JP4522828B2 - Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱鋼の余寿命診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温で長時間使用されたCr-Mo系耐熱鋼、例えば、火力発電プラントのボイラに組み込まれたCr-Mo系耐熱鋼の余寿命診断方法に関する。

火力発電プラントのボイラにおける管寄せなどの高温部位に用いられるCr-Mo系耐熱鋼は、使用時にクリープが進行するため、定期的な交換が必要である。従って、クリープが進行した耐熱材料の余寿命（以下、単に「余寿命」という）を知ることは、プラントの延命の観点、修繕コストの観点から重要である。

上記ボイラの高温部位にはJIS G 3458に規定されるSTPA20から24までの鋼、またはJIS G 3462に規定されるSTBA20から24までの鋼やこれらの相当鋼、即ち低Cr-Mo系耐熱鋼が主に使用されている。この低Cr-Mo耐熱鋼は、それ自体、硬さの経年変化が小さく、硬さによるクリープ余寿命の予測は困難である。

従って、余寿命の診断は、主として金属組織を基準の組織と対比する組織対比法により行われている。この方法による測定精度は、真の寿命の１／２から２倍程度であり、比較的信頼性の高い余寿命診断方法であると言える。しかし、この方法で余寿命を判断するためには、余寿命状態等の条件毎に金属組織写真を数多く準備しておく必要があり、多大な工数と費用がかかるという欠点がある。また、金属組織の写真の比較は、測定者の経験や勘に頼るため、測定者によって判断基準が異なる場合がある。

他のクリープ余寿命診断方法には、クリープ歪みを測定する方法がある。この方法は、余寿命の指標として信頼できる精度を持っているが、初期の寸法が分からなければ、測定することができないため、汎用性に欠ける。

特許文献１には、この問題を解決するべく、クリープ歪み速度を利用した金属材料の余寿命評価方法が提案されており、この方法によれば、初期の寸法データを要さず、しかも、高精度に余寿命を診断できるとしている。

特許文献２には、溶接金属の硬さを測定し、この測定硬さに対応するLMP（ラーソン・ミラー・パラメータ）の値を算出し、これに運転時間を代入して使用温度を推定し、この推定温度と計算により求めた応力との関係から寿命を予測する方法が記載されている。この方法は、従来の組織対比法に比べて、工数と費用が少なくてすみ、高精度に余寿命を予測することができる。

特開2003-4626号公報 特開2003-344261号公報

特許文献１で提案された方法では、ボイラ管の寸法公差、高温時に付着した酸化スケールの影響により、歪み量が変化し、正確に歪み速度を測定できない場合がある。また、特許文献２で提案された方法では、硬さに対応するLMPが応力の影響を受けるため、応力を正確に求める必要がある。しかし、評価対象材料の形状が複雑な場合には、応力を正確に求めることは困難な場合が多く、高精度な余寿命予測ができなくなる。

本発明者らが応力、使用温度、寸法などの影響を受けにくい余寿命診断方法について鋭意研究を行った結果、評価対象材料の硬さと余寿命とで整理すると、応力、使用温度、寸法等の影響を受けにくいことが判明した。しかし、母材の硬さは使用中ほとんど変化せず、溶接熱影響部の硬さは測定位置によってばらつきが大きい。

本発明は、高精度でCr-Mo耐熱鋼の余寿命を診断する方法を提供することを目的とする。なお、Cr-Mo耐熱鋼としては、例えば、STPA20から24までの鋼、STBA20から24までの鋼などがある。

本発明者らは、硬さの変化量が母材のそれよりはるかに大きく、測定位置によってばらつきが小さい溶接金属に着目し、その硬さ変化に基づいて余寿命を判断することが最も高精度な方法であることを見出し、本発明を完成した。

本発明は、下記のCr−Mo系耐熱鋼の余寿命診断方法を要旨とする。

Cr−Mo系耐熱鋼用の溶接金属の硬さＨを測定し、下記の(1)式から寿命消費率φを求めることを特徴とするCr−Mo系耐熱鋼の余寿命診断方法。但し、(1)式中のＨは測定したCr−Mo系耐熱鋼用の溶接金属の硬さ、Ｋは定数（但し、Ｋは−０．７５〜−０．２５の範囲である。）、φは寿命消費率（％）、Ｈ_０ｉはCr−Mo系耐熱鋼用の溶接金属の化学組成ｉに対応する基準硬さをそれぞれ意味する。

Ｈ＝Ｋ×φ＋Ｈ_0i ・・・(1)

本発明によれば、高精度でCr-Mo耐熱鋼の余寿命を診断することができるので、プラントを延命できるとともに、修繕コストを低減できる。

本発明の方法においては、まず、溶接金属の硬さＨを測定する必要がある。溶接金属の使用前の硬さは、母材の硬さに比べ高く、この経年硬さ変化（軟化）の程度は、母材部のそれに比べて遙かに大きい。また、溶接熱影響部に比べて測定位置によるばらつきが小さい。そこで、溶接金属の硬さに着目し、軟化に影響を及ぼす化学組成、応力、寸法および寿命消費率の影響を調査すべく、下記の実験を行った。

