技術紹介

発電用ボイラの大径管溶接継手部のクリープ損傷評価
中代雅士 *1

Nakashiro Masashi

発電用ボイラの大径管は通常溶接施工により組み立てられるが、溶接時には耐力を超えるような残留応力が発生している。さらに、CrMo 鋼では、溶接継手部のクリープ長時間強度は、母材よりも低下している。
一方、A-USC（Advanced Ultra-Supercritical）ボイラで採用を検討しているオーステナイト系耐熱材料では、熱膨張率が大きいので発生する熱応力は大きく、高温強度が高いので応力緩和量が小さく、残留応力による損傷評価が重要である。このような背景から、大径管継手部の寿命評価が重要課題となっている。本稿
では、配管溶接継手部の寿命評価を行う場合に、製造時や運用中に発生した残留応力（2 次応力）と運用時の外部応力（1 次応力）を考慮した簡易クリープ損傷解析評価手法を紹介し、残留応力を含めた評価手法を紹介する。
キーワード：残留応力、熱応力、クリープ、クリープ疲労、応力緩和、内部応力、溶接割れ、2 次応力、損傷評価、寿命評価、SR、低合金鋼、CrMo 鋼の軟化層に損傷が発生するタイプⅣクラックが大1. はじめにきな問題となっている。一方、蒸気温度 700℃級

ボイラ配管は通常溶接施工により組み立てられの A-USC（Advanced Ultra-Supercritical）プラントる。溶接時には局部加熱による熱応力で、耐力をの開発が進行しているが、配管には Ni 基耐熱材超えるような残留応力が発生している場合があ料の採用が検討されているる。特に CrMo 鋼の場合には、加熱冷却による焼較してオーステナイト材料は熱膨張率が大きく、入熱処理で、継手部の高強度化と延性低下による高温強度が高いので、発生する応力は大きく、か脆化が問題になる。これらの特性を改善するととつ、応力緩和量が小さく、2 次応力評価が重要でもに初期残留応力を下げるための SR 熱処理（Stressある。

（1）。フェライト鋼と比本稿では、配管部の溶接継手部に注目して、設Relief heat treatment）が施される。
一方、ボイラとタービン間の大径管はタービン計時の応力評価、配管許容応力の取り方、応力緩入口側を固定端とし、起動停止時の温度変化に伴和評価法、溶接継手部の評価法を紹介し、残留応う熱膨張変化による熱応力（2 次応力）が加算さ力を含む 2 次応力の応力緩和特性と運用時の外部れる。さらに CrMo 鋼の溶接継手部は長時間クリー応力を考慮した簡易損傷評価手法と、本手法によプ強度の低下が大きな問題になっている。特に高る寿命評価の有効性を紹介する。

Cr 鋼では、溶接継手 HAZ（Heat Affected Zone）部*1：フェロー

博士（工学） 技術士（金属部門・総合技術監理部門）—

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応力などを考慮した評価が重要になってくる。配2. ボイラ大径管の設計許容応力の考え方

管系の応力計算は、常温状態から運転中の高温状

2.1 クリープ許容応力

態の変化過程で、配管固定部、支持方法を考慮し一般高温機器部材で一番に要求される機械特性た数値解析で各部位での応力値を計算し、これらは、温度・時間に依存するクリープ強度である。の数値が許容応力値以下であることが要求されクリープ強度は時間依存の機械特性であり、設計る。ANSI（American National Standards Institute）

基準には耐用年数（使用時間）を明確に決めての基準では、設計許容最大応力 Sa は室温での設おり、使用環境下においてこの設計耐用年数に計許容応力 Sc と使用温度域での設計許容応力 Sh、耐えるように使用応力が決められて設計される。

および疲労係数 f を乗じた次式で算出される

（2）

。

（1）

ASME Sec.1（発電用ボイラ規格）では、以下の 6

Sa = (1.25Sc+0.25Sh) × f

項目で最低値の応力を採用することが決められて疲労係数 f は起動停止回数が 7000 回以下の場合は 1 である。式（1）で Sa は、クリープ許容応いる。
① 常温の規格最小引張強度の 1/4力である Sh よりも常温の許容応力 Sc（通常引張② 使用温度における引張強度の 1/4強度の 1/4、1/4sB）の影響が大きい。配管系では、③ 常温の規格最小降伏点の 5/8

