技術紹介

火力発電用ボイラの検査技術
齋藤 規子 *
Noriko Saito

芝田 三郎 **
Saburou Shibata

国内の総発電量に対する既設火力発電設備の占める割合は大きく、機能・性能の維持、設備の信頼度維持のため保守、点検はますます重要となっている。よって効率よく検査部位を選定すると同時に劣化部位に対しては余寿命の的確な評価が必要と言える。一方、火力発電用ボイラの構造的な特徴として、狭隘な部位が多い、多種の材料から構成されている、溶接部が多数ある、高温で使用されている、温度差が発生するなどが挙げられる。このため各部の構造に応じて適切な検査手法を選定する必要がある。本稿では、近年、当社で実用化が進んでいる超音波を用いた検査手法である TOFD 法による水平管の内面腐食検査とモード変換波法によるクラウン貫通部の検査を紹介する。
キーワード：火力発電用ボイラ、超音波探傷法、TOFD 法、内面腐食、モード変換波法

月末時点の運転実績を示す （1）。縦軸の累積起動

1．はじめに停止回数は疲労損傷を評価する際の目安になり、国内の既設火力発電設備は、設備の経年化が進

横軸の累積運転時間はクリープ損傷や減肉による行する中で、設備信頼度を維持しつつ負荷調整や損傷を評価する際の目安となる （2）。事業用火力頻繁な起動停止など多様な運用への対応が求めら発電設備の経年化状況は、営業運転開始（運開）れている。一方、設備の効率的な運用や保守費用以降の累積運転時間が 10 万時間を越えるものがの削減も求められている。そのため、ユニット停約 70％を占め、20 万時間を越えるものも 30% 弱止につながるようなトラブルを未然に防ぐため、と年々経年設備の占める比率が大きくなってきて定期検査時の各種点検・検査の重要性が増し、検いる。また、累積起動停止回数が 2,500 回を超え査の高精度化が求められている。

る設備もあり、過酷な運転が課せられている状況

本書では、当社で実用化が進んでいる検査技術が示されている。起動停止に伴い、メタル温度差である水平管の内面腐食検査、モード変換波法にが発生することにより疲労強度の低下につながよるクラウン貫通部の検査について紹介する。

る。また、運転時間が長時間となることで、減肉の進行やクリープ破断強度の低下につながる。

2．火力発電用ボイラの検査とは電力は大量貯蔵ができないので、需要の時間変

図 1 に当社納入の事業用ボイラの平成 20 年 3動・季節変動等に応じて常に発電設備の負荷を調＊株式会社ＩＨＩ エネルギー事業本部 電力事業部 保守技術部＊＊ 元 検査事業部 技術部 （現株式会社アデルコ）—

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課長—

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4,500

疲労

4,000

起動停止回数n（回）

3,500
3,000
2,500
2,000
1,500
1,000
500
00510

1520

2530

運転時間t
（×104hrs）
クリ ープ
減肉

図1

IHI 納入事業用ボイラの運転実績 (1)（平成 20 年 3 月末現在）

整しながら需要に見合った電力を発電しなければ（SH）、 再 熱 器（RH）、 節 炭 器（ECO） 等 の 耐 圧ならない。技術的・経済的観点から原子力発電設部で 65%、配管を入れると全体で 76% が高圧・備をベースロードとして運用し、火力発電設備が高温の部位で発生している事がわかる。一方、耐負荷調整用として運用されることが多い。

圧部の損傷は、疲労損傷が 60% で損傷原因の第火力発電用ボイラにはベースロード用として運1 位、クリープ損傷が 20% で第 2 位になっており、転されてきたものもあるが、深夜や週末の需要がこの 2 つの要因で全体の損傷の 80% を占めてい小さい場合には負荷を下げるのみならず、停止措る。摩耗や腐食による減肉を入れると実に耐圧部置も必要となり、DSS（Daily Start Stop） 運転や損傷要因の 93% がこの 3 大要因で占められてい週末には停止するボイラもある。また、ピークローる事になる。

ド用として運用する場合は、常時停止しており、また、火力発電用ボイラの構造的な特徴として電力のピーク需要時のみ運転するボイラもある。

は、狭隘な部位が多い、多種の材料が使用されてDSS 運転ボイラでは、図 1 に示すように累積いる、溶接部が多数ある、高温で使用されている、運転時間が 5 万時間程度でも累積起動停止回数が温度差が発生する、といった点が挙げられる。そ2,000 回程度のものがあり、25 万時間使用したボのため、どのような損傷を見つけたいのか、またイラと同等の起動停止回数となっている。

