(57)【要約】【課題】簡単な構成により、エレファントスキン状亀裂発生前の予測が可能なボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置を提供する。【解決手段】ボイラ伝熱管１の内面に形成される酸化スケール層５の厚さと、前記酸化スケール層５の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管１における亀裂損傷の兆候を診断すること特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さと、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候を診断すること特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
【請求項２】
請求項１に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の最大厚さをｘ、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値ｙとした場合に、そのｘとｙの関係が、ｙ≦０．２ｘであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、ｙ≧０．３ｘであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
【請求項３】
請求項２に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記ｘとｙの関係が０．２ｘ＜ｙ＜０．３ｘであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
【請求項５】
請求項４に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
【請求項６】
請求項５に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
【請求項７】
請求項５に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法において、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法。
【請求項８】
ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さを測定する酸化スケール層厚さ測定手段と、
その酸化スケール層厚さ測定手段によって測定された酸化スケール層の厚さと、その酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候の有無を診断する亀裂損傷兆候診断手段とを備えたこと特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
【請求項９】
請求項８に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記酸化スケール層の最大厚さをｘ、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値ｙとした場合に、そのｘとｙの関係が、ｙ≦０．２ｘであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、ｙ≧０．３ｘであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記ｘとｙの関係が０．２ｘ＜ｙ＜０．３ｘであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
【請求項１１】
請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載のボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置において、
