JP2002530646A - 欠陥および引っ張り残留応力を形成する方法 - Google Patents

欠陥および引っ張り残留応力を形成する方法

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JP2002530646A JP2000582793A JP2000582793A JP2002530646A JP 2002530646 A JP2002530646 A JP 2002530646A JP 2000582793 A JP2000582793 A JP 2000582793A JP 2000582793 A JP2000582793 A JP 2000582793A JP 2002530646 A JP2002530646 A JP 2002530646A
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ハヌ ハニネン
ミカ カンパイネン
ペッカ サリネン
イカ ヴィルクネン
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Abstract

(57)【要約】 様々な種類の試験片において、自然の傷および残留応力に対応する制御された欠陥を形成するために用いられる方法。自然の傷と同じ欠陥は、非破壊試験（ＮＤＴ）手法の適格性を検定するために必要である。この方法では、連続して繰り返される加熱−冷却サイクルが、欠陥および残留応力を形成するために用いられる。加熱および冷却パターンの形状、加熱および冷却の持続時間、ならびに熱サイクルの数は、得られる欠陥および残留応力のサイズを制御するために用いられる。欠陥は、初期の傷または他の核形成促進剤を用いずに成長する。欠陥は、形態学、そしてまたＮＤＴ法を用いて得られる信号により自然の傷に対応し、例えば、ＮＤＴ適格ブロックに用いるのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、制御された欠陥および残留応力を試験片に形成する方法に関する。
【０００２】 熱疲労による亀裂（cracks）などの欠陥は、例えば、原子力発電所において、
作動中の様々な構成要素において出現する。非破壊試験（ＮＤＴ）手法は、定期
的に実施される検査中に、予め規定されたバルブ、パイプ、パイプ接続部等を調
べるために用いられる。現場条件下で実施される検査では、検査を実施するため
の方法および人員の両方による誤りが常に発生する。実際の亀裂に似せて人工的
に形成された亀裂を有する試験片は、ＮＤＴ手法および検査者の適格性を検定す
る（qualify）ために用いられる。材料の非破壊試験の信頼性に関する国際的な
ＰＩＳＣ Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩの研究は、欠陥の検出および定義における明ら
かな欠陥を示し、適格性（qualification）の必要性を示している。
【０００３】 例えば、原子力発電所の検査では、適格性が必要である。原子力発電所のＮＤ
Ｔ検査の適格性に関する指導（米国では、ＡＳＭＥコードセクションＸＩ、欧州
では、ＮＲＷＧおよびＥＮＩＱ）が発行されており、それに従って、機器、試験
片、手法および検査者の資格検定がなされなければならない。
【０００４】 欧州の適格検定の手法によると、試験片の寸法（直径、壁厚等）は、検査され
る実際の物体に対応しなければならない。同様に、材料、形状、表面品質、製造
方法、および溶接位置などの、試験片の他の特性もまた、実際のプラントの構成
要素の特性に対応しなければならない。形成される欠陥のタイプ、形状、サイズ
、位置、配向、および開口は、自然の傷に十分密接に対応しなければならない。
適格な試験片における欠陥の特性は、認定プロセス全体に非常に重要である。自
然の欠陥にできるだけ類似した欠陥を有する試験片を用いることにより、該検査
手法で、このような欠陥を必要な精度で検出および規定することが確実に可能と
なる。人員の資格検定試験では、検査者が十分な正確さで関連した欠陥を検出お
よび規定することが可能であるかどうかが決定される。
【０００５】 現在、試験片に様々な種類の亀裂および欠陥を形成する方法が公知である。公
知の方法では、人工的な亀裂は、通常、溶接によって試験片に埋め込まれ、溶接
