(57)【要約】本発明は、鋳鋼材からなり、高温且つ応力が低い環境下にて使用される部材の余寿命評価方法であって、部材の内部の硬さを測定し、測定した硬さに基づいて、部材の引張強さを予測し、予め求めた上記環境下における部材の時間と引張強さとの関係を参照し、予測した引張強さに基づいて、部材の引張強さが所定の引張強さになるまでの時間を第一の余寿命とする。また、測定した硬さに基づいて、部材の変形量を予測し、予め求めた上記環境下における部材の時間と変形量との関係を参照し、予測した変形量に基づいて、部材の変形量が所定の変形量になるまでの時間を第二の余寿命とする。そして、第一および第二の余寿命のうちの短い方を、部材の余寿命として評価する。よって、高温かつ低応力下で使用される鋳鋼材製の部材における余寿命予測の精度を向上させることで、当該機器を適切なタイミングで交換でき、信頼性を向上させることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鋼材からなり、高温且つ応力が低い環境下にて使用される部材の余寿命評価方法であって、
前記部材の内部の硬さを測定し、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の引張強さを予測し、
予め求めた前記環境下における前記部材の時間と引張強さとの関係を参照し、前記予測した引張強さに基づいて、前記部材の引張強さが所定の引張強さになるまでの時間を第一の余寿命とし、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の変形量を予測し、
予め求めた前記環境下における前記部材の時間と変形量との関係を参照し、前記予測した変形量に基づいて、前記部材の変形量が所定の変形量になるまでの時間を第二の余寿命とし、
前記第一および第二の余寿命のうちの短い方を、前記部材の余寿命として評価する
ことを特徴とする余寿命評価方法。
【請求項２】
前記鋳鋼材の表面の脱炭層を除去して、前記部材の内部の硬さを測定することを特徴とする請求項１に記載の鋳鋼材の余寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンの車室や弁等の鋳鋼材製の部材における余寿命を評価するための余寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電設備等において用いられる蒸気タービンの車室や弁等の部材は、長期間に渡って高温・高圧条件におかれた場合、徐々にクリープ変形を起こし、クリープ寿命に達すると破断してしまう。従って、火力発電設備等を安全かつ経済的に運転するためには、用いられている機器のクリープ余寿命を的確に予測することによって、最適な時期に機器の交換を行うことが求められる。【０００３】
このような部材に使用されている耐熱鋼のクリープ余寿命を予測する方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、実際に稼動している火力発電設備等の部材の耐熱鋼から試験片を切り出して、クリープ破断試験を行い、その破断時間から余寿命を予測する方法が知られている。【０００４】
この他、超音波探傷検査及び放射線探傷検査等の寿命末期に発生する亀裂を検出する方法や、目視検査、磁粉探傷検査、レプリカ法によるクリープボイドや微視亀裂を検出する方法などが知られている。【０００５】
その他の方法として、例えば特許文献２に記載されるように、磁性を有する耐熱鋼に非接触で超音波を励起させることによって超音波共鳴を発生させ、この超音波共鳴の減衰具合から余寿命を予測する方法が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２３５８６１号公報
【特許文献２】特開２００１−３４３３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記鋳鋼材は、５００℃以上の高温で、且つ、２５〜３０ＭＰａ程度の応力が低い環境下において長期間使用された場合、クリープ損傷は発生しにくく、組織が軟化することにより、脆化は進行せずに回復することが知られている。従って、このような鋳鋼材を使用した部材は、軟化することに応じて亀裂の進展速度が遅くなるため、当該亀裂の進展に伴った急速な破壊は生じ難いものの、軟化が進行して強度低下や変形が生じると使用できなくなると考えられる。【０００８】
前述のような５００℃以上の高温で応力が低い環境下では、クリープボイドや、き裂は発生しにくいため、クリープボイドや微視き裂を検出する方法、超音波共鳴の減衰具合から余寿命を予測する方法は適用できない。【０００９】