前記酸化スケール層厚さ測定手段が超音波センサーであって、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から前記超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば火力発電ボイラ装置の火炉水壁管、過熱器管、再熱器管などのボイラ伝熱管で生じる亀裂、特に周方向亀裂（以下、エレファントスキン状亀裂と称する）に基づく損傷の診断方法および診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石炭焚きボイラ装置や重油焚きボイラ装置では、ボイラ装置の運転中で火炉水壁管、過熱器管、再熱器管などの伝熱管に燃焼灰が付着・堆積すると伝熱効率が低下するため、ウォールブロワ（以下、ＷＢと略記する）やスートブロワ（以下、ＳＢと略記する）によって、定期的に高熱の過熱蒸気を吹き付けて、付着している燃焼灰を除去している。また、一部厚く付着・堆積すると、それの自重などにより付着していた燃焼灰が自然に脱落することもある。
【０００３】
図９（ａ）、（ｂ）は、火炉内において伝熱管の表面にＷＢあるいはＳＢ（以下、ＳＢで代表する）を作動させた場合のエレファントスキン状亀裂の発生を説明するためのモデル図で、同図（ａ）は伝熱管の一部斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示す伝熱管の周壁部の一部拡大断面図である。また、図１０は、燃焼灰の脱着とＳＢの作動による伝熱管メタル温度などの変化を示す模式図である。
【０００４】
図９（ａ），（ｂ）において、符号１は伝熱管、２はその伝熱管１の内側を流通する高温水、３は伝熱管１の外表面に付着・堆積している燃焼灰、４は燃焼灰３を除去するために作動させたＳＢ、５は伝熱管１の内面に生じる酸化スケール、６はその酸化スケール５の内面に生じるパウダー状スケール、７は熱負荷火炎インピンジメント、８は伝熱管１の周壁部に繰り返して生じる内部応力、９は伝熱管１の周壁部に生じるエレファントスキン状亀裂、１０は高温の燃焼ガスである。
【０００５】
また図１０において、実線Ｘは燃焼灰３の付着ならびにＳＢ４の作動による伝熱管１の外表面温度（以下、メタル温度と称する）の変動を示す特性線、点線Ｙは伝熱管１の内部応力８の変動を示す特性線、一点鎖線Ｚは伝熱管１の内面スケール５，６の生成・蓄積による伝熱管１のメタル温度の変動を示す特性線である。
【０００６】
６００〜１２００℃の火炉内条件下において、ボイラ装置の運転中に付着した燃焼灰３による断熱作用で伝熱管１のメタル温度は低い状態にあり、定期的にＳＢ４を作動することにより３００〜５００℃の過熱蒸気を伝熱管１に吹き付けるための温度低下、付着していた燃焼灰３の脱落・除去で直接高温の燃焼ガス１０(６００〜１２００℃)が触れることによるメタル温度の上昇、燃焼灰の付着によるメタル温度の低下などを繰り返し、これらが原因で伝熱管１の周壁内部にエレファントスキン状亀裂９が生成する。
【０００７】
図１１は、熱負荷による伝熱管１の燃焼ガス流れ方向上流側と下流側（および伝熱管１の火炉側と火炉とは反対側）の温度差による熱ひずみを説明するための説明図である。図中の符号１１は伝熱管１が晒される火炉熱、（Ａ）は伝熱管１に対してガス上流側または火炉側、（Ｂ）はガス下流側または火炉とは反対側を示す。
【０００８】
実機の挙動では、燃焼灰の付着および灰付着後のＳＢによる脱着によって、初期は（Ａ）側で４００〜４６０℃（温度幅６０℃、平均温度４３０℃）、（Ｂ）側では３２０〜３８０℃（平均温度３５０℃）となり、４０〜８０℃の温度差幅（平均温度差６０℃）で変動する。一方、内面スケール生成後には、メタル温度が上昇し（Ａ）側の温度の変動幅は４６０〜５４０℃（温度幅８０℃、平均温度５００℃）となり、温度差とともに絶対温度が上昇する。
【０００９】
また、ＳＢ４の作動による伝熱管１のメタル温度の急激な変化と伝熱管１の火炉側と火炉とは反対側の温度差により、伝熱管１に０．０８％〜０．１％の範囲で熱ひずみが発生する。過熱器や再熱器などのコイル状の伝熱管では、燃焼ガス流れ方向上流側と下流側のメタル温度の差で熱ひずみが発生する。
【００１０】
なお、ボイラ装置の運転中には図９（ｂ）に示すように、伝熱管１の管内面側に酸化スケール５およびパウダー状スケール６が付着して積層するため、これらが管内での熱伝達の障害物となり、これによるメタル温度の上昇が付加される。そのため図１０の特性線Ｚに示すように、メタル温度が経時的に右肩上がりに上昇する。
【００１１】
伝熱管１は内部に高温水２または高温過熱蒸気を流通しながら加熱するものであり、そのため伝熱管１の管内面側では高温水２からの析出スケールまたは過熱蒸気による水蒸気酸化スケールが生成する。このスケールは、ほとんどが鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３またはＦｅ３Ｏ４）であり、その熱伝導率は伝熱管鋼材の１／２０〜１／４０と低いため、スケールの生成・堆積によりメタル温度が経時的に上昇する。
【００１２】
