JP2006118865A - 原子炉構造物の溶接部強度予測方法ならびにそのシステムおよびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 中性子照射原子炉構造物を溶接した後の当該溶接部の強度を予測する。
【解決手段】 溶接部強度予測方法は、中性子照射を受けた原子炉構造物の形状１と溶接条件２とに基づいて溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度、応力およびひずみの時刻歴を算出する時刻歴算出工程Ｓ１と、時刻歴算出工程Ｓ１で算出された温度よび応力の時刻歴と原子炉構造物のＨｅ含有量４とに基づいて溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度とを算出するバブル直径および密度算出工程Ｓ２と、バブル直径および密度算出工程Ｓ２で算出されたＨｅバブル直径および密度と時刻歴算出工程Ｓ１で算出されたひずみの時刻歴とに基づいて、溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生をそれぞれ判定する判定工程Ｓ３と、判定工程Ｓ３で判定された粒界割れ発生の有無に基づいて溶接金属近傍における割れ指標を算出する指標算出工程Ｓ４と、指標算出工程Ｓ４で算出された割れ指標に基づいて溶接部の強度を予測する予測工程Ｓ５と、を有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、中性子照射を受けた原子炉構造物の溶接部強度予測方法ならびにそのシステムおよびプログラムに関する。

中性子照射を受けたステンレス鋼は、鋼中の不純物として含有するＢ（ホウ素）、Ｎｉと中性子との核反応によりＨｅを生成し、鋼中に蓄積する。例えば、溶接時の入熱で鋼が高温に加熱されるとＨｅが粒界に集まりやすく、粒界上にバブルを形成して脆化させる結果、溶接時の冷却過程での引張応力／歪が負荷された時に割れ（Ｈｅ割れ）を生じることがあるということが知られている。

このＨｅ割れ現象は、中性子照射を受けた原子炉構造物を補修、保全あるいは改良のため溶接を行なう場合に問題となる。そこで、健全な溶接部を得るためには、予め、このＨｅ割れが生じるか否かを予測しておく必要がある。

このＨｅ割れの予測方法が、たとえば特許文献１に開示されている。この方法は、被診断材料のＨｅ含有量を求める工程と、溶接による溶融金属近傍の温度履歴および応力履歴を予測する工程と、溶融金属近傍の粒界Ｈｅバブルの成長を推測する工程と、このＨｅバブルの成長挙動から被診断材料の溶接の可否を診断する工程と、からなる原子炉内構造物の診断方法である。

また、Ｈｅバブルの成長挙動から溶接可否を診断する方法として、バブルを有する粒界が延性破壊に至る限界歪と、溶接中に評価点に加わる歪とを比較し、後者の歪が前者のそれを上回った時に「割れを発生する」と診断する方法が知られている。

さらに、Ｈｅ割れの大きさを予測する方法が、特許文献２に開示されている。これは、溶接部の任意の点における溶接中の温度、応力および歪の時刻歴を計算し、金属中のＨｅ濃度と前記温度および応力時刻歴から、結晶粒界上に生成するＨｅバブルの直径および密度の計算を行なう中性子照射材のＨｅバブル挙動予測方法である。ここでは、溶接部を２次元又は３次元の結晶粒界モデルとしたときの任意の粒界又は粒界面に垂直な方向における応力成分又は歪成分の時刻歴を、前記任意の点における溶接中の応力成分又は歪成分の時刻歴計算結果を用いて計算し、その結果を用いて粒界上に生成するＨｅバブルの直径および密度の計算を行なう。

従来は、溶接部近傍の特定の点がＨｅ割れを生じるか否かの予測ができるのに対して、上記の予測方法によれば、溶接部近傍における特定の長さまたは面積を持った粒界がＨｅ割れを生じるか否かを予測することができるようになる。
特開平１０−１１１３８０号公報 特開２００４−１４４６５７号公報

