数十年の長時間クリープ試験による高温機器の安全 …legacy.krpe.net/061125Kimura.pdfDavid N. French：“Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers”, A

独立行政法人物質・材料研究機構

共用基盤部門データシートステーション

木村一弘

[email protected]

http://www.nims.go.jp/mdss/

第107回蔵前技術士会科学技術セミナー2006年11月25日

新日本製鐵(株)代々木研修センター

数十年の長時間クリープ試験による

高温機器の安全性確保

2第107回蔵前技術士会科学技術セミナー，2006.11.25National Institute for Materials Science

独立行政法人物質・材料研究機構

金属材料技術研究所と無機材質研究所を統合して，2001年4月に発足

理事長岸輝雄

http://www.nims.go.jp/jpn/index.htmlAbout NIMS

第１期中期計画：2001～2005年度「ナノ物質・材料」「環境・エネルギー材料」「安全材料」

第2期中期計画：2006～2010年度「ナノテクノロジーを活用した新物質・新材料の創成」「社会ニーズに対応した材料の高度化」


オーラルセッション次世代ナノテクノロジー基盤技術の開発と利用

ナノスケール物質領域における新物質・新材料の開発

ナノテク活用による情報通信材料研究の躍進

医工学とナノバイオを指向する生体材料研究領域

社会的ニーズに先導的に応える環境・エネルギー材料領域

ナノテクノロジーを融合した近未来の構造材料

ポスターセッション：59件

NIMSフォーラム： 2006年11月30日(木) 東京ビッグサイト


１．安全・安心の意義と経済性

２．NIMS構造材料データシートクリープ／疲労／腐食／宇宙関連材料強度

３．高温機器の高効率化と信頼性の確保

高温機器の高効率化の意義

クリープ変形と破壊

高温機器の設計基準

高強度耐熱材料の開発と高温機器の高効率化

長時間クリープ試験による信頼性の確保

内容



産経新聞

平成18年9月30日(土) 13版

日立原発タービン損傷事故の対策費用

７００億円

2006年9月中間期最終損益：７８０億円


GDPの約４％に相当（米国 & 欧州の統計）

日本のＧＤＰ：約500兆円 → 約20兆円


破壊事故による経済的損失

経済成長を超える損失

村上敬宜：巨大事故の頻発と現代科学・技術

NSK Technical Journal, No.675(2003), 1-3



米国では発電用ボイラや圧力容器に関連した事故として，1992年～2003年の12年間の事故件数は26,492件，負傷者数は832名，死者は140名

The National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors

米国北東部の大停電，2003年8月14日4,750～7,100億円の経済的損失＆約5,000万人の生活に影響

資源エネルギー庁：“北米北東部大停電の概要と我が国の状況について”，2003年9月26日

火力ボイラ損傷原因の81％が機械的損傷であり，操業ミス等による異常過熱を除くと，機械的損傷の最大の要因はクリープである

David N. French：“Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers”,A Wiley-Interscience Publication, (1983), p.2



