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技 術 紹 介 発 電 用 ボイラの 大 径 管 溶 接 継 手 部 のクリープ 損 傷 評 価 中 代 雅 士 Nakashiro Masashi *1 発 電 用 ボイラの 大 径 管 は 通 常 溶 接 施 工 により 組 み 立 てられるが 溶 接 時 には 耐 力 を 超 えるような 残 留 応 力 が 発 生 している さらに CrMo 鋼 では 溶 接 継 手 部 のクリープ 長 時 間 強 度 は 母 材 よりも 低 下 している 一 方 A-USC(Advanced Ultra-Supercritical)ボイラで 採 用 を 検 討 しているオーステナイト 系 耐 熱 材 料 では 熱 膨 張 率 が 大 きいので 発 生 する 熱 応 力 は 大 きく 高 温 強 度 が 高 いので 応 力 緩 和 量 が 小 さく 残 留 応 力 によ る 損 傷 評 価 が 重 要 である このような 背 景 から 大 径 管 継 手 部 の 寿 命 評 価 が 重 要 課 題 となっている 本 稿 では 配 管 溶 接 継 手 部 の 寿 命 評 価 を 行 う 場 合 に 製 造 時 や 運 用 中 に 発 生 した 残 留 応 力 (2 次 応 力 )と 運 用 時 の 外 部 応 力 (1 次 応 力 )を 考 慮 した 簡 易 クリープ 損 傷 解 析 評 価 手 法 を 紹 介 し 残 留 応 力 を 含 めた 評 価 手 法 を 紹 介 する キーワード: 残 留 応 力 熱 応 力 クリープ クリープ 疲 労 応 力 緩 和 内 部 応 力 溶 接 割 れ 2 次 応 力 損 傷 評 価 寿 命 評 価 SR 低 合 金 鋼 CrMo 鋼 1. はじめに ボイラ 配 管 は 通 常 溶 接 施 工 により 組 み 立 てられ る 溶 接 時 には 局 部 加 熱 による 熱 応 力 で 耐 力 を 超 えるような 残 留 応 力 が 発 生 している 場 合 があ る 特 に CrMo 鋼 の 場 合 には 加 熱 冷 却 による 焼 入 熱 処 理 で 継 手 部 の 高 強 度 化 と 延 性 低 下 による 脆 化 が 問 題 になる これらの 特 性 を 改 善 するとと もに 初 期 残 留 応 力 を 下 げるためのSR 熱 処 理 (Stress Relief heat treatment)が 施 される 一 方 ボイラとタービン 間 の 大 径 管 はタービン 入 口 側 を 固 定 端 とし 起 動 停 止 時 の 温 度 変 化 に 伴 う 熱 膨 張 変 化 による 熱 応 力 (2 次 応 力 )が 加 算 さ れる さらに CrMo 鋼 の 溶 接 継 手 部 は 長 時 間 クリー プ 強 度 の 低 下 が 大 きな 問 題 になっている 特 に 高 Cr 鋼 では 溶 接 継 手 HAZ(Heat Affected Zone) 部 の 軟 化 層 に 損 傷 が 発 生 するタイプⅣクラックが 大 きな 問 題 となっている 一 方 蒸 気 温 度 700 級 の A-USC(Advanced Ultra-Supercritical)プラント の 開 発 が 進 行 しているが 配 管 には Ni 基 耐 熱 材 料 の 採 用 が 検 討 されている (1) フェライト 鋼 と 比 較 してオーステナイト 材 料 は 熱 膨 張 率 が 大 きく 高 温 強 度 が 高 いので 発 生 する 応 力 は 大 きく か つ 応 力 緩 和 量 が 小 さく 2 次 応 力 評 価 が 重 要 で ある 本 稿 では 配 管 部 の 溶 接 継 手 部 に 注 目 して 設 計 時 の 応 力 評 価 配 管 許 容 応 力 の 取 り 方 応 力 緩 和 評 価 法 溶 接 継 手 部 の 評 価 法 を 紹 介 し 残 留 応 力 を 含 む 2 次 応 力 の 応 力 緩 和 特 性 と 運 用 時 の 外 部 応 力 を 考 慮 した 簡 易 損 傷 評 価 手 法 と 本 手 法 によ る 寿 命 評 価 の 有 効 性 を 紹 介 する *1 :フェロー 博 士 ( 工 学 ) 技 術 士 ( 金 属 部 門 総 合 技 術 監 理 部 門 ) 65 IIC REVIEW/2014/04. No.51

