(57)【要約】【課題】高温高圧下で使用される構造物の低合金鋼の寿命を正確に予測する。【解決手段】稼働中の実機から採取した低合金鋼のサンプルの金属組織写真において、結晶粒界を構成する曲線を直線に近似する直線近似ステップと、近似された直線に基づいて、結晶粒の偏向度を表す所定の指標値を計算する損傷度算出ステップと、前記低合金鋼について予め求めた指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、計算した指標値から寿命を判定する寿命判定ステップと、を実行する。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する方法であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、結晶粒界を構成する曲線を直線に近似する直線近似ステップと、
前記近似された直線に基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算する損傷度算出ステップと、
前記低合金鋼について使用時間と予め求めた前記指標値との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定ステップと、
を含むことを特徴とする低合金鋼の寿命予測方法。
【請求項２】
ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する方法であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、応力方向を設定する応力方法特定ステップと、
前記金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、結晶粒界を構成する曲線を直線に近似する直線近似ステップと、
前記近似された直線について、長さと前記設定された応力方向に対する角度とを含む直線特徴情報を取得する直線特徴取得ステップと、
前記直線特徴情報に基づいて、前記設定された応力方向に対して所定の角度以内にある直線を抽出し、当該抽出した各直線の長さを取得する直線抽出ステップと、
前記近似された全ての直線の長さと、前記抽出された各直線の長さとに基づいて結晶粒界の偏向度と長直線性とを表す所定の指標値を計算する損傷度算出ステップと、
前記低合金鋼について使用時間と予め求めた前記指標値との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定ステップと、
を含むことを特徴とする低合金鋼の寿命予測方法。
【請求項３】
請求項２において、前記損傷度算出ステップでは、前記近似された全直線の長さの合計と、前記直線抽出ステップで抽出した直線の長さの合計との比を前記指標値として計算することを特徴とする低合金鋼の寿命予測方法。
【請求項４】
請求項２において、前記損傷度算出ステップでは、前記近似された全直線の長さの平均値と、前記直線抽出ステップで抽出した直線の長さの平均値との比を前記指標値として計算することを特徴とする高温高圧下低合金鋼の寿命予測方法。
【請求項５】
ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する方法であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、結晶粒界を構成する曲線を直線に近似する直線近似ステップと、
前記近似された直線の本数と各直線の長さとを取得するステップと、
前記直線の本数及び各直線の長さに基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算する損傷度算出ステップと、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定ステップと、
を含むことを特徴とする低合金鋼の寿命予測方法。
【請求項６】
請求項５において、前記指標値は、前記近似された直線の一本当たりの平均長さであることを特徴とする低合金鋼の寿命予測方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記使用時間−指標値曲線を、
稼働時間Ｔａが経過した前記構造物から採取したサンプルの前記指標値を求めるステップと、
前記低合金鋼が寿命に達するまで加速劣化試験を実施するステップと、
加速劣化試験中に低合金鋼の前記指標値を随時取得するステップと、
前記低合金鋼における加速劣化試験において寿命に達するまでの時間Ｔｂを取得するステップと、
前記時間ＴａおよびＴｂと、前記加速劣化試験における温度と応力とに基づいて、前記指標値の取得時点を実機での使用時間に変換するステップと、
前記変換した使用時間と前記取得した指標値との関係を前記使用時間−指標値曲線として求めるステップと、により作成することを特徴とする低合金鋼の寿命予測方法。
【請求項８】
ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する装置であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカを画像データに変換する画像変換手段と、
前記画像データを処理して金属組織の結晶粒界を構成する曲線を抽出する結晶粒界抽出手段と、
前記画像データを処理して、前記結晶粒界曲線を直線に近似する直線近似手段と、
前記近似された直線に基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算する損傷度算出手段と、
前記低合金鋼について使用時間と予め求めた前記指標値との関係を示す使用時間−指標値曲線を記憶する使用時間−指標値曲線記憶手段と、
前記使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定手段と、
を含むことを特徴とする低合金鋼の寿命予測装置。
【請求項９】
ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する装置であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカを画像データに変換する画像変換手段と、
前記金属組織や金属組織を転写したレプリカの画像データにおいて応力方向を設定する方向設定手段と、
前記画像データを処理して金属組織の結晶粒界を構成する曲線を抽出する結晶粒界抽出手段と、
前記画像データを処理して、前記結晶粒界曲線を直線に近似する直線近似手段と、
前記近似された直線について、長さと前記設定された応力方向に対する角度とを含む直線特徴情報を取得する直線特徴取得手段と、
前記直線特徴情報に基づいて、前記設定された応力方向に対して所定の角度以内にある直線を抽出し、当該抽出した各直線の長さを取得する特定直線特徴取得手段と、
前記近似された全ての直線の長さと、前記所定の角度以内にある直線の長さとに基づいて結晶粒界の偏向度と結晶粒界の長直線性とを表す所定の指標値を計算する損傷度算出手段と、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を記憶する使用時間−指標値曲線記憶手段と、
前記使用時間−指標値曲線記憶手段に記憶された使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から前記低合金鋼の寿命を判定する寿命判定手段と、
当該判定した寿命に関する情報を出力する結果出力手段と、
を備えたことを特徴とする低合金鋼の寿命予測装置。
【請求項１０】
ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する装置であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカを画像データに変換する画像変換手段と、
前記画像データを処理して金属組織の結晶粒界を構成する曲線を抽出する結晶粒界抽出手段と、
前記画像データを処理して、前記結晶粒界曲線を直線に近似する直線近似手段と、
前記近似された直線の本数と各直線の長さとを取得する直線特徴取得手段と、
前記直線の本数及び各直線の長さに基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算する損傷度算出手段と、
前記低合金鋼について使用時間と予め求めた前記指標値との関係を示す使用時間−指標値曲線を記憶する使用時間−指標値曲線記憶手段と、
前記使用時間−指標値曲線記憶手段に記憶された使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から前記低合金鋼の寿命を判定する寿命判定手段と、
当該判定した寿命に関する情報を出力する結果出力手段と、
を備えたことを特徴とする低合金鋼の寿命予測装置。
【請求項１１】
コンピュータにインストールされて、当該コンピュータに、ボイラなどの高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測させるコンピュータプログラムであって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカを画像データに変換するステップと、
前記画像データを処理して金属組織の結晶粒界を構成する曲線を抽出するステップと、
前記画像データを処理して、前記結晶粒界曲線を直線に近似するステップと、
前記近似された直線に基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算するステップと、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定するステップと、
を前記コンピュータに実行させることを特徴とする低合金鋼の寿命予測装置。
【請求項１２】
