JPH0447260A - 応力腐食割れ寿命及びき裂進展速度予測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子カプラント、火力プラント、化学プラン
ト等において腐食環境下で使用される金属材料の応力腐
食割れ寿命及びき裂進展速度を加速試験によらず極めて
短時間で正確に予測することができる方法に関する。

〔従来の技術〕

実機環境下での金属材料の応力腐食割れ（ＳＣＣ）寿命
や代替材の裕度を求めるにあたっては、時間的な制約や
実機試験が困難である場合が多いことから、実際には加
速環境下で便宜的な試験を行わざるを得ない。

その場合、加速試験か実機の応力腐食割れ状態をどれだ
け反映しているかか問題となるところであるか、現状で
は加速環境下で求めた結果と実機環境下で求めた結果か
等価であると仮定して評価している。

第１１図は、実験室的に加速した条件下で求めた代替材
と基準材の応力腐食割れ発生分布を模式的に示したもの
である。同一環境下でも応力腐食割れ発生時間が両者で
異なるのは、環境以外の違いによるものであり、この関
係を示したのか第１１図Ａである。これより、基準材に
対する代替材の裕度はａ倍であることかわかる。

一方、実機環境下において基準材の応力腐食割れ発生分
布が第１１図Ｂに示される如くに求められているとする
と、平行移動則を適用すれば実機環境下でも基準材に対
する代替材の裕度かａ倍であると言える。従って、実機
環境下での代替材の応力腐食割れ寿命は、基準材のそれ
を５年とすると５ａ年と予測することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、実際には基準材の応力腐食割れ寿命は測
定困難であり、未だこれといった寿命予測技術が確立さ
れていないのが現状である。これは、実機で得られる個
々のデータはそれぞれそれが得られた際の条件か異なる
ため、応力腐食割れ寿命分布を求めるに至っていないこ
とによる。

しかも、金属材料の腐食特性を評価する際に、上述のよ
うに加速環境下で便宜的な評価試験を行わざるを得ない
ところに問題かあることに加えて、加速試験の物理的意
味については、これまでほとんど検討された例がなく、
その信頼性の面から疑問の余地か残り、加速試験による
応力腐食割れ寿命の予測には、上述のように基準となる
実機材料の応力腐食割れ寿命か必要であり、現状では実
機の寿命を正確に求めることが困難であると同時に、結
果か得られるまでに比較的長時間を要すると言う問題か
ある。

かかる点に鑑み本発明は、加速環境下で便宜的な試験を
行わずども実際の腐食環境下において確実かつ短時間で
信頼性の高い結果を得ることのできる、応力腐食割れ寿
命及びき裂進展速度予測方法を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成すへく、本願の発明者等が鋭意研究を
重ねたところ、次のような究明結果を得た。

即ち、ある環境下における金属材料の腐食によるき裂進
展量ａは、皮膜の破壊回数をｎとすると（１）式のよう
に与えられる。

上式におけるＺ、　Ｍ、　　ρ、Ｆ及びＱｉは、それぞ
れアノード反応に伴われる交換電子数、金属材料の原子
量、金属材料の密度、ファラデ一定数。

及びｉ回目の皮膜破壊に伴う新生面の活性溶解に対する
電荷密度である。

き裂進展速度をｄａ／ｄｔｆ皮膜破壊速度をｄｎ／ｄｔ
とすると、（１）式は次式（２）のように書き換えられ
る。

す。

皮膜破壊か起こるために必要な歪量をＥｒｒ　き裂先端
速度をＥｒｒとすると皮膜破壊速度ｄ　ｎ　／　ｄｔは
（３）式のように与えられる。

ｎ ε　Ｃ重 ｄｔ　　　　　と。

上式において、Ｅ　’ｅ　Ｉは再不働態化終了直後に再
び不働態皮膜の破壊が生じるようなき裂先端歪速度＋　
　Ｆは再不働態化に要する時間である。

ここで、金属材料のき裂進展速度は、その歪速度に依存
し、特定の歪速度のところで最大となる。

便宜的には、き裂進展速度か最大となる歪速度のところ
か上述のＥ’ｅ＋になる。そのため、実際の応力腐食割
れ寿命及びき裂進展速度の予測には、εｅｌ／ε’ｃｌ
カ月であれば安全側の評価になるので、５　ｅ＋７５　
’−ｔ　＝　１として取り扱うことができる。

