JP5492057B2 - 耐熱鋼溶接部の損傷予測方法 - Google Patents
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Description
図16には、クリープボイド57,57同士が合体して、き裂58が発生した溶接部51を示す。溶接熱影響部54a,54bに発生したき裂58は徐々に成長し、最終的には板厚方向Sに貫通して、内部流体のリークが発生する。
下記特許文献1(耐熱鋼の寿命評価法)には、クリープボイドの個数密度を複数回測定し、その変化率から残余寿命を推定する方法が開示されている。また、下記特許文献2(クリープ寿命評価方法)には、クリープボイドの結晶粒界占有率のうち最大値を測定してクリープ寿命消費率を推定する方法が開示されている。
また、火力発電プラントの機器部材には多種多様のものがあるため、高Cr鋼の溶接部も多種多様であり、その形状によって作用する応力場の影響が異なる。
丸棒クリープ試験片59は評価対象となる耐熱鋼(高Cr鋼)で構成されており、母材60の中央部に溶接部、すなわち溶接金属61と溶接熱影響部62がある。本試験片を高温下で図中の矢印Y1及び矢印Y2で示した方向に応力σを作用させて、破断するまでの時間を測定し、応力と破断時間との関係を調べる。
配管50の溶接金属53、溶接熱影響部54a、54bには、配管の円周方向に応力σC、軸方向に応力σLが作用する。図18の関係を用いて図19の溶接部の損傷を推定する場合には、配管に作用する周方向の応力σCを用いて、図18の関係より破断時間trを推定し、図19の溶接部51の損傷の進行度合いを推定する。
M=A・σ1・TFB (1)
で表し(ここで、A,B:係数、σ1:最大主応力、TF:応力多軸度係数)、この局所応力状態Mとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係又は局所応力状態Mとクリープボイドの面積率の増加速度との関係を予め求めておき、実際に損傷を予測する際に評価対象となる溶接部の応力解析を行って評価対象部位における局所応力状態Mを求め、このMを用いて耐熱鋼溶接部の損傷を予測することで解決される。
なお、3次元問題では主応力は3つあり、大きい方からσ1,σ2,σ3と表記する。ここでは、一番大きいものを「最大主応力σ1」と表記している。
請求項1記載の発明は、耐熱鋼溶接部に作用する応力の分布を計算し、該計算値から耐熱鋼溶接部の損傷を予測する耐熱鋼溶接部の損傷予測方法において、耐熱鋼溶接部の応力状態を表現するパラメータとして、下記式(1)で表されるMを用いる耐熱鋼溶接部の損傷予測方法である。
M=A・σ1・TFB (1)
ここで、A,B:係数、σ1:最大主応力、TF:応力多軸度係数である。
耐熱鋼溶接部におけるクリープ損傷(クリープボイドの個数密度の増加挙動又はクリープボイドの面積率の増加挙動)は、応力状態の影響を大きく受ける。特に、一方向の応力ではなく、3方向の応力(応力の3軸状態)の影響を受ける。本発明によれば、溶接熱影響部などの溶接部の評価対象部位における3軸応力状態を考慮し、予め求めた、3軸応力状態とクリープボイドの個数密度の増加挙動との関係又は3軸応力状態とクリープボイドの面積率の増加挙動との関係を用いてクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率の増加を予測するため、高精度に溶接熱影響部などの溶接部の損傷挙動を予測することが可能となる。
予め、耐熱鋼溶接部の各評価部位におけるクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を検出してクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めると共に、前記耐熱鋼溶接部の各評価部位におけるパラメータMを求めて、該パラメータMとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係(a)、又はパラメータMとクリープボイドの面積率の増加速度との関係(b)を求めておく。
そして、実際に損傷を予測する際に、耐熱鋼溶接部の対象部位の最大主応力σ1及び応力多軸度係数TFを求め、該求めた最大主応力σ1及び応力多軸度係数TFを上記式(1)に当てはめてパラメータMを求め、該求めたパラメータMから前記予め求めた関係(a)又は(b)を用いて、対象部位におけるクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、対象部位におけるクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することが可能である。