コンピュータにインストールされて、当該コンピュータに、ボイラなどの高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測させるコンピュータプログラムであって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカを画像データに変換するステップと、
前記金属組織や金属組織を転写したレプリカの画像データにおいて応力方向を設定するステップと、
前記画像データを処理して金属組織の結晶粒界を構成する曲線を抽出するステップと、
前記画像データを処理して、前記結晶粒界曲線を直線に近似するステップと、
前記近似された直線について、長さと前記設定された応力方向に対する角度とを含む直線特徴情報を取得するステップと、
前記直線特徴情報に基づいて、前記設定された応力方向に対して所定の角度以内にある直線を抽出し、当該抽出した各直線の長さを取得するステップと、
前記近似した全ての直線についての長さと、前記所定の角度以内にある直線の長さとに基づいて結晶粒界の偏向度と長直線性を表す所定の指標値を計算するステップと、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と寿命との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から前記低合金鋼の寿命を判定するステップと、
当該判定した寿命に関する情報を出力するステップと、
を前記コンピュータ実行させることを特徴とする低合金鋼の寿命予測プログラム。
【請求項１３】
コンピュータにインストールされて、当該コンピュータに、ボイラなどの高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測させるコンピュータプログラムであって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカを画像データに変換するステップと、
前記画像データを処理して金属組織の結晶粒界を構成する曲線を抽出するステップと、
前記画像データを処理して、前記結晶粒界曲線を直線に近似するステップと、
前記近似された直線の本数と各直線の長さとを取得するステップと、
前記直線の本数及び各直線の長さに基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算するステップと、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から前記低合金鋼の寿命を判定するステップと、
当該判定した寿命に関する情報を出力するステップと、
を前記コンピュータに実行させることを特徴とする低合金鋼の寿命予測プログラム。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のうち何れか１項記載の寿命予測プログラムを記録したプログラム格納媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は火力発電用ボイラ等、高温、高圧で運転される構造物における低合金鋼の寿命予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントや化学プラントなどの高温・高圧下で長時間使用される構造物においては、運転中に恒常的な応力によるクリープが発生し、構成材料が劣化する。そのため、クリープによる材料劣化を的確に判定して、これを基に余寿命を予測し、部分的な取り換えや補修を計画的に行うことによって、プラントとしての寿命を延長するための技術が重要となってきている。そして、構造物の余寿命を予測するために、構造物を構成する低合金鋼の金属組織の変化に基づいて損傷度合を評価したり、構造物の寿命を予測したりする方法がある。
【０００３】
特許文献１に記載の損傷評価方法は、構造物から取り出したサンプルに含まれる個々の金属結晶粒について、その結晶粒の長軸方向と構造物内における応力方向との角度を計測し、その角度について標準偏差を求める。そして、求めた標準偏差により、結晶粒の長軸方向の応力方向への偏向度合いを判定し、その偏向度合いをもって損傷度としている。また、特許文献２に記載の損傷評価方法では、結晶粒界に発生する空洞（ボイド）の発生状況に基づいて劣化の度合いを判断している。なお、非特許文献１には、種々の寿命評価方法についてその詳細が記載さている。
【特許文献１】特開平１１−１４２３９９号公報
【特許文献２】特開平６−５０９６６号公報
