JP2010160028A

JP2010160028A - 異材継手部の破壊強度評価方法

Info

Publication number: JP2010160028A
Application number: JP2009001816A
Authority: JP
Inventors: Masao Itaya; 雅雄板谷; Takuya Ogawa; 琢矢小川; Toshiyuki Saito; 利之斎藤; Chihiro Narasaki; 千尋楢崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP5087015B2

Abstract

【課題】異種材料の溶接継手において、き裂が異種材料にまたがって存在する場合に、破壊強度を的確に評価する。
【解決手段】き裂を含む断面上の異種材料それぞれについての残余面積と流動応力とを掛け合わせた結果を断面上のすべての材料について足し合わせることにより求めた荷重を破壊荷重とする。または、き裂を含む断面上の異種材料の面積比に応じて各材料の応力とひずみの関係を単一の材料の応力とひずみの関係に置き換えたときの材料定数を用いて求めた破壊力学パラメータＪ積分値がき裂先端の材料の弾塑性破壊靭性値Ｊ_Ｉｃに等しくなるときの荷重を破壊荷重とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法に関する。

沸騰水型原子炉における配管に応力腐食割れ（以下、ＳＣＣ）等によるき裂が発生、進展した場合の最終的な破壊強度の推定を含めた構造健全性評価法の開発および高精度化が進められている。沸騰水型原子炉のシュラウドサポートと原子炉容器との溶接部にＳＣＣき裂が発生した例や加圧水型原子炉の原子炉圧力容器や蒸気発生器、加圧器などの出入口管台のＮｉ基合金溶接金属に軸方向のＳＣＣき裂が発生した例が報告されている。

き裂が試験材料に存在する場合の試験材料の破壊強度を評価する方法については、たとえば特許文献１に開示がある。

特開２００７−３０９７３６号公報

ところで、原子力プラントなどで使用されている構造材料でき裂が進展した場合、き裂はいずれ異種材料にまたがって存在することになる。しかし、一つのき裂が異種材料にまたがって存在する場合の構造物の破壊強度を評価する方法は確立されていない。原子炉機器の異種材料継手部にき裂が存在する場合の構造健全性評価方法の確立が課題となっている。

なお、類似の例として加圧水型原子炉の原子炉容器出口管台異材溶接部に周方向き裂が存在する場合を想定した破壊評価法が検討されているが、周方向き裂の場合は進展を続けてもき裂は単一の材料内を進展するのみであり、異種材料にまたがることはない。

現在確立されている構造物中のき裂状欠陥に対する健全性評価手法は均質な材料内にき裂が存在する場合のみに適用可能であり、単一のき裂が異種材料にまたがって存在する場合の破壊強度評価方法には適用できない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、異種材料の溶接継手部において、き裂が異種材料にまたがって存在する場合に、破壊強度を的確に評価することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る異材継手部の破壊強度評価方法の一つの態様は、異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、前記き裂を含む断面上の前記異種材料それぞれについての残余面積と流動応力とを掛け合わせた結果を前記断面上のすべての材料について足し合わせることにより求めた荷重を破壊荷重とすることを特徴とする。

また、本発明に係る異材継手部の破壊強度評価方法の他の一つの態様は、異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、前記き裂を含む断面上の前記異種材料の面積比に応じて各材料の応力とひずみの関係を単一の材料の応力とひずみの関係に置き換えたときの材料定数を用いて求めた破壊力学パラメータＪ積分値がき裂先端の材料の弾塑性破壊靭性値Ｊ_Ｉｃに等しくなるときの荷重を破壊荷重とすることを特徴とする。

また、本発明に係る異材継手部の破壊強度評価方法の他の一つの態様は、異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、き裂を含む断面上の前記異種材料の面積比に応じて各材料の応力とひずみの関係を単一の材料の応力とひずみの関係に置き換えたときの材料定数を用いて求めたき裂前縁に沿う破壊力学パラメータＪ積分値の最大値がき裂前縁に沿って存在する材料の弾塑性破壊靭性値Ｊ_Ｉｃのうち最も低い値と等しくなるときの荷重を破壊荷重とすることを特徴とする。

