構造物・機器の損傷調査と余寿命評価
1.

損部品を調査し、破損した過程を明らかにする損はじめに傷調査技術が要求される。
機械、構造物を安心・安全に運用するためには、

一方、機器設備は経年使用による寿命消費、部「保守に対する検査の役割といくつかの対応」で材劣化等が問題になるので、安心・安全に運用す報告したような検査技術、モニター技術を駆使しるためには機器設備の健全性評価、寿命評価が重て装置の健全性を評価しながら運用していくこと要となる。また、経済的な設備更新時期の決定、が重要である。しかし、これらの装置はしばしば設備の高効率化をはかるための運用条件変更時の種々の原因で損傷（注：損傷の類義語として不具安全確保には、健全性評価、余寿命評価が用いら

合、トラブル、故障、事故、破損、き裂、割れ、れる。これらの評価は、該当部材の寿命消費要因

ガタ、などの用語が用いられるが、これら全てをを明らかにし、寿命消費過程、寿命消費後の損傷総称して以後損傷と呼ぶ。）が発生する。損傷要発生事象を理解して、はじめて可能となる。つま因には、装置に内在していた場合と操作ミスにより、寿命診断技術は損傷調査技術を発展させたもる人為的な場合があるが、調査、損傷対策が必要のであり、将来の損傷発生箇所、時期を予想し、になるのは前者の損傷内在要因である。

必要に応じて補修、補強、更新時期などの対策を損傷が発生した場合には、機器の重要度、被害提案、実行することにその意義がある。設備のメの大きさ、機器、部品の価格などによって対応はンテナンスは、これら健全性評価、寿命評価を常異なるが、損傷リスクが高くなるほど損傷の発生に考慮しながら、安心・安全を確保し、かつ経済原因究明の要求が高くなる。損傷再発の可能性が的効果も含めた判断に基づいて実施しなければな

高い場合には、迅速で的確な原因究明と適切な対らない。

応が要求される。場合によっては、市場に出回っ

建築物や橋梁の基礎にコンクリート構造物が採ている該当機器全てを回収・無償修理（リコール）

用されているが、これらの構造物も経年劣化してが必要となる。メーカは安心・安全に使用できるいる。特に、日本国内では戦後の昭和時代に多くことを保証しているが、この信頼をなくした場合のインフラ構造物が建造されたが、それらの経年には、企業の存続を左右しかねない事態に陥るこ対策が必要な時期に来ており、コンクリート構造とがある。したがって、損傷が発生した場合に、物の健全性評価の要求が高まっている。

いかに対応するかは、当該企業経営者の重要な判本章では、これら損傷調査、余寿命診断技術に断事項である。

関する調査（検査・計測）、補修工事、コンクリー

損傷の原因究明には、使用環境条件（運転状況、

ト構造物の健全性に関する当社の取り組み状況を

操作状況、運転累積時間）、設計製造条件、材料紹介する。

調査など所定の手順を追って損傷原因を調査し、

2.

損傷調査と対策

その中で一次損傷原因を明らかにしなければならない。その損傷原因究明の有力な手法として、破̶

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機械は種々の原因によって損傷が発生する。技33

̶

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術の発展や合理化の進展に伴って設備自体の大型

圧の繰返しによって疲労き裂が発生進展し、急速化、高速化、システムの複雑化が進んでおり、安心・な破壊に至ったものであった。この圧力隔壁が破安全に運用するためには損傷が発生しない信頼性

損した原因を明らかにすることが、当社で実施しの高い設備が要求される。万が一損傷が発生したている損傷調査に該当する。この損傷原因によっ場合には、徹底的に損傷原因を究明しなければなて、損傷対応策は全く違ったものになる。例えば、らない。損傷が発生しても何の対策も打たずに、

圧力隔壁の破損原因が基本的な設計ミスであった

原因不明のまま運用されることは安心・安全の見場合、対策は急を要し、全世界で就航している同地からは許されないことであり、損傷原因が明ら型航空機を即刻使用禁止にする必要がある。材料、かになれば、経済的で的確な対策も立てられる。

材質、製造欠陥であった場合、該当機の製造年月

損傷の原因究明には、外観表面上の破損箇所に日から、その当時に資材購入、製造した航空機をとらわれない、一次損傷要因を見つけ出すのが最明らかにして、同じ欠陥を持つ該当航空機を使用も重要である。ロケットの爆発事故、航空機墜落禁止して、部品交換、修理すればよい。また、テ事故のように甚大な災害が発生する場合でも、一ロによる爆発物持ち込みで爆発したのであれば、次原因はシールパッキンの不具合、信号線の焼失、航空機の問題ではなく、空港のセキュリティ−補修の不手際、操作ミスなど単純なミスが原因とチェックの問題となる。

なって致命的な問題になる場合が多い。例とし

このように航空機墜落事故の例で一次原因が明て、航空機事故で最大の犠牲者を出した日本航空

らかになったとしても、多くの墜落原因が考えら

機の御巣鷹山墜落事故では、墜落の直接原因は垂れ、その原因によって対策も変化する。ただ、い直尾翼消失（二次損傷）による操縦不能で山に激えるのは正確に真の原因を明らかにすることが重突したが、垂直尾翼が消失したのは、客室内の圧要であり、その原因に基づいた的確な対応策を立

力隔壁が破損（一次損傷）し、客室内の空気が高てる必要がある。対策が間違えば、事故は再発す

速で膨張し、圧力隔壁の後ろにあった集中油圧制る。

御装置と補助エンジンを破壊し、さらに垂直尾翼事故の損傷原因を明らかにするには、破損品、のボックスビームを破壊したからである。この圧損傷品を回収し、詳細に調査しなければならない。

力隔壁が破損さえしなかったなら、無事定刻に大H2 ロケット 8 号機の失敗では、ロケットエンジ

阪伊丹空港に着陸したはずである。事故調査ではンを太平洋の海底 3000m から引き上げて調査しこの圧力隔壁が破損したことが一次原因であるこた。その結果、損傷原因が推定の域から、現物調とは比較的早く明らかになった。しかし、なぜ圧査で損傷原因（液体水素ポンプのキャビテーショ

力隔壁が破損したかの原因が明らかになるまでにン発生）が明確になり、的確な対策が打つことではかなりの調査期間を要した。事故機は事故の 7問題を解決できた。このように、損傷調査には、年前の 1978 年 6 月に大阪空港着陸の際、尾底部損傷該当部品の調査が必要不可欠である。また、を滑走路面にぶつけて中破したために（いわゆる調査担当者は対象物に応じて高度な専門的技術、「しりもち事故」）、機体を羽田空港整備場まで曳卓越した技能、経験が要求され、調査は慎重に手航して修理した。圧力隔壁の疲労破壊はそのとき順を踏んで実施していく必要がある。

の修理ミス（修理指示図どおりに実施されなかっ2.1

たこと）に原因があり、局部的に過大な荷重と与̶

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損傷調査の手順

機器に損傷が発生した場合、その原因を明らか34

̶

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は難しいといえる。

にするには一定の手順が必要であるが、調査対象物、調査手法を臨機応変に対応しなければならな

これが複雑な機械に損傷が発生した場合には、い。簡単な例として、自転車の車輪で空気が抜けその原因の調査、対策を立てるには高度な専門的た場合を考えてみる。復旧には、以下のような手知識が要求される。例えば、火力発電用ボイラ

