JP6254033B2

JP6254033B2 - 寿命評価方法及び寿命評価装置

Info

Publication number: JP6254033B2
Application number: JP2014070399A
Authority: JP
Inventors: 平川　裕一; 裕一平川; 寛明福島; 吉田　博明; 博明吉田; 慶一郎宮島; 新吾伊達
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP2015190950A

Description

本発明は、高温機器に使用される耐熱鋼管の溶接部において、特に、異なる材料同士をつなぎ合わせて形成される異材継手部の寿命を評価する寿命評価方法及び寿命評価装置に関するものである。

蒸気タービンやボイラ等の高温配管には、使用温度によって低合金鋼や高クロム鋼が使用されており、材料が変わる接合部には低合金鋼と高クロム鋼との異材溶接継手が存在する。配管の溶接部は、高温・長時間の使用に伴って主としてクリープ損傷に起因する経年劣化が進行し、特に異種材料による溶接継手部（以下、異材継手部という）では異材継手部の界面にクリープ損傷が生じ、ラボでのクリープ破断試験では試験条件によっては界面破断を生じる場合があることが文献で報告されている。このため、配管の溶接部では、損傷の有無を定期的又は稼動状況等に応じて検査し、検査結果に基づき必要に応じて配管の寿命を診断している。異材継手部を対象とした損傷の検査手法として、水蒸気酸化スケールの厚さが温度と時間の関数であることに基づいて、水蒸気酸化スケールの厚さから、高温状態にあることで生じるクリープ疲労で発生するき裂による損傷度を評価診断する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この損傷診断方法では、所定のパラメータとして、管内面の水蒸気酸化スケールと、ボイラの起動停止回数とを含んでいる。

特開２００３−９０５０６号公報

しかしながら、従来方法は配管の外表面におけるき裂発生までの寿命を評価するものが一般的であり、たとえば超音波探傷検査（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ、以下、「ＵＴ検査」と称する。）で配管の内面や内部にき裂発生が検出された場合には適用できない。ここで、検出されたき裂が限界き裂深さに達する前に、取り替え等のメンテナンス処置を進める必要があるが、異材継手部周りの取り替えを行うためには、異材継手部を構成する材料を手配することになり、この手配に時間を要することから、暫定的に異材継手部を継続して使用する場合がある。このため、配管の内面や内部にき裂発生が検出された場合、限界き裂に達するまでのき裂伝播寿命を精度良く評価することが望まれている。

また、異材継手部は、高温・長時間の使用に伴って経年劣化が進行しており、き裂が検出された部位および時間によって、今後き裂が伝播していく部位の予クリープ損傷量（以後、予損傷量と称する。）も都度異なっている。この予クリープ損傷量により変化する異材継手部の材料特性としては、クリープ速度とき裂伝播速度があり、それぞれき裂伝播評価精度に影響を及ぼすパラメータである。しかしながら、特許文献１の損傷診断方法では、所定のパラメータとして、管内面の水蒸気酸化スケールと、ボイラの起動停止回数とを含んでいるが、予損傷量による材料特性の変化を考慮していないことから、異材継手部の寿命を精度良く評価することが困難である。

そこで、本発明は、異材継手部の予損傷量を考慮して、異材継手部のき裂伝播寿命を精度良く評価することができる寿命評価方法及び寿命評価装置を提供することを課題とする。

本発明の寿命評価方法は、異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価方法において、前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さを取得する主き裂長さ取得工程と、クリープ変形によって前記異材継手部が受けた予損傷量を評価する予損傷量評価工程と、評価した前記予損傷量に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出するための因子となるクリープ定数を補正するクリープ定数補正工程と、前記クリープ定数補正工程において補正された前記クリープ定数に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する寿命算出工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の寿命評価装置は、異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価方法において、前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さを取得する主き裂長さ取得工程と、クリープ変形によって前記異材継手部が受けた予損傷量を評価する予損傷量評価工程と、評価した前記予損傷量に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出するための因子となるクリープ定数を補正するクリープ定数補正工程と、前記クリープ定数補正工程において補正された前記クリープ定数に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する寿命算出工程と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、異材継手部の予損傷量に基づいて、異材継手部の寿命を算出するための因子となるクリープ定数を補正することができるため、予損傷量を考慮することができ、これにより、異材継手部の寿命を精度良く算出することができる。なお、主き裂は、異材継手部に発生する単体のき裂であってもよいし、異材継手部に発生する複数のき裂をつなぎ合わせて単一のき裂とみなしたみなしき裂であってもよい。

