JP4544635B2 - Local corrosion progress evaluation method and local corrosion progress evaluation device - Google Patents

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Description

本発明は、高温水中の金属材料についての局部腐食の進展過程を評価する局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置に関し、特に、高温水中での応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking;SCC)又は腐食疲労割れ(Corrosion Fatigue;CF)を含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置に関する。   The present invention relates to a local corrosion progress process evaluation method and a local corrosion progress process evaluation apparatus for evaluating the progress process of local corrosion of a metal material in high temperature water, and in particular, stress corrosion cracking (SCC) in high temperature water. Alternatively, the present invention relates to a local corrosion progress process evaluation method and a local corrosion progress process evaluation apparatus for evaluating the progress process of local corrosion including corrosion fatigue crack (CF) in terms of an electric circuit.

通常、鉄鋼材料は、腐食環境下で錆等の腐食が発生して進行するが、ステンレス鋼等の錆にくい材料においては、その表面が極めて薄い腐食の皮膜で覆われることにより、腐食の進行が防止されることが知られている。しかしながら、原子力プラントのような高温水環境においては、溶接されたステンレス鋼の残留応力が存在する部位で、鋭敏化した結晶粒界から応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking;以下、SCCという。)の発生と進展とが起こる。   Normally, steel materials progress with corrosion such as rust occurring in a corrosive environment, but in rust-resistant materials such as stainless steel, the surface of the steel material is covered with a very thin corrosion film, so that the corrosion progresses. It is known to be prevented. However, in a high-temperature water environment such as a nuclear power plant, stress corrosion cracking (hereinafter referred to as SCC) is generated from a sensitized grain boundary at a site where residual stress of welded stainless steel exists. And progress.

従来では、このSCCの発生を抑制する方法として、鋭敏化した部材を腐食に強いSUS304LやSUS316Lのような低炭素ステンレス鋼に置き換えたり、貴金属をコーティングしたりする対策がとられてきた。しかしながら、このような対策がとられたとしても、表面加工された原子炉用低炭素ステンレス鋼の母材から新たにSCCの発生が見出されているのが現状である。   Conventionally, as a method for suppressing the occurrence of SCC, measures have been taken to replace a sensitized member with a low-carbon stainless steel such as SUS304L or SUS316L that is resistant to corrosion, or to coat a noble metal. However, even if such measures are taken, the present situation is that the occurrence of SCC is newly found from the base material of the low-carbon stainless steel for reactors that has been surface-treated.

このように各種対策が長年にわたる非常に多くの研究のもとに提案され、実施されてきたにもかかわらず、SCCが繰り返し発生しているのは、その発生・進展のメカニズムが未だに十分に解明されておらず、また、その正確な評価方法も未だに構築されていないことによるためとも考えられる。   Despite the fact that various countermeasures have been proposed and implemented based on a great deal of research over many years, the reason why SCC has repeatedly occurred is still fully elucidated. This is also due to the fact that an accurate evaluation method has not yet been established.

SCCの発生・進展のメカニズムの解明、及びその評価のための実験においては、通常、低速度引張り試験、金属と溶液界面との電気化学的評価、及び破壊力学的手法が用いられてきた。一方、定量的評価としては、SCCの発生・進展現象が、材料、環境及び応力の3要素が同時に作用する現象であることを考え、全腐食経路に電気回路的手法を適用し、腐食メカニズムの解明及び評価を行う方法が検討されてきた(例えば、特許文献1乃至特許文献5等参照。)。   In elucidation of the mechanism of SCC generation / progress and experiments for evaluation thereof, low-speed tensile tests, electrochemical evaluation between metal and solution interface, and fracture mechanics techniques have been used. On the other hand, as a quantitative evaluation, considering that the SCC occurrence / progress phenomenon is a phenomenon in which the three elements of material, environment and stress act simultaneously, an electric circuit method is applied to all corrosion paths, Methods for elucidating and evaluating have been studied (see, for example, Patent Document 1 to Patent Document 5).

特開2003−279684号公報JP 2003-279684 A 特開平9−159601号公報JP-A-9-159601 特開平7−209173号公報JP-A-7-209173 特開平5−142139号公報JP-A-5-142139 特開平5−113397号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-11397

しかしながら、従来の限定された条件下で取得した実験データを用いた評価では、環境条件が変化あるいは変動した場合には、直ちに新たな環境での評価に適用することができないという問題があった。また、従来の電気回路的手法を用いた評価方法は、常温の塩化物環境下での局部腐食進展を評価するものであり、塩化物イオンが殆ど含まれていない高温水中環境下では評価式が異なるため、そのまま適用することはできない。さらに、従来の電気回路的手法を用いた評価方法においては、高温水環境で材料の鋭敏化の程度に応じた評価を行うことができず、また、提案された評価式からは与えられた腐食環境でSCCが発生して進展できるかについての可否を定量的に評価することができないという問題があった。   However, the conventional evaluation using experimental data obtained under limited conditions has a problem that it cannot be immediately applied to evaluation in a new environment when environmental conditions change or change. In addition, the conventional evaluation method using an electric circuit method is to evaluate the progress of local corrosion in a chloride environment at room temperature, and the evaluation formula is obtained in a high-temperature water environment that hardly contains chloride ions. Because it is different, it cannot be applied as it is. Furthermore, in the evaluation method using the conventional electric circuit method, the evaluation according to the degree of sensitization of the material in a high-temperature water environment cannot be performed, and the proposed evaluation formula gives the given corrosion. There has been a problem that it is impossible to quantitatively evaluate whether or not SCC can occur and progress in the environment.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、電気回路的手法を用いて高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食進展過程を評価する斬新な手法を提案し、任意の環境、材質及び作用応力変化に対してSCCを含む局部腐食の起こり得る条件、進展の可否、及び進展速度等を定量的に評価することができる局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and proposes a novel method for evaluating a local corrosion progress process including stress corrosion cracking or corrosion fatigue cracking in high-temperature water using an electric circuit method. , Local corrosion progress process evaluation method and local corrosion progress capable of quantitatively evaluating conditions where local corrosion including SCC, possibility of progress, progress rate, etc. can be evaluated for any environment, material and working stress change An object is to provide a process evaluation apparatus.

本願発明者は、局部腐食進展過程の評価方法について鋭意研究を重ねた結果、電気回路的手法を用いた場合であっても、き裂内部溶液のpH値を計測するのみで局部腐食進展過程を定量的に評価することができる斬新な手法を見出し、本発明をなし得た。   The inventor of the present application has conducted extensive research on the evaluation method of the local corrosion progressing process, and as a result, even if an electric circuit method is used, the local corrosion progressing process can be determined only by measuring the pH value of the crack internal solution. A novel technique capable of quantitative evaluation has been found and the present invention has been achieved.

すなわち、上述した目的を達成する本発明にかかる局部腐食進展過程評価方法は、高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価方法であって、腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第1のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第2のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、き裂内部溶液のpH値を所定の計測手段を用いて計測するpH値計測工程と、上記pH値計測工程にて計測したpH値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を、所定の演算手段によって算出する演算工程とを備えることを特徴としている。   That is, the local corrosion progress process evaluation method according to the present invention that achieves the above-described object is a local corrosion progress process evaluation that evaluates the progress process of local corrosion including stress corrosion cracking or corrosion fatigue cracking in high-temperature water in an electric circuit manner. In the corrosion path, the crack tip is an anode from which the metal elutes, the outer surface of the crack is a first cathode in which oxygen reduction is involved, and the inner wall of the crack is reduced by hydrogen ions. When a local corrosion reaction is expressed by an electric circuit configured as a second cathode in which the metal is involved, and the solution resistance inside and outside the crack is related to the eluted metal ions and hydrogen ions generated by the hydrolysis reaction A pH value measuring step of measuring the pH value of the crack internal solution using a predetermined measuring means, and the electric circuit flows based on the pH value measured in the pH value measuring step. The are crack propagation rate is represented by a metal ion concentration and the hydrogen ion concentration to calculate the current, it is characterized by comprising a calculating step of calculating the predetermined calculation means.

