(57)【要約】【課題】クリープ寿命消費率、すなわち対象となる耐熱鋼の余寿命を精確に求めることができる耐熱鋼の寿命評価方法を提供する。【解決手段】検査対象である耐熱鋼のクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度の時間的な変化率であるボイド個数密度変化率を求め、このボイド個数密度変化率に基づき前記耐熱鋼の余寿命を評価する。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象である耐熱鋼に生成したクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度の検出を複数回行うとともに、以前に検出したボイド個数密度に対する今回検出したボイド個数密度の増加程度であるボイド個数密度変化率を求め、このボイド個数密度変化率に基づき前記耐熱鋼の余寿命を評価することを特徴とする耐熱鋼の寿命評価方法。
【請求項２】
検査対象である耐熱鋼に生成したクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度の検出を複数回行うとともに、以前に検出したボイド個数密度に対する今回検出したボイド個数密度の増加程度であるボイド個数密度変化率を求める一方、
前記耐熱鋼のボイド個数密度変化率に対して前記耐熱鋼が破壊に至るまでの余寿命を表すクリープ寿命消費率に関する特性曲線であるクリープ寿命評価特性曲線を予め用意しておき、
前記ボイド個数密度変化率の実測値に基づき前記クリープ寿命評価特性曲線を参照して前記耐熱鋼の余寿命を推測することを特徴とする耐熱鋼の寿命評価方法。
【請求項３】
〔請求項１〕又は〔請求項２〕に記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
ボイド個数密度変化率に基づく耐熱鋼の寿命評価を行うのに先立ち、ボイド個数密度の検出結果において所定値以上のボイド個数密度であることが検出された場合に、前記ボイド個数密度変化率に基づく耐熱鋼の寿命評価を行うようにしたことを特徴とする耐熱鋼の寿命評価方法。
【請求項４】
〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の溶接金属部分で検出することを特徴とする耐熱鋼の寿命評価方法。
【請求項５】
〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の溶接熱影響部の細粒部分で検出することを特徴とする耐熱鋼の寿命評価方法。
【請求項６】
〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の溶接熱影響部の粗粒部分で検出することを特徴とする耐熱鋼の寿命評価方法。
【請求項７】
〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の溶接部近傍の母材部分で検出することを特徴とする耐熱鋼の寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐熱鋼の寿命評価方法に関し、特に火力プラント等の高温・高圧機器に使用されるフェライト系鋼及びオーステナイト系鋼の母材部乃至溶接継手部におけるクリープ損傷の評価に用いて有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力プラントを構成する、例えばボイラ等は、高温・高圧環境で運転されるので、これを構成する材料である耐熱鋼には、長期に亘る運転によりクリープ等による損傷が蓄積されることがある。そこで、この種のプラントの運用に当たっては、前記耐熱鋼の精度の高い寿命評価を行って信頼性の向上を図ることが、長期に亘る安定的な運用を確保する上で肝要である。
【０００３】
ボイラ等の耐圧鋼がクリープ損傷を受けると、この耐熱鋼中にクリープボイドを発生することが知られている。このクリープボイドはクリープ損傷の進行に伴い増加するので、単位面積当たりのクリープボイドの個数密度を実測することにより当該耐熱鋼の余寿命を推測することが行われている。
【０００４】
これは、図５に示すように、単位面積当たりのクリープボイドの個数であるクリープボイド個数密度と、クリープ寿命消費率との関係を示すクリープ寿命評価特性曲線を予め求めておき、かかるクリープ寿命評価特性曲線を参照して実測したクリープボイド個数密度に基づきクリープ寿命消費率を求め、このクリープ寿命消費率を媒介として検査対象となる耐熱鋼の余寿命を推測するものである。ここで、「クリープ寿命消費率」とは、耐熱鋼が破断した時点に至るまでの当該耐熱鋼で形成したプラントの運転時間を１．０としてこの運転時間に対する割合を数値化したものである。これにより、検出されたクリープボイド密度の耐熱鋼が、前記破断に至る迄にどの程度の余裕があるか、すなわち破断に至るまでにどの程度の時間、運転し得るか（余寿命）を数値化したものである。図５に示すタイプＡの場合、クリープボイド個数密度がαのときクリープ寿命消費率はａであり、その寿命のａを既に運転したこと、換言すればその余寿命として運転し得る時間が（１−ａ）であることを示している。また、タイプＢの場合には、クリープボイド個数密度が同じくαのときクリープ寿命消費率はｂであり、その寿命のｂを既に消費し、余寿命が（１−ｂ）であることを示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
