるき裂に変化し、多くの場合その後に破断に至るといった鋳鋼材溶接部５におけるクリープ損傷の性質ないし態様に適合した信頼性の高いクリープ損傷評価を実現することができる。
【００７０】
なお、上記実施形態では、クリープ損傷評価方法により、蒸気タービン１を構成する部位の鋳鋼材溶接部５におけるクリープ損傷を評価する場合を例にあげたが、本発明はこれに限らず、他の機器ないし設備の鋳鋼材溶接部におけるクリープ損傷を評価することもできる。
【００７１】
また、上記実施形態では、クロムモリブデン鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ）、クロムモリブデンバラジウム鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ０．１Ｖ）、およびクロムモリブデンバラジウム鋼（１Ｃｒ１Ｍｏ０．２５Ｖ）を評価対象とする場合を例にあげたが、本発明はこれらに限らず、他の鋳鋼材を評価対象とするともできる。
【００７２】
また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うクリープ損傷評価方法もまた本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【００７３】
１  蒸気タービン
２  外部車室
２Ａ  蒸気流入部
３  組合せ再熱弁
４  配管
５  鋳鋼材溶接部
１１  母材
１２  溶接金属部
１３  溶接熱影響部
１４  粗粒域
１５  細粒域
２１  結晶粒界
２２  ボイド
２３  き裂
３１  試験装置
３２、３３  試験片
３４  試験体
３５  試験体溶接部
３７  底側端栓
３８  導管側端栓
３８Ａ  孔
３９  導管
４０  中子
【図１】
0005903120.tif 000005
【図２】
0005903120.tif 000006
【図３】
0005903120.tif 000007
【図４】
0005903120.tif 000008
【図５】
0005903120.tif 000009
【図６】
0005903120.tif 000010
【図７】
0005903120.tif 000011
【図８】
0005903120.tif 000012