(57)【要約】【課題】CWT(弱アルカリ性の水による処理)をしているボイラ水壁管内壁に硬質酸化スケールの外にパウダー状スケールが付着する影響を考慮した水壁管過熱損傷を診断すること。【解決手段】水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールHSとパウダー状スケールPSの両スケールの付着による上昇するメタル温度Tが、HSのスケール厚さthsとPSのスケール厚さtpsによるそれぞれのメタル温度上昇分ΔTps、ΔThsを初期温度T0に合算したメタル温度Tであると仮定し、温度Tがlog(Kp)=a/T+b（Kpは酸化速度定数、a,b:材料定数、T:絶対温度）から求められる温度であるとし、温度TにおけるHSのスケール厚さthsとボイラの運転時間hの関係を算出し、複数のスケール厚さthsと運転時間hをパラメータにして算出されるクリープ損傷線図を予め作図しておき、実測により求めたHSのスケール厚さThsとクリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することができる。【選択図】図１
2013185764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用している水壁管の過熱損傷を診断する方法において、
ボイラ水壁管内のメタル側に形成する硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成するパウダー状スケールとの両スケールの付着によるメタル温度上昇に基づくクリープ損傷率を算出し、
予め作成した硬質酸化スケール厚さと運転時間をパラメータにしたクリープ損傷線図を用いて過熱損傷の状態を判定する
ことを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法。
【請求項２】
ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用している水壁管の過熱損傷を診断する方法において、
ボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該メタル温度（Ｔ）がｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ（但し、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５））から求められる温度であるとし、該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）の関係を算出し、複数の硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出されるクリープ損傷線図を予め作図しておき、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法。
【請求項３】
硬質酸化スケールとパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、（１），（２）式から求める硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）をそれぞれ（４），（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算した（８）式で表されるメタル温度（Ｔ）であり、このメタル温度（Ｔ）が（２）式から求められる温度であると仮定し、
当該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づくクリープ損傷線図を予め作成しておき、
ここで、
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）                        （１）
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ                    （２）
但し、ｔｈｓは硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈは運転時間（ｈ）、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５）であり、
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  （４）
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  （７）
但し、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）、λｈｓ：硬質酸化スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ                  （８）
Φc＝ｈ／ｈｆ                                 （９）
但し、Φc：クリープ損傷率、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命であり、
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））               （１０）
但し、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータであり、
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3    （１１）
但し、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ                        （１２）
但し、Ｐ：管内圧（ＭＰａ）であり、
次に、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法。
【請求項４】
ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用しているボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールの影響で両スケールの付着によるメタルの過熱損傷を診断する装置において、
ボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、硬質酸化スケールの厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールの厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該メタル温度（Ｔ）がｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ（但し、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５））から求められる温度であるとし、該メタル温度（Ｔ）と硬質酸化スケールの厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールの厚さ（ｔｐｓ）とそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を算出するために必要なデータを記録しているデータ記録装置と、
複数の前記メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出されるクリープ損傷率（Φc）を求めて、クリープ損傷率線図を予め作図するデータ処理装置と、
実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、ボイラ水壁管の過熱損傷状態を判定する装置と
を備えたことを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断装置。
【請求項５】