【非特許文献１】株式会社リアライズ社、「火力・原子力および化学プラント機器・構造部材の経年劣化と寿命予測」、平成６年４月３０日発行，ｐ３２９−３３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の評価方法は、結晶粒の長軸方向を人が認識しているため、本来客観的な数値データとして求められるべき損傷度が測定者の主観に依存してしまう。また、複雑な形状の結晶粒の長軸の決定基準についても曖昧であり、たとえ、コンピュータによる画像処理を適用して損傷度を自動計算したとしても、その計算値自体に信頼性を欠く。したがって、寿命の予測精度が低くなる。また、特許文献２に記載の評価方法は、劣化に伴って結晶粒界にボイドが発生することを前提とするが、材質や温度や応力の条件によってボイドが発生しない場合もある。また、劣化によるボイドが発生するのは、ステンレス鋼や高Ｃｒ鋼などの粒内延性の低い材料に限られ、ボイラー用低合金鋼のように粒内延性の高い材料は劣化が進行してもボイドが発生しにくい。このように、劣化によるボイドが発生しない場合があり、その場合には、特許文献２に記載の評価方法を適用することはできない。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、客観的なデータに基づいて、ボイラなど、高温高圧下で使用される構造物の低合金鋼の損傷度合いをより高い精度で評価し、寿命を正確に予測するための方法を提供することを目的としている。また、その方法に基づいて低合金鋼の寿命を予測する装置と、コンピュータをその装置として機能させるためのコンピュータプログラムを提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する方法であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、結晶粒界を構成する曲線を直線に近似する直線近似ステップと、
前記近似された直線に基づいて、結晶粒界の偏向度を表す所定の指標値を計算する損傷度算出ステップと、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定ステップと、
を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する方法であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、応力方向を設定する応力方法特定ステップと、
前記金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、結晶粒界を構成する曲線を直線に近似する直線近似ステップと、
前記近似された直線について、長さと前記設定された応力方向に対する角度とを含む直線特徴情報を取得する直線特徴取得ステップと、
前記直線特徴情報に基づいて、前記設定された応力方向に対して所定の角度以内にある直線を抽出し、当該抽出した各直線の長さを取得する直線抽出ステップと、
前記近似された全ての直線の長さと、前記抽出された各直線の長さとに基づいて結晶粒界の偏向度を表す所定の指標値を計算する損傷度算出ステップと、
前記低合金鋼について使用時間と予め求めた前記指標値との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定ステップと、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
なお、本出願において、結晶粒界の「長直線性」とは、結晶粒界を複数の直線で近似する場合に、どのくらい長い直線で近似できるかの度合いを示す性質を意味する。すなわち、結晶粒界を複数の直線で近似したときに、より長い直線で近似できるほど「長直線性」は高いことになる。損傷が増大すると結晶粒界が変形するが，損傷が増大したものは、損傷が少ないものに比べて、応力方向の結晶粒界をより長い直線で近似できるようになり，長直線性が高くなる。すなわち、クリープ損傷が進むと、結晶粒界が応力方向と同じ方向へ延ばされ直線的になり、長直線性が高くなるのである。
【０００９】
この発明の前記損傷度算出ステップでは、前記近似された全直線の長さの合計と、前記直線抽出ステップで抽出した直線の長さの合計との比を前記指標値として計算することとしてもよい。あるいは、前記近似された全直線の長さの平均値と、前記直線抽出ステップで抽出した直線の長さの平均値との比を前記指標値として計算することとしてもよい。
【００１０】
また、本発明は、ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する方法であって、
前記低合金鋼の金属組織や金属組織を転写したレプリカにおいて、結晶粒界を構成する曲線を直線に近似する直線近似ステップと、
前記近似された直線の本数と各直線の長さとを取得するステップと、
前記直線の本数及び各直線の長さとに基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算する損傷度算出ステップと、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定ステップと、
を含むことを特徴とする。  
この場合、前記指標値は、前記近似された直線の一本当たりの長さの平均値であることとしてもよい。
【００１１】
