JP2016153754A - Welded section temperature estimation method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、溶接部の温度推定方法に関する。 The present disclosure relates to a method for estimating a temperature of a weld.
火力発電プラントや舶用ボイラ等で使用される熱交換器では、高効率化及びコスト低減の観点から、温度領域に応じて異なる耐熱鋼で形成された伝熱管が使用される場合があり、この場合、異なる耐熱鋼で形成された伝熱管同士を溶接する、所謂、異材溶接が適用される。例えば、フェライト系の耐熱鋼で形成された低温領域用の伝熱管と、オーステナイト系ステンレス鋼で形成された高温領域用の伝熱管とが異材溶接されることがある。異材溶接が適用される場合において、例えばオーステナイト系ステンレス鋼で形成された伝熱管とフェライト系のクロム・モリブデン鋼で形成された伝熱管との溶接部には、図9に示すように、クロム・モリブデン鋼(Cr‐Mo)の熱膨張係数とステンレス鋼(SUS)の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するインコネル系の溶接材料(溶加材)が使用されることがある。 In heat exchangers used in thermal power plants, marine boilers, etc., heat transfer tubes made of different heat-resistant steel may be used depending on the temperature range from the viewpoint of higher efficiency and cost reduction. So-called dissimilar material welding, in which heat transfer tubes formed of different heat resistant steels are welded, is applied. For example, a low temperature region heat transfer tube formed of ferritic heat resistant steel and a high temperature region heat transfer tube formed of austenitic stainless steel may be welded with different materials. In the case where dissimilar material welding is applied, for example, a welded portion of a heat transfer tube formed of austenitic stainless steel and a heat transfer tube formed of ferritic chromium-molybdenum steel has a chromium- An Inconel-based welding material (a filler material) having a thermal expansion coefficient between that of molybdenum steel (Cr—Mo) and that of stainless steel (SUS) may be used.
ところで、本発明者の知見によれば、高温環境下で長時間運転された熱交換器では、異なる耐熱鋼で形成された伝熱管同士の溶接部において、溶着金属と母材の熱影響部との境界部分(所謂ボンド部)で剥離が発生し、蒸気の漏洩が生じることがある。例えば、クロム・モリブデン鋼で形成された伝熱管とオーステナイト系ステンレス鋼で形成された伝熱管とがインコネル系の溶着金属を介して溶接された溶接部では、特にクロム・モリブデン鋼で形成された伝熱管の母材の熱影響部とインコネル系の溶着金属との境界部分で図10及び図11に示すように剥離(以下、ボンド剥離と称する。)が生じ、蒸気の漏洩が生じることがあった。このため、斯かるボンド剥離の原因を究明するために、溶接部の温度を精度良く推定する必要が生じている。 By the way, according to the knowledge of the present inventor, in the heat exchanger operated for a long time in a high temperature environment, in the welded portion between the heat transfer tubes formed of different heat resistant steels, the heat affected zone of the weld metal and the base material and Separation may occur at the boundary portion (so-called bond portion), and vapor leakage may occur. For example, in a weld zone where a heat transfer tube made of chromium / molybdenum steel and a heat transfer tube made of austenitic stainless steel are welded via an inconel weld metal, the heat transfer tube made of chromium / molybdenum steel is used. As shown in FIGS. 10 and 11, peeling (hereinafter referred to as bond peeling) occurs at the boundary between the heat-affected zone of the base material of the heat tube and the Inconel-based weld metal, and steam leakage may occur. . For this reason, in order to investigate the cause of such bond peeling, it is necessary to accurately estimate the temperature of the weld.
熱交換器の運転時における伝熱管の温度を推定する方法としては、伝熱管の内周面に形成された水蒸気酸化スケールの厚さに基づいて温度を推定する方法がある。しかしながら、ボンド部付近では、伝熱管の母材と溶着金属の熱膨張差に起因して水蒸気酸化スケールが剥離しやすいため、水蒸気酸化スケールが均一に生成されず、斯かる方法で伝熱管の温度を精度よく推定することは困難である。 As a method of estimating the temperature of the heat transfer tube during the operation of the heat exchanger, there is a method of estimating the temperature based on the thickness of the steam oxidation scale formed on the inner peripheral surface of the heat transfer tube. However, in the vicinity of the bond portion, the steam oxide scale is easily peeled off due to the difference in thermal expansion between the base material of the heat transfer tube and the weld metal, so the steam oxide scale is not uniformly formed. Is difficult to estimate with high accuracy.
