JP6430220B2 - 構造物の寿命診断方法及び構造物の寿命診断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、構造物の寿命診断方法及び構造物の寿命診断装置に関する。

火力発電プラントの主要な構成機器である蒸気タービンやボイラなどの構成材料には、フェライト系耐熱鋼が使用されている。フェライト系耐熱鋼は、高温環境下において優れた強度を発揮し、また、製造性やコストの要求を高いレベルで満足するといった特徴を有している。

ただし、フェライト系耐熱鋼は、製造初期では優れた高温強度を有するものの、高温環境下で長時間使用されると、強度上の材質劣化が進行する。材質劣化が進行すると、最終的に、機器（構造物）における応力の集中する部位や溶接部分などから破損して行き、発電プラントの運転停止につながることがある。このため、定期検査時に、劣化部位や損傷部位の補修若しくは部品交換などによって、プラント運用中の機器の破損を回避することで、電力の安定的な供給が確保されている。

ここで、発電プラントを安全かつ効率的に運用するためには、破損のリスクが高い例えば高温の環境で稼働する機器の損傷進行度の定量化や、破損時期の予測から導き出される機器の残存寿命の把握などによって、機器の補修時期若しくは交換時期を決定する必要がある。そこで、このような損傷進行度及び残存寿命を定量化するために寿命診断技術が利用されている。その一例として、機器の設計上必要な設計情報を加味して構造解析した結果などを、寿命診断に取り入れる技術が提案されている。

しかしながら、この種の解析技術を利用するだけでは、素材個々の強度のばらつきや、例えば長時間高温に晒されることで発生する材質の劣化などが考慮されず、的確な寿命予測をすることが難しくなっている。特に、今日では、ベースロード運転（出力を終日一定させる運転）が一般的であった大型の火力発電プラントにおいてさえも、負荷変動運転の適用が増加している。

このような負荷変動運転は、頻繁に繰り返される起動及び停止に伴い、複雑な負荷変動が発生し、その結果として損傷形態も多様化している。多様化する損傷形態を解析技術のみで適切に評価するのは困難であり、より精度の優れた手法が求められている。そこで、このような昨今の火力発電プラントの運転事情を鑑みて、機器（構造物）の硬度の実測データを考慮に加えた新たな寿命診断方法が提案されている。提案された寿命診断方法は、フェライト系耐熱鋼の実際の損傷態様において支配的なクリープ損傷の進行が、硬度低下の挙動に対応していることを利用している。

ところで、高温の環境に置かれる機器において、明確に損傷の発生する部位は、表面形状が不連続な応力の集中する部位（応力集中部）であることが多い。しかしながら、硬度計測用のプローブ（エコーチップなど）によって、このように表面形状がフラットでない部位に、エコーチップなどの硬度計測用のプローブ（接触子）を当てて、硬度を計測することは困難である。したがって、このような状況で計測された硬度計測データは、計測精度が低く、この硬度計測データから導かれる寿命診断結果の信頼性も低いものといえる。また、仮に硬さを正確に計測できたとしても、硬さの計測値は、素材の製造履歴などによって大きく変動する。このため、硬さ計測のみでの正確な寿命診断には限界がある。

一方、上記した方法とは異なる方法として、損傷部位から微小なサンプルを直接採取し、そのサンプルを用いて、破壊試験（ミニチュア試験）を行うことで、損傷量を評価する手法も検討されている。このようなミニチュア試験を用いる方法は、機器へのダメージを最小限にとどめるために、可能な限り小さい試験片を採取することが望ましい。

このため、近年では厚さ０．２〜１ｍｍ程度の平板の試験片を高温で保持し剛体球を一定荷重で押し付けるＳＰＣ（Small Punch Creep）試験などの適用が積極的に検討されている。このＳＰＣ試験で得られる剛体球の貫通までの時間（破断時間）は、従来型の一定応力で試験する丸棒クリープ試験結果と相関する結果を得られることが知られている。

このため、両者の相関性を構築することで、機器（実機）からサンプリングした素材のＳＰＣ試験結果と設計時に取得した単軸クリープ試験結果とを比較することが可能となる。これにより、サンプル採取部位の損傷量と残存寿命とが計算可能である。ＳＰＣ試験などの破壊試験結果を用いる寿命診断は、直接破壊挙動を評価することから、信頼性が高いと考えられる。

しかしながら、前述したような破壊試験は、ミニチュア試験片を用いた試験であるため、試験結果のばらつきが懸念される。また、上記の評価方法の精度は、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果へ換算する精度に強く依存する。この場合の換算方法は、例えば予め評価対象となる素材（鋼種）のＳＰＣ試験結果と単軸クリープ試験との破断時間の相関性をデータベースとして保有することが提案されているが、この相関性は個々の素材やその製造履歴などで変動することが知られている。

