JP2011174808A - 薄肉管材の破壊靭性試験方法及び試験片用保持部材 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉管材から採取した試験片に対し、保持部材を固定することにより、容易に３点曲げ試験を行うことができる薄肉管材の破壊靭性試験方法を提供する。
【解決手段】所定長さの薄肉管材を管軸方向に分割し、分割した試験片１ａのほぼ中央に機械ノッチ４を形成する第１の工程と、所定の間隙で対向配置した一対の長尺部材からなる保持部材５の各長尺部材に設けた溝６に、前記機械ノッチ４が前記間隙に位置するように前記試験片１ａを固定する第２の工程と、前記保持部材５に３点曲げ荷重を加え前記試験片に疲労予き裂を形成する第３の工程と、前記保持部材５を用いて３点曲げ試験を行う第４の工程と、荷重とき裂開口変位の関係から破壊靭性値を算出する第５の工程とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば原子炉プラントの高温機器を構成する薄肉管材の破壊靱性値を求めるのに適した破壊靭性試験方法及び試験片用保持部材に関する。

破壊靭性試験は、試験片に荷重を加え、き裂の進展を観測し破壊靱性値を求める材料試験である。

図９は、従来の破壊靭性試験用の３点曲げ試験装置の概要図であり、図１０は、従来の破壊靭性試験用の試験片の形状と支持状態を示す図である。このような破壊靭性試験用の３点曲げ試験装置は、特許文献１にも記載されている。

材料の破壊靱性値は、図９，１０に示されるような３点曲げタイプの試験片１０２を用いて破壊試験を行うことで得られる結果に基づいて算出している。試験片１０２は、板厚Ｂ、板幅Ｗで、曲げ試験の際のスパン距離Ｓは４Ｗであり、中央下部に機械ノッチ１０３を機械加工により形成し、その上部に疲労予き裂１０４を形成する。試験片１０２に対して、３点曲げ試験機１０１を用いて中央から荷重Ｐを加えて３点曲げを施し、このときクリップゲージ１０５で反対側の疲労予き裂部で生じるき裂開口変位Ｖｇを検出し、検出結果をアンプ１０６からＸ−Ｙレコーダ１０７に出力する。そのとき得られる荷重Ｐと、き裂開口変位Ｖｇの関係線図から、破壊靱性値は、破壊靭性試験基準ASTM E1820-08に基づいて算出される。以下、同基準に記載されている破壊靭性試験について説明する。

図１１は、破壊靭性試験の除荷コンプライアンス法を説明する図である。破壊靭性試験（Ｊ_IC試験）は、除荷コンプライアンス法より求める。コンプライアンスＣとは、荷重の変化量ΔＰ、き裂開口変位（クリップゲージ開口変位）の変化量ΔＶｇとして、ΔＶｇ／ΔＰである。

図１１において、き裂開口変位Ｖｇの複数点において例えば１０パーセント除荷することにより、その結果を（ａ）に示し、除荷部分を増幅して表した結果を（ｂ）に示す。１本の試験片について所定の変位ごとに荷重を除去し、その際のコンプライアンスＣを求める。この操作を何回か繰り返すことで１本の試験片から一連のコンプライアンスＣが得られる。各コンプライアンスＣの値から所定の計算によってき裂進展量△ａを求める。

次に、破壊靭性値Ｊを求める手順について説明する。
図１２は、荷重とき裂開口変位曲線下の部位の面積Ａを示す図であり、図１３は、破壊靭性値Ｊ_Ｑの算出要領を示す図である。

ここで、Ｊ値は、図１２に示す荷重とき裂開口変位曲線下の部位の面積Ａにより、試験片の寸法に基づき以下の式で積分値として求められる。
Ｊ＝２・Ａ／（Ｂ・ｂ）
ただし、ａ：き裂長さ、ａ_０：初期き裂長さ（機械ノッチと疲労予き裂の長さの和）、ａ＝ａ_０＋△ａ、ｂ＝Ｗ−ａ

図１３に示すように各点におけるＪ値との関係よりべき乗則回帰線として安定破壊抵抗曲線（Ｒ曲線）が得られ、材料のき裂先端鈍化直線との交点としてＪ_Ｑ値を求める。

原子力プラントでは、高温高圧水中で中性子照射を受ける環境で長期使用により、炉内構造物は各種の経年変化や割れを生じることがある。そのため、その余寿命診断を行う機会が増大している。その際、機器を構成する実部材の破壊靭性値を如何に求めるかが重要になる。

最近、薄肉管材をそのままの形状で破壊靭性値を得る方法が試みられている。薄肉管材を試験片として、疲労予き裂を形成して保持部材に固定し、破壊試験を行うことで得られる結果に基づき破壊靭性値を算出している。