また、特許文献1には、ベイナイト組織を有する高強度フェライト鋼で形成された伝熱管に関し、加熱温度の上昇又は加熱時間の経過によってベイナイト組織が破壊されて伝熱管のピッカース硬さが低下することを利用して、熱交換器の運転時における伝熱管の温度を推定する方法が開示されている。斯かる方法では、経時劣化した伝熱管の母材の硬さと複数の時効材の硬さとを比較し、伝熱管の硬さに相当する時効材の硬さからラーソンミラーパラメータ値を求め、このラーソンミラーパラメータ値をラーソンミラーパラメータの関係式に代入して伝熱管の温度を推定している。 In addition, Patent Document 1 relates to a heat transfer tube formed of high-strength ferritic steel having a bainite structure, and the bainite structure is destroyed by the increase in heating temperature or the elapse of heating time, and the Picker hardness of the heat transfer tube is reduced. The method of estimating the temperature of the heat exchanger tube at the time of operation | movement of a heat exchanger using is disclosed. In such a method, the hardness of the base material of the heat transfer tube deteriorated with time and the hardness of a plurality of aging materials are compared, and the Larson mirror parameter value is obtained from the hardness of the aging material corresponding to the hardness of the heat transfer tube. The temperature of the heat transfer tube is estimated by substituting the mirror parameter value into the relational expression of the Larson mirror parameter.
しかしながら、特許文献1に記載の温度推定方法は、伝熱管の母材部分の硬さに基づいて熱交換器の運転時における伝熱管の温度を推定するものであり、斯かる方法では、異なる耐熱鋼で形成された伝熱管同士の溶接部における温度を精度良く推定することはできない。 However, the temperature estimation method described in Patent Document 1 estimates the temperature of the heat transfer tube during the operation of the heat exchanger based on the hardness of the base material portion of the heat transfer tube. It is not possible to accurately estimate the temperature at the welded portion between the heat transfer tubes formed of steel.
本発明は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、互いに異なる耐熱鋼で形成された第1伝熱管と第2伝熱管とを備える熱交換器について、運転時における第1伝熱管と第2伝熱管との溶接部の温度を精度よく推定可能な、溶接部の温度推定方法を提供することである。 This invention is made | formed in view of the conventional subject as mentioned above, Comprising: About the heat exchanger provided with the 1st heat exchanger tube and the 2nd heat exchanger tube formed with mutually different heat-resistant steel, it is the 1st at the time of operation. It is providing the temperature estimation method of the welding part which can estimate the temperature of the welding part of a heat exchanger tube and a 2nd heat exchanger tube accurately.
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る溶接部の温度推定方法は、熱交換器が備える第1伝熱管と第2伝熱管との溶接部における運転時の温度を推定する溶接部の温度推定方法であって、前記第1伝熱管は、第1耐熱鋼で形成され、前記第2伝熱管は、前記第1耐熱鋼とは異なる第2耐熱鋼で形成され、前記第1伝熱管と前記第2伝熱管とは溶着金属を介して溶接されており、前記溶着金属のうち前記第1伝熱管の母材の熱影響部に隣接する部分に生じた変質層の硬さ又は厚さを計測する計測ステップと、前記計測ステップにおいて計測した前記変質層の硬さ又は厚さに基づいて、前記溶接部の運転時の温度を推定する推定ステップと、を含む。 (1) The temperature estimation method of the welding part which concerns on at least 1 embodiment of this invention is the temperature of the welding part which estimates the temperature at the time of operation in the welding part of the 1st heat exchanger tube with which a heat exchanger is provided, and a 2nd heat exchanger tube. In the estimation method, the first heat transfer tube is formed of a first heat resistant steel, the second heat transfer tube is formed of a second heat resistant steel different from the first heat resistant steel, and the first heat transfer tube and The second heat transfer tube is welded via a weld metal, and the hardness or thickness of the deteriorated layer generated in a portion of the weld metal adjacent to the heat affected zone of the base material of the first heat transfer tube. A measurement step of measuring, and an estimation step of estimating a temperature during operation of the welded portion based on the hardness or thickness of the deteriorated layer measured in the measurement step.
本願発明者の鋭意検討の結果、溶着金属のうち第1伝熱管の母材の熱影響部に隣接する部分には、経時的な劣化に伴って変質層が形成されることが明らかとなった。この変質層は、他の領域と比較して硬くなっており、また、他の領域と比較して顕微鏡等で見た組織状態(例えば色)が異なっている。また、変質層の硬さ及び厚さは、熱交換器の運転時における溶接部の温度に依存していることが判明した。 As a result of intensive studies by the inventor of the present application, it has been clarified that a deteriorated layer is formed in the portion adjacent to the heat-affected zone of the base material of the first heat transfer tube in the weld metal as time passes. . This altered layer is harder than other regions, and has a different tissue state (for example, color) as viewed with a microscope or the like as compared with other regions. Further, it has been found that the hardness and thickness of the deteriorated layer depend on the temperature of the weld during operation of the heat exchanger.
