(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子力プラント等で使用中のステンレス鋼部材と同等の材料の機械的特性値の経年変化曲線を当該機械的特性値の初期値と温度と時間の関数（Ｉ）としてあらかじめ求めておき、前記ステンレス鋼部材の機械的特性値の初期値と温度と時間から、前記関数（Ｉ）に基づいて当該部材の機械的特性値を求めるステンレス鋼部材の材料特性変化評価方法において、熱活性化過程に基づくステンレス鋼のスピノーダル分解の活性化エネルギＱを少なくとも２種類の温度における前記ステンレス鋼部材と同等の材料の機械的特性値の経年変化曲線から求めることを特徴とするステンレス鋼部材の材料特性変化評価方法。
ｔ＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）……関数（Ｉ）
ここで、ｔは時間、Ｔは温度、Ａは定数、Ｒは気体定数、Ｑは活性化エネルギ
【請求項２】
前記機械的特性値の限界値をあらかじめ設定し、前記機械的特性値が前記限界値に到達する時点を前記部材の寿命と設定し、前記機械的特性値の経年変化曲線に基づいて、前記寿命に到達する時間を推定すること、を特徴とする請求項１記載のステンレス鋼部材の材料特性変化評価方法。
【請求項３】
前記機械的特性値は、硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、衝撃値および破壊靭性値のうちの少なくとも一つであること、を特徴とする請求項１又は２記載のステンレス鋼部材の材料特性変化評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子力プラント等の特に高温で長期間使用される部材に用いられるステンレス鋼等の材料の機械的特性値の経年変化を予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の原子力プラント等においてマルテンサイト系ステンレス鋼および析出硬化型ステンレス鋼は高強度で耐食性に優れることから、各種弁の弁棒、回転機軸材等の腐食環境中で高応力を要求される部材に多用されている。また、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼は耐食性・加工性に優れることから、熱交換器の伝熱管等に使用されている。
【０００３】
いくつかの研究により、マルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化型ステンレス鋼およびオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼は高温に長時間加熱されると硬さの上昇、靱性、延性の低下および応力腐食割れ感受性の増大等を生じることが明らかになった。
【０００４】
上記研究の報告の例として、文献例１："Thermal Aging Behavior of Martensitic Stainless Steel" M.Tsubota,  K.Tajima,  K.Hattori,  H.Sakamoto、International Nuclear Power Plant Aging Symposium, USNRC, Bethesda, Maryland, Aug. 30, (1988)、文献例２："Characterization of Long Term Aged Martensitic Stainless Steels" M.Tsubota,  K.Hattori,  T.Okada, 5th International Symposium on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactor, Montrey, California, Aug. 30, (1991)、文献例３："Aging Degradation of Cast Stainless Steels" O.K.Chopra and H.M.Chung, Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactor, (1988)がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらステンレス鋼部材を高温において長時間使用した場合の機械的特性値の変化や応力腐食割れ感受性がどの程度かわかっていない。使用中のステンレス鋼部材の機械的特性値の変化や応力腐食割れ感受性の予測が可能であれば、部材の脆化または応力腐食割れに基づく破損を防止することができ、機器の信頼性向上につながる。
本発明の目的は、使用中のステンレス鋼等の部材の機械的特性値を評価する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１の発明は、原子力プラント等で使用中のステンレス鋼部材と同等の材料の機械的特性値の経年変化曲線を当該機械的特性値の初期値と温度と時間の関数（Ｉ）としてあらかじめ求めておき、前記ステンレス鋼部材の機械的特性値の初期値と温度と時間から、前記関数（Ｉ）に基づいて当該部材の機械的特性値を求めるステンレス鋼部材の材料特性変化評価方法において、熱活性化過程に基づくステンレス鋼のスピノーダル分解の活性化エネルギＱを少なくとも２種類の温度における前記ステンレス鋼部材と同等の材料の機械的特性値の経年変化曲線から求めることを特徴とする。
ｔ＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）……関数（Ｉ）
ここで、ｔは時間、Ｔは温度、Ａは定数、Ｒは気体定数、Ｑは活性化エネルギ
請求項１の発明によれば、部材の機械的特性値の変化を非破壊的に予測または評価することができる。
【００１４】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のステンレス鋼部材の材料特性変化評価方法において、前記機械的特性値の限界値をあらかじめ設定し、前記機械的特性値が前記限界値に到達する時点を前記部材の寿命と設定し、前記機械的特性値の経年変化曲線に基づいて、前記寿命に到達する時間を推定すること、を特徴とする。
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の作用・効果を得られるのみならず、使用中の部材の寿命を推定することができる。
【００１５】
また、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のステンレス鋼部材の材料特性変化評価方法において、前記機械的特性値は、硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、衝撃値および破壊靭性値のうちの少なくとも一つであること、を特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明の作用・効果を得られるのみならず、ステンレス鋼部材について、機械的特性値として具体的に種々のものを採用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
