JP7366509B2 - Method for estimating remaining creep life of high chromium steel - Google Patents
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特許法第３０条第２項適用 屋口他，”Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｒｅｅｐ Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｈｏｒｔ－ｔｅｒｍ Ｄａｔａ ｏｆ Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ Ｕｓｅｄ Ｐ９１ Ｓｔｅｅｌｓ”，４５ｔｈ ＭＰＡ－ｓＥＭＩＮＡＲ ２０１９，ＦＩＬＤＥＲＨＡＬＬＥ ｉｎ Ｌｅｉｎｆｅｌｄｅｎ－Ｅｃｈｔｅｒｄｉｎｇｅｎ ｎｅａｒ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ
特許法第３０条第２項適用 屋口他，”短時間クリープ試験データに基づく改良９Ｃｒ鋼クリープ余寿命の推定”，第５７回高温強度シンポジウム，２０１９，東北大学カタールサイエンスキャンパスホールApplication of
本発明は、高クロム鋼クリープ余寿命の推定方法に関するものである。さらに詳述すると、本発明は、短時間クリープ試験データに基づく高クロム鋼クリープ余寿命の推定方法に関するものである。 The present invention relates to a method for estimating the remaining creep life of high chromium steel. More specifically, the present invention relates to a method for estimating the remaining creep life of high chromium steel based on short time creep test data.
高温機器に対する余寿命診断手法の一つである破壊評価法は、対象とする材料の余寿命を試験に基づき診断する手法であるため、他の余寿命診断手法（解析評価法、非破壊評価法）と比較して、最も高い精度を有していると考えられる。ただし、破壊評価法には以下に記すような条件・制約があるため、ボイラチューブ抜管材等を除くと、実機での適用は限られているのが現状である。 The destructive evaluation method, which is one of the remaining life diagnosis methods for high-temperature equipment, is a method for diagnosing the remaining life of the target material based on tests. ) is considered to have the highest accuracy. However, since the destructive evaluation method has the following conditions and restrictions, its application to actual equipment is currently limited, except for boiler tube extraction materials.
ａ）余寿命評価は損傷進行の可能性が懸念される箇所に対して実施するため、破壊試験用試料の採取が許容されないケースが多い。
ｂ）一般に試料採取は機器表面近傍であるため、試験結果が評価対象箇所の状態を表しているとは言えないケースがある。
ｃ）破壊試験として実施するクリープ試験は一般に最長でも数千時間程度であるため、実機の余寿命推定には大幅な外挿を伴う。材料によっては、この外挿を適切に実施できる方法論が確立されていない。
a) Remaining life evaluation is carried out on areas where there is concern about the possibility of damage progression, so in many cases it is not permitted to collect samples for destructive testing.
b) Generally, samples are collected near the surface of the equipment, so there are cases where the test results cannot be said to represent the state of the area being evaluated.
c) Since the creep test conducted as a destructive test generally lasts several thousand hours at the longest, estimation of the remaining life of the actual machine involves a large amount of extrapolation. For some materials, no methodology has been established to properly perform this extrapolation.
６００℃級火力発電プラントに多用されている高クロム鋼（９～１２％程度のクロムを吹くんだ耐熱鋼）の場合、上記のＣ）が該当する可能性がある。高クロム鋼は、短時間領域の試験データに基づき長時間領域のクリープ破断寿命を評価すると、実際よりも長めの寿命となる傾向のあることが多数報告されている。 In the case of high chromium steel (heat-resistant steel that is blown with about 9 to 12% chromium), which is often used in 600°C class thermal power plants, C) above may apply. It has been reported in many cases that when the long-term creep rupture life of high-chromium steel is evaluated based on short-time test data, the life tends to be longer than the actual life.
そのため、評価対象とする試験データを幾つかの領域に区分する手法（非特許文献１）や、（０．２％耐力）／２により分割する手法（非特許文献２）等が提案されている。 Therefore, methods have been proposed such as dividing test data to be evaluated into several regions (Non-patent Document 1) and dividing it by (0.2% proof stress)/2 (Non-Patent Document 2). .
しかしながら、これらの手法は、長時間領域まで試験データが整備されている材料の場合には有効であるが、数千時間以下の数点のデータから長時間領域のクリープ特性を推定するケースに関する適合性は不明と思われる。高クロム鋼実機配管に対する破壊評価を実現するためには、この試験時間の制約という課題も解決する必要がある。 However, although these methods are effective in the case of materials for which test data is available over a long period of time, they are not suitable for cases where creep characteristics in a long period of time are estimated from data of several points of several thousand hours or less. Gender appears to be unknown. In order to perform destructive evaluation of actual high chromium steel piping, it is necessary to solve the problem of test time constraints.
