金属部材の損傷評価方法及び装置
【課題】高Ｃｒ鋼からなる金属部材のクリープ損傷の早期検出を実現し、保守管理に必要な時間を確保する。
【解決手段】火力発電所用ボイラの蒸気配管Ｐの外表面に、溶接部Ｗを挟んで複数の計測用突起１０が形成されている。クリープ損傷評価装置１２は、過去の計測値に基づいて作成され、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺの歪と寿命消費率との相関関係を示す相関マップ１４が記憶された記憶部１６と、計測用突起１０間の間隔２Ｌの計測値が入力され、蒸気配管Ｐの外表面のクリープ歪を算出するクリープ歪計測部１８と、有限要素法（ＦＥＭ）を用い、間隔２Ｌ間のクリープ歪から溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪を算出する第１推定部２０と、前記クリープ歪及び相関マップ１４から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の寿命消費率を推定する第２推定部２２とからなる。
【解決手段】火力発電所用ボイラの蒸気配管Ｐの外表面に、溶接部Ｗを挟んで複数の計測用突起１０が形成されている。クリープ損傷評価装置１２は、過去の計測値に基づいて作成され、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺの歪と寿命消費率との相関関係を示す相関マップ１４が記憶された記憶部１６と、計測用突起１０間の間隔２Ｌの計測値が入力され、蒸気配管Ｐの外表面のクリープ歪を算出するクリープ歪計測部１８と、有限要素法（ＦＥＭ）を用い、間隔２Ｌ間のクリープ歪から溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪を算出する第１推定部２０と、前記クリープ歪及び相関マップ１４から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の寿命消費率を推定する第２推定部２２とからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、火力発電プラント用ボイラの蒸気配管の溶接部等に発生するクリープ損傷を評価し、クリープ破断に至るまでの余寿命を推定するのに好適なクリープ損傷の評価方法及び評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント用ボイラの蒸気配管には、優れた高温特性をもち、高温高圧下で長時間使用できるフェライト系高Ｃｒ耐熱鋼が使用されている。かかる高温高圧下で使用される配管では、クリープ現象に起因した破断が問題となる。そこで、クリープ破断に対する保守管理が必要となる。クリープ損傷の進行速度は、特に溶接箇所の溶接熱影響部において大きくなる。クリープ破断は、溶接熱影響部等で発生したクリープボイド（空孔）が成長及び合体を繰り返し、微視き裂に成長し、その後、巨視き裂が進展して配管の肉厚を貫通し、破断に至るものである。
【０００３】
図１２は、２Ｃｒ鋼からなるボイラの蒸気配管の溶接部Ｗに発生したき裂ｃを示している。図１２に示すように、溶接金属ｗと蒸気配管の母材ｍ間に形成される溶接熱影響部ＨＡＺにき裂ｃが発生し、破断に到っている。また、蒸気配管の表面より内部でクリープボイド数が多く発生し、き裂ｃの起点となる傾向がある。
【０００４】
金属部材表面のクリープボイドの有無を検出する方法として、レプリカ法がある。レプリカ法は、検査対象面を鏡面に研磨し、該鏡面をエッチングにより選択除去し、エッチング面にレプリカ用プラスチック膜を押貼し、エッチング面の凹凸をプラスチック膜に転写する。次に、走査型電子顕微鏡を用いてクリープボイドの有無及びその分布状況を観察する。
【０００５】
また、金属部材の成分分析からクリープ損傷の進行速度の影響を判定する方法もある。この方法は、金属部材表面の酸化被膜を除去した後、露出した金属部材を研削して切粉を採取する。この切粉を用いて成分分析を行い、不純物量からクリープ脆化指数（ＣＥＦ）を求め、クリープ脆化指数とクリープ損傷の進行速度との相関から、今後の保守管理要領に反映するものである。
【０００６】
金属部材内部の傷を検出する方法として、超音波を用いた非破壊検査方法がある。この方法は、金属部材の内部に超音波を発信し、欠陥で反射する反射波を検出することで、欠陥を検出するものである。超音波を用いた方法として、複数の振動素子から意図する方向に走る単一波面を形成するように複数の超音波を発信し、欠陥で反射する反射波を検出することで、欠陥の「位置」の測定精度が高いフェーズドアレイ法がある。また、金属部材の表面に超音波を発信する振動素子と、金属部材内部の傷からの反射波を受信素子とを備え、金属部材表面で反射する反射波と欠陥で反射する反射波との時間差から、欠陥の「深さ」を精度良く検出できるＴＯＦＤ法等の方法がある。
【０００７】
特許文献１には、超音波探傷法では、金属部材内部の傷が経年変化により生じたクリープ損傷によるものか、製造時に既に生じていたものかを判定できないために、金属部材の余寿命を予測できないという課題を解決する手段が開示されている。この手段は、超音波探傷法と、金属部材表面のクリープボイドの分布状態を観察するレプリカ法や成分分析法等とを併用することで、クリープ損傷による傷かどうかを判定するものである。
【０００８】
特許文献２には、ボイラ配管のベンド部のクリープ損傷を評価し、該ベンド部の余寿命を正確かつ簡便に予測可能なクリープ損傷評価方法が開示されている。この方法は、ボイラ運転前後のベンド部の変形量を測定し、この変形量の差から運転後にベンド部に働く曲げモーメントを算出し、予め求めてあるベンド部の曲げモーメントとクリープ損傷との相関関係から、該ベンド部のクリープ損傷を予測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１５３８６５号公報
【特許文献２】特開２００３−２３２７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ボイラの蒸気配管に適用される高Ｃｒ鋼のうち、９〜１２Ｃｒ鋼は、２Ｃｒ鋼と比べて高いクリープ破断強度をもつ。しかし、９〜１２Ｃｒ鋼は、２Ｃｒ鋼と比べ、クリープ損傷を受けたときの組織変化が少なく、寿命末期にならないと、金属部材内部でき裂伸展が見られず、かつ外表面にクリープボイドが生じない。そのため、特許文献１に開示された超音波による評価方法では、寿命末期にならないと、金属部材内部のクリープ損傷を見つけることができない。また、金属部材表面でも、レプリカ法や成分分析法を用いた場合、寿命末期にならないと、クリープボイドを検出できない。
【００１１】
例えば、クリープ破断までの時間を１００％とするクリープ寿命消費率で言えば、２Ｃｒ鋼では、クリープ寿命消費率が６０％程度で、密集したクリープボイドや微視き裂を検出可能であるが、９〜１２Ｃｒ鋼では、クリープ寿命消費率が８０％程度にならないと、密集したクリープボイドや微視き裂を検出できない。そのため、クリープ損傷の検出からクリープ破断までの時間が短く、保守管理に十分な時間を確保できず、十分な保守管理ができないという問題がある。
【００１２】