データ記録装置は、ボイラ運転時間（ｈ）、酸化速度定数（Ｋｐ）、材料定数（ａ、ｂ（硬質酸化スケールの回帰係数）、初期温度（Ｔ０（℃＋２７３．１５））、管外径（Ｄ（ｍｍ））、管厚（ｔ（ｍｍ））、硬質酸化スケール熱伝導率（λｈｓ（Ｗ／ｍＫ））、パウダー状スケール熱伝導率（λｐｓ（Ｗ／ｍＫ））、当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命（ｈｆ）材料定数（Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ(材料に依存するクリープの回帰係数)）、σ（内圧応力（ＭＰａ））、管内圧（Ｐ（ＭＰａ））を含むデータが入力されて記録される構成であり、
データ処理装置は、硬質酸化スケールとパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、（１），（２）式から求める硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｐｓ，ΔＴｈｓ）をそれぞれ（４）、（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該メタル温度（Ｔ）が（２）式から求められると仮定し、当該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づきクリープ損傷線図が予め作成される構成であり、
ここで、
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）                        （１）
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ                    （２）
但し、ｔｈｓは硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈは運転時間（ｈ）、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５）であり、
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  （４）
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  （７）
但し、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）、λｈｓ：硬質酸化スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ                  （８）
Φc＝ｈ／ｈｆ                                 （９）
但し、Φc：クリープ損傷率、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命であり、
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））               （１０）
但し、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータであり、
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3    （１１）
但し、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ                        （１２）
但し、Ｐ：管内圧（ＭＰａ）である
ことを特徴とする請求項４記載のボイラ水壁管の過熱損傷診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、事業用ボイラ水壁管内に付着するスケールによって生じる過熱損傷の診断に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電事業用ボイラの水壁管（以下、単に水壁管と称する）の腐食防止対策として行われる水処理には、低濃度の溶存酸素を含み、ｐＨを弱アルカリ化したＣＷＴ(Combined Water Treatment：酸素処理)が多く採用されている（非特許文献１）。ＣＷＴの特徴は、ボイラへ給水する配管内やボイラの伝熱管内に溶解度の極めて低い三価の鉄水酸化物又は鉄酸化物で不動態皮膜を安定的に形成させることにより、配管内や伝熱管内の腐食量を低減させ、管内に付着するスケール量を低減させること、前記スケールの付着形態として表面を平滑にして差圧上昇を抑制できること、付着スケールを除去するために実施する化学洗浄の時間間隔を大幅に延長できることにある。
【０００３】
しかしながら、最近ＣＷＴを採用している伝熱管からなるボイラ水壁管内に形成される硬質酸化スケールのさらに管内側に熱伝導率の低い微粒のヘマタイトスケール（以下、パウダー状スケールと称することもある）が付着し、その付着による水壁管の過熱損傷が新たな問題になっている（非特許文献２）。
【０００４】
図６にＣＷＴを採用しているボイラの水壁管１の管内スケールの断面状況を示す。水壁管内の母材８（以下、メタル８と称することもある）側に付着するスケールは硬質酸化スケール９であり、最も内側に付着するスケール１０は、０．１〜２μｍ径の微粒のヘマタイト（αＦｅ２Ｏ３）結晶（パウダー状スケール）であり、その見かけ密度は、０．８〜１．５ｍｇ／ｃｍ３であり、ヘマタイト単体の見かけ密度に比べ１／５以下で極めてポーラスである。なお、図６に示すようにボイラの水壁管１には燃料を燃焼させるバーナ７と該バーナ７で形成された不完全燃焼炎を完全燃焼させるためのアフターエアポート６が配置されている。
【０００５】
パウダー状スケール１０はポーラスなため、熱伝導率が低く、熱負荷およびパウダー状スケール１０の厚さに比例してメタル８の温度が上昇する。図７は、パウダー状スケール１０の厚さとメタル８の温度上昇の関係を示す計算値のデータである。パウダー状スケール１０の厚さの熱伝導率は０．６Ｗ／ｍＫ前後と想定され、熱負荷Ｑが３００ｋＷ／ｍ２の場合、０．１ｍｍ厚さのパウダー状スケール１０で、約５０℃昇温することになり、水壁管１（図６）の材料が過熱損傷し、クリープ損傷により噴破することになる。
【０００６】
こうした水壁管１でのパウダー状スケール１０の付着によるメタル８の過熱を抑制して管理する手法として、パウダー状スケール１０の付着要因を究明し、その因子を取り除くことが考えられるが、給水のＦｅ濃度、温度、流速など数種の因子が複合的に影響していると考えられ、現在一義的に評価できる技術は確立されていない。
【０００７】
また、メタル８の過熱の要因となるパウダー状スケール１０の付着厚さを直接計測し、その成長挙動から過熱損傷度を精度よく予測する手法が考えられるが、パウダー状スケール１０は、付着状態が強固ではなく、非常に不安定であり、容易に移動、脱落が起こるため、抜管による検査として部分的に水壁管１を切断し、パウダー状スケール１０の付着厚さを計測するのは困難であり、慎重に切断して冷間樹脂による真空埋め込み成型でサンプルを作成し、さらに後方散乱二次電子像で観察するなどの慎重な取扱いが必要となり、特殊な技術および技量を用いなければ評価できないという問題がある。
【０００８】
一方、管内硬質酸化スケール９の厚さと運転時間からメタル温度履歴を予測し、伝熱管の寸法(径及び肉厚)及び内圧より算出した負荷応力と過熱温度、過熱時間及び当該材料の強度よりクリープ損傷率を算出し、残余寿命を診断する方法（特許文献１）がある。
【０００９】
また、この他に給水中のＦｅを低減するために低圧給水ヒータドレン系統に孔径の極めて小さな中空糸ろ過フィルタを設置することにより、パウダー状スケール１０の主成分である酸化鉄濃度を低減し、伝熱管の過熱を抑制管理する方法（非特許文献３）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３８９２６２９号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】JIS:ボイラ給水及びボイラ水の水質：JIS B-8223 (2006)
【非特許文献２】仲尾ほか２名：超臨界圧ボイラの給水化学：(社)火力原子力発電技術協会講演会、(2010-10)
【非特許文献３】椿崎ほか５名：火力プラント水処理：酸素処理の適用実績とパウダー状スケール付着対策の紹介：三菱重工技法 49(1) (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、水壁管１へのパウダー状スケール１０の付着を一義的に評価できる技術は確立されていない。また、メタル８の過熱の要因となるパウダー状スケール１０の付着厚さを直接計測することは困難である。
