JP4124054B2 - 応力腐食割れ導入方法 - Google Patents

Description

本発明は、試験体に応力腐食割れを導入する応力腐食割れ導入方法に関するものである。

沸騰水型原子炉等において使用される圧力容器の保全のために、圧力容器の各部位に対して超音波探傷試験等の非破壊検査が定期的に行われる。しかしながら、非破壊検査においては、特に溶接部は、その組織がデンドライト組織となるため、欠陥の検出が難しい。また、圧力容器の材料として使用されているニッケル基合金等は、ＳＣＣ（応力腐食割れ）感受性を有する。そのため、非破壊検査の技術向上のために、ＳＣＣを溶接部に人為的に導入した試験体を作成し、この試験体を用いて非破壊検査の技術向上を図る必要がある。

従来、ＳＣＣを試験体に導入する方法としては、高温純水中又は溶液中において試験体に応力を付与する方法等が試みられている。このとき、特に高温純水中において導入する方法では、オートクレーブ（加圧釜）を使用するため、試験体に外力を付与するのは困難であった。そのため、試験体に応力を付与する方法としては、溶接による残留応力を利用する方法等が主に採用されている。このような応力腐食割れ導入方法は、特許文献１及び２等にも記載されている。

特開平１１−２０００７６号公報 特開２００２−３３３３９７号公報

しかしながら、従来の応力腐食割れ導入方法には、以下の課題があった。

（１）応力腐食割れを試験体の所望の位置に導入するのが困難である。

（２）応力腐食割れを導入することができる試験体の形状に制限がある。

（３）応力腐食割れを試験体に導入するのに、多大な時間が掛かる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、試験体の形状に制限がなく、短時間で、且つ試験体の所望の位置に応力腐食割れを導入する応力腐食割れ導入方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、一対の管状の母材の端部同士を突き合わせて溶接してなる試験体に応力腐食割れを導入する方法において、上記試験体の溶接部の外周面を覆うように肉盛溶接部を形成し、該肉盛溶接部上に上記試験体の軸方向に延びる予き裂を形成し、上記肉盛溶接部に、上記予き裂を挟むように上記試験体の周方向に間隔を隔てて一対の板状部材を取り付け、上記予き裂が形成された上記肉盛溶接部を腐食環境に保持し、この状態で上記一対の板状部材に上記試験体の周方向に離間する方向に力を加えて上記肉盛溶接部に応力を付与することにより上記予き裂から進展して上記試験体の上記溶接部に達する擬似的な応力腐食割れを生成し、その後上記一対の板状部材及び上記肉盛溶接部を上記試験体から除去するものである。

ここで、上記予き裂は、放電加工により形成されたき裂である、又は、上記予き裂は、放電加工によりき裂を形成し、その後、上記試験体に応力を付与し上記き裂を進展させたものであると良い。

また、上記板状部材により上記肉盛溶接部に応力を付与する際に、擬似的な応力腐食割れを生じさせる上記試験体の溶接部を跨ぐ電位を計測し、この電位の低下により応力腐食割れの導入開始を判定するものであると良い。

本発明によれば、試験体の所望の部位に応力腐食割れを導入することができるという優れた効果を奏する。

本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

まず、本発明の実施の形態ではない参考例として、管状の試験体の外面に、試験体の周方向に延びる擬似的なＳＣＣ（応力腐食割れ）を導入する方法について説明する。

図１〜２に、試験体を示す。図１（ａ）は、試験体の斜視図である。図１（ｂ）は、試験体の部分側面断面図である。図２（ａ）は、試験体の上面図である。図２（ｂ）は、試験体の部分側面断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、試験体１０は、母材１１と、母材１１より大きな外径を有する母材１２と、これら母材１１、１２を繋ぐように形成される溶接部１３とからなる。これらの母材１１、１２及び溶接部１３は、ニッケル基合金からなる。試験体１０は、実際の圧力容器の形状を模したものである。

試験体１０にＳＣＣを導入する手順について説明する。

まず、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、試験体１０の溶接部１３の外周面を覆うように、ニッケル基合金からなる肉盛溶接部１４を形成する。次に、図２（ａ）に示すように、この肉盛溶接部１４の任意箇所に、試験体１０の周方向に延びる予き裂（き裂）１５を放電加工により形成する。即ち、予き裂１５は、放電加工により形成されたき裂である。又は、予き裂１５は、放電加工によりき裂を形成し、その後、試験体１０に応力を付与し、き裂を進展させたものでも良い。ここで、放電加工により予き裂（き裂）１５を形成するのは、予き裂１５の幅や深さを比較的小さくするためである。ここで、この予き裂１５の深さは、試験体１０に達しない程度のものとする。