日本の腐食対策に要する経費

3兆 9千億円（1997年）GDPの 0.77%に相当

内訳：表面塗装，金属の表面処理，

耐食材料，防錆油，インヒビター

電気防食，腐食研究費

(社)腐食防食協会、(社)日本防錆技術協会

「わが国における腐食コスト」調査報告書（平成13年5月）


データシートステーション http://www.nims.go.jp/mdss/

ナノテクノロジー基盤領域

ナノスケール物質領域

情報通信材料研究領域

生体材料研究領域

環境・エネルギー材料領域

材料信頼性領域

萌芽ラボ

共用基盤部門

物質・材料工学専攻（筑波大学連携）

ナノテクノロジー総合支援プロジェクトセンター

若手国際研究拠点（ICYS）

超高圧電顕共用ステーション

強磁場共用ステーション

共用ビームステーション

データシートステーションデータベースステーションナノファウンドリーステーション材料創製ステーション分析支援ステーション


データシートステーション http://www.nims.go.jp/mdss/

クリープデータシート腐食データシート

疲労データシート宇宙関連材料強度データシート


疲労データシート：ギガサイクル疲労

106

Fatigue Limit

Giga-cycle Fatigue


破壊機構

超音波疲労試験機

加速試験

20kHz

1010回疲労試験

従来法 (100Hz): 3年以上超音波 (20kHz): 1週間

50μm

Origin of fish-eye fractureAl2O3 inclusion

疲労データシート：ギガサイクル疲労


10年大気腐食大気暴露試験サイト（つくば）

腐食データシート

開放暴露架台

遮蔽暴露架台

橋梁モデル

計測室計測室Tsukuba

Miyako Island

Choshi


0 2 4 6 8 100.00

0.05

0.4

0.5

Fe-Cu alloy

Fe-Cr alloyFe-Ni alloy

Miyakojima Tsukuba

Corrosion rate　/　mm/year

Alloy Contents　/　mass　%

Corrosion rates of Iron binary alloys

Tsukuba

Miyako Island

腐食データシート: Fe-X 二元系合金


Tsukuba

Miyako Island

腐食データシート: Ni添加の効果

10年大気腐食


Nov.1999Rocket-launch failure

of H-II, No.8

極低温における疲労試験 (4K and 20K)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

10 10 10 10 10 10 102 3 4 5 6 7 8

Number of cycles to failure, Nf

Stre

ss a

mpl

itude

, σa

(MPa

)

4K

293K

uni-axial, R=0.01

4K

DATA SHEET No.1

77K

NRIM (4K)

NASA (20K)

not broken

Ti - 5Al -2.5Sn ELI alloyInducers of liquid hydrogen turbo-pumps

Damaged FTP inducerFTP: Fuel Turbo Pump

宇宙関連材料強度： H-Ⅱ8号機の事故解析


H-IIA Launch Vehicle No.4

0

100

200

300

400

500

600

700

800

10 10 10 10 10 10 102 3 4 5 6 7 8

Number of cycles to failure, Nf

Stre

ss a

mpl

itude

, σa

(MPa

)

4K

293K

uni-axial, R=0.01

4K

DATA SHEET No.1

77K

NRIM (4K)

NASA (20K)

not broken

Ti - 5Al -2.5Sn ELI alloyInducers of liquid hydrogen turbo-pumps

H-ⅡAロケットの信頼性向上と打上げ成功に貢献

宇宙関連材料強度： H-ⅡAロケットの設計に反映


インターネットによる材料特性データの発信

2003年4月より，NIMS物質・材料データベースをインターネットで公開データベースステーション NIMS物質・材料データベース http://mits.nims.go.jp/

構造材料データシート

「構造材料データベース」（NIMS構造材料データシートオンライン）

登録ユーザー：24,425名国内：18,319名海外： 6,106名（平成18年9月末）

印刷物に加え，電子媒体を活用して，成果の普及を促進


QS RegistrationJUSE-RA-589

データシート，受託試験，事故調査

データの信頼性と顧客満足の向上

政府系研究機関として初

2005年4月に認証更新

ISO9001 : 2000 Quality Management System

ISO9001の認証取得（2002年5月20日）


事故調査等に対する貢献

SPring-8の屋根の台風18号による被害

破面に見られたストライエーション

破断したボルトの破面


事故調査等に対する貢献

ＪＡＬジャンボ機の御巣鷹山墜落事故１９８５年８月１２日，５２０人死亡

破損した圧力隔壁の破面をＳＥＭ観察し，圧力隔壁の金属疲労が原因であることを解明ＳＥＭ観察により疲労破壊の原因を解明した初めての事例

もんじゅナトリウム漏洩事故１９９５年１２月８日

２次冷却系配管の温度計測用鞘管の破損により液体ナトリウムが漏洩ストラエーションは認められなかったが，オーステナイトステンレス鋼の高サイクル疲労に特有な組織依存型の破面を見いだし，力学解析と併せて事故原因を解明

H-II, ８号機事故１９９９年１１月１５日

エンジントラブルによる打ち上げ失敗液体水素ターボポンプのインデュサーの加工痕を基点とする疲労破壊であることを解明平成13年から構造材料データシートの一環として宇宙関連材料強度データシート作成に着手

その他，NIMSが関与した大きな事故の調査・阪神・淡路大震災（１９９５年１月１７日）のよる巨大鋼構造物の脆性破壊・ロシア船籍タンカー「ナホトカ」号の沈没事故（１９９４年１月２日）；腐食減肉・航空・鉄道事故調査委会からの依頼による航空機事故調査・裁判所からの依頼による事故鑑定


