JP6092348B1 - 二軸応力負荷装置および管状試験片の試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一定の二軸応力比下での管の強度特性を求める二軸応力負荷機構および管状試験片の試験方法を提供する。【解決手段】管状試験片１の一端に固着した管状試験片用密封端栓１０と、管状試験片１の他端に固着した圧力媒体導入穴付き端栓１０Ａとから構成され、圧力媒体導入穴付き端栓１０Ａは内圧発生用ピストン１１と圧力連結管１４経由で連結し、内圧発生用ピストン１１の他端に連結した引張力連結棒１２を介して、管状試験片１に引張力を負荷すると、内圧発生用ピストン１１内の圧力媒体の流入によって管状試験片１内の内圧が引張力に比例して増加するように管状試験片１と内圧発生用ピストン１１とを直列に組合せた構造からなる。小型で単純な機構から構成され、複雑な制御装置を必要としない。【選択図】図１

Description

本発明は、管状試験片の長手方向と円周方向との二軸方向の応力比を一定に保った負荷状態での管の破壊強さ、変形挙動および延性等の機械的な諸特性を求めるための、二軸応力負荷装置およびそれを用いた管状試験片の試験方法に関する。

一定の二軸応力比下での材料の強度特性を求めるための二軸応力負荷機構と試験方法として、従来装置では特許文献１や非特許文献１、非特許文献２に示すように、管を長手方向に引っ張る引張り負荷機構に取り付けた管状試験片の内部に、ガスもしくは液体からなる加圧媒体を導入して内圧も同時に負荷するための内圧発生機構、および内圧を引張り力の大きさに対して比例するように制御するための自動圧力・引張力制御機構と試験方法から構成されている。

管状試験片１への二軸応力負荷機構と試験方法においては、従来は図３に例示するように引張り負荷機構３１、内圧発生機構３２および内圧を引張り力に比例させるための自動内圧制御機構３３の三種類の機構が必要である。しかしながら、これら引張り力発生・内圧発生および引張り/内圧制御のための各機構は、形状的には大型で、サーボ制御フィードバック回路を用いた電気・圧力変換器などの複雑なシステムから構成されている。

従って、同装置は高価で、その導入には広い設置場所や多額の資金を要する等の欠点があった。特に、試験片が放射能を持つ管の場合には、ホットセルと称呼される放射線遮蔽機能付きの小部屋内に試料をセットし、負荷機構類を遮蔽壁を隔てて隣接する狭小な放射線管理区域内に設置することになり、同区域内に大型装置を設置することは施設管理運営上から好ましくない等の付加的な欠点があった。

特開２００２−３２３４１９号公報

Journal of Nuclear Science and Technology／Vol.12／No.7／1975／P.423-435（P.425, Fig.2）／Hideo Maki et al. Journal of Nuclear Material／105／1982／P.159-171／Masafumi Nakatsuka et al.

本発明は、以上のような従来技術の欠陥に鑑み、小型で単純な機構から構成され廉価で、かつ狭い場所に設置可能で、複雑な制御システムを必要としない二軸応力負荷機構と試験方法を提供する事を目的としている。

上記目的を達成するために、第一発明は、管状試験片の片端に固着した密封用端栓と、もう一方の端に固着した圧力媒体導入穴付き端栓から構成され、かつ穴付き端栓は直列に並んだピストンの一方に力学的に結合されて、管状試験片への外部からの引張力でピストン内の圧力媒体が加圧されると管状試験片内に圧力媒体が導入されるように配管された組み合わせ構造からなる二軸応力負荷機構と試験方法である。

第二発明は、管状試験片の片端に固着した圧力媒体導入穴付き端栓と、もう一方の端に固着した圧力媒体導出穴付き端栓から構成され、かつ圧力媒体導出穴付き端栓は直列に並んだピストンの一方に力学的に結合されて、管状試験片内に外部から加圧導入した圧力媒体が配管を経てピストン内にも導入され、ピストンの他の一端が試験片に引張力を与えるように機械的に組合せた構造からなる二軸応力負荷機構と試験方法である。