【００１３】
さらに特許文献１記載の方法は、ＣＷＴを採用しているボイラに特有の課題であるパウダー状スケール１０の付着は考慮されていない。さらに評価パラメータやステップが多く、複雑であるため専門家でなければ診断ができないという課題がある。
【００１４】
また、非特許文献３記載の方法では、パウダー状スケール１０は、条件の揃った局部的部位で付着しやすく、給水中Ｆｅ濃度が１ｐｐｂ以下の極低濃度でも付着することがあるので、十分な効果は期待できない。
【００１５】
そこで本発明の課題は、ＣＷＴを採用しているボイラに特有のパウダー状スケールの付着による影響を考慮した過熱損傷診断方法および装置を提供することであり、また、前記過熱損傷診断方法および装置において専門家でなくても簡単で短時間に高精度な過熱損傷診断ができる手法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記本発明の課題は、下記の構成を採用することにより達成できる。  
請求項１記載の発明は、ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用している水壁管の過熱損傷を診断する方法において、ボイラ水壁管内のメタル側に形成する硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成するパウダー状スケールとの両スケールの付着によるメタル温度上昇に基づくクリープ損傷率を算出し、予め作成した硬質酸化スケール厚さと運転時間をパラメータにしたクリープ損傷線図を用いて過熱損傷の状態を判定することを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法である。
【００１７】
請求項２記載の発明は、ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用している水壁管の過熱損傷を診断する方法において、ボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該合算したメタル温度（Ｔ）がｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ（但し、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５））から求められる温度であるとし、該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）の関係を算出し、複数の硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出されるクリープ損傷線図を予め作図しておき、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法である。
【００１８】
請求項３記載の発明は、硬質酸化スケールとパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、（１），（２）式から求める硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）をそれぞれ（４），（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算した（８）式で表されるメタル温度（Ｔ）であり、このメタル温度（Ｔ）が（２）式から求められる温度であると仮定し、当該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づくクリープ損傷線図を予め作成しておき、
ここで、
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）                        （１）
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ                    （２）
但し、ｔｈｓは硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈは運転時間（ｈ）、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５）であり、
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  （４）
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  （７）
但し、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）、λｈｓ：硬質酸化スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ                  （８）
Φc＝ｈ／ｈｆ                                 （９）
但し、Φc：クリープ損傷率、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命であり、
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））              （１０）
但し、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータであり、
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3  （１１）
但し、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ                        （１２）
但し、Ｐ：管内圧（ＭＰａ）であり、
次に、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法である。
【００１９】
請求項４記載の発明は、ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用しているボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールの影響で両スケールの付着によるメタルの過熱損傷を診断する装置において、ボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、硬質酸化スケールの厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールの厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該合算したメタル温度（Ｔ）がｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ（但し、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５））から求められる温度であるとし、該メタル温度（Ｔ）と硬質酸化スケールの厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールの厚さ（ｔｐｓ）とそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を算出するために必要なデータを記録しているデータ記録装置と、複数の前記メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出されるクリープ損傷率（Φc）を求めて、クリープ損傷率線図を予め作図するデータ処理装置と、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、ボイラ水壁管の過熱損傷状態を判定する装置とを備えたことを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断装置である。
【００２０】