このため、新たに寿命診断する素材のＳＰＣ試験結果を、前記の相関性を保有するデータベースを用いて適切に単軸クリープ試験結果へ変換できるかについては不明点が多く、寿命予測精度の低下が懸念されている。また、本手法は、評価結果を得るために長時間の試験を行う必要があるため、硬さを計測する手法に比べてコストがかかり、また評価に要する時間が長い。さらに、蒸気タービンに用いられる機器などの複雑な形状を持つ構造物は、一つの構造物であっても箇所に応じて損傷の進行度が異なるため、多数の箇所で寿命診断を実施する必要がある。多数の箇所のＳＰＣ試験による評価は、コスト的及び時間的な課題が生じることになり、的確な寿命診断を行うにはおのずと限界がある。

特開平１−２８４７３２号公報 特許第３２８１１４７号公報 特許第３９９６１８２号公報

日本材料学会高温強度部門委員会，"高温機器の寿命診断のための微小サンプルクリープ試験法標準"，ISBN978-4-901381-38-3 伊藤拓哉他，"スモールパンチ試験のクリープ特性評価への適用検討"，石川島播磨技報，Vol.45, No.2, pp.86-90.

このような観点から、構造物の損傷部位において損傷の進行状況を高精度に評価する手法は、未だ確立されていない。特に、複雑な形状を有する構造物は、前述したように、寿命診断箇所が多くなるため、診断の精度に加え、所要時間やコスト面などにも課題を抱えている。

つまり、硬さ試験を利用する非破壊的な寿命診断方法は、硬さを精度良く計測すること自体が困難であり、診断精度の低下が懸念される。一方、ＳＰＣ試験を利用する寿命診断方法は、試験結果を適切に単軸クリープ試験結果へ換算することが難しく、結果的に診断精度の低下を招くことになる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、構造物の寿命の診断精度を高めることができる構造物の寿命診断方法及び構造物の寿命診断装置を提供することである。

実施の形態に係る構造物の寿命診断方法は、構造物から採取した試験片に対し、５００℃〜９００℃の環境下において剛体球を一定の試験荷重で押し付け、剛体球が試験片を貫通するまでの破断時間及び前記試験片の時間の経過に伴う変形の挙動を計測するサンプル試験を用いるものであって、第１及び第２の算出工程を有する。第１の算出工程では、前記サンプル試験による前記破断時間と前記構造物を構成する素材についての単軸クリープ試験による破断時間とが等しくなる等価応力を、前記試験荷重（Ｆ）と、前記変形の挙動をあらわす荷重軸変形曲線から得られる各種パラメータ（δ、ｔ、ＭＣＤ、Ｂ ₀ 、Ｂ ₁ ）と、前記サンプル試験の試験荷重（Ｆ）と等価応力（σ）の比（Ｆ／σ）を、予め取得した単軸クリープ試験の破断時間とその応力の関係とサンプル試験の破断時間とその試験荷重の関係および前記各種パラメータから定式化した関数と、材料定数（α、β）を格納するデータベースの内容と、に基づいて、算出する。第２の算出工程では、前記算出された等価応力に対応する前記サンプル試験の破断時間を用いて、前記構造物の寿命を算出する。

第１の実施形態に係る構造物の寿命診断方法を示すフローチャート。 構造物のビッカース硬さとクリープ損傷量との相関関係を示す図。 図１の構造物の寿命診断方法で実行される微小サンプル試験評価工程の内容を示すフローチャート。 ＳＰＣ試験で適用する試験装置の模式図。 ＳＰＣ試験での荷重軸変形曲線の一例を示す図。 等価応力とＳＰＣ試験荷重との関係を示す図。 素材毎におけるＳＰＣ試験荷重と等価応力との比と、ＳＰＣ試験の破断時間との関係を示す図。 素材毎の破断時間と単軸クリープ破断伸びとの関係を示す図。 図３の微小サンプル試験評価工程による損傷量及び残存寿命の算出結果を示す概念図。 図１の構造物の寿命診断方法で実行される損傷量最終値決定工程による評価結果を示す概念図。 第１の実施形態に係る構造物の寿命診断装置を機能的に示すブロック図。 第２の実施形態に係る構造物の寿命診断方法を示すフローチャート。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態に係る構造物の寿命診断方法は、高温の環境に置かれた機器（構造物）のクリープ損傷量を高精度かつ容易に得ることが可能である。寿命診断対象の機器（構造物）は、例えば高クロム鋼などのフェライト系耐熱鋼により製作されている。なお、寿命診断対象の機器（構造物）は、Ｎｉ基超合金であってもよい。

