JP2012088093A - Crack opening measuring instrument under high pressure gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧ガス中での亀裂進展試験、破壊靱性試験等の亀裂開口測定器具に関するものである。特にASTM E647−91に準拠したコンパクトテンション試験片の亀裂開口部幅を測定する器具に関するものである。 The present invention relates to a crack opening measuring instrument such as a crack growth test and a fracture toughness test in high-pressure gas. In particular, the present invention relates to an instrument for measuring the crack opening width of a compact tension test piece according to ASTM E647-91.
機械や構造物は、いろいろな環境下で、繰り返し応力を受け、生じた亀裂が進展して最終的に破壊に至る疲労破壊が生ずる場合がある。とりわけ高圧水素ガス環境下では、微小の水素原子が生じた亀裂に侵入して、亀裂の進展挙動が異なることが想定され、水素ガス環境下で用いられる材料の開発には、亀裂の進展挙動の測定が極めて重要である。 Machines and structures may be subjected to repeated stress under various environments, and fatigue failure may occur, in which the cracks that are generated progress and eventually break down. In particular, in the high-pressure hydrogen gas environment, it is assumed that micro hydrogen atoms penetrate into the crack and the crack growth behavior is different. Measurement is extremely important.
従来、亀裂開口部の変位の計測には、クリップゲージ方式による計測と差動トランス方式による計測が用いられている。クリップゲージ方式は、試験片の開口部にクリップゲージの検出アーム先端部を当接し、クリップゲージの検出アームに歪みゲージを貼り付けて、試験片の開口部の変位を歪みゲージの電気信号で検出するものである。しかしながら高圧水素ガス環境下では、クリップゲージの検出アームに貼り付けた歪みゲージ接着面に水素ガスが入り込み、歪みゲージが極めて短時間で検出アームから剥がれるため使用が不可能と言う問題があった。 Conventionally, measurement by a clip gauge method and measurement by a differential transformer method are used to measure the displacement of a crack opening. In the clip gauge method, the tip of the clip gauge detection arm is brought into contact with the opening of the test piece, a strain gauge is attached to the detection arm of the clip gauge, and the displacement of the opening of the test piece is detected by the electrical signal of the strain gauge. To do. However, in a high-pressure hydrogen gas environment, there is a problem that hydrogen gas enters the adhesion surface of the strain gauge attached to the detection arm of the clip gauge, and the strain gauge peels off from the detection arm in a very short time, so that it cannot be used.
一方、差動トランス方式は、試験片の開口部の変位を検出レバーの端部で検出し、検出レバーの端部の反対側で変位を検出コイルで検出できるように検出棒が垂直に検出レバーに繋がれている。差動トランス方式では検出コイルが、高圧水素ガス環境の外部にあるため、腐食等の問題は生じないが、試験片の開口部から検出レバーが外れやすい問題と亀裂が進展して試験片の開口部が大きくなると検出棒が垂直位置からずれ、斜めに傾動して正確な値が検出できなくなると言う問題があった。 On the other hand, the differential transformer method detects the displacement of the opening of the test piece at the end of the detection lever, and the detection rod is perpendicular to the detection lever so that the displacement can be detected by the detection coil on the opposite side of the end of the detection lever. It is connected to. In the differential transformer method, since the detection coil is outside the high-pressure hydrogen gas environment, problems such as corrosion do not occur, but the problem is that the detection lever can easily come off from the opening of the test piece, and cracks develop and the test piece opens. When the portion becomes larger, there is a problem that the detection rod is displaced from the vertical position and tilted obliquely, so that an accurate value cannot be detected.
本発明は、差動トランス方式の変位測定器具において試験片の開口部から検出レバーが外れやすい問題と亀裂が進展して試験片の開口部が大きくなると検出棒が垂直位置から大きくずれたり、また斜めに傾動したりして開口部の変位の正確な値を検出できなくなる問題を解決するためになされたものであり、精度良くコンパクトテンション試験片の開口部幅を計測できる亀裂開口変位測定器具を提供することを課題とする。 The present invention relates to a problem that the detection lever is likely to come off from the opening of the test piece in a differential transformer type displacement measuring instrument, and when the crack is developed and the opening of the test piece becomes large, the detection rod is greatly displaced from the vertical position. A crack opening displacement measuring instrument that can measure the opening width of a compact tension test piece with high accuracy is designed to solve the problem of tilting obliquely and making it impossible to detect the exact value of the displacement of the opening. The issue is to provide.