は、その損傷が発生していないことを確認したい

図 2 に 1990 ～ 2000 年の事業用ボイラ設備におのか、と言った検査の目的に加え、検査部位に応ける損傷発生部位と損傷原因の割合を示す。同図

じて、検査手法を選定する必要がある。

より、損傷発生部位としては、火炉壁管、過熱器—

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非耐圧部（5%）

その他（10%）

腐食7%
磨耗
9%

ファン（9%）

配管（11%）

その他4%

ボイラ部位別損傷割合

炉壁管（42%）

耐圧部
要因別
損傷割合

クリープ20%

熱疲労・腐食疲労
60%

ＳＨ・RH・ECO
（23%）

（a）
部位別

図2（b）
要因別

1990 ～ 2000 年の事業用ボイラ設備の損傷部位／損傷要因分析 (2)3．TOFD 法による水平管の内面腐食検査

動時に利用して短時間で起動できるようにする。
一方、ボイラの長期停止時には管内の蒸気や水

3.1

水平管で発生する内面腐食を排出し、不活性ガス（窒素）を封入するが、管後部伝熱部に配置される節炭器管、再熱器管な内には部分的に凝縮水（ドレン）が残存する場合

どの水平管に対する内面腐食のメカニズムの概要がある。さらに保缶状況によるが、ドレンに酸素を図 3 に示す。ボイラ運転中は管内部全体に流が供給されるような環境となると、管内面ではド体が流れるため、管全体が腐食環境にさらされる。

レンが存在する領域において鉄の溶解反応と溶存

しかし、このときの腐食環境は管内面の全面腐食

酸素の還元反応による局部的な腐食が進行する場であり、管内面全体に薄い酸化皮膜が形成され、合がある。

局部的な腐食は発生しない。また、ボイラ給水はなお、既に局部腐食が発生している領域では凹溶存酸素が非常に低い状態であるため、全面腐食部が形成されており、プラント再停止の際にドレの進行速度は非常に緩やかである。

ンが溜まりやすい状態になっている。そのため、深夜停止や週末停止ではボイラ内圧を保持した再停止時には凹部に再びドレンが溜まりやすく、まま保缶（ホットバンキング）し、保有熱を再起

局所腐食の進行に対してより厳しい環境となる。

O2 O2（ 凝縮水：ドレン）

管内面側

内部流体

薄い酸化皮膜

H2O

管外面側

局部的な腐食の発生（１）
ボイラ運転中図3（２）
ボイラ停止時

水平管の内面腐食 メカニズム概要（3）—03_火力発電用�イラ.indd 1212—09.3.20 11:23:10 AM

部にきずが存在すると、更にきずの端部で回折しTOFD 探触子
天て得られる回折波が得られる。得られた信号波形

孔食（ 管底部）

地の振幅値（エコー高さ）を濃淡またはカラーで表示させると、一本の線でエコー高さを表示でき、管径に合わせてＲ 加工

図4

これを探触子の直線走査に対応して並べると探傷地側半周を検査画像が得られる。

TOFD 法による水平管の内面腐食検査法

TOFD 法はきずの検出に用いる場合には、溶接

このように水平管の内面腐食は比較的稼働率の線方向に探触子を直線的に走査するだけでかなり低い、停止期間の長いボイラで認められる事象での範囲を探傷でき、探傷速度も速いなどの特長をある。水平管が多数存在する節炭器管や再熱器管持っている。

で発生しやすい。

検査は、水平管でドレンが溜まりやすい部位の3.2 TOFD 法による内面腐食検査

地側（下部）半周の探傷を行い、ラテラル波、底TOFD 法は二つの斜角探触子を対向して配置

面波以外の腐食部からの回折波の有無を監視すし、直線的に探触子を走査する方法である。このる。腐食がかなり進行している場合には、腐食部とき、二つの探触子間の距離は一定となるようにからの回折波の伝搬時間を用いて、腐食深さを求する。内面腐食検査のように小口径管の探傷を行めることも可能である。
図 5 に探傷例を示す。TOFD 法による探傷を行っう場合は、二つの探触子を一体型としている（図4）。

たのち、管の断面観察を実施した結果、TOFD 指

きずのない健全部では、表面を伝搬するラテラ示部で腐食が認められた。

ル波と裏面で反射する底面波のみが得られる。内大口径管のみならず、小口径管へも TOFD 法を→ 走査方向
← ラテラル波←底面波
TOFD 指示部⑴

TOFD 法探傷結果

断面観察位置

腐食部×5⑵

管内表面外観観察結果

図5

水平管の内面腐食—

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断面観察結果探傷例
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適用することは、探傷結果の可視化に伴い、きず接される構造を採用した場合の溶接部形状ときずの識別性の向上や、探傷結果のわかりやすさが検の形状の例を示す。これらのきずの探傷方法とし出性の向上につながっており、今後も適用範囲をては、横波斜角探触子による一回反射法、表面拡大していきたい。

