CN105593664A - 发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命诊断方法，不对金属管表面进行削磨就能测量发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命。在本发明所涉及的剩余寿命诊断方法中，根据预先制作的主曲线，来诊断发生蠕变损伤的金属管(1)的剩余寿命。而且，主曲线是以如下方式制作出的：在材质和内外直径与金属管相同的试片(11)的外周面，将使用热膨胀率和强度为上述金属管以上的金属材料制作出的带钢(2)，在施加张力并缠绕的状态下进行内压蠕变试验。另外，主曲线表示带钢的劣化程度与金属管的剩余寿命的关系。在诊断剩余寿命时，在与内压蠕变试验相同的条件下，在金属管的外周面缠绕带钢。然后，测量出随着使用金属管而引起的该带钢的劣化程度，应用于主曲线。

Description

发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命诊断方法

技术领域

本发明涉及一种发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命诊断方法。

背景技术

在发电站、工厂中，有效利用蒸汽作为热源、压力源。在蒸汽流通中使用了由不锈钢、铬钢制作的金属管。在蒸汽为高温高压的情况下，例如在蒸汽温度为几百℃且蒸汽压力为几Mpa的情况下，该金属管发生蠕变损伤。

这里，在金属管为用于涡轮机等的动力用蒸汽用大口径配管的情况下，例如在直径为几百mm的配管的情况下，由于蠕变损伤而在金属管表面发生蠕变孔洞，随着蠕变损伤的发展，蠕变孔洞的个数、面积增加。着眼于这种蠕变孔洞的个数、面积增加这一特性，提出了A参数法、M参数法等剩余寿命诊断方法(参照专利文献1、2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-14600号公报

专利文献2：日本专利第3976938号公报

发明内容

发明要解决的课题

而在金属管为直径为100mm以下的小口径管(例如锅炉管)的情况下，该小口径管显示了与上述大口径配管不同的情况。例如在小口径管的寿命末期，蠕变孔洞快速发生和增加，具有导致断裂的趋势。因此，难以应用与大口径配管相同的剩余寿命诊断方法。鉴于这种情形，在诊断剩余寿命时，削磨小口径管表面，使用超声波、磁对壁厚、膨胀进行计测。然而，在该方法中，在每次进行计测时，对小口径管表面进行削磨使得壁厚变薄。结果小口径管的寿命缩短了被削磨的量。

本发明是鉴于上述情形而完成的。本发明的目的在于，不削磨金属管表面就能测量发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命。

用于解决课题的手段

为了达到上述目的，在本发明的剩余寿命诊断方法中，根据预先制作的主曲线，来诊断发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命，其特征在于，上述主曲线是以如下方式制作出的：在材质和内外直径与上述金属管相同的试片的外周面，将使用热膨胀率和强度为上述金属管以上的金属材料制作出的带钢，在施加张力并缠绕的状态下进行内压蠕变试验，上述主曲线表示上述带钢的劣化程度与上述金属管的剩余寿命的关系，在与上述内压蠕变试验相同的条件下，在上述金属管的外周面缠绕带钢，根据该带钢的劣化程度，来诊断上述金属管的剩余寿命。

根据本发明，比金属管、试片薄的带钢在施加张力的状态下缠绕于金属管、试片的外周面。因此，带钢处于易于发生蠕变孔洞等损伤的状态，随着内压蠕变试验的进行、金属管(实际机械)中的使用而劣化程度提高。而且，带钢是使用热膨胀率和强度为金属管以上的金属材料制作的，因此得到与金属管、试片的寿命相应的耐久性。由此，能够获取带钢的劣化程度与金属管和试片的剩余寿命的相关性，不对金属管表面进行削磨，就能诊断该金属管的剩余寿命。

在上述剩余寿命诊断方法中，优选的是，上述带钢被预先实施了热处理。在该方法中，由于热处理而促使带钢的劣化，因此从刚安装到金属管、试片之后起，能够掌握带钢的劣化程度的进展。

