JP2020524269A - 面内破壊靭性評価のための標準的な試験において材料サンプルを試験するための方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

面内破壊靭性評価のために、標準試験において、構造体の壁で使用されるタイプの材料サンプルを試験する方法。方法は、構造体の壁の厚さ以下の横方向の長さを有するサンプルを取得することと、サンプルを、（ａ）底面、（ｂ）中央ノッチを有するプロファイルされた上面、（ｃ）中央ノッチの第１の側面上の第１の結合特徴部、および（ｄ）中央ノッチの第２の側面上の第２の結合特徴部、を有するように成形することと、第１の横方向延伸部を第１の結合特徴部に、および第２の横方向延伸部を第２の結合特徴部に結合することによって、横方向の幅を超えて、サンプルの幅を増加させる、試験標本を組み立てることと、サンプルの破壊靭性を評価するために、そのように組み立てられた試験標本およびサンプルに、標準的な破壊靭性試験を適用することと、を含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が本明細書に記載されているように参照により本明細書に組み込まれる、同じ表題を有する２０１７年１２月２９日に出願された、米国非仮出願第１５／８５８，２７３号、および２０１７年６月１５日に出願された、米国仮出願第６２／５２０，４８９号の優先権を主張する。

本発明は、構造適合性のための材料の試験に関し、より具体的には、面内破壊靭性評価のための標準試験において、比較的薄い厚さの材料サンプルを試験するための方法およびデバイスに関する。

水素誘起クラッキング（ＨＩＣ）は、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）濃度が高い酸味環境の石油およびガスパイプラインおよび関連設備で発生する。これらの欠陥は、鋼の大部分に入る酸腐食によって生成される原子状水素に起因する。原子状水素は、反応して再結合し、微細構造体内にある非金属空間の界面で高圧分子水素空洞を形成する。ＨＩＣは、図１に示すように、パイプ壁に対して平行な平面内を伝搬する傾向があり、図１は、ＨＩＣによって誘発される亀裂の例を示している。破壊靭性（ＦＴ）試験は、亀裂成長に対する材料の耐性を測定するための標準化された機械的試験設計である。ＦＴ試験では、結果として生じる力を測定しながら、事前に亀裂が入った試験標本に、制御された変位速度で荷重をかける。力−変位曲線を使用して、簡単な歪み応力強度因子（Ｋ）およびＪ積分（Ｊ）などのＦＴパラメータを計算する。

材料が亀裂伝搬に耐える能力を特徴付ける破壊靭性（ＦＴ）試験を実施する場合、ＦＴ片の寸法および配向が重要である。長方形の鍛造／圧延プレートサンプルの寸法は、プレートの圧延／鍛造方向に対して平行な縦（Ｌ）、横寸法（Ｔ）、および短い横または厚さ寸法（Ｓ）として定義される。これらの平面を示すサンプルの概略モデルを図２に示す。第１の文字は、亀裂平面に対して垂直な方向（モデルＩ破壊の主引張応力の方向と一致する）を示し、第２の文字は、亀裂の伸び方向を示す。

ＨＩＣ亀裂の伝搬、より一般的には、段階的な亀裂の対象となる方向は、図２に示すＳ−ＴまたはＳ−Ｌ方向であり、それらは、平行な面内亀裂が発生する方向である。これらの方向における薄いまたは比較的薄いパイプライン（１０〜３０ｍｍの壁厚）の破壊靭性（ＦＴ）特性を測定することは困難であることが証明されている。ＳＬおよびＳＴ方向におけるＦＴ値は他の方向（例えば、ＴＬ、ＬＴ）におけるＦＴ値と等しくないことが多いため、これは特に問題である。そのため、他の方向で取得した測定値を、ＳＬおよびＳＴ方向におけるＦＴ値の信頼できる推定値として使用することはできない。

ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）１８２０破壊靭性試験規格では、シングルエッジベンディング（ＳＥＢ）またはコンパクト応力（ＣＴ）のいずれかのタイプの特定の標本を使用する必要がある。ただし、このような標本は、完全なＳＥＢまたはＣＴ標本を抽出するのに十分な材料が厚さ方向にないため、Ｓ−ＴおよびＳ−Ｌ方向のＦＴ測定には適していない。例えば、厚さ１０ミリメートルの一般的なＳＥＢ標本を機械加工するには、約９０ミリメートルの最小プレート厚が必要である。これは、石油およびガス産業で使用されるパイプ機器の一般的なパイプ厚さを大きく上回る。

面内ＦＴデータは、金属構造体の破壊を防ぐために設計する必要はないが、対象の機器がＨＩＣなどの面内亀裂を発生する可能性がある場合、非常に重要になる。このようなデータは、材料選択段階で、様々なタイプの鋼、様々な製造業者が提供する金属の品質を区別するのに役立つことができ、また、耐用年数中の機器の亀裂成長率および残存整合性へのそれらの影響を予測することができる。

したがって、必要なのは、金属プレートの面内破壊靭性の有効な測定値（すなわち、規格に準拠した）を生成することができる面内破壊のＦＴ試験を可能にする方法論である。これらの考慮事項およびその他の考慮事項に関して、本明細書でなされた開示が提示されている。

本発明の実施形態は、面内破壊靭性評価のための標準試験において材料を試験する方法を提供し、ここで、材料サンプルは、構造体の壁に使用されるタイプのものである。特定の実施形態では、方法は、構造体の壁のサンプルを取得することと、サンプルをノッチ付き構成要素に成形することであって、ノッチ付き構成要素が、構造体の壁の厚さと等しい厚さ寸法を有する平坦な底面と、プロファイルされた上面であって、底面の平面に対して垂直に配向された中央ノッチを有する、プロファイルされた上面と、中央ノッチの第１の側面上の第１のソケットと、中央ノッチの第２の側面上の第２のソケットと、を含む、成形することと、第１の横方向延伸部を第１のソケットに、および第２の横方向延伸部をノッチ付き構成要素の第２のソケットに結合することによって、ノッチ付き構成要素の底面の厚さを超えてサンプルの有効厚さを増加させる、試験標本を組み立てることと、面内方向における材料の破壊靭性を評価するために、そのように組み立てられた試験標本に、標準的な破壊靭性試験を適用することと、を含む。試験される構造体は、好ましくは、石油およびガス産業で広く使用されている鋼パイプなどの、約５ｍｍ〜約７０ｍｍの厚さを有する材料である。

いくつかの実装形態では、本発明の方法は、標準的な破壊靭性試験において、中央ノッチがＴ−Ｌ方向に開くように配向されるように、ノッチ付き構成要素を機械加工することをさらに含む。他の実装形態では、方法は、標準的な破壊靭性試験において、中央ノッチがＳ−Ｌ方向に開くように配向されるように、成形されたノッチ付き構成要素を機械加工することをさらに含む。

標準的な破壊試験の要件を満たすために、第１および第２の横方向延伸部の長さと、ノッチ付き構成要素の厚さとの合計が、底面からプロファイルされた表面の先端まで測定したときに、ノッチ付き構成要素の幅の４．５倍以上であるように、第１および第２の横方向延伸部を形成することが好ましい。

いくつかの実施形態では、第１および第２のソケットは、中央ノッチを中心として対称である得る一方で、他の実施形態では、第１および第２のソケットは、中央ノッチを中心として非対称であり得る。試験標本は、ノッチ付き構成要素の底面に力が加えられるように、標準的な破壊靭性試験装置に配置され得る。ノッチ付き構成要素の中央ノッチは、第１の幅を有する第１のセクションと、第１の幅よりも小さい第２の幅を有する、第１のセクションの下に位置付けられた第２のセクションと、を含むように成形され得る。ノッチ付き構成要素の第１および第２のソケットは、エルボ形状のノッチを形成することができる。

いくつかの実施形態では、方法は、プログラムされたコンピュータおよび標準的な破壊靭性試験からのデータを使用して、破壊靭性の有限要素シミュレーションを実行して、ノッチ付き構成要素に対する最適な幾何学的パラメータを判定することをさらに含む。

