JP7500166B2 - 損傷リスク評価方法、システムの保守管理方法およびリスク評価装置 - Google Patents

Description

本開示は、損傷リスク評価方法、システムの保守管理方法およびリスク評価装置に関するものである。

ボイラ等に使用される過熱器および再熱器等の伝熱管は、長期間に亘って高温・高圧環境下で使用される。そのため、伝熱管には、高温強度に優れた耐熱部材が用いられる。耐熱部材は、低合金鋼やステンレス鋼などであり、伝熱管の使用される温度および圧力によって使い分けられている。また伝熱管などでは、使用環境に合わせて途中で材料が変わる領域を設けられるものがあり、その材料が変わる接合部には異材継手が存在する。異材継手部は、火力発電用ボイラの過熱器および再熱器に多数存在する。

伝熱管の異材継手部分では、使用環境により高温・長時間の使用に伴って、熱疲労割れ、クリープ損傷および融合部損傷等の損傷が生じる場合がある。クリープ損傷は高温使用中に、負荷応力と時間で変形が進行するか、金属結晶粒界に空孔（ボイド）が発生して最終的に破断する現象である。

異材継手部分は、損傷の有無を定期的にまたは稼働状況に応じて検査され、保守管理の一環として検査結果に基づき必要に応じて伝熱管の補修を行ったり、また余寿命を診断している。

特許文献１，２には、熱疲労割れを対象とした寿命診断方法が開示されている。特許文献３では、異材継手の溶接部に発生するき裂の進展を評価する方法が開示されている。特許文献４では、クリープ損傷を対象とした寿命決定方法が開示されている。

特開２００３－９０５０６号公報 特開２００３－１３０７８９号公報 特開２０１５－１９０９５０号公報 特開２０１２－１７３２１７号公報

山下 拓哉 他２名、"異材溶接継手の界面破断の力学的要因分析"、鉄鋼協会誌「鉄と鋼」、２０１９年１０５巻１号、ｐ．９６－１０４

融合部での余寿命を診断して融合部損傷の予防保全を行うには、融合部での本損傷に影響を及ぼす因子および損傷メカニズムの解明が不可欠である。しかしながら、非特許文献１で述べられているように、異材継手部分に生じる融合部損傷の影響因子およびメカニズムは解明されていない。

特許文献１～４に記載の技術は、熱疲労割れおよびクリープ損傷を対象とするものであり、融合部損傷の発生リスクを予測できない。また、特許文献３の方法は、き裂が発生した後の寿命を評価するものであるため、融合部の予防保全に効果を発揮しない。

発電プラントの熱交換器等では、異材継手部分が多数存在する。融合部損傷の発生リスクが予測できないと全ての異材継手について検査せざるを得ず、非効率である。全数検査には多くの時間を要するため、検査期間によっては全数検査が困難となる。その場合、抜取検査を選択することになるが、優先的に検査を行うべき部位を適切に選定することが難しい。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、融合部損傷の発生リスクを評価するための損傷リスク評価方法、融合部損傷を予防保全するためのシステムの保守管理方法およびリスク評価装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の損傷リスク評価方法、システムの保守管理方法およびリスク評価装置は以下の手段を採用する。

本開示は、異なる金属材料の部材同士が溶接接合された異材継手の溶接部の熱影響部に含まれる脱炭層に存在する融合部の損傷リスク評価方法であって、熱影響部の組織構成に影響を及ぼす因子を含む説明変数を用いて統計解析を実施し、前記統計解析の結果に基づいて損傷発生のリスクを評価する損傷リスク評価方法を提供する。

前記異なる金属材料の部材は、内部を流体が流通できる管状部材であってよい。

熱影響部の組織構成に影響を及ぼす因子は、少なくとも前記部材の肉厚、前記部材同士の溶接接合の溶接パス数、および／または溶接条件を含むとよい。

本開示は、異なる金属材料の部材同士が溶接接合された異材継手の溶接部の熱影響部に含まれる脱炭層に存在する融合部の損傷リスクを評価するリスク評価装置であって、熱影響部の組織構成に影響を及ぼす因子を説明変数とした統計解析を実施する解析部と、前記解析部の解析結果に基づいて前記溶接部の損傷発生リスクを判定する判定部と、を備えたリスク評価装置を提供する。

