金属部材の寿命評価方法
【課題】高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材について、その寿命を高精度に評価することが可能な溶接部を有する金属部材の寿命評価方法を提供する。
【解決手段】本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の寿命評価方法であって、金属部材の試験体に高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ測定し、溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり、且つ、溶接部の硬度が母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時をもって、金属部材の寿命が到来した時であると評価する。
【解決手段】本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の寿命評価方法であって、金属部材の試験体に高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ測定し、溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり、且つ、溶接部の硬度が母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時をもって、金属部材の寿命が到来した時であると評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材について、その寿命を判定するための金属部材の寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材に高温下で荷重が作用すると、クリープ現象と呼ばれる現象が生じて、その材質が劣化し、所定時間経過後に亀裂や破断などの損傷が生じる。
【０００３】
とりわけ、溶接部を有する金属部材、具体的には、周溶接継手部を有する金属製配管（例えば、火力発電所のボイラ蒸気管など）にあっては、その溶接部に高温下で荷重が作用すると、クリープ現象が生じて、亀裂や破断などの損傷が生じやすい。例えば、火力発電所のボイラ蒸気管にあっては、その管内に高温高圧の水蒸気が流れているため、その溶接部に高温下で荷重が作用し、クリープ現象が生じて、損傷が生じやすい。
【０００４】
そこで、従来より、このような金属部材について、その損傷のメカニズムを解明するための研究がなされており（例えば、特許文献１など参照）、さらに近年では、その寿命を高精度に評価する技術の確立が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７０１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材について、その寿命を高精度に評価することが可能な溶接部を有する金属部材の寿命評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の寿命評価方法であって、前記金属部材の試験体に高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ経時的に測定し、その測定結果に基づいて、前記金属部材の寿命を評価することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度の低下に比べて大きく低下し始めた時をもって、前記金属部材の寿命であると評価することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記試験体について、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時までに要した時間（ｔｒ）に対する、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（ｔａ）の割合（ｔａ／ｔｒ）を算出しておき、前記金属部材について、前記溶接部及び前記母材部の硬度をそれぞれ実測し、前記作用の開始時から前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までの時間（Ｔａ）を求め、前記作用の開始時から前記寿命が到来する時までの時間（Ｔｒ）を、Ｔｒ＝Ｔａ÷（ｔａ／ｔｒ）の計算式に基づいて算出することにより、当該金属部材の実際の寿命を予測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材について、その寿命を高精度に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態で使用した試験体を示す図である。
【図２】金属部材の試験体について、硬度の経時変化を示すグラフである。
【図３Ａ】クリープ寿命消費率が４０％の時における試験の様子を示す図である。
【図３Ｂ】クリープ寿命消費率が９４％の時における試験の様子を示す図である。
【図３Ｃ】クリープ寿命消費率が１００％の時における試験の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態では、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の一例として、周溶接継手部を有する金属製配管（具体的には、火力発電所のボイラ蒸気管）を用いることとし、この金属部材の試験体として、図１に示す試験体を用いた。
【００１３】
なお、金属部材の材質としては、例えば、低合金属（ＳＴＢＡやＳＴＡ系）、スレンレス鋼（ＳＵＳ系）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、金属部材に作用する荷重とは、金属部材にクリープ現象を生じさせる一切の作用を意味し、荷物（金属製品など）による作用に限定されるものではなく、例えば、高圧気体による作用（ボイラ水蒸気による内圧の作用など）や、曲げ応力の作用などを含むものとする。