特許文献２に開示された評価方法は、曲げモーメントを顕著に受ける金属部材だけに適用可能であり、適用範囲が限定される。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、９〜１２Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼においても、クリープ損傷の早期検出を可能にし、保守管理に十分な時間を確保できるクリープ損傷評価方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる目的を達成するため、本発明の金属部材の損傷評価方法は、過去の計測値から、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップを予め作成しておくマップ作成工程と、金属部材の表面に発生する変位を計測し、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測工程と、該クリープ歪計測工程で計測したクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定工程と、歪計測工程で計測した金属部材表面のクリープ歪及び第１推定工程で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定工程と、からなるものである。
【００１５】
本発明方法では、金属部材の表面に発生したクリープ歪から、例えば有限要素法（ＦＥＭ）等の解析的手法を用いて、金属部材内部のクリープ歪を推定する。そして、金属部材の表面及び内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて、金属部材の表面及び内部のクリープ寿命消費率を推定する。このように、金属部材に発生するクリープ歪に基づいて、クリープ損傷を推定しているので、９〜１２Ｃｒ鋼においても、早期にクリープ損傷度を把握できる。これによって、金属部材の保守管理に十分な時間を確保できるので、保守管理が容易になる。
【００１６】
本発明方法において、クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に予め２個以上の計測用突起を形成しておき、クリープ歪発生前後に計測した計測用突起間の距離から計測用突起間のクリープ歪を算出するものであるとよい。このように、予め計測用突起を設けておくことで、金属部材表面のクリープ歪を計測するのが容易になる。計測用突起は、クリープ損傷の進行速度が速く、クリープ損傷度を特に監視すべき領域に配置するとよい。
【００１７】
本発明方法において、金属部材に引張り荷重が付加されるとき、クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に発生した凹部の深さを計測し、この計測値を金属部材の表面に発生するクリープ歪の指標とするとよい。金属部材が引張り荷重を受けるとき、特にクリープ損傷の進行速度が大きい領域、例えば溶接熱影響部等で金属部材の表面に凹部が発生する。そこで、この凹部の深さを金属部材の表面に発生する変位として捉え、これからクリープ歪を算出することで、この領域のクリープ寿命消費率を簡便に求めることができる。
【００１８】
また、計測用突起を形成するクリープ歪算出方法と、金属部材表面の凹部の深さを検出するクリープ歪算出方法とを併用することで、さらに正確なクリープ寿命消費率を推定できる。
【００１９】
さらに、前記クリープ損傷評価方法に加えて、金属部材表面の組織検査を行い、この組織検査の結果に基づき金属部材表面のクリープ損傷の有無を判定し、この判定結果と前記クリープ損傷評価方法で推定した寿命消費率とから、金属部材の寿命消費率を総合的に推定するとよい。これによって、金属部材のクリープ寿命消費率をさらに正確に推定できる。
【００２０】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の金属部材の損傷評価装置は、過去の計測値に基づいて作成され、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップ及び該相関マップを記憶する記憶手段と、金属部材の表面に発生する変位が入力され、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測手段と、クリープ歪計測手段で計測されたクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定手段と、クリープ歪計測手段で計測された金属部材表面のクリープ歪及び第１推定手段で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定手段と、からなるものである。
【００２１】
本発明装置では、金属部材の表面に発生したクリープ歪を算出し、該クリープ歪から、例えば有限要素法（ＦＥＭ）等の解析的手法を用いて、金属部材内部のクリープ歪を推定する。そして、金属部材の表面及び内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて、金属部材の表面及び内部のクリープ寿命消費率を推定する。このように、金属部材に発生するクリープ歪に基づいて、クリープ損傷を推定しているので、９〜１２Ｃｒ鋼においても、早期にクリープ損傷度を把握できる。これによって、金属部材の保守管理が容易になる。
【００２２】
本発明装置において、金属部材の表面に予め形成された２個以上の計測用突起を備え、歪計測手段に歪発生前後に計測された計測用突起間の距離が入力され、該歪計測手段で計測用突起間のクリープ歪を算出するものであるとよい。このように、金属部材の表面に計測用突起を形成することで、金属部材表面のクリープ歪を計測するのが容易になる。計測用突起は、クリープ損傷の進行速度が速く、クリープ損傷度を特に監視すべき領域に配置するとよい。
【００２３】
本発明装置において、計測用突起が金属部材の溶接線の両側に配置され、溶接線の熱影響部のクリープ損傷による寿命消費率を推定するようにするとよい。溶接部のクリープ損傷の進行速度は、金属部材の母材及び溶接金属は同等であるが、溶接熱影響部のクリープ損傷の進行速度はこれらの領域より大きい。そこで、特に、溶接熱影響部のクリープ寿命消費率を推定することで、金属部材のクリープ破断時期を正確に推定できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明方法によれば、過去の計測値から、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップを予め作成しておくマップ作成工程と、金属部材の表面に発生する変位を計測し、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測工程と、該クリープ歪計測工程で計測したクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定工程と、クリープ歪計測工程で計測した金属部材表面のクリープ歪及び第１推定工程で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定工程と、からなり、金属部材に発生するクリープ歪に基づいて、クリープ損傷を推定しているので、９〜１２Ｃｒ鋼においても、早期にクリープ損傷度を把握できる。これによって、金属部材の保守管理のための十分な時間的余裕を得ることができる。
【００２５】
本発明装置によれば、過去の計測値に基づいて作成され、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップ及び該相関マップを記憶する記憶手段と、金属部材の表面に発生する変位が入力され、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測手段と、クリープ歪計測手段で計測されたクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定手段と、クリープ歪計測手段で計測された金属部材表面のクリープ歪及び第１推定手段で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定手段と、からなるので、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係り、寿命予測対象となる蒸気配管の斜視図である。
