JP6222837B2

JP6222837B2 - クリープ寿命評価方法

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Publication number: JP6222837B2
Application number: JP2014038149A
Authority: JP
Inventors: 寛明福島; 平川　裕一; 裕一平川; 吉田　博明; 博明吉田; 壮男徳本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP2015161637A

Description

本発明は、クリープ寿命評価方法に関する。

蒸気タービン等の動翼のように高温高圧下で長時間使用される構造部材は、クリープ損傷によって劣化してしまうおそれがある。そのため、定期点検等で構造部材のクリープ寿命を評価して損傷度の診断し、適切に補修や構造部材の交換を行う必要がある。

特許文献１には、クリープ寿命評価方法として、被評価材である構造部材のクリープ寿命を直接評価する方法ではなく、クリープ損傷の非破壊的評価法が確立している材料を犠牲型センサとして被評価材に固着し、犠牲型センサのクリープ損傷度から間接的に被評価材のクリープ寿命の評価を実施する方法が開示されている。

特開２００３−１０６９４７号公報

ところで、このようなクリープ寿命による構造部材の余寿命評価は、基準となる構造部材の寿命評価線図を用いて行われる。この寿命評価線図は、予め基準となる構造部材から組織変化、機械的損傷変化や硬さ変化等のクリープ評価因子の特性変化と破断時間との関係を破壊試験や非破壊試験等によって測定することで取得される。取得方法としては、例えば、構造部材から作成した複数の試験片にクリープ試験を実施し、破断時間までの時間経過によるクリープ評価因子の特性変化として、試験片ごとに破断時間に至る前に異なる時間でクリープ試験を中断して、試験片の変化の様子を測定する方法が挙げられる。

しかしながら、このような方法で取得した寿命評価線図は、材料が異なっていたり、材料が同じでも製造ロットが異なっていたりすることで、差異が生じてしまう。そのため、基準となる寿命評価線図を用いても、精度の高い余寿命評価を実施することが難しいという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、精度の高い余寿命評価を実施可能なクリープ寿命評価方法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、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様におけるクリープ寿命評価方法は第一材料におけるクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係である第一寿命評価カーブを取得する第一カーブ取得工程と、前記第一材料にクリープ試験を実施して、破断時間に対する第三クリープ域の開始時間の比である第一評価比を取得する第一評価比取得工程と、前記第一材料とは異なる第二材料にクリープ試験を実施して、破断時間に対する第三クリープ域の開始時間の比である第二評価比を取得する第二評価比取得工程と、前記第一評価比と前記第二評価比との比に基づいて前記第一寿命評価カーブを補正することで、前記第二材料におけるクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係である第二寿命評価カーブを取得する第二カーブ取得工程と、を含む。

このようなクリープ寿命評価方法によれば、第一寿命評価カーブを第一評価比及び第二評価比に基づいて補正することで、第二部材の第二寿命評価カーブを高い精度で取得することができる。

本発明のクリープ寿命評価方法によれば、第一評価比と第二評価比との比に基づいて記第一寿命評価カーブを補正することで、評価対象である第二材料に対して、精度の高い余寿命評価を実施できる。

本発明の実施形態におけるクリープ寿命評価方法のフロー図である。本発明の実施形態における第一寿命評価カーブを示すグラフである。本発明の実施形態における第一材料に対してクリープ試験を実施した結果を示すグラフである。本発明の実施形態における第二材料に対してクリープ試験を実施した結果を示すグラフである。本発明の実施形態における第一寿命評価カーブ及び第二寿命評価カーブを示すグラフである。本発明の実施例における第一材料に対して実際にクリープ試験で求めた結果を示すグラフである。本発明の実施例における第二材料に対して実際にクリープ試験で求めた結果を示すグラフである。本発明の実施例における第一寿命評価カーブ及び第二寿命評価カーブを試験で求めたグラフである。

以下、本発明に係る本実施形態のクリープ寿命評価方法Ｓ１について図１から図５を参照して説明する。
クリープ寿命評価方法Ｓ１は、第一材料Ａのクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係を示す第一寿命評価カーブＣ１に補正を行うことにより、第二材料Ｂのクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係を示す第二寿命評価カーブＣ２を取得して、第二材料Ｂの余寿命評価をする方法である。本実施形態のクリープ寿命評価方法Ｓ１は、図１に示すように、第一材料Ａの第一寿命評価カーブＣ１を取得する第一カーブ取得工程Ｓ１０と、第一材料Ａにクリープ試験を実施して第一評価比Ｒ１を取得する第一評価比取得工程Ｓ２０と、第二材料Ｂにクリープ試験を実施して第二評価比Ｒ２を取得する第二評価比取得工程Ｓ３０と、第一評価比Ｒ１と第二評価比Ｒ２とに基づいて第一寿命評価カーブＣ１を補正することで第二材料Ｂの第二寿命評価カーブＣ２を取得する第二カーブ取得工程Ｓ４０とを含む。

