JP2010025573A - 曲げ破壊試験方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断面形状が非対称な試験体であっても、曲げ破壊強度の最小値を容易に取得できること。
【解決手段】一対の支持部材１１に支持された試験体１に、負荷部材から支持部材間に荷重Ｆを作用して試験体を曲げ変形させ、この試験体の曲げ破壊強度を取得する曲げ破壊試験方法において、試験体に荷重を作用させた状態でこの試験体を軸回りに回転させ、試験体に発生した最大撓み方向４を荷重の作用軸３と一致させた状態で荷重を増大させ、試験体が破壊したときの荷重から、この試験体の曲げ破壊強度の最小値を取得するものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、試験体について曲げ破壊強度を取得可能な曲げ破壊試験方法及び装置に関する。

現在、沸騰水型原子炉における配管などの構造体に応力腐食割れや疲労等によるき裂が発生し、進展した場合に、最終的な破壊強度を推定して構造体の健全性を評価する構造体健全性評価法が開発され、その高精度化が進められている。この場合、特許文献１に記載のように、破壊強度を評価するために模擬き裂を導入した試験体の曲げ破壊試験が実施され、破壊強度の評価方法が整備されつつあるが、これまでに使用されてきた試験体は理想的にモデル化されたものであり、荷重の作用軸に対して断面形状が対称な場合についてのみ実施されている。
特開昭５８−５４５４５号公報

上述のように、配管に応力腐食割れや疲労等によりき裂状の欠陥が発生した場合を想定して、破壊強度を評価するために曲げ破壊試験が実施されている。しかしながら、実機配管にき裂が発生した場合、き裂を考慮した実機配管の断面形状は必ずしも対称性を有さず、従って、この実機配管を模擬した断面非対称の試験体を用いて曲げ破壊試験を実施した場合、この試験体のいずれの方向に曲げ荷重を負荷すれば曲げ破壊強度の最小値が得られるかを予め予測する必要がある。

いずれの方向に曲げ荷重を作用させた場合に曲げ破壊強度が最小値を示すかを把握せずに曲げ破壊試験を実施し、得られた強度値を用いて実機配管の曲げ破壊強度としたときには、実機配管の曲げ破壊強度を適正に評価できない場合があり、非安全側の評価となってしまう。

即ち、き裂が発生して断面形状が非対称となった実機配管について、曲げ破壊試験により得られた強度データに基づいて保守的な評価(安全側の評価)を実施するためには、断面形状が非対称な試験体を用いた曲げ破壊試験によって、曲げ破壊強度の最小値を得なければならない。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、断面形状が非対称な試験体であっても、曲げ破壊強度の最小値を容易に取得できる曲げ破壊試験方法及び装置を提供することにある。

本発明に係る曲げ破壊試験方法は、一対の支持部材に支持された試験体に、負荷部材から前記支持部材間に荷重を作用させて前記試験体を曲げ変形させ、この試験体の曲げ破壊強度を取得する曲げ破壊試験方法において、前記試験体に前記荷重を作用させた状態でこの試験体を軸回りに回転させ、前記試験体に発生した最大撓みの方向を前記荷重の作用軸と一致させた状態で前記荷重を増大させ、前記試験体が破壊したときの前記荷重から、この試験体の曲げ破壊強度の最小値を取得することを特徴とするものである。

また、本発明に係る曲げ破壊試験装置は、一対の支持部材に支持された試験体に、負荷部材から前記支持部材間に荷重を作用させて前記試験体を曲げ変形させ、この試験体の曲げ破壊強度を取得する曲げ破壊試験装置において、前記支持部材がリング形状に形成され内周面にて前記試験体を支持し、この支持部材が回転機構により軸回りに回転可能に設けられ、前記試験体に作用する荷重の作用軸に対称な位置で、この試験体の撓み量または前記荷重に基づく力を測定する測定手段を備え、前記試験体に前記荷重を作用させた状態で前記測定手段により測定された前記両対称位置での前記撓み量または前記力が一致する方向に、前記回転機構により前記支持部材を介して前記試験体を軸回りに回転させ、この試験体に発生した最大撓みの方向を前記荷重の作用軸と一致させた状態で前記負荷部材により前記荷重を増大させ、前記試験体が破壊したときの前記荷重から、この試験体の曲げ破壊強度の最小値を取得するよう構成されたことを特徴とするものである。

