超々臨界圧火力ボイラ配管の設備診断技術の高度化 - 電力中央研究所

電力中央研究所フォーラム2010
研究成果発表会火力部門
「低炭素化と安定供給の両立を目指して」
超々臨界圧火力ボイラ配管の
設備診断技術の高度化
材料科学研究所
屋口正次
Copyright © 2010 CRIEPI
2010/10/27
〔1〕
報告内容
背景と目的
検査技術
予測技術
実証試験と現場適用
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2010/10/27
〔2〕
火力発電プラントにおける蒸気条件の推移
熱効率43％達成
620℃
蒸気温度（℃）
蒸気温度
350
600
300
550
250
500
200
蒸気圧力
450
150
400
100
超臨界圧
350
300
1945
1955
1965
1975
1985
西　暦
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蒸気圧力（kgf/cm2）
650
超々臨界圧 50
1995
2005
0
2015
高クロム鋼の適用
2010/10/27
〔3〕
ボイラ配管への高クロム鋼の適用
高クロム鋼：9%～12%クロムを含む耐熱鋼
低合金鋼（超臨界圧材料）より高温強度に優れる
超々臨界圧（USC）ボイラ配管に適用
2004年：想定よりも短い時間で高クロム鋼溶接部で
不具合（クリープ損傷*）が発生
低合金鋼と比べて、母材と溶接部のクリープ強度の
差異が大きい
（*高温下で荷重を受けた場合、長時間の間に材料が徐々に傷んでいく現象）
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2010/10/27
〔4〕
高クロム鋼溶接部のクリープ損傷
USCボイラ配管高クロム鋼溶接部において、
クリープ損傷がその後も発生
高クロム鋼溶接部に対する設備診断技術の高度化
内
部
損
傷
高クロム鋼溶接部クリープ
損傷の特徴
母材
母材
表面ではなく内部で損傷が
発生・成長する場合が多い
溶接金属
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2010/10/27
〔5〕
ボイラ配管に対する設備診断技術
ボイド（空洞）
 金属組織観察：
ボイド密度、ボイド面積率等
 硬さ測定：
初期状態からの硬さの低下率等
 非破壊検査
浸透探傷法、磁粉探傷法
20μm
クリープ損傷が生じた材料
配管表面のクリープ損傷が評価対象
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2010/10/27
〔6〕
本研究の目的
高クロム鋼ボイラ配管に対する設備診断技術
---配管内部のクリープ損傷も評価対象-- 定検時にクリープ損傷を検出
⇒ 検査：超音波を用いた非破壊検査法
 非破壊検査部位の選定、クリープ損傷の予測
⇒ 解析：ボイドに基づく損傷予測法
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2010/10/27
〔7〕
超音波フェーズドアレイ法による非破壊検査
アレイ探触子
超音波ビーム
ボイドの連結に
よる微小き裂
溶接部
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表面
40µm
2010/10/27
〔8〕
小型自動探傷システムの開発
ステッピングモータ
任意の曲面に追従できる
小型スキャナを開発
エルボ配管等の検査にお
いて高精度化・高効率化お
よびコストダウンが可能に
重量：2.1kg
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2010/10/27
〔9〕
【ポスターセッションA32】
実機ボイラ配管への適用
主蒸気管周溶接部
高温再熱蒸気管（エルボ部）
スキャナ
レール
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2010/10/27 〔10〕
形状不連続部への対応
溶接部
アレイ探触子
探傷面
適合型ウェッジ
欠陥
ビーム制御可
画像化領域
ビーム制御不可
ビーム路程方向
電子走査方向
欠陥エコー
欠陥エコー
従来手法
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開発手法
2010/10/27 〔11〕
配管溶接部の損傷予測への適用
応力
低
高
高損傷箇所
高応力部
ボイラ配管
粒界
ボイド
10cm
10μm
配管系統応力解析
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溶接部応力解析
ボイドシミュレーション
2010/10/27 〔12〕
配管系統解析プログラムの開発
余寿命診断を目的とした
専用の配管系統解析プロ
グラムを開発
・内圧と熱膨張による両方
の負荷を考慮できる
・定常運転時の配管系統の
クリープ変形の影響を考
慮できる
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2010/10/27 〔13〕
実機プラントの解析：境界条件の高精度化
ハンガー類による拘束
スプリングハンガー
コンスタントハンガー
レストレイント等
リジッド
ハンガー
タービン入口固定
ボイラ出口
水平移動＋
コンスタントハンガー
レストレント
境界条件
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2010/10/27 〔14〕
ボイラ配管の計算結果例：システム荷重の影響
A側
応力
A側
高
評価断面
A
B側
内圧のみ
低 B
B側
システム荷重＋内圧
ボイラ配管
の解析
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2010/10/27 〔15〕
ボイド成長のシミュレーションプログラム
応力
応力
ボイド個数密度（1/mm2）
計算機の中で、ボイドの成長を再現
応力
ボイド成長シミュレーション
800
実測結果
600
400
最大応力部
外表面
最大応力部
計算結果
外表面
200
計算結果
0
0
2000
4000
（hr）
6000
時間（hr）
実測結果と計算結果の比較
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2010/10/27 〔16〕
【ポスターセッションA12】
光ファイバAEセンサによる損傷の監視
セラミック板
金コートファイバ
到達時間差
金コートファイバ
高温用センサ
時間
常温用センサ
き裂の発生・成長に
ともなう弾性波
光ファイバケーブル
システムの構成
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2010/10/27 〔17〕
実規模配管の内圧曲げクリープ試験設備
主な仕様
負荷ジャッキ
温度：750℃
内圧：50MPa
荷重：4000kN
配管試験体
電気炉
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2010/10/27 〔18〕
実機配管クリープ試験による診断技術の検証
3000時間で中途止め
硬さの測定
試験体（再熱蒸気管）と試験設備
組織観察用フィルムの採取
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2010/10/27 〔19〕
実機への適用状況と今後の展開
検査
適用済み：
主蒸気管直管部
再熱蒸気管エルボ部
今後の展開：管台溶接部（形状不連続部）
解析
適用済み：
再熱蒸気管直管部エルボ部
管台溶接部
今後の展開：境界条件入力の省力化
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2010/10/27 〔20〕
まとめ
超々臨界圧火力発電の運用・管理においては、
高クロム鋼溶接部に対する適切な損傷診断が
重要である
高クロム鋼溶接部の特徴である配管内部に発
生するクリープ損傷を診断できる検査技術と
解析技術を開発した
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2010/10/27 〔21〕

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