順を踏む。

が突然停止した場合、送風機停止⇒送風機駆動用①単に空気が入っていなかった場合（メンテナン

モーター停止⇒モーター動力ケーブル過熱・焼損

スミス）⇒動力ケーブルサイズ選定ミス⇒ケーブルサイズ

まず、空気入れで空気を入れる。問題なければ、計算時の電流値過少（設計者の誤認識）…というそのまま使用でき、対策完了。

ように真の原因まで遡らねばならない。対策、対応を間違えたために、甚大なる事故が発生した例②空気が入らない、すぐに空気が抜ける場合（経は枚挙にいとまがない。

年劣化）
経年劣化による空気入れ口の弁、虫ゴムの不損傷の発生確率、頻度分布を示す場合、図 1 に良、劣化が考えられる。この場合は新しい虫ゴ
ゴ

示すバスタブ曲線が使われる。損傷が発生した場ムに交換する。

合、図のバスタブ曲線でどの位置に該当するのかを検討しながら、損傷発生に至った事情聴取は以③タイヤの摩耗、チュ−ブのパンク。（釘など外部要因、経年劣化）

下のような手順を踏む。

簡 単 な パ ッ チ 貼 り の パ ン ク 修 理 で よ い か、

①人為的操作ミスの可能性について
操 作 ミ ス の 場 合 は、 設 備 が 問 題 で は な く、チューブ、タイヤを交換するか検討する。

ヒューマンエラー対策が必要になる。

④衝突などによる車輪（リム）の変形、破損。（空②装置の実績（損傷が頻発しているかどうか）気が抜けたのは二次的損傷）
この場合は車輪の交換か、自転車を廃棄処分す新製品の初号機であれば、初期故障の可能性大るかは、部品交換費用との大小で判断する。

である。

これらの手順を踏み、損傷原因を明らかにして③運転時間対策を打たない限り、正常な状態には戻らない。

運転時間が長く、ある時突然破損した場合は、対策にも使用者の運用状況、費用の兼ね合いがあ

経年劣化による末期損傷の可能性が高い。
④使用環境変化、運転条件変化

る。チューブがパンクした場合、パンク部の補修によるのか、チュ−ブ交換するかは、経験者の事象に基づく判断が必要である。ゴムチューブが劣化している場合には、補修よりもチューブの交換を選ぶ。釘などによる単純なパンクの場合には、安価なパッチ当てによる補修で十分である。このように対策手段は一義的に決まるものではなく、状況判断が必要である。自転車のような単純な装置でも、損傷対策にはこれだけのステップが必要であり、自転車屋のおじさん（専門家）が必要である。ママチャリに乗っているママさんでは対応̶

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図１

35

̶

設備の損傷バスタブ曲線
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環境が変化した場合、運転モードが変わった場る。

合など。これは、偶発事故で常時可能性がある。

②調達ミス⑤損傷被害の大きさ、部品の価格

発注時に正しく注文されなかったり、発注した原因究明には費用が発生するので、調査規模

材料と異なるものが納入されているにも拘わらを決めるときに、費用の概算を検討する。損傷ず損傷が発生するまで気づかないことがある。
③材料製造ミス

調査には必ず費用対効果を勘案しながら対応する。例えば、自転車の故障に修理、調査費用に材料メーカが材料組成、製造方法を間違えた製

数万円もかけることはあり得ない。反面、被害品を納入し、発注者側も気がつかずに使用し、額が数 100 億円になるような大型設備の損傷に損傷が発生するまで気づかないことがある。
④加工・組立ミス

は、当面の費用の多寡にこだわらず真の損傷原因が明らかになるまで徹底した原因究明と対策

多数の部品や素材を使用して加工・組立てる場の立案を実施する。

合、設計仕様で指示された材料と異なるものを損傷の原因調査は、当該設備の運用状況、背景

使用してしまうことがある。一部に異なる材料を聞きながら、損傷部位を観察、記録する。調査が混入する、いわゆる、異材混入が生ずると正にあたっては、原因が明確な場合以外は予め原因

規の材料より低級材を使用した部分に損傷が発を特定せずに、可能性のある要因を広く検討しつ生する。

つ、その中から可能性のないことが立証できる項損傷が発生した場合、損傷部の材料を分析し、目を排除して調査項目を絞り込んでいく。この過正しい材料が使用されていたかどうかを確認しな程を合理的に進めなければ、多大の時間と費用のければならない。材料成分を分析するには、化浪費になりかねず、損傷に関する専門知識を有す

学分析による調査が確実である。サンプルは分ると共に問題解決の知識と豊富な経験を有する人

析する元素数によって変わるが、10g もあれば材が調査に当たることが有効である。当社では各十分である。また、部材を破損することなく非技術分野の専門部家や損傷調査の専門知識と経験破壊で検査する場合には、PMI（Positive Material者を擁しており、さまざまな損傷事象に対応でき

Identification）装置を使用すれば、材料を切り取る。以下に損傷の調査項目、対応について紹介すらずに現場でも分析可能である。最近は海外からる。

の輸入材料を使用する場合が増加しており、所定

2.2

材料の問題

の材料仕様であるか確認の業務が増加している。

機器や装置に使用する材料に起因して発生する材料の機械的特性を評価するには、サンプルに損傷の原因は、その材料選定から調達、製造、加よる引張機械試験を実施する必要がある。同じよ工・組立のいずれの段階においても潜在しており、

うに、非破壊的に強度を評価するには、エコーチッ

次のようなものがある。

プやショアー硬さ計等の硬さ計測器を使用する。

①仕様決定時のミス

また、鋳物などの製品の内部欠陥検査には RT 検

材料の仕様選定時には、使用する条件や環境、査（X 線、放射線検査）が有効である。また溶接

例えば、温度、圧力、雰囲気、取扱流体、負荷部の非破壊検査では、RT 以外に PT（浸透探傷試

応力、使用年数等（耐久年数）を正しく設定し験）、MT（磁粉探傷試験）、UT（超音波探傷試験）なければ、適正な材料が選定されないことにななどの非破壊検査手法がある。

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2.3

設計・加工の問題

2.4

環境要因による損傷は、損傷原因別の分類では、

これは機器製造メーカの問題であり、以下のようなものがある。

常時 1 位であり、環境（腐食）の原因としては以①設計ミス

下のようなものが考えられる。

設計ミスに起因する損傷は、当該製品のみにと①冷却水の問題

どまらず、同型品・同種品にも内在している可②潤滑油の問題能性があり、波及範囲が広く技術上の信頼を低③塩害、ダストなど雰囲気の問題

下させることになりかねない。自動車や家電製④異種金属品のように量産品であれば、リコール対象とな⑤迷走電流による電食る可能性がある。

⑥もらい錆び腐食の問題②製造時の加工ミス⑦応力腐食割れ（SCC）

製造上で、機械加工、溶接、異材混入、不具合など、設備の環境が悪くなれば損傷が発生する。

品混入、誤熱処理、塗料選定ミス、などがあり、腐食の問題も他の損傷事例と同様に真の一次要因

製造過程の検査で漏れた物が対象になる。製造を正確に把握するには、詳細な調査が必要である。

上のミスはメーカ責任であり、家電、自動車等

腐食の原理は金属材料特有の電気化学反応であの量産品でリコール対象となれば、無償修理やり、環境の影響が大きく、材料自体の調査と共に交換が実施される。量産品では、量産に入る前環境も同時に調べなければならない場合が多い。

