JP5356438B2 - 高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法 - Google Patents
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Description
高圧水素ガス中での疲労き裂進展の特性を定性的に示した図が、非特許文献1などに示されている。
続いて任意の繰り返し周期条件下で高圧水素中疲労き裂進展試験を行うか、文献データを取得する(ステップs104)。また、実機の圧力P、応力比R(最小荷重/最大荷重)の条件を設定する(ステップs105)。続いて、s104で得られたda/dN−ΔK線図上の領域I、すなわち、(1−R)×K0(a0)〜(1−R)×KIH−H(ac)の区間で疲労き裂進展解析を行う(ステップs106)。この解析結果より、初期想定き裂深さa0が破壊限界き裂深さacまたは板厚の80%深さに達するまでの疲労き裂寿命(繰り返し充填寿命回数)を計算し(ステップs107)、この寿命回数が使用回数よりも大きい場合には(ステップs107、Yes)、安全に使用できると判定され、使用回数が寿命回数に達している場合には(ステップs107、No)、き裂の検査の実施または使用の中止と判定される。上記と同様の試験方法は非特許文献3にも示されている。
したがって、これらを定量的且つ高精度に評価可能な手順と方法を提供する必要がある。
また、本発明のもう1つの目的は、実機の操業条件に相当する長時間周期の下での高圧水素中疲労き裂進展挙動を、短時間の加速試験から予測するための、疲労き裂寿命判定方法を提供することにある。
前記低合金鋼材料を対象とする高圧水素環境下でのライジングロード試験で得られたき裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rにより、前記低合金鋼材料の疲労き裂加速開始点Kmax Tを推定する判定方法であり、
前記ライジングロード試験の高圧水素環境が、Kmax Tを推定しようとする高圧水素環境と同じ圧力、同じ雰囲気であって、前記両環境間における試験温度の公差が±5℃であることを特徴とする。
第2の本発明は、前記第1の本発明において、前記ライジングロード試験の前記高圧水素環境は、99.9999容量%以上の超高純度水素環境であることを特徴とする。
第3の本発明は、前記第1または第2の本発明において、前記ライジングロード試験の前記高圧水素環境は、酸素濃度が1ppm以下であることを特徴とする。
第4の本発明は、前記第1〜3のいずれかに記載の発明において、前記ライジングロード試験の試験温度は、23℃±5℃であることを特徴とする。
第5の本発明は、前記第1〜4のいずれかに記載の本発明において、前記ライジングロード試験は、歪み速度dK/dt=0.08MPa−ml/2/秒以下にして短時間(1時間以下)で行われたものであることを特徴とする。
第6の本発明は、前記第1〜5のいずれかに記載の本発明において、疲労き裂加速開始点Kmax Tは、前記き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rに略一致する相関関係を有するものとして前記推定を行うことを特徴とする。
第7の本発明は、前記第1〜6のいずれかに記載の発明において、高圧水素環境下での疲労き裂進展試験によって得られた亀裂進展速度da/dNと応力拡大係数幅ΔKの関係を示す疲労き裂進展特性線図において、(1−R)×K0(a0)〜(1−R)×Kmax T(ac)の区間で、疲労き裂寿命解析を行うことを特徴とする。
ただし、Rは応力比、K0(a0)は初期想定き裂深さa0を前提とする疲労き裂進展下限界応力拡大係数、Kmax T(ac)は破壊限界き裂深さacに至る疲労き裂加速開始点。
第8の本発明は、前記第7の本発明において、前記初期想定き裂深さは、所定のき裂検査による検査限界によって定まることを特徴とする。
第9の本発明は、前記第7または第8の本発明において、前記き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rから前記破壊限界き裂深さacを算出することを特徴とする。
第10の本発明は、前記第7〜第9の本発明のいずれかにおいて、前記疲労亀裂進展特性線図に基づいて、初期想定き裂深さa0が破壊限界き裂深さacに至る繰り返し回数を算出し、前記算出がされた繰り返し回数を基準にして疲労き裂寿命判定を行うことを特徴とする。
第11の本発明は、前記第7〜第9の本発明のいずれかにおいて、疲労亀裂進展特性線図に基づいて、初期想定き裂深さa0が肉厚に対し所定深さに至る繰り返し回数を算出し、前記算出がされた繰り返し回数を基準にして疲労き裂寿命判定を行うことを特徴とする。
第12の本発明は、前記第10または第11の本発明において、実機での繰り返し回数が前記算出された繰り返し回数に達しっているか否かによって、実機に対する疲労き裂寿命判定の判定を行うことを特徴とする。
第13の本発明は、前記第7〜第12の本発明のいずれかにおいて、前記疲労き裂寿命解析は、15秒/サイクル〜1000秒/サイクルの範囲で任意の単一もしくは複数の繰り返し周期によって実施された疲労き裂進展試験に基づいて行われることを特徴とする。
