ボイラ高温部劣化調査研究

研究レポート
ボイラ高温部劣化調査研究
エネルギア総合研究所 発電・材料担当 和田 泰孝※
１
はじめに
別だが，実機事例の整理・実験データの蓄積により余寿
火力発電設備のボイラは，高温高圧下で長期間使用さ
命計測へ活用が可能になってきた。
組織観察が先行した結果，図１に示すように損傷状態
れる中で腐食，疲労およびクリープ等の損傷を受ける。
当社経年火力発電所のボイラも，長期使用によって上記
を【ø】初期損傷状態，【¿】方向性のあるボイド発生
のような経年劣化が懸念されている。
状態，【¡】ボイドが連結した微小き裂状態，【¬】き裂
現在，クリープ損傷は金属組織観察によって判断する
成長の４つに分類し，各々の状態に対して検査インター
余寿命評価法があるが，検査や評価をメーカに依存して
バルや処置が提案され，1980年代前半ドイツ他で規格化
いるのが実情である。
され実用されている。
ユーザとして高い精度で余寿命評価できれば，安全
実機のボイラにおいては，管寄管台継手・Ｙピース・
面・運用面での信頼性向上とともに，取り替え周期の適
エルボなどが配管系のシステム応力を受けると，溶接止
正化による保修コストの低減が見込める。
端部にあたるHAZ部（溶接熱影響部）に応力が集中しや
このためエネルギア総合研究所では，ボイラにおける
すい。クリープ損傷は温度が同じであれば応力の高い場
クリープ余寿命評価について高精度化と自社化を目指し
所が最も進行するので，今回の廃却材調査では溶接部，
取り組んでいる。
とりわけHAZ部に着目して組織観察を行った。（図２参
本研究では，余寿命研究の一環として，廃却材の詳細
照）
調査（実機クリープ損傷の形態把握）と2.25Cr−１Mo
材のクリープマスターカーブ作成を行った。その概要を
紹介する。
溶接金属
２
ＨＡＺ粗粒域
クリープ損傷の進行と余寿命計測について
クリープ損傷とは高温化で使用される金属材料に発生
する経年劣化の内の一つである。クリープ損傷で破断に
いたる過程では，金属組織や炭化物の形態・種類が変化
するとともに，結晶粒径の変化や，ボイドと呼ばれる微
小な空孔が粒界へ発生・増殖してき裂へ成長する。この
母材
ＨＡＺ細粒域
ような現象は，材料の種類および使用条件により千差万
図２ 溶接部概念図
微小き裂
クリープボイド
【ø】
初期損傷状態
転位のすべり運動により回復が
進むがボイドは検出できない
【¿】ボイド発生
粒界にボイドが発生し，
成長・連結する
【¡】微小き裂発生
ボイドの連結により
微小き裂が発生・成長
微小き裂
【¬】き裂成長
微小き裂の成長による
巨視き裂の発生
図１ クリープ損傷の進行
※現 ñパワー・エンジニアリング・アンド・トレーニングサービス
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エネルギア総研レビュー No.3
ボイラ高温部劣化調査研究
３
実機廃却材詳細調査結果
・周溶接HAZ部でType¬損傷およびType¡損傷を受
（１）組織観察
けており，Type¬損傷が主である。また，肉厚内
実機クリープ損傷発生状況の調査のため，主蒸気管Ｙ
ピースおよびエルボ廃材の詳細調査を行った。調査手順
部で損傷が激しい。
・「ボイド連結」や「微視き裂」はないが，ボイド発
は，はじめに各溶接線の外観検査を行い最も損傷が進ん
生個数が多く，寿命終期に近い。
でいる個所を推定した。次に最大損傷個所の断面観察を
行った。
Ａ．福山共同火力４号主蒸気管Ｙピース
メーカが余寿命診断を行った結果，寿命消費率が50
∼75％，推定余寿命は約25,000Hrと評価され，取り替
えられた廃材である。なお，外観は写真１を，仕様詳
細は表１を参照。
断面観察の結果（写真２参照），母材部および溶接
金属部にはクリープボイドはなかった。しかし，HAZ
細粒域では外表面から肉厚中央付近（深さ35Ÿ）まで
写真１ Ｙピース外観写真
の範囲にクリープボイドの発生が確認された。特に15
表１ Ｙピース仕様詳細
Ÿ内部では248個/›と，外表面99個/›の2.5倍で肉厚
内部でより損傷していたと推察された。
名
称
福山共同火力４号主蒸気管Yピース
また，HAZ粗粒域では外表面から深さ15Ÿまでの範
使 用 温 度
842K（569℃）
囲でボイドが発生していた。外表面が最も多く，内部
使 用 圧 力
16.6MPa
へいくに従い個数が減少する傾向を示した。
累積運転時間
256,551時間
起 動 回 数
108回
材
ASTM A182F22（JIS SFVA F22相当材）
これらの結果から，損傷状況は次のように考えられた。
HAZ部の細粒域（外表面）
質
HAZ部の粗粒域（外表面）
HAZ部の細粒域（表面から15Ÿ）
ＨＡＺ部
ＨＡＺ部
15 ㎜
溶接金属