本発明は、高クロム鋼長期使用材を対象として、短時間試験データから長時間領域のクリープ特性を推定する方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for estimating long-term creep characteristics from short-time test data for long-term use high chromium steel.
かかる目的を達成するため、本発明者等は、実機で長時間使用された多数の高クロム鋼配管（母材および溶接部）から採取した試料を対象として、系統的なクリープ試験を実施して得られた試験データを分析した結果、応力や破断時間領域に依存することなくラーソン・ミラー・パラメータ（Larson-Miller parameter：以下、ＬＭＰと略称する）にて統一的に整理できることが分かった。そして、ＬＭＰで整理した結果、「高クロム鋼長期使用材の主破断曲線の形状は材料の強弱によらず一定であり、かつ、横軸方向にのみ平行移動する」ことを知見するに至った。さらに本発明者等は、クリープ試験データが１点あれば、その材料に関する主破断曲線を決定することが可能であることを見いだし、評価しようとする高クロム鋼長期使用材の短時間領域でも短時間試験データを１点取得すれば、長時間領域の破断時間を推定できるという着想を得るに至った。 In order to achieve this objective, the present inventors conducted systematic creep tests on samples taken from a large number of high chromium steel piping (base metal and welded parts) that had been used for a long time in actual equipment. As a result of analyzing the obtained test data, it was found that it can be uniformly organized using the Larson-Miller parameter (hereinafter abbreviated as LMP) without depending on the stress or rupture time region. As a result of sorting it out using LMP, it was discovered that the shape of the main fracture curve of long-term use high chromium steel is constant regardless of the strength of the material, and moves in parallel only in the horizontal axis direction. . Furthermore, the present inventors discovered that if one piece of creep test data is available, it is possible to determine the main rupture curve for that material. We came up with the idea that by acquiring one point of time test data, we could estimate the rupture time in a long-time region.
本発明にかかる高クロム鋼クリープ余寿命の推定方法は、かかる知見・着想に基づくものであって、設計寿命時間以上使用された基準とする使用済み高クロム鋼材を使ったクリープ破断試験データを基に、応力とラーソン・ミラー・パラメータとの関係で整理して基準曲線となる主破断曲線を求める工程と、設計寿命時間以上使用された評価対象の使用済み高クロム鋼材の短時間クリープ試験データを少なくとも１点求める工程と、基準曲線を評価対象の高クロム鋼材の短時間クリープ試験データ上に横軸方向に平行移動させる移動量である変数ａｘを求めて、その評価材料に関する主破断曲線を決定する工程と、決定主破断曲線から長時間領域の破断時間を推定する工程とを備えるようにしている。 The method for estimating the remaining creep life of high chromium steel according to the present invention is based on such knowledge and ideas, and is based on creep rupture test data using used high chromium steel as a reference that has been used for more than the design life time. The process involves organizing the relationship between stress and Larson-Miller parameters to obtain the main rupture curve, which will serve as a reference curve, and short-time creep test data for used high-chromium steel materials to be evaluated that have been used for longer than the design life. The main rupture curve for the evaluation material is determined by determining at least one point, and by determining the variable ax, which is the amount of movement of the reference curve in parallel to the horizontal axis direction, on the short-time creep test data of the high chromium steel material to be evaluated. and a step of estimating the rupture time in the long time region from the determined main rupture curve.
請求項１記載の方法によれば、少なくとも１点のデータが短時間クリープ試験でも得られれば、評価材料に関する主破断曲線を決定することが可能となり、長時間領域の破断時間を推定することができる。
According to the method according to
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration of the present invention will be described in detail below based on embodiments shown in the drawings.
本発明にかかる高クロム鋼材のクリープ余寿命の推定方法は、本発明者等の「高クロム鋼長期使用材の主破断曲線の形状は材料の強弱によらず一定であり、かつ、横軸方向にのみ平行移動する」及び「クリープ試験データが１点あれば、その材料に関する主破断曲線を決定することが可能である」との知見、並びに「評価しようとする高クロム鋼長期使用材の短時間領域でも短時間試験データを１点取得すれば、長時間領域の破断時間を推定できる」という着想に基づくものである。 The method for estimating the remaining creep life of high chromium steel according to the present invention is based on the inventors' ``The shape of the main fracture curve of long-term use high chromium steel is constant regardless of the strength and weakness of the material, and ``If only one piece of creep test data is available, it is possible to determine the main rupture curve for that material.'' This is based on the idea that even in the time domain, by acquiring one point of short-time test data, it is possible to estimate the rupture time in the long-time domain.