しかしながら、中性子照射原子炉構造物を溶接した後の当該溶接部の強度を予測する具体的方法については知られていない。

本発明は、中性子照射原子炉構造物を溶接した後の当該溶接部の強度を予測する具体的方法ならびにそのためのシステムおよびコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の原子炉構造物の溶接部強度予測方法は、中性子照射を受けた原子炉構造物の形状と溶接条件とに基づいて溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度、応力およびひずみの時刻歴を算出する時刻歴算出工程と、前記時刻歴算出工程で算出された温度よび応力の時刻歴と前記原子炉構造物のＨｅ含有量とに基づいて前記溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度とを算出するバブル直径および密度算出工程と、前記バブル直径および密度算出工程で算出されたＨｅバブル直径および密度と前記時刻歴算出工程で算出されたひずみの時刻歴とに基づいて、前記溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生をそれぞれ判定する判定工程と、前記判定工程で判定された粒界割れ発生の有無に基づいて前記溶接金属近傍における割れ指標を算出する指標算出工程と、前記指標算出工程で算出された割れ指標に基づいて溶接部の強度を予測する予測工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の原子炉構造物の溶接部強度予測システムは、中性子照射を受けた原子炉構造物の形状と溶接条件とに基づいて溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度、応力およびひずみの時刻歴を算出する時刻歴算出手段と、前記時刻歴算出手段によって算出された温度よび応力の時刻歴と前記原子炉構造物のＨｅ含有量とに基づいて前記溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度とを算出するバブル直径および密度算出手段と、前記バブル直径および密度算出手段によって算出されたＨｅバブル直径および密度と前記時刻歴算出手段によって算出されたひずみの時刻歴とに基づいて、前記溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生をそれぞれ判定する判定手段と、前記判定手段によって判定された粒界割れ発生の有無に基づいて前記溶接金属近傍における割れ指標を算出する指標算出手段と、前記指標算出手段によって算出された割れ指標に基づいて溶接部の強度を予測する予測手段と、を有することを特徴とする。

さらに、本発明の原子炉構造物の溶接部強度予測プログラムは、電子計算機に、中性子照射を受けた原子炉構造物の形状と溶接条件とに基づいて溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度、応力およびひずみの時刻歴を算出する時刻歴算出機能と、前記時刻歴算出機能によって算出された温度よび応力の時刻歴と前記原子炉構造物のＨｅ含有量とに基づいて前記溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度とを算出するバブル直径および密度算出機能と、前記バブル直径および密度算出機能によって算出されたＨｅバブル直径および密度と前記時刻歴算出機能によって算出されたひずみの時刻歴とに基づいて、前記溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生をそれぞれ判定する判定機能と、前記判定機能によって判定された粒界割れ発生の有無に基づいて前記溶接金属近傍における割れ指標を算出する指標算出機能と、前記指標算出機能によって算出された割れ指標に基づいて溶接部の強度を予測する予測機能と、を発揮させることを特徴とする。

本発明によれば、中性子照射原子炉構造物を溶接した後の当該溶接部の強度を評価することができる。

以下、本発明に係る原子炉構造物の溶接部強度予測方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る原子炉構造物の溶接部強度予測方法の一実施形態の手順を示す流れ図である。図１において、まず原子炉構造物の形状１と溶接条件２から溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度・応力・ひずみの時刻歴を計算する（工程Ｓ１）。温度・応力・ひずみの時刻歴計算は、例えば有限要素法による熱弾塑性解析を用いる。

次に、解析した温度・応力・ひずみの時刻歴と原子炉構造物のＨｅ含有量４から溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度を計算する（工程Ｓ２）。そして溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生を、任意点におけるひずみの時刻歴から判定する（工程Ｓ３）。溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生を、任意点におけるひずみの時刻歴から判定する方法として、例えば特許文献２に記載の方法がある。次に溶接金属近傍における割れ指標を算出する（工程Ｓ４）。

溶接金属近傍における割れ指標の一算出例を、図２で説明する。図２（ａ）は、中性子照射を受けた材料９の開先を、溶接金属１０で肉盛溶接した補修溶接部の模式図である。この溶接部には図面の水平方向に荷重１１が加わっている。荷重方向に垂直な断面の原子炉構造物の厚さがＴで表される。図２（ａ）のＡ部を拡大した図２（ｂ）は、溶接金属近傍の粒界１２、および、溶接により生じたＨｅに起因する粒界割れ１３を模式的に示す。この場合、荷重方向に垂直な断面に投影した５本の粒界割れ長さは、Ｌ１〜Ｌ５で表される。荷重方向に垂直な断面の原子炉構造物の厚さＴと、荷重方向に垂直な断面に投影した粒界割れ長さの合計ΣＬとの割合を計算することにより、割れ指標を算出することができる。