【００１４】
そして、図１に示す試験体について、高温内圧曲げクリープ試験を行って高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部（図１の「溶接金属」参照）及び母材部（図１の「母材」参照）の硬度をそれぞれ測定した。その際、図１に示す試験体の１本側（図１の右側）及び２本側（図１の左側）の両側について、溶接部及び母材部の内面及び外面の硬度をそれぞれ測定することとした。その上で、内面及び外面の各硬度の平均値を求めて、各平均値をグラフにブロットした。そのグラフを図２に示す。また、参考例として、同試験体のＨＡＺ細粒部（但し、図１には図示せず）についても、溶接部及び母材部と同様に硬度を測定し、その測定値の平均値を図２に示すグラフにそれぞれブロットした。さらに、本試験中の溶接部内部の様子の変化を、図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃに示した。
【００１５】
なお、高温内圧曲げクリープ試験とは、円筒状圧力容器である試験体の円筒軸を水平に配置した状態でその両端部を支持し、試験体を外周から加熱し、その後、試験体の内部に水を注入して蒸気を発生させて、その蒸気圧で所定圧力に保持し、試験体の円筒軸方向中央部に上方から下方へ荷重を掛けて保持した状態を長時間継続するというものである（特許第３８５５１９９号参照）。
【００１６】
図２に示すように、試験開始時には、溶接部の硬度は母材部の硬度よりも高かったが、時間の経過とともに、溶接部の硬度及び母材部の硬度はいずれも低下し始め、溶接部の硬度は、母材部の硬度よりも急速に低下し始めた。そして、試験開始時から７６００（ｈｒ）が経過した時には、溶接部の硬度と母材部の硬度が逆転して、溶接部の硬度は母材部の硬度のよりも低くなった。この付近時であるクリープ寿命消費率が４０％の時には、溶接部に未だ亀裂は生じていなかった（図３Ａ参照）。
【００１７】
ところが、試験開始時から２０６００（ｈｒ）が経過した時には、母材部（「ノズル２本側（母材）」）の硬度は、いまだ緩やかに低下していたものの、溶接部（「ノズル２本側（溶接金属）」）の硬度は、急激に低下し始めた。この近接時であるクリープ寿命消費率が９４％の時においては、試験体に亀裂が生じ始めた（図３Ｂ参照）。そこで、この時以降は、超音波ＴＯＦＤや超音波フェーズドアレイを使用して、試験体を詳細に検査することとした。
【００１８】
そして、試験開始時から２１９００（ｈｒ）が経過した時には、母材部の硬度は、依然として緩やかに低下する傾向を維持していたものの、溶接部の高度は著しく低下した。この時、すなわち、クリープ寿命消費率が１００％の時には、溶接部に、肉眼でも観察される大きな亀裂が認められた（図１の「溶接金属部」、及び図３Ｂ参照）。
【００１９】
以上のことから、金属部材の試験体について、その溶接部に亀裂が生じ始めた時（厳密にはその直前）、すなわち、溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり、且つ、溶接部の硬度が母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時（ｔｒ＝２０６００）が、当該試験体の寿命が到来した時であり、この時をもって、金属部材の寿命が到来する時であると評価し得ることになる。
【００２０】
さらに、図２に示すように、試験開始時から溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（ｔａ＝７６００）は、試験開始時から試験体の寿命が到来する時までに要する時間（ｔｒ＝２０６００）の約１／４（＝ｔａ／ｔｒ）に相当することから、実機の金属部材について、溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ実測し、高温下で荷重が作用し始めてから溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（Ｔａ）が仮にＴａ＝８０００であったとすると、その金属部材の寿命（期間）は、Ｔｒ＝Ｔａ÷（ｔａ／ｔｒ）＝８０００÷１／４＝３２０００時間であると予測され、溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり始めた時から起算すると、残り２４０００（＝３２０００−８０００）時間経過後にその寿命が到来するものと予測される。
【００２１】
このようにして、本発明によれば、予め金属部材の試験体を用意し、その試験体について、当該溶接部の硬度の経時変化を示すデータを得ておくことにより、実際の金属部材についても、当該溶接部の硬度を経時的に測定して、その寿命を高精度に評価することが可能となる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材について、その寿命を判定するための金属部材の寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材に高温下で荷重が作用すると、クリープ現象と呼ばれる現象が生じて、その材質が劣化し、所定時間経過後に亀裂や破断などの損傷が生じる。
【０００３】
とりわけ、溶接部を有する金属部材、具体的には、周溶接継手部を有する金属製配管（例えば、火力発電所のボイラ蒸気管など）にあっては、その溶接部に高温下で荷重が作用すると、クリープ現象が生じて、亀裂や破断などの損傷が生じやすい。例えば、火力発電所のボイラ蒸気管にあっては、その管内に高温高圧の水蒸気が流れているため、その溶接部に高温下で荷重が作用し、クリープ現象が生じて、損傷が生じやすい。
【０００４】