また、本発明に係る異材継手部の破壊強度評価方法の他の一つの態様は、異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、有限要素法解析等数値解析により求めた単位荷重を負荷したときのき裂前線に沿う応力拡大係数Ｋと当該位置における材料の破壊靭性値Ｋ_Ｉｃとの比Ｋ_Ｉｃ／Ｋの最小値を破壊荷重とすることを特徴とする。

また、本発明に係る異材継手部の破壊強度評価方法の他の一つの態様は、異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、有限要素法解析等数値解析により求めた単位荷重を負荷したときのき裂前線に沿う応力拡大係数Ｋとき裂前縁に沿って存在する材料の破壊靭性値Ｋ_Ｉｃの最小値Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}との比Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}／Ｋの最小値を破壊荷重とすることを特徴とする。

本発明によれば、異種材料の溶接継手部において、き裂が異種材料にまたがって存在する場合に、破壊強度を的確に評価することができる。

本発明に係る破壊強度評価方法の実施例を適用した異材継手部の試験体を模式的に示す斜視図。図１のII方向矢視上面図。本発明に係る破壊強度評価方法の実施例を適用した試験体の具体的寸法を示す表。（ａ）から（ｅ）は各々図３に示す各試験体の上面図。本発明に係る破壊強度評価方法の第１の実施例における破壊荷重の試験値と予測値とを比較して示すグラフ。本発明に係る破壊強度評価方法の第２の実施例における破壊荷重の試験値と予測値とを比較して示すグラフ。

以下、本発明に係る異材継手部の破壊強度評価方法の実施例について、図面を参照して説明する。ただし、これらの実施例は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各実施例の説明で、共通の特徴についての重複説明は省略する。

図１は本発明に係る破壊強度評価方法の実施例を適用した異材継手部の試験体を模式的に示す斜視図、図２は図１のII方向矢視上面図である。

ここでは、本発明に係る破壊強度評価方法を、図１および図２に示す異材継手部に適用するものとする。この異材継手部は、平板状の第１の材料１の片面に、第１の材料とは異なる第２の材料２が板状に配置されて接合され、全体の形状が平板３となっているものである。き裂４が、第２の材料２の表面から、第１の材料１と第２の材料２の境界面５を越えて第２の材料２中にまで半楕円形状に延びている。

本発明に係る破壊強度評価方法の第１の実施例では、平板が引張荷重を受けて、塑性崩壊により破壊するとき、その破壊強度Ｐｃを次の式（１）で表す。

Ｐｃ＝σ_{ｆｌｏｗ，１}・Ａ_ｒ１＋σ_{ｆｌｏｗ，２}・Ａ_ｒ２・・・（１）
ただし、
σ_{ｆｌｏｗ，１}：第１の材料の流動応力
σ_{ｆｌｏｗ，２}：第２の材料の流動応力
Ａ_ｒ１：第１の材料の残余部面積
Ａ_ｒ２：第２の材料の残余部面積
ここで残余部面積とはき裂を含む断面上において、き裂部分を除いた面積であり、異種材料の継手の場合はそれぞれの材料について算出する。

発明者らは、実際に破壊強度評価試験を行ない、また、破壊荷重評価の予測を行なった。この試験および評価予測の対象とした具体的ケースで、試験体全体の高さ２Ｈは３００ｍｍ、板幅Ｗは５０ｍｍ、板厚ｔは１０ｍｍとした（図１参照）。第１の材料１の厚さｔ１および第２の材料２の厚さｔ２の寸法は図３に示すものとした。第１および第２の均質材は第１の材料１のみの均質材であり、第１ないし第３の異材継手は図１および図２に示す異材継手の試験体である。き裂の深さａ（ｍｍ）、き裂の長さ２ｃ（ｍｍ）は図３に示すものとした。図４は図３に示す各試験体の上面図であって、（ａ）は第１均質材、（ｂ）は第２均質材、（ｃ）は第１異材継手、（ｄ）は第２異材継手、（ｅ）は第３異材継手をそれぞれ示している。

