超々臨界圧火力ボイラ用改良9Cr-1Mo鋼溶接部の クリープ損...
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主要な研究成果 背 景 我が国の石炭火力発電出力の約半分は、蒸気温度 593 ℃以上の超々臨界圧火力発電（USC）プラントが担っ ている。USC プラントでは、低合金鋼に比べ高温強度に優れる改良 9Cr-1Mo 鋼が高温蒸気配管等に使用され ており、同鋼母材のクリープ強度特性と損傷評価法に関しては多くの研究が行なわれてきた。一方、同鋼の溶 接継手材については、公表されている高温強度データが限られており、クリープ損傷評価法に関しては研究の 途上にある。最近では、英国の USC プラントにおいて改良 9Cr-1Mo 鋼製管寄せ溶接部での噴破事例も報告さ れ、母材部に比べ溶接部でクリープ強度が顕著に低下することが指摘されている ＊1 。このようなことから、我 が国においても多くの USC プラントで使用されている同鋼の溶接継手部に対するクリープ損傷評価法の構築 とそれに基づく適切な余寿命評価が急務な課題とされている。 目 的 改良 9Cr-1Mo 鋼溶接継手のクリープ強度特性ならびに微視的損傷過程を把握するとともに、溶接継手の損 傷過程を定量的に予測できるクリープ損傷評価法を開発する。 主な成果 1．改良 9Cr-1Mo 鋼溶接継手のクリープ強度特性 （1）650℃および700℃で実施したクリープ試験において、溶接継手試験片は実機ボイラ溶接部と同様に溶 接の熱影響を受けた熱影響部で破断（タイプ IV 破断）した。このタイプ IV 破断により、溶接継手の破 断寿命は母材の約1/5に低下することが明らかとなった（図1（a））。このように、実機の改良9Cr鋼製 ボイラ配管溶接部では母材部に比べ損傷の進行が速いため適切な余寿命評価が必要である。 （2）母材、熱影響部、溶接金属からなる溶接継手試験片の有限要素モデルを用いたクリープ解析を実施した。 その結果、熱影響部のクリープ変形抵抗が他の部位に比べ低いことから、クリープひずみが熱影響部に 集中的に蓄積することが、溶接継手のクリープ破断寿命が母材に比べて低くなる主要因であることが明 らかとなった（図 1（b））。 2．改良 9Cr-1Mo 鋼溶接継手の微視的損傷過程とその評価法 （1）クリープ損傷中断材の観察結果から、熱影響部においてクリープ破断寿命（2300時間）のわずか20% で擬球状のボイドが直径5μm程度まで成長することが明らかとなった。最大ボイド長さおよびボイド 面積率は、クリープ損傷とともに増大した。これより、ボイドを適切に観察できれば、クリープ損傷の 程度を推定できることが示唆された（図2、図3）。 （2）当所が既に開発したボイド成長シミュレーションプログラム ＊2 を、ボイド発生・成長の確率因子を考慮 できるように改良し、熱影響部のボイド成長過程の予測に適用した。その結果、シミュレーションによ るボイド成長と観察結果は概ね一致し、最大ボイド長さおよびボイド面積率のクリープ損傷に伴う変化 を良好に予測することができた（図2、図3）。これにより、改良9Cr-1Mo鋼溶接部で進行するクリープ 損傷、即ちボイドの成長過程を初めて定量的に予測することが可能になり、実機 9Cr 鋼製ボイラ溶接部 の余寿命評価技術の向上を図ることができた。 今後の展開 本研究で改良し、熱影響部への適用が可能となったボイド成長シミュレーションプログラムを、実機ボイラ 配管溶接部の余寿命評価や運転条件の変更に伴う損傷へ影響評価等に活用する。 主担当者 材料科学研究所 構造材料評価領域 上席研究員 緒方隆志 関連報告書 「改良9Cr-1Mo鋼溶接継手のクリープ損傷評価法の開発」電力中央研究所報告：Q06002 （2006年10月） 104 超々臨界圧火力ボイラ用改良 9Cr-1Mo 鋼溶接部の クリープ損傷評価法の開発 ＊1：S. J. Brett et. al.,“In-Service Type IV Cracking in a Modified 9Cr Header” , Proceeding of ECCC Creep Conference, London, 2005, pp. 563-572 ＊ 2 ：緒方、電中研研究報告 Q05004、2006
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主要な研究成果
背 景我が国の石炭火力発電出力の約半分は、蒸気温度593℃以上の超々臨界圧火力発電（USC）プラントが担っ
ている。USCプラントでは、低合金鋼に比べ高温強度に優れる改良9Cr-1Mo鋼が高温蒸気配管等に使用されており、同鋼母材のクリープ強度特性と損傷評価法に関しては多くの研究が行なわれてきた。一方、同鋼の溶接継手材については、公表されている高温強度データが限られており、クリープ損傷評価法に関しては研究の途上にある。最近では、英国のUSCプラントにおいて改良9Cr-1Mo鋼製管寄せ溶接部での噴破事例も報告され、母材部に比べ溶接部でクリープ強度が顕著に低下することが指摘されている＊1。このようなことから、我が国においても多くのUSCプラントで使用されている同鋼の溶接継手部に対するクリープ損傷評価法の構築とそれに基づく適切な余寿命評価が急務な課題とされている。
目 的改良9Cr-1Mo鋼溶接継手のクリープ強度特性ならびに微視的損傷過程を把握するとともに、溶接継手の損
傷過程を定量的に予測できるクリープ損傷評価法を開発する。
主な成果1．改良9Cr-1Mo鋼溶接継手のクリープ強度特性（1）650℃および700℃で実施したクリープ試験において、溶接継手試験片は実機ボイラ溶接部と同様に溶
接の熱影響を受けた熱影響部で破断（タイプIV破断）した。このタイプIV破断により、溶接継手の破断寿命は母材の約1/5に低下することが明らかとなった（図1（a））。このように、実機の改良9Cr鋼製ボイラ配管溶接部では母材部に比べ損傷の進行が速いため適切な余寿命評価が必要である。
（2）母材、熱影響部、溶接金属からなる溶接継手試験片の有限要素モデルを用いたクリープ解析を実施した。その結果、熱影響部のクリープ変形抵抗が他の部位に比べ低いことから、クリープひずみが熱影響部に集中的に蓄積することが、溶接継手のクリープ破断寿命が母材に比べて低くなる主要因であることが明らかとなった（図1（b））。
2．改良9Cr-1Mo鋼溶接継手の微視的損傷過程とその評価法（1）クリープ損傷中断材の観察結果から、熱影響部においてクリープ破断寿命（2300時間）のわずか20%
