(57)【要約】  プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された、多数の水素脆化破断試験データから破断時間の累積分布関数を計算し、水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断状態に至る確率過程とみなし、破断時間の累積分布関数から推移確率を計算し、推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求める。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された水素脆化破断試験データから破断時間の累積分布関数を求める第１工程と、
水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断に至る確率過程とみなし、前記破断時間の累積分布関数から推移確率を計算する第２工程と、
前記推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求める第３工程と、
を有することを特徴とする水素脆化進行度の評価方法。
【請求項２】
前記第２工程では、前記推移確率をλ（ｔ）＝Ａｔ−Ｂ＋Ｃと近似して求めることを特徴とする請求項１に記載の水素脆化進行度の評価方法。
【請求項３】
前記第２工程では、前記水素脆化進行度のそれぞれに対応する時間の値を求め、前記水素脆化進行度の変化の割合を前記推移確率とすることを特徴とする請求項１に記載の水素脆化進行度の評価方法。
【請求項４】
前記第３工程では、さらに、異なる環境条件に基づいて求めた水素脆化進行度を組み合わせて環境条件が変化する場合の水素脆化進行度を求めることを特徴とする１ないし３のいずれかに記載の水素脆化進行度の評価方法。
【請求項５】
前記水素脆化破断試験データの測定に使用した鉄筋の実設備における寿命データに基づいて、前記水素脆化進行度から実設備の更改時期を推定する第４工程を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の水素脆化進行度の評価方法。
【請求項６】
プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された水素脆化破断試験データから破断時間の累積分布関数を求める累積分布関数計算部と、
水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断に至る確率過程とみなし、前記破断時間の累積分布関数から推移確率を計算する推移確率計算部と、
前記推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求める水素脆化進行度計算部と、
を有することを特徴とする水素脆化進行度評価装置。
【請求項７】
前記推移確率計算部は、前記推移確率をλ（ｔ）＝Ａｔ−Ｂ＋Ｃと近似して求めることを特徴とする請求項６に記載の水素脆化進行度評価装置。
【請求項８】
前記推移確率計算部は、前記水素脆化進行度のそれぞれに対応する時間の値を求め、前記水素脆化進行度の変化の割合を前記推移確率とすることを特徴とする請求項６に記載の水素脆化進行度評価装置。
【請求項９】
前記水素脆化進行度計算部は、さらに、異なる環境条件に基づいて求めた水素脆化進行度を組み合わせて環境条件が変化する場合の水素脆化進行度を求めることを特徴とする６ないし８のいずれかに記載の水素脆化進行度評価装置。
【請求項１０】
前記水素脆化破断試験データの測定に使用した鉄筋の実設備における寿命データに基づいて、前記水素脆化進行度から実設備の更改時期を推定する更改時期推定部を有することを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の水素脆化進行度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素脆化進行度の評価方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、建築資材としてプレストレストコンクリート内の鉄筋に使用される高強度鋼材の需要が高まっている。高強度鋼材は水素脆化感受性が高く、鋼材中に経時的に水素が含まれることにより延性が失われ、強度が著しく低下する。この現象は水素脆化と呼ばれている（非特許文献１参照）。鋼材の水素脆化に関し、鋼材の性能として耐水素脆化特性の評価が行われている。例えば、鋼材に一定の引張応力を付与（定荷重試験）しながら鋼材中に電気化学的に水素チャージし、鋼材の破断時間を測定する評価方法が広く用いられている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】白神哲夫、「鉄鋼材料における水素脆化」、材料と環境、公益社団法人腐食防食学会、２０１１年、第６０巻、第５号、pp. 236-420