図１に示すように、第１の実施形態に係る構造物の寿命診断方法は、第１の予測工程である構造解析・損傷量試算工程（工程Ｓ１）と、第２の予測工程を実現する実機硬さ計測工程（工程Ｓ２）及び微小サンプル採取・硬さ計測工程（工程Ｓ３）と、第１及び第２の算出工程を含む第３の予測工程を実現する硬さ損傷量評価工程（工程Ｓ４）及び微小サンプル試験評価工程（工程Ｓ５）と、寿命判定工程である損傷量最終値決定工程（工程Ｓ６）と、を有している。

本実施形態の構造物の寿命診断方法は、概略的には、工程Ｓ１の構造解析によって、複雑な形状の構造物においても、損傷が進行している部位を適切に特定することを可能とする。また、特定した損傷部位を対象として、工程Ｓ２で硬さを計測することによって、損傷がより進行している部位を抽出し、工程Ｓ３〜工程Ｓ６において、損傷量と残存寿命（余寿命）とを適切に定量化する。

特に、工程Ｓ４での硬さを用いる評価手法では、工程Ｓ３で採取したサンプルを適用することによって、非破壊的な硬さ計測による課題（硬さの計測の計測精度が低い課題）を解決している。工程Ｓ５では、前述したＳＰＣ試験による評価を行い、寿命を予測する。また、前述した従来の手法では、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果へ換算する際に誤差が大きくなる課題があったが、第１の実施形態では新たな評価手法を導入することによって、高精度な評価結果を得ることが可能となる。

このため、本実施形態の構造物の寿命診断方法は、ＳＰＣ試験を用いる手法での精度の課題を解決すると共に、硬さを用いる手法（工程Ｓ２及び工程Ｓ４）などを併用することで、ＳＰＣ試験数の増加を抑制し、評価コスト、評価時間を削減することが可能となる。以下、各工程を詳細に説明する。

＜構造解析・損傷量試算工程（工程Ｓ１）＞
工程Ｓ１では、設計情報である診断対象の機器（構造物）の形状寸法、使用環境での圧力条件、温度条件などを用いて構造解析を行い、機器に発生する温度分布、発生応力（工程Ｓ５において詳述する図９に示す評価部位の発生応力Ｐ）などを得る。この場合の構造解析は、広く構造検討で用いられている有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）などを利用する。

工程Ｓ１を実施する目的は、機器（構造物）本体における損傷部位を特定すると共に、損傷の定量値を試算することにある。工程Ｓ１での解析は、機器を設計するうえで必要となった設計情報や、発電プラントの運転記録（起動停止記録、温度記録など）を取得し、これを用いることによって解析可能である。本解析によって、定常運転時や起動停止時の温度の値、応力値を評価し、損傷の進行が予想される損傷部位を決定する。なお、予め機器における損傷部位（応力の集中する応力集中部など）や、この損傷部位での温度の値、応力値などが、明らかである場合、本工程Ｓ１は省略可能である。

＜実機硬さ計測工程（工程Ｓ２）＞
工程Ｓ２は、工程Ｓ１により損傷の進行が予想される損傷部位（評価部位）を対象として、機器の現地定検時に、機器（実機）本体の硬さを計測するステップである。損傷部位の硬さの計測は、エコーチップ硬さ試験機などを用いて非破壊的な方法で行う。本実施形態で寿命診断の対象とするフェライト系耐熱鋼は、高温損傷と実質的なクリープ損傷と蓄積により軟化する傾向を持つ。このため、機器における製造初期の硬さの検査記録と、現時点で計測した硬さの計測結果とを比較して、軟化量が多い部位は、損傷の進行が速いといえる。工程Ｓ２の結果により、特に損傷の進行が速い損傷部位を絞り込むことが可能である。

＜微小サンプル採取・硬さ計測工程（工程Ｓ３）＞
工程Ｓ３は、工程Ｓ１及び工程Ｓ２の結果に基づき、損傷の進行が速い（残存寿命が少ない部位）として特定された明確な損傷部位から、微小なサンプルを採取するサンプル採取ステップと、採取したサンプルの硬さを計測する硬さ計測ステップと、を有する。サンプルの採取部位は、一箇所とは限らず、工程Ｓ１及び工程Ｓ２の結果に基づき、明確な損傷部位を複数箇所選択することも可能である。サンプルの具体的な採取方法は、機械加工や放電加工など、既存の技術（例えば上記特許文献３に例示された採取方法など）を用いることが可能である。

