JP2008070228A - 熱疲労き裂進展試験装置、熱疲労き裂進展試験方法および熱疲労き裂進展試験装置に用いる試験体 - Google Patents

Abstract

【課題】 塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を再現、実験、実証が可能となる技術を提供する。
【解決手段】 環状の試験体に対して、その試験体の全体を覆って加熱可能な加熱炉と、 前記試験体と結合される冷却用パイプと、 その冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す冷媒送流機構とを備える熱疲労き裂進展試験装置である。 前記試験体は、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合される。 前記加熱炉には、加熱炉内の温度を制御する温度調節器を備える。 そして、前記冷媒送流機構には、冷媒を流す時間および流量を制御する流量制御手段を備える。試験体の内周の一部に初期き裂を予め備えていれば初期き裂進展の試験が可能となり、初期き裂がなければき裂発生からの試験が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱応力場でのき裂進展評価技術に関する。

弾性熱応力場でのき裂進展評価法に関しては、非特許文献に示されるような研究が存在する。
また、特許文献１においては、き裂進展解析を容易にする方法および装置が開示されている。
更に、特許文献２においては、配管のき裂進展量のトータル値を即座に知ることができるとともに、絶えず監視し続けることができる配管のき裂進展量装置が開示されている。
非特許文献１には、環状き裂を有する円筒の一次元温度分布下における弾性応力拡大係数簡易評価式が記載されている。

特開２００３−３０２３３１号公報 特開平１０−３８８２９号公報 飯井他、「環状き裂を有する円筒の一次元温度分布下応力拡大係数簡易評価式」、機論（Ａ編）、63巻610号、1997、pp.1205〜1212

しかしながら、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展に関しては余り検討されていない。これは、熱疲労（熱負荷条件）を再現できる装置、き裂進展を再現できる装置や試験片（試験体）が存在しなかったからである。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものである。
すなわち、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を再現したり、実験、実証が可能な技術を提供することを課題とする。
請求項１および請求項２に記載の発明は、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を実験可能な試験装置を提供することが目的である。
また、請求項３および請求項４に記載の発明は、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を実験可能な試験方法を提供することが目的である。
更に、請求項５に記載の発明は、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を実験可能な試験に用いる試験体を提供することが目的である。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、 環状の試験体に対して、その試験体の全体を覆って加熱可能な加熱炉と、 前記試験体と結合される冷却用パイプと、 その冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す冷媒送流機構とを備える熱疲労き裂進展試験装置に係る。
前記試験体は、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合される。 前記加熱炉には、加熱炉内の温度を制御する温度調節器を備える。 そして、前記冷媒送流機構には、冷媒を流す時間および流量を制御する流量制御手段を備えたことを特徴とする。

（用語説明）
「加熱炉」としては、電気炉が好ましい。温度制御が簡便だからである。
冷却用の「冷媒」としては、水が好ましい。入手が容易で扱いやすく、コストも安いからである。

（作用）
まず、内周の一部に初期き裂を予め備えた環状の試験体を、冷却用パイプの外周に固定する。そして、その試験体の全体を覆っている加熱炉内の温度を、温度調節器によって制御する。また、前記冷却用パイプに対しては、冷媒送流機構に対して、流量制御手段が冷媒を流す時間および流量を制御する。
すなわち、環状の試験体は、加熱炉によって加熱され、冷却用パイプ内を送流する冷媒に対して冷却される。これが繰り返されると熱疲労を試験体に対して与えることができる。試験体には予め初期き裂が備えられているので、その初期き裂が進展する。
試験体の材質や大きさ、初期き裂の種類、加熱炉の温度条件、冷却用パイプに流される冷媒の時間および流量などをパラメータとした熱疲労き裂進展をモデル化することができる。

また、試験体について、初期き裂を備えていないものを用いて試験をすることも可能である。この場合、き裂の発生から進展までを一貫して試験することが可能となる。

（請求項２）
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱疲労き裂進展試験装置を限定したものである。
すなわち、前記冷媒流水機構には、前記冷却用パイプに流す冷媒の圧力を制御可能な冷媒圧力制御手段を備えたことを特徴とする。
冷媒圧力制御手段とは、具体的には、たとえば加熱炉内に位置する冷却用パイプの下流側に位置させる圧力調整弁、その圧力調整弁に制御機構などの組合せによる。

