JP4774515B2 - Prediction method of stress corrosion cracking behavior and remaining life of actual structure - Google Patents
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Description
本発明は、発電プラントなどの構造材料における応力腐食割れによる微小な表面き裂の発生、合体、進展の挙動を予測する実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法とその実構造物における寿命または現時点からの余寿命(以下「余寿命」という)を予測する余寿命予測方法に関する。 The present invention relates to a method for predicting the stress corrosion cracking behavior of a real structure that predicts the occurrence, coalescence, and propagation behavior of micro surface cracks due to stress corrosion cracking in structural materials such as power plants, and the life of the actual structure or from the present time. The remaining life expectancy (hereinafter referred to as “remaining life”) is predicted.
発電プラントなどの機器および構造物(以下「実構造物」ともいう)の損傷、破壊は人命にかかわるとともに多大な経済的損失を招くことから、これらの実構造物の健全性、信頼性の確保は重要な課題である。また、既に長年使用してきた構造物をさらに有効に利用するため、安全に長い期間使用する技術の開発が望まれている。 Damage and destruction of equipment and structures such as power plants (hereinafter also referred to as “real structures”) are life threatening and cause great economic loss. Therefore, ensuring the soundness and reliability of these real structures. Is an important issue. In addition, in order to make more effective use of structures that have already been used for many years, it is desired to develop a technology that can be used safely for a long period of time.
経年劣化という観点からは、低応力、腐食環境下で徐々に進行する応力腐食割れ(以下「SCC」とも言う)対策が特に重要となっている。SCCは材料、環境および応力の組合せにより生ずる極めて複雑な破壊現象であり、その挙動を学術的に解明するための詳細な研究と実際の発電プラントなどの構造材料のSCC挙動、余寿命を予測する手法の開発が行われている。SCC挙動を解明するための研究は、実験室レベルで、加速環境下で試験を行い、腐食ピットの発生、ピットからの微小な表面き裂の発生、微小な表面き裂の合体による進展性表面き裂の形成、表面き裂の進展と合体による大き裂の形成などの挙動が明らかにされている。 From the viewpoint of aging degradation, countermeasures against stress corrosion cracking (hereinafter also referred to as “SCC”) that gradually proceeds in a low stress, corrosive environment are particularly important. SCC is an extremely complicated fracture phenomenon caused by a combination of materials, environment and stress. Detailed research for scientifically elucidating its behavior and predicting SCC behavior and remaining life of structural materials such as actual power plants A method is being developed. Research to elucidate the SCC behavior is conducted at the laboratory level in an accelerated environment, and a progressive surface is generated by the generation of corrosion pits, the occurrence of minute surface cracks from the pits, and the coalescence of minute surface cracks Behaviors such as the formation of cracks, the growth of surface cracks and the formation of large cracks by coalescence have been clarified.
一方、発電プラントなどの構造物におけるSCC挙動と余寿命評価は、特許文献1にあるように、機器および実構造物中に負荷をかけた金属試験片を入れ、実構造物環境でのSCC挙動を採取するとともに、実験室レベルでの加速試験を行い、実構造物環境でのSCCデータと加速試験データから、実構造物環境での未来のSCC挙動を予測し、余寿命を評価する方法が提案されている。また、特許文献2にあるように、実構造物中から材料を切出し、SCC感受性について試験を行い、余寿命を評価する方法が提案されている。これらに開示されているように、実際の構造物のSCC挙動、余寿命評価法として既に提案されている方法は、比較的大きくなった検出可能なき裂(数mm〜10数mm)を捉え、その後のき裂進展挙動により余寿命を予測しようとするものであり、微小な表面き裂の発生および合体により検出可能な表面き裂が形成されるまでの過程は考慮されていない。 On the other hand, SCC behavior and remaining life evaluation in structures such as power plants are performed as described in Patent Document 1, by placing loaded metal test pieces in equipment and actual structures, and SCC behavior in actual structure environments. In addition, the laboratory tests the acceleration test at the laboratory level, predicts the future SCC behavior in the actual structure environment from the SCC data and the acceleration test data in the actual structure environment, and evaluates the remaining life. Proposed. Further, as disclosed in Patent Document 2, a method has been proposed in which a material is cut out from an actual structure, tested for SCC sensitivity, and the remaining life is evaluated. As disclosed in these, the SCC behavior of an actual structure, the method already proposed as a remaining life evaluation method, captures a relatively large detectable crack (several mm to several tens mm), The remaining life is to be predicted by the subsequent crack propagation behavior, and the process up to the formation of a minute surface crack and the formation of a detectable surface crack by coalescence is not considered.
非特許文献1に見るように、SCCにおける微小なき裂の発生から合体、進展により大き裂にいたる確率過程を考慮したシミュレーション方法が提案されている。しかし、これは、一様応力場の貫通き裂を仮定し、合体条件、進展条件も特定の実験結果に基づいており、実験室レベルの実験の再現シミュレーションにとどまっており、実構造物環境のSCC挙動を予測できるまでには至っていない。 As seen in Non-Patent Document 1, there has been proposed a simulation method that takes into account a stochastic process from the generation of a small crack in SCC to coalescence and progress to a large crack. However, this assumes a uniform stress field penetration crack, and the coalescence and propagation conditions are also based on specific experimental results. SCC behavior has not been predicted.
上記のように、これまでの実際の機器および構造物におけるSCC挙動、余寿命の予測方法においては、SCCにおける検出可能な表面き裂が形成されるまでの微小な表面き裂の発生、合体および進展の過程が考慮されておらず、合理性、信頼性が充分ではなく、そのために過度に安全側の評価とせざるを得なかった。また、微小なき裂の発生過程、合体、進展を考慮したシミュレーションによる方法も、実際の機器および構造物に適用し得るようには至っていない。
本発明は、実際の機器及び構造物に見られるような任意の応力分布下にある構造材料の腐食環境との接触表面における微小な表面き裂の発生、合体、進展により検出可能な寸法の表面き裂が形成されるまでの過程とその後の表面き裂進展と合体により大き裂が形成されるまでの過程をコンピュータシミュレーションにより予測する方法と予測結果に基づいて余寿命を予測する方法を提供しようとするものである。 The present invention provides a surface of a size that can be detected by the occurrence, coalescence, and propagation of microscopic surface cracks in the contact surface of a structural material with a corrosive environment under any stress distribution as found in actual equipment and structures. Let's provide a method for predicting the process until a crack is formed and the process until the formation of a large crack by surface crack growth and coalescence by computer simulation and a method for predicting the remaining life based on the prediction result It is what.