また、上述した目的を達成する本発明にかかる局部腐食進展過程評価装置は、高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価装置であって、腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第1のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第2のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、所定の計測手段を用いて計測したき裂内部溶液のpH値を入力する入力手段と、上記入力手段を介して入力されたpH値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を算出する演算手段とを備えることを特徴としている。   In addition, the local corrosion progress process evaluation apparatus according to the present invention that achieves the above-mentioned object is a local corrosion progress process evaluation that evaluates the progress process of local corrosion including stress corrosion cracking or corrosion fatigue cracking in high-temperature water in an electric circuit manner. In the corrosion path, the crack tip is the anode from which the metal elutes, the crack outer surface is the first cathode in which oxygen reduction is involved, and the crack inner wall is the hydrogen ion reduction When a local corrosion reaction is expressed by an electric circuit configured as a second cathode in which the metal is involved, and the solution resistance inside and outside the crack is related to the eluted metal ions and hydrogen ions generated by the hydrolysis reaction An input means for inputting the pH value of the crack internal solution measured using a predetermined measuring means, and the electric circuit flows based on the pH value input through the input means. It is characterized by comprising calculating means for calculating the crack propagation rate is expressed using the metal ion concentration and hydrogen ion concentration to calculate the flow.

このような本発明にかかる局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置においては、加水分解反応において適用されてきた全金属イオン濃度の代わりに、大きな平衡定数を有する金属イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を算出することにより、鋭敏化の程度がき裂進展過程に及ぼす効果を定量的に評価することができる。   In such a local corrosion progress process evaluation method and local corrosion progress process evaluation apparatus according to the present invention, a metal ion concentration having a large equilibrium constant is used instead of the total metal ion concentration that has been applied in the hydrolysis reaction. By calculating the expressed crack growth rate, the effect of the degree of sensitization on the crack growth process can be quantitatively evaluated.

本発明においては、電気回路的手法を用いた場合であっても、き裂内部溶液のpH値を計測するのみで、高温水中での局部腐食進展過程を定量的に評価することができる。   In the present invention, even when an electric circuit method is used, the local corrosion progressing process in high-temperature water can be quantitatively evaluated only by measuring the pH value of the crack internal solution.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

この実施の形態は、高温水中の金属材料についての応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking;以下、SCCという。)や腐食疲労割れ(Corrosion Fatigue;CF)等を含む局部腐食の進展過程を評価する局部腐食進展過程評価装置である。特に、この局部腐食進展過程評価装置は、任意の環境、材質及び作用応力変化に対して、SCCを含む局部腐食の起こり得る条件、進展の可否、及び進展速度等を定量的に評価することができるものである。   In this embodiment, local corrosion for evaluating the progress of local corrosion including stress corrosion cracking (hereinafter referred to as SCC), corrosion fatigue cracking (CF), and the like of a metal material in high-temperature water. It is a development process evaluation device. In particular, this local corrosion progress process evaluation apparatus can quantitatively evaluate the conditions under which local corrosion including SCC, the possibility of progress, the progress rate, and the like can be quantitatively evaluated for any environment, material and working stress change. It can be done.

なお、本発明は、原子力プラントのような高温水環境下で発生する局部腐食を対象としている。通常、腐食は、常温(室温)腐食と高温腐食とに大別されるが、いずれも温度についての厳密な定義は存在しない。強いて言えば、常温腐食は、一般には、例えば25℃程度の大気温度下での腐食を指す。一方、高温腐食は、使用環境(水中、ガス、燃焼灰等)によって呼び方も異なり、高温水中腐食は、加圧によって達成される100℃以上の水溶液中腐食を称することが多い。原子力プラントのような水中で生じる腐食では、例えば沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor;BWR)では288℃程度、加圧水型原子炉(Pressurized water reactor;PWR)では310℃程度の温度となっている。本発明は、このような常温腐食ではなく、高温水環境下で発生する局部腐食を対象としたものである。   The present invention is directed to local corrosion that occurs in a high-temperature water environment such as a nuclear power plant. Usually, corrosion is roughly classified into normal temperature (room temperature) corrosion and high temperature corrosion, but there is no strict definition of temperature in any of them. Speaking strongly, cold corrosion generally refers to corrosion under atmospheric temperature of about 25 ° C., for example. On the other hand, high-temperature corrosion is also called differently depending on the usage environment (water, gas, combustion ash, etc.), and high-temperature water corrosion is often referred to as corrosion in an aqueous solution of 100 ° C. or higher achieved by pressurization. Corrosion that occurs in water such as a nuclear power plant has a temperature of about 288 ° C. for a boiling water reactor (BWR) and about 310 ° C. for a pressurized water reactor (PWR). . The present invention is directed to local corrosion that occurs in a high-temperature water environment, instead of such room temperature corrosion.

まず、局部腐食進展過程評価装置の具体的な構成及び動作の説明に先立って、この局部腐食進展過程評価装置に適用する評価方法について説明する。   First, prior to the description of the specific configuration and operation of the local corrosion progress process evaluation apparatus, an evaluation method applied to the local corrosion progress process evaluation apparatus will be described.

本発明にて提案する評価方法は、き裂内部の各種イオン濃度の腐食にともなう単位時間あたりの変化を求める速度式に関して、金属イオンによる高温水の加水分解反応において従来技術として適用されてきた全金属イオン濃度の代わりに、大きな平衡定数を有する金属イオン濃度(クロムイオン濃度)を用いるものであり、これにより、鋭敏化の程度がき裂進展過程に及ぼす効果を定量的に評価することができるものである。   The evaluation method proposed in the present invention relates to a rate equation for obtaining a change per unit time associated with corrosion of various ion concentrations inside the crack, and has been applied as a conventional technique in the hydrolysis reaction of high-temperature water with metal ions. A metal ion concentration (chromium ion concentration) having a large equilibrium constant is used in place of the metal ion concentration, and the effect of the degree of sensitization on the crack growth process can be quantitatively evaluated. It is.

また、この評価方法は、き裂内部溶液の金属イオン及び水素イオン濃度の速度式から数学的に導出された数式を構成する因子を用いて、き裂進展の可否及び進展速度等の各種進展過程の特性を定量的に評価することができるものである。   In addition, this evaluation method uses various factors that form mathematical formulas derived from the rate equations for the metal ion and hydrogen ion concentrations in the crack internal solution, and uses various growth processes such as the propriety of crack growth and the growth rate. It is possible to quantitatively evaluate the characteristics.

図1に、SCCを含む局部腐食のき裂部のモデル形状と、そのき裂部内外における腐食に関係するイオン及び分子を示す。局部腐食現象においては、き裂先端部のアノードから金属が金属イオン(Mn+)となって溶出し、その金属イオンの一部が高温水を加水分解して水素イオン(H)を発生する。溶出した金属イオン(Mn+)は、き裂外表面方向へと泳動する。そして、き裂外表面では、溶存酸素(O)が還元され、また、き裂内部で発生した水素イオン(H)は、き裂内側壁面で還元されて水素分子(H)となる。なお、同図においては、き裂外表面を第1のカソードとし、き裂内側壁面を第2のカソードとして示している。 FIG. 1 shows a model shape of a local corrosion crack including SCC, and ions and molecules related to corrosion inside and outside the crack. In the local corrosion phenomenon, metal elutes from the anode at the crack tip as metal ions (M n + ), and some of the metal ions hydrolyze high-temperature water to generate hydrogen ions (H + ). . The eluted metal ion (M n + ) migrates toward the outer surface of the crack. The dissolved oxygen (O 2 ) is reduced on the outer surface of the crack, and the hydrogen ions (H + ) generated inside the crack are reduced on the inner wall surface of the crack to become hydrogen molecules (H 2 ). . In the figure, the outer surface of the crack is shown as the first cathode, and the inner wall surface of the crack is shown as the second cathode.