次に、溶接金属近傍における割れ指標と溶接部強度の関係から溶接部強度を定式化したマスターカーブ１４を用いて、溶接部強度を予測する（工程Ｓ５）。

図３は、溶接金属近傍における割れ指標（ΣＬ／Ｔ）と、溶接部強度の関係を示すマスターカーブ１４の一例であり、横軸には、荷重方向に垂直な断面に粒界割れ長さを投影した長さの合計ΣＬと、溶接部に加わる荷重方向に垂直な断面の構造物厚さＴとの比（ΣＬ／Ｔ）を、縦軸には、溶接部の引張強さσＢを、無欠陥溶接部の引張強さσＢ０で規格化した値（σＢ／σＢ０）を示す。ΣＬ／Ｔがゼロの場合、溶接部の引張強さσＢ＝σＢ０であるため、σＢ／σＢ０＝１である。粒界割れが生じてΣＬ／Ｔが増加するのに伴い、溶接部の引張強さσＢが低下して次第にゼロに近づくため、σＢ／σＢ０も低下して０に近づく。

図３に示すマスターカーブ１４を実験的もしくは理論的に求めて定式化し、
σＢ／σＢ０＝ｆ（ΣＬ／Ｔ）
の関数で表すことにより、溶接部の引張強さσＢを割れ指標ΣＬ／Ｔから以下の式で計算することができる。

σＢ＝ｆ（ΣＬ／Ｔ）・σＢ０
割れ指標としては、上記のΣＬ／Ｔのほかに、荷重方向に垂直な断面に粒界割れを投影した面積の合計Σａと、溶接部に加わる荷重方向に垂直な断面の構造物断面積Ｓとの比Σａ／Ｓを用いることもできる。

図４は、Σａ／ＳとσＢ／σＢ０の関係を規定するマスターカーブ１４の例を示す。このマスターカーブ14を実験的もしくは理論的に求めて定式化し、
σＢ／σＢ０＝ｇ（Σａ／Ｓ）
の関数で表せば、溶接部の引張強さσＢを、割れ指標Σａ／Ｓから以下の式で計算することができる。

σＢ＝ｇ（Σａ／Ｓ）・σＢ０
その他の割れ指標として、（１）複数の粒界割れの面積の合計と溶接部近傍の全ての粒界面積との比、（２）複数の粒界割れ長さの合計と溶接部近傍の全ての粒界長さとの比、（３）複数の粒界割れ数の合計と溶接部近傍の全ての粒界数との比のいずれかを用いてもよい。さらに、対象となる溶接部の強度としては、引張強さ、降伏応力、一様伸び、破断伸び、疲労強度が予測可能である。

以上に述べたように、本実施形態によれば、中性子照射を受けた原子炉構造物を溶接した際に溶接部近傍の強度を精度良く予測することができる。

以上、本発明に係る原子炉構造物の溶接部強度予測方法の実施形態を説明した。この方法は、コンピュータを実行させることによって実現することが望ましい。

本発明に係る原子炉構造物の溶接部強度予測方法の一実施の形態の手順を示す流れ図。 本発明に係る原子炉構造物の溶接部近傍の粒界割れを示す縦断面図であって、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大縦断面図。 本発明に係る原子炉構造物の溶接部強度予測方法で使用される割れ指標と溶接部強度との関係を示すマスターカーブの一例を示すグラフであって、縦軸を、溶接部の引張強さσＢを無欠陥溶接部の引張強さσＢ０で規格化した値σＢ／σＢ０とし、横軸を、荷重方向に垂直な断面に粒界割れ長さを投影した長さの合計ΣＬと、溶接部に加わる荷重方向に垂直な断面の構造物厚さＴとの比ΣＬ／Ｔとするグラフ。 本発明に係る原子炉構造物の溶接部強度予測方法で使用される割れ指標と溶接部強度との関係を示すマスターカーブの他の例を示すグラフであって、縦軸を、溶接部の引張強さσＢを無欠陥溶接部の引張強さσＢ０で規格化した値σＢ／σＢ０とし、横軸を、荷重方向に垂直な断面に粒界割れを投影した面積の合計Σａと、溶接部に加わる荷重方向に垂直な断面の構造物断面積Ｓとの比Σａ／Ｓとするグラフ。

符号の説明

１…原子炉構造物の形状、２…溶接条件、４…原子炉構造物のＨｅ含有量、９…中性子照射を受けた材料、１０…溶接金属、１１…荷重、１２…粒界、１３…粒界割れ、１４…マスターカーブ

Claims (10)

