特許 5876260 クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5876260

(24)【登録日】2016年1月29日

(45)【発行日】2016年3月2日

(54)【発明の名称】クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 33/20 20060101AFI20160218BHJP

   G01N 21/17 20060101ALI20160218BHJP

   G01M 99/00 20110101ALN20160218BHJP

   G01N 1/28 20060101ALN20160218BHJP

   G01N 21/88 20060101ALN20160218BHJP

   G01N 23/225 20060101ALN20160218BHJP

【ＦＩ】

   G01N33/20 M

   G01N21/17 A

   !G01M99/00 A

   !G01N1/28 M

   !G01N21/88 Z

   !G01N23/225

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2011-221228(P2011-221228)

(22)【出願日】2011年10月5日

(65)【公開番号】特開2013-79917(P2013-79917A)

(43)【公開日】2013年5月2日

【審査請求日】2014年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000211307

【氏名又は名称】中国電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】一色国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】縣詰 達也

(72)【発明者】

【氏名】西田 秀高

(72)【発明者】

【氏名】松村 栄郎

【審査官】 草川 貴史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２２５４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０５０９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０３４６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 菊地賢司; 加治芳行，粒界損傷率パラメータの提案，材料，日本，１９９５年１０月，Vol.44 No.505，1244-1248

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ３３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

クリープ損傷を受ける金属の余寿命をコンピュータによって診断する余寿命診断装置であって、
前記コンピュータに、
前記金属のレプリカを顕微鏡撮影することで得られた、前記金属表面における複数の粒界に対応する粒界画像データを取得させる粒界画像データ取得ステップと、
前記粒界画像データから、前記各粒界の始点座標と終点座標を含む粒界データを取得させる粒界データ取得ステップと、
前記金属の応力方向に垂直な参照方向を示す参照方向データを、前記粒界画像データに設定させる参照方向データ設定ステップと、
前記参照方向データに基づいて、前記複数の粒界データの中から、前記参照方向を中心とする所定の角度範囲に属する垂直粒界データを抽出させる垂直粒界データ抽出ステップと、
前記垂直粒界データに対応する粒界上のボイド形成状態に基づいて、当該垂直粒界データが損傷粒界に対応する損傷粒界データか否かを判断させる損傷粒界判断ステップと、
前記垂直粒界データに対応する粒界の数、及び、前記損傷粒界データに対応する粒界の数に基づき、Ｄパラメータ法を用いて前記金属の余寿命を診断させる余寿命診断ステップと
を行わせ、
前記参照方向データ設定ステップでは、前記応力方向の位置を変えながら前記参照方向データを繰り返し設定させ、
前記垂直粒界抽出ステップでは、各位置に設定された前記参照方向データに基づいて、垂直粒界データと判断された粒界データについて、垂直粒界データであることを示す所定の情報を記憶し、前記参照方向データの全ての位置について、垂直粒界データの判定が終わった後、前記所定の情報が記憶された粒界データを垂直粒界データとして抽出させることを特徴とする余寿命診断装置。

【請求項2】

前記損傷粒界判断ステップでは、前記垂直粒界データに対応する粒界の長さとボイド長さの比率に基づいて、前記垂直粒界データが前記損傷粒界データか否かを判断させることを特徴とする請求項１に記載の余寿命診断装置。

【請求項3】

前記粒界画像データ取得ステップでは、撮影対象位置を変えながら複数回顕微鏡撮影することで、複数の粒界画像データを取得させ、
前記参照方向データ設定ステップでは、前記複数の粒界画像データのそれぞれについて前記参照方向データを設定させ、
前記垂直粒界データ抽出ステップでは、前記複数の粒界画像データのそれぞれについて前記垂直粒界データを抽出させることを特徴とする請求項１又は２に記載の余寿命診断装置。

【請求項4】

前記余寿命診断ステップでは、Ｄパラメータと時間分数との相関関係を示すマスターカーブを予め取得しておき、前記垂直粒界データに対応する粒界の数、及び、前記損傷粒界データに対応する粒界の数に基づくＤパラメータを前記マスターカーブにあてはめることで、前記金属の余寿命を診断することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の余寿命診断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クリープ損傷を受ける金属の余寿命診断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発電施設が有するボイラーやタービンといったプラント機器では、動力用蒸気などの高温高圧流体が扱われている。年単位の長時間に亘って使用されると、ボイラーやタービンを構成する金属（例えばクロムモリブデン鋼やステンレス鋼）には、クリープ損傷などの経年劣化損傷が生じる。過度な損傷は機器の破損につながるため、プラント機器を長期間に亘って安全に使用するには、金属の余寿命を診断して適切な時期にメンテナンスを行うことが求められる。