そこで、本発明は、高温かつ低応力下で使用される鋳鋼材製の部材における余寿命予測の精度を向上させることで、当該機器を適切なタイミングで交換でき、信頼性を向上させることができる余寿命評価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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る鋳鋼材の余寿命評価方法は、
鋳鋼材からなり、高温且つ応力が低い環境下にて使用される部材の余寿命評価方法であって、
前記部材の内部の硬さを測定し、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の引張強さを予測し、
予め求めた前記環境下における前記部材の時間と引張強さとの関係を参照し、前記予測した引張強さに基づいて、前記部材の引張強さが所定の引張強さになるまでの時間を第一の余寿命とし、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の変形量を予測し、
予め求めた前記環境下における前記部材の時間と変形量との関係を参照し、前記予測した変形量に基づいて、前記部材の変形量が所定の変形量になるまでの時間を第二の余寿命とし、
前記第一および第二の余寿命のうちの短い方を、前記部材の余寿命として評価することを特徴とする。【００１１】
このとき、前記鋳鋼材の表面の脱炭層を除去して、前記部材の内部の硬さを測定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高温かつ低応力下で使用される鋳鋼材製の部材における余寿命予測の精度を向上させることで、当該機器を適切なタイミングで交換でき、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】高温低応力で長期使用された鋳鋼材の組織を示す拡大図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る余寿命評価方法の硬さ低下に伴う引張強さによる余寿命評価を示し、（ａ）鋳鋼材の硬さと時間との関係を示すグラフ、（ｂ）鋳鋼材の硬さと引張強さとの関係を示すグラフ、（ｃ）鋳鋼材の引張強さと時間との関係を示すグラフである。
【図３】鋳鋼材の必要肉厚を計算する際に用いる材料と温度によって定められた係数を表す表である。
【図４】本発明の一実施形態に係る余寿命評価方法の硬さ低下に伴う変形量による余寿命評価を示し、（ａ）クリープ歪速度と応力との関係を示すグラフ、（ｂ）鋳鋼材の硬さと時間との関係を示すグラフ、（ｃ）クリープ歪速度と時間との関係を示すグラフ、（ｄ）変形量または歪と時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る余寿命評価方法について、添付図面を参照しつつ説明する。この余寿命評価方法は、５００℃以上の高温で、且つ、２５〜３０ＭＰａ程度の応力が低くクリープ損傷が発生しにくい環境下で使用される鋳鋼材製の部材における余寿命を予測するためのものであり、その部材としては、肉厚が厚いものを対象とする。なお、以下では、部材機械として、例えば蒸気タービンの車室や弁等の機器を一例とする場合について説明するが、本発明はこの限りではない。
【００１５】
まず、発電プラントを構成する蒸気タービンの車室や弁等の部材の余寿命を評価するために、当該部材からその部材として用いられる鋳鋼材組織のレプリカを採取して組織観察する。
【００１６】
図１に示すように、部材１が新材時には、その組織の粒内２に多数の微細炭化物と不純物とが分散して存在している。このとき、粒界３を介して隣接する他の粒内２にも同様に多数の微細炭化物が分散して存在しているため、強度が維持されている。このような部材１は、長期間使用されると粒内２内に微細に分散していた炭化物が粗大化し、粒界３やその周辺に集まって凝集炭化物となる。
【００１７】
また、粒内２内は炭素や微細炭化物、不純物が減少することで、変形に対する対抗力が弱まり、硬さが低下（すなわち、軟化）するため、前記亀裂が粒内２へと進展し難くなる。従って、このような部材１を使用した機器は、軟化することに応じて亀裂の進展速度が遅くなるため、当該亀裂の進展に伴った急速な破壊は生じ難いものの、軟化が進行して強度低下や変形が生じると使用できなくなる。
【００１８】
そのため、本実施形態では、強度低下や変形が起きるまでの期間を予測するために、部材の硬さと引張強さとの関係を求め、その引張強さが必要引張強さに低下するまでの時間を第一の余寿命として求める。また、部材の硬さと変形量の関係を求め、その変形量が許容値に達する迄の時間を第二の余寿命として求める。そして、これら求めた第一および第二の余寿命のうちの短い方を機器の余寿命として評価するようにした。
【００１９】