在上述剩余寿命诊断方法中，优选的是，上述带钢具有：环状部分，其是使带状的金属薄板弯曲成圆筒状而成的，并且该环状部分的周向长度被决定为比上述金属管的外周面长度短；以及一对凸缘部分，其是从上述环状部分的周向端部向外周方向设置的；以及连结螺钉，其调整上述凸缘部分彼此的间隔，并且连结上述凸缘部分彼此。在该方法中，根据连结螺钉的紧固程度(例如紧固扭矩)，能够容易地调整环状部分的张力。

在上述剩余寿命诊断方法中，优选的是，上述带钢是使用与上述金属管相同的金属材料制作的。在该方法中，带钢与金属管为相同材质，因此能够高精度地诊断金属管的剩余寿命。

发明效果

根据本发明，不对金属管表面进行削磨就能测量发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命。

附图说明

图1的(a)是说明将带钢缠绕于锅炉管的状态的俯视图，(b)是说明带钢的结构的图，(c)是说明将带钢缠绕于锅炉管的状态的截面图。

图2的(a)是主曲线的制作处理的流程图，(b)是剩余寿命诊断处理的流程图。

图3是示意性地说明内压蠕变试验的试验装置的图。

图4的(a)是表示与新锅炉管对应的主曲线的示例的图，(b)是表示与使用中的锅炉管对应的主曲线的示例的图。

具体实施方式

以下，说明本发明的实施方式。首先，参照图1说明作为剩余寿命的诊断对象的锅炉管1以及缠绕于该锅炉管1的带钢2。

该锅炉管1为直径小于动力用蒸汽配管的金属管，由直径为30mm至100mm且壁厚为3mm至20mm的细径管构成。作为锅炉管1的材料，使用超级不锈钢(例如SUS312L)、不锈钢(例如SUS304、SUS316)、高铬钢(例如9铬钢、12铬钢)、低铬钢(例如1.0铬钢、1.5铬钢、2.25铬钢)、锅炉用碳钢管(STB)等。而且，在锅炉管1内流通的流体温度例如为250℃至650℃的范围内，蒸汽压力例如为2MPa至5MPa的范围内。

如图1的(a)所示，带钢2在施加张力的状态下缠绕于锅炉管1的外周面。该带钢2的强度被设定为与锅炉管1相同或大于锅炉管1。而且，图1的(b)示出的带钢2具有环状部分3、凸缘部分4以及连结螺钉5。

环状部分3是将带状的金属薄板形成为圆筒状的部分，其周向长度被决定为比金属管的外周面长度短一些。因此，当将环状部分3缠绕于锅炉管1的外周面时，在环状部分3中的周向一端与周向另一端之间形成沿轴方向的间隙。

该环状部分3是使用热膨胀率和强度为金属管以上的金属材料制作的。具体地说，从不锈钢(例如SUS304、SUS316)、高铬钢(例如9铬钢、12铬钢)、低铬钢(例如1.0铬钢、1.5铬钢、2.25铬钢)等中来选择。此外，使环状部分3的厚度薄到不对锅炉管1的强度带来大影响的程度。例如被决定为0.1mm至1.0mm左右的厚度。另外，关于构成环状部分3(带钢2)的金属材料，如上所述，热膨胀率和强度为锅炉管1以上的金属材料即可，但是更优选为与锅炉管1相同的材料。

凸缘部分4为从环状部分3的周向端部朝向外周方向设置的矩形状部分，是使用与环状部分3相同材质制作的。而且，该凸缘部分4在环状部分3的周向端部设置有一对，通过焊接与环状部分3接合。

连结螺钉5是调整凸缘部分4之间的间隔并且连结凸缘部分4之间的部件。该连结螺钉5由螺栓与螺母的组构成，使用与带钢2相同的材料制作。

如图1的(c)所示，当将带钢2缠绕于锅炉管1的外周面的状态下紧固或松开连结螺钉5时，凸缘部分4之间的间隔发生变化而调整环状部分3的张力(对金属管的紧固力)。在此，环状部分3的张力与连结螺钉5的紧固扭矩具有相关性，因此能够根据紧固扭矩设定环状部分3的张力。