次に、溶液を予き裂１５が形成された肉盛溶接部１４に浸漬させる（塗布する）ことにより、予き裂１５が形成された肉盛溶接部１４を腐食環境に保持する。例えば、溶液は、テトラチオン酸カリウム溶液であり、テトラチオン酸カリウムの濃度が０．３〜１重量％、溶液のｐＨ値が２〜３の範囲のものとする。

次に、予き裂１５が形成された肉盛溶接部１４を腐食環境に保持した状態で、試験体１０に応力（曲げ応力）を付与する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、母材１２の端面（図中の下側）を固定しておき、母材１１の端面（図中の上側）付近の外周面に、応力Ｗを負荷することで、試験体１０に曲げ応力を付与する。この曲げ応力の付与は、曲げ試験機によって行われると良い。

試験体１０に曲げ応力を付与すると、肉盛溶接部１４に予き裂１５が形成されているので、予き裂１５に集中的な応力が作用する。集中的な応力が付与された予き裂１５は、試験体１０の溶接部１３へと進展する。この予き裂１５から進展したき裂は、試験体１０の溶接部１３に達する。ここで、試験体１０に予き裂１５が形成されていないと、所望の位置に擬似的なＳＣＣを生成するのが難しく、且つ多大な時間を要する。

その後、試験体１０から肉盛溶接部１４を除去する。そうすると、溶接部１３に形成されたき裂の先端部だけが残る。このき裂の先端部は、微小なものであると共に、擬似的なＳＣＣであるので、非破壊検査の試験体として利用できる。

図５を用いて、擬似的なＳＣＣの生成について説明する。

図５（ａ）に示すように、肉盛溶接部１４の表面（図中の上側）に、予き裂１５が形成されているものとする。予き裂１５にそのき裂が開口するように応力が付与されると、予き裂１５は溶接部１３に向かって進展する（き裂ｓが生成される）。この進展したき裂ｓは、溶接部１３に達する。溶接部１３にき裂ｓが進展した状態で、図５（ｃ）に示すように、肉盛溶接部１４を除去する。これによって、溶接部１３にき裂ｓの先端部（擬似的なＳＣＣ）のみが残る。

この参考例によれば、試験体１０に応力を付与することにより、予き裂１５に集中的な応力が作用し、その部分に擬似的なＳＣＣを導入することができる。つまり、予き裂１５を形成することにより、所望の位置に短時間で擬似的なＳＣＣを導入することができるという利点を有する。また、試験体１０の溶接部１３に達する擬似的なＳＣＣを導入した後に、肉盛溶接部１４を除去する。そのため、肉盛溶接部１４に形成された予き裂１５は除去され、擬似的なＳＣＣのみが試験体１０に生成された状態となる。

次に、本発明の実施の形態として、管状の試験体の外面に、軸方向に延びる擬似的なＳＣＣを導入する方法について説明する。

図３に、試験体を示す。図３（ａ）は、試験体の上面図である。図３（ｂ）は、試験体の部分側面断面図である。試験体は、図１と同様のものであり、同一部位には、同一符号を付す。

まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、試験体１０の溶接部１３の外周面を覆うように、ニッケル基合金からなる肉盛溶接部１４を形成する。次に、図３（ａ）に示すように、この肉盛溶接部１４の任意箇所に、試験体１０の軸方向に延びる予き裂（き裂）１６を放電加工により形成する。即ち、予き裂１６は、放電加工により形成されたき裂である。又は、予き裂１６は、放電加工によりき裂を形成し、その後、後述する応力付与部１７を介して試験体１０に応力を付与し、き裂を進展させたものでも良い。

次に、肉盛溶接部１４に、予き裂１６を挟むように応力付与部１７を溶接により取り付ける。本実施の形態においては、応力付与部１７は、二枚の板状部材からなる。応力付与部１７は、炭素鋼からなっても良いし、ニッケル基合金からなっても良い。ここで、応力付与部１７は、試験体１０の周方向へ応力を付与するためのものである。この応力付与部１７がないと、試験体１０の周方向への応力付与が難しい。

その後、溶液を予き裂１６が形成された肉盛溶接部１４に浸漬させる（塗布する）ことにより、予き裂１６が形成された肉盛溶接部１４を腐食環境に保持する。このときの溶液は、上述の参考例と同様の溶液が採用される。