本発明者らは、鋭意検討の結果、異なる金属材料の部材同士が溶接接合された異材継手の溶接部で、融合部損傷の発生に熱影響部の組織構成が関係していることを見出した。本開示では、熱影響部の組織構成に影響を及ぼす因子を説明変数として取り入れることで、精度の高いリスク評価が可能となる。異材継手の仕様（設計条件、使用条件等）毎に、上記因子をインプットして統計解析することで、異材接手が多数の位置に存在する場合であっても優先的に検査すべき位置を絞り込める。これにより検査対象の位置を絞り込み検査対象となる異材継手の数量を低減でき、設備の信頼性を保ちつつ、検査時間と費用を削減することができる。

本開示は、異材継手の溶接部が複数存在するシステムの保守管理方法であって、上記のいずれかに記載の損傷リスク評価方法により損傷発生のリスクを評価し、評価結果に基づき検査位置を限定して検査対象を決定するシステムの保守管理方法を提供する。

上記に記載された損傷リスク評価方法により損傷発生のリスクを評価することで、検査が必要な異材継手部分を効率的に選定できる。また、上記開示のシステムの保守管理方法は、融合部損傷の予防保全に有効である。

上記開示の一態様では、決定した前記検査対象の前記溶接部の少なくとも一部を非破壊検査し、前記非破壊検査の結果を、予め設定した取替基準値と比較して、取替要否を判断できる。

非破壊検査することにより、余寿命の診断精度を向上して、取替判断の精度が向上する。

上記開示の一態様では、前記損傷発生のリスク評価および前記非破壊検査の結果を蓄積し、蓄積により得られたデータベースに基づいて統計的に損傷発生のリスクを評価し、次の検査対象を決定してもよい。

過去の結果を踏まえたリスク評価が可能となるため、評価精度が向上する。

本開示によれば、統計解析結果から融合部損傷の発生リスクを評価できる。これにより、予防保全が可能となる。

火力発電用ボイラの過熱器の概略図である。 図１の接合部の拡大図である。 第１実施形態に係る保守管理方法のフロー図である。 第１実施形態に係るリスク評価方法のフロー図である。 入力データセットの一例を示す図である。 設計温度と内圧による軸方向応力との関係を示す図である。 使用時間と外径／肉厚の比との関係を示す図である。 リスク評価装置の概略構成のブロック図である。 リスク評価装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 第２実施形態に係る保守管理方法のフロー図である。 図１０の保守管理方法の変形例のフロー図である。 第３実施形態に係る保守管理方法のフロー図である。 異材継手における（厚肉系）接合部の断面写真の概念絵である。 異材継手における（薄肉系）接合部の断面写真の概念絵である。 異材継手におけるＴＩＧ溶接時の熱履歴イメージ図である。 厚肉系溶接部の前半パス部分の熱履歴と組織変化のイメージ図である。 厚肉系溶接部の後半パス部分の熱履歴と組織変化のイメージ図である。 薄肉系溶接部の熱履歴と組織変化のイメージ図である。 異材継手のＦＥＭ解析結果を示す図である。 厚肉系の接合部に軸方向応力が作用した場合の断面模式図である。 図２０のＹ－Ｙ断面の軸方向応力の分布図である。 微視き裂が発生した溶接部の部分模式図である。

本開示に係る好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

本開示に係る損傷リスク評価方法、評価装置ならびに保守管理方法は、異なる金属材料の部材同士を溶接接合することにより形成された異材継手における接合部、特に融合部の損傷（融合部損傷）を評価・保守対象とする。本実施形態において、異なる金属材料の部材は例えば管状部材である。管状部材の内部には、蒸気などの流体が流通できる。そのような管状部材は、例えば熱交換器の伝熱管、および、各機器を接続する配管である。

なお、本開示に係る異なる金属材料の部材は、管状部材に限定するものではなく、構造用部材に適用してもよい。

まず、損傷リスク評価および保守管理方法の説明に先立ち、評価・保守対象となる異材継手について説明する。

図１に、本実施形態の一例として、火力発電用ボイラの過熱器の概略図を示す。図１の過熱器１では、蒸気ヘッダ２を介して複数の伝熱管３が並列につなげられている。伝熱管３は、低温部４にある低温管（管状部材）５と高温部６にある高温管（管状部材）７とを備えている。低温部４は、蒸気入口側等の領域である。高温部６は、蒸気流れ後流側や、火炉ふく射を受ける領域などである。なお、火炉ふく射を受ける領域などでは、伝熱管３の外周面温度は内部を流通する蒸気温度と同一にならないので、伝熱管３の内部を流通する蒸気温度は、低温管５を流通する蒸気温度が高温管７を流通する蒸気温度と同等あるいは高くなる部分も存在することがある。