接着，说明使用该带钢2的锅炉管1(金属管)的剩余寿命诊断。本实施方式的剩余寿命诊断大致由两个处理构成。第一个处理为主曲线(mastercurve)的制作处理，第二个处理为现场的剩余寿命诊断处理。以下，说明各处理。此外，在以下说明中，设为带钢2使用与锅炉管1相同材质的材料(例如SUS304、9铬钢)。

首先，说明主曲线的制作处理。如图2的(a)所示，在该制作处理中，执行带钢2的事先热处理(S11)。例如，在温度被设定为比实际使用温度高出20℃至50℃的炉内配置带钢2，在整个规定期间进行加热。通过该加热，消耗带钢2的寿命，从而容易出现由蠕变损伤引起的状态变化(劣化)。

例如在带钢2使用不锈钢制作的情况下，容易发生蠕变孔洞。另外，在带钢2使用铬钢制作的情况下，发生粗粒化、细粒化。然后，事先加热处理中的加热期间例如被设定为带钢2的剩余寿命[(蠕变断裂时间-使用时间)/蠕变断裂时间]为0.5的使用时间。

接着，进行试片11的制作(S12)。在该步骤中，制作图3示出的试片11。该试片11具有短管12、栓13以及导管14。短管12为材质与成为剩余寿命的测量对象的锅炉管1相同且内外直径相同的短型(例如200mm至300mm)的金属管。栓13为焊接在短管12两端上的金属制圆柱状部件。关于该栓13，也可以优选使用与锅炉管1相同材质制作。此外，在一个栓13上形成有在厚度方向上贯通的贯通孔(未图示)。导管14是在气密状态下与试片11的内部空间进行连通的金属管。导管14的一端焊接在一个栓13上，以与贯通孔进行连通。

在试片11的外周面缠绕带钢2。此时，根据连结螺钉5的紧固程度，调整环状部分3的张力。在本实施方式中，以使用比在锅炉管1(金属管)内流通的流体(蒸汽)的压力大的力进行紧固的方式，调整环状部分3的张力。例如在流过锅炉管1的流体的压力为40MPa的情况下，以环状部分3的紧固力从50MPa(1.2倍)成为80MPa(2倍)的方式，调整环状部分3的张力。

当安装带钢2时，如图2的(a)所示，进行初期性状的测量(S13)。在该步骤中，测量紧接着进行内压蠕变试验之前的带钢2的性状(劣化程度)。在此，根据剩余寿命诊断的方法决定所测量的带钢2的性状。例如在使用硬度法的情况下，测量带钢2的硬度。另外，在使用M参数法的情况下，测量蠕变孔洞的最大晶界占有率。同样地，在使用A参数法的情况下，测量A参数(发生孔洞晶界数/观察晶界总数)。

关于其它诊断方法，可举出孔洞面积率法、孔洞个数密度法、L参数法以及磁法。而且，在使用这些诊断方法的情况下，测量对应的性状。此外，在以下说明中，举例说明使用M参数法进行诊断的情况。

如果进行了初期性状的测量，则进行内压蠕变试验。

在该内压蠕变试验中，首先对试片11进行加压和加热(S14)。例如图3所示，试片11被配置于加热炉21中，并且压力计23与导管22中的炉外的部分相连接。然后，导管24在炉外产生分支，与水箱25相连接。在所分支的导管24的两端之间设置有阀26和泵27。当在加热炉21中对试片11进行加热并且使泵27进行动作而供给水时，该水成为蒸汽而使试片11的内压上升。一边通过供给水而调整试片11的内压，一边对试片11进行加压和加热。例如在40MPa、600℃的条件下，对试片11进行加压和加热。