【図２】前記蒸気配管に形成された計測用突起の拡大図である。
【図３】前記蒸気配管の溶接部の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るクリープ損傷評価装置のブロック線図である。
【図５】前記第１実施形態に係り、（Ａ）は溶接熱影響部のクリープ歪を示す線図であり、（Ｂ）は溶接熱影響部のクリープ歪から寿命消費率を予測する線図である。
【図６】第１実施形態で実際に計測用突起間のクリープ歪から予測した溶接熱影響部のクリープ歪を示す線図である。
【図７】第１実施形態で実際に溶接熱影響部のクリープ歪から予測した寿命消費率を示す線図である。
【図８】第１実施形態で、本発明及び他の手法を併用して蒸気配管の寿命消費率を総合的に予測した線図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る蒸気配管の断面図である。
【図１０】前記第２実施形態に係り、（Ａ）は溶接熱影響部のクリープ歪を示す線図であり、（Ｂ）は溶接熱影響部のクリープ歪から寿命消費率を予測する線図である。
【図１１】第２実施形態で、実際に予測した溶接熱影響部のくぼみ量から予測した寿命消費率を示す線図である。
【図１２】蒸気配管の溶接部に発生したき裂と、蒸気配管に発生したクリープボイド面密度を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２８】
（実施形態１）
本発明を火力発電所用ボイラの、９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管に適用した第１実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１はクリープ損傷を評価しその余寿命を予測する蒸気配管Ｐを示す。蒸気配管Ｐは、例えば、ボイラと蒸気タービン間に配設され、高圧蒸気Ｓをボイラから蒸気タービンに供給する、直径が４００〜７００ｍｍの大口径管である。蒸気配管Ｐは、管の周方向に溶接部Ｗが存在する。溶接部Ｗに形成される溶接熱影響部が最もクリープ損傷の進行速度が大きいため、本実施形態では溶接部Ｗの周辺の溶接熱影響部のクリープ損傷を評価する。そのため、蒸気配管Ｐの外周面に、溶接部Ｗを挟んで計測用突起１０が形成されている。
【００２９】
蒸気配管Ｐには、蒸気配管Ｐの内部を流れる高圧蒸気Ｓによって半径方向、周方向、及び軸方向の応力が発生する。また、蒸気配管Ｐには、蒸気配管Ｐの自重及び配管系の熱伸びによって、又は支持部材等外部から付加される荷重によって、曲げモーメントによる軸方向応力が発生する。計測用突起１０は、これらの荷重が最も大きくなると予想される箇所、及び該箇所と９０°の位相差を有する蒸気配管Ｐの外表面に予め形成されている。計測用突起１０は、溶接部Ｗを挟み、溶接部Ｗから等間隔Ｌに配置され、かつ周方向に４箇所、９０°間隔で配置されている。
【００３０】
図２に示すように、計測用突起１０の形状は、円筒形、又は下部が円筒形をなし、上部が截頭円錐形をなしている。火力発電所の運転開始前又は定期点検時に、オペレータが、マイクロメータ等を用いて、溶接部Ｗを挟んで相対する計測用突起間の間隔２Ｌを計測する。また、運転開始後、定期点検以外でも定期的に間隔２Ｌを計測する。
【００３１】
図３は、蒸気配管Ｐの溶接部Ｗの拡大断面図である。蒸気配管Ｐの母材ｍと溶接金属ｗとの間に、溶接熱影響部ＨＡＺが形成される。溶接熱影響部ＨＡＺは、溶接金属ｗ側に形成される粗粒域ｒと、母材ｍ側に形成される細粒域ｆとからなる。通常、細粒域ｆ中の線ＡＢに沿ってクリープボイドが発生し、それがき裂ｃに伸展し、破断に至る。図３に示すように、線ＡＢ上では、蒸気配管Ｐの表面より内部のほうが大きいクリープ歪が発生する。そのため、表面より内部のほうがクリープ損傷度が大きくなる。
【００３２】
図４に、本実施形態に係るクリープ損傷評価装置１２を示す。過去の計測値に基づいて、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺのクリープ歪と寿命消費率との相関関係を示す相関マップ１４が予め作成されている。相関マップ１４は記憶部１６に記憶されている。また、記憶部１６には、ボイラの運転開始前又は定期点検時に計測された間隔２Ｌの計測値が記憶されている。相関マップ１４の一例を図５（Ｂ）に示す。クリープ歪計測部１８には、ボイラの運転開始後定期的に計測される間隔２Ｌの計測値が入力される。クリープ歪計測部１８では、記憶部１６からボイラの運転開始前又は定期点検時に計測された間隔２Ｌの計測値が送られ、運転中の間隔２Ｌのクリープ歪を算出する。
【００３３】
第１推定部２０では、有限要素法（ＦＥＭ）を用い、間隔２Ｌ間のクリープ歪から溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪を算出する。こうして求めた溶接熱影響部ＨＡＺの外表面及び板厚内部のクリープ歪と間隔２Ｌ間のクリープ歪をグラフ化したものの一例を図５（Ａ）に示す。第２推定部２２には、第１推定部２０で求めた溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の歪が入力されると共に、記憶部１６から相関マップ１４が入力される。第２推定部２２では、これらの入力値から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の寿命消費率を推定する。こうして、求めた寿命消費率は表示部２４に表示される。
【００３４】
ボイラ用蒸気配管の溶接製エルボ（材質：改良９Ｃｒ鋼、外径／肉厚：φ５６８．８ｍｍ×ｔ３０ｍｍ、曲げ部の曲率半径：Ｒ８４０ｍｍ、蒸気温度：６５０℃、蒸気圧：７．５ＭＰａ）について、第１実施形態の手法で求めた実験結果を図６及び図７に示す。図６は、第１推定部２０で求めた間隔２Ｌ間のクリープ歪と、溶接熱影響部ＨＡＺの板厚内部及び外表面のクリープ歪との関係を示し、図７は、溶接熱影響部ＨＡＺのクリープ歪と、溶接熱影響部ＨＡＺの寿命消費率との関係を示す線図である。
【００３５】
第１実施形態では、本発明方法により蒸気配管Ｐの寿命消費率を推定したほかに、従来のレプリカ法及び超音波探傷法（ＴＯＦＤ法）を併用している。図８に示すように、定期的にレプリカ法によって、蒸気配管Ｐの外表面のクリープボイドの分布状態を観察し、蒸気配管外表面のクリープ損傷度を判定し、蒸気配管外表面の寿命消費率を予測した。また、ボイラの運転開始前又は定期点検時及びその後定期的に、ＴＯＦＤ法によって蒸気配管Ｐの板厚内部のクリープ損傷度を判定し、板厚内部の寿命消費率を予測した。これらの手法により寿命予測した結果を図８の線図に示す。
【００３６】
前述のように、金属部材のクリープ損傷は、表面より内部で速く進行する。図８に示すように、蒸気配管Ｐの板厚内部のクリープ損傷度を判定可能な本発明方法及びＴＯＦＤ法では、蒸気配管Ｐの表面のクリープ損傷度を判定可能なレプリカ法と比べて、判定された余寿命は短くなる傾向にある。
【００３７】