【0003】

ここで、メンテナンスサイクルを短く設定すると安全率が高まるものの、メンテナンス回数が増えるのでコストが嵩んでしまう。反対に、メンテナンスサイクルを長く設定すると、メンテナンス回数が減ってコストを抑制できるものの、安全率が低くなってしまう。このため、余寿命の診断精度を向上させ、メンテナンスサイクルを適切に定めることが重要になっている。

【0004】

診断精度を向上させるため、種々の余寿命診断方法が開発されている。その診断手法の一つにＤパラメータ法がある。非特許文献１に示すように、Ｄパラメータ法では、粒界を撮影した顕微鏡写真を用い、応力方向と垂直な方向の垂直粒界及び損傷程度の高い損傷粒界を判定し、垂直粒界の全数と損傷粒界の全数の比率を指標として余寿命を求めている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】菊地賢司，加治芳行，材料，４４−５０５（１９９５），１２４４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

Ｄパラメータ法では、応力方向と垂直な垂直粒界の損傷度合いに着目しているため、精度の高い診断を行えるという利点がある。一方で、垂直粒界であるか否かを多数の粒界について判定することは、作業者の熟練が必要となってしまう。

【0007】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｄパラメータ法による余寿命診断を容易に行うことのできる余寿命診断装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的を達成するため、本発明は、クリープ損傷を受ける金属の余寿命をコンピュータによって診断する余寿命診断装置であって、前記コンピュータに、前記金属のレプリカを顕微鏡撮影することで得られた、前記金属表面における複数の粒界に対応する粒界画像データを取得させる粒界画像データ取得ステップと、前記粒界画像データから、前記各粒界の始点座標と終点座標を含む粒界データを取得させる粒界データ取得ステップと、前記金属の応力方向に垂直な参照方向を示す参照方向データを、前記粒界画像データに設定させる参照方向データ設定ステップと、前記参照方向データに基づいて、前記複数の粒界データの中から、前記参照方向を中心とする所定の角度範囲に属する垂直粒界データを抽出させる垂直粒界データ抽出ステップと、前記垂直粒界データに対応する粒界上のボイド形成状態に基づいて、当該垂直粒界データが損傷粒界に対応する損傷粒界データか否かを判断させる損傷粒界判断ステップと、前記垂直粒界データに対応する粒界の数、及び、前記損傷粒界データに対応する粒界の数に基づき、Ｄパラメータ法を用いて前記金属の余寿命を診断させる余寿命診断ステップとを行わせ、前記参照方向データ設定ステップでは、前記応力方向の位置を変えながら前記参照方向データを繰り返し設定し、前記垂直粒界抽出ステップでは、各位置に設定された前記参照方向データに基づいて、垂直粒界データと判断された粒界データについて、垂直粒界データであることを示す所定の情報を記憶し、前記参照方向データの全ての位置について、垂直粒界データの判定が終わった後、前記所定の情報が記憶された粒界データを垂直粒界データとして抽出させることを特徴とする。

【0009】

この発明によれば、参照方向データ設定ステップで設定された参照方向データと粒界データ取得ステップで取得された粒界データとの比較から、垂直粒界データ抽出ステップにおいて垂直粒界データの抽出を容易に行うことができる。また、抽出された垂直粒界データとボイドの情報とに基づいて、損傷粒界判断ステップにおける判断を容易化することができる。その結果、垂直粒界データに対応する粒界の数と損傷粒界データに対応する粒界の数とを用いるＤパラメータ法を行うに際し、余寿命診断処理の容易化が図れる。

【0010】

また、前記参照方向データ設定ステップでは、前記応力方向の位置を変えながら前記参照方向データを繰り返し設定させることにより、複数の粒界データの中から垂直粒界データを確実に抽出することができる。

【0011】

前述の余寿命診断装置において、前記損傷粒界判断ステップでは、前記垂直粒界データに対応する粒界の長さとボイド長さの比率に基づいて、前記垂直粒界データが前記損傷粒界データか否かを判断させることが好ましい。これにより、損傷粒界データか否かを確実に判断させることができる。

【0012】

前述の余寿命診断装置において、前記粒界画像データ取得ステップでは、撮影対象位置を変えながら複数回顕微鏡撮影することで、複数の粒界画像データを取得させ、前記参照方向データ設定ステップでは、前記複数の粒界画像データのそれぞれについて前記参照方向データを設定させ、前記垂直粒界データ抽出ステップでは、前記複数の粒界画像データのそれぞれについて前記垂直粒界データを抽出させることが好ましい。これにより、顕微鏡で撮影された画像を敷き詰めてつなぎ合わせるタイリングを行わずに済み、作業効率を高めることができる。