マルテンサイト系、析出硬化系、フェライト系およびオーステナイトーフェライト系ステンレス鋼に生じる劣化挙動は、組織中のマルテンサイト相およびフェライト相が長時間加熱されることによりＦｅ原子とＣｒ原子が周期的に分離する相分離、つまり、Ｆｅリッチ相とＣｒリッチ相に分離するスピノーダル分解と呼ばれる現象によるものである。このスピノーダル分解は熱活性化過程であることから、分解に必要な温度Ｔと時間ｔの関係は式（１）で記述される。
ｔ＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）……（１）
ここで、Ａは定数、Ｒは気体定数、Ｑは活性化エネルギである。
【００２２】
機械的特性変化の推定曲線を得るには図１（ａ）に示すように、指標とする機械的特性Ｐの変化を異なった複数の温度（例えばＴ1，Ｔ２）で採取する。変化する機械的特性Ｐを初期値Ｐｏで除し、温度Ｔ1とＴ２における経年変化推定曲線(図１（ｂ）)を得る。ここで、Ｐ／Ｐｏは経年変化度αである。経年変化度αに対しては、式（１）が成り立つことから、それぞれの温度において次の式（２）、（３）が成り立つ。
【００２３】
ｔ1＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ1）……（２）
ｔ2＝Ａ・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ2）……（３）
式（２）、（３）から、この経年変化事象に関する活性化エネルギＱが求まる。
【００２４】
Ｑ＝Ｒ（log t1−log t2）／（1／T1−1／T2）……（４）
得られたＱと経年変化度推定曲線０（図１（ｃ））とから、実際に測定していない温度（Ｔ3）における経年変化度αに対応する時間が、式（５）によって求まる。
log t0 = log t3 − (Q／R)(1／T3−1／T0)……（５）
【００２５】
上述のようにマルテンサイト系、フェライト系等のステンレス鋼のスピノーダル分解の活性化エネルギＱを用いることによって、あらゆる温度条件における経年変化推定曲線を得ることが可能である。したがって、図２に示すように経年変化推定曲線が求まっている材料においては、使用温度（例えばＴ3）、使用時間（例えばｔ3）に対応した経年変化度α3が決定できる。経年変化度α3を入力された初期特性値Ｐｏに乗じ、ｔ3時間使用後の特性値Ｐを算出する。
【００２６】
なお、以上述べた各種データの処理や保存等に電子計算機を使えば能率よく行えることはいうまでもない。
また、上記説明はステンレス鋼について行なったが、式（１）が成り立つ材料であれば、本発明の適用は、ステンレス鋼に限定されるものではない。
【００２７】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態では、機械的特性および応力腐食割れ感受性の指標として硬さを用いる。
【００２８】
機械的特性、例えば引張強さ、衝撃値、破壊靭性値等はいずれも破壊試験が必要であり、当該部品を損傷無しに測定することはできない。ここで、硬さと他の機械的特性値（例えば耐力、引張強さ、衝撃値、破壊靭性値等）は一般的に相関性があることから、あらかじめ硬さと他の機械的特性の相関を求めておけば、硬さを他の機械的特性値の指標とすることが可能である。
【００２９】
さらに、図３に示すように、応力腐食割れ感受性と硬さの間に相関があることもわかっており、硬さは応力腐食割れ感受性の指標としても使用可能である。また、図４に示すように使用中の硬さを予測することで、他の材料特性値を予測することができる。
【００３０】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態では、上述した第１の実施の形態からさらに図５に示すように求められた特性値Ｐと予め定められた限界値Ｐｃとの大小を比較し、特性値Ｐが限界値Ｐｃ以上となったときに当該部材は寿命に達したと推定すること寿命予測することができることである。
【００３１】
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態では、図６に示すように硬さ測定結果からオンラインで他の機械的特性値の予測を可能とする。超音波式等の携帯用硬さ測定器と計算機を接続し、あらかじめ対象材料の機械的特性値の経年変化推定曲線等の必要なデータを計算機に入力し、第２の実施の形態をシステムとして入力しておくことで、硬さ測定とともに瞬時に他の機械的特性値の予測および応力腐食割れ感受性の有無を判定することができる。また、計算機に第３の発明の形態をシステムとして入力しておくことで、硬さ測定とともに瞬時に寿命予測をすることもできる。
【００３２】
［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態では、図７に示すように機器の使用温度が不明な場合に硬さ測定結果と運転時間から使用温度を推定する。機器によっては、使用温度が明確でない場合もある。第２あるいは第４の実施の形態で示した硬さ測定が可能な部材においては、初期値Ｐｏ、測定値Ｐ、使用時間ｔおよび活性化エネルギＱと硬さの経年変化推定曲線から使用温度Ｔを推定することができる。ただし、温度履歴に変化があった場合においても使用時間中、一定の温度で使用していたとして推定される。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ステンレス鋼等の部材の運転時間、運転温度および初期値がわかれば現在の機械的特性値を予測でき、その部材を使用した機器の機械的特性値の予測および寿命予測が可能となる。また、請求項５の発明によれば、現在の硬さ測定値に基づいて使用温度を推測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における機械的特性変化推定曲線の求め方を示す説明図であって、（ａ）は温度Ｔ1およびＴ２における機械的特性Ｐの変化の例を表すグラフ、（ｂ）は（ａ）の機械的特性Ｐを初期値Ｐｏで除した値（経年変化度α）の変化を表すグラフ、（ｃ）は温度０における機械的特性変化の経年変化度の推定曲線を表すグラフ。
【図２】本発明に係る機械的特性変化予測方法の第１の実施の形態の手順を示す流れ図。
【図３】硬さと応力腐食割れ感受性の相関性を示す特性図。
【図４】本発明に係る機械的特性変化予測方法の第２の実施の形態の手順を示す流れ図。
【図５】本発明に係る機械的特性変化予測方法の第３の実施の形態の手順を示す流れ図。
【図６】本発明に係る機械的特性変化予測方法の第４の実施の形態の手順を示す流れ図。
【図７】本発明に係る第５の実施の形態の部材使用温度推定方法の手順を示す流れ図。
【符号の説明】
０…機械的特性変化の変化度推定曲線（温度Ｔ０）、１…機械的特性変化（温度Ｔ１）、２…機械的特性変化（温度Ｔ２）、１１…機械的特性変化度（温度Ｔ１）、１２…機械的特性変化度（温度Ｔ２）、２１…機械的特性変化の推定曲線（温度Ｔ３）。
【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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