2. ボイラ 大 径 管 の 設 計 許 容 応 力 の 考 え 方 2.1 クリープ 許 容 応 力 一 般 高 温 機 器 部 材 で 一 番 に 要 求 される 機 械 特 性 は 温 度 時 間 に 依 存 するクリープ 強 度 である クリープ 強 度 は 時 間 依 存 の 機 械 特 性 であり 設 計 基 準 には 耐 用 年 数 ( 使 用 時 間 )を 明 確 に 決 めて おり 使 用 環 境 下 においてこの 設 計 耐 用 年 数 に 耐 えるように 使 用 応 力 が 決 められて 設 計 される ASME Sec.1( 発 電 用 ボイラ 規 格 )では 以 下 の 6 項 目 で 最 低 値 の 応 力 を 採 用 することが 決 められて いる 1 常 温 の 規 格 最 小 引 張 強 度 の 1/4 2 使 用 温 度 における 引 張 強 度 の 1/4 3 常 温 の 規 格 最 小 降 伏 点 の 5/8 4 使 用 温 度 における 降 伏 点 の 5/8 5 10 万 時 間 に 対 してクリープひずみが 1% 以 下 の 応 力 レベル 6 10 万 時 間 のクリープ 破 断 強 度 の 平 均 値 の 2/3 応 力 レベル 最 低 値 の 4/5 応 力 レベル これらの 中 で クリープ 温 度 域 では6 項 の 応 力 値 が 最 小 の 場 合 が 多 く 設 計 許 容 応 力 値 とし て 採 用 されている NIMS(National Institute for Materials Science: 独 立 行 政 法 人 物 質 材 料 研 究 機 構 )のクリープデータシートでは 長 時 間 クリープ 試 験 結 果 が 含 まれているが 一 般 的 には 温 度 応 力 加 速 のクリープ 試 験 結 果 を 応 力 - 温 度 時 間 パ ラメータ-で 整 理 して 長 時 間 強 度 の 外 挿 値 で 評 価 している パラメータ 法 には 種 々のものが 提 案 され 外 挿 値 の 信 頼 性 などが 検 討 報 告 されている 中 でもLMP(Larson-Miller Parameter:P=(T+273) (log tr+c))は 定 数 が 1 個 の 簡 単 な 式 であり 一 般 的 に 利 用 されている 2.2 配 管 系 許 容 応 力 実 際 の 配 管 設 計 では 配 管 系 の 熱 膨 張 による 熱 応 力 などを 考 慮 した 評 価 が 重 要 になってくる 配 管 系 の 応 力 計 算 は 常 温 状 態 から 運 転 中 の 高 温 状 態 の 変 化 過 程 で 配 管 固 定 部 支 持 方 法 を 考 慮 し た 数 値 解 析 で 各 部 位 での 応 力 値 を 計 算 し これら の 数 値 が 許 容 応 力 値 以 下 であることが 要 求 され る ANSI(American National Standards Institute) の 基 準 では 設 計 許 容 最 大 応 力 Sa は 室 温 での 設 計 許 容 応 力 Sc と 使 用 温 度 域 での 設 計 許 容 応 力 Sh および 疲 労 係 数 f を 乗 じた 次 式 で 算 出 される (2) Sa = (1.25Sc+0.25Sh) f (1) 疲 労 係 数 f は 起 動 停 止 回 数 が 7000 回 以 下 の 場 合 は 1 である 式 (1)で Sa は クリープ 許 容 応 力 である Sh よりも 常 温 の 許 容 応 力 Sc( 通 常 引 張 強 度 の 1/4 1/4s B )の 影 響 が 大 きい 配 管 系 では 固 定 点 と 支 持 方 法 でひずみ 依 存 型 の 熱 応 力 が 発 生 するが ひずみ 量 は 一 定 であり 配 管 系 自 体 の 応 力 緩 和 量 によって 応 力 が 低 下 することを 考 慮 して 許 容 応 力 が 決 められている 変 形 応 力 は 常 温 での 引 張 許 容 応 力 で 決 まり クリープ 強 度 よりも 常 温 での 引 張 強 度 が 重 要 であり かなり 大 きな 数 値 が 許 容 されている 2.3 溶 接 継 手 部 のクリープ 強 度 溶 接 継 手 部 のクリープ 強 度 は 材 質 温 度 時 間 によって 母 材 との 強 度 低 下 比 の 継 手 性 能 係 数 で 評 価 される 図 1は 2.25Cr1Mo 鋼 の ASME コー ド N-47 で 報 告 されている 溶 接 継 手 係 数 を Larson- Miller Parameter(MPL)で 整 理 した 結 果 を 示 す (3) 一 般 的 には 温 度 が 高 いほど 運 用 時 間 が 長 いほ ど 溶 接 継 手 部 の 強 度 が 低 下 し 実 機 使 用 環 境 下 で は 0.7 以 下 の 数 値 になる また 図 2は 溶 接 継 手 部 のクリープ 試 験 結 果 で 破 断 位 置 の 領 域 図 を 示 す 応 力 が 70N/mm 2 以 上 の 高 い 領 域 または 使 用 温 度 が 700 以 上 では 母 材 で 破 断 するが 高 温 低 応 力 側 になるほど HAZ 部 や 溶 接 金 属 部 (DEPO 部 )で 破 断 し 実 機 使 用 環 境 では 継 手 部 の 強 度 評 66

価 が 重 要 であることを 示 している さらに 最 近 は Mod.9Cr1Mo 鋼 (P91 鋼 )などの 高 Cr 鋼 の 高 強 度 材 が 実 用 化 されているが これらの 溶 接 継 手 部 の 強 度 低 下 量 は 大 きく 重 要 な 課 題 となってい る (4) 図 1 ASME 設 計 基 準 ( 溶 接 継 手 係 数 )の Larson-Miller Parameter 整 理 図 2 2.25Cr1Mo 鋼 溶 接 継 手 部 のクリープ 破 断 領 域 図 2.1 項 のクリープ 設 計 許 容 応 力 は 母 材 のクリー プ 強 度 が 基 準 となっており 溶 接 継 手 部 の 継 手 係 数 を 0.7 とした 場 合 には 母 材 の 10 万 時 間 の 許 容 応 力 が 継 手 部 の 平 均 破 断 応 力 と 同 等 となる 低 合 金 鋼 配 管 の 余 寿 命 評 価 は 溶 接 部 の 強 度 低 下 で 寿 命 が 決 まる 実 機 部 材 の 寿 命 評 価 には 溶 接 継 手 部 の 寿 命 評 価 が 主 体 となっている 2.4 応 力 緩 和 特 性 高 温 機 器 をクリープ 域 で 使 用 した 場 合 の 2 次 応 力 などの 拘 束 変 形 による 応 力 は 部 材 がクリープ 変 形 によって 応 力 緩 和 する この 応 力 緩 和 は 簡 易 法 として 応 力 と 定 常 クリープ 速 度 の 関 係 式 ノー トン 則 (Norton law)で 計 算 される de/dt=ks n (2) ここで e:クリープひずみ k, n: 材 料 定 数 s: 応 力 (MPa) t: 経 過 時 間 (h) k と n は 各 温 度 別 のクリープ 試 験 で 最 小 クリー プ 速 度 と 応 力 の 線 形 関 係 式 から 得 られ 対 数 プ ロットで k は 定 数 直 線 の 傾 きが n である k は 温 度 依 存 性 が 大 きく n は 温 度 依 存 性 が 小 さ い 最 近 はクリープひずみ 速 度 と 破 断 時 間 の 関 係 (Monkman-Grant 関 係 )がよく 報 告 されているが 各 ひずみ 速 度 での 破 断 時 間 を 求 め この 破 断 時 間 と 各 温 度 での 応 力 を 求 め ひずみ 速 度 と 応 力 値 か ら k, n 値 を 求 めることも 可 能 である 応 力 緩 和 式 は 式 (2)を 積 分 して s で 整 理 す ればよい 1/s (n-1) (n-1) =1/s 0 +(n-1) E k t (3) ここで s 0 : 初 期 応 力 (MPa) E: 高 温 でのヤ ング 率 (MPa) t: 経 過 時 間 (h) 実 験 的 な 応 力 緩 和 特 性 は 式 (3)で 計 算 され るよりも 1 次 クリープ 変 形 による 応 力 緩 和 量 が 大 きい しかし 実 機 での 応 力 レベルは 小 さいの で 1 次 クリープ 変 形 は 小 さいのと 1 サイクルあ たりの 時 間 が 長 いので 大 きな 差 異 はないと 考 え る また 起 動 停 止 時 の 繰 返 効 果 では 溶 接 時 の 残 留 応 力 配 管 系 の 拘 束 条 件 による 応 力 変 化 は 連 続 して 緩 和 していくと 考 えられる 特 殊 なケース として サイクル 毎 に 急 加 熱 冷 却 するなどして 熱 応 力 が 発 生 する 場 合 には 1 回 毎 に 応 力 発 生 と 応 力 緩 和 量 を 計 算 して 損 傷 量 を 計 算 し 起 動 停 止 回 数 を 乗 じた 数 値 が 累 積 損 傷 量 になる 一 般 的 には 毎 回 発 生 する 応 力 による 損 傷 の 方 が 大 きい 比 較 67 IIC REVIEW/2014/04. No.51

的短時間で損傷が発生した場合には この起動停 Drilling 法や穿孔 Hole drilling 法による厚さ方 止過程で発生する応力が要因となることが多い 向の応力分布計測法も実用化されている 一般的な寿命評価では 初期値の状態から継続的 な応力緩和で評価することが 妥当であると考える 3. ボイラ大径管 2.25Cr1Mo 鋼 の応力評価と 溶接継手部の寿命評価例 ボイラ主蒸気管 高温再熱蒸気管などの大径管 2.5 配管応力評価式 は タービン側との取り合い位置を固定端として 配管は内圧によるフープ応力 s h と軸応力 s a の バネによるつり下げで支持されている ボイラ本 複合応力が作用する s h と s a の作用方向は直交 体の構造物も建屋鉄骨につり下げられた状態で するので 簡易的に評価するには Mises の等価応 自由に熱膨張変形するようになっている これら 力式が有効であり 式 4 で計算される の取り合いから 大径管には軸方向や曲げの配管 s m=(s a +s h -s a s h) 2 2 1/2 4 系応力が発生する 2.25Cr1Mo 鋼などの低合金鋼 実機での評価では 主応力値と方向が重要であ では 溶接継手部の強度が問題であり 配管系応 るが これらの評価を行うには詳細な構造解析が 力によるクリープ損傷が発生する可能性について 必要であるが 簡易法として等価応力を採用する 検討した 実機評価では 応力緩和量が負荷応力に大きく依 存するので 1 次応力と部材のクリープ強度で寿 命が決まる 2.6 溶接継手部の残留応力 溶接継手部の残留応力は CrMo 