技術紹介

クリープ損傷評価のためのノイズ分析法
荒川 敬弘 *
Takahiro

Arakawa

畠中 宏明 **
Hiroaki

Hatanaka

芝田 三郎 ***
SaburoShibata

高温構造物のクリープ損傷を非破壊的に評価する手法が望まれている。特に、近年高 Cr 鋼の使用に伴って、内部におけるクリープ損傷を評価する手法の確立が望まれている。そこで、当社が石川島播磨重工業㈱の協力の下で実施している超音波ノイズ分析法について紹介する。
キーワード：超音波、クリープ、ノイズ分析、Cr-Mo 鋼

電力の需要に応じて始動と停止を繰返す場合もあ１．はじめにり、使用環境においても損傷の度合は異なってくる。
このために、非破壊検査によって、損傷の度合を正

人は年を取ると、いやおうなしに体力の衰えを確に把握することが、求められている。

感じる。これを無視してがんばり過ぎると、時には突然の悲劇に見舞われる。構造物の体力の衰え

この目的で、石川島播磨重工業（株）では、超として、時効脆化やクリープ損傷などがある。

音波ノイズ分析法と称するクリープ損傷評価手法

特に、クリープ損傷は、末期においては急激なを開発し、当社も計測に携わりつつ、実機計測を破断に至る恐れがあり、各種の予防保全などの対行ってきた。ここでノイズ分析法について紹介し策が行われてきている。クリープとは、一定の応たい。

力のもとで塑性ひずみが時間的に増加する現象を
２．各種評価手法とノイズ分析法

いい、最終的に破壊した場合をクリープ破壊といっている。普通、クリープ現象は材料の融点（絶クリープ損傷の評価方法として多くの研究報告対温度）の約 40 ％以上で顕著になるとされている。

があり、実機計測に用いられているものも多い。

しかし、体力の衰えにおいても、人によって大例えば、ボイド面積率法、結晶粒最大径角度法、きな個人差があるように、構造物においても、受け結晶粒フェレ径比法や微視き裂法と呼ばれる組織る損傷の度合は異なってくる。特に、発電用ボイラ検査法、硬さ測定法や、ミニチュアのサンプルをにあっては、原子力発電を電力のベースロードとし、構造物から採取して、炭化物の組成を測定する方

＊＊＊
＊＊＊

技術研究所 所長 工学博士
石川島播磨重工業株式会社 技術開発本部 生産技術センター
元検査事業部 技術部 課長（現株式会社アデルコ）―

26―

生産技術開発部

法や、ミニチュアのクリープ試験を行う方法などが検討されてきている。
この他、X 線回折を利用して結晶粒の変形を評価する方法、バルクハウゼン法などの磁気を利用する方法や、陽電子が電子とで消滅するときに発生するγ線の強度分布を評価する陽電子消滅法などの研究も進められてきている。しかし、ここに示した方法は、いずれも試験体表層部のクリープ損傷を評価するための手法である。
図１ 溶接熱影響部のクリープ損傷比とボイドクリープ損傷は、従来表層部から損傷が始まる面積率の関係と考えられていた。事実、応力が集中しやすい外表面の止端部においてクリープ損傷が先行することが確認されてきている。しかし、近年、更に量は小さく、極めて高精度の測定が要求される。

9 ％あるいは 12 ％などの Cr を含有する高 Cr 鋼が

また、超音波の音速や減衰の測定は、超音波を用いられ始めるに連れて、クリープ損傷がより内試験体に入射させ、裏面で反射する底面エコーを用部で先行して起こることが懸念されている。いわいて測定する。しかし、裏面は構造物の使用中に磨ゆる Type Ⅲや Type Ⅳと呼ばれるクリープ損傷で耗や腐食で変化する。この変化に影響される音速やある。なお、Type Ⅲクラックとは、溶接熱影響部減衰の変化は、損傷評価に必要な測定精度よりも一の硬化した粗粒域で起こる割れをいい、Type Ⅳク般に大きく、実機での適用の大きな障害となる。
そこで、裏面の環境変化に影響されない評価手ラックは、溶接熱影響部の幅の狭い軟化した細粒法として超音波ノイズ分析法が提案されている。

域で生じるものを指している。
内部の損傷を評価するには、エネルギーを内部

この方法は、図 2 に示すように、底面エコーの手に伝播させ、変化する物理量を監視しなければな前にゲートを設けてノイズ波形を採取し、周波数らない。この目的で、超音波探傷試験が唯一の可解析する方法である。クリープ損傷によって微小能性のある方法と考えられる。

ボイドが発生すると、微小ボイドによる散乱エコ

Cr-Mo 鋼などのクリープ損傷では、クリープのーもノイズ成分を形成する。特徴の最も現れる高進行と共に、結晶粒界に微小ボイドが発生し、やい周波数成分範囲の積分強度を求めて、ノイズ値がてボイドの数が増えると共に連結して破断に至とする。超音波ノイズ分析法とは、このノイズ値ると考えられている。図 1 には、2･1/4Cr-1Mo 鋼にを監視する方法である。