の品質管理を厳密に行い、不良率を下げる努力

冷却水が問題になった場合でも、水処理に問題ががされている。それでも、設計変更、加工担当

あるのか、配管に問題があるのか、水と共に腐食者の変更、外注業者の変更、材料購入先の変更

生成物を分析する必要がある。損傷部位を水で洗等があった場合など、初期故障が発生する確率

い流したり、付着している汚れ、泥、錆びを吹きが高くなる。一般的に初期故障は、設計ミス、飛ばしたら腐食の元凶を見逃す場合がある。図２

製造・施工時の問題など単純なミスの場合が多は、泥中にいた微生物による微生物腐食によってく、原因、対策は容易に突き止められる事が多い。

生じた配管腐食の例である。

しかし、設計施工時の単純ミスでなく、技術的同様に、潤滑油による腐食、塩害などの環境問に把握できていない未知の問題に起因する損傷で題が発生した場合も、油の採取、スミヤ（表面付あれば、対策が難しくなる。例えば、予期しない

着物の拭き取り採取）によりサンプリングしたり、振動・応力の発生、発熱・加熱、時間依存型損傷、環境の排気ガス、大気の採取、ガス分析が必要に特殊な複合環境下で発生する、などの損傷は原因なることが多い。

が既存技術で特定できないことがある。この損傷

サンプリングには状況に応じた細心の注意がに対する原因究明には、実機運転中の応力計測、必要であり、経験に基づいた採取技術が要求され振動計測、温度計測、実機環境計測などの実機計る。分析目的とする物質をある程度特定し、対象測が有力な手段になる。高温回転機器で損傷が発物の予想測定濃度、精度などを把握しておかなけ

生した場合、使用温度が問題なのか、振動が問題ればならない。これらを間違えば、被測定物の測なのか、動的な振動による発生応力が問題なのか、

定結果よりも誤差要因の方が大きくなり、正確な

実際に計測して原因を究明する必要がある。

分析ができなくなる。

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環境（腐食）の問題

37

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2.5

経年劣化による損傷

一般に機械・設備には耐久年数があり、この耐久年数を超えて使用すれば当然故障頻度は高くなる。老朽化した機械に「ガタがきている、もう寿命である」と言うようになれば、損傷が発生しても修理して使用するか、更新するかの検討が優先し、損傷原因、対策にあまり注意を払わなくなる。
図３

これが経年劣化の事象であり、図１の損傷バスタ

溶接時の残留応力が原因で発生した
応力腐食割れ（SCC割れ）

ブ曲線で右側の発生頻度が急に高くなる領域である。この末期での損傷要因には以下のようなもの

でき裂の進展速度をモニターする手法などが採がある。

用されている。SCC は、発生の 3 要素である（1）腐食・摩耗

材料・応力・環境が共存した場合に発生するので、その 3 要素のいずれかを改善することが防腐食・摩耗は、目視検査で見つかりやすく、止策となる。

進展も一般的に遅く、比較的管理しやすい。腐（2）疲労

食・摩耗が問題になって損傷する場合は、急激な環境変化が大きな要因である。通常の経年に材料は降伏応力点以下の弾性域で使用されよる腐食は管理が容易な部類にはいるが、応力ていても、繰返荷重によりき裂が発生、伝播す

腐食割れ（SCC）の場合は、き裂進展評価が難る場合があり、疲労損傷と呼ばれる。一般的に

しく、ある時突然に発生する場合がある。図３

は、弾性域内の応力範囲で繰返数が数十万回以に溶接時の残留応力による SCC 割れのミクロ上の疲労を高サイクル疲労、塑性変形が含まれ観察結果を示す。以前は SCC の割れが見つかって繰返回数が数万回以下の疲労損傷を低サイクた場合には全て補修の対象としていたが、最近

ル疲労と区別される。一般機械の疲労設計基準

は、板厚方向の応力分布を評価し、正確な引張では、部材に発生する繰返応力が、疲労寿命

応力分布から、き裂を許容する評価法、超音波が無限である疲労限以下で設計される。また。

図２

ステンレス鋼管の微生物腐食̶

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38（SUS304配管）

̶

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ASME 基準では、疲労強度曲線（応力振幅と破後のき裂伝播対策を立てることが重要である。

断回数の関係）で想定寿命中に負荷される回数

き裂が発生した場合の対策としては、部材に−応力振幅点よりも回数で 20 倍点、応力範囲もよるが、発生した疲労き裂を削り取れば再使で 1/2 点で、低い寿命の応力振幅値を許容設計用できる場合、き裂を溶接補修すれば良い場合、応力値とする。図 4 に代表的な疲労損傷破面

き裂先端が鈍化して無視できる場合、き裂先端を示す。破面は一般的に平坦であり、貝殻模様に穴を開けてき裂進展を止める場合、疲労寿命（ビーチマーク、シェルパターン）の形態、ミ消費による新品と交換する場合、等の対策が取クロ観察でストライエーションが観察される。

られる。これら疲労の評価と対策には、設計的長年使用中に、初期設計条件よりも過酷な仕な判断、補修による材質変化と残留応力の影響、

様環境変化、経年による疲労寿命の累積、腐食

疲労き裂からの脆性破壊の可能性の検討、など

による部材減肉による応力増加、腐食ピット形

高度な判断技術が要求される。
（3）クリープ

成による応力集中部位の発生などにより、疲労き裂が発生する。ひとたび疲労き裂が発生すれクリープは、応力、温度、時間の 3 要素で寿ば、それまでの疲労強度評価とは全く異なる「疲命が決まる。クリープ設計基準は ASME 基準

労き裂伝播」による評価が重要になる。疲労損では以下のように決められる。
・設計応力が使用温度で 10 万時間クリープ

傷は、き裂発生までには時間がかかり、き裂が破断強度平均値の 2/3 の値

進展し出すと進展速度は加速度的に早くなる。

・設計応力が使用温度で 10 万時間クリープ

したがって、疲労損傷は、き裂発生直後の微小破断強度最低値の 4/5 の値

き裂を発見することが重要である。
図５は水車のき裂進展解析結果例であるが、・設計応力が使用温度でクリープひずみが10 万時間で 1% 以下の値

き裂（または欠陥）が形成されてから、時間経
過と共にき裂進展速度は速くなる。疲労損傷にしたがって、高温高圧部材は、このクリープ損

は、この微小な初期き裂を見つけることと、今傷にたいして 10 万時間クリープ強度を基準とし

図4

代表的な疲労損傷と疲労破面（シャフトの疲労損傷 SCM435）

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図５

水車ケーシングのき裂進展解析結果て寿命が決まる。しかし、多くの石油化学プラン

殊な検査方法が用いられる。

ト、火力発電設備はこの 10 万時間を経過しても（4）脆化、材質変化

運用されている。これは設計基準値に上述の安全脆化・材質変化は金属材料であれば使用温度

余裕値（安全係数）が含まれているので、10 万（特に高温）による時間依存性、高分子材料で時間経過しても即寿命にはならない。さらに実機あれば紫外線による劣化などがある。これら材