以上の説明から明らかなように、本発明にあっては次に列挙する効果が得られる。

（１）管状試験片の片端に固着した密封用端栓と、もう一方の端に固着した圧力媒体導入穴付き端栓から構成され、かつ穴付き端栓はピストンの一方に結合されて管状試験片への引張力で同ピストン内の圧力媒体が加圧されて管状試験片に導入されるように機械的に組合せた構造からなる管状試験片への二軸応力負荷機構であり、外部から付与した引張り力に対応して管長手方向と円周方向の応力比が自動的に一定になるようにピストン内径を作製しているので、内圧発生装置および自動圧力・引張力制御装置が不要であるので装置全体が小型化するだけでなく操作に熟練を要しない試験方法である。

（２）管状試験片の片端に固着した圧力媒体導入穴付き端栓と、もう一方の端に固着した圧力媒体導出穴付き端栓から構成され、かつ圧力媒体導出穴付き端栓はピストンの一方に力学的に結合され、管状試験片内に加圧導入した圧力媒体がピストン内にも導入されると、ピストンの他の一端が試験片に引張力を与えるように機械的に組合せた構造からなる管状試験片への二軸応力負荷機構であり、外部から加圧導入した圧力に対応して管円周方向と長手方向との応力比が自動的に一定になるようにピストン内径を作製しているので、引張力発生装置および自動圧力・引張力制御装置が不要になり装置全体が小型化するだけでなく操作に熟練を要しない試験方法である。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る自動内圧発生ピストンを結合した管状試験片から構成された二軸応力負荷機構を示す装置の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る自動引張力発生ピストンを結合した管状試験片から構成された二軸応力負荷機構を示す装置の縦断面図である。 従来技術における、引張り負荷機構、内圧発生機構および自動圧力・引張力制御機構の三種類の機構から構成された二軸応力負荷機構を示す装置のシステム説明図である。 本発明の一実施形態に係る管状試験片を示す斜視図である。 図４ＡにおけるＡ−Ａ’矢視図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１は、第一発明の実施例１の断面図であって、管状試験片１の片端に固着した管状試験片密封用端栓１０と、もう一方の端に固着した圧力媒体導入穴付き端栓１０Ａから構成され、かつ圧力媒体導入穴付き端栓１０Ａは内圧発生用ピストン１１の一方に力学的に直列に結合されている。図示していない引張装置のロッド部の一方に管状試験片密封用端栓１０が取り付けネジ部１０Ｂを介して固定されており、図示していないもう一方のロッド部には内圧発生用ピストン１１に連結した引張力連結棒１２を介して取り付けネジ部１３が固定されている。管状試験片１の機械特性等を試験する際、当該試験のために図示していない引っ張り用ロッド間隔が広げられると二つの取り付けネジ１０Ｂ，１３を介して管状試験片１に引張力が生じ、同時に内圧発生用ピストン１１内の圧力媒体１５が加圧されて圧力連結管１４を通じて管状試験片１内に導入されるように試験片と内圧発生用のピストンとを直列に組合せた構造からなる管状試験片への二軸応力負荷機構を製作した。

今、管円周方向応力（σ_t）に対する長手方向応力（σ_l）の比（Ｋ）が常に設定した一定値を保つように破壊まで引張荷重を増加し続ける試験を考える。この一定応力比での負荷は、ピストンのシリンダー内径ｄ_pを下記から定まる値に製作することで達成されることを示す。

応力比Ｋが定まると、薄肉管の応力式から試験片の各公称応力間には数式１、数式２、数式３の関係があることが力学的に分かっている。

ここで、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、試験片の外径をｄ_ｏ、内径をｄ_ｉとし、ピストンのシリンダー内径をｄ_pとすると、引張力F、内圧ｐ、平均半径ｒ、肉厚ｔ、管の横断面積Aは、それぞれ以下の数式４〜数式７で表される。

上の数式３に数式１、数式２を代入して、数式４〜数式７の関係を用いるとピストンのシリンダー内径ｄ_pとして数式８が導出される。

例えば、応力比Ｋが常に自動的に１になる負荷機構は、数式８の力学的な釣り合い条件から、ピストンのシリンダー内径を試験用管の平均径１／２（ｄ_ｏ＋ｄ_ｉ）に等しいように作製することによって提供できる。なお、数式８から本発明の負荷機構は、応力比Ｋが１の場合に限るものではなく０．５を越える任意の応力比Ｋについても適用可能なことは明らかである。