そこで、従来より、このような金属部材について、その損傷のメカニズムを解明するための研究がなされており（例えば、特許文献１など参照）、さらに近年では、その寿命を高精度に評価する技術の確立が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７０１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材について、その寿命を高精度に評価することが可能な溶接部を有する金属部材の寿命評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の寿命評価方法であって、前記金属部材の試験体に高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ経時的に測定し、その測定結果に基づいて、前記金属部材の寿命を評価することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度の低下に比べて大きく低下し始めた時をもって、前記金属部材の寿命であると評価することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記試験体について、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時までに要した時間（ｔｒ）に対する、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（ｔａ）の割合（ｔａ／ｔｒ）を算出しておき、前記金属部材について、前記溶接部及び前記母材部の硬度をそれぞれ実測し、前記作用の開始時から前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までの時間（Ｔａ）を求め、前記作用の開始時から前記寿命が到来する時までの時間（Ｔｒ）を、Ｔｒ＝Ｔａ÷（ｔａ／ｔｒ）の計算式に基づいて算出することにより、当該金属部材の実際の寿命を予測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材について、その寿命を高精度に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態で使用した試験体を示す図である。
【図２】金属部材の試験体について、硬度の経時変化を示すグラフである。
【図３Ａ】クリープ寿命消費率が４０％の時における試験の様子を示す図である。
【図３Ｂ】クリープ寿命消費率が９４％の時における試験の様子を示す図である。
【図３Ｃ】クリープ寿命消費率が１００％の時における試験の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態では、高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の一例として、周溶接継手部を有する金属製配管（具体的には、火力発電所のボイラ蒸気管）を用いることとし、この金属部材の試験体として、図１に示す試験体を用いた。
【００１３】
なお、金属部材の材質としては、例えば、低合金属（ＳＴＢＡやＳＴＡ系）、スレンレス鋼（ＳＵＳ系）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、金属部材に作用する荷重とは、金属部材にクリープ現象を生じさせる一切の作用を意味し、荷物（金属製品など）による作用に限定されるものではなく、例えば、高圧気体による作用（ボイラ水蒸気による内圧の作用など）や、曲げ応力の作用などを含むものとする。
【００１４】
そして、図１に示す試験体について、高温内圧曲げクリープ試験を行って高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部（図１の「溶接金属」参照）及び母材部（図１の「母材」参照）の硬度をそれぞれ測定した。その際、図１に示す試験体の１本側（図１の右側）及び２本側（図１の左側）の両側について、溶接部及び母材部の内面及び外面の硬度をそれぞれ測定することとした。その上で、内面及び外面の各硬度の平均値を求めて、各平均値をグラフにブロットした。そのグラフを図２に示す。また、参考例として、同試験体のＨＡＺ細粒部（但し、図１には図示せず）についても、溶接部及び母材部と同様に硬度を測定し、その測定値の平均値を図２に示すグラフにそれぞれブロットした。さらに、本試験中の溶接部内部の様子の変化を、図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃに示した。
【００１５】
なお、高温内圧曲げクリープ試験とは、円筒状圧力容器である試験体の円筒軸を水平に配置した状態でその両端部を支持し、試験体を外周から加熱し、その後、試験体の内部に水を注入して蒸気を発生させて、その蒸気圧で所定圧力に保持し、試験体の円筒軸方向中央部に上方から下方へ荷重を掛けて保持した状態を長時間継続するというものである（特許第３８５５１９９号参照）。
【００１６】
図２に示すように、試験開始時には、溶接部の硬度は母材部の硬度よりも高かったが、時間の経過とともに、溶接部の硬度及び母材部の硬度はいずれも低下し始め、溶接部の硬度は、母材部の硬度よりも急速に低下し始めた。そして、試験開始時から７６００（ｈｒ）が経過した時には、溶接部の硬度と母材部の硬度が逆転して、溶接部の硬度は母材部の硬度のよりも低くなった。この付近時であるクリープ寿命消費率が４０％の時には、溶接部に未だ亀裂は生じていなかった（図３Ａ参照）。
【００１７】
ところが、試験開始時から２０６００（ｈｒ）が経過した時には、母材部（「ノズル２本側（母材）」）の硬度は、いまだ緩やかに低下していたものの、溶接部（「ノズル２本側（溶接金属）」）の硬度は、急激に低下し始めた。この近接時であるクリープ寿命消費率が９４％の時においては、試験体に亀裂が生じ始めた（図３Ｂ参照）。そこで、この時以降は、超音波ＴＯＦＤや超音波フェーズドアレイを使用して、試験体を詳細に検査することとした。