使用条件では、設計基準の温度・応力に対して安料が劣化すれば、いわゆる脆くなり、ちょっと全側レベルで運用されている場合が多く、さらにした衝撃荷重が負荷されることで破損する場合

寿命は延びる。したがって、クリープ損傷評価は、がある。また、脆くなった材質は、補修も難し

現状の対象部位がどの程度クリープ寿命を消費しくなっている場合が多い。これらの損傷調査はているかの評価が重要になる。

難しく、実態からのサンプリングによる材料試

クリープ損傷が発生した場合には、その損傷が験が主な調査事項になる。特殊な事例としては、経年によるのか、局部加熱による部分的な損傷な原子力発電設備における照射脆化に対して、モのかの判断が重要になる。局部的な損傷であれば、ニター用テストピースによる破壊試験による脆該当部位だけの交換でよいが、経年による場合は、化評価などがある。

応急的な処置は難しく、該当部材の全数交換を検

こ れ ら 経 年 損 傷 で、（1） 〜（3） の 3 項 目 は、討しなければならない。図６に SUS316 主蒸気管

高温機器構造部材の損傷原因で 3 大要因と呼ばのクリープ損傷事例を示すが、クリープボイドのれ、特に火力発電用ボイラの機器損傷で 90% 以生成による損傷は管断面全体に広がっている。ク

上が該当する。

リープ損傷評価は、材質の劣化、クリープボイド

2.6形成などのミクロな損傷形態であり、目視によるこれらの損傷原因を調査するには、損傷部材の評価は難しく、レプリカ法（SUMP 法）などの特ミクロ観察が必要である。損傷状態を観察すれば、

̶

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損傷材料調査手順（腐食、疲労、クリープ）40

̶

08.10.16 1:14:42 PM図6

火力発電ボイラ主蒸気管のクリープ損傷（SUS316）

ある程度原因が特定できる場合が多いが、複合的なった箇所を検討する。き裂が停止して開口しな要因の場合もあり、先入観にとらわれることなていない場合には、き裂の開放を検討する。きく詳細な調査が必要である。破損部位の損傷原因

裂の開放には、既存のき裂を痛めないように周となり得る可能性の幅を広げた調査項目を最初に囲の母材を切断、開放のためのスリットを入れリストアップし、そこから順次要因、調査項目をる。さらに、開放時に部材が変形しないように絞り込むようにしなければならない。

鉄鋼材料では、-196℃の液体窒素中に入れ、脆損傷調査の手順としては、性破壊で開放する。

（1）外観観察

破面は、汚れている場合は洗浄し、腐食して外観調査は基本であり、必要に応じて拡大いる場合はリン酸系の錆取り材（ネオス）を用鏡、マイクロスコープなどを用いる。まず、外いて表面をきれいに洗浄する。破面を洗浄後、観での腐食状況、腐食生成物、摩耗・減肉状況

走査電子顕微鏡（SEM）で観察する。代表的なの状態把握が重要である。損傷部材の調査開始

破面形態を観察し、破面が延性破壊、疲労破壊、に当たっては、損傷部材を受入れた時の状態が脆性破壊のいずれであるかを判断する。破面観説明できるように外観写真を記録に残す。

察では、き裂の起点と伝播過程では破面模様が（2）損傷部位の特定、形状測定異なる場合があるので、代表的部位を観察し、損傷部材と当該部材の健全状態とを比較し、き裂の発生原因を特定できるような箇所を観察する。

損傷部材の変形状況、破損状況を確認する。破損状況から、荷重方向、変形方向などを明らか（4）損傷部材の断面マクロ、ミクロ観察にしておく。また、き裂の発生状況、発生箇所

破面観察と同じように重要な調査項目としが特定できない場合には、PT,MT,RT などの非て、断面金属組織観察がある。損傷箇所の断面破壊検査によるサブき裂の発生、伝播状況を確

金属組織観察から、き裂が伝播したときの伝播認し、それらの分布状況と破断形状から主き裂状況が確認でき、材料学的な問題点などはこの発生箇所を明確にする。

ミクロ組織観察で明らかになる。図７は歯車の（3）破面開放、破面観察損傷事例であるが、熱処理が入っていない箇所

破面形態、き裂伝播状況の観察から、起点と̶

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からき裂が発生、伝播していることが明らかで

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査だけでは不十分であり、使用状況、損傷原因の推定、応力負荷状況、材料などを確認した上で、調査手法を決定する必要があり、専門知識、経験、推論能力、技能が要求される。
3.

健全性評価と余寿命診断

重厚長大設備を初めとする耐久年数の長い設備を安心、安全に運用して行くには適切な健全性評
価、余寿命診断が要求される。特に、発電プラン
図７

歯車の断面観察（歯底部に表面熱処理不完全部から破損）

ト、化学プラント、橋梁などの大型設備で損傷が発生した場合には、設備自体の損害に止まらず社ある。同様に、表面の腐食状況、孔食、き裂伝

会的にも大きな影響を与える場合があり、的確な播過程などは、損傷部位の断面観察により情報診断方法が必要となる。
代表的な設備の概略耐久年数を表 1 に示す。こが得られる。

の表で示されるように、当然のことながら、寿命（5）硬さ計測
金属組織と合わせて硬さ計測も実施する。特は設備によって異なる。橋梁など 100 年以上の長に鉄鋼材料であれば、この硬さから引張強度