また、前記クリープ定数は、クリープ速度及びクリープき裂伝播速度であり、前記クリープき裂伝播速度は、前記クリープ速度を因子として含むき裂評価パラメータと、前記異材継手部の材料定数とに基づいて算出され、前記クリープ定数補正工程は、損傷前の前記異材継手部の前記クリープ速度を、評価した前記予損傷量に応じて補正するクリープ速度補正工程と、評価した前記予損傷量に応じた前記材料定数を設定する材料定数設定工程と、前記クリープ速度補正工程において補正した前記クリープ速度に基づいて、前記き裂評価パラメータを算出するき裂評価パラメータ算出工程と、前記き裂評価パラメータ算出工程において算出した前記き裂評価パラメータと、前記材料定数設定工程において設定された前記材料定数とに基づいて、前記クリープき裂伝播速度を補正するクリープき裂伝播速度補正工程と、を有し、前記寿命算出工程は、前記クリープき裂伝播速度補正工程で補正された、前記クリープ定数である前記クリープき裂伝播速度に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する所定の算出式から、前記異材継手部の寿命を算出することが好ましい。

この構成によれば、クリープ定数としてのクリープ速度及びクリープき裂伝播速度を、予損傷量に応じて補正することができるため、クリープき裂伝播速度に基づいて算出される異材継手部の寿命を精度良く算出することができる。

また、前記予損傷量評価工程では、前記異材継手部の検査時に計測される前記主き裂の長さと前記異材継手部の使用時間とに基づいて取得される複数の計測点を補間する、前記クリープき裂伝播速度に関するき裂進展カーブを導出することで、前記予損傷量を評価し、前記クリープ定数補正工程では、前記予損傷量評価工程において導出した前記き裂進展カーブに基づいて、前記クリープ定数を補正することが好ましい。

この構成によれば、異材継手部に発生する現実の主き裂のクリープき裂伝播速度から、異材継手部の予損傷量を評価することができるため、クリープ定数を適切に補正することができる。

また、前記予損傷量評価工程では、クリープ変形によって前記異材継手部が受ける前記予損傷量を、応力解析によって評価することが好ましい。

この構成によれば、異材継手部の予損傷量を、応力解析によって評価することができるため、異材継手部を実計測することなく予損傷量を評価することができ、クリープ定数を適切に補正することができる。

また、前記予損傷量評価工程では、前記異材継手部の検査時に計測される前記異材継手部の表面組織を取得し、取得した前記表面組織から前記予損傷量を評価することが好ましい。

この構成によれば、実計測した異材継手部の表面組織から、異材継手部の予損傷量を評価することができるため、クリープ定数を適切に補正することができる。

また、前記予損傷量評価工程では、前記異材継手部に作用する作用応力を応力解析によって取得し、取得した前記表面組織と、取得した前記作用応力とに基づいて、前記予損傷量を評価することが好ましい。

この構成によれば、実計測した異材継手部の表面組織と、応力解析によって異材継手部に作用する作用応力とを用いることで、異材継手部の予損傷量をより精度良く評価することができるため、クリープ定数をより適切に補正することができる。

図１は、内表面にき裂が発生した溶接継手部（の異材継手界面）を、軸方向に直交する面で切ったときの断面図である。図２は、き裂が発生した溶接継手部を、軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。図３は、本実施例に係る寿命評価装置のブロック図である。図４は、寿命評価方法で用いられるき裂評価モデルを示す説明図である。図５は、応力に応じて変化するクリープ速度のグラフである。図６は、き裂評価パラメータに応じて変化するクリープき裂伝播速度のグラフである。図７は、予損傷量に応じて変化する第１材料定数及び第２材料定数のグラフである。図８は、本実施例に係る寿命評価方法に関するフローチャートである。図９は、使用時間に応じて変化する主き裂のグラフである。図１０は、溶接継手部の厚さ方向における応力分布のグラフである。図１１は、溶接継手部の厚さ方向における予損傷量の分布のグラフである。