本実施形態によれば、蒸気配管Ｐの外表面の歪を計測し、この計測値から蒸気配管Ｐの寿命消費率を推定するので、クリープ損傷による組織変化が少ない９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管Ｐでも、ボイラの運転開始の初期から、蒸気配管Ｐの余寿命を正確に推定できる。また、板厚内部のクリープ損傷も推定できるので、表面のみの観測しかできないレプリカ法等と比べて、正確に寿命消費率を判定できる。そのため、保守管理の時間を十分確保できるので、適切な保守管理を実施できる。
【００３８】
一方、ＴＯＦＤ法等の超音波探傷法は、図８に示すように、クリープ損傷が進行した末期からしかクリープ損傷度を判定できないので、保守管理に時間的余裕がなく、適切な保守管理ができないという問題がある。
【００３９】
（実施形態２）
本発明方法及び本発明装置を、第１実施形態と同様の火力発電所用ボイラの、９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管に適用した第２実施形態を図９〜図１１に基づいて説明する。本実施形態のクリープ損傷評価装置は、第１実施形態のクリープ損傷評価装置１２と同一である。蒸気配管Ｐには、内部を流れる高圧蒸気Ｓにより引張り荷重Ｆが働く。蒸気配管Ｐのクリープ損傷の進行速度は、母材ｍ及び溶接金属ｗはほぼ同等であり、溶接熱影響部ＨＡＺはこれらより大きい。そのため、運転時間が長くなるにつれて、溶接熱影響部ＨＡＺの変形が大きくなり、寿命後半では溶接熱影響部ＨＡＺにくぼみδが発生する。
【００４０】
オペレータがこのくぼみδを計測し、計測値を歪計測部１８に入力する。くぼみδの計測方法には、例えば、粘土による型取りしたものをマイクロメータ等によって計測するか、あるいはレーザ顕微鏡による計測方法がある。クリープ歪計測部１８では、くぼみδのくぼみ量の計測値から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面のクリープ歪（くぼみ量／蒸気配管Ｐの板厚ｔ）を算出する。第１推定部２０では、有限要素法（ＦＥＭ）を用い、クリープ歪計測部１８で算出したクリープ歪から溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪を算出する。溶接熱影響部ＨＡＺのくぼみδと、溶接熱影響部ＨＡＺの外表面及び板厚内部のクリープ歪との関係をグラフ化したものの一例を図１０（Ａ）に示す。
【００４１】
第２推定部２２には、第１推定部２０で求めた溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪が入力されると共に、記憶部１６から、過去の計測値に基づいて作成された、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺのクリープ歪と寿命消費率との相関関係を示す相関マップ１４が予め入力されている。図１０（Ｂ）に相関マップ１４の一例を示す。第２推定部２２では、これらの入力値から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の寿命消費率を推定する。こうして、求めた寿命消費率は表示部２４に表示される。
【００４２】
ボイラ用蒸気配管の前記溶接製エルボについて、第２実施形態の手法で求めた実験結果を図１１に示す。図１１は、実験で得られた溶接熱影響部ＨＡＺのくぼみ量と寿命消費率との関係を示す。この寿命消費率は、第２実施形態の前記手法で予測されたものである。
【００４３】
本実施形態によれば、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺの外表面のくぼみ量を計測し、この計測値から蒸気配管Ｐの寿命消費率を推定するので、クリープ損傷による組織変化が少ない９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管Ｐでも、ボイラの運転開始の初期から、蒸気配管Ｐの余寿命を正確に推定できる。そのため、保守管理の時間を十分確保できるので、適切な保守管理を実施できる。
【００４４】
なお、本発明は、２Ｃｒ鋼等の比較的Ｃｒ含有量が少ないＣｒ鋼からなる金属部材のクリープ損傷評価にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、９〜１２Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼からなる金属部材のクリープ損傷の早期検出を可能とし、保守管理に十分な時間を確保できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 計測用突起
１２ クリープ損傷評価装置
１４ 相関マップ
１６ 記憶部
１８ 歪計測部
２０ 第１推定部
２２ 第２推定部
２４ 表示部
Ｆ 引張り荷重
ＨＡＺ 溶接熱影響部
Ｐ 蒸気配管
Ｓ 高圧蒸気
Ｗ 溶接部
ｃ き裂
ｆ 細粒域
ｍ 母材
ｒ 粗粒域
ｔ 板厚
ｗ 溶接金属
δ くぼみ
ε クリープ歪
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、火力発電プラント用ボイラの蒸気配管の溶接部等に発生するクリープ損傷を評価し、クリープ破断に至るまでの余寿命を推定するのに好適なクリープ損傷の評価方法及び評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント用ボイラの蒸気配管には、優れた高温特性をもち、高温高圧下で長時間使用できるフェライト系高Ｃｒ耐熱鋼が使用されている。かかる高温高圧下で使用される配管では、クリープ現象に起因した破断が問題となる。そこで、クリープ破断に対する保守管理が必要となる。クリープ損傷の進行速度は、特に溶接箇所の溶接熱影響部において大きくなる。クリープ破断は、溶接熱影響部等で発生したクリープボイド（空孔）が成長及び合体を繰り返し、微視き裂に成長し、その後、巨視き裂が進展して配管の肉厚を貫通し、破断に至るものである。
【０００３】
図１２は、２Ｃｒ鋼からなるボイラの蒸気配管の溶接部Ｗに発生したき裂ｃを示している。図１２に示すように、溶接金属ｗと蒸気配管の母材ｍ間に形成される溶接熱影響部ＨＡＺにき裂ｃが発生し、破断に到っている。また、蒸気配管の表面より内部でクリープボイド数が多く発生し、き裂ｃの起点となる傾向がある。
【０００４】
金属部材表面のクリープボイドの有無を検出する方法として、レプリカ法がある。レプリカ法は、検査対象面を鏡面に研磨し、該鏡面をエッチングにより選択除去し、エッチング面にレプリカ用プラスチック膜を押貼し、エッチング面の凹凸をプラスチック膜に転写する。次に、走査型電子顕微鏡を用いてクリープボイドの有無及びその分布状況を観察する。
【０００５】
また、金属部材の成分分析からクリープ損傷の進行速度の影響を判定する方法もある。この方法は、金属部材表面の酸化被膜を除去した後、露出した金属部材を研削して切粉を採取する。この切粉を用いて成分分析を行い、不純物量からクリープ脆化指数（ＣＥＦ）を求め、クリープ脆化指数とクリープ損傷の進行速度との相関から、今後の保守管理要領に反映するものである。
【０００６】
金属部材内部の傷を検出する方法として、超音波を用いた非破壊検査方法がある。この方法は、金属部材の内部に超音波を発信し、欠陥で反射する反射波を検出することで、欠陥を検出するものである。超音波を用いた方法として、複数の振動素子から意図する方向に走る単一波面を形成するように複数の超音波を発信し、欠陥で反射する反射波を検出することで、欠陥の「位置」の測定精度が高いフェーズドアレイ法がある。また、金属部材の表面に超音波を発信する振動素子と、金属部材内部の傷からの反射波を受信素子とを備え、金属部材表面で反射する反射波と欠陥で反射する反射波との時間差から、欠陥の「深さ」を精度良く検出できるＴＯＦＤ法等の方法がある。