上記課題を解決するため、本発明は、高圧ガス中の疲労試験に用いるコンパクトテンション試験片の開口部幅を計測する亀裂開口変位測定器具において、前記コンパクトテンション試験片にネジ止めされる先端部と、前記先端部と一端で係合するアーム部と、前記アーム部の他端と一端を回転機構により接続する継手部と、前記継手部の他端に係合される検出棒と、前記検出棒の先端部の変位を検出する検出部とを備えたことを特徴とする前記コンパクトテンション試験片の開口部幅を計測する亀裂開口変位測定器具を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a crack opening displacement measuring instrument for measuring an opening width of a compact tension test piece used for a fatigue test in high-pressure gas, and a tip portion screwed to the compact tension test piece; An arm portion that engages at one end with the tip portion, a joint portion that connects the other end and one end of the arm portion with a rotation mechanism, a detection rod that is engaged with the other end of the joint portion, and the detection rod A crack opening displacement measuring instrument for measuring an opening width of the compact tension test piece is provided.
本発明によれば、亀裂開口変位測定器具を構成する先端部が、コンパクトテンション試験片にネジ止めされているので試験中に外れにくく、またアーム部が回転機構により継手部の一端と接続されているため、コンパクトテンション試験片の開口部が大きくなっても、継手部は傾かず、継手部のずれが小さくなる。そのため継手部の他端に係合される検出棒も垂直位置からのずれが小さくなり、また検出棒が斜めに傾動して検出部で正確な値が検出できなくなることが少なくなる。 According to the present invention, the tip portion constituting the crack opening displacement measuring instrument is screwed to the compact tension test piece so that it does not easily come off during the test, and the arm portion is connected to one end of the joint portion by the rotation mechanism. Therefore, even if the opening portion of the compact tension test piece becomes large, the joint portion does not tilt and the displacement of the joint portion becomes small. For this reason, the detection rod engaged with the other end of the joint portion is also less displaced from the vertical position, and the detection rod is tilted obliquely so that it is less likely that an accurate value cannot be detected by the detection portion.
本発明は、さらに前記コンパクトテンション試験片にネジ止めされる先端部の断面形状が前記コンパクトテンション試験片に形成された溝断面の底面に当接可能な形状であり、かつ前記コンパクトテンション試験片に形成されたネジ止めのネジ溝が、前記溝断面の底面より深く形成されていることを特徴とする亀裂開口変位測定器具である。 According to the present invention, the cross-sectional shape of the tip portion screwed to the compact tension test piece is a shape capable of coming into contact with the bottom surface of the groove cross section formed in the compact tension test piece, and the compact tension test piece includes The crack opening displacement measuring instrument is characterized in that the formed screw groove for screwing is formed deeper than the bottom surface of the cross section of the groove.
斯かる特徴によれば、亀裂開口変位測定器具を構成するコンパクトテンション試験片にネジ止めされる先端部が、コンパクトテンション試験片の溝断面の側面だけでなく底面でも当接可能な形状になっており、かつコンパクトテンション試験片に形成されたネジ止めのネジ溝が、溝断面の底面より深く形成されているため先端部とコンパクトテンション試験片が、がたつきなく結合され試験中にネジが緩んだりする現象が少なくなる。 According to such a feature, the tip portion screwed to the compact tension test piece constituting the crack opening displacement measuring instrument has a shape capable of contacting not only the side surface of the groove section of the compact tension test piece but also the bottom surface. In addition, the screw groove formed on the compact tension test piece is deeper than the bottom of the groove cross section, so that the tip and the compact tension test piece are joined together without looseness, and the screw loosens during the test. The phenomenon of dripping is reduced.
本発明は、さらに前記コンパクトテンション試験片に形成された溝断面の底面形状が、水平方向から見て上下に略45度の角度で形成されており、溝中心部で略90度の角度を形成していることを特徴とする亀裂開口変位測定器具である。 In the present invention, the bottom shape of the cross section of the groove formed in the compact tension test piece is formed at an angle of approximately 45 degrees up and down when viewed from the horizontal direction, and an angle of approximately 90 degrees is formed at the center of the groove. It is the crack opening displacement measuring instrument characterized by having carried out.
斯かる特徴によれば、溝断面の底面形状が上下に対象であり、水平方向から見て上下に略45度の角度で形成されて、溝中心部で略90度の角度を形成しているため溝加工が容易である。 According to such a feature, the bottom shape of the cross section of the groove is an object up and down, and is formed at an angle of approximately 45 degrees up and down when viewed from the horizontal direction, and an angle of approximately 90 degrees is formed at the center of the groove. Therefore, groove processing is easy.