【0013】

前述の余寿命診断装置において、前記余寿命診断ステップでは、Ｄパラメータと時間分数との相関関係を示すマスターカーブを予め取得しておき、前記垂直粒界データに対応する粒界の数、及び、前記損傷粒界データに対応する粒界の数に基づくＤパラメータを前記マスターカーブにあてはめることで、前記金属の余寿命を診断することが好ましい。これにより、余寿命を容易に診断することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、クリープ損傷を受ける金属の余寿命をＤパラメータ法で診断するに際し、余寿命診断処理の容易化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】余寿命診断システムの構成を示す外観図である。

【図2】余寿命診断システムの構成を示すブロック図である。

【図3】余寿命診断手順を説明するフローチャートである。

【図4】マトリクス状に撮影された複数のＳＥＭ画像を説明する概念図である。

【図5】重ね合わせた一部のＳＥＭ画像を説明する概念図である。

【図6】各ＳＥＭ画像の重複部分を説明する図である。

【図7】粒界補間やゴミ除去を行ったＳＥＭ画像を説明する概念図である。

【図8】垂直粒界の抽出を説明する概念図である。

【図9】図８の例で抽出された垂直粒界を説明する図である。

【図10】複数のＳＥＭ画像において抽出された垂直粒界を説明する図である。

【図11】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、粒界とボイドの関係を損傷の度合い毎に説明する図である。

【図12】複数のＳＥＭ画像において抽出された損傷粒界を説明する図である。

【図13】マスターカーブの一例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、余寿命診断装置としての余寿命診断システムについて説明する。図１に示すように、本実施形態の余寿命診断システム１は、走査型電子顕微鏡２（以下単にＳＥＭ２という）と診断用コンピュータ３とを有する。

【0017】

ＳＥＭ２は、電子線を絞って電子ビームとして測定対象（後述するレプリカ）に照射し、この測定対象から放出される二次電子を検出することで測定対象の画像データを得る装置である。ＳＥＭ２は、例えば図２に示すように、電子銃２１と、磁界レンズ２２と、試料ステージ２３と、二次電子検出器２４とを備えている。

【0018】

電子銃２１は電子線を放出する部分であり、例えば熱電子を電位差によって加速させて放出する。磁界レンズ２２は電子線を集束させる部分であり、例えば磁界を発生させるコイルを備えている。このコイルに流す電流を調整することで発生される磁界の強さを変えることができ、電子銃２１から放出された電子線の集束度合いを調整できる。試料ステージ２３は測定対象となる試料（レプリカ）が載置される部分であり、測定対象の向きや高さを調整することができる。これにより、測定対象における所望の位置に電子線を照射することができる。二次電子検出器２４は、電子線の照射によって測定対象から放出された二次電子を検出する部分である。検出された二次電子の量に応じた画像信号が診断用コンピュータ３に送信される。

【0019】

診断用コンピュータ３は、ＳＥＭ２と通信してＳＥＭ２の動作制御を行うとともに、ＳＥＭ２から受信した画像信号からＳＥＭ画像データを得る装置である。そして、得られたＳＥＭ画像データに基づいて余寿命診断を行う。診断用コンピュータ３は、例えば図２に示すように、コンピュータ本体３１と、表示部３２と、入力部３３とを有する。

【0020】

コンピュータ本体３１は、診断用コンピュータ３による各種制御を行う部分であり、ＣＰＵ３４と、メモリ３５と、データ記憶部３６とを有している。ＣＰＵ３４は、制御の中心となる部分であり、メモリ３５に記憶された動作プログラムに従って動作する。メモリ３５は、ＳＲＡＭやハードディスクといった各種の記憶デバイスによって構成され、動作プログラムを記憶する他、ワークエリアを確保する。データ記憶部３６もまた、ＳＲＡＭやハードディスクといった各種の記憶デバイスによって構成され、各種の画像データや診断用のマスターカーブ（図１３を参照）の基となるデータなどが記憶される。表示部３２は、ＳＥＭ画像やＳＥＭ２に対する操作画像といった各種の画像を表示する部分であり、例えば液晶ディスプレイによって構成される。入力部３３は作業者の各種操作を受け付ける部分であり、例えばキーボード３３ａやマウス３３ｂによって構成される。

【0021】

この余寿命診断システム１では、ＳＥＭ２の動作が診断用コンピュータ３を通じて制御される。そして、診断用コンピュータ３では、ＳＥＭ２から送信された画像信号に基づいてサンプルのＳＥＭ画像データを取得し、余寿命を診断する。以下、余寿命の診断処理について説明する。

【0022】

図３は、余寿命の診断処理を説明するフローチャートである。この診断処理では、レプリカ採取処理（Ｓ１）、ＳＥＭ観察処理（Ｓ２）、観察画像取得処理（Ｓ３）、画像調整処理（Ｓ４）、参照線描画・垂直粒界抽出処理（Ｓ５）、損傷粒界認識処理（Ｓ６）、Ｄパラメータ算出処理（Ｓ７）、及び、余寿命診断評価（Ｓ８）を順に行う。