（作用）
冷媒圧力制御手段を備えることにより、冷却用パイプに流す冷媒の圧力を制御可能となり、その結果、前記冷却用パイプの外周に固定された前記試験体に対する機械的圧力を制御可能となった。
このため、機械的応力と熱応力とを組み合わせた条件での疲労き裂進展試験が可能となった。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載するような熱疲労き裂進展試験装置を用いた熱疲労き裂進展試験方法に係る。
すなわち、前記試験体を、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合する試験体セッティング手順と、 当該試験体がセッティングされた前記加熱炉を加熱する加熱手順と、 その加熱手順にて所定温度に加熱された場合に前記冷媒送流機構によって冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す送流手順とを備えるとともに、 前記加熱手順と前記送流手順とを所定回数繰り返すこととしたことを特徴とする。

加熱手順と送流手順とを所定回数繰り返すことにより、試験体には熱疲労が与えられる。試験体に初期き裂が備えられている場合には初期き裂が進展するので、その進展したき裂を測定することとなる。試験体に初期き裂が備えられていない場合には、き裂の発生から進展までを一貫して試験することが可能となる。

（請求項４）
請求項４に記載の発明は、冷却用パイプに流す冷媒の圧力を制御可能な冷媒圧力制御手段を備えた請求項２に記載するような熱疲労き裂進展試験装置を用いた熱疲労き裂進展試験方法に係る。
すなわち、 環状の試験体を、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合する試験体セッティング手順と、 当該試験体がセッティングされた前記加熱炉を加熱する加熱手順と、 その加熱手順にて所定温度に加熱された場合に前記冷媒送流機構によって冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す送流手順とを備えるとともに、 その送流手順においては、前記冷媒圧力制御手段によって冷媒の圧力を制御し、 前記加熱手順と前記送流手順とを所定回数繰り返すこととした熱疲労き裂進展試験方法に係る。

（請求項５）
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載するような熱疲労き裂進展試験装置に用いる試験体に係る。
すなわち、 内周から外周方向に向かうき裂を予め備え、 そのき裂は、内周の周方向の一部又は全部に形成するとともに、当該試験体の厚さ方向には全部に形成したことを特徴とする試験体を特徴とする。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を実験可能な試験装置を提供することができた。
また、請求項３および請求項４に記載の発明によれば、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を実験可能な試験方法を提供することができた。
更に、請求項５に記載の発明によれば、塑性変形を伴う熱疲労き裂進展を実験可能な試験に用いる試験体を提供することができた。

（図１）
図１には、第一の実施形態として、熱疲労き裂進展試験装置を示す。この熱疲労き裂進展試験装置は、環状の試験体に対して、その試験体の全体を覆って加熱可能な加熱炉と、 前記試験体と結合される冷却用パイプと、 その冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す冷媒送流機構とを備える。
前記試験体は、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合されるとともに、その内周の一部に初期き裂を予め備えている。例えば、試験体と同じ内径のパイプが試験体と、ボルト締めなどの手段で接合されている。
初期き裂については、詳細については、図２とともに説明する。

前記加熱炉には、加熱炉内の温度を制御する温度調節器を備えている。
また、前記冷媒送流機構には、冷媒（水）を流す時間および流量を制御する流量制御手段を備える。
これらについては、後述する。

（試験体）
図２に示すが、試験体は厚さ20mm、内半径20mm、長さ180mmの中空円筒である。放電加工により、試験体内面中央に、下記寸法を目標に6種の周方向初期き裂を導入した。
内面環状き裂深さ ：６mm（図２・a-1）、10mm（図２・a-2）
半楕円内面き裂深さ：2mm（図２・b-1）、3mm（図２・b-2）、6mm（図２・b-3）、10mm（図２・b-4）
なお、半楕円き裂長さは、内面半周とした。

図３には、この熱疲労き裂進展試験に用いる試験体を示す。
試験体の材料は、車室材（タービンのケーシング）として使用されている1Cr1Mo0.25V鋳鋼のデータであり、温度毎の材料特性を示している。

（熱負荷方法）
図４に示すように、以下のようにして、試験体に対する熱負荷をかけた。
試験体を電気炉で加熱し、試験体の内表面より1mm位置の温度が摂氏500度に到達した後、内面を室温の水で冷却する。また、測定温度履歴が予備解析結果と合うように、冷却水の流量および圧力を調整した。

熱負荷をかけて摂氏500度に達した後、流量制御手段によって常温の水を流す。すると、図５に示すような冷却となった。この結果を検証すると、応力拡大係数が最大となる時間帯は、１０秒から１５秒であることが判明した。

（測温試験）
熱負荷の妥当性を確認するために、試験体中央部内表面より1mm位置（0度、90度、180度）、2mm位置、6mm位置、10mm位置、外表面、および試験体中央から±50mm位置で内表面より1mm位置に2点、計9点の熱電対を取り付けて測温試験を行った。