具体的に、第一の余寿命は、次のように求められる。まず、評価対象の部材（実機）の内部の硬さを測定する。例えば、蒸気タービンの場合、定期点検が４〜８年の周期で行われるため、その都度測定して低下傾向を予測する。このとき、鋳鋼材の表面の脱炭層を除去して、部材の内部の硬さを測定することが好ましい。これにより、高温によって強度を保つための炭素が抜けて柔らかくなった脱炭層を鋳鋼材の表面から除去することで、部材の正しい硬さを測定することができる。また、硬さの測定は、図２（ａ）に示すように、少なくとも３点程度測定し、その測定結果を用いて近似値化することが好ましい。これにより、部材の経時的な硬さＨ（Ｈｖ）の変化を予測できる。
【００２０】
次に、前記予測した部材の経時的に変化する硬さＨ（Ｈｖ）と、当該部材の硬さＨ（Ｈｖ）に応じて予め求められる引張強さσ（ＭＰａ）とに基づいて、前記予測した経時的に変化する部材の硬さＨ（Ｈｖ）と、部材の引張強さσ（ＭＰａ）との関係を図２（ｂ）に示すように推定する。
【００２１】
そして、図２（ａ）に示す時間ｔ（ｈ）と部材の硬さＨ（Ｈｖ）との関係と、図２（ｂ）に示す硬さＨ（Ｈｖ）と引張強さσ（ＭＰａ）との関係に基づいて、図２（ｃ）に示すような、高温且つ応力が低い環境下の部材における時間ｔ（ｈ）と引張強さσ（ＭＰａ）との関係を予め求める。
【００２２】
そして、部材の引張強さσ（ＭＰａ）が、現時点の硬さＨ（Ｈｖ）から図２（ｂ）を参照して予測した現時点の引張強さσ（ＭＰａ）から、所定の引張強さσ（ＭＰａ）になる（つまり、必要な強度を下回る）までの時間ｔ（ｈ）を第一の余寿命とする。
【００２３】
ここで、必要な強度とは、残肉厚に対して、どの程度の引張強さが必要であるかであり、内圧と残肉厚との関係から求めることができる。具体的には、車室や弁に用いられる鋳鋼材の必要肉厚は、陸用鋼製ボイラー構造における内圧胴の最小厚さを、内径を基準として計算する場合に用いられる一般的な計算式としての次式１
【数１】
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によって算出される。
【００２４】
このとき、ｔは円筒部の最小厚さ（ｍｍ）、Ｐは最高使用圧力（ＭＰａ）、Ｄ1はｔを計算する部分の内径（ｍｍ）、σ2は材料の許容引張応力（Ｎ／ｍｍ2）、ηは長手継手の効率またはリガメント効率（但し、穴と長手継手の溶接部の溶接金属との距離が６ｍｍ以下のとき、または長手継手に穴があるときは、その穴に影響を及ぼす溶接継手の効率と穴のある部分の効率との積とする。）、α1は付け代（１ｍｍ以上）とする。なお、ｋは図３に示すように、フェライト鋼、オーステナイト鋼、鉄基の耐食耐熱合金（ＪＩＳ  Ｇ  ４９０１〜ＪＩＳ  Ｇ  ４９０４で８００番台の数字が付された材料）、ニッケル基の耐食耐熱合金ＪＩＳ  Ｇ  ４９０１〜ＪＩＳ  Ｇ  ４９０４で６００番台の数字が付された材料）における使用温度に応じて定められる係数である。
【００２５】
一方、第二の余寿命は、次のように求められる。まず、前述のように測定した硬さＨ（Ｈｖ）に基づいて、部材の変形量を予測する。具体的には、部材に用いられる鋳鋼材の試料を電気炉で加熱することによる時効試験を行って軟化させ、そのときの加熱時間を変えることで硬さの異なる試料を作製し、それらについて異なる温度Ｔでクリープ試験を行う。これにより、図４（ａ）に示すような、硬さＨ1〜Ｈ3の試料におけるクリープひずみ速度ε（％／ｈ）と応力σ（ＭＰａ）との関係が求められる。このとき、硬さはＨ1〜Ｈ3の順に硬くなり、柔らかい程、ひずみ速度ε（％／ｈ）は大きくなる。また、温度Ｔが高い程、ひずみ速度ε（％／ｈ）は大きくなり、このひずみ速度ε（％／ｈ）が大きくなる程、変形する速度も上がる。そして、これら異なる硬さの試料について、各温度でのノートン則（ε＝Ａσn）の係数Ａ（Ｈ，Ｔ），ｎ（Ｈ，Ｔ）を求めることで、単位時間当たりのクリープひずみ速度ε（％／ｈ）を求める。
【００２６】
次に、図４（ｂ）に示すように、図２（ａ）と同様にして、評価対象の部材（実機）の内部の硬さを測定する。このとき、少なくとも３点の時間ｔ１〜ｔ３にて測定し、その測定結果を用いて近似値化することが好ましい。これにより、時間ｔ１〜ｔ３での測定結果から部材の経時的な硬さＨ（Ｈｖ）の変化を予測できる。そして、この測定した時間ｔ１〜ｔ３での硬さＨ（Ｈｖ）と、実機での運転温度に応じた温度Ｔと、を上記ノートン則（？＝Ａσn）の係数Ａ（Ｈ，Ｔ），ｎ（Ｈ，Ｔ）として代入することで求められる単位時間当たりのクリープひずみ速度ε（％／ｈ）から、図４（ｃ）に示すような、クリープひずみ速度ε（％／ｈ）の経時的な変化を予測する。
【００２７】
そして、この硬さＨ（Ｈｖ）の変化を考慮したクリープひずみ速度ε（％／ｈ）を積分することにより、図４（ｄ）に示すような、時間ｔ（ｈ）とクリープ変形量との関係を予測する。このようにして、予め求めた関係（高温且つ応力が低い環境下における部材の時間と変形量との関係）を参照し、現時点での変形量に基づいて、部材の変形量が所定の変形量になる（つまり、変形が限界となる）までの時間ｔ（ｈ）を第二の余寿命とする。なお、現時点での変形量は、図４（ｃ）を参照して求められる現時点でのクリープひずみ速度ε（％／ｈ）を積分することにより求められる。