本発明に係る曲げ破壊試験方法及び装置によれば、試験体に荷重が作用した状態でこの試験体を軸回りに回転させ、試験体に発生した最大撓みの方向、つまり試験体における曲げ破壊強度が最小値を示す方向を荷重の作用軸と一致させた状態で、荷重を増大させて曲げ破壊強度の最小値を取得するので、断面形状が非対称な試験体であっても曲げ破壊強度の最小値を容易に取得できる。従って、この曲げ破壊強度の試験結果に基づいて、断面形状が非対称な構造物の破壊強度を安全側で好適に評価することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図５）
図１は、本発明に係る曲げ破壊試験装置の第１の実施の形態を示す全体側面図である。図２は、図１の支持部材及び回転機構を示す断面図である。図３は、図２のIII−III線に沿う断面図である。

図１に示す曲げ破壊試験装置１０は、一対の支持部材１１に支持された試験体１に、２つの荷重部１５を具備する負荷部材１２から支持部材１１間に荷重Ｆが作用して、この試験体１を曲げ変形させ、この試験体１が破壊したときの荷重Ｆから試験体１の曲げ破壊強度を取得するものである。この曲げ破壊試験装置１０は、前記支持部材１１、前記負荷部材１２のほか、回転機構１３、及び測定手段としての非接触変位計１４を有して構成される。

前記試験体１は、円柱形状の梁または円筒形状の配管などを模擬したものであるが、図４及び図５に示すように、実際の梁や配管に発生するき裂を模擬した模擬き裂２が形成されている。図４に示す試験体１は、外周の一部に模擬き裂２が形成された梁を模擬した試験体である。また、図５（Ａ）に示す試験体１Ａは、外周に大きさの異なる模擬き裂２が周方向に２個形成された梁を模擬した試験体である。更に、図５（Ｂ）に示す試験体１Ｂは、内周に大きさの異なる模擬き裂２が周方向に３個形成された配管を模擬した試験体である。

これらの試験体１、１Ａ及び１Ｂは、上述のように模擬き裂２が形成されているために、断面形状が非対称になっており、き裂が発生した実際の梁や配管などの構造物を正確に模擬したものとなっている。このような試験体１、１Ａ、１Ｂでは、上述のような模擬き裂２が存在するために、負荷部材１２から荷重Ｆが作用したときに、この荷重Ｆの作用軸３と、試験体１、１Ａ、１Ｂに発生した最大撓みの方向（最大撓み方向４）が一致しない場合がある。

この最大撓み方向４は、荷重Ｆの作用時に試験体１、１Ａ、１Ｂの曲げ破壊強度が最小値を示す方向である。本来、この最大撓み方向４に荷重Ｆを作用して得た曲げ破壊強度をこの試験体１、１Ａ、１Ｂの曲げ破壊強度とすることで、き裂が生じた実際の構造物（梁や配管など）の破壊強度を安全側で評価することが可能となる。尚、以下の説明では、試験体として試験体１を代表して用いる。

図２及び図３に示すように、支持部材１１は、内周面１６を備えるリング形状に形成され、この内周面１６は、軸方向中央部分が内側に凸に湾曲して形成される。そして、この内周面１６に試験体１が接することで、この試験体１が支持部材１１により支持される。また、支持部材１１の外周面１７に複数の回転機構１３の駆動ローラ１８が接することで、支持部材１１が回転機構１３により支持される。更に、回転機構１３の駆動ローラ１８が図示しないモータなどにより回転駆動されることで、支持部材１１が軸回りに回転可能に設けられる。

