(57)【要約】【課題】設定温度より高温にさらされた材料の強度が著しく低下し、予定よりも早期に破壊を起こさない材料を選択できる耐熱材料選択方法及び耐熱材料選択プログラムを提供する。【解決手段】ある設定温度Ｔ１で所定の設定強度σ１を有する耐熱材料を選択する場合に（ステップＳ１０）、設定温度から高温側へ所定温度ΔＴ上昇した際の目標強度低下率を定めておき（ステップＳ１６）、各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、設定温度から所定温度上昇した際の強度低下率が目標強度低下率以下の材料を選択する（ステップＳ１８、２０）。【選択図】　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある設定温度で所定の設定強度を有する耐熱材料を選択する場合に、
前記設定温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標強度低下率又は目標強度低下量を定めておき、
各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記設定温度から前記所定温度上昇した際の強度低下率又は強度低下量が前記目標強度低下率又は目標強度低下量以下の材料を選択する
ことを特徴とする耐熱材料選択方法。
【請求項２】
ある設定温度で所定の設定強度を有する耐熱材料を選択する場合に、
前記設定温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標破壊時間低下率又は目標破壊時間低下量を定めておき、
各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記設定温度から前記所定温度上昇した際の破壊時間低下率又は破壊時間低下量が前記目標破断時間低下率又は目標破壊時間低下量以下の材料を選択する
ことを特徴とする耐熱材料選択方法。
【請求項３】
前記目標強度低下率、前記目標強度低下量、前記目標破壊時間低下率、又は前記目標破壊時間低下量は、標準試料に基づき算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐熱材料選択方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の耐熱材料選択方法によって選択された耐熱材料を用いたことを特徴とするボイラ。
【請求項５】
ある温度で所定の強度を有する耐熱材料を選択する場合に、
その温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標強度低下率又は目標強度低下量を定めると、
各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記温度から前記所定温度上昇した際の強度低下率又は強度低下量が前記目標強度低下率又は目標強度低下量以下の材料を選択する処理
をコンピュータに実行させることを特徴とする耐熱材料選択プログラム。
【請求項６】
ある温度で所定の強度を有する耐熱材料を選択する場合に、
その温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標破壊時間低下率又は目標破壊時間低下量を定めると、
各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記選択温度から前記所定温度上昇した際の破壊時間低下率又は破壊時間低下量が前記目標破断時間低下率又は目標破壊時間低下量以下の材料を選択する処理
をコンピュータに実行させることを特徴とする耐熱材料選択プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラント等の耐熱鋼などに使用される耐熱材料選択方法及び耐熱材料選択プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、発電プラントの過熱器、再熱器、ウォータウォール、節炭器などは、高温にさらされることから、耐食性等を考慮して所定の耐熱材料が用いられる。これらの高温で使用される機器（小径管等）は、想定温度における引張特性及びクリープ強度を考慮して定められた許容引張応力をもとにして設計されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの高温で使用される機器（小径管等）は、しばしば火力発電プラントの燃焼ガス流れ、燃料の性状、燃焼条件等によって、設定温度より高温になることがあり、その場合、引張強度およびクリープ強度が低下して、予定よりも早期に破壊することがある。特に最近、耐熱性に優れる材料として開発された高強度フェライト鋼の場合、高温でも高い許容引張強度が得られているが、ある温度を超えるとその許容引張強度が大幅に低下し、短時間で破壊を起こすことがある。