そこで、上記(1)に記載の溶接部の温度推定方法は、溶着金属のうち第1伝熱管の母材の熱影響部に隣接する部分に生じた変質層の硬さ又は厚さを計測する計測ステップと、計測ステップにおいて計測した変質層の硬さ又は厚さに基づいて、溶接部の運転時の温度を推定する推定ステップと、を含んでいる。これにより、計測ステップにおいて計測した変質層の硬さ又は厚さに基づいて、熱交換器が備える第1伝熱管と第2伝熱管との溶接部(異材継手部)における運転時の温度を精度良く推定することができる。 Then, the temperature estimation method of the weld part described in the above (1) measures the hardness or thickness of the deteriorated layer generated in the part adjacent to the heat affected part of the base material of the first heat transfer tube in the weld metal. A measurement step, and an estimation step for estimating a temperature during operation of the welded portion based on the hardness or thickness of the deteriorated layer measured in the measurement step. Thereby, based on the hardness or thickness of the deteriorated layer measured in the measurement step, the temperature during operation in the welded portion (dissimilar material joint portion) of the first heat transfer tube and the second heat transfer tube included in the heat exchanger is accurately measured. It can be estimated well.
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載の温度推定方法であって、前記推定ステップは、前記計測ステップにおいて計測した前記変質層の硬さ又は厚さと、前記変質層の硬さ又は厚さと前記溶着金属のラーソンミラーパラメータLとの関係を示す情報と、に基づいて、前記計測ステップで計測した前記変質層の硬さ又は厚さに対応する前記溶着金属のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出するL1導出ステップと、前記L1導出ステップで導出した前記ラーソンミラーパラメータの現在値L1に基づいて、前記溶接部の運転時の温度を推定する温度推定ステップと、を含む。 (2) In some embodiments, the temperature estimation method according to (1) above, wherein the estimation step includes the hardness or thickness of the deteriorated layer measured in the measurement step, and the hardness of the deteriorated layer. And the information indicating the relationship between the weld metal Larson mirror parameter L and the weld metal Larson mirror parameter corresponding to the hardness or thickness of the deteriorated layer measured in the measurement step. and L 1 derivation step of deriving the current value L 1, a temperature estimation step of the L 1 on the basis of the current value L 1 of the Larson-Miller parameter derived in the derivation step, to estimate the temperature during operation of the weld, including.
本願発明者の知見によれば、変質層の硬さと溶着金属のラーソンミラーパラメータLとは相関関係があり、ラーソンミラーパラメータLが大きくなるほど変質層の硬さが硬くなる。また、本発明者の知見によれば、変質層の厚さと溶着金属のラーソンミラーパラメータLとは相関関係があり、ラーソンミラーパラメータLが大きくなるほど変質層の厚さが厚くなる。 According to the knowledge of the present inventor, the hardness of the deteriorated layer and the Larson mirror parameter L of the deposited metal have a correlation, and the hardness of the deteriorated layer increases as the Larson mirror parameter L increases. Further, according to the knowledge of the present inventors, there is a correlation between the thickness of the deteriorated layer and the Larson mirror parameter L of the deposited metal, and the thickness of the deteriorated layer increases as the Larson mirror parameter L increases.
そこで、上記(2)に記載の温度推定方法では、L1導出ステップにおいて、計測ステップで計測した変質層の硬さ又は厚さと、変質層の硬さ又は厚さと溶着金属のラーソンミラーパラメータLとの関係を示す情報と、に基づいて、計測ステップで計測した変質層の硬さ又は厚さに対応する溶着金属のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出している。そして、L1導出ステップで導出した溶着金属のラーソンミラーパラメータの現在値L1に基づいて、温度推定ステップで、ラーソンミラーパラメータの関係式(後述する式1及び式2)を用いて溶接部の運転時の温度を推定している。これにより、計測ステップで計測した変質層の硬さ又は厚さに対応する溶着金属のラーソンミラーパラメータの現在値L1に基づいて、熱交換器が備える第1伝熱管と第2伝熱管との溶接部(異材継手部)における運転時の温度を精度良く推定することができる。
Therefore, in the temperature estimation method according to (2), in L 1 deriving step, the hardness or thickness of the measured in the measurement step affected layer, and the Larson-Miller parameter L of the hardness or thickness of the deposited metal deteriorated layer the information indicating the relationship, based on, and derives the current value L 1 of Larson-Miller parameters of weld metal corresponding to the hardness or thickness of the measured in the measurement step altered layer. Then, based on the current value L 1 of Larson-Miller parameters of weld metal derived by L 1 derivation step, a temperature estimation step, the welded portion by using the relational expression of Larson-Miller parameter (Formula 1 and
(3)幾つかの実施形態では、上記(2)に記載の温度推定方法であって、前記温度推定ステップでは、前記L1導出ステップで導出した前記ラーソンミラーパラメータの現在値L1と、前記溶着金属の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0と、前記溶着金属の未使用時から現在までの経過時間t1と、に基づいて、前記溶接部の運転時の温度を推定する。 (3) In some embodiments, the temperature estimation method according to (2) above, wherein in the temperature estimation step, the current value L 1 of the Larson mirror parameter derived in the L 1 derivation step, an initial value L 0 of the Larson-Miller parameter when unused weld metal, from said time unused weld metal and the elapsed time t 1 to date, on the basis, estimates the temperature during operation of the weld.
