(57)【要約】【課題】比較的簡便に二相ステンレス鋼の安全性（脆化の度合いを含む）を評価する方法を提供することを目的とする。【解決手段】二相ステンレス鋼の安全性評価方法は、フェライト相の硬さを測定する硬さ測定工程と、予め用意したフェライト相の硬さと機械的特性との相関データを用いて、硬さ測定工程で得られた硬さ測定値から、機械的特性の推定値Ａを取得する推定値Ａ取得工程と、予め用意した時効時間と機械的特性との相関データを用いて、時効時間から機械的特性の推定値Ｂを取得する推定値Ｂ取得工程と、推定値Ａを、推定値Ｂと比較して安全性を評価する評価工程と、を含む。【選択図】図１
2015165187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト相の硬さを測定する硬さ測定工程と、
予め用意したフェライト相の硬さと機械的特性との相関データを用いて、前記硬さ測定工程で得られた硬さ測定値から、前記機械的特性の推定値Ａを取得する推定値Ａ取得工程と、
予め用意した時効時間と前記機械的特性との相関データを用いて、時効時間から前記機械的特性の推定値Ｂを取得する推定値Ｂ取得工程と、
前記推定値Ａを、前記推定値Ｂと比較して安全性を評価する評価工程と、
を含む二相ステンレス鋼の安全性評価方法。
【請求項２】
前記機械的特性が、破壊靭性値および引張特性の少なくともいずれかである請求項１に記載の二相ステンレス鋼の安全性評価方法。
【請求項３】
前記推定値Ａ取得工程が、
予め用意したフェライト相の硬さと破壊靭性値とを相関させたデータを用いて、前記硬さ測定工程で得られた硬さ測定値から、破壊靭性値の推定値ＡＪを取得し、
予め用意したフェライト相の硬さと引張特性とを相関させたデータを用いて、前記硬さ測定工程で得られた硬さ測定値から、引張特性の推定値ＡＲを取得することを含み、
前記評価工程が、
予め用意した線形弾性破壊パラメータと塑性崩壊パラメータとを座標軸とする破壊評価線図に、前記推定値ＡＪおよび前記推定値ＡＲから導かれる線形弾性破壊パラメータおよび塑性崩壊パラメータを当てはめて安全性を評価することを含む請求項１に記載の二相ステンレス鋼の安全性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二相ステンレス鋼の安全性評価方法に関するものである。本発明は、特に、原子力プラントの配管およびケーシングなどの高温（３２５℃〜４５０℃程度）に長期間曝される機器に適用される二相ステンレス鋼の安全評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントなどの高温で長時間使用される機器では、運転中の温度または応力の負荷等により、構成材料の特性が経時的に劣化する。構成材料の劣化を評価する方法が特許文献１および特許文献２に開示されている。
【０００３】
特許文献１では、電子線後方散乱回折像法分析にて相の分析比を求めて金属材料の応力腐食割れを評価している。特許文献２では、メスバウアー効果測定により物性値変化を捕らえて二相ステンレス鋼の脆化度を推定している。
【０００４】
二相ステンレス鋼は、オーステナイト相およびフェライト相を含むステンレス鋼である。二相ステンレス鋼が５２０℃以下の温度域に長期間曝されると、フェライト相（α相）内に加工誘起マルテンサイト相（α’相）が析出することが知られている。α’相は、Ｃｒがリッチな相（５０−７５原子％Ｃｒ）である。α’相が生成すると、フェライト相は硬く脆くなり、靭性が低下する。
【０００５】
二相ステンレス鋼の靭性の低下（脆化）を推定する別の方法として、脆化予測式を用いる方法がある。フェライト相の硬さは、時効時間の増加に伴って増加する。フェライト相の硬さは、シャルピー衝撃吸収エネルギーなどの機械的特性と相関がある（非特許文献１参照）。そのため、脆化予測式は、加速時効を行った材料を用いた材料試験（シャルピー衝撃試験、破壊靭性試験、金属組織観察など）から得られた試験結果を元に策定される。実機において交換品などが生じた場合は、その部品を用いて材料試験を行い、脆化予測式によって適切に脆化の程度が予測されているかを確認できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３１１０６号公報（段落［００１３］〜［００１５］、図１）