また、採取するサンプルの寸法は、機器へのダメージを最小限にとどめるために、後述する工程Ｓ４での試験片として適用可能な最小寸法とする。採取するサンプルの寸法を定量的に求める際には、工程Ｓ１で実施した解析結果を利用することも可能である。工程Ｓ１で用いた解析モデル及び解析結果を評価することで、サンプルの採取による機器へのダメージ、すなわちサンプル採取後の損傷部位の挙動の変化を定量的に得ることができる。

非特許文献１や特許文献３などに例示されるように、工程Ｓ３で採取するサンプルは、例えば厚さ２ｍｍの平板が損傷部位の表面より放電加工などによって採取される。さらに、工程Ｓ３では採取したサンプルの硬さを硬さ計測機で計測する。つまり、採取したサンプルを切断して断面を露出させて鏡面研磨し、卓上硬さ計測機を用いて鏡面研磨面に垂直に圧子を押し込み、圧痕を計測して硬さを得る。また、硬さの計測は、サンプル上の複数箇所で実施し、硬さの平均値とその分布を得る。

これにより、工程Ｓ２において、機器の現地点検時にエコーチップ試験機などにより計測していた信頼性の低い硬さ計測結果に比べ、格段に信頼性の高い硬さの計測値とそのばらつきが得られ、これらを評価することが可能である。なお、予め硬さ計測結果のばらつきが少ない機器、若しくは、ばらつきが予想できる機器については、硬さの平均値のみを得るようにしてもよい。

＜硬さ損傷量評価工程（工程Ｓ４）＞
工程Ｓ４は、工程Ｓ３で取得した硬さ計測結果より損傷量を計算する工程である。具体的な計算例として、図２は、構造物のクリープ損傷量とビッカース硬さ［ＨＶ］との関係を示している。クリープ損傷量は、クリープ破断時間に対する寿命比であり、ビッカース硬さを計測した時間をクリープ破断時間で除した値である。図２に示すように、損傷量と硬さとの関係を予めマスターカーブＤとして保有することで、硬さの計測結果から損傷量を定量化することが可能である。

つまり、事前にビッカース硬さとクリープ損傷量とを多数計測しておき、これら多数の計測結果から、図２に示すマスターカーブＤを有する損傷量と硬さとの相関関係を求め、記憶装置などに記憶させておく。さらに、工程Ｓ３で得られたビッカース硬さに対応するクリープ損傷量を、工程Ｓ４において、損傷量と硬さとの相関関係（マスターカーブＤ）から取得する。また、これに代えて、上記特許文献２のような方法で損傷量を求めて評価することも可能である。

＜微小サンプル試験評価工程（工程Ｓ５）＞
工程Ｓ５は、工程Ｓ３で採取した微小サンプルを実際に破壊試験に供し、損傷量と残存寿命を定量化する工程である。図３は、工程Ｓ５を詳細に示したフローチャートである。本実施形態は、微小サンプル試験としてスモールパンチクリープ（ＳＰＣ：Small Punch Creep）試験を採用している。図３に示すように、工程Ｓ５は、試験片の加工後に（工程Ｓ５ａ）、ＳＰＣ試験を実施する（工程Ｓ５ｂ）。

ＳＰＣ試験より得られた試験結果のうち、試験荷重（試験条件）と試験結果である変形曲線とを用いて等価応力を計算する（工程Ｓ５ｃ）。この後、計算した等価応力とＳＰＣ試験での破断時間（試験結果）を用いて、予め取得していた未損傷材の単軸クリープ試験結果と比較し、微小サンプル、すなわち、構造物からサンプルとして採取した部位の損傷量及び残存寿命を予測する（工程Ｓ５ｄ）。

以下、工程Ｓ５ａ〜工程Ｓ５ｄの内容について詳述する。工程Ｓ５ａは、図３に示すように、厚さ０．５ｍｍ、直径８ｍｍの円盤を微小サンプル（試験片）として切り出す。なお、試験片の形状は、評価者が所有する試験機や、後述する予め保有している材料データベースの試験条件にそろえるため、任意に選択可能である。得られた試験片を工程Ｓ５ｂでＳＰＣ試験に供する。図４は、ＳＰＣ試験機を模式的に示している。

図４に示すように、ＳＰＣ試験は、ホルダ２５及びクランパ２４を含む冶具を、例えば５００℃〜９００℃の高温に保持しておき、ロッド２３を介して一定荷重（一定のＳＰＣ試験荷重）で剛体球２２を試験片２１に押し付ける。これにより、剛体球２２が試験片２１を貫通するまでの破断時間と変形量（試験片２１の変形の挙動）とを計測する。取得した計測結果の例として、図５は、工程Ｓ５ｃで用いるＳＰＣ変形曲線（荷重軸変形曲線）を示している。