つまり、本発明にかかる高クロム鋼クリープ余寿命の推定方法は、設計寿命時間以上使用された基準とする使用済み高クロム鋼材を使ったクリープ破断試験データを基に、応力とラーソン・ミラー・パラメータとの関係で整理して基準曲線となる主破断曲線を求める工程と、設計寿命時間以上使用された評価対象の使用済み高クロム鋼材の短時間クリープ試験データを少なくとも１点求める工程と、基準曲線を評価対象の高クロム鋼材の短時間クリープ試験データ上に横軸方向に平行移動させる移動量である変数ａｘを求めて、その評価材料に関する主破断曲線を決定する工程と、決定主破断曲線から長時間領域の破断時間を推定する工程とを備えるものである。 In other words, the method for estimating the remaining creep life of high chromium steel according to the present invention is based on creep rupture test data using used high chromium steel as a reference that has been used for more than the design life time, and calculates stress and Larson-Miller parameters. A process of obtaining a main rupture curve that is organized in relation to the reference curve, a process of obtaining at least one short-time creep test data of the used high chromium steel material to be evaluated that has been used for more than the design life, and a reference curve. The process of determining the main rupture curve for the evaluation material by determining the variable ax, which is the amount of translation of the horizontal axis on the short-time creep test data of the high chromium steel material to be evaluated, and from the determined main rupture curve. and a step of estimating a rupture time in a long-time region.
ここで、基準曲線となる主破断曲線を求めるのに用いられる材料、即ち高クロム鋼長期使用材としては、特定の材料に限られるものではないが、好ましくは弱い材料換言すれば早くクリープ破壊を起こす比較的に弱い材料、より好ましくは一番壊れ易い弱い材料の廃材などを用いることである。勿論、弱い材料や最も弱い材料を用いずとも、強い材料あるいは中間の強さの材料を基準として基準曲線を求めても良いが、弱い材料を基に基準曲線を求める方が合目的的である。また、本発明のクリープ余寿命推定方法は、対象とする材料が実機において設計寿命時間（例えば１００，０００時間）以上使用したものであり、このような材料があとどの程度使用できるかの余寿命を推定することに意義があるものである。実機において１０万時間使われたことで金属組織が変化して材質が安定した状態にあるので、可能になったものと考えられる。 Here, the material used to determine the main rupture curve as the reference curve, that is, the long-term use material of high chromium steel, is not limited to a specific material, but it is preferably a weak material, in other words, a material that exhibits creep rupture quickly. It is preferable to use a material that is relatively weak, preferably a waste material that is the most fragile and weak material. Of course, the reference curve may be determined based on a strong material or an intermediate strength material without using the weakest material or the weakest material, but it is more convenient to determine the reference curve based on the weak material. . In addition, the method for estimating the remaining creep life of the present invention is applicable to materials that have been used in actual equipment for more than the design life time (for example, 100,000 hours), and the remaining life of such materials is estimated to be how much longer they can be used. It is meaningful to estimate. This is thought to have been possible because the metal structure has changed and the material has become stable after being used for 100,000 hours in an actual machine.
つまり、強い材料と弱い材料との主破断曲線の形はほぼ同じとなり、平行関係にある。平行ならば、１つの基準となる主破断曲線を決めて、評価対象材料の１点のクリープ実験データを求めれば、平行移動（ａｘ横に移動する）することで、その材料に関する主破断曲線が求まる。それによって評価対象材料の主破断曲線を求めることができる。具体的には、廃却材から求められた主破断曲線（基準曲線）を使って、実機で使用中の材料を少量削りとって、短時間クリープ試験により１点のデータを求めれば、応力とラーソン・ミラー・パラメータとの関係で整理したラーソン・ミラー・パラメータ模式図において基準となる材料の「主破断曲線」を評価対象材料の短時間クリープ試験で得られた１点のデータまで横に水平移動することで、移動先の強さの材料即ち評価対象材料の主破断曲線とすることができる。そして、決定される評価対象材料の主破断曲線を使って、評価対象材料の長時間領域のクリープ破断寿命を推定することができる。つまり、短時間領域のクリープ試験であっても平行の関係を用いることで長時間領域の破断時間まで推定可能となる。ここで、本発明のクリープ余寿命推定方法では、実機で長時間例えば設計寿命（１０万時間）以上使われた高クロム鋼材料を前提とし、新材は対象としない。換言すれば、例えば１０万時間程度以上使用されたものがあとどの程度まで持つのかを求めるものである。 In other words, the shapes of the main fracture curves of the strong material and the weak material are almost the same and are in a parallel relationship. If they are parallel, determine the main rupture curve as one reference and obtain the creep experimental data for one point of the material to be evaluated. By moving parallel (moving horizontally ), the main rupture curve for that material can be determined. is found. Thereby, the main fracture curve of the material to be evaluated can be determined. Specifically, by using the main rupture curve (reference curve) obtained from the waste material, scraping off a small amount of the material currently used in the actual machine, and obtaining data at one point through a short-time creep test, the stress and In the Larson-Miller parameter schematic diagram organized in relation to the Larson-Miller parameters, the "principal rupture curve" of the reference material is horizontally plotted up to one point of data obtained in a short-time creep test of the material to be evaluated. By moving, it is possible to obtain the main fracture curve of the material having the strength of the destination, that is, the material to be evaluated. Then, using the determined main rupture curve of the material to be evaluated, it is possible to estimate the long-time creep rupture life of the material to be evaluated. In other words, even in a creep test in a short time range, by using the parallel relationship, it is possible to estimate the rupture time in a long time range. Here, the creep remaining life estimation method of the present invention assumes that high chromium steel materials have been used in actual equipment for a long time, for example, over the design life (100,000 hours), and does not target new materials. In other words, it is to find out how long a product that has been used for, for example, 100,000 hours or more will last.