【０００７】
特許文献１には、超音波探傷法では、金属部材内部の傷が経年変化により生じたクリープ損傷によるものか、製造時に既に生じていたものかを判定できないために、金属部材の余寿命を予測できないという課題を解決する手段が開示されている。この手段は、超音波探傷法と、金属部材表面のクリープボイドの分布状態を観察するレプリカ法や成分分析法等とを併用することで、クリープ損傷による傷かどうかを判定するものである。
【０００８】
特許文献２には、ボイラ配管のベンド部のクリープ損傷を評価し、該ベンド部の余寿命を正確かつ簡便に予測可能なクリープ損傷評価方法が開示されている。この方法は、ボイラ運転前後のベンド部の変形量を測定し、この変形量の差から運転後にベンド部に働く曲げモーメントを算出し、予め求めてあるベンド部の曲げモーメントとクリープ損傷との相関関係から、該ベンド部のクリープ損傷を予測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１５３８６５号公報
【特許文献２】特開２００３−２３２７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ボイラの蒸気配管に適用される高Ｃｒ鋼のうち、９〜１２Ｃｒ鋼は、２Ｃｒ鋼と比べて高いクリープ破断強度をもつ。しかし、９〜１２Ｃｒ鋼は、２Ｃｒ鋼と比べ、クリープ損傷を受けたときの組織変化が少なく、寿命末期にならないと、金属部材内部でき裂伸展が見られず、かつ外表面にクリープボイドが生じない。そのため、特許文献１に開示された超音波による評価方法では、寿命末期にならないと、金属部材内部のクリープ損傷を見つけることができない。また、金属部材表面でも、レプリカ法や成分分析法を用いた場合、寿命末期にならないと、クリープボイドを検出できない。
【００１１】
例えば、クリープ破断までの時間を１００％とするクリープ寿命消費率で言えば、２Ｃｒ鋼では、クリープ寿命消費率が６０％程度で、密集したクリープボイドや微視き裂を検出可能であるが、９〜１２Ｃｒ鋼では、クリープ寿命消費率が８０％程度にならないと、密集したクリープボイドや微視き裂を検出できない。そのため、クリープ損傷の検出からクリープ破断までの時間が短く、保守管理に十分な時間を確保できず、十分な保守管理ができないという問題がある。
【００１２】
特許文献２に開示された評価方法は、曲げモーメントを顕著に受ける金属部材だけに適用可能であり、適用範囲が限定される。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、９〜１２Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼においても、クリープ損傷の早期検出を可能にし、保守管理に十分な時間を確保できるクリープ損傷評価方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる目的を達成するため、本発明の金属部材の損傷評価方法は、過去の計測値から、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップを予め作成しておくマップ作成工程と、金属部材の表面に発生する変位を計測し、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測工程と、該クリープ歪計測工程で計測したクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定工程と、歪計測工程で計測した金属部材表面のクリープ歪及び第１推定工程で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定工程と、からなるものである。
【００１５】
本発明方法では、金属部材の表面に発生したクリープ歪から、例えば有限要素法（ＦＥＭ）等の解析的手法を用いて、金属部材内部のクリープ歪を推定する。そして、金属部材の表面及び内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて、金属部材の表面及び内部のクリープ寿命消費率を推定する。このように、金属部材に発生するクリープ歪に基づいて、クリープ損傷を推定しているので、９〜１２Ｃｒ鋼においても、早期にクリープ損傷度を把握できる。これによって、金属部材の保守管理に十分な時間を確保できるので、保守管理が容易になる。
【００１６】
本発明方法において、クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に予め２個以上の計測用突起を形成しておき、クリープ歪発生前後に計測した計測用突起間の距離から計測用突起間のクリープ歪を算出するものであるとよい。このように、予め計測用突起を設けておくことで、金属部材表面のクリープ歪を計測するのが容易になる。計測用突起は、クリープ損傷の進行速度が速く、クリープ損傷度を特に監視すべき領域に配置するとよい。
【００１７】
本発明方法において、金属部材に引張り荷重が付加されるとき、クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に発生した凹部の深さを計測し、この計測値を金属部材の表面に発生するクリープ歪の指標とするとよい。金属部材が引張り荷重を受けるとき、特にクリープ損傷の進行速度が大きい領域、例えば溶接熱影響部等で金属部材の表面に凹部が発生する。そこで、この凹部の深さを金属部材の表面に発生する変位として捉え、これからクリープ歪を算出することで、この領域のクリープ寿命消費率を簡便に求めることができる。
【００１８】
また、計測用突起を形成するクリープ歪算出方法と、金属部材表面の凹部の深さを検出するクリープ歪算出方法とを併用することで、さらに正確なクリープ寿命消費率を推定できる。
【００１９】
さらに、前記クリープ損傷評価方法に加えて、金属部材表面の組織検査を行い、この組織検査の結果に基づき金属部材表面のクリープ損傷の有無を判定し、この判定結果と前記クリープ損傷評価方法で推定した寿命消費率とから、金属部材の寿命消費率を総合的に推定するとよい。これによって、金属部材のクリープ寿命消費率をさらに正確に推定できる。
【００２０】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の金属部材の損傷評価装置は、過去の計測値に基づいて作成され、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップ及び該相関マップを記憶する記憶手段と、金属部材の表面に発生する変位が入力され、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測手段と、クリープ歪計測手段で計測されたクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定手段と、クリープ歪計測手段で計測された金属部材表面のクリープ歪及び第１推定手段で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定手段と、からなるものである。
【００２１】
本発明装置では、金属部材の表面に発生したクリープ歪を算出し、該クリープ歪から、例えば有限要素法（ＦＥＭ）等の解析的手法を用いて、金属部材内部のクリープ歪を推定する。そして、金属部材の表面及び内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて、金属部材の表面及び内部のクリープ寿命消費率を推定する。このように、金属部材に発生するクリープ歪に基づいて、クリープ損傷を推定しているので、９〜１２Ｃｒ鋼においても、早期にクリープ損傷度を把握できる。これによって、金属部材の保守管理が容易になる。