図１４は、上記従来の薄肉管材の破壊靭性値を得る方法を実施する設備を示す図であり、（ａ）は組立てた状態を示し、（ｂ）は分解した状態を示している。
原子炉圧力容器のシンブル管のような薄肉管材を試験片Ｓｐとして、ピン負荷引張（PLT）試験を行う。小片Ｔは試験片に挿入された円柱部分を強化して設備の負荷支持容量を増すための部材である。

特開平５−３２２７２３号公報

しかし、薄肉管材をそのままの形状で用いる上記従来の方法では、薄肉管材が曲面を有すること及び肉厚が薄いことから、薄肉管材自体を用いて破壊靭性を求めることは困難である。また、その方法では、ダブルウォールで疲労予き裂を形成する必要があり同一長さにすることが難しいこと、及び負荷部の剛性を考慮しなければならないという課題がある。

本発明の目的は、薄肉管材から採取した試験片に対し、保持部材を固定することにより、容易に３点曲げ試験を行うことができる薄肉管材の破壊靭性試験方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の薄肉管材の破壊靭性試験方法は、所定長さの薄肉管材を管軸方向に分割し、分割した試験片のほぼ中央に機械ノッチを形成する第１の工程と、所定の間隙で対向配置した一対の長尺部材からなる保持部材の各長尺部材に設けた溝に、前記機械ノッチが前記間隙に位置するように前記試験片を固定する第２の工程と、前記保持部材に３点曲げ荷重を加え前記試験片に疲労予き裂を形成する第３の工程と、前記保持部材を用いて３点曲げ試験を行う第４の工程と、荷重とき裂開口変位の関係から破壊靭性値を算出する第５の工程とを有することを特徴とする。

また、本発明の試験片用保持部材は、所定長さの薄肉管材を管軸方向に分割した試験片の破壊靱性試験に用いる試験片用保持部材であって、前記保持部材は溝が設けられた一対の長尺部材からなり、前記溝の一方の側面は前記試験片の曲面に合わせた曲面であり、前記試験片を前記溝の曲面に固定する押圧部材を有することを特徴とする。

本発明の薄肉管材の破壊靭性試験方法により、薄肉管材から採取した小部材の試験片に対し、保持部材を固定することにより容易に３点曲げ試験を行うことができ、従来の方法では困難であった、実機で使われる薄肉管材の破壊靱性値の評価が可能になった。
また、本発明の試験片用保持部材は、上記本発明の薄肉管材の破壊靭性試験方法に適している。

本発明の薄肉管材の破壊靭性試験方法を適用し得る実機例及び試験片の作製方法を示す図。 試験片の形状を示す図。 試験片を保持部材に収納する様子を示す図。 一方の長尺部材の斜視図。 試験片を保持部材に固定した状態を示す正面図。 図５のＡ−Ａ断面図。 破壊靱性結果を示す図。 Ｊ−△ａ曲線を示す図。 従来の破壊靭性試験用の３点曲げ試験装置の概要図。 従来の破壊靭性試験用の試験片の形状と支持状態を示す図。 破壊靭性試験の除荷コンプライアンス法を説明する図。 荷重と、き裂開口変位曲線下の部位の面積Ａを示す図。 破壊靭性値Ｊの算出要領を示す図。 従来の薄肉管材の破壊靭性値を得る方法を実施する設備を示す図。

本発明の実施形態を、図１〜８を参照して説明する。
図１は、本発明の破壊靭性試験方法を適用し得る実機例及び試験片の作製方法を示す図である。

試験対象の実機１は、例えば、図１において、ＰＷＲの原子炉圧力容器２において検出器駆動装置３が接続されるシンブル管のような薄肉管である。以下、実施形態の破壊靭性試験方法の各工程を説明する。

（１）図１において、原子炉圧力容器２の炉心に設置されるシンブル管を切断し所定長さの短い円筒体とし、その円筒体を管軸方向に例えば４分割のように複数に分割し、短冊状の小さな試験片１ａを作製する。図２は、試験片の形状を示す図である。試験片１ａは、円筒の内径面と外径面の一部に相当する曲面を有し、ほぼ中央に機械ノッチ４を機械加工により形成する。同一材料から４回の繰り返し試験が可能である。

一方、試験片１ａに対し、図３−６に示すように、一対の長尺部材５ａ，５ｂからなる保持部材５を治具として用意する。

図３は、試験片を保持部材に収納する様子を示す図であり、図４は、一方の長尺部材の斜視図であり、図５は、試験片を保持部材に固定した状態を示す正面図であり、図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。

長尺部材５ａ，５ｂの各々には、溝６が設けられ、溝６の一方の側面は、試験片１ａの内径面に合わせた曲面７を持っており、下部にき裂開口変位を測定するための部材、例えばナイフエッジ８が取り付けられている。
小さな試験片１ａは、実機の強度を模擬するため、材質を冷間加工したSUS304鋼とし、保持部材５は、新材のSUS304鋼とした。

（２）所定の間隙で対向配置した保持部材５の溝６に機械ノッチが間隙に位置するように試験片１ａを収納する。溝６の曲面７に試験片１ａの内径側を押し付けるように、試験片１ａの外径側をネジ９のような押圧部材により固定する。保持部材５は、試験片１ａに対し取り外し可能である。