図５に示すように、通常のクリープ試験と同様に、ＳＰＣ試験では、遷移変形Ａ、定常変形Ｂ、加速変形Ｃが確認される。なお、変形量（変位）は、荷重軸に対する試験片の押し込み量である。この変形量は、剛体球２２における試験片２１側とは逆側の面に１軸変位計を取り付けて、直接計測してもよいし、剛体球２２を押しこむロッド２３の変位を計測するようにしてもよい。

工程Ｓ５ｃは、ＳＰＣ試験荷重と図５に示す荷重軸変形曲線とを用いて等価応力を算出する。ここで、等価応力は、“従来型の単軸クリープ試験と、ＳＰＣ試験各々の破断時間が等しくなるようにするＳＰＣ試験条件と、から算出される応力値”である。等価応力は、“予め破断時間が等しくなる単軸クリープ試験応力とＳＰＣ試験荷重”との関係をデータベースとして保有しておくことで算出可能となる。

具体的には、工程Ｓ５ｃでは、以下の式［１］〜式［３］、ＳＰＣ試験荷重、及び荷重軸変形曲線を用いて、等価応力を算出する。

Ｆ／σ＝α＋β・｛δ_std／（δ_trn＋δ_std）｝ … 式［１］

δ_std＝ＭＣＤ・ｔ_acc … 式［３］

ここで、式［１］〜式［３］における定義は以下のとおりである。
Ｆ：ＳＰＣ試験荷重
σ：等価応力
δ_std：荷重軸変形曲線における定常変形量
δ_trn：荷重軸変形曲線における遷移変形量
ｔ_acc：荷重軸変形曲線における加速変形開始時刻
ＭＣＤ：荷重軸変形曲線における最小荷重軸変形速度
Ｂ₀，Ｂ₁：荷重軸変形速度曲線を回帰して得る材料定数
α，β：材料定数（データベース値）

例えば、上記したδ_std、δ_trn、ｔ_acc、ＭＣＤは、ＳＰＣ試験により計測された試験片の変形の挙動である。上記の式［１］〜式［３］により、ＳＰＣ試験結果から単軸クリープ試験結果への換算を高精度に行うことができ、工程Ｓ５ｄによる損傷部位の損傷量及び残存寿命の評価精度を高めることができる。

以下、式［１］〜式［３］の算出過程を詳細に説明する。上記の非特許文献２などに例示されているように、微小サンプル試験であるＳＰＣ試験と、従来型の単軸クリープ試験とでは、その試験結果に一定の相関性が確認されている。すなわち、単軸クリープ試験での破断時間が長い素材は、ＳＰＣ試験での破断時間も長い。

これより、ＳＰＣ試験の結果を単軸クリープ試験の結果へ換算する手法を構築することで、両者の試験データを比較できる。従来では、この換算方法として、予め両者の破断時間が等しくなるＳＰＣ試験荷重と単軸クリープ試験応力の相関性を実験的に求め、その比（荷重Ｆ／応力σ）の値をデータベースとして保有する技術が提案されている。Ｆ／σの値を予め保有することで、新たなＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果へ換算可能となる。

一方、図６は、このＦ／σの値を具体的に求めた結果を示している。図６は、異なる製造履歴を持つ同一の鋼種の材料でデータベースを作成した例である。図６より、製造履歴の異なる材料（素材）でＦとσの関係は等しくならず（一本の直線性を持たず）、関係性が異なる傾向が確認される。図６では、この関係性はＦ／σ＝１．９〜２．４で変動している。このことから、予め図６の形でデータベースを作成し、Ｆ／σを一定値として管理した場合、このデータベースを用いて新たなＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験結果へ換算すると、図６のばらつきが換算誤差となり寿命予測精度が大幅に低下する。

そこで、本実施形態では、図６に示した素材個々のばらつきを式［１］〜［３］を用いること、すなわち予め取得するデータベース内の情報と個々のＳＰＣ試験で得られる変形挙動を用いること、によって、より正確な等価応力の値を算出可能としたことを特徴としている。これにより、個々の素材や試験によるばらつきを低減し、製造履歴が異なる素材であっても高精度に等価応力を求められるようにし、適切な寿命予測が可能となる。

つまり、前述した第１の算出工程では、ＳＰＣ試験（微小サンプル試験）による試験片の破断時間と構造物（機器）を構成する素材についての単軸クリープ試験による破断時間とが等しくなる等価応力を、ＳＰＣ試験での試験荷重及び試験片の変形の挙動と、当該試験荷重と前記素材についての等価応力及び変形の挙動との関係を、図６に示すように、予め対応付けて記憶するデータベースの内容と、に基づいて算出する。さらに、上記した第２の算出工程では、第１の算出工程で算出された等価応力にそれぞれ対応するＳＰＣ試験及び単軸クリープ試験による互いの破断時間から、後述する図９に示すように、構造物の寿命（及び損傷量）を算出する。