試験標本に対する過酷な水素環境の影響を調査するために、いくつかの実施形態では、方法は、標準的な破壊試験を適用する前に、ノッチ付き構成要素を水素で充填することをさらに含む。そのような実施形態では、水素濃度が所望のレベルに到達するまでの期間にわたって、ノッチ付き構成要素は、水素で充填され得る。ノッチ付き構成要素を、目標定常状態水素濃度まで充填するのに必要とされる、電流密度がまた判定され得るだけでなく、複数の水素濃度レベルで、Ｓ−Ｌ方向とＴ−Ｌ方向との間の破壊特性の差が判定され得る。

本発明の実施形態はまた、破壊靭性に関して、構造体の壁に使用される材料を試験するための装置を提供する。装置の実施形態は、（ａ）構造体の壁の厚さと等しい幅を有する底面、（ｂ）プロファイルされた上面であって、中央ノッチを有する、プロファイルされた上面、（ｃ）中央ノッチの第１の側面上の第１ソケット、および（ｄ）中央ノッチの第２の側面上の第２のソケット、を有するように成形された構造体の材料のサンプルから作製されたノッチ付き構成要素と、ノッチ付き構成要素の第１のソケットに結合された、第１の横方向延伸部と、ノッチ付き構成要素の第２のソケットに結合された、第２の横方向延伸部と、を備える。第１および第２の横方向延伸部は、ノッチ付き構成要素の有効幅を延伸して、標準的な破壊靭性試験で使用されるのに十分な長さの組み立てられた試験標本を提供する。構造体は、Ｘ６５などの鋼で作製されたパイプの壁などの、約５ｍｍ〜約７０ｍｍの比較的薄い厚さを有する材料であることが好ましい。

いくつかの実施形態では、ノッチ付き構成要素の中央ノッチは、標準的な破壊靭性試験において、Ｔ−Ｌ方向に開くように配向されている。他の実施形態では、ノッチ付き構成要素の中央ノッチは、標準的な破壊靭性試験において、Ｓ−Ｌ方向に開くように配向されている。

第１および第２の横方向延伸部の長さと、ノッチ付き構成要素の厚さとの合計が、底面からプロファイルされた表面の先端まで測定したときに、ノッチ付き構成要素の幅の４．５倍以上であるように、第１および第２の横方向延伸部は形成され得る。

一部の実装形態では、ノッチ付き構成要素が、水素で充填される。

これらおよび他の態様、特徴、および利点は、本発明の特定の実施形態の以下の説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解され得る。図面は例証および例示であり、描かれている要素の絶対的な意味または相対的な意味のいずれかで、必ずしも正確に縮尺を示しているわけではない。

水素誘起クラッキング（ＨＩＣ）の実施例を示す。 破壊靭性試験に関連する平面方向のＡＳＴＭ用語を示す概略斜視図である。 本発明の一実施形態による、ノッチ付き構成要素の概略斜視図である。 本発明の事前組立てによる、試験標本の一実施形態の概略前方平面図である。 本発明による、組み立てられた試験標本の実施形態の概略前方平面図である。 標準的な３点曲げ試験を受けた、本発明による組み立てられた試験標本の実施形態の概略前方平面図である。 本発明による、ノッチ付き構成要素の一実施形態の拡大前方平面図である。 本発明による、ノッチ付き構成要素のパラメータを最適化する例示的な方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による、機械加工されたサンプルの幾何学的配置のパラメータの値を選択するための最適化方法のフローチャートである。２つの異なる厚さの一体的な標本（図８Ａ、図８Ｂ）、および２つの異なる厚さの組み立てられた試験標本（図８Ｃ、図８Ｄ）で実行した破壊靭性試験の概略図である。 ２つの異なる厚さの一体的な標本（図８Ａ、図８Ｂ）、および２つの異なる厚さの組み立てられた試験標本（図８Ｃ、図８Ｄ）で実行した破壊靭性試験の概略図である。 ２つの異なる厚さの一体的な標本（図８Ａ、図８Ｂ）、および２つの異なる厚さの組み立てられた試験標本（図８Ｃ、図８Ｄ）で実行した破壊靭性試験の概略図である。 ２つの異なる厚さの一体的な標本（図８Ａ、図８Ｂ）、および２つの異なる厚さの組み立てられた試験標本（図８Ｃ、図８Ｄ）で実行した破壊靭性試験の概略図である。 本発明による有限要素シミュレーションから得られた、それぞれ２０ｍｍ（図９Ａ）および１０ｍｍ（図９Ｂ）の一体的および組み立てられた試験標本の両方の力対荷重線変位のグラフである。 本発明による有限要素シミュレーションから得られた、それぞれ２０ｍｍ（図９Ａ）および１０ｍｍ（図９Ｂ）の一体的および組み立てられた試験標本の両方の力対荷重線変位のグラフである。 本発明による有限要素シミュレーションから得られた、それぞれ２０ｍｍ（図１０Ａ）および１０ｍｍ（図１０Ｂ）の一体的および組み立てられた試験標本の両方のフォンミーゼス等高線図である。 本発明による有限要素シミュレーションから得られた、それぞれ２０ｍｍ（図１０Ａ）および１０ｍｍ（図１０Ｂ）の一体的および組み立てられた試験標本の両方のフォンミーゼス等高線図である。 本発明による一体的および組み立てられた試験標本の試験に使用される、例示的な破壊靭性試験装置の写真である。 異なる電流密度での温度の関数として（図１２Ａ）、および異なる電流密度での時間および温度の両方の関数として（図１２Ｂ）のシングルノッチベンド（ＳＥＢ）試験標本からの水素脱着を示す熱脱着分光法（ＴＤＳ）スペクトログラフである。 異なる電流密度での温度の関数として（図１２Ａ）、および異なる電流密度での時間および温度の両方の関数として（図１２Ｂ）のシングルノッチベンド（ＳＥＢ）試験標本からの水素脱着を示す熱脱着分光法（ＴＤＳ）スペクトログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気と水素の両方の環境で、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向に試験した破壊試験標本の亀裂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）マイクログラフである。 空気（図１４Ａ）および水素環境（図１４Ｂ）で試験したＸ６５平行（Ｓ−Ｌ）サンプルからの電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）逆極マップを示す。 空気（図１４Ａ）および水素環境（図１４Ｂ）で試験したＸ６５平行（Ｓ−Ｌ）サンプルからの電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）逆極マップを示す。 Ｘ６５試験標本の最大応力強度係数（Ｋ）対バルク水素濃度のグラフである。 Ｔ−Ｌ方向に破壊したＸ６５試験標本の亀裂先端開口変位対バルク水素濃度のグラフである。 Ｓ−Ｌ方向に破壊したＸ６５試験標本の亀裂先端開口変位対バルク水素濃度のグラフである。 Ｓ−Ｌ方向に破壊したＸ６５試験標本の亀裂先端開口変位対バルク水素濃度のグラフである。

本発明の実施形態は、ＨＩＣ情報を提供する、Ｓ−ＬおよびＳ−Ｔ方向におけるサンプルのＦＴ試験を可能にする方法および装置を提供する。標準的な破壊靭性試験要件に適合し、かつ準拠する寸法の組み立てられた試験標本が提供される。標本は、Ｓ−ＬまたはＳ−Ｔ方向の亀裂配向に一致するノッチを含むように機械加工された、対象の材料（例えば、母材鋼プレート）から得られたサンプルを含む。