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、設定温度より高温になっても大きな強度低下や早期破壊を起こさない材料を選択できる耐熱材料選択方法及び耐熱材料選択プログラムの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の耐熱材料選択方法は、ある設定温度で所定の設定強度を有する耐熱材料を選択する場合に、前記設定温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標強度低下率又は目標強度低下量を定めておき、各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記設定温度から前記所定温度上昇した際の強度低下率又は強度低下量が前記目標強度低下率又は目標強度低下量以下の材料を選択することを特徴とする。
このようにすると、設定温度より高温になっても目標強度低下率（量）以下の材料のみを選択するので、温度上昇に伴う予想しなかった大幅な強度低下を起こす問題が生じない。
【０００６】
又、本発明の耐熱材料選択方法は、ある設定温度で所定の設定強度を有する耐熱材料を選択する場合に、前記設定温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標破壊時間低下率又は目標破壊時間低下量を定めておき、各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記設定温度から前記所定温度上昇した際の破壊時間低下率又は破壊時間低下量が前記目標破壊時間低下率又は目標破壊時間低下量以下の材料を選択することを特徴とする。
このようにすると、設定温度より高温になっても目標破壊時間低下率（量）以下の材料のみを選択するので、温度上昇に伴う予想しなかった早期破壊を起こす問題が生じない。
【０００７】
本発明の耐熱材料選択方法において、前記目標強度低下率、前記目標強度低下量、前記目標破壊時間低下率、又は前記目標破壊時間低下量は、標準試料に基づき算出されるものでもよい。
このようにすると、従来から耐熱材料としての十分な実績があり、温度上昇時の応力低下によるトラブルの少ない標準試料を目標基準として用いることができるので、通常考えられる温度上昇変動時の強度低下によって容易に破壊しない材料をより適切に選択できる。
【０００８】
本発明のボイラは、前記耐熱材料選択方法によって選択された耐熱材料を用いたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の耐熱材料選択プログラムは、ある温度で所定の強度を有する耐熱材料を選択する場合に、その温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標強度低下率又は目標強度低下量を定めると、各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記温度から前記所定温度上昇した際の強度低下率又は強度低下量が前記目標強度低下率又は目標強度低下量以下の材料を選択する処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１０】
又、本発明の耐熱材料選択プログラムは、ある温度で所定の強度を有する耐熱材料を選択する場合に、その温度から高温側へ所定温度上昇した際の目標破壊時間低下率又は目標破壊時間低下量を定めると、各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、前記選択温度から前記所定温度上昇した際の破壊時間低下率又は破壊時間低下量が前記目標破壊時間低下率又は目標破壊時間低下量以下の材料を選択する処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について各図に基づいて説明する。図１は本発明に係る耐熱材料選択プログラムを実現するためのコンピュータの構成を示す。
この図において、コンピュータ１０は、ＣＰＵ（制御部）２、応力−温度曲線ＤＢ４、応力−ＬＭＰ曲線ＤＢ６、入力手段８、出力手段９、及び耐熱材料選択プログラムを格納する図示しないメモリ等を備えている。なお、「ＬＭＰ」は、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ（ラーソンミラーパラメータ）の略記であるが、詳細は後述する。又、応力−ＬＭＰ曲線は、各耐熱材料のクリープ破壊（破断）強度に対する「強度回帰曲線」の一例であるが、材料のクリープ破断特性は、ＬＭＰを用いて整理する方法以外にも、複数提案されており、適宜、その強度回帰曲線を選択して用いてもよい。
【００１２】
