JP2008051632A - 応力腐食割れ進展試験方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低荷重・低応力拡大係数の条件の下であってもき裂進展速度評価をすることができる応力腐食割れ進展試験方法及びその装置を提供する。
【解決手段】応力腐食割れ進展試験装置は、所定の荷重又は応力拡大係数の条件の下で応力腐食割れの進展速度を測定する応力腐食割れ進展試験装置において、予め片面にき裂及び孔食の少なくとも一方を含む予き裂１５を導入した試験片１１と、この試験片１１の予き裂１５に引張応力を生じさせる荷重手段（例えば、曲げ冶具１２）と、前記試験片１１の少なくとも予き裂１５を腐食液１４により浸す腐食液浸漬手段（例えば、腐食液貯溜槽１３）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、応力腐食割れ進展試験に提供される試験片を用いた応力腐食割れ進展試験方法及びその装置に関する。

原子炉水中におけるステンレス鋼溶接部の応力腐食割れ、塩水中の鋼材の割れや水素を含む環境中での水素割れ等の環境助長割れに係る損傷事例が報告されている。この環境助長割れは、周辺雰囲気の影響によって、材料の強度が不活性環境中より低下して損傷を生じる事象である。材料と環境の組合によって、環境助長割れの発生し易さに差異があることが知られている。

このような環境助長割れについて、その損傷発生後の構造物の破損を未然に防ぐために、その進展速度を予め測定しておく試験方法の開発が行われてきた。原子炉水中における応力腐食割れを例にとると、ＣＴ試験片を用いたき裂進展試験や表面き裂入り試験片を用いた進展試験等が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この試験方法においては、破壊靱性試験（ＡＳＴＭ Ｅ３９９、Ｅ８１３規格）や疲労き裂進展試験（ＡＳＴＭ Ｅ６４７規格）の例に準拠して、予め予き裂と呼ばれるき裂を試験片に導入しておき、このき裂からのさらなる伝播量を計測して、その進展速度を評価している。このとき、予き裂からのき裂の進展停滞を防止するため、データ採取する際の試験条件（荷重あるいは応力拡大係数）は、予き裂導入時のそれと比較して高めの（材料としてはきびしい側の）条件に設定して試験を行っている。一方で、この予き裂として、変動荷重付与による疲労によって生じるき裂を導入することが多い。
特開２００４−３４０５９１号公報

上述した従来の応力腐食割れ進展試験方法においては、予め予き裂と呼ばれるき裂を試験片に導入しておき、このき裂からのさらなる伝播量を計測して、その進展速度を評価している。この予き裂として、変動荷重付与による疲労によって生じるき裂を導入することが多い。

しかし、疲労き裂のときは、き裂を進展させうる下限条件（応力拡大係数範囲（応力拡大係数の振幅）や荷重振幅）があり、これ以下ではき裂を進展させることが困難であることが知られている。このために、ある荷重条件以下の低荷重条件下では、試験片の準備ができず、応力腐食割れの進展速度データも採取できていない、という課題があった。

ところが、実機構造物では、このような低応力拡大係数条件は、き裂発生直後のまだき裂が短く負荷応力の割には応力拡大係数が小さい期間の評価又はき裂が残留応力が圧縮になる領域にまで進展した場合の評価に適用されると考えられる。

一般にこの期間は、き裂が潜伏期間を経て定常き裂進展に移行するまでの期間に相当するとみなされており、構造物の全寿命の大半を占め、構造物の寿命評価上、必要性が高いと考えられる。上述のように、現状データ採取数は少ないが、このような低荷重・低応力拡大係数条件の下でのき裂進展速度の予測精度を上げることに課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、低荷重・低応力拡大係数の条件の下でき裂進展速度評価をすることができる応力腐食割れ進展試験方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の応力腐食割れ進展試験方法においては、所定の荷重又は応力拡大係数の条件の下で応力腐食割れの進展速度を測定する応力腐食割れ進展試験装置において、予め片面にき裂及び孔食の少なくとも一方を含む予き裂を導入した試験片と、この試験片の予き裂に引張応力を生じさせる荷重手段と、前記試験片の少なくとも予き裂を腐食液により浸す腐食液浸漬手段と、を有することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明の応力腐食割れ進展試験装置方法においては、所定の荷重又は応力拡大係数の条件の下で応力腐食割れの進展速度を測定する応力腐食割れ進展試験方法において、前記試験片の片面にき裂及び孔食の少なくとも一方を含む予き裂を導入する予き裂導入ステップと、この試験片の予き裂に荷重手段により引張応力を生じさせる引張応力発生ステップと、前記試験片の少なくとも予き裂を腐食液により浸す腐食液浸漬ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の応力腐食割れ進展試験方法及びその装置によれば、試験片に導入された予き裂を腐食液浸漬手段の腐食液により浸漬しながら、荷重手段により引張応力を発生させることにより、低荷重・低応力拡大係数の条件の下であっても、き裂進展速度評価をすることができる。