耐熱鋼がクリープ損傷を受けると、この耐圧鋼中にクリープボイドを発生し、その損傷が大きくなればそのクリープボイドの数も確実に増加する。したがって、クリープボイド個数密度を実測することにより当該耐熱鋼のクリープ損傷の様子を知ることはできるが、このクリープボイド個数密度と余寿命とが必ずしも対応してはいない。すなわち、ボイド個数密度はクリープ損傷量とは必ずしも直接的な関係はなく、鋼種や使用環境、ボイド観察位置等によっても変化する。したがって、図５に示すような評価曲線が複数存在し、その何れを使用するのが最適であるかは分からなかった。したがって、例えば、タイプＡの評価曲線を用いた場合には、クリープ寿命消費率がａとなり、タイプＢの評価曲線を用いた場合には、クリープ寿命消費率がｂとなり、何れの評価曲線を用いるかによって余寿命の評価も大きく異なってくる。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、クリープボイドの発生密度の時間的な変化を検出することにより、クリープ寿命消費率、すなわち対象となる耐熱鋼の余寿命を精確に求めることができる耐熱鋼の寿命評価方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は次の知見を基礎とするものである。図１は検査対象である耐熱鋼を用いたプラントの運転時間とこの場合のボイド個数密度との関係を示す特性図である。同図に示す特性は、鋼種及び検出部位が異なる２種類の対象に対して実施したクリープ寿命特性である。図中の×印の運転時間位置でクリープ損傷によって、亀裂が発生したり、破断したりして大きな損傷に至ったことを表している。同図を参照すれば明らかな通り、ボイド個数密度とクリープ破壊時間には直接的な相関はない。したがって、ボイド個数密度だけでは精確な余寿命の評価は困難である。
【０００８】
これに対し、前記ボイド個数密度をその時間的な変化を加味して整理するとクリープ寿命の末期を明確に評価することができることを発見した。図２は図１に対応する特性を、縦軸にボイド個数密度の時間的な変化であるボイド個数密度変化率を採って示す特性図である。同図を参照すれば、２種類を例示的に示す特性曲線の何れもが損傷位置（図中の×印）の近傍で大きなボイド個数密度変化率特性を有しており、図５と同様に破損時点（クリープ寿命諸費率が１．０の点）を基準として正規化した場合、その変化の態様が極めて近似するものであることが判明した。すなわち、鋼種等に影響されることなく一種類のクリープ寿命評価特性曲線で耐熱鋼の余寿命を評価し得る可能性を示唆している。
【０００９】
かかる知見を基礎とする本発明の構成は次の点を特徴とする。
【００１０】
１）　検査対象である耐熱鋼に生成したクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度の検出を複数回行うとともに、以前に検出したボイド個数密度に対する今回検出したボイド個数密度の増加程度であるボイド個数密度変化率を求め、このボイド個数密度変化率に基づき前記耐熱鋼の余寿命を評価すること。
【００１１】
２）　検査対象である耐熱鋼に生成したクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度の検出を複数回行うとともに、以前に検出したボイド個数密度に対する今回検出したボイド個数密度の増加程度であるボイド個数密度変化率を求める一方、
前記耐熱鋼のボイド個数密度変化率に対して前記耐熱鋼が破壊に至るまでの余寿命を表すクリープ寿命消費率に関する特性曲線であるクリープ寿命評価特性曲線を予め用意しておき、
前記ボイド個数密度変化率の実測値に基づき前記クリープ寿命評価特性曲線を参照して前記耐熱鋼の余寿命を推測すること。
【００１２】
３）　上記１）又は２）に記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
ボイド個数密度変化率に基づく耐熱鋼の寿命評価を行うのに先立ち、ボイド個数密度の検出結果において所定値以上のボイド個数密度であることが検出された場合に、前記ボイド個数密度変化率に基づく耐熱鋼の寿命評価を行うようにしたこと。
【００１３】
４）　上記１）乃至３）の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の溶接金属部分で検出すること。
【００１４】
５）　上記１）乃至３）の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の熱影響部の細粒部分で検出すること。
【００１５】
６）　上記１）乃至３）の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の熱影響部の粗粒部分で検出すること。
【００１６】
７）　上記１）乃至３）の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、
クリープボイドは、耐熱鋼の溶接部近傍の母材部分で検出すること。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図３に示すように、本形態では、検査対象である耐熱鋼のクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度を検出する。この検出には、周知のレプリカ法が好適である。このレプリカ法とは、所定の処理を施した耐熱鋼の表面の組織を転写し、これに基づき目視又は画像処理により所定の範囲のボイドの数を計数することにより、クリープボイドの数を検出する非破壊検査法である。
【００１９】