欠陥が形成されるか、またはノッチが試験片に機械形成される。日本特許公開Ｊ
Ｐ５７−０３４４３９は、プレート状試験片の表面形成において亀裂を形成する
ために用いることができる方法を開示している。また、他の日本特許公開ＪＰ５
８−０５５７５２は、人工亀裂を形成する方法を開示し、この方法では、２個の
試験片の間の結合表面に穴が機械形成され、その後、試験片が共に結合される。
第３の日本特許公開ＪＰ８−２１９９５３は、試験片に溝を機械形成し、その溝
に母材の特性とは異なる音響特性を有する材料で充填することによって欠陥を形
成する方法を開示している。任意の形状の試験片に、任意の場所で、かつ任意の
所望の配向および形状の欠陥を形成する方法は知られていない。自然の亀裂に類
似した亀裂を形成することは、適格性における中心的な問題点の１つである。
【０００６】 引っ張り残留応力の状態を形成するための方法はまた、米国特許第５,０１３,
３７０号から公知であり、この特許では、引っ張り残留応力は、試験片の一方の
面を冷却し、他方の面を局部的に加熱することによって試験片に誘導される。上
記の公開公報に開示されている発明は、扱う物体または試験片が応力を有さない
部分を少なくとも１つ有することを必要とし、この部分に引っ張り残留応力の状
態が誘導され得る。加熱はこの領域に向けられ、引っ張り残留応力が１つの領域
よりも多くの領域において形成される場合には、それらの各領域は、初期の状態
で、応力を有していてはならない。
【０００７】 参照する公開公報では、試験片の両側は、加熱および冷却される。この配置に
よって、制御されない引っ張り応力の状態が扱う領域内に誘導される。当該特許
によると、亀裂は、例えば、沸騰している塩化マグネシウム溶液、高温の酸素添
加水（oxygenated water）などの過激な亀裂促進環境によって、引っ張り応力の
誘導フィールドに形成され得る。
【０００８】 米国特許第５,０１３,３７０号による発明とは異なって、本発明は、環境また
は応力状態の要求なしに、所望の制御された亀裂または制御された（引っ張りま
たは圧縮）残留応力状態を形成するために用いることができる。本発明では、加
熱／冷却は、試験片の異なる側に向けられないため、試験片のサイズおよび形状
に関する要件はない。さらに、初期状態における試験片の残留応力状態に関する
要件もない。
【０００９】 本発明の上記および他の利点ならびに利益は、特許請求の範囲にその特徴を記
載した方法によって成し遂げられる。
【００１０】 本発明の基本的な概念は、扱う試験片の加熱および冷却を交互に繰り返すこと
、即ち、試験片に熱疲労をもたらすことであり、それによって、自然の傷と同一
の亀裂または所望の制御された状態の残留応力が生じる。
【００１１】 一般に、上記の公開公報で開示されている方法によって誘導される亀裂は、適
格検定のための試験片を製造する際の明らかな不良であり、自然の傷には対応し
ないと言われている。現在、亀裂は、試験片に亀裂を有する別個の試験片を溶接
するか、または熱亀裂（hot crack）を試験片に溶接するか、または試験片にノ
ッチを単に機械形成することによって、適格な試験片に形成される。溶接によっ
て埋め込まれる亀裂は自然のものであり、運転中の亀裂を有する実際の片からの
亀裂であるか、または別個の試験片において人工的に形成することができる。埋
め込まれる亀裂がどのように形成されるかに関係なく、埋込みからの溶接部は材
料内に残る。高温割れは、試験片に狭い溝を機械形成し、次いで所望の方向に溶
接部が亀裂を起こすようなパラメータを用いてその溝を溶接で閉じることによっ
て形成される。これらの方法によって得られる試験片の溶接接合部は、ＮＤＴ検
査法によって簡単に検出することができる。このような機械的に形成されたノッ
チの幅および発達などの様子は、自然の傷には対応しない。
【００１２】 現在開発されている方法は、形状または寸法に関係なく、試験片の任意の位置
において自然の亀裂と類似した亀裂を柔軟に形成するために用いられ得る。亀裂
は、試験片の表面に直接核形成される（be nucleated）。亀裂開始剤（機械形成
されたノッチ等）は必要ではない。亀裂は、ＮＤＴ法によって検出可能な微小構
造的（micro-structural）または他の変化を受ける材料なしで、試験片の表面に
成長する。これは、極めて有利である。なぜなら、移設または溶接された亀裂が