以下、本発明に係る応力腐食割れ進展試験方法及びその装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の構成を示す斜視図である。

本図に示すように、応力腐食割れの進展速度を測定する応力腐食割れ進展試験装置は、予め片面に予き裂１５を導入した平板の試験片１１を有している。この試験片１１はここでは平板を用いているが、この形状は特に限定されない。この試験片１１の予き裂１５が存在する面と反対側の面は、荷重手段である曲げ冶具１２により曲げられる。一方、試験片１１の少なくとも予き裂１５を腐食液浸漬手段の腐食液１４により浸している。この腐食液浸漬手段の一例として、腐食液１４を貯溜した腐食液貯溜槽１３が設けられている。この腐食液１４を貯溜した腐食液貯溜槽１３は、上記試験片１１の予き裂１５が存在する面に載置される。腐食液貯溜槽１３の貫通孔１６を介して腐食液１４は予き裂１５部表面に導出され、試験片１１の予き裂１５をこの腐食液１４は浸している。

このように構成された本実施の形態において、予め片面に予き裂１５を導入した平板の試験片１１が支持部材１、２、３を介して曲げ冶具１２にセットされる。この試験片１１の予き裂１５が存在する面と反対側の面に曲げ冶具１２の負荷部材４により荷重Ｆを常時作用して、試験片１１の予き裂１５に引張応力を生じさせている。このように、この平板の試験片１１に荷重Ｆを作用することにより、任意の変位、任意の荷重、試験片上におけるひずみ又は試験片上における応力が付与される。同時に、この腐食液貯溜槽１３に貯溜された腐食液１４は、腐食液貯溜槽１３の底面に設けられた貫通孔１６を介して試験片１１の予き裂１５に導出され、予き裂１５は腐食液１４に浸される。この腐食液貯溜槽１３は、曲げ冶具１２により試験片１１に曲げ荷重を作用する前に設置しておいてもよい。

なお、この試験片１１に付与する荷重条件が、この後に実施するき裂進展試験の荷重条件を上回らないよう留意する必要がある。また、腐食液１４として、試験片１１がニッケル基合金や鋭敏化ステンレス鋼より作製されているときは、テトラチオン酸が有効である。また、試験片１１がオーステナイトステンレス鋼より作製されているときは、沸騰塩化マグネシウム水溶液（塩化マグネシウム濃度は、２０から４５％の間で任意）が適している。

本実施の形態によれば、試験片１１に導入された予き裂１５を腐食液貯溜槽１３の腐食液１４により浸漬しながら曲げ冶具１２により、試験片１１に導入された予き裂１５に引張応力を発生させている。この状態で、腐食液１４及び試験片１１の材料の組合せを応力腐食割れが生じる環境にすることにより、試験片１１上の引張応力が発生している側に応力腐食割れを発生させることができる。かくして、試験片１１に導入された予き裂１５を腐食液１４により浸漬させながら、引張応力を生じさせることにより、低荷重・低応力拡大係数条件の下であってもき裂進展速度評価をすることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の構成を示す斜視図である。本図は、図１の腐食液貯溜槽１３の代わりに、腐食液貯溜槽１３ａを設けたものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、平板の試験片１１及び曲げ冶具１２が腐食液貯溜槽１３ａ内に配置され、腐食液１４に浸漬されている。

このように構成された本実施の形態における構成は、第１の実施の形態とほぼ同様であるが、さらに低い荷重条件において初期欠陥を導入するために、試験片１１に荷重Ｆを付与しないか、又は実際の試験条件と比べて低めの荷重条件下において、応力腐食割れ進展試験を行うことができる。

また、腐食液１４と試験片１１の材料の組合を任意に選定することにより、試験片１１上に孔食を生じさせることができる。この孔食はこの後に実施するき裂進展試験においてき裂の起点となり得るものであり、ほとんど無負荷の状態で試験片１１上に予備欠陥を導入させことができる。また、この腐食液１４として、試験片１１の材料がオーステナイトステンレス鋼のときは、塩化第二鉄及び希塩酸の溶液等が適している。