【0023】

以下、各処理について説明する。なお、本実施形態では、ボイラー機器に広く使用されている２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼といった低合金鋼配管の溶接熱影響部（ＨＡＺ部）の余寿命を診断する場合について説明する。

【0024】

レプリカ採取処理（Ｓ１）は、測定対象物（本実施形態では鋼管）における損傷が予測されるＨＡＺ部について、組織をプラスチックフィルムに転写し、測定対象としてのレプリカを採取する処理である。このレプリカ採取処理では、ＨＡＺ部をグラインダー等で鏡面に研磨した後にエッチングを行う。次に、プラスチックフィルムをＨＡＺ部に張り付けて組織を転写することで、レプリカ（組織が転写されたプラスチックフィルム）を採取する。

【0025】

ＳＥＭ観察処理（Ｓ２）は、採取されたレプリカをＳＥＭ２で観察する処理である。このＳＥＭ観察処理では、前処理として金又は白金の蒸着処理を行い、レプリカの表面に金などの蒸着膜を形成する。蒸着膜を形成したならば、ＳＥＭ２による観察を行う。例えば、試料ステージ２３の上に蒸着膜が形成されたレプリカを載置し、診断用コンピュータ３を操作してレプリカの表面形状を観察する。

【0026】

この場合において、診断用コンピュータ３は、ＳＥＭ２から送信された画像信号に基づいてレプリカのＳＥＭ画像データを生成し、表示部３２に表示させる。作業者は、入力部３３を操作することで、粒界が表示部３２で視認できるように表示倍率を定める。また、作業者は、入力部３３を操作することで試料ステージ２３を動作させ、レプリカの観察方向を定める。具体的には、測定対象物としての鋼管に作用する応力方向（応力方向と推定される方向）が所定方向になるように、レプリカの観察方向を定める。本実施形態では、応力方向が表示部３２の表示画面において縦方向（矩形状画面の側縁と平行な方向）となるように観察方向を定める。

【0027】

観察画像取得処理（Ｓ３）では、診断用コンピュータ３が、ＳＥＭ２で撮影された観察画像に対応するＳＥＭ画像データを取得する。例えば、作業者からの入力部３３への操作によって撮影が指示されると、診断用コンピュータ３は、生成したＳＥＭ画像データをデータ記憶部３６に記憶させる。このとき、診断用コンピュータ３はＳＥＭ２を制御し、平面方向に対してマトリクス状（行列状）に複数のＳＥＭ画像データを撮影させる。すなわち、撮影対象位置を変えながら、レプリカを複数回顕微鏡撮影させることで、複数の画像を取得する。これにより、Ｄパラメータの算出に必要な平面範囲に亘って、複数のＳＥＭ画像データが取得される。このＳＥＭ画像データは、表示部３２での表示画面に対応した横長矩形状範囲の画像データである。このため、表示画像と同様に、縦方向が応力方向（応力方向と推定される方向）に相当する。

【0028】

なお、本実施形態では、図４に示すように、Ａ列〜Ｇ列、及び、第１行〜第６行からなる４２枚の画像データＧＲを取得した場合を例に挙げて説明する。便宜上、以下の説明では、Ａ列第１行のＳＥＭ画像データを画像データＧＲ（Ａ１）と、Ｂ列第１行のＳＥＭ画像データを画像データＧＲ（Ｂ１）と表し、以下同様に、Ｇ列第６行のＳＥＭ画像データを画像データＧＲ（Ｇ６）と表す。

【0029】

各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）には、粒界の画像データＬ、ボイドの画像データＶ、及び、ゴミの画像データＮが含まれている。これらの画像データのうち、粒界の画像データＬは、例えば、始点座標と終点座標とを有する直線の画像データとして取得される。また、ボイドの画像データＶやゴミの画像データＮは、例えば、ボイドやゴミの外周に添った円、楕円、多角形の画像データとして取得される。すなわち、中心と半径、長軸と短軸、多角形の頂点座標と短い直線の組み合わせからなる画像データとして取得される。

【0030】

また、図５及び図６に一部を示すように、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）は、隣接する他の画像データＧＲとの間で、ハッチングで示す縁部分ＥＤのデータを共有している。これにより、Ｄパラメータの算出に必要とされる平面範囲を隈無く網羅している。

