JP4434631B2 - 中性子照射を受けた部材の診断方法 - Google Patents
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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレス鋼やＮｉ基合金からなる原子炉炉内機器等において中性子照射を受けた部材の材料特性変化を検出し良否を診断する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力プラントで運転中に中性子照射を受ける部位の材料は、一般に照射脆化と呼ばれる材質変化が起こり原子力プラントの健全性に影響を及ぼす恐れがある。照射脆化による具体的な材料物性値への影響としては、材料の硬さ及び降伏応力の増加、延性および靭性の低下、さらには応力ひずみ関係として記述される塑性変形抵抗の変化あるいは破壊靭性のようなき裂進展抵抗等の変化として表れる。
【０００３】
プラント機器の健全性を精度良く評価するには、上記の材料特性値を正確に知ることが望ましい。例えば、硬さの変化のみで照射損傷を簡易的に推定することはできるが、それに加えて定量的な機械特性の変化が得られれば、機器の構造健全性を精度よく評価でき、機器信頼性の診断が可能になる。
【０００４】
材料特性値を知るためには、それぞれの材料特性値に適した試験片の形状、寸法がＪＩＳ等の基準に定められていることから、評価対象部位から知りたい材料特性値に対応した形状、寸法の様々な試験片を採取する必要がある。ただし、採取により機器表面部を著しく破壊した場合は、プラント再運転開始前に採取跡を溶接埋め戻し等の補修が必要となる。埋め戻し作業をしない、あるいはできない場合は、試験片採取跡が機器の健全性に及ぼす影響を最小限に抑えるために、採取体積を最小限に抑える技術が提案されており、その例として、下記特許文献１に記載された劣化診断方法においては、破壊試験が可能な限りの最小寸法のミニチュア引張試験片を用いている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１１５００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、中性子照射を受けた部材の損傷を前記部材の機能に影響しない大きさの試料採取により正確に評価することのできる診断方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明の中性子照射を受けた部材の診断方法は、ステンレス鋼またはＮｉ基合金からなり中性子照射を受けた部材の評価対象部位から試料を採取する試料採取工程と、前記試料を測定可能な形状に加工する試料加工工程と、硬さ測定用押込み圧子を前記試料の被測定表面に押し込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程と、前記測定された押込み荷重Ｐと押込み深さｈと前記押込み圧子の形状に依存する比例定数ｋから、硬さＨをＨ＝ｋ・Ｐ／ｈ2の関係式で求め、前記硬さと押込み荷重との関係を求める解析工程と、前記硬さと押込み荷重との関係から前記評価対象部位の機械特性を評価する評価工程とを備えた中性子照射を受けた部材の診断方法であって、前記評価工程は、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きを求め、求めた傾きの値を、機械特性値と硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きの相関関係で定量化されたマスターカーブに適用してその機械特性を評価する工程であるとともに、前記機械特性が加工硬化指数と一様伸びと破断伸びの全てもしくは何れかであることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明の診断方法は、前記試料採取工程は、採取試料の厚さを0.1mm以上20mm以下とし、面積を１mm2以上100 mm2以下とし、前記部材の機能に影響しない形状で試料を採取することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明の診断方法は、前記試料採取工程は、前記試料加工工程においては、試料の測定表面をアルミナ粉またはダイヤモンドペーストによる研磨、あるいは電解研磨とにより平滑に加工することを特徴とする。