（３）試験片１ａの疲労予き裂は、破壊靱性試験基準ASTM E1820-08に基づき３点曲げにより形成する。
試験片１ａの寸法の例は、図２において
全長ｌ＝２０ｍｍ
厚さｔ＝１.２ｍｍ
幅ｗ＝５．４ｍｍ
外側半径Ｒ_１＝３.８ｍｍ
内側半径Ｒ_２＝２.６ｍｍ
見込み角θ＝９０°
機械ノッチ長さｎ＝２.０ｍｍ
疲労予き裂形成後は、
初期き裂長さ（機械ノッチと疲労予き裂の長さの和）ａ_０＝３.８ｍｍ
保持部材５の寸法の例は、図３において
一方の長尺部材の長さＬ_１＝２７ｍｍ
所定の間隙で対向配置した保持部材の長さＬ_２＝５５ｍｍ
幅Ｗ ＝７ｍｍ
厚さＢ ＝１２ｍｍ
ナイフエッジ初期間隔Ｄ＝３ｍｍ
曲げ試験の際のスパン距離Ｓ＝３２ｍｍ

（４）以上のようにして得られた試験片１ａに対し保持部材５を用いて、３点曲げ試験を行った。３点曲げ試験におけるき裂開口変位は、ナイフエッジ８により測定する。

（５）以下、破壊靭性試験結果を示す。荷重−き裂開口変位曲線より本試験片において、延性き裂の進展を示した。また、試験後の破面観察より機械加工による機械ノッチ４、疲労予き裂、破壊靭性試験時の延性き裂の長さを実測した。

（６）図７は、破壊靱性結果を示す図である。
図７の荷重−き裂開口変位曲線のコンプライアンスより計算し、破面より補正したき裂進展量を求める。図８に、そのき裂進展量とＪ値の関係をプロッ卜したＪ−△ａ曲線を示す。延性き裂の進展に従って、傾きが小さくなる典型的なＪ−△ａ曲線が得られた。縦軸Ｊをｙ、横軸△ａをｘとして、ｙ＝９３．９９ｘ^{０．４７７９}と表される。

（７）鈍化直線に平行な０.２ｍｍオフセットラインとＲ曲線の交点からＪ_Ｑ値＝４４.７（ｋＪ／ｍ^２）を得た。鈍化直線の傾きはオーステナイト鋼で一般的に用いられている４σ_ｆを採用した。

このように、本実施形態では、実機１より採取した薄肉管材を分割した小部材である試験片１ａに保持部材５を取り外し可能に固定し、疲労予き裂を形成している。保持部材５には、試験片１ａの内径面に合わせた曲面７を持った溝６を設け、この溝６に試験片１ａを挿入してすべりを防いで拘束している。これにより、試験片１ａは、き裂部が荷重線に対して垂直になるように設置することが可能となり、３点曲げ試験を容易に行うことができる。得られた荷重とき裂開口変位とから破壊靭性値を算出している。

なお、実機１として原子炉圧力容器２におけるシンブル管のような薄肉管を例にしたが、他の構造物における薄肉管を対象にしてもよい。

１…実機、１ａ…試験片、２…原子炉圧力容器、３…検出器駆動装置、４…機械ノッチ、５…保持部材、５ａ，５ｂ…一対の長尺部材、６…溝、７…曲面、８…ナイフエッジ、９…ネジ。

Claims (4)

1. 所定長さの薄肉管材を管軸方向に分割し、分割した試験片のほぼ中央に機械ノッチを形成する第１の工程と、所定の間隙で対向配置した一対の長尺部材からなる保持部材の各長尺部材に設けた溝に、前記機械ノッチが前記間隙に位置するように前記試験片を固定する第２の工程と、前記保持部材に３点曲げ荷重を加え前記試験片に疲労予き裂を形成する第３の工程と、前記保持部材を用いて３点曲げ試験を行う第４の工程と、荷重とき裂開口変位の関係から破壊靭性値を算出する第５の工程とを有することを特徴とする薄肉管材の破壊靱性試験方法。
2. 前記各長尺部材に設けた溝の一方の側面は、前記試験片の曲面に合わせた曲面であり、前記試験片を押圧部材により前記溝の曲面に固定することを特徴とする請求項１に記載の薄肉管材の破壊靱性試験方法。
3. き裂開口変位は、前記保持部材の下部に取り付けた変位測定部材により測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄肉管材の破壊靱性試験方法。
4. 所定長さの薄肉管材を管軸方向に分割した試験片の破壊靱性試験に用いる試験片用保持部材であって、
   前記保持部材は溝が設けられた一対の長尺部材からなり、前記溝の一方の側面は前記試験片の曲面に合わせた曲面であり、前記試験片を前記溝の曲面に固定する押圧部材を有することを特徴とする試験片用保持部材。

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