ここで、とｅｌ／と’ｅ　ｌ　＝　ｇとおけば、（２）
式は、とあられされる。

（４）式において、Ｍ−フＴ／Ｚ−Ｆ・ρは１回のき裂
進展量をあられし、ｇ／ｌｒは頻度をあられすことにな
る。

従って、上述の（４）式で示される皮膜破壊モデル式に
基づいて、電荷密度の平均値回下、再不働態化に要する
時間ｔｆを実測すれば実機環境下での金属材料の応力腐
食割れ寿命やき裂進展速度を求めることかてきる。

本発明は上述の如くの究明結果及びそれに基づく考察に
立脚してなされたもので、基本的には、金属材料からな
る被検体を腐食環境下に装置し、上記被検体における腐
食環境下に曝露されている自由表面において一定電位下
のもとで新生面を形成するとともに、その新生面の溶解
速度及び再不働態化に要する時間を求め、求められた溶
解速度及び再不働態化に要した時間に基づいて上記金属
被検体の応力腐食割れ寿命及びき裂進展速度を予測する
ようにされる。

ここで、新生面を形成するためには、引っ張り応力の付
加、ひっかき法、電位パル法等を用いることかできる。

〔作　用〕

上述の如くの構成とされた本発明に係る応力腐食割れ寿
命及びき裂進展速度予測方法においては、加速環境下で
便宜的な試験を行わずども実際の腐食環境下において新
生面の溶解速度及び再不働態化に要する時間を求めるだ
けで、確実かつ短時間で信頼性の高い応力腐食割れ寿命
及びき裂進展速度を得ることかできる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る応力腐食割れ寿命及びき裂進展速
度予測方法の一例を実施するにあたって使用される急速
歪電極試験装置の概要を示す。

図において、急速歪電極試験装置１は、実機環境を再現
するための、高温水人出ポート及びヒータ１４が設けら
れた測定用セル１１と、この測定用セル１１内に配置さ
れるコ字形状のＣＴ試験片ＩＯに瞬間約に歪を与えて新
生面を出現させるためのはね加圧式急速歪付加装置１２
と、この急速歪付加装置１２に付随して設けられたピス
トンロッド１３及び油圧シリンダとを組み合わせてなる
荷重解除装置１５とを備えている。試験片１０は、ここ
では原子カプラントの高温水容器等に使用される金属材
料（鋭敏化５ＵＳ３０４）の粒界組成模擬合金である１
０Ｃｒ−８Ｎｉ鋼が用いられている。

そして、測定用セル１１には、試験片１０に関連して試
験片金属極２３と、その試験片金属極２３の電位を測定
するための照合電極２２と、試験片金属極２３を分極す
るための電流を流すｐｔ対極２１とからなる電極装置が
設けられる。また、試験片１０の下片部は測定用セル１
１に設けられた固定部に、その上辺部は上述のピストン
ロッド１３の先端部に、それぞれ適当な絶縁体を介して
結合される。

一方、測定用セル１１外には、試験片１０の歪量を検出
するための歪量検出器２８が急速歪付加装置１２に関連
して設けられ、また、上述の電極装置はボテントスタッ
ト２６に接続されている。そして、試験片に急速に歪を
付加した際の電流の経時変化を、初期の１秒間はメモリ
ーコンバータ２９にて、その後初期の不働態維持電流値
に達するまではペンレコーダー２７にて記録するように
される。

かかるもとで、−〇、４〜Ｑ、２Ｖ＝−ｇの各電位下に
おいて、試験片ＩＯに瞬間的に歪を付加し、試験片１０
（１０Ｃｒ−８Ｎｉ鋼）のアノード電流の経時変化を測
定して記録する。

この測定結果を第２図において曲線ａ−ｆで示す。経過
時間は歪付加時を０秒としている。第２図から明らかな
如くに、０．２ＶＩＨＥのもとでは、アノード電流が歪
付加後０．１秒経過後にピーク値をとった後、再び増加
したが、保持電位−０，４゜−０，３，−０，２，−０
，１，ＯＶ、、、のいずれの電位においても電流値が減
衰する傾向がみられた。また、電位の増加と共にアノー
ド電流−時間曲線は全体的に高電流値側に移行する傾向
が見られる。