上記(3)に記載の温度推定方法によれば、計測ステップで計測した変質層の硬さ又は厚さに対応する溶着金属のラーソンミラーパラメータの現在値L1と、溶着金属の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0と、溶着金属の未使用時から現在までの経過時間t1と、に基づいて、ラーソンミラーパラメータの関係式(後述する式1及び式2)を用いて溶接部(異材継手部)における運転時の温度を精度良く推定することができる。
According to the temperature estimation method according to (3), the current value L 1 of Larson-Miller parameters of weld metal corresponding to the hardness or thickness of the measured in the measurement step affected layer of weld metal while not in use, an initial value L 0 of the Larson-Miller parameter, the elapsed time t 1 from when unused weld metal to date, on the basis of the weld using the relational expression of Larson-Miller parameter (formula 1 and
(4)幾つかの実施形態では、上記(2)又は(3)に記載の温度推定方法であって、前記L1導出ステップで導出した前記ラーソンミラーパラメータの現在値L1と、前記溶着金属の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0と、前記溶着金属の未使用時から現在までの経過時間t1と、に基づいて、前記溶接部の運転時の温度条件下における前記溶着金属の未使用時から破断までの全寿命t0を評価する全寿命評価ステップと、前記全寿命評価ステップで評価した前記全寿命t0と前記経過時間t1とに基づいて、前記溶着金属の現在から破断までの余寿命t2(=t0−t1)を評価する余寿命評価ステップと、を更に含む。 (4) In some embodiments, the temperature estimation method according to the above (2) or (3), wherein the current value L 1 of the Larson mirror parameter derived in the L 1 deriving step, and the deposited metal unused an initial value L 0 of the Larson Miller parameter during said from the time unused weld metal and the elapsed time t 1 to date, on the basis, the weld metal in the temperature conditions during operation of the weld and the total life evaluation step of evaluating the entire lifetime t 0 from when not in use to break of, on the basis of the said evaluated in all life evaluation step the entire service life t 0 and the elapsed time t 1, the current of the weld metal And a remaining life evaluation step for evaluating a remaining life t 2 (= t 0 −t 1 ) from the break to the break.
上記(4)に記載の温度推定方法では、計測ステップで計測した変質層の硬さ又は厚さに対応する溶着金属のラーソンミラーパラメータの現在値L1と、前記溶着金属の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0と、前記溶着金属の未使用時から現在までの経過時間t1と、に基づいて、ラーソンミラーパラメータの関係式(後述する式1及び式2)を用いて溶接部(異材継手部)の運転時の温度条件下における溶着金属の未使用時から破断までの全寿命t0を精度良く評価することができる。また、全寿命評価ステップで評価した全寿命t0から溶着金属の未使用時から現在までの経過時間t1を減算することにより、溶接部における溶着金属の現在から破断までの余寿命t2を精度よく求めることができる。
The temperature estimation method according to (4), the current value L 1 of Larson-Miller parameters of weld metal corresponding to the hardness or thickness of the measured in the measurement step altered layer, when not in use of the deposited metal Larson Based on the initial value L 0 of the mirror parameter and the elapsed time t 1 from when the weld metal is not used to the present time, a welded portion is obtained by using Larson mirror parameter relational expressions (
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れか1項に記載の温度推定方法であって、前記溶着金属は、Ni基合金である。 (5) In some embodiments, the temperature estimation method according to any one of (1) to (4) above, wherein the weld metal is a Ni-based alloy.
本願発明者の知見によれば、上記(5)に記載のように、溶着金属としてNi基合金を使用する場合に、上記(1)乃至(4)の何れか1項に記載の温度推定方法を好適に使用することができる。 According to the knowledge of the present inventor, as described in (5) above, when a Ni-based alloy is used as the weld metal, the temperature estimation method according to any one of (1) to (4) above. Can be preferably used.
(6)幾つかの実施形態では、上記(5)に記載の温度推定方法であって、前記溶着金属は、インコネル(登録商標)である。 (6) In some embodiments, the temperature estimation method according to (5) above, wherein the weld metal is Inconel (registered trademark).
本願発明者の知見によれば、上記(6)に記載のように、溶着金属としてインコネルを使用する場合に、上記(5)に記載の温度推定方法を好適に使用することができる。 According to the knowledge of the inventor of the present application, as described in (6) above, when using Inconel as the weld metal, the temperature estimation method described in (5) above can be suitably used.