高圧水素下としては90MPa程度、特に90MPa以下において、上記一致性が良好であることが認められている。
き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rは、ライジングロード試験を行うことによって得るものであっても良く、また、文献などによって知られているデータを用いるものであってもよい。
また、高圧水素環境下におけるライジングロード試験法によるデータは、例えば前記非特許文献5に開示されており、高圧水素環境下でライジングロード試験を実施することが困難な場合は、このような文献データを用いても良い。
ライジングロード試験により求まるき裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rから疲労き裂加速開始点Kmax Tを推定することで、疲労き裂加速開始点Kmax Tの予測精度が向上し、評価にかかる時間を短縮することができる。
本発明としては、高圧水素中での疲労き裂進展試験は特定のものに限定されるものではないが、例えば以下の条件により行うことができる。
高圧水素ガス中疲労き裂進展速度:da/dNの測定には、オートクレーブ付の疲労試験機を用いる。試験機の一例については既に報告されている非特許文献6を参照。水素ガスは何れの試験においても、超高純度水素(99.9999容量%以上)を用い、試験チャンバー内のガス純度を測定し、酸素濃度が1ppm以下であることを確認する。疲労き裂進展試験は荷重一定=ΔK漸増条件或いはΔK漸減で行う。き裂長さの測定は、除荷弾性コンプライアンス法により行う事ができる。試験温度は長時間の試験中に変動しないよう、23℃(±5℃)の環境に保持できるように恒温槽などを用いて工夫する必要がある。
疲労き裂進展試験結果に基づいて疲労き裂進展特性の線図(da/dN−ΔK線図)が得られる。該疲労き裂進展特性の線図も文献等に示されているデータの参照によるものであってもよい。
疲労き裂寿命解析は、疲労き裂進展特性の線図(da/dN−ΔK線図)における、(1−R)×K0(a0)〜(1−R)×Kmax T(ac)の区間で行うことができる。(1−R)Kmax Tは、図1に示されるようにda/dN−ΔK線図上に現れる屈曲点に相当する。上記した区間(図1における領域I)では、繰り返し周期が少なくとも15秒/サイクル〜1000秒/サイクルの範囲では、疲労き裂進展は繰り返し周期に依存しない。
K0は、疲労き裂進展下限界応力拡大係数を示し、Kmax Tは、疲労き裂加速開始点を示している。K0(a0)は、き裂進展下限界応力拡大係数を示す際のき裂深さが初期想定き裂深さa0であることを示し、Kmax T(ac)は、破壊限界き裂深さに至った際の疲労き裂加速開始点であることを示している。
(1−R)×Kmax T(ac)より大きい応力拡大係数範囲(図1における領域II)においては、疲労き裂の進展が加速を開始し、その進展速度は繰返し周期に依存する。
すなわち、本発明は、図1に示すように、高圧水素中で得られた疲労き裂進展特性の線図(da/dN−ΔK線図)を、繰り返し周期に依存しない領域I、および、繰り返し周期に依存する領域IIに分割し、繰り返し周期に依存しない領域Iにおいて疲労き裂寿命解析を行い、疲労き裂寿命を判定することができる。
図1の領域IIおいては、Kmax T以上では、疲労き裂進展に加えて水素助長割れが生ずるようになるために、見かけ上のda/dNの加速(屈曲)が観測されることを示し、これを特徴としている。
従来、疲労き裂加速開始点Kmax Tを求めるためには、疲労き裂進展試験における繰り返し周期の条件を変動させ、短い周期の試験から150秒/サイクル程度の長周期にわたるまで試験を複数回行わないと、明瞭に判別することが困難である。
しかし、本発明においては、疲労き裂加速開始点Kmax Tはライジングロード試験によって得られるき裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rに良好な相関関係があることが明らかになっている。また、上記したように、本願発明で疲労き裂寿命解析の対象区間とすることができる上記領域Iでは疲労き裂進展速度は繰り返し周期に依存しない。したがって、従来のように疲労き裂進展試験を多数回行う必要はなく、15秒/サイクル〜1000秒/サイクルの範囲での任意の単一の繰り返し周期で特性を評価することができる。つまり、疲労き裂進展特性を試験で求めるのであれば、短い周期の疲労き裂進展試験を最低限1回行うだけでよい。
まず、被判定材について、水素雰囲気中でライジングロード試験を行って(あるいは文献データを取得し)水素助長割れのき裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rを求める(ステップs1)。なお、ライジングロード試験では、後述する疲労き裂加速開始点Kmax Tを推定しようとする高圧水素環境と同じ圧力、同じ雰囲気であって、前記両環境間における試験温度の公差が±5℃であることを試験条件とする。
ac=KIH−R 2Q/(1.21πσ2)(Qは欠陥形状係数、σは応力)
ここで欠陥形状係数Qは、き裂の深さと長さおよび降伏応力σysから、Q=Ek 2−0.212(σ/σys)2、Ek 2=1+1.464(a/c)1.65となる。