鋼のように溶 接後 SR 熱処理を実施して 残留応力を下げる処 理をする場合もあるし 材質によって処理方法が 異なる 一方 オーステナイトステンレス鋼や Ni 基耐熱鋼では 溶接後熱処理を行わない場合もあ り 溶接時に発生した残留応力を正確に評価する 図 3 NIMS のクリープデータシートの LarsonMiller Parameter 整理結果 には 個別に計測することが必要である これら の溶接施工条件は製造ノウハウに関するものが多 く 一般には公開されていない 溶接部の局部的な残留応力計測には X 線回折法 X 線法 による計測が有効である ただ X 線 法は材料の制限があること 計測部位は極く表面 を計測しているので 溶接部の内部応力変化が大 きい場合には 計測部位の応力分布状況を把握し ておく必要がある 内部の応力分布が要求される 場合には 部材全体の応力計測は切断法 数値解 析法で評価する また 最近は DHD Deep Hole 図 4 試験中の高温酸化を考慮したクリープ強度 評価結果 68 IIC_REVIEW_51.indb 68 2014/03/14 16:00:55

図 3は NIMS のクリープデータシートで 2.25Cr1Mo 鋼 (STBA24)の LMP で 整 理 したもの である (5)( 6) 図 中 には ASME の 設 計 基 準 値 ( 設 計 許 容 応 力 - 使 用 温 度 -10 万 時 間 )を 記 入 してい る このデータはボイラ 伝 熱 管 から 試 験 片 サイズ が f 6mm の 小 型 試 験 体 でかつ 試 験 時 間 が 1 万 時 間 以 上 の 試 験 結 果 が 含 まれており 試 験 中 の 高 温 酸 化 の 影 響 が 大 きい 結 果 になっている (7) 高 温 酸 化 による 試 験 体 の 減 肉 量 を 計 算 し 実 応 力 でクリー プ 強 度 を 評 価 した 場 合 には 図 4のように 低 応 力 側 でクリープ 強 度 は 大 幅 に 改 善 され 大 径 管 のよ うな 厚 肉 部 材 では 運 用 中 の 酸 化 減 肉 は 実 用 上 問 題 にならないと 考 えられた 図 5 米 国 で 発 生 した 1.25Cr0.5Mo 鋼 シーム 高 温 再 熱 蒸 気 管 のタイプⅣクラックの 損 傷 事 例 (R. Visvanathan, PVP-Vol.303, 1995-7) 表 1 米 国 内 で 発 生 した 大 径 管 溶 接 継 手 部 のき 裂 発 生 と 損 傷 事 例 集 (R. Visvanathan, PVP - Vol. 303, 1995-7) 69 IIC REVIEW/2014/04. No.51

表 2 日 本 国 内 で 観 察 された 管 寄 及 び 高 温 大 径 管 における 損 傷 劣 化 事 例 (IIC REVIEW No.27 2002/4) 図 5は 米 国 で 発 生 した 1.25Cr0.5Mo 鋼 溶 接 管 のタ イプⅣクラックによる 噴 破 事 故 例 である また 表 1 は 20 年 前 に 米 国 EPRI が 発 表 した 米 国 での 大 径 管 事 故 発 生 リストである 同 様 に 表 2は 日 本 国 内 で 観 察 された 大 径 管 の 損 傷 事 例 である これらの 表 か ら 大 径 管 の 損 傷 は 特 異 なものではなく 15 万 時 間 以 上 の 長 時 間 使 用 後 に 発 生 する 可 能 性 があると 考 えられた (8) 最 近 は 図 5のような 大 きな 損 傷 は 発 生 していないが 溶 接 継 手 部 に 関 連 した 損 傷 は 継 続 的 に 発 生 していると 考 えられる 寿 命 評 価 技 術 検 査 技 術 が 進 歩 しているので 適 切 な 寿 