JP5049896B2 - き裂進展試験方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、き裂進展試験方法及び装置に関し、特に、応力拡大係数を一定に維持した状態でき裂進展速度を測定するき裂進展試験方法及び装置に関する。

沸騰水型原子炉において、炉内機器に応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生することが構造材の健全性を脅かす原因となっている。そこで、構造材の健全性を正確に評価するために、ＳＣＣが発生した場合のき裂の進展速度を高い精度で測定する試験方法及び装置の開発が求められている。

一般に、ＳＣＣによるき裂進展速度は応力拡大係数に支配されると考えられており、試験により得られたＳＣＣき裂進展速度と応力拡大係数との関係を用いて、実機のき裂進展寿命評価が実施される。

しかし、模擬炉水環境中の試験から得られるき裂進展速度データはばらつきが大きい。ある特定の応力拡大係数におけるき裂進展速度を決定するためには、信頼性の高い試験データを取得することが必要である。

しかしながら、従来のコンパクトテンション型試験片を用いた試験方法ではき裂長さの増加とともに応力拡大係数が変化するため、ある特定の応力拡大係数におけるき裂進展速度を正確に決定できないという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１には、き裂長さによらず応力拡大係数を一定に維持できるき裂進展試験方法が提案されている。
特開２００７−３０９７３６号公報 特開２００４−９３５３２号公報

特許文献１に示された従来の試験方法は、き裂長さが試験片の板幅に対して所定の割合の範囲にある場合、強制変位を一定に保持すれば、応力拡大係数はき裂長さによらず一定であることを利用したものであり、予めき裂を形成した試験片を用い、試験片に一定の強制変位を付与して応力拡大係数を一定に維持しつつき裂を進展させるき裂進展試験方法である。

この試験方法は、図４に示すように、片側にき裂２を形成した均一な板厚の帯板からなる平板状の試験片１を用い、その一端を剛体壁３に固定し、他端に強制変位４を加え、その変位を一定に保持してき裂進展試験を行う。

しかし、このき裂進展試験方法は、片側にき裂を有する平板状の試験片を用い、端部に一定の変位を付与するが、き裂の進展に伴って曲げモーメントが発生するため、正確なき裂進展試験を行うことができないという課題があった。

すなわち、従来の試験装置は、具体的には、図５に示すように、試験片１の一端をつかみ具５を介して試験装置の天板６に固定し、他端をつかみ具５を介してプルロッド７に固定し、プルロッド７を介して試験片１に強制変位４を与える。試験片１は試験槽８内に封入された試験環境中に配置され、プルロッド７と試験槽８の間にはシール部材９が設けられる。

プルロッド７により試験片１に引張変位を付与すると、試験片１の片側にき裂２が存在するため、試験片１の端部には図５に示すような左右非対称の応力分布ａが生じ、試験片１は反力としてプルロッド７に曲げモーメントｂを発生させることになる。そして、プルロッド７の断面積が小さい場合やプルロッド７の剛性が低い場合にはプルロッド７自体が曲げ変形を起こして、試験片１の端部の変位を一定に保てなくなる。さらに、試験片１が曲げ変形を発生することにより、プルロッド７がシール部材９に接触し、シール部材９の損傷を引起す虞もあった。

一方、試験片の開口変位を測定する装置として、試験片の両側にコラムを備えた装置が提案されているが（特許文献２）、この装置においても試験片には試験片装着治具を介して負荷が加えられており、特許文献１と同様な問題が生ずる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、曲げモーメントが発生してもその影響を試験装置に及ぼすことなく、片側にき裂を有する試験片の端部に応力拡大係数を一定に維持しつつ強制変位を加えることにより、高精度でＳＣＣ進展速度データを取得することができるき裂進展試験方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明のき裂進展試験方法は、片側にき裂を形成した平板状の試験片のき裂進展試験方法において、片側にき裂を形成した同じ寸法の２体の試験片の一端を、それぞれのき裂を対向させて天板に固定するとともに、前記２体の試験片の他端を同一の治具に固定し、前記治具を下降させ、前記２体の試験片に一定の変位を付与することにより、応力拡大係数を一定に維持して前記２体の試験片のき裂を進展させることを特徴とする。