通常、ボイラ装置の運転でのＷＢやＳＢの作動回数は、燃焼灰の付着速度、燃焼灰の性状ならびに燃焼灰が付着する部位などによって設定回数は異なるが、５０〜５００回／年のオーダである。この他にも前述のように付着した燃焼灰が自然に脱落する回数も多い。
【００１３】
こうした熱応力の繰り返しによって、図９（ｂ）に示すように、特に伝熱管１の燃焼ガス１０の上流側または火炉側において周壁部の内部にエレファントスキン状亀裂９が発生し易く、それが進展して、短期間のうちに伝熱管１の損傷に繋がる。
【００１４】
伝熱管１のエレファントスキン状亀裂９は、通常の熱疲労亀裂と同様、応力の振幅（σＲ）、亀裂の深さ（ａ）、構造の関数となる応力拡大係数の範囲（ΔＫ＝ｆ１×σＲ×√（π×ａ））[但し、式中ｆ１は形状係数]および亀裂進展速度（ｄａ／ｄＮ）の関係式（ｄａ／ｄＮ＝Ｃ×ΔＫＤ）によって予測可能である。
【００１５】
ボイラ伝熱管におけるエレファントスキン状亀裂の進展を高精度に予測する手法として、従来、管外表面スケールの生成・割れによる亀裂進展と、管内表面スケールによるメタル温度上昇・熱応力増加を考慮した伝熱管の熱疲労亀裂損傷診断法が、特開２００７−２０５６９２号公報（特許文献１）として提案されている。
【００１６】
この熱疲労亀裂損傷診断法は具体的には、管外表面の高温スケールの生成量を求めてスケールの割れを評価し、管内面側における酸化スケールの生成量を求め、管内面側スケール生成量に起因する伝熱管メタル温度の上昇が、熱疲労亀裂進展量および管外表面のスケール生成量を加速させることを組み込んで、熱疲労亀裂の損傷度を診察するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−２０５６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
前記提案の方法は有効な手段であるが、次のような問題点があった。  
すなわち、このエレファントスキン状亀裂進展の予測法は、実際のボイラ装置における亀裂深さの測定結果を基にして、今後の亀裂進展を高精度に予測する手法であるため、エレファントスキン状亀裂発生前の予測は困難である。
【００１９】
また、近年、ボイラ蒸気の高温化と、水処理として酸素処理（ＯＴまたはＣＷＴ）を行っているボイラ装置における伝熱管内面にパウダー状スケールが付着するなどの問題を有しており、亀裂進展速度が増加する傾向にあり、亀裂発生後の進展よりも、むしろ亀裂発生前の予測を高精度にすることが求められている。
【００２０】
本発明の目的は、このような従来技術の課題を解消し、簡単な構成により、エレファントスキン状亀裂発生前の予測が可能なボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さと、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候を診断すること特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記酸化スケール層の最大厚さをｘ、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値ｙとした場合に、そのｘとｙの関係が、ｙ≦０．２ｘであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、ｙ≧０．３ｘであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第３の手段は前記第２の手段において、
前記ｘとｙの関係が０．２ｘ＜ｙ＜０．３ｘであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段のいずれかにおいて、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の第５の手段は前記第４の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第６の手段は前記第５の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の第７の手段は前記第５の手段において、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第８の手段は、ボイラ伝熱管の内面に形成される酸化スケール層の厚さを測定する酸化スケール層厚さ測定手段と、
その酸化スケール層厚さ測定手段によって測定された酸化スケール層の厚さと、その酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値に基づいて、前記ボイラ伝熱管における亀裂損傷の兆候の有無を診断する例えば後述するデータ処理装置などからなる亀裂損傷兆候診断手段とを備えたこと特徴とするものである。