いものからロケットの約 5 分までと極く短いものが推定できるので、有力な情報となる。また、がある。

塑性加工、溶接継手部の硬さ分布、SR（Stress

設備の寿命は以下のような要因できめる。

Relief）条件、表面処理状態、などの材料の機①腐食・摩耗

械強度特性、熱処理履歴の特性が確認できる。

②疲労
③クリープ

（6）表面粗さ計測
疲労などの表面仕上げ状態が問題になる場合

表1

各種機器の寿命には粗さ計測も有効である。また、摩耗してい代表的機器設備・装置

る場合には、元の機械加工面との比較で摩耗量

・鉄、鋼の寿命

2000年

・橋梁、クレーン、一般構造物

100〜150年 100万時間

・水力発電設備

50年〜

・原子力発電設備

30年〜60年 40万時間

・火力発電設備30年〜40年 20万時間

験などを実施する場合がある。化学成分分析で・石油化学プラント

10年〜20年 10万時間は該当規格の成分を分析する場合と、損傷に注

・船舶

20年〜

10万時間

・航空機

20年〜

5万時間

・自動車

2000時間〜 4000時間が定量的に計測できる場合もある。
（7）その他
材料自体が問題の場合、材料の特徴を把握し、材質を特定するために化学成分分析、機械的試

目した特定元素だけを分析する場合がある。同様に、機械試験でも規格試験のみの場合と、構・家電

1000時間造解析に使用するために、実機使用温度で試験

・時計

10年

する場合がある。

・おもちゃ

100時間

・ロケットエンジン

5分

これらの調査を実施するには、単に部材を調̶

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標準耐用年数・耐久時間（累積運転時間）

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50万時間

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④脆化、材質変化

要な課題である。

⑤機能低下（技術革新による設備の陳腐化）

設備の耐久性の評価には、健全性評価、寿命評⑥修理コストと交換コストの比較

価、余寿命評価などの言葉が使用されており、こ

ここで、①から④は部材の材料劣化であり、機れらの言葉が持っている意味は似ているが、正確

械の経年による損傷要因も、前述したようにこのには異なる。個々の言葉について簡単に説明する。

①〜④である。⑤は製品の機能劣化で、パソコン（1）健全性評価

機器のように装置自体の寿命よりも性能の陳腐化

設備を運用していく上で問題ないこと、少なで、新機能品と交換する。⑥はコスト劣化で、一くとも次回点検（定期点検）までは問題ないこ

般家電商品や自動車等の大量生産品で、部品交換、とを評価する。そして、次回点検まで安全に運

メンテナンス等によって長期間使用することを前営できないと考えられる場合には、部品交換、提にしていないものである。

補修などの手当が必要である。
（2）寿命評価

公共設備のような社会資本、製鉄設備や大型発電設備のような重厚長大設備は大型の耐久製品で寿命評価は、現在の劣化状況を把握し、寿命あり、例えば、築地の勝ちどき橋は 1940 年完成

をどの程度消費しているかを判断することであで 68 年経過しているように、水門、橋梁、クレー

り、部品交換時期、設備更新計画など運営上のンでは 50 年以上使用されている設備が沢山ある。

計画を立てるために必要である。問題は、このこれら寿命の長いものについては、損傷が発生し寿命消費率をいかに正確に算定するかである。

てから補修するのではなく、定期的なメンテナン

寿命は装置、個別の部品によって個体差があり、ス管理による健全性確保（リスク管理）が重要で評価技術はメーカのノウハウであり、一般的にある。また、経済性とリスクを考慮したリスクベー

公開されていない。消費寿命を計算するには、スメンテナンスも利用して、メンテナンス効率を

その部材の寿命評価が何で決定されるのかを明高めた手法も採用されている。

確にし、評価する必要がある。この評価には前構造部材としての材料寿命の傾向は石、木材、2 項の損傷調査と関係が深く、主要な損傷が腐金属の順で寿命が短くなる。ピラミッドの石造物、食、摩耗、疲労、クリープ、脆化および複合損

法隆寺の木造建築、エッフェル塔（1889 年完成）

傷であることを紹介したが、寿命評価にはこれの鉄骨構造物などが各材料を使用した年代物の代らの損傷項目毎に個別に評価し、積算して損傷

表的な建築物であるが、この中で、もっと年数が率 D（寿命率）を求め、余寿命 R（時間）はそ

短いエッフェル塔は既に耐久年数越えており、主れまでの使用期間 T（時間）から以下の式で求要鉄骨部材は 100 年経過して交換されている。

まる。

日本国内では、建物、橋梁、発電設備、化学プ

D = N/Nf + T/Tr+Dt/ta + F・T

ラントなどのインフラ設備の老朽化が進行していD：損傷率（0<D<1）

る。既に火力発電設備のように国家プロジェクト

N/Nf：疲労損傷率

として経年対策、検査技術が開発、実用化されて

Nf：疲労破断回数

いるもの、原子力発電設備のように維持基準の見T/Tr：クリープ損傷率

直し、改善が行われている設備もあるが、建物、Tr：クリープ破断時間

橋梁、コンクリート構造物などの評価は今後の重Dt/ta：腐食・摩耗消費率

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N：使用回数

T：使用時間IIC REVIEW/2008/10. No.40

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Dt：腐食・摩耗減肉量 ta：許容減肉量

ど見えないところの検査には超音波厚さ計が使

F：脆化率（単位時間材質劣化係数）

われる。また、孔食などの小さい欠陥を評価す

T：使用時間るには ET（渦流探傷試験）が有効である。応力腐食割れに対しては、材料、環境、応力の 3

R=T・(1/D-1)
R：余寿命 ( 時間 )要素についての評価が必要であるが、材料に関（3）余寿命評価

しては、ステンレス鋼材の鋭敏化を計る DOS

今後、何年使用可能（残存寿命）かの評価で（Degree of Sensitization）テスター、材料成分分あり、（2）の寿命評価（損傷比 D）と余寿命評

析を現場で実施する PMI 装置（炭素元素分析（2）と（3）価（R）を加算したのが寿命であり、可能）、応力を計測する X 線応力計測器を利用

は相関関係がある。しかし、余寿命診断は別なして評価している。また、高温酸化スケールで目的で使用する場合がある。それは、運転方法

は、超音波厚さ計に波形処理機能を持たせ、内を長期連続運転から頻繁な起動停止を伴なう運面の酸化スケールを差し引いた有効肉厚計測技

転に変更したり、生産性向上のために温度・圧術などが開発されている。
（2）疲労損傷

力の上昇など使用条件を変化させた場合、耐久年数がどの程度短くなるのか、余寿命を計算す

疲労損傷評価は、る必要がある。使用環境が変わった場合の損傷

a：き裂発生前の損傷評価、（き裂が生ずる前の率計算は、疲労損傷であれば、線形損傷則、マ

損傷進行程度を評価する）

イナー則、グッドマン線図などの評価手法を適

b：き裂発生または微小き裂の検出、用し、クリープ損傷であれば Larson-Miller パラ

c：き裂伝播評価

メータなどのパラメータ整理で評価する。腐食・の 3 つに分類される。
a のき裂発生前の評価では、硬さ計測、X 線

摩耗、脆化に関しては確立された手法はないが、残留応力計測、X 線半価幅計測、転位組織変

経年変化による評価などを採用する。

化、陽電子消滅などの手法が研究開発されてき本項では、当社が幅広く実施しているこれら

たが、定量的評価が難しく、コストメリット面

機器の寿命評価関連技術について紹介する。
3.1

非破壊検査方法

での優位性がなく、まだ汎用的には採用されて部材の定期検査は非破壊検査が主体となるが、いない。最近は、き裂の発見精度を高めること、健全性評価、寿命評価には、き裂の発見、腐食減

き裂伝播評価、き裂の容認などの方向に技術開

肉だけの調査には終わらず、微小き裂、クリープ発が進展している。

ボイドの検出、材質劣化、応力発生状況などの検b の 微 小 き 裂 の 検 出 に 関 し て は、PT、MT、査・計測が必要になる。当社で実施している個別

ET などの表面検査方法、マイクロスコープにの損傷に対する手法を紹介する。

よる目視検査、内部の欠陥に関しては UT 法が（1）腐食の問題有効であり、画像可視化のために TOFD（Time腐食の問題には、全面腐食、局部腐食（孔食）、

of Flight Diffraction）法、フェーズドアレイ法、

応力腐食割れ、ボイラ管の高温酸化スケール（含ウェーブレット波形解析による信頼性向上など

む水蒸気酸化スケール）などがある。全面腐食が利用されている（「保守に関する検査の役割

は目視検査が主であるが、配管内部の腐食量なといくつかの対応」参照）。疲労寿命評価には、

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̶08.10.16 1:14:49 PM

微小き裂の検出以外に、き裂の形状、分布、発機部材で計測する場合がある。高温機器の場合

生場所など、発生したき裂の特性を評価するこには、さらに熱電対と高温歪みゲージによる温とが要求される。特にき裂先端の形状に着目し、度、ひずみ計測結果から、熱応力解析を実施す