初期想定き裂深さ(a0)は、非特許文献8に示されるような圧力容器の設計指針などに定められる値を用いても良い。これによれば、肉厚16mm以下では、初期想定き裂深さ0.5mm、16〜51mm未満では1.1mm、51mm以上では0.6mmとなる。
試験片は厚さが1インチのコンパクト(C(T))試験片を用い、水素ガスはいずれの試験においても、超高純度水素(99.9999容量%以上)を用い、試験チャンバー内のガス純度を測定し、酸素濃度が1ppm以下であることを確認する。疲労き裂進展試験は荷重一定=ΔK漸増条件或いはΔK漸減、ΔK一定のいずれの方法でも良い。
得られたda/dN−ΔK線図上において、(1−R)×K0(a0)〜(1−R)×Kmax T(ac)の区間で疲労き裂進展解析を行う(ステップs7)。
疲労き裂進展解析では、初期想定欠陥深さa0が、破壊限界き裂深さac又は貫通前の板厚の80%深さに達するまでの繰り返し回数を算出する。該繰り返し回数の算出は、一般的に良く知られた破壊力学の計算式とその手順によって容易に求めることができる。その一例を以下に示す。
図1に示すda/dN−ΔK(da/dNは疲労き裂進展速度、ΔKは荷重繰り返しの間の応力拡大係数の変動範囲)の両対数線図上において、直線域をda/dN=CΔKm(C、mは定数)の式で近似し、き裂の微小増分区間毎にき裂進展速度式を積分して微小増分量だけき裂が進展するのに要する繰り返し回数を求める。この繰り返しにより、初期想定欠陥深さa0が破壊限界き裂深さacに到達するまでの寿命を求める。
鋼製蓄圧器に用いられる低合金鋼の例として表1に示すSCM435鋼およびSNCM439鋼について、表2に示す熱処理を施して供試材とした。表2に各供試材の機械的特性を示した。
上記供試材に対し、90MPaまでの高圧水素環境中疲労き裂進展試験を行い、繰り返し周期の影響を評価し、疲労き裂加速開始点Kmax Tを求めた。
また、同じ低合金鋼に対しライジングロード試験を行い、き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rを得た。また、同じ低合金鋼に対し、遅れ割れ試験を行い、き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Hを求めた。
疲労き裂進展試験に用いた疲労試験装置の詳細については、非特許文献6に開示されている。高圧水素ガス中疲労き裂進展速度da/dNの測定には、45MPaオートクレーブ付の200kN油圧サーボ疲労試験機および100MPaオートクレーブ付100kN油圧サーボ疲労試験機を用いた。試験機詳細については既に報告されている非特許文献6を参照。水素ガスは何れの試験においても、超高純度水素(99.9999容量%以上)を用い、試験チャンバー内のガス純度を測定し、酸素濃度が1ppm以下である事を確認した。疲労き裂進展試験は特に断りの無い限り、応力比Rは0.1で行い、荷重一定=ΔK漸増条件(図4bの一部データはΔK漸減)で行った。き裂長さの測定は、除荷弾性コンプライアンス法により行った。試験温度は23℃(±5℃)の室温下で行った。
水素中での疲労き裂進展速度は、da/dN−Kmax線図上で屈曲点を示し、この屈曲点Kmax Tより大きいK値の領域(II)では、繰り返し周期が長くなるほど加速し、逆にKmax Tより小さい領域(I)では、繰り返し周期が少なくとも15秒/サイクル〜1000秒/サイクルの範囲ではその影響はほとんど受けないことが示された。
すなわち、表3に示すように従来法の遅れ割れ試験法により得られるき裂進展下限界応力拡大係数KIH−HはKmax Tの予測誤差のばらつきが大きい。これに対し、本発明におけるき裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rでは最大34%に抑えられている。
また、ライジングロード試験法により得られるき裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rは、歪み速度(dK/dt)が、約0.08MPa−ml/2/sの条件で行っても、これより一桁小さい、約0.008MPa−ml/2/sの条件で行っても殆ど変わりがない(図5)。したがって、歪み速度の選定によっては、短時間で試験を済ませることが可能になる。
すなわち、試験所要時間もライジングロード試験法を採用することで、遅れ割れ試験において所要時間が1000時間であったものが、1時間以内で評価可能となり、予測精度を高めつつ、試験時間が大幅に削減されている。
以下に、疲労き裂寿命判定を行った実施例を以下に示す。判定手順は、図2に示した手順により行われる。
本実施例における低合金鋼は上記実施例で使用したSNCM439(ヒート:D−R)である。
この実施例では、表3、図10に示すように、き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rは33MPa−ml/2であり、Kmax Tの安全側推定値=KIH−R−10MPa√m=(33−10)MPa√m=23MPa√mと推定され、破壊限界き裂深さは、ac=4.5mmと算定される。
検査精度から、初期想定き裂深さa0=1.6mmとする。