低温管５と高温管７とは、異なる金属材料からなる。本実施形態では例えば、低温管５は例えば１Ｃｒ鋼など低クロム鋼等の低合金鋼製である。高温管７は、例えばニッケル・クロム含有鋼等のステンレス鋼製である。低温管５と高温管７とは溶接接合により継手されている。継手部分を接合部８と呼ぶ。溶接温度は、例えば２０００℃程度である。低温管５は低合金鋼に限定されるものではなく、炭素鋼などでもよい。

図２に、図１の接合部８の拡大図を示す。接合部８は、低温管５および高温管７の母材と、溶接部９とを含む。溶接部９は、溶接金属１０および熱影響部（ＨＡＺ）１１を含んだ部分の総称である。溶接金属１０は、低温管５および高温管７とは異なる材質の金属である。溶接金属１０は、例えば、固溶強化型ニッケル基合金等の高ニッケル基合金である。溶接金属１０と、低温管５および高温管７の母材との界面では、溶接金属１０と該母材とが融合しており、ここを融合部と呼ぶ（不図示）。融合部は、溶接金属１０と材質の異なる母材との境界面である異材界面から数μｍ母材側までの領域である。融合部はＨＡＺ１１の一部であり、低温管５での融合部は後述する脱炭層の中に存在する。

ＨＡＺ１１は、溶接による熱サイクルを受けて形成された母材中の変質部である。図２には示さないが、低合金鋼製の低温管５でのＨＡＺ１１は、粗粒域および細粒域を含む（後述の図１３、図１４を参照）。低温管５の粗粒域は、母相の粒径よりも旧オーステナイト粒径が大きな組織である。細粒域は、母相の粒径よりも旧オーステナイト粒径が小さな組織である。

また、図２には示さないが、低合金鋼製の低温管５でのＨＡＺ１１内の異材界面近傍には脱炭層（後述の図１３、図１４を参照）が存在する。脱炭層は、例えば低温管５のＨＡＺ１１の管軸方向の幅が２０μｍ程度のフェライト単相領域で、ＨＡＺ１１の一部である。溶接金属１０は、炭化物生成元素であるＣｒ（クロム）の含有量が低温管５の母材よりも高いため、母材側からＣ（炭素）が溶接金属１０まで移動して、溶接金属１０中でＣｒ炭化物が形成する。これにより、母材において、Ｃが移動した部分は、脱炭層が形成される。また、溶接の入熱により、溶接金属１０に含まれる原子（Ｃｒ等）が、母材側に拡散する。低温管５の母材に拡散したＣｒ等はＣと結合する。それにより列状の析出物が生成され、母材中の炭素量は低下することでも、脱炭層が形成される。脱炭層は、低温管５の管厚中央部から管内面にかけて形成されることが多い。融合部は、基本的に脱炭層の中に存在する。

〔第１実施形態〕
（保守管理方法）
図３に、本実施形態に係る保守管理方法のフロー図を示す。本実施形態に係る保守管理方法では、まず、融合部損傷のメカニズムに基づく統計的な解析の結果に基づき損傷発生のリスクを評価する。次に、評価結果に基づいて検査対象（位置）を絞り込み、絞り込んだ（位置にある）検査対象について優先的に検査する。

従来、融合部損傷のメカニズムは不明であった。本発明者らは鋭意検討の結果、損傷メカニズムに影響する因子を見出した。異材継手の低合金鋼製の低温管５の融合部では、溶接時に受ける熱履歴の違いがＨＡＺの組織構成を変化させる。組織構成の違いは、異材界面に作用する応力差に繋がり、最終的には損傷リスクの差を生み出す。このようなメカニズムに基づき統計解析を行うことで、融合部での損傷発生のリスクを評価できる。また、リスク評価の結果を利用して検査対象を絞り込めるため、検査効率を向上させられる。