３．高温機器の高効率化と信頼性の確保

高温機器の高効率化の意義



高温機器の設計基準



高温機器の高効率化の意義： CO2排出源


世界の電力需要予測


先進国の電源構成


発電部門37％

産業部門28％

運輸部門22％

民生部門12％

部門別CO2排出量

（1998年:日本）

0 200 400 600 800 1000風力

太陽光

地熱

水力

原子力

LNG複合

LNG火力

石油火力

石炭火力

単位発電量当りのCO2排出量，g(CO

2)/kWh

（電力中央研究所，2000年10月）

燃料燃焼分

燃料燃焼分

燃料燃焼分

燃料燃焼分

975742

608

519

28

11

15

53

29

火力

55.2％

原子力

34.6％

水力9.6％

新エネルギー 0.1％

地熱 0.4％

電源構成（1996年度:日本）

CO2排出源（日本）


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1990 2000 2010 2020 2030

発電電力量 / 億kWh

西暦年度

資源エネルギー庁総合資源エネルギー調査会　

総合・需給合同部会（H13.3.6）

原子力

地熱新ｴﾈﾙｷﾞｰ

石油

水力

石炭

LNG

電源構成の予測


人口増加経済発展

資源・エネルギー食料

地球環境

資源・エネルギー，食料不足分配の不公平経済難民その他

自然災害伝染病環境難民スラム化その他

地球温暖化オゾン層破壊酸性雨その他

森林破壊海洋汚染土壌劣化

出典：電力中央研究所編依田直監修人類の危機トリレンマ電力新報社，p.33

人類の危機

トリレンマ


火力発電プラントのエネルギー効率の変遷（日本）


EPDC（電源開発）NIMS：超鉄鋼プロジェクト

COST & Thermie AD700欧州内の国際共同研究

研究開発予算：$37 million材料開発予算：$7 million /年

高効率火力発電プラントの開発プロジェクト



COST 501ESuper304H / P1222002年613℃日本磯子１号

COST 501ETP347FG / E9112002年600℃ドイツNiederaussenCOST 501ETP347H / P922001年600℃ﾃﾞﾝﾏｰｸAvedØre 2TMK2 / TMK1Super304H / P122 / P922001年613℃日本橘湾２号

Toshiba 12CrSuper304H / HR3C / P1222000年597℃日本敦賀２号

COST 501E1.4910 / P912000年578℃ドイツBoxbergCOST 501E1.4910 / P911999年583℃ドイツLippendorfTMK2 / TMK1Super304H / HR3C / P911998年604℃日本三隅１号

Toshiba 12CrTP347H / P911998年597℃日本七尾大田２号

COST 501FTP347FG / P911998年580℃ﾃﾞﾝﾏｰｸNordjylland 3HR1100Super304H / P911998年604℃日本原町３号

COST 501FTP347FG / P911997年580℃ﾃﾞﾝﾏｰｸSkærbæk ３TMK1Super304H / P911997年598℃日本松浦２号

タービン材料ボイラ材料運転開始最高蒸気温度国発電所

主要な高強度耐熱鋼15種類のうち，10種類が日本開発材

米国P91欧州1.4910, E911, COST 501E, COST 501F

日本P92, P122, Super304H, TP347H, TP347FG,HR3C, TMK1, TMK2, HR1100, Toshiba 12Cr

開発国材料（耐熱鋼）


許容応力の比較と570℃及び600℃で設計した主蒸気管の断面形状

高強度材料のメリット


時間

ひずみ

クリープ試験：一定温度一定荷重(応力)

クリープ破断寿命

Xクリープ破壊

高温（>1/3 Tm）

低温（<1/3 Tm）



クリープ破損事例


クリープ温度領域での許容引張応力

a.当該温度で0.01％／1000hrのクリープを生じる応力の平均値b.当該温度で105hrでクリープ破断する応力の最小値の0.8倍c.当該温度で105hrでクリープ破断する応力の平均値の0.67倍

105h = 11.4年

高温構造機器の安全性・信頼性確保には長時間クリープ強度特性の把握が必要

高温機器の設計基準：許容引張応力


炭素鋼（JIS STB410）のクリープ破断データ

長時間クリープ強度のばらつき


0.5Mo鋼（JIS STBA12）のクリープ破断データ

短時間試験データからの予測が困難


18Cr-10Ni-Ti 鋼 : JIS SUS321H TB (NRIM CDS No.5B)

as-received 600℃-88MPa, tR=117,957.7h

650℃-61MPa, tR=128,354.6h 700℃-37MPa, tR=145,970.3h

金属組織（強度支配因子）が大きく変化



目的：国産の実用耐熱金属材料について，10万時間を超える長時間クリープ試験データを取得し，クリープデータシートを発行する

期間：昭和41年度（1966）開始

材料： 44材種（1966年当時) ・・・ほぼ終了22材種追加（1988年以降）・・・新規開発材料

クリープデータシート発行冊数：130冊（2006年3月）初版：53冊，Ａ版：43冊，Ｂ版：34冊

送付先：国内 479機関，海外 213機関（2006年3月）

データベース：登録ユーザー数 20,000名以上

クリープデータシートプロジェクト



Creep Laboratory in Meguro Campus

10 5h (11.4 years) Creep

0.5Mo steels (JIS STBA12)0.5Mo steels (JIS STBA12)