図２は、第二発明の実施例２の断面図であって、管状試験片１の片端に固着した圧力媒体導入穴付き端栓２０Ａと、もう一方の端に固着した圧力媒体導出穴付き端栓２０から構成され、かつ圧力媒体導出穴付き端栓２０は引張力発生用ピストン２１の一方に引張力連結用枠２２を介して結合され、管状試験片１内に外部から加圧導入した圧力媒体１５が圧力連結管１４を通じて引張力発生用ピストン２１内にも導入される。引張力発生用ピストン２１の両端の動きは二つの引張力連結用枠２２および２２Ａを介して試験片に引張力を与えるように機械的に組合せた構造からなる管状試験片への二軸応力負荷機構を製作した。

同機構では、圧力媒体導入穴付き端栓２０Ａを介して管状試験片１に内圧を負荷すると内圧による応力の他に引張力発生用ピストン２１による引張力が試験片に付加的に作用する。

今、管円周方向応力（σ_t）に対する長手方向応力（σ_l）の比（Ｋ）が常にＫ＝１になるように保ったまま破壊まで内圧を増加し続ける試験を考える。この一定応力比での負荷は、ピストンのシリンダー内径ｄ_ｐを第一発明の実施例で示した数式８から求めることができる。即ち、引張力発生用ピストン２１のシリンダーの内径を試験用管の平均径１／２（ｄ_ｏ＋ｄ_ｉ）に等しいように作製すれば、応力比Ｋが力学的な釣り合い条件から自動的に１になる負荷機構を提供できる。

以上では、ピストンとシリンダー間の摩擦力は省略したが無視できない場合には工学的に測定して補正を加えることで上記の応力比は達成される。さらに薄肉管の式で説明したが、厚肉管についても同様に応力比が得られる。

また、実施例１および実施例２で示した管状試験片への二軸応力負荷機構を用いることで、管状試験片の破壊強さ、変形挙動および延性等の機械的な諸特性の試験を行うこともできる。例えば、実施例１の二軸応力負荷機構においては、内圧発生用ピストン１１により管状試験片１に引張力および内圧を負荷しながら管状試験片１の状態を観察することで、管状試験片１に破断や亀裂が生じた際の圧力媒体１５の圧力値、或いは、引張装置の引張力のモニタから、管状試験片の機械特性を算出することができる。同様に、実施例２の二軸応力負荷機構においては、管状試験片１に供給する圧力媒体１５の圧力値をモニタすることで、管状試験片１に破断や亀裂が生じた際の圧力媒体１５の圧力値から、管状試験片の機械特性を算出することができる。

また、各実施例における管状試験片は主に核燃料被覆管を想定しており、試験片の材質としてはジルコニウム合金やステンレス鋼、炭化珪素（ＳｉＣ）のようなセラミックスなどが挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば工業用の鋼管など、管状の試験片であれば同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、工業用の鋼管の材料強度試験用の他に、原子力発電用の放射能を有する核燃料被覆管材等の管状試験片の強度評価に適用できる。

１…管状試験片、１０…管状試験片密封用端栓、１０Ａ…圧力媒体導入穴付き端栓、１０Ｂ…取り付けネジ部、１１…内圧発生用ピストン、１２…引張力連結棒、１３…取り付けネジ部、１４…圧力連結管、１５…圧力媒体、２０…圧力媒体導出穴付き端栓、２０Ａ…圧力媒体導入穴付き端栓、２１…引張力発生用ピストン、２２，２２Ａ…引張力連結用枠、３１…引張り負荷機構、３２…内圧発生機構、３３…自動内圧制御機構。

Claims (8)

