(57)【要約】【課題】フェライト系鉄鋼材料の疲労損傷亀裂を非熟練者でも短期間で精度良く、非破壊的に選別評価することができる技術を提供する。【解決手段】フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面に磁粉を撒布し、磁場を与えて亀裂に磁粉を集積して磁化させ、その状態の当該部位の表面から二値化されたデジタル画像を得、当該デジタル画像から亀裂を選別し、選別した亀裂の形状から当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面に磁粉を撒布し、磁場を与えて亀裂に磁粉を集積して磁化させ、
その状態の当該部位の表面から二値化されたデジタル画像を得、
当該デジタル画像から亀裂を選別する、
亀裂画像の選別方法。
【請求項２】
請求項１に記載の亀裂画像の選別方法により選別した亀裂の形状から当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定するフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価方法。
【請求項３】
選別された亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出し、その最大亀裂長さから、最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係に基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する、請求項２に記載のフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価方法。
【請求項４】
フェライト系鉄鋼材料よりなる部位が、火力発電プラントのボイラの耐圧部である、請求項２または３に記載のフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価方法。
【請求項５】
二値化されたデジタル画像を得るための画像取得装置と、
フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面に磁粉を撒布し、磁場を与えて亀裂に磁粉を集積して磁化させ、その状態の当該部位の表面について当該画像取得装置を使用して得たデジタル画像から亀裂を選別し、選別された亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出し、その最大亀裂長さから最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係に基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する、疲労損傷寿命消費率評価装置と、
を含むフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価システム。
【請求項６】
フェライト系鉄鋼材料よりなる部位が、火力発電プラントのボイラの耐圧部である、請求項５に記載のフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェライト系鉄鋼材料の疲労損傷部位から亀裂画像を選別する方法、疲労損傷寿命を評価する方法およびシステムに関する。さらに具体的には、フェライト系鉄鋼材料よりなるボイラ耐圧部の疲労損傷部位から亀裂画像を選別する方法、疲労損傷寿命を評価する方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラントのボイラ耐圧部のように疲労損傷の生じやすい部位については、従来、磁粉探傷法（たとえば特許文献１参照。）で検査し、微小な疲労亀裂が検出されると、転写テープで転写し、実体顕微鏡で転写された疲労亀裂の観察を行っている。
【０００３】
具体的には、実体顕微鏡による観察で、亀裂と酸化スケール、ごみ等の付着物との選別を行い、選別された複数の亀裂について、その長さ、亀裂と他の亀裂との間隔等の寸法計測を行い、これらのデータから最大亀裂長さを求め、その最大亀裂長さから、当該部位の材質に応じた最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との関係をあらわす疲労損傷寿命評価線図により疲労損傷寿命消費率を推定する手法を例示することができる。なお、疲労損傷寿命消費率とは、当該部位について予想される疲労損傷寿命の内、すでに消費されている割合を意味する。疲労損傷寿命は所定の巨視的亀裂が生じるまでの寿命を意味する。巨視的亀裂とは、対象部位の取り替えや補修が必要となる程度までに成長した亀裂、いわゆる疲労強度が２５％低下したときの管表面の亀裂を意味する。所定の巨視的亀裂の内容は実績や経験に基づいて定めることができる。
【０００４】
疲労損傷寿命評価線図は実験等で定めることができる。疲労損傷寿命評価線図は対象部位の材質により異なる。対象部位が火力発電プラントのボイラ耐圧部である場合には、その材質に応じて、炭素鋼や低合金鋼に関する疲労損傷寿命評価線図を使用することができる。
【０００５】
