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技術 耐熱部材の使用温度推定方法

出願人 三菱重工業株式会社
発明者 森岡真也岩崎修吾堤博一片山哲司
出願日 2015年3月26日 (5年3ヶ月経過) 出願番号 2015-064004
公開日 2016年10月20日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2016-183899
状態 拒絶査定
技術分野 温度及び熱量の測定
主要キーワード 耐圧材料 材料表 耐熱耐圧部材 熱時効 二次炭化物 高温時効 レプリカ作成 立設配置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年10月20日)のものです。
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図面 (4)

課題

比較的簡易な作業で耐熱部材使用温度を迅速に推定することができる耐熱部材の使用温度推定方法を提供することにある。

解決手段

耐熱部材の表面組織転写したレプリカを作成するレプリカ作成工程S1と、レプリカに基づき炭化物画像を作成する炭化物画像作成工程S2と、炭化物画像に基づき炭化物量導出する炭化物量導出工程S4と、炭化物量と、予め作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いて、当該炭化物量に相当するLMPを導出するラーソンミラーパラメータ導出工程S5と、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程で導出したLMPと前記耐熱部材の使用時間とに基づき、LMPと絶対温度T(推定等価平均温度)と使用時間tとの関係式を用いて推定等価平均温度を導出する推定等価平均温度導出工程S6とを有する、ようにした。

概要

背景

従来、高温および高圧の環境下で使用される各種プラントでは、運転時間の経過に伴いクリープ損傷が進行し、寿命消費されることが知られている。よって、前記各種プラントにおいて健全な運転を維持するためには、前記機器余寿命を正確に推定し、適切な時期に前記機器を交換する必要がある。前記機器の余寿命の評価においては、運転中に曝されていた温度、すなわち、機器の使用温度(例えば、機器が受けた熱履歴)が重要な因子となっている。しかしながら、機器の温度を運転中に実測することは困難であり、機器の使用温度を推定する手法が種々開発されている。

例えば、下記特許文献1には、耐熱耐圧部材の表面に、熱時効により硬化するニッケル基合金からなる析出硬化型の材料を肉盛溶接し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定する熱履歴推定方法が記載されている。

概要

比較的簡易な作業で耐熱部材の使用温度を迅速に推定することができる耐熱部材の使用温度推定方法を提供することにある。耐熱部材の表面組織転写したレプリカを作成するレプリカ作成工程S1と、レプリカに基づき炭化物画像を作成する炭化物画像作成工程S2と、炭化物画像に基づき炭化物量導出する炭化物量導出工程S4と、炭化物量と、予め作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線であるマスターカーブとを用いて、当該炭化物量に相当するLMPを導出するラーソンミラーパラメータ導出工程S5と、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程で導出したLMPと前記耐熱部材の使用時間とに基づき、LMPと絶対温度T(推定等価平均温度)と使用時間tとの関係式を用いて推定等価平均温度を導出する推定等価平均温度導出工程S6とを有する、ようにした。

目的

例えば、天然ガス改質する改質器で用いられる触媒管の使用温度を推定する場合、作業が簡易、かつ、迅速であることが望まれていた

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

耐熱部材使用温度推定する耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記耐熱部材の表面組織転写したレプリカを作成するレプリカ作成工程と、前記レプリカ作成工程で得られた前記レプリカに基づき炭化物画像を作成する炭化物画像作成工程と、前記炭化物画像作成工程にて得られた炭化物画像に基づき炭化物量導出する炭化物量導出工程と、前記炭化物量導出工程で得られた炭化物量と、予め作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いて、当該炭化物量導出工程で得られた炭化物量に相当するラーソンミラーパラメータを導出するラーソンミラーパラメータ導出工程と、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程で導出したラーソンミラーパラメータと前記耐熱部材の使用時間とに基づき、以下の式を用いて推定等価平均温度を導出する推定等価平均温度導出工程とを有する、ことを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。LMP=T×(C+log(t))/1000LMPがラーソンミラーパラメータであり、Tが推定等価平均温度(絶対温度(K))であり、Cは前記耐熱部材の材料定数であり、tが前記耐熱部材の使用時間である。