【0031】

画像調整処理（Ｓ４）では、診断用コンピュータ３が、取得した各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）に対して各種の調整を行う。例えば、図４に示すように、ＳＥＭ２から得られた画像データＧＲには、ゴミ画像Ｎや余分な粒界画像ＬＸが存在する。また、符号ＬＹで示すように、粒界画像同士の間が欠けていたりする。このような画像データＧＲをそのまま用いて処理を進めると、求められたＡパラメータの精度が損なわれ、ひいては余寿命の診断結果にまで影響が及んでしまう。そこで、画像調整処理では、ゴミ画像Ｎの除去、余分な粒界画像ＬＸの除去、欠けている粒界画像ＬＹ同士の補間などが行われる。

【0032】

図４に示すゴミ画像Ｎは、粒界画像Ｌの上に位置していないことから、ボイド画像Ｖとは異なるものとして区別できる。なお、ゴミ画像Ｎについては、形状が細長い場合やボイド画像Ｖよりも有意に大きい場合にも、ボイド画像Ｖとは異なるものとして区別できる。

【0033】

また、図４の画像データＧＲ（Ｄ３），ＧＲ（Ｅ４），ＧＲ（Ｆ５）において、余分な粒界画像ＬＸが存在する。これらの粒界画像ＬＸは、その延長線上に対応する粒界画像が存在しない。このため、余分な粒界画像であると判断できる。一方、画像データＧＲ（Ｄ１）〜（Ｅ１），ＧＲ（Ｄ２），ＧＲ（Ｅ３），ＧＲ（Ｅ５）において、途中で途切れている粒界画像ＬＹが存在する。これらの粒界画像ＬＹについては、その延長線上に対応する粒界画像ＬＹが存在したり、他の粒界画像Ｌの端点ＰＬが存在したりするため、画像を補間することにより１つの粒界として扱うことができる。

【0034】

これらのゴミ除去処理、余分な粒界画像ＬＸの除去処理、及び、途切れた粒界画像ＬＹの補間処理を、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）に対して行うと、図７に示すように、各画像データＧＲにおいてゴミ画像Ｎや余分な粒界画像ＬＸが除去され、かつ、途切れた粒界画像ＬＹが補間される。これにより、診断に適したクリアな画像データが得られる。そして、診断用コンピュータ３は、各処理がなされたＳＥＭ画像データについて、各粒界の始点座標と終点座標を含む粒界データを、観察対象となる平面範囲に存在する全ての粒界について取得する。

【0035】

このように本実施形態では、この画像調整処理（Ｓ４）が、鋼管（金属）のレプリカを顕微鏡撮影することで得られた、金属表面における複数の粒界に対応するＳＥＭ画像データ（粒界画像データ）を診断用コンピュータ３に取得させる、粒界画像データ取得ステップに相当する。また、粒界画像データから、各粒界の始点座標と終点座標を含む粒界データを診断用コンピュータ３に取得させる、粒界データ取得ステップにも相当する。

【0036】

この画像調整処理（Ｓ４）で取得された粒界画像データや全ての粒界の粒界データは、データ記憶部３６に記憶され、その後の処理で参照される。また、ボイドの画像データＶについても同様に、データ記憶部３６に記憶される。ボイドの画像データＶとしては円形データと楕円形データの２種類が用意されている。円形データの場合、中心座標のデータ及び半径のデータ等、円の位置と大きさを特定できるデータが記憶される。楕円形データの場合、焦点の座標データ、長軸長さのデータ、短軸長さのデータ等、楕円の位置と大きさと傾きを特定できるデータが記憶される。

【0037】

前述したように、各画像データＧＲ（Ａ１）〜ＧＲ（Ｇ６）は、隣接する画像データＧＲとの間で、ハッチングで示す縁部分ＥＤのデータを共有している（図５を参照）。この縁部分ＥＤ（重複部分）のデータを複数の画像データＧＲに割り当ててしまうと、同一の粒界画像Ｌやボイド画像Ｖであるにも拘わらず、別の粒界画像Ｌやボイド画像Ｖとしてカウントされてしまう虞がある。そこで、画像調整処理では、各画像データＧＲの縁部分ＥＤについて１つの画像データＧＲに割り振るようにし、他の画像データＧＲについては対象外領域として設定している。

【0038】

例えば、図６に示すように、各画像データＧＲにおける右端部から下端部に亘って倒Ｌ状の対象外領域ＥＸを設定する。これにより、画像データＧＲ（Ａ１）、画像データＧＲ（Ｂ１）、画像データＧＲ（Ａ２）及び画像データＧＲ（Ｂ２）の４つが重なっている重複部分ＥＤ１については画像データＧＲ（Ｂ２）に割り振られる。また、重複部分ＥＤ１から横方向（長辺方向）に延びる重複部分ＥＤ２については画像データＧＲ（Ａ２）に割り振られ、重複部分Ｘ５から縦方向（短辺方向）に延びる重複部分Ｘ７については画像データＧＲ（Ｂ１）に割り振られる。その結果、異なる画像データＧＲに存在する同一の粒界画像Ｌやボイド画像Ｖを、重複してカウントしてしまう不具合を防止できる。