ここで、このような局部腐食反応を電気回路によって等価的に表現すると、図2に示す電気回路モデルとなる。図1に示した第2のカソードにおいて、水素イオンが還元されて水素分子が生成される反応が生じる場合には、図2中B−E間を流れる電流Iは、図3中矢印で示すように、B→E方向となる。一方、第2のカソードにおいて、水素分子が酸化されて水素イオンが生成される反応が生じる場合には、図2中B−E間を流れる電流Iは、図4中矢印で示すように、E→B方向となる。また、図1に示した第1のカソードにおいて、たとえ水素注入を行うことによって水素分子が酸化されて水素イオンが生成される反応が生じたとしても、酸素による起電力が大きいため、図2中B−C間を流れる電流Iは、流れる電流は小さくなるものの、図3及び図4中矢印で示すように、B→C方向となる。本発明にて提案する評価方法においては、このように各電極の酸化還元反応に変化がある場合には、流れる電流の方向や起電力の方向を考慮して回路計算を行い、電流又はき裂進展速度の評価を行う。 Here, when such a local corrosion reaction is equivalently expressed by an electric circuit, an electric circuit model shown in FIG. 2 is obtained. In the second cathode shown in FIG. 1, when a reaction occurs in which hydrogen ions are reduced to generate hydrogen molecules, the current I 2 flowing between BE in FIG. 2 is indicated by an arrow in FIG. Thus, the B → E direction is obtained. On the other hand, when a reaction occurs in which hydrogen molecules are oxidized and hydrogen ions are generated at the second cathode, the current I 2 flowing between B and E in FIG. 2 is represented by an arrow in FIG. E → B direction. Further, in the first cathode shown in FIG. 1, even if a reaction in which hydrogen molecules are oxidized and hydrogen ions are generated by performing hydrogen injection, the electromotive force due to oxygen is large, so in FIG. The current I 1 flowing between B and C is in the B → C direction as shown by the arrows in FIGS. 3 and 4 although the flowing current is small. In the evaluation method proposed in the present invention, when there is a change in the oxidation-reduction reaction of each electrode as described above, the circuit calculation is performed in consideration of the direction of the flowing current and the direction of the electromotive force, and the current or crack is determined. Evaluate the speed of progress.

具体的に、図2に示す電気回路について、キルヒホッフの法則に基づいて各経路の電流I,I,Iを求めると、次式(1)で表される。 Specifically, when the currents I 1 , I 2 , and I of each path are obtained based on Kirchhoff's law for the electric circuit shown in FIG. 2, it is expressed by the following equation (1).

ここで、電流Iの右辺に存在するC n+は、き裂内部溶液の全金属イオン濃度であり、電流Iの右辺に存在するC は、き裂内部溶液の水素イオン濃度である。また、電流Iの右辺に存在する因子f、及び電流Iの右辺に存在する因子gは、それぞれ、次式(2)及び次式(3)で表される。さらに、次式(2)におけるa、及び次式(3)におけるbは、図2に示す電気回路のアノード、第1のカソード、及び第2のカソードの各起電力及び溶液の電気伝導度に依存する因子であり、それぞれ、次式(4)及び次式(5)で表される。さらにまた、次式(2)及び次式(3)において、a,bは、図2に示す電気回路のアノード、第1のカソード、及び第2のカソード(電極部)の抵抗値及び溶液抵抗値に依存する因子である。また、ε(K)は、応力の作用に対応するき裂先端部の歪み量又は応力拡大係数に依存する因子であり、作用応力に依存すると推定されるき裂先端部の溶解面積の増加率を示す。さらに、次式(4)及び次式(5)において、E,Ec1,Ec2は、それぞれ、アノードの起電力、第1のカソードの起電力、及び第2のカソードの起電力である。さらにまた、Ras,Rc10s,Rc1s,R,Rc2sは、それぞれ、図2に示す電気回路の抵抗値の詳細であり、具体的には、Ras,Rc1s,Rc2sは、き裂部内外の溶液抵抗値であり、Rc10s,Rは、それぞれ、き裂外表面(第1のカソード)及びき裂内側壁面(第2のカソード)の電極抵抗値であり、図2に示す抵抗値との関係は、次式(6)に示すものである。なお、図2に示すRapは、アノードの電極抵抗値である。また、次式(4)及び次式(5)において、Λ 2+,Λ は、それぞれ、金属イオン及び水素イオンの当量伝導度であり、S 2+,S は、それぞれ、き裂内部の金属イオン及び水素イオンの流路面積であり、l 2+,l は、それぞれ、き裂内部の金属イオン及び水素イオンの流路距離である。 Here, C M n + present on the right side of the current I 1 is the total metal ion concentration of the crack internal solution, and C H + present on the right side of the current I 2 is the hydrogen ion concentration of the crack internal solution. is there. Further, the factor f existing on the right side of the current I 1 and the factor g 2 existing on the right side of the current I 2 are expressed by the following equations (2) and (3), respectively. Further, b 0 at a 0 in the equation (2), and the following equation (3), the anode of the electric circuit shown in FIG. 2, the first cathode, and the electrical conductivity of the electromotive force and the solution of the second cathode It is a factor depending on the degree, and is expressed by the following formula (4) and the following formula (5), respectively. Furthermore, in the following expressions (2) and (3), a 1 and b 1 are resistance values of the anode, the first cathode, and the second cathode (electrode part) of the electric circuit shown in FIG. This factor depends on the solution resistance value. Further, ε (K I ) is a factor that depends on the strain amount or stress intensity factor of the crack tip corresponding to the action of the stress, and the increase in the melting area of the crack tip that is estimated to depend on the acting stress. Indicates the rate. Further, in the following expressions (4) and (5), E a , E c1 , and E c2 are an electromotive force of the anode, an electromotive force of the first cathode, and an electromotive force of the second cathode, respectively. . Furthermore, R as , R c10s , R c1s , R a , and R c2s are the details of the resistance values of the electric circuit shown in FIG. 2, respectively. Specifically, R as , R c1s , and R c2s are The solution resistance values inside and outside the crack portion , and R c10s and R a are the electrode resistance values of the outer surface of the crack (first cathode) and the inner wall surface of the crack (second cathode), respectively. The relationship with the resistance value shown in the following equation (6). Note that R ap shown in FIG. 2 is an electrode resistance value of the anode. In the following equations (4) and (5), Λ M 2+ and Λ H + are equivalent conductivities of metal ions and hydrogen ions, respectively, and S M 2+ and S H + are respectively It is a channel area of metal ions and hydrogen ions inside the crack, and l M 2+ and l H + are channel distances of metal ions and hydrogen ions inside the crack, respectively.

また、き裂外表面(第1のカソード)の起電力EC1及びき裂内側壁面(第2のカソード)の起電力EC2は、288℃の高温水を想定した場合には、それぞれ、次式(7)及び次式(8)で表されるように、き裂内部溶液のpHの関数となる。なお、次式(7)及び次式(8)において、PO2,PH2は、それぞれ、酸素分圧及び水素分圧である。 Further, the electromotive force E C2 of the feeder裂外surface (first cathode) the electromotive force E C1 and-out cleft side wall of the (second cathode), when assuming a high temperature water of 288 ° C., respectively, the following As represented by the equation (7) and the following equation (8), it is a function of the pH of the crack internal solution. In the following expressions (7) and (8), P O2 and P H2 are an oxygen partial pressure and a hydrogen partial pressure, respectively.

さらに、溶出した金属イオンによる加水分解反応は、次式(9)乃至次式(11)で表され、中和反応は、次式(12)で表される。   Furthermore, the hydrolysis reaction by the eluted metal ions is represented by the following formula (9) to the following formula (11), and the neutralization reaction is represented by the following formula (12).

これら上式(1)乃至上式(12)を考慮すると、き裂内部溶液の水素イオン濃度C 及び全金属イオン濃度C n+の時間的変化は、それぞれ、次式(13)及び次式(14)に示す速度式で表される。 Considering these equations (1) to (12), the temporal changes in the hydrogen ion concentration C H + and the total metal ion concentration C M n + of the crack internal solution are expressed by the following equations (13) and (13), respectively. It is represented by the velocity equation shown in equation (14).

