四国電力，四国総合研究所
研究期報１０６（2017年6月）
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長期使用された高クロム鋼配管溶接継手のクリープ損傷評価㈱四国総合研究所 エネルギー技術部㈱四国総合研究所 エネルギー技術部㈱四国総合研究所 エネルギー技術部

キーワード：Key Words：

高クロム鋼溶接継手
経年材
クリープ損傷
余寿命

中村 拓弥
杉本 健二
安藤 秀彰

High chromium steel
Weld joint
Used material
Creep damage
Remaining life

Evaluation of creep damage of long-term used high chromium steel piping weld joint

Shikoku Research Institute, Inc., Energy Engineering Department
Takuya Nakamura, Kenji Sugimoto and Hideaki AndoAbstract

In high chromium steel (9Cr steel) used for the steam piping in the ultra super critical pressure thermal power
plants, there are concerns about the decrease in strength of weld joint due to long-term use and the occurrence ofsteam leak. Therefore, the sample was collected from the steam piping that has been used for about 120,000 hours,
and the state of creep damage was evaluated.
As a result of the creep rupture tests, the creep strength of the used material was close to the average creep
strength of the virgin material and it was evaluated that it has a remaining life of about 160,000 hours.
Furthermore, creep interrupted tests were carried out and the process of creep damage was investigated bymeasuring the hardness and the voids of the test pieces.

－1－長期使用された高クロム鋼配管溶接継手のクリープ損傷評価

1. はじめに

2.2 クリープ破断試験

超々臨界圧（蒸気圧力 24.1MPa 以上、蒸気温度

クリープ破断試験は試験応力または試験温度を593℃以上）火力発電プラントの蒸気配管に使用さ実機使用条件より高めた加速クリープ条件で行われれている高クロム鋼（9Cr 鋼）においては、溶接継手るが、このうち使用材について応力加速試験を行うとを起点とした損傷事例が報告されており、長時間領試験応力が高いほど未使用材の破断時間に対する域のクリープ強度が当初の想定よりも低いことが明ら使用材の破断時間低下割合が大きくなることが多く

１)かになっている 。現状の高クロム鋼溶接継手のクリの材料で認められている ４) 。このため、本研究では、

ープ損傷評価は、クリープ破断試験データをもとに試験応力は、実機の使用応力とし、試験温度を加速２)作成された寿命評価式 による安全側の評価を基本させるアイソストレス法を採用した。表３にクリープ破としている。しかし、試験データは、バラツキが大きく、断試験条件を示す。試験応力は次に示す周応力の最長 5 万時間程度と実機での使用時間に比べて短平均径式を用いて算出した。
D
 0. 5  2t

いことから、寿命評価式による評価と実機配管の損  p

傷状態の乖離が大きい事例も確認されている。また、(1)

溶接継手外面を対象にレプリカ法によるボイド観察もここで、σは周応力[MPa]、p は蒸気圧力[MPa]、D は実施されるが、高クロム鋼の場合は肉厚内部からクリ外径[mm]、t は肉厚[mm]である。試験温度は試験期ープ損傷が進行することが多いため、最大損傷部位

間 （１年 以 内 ）を考 慮 して 670℃、680℃、690℃、を評価できない問題がある。

700℃の 4 条件を設定した。なお、クリープ破断試験

一方、実機で長期使用された使用材を対象としたは JIS Z 2271-2010 に基づいて実施した。

クリープ試験により直接的にクリープ損傷を評価でき

表１ 高温再熱蒸気管の仕様および蒸気条件

るが、その調査報告事例はごく限られている。
そこで本研究では、超々臨界圧火力発電プラントにて約 12 万時間使用された高温再熱蒸気管からサ管仕様

ンプルを採取し、クリープ破断試験を実施して余寿命を評価するとともに、クリープ試験によりクリープ損
蒸気条件

傷過程を調査した。

材質

火SCMV28NT SR（改良9Cr鋼)

外径711.2mm

肉厚39mm

圧力4.52MPa

温度596℃

使用時間

約12万時間2．試験方法
2.1 供試材および試験片

表２ 供試材（母材部）の化学成分および熱処理条件３)

供試材は、超々臨界圧火力発電プラント（定格出化学成分(wt%)