請求項５記載の発明は、データ記録装置は、ボイラ運転時間（ｈ）、酸化速度定数（Ｋｐ）、材料定数（ａ，ｂ（硬質酸化スケールの回帰係数）、初期温度（Ｔ０（℃＋２７３．１５））、管外径（Ｄ（ｍｍ））、管厚（ｔ（ｍｍ））、硬質酸化スケール熱伝導率（λｈｓ（Ｗ／ｍＫ））、パウダー状スケール熱伝導率（λｐｓ（Ｗ／ｍＫ））、当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命（ｈｆ）材料定数（Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ(材料に依存するクリープの回帰係数)）、σ（内圧応力（ＭＰａ））、管内圧（Ｐ（ＭＰａ））を含むデータが入力されて記録される構成であり、
データ処理装置は、硬質酸化スケールとパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、（１），（２）式から求める硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｐｓ，ΔＴｈｓ）をそれぞれ（４），（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該メタル温度（Ｔ）が（２）式から求められる温度であると仮定し、当該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づきクリープ損傷線図が予め作成される構成であり、
ここで、
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）                        （１）
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ                    （２）
但し、ｔｈｓは硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈは運転時間（ｈ）、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５）であり、
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  （４）
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  （７）
但し、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）、λｈｓ：硬質酸化スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ                  （８）
Φc＝ｈ／ｈｆ                                 （９）
但し、Φc：クリープ損傷率、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命であり、
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））              （１０）
但し、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータであり、
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3  （１１）
但し、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ                        （１２）
但し、Ｐ：管内圧（ＭＰａ）であることを特徴とする請求項４記載のボイラ水壁管の過熱損傷診断装置である。
【００２１】
（作用）
ＣＷＴを採用しているボイラ水壁管内のメタル側にはヘマタイト（αＦｅ２Ｏ３）からなる不動態皮膜が形成されるが、最近の研究調査でさらにその管内面側に熱伝導率の低いパウダー状ヘマタイトスケール（以下、パウダー状スケールと称することがある）が付着することが分かってきた。
【００２２】
従来、ＣＷＴを採用しているボイラ水壁管１において、前記硬質酸化スケール９が運転時間（ｈ）により徐々に成長することが知られている。すなわち、硬質酸化スケール９の厚さ（ｔｈｓ）は、材料定数(ａ，ｂ)、絶対温度（℃＋２７３．１５）の関数であり、運転時間（ｈ）の０．５乗（べき乗則）で推定することができる。  
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）  ----  （１）  
ここで、ｔｈｓ：硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈ：運転時間（ｈ）、Ｋｐ：酸化速度定数であり、  
Ｋｐ＝Ａ×ｅｘｐ（１−Ｅ／ＲＴ））  
すなわち、  
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ  ----  （２）  
である。  
ここで、Ｅ：見かけの活性化エネルギー、Ｒ:ガス定数、Ｔ：絶対温度、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）である。
【００２３】
次に、硬質酸化スケール９によるメタル８の温度上昇（ΔＴｈｓ）は、次式で示すように熱負荷（Ｑ）および硬質酸化スケール９の厚さ（ｔｈｓ）に比例し、硬質酸化スケール９の熱伝導率に反比例する。  
ΔＴｈｓ＝Ｑ×ｔｈｓ／λｈｓ  ----  （３）  
ここで、ΔＴｈｓ：メタル温度上昇（℃）、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、ｔｈｓ：硬質酸化スケール９の厚さ(ｍｍ)、λｈｓ：硬質酸化スケール９の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）である。
【００２４】
さらに、ボイラ水壁管１での温度上昇は、その外径（Ｄ）と管厚（ｔ）の影響を受けることから、（３）式は次のようになる。  
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  ----  （４）
ここで、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）である。
【００２５】
以上により、硬質酸化スケール９のみによる運転時間（ｈ）と硬質酸化スケール９の厚さ（ｔｈｓ）との関係、運転時間（ｈ）とメタル温度上昇（ΔＴｈｓ）との関係が、（１）〜（４）式により推定することができる。
【００２６】
しかしながら、前記したように硬質酸化スケール９の管内面側にはパウダー状スケール１０が付着するため、この付着による硬質酸化スケール９への影響を考慮する必要がある。  
すなわち、パウダー状スケール１０の厚さは、硬質酸化スケール９とは異なり、その付着挙動は、水質、付着部位、運転条件により種々変化するので、時間に対しべき乗則で付着し、種々の形でも対応できるようにして求める。  
ｔｐｓ＝α・ｈβ  ----  （５）  
ここで、α，β：パウダー状スケール１０の付着係数、指数、ｈ：運転時間、βが１の時、直線則であり、０．５の時はべき乗則である。
【００２７】
次に、パウダー状スケール１０によるメタル温度上昇（ΔＴｐｓ）は、次式で示すように熱負荷（Ｑ）およびパウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）に比例し、パウダー状スケール１０の熱伝導率（λｐｓ）に反比例する。  
ΔＴｐｓ＝Ｑ×ｔｐｓ／λｐｓ  ----  （６）  
ここで、ΔＴｐｓ：メタル温度上昇（℃）、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、ｔｐｓ：パウダー状スケール厚さ（ｍｍ）、λｐｓ：パウダー状スケール１０の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）である。
【００２８】
さらに、ボイラ水壁管１でのメタル温度上昇（ΔＴｐｓ）は、外径（Ｄ）、管厚（ｔ）の影響を受けることから、前記（６）式は次のようになる。  
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  ----  （７）  
ここで、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）である。
【００２９】