図１に示す負荷部材１２は、荷重部１５を試験体１に圧接することで、試験体１に対して上方から下方へ向かって荷重Ｆを作用する。非接触変位計１４は、図１及び図３に示すように、試験体１が最も撓む試験体１の軸方向中央位置であって、上記荷重Ｆが作用する作用軸３に対して図３の左右に対称な２箇所の位置Ａ及びＢにおいて、試験体１の撓み量を測定する。ここで、非接触変位計１４としては、例えばレーザー変位計等が好適である。

上述のように構成された曲げ破壊試験装置１０では、負荷部材１２が試験体１に荷重Ｆを作用させ、この状態で非接触変位計１４により測定された両位置Ａ、Ｂでの試験体１の撓み量が一致する方向に、回転機構１３により支持部材１１を軸回りに回転させ、この支持部材１１に支持された試験体１を軸回りに回転させる。

つまり、非接触変位計１４により測定された、荷重Ｆの作用軸３に対称な位置Ａ、Ｂでの試験体１の撓み量が異なっている場合に、回転機構１３は、撓み量が大きい側の位置（例えば位置Ｂ）から小さい側の位置（例えば位置Ａ）へ向かって支持部材１１を軸回りに回転させ、従って試験体１を軸回りに回転させ、これにより両位置Ａ、Ｂで測定される試験体１の撓み量を一致させる。

具体的には、図３の右側の位置Ｂの非接触変位計１４により測定された試験体１の撓み量が、図３の左側の位置Ａの非接触変位計１４により測定された試験体１の撓み量よりも大きかった場合には、図４に示すように、最大撓み方向４は荷重Ｆの作用軸３上ではなく、荷重Ｆの作用軸３よりも図４の右側に発生していることになる。そこで、この場合には回転機構１３により支持部材１１を図３の時計回りに回転させる。この支持部材１１の時計回りの回転によって、試験体１も時計回りに回転し、最大撓みの方向(最大撓み方向４)を荷重Ｆの作用軸３に一致させることが可能となる。

尚、図３の左側の位置Ａの非接触変位計１４により測定された試験体１の撓み量が、右側の位置Ｂの非接触変位計１４により測定された試験体１の撓み量よりも大きい場合には、回転機構１３により支持部材１１を図３の反時計回りに回転させればよい。

この試験体１に発生した最大撓みの方向（最大撓み方向４）を荷重Ｆの作用軸３と一致させた状態で、負荷部材１２により試験体１へ作用する荷重Ｆを増大させていき、試験体１が破壊したときの荷重Ｆから、この試験体１の曲げ破壊強度の最小値を取得する。

従って、本実施の形態によれば、次の効果を奏する。

負荷部材１２が試験体１に荷重Ｆを作用した状態で、回転機構１３により支持部材１１を介して試験体１を軸回りに回転させ、この試験体１に発生した最大撓みの方向（最大撓み方向４）、つまり試験体１における曲げ破壊強度が最小値を示す方向を荷重Ｆの作用軸３と一致させた状態で、荷重Ｆを増大させて曲げ破壊強度の最小値を取得する。従って、模擬き裂２によって断面形状が非対称となった試験体１であっても、曲げ破壊強度の最小値を容易に取得できる。このため、この曲げ破壊強度の試験結果に基づいて、断面形状が非対称な梁や配管などの実際の構造物の破壊強度を安全側で好適に評価することができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る曲げ破壊試験装置の第２の実施の形態を示す図３に対応する断面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の曲げ破壊試験装置２０が前記実施の形態の曲げ破壊試験装置１０と異なる点は、支持部材１１を支持し回転させる回転機構１３が荷重Ｆの作用軸３に対して対称な２箇所の位置Ｃ及びＤに設置され、これらの回転機構１３に測定手段としてのロードセル２１（荷重計）が取り付けられた点である。