クリープデータシート


> 700 点100,000h以上の長時間クリープ試験データ

> 27,000 年クリープ試験時間の累計

> 10,300 本クリープ破断した試験片本数

2006年11月25日現在のクリープ試験状況（目黒地区）

64 本200,000h(22.8年)以上で試験中のもの

13 本300,000h(34.2年)以上で試験中のもの

> 200 本100,000h(11.4年)以上で試験中のもの

> 800 本試験中の試験片本数

クリープデータシート：長時間試験

40年間の実績


199671,8941543,102994合計

144121,800602,232124複式

55559494870870単式

試験片容量

台数試験片容量

台数試験片容量

台数型式

Nat.Met.Lab.India

TU DarmstadtGermany

ＮＩＭＳJapan

世界の主要な大規模クリープ試験施設


National Metallurgical Laboratory, Jamshedpur, India


continuous creepstopped 1992Siemens PG300,006118600

X8CrNiMoNb15-15

cold hardened

continuous creepstopped 2000creep strain :

2.1%

Siemens PG356,463100530GX22CrMoV12-1

interrupted creep testing

Thum, RichardDarmstadt

313,192(1979)1505000.3C-1.6Cr-1.3Mo-0.1V

bolt steel

complete creep curve available

El.=8.6%, RA=15%

SalzgitterMannesmannDr. Bendick

339,702(22.07.1993)49700X8CrNiMoNb

16-16

CommentsLaboratoryTime / hStress/ MPa

Temp./ oCMaterial

300,000h Creep Data in Germany


53冊

34冊

43冊

クリープデータシート：出版冊数


クリープ試験規格が要求する許容範囲の半分に制御

クリープデータシート

± 4 oC

± 3 oC

ISO規格

JIS規格

± 2.0 oC± 4 oC900 < T ≤ 1000

± 1.5 oC± 3 oCT ≤ 900

許容温度範囲クリープ試験温度

（℃）

クリープ試験温度の高精度制御


クリープ試験時間, h

熱起電力変化

, o C

熱起電力変化

, μV

-8

-6

-4

-2

0

2

500oC-80-60-40-20

020

550oC

-8

-6

-4

-2

0

2

101 102 103 104 105 106

600oC-80-60-40-20

020

102 103 104 105 106

650oC

金属材料のクリープ及びクリープ破断試験方法 JIS Z 2271:1999附属書2 熱電対の経年劣化

熱電対の特性変化の評価


Type 304 (18Cr-8Ni steel)Type 316 (18Cr-12Ni-Mo steel)