図７は、図６に示した各データプロットをＦ／σで整理し、ＳＰＣ試験の破断時間でプロットした結果を示している。また、図８は、同様に個々の素材で単軸クリープ試験を行い、クリープ破断延性を調査した結果も示している。図８よりＦ／σの値が小さくなる素材はクリープ破断延性も小さくなる傾向を確認できる。すなわち、Ｆ／σの値を算出する際、クリープ破断伸びを指標とすることで寿命予測の高精度化を期待できる。

以下に従来手法である、Ｆ／σ＝ｃｏｎｓｔとした場合と、本実施形態の式［１］〜［３］を用いた場合と、での等価応力σの推定精度を比較した結果を例示する。従来手法は、図６をＦ／σ＝ｃｏｎｓｔで回帰した場合のばらつきである。従来手法による等価応力σの標準誤差は、「９［ＭＰａ］」である。一方、本実施形態の式［１］〜［３］を用いた場合の等価応力σの標準誤差は、「４［ＭＰａ］」である。これにより、式［１］〜［３］を用いる本実施形態では、より高精度に等価応力σが得られることが明らかである。このため、本実施形態では、等価応力σを求める際に予め取得したデータベースの値に加え、個々のＳＰＣ試験での変形挙動を用いることで、高精度に等価応力σを予測し、寿命診断を的確に行うことができる。

図９は、工程Ｓ５ｄによる損傷量Ｌ及び残存寿命Ｋの算出結果を例示している。図９に示すように、工程Ｓ５ｄは、式［１］〜［３］を用いて算出した等価応力σとＳＰＣ破断時間を利用し、設計時に取得した未損傷材（機器の使用前の素材）の単軸クリープ試験結果ＴをＳＰＣ試験結果Ｓと比較し、損傷量Ｌと残存寿命Ｋを算出する工程である。採取したサンプルより複数のＳＰＣ試験を実施し、各々のＳＰＣ試験結果Ｓと式［１］〜［３］より算出した等価応力σ（Ｍ）とを用いて、図９に示すように、単軸クリープ試験結果ＴとＳＰＣ試験結果Ｓとを同一グラフ上にプロットし、さらに単軸クリープ特性Ｒ、ＳＰＣ試験特性Ｑを生成する。そして、図９に示すように、工程Ｓ１の構造解析より求めた評価部位の発生応力Ｐを用いて、具体的な損傷量Ｌ及び残存寿命Ｋを求める。

なお、上述したように、評価部位の発生応力Ｐが既知な場合は、工程Ｓ１の実施を省略することが可能である。このため、工程Ｓ５ｃで用いる評価部位の発生応力Ｐは、必ずしも解析結果を用いる必要は無く、１次元計算値などで代用してもよい。

以上の工程Ｓ５ａ〜工程Ｓ５ｄよって、図９に示すように、ＳＰＣ試験結果Ｓを高精度に単軸クリープ試験結果Ｔと比較でき、精度良く損傷量Ｌと残存寿命Ｋを計算によって得ることが可能である。

＜損傷量最終値決定工程（工程Ｓ６）＞
工程Ｓ６は、工程Ｓ１、工程Ｓ４及び工程Ｓ５から算出した損傷量及び残存寿命より、損傷量の最終値を決定する工程、（つまり構造物の寿命を総合的に判定する工程）である。図１０は、損傷量の最終値の算出工程を示している。工程Ｓ１、工程Ｓ４及び工程Ｓ５の何れの算出結果も、所定の数値範囲を有している。これは解析による評価（工程Ｓ１）、硬さを用いた評価（工程Ｓ４）、及びＳＰＣ試験による評価（工程Ｓ５）の何れも、評価結果を得るために実験データを用いているからである。

したがって、これら評価結果を図１０に示すように比較し、評価結果を絞り込むこと（個々の評価結果における損傷量の数値範囲の重なりを検出すること）によって、より正確な結果（損傷量）を得ることが可能となる。また、この工程Ｓ６のように、複数の評価結果から総合的に最終値の損傷量を決定することで、一つの評価結果が仮に大きく真値と異なる場合においても、他の評価結果より適切な値を算出することを期待できる。

以上が本実施形態の構造物の寿命診断方法の実施手順である。これまで損傷部位における損傷の進行状況を高精度に評価する手法は確立されていなかったが、工程Ｓ１の解析的手法と工程Ｓ２の非破壊的な硬さ計測により損傷部位を絞り込むと共に、サンプルを採取して、硬さ計測することで、非破壊的な計測方法では困難であった例えば表面が湾曲した損傷部位からでも的確な硬さ計測及び寿命予測が可能である。