請求項2

請求項1に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物画像は、一次炭化物の画像、二次炭化物の画像、またはこれら両方の画像であることを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。

請求項3

請求項1または請求項2に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物量は、炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率の少なくとも一方であることを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。

請求項4

請求項1から請求項3の何れか一項に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物画像作成工程にて得られた前記炭化物画像を二値化処理して炭化物二値化画像を作成する画像調整工程を有し、前記炭化物量導出工程は、前記炭化物画像の代わりに、前記画像調整工程にて得られた前記炭化物二値化画像に基づき炭化物量を導出することを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。

請求項5

請求項1から請求項4の何れか一項に記載された耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記耐熱部材は、天然ガス改質に用いられる触媒管であることを特徴とする耐熱部材の使用温度推定方法。

技術分野

0001

本発明は、耐熱部材使用温度推定方法に関する。

背景技術

0002

従来、高温および高圧の環境下で使用される各種プラントでは、運転時間の経過に伴いクリープ損傷が進行し、寿命消費されることが知られている。よって、前記各種プラントにおいて健全な運転を維持するためには、前記機器余寿命を正確に推定し、適切な時期に前記機器を交換する必要がある。前記機器の余寿命の評価においては、運転中に曝されていた温度、すなわち、機器の使用温度(例えば、機器が受けた熱履歴)が重要な因子となっている。しかしながら、機器の温度を運転中に実測することは困難であり、機器の使用温度を推定する手法が種々開発されている。

0003

例えば、下記特許文献1には、耐熱耐圧部材の表面に、熱時効により硬化するニッケル基合金からなる析出硬化型の材料を肉盛溶接し、設備の運転後に当該材料表面の硬さを測定し、予め運転前に測定した硬さ及び熱時効試験で求めておいた硬化特性のデータと比較し、前記硬さの増加量から当該材料の熱履歴を求め、前記耐熱耐圧部材の温度を推定する熱履歴推定方法が記載されている。

先行技術

0004

特開2006−208214号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、上述の熱履歴推定方法では、対象が金属材料からなる耐熱耐圧部材であり、さらに耐熱耐圧材料の表面にニッケル基合金からなる析出硬化型の材料を肉盛溶接する必要があることから、作業が煩雑であるという課題があった。例えば、天然ガス改質する改質器で用いられる触媒管の使用温度を推定する場合、作業が簡易、かつ、迅速であることが望まれていた。

0006

以上のことから、本発明は前述した課題を解決するために為されたものであって、比較的簡易な作業で耐熱部材の使用温度を迅速に推定することができる耐熱部材の使用温度推定方法を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0007

上述した課題を解決する第1の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、耐熱部材の使用温度を推定する耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記耐熱部材の表面組織転写したレプリカを作成するレプリカ作成工程と、前記レプリカ作成工程で得られた前記レプリカに基づき炭化物画像を作成する炭化物画像作成工程と、前記炭化物画像作成工程にて得られた炭化物画像に基づき炭化物量導出する炭化物量導出工程と、前記炭化物量導出工程で得られた炭化物量と、予め作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いて、当該炭化物量導出工程で得られた炭化物量に相当するラーソンミラーパラメータを導出するラーソンミラーパラメータ導出工程と、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程で導出したラーソンミラーパラメータと前記耐熱部材の使用時間とに基づき、以下の式を用いて推定等価平均温度を導出する推定等価平均温度導出工程とを有する、ことを特徴とする。
LMP=T×(C+log(t))/1000
LMPがラーソンミラーパラメータであり、Tが推定等価平均温度(絶対温度(K))であり、Cは前記耐熱部材の材料定数であり、tが前記耐熱部材の使用時間である。

