JP2009236540A

JP2009236540A - 溶溶接構造体の破壊性能評価方法、データベース装置

Info

Publication number: JP2009236540A
Application number: JP2008080070A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Yamashita; 洋一山下
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】溶接残留応力を有する溶溶接構造体の破壊強度を高精度に求めることができる破壊性能評価方法及びデータベース装置を提案する。
【解決手段】き裂及び残留応力を有する溶溶接構造体の破壊性能を評価する方法であって、所定条件の破壊靱性標準試験片を用いて第一ワイブル応力分布曲線を求める第一工程と、前記所定条件の平板状三次元モデルに実残留応力相当応力を付与して第二ワイブル応力分布曲線を求める第二工程と、前記第一ワイブル応力分布曲線と前記第二ワイブル応力分布曲線から等価ＣＴＯＤ係数を求める第三工程と、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、残留応力を有する溶溶接構造体の破壊性能評価方法及びデータベース装置に関する。

溶溶接構造体・構造物では、溶接部の品質が構造全体の強度・信頼性に大きく関与する。例えば、溶接部における材質劣化が破壊強度に大きく影響する。このため、溶溶接構造体等の脆性破壊に対する安全を確保するために、予め許容される欠陥寸法を明らかにしておくことが重要となる。
日本溶接協会規格ＷＥＳ２８０５：１９９７「溶接継手の脆性破壊発生及び疲労き裂進展に対する欠陥の評価方法」では、破壊靱性標準試験片を用いて合理的な欠陥許容判定を行う手法が規定されている。これにより、き裂を有する複雑な溶溶接構造体の有限要素解析を行わずに、簡易に欠陥許容判定を行うことができる。

上記評価方法では、破壊指標として、き裂先端開口変位（ＣＴＯＤ：Crack Tip Opening Displacement）を採用し、塑性拘束（曲げが主体で、き裂が深い変形拘束）の大きな破壊靱性試験片から求めた破壊限界値（限界ＣＴＯＤ，δｃ）と、溶接残留応力を有する実構造体のＣＴＯＤ（δ_{ＷＰ，ｒｅｓ}）との大きさを比較し、実構造体のＣＴＯＤ（δ_{ＷＰ，ｒｅｓ}）が、破壊靱性試験片のＣＴＯＤ（δｃ）を超える場合に、破壊が起こるとしている。

しかし、特に、浅いき裂を有する場合や引張荷重を受ける実構造体においては、塑性変形が拘束されにくい（拘束緩和が発生する）ため、実際に破壊が起きるδ_{ＷＰ，ｒｅｓ}は、破壊靱性試験片から求めた破壊限界値δｃよりも大きくなる傾向にある。つまり、上記評価方法により求めた破壊限界値δｃは、実際の破壊限界値よりも小さな値となってしまう。
このため、上記評価方法を採用した場合には、溶溶接構造体に対して過大な破壊靱性や板厚が要求されることとなり、過度に安全率が高い設計となって、高コスト化を招いてしまう。

こうした問題に対しては、非特許文献１等に開示されるように、三点曲げ試験片（破壊靱性試験片）と広幅継手（ワイドプレート，ＷＰ）が等しいワイブル応力を示すＣＴＯＤ比（等価ＣＴＯＤ比）を求めて、三点曲げ試験片（破壊靱性試験片）のワイブル応力を補正する手法が提案されている。
なお、等価ＣＴＯＤ比は、
β＝δ／δ_ＷＰ（δ：破壊靭性試験片のＣＴＯＤ、δ_ＷＰ：広幅継手のＣＴＯＤ）
である。
F. Minami 、Method of Constraint Loss Correction of CTOD Fracture Toughness for Fracture Assessment of Steel Components 、Engineering Fracture Mechanics 、73 (2006) 、p.1996-2020