(7)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れか1項に記載の温度推定方法であって、前記第1伝熱管は、フェライト系耐熱鋼で形成されている。 (7) In some embodiments, in the temperature estimation method according to any one of (1) to (6), the first heat transfer tube is formed of a ferritic heat resistant steel.
本願発明者の知見によれば、上記(7)に記載のように、第1伝熱管がフェライト系耐熱鋼で形成されている場合に、上記(1)乃至(6)の何れか1項に記載の温度推定方法を好適に使用することができる。 According to the knowledge of the present inventor, when the first heat transfer tube is formed of ferritic heat resistant steel as described in (7) above, any one of (1) to (6) above The described temperature estimation method can be suitably used.
(8)幾つかの実施形態では、上記(7)に記載の温度推定方法であって、前記第1伝熱管は、クロム・モリブデン鋼で形成されている。 (8) In some embodiments, the temperature estimation method according to (7) above, wherein the first heat transfer tube is made of chromium-molybdenum steel.
本願発明者の知見によれば、上記(8)に記載のように、第1伝熱管がクロム・モリブデン鋼で形成されている場合に、上記(7)に記載の温度推定方法を好適に使用することができる。 According to the inventor's knowledge, when the first heat transfer tube is formed of chromium-molybdenum steel as described in (8) above, the temperature estimation method described in (7) above is preferably used. can do.
(9)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(8)の何れか1項に記載の温度推定方法であって、前記第2伝熱管は、オーステナイト系ステンレス鋼で形成される。 (9) In some embodiments, in the temperature estimation method according to any one of (1) to (8), the second heat transfer tube is formed of austenitic stainless steel.
本願発明者の知見によれば、上記(9)に記載のように、第2伝熱管がオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている場合に、上記(1)乃至(8)の何れか1項に記載の温度推定方法を好適に使用することができる。 According to the knowledge of the present inventor, when the second heat transfer tube is formed of austenitic stainless steel as described in (9) above, any one of (1) to (8) above The described temperature estimation method can be suitably used.
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、互いに異なる耐熱鋼で形成された第1伝熱管と第2伝熱管とを備える熱交換器について、運転時における第1伝熱管と第2伝熱管との溶接部の温度を精度よく推定可能な、溶接部の温度推定方法が提供される。 According to at least one embodiment of the present invention, for a heat exchanger comprising a first heat transfer tube and a second heat transfer tube formed of different heat resistant steels, the first heat transfer tube and the second heat transfer tube during operation There is provided a method for estimating the temperature of a welded portion, which can accurately estimate the temperature of the welded portion.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Absent.
For example, expressions expressing relative or absolute arrangements such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” are strictly In addition to such an arrangement, it is also possible to represent a state of relative displacement with an angle or a distance such that tolerance or the same function can be obtained.
For example, an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
For example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
図1は、熱交換器2が備える第1伝熱管4と第2伝熱管6との溶接部8を模式的に示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a welded
図1において、熱交換器2は、例えば火力発電プラントや舶用ボイラ等に使用される熱交換器であり、例えば燃焼ガスと蒸気との熱交換等に使用されてもよい。図1において、第1伝熱管4は、比較的低温領域で使用されるものであり、フェライト系耐熱鋼としてのクロム・モリブデン鋼(第1耐熱鋼)で形成されている。また、第2伝熱管6は、比較的高温領域で使用されるものであり、オーステナイト系ステンレス鋼(第2耐熱鋼)で形成されている。また、第1伝熱管4と第2伝熱管6とはNi基合金としてのインコネル系の溶着金属10を介して溶接されている。インコネル系の溶着金属10(溶加材)の熱膨張係数は、図9に示すようにクロム・モリブデン鋼(Cr‐Mo)の熱膨張係数とステンレス鋼(SUS)の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する
In FIG. 1, a
図2は、図1に示した第1伝熱管4と第2伝熱管6との溶接部8について、試験温度600℃にて、破断時間が約1700時間となる条件下でクリープ破断試験を行ったときの、溶接部8の断面(第1伝熱管4及び第2伝熱管6の軸に沿った断面)及び硬さ分布を示す図である。図3は、図1に示した第1伝熱管4と第2伝熱管6との溶接部8について、試験温度600℃にて、破断時間が約40000時間となる条件下でクリープ破断試験を行ったときの、溶接部8の断面(第1伝熱管4及び第2伝熱管6の軸に沿った断面)及び硬さ分布を示す図である。図2及び図3において、方形のプロットの大きさは、プロット位置でのメタルの硬さを示しており、プロットの大きさが小さいほどメタルの硬さが大きい(硬い)ことを意味する。