【非特許文献２】２０％チオシアン酸アンモニウム溶液中でのＰＣ鋼材の水素脆化試験方法、ＪＳＣＥ  Ｓ  １２０１、社団法人腐食防食協会、２０１２年
【非特許文献３】塩見弘著、「信頼性工学入門」、改訂二版、丸善株式会社、１９７１年、p. 103
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実際に設備等に適用される鋼材について、鋼材が水素脆化によって破断に至る途中の水素脆化進行度を知ることができれば、鋼材の使用期間中にどの程度水素脆化が進行しているのかを予想でき、鋼材が破断する前の適切なタイミングで設備の更改を行う判断が可能となる。【０００５】
しかしながら、従来用いられてきた破断時間による鋼材の耐水素脆化特性の評価方法は、鋼材間の定性的評価が主な目的であり、破断に至る途中の水素脆化進行度を知ることはできなかった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、鋼材が水素脆化によって破断に至る途中の水素脆化進行度を知ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る水素脆化進行度の評価方法は、プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された水素脆化破断試験データから破断時間の累積分布関数を求める第１工程と、水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断に至る確率過程とみなし、前記破断時間の累積分布関数から推移確率を計算する第２工程と、前記推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求める第３工程と、を有することを特徴とする。【０００８】
本発明に係る水素脆化進行度評価装置は、プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された水素脆化破断試験データから破断時間の累積分布関数を求める累積分布関数計算部と、水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断に至る確率過程とみなし、前記破断時間の累積分布関数から推移確率を計算する推移確率計算部と、前記推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求める水素脆化進行度計算部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、鋼材が水素脆化によって破断に至る途中の水素脆化進行度を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の水素脆化進行度評価装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】水素脆化破断時間データの一例を示す図である。
【図３】図２の水素脆化破断時間データをワイブル確率紙へプロットした図である。
【図４】推移確率の時間変化を示すグラフである。
【図５】水素脆化進行度の時間変化を示すグラフである。
【図６】図４のグラフと別の方法で求めた推移確率の時間変化を示すグラフである。
【図７】別の方法で求めた推移確率を用いて算出した水素脆化進行度の時間変化を示すグラフである。
【図８】異なる環境条件の水素脆化進行度を組み合わせて求めた水素脆化進行度を示すグラフである。
【図９】図８の水素脆化進行度から求めた推移確率を示すグラフである。
【図１０】図９の推移確率を用いて予測した累積破断確率と、実際に同条件で実験を行った場合の結果を示す図である。
【図１１】本実施の形態における水素脆化進行度評価装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】水素脆化進行度評価装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
（水素脆化進行度評価装置の構成）
図１は、本実施の形態における水素脆化進行度評価装置１の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す水素脆化進行度評価装置１は、累積分布関数計算部１１、推移確率計算部１２、及び水素脆化進行度計算部１３を備える。水素脆化進行度評価装置１が備える各部は、演算処理装置、記憶装置等を備えたコンピュータにより構成して、各部の処理がプログラムによって実行されるものとしてもよい。このプログラムは水素脆化進行度評価装置１が備える記憶装置に記憶されており、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【００１３】
水素脆化進行度評価装置１には、記憶装置２および表示装置３が接続される。水素脆化進行度評価装置１が記憶装置２および表示装置３を備えてもよい。
【００１４】