ＣＰＵ２はコンピュータ１０全体を制御し、入力手段８は操作者からの入力を受付ける。又、出力手段９は処理結果を出力する。応力−温度曲線ＤＢ４、応力−ＬＭＰ曲線ＤＢ６は、それぞれ耐熱材料毎の特性データを格納しているが、詳細は後述する。そして、ＣＰＵ２は、入力手段への入力項目と各ＤＢ４、６に基づいて耐熱材料選択プログラムを実行させ、結果を出力するようになっている。
【００１３】
図２は、ある耐熱材料（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、ＪＩＳ　ＳＴＢＡ２４、以下「標準試料」という）の応力−温度曲線を示す。この図において、縦軸の「許容引張応力」は、ある温度における材料の引張強度やクリープ強度に所定の安全率を見込んで設定された値である。一般に、材料の許容引張応力は使用温度上昇に伴って低下するが、その低下率が問題となる。つまり、例えば図において、使用温度Ｔ０で許容引張応力がσ０の材料を選択した場合、実際の使用環境で温度がＴ０＋ΔＴまで上昇したとき、応力はΔσだけ低下する。従って、その材料の使用環境での負荷応力に比べ、応力低下が顕著になると、早期にクリープ破壊等が生じることになる。そこで、本発明は、温度が上昇しても応力低下（あるいは破断）の少ない材料を選択しようとするものである。
【００１４】
次に、コンピュータ１０上で行う耐熱材料選択の処理フローについて図３を参照して説明する。この図において、まず操作者は、ある使用環境に用いる材料の設定温度Ｔ１と設定応力σ１を入力し、ＣＰＵ２は入力を受付ける（ステップＳ１０）。例えば、ボイラの伝熱管にある材料を用いる場合、伝熱管材料の温度がＴ１、管の負荷応力がσ１であるときが該当する。ここでいう応力は、例えば上記した許容引張応力とすればよい。ＣＰＵ２は、応力−温度曲線ＤＢ４から、Ｔ１における応力がσ１以上の材料データを抽出する（ステップＳ１２）。
【００１５】
次に、ＣＰＵ２は、標準試料の使用温度Ｔ０と、温度上昇度ΔＴの入力を受け付ける（ステップＳ１４）。そして、ＣＰＵ２は、標準試料の応力−温度曲線から、温度上昇時（Ｔ０＋ΔＴ）の応力低下率を算出する（ステップＳ１６）。ここで、ステップＳ１４、１６の処理の具体例を前記図２に基づいて説明すると、標準試料の使用温度がＴ０からＴ０＋ΔＴに変化したときの許容引張応力の変化量Δσを求め、これより応力低下率（Δσ／σ０）を算出することとなる。このように、標準試料における応力低下率を求めておけば、従来から耐熱材料としての実績があり、温度上昇時の応力低下によるトラブルの少ない材料の応力低下率を基準として用いることができる。なお、予め応力低下率がわかっていれば、ステップＳ１４、１６の代わりに直接、目標とする応力低下率を入力するようにしてもよい。又、標準試料は、実際に用いる材料より耐熱性それ自体は劣ることが多いため、通常Ｔ０＜Ｔ１の関係にある。しかし、本発明では、標準試料の使用温度近傍での応力低下率を指標とし、これより応力低下しない材料を選択することを目的とするので、Ｔ０とＴ１が一致することは必須ではない。
【００１６】
次に、ＣＰＵ２は、ステップＳ１２で抽出した材料データから、温度上昇時（Ｔ１＋ΔＴ）の応力低下率を算出する（ステップＳ１８）。そして、ＣＰＵ２は、ステップＳ１８で算出した応力低下率が標準試料以下の材料を抽出し、抽出結果を出力する（ステップＳ２０）。
【００１７】
図４は、ステップＳ１８、２０の処理の具体例を示す。まず、上記ステップＳ１２で材料１、２の応力−温度曲線データが抽出されたとする。これらの材料１，２は、いずれもＴ１における許容引張応力がσ１以上のものである。次に、各耐熱材料１、２の使用温度がＴ１からＴ１＋ΔＴに変化したときの許容引張応力の変化量Δσ１、Δσ２を求め、これよりそれぞれの材料の応力低下率を算出することとなる。ここで、ΔＴの値は、ステップＳ１４における標準試料のΔＴと同一である。つまり、標準試料におけるのと同じ温度上昇度を見越した場合の、各耐熱材料の応力低下率を求めていることとなる。この例では、材料１は材料２より、Ｔ１での応力が高いものの、温度上昇時の応力低下率が標準試料のそれ（Δσ）より大きいため不採用となり、一方で、温度上昇時の応力低下率が標準試料のそれ（Δσ）より小さくなっている材料２が選択される。
【００１８】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この実施形態では、上記応力低下率の代わりに、破壊時間低下率を指標として選択を行うことが特徴となっている。そのため、この実施形態では、応力回帰曲線を材料の特性データとして用いる。まず応力回帰曲線について、図５及び図６を参照して説明する。
図５は、金属材料技術研究所発行のクリープデータシートを参考にして、上記標準試料（ＳＴＢＡ２４）の応力−クリープ破断時間曲線を図示したものである。クリープ破断時間曲線は、温度によってそれぞれ異なっている。又、図６は、図５のデータをＬＭＰで整理した曲線を示す。ここで、ＬＭＰは、式１