本実施形態では、高クロム鋼の一例として改良９Ｃｒ鋼長期使用材を対象として、短時間試験データから長時間領域のクリープ特性を推定する方法について以下の手順で検討した。 In this embodiment, a method for estimating long-term creep characteristics from short-time test data was studied using the following procedure, targeting an improved 9Cr steel for long-term use as an example of high chromium steel.
本発明者らは、まず、設計寿命時間以上の長時間使用された高クロム鋼の廃材を使ってクリープ試験を行った結果について分析した。具体的には、６００℃級火力発電プラントで長時間使用された多数の改良９Ｃｒ鋼配管（母材および溶接部）から採取した試料を対象として、系統的なクリープ試験を実施した。ここで、配管は高温再熱蒸気管であり、運転時間は最長で約１５万時間である。試験片は配管肉厚中央から軸が円周方向となるように採取した。 The present inventors first analyzed the results of a creep test using scrap high chromium steel that had been used for a long time beyond its design life. Specifically, a systematic creep test was conducted on samples taken from a large number of improved 9Cr steel pipes (base metal and welded parts) that had been used for a long time in a 600°C class thermal power plant. Here, the piping is a high-temperature reheat steam pipe, and the maximum operating time is about 150,000 hours. The test piece was taken from the center of the pipe wall thickness so that the axis was in the circumferential direction.
母材に関する試験結果の代表例を図1に示す。ここで、横軸の破断時間はクリープ試験で得られた値であり、負荷履歴は考慮していない。図中のアルファベットは各配管を識別するための略称であり、改良９Ｃｒ鋼（火ＳＣＭＶ２８鋼）に関する評価式（K. Kimura and M. Yaguchi, ASME PVP2016-63355, 2016）による平均特性を参考として付記した。各材料の製造時のクリープ寿命特性の差異（ヒート間差）、および、発電所における使用条件・運転時間の違いに起因して、図１では同一の試験温度・応力に対して、１桁以上の破断時間の差異が見られる。ただし、この差異は不規則にばらついている訳ではなく、材料によって破断時間の長短が明確に生じている。 Figure 1 shows a representative example of test results regarding the base material. Here, the rupture time on the horizontal axis is the value obtained in the creep test, and the load history is not taken into account. The alphabets in the diagram are abbreviations to identify each pipe, and the average characteristics based on the evaluation formula (K. Kimura and M. Yaguchi, ASME PVP2016-63355, 2016) for improved 9Cr steel (SCMV28 steel) are added for reference. did. Due to differences in creep life characteristics (differences between heats) during the manufacturing of each material, as well as differences in usage conditions and operating hours at the power plant, in Figure 1, for the same test temperature and stress, A difference in the rupture time can be seen. However, this difference does not vary randomly, and the rupture time clearly varies depending on the material.