ここで、第一材料Ａとは、蒸気タービンの動翼等の構造部材に用いられる材料である。具体的には、本実施形態の第一材料Ａは、マルテンサイト系のステンレス鋼である高クロム鋼である。
第二材料Ｂとは、第一材料Ａとは異なり、余寿命評価を実施する評価対象となる構造部材の材料である。本実施形態の第二材料Ｂは、第一材料Ａと同種のマルテンサイト系のステンレス鋼であって、含有している合金の組成比率が異なる高クロム鋼である。

また、クリープ評価因子とは、クリープ損傷に影響を及ぼす因子であり、材料の硬さや組織の状態やボイドの面積率等が挙げられる。本実施形態では、クリープ評価因子としてボイドの面積率を用いる。

第一カーブ取得工程Ｓ１０では、第一材料Ａにおけるクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係である第一寿命評価カーブＣ１を取得する。具体的には、本実施形態の第一カーブ取得工程Ｓ１０では、クリープ破断する時間を１００％とした時の第一材料Ａにおけるボイドの面積率の時間経過に伴う変化を第一寿命評価カーブＣ１として取得する。より具体的には、第一カーブ取得工程Ｓ１０では、第一材料Ａを用いて作成した複数のクリープ試験片に対してクリープ試験を実施し、クリープ破断する前に、クリープ試験片ごとに異なる時間でクリープ試験を中断する。その後、各クリープ試験片の断面組織観察を実施し、ボイドの面積率を測定する。クリープ試験を中断した時間の異なるクリープ試験片ごとに測定したボイドの面積率とそのクリープ試験片のクリープ寿命消費率との関係を、図２に示すように、第一寿命評価カーブＣ１として取得する。ここで、クリープ寿命消費率とは、時間経過を表しており、１００％の位置が第一材料Ａで作成したクリープ試験片がクリープ破断した時間に対応している。そして、第一寿命評価カーブＣ１は、時間が経過してクリープ寿命消費率が上昇し、材料に応じた定まる立ち上がり位置Ｘから立ち上がり初め、クリープ損傷によってボイドが発生し始めることを表している。

なお、第一寿命評価カーブＣ１は、クリープ評価因子（例えば、ボイドの面積率ｄ）との関数として、
Ｃ１＝ｆ（ｄ）
のように表すことができる。

第一評価比取得工程Ｓ２０では、第一カーブ取得工程Ｓ１０でクリープ試験片を作成した材料と同じ第一材料Ａで、クリープ試験片を作成してクリープ試験を実施する。第一評価比取得工程Ｓ２０では、第一材料Ａでクリープ試験を実施してクリープ破断した破断時間Ｔ_ｒ１に対する第三クリープ域の開始時間Ｔ_３１の比を第一評価比Ｒ１として取得する。第三クリープ域の開始時間Ｔ_３１とは、クリープ変形においてクリープ速度が一定である定常クリープの領域が終了して、クリープ速度が時間経過に伴って大きくなるように変化し始める時間である。具体的には、第一評価比取得工程Ｓ２０では、クリープ試験を実施すると、クリープ試験時間に対するクリープひずみの関係が、図３に示すような曲線として取得できる。ここで、図３では、α点が第一材料Ａにおける第三クリープ域の開始時間Ｔ_３１に対応する位置である。そして、クリープ破断するまでの破断時間Ｔ_ｒ１に対するα点までの第三クリープ域の開始時間Ｔ_３１の比を第一評価比Ｒ１として取得する。

第二評価比取得工程Ｓ３０では、第一材料Ａとは異なる第二材料Ｂで、クリープ試験片を作成してクリープ試験を実施する。第二評価比取得工程Ｓ３０では、第二材料Ｂでクリープ試験を実施してクリープ破断した破断時間Ｔ_ｒ２に対する第三クリープ域の開始時間Ｔ_３２の比を第二評価比Ｒ２として取得する。具体的には、第二評価比取得工程Ｓ３０では、クリープ試験を実施すると、クリープ試験時間に対するクリープひずみの関係が、図４に示すような曲線として取得できる。ここで、図４では、β点が第二材料Ｂにおける第三クリープ域の開始時間Ｔ_３２に対応する位置である。即ち、第一評価比取得工程Ｓ２０と第二評価比取得工程Ｓ３０では、クリープ試験に使用した材料が第一材料Ａと第二材料Ｂとで異なっているため、第三クリープ域の開始時間Ｔ_３が異なっている。そして、クリープ破断するまでの破断時間Ｔ_ｒ２に対するβ点までの時間の比を第二評価比Ｒ２として取得する。

