クリープ損傷

クリープ損傷とは

設備の寿命を左右する代表的な損傷のひとつが「クリープ損傷」です。
この「クリープ（creep）」という言葉、「這うように進む」「じわじわ動く」という意味があります。
たとえばオートマチック車では、アクセルを踏まなくても車がゆっくり前に進みます。
あの現象も「クリープ現象」と呼ばれています。
このように、「時間とともにじわじわ進む」
――それがクリープの本質です。

クリープ損傷の3条件

高温で作動する火力発電プラントやジェットエンジン（ガスタービン）でも、この損傷が生じます。
ボイラの蒸気配管は、高温の状態で、長時間にわたって内部圧力を受け続けています。また、ジェットエンジンのタービンブレードは高温の燃焼ガスにさらされながら回転による遠心力が作用します。

つまり、
• 高い温度（Temperature）
• 一定の力（応力；Stress）
• 長い時間（Time）
という条件にさらされています。

この条件にさらされると、材料がすぐには壊れるというわけではありません。
ただ、アクセルを踏まない車が動き続けるように、徐々に変形が進んでいきます。
これが「クリープ変形」であり、これが蓄積して「クリープ損傷」となります。

クリープ損傷のやっかいな特徴

クリープ損傷の怖いところは、「気づきにくさ」にあります。

① 見た目に変化が出にくい
　通常、肉眼ではほとんど変化（伸びていること）がわかりません。
② 比較的低い力でも損傷する
　設計上は破壊することのない力（応力）でも、破壊に至ります。
③ 最後は一気に壊れる
　長い間じわじわ進んだ後、あるところで急激に破断に至ります。

つまり、「今は大丈夫」に見えても、確実に材料の寿命が削られているタイプの損傷です。

なぜ寿命が評価できるのか

ここが、人と設備の違いです。
人の老化は予測が難しいですが、クリープ損傷は比較的シンプルな原理に従っています。

• 温度が高いほど壊れやすい
• 応力が大きいほど壊れやすい
• 時間が長いほど壊れやすい

つまり、これらの条件を把握すれば、
「どれくらい損傷が進んでいるか」
「あとどれくらい使えるか」
を評価することができます。

クリープ損傷の寿命は「予測できる」

では、実際にクリープ損傷の寿命はどうやって評価しているのでしょうか。
ここで出てくるのが、Time–Temperature Parameter（TTP）という考え方です。
少し難しそうな名前ですが、本質はシンプルです。

クリープ損傷は、
• 温度が高いほど早く進む
• 長時間ほど進む
という特徴があります。

言い換えると、「温度」と「時間」はトレードでき、
「高温で短時間」と「低温で長時間」は、同じようなダメージになることがあります。
この関係をうまく整理したものが、TTP曲線です。

TTP曲線は、とてもざっくり言うと
「ある温度で、あと何時間で壊れるか」
をまとめた設計用の地図のようなものです。
実験で
• 温度を変える
• 応力を変える
• 破断するまでの時間を測る
こうして得られたデータを整理すると、
温度・応力・寿命（時間）の関係が一本の曲線として表せます。

この図のLMP（ラーソン・ミラー・パラメータ）は温度（T）と時間（t）の関数です。Cは材料ごとに決まる定数です。応力がわかれば青色のLMP曲線と交わる点のLMPの値がわかります。温度(T)とLMPの値から時間(tr)を求めることだできます。簡易評価として、この計算で求めた時間（tr）から設備の運転時間（t0）を差し引くことで寿命L（＝tr-t0）が計算できます。