本試験データを分析したところ、応力や破断時間領域に依存することなくラーソン・ミラー・パラメータ（Larson-Miller parameter：以下、ＬＭＰと略称する）にて統一的に整理できることが分かった。各材料のクリープ試験データを整理した結果の代表例を図2に示す。ここで、ＬＭＰにおける定数Ｃは、すべての材料に対して同一のＣ値（ＣＢ）を用いている。材料ＬとＱは同一試験条件（温度、応力）に対して破断時間が約１桁異なるが、図２においてその差異は横軸方向の位置にほぼ非依存である。すなわち、材料ＬとＱの差異はＬＭＰの大小によらず概ね同じである。これは、材料によって主破断曲線が横軸方向に平行移動していると解釈することができる。なお、新材の高クロム鋼の場合、応力や破断時間の領域によって寿命評価式の材料定数を使い分けないと、長時間側の寿命を適切に推定することが困難である（非特許文献１，２参照）。これは応力や破断時間の領域によって（見かけの）活性化エネルギーが変化するためであり、ＬＭＰにおいてはＣ値が領域によって変化することを意味する（短時間領域では３０以上、長時間領域では２０前後）。このため、図２のような主破断曲線とはならないことから、本発明にかかるクリープ余寿命の推定方法は適用できないものと考えられる。その反面、長時間使用の高クロム鋼の場合、ＬＭＰのＣ値は領域によらず２０前後であった。すなわち、短時間領域のクリープ試験でも、新材の高クロム鋼の長時間領域と同程度のＣ値であった。これは、実機での長時間使用（高温での長時間保持）により組織の劣化/回復が進行し、長期使用材は試験開始前の時点で“新材の長時間クリープ試験条件下の組織”と類似の状態になっていたためと推測される。このため、長期使用材の場合は、短時間試験データと長時間領域の主破断曲線の形状の組み合せが有効だったと考えられる。
When this test data was analyzed, it was found that it could be uniformly organized using the Larson-Miller parameter (hereinafter abbreviated as LMP) without depending on the stress or rupture time region. Figure 2 shows a representative example of the results of organizing the creep test data for each material. Here, for the constant C in LMP, the same C value (CB) is used for all materials. Materials L and Q differ in fracture time by about one order of magnitude under the same test conditions (temperature, stress), but in FIG. 2, the difference is almost independent of the position in the horizontal axis direction. That is, the difference between materials L and Q is approximately the same regardless of the size of LMP. This can be interpreted as the main fracture curve being translated in the horizontal axis direction depending on the material. In addition, in the case of new high chromium steel, it is difficult to appropriately estimate the long life unless the material constants in the life evaluation formula are used depending on the stress and fracture time range (
上述の特徴は長時間使用された改良９Ｃｒ鋼の熱影響部（ＨＡＺ）破断型（以下、Type IV破断型と呼ぶ）溶接継手のクリープ試験データにおいても同様に見られた。Type IV破断型溶接継手のクリープ試験データを整理した結果の代表例を図３に示す。ＬＭＰの定数Ｃの値は応力や破断時間の領域によらず概ね同じ値であり、主破断曲線は材料の強弱に依存して横軸方向に平行であった。ここで、主破断曲線の形状および定数Ｃは、母材と溶接継手とで区別する必要がある。また、溶接継手においても、溶接金属破断型（以下、Type I型と呼ぶ）とType IV型とでは主破断曲線の形状が若干異なっていた。 The above characteristics were also observed in creep test data of heat-affected zone (HAZ) fracture type (hereinafter referred to as Type IV fracture type) welded joints of modified 9Cr steel that had been used for a long time. Figure 3 shows a representative example of the results of organizing creep test data for Type IV fracture welded joints. The value of the LMP constant C was approximately the same regardless of the stress or rupture time range, and the main rupture curve was parallel to the horizontal axis direction depending on the strength of the material. Here, the shape and constant C of the main fracture curve need to be distinguished between the base metal and the welded joint. In addition, for welded joints, the shapes of the main fracture curves were slightly different between the weld metal fracture type (hereinafter referred to as Type I type) and Type IV type.
以上の結果より、「改良９Ｃｒ鋼長期使用材の主破断曲線の形状は材料の強弱によらず一定であり、かつ、横軸方向にのみ平行移動する」と考えると、試験データが１点あれば、その材料に関する主破断曲線を決定することが可能である。このことは、短時間領域でも試験データを１点取得すれば、長時間領域の破断時間を推定できることを意味する。 From the above results, if we consider that "the shape of the main fracture curve of improved 9Cr steel for long-term use is constant regardless of the strength and weakness of the material, and moves in parallel only in the horizontal axis direction," it is necessary to have one piece of test data. For example, it is possible to determine the principal fracture curve for the material. This means that if one piece of test data is acquired even in the short time range, the rupture time in the long time range can be estimated.