（リスク評価方法）
図４に、本実施形態に係るリスク評価方法のフロー図を例示する。

（Ｓ１）まず、伝熱管の異材継手の実機データを説明変数としてリスク評価データベースに入力する。

説明変数は、少なくともＨＡＺの組織構成に影響を及ぼす因子（以降、影響因子）を含む。「組織構成に影響を及ぼす」とは、少なくとも粗粒域と細粒域との配置を変化させることを含む。粗粒域と細粒域の配置の変化は、融合部損傷の発生リスクの増減に影響する。この理由については、後で詳しく説明する。粗粒域と細粒域の配置は、溶接時の入熱状況などの熱履歴に影響されて変化する。

前述した通り説明変数には少なくとも影響因子を含み、影響因子は、肉厚、溶接パス数、入熱および速度などの溶接条件、等である。ここで修飾語のついていない「肉厚」は、管状部材の公称肉厚を意味する。また、肉厚に関連して例えば、外径／肉厚、（肉厚－必要最小肉厚）／肉厚を影響因子に含めてもよい。「必要最小肉厚」とは伝熱管の仕様（材質、外径、設計温度等）から内圧に必要とされる肉厚である。

前述した通り、説明変数には少なくとも影響因子を含み、さらに伝熱管の使用条件および実際の損傷事例を含み得る。具体的には、加熱部か／非加熱部か、過去の補修溶接履歴の有無、ボイラの運転開始時期、作用応力、伝熱管の設計温度、伝熱管の材質、使用時間、および過去の検査履歴の有無等を含んでもよい。「作用応力」は、内圧による軸方向応力である。

図５に、入力データセットの一例を示す。同図において、ｔは肉厚、ｄは外径、ｔｓｒは必要最小肉厚（thickness shell requirement）である。肉厚、外径ｄ／肉厚ｔの比、（肉厚ｔ－必要最小肉厚ｔｓｒ）／肉厚ｔの比は、ＨＡＺの組織構成の違いに影響する。

内圧による軸方向応力は、ベース応力の大小が損傷率に影響する。加熱部か／非加熱部か（加熱部であるか非加熱部であるか）は、曲げ応力の大小に影響する。加熱部は、蒸気を過熱する装置である過熱器や再熱器のことであり、火炉内に位置する。非加熱部は、ペントハウスやハウジング等と呼ばれる火炉外にある管寄せ管台部のことであり、蒸気を過熱する機能は有していない。

本発明者らがボイラ実機の損傷事例を整理した結果によれば、過去に補修溶接を施工した箇所では、融合部損傷が加速される事例が多い。そのため、過去の補修溶接履歴の有無は、損傷の加速因子として考慮される。

目的変数は、融合部損傷（ボンド剥離）の有無とする。

（Ｓ２）次に、少なくとも影響因子を含む説明変数を用いて、融合部損傷のメカニズムに基づく統計解析を実施する。

統計解析は、例えばランダムフォレスト、サポートベクターマシン等の機械学習を利用できる。

（Ｓ３）最後に、統計解析の結果に基づいて、融合部における損傷発生のリスクを評価する。

発明者らがボイラ実機の損傷事例を、設計温度と内圧による軸方向応力との関係、および、使用時間と外径／肉厚の比の関係にて整理した結果を図６および図７に示す。図６において、横軸は設計温度（℃）、縦軸は内圧による軸方向応力（ＭＰａ）である。図７において、横軸は使用時間（ｈｒ）、縦軸は外径ｄ／肉厚ｔの比である。

図６，７によれば、応力，温度，外径，肉厚および使用時間等の一般的な設計条件と融合部損傷との間に明確な相関は見いだせず、単純な線形回帰モデルでは融合部における損傷発生のリスクを評価できなかった。このことから、融合部損傷の発生リスクを評価するためには、少なくとも影響因子を含む説明変数を用いて統計解析することが重要である。

（リスク評価装置）
図８に、上記リスク評価方法を実行するためのリスク評価装置の概略構成のブロック図を示す。リスク評価装置は、コンピュータシステム（計算機システム）である。リスク評価装置は、ＣＰＵ２１、ＣＰＵ２１が実行するプログラム等を記憶するための記憶部２２、各プログラム実行時のワーク領域として機能するメインメモリ２３、ネットワークに接続するための通信部２４、キーボードやマウス等からなる入力部２５、およびデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部２６等を備えている。これら各部は、例えば、バス２７を介して接続されている。記憶部２２としては、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。