また、本発明の上記各方法において、前記使用時間−指標値曲線を、
稼働時間Ｔａが経過した前記構造物から採取したサンプルの前記指標値を求めるステップと、
前記サンプルが寿命に達するまで加速劣化試験を実施するステップと、
加速劣化試験中にサンプルの前記指標値を随時取得するステップと、
前記サンプルにおける加速劣化試験において寿命に達するまでの時間Ｔｂを取得するステップと、
前記時間ＴａおよびＴｂと、前記加速劣化試験における温度と応力とに基づいて、前記指標値の取得時点を実機での使用時間に変換するステップと、
前記変換した使用時間と前記取得した指標値との関係を前記使用時間−指標値曲線として求めるステップと、により作成することとしてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る、ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する装置は、
ボイラなど、高温高圧下で運転される構造物を構成する低合金鋼が破断するまでの寿命を予測する装置であって、
前記低合金鋼の金属組織やレプリカを画像データに変換する画像変換手段と、
前記画像データを処理して金属組織の結晶粒界を構成する曲線を抽出する結晶粒界抽出手段と、
前記画像データを処理して、前記結晶粒界曲線を直線に近似する直線近似手段と、
前記近似された直線に基づいて、結晶粒界の長直線性を表す所定の指標値を計算する損傷度算出手段と、
前記低合金鋼について予め求めた前記指標値と使用時間との関係を示す使用時間−指標値曲線を記憶する使用時間−指標値曲線記憶手段と、
前記使用時間−指標値曲線を参照して、前記計算した指標値から寿命を判定する寿命判定手段と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による低合金鋼の寿命予測方法によれば、高温高圧下で使用される低合金からなる構造物についての劣化状態を正確に評価でき、構造物の余寿命を高い精度で予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
＝＝＝結晶粒界に基づく寿命予測＝＝＝
周知の通り、ボイラなど、高温高圧下で使用される構造物を構成する低合金鋼は、劣化が進むと金属組織における結晶粒が応力方向に偏向する。本発明は、結晶粒界と長直線性の度合いによって損傷の程度（損傷度）を評価し、余寿命を予測する。結晶粒の偏向状態に基づく低合金鋼の寿命予測方法は従来から存在するが、本発明は、金属組織内において、結晶粒界の偏向度合いと結晶粒界の長直線性（つまり材料の損傷度）を表す指標値を客観的な情報に基づいて求め、その指標値に基づいて寿命を判定する点に特徴を有している。
【００１５】
図１〜図３に本発明の低合金鋼の寿命予測方法における上記指標値の概念を示した。まず、構造物内部から採取した金属片やレプリカなどをサンプルとし、サンプルの金属組織を顕微鏡写真などによって可視化する（図１）。この図１では、金属組織における結晶粒２を縁取る境界（結晶粒界）３を白線にて示した。つぎに、写真１において応力方向４を設定するとともに、各結晶粒２の粒界３を多角形で近似する。図２は、図１中の全結晶粒２を多角形５に近似した図であり、応力方向４が矢印にて示されている。なお、図２では、図１において白線で示した結晶粒２に対応する多角形５を太線にて示した。
【００１６】
図３は、多角形近似された結晶粒の拡大図を示す。図１中の全結晶粒２を多角形５に近似し、図３に示すように、多角形５の各辺（直線）７の長さｄと応力方向に対する角度θとを求めて、この長さｄと角度θとからなる情報（以下、直線特徴情報という）に基づいて、結晶粒界の偏向度もしくは長直線性を表す上記指標値を計算する。
【００１７】
本実施形態では、顕微鏡写真などにより確実に特定できる結晶粒界３という金属組織中の特徴に基づいて寿命予測を行っている。そのため、結晶粒２の長軸方向など、従来、曖昧に特定されていた主観的な指標を一切排除することができる。しかも、輪郭強調や曲線の直線近似などはコンピュータによる画像処理の分野では確立された技術であり、損傷度の測定に際して、客観性・精度・信頼性、および自動化への親和性を提供している。もちろん、人の主観によって結晶粒界３を直線近似したとしても、結晶粒２の長軸を判断するよりも遙かに精度が高い。
【００１８】
＝＝＝損傷度＝＝＝
実機の余寿命を予測するためには、実機における現在の損傷度を特定するとともに、その損傷度となるのは寿命においてどの時点にあるのかを特定する必要がある。図４に本実施形態の寿命予測方法における損傷度評価方法の概略を示した。金属組織における結晶粒を多角形近似して得た各辺の直線は、初期状態では、応力方向に対してほぼ一様に傾いている（Ａ）。劣化が進行していくと、周知のごとく、結晶粒２の形状が総じて応力方向４に偏向する。したがって、初期状態と比較すると、応力方向４に偏向する直線部分が相対的に多くなる（Ｂ）。そして、さらに劣化が進行し（Ｃ，Ｄ）、最終的には破断する。