実際の破壊強度評価試験における試験体では、第１の材料１は圧力容器用鋼材とした。また、第２の材料２はニッケル合金溶接金属であって、第１の材料１の片面に肉盛溶接されたものとした。

図５は、本発明に係る破壊強度評価方法の第１の実施例における破壊荷重の試験値と予測値とを比較して示すグラフである。図５の結果より、第１の実施例における破壊荷重の試験値と予測値とが、精度よく一致していることがわかる。

このように、この異材継手部の破壊強度評価方法を採用することにより、異種材料にまたがるき裂を有する部材の破壊強度を予測することが可能となる。

次に、本発明に係る破壊強度評価方法の第２の実施例について説明する。一般にき裂を有する部材の弾塑性破壊パラメータであるＪ積分値を参照応力法や全面塑性解などにより求める場合には、材料の応力とひずみの関係を次の式（２）で表すことが一般的に行われる。

e／e_０＝σ／σ_０＋a（σ／σ_０）^ｎ・・・（２）
ただし、
e_０＝ｓ_０／Ｅ
ｓ_０：降伏応力あるいは０．２％耐力
Ｅ：縦弾性係数
a，ｎ：フィッティング定数
そこで、異種材料の継手において、第１の材料の応力とひずみの関係を次の式（３）で表わす。

e／e_０１＝σ／σ_０１＋a_１（σ／σ_０１）^ｎ１・・・（３）
ただし、
e_０１＝σ_０１／Ｅ_１
σ_０１：第１の材料の降伏応力あるいは０．２％耐力
Ｅ_１：第１の材料の縦弾性係数
a_１，ｎ１：第１の材料についてのフィッティング定数
さらに、第２の材料の応力とひずみの関係を次の式（４）で表わす。

e／e_０２＝σ／σ_０２＋a_２（σ／σ_０２）^ｎ２・・・（４）
ただし、
e_０２＝σ_０２／Ｅ_２
σ_０２：第２の材料の降伏応力あるいは０．２％耐力
Ｅ_２：第２の材料の縦弾性係数
a_２，ｎ２：第２の材料についてのフィッティング定数
このとき、全体の挙動を評価するに当たり、次の式（５）ないし式（９）を満たす材料としてＪ積分評価式に用いる材料定数を定める。

σ_０ｅｑ＝（σ_０１・Ａ_１＋σ_０２・Ａ_２）／Ａ・・・（５）
Ｅ_ｅｑ＝（Ｅ_１・Ａ_１＋Ｅ_２・Ａ_２）／Ａ・・・（６）
a_ｅｑ＝（a_１・Ａ_１＋a_２・Ａ_２）／Ａ・・・（７）
ｎ_ｅｑ＝（ｎ１・Ａ_１＋ｎ２・Ａ_２）／Ａ・・・（８）
Ａ＝Ａ_１＋Ａ_２・・・（９）
ただし、
Ａ_１：き裂を含む断面上の第１の材料の面積
Ａ_２：き裂を含む断面上の第２の材料の面積
そして、得られるき裂のＪ積分値がき裂先端の材料の弾塑性破壊靭性値Ｊ_Ｉｃと等しくなるときの荷重を破壊荷重とする。

図６は、第１の実施例で示したのと同じ試験結果について、第２の実施例の破壊強度評価方法を用いて得た破壊荷重の予測値と試験値とを比較して示すグラフである。このグラフにより、第２の実施例の方法によって破壊荷重を精度良く推定できることがわかる。

次に、本発明に係る破壊強度評価方法の第３の実施例を説明する。まず、第２の実施例と同様に式（５）ないし式（９）によって複数の異種材料と等価な単一の材料定数を定め、その材料定数を用いて、き裂前縁に沿うＪ積分値の分布を求め、それらの最大値をＪ_ｍａｘとする。き裂前縁に沿って存在する材料の弾塑性破壊靭性値Ｊ_Ｉｃのうち、最も低い値をＪ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}とするとき、Ｊ_ｍａｘがＪ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}に等しくなる荷重を破壊荷重とする。この場合、Ｊ_ｍａｘとなるき裂前縁の位置の材料が必ずしもＪ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}となる材料ではない場合もあり得るが、き裂進展の駆動力の最大値Ｊ_ｍａｘが破壊抵抗の最小値Ｊ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}と等しくなる時点で破壊が生じるとすることで、保守的な評価が可能である。