1. 中性子照射を受けた原子炉構造物の形状と溶接条件とに基づいて溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度、応力およびひずみの時刻歴を算出する時刻歴算出工程と、
   前記時刻歴算出工程で算出された温度よび応力の時刻歴と前記原子炉構造物のＨｅ含有量とに基づいて前記溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度とを算出するバブル直径および密度算出工程と、
   前記バブル直径および密度算出工程で算出されたＨｅバブル直径および密度と前記時刻歴算出工程で算出されたひずみの時刻歴とに基づいて、前記溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生をそれぞれ判定する判定工程と、
   前記判定工程で判定された粒界割れ発生の有無に基づいて前記溶接金属近傍における割れ指標を算出する指標算出工程と、
   前記指標算出工程で算出された割れ指標に基づいて溶接部の強度を予測する予測工程と、
   を有することを特徴とする原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
2. 前記指標算出工程は、前記割れ指標として、前記溶接部に加わる荷重方向に垂直な断面に複数の粒界割れ長さを投影したそれぞれの長さの合計と、荷重方向に垂直な断面の前記原子炉構造物の厚さとの比を算出すること、特徴とする請求項１記載の原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
3. 前記指標算出工程は、前記割れ指標として、前記溶接部に加わる荷重方向に垂直な断面に複数の粒界割れを投影したそれぞれの面積の合計と、荷重方向に垂直な断面の前記原子炉構造物の断面積との比を算出すること、特徴とする請求項１記載の原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
4. 前記指標算出工程は、前記割れ指標として、前記溶接部近傍の複数の粒界割れそれぞれの長さの合計と、前記溶接部近傍のすべての粒界長さとの比を算出すること、特徴とする請求項１記載の原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
5. 前記指標算出工程は、前記割れ指標として、前記溶接部近傍の複数の粒界割れそれぞれの面積の合計と、前記溶接部近傍のすべての粒界面積との比を算出すること、特徴とする請求項１記載の原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
6. 前記指標算出工程は、前記割れ指標として、前記溶接部近傍の粒界割れ数と、前記溶接部近傍のすべての粒界数との比を算出すること、特徴とする請求項１記載の原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
7. 前記予測工程は、溶接金属近傍における割れ指標と溶接部強度との関係から溶接部強度を定式化したマスターカーブを用いて予測すること、特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
8. 前記溶接部強度は、引張強さ、降伏応力、一様伸び、破断伸び、疲労強度の内の少なくとも一つであること、特徴とする請求項７記載の原子炉構造物の溶接部強度予測方法。
9. 中性子照射を受けた原子炉構造物の形状と溶接条件とに基づいて溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度、応力およびひずみの時刻歴を算出する時刻歴算出手段と、
   前記時刻歴算出手段によって算出された温度よび応力の時刻歴と前記原子炉構造物のＨｅ含有量とに基づいて前記溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度とを算出するバブル直径および密度算出手段と、
   前記バブル直径および密度算出手段によって算出されたＨｅバブル直径および密度と前記時刻歴算出手段によって算出されたひずみの時刻歴とに基づいて、前記溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生をそれぞれ判定する判定手段と、
   前記判定手段によって判定された粒界割れ発生の有無に基づいて前記溶接金属近傍における割れ指標を算出する指標算出手段と、
   前記指標算出手段によって算出された割れ指標に基づいて溶接部の強度を予測する予測手段と、
   を有することを特徴とする原子炉構造物の溶接部強度予測システム。
10. 電子計算機に、
    中性子照射を受けた原子炉構造物の形状と溶接条件とに基づいて溶接中の溶接金属近傍の任意点における温度、応力およびひずみの時刻歴を算出する時刻歴算出機能と、
    前記時刻歴算出機能によって算出された温度よび応力の時刻歴と前記原子炉構造物のＨｅ含有量とに基づいて前記溶接金属近傍の複数の粒界上におけるＨｅバブル直径と密度とを算出するバブル直径および密度算出機能と、
    前記バブル直径および密度算出機能によって算出されたＨｅバブル直径および密度と前記時刻歴算出機能によって算出されたひずみの時刻歴とに基づいて、前記溶接金属近傍の複数の粒界上における割れ発生をそれぞれ判定する判定機能と、
    前記判定機能によって判定された粒界割れ発生の有無に基づいて前記溶接金属近傍における割れ指標を算出する指標算出機能と、
    前記指標算出機能によって算出された割れ指標に基づいて溶接部の強度を予測する予測機能と、
    を発揮させることを特徴とする原子炉構造物の溶接部強度予測プログラム。

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