以上により、パウダー状スケール１０による運転時間（ｈ）とパウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）との関係、運転時間（ｈ）とメタル温度上昇（ΔＴｐｓ）との関係が、（５）〜（７）式により推定することができる。
【００３０】
以上により求めた、パウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）が所定の運転時間（ｈ）で所定の厚さ（ｔｐｓ）となったとして、その際におけるパウダー状スケール１０によるメタル温度上昇(ΔＴｐｓ)が、硬質酸化スケール９のみによる同一運転時間（ｈ）における硬質酸化スケール９の厚さ(ｔｈｓ)と硬質酸化スケール９のメタル温度上昇(ΔＴｈｓ)に寄与したと仮定して、初期温度（Ｔ０）に合算した両スケール９，１０による上昇温度（Ｔ）が、以下に述べる（８）式で表され、当該合算した上昇温度（Ｔ）を（２）式より求められるとして、該温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される以下に述べる（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づくクリープ損傷線図を予め作成した。
【００３１】
すなわち、硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｐｓ，ΔＴｈｓ）をそれぞれ（４），（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算した温度（Ｔ）を（８）式で表し、当該合算した温度（Ｔ）を（２）式より求められると仮定して、該温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られる運転時間（ｈ）に対応したクリープ損傷率（Φc）に基づくクリープ損傷線図を予め作成する。
【００３２】
得られたクリープ損傷線図に基づき、比較的容易に測定できる実機の硬質酸化スケールのスケール厚さ（Ｔｈｓ）を求めて、それに対応するクリープ損傷率（Φc）を前記クリープ損傷線図から得ることができる。  
従って、パウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）を実測することなく、運転時間（ｈ）に対応したクリープ損傷率（Φc）を得ることができる。
【００３３】
上述のように、硬質酸化スケール９の厚さ（ｔｈｓ）を算出するための（２）式で求まる絶対温度（Ｔ）は、下記となる。  
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ  ----  （８）  
ここで、Ｔ０：初期温度（℃）である。
【００３４】
また、内圧応力（σ）によるクリープ損傷率（Φc）は、次式で計算する。  
Φc＝ｈ／ｈｆ  ----  （９）  
ここで、Φc：クリープ損傷率、ｈ：運転時間（ｈ）、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命である。
【００３５】
当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命（ｈｆ）は、クリープ寿命評価によく用いられるラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）法で解析する。  
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））  ----  （１０）  
ここで、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータ  Ｔ:絶対温度（Ｋ＝℃＋２７３．１５)＝Ｔ０+ΔＴｐｓ+ΔＴｈｓ、Ｃ：材料定数（材料に依存するクリープの回帰係数）である。
【００３６】
伝熱管材料のクリープ寿命ＬＭＰは内圧応力（σ）の関数として次式で示され、応力（σ）と温度（Ｔ）を入力するとクリープ破断寿命（ｈｆ）が算定できる。  
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3  ----  （１１）  
ここで、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、  
内圧応力（σ）は、平均径の式を用い、周方向応力を算定する。  
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ  ----  （１２）  
ここで、Ｐ：内圧（ＭＰａ）、Ｄ：外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）である。  
なお、クリープ損傷率（Φc）は、ある時間ごとに損傷率を計算し、累積で算出している。
【００３７】
以上により、（８）式に対応するパウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）を含むメタル温度の上昇値（Ｔ）に基づき、パウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）による温度上昇の影響を受けたものとして、しかもパウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）を算入する代わりに硬質酸化スケール９のみの厚さ（ｔｈｓ）と運転時間（ｈ）の関係を予め求め、作成した図（図３（ｂ））に、さらに（８）〜（１２）式を用いて、過熱温度により求めた任意のクリープ損傷率（Φc）ごとに線図化しておけば、硬質酸化スケール９の厚さ（Ｔｈｓ）の実測値と運転時間（ｈ）を線図(図１)中にプロットすることにより、過熱損傷状態が評価でき、さらに余寿命診断や、予防保全処置法が容易かつ高精度に評価、算定できる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、硬質酸化スケール厚さおよびＣＷＴ運転時間から容易にボイラ水壁管のメタル損傷の程度を定量的に診断でき、ボイラの予防保全や長期安定運転に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明になるクリープ損傷率が等しくなる硬質酸化スケールの厚さと運転時間の関係図である。
【図２】本発明になるＣＷＴを採用しているボイラに特有のパウダー状スケールの付着による影響を考慮した過熱損傷診断方法において、クリープ損傷状態を判定する線図を作成するフローチャートである。
【図３】本発明の運転時間に対するパウダー状スケールの厚さを変化させた場合（図３（ａ））の硬質酸化スケールの厚さ（図３（ｂ））およびクリープ損傷率（図３（ｃ））の解析結果を示す図である。
【図４】本発明になるＵＴ法管内面スケール厚さ測定装置と、データ処理装置を備えた管内面硬質酸化スケール厚過熱損傷度診断装置の構成図である。
【図５】数多くの実機管の硬質酸化スケールの厚さを測定し、図１の本発明線図上にプロットした結果を示す図である。
【図６】ＣＷＴを採用しているボイラの水壁管の管内スケールの断面状況を示す図である。
【図７】パウダー状スケールの熱伝導率を０．６Ｗ／ｍＫとした場合のパウダー状スケールの厚さによるメタル温度の上昇を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の実施の形態について図面とともに説明する。  
図２は、本発明になるＣＷＴを採用しているボイラに特有のパウダー状スケール１０の付着による影響を考慮した過熱損傷診断方法において、クリープ損傷状態を判定する線図を作成するフローを示す。
【００４１】
先ずパウダー状スケール１０の厚さの成長挙動を予測する。過去に実測データがある場合は、その最大値回帰線とし、（５）式で求める。実測データがない場合は、運転時間のべき乗則に従い、数万時間で０．１〜０．２ｍｍのパウダー状スケール１０が付着する線図を仮定する。
【００４２】
パウダー状スケール１０によるメタル温度の上昇（ΔＴｐｓ）は、（６），（７）式を用い、管サイズ（Ｄ：管外径，ｔ：管厚）、熱負荷（Ｑ）、パウダー状スケール１０の熱伝導率（λｐｓ）を入力して、パウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）に応じたメタル温度の上昇（ΔＴｐｓ）を計算する。パウダー状スケール１０の熱伝導率（λｐｓ）が不明な場合は、代表値として０．６Ｗ／ｍＫを入力する。
【００４３】