しかしながら、上記評価方法では、溶接残留応力を有する実構造体のＣＴＯＤ（δ_{ＷＰ，ｒｅｓ}）を求める際に、残留応力のない場合のＣＴＯＤ（δ_ＷＰ）に対して、一律に一定のひずみ（０．６εｙ）を単純に加算して求めているに過ぎない。
このため、非特許文献１に記載の手法を用いたとしても、溶接残留応力を有する実構造体のＣＴＯＤが不正確となり、破壊強度を高精度に求めることができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、溶接残留応力を有する溶溶接構造体の破壊強度を高精度に求めることができる破壊性能評価方法及びデータベース装置を提案することを目的とする。

本発明に係る溶溶接構造体の破壊性能評価方法及びデータベース装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、き裂及び残留応力を有する溶溶接構造体の破壊性能を評価する方法であって、所定条件の破壊靱性標準試験片を用いて第一ワイブル応力分布曲線を求める第一工程と、前記所定条件の平板状三次元モデルに実残留応力相当応力を付与して第二ワイブル応力分布曲線を求める第二工程と、前記第一ワイブル応力分布曲線と前記第二ワイブル応力分布曲線から等価ＣＴＯＤ係数を求める第三工程と、を有することを特徴とする。

また、前記実残留応力相当応力は、平板状溶溶接構造体において実測された残留応力値に基づいて求められることを特徴とする。

また、限界ＣＴＯＤと前記等価ＣＴＯＤ係数とから等価限界ＣＴＯＤを求める第四工程を有することを特徴とする。

また、前記所定条件としての材料強度、残留応力又はき裂長さのいずれか一つ以上を異ならせて、各々の条件毎の等価ＣＴＯＤ係数を求めてデータベースを作成する第五工程を有することを特徴とする。

また、所望条件での第一ワイブル応力分布曲線を求める第六工程と、前記データベースから所望条件における等価ＣＴＯＤ係数を読み出す第七工程と、前記第六工程で求めた第一ワイブル応力分布曲線における限界ＣＴＯＤに対して前記第七工程で読み出した等価ＣＴＯＤ係数を乗算して等価限界ＣＴＯＤを求める第八工程と、を有することを特徴とする。

第２の発明は、残留応力を有する溶溶接構造体の破壊性能に関するデータベース装置であって、材料強度、残留応力又はき裂長さを異ならせた複数の条件毎の等価ＣＴＯＤ係数を保持することを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
溶接残留応力を有する実構造体の限界ＣＴＯＤや破壊強度を求める際に、実構造体に生じる溶接残留応力を測定し、その溶接残留応力と同等の応力を加算するようにしているので、溶接残留応力を有する実構造体の限界ＣＴＯＤや破壊強度を高精度に求めることができる。

以下、本発明に係る溶溶接構造体の破壊性能評価方法及びデータベース装置の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る破壊性能評価方法では、以下の工程により、等価ＣＴＯＤ係数βを求める。

第一工程として、日本溶接協会規格ＷＥＳ２８０５：１９９７「溶接継手の脆性破壊発生及び疲労き裂進展に対する欠陥の評価方法」に基づき、破壊靱性標準試験片１０（Fracture toughness specimen）を用いて第一ワイブル応力分布曲線Ａを求める。

図１は、日本溶接協会規格ＷＥＳ２８０５：１９９７に規定される破壊靱性標準試験片１０であって、三点曲げ試験に用いられる試験片を示す図である。
この破壊靱性標準試験片１０を、例えば１０個用意して、各試験片について破壊試験（単調負荷試験）を行う。
破壊試験においては、破壊時のき裂口開き量Ｌを実測する。そして、実測したき裂口開き量Ｌから、既知の計算式を用いて限界ＣＴＯＤを推定（算出）する。

また、同時に、各破壊靱性標準試験片１０の破壊時の破壊駆動力（外荷重）と累積破壊確率との関係をプロットして、図２に示す限界ワイブル応力分布を作成する。
そして、限界ワイブル応力分布から、ワイブル分布の形状パラメータｍを統計的手法（最尤推定：Maximum Likelifood）を用いて算出する。