したがって、請求項6記載の発明によれば、上記請求項4に記載の発明の作用に加えて、所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度とクリープボイドの個数密度の平均増加速度との関係(c)、又は所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度とクリープボイドの面積率の平均増加速度との関係(d)を予め求めておき、関係(a)と関係(c)、又は関係(b)と関係(d)から所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度又は所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、クリープボイドの個数密度の増加量又はクリープボイドの面積率の増加量を時間の関数として求めることができる。したがって、クリープボイドの個数密度の増加が、より正確に把握できるため、測定時点の対象部位におけるクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を精度良く推定できる。
請求項1記載の発明によれば、耐熱鋼溶接部の応力状態を表現するパラメータとして、上記式(1)で表されるMを用いることで、応力解析等の計算によって、簡便で迅速に、精度良く耐熱鋼溶接部の損傷を予測できる。
図1には、本実施形態の損傷予測方法による、損傷の予測に用いるクリープボイドの個数密度(単位面積あたりのクリープボイドの数)の単位時間あたりの増加量(平均増加速度)と応力パラメータ(M=A・σ1・TFB)の関係の一例を示す。
すなわち、後述する図7に示すような試験体の配管6のクリープ試験を実施する。溶接熱影響部8a〜8dにおいて、肉厚方向の位置によって、最大主応力σ1と応力多軸度係数TFは異なる。肉厚方向の6点について、クリープボイドの成長状況を顕微鏡で観察し、クリープボイドの個数密度の平均増加速度Nvmを測定する。一方、3軸の応力解析により、これら6点の最大主応力σ1と応力多軸度係数TFを求める。これらを両対数グラフにプロットし、直線回帰して、係数A、Bを決める。
すなわち、図7に示すような試験体の配管6のクリープ試験を数本(例えば、5本)用意する。これらを同じ実験条件で実験を開始する。寿命が1000hの場合、1本は1000hまで、残りは200h毎に実験を取りやめ、切断し、配管6の内部のクリープボイド発生状況を観察する。なお、観察部位は全ての溶接熱影響部8a〜8dとする。5本の試験片より、クリープボイドの個数密度Nと時間との関係を求める。この関係の勾配がクリープボイドの個体密度の増加速度Nv(個/mm2/h)となり、これらの平均値が平均増加速度Nvmとなる。
なお、レプリカ法(評価部位の金属組織をレプリカ膜に写しとって走査型電子顕微鏡(SEM)等で観察し、それによって評価する方法)によって、クリープボイドの個数密度を測定することも考えられるが、この場合、測定可能なのは表面のみである。
M=A・σ1・TFB (1)
ここで、AとBは係数であり、σ1は主応力であり、TFは応力の3軸度を表す応力多軸度係数TF(Triaxiality Factor)であり、次式(2)で定義される。
TF = (σ1 + σ2 +σ3)/σm (2)
ここで、σ1,σ2,σ3(大きい方から表記)は、配管の場合はそれぞれ周方向、軸方向、半径方向の主応力である。σmはミーゼスの相当応力である。
図2の耐熱鋼配管1の溶接熱影響部4aにおいて、有限要素法によるクリープ解析(図9)を実施し、管の外表面から応力評価線5に沿った応力分布を調べた結果を図3に示す。
前述のように、肉厚中央部A点の応力が大きく3軸状態になるため、応力の3軸度を表すTFは、肉厚中央部のA点で最も大きくなっている。
そして、図1の関係を、予め実測して用意しておくことで、以下に示す実施例1の耐熱鋼溶接部の予測方法に適用する。
前述の予測原理を用いて、耐熱鋼溶接部の損傷を予測する方法を具体的に説明する。図5に損傷予測方法の実施例のフローチャートを示す。
10万時間までの計算(損傷進行の予測)を行いたい場合、計算の時間ステップは100分割もあれば十分と考える。したがって、この場合、Δt=10万時間/100=1000hとなる。
図6から分かるように、クリープボイドが発生し始める初期に比べてクリープボイド同士が合体してき裂となる末期の方がその速度、すなわち所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度Nvが増加する。
ある計算ステップ(時間ステップ)において、応力パラメータMからクリープボイドの個数密度の平均増加速度Nvmを求める。このクリープボイドの個数密度の平均増加速度Nvmと前のステップにおけるクリープボイドの個数密度Nを用いて、図6よりこのときのクリープボイドの個数密度の増加速度Nvを求める。クリープボイドの個数密度の増加速度NvにΔtを掛けてΔN(この時間ステップにおけるクリープボイド数の増加量)を求め、前のステップにおけるクリープボイドの個数密度NにΔNを足してこの時間ステップのクリープボイドの個数密度Nとする。
したがって、測定時間tにおける耐熱鋼溶接部の損傷の予測がより精度良くできるようになる。
図7には、本実施例の精度を確認するために用いた耐熱鋼配管の図を示し、図8には、図7のB部の詳細図を示す。
この解析モデル10を用いて、図5のフローチャートに従って応力パラメータMを求め、図1の関係からクリープボイドの個数密度の時間変化を予測した。また、実験では、途中で試験を止めて、配管6を切断し、配管6の内部のクリープボイド発生状況(断面)を観察した。
図11の横軸は、配管6の外表面からの距離xを肉厚tで割り、無次元化した値(x/t)である。