命 評 価 を 実 施 すれば 噴 破 する 前 に 対 策 が 立 てられると 考 える このような 大 径 管 の 損 傷 評 価 を 究 明 する 一 環 と して 英 国 プラントの Y ピース 継 手 に 発 生 したタ イプⅣクラックの 損 傷 原 因 究 明 の 調 査 結 果 から タイプⅣクラックは 溶 接 継 手 部 の 強 度 と 配 管 系 応 力 で 評 価 できることを 明 らかにした (9) これらの 手 法 を 用 いて 2.25Cr1Mo 鋼 の 寿 命 評 価 を 検 討 した 結 果 を 報 告 する 図 6 実 機 使 用 材 の 溶 接 継 手 部 クリープ 試 験 結 果 (F K は 発 電 所 名 ) 表 3 ANSI 基 準 による 許 容 熱 応 力 Sa による 配 管 応 力 が 作 用 した 時 のクリープ 損 傷 計 算 式 70

図 7 2.25Cr1Mo 鋼 の 温 度 別 応 力 緩 和 特 性 と 累 積 クリープ 損 傷 評 価 図 6は 2.25Cr1Mo 鋼 の 実 機 使 用 経 年 部 材 によ るクリープ 試 験 結 果 である 図 に 示 すように 実 機 使 用 材 では 経 年 劣 化 により 母 材 のクリープ 強 度 が 低 下 していないのに 対 して 溶 接 継 手 部 は 顕 著 にクリープ 強 度 が 低 下 しており 継 手 の 寿 命 評 価 が 重 要 であることを 示 している 継 手 部 の 損 傷 マップを 図 2に 示 すが 実 機 使 用 応 力 条 件 になれ ば HAZ 部 だけに 特 定 されず 溶 接 金 属 部 そのもの のクリープ 強 度 が 低 下 する 次 に 配 管 系 応 力 の 評 価 について 検 討 した 表 3 は 2.25Cr1Mo 鋼 に 対 して 2 章 で 紹 介 した ANSI の 配 管 許 容 応 力 を 基 に 規 定 されている 許 容 応 力 値 (Sc, Sh, Sa) クリープひずみ 速 度 から k 値 n 値 の 関 係 式 ( 実 験 式 ) 高 温 引 張 試 験 から 算 出 した ヤング 率 ( 実 験 値 )を 示 す これらの 数 値 から 運 用 中 の 応 力 緩 和 を 計 算 して 累 積 クリープ 損 傷 量 を 計 算 した 図 7に 540 570 の 各 温 度 別 の 応 力 緩 和 曲 線 と 累 積 クリープ 損 傷 率 の 計 算 結 果 を 示 すが ( 軸 応 力 + 内 圧 )と 内 圧 のみによる 計 算 では 軸 応 力 加 算 によるクリー プ 損 傷 の 差 異 は 小 さく 内 圧 と 継 手 強 度 だけで 評 価 しても 大 差 ない これらの 結 果 から 540 で は 15 ~ 20 万 時 間 程 度 570 では 10 ~ 20 万 時 間 程 度 で 損 傷 が 発 生 する 可 能 性 があることを 示 唆 している 表 2で 示 した 日 本 での 溶 接 継 手 部 の 損 傷 事 例 では 本 評 価 とほぼ 同 様 な 結 果 が 得 られて いることから 計 算 手 法 は 妥 当 であると 評 価 でき る これらの 損 傷 は 継 手 部 特 有 の 問 題 であり 継 手 部 を 補 修 すれば 寿 命 延 伸 が 可 能 であることも 最 近 報 告 されている 4. 大 径 管 の 溶 接 継 手 部 の 寿 命 評 価 手 順 3 章 で 計 算 した 低 合 金 鋼 の 大 径 管 溶 接 継 手 部 の 寿 命 評 価 と 対 策 をまとめると 以 下 のようになる 1 部 材 の 溶 接 継 手 部 の 強 度 特 性 を 正 確 に 把 握 し ておく 必 要 がある 特 性 評 価 には クリープ 試 験 で 使 用 応 力 レベルでの 温 度 加 速 試 験 を 含 み 試 験 破 断 時 間 が 数 万 時 間 の 長 時 間 データ 71 IIC REVIEW/2014/04. No.51