しかしながら、現状の技術では疲労亀裂を転写テープに転写後、研究所に持ち帰り、寸法計測可能な精密実体顕微鏡で亀裂長さ等を計測し、評価線図に当てはめ、当該部位の疲労損傷寿命評価を行っており、検査、解析および報告書提出までにかなりの日数を要するという問題があった。
【０００６】
さらに、疲労損傷寿命評価に必要な最大亀裂長さの判定には、転写テープ中の疲労亀裂の選別が必要なこと、最大亀裂長さを判定するためには精度よく各亀裂の寸法計測を行う必要があること等の要件があり、これらの選別、寸法計測を行うには経験が豊富な熟練した技術者が不可欠であった。従って、非熟練者では疲労損傷寿命評価に対応できなかった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１６０００８号公報（段落番号０００２〜０００６）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決し、フェライト系鉄鋼材料の疲労損傷亀裂を非熟練者でも短期間で精度良く、非破壊的に選別評価することができる技術を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面に磁粉を撒布し、磁場を与えて亀裂に磁粉を集積して磁化させ、その状態の当該部位の表面から二値化されたデジタル画像を得、当該デジタル画像から亀裂を選別する、亀裂画像の選別方法が提供される。この選別方法により、フェライト系鉄鋼材料の疲労損傷亀裂を非熟練者でも短期間で精度良く、非破壊的に選別することができる。
【００１１】
本発明の他の一態様によれば、上記に記載の亀裂画像の選別方法により選別した亀裂の形状から当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定するフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価方法が提供される。選別された亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出し、その最大亀裂長さから、最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係に基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定することが好ましい。
【００１２】
本発明のさらに他の一態様によれば、二値化されたデジタル画像を得るための画像取得装置と、フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面に磁粉を撒布し、磁場を与えて亀裂に磁粉を集積して磁化させ、その状態の当該部位の表面について当該画像取得装置を使用して得たデジタル画像から亀裂を選別し、選別された亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出し、その最大亀裂長さから最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係に基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する、疲労損傷寿命消費率評価装置とを含むフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価システムが提供される。
【００１３】
上記評価方法やシステムにより、フェライト系鉄鋼材料の疲労損傷亀裂を非熟練者でも短期間で精度良く、非破壊的に選別評価することができる。
【００１４】
フェライト系鉄鋼材料よりなる部位としては、火力発電プラントの耐圧部で、低サイクル疲労損傷が発生する部位が好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。なお、これらの図において、同一の要素については同一の符号を付すものとする。これらの図において、本発明に係る要素は、必ずしも同一の縮尺によるものではない。たとえば亀裂の大きさは理解しやすいように大きく描写してある。
【００１６】
本発明によれば、フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面から二値化されたデジタル画像を得ることで、非熟練者でも微小な亀裂を酸化スケール、ごみ等から容易に選別でき、精度よく各亀裂の寸法計測を行うことが可能となる。二値化されたデジタル画像では、亀裂は、輪郭が明瞭になり、たとえば、線状であること、同一の方向性を有していること、黒色度が大きいこと等の単純な条件に従って、亀裂を、酸化スケール、ごみ等とは明確に区別できるようになるからである。
【００１７】
このようにして選別した各亀裂の寸法を計測し、これをもとに、選別された疲労亀裂の形状から当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する。
【００１８】
フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面から二値化されたデジタル画像を得るには、フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面に、たとえば強磁性材料の磁粉を撒布し、疲労亀裂上で磁場を与えて亀裂部位に磁粉を集積して磁化させ、その表面から二値化されたデジタル画像を得たり、磁粉を転写テープを用いて転写し、この転写テープから二値化されたデジタル画像を得たりすればよい。なお、磁粉の撒布は、通常磁粉スラリーとしてスプレーする。この場合の媒体としてはエタノール等の揮発性液体が好ましい。短時間で乾燥し、磁粉を転写テープで転写する際等の障害にならないからである。
【００１９】
具体的には、使用後のフェライト系鉄鋼材料には、図１２の断面図に示すように、一番上に酸化層１２１、その下に脱炭層１２２、その下に母地であるフェライト系鉄鋼の組織１２３があるが、脱炭層がわずかに露出するまで当該部位の表面を軽く研磨し、その後磁粉を撒布する。研磨するのは、酸化層を除去し、亀裂６の観察を容易にするためであるが、脱炭層でとどまりその下に母地まで達していない亀裂も多いので、研磨は脱炭層がわずかに露出するまででとどめるのが重要である。
【００２０】
選別された疲労亀裂の形状から当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する方法は任意に定めることができるが、選別された疲労亀裂の形状から、所定の基準に従って上記の最大亀裂長さを算出し、その最大亀裂長さに基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する方法が好ましい。高い評価精度を実現できるからである。
【００２１】
微小な亀裂が巨視的亀裂として顕在化するプロセスは、微小な亀裂が単に成長するというケースばかりではなく、複数の微小な亀裂が複合化して成長する場合がある。そこで、このような複合化して成長する可能性のある亀裂については、亀裂が連結し合った亀裂（連結性亀裂）を想定することが有用である。本発明における、選別された疲労亀裂の形状から所定の基準に従って算出される最大亀裂長さとは、１つの対象領域における、このようにして想定した連結性亀裂の長さとその他の独立した亀裂の長さとの集合の中で最長の亀裂の長さを意味する。選別された疲労亀裂の形状から亀裂が連結し合った亀裂を想定する所定の基準は、経験、実験等に基づいて任意に定めることができる。
【００２２】
最大亀裂長さに基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する方法としては、最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係に基づいて対象部位の疲労損傷寿命消費率を推定する方法が好ましい。このような関係は、対象部位の材質によって異なるため、材質毎に最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係を定める必要があるが、大抵の場合、単純な相関関係が得られるので、確実、迅速な評価を行う上で有用であるからである。
【００２３】
本発明の対象となるフェライト系鉄鋼材料よりなる部位としては、ボイラ耐圧部の溶接箇所のように疲労損傷の発生し易い箇所が適している。特に、火力発電プラントのボイラ耐圧部に適用することが有用である。このような部位は、信頼性に関する要求が高度である一方、高温長時間の熱応力等による疲労損傷が生じ易く、疲労損傷寿命に達する時期を推定して適切な時期に対策を実施することがきわめて重要であるからである。
【００２４】
なお、上記のフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価方法は、二値化されたデジタル画像を得るための画像取得装置と、フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面に磁粉を撒布し、磁場を与えて亀裂に磁粉を集積して磁化させ、その状態の当該部位の表面について当該画像取得装置を使用して得たデジタル画像から亀裂を選別し、選別された亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出し、その最大亀裂長さから最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係に基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する、疲労損傷寿命消費率評価装置とを含むフェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価システムで、非熟練者でも、簡便迅速に実施することができる。
【００２５】
フェライト系鉄鋼材料よりなる部位の表面から二値化されたデジタル画像を得るための画像取得装置としては公知のどのような装置を使用することもできる。
【００２６】
