JP6012306B2

JP6012306B2 - 応力腐食割れの予測方法

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Publication number: JP6012306B2
Application number: JP2012152856A
Authority: JP
Inventors: 一也堤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: JP2014016200A

Description

本発明は、金属材料に発生する応力腐食割れの試験に適用される多軸応力付加試験装置、及びこれを用いた応力腐食割れの予測方法に関するものである。

例えば発電設備用の機器などに用いられる金属部材においては、金属部材が晒される周辺環境、金属部材の材料、金属部材に加わる応力の三つの条件が重なり、応力腐食割れ（ＳＣＣ：ＳｔｒｅｓｓＣｏｒｒｏｓｉｏｎＣｒａｃｋｉｎｇ）が発生することが知られている。

ここで、多軸応力場では、単軸応力場と比べて結晶粒界に沿ってき裂が進展する粒界進展型の応力腐食割れが生じやすい可能性があることが報告されている。従って、多軸応力場での試験を行って応力腐食割れを予測することの必要性が増してくると思われるが、試験が容易でない等の理由から多軸応力場での試験はあまり多くは行われていないのが現状である。

ところで、このような多軸応力場での試験の一例として特許文献１には、試験片を第一試験治具と第二試験治具とで挟み込み、ボルトによって試験片を締め込む試験装置が開示されている。この装置では、ボルトによってＺＸ面及びＺＹ面から応力を与えることで、多軸応力試験を行うことが可能となっている。

特開２００２−２９６１６１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された試験装置では、ボルトによって応力の調節を行うこととなるため試験部における応力レベルを正確に管理することが困難な可能性がある。また、試験片が治具によって挟み込まれた状態で試験が行われるため視認性が悪く、き裂発生時を正確に把握することも容易ではない。さらに、高温度での試験中にはボルトの熱変形等によって、試験片の応力が緩和されてしまうリラクゼーションが発生してしまうおそれもある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、多軸応力場での試験結果の信頼性向上を図る多軸応力付加試験装置、及び応力腐食割れの予測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る多軸応力付加試験装置は、可撓性を有する材料からなる環状部材と、前記環状部材の径方向内側に配置される本体片、及び、周方向に間隔をあけて複数設けられて前記本体片から前記環状部材の径方向外側に延在するアーム片を有する試験片と、
各前記アーム片に外嵌されて、前記環状部材に対して径方向に向かって押圧しながら該アーム片を固定するナット部材と、を備えることを特徴とする。

このような多軸応力試験装置によると、ナット部材を締め込むと、アーム片を介して本体片に引張り力及び圧縮力を加えることができる。この際、ナット部材の調節のみで引張り力及び圧縮力の調節を行い、試験片に任意の多軸応力を生じさせることが可能となる。
また、環状部材は可撓性を有することから、例えば試験中に試験片に熱変形等が発生した場合には、環状部材がこの熱変形に対抗するように弾性変形することでリラクゼーションの発生を防止できる。

また、前記環状部材と前記ナット部材との間に、前記環状部材の径方向への変形に抗するように該環状部材に付勢力を与えるバネ部材をさらに備えていてもよい。

このようなバネ部材によって、例えば試験中に試験片に熱変形等が発生した場合には、環状部材がこの熱応力に対抗するとともに、このバネ部材によっても対抗することができ、さらなるリラクゼーション発生の防止を図ることができる。

さらに、本発明に係る応力腐食割れの予測方法は、可撓性を有する材料からなる環状部材と、前記環状部材の径方向内側に配置される本体片、及び、周方向に間隔をあけて複数設けられて前記本体片から前記環状部材の径方向外側に延在するアーム片を有する試験片と、各前記アーム片に外嵌されて、前記環状部材に対して径方向に向かって押圧しながら該アーム片を固定するナット部材とを備える多軸応力負荷試験装置を用いた応力腐食割れの予測方法であって、多軸応力場で前記応力腐食割れの試験を行い、試験データを取得する第一工程と、単軸応力場での前記応力腐食割れの試験データを準備する第二工程と、前記第一工程の試験データと前記第二工程の試験データとの比較を行い、相関関係を算出する第三工程とを備えることを特徴とする。

