特許 5900888 Ｎｉ基合金の使用温度推定方法及び寿命評価方法

(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】5900888

(24)【登録日】2016年3月18日

(45)【発行日】2016年4月6日

(54)【発明の名称】Ｎｉ基合金の使用温度推定方法及び寿命評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01K 11/00 20060101AFI20160324BHJP

   G01N 3/00 20060101ALI20160324BHJP

【ＦＩ】

   G01K11/00 Z

   G01N3/00 R

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-139585(P2012-139585)

(22)【出願日】2012年6月21日

(65)【公開番号】特開2014-6048(P2014-6048A)

(43)【公開日】2014年1月16日

【審査請求日】2014年12月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137752

【弁理士】

【氏名又は名称】亀井 岳行

(74)【代理人】

【識別番号】100096541

【弁理士】

【氏名又は名称】松永 孝義

(74)【代理人】

【識別番号】100133318

【弁理士】

【氏名又は名称】飯塚 向日子

(72)【発明者】

【氏名】清水 大

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−１０５８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００５７４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｋ １１／００

Ｇ０１Ｎ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボイラ伝熱管を含む鋼材部品に使用されるＮｉ基合金の表面温度を推定する方法において、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）の酸化物からなる内部酸化深さ及び材料中のＡｌとＴｉの含有量から定義される内部酸化指数と、温度と時間の関数であるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め実験により定め、この関係式を用いて、実機の累積運転時間と内部酸化指数からＮｉ基合金の表面温度を推定する方法。

【請求項2】

ボイラ伝熱管を含む鋼材部品に使用されるＮｉ基合金の表面温度を推定する方法において、実機管の内表面に予め拡散浸透処理によりＡｌ拡散層を形成させ、温度推定に利用することを特徴とする請求項１記載の温度推定方法。

【請求項3】

実機管の外表面に予め拡散浸透処理によりＡｌ拡散層を形成させ、温度推定に利用することを特徴とする請求項１記載のＮｉ基合金の表面温度を推定する方法。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載のＮｉ基合金の表面温度を推定する方法により求めた表面温度を用いて、ボイラ伝熱管を含む鋼材部品に使用されるＮｉ基合金のクリープ破断寿命を推定することを特徴とするＮｉ基合金の寿命評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、火力発電用ボイラ等の高温部に使用されるＮｉ基合金のメタル使用温度の推定方法及び寿命評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＣＯ_２排出低減及び発電効率向上のため、７００℃級Ａ−ＵＳＣボイラの開発が推進されている。７００℃級Ａ−ＵＳＣボイラの高温部過熱器や再熱器等には、現用鋼に比べて高強度であるＮｉ基合金が採用される。過熱器及び再熱器等の高温部の伝熱管の余寿命診断は、メタル温度や燃料性状等に基づき、クリープ寿命や腐食量評価により実施されている。クリープ寿命や腐食量に与えるメタル温度の影響は、高温になるほど大きくなるため、現用鋼に比べて高温で使用されるＮｉ基合金の余寿命診断にはメタル温度はより重要な因子となる。

【0003】

ボイラ高温部伝熱管の実機メタル温度は、負荷変動による温度変化や管内面スケールの伝熱阻害による温度上昇のため、部位により異なる。このため、設計メタル温度を用いた余寿命診断では実機を正確に予測できない可能性がある。また、実機メタル温度の測定は、稼動中のボイラ炉内で多数の管のメタル温度を簡単に計測する方法がないため、非常に困難である。
以上のことから、Ｎｉ基合金のクリープ寿命や腐食量評価による余寿命診断を高精度に行うためには、実機メタル温度を高精度に評価する必要があった。

【0004】

この課題を解決するため、以下に示すＮｉ基合金のメタル温度の推定方法が提案されている。下記特許文献１では、断面ミクロ組織から測定される炭化物の幅や径がメタル温度や運転時間の増加により粗大化することに着目し、メタル温度を推定する方法が考案されている。しかしながら、この手法は材料毎に炭化物の幅、径とメタル温度や運転時間との関係式を求めておく必要があり、また、同材料でも炭化物構成元素である炭素（Ｃ）やクロム（Ｃｒ）等の含有量の違いにより、推定温度が異なる可能性がある。

