技術紹介

フェーズドアレイ法を用いた高クロム鋼溶接部の余寿命検査技術
引地

達矢 *1

梶ヶ谷一郎

Hikichi Tatsuya*2

齋藤Kajigaya Ichiro

中川博勝

規子 *3

Saito Noriko*4

塩田Nakagawa Hirokatsu

佳紀 *5

Shioda Yoshiki

国内のボイラプラントで運用されている超々臨界圧ボイラでは、主要耐圧部に高クロムフェライト耐熱鋼が用いられている。これは現在、長期にわたる運転と継手溶接部のクリープ破断強度低下の観点から、溶（1）（2）接部配管の余寿命評価法の精度向上が求められている。IHI グループではクリープ損傷の早期発見を目（3）的に、超音波フェーズドアレイ法の適用検討を行ってきた 。本稿では、クリープ試験体を用いたタイプⅣき裂の検出結果、および余寿命検査技術としての超音波フェーズドアレイ法の有効性について紹介する。
キーワード：フェーズドアレイ法、高クロム鋼、余寿命評価、クリープ試験

験を用いた UPA によるクリープ損傷検出の有効1. はじめに性について紹介する。

国内における超々臨界圧（USC）ボイラでは、

2. 試験概要

主要耐圧部に高クロムフェライト耐熱鋼が用いられている。このプラントの多くが運転時間 10 万試験には、クリープ試験体を用いた。評価方法

時間を超えており、近年では母材および溶接部のは、時間とともに変化する損傷の状況を UPA にクリープ破断強度の低下が懸念されている。このて比較評価することとした。なお、UPA の適用時

ことから、継手溶接部に対する健全性評価の重要期はクリープ試験前、試験中止め時、破断時とし、性が高まってきている。このような状況から、火中止め時期は、予想される破断時間から任意の時

力発電プラントの保守点検においては、より精度間を選定した。また、寿命消費率は、破断時間をの高い余寿命診断が求められている。IHI グルー100％とし、試験中止め時の寿命消費率は破断時

プではその取組みの一つとして、超音波フェーズ間の割合から求めた。したがって、UPA の画像比

ドアレイ法（以下、UPA）を用いたクリープ損傷

較は、試験前を寿命消費率 0％とした相対的な比検出技術の研究開発を行ってきた。

較となり、クリープ試験条件が異なっても比較評

今回は、その研究成果である大型のクリープ試価ができるようにした。

*1：検査事業部 第一検査部 品質管理グループ 課長*2：フェロー 博士（工学）*3：株式会社 IHI 資源・エネルギー・環境事業領域 ボイラ SBU ボイラ設計部 標準化・技術品質グループ*4：株式会社 IHI 資源・エネルギー・環境事業領域 ボイラ SBU ボイラ設計部 標準化・技術品質グループ*5：株式会社 IHI 技術開発本部 基盤技術研究所 材料研究部 材料評価グループ

—

12—

主査部長

3. クリープ試験概要

4. フェーズドアレイ法の試験条件

図 1 に試験体形状を示す。試験体は、火 SCMV28

UPA の探傷に使用した探触子は、超音波の波長の溶接継手部から製作した厚さ約 60mm の狭開先が同程度となるよう横波 5MHz および縦波 10MHzクリープ試験体である。なお、試験体形状は実際の探触子を用いた。UPA のスキャンパターンは、の継手を模擬するため、外面の余盛りおよび内面

図 2 に示す通りセクタスキャンとし、溶接部全体のシーニング部を残した。また、クリープ試験条が確認できるような探触子配置とした。なお、探件は試験温度 650℃および 675℃、試験応力 50MPa

傷は - 側および + 側からそれぞれ行い、実機でのおよび 60MPa をそれぞれ組み合わせた条件とした。

探傷を想定し溶接線に対し平行方向に走査してこの条件において、複数の試験体を用いて試験をデータ採取を行った。比較する画像は溶接部の断行った。なお、試験体には探傷側を表す - 側およ面が確認できる断面画像、および、溶接線の側面び + 側の符号を便宜的に付けている。

が確認できる側面画像の 2 面とし、それぞれの画像は一定のゲート幅を持った投影画像とした。

図1

クリープ試験体形状

図2—

探触子配置
13—

IIC REVIEW/2017/04. No.57

り、最後に高さ方向に指示範囲が広がっているこ

5. 試験結果とがわかる。これは、UPA にて損傷の起点と進

図 3 にサンプル A の横波 UPA の探傷結果を示

展状況を推測できることを示している。

す。画像は、- 側および + 側からの断面画像であ

図 5 は横波と縦波の比較である。超音波の波る。この図より、寿命消費率 71％にて損傷によ

長は横波も縦波も同程度であるが、横波は溶接部る指示を検出し破断に至っていることがわかる。

をノイズとして検出し、縦波は溶接部ノイズを検なお、寿命消費率 71％では指示高さがなく、- 側出しない結果となった。溶接熱影響部に損傷が発と + 側では指示形状に大きな差はない。しかし、生するタイプⅣ損傷の検出評価においては、溶接寿命消費率 93％では、- 側からの探傷では一つの部の形状が把握でき、指示が溶接部内にあるか、大きな指示形状を示し、+ 側からは複数の小さなHAZ にあるのかが判断できる横波が有効である