【特許文献２】特開平４−３２０９４７号公報（請求項１）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｔ．ＴＡＮＡＫＡ、他３名、Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｃａｓｔ  Ｄｕｐｌｅｘ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ  Ｓｔｅｅｌｓ、ＡＳＭＥ  ＰＶＰ−１９９５（Ｆｉｇ．３およびＦｉｇ．６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
シャルピー衝撃試験などの材料試験は、まず実機からサンプルを取出し、該サンプルを試験装置のある試験室へと移して評価を行う。試験室はプラントの立地区域外にあるため、サンプルをプラントの外に持ち出す必要があり、評価に時間と労力を要する。特に原子力機器の安全性を評価する場合には、サンプルを持ち出すための除染作業および管理区域での作業を伴うため、材料試験の実施は容易ではない。
【０００９】
特許文献１で用いられている電子線後方散乱回折像法分析（ＥＢＳＤ）は、比較的大掛りな装置が必要となる。特許文献１では、シャルピー吸収エネルギー値などの材料特性を推定するに留まっており、靱性値の推定まで言及していないため、許容欠陥寸法（破壊靭性値）を求めることが難しい。また、特許文献１の評価対象項目は応力腐食割れであり、脆化度ではない。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、比較的簡便に二相ステンレス鋼の安全性（脆化の度合いを含む）を評価する方法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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の二相ステンレス鋼の安全性評価方法は以下の手段を採用する。
本発明の二相ステンレス鋼の安全性評価方法は、フェライト相の硬さを測定する硬さ測定工程と、予め用意したフェライト相の硬さと機械的特性との相関データを用いて、前記硬さ測定工程で得られた硬さ測定値から、前記機械的特性の推定値Ａを取得する推定値Ａ取得工程と、予め用意した時効時間と前記機械的特性との相関データを用いて、時効時間から前記機械的特性の推定値Ｂを取得する推定値Ｂ取得工程と、前記推定値Ａを、前記推定値Ｂと比較して安全性を評価する評価工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、推定値Ａを、時効時間から推定される推定値Ｂと比較することで、安全性を簡易的に評価できる。推定値Ａは、フェライト相の硬さ測定値から推定される。硬さ測定に用いる装置は比較的簡素であることから、二相ステンレス鋼を構成材料とする機器の置かれた現場近くで、安全性評価を行うことが可能となる。また、測定項目を硬さのみとすることで、評価コストを低く抑えることができる。
【００１３】
推定値Ａは材料の持つ正味の機械的特性値であり、推定値Ｂは対象部品の化学成分から推定される純粋な材料の機械的特性値である。推定値Ａを推定値Ｂと比較することで、正味の機械的特性値が予想通りか否かを確認できる。
【００１４】
上記発明の一態様において、前記機械的特性が、破壊靭性値および引張特性の少なくともいずれかであることが好ましい。
【００１５】
機械的特性を破壊靭性値とすると、熱時効劣化の度合いを評価できる。機械的特性を引張特性とすると、破壊評価を実施できる。機械的特性を破壊靭性値および引張特性とすると、熱時効劣化の評価および破壊評価を実施できる。
【００１６】
上記発明の一態様において、前記推定値Ａ取得工程が、予め用意したフェライト相の硬さと破壊靭性値とを相関させたデータを用いて、前記硬さ測定工程で得られた硬さ測定値から、破壊靭性値の推定値ＡＪを取得し、予め用意したフェライト相の硬さと引張特性とを相関させたデータを用いて、前記硬さ測定工程で得られた硬さ測定値から、引張特性の推定値ＡＲを取得することを含み、前記評価工程が、予め用意した線形弾性破壊パラメータと塑性崩壊パラメータとを座標軸とする破壊評価線図に、前記推定値ＡＪおよび前記推定値ＡＲから導かれる線形弾性破壊パラメータおよび塑性崩壊パラメータを当てはめて安全性を評価することを含むことが好ましい。
【００１７】