図７はパウダー状スケール１０の熱伝導率（λｐｓ）を０．６Ｗ／ｍＫとした場合のパウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）によるメタル温度の上昇（ΔＴｐｓ）を表す図である。ここで、実線は熱負荷（Ｑ）が３００ｋＷ／ｍ２と２００ｋＷ／ｍ２の場合を示す。例えば熱負荷Ｑが３００ｋＷ／ｍ２であるの場合、パウダー状スケール１０の厚さ（ｔｐｓ）が０．１ｍｍでも約５０℃の昇温と大幅に上昇することが分かる。
【００４４】
次に、硬質酸化スケール９の厚さ（ｔｈｓ）の成長挙動を予測するが、パウダー状スケール１０が形成されない場合のものは、材質に特有の酸化速度定数を入力することにより（１）で求めることができる。またパウダー状スケール１０が形成されない場合の硬質酸化スケール９によるメタル温度の上昇温度（ΔＴｈｓ）は、（３）式と（４）式を用いて、前記と同様に管サイズ（Ｄ：管外径、ｔ：管厚）、熱負荷（Ｑ）、硬質酸化スケール９の熱伝導度（λｈｓ）を入力して求めることができる。
【００４５】
図２において、前記より求めたパウダー状スケール１０によるメタル温度の上昇（ΔＴｐｓ）を、初期温度（Ｔ０）からの硬質酸化スケール９によるメタル温度の上昇（ΔＴｈｓ）に合算した上昇温度（Ｔ）であるとすることにより、パウダー状スケール１０の付着による温度上昇の影響を硬質酸化スケール９のみによるものと仮定して判定することができる。
【００４６】
また、クリープ損傷率（Φc）は、管サイズ（Ｄ：管外径、ｔ：管厚）、内圧応力（σ）、ＣＷＴ運転時間（ｈ）、材質に基づく材料評価式からの材料定数（Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ）および温度(Ｔ＝初期温度（Ｔ０）＋上昇温度（ΔＴｈｓ）＋上昇温度（ΔＴｐｓ）)の関数として、（８）〜（１２）式を用いて算定する。
【００４７】
以上により、ＣＷＴ運転時間（ｈ）を横軸にとることにより、ＣＷＴ運転時間（ｈ）別のクリープ損傷率（Φc）と硬質酸化スケール９の厚さ（ｔｈｓ）の線図を作成することができる。なお、ＣＷＴ運転時間（ｈ）は運転開始時からＣＷＴを採用している場合は運転時間と同じとみなすことができる。
【００４８】
ここで、パウダー状スケール１０（図３ではＰＳと称する)の厚さ（ｔｐｓ）を３種類の厚さに変化させた場合の硬質酸化スケール９（図３ではＨＳと称する)の厚さおよびクリープ損傷率（Φc）の解析結果を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００４９】
すなわち、ここでは、運転時間ｈ1に対するパウダー状スケール厚さｔｐｓ１を前記（５）式により求め、（７）式によりパウダー状スケールによるメタル温度上昇ΔＴｐｓ１を求める。  
次に、運転時間ｈ1に対する酸化スケール厚さｔｈｓ１を前記（1）式により求め、（４）式により酸化スケールによるメタル温度上昇ΔＴｈｓ１を求める。
【００５０】
なお、図３を算出する時の条件は、熱負荷Ｑ：２００，０００Ｗ／ｍ２、内圧Ｐ：３０．１ＭＰａ、材料：ＳＴＢＡ２２、管外径：３１．８ｍｍ、管厚：５．４ｍｍ、パウダー状スケールの熱伝導率：０．６Ｗ／ｍＫ、硬質酸化スケールの熱伝導率：４Ｗ／ｍＫである。（＊注：Ｋｐは酸化速度定数であり（２）式で示したようにｌｏｇ(Ｋｐ)＝ａ／Ｔ＋ｂで表せ、ａ，ｂは材料により定数となるので、具体的な数字は記載していない。その他の定数についても同じ。）
しかしながら、ここではパウダー状スケールが付着することによりメタル温度上昇が生じ、これにより硬質酸化スケール厚さが増加することになるため、（４）式において、ΔＴｈｓをΔＴｈｓ１＋Δｐｓ１と置き換えたときの硬質酸化スケール厚さｔｈｓ２を求め、これをパウダー状スケールが付着したときの運転時間ｈ１に対する硬質酸化スケール厚さとして求めている。
【００５１】
まず、パウダー状スケール１０の厚さ−運転時間線図を図３（ａ）に示すが、パウダー状スケール１０の厚さが厚いものから順にＰＳ（１），ＰＳ（２），ＰＳ（３）の線で表している。例えば、ＣＷＴ運転時間が５０，０００時間のときのパウダー状スケール１０の厚さはＰＳ（１）では０．２ｍｍ、ＰＳ（２）では０．１７ｍｍ程度、１００，０００時間のときのパウダー状スケール１０の厚さはＰＳ（１）では０．２３ｍｍ、ＰＳ（２）では０．１９ｍｍ程度であり、徐々に増加している。ＰＳ（３）は、パウダー状スケール１０がほとんど付着しないと仮定した場合で、ＰＳ（１）は過去の調査により最大レベルのパウダー状スケール１０が付着したものであり、ＰＳ（２）はＰＳ（１）とＰＳ（３）の中間を想定したものである。なお、図３（ａ）は実測値ではなく、解析値であり、該解析値は理論的に裏付けが取られている。
【００５２】
次に、前記図３（ａ）のパウダー状スケール１０の厚さが厚いものから順にＰＳ（１），ＰＳ（２），ＰＳ（３）の場合の硬質酸化スケール９の厚さ−運転時間線図を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）はパウダー状スケール１０による昇温を考慮して求めた硬質酸化スケール厚さを求めたものである。
【００５３】
ＰＳ（３）の時のＨＳはパウダー状スケール１０が水壁管１に付着しない場合の硬質酸化スケール９の厚さと運転時間の関係を示すものと同じである。これに対してＰＳ（１）、ＰＳ（２）の時の硬質酸化スケール９（ＨＳ）は運転時間に対して大きな傾きで増加しており、硬質酸化スケール９の厚さが急速に増加していることがわかる。例えば、ＣＷＴ運転時間が５０，０００時間（ｈ）のときの硬質酸化スケール９の厚さはＰＳ（１）では０．１２ｍｍ、ＰＳ（２）では０．１ｍｍ程度、１００，０００時間のときの硬質酸化スケール９の厚さはＰＳ（１）では０．２３ｍｍ、ＰＳ（２）では０．１８ｍｍ程度であり、大きく増加している。
【００５４】
次に、図３（ｃ）にクリープ損傷率（Φc）−ＣＷＴ運転時間（ｈ）線図を示す。これはある任意時間（例えば、５０，０００時間）で（８）〜（１２）式を用いて算出したクリープ損傷率が所定値（例えば、Φc＝０．８、Φc＝０．４又はΦc＝０．０６）になる（８）式に対応する上昇温度（Ｔ）を入力して計算し、その時の硬質酸化スケール９の厚さを求めて算出したものであり、ＰＳ（１）の場合は、１００，０００時間でクリープ損傷率（Φc）が１．０に達することが分かる。
【００５５】
このように、パウダー状スケール１０は不安定であり、厚さを精度良く短時間で測定することは困難であるので、パウダー状スケール１０による過熱を考慮に入れた硬質酸化スケール９の厚さでクリープ損傷率（Φc）を評価し、硬質酸化スケール９の厚さおよびＣＷＴ運転時間で損傷度を診断することとした。
【００５６】
図３（ａ）〜図３（ｃ）を一つの線図で表したものが図１であり、ＣＷＴ運転時間と実機での調査で測定した硬質酸化スケール９の厚さにより運転時間を線引きする。
【００５７】
図１は、本発明になる等しいクリープ損傷率（Φc）となる硬質酸化スケール９の厚さと運転時間の線図である。ここでの線図は、水壁管１の材料として多用されているＳＴＢＡ２２（１Ｃｒ０．５Ｍｏ）鋼を対象とし、パウダー状スケール１０の厚さをべき乗則として評価診断した線図である。
【００５８】
図１の作成方法は、次の通りである。  
すなわち、図３（ｃ）で１０万時間におけるクリープ損傷率（Φc）が１になる（ＰＳ（１））場合の硬質酸化スケール１０の厚さは図３（ａ）から０．２３ｍｍである。また、別計算で、５万時間でクリープ損傷率（Φc）＝１になるときの硬質酸化スケール９の厚さを算出する。こうした一連の計算結果に基づき等損傷率（Φc）になる線をプロットして線引きして得られたものが図１である。図１では、クリープ損傷率（Φc）＝０．８での時間と硬質酸化スケール９の厚さにより過熱損傷判定を線引きしている。
【００５９】
サンプル管の内面硬質酸化スケール９の厚さを測定し、その厚さを運転時間でプロットした場合、図１の(Ｃ)の領域であれば、現状健全で、継続監視する。図１の（Ｂ）の領域なら化学洗浄などでパウダー状スケール１０及び硬質酸化スケール９を除去する。なお、化学洗浄などができない場合は、余寿命評価し、寿命に到達する前に更新する。（Ａ）の領域では、過熱損傷が生じており、余寿命がないことから即更新する。このように、硬質酸化スケール厚さをプロットするだけで損傷状態評価できる。
【００６０】
上記余寿命は、特許第３８９２６２９号公報に開示されているように、次のようにして推測して求める。  