次に、本発明に係る破壊強度評価方法の第４の実施例を説明する。異材継手部において各材料の材料定数を当該部分に割り当て、単位荷重を負荷したときのき裂前縁に沿う応力拡大係数Ｋ値の分布を有限要素法解析により求める。次に、き裂前縁の各位置において当該材料の破壊靭性値Ｋ_Ｉｃと、単位荷重を負荷したときのＫ値との比Ｋ_Ｉｃ／Ｋを求め、それらのＫ_Ｉｃ／Ｋのうち最小値を破壊荷重とする。これにより、保守的な評価が可能である。

次に、本発明に係る破壊強度評価方法の第５の実施例を説明する。異材継手部において各材料の材料定数を当該部分に割り当て、単位荷重を負荷したときのき裂前縁に沿う応力拡大係数Ｋ値の分布を有限要素法解析により求める。次に、き裂前縁に沿って存在する材料の破壊靭性値Ｋ_ＩＣのうち、最も低い値をＫ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}とするとき、き裂前縁の各位置において破壊靭性の最小値Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}と、単位荷重を負荷したときのＫ値との比Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}／Ｋを求め、それらのＫ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}／Ｋのうち最小値を破壊荷重とする。この場合、Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}／Ｋが最小となるき裂前縁の位置の材料が必ずしもＫ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}となる材料ではない場合もあり得るが、き裂進展の駆動力の最大値が破壊抵抗の最小値Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}と等しくなる時点で破壊が生じるとすることで、保守的な評価が可能である。

以上の異材継手部の破壊強度評価方法を採用することにより、異種材料にまたがるき裂を有する部材の破壊強度を予測することが可能となる。

１… 第１の材料
２… 第２の材料
３… 平板
４… き裂
５… 境界面

Claims

異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、
前記き裂を含む断面上の前記異種材料それぞれについての残余面積と流動応力とを掛け合わせた結果を前記断面上のすべての材料について足し合わせることにより求めた荷重を破壊荷重とすることを特徴とする異材継手部の破壊強度評価方法。
異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、
前記き裂を含む断面上の前記異種材料の面積比に応じて各材料の応力とひずみの関係を単一の材料の応力とひずみの関係に置き換えたときの材料定数を用いて求めた破壊力学パラメータＪ積分値がき裂先端の材料の弾塑性破壊靭性値Ｊ_Ｉｃに等しくなるときの荷重を破壊荷重とすることを特徴とする異材継手部の破壊強度評価方法。
異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、
き裂を含む断面上の前記異種材料の面積比に応じて各材料の応力とひずみの関係を単一の材料の応力とひずみの関係に置き換えたときの材料定数を用いて求めたき裂前縁に沿う破壊力学パラメータＪ積分値の最大値がき裂前縁に沿って存在する材料の弾塑性破壊靭性値Ｊ_Ｉｃのうち最も低い値と等しくなるときの荷重を破壊荷重とすることを特徴とする異材継手部の破壊強度評価方法。
異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、
有限要素法解析等数値解析により求めた単位荷重を負荷したときのき裂前線に沿う応力拡大係数Ｋと当該位置における材料の破壊靭性値Ｋ_Ｉｃとの比Ｋ_Ｉｃ／Ｋの最小値を破壊荷重とすることを特徴とする異材継手部の破壊強度評価方法。
異種材料が溶接された異材継手部でその異種材料にまたがってき裂が存在する場合の異材継手部の破壊強度評価方法において、
有限要素法解析等数値解析により求めた単位荷重を負荷したときのき裂前線に沿う応力拡大係数Ｋとき裂前縁に沿って存在する材料の破壊靭性値Ｋ_Ｉｃの最小値Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}との比Ｋ_{Ｉｃ，ｍｉｎ}／Ｋの最小値を破壊荷重とすることを特徴とする異材継手部の破壊強度評価方法。