破壊評価線図を用いることで、破壊評価ができる。本発明によれば、硬さを測定することで、熱時効劣化評価および破壊評価を実施できるため、より精度の高い評価となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、時効時間および測定した硬さからそれぞれ機械的特性を推定し、それらを比較することで、従来よりも簡便に安全性評価を実施できる。また、測定項目が硬さだけであるため、実機のある現場またはその近くで安全性評価ができる。すなわち、サンプルを施設外へと持ち出さなくても安全性を評価できる。本発明は、低コストで、かつ、従来よりも容易に安全性を評価できるため、劣化が懸念される評価対象を一次ソートするのに好適である。一次ソートすることで、詳細調査が必要な評価対象を絞ることができる。本発明の一態様によれば、破壊評価線図を用いることで、安全性評価の信頼性を高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る二相ステンレス鋼の安全性評価方法のフロー図である。
【図２】フェライト相の硬さ（ＨＶ）と破壊靭性値ＪＩｃとの相関図である。
【図３】フェライト相の硬さ（ＨＶ）と引張強さＲｍとの相関図である。
【図４】運転時間（時効時間）と破壊靭性値との相関図である。
【図５】破壊評価線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、３２５℃〜４５０℃程度の高温に長時間曝される二相ステンレス鋼の安全性を評価する方法に関する。以下に、本発明に係る二相ステンレス鋼の安全性評価方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
〔第１実施形態〕
図１は、本実施形態に係る二相ステンレス鋼の安全性評価方法のフロー図である。本実施形態に係る二相ステンレス鋼の安全性評価方法は、ステップ１からステップ８を含む。
【００２２】
ステップ１（Ｓ１）：
評価対象プラントの選定を行う。選定後、評価対象プラントの評価部位を決定し、評価対象プラントおよび評価部位の条件確認を行う。評価対象プラントは、二相ステンレス鋼で構成されている。評価部位は、フェライト相を含む。評価対象プラントおよび評価部位の条件は、二相ステンレス鋼の材料特性、評価対象プラントの運転時間および運転温度などを含む。
【００２３】
ステップ２（Ｓ２）：
評価対象プラントの評価部位からサンプルを採取する。例えば、ボートサンプル採取に用いる放電加工装置を組み込んだ装置を使用し、評価部位の内表面または外表面から評価部位の一部をくり抜いてサンプルを採取する。サンプルは、硬さ測定可能な形状で取得される。例えば、サンプルは、□１０ｍｍ程度の比較的小型サイズであってよい。取得すべきサンプルが小さくてよいため、実機での部材の交換、取外しは不要となる。
【００２４】
評価部位が閉ループ回路の配管である場合などは、予め系統の一部に取り外し容易なダミー配管を設けておくと、該ダミー配管を取り外してサンプルとすることができる。例えば、原子力発電（ＰＷＲ）プラントの一次冷却系統は閉ループで構成されており、そこに加圧器などの装置が接続されている。原子炉圧力容器を介する主冷却管に繋がる系統の一部に継手接続など比較的簡易に取外しの行えるステンレス鋼製の配管系統を設け、定期的に取り外して硬さ測定用のサンプルとする。
【００２５】
ステップ３（Ｓ３）：
サンプルのフェライト相の硬さ測定を行う。硬さ測定には、ナノインデンテーション硬さ計、またはミクロ硬さ計等の拡大顕微鏡を付帯する硬さ計を用いることができる。測定荷重は、フェライト相を限定して硬さ測定可能な値に設定する。測定荷重は、１００ｇｆ以下、好ましくは５０ｇｆ以下、更に好ましくは３０ｇｆ以下である。測定荷重は、比較的軽い荷重、例えば２０ｇｆ（１９６．２mＮ）程度であるとなおよい。測定荷重を軽くすることで、圧痕のサイズおよびサンプルのサイズを小さくできるため、極微小領域でも測定可能となる。硬さ測定時の環境温度は、室温とすることが好ましい。
【００２６】
なお、硬さ測定は、物体の硬さを非破壊的に直接計測する方法（例えばコンピュテスト）で測定してもよい。その場合は、サンプルの採取（ステップ２）は省略できる。
【００２７】
ステップ４（Ｓ４）：
フェライト相の硬さと機械的特性との相関データａを予め用意する。フェライト相の硬さと機械的特性とは、時効模擬材を用いた実験によって予め相関させておく。時効模擬材は、評価対象プラントの構成材料と同じ種類の二相ステンレス鋼を、評価対象プラントの運転温度で加速時効させたものである。相関データａは、過去に得られたデータまたは文献などから得られる公知情報に基づき作成されてもよい。ステップ４では、相関データａを用いて、硬さ測定で得られた硬さ測定値から、機械的特性の推定値Ａを取得する。機械的特性とは、破壊靭性および引張特性の少なくともいずれかである。