このような応力腐食割れの予測方法によると、多軸応力場での試験を多く行うことなく、第二工程で準備した単軸応力場での試験データと、第三工程での相関関係とから、さまざまな条件の多軸応力でのデータを得ることが可能となる。単軸応力場での試験はこれまで多く行われており試験データは豊富にあるため、これらの豊富な試験データを有効利用して信頼性の高いデータを得ることができ、応力腐食割れの予測が可能となる。

本発明の多軸応力付加試験装置、及び応力腐食割れの予測方法によると、アーム片をナット部材によって環状部材に固定する構成としたことで、多軸応力場での試験結果の信頼性向上を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る多軸応力負荷試験装置の全体図であって、試験片に引張り応力を生じさせる場合を示す。本発明の実施形態に係る多軸応力負荷試験装置の全体図であって、図１の矢視Ａを示すものである。本発明の実施形態に係る多軸応力負荷試験装置の全体図であって、試験片に圧縮応力を生じさせる場合を示す。本発明の実施形態の第一変形例に係る多軸応力負荷試験装置の全体図である。本発明の実施形態の第二変形例に係る多軸応力負荷試験装置の全体図である。本発明の実施形態の第三変形例に係る多軸応力負荷試験装置の全体図である。本発明の実施形態の第四変形例に係る多軸応力負荷試験装置の全体図である。本発明の実施形態の第五変形例に係る多軸応力負荷試験装置の環状部材の全体図であって、（ａ）は軸線方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示すものである。本発明の実施形態の第六変形例に係る多軸応力負荷試験装置の環状部材の全体図であって、（ａ）は軸線方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面を示すものである。本発明の実施形態の第七変形例に係る多軸応力負荷試験装置の環状部材の全体図であって、（ａ）は軸線方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面を示すものである。本発明の実施形態の第八変形例に係る多軸応力負荷試験装置の環状部材の全体図であって、（ａ）は軸線方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面を示すものである。本発明の実施形態の第九変形例に係る多軸応力負荷試験装置の環状部材の全体図であって、（ａ）は軸線方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面を示すものである。本発明の実施形態に係る多軸応力負荷試験装置に関し、単軸応力場及び多軸応力場における応力σと応力腐食割れ発生時間ｔとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の第一実施形態に係る多軸応力負荷試験装置１について説明する。
多軸応力負荷試験装置１は、試験片６に二軸以上の荷重を同時に付与した状態で高温環境下や水中などに設置して、応力腐食割れの試験を行う装置である。

図１及び図２に示すように、多軸応力負荷試験装置１は、軸線Ｐを中心に環状をなす環状部材５と、この環状部材５に支持される試験片６と、試験片６を環状部材５に固定するナット部材１４と、ナット部材１４と環状部材５との間に設けられるバネ部材１５とを備えている。

環状部材５は、可撓性を有する材料よりなり、例えばステンレス、ニッケル合金等の金属や、可撓性を有する樹脂等が用いられる。そしてこれらの材料以外にも、試験片６の熱膨張・熱収縮に対抗するように弾性変形可能な材料であれば様々な材料が適用可能である。

そしてこの環状部材５には、図２に示すように径方向から見た場合には、周方向にわたって間隔をあけて、径方向に貫通する貫通孔５ａが形成されている。

試験片６は、環状部材５の径方向内側に配置される本体片１１と、本体片１１から径方向外側に延びる複数のアーム片１２とを有している。

アーム片１２は、本体片１１の外周において、本実施形態では周方向に互いに９０度の間隔をあけて四本が設けられている。そして、径方向外側の端部は棒状をなし、外周面に雄ネジが形成された雄ネジ部１２ａとされている。そして、この雄ネジ部１２ａとされた径方向外側の端部が環状部材５の貫通孔５ａに挿通されている。