本実施の形態によれば、試験片１１及び曲げ冶具１２を腐食液貯溜槽１３ａ内の腐食液１４に浸漬させながら、曲げ冶具１２により試験片１１の予き裂１５に引張応力を発生させる。かくして、試験片１１に導入された予き裂１５を腐食液１４により浸漬しながら、曲げ冶具１２により引張応力を生じさせることにより、低荷重・低応力拡大係数の条件の下であってもき裂進展速度評価をすることができる。

図３は、本発明の第３の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の構成を示す斜視図である。本図は、図１の腐食液貯溜槽１３の代わりに、腐食液貯溜容器１３ｂを設けたものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、試験片１１の予き裂１５を腐食液１４により浸漬する腐食液浸漬手段の一例として、腐食液１４を滴下する腐食液貯溜容器１３ｂが設けられている。この腐食液１４を貯溜した腐食液貯溜容器１３ｂは、上記試験片１１の予き裂１５が存在する面の上方に支持部材１７を介して載置されている。

このように構成された本実施の形態における構成は、第１の実施の形態とほぼ同様であるが、さらに低い荷重条件において初期欠陥を導入するために、試験片１１に荷重Ｆを付与しないか、又は実際の試験条件と比べて低めの荷重条件下において、応力腐食割れ進展試験を行う。

また、腐食液１４と試験片１１の材料の組合を任意に選定することにより、試験片１１上に孔食を生じさせることができる。この孔食はこの後に実施するき裂進展試験においてき裂の起点となり得るものであり、ほとんど無負荷の状態で試験片１１上に予備欠陥を導入することができる。また、この腐食液１４には、試験片１１の材料がオーステナイトステンレス鋼のときは、塩化第二鉄及び希塩酸の溶液等が適している。

本実施の形態によれば、試験片１１に導入された予き裂１５に、腐食液貯溜容器１３ｂの腐食液１４を滴下しながら、曲げ冶具１２により引張応力を発生させる。かくして、試験片１１に導入された予き裂１５に腐食液１４を滴下し浸しながら、予き裂１５に曲げ冶具１２により引張応力を生じさせることにより、低荷重・低応力拡大係数条件の下であってもき裂進展速度評価をすることができる。

なお、予め片面に予き裂１５を加工した平板の試験片１１全体を腐食液１４に浸すことにより、き裂又は孔食を試験片１１上にランダムに導入することができる。この試験片１１は特にマスキングを施していないために、き裂はランダムに発生する。その後のき裂進展試験において、ランダムな配置と深さを有する予き裂１５を提供することができる。

図４は、本発明の第４の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の試験片にマスクを施した説明図で、（ａ）は中央部１箇所にき裂を生じさせるときの上面図、（ｂ）は複数箇所均等にき裂を生じさせるときの上面図である。

本図に示すように、試験片１１の上部には、マスク２１が被覆されている。このマスク２１は、絶縁性や耐水性を有する物質で作製される。き裂又は孔食１個を導入するときは、図４（ａ）に示すように、中央部１箇所に開口部２２を有するマスク２１が試験片１１の上部には被覆される。また、き裂又は孔食複数個を導入するときは、図４（ｂ）に示すように、例えば、複数箇所均等に開口部２２を有するマスク２１が試験片１１の上部には被覆される。

本実施の形態によれば、試験片１１の上部にマスク２１を被覆し、マスク２１の開口部２２の数及び位置を適宜選択する。そして、試験片１１上の限定した領域のみを予き裂１５の導入環境に暴露し、予き裂１５の導入位置を限定することができる。かくして、試験片１１上に、限定された任意の数量のき裂又は孔食からなる予き裂１５を導入することができる。

図５は、本発明の第５の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置のＣＴ試験片及び周辺部の斜視図である。

本図に示すように、予き裂を有する試験片は、板厚方向に貫通する貫通切欠き３３を有するＣＴ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｔｅｎｓｉｏｎ）型試験片３２又はこの変形例であるＷＯＬ（Ｗｅｄｇｅ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｌｏａｄ）型試験片から形成されている。

このように構成された本実施の形態において、機械加工により板厚方向の貫通切欠き３３を設けたＣＴ型試験片３２又はＷＯＬ型試験片が用いられる。この貫通切欠き３３の存在するノッチ部５の両側面に耐食性及び絶縁性を有する物質から作製された腐食液カバー３１が設置される。この腐食液カバー３１で包囲されたノッチ部５は、腐食液貯溜槽１３として用いることにより、腐食液１４を貯溜することができる。