で擬球状のボイドが直径5μm程度まで成長することが明らかとなった。最大ボイド長さおよびボイド面積率は、クリープ損傷とともに増大した。これより、ボイドを適切に観察できれば、クリープ損傷の程度を推定できることが示唆された（図2、図3）。
（2）当所が既に開発したボイド成長シミュレーションプログラム＊2を、ボイド発生・成長の確率因子を考慮できるように改良し、熱影響部のボイド成長過程の予測に適用した。その結果、シミュレーションによるボイド成長と観察結果は概ね一致し、最大ボイド長さおよびボイド面積率のクリープ損傷に伴う変化を良好に予測することができた（図2、図3）。これにより、改良9Cr-1Mo鋼溶接部で進行するクリープ損傷、即ちボイドの成長過程を初めて定量的に予測することが可能になり、実機9Cr鋼製ボイラ溶接部の余寿命評価技術の向上を図ることができた。
今後の展開本研究で改良し、熱影響部への適用が可能となったボイド成長シミュレーションプログラムを、実機ボイラ
配管溶接部の余寿命評価や運転条件の変更に伴う損傷へ影響評価等に活用する。
主担当者 材料科学研究所 構造材料評価領域 上席研究員 緒方隆志
関連報告書 「改良9Cr-1Mo鋼溶接継手のクリープ損傷評価法の開発」電力中央研究所報告：Q06002（2006年10月）
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超々臨界圧火力ボイラ用改良9Cr-1Mo鋼溶接部のクリープ損傷評価法の開発
＊1：S. J. Brett et. al.,“In-Service Type IV Cracking in a Modified 9Cr Header”, Proceeding of ECCC CreepConference, London, 2005, pp. 563-572
＊2：緒方、電中研研究報告Q05004、2006
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6．化石燃料発電／先進保守技術
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20µm20µmク リ ー プ 損 傷 20％ ク リ ー プ 損 傷 60％ ク リ ー プ 損 傷 80％
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0 5 10 15 20 25
母 母 材 材 左 左 端 端 か か ら ら の の 距 距 離 離 （ （ mm） ）
試
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験 片
片 軸
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母 母 材 材 溶 溶 接 接 金 金 属 属
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熱 熱 影 影 響 響 部 部 母 母 材 材 溶 溶 接 接 金 金 属 属
破断 部 （熱 影 響部）
破 断 試 験 片
溶 溶 接 接 継 継 手 手
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10 100 1000 10000
母 母 材 材 溶 溶 接 接 継 継 手 手
650℃
母 母 材 材
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応 力 (MPa)
破 断 時 間
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溶 溶 接 接 継 継 手 手
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母 母 材 材 溶 溶 接 接 継 継 手 手
650℃
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700℃
応 力 (MPa)
破 断 時 間
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0 20 40 60 80ク ク リ リ ー ー プ プ 損 損 傷 傷
最 大 ボ イ ド 長 さ (µ
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観 観 察 察 結 結 果 果 粒 粒 界 界 到 到 達 達
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ボ
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ド 面
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観 察 結 果 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 予 測 結 果
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面 積
積 率
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観 察 結 果 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 予 測 結 果 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 予 測 結 果 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 予 測 結 果
溶 溶 接 接 金 金 属 属 母 母 材 材
溶 溶 接 接 熱 熱 影 影 響 響 部 部
(%)(%)
（a）溶接継手のクリープ破断特性
図1 溶接継手のクリープ破断特性と有限要素モデルによるひずみ分布解析結果
（b）ボイド面積率－クリープ損傷
図2 熱影響部細粒部における最大ボイド長さ、ボイド面積率とクリープ損傷の関係
図3 クリープ損傷中断材の観察結果（上）とボイド成長シミュレーション結果（下）の比較
（b）溶接継手のクリープひずみ分布
（a）最大ボイド長さ－クリープ損傷