【００２８】
ステップ５（Ｓ５）：
時効時間と機械的特性との相関データｂを予め用意する。時効時間と機械的特性とは、時効模擬材を用いた実験によって予め相関させておく。相関データｂは、過去に得られたデータまたは文献などから得られる公知情報に基づき作成されてもよい。相関データｂは、二相ステンレス鋼の機械的特性の経時的な変化を示すデータと、信頼限界値とを含む。信頼限界値は９５％信頼限界値であることが好ましい。ステップ５では、相関データｂを用いて、時効時間から上記機械的特性の推定値Ｂを取得する。推定値Ｂは、二相ステンレス鋼の機械的特性の経時的な変化を近似曲線としたものから導くことができる。評価対象プラントによって、推定値Ｂは信頼限界値であってもよい。推定値Ｂに何を採用するかは、ステップ１の条件確認の際に設定する。
【００２９】
ステップ６（Ｓ６）：
推定値Ａを、推定値Ｂと比較して安全性を評価する。推定値Ａが推定値Ｂと同じまたは推定値Ｂよりも高い場合（Ｋｒ’＝（推定値Ａ／推定値Ｂ）、Ｋｒ’≧１）には、評価対象プラントが安全であると評価する。推定値Ａが推定値Ｂを下回った場合（Ｋｒ’＜１）、評価対象プラントが危険であると評価する。
【００３０】
ステップ７（Ｓ７，Ｓ８）：
ステップ６にて危険であると評価した場合には、詳細調査を計画する（Ｓ７）。ステップ６にて安全であると評価した場合、上記ステップで得られた情報をプラント評価データベースに追加する（Ｓ８）。
【００３１】
本実施形態によれば、フェライト相の硬さの測定値から、破壊靭性または引張特性を推定することで、熱時効劣化度または破壊の度合いを簡易的に評価できる。また、破壊靭性および引張特性を推定できるため、二相ステンレス鋼の安全性を総合的に評価できる。
【００３２】
本実施形態によれば、硬さを測定する装置が比較的簡素であることから、線量管理などが伴う原子力プラント内でも測定、評価が可能となる。
【００３３】
本実施形態によれば、評価結果から危険側評価となる部位をスクリーニングできる。測定項目を硬さだけにすることで、評価に掛かるコストを詳細調査の１／１０以下にすることができる。これにより、低価格で多くのプラントのデータを取得可能となる。すなわち、劣化が懸念されるプラントを一次ソートしやすくなるとともに、詳細な調査が必要なプラントに絞って詳細調査を行える。
【００３４】
（実施例）
９５％信頼限界値を推定値Ｂとする評価対象プラントの安全性評価について例示する。
図２及び図３に相関データａを例示する。図４に相関データｂを例示する。
図２は、フェライト相の硬さ（ＨＶ）と破壊靭性値ＪＩｃとの相関図（相関データａ）である。同図において、横軸がフェライト相の硬さ（ＨＶ）、縦軸が破壊靭性値ＪＩｃ（ｋＪ／ｍ２）である。図中の曲線は、時効模擬材（３２５℃）の硬さおよび破壊靭性を測定し、得られた各測定値（ｎ＞１００）から導いた近似曲線である。破壊靭性値ＪＩｃは、式（１）または式（２）で定式化できる。
ＪＩｃ＝Ａ＋Ｂ／（ＨＶ−Ｃ）  ・・・（１）
ＪＩｃ＝Ａ＋Ｂ×ＨＶｃ  ・・・（２）
ＪＩｃ：破壊靭性値
ＨＶ：硬さ
Ａ，Ｂ，Ｃ：定数（時効模擬材のデータより決定する）
【００３５】
例えば、フェライト相の硬さの測定値が６４０ＨＶであった場合、破壊靭性の推定値Ａは１４０ｋＪ／ｍ２と推定できる。
【００３６】
図３は、フェライト相の硬さ（ＨＶ）と引張強さＲｍ（ＭＰａ）との相関図（相関データａ）である。同図において、横軸がフェライト相の硬さ（ＨＶ）、縦軸が引張強さＲｍ（ＭＰａ）、実線が３２５℃で測定したデータから導いた近似曲線、破線が室温で測定したデータから導いた近似曲線である。
【００３７】
例えば、フェライト相の硬さの測定値が６４０ＨＶであった場合、引張特性の推定値Ａは６８０ＭＰａと推定できる。
【００３８】
図４は、運転時間（時効時間）と破壊靭性値との相関図（相関データｂ）である。同図において、横軸が運転時間（ｈｏｕｒｓ）、縦軸が破壊靭性値ＪＩｃ（ｋＪ／ｍ２）、実線が破壊靭性値の経時的な変化を示す近似曲線で、破線が９５％信頼限界線である。
【００３９】
９５％信頼限界線は、次のようにして定義する。
（１）まず、時効時間と機械特性を関数（破壊靭性の場合、双曲線関数）でフィッティングし、各係数項とフェライト量（材料の化学成分から推定可能な値）の相関を得る。