【００２９】
本発明の第９の手段は前記第８の手段において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記酸化スケール層の最大厚さをｘ、前記酸化スケール層の最大厚さと最小厚さの偏差値ｙとした場合に、そのｘとｙの関係が、ｙ≦０．２ｘであれば亀裂損傷の兆候が無いと診断し、ｙ≧０．３ｘであれば亀裂損傷の兆候が有ると診断することを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第１０の手段は前記第９の手段において、
前記亀裂損傷兆候診断手段は、前記ｘとｙの関係が０．２ｘ＜ｙ＜０．３ｘであれば亀裂損傷の監視を継続すると診断することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第１１の手段は前記第８ないし第１０の手段のいずれかにおいて、
前記酸化スケール層の厚さを測定する部位が、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部か、前記ボイラ伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側周壁部であることを特徴とするものである。
【００３２】
本発明の第１２の手段は前記第１１の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の外側から測定することを特徴とするものである。
【００３３】
本発明の第１３の手段は前記第１２の手段において、
前記酸化スケール層の厚さを前記ボイラ伝熱管の火炉の内側から測定することを特徴とするものである。
【００３４】
本発明の第１４の手段は前記第１２の手段において、
前記酸化スケール層厚さ測定手段が超音波センサーであって、
前記ボイラ伝熱管の火炉の外側から前記超音波センサーを用いて、前記超音波センサーから出射される超音波を前記ボイラ伝熱管の周壁部内で屈曲させることで、前記ボイラ伝熱管の火炉側周壁部に形成されている前記酸化スケール層の厚さを測定することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は前述のような構成になっており、簡単な構成により、エレファントスキン状亀裂発生前の予測が可能なボイラ伝熱管の亀裂損傷の診断方法および診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置での酸化スケールの厚さを測定する一例を示した横断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置の概略構成図である。
【図３】本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置での酸化スケールの厚さを測定する他の例を示した横断面図である。
【図４】本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂の診断方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】超音波(ＵＴ)による管内面のスケール厚さとエレファントスキン状亀裂の有無との関係を求めた特性図である。
【図６】ＳＢ４９炭素鋼の試験管体の５００℃での疲労特性図である。
【図７】硬質酸化スケールの割れと剥離の発生限界ひずみを示す特性図である。
【図８】割れが生じた酸化スケールのモデルを説明するための拡大断面図である。
【図９】火炉内において伝熱管の表面にＳＢを作動させた場合のエレファントスキン状亀裂の発生を説明するためのモデル図で、同図（ａ）は伝熱管の一部斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示す伝熱管の周壁部の一部拡大断面図である。
【図１０】燃焼灰の脱着とＳＢの作動による伝熱管メタル温度などの変化を示す模式図である。
【図１１】熱負荷による伝熱管の燃焼ガス流れ方向上流側と下流側（および伝熱管の火炉側と火炉とは反対側）の温度差による熱ひずみを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
前述したように、火力発電ボイラ装置の火炉水壁管、過熱器管、再熱器管などの高温伝熱管では、６００〜１２００℃の火炉内条件という管外側からの熱負荷、およびＳＢまたはＷＢの作動による急激なメタル温度変化と、熱応力の発生によって管外表面に０．０８〜０．１％の熱ひずみが発生する。