請求項４の発明の診断方法は、前記硬さ測定工程においては、三角錐型の圧子を用いて硬さ測定を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明の診断方法は、前記硬さ測定工程においては、押込み荷重100ｍＮ以下の範囲における押込み深さを測定することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本実施の形態の中性子照射を受けた部材の診断方法の流れを示す。まず試料採取工程Ｓ１において、原子炉炉内機器等の中性子照射を受けた部材１の評価対象部位から試料採取を行い、評価する試料３を取得する。試料採取方法としては、切断刃または放電加工を用いた切削による方法を用いる。また採取する試料形状としては、硬さ測定時に最小限必要な大きさである厚さを0.1mm以上20mm以下とし、面積を１mm2以上100 mm2以下とし、評価対象の機能に影響しない範囲の形状とする。
【００１７】
つぎに試料加工工程Ｓ２において、試料３を硬さ測定可能な形状とすべく試料加工を行い、試料３の測定表面をアルミナ粉またはダイヤモンドペーストによる研磨、あるいは電解研磨とにより平滑に研磨する。その後、硬さ測定工程Ｓ３において試料３の被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押し込み、押込み深さと押込み荷重との関係６を求める。このとき使用する硬さ測定用押込み圧子としては、三角錐型の圧子を用いることにより、高感度の機械特性評価を行うことができる。
【００１８】
つぎに硬さ解析工程Ｓ４において、前記得られた押込み深さと押込み荷重との関係６に基づいて硬さ解析を行い、硬さと押込み荷重との関係８を求める。硬さＨはＨ＝ｋ・Ｐ／ｈ2により算出する。ここでｋは押込み圧子の形状に依存する比例係数、Ｐは押込み荷重、ｈは押込み深さである。
【００１９】
つぎに機械特性評価工程Ｓ５において、前記得られた硬さと押込み荷重との関係８から機械特性評価を行い、物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ１０を用いて、降伏応力と引張強さの両方もしくは何れか、または加工硬化指数、一様伸び、破断伸びの全てもしくはいずれかの機械特性値11を得る。
【００２０】
図２は、物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ１０の詳細を説明したものである。すなわち、予め当該評価部位を構成する材料の降伏応力、引張強さ等の機械特性値とある一定の押込み荷重における硬さとの相関関係を定量化しておいたマスターカーブ（ａ），（ｂ）に、評価部位で測定された硬さ値を当てはめることによりこのマスターカーブ（ａ），（ｂ）の両方もしくは何れかによって機械特性値を算出することができる。
【００２１】
また、加工硬化指数、一様伸び、破断伸び等の機械特性値については、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きを求め、その値を傾きの相関関係で定量化されたマスターカーブ（ｃ），（ｄ），（ｅ）に適用し、このマスターカーブ（ｃ），（ｄ），（ｅ）の全てもしくは何れかによって評価することができる。さらに、マスターカーブの（ａ）〜（ｅ）の全てもしくは（ａ），（ｂ）と（ｃ），（ｄ），（ｅ）を組み合わせて使用して評価することも可能である。このとき、評価対象部位の機械的特性を精度よく評価するためには、押込み荷重を100ｍＮ以下の範囲とする押込み硬さ値を取得することが望ましい。
【００２２】
上記のような本実施の形態中性子照射を受ける部材の診断方法において、工程Ｓ１は、中性子照射を受ける部材１の評価対象部位から試料３を採取する試料採取装置によって行い、工程Ｓ２は、試料３を測定可能な形状に加工する試料加工装置によって行い、工程Ｓ３は、硬さ測定用押込み圧子を被測定表面に押し込み、押込み深さと押込み荷重との関係６を求める硬さ測定装置によって行い、工程Ｓ４は、測定された押込み深さと押込み荷重との関係６から硬さと押込み荷重との関係８を求める解析装置によって行い、工程Ｓ５は、硬さと押込み荷重との関係８から物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ１０を用いて試料採取位置の機械特性値11を評価する評価装置によって行う。
【００２３】
なお、本実施の形態の診断方法において、評価対象部位から試料を採取する代わりに、中性子照射を受ける部材の評価対象部位の近傍に予め取り付けた測定用試料を回収し、その試料の機械特性値を評価することにより中性子照射を受ける部材の機械特性を評価してもよい。この方法は、中性子照射を受ける部材から試料採取する方法に比べて試料採取が簡単でありコストが低減できる利点がある。
【００２４】