力 70 万 kW）にて約 12 万時間使用された改良 9Cr

CSiMnPSNiVNb

鋼製の高温再熱蒸気管直管長手溶接継手から採取

供試材

0.09

0.35

0.440.006

0.001

0.140.20.08

した。高温再熱蒸気管の仕様および蒸気条件を表１

規格値

0.08～
0.120.20～
0.50

0.30～
0.18～ 0.06～≦0.020 ≦0.010 ≦0.40
0.60
0.250.10

化学成分(wt%)に、供試材（母材部）の化学成分および熱処理条件
を表２に示す。供試材の化学成分および熱処理条
件は規格３)の範囲を満足していた。
試験片は、上記供試材の肉厚中央部から、溶接

熱処理条件

CrMoNAl焼ならし焼き戻し

供試材

8.44

0.980.047

0.01

1050℃×30min

780℃×30min

規格値

8.00～
9.50

0.85～ 0.030～≦0.04 1040℃～1095℃
1.050.070

金属を中心として左右の HAZ（Heat Affected Zone：外面熱影響部）を含むように標点間直径 10mm、標点間母材溶接
HAZ 金属HAZ730℃以上

母材長さ 50mm の寸法で採取した。試験片の採取位置および寸法を図１に示す。

L=50mmφ10mm

M18
内面132mm

図１ 試験片採取位置および寸法－2－

長期使用された高クロム鋼配管溶接継手のクリープ損傷評価

表３ クリープ試験条件

2.3 クリープ中断試験

応力

クリープ損傷過程を調査するため、クリープ破断試
験のうち、最も実機に近い 670℃条件の破断時間をクリープ
破断試験

もとに 20%、40%、60%、80%のクリープ時間で中断させ

39MPa
(周応力)

るクリープ中断試験を JIS Z 2271-2010 に基づいて実クリープ中断試験施した（表３）。

39MPa
(周応力)

温度670℃680℃
690℃
700℃

試験時間
破断まで破断時間×20%
破断時間×40%
破断時間×60%
破断時間×80%670℃

2.4 金属組織観察およびボイド個数密度計測
各試験片断面観察用のサンプルは、試験片中心100軸を含む面で半裁し、観察面を耐水研磨紙にて寿命評価式 平均線

#800 まで研磨した後、ダイヤモンド研磨、アルミナ研

log 10 t r   a0  a1 log   a 2 log    a3 Tabs  C

2（高応力域） （低応力域）
a0  37455.9 a0  31306.0
a1  4166.8
a1  4240.8

磨にて鏡面に仕上げ、塩酸・ピクリン酸混合液によりエッチングして作製した。SEM 観察前には断面を白応力 σ (MPa)金蒸着した。各試験片断面の金属組織を日本電子（株）製の SEM（JSM-6010LA）を用いて観察し、光学倍率 500 倍の 16 視野（0.711mm2）の中で観察されたボイド数からボイド個数密度を算出した。

a 2  2986.1

a3  0.1728

C  34.7767

C  22.5811

寿命評価式 平均線
670℃
680℃
690℃
700℃

670℃
680℃

2.5 硬さ計測

690℃

硬さ計測は、各試験片断面の中心線上をミツトヨ

700℃
10100（株）製マイクロビッカース硬さ計（HM-200）を用い、1,000

10,000100,000

1,000,000

破断時間 tr (h)試験力 HV0.3（2.942N)、押込み時間 10 秒、計測間

図２ 破断時間と寿命評価式（平均線）の比較

隔 0.25mm で JIS Z 2244-2009 に基づいて計測した。
各 試 験 片 の端 部 10mm の 母 材 領 域 は 計 測 間 隔HAZ 破断0.5mm で計測した。

(700℃,39MPa)

3. 結果および考察(690℃,39MPa)

3.1 クリープ破断試験
クリープ破断試験結果を新材の平均的なクリープ(680℃,39MPa)

強度（寿命評価式平均線）とともに図２に示す。各試(670℃,39MPa)

験片の破断時間は、寿命評価式の平均線に概ね近10mmい結果が得られており、供試材のクリープ強度は新

図３ 破断試験片の外観写真材の平均的なクリープ強度と同程度と推測された。
破断試験片の外観写真を図３に示す。破断位置は全て HAZ 破断であった。クリープ破断絞りを図４に示100
クリープ破断絞り (%)

す。破断絞りは 30%前後であり、破断時間が短いほど延性的になる傾向がみられた。
3.2 余寿命評価
アイソストレス法にもとづき、各試験片の破断時間と温度の間に回帰線を作成して求めた余寿命評価