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。

本実施例に係る寿命評価方法は、異なる金属材料同士を溶接によりつなぎ合わせることで形成される溶接継手部（異材継手部）１０の寿命を推定する方法である。この寿命評価方法では、溶接継手部１０に発生した主き裂１１が、溶接継手部１０の厚み方向において、処置可能な限界き裂１５（図９参照）に達するまでの寿命を推定している。先ず、寿命評価方法の説明に先立ち、評価対象となる溶接継手部１０について説明する。

図１及び図２に示すように、溶接継手部１０は、円筒形の第１母材１８と、円筒形の第２母材１９とを接合する、いわゆる溶金部である。第１母材１８は、高クロム鋼を用いて構成され、第１母材１８の第２母材１９側の端面には、インコネル（登録商標）等のニッケル基合金を用いてバタリング部１０ａが形成されている。第２母材１９は、低合金鋼を用いて構成され、第２母材１９の第１母材１８側の端面にも、インコネル等のニッケル基合金を用いてバタリング部１０ｂが形成されている。そして、第１母材１８のバタリング部１０ａと第２母材１９のバタリング部１０ｂとが突き合せて形成される開先に対し、インコネル等のニッケル基合金からなる溶加材を用いて溶接することにより、溶接継手部１０が形成される。このため、溶接継手部１０は、インコネル等のニッケル基合金を用いて構成される。

ここで、溶接継手部１０には、高温下で熱応力、内圧および外力が作用することにより時間の経過に伴ってクリープ損傷が進行していく。溶接継手部１０にクリープ損傷が与えられると、溶接継手部１０は、その材料特性が変化してしまう。このため、本実施例では、溶接継手部１０に与えられる予損傷量を考慮して、溶接継手部１０の寿命を評価している。

次に、図１及び図２を参照して、溶接継手部１０に発生する主き裂１１について説明する。図２に示すように、主き裂１１は、主に、高クロム鋼を用いて構成される第１母材１８と、溶接継手部１０との界面に発生する。また、図１に示すように、主き裂１１は、例えば、第１母材１８及び第２母材１９の周方向の一部に亘って形成されている。この主き裂１１は、溶接継手部１０の厚さ方向に沿って伝播する。ここで、主き裂１１としては、単体のき裂１１であってもよいし、複数のき裂を厚さ方向に沿ってつなぎ合わせて単一のき裂とみなしたみなしき裂１１であってもよい。なお、主き裂１１の厚み方向における長さをａとする。

次に、溶接継手部１０の寿命を評価する寿命評価装置２０について説明する。寿命評価装置２０は、記憶部２１と、記憶部２１に格納されたデータに基づいて演算を行う演算部２２とを備えている。

記憶部２１は、溶接継手部１０に作用する作用応力に関するデータＤ１、溶接継手部１０周りの温度に関するデータＤ２、クリープ速度に関するデータＤ３、クリープき裂伝播速度に関するデータＤ４、溶接継手部１０に与えられる予損傷量に関するデータＤ５及び溶接継手部１０に発生する主き裂１１の長さに関するデータＤ６等が記憶されている。

作用応力に関するデータＤ１は、溶接継手部１０の応力解析（ＦＥＭ解析（有限要素解析））を行うことで得られるデータとなっている。ここで、溶接継手部１０に作用する作用応力としては、例えば、熱応力があり、第１母材１８と第２母材１９とが離れる方向に作用する応力となっている。温度に関するデータＤ２は、溶接継手部１０周りの解析によって得られるデータとなっている。

主き裂１１の長さに関するデータＤ６は、溶接継手部１０の検査時において計測されることにより得られるデータとなっている。ここで、主き裂１１の長さは、図２に示す超音波探傷装置３０を用いて計測される。