このようにして求めた限界ＣＴＯＤとワイブル分布の形状パラメータｍを用いて、破壊靱性標準試験片１０が破壊した瞬間におけるワイブル応力を有限要素法により求める。つまり、破壊靱性標準試験片１０の三次元モデルに対して、限界ＣＴＯＤ、形状パラメータｍを適用してワイブル応力σ_Ｗを算出する。

なお、ワイブル応力は、図３の塑性域（き裂先端の領域）において、式（１）を適用することにより求められる。

有限要素法においては、破壊靱性標準試験片１０の三次元モデルに対して、ＣＴＯＤを変化させて、ワイブル応力を求める。こうして、図４に示す第一ワイブル応力分布曲線Ａ（破線Ａ）が求められる。
なお、上述した第一工程の内容は、上記非特許文献１等において既に開示されている内容である。

次に、第二工程として、破壊靱性標準試験片１０と同一の条件の平板状三次元モデルに実残留応力相当応力を付与して第二ワイブル応力分布曲線Ｂ（図４の実線Ｂ）を求める。
まず、図５に示す平板状の溶溶接構造体２０を用意する。溶接構造体２０は、２枚の平板を長手方向（ｙ方向）に並列に密着配置して、一方の面のみを溶接して連結することで形成されている。
なお、溶溶接構造体２０は、その中央に幅方向（ｘ方向）に延びるき裂が設けられている（図５（ａ）参照）。つまり、２枚の平板を繋ぐ溶接部分を略直角に分断するようにき裂が設けられている。

そして、図６に示すように、溶溶接構造体２０の表面（surface1）と裏面（surface2）に発生する残留応力を実測する。また、表面（surface1）と裏面（surface2）に発生する残留応力の平均値を求める。
このような実残留応力の測定結果から、溶溶接構造体２０に発生した実残留応力相当の応力分布を規定する（図６の破線）。

次に、破壊靱性標準試験片１０と同一の条件の平板状三次元モデル（ワイドプレートＷＰ）に対して、実測した残留応力（実残留応力）を適用する。
まず、き裂のない平板状の三次元モデル（ワイドプレートＷＰ）に対して、実残留応力相当の応力を分布させる。そして、平板状の三次元モデル（ワイドプレートＷＰ）にき裂を導入した後に、実残留応力相当の応力を再分布する。更に、き裂を有し、実残留応力相当の応力を分布させた平板状の三次元モデル（ワイドプレートＷＰ）に対して外荷重を負荷してＣＴＯＤを発生させる。そして、これら３つの状態（３つのＣＴＯＤ）におけるワイブル応力を求める。
こうして、破壊靱性標準試験片１０と同一の条件の平板状三次元モデル（ワイドプレートＷＰ）において、実残留応力相当応力を分布し、外荷重（破壊駆動力）を負荷したときの第二ワイブル応力分布曲線Ｂ（図４の実線Ｂ）が求められる。

なお、溶接に起因する残留応力としては、溶溶接構造体２０の長手方向（ｙ方向）に作用する残留応力のみを測定して三次元モデル（ワイドプレートＷＰ）に適用している。長手方向（ｙ方向）に作用する残留応力が、き列を裂く方向に作用するからである。
勿論、溶溶接構造体２０の幅方向（ｘ方向）に作用する残留応力も測定して、三次元モデル（ワイドプレートＷＰ）に適用してもよい。しかし、幅方向（ｘ方向）の残留応力は長手方向（ｙ方向）の残留応力に比べて小さいので、き裂の進展（つまり破壊）への影響度は非常に低い。

次に、第三工程として、第一工程で求めた第一ワイブル応力分布曲線Ａと第二工程で求めた第二ワイブル応力分布曲線Ｂから、式（２）により、等価ＣＴＯＤ係数βを求める。

図７は、等価ＣＴＯＤ係数βを示す図である。
図７には、残留応力（実残留応力）を考慮して求めた等価ＣＴＯＤ係数β（黒丸）と、残留応力（実残留応力）を考慮しないで求めた等価ＣＴＯＤ係数β_０（白丸）を示している。
残留応力（実残留応力）を考慮することで、より適切な等価ＣＴＯＤ係数βを求められていることが判る。