【0039】

加えて、１つの粒界が複数の画像データＧＲに跨って存在する場合、診断用コンピュータ３は、各画像データＧＲに存在する粒界データ同士をリンクさせ、１つの粒界として扱えるようにしている。

【0040】

図６の例では、粒界データＬＡが画像データＧＲ（Ａ１）と画像データＧＲ（Ｂ１）に跨って存在する。そこで、診断用コンピュータ３は、粒界データＬＡの画像データＧＲ（Ａ１）に属する部分のデータＬＡ１と、粒界データＬＡの画像データＧＲ（Ｂ１）に属する部分のデータＬＡ２とを個別に記憶し、データＬＡ１とデータＬＡ２とが同じ粒界のデータであることを示す属性データを付与する。診断用コンピュータ３は、属性データに基づいてデータＬＡ１とデータＬＡ２とが同じ粒界ＬＡのデータであることを認識する。

【0041】

同様に、粒界データＬＢが画像データＧＲ（Ａ１）と画像データＧＲ（Ａ２）に跨って存在する。そこで、診断用コンピュータ３は、粒界データＬＢの画像データＧＲ（Ａ１）に属する部分のデータＬＢ１と、粒界データＬＢの画像データＧＲ（Ａ２）に属する部分のデータＬＢ２とを個別に記憶し、データＬＢ１とデータＬＢ２とが同じ粒界のデータであることを示す属性データを付与する。診断用コンピュータ３は、属性データに基づいてデータＬＢ１とデータＬＢ２とが同じ粒界ＬＢのデータであることを認識する。

【0042】

以上の画像調整処理が終了したならば、参照線描画・垂直粒界抽出処理（Ｓ５）が行われる。この参照線描画処理において、診断用コンピュータ３は、鋼管（金属）の応力方向に垂直な参照方向を示す参照線を表示部３２に描画する。言い換えれば、参照方向を示す参照方向データを画像データＧＲに設定する。本実施形態では、図８に示すように、応力方向が画像データＧＲの短辺方向に定められている。このため、診断用コンピュータ３は、参照方向データＲＬを画像データＧＲの長辺方向に設定する。この参照方向データＲＬは、垂直粒界抽出処理において、画像データＧＲに含まれる粒界データのうち、判断対象となる粒界データを特定するために用いられる。すなわち、この参照方向データＲＬで描かれる参照線と交差する位置に形成された粒界の粒界データＬが判断対象になる。

【0043】

この場合において、診断用コンピュータ３は、応力方向の位置を所定ピッチで変えながら参照方向データＲＬを繰り返し設定する。これは、画像データＧＲに含まれる粒界データＬを、診断用コンピュータ３によってもれなく認識するためである。図８の例では、画像データＧＲ（Ａ１）に５つの粒界データＬＡ〜ＬＥが含まれている。仮に、短辺方向のほぼ中心に位置する参照方向データＲＬＡだけを設定した場合、このデータＲＬＡの参照線と交差する粒界の粒界データＬＣ，ＬＡ，ＬＥのみが判断対象とされる。そして、粒界データＬＢ，ＬＤについては、他の画像データＧＲで判断対象とされなければ、判断対象から漏れてしまう。このような不具合を防止するため、参照方向データＲＬを繰り返し設定している。

【0044】

垂直粒界抽出処理において、診断用コンピュータ３は、画像データＧＲに含まれる各粒界データＬについて、応力方向とほぼ垂直方向に形成された垂直粒界の粒界データであるか否かを判断し、垂直粒界の粒界データを垂直粒界データＬ´として抽出する。このため、診断用コンピュータ３は、参照線と交差する粒界の粒界データＬを抽出し、抽出した粒界データＬの始点座標及び終点座標から粒界の角度を求め、求めた角度を参照線の角度と比較することで、抽出した粒界データＬが垂直粒界データＬ´であるか否かを判断する。本実施形態では、参照線の角度を中心（０°）として±３０°の角度範囲に存在する粒界の粒界データＬを、垂直粒界データＬ´としている。

【0045】

この垂直粒界抽出処理は、参照方向データＲＬが切り換えられる毎に行われる。すなわち、参照線描画処理と垂直粒界抽出処理とが交互に行われる。そして、垂直粒界抽出処理では、既に判断された粒界については判断を行わないようにしている。このため、データ記憶部３６には、垂直粒界データＬ´であるか否かの情報が粒界データＬのそれぞれについて記憶される。これらの処理を画像データＧＲ（Ａ１）から画像データＧＲ（Ｇ６）までの各データについて行ったならば、参照線描画・垂直粒界抽出処理（Ｓ５）を終了する。これにより、例えば図９や図１０に示すように、複数の粒界データＬ（点線）のうちの一部が、垂直粒界データＬ´（実線）として抽出される。なお、これらの図において、ボイドの画像Ｖは図示を省略している。