本体片１１は、略菱形状をなし、環状部材５の径方向内側のちょうど中央部に配置されて、外周に各アーム片１２が結合されている。本実施形態では本体片１１での応力を生じさせ易くするよう、アーム片１２に比べて環状部材５の軸線Ｐ方向の厚さ寸法が小さくなっている。
なお、この本体片１１の厚さ寸法は、アーム片１２の厚さ寸法に比べて必ずしも小さくなくてもよい。

ナット部材１４は、各アーム片１２に環状部材５の径方向外側から設けられ、環状部材５の貫通孔５ａに挿入されたアーム片１２の雄ネジ部１２ａに螺合されて、アーム片１２を環状部材５に固定している。そしてこのナット部材１４の締め付けによって、バネ部材１５を介して環状部材５を押圧するとともに、アーム片１２に対して径方向外側に向かって引張り力を作用させるようにしている。

バネ部材１５は、ナット部材１４と環状部材５との間において、各々のアーム片１２に外周側から嵌め込まれて環状部材５を径方向に付勢するコイルバネである。

このような多軸応力負荷試験装置においては、ナット部材１４の締め込むことによって、アーム片１２を環状部材５に対して径方向外側に引っ張ることができる。より具体的には、雄ネジ部１２ａ及びナット部材１４が右ネジである場合には、径方向外側から見て、ナット部材１４を右回りに回転させる。このようにして、アーム片１２を介して試験片６に引張り力を作用させることができる。

またこの際、ナット部材１４の締め付け量によって、試験片６に作用させる引張り力を調節することができる。即ちナット部材１４の調節のみで引張り力の調節を行い、試験片６に任意の多軸（本実施形態では二軸）の引張り応力を生じさせることが可能となる。

ここで、例えば、試験を行う前に、試験片６にひずみゲージを設置して、ナットの締め付け量と試験片６に発生するひずみとの関係を予め取得して、校正曲線を作成しておいてもよい。このようにすることで、試験時にひずみゲージを設置して応力管理を行う必要がなくなり、試験作業の効率化を図ることができる。

さらに、アーム片１２毎に引張り力を調節することが可能となるため、応力条件を容易に変更でき、さまざまな多軸応力場の試験条件に対応することができる。

また、例えばオートクレーブ内において試験を行う場合など、過酷な温度条件での試験中には試験片６の熱変形が想定される。この点、環状部材５は可撓性を有しているため、環状部材５の弾性による復元力によって試験片６の熱変形を抑制でき、即ち環状部材５が試験片６の熱変形に対抗することで、試験片６に生じるリラクゼーションを防止できる。

さらに、例えば試験中に試験片６に熱変形等が発生した場合には、環状部材５によってこの熱変形に対抗するとともにこのバネ部材１５によっても対抗することができ、さらなるリラクゼーション発生の防止を図ることができる。

ここで、図３に示すように、ナット部材１４を環状部材５の径方向内側からアーム片１２の雄ネジ部１２ａに締結することによって、アーム片１２を径方向内側に向けて圧縮することができる。より具体的には、雄ネジ部１２ａ及びナット部材１４が右ネジである場合には、径方向内側から見て、ナット部材１４を右回りに回転させる。このようにして、アーム片１２を介して試験片６に圧縮力を作用させることができる。

そして、引張り力を試験片６に作用させる場合と同様に、ナット部材１４の締め付け量によって圧縮力を調節でき、さらに、ナット部材１４の締結位置をアーム片１２毎に異ならせることで、引張り力と圧縮力とを同時に試験片６に作用させることも可能となる。

さらに、試験片６に引張り力及び圧縮力を作用させる際には、ナット部材１４の締め付けによって応力調節を行っており、大掛かりな装置は不要となる。この結果、試験片６を含めた装置全体のコンパクト化が可能となり、コストを抑えることができる。従って、多くの試験片６を作成して一度に多くの応力腐食割れ試験を行うことができ、一度に多くの試験データを取得することが可能となる。