実構造物環境における表面き裂の発生を確率過程とし、表面き裂の合体および進展を確定過程とするアルゴリズムによって、実構造物の応力腐食割れの挙動を予測する実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法であって、前記アルゴリズムでは、実構造物の解析領域における応力分布を考慮するために前記解析領域内を複数の応力領域に分割して同応力領域ごとに引張応力を設定し、表面き裂発生過程における表面き裂の発生時間は、表面き裂発生可能数と累積確率分布に基づく乱数により割り当てられ、前記表面き裂発生可能数は、前記応力領域ごとの面積に応じて決定され、前記累積確率分布は、前記応力領域ごとの引張応力に応じて決定され、前記表面き裂の合体および進展過程においては、表面き裂のき裂長さとき裂深さとの比であるアスペクト比を用いてき裂の進展を予測することを特徴として成るものである。
Stress corrosion cracking behavior of an actual structure predicting the stress corrosion cracking behavior of an actual structure by an algorithm that assumes the occurrence of surface cracks in a real structure environment as a stochastic process and the coalescence and propagation of surface cracks as a definite process In the prediction method, the algorithm divides the analysis area into a plurality of stress areas in order to consider the stress distribution in the analysis area of the actual structure, and sets the tensile stress for each of the stress areas. The generation time of the surface crack in the crack generation process is assigned by a random number based on the number of possible surface cracks and the cumulative probability distribution, the number of possible surface cracks is determined according to the area for each stress region, the cumulative probability distribution, the determined in accordance with the tensile stress of each stress region, in the coalescence and development processes of the surface crack, a crack prudent裂深Satono ratio of surface crack a Those comprising as a feature to predict the evolution of have cleft with and aspect ratio.
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また請求項2記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項1の要件に加え、前記累積確率分布は、加速試験や実構造物環境下の試験片により得られたデータに基づき得ることを特徴として成るものである。
The stress corrosion cracking behavior prediction method for an actual structure according to claim 2 is based on the data obtained from the acceleration test and the test piece under the actual structure environment in addition to the requirement of claim 1. It is characterized by obtaining.
また請求項3記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、前記要件に加え、前記アルゴリズムでは、表面き裂の発生位置は一様分布の乱数により、表面き裂長さは正規分布の乱数によるものとしたことを特徴として成るものである。
In addition to the above requirements, the method for predicting stress corrosion cracking behavior of an actual structure according to claim 3 is characterized in that, in the algorithm, the occurrence position of the surface crack is a random number with a uniform distribution, and the surface crack length is a random number with a normal distribution. It is characterized by the fact that
また請求項4記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、前記要件に加え、前記アルゴリズムでは、近隣の表面き裂との先端間距離が臨界距離内となった表面き裂同士は合体させるとしたことを特徴として成るものである。
In addition to the above requirements, the method for predicting stress corrosion cracking behavior of an actual structure according to claim 4 is characterized in that, in the algorithm, the surface cracks whose distance from the tip to a neighboring surface crack is within the critical distance are combined. It is characterized by the fact that
また請求項5記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項4の要件に加え、前記臨界距離は、合体領域半径rcとして、
で与えられることを特徴として成るものである。
The stress corrosion cracking behavior prediction method according to claim 5 actual structure described, in addition to the requirements of claim 4, wherein the critical distance, the coalescence region radius r c,
It is characterized by being given by.
また請求項6記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項4の要件に加え、前記合体後の表面き裂のき裂長さは合体前の2個の表面き裂を含んだ長さ寸法とし、き裂深さは2個の表面き裂の内のより深い方の深さ寸法としたことを特徴として成るものである。
Further, the stress corrosion cracking behavior prediction method for a real structure according to claim 6 includes, in addition to the requirements of claim 4 , the crack length of the surface crack after coalescence includes two surface cracks before coalescence. The length dimension is used, and the crack depth is characterized by the deeper one of the two surface cracks.
また請求項7記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項4乃至6の要件に加え、幾つかの表面き裂同士が臨界距離内にあるとき、多数の表面き裂間の相互作用を考慮した表面き裂同士が合体するとしたことを特徴として成るものである。
In addition to the requirements of claims 4 to 6 , the method for predicting stress corrosion cracking behavior of a real structure according to claim 7 includes a plurality of surface cracks between several surface cracks when they are within a critical distance. It is characterized by the fact that the surface cracks considering the interaction are combined.
また請求項8記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項7の要件に加え、前記多数の表面き裂間の相互作用を考慮した表面き裂同士とは、表面き裂同士が合体する条件を満たす全ての表面き裂の組について先端間距離dを計算し、これを該当する表面き裂同士でつくる合体領域半径rcで除した値d/rcが最も小さい表面き裂同士であるとしたことを特徴として成るものである。
The stress corrosion cracking behavior prediction method for an actual structure according to claim 8 is characterized in that, in addition to the requirements of claim 7 , the surface cracks considering the interaction between the multiple surface cracks are the surface cracks. There calculates the tip distance d for a set of all surface cracks satisfies coalescing,-out coalescence region radius r c divided by the d / r c is the smallest surface to make the surface-out裂同worker to the appropriate this It is characterized by the fact that it is a fissure.
また請求項9記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項3乃至8の要件に加え、表面き裂の発生、合体、及び進展により応力解放された応力解放域内には、次の表面き裂の発生、合体、又は進展はできないとしたことを特徴として成るものである。
In addition to the requirements of claims 3 to 8 , the method for predicting stress corrosion cracking behavior of a real structure according to claim 9 includes the following in the stress release region where the stress is released by the generation, coalescence, and propagation of surface cracks: It is characterized by the fact that the generation, coalescence, or propagation of the surface cracks of the film is impossible.