図３は、破壊靭性について試験される材料（例えば、鋼のタイプ）で作製された厚さ（Ｔ）を有するプレート１００を示す概略斜視図である。プレート１００は、パイプのサンプルであり得るか、さもなければ産業で使用されるパイプの厚さを表す、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍの厚さを有する。プレート１００内には、本発明による破壊靭性試験に適合された２つの例示的なノッチ付き構成要素１０５、１１０が、概略的に示されている。ノッチ付き構成要素１０５、１１０は、ミリング、レーザー切断などのサブトラクティブ技術によってプレートから機械加工され得る。示されるように、構成要素１０５、１１０のそれぞれの前面１０６、１１２は、ノッチ付きであり、一方で、その構成要素のそれぞれの後面１０８、１１４は、平坦である。ノッチ付き構成要素の前面および後面の長さは、プレート１００の厚さ（Ｔ）と正確に一致する。ノッチ付き構成要素１０５の前面１０６は、プレート１００の平面に対して平行に、すなわち水平に配向された中央ノッチ１０７を含む。同様に、ノッチ付き構成要素１１０の前面１１２は、プレート１００の平面に対して平行に配向された中央ノッチ１１１を含む。中央ノッチ１０７、１１１は、プレートの平面内で、Ｓ−ＬまたはＳ−Ｔ方向に配向された水素誘起亀裂を表す。図３に示される実施形態では、標本の前面１０６、１１２は、「Ｗ」字形のプロフィールを有し、追加の構成要素との容易な機械的組み立てを可能にする。

図４Ａは、本発明の一実施形態による、あらかじめ組み立てられた試験標本２００の一実施形態の正面図である。試験標本２００は、図３に示すような、例えば、１０５などのノッチ付き構成要素、ノッチ付き構成要素１０５の第１の側面に確実に結合するように適合された、第１の横方向延伸部２１０、およびノッチ付き構成要素１０５の第２の側面に確実に結合するように適合された、第２の横方向延伸部２２０の、３つの構成要素を含む。第１および第２の横方向延伸部２１０、２２０は、ノッチ付き構成要素と同じ材料（例えば、同じ元のプレートから機械加工されたもの）、または高強度材料のいずれかで作られている。組み立てられると、ノッチ付き構成要素と第１および第２の横方向延伸部により、試験標本の有効長が増加する。

図示された実施形態では、ノッチ付き構成要素１０５には、中央ノッチ１０７に加えて、構成要素の第１の側面（図４Ａの左側）に、中央ノッチ１０７に隣接して位置付けられた、ソケット１２２（雌コネクタ）の「Ｗ」字形プロフィールの第１の半分の部分、および中央ノッチの反対側のソケット１２２に隣接して位置付けられた、上向きに湾曲したフック形状のタブ１２４（雄コネクタ）が形成されている。構成要素の第２の側面（図４Ａの右側）に、中央ノッチ１０７に隣接して位置付けられた、第２のソケット１２６の「Ｗ」字形プロフィールの第２の半分の部分、および中央ノッチの反対側の第２のソケット１２６に隣接して位置付けられた、第２の上向きに湾曲したフック形状のタブ１２８が形成されている。

ノッチ付き構成要素１０５に隣接して示される第１の横方向延伸部２１０の端部は、ノッチ付き構成要素の第１のソケット１２２に正確かつぴったりと嵌合するように適合された、下向きに湾曲したフック形状のタブ２１２を含む。横方向延伸部２１０上のタブ２１２に隣接するのは、ノッチ付き構成要素の第１のタブ１２４をぴったりと受容するように適合されたソケット２１４である。同様に、ノッチ付き構成要素１０５に隣接して示される第２の横方向延伸部２２０の端部は、ノッチ付き構成要素の第２のソケット１２６に正確かつぴったりと嵌合するように適合された、下向きに湾曲したフック形状のタブ２２２を含む。第２の横方向延伸部２２０上のタブ２２２に隣接するのは、ノッチ付き構成要素の第２のタブ１２８をぴったりと受容するように適合されたソケット２２４である。

図４Ｂは、第１および第２の横方向延伸部２１０、２２０のタブ２１２、２２２を、ノッチ付き構成要素１０５のそれぞれのソケット１２２、１２６に挿入することによって組み立てられた試験標本の正面図であり、同時に、ノッチ付き構成要素のタブ１２４、１２８は、第１および第２の横方向延伸部のそれぞれのソケット２１４、２２４に挿入されている。溶接接合部２３２、２３４は、図４Ｂに示すように、第１および第２の横方向延伸部２１０、２２０の上面がノッチ付き構成要素と接触する場所に形成され得る。溶接接合部２３２、２３４は、横方向延伸部２１０、２２０をノッチ付き構成要素１０５に堅固に固定する。いくつかの実装形態では、溶接接合部２３２、２３４は、マイクロレーザー溶接によって生成されてもよく、マイクロレーザー溶接は、標本にほとんど熱を加えず、亀裂ゾーン（中央ノッチ１１１）周辺の区域に影響（熱的）を与えない。溶接が中央ノッチ１１１の周りの領域に熱的に影響しないようにすることを確実にするために、市販の溶接シミュレーションツール（フランスのパリのＥＧＩグループが製造するＳＹＳＷＥＬＤなど）を使用して、マイクロレーザー溶接中に使用する実際の溶接パラメータ（正確な配置、温度、時間）の推定値を取得するために溶接プロセスをシミュレートする。

横方向の延伸部の長さは、組み立てられた試験標本が標準試験要件に記載されている次の式に適合するように構成され得る。
２Ｌ＋Ｔ≧４．５Ｗ（１）
ここで、Ｌは横方向の延伸部の長さを表し（延伸部が同じ長さである実施形態において）、Ｗは、前面１０６の上端からノッチ付き構成要素の後面１０８の後端までの距離として測定されるノッチ付き構成要素の幅を測定し、Ｔは、上述のように、構造材料（例えば、パイプ）の厚さに対応するサンプルの厚さを測定する。

図５は、本発明の一実施形態による、組み立てられた試験標本に適用されている標準的な３点曲げ破壊靭性試験の概略図である。示されるように、組み立てられた試験標本は、上端を下に向けた状態で水平に位置付けられる。この位置では、第１の横方向延伸部２１０の上端は、固定ボール要素２４２（図５の右側に示す）と接触して支持されており、第２の横方向延伸部２２０の上端は、固定ボール要素２４４と接触して支持されている。第３のボール要素２４６は、ノッチ付き構成要素１０５の上向きに面した後面上の試験標本の裏側に配置される。試験中、第３のボール要素２４６に下向きの力が加えられ、ノッチ付き構成要素の後面に圧力が加えられる。この力は、ノッチ付き構成要素の中央ノッチ１１１によって形成された亀裂を開く傾向がある、曲げモーメントを生成する。

面内破壊靭性（すなわち、Ｓ−ＴおよびＳ−Ｌ方向）の測定を可能にすることに加えて、本発明による試験標本は、追加的な利点を提供する。したがって、対象の所与の構造材料（例えば、「マザープレート」）については、比較的小さなノッチ付き構成要素のみが、材料から機械加工され、一方で、横方向延伸部は、対象の元の材料としての同等の機械的特性（例えば、弾性モジュールおよび強度）を持つ他の構造体から機械加工され得る。例えば、対象の構造体が炭素鋼の場合、延伸部はまた、鋼（例えば、ＨＳＬＡ、炭素鋼、軟鋼など）で作製されるべきであり、アルミニウムなどの明確に異なる特性を持つ金属で作製されるべきではない。この方法で、原材料を節約することができる。例えば、マザープレートの単位面積から機械加工され得るサンプルの最大数は、Ｔ−Ｌ構成の（１／４．５Ｗ^＊Ｗ）およびＬ−Ｓ構成の（１／４．５^＊Ｗ^＊Ｂ）と比較して、Ｓ−Ｌ構成では約（１／Ｗ^＊Ｂ）であり、ここで、Ｂは、標準試験要件で規定された定数である。一部の規格ではＢ＝０．５Ｗが要求されることを考えると、この様式で原材料を節約することによって、単位面積あたり最大９個の標本を生成することができる。