本実施形態の多軸応力負荷試験装置によると、環状部材５にナット部材１４を用いて試験片６を固定して保持することで、試験片６にさまざまな条件の多軸応力を生じさせ、リラクゼーションの発生を防止でき、試験結果の信頼性の向上を図ることが可能となる。

なお、必ずしもバネ部材１５は設けられていなくともよい。この場合にはナット部材１４は環状部材５に接触して設けられて、試験片６からの反力は環状部材５のみによって受けることとなる。

また、環状部材５に形成された貫通孔５ａは、少なくともアーム片１２が貫通可能となっていればよく、周方向の開口寸法は、上述の実施形態に限定されない。例えば、アーム片１２の雄ネジ部１２ａと比べて開口寸法が周方向に大きくなっていてもよい。

また、図４及び図５に示すように、環状部材２０、３０は円環状に限定されず、例えば外形が四角形、三角形等の多角形状であってもよい。この場合には、環状部材２０、３０の各辺の中央部で、ナット部材１４によって試験片２１、３１のアーム片２２、３２が固定されていることが好ましく、即ち、最も撓み易い位置で固定されていることが好ましい。なお、環状部材２０、３０の各頂点にアーム片２２、３２を固定することも可能である。

さらに、図６及び図７に示すように、試験片４１、５１のアーム片４２、５２は必ずしも周方向に９０度の間隔をあけて設けられていなくともよく、試験条件に応じてアーム片４２、５２の数量、アーム片４２、５２同士の周方向の間隔は適宜変更可能である。

また、図８に示すように、環状部材６０は、軸線Ｐ方向に二つに分割されて第一部材６１と第二部材６２とから構成されていてもよい。この場合、貫通孔５ａ（図１参照）に代えて、第一部材６１及び第二部材６２には表面から軸線Ｐ方向に凹む凹部６１ａ、６２ａが設けられており、これら凹部６１ａ、６２ａ同士を対向させて試験片６のアーム片１２がこれら凹部６１ａ、６２ａ内に位置するように挟み込まれて固定可能となっている。このようにすることで、より試験片６を環状部材６０に設置し易くすることができ、試験を容易に行うことが可能となる。

なお、図９に示すように、環状部材７０は第一部材７１と第二部材７２とから構成され、第二部材７２のみに凹部７２ａが設けられていてもよい。そしてこの凹部７２ａの形状は、アーム片１２を挿入可能であればよく、例えば図９に示す半円状とすることも可能である。

そして第一部材６１、７１と第二部材６２、７２とは互いにボルト６５、ナット６６等によって固定されている。ここで、図１０に示す環状部材８０のように、例えば第一部材８１の軸線Ｐ方向を向く表面に突起部８１ｂを設け、第二部材８２の軸線Ｐ方向を向く表面から軸線Ｐ方向に凹む溝部８２ｂを、突起部８１ｂが嵌合可能となるように設けてもよい。

このようにすることで、第一部材８１と第二部材８２との位置合わせ、及び凹部８１ａと凹部８２ａの位置合わせがより確実に可能となり、試験片６を確実に挟み込んで固定することができる。なお、この突起部８１ｂ及び溝部８２ｂは周方向全域にわたって設けられている場合に限定されず、第一部材８１及び第二部材８２の上記表面の一部に設けられていてもよい。そして、突起部８１ｂが溝部８２ｂに嵌合可能となっていれば、これら突起部８１ｂ及び溝部８２ｂの形状は適宜選択可能である。

さらに、図１１に示すように、環状部材９０は、軸線Ｐ方向に複数の部材９１、９２、９３、９４をボルト９５、ナット６６等で結合して構成されることで円柱状をなしていてもよい。このような環状部材９０によって、同時に複数の試験片６を固定することができ、試験片６毎に異なる引張り力及び圧縮力を作用させることができる。また、凹部９１ａ、９２ａ、９２ｂ、９３ａ、９３ｂ、９４ａの形状を適宜選択することで、試験片６自体の形状も異なったものを環状部材９０にセットして同時に試験を行うことも可能である。即ち、より複雑な条件下での試験を行うことができる。