【００３８】
図６は、水壁管材料と同等のＳＢ４９炭素鋼の試験管体を用い、５００℃での疲労特性図である。同図の横軸は試験管体に与える温度（５００℃）の繰り返し回数、縦軸はその温度変化に伴う試験管体の全ひずみ振幅であり、ひずみ速度を違わせて試験を行い、前記試験管体が破断するまでの繰り返し回数を測定したものである。
【００３９】
図中の○印は試験管体のひずみ速度が１０−３Ｓ−１（１０−３／ｓｅｃ）、◇印はひずみ速度が１０−４Ｓ−１（１０−４／ｓｅｃ）、△印はひずみ速度が１０−５Ｓ−１（１０−５／ｓｅｃ）ものを示している。温度変化の繰り返しによるひずみ量は、通常０．１％以下であり、この図６の試験結果から明らかなように、純粋な熱疲労のみによって前記試験体が損傷することはないことが分かる（参考文献：ＮＲＩＭ，ＦＤＳ／Ｎｏ．２２  １９８０）。
【００４０】
しかしながら、前述の温度変化に加えて管外表面への例えばＨ２Ｓ（図９（ｂ）参照）による硫化などによる高温腐食、管内表面では管内付着スケールによる温度および熱応力上昇への影響、管内付着スケールの割れなどが組み合わされることにより、伝熱管の損傷に至る事象が生じている。
【００４１】
図７は、硬質酸化スケールの割れと剥離の発生限界ひずみを示す特性図で、横軸に酸化スケールの厚さを、縦軸に全ひずみ（％）をとっている。ここでは、管内に付着したスケールのうち、管内表面側に生成・付着する硬質の酸化スケールについてそれの厚さとひずみの関係が示されている。なお、この図の出典は、ＥＰＲＩ  ＦＰ−６８６  ＴＰＳ７６−６５５  ８である。
【００４２】
ひずみは引っ張りおよび圧縮の状態で発生し、図７の全ひずみが０％より上の領域の引っ張り時は、小さいひずみでも割れが発生し、大きくなると剥離や浮きが起こる。多層スケールではやや大きいひずみで剥離及び浮きが発生する。また、図７の全ひずみが０％より下の領域の圧縮時は、凸面ではより小さい圧縮ひずみで剥離や浮きが生じる。
【００４３】
この図７によれば、全ひずみが０．１％では、酸化スケール厚さが６０μｍ以上で割れが発生することになる[参考文献：J.Armitt et al.:The spalling of steam-grown oxide from superheater and reheater tube steels:EPRI FP-686,76-655(1978)]。
【００４４】
図８は、割れが生じた酸化スケールのモデルを説明するための拡大断面図である。図中の１ａは伝熱管としての火炉水壁管、５は酸化スケール、６はパウダー状スケール、１２は酸化スケール５内の割れ、１３は酸化スケール５内の剥離を示す。
【００４５】
火炉水壁管１ａの管内表面には、ボイラ装置の運転中に硬質の酸化スケール５が生成し、その上にパウダー状スケール６が付着する。このパウダー状スケール６も熱伝導率が低く、それが厚くなると火炉水壁管１ａのメタル温度が上昇し、さらに酸化スケール５が厚くなる。
【００４６】
図８に示すように、割れ１２は酸化スケール５内で発生し、その割れ１２は次第に酸化スケール５内を伝播し、ついには酸化スケール５が剥離１３する。本発明では、この酸化スケール５の割れ１２を早期に検出することにより、エレファントスキン状亀裂の兆候と判断する。また、酸化スケール５に割れ１２が発生している場合、その火炉水壁管１ａでは亀裂は生じていなくて近傍の火炉水壁管１ａで微小なエレファントスキン状亀裂が発生している場合もあり、ほぼ同条件の部位では全数かつ広範囲に検査しなくても全体の診断が可能である。
【００４７】
通常、伝熱管への燃焼灰の付着により、外観ではエレファントスキン状亀裂は検出しづらく、磁気探傷法（ＭＴ）による測定では、火炉周壁の水壁管の範囲（縦６０ｍ、横２０ｍの火炉４面）を研磨しなければならず、極めて長時間でかつ多工数の検査となる。
【００４８】
次に本発明の実施例について図面とともに説明する。  
図１は、本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置での酸化スケールの厚さを測定する状態を示した横断面図である。
【００４９】
図１ならびに後述する図２に示すように、水壁管１ａは、隣接する水壁管１ａの間にメンブレンバー１４と呼ばれる平板が配置されており、水壁管１ａとメンブレンバー１４とは、火炉の内側および火炉の外側をそれぞれ肉盛溶接１５により接合されており、全体として火炉周壁を構成するパネル構造になっている。
【００５０】