ここで、超音波探傷装置３０は、溶接継手部１０近傍に配置される超音波探触子３１と、超音波探触子３１に接続された超音波探傷器３２とを備える。超音波探触子３１は、超音波を発信（照射）可能に構成されると共に、き裂等によって反射された超音波（反射波）を受信可能に構成されている。超音波探触子３１は、溶接継手部１０へ向けて、超音波を送信可能に設置される。超音波探傷器３２は、超音波探触子３１から照射する超音波の照射信号を生成すると共に、超音波探触子３１を介して入力された反射波の反射信号を取得している。そして、超音波探傷器３２は、反射波に基づいて、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを取得する。そして、超音波探傷装置３０によって探傷することで取得された溶接継手部１０の主き裂１１は、寿命評価装置２０に入力され、これにより、寿命評価装置２０は、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを取得する。

クリープ速度に関するデータＤ３は、例えば、図５に示すデータである。図５のグラフは、その横軸がクリープ速度となっており、その縦軸が応力（作用応力）となっている。クリープ速度は、クリープ変形によって溶接継手部１０に所定の応力が与えられたときの単位時間当たりにおける変形量である。

ここで、図５には、クリープ速度に関するクリープ速度ラインが複数形成されている。このクリープ速度ラインは、予損傷量と対応付けられている。例えば、複数のクリープ速度ラインとして、クリープ速度ラインＬ１、クリープ速度ラインＬ２、クリープ速度ラインＬ３が用意されている。クリープ速度ラインＬ１は、予損傷量がゼロ、つまり、新材となるクリープ速度ラインである。クリープ速度ラインＬ２は、クリープ速度ラインＬ１に比して予損傷量が大きいときのクリープ速度ラインであり、所定の応力が与えられたときのクリープ速度がクリープ速度ラインＬ１に比して大きくなっている。クリープ速度ラインＬ３は、クリープ速度ラインＬ２に比して予損傷量が大きいときのクリープ速度ラインであり、所定の応力が与えられたときのクリープ速度がクリープ速度ラインＬ２に比して大きくなっている。このため、複数のクリープ速度ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、予損傷量が大きくなるにつれて、クリープ速度ラインＬ１からクリープ速度ラインＬ３に向かって（図５に示す矢印の方向に向かって）遷移する。このように、クリープ速度は、予損傷量に応じて補正可能なクリープ定数となっている。

なお、本実施例では、３つのクリープ速度ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３に対応させて、３つの予損傷量を対応付けたが、この構成に限定されない。つまり、クリープ速度ラインは、予損傷量と対応付けられていればよく、予損傷量に応じて連続的に変化するクリープ速度ラインとしてもよい。

クリープき裂伝播速度に関するデータＤ４は、例えば、図６に示すデータである。図６のグラフは、その横軸がき裂評価パラメータＣ^＊となっており、その縦軸がクリープき裂伝播速度ｄａ／ｄｔとなっている。詳細は後述するが、き裂評価パラメータＣ^＊は、溶接継手部１０の厚さ方向におけるき裂の長さ、作用応力、溶接継手部１０の厚さ方向における板厚、クリープ速度を因子として含んでいる。クリープき裂伝播速度ｄａ／ｄｔは、クリープ変形によって溶接継手部１０に所定の応力が与えられたときの単位時間当たりにおけるき裂の進展量である。

ここで、図６には、クリープき裂伝播速度に関するクリープき裂伝播速度ラインが複数形成されている。このクリープき裂伝播速度ラインは、予損傷量と対応付けられている。例えば、複数のクリープき裂伝播速度ラインとして、クリープき裂伝播速度ラインＬ４、クリープき裂伝播速度ラインＬ５、クリープき裂伝播速度ラインＬ６が用意されている。クリープき裂伝播速度ラインＬ４は、予損傷量がゼロ、つまり、新材となるクリープき裂伝播速度ラインである。クリープき裂伝播速度ラインＬ５は、クリープき裂伝播速度ラインＬ４に比して予損傷量が大きいときのクリープき裂伝播速度ラインであり、所定の応力が与えられたときのクリープき裂伝播速度がクリープき裂伝播速度ラインＬ４に比して大きくなっている。クリープき裂伝播速度ラインＬ６は、クリープき裂伝播速度ラインＬ５に比して予損傷量が大きいときのクリープき裂伝播速度ラインであり、所定の応力が与えられたときのクリープき裂伝播速度がクリープき裂伝播速度ラインＬ５に比して大きくなっている。このため、複数のクリープき裂伝播速度ラインＬ４，Ｌ５，Ｌ６は、予損傷量が大きくなるにつれて、クリープき裂伝播速度ラインＬ４からクリープき裂伝播速度ラインＬ６に向かって（図６に示す矢印の方向に向かって）遷移する。このように、クリープき裂伝播速度は、予損傷量に応じて補正可能なクリープ定数となっている。