（２）次に、その相関線図に対して平均線、平均線からの偏差σを算出し、２σ（９５％信頼範囲）となる偏差を算出し、各係数項に対して２σ分の下限となる（１）のフィッティング線を９５％信頼限界線として定義する。
【００４０】
図４の近似曲線によれば、２００，０００時間運転された評価対象プラントの破壊靭性は、１９０ｋＪ／ｍ２と推定できる。図４の９５％信頼限界線によれば、９５％信頼限界値は６３ｋＪ／ｍ２と推定できる。すなわち、本実施例おける推定値Ｂは６３ｋＪ／ｍ２である。
【００４１】
図２から取得した推定値Ａを、図４から取得した推定値Ｂと比較すると、推定値Ａの方が高い。よって、硬さを測定した評価対象プラントは安全であると評価する。
【００４２】
〔第２実施形態〕
本実施形態に係る二相ステンレス鋼の安全性評価方法は、安全性評価に破壊評価線図を用いることを特徴とする。
【００４３】
ステップ１１〜ステップ１３（Ｓ１１〜Ｓ１３）
第１実施形態のステップ１〜ステップ３と同様に実施する。
【００４４】
ステップ１４（Ｓ１４）：
フェライト相の硬さと破壊靭性値との相関データａＪを予め用意する。相関データａＪを用いて、硬さ測定で得られた硬さ測定値から、破壊靭性値の推定値ＡＪを取得する。
フェライト相の硬さと引張特性との相関データａＲを予め用意する。相関データａＲを用いて、硬さ測定で得られた硬さ測定値から、引張特性の推定値ＡＲを取得する。
【００４５】
ステップ１５（Ｓ１５）：
第１実施形態のステップ５と同様に、破壊靭性値の推定値ＢＪおよび引張特性の推定値ＢＲを取得する。
【００４６】
ステップ１６（Ｓ１６）：
推定値Ａ（ＡＪおよびＡＲ）を、推定値Ｂ（ＢＪおよびＢＲ）と比較するとともに、評価対象プラントの線形弾性破壊パラメータＫｒおよび塑性崩壊パラメータＬｒを算出し、予め用意しておいた破壊評価線図に当てはめて安全性を評価する。推定値Ｂとの比較は、第１実施形態のステップ６と同様に実施する。
【００４７】
破壊評価線図は、線形弾性破壊パラメータＫｒと塑性崩壊パラメータＬｒとを座標軸とし、破壊評価曲線を含む。線形弾性破壊パラメータＫｒおよび塑性崩壊パラメータＬｒは、き裂がある部材の形状・寸法、作用する荷重、材料の破壊靭性及び応力に関するパラメータである。破壊評価線図は、２パラメータ法／Ｒ６法に基づき作成すればよい。図５に、破壊評価線図を例示する。同図において、横軸がＬｒ、縦軸がＫｒ、太線が破壊評価曲線、斜線領域が安全領域である。
【００４８】
線形弾性破壊パラメータＫｒは、式（３）から算出する。
【数１】
2015165187.tif 000003
【００４９】
ＫＩＰおよびＫＩＳは、評価対象の運転条件から求める値である。ＫＩＰは、応力値に対する欠陥部材の応力拡大係数ＫＩの一次応力σＰについて算出される。ＫＩＳは、応力値に対する欠陥部材の応力拡大係数ＫＩの一次応力σＳについて算出される。
【００５０】
Ｋｃは、破壊靭性値であり、硬さ測定値から推定した破壊靭性の推定値ＡＪに相当する。ρは、一次応力と二次応力の相互干渉による塑性効果を表すパラメータであるが、省略してもよい。
【００５１】
塑性崩壊パラメータＬｒは、式（４）〜（６）から算出する。
【数２】
2015165187.tif 000004
【００５２】
Ｌｒは、評価対象部位に作用する一次荷重であり、評価対象の運転条件から求められる。σｙは降伏強さである。σｆは有効降伏強度（流動応力）である。σｕは引張り強さである。σｙ、σｆ、σｕは、推定値ＡＲに相当し、評価部によって異なる。
【００５３】
式（３）〜（６）を用いて算出した評価対象プラントのＫｒおよびＬｒを破壊評価線図上にプロットする。このプロットが、安全領域内にあれば評価対象プラントは安全である（破壊しない）と判定する。プロットが、安全領域の外側にあれば評価対象プラントは危険である（破壊する）と判定する。
【００５４】
ステップ１７およびステップ１８（Ｓ１７およびＳ１８）：
第１実施形態のステップ７，８と同様に実施する。
【００５５】
本実施形態では、推定値Ａを推定値Ｂと比較した結果と、破壊評価線図を用いて評価した結果とを得られる。両方の結果が安全評価であれば、評価の信頼性は高いものとなる。
【００５６】
上記実施形態によれば、従来別枠の評価項目とされていた熱時効劣化および破壊について包括的に評価できる。
【図１】
2015165187.tif 000005
【図２】
2015165187.tif 000006
【図３】
2015165187.tif 000007
【図４】
2015165187.tif 000008
【図５】
2015165187.tif 000009