本実施の形態によれば、貫通切欠き３３の存在するノッチ部５の両側面に耐食性及び絶縁性を有する物質から作製された腐食液カバー３１が設置される。かくして、ＣＴ型試験片３２のノッチ部５の両側面にカバー３１を設置し貫通切欠き３３を腐食液１４により浸しながら、引張荷重Ｆを作用することにより、低荷重・低応力拡大係数の条件の下であってもき裂進展速度評価をすることができる。

図６は、本発明の第６の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の曲げ試験片４１及び周辺部を透視して示す斜視図である。

本図に示すように、予き裂を有する試験片は、曲げ試験片４１から形成されている。

このように構成された本実施の形態において、曲げ試験片４１には機械加工により予め板厚方向を貫通する貫通切欠き４２が設けられている。この貫通切欠き４２を設けた曲げ試験片４１に、上面の離れた２箇所の支持部材６,７により荷重Ｆをかけ、下面中央部の接近した２箇所の支持部材８,９より荷重Ｆをかけることにより、曲げ試験片４１に曲げモーメントを作用させる。この３点曲げ試験片４１の貫通切欠き４２が存在するノッチ部５の両側面に耐食性及び絶縁性を有する腐食液カバー３１を設置し、ノッチ部５を腐食液貯溜槽１３として用いることにより、腐食液１４を貯溜する。

本実施の形態によれば、貫通切欠き４２が存在するノッチ部５の両側面に耐食性及び絶縁性を有する物質から作製されたカバー３１が設置されている。かくして、曲げ試験片４１のノッチ部の両側面にカバー３１を設置し貫通切欠き３３を腐食液１４により浸しながら、曲げモーメントを作用することにより、低荷重・低応力拡大係数の条件の下であってもき裂進展速度評価をすることができる。

図７は、本発明の第７の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置のＬｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片５１及び周辺部の説明図で、（ａ）は腐食液貯溜槽１３を用いるときの斜視図、（ｂ）は腐食液カバー３１を用いるときの斜視図である。

本図に示すように、予き裂を有する試験片は、通称Ｌｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片５１から形成されている。このＬｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験５１は、図５のＣＴ型試験片３２の開口部をくりぬいた形状をしており、非貫通型き裂（表面き裂）に対し、引張応力及び曲げ応力を発生させることのできる。

このように構成された本実施の形態において、Ｌｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片５１の中央部の上面平行部の任意の位置に、図７（ａ）に示すように、腐食液貯溜槽１３が設置される。この腐食液貯溜槽１３内に腐食液１４が貯溜される。または、図７（ｂ）に示すように、Ｌｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片５１の平行部の両側面に耐食性及び絶縁性を有する腐食液カバー３１が設置される。この腐食液カバー３１の内部を腐食液槽として用いることにより、腐食液１４が貯溜される。このＬｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片の平行部のき裂又は孔食に腐食液１４を導出して浸している。また、この平行部に適宜絶縁性マスキングを施すことにより、き裂の発生位置を任意に設定できる。

本実施の形態によれば、Ｌｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片５１の平行部の上面に腐食液貯溜槽１３又は平行部の両側面に腐食液カバー３１が設置される。この腐食液貯溜槽１３等に腐食液１４を貯溜することができる。かくして、Ｌｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片の非貫通型き裂（表面き裂）を腐食液１４により浸しながら、非貫通型き裂（表面き裂）に引張応力及び曲げ応力を発生させることにより、低荷重・低応力拡大係数の条件の下であってもき裂進展速度評価をすることができる。

図８は、本発明の第８の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置を適用した欠陥深さ監視装置（電位差法）の構成図である。

本図に示すように、ここでは一例として、図１に示す応力腐食割れ進展試験装置を使用して欠陥深さ監視装置（電位差法）を構成する。この応力腐食割れ進展試験装置の平板の試験片１１の両端の２点には、リード線６４ａを介して電流源６１が接続されている。また、試験片１１の予き裂１５を挟んだ２点には、リード線６４ｂを介して電圧計６２が接続されている。この電流源６１と電圧計６２は、リード線６４ｃを介して制御／データ収集装置６３に接続されている。

このように構成された本実施の形態において、試験片１１上の任意の２点間に電流源６１より直流又は交流の電流が付与される。また、この試験片１１上の任意の２点間における電位差を電圧計６２を用いて測定する。この電流の値及び電位差に係るデータは制御／データ収集装置６３に伝達され、この数値の変化挙動から予き裂導入量を検知することができる。そして、このき裂長さが任意の値に達した時点で、試験片１１上のき裂導入を停止する。