固定点と支持方法でひずみ依存型の熱応力が発生④ 使用温度における降伏点の 5/8

するが、ひずみ量は一定であり、配管系自体の応⑤ 10 万時間に対してクリープひずみが 1% 以下力緩和量によって応力が低下することを考慮して許容応力が決められている。変形応力は常温でのの応力レベル引張許容応力で決まり、クリープ強度よりも常温⑥ 10 万時間のクリープ破断強度の平均値の 2/3での引張強度が重要であり、かなり大きな数値が応力レベル、最低値の 4/5 応力レベル許容されている。

これらの中で、クリープ温度域では⑥項の応力値が最小の場合が多く、設計許容応力値とし2.3 溶接継手部のクリープ強度て 採 用 さ れ て い る。NIMS（National Institute forMaterials Science：独立行政法人物質・材料研究機

溶接継手部のクリープ強度は、材質、温度・時構）のクリープデータシートでは長時間クリープ間によって母材との強度低下比の継手性能係数で試験結果が含まれているが、一般的には温度、応評 価 さ れ る。 図 1 は 2.25Cr1Mo 鋼 の ASME コ ー

力加速のクリープ試験結果を応力－温度・時間パ

ド N-47 で報告されている溶接継手係数を Larson-ラメータ－で整理して、長時間強度の外挿値で評Miller Parameter（MPL）で整理した結果を示す価している。パラメータ法には種々のものが提案

一般的には、温度が高いほど、運用時間が長いほされ、外挿値の信頼性などが検討報告されている。

ど溶接継手部の強度が低下し、実機使用環境下で中 で も LMP（Larson-Miller Parameter：P=(T+273)

は、0.7 以下の数値になる。また図 2 は溶接継手× (log tr+C)）は定数が 1 個の簡単な式であり、一部のクリープ試験結果で、破断位置の領域図を示般的に利用されている。

す。応力が 70N/mm2 以上の高い領域、または使用（3）。

温度が 700℃以上では、母材で破断するが、高温2.2 配管系許容応力低応力側になるほど HAZ 部や溶接金属部（DEPO部）で破断し、実機使用環境では継手部の強度評

実際の配管設計では、配管系の熱膨張による熱—

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2.4 応力緩和特性価が重要であることを示している。さらに、最近
は Mod.9Cr1Mo 鋼（P91 鋼 ） な ど の 高 Cr 鋼 の 高高温機器をクリープ域で使用した場合の 2 次応強度材が実用化されているが、これらの溶接継手力などの拘束変形による応力は、部材がクリープ部の強度低下量は大きく、重要な課題となってい変形によって応力緩和する。この応力緩和は、簡（4）る。

易法として応力と定常クリープ速度の関係式ノートン則（Norton law）で計算される。
（2）

de/dt=ks n

ここで、e：クリープひずみ、k, n：材料定数、s：応力（MPa）、t：経過時間（h）
k と n は各温度別のクリープ試験で最小クリープ速度と応力の線形関係式から得られ、対数プ
ロ ッ ト で k は 定 数、 直 線 の 傾 き が n で あ る。kは温度依存性が大きく、n は温度依存性が小さい。最近はクリープひずみ速度と破断時間の関係
図1（Monkman-Grant 関係）がよく報告されているが、ASME 設計基準（溶接継手係数）のLarson-Miller Parameter 整理

各ひずみ速度での破断時間を求め、この破断時間と各温度での応力を求め、ひずみ速度と応力値から k, n 値を求めることも可能である。
応力緩和式は、式（2）を積分して s で整理すればよい。
1/s (n-1)=1/s 0(n-1)+(n-1)·E·k·t（3）

ここで、s 0：初期応力（MPa）、E：高温でのヤング率（MPa）、t：経過時間（h）
実験的な応力緩和特性は、式（3）で計算されるよりも、1 次クリープ変形による応力緩和量が図2大きい。しかし、実機での応力レベルは小さいの2.25Cr1Mo 鋼溶接継手部のクリープ破断
領域図

で 1 次クリープ変形は小さいのと、1 サイクルあたりの時間が長いので、大きな差異はないと考え

2.1 項のクリープ設計許容応力は母材のクリーる。また、起動停止時の繰返効果では、溶接時のプ強度が基準となっており、溶接継手部の継手係残留応力、配管系の拘束条件による応力変化は連数を 0.7 とした場合には、母材の 10 万時間の許容続して緩和していくと考えられる。特殊なケース