本発明は、さらに前記回転機構が、軸受機構からなることを特徴とする亀裂開口変位測定器具である。 The present invention is the crack opening displacement measuring instrument, wherein the rotation mechanism further comprises a bearing mechanism.
斯かる特徴によれば、回転機構が軸受機構からなっているため、アーム部からの応力が軸受で分散するため回転機構が変形したりすることがなく、耐久性が向上する。また精度的にもアーム部と継手部との間のがたつきがなくなり、測定精度が向上する。 According to such a feature, since the rotation mechanism is a bearing mechanism, the stress from the arm portion is dispersed by the bearing, so that the rotation mechanism is not deformed and durability is improved. In addition, the backlash between the arm portion and the joint portion is eliminated in terms of accuracy, and the measurement accuracy is improved.
本発明の亀裂開口変位測定器具は、先端部が、コンパクトテンション試験片にネジ止めされているので、試験中に外れにくく、またアーム部が回転機構により継手部の一端と接続されているため、コンパクトテンション試験片の開口部が大きくなっても、継手部のずれが小さくなる。そのため継手部の他端に係合される検出棒も垂直位置からのずれが小さくなり、また検出棒が斜めに傾動して検出部で試験片開口部変位の正確な値が検出できなくなることが少なくなる。 Since the crack opening displacement measuring instrument of the present invention is screwed to the compact tension test piece, the tip is not easily detached during the test, and the arm is connected to one end of the joint by a rotating mechanism. Even if the opening of the compact tension test piece is large, the displacement of the joint portion is small. For this reason, the detection rod engaged with the other end of the joint portion also has a small deviation from the vertical position, and the detection rod tilts obliquely, and the detection portion cannot detect the accurate value of the displacement of the test piece opening. Less.
以下、本発明の実施の形態を図1〜図6に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本発明の亀裂開口変位測定器具2とそれを収納する高圧ガス雰囲気疲労試験機1の例を示す図面である。
FIG. 1 is a view showing an example of a crack opening
高圧ガス雰囲気疲労試験機1は、圧力容器10と圧力容器蓋11で密閉された空間に高圧ガスをガス供給管19から充填して、コンパクトテンション試験片3等の疲労試験を行うものである。高圧ガスとして水素ガスその他の腐食性ガスを導入する。水素ガスが金属材料等を劣化させることから、広義の意味で腐食性ガスに水素を含むものとする。なお、高圧とは通常0.1MPa以上の圧力を言う。
The high-pressure gas
なお、図示していないが、圧力容器10と圧力容器蓋11とはボルトで締結され、高圧ガスが漏れないように、圧力容器10と圧力容器蓋11との間、圧力容器蓋11とプルロッド16との間には、それぞれOリング17、18が取り付けられ、シール性を確保している。
Although not shown, the
圧力容器10と圧力容器蓋11で密閉された空間には、コンパクトテンション試験片3の一端を支持する支持部材12と、他端を支持し、コンパクトテンション試験片3に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッド16と、プルロッド16の移動を制御するアクチュエータ(図示省略)が備えられている。なお、引張又は圧縮の応力は、サイン波、三角波等で周期は0.001Hzから10Hz程度でコンパクトテンション試験片3に付与される。
In the space sealed by the
支持部材12には荷重を測定するロードセル13とコンパクトテンション試験片3の上部の穴とピンで締結する上部チャック14が備え付けられている。プルロッド16には、コンパクトテンション試験片3の下部の穴とピンで締結する下部チャック15が備え付けられている。
The
コンパクトテンション試験片3には、亀裂開口変位測定器具2が取り付けられており、試験中のコンパクトテンション試験片3の亀裂開口の変位を測定できるようになっている。亀裂開口変位測定器具2は、コンパクトテンション試験片3に、先端部20(図3参照)とアーム部22がネジ21によりネジ止めされている。アーム部22の他端は、継手部23の一端に接合され、継手部23の他端は検出棒24を係合している。検出部25は検出棒24の先端部分の変位を検出する差動トランスから構成されている。両アーム部22からの変位をそれぞれの検出部25で検出して、その差異からコンパクトテンション試験片3の亀裂開口の変位を求めることができる。