き裂先端が生きている（き裂先端が鋭く、成長る場合もある。

している）のか、死んでいる（き裂先端が開口、（3）クリープ損傷

鈍化、腐食して停滞している）のか判断する必

クリープ損傷は、高温機器における最重要課要がある。そのためにはき裂の形状を拡大して題である。クリープ損傷には、変形（クリープ

観察しなければならず、レプリカ法、マイクロ

変形）、クリープボイドの発生や微小き裂の発スコープを用いて観察する。き裂が単独で発生

生、材質の組織変化などがある。これらの損傷しているのか、複合的に発生しているのか、き形態は使用条件、部位によって異なるので、個裂をどの様に評価するかが問題になる。き裂の別の部材に対して損傷形態を明らかにして評価

サイズが確定されれば、図８に示すようなき裂する必要がある。

サイズで疲労寿命評価したり、荷重変動数またクリープが問題になる場合には、疲労におは応力拡大係数とき裂伝播式の関係から、残存けるき裂よりも小さいクリープボイド観察が主寿命を評価する。

体になる。疲労は局部的な損傷であるのに対し

c のき裂伝播では、図９に示すような応力拡て、クリープは部材全体の損傷になっている場

大係数振幅 DK とき裂長さ a の関係式を用いて合が多く、クリープによる損傷が認められた場評価する。応力振幅は、FEM による構造解析、合には直ちに部品交換を検討した方がよい。ク

ひずみゲージ貼り付け、加速度計取付による実リープボイドは、ボイドが繋がってき裂になる前の状態であり、0.1mm 以下のサイズを見つけるミクロな調査が要求される。通常、クリー
プボイドは応力に依存して発生するので、例えば、厚肉管の場合、応力の高い箇所、材質的に弱い場所から発生する。特に、2.25Cr1Mo 鋼
や、Mod.9Cr1Mo 鋼、12Cr 鋼などのフェライト
系耐熱鋼管では、溶接継手熱影響部（HAZ）軟化層でのクリープ損傷が問題になる。図 10 にMod.9Cr1Mo 鋼 溶 接 継 手 部 の ク リ ー プ 試 験 後のマクロ観察結果を示す。この部位の損傷は、Type Ⅳクラックと呼ばれており、大型火力発
電用ボイラの大径管で重要な問題になっている。また、クリープボイドは表面に出るとは限
らず、内部から発生する場合があり、内部の評価をする必要がある。内部の評価には超音波を用いたノイズ分析法が有効であり、この手法は

図8 微視き裂測定によるき裂長さと疲労寿命の関係（2.25Cr1Mo鋼）
̶

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IHI グループ独特の技術である。

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図９

疲労き裂伝播解析による寿命評価（4）材質劣化
金属材料を高温で長時間使用していると材質
劣化、組織変化が生ずる。ステンレス鋼であれば炭化物の析出による鋭敏化、σ相などの金属間化合物の析出、低合金鋼であればパーライトの球状化が問題になる。また、高温酸化による
結晶粒界酸化が問題になる場合もある。これらの検査には、レプリカ採取が簡便でもっぱら利用されている。最近はマイクロスコープなども
図10 高Cr鋼溶接継手部の内圧クリープ試験後のミクロ組織利用されつつあるが、写真の解像度が十分とは言えず、改良が望まれる。利用の仕方では、図̶

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46

̶08.10.16 1:14:52 PM

11 に示すように時間、温度別に分類して、使き取りによる破壊試験に変わって、図 12 に示す

用時間と組織から運転温度が推定できる。

ような放電加工で微小サンプルを採取し、部材

3.2

破壊試験法

はサンプリング後も使用できる準非破壊検査方式

破壊試験法はもっぱら疲労とクリープの評価に（ミニチュアサンプリング装置）も開発された。

用いられる。破壊試験法には表２に示すように、

このサンプリング装置は小型化されて従来のもの

サンプル材から損傷形態と同じ機械的加速試験によりも使いかってが良くなっている。

よる場合と、サンプリング材自体の内部組織変化

これら微小サンプリング材に対する機械試験とに注目した評価手法が開発されている。また、試して、ミニチュア試験片による加速機械試験、ス

料のサンプリング技術も進歩しており、従来の抜モールパンチング試験方法などが開発、実用化さ

図112.25Cr1Mo鋼の時間と組織変化の関係̶

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表2

破壊試験法による余寿命評価試験法

用圧力、温度、応力、振動数）が必要である。解

種

類

計測手法

検出項目

析にはバランスが必要で、細かく評価しなければ

破壊試験法（標準試験片）応力加速試験
温度加速試験
θプロジェクション法

クリープ

ならないところと、マクロ的な評価が重要になる

小型試験法

小型試験法

クリープ
疲労

に組み合わせることにより評価精度を落とすこと

密度法

クリープ

なく、安価に評価できる。

パンチング試験

脆化
クリープ

SAD法
ミクロ観察法（電子顕微鏡観察） 菊池線法

場合がある。ミクロ・マクロ的な解析手法を適切

余寿命を解析で評価する場合には以下のような手順で進める。

疲労
クリープ①既存の損傷状況（腐食による減肉、き裂の有
無、材質の劣化の有無）②運転時間の評価③損傷、劣化状況の定量化④今後使用していく過程での損傷率、寿命消費率⑤余寿命計算⑥次回定検時期、検査項目、補修・交換部品の決定、などである。
したがって、解析といえども現状の使用状況を

図12

いかに正確に把握するか、損傷、劣化状況の把握、現地における微小サンプル採取装置

使用開始から現時点までの寿命消費率の計算、等れている。また、微小サンプルから、透過形電子に基づいて解析、計算する必要がある。工業製品

顕微鏡（TEM）によるミクロ観察で金属結晶構

は生まれが同じでも運用によって寿命、寿命消費

造内部の転位密度、サブグレインの結晶方位差な率は大幅に変化する。寿命評価は個別の機器で実どによる評価技術も開発、実用化されている。

施する必要があり、個別に実施する方が誤差が少破壊試験は、サンプリングにコストがかかるこなく、信頼性が高くなる。検査を省略すればすると、補修技術が必要なこと、クリープ試験のようほど評価のバラツキが大きくなり、安全側の評価に試験時間がかかることなどの不利な点があるにをする上で最短寿命を選択することになり、誤差も拘わらず、寿命評価精度が他の手法とあまり差が大きくなる。

がなく、優位性が低下している。一方、非破壊検4.