応力が継手部の平均破断応力と同等となる。低合として、サイクル毎に急加熱冷却するなどして熱金鋼配管の余寿命評価は、溶接部の強度低下で寿応力が発生する場合には、1 回毎に応力発生と応命が決まる。実機部材の寿命評価には、溶接継手力緩和量を計算して損傷量を計算し、起動停止回部の寿命評価が主体となっている。

数を乗じた数値が累積損傷量になる。一般的には、毎回発生する応力による損傷の方が大きい。比較—

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的短時間で損傷が発生した場合には、この起動停Drilling）法や穿孔（Hole drilling）法による厚さ方止過程で発生する応力が要因となることが多い。

向の応力分布計測法も実用化されている。

一般的な寿命評価では、初期値の状態から継続的3. ボイラ大径管（2.25Cr1Mo 鋼）の応力評価と溶接継手部の寿命評価例な応力緩和で評価することが、妥当であると考える。

ボイラ主蒸気管、高温再熱蒸気管などの大径管
2.5 配管応力評価式

は、タービン側との取り合い位置を固定端として配管は内圧によるフープ応力 s h と軸応力 s a のバネによるつり下げで支持されている。ボイラ本複合応力が作用する。s h と s a の作用方向は直交体の構造物も建屋鉄骨につり下げられた状態で、するので、簡易的に評価するには Mises の等価応自由に熱膨張変形するようになっている。これら

力式が有効であり、式（4）で計算される。の取り合いから、大径管には軸方向や曲げの配管（4）系応力が発生する。2.25Cr1Mo 鋼などの低合金鋼

実機での評価では、主応力値と方向が重要であでは、溶接継手部の強度が問題であり、配管系応るが、これらの評価を行うには詳細な構造解析が力によるクリープ損傷が発生する可能性について必要であるが、簡易法として等価応力を採用する。

検討した。

s m=(s a +s h -s a·s h)
221/2

実機評価では、応力緩和量が負荷応力に大きく依存するので、1 次応力と部材のクリープ強度で寿命が決まる。
2.6 溶接継手部の残留応力
溶接継手部の残留応力は、CrMo 鋼のように溶接後 SR 熱処理を実施して、残留応力を下げる処理をする場合もあるし、材質によって処理方法が異なる。一方、オーステナイトステンレス鋼や Ni基耐熱鋼では、溶接後熱処理を行わない場合もあ

図3

NIMS のクリープデータシートの LarsonMiller Parameter 整理結果

図4

試験中の高温酸化を考慮したクリープ強度
評価結果

り、溶接時に発生した残留応力を正確に評価するには、個別に計測することが必要である。これらの溶接施工条件は製造ノウハウに関するものが多く、一般には公開されていない。
溶接部の局部的な残留応力計測には X 線回折法（X 線法）による計測が有効である。ただ、X 線法は材料の制限があること、計測部位は極く表面を計測しているので、溶接部の内部応力変化が大きい場合には、計測部位の応力分布状況を把握しておく必要がある。内部の応力分布が要求される場合には、部材全体の応力計測は切断法、数値解析法で評価する。また、最近は DHD（Deep Hole—IIC_REVIEW_51.indb

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図 3 は NIMS の ク リ ー プ デ ー タ シ ー ト で2.25Cr1Mo 鋼（STBA24）の LMP で整理したもの（5）（6）

。図中には、ASME の設計基準値（設である計許容応力 - 使用温度 -10 万時間）を記入している。このデータはボイラ伝熱管から試験片サイズが f 6mm の小型試験体でかつ試験時間が 1 万時間以上の試験結果が含まれており、試験中の高温酸（7）化の影響が大きい結果になっている 。高温酸化による試験体の減肉量を計算し、実応力でクリープ強度を評価した場合には、図 4 のように低応力側でクリープ強度は大幅に改善され、大径管のような厚肉部材では運用中の酸化減肉は実用上問題にならないと考えられた。
図5

表1

米国内で発生した大径管溶接継手部のき裂発生と損傷事例集（R. Visvanathan, PVP － Vol. 303, 1995-7）—

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米国で発生した 1.25Cr0.5Mo 鋼シーム高温再熱蒸気管のタイプⅣクラックの損傷事例（R. Visvanathan, PVP-Vol.303, 1995-7）