FIG. 2 shows a creep rupture test for the welded
本願発明者の鋭意検討の結果、図2及び図3に示すように、溶着金属10のうち第1伝熱管4の母材12の熱影響部14に隣接する部分には、経時的な劣化に伴って変質層10aが形成されることが明らかとなった。この変質層10aは、図2及び図3に示すように、他の領域と比較して硬くなっており、他の領域と比較して顕微鏡等で見た組織状態(例えば色)が異なっている。また、図2及び図3の比較から、破断時間が長くなるにつれて、変質層が硬くなるとともに変質層10aの厚さd(第1伝熱管4の軸方向における変質層10aの幅)が大きくなることが明らかとなった。
As a result of intensive studies by the inventor of the present application, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, a portion of the
図4は、上記の新たな知見を利用した、熱交換器2の運転時における溶接部8の温度Tを推定する温度推定フロー100を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a temperature estimation flow 100 for estimating the temperature T of the welded
一実施形態では、図4に示すように、温度推定フロー100は、溶着金属10のうち第1伝熱管4の母材12の熱影響部14に隣接する部分に生じた変質層10aの硬さhを計測する計測ステップS11と、計測ステップS11において計測した変質層10aの硬さhに基づいて、溶接部8の運転時の温度Tを推定する推定ステップS12と、を含む。
In one embodiment, as shown in FIG. 4, the temperature estimation flow 100 is a hardness of the deteriorated
計測ステップS11では、例えば溶接部8の表面に対して研磨、エッチング等の前処理を行い、現出した組織における変質層10aの硬さhを、超音波硬さ計等の計測器を用いて計測してもよい。また、図2及び図3に示すように変質層10aを横断する方向における複数箇所で変質層10aの硬さhを計測し、変質層10aの複数箇所の硬さのうちの最高硬さを推定ステップS12での温度推定に使用してもよい。
In the measurement step S11, for example, pretreatment such as polishing and etching is performed on the surface of the welded
推定ステップS12は、計測ステップS11で計測した変質層10aの硬さに対応する溶着金属10のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出するL1導出ステップS12aと、溶接部8の運転時の温度Tを推定する温度推定ステップS12bと、を含む。
Estimation step S12, a L 1 derivation step S12a to derive the current value L 1 of Larson-Miller parameters of the
L1導出ステップS12aでは、計測ステップS11において計測した変質層10aの硬さh(好ましくは、上述した複数箇所の硬さのうちの最高硬さ)と、変質層10aの硬さhと溶着金属10のラーソンミラーパラメータLとの関係を示す情報(図5に示す直線A1)と、に基づいて、計測ステップS11で計測した変質層10aの硬さhに対応する溶着金属10のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出する。ここで、図5に示す直線A1は、事前にクリープ破断試験を行って求めておけばよい。例えば、複数の応力条件(溶着金属10に発生する応力が互いに異なる複数の条件)下でクリープ破断試験を行って、各応力条件における変質層10aの硬さhとラーソンミラーパラメータLとの関係をプロット(図5における黒三角のプロット)し、各プロットに対する回帰直線を直線A1として求めてもよい。
In L 1 deriving step S12a, measured (preferably, the highest hardness of the hardness of the plurality of positions as described above) hardness h of the affected
温度推定ステップS12bでは、L1導出ステップS12aで導出したラーソンミラーパラメータの現在値L1に基づいて、溶接部8の運転時の温度Tを推定する。例えば、L1導出ステップS12aで導出したラーソンミラーパラメータの現在値L1と、溶着金属10の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0と、溶着金属10の未使用時から現在までの経過時間t1と、に基づいて、以下の(式1)及び(式2)を用いて溶接部8の運転時の温度Tを推定することができる。
In the temperature estimation step S12b, based on the current value L 1 of Larson-Miller parameter derived by L 1 derivation step S12a, it estimates the temperature T during operation of the
ここで、t0は、溶着金属10の未使用時から破断までの全寿命t0である。なお、溶着金属10の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0については、図6におけるラーソンミラーパラメータLと応力σの関係を示す既知の曲線Uから、溶接部8の溶着金属10の対象部位にかかる応力σ1(ラーソンミラーパラメータL1の応力条件と同じ応力条件)に対応する値を上記初期値L0として抽出すればよい。この際、曲線Uは、文献値に基づいて設定してもよいし、クリープ破断試験によって定めてもよい。また、曲線Uについては、溶着金属10の未使用時のラーソンミラーパラメータの平均値に対して、ばらつきを考慮して例えば1%程度のマージンを設定し、99%程度の信頼限界の下限値を採用してもよい。また、Cは溶着金属10の材料によって定まる材料定数である。
Here, t 0 is the total life t 0 from when the
温度推定ステップS12bでは、上記(式1)及び(式2)において、L1導出ステップS12aで導出したラーソンミラーパラメータの現在値L1と、溶着金属10の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0と、溶着金属10の未使用時から現在までの経過時間t1とを代入してこれらの二つの連立方程式を解くことにより、溶接部8の運転時の温度Tを算出(推定)する。これにより、熱交換器2が備える第1伝熱管4と第2伝熱管6との溶接部8(特に、第1伝熱管4の母材12の熱影響部14との境界B付近の部分)における運転時の温度Tを、計測ステップS11において計測した変質層10aの硬さhに基づいて精度良く推定することができる。
In the temperature estimation step S12b, in the above (Equation 1) and (Equation 2), the current value L 1 of Larson-Miller parameter derived by L 1 derivation step S12a, the initial value of Larsson Miller parameter when
また、図4に示す温度推定フロー100は、更に、全寿命評価ステップS13と、余寿命評価ステップS14とを有する。 Further, the temperature estimation flow 100 shown in FIG. 4 further includes a total life evaluation step S13 and a remaining life evaluation step S14.