【００１８】
そして、試験開始時から２１９００（ｈｒ）が経過した時には、母材部の硬度は、依然として緩やかに低下する傾向を維持していたものの、溶接部の高度は著しく低下した。この時、すなわち、クリープ寿命消費率が１００％の時には、溶接部に、肉眼でも観察される大きな亀裂が認められた（図１の「溶接金属部」、及び図３Ｂ参照）。
【００１９】
以上のことから、金属部材の試験体について、その溶接部に亀裂が生じ始めた時（厳密にはその直前）、すなわち、溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり、且つ、溶接部の硬度が母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時（ｔｒ＝２０６００）が、当該試験体の寿命が到来した時であり、この時をもって、金属部材の寿命が到来する時であると評価し得ることになる。
【００２０】
さらに、図２に示すように、試験開始時から溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（ｔａ＝７６００）は、試験開始時から試験体の寿命が到来する時までに要する時間（ｔｒ＝２０６００）の約１／４（＝ｔａ／ｔｒ）に相当することから、実機の金属部材について、溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ実測し、高温下で荷重が作用し始めてから溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（Ｔａ）が仮にＴａ＝８０００であったとすると、その金属部材の寿命（期間）は、Ｔｒ＝Ｔａ÷（ｔａ／ｔｒ）＝８０００÷１／４＝３２０００時間であると予測され、溶接部の硬度が母材部の硬度よりも低くなり始めた時から起算すると、残り２４０００（＝３２０００−８０００）時間経過後にその寿命が到来するものと予測される。
【００２１】
このようにして、本発明によれば、予め金属部材の試験体を用意し、その試験体について、当該溶接部の硬度の経時変化を示すデータを得ておくことにより、実際の金属部材についても、当該溶接部の硬度を経時的に測定して、その寿命を高精度に評価することが可能となる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の寿命評価方法であって、
前記金属部材の試験体に高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ経時的に測定し、その測定結果に基づいて、前記金属部材の寿命を評価することを特徴とする金属部材の寿命評価方法。
【請求項２】
前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度の低下に比べて大きく低下し始めた時をもって、前記金属部材の寿命であると評価することを特徴とする請求項１に記載の金属部材の寿命評価方法。
【請求項３】
前記試験体について、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時までに要した時間（ｔｒ）に対する、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（ｔａ）の割合（ｔａ／ｔｒ）を算出しておき、
前記金属部材について、前記溶接部及び前記母材部の硬度をそれぞれ実測し、前記作用の開始時から前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までの時間（Ｔａ）を求め、前記作用の開始時から前記寿命が到来する時までの時間（Ｔｒ）を、Ｔｒ＝Ｔａ÷（ｔａ／ｔｒ）の計算式に基づいて算出することにより、当該金属部材の実際の寿命を予測することを特徴とする請求項２に記載の金属部材の寿命評価方法。
【請求項１】
高温下で荷重が作用する、溶接部を有する金属部材の寿命評価方法であって、
前記金属部材の試験体に高温下で荷重を作用させつつ、その試験体の溶接部及び母材部の硬度をそれぞれ経時的に測定し、その測定結果に基づいて、前記金属部材の寿命を評価することを特徴とする金属部材の寿命評価方法。
【請求項２】
前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度の低下に比べて大きく低下し始めた時をもって、前記金属部材の寿命であると評価することを特徴とする請求項１に記載の金属部材の寿命評価方法。
【請求項３】
前記試験体について、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度に対して急激に低下し始めた時までに要した時間（ｔｒ）に対する、前記作用を開始してから前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までに要した時間（ｔａ）の割合（ｔａ／ｔｒ）を算出しておき、
前記金属部材について、前記溶接部及び前記母材部の硬度をそれぞれ実測し、前記作用の開始時から前記溶接部の硬度が前記母材部の硬度よりも低くなり始めた時までの時間（Ｔａ）を求め、前記作用の開始時から前記寿命が到来する時までの時間（Ｔｒ）を、Ｔｒ＝Ｔａ÷（ｔａ／ｔｒ）の計算式に基づいて算出することにより、当該金属部材の実際の寿命を予測することを特徴とする請求項２に記載の金属部材の寿命評価方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【公開番号】特開２０１０−２３０３２２（Ｐ２０１０−２３０３２２Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７４９６５（Ｐ２００９−７４９６５）
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
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