補修技術（溶接補修）

査技術や解析技術の信頼性向上とコストダウンが4.1

図られ、余寿命評価技術としての破壊試験は、非構造部材の経年劣化対策として最も経済的で有破壊検査、解析法の実証的な手法になっている。
3.3

解析による寿命評価

効な手段に補修溶接がある。特に大型の構造物で余寿命評価は、解析による残存寿命評価が主体

は、設備を更新する場合には工事が大規模となになる。余寿命の評価精度を高くするためには、り、最適な設備更新時期の見極めと共に、補修に部材の非破壊検査、破壊検査、運用上の情報（使よる延命化が望まれている。中でも、一般構造物

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溶接補修

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の主要な損傷形態である腐食、疲労に対して特にり、不純物や欠陥を含むものが多く、溶接性が劣補修技術が有効である。腐食の場合は、腐食減肉ると考えられる。さらに、鋳鋼は溶接性を考慮せ部にパッチ当ての補強板を溶接すれば多くの問題ずに製作されている傾向があるため、溶接性を始は解決する。疲労損傷の場合は、まず発生したきめ機械的性質を重視して製作された圧延鋼と同等裂に対して、き裂先端にき裂停止キリ穴を開けるの化学成分であっても溶接性が劣ると考えられ場合、き裂を取り除く場合、き裂除去後補修溶接る。すなわち、鋳鋼は鋳造組織であるため結晶粒する場合などの対策が取られている。この中で、が大きく、炭素量が大きいものは溶接の際に熱影最も安心して使用できるのは、やはり補修溶接で響部が硬化し、低温割れが発生しやすい。また、ある。しかし、溶接補修は部材の加熱による熱影

溶接の予熱温度は、母材の化学成分により異なり、

響部、溶着金属部が形成され、残留応力の発生な

炭素量の増加とともに高くする必要がある。そのど、少なからず部材本体に影響を与え、安易に修ため鋳鋼の溶接方法、溶接材料、溶接条件の選定

理した場合には構造部材の寿命を縮める可能性もに当たっては、以上の点を十分に考慮する必要があり、経験と技術が要求される。当社では、溶接ある。このようなことから、鋳鋼の溶接施工方法

施工技術の開発と併用して、これら補修技術も開としては、各施工法の長所および短所を調査し、発している。

さらに比較的機材準備が容易であるなど現地にお補修を必要とする構造物は、供用開始後長期間のける施工を考慮して、被覆アーク溶接（SMAW）

使用による経年劣化や欠陥（き裂）の発生によるもによる補修方法を検討した。

のが多い。この欠陥の検出は超音波探傷検査（UT）

溶接補修方法を確立するにあたり、補修対象でなどの種々の非破壊検査を実施し、問題となる欠陥ある高経年の水車部品の成分分析は不可欠であの位置、サイズを把握する。この欠陥については数

り、また、溶接補修適用判断基準を確立するため

値解析による応力拡大係数とき裂伝播式で余寿命診にも、実機成分に即した試験体を製作して溶接試断を行い、精度の高い更新時期の選定が可能になっ験を実施する必要がある。そこで昭和初期に建設た。その代表例として、水車のケーシングに関するされた、いくつかの発電所の水車部品の成分分析

補修溶接の取り組み状況を紹介する。

を実施した。これら成分分析の結果より、溶接時

4.2の割れ感受性を示す割れ感受性組成（PCM）は 0.4％

水車ケーシング材の補修技術

水力発電用設備はエネルギープラントの中で最以下であることと、不純物であるリン（P）およも高経年設備であり、50 年以上運用されているび硫黄（S）が現在の JIS 規格をオーバーしてい設備が多く、水車部品の多くは造型が容易な鋳物るものが存在することが確認された。なお、PCM（鋳鉄、鋳鋼）で製作されている。一般的に鋳物は式 1 で表される。

の溶接技術は、比較的溶接が容易な鋳鋼であってPCM = C +も圧延材の溶接技術と異なる部分が多い。そこで
このような特殊材料の補修溶接技術の研究、開発……………式 1を実施している。

これらの結果から、実機の成分分析結果に基づ

水車部品は昭和初期に製造されたものが多く、

き PCM を基準に成分の異なる試験体を 5 種類製作

特に鋳鋼製水車部品は、当時の製作、検査技術にし、割れ発生防止予熱温度を選定するため y 型割より製造されているため現在の JIS 規格とは異なれ試験片（JIS Z3158）を採取し、試験を実施した。

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Si Mn Cu Ni Cr Mo V
+
+
+ +
+
+ 5B
30 20 20 60 20 15 1049

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その試験結果から、母材成分および予熱温度に100℃以上とした。
この評価結果に基づき、鋳鋼製水車部品の経年よる溶接補修適用基準を確立することにした。
溶接割れ感受性組成（PCM）をパラメータとし材（経年 70 年以上、PCM 値 0.3％相当）を入手し、て、一般的な炭素鋼の値から実機成分分析で明ら前述の施工条件にて溶接試験を実施した。その結かになった高めの値までを網羅するように、PCM

果、溶接性に問題はなく、硬さ試験、引張試験でが 0.1％ずつ異なる、0.1、0.2、0.3、0.4％を目標

も問題のないことを確認した。当社では一般的なとする 4 種類の鋳鋼製試験体を製作した。さらに、溶接補修から特殊材料である鋳鋼製高経年の老朽

これらのうち一般的な炭素鋼に多い PCM が 0.2％化した水車部品の溶接施工方法、溶接補修適用基のものについては、P および S をそれぞれ 0.1％

準を確立するなど、多岐に亘り溶接補修技術につ含有させた試験体も製作し、不純物が溶接性に与いての研究・開発を実施している。今後、これらえる影響を調査した。

手法に基づいた溶接補修技術の向上を図り、残存割れ防止に大きな影響を及ぼす予熱は、予熱な寿命の延命化を図ると共に、長期にわたる信頼性の維持向上を図っていく。

し、50℃、100℃とし、それ以上は周辺機材への影響、変形、さらには狭隘部での溶接環境などを

5.