すなわち、ボイラ火炉水壁管１の火炉側外面の酸化スケール厚さより、損傷部位のスクリーニング及び評価部位のランキングを行い、水壁管火炉側外面酸化スケール厚さが所定値以上の部位について、管内面酸化スケールの密度を測定し、密度が４ｇ／ｃｍ３以上の部位を過熱損傷部位とし、管内面スケールの密度が４ｇ／ｃｍ３以上の過熱損傷部位に対して、管内面酸化スケール厚さと過熱想定時間から過熱温度を予測し、水壁管の寸法及び内圧より算出した負荷応力と過熱温度、過熱時間及び当該材料の強度よりクリープ損傷率を算出し、残余寿命を診断する方法である。
【００６１】
硬質酸化スケール９の厚さが明確でない場合、ＣｒＭｏ鋼では、スケール中のＣｒを分析し、Ｃｒが検出される厚さの二倍を硬質酸化スケール９の厚さとすることができる。これは、硬質酸化スケール９の生成メカニズムと相応するものである。
【００６２】
パウダー状スケール１０の厚さのべき乗係数や指数を変化させたり、材質をＳＴＢＡ２０にした場合でも同様の線図を作成可能であり、こうした方法で診断する手法も用いることもできる。
【００６３】
硬質酸化スケール９の厚さは、通常サンプル管の断面顕微鏡観察により求めるが、ＵＴ法を用いれば、管外面から内面硬質酸化スケール厚さを非破壊法で計測できる。図４は、本発明になるＵＴ法管内面スケール厚さ測定装置とデータ処理装置を備えた管内面硬質酸化スケール厚過熱損傷度診断装置の構成図である。
【００６４】
水壁管１と隣接水壁管１，１同士を接続するメンブレンバー２からなる火炉側壁の内面硬質酸化スケール厚さを、火炉側管外面からＵＴセンサー(プローブ)３と管内酸化スケール厚さ測定装置４を用いて測定し、データ処理装置５により運転時間との関係から過熱損傷度を診断する装置である。  
本装置を用いれば、実機管を非破壊法で測定でき、短時間に広範囲に診断できる効果がある。
【００６５】
図５は、数多くの実機管の硬質酸化スケール９の厚さを測定し、図１の本発明線図上にプロットした結果を示す。過熱損傷の有無やその兆候は、ミクロ組織でのパーライトの分解状況、硬さ低下、クリープによる膨出度から評価しているが、ミクロ的な損傷度と評価線図は、きわめてよく合致しており、有効な診断手法であることが裏付けられている。
【符号の説明】
【００６６】
１  ボイラ水壁管
２  メンブレンバー
３  ＵＴセンサー(プローブ)
４  管内酸化スケール厚さ測定装置
５  データ処理装置
６  アフターエアポート
７  バーナ
８  母材（メタル）
９  硬質酸化スケール
１０  パウダー状スケール
【図１】
2013185764.tif 000003
【図２】
2013185764.tif 000004
【図３】
2013185764.tif 000005
【図４】
2013185764.tif 000006
【図５】
2013185764.tif 000007
【図６】
2013185764.tif 000008
【図７】
2013185764.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月13日(2012.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
請求項３記載の発明は、硬質酸化スケールとパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、（１），（２）式から求める硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）をそれぞれ（４），（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算した（８）式で表されるメタル温度（Ｔ）であり、このメタル温度（Ｔ）が（２）式から求められる温度であると仮定し、当該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づくクリープ損傷線図を予め作成しておき、
ここで、
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）                        （１）
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ                    （２）
但し、ｔｈｓは硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈは運転時間（ｈ）、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５）であり、
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  （４）
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  （７）
但し、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）、λｈｓ：硬質酸化スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ                  （８）
Φc＝ｈ／ｈｆ                                 （９）
但し、Φc：クリープ損傷率、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命であり、
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））              （１０）
但し、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータであり、
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3  （１１）
但し、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ                        （１２）
但し、Ｐ：管内圧（ＭＰａ）であり、
次に、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することを特徴とする請求項２記載のボイラ水壁管の過熱損傷診断方法である。
【手続補正２】
【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】
ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用している水壁管の過熱損傷を診断する方法において、
ボイラ水壁管内のメタル側に形成する硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成するパウダー状スケールとの両スケールの付着によるメタル温度上昇に基づくクリープ損傷率を算出し、
予め作成した硬質酸化スケール厚さと運転時間をパラメータにしたクリープ損傷線図を用いて過熱損傷の状態を判定する
ことを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法。
【請求項２】
ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用している水壁管の過熱損傷を診断する方法において、
ボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該メタル温度（Ｔ）がｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ（但し、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５））から求められる温度であるとし、該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）の関係を算出し、複数の硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出されるクリープ損傷線図を予め作図しておき、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断方法。
【請求項３】
