研究レポート
ボイラ配管補強技術による長寿命化
エネルギア総合研究所

1

まえがき

機械・材料グループ

西田秀高（１）帯鋼巻き（写真1）
実機高温再熱蒸気管にエルボに施工厚み0.1mm×

近年，発電コストの低減化を目的に，高温高圧の幅50mm，SUS316の帯鋼を規定以上でテンション蒸気条件の超々臨界圧ボイラ発電所（図1）が非常を人力で掛けながら巻き付かせる。1周ごとにスポッに増えてきている。苛酷な条件で使用されているたト溶接を実施する。利点は，対象の形状によらず巻め，配管溶接部の不具合も多数報告1） されている。

き付けることが可能であり，大掛かりな設備が不要。

このため，定期検査時に経年火力発電所のボイラに欠点はテンションをかけるのに人力が必要，そのたついて余寿命診断を行い，設備の状態を的確に把握め施工時間がかかるうえ，テンションの掛け方や巻し，適切な補修を行うことが，予防保全の面からも，き方の品質に施工者の差が出る。寿命を4倍以上伸またコスト低減の面からも重要である。

ばすには，巻く厚みは肉厚の1/10程度以上必要であ

ボイラ配管は，起動・停止時に内部に急激に高温・る。

高圧の蒸気が流動・停止することにより熱応力が発蒸気生し，また長時間使用されるとクリープ損傷が蓄積する。配管が熱応力やクリープ損傷を受けて微視亀裂が発生するとすみやかに大規模な補修または新品

中圧
タービン

高圧タービン給水と交換されている。

バンカ

このように経年劣化した配管は，補修または新品に交換するため，多大な補修費用および期間が掛

ボイラ

発電機
低圧タービンかっていた。そこで現場で，配管への補強を簡単な方法で行うことによって強度を保つ技術を内圧対応型と曲げ対応型の計2種類開発し，帯鋼巻き型は，復水器実機適用を果たした。

2

微粉炭機

開発概要

現地で施工できる下記の2種類の技術を新たに開発した。
2-1 内圧対応型
当初は，クリープ強度が非常に高いセラミック繊維（チラノ繊維）を巻き付けて補強を試みたが，ほとんど寿命延長効果がなかった。また，SUS304繊維も同様に寿命延長効果がなかった。理由は，セラミックを無理に曲げているため繊維に微小クラックが発生したこと，またSUSも繊維を束ねてよったことにより塑性変形したため，長時間側に対して強度低下が起こったためと考える。
Page 6

図1

火力発電所補強対象箇所
エネルギア総研レビュー No.46

ボイラ配管補強技術による長寿命化

疲労試験装置

荷重方向

フランジ
写真3

写真1

帯鋼の実機使用例

2-2 曲げ対応型
当初，狭い範囲に強固な補強（写真2）を行ったが，補強の端部に応力が集中して，亀裂が発生した。
（1）ワンタッチフランジ型（写真3）3

曲げ力を減じるためのフランジ型強化方法

試験結果

3-1 内圧対応型…帯鋼巻き付け型
STPA24配管（50A外径60.5mm）
×長さ250mm×
厚 み3.9mmと そ の 上 にSUS316帯 鋼（ 厚 み0.1

内圧型と同じ形状だが，端末は肉厚を薄く，寿命mm） を7重 巻 き に 手 巻 き し た も の（ 写 真4）計2を4倍以上伸ばすにはFEM解析により配管の直径の本 の ク リ ー プ 試 験（630 ℃， 内 圧13MPa， 応 力数倍以上長く施工が必要である。補強肉厚は，補94MPa）を実施した。その結果，補強なしは，256強対象の1/4程度以上と内圧型より厚みが必要であ時間で破断，巻き付けは6.2倍寿命延長効果があっる。利点は，施工期間短縮や人の技量差が出ないこた。また破断後もほとんど変形が認められなかった。と，欠点はあらかじめ正確な形状が必要である。

そのことは，実機で仮に破壊しても，大破壊は起こらず，被害が少ないことを意味する。
また実機高温再熱蒸気管（エルボ腹側長手溶接部
細粒HAZ）の組織変化は，発電所運転時間5,000時間経過後，巻いていない方はクリープボイド数（個数密度）が約2倍になった（図2）が，巻いたものは，ほぼ同じであった。このことは，クリープ劣化の進展速度が遅くなったことを意味する。