このクリープき裂伝播速度ｄａ／ｄｔは、予損傷量に応じて変化するが、具体的に、下記する計算式（１）によって表される。なお、Ａは、第１材料定数であり、ｎは、第２材料定数であり、第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎは、予損傷量に応じて設定される。

計算式（１）に示すように、上記の３つのクリープき裂伝播速度ラインＬ４，Ｌ５，Ｌ６は、予損傷量に応じて設定される第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎによって規定される。つまり、３つのクリープき裂伝播速度ラインＬ４，Ｌ５，Ｌ６は、３つの予損傷量を対応付けられており、３つの予損傷量には、３つの第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎが対応付けられている。ここで、図７を参照し、予損傷量に応じて設定される第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎについて説明する。

図７のグラフは、その横軸が予損傷量となっており、その縦軸が第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎの値となっている。このグラフには、予損傷量に応じて変化する第１材料定数Ａのラインと、予損傷量に応じて変化する第２材料定数ｎのラインが形成されている。第１材料定数Ａのライン及び第２材料定数ｎのラインは、予損傷量に応じて連続的に変化する直線となっている。このように、第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎは、予損傷量に応じて変化するパラメータとなっている。

なお、上記のクリープき裂伝播速度ラインＬ４，Ｌ５，Ｌ６は、クリープ速度ラインと同様に、予損傷量と対応付けられていればよく、予損傷量に応じて連続的に変化するクリープき裂伝播速度ラインとしてもよい。つまり、第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎは、図７に示すように、予損傷量に応じて連続的に変化するものであってもよい。

予損傷量に関するデータＤ５は、後述する予損傷量評価工程において評価された溶接継手部１０の予損傷量に関するデータである。この予損傷量に基づいて、クリープ速度が補正されたり、第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎが設定されて、クリープき裂伝播速度が補正されたりする。

演算部２２は、記憶部２１に記憶された各種データに基づいて、主き裂１１が発生した溶接継手部１０の寿命を算出する演算処理を実行している。

ここで、主き裂１１の寿命を評価するにあたって用いられるき裂評価モデルの一例としては、図４に示すモデルとなっている。すなわち、図１に示すように、溶接継手部１０に発生した主き裂１１は、周方向の一部に亘って形成されているが、溶接継手部１０の寿命の算出を行うにあたって用いられるモデルは、溶接継手部１０に発生した主き裂１１が、周方向の全周に亘って形成されたとみなす（図４の左図）と共に、溶接継手部１０を軸方向に沿って切った断面となる簡易な平板モデル（図４の右側）Ｍとして取り扱う。

そして、寿命評価装置２０は、図４のき裂評価モデルを用いて、上記したき裂評価パラメータＣ^＊を求めている。ここで、Ｃ^＊は、下記する計算式（２）で表される。

なお、計算式（２）及び図４に記載される各種パラメータは、下記のとおりである。
Ｃ^＊：Ｃ^＊積分（き裂評価パラメータ）
α_ｃ，ｎ_ｃ：クリープ速度をＮｏｒｔｏｎ則で表した場合の材料定数
σ_０，ε_０：部材（溶接継手部１０）の降伏応力，降伏ひずみ＝１
ｂ，Ｌ：部材幅，長さ
ｈ_ｌ：形状補正係数
ａ：き裂（主き裂１１）の長さ
Ｅ：部材（溶接継手部１０）のヤング率
ν：部材（溶接継手部１０）のポアソン比
Ｐ_０：部材単位厚さあたりの参照荷重
ｃ：部材リガメント部長さ（ｂ−ａ）
（^・）付の記号：時間微分を表す