水壁管１ａの火炉の内側に生成した管内面の酸化スケール５の厚さは、火炉の内側から例えばグリセリンなどの接触媒体１６を塗布した超音波（ＵＴ）センサープローブを備えた超音波センサー１７を用いて測定する。図１中の符号２０は、超音波センサー１７（ＵＴセンサープローブ）から酸化スケール５に向けて出射される超音波パルスであり、酸化スケール５からのエコーを受信することにより、酸化スケール５の厚さを精密に測定することができる。この実施例では、ＵＴセンサープローブから酸化スケール５に向けて垂直に超音波パルス２０を入れる垂直法を採用している。
【００５１】
図２は、本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂診断装置の概略構成図である。同図に示すように、このエレファントスキン状亀裂診断装置は、超音波センサー１７と、管内酸化スケール厚さ測定装置１８ならびにデータ処理装置１９から主に構成されており、各機器は図に示すような接続関係になっている。
【００５２】
前述の超音波センサー１７によって取得された信号は図２に示すようにＵＴ法管内酸化スケール厚さ測定装置１８に送られて、酸化スケールの厚さが演算される。さらにこの酸化スケール厚さ測定装置１８によって演算された酸化スケール厚さに関するデータはデータ処理装置１９に送られて、諸種のデータ処理がなされる。このデータ処理装置１９の働きについては、後で図４を用いて説明する。
【００５３】
図１に示すように、火炉の内側から酸化スケール５の厚さを測定するときは、火炉内に足場を組む必要があり、多くの手間がかかり、測定が困難な場合もある。その場合には図３に示すように、火炉の外側から接触媒体１６を塗布した超音波（ＵＴ）センサープローブを備えた超音波センサー１７を用いて、水壁管１ａの火炉の内側に生成した酸化スケール５の厚さを測定する。
【００５４】
この場合、ＵＴセンサープローブから出射される超音波パルス２０を水壁管１ａの周壁部内で屈曲させることにより、火炉の外側とは反対の火炉の内側の管内面酸化スケール５の厚さを測定することができる。
【００５５】
図１〜３に示した装置により水壁管１ａの管内面スケール厚さが測定できるが、酸化スケール５内に割れ１２や剥離１３があれば、スケール厚さデータがばらつきにより偏差の大きいデータとなる。本発明はこの傾向を利用して、エレファントスキン状亀裂の発生前を予測するものである。
【００５６】
図４は、本発明の実施例に係るエレファントスキン状亀裂の診断方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートで説明する各種の判断や演算などの処理は、図２に示すデータ処理装置１９でシーケンシャルに行われる。
【００５７】
まず、この診断方法はステップ（以下、Ｓと略記する）１で、診断しようとしている水壁管１ａにおいて、過去にエレファントスキン状亀裂が発生した事例があるか否かの調査を行う。そして、過去にエレファントスキン状亀裂が発生した事例が有ると判断されると、Ｓ２でその事例に基づいて水壁管１ａの亀裂進展解析および寿命評価を行う。
【００５８】
Ｓ１で診断しようとしている水壁管１ａにおいて、過去にエレファントスキン状亀裂が発生した事例がないと判断されると、Ｓ３で水壁管１ａの管内表面における酸化スケールの厚さの測定を行う。この酸化スケールの厚さの測定は例えば前述の図１，２に示した装置を用いて行われ、図１において超音波センサー１７を水壁管１ａの周方向に沿って例えば火炉内側の左右４５℃内、軸方向５０〜２００ｍｍの範囲で約１０点測定し、その標準偏差および最大スケール厚さを算出する。
【００５９】
この複数の厚さデータから酸化スケール厚の偏差値ｙ[＝（最大スケール厚さ値ｘ）−（最小スケール厚さ値）]を演算して、Ｓ４で酸化スケール厚の偏差値ｙの評価を行う。データ処理装置１９(図２参照)には、この評価のためにｙ＞０．２ｘ(Ｓ４参照)ならびにｙ＞０．３ｘ(Ｓ６参照)の評価式が予め設定されている。なお、これら評価式の設定の根拠については、後から図５を用いて説明する。
【００６０】
そしてＳ４での偏差値ｙの評価結果、ｙ＞０．２ｘでない(Ｓ４でＮｏ)と判断されると、すなわちｙ≦０．２ｘであると、その水壁管１ａはエレファントスキン状亀裂の発生がない健全管とみなし、Ｓ５でボイラ装置の運転を継続する。
【００６１】
前記Ｓ４での偏差値ｙの評価結果、ｙ＞０．２ｘである (Ｓ４でＹｅｓ)と判断されると、次にＳ６に進み偏差値ｙがｙ≧０．３ｘであるか否かの評価がなされる。その評価結果、ｙ≧０．３ｘでない(Ｓ６でＮｏ)と判断されると、すなわち０．２ｘ＜ｙ＜０．３ｘであると、エレファントスキン状亀裂の兆候は見られるものの、直ちに亀裂進展解析などを行う必要はないとみなし、Ｓ７でボイラ装置の運転を継続して、水壁管１ａの監視を継続する。
【００６２】