本実施の形態によれば、応力腐食割れ進展試験装置を適用した欠陥深さ監視装置（電位差法）を用いることにより、試験片１１内の欠陥寸法を把握しつつ予き裂の導入を進めることができるために、所定の寸法の予き裂を導入できることができる。かくして、応力腐食割れ進展試験装置を適用した欠陥深さ監視装置（電位差法）を用いることにより、予き裂１５に曲げ応力を発生させることにより、低荷重・低応力拡大係数の条件の下でき裂進展速度評価をすることができる。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の構成を示す斜視図。 本発明の第２の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の構成を示す斜視図。 本発明の第３の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の構成を示す斜視図。 本発明の第４の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の試験片にマスクを施した説明図で、（ａ）は中央部１箇所にき裂を生じさせるときの上面図、（ｂ）は複数箇所均等にき裂を生じさせるときの上面図。 本発明の第５の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置のＣＴ試験片及び周辺部の斜視図。 本発明の第６の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置の曲げ試験片及び周辺部を透視して示す斜視図。 本発明の第７の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置のＬｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片及び周辺部の説明図で、（ａ）は腐食液槽を用いるときの斜視図、（ｂ）は腐食液カバーを用いるときの斜視図。 本発明の第８の実施の形態の応力腐食割れ進展試験装置を適用した欠陥深さ監視装置（電位差法）の構成図。

符号の説明

１１…試験片、１２…曲げ冶具、１３…腐食液貯溜槽、１４…腐食液、１５…予き裂、１６…貫通孔、１７…支持部材、２１…マスク、２２…開口部、３１…腐食液カバー、３２…ＣＴ型試験片、３３…貫通切欠き、４１…曲げ試験片、４２…貫通切欠き、５１…Ｌｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片、６１…電流源、６２…電圧計、６３…制御／データ収集装置、６４ａ，６４ｂ，６４ｃ…リード線。

Claims (10)

1. 所定の荷重又は応力拡大係数の条件の下で応力腐食割れの進展速度を測定する応力腐食割れ進展試験装置において、
   予め片面にき裂及び孔食の少なくとも一方を含む予き裂を導入した試験片と、
   この試験片の予き裂に引張応力を生じさせる荷重手段と、
   前記試験片の少なくとも予き裂を腐食液により浸す腐食液浸漬手段と、
   を有することを特徴とする応力腐食割れ進展試験装置。
2. 前記腐食液浸漬手段は、前記試験片の予き裂が存在する面に載置された腐食液貯溜槽を具備すること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ進展試験装置。
3. 前記腐食液浸漬手段は、前記荷重手段及び前記試験片を浸漬する腐食液貯溜槽を具備すること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ進展試験装置。
4. 前記腐食液浸漬手段は、前記試験片の予き裂に前記腐食液を滴下する腐食液貯溜容器を具備すること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ進展試験装置。
5. 前記試験片は、絶縁性及び耐水性を有する物質で作製され、前記予き裂を導入する位置又は数量を限定するマスクを具備すること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ進展試験装置。
6. 前記試験片は、板厚方向に貫通する貫通切欠きを有するＣＴ試験片であること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ進展試験装置。
7. 前記試験片は、板厚方向に貫通する貫通切欠きを有する曲げ試験片であること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ進展試験装置。
8. 前記試験片は、非貫通切欠きを有するＬｅｅ−Ｊａｍｅｓ型試験片であること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ進展試験装置。
9. 前記試験片の任意の２点間に直流又は交流の電流を付与する電流源と、この試験片の他の任意の２点間における電位差を測定する電圧計と、この測定された電位差の変化挙動から予き裂導入量を検知しき裂長さが所定の値に達したときに予き裂の導入を停止する欠陥深さ監視手段をさらに有すること、を特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の応力腐食割れ進展試験装置。
10. 所定の荷重又は応力拡大係数の条件の下で応力腐食割れの進展速度を測定する応力腐食割れ進展試験方法において、
    前記試験片の片面にき裂及び孔食の少なくとも一方を含む予き裂を導入する予き裂導入ステップと、
    この試験片の予き裂に荷重手段により引張応力を生じさせる引張応力発生ステップと、
    前記試験片の少なくとも予き裂を腐食液により浸す腐食液浸漬ステップと、
    を有することを特徴とする応力腐食割れ進展試験方法。

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