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表2

日本国内で観察された管寄及び高温大径管における損傷、劣化事例（IIC REVIEW No.27 2002/4）

図 5 は米国で発生した 1.25Cr0.5Mo 鋼溶接管のタタイプⅣクラックは溶接継手部の強度と配管系応イプⅣクラックによる噴破事故例である。また、表力で評価できることを明らかにした 。これらの手

1 は 20 年前に米国 EPRI が発表した米国での大径法を用いて、2.25Cr1Mo 鋼の寿命評価を検討した

管事故発生リストである。同様に表 2 は日本国内で結果を報告する。

（9）

観察された大径管の損傷事例である。これらの表か
ら大径管の損傷は特異なものではなく、15 万時間以上の長時間使用後に発生する可能性があると考（8）えられた 。最近は図 5 のような大きな損傷は発生していないが、溶接継手部に関連した損傷は継続的に発生していると考えられる。寿命評価技術・検査技術が進歩しているので、適切な寿命評価を実施すれば噴破する前に対策が立てられると考える。
このような大径管の損傷評価を究明する一環として、英国プラントの Y ピース継手に発生したタ

図6

イプⅣクラックの損傷原因究明の調査結果から、
表3

ANSI 基準による許容熱応力 Sa による配管応力が作用した時のクリープ損傷計算式—

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実機使用材の溶接継手部クリープ試験結果（F、K は発電所名）

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16:00:56図72.25Cr1Mo 鋼の温度別応力緩和特性と累積クリープ損傷評価

図 6 は 2.25Cr1Mo 鋼の実機使用経年部材によ内圧のみによる計算では軸応力加算によるクリーるクリープ試験結果である。図に示すように、実プ損傷の差異は小さく、内圧と継手強度だけで評機使用材では、経年劣化により母材のクリープ強価しても大差ない。これらの結果から、540℃で度が低下していないのに対して、溶接継手部は顕は 15 ～ 20 万時間程度、570℃では 10 ～ 20 万時著にクリープ強度が低下しており、継手の寿命評間程度で損傷が発生する可能性があることを示唆価が重要であることを示している。継手部の損傷している。表 2 で示した日本での溶接継手部の損マップを図 2 に示すが、実機使用応力条件になれ傷事例では、本評価とほぼ同様な結果が得られてば HAZ 部だけに特定されず溶接金属部そのものいることから、計算手法は妥当であると評価できのクリープ強度が低下する。

る。これらの損傷は継手部特有の問題であり、継次に、配管系応力の評価について検討した。表手部を補修すれば寿命延伸が可能であることも最3 は 2.25Cr1Mo 鋼に対して 2 章で紹介した ANSI近報告されている。の配管許容応力を基に規定されている許容応力値

4. 大径管の溶接継手部の寿命評価手順（Sc, Sh, Sa）、クリープひずみ速度から k 値、n 値

3 章で計算した低合金鋼の大径管溶接継手部のの関係式（実験式）、高温引張試験から算出したヤング率（実験値）を示す。

寿命評価と対策をまとめると以下のようになる。

これらの数値から運用中の応力緩和を計算して① 部材の溶接継手部の強度特性を正確に把握し累積クリープ損傷量を計算した。図 7 に 540℃、ておく必要がある。特性評価には、クリープ570℃の各温度別の応力緩和曲線と累積クリープ試験で使用応力レベルでの温度加速試験を含損傷率の計算結果を示すが、（軸応力＋内圧）とみ、試験破断時間が数万時間の長時間データ—IIC_REVIEW_51.indb

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が必要である。母材と溶接継手部のクリープ率が大きく、クリープ強度が高いので残留応強度比（溶接継手強度係数）を応力 - 温度・力が残りやすく、配管の問題が発生しやすい時間のパラメータで表示し、使用領域のクと考えられ、十分な検討が要求される。また、リープ強度を把握しておく。同時に、図 2 に健全性評価には、残留応力評価が重要となっ示すようなクリープ試験条件と破断位置の関てくると考える。

係を示した損傷領域図を明確にしておき、実⑥ タイプⅣクラックは部材内部からクリープボ機使用環境における損傷部位を把握しておく

イドなどの損傷が発生する場合があり、健全必要がある。

性評価には、内部の損傷評価が重要である。

② 大径管のクリープ損傷は、配管支持状態に依⑦ 製造時の溶接継手部に発生する残留応力の評存した軸応力が加算されるので、高温使用時価や、使用中の起動停止時に発生する残留応の応力緩和量を評価する必要がある。応力緩力評価が重要となる場合が想定される。