まず、加熱時定常状態での温度を測定したが、外表面温度摂氏500度、内外面温度差7度、内面側長さ方向温度差5度であった。
次に、繰り返し試験での冷却時非定常温度履歴を測定し、FEM解析プログラムABAQUSによる解析結果と比較した。解析は加熱・冷却を3サイクル繰り返し、3サイクル目の温度履歴が実験となるべく良く合うように熱境界条件を調整した。
ここで、「FEM解析プログラムABAQUS」は、数値解析法の一種である有限要素法を用いて、構造物あるいは機械の温度あるいは応力を解析する技術計算プログラムである。

（熱疲労き裂進展試験）
以上の予備試験に基づき、各試験体とも、以下の条件で実施することとした。
１） 繰返数：1,000回
２） 冷却開始温度：摂氏500度（内表面から1mm位置での測定温度）
３） 加熱冷却サイクル時間：1000秒/cycle 程度
なお試験中、冷却開始時における試験体の外表面最大温度は、摂氏530〜550度の範囲であった。

（き裂進展量測定）
熱疲労試験終了後、き裂進展量測定および形状確認のため試験体中央部の外面側残肉の一部を切取った後、軸方向に疲労破断させた。破面観察において、熱疲労破面にはストライエーションが認められるのに対して、疲労破面では認められなかった。
また、熱疲労破面は酸化スケールが付着して茶褐色であるのに対して、疲労破面は灰白色であった。測定したき裂深さを図１０に示す。環状き裂は平均値であるが、測定位置による差は小さかった。

（環状き裂）
十分長い薄肉円筒に対する飯井の方法（非特許文献１）で解析を行った。温度応力解析は差分法で行い、解析結果から応力拡大係数計算に要する熱負荷モーメントを計算した。
なお温度履歴は、ABAQUSによる解析結果とよく一致していた。き裂進展速度は、次式で計算した。
ｄａ／ｄＮ ＝ β_kΔΚ_ｆ ^ｃ

上記の式におけるき裂進展データは、別の試験で得られた次の値を用いた。
β_k＝1.25Ｅ−８、C＝3.16 (単位系 MPa・m)

塑性変形が起こると予想される事から、変形は弾性と変わらないと仮定し、降伏を考慮して、塑性応力分布および熱負荷モーメントを求め、き裂進展解析を実施した。降伏応力は摂氏500度における引張試験での0.2%耐力389Mpaを用いた。

図８には、厚さで無次元化したき裂深さに対する最大応力拡大係数を示す。1000サイクルまでのき裂進展量を、図１０に示す。き裂進展量は弾性解と塑性解の中間であり、弾性解のほうが試験に近い結果となった。

（詳細解析）
前述の3サイクルの温度解析結果を用い、ABAQUSにより弾性解析および弾塑性解析を実施し、応力拡大係数を評価した。解析結果から以下のことが言える。
１）き裂進展に伴い応力再分布により最大応力値が増加し、き裂深さ4mmで極大に達する。
２）き裂底には、大きな圧縮残留応力が残る。
図８中には最大応力拡大係数を示す。弾性ではき裂深さ4mm、弾塑性ではき裂深さ5mmで最大となっている。最大値は弾塑性の方が少し小さくなっているが、これは圧縮残留応力によるものと考えられる。

図１０中には詳細弾塑性解析での応力拡大係数を用いて得られたき裂進展量を示すが、飯井の弾性解を用いた値よりも、さらに実験に近いき裂進展量を与えている。
一方、熱応力を機械的応力とみなし、４次応力分布を受ける周内面環状き裂に対する非特許文献２に記載されている式を外挿して、差分解析で得られた弾性応力分布から応力拡大係数を算出した。図３中に他の解析法と比較するが、飯井の弾性解に近い結果を与えている。

（半楕円き裂）
熱応力を機械的応力とみなし、４次応力分布を受ける周内面半楕円き裂に対する非特許文献２に記載されている式を外挿し、差分解析で得られた弾性応力分布を用いて応力拡大係数を算出した。
図９に結果を示すが、環状き裂と比較すると半楕円き裂の最大応力拡大係数は小さい。この最大応力拡大係数を用いて裂進展計算を行ったが、図１０中に示すように、解析結果は実験結果とは、非常に良く合致している。

（図６）
図６は、環状初期き裂試験体のき裂進展量の測定結果を示している。初期き裂深さの小さい方が、き裂進展量が大きいことがわかる。

（図７）
図７には、半楕円初期き裂試験体のき裂進展量の測定結果を示している。初期き裂深さ3mmの試験体が最大のき裂進展量を示している。

（図１０）
図１０は、き裂深さ進展量を比較した図表である。弾性解を用いた飯井の方法、ABAQUSによる弾塑性解析結果を用いた方法、応力拡大係数評価式を用いた方法のいずれも試験結果と符合しており、目的に応じてこれらの方法を用いてき裂進展結果から熱疲労き裂進展速度を評価することができる。