図９は、リスク評価装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。リスク評価装置は、少なくとも影響因子を説明変数として統計解析を実施する解析部２８と、解析部による解析結果に基づいて融合部での損傷発生リスクを判定する判定部２９とを備えている。図９に示した各部により実現される処理は、ＣＰＵ２１が記憶部２２に記憶されている評価プログラムをメインメモリ２３に読み出して実行することにより実現されるものである。

〔第２実施形態〕
本実施形態に係る保守管理方法は、伝熱管等の管状部材の異材継手による接合部の取替要否を判断する工程をさらに備えている点が第１実施形態と異なる。

図１０に、本実施形態に係る保守管理方法のフロー図を示す。
まず、第１実施形態と同様にメカニズムに基づく統計解析結果に基づき損傷発生のリスクを評価し、評価結果に基づいて検査対象を絞り込み、絞り込んだ検査対象について優先的に検査する。

検査は超音波探傷検査方法（ＵＴ：Ultrasonic Testing）等の非破壊検査法により実施する。ＵＴは、探傷感度およびキズ検出基準値を適正に定めることにより、キズの探傷が可能である。

次に、非破壊検査の結果を取替基準値と比較して異材継手による接合部の取替要否を判断する。取替基準値は、予備試験等により予め設定しておく。非破壊検査の結果が取替基準値以上の場合に取替を実施し、取替基準値に満たない場合は経年監視する。

本実施形態に係る保守管理方法によれば、リスク評価により検査対象が絞り込んであるため、管状部材として例えば多数存在する伝熱管群の中から、効率的に検査が必要な伝熱管を選定できる。

（変形例）
図１１に、図１０の保守管理方法の変形例のフロー図を示す。
本変形例は、管状部材として例えば多数存在する伝熱管群の中から、取替不要と判断した伝熱管群について、余寿命を評価する。余寿命は、検査対象（位置）にある伝熱管群からサンプルを抜管し、この抜管材を用いた破壊試験により評価できる。破壊試験は、例えば、クリープ試験による検査などにより実施できる。

非破壊検査では問題がなかった異材継手について、サンプルを取得して余寿命を評価することで、次回の検査実施時期を精度よく設定できる。また、定期検査スケジュールを効果的に計画できる。

〔第３実施形態〕
本実施形態に係る保守管理方法は、損傷発生のリスク評価および前述の非破壊検査の結果を蓄積し、蓄積により得られるデータベースに基づいて統計的に損傷発生のリスクを評価する点が第１実施形態と異なる。

図１２に、本実施形態に係る保守管理方法のフロー図を示す。
まず、第１実施形態と同様に、メカニズムに基づく統計的な解析の結果に基づき損傷発生のリスクを評価し、評価結果に基づいて検査対象を絞り込み、絞り込んだ検査対象について優先的に検査する。検査はＵＴ等の非破壊検査法により実施する。

リスク評価および非破壊検査の結果をリスク評価データベースに反映させ、該データベースを更新する。ここで、次の検査タイミングまでの使用時間も更新するとよい。

次に、更新させたリスク評価データベースに基づいて統計解析を実施し、損傷リスクを再評価する。統計解析はディープラーニング、ランダムフォレスト、サポートベクターマシン等の機械学習を用いてよい。機械学習は、更新させたリスク評価データベースを利用して再評価モデルを構築する。

再評価モデルの結果に基づき、次回の検査対象を絞り込む。

本実施形態によれば、統計データを蓄積し、過去の検査結果を踏まえたリスク評価が可能となるため、より評価精度が向上する。

（損傷メカニズム）
以下に、融合部損傷のメカニズムについて説明する。
融合部損傷の発生は、ＨＡＺの組織構成、作用応力、脱炭層および析出物の存在に影響される。

［１］ＨＡＺの組織構成および作用応力
図１３，１４に異材継手における接合部の断面写真をもとにした概念絵を示す。図１３は厚肉系異材継手の接合部３１、図１４は薄肉系異材継手の接合部３２の断面である。図１３，１４において、Ａは溶接金属、Ｂは粗粒域、Ｃは細粒域、Ｄは母材（低温部側）、Ｅは脱炭層、Ｆは異材界面である。異材継手における溶接接合は、溶接パスは管内面側から管外面側へと工程が重ねられて施工される。本実施形態での厚肉系とは、肉厚が５ｍｍ以上であることを意味し、薄肉系とは、肉厚が厚肉系より薄いものであることを意味する。