和量の評価は、簡易法としてノートン則式（2）5. まとめによる応力 - 最小クリープ速度の関係式から応力緩和式（3）を求め、各応力－クリープ火力発電用ボイラの大径管を主体とした溶接継損傷の累積を計算して評価する。特にクリー手部の寿命評価方法について紹介した。配管ではプ強度が高く、応力緩和量が小さい場合には、2 次応力や溶接施工時の残留応力を加算した応力熱応力などの 2 次応力による損傷評価が重要評価が重要である。残留応力の現地計測法が開発となる。

されており、携帯型の小型Ⅹ線装置の使用や、穿③ CrMo 鋼溶接継手部のクリープ強度は、長時孔法による準非破壊法による計測が可能になって間、高温度使用になるほど、母材と継手部のいる。経年後の残留応力評価は、解析による計算強度差が大きくなる。特に高 Cr 鋼のようなよりも、直接残留応力を計測する方が容易になっ熱処理で強度を確保している材料は、高温長ている。クリープ損傷評価では、クリープデータ

時間使用後のクリープ強度評価、溶接継手部自体のばらつきが大きいこと、高温使用中に残留の強度低下の把握が重要である。

応力は応力緩和すること、起動停止による温度変④ タイプⅣクラックの損傷解析評価には、継手化で残留応力が新たに追加されることなどを考慮

部の長時間強度、配管系応力解析、応力緩和

すると、厳密解による評価よりも簡易型による評曲線を考慮した損傷量評価で計算できる。

価が有効である場合もある。さらに、使用中の金⑤ ステンレス鋼や、Ni 基耐熱鋼を配管に採用し属組織変化、溶接継手部の強度評価などは時間依た場合には、配管系応力評価、溶接継手部の存で特性が大きく変化するので、これらの長時間挙動、特性把握が重要である。特に異材継手後の挙動を把握した上で評価すれば、比較的簡単や、溶接金属に異材を使用する場合には、物に評価ができる可能性がある。新規に開発された性値の差による応力発生と応力緩和速度、ク材料に対しては、実機使用後の継続的な材料デー

リープ強度が問題になる。

タの収集と評価が重要である。

蒸気温度が 700℃級の A-USC プラントの開発が計画されており、Ni 基耐熱材料の採用が検討されているが、フェライト鋼よりも熱膨張—

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（7） 中代雅士：火力発電用ボイラ管の損傷と抜

参考文献

管 検 査 方 法、IIC REVIEW No.22、pp.32-44、（1） 火力原子力発電技術協会、A-USC 開発推進委（1999/10）（8） 中代雅士：火力発電用大径管の経年劣化と非員会主催：先進超々臨海圧火力発電技術開発

破壊検査による寿命評価手法、IIC REVIEW

講演会、2013-12-17（2） ASME Code for Pressure Piping, B31

No.27、pp.14-26、（2002/4）（3） Case of ASME boiler and pressure vessel code,（9） 中代雅士：火力発電用ボイラ主要耐圧部の保守検査技術と評価技術、IIC REVIEW No.28、N-47-28, July 1988
（4） 6th International ‘HIDA’Conference, Nagasaki,

pp.14-25、（2002/10）（10）C. R. Brinkman, P. J. Maziasz, B. L. P. Keys, H. D.

December 2013
（5） NRIM（現 NIMS）CREEP DATA SHEET NO.3B

Upon:Oak Ridge National Laboratory Report No.
ORNL/9Cr/90-1,（1990）

1986：ボイラ・熱交換器用合金鋼管 STBA24（2.25Cr1Mo）のクリープデータシート（6） 中代雅士、芝田三郎、米山弘志、馬木秀男、佐久間直勝、渡辺照継、奥山好寛：2.25Cr1Mo
鋼溶接継手部のクリープ損傷予測と超音波ノイズ分析による損傷評価、材料 Vol.45、No.3、pp.321-327、1996

フェロー 博士（工学）
技術士（金属部門・総合技術監
理部門）

中代 雅士
TEL. 03-6404-6033
FAX. 03-6404-6044—

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