【0046】

このように本実施形態では、参照線描画・垂直粒界抽出処理（Ｓ５）が、配管（金属）の応力方向に垂直な参照方向を示す参照方向データＲＬを、診断用コンピュータ３によってＳＥＭ画像データ（粒界画像データ）に設定する参照方向データ設定ステップに相当する。また、参照方向データに基づいて、複数の粒界データＬの中から、参照方向を中心とする所定の角度範囲に属する垂直粒界データＬ´を抽出させる垂直粒界データ抽出ステップに相当する。

【0047】

垂直粒界データＬ´が抽出されたならば、損傷粒界認識処理（Ｓ６）が行われる。この損傷粒界認識処理において、診断用コンピュータ３は、データ記憶部３６に記憶された垂直粒界データＬ´と、この垂直粒界データＬ´に対応する垂直粒界に形成されたボイドの画像データＶを読み出す。そして、この垂直粒界におけるボイドの占める比率を求め、損傷粒界に対応する損傷粒界データＬ″（図１１，図１２参照）か否かを判断する。

【0048】

図１１（ａ）〜（ｅ）は、粒界とボイドの関係を損傷の度合い毎に示す図である。すなわち、図１１（ａ）はボイドが発生していない状態を示し、図１１（ｂ）は径が０．５μｍ以上のボイドが発生した状態を示す。図１１（ｃ）は径が０．５μｍ以上のボイドが飽和した状態を示し、図１１（ｄ）はボイドが成長している状態を示し、図１１（ｅ）はボイドが連結した状態を示す。

【0049】

これらの図に示すように、粒界のボイドによる損傷は、極めて小さなボイドが粒界上に発生することから始まる（図１１（ｂ）の状態）。そして、粒界上のボイド数が飽和すると（図１１（ｃ）の状態）、各ボイドが成長して大きくなり（図１１（ｄ）の状態）、隣接するボイド同士が合体する（図１１（ｄ）の状態）。本実施形態では、ボイド数が飽和したことをもって、当該粒界が損傷していると判断する。この判断を行うため、診断用コンピュータ３は、垂直粒界データＬ´から垂直粒界の長さＬＬを取得する。また、ボイドの画像データＶからボイドの幅Ｗを取得する。ここで、複数のボイドが粒界上に存在する場合は、各ボイドの幅Ｗ１〜Ｗｎ（図１１の例ではｎ＝４）を合算することでボイドの幅Ｗを求める。そして、垂直粒界の長さＬＬにおけるボイドの幅Ｗの占める比率を算出し、この比率が判断基準値以上（図１１の例では５０％以上）であれば、その垂直粒界は損傷粒界と判定する。この場合、データ記憶部３６には、損傷粒界データＬ″である旨を示す情報が、対応する粒界データＬに記憶される。

【0050】

この処理を、抽出された全ての垂直粒界データＬ´について行ったならば、損傷粒界認識処理（Ｓ６）を終了する。これにより、例えば図１２に示すように、複数の垂直粒界データＬ´（実線・細線）のうちの一部が、損傷粒界データＬ″（実線・太線）として抽出される。

【0051】

このように本実施形態では、損傷粒界認識処理（Ｓ６）が、垂直粒界データに対応する粒界上のボイド形成状態に基づいて、当該垂直粒界データが損傷粒界に対応する損傷粒界データか否かを、診断用コンピュータ３が判断する損傷粒界判断ステップに相当する。

【0052】

続くＤパラメータ算出処理（Ｓ７）において、診断用コンピュータ３は、垂直粒界データに対応する垂直粒界の数、及び、損傷粒界データに対応する損傷粒界の数に基づいてＤパラメータを算出する。ここで、Ｄパラメータは、次式（１）に基づいて算出される。すなわち、観察領域（観察画像の範囲）における損傷粒界の数を、観察領域における損傷粒界の全数で除することにより、算出される。そして、診断用コンピュータ３は、算出したＤパラメータの値をデータ記憶部３６に記憶させ、この処理を終了する。

【数1】

【0053】

余寿命診断評価（Ｓ８）において、診断用コンピュータ３は、マスターカーブをデータ記憶部３６から読み出し、算出したＤパラメータの値をあてはめることで、鋼管（金属）の時間分数（すなわち余寿命）を取得する。ここで、マスターカーブは、例えば図１３に示すように、横軸を時間分数とし、縦軸をＤパラメータとした場合の相関関係を示すグラフであり、鋼管のクリープ促進試験によって予め取得されたものである。そして、時間分数は、破断時での経過時間を値「１」とした場合の経過時間を比率で示すものである。このため、鋼管の余寿命を表す指標でもある。従って、このマスターカーブは、Ｄパラメータと鋼管の余寿命との相関関係を示しているといえる。