これらのロードセル２１は、試験体１に荷重Ｆが作用したときに回転機構１３に作用する荷重Ｆに基づく力、即ち荷重Ｆが試験体１に作用したとき、この試験体１から支持部材１１を介して回転機構１３へ作用する押付力を測定する。試験体１に荷重Ｆが作用したとき試験体１の強度が低い箇所ほど撓み変形が大きくなり、回転機構１３への押付力が大きくなる。従って、荷重Ｆの作用軸３に対して対称な位置Ｃ、Ｄにおける回転機構１３に作用する押付力が均一となったときに、最大撓み方向４が荷重Ｆの作用軸３と一致することになる。

従って、例えば、図６の右側の位置Ｄのロードセル２１により測定された押付力が、左側の位置Ｃのロードセル１９により測定された押付力よりも大きかった場合には、試験体１の最大撓み量は荷重Ｆの作用軸３上ではなく、この作用軸３よりも図６の右側に発生していることになる。試験体１の強度が低い箇所ほど大きく撓み、大きな押付力が発生するからである。そこで、この場合には、回転機構１３により支持部材１１を図６の時計回りに回転させる。これにより、試験体１も時計回りに回転し、最大撓みの発生する方向(最大撓み方法４)を荷重Ｆの作用軸３に一致させることが可能となる。

尚、図６の左側の位置Ｃのロードセル２１により測定された押付力が、右側の位置Ｄのロードセル２１により測定された押付力よりも大きい場合には、支持部材１１を図６の反時計回りに回転させればよい。

試験体１の最大撓み方向４を荷重Ｆの作用軸３に一致させた状態で、負荷部材１２により荷重Ｆを増大させ、試験体１が破壊したときの荷重Ｆから、この試験体１の曲げ破壊強度の最小値を取得することが可能となる。従って、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態の効果と同様な効果を奏する。

［Ｃ］第３の実施の形態（図７〜図１０）
図７は、本発明に係る曲げ破壊試験装置の第３の実施の形態を、一部を断面状態で示す全体側面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の曲げ破壊試験装置３０が前記第１の実施の形態の曲げ破壊試験装置１０と異なる点は、試験体１を支持する支持部材３１が、断面円形のリング形状に形成されて回転自在に設けられると共に、内周面にて試験体１を支持し、また、試験体１に荷重Ｆを作用する負荷部材３２の荷重部３３が、断面円形のリング形状に形成されて回転自在に設けられると共に、内周面が試験体１に接してこの試験体１に荷重Ｆを作用するよう設けられた点である。

つまり、支持部材３１を備えた支持ユニット３４は、図８に示すように、試験体１を挿通可能な開口３５が形成された一対のフレーム３６間に、開口３５の周方向に沿って複数のローラ３７が配置され、リング形状の支持部材３１は、外周面がローラ３７に接して、これらのローラ３７により軸回りに回転自在にフレーム３６に支持される。

また、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、荷重部３３を備えた負荷部材３２の荷重ユニット３８は、試験体１を挿通可能な開口３９が形成された一対のフレーム４０間に、開口３９の周方向に沿って複数のローラ４１が配置され、リング形状の荷重部３３は、外周面がローラ４１に接し、これらのローラ４１により軸回りに回転自在にフレーム４０に支持される。負荷部材３２から試験体１へ作用される荷重Ｆは、試験体１の外周面に接する荷重ユニット３８の荷重部３３から試験体１へ直接作用される。

上述のように構成された曲げ破壊試験装置３０では、荷重ユニット３８の荷重部３３から試験体１に荷重Ｆが作用したとき、この荷重Ｆに基づき試験体１が支持ユニット３４の支持部材３１へ作用する押付力Ｒ０(図１０)の接線方向の分力Ｔ１（図１０；共に後述）によって、支持部材３１及び荷重部３３が軸回りに自動的に回転し、これにより試験体１が軸回りに回転する。この支持部材３１及び荷重部３３の回転の原理を図１０を用いて説明する。