第二カーブ取得工程Ｓ４０では、第一評価比Ｒ１と第二評価比Ｒ２との比に基づいて第一寿命評価カーブＣ１を補正することで、評価対象である第二材料Ｂにおけるクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係である第二寿命評価カーブＣ２を取得する。具体的には、本実施形態の第二カーブ取得工程Ｓ４０では、第一評価比Ｒ１と第二評価比Ｒ２との比に基づいて、第一寿命評価カーブＣ１の立ち上がり位置Ｘを補正して第二寿命評価カーブＣ２を取得する。より具体的には、図５に示すように、第二寿命評価カーブＣ２は、クリープ寿命消費率が１００％の位置は第一寿命評価カーブＣ１から変化させずに、第一寿命評価カーブＣ１の立ち上がり位置Ｘを第一評価比Ｒ１に対する第二評価比Ｒ２の比率だけ移動させた立ち上がり位置Ｙとなる曲線に補正することで取得される。

なお、第一寿命評価カーブＣ１の立ち上がり位置Ｘと移動後の立ち上がり位置Ｙとの関係は、
Ｙ＝（Ｒ１／Ｒ２）×Ｘ
として表記できる。

また、第二寿命評価カーブＣ２は、第一寿命評価カーブＣ２と同様に、クリープ評価因子（例えば、ボイドの面積率ｄ）との関数として、
Ｃ２＝ｆ（ｄ）＝１−{（１−Ｙ）／（１−Ｘ）}×（１−ｆ（ｄ））
として、補正される。

次に、本実施形態のクリープ寿命評価方法Ｓ１の作用について説明する。
本実施形態のクリープ寿命評価方法Ｓ１では、評価対象である第二材料Ｂについて評価を開始する前に、第一カーブ取得工程Ｓ１０で、第二材料Ｂとは異なる第一材料Ａで作成された複数のクリープ試験片にクリープ試験を実施する。そして、クリープ破断する前に、クリープ試験片ごとに異なる時間でクリープ試験を中断して、各クリープ試験片の断面組織観察を実施し、ボイドの面積率を測定する。測定したボイドの面積率とクリープ寿命消費率から第一寿命評価カーブＣ１を取得する。

その後、第一評価比取得工程Ｓ２０で、第一材料Ａで作成されたクリープ試験片を用いて、クリープ破断するまでクリープ試験を実施し、クリープ試験時間に対するクリープひずみの関係を取得する。そして、第一材料Ａで作成したクリープ試験片における破断時間Ｔ_ｒ１に対する第三クリープ域の開始時間Ｔ_３１の比を第一評価比Ｒ１として取得する。

また、第一評価比Ｒ１を取得した方法と同じように、第二評価比取得工程Ｓ３０で、第二材料Ｂで作成されたクリープ試験片を用いて、クリープ破断するまでクリープ試験を実施し、クリープ試験時間に対するクリープひずみの関係を取得する。そして、第二材料Ｂで作成したクリープ試験片おける破断時間Ｔ_ｒ２に対する第三クリープ域の開始時間Ｔ_３２の比を第二評価比Ｒ２として取得する。

第一評価比Ｒ１と第二評価比Ｒ２とを取得後に、第二カーブ取得工程Ｓ４０で、第一評価比Ｒ１と第二評価比Ｒ２との比に基づいて、クリープ寿命消費率が１００％の位置は第一寿命評価カーブＣ１から変化させずに、第一寿命評価カーブＣ１の立ち上がり位置Ｘを第一評価比Ｒ１に対する第二評価比Ｒ２の比率だけ移動させた立ち上がり位置Ｙとなる曲線に補正して第二寿命評価カーブＣ２を取得する。そして、取得した第二寿命評価カーブＣ２に基づいて、第二材料Ｂの余寿命評価を実施する。

上記のようなクリープ寿命評価方法Ｓ１によれば、第一寿命評価カーブＣ１を第一評価比Ｒ１及び第二評価比Ｒ２に基づいて補正することで、第二部材の第二寿命評価カーブＣ２を高い精度で取得することができる。即ち、第一評価比Ｒ１と第二評価比Ｒ２との比を取得するだけで、評価対象とは異なる第一材料Ａの第一寿命評価カーブＣ１から、評価対象である第二材料Ｂの余寿命評価に必要な第二寿命評価カーブＣ２を高い精度で取得することができる。したがって、新たに複数の試験片を作成して試験や観察等を行って第二寿命評価カーブＣ２を求める必要が無くなり、評価対象である第二材料Ｂの第二寿命評価カーブＣ２を容易に取得することができる。これにより、第二材料Ｂに対して精度の高い余寿命評価を実施することができる。