全寿命評価ステップS13では、上記(式1)及び(式2)において、L1導出ステップS12aで導出したラーソンミラーパラメータの現在値L1と、溶着金属10の未使用時のラーソンミラーパラメータの初期値L0と、溶着金属10の未使用時から現在までの経過時間t1とを代入してこれらの二つの連立方程式を解くことにより、溶着金属10の未使用時から破断までの全寿命t0を算出(評価)する。
In all life evaluation step S13, the in (Equation 1) and (Equation 2), the current value L 1 of Larson-Miller parameter derived by L 1 derivation step S12a, the initial Larson Miller parameter when
余寿命評価ステップS14では、全寿命評価ステップS13で評価した全寿命t0と経過時間t1とに基づいて、溶着金属10の現在から破断までの余寿命t2(=t0−t1)を算出(評価)する。これにより、熱交換器が備える第1伝熱管と第2伝熱管との溶接部における溶着金属10(特に、第1伝熱管4の母材12の熱影響部14との境界B付近の部分)の余寿命を、計測ステップS11において計測した変質層の硬さhに基づいて精度良く推定することができる。これにより、熱交換器2の保守管理を計画しやすくなり、トラブルを未然に防止できる。
In the residual life evaluation step S14, based on the elapsed time t 1 and the total lifetime t 0 were evaluated in all life evaluation step S13, the remaining
図7は、一実施形態に係る熱交換器2の運転時における溶接部8の温度Tを推定する温度推定フロー200を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a temperature estimation flow 200 for estimating the temperature T of the welded
図4に示す温度推定フロー100は、変質層10aの硬さhに基づいて溶接部8の運転時の温度Tを推定したが、図7に示す温度推定フロー200は、変質層10aの硬さhの代わりに変質層10aの厚さdに基づいて溶接部8の運転時の温度Tを推定する。図7に示す温度推定フロー200のうち、S22b、S23及びS24は、それぞれ、図4を用いて説明したS12b、S13及びS14と同じであるため説明を省略し、以下では、温度推定フロー100と異なる点を中心に説明する。
The temperature estimation flow 100 shown in FIG. 4 estimates the temperature T during operation of the welded
一実施形態では、図7に示すように、温度推定フロー200は、溶着金属10のうち第1伝熱管4の母材12の熱影響部14に隣接する部分に生じた変質層10aの厚さdを計測する計測ステップS21と、計測ステップS21において計測した変質層10aの厚さdに基づいて、溶接部8の運転時の温度Tを推定する推定ステップS22と、を含む。
In one embodiment, as shown in FIG. 7, the temperature estimation flow 200 is the thickness of the deteriorated
計測ステップS21では、例えば溶接部8の表面に対して研磨、エッチング等の前処理を行い、現出した組織における変質層10aの厚さdを計測してもよい。
In the measurement step S21, for example, pretreatment such as polishing and etching may be performed on the surface of the welded
推定ステップS22は、計測ステップS21の計測時における溶着金属10のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出するL1導出ステップS22aと、溶接部8の運転時の温度Tを推定する温度推定ステップS22bと、を含む。
Estimation step S22, a L 1 derivation step S22a to derive the current value L 1 of Larson-Miller parameters of the
L1導出ステップS22aでは、計測ステップS21において計測した変質層10aの厚さdと、変質層10aの厚さdと溶着金属10のラーソンミラーパラメータLとの関係を示す情報(図8に示す直線A2)と、に基づいて、計測ステップS21で計測した変質層10aの厚さdに対応する溶着金属10のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出する。ここで、図8に示す直線A2は、事前にクリープ破断試験を行って求めておけばよい。例えば、複数の応力条件(溶着金属10に発生する応力が互いに異なる複数の条件)下でクリープ破断試験を行って、各応力条件における変質層10aの厚さとラーソンミラーパラメータLとの関係をプロット(図5における黒丸のプロット)し、各プロットに対する回帰直線を直線A2として求めてもよい。
In L 1 derivation step S22a, the thickness d of the affected
このように、変質層10aの厚さdに基づいて求めたラーソンミラーパラメータの現在値L1に基づいて、図4を用いて説明した温度推定ステップS12b、全寿命推定ステップS13及び余寿命推定ステップS14と同様の方法により、熱交換器2の運転時における溶接部8の温度T、溶着金属10の未使用時から破断までの全寿命t0、及び溶着金属10の現在から破断までの余寿命t2を精度良く求めることができる。
Thus, the current value on the basis of L 1, the temperature estimating step S12b, the entire service life estimation step S13 and remaining service life estimation step described with reference to FIG. 4 of the Larson-Miller parameter obtained based on the thickness d of the affected
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。例えば、上述した実施形態では、変質層10aの硬さh又は厚さdに基づいて、溶着金属10のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出したが、変質層10aの硬さhと厚さdの両方に基づいて、溶着金属10のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出しても良い。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms. For example, in the embodiment described above, based on the hardness h or thickness d of the affected