写真2

短いフランジによる破壊例

エネルギア総研レビュー No.46

Page 7

研究レポート

試験条件：
630℃，内圧13MPa（周方向応力94MPa），50A（直径60.5mm）×長さ250mm×肉厚3.9mm（STPA24）

補 強 し な い 配 管 は，1時 間 で 破 断 し た（ 写 真3）。
SUS316肉厚と同じ厚さ（3.9mm）の補強を行った配管は58時間で破断した。FEM解析では，実機に適用した場合，肉厚の1/4の補強で最大主応力が89から69MPaに低減でき寿命に換算すると，約5受け入れたまま：破断時間256h

倍寿命延伸できることが分かった。（図3）
エルボ部の巻き付け前応力

破断箇所

SUS316帯鋼：肉厚0.1mm×７重巻；破断時間1597h
写真4

直径50mmの表面にSUSを巻き付けた
高温内圧破壊試験

エルボ部の巻き付け後応力

応力の減補強取付箇所
エルボ溶接線補強取付箇所

89MPa→69MPa69MPa

クリープボイド
図34結

有限要素解析による曲げ力減効果の検証

言

当社は，9％Cr鋼配管周溶接および長手溶接補強のため2種類の方法を開発した。いずれも解析上，5,000時間経過後実験上かつ実機適用して，非常に効果が認められた。
今後，9％Cr鋼では，長手溶接部はなくなるが，周溶接部は残り，ワンタッチフランジ型が中心となる。
本方法は曲げモーメントを抑え込むので補強部の端末処理や補強の肉厚管理が重要となる。仮に当社発電所に採用の場合，解析上，約5倍程度余寿命が延200μｍびることになる。また，巻き付け帯鋼型は，当社高クロム発電所ですでに7か所の使用実績があり，い図2 巻き付けていない再熱蒸気管のクリープボイド数の変化ずれも著しい効果（クリープボイド数や，肉厚内部3-2 曲げ対応型のタイプⅣ微視亀裂の停滞）が認められた。

600 ℃， ±250MPa， ±28kNの 負 荷 条 件 で，Page 8

本手法は9％Cr鋼に比べ，破断延性の高い2.25％
エネルギア総研レビュー No.46

ボイラ配管補強技術による長寿命化Cr鋼2） の方がより寿命延伸効果が大きいので，対執筆者からひとこと象数の多い従来発電所でも適用したいと考える。

これからは，安全に，補修コストを低減して，発電すること が 必 要 で す。 今 後 も 現 場
ファーストで，技術開発を続けます。

［参考文献］
1）中井裕丈 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー
vol.3 pp43-48（2007）
2）西田秀高 ボイラ配管溶接部の実機模擬破壊試験装置の開発 日本機械学会M&M材料力学カンファレンス
pp346（2007）〔機械・材料グループの研究内容〕※最近の活動内容をいくつか紹介します。

帯鋼巻き付けによるボイラ配管補強技術に関する研究（設備診断，延命化・新素材チーム）
火力発電所のボイラ配管は長期間使用する溶接部が劣化し強度低下することがあります。配管溶接部の寿命を延伸するため，帯鋼を巻き付けて補強する技術の開発を行っています。

ボイラ配管の補強

配管への帯鋼巻き付け作業鋳鋼材溶接補修技術に関する研究（設備診断，延命化・新素材チーム）
蒸気タービンの車室等に使用される鋳鋼材は，使用に伴いき裂が発生しても現場での溶接補修は困難と言われていました。そこで，熱処理が不要で，現場で施工可能な溶接補修技術の開発に取り組んでいます。

高温ひずみ計の開発に関する研究（自動化，省力化チーム）
火力発電所のボイラ配管の余寿命は，これまでは主に金属組織の観察により評価していましたが，運転中のひずみ量から評価する手法を開発しました。そのため，より高精度に評価するため，運転中でも測定可能な計器の開発に取り組んでいます。

高温ひずみ計依頼調査への対応研究所が保有する電子顕微鏡等の装置やき裂
進展解析ソフトを使い，機器の破損やトラブルの原因調査など，当社事業所からの調査依頼に対応しています。

疲労損傷の痕跡

き裂補修した部分

タービン車室の溶接補修

エネルギア総研レビュー No.46

溶接補修後の状況

ひずみ計を調整している様子

電子顕微鏡による観察

配管破断面の観察結果

Page 9