【００１９】
本実施形態では、低合金鋼の損傷度を、結晶粒２の長径方向の傾きではなく、多角形近似された結晶粒の各辺（直線）７の上記直線特徴情報（長さｄと応力方向に対する傾き角θ）に基づいて結晶粒の偏向度に基づいて評価している。そして、この図４の（Ａ）〜（Ｄ）の状態を定量評価するために、応力方向４から所定の角度範囲内にある直線（所定角度内直線）を抽出し、その直線部分の長さと、全ての角度範囲における直線（全方位直線）の長さとに基づいて偏向度もしくは長直線性を示す指標値を算出している。
【００２０】
本実施形態では、直線の角度に基づく、結晶粒界の偏向度を表す指標値Ｋとして
（１）所定角度内直線の長さの合計値と、全方位直線の長さの合計値との比、あるいは
（２）所定角度内直線の平均長と、全方位直線の平均長との比
の何れか用いる。
【００２１】
また、本実施形態では、直線の角度を用いない別の指標値として、結晶粒界をなるべく長い直線で近似したときの直線の本数と、各近似直線の長さとを求め、全近似直線の長さの合計を直線の本数で割った値（すなわち、近似直線の平均長さ）を、結晶粒界の長直線性を示す指標値とする手法も提案する。すなわち、直線の角度に基づかない指標値Ｋとして
（３）結晶粒界の近似直線の平均長さ
を用いる。
【００２２】
このように、本実施形態では（１）〜（３）の何れかを、結晶粒界の長直線性もしくは結晶粒界の偏向度と結晶粒界の長直線性を表す指標値Ｋとし、低合金鋼の初期状態から破断するまでの間の幾つかの時点での指標値Ｋの値を求め、これに基づいて、寿命までの使用時間と指標値Ｋとの関係を表す曲線（以下、使用時間−指標値曲線という）を予め設定しておく。そして、実機から採取したサンプルを測定して得た指標値Ｋとこの使用時間−指標値曲線とを照合し、実機の現状が使用時間−指標値曲線におけるどの時点なのかを特定することにより余寿命を予測する。
【００２３】
＝＝＝使用時間−指標値曲線の作成＝＝＝
初期状態から徐々に劣化が進行するのに伴って実機における低合金鋼の劣化状態を特定するためには、事前に寿命と劣化状況との対応関係を示す使用時間−指標値曲線を求めておく必要がある。本実施形態では、使用時間−指標値曲線を加速劣化試験により求めている。
【００２４】
この加速劣化試験は、新品の試験片に対して実施することも考えられるが、本実施形態では、寿命末期と判断され廃却された実機の部品から試験片を採取し、その試験片に対して加速劣化試験を行うことで求めている。これは、実機と比較して過酷な条件下で試験片を劣化させる加速劣化試験を新規の試験片を使って初期状態から行うよりも、実機における実際の劣化モードを忠実に再現できる可能性があるからである。そこで、寿命末期と判断され廃却された実機の部品から試験片を採取し、その後に加速試験に掛けて実機の劣化模擬を最大限とし、加速の影響を最小限とした。それによって、実機における劣化傾向をより忠実に反映する使用時間−指標値曲線を得ることができる。
【００２５】
具体的に使用時間−指標値曲線を求めるためには、試験片を取り出した時点と加速劣化試験中の適時に求めた試験片の上記指標値とを応付けしてプロットしていく。試験片が破断したら、採取から破断までの加速された時間（圧縮された時間）を実時間に換算するように伸長し、実機の実稼働時間に対する指標値の変化特性を取得する。なお時間軸の伸長には、加速試験に用いた条件（応力・温度）に基づく周知のラーソン・ミラー・パラメータによって求めることができ、総寿命を１に規格化したときに、試験片を採取した時点が総寿命に対してどの時点であったのかが割合によって特定でき、試験片採取時点からの余寿命における使用時間−指標値曲線を得ることができる。そして、加速劣化試験開始時点での試験片の実機における稼働時間を寿命に対する前記割合に乗算すれば、寿命や余寿命が実時間で求められる。
【００２６】
図５〜図１０に加速劣化試験により得られた使用時間−指標値曲線の一例を示した。  
図５〜図７は、上記（１）の指標値Ｋについての使用時間−指標値曲線である。すなわち、図５〜図７は、多角形近似された結晶粒の各辺となる直線について、応力方向に対してそれぞれ±５度以内、±１５゜以内、±３０゜以内の直線についての総延長ｄθ＝５、ｄθ＝１５、ｄθ＝３０と、全ての直線についての総延長Ｄとの比ｄθ＝ｘ／Ｄを寿命までの時系列に対応付けした使用時間−指標値曲線７ａを示している（ｘは、５，１５，３０）。
【００２７】
また、図８〜図１０は、上記（２）の指標値Ｋについての使用時間−指標値曲線である。すなわち、図８〜図１０は、応力方向に対してそれぞれ±５度以内、±１５゜以内、±３０゜以内の直線についての平均長ｄavgθ＝ｘ（ｘ＝５，１５，３０）と、全ての直線についての平均長Ｄavgとの比ｄavgθ＝ｘ／Ｄavgを寿命までの時系列に対応付けした使用時間−指標値曲線７ｂを示している。なお、サンプルによって寿命の絶対時間は異なるので、時間軸を総寿命時間をｔｒで規格化し、横軸をｔ／ｔｒで示している。