おけるクリープ残存寿命とボイド面積率との関係

材料中のノイズは、結晶粒界における超音波のを示している。従って、ボイドの発生状況を監視散乱が主な原因である。Reyleigh によって、図 3すれば、クリープの残存寿命の予測が可能になる。に示すように粒子で散乱される超音波の振幅 x r は次式で与えられる（1）。

理論的には、ボイドの発生頻度と音速及び減衰には相関がある。しかし、発生するボイドの大きx r / x a = {πT /(rλ2)}{(ΔK / K) + (Δr/r) cosq} （1）

さは、10 mm 程度と小さく、使用する超音波の波

ここで、x a ：入射波の振幅値長よりもはるかに小さい。このために、変化する―27―

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図２

超音波ノイズ法の原理

λ ：波長

ここで、TGrain は一つの結晶粒の体積である。まK ：媒体の弾性率

た、（ΔK/K）は粒界においてそれぞれの結晶粒のΔK ：粒子と媒体の弾性率の差

成長方向が異なることによる弾性率の差と考えら

r ：媒体の密度れる。

Δr ：粒子と媒体の密度の差

一方、微小ボイドに対する散乱波の振幅値は、

q ：入射波と散乱波のなす角

ボイドと媒体とで弾性率及び密度共に差が大きく、（ΔK/K）= 1、（Δr /r ）= 1 と考えることができる。従って、微小ボイドの後方への散乱波の振幅値は次式で示される。
x r / x a = 2･π TVoid/ (rλ2)（3）

ここで、TVoid は発生したボイドの体積である。
1 個の結晶粒に対して、n 個のボイドが発生したときの後方への散乱波の振幅値は、（2）式と、（3）式を n 倍した値との和と考えると、クリープ損傷
図３前のノイズ値と、クリープ損傷によってボイドが粒子での散乱の様子発生した後のノイズ値比αは次式で与えられる。
一つの結晶粒に着目して考えると、粒界におけa = 1 + {2n / (ΔK/K)} (TVoid / TGrain)る密度差は無視できる（Δr /r ≒ 0）ので、後方へ結晶粒界における結晶方位の違いによる弾性率の散乱波の振幅は次式で示される。
x r / x a = {π TGrain /(rλ2)} (ΔK / K)

（4）の違いである ΔK/K は、1 より相当小さいと考えら（2）―れる。従って、ボイドの体積が、結晶粒の体積よ28―

りはるかに小さくても、ノイズの振幅値に十分に点でのクリープ損傷比を求めた。測定時のノイズ影響力を持つものと考えられる。

値と、試験前の初期のノイズ値との比をノイズ値

このことは、いるかなどが海中で超音波を用い比として、クリープ損傷との関係を求めた。て魚を捕らえるときに、標的としているのは、魚得られた結果を図 5 に示した。測定は、溶接部をの体全体ではなく、はるかに小さな空気袋である

挟んで両側（図中 A 側及び B 側）の溶接熱影響部ののと現象が似通っている。魚の体はほとんどが水他に、母材部と溶接金属部で測定している。Cr-Mo分であり、体の界面での音圧反射率ははるかに小鋼のクリープ損傷は溶接熱影響部において進行するさい。水とはるかに音響インピーダンスの異なる、ことが知られている。従って、母財部や溶接金属部

小さな空気袋での散乱波を受信して捕獲するといで測定したノイズ値比にはほとんど変化が見られてわれている。

いない。これに対して、溶接熱影響部で測定したノ

このように、結晶粒に比べて、クリープで発生イズ値比は、クリープ損傷比が約 50 ％を超えてよするボイドの大きさが小さくても、ノイズのレベり増大し、クリープボイドの発生が、損傷比 50 ％ルを監視することで、クリープによる微小ボイドを超えてより発生することを伺わせている。の発生状況を監視でき、またボイド発生率と相関

図 6 は、応力を加えないで、熱履歴のみを同一の高いクリープ損傷の残存寿命を監視できると考条件で与えた試験体でのノイズ値比を測定した結えられる。

果を示している。このときのノイズ値比の変化は３．ノイズ分析法の確認試験
2･1/4Cr-1Mo 鋼に対して行われた、ノイズ分析法の確認試験の例を紹介する（2）〜（5）。図 4 に示す
形状の突合せ溶接継手試験片を作製して、クリープ試験に供している。表 1 には、試験に用いた鋼材の化学組成及び溶接の条件を示している。
試験片に高温でクリープ損傷を与え、常温でノイズ分析法を用いてノイズ値を測定した。試験片がクリープ破断した時のクリープ破断時間をクリ
図４ープ損傷比 100 ％として、ノイズ分析を行った時

表１

加速クリープ試験に供した試験体の形状

試験体の化学組織と溶接条件―

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られることを意味し、（4）式の関係が成り立っていることがわかる。
４．画像化ノイズ分析法
板厚の全体に渡って同様にクリープボイドが発生すれば、前項で述べた板厚のほぼ全領域に一つのゲートを設けたノイズ分析法が有効である。しかし、内部の局部にクリープ損傷が集中するとす
れば、全厚にゲートを設けると、全体としてのノイズ値の変化は薄められてしまう。もし、局部に集中したクリープ損傷が急激に全板厚に進行する