【0005】

また、下記特許文献２では、Ｎｉ基合金中のγ’相（Ｎｉ_３Ａｌ)の粗大化程度から温度を推定する手法が提案されているが、γ’相は１μｍ以下のサイズであるため、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡を用いた観察が必要であり、簡便でない。従って、Ｎｉ基合金の実機メタル温度を幅広く簡便に推定する有効な手段がないのが現状である。

【0006】

なお、下記特許文献３には高温環境下又は高温高圧環境下で使用される炭素含有金属材料の炭素濃度の測定値と、予め求めておいた炭素含有金属材料の高温環境下又は高温高圧環境下における炭素濃度ＬＭＰとの相関関係から、炭素濃度含有金属材料に対する加熱温度及び加熱時間の関係を求め、この関係に基づいて加熱温度及び加熱時間を推定する方法が開示されている。

【0007】

特許文献３記載の方法は比較的強度でかつ組織変化しやすいフェライト鋼には有効であるが、Ｎｉ基合金などのオーステナイト鋼は組織を安定化させるために様々な元素が添加されているので、炭素濃度変化によって過熱温度及び時間を推定するには困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第３７９４９４３号公報

【特許文献2】特許第４４４０１２４号公報

【特許文献3】特開平７−２８０７９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の課題は、上述した従来技術の問題を解決し、汎用性のある簡便なＮｉ基合金からなる伝熱管の表面温度を推定する手法を提供し、また前記得られたＮｉ基合金からなる表面温度の推定値からボイラ伝熱管を含む鋼材部品に使用されるＮｉ基合金のクリープ破断寿命を推定する方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記本発明の課題は次の解決手段により達成される。
請求項１記載の発明は、ボイラ伝熱管を含む鋼材部品に使用されるＮｉ基合金の表面温度を推定する方法において、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）の酸化物からなる内部酸化深さ及び材料中のＡｌとＴｉの含有量から定義される内部酸化指数と、温度と時間の関数であるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を予め実験により定め、この関係式を用いて、実機の累積運転時間と内部酸化指数からＮｉ基合金の表面温度を推定する方法である。

【0011】

請求項２記載の発明は、ボイラ伝熱管を含む鋼材部品に使用されるＮｉ基合金の表面温度を推定する方法において、実機管の内表面に予め拡散浸透処理によりＡｌ拡散層を形成させ、温度推定に利用することを特徴とする請求項１記載の温度推定方法である。

【0012】

請求項３記載の発明は、実機管の外表面に予め拡散浸透処理等によりＡｌ拡散層を形成させ、温度推定に利用することを特徴とする請求項１記載のＮｉ基合金の表面温度を推定する方法である。

【0013】

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のＮｉ基合金の表面温度を推定する方法により求めた表面温度を用いて、ボイラ伝熱管を含む鋼材部品に使用されるＮｉ基合金のクリープ破断寿命を推定することを特徴としたＮｉ基合金の寿命評価方法である。
なお、本発明で使用されるＮｉ基合金にはアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属成分が含まれる。

【0014】

（作用）
本発明の表面温度推定は材料中のＡｌとＴｉの含有量、内部酸化深さ及び累積運転時間のみで評価できるので、汎用性のある簡便な方法である。
また、本発明により、ボイラの定期点検時に測定される評価部位の内部酸化深さと累積運転時間から運転時の実機メタル温度を推定することができ、材料の寿命評価に適用できる。さらに、異常な表面温度など不適合がある部位を早期に発見することが可能となり、伝熱管の墳破などのトラブルを未然に防ぐことができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、実機管の表面温度を推定することが可能となり、寿命評価を行うことができるので、ボイラの予防保全に貢献できる。また、高価な装置も必要なく、経済的で汎用性がある。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る経年使用後のＮｉ基合金の伝熱管表面近傍の模式図である。

【図2】本発明の効果を説明するための内部酸化指数ＤｉとＬＭＰとの関係を示す図 である。

【図3】本発明の効果を説明するための使用時間及び内部酸化指数からの温度推定を するための内部酸化指数と温度の関係図である。

【図4】本発明の効果を説明するための応力σとＬＭＰとの関係図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の具体的実施例を図面により説明する。