配管
表面細粒部：99個
内部細粒部：248個
HAZ細粒35Ÿ付近まで
クリープボイド発生
写真２ 断面におけるクリープボイド発生状況
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研究レポート
Ｂ．岩国２号主蒸気管エルボ
メーカの診断結果は推定余寿命０Hr（き裂貫通
3,700Hr）と，相当厳しい評価を受け，取り替えられ
た廃材である。
なお，外観は写真３を，仕様詳細は表２を参照。
腹側長手溶接の断面観察結果，母材部・溶接金属
部・HAZ粗粒域にクリープボイドが観察されたが肉厚
内部では個数が減少した。また連結や微視き裂は観察
されなかった。
HAZ細粒域には多数のボイドが観察され表面から10
Ÿ付近で最も多かった。また，表面でも多数のボイド
写真３ エルボ外観写真
が観察された。（写真４参照）
表２ エルボ仕様詳細
周溶接部の断面観察結果，溶接金属部にはクリープ
ボイドは観察されなかった。母材・HAZ粗粒域ではク
名
リープボイドが観察されたものの外表面側を中心に発
使 用 温 度
842K（569℃）
生しており，50㎜以上の肉厚内部では観察されなかっ
使 用 圧 力
19.3MPa（197kgf／fi）
累積運転時間
106,580時間
起 動 回 数
857回
材
A387-D（STPA24相当品）
た。また，母材部・溶接金属部・HAZ粗粒域では連結
や微視き裂は観察されなかった。
①
②
③
④
AHAZ細粒（表面より20Ÿ）
⑤HAZ細粒（表面より60Ÿ）
BHAZ細粒（表面より２Ÿ）
③HAZ細粒（表面より10Ÿ）
写真４ 長手溶接部 断面観察結果
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質
岩国発電所２号主蒸気管エルボ
①
②
③
④
AHAZ細粒（表面）
⑤
⑤
④HAZ細粒（表面より20Ÿ）
称
④HAZ細粒（表面より20Ÿ）
⑤HAZ細粒（表面より40Ÿ）
BHAZ細粒（表面より２Ÿ）
③HAZ細粒（表面より10Ÿ）
写真５ 周溶接部 断面観察結果
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ボイラ高温部劣化調査研究
HAZ細粒域では外表面に多数のボイドが観察され，
Ａ．岩国２号主蒸気管エルボ
溶接くびれ部よりやや下側（表面から10Ÿ，20Ÿ地点）
でもボイドが多数観察された。
（写真５参照）
腹側長手溶接部から試験片を切り出して，その残寿
命を確認した。（図３参照）
これらの結果から損傷状況は次のように考えられた。
まず切り出した試験片表面の観察を行い，非破壊的
・腹側長手溶接部および周溶接部はともにHAZ細粒
にボイド個数密度法で余寿命評価を行った。（写真６
域で損傷が進んでいた。
参照）
その結果，クリープ寿命消費率ｔ／tr＝0.92となり
・腹側長手溶接部の肉厚内部の溶接くびれ部HAZ細
粒域でボイドが多数発生していた。これは福山共
寿命末期と考えられた。
次にクリープラプチャー試験を，試験温度610℃，
同火力４号ＹピースにおけるTypeⅣ損傷と同様
の傾向であった。
・母材部・溶接金属部・HAZ粗粒域にもボイドは発
試験応力68.6MPaで行った。その結果，85.1Hrで破断
し，クリープ寿命消費率ｔ／tr＝0.96と確認できた。
生していたが，肉厚内部では個数が減少し，管内
これは非破壊的な余寿命評価法の推定ｔ／tr＝0.92よ
表面側では観察されなかった。
りも損傷度が高いが，ほぼ一致していた。
（２）破壊試験
廃材のクリープ残寿命を確認するため，溶接部から試
験片を切り出し，クリープラプチャー試験を行った。
これらのことから，岩国２Ｂ主蒸気管エルボ腹側長
手溶接部の外表面から肉厚内部約30㎜までの範囲の材
料は，クリープ寿命がほぼ消費されていたことが確認
できた。
４
ま と め
これらの調査結果から，下記のことが確認できた。
・主蒸気管部品では大きな熱応力がかかる溶接線の
HAZ細粒部でType¬損傷が発生している。
・溶接くびれ部下部周辺にボイドが多数発生し，肉厚
内部で損傷が進行していたこと。
・外表面にもボイドという損傷の兆候が発生している
ことから，「有限要素法解析による断面における最
大劣化部位の特定」と「外表面の組織観察」の併用
によれば，非破壊的な余寿命評価も可能である。
５
図３ クリープラプチャー試験片採取要領
あとがき
今後，本研究の知見および他のボイラ関係余寿命研究
の成果を活用してボイラ部品の高精度な余寿命評価を実
現し，保修コストの低減のため活用していきたい。
写真６ クリープラプチャー試験片表面組織
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