図３（ａ）に示すように、予き裂１６を腐食環境に保持した状態で、応力付与部１７に試験体１０の周方向への応力Ｗを付与する。例えば、応力付与部１７に応力付与手段Ｌを備えて、この応力付与手段Ｌにより応力付与部１７に応力を付与する。要するに、応力付与部１７を介して、試験体１０に応力を付与する。このとき、応力は予き裂１６を試験体１０の周方向へ開くように付与される。

応力付与部１７を介して試験体１０に応力を付与すると、肉盛溶接部１４に予き裂１６が形成されているので、予き裂１６に集中的な応力が作用する。集中的な応力が付与された予き裂１６は、試験体１０の溶接部１３へと進展する。この予き裂１６から進展したき裂は、試験体１０の溶接部１３に達する。ここで、試験体１０に予き裂１６が形成されていないと、所望の位置に擬似的なＳＣＣを生成するのが難しく、且つ多大な時間を要する。

その後、試験体１０から応力付与部１７及び肉盛溶接部１４を除去する。そうすると、溶接部１３に形成されたき裂の先端部だけが残る。このき裂の先端部は、微小なものであると共に、擬似的なＳＣＣであるので、非破壊検査の試験体として利用できる。

この実施の形態によれば、応力付与部１７を介して試験体１０に応力を付与することにより、予き裂１６に集中的な応力が作用し、その部分に擬似的なＳＣＣを導入することができる。つまり、予き裂１６を形成することにより、所望の位置に短時間で擬似的なＳＣＣを導入することができるという利点を有する。また、試験体１０の溶接部１３に達する擬似的なＳＣＣを導入した後に、応力付与部１７及び肉盛溶接部１４を除去する。そのため、肉盛溶接部１４に形成された予き裂１６は除去され、擬似的なＳＣＣのみが試験体１０に生成された状態となる。

なお、上述の実施の形態では、肉盛溶接部１４上に予き裂１６を形成した後、応力付与部１７を取り付けるとしたが、肉盛溶接部１４上に応力付与部１７を取り付けた後、予き裂１６を形成しても良い。

次に、本発明の実施の形態ではない参考例として、管状の試験体の内面に、擬似的なＳＣＣを導入する方法について説明する。

図４に、試験体を示す。図４（ａ）は、試験体の斜視図である。図４（ｂ）は、試験体の部分側面断面図である。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、試験体２０は、母材２１と、母材２１と略同一外径を有する母材２２と、これら母材２１、２２を繋ぐように形成される溶接部２３とからなる。母材２１、２２及び溶接部２３は、ニッケル基合金からなる。

まず、試験体２０の内面を加熱しつつ、試験体２０の外面を冷却する。試験体２０の内面と外面の温度差により、試験体２０の内面に軸方向の引張応力が付与される。試験体２０の加熱及び冷却には、図示しない加熱手段及び冷却手段が用いられる。加熱手段は、高周波コイル等が用いられる。冷却手段は、冷却水を循環させるもの等が用いられる。

次に、図４（ｂ）に示すように、溶接部２３の内面に、擬似的なＳＣＣを部分的に生じさせるために、その他の部位にマスキングを施して、露出部２４を形成する。その後、露出部２４に溶液を浸積させる（塗布する）ことにより、腐食環境に保持する。このときの溶液は、上述の実施の形態と同様の溶液が採用される。引張応力が付与された露出部２４には、試験体２０の周方向に擬似的なＳＣＣが生成される。

この参考例によれば、擬似的なＳＣＣを生じさせる部位が露出するように、その他の部位をマスキングして露出部２４を形成している。そのため、マスキングを施した部位は、溶液による影響を受けず、露出部２４に擬似的なＳＣＣが生成される。即ち、マスキングを施して露出部２４を形成することにより、試験体２０の所望の位置に擬似的なＳＣＣを形成することができる。

なお、本参考例は、試験体２０の内面に擬似的なＳＣＣを導入したが、試験体２０の外面に擬似的なＳＣＣを導入することも可能である。その場合、試験体２０の外面を加熱して、試験体２０の内面を冷却すれば良い。

また、擬似的なＳＣＣを生じさせる部位上に肉盛溶接部を設け、その肉盛溶接部上に予き裂を形成しても良い。この方法によれば、より短時間で且つ所望の位置に擬似的なＳＣＣを導入することができる。