806040200100結果を図５に示す。評価温度 596℃における余寿命は約 16 万時間と評価された。

1,000
破断時間 tr (h)図４ クリープ破断絞り－3－10,000長期使用された高クロム鋼配管溶接継手のクリープ損傷評価

3.3 金属組織観察およびボイド個数密度計測
中断試験片（中断時間 80%）断面金属組織の SEM
写真を図６に示す。母材や溶接金属に比べて、HAZに多くのボイドが認められた。各試験片 HAZ の最大ボイド個数密度とクリープ損傷率との関係を図７に示(a) 母材 (24 個/mm2）す。ここで、供試材のクリープ損傷率 Dc を実機使用(b) 溶接金属 (15 個/mm2)

時間と寿命評価式平均線の比から求めたうえで、各中断時間のクリープ損傷率を設定した。HAZ におけるボイド個数密度はクリープ損傷の進行とともに 11 個/mm2（Dc18.6%）、34 個/mm2（Dc34.9%）、180 個/mm2（Dc51.2%）、200 個 /mm2 （Dc67.4%）、755 個 /mm250μm（Dc81.6%）と計測され、クリープ前半に比べて後半に2(c) HAZ (755 個/mm ）おいて、より増大していた。

図６ 金属組織観察写真（中断時間 80%）
1,4003.4 硬さ計測
各試験片中心線上の硬さ分布計測結果を図８に1,200

ボイド個数密度 N （個/mm 2）示す。クリープ損傷の進行とともに HAZ の軟化は著しく、HAZ 最軟化部の硬さは約 130HV であった。また、母材部および溶接金属部においても 30HV 程度の軟化が進行していた。硬さとクリープ損傷率の関係を図９に示す。母材および溶接金属はクリープ前半で軟化が進行し、後半の軟化は緩やかであった。
一方、HAZ はクリープ後半においても軟化が進行しており、軟化進行はボイドの増大との関連が強いと推1,000800600400200測された。

00204060クリープ損傷率 Dc (%)

750

80

100

図７ ボイド個数密度とクリープ損傷率の関係
270

700

供試材
中断時間20%
中断時間40%
中断時間60%
中断時間80%
破断試験片

650

230
210

600

硬さ（HV）

温度 Ｔ （℃）

250

596℃

190
170

550
100

約16万時間
1,000

10,000100,000
破断時間 tr (h)試験力：
HV0.3(2.942N)

150

1,000,000130

図５ クリープ破断試験に基づく余寿命評価

母材

HAZ 溶接金属 HAZ

母材110-25 -20 -15 -10 -5 0
5 10 15
溶接金属中心からの距離（mm）

図８ 硬さ計測結果－4－2025

長期使用された高クロム鋼配管溶接継手のクリープ損傷評価［参考文献］

300
溶接金属（平均）2801) 長井誠示，山崎壮一，屋口正次，実機高クロム

母材（平均）

260

鋼溶接部の損傷状態および余寿命評価に関すHAZ（最軟化部）

るデータベース構築-第 1 報，電力中央研究所

硬さ（HV）

240

報告 Q14002，（2014.8）2202) M. Yaguchi, K. Nakamura, S. Nakahashi, “Re‐200

Evaluation of Long ‐ Term Creep Strength o ｆ

180

Welded Joint of ASME Grade 91 Type Steel”

160

Proceedings of ASME 2016 Pressure Vessels andPiping Conference,PVP2016-63316,20161403) 経済産業省,「発電用火力設備の技術基準の解120釈」,p129,（2013.5）

1000204060
クリープ損傷率 Dc (%)

801004) 金丸修，清水勝，大場敏夫，八木晃一，加藤雄平，服部健司，長期使用ボイラ配管の内圧クリー

図９ 硬さとクリープ損傷率の関係

プ破断強度と Iso-stress 法による寿命予測，火4. まとめ力原子力発電，(1990.3）

超々臨界圧火力発電プラントにおいて長期（約 12万時間）使用された高クロム鋼配管直管長手溶接継手から採取した試験片を対象にクリープ破断試験を実施した。試験の結果、供試材のクリープ強度は新材の平均的なクリープ強度に近く、約 16 万時間の余寿命を有すると評価した。さらに、クリープ中断試験を実施して、クリープ損傷過程を調査した結果、HAZに多くのボイドが確認され、それらはクリープ損傷の進行とともに増大していた。HAZ においてはクリープ後半においても軟化が進行しており、軟化進行はボイドの増大との関連が強いと推測した。
［謝辞］
本研究は、四国電力㈱火力部殿より委託を受け実施したもので、ご協力いただいた関係各位に深く感謝いたします。

－5－