この推定法の模式図を図４に示す。具体的な手順は以下の通りである。まず、図１の母材の中で基準とする材料のデータに下記の数式１を適用し、回帰計算により各定数を決定する。
A schematic diagram of this estimation method is shown in FIG. The specific steps are as follows. First,
ここで、Ｔは試験温度（℃）、ｔｒは破断時間（ｈ）、σは応力（ＭＰａ）であり、ＣＢ、ａ０、ａ１、ａ２が材料定数である。この定数により計算される主破断曲線を以下では“基準曲線（Reference curve）”と呼ぶ。各材料の主破断曲線は“基準曲線”を横軸方向に平行移動した次式２で表されると考える。
Here, T is the test temperature (° C.), tr is the rupture time (h), σ is the stress (MPa), and C B , a 0 , a 1 , and a 2 are material constants. The main rupture curve calculated using this constant is hereinafter referred to as a "reference curve." The main fracture curve of each material is considered to be expressed by the
ここで、ａＸが各材料の強弱を表す変数であり、図４における主破断曲線の横軸方向の移動量である。上述の式２では未知数はａＸ の１つだけであるため、試験データが１点あれば以下の式３よりａＸの値を決定することができる。
Here, aX is a variable representing the strength of each material, and is the amount of movement of the main fracture curve in the horizontal axis direction in FIG. In
また、Type IV破断型の溶接継手についても同様な手順で、各材料の任意の温度・応力での破断時間を推定できる。すなわち、まず基準材データに基づき次の式５における材料定数ＣＷＪ、ａ３、ａ４、ａ５を決定し、次に各材料の試験データより変数ａＸの値を決定する。 Furthermore, the rupture time of each material at any temperature and stress can be estimated using the same procedure for Type IV rupture type welded joints. That is, first, the material constants C WJ , a 3 , a 4 , and a 5 in the following equation 5 are determined based on the reference material data, and then the value of the variable a X is determined based on the test data of each material.
上述の推定方法に関して、以下のように材料定数および変数aXを決定した。
１）母材の場合
“基準とする材料”には図１におけるＱ材を用いた。これは、６５０℃で低応力側（５０ＭＰａ）までデータが取得されていること、同一応力に対して６５０℃と６００℃のデータが取得されていること、余寿命評価において焦点となる弱めの材料であること、の理由による。変数ａＸ の値を決定するデータには、何れの材料も６５０℃、１００ＭＰａの条件下での破断時間を用いた。これは実用的な側面から選択した条件であり、破断時間は最長でも約６百時間である。
Regarding the above estimation method, material constants and variables aX were determined as follows.
1) In the case of base material Material Q in Fig. 1 was used as the “reference material”. This is because data has been acquired up to the low stress side (50 MPa) at 650℃, data has been acquired at 650℃ and 600℃ for the same stress, and weak materials are the focus of remaining life evaluation. Because of the reason. For the data for determining the value of the variable aX , the rupture time under conditions of 650° C. and 100 MPa was used for each material. These conditions were selected from a practical standpoint, and the maximum rupture time is about 600 hours.
２）溶接継手の場合
Type IV破断型の溶接継手に関しても、“基準とする材料”にはＱ材（の溶接継手）を用いた。本材料を選んだ理由は母材の場合と同じである。変数ａＸ の値を決定するデータには、何れの材料も６５０℃、７０ＭＰａの条件下での破断時間を用いた。
2) For welded joints
For Type IV fracture type welded joints, Q material (welded joints) was used as the "reference material." The reason for choosing this material is the same as for the base material. For the data for determining the value of the variable aX , the rupture time under the conditions of 650° C. and 70 MPa was used for each material.
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、火力発電プラントで長時間使用された改良９Ｃｒ鋼配管の母材およびType IV破断型の溶接継手についてのクリープ余寿命の推定方法について主に説明したが、これに特に限られるものではなく、クリープ余寿命を推定することが有意義な設計寿命時間以上使用されている他の高クローム鋼であったり、あるいはType IV破断型の溶接継手のクリープ余寿命を推定するのにも適用できることは言うまでも無い。 Note that although the above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, the method for estimating the creep remaining life of the base material of modified 9Cr steel piping and Type IV fracture type welded joints that have been used for a long time in thermal power plants has been mainly described. For example, but not limited to, estimating the creep life of other high chromium steels that have been used for more than a design life period where it is meaningful to estimate the creep life of welded joints of Type IV failure type. Needless to say, it can also be applied.
（実施例１）
［母材］
上述した実施形態にかかる推定方法を長時間使用された改良９Ｃｒ鋼母材に適用した結果の代表例を図５に示す。相対的に短めの破断時間である材料（図５（ａ））から、長めの破断時間である材料（図５（ｂ））まで、何れのケースにおいても、寿命の推定曲線と試験データが良好な精度で一致することが確認された。寿命の推定曲線の定数（変数）決定用に用いたデータは上記のように６５０℃、１００ＭＰａの１点のみであるが、６５０℃だけでなく、６００℃の数万時間のデータまで適切に再現することができた。
(Example 1)
[Base material]
FIG. 5 shows a typical example of the results obtained by applying the estimation method according to the above-described embodiment to an improved 9Cr steel base material that has been used for a long time. The life estimation curve and test data are good in all cases, from materials with a relatively short rupture time (Figure 5(a)) to materials with a relatively long rupture time (Figure 5(b)). It was confirmed that the results matched with high accuracy. As mentioned above, the data used to determine the constants (variables) of the life estimation curve is only one point at 650℃ and 100MPa, but it is possible to properly reproduce not only data at 650℃ but also data for tens of thousands of hours at 600℃. We were able to.