2 熱交換器
4 第1伝熱管
6 第2伝熱管
8 溶接部
10 溶着金属
10a 変質層
12 母材
14 熱影響部
2 Heat exchanger 4 First
Claims (9)
前記第1伝熱管は、第1耐熱鋼で形成され、
前記第2伝熱管は、前記第1耐熱鋼とは異なる第2耐熱鋼で形成され、
前記第1伝熱管と前記第2伝熱管とは溶着金属を介して溶接されており、
前記溶着金属のうち前記第1伝熱管の母材の熱影響部に隣接する部分に生じた変質層の硬さ又は厚さを計測する計測ステップと、
前記計測ステップにおいて計測した前記変質層の硬さ又は厚さに基づいて、前記溶接部の運転時の温度を推定する推定ステップと、
を含む溶接部の温度推定方法。 A temperature estimation method for a welded portion for estimating a temperature during operation in a welded portion between the first heat transfer tube and the second heat transfer tube included in the heat exchanger,
The first heat transfer tube is formed of a first heat resistant steel,
The second heat transfer tube is formed of a second heat resistant steel different from the first heat resistant steel,
The first heat transfer tube and the second heat transfer tube are welded via a weld metal,
A measurement step of measuring the hardness or thickness of the altered layer generated in a portion adjacent to the heat affected zone of the base material of the first heat transfer tube among the weld metal,
Based on the hardness or thickness of the deteriorated layer measured in the measurement step, an estimation step for estimating a temperature during operation of the welded portion;
A method for estimating the temperature of a weld including
前記計測ステップにおいて計測した前記変質層の硬さ又は厚さと、前記変質層の硬さ又は厚さと前記溶着金属のラーソンミラーパラメータLとの関係を示す情報と、に基づいて、前記計測ステップで計測した前記変質層の硬さ又は厚さに対応する前記溶着金属のラーソンミラーパラメータの現在値L1を導出するL1導出ステップと、
前記L1導出ステップで導出した前記ラーソンミラーパラメータの現在値L1に基づいて、前記溶接部の運転時の温度を推定する温度推定ステップと、
を含む請求項1に記載の溶接部の温度推定方法。 The estimation step includes
Measured in the measurement step based on the hardness or thickness of the deteriorated layer measured in the measurement step and information indicating the relationship between the hardness or thickness of the deteriorated layer and the Larson mirror parameter L of the deposited metal. and L 1 derivation step of deriving the current value L 1 of Larson-Miller parameters of the weld metal corresponding to the hardness or thickness of the affected layer, and
A temperature estimation step based on said current value L 1 of the Larson-Miller parameter derived by L 1 derivation step, to estimate the temperature during operation of the weld,
The temperature estimation method of the welding part of Claim 1 containing this.
前記全寿命評価ステップで評価した前記全寿命t0と前記経過時間t1とに基づいて、前記溶着金属の現在から破断までの余寿命t2(=t0−t1)を評価する余寿命評価ステップと、
を更に含む請求項2又は3に記載の溶接部の温度推定方法。 The current value L 1 of the Larson mirror parameter derived in the L 1 deriving step, the initial value L 0 of the Larson mirror parameter when the weld metal is not used, and the elapsed time from when the weld metal is not used to the present time a total life evaluation step for evaluating a total life t 0 from when the weld metal is not used to fracture under a temperature condition during operation of the weld, based on t 1 ;
On the basis of the said evaluated in all life evaluation step the entire service life t 0 and the elapsed time t 1, the remaining life t 2 (= t 0 -t 1 ) residual life evaluating the to break the current of the weld metal An evaluation step;
The method for estimating a temperature of a weld according to claim 2 or 3, further comprising:
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