また請求項10記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項9の要件に加え、前記応力解放域内とは、当該表面き裂のき裂長さを直径とする円内としたことを特徴として成るものである。
In addition to the requirements of claim 9 , the stress corrosion cracking behavior prediction method for an actual structure according to claim 10 is a circle whose diameter is the crack length of the surface crack. Is a feature.
また請求項11記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項3乃至10の要件に加え、前記アルゴリズムでは、表面き裂の合体および進展は、直前の表面き裂発生からの時間Δtの間において、当該時間Δtを細分割して逐次進行させるとしたことを特徴として成るものである。
Further, the stress corrosion cracking behavior prediction method for an actual structure according to claim 11 is characterized in that, in addition to the requirements of claims 3 to 10 , in the algorithm, the coalescence and progress of the surface crack are the time from the occurrence of the immediately preceding surface crack. This is characterized in that the time Δt is subdivided and sequentially advanced during Δt.
また請求項12記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項1の要件に加え、前記アルゴリズムは、実構造物の解析領域と該解析領域における応力分布を設定するステップ1と、各応力領域および全領域における発生可能表面き裂数を得るステップ2と、各応力領域で発生可能な全ての表面き裂数に対する発生時間を各応力領域の累積確率分布に基づく乱数により割り当てて全領域で発生可能な全ての表面き裂数の発生時間を決定するステップ3と、表面き裂の発生は割り当てられた表面き裂発生時間の短いものから順に該当の応力領域に生じ得るとして、そのき裂発生位置はその応力領域内の一様乱数により、そのき裂長さは正規乱数により割り当てるステップ4と、き裂発生位置が応力解放域内であった場合には、当該表面き裂は発生できなかったものとして、次の表面き裂発生について前記ステップ4へ戻るステップ5と、き裂発生位置が応力解放域外であった場所には、当該表面き裂を発生させるとともに直前の表面き裂発生からの時間Δtを計算するステップ6と、応力解放域外において近隣の表面き裂との先端間距離が臨界距離内になったときは、近隣の表面き裂と合体させるステップ7と、合体が進んで進展性表面き裂長さに達した表面き裂を表面き裂進展特性に基づいて時間Δtに相当する分だけ進展させるステップ8とを有していることを特徴として成るものである。
In addition to the requirement of claim 1, the algorithm for predicting stress corrosion cracking behavior of an actual structure according to claim 12 includes the step of setting an analysis region of the actual structure and a stress distribution in the analysis region; Step 2 to obtain the number of surface cracks that can be generated in each stress region and all regions, and assign the generation time for all surface cracks that can be generated in each stress region by random numbers based on the cumulative probability distribution of each stress region. Step 3 for determining the number of generation times of all surface cracks that can occur in the region, and the generation of surface cracks can occur in the corresponding stress region in order from the shortest surface crack generation time. The crack initiation position is assigned by a uniform random number within the stress region, and the crack length is assigned by a normal random number. Step 4 If the crack initiation location is within the stress release region, In step 5 that returns to step 4 for the next occurrence of surface cracks, and where the crack generation position is outside the stress release zone, the surface crack is generated and the immediately preceding surface is generated. A step 6 for calculating the time Δt from crack initiation, and a step 7 for merging with a neighboring surface crack when the tip-to-tip distance with the neighboring surface crack is within a critical distance outside the stress release zone; And a step 8 of causing the surface crack that has progressed to coalescence to reach the length of the progressing surface crack to propagate by the time Δt based on the surface crack propagation characteristics. .
また請求項13記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法は、請求項12の要件に加え、前記ステップ7の合体では、合体後の表面き裂のき裂長さは合体前の2個の表面き裂を含んだ長さ寸法とし、き裂深さは2個の表面き裂の内のより深い方の深さ寸法としたことを特徴として成るものである。
Further, the stress corrosion cracking behavior prediction method for a real structure according to claim 13 is not limited to the requirements of claim 12 , and in the coalescence of step 7, the crack length of the surface crack after coalescence is two before the coalescence. The length dimension includes the surface crack, and the crack depth is the deeper dimension of the two surface cracks.
また請求項14の余寿命予測方法は、請求項1乃至13記載の応力腐蝕割れ挙動予測方法を多数回繰り返して、その統計的特性から限界き裂長さに達するまでの余寿命を推定することを特徴として成るものである。
The remaining life prediction method according to claim 14 repeats the stress corrosion cracking behavior prediction method according to claims 1 to 13 many times, and estimates the remaining life until the critical crack length is reached from its statistical characteristics. It consists of features.
本発明によれば、発電プラントなどの腐食環境下にある実構造物の応力腐食割れ挙動および余寿命を、精度よく予測することができるのである。特に、請求項1記載の発明によれば、微小な表面き裂の発生段階からの挙動をよく予測することができる。 According to the present invention, it is possible to accurately predict the stress corrosion cracking behavior and remaining life of an actual structure in a corrosive environment such as a power plant. In particular, according to the first aspect of the present invention, the behavior from the generation stage of a minute surface crack can be well predicted.
また、請求項1記載の発明によれば、実構造物の実際の応力分布を反映した挙動として予測することができる。
Further , according to the invention described in claim 1, it is possible to predict the behavior reflecting the actual stress distribution of the actual structure.
また、請求項1記載の発明によれば、微小な表面き裂の発生段階における発生時間を実際に沿う挙動として予測することができる。
Further, according to the first aspect of the invention, it can be predicted as behavior actually along the generation time in the developmental stage of-out fine surface cracks.
請求項2記載の発明によれば、実構造物の構造材料、応力分布、環境の実体を反映した挙動として予測することができる。
According to invention of Claim 2, it can estimate as a behavior reflecting the structural material of an actual structure, stress distribution, and the substance of an environment.
請求項3記載の発明によれば、微小な表面き裂の発生段階におけるき裂の発生形状を実際に沿う挙動として予測することができる。
According to the third aspect of the present invention, it is possible to predict the crack generation shape at the generation stage of the minute surface crack as a behavior along the actual condition.
請求項4記載の発明によれば、表面き裂の合体条件を考慮した挙動として予測することができる。
According to invention of Claim 4, it can estimate as a behavior in consideration of the coalescence conditions of the surface crack.