なお、上式(13)及び上式(14)において、Fは、ファラデー定数であり、nは、溶出した金属イオンの価数であり、C n+,δCr 3+は、それぞれ、き裂内部溶液の全金属イオン濃度及びき裂先端部の金属構成元素であるクロムの組成比率(鋭敏化の程度)を示す。また、上式(13)及び上式(14)において、k,kは、それぞれ、高温水中での正方向速度定数であり、k−1,k−2は、それぞれ、高温水中での負方向速度定数である。ここで、上式(13)における{−}項は、水素イオン(H)及び水酸化物イオン(OH)の中和反応に関するものであるが、高温水中での正方向速度定数kは、十分に大きいとみなすことができるため、中和反応は瞬時に終了する。そのため、上式(13)の速度式を解くにあたっては、この項は省略可能である。これを踏まえ、上式(13)及び上式(14)の速度式を解くと、次式(15)及び次式(16)が得られる。なお、次式(15)及び次式(16)において、δCrは、金属構成元素であるクロムの組成比率であり、KCrは、クロムイオンによる水の加水分解反応の平衡定数である。 In the above equations (13) and (14), F is the Faraday constant, n is the valence of the eluted metal ion, and C M n + and δ Cr 3+ are The total metal ion concentration of the solution and the composition ratio (degree of sensitization) of chromium, which is a metal constituent element at the crack tip, are shown. Moreover, in the above formula (13) and the above formula (14), k 1 and k 2 are respectively positive direction speed constants in high temperature water, and k −1 and k −2 are respectively in high temperature water. Negative direction velocity constant. Here, the {−} term in the above formula (13) relates to the neutralization reaction of hydrogen ions (H + ) and hydroxide ions (OH ), but the forward rate constant k 2 in high-temperature water. Can be regarded as sufficiently large, so that the neutralization reaction ends immediately. Therefore, this term can be omitted in solving the velocity equation of the above equation (13). Based on this, the following equations (15) and (16) are obtained by solving the velocity equations of the above equations (13) and (14). In the following formulas (15) and (16), δ Cr is a composition ratio of chromium, which is a metal constituent element, and K Cr is an equilibrium constant of a water hydrolysis reaction by chromium ions.

したがって、図2に示す電気回路を流れる電流I,I,Iは、次式(17)で表される。 Therefore, currents I 1 , I 2 , and I flowing through the electric circuit shown in FIG. 2 are expressed by the following equation (17).

全電流Iの右辺において、係数を示す(−)項は、電流又はき裂進展速度の大きさを表し、べき項を示す{−}項は、時間依存性を示し、き裂内部イオンの濃縮の可能性を判断する因子を表す。   On the right side of the total current I, the (−) term indicating the coefficient indicates the magnitude of the current or crack growth rate, the {−} term indicating the power term indicates time dependence, and the concentration of ions inside the crack This represents the factor that determines the possibility of.

そこで、き裂内部溶液の金属イオン濃度若しくは水素イオン濃度が濃縮して腐食速度が加速するのか、一定なのか、又は腐食速度が時間経過とともに減少するのかを評価するために、次式(18)に定義する因子Pを利用する。 Therefore, in order to evaluate whether the metal ion concentration or hydrogen ion concentration of the crack internal solution is concentrated and the corrosion rate is accelerated, constant, or whether the corrosion rate decreases with time, the following equation (18) to use the factor P C as defined in.

この因子Pは、時間に依存する。すなわち、き裂内部溶液のイオン濃度又はき裂進展速度は、任意時刻においてP>0である場合には、時間経過とともに増大する方向に進み、P=0である場合には、一定であり、P<0である場合には、時間経過とともに減少する方向に進むことを示す。上式(2)及び上式(3)から、作用応力に依存すると推定されるき裂先端部の溶解面積の増加率ε(K)を変化させたとき、因子P及び因子f並びにg×δCr×KCrを表す曲線を求めることができる。これら曲線のレベル・形状から分類されるパタ−ンとその条件とを図5に示す。 This factor P C is time-dependent. That is, the ion concentration or crack growth rate of the crack internal solution proceeds in a direction that increases with time when P C > 0 at an arbitrary time, and is constant when P C = 0. Yes, if P C <0, it indicates that the process proceeds in a decreasing direction with time. From the above equation (2) and the above equation (3), when changing the increase rate of dissolution area of crack tip portion Ki is presumed to depend on the stress acting epsilon (K I), factor P C and factor f and g A curve representing 2 × δ Cr × K Cr can be obtained. The patterns classified from the levels and shapes of these curves and their conditions are shown in FIG.

図5中パタ−ンAの場合には、パラメ−タPは、作用応力の有無に関係なく正となり、き裂内部溶液のイオン濃度又はき裂進展速度は、時間経過とともに増大することを示す。また、パターンBの場合には、パラメ−タPは、応力に依存しない係数a,a,b,bによって決定される曲線fと曲線g×δCr×KCrとの交点までの範囲にあるε(K)では負となり、交点よりも大きい範囲にあるε(K)では正となる。さらに、パターンCの場合には、パラメ−タPは、作用応力の有無に関係なく負となり、き裂内部溶液のイオン濃度又はき裂進展速度は、時間経過とともに減少することを示す。 Figure 5 pattern - in the case of down A is parameters - data P C becomes positive regardless of the working stresses, ion concentration or crack growth rate of the feeder fissure portion solution to increase with time Show. In the case of the pattern B, the parameters - data P C is the coefficient a 0 that is independent of the stress, a 1, b 0, b 1 of the curve f and curve g 2 × δ Cr × K Cr determined by in the range to the intersection epsilon (K I) in a negative, a positive in ε (K I) is in the range greater than the intersection point. Furthermore, in the case of pattern C, parameters - data P C becomes a negative or without working stress, ion concentration or crack growth rate of the feeder fissure portion solution indicates that decreases with time.

したがって、SCCが発生する条件、すなわち、応力の作用のもとにき裂が進展する条件は、次式(19)に示す条件に限定される。   Therefore, the conditions under which SCC occurs, that is, the conditions under which a crack propagates under the action of stress are limited to the conditions shown in the following equation (19).

一方、上式(17)において、任意時刻tにおけるき裂内金属イオン濃度及び水素イオン濃度を、それぞれ、C n+ ,C とすると、時刻tでのき裂進展速度は、次式(20)で与えられる。なお、次式(20)において、Mは、金属の原子量であり、nは、溶出した金属イオンの価数であり、Fは、ファラデー定数であり、Sは、金属が溶出するき裂先端部の面積であり、ρは、金属の密度である。 On the other hand, in the above equation (17), if the metal ion concentration and the hydrogen ion concentration in the crack at an arbitrary time t are C M n + t and C H + t , respectively, the crack growth rate at time t is It is given by equation (20). In the following formula (20), M is the atomic weight of the metal, n is the valence of the eluted metal ion, F is the Faraday constant, and S is the crack tip from which the metal is eluted. Ρ is the density of the metal.

また、上式(20)のき裂進展速度da/dtの応力依存性は、上式(4)及び上式(5)に示した流路面積Sと流路距離lとの比S/lに破壊力学的関係式を適用し、次式(21)のように求められる。   Further, the stress dependence of the crack growth rate da / dt in the above equation (20) is the ratio S / l of the channel area S and the channel distance l shown in the above equations (4) and (5). By applying a fracture mechanics relational expression, the following equation (21) is obtained.

上式(21)において、σは、溶接や加工による残留応力のような内力又は外力により、き裂先端部から十分に離れた位置において発生する応力であり、σは、金属の降伏応力であり、熱処理や塑性加工を施したり、微量元素を添加したりすることによって変化する。また、上式(21)において、Eは、金属のヤング率(縦弾性係数)であり、A,B,Cは、応力に依存しない定数であり、Dは、"0"を含む応力に依存しない定数である。なお、上式(21)の右辺において定数Dを設けているのは、応力σが"0"であっても、き裂が存在して各電極での起電力が存在する限り、電気回路を構成する抵抗の大きさに応じた電流が流れるため、き裂進展速度da/dtを"0"とみなすことができない場合もあるからである。 In the above equation (21), σ is a stress generated at a position sufficiently away from the crack tip due to an internal force or an external force such as a residual stress due to welding or processing, and σ y is a yield stress of the metal It is changed by heat treatment or plastic working or addition of trace elements. In the above equation (21), E is the Young's modulus (longitudinal elastic modulus) of the metal, A, B, and C are constants that do not depend on stress, and D depends on the stress including “0”. Not a constant. It should be noted that the constant D is provided on the right side of the above equation (21) because, even if the stress σ is “0”, as long as a crack exists and an electromotive force exists at each electrode, the electric circuit This is because there is a case where the crack growth rate da / dt cannot be regarded as “0” because a current corresponding to the magnitude of the resistance constituting the current flows.