用いられるとき、検査者は、試験片の溶接シームに気づき、同じ領域内での亀裂
をさらに徹底的に探索するように注意することができるからである。開発された
方法で形成される亀裂はまた、亀裂の伝播および分岐ならびに亀裂先端部の範囲
など（これらはすべて、例えば、超音波検査で受信される信号、およびその解釈
に影響を与える）によって、自然の亀裂によく対応する。
【００１３】 現在開発されている方法は、熱疲労の現象およびその新たな応用に基づいてい
る。このような熱疲労の現象は、長期間、特に、高温で使用される材料に対して
公知である。熱疲労における加熱および冷却の迅速なサイクリングによって、試
験片内に急峻な温度勾配の変動が引き起こされ、その結果、材料の熱膨張率に依
存する応力および歪力のサイクリングを生じ、最終的には、疲労損傷へとつなが
る。
【００１４】 現在開発されている方法を用いて形成される亀裂は、ＮＤＴ手法の適格性を検
定するために用いられる試験片において使用するのに適している。亀裂は、以下
の要件に従って形成することができる。
【００１５】 −ＮＤＴ手法によって検査されるとき、亀裂の形態は、自然の亀裂と同様の応答
を有し、自然の亀裂に十分対応する。 −その方法を用い、個々の亀裂および亀裂のネットワークを形成することができ
る。 −個々の亀裂の配向は変化し得る。 −亀裂は、試験片の材料の厚さに影響されずに、異なるサイズおよび形状で形成
され得る。 −適格性を検定する試験後に試験片を破壊することを意図しない場合、形成され
る亀裂のサイズは、疲労サイクリング中または疲労パラメータに基づいて評価さ
れ得る。 −加熱および冷却パターンは、所望の方向に亀裂を成長させるように変更するこ
とが可能である。
【００１６】 以下では、試験片に欠陥を形成する加熱および冷却配置を示す添付の図面を参
照しながら、本発明の動作を説明する。図面において、強制冷却（液体またはガ
ス冷却）を参照符号１で示し、加熱手段を参照符号２で示し、および加熱パター
ン（等温線）を参照符号３で示す。
【００１７】 図面による配置は、ヒータ２が、表面を所望の温度に加熱するために用いられ
るように動作し、その後、表面はより低い温度に冷却される１。加熱中、加熱出
力および時間に依存する加熱パターン３が生じ、パターンの形状は、形成される
欠陥の配向に影響を与える。
【００１８】 本発明の動作を以下の実施例を参照して説明する。
【００１９】 実施例１ 原子力発電プラントで用いられるパイプに相当するパイプ内に単一の亀裂また
はいくつかの個々の平行な亀裂を、形成することができた。加熱パターンをパイ
プの周囲の長い方の寸法で形成した。これにより、亀裂は、パイプの軸方向に成
長した。加熱および冷却サイクルは共に３０秒間続いた。試験中、最高温度は約
７００℃であり、最低温度は約１０℃であった。強制冷却を用いて、加熱パター
ンが熱伝導によって広がらないようにした。強制冷却では、冷却水は、加熱サイ
クルの間も、加熱領域の両側に連続して向けられる。
【００２０】 全サイクル数は６５００であり、加熱および冷却は共に、単一のサイクルに含
まれる。このサイクル数では、３つの軸方向に配向された亀裂が試験片内に核形
成された微小亀裂（マイクロクラック）から成長した。
【００２１】 本発明による方法を用いて、母材において単一の亀裂または多数の亀裂を形成
した。
【００２２】 実施例２ 上記の方法を用いて、パイプの溶接シームに１つの亀裂または多数の亀裂を形
成した。亀裂をパイプの内面に形成した。
【００２３】 加熱パターンを溶接部のルートパスにわたって延びるように形成し、その中心
点をルートパスに近接させた。較正（calibration）の間、６秒の加熱時間で、
７００℃の温度に達した。冷却時間は１０秒であった。試験中合計１７８０３サ
イクルを行った。浸透探傷試験を行ったところ、亀裂は溶接部の両側に形成され
たことが示された。上記の亀裂に加えて、ルートパスにわたって延びない単一の
亀裂は、溶接部まで横断して成長した。
【００２４】 上記の方法は、自然の傷の特性に相当する特性を有する亀裂を形成するために
用いることができ、従って、適格な試験片において用いることができる。この方
法は、熱疲労および単一の亀裂に特異的な亀裂のネットワークを共に成長させる
ために用いることができる。製造された亀裂の超音波検査は、検査手法に対する