本実施の形態によれば、中性子照射を受けた原子炉炉内機器等の部材１の機械特性を、前記部材１の機能に影響しない大きさの試料３の採取により、正確に評価することができる。採取する試料３の大きさは、従来の試験方法により降伏応力、引張強さ、加工硬化指数、一様伸び、破断伸び等を求める場合に必要とする試験片に比べ、非常に小さくすることができる。したがって、中性子照射を受けた原子炉炉内機器等の部材１に対して安価で高精度の診断を行うことができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、中性子照射を受けた部材の損傷を前記部材の機能に影響しない大きさの試料採取により正確に評価することのできる診断方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の中性子照射を受けた部材の診断方法を示す流れ図。
【図２】本発明の実施の形態の中性子照射を受けた部材の診断方法における、硬さと押込み荷重との関係から試料採取位置の機械特性を評価する際に使用する物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブを示す図。
【符号の説明】
１…中性子照射を受けた部材、３…試料、６…押込み深さと押込み荷重との関係、８…硬さと押込み荷重との関係、１０…物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ、11…機械特性値、Ｓ１…試料採取工程、Ｓ２…試料加工工程、Ｓ３…硬さ測定工程、Ｓ４…硬さ解析工程、Ｓ５…機械特性評価工程。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレス鋼やＮｉ基合金からなる原子炉炉内機器等において中性子照射を受けた部材の材料特性変化を検出し良否を診断する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力プラントで運転中に中性子照射を受ける部位の材料は、一般に照射脆化と呼ばれる材質変化が起こり原子力プラントの健全性に影響を及ぼす恐れがある。照射脆化による具体的な材料物性値への影響としては、材料の硬さ及び降伏応力の増加、延性および靭性の低下、さらには応力ひずみ関係として記述される塑性変形抵抗の変化あるいは破壊靭性のようなき裂進展抵抗等の変化として表れる。
【０００３】
プラント機器の健全性を精度良く評価するには、上記の材料特性値を正確に知ることが望ましい。例えば、硬さの変化のみで照射損傷を簡易的に推定することはできるが、それに加えて定量的な機械特性の変化が得られれば、機器の構造健全性を精度よく評価でき、機器信頼性の診断が可能になる。
【０００４】
材料特性値を知るためには、それぞれの材料特性値に適した試験片の形状、寸法がＪＩＳ等の基準に定められていることから、評価対象部位から知りたい材料特性値に対応した形状、寸法の様々な試験片を採取する必要がある。ただし、採取により機器表面部を著しく破壊した場合は、プラント再運転開始前に採取跡を溶接埋め戻し等の補修が必要となる。埋め戻し作業をしない、あるいはできない場合は、試験片採取跡が機器の健全性に及ぼす影響を最小限に抑えるために、採取体積を最小限に抑える技術が提案されており、その例として、下記特許文献１に記載された劣化診断方法においては、破壊試験が可能な限りの最小寸法のミニチュア引張試験片を用いている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１１５００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、中性子照射を受けた部材の損傷を前記部材の機能に影響しない大きさの試料採取により正確に評価することのできる診断方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明の中性子照射を受けた部材の診断方法は、ステンレス鋼またはＮｉ基合金からなり中性子照射を受けた部材の評価対象部位から試料を採取する試料採取工程と、前記試料を測定可能な形状に加工する試料加工工程と、硬さ測定用押込み圧子を前記試料の被測定表面に押し込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程と、前記測定された押込み荷重Ｐと押込み深さｈと前記押込み圧子の形状に依存する比例定数ｋから、硬さＨをＨ＝ｋ・Ｐ／ｈ2の関係式で求め、前記硬さと押込み荷重との関係を求める解析工程と、前記硬さと押込み荷重との関係から前記評価対象部位の機械特性を評価する評価工程とを備えた中性子照射を受けた部材の診断方法であって、前記評価工程は、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きを求め、求めた傾きの値を、機械特性値と硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きの相関関係で定量化されたマスターカーブに適用してその機械特性を評価する工程であるとともに、前記機械特性が加工硬化指数と一様伸びと破断伸びの全てもしくは何れかであることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明の診断方法は、前記試料採取工程は、採取試料の厚さを0.1mm以上20mm以下とし、面積を１mm2以上100 