請求項5記載の発明によれば、表面き裂の合体段階における合体を、実構造物の構造材料、応力分布、環境の実体を反映した挙動として予測することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, coalescence at the coalescence stage of surface cracks can be predicted as a behavior reflecting the structural material, stress distribution, and environmental substance of the actual structure.
請求項6記載の発明によれば、表面き裂の合体段階における合体を、より実際に沿う挙動として予測することができる。特に、この発明によれば、貫通き裂を仮定した場合とは顕著に異なる挙動として予測することができる。
According to the sixth aspect of the present invention, the coalescence at the coalescence stage of the surface crack can be predicted as a more realistic behavior. In particular, according to the present invention, it is possible to predict a behavior that is significantly different from the case where a through crack is assumed.
請求項7記載の発明によれば、表面き裂の合体段階における合体を、多数のき裂が近接する場合の挙動として予測することができる。
According to the seventh aspect of the present invention, coalescence in the coalescence stage of surface cracks can be predicted as a behavior when a large number of cracks are close to each other.
請求項8記載の発明によれば、表面き裂の合体段階における合体を、多数のき裂が近接する場合の挙動としてよりよく予測することができる。
According to the eighth aspect of the present invention, coalescence in the coalescence stage of surface cracks can be better predicted as a behavior when a large number of cracks are close to each other.
請求項9記載の発明によれば、表面き裂の発生、合体、進展により当該き裂の近辺は応力解放されるということを考慮した挙動として予測することができる。
According to the invention described in claim 9, it can be predicted as a behavior considering that stress is released in the vicinity of the crack due to the generation, coalescence, and propagation of the surface crack.
請求項10記載の発明によれば、表面き裂の発生、合体、進展により応力解放域を実際に即しつつ簡単に表現するので、応力解放を考慮した挙動を合理的な所要時間で予測することができる。
According to the invention described in claim 10 , since the stress release region is simply expressed by the occurrence, coalescence and progress of the surface crack, the behavior considering the stress release is predicted in a reasonable time. be able to.
請求項11記載の発明によれば、表面き裂の合体および進展をより精度の高い挙動として予測することができる。
According to the eleventh aspect of the invention, it is possible to predict the coalescence and propagation of surface cracks as a more accurate behavior.
請求項12記載の発明によれば、実構造物における応力分布を反映するとともに表面き裂の発生、合体、進展の各過程を考慮した挙動として予測することができる。
According to the twelfth aspect of the present invention, the stress distribution in the actual structure can be reflected and the behavior can be predicted in consideration of each process of generation, coalescence, and propagation of the surface crack.
請求項13記載の発明によれば、実構造物における応力分布を反映するとともに表面き裂の発生、合体、進展の各過程を考慮した挙動として予測するのであるが、表面き裂の合体段階における合体をより実際に沿う挙動として、貫通き裂を仮定した場合とは顕著に異なる挙動として予測することができる。
According to the invention of claim 13 , it reflects the stress distribution in the actual structure and predicts the behavior in consideration of each process of generation, coalescence, and propagation of the surface crack. It can be predicted that the coalescence is a behavior that actually follows the behavior, and that the behavior is significantly different from the case where the penetration crack is assumed.
請求項14記載の発明によれば、実構造物における応力分布を反映するとともに表面き裂の発生、合体、進展の各過程を考慮した挙動として予測した結果並びにその統計学的な値として、より実際に即した余寿命を予測することができる。
According to the invention of claim 14, as a result of reflecting the stress distribution in the actual structure and predicting the behavior in consideration of each process of generation, coalescence and progress of the surface crack, and as a statistical value thereof, It is possible to predict the remaining life according to the actual situation.
本発明を実施するための最良の形態は、以下の実施例に述べるものをその一つとするとともに、更にその技術思想内において改良し得る種々の手法をも含むものである。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention includes one described in the following examples, and further includes various methods that can be improved within the technical idea.
そこで、本発明のSCCに対する実構造物の余寿命予測方法の概略流れ図を、図1に示す。本発明余寿命予測方法では、まず、構造材料の実験室での加速試験および実構造物環境での小型試験片における微小な表面き裂の発生、合体、進展の挙動に関するデータを取得する。そして、これらのデータをインプットデータとして、実構造物におけるSCC表面き裂の発生、合体、進展の確率過程と確定過程を考慮したコンピュータシミュレーションを行う。このコンピュータシミュレーションには本発明実構造物の応力腐食割れ挙動予測方法を用いるが、本発明余寿命予測方法では、このコンピュータシミュレーションを何度か繰り返すことで、限界表面き裂に達するまでのSCC寿命が統計量として得られるので、実構造物の余寿命を予測できることとなる。 Therefore, FIG. 1 shows a schematic flow chart of the method for predicting the remaining life of an actual structure for the SCC of the present invention. In the remaining life prediction method of the present invention, first, data on the accelerated test in the laboratory of the structural material and the behavior of the occurrence, coalescence, and propagation of the minute surface crack in the small test piece in the actual structure environment are acquired. Then, using these data as input data, computer simulation is performed in consideration of the stochastic process and confirmation process of SCC surface crack generation, coalescence, and propagation in actual structures. In this computer simulation, the stress corrosion cracking behavior prediction method of the actual structure of the present invention is used. In the present residual life prediction method, the SCC life until the critical surface crack is reached by repeating this computer simulation several times. Is obtained as a statistic, and the remaining life of the actual structure can be predicted.