硬質酸化スケールとパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、（１），（２）式から求める硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）をそれぞれ（４），（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算した（８）式で表されるメタル温度（Ｔ）であり、このメタル温度（Ｔ）が（２）式から求められる温度であると仮定し、
当該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づくクリープ損傷線図を予め作成しておき、
ここで、
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）                        （１）
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ                    （２）
但し、ｔｈｓは硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈは運転時間（ｈ）、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５）であり、
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  （４）
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  （７）
但し、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）、λｈｓ：硬質酸化スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ                  （８）
Φc＝ｈ／ｈｆ                                 （９）
但し、Φc：クリープ損傷率、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命であり、
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））              （１０）
但し、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータであり、
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3  （１１）
但し、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ                        （１２）
但し、Ｐ：管内圧（ＭＰａ）であり、
次に、実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、過熱損傷状態を判定することを特徴とする請求項２記載のボイラ水壁管の過熱損傷診断方法。
【請求項４】
ボイラ水処理として弱アルカリ性水による水処理であるＣＷＴを採用しているボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールの影響で両スケールの付着によるメタルの過熱損傷を診断する装置において、
ボイラ水壁管内のメタル側に形成される硬質酸化スケールと該硬質酸化スケールの内表面から管内側に形成されるパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、硬質酸化スケールの厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールの厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該メタル温度（Ｔ）がｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ（但し、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５））から求められる温度であるとし、該メタル温度（Ｔ）と硬質酸化スケールの厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールの厚さ（ｔｐｓ）とそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｈｓ，ΔＴｐｓ）を算出するために必要なデータを記録しているデータ記録装置と、
複数の前記メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出されるクリープ損傷率（Φc）を求めて、クリープ損傷率線図を予め作図するデータ処理装置と、
実測により求めた硬質酸化スケール厚さ（Ｔｈｓ）と前記クリープ損傷線図とを照合し、ボイラ水壁管の過熱損傷状態を判定する装置と
を備えたことを特徴とするボイラ水壁管の過熱損傷診断装置。
【請求項５】
データ記録装置は、ボイラ運転時間（ｈ）、酸化速度定数（Ｋｐ）、材料定数（ａ、ｂ（硬質酸化スケールの回帰係数）、初期温度（Ｔ０（℃＋２７３．１５））、管外径（Ｄ（ｍｍ））、管厚（ｔ（ｍｍ））、硬質酸化スケール熱伝導率（λｈｓ（Ｗ／ｍＫ））、パウダー状スケール熱伝導率（λｐｓ（Ｗ／ｍＫ））、当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命（ｈｆ）材料定数（Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ(材料に依存するクリープの回帰係数)）、σ（内圧応力（ＭＰａ））、管内圧（Ｐ（ＭＰａ））を含むデータが入力されて記録される構成であり、
データ処理装置は、硬質酸化スケールとパウダー状スケールとの両スケールの付着による上昇するメタル温度（Ｔ）が、（１），（２）式から求める硬質酸化スケールのスケール厚さ（ｔｈｓ）とパウダー状スケールのスケール厚さ（ｔｐｓ）によるそれぞれのメタル温度上昇分（ΔＴｐｓ，ΔＴｈｓ）をそれぞれ（４）、（７）式から求めて初期温度（Ｔ０）に合算したメタル温度（Ｔ）であり、該メタル温度（Ｔ）が（２）式から求められると仮定し、当該メタル温度（Ｔ）における硬質酸化スケール厚さ（ｔｈｓ）とボイラの運転時間（ｈ）をパラメータにして算出される（９），（１０），（１１）及び（１２）式から得られるクリープ損傷率（Φc）に基づきクリープ損傷線図が予め作成される構成であり、
ここで、
ｔｈｓ＝√（ｈ×Ｋｐ）                        （１）
ｌｏｇ（Ｋｐ）＝ａ／Ｔ＋ｂ                    （２）
但し、ｔｈｓは硬質酸化スケール厚さ（ｍｍ）、ｈは運転時間（ｈ）、Ｋｐは酸化速度定数、ａ，ｂ：材料定数（硬質酸化スケールの回帰係数）、Ｔ：絶対温度（℃＋２７３．１５）であり、
ΔＴｈｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｈｓ／λｈｓ  （４）
ΔＴｐｓ＝Ｑ×（Ｄ／Ｄ−２ｔ）ｔｐｓ／λｐｓ  （７）
但し、Ｑ：熱負荷（ｗ／ｍ２）、Ｄ：管外径（ｍｍ）、ｔ：管厚（ｍｍ）、λｈｓ：硬質酸化スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴｐｓ＋ΔＴｈｓ                  （８）
Φc＝ｈ／ｈｆ                                 （９）
但し、Φc：クリープ損傷率、ｈｆ：当該温度、応力条件でのクリープ破断寿命であり、
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ（ｈｆ））              （１０）
但し、ＬＭＰ:ラーソンミラーパラメータであり、
ＬＭＰ＝Ａ0+Ａ1logσ+Ａ2(logσ)2+Ａ3(logσ)3  （１１）
但し、Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ｃ：材料定数(材料に依存するクリープの回帰係数)、σ：内圧応力（ＭＰａ）であり、
σ＝Ｐ（Ｄ−ｔ）／２ｔ                        （１２）
但し、Ｐ：管内圧（ＭＰａ）である
ことを特徴とする請求項４記載のボイラ水壁管の過熱損傷診断装置。