図１０の上方より荷重Ｆが作用したときに、試験体１に最大撓みが発生する方向(最大撓み方向４)が荷重Ｆの作用軸３と一致せず、図１０のように右側に偏って撓もうとしたときには、支持ユニット３４の支持部材３１は試験体１から、図１０の右下方向(最大撓み方向４と同一方向)の押付力Ｒ０を受けることになる。この押付力Ｒ０は、垂直方向の力Ｆと水平方向の力Ｔ０とに分解でき、垂直方向の力Ｆは更に、支持部材３１と試験体１との接点において、接線方向の力Ｔ１と、この力Ｔ１に垂直な方向の力Ｒ１(Ｒ０と同一方向)とに分解できる。この接線方向の力Ｔ１の発生により、支持部材３１は、荷重ユニット３８の荷重部３３(図９)と共に、図１０の時計回りに回転し、従って試験体１も時計回りに回転する。

上述のようにして試験体１が軸回りに回転することで、試験体１は、最大撓み方向４が荷重Ｆの作用軸３と一致した状態となり、この状態で負荷部材３２により試験体１へ作用する荷重Ｆを増大させる。そして、試験体１が破壊したときの荷重Ｆから、この試験体１の曲げ破壊強度の最小値を取得することが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果と同様な効果を奏するほか、回転機構１３及び測定手段（非接触変位計１４、ロードセル２１）が削除されることで、コストを低減できる。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述の各実施の形態では、支持部材１１、３１が試験体１を２箇所で支持し、負荷部材１２、３２が試験体１の２箇所に荷重Ｆを作用する４点曲げ破壊試験装置の場合を述べたが、負荷部材が試験体１の１箇所に荷重Ｆを作用する３点曲げ破壊試験装置であってもよい。

本発明に係る曲げ破壊試験装置の第１の実施の形態を示す全体側面図。 図１の支持部材及び回転機構を示す断面図。 図２のIII−III線に沿う断面図。 試験体に発生した最大撓み方向と試験体に作用する荷重の作用軸との関係を示す試験体の断面図。 図４の試験体の他の例を示し、（Ａ）が外周面に２つのき裂が生じた円柱形状の試験体、（Ｂ）が内周面に３つのき裂が生じた円筒形状の試験体をそれぞれ示す断面図。 本発明に係る曲げ破壊試験装置の第２の実施の形態を示す図３に対応する断面図。 本発明に係る曲げ破壊試験装置の第３の実施の形態を、一部を断面状態で示す全体側面図。 図７の支持部材を備えた支持ユニットを示し、（Ａ）が側断面図、（Ｂ）が図８（Ａ）のVIII−VIII線に沿う断面図。 図７の負荷部材の荷重ユニットを示し、（Ａ）が側断面図、（Ｂ）が図９（Ａ）のIX−IX線に沿う断面図。 試験体に荷重が作用したときに支持部材が回転する原理を説明するための説明図。

符号の説明

１ 試験体
２ 模擬き裂
３ 荷重の作用軸
４ 最大撓み方向
１０ 曲げ破壊試験装置
１１ 支持部材
１２ 負荷部材
１３ 回転機構
１４ 非接触変位計（測定手段）
１６ 内周面
１７ 外周面
２０ 曲げ破壊試験装置
２１ ロードセル（測定手段）
３０ 曲げ破壊試験装置
３１ 支持部材
３２ 負荷部材
３３ 荷重部
３４ 支持ユニット
３８ 荷重ユニット
Ａ、Ｂ 位置
Ｃ、Ｄ 位置
Ｆ 荷重

Claims (9)