ここで、SCC環境にある構造材料では、まず、平滑表面に多数の非進展性の微小な表面き裂が発生し、近接して発生した他の微小表面き裂と合体する。そして、この合体した表面き裂がある臨界長さになると、以降は、定常的なき裂進展を開始する。この微小な表面き裂の発生過程は発生時間、発生位置、き裂長さに関して確率過程であり、き裂の合体および進展は確定過程であるから、SCC挙動の定量的評価には確率論的アプローチと確定論的アプローチの導入が必須である。故に、本発明実構造物の応力腐食割れ挙動予測方法は、微小な表面き裂の発生は、発生時間、発生位置、き裂長さの各確率過程に基づいてランダムに生じ、き裂の合体と進展は破壊力学の概念に基づいて確定的に起こるものとしたモンテカルロ法によるコンピュータシミュレーションであることに特徴がある。次に、そのコンピュータシミュレーションのアルゴリズムを、図2に示すフローチャートを用いて説明する。 Here, in a structural material in an SCC environment, first, a large number of non-progressive micro surface cracks are generated on a smooth surface and coalesced with other micro surface cracks generated in close proximity. Then, when this united surface crack has a certain critical length, thereafter, steady crack propagation starts. The generation process of this small surface crack is a stochastic process with respect to generation time, generation position, and crack length, and the coalescence and propagation of cracks are definite processes, so a stochastic approach is used for quantitative evaluation of SCC behavior. The introduction of a deterministic approach is essential. Therefore, in the method for predicting stress corrosion cracking behavior of the actual structure of the present invention, the occurrence of minute surface cracks occurs randomly based on the stochastic processes of occurrence time, occurrence position, and crack length, and The progress is characterized by computer simulations based on Monte Carlo methods that are deterministic based on the concept of fracture mechanics. Next, the computer simulation algorithm will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
Step1:まず、解析すべき領域と該解析領域における応力分布を設定する。実構造物中の部材(構造材料)の受ける応力分布は、残留応力も含めて、本来は滑らかに変化するが、ここでは、説明を簡単にするため、例えば、図3に示すような階段状に変化する応力分布を考える。すなわち、各応力領域の面積をA1,・・・,Anとする。 Step 1: First, an area to be analyzed and a stress distribution in the analysis area are set. The stress distribution received by the member (structural material) in the actual structure changes smoothly including the residual stress, but here, for the sake of simplicity, for example, a stepped shape as shown in FIG. Consider the stress distribution that changes to. That is, the area of each stress regions A 1, · · ·, and A n.
Step2:発生する表面き裂は、表面長さ2a、深さb、アスペクト比b/a=αの半楕円表面き裂とし、き裂の表面寸法は結晶粒オーダーで、き裂は引張応力方向にほぼ垂直に発生すると考える。従って、図4に示すように、1結晶領域に1個の微小な表面き裂が発生可能となるので、各応力領域および全領域(解析領域)における発生可能表面き裂数は次の数式2と数式3により与えられる。
Step3:表面き裂の発生は時間tにおける表面き裂発生の累積確率分布Fi(t)により記述される。Fi(t)は応力に依存する関数であるので、図3の各応力領域の累積確率分布は異なる関数により記述されることとなる。各応力領域のNkmax個の表面き裂に対する発生時間が各応力領域の累積確率分布に基づく乱数により割り当てられ、Nmax個の表面き裂に対する発生時間が各決定される。 Step 3: Surface crack initiation is described by the cumulative probability distribution F i (t) of surface crack initiation at time t. Since F i (t) is a function depending on stress, the cumulative probability distribution of each stress region in FIG. 3 is described by a different function. The generation time for N kmax surface cracks in each stress region is assigned by a random number based on the cumulative probability distribution of each stress region, and the generation times for N max surface cracks are respectively determined.
Step4:表面き裂の発生は、Step3により割り当てられた発生時間の短い表面き裂から順に生じ、また、その対応する応力領域内でのき裂発生位置(表面き裂中心のx,y座標)はその応力領域内の一様乱数により、さらに、き裂長さは正規乱数により決定される。 Step 4: Surface cracks are generated in order from the surface crack with the shortest occurrence time assigned in Step 3, and the crack generation position in the corresponding stress region (x, y coordinates of the surface crack center) Is determined by a uniform random number in the stress region, and the crack length is determined by a normal random number.
Step5:既に存在する表面き裂の上下は応力解放により表面き裂の発生しにくい場所となるので、表面き裂発生位置が図5(a)に示すような場所、すなわち応力解放域内となった場合には、新たな表面き裂は発生できないものとして、Step4に戻って、次の発生時間の表面き裂について、き裂発生位置、き裂長さに対する新しい乱数に基づく割り当てが行われる。なお、応力解放域は、例えば、き裂長さを直径とする円内などとして設定することができる。 Step 5: Since the top and bottom of the existing surface cracks are places where surface cracks are unlikely to occur due to stress release, the surface crack generation position is in the place shown in Fig. 5 (a), that is, within the stress release area. In this case, assuming that a new surface crack cannot be generated, the process returns to Step 4 to assign a new crack number to the crack generation position and crack length based on a new random number for the next generation crack. The stress release area can be set, for example, in a circle having a crack length as a diameter.
Step6:表面き裂の発生が可能となった場合、直前のき裂発生時間からの間隔時間Δtが計算され、次のStep7およびStep8でΔt時間における表面き裂の合体および進展が計算されることとなる。 Step 6: When a surface crack can be generated, the interval time Δt from the previous crack generation time is calculated, and the coalescence and propagation of the surface crack at Δt time are calculated in the next Step 7 and Step 8. It becomes.
Step7:き裂の合体については、表面き裂の両先端に応力集中が起きることを考慮する。すなわち、表面き裂の先端に応力拡大係数によって記述される活性化領域を考慮し、1つの表面き裂の右側(左側)先端と他の表面き裂の左側(右側)先端が近づくと、表面き裂の合体が生ずるとする。ここで、図6に示すように、断面半楕円状となる表面き裂の応力拡大係数は、き裂の表面部、最深部において、次の数式4により各評価される。
いくつかの表面き裂同士が上記の合体条件を満たす場合には、図9に示すように、条件を満たす全ての組について先端間距離dを計算し、これを該当する表面き裂同士でつくる合体領域半径rcで除した値d/rcが最も小さい表面き裂同士を合体させることとする。これにより、先端間距離が短くて大きな表面き裂同士であるほど合体しやすいことになる。 When several surface cracks satisfy the above-mentioned coalescence condition, as shown in FIG. 9, the distance d between the tips is calculated for all the conditions that satisfy the condition, and these are formed by the corresponding surface cracks. the value d / r c obtained by dividing the combined region radius r c is the possible to combine the smallest surface-out裂同workers. As a result, the distance between the tips is shorter and the larger the surface cracks, the easier the coalescence.