図５ クリープ損傷材のクリープ損傷比とノイズ値比の関係とすれば、クリープ損傷の末期しか評価できない全く見られておらず、図 7 の溶接熱影響部で見らことが危惧される。

れたノイズ値比の変化は、単に析出物の影響によ

このために、ゲートを板厚方向に分割してクリるのでなく、クリープボイドの発生に起因してい（ 7）。
ープ損傷を評価する方法が開発されている（6）ると考えられる。

また、溶接熱影響部の位置は、外表面からは必ず

図 7 は、クリープボイドの面積率とノイズ値比しも特定できない場合もある。特に溶接熱影響部との関係を求めた結果であるが、よい相関が見ら近傍に補修溶接が行われている場合など、本来クれており、クリープボイドの発生状況を超音波ノリープ損傷が最も危惧される位置と異なる位置をイズ分析法で監視していたと考えられる。

測定する恐れも拭いきれない。このために、溶接線に直行する方向に順次計測位置を変えて計測す

なお、図中の線は、試験結果をボイド面積率のることが望まれる。

（3/2）乗で近似した結果である。試験結果とよい一致が見られており、このことは、横軸をボイド溶接線方向に順次探触子を移動させて計測し、の体積率（TVoid / TGrain）で表すと、直線関係が得かつ板厚方向に分割した複数のゲートを設けることで、溶接断面におけるクリープ損傷の進行状況

図６ 時効材の時効時間とノイズ値比の関係（時効材：時効により組織変化のみを与図７え、クリープ損傷の無い材料）―

30―

ボイド面積率とノイズ値比の関係

を正確に把握することができる。図 8 に測定例を部位や、母材部と比較することで予測は可能であ示している。本方法によって、クリープ損傷をよる。しかし、定期的にノイズ分析法が行われ、測り正確に評価できると考えている。

定結果が管理されることが強く望まれる。
また、測定したノイズ値は、用いる探触子の種類や、測定時の表面粗さなどにも影響される。このことは、測定が完全に管理された状態で行われることが必要であることを意味している。特に、用いる探触子の特性は厳密に評価されている必要がある。
当社は、今後も石川島播磨重工業㈱の協力の下、手順化した超音波ノイズ計測を継続し、これによって、安全で経済的な構造物の運用に寄与していく所存である。

図８

画像化した超音波ノイズ分析法の例

参考文献（寿命比と超音波ノイズ値画像）（1）L. Rayleigh: The Theory of Sound Vol.Ⅱ p.152（1929）
５．まとめ（2）米山、中代、村上、芝田、大友：石川島播磨
技報

クリープ損傷を評価するための超音波を用いた

第 28 巻（1988）第 5 号

ノイズ分析法について紹介した。ノイズ分析法は、（3）中代、芝田、米山、木原、馬木、佐久間、渡クリープ損傷に伴うクリープボイドの発生状況を部、奥山：耐熱金属材料第 123 委員会研究会報

直接に評価でき、特に内部のクリープ損傷評価に

告 Vol.35 No.1 ：第 1 ・ 2 分科会 pp.13-21（4）芝田、中代、米山、馬木、佐久間、渡部、奥極めて有効な方法である。

山：日本非破壊検査協会平成 5 年度秋季大会

我々が体力の衰えを認識する目的で、12 分間歩後援概要集行や前屈を測定しているように、構造物の衰えをpp.19-26

評価するのにノイズ分析法での評価が推奨され（5）荒川、米山：超音波による経年劣化評価、圧る。しかし、12 分間歩行で、A さんが 2,300 m を、力技術、第 39 巻、第 5 号、（2001）、pp.311-316（6）井戸伸和

B さんが 1,800 m を歩いたとする。この結果を持っ

畠中宏明

上道良太

伊藤拓哉て、B さんの体力が衰えたとすることはできない。

「火力発電プラント高温部材の非破壊検査」

人にはそれぞれ個人差があり、B さんの日頃の能

第 52 期

力は 1,500 m であったかも知れない。定期的に測2004 年 5 月

第 5 回高温強度部門委員会

講演会

定が行われ、管理されることで評価が可能になる。

（7）井戸伸和、畠中宏明、上道良太（ＩＨＩ）、齊

構造物にも個人差がある。一回の測定結果のノ藤健介、宮地良和、鍵谷幸生「改良 9Cr 鋼ボ

イズ値を持って評価するには慎重である必要があ

イラ高温配管の寿命評価（その 3

実機サイる。もちろん、クリープ損傷がどのような部位にズ試験体の損傷プロセスと非破壊損傷計測）」

優先的に発生するかをよく理解しているので、測第 41 回高温強度シンポジウム 2003 年 12 月

定値を、クリープ損傷の起こらない応力の小さな―31―

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