なお、上式(4)乃至上式(8)から、因子a,b×δCr×KCr,(1+a)/(1+b)×b×δCr×KCrは、それぞれ、き裂内部溶液のpHの関数となる。任意の高温水温度及び任意の材料のクロム含有量δCrにおいて、各因子とpH値との関係を求めると、図6に示すようになる。同図に示す相関図において、pH値が(1)〜(3)の領域は、図5中パターンAの状態に対応し、pH値が(3)〜(4)の領域は、パターンBの状態に対応し、pH値が(4)以降の領域は、パターンCの状態に対応している。したがって、初期状態においてき裂内部溶液のpH値が(1)のレベルにあった場合には、時間経過とともに応力が材料に付加されていなくても、pH値は自然に(3)のレベルまで低下する。ここで、応力の作用がない場合には、pH値は(3)のレベルで一定となる。一方、よりpH値が低下するには応力の作用が必要となり、pH値は、応力の大きさに応じて、(3)〜(4)の間のうち適切な位置まで低下する。しかしながら、いかに大きな力を作用させても、pH値は、(4)のレベル以下には低下しない。すなわち、腐食が進行した孔食よりSCCが発生する場合等には、最初のき裂内部溶液のpH値が既に(5)のレベルになっていることも考えられるが、時間経過とともに水素イオン濃度は減少し、pH値は、(3)〜(4)の間の応力が作用したレベルまで後戻りし、その位置で一定となる。 From the above equations (4) to (8), the factors a 0 , b 0 × δ Cr × K Cr , (1 + a 1 ) / (1 + b 1 ) × b 0 × δ Cr × K Cr are respectively It is a function of the pH of the crack internal solution. FIG. 6 shows the relationship between each factor and the pH value at an arbitrary hot water temperature and an arbitrary material chromium content δ Cr . In the correlation diagram shown in the figure, the region where the pH value is (1) to (3) corresponds to the state of the pattern A in FIG. 5, and the region where the pH value is (3) to (4) is that of the pattern B. Corresponding to the state, the region having a pH value of (4) or later corresponds to the state of pattern C. Therefore, when the pH value of the crack internal solution is at the level of (1) in the initial state, the pH value will naturally reach the level of (3) even if no stress is applied to the material over time. descend. Here, when there is no action of stress, the pH value becomes constant at the level of (3). On the other hand, the action of stress is required to further decrease the pH value, and the pH value decreases to an appropriate position among (3) to (4) depending on the magnitude of the stress. However, no matter how great force is applied, the pH value does not drop below the level of (4). That is, when SCC is generated from pitting corrosion that has progressed corrosion, the pH value of the initial crack internal solution may already be at the level (5). Decreases, and the pH value returns to the level where the stress between (3) and (4) is applied, and becomes constant at that position.

ここで、パターンBの状態に対応する(3)〜(4)の短い領域が高温水下でのSCCの発生範囲に相当する。したがって、本発明にて提案する評価方法においては、実機のき裂内部溶液のpH値を計測することにより、腐食状態が図6に示す相関図のpH範囲のどのレベルにあるのかを評価することが可能となる。したがって、実測したpH値が(3)のレベルよりも高い場合には、SCCの進展の可能性は小さく、(3)〜(4)の間にある場合には、作用応力をできるだけ減少させる対策が必要であるとか、(4)のレベル以下にある場合には、き裂内部溶液を希釈したり、材料交換の準備をしたり等の評価及び対策をとることが可能となる。また、図6に示す相関図は、装置設計の段階で作成することができるため、この評価方法においては、実機環境を模擬した実験室試験においてSCCのき裂部のpH値を計測し、安全設計に供することができる。さらに、この評価方法においては、実験室試験において計測されたpH値を用いて、上式(20)から、そのときのき裂進展速度を評価することもできる。また、図6中(4)のレベルのpH値は、十分に大きな又は無限大の応力に相当するものであり、このpH値に対するき裂進展速度に基づいて板厚設計を行えば、破壊力学的手法によらず、安全設計をすることも可能となる。   Here, the short regions (3) to (4) corresponding to the state of the pattern B correspond to the generation range of SCC under high temperature water. Therefore, in the evaluation method proposed in the present invention, the level of corrosion in the pH range of the correlation diagram shown in FIG. 6 is evaluated by measuring the pH value of the crack internal solution of the actual machine. Is possible. Therefore, when the measured pH value is higher than the level of (3), the possibility of the progress of SCC is small, and when it is between (3) and (4), a measure to reduce the working stress as much as possible. If it is necessary or is below the level of (4), it becomes possible to take an evaluation and take measures such as diluting the crack internal solution or preparing for material exchange. Further, since the correlation diagram shown in FIG. 6 can be created at the stage of device design, in this evaluation method, the pH value of the crack portion of the SCC is measured in a laboratory test simulating an actual machine environment, and the safety is confirmed. Can be used for design. Furthermore, in this evaluation method, the crack growth rate at that time can also be evaluated from the above equation (20) using the pH value measured in the laboratory test. Further, the pH value at the level (4) in FIG. 6 corresponds to a sufficiently large or infinite stress, and if the plate thickness design is performed based on the crack growth rate with respect to this pH value, the fracture mechanics is obtained. It is also possible to make a safe design regardless of the specific method.

さて、以下では、このような評価方法を適用した本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置について説明する。この局部腐食進展過程評価装置は、金属母材又は粒界のクロム含有量測定に対するき裂進展速度を評価するものである。   Now, a local corrosion progress process evaluation apparatus shown as an embodiment of the present invention to which such an evaluation method is applied will be described below. This local corrosion growth process evaluation apparatus evaluates the crack growth rate with respect to the measurement of the chromium content of a metal matrix or grain boundary.

ここで、図7に、金属材料の粒界のクロム含有量と応力作用に対する最小及び最大き裂進展速度との関係を示す相関図を示す。   Here, FIG. 7 shows a correlation diagram showing the relationship between the chromium content at the grain boundary of the metal material and the minimum and maximum crack growth rates with respect to the stress action.

同図において、実線は、応力が作用した金属のクロム含有量に対する最大き裂進展速度を示し、破線は、最小き裂進展速度を示している。最小き裂進展速度は、図6に示した点Pminの、き裂先端部に応力が作用していない状態で濃縮して一定となったpHの状態に相当し、最大き裂進展速度は、図6に示した点Pmaxのき裂先端部に無限大応力(又は十分に大きな応力)作用した状態で一定となったpHの状態に相当する。局部腐食進展過程評価装置は、様々なクロム含有量に対する相関図について実施することにより、このような評価を得る。 In the figure, the solid line indicates the maximum crack growth rate relative to the chromium content of the metal on which the stress is applied, and the broken line indicates the minimum crack growth rate. The minimum crack growth rate corresponds to a pH state where the concentration is constant when stress is not applied to the crack tip at the point P min shown in FIG. This corresponds to a pH state that is constant when an infinite stress (or a sufficiently large stress) is applied to the crack tip at the point P max shown in FIG. The local corrosion progress evaluation apparatus obtains such an evaluation by performing correlation diagrams for various chromium contents.

具体的には、局部腐食進展過程評価装置は、図8に示すように、被測定物の金属母材1及び溶接部2の表面を走査してクロム濃度を計測する例えば磁気力顕微鏡等からなるセンサー11と、このセンサー11から伝達される電気信号に基づいてクロム濃度を算出する計測部12と、き裂進展速度の算出に必要な所定のデータを入力する入力部13と、計測部12によって算出されたクロム濃度と入力部13を介して入力されたデータとに基づいてき裂進展速度を算出するための諸因子を算出する演算部14と、入力部13を介して入力されたデータと演算部14による計算結果とを画面上に表示する表示部15と、この表示部15に表示された情報を記録及び保存する記録部16とを備える。   Specifically, as shown in FIG. 8, the local corrosion progress process evaluation apparatus includes a magnetic force microscope or the like that measures the chromium concentration by scanning the surface of the metal base material 1 and the welded portion 2 of the object to be measured. The sensor 11, the measurement unit 12 that calculates the chromium concentration based on the electrical signal transmitted from the sensor 11, the input unit 13 that inputs predetermined data necessary for calculating the crack growth rate, and the measurement unit 12 Based on the calculated chromium concentration and the data input via the input unit 13, a calculation unit 14 that calculates factors for calculating the crack growth rate, and the data and calculation input via the input unit 13 The display part 15 which displays the calculation result by the part 14 on a screen, and the recording part 16 which records and preserve | saves the information displayed on this display part 15 are provided.