表面き裂の合体によりできる新たな表面き裂を図10に示す。合体によりできた表面き裂の表面寸法は合体前の2個の表面き裂を含んだ長さ、深さ寸法は2個の表面き裂の内より深い方の深さ寸法とした。したがって、表面き裂の合体によりアスペクト比b/aの小さい表面き裂になる。実は、この点が貫通き裂の場合と顕著に異なる。すなわち、アスペクト比が小さくなるということは、図7の曲線からも分かるように、き裂表面部での応力拡大係数KIAの修正係数であるところのFAが小さくなることを意味し、結果、貫通き裂の場合のシミュレーションのように、き裂が長くなればなるほど合体し易くなって、瞬く間にき裂が進展しまうという、現実とは掛け離れた挙動予測してしまうことを回避し、より現実に合致した挙動予測を行えるということに通ずるのである。 FIG. 10 shows a new surface crack formed by coalescence of surface cracks. The surface dimension of the surface crack formed by coalescence was the length including the two surface cracks before coalescence, and the depth dimension was the depth dimension deeper than the two surface cracks. Therefore, a surface crack with a small aspect ratio b / a is formed by coalescence of the surface cracks. In fact, this point is significantly different from the case of a through crack. That is, the smaller aspect ratio means that the F A, which is the correction factor of the stress intensity factor K IA at the crack surface, becomes smaller, as can be seen from the curve in FIG. As in the case of a simulation in the case of a through-crack, the longer the crack is, the easier it is to coalesce and the crack progresses in an instant, avoiding predicting behavior far from reality, This leads to the ability to predict behavior that more closely matches reality.
Step8:その後、合体により進展性表面き裂長さに達した表面き裂は、種々の文献等でも紹介されている通り、き裂進展特性(da/dt-KI関係)に基づいて定常進展を開始するので、進展性表面き裂長さに達した全ての表面き裂に対して、表面き裂の進展量が計算される。この際、表面き裂の表面方向での表面き裂進展量は前述した表面部での応力拡大係数KIA、深さ方向の表面き裂進展量は同じく最深部での応力拡大係数KIBを用いて計算される。 Step8: Then, a surface crack reaching the development surface crack length by coalescence, as has been introduced in various documents such as the steady progress based on crack growth properties (da / dt-K I relationship) As it begins, the amount of surface crack propagation is calculated for all surface cracks that have reached the length of the progressive surface crack. At this time, the surface crack growth amount in the surface direction of the surface crack is the stress intensity factor K IA in the surface portion, and the surface crack growth amount in the depth direction is the stress intensity factor K IB in the deepest portion. Calculated using
なお、Step7およびStep8において、表面き裂の合体と進展は既に存在する表面き裂による応力解放の影響を受けるので、図5(b)、(c)に示すように、応力解放域内にある表面き裂とは合体せず、その応力解放域の中へは進展しないものとした。また、Δt時間におけるき裂の合体と進展は、Δtをある時間間隔に細分割してStep7とStep8を繰返すことにより逐次進行するように計算するのが予測精度を上げる点で好ましいが、逆に、その分だけ余計に計算時間を要することとなるので、妥当な時間間隔に細分割してこれを行うのが良い。 In Step 7 and Step 8, since the coalescence and progress of the surface crack are affected by the stress release by the existing surface crack, as shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c), the surface within the stress release region It was assumed that it did not coalesce with the crack and would not progress into the stress relief zone. In addition, it is preferable from the viewpoint of improving prediction accuracy that the coalescence and progress of cracks in Δt time are calculated so as to proceed sequentially by subdividing Δt into a certain time interval and repeating Step 7 and Step 8. Since this requires extra calculation time, it is better to subdivide it into reasonable time intervals.
Step9:図2に示したフローチャートでは、最大表面き裂長さが設定した限界表面き裂長さに達するまで、Step4からStep8が新しい表面き裂の発生に対して繰返されるものとしている。尤も、本発明実構造物の応力腐食割れ予測方法においては、必ずしも、最大表面き裂長さが設定した限界表面き裂長さに達するまで繰り返す必要はなく、求めている挙動が把握できればそれで良く、逆に、き裂の発生も、合体も、進展も、何れも進行しないデッドロックの時点まで繰り返しても良いものである。 Step 9: In the flowchart shown in FIG. 2, Step 4 to Step 8 are repeated for the generation of a new surface crack until the maximum surface crack length reaches the set limit surface crack length. However, in the method for predicting stress corrosion cracking of the actual structure of the present invention, it is not always necessary to repeat until the maximum surface crack length reaches the set limit surface crack length, as long as the desired behavior can be grasped. In addition, the occurrence of cracks, coalescence, and progress may be repeated up to the point of deadlock where neither progresses.
Step10:最大表面き裂長さが設定した臨界長さに達すると、時間経過に対する表面き裂の分布、各表面き裂の表面寸法、深さ寸法を出力してシミュレーションを終了する。なお、同様にして、その他の挙動の情報を出力して良いこと勿論である。 Step 10: When the maximum surface crack length reaches the set critical length, the distribution of the surface cracks over time, the surface dimensions and depth dimensions of each surface crack are output, and the simulation is terminated. Of course, other behavior information may be output in the same manner.
一回のシミュレーションで求める挙動が把握できればそれで良いが、本シミュレーションを新たな乱数にて繰り返すことにより、設定されたSCC条件下でのSCC挙動の統計的特性を予測できることになる。例えば、15回のシミュレーションを行い、ある限界表面き裂長さを設定すると、図11に示すように、時間に対して限界表面き裂長さに達する事象(SCC寿命)の累積確率を確率紙にプロットすることにより、限界表面き裂長さに達するまでの余寿命を統計量として推定できることなる。 It is sufficient if the behavior to be obtained can be grasped by one simulation, but by repeating this simulation with a new random number, the statistical characteristics of the SCC behavior under the set SCC conditions can be predicted. For example, when fifteen simulations are performed and a certain limit surface crack length is set, as shown in FIG. 11, the cumulative probability of an event (SCC life) reaching the limit surface crack length with respect to time is plotted on probability paper. By doing so, the remaining life until the limit surface crack length is reached can be estimated as a statistic.