累積分布関数計算部１１は、プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された、多数の水素脆化破断試験データから破断時間の累積分布関数を計算する。水素脆化破断試験データは、記憶装置２に記憶させておく。累積分布関数計算部１１は、記憶装置２から水素脆化破断試験データを読み出して破断時間の累積分布関数を計算する。
【００１５】
水素脆化破断時間データは、例えば図２に示すようなものを用いる。図２に示した水素脆化破断時間データは、高強度鋼材に一定の引張応力を付与しながら鋼材中に水素チャージして破断時間を測定する試験を繰り返し、多数の破断時間を取得したものである。図２では、破断時間を小さい方から順に並べ平均ランク法を用いてプロットしている。試験条件は以下の通りである。試験片は長さ５０ｃｍで直径７ｍｍの丸棒平滑材を用いた。引張応力は引張強さの０．９倍の応力（０．９σｂ）とした。水素チャージ方法は鋼材を電解質水溶液に浸漬させて負電位を印加する陰極チャージ法を用いた。電解質水溶液には１ｍｏｌ／Ｌの炭酸水素ナトリウム水溶液＋０．１３ｍｏｌ／Ｌのチオシアン線アンモニウム水溶液を用いた。印加電位には−１Ｖ  ｖｓ．  ＳＳＥを用いた。試験数はＮ＝５５とした。これらの試験条件はプレストレストコンクリート内の鉄筋を想定しており、鋼材中に含まれる水素量を実際の環境よりも極端に増やして水素脆化を加速させている。
【００１６】
水素脆化破断時間データから破断時間の累積分布関数を求めるには、特に方法の規定はなく、一般的な方法を用いれば良い。水素脆化の破断時間はワイブル分布に従うと考えられることから、例えば一般的なワイブル確率紙を用いて累積分布関数Ｆ（ｔ）を推定する。図２の水素脆化破断時間データに対し、図３に示すようにワイブル確率紙を用いて累積分布関数Ｆ（ｔ）を計算したところ、以下の（１）式が得られた。
【００１７】
【数１】
2020071237.tif 000003
【００１８】
推移確率計算部１２は、累積分布関数計算部１１の計算した累積分布関数を用いて、水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断状態に至る確率過程とみなしてその推移確率を計算する。
【００１９】
発明者らは、以下の２つの仮定を置くことで、水素脆化における劣化状態の推移確率を計算することが可能となり、推移確率から水素脆化の進行度を推定可能であることを見出した。
【００２０】
仮定１：水素脆化では劣化が時間とともに蓄積し、一定値を超えたところで破断が発生する。
仮定２：ある劣化状態から次の劣化状態への変化は推移確率λ(t)に従って確率的に発生する。
【００２１】
推移確率は単位時間あたりに劣化状態が１回だけ推移する確率であり、これは劣化の増加速度の平均値を表している。すなわち、推移確率（劣化の増加速度）を時間で積分した値Ｈ（ｔ）が水素脆化の進行度を表していると考えられる。
【００２２】
劣化が確率的に進行し、破断に至るという考え方は金属材料の疲労破壊においても用いられているが、疲労破壊の場合は推移確率λを時間変化しない一定値としているため、水素脆化のように推移確率（劣化の増加速度）が時間変化すると考えられる現象に対してはそのまま適用することができない。一方、信頼性工学の分野では、装置が故障した際に順次予備の装置に切り替わっていく待機系と呼ばれるシステムにおいて、装置１個の故障率λ(ｔ)とシステム全体が故障する累積分布関数Ｆ(ｔ)の関係は、予備の装置がｎ個の場合は下記の（２）式で表されることが知られている（非特許文献３参照）。
【００２３】
【数２】
2020071237.tif 000004
【００２４】
水素脆化における劣化状態の推移は、待機系において装置が故障し予備の装置へ推移することと同様の機構であると考えることができる。すなわち、（１）式と（２）式を用いることで、水素脆化の推移確率λ(ｔ)を求めることができる。また、累積分布関数Ｆ（ｔ）がワイブル分布に従うとき、（２）式は解析的に解くことができないが、推移確率λ（ｔ）を以下の（３）式とすることで精度良く近似可能となる。
【００２５】
【数３】
2020071237.tif 000005
【００２６】
上記の方法に従い、劣化状態が１００回推移したところで破断が発生する（ｎ＝１００）とし、（２）式に（３）式を代入し、（１）式の累積分布関数Ｆ（ｔ）に適合するように（３）式のＡ，Ｂ，Ｃの値を求めると、推移確率λ（ｔ）は以下の（４）式のように計算される。図４に（４）式で示される推移確率の時間変化のグラフを示す。
【００２７】
【数４】
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【００２８】
なお、破断が発生するｎの値は任意に取っているが、ｎの値が十分に大きければｎを変えても推移確率λ（ｔ）の曲線はほぼ相似形となることから、破断に至るまでの水素脆化進行度を知る上ではｎは十分に大きな任意の値で良いこととなる。
【００２９】