が 必 要 である 母 材 と 溶 接 継 手 部 のクリープ 強 度 比 ( 溶 接 継 手 強 度 係 数 )を 応 力 - 温 度 時 間 のパラメータで 表 示 し 使 用 領 域 のク リープ 強 度 を 把 握 しておく 同 時 に 図 2に 示 すようなクリープ 試 験 条 件 と 破 断 位 置 の 関 係 を 示 した 損 傷 領 域 図 を 明 確 にしておき 実 機 使 用 環 境 における 損 傷 部 位 を 把 握 しておく 必 要 がある 2 大 径 管 のクリープ 損 傷 は 配 管 支 持 状 態 に 依 存 した 軸 応 力 が 加 算 されるので 高 温 使 用 時 の 応 力 緩 和 量 を 評 価 する 必 要 がある 応 力 緩 和 量 の 評 価 は 簡 易 法 としてノートン 則 式 (2) による 応 力 - 最 小 クリープ 速 度 の 関 係 式 から 応 力 緩 和 式 (3)を 求 め 各 応 力 -クリープ 損 傷 の 累 積 を 計 算 して 評 価 する 特 にクリー プ 強 度 が 高 く 応 力 緩 和 量 が 小 さい 場 合 には 熱 応 力 などの 2 次 応 力 による 損 傷 評 価 が 重 要 となる 3 CrMo 鋼 溶 接 継 手 部 のクリープ 強 度 は 長 時 間 高 温 度 使 用 になるほど 母 材 と 継 手 部 の 強 度 差 が 大 きくなる 特 に 高 Cr 鋼 のような 熱 処 理 で 強 度 を 確 保 している 材 料 は 高 温 長 時 間 使 用 後 のクリープ 強 度 評 価 溶 接 継 手 部 の 強 度 低 下 の 把 握 が 重 要 である 4 タイプⅣクラックの 損 傷 解 析 評 価 には 継 手 部 の 長 時 間 強 度 配 管 系 応 力 解 析 応 力 緩 和 曲 線 を 考 慮 した 損 傷 量 評 価 で 計 算 できる 5 ステンレス 鋼 や Ni 基 耐 熱 鋼 を 配 管 に 採 用 し た 場 合 には 配 管 系 応 力 評 価 溶 接 継 手 部 の 挙 動 特 性 把 握 が 重 要 である 特 に 異 材 継 手 や 溶 接 金 属 に 異 材 を 使 用 する 場 合 には 物 性 値 の 差 による 応 力 発 生 と 応 力 緩 和 速 度 ク リープ 強 度 が 問 題 になる 蒸 気 温 度 が 700 級 の A-USC プラントの 開 発 が 計 画 されており Ni 基 耐 熱 材 料 の 採 用 が 検 討 されているが フェライト 鋼 よりも 熱 膨 張 率 が 大 きく クリープ 強 度 が 高 いので 残 留 応 力 が 残 りやすく 配 管 の 問 題 が 発 生 しやすい と 考 えられ 十 分 な 検 討 が 要 求 される また 健 全 性 評 価 には 残 留 応 力 評 価 が 重 要 となっ てくると 考 える 6 タイプⅣクラックは 部 材 内 部 からクリープボ イドなどの 損 傷 が 発 生 する 場 合 があり 健 全 性 評 価 には 内 部 の 損 傷 評 価 が 重 要 である 7 製 造 時 の 溶 接 継 手 部 に 発 生 する 残 留 応 力 の 評 価 や 使 用 中 の 起 動 停 止 時 に 発 生 する 残 留 応 力 評 価 が 重 要 となる 場 合 が 想 定 される 5. まとめ 火 力 発 電 用 ボイラの 大 径 管 を 主 体 とした 溶 接 継 手 部 の 寿 命 評 価 方 法 について 紹 介 した 配 管 では 2 次 応 力 や 溶 接 施 工 時 の 残 留 応 力 を 加 算 