また、ＳＰＣ試験結果を単軸クリープ試験に換算する際に、ＳＰＣ試験結果の伸びを用いた適切な換算を行うことで、高精度な寿命予測が可能となる。さらに、ＳＰＣ試験を用いる評価方法と硬さ計測を用いる評価方法とを統合することで、評価結果の確実性を向上させることが可能である。なお、第１の実施形態では、解析的手法、硬さ計測及びＳＰＣ試験により、損傷量を定量化したが、この他、組織観察結果などから余寿命を予測する手法もある。多くの手法を併用することで、工程Ｓ６を経た最終的な寿命診断結果の信頼性が向上することから、任意に評価手法を追加することも可能である。

既述したように、本実施形態の構造物の寿命診断方法によれば、ＳＰＣ試験結果から適切に単軸クリープ強度を予測する技術を構築し、さらに硬さ計測試験などの評価結果を併用することで、構造物の寿命の診断精度を高めることができる。

ここで、図１１は、本実施形態に係る構造物の寿命診断装置３０を例示している。この構造物の寿命診断装置３０は、ＳＰＣ試験（微小サンプル試験）の試験結果を用いることによって上述した工程Ｓ５を少なくとも実施することの可能な装置であって、入力受付部３１、第１及び第２の算出部３２ａ、３２ｂを含む演算部３２、データベース３３、及び情報出力部３４を備えている。入力受付部３１は、ＳＰＣ試験により計測された試験片（微小サンプル）の破断時間及び試験片の変形の挙動とＳＰＣ試験時の試験荷重との入力を受付ける。

また、演算部３２の第１及び第２の算出部３２ａ、３２ｂは、前述した工程Ｓ５の第１及び第２の算出工程を実行する。つまり、第１の算出部３２ａは、ＳＰＣ試験による試験片の破断時間と構造物（機器）を構成する素材についての単軸クリープ試験による破断時間とが等しくなる等価応力を、入力受付部３１で入力を受付けた試験荷重及び試験片の変形の挙動と、試験荷重と前記素材についての等価応力及び変形の挙動との関係を予め対応付けて記憶するデータベース３３の内容と、に基づいて算出する。一方、第２の算出部３２ｂは、第１の算出部３２ａによって算出された等価応力にそれぞれ対応する微小サンプル試験及び単軸クリープ試験による互いの破断時間から、図９に示すように、構造物の寿命（及び損傷量）を算出する。情報出力部３４は、第２の算出部３２ｂによって算出された構造物の寿命の算出結果を例えばディスプレイなどの表示装置に出力する。

したがって、このような構造物の寿命診断装置３０によれば、前述した構造物の寿命診断方法でも説明したように、構造物（機器）についての寿命の診断精度を向上させることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施の形態を図１２に基づき説明する。なお、図１２において、図１に示した第１の実施形態中の要素と同一の要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

第２の実施形態に係る構造物の寿命診断方法は、第１の実施形態に係る構造物の寿命診断方法の工程Ｓ５に代えて、図１２に示すように、工程Ｓ５Ｅを有している。第２の実施形態の工程Ｓ５Ｅは、第１の実施形態の工程Ｓ５（の工程Ｓ５ｃ）で求める等価応力σを、以下の式［４］により求める。

Ｆ／σ＝α・ＭＣＤ^β＋γ・ＭＣＤ・ｔ_acc … 式［４］

ここで、式［４］における定義は以下のとおりである。
Ｆ ： ＳＰＣ試験荷重
ｔ_acc ： 荷重軸変形曲線における加速変形開始時刻
ＭＣＤ ： 荷重軸変形曲線における最小荷重軸変形速度
α，β，γ ： 材料定数（データベース値）

第１の実施形態で適用した式［１］〜式［３］では、ＳＰＣ試験により取得する荷重軸変形速度曲線を回帰して得られる係数Ｂ₀，Ｂ₁を用いて等価応力σを算出したが、第２の実施形態では、より簡便な手段として、荷重軸変形曲線から得られる２つのパラメータ（ＭＣＤ，ｔ_acc）を用いて等価応力σを算出する。データベースへ予め登録しておく値（データベース値）として、α、β、γの３つのパラメータを適用することで、適切な等価応力σを求めることが可能である。