本発明のき裂進展試験装置は、片側にき裂を形成した平板状の試験片のき裂進展試験装置であって、片側にき裂を形成した同じ寸法の２体の試験片と、前記２体の試験片のき裂が対向するように配置し、その２体の試験片の一端を固定する天板と、前記２体の試験片の他端を固定する治具と、前記治具に固定され前記治具を下方に移動させる手段とを備え、前記２体の試験片に一定の変位を付与することにより、応力拡大係数を一定に維持して前記２体の試験片のき裂を進展させることを特徴とする。

本発明の試験方法及び装置によれば、曲げモーメントが発生してもその影響を試験装置に及ぼすことなく、片側にき裂を形成した平板状の試験片の端部に一定の変位を付与することにより、高精度でＳＣＣ進展速度データを取得することができるき裂進展試験装置及びその方法を提供することができる。

以下、本発明のき裂進展試験方法及び装置を図１乃至３を用いて説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１により説明する。
特許文献１に記載の試験方法と同様、片側にき裂２を形成した均一な板厚の帯板からなる平板状の試験片１を用いる。試験片１は試験槽８に封入された試験環境中に配置される。試験環境を実機と同じ環境とすることが好ましいため、試験槽８には試験液として高温高圧水を封入する。

試験片１の上端は天板６に固定する。試験片１の下端は充分に剛性の高い固定ブロック１０に固定し、さらに固定ブロック１０は試験槽８を貫通して、クロスヘッド１１に固定する。ここで、充分に曲げ剛性が高いとは、固定ブロック１０の断面二次モーメントが試験片のそれの１０倍程度以上であることを意味する。固定ブロック１０が試験槽８を貫通する部分にシール部材９を設ける。シール部材９はＯリングでもよいし、ベローズでもよい。

天板６には２本の支柱１２の上端が固定されており、この支柱１２の下端は、クロスヘッド１１の両端部に形成された孔に嵌挿される。クロスヘッド１１には油圧シリンダ１３が取り付けられており、油圧シリンダ１３の作動により、クロスヘッド１１は２本の支柱１２に案内されながら左右均等に下降し、試験片１の下端全体に亘って一定の強制変位４を与える。

試験片の下端部の変位を測定して、変位信号を油圧シリンダ１３にフィードバックして、クロスヘッドの下降位置を一定に維持し、試験片に加えられる変位を一定に維持するようサーボ制御するとよい。

なお、図１では図示しないが、試験片１と天板６の間ならびに試験片１と固定ブロック１０の間には図５に示したようなつかみ具５を設け、つかみ具５を介して試験片１を固定するようにしてもよい。

試験中、試験片の下端に付与した強制変位４を一定に保持してき裂進展試験を行う。このとき、振幅が一定の繰返し変位を与えるようにしてもよい。
試験中にき裂の長さを測定する。き裂の長さの測定は電位差法に行ってもよいし、予め、試験環境と同じ温度の大気中において試験片の端部に一定の変位を付与したときのき裂長さと荷重の関係を取得しておき、その関係に基づき、試験中に測定した荷重から、時々刻々変化するき裂長さを間接的に求めるようにしてもよい。

この実施形態では、試験片１の下端部に一定変位を付与することにより発生する曲げモーメントは、クロスヘッド１１の両端部の支柱１２との接続部で受けることになる。しかし、支柱１２は試験片１の中心軸から充分離れた位置でクロスヘッド１１を案内するように設けられているため、クロスヘッド１１と支柱１２との接続部に発生する反力を小さく抑えることができる。

また、天板６とクロスヘッド１１の両端部を支柱１２で接続しているため、装置の剛性が高くなり、さらに、固定ブロック１０及びクロスヘッド１１を試験片１と比較して剛な構造とすることが可能なため、試験片１の端部変位を一定に保持することが容易となる。