以上の通り、本発明実構造物の応力腐食割れ挙動予測方法は、微小な表面き裂の発生可能数を設定し、表面き裂発生時間に対して表面き裂発生の累積確率分布に基づく乱数を用いることを可能にしていること、シミュレーション領域内の応力分布を考慮していること、表面き裂の発生、合体、進展を考慮していることを特徴としており、これにより、実構造物における構造材料の実時間に対するSCC挙動のシミュレーションを可能にしている。 As described above, the stress corrosion cracking behavior prediction method of the actual structure of the present invention sets the possible number of minute surface cracks and random numbers based on the cumulative probability distribution of surface cracks with respect to the surface crack generation time. It is characterized by considering the stress distribution in the simulation region, and considering the occurrence, coalescence, and propagation of surface cracks. It enables the simulation of SCC behavior for real time of structural materials.
また、実構造物の応力腐食割れ挙動予測の結果に影響を及ぼす設定条件としては、表面き裂発生の累積確率分布、応力拡大係数の評価、表面き裂の合体条件、進展性表面き裂の臨界長さ、表面き裂の進展特性が考えられるが、この内、応力拡大係数の評価、表面き裂の合体条件、進展性表面き裂の臨界長さ、表面き裂の進展特性は公表されている多くの文献より利用できる。しかし、検出可能な表面き裂のデータは公表されているものの、結晶粒オーダーの微小な表面き裂発生の累積確率分布に関して利用できるデータは見当たらない。 The setting conditions that affect the results of stress corrosion cracking behavior prediction of actual structures include the cumulative probability distribution of surface crack initiation, evaluation of stress intensity factors, surface crack coalescence conditions, and propagating surface cracks. The critical length and surface crack propagation characteristics can be considered. Among these, the evaluation of stress intensity factor, surface crack coalescence conditions, critical length of progressive surface cracks, and surface crack propagation characteristics have been published. Available from many references. However, although data on detectable surface cracks have been published, there is no data available on the cumulative probability distribution of the occurrence of micro surface cracks on the order of grains.
そこで、微小な表面き裂発生の累積確率分布を決定するためには、実験室レベルの加速試験により、累積確率分布に及ぼす環境、応力の影響を明らかにし、実際の構造材料が受ける条件に対応する累積確率分布を推定する方法が考えられる。さらに、図12に示すような応力分布を段階的に変えることのできる小型の多段応力試験片1を、図13に示すような負荷装置に装着したものを多数、実構造物内に設置し、これをある時間経過後に取り出して、多段応力試験片1中に発生している微小な表面き裂数を計測することにより、図14に示すような確率紙にプロットすることで、実構造物環境における各応力下での累積確率分布を決定できる。勿論、このようなデータを既に保有するときには、それを利用すればよい。なお、負荷装置において、2は多段応力試験片1の下端を固定するとともにジグ本体を構成する負荷ジグ台座(下)、3はジグ本体を構成する負荷ジグ台座(上)、4は上下の台座を繋いでジグ本体を構成する支柱、5は多段応力試験片1の上端を固定して、これに負荷を加える負荷ボルト9に連結する連結具、6は負荷ボルト9および連結具5を介して多段応力試験片1に負荷を加える負荷バネ、7はバネ受け座、8は負荷ボルト9の締め付け長さを変えて負荷バネ6による多段応力試験片1への負荷を調節可能な負荷ナットである。 Therefore, in order to determine the cumulative probability distribution of the occurrence of micro surface cracks, the effects of the environment and stress on the cumulative probability distribution are clarified by laboratory-level accelerated tests, corresponding to the conditions that actual structural materials receive. A method for estimating the cumulative probability distribution is considered. Furthermore, a large number of small multi-stage stress test pieces 1 that can change the stress distribution as shown in FIG. 12 in a load device as shown in FIG. 13 are installed in the actual structure. This is taken out after a certain period of time, and the number of minute surface cracks generated in the multistage stress test piece 1 is measured, and plotted on a probability paper as shown in FIG. The cumulative probability distribution under each stress in can be determined. Of course, when such data is already held, it may be used. In the load device, 2 is a load jig pedestal (lower) that fixes the lower end of the multistage stress test piece 1 and 3 constitutes the jig body, 3 is a load jig pedestal (upper) that constitutes the jig body, and 4 is an upper and lower pedestal. Are connected to a load bolt 9 that fixes the upper end of the multi-stage stress test piece 1 and applies a load thereto, and 6 is connected via the load bolt 9 and the connection tool 5. A load spring for applying a load to the multistage stress test piece 1, 7 is a spring seat, and 8 is a load nut capable of adjusting the load applied to the multistage stress test piece 1 by the load spring 6 by changing the tightening length of the load bolt 9. .
以下に、具体的な数値で行った本発明の実施例を図示に基づいて説明する。構造材料としては平均結晶粒径0.1mmのSUS304で、実験室レベルの定ひずみ曲げはり(CBB)による加速SCC試験を想定して、一様な引張応力(σ=437MPa)下の10mm×10mmの正方形領域に対して前述のアルゴリズムに基づくシミュレーションを行った。 Hereinafter, embodiments of the present invention performed with specific numerical values will be described with reference to the drawings. The structural material is SUS304 with an average crystal grain size of 0.1 mm, and 10 mm x 10 mm under uniform tensile stress (σ = 437 MPa) assuming an accelerated SCC test with a constant strain bending beam (CBB) at the laboratory level. A simulation based on the above algorithm was performed for a square region.
図15は、微小き裂発生の累積確率分布で、次の数式5による指数分布を仮定している。
図17は、各経過時間における表面での表面き裂分布を示す。100時間を経過した時点では、表面き裂の合体はほとんどなく、微小な表面き裂が一様に分布しているだけである。300時間が経過すると、表面き裂数が増加し、表面き裂同士の合体やき裂進展によって大きく成長したき裂がいくつか観察できるようになる。500時間を経過すると、成長した表面き裂の数がさらに増え、その中でいくつかの表面き裂は5mmを越える大きさになっている様子がわかる。 FIG. 17 shows the surface crack distribution on the surface at each elapsed time. When 100 hours have passed, there is almost no coalescence of surface cracks, and only minute surface cracks are uniformly distributed. After 300 hours, the number of surface cracks increases, and several large cracks can be observed due to coalescence of surface cracks and crack growth. After 500 hours, the number of surface cracks that have grown further increases, and it can be seen that some of the surface cracks are larger than 5 mm.