図１３，１４を比較すると、ＨＡＺ１１の組織構成に違いがある。図１３の厚肉系の接合部３１では、異材界面Ｆ近傍の管内面側から管厚中央部にかけて細粒域Ｃが位置している。細粒域Ｃの管外面側に粗粒域Ｂがある。一方、図１４の薄肉系の接合部３２では、細粒域Ｃと粗粒域Ｂとは列状に並び、異材界面Ｆ側には粗粒域Ｂが位置している。

図１５に異材継手の融合部（母材：低クロム鋼）におけるＴＩＧ溶接施工時の熱履歴イメージを示す。同図において、横軸は時間、縦軸は温度、Ａｃ１は、加熱に際しフェライト＋セメンタイトからオーステナイトへの変態が開始する温度、Ａｃ３は加熱に際しフェライト＋セメンタイトからオーステナイトへの変態が完了する温度である。低クロム鋼のＡｃ１およびＡｃ３は、例えば７４２℃と８８９℃である。

ＨＡＺの結晶粒径は、一般的に旧オーステナイト粒径に依存する。そのため、図１５のような熱履歴となる場合、ＨＡＺの結晶粒径は、最後にオーステナイト単相になる際(すなわち最後にＡｃ３を超えた後)の最高到達温度で決まると考えられる。

図１６～１８に融合部の熱履歴と組織変化のイメージ図を示す。図１６は厚肉系溶接部の溶接接合の初めの方の溶接パスの工程が施工される前半溶接パス部分（管内面側）、図１７は厚肉系溶接部の後の方の溶接パスの工程が施工される後半溶接パス部分（管外面側）、図１８は薄肉系の溶接部のイメージ図である。図１６～１８において、横軸は時間、縦軸は温度である。図１７では、前層の溶接工程による温度上昇は考慮していない。図１８では、比較として、薄肉系溶接部における前半溶接パス部分の熱履歴に対して、厚肉系溶接部における前半溶接パス部分の熱履歴（図１６と同一）とを重ねて記載している。

厚肉系溶接部の異材界面近傍の管内面側は、溶接パスが重なる部分である。図１６に示すとおり、厚肉系溶接部の管内面側では、溶接パスが重なるとともに次に施工される溶接パス位置が管外面側へと進むことになり、溶接パスの後に溶接される溶接パスの入熱の影響で、最終的にＡｃ３点を超えた後の温度が低くなる。そのため、管内面側のＨＡＺでは結晶粒径が小さくなり、細粒域が形成されるものと考えられる。図１６において、厚肉系溶接部の前半溶接パス部分の組織は、ベイナイト、またはマルテンサイト、あるいはその混合組織である。

一方、図１７に示すように、管外面側は溶接パスの次に施工される溶接パス位置が管外面側であり、管外面側は最終的にＡｃ３点を超える温度が高いままである。そのため、旧オーステナイト粒が粗大化し、粗粒域が形成されるものと考えられる。図１７において、厚肉系溶接部の後半溶接パス部分の組織は、ベイナイト、またはマルテンサイト、あるいはその混合組織である。

これに対して薄肉系溶接部では、図１８に示す通り、肉厚が薄いことで溶接パスの最終層の入熱が管内面まで影響する。それにより、Ａｃ３点を超えた後の温度が厚肉系の内面におけるそれより高い温度になる。そのため、薄肉系溶接部では旧オーステナイト粒径が小さくなり難く、管内面側と管外面側の管厚方向での結晶粒径の差が生じ難くなる。図１８において、薄肉系溶接部の組織は、ベイナイト、またはマルテンサイト、あるいはその混合組織である。

また、図１８に示す通り、薄肉系溶接部では、伝熱面積が厚肉系溶接部より小さい分、冷却速度が遅く、全体の温度が下がりにくいことも、管内面側と管外面側の管厚方向での結晶粒径の差が生じ難くなることに影響しているものと考えられる。厚肉系溶接部では薄肉系溶接部より伝熱面積が大きくなり管内面側の冷却速度が速いために、結晶粒径が大きな組織となる。