本第１の実施形態によれば、上記構成のクロスヘッドを用いて片側にき裂を形成した試験片の端部に一定の変位を付与することにより発生する曲げモーメントを小さく抑えることができるとともに、装置の剛性を高めることにより曲げモーメントの影響を少なくすることができるため、曲げモーメントに影響されず試験片の端部の変位を一定に保持することが可能となり、その結果、高精度でＳＣＣ進展速度データを取得することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図２により説明する。
試験片１及び試験槽８については、第１の実施形態と同じである。
第１の実施形態と同様、試験片１の上端は天板６に固定する。試験片１の下端は充分に剛性の高い固定ブロック１０に固定し、さらに固定ブロック１０は試験槽８を貫通して、クロスヘッド１１に固定する。固定ブロック１０が試験槽８を貫通する部分にシール部材９を設ける。シール部材９はＯリングでもよいし、ベローズでもよい。

クロスヘッド１１は、その両端部で天板６に回転自在に固定された２本のボールネジ１４により支持される。クロスヘッド１１の両端部にはボールネジ１４と螺合するネジ孔が形成されており、そのネジ孔の各々にボールネジ１４が螺着される。２本のボールネジ１４を図示しない回転手段により回転させることにより、クロスヘッド１１は左右均等に下降し、試験片１の下端全体に亘って一定の強制変位４を与える。

試験片の下端部の変位を測定して、変位信号をボールネジ回転手段にフィードバックして、クロスヘッドの下降位置を一定に維持し、試験片に加えられる変位を一定に維持するようサーボ制御するとよい。

第１の実施形態と同様、試験中、試験片の下端に付与した強制変位４を一定に保持してき裂進展試験を行う。このとき、振幅が一定の繰返し変位を与えるようにしてもよい。
また、試験中にき裂の長さを測定するが、き裂の長さの測定法は第１の実施形態で説明したとおりである。

この実施形態では、試験片１の端部に一定の変位を付与することにより発生する曲げモーメントは、クロスヘッド１１の両端部のボールネジ１４との接続部で受けることになる。しかし、ボールネジ１４は試験片１の中心軸から充分離れた位置でクロスヘッド１１を支持するように設けられているため、クロスヘッド１１とボールネジ１４との接続部に発生する反力を小さく抑え、曲げモーメントを小さくすることができる。

また、天板６とクロスヘッド１１の両端部をボールネジ１４で接続しているため、装置の剛性が高くなり、さらに、固定ブロック１０及びクロスヘッド１１を試験片１と比較して剛な構造とすることが可能なため、試験片１の端部変位を一定に保持することが容易となることも第１の実施形態と同様である。

この実施形態では、クロスヘッド１１の両端部をボールネジ１４で支持しているため、案内用の支柱１２を設けた場合と比較して、クロスヘッド１１の水平性を高い精度で維持することができる。

この第２の実施形態によれば、上記構成のクロスヘッドを用いて片側にき裂を形成した試験片の端部に一定の変位を付与することにより発生する曲げモーメントを小さく抑えることができるとともに、装置の剛性がより高まり、曲げモーメントの影響をより少なくすることができるため、曲げモーメントに影響されず試験片の端部の変位を一定に保持する効果が高くなり、高精度でＳＣＣ進展速度データを取得することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を図３により説明する。
全く同じ寸法の平板状の試験片１を二体準備する。夫々の試験片１、１には片側にき裂２、２を形成する。き裂は全く同じ長さあるいはほぼ同じ長さであることが好ましい。図３に示すように、二体の試験片１、１は互いのき裂２、２の始点が対向するように対称配置となるよう、それぞれの一端を天板６に固定する。なお、図３に示すように試験体１、１の天板６への固定はつかみ具５を介してもよいし、直接固定してもよい。それぞれの試験体１、１の他端を共通の厚板ブロック１５からなる治具に固定し、厚板ブロック１５を中央の対称軸上でプルロッド７に固定する。