在本实施方式中，将比构成试片11的短管12薄的金属板使用于带钢2，在施加张力的状态下缠绕于短管12。因此，带钢2比短管12提前发生蠕变孔洞，随着加压和加热而蠕变孔洞容易增加。另外，随着对带钢2的张力施加，能够调整蠕变孔洞的增加速度。并且，在本实施方式中，预先对带钢2进行热处理，因此能够从试验初期确认蠕变孔洞。

接着，如图2的(a)所示，判断是否已到中途停止时机(15)。在此，中途停止时机相当于损伤状态的测量时机(timing)。根据经验可知剩余寿命越短则损伤的进度越明显。因此，中途停止时机也被设定为试验期间越长则越短间隔。然后，如果中途停止时机已到则转移到中间性状的测量(S16)，如果中途停止时机没有到，则转移到试验结束的判断(S17)。

在中间性状的测量(S16)中，对试片11进行的加压和加热暂时停止，对带钢2进行性状测量。与步骤S13的初期性状的测量同样地进行在此的性状测量。此外，在本实施方式中，通过M参数法进行诊断，因此测量蠕变孔洞的最大晶界占有率。如果该性状测量结束，则将测量后的带钢2以相同张力再次缠绕于试片11。然后，转移到试验结束的判断(S17)。

在试验结束的判断(S17)中，判断内压蠕变试验是否结束。在此，根据试片11是否断裂，判断试验是否结束。即，在试片11断裂的情况下，判断为试验结束(是)，在没有断裂的情况下，判断为试验继续(否)。

如果判断为试验结束，则进行主曲线的制作(S18)。在此，制作出表示针对试片11(锅炉管1)的蠕变损伤与带钢2的劣化程度的关系的主曲线。在图4的(a)的示例中，在横轴设定蠕变损伤，在纵轴设定最大晶界占有率。此外，蠕变损伤的最大值为断裂(管的寿命)，因此，可以说是横轴表示到断裂为止的剩余寿命。然后，通过制作主曲线而一系列处理结束。

此外，在图4的(a)的示例中，说明了开始内压蠕变试验起安装带钢2的情况，但是并不局限于本例。例如也可以将带钢2安装于从开始内压蠕变试验起经过规定时间的试片11。在该情况下，如图4的(b)所示，从对试片11的蠕变损伤进度的时间点，获取带钢2的劣化程度。通过制作这种主曲线，在使用过程中对锅炉管1进行剩余寿命诊断。

接着，说明现场的剩余寿命诊断处理。如图2的(b)所示，在该诊断处理中，对带钢2进行事先热处理(S21)。在与主曲线的制作时相同条件下进行该事先热处理。接着事先热处理进行带钢2的安装处理(S22)。例如，在将锅炉管1更换为新锅炉管时，安装带钢2。在安装带钢2时，调整连结螺钉5的紧固程度，施加与制作主曲线时相同张力。此外，在使用过程中对锅炉管1安装带钢2的情况下，在锅炉管1的使用期间到达制作主曲线时的规定时间的时间点安装带钢2。

当安装带钢2时，进行初期性状的测量(S23)。在该步骤中，测量紧接着安装之后的带钢2的性状(劣化程度)。在此，也与制作主曲线时一样，根据剩余寿命诊断的方法来决定所测量的带钢2的性状。在本实施方式中，使用M参数法，因此测量蠕变孔洞的最大晶界占有率。

之后，判断是否为进行定期检测的时期(S24)，当已到定期检测的时期时，测量带钢2的性状(S25)，诊断是否为使用极限(S26)。例如在进行定期检测时，测量带钢2(环状部分3)中的蠕变孔洞的最大晶界占有率，通过应用于主曲线求出剩余寿命(蠕变损伤)。根据求出的剩余寿命，诊断到下一次定期检测为止是否达到使用极限。然后，在诊断为使用极限的情况下，进行更换锅炉管1(S27)。另一方面，在诊断为并非使用极限的情况下，测量后的带钢2以相同张力被再次缠绕于锅炉管1，直到下一定期检测时为止静置(S24)。