第四工程として、三点曲げ試験等により予め求めておいた限界ＣＴＯＤに対して、等価ＣＴＯＤ係数βを乗算して等価限界ＣＴＯＤを求める。つまり、三点曲げ試験等により求められる限界ＣＴＯＤから、より正確な限界ＣＴＯＤを、三点曲げ試験等の結果を用いて求める。
そして、等価限界ＣＴＯＤを求めることで、三点曲げ試験等により求められる破壊強度よりも、より正確な破壊強度を求めることができる。

例えば、図８に示すように、三点曲げ試験等により破壊荷重（σ／σｙ）とＣＴＯＤの関係曲線Ｃを求めておく。この曲線Ｃに対して等価ＣＴＯＤ係数βを乗算して、等価曲線Ｄを得る。
限界ＣＴＯＤと曲線との関係おいては、破壊強度（破壊荷重）はＦ１となる。一方、限界ＣＴＯＤと曲線Ｄとの関係においては、破壊強度（破壊荷重）はＦ２となり、Ｆ１よりも大きな値が得られる。
つまり、三点曲げ試験等により求められる破壊強度Ｆ１よりも、より正確な破壊強度Ｆ２が、三点曲げ試験等の結果から容易に求められる。

図９から図１２は、本実施形態に係る破壊性能評価方法と従来法を比較した結果を示す図である。
図９に示すように、三点曲げ試験により求めた限界ＣＴＯＤ（実験値：白四角印）に比べて、本実施形態に係る破壊性能評価方法により求めた限界ＣＴＯＤ（黒丸印）が大きな値となっていることが判る。しかも、予想される限界ＣＴＯＤ（破線）により近い値となっている。
なお、参考として、残留応力のない場合における限界ＣＴＯＤ（白丸印）も示している。

図１０は、本実施形態に係る破壊性能評価方法により得られた破壊駆動力（黒丸印）と、残留応力のない場合（白丸印）とを比較したものである。また、図１１は、本実施形態に係る破壊性能評価方法により得られた破壊応力（黒丸印）と、残留応力のない場合（白丸印）とを比較したものである。
いずれの場合も、本実施形態に係る破壊性能評価方法は、残留応力を考慮しない従来法にくらべて、より正確な破壊強度を示していることが判る。

図１２は、ＢＳ７９１０に基づく評価を示す図である。ＢＳ７９１０は、溶接構造物のき裂等が許容できるかどうかを評価するために、英国にて定められた指標である。
本実施形態に係る破壊性能評価方法により得られた破壊強度（黒四角印）は、残留応力を考慮しない場合（黒丸印）にくらべて、より正確な破壊強度を示していることが判る。

以上のように、本実施形態に係る破壊性能評価方法によれば、溶接残留応力を有する実構造体の限界ＣＴＯＤや破壊強度を求める際に、実構造体に生じる溶接残留応力を測定し、その溶接残留応力と同等の応力を負荷（分布）するので、溶接残留応力を有する実構造体の限界ＣＴＯＤや破壊強度を、従来に比べて高精度に求めることができる。

なお、第四工程を行わずに、破壊靱性標準試験片１０の条件を種々異ならせて、上述した第一工程から第三工程を行うことで、条件毎の等価ＣＴＯＤ係数βを求めるようにしてもよい。
そして、複数の条件における等価ＣＴＯＤ係数βを不図示のコンピュータ、サーバ等の電子機器に蓄積してデータベースにする（第五工程）。
なお、条件とは、材料強度（降伏応力、破断応力）、残留応力又はき裂長さである。低温時の材料の強度変化は、降伏応力、破断応力の変化として規定する。そして、これらのいずれか一つ以上を異ならせることで、複数条件における等価ＣＴＯＤ係数βを求めることができる。