以上のように、ＨＡＺの組織構成（粗粒域と細粒域との配置）は、熱履歴に影響されて変化する。接合部の熱履歴は、伝熱管などの管状部材の肉厚、溶接パスの回数および溶接条件等に依存する。

伝熱管などの管状部材は使用条件により管の材質や肉厚が異なる。また、同じ材質の管であっても、使用条件が高温、高圧になる場合、管の肉厚が厚くなる。厚肉系の管状部材を溶接により接合する場合、溶接パスの回数が多くなる。一方、薄肉系の管状部材では溶接パスの回数は厚肉系の管状部材よりも少ない。溶接パスの回数が異なると溶接部が受ける熱履歴に差が生じる。

接合部に含まれる各組織（溶接金属Ａ、粗粒域Ｂ、細粒域Ｃ、母材Ｄ）は、それぞれクリープ変形抵抗が異なる。クリープ変形抵抗とは、高温領域での変形し易さである。クリープ変形抵抗が大きいと、ボイラ等の運転中に伝熱管などの管状部材の融合部に生じる軸方向応力も大きくなる。クリープ変形抵抗が小さいと、上記軸方向応力は小さくなる。

ＨＡＺの粗粒域Ｂと細粒域Ｃのクリープ変形抵抗は、一般的には粗粒域Ｂの方が高いと言われている。しかしながら、異材継手のＨＡＺでも同様の傾向を示すか否かは不明であった。本発明者らが低合金鋼として１Ｃｒ鋼を使用した異材継手の各組織から微小な試験片を採取し、クリープ特性を調査した結果によれば、細粒域Ｃのクリープ変形抵抗は、粗粒域Ｂのそれよりも高いことが確認されている。この確認結果によれば、肉厚系の管状部材では、運転中に軸方向応力が作用すると、細粒域Ｃ、すなわち管内面側あるいは管厚中央付近に高い応力が生じる。

図１９に、組織構成以外の条件を全て揃えた厚肉系溶接部および薄肉系溶接部の異材界面付近の融合部について、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）解析を行った結果を示す。同図において、横軸は異材界面付近の融合部の軸方向応力、縦軸は肉厚（管内面からの距離）である。

図１９によれば、厚肉系溶接部の方が、管内面側に作用する軸方向応力が大きくなる。また、ＦＥＭ解析では、ベースとなる作用応力（内圧による軸方向応力）が高いほど、融合部に作用する軸方向応力が高くなることも分かった。これにより、作用応力の大小も融合部損傷に影響する因子の一つであることが確認された。なお、本発明者らがボイラ実機の損傷事例を整理した結果によれば、管内面側は融合部損傷（ボンド剥離）が発生する位置と合致する。

図２０に、厚肉系の管状部材の接合部に軸方向応力が作用した場合の断面模式図を示す。図２１は、図２０のＹ－Ｙ断面の軸方向応力の分布を示す。図２１において、横軸は管の軸方向応力、縦軸は肉厚方向位置である。Ａは溶接金属、Ｂは粗粒域、Ｃは細粒域、Ｄは母材（低温部側）である。

異材継手の接合部には内圧によって生じる管の軸方向応力が作用している。実際には内圧による応力に加え、熱応力も作用するが、ここでは内圧による応力のみを考える。

図２０の組織構成において、高温で軸方向応力が作用すると、クリープ変形によって管の軸方向に伸びる変形が生じる。上記したように、粗粒域は細粒域よりもクリープ変形抵抗が低い。そのため、粗粒域は細粒域よりも大きく変形することになる。細粒域は幅が広く変形が小さい。

上記のような場合、図２１に示すように、高温で軸方向応力が作用してクリープ変形後は、管外面側と管内面側の伸びの釣り合いをとろうとして管外面側は変形抵抗が低く管外面側に発生する荷重が小さくなり、その分、管内面側は変形抵抗が高く管内面側に発生する荷重が大きくなる。これによって、管内面側の軸方向応力が高くなる。一方、比較として弾性変形時の軸方向応力分布は、破線で示すように管外面側と管内面側で一定となる。