mm2以下とし、前記部材の機能に影響しない形状で試料を採取することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明の診断方法は、前記試料採取工程は、前記試料加工工程においては、試料の測定表面をアルミナ粉またはダイヤモンドペーストによる研磨、あるいは電解研磨とにより平滑に加工することを特徴とする。
請求項４の発明の診断方法は、前記硬さ測定工程においては、三角錐型の圧子を用いて硬さ測定を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明の診断方法は、前記硬さ測定工程においては、押込み荷重100ｍＮ以下の範囲における押込み深さを測定することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本実施の形態の中性子照射を受けた部材の診断方法の流れを示す。まず試料採取工程Ｓ１において、原子炉炉内機器等の中性子照射を受けた部材１の評価対象部位から試料採取を行い、評価する試料３を取得する。試料採取方法としては、切断刃または放電加工を用いた切削による方法を用いる。また採取する試料形状としては、硬さ測定時に最小限必要な大きさである厚さを0.1mm以上20mm以下とし、面積を１mm2以上100 mm2以下とし、評価対象の機能に影響しない範囲の形状とする。
【００１７】
つぎに試料加工工程Ｓ２において、試料３を硬さ測定可能な形状とすべく試料加工を行い、試料３の測定表面をアルミナ粉またはダイヤモンドペーストによる研磨、あるいは電解研磨とにより平滑に研磨する。その後、硬さ測定工程Ｓ３において試料３の被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押し込み、押込み深さと押込み荷重との関係６を求める。このとき使用する硬さ測定用押込み圧子としては、三角錐型の圧子を用いることにより、高感度の機械特性評価を行うことができる。
【００１８】
つぎに硬さ解析工程Ｓ４において、前記得られた押込み深さと押込み荷重との関係６に基づいて硬さ解析を行い、硬さと押込み荷重との関係８を求める。硬さＨはＨ＝ｋ・Ｐ／ｈ2により算出する。ここでｋは押込み圧子の形状に依存する比例係数、Ｐは押込み荷重、ｈは押込み深さである。
【００１９】
つぎに機械特性評価工程Ｓ５において、前記得られた硬さと押込み荷重との関係８から機械特性評価を行い、物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ１０を用いて、降伏応力と引張強さの両方もしくは何れか、または加工硬化指数、一様伸び、破断伸びの全てもしくはいずれかの機械特性値11を得る。
【００２０】
図２は、物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ１０の詳細を説明したものである。すなわち、予め当該評価部位を構成する材料の降伏応力、引張強さ等の機械特性値とある一定の押込み荷重における硬さとの相関関係を定量化しておいたマスターカーブ（ａ），（ｂ）に、評価部位で測定された硬さ値を当てはめることによりこのマスターカーブ（ａ），（ｂ）の両方もしくは何れかによって機械特性値を算出することができる。
【００２１】
また、加工硬化指数、一様伸び、破断伸び等の機械特性値については、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きを求め、その値を傾きの相関関係で定量化されたマスターカーブ（ｃ），（ｄ），（ｅ）に適用し、このマスターカーブ（ｃ），（ｄ），（ｅ）の全てもしくは何れかによって評価することができる。さらに、マスターカーブの（ａ）〜（ｅ）の全てもしくは（ａ），（ｂ）と（ｃ），（ｄ），（ｅ）を組み合わせて使用して評価することも可能である。このとき、評価対象部位の機械的特性を精度よく評価するためには、押込み荷重を100ｍＮ以下の範囲とする押込み硬さ値を取得することが望ましい。
【００２２】