デジタル画像から亀裂を選別し、選別された疲労亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出し、その最大亀裂長さに基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する疲労損傷寿命消費率評価装置としては、たとえばパーソナルコンピュータを使用することができる。パーソナルコンピュータを使用すれば、選別された疲労亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出する手順や、その最大亀裂長さに基づいて当該部位の疲労損傷寿命消費率を推定する手順をプログラム化して、自動的に疲労損傷寿命消費率を得ることが可能である。
【００２７】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳述する。
【００２８】
［実施例１］
ボイラ耐圧部の火炉壁管台溶接部止端部の応力集中部に発生した微小な亀裂に関し本発明に係る疲労損傷寿命評価方法を実施する例について、図１〜８，１３を使用して説明する。図１は、本発明に係る疲労損傷寿命評価方法のフローチャート、図２は疲労損傷寿命評価方法の内容を具体的に示した図、図１３はその方法を実施するシステムを表す図である。図１３において、フェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価システム１３３は、たとえば転写テープ５から二値化されたデジタル画像を得るための画像取得装置１３１と疲労損傷寿命消費率評価装置１３２とよりなる。
【００２９】
まず、図１のステップＳ１に従って、図２のボイラ耐圧部１の火炉壁管台２の溶接部３の止端部４およびその近辺に磁粉液（磁粉のエタノールスラリー）を撒布し、磁石を用いて疲労亀裂６上で磁場を与えて亀裂部位に磁粉を集積して磁化させる。ついで、図１のステップＳ２に従って、転写テープ５を、図２のように、火炉壁管台溶接部止端部４に貼付し、疲労亀裂上で磁化された磁粉を転写テープに転写する。この転写テープには、疲労亀裂の他、酸化スケール、ごみ等が混合して付着転写されている。
【００３０】
ついで、図１のステップＳ３に従って、デジタル実体顕微鏡により、この転写テープのデジタル画像を取得し、パーソナルコンピュータに保存する。なお転写テープを用いることなく、直接、実物である管台溶接部からデジタル実体顕微鏡でデジタル画像を取り込み、パーソナルコンピュータに保存することも可能である。
【００３１】
次に、図１のステップＳ４に従って、パーソナルコンピュータ上に保存された画像を二値化画像処理して、線状であること、同一の方向性を有していること、黒色度が大きいこと等の形状の差異から、疲労亀裂と酸化スケール、ごみ等とを区別し、疲労亀裂のみを選別する。この選別は人が行ってもよいが、疲労亀裂と酸化スケール、ごみ等とは、その形状が明確に異なるので、パーソナルコンピュータ等で自動的に選別することは容易である。
【００３２】
図３は、このようにして得たデジタル画像で選別を行う前のものをモデル化した図である。酸化スケール７やゴミ８を楕円で表し、亀裂６を線で表してある。転写テープの使用により酸化スケール７は裏返った状態になるが、酸化層の残渣である酸化スケール７に亀裂がある場合には磁粉がその亀裂の内部にまで入り込んでいるので、裏返った状態になった状態でも亀裂が見られる。図４は選別を行った後のものをモデル化した図である。なお、画像の二値化画像処理は、画像取得装置であるデジタル実体顕微鏡と疲労損傷寿命消費率評価装置であるパーソナルコンピュータとのいずれで行ってもよい。
【００３３】
次に図１のステップＳ５に従って、選別された疲労亀裂の形状から、所定の基準に従って最大亀裂長さを算出する。ついで、図１のステップＳ６に従って、最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係に基づいて、算出された最大亀裂長さから、当該部位である管台溶接止端部の疲労損傷寿命消費率を推定する。
【００３４】
最大亀裂長さを算出するための所定の基準は、任意に定めることができ、パーソナルコンピュータ等で自動的に実行することもできる。
【００３５】
基準の一例を図５〜７により概説する。図５〜７において、亀裂の長さ方向をｘ軸、それに直交する方向をｙ軸とする。ｘ１は、ｙ軸方向について隣接する二つの亀裂Ａ，Ｂのｘ軸方向における距離を意味し、ｙ１は、二つの亀裂Ａ，Ｂのｙ軸方向における距離を意味する。二つの亀裂のｘ軸方向における距離について、所定の値を臨界長さ、二つの亀裂のｙ軸方向における距離について、所定の値を臨界間隔と定める。
【００３６】
この条件で、図５のように、
ｙ１＞臨界間隔または、
ｘ１＞臨界長さ
となるときには、亀裂Ｂの長さｂを、二つの亀裂Ａ，Ｂに関する最大亀裂長さとする。
【００３７】
また、図６のように、
ｙ１＜臨界間隔または、
ｘ１＜臨界長さ
となるときには、亀裂Ａ，Ｂの重複長さであるｃを、二つの亀裂Ａ，Ｂに関する最大亀裂長さとする。つまり、亀裂Ａ，Ｂを構成要素とする連結性亀裂の長さｃを最大亀裂長さとする。
【００３８】
なお、ｘ１はｘ軸方向に見た場合の亀裂の頭部と他の亀裂の尾部との距離を意味し、図７のように二つの亀裂Ａ，Ｂが離れている場合にも使用される値であり、常に正の符号を持つ。
【００３９】
実際にこの方法で最大亀裂長さを決める手順は、たとえば次のようになる。まず連結性亀裂を考慮せず、入手した画像の中で、亀裂長さの最大のものから順にいくつかの亀裂を決める。次いで、これらの亀裂について連結性亀裂の可能性を調べ、連結性亀裂の長さを求める。そして、これらのそれぞれ単独の亀裂の長さおよび連結性亀裂の長さのうちで最大のものを最大亀裂長さとするのである。