等価ＣＴＯＤ係数βのデータベースを構築した場合には、所望の条件の破壊靱性標準試験片１０を用意して、上述した第一工程と同様な手順により第一ワイブル曲線を求める（第六工程）。
次に、等価ＣＴＯＤ係数βのデータベースから所望の条件における等価ＣＴＯＤ係数を読み出す（第七工程）。
そして、第六工程で求めた第一ワイブル応力分布曲線における限界ＣＴＯＤに対して、第七工程で読み出した等価ＣＴＯＤ係数を乗算して、等価限界ＣＴＯＤを求める（第八工程）。

このように、予め等価ＣＴＯＤ係数βのデータベースを構築した場合には、上述した第二工程と第三工程を行うことなく、即時に限界ＣＴＯＤや破壊強度を高精度に求めることが可能となる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、三点曲げ試験片を用いる場合について説明したが、これに限らない。コンパクト曲げ試験片であってもよい。

破壊靱性標準試験片（三点曲げ試験用）を示す図である。限界ワイブル応力分布を示す図である。ワイブル応力の求め方を説明するための図である。ワイブル応力分布曲線を示す図である。平板状の溶溶接構造体を示す図である。平板状の溶溶接構造体の表裏面に発生した残留応力の測定結果である。等価ＣＴＯＤ係数βを示す図である。破壊荷重とＣＴＯＤの関係曲線を示す図である。本実施形態に係る破壊性能評価方法と従来法を比較した結果を示す図である。本実施形態に係る破壊性能評価方法と従来法を比較した結果を示す図である。本実施形態に係る破壊性能評価方法と従来法を比較した結果を示す図である。本実施形態に係る破壊性能評価方法と従来法を比較した結果を示す図である。

符号の説明

１０…破壊靱性標準試験片
２０…溶接構造体（平板状溶溶接構造体）
ＷＰ…ワイドプレート（平板状三次元モデル）

Claims

き裂及び残留応力を有する溶溶接構造体の破壊性能を評価する方法であって、
所定条件の破壊靱性標準試験片を用いて第一ワイブル応力分布曲線を求める第一工程と、
前記所定条件の平板状三次元モデルに実残留応力相当応力を付与して第二ワイブル応力分布曲線を求める第二工程と、
前記第一ワイブル応力分布曲線と前記第二ワイブル応力分布曲線から等価ＣＴＯＤ係数を求める第三工程と、
を有することを特徴とする溶溶接構造体の破壊性能評価方法。
前記実残留応力相当応力は、平板状溶溶接構造体において実測された残留応力値に基づいて求められることを特徴とする請求項１に記載の溶溶接構造体の破壊性能評価方法。
限界ＣＴＯＤと前記等価ＣＴＯＤ係数とから等価限界ＣＴＯＤを求める第四工程を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶溶接構造体の破壊性能評価方法。
前記所定条件としての材料強度、残留応力又はき裂長さのいずれか一つ以上を異ならせて、各々の条件毎の等価ＣＴＯＤ係数を求めてデータベースを作成する第五工程を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶溶接構造体の破壊性能評価方法。
所望条件での第一ワイブル応力分布曲線を求める第六工程と、
前記データベースから所望条件における等価ＣＴＯＤ係数を読み出す第七工程と、
前記第六工程で求めた第一ワイブル応力分布曲線における限界ＣＴＯＤに対して前記第七工程で読み出した等価ＣＴＯＤ係数を乗算して等価限界ＣＴＯＤを求める第八工程と、
を有することを特徴とする請求項４に記載の溶溶接構造体の破壊性能評価方法。
残留応力を有する溶溶接構造体の破壊性能に関するデータベース装置であって、
材料強度、残留応力又はき裂長さを異ならせた複数の条件毎の等価ＣＴＯＤ係数を保持することを特徴とするデータベース装置。