さらに、本発明による試験標本は、環境ＦＴ試験に特に適している。ノッチ付き構成要素は個別に機械加工されるため、過酷な環境でＦＴ試験を実行する柔軟性がより高まる。例えば、水素が豊富な環境でＦＴ試験を実行する場合、機械加工されたサンプルのみに水素脆化を集中させるために、水素吸収に対する感度が低い横方向延伸部の材料（例えば、オーステナイト系ステンレス鋼）を選択することができる。さらに、機械加工されたノッチ付き構成要素は、横方向延伸部およびＦＴ試験にサンプルを結合する前に、対象となる過酷な環境にさらされる可能性がある。

ノッチ付き構成要素の幾何学的配置の有限要素最適化
本発明の特定の実施形態によるノッチ付き構成要素は複雑な「Ｗ」形状を有するので、試験標本が、横方向延伸部で完全に組み立てられたときに機械的に単一部品の一体的試験標本のように動作することを確実にするために、形状の寸法パラメータを選択することが重要である。図６は、本発明によるノッチ付き構成要素の一実施形態の拡大平面図を示す。図６は、特定の寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、Ｒ１、Ｒ２、ｔ、Ｗおよび角度φを含む、ノッチ付き構成要素と関連付けられたいくつかの幾何学的パラメータを示している。したがって、示されたノッチ付き構成要素は、合計９つの幾何学的パラメータによって特徴付けられ得、その厚さ（ｔ）は対象の構造材料の厚さに基づき、Ｗはテスターによって任意に固定される。残りの７つのパラメータ（ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、Ｒ１、Ｒ２、およびφ）は、Ｒ１がＲ２と等しく設定されている場合に６つの変数に減らすことができ、実験試験またはシミュレーションモデルのいずれかを使用して最適化され得る変数である。

以下の議論は、コンピュータシステムのプロセッサ上で実施されるプログラムコードを使用して、本発明によるノッチ付き構成要素に対して実行され得る、例示的な幾何学的パラメータ最適化を説明する。最適化では、有限要素解析を使用して、破壊靭性試験下で、６つの試験パラメータの値が異なる、組み立てられたおよび一体的試験標本の機械的挙動をシミュレートおよび比較する。最適化は、組み立てられた試験標本が可能な限り、一体的な単一部品の標本に近づくように動作するパラメータ値を見つけようとする。図７は、本発明によるノッチ付き構成要素の幾何学的変数を最適化するための例示的な方法のフローチャートである。ステップ３０２で、方法は開始する。ステップ３０４では、一体的な試験標本、すなわち本発明に従って組み立てられていない試験標本の選択された設計に対して、有限要素シミュレーションが実行される。有限要素シミュレーションは、一体的な標本の力変位曲線Ｆ^iｎを出力する。ステップ３０６で、本発明による組み立てられた試験標本のノッチ付き構成要素の幾何学的パラメータを含むベクトルは、当技術分野で知られている方法に従って初期化される。ステップ３０８では、ノッチ付き構成要素および横方向延伸部を含む本発明による組み立てられた試験標本に対して、有限要素シミュレーションが実行される。有限要素シミュレーションの出力は、組み立てられた試験標本の力変位曲線Ｆ^ａｓである。ステップ３１０において、力変位曲線Ｆ^iｎとＦ^ａｓとの間の差が最小であるかどうかが判定される。差が最小ではないと判定された場合、ステップ３１２で、幾何学的パラメータベクトルが更新され、方法は、ステップ３０８に戻って、更新されたパラメータで有限要素シミュレーションを再実行する。ステップ３１０で、力変位曲線Ｆ^ｉｎとＦ^ａｓとの差が最小であると判定された場合、方法は、ステップ３１４に進み、ノッチ付き構成要素の幾何学的構成要素の最終的なパラメータベクトルを判定する。方法は、ステップ３１６において終了する。最適化方法は、勾配降下ベースの技術および／または当技術分野で知られている他の技術を採用することができる。

シミュレーション実施例
次の実施例では、１０ｍｍおよび２０ｍｍの厚さを持つ、石油およびガス産業の構造体に共通である２つの異なる平面構造体のパラメータの最適化について説明する。パラメータの最適化は、コンピュータシステムで実施される有限要素シミュレーションプログラム（例えば、ＡＮＳＹＳ（登録商標）ｖ１６「シミュレータ」など）を使用して取得された。シミュレーションにより、４つの別個のモデルが生成された。モデルのうちの２つは、一体的な単一部品の標本を表し、一方は厚さ１０ｍｍの標本、他方は厚さ２０ｍｍの標本である。２つのモデルは、本発明による組み立てられた試験標本を表しており、同様に、一方は、厚さが１０ｍｍであり、他方は、厚さが２０ｍｍである。試験標本はそれらのそれぞれの水平中心に対して対称であるため、有限要素シミュレーションは、中心から周辺まで半分の標本で実行された。有限要素モデルの概略図を、図８Ａ〜図８Ｄに示す。図８Ａは、左下の頂点の後面でボール要素４０５によって圧縮力を受け、かつローラーボール要素４１０によって前面の上部に向かって支持された、厚さ２０ｍｍの一体的な標本４０２を示す。図８Ｂは、左下の頂点の後面で同様のボール要素４０５によって圧縮力を受け、かつローラーボール要素４１０によって前面の上部に向かって支持された、厚さ１０ｍｍの一体的な試験標本４０４を示す。図８Ｃは、横方向延伸部４１４と、横方向延伸部が結合されるノッチ付き構成要素４１６の半分の部分とからなる、厚さ２０ｍｍの組み立てられた試験標本４１２の有限要素モデルを示している。強制ボール要素４０５は、ノッチ付き構成要素４１６の後面に圧縮力を加え、横方向延伸部４１４の前面は、ローラーボール要素４１０によって支持される。図８Ｄは、横方向延伸部４２４と、横方向延伸部が結合されるノッチ付き構成要素４２６の半分の部分とからなる、厚さ１０ｍｍの組み立てられた試験標本４２２の有限要素モデルを示している。強制ボール要素４０５は、ノッチ付き構成要素４２６の後面に圧縮力を加え、横方向延伸部４２４の前面は、ローラーボール要素４１０によって支持される。

４つの有限要素モデルでは、シミュレータは、一体的なＦＴ試験標本および組み立てられたＦＴ試験標本の両方に平面歪み定式化を使用した。この定式化は、２つのタイプの標本の力変位曲線と破壊靭性パラメータＫ_Ｑを比較するための公正な近似である。さらに、すべてのモデルについて、大変位理論を使用し、Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎの増分反復スキームを採用して、静的な非線形解析を実行した。一体的な試験標本では、８つのノード２Ｄ構造シェル要素が使用され、一方、ローラーサポートが剛直な物体としてモデル化された。標本とローラーサポートとの間の接触は、摩擦係数が約０．３の３つのノードの２Ｄ表面間接触要素を使用してモデル化された。

シミュレータは、高強度低合金鋼（ＨＳＬＡ）、より詳細には、フェライトベイナイト構造体を持つＦＣＡ（疲労亀裂アレスタ）鋼の応力−歪み曲線を使用して、材料の挙動をモデル化した。ローラーに境界条件が課せられた。具体的には、ローラーボール要素でのｘ方向（圧縮の方向）またはｙ方向（標本の長さに沿った）の並進運動は、回転を許可してゼロに設定された。ボール要素４０５の適用点でのｙ方向の並進および回転も、ゼロに設定された。シミュレーションから力−変位曲線を導出するために、変位（Ｕ_ｘ）が、ボール要素４０５のパイロットノード（ボール要素４０５がノッチ付き構成要素に接触する点）に加えられた。破壊靭性Ｋ_Ｑを評価するために、ボール要素４０５のパイロットノードに、力荷重（Ｆ_Ｘ）を加えた。

境界条件および材料の挙動を使用して、有限要素シミュレータは、各試験標本の亀裂先端の周りのＪ積分パラメータを評価した。Ｊ積分は、材料の歪みエネルギー解放率、または単位破壊表面積あたりの仕事（エネルギー）を計算する手法を表す。Ｊ積分は、Ｊ積分値の収束を促進する同一の要素エッジ長さを使用して、亀裂の周りの閉じた経路の周りの積分を通じて評価された。次に、破壊靭性パラメータＫ_Ｑを、Ｊ積分によって評価した。Ｊ積分は、次の式に従って、破壊靭性パラメータに変換され得る。