各材料のクリープ破断時間について、実験結果と推定結果を比較した代表例を図6に示す。何れの材料においても、ファクターオブ２（Factor of 2：予測結果／実験結果の比が１／２～２倍）の範囲内の精度に破断時間が推定されていることが確認された。本結果より、余寿命評価における破壊試験に本推定法を組み合わせることにより、試験データの取得に必要な時間を数十倍から百倍程度短縮できると期待される。 Figure 6 shows a typical example comparing experimental results and estimated results regarding the creep rupture time of each material. It was confirmed that for all materials, the rupture time was estimated with an accuracy within the range of Factor of 2 (the ratio of predicted results/experimental results was 1/2 to 2). Based on these results, it is expected that by combining this estimation method with destructive tests for remaining life evaluation, the time required to obtain test data can be reduced by several tens to one hundred times.
［Type IV破断型の溶接継手］
上述した実施形態にかかる推定方法を長時間使用された改良９Ｃｒ鋼のType IV破断型溶接継手に適用した結果の代表例を図７に示す。相対的に短めの破断時間である材料（図７（ａ））から、長めの破断時間である材料（図７（ｂ））まで、何れのケースにおいても、寿命の推定曲線と試験データが良好な精度で一致することが確認された。寿命の推定曲線の定数（変数）決定用に用いたデータは６５０℃、７０ＭＰａの１点のみであるが、６５０℃だけでなく、６００℃の数万時間のデータまで適切に再現することができた。
[Type IV fracture type welded joint]
FIG. 7 shows a typical example of the results obtained by applying the estimation method according to the embodiment described above to a Type IV fracture welded joint of improved 9Cr steel that has been used for a long time. The life estimation curve and test data are good in all cases, from materials with a relatively short rupture time (Fig. 7 (a)) to materials with a long rupture time (Fig. 7 (b)). It was confirmed that the results matched with high accuracy. The data used to determine the constants (variables) of the life estimation curve is only one point, 650℃ and 70MPa, but it is possible to appropriately reproduce data not only at 650℃ but also for tens of thousands of hours at 600℃. Ta.
Type IV破断型の各溶接継手の破断時間について、実験結果と推定結果を比較した代表例を図８に示す。何れの材料においても、ファクターオブ２の範囲内の精度に破断時間が推定されていることが確認された。本結果より、溶接継手に関しても、余寿命評価における破壊試験に本推定法を組み合わせることにより、試験データの取得に必要な時間を大幅に短縮できることが期待される。 Figure 8 shows a representative example comparing experimental results and estimated results regarding the failure time of each Type IV failure type welded joint. It was confirmed that for all materials, the rupture time was estimated to an accuracy within a factor of 2. Based on these results, it is expected that the time required to obtain test data for welded joints can be significantly reduced by combining this estimation method with destructive tests for remaining life evaluation.
［Type I破断型溶接継手］
Type I型溶接継手はType IV型とは破断曲線の形状が若干異なっていた。Type I型とType IV型のクリープ破断曲線の比較例を図９に示す。Type I型のクリープ破断曲線の勾配はType IV型より若干水平に近い。そのため、Type IV型のクリープ破断曲線の形状をType I型材料に適用すると、定数決定に用いたデータから条件が離れるにつれて、破断曲線と実際の寿命との差異が大きくなる可能性がある。
[Type I fracture type welded joint]
The shape of the fracture curve of Type I welded joint was slightly different from that of Type IV. A comparative example of the creep rupture curves of Type I and Type IV is shown in Figure 9. The slope of the creep rupture curve of Type I is slightly more horizontal than that of Type IV. Therefore, when applying the shape of a Type IV creep rupture curve to a Type I material, the difference between the rupture curve and the actual life may increase as the conditions move away from the data used to determine the constant.