以下、実施例によって第一評価比Ｒ１と第二評価比Ｒ２の比と、第一寿命評価カーブＣ１と第二寿命評価カーブＣ２との比に相関関係があることを詳細に説明する。
１２％のＣｒ量を含有したマルテンサイト系の高クロム鋼からなる第一材料Ａと、第一材料Ａとは組成の異なるマルテンサイト系の高クロム鋼からなる第二材料Ｂに対して、６００°、２９４ＭＰａの条件でクリープ試験を実施した結果を図６及び図７に示す。
図６に示すように、第一材料Ａに対するクリープ試験の結果は、本実施形態の第一評価比Ｒ１に該当する破断時間Ｔ_ｒ１に対する第三クリープ域の開始時間Ｔ_３１の比が０．４となった。また、図７に示すように、第二材料Ｂに対するクリープ試験の結果は、本実施形態の第二評価比Ｒ２に該当する破断時間Ｔ_ｒ２に対する第三クリープ域の開始時間Ｔ_３２の比が０．６となった。

次に、クリープ試験を実施したものと同じ材料からなる第一材料Ａ及び第二材料Ｂから、ボイドの面積率とクリープ寿命消費率との関係を寿命評価線図として取得すると、図８に示すような曲線が得られた。本実施形態の第一寿命評価カーブＣ１に該当する第一材料Ａの寿命評価線図における曲線は、クリープ寿命消費率が４０％の位置から曲線が立ち上がり始め、ボイドが発生し始めていることを示している。また、本実施形態の第二寿命評価カーブＣ２に該当する第二材料Ｂの寿命評価線図における曲線は、クリープ寿命消費率が６０％の位置から曲線が立ち上がり始め、ボイドが発生し始めていることを示している。

したがって、本実施形態に当てはめれば、第一評価比Ｒ１が０．４、第二評価比Ｒ２が０．６となっているため、第一評価比Ｒ１に対する第二評価比Ｒ２の比率が１．５となっている。これに対して、実際に測定して取得した第一寿命評価カーブＣ１の立ち上がり位置Ｘのクリープ寿命消費率が４０％、第二寿命評価カーブＣ２の立ち上がり位置Ｙのクリープ寿命消費率が６０％となっており、第一寿命評価カーブＣ１の立ち上がり位置Ｘに対する第二寿命評価カーブＣ２の立ち上がり位置Ｙの比率も１．５となっている。即ち、寿命評価線図における曲線の立ち上がり始める位置と、破断時間Ｔｒに対する第三クリープ域の開始時間Ｔ_３の比とに相関関係があることが推認される。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態の第一材料Ａ及び第二材料Ｂはマルテンサイト系の高クロム鋼を用いたが、このような高合金鋼に限定されるものではなく、一般的な鋼材であればよく、例えば低合金鋼を用いてもよい。

また、本実施形態では、クリープ評価因子としてボイドの面積率を用いたが、これに限定されるものではない。例えば、クリープ評価因子として、材料の硬さを測定して用いてもよく、組織片を採取して観察することで組織の状態を測定して用いてもよい。

Ｓ１…クリープ寿命評価方法Ａ…第一材料Ｂ…第二材料Ｓ１０…第一カーブ取得工程Ｃ１…第一寿命評価カーブＳ２０…第一評価比取得工程Ｒ１…第一評価比Ｓ３０…第二評価比取得工程Ｒ２…第二評価比Ｔ_ｒ…破断時間Ｔ_３…第三クリープ域の開始時間Ｓ４０…第二カーブ取得工程Ｃ２…第二寿命評価カーブ

Claims

第一材料におけるクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係である第一寿命評価カーブを取得する第一カーブ取得工程と、
前記第一材料にクリープ試験を実施して、破断時間に対する第三クリープ域の開始時間の比である第一評価比を取得する第一評価比取得工程と、
前記第一材料とは異なる第二材料にクリープ試験を実施して、破断時間に対する第三クリープ域の開始時間の比である第二評価比を取得する第二評価比取得工程と、
前記第一評価比と前記第二評価比との比に基づいて前記第一寿命評価カーブを補正することで、前記第二材料におけるクリープ寿命消費率とクリープ評価因子との関係である第二寿命評価カーブを取得する第二カーブ取得工程と、を含むクリープ寿命評価方法。