A crack opening
図2(a)には、本発明のコンパクトテンション試験片3の側面図、図2(b)には本発明のコンパクトテンション試験片3の正面図を示す。本発明のコンパクトテンション試験片3はASTM E647−91に準拠しており、試験片中央部に亀裂開口部30が形成され、その上下に亀裂開口変位測定器具2の先端部20がそれぞれ挿入される溝31、32が形成されている。溝31、32には、先端部20とアーム部22をネジ21によりコンパクトテンション試験片3にネジ止めするためのネジ穴36がそれぞれ2個づつ形成されている。
2A shows a side view of the compact
図2(c)には、図2(a)のA部拡大図を示すが、溝断面の底面が、水平方向から見て上下に略45度の角度で形成されており、溝中心部で略90度の角度で形成されている点と、ネジ止めのネジ溝35が溝断面の底面より深く形成されている点に特徴がある。
FIG. 2 (c) shows an enlarged view of part A of FIG. 2 (a). The bottom surface of the groove cross section is formed at an angle of approximately 45 degrees up and down when viewed from the horizontal direction. It is characterized in that it is formed at an angle of approximately 90 degrees and that the
このように溝31、32の底面が、所定の角度を持って形成されるのは、亀裂開口変位測定器具2の先端部20も同様の角度で形成されており、先端部20が溝31、32の底面と当接することにより、先端部20の拘束が増えて、がたつきなく結合され、試験中にネジが緩んで、外れたりする現象が少なくなるためである。なお、所定の角度としては、水平方向から見て上下対象の角度が溝断面の底面を形成しやすいため、水平方向から見て上下に略30度〜略75度の角度で、溝中心部で略60度〜略150度の角度で形成されるのが望ましく、水平方向から見て上下に略45度の角度で形成されており、溝中心部で略90度の角度で形成されるのが好ましい。
As described above, the bottom surfaces of the
図3(a)、(b)、(c)には、それぞれ本発明の亀裂開口変位測定器具2の先端部20の平面図、正面図、側面図を示す。本実施例では、先端部20は、本体部210、本体部210と一体の挿入部220、ネジ21の貫通穴230から構成されている。挿入部220の形状はコンパクトテンション試験片3の溝31、32に嵌り込むように形成され、くさび状に絞られる先端部分の角度は水平方向から見て上下に略45度の角度で形成されており、中心部で略90度の角度に交差するように形成されている。なお、溝31、32の底面の中心部で当接しないよう、先端部分は、削除されている。
3A, 3B, and 3C are respectively a plan view, a front view, and a side view of the
図4(a)、(b)には、先端部20、アーム部22、ネジ21とコンパクトテンション試験片3との関係を示すため、それぞれ先端部20の挿入部220の位置での垂直方向の断面図とネジ21の貫通穴230の位置での垂直方向の断面図を示す。先端部20は、コンパクトテンション試験片3の溝32に挿入されるが、挿入部220の長さが、溝32の深さより大きいため、先端部20の本体部210は、コンパクトテンション試験片3と接触しないで浮いた状態となる。先端部20とアーム部22を重ねて、ネジ21でコンパクトテンション試験片3のネジ溝35とネジ止めすると、先端部20の挿入部220は、コンパクトテンション試験片3に形成された溝32の底面に当接し、この部分に単位面積当たり高い応力が発生して、がたつきが少なくなり、ネジ21が緩みにくくなる。なお、アーム部22と接するネジ21の頭部の面にローレット加工のような表面を凹凸にする加工を施すと更にがたつきが少なくなる。また図4(a)、(b)から明らかなようにコンパクトテンション試験片3に形成されたネジ止めのネジ溝35は、溝32の断面の底面より深く形成されている。
4 (a) and 4 (b), in order to show the relationship between the
図5(a)は、本発明の亀裂開口変位測定器具2の上部の平面図、図5(b)は、本発明の亀裂開口変位測定器具2の上部の正面図、図5(c)は、本発明の亀裂開口変位測定器具2の上部の側面図である。
5 (a) is a plan view of the upper part of the crack opening
アーム部22の一端には、先端部20の貫通穴230と重なるネジ穴2220が設けられている。コンパクトテンション試験片3のネジ溝35にネジ21を用いて先端部20とアーム部22をネジ止めする。本実施例では、先端部20とアーム部22が分離しているが、先端部20とアーム部22を一体で構成しても良い。その場合は、先端部が形成されたアーム部をネジ21を用いてコンパクトテンション試験片3にネジ止めする。このように一体で構成すると先端部20とアーム部22のがたつきやずれが解消して、更に測定精度が向上する。
One end of the
アーム部22の他端部は、継手部23の上部とピン2210により回転可能なように接続されている。更に本実施例では、継手部23の上部に設けられた、例えばボールベアリングを用いた軸受機構2310の回転機構により構成されている。これにより、ピン2210と軸受機構2310のがたつきがなくなり、測定精度と耐久性が向上する。
The other end of the
このように先端部20が係合するアーム部22が回転機構により継手部23の一端と接続されているため、コンパクトテンション試験片3の亀裂開口部30が大きくなっても、継手部23のずれが小さくなる。つまり先端部20が係合するアーム部22を継手部23の一端と直接接続した場合、コンパクトテンション試験片3の亀裂開口部30が大きくなると溝31にネジ止めされた先端部20は、水平からプラスの角度を持つように、溝32にネジ止めされた先端部20は、水平からマイナスの角度を持つようになり、その結果、アーム部22及び継手部23が傾くことになる。