なお、センサー11は、溶接部2の近傍の溶接残留応力が高い部分のみならず、溶接金属部分、熱影響部及び母材部についても、点又は面としてクロム濃度の計測を行う。そして、それらの結果は、計測位置も含めて表示部15に表示されたり記録部16に保存されたりする。また、センサー11は、母材一般部については、表面が加工されている場合にもクロム濃度を計測する。さらに、局部腐食進展過程評価装置は、必要に応じて、表面から歪みを与えないように加工し、センサー11によって深さ方向のクロム濃度も計測する。   Note that the sensor 11 measures the chromium concentration as a point or a surface not only in a portion having a high welding residual stress in the vicinity of the welded portion 2 but also in a weld metal portion, a heat affected zone, and a base material portion. These results are displayed on the display unit 15 including the measurement position or stored in the recording unit 16. Further, the sensor 11 measures the chromium concentration even when the surface of the base material general part is processed. Furthermore, the local corrosion progress process evaluation apparatus performs processing so as not to give strain from the surface as necessary, and measures the chromium concentration in the depth direction by the sensor 11.

このような局部腐食進展過程評価装置は、図9に示すような一連の手順にしたがって、き裂進展速度を求める。   Such a local corrosion growth process evaluation apparatus obtains the crack growth rate according to a series of procedures as shown in FIG.

まず、局部腐食進展過程評価装置においては、同図に示すように、ステップS1において、センサー11及び計測部12を用いて被測定物の結晶粒界を含む金属の含有クロム量δCrを点計測又は面計測して算出する。また、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS2乃至ステップS5において、入力部13を介してき裂進展速度の算出に必要な所定のデータを入力する。具体的には、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS2において、装置設計仕様条件データとして、温度T、材質、溶存酸素濃度/水素濃度、酸素分圧PO2/水素分圧PH2、割れ寸法S 2+,S ,l 2+,l を入力する。また、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS3において、高温水初期データとして、所定のセンサーによって計測したき裂内部溶液のpH値、イオン当量伝導度Λ 2+,Λ 、クロムイオンによる水の加水分解反応の平衡定数KCrを入力する。さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS4において、電気回路定数データとして、起電力E,Ec1,Ec2、抵抗値Ras,Rc10s,Rc1s,R,Rc2s、抵抗因子a,bを入力する。さらにまた、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS5において、き裂進展速度計算定数データとして、金属の原子量M、金属イオンの価数n、ファラデー定数F、金属の密度ρを入力する。 First, in the local corrosion progress evaluation apparatus, as shown in the figure, in step S1, using the sensor 11 and the measurement unit 12, the chromium content δ Cr of the metal including the crystal grain boundary of the object to be measured is point-measured. Alternatively, it is calculated by measuring the surface. In the local corrosion progress evaluation apparatus, predetermined data necessary for calculation of the crack growth rate is input via the input unit 13 in steps S2 to S5. Specifically, in the local corrosion progress evaluation apparatus, in step S2, as the apparatus design specification condition data, temperature T, material, dissolved oxygen concentration / hydrogen concentration, oxygen partial pressure PO2 / hydrogen partial pressure PH2 , cracking Enter the dimensions S M 2+ , S H + , l M 2+ , l H + . Further, in the local corrosion progress evaluation apparatus, in step S3, the initial value of the high-temperature water is the pH value of the crack internal solution measured by a predetermined sensor, the ion equivalent conductivity Λ M 2+ , Λ H + , and chromium ions. Enter the equilibrium constant K Cr of the water hydrolysis reaction. Further, in the local corrosion progress evaluation apparatus, in step S4, electromotive force E a , E c1 , E c2 , resistance values R as , R c10s , R c1s , R a , R c2s , resistance as electric circuit constant data Factors a 1 and b 1 are input. Furthermore, in the local corrosion growth process evaluation apparatus, in step S5, the atomic weight M of the metal, the valence n of the metal ion, the Faraday constant F, and the density ρ of the metal are input as crack growth rate calculation constant data.

続いて、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS6乃至ステップS8において、計測部12によって算出されたクロム含有量δCrと入力部13を介して入力されたデータとに基づいて、演算部14によってき裂進展速度を算出するための諸因子を算出する。具体的には、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS6において、上式(4)の演算を行い、因子aを算出する。また、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS7において、上式(5)の演算を行い、因子bを算出し、因子b×δCr×KCrを算出する。さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS8において、因子(1+a)/(1+b)×b×δCr×KCrを算出する。 Subsequently, in the local corrosion progress process evaluation apparatus, the calculation unit 14 is based on the chromium content δ Cr calculated by the measurement unit 12 and the data input via the input unit 13 in steps S6 to S8. Calculate the factors for calculating the crack growth rate. Specifically, in the progress of local corrosion process evaluation apparatus, in step S6, it performs the operation of the above equation (4) to calculate a factor a 0. Further, the progress of local corrosion process evaluation device, in step S7, performs calculation of the above equation (5), to calculate the factor b 0, to calculate the factor b 0 × δ Cr × K Cr . Further, in the local corrosion progress process evaluation apparatus, in step S8, the factor (1 + a 1 ) / (1 + b 1 ) × b 0 × δ Cr × K Cr is calculated.

続いて、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS9において、ステップS6乃至ステップS8にて算出した因子と、ステップS5にて入力されたデータとを用いて、演算部14によって上式(20)の演算を行い、き裂進展速度da/dtを算出する。   Subsequently, in the local corrosion progress process evaluation apparatus, in step S9, using the factor calculated in steps S6 to S8 and the data input in step S5, the calculation unit 14 uses the above equation (20). To calculate the crack growth rate da / dt.

そして、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS10において、これまでの演算結果を用いて、演算部14により、図6に示したようなクロム含有量毎のpH値と各因子との関係を示すダイアグラムを作成し、ステップS11において、図6に示した点Pmin,PmaxのpH値、及びき裂進展速度da/dtを算出する。 And in a local corrosion progress process evaluation apparatus, in step S10, using the calculation result so far, the calculation part 14 shows the relationship between the pH value for each chromium content and each factor as shown in FIG. In step S11, the pH values of the points P min and P max shown in FIG. 6 and the crack growth rate da / dt are calculated.

さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップS12において、ステップS10及びステップS11にて算出したデータを用いて、演算部14により、図7に示したようなクロム含有量δCrとき裂進展速度da/dtとの関係を示すダイアグラムを作成し、ステップS13において、作成したダイアグラムを用いて、目的とする最大き裂進展速度を算出し、一連の処理を終了する。 Further, in the local corrosion progress evaluation apparatus, in step S12, using the data calculated in steps S10 and S11, the calculation unit 14 causes the chromium content δ Cr and the crack growth rate as shown in FIG. A diagram showing the relationship with da / dt is created. In step S13, the target maximum crack growth rate is calculated using the created diagram, and the series of processes is terminated.

局部腐食進展過程評価装置は、このような一連の手順にしたがって、き裂進展速度を求め、入力部13を介して入力されたデータとともに表示部15の画面上に表示させたり、記録部16に記録及び保存させたりすることができる。   The local corrosion growth process evaluation apparatus obtains the crack growth rate according to such a series of procedures and displays it on the screen of the display unit 15 together with the data input via the input unit 13 or the recording unit 16. It can be recorded and stored.