また、厚肉系の伝熱管などの管状部材は、薄肉系の管状部材に比べて必要最小肉厚ｔｓｒまでの肉厚ｔの尤度（肉厚ｔ－必要最小肉厚ｔｓｒ）が小さい。そのため、内圧による軸方向応力は相対的に高くなる。

［２］脱炭層および析出物
図２２に、融合部のき裂が発生した溶接部の部分模式図を示す。
溶接部９は、溶接金属１０およびＨＡＺ１１を含む。ＨＡＺ１１内の異材界面Ｆ側に脱炭層３３が存在する。

脱炭層３３は、溶接時の入熱により溶接金属１０から溶接部９の低温部４の母材へ原子が拡散することにより生じる。融合部は、基本的に脱炭層３３内に存在する。脱炭層３３は、周囲の組織よりもクリープ変形抵抗が小さい。そのため、クリープ歪が蓄積しやすくなる。

ボイラ等の運転中、伝熱管などの管状部材は高温に曝される。これにより、溶接金属１０に含まれる原子（Ｃｒ等）が溶接部９の低温部４の母材側に拡散する。その結果、脱炭層３３領域内に列状の析出物３６が生成される。

クリープ歪の蓄積は、脱炭層３３内に析出した析出物３６と母材との界面に原子空孔を集積しやすくする。よって、（クリープ）ボイドは脱炭層内に優先的に生成される。ボイド３５の生成が進むとボイド同士が連結し、最終的に微視き裂３４となる。微視き裂３４が進展すると、破断に至る。

１ 過熱器
２ 蒸気ヘッダ
３ 伝熱管
４ 低温部
５ 低温管
６ 高温部
７ 高温管
８ 接合部
９ 溶接部
１０ 溶接金属
１１ 熱影響部（ＨＡＺ）
２１ ＣＰＵ
２２ 記憶部
２３ メインメモリ
２４ 通信部
２５ 入力部
２６ 表示部
２７ バス
２８ 解析部
２９ 判定部
３１ 厚肉系の接合部
３２ 薄肉系の接合部
３３ 脱炭層
３４ 微視き裂
３５ ボイド
３６ 析出物

Claims (9)

1. 異なる金属材料の部材同士が溶接接合された異材継手の溶接部の熱影響部に含まれる脱炭層に存在する融合部の損傷リスク評価方法であって、
   熱影響部の組織構成に影響を及ぼす因子を含む説明変数を用いて統計解析を実施し、前記統計解析の結果に基づいて損傷発生のリスクを評価する損傷リスク評価方法。
2. 前記異なる金属材料の部材は、内部を流体が流通できる管状部材である請求項１に記載の損傷リスク評価方法。
3. 前記因子に前記部材の肉厚が含まれる請求項１または請求項２に記載の損傷リスク評価方法。
4. 前記因子に前記溶接接合の溶接パス数が含まれる請求項１～３のいずれかに記載の損傷リスク評価方法。
5. 前記因子に溶接条件が含まれる請求項１～４のいずれかに記載の損傷リスク評価方法。
6. 異材継手の溶接部が複数存在するシステムの保守管理方法であって、
   請求項１～５のいずれかに記載の損傷リスク評価方法により損傷発生のリスクを評価し、
   評価結果に基づき検査位置を限定して検査対象を決定するシステムの保守管理方法。
7. 決定した前記検査対象の前記溶接部の少なくとも一部を非破壊検査し、
   前記非破壊検査の結果を、予め設定した取替基準値と比較して、取替要否を判断する請求項６に記載のシステムの保守管理方法。
8. 前記損傷発生のリスク評価および前記非破壊検査の結果を蓄積し、
   蓄積により得られたデータベースに基づいて統計的に損傷発生のリスクを評価し、次の検査対象を決定する請求項７に記載のシステムの保守管理方法。
9. 異なる金属材料の部材同士が溶接接合された異材継手の溶接部の熱影響部に含まれる脱炭層に存在する融合部の損傷リスクを評価するリスク評価装置であって、
   熱影響部の組織構成に影響を及ぼす因子を説明変数とした統計解析を実施する解析部と、
   前記解析部の解析結果に基づいて前記溶接部の損傷発生リスクを判定する判定部と、
   を備えたリスク評価装置。

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