Ｊ＝Ｋ_Ｑ ^２／（Ｅ（１−ｖ^２））（２）
ここで、ＥはＦＣＡ材料の材料弾性モジュールであり、ＪはＪ積分であり、Ｋは破壊靭性パラメータである。

図８Ｃおよび図８Ｄに示す組み立てられた試験標本のモデリングは、ノッチ付き構成要素と使用する横方向延伸部との間の柔軟な接触が、０．３の摩擦係数の３つのノードの２Ｄ表面間接触要素を使用してモデル化されたという点でいくらか異なっていた。さらに、一致するノードの自由度を、２０ｍｍの標本では３ｍｍ、および１０ｍｍの標本では２．２ｍｍの亀裂の最大深さまで結合すること（言い換えると、ｄ３が最大亀裂深さに制限された）により、ノッチ付き構成要素と横方向延伸部との間の結合（実施例では、溶接）をシミュレートした。その他の点では、組み立てられた試験標本のモデリングは、同じ要素タイプ、材料モデル、境界条件、対称性、および荷重などを有する、一体的な標本のモデリングと同一であった。

図９Ａおよび図９Ｂは、例示的な有限要素シミュレーションの結果を示すグラフである。図９Ａは、厚さ２０ｍｍの一体的な試験標本と組み立てられた試験標本の両方に対する、力対荷重線変位のグラフを示す。示されているように、組み立てられた試験標本のグラフは、一体的な試験標本のグラフを厳密に追跡する。図９Ｂは、厚さ１０ｍｍの一体的な試験標本と組み立てられた試験標本の両方に対する、力対荷重線変位のグラフを示す。また、組み立てられた試験標本のグラフは、図９Ｂの一体的な試験標本のグラフを厳密に追跡する。力−変位曲線の結果は、ボール要素４０５のパイロットノードに、３ｍｍの変位を加えることで得られた。一体的な試験標本および組み立てられた試験標本についてほぼ同一の結果は、提案された設計が１０ｍｍおよび２０ｍｍの厚さの両方で機械的に許容できることを実証する。

図１０Ａは、厚さ２０ｍｍの標本の有限要素モデルから得られたフォンミーゼスの輪郭を示す。フォンミーゼスの輪郭は、局所的な応力を示す。図１０Ａの左側の輪郭５０５は、一体的な試験標本の応力場を示し、一方で、右側の輪郭５１０は、組み立てられた試験標本の応力場を示す。図１０Ｂは、厚さ１０ｍｍの標本の有限要素モデルから得られた同様の輪郭を示す。図１０Ｂの左側の輪郭５１５は、一体的な試験標本の応力場を示し、一方で、右側の輪郭５２０は、組み立てられた試験標本の応力場を示す。一緒に見ると、図１０Ａおよび図１０Ｂのフォンミーゼス輪郭は、亀裂ゾーンの周りの局所応力場が、本発明に従って組み立てられた試験標本によって十分にキャプチャされていることを示す。

表１に、２つの厚さでの一体的なモデルおよび組み立てられたモデルでの破壊靭性試験の有限要素シミュレーションの破壊靭性パラメータ結果の概要を示す。Ｋ_Ｑの結果は、１０ｍｍの標本について加えられた２．２ｋＮの力Ｆ_ｘおよび４．１ｍｍのノッチと亀裂の長さ（ａ_０）、ならびに２０ｍｍの標本について加えられた６．０９ｋＮの力Ｆ_ｘおよび１０ｍｍの長さａ_０を使用して、得られた。表１は、組み立てられた標本の予測された破壊靭性指標（ＪおよびＫ_Ｑ）が、従来の単一部品の一体的な標本のものと非常によく一致していることの証拠を提供する。

実験試験
Ａ．実験の第１のセット−通常の（過酷ではない）環境
有限要素研究に加えて、組み立てられた標本の設計を検証するために、物理的標本に対していくつかの破壊靭性試験が実施された。破壊靭性試験は、特に、有限要素シミュレーションでまたモデル化されたＦＣＡ（疲労亀裂アレスタ）鋼で実施された。ＦＣＡ鋼は、以下の表２に列挙した組成の高強度フェライトベイナイト鋼である。

有限要素シミュレーションと同様に、１０ｍｍおよび２０ｍｍの厚さで、一体的な試験標本および組み立てられた試験標本の両方での試験が行われ、合計４回の試験が行われた。さらに、ＦＴ測定の標準偏差を評価するために、４つの試験の各々が３回繰り返された（合計１２回の試験）。破壊靭性試験の前に、標準ＡＳＴＭ Ｅ１８２０の試験ガイドラインに従って、機械加工されたサンプルにノッチを付け、疲労予亀裂を与えた。ＭＡＴＥＬＥＣＴ ＣＭ ７ ＡＣＰＤ（ＡＣ電位降下）を使用して、疲労予亀裂の長さを測定した。すべての試験は、１００ ｋＮ ＭＴＳ油圧式試験機で実行された。試験に使用した試験装置６００を示す写真を図１１に示す。ノッチ（標本の前面）が下を向いた状態で、装置６００上に水平に配置されたノッチ６０５を有する一体的な標本６０２が示されている。標本は、標本の左側と右側、および標本の下にそれぞれ位置付けられた、２つのボール要素６１０、６１５の上にある。ボール要素６１０は支持ブロック６１２上にあり、ボール要素６１７は支持ブロック６１７上にある。装置の上部で、標本の上向き面の中心に接触して位置付けらボール要素が、下向きの力を及ぼし、標本の底部のノッチ６０５を広げる傾向がある。試験では、力−変位曲線の弾性勾配の端での最大応力強度係数と、力−変位曲線の最大力の点に対応する、Ｊ_０として別途知られる最大Ｊ積分と、を測定した。破壊靭性パラメータのすべての計算は、ＡＳＴＭ Ｅ１８２０標準に従って行われた。

表３に、２０ｍｍの厚さの一体的な試験標本および組み立てられた試験標本の測定されたＦＴ値を列挙する。表４に、１０ｍｍの厚さの一体的な試験標本および組み立てられた試験標本の対応する測定されたＦＴ値を列挙する。表３および表４は、一体的な試験標本と組み立てられた試験標本のＦＴ値の密接な一致を示す。

薄い１０ｍｍのサンプルに関して、表３および表４のデータは、一体的な標本のＫ_Ｑ値と組み立てられた標本のＫ_Ｑ値の平均間の差である（ΔＫ_Ｑ）が、０．０８であることを示し（表４）、これは、一体的な標本の標準偏差（０．９１）よりも実質的に小さくなっている。差（ΔＪ_０）が１６．２４であり、一体的な標本の標準が３８．６３である、Ｊ_０積分の値の場合も同様である。これらの実験結果は、本発明によるノッチ付き構成要素および組み立てられた試験標本全体に対して実施された幾何学的設計が、比較的薄い鋼プレートの破壊靭性特性を評価するのによく適していることを実証している。

Ｂ．実験の第２のセット−過酷な（Ｈ_２Ｓ）環境のシミュレーション
使用中のパイプラインで一般的なシミュレートされたＨ_２Ｓ条件の下で、ＡＰＩ Ｘ６５パイプライン鋼の破壊靭性特性に及ぼす水素の影響を判定するために、実験の第２のセットを実行した。具体的には、空気中および３つのレベルの水素における破壊靭性特性ＫＩＨおよびＣＴＯＤ¬０を、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ亀裂方向について研究した。破壊靭性実験は、フィールドパイプラインから抽出した３００ｍｍの厚さのＸ６５低炭素鋼で実行された。標準的なＨＩＣ認定試験が最初に実行され、その結果、この研究で使用されたパイプライン鋼は、ＨＩＣ耐性があることが示された。