【００２２】
本発明装置において、金属部材の表面に予め形成された２個以上の計測用突起を備え、歪計測手段に歪発生前後に計測された計測用突起間の距離が入力され、該歪計測手段で計測用突起間のクリープ歪を算出するものであるとよい。このように、金属部材の表面に計測用突起を形成することで、金属部材表面のクリープ歪を計測するのが容易になる。計測用突起は、クリープ損傷の進行速度が速く、クリープ損傷度を特に監視すべき領域に配置するとよい。
【００２３】
本発明装置において、計測用突起が金属部材の溶接線の両側に配置され、溶接線の熱影響部のクリープ損傷による寿命消費率を推定するようにするとよい。溶接部のクリープ損傷の進行速度は、金属部材の母材及び溶接金属は同等であるが、溶接熱影響部のクリープ損傷の進行速度はこれらの領域より大きい。そこで、特に、溶接熱影響部のクリープ寿命消費率を推定することで、金属部材のクリープ破断時期を正確に推定できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明方法によれば、過去の計測値から、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップを予め作成しておくマップ作成工程と、金属部材の表面に発生する変位を計測し、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測工程と、該クリープ歪計測工程で計測したクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定工程と、クリープ歪計測工程で計測した金属部材表面のクリープ歪及び第１推定工程で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定工程と、からなり、金属部材に発生するクリープ歪に基づいて、クリープ損傷を推定しているので、９〜１２Ｃｒ鋼においても、早期にクリープ損傷度を把握できる。これによって、金属部材の保守管理のための十分な時間的余裕を得ることができる。
【００２５】
本発明装置によれば、過去の計測値に基づいて作成され、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップ及び該相関マップを記憶する記憶手段と、金属部材の表面に発生する変位が入力され、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測手段と、クリープ歪計測手段で計測されたクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定手段と、クリープ歪計測手段で計測された金属部材表面のクリープ歪及び第１推定手段で推定した金属部材内部のクリープ歪から、相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定手段と、からなるので、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係り、寿命予測対象となる蒸気配管の斜視図である。
【図２】前記蒸気配管に形成された計測用突起の拡大図である。
【図３】前記蒸気配管の溶接部の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るクリープ損傷評価装置のブロック線図である。
【図５】前記第１実施形態に係り、（Ａ）は溶接熱影響部のクリープ歪を示す線図であり、（Ｂ）は溶接熱影響部のクリープ歪から寿命消費率を予測する線図である。
【図６】第１実施形態で実際に計測用突起間のクリープ歪から予測した溶接熱影響部のクリープ歪を示す線図である。
【図７】第１実施形態で実際に溶接熱影響部のクリープ歪から予測した寿命消費率を示す線図である。
【図８】第１実施形態で、本発明及び他の手法を併用して蒸気配管の寿命消費率を総合的に予測した線図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る蒸気配管の断面図である。
【図１０】前記第２実施形態に係り、（Ａ）は溶接熱影響部のクリープ歪を示す線図であり、（Ｂ）は溶接熱影響部のクリープ歪から寿命消費率を予測する線図である。
【図１１】第２実施形態で、実際に予測した溶接熱影響部のくぼみ量から予測した寿命消費率を示す線図である。
【図１２】蒸気配管の溶接部に発生したき裂と、蒸気配管に発生したクリープボイド面密度を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２８】
（実施形態１）
本発明を火力発電所用ボイラの、９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管に適用した第１実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１はクリープ損傷を評価しその余寿命を予測する蒸気配管Ｐを示す。蒸気配管Ｐは、例えば、ボイラと蒸気タービン間に配設され、高圧蒸気Ｓをボイラから蒸気タービンに供給する、直径が４００〜７００ｍｍの大口径管である。蒸気配管Ｐは、管の周方向に溶接部Ｗが存在する。溶接部Ｗに形成される溶接熱影響部が最もクリープ損傷の進行速度が大きいため、本実施形態では溶接部Ｗの周辺の溶接熱影響部のクリープ損傷を評価する。そのため、蒸気配管Ｐの外周面に、溶接部Ｗを挟んで計測用突起１０が形成されている。
【００２９】
蒸気配管Ｐには、蒸気配管Ｐの内部を流れる高圧蒸気Ｓによって半径方向、周方向、及び軸方向の応力が発生する。また、蒸気配管Ｐには、蒸気配管Ｐの自重及び配管系の熱伸びによって、又は支持部材等外部から付加される荷重によって、曲げモーメントによる軸方向応力が発生する。計測用突起１０は、これらの荷重が最も大きくなると予想される箇所、及び該箇所と９０°の位相差を有する蒸気配管Ｐの外表面に予め形成されている。計測用突起１０は、溶接部Ｗを挟み、溶接部Ｗから等間隔Ｌに配置され、かつ周方向に４箇所、９０°間隔で配置されている。
【００３０】
図２に示すように、計測用突起１０の形状は、円筒形、又は下部が円筒形をなし、上部が截頭円錐形をなしている。火力発電所の運転開始前又は定期点検時に、オペレータが、マイクロメータ等を用いて、溶接部Ｗを挟んで相対する計測用突起間の間隔２Ｌを計測する。また、運転開始後、定期点検以外でも定期的に間隔２Ｌを計測する。
【００３１】
図３は、蒸気配管Ｐの溶接部Ｗの拡大断面図である。蒸気配管Ｐの母材ｍと溶接金属ｗとの間に、溶接熱影響部ＨＡＺが形成される。溶接熱影響部ＨＡＺは、溶接金属ｗ側に形成される粗粒域ｒと、母材ｍ側に形成される細粒域ｆとからなる。通常、細粒域ｆ中の線ＡＢに沿ってクリープボイドが発生し、それがき裂ｃに伸展し、破断に至る。図３に示すように、線ＡＢ上では、蒸気配管Ｐの表面より内部のほうが大きいクリープ歪が発生する。そのため、表面より内部のほうがクリープ損傷度が大きくなる。
【００３２】
図４に、本実施形態に係るクリープ損傷評価装置１２を示す。過去の計測値に基づいて、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺのクリープ歪と寿命消費率との相関関係を示す相関マップ１４が予め作成されている。相関マップ１４は記憶部１６に記憶されている。また、記憶部１６には、ボイラの運転開始前又は定期点検時に計測された間隔２Ｌの計測値が記憶されている。相関マップ１４の一例を図５（Ｂ）に示す。クリープ歪計測部１８には、ボイラの運転開始後定期的に計測される間隔２Ｌの計測値が入力される。クリープ歪計測部１８では、記憶部１６からボイラの運転開始前又は定期点検時に計測された間隔２Ｌの計測値が送られ、運転中の間隔２Ｌのクリープ歪を算出する。