以上説明したように、本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置においては、原子炉や高温水下にある金属材料のSCCを含む局部腐食のき裂進展速度を、き裂内部溶液のpH値を計測して高温水初期データとして入力して演算を行うことにより、定量的に評価することができる。また、局部腐食進展過程評価装置においては、微小なき裂内部溶液のpH値の計測が困難な場合であっても、き裂部金属の構成元素であるクロムの濃度やクロム濃度の面分布を計測することにより、全作用応力に対する最小き裂進展速度と最大き裂進展速度とを設計の段階で定量的に評価することが可能となり、また、設計条件が変更になったとしても、必要な因子を含む定量式に基づいて再評価することも容易に行うことができる。さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、SCCの発生範囲が定式化されていることから、環境条件が変化した場合であっても、SCCの発生を抑制する範囲を評価することも可能である。   As described above, in the local corrosion growth process evaluation apparatus shown as an embodiment of the present invention, the crack growth rate of local corrosion including SCC of a metallic material in a nuclear reactor or high-temperature water is determined based on the crack internal solution. It is possible to evaluate quantitatively by measuring the pH value of the sample and inputting it as high-temperature water initial data for calculation. In addition, the local corrosion progress evaluation system measures the concentration of chromium, which is a constituent element of the crack metal, and the surface distribution of the chromium concentration even when it is difficult to measure the pH value of the microcrack internal solution. By doing so, it is possible to quantitatively evaluate the minimum crack growth rate and the maximum crack growth rate for all applied stresses at the design stage, and even if the design conditions are changed, the necessary factors Re-evaluation can be easily performed based on a quantitative formula including Furthermore, in the local corrosion progress process evaluation apparatus, since the generation range of SCC is formulated, it is possible to evaluate the range in which the generation of SCC is suppressed even when the environmental conditions change. .

このように、本発明を適用した局部腐食進展過程評価装置は、電気回路的手法を用いながらも、SCCを含む局部腐食の起こり得る条件、進展の可否、及び進展速度等を定量的に評価し、各種対策をとることができるという、極めて画期的なものである。   As described above, the local corrosion progress process evaluation apparatus to which the present invention is applied quantitatively evaluates the conditions under which local corrosion including SCC can occur, the possibility of progress, the progress rate, etc., while using the electrical circuit method. It is extremely innovative that various measures can be taken.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、き裂先端部に酸化物皮膜が存在する場合については言及していないが、本発明は、かかる場合にもき裂進展速度を評価することができる。   The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, in the above-described embodiment, the case where an oxide film is present at the crack tip is not mentioned, but the present invention can evaluate the crack growth rate even in such a case.

図10に、き裂先端部のき裂進展速度da/dtと因子ε(K)との関係を示す。同図中曲線Aは、き裂先端部に皮膜が存在しない場合を示し、曲線Bは、皮膜抵抗が中程度である場合を示し、曲線Cは、皮膜抵抗が大きい場合を示している。この図からわかるように、例えば、応力を付加しないときに既に曲線Cのように大きな皮膜抵抗を有する皮膜があった場合には、付加応力を増して因子ε(K)が増加すると、き裂進展速度da/dtは、曲線Cに沿って点P0から点P1に増加する。このとき、皮膜の一部が破損して当該皮膜の等価抵抗が曲線Bのレベルまで低下すると、き裂進展速度da/dtは、曲線C上の点P1に対応する曲線B上の点P2から当該曲線Bに沿って点P3まで進行する。さらに、皮膜の破損が進行し、当該皮膜の等価抵抗が0の状態になると、き裂進展速度da/dtは、曲線B上の点P3に対応する曲線A上の点P4から当該曲線Aに沿って点P5まで進行する。すなわち、き裂進展速度da/dtは、全体として応力の付加とともに、P0→P1→P2→P3→P4→P5と進行し、点P1や点P3が閾値とも理解される。したがって、本発明においては、閾値以下の応力に対するき裂進展速度da/dtを、曲線C上の点P0から点P1までの値に基づいて評価することができる。 FIG. 10 shows the relationship between the crack growth rate da / dt at the crack tip and the factor ε (K I ). In the figure, curve A shows the case where no film is present at the crack tip, curve B shows the case where the film resistance is medium, and curve C shows the case where the film resistance is large. As can be seen from this figure, for example, when there is a film having a large film resistance as indicated by curve C when no stress is applied, if the applied stress is increased and the factor ε (K I ) increases, The crack growth rate da / dt increases along the curve C from the point P0 to the point P1. At this time, when a part of the film is broken and the equivalent resistance of the film decreases to the level of curve B, the crack growth rate da / dt is increased from point P2 on curve B corresponding to point P1 on curve C. Proceed along the curve B to the point P3. Further, when the damage of the film proceeds and the equivalent resistance of the film becomes zero, the crack growth rate da / dt is changed from the point P4 on the curve A corresponding to the point P3 on the curve B to the curve A. Proceed along to point P5. That is, the crack growth rate da / dt progresses in the order of P0 → P1 → P2 → P3 → P4 → P5 with the addition of stress as a whole, and the points P1 and P3 are also understood as threshold values. Therefore, in the present invention, the crack growth rate da / dt for stress below the threshold value can be evaluated based on the value from the point P0 to the point P1 on the curve C.

このように、本発明は、き裂先端部に酸化物皮膜が存在する場合には、その皮膜抵抗が、又は、当該酸化物皮膜が応力の付加によって破損している場合には当該酸化物皮膜の等価抵抗が、き裂先端部に相当するアノードの電気化学的抵抗に直列に接続されているものとしてき裂進展速度da/dtを算出し、電気化学的に評価することができる。   Thus, in the present invention, when an oxide film is present at the crack tip, the resistance of the film, or when the oxide film is damaged by the application of stress, the oxide film Can be evaluated electrochemically by calculating the crack growth rate da / dt, assuming that the equivalent resistance of is connected in series to the electrochemical resistance of the anode corresponding to the crack tip.

また、本発明において、き裂進展速度da/dtの応力依存性は、上述したように、一般には上式(21)によって評価することができる。しかしながら、残留応力が存在しない材料から作られた試験片を用いた定荷重試験のような場合には、応力σ,σを一定とみなしても問題はない。そのため、かかる場合には、き裂進展速度da/dtの応力依存性は、次式(22)のように、因子ε(K)や応力拡大係数Kの関数としてのみ評価することができる。 In the present invention, the stress dependence of the crack growth rate da / dt can be generally evaluated by the above equation (21) as described above. However, in the case of a constant load test using a test piece made of a material having no residual stress, there is no problem even if the stresses σ and σ y are regarded as constant. Therefore, in such a case, the stress dependence of the crack growth rate da / dt can be evaluated only as a function of the factor ε (K I ) and the stress intensity factor K I as in the following equation (22). .

さらに、本発明においては、因子ε(K)や応力拡大係数Kが一定である条件のもとに、例えば、溶接、熱処理又は塑性加工による残留応力を考慮してき裂進展速度da/dtを評価する場合には、次式(23)を使用してもよい。 Furthermore, in the present invention, the crack growth rate da / dt is set in consideration of the residual stress due to, for example, welding, heat treatment, or plastic working under the condition that the factor ε (K I ) and the stress intensity factor K I are constant. When evaluating, following Formula (23) may be used.

このように、本発明においては、状況に応じて、き裂進展速度da/dtの応力依存性を適切に評価することができる。特に、本発明においては、き裂先端部の歪みや応力拡大係数Kのみならず、溶接、熱処理若しくは塑性加工による残留応力等の内力又は外力によって発生する、き裂先端部から十分に離れた位置での応力を考慮したき裂進展速度da/dtを定量的に求めることができる。 Thus, in the present invention, the stress dependence of the crack growth rate da / dt can be appropriately evaluated according to the situation. Particularly, in the present invention, not only the distortion and stress intensity factor K I of crack tip section, welded, produced by internal force or external force such as the residual stress due to heat treatment or plastic working, well away from the crack tip portion It is possible to quantitatively determine the crack growth rate da / dt in consideration of the stress at the position.

このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。   Thus, it goes without saying that the present invention can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

SCCを含む局部腐食のき裂部のモデル形状と、そのき裂部内外における腐食に関係するイオン及び分子を示す図である。It is a figure which shows the model shape of the crack part of the local corrosion containing SCC, and the ion and molecule | numerator which are related to the corrosion in the crack inside and outside. 図1に示す局部腐食反応をモデル化した電気回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electric circuit which modeled the local corrosion reaction shown in FIG. 本発明にて提案する評価方法について説明するための図であり、図2に示す電気回路を流れる電流の方向を示す図である。It is a figure for demonstrating the evaluation method proposed by this invention, and is a figure which shows the direction of the electric current which flows through the electric circuit shown in FIG. 本発明にて提案する評価方法について説明するための図であり、図2に示す電気回路を流れる電流の方向であって図3に示す方向とは異なる方向を示す図である。It is a figure for demonstrating the evaluation method proposed by this invention, and is a figure which shows the direction which is the direction of the electric current which flows through the electric circuit shown in FIG. 2, and is different from the direction shown in FIG. き裂内部イオンの濃縮状態を分類した因子のパターンを示す図である。It is a figure which shows the pattern of the factor which classified the concentration state of the crack internal ion. き裂内部溶液のpH値と各因子との関係を示す相関図である。It is a correlation diagram which shows the relationship between the pH value of a crack internal solution, and each factor. クロム含有量と応力作用に対する最小及び最大き裂進展速度との関係を示す相関図である。It is a correlation diagram which shows the relationship between chromium content and the minimum and maximum crack growth rate with respect to a stress action. 本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the local corrosion progress process evaluation apparatus shown as embodiment of this invention. 本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置において、き裂進展速度を求める際の一連の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a series of procedures at the time of calculating | requiring a crack growth rate in the local corrosion progress process evaluation apparatus shown as embodiment of this invention. き裂進展速度da/dtと因子ε(K)との関係を示す相関図である。FIG. 6 is a correlation diagram showing the relationship between crack growth rate da / dt and factor ε (K I ).

符号の説明Explanation of symbols

1 金属母材
2 溶接部
11 センサー
12 計測部
13 入力部
14 演算部
15 表示部
16 記録部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal base material 2 Welding part 11 Sensor 12 Measuring part 13 Input part 14 Calculation part 15 Display part 16 Recording part

Claims (8)

高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価方法であって、
腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第1のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第2のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、き裂内部溶液のpH値を所定の計測手段を用いて計測するpH値計測工程と、
上記pH値計測工程にて計測したpH値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を、所定の演算手段によって算出する演算工程とを備えること
を特徴とする局部腐食進展過程評価方法。
A local corrosion progress evaluation method for evaluating the progress of local corrosion including stress corrosion cracking or corrosion fatigue cracking in high-temperature water in terms of electrical circuit,
Of the corrosion path, the crack tip is the anode from which the metal elutes, the outer surface of the crack is the first cathode involved in the reduction of oxygen, and the inner wall of the crack is the second involved in the reduction of hydrogen ions. The local corrosion reaction is expressed by the electric circuit configured as the cathode of the crack, and when the dissolved metal ions and the hydrogen ions generated by the hydrolysis reaction are related to the solution resistance inside and outside the crack, A pH value measuring step of measuring the pH value of using a predetermined measuring means;
Based on the pH value measured in the pH value measuring step, the crack growth rate expressed using the metal ion concentration and the hydrogen ion concentration for calculating the current flowing through the electric circuit is determined by a predetermined calculation means. A method for evaluating a local corrosion progressing process, comprising: a calculating step for calculating.
上記き裂内部溶液の上記水素イオンに関して、上記金属イオンの水に対する加水分解反応に、溶出した金属構成元素の組成比率が関係付けられていること
を特徴とする請求項1記載の局部腐食進展過程評価方法。
The local corrosion progressing process according to claim 1, wherein the composition ratio of the eluted metal constituent element is related to the hydrolysis reaction of the metal ion with respect to the hydrogen ion of the crack internal solution. Evaluation methods.
上記演算工程では、上記電気回路を流れる電流を算出するための下記式(1)及び下記式(2)に示す因子f,gを用いて、上記き裂進展速度を算出すること
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の局部腐食進展過程評価方法。
In the calculation step, the crack growth rate is calculated using the factors f and g 2 shown in the following formula (1) and the following formula (2) for calculating the current flowing in the electric circuit. The local corrosion progressing process evaluation method according to claim 1 or 2.
応力の作用のもとにき裂が進展する条件を下記式(3)に示す範囲とすること
を特徴とする請求項3記載の局部腐食進展過程評価方法。
The local corrosion growth process evaluation method according to claim 3, wherein a condition under which a crack propagates under the action of stress is within a range represented by the following formula (3).
上記演算工程では、上記き裂進展速度をda/dtとしたとき、下記式(4)を用いて算出し、最小き裂進展速度を、上記き裂先端部に応力が作用していない状態のき裂内部の水素イオン濃度と金属イオン濃度とを用いて評価するとともに、最大き裂進展速度を、上記き裂先端部に十分に大きな又は無限大の応力が作用した状態のき裂内部の水素イオン濃度と金属イオン濃度とを用いて評価すること
を特徴とする請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項記載の局部腐食進展過程評価方法。
In the calculation step, when the crack growth rate is da / dt, the following equation (4) is used to calculate the minimum crack growth rate in a state where no stress acts on the crack tip. In addition to evaluating the hydrogen ion concentration and metal ion concentration inside the crack, the maximum crack growth rate is determined as the hydrogen inside the crack in a state where a sufficiently large or infinite stress is applied to the crack tip. The local corrosion progress process evaluation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the evaluation is performed using an ion concentration and a metal ion concentration.
上記演算工程では、上記き裂先端部に酸化物皮膜が存在する場合には、その皮膜抵抗が、又は、当該酸化物皮膜が応力の付加によって破損している場合には当該酸化物皮膜の等価抵抗が、上記き裂先端部に相当するアノードの電気化学的抵抗に直列に接続されているものとして上記き裂進展速度を算出すること
を特徴とする請求項1乃至請求項5のうちいずれか1項記載の局部腐食進展過程評価方法。
In the calculation step, when an oxide film is present at the crack tip, the resistance of the film, or the equivalent of the oxide film when the oxide film is damaged by the application of stress. 6. The crack growth rate is calculated on the assumption that a resistance is connected in series to an electrochemical resistance of an anode corresponding to the crack tip. The method for evaluating the local corrosion progressing process according to item 1.
上記演算工程では、上記き裂進展速度da/dtを下記式(5)を用いて算出し、その応力依存因子として、因子ε(K)又は応力拡大係数Kの他に、上記き裂先端部から十分に離れた位置での内力又は外力によって発生する応力σと金属の降伏応力σとを用いて評価すること
を特徴とする請求項1又は請求項4記載の局部腐食進展過程評価方法。
In the calculation step, the crack growth rate da / dt is calculated by using the following equation (5), and as the stress dependence factor, in addition to the factor ε (K I ) or the stress intensity factor K I , the crack The local corrosion progressing process according to claim 1 or 4, wherein the evaluation is performed using a stress σ generated by an internal force or an external force at a position sufficiently away from the tip portion and a yield stress σ y of the metal. Evaluation methods.
高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価装置であって、
腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第1のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第2のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、所定の計測手段を用いて計測したき裂内部溶液のpH値を入力する入力手段と、
上記入力手段を介して入力されたpH値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を算出する演算手段とを備えること
を特徴とする局部腐食進展過程評価装置。
A local corrosion progress evaluation device for evaluating the progress of local corrosion including stress corrosion cracking or corrosion fatigue cracking in high-temperature water in an electrical circuit,
Of the corrosion path, the crack tip is the anode from which the metal elutes, the outer surface of the crack is the first cathode involved in the reduction of oxygen, and the inner wall of the crack is the second involved in the reduction of hydrogen ions. When a local corrosion reaction is expressed by an electric circuit configured as a cathode of the electrode and the solution resistance inside and outside the crack portion is related to the eluted metal ions and hydrogen ions generated by the hydrolysis reaction, a predetermined measurement means is used. Input means for inputting the pH value of the crack internal solution measured using
Calculation means for calculating the crack growth rate expressed using the metal ion concentration and the hydrogen ion concentration for calculating the current flowing through the electric circuit based on the pH value input via the input means; An apparatus for evaluating a local corrosion progressing process.
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