前記Ｓ６での偏差値ｙの評価結果、ｙ≧０．３ｘである (Ｓ６でＹｅｓ)と判断されると、エレファントスキン状亀裂の兆候が確認されたとして、次にＳ８に進み管外面研磨後、ＭＴ(磁気探傷法)による外面検査でエレファントスキン状亀裂の進展の解析、および寿命評価を行う。
【００６３】
図５は、ＵＴによる管内面のスケール厚さとエレファントスキン状亀裂の有無との関係を求めた特性図である。この図は実機サンプル管（水壁管材料と同等のＳＢ４９炭素鋼管）の実測値に基づいて作成した図であり、各１０〜２０点でスケール厚さを測定し、その標準偏差および最大スケール厚さと外面のエレファントスキン断面観察によって求めた結果である。
【００６４】
同図の横軸は最大スケール厚さｘをとり、縦軸はスケール厚さの偏差値ｙ[＝（最大スケール厚さｘ）−（最小スケール厚さ）]をとっている。また、図中の○印のプロットはエレファントスキン状亀裂が発生していない健全管を示し、□印のプロットは前記水壁管、隣接する水壁管、あるいは類似管でエレファントスキン状亀裂が発生したものを示している。また、図中のＬ１はｙ＝０．２ｘの関係を示す仕切り線、Ｌ２はｙ＝０．３ｘの関係を示す仕切り線である。
【００６５】
この図５から明らかなように、○印で示されている全ての試験管体はＬ１：ｙ＝０．２ｘの仕切り線より下側の領域にあり、○印で示されている試験管体のように、酸化スケールに割れが発生していない場合、スケール厚さのばらつき（偏差ｙ）が小さいという特色を有している。
【００６６】
一方、□印で示されている全ての試験管体はＬ２：ｙ＝０．３ｘの仕切り線より上側の領域にあり、□印で示されている試験管体のように、酸化スケールに割れが発生している場合、○印で示されている試験管体よりもスケール厚さのばらつき（偏差ｙ）が大きいという特色を有している。さらに、酸化スケールに割れが発生している管近傍でエレファントスキン状亀裂が発生している。このようなことから、スケールの厚さとその偏差値に基づいて、エレファントスキン状亀裂の兆候を診断することが可能である。
【００６７】
具体例として、図５中のプロットＰ１に示す試験管体のように、最大スケール厚さが１００μｍあっても、最小スケール厚さが９０μｍで、その偏差値が１０μｍの場合、すなわち、ｙ≦０．２ｘの場合、エレファントスキン状亀裂が発生する兆候は見られず、健全な伝熱管であることが推定される。
【００６８】
一方、図５中のプロットＰ２に示す試験管体のように、最大スケール厚さが同じ１００μｍあって、最小スケール厚さが７０μｍで、その偏差値が３０μｍの場合、すなわち、ｙ≧０．３ｘの場合、エレファントスキン状亀裂損傷の可能性があり、管外面研磨後、ＭＴによる外面検査でエレファントスキン状亀裂の進展の解析、および寿命評価を行う必要がある。  
なお、偏差値が２０μｍを超えて、３０μｍ未満の場合は、ＵＴによるエレファントスキン状亀裂進展を継続監視することになる。
【００６９】
前記実施例では火炉水壁管における亀裂損傷について説明したが、本発明は火炉水壁管に限定されるものではなく、例えば過熱器管や再熱器管などの他のボイラ伝熱管においても適用可能である。
【００７０】
本発明によれば、ＳＢやＷＢの運用に伴う熱応力の繰り返しやボイラ装置の起動・停止に伴う熱応力の繰り返しと高温ガスの影響が組合わさって生じるボイラ伝熱管のエレファントスキン状亀裂の兆候を診断することができ、ボイラ装置の安全かつ安定運転に寄与できる。
【００７１】
特に、ボイラ伝熱管のエレファントスキン状亀裂は、通常、水壁管で構成される縦６０ｍ、横２０ｍの火炉４面の周壁の管外面をサンドブラストや研磨装置を用いて研磨し、ＭＴなどにより亀裂の有無を検査し、亀裂が検出されれば電位差法などにより亀裂の深さを測定していたが、本発明によれば、ボイラ伝熱管の外面からの検査で損傷兆候の有無を簡易にかつ短時間に診察でき、定期検査での工期短縮に寄与でき、ひいてはボイラ装置の運転効率の向上に伴う経済的効果がある。
【符号の説明】
【００７２】
１・・・ボイラ伝熱管、
１ａ・・・火炉水壁管、
２・・・高温水、
３・・・燃焼灰、
４・・・スートブロワ（ＳＢ）、
５・・・酸化物スケール、
６・・・パウダー状スケール、
８・・・内部応力、
９・・・エレファントスキン状亀裂、
１０・・・燃焼ガス、
１２・・・割れ、
１３・・・剥離、
１７・・・超音波センサー、
１８・・・酸化スケール厚さ測定装置、
１９・・・データ処理装置、
２０・・・超音波パルス。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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