【実施例1】

【0018】

まず、Ｎｉ基合金（Ａｌｌｏｙ６１７（２２Ｃｒ−１２Ｃｏ−９Ｍｏ−Ｔｉ−Ａｌ−ｂａｌ．Ｎｉ））の伝熱管３の表面に生成する内部酸化について説明する。図１は高温で使用された後のＮｉ基合金の管表面を表した模式図である。管表面には合金中のＣｒが酸化してできる酸化スケール１と合金中のＡｌとＴｉが酸化してできるＡｌ_２Ｏ_３やＴｉＯ_２などからなる内部酸化物２が生成する。酸化スケール１の厚さと管内部に形成される内部酸化物２の管表面からの深さ（内部酸化の深さ）Ｄｉは温度及び時間の増加とともに生成量は増加する。特に内部酸化物２の温度依存性は酸化スケール１内よりも顕著である傾向にある。

【0019】

なお、図１の矢印はＨ_２Ｏ，Ｏ_２，Ｃｒ，Ｏ，ＴｉおよびＡｌの移動を示している。また、内部酸化物２は輪郭線のはっきりしない塗りつぶし部分で示している。そして内部酸化物２の先の実線は粒界を示している。
また、鋭意研究を重ねた結果、内部酸化物２の深さＤｉはＡｌとＴｉの含有量に相関があることが分かった。

【0020】

そこで、材料中の単位ＡｌとＴｉ当たりの内部酸化物２の深さＤｉを表す指標として下式に示す内部酸化指数を定義した。
Ｆｉ＝Ｄｉ／ｆ（Ａｌ，Ｔｉ） （１）
ここで、Ｆｉは内部酸化指数、Ｄｉは前記内部酸化物の深さ（μｍ)、Ａｌは材料中のＡｌ（質量％）、Ｔｉは材料中のＴｉ（質量％）であり、上記式（１）は本発明者らが見出した内部酸化指数Ｆｉが材料中のＡｌ，Ｔｉの質量％の関数であることを示している。

【0021】

なお、上記Ｎｉ基合金中のＡｌの含有量は０〜１．５質量％、Ｔｉは０〜２．５質量％程度であり、ＡｌもＴｉも５質量％以下が望ましく、Ａｌ，Ｔｉの含有量が高くなるとＮｉ基合金の耐食性は向上するが、強度や溶接で不利となり実用性が無くなる。
本実施例により、内部酸化指数Ｆｉを用いることで、材料中のＡｌやＴｉの含有量が異なる材料においても温度推定が可能となり幅広く適用できる。

【0022】

本実施例では、同条件下で生成した複数（例えば、約４５個）のＮｉ基合金材料中のＡｌとＴｉの含有量が明確なＮｉ基合金の内部酸化深さＤｉを比較、検討し、内部酸化指数Ｆｉを下式とし、評価した。
Ｆｉ＝Ｄｉ／（Ａｌ＋０．５Ｔｉ） （２）
上記Ｎｉ基合金としては次の３種類のＮｉ基合金を用いた。
Ａｌｌｏｙ６１７（２２Ｃｒ−１２Ｃｏ−９Ｍｏ−Ｔｉ−Ａｌ−ｂａｌ．Ｎｉ）, Ａｌｌｏｙ２６３（２０Ｃｒ−２０Ｃｏ−６Ｍｏ−２Ｔｉ−Ａｌ−ｂａｌ．Ｎｉ）およびＡｌｌｏｙ１４１（２０Ｃｒ−１０Ｍｏ−２Ｔｉ−Ａｌ−ｂａｌ．Ｎｉ）である。
なお、内部酸化深さＤｉは光学顕微鏡を用いて断面厚さを測定する周知な手法で測定した。

【0023】

図２に時間、温度および材料が明確な複数（約４５個）のＮｉ基合金の内部酸化深さＤｉを測定し、下式に示される温度と時間の関数で表されるＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）と式（２）から算出される内部酸化指数Ｆｉをプロットした結果を示す。
ＬＭＰ＝Ｔ×（ｌｏｇｔ＋Ｃ） （３）
ここで、Ｔは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは定数である。
なお、上記の定数Ｃは一般的に２０とされるが、必ずしも２０である必要はない。