【００３３】
第１推定部２０では、有限要素法（ＦＥＭ）を用い、間隔２Ｌ間のクリープ歪から溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪を算出する。こうして求めた溶接熱影響部ＨＡＺの外表面及び板厚内部のクリープ歪と間隔２Ｌ間のクリープ歪をグラフ化したものの一例を図５（Ａ）に示す。第２推定部２２には、第１推定部２０で求めた溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の歪が入力されると共に、記憶部１６から相関マップ１４が入力される。第２推定部２２では、これらの入力値から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の寿命消費率を推定する。こうして、求めた寿命消費率は表示部２４に表示される。
【００３４】
ボイラ用蒸気配管の溶接製エルボ（材質：改良９Ｃｒ鋼、外径／肉厚：φ５６８．８ｍｍ×ｔ３０ｍｍ、曲げ部の曲率半径：Ｒ８４０ｍｍ、蒸気温度：６５０℃、蒸気圧：７．５ＭＰａ）について、第１実施形態の手法で求めた実験結果を図６及び図７に示す。図６は、第１推定部２０で求めた間隔２Ｌ間のクリープ歪と、溶接熱影響部ＨＡＺの板厚内部及び外表面のクリープ歪との関係を示し、図７は、溶接熱影響部ＨＡＺのクリープ歪と、溶接熱影響部ＨＡＺの寿命消費率との関係を示す線図である。
【００３５】
第１実施形態では、本発明方法により蒸気配管Ｐの寿命消費率を推定したほかに、従来のレプリカ法及び超音波探傷法（ＴＯＦＤ法）を併用している。図８に示すように、定期的にレプリカ法によって、蒸気配管Ｐの外表面のクリープボイドの分布状態を観察し、蒸気配管外表面のクリープ損傷度を判定し、蒸気配管外表面の寿命消費率を予測した。また、ボイラの運転開始前又は定期点検時及びその後定期的に、ＴＯＦＤ法によって蒸気配管Ｐの板厚内部のクリープ損傷度を判定し、板厚内部の寿命消費率を予測した。これらの手法により寿命予測した結果を図８の線図に示す。
【００３６】
前述のように、金属部材のクリープ損傷は、表面より内部で速く進行する。図８に示すように、蒸気配管Ｐの板厚内部のクリープ損傷度を判定可能な本発明方法及びＴＯＦＤ法では、蒸気配管Ｐの表面のクリープ損傷度を判定可能なレプリカ法と比べて、判定された余寿命は短くなる傾向にある。
【００３７】
本実施形態によれば、蒸気配管Ｐの外表面の歪を計測し、この計測値から蒸気配管Ｐの寿命消費率を推定するので、クリープ損傷による組織変化が少ない９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管Ｐでも、ボイラの運転開始の初期から、蒸気配管Ｐの余寿命を正確に推定できる。また、板厚内部のクリープ損傷も推定できるので、表面のみの観測しかできないレプリカ法等と比べて、正確に寿命消費率を判定できる。そのため、保守管理の時間を十分確保できるので、適切な保守管理を実施できる。
【００３８】
一方、ＴＯＦＤ法等の超音波探傷法は、図８に示すように、クリープ損傷が進行した末期からしかクリープ損傷度を判定できないので、保守管理に時間的余裕がなく、適切な保守管理ができないという問題がある。
【００３９】
（実施形態２）
本発明方法及び本発明装置を、第１実施形態と同様の火力発電所用ボイラの、９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管に適用した第２実施形態を図９〜図１１に基づいて説明する。本実施形態のクリープ損傷評価装置は、第１実施形態のクリープ損傷評価装置１２と同一である。蒸気配管Ｐには、内部を流れる高圧蒸気Ｓにより引張り荷重Ｆが働く。蒸気配管Ｐのクリープ損傷の進行速度は、母材ｍ及び溶接金属ｗはほぼ同等であり、溶接熱影響部ＨＡＺはこれらより大きい。そのため、運転時間が長くなるにつれて、溶接熱影響部ＨＡＺの変形が大きくなり、寿命後半では溶接熱影響部ＨＡＺにくぼみδが発生する。
【００４０】
オペレータがこのくぼみδを計測し、計測値を歪計測部１８に入力する。くぼみδの計測方法には、例えば、粘土による型取りしたものをマイクロメータ等によって計測するか、あるいはレーザ顕微鏡による計測方法がある。クリープ歪計測部１８では、くぼみδのくぼみ量の計測値から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面のクリープ歪（くぼみ量／蒸気配管Ｐの板厚ｔ）を算出する。第１推定部２０では、有限要素法（ＦＥＭ）を用い、クリープ歪計測部１８で算出したクリープ歪から溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪を算出する。溶接熱影響部ＨＡＺのくぼみδと、溶接熱影響部ＨＡＺの外表面及び板厚内部のクリープ歪との関係をグラフ化したものの一例を図１０（Ａ）に示す。
【００４１】
第２推定部２２には、第１推定部２０で求めた溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部のクリープ歪が入力されると共に、記憶部１６から、過去の計測値に基づいて作成された、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺのクリープ歪と寿命消費率との相関関係を示す相関マップ１４が予め入力されている。図１０（Ｂ）に相関マップ１４の一例を示す。第２推定部２２では、これらの入力値から、溶接熱影響部ＨＡＺの内外表面及び板厚内部の寿命消費率を推定する。こうして、求めた寿命消費率は表示部２４に表示される。
【００４２】
ボイラ用蒸気配管の前記溶接製エルボについて、第２実施形態の手法で求めた実験結果を図１１に示す。図１１は、実験で得られた溶接熱影響部ＨＡＺのくぼみ量と寿命消費率との関係を示す。この寿命消費率は、第２実施形態の前記手法で予測されたものである。
【００４３】
本実施形態によれば、蒸気配管Ｐの溶接熱影響部ＨＡＺの外表面のくぼみ量を計測し、この計測値から蒸気配管Ｐの寿命消費率を推定するので、クリープ損傷による組織変化が少ない９〜１２Ｃｒ鋼からなる蒸気配管Ｐでも、ボイラの運転開始の初期から、蒸気配管Ｐの余寿命を正確に推定できる。そのため、保守管理の時間を十分確保できるので、適切な保守管理を実施できる。
【００４４】
なお、本発明は、２Ｃｒ鋼等の比較的Ｃｒ含有量が少ないＣｒ鋼からなる金属部材のクリープ損傷評価にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、９〜１２Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼からなる金属部材のクリープ損傷の早期検出を可能とし、保守管理に十分な時間を確保できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 計測用突起
１２ クリープ損傷評価装置
１４ 相関マップ
１６ 記憶部
１８ 歪計測部
２０ 第１推定部
２２ 第２推定部
２４ 表示部
Ｆ 引張り荷重
ＨＡＺ 溶接熱影響部
Ｐ 蒸気配管
Ｓ 高圧蒸気
Ｗ 溶接部
ｃ き裂
ｆ 細粒域
ｍ 母材
ｒ 粗粒域
ｔ 板厚
ｗ 溶接金属
δ くぼみ