続いて、水素中疲労き裂進展試験を行い疲労き裂進展特性データを得る。このとき、繰返し周期を15秒/サイクルとして試験を行うことで、図10に示す疲労き裂進展特性の線図(da/dN−ΔK線図)が得られる。
次いで、得られた前記疲労き裂進展特性の線図(da/dN−ΔK線図)上の領域I、すなわち(1−R)×K0(a0)〜(1−R)×Kmax T(ac)の区間で疲労き裂進展解析を行う。解析の結果を図11に示す。
実際のKmax T値は表3のヒートD−Rの値より、30MPa√mであり、実際の破壊限界き裂深さacは、5.8mmと算定される。したがって、本発明による方法の予測誤差は1.3mmとなる。一方で、従来の方法では、Kmax Tは表3のヒートD−Rの値より、60MPa√m以上となり、実際の破壊限界き裂深さacは22mm以上となり、誤差が15mm以上発生している。
Claims (13)
- 高圧水素に接する低合金鋼材料の疲労き裂寿命判定方法において、
前記低合金鋼材料を対象とする高圧水素環境下でのライジングロード試験で得られたき裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rにより、前記低合金鋼材料の疲労き裂加速開始点Kmax Tを推定する判定方法であり、
前記ライジングロード試験の高圧水素環境が、Kmax Tを推定しようとする高圧水素環境と同じ圧力、同じ雰囲気であって、前記両環境間における試験温度の公差が±5℃であることを特徴とする高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。 - 前記ライジングロード試験の前記高圧水素環境は、99.9999容量%以上の超高純度水素環境であることを特徴とする請求項1記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 前記ライジングロード試験の前記高圧水素環境は、酸素濃度が1ppm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 前記ライジングロード試験の試験温度は、23℃±5℃であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 前記ライジングロード試験は、歪み速度dK/dt=0.08MPa−ml/2/秒以下にして短時間(1時間以下)で行われたものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 疲労き裂加速開始点Kmax Tは、前記き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rに略一致する相関関係を有するものとして前記推定を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 高圧水素環境下での疲労き裂進展試験によって得られた亀裂進展速度da/dNと応力拡大係数幅ΔKの関係を示す疲労き裂進展特性線図において、(1−R)×K0(a0)〜(1−R)×Kmax T(ac)の区間で、疲労き裂寿命解析を行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
ただし、Rは応力比、K0(a0)は初期想定き裂深さa0を前提とする疲労き裂進展下限界応力拡大係数、Kmax T(ac)は破壊限界き裂深さacを前提とする疲労き裂加速開始点 - 前記初期想定き裂深さは、所定のき裂検査による検査限界値により求まることを特徴とする請求項7記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 前記き裂進展下限界応力拡大係数KIH−Rから前記破壊限界き裂深さacを算出することを特徴とする請求項7または8に記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 前記疲労亀裂進展特性線図に基づいて、初期想定き裂深さa0が破壊限界き裂深さacに至る繰り返し回数を算出し、前記算出がされた繰り返し回数を基準にして疲労き裂寿命判定を行うことを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 前記疲労亀裂進展特性線図に基づいて、初期想定き裂深さa0が肉厚に対し所定深さに至る繰り返し回数を算出し、前記算出がされた繰り返し回数を基準にして疲労き裂寿命判定を行うことを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 実機での繰り返し回数が前記算出された繰り返し回数に達しっているか否かによって、実機に対する疲労き裂寿命判定の判定を行うことを特徴とする請求項10または11に記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
- 前記疲労き裂寿命解析は、15秒/サイクル〜1000秒/サイクルの範囲で任意の単一もしくは複数の繰り返し周期によって実施された疲労き裂進展試験に基づいて行われることを特徴とする請求項7〜12のいずれかに記載の高圧水素環境下の疲労き裂寿命判定方法。
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