前述の実施形態においては、試験体に初期き裂を備えたものを採用した。しかし、試験体について、初期き裂を備えていないものを用いて試験をすることも可能であり、この場合には、き裂の発生から進展までを一貫して試験することが可能となる。

前述の実施形態における熱疲労き裂進展試験装置において、前記冷媒流水機構に、前記冷却用パイプに流す冷媒の圧力を制御可能な冷媒圧力制御手段を備えることもできる。
すると、冷却用パイプに流す冷媒の圧力を制御可能となり、その結果、前記冷却用パイプの外周に固定された前記試験体に対する機械的圧力を制御可能となる。その結果、機械的応力と熱応力とを組み合わせた条件での疲労き裂進展試験が可能となる。

本発明では、き裂が熱疲労によってどのように進展するかを試験するモデルを提供することができた。このため、公的な試験、再現実験などを行う分野において用いられる。より具体的には、プラント業界、電力業界などにおいて用いることができる。

実施形態に係る熱疲労き裂進展を実験可能な試験装置を示す模式図である。 実施形態に係る熱疲労き裂進展実験に用いる試験体を示す平面図である。 実施形態に係る熱疲労き裂進展実験に用いる試験体の材料データを示す図表である。 繰り返し試験の温度履歴を示すグラフである。 試験体における冷却時の温度履歴を示すグラフである。 き裂進展量の測定結果を、周方向の場所とともに示すグラフである。 き裂進展量の測定結果を、初期き裂の差とともに示すグラフである。 環状き裂の最大応力拡大係数を比較したグラフである。 半楕円状き裂の最大応力拡大係数を比較したグラフである。 き裂の深さ進展量を比較した図表である。

Claims (5)

1. 環状の試験体に対して、その試験体の全体を覆って加熱可能な加熱炉と、
   前記試験体と結合される冷却用パイプと、
   その冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す冷媒流水機構と、
   を備える熱疲労き裂進展試験装置であって、
   前記試験体は、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合され、
   前記加熱炉には、加熱炉内の温度を制御する温度調節器を備え、
   前記冷媒流水機構には、冷媒を流す時間および流量を制御する流量制御手段を備えたことを特徴とする熱疲労き裂進展試験装置。
2. 前記冷媒流水機構には、前記冷却用パイプに流す冷媒の圧力を制御可能な冷媒圧力制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱疲労き裂進展試験装置。
3. 環状の試験体に対して、その試験体の全体を覆って加熱可能な加熱炉と、
   前記試験体と結合される冷却用パイプと、
   その冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す冷媒送流機構と、を備える熱疲労き裂進展試験装置を用いた熱疲労き裂進展試験方法であって、
   前記試験体を、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合する試験体セッティング手順と、
   当該試験体がセッティングされた前記加熱炉を加熱する加熱手順と、
   その加熱手順にて所定温度に加熱された場合に前記冷媒送流機構によって冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す送流手順と、を備えるとともに、
   前記加熱手順と前記送流手順とを所定回数繰り返すこととした熱疲労き裂進展試験方法。
4. 環状の試験体に対して、その試験体の全体を覆って加熱可能な加熱炉と、
   前記試験体と結合される冷却用パイプと、
   その冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す冷媒送流機構と、
   前記冷却用パイプに流す冷媒の圧力を制御可能な冷媒圧力制御手段と、を備える熱疲労き裂進展試験装置を用いた熱疲労き裂進展試験方法であって、
   前記試験体を、その端部が前記加熱炉内における前記冷却パイプの端部に接合する試験体セッティング手順と、
   当該試験体がセッティングされた前記加熱炉を加熱する加熱手順と、
   その加熱手順にて所定温度に加熱された場合に前記冷媒送流機構によって冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す送流手順と、を備えるとともに、
   その送流手順においては、前記冷媒圧力制御手段によって冷媒の圧力を制御し、
   前記加熱手順と前記送流手順とを所定回数繰り返すこととした熱疲労き裂進展試験方法。
5. 環状の試験体に対して、その試験体の全体を覆って加熱可能な加熱炉と、
   前記試験体と結合される冷却用パイプと、
   その冷却用パイプのパイプ内に冷媒を流す冷媒送流機構と、
   を備える熱疲労き裂進展試験装置に用いる前記試験体であって、
   内周から外周方向に向かうき裂を予め備え、
   そのき裂は、内周の周方向の一部又は全部に形成するとともに、当該試験体の厚さ方向には全部に形成したことを特徴とする試験体。

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