この二体の試験片１、１ならびに厚板ブロック１５を試験槽８の中に配置し、プルロッド７が試験槽８を貫通する部分にシール部材９を設ける。試験槽の中には、第１の実施形態と同様、試験液として高温高圧水を封入することが好ましい。試験槽８の外部でプルロッド７に強制変位４を与えることにより、二体の試験片１、１の端部に同時に一定の変位を与える。シール部材９はＯリングでもよいし、ベローズでもよい。

試験片の下端部の変位を測定して、変位信号をフィードバックして試験片に加えられる変位を一定に維持するようサーボ制御するとよい。
試験中、試験片１、１の下端に付与した強制変位４を一定に保持してき裂進展試験を行う。このとき、振幅が一定の繰返し変位を与えるようにしてもよい。また、試験中のき裂の測定法は電位差法で行うとよい。

この第３の実施形態によれば、二体の試験片の端部に反力として発生する曲げモーメントは互いに打消し合う方向に作用するため、プルロッド７に曲げモーメントを与えることはない。したがって、片側にき裂を形成した試験片の端部に一定の変位を付与することにより発生する曲げモーメントに影響されず、試験片１の端部の変位を一定に保持することが可能となり、高精度でＳＣＣ進展速度データを取得することができる。

本発明の第１の実施形態に係るき裂進展試験装置の概念図。 本発明の第２の実施形態に係るき裂進展試験装置の概念図。 本発明の第３の実施形態に係るき裂進展試験装置の概念図。 従来のき裂進展試験装置の概念図。 曲げモーメントの発生状況を示す従来のき裂進展試験装置の概念図。

符号の説明

１…試験片、２…き裂、３…剛体壁、４…強制変位、５…つかみ部、６…天板、７…プルロッド、８…試験槽、９…シール部材、１０…固定ブロック、１１…クロスヘッド、１２…支柱、１３…油圧シリンダ、１４…ボールネジ、１５…厚板ブロック、ａ…応力分布、ｂ…曲げモーメント。

Claims (6)

1. 片側にき裂を形成した平板状の試験片のき裂進展試験方法において、片側にき裂を形成した同じ寸法の２体の試験片の一端を、それぞれのき裂を対向させて天板に固定するとともに、前記２体の試験片の他端を同一の治具に固定し、前記治具を下降させ、前記２体の試験片に一定の変位を付与することにより、応力拡大係数を一定に維持して前記２体の試験片のき裂を進展させることを特徴とするき裂進展試験方法。
2. 請求項１記載のき裂進展試験方法において、予め、試験温度と同一温度の大気中において、前記試験片の端部に一定の変位を付与したときのき裂長さと荷重の関係を取得しておき、この関係に基づき試験中に測定された荷重からき裂長さを間接的に求めることを特徴とするき裂進展試験方法。
3. 請求項１又は２記載のき裂進展試験方法において、前記試験片の他端部の変位を測定し、変位信号をフィードバックして前記試験片に加えられる変位を一定に維持するよう制御することを特徴とするき裂進展試験方法。
4. 片側にき裂を形成した平板状の試験片のき裂進展試験装置において、片側にき裂を形成した同じ寸法の２体の試験片と、前記２体の試験片のき裂が対向するように配置し、その２体の試験片の一端を固定する天板と、前記２体の試験片の他端を固定する治具と、前記治具に固定され前記治具を下方に移動させる手段とを備え、前記２体の試験片に一定の変位を付与することにより、応力拡大係数を一定に維持して前記２体の試験片のき裂を進展させることを特徴とするき裂進展試験装置。
5. 請求項４記載のき裂進展試験装置において、前記試験片の他端部の変位を測定する手段と、前記測定手段が測定した変位信号をボールネジ回転手段にフィードバックして前記試験片に加えられる変位を一定に維持するように制御する制御手段とを有することを特徴とするき裂進展試験装置。
6. 請求項４又は５記載のき裂進展試験装置において、内部に封入された高温高圧水中に前記試験片を配置する試験槽を備えたことを特徴とするき裂進展試験装置。

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