【0054】

このように、診断用コンピュータ３は、算出したＤパラメータの値をマスターカーブにあてはめることで鋼管の余寿命を診断する。従って、この余寿命診断評価は、Ｄパラメータ法を用いて鋼管（金属）の余寿命を、診断用コンピュータ３に診断させる余寿命診断ステップに相当する。そして、余寿命に基づいて交換時期と判断された場合には、その旨を表示部３２で表示することで作業者に報知する。また、十分に余寿命がある場合にも、その余寿命を表示部３２で表示することで作業者に報知する。

【0055】

この余寿命診断評価が終了すると一連の診断処理が終了し、次のレプリカに対する診断が前述した手順に則って繰り返し行われる。

【0056】

以上説明したように、本実施形態によれば、参照線描画・垂直粒界抽出処理（Ｓ５）にて、配管の応力方向に垂直な参照方向を示す参照方向データを、粒界画像データに設定させるとともに、この参照方向データに基づいて、複数の粒界データの中から、参照方向を中心とする所定の角度範囲に属する垂直粒界データを抽出させているので、手作業では困難な垂直粒界データの抽出を迅速かつ確実に行うことができる。また、損傷粒界認識処理（Ｓ６）にて、抽出された垂直粒界データとボイドの情報とに基づいて損傷粒界データか否かを判断する際に、その判断処理を容易化することができる。その結果、クリープ損傷を受ける配管の余寿命をＤパラメータ法で診断するに際し、余寿命診断処理の容易化が図れる。

【0057】

また、参照方向データを設定するに際し、応力方向の位置を変えながら前記参照方向データを繰り返し設定させているので、複数の粒界データの中から垂直粒界データをもれなく確実に抽出することができる。

【0058】

また、損傷粒界データか否かを判断するに際し、垂直粒界データに対応する粒界の長さＬＬとボイドの幅（長さ）Ｗの比率を用いているので、診断用コンピュータによる判断の確実性を高めることができる。

【0059】

また、ＳＥＭ画像データ（粒界画像データ）を取得するに際し、撮影対象位置を変えながら複数回顕微鏡撮影させており、参照方向データを設定するに際し、各ＳＥＭ画像データのそれぞれを対象にしており、かつ、垂直粒界データを抽出するに際しても、各ＳＥＭ画像データのそれぞれを対象にしているので、顕微鏡で撮影された画像を敷き詰めてつなぎ合わせるタイリングを行わずに済み、作業効率を高めることができる。

【0060】

また、余寿命を診断するに際し、Ｄパラメータと時間分数との相関関係を示すマスターカーブを予め取得しておき、Ｄパラメータをマスターカーブにあてはめているので、余寿命を容易に診断することができる。

【0061】

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。例えば、次のように構成してもよい。

【0062】

本発明に係る余寿命診断装置に関し、前述の実施形態では、ＳＥＭ２が診断用コンピュータ３と一体に設けられた余寿命診断システム１を例示したが、診断用コンピュータ３だけで構成してもよい。この場合、ＳＥＭ２で得られたＳＥＭ画像データを診断用コンピュータ３に入力すればよい。

【0063】

また、撮影に用いる顕微鏡に関し、前述の実施形態ではＳＥＭ２を例示したが、他の型式の電子顕微鏡（例えば透過型電子顕微鏡）であってもよいし、光学顕微鏡であってもよい。要するに、レプリカに転写された組織（粒界やボイド）を確認できる性能を有するものであれば用いることができる。

【0064】

診断対象に関し、前述の実施形態では、動力用配管等に用いられる鋼管を例示したが、これに限定されない。例えば、ボイラーやタービンの隔壁であってもよい。要するに、高温高圧環境下に曝され、その余寿命をＤパラメータによって診断できる金属であれば、本発明を適用できる。

【符号の説明】

【0065】

１…余寿命診断システム
２…走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
２１…電子銃
２２…磁界レンズ
２３…試料ステージ
２４…二次電子検出器
３…診断用コンピュータ
３１…コンピュータ本体
３２…表示部
３３…入力部
３４…ＣＰＵ
３５…メモリ
３６…データ記憶部
ＧＲ…１枚の画像データ
Ｌ…粒界データ
Ｌ´…垂直粒界データ
Ｌ″…損傷粒界データ
ＬＬ…垂直粒界の長さ
Ｖ…ボイドの画像データ
Ｗ…ボイドの幅（ボイドの長さ）
Ｎ…ゴミの画像データ
ＥＤ…画像データの縁部分
ＥＸ…画像データの対象外領域
ＲＬ…参照方向データ（参照線画像）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】