【0024】

図２で示した関係を累乗近似した結果、下式で表される。
ＬＭＰ＝２．２５×１０^４×Ｆｉ^{０．０３６} （４）
本結果では、ＬＭＰと酸化指数Ｆｉの関係は累乗近似式で示すと良い相関を示したので採用した。しかし、データ数の変化等により関係式も変化する可能性があり、対数近似式や多項近似式等の他の関数を使用してもよい。

【0025】

次に、実機で調査対象となる管を切断・抜管し、光学顕微鏡による断面観察から内部酸化深さＤｉを測定する。伝熱管の場合、切断・復旧工事は定期点検期間中に比較的容易に行うことができる。例として、Ａｌ量が０．５質量％、Ｔｉ量が１．０質量％のＮｉ基合金（２０Ｃｒ−１０Ｃｏ−１０Ｍｏ−０．５Ａｌ−１．０Ｔｉ−ｂａｌ．Ｎｉ）が累計５０，０００時間使用され、内部酸化深さの測定結果が１０μｍであった場合の温度推定結果を図３に示す。（２）式から内部酸化指数は１０となり、推定メタル温度は７２０℃と評価できる。
このようにして、本発明により、累積運転時間と材質および内部酸化深さから実機管表面の温度を推定することができる。

【0026】

ここでは、温度と時間の関数にＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）を使用して説明したが、これに特に限定するものではなく、ＯＳＤ（Ｏｒｒ−Ｓｈｅｒｂｙ―Ｄｏｒｎ）パラメータやＭＨ（Ｍａｎｓｏｎ−Ｈａｆｅｒｄ）パラメータを使用してもよい。
なお、各パラメータは次式を用いる。式の形が異なるのみでデータは変わらない。
ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔ），
ＯＳＤ＝（ｌｏｇｔ−ｌｏｇｔａ）／（Ｔ−Ｔａ），
（ｔａ，Ｔａは定数）
ＭＨ＝ｌｏｇＴ−Ｑ／ＲＴ （Ｑは定数、Ｒはガス定数）

【0027】

［参考例］
実施例１では、ＡｌとＴｉを含有するＮｉ基合金について温度推定方法を示したが、本参考例では、ＡｌとＴｉを含有しないＮｉ基合金（２０Ｃｒ−１０Ｃｏ−１０Ｍｏ−ｂａｌ．Ｎｉ）についても、管の内表面あるいは外表面に予め拡散浸透処理等によりＡｌ拡散層を形成させて、温度推定を実施することも可能である。
なお、Ａｌ拡散層の形成法は一般的に用いられる拡散浸透処理（カロライズ処理）を使用した。

【実施例2】

【0028】

本実施例では上記実施例１記載のＮｉ基合金（２０Ｃｒ−１０Ｃｏ−１０Ｍｏ−０．５Ａｌ−１．０Ｔｉ−ｂａｌ．Ｎｉ）の温度推定方法により求めた表面温度（７２０℃）を用いたＮｉ基合金の寿命評価方法について説明する。

【0029】

Ｎｉ基合金が使用される高温部伝熱管の寿命評価は、クリープ破断寿命に基づいて行われる。図４は応力（σ）とクリープ破断データを温度（Ｔ）と時間（ｔ）を一元化したＬＭＰとの関係を表したものである。

【0030】

管の円周方向の応力（σ）は、下式で示す平均径の式より算出できる。
σ＝Ｐ×（ＯＤ−ｄ）／(２ｄ) （５）
ここで、Ｐは内圧（ＭＰａ）、ＯＤは外径（ｍｍ）、ｄは管厚（ｍｍ）である。
円周方向の応力（σ）は設計データから求めることができるので、この応力（σ）においてクリープ破断するＬＭＰは図４から算出できる。

【0031】

ＬＭＰは（３）式で示したように温度（Ｔ）と時間（ｔ）の関数であるので、Ｎｉ基合金の温度推定方法により求めた表面温度を用いることで、応力（δ）から算出したＬＭＰと表面温度と図４の関係によりクリープ破断時間が算定できる。
このようにして、本発明により推定した表面温度を用いて、Ｎｉ基合金のクリープ破断寿命を推定することも可能である。

【符号の説明】

【0032】

１ 酸化スケール（Ｃｒ_２Ｏ_３）
２ 内部酸化物（ＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３）
３ Ｎｉ基合金の伝熱管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】