また、図１２に示すように、環状部材１００において、上記貫通孔５ａ（図１参照）に代えて、環状部材１００の軸線Ｐ方向を向く表面から軸線Ｐ方向に向かって凹む凹部１００ａ、１００ｂが設けられ、これら凹部１００ａ、１００ｂに試験片６のアーム片１２が嵌まり込んで固定されていてもよい。

具体的には、本実施形態のようにアーム片１２が四本となっている場合には、周方向に隣り合う二本のアーム片１２が嵌まり込む二つの凹部１００ａが軸線Ｐ方向の一方側を向く表面に設けられ、残りの二つの凹部１００ｂが軸線Ｐ方向の他方側を向く表面である裏面に設けられていることが好ましい。なお、これら凹部１００ａ、１００ｂが一方側と他方側のいずれの表面に設けられるかはアーム片１２の数量、設置位置によって適宜変更可能である。

このようにすることで、試験片６を環状部材１００に捩じ込むように取り付けて固定することができる。

次に、上述の実施形態の多軸応力負荷試験装置を用いた応力腐食割れの予測方法について説明する。

応力腐食割れの予測方法は、多軸応力負荷試験装置によって多軸応力場での試験データを取得する多軸データ取得工程（第一工程）と、予め蓄積されている単軸応力場での試験データを準備する単軸データ準備工程（第二工程）と、これらの試験データを比較して相関関係を算出する割れ予測工程（第三工程）とを備えている。

多軸データ取得工程は、代表的な複数の多軸応力場での試験を行って、試験片６、２１、３１、４１、５１に生じる応力σと、応力腐食割れの発生時間ｔとの関係についての試験データを取得し、近似曲線を作成する。

単軸データ取得工程は、単軸応力場での応力腐食割れの発生時間との関係について、既に得られた試験データを準備する。なお、単軸応力場での試験は過去に多く行われており、試験データも豊富に存在している。

割れ予測工程は、多軸データ取得工程での試験データと、単軸データ取得工程での試験データとを比較する。そして図１３に示すように、単軸応力場の試験データと多軸応力場の試験データとの間の相関関係βを算出する。

このようにすることで、条件を変えて多軸応力場での膨大な量の試験を行うことなく、既に蓄積されている単軸応力場での試験データに相関関係βを適用して、多くの多軸応力場の条件下での応力腐食割れを予測することが可能となる。このようにして信頼性の高いデータを得ることができ、応力腐食割れの予測が可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、上述の実施形態及び変形例で示した試験片、環状部材等は適宜組み合わせても構わない。

１…多軸応力負荷試験装置５…環状部材５ａ…貫通孔６…試験片１１…本体片１２…アーム片１２ａ…雄ネジ部１４…ナット部材１５…バネ部材Ｐ…軸線２０…環状部材２１…試験片２２…アーム片３０…環状部材３１…試験片３２…アーム片４１…試験片４２…アーム片５１…試験片５２…アーム片６０…環状部材６１…第一部材６２…第二部材６５…ボルト６６…ナット７０…環状部材７１…第一部材８０…環状部材８１…第一部材８１ｂ…突起部８２…第二部材８２ｂ…溝部９０…環状部材９５…ボルト１００…環状部材

Claims

可撓性を有する材料からなる環状部材と、前記環状部材の径方向内側に配置される本体片、及び、周方向に間隔をあけて複数設けられて前記本体片から前記環状部材の径方向外側に延在するアーム片を有する試験片と、各前記アーム片に外嵌されて、該アーム片を前記環状部材に対して径方向に向かって押圧しながら固定するナット部材とを備える多軸応力負荷試験装置を用いた応力腐食割れの予測方法であって、
多軸応力場で前記応力腐食割れの試験を行い、試験データを取得する第一工程と、
単軸応力場での前記応力腐食割れの試験データを準備する第二工程と、
前記第一工程の試験データと前記第二工程の試験データとの比較を行い、相関関係を算出する第三工程とを備えることを特徴とする応力腐食割れの予測方法。