水素脆化進行度計算部１３は、推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求める。特に方法の規定はなく、一般的な方法を用いれば良い。水素脆化進行度計算部１３は、求めた水素脆化進行度を表示装置３に表示させる。
【００３０】
（４）式から水素脆化進行度Ｈ（ｔ）を計算すると、水素脆化進行度Ｈ（ｔ）は以下の（５）式のように計算される。
【００３１】
【数５】
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【００３２】
図５に、本実施形態の水素脆化進行度評価装置１により計算した水素脆化進行度Ｈ（ｔ）の時間変化を示す。
【００３３】
劣化状態が１００回推移したところ（Ｈ（ｔ）＝１００）で破断が発生するとしているため、Ｈ（ｔ）＝１００となるｔ（ｔ＝２．６時間）は平均破断時間を表している。また、図５から破断の９０％の水素脆化進行度（Ｈ（ｔ）＝９０）となる時間ｔを読み取るとｔ＝１．４時間である。
【００３４】
水素脆化進行度評価装置１は、水素脆化進行度の計算に用いた水素脆化破断試験データと実設備の鋼材の寿命データとを対応付けておき、求めた水素脆化進行度から実設備の更改時期を推定する更改時期推定部を備えてもよい。例えば、今回用いた水素脆化破断時間データの取得に使用した鋼材の実環境での平均寿命が２０年の場合、Ｈ（ｔ）＝１００となるｔ＝２．６時間が実環境での２０年に相当する。水素脆化進行度が破断に至る９０％で実設備を更改する場合、Ｈ（ｔ）＝９０となるｔ＝１．４時間に相当する実環境での約１１年で実設備を更改すればよいことになる。
【００３５】
（推移確率の別の求め方）
推移確率λ（ｔ）は以下の方法を用いればさらに正確に求めることができる。（１）式の破断時間の累積分布関数Ｆ（ｔ）を（２）式に代入し、ｔについて式を整理すると以下の（６）式が得られる。
【００３６】
【数６】
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【００３７】
この（６）式の水素脆化進行度Ｈ（ｔ）に１から１００までの値を順次代入し、Ｈ（ｔ）の値と対応するｔの値を求めることでＨ（ｔ）の経時変化を求める。λ（ｔ）は近似的にＨ（ｔ）の傾きで表すことができる。以下の（７）式を用いて差分法によりＨ（ｔ）の傾きを求めてλ（ｔ）とする。
【００３８】
【数７】
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【００３９】
ここで、ｔ１、ｔ２は任意の時間であり、ｔ１＜ｔ２である。この方法は近似式を用いずに直接λ（ｔ）を算出しているため、より正確にλ（ｔ）を求めることができる。
【００４０】
上記のＨ（ｔ）の傾きを求める方法と（４）式の近似式を用いた方法のそれぞれにより求めたλ（ｔ）を比較すると図６のようになる。図６では、Ｈ（ｔ）の傾きを求める方法で求めた結果をプロットで示し、（４）式の近似式を用いた方法で求めた結果を実線で示している。図６から、特に試験後半においては、Ｈ（ｔ）の傾きを求める方法は（４）式の近似式を用いた方法に比べて精度の違いが顕著であることがわかる。
【００４１】
図７に、水素脆化進行度評価装置１においてＨ（ｔ）の傾きを求める方法を用いて求めたλ（ｔ）を用いて計算した水素脆化進行度Ｈ（ｔ）の時間変化を示す。図７から、Ｈ（ｔ）＝１００となる平均破断時間ｔは２．５時間であることがわかる。また、Ｈ（ｔ）＝９０となる時間ｔは１．２時間であることがわかる。
【００４２】
（環境条件が変化する場合）
本実施形態では、環境条件が異なる水素脆化進行度を組み合わせることで、例えば腐食反応による水素発生条件または水素脆化の進行速度が季節により変化するような、環境条件が変化する場合の水素脆化進行度を予測できる。
【００４３】
まず、これまでに説明した方法により、異なる環境条件について水素脆化進行度Ｈ（ｔ）を求めておく。図８では、水素脆化の進行が速い状態を模擬する０．０２５ｍＡ／ｍｍ２で電気化学的な水素チャージを行った場合の水素脆化進行度を一点鎖線で示し、水素脆化の進行が遅い状態を模擬する０．０１５ｍＡ／ｍｍ２で電気化学的な水素チャージを行った場合の水素脆化進行度を破線で示している。
【００４４】
試験開始時は水素チャージが０．０２５ｍＡ／ｍｍ２で行われ、試験開始から２４０分経過後に水素チャージが０．０１５ｍＡ／ｍｍ２で行われるという環境条件を考えた場合、Ｈ（ｔ）は図８の実線に示すような挙動となる。図８の例では、実線で示すＨ（ｔ）は２４０分までは０．０２５ｍＡ／ｍｍ２の水素脆化進行度と同様に変化し、２４０分以降は０．０１５ｍＡ／ｍｍ２の水素脆化進行度と同様に変化する。水素脆化進行度計算部１３が、異なる環境条件に基づいて求めた水素脆化進行度を組み合わせることで、環境条件が変化する場合の水素脆化進行度が求められる。
【００４５】