した 応 力 評 価 が 重 要 である 残 留 応 力 の 現 地 計 測 法 が 開 発 されており 携 帯 型 の 小 型 Ⅹ 線 装 置 の 使 用 や 穿 孔 法 による 準 非 破 壊 法 による 計 測 が 可 能 になって いる 経 年 後 の 残 留 応 力 評 価 は 解 析 による 計 算 よりも 直 接 残 留 応 力 を 計 測 する 方 が 容 易 になっ ている クリープ 損 傷 評 価 では クリープデータ 自 体 のばらつきが 大 きいこと 高 温 使 用 中 に 残 留 応 力 は 応 力 緩 和 すること 起 動 停 止 による 温 度 変 化 で 残 留 応 力 が 新 たに 追 加 されることなどを 考 慮 すると 厳 密 解 による 評 価 よりも 簡 易 型 による 評 価 が 有 効 である 場 合 もある さらに 使 用 中 の 金 属 組 織 変 化 溶 接 継 手 部 の 強 度 評 価 などは 時 間 依 存 で 特 性 が 大 きく 変 化 するので これらの 長 時 間 後 の 挙 動 を 把 握 した 上 で 評 価 すれば 比 較 的 簡 単 に 評 価 ができる 可 能 性 がある 新 規 に 開 発 された 材 料 に 対 しては 実 機 使 用 後 の 継 続 的 な 材 料 デー タの 収 集 と 評 価 が 重 要 である 72

参 考 文 献 (1) 火 力 原 子 力 発 電 技 術 協 会 A-USC 開 発 推 進 委 員 会 主 催 : 先 進 超 々 臨 海 圧 火 力 発 電 技 術 開 発 講 演 会 2013-12-17 (2)ASME Code for Pressure Piping, B31 (3)Case of ASME boiler and pressure vessel code, N-47-28, July 1988 (4)6th International HIDA Conference, Nagasaki, December 2013 (5)NRIM( 現 NIMS)CREEP DATA SHEET NO.3B 1986:ボイラ 熱 交 換 器 用 合 金 鋼 管 STBA24 (2.25Cr1Mo)のクリープデータシート (6) 中 代 雅 士 芝 田 三 郎 米 山 弘 志 馬 木 秀 男 佐 久 間 直 勝 渡 辺 照 継 奥 山 好 寛 :2.25Cr1Mo 鋼 溶 接 継 手 部 のクリープ 損 傷 予 測 と 超 音 波 ノ イズ 分 析 による 損 傷 評 価 材 料 Vol.45 No.3 pp.321-327 1996 (7) 中 代 雅 士 : 火 力 発 電 用 ボイラ 管 の 損 傷 と 抜 管 検 査 方 法 IIC REVIEW No.22 pp.32-44 (1999/10) (8) 中 代 雅 士 : 火 力 発 電 用 大 径 管 の 経 年 劣 化 と 非 破 壊 検 査 による 寿 命 評 価 手 法 IIC REVIEW No.27 pp.14-26 ( 2002/4) (9) 中 代 雅 士 : 火 力 発 電 用 ボイラ 主 要 耐 圧 部 の 保 守 検 査 技 術 と 評 価 技 術 IIC REVIEW No.28 pp.14-25 ( 2002/10) (10)C. R. Brinkman, P. J. Maziasz, B. L. P. Keys, H. D. Upon:Oak Ridge National Laboratory Report No. ORNL/9Cr/90-1, (1990) フェロー 博 士 ( 工 学 ) 技 術 士 ( 金 属 部 門 総 合 技 術 監 理 部 門 ) 中 代 雅 士 TEL. 03-6404-6033 FAX. 03-6404-6044 73 IIC REVIEW/2014/04. No.51