【００４０】
最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との間に成立する所定の関係については、図８のような関係図を例示することができる。この図を使用すれば、縦軸の最大亀裂長さから、横軸の疲労損傷寿命消費率を容易に決めることができる。
【００４１】
本発明に係る方法により、非熟練者でも亀裂を非破壊的に精度良く選別し、疲労損傷寿命消費率を短期間で精度良く推定できることが判明した。
【００４２】
［実施例２］
図９に示す、ボイラ耐圧部の疲労損傷部位である火炉壁フィン端９１の溶接部９２は、チューブ９３に蒸気が流れるため、チューブにかかる高温と高圧が疲労の原因となり、熱応力が集中し、疲労による亀裂が発生し易い。本発明に係る方法により発生した微小の疲労亀裂を転写テープ５に転写後、デジタル実体顕微鏡で画像として取り込み、パーソナルコンピュータ上で二値化画像処理して最大き裂長さを計測し、評価線図に当てはめた結果、非熟練者でも亀裂を非破壊的に精度良く選別し、疲労損傷寿命消費率を短期間で精度良く推定できることが判明した。
【００４３】
［実施例３］
本発明に係る方法により、図１０に示す、ボイラ耐圧部の疲労損傷部位である火炉壁付着金物（ウオールストッパー）１０１の溶接部１０２に発生した微小の疲労亀裂を転写テープ５に転写後、デジタル実体顕微鏡で画像として取り込み、パーソナルコンピュータ上で二値化画像処理して最大亀裂長さを計測し、評価線図に当てはめた結果、非熟練者でも亀裂を非破壊的に精度良く選別し、疲労損傷寿命消費率を短期間で精度良く推定できることが判明した。
【００４４】
［実施例４］
本発明に係る方法により、図１１に示すボイラ耐圧部の疲労損傷部位であるマンホールシールドボックス１１１の溶接部１１２に発生した微小の疲労亀裂を転写テープ５に転写後、デジタル実体顕微鏡で画像として取り込み、パーソナルコンピュータ上で二値化画像処理して最大亀裂長さを計測し、評価線図に当てはめた結果、非熟練者でも亀裂を非破壊的に精度良く選別し、疲労損傷寿命消費率を短期間で精度良く推定できることが判明した。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、フェライト系鉄鋼材料の疲労損傷を非熟練者でも短期間で、非破壊的に精度良く選別評価することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る疲労損傷寿命評価方法のフローチャートである。
【図２】本発明に係る疲労損傷寿命評価方法の内容を具体的に示した図である。
【図３】亀裂を含む画像をモデル化した図である。
【図４】図３の画像から亀裂を選別した後の亀裂画像をモデル化した図である。
【図５】選別された亀裂の形状から最大亀裂長さを算出する基準を説明する図である。
【図６】選別された亀裂の形状から最大亀裂長さを算出する基準を説明する他の図である。
【図７】選別された亀裂の形状から最大亀裂長さを算出する基準を説明する他の図である。
【図８】最大亀裂長さと疲労損傷寿命消費率との関係をあらわす疲労損傷寿命評価線図の一例である。
【図９】ボイラ耐圧部の疲労損傷部位である火炉壁フィン端溶接部を示す図である。
【図１０】ボイラ耐圧部の疲労損傷部位である火炉壁付着金物（ウオールストッパー）溶接部を示す図である。
【図１１】ボイラ耐圧部の疲労損傷部位であるマンホールシールドボックス溶接部を示す図である。
【図１２】
使用後のフェライト系鉄鋼材料の断面構造を示す模式図である。
【図１３】
フェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価システムを示す模式図である。
【符号の説明】
１      ボイラ耐圧部
２      火炉壁管台
３      溶接部
４      火炉壁管台溶接部止端部
５      転写テープ
６      疲労亀裂
７      酸化スケール
８      ごみ
９１    火炉壁フィン端
９２    火炉壁フィン端溶接部
９３    チューブ
１０１  火炉壁付着金物（ウオールストッパー）
１０２  火炉壁付着金物（ウオールストッパー）溶接部
１１１  マンホールシールドボックス
１１２  マンホールシールドボックス溶接部
１２１  酸化層
１２２  脱炭層
１２３  母地であるフェライト系鉄鋼の組織
１３１  画像取得装置
１３２    疲労損傷寿命消費率評価装置
１３３  フェライト系鉄鋼材料疲労損傷寿命評価システム
【図１】
2004170162.tif 000002
【図２】
2004170162.tif 000003
【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１２】
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【図１３】
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