環境条件が変化する場合の水素脆化進行度の予測が正しいかは、確率的シミュレーション（モンテカルロシミュレーション）により確認することができる。時間ｔからΔｔ経過する間に劣化状態が次の状態へ遷移する確率Ｐは、λ（ｔ）を用いてＰ＝λ（ｔ）Δｔとして表される。例えば、Ｐ＝０．０１となるようΔｔを適宜設定し、時間ｔからΔｔ経過する間に劣化状態がＰ＝０．０１で次の劣化状態に推移し、劣化状態が１００に達すると破断が発生するという条件で、試験開始から破断までシミュレーションを繰り返し行うことで累積破断確率が求められる。シミュレーションにより求めた累積破断確率と、実際に同条件で実験を行った場合の結果を比較し、両者が一致すれば水素脆化進行度の予測は正しいと言える。
【００４６】
図８のＨ（ｔ）の傾きから求めたλ（ｔ）を図９に示す。図９のλ（ｔ）を用いて上記のシミュレーションを１０００回繰り返し行って求めた累積破断確率と、実際に同条件で実験を行った場合の結果を図１０に示す。図１０では、シミュレーション結果を点線で示し、実験結果をプロットで示している。実験により求めた累積破断確率とλ（ｔ）を用いたシミュレーションにより求めた累積破断確率は概ね一致し、シミュレーションによって実験結果を予測できていることがわかる。したがって、環境条件が変化する場合の水素脆化進行度は正しく予測できていると言える。
【００４７】
このように、環境条件が変化しない場合の水素脆化進行度をいくつか把握しておけば、環境条件が変化する場合の水素脆化進行度を予測できるようになる。実際の環境では、環境条件が変化する場合が多いことから、この方法を用いれば簡易な実験によって実際の環境での水素脆化進行度の予測が可能となる。
【００４８】
（水素脆化進行度評価装置の動作）
次に、本実施の形態における水素脆化進行度評価装置１の処理の流れについて説明する。
【００４９】
図１１は、本実施の形態における水素脆化進行度評価装置１の処理の流れを示すフローチャートである。プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された水素脆化破断試験データは取得済みであり、記憶装置２に記憶されているとする。
【００５０】
累積分布関数計算部１１は、水素脆化試験データから破断時間の累積分布関数を求める（ステップＳ１１）。
【００５１】
推移確率計算部１２は、水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断に至る確率過程とみなし、破断時間の累積分布関数から推移確率を計算する（ステップＳ１２）。
【００５２】
水素脆化進行度計算部１３は、推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求める（ステップＳ１３）。
【００５３】
水素脆化進行度評価装置１が更改時期推定部を備える場合、更改時期推定部は、水素脆化破断試験データの測定に使用した鉄筋の実設備における寿命データに基づいて、水素脆化進行度から実設備の更改時期を推定する。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、プレストレストコンクリート内の鉄筋を想定した試験条件により測定された、多数の水素脆化破断試験データから破断時間の累積分布関数を計算し、水素脆化破断を劣化状態が逐次推移して破断状態に至る確率過程とみなし、破断時間の累積分布関数から推移確率を計算し、推移確率を時間で積分して水素脆化進行度を求めることで、鋼材が水素脆化によって破断に至る途中の水素脆化進行度を知ることができる。これによって、事前に鋼材の水素脆化進行度を評価しておけば、鋼材の使用期間中にどの程度水素脆化が進行するのかを予想することができ、鋼材を使用した設備の更改の判断材料とすることができる。
【００５５】
上記説明した水素脆化進行度評価装置１には、例えば、図１２に示すような、中央演算処理装置（ＣＰＵ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。このコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、水素脆化進行度評価装置１が実現される。
【符号の説明】
【００５６】
１…水素脆化進行度評価装置
１１…累積分布関数計算部
１２…推移確率計算部
１３…水素脆化進行度計算部
２…記憶装置
３…表示装置
【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】
2020071237.tif 000016
【図８】
2020071237.tif 000017
【図９】
2020071237.tif 000018
【図１０】
2020071237.tif 000019
【図１１】
2020071237.tif 000020
【図１２】
2020071237.tif 000021
【国際調査報告】
2020071237.tif 000022
2020071237.tif 000023
2020071237.tif 000024
2020071237.tif 000025