ＬＭＰ＝（Ｔ＋２７３）×（Ｃ＋ｌｏｇｔｒ）／１０００　　　（１）
で表される（Ｔ：温度（℃）、Ｃ：フィッティング係数、ｔｒ：クリープ破断時間（ｈｒ））。
【００１９】
そして、例えばこの材料（標準試料）を応力７０ＭＰａ、使用温度５５０℃で用いた場合のクリープ破断時間は、図６の曲線から応力７０ＭＰａのときのＬＭＰを求め（ＬＭＰ＝２０．７×１０３）、上記式１にＴを代入することで計算することができる。この例では、５５０℃でのｔｒ＝１４２０００ｈｒ、５８０℃でのｔｒ＝１８５００ｈｒとなるので、これより温度上昇に伴う破壊時間低下率が求まる。
【００２０】
次に、コンピュータ１０上での処理フローを図７を参照して説明する。この図において、まず操作者は、ある使用環境に用いたい材料の設定温度Ｔ１と設定応力σ１を入力し、ＣＰＵ２は入力を受付ける（ステップＳ３０）。ＣＰＵ２は、応力−温度曲線ＤＢ４から、Ｔ１における応力がσ１以上の材料データを抽出する（ステップＳ３２）。ステップＳ３０、３２は、前記ステップＳ１０、１２と同様である。
【００２１】
次に、ＣＰＵ２は、標準試料の使用応力σ０、使用温度Ｔ０、温度上昇度ΔＴの入力を受け付ける（ステップＳ３４）。そして、ＣＰＵ２は、標準試料の応力−ＬＭＰ曲線から、温度上昇時（Ｔ０＋ΔＴ）のクリープ破断時間低下率を算出する（ステップＳ３６）。ここで、ステップＳ３４、３６の処理の具体例を前記図６に基づいて説明すると、まず、標準試料のσ０におけるＬＭＰを曲線から求め、次に、式１にＴ０、Ｔ０＋ΔＴをそれぞれ代入することで、Ｔ０、Ｔ０＋ΔＴにおける破断寿命ｔｒ０、ｔｒΔをそれぞれ計算する。そして、各破断時間から破断時間低下率（ｔｒΔ／ｔｒ０）を算出する。このように、標準試料における破断時間低下率を求めておけば、従来から耐熱材料としての実績があり、温度上昇時の応力低下によるトラブルの少ない材料の破断時間低下率を基準として用いることができる。なお、予め破断時間低下率がわかっていれば、ステップＳ３４、３６の代わりに直接、目標とする破断時間低下率を入力するようにしてもよい。
【００２２】
次に、ＣＰＵ２は、ステップＳ３２で抽出した材料データに関し、その材料に対応する応力回帰曲線データをＤＢ６から抽出する。そして、上記標準試料の場合と同様な方法で、抽出した材料が設定温度Ｔ１からΔＴ上昇したときの破断時間低下率を算出する（ステップＳ３８）。ここで、ΔＴの値は、ステップＳ１４における標準試料のΔＴと同一である。つまり、標準試料におけるのと同じ温度上昇度を見越した場合の、各耐熱材料の応力低下率を求めていることとなる。そして、ＣＰＵ２は、ステップＳ３８で算出した破断時間低下率が標準試料以下の材料を抽出し、抽出結果を出力する（ステップＳ４０）。
なお、上記した各実施形態では、耐熱材料の強度低下率や破壊時間低下率に着目したが、強度低下量や破壊時間低下量に着目してもよい。量に着目する場合とは、例えば、破壊時間が１万時間を超えるか否かで判断を行う場合等が該当する。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、設定温度より高温になっても目標強度低下率や目標破壊時間低下率以下の低下率の材料のみを選択するので、予想しなかった大幅な強度低下や早期破壊を高温時に起こす問題が生じない。そのため、高温でより安全な材料を選択できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耐熱材料選択プログラムを実現するためのコンピュータの構成を示す図である。
【図２】標準試料の応力−温度曲線を示す図である。
【図３】耐熱材料選択の処理フローを示す図である。
【図４】ステップＳ１８、２０の処理の具体例を示す模式図である。
【図５】標準試料の応力−クリープ破断時間曲線を示す図である。
【図６】図５のデータを応力−ＬＭＰで分類した曲線を示す図である。
【図７】耐熱材料選択の処理フローを示す別の図である。
【符号の説明】
ステップＳ１０　ある設定温度Ｔ１で所定の設定強度σ１を有する耐熱材料を選択する手順
ステップＳ１６　設定温度から高温側へ所定温度ΔＴ上昇した際の目標強度低下率を定める手順
ステップＳ１８、２０　各耐熱材料の強度回帰曲線に基づき、設定温度から所定温度上昇した際の強度低下率が目標強度低下率以下の材料を選択する手順
【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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【図６】
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【図７】
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