SH 波法やクリーピング波法が考えられる。

4.
4.1

横波斜角探触子による一回反射法は、裏面で超モード変換波法によるクラウン貫通部の検査音波を一度反射させ、裏面からの反射波をきずにクラウン貫通部で発生する損傷入射させて探傷する方法であり、一般に用いられ炉内の伝熱管はクラウン（天井）貫通部を通じている方法である。しかし、隅肉溶接ルート部にて、天井囲内の管寄に接続されている。クラウン生じるき裂では、コーナー反射が生じにくく、き貫通部は図 6 に示すように過熱器管または再熱裂からのエコー高さは、き裂の傾きに著しく依存器管とクラウン部、天井管などで構成される複雑する。また、隅肉溶接部のルート部や止端部などな構造となっており、また、各部位で温度差が生から発生する妨害エコーとの識別が難しくなるとじ、疲労損傷が発生する可能性がある。外表面の考えられる。従って、本探傷方法では、比較的大割れは PT や MT で探傷が可能であるが、隅肉溶

きく、単純な形状のき裂の検出を対象として適用

接のルート部で割れる場合もあり、超音波によるすべきであると考えられる。

探傷も行っている。

SH 波は、横波の一種であり、表面を伝搬する表面波として用いると、表面粗さなどによる影響

4.2

隅肉溶接部の探傷方法（4）を著しく低減でき、モード変換（縦波から横波、

図 6 に、クラウン貫通部で管とスリーブが溶

スリーブ

ハンガーバー

あるいは、横波から縦波への変換）によるエコー

スキンケーシング

過熱器管
クラウン
スキンケーシング

溶接部
きず

天井壁管

管

スリーブ

キャスタブル耐火物⑴ クラウン貫通部構造ルート⑵ ルート部でのきずの例

図 6 クラウン貫通部構造（スリーブ構造の場合）—

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図 7 モード変換波法概要（4）傷法では、探触子から縦波のほかに横波も同時に高さの低下がないなどの特長を持っている。
一方、SH 波探触子を用いる場合には、きわめ発生する。これらの波が裏面で反射するときにて粘性の高い物質を接触媒質として用いる必要がモード変換が生じ、横波や縦波も同時に発生する。

ある。この粘性の高い接触媒質を用いると、探触これらの多くの波がき裂部に入射して、通常複雑子の走査性を著しく悪くするとともに、エコー高な探傷波形を生じる。これらのモード変換した波さの安定性も悪くなる。そのため、検査数量が多で得られる探傷波形を解析し、評価することによくなる実機での検査にはあまり適していない。

り、微小なき裂の検出性が向上する。

これに対して、クリーピング波探触子の場合に実際の検査では、クリーピング波法、モード変は、通常の横波斜角探触子の場合と同様の液体の換波法を用いて探傷を行っている。モード変換波

接触媒質を用いることが可能であり、安定してエ法は、ルート部の形状によってもエコー指示が高コー高さを評価できる。しかし、きずを直射で探くなる場合があり、クリーピング波法の結果や設傷する場合には、SH 波を用いる場合と同様に、計的な検討を含めた総合的な評価を行っている。

ルート部で妨害エコーが発生することを考慮する

また、経年監視を行うことにより、ルート部の形必要がある。特にき裂の傾きによって、エコー高状によるエコーであるものか、きずが進展していさがどの程度変化するかなどを予め確認しておくるものかを判断できる。

必要がある。

5.

4.3 モード変換波法による探傷（4）

おわりに設備の機能・性能の維持・向上を図ると同時にモード変換波法は、縦波斜角探触子を用いて、保守費用削減を実現するには、適切な時期に検査・裏面でモード変換した波をき裂部に入射して探傷更新を実施する必要がある。そのためには、検査する方法である。縦波斜角探触子を用いたモード技術の一層の向上を図り、各部の余寿命を的確に変換法の概念を図 7 に示している。縦波斜角探予測しなければならない。本稿では、近年、当社—

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で実用化が進んでいる超音波を用いた検査手法でための検査と損傷度評価技術」：火力原子力

ある TOFD 法による水平管の内面腐食検査とモー発電、Vol.56、No.7、P.643-654、July 2005

ド変換波法を紹介した。

（3）仲尾元六、野中一男、関幹人、臼井友美、中今後も IHI グループとして火力発電用ボイラの村徹二、大槻幸人「ボイラ再熱器の管内面孔検査技術の向上に努めていきたい。

食と防止法」：火力原子力発電、Vol.37, No.9,
p.909-916、Sep. 1986

（参考文献）（4）芝田三郎、梶ヶ谷一郎「縦波斜角モード変換（1）横山 成就「ボイラメンテナンスにおける検査法による SUS304 隅肉溶接部のルート部き裂と評価技術」：火力原子力発電協会北海道支の 探 傷 技 術 」：IIC レ ビ ュ ー、No.36、p.9-16、部 H19 年度研究発表会資料、2008

2006-10（2）吉田敏明、中川博勝「ボイラメンテナンスの株式会社ＩＨＩ

元

エネルギー事業本部 電力事業部

技術部（現株式会社アデルコ）

保守技術部

芝田 三郎

齋藤 規子

TEL. 03-6204-7539

TEL. 045-759-2163

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検査事業部

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