次に、図８を参照して、上記の記憶部２１及び演算部２２を備える寿命評価装置２０によって、主き裂１１が発生した溶接継手部１０の寿命を評価する演算処理（寿命評価方法）について説明する。

図８に示すように、寿命評価装置２０による溶接継手部１０の寿命の評価に先立ち、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを取得すべく、図２に示す超音波探傷装置３０を用いて溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを計測する（ステップＳ１）。超音波探傷装置３０によって探傷することで取得された溶接継手部１０の主き裂１１は、寿命評価装置２０に入力され、これにより、寿命評価装置２０は、溶接継手部１０に発生した主き裂１１の長さを取得する（主き裂長さ取得工程）。

続いて、後述する予損傷量評価工程において、溶接継手部１０に与えられた予損傷量が評価される（予損傷量評価工程）。予損傷量評価工程によって評価された予損傷量は、寿命評価装置２０に入力され、これにより、寿命評価装置２０は、溶接継手部１０に与えられた予損傷量を取得し、記憶部２１に、データＤ５として記憶する（ステップＳ２）。

この後、寿命評価装置２０は、解析によって既知となる作用応力及び温度を取得し、記憶部２１に、データＤ１及びデータＤ２として記憶する（ステップＳ３）。

次に、寿命評価装置２０は、記憶部２１に記憶された各種データに基づいて、溶接継手部１０の寿命を算出する。先ず、寿命評価装置２０は、記憶部２１に記憶された予損傷量に関するデータＤ５に基づいて、図５に示すグラフ（データＤ３）のクリープ速度カーブを補正する。これにより、クリープ速度は、予損傷量に応じて補正される（ステップＳ４：クリープ速度補正工程）。

続いて、寿命評価装置２０は、ステップＳ４において補正したクリープ速度に基づいて、き裂評価パラメータＣ^＊を算出する（ステップＳ５：き裂評価パラメータ算出工程）。なお、き裂評価パラメータＣ^＊を算出するにあたり、上記の計算式（２）において、主き裂１１の長さａは、ステップＳ１で取得し、作用応力（σ_０，ε_０）は、ステップＳ３で取得し、クリープ速度は、ステップＳ４で取得しており、他のパラメータについては既知の値となっている。

ステップＳ５において、き裂評価パラメータＣ^＊を算出すると、寿命評価装置２０は、記憶部２１に記憶された予損傷量に関するデータＤ５に基づいて、図７に示すグラフから、第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎを設定する（ステップＳ６：材料定数設定工程）。

この後、寿命評価装置２０は、ステップＳ５において算出したき裂評価パラメータＣ^＊と、ステップＳ６において設定した第１材料定数Ａ及び第２材料定数ｎとに基づいて、計算式（１）から、クリープき裂伝播速度を算出することで、クリープき裂伝播速度を補正する（ステップＳ７：クリープき裂伝播速度補正工程）。これにより、寿命評価装置２０は、クリープ定数としてのクリープ速度及びクリープき裂伝播速度を、ステップＳ４及びステップＳ７において補正する（クリープ定数補正工程）。

ステップＳ７において、補正されたクリープき裂伝播速度を算出すると、寿命評価装置２０は、下記する計算式（３）に基づいて、主き裂１１が進展する長さａを求める。

そして、寿命評価装置２０は、進展する主き裂１１の長さａが、限界き裂に達するまでの時間を、溶接継手部１０の寿命として算出する（ステップＳ８：寿命算出工程）。以上のように、寿命評価装置２０は、上記の一連のステップを実行することで、溶接継手部１０の寿命を算出し、溶接継手部１０の寿命を算出する演算処理を終了する。

次に、ステップＳ２において寿命評価装置２０により取得される、溶接継手部１０の予損傷量を評価する予損傷量評価工程について説明する。溶接継手部１０の予損傷量は、種々の評価手法を用いることで評価することができ、一例として、下記する３つの予損傷量評価工程について説明する。