【００２８】
かくして求めた第一および第二の余寿命のうちの短い方を、部材の余寿命として評価するようにした。
【００２９】
なお、前述したように、内圧により弁に発生する応力は、既存の発電所の弁について計算したところ、２５〜３０ＭＰａ程度以下であった。温度にもよるが、この程度の低い応力では、クリープしたとしてもクリープ余寿命は非常に長いと推測される。
【００３０】
以上、説明したように、本実施形態の鋳鋼材の余寿命評価方法によれば、部材の内部の硬さを測定し、この測定した硬さに基づいて、部材の引張強さを予測し、予め求めた高温且つ応力が低い環境下における部材の時間と引張強さとの関係を参照し、予測した引張強さに基づいて、部材の引張強さが所定の引張強さになるまでの時間を第一の余寿命とする。また、前記測定した硬さに基づいて、部材の変形量を予測し、予め求めた高温且つ応力が低い環境下における部材の時間と変形量との関係を参照し、予測した変形量に基づいて、部材の変形量が所定の変形量になるまでの時間を第二の余寿命とする。そして、これら第一および第二の余寿命のうちの短い方を、部材の余寿命として評価するようにしたので、高温かつ低応力下で使用される鋳鋼材製の部材における余寿命予測の精度を向上させることができる。よって、当該機器を適切なタイミングで交換でき、信頼性を向上させることができる。
【００３１】
なお、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余寿命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】
【００３２】
１  部材
２  粒内
３  粒界
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年11月4日(2016.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鋼材からなり、高温且つ応力が低い環境下にて使用される部材の余寿命評価方法であって、
前記部材の内部の硬さを複数回測定して前記部材の経時的に変化する硬さを予測し、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の引張強さを予測し、
時間と前記部材の硬さとの関係と、前記予測した部材の経時的に変化する硬さと前記部材の引張強さとの関係に基づき、予め求められる前記環境下における時間と前記部材の引張強さとの関係を参照し、前記予測した引張強さに基づいて、前記部材の引張強さが所定の引張強さになるまでの時間を第一の余寿命とし、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の変形量を予測し、
予め求めた前記環境下における前記部材の時間と変形量との関係を参照し、前記予測した変形量に基づいて、前記部材の変形量が所定の変形量になるまでの時間を第二の余寿命とし、
前記第一および第二の余寿命のうちの短い方を、前記部材の余寿命として評価する
ことを特徴とする余寿命評価方法。
【請求項２】
前記鋳鋼材の表面の脱炭層を除去して、前記部材の内部の硬さを測定することを特徴とする請求項１に記載の鋳鋼材の余寿命評価方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る鋳鋼材の余寿命評価方法は、
鋳鋼材からなり、高温且つ応力が低い環境下にて使用される部材の余寿命評価方法であって、
前記部材の内部の硬さを複数回測定して前記部材の経時的に変化する硬さを予測し、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の引張強さを予測し、
時間と前記部材の硬さとの関係と、前記予測した部材の経時的に変化する硬さと前記部材の引張強さとの関係に基づき、予め求められる前記環境下における時間と前記部材の引張強さとの関係を参照し、前記予測した引張強さに基づいて、前記部材の引張強さが所定の引張強さになるまでの時間を第一の余寿命とし、
前記測定した硬さに基づいて、前記部材の変形量を予測し、
予め求めた前記環境下における前記部材の時間と変形量との関係を参照し、前記予測した変形量に基づいて、前記部材の変形量が所定の変形量になるまでの時間を第二の余寿命とし、
前記第一および第二の余寿命のうちの短い方を、前記部材の余寿命として評価することを特徴とする。
【国際調査報告】
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2017077586.tif 000009
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