【００２８】
また、図１１は、上記（３）の指標値Ｋについての使用時間−指標値曲線である。すなわち、図１１は、多角形近似された結晶粒界の各片となる全ての直線についての平均長Ｄavgを、寿命までの時系列に対応付けした使用時間−指標値曲線７ｃを示している。
【００２９】
図５〜図１１から分かるように、ｄθ＝ｘ／Ｄ、ｄavgθ＝ｘ／Ｄavg、及びＤavgに基づく使用時間−指標値曲線（７ａ，７ｂ，７ｃ）の何れについても、指標値Ｋの時間依存性が見られ、ある時間を経過すると、使用時間−指標値曲線（７ａ，７ｂ，７ｃ）の形状が時間軸８にほぼ平行な状態９から屈曲状態１０を経て、次第に損傷度を高め、最終的には破断状態１１に至る。
【００３０】
＝＝＝寿命予測＝＝＝
上記のようにして使用時間−指標値曲線を取得したならば、実機の定期点検時などに損傷度の評価対象となる部位の金属組織サンプルをレプリカなどによって採取し、直線近似された結晶粒界の各直線の長さと応力方向に対する角度とに基づいて上記指標値を計算し、その損傷度と実稼働時間とを対応付けして記録していく。
【００３１】
実機が稼働した当初では、指標値に変化が見られないが、ある程度稼働時間が長くなると、使用時間−指標値曲線（７ａ，７ｂ，７ｃ）における屈曲部分１０と同じ傾向が稼働時間／損傷度特性に見られる。そして、実機の特性カーブと使用時間−指標値曲線（７ａ，７ｂ，７ｃ）とを一致させるように重ねれば、実機における各測定時点がライフサイクルの時系列に対応付けされる。なお、上記のように、使用時間−指標値曲線の時間軸は寿命Ｔｒに対する比率で表されているので、実機からのサンプル採取時点での稼働経過時間ｔにその割合を乗算すれば実機の総寿命時間ｔｒがわかり、その総寿命時間ｔｒから採取時点の稼働経過時間ｔを減算すれば余寿命時間が求められる。
【００３２】
また低合金鋼は、初期状態においてもある程度結晶粒が偏向しており、全直線６が平均して全方向に傾いている状態とはならず、初期状態での指標値に偏りが生じる。そこで、初期状態での指標値が所定値（例えば、１．０）となるように使用時間−指標値曲線全体を上下方向にシフトさせ、寿命予測対象となる実機から採取したサンプルについても、初期状態の指標値が上記所定値となるように補正係数を乗じて補正し、以後サンプルを採取して指標値を評価する際には、指標値に上記補正係数を乗算する。このようにして、初期状態における結晶粒の偏向の影響を除去することができる。
【００３３】
＝＝＝損傷評価装置＝＝＝
上記実施形態の低合金鋼の寿命予測方法は、結晶粒界の特定、粒界を縁取る曲線の直線近似、近似された各曲線の長さと応力方法に対する角度とに基づく損傷度の計算、実機における損傷度／稼働経過時間特性と使用時間−指標値曲線との照合、というステップから構成されている。これらのステップをコンピュータによって自動的に処理することは容易である。以下に、上記実施形態の方法に基づいて自動的に低合金鋼の寿命を予測する装置（寿命予測装置）を本発明の具体的な実施形態として挙げる。
【００３４】
予測装置のハードウエアは、パーソナルコンピュータなど、汎用的なコンピュータが採用でき、そのコンピュータにインストールされたプログラムの実行やコンピュータに付帯する周辺機器などにより当該装置を構成することができる。例えば、顕微鏡写真を画像データとして取り込むためのスキャナ、使用時間−指標値曲線や各種プログラムを記録する外部記憶、モニタやキーボードなどのユーザインタフェースを周辺機器とし、コンピュータにインストールされたプログラムがこれら周辺機器を制御するともに、周辺機器やユーザからの入力情報や外部記憶にある情報を処理して、当該コンピュータを寿命予測装置として機能させる。
【００３５】
図１２は寿命予測装置の一例における情報処理の流れである。この処理は、コンピュータがハードディスクなどの記憶媒体に格納されたプログラムを読み出して実行することにより行われる。
【００３６】
まず、サンプルの金属組織を撮影した写真をスキャナにより読み込み、所定形式の画像データに変換する（ｓ１）。なお、撮影写真をスキャナを使用して画像データに変換する手順に代えて、顕微鏡の接眼光学系にＣＣＤカメラなどを設置すれば、顕微鏡の光学画像に相当するＣＣＤカメラからの電気信号をＡ／Ｄ変換して画像データを取得する手順としてもよい。
【００３７】
次に、ユーザ入力により応力方向を設定する（ｓ２）。例えば、金属組織の画像データをモニタに表示した状態でユーザインタフェースからの操作入力により画面上に直線を描出して設定するなど適宜な設定方式を採用すればよい。この応力方向設定処理により、金属組織の画像データに含まれる全結晶粒に対する応力方向が設定される。そして、画像データに周知の輪郭抽出処理などを施すことで、結晶粒を構成する粒界曲線を抽出し、その粒界曲線を直線に近似する（ｓ３，ｓ４）。
【００３８】