図18は、表面き裂数と経過時間の関係を示したものである。図中には指数分布に基づいて計算される結果も示してある。表面き裂数は、表面き裂発生初期は発生した表面き裂数に等しく、指数分布による結果と一致しているが、時間の経過とともに、表面き裂の合体や、大きなき裂によるき裂発生不可能な領域が形成されるため、飽和する傾向にあるのがわかる。 FIG. 18 shows the relationship between the number of surface cracks and the elapsed time. The figure also shows the results calculated based on the exponential distribution. The number of surface cracks is equal to the number of surface cracks that occurred at the initial stage of the surface crack, and agrees with the result of the exponential distribution. It can be seen that a region that cannot be generated tends to be saturated because it is formed.
図19は、最大表面き裂長さと経過時間の関係を示したものである。潜伏期間の後、微小な表面き裂の合体による進展性表面き裂の形成期間があり、KISCCに達した後は、表面き裂は進展と合体により徐々に成長している。表面き裂の成長には進展と合体が寄与しているので、単一表面き裂に対して進展速度から予測される結果より、速い速度で成長することがわかる。 FIG. 19 shows the relationship between the maximum surface crack length and the elapsed time. After the incubation period, there is a period of formation of a progressive surface crack due to coalescence of small surface cracks. After reaching KISCC , the surface crack grows gradually due to propagation and coalescence. Since growth and coalescence contribute to the growth of the surface crack, it can be seen that the single surface crack grows at a faster rate than the result predicted from the growth rate.
図20は、最大表面き裂深さと経過時間の関係を示したものである。き裂深さ方向にはき裂の合体は生じないので、表面き裂最深部の応力拡大係数と表面き裂進展特性から評価され、結果のばらつきは、微小な表面き裂の合体による進展性表面き裂の形成期間のばらつきに依存している。 FIG. 20 shows the relationship between the maximum surface crack depth and the elapsed time. Since crack coalescence does not occur in the crack depth direction, it is evaluated from the stress intensity factor and surface crack growth characteristics at the deepest part of the surface crack. It depends on the variation of the surface crack formation period.
図21は、最大深さをもつ表面き裂のアスペクト比と経過時間の関係を示したものである。表面き裂のアスペクト比は、微小な表面き裂の発生段階での1から、時間の経過とともに表面き裂が大きくなるにしたがって、0.2〜0.4に低下する。これは実際に見られるSCC表面き裂の特徴をよく予測している。 FIG. 21 shows the relationship between the aspect ratio of the surface crack having the maximum depth and the elapsed time. The aspect ratio of the surface crack decreases from 1 at the generation stage of the minute surface crack to 0.2 to 0.4 as the surface crack increases with time. This well predicts the characteristics of the actual SCC surface cracks.
図22は、SCC寿命を最大表面き裂長さ5mmとした場合と、最大表面き裂深さ1mmとした場合の2種類において、SCC寿命の累積確率を指数分布確率紙にプロットしたものである。これらのプロットが直線関係を示すことから、限界表面き裂長さに達するまでのSCC寿命F(t)も、指数分布によって表されることがわかる。
限界き裂長さを最大き裂長さ5mmとした場合
When the maximum crack length is 5 mm
1 多段応力試験片 2 負荷ジグ台座(下) 3 負荷ジグ台座(上) 4 支柱 5 連結具 6 負荷バネ 7 バネ受け座 8 負荷ナット 9 負荷ボルト 1 Multistage Stress Test Specimen 2 Load Jig Pedestal (Lower) 3 Load Jig Pedestal (Upper) 4 Post 5 Connector 6 Load Spring 7 Spring Receiving Seat 8 Load Nut 9 Load Bolt
Claims (14)
前記アルゴリズムでは、
実構造物の解析領域における応力分布を考慮するために前記解析領域内を複数の応力領域に分割して同応力領域ごとに引張応力を設定し、
表面き裂発生過程における表面き裂の発生時間は、表面き裂発生可能数と累積確率分布に基づく乱数により割り当てられ、
前記表面き裂発生可能数は、前記応力領域ごとの面積に応じて決定され、
前記累積確率分布は、前記応力領域ごとの引張応力に応じて決定され、
前記表面き裂の合体および進展過程においては、表面き裂のき裂長さとき裂深さとの比であるアスペクト比を用いてき裂の進展を予測することを特徴とする実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法。 Stress corrosion cracking behavior of an actual structure predicting the stress corrosion cracking behavior of an actual structure by an algorithm that assumes the occurrence of surface cracks in a real structure environment as a stochastic process and the coalescence and propagation of surface cracks as a definite process A prediction method,
In the algorithm,
In order to consider the stress distribution in the analysis region of the actual structure, the analysis region is divided into a plurality of stress regions and a tensile stress is set for each stress region.
The surface crack initiation time in the surface crack initiation process is assigned by a random number based on the number of possible surface cracks and the cumulative probability distribution,
The number of possible surface cracks is determined according to the area of each stress region,
The cumulative probability distribution is determined according to the tensile stress for each stress region,
In the process of coalescence and propagation of the surface crack, stress corrosion cracking of an actual structure characterized by predicting crack propagation using an aspect ratio which is a ratio of the crack length and crack depth of the surface crack. Behavior prediction method.
で与えられることを特徴とする請求項4記載の実構造物の応力腐蝕割れ挙動予測方法。 The critical distance, as coalescence region radius r c,
5. The method for predicting stress corrosion cracking behavior of an actual structure according to claim 4, wherein:
Claims 1 to stress corrosion cracking behavior prediction method according 13 is repeated a number of times, residual life prediction method of estimating the remaining life from the statistical properties until the limit crack length.
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