指示を示している。このことから、- 側から反射といえる。一方、縦波は溶接部ノイズの影響をあしやすい性状、つまり + 側の開先面に沿った面状まり受けないため、横波よりも S/N 比が良い。図の損傷であることが推測できる。また、図 4 は5 の側面画像は損傷部のみにゲートをかけた投影

溶接線方向の指示長さに注目した比較画像であ画像である。この図より、横波は溶接部ノイズもる。この図より、寿命消費とともに指示の点在数同時に検出しており S/N 比低下の要因となっていが増え、その後、溶接線方向に指示の範囲が広がる。それに対し縦波は、損傷指示のみが明瞭に確

図3

クリープ試験体サンプル A の横波 UPA 探傷結果（断面画像比較）

図4

クリープ試験体サンプル A の横波 UPA 探傷結果（側面画像比較）
—

14—

図5

横波と縦波の画像比較認できる結果となった。反射強度の低い損傷指示

損傷の変化や状態を確認することができる有用なや横波のみでは評価が困難な場合は、縦波の適用検査技術であるといえる。

も有効であると考える。

6. 断面組織観察結果

図 6 は指示高さと寿命消費率の関係を示したグラフである。横波と縦波では指示高に計測性能

UPA で検出した指示の反射源を特定するため、の差はなかった。傾向として、寿命消費率 70％

中止め試験体サンプル B を約 1mm ピッチで切断程度から指示を検出し 95％付近から急激に指示し、断面観察を行った。図 7 および図 8 は、寿が大きくなる結果となった。寿命消費率に対する命消費率 70％における UPA 画像と断面組織観察

指示高さの傾向は、継手仕様によっても異なるとの結果である。UPA にて検出した指示は、断面考えられるが、寿命予測を行う上では、UPA は観察の結果、高さ約 2mm 長さ約 4mm の HAZ 細

図6UPA による指示高さ計測結果—15—

IIC REVIEW/2017/04. No.57

（a）UPA 探傷結果

図7（b）断面組織観察写真

中止め試験体サンプル B の断面組織観察結果（a）UPA におけるスライス断面位置

図8（b）スライス断面観察結果によるき裂範囲

クリープ試験体サンプル B のき裂範囲

粒域のタイプⅣき裂であった。なお、ミクロ観察わかった。フェーズドアレイ法は、損傷を客観的結果では、き裂は完全に連結してはいなかったが、に把握することができる手法である。本結果はあUPA では断続的な微視き裂全体を一つの反射源

くまで一例であり材厚や材質、検出対象によってとして捉えていたと考えられる。このように、超最適な検査条件が異なるので、対象に合った検討

音波で損傷を反射面として捉えることができれが必要である。
火力発電プラントにおける高クロム鋼主要耐圧

ば、微細な損傷であっても十分検出は可能であるといえる。

部の健全性評価は、いまだ課題である。より寿命消費の少ない段階で損傷の兆候を捉えることがで

7. まとめ

きれば、より長期的なメンテナンス計画を立てる

フェーズドアレイ法を用いたクリープ試験体のことができ、火力プラントの安定運用に貢献する探傷では、寿命消費率約 70％の損傷を検出することができる。

ことができた。また、横波と縦波の比較では検出引き続き検査技術の向上とともに余寿命評価方性能は同等であるものの、横波の方が溶接性状を法の精度向上に努めていきたい。

視認しやすく損傷の位置特定に有効であることが—16—

（2） 火力設備における電気事業法施工規則第 94

参考文献

条の 2 第 2 項第 1 号に規定する定期事業者検（1） 久布白圭司、齋藤規子：株式会社 IHI、改良査の時期変更承認に係わる標準的な審査基準

9Cr-1Mo 鋼溶接部のクリープ寿命評価、日本例及び申請方法等について（20120919 商局

鉄鋼協会、2015、材料の組織と特性部会、高第 66 号）

Cr 鋼溶接部組織の基礎的理解とその応用自（3） 小林英男、大岡紀一、牧原善次：超音波によ主フォーラム、シンポジウム「高 Cr 鋼溶接る欠陥寸法測定 非破壊検査の新しい展開、部のクリープ変形・破壊」

共立出版、2009

検査事業部 第一検査部
品質管理グループ課長

フェロー
博士（工学）

梶ヶ谷 一郎

引地 達矢

TEL. 045-791-3523
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-759-2553
FAX. 045-759-2146
株式会社 IHI
資源・エネルギー・環境事業領域
ボイラ SBU ボイラ設計部
標準化・技術品質グループ 主査

株式会社 IHI
資源・エネルギー・環境事業領域
ボイラ SBU ボイラ設計部
標準化・技術品質グループ 部長

TEL. 03-6204-7520
FAX. 03-6204-8790

TEL. 03-6204-7520
FAX. 03-6204-8790

齋藤 規子

中川 博勝

株式会社 IHI 技術開発本部
基盤技術研究所 材料研究部
材料評価グループ

塩田 佳紀
TEL. 045-759-2806
FAX. 045-759-2627—17—

IIC REVIEW/2017/04. No.57