なお、直線近似の手法としては、例えば、結晶組織の撮影画像において、粒界を形成する画素のうち、所定の線幅の直線上に重複する画素を同じ直線上にあるものとして処理すればよい。図１３にその処理の概念図を示した。画像処理において、撮影画像における結晶粒界３は画素により構成される（Ａ）。ここで、粒界曲線の線幅で直線を引いていては直線の長さが極めて短くなってしまう。そこで、所定数の画素幅の直線を引き、その直線の幅の中に含まれる画素は全て同じ直線上にあると見なす。例えば、応力方向に対して９０゜の角度をなす直線成分を抽出するためには、撮影画像の水平方向を応力方向４とし、所定画素分（例えば４画素分など）の線幅の直線を水平方向とに並べる。そして、４画素×４画素を１ドットとして、鉛直方向に２ドット以上のドットの連続を直線６として抽出する。そして、抽出した直線６のドット数を長さとすれば、応力方向に対して±９０゜をなす直線６の長さが取得できる（Ｂ）。同様にして、結晶粒界３を応力方向４に一致する幅広の直線で近似すれば、応力方向と０゜（１８０゜）の角度をなす直線６を抽出することができる（Ｃ）。なお、応力方向に対して傾斜している結晶粒界については，ドットの配列方向を，結晶粒界の傾斜角と同じ角度だけ傾斜させて上記と同様に直線抽出処理を行えばよい。このようにして、応力方向４に対して各種角度方向に延長する幅広の直線で結晶粒界３を直線６に近似していく。
【００３９】
全結晶粒２が多角形５に近似されたならば、多角形５の各辺（直線）６の直線特徴情報（長さｄ，角度θ）を取得し（ｓ５）、その長さｄと角度θとに基づいて上記（１）、（２）あるいは（３）の指標値Ｋを計算する（ｓ６）。そして、その指標値Ｋの算出起源となったサンプルの実稼働時間やサンプルの内容（採取した実機の情報、サンプルの採取部位、採取日時など）や識別情報をユーザ入力により受け付け、これらユーザ入力情報と指標値Ｋとをサンプル情報として記憶装置に記録する（ｓ７）。また、過去に記録した同じ実機についてのサンプル情報を取得し、実機における指標値Ｋの稼働時間特性を求め、この特性を記憶装置に予め記憶された使用時間−指標値曲線と照合する（ｓ８）。そして、双方の特性曲線に相似性を見出したならば、その相似する曲線部分を重ね合わせて、実機の現状がライフサイクルの中でどの時点にあるのかを特定し、規格化された寿命を実機の稼働経過時間と整合させて余寿命を算出してユーザインタフェースに表示／印刷出力したり、ファイルとして外部記憶に出力したりする（ｓ９→ｓ１０，ｓ１１）。相似性がなければ処理を終了し（ｓ９→終わり）、次回のサンプル採取時に再度指標値Ｋを求めて相似性を判断する。
【００４０】
このようにして、同じ構造物における同じ部位からサンプルを定期的あるいは適時に採取し、指標値Ｋと稼働経過時間とを対応付けして記憶させていくのと並行して、今までの指標値の稼働経過時間特性を使用時間−指標値曲線に照らし合わせる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の寿命予測方法が対象とする低金属鋼の金属組織を撮影した写真である。
【図２】上記金属組織における結晶粒を多角形近似したときの概略図である。
【図３】上記金属粒の偏向状態を示す指標についての説明図である。
【図４】本発明の実施形態における寿命予測方法の概念図である。
【図５】上記実施形態における寿命予測方法で準備される使用時間−指標値曲線の一例である。
【図６】上記実施形態における寿命予測方法で準備される使用時間−指標値曲線の一例である。
【図７】上記実施形態における寿命予測方法で準備される使用時間−指標値曲線の一例である。
【図８】上記実施形態における寿命予測方法で準備される使用時間−指標値曲線の一例である。
【図９】上記実施形態における寿命予測方法で準備される使用時間−指標値曲線の一例である。
【図１０】上記実施形態における寿命予測方法で準備される使用時間−指標値曲線の一例である。
【図１１】上記実施形態における寿命予測方法で準備される使用時間−指標値曲線の一例である。
【図１２】本発明の寿命予測方法に基づいて低合金鋼の寿命を予測する装置における情報処理の流れ図である。
【図１３】上記情報処理に含まれる直線近似処理の概念図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  金属組織写真
２  結晶粒
３  結晶粒界
４  応力方向
５  多角形
６  直線
７ａ、７ｂ  使用時間−指標値曲線
【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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【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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【図１】
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