1. 一対の支持部材に支持された試験体に、負荷部材から前記支持部材間に荷重を作用させて前記試験体を曲げ変形させ、この試験体の曲げ破壊強度を取得する曲げ破壊試験方法において、
   前記試験体に前記荷重を作用させた状態でこの試験体を軸回りに回転させ、
   前記試験体に発生した最大撓みの方向を前記荷重の作用軸と一致させた状態で前記荷重を増大させ、
   前記試験体が破壊したときの前記荷重から、この試験体の曲げ破壊強度の最小値を取得することを特徴とする曲げ破壊試験方法。
2. 前記試験体の軸回りの回転は、前記試験体に作用する荷重の作用軸に対し対称な位置で、前記試験体の撓み量または前記荷重に基づく力を測定し、これらの両位置における撓み量または力が一致する方向に前記試験体を回転させることを特徴とする請求項１に記載の曲げ破壊試験方法。
3. 前記試験体の軸回りの回転は、前記試験体に作用する荷重の作用軸に対し対称な位置で測定された前記試験体の撓み量または前記荷重に基づく力の大きい側の位置から小さい側の位置へ向かって前記試験体を回転させることを特徴とする請求項２に記載の曲げ破壊試験方法。
4. 前記試験体の軸回りの回転は、前記試験体に作用する荷重に基づく力の接線方向の分力によって支持部材が軸回りに回転することで引き起こされることを特徴とする請求項１に記載の曲げ破壊試験方法。
5. 前記試験体は、円柱形状または円筒形状に構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の曲げ破壊試験方法。
6. 一対の支持部材に支持された試験体に、負荷部材から前記支持部材間に荷重を作用させて前記試験体を曲げ変形させ、この試験体の曲げ破壊強度を取得する曲げ破壊試験装置において、
   前記支持部材がリング形状に形成され内周面にて前記試験体を支持し、この支持部材が回転機構により軸回りに回転可能に設けられ、
   前記試験体に作用する荷重の作用軸に対称な位置で、この試験体の撓み量または前記荷重に基づく力を測定する測定手段を備え、
   前記試験体に前記荷重を作用させた状態で前記測定手段により測定された前記両対称位置での前記撓み量または前記力が一致する方向に、前記回転機構により前記支持部材を介して前記試験体を軸回りに回転させ、
   この試験体に発生した最大撓みの方向を前記荷重の作用軸と一致させた状態で前記負荷部材により前記荷重を増大させ、
   前記試験体が破壊したときの前記荷重から、この試験体の曲げ破壊強度の最小値を取得するよう構成されたことを特徴とする曲げ破壊試験装置。
7. 前記回転機構による支持部材を介しての試験体を軸回りの回転は、測定手段により測定された荷重の作用軸に対称な位置での前記試験体の撓み量または前記荷重に基づく力の大きい側の位置から小さい側の位置へ向かって前記試験体を回転させ、これにより前記両位置での撓み量または力を一致させるよう構成されたことを特徴とする請求項６に記載の曲げ破壊試験装置。
8. 前記回転機構は、試験体に作用する荷重の作用軸に対称な位置に設置され、測定手段は、前記試験体に荷重が作用した状態で前記回転機構に作用する、前記荷重に基づく力を測定することを特徴とする請求項６に記載の曲げ破壊試験装置。
9. 一対の支持部材に支持された試験体に、負荷部材の荷重部から前記支持部材間に荷重を作用させて前記試験体を曲げ変形させ、この試験体の曲げ破壊強度を取得する曲げ破壊試験装置において、
   前記支持部材がリング形状に形成されて回転自在に設けられると共に、内周面にて前記試験体を支持し、
   前記負荷部材の前記荷重部がリング形状に形成されて回転自在に設けられると共に、内周面が前記試験体に接してこの試験体に荷重を作用するよう設けられ、
   前記試験体に前記荷重を作用させたときに生ずる前記支持部材及び前記負荷部材の回転により前記試験体を軸回りに回転させ、
   この試験体に発生した最大撓みの方向を前記荷重の作用軸と一致させた状態で前記負荷部材により前記荷重を増大させ、
   前記試験体が破壊したときの前記荷重から、この試験体の曲げ破壊強度の最小値を取得するよう構成されたことを特徴とする曲げ破壊試験装置。

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