また、試験体２０は、管状であるとしたが、板状であっても良い。その場合、試験体２０の一側面を加熱して、試験体２０の他側面を冷却すれば良い。

ここで、上述の実施の形態及び参考例において、試験体１０、２０に擬似的なＳＣＣを生成する際に、ＳＣＣ（き裂）の進展がモニタリングできるとよい。

以下、ＳＣＣ（き裂）の進展をモニタリングする方法について説明する。

本発明者らは、ＳＣＣ（き裂）の発生と試験体の電位との関係を確認するために、試験体の擬似的なＳＣＣを生じさせる部位を跨ぐ電位を計測した。

その結果を図６に示す。図６に示すように、試験開始直後、比較的早い時刻ｔ１に、電位が低下した。これは、試験体の表面にＳＣＣ（き裂）が発生した影響と考えられる。このとき、電位は、０．１Ｖ以上低下した。つまり、試験体には、試験開始直後にＳＣＣ（き裂）が発生したと思われ、ＳＣＣ（き裂）の発生は、電位の低下と対応すると考えられる。

即ち、試験体に擬似的なＳＣＣを生成する際に、擬似的なＳＣＣを生じさせる部位を跨ぐ電位を計測し、この電位の低下によりＳＣＣの導入開始を判定することができる。具体的には、電位の低下は、例えば、電位が０．１Ｖ程度低下したときとするのが望ましい。

き裂の進展速度は、諸条件（試験体の材質、腐食環境、応力等）によって、異なるので、試験によりＳＣＣ（き裂）の進展速度と導入開始の時刻より経過した時間の関係を算出する。この関係により、試験体への応力の付与時間を制御することにより、ＳＣＣ（き裂）の深さが制御できると考えられる。言い換えれば、電位が低下した後の試験体への応力の付与時間を制御することにより、ＳＣＣ（き裂）の深さが制御できる。

この実施の形態によれば、擬似的なＳＣＣを生じさせる部位を跨ぐ電位測定に基づいて、ＳＣＣの導入開始を判定することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態には限定されない。

試験体１０、２０（又は、応力付与部１７）への応力の付与に先立ち、試験体１０、２０に熱処理（例えば、４５０℃で、２００ｈ）を施すと良い。こうすることで、試験体１０、２０の組織が鋭敏化され、より短時間でＳＣＣを導入することができる。

また、試験体１０、２０の材質は、ニッケル基合金には限定されない。試験体１０、２０の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼が使用できる。

また、試験体１０、２０を腐食環境に保持するために、試験体１０、２０の擬似的なＳＣＣを生じさせる部位に溶液を浸積させるとしたが、パッド等に溶液を含有させ、このパッド等を擬似的なＳＣＣを生じさせる部位に取り付けても良い。これにより、溶液を擬似的なＳＣＣを生じさせる部位に浸漬させることができる。

図１（ａ）は、試験体の斜視図であり、図１（ｂ）は、試験体の部分側面断面図である。 図２（ａ）は、試験体の上面図であり、図２（ｂ）は、試験体の部分側面断面図である。 図３（ａ）は、本発明の好適な実施の形態に係る試験体の上面図であり、図３（ｂ）は、本発明の好適な実施の形態に係る試験体の部分側面断面図である。 図４（ａ）は、試験体の斜視図であり、図４（ｂ）は、試験体の部分側面断面図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、擬似的なＳＣＣの生成を説明するための概略図である。 図６は、時間−電位線図である。

符号の説明

１０、２０ 試験体
１４ 肉盛溶接部
１５、１６ 予き裂
１７ 応力付与部
２４ 露出部

Claims (3)

1. 一対の管状の母材の端部同士を突き合わせて溶接してなる試験体に応力腐食割れを導入する方法において、上記試験体の溶接部の外周面を覆うように肉盛溶接部を形成し、該肉盛溶接部上に上記試験体の軸方向に延びる予き裂を形成し、上記肉盛溶接部に、上記予き裂を挟むように上記試験体の周方向に間隔を隔てて一対の板状部材を取り付け、上記予き裂が形成された上記肉盛溶接部を腐食環境に保持し、この状態で上記一対の板状部材に上記試験体の周方向に離間する方向に力を加えて上記肉盛溶接部に応力を付与することにより上記予き裂から進展して上記試験体の上記溶接部に達する擬似的な応力腐食割れを生成し、その後上記一対の板状部材及び上記肉盛溶接部を上記試験体から除去することを特徴とする応力腐食割れ導入方法。
2. 上記予き裂は、放電加工により形成されたき裂である、又は、上記予き裂は、放電加工によりき裂を形成し、その後、上記試験体に応力を付与し上記き裂を進展させたものである請求項１に記載の応力腐食割れ導入方法。
3. 上記板状部材により上記肉盛溶接部に応力を付与する際に、擬似的な応力腐食割れを生じさせる上記試験体の溶接部を跨ぐ電位を計測し、この電位の低下により応力腐食割れの導入開始を判定する請求項１又は２に記載の応力腐食割れ導入方法。

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