1. 管状試験片の一端に固定される密封用端栓と、
   前記管状試験片の他端に固定される圧力媒体導入穴付き端栓と、
   前記圧力媒体導入穴付き端栓の前記管状試験片が固定される側の端部とは反対側の端部に前記管状試験片と直列になるように連結される内圧発生用ピストンと、
   前記内圧発生用ピストンから前記圧力媒体導入穴付き端栓に圧力媒体を供給する圧力連結管と、
   前記内圧発生用ピストンの一端に連結され、当該内圧発生用ピストン内の圧力媒体に圧力を負荷する引張力連結棒と、を備え、
   前記引張力連結棒で前記内圧発生用ピストン内の圧力媒体に圧力を負荷することにより、前記管状試験片に引張力を負荷するとともに、前記内圧発生用ピストン内の圧力媒体が前記圧力連結管を介して前記圧力媒体導入穴付き端栓に供給され、前記管状試験片に内圧を負荷することを特徴とする二軸応力負荷装置。
2. 請求項１に記載の二軸応力負荷装置であって、
   前記内圧発生用ピストン内の圧力媒体に負荷される圧力の増減に比例して、前記管状試験片に負荷される引張力および内圧が増減することを特徴とする二軸応力負荷装置。
3. 請求項１に記載の二軸応力負荷装置であって、
   前記管状試験片は、核燃料被覆管であることを特徴とする二軸応力負荷装置。
4. 管状試験片の一端に固定される圧力媒体導入穴付き端栓と、
   前記管状試験片の他端に固定される圧力媒体導出穴付き端栓と、
   前記圧力媒体導入穴付き端栓と前記圧力媒体導出穴付き端栓の各々に引張力連結用枠を介して前記管状試験片と直列になるように連結される引張力発生用ピストンと、
   前記圧力媒体導出穴付き端栓から前記引張力発生用ピストンに圧力媒体を供給する圧力連結管と、を備え、
   前記圧力媒体導入穴付き端栓から前記管状試験片内へ圧力媒体を供給することにより、前記管状試験片に内圧を負荷するとともに、前記管状試験片内の圧力媒体が前記圧力連結管を介して前記引張力発生用ピストンに供給され、前記管状試験片に引張力を負荷することを特徴とする二軸応力負荷装置。
5. 請求項４に記載の二軸応力負荷装置であって、
   前記管状試験片内へ供給される圧力媒体の供給圧力の増減に比例して、前記管状試験片に負荷される内圧および引張力が増減することを特徴とする二軸応力負荷装置。
6. 請求項４に記載の二軸応力負荷装置であって、
   前記管状試験片は、核燃料被覆管であることを特徴とする二軸応力負荷装置。
7. 密封用端栓に管状試験片の一端を固定し、
   圧力媒体導入穴付き端栓に前記管状試験片の他端を固定し、
   前記圧力媒体導入穴付き端栓を介して前記管状試験片と直列に連結された内圧発生用ピストンの一端に連結された引張力連結棒で前記内圧発生用ピストン内の圧力媒体に圧力を負荷することにより、前記管状試験片に引張力を負荷するとともに、前記内圧発生用ピストン内の前記圧力媒体を前記内圧発生用ピストンと前記圧力媒体導入穴付き端栓を結ぶ圧力連結管を介して前記圧力媒体導入穴付き端栓に供給することで前記管状試験片に内圧を負荷し、
   前記圧力媒体に負荷する圧力値をモニタすることにより前記管状試験片の機械特性を試験する管状試験片の試験方法。
8. 圧力媒体導入穴付き端栓に管状試験片の一端を固定し、
   圧力媒体導出穴付き端栓に前記管状試験片の他端を固定し、
   前記圧力媒体導入穴付き端栓から前記管状試験片内へ圧力媒体を供給することにより、前記管状試験片に内圧を負荷するとともに、前記圧力媒体導入穴付き端栓と前記圧力媒体導出穴付き端栓の各々に引張力連結用枠を介して前記管状試験片と直列になるように連結された引張力発生用ピストンに前記圧力媒体導出穴付き端栓と前記引張力発生用ピストンを結ぶ圧力連結管を介して前記圧力媒体を供給することで前記管状試験片に引張力を負荷し、
   前記管状試験片に供給する前記圧力媒体の圧力値をモニタすることにより前記管状試験片の機械特性を試験する管状試験片の試験方法。

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