図11においても、実線で示した予測値とプロット点で示した実験値は良く一致していることが確認された。以上の結果から、本実施例の方法によって、精度良くクリープボイドの個数密度の増加を予測できることが確認された。
そして、より詳しい検査が必要な部位を予測することもでき、耐熱鋼溶接部の検査や耐熱鋼自体の取替えの必要性を把握できる。例えば、検査として、レプリカ法(これは表面のみに適用可能)や超音波探傷(これは肉厚内部の検査も可能)などがある。
クリープボイドの面積率は、レプリカ法でも、上述した平均増加速度Nvmの求め方と同様に実際に切断した断面を用いても良く、顕微鏡写真の面積を測って算出する。クリープボイドの面積率は、図15に示したクリープボイドの占める面積をある一定の観察面積で割った値である。クリープボイドの占める面積を求めることで、クリープボイドの面積率は、クリープボイドの個数密度を求める方法と同様に求めることができる。
そして、本実施例においても実施例1と同様な効果を奏することができる。
3 溶接金属 4 溶接熱影響部
5 応力評価線 6 配管(試験体)
7 溶接部 8 溶接熱影響部
9 点線
10 有限要素法解析モデル
50 配管 51 溶接部
52 母材 53 溶接金属
54 溶接熱影響部 56 結晶粒界
57 クリープボイド 58 き裂
59 丸棒クリープ試験片 60 母材
61 溶接金属 62 溶接熱影響部
Claims (6)
- 耐熱鋼溶接部に作用する応力の分布を計算し、該計算値から耐熱鋼溶接部の損傷を予測する耐熱鋼溶接部の損傷予測方法において、
耐熱鋼溶接部の応力状態を表現するパラメータとして、下記式(1)で表されるMを用いることを特徴とする耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
M=A・σ1・TFB (1)
ここで、A,B:係数、σ1:最大主応力、TF:応力多軸度係数である。 - 耐熱鋼溶接部におけるパラメータMとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係(a)、又は耐熱鋼溶接部におけるパラメータMとクリープボイドの面積率の増加速度との関係(b)を予め求めておき、
耐熱鋼溶接部の対象部位におけるパラメータMを求めて、該対象部位におけるパラメータMと前記予め求めた関係(a)又は関係(b)から対象部位におけるクリープボイドの個数密度の増加速度又はクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することを特徴とする請求項1記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。 - 有限要素法(FEM)によるクリープ解析結果から求められる局所的な応力を用いてパラメータMを計算することを特徴とする請求項1又は2に記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
- 前記クリープボイドの個数密度の増加速度又は前記クリープボイドの面積率の増加速度として、クリープボイドの発生初期からクリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率が所定の最大値となる末期における平均増加速度を用いることで、クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することを特徴とする請求項2記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
- 前記関係(a)として、耐熱鋼溶接部の溶接熱影響部におけるパラメータMとクリープボイドの個数密度の増加速度との関係、前記関係(b)として、耐熱鋼溶接部の溶接熱影響部におけるパラメータMとクリープボイドの面積率の増加速度との関係を用いると共に、
前記耐熱鋼溶接部の対象部位を溶接熱影響部としたことを特徴とする請求項2記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。 - 耐熱鋼溶接部における所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度とクリープボイドの個数密度の平均増加速度との関係(c)、又は耐熱鋼溶接部における所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度とクリープボイドの面積率の平均増加速度との関係(d)を予め求めておき、
前記関係(a)から求められた対象部位におけるクリープボイドの個数密度の平均増加速度と前記関係(c)から、対象部位における所定時間毎のクリープボイドの個数密度の増加速度を求めること、又は
前記関係(b)から求められた対象部位におけるクリープボイドの面積率の平均増加速度と前記関係(d)から、対象部位における所定時間毎のクリープボイドの面積率の増加速度を求めることで、
クリープボイドの個数密度又はクリープボイドの面積率を推定することを特徴とする請求項4記載の耐熱鋼溶接部の損傷予測方法。
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