長時間クリープ試験材の微細組織写真集


16年で約500μmのクリープ変形約0.03mm / 年30.0mm → 30.5mm


超長時間の高精度クリープ変形データ

1969年6月18日試験開始 2003年12月14日30万時間到達

1977年ひまわり1号打上げ王選手世界新記録756号達成

1985年つくば科学万博

1992年毛利さんｴﾝﾃﾞﾊﾞｰで宇宙へ

324,845h経過試験進行中

(2006年11月25日）

1969年7月20日アポロ11号月面着陸

平成 21世紀


クリープ変形挙動解析

クリープ速度－時間曲線

Brackburn： ε = εi + εP0{1-exp(-βP0 t)} + εdP{1-exp(-βpt)} +εst

対数クリープ： ε = εi + a1log(a2t + 1) ε : ひずみ，t : 時間

指数則（Power law）： ε = εi + A t n


20

40

6080

100

300

500

101 102 103 104 105

Stre

ss

/ MPa

Time to rupture / h

Mod.9Cr-1Mo steel

Predicted

550oC

725oC

650oC

700oC

600oC

600oC - 100MPa, tr = 34,141.0h

Prior austenite grain boundary粒界近傍での不均一回復に起因したクリープ強度低下

強度低下機構の解明


従来法（全データ）領域分割解析法

寿命予測法の提案


PostAssessmentTest

従来法：長時間クリープ強度を過大評価


PostAssessmentTest

領域分割解析法：予測精度の向上


許容引張応力の見直し：火SUS410J3系鋼

0

20

40

60

80

100

120

140

550 575 600 625 650 675 700

Allo

wab

le te

nsile

stre

ss, M

Pa

Temperature, oC

previous

revised

68MPa

46MPa27MPa

KA-SUS410J3KA-SUS410J3TPKA-SUSF410J3

85MPa

65MPa

45MPa

100MPa

METI Thermal Power Standard, Revised at Dec.14, 2005発電用火力設備の技術基準の解釈，2005年12月14日


従来法（全データ）領域分割解析法

寿命予測法の比較：火SUS410J3DTB


T122: 11.51-12.50 mass% Cr

0

20

40

60

80

100

120

140

550 575 600 625 650 675 700

Allo

wab

le te

nsile

stre

ss, M

Pa

Temperature, oC

previous

revised

52MPa

25MPa16MPa

KA-SUS410J3DTBtube: 11.51-12.50Cr

72MPa

53MPa

33MPa

94MPa

許容引張応力の見直し：火SUS410J3DTB（ボイラ鋼管）

発電用火力設備の技術基準の解釈，2005年12月14日


既設プラントの信頼性確保：寿命管理のガイドライン


許容引張応力引下げ

エネルギー効率～ 40% (超々臨界圧火力発電)

蒸気温度: 20℃上昇～ 1% エネルギ効率向上

1%のエネルギー効率向上燃料代の削減: 700億円 / 年CO2排出量の削減: 943万t / 年

年間排出量の約0.8% (1999)

65MPa 46MPa


クリープ温度領域での許容引張応力

非原子力分野

a. 当該温度で0.01％／1000hrのクリープを生じる応力の平均値b. 当該温度で105hrでクリープ破断する応力の最小値の0.8倍c. 当該温度で105hrでクリープ破断する応力の平均値の0.67倍

原子力分野

a. 当該温度で1％全ひずみに到達する時間b. 当該温度で加速クリープを開始する時間

原子力用途には非原子力分野よりも

長時間のクリープ強度特性評価が必要


次世代原子炉開発計画

日本高速増殖炉（FBR）サイクル技術の実用化2025年に実証施設の運転開始を目指す

設計寿命： 60年温度： 550℃高温配管用候補材料：高クロム耐熱鋼

米国エネルギー省（DOE）第４世代（Generation IV）原子炉プロジェクト2030年頃の実用化を目指す1) Supercritical Water Reactor (SCWR)2) Very High Temperature Reactor (VHTR)3) Lead-cooled Fast Reactor (LFR)4) Gas-cooled Fast Reactor (GFR)5) Sodium-cooled Fast Reactor (SFR)6) Molten Salt Reactor (MSR)


九州大学大学院工学研究院長村上敬宣教授

人間は機械，構造物やプラントが事故を起こさず運転されている間は，それらが永遠に無事に運転されると思い込む習性を持っている。一般の人がこの習性を持っているのは理解できる。しかし，世界の企業の経営者が一般の人と同じでは困る。残念ながらほとんどの企業の経営者の巨大事故に対するリスク感覚は一般の人と同レベルかむしろそれよりたちが悪い。事故を防止するために投資をした後，何も起こらなかったら，その投資を「無駄だ」と考えるからである。村上陽一郎氏1)はこのような投資を無駄呼ばわりする傾向に対して警告を発している。菅原進一氏2)は同じことを別の視点から次のように述べている。

『分離・分析を本質にもつ近代科学の下では，「創成・成功」と「破壊・失敗」とは別世界として扱われ，後者はとかく忌み嫌われ忘却のかなたに押しやられる。その結果，安全の神話に代表される絶対安全が好まれ，「災害は忘れたころにやってくる」ことになる。』

1) 村上陽一郎，安全学，青土社，1999 2) 菅原進一，学術の動向，2002, 4, pp.80-81.NSK Technical Journal No. 675 (2003)

巨大事故の頻発と現代科学・技術（抜粋）

65第107回蔵前技術士会科学技術セミナー，2006.11.25National Institute for Materials ScienceNational Institute for Materials Science

NIMS Creep Laboratory in Meguro Campus

Documents

数十年の長時間クリープ試験による 高温機器の安全 …legacy.krpe.net/061125Kimura.pdfDavid N. French：“Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers”, A

数十年の長時間クリープ試験による高温機器の安全 …legacy.krpe.net/061125Kimura.pdfDavid N. French：“Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers”, A