如上所述，根据本实施方式的剩余寿命诊断方法，比锅炉管1(金属管)、试片11薄的带钢2在施加张力的状态下被缠绕于锅炉管1或试片11的外周面，因此带钢2成为容易发生蠕变孔洞等损伤的状态。因此，随着进行内压蠕变试验、锅炉管1中的使用而劣化程度提高。然后，带钢2是使用热膨胀率和强度为锅炉管1、试片11以上的金属材料而制作的，因此得到与锅炉管1、试片11的寿命相应的耐久性。由此，能够获取带钢2的劣化程度与锅炉管1和试片11的剩余寿命的相关性，不对锅炉管1表面进行削磨，就能诊断锅炉管1的剩余寿命。

另外，带钢2预先实施热处理而加速劣化，因此从刚安装到锅炉管1、试片11之后起，能够掌握带钢2的劣化程度的进度。另外，带钢2是使用与锅炉管1相同金属材料而制作的，因此能够高精度地诊断锅炉管1的剩余寿命。

另外，带钢2具有：环状部分3，其是使带状的金属薄板弯曲成圆筒状而成的，并且其周向长度被决定为比锅炉管1的外周面长度短；一对凸缘部分4，其是从该环状部分3的周向端部向外周方向设置的；以及连结螺钉5，其调整凸缘部分4彼此的间隔，并且连结凸缘部分4彼此。因此，通过对连结螺钉5的紧固扭矩，能够容易地调整环状部分3的张力。

上述实施方式的说明是为了使本发明更容易理解而完成的，并不限定本发明。本发明在不脱离其宗旨的范围内能够进行变更、改进，并且本发明包含其等同物。例如也可以具有以下结构。

在上述实施方式中，事先进行热处理而使带钢2的寿命预先消耗，但是并不局限于该方法。例如也可以使用不进行事先热处理的带钢2。

在上述实施方式中，构成为在环状部分3的两端设置一对凸缘部分4并使用连结螺钉5调整凸缘部分4之间的间隔，但只要是能够调整环状部分3的张力也可以是其它机构。

另外，作为金属管而例示了锅炉管1，但是即使是动力用蒸汽用大口径配管，本发明也能够同样地应用。

符号说明

1：锅炉管；2：带钢；3：环状部分；4：凸缘部分；5：连结螺钉；11：试片；12：短管；13：栓；14：导管；21：加热炉；22：导管；23：压力计；24：导管；25：水箱；26：阀；27：泵。

Claims (4)

1.一种剩余寿命诊断方法，根据预先制作的主曲线，来诊断发生蠕变损伤的金属管的剩余寿命，其特征在于，

上述主曲线是以如下方式制作出的：在材质和内外直径与上述金属管相同的试片的外周面，将使用热膨胀率和强度为上述金属管以上的金属材料制作出的带钢，在施加张力并缠绕的状态下进行内压蠕变试验，

上述主曲线表示上述带钢的劣化程度与上述金属管的剩余寿命的关系，

在与上述内压蠕变试验相同的条件下，在上述金属管的外周面缠绕带钢，根据该带钢的劣化程度，来诊断上述金属管的剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的剩余寿命诊断方法，其特征在于，

上述带钢预先被实施了热处理。

3.根据权利要求1或2所述的剩余寿命诊断方法，其特征在于，

上述带钢具有：

环状部分，其是使带状的金属薄板弯曲成圆筒状而成的，并且该环状部分的周向长度被决定为比上述金属管的外周面长度短；以及

一对凸缘部分，其是从上述环状部分的周向端部向外周方向设置的；以及

连结螺钉，其调整上述凸缘部分彼此的间隔，并且连结上述凸缘部分彼此。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的剩余寿命诊断方法，其特征在于，

上述带钢是使用与上述金属管相同的金属材料制作的。