実験の第２のセットの最初の手順は、標本を水素で充填することにより、使用中の厳しい環境条件をシミュレートすることであった。３０ｇｍのＮａＣｌと３ｇｍのＮＨ_４ＳＣＮの水溶液に電解水素を充填することにより、３つの異なる水素濃度（Ｃ_Ｈ）が確立され、ここで、Ｘ６５鋼標本は、白金アノードを備えたカソードとして機能していた。ＮＨ_４ＳＣＮを水素再結合毒として使用し、水素充填中に、溶液をＮ_２で脱気した。水素の事前充填は、パイプライン鋼の金属格子内で安定した水素濃度を達成するのに十分であることが示されている、４８時間にわたって実行された。

この充填試験の初期段階のセットは、Ｘ６５サンプルで望ましいＣ_Ｈを生成することができる電流密度を判定する。水素含有量を、５ｍｍのノッチ深さを有する、長さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍのノッチ付きＸ６５標本で測定した。Ｘ６５鋼のサンプルを、６００グレードのエメリー紙を使用して研磨し、蒸留水およびアセトンで洗浄し乾燥させた。このｅｘ−ｓｉｔｕ水素充填プロトコルは、現場の石油およびガスパイプラインでの亀裂の開始および伝搬に関連する、実際の条件を表している。充填プロトコルにより、ノッチ付きＸ６５内での水素の取り込みおよび拡散が遅くなり、Ｘ６５鋼材料のバルクの取り込み、および油田で発生する遅い水素蓄積速度をシミュレートすることができる。

Ｘ６５鋼標本を４８時間、水素充填した後、高速水素脱着を避けるために液体窒素（７７Ｋ）に浸漬し、次に、熱脱着分光法（ＴＤＳ）測定セルに移して、炉に挿入した。アルゴン流（約６０ｍｌ／ｍｉｎ）が供給され、分光計信号の監視を開始した。窒素浴への浸漬から信号監視までの時間は、約１０分であった。操作（液体Ｎ２浴から信号のＭＳ監視まで）は、約１０分続いた。サンプル信号を、室温で６分間記録した。つまり、サンプルを室温で６分間保持して、それにより、流れ／圧力平衡化を可能にし、その後７００°Ｃまでの温度ランプ（３°Ｃ／ｍｉｎ）を開始した。７００℃に達した後、サンプルは、この温度で約３時間維持された。３時間の期間が終了すると、炉の電源がオフになり、自然冷却が開始された。ＴＤＳ測定の結果は、目標バルク水素濃度を達成するために必要とされる電流密度を確立するために使用される。

Ｘ６５標本を充填した後、Ｘ６５鋼のバルクに定常状態Ｃ_Ｈを確立することにより、使用中の状態をシミュレートした。次の経験式を使用して、ｐＨおよびＨ_２Ｓ分圧に基づいた水素充填の終了後、鋼のバルクの定常状態Ｃ_Ｈを評価した。
ＣＨ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝３．１＋０．５６ｌｏｇ(ｐＨ２Ｓ)−０．１７ｐＨ（２）
ここで、ＣＨ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}の単位は、ｐｐｍｗであり、ｐＨ_２Ｓは、ＭＰａで表されるＨ_２Ｓの分圧である。

ＩＳＯ １５１５６−２で指定された環境重大度の３つの異なる領域をカバーするために、Ｈ_２Ｓ分圧およびｐＨの３つのレベルが選択された。

この研究で選択された３つのレベルの環境重大度の水素濃度を表５に示す。提案された水素濃度値は、３つのレベルのｐＨおよびＨ_２Ｓ分圧の評価後、０．５ｐｐｍｗでＣ_Ｈ−１、ｐｐｍｗでＣ_Ｈ−２、および２ｐｐｍｗでＣ_Ｈ−３である。

ｅｘ−ｓｉｔｕ破壊靭性試験の前に、３つの目標ＣＨレベルに対応する電流密度（ＴＤＳで確立）を使用して、破壊靭性ＳＥＢ（シングルエッジノッチ曲げ）標本を４８時間、予備充填した。電流密度を判定するために、ＴＤＳ実験を実行した。実験では、電流密度を、０．２ｍＡ／ｃｍ２から５ｍＡ／ｃｍ２まで変化させた。図１２Ａは、異なる電流密度での温度の関数としてのシングルノッチベンド（ＳＥＢ）試験標本からの水素脱着を示すＴＤＳスペクトログラフであり、図１２Ｂは、異なる電流密度での時間および温度の両方の関数としての水素脱着を示すＴＤＳスペクトログラフである。ＴＤＳ測定から、以下の選択が行われた。２ｐｐｍｗのＣ_Ｈで破壊靭性標本を事前充填することについて５ｍＡ／ｃｍ^２、１ｐｐｍｗのＣ_Ｈについて２ｍＡ／ｃｍ^２、０．５ｐｐｐｍｗのＣ_Ｈについて０．５ｍＡ／ｃｍ^２。

Ｔ−Ｌ方向のＸ６５標本の破壊靭性試験では、パラメータＫ_Ｑが空気中の破壊靭性試験の最大応力強度係数として使用され、Ｋ_ＩＨは、水素事前充填標本の応力強度係数の最大値として使用された。また、Ｋの値は、水素濃度を指定し、例えば、Ｋ_{ＩＨ０．５}は、０．５ｐｐｍｗ水素濃度を有する水素荷電標本の場合についてであり、Ｋ_ＩＨ１は、１ｐｐｍｗ水素濃度を有する水素荷電標本の場合についてであり、最終的に、Ｋ_ＩＨ２は、２ｐｐｍｗを有する水素荷電標本の場合についてである。同様に、最大ＣＴＯＤ（亀裂先端開口変位）パラメータは、この様式で区別された。空気中で試験されたＸ６５標本は、Ｋ_Ｑ＝５０．３８ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_０＝０．７８ｍｍの平均をもたらした。０．５ｐｐｍｗの水素濃度のＸ６５標本は、Ｋ_{ＩＨ０．５}＝５０．７８ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_{０Ｈ０．５}＝０．５２ｍｍの平均をもたらした。１ｐｐｍｗ ＣＨのＸ６５標本は、Ｋ_ＩＨ１＝５０．９９ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_０Ｈ１＝０．１７ｍｍの平均をもたらした。２ｐｐｍｗ ＣＨのＸ６５標本は、Ｋ_ＩＨ２＝５０．３６ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_０Ｈ２＝０．１４ｍｍの平均をもたらした。同様に、Ｓ−Ｌ方向に配向された亀裂に関して、空気中で試験されたＸ６５標本は、Ｋ_Ｑ＝５２．４３ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_０＝０．９８ｍｍの平均をもたらした。０．５ｐｐｍｗ ＣＨのＸ６５標本は、Ｋ_{ＩＨ０．５}＝４７．２５ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_{０Ｈ０．５}＝０．９０ｍｍの平均をもたらした。１ｐｐｍｗ ＣＨのＸ６５標本は、Ｋ_ＩＨ１＝４６．８１ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_０Ｈ１＝０．３２ｍの平均をもたらした。２ｐｐｍｗの水素濃度のＸ６５標本は、Ｋ_ＩＨ２＝４５．９６ＭＰａ ｍ１／２とＣＴＯＤ_０Ｈ２＝０．３９ｍｍの平均をもたらした。