先ず、第１の予損傷量評価工程では、溶接継手部１０の検査時に計測される主き裂１１の長さと溶接継手部１０の使用時間とに基づいて取得される複数の計測点に基づいて、溶接継手部１０の予損傷量を評価している。ここで、図９に示すグラフは、その横軸が使用時間となっており、その縦軸が主き裂１１の長さとなっている。また、Ｐ１，Ｐ２は、溶接継手部１０の検査時に計測される主き裂１１の長さと溶接継手部１０の使用時間とに基づいて取得される計測点である。Ｕ１は、補正前のクリープき裂伝播速度に関するき裂進展カーブであり、Ｕ２は、補正後のクリープき裂伝播速度に関するき裂進展カーブである。

この予損傷量評価工程では、計測点Ｐ１及び計測点Ｐ２を補間するように、き裂進展カーブＵ２をフィッティングさせる。これにより、予損傷量評価工程では、計測点Ｐ１，Ｐ２に基づいて、補正前のき裂進展カーブＵ１を補正することができる。ここで、フィッティングさせたき裂進展カーブＵ２は、クリープき裂伝播速度に関するカーブとなっていることから、予損傷量評価工程では、補正されたクリープき裂伝播速度を取得できる。このため、補正されたクリープき裂伝播速度に基づいて、上記した図８の演算処理を逆解析することで、溶接継手部１０の予損傷量を評価することができる。

次に、第２の予損傷量評価工程では、クリープ変形によって溶接継手部１０が受ける予損傷量を応力解析によって評価している。つまり、この予損傷量評価工程では、溶接継手部１０（実機）の形状を模擬した実機モデルを作成し、この実機モデルを用いて応力解析を行うことで、溶接継手部１０の予損傷量を算出する。

そして、第３の予損傷量評価工程では、溶接継手部１０の検査時に計測される溶接継手部１０の表面組織を取得すると共に、溶接継手部１０に作用する作用応力を応力解析によって取得し、取得した表面組織及び作用応力に基づいて、溶接継手部１０の予損傷量を評価している。ここで、図１０のグラフは、その横軸が溶接継手部１０の厚さ（深さ）となっており、その縦軸が応力（作用応力）となっている。図１０に示すように、応力解析によって得られた溶接継手部１０の厚さ方向における応力分布は、開先形状や管の扁平度によって肉厚内部に極大点を持つ応力分布となる場合がある。予損傷量評価工程では、表面組織の予損傷量を基準として、この応力分布を考慮し（つまり、表面組織の予損傷量に、応力分布に基づく補正値を乗算して）、図１１に示す溶接継手部１０の厚さ方向における予損傷量を導出している。図１１のグラフは、その横軸が溶接継手部１０の厚さ（深さ）となっており、その縦軸が予損傷量（クリープ損傷率＝経過時間／破断時間）となっている。

以上のように、本実施例によれば、溶接継手部１０の予損傷量に基づいて、溶接継手部１０の寿命を算出するための因子となるクリープ定数（クリープ速度及びクリープき裂伝播速度）を補正することができるため、予損傷量を考慮して、溶接継手部１０の寿命を精度良く算出することができる。

また、本実施例によれば、第１の予損傷量評価工程において、溶接継手部１０に発生する現実の主き裂１１のクリープき裂伝播速度から、溶接継手部１０の予損傷量を評価することができるため、クリープ定数を適切に補正することができる。

また、本実施例によれば、第２の予損傷量評価工程において、溶接継手部１０の予損傷量を、応力解析によって評価することができるため、溶接継手部１０を実計測することなく、予損傷量を評価することができ、クリープ定数を適切に補正することができる。

また、本実施例によれば、第３の予損傷量評価工程において、実計測した溶接継手部１０の表面組織と、応力解析によって溶接継手部１０に作用する作用応力とを用いることで、溶接継手部１０の予損傷量を精度良く評価することができるため、クリープ定数を適切に補正することができる。

なお、本実施例では、図４に示すき裂評価モデルを用いてき裂評価パラメータを算出したが、この構成に限定されない。例えば、溶接継手部１０（実機）の形状を模擬した実機き裂評価モデルを作成し、この実機き裂評価モデルを用いてき裂解析を行うことで、き裂評価パラメータを算出してもよい。