以下に従来手法（第１の実施形態中で例示した従来手法）である、Ｆ／σ＝ｃｏｎｓｔとした場合と、本実施形態の式［４］を用いた場合と、での等価応力σの推定精度を比較した結果を例示する。従来手法による等価応力σの標準誤差は、「９［ＭＰａ］」である。一方、第２の実施形態の式［４］を用いた場合の等価応力σの標準誤差は、「７［ＭＰａ］」である。上記の結果から、第１の実施形態に比べて計算が容易な式［４］を用いた場合でも、等価応力σの標準誤差は、従来手法による標準誤差よりも小さくなり、したがって、第２の実施形態においても寿命診断精度の向上を期待できる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、構造物の寿命の診断精度を高めることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｓ１…構造解析・損傷量試算工程、Ｓ２…実機硬さ計測工程、Ｓ３…微小サンプル採取・硬さ計測工程、Ｓ４…硬さ損傷量評価工程、Ｓ５，Ｓ５Ｅ…微小サンプル試験評価工程、Ｓ６…損傷量最終値決定工程、３０…構造物の寿命診断装置、３１…入力受付部、３２…演算部、３２ａ…第１の算出部、３２ｂ…第２の算出部、３３…データベース、３４…情報出力部。

Claims (5)

1. 構造物から採取した試験片に対し、５００℃〜９００℃の環境下において剛体球を一定の試験荷重で押し付け、前記剛体球が前記試験片を貫通するまでの破断時間及び前記試験片の時間の経過に伴う変形の挙動を計測するサンプル試験を用いた寿命診断方法であって、
   前記サンプル試験による前記破断時間と前記構造物を構成する素材についての単軸クリープ試験による破断時間とが等しくなる等価応力を、
   前記試験荷重（Ｆ）と、
   前記変形の挙動をあらわす荷重軸変形曲線から得られる各種パラメータ（δ、ｔ、ＭＣＤ、Ｂ ₀ 、Ｂ ₁ ）と、
   前記サンプル試験の試験荷重（Ｆ）と等価応力（σ）の比（Ｆ／σ）を、予め取得した単軸クリープ試験の破断時間とその応力の関係とサンプル試験の破断時間とその試験荷重の関係および前記各種パラメータから定式化した関数と、
   材料定数（α、β）を格納するデータベースの内容と、
   に基づいて、算出する第１の算出工程と、
   前記算出された等価応力に対応する前記サンプル試験の破断時間を用いて、前記構造物の寿命を算出する第２の算出工程と、
   を有する構造物の寿命診断方法。
2. 構造解析を用いて前記構造物の寿命を予測する第１の予測工程と、
   前記構造物の硬さを非破壊的な手法により計測した結果を用いて前記構造物の寿命を予測する第２の予測工程と、
   前記サンプル試験の結果を用いて前記構造物の寿命を予測する第３の予測工程と、
   前記第１〜第３の予測工程による予測結果に基づいて、前記構造物の寿命を総合的に判定する寿命判定工程と、を有し、
   前記第３の予測工程は、前記第１及び第２の算出工程を含む、
   請求項１記載の構造物の寿命診断方法。
3. 前記第１及び／又は第２の予測工程では、前記第３の予測工程により前記試験片を前記構造物から採取するための前記構造物上の損傷部位を特定する、
   請求項２記載の構造物の寿命診断方法。
4. 前記第２の予測工程では、前記試験片を切断及び研磨し、前記試験片の研磨面を通じて硬さを計測する、
   請求項２又は３記載の構造物の寿命診断方法。
5. 構造物から採取した試験片に対し、５００℃〜９００℃の環境下において剛体球を一定の試験荷重で押し付け、前記剛体球が前記試験片を貫通するまでの破断時間及び前記試験片の時間の経過に伴う変形の挙動を計測するサンプル試験の試験結果を用いる構造物の寿命診断装置であって、
   前記サンプル試験により計測された破断時間及び前記計測された時間の経過に伴う変形量と前記変形量を計測したときの試験荷重との入力を受付ける入力受付部と、
   前記サンプル試験による前記破断時間と前記構造物を構成する素材についての単軸クリープ試験による破断時間とが等しくなる等価応力を、
   前記試験荷重（Ｆ）と、
   前記変形の挙動をあらわす荷重軸変形曲線から得られる各種パラメータ（δ、ｔ、ＭＣＤ、Ｂ ₀ 、Ｂ ₁ ）と、
   前記サンプル試験の試験荷重（Ｆ）と等価応力（σ）の比（Ｆ／σ）を、予め取得した単軸クリープ試験の破断時間とその応力の関係とサンプル試験の破断時間とその試験荷重の関係および前記各種パラメータから定式化した関数と、
   材料定数（α、β）を格納するデータベースの内容と、
   に基づいて算出する第１の算出部と、
   前記算出された等価応力に対応する前記サンプル試験の破断時間を用いて、前記構造物の寿命を算出する第２の算出部と、
   前記算出された構造物の寿命の算出結果を出力する情報出力部と、
   を備える構造物の寿命診断装置。

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