水素誘起破壊の基礎となる破壊メカニズムをよりよく理解するために、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して、Ｓ−ＬおよびＴ−Ｌ方向のＸ６５鋼の破壊表面を分析した。空気中および極端な水素環境（２ＰＰＭ）で試験された標本が、ＳＥＭ分析のために選択された。図１３Ａおよび図１３Ｂは、それぞれ、空気中でＳ−Ｌ方向に破壊されたＸ６５標本の破壊表面の低倍率および高倍率の顕微鏡写真である。示されているように、図１３Ａの低い相対倍率では、破壊表面は目に見える２次亀裂とともに滑らかに見えているが、図１３Ｂの高い高倍率では、顕微鏡写真は、亀裂表面全体に非常に細かい縞模様（ビーチマーク）の存在を示している。ビーチマークは、延性破壊のサインである。図１３Ｃおよび図１３Ｄは、それぞれ、水素環境（２ｐｐｍ）でＳ−Ｌ方向に破壊されたＸ６５標本の破壊表面の低倍率および高倍率の顕微鏡写真である。図１３Ａの顕微鏡写真とは対照的に、図１３Ｃの顕微鏡写真は、大きな連続的な２次亀裂を伴う粗い表面特徴を示す。図１３Ｄに示される高倍率では、水素充填の存在により、孔食が観察され得る。図１３Ｅおよび図１３Ｆは、それぞれ、空気中でＴ−Ｌ方向に破壊されたＸ６５標本の破壊表面の低倍率および高倍率の顕微鏡写真である。図１３Ｅおよび図１３Ｆの顕微鏡写真は、空気中のＴ−Ｌ方向で試験したＸ６５の破壊表面が、より多くの縞模様の存在を除いて、空気中で得られたＳ−Ｌ方向で得られた破壊表面とほぼ同様であることを実証している。図１３Ｆのビーチマークを指す青い矢印および赤い矢印は、２次亀裂を強調している。図１３Ｅおよび図１３Ｆは、それぞれ、水素環境（２ｐｐｍ）でＴ−Ｌ方向に破壊されたＸ６５標本の破壊表面の低倍率および高倍率の顕微鏡写真である。Ｓ−Ｌで観察された破壊表面とは対照的に、水素環境（２ＰＰＭ）でＴ−Ｌ方向に試験されたＸ６５の破壊表面は、２次亀裂がほとんどなく、腐食（ピット）の明確な証拠がない滑らかな表面特徴を示す。ただし、縞模様は、目に見え、空気中でＴ−Ｌ方向を試験したＸ６５サンプルで観察された縞模様と匹敵する。

標本を空気中および水素環境下で破壊するメカニズムをさらに調査するために、ノッチ付き領域および亀裂伝搬経路のエッジで、電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）マッピングを実施した。空気中または水素充填中かどうかによらず、すべての試験サンプルは、同様の亀裂伝搬特性を示し、破壊の主な亀裂がランダムな配向で、かつ微粒子構造体の存在下で粒子を介して伝搬することを確認した。図１４Ａは、空気中で試験されたＸ６５平行（Ｓ−Ｌ）サンプルからのＥＢＳＤ逆極マップを示し、粒子の分布およびそれらの配向を示す。図１４Ａは、すべての粒子を横断する亀裂先端エッジのジグザグ構成を示す。図１４Ｂは、水素環境（２ｐｐｍ）で試験されたＸ６５平行（Ｓ−Ｌ）サンプルからのＥＢＳＤ逆極マップを示す。図１４Ｂのマップはまた、すべての粒子を横断する亀裂先端エッジのジグザグ構成を示す。図１４Ａおよび図１４ＢのＥＢＳＤマップは、２つの異なる環境間の亀裂経路の近傍で、亀裂の伝搬モードに違いがないことを示している。すべての粒子は、それらの配向、それらの形状、またはそれらのサイズに関係なく横断する。

標本のノッチ付き領域の近くおよび遠位にあるＸ６５試験標本の硬度特性に光を当てるために、破壊靭性試験の前に、標本に微小押込み試験を実行した。得られた結果は、（ノッチから遠位の）マトリクス領域のビッカース硬度が約２３６であり、ノッチ領域では、ビッカース硬度が約１９３であることを示す。これらの値は標準偏差と同程度の大きさであるため、空気中または水素充填後かどうかによらず、試験標本のビッカース硬度に顕著な変化はないと結論付けることができる。

図１５Ａは、最大応力強度係数Ｋ対バルク水素濃度（ＣＨ）のグラフである。図１５Ａでは、２ｐｐｍｗまでのＣＨがＴ−Ｌ方向の亀裂平面のＫに影響を及ぼさないことが観察される。図１５Ｂは、亀裂先端開口変位（ＣＴＯＤ）対ＣＨの対応するグラフを示す。図１５Ｂは、水素濃度が最大ＣＴＯＤ値の減少に重要な役割を果たすことを示している。例えば、水素濃度が０．０（ＣＴＯＤ_０）から０．５ｐｐｍ（ＣＴＯＤ_{０Ｈ０．５}）に増加すると、ＣＴＯＤが３３．４％減少し、ＣＴＯＤ_０Ｈ１（１ｐｐｍ）で、ＣＴＯＤが７７．７％減少し、最後に、ＣＴＯＤ_０Ｈ２（２ｐｐｍ）で、８２．３％の減少する（すべてＣＴＯＤ_０と比較して）。図１６Ａおよび図１６Ｂは、Ｓ−Ｌ方向に亀裂平面を有する標本の水素濃度に対するＫおよびＣＴＯＤの類似のグラフである。図１６Ａは、Ｃ_Ｈの増加に伴って、Ｋが、Ｋ_{ＩＨ０．５}で９．９％の減少、Ｋ_ＩＨ１で１４．４％の減少、およびＫ_ＩＨ２で１２．４％の減少で徐々に劣化していることを示す（すべてＫ_Ｑと比較して）。同様に、図１６Ｂは、水素濃度が最大ＣＴＯＤ値の減少に重要な役割を果たすことを示している。最大ＣＴＯＤは、ＣＴＯＤ_{０Ｈ０．５}で７．５％減少し、続いて、ＣＴＯＤ_０Ｈ１で６７．７％劇的に減少し、ＣＴＯＤ_０Ｈ２で６０．４５％減少した状態で劣化している（すべてＣＴＯＤ_０と比較して）。

全体的な結果は、Ｔ−Ｌ方向でより顕著であるＸ６５鋼のバルクのＣ_Ｈを増加させることにより、Ｔ−ＬおよびＳ−Ｌ方向の両方で最大ＣＴＯＤが減少することを実証する。一方で、最大のＫは、Ｃ_Ｈを増加させてもＴ−Ｌ方向には影響されず、Ｓ−Ｌ方向では、Ｃ_Ｈの増加に起因するＫの顕著な減少が観測される。さらに、破壊靭性の結果を２つの方向間で比較すると、Ｔ−Ｌ方向とＳ−Ｌ方向との間の最大Ｋ_Ｑの３．９％の差および最大ＣＴＯＤ_０の２０％の差が、空気中の測定で示される。Ｔ−Ｌ方向では最大Ｋの減少はないが、Ｓ−Ｌ方向では最大１４．４％の減少がある、水素充填標本でも同様の傾向が明らかである。異なる方向の最大ＣＴＯＤ値を比較すると、同じ傾向を見ることができる。両方の方向で減少しているが、方向ごとに異なる減少率が存在する。多くのエンジニアリングクリティカルアセスメント（ＥＣＡ）ツールで、リーミング寿命または限界を評価するために最も広く使用されている破壊靭性パラメータが、応力強度係数（例えば、臨界応力強度係数または最大Ｋ）であることを指摘することは注目に値する。それにもかかわらず、この作業では、試験において最大Ｋは影響を受けないが、ＣＴＯＤは大幅に減少することを示している。ＣＴＯＤは最大Ｋを含むため、評価ツールで水素環境の完全な効果を評価するために、ＥＣＡツールでＣＴＯＤを調整することは非常に興味深いことである。結論として、実行された実験は、Ｓ−Ｌ方向の亀裂が他の方向とは異なる独特な特性で発達することを示した。したがって、この方向の水素誘起破壊を試験するための組み立てられた試験標本ターゲットの開発は、過酷な環境でパイプの金属状態を評価するための重要なツールである。

本明細書に開示されたいずれの構造および機能の細目も、システムおよび方法を限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、当業者に、方法を実装するための１つ以上のやり方を教示するための典型的な実施形態および／または構成として提供されていることを理解されたい。