１０溶接継手部
１０ａ第１母材のバタリング部
１０ｂ第２母材のバタリング部
１１主き裂
１５限界き裂
１８第１母材
１９第２母材
２０寿命評価装置
２１記憶部
２２演算部
３０超音波探傷装置
３１超音波探触子
３２超音波探傷器
Ｄ１作用応力に関するデータ
Ｄ２温度に関するデータ
Ｄ３クリープ速度に関するデータ
Ｄ４クリープき裂伝播速度に関するデータ
Ｄ５予損傷量に関するデータ
Ｄ６主き裂の長さに関するデータ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３クリープ速度ライン
Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６クリープき裂伝播速度ライン
Ｕ１，Ｕ２き裂進展カーブ
Ｐ１，Ｐ２計測点
Ｍ平板モデル

Claims

異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価方法において、
前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さを取得する主き裂長さ取得工程と、
クリープ変形によって前記異材継手部が受けた予損傷量を評価する予損傷量評価工程と、
評価した前記予損傷量に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出するための因子となるクリープ定数を補正するクリープ定数補正工程と、
前記クリープ定数補正工程において補正された前記クリープ定数に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する寿命算出工程と、を備えることを特徴とする寿命評価方法。
前記クリープ定数は、クリープ速度及びクリープき裂伝播速度であり、
前記クリープき裂伝播速度は、前記クリープ速度を因子として含むき裂評価パラメータと、前記異材継手部の材料定数とに基づいて算出され、
前記クリープ定数補正工程は、
損傷前の前記異材継手部の前記クリープ速度を、評価した前記予損傷量に応じて補正するクリープ速度補正工程と、
評価した前記予損傷量に応じた前記材料定数を設定する材料定数設定工程と、
前記クリープ速度補正工程において補正した前記クリープ速度に基づいて、前記き裂評価パラメータを算出するき裂評価パラメータ算出工程と、
前記き裂評価パラメータ算出工程において算出した前記き裂評価パラメータと、前記材料定数設定工程において設定された前記材料定数とに基づいて、前記クリープき裂伝播速度を補正するクリープき裂伝播速度補正工程と、を有し、
前記寿命算出工程は、
前記クリープき裂伝播速度補正工程で補正された、前記クリープ定数である前記クリープき裂伝播速度に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する所定の算出式から、前記異材継手部の寿命を算出することを特徴とする請求項１に記載の寿命評価方法。
前記予損傷量評価工程では、
前記異材継手部の検査時に計測される前記主き裂の長さと前記異材継手部の使用時間とに基づいて取得される複数の計測点を補間する、前記クリープき裂伝播速度に関するき裂進展カーブを導出することで、前記予損傷量を評価し、
前記クリープ定数補正工程では、
前記予損傷量評価工程において導出した前記き裂進展カーブに基づいて、前記クリープ定数を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の寿命評価方法。
前記予損傷量評価工程では、
クリープ変形によって前記異材継手部が受ける前記予損傷量を、応力解析によって評価することを特徴とする請求項１または２に記載の寿命評価方法。
前記予損傷量評価工程では、
前記異材継手部の検査時に計測される前記異材継手部の表面組織を取得し、取得した前記表面組織から前記予損傷量を評価することを特徴とする請求項１または２に記載の寿命評価方法。
前記予損傷量評価工程では、
前記異材継手部に作用する作用応力を応力解析によって取得し、取得した前記表面組織と、取得した前記作用応力とに基づいて、前記予損傷量を評価することを特徴とする請求項５に記載の寿命評価方法。
異なる材料同士をつなぎ合わせることで形成される異材継手部に発生する主き裂が、限界き裂に達するまでの寿命を評価する寿命評価装置において、
前記異材継手部に発生した前記主き裂の長さと、クリープ変形によって前記異材継手部が受けた予損傷量と、前記異材継手部の寿命を算出するための因子となるクリープ定数と、を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記クリープ定数に基づいて、前記異材継手部の寿命を算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記異材継手部の寿命の算出に先立ち、前記記憶部に記憶された前記予損傷量に基づいて、前記クリープ定数を補正することを特徴とする寿命評価装置。