亀裂の課題が実際のものと対応することを示した。
【００２５】 上記の方法を上記の実施例に記載されるように用いた。さらに、この方法はま
た、試験片に残留応力を形成するためにも適用され得る。残留応力もまた、永久
的な残留応力状態が試験片に現れる場合、試験片の所望の領域に熱サイクリング
によって形成される。熱サイクリング中の残留ストレス状態の変化は、用いられ
る加熱および冷却パラメータに依存する。
【００２６】 本発明は決して上記の開示にも実施例にもなんら限定されるものではなく、特
許請求の範囲およびそこに述べられている発明思想の範囲内で変化し得ることに
留意されたい。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年２月１８日（２０００．２．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１５】 −ＮＤＴ手法によって検査されるとき、亀裂の形態は、その応答が自然の亀裂に
十分に対応し、元の亀裂の形態と同様になる。 −方法は、個々の亀裂および亀裂のネットワークを形成するために用いることが
できる。 −個々の亀裂の配向は変化し得る。 −亀裂は、試験片の材料の厚さに影響されずに、異なるサイズおよび形状で形成
され得る。 −条件付け試験後に試験片を破壊することを意図しない場合、形成される亀裂の
サイズは、疲労サイクリング中または疲労パラメータに基づいて評価され得る。
−加熱および冷却パターンは、所望の方向に亀裂を成長させるように変更するこ
とが可能である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年１０月１３日（２０００．１０．１３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，Ｌ Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 カンパイネン ミカ フィンランド国 エフアイエヌ−02400 キルコヌミィー ロボクランティー 20 (72)発明者 サリネン ペッカ フィンランド国 エフアイエヌ−00750 ヘルシンキ ケスキヨンティー１−３エヌ 10 (72)発明者 ヴィルクネン イカ フィンランド国 エフアイエヌ−00420 ヘルシンキ トランペティティ ４ イー 38 Ｆターム(参考） 2G047 AA07 AC01 BC07 GJ22 2G051 GA01 2G052 AA11 GA02 GA26 2G061 AA01 AB05 BA03

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試験片に人工的な欠陥および／または残留応力を形成する方
    法であって、物体を交互に加熱および冷却し、欠陥および／または残留応力を形
    成することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 欠陥および／または残留応力は、加熱および／または冷却パ
    ターンの形状を形成することによって、所望の形状で形成されることを特徴とす
    る請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 加熱パターンの形状は、前記所望のパターンの領域の外側で
    前記試験片を冷却することによって制御される請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 十分な数の連続して繰り返された交互の加熱および冷却サイ
    クルは、熱疲労損傷を成し遂げるために用いられる請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 欠陥は、初期の傷または他の核形成促進剤（nucleator）な
    しで成長する請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 形成された欠陥および残留応力のサイズは、加熱および冷却
    出力、加熱および冷却継続時間、および熱サイクル数によって制御される請求項
    １に記載の方法。
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