Since the
一方、アーム部22が回転機構により継手部23の一端と接続されている場合は、アーム部22が傾いても、継手部23は傾かないため、継手部23のずれが小さくなるのである。そのため継手部23の他端に係合される検出棒24が垂直位置から大きくずれたり、また斜めに傾動したりして検出部25で正確な値が検出できなくなることが少なくなる。
On the other hand, when the
継手部23の下部は、中心部が穿孔されて検出棒24が挿入され、ネジ2320で検出棒24が継手部23に係合される。本実施例では、ネジ2320で外側から検出棒24を係合したが、これに係わらず、継手部23の下部から検出棒24が抜けないように係合すれば良い。
In the lower part of the
図6は、本発明の亀裂開口変位測定器具2の下部の説明図である。本実施例では、検出棒24の先端部の変位を検出する検出部25は差動トランス方式を用いている。検出棒24の先には、磁性体のSUS410Lのコア2410が銀ロー付けされている。検出棒24は、圧力容器蓋11に一端を封止して取り付けられたチューブに挿入され、一次コイルと二次コイルを巻回した検出コイル2510はそのチューブの外側に取り付けられている。一次コイルを交流で励磁してコア2410から二次コイルに誘起される誘起電圧を検出して検出棒24の先端部の変位を検出する。
FIG. 6 is an explanatory view of the lower part of the crack opening
なお、本発明の亀裂開口変位測定器具2は、腐食性ガス中に置かれるため、ネジ21を含めてオーステナイト系のSUS304若しくはSUS316系又はフェライト系のSUS410L若しくはSUS430系の耐食材料で製作されている。ただし、コア2410部分は磁性体でなければならないので、その上部の検出棒24は、非磁性体のオーステナイト系のSUS304又はSUS316系である必要がある。
Since the crack opening
上術の構成により、本発明の亀裂開口変位測定器具2は、先端部20が、コンパクトテンション試験片3にネジ止めされているので、疲労試験中に外れにくく、またアーム部22が回転機構により継手部23の一端と接続されているため、コンパクトテンション試験片3の亀裂開口部30が大きくなっても、継手部のずれが小さくなる。そのため継手部23の他端に係合される検出棒24も垂直位置からのずれが小さくなり、また検出棒24が斜めに傾動して検出部25で正確な値が検出できなくなることを防止することができる。
Due to the above-described configuration, the crack opening
1 高圧ガス雰囲気疲労試験機
2 亀裂開口変位測定器具
3 コンパクトテンション試験片
21 ネジ
20 先端部
22 アーム部
23 継手部
24 検出棒
25 検出部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記コンパクトテンション試験片にネジ止めされる先端部と、
前記先端部と一端で係合するアーム部と、
前記アーム部の他端と一端を回転機構により接続する継手部と
前記継手部の他端に係合される検出棒と、
前記検出棒の先端部の変位を検出する検出部とを備えたことを特徴とする前記コンパクトテンション試験片の開口部幅を計測する亀裂開口変位測定器具。 In the crack opening displacement measuring instrument that measures the opening width of the compact tension test piece used for the fatigue test in high-pressure gas,
A tip that is screwed to the compact tension specimen;
An arm portion engaged at one end with the tip portion;
A joint part connecting the other end and one end of the arm part by a rotation mechanism, and a detection rod engaged with the other end of the joint part;
A crack opening displacement measuring instrument for measuring an opening width of the compact tension test piece, comprising: a detecting portion for detecting a displacement of a tip portion of the detecting rod.
かつ前記コンパクトテンション試験片に形成されたネジ止めのネジ溝が、前記溝断面の底面より深く形成されていることを特徴とする請求項1に記載の亀裂開口変位測定器具。 The cross-sectional shape of the tip portion screwed to the compact tension test piece is a shape capable of contacting the bottom surface of the groove cross section formed in the compact tension test piece,
2. The crack opening displacement measuring instrument according to claim 1, wherein a screw groove formed on the compact tension test piece is deeper than a bottom surface of the groove cross section.
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