コンクリート構造物の健全性評価

考慮し対象外とした。被覆アーク溶接用の極低水
5.1

素系溶接材料が最適な溶接方法であることが事前試験により確認されており、本溶接材料を用いた

当社では従来、鉄鋼材料を主体とした損傷調査、

場合、PCM が 0.3％程度までは予熱なしでも割れ

経年劣化診断、補修技術の開発を実施してきたが、が発生することなく溶接可能であり、PCM が 0.4％

社会的インフラや建築構造物においては、コンク程度になると 100℃以上の予熱が必要であること

リート材料を使っていないものを見つけるのが困がわかった。さらに、PCM が 0.2％程度である場

難なほどコンクリートが多用されている。コン

合、不純物の影響により溶接性が大きく変わらな

クリート単体としての圧縮強度はおおよそ 20 〜

いことを確認することができた。

100Mpa で引張強度はその約 1/10 程度という特徴

本試験の結果より、鋳鋼製水車部品を補修溶接

からほとんどがその弱い引張部分に鉄筋を埋め込する場合の溶接補修適用基準を以下に示すとおり

んで合成された鉄筋コンクリート（Reinforcementとした。

Concrete）構造がほとんどである。

溶 接 方 法：被覆アーク溶接

鉄筋とコンクリートの線膨張係数はほとんど一溶 接 材 料：JIS Z3212 D5016、AWS A5.1

致していること、鉄筋はコンクリートの強いアル
カリ性に守られて防食されているなど、非常に合E7016、極低水素系溶接材料
予 熱 温 度：100℃以上

理的な組み合わせとなっている。さらにコンク

溶接補修対象：鋳鋼製水車部品（ただし、PCM

リートの引張に弱い弱点を解消すべく、PC 鋼材≦ 0.4％のみ）

でコンクリートを締め付け、予めコンクリートに

予熱温度について、PCM ≦ 0.3％では予熱なし

圧縮応力（プレストレス）を作用させた構造（プでも施工可能であることを確認したが、補修対象

レストレストコンクリート構造）も開発実用化さが水車のケーシングおよびステーベーンであるこれた。以上の特徴とコンクリート単価が安いこととから、残存する水分を確実に除去するためにも相まって高度経済成長時にはかなりのコンク̶

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コンクリート構造物の特徴

50

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リート構造物が築造され現在に至っている。ただカ（空隙の多いコンクリート構造物の不良部分

過去には半永久的と思われてきたコンクリート構のことをいい、「豆板」とも言う。）などにより造物の劣化が近年顕著になっており、その評価技

加速的に進行し、塩害との複合作用によりさら術、補修技術などの維持管理技術の必要性が高に劣化が進行する。
5.3

まっている。以下にコンクリートに関する当社のコンクリート構造物維持管理の必要性が高ま

取り組み状況を紹介する。
5.2

コンクリート構造物劣化状態の把握

コンクリートの劣化機構

り、管理者のニーズはいかに効率良く点検＞調査

コンクリートの劣化機構としては塩害、中性化、＞劣化予測・評価＞対策の要否判定＞対策の実施

アルカリシリカ反応、凍害、化学的腐食、疲労、をできるかである。ただし、橋梁一つとっても全

風化・老化、火災などがあるがその代表的なものてのコンクリート部位を調査するのは困難で、どとして塩害、中性化が挙げられる。

こから手をつければよいのか判断がつかない様で（1）塩害ある。ただ鉄筋腐食で錆び汁が出てしまってから

海岸近傍や凍結防止剤散布などによりコンクでは手遅れになってしまうことも多く、最悪の場

リート構造物は塩分にさらされる。コンクリー

合は橋の架け替えという多大な経済損失となる場

トそのものは塩分に弱いわけではないが、その合もある。そのため塩害や中性化の劣化状態の把塩分が内部に侵入することにより鉄筋や PC 鋼

握においても、すべての部位でどの程度塩分が存

材が腐食することによりコンクリート構造物の在しているのかを簡易的に計測できる技術が必要性能を失う。コンクリートは緻密で塩分を進入である。これらの分析要求、劣化管理技術としてしにくいように配合され、また、かぶりを確保

分光分析技術を利用したマルチスペクトル法が開することにより鉄筋までの塩分到達時間を抑制

発されており、さらに中性化やアルカリシリカ反しているが、低品質のコンクリートの使用やか応の計測も可能である（「研究開発支援のためのぶり不足、もしくは初期ひび割れを発生させて技術」参照）。

しまった場合には内部鋼材の腐食が進行する。

5.4

コンクリート表面に錆び汁が露出してきて変状

コンクリート構造物を竣工時の状態で維持するが発見された時点では手遅れとなる場合もあことは不可能であり、いずれ劣化が進み構造物性

り、表面塩分量、浸透塩分の把握、ひび割れの能が低下し、必要な性能レベルを下回り更新時期

有無およびひび割れ深さの把握が重要である。

に至る。それを把握しないで供用されている構造（2）中性化物は破壊・崩壊など重大な事故を起こしてしまう。

コンクリートはアルカリ性であるが大気中のヘルスモニタリングはスマートなデバイスで、セ二酸化炭素により徐々に中性化していく。このンシング、損傷劣化や構造変化の検出および診現象により強アルカリ中の不導体皮膜で覆われ断評価などを即時的に行うことである。当社でもていた鉄筋が腐食し、鉄筋の腐食膨張によりひSOFO センサ（光ファイバーを用いた構造物計測

び割れが進展し、さらに二酸化炭素が供給されセンサ）によるヘルスモニタリングを実施してい劣化が加速される。コンクリートの劣化は、塩る。SOFO は長期安定性が高く、動的にも静的に害と同様にコンクリートの密実性やセメントのも一つのセンサで計測可能な特徴を有しているた種類に影響を受ける。また、ひび割れやジャン

め、長期にわたり構造物の様々な情報を得ること

̶

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ヘルスモニタリング

51

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IIC REVIEW/2008/10. No.40

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が可能である。図 13 に SOFO センサーの施工例
を示す。
6.

まとめ

本章では、種々の設備で損傷が発生した場合のその調査方法、原因究明と対策について、当社が取り組んでいる状況を紹介した。部材の健全性評
価は主に検査が主体になるのに対して、損傷調査
は計測、試験が主体となる。また、損傷調査技術、健全性評価技術をさらに発展させた余寿命診断についても紹介した。これらの技術は個別の単独技

図13

鉄筋に配置したSOFOセンサ

術で対応できるものではなく、IHI グループ全体の設計・製造・研究開発力の総合技術力を背景に、（http://www.jnes.go.jp/katsudou/topics/ouryoku/

当社独自の検査・計測、分析試験技術を合わせた

pdf/nakata.pdf）

総合力で各分野のニーズに対応していく所存であ3）日本機械学会

発電用原子力設備規格

維持規格（2002 年改訂版）JSME S NA1-2002

る。

4）日本材料学会フラクトグラフィ部門委員会編フラクトグラフィ「破面と破壊情報解析」 丸善

文責
計測事業部

技師長

工学博士

5）木原、富士「リスク評価によるメンテナンス

技術士

RBI/RBM 入門」日本プラントメンテナンス協会（金属部門・総合技術監理部門）中代 雅士
計測事業部

計測技術部

次長
研究開発事業部

6）中代、三橋、中村：「陽電子消滅による疲労損

構造物グループ
河野傷評価」 IIC レビュー

豊

No.25

7）福岡、木原、中川、吉田；「ミクロ組織による

生産技術部
次長

2001/4

石井

疲労損傷の評価」石川島播磨技法

順

第 33 巻第5 号 （1993）
参考文献

8）「材料の評価とモニタリング小特集」 IHI 技法

1）JST 失 敗 知 識 デ ー タ ベ ー ス（http://shippai.jst.

第 47 巻

第4号(2007)

9）北川、金谷、楠元、岡本、小林；「放電サンプ

go.jp/fkd/Search、航空・宇宙）

リング装置の開発」日本材料学会

2）JST 失 敗 知 識 デ ー タ ベ ー ス（http://shippai.

術講演会講演論文集

jst.go.jp/fkd/Search）JENES 規 格 基 準 部 セ ミ

第 57 期学

P331

ナー「応力腐食割れき裂進展評価と検出技術」

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