かくして単位時間当たりのクリープボイドの個数密度の変化の程度を検出し得るが、これを当該耐熱鋼が破壊に至るまで多数回繰り返して図４に示すようなボイド個数密度変化率に対するクリープ寿命消費率の特性曲線を予め得ておく。
【００２０】
そして、図３に示す手法により検出したボイド個数密度変化率を図４に示す特性曲線に当てはめる。このことによりクリープ寿命消費率、すなわち耐熱鋼の余寿命を精確に知ることができる。すなわち、ボイド個数密度変化率に基づく評価曲線を用いることで耐熱鋼の余寿命を精確に予測することができる。
【００２１】
上記実施の形態では、評価曲線を用いて所定の余寿命評価を行う場合であるが、このように評価曲線を用いることは必須ではない。要は、ボイド個数密度変化率をパラメータとして余寿命の評価を行う方法であれば、本願発明の技術思想に含まれる。ただ、上記評価曲線を用いた場合、誰でも容易に所定の余寿命を評価することができる。
【００２２】
さらに、上記実施の形態に係るボイド個数密度変化率に基づく評価に先立ち、従来と同様のボイド個数密度の検出結果において所定値以上のボイド個数密度であることが検出された場合に、ボイド個数密度変化率に基づく耐熱鋼の寿命評価を行うようにしても良い。この場合、無駄のない合理的な評価を行うことができるばかりでなく、さらに評価精度を向上させることができる。
【００２３】
また、ボイド個数の検出部位は、特に制限はない。当該耐熱鋼の溶接金属部分、溶接熱影響部の細粒部分、溶接熱影響部の粗粒部分又は溶接部の母材部分や、それらの境界部分の何れで検出しても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、検査対象である耐熱鋼に生成したクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度の検出を複数回行うとともに、以前に検出したボイド個数密度に対する今回検出したボイド個数密度の増加程度であるボイド個数密度変化率を求め、このボイド個数密度変化率に基づき前記耐熱鋼の余寿命を評価するので、
対象となる耐熱鋼が変わってもボイド個数密度変化率は何れも類似のものとなり、精確に余寿命を評価することができる。
【００２５】
〔請求項２〕に記載する発明は、検査対象である耐熱鋼に生成したクリープボイドの単位面積当たりの数であるボイド個数密度の検出を複数回行うとともに、以前に検出したボイド個数密度に対する今回検出したボイド個数密度の増加程度であるボイド個数密度変化率を求める一方、
前記耐熱鋼のボイド個数密度変化率に対して前記耐熱鋼が破壊に至るまでの余寿命を表すクリープ寿命消費率に関する特性曲線であるクリープ寿命評価特性曲線を予め用意しておき、
前記ボイド個数密度変化率の実測値に基づき前記クリープ寿命評価特性曲線を参照して前記耐熱鋼の余寿命を推測するので、
クリープ寿命評価特性曲線を用いて〔請求項１〕に記載する発明と同様の精度の余寿命評価を容易且つ安定的に行うことができる。
【００２６】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕又は〔請求項２〕に記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、ボイド個数密度変化率に基づく耐熱鋼の寿命評価を行うのに先立ち、ボイド個数密度の検出結果において所定値以上のボイド個数密度であることが検出された場合に、前記ボイド個数密度変化率に基づく耐熱鋼の寿命評価を行うようにしたので、
〔請求項１〕又は〔請求項２〕に記載する発明の作用・効果をより合理的に得ることができる。
【００２７】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、クリープボイドは、耐熱鋼の溶接金属部分で検出するので、
当該溶接金属部分のクリープボイド寿命評価を精確に行うことができる。
【００２８】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、クリープボイドは、耐熱鋼の溶接熱影響部の細粒部分で検出するので、
当該細粒部分のクリープボイド寿命評価を精確に行うことができる。
【００２９】
〔請求項６〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、クリープボイドは、耐熱鋼の溶接熱影響部の粗粒部分で検出するので、
当該粗粒部分のクリープボイド寿命評価を精確に行うことができる。
【００３０】
〔請求項７〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する耐熱鋼の寿命評価方法において、クリープボイドは、耐熱鋼の溶接部近傍の母材部分で検出するので、
当該母材部分のクリープボイド寿命評価を精確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】運転時間に対するクリープボイド個数密度を示す特性図である。
【図２】運転時間に対するクリープボイド個数密度変化率を示す特性図である。
【図３】運転時間に対するクリープボイド個数密度変化率の検出手法を概念的に示す説明図である。
【図４】クリープボイド個数密度変化率のクリープ寿命消費率に対する特性を示す特性図である。
【図５】クリープボイド個数密度のクリープ寿命消費率に対する特性を示す特性図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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