0008

上述した課題を解決する第2の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第1の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物画像は、一次炭化物の画像、二次炭化物の画像、またはこれら両方の画像であることを特徴とする。

0009

上述した課題を解決する第3の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第1または第2の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物量は、炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率の少なくとも一方であることを特徴とする。

0010

上述した課題を解決する第4の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第1から第3の何れか一つの発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記炭化物画像作成工程にて得られた前記炭化物画像を二値化処理して炭化物二値化画像を作成する画像調整工程を有し、前記炭化物量導出工程は、前記炭化物画像の代わりに、前記画像調整工程にて得られた前記炭化物二値化画像に基づき炭化物量を導出することを特徴とする。

0011

上述した課題を解決する第5の発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、第1から第4の何れか一つの発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法であって、前記耐熱部材は、天然ガスの改質に用いられる触媒管であることを特徴とする。

発明の効果

0012

本発明によれば、比較的簡易な作業で耐熱部材の使用温度を迅速に推定することができる。

図面の簡単な説明

0013

本発明の主な実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法の手順を説明するためのフローチャートである。
前記耐熱部材の使用温度推定方法で作成された炭化物量とラーソンミラーパラメータとの関係を示すグラフであって、図2(a)に炭化物の粒子密度個数(個/mm2)とラーソンミラーパラメータとの関係を示し、図2(b)に炭化物の面積率(%)とラーソンミラーパラメータとの関係を示す。
前記耐熱部材の使用温度推定方法の評価対象の一例である触媒管の概略図である。

実施例

0014

本発明に係る耐熱部材の使用温度推定方法の主な実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

0015

[主な実施形態]
本発明の主な実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法について、図1から図3に基づいて説明する。
本実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法では、天然ガス改質器に設けられる複数のホットコレクタのそれぞれに連結される、数100本から成る複数の触媒管に適用した場合について説明する。

0016

前記天然ガス改質器は、例えば、図3に示すように、触媒管本体11、ショートピース12、ピグテール13で構成される触媒管14を複数備える。触媒管本体11は、軸心が上下方向に延在するように立設配置されている。ショートピース12は、触媒管本体11の下端部に連結され、軸心が上下方向に延在するように立設配置されている。ピグテール13は、ショートピース12の下端部に連結され、触媒管本体11よりも小径をなし、屈曲配置されている。ピグテール13の他端部がホットコレクタ15に連結されている。ホットコレクタ15は、軸心が水平方向(図示例では紙面表裏方向)に延在するように配置されている。ホットコレクタ15には、触媒管14と左右対称の位置に図示しない触媒管のピグテールの他端部が連結されている。さらに、ホットコレクタ15の軸心方向にて所定の間隔で当該ホットコレクタ15に連結される左右一対の触媒管が配置されている。天然ガス改質器には、複数の触媒管14が連結されたホットコレクタ15を複数配置しても良い。

0017

触媒管本体11、ショートピース12、ピグテール13は、例えば、HP−Nb−Ti(25Cr−35Ni−Nb、Ti)およびアロイ800H(Fe−32Ni−20Cr)で構成されている。触媒管本体11は、導入された混合ガスメタンガス水蒸気)21が反応して生成ガス水素、水蒸気、一酸化炭素二酸化炭素)22を生成している。この生成ガス22は、ショートピース12、ピグテール13を介してホットコレクタ15に流通している。

0018

触媒管本体11は、約900℃以上の炉内に配置される。ショートピース12およびピグテール13は、炉外に配置されるものの、内部を約900℃のガスが流通している。

0019

本実施形態に係る耐熱部材の使用温度推定方法は、図1に示すように、レプリカ作成工程S1と、炭化物画像作成工程S2と、画像調整工程S3と、炭化物量導出工程S4と、ラーソンミラーパラメータ導出工程S5と、推定等価平均温度導出工程S6とを有する。