まず、種々の寸法の鋼管（母材）を作製し、この鋼管を種々の溶接条件で溶接して、供試材を作製した。供試材の母材の条件、溶接条件および溶接金属の化学組成を表１に示す。

これらの供試材について、温度、応力（内圧）の条件を変えて、内圧クリープ試験を行った。供試材が破断に至るまで試験を続け、試験の開始前および試験途中に溶接金属の硬さを測定した。その試験条件および破断時間を表２に示す。

試験途中の硬さは試験を一旦中断して測定した。この実験を各供試材について行い、試験開始から中断するまでの時間をｔ、破断するまでの時間をｔｒとするとき、100×ｔ／ｔｒの値を寿命消費率φ（％）とし、試験途中の溶接金属の硬さとの関係を整理した。

図１は、試験途中の溶接金属の硬さと寿命消費率との関係を示す図である。図１に示すように、寿命消費率が10％未満の範囲を除き、傾きはほぼ一定であって、いずれの供試材においても、その傾きは、−0.75〜−0.25の範囲である。また、試験No.1〜6のグループ、試験No.7〜11のグループは、それぞれ溶接金属の化学組成が同じであるグループであるが、それぞれ、寿命消費率０％の切片（基準の硬さ）が異なるものの、いずれもほぼ同じ傾きであった。

従って、予め、上記の傾きＫと化学組成に対応する基準の硬さＨ_0iとを求めておけば、測定した溶接金属の硬さＨを下記の(1)式に代入することで、寿命消費率φ（％）を求めることができる。

Ｈ＝Ｋ×φ＋Ｈ_0i ・・・(1)
但し、(1)式中のＨは測定した溶接金属の硬さ、Ｋは定数、φは寿命消費率（％）、Ｈ_0iは溶接金属の化学組成ｉに対応する基準硬さをそれぞれ意味する。溶接金属の硬さは、例えば、ビッカース硬さ(Hv)を測定すればよい。

なお、上記の傾きＫは、複数の供試材について、溶接金属の硬さと予め寿命消費率との関係を求め、寿命消費率10％未満のデータを無視して、各供試材についての傾きを求め、その傾きの平均値を計算すればよい。寿命消費率10％未満のデータを無視するのは、この範囲での硬さの変化量はバラツキが大きいためである。

上記の基準硬さＨ_0iは、例えば、種々の実験結果から、下記の(2)式のような溶接金属の化学組成に関する関数を作り、各成分元素の含有量を関数に代入することにより求めることができる。但し、(2)式中のＡ_i（i＝１〜８）は定数を意味し、[ ]は各元素の含有量（質量％）を意味する。

Ｈ_0i＝Ａ₁・[Ｃ]＋Ａ₂・[Si]＋Ａ₃・[Mn]＋Ａ₄・[Ｐ]＋Ａ₅・[Ｓ]＋Ａ₆・[Cr]
＋Ａ₇・[Mo]＋Ａ₈ ・・・(2)
溶接金属の化学組成は、被試験材の溶接金属の表面から採取した切粉を測定すればよい。

本発明に係る余寿命診断方法の効果を検証すべく、下記の実験をおこなった。

表３に示すボイラ主蒸気管の溶接部の内から無作為に選んだ４箇所の溶接部について本発明に係る余寿命診断方法および組織対比法で、余寿命を診断した。各部位の化学組成および測定結果を表４に示す。

なお、組織対比法においては、対象部位のスケールを除去した後、レプリカ膜により採取した組織とラーソンミラーパラメータ（LMP）で整理した標準組織（光学顕微鏡組織および電子顕微鏡組織）とを対比して、対象部位のLMPを求め、このLMPと使用時間から温度を推定し、推定温度と使用応力を元に応力・破断LMP図より破断時間ｔ_nを求め、これを全寿命とみなし、実際の使用時間ｔ_aと全寿命ｔ_nとの比ｔ_a／ｔ_nを寿命消費率（％）として求めた。なお、上記の使用時間および使用応力については表３に示す値を用いた。

表４に示すように、いずれの部位においても、本発明に係る余寿命診断方法により求めた寿命消費率（％）は組織対比法により求めたものと同等の値であった。

本発明によれば、高精度でCr-Mo耐熱鋼の余寿命を診断することができるので、プラントの延命、修繕コストの観点から有用である。

試験途中の溶接金属の硬さと寿命消費率との関係を示す図である。

Claims (1)

1. Cr−Mo系耐熱鋼用の溶接金属の硬さＨを測定し、下記の(1)式から寿命消費率φを求めることを特徴とするCr−Mo系耐熱鋼の余寿命診断方法。
   Ｈ＝Ｋ×φ＋Ｈ_０ｉ ・・・(1)
   但し、(1)式中の各記号の意味は下記のとおりである。
   Ｈ：測定したCr−Mo系耐熱鋼用の溶接金属の硬さ
   Ｋ：定数（但し、Ｋは−０．７５〜−０．２５の範囲である。）
   φ：寿命消費率（％）
   Ｈ_０ｉ：Cr−Mo系耐熱鋼用の溶接金属の化学組成ｉに対応する基準硬さ

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