図面中の類似の数字が、いくつかの図を通して類似の要素を表し、図に関連して説明され、示された構成要素および／またはステップのすべてが、すべての実施形態または構成に必要とされるわけではないことをさらに理解されたい。簡潔にするために、多数のある特定の要素が、「ｅ．ｇ．」の初期使用を含むサブセットで参照されているが、その後の場合では、「ｅ．ｇ．」を使用せずに参照されている。「ｅ．ｇ．」で参照されているサブセットは、すべての同様の要素を指すと理解されるべきであり、「ｅ．ｇ．」なしのサブセットのその後の使用は限定的であるべきではなく、またすべてのそのような同様の要素を表すと理解されるべきである。

本明細書に使用されている専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のものであり、本発明を限定することを意図されるものではない。本明細書で使用される際、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上、他の意味を示すことが明らかな場合を除き、複数形も含むことが意図されるものである。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」という用語は、本明細書で使用する際、述べた特徴、整数、ステップ、作業、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、作業、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。

向きの用語は、本明細書では、単に慣例および参照の目的で使用され、限定するものとして解釈されるべきではない。ただし、これらの用語が見る人を基準にして使用されている可能性があることが分かる。したがって、限定が暗に意味されることもなく、推察されるべきでもない。

また、本明細書に使用されている表現および専門用語は、説明目的のものであり、限定するものと見なされるべきではない。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（伴う）」、およびそれらの異形の使用は、それ以降に挙げられた項目、およびその均等物、ならびに追加項目を包含することを目的としている。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い、その要素を等価物で置き換えることができることを当業者は理解するであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の機器、状況、または材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正が当業者には理解されよう。したがって、本発明が、本発明を実施するのに向けて考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むようになることが意図されている。

１００ プレート
１０５ ノッチ付き構成要素
１０６ 前面
１０７ 中央ノッチ
１０８ 後面
１１０ ノッチ付き構成要素
１１１ 中央ノッチ
１１２ 前面
１１４ 後面
１２２ ソケット
１２４ タブ
１２６ ソケット
１２８ タブ
２１０ 第１の横方向延伸部
２１２ タブ
２１４ ソケット
２２０ 第２の横方向延伸部
２２２ タブ
２２４ ソケット
２３２ 溶接接合部
２３４ 溶接接合部
２４２ 固定ボール要素
２４４ 固定ボール要素
２４６ 第３のボール要素
４０２ 厚さ２０ｍｍの一体的な標本
４０４ 厚さ１０ｍｍの一体的な試験標本
４０５ ボール要素
４１０ ローラーボール要素
４１２ 厚さ２０ｍｍの組み立てられた試験標本
４１４ 横方向延伸部
４１６ ノッチ付き構成要素
４２２ 厚さ１０ｍｍの組み立てられた試験標本
４２４ 横方向延伸部
４２６ ノッチ付き構成要素

Claims (22)

1. 面内破壊靭性評価のための標準試験において材料を試験する方法であって、前記材料サンプルが、構造体の壁に使用されるタイプのものであり、前記方法が、
   前記構造体の前記壁のサンプルを取得することと、
   前記サンプルをノッチ付き構成要素に成形することであって、前記ノッチ付き構成要素が、前記構造体の前記壁の厚さと等しい厚さ寸法を有する平坦な底面と、プロファイルされた上面であって、前記底面の平面に対して垂直に配向された中央ノッチを有する、プロファイルされた上面と、前記中央ノッチの第１の側面上の第１のソケットと、前記中央ノッチの第２の側面上の第２のソケットと、を含む、成形することと、
   第１の横方向延伸部を前記第１のソケットに、および第２の横方向延伸部を前記ノッチ付き構成要素の前記第２のソケットに結合することによって、前記ノッチ付き構成要素の前記底面の厚さを超えて前記サンプルの有効厚さを増加させる、試験標本を組み立てることと、
   面内方向における前記材料の前記破壊靭性を評価するために、前記そのように組み立てられた試験標本に、標準的な破壊靭性試験を適用することと、を含む、方法。
2. 標準的な破壊靭性試験において、前記中央ノッチがＴ−Ｌ方向に開くように配向されるように、前記ノッチ付き構成要素を機械加工することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 標準的な破壊靭性試験において、前記中央ノッチがＳ−Ｌ方向に開くように配向されるように、成形された前記ノッチ付き構成要素を機械加工することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１および第２の横方向延伸部の長さと、前記ノッチ付き構成要素の厚さとの合計が、前記底面から前記プロファイルされた表面の先端まで測定したときに、前記ノッチ付き構成要素の幅の４．５倍以上であるように、前記第１および第２の横方向延伸部を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１および第２のソケットが、前記中央ノッチを中心として対称である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１および第２のソケットが、前記中央ノッチを中心として非対称である、請求項１に記載の方法。
7. 前記標準的な破壊靭性試験が、前記ノッチ付き構成要素の前記底面に力を加える、請求項１に記載の方法。
8. プログラムされたコンピュータおよび前記標準的な破壊靭性試験からのデータを使用して、破壊靭性の有限要素シミュレーションを実行して、前記ノッチ付き構成要素に対する最適な幾何学的パラメータを判定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ノッチ付き構成要素の前記中央ノッチが、第１の幅を有する第１のセクションと、前記第１の幅よりも小さい第２の幅を有する、前記第１のセクションの下に位置付けられた第２のセクションと、を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記第１および第２のソケットが、エルボ形状のノッチである、請求項１に記載の方法。
11. 前記標準的な破壊靭性試験を適用する前に、前記ノッチ付き構成要素を水素で充填することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記水素濃度が所望のレベルに到達するまでの期間にわたって、前記ノッチ付き構成要素が、水素で充填される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ノッチ付き構成要素を、目標定常状態水素濃度まで充填するのに必要とされる電流密度を判定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 複数の水素濃度レベルで、Ｓ−Ｌ方向とＴ−Ｌ方向との間の破壊特性の差を判定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記構造体が、約５ｍｍ〜約７０ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
16. 破壊靭性に関して、構造体の壁に使用される材料を試験するための装置であって、前記装置が、
    （ａ）前記構造体の前記壁の厚さと等しい幅を有する底面、（ｂ）プロファイルされた上面であって、中央ノッチを有する、プロファイルされた上面、（ｃ）前記中央ノッチの第１の側面上の第１ソケット、および（ｄ）前記中央ノッチの第２の側面上の第２のソケット、を有するように成形された前記構造体の前記材料のサンプルから作製されたノッチ付き構成要素と、
    前記ノッチ付き構成要素の前記第１のソケットに結合された、第１の横方向延伸部と、
    前記ノッチ付き構成要素の前記第２のソケットに結合された、第２の横方向延伸部と、を備え、
    前記第１および第２の横方向延伸部が、前記ノッチ付き構成要素の有効幅を延伸して、標準的な破壊靭性試験で使用されるのに十分な長さの組み立てられた試験標本を提供する、装置。
17. 前記ノッチ付き構成要素の前記中央ノッチが、標準的な破壊靭性試験において、Ｔ−Ｌ方向に開くように配向されている、請求項１６に記載の装置。
18. 前記ノッチ付き構成要素の前記中央ノッチが、標準的な破壊靭性試験において、Ｓ−Ｌ方向に開くように配向されている、請求項１６に記載の装置。
19. 前記第１および第２の横方向延伸部の長さと、前記ノッチ付き構成要素の厚さとの合計が、前記底面から前記プロファイルされた表面の先端まで測定したときに、前記ノッチ付き構成要素の幅の４．５倍以上であるように、前記第１および第２の横方向延伸部が形成される、請求項１６に記載の装置。
20. 前記構造体が、約５ｍｍ〜約７０ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１６に記載の装置。
21. 前記壁構造体が、Ｘ６５の鋼で作製されたパイプを含む、請求項１６に記載の装置。
22. 前記ノッチ付き構成要素が、水素で充填されている、請求項１６に記載の装置。