0020

レプリカ作成工程S1では、従来のレプリカ法によりレプリカを作成する。このレプリカ作成工程S1にて、触媒管本体11の表面組織を転写したレプリカを作成する。前記レプリカとして、フィルムを用いることが好ましい。なお、触媒管本体11の表面組織をレプリカに転写する前に、触媒管本体11に対し、研磨およびエッチングにより表面組織を現出させることが好ましい。

0021

炭化物画像作成工程S2にて、レプリカ作成工程S1で得られた触媒管本体11の表面組織が転写されたフィルムから炭化物の画像が作成される。炭化物の画像は、一次炭化物の画像(一次炭化物画像)または二次炭化物の画像(二次炭化物画像)であることが好ましく、これら両方の画像であることがより好ましい。これは、詳細につき後述する触媒管本体11の使用温度の推定をより確実に行うことができるからである。各画像は、従来の画像編集ソフトウェアにより作成される。一次炭化物とは、凝固時にデンドライト境界に沿って晶出する炭化物である。二次炭化物とは、高温時効に伴って粒内に分散析出する析出物である。

0022

画像調整工程S3にて、炭化物画像作成工程S2で作成された炭化物画像を調整して炭化物の抽出が容易な画像が作成される。炭化物画像が一次炭化物画像である場合には、当該一次炭化物画像を調整して、一次炭化物を抽出が容易な画像が作成される。炭化物画像が二次炭化物画像である場合には、当該二次炭化物画像を調整して、二次炭化物を抽出が容易な画像が作成される。炭化物画像(一次炭化物画像、二次炭化物画像)を調整する方法として、二値化処理を用いることが好ましい。前記炭化物画像が一次炭化物画像である場合には、一次炭化物画像を二値化処理して一次炭化物二値化画像が作成される。前記炭化物画像が二次炭化物画像である場合には、二次炭化物画像を二値化処理して二次炭化物二値化画像が作成される。これにより、前記炭化物画像(一次炭化物画像、二次炭化物画像)を二値化処理して得られた炭化物二値化画像(一次炭化物二値化画像、二次炭化物二値化画像)から炭化物(一次炭化物、二次炭化物)の抽出が容易になる。

0023

炭化物量導出工程S4は、画像調整工程S3で得られた画像に基づき炭化物量が導出される。画像調整工程S3で得られた画像が一次炭化物二値化画像である場合には、当該一次炭化物二値化画像に基づき一次炭化物量が導出される。画像調整工程S3で得られた画像が二次炭化物二値化画像である場合には、当該二次炭化物二値化画像に基づき二次炭化物量が導出される。画像調整工程S3で得られた画像が一次炭化物二値化画像および二次炭化物二値化画像である場合には、当該一次炭化物二値化画像に基づき一次炭化物量が導出されると共に、当該二次炭化物二値化画像に基づき二次炭化物量が導出される。炭化物量として、画像調整工程S3で得られた画像を画像解析し炭化物の個数を計測単位面積当たり換算して得られる炭化物の粒子個数密度や、画像調整工程S3で得られた画像を画像解析し炭化物の面積を計測し単位面積当たりで換算して得られる炭化物の面積率を用いることが好ましく、前記炭化物の粒子個数密度および前記炭化物の面積率の両方を用いることがより好ましい。

0024

ラーソンミラーパラメータ導出工程S5にて、予め作成された、ラーソンミラーパラメータと炭化物量(炭化物の粒子個数密度、炭化物の面積率)の相関線図(マスターカーブ)を用いて、炭化物量導出工程S4で得られた炭化物量(炭化物の粒子個数密度、炭化物の面積率)に相当するラーソンミラーパラメータを取得する。なお、前記炭化物量として、上述した一次炭化物量や二次炭化物量であることが好ましい。