上記のような本実施の形態中性子照射を受ける部材の診断方法において、工程Ｓ１は、中性子照射を受ける部材１の評価対象部位から試料３を採取する試料採取装置によって行い、工程Ｓ２は、試料３を測定可能な形状に加工する試料加工装置によって行い、工程Ｓ３は、硬さ測定用押込み圧子を被測定表面に押し込み、押込み深さと押込み荷重との関係６を求める硬さ測定装置によって行い、工程Ｓ４は、測定された押込み深さと押込み荷重との関係６から硬さと押込み荷重との関係８を求める解析装置によって行い、工程Ｓ５は、硬さと押込み荷重との関係８から物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ１０を用いて試料採取位置の機械特性値11を評価する評価装置によって行う。
【００２３】
なお、本実施の形態の診断方法において、評価対象部位から試料を採取する代わりに、中性子照射を受ける部材の評価対象部位の近傍に予め取り付けた測定用試料を回収し、その試料の機械特性値を評価することにより中性子照射を受ける部材の機械特性を評価してもよい。この方法は、中性子照射を受ける部材から試料採取する方法に比べて試料採取が簡単でありコストが低減できる利点がある。
【００２４】
本実施の形態によれば、中性子照射を受けた原子炉炉内機器等の部材１の機械特性を、前記部材１の機能に影響しない大きさの試料３の採取により、正確に評価することができる。採取する試料３の大きさは、従来の試験方法により降伏応力、引張強さ、加工硬化指数、一様伸び、破断伸び等を求める場合に必要とする試験片に比べ、非常に小さくすることができる。したがって、中性子照射を受けた原子炉炉内機器等の部材１に対して安価で高精度の診断を行うことができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、中性子照射を受けた部材の損傷を前記部材の機能に影響しない大きさの試料採取により正確に評価することのできる診断方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の中性子照射を受けた部材の診断方法を示す流れ図。
【図２】本発明の実施の形態の中性子照射を受けた部材の診断方法における、硬さと押込み荷重との関係から試料採取位置の機械特性を評価する際に使用する物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブを示す図。
【符号の説明】
１…中性子照射を受けた部材、３…試料、６…押込み深さと押込み荷重との関係、８…硬さと押込み荷重との関係、１０…物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブ、11…機械特性値、Ｓ１…試料採取工程、Ｓ２…試料加工工程、Ｓ３…硬さ測定工程、Ｓ４…硬さ解析工程、Ｓ５…機械特性評価工程。
Claims (5)
- ステンレス鋼またはＮｉ基合金からなり中性子照射を受けた部材の評価対象部位から試料を採取する試料採取工程と、前記試料を測定可能な形状に加工する試料加工工程と、硬さ測定用押込み圧子を前記試料の被測定表面に押し込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程と、前記測定された押込み荷重Ｐと押込み深さｈと前記押込み圧子の形状に依存する比例定数ｋから、硬さＨをＨ＝ｋ・Ｐ／ｈ2の関係式で求め、前記硬さと押込み荷重との関係を求める解析工程と、前記硬さと押込み荷重との関係から前記評価対象部位の機械特性を評価する評価工程とを備えた中性子照射を受けた部材の診断方法であって、
前記評価工程は、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きを求め、求めた傾きの値を、機械特性値と硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きの相関関係で定量化されたマスターカーブに適用してその機械特性を評価する工程であるとともに、前記機械特性が加工硬化指数と一様伸びと破断伸びの全てもしくは何れかであることを特徴とする中性子照射を受けた部材の診断方法。 - 前記試料採取工程は、採取試料の厚さを0.1mm以上20mm以下とし、面積を１mm2以上100 mm2以下とし、前記部材の機能に影響しない形状で試料を採取することを特徴とする請求項１記載の中性子照射を受けた部材の診断方法。
- 前記試料加工工程においては、試料の測定表面をアルミナ粉またはダイヤモンドペーストによる研磨、あるいは電解研磨とにより平滑に加工することを特徴とする請求項１記載の中性子照射を受けた部材の診断方法。
- 前記硬さ測定工程においては、三角錐型の圧子を用いて硬さ測定を行うことを特徴とする請求項１記載の中性子照射を受けた部材の診断方法。
- 前記硬さ測定工程においては、押込み荷重100ｍＮ以下の範囲における押込み深さを測定することを特徴とする請求項１記載の中性子照射を受けた部材の診断方法。
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