［Type I破断型溶接継手の余寿命推定］
Type I型の溶接継手に限定して整理・分析した場合、各材料の主破断曲線の形状は材料の強弱によらず概ね一定であり、かつ、横軸方向にのみ平行移動する、との傾向が認められた（図１０）。この曲線を使うことにより、Type I型の溶接継手についても短時間データから長時間側の破断時間を適切に推定することができた。ただし、Type I型の溶接継手の場合、材料によっては長時間側で破断位置が溶接金属からＨＡＺへと変化するケースも見られた。この場合、主破断曲線の形状として、Type I型を使用するかType IV型を使用するかによって、図１１に示すように長時間領域（実機使用領域）の破断時間の推定値は異なる。このため、評価対象とする材料が実機使用領域でどの破壊形態を示すかの推定に関する検討が必要となる。
[Estimation of remaining life of Type I fracture type welded joint]
When sorting and analyzing only Type I welded joints, the shape of the main fracture curve of each material is generally constant regardless of the strength of the material, and it tends to move in parallel only in the horizontal axis direction. was observed (Fig. 10). By using this curve, it was possible to appropriately estimate the long-time rupture time from the short-time data even for Type I welded joints. However, in the case of Type I welded joints, depending on the material, there were cases where the fracture position changed from the weld metal to the HAZ over a long period of time. In this case, as shown in FIG. 11, the estimated value of the rupture time in the long-time region (actual machine usage region) differs depending on whether Type I or Type IV is used as the shape of the main rupture curve. For this reason, it is necessary to consider estimating which fracture mode the material to be evaluated will exhibit in the area of actual machine use.
以上、６００℃近傍で１０～１５万時間使用された材料が６００℃および６５０℃で数万時間のクリープ試験により破断した場合に関して、有効性を確認できた。長時間使用の改良９Ｃｒ鋼母材および溶接継手の場合、ＬＭＰのＣ値は領域によらず２０前後であった。すなわち、短時間領域のクリープ試験でも、新材の高クロム鋼の長時間領域と同程度のＣ値であった。これは、実機での長時間使用（高温での長時間保持）により組織の劣化/回復が進行し、長期使用材は試験開始前の時点で“新材の長時間クリープ試験条件下の組織”と類似の状態になっていたためと推測される。このため、長期使用材の場合は、短時間試験データと長時間領域の主破断曲線の形状の組み合せが有効だったと考えられる。 As described above, the effectiveness was confirmed in the case where a material that had been used for 100,000 to 150,000 hours at around 600°C broke in a creep test at 600°C and 650°C for tens of thousands of hours. In the case of modified 9Cr steel base metal and welded joints used for a long time, the LMP C value was around 20 regardless of the area. That is, even in the short time range creep test, the C value was comparable to that of the new high chromium steel in the long time range. This is because the structure deteriorates/recovers due to long-term use in actual equipment (holding at high temperatures for long periods of time), and the long-term use material has a "structure under the long-term creep test conditions of new material" before starting the test. It is assumed that this is because the situation was similar to that of Therefore, in the case of long-term use materials, it is considered that the combination of short-time test data and the shape of the main fracture curve in the long-term region was effective.
また、以上の実験結果から、
（１） 長期使用された改良９Ｃｒ鋼母材およびＨＡＺ破断型溶接継手におけるクリープ寿命の差異は、応力とLarson-Millerパラメータの関係図における寿命曲線を横軸方向に平行移動する傾向のあることが分かった。
（２） この特徴に基づき、短時間データから長時間クリープ寿命を推定できる。推定結果を実験結果と比較したところ、データの範囲内では、高い精度でクリープ寿命を推定できた。
Also, from the above experimental results,
(1) The difference in creep life between modified 9Cr steel base metal and HAZ fracture welded joints that have been used for a long time tends to shift the life curve in the relationship diagram between stress and Larson-Miller parameters in parallel in the horizontal axis direction. Do you get it.
(2) Based on this feature, long-term creep life can be estimated from short-term data. When the estimated results were compared with the experimental results, the creep life could be estimated with high accuracy within the range of the data.
Claims (1)
設計寿命時間以上使用された評価対象の使用済み高クロム鋼材の短時間クリープ試験データを少なくとも１点求める工程と、
前記基準曲線を前記評価対象の高クロム鋼材の短時間クリープ試験データ上に横軸方向に平行移動させる移動量である変数ａｘを求めて、その評価材料に関する主破断曲線を決定する工程と、
前記決定主破断曲線から長時間領域の破断時間を推定する工程とを備える
ことを特徴とする高クロム鋼クリープ余寿命の推定方法。 The process of calculating the main rupture curve, which becomes the reference curve, by organizing the relationship between stress and Larson-Miller parameters, based on creep rupture test data using standard used high chromium steel materials that have been used for more than the design life time. and,
a step of obtaining at least one short-time creep test data of the used high chromium steel material to be evaluated that has been used for more than the design life time;
Determining a main rupture curve for the evaluation material by determining a variable ax that is the amount of movement of the reference curve in parallel in the horizontal axis direction on the short-time creep test data of the high chromium steel material to be evaluated;
A method for estimating the remaining creep life of high chromium steel, comprising the step of estimating a rupture time in a long time region from the determined main rupture curve.
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