0025

例えば、炭化物量導出工程S4で得られた炭化物量が炭化物の粒子個数密度である場合、予め作成された、ラーソンミラーパラメータと炭化物の粒子個数密度の相関線図(マスターカーブ)を用いて、図2(a)に示すように、炭化物量導出工程S4で得られた炭化物の粒子個数密度に相当するラーソンミラーパラメータを取得する。炭化物量導出工程S4で得られた炭化物量が炭化物の面積率である場合、予め作成された、ラーソンミラーパラメータと炭化物の面積率の相関線図(マスターカーブ)を用いて、図2(b)に示すように、炭化物量導出工程S4で得られた炭化物の面積率に相当するラーソンミラーパラメータを取得する。

0026

ラーソンミラーパラメータ(LMP)は次式の関係を満たしている。
LMP=T×(C+log(t))/1000 (1)
Tは推定対象である触媒管本体11の運転(使用)温度をなす絶対温度(K)であり、Cは推定対象である触媒管本体11の材料定数であり、tは推定対象である触媒管本体11の運転(使用)時間である。

0027

推定等価平均温度導出工程S6にて、ラーソンミラーパラメータと絶対温度と運転時間との関係式(1)を用いて、ラーソンミラーパラメータ導出工程S5で得られたラーソンミラーパラメータと既知の運転時間とに基づき運転中(使用中)の推定等価平均温度が導出される。

0028

したがって、本実施形態によれば、レプリカ作成工程S1で得られたレプリカから炭化物画像を作成し、必要に応じて画像調整(例えば、二値化処理)し、前記画像から炭化物量を導出し、導出した炭化物量と予め作成された、炭化物量とラーソンミラーパラメータとの相関線図であるマスターカーブとを用いてラーソンミラーパラメータを導出し、導出したラーソンミラーパラメータと運転(使用)時間に基づき、ラーソンミラーパラメータと絶対温度(推定等価平均温度)と運転(使用)時間との関係式(1)を用いて、運転中(使用中)の推定等価平均温度を導出することができる。これにより、従来、不明であった運転温度非破壊で、かつ比較的簡易な作業で、かつ、迅速に推定することができる。また、運転中に温度変動があったとしても、推定等価平均温度を導出することができることから、この推定等価平均温度に基づき、クリープ変形を考慮した耐熱部材の余寿命を評価することができる。

0029

前記炭化物画像が、一次炭化物の画像、二次炭化物の画像、またはこれら両方の画像であることにより、炭化物量を確実に導出することができ、比較的簡易な作業で触媒管本体11の使用温度をより確実に推定することができる。

0030

前記耐熱部材は、天然ガスの改質に用いられる触媒管であることにより、比較的簡易な作業で触媒管の使用温度を確実に推定することができる。

0031

[他の実施形態]
なお、上記では、画像調整工程S3で得られた画像に基づき炭化物量を導出する場合について説明したが、炭化物画像作成工程S2で作成された炭化物画像(例えば、一次炭化物画像、二次炭化物画像)に基づき炭化物量を導出するようにした耐熱部材の使用温度推定方法とすることも可能である。

0032

なお、前記ラーソンミラーパラメータ導出工程S5において、ラーソンミラーパラメータと炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率との相関線図(マスターカーブ)は、1つの炭化物の粒子個数密度または炭化物の面積率が2つ以上ラーソンミラーパラメータを示す場合には、ラーソンミラーパラメータをそれぞれ導出することが好ましい。これは、導出したラーソンミラーパラメータを用いることで、運転中(使用中)の推定等価平均温度の範囲を導出でき、この温度範囲に基づき、クリープ変形を考慮した耐熱部材の余寿命を評価することができるからである。

0033

上記では、使用温度の推定対象を触媒管とした場合について説明したが、高温保持すると組織中の一次炭化物および二次炭化物の形態が変化する耐熱部材の等価平均温度推定に適用することも可能である。このような場合であっても、上述の耐熱部材の等価平均温度推定方法と同様な作用効果を奏する。

0034

11触媒管本体
12ショートピース
13ピグテール
14 触媒管
15ホットコレクタ
21混合ガス(H2O,CH4)
22生成ガス(H2,H2O,CO,CO2)

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