ε クリープ歪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過去の計測値から、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップを予め作成しておくマップ作成工程と、
金属部材の表面に発生する変位を計測し、該変位から金属部材の表面に発生したクリープ歪を算出するクリープ歪計測工程と、
該クリープ歪計測工程で計測したクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定工程と、
前記クリープ歪計測工程で計測した金属部材表面のクリープ歪及び前記第１推定工程で推定した金属部材内部のクリープ歪から、前記相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定工程と、からなることを特徴とする金属部材の損傷評価方法。
【請求項２】
前記クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に予め２個以上の計測用突起を形成しておき、クリープ歪発生前後に計測した計測用突起間の距離から計測用突起間のクリープ歪を算出するものであることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の損傷評価方法。
【請求項３】
前記金属部材に引張り荷重が付加されるとき、前記クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に発生した凹部の深さを計測し、この計測値を金属部材の表面に発生するクリープ歪の指標とすることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の損傷評価方法。
【請求項４】
請求項２及び請求項３に記載の金属部材の損傷評価方法を併用することを特徴とする金属部材の損傷評価方法。
【請求項５】
請求項１に記載の金属部材の損傷評価方法に加えて、金属部材表面の組織検査を行い、この組織検査の結果に基づき金属部材表面のクリープ損傷の有無を判定し、この判定結果と請求項１に記載の損傷評価方法で推定した寿命消費率とから、金属部材の寿命消費率を推定することを特徴とする金属部材の損傷評価方法。
【請求項６】
過去の計測値に基づいて作成され、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップ及び該相関マップを記憶する記憶手段と、
金属部材の表面に発生する変位が入力され、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測手段と、
該クリープ歪計測手段で計測されたクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定手段と、
前記クリープ歪計測手段で計測された金属部材表面のクリープ歪及び前記第１推定手段で推定した金属部材内部のクリープ歪から、前記相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定手段と、からなることを特徴とする金属部材の損傷評価装置。
【請求項７】
金属部材の表面に予め形成された２個以上の計測用突起を備え、前記歪計測手段に歪発生前後に計測された計測用突起間の距離が入力され、該歪計測手段で計測用突起間のクリープ歪を算出するものであることを特徴とする請求項６に記載の金属部材の損傷評価装置。
【請求項８】
前記計測用突起が金属部材の溶接線の両側に配置され、該溶接線の熱影響部のクリープ損傷による寿命消費率を推定するようにしたことを特徴とする請求項６又は７に記載の金属部材の損傷評価装置。
【請求項１】
過去の計測値から、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップを予め作成しておくマップ作成工程と、
金属部材の表面に発生する変位を計測し、該変位から金属部材の表面に発生したクリープ歪を算出するクリープ歪計測工程と、
該クリープ歪計測工程で計測したクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定工程と、
前記クリープ歪計測工程で計測した金属部材表面のクリープ歪及び前記第１推定工程で推定した金属部材内部のクリープ歪から、前記相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定工程と、からなることを特徴とする金属部材の損傷評価方法。
【請求項２】
前記クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に予め２個以上の計測用突起を形成しておき、クリープ歪発生前後に計測した計測用突起間の距離から計測用突起間のクリープ歪を算出するものであることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の損傷評価方法。
【請求項３】
前記金属部材に引張り荷重が付加されるとき、前記クリープ歪計測工程が、金属部材の表面に発生した凹部の深さを計測し、この計測値を金属部材の表面に発生するクリープ歪の指標とすることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の損傷評価方法。
【請求項４】
請求項２及び請求項３に記載の金属部材の損傷評価方法を併用することを特徴とする金属部材の損傷評価方法。
【請求項５】
請求項１に記載の金属部材の損傷評価方法に加えて、金属部材表面の組織検査を行い、この組織検査の結果に基づき金属部材表面のクリープ損傷の有無を判定し、この判定結果と請求項１に記載の損傷評価方法で推定した寿命消費率とから、金属部材の寿命消費率を推定することを特徴とする金属部材の損傷評価方法。
【請求項６】
過去の計測値に基づいて作成され、金属部材のクリープ歪とクリープ損傷による寿命消費率との相関関係を示す相関マップ及び該相関マップを記憶する記憶手段と、
金属部材の表面に発生する変位が入力され、該変位から金属部材の表面に発生するクリープ歪を算出するクリープ歪計測手段と、
該クリープ歪計測手段で計測されたクリープ歪から、解析的手法により金属部材内部のクリープ歪を推定する第１推定手段と、
前記クリープ歪計測手段で計測された金属部材表面のクリープ歪及び前記第１推定手段で推定した金属部材内部のクリープ歪から、前記相関マップに基づいて金属部材のクリープ損傷による寿命消費率を推定する第２推定手段と、からなることを特徴とする金属部材の損傷評価装置。
【請求項７】
金属部材の表面に予め形成された２個以上の計測用突起を備え、前記歪計測手段に歪発生前後に計測された計測用突起間の距離が入力され、該歪計測手段で計測用突起間のクリープ歪を算出するものであることを特徴とする請求項６に記載の金属部材の損傷評価装置。
【請求項８】
前記計測用突起が金属部材の溶接線の両側に配置され、該溶接線の熱影響部のクリープ損傷による寿命消費率を推定するようにしたことを特徴とする請求項６又は７に記載の金属部材の損傷評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
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【公開番号】特開２０１３−１９７５８（Ｐ２０１３−１９７５８Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３２５４（Ｐ２０１１−１５３２５４）
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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