ここで、再不働態化に要した時間は、歪付加後の電流値
が歪付加前の電流値に戻るまでに要する時間（第２図の
曲線ａ　−ｅにおいてＯ印で示されている）から求めら
れる。

第３図は、再不働態化に要した時間と電位との関係を示
し、この図から明らかなように、再不働態化に要した時
間は電位の増加と共に長時間側に移行する傾向か見られ
る。

第４図は、第２図を新生面の活性溶解に伴う電荷密度と
電位の関係で示したものである。なお、電荷密度は第２
図における曲線ａ　−ｅにおいてＯ印で示されている部
分を通る水平線と各曲線ａ〜ｅと縦軸とで囲まれた面積
に相当する。この第４図により、電位の増加と共に電荷
密度も単調に増加する傾向があることが理解される。

従って、上述の如くの試験結果に基づいて、実機環境下
において新生面の溶解速度及び再不働態化に要した時間
とを求めて、前述の皮膜破壊モデル式〔（４）式〕に代
入することにより１．き裂進展速度が得られ、被検体と
される金属材料の板厚を求められたき裂進展速度で除す
ことにより、応力腐食割れ寿命が、加速試験によらず、
短時間で確実に予測することができることになる。

次に、き裂先端での新生面の活性溶解挙動及び再不働態
化挙動を調べるため、活性溶解に伴う電荷密度及び再不
働態化に要する時間に及はすき深さの影響を前述した高
温水急速歪電極試験装置を用いて検討した。ここては、
予め疲労予き裂を入れたＣＴ試験片を用イテ０．ＩＶｓ
ｓＥ及び−０，２ｖ３８４の各電位下で上述と同様にし
て歪電極試験を実施した。保持電位が一〇、Ｉ　Ｖ＝Ｈ
！での試験結果を第５図に、また、　０．２Ｖ＝Ｈｚで
の試験結果を第６図にそれぞれ示す。保持電位が一〇、
ＩＶ＝、ｌＥである場合の疲労予き裂は、■４．４Ｘ１
０′″’ｍｌ■１．９Ｘ１０−’ｍ、■３．２Ｘ　１０
−２ｍとされており、保持電位が一〇、２Ｖ□、である
場合の疲労予き裂は、■５．２ＸＩＱ””ｍ、■１．７
Ｘ　１０−’ｍ、■２．８ｘ　ＩＱ−”ｍとされている
。第５図及び第６図から明らかな如く、保持電位カーｏ
、ｔ　Ｖ、、、及び−０，２Ｖｓｓｔｆ　（Ｄいずれの
場合も歪付加直後にアノード電流値が急激に増加した後
徐々に減衰し、やがて歪付加以前の電流値に到達し、ま
た、疲労予き裂が長くなるに従ってアノード電流値が高
くなる傾向が見られ保持電位か一〇、１ＶＳＨＥの場合
に比して−０，２ＶＳ、。

の場合は特にその傾向が著しい。

第７図は、第５図及び第６図に示される試験結果を、１
回のき裂進展で消費される電荷密度とき裂深さとの関係
でプロットしたものである。これより、き裂深さか増加
するに従って電荷密度力く増加することがわかる。第８
図は、第５図及び第６図に示される試験結果を、再不働
態化に要する時間と疲労子き裂長さとの関係で整理した
ものであり、これから、保持電位か一〇、ＩＶｓ＋を及
び−〇、２Ｖ　ｓｓｔのいずれの場合も疲労子き裂長さ
が増加するに従って再不働態化するまでに要する時間が
長くなり、疲労子き裂長さが３．２Ｘ　１０””ｍでは
約１０’秒にも達する。

第９図Ａ及びＢの実線は、鋭敏化５ＵＳ３０４の平均き
裂進展速度を定電位繰り返し５ＳＲＴ　（低歪速度引っ
張り試験）法により求めた結果を示している。図中の平
均き裂進展速度は、便宜的に試験片の板厚３ＭをＳＣＣ
平均破断時間で除した値とする。このときの応力及び歪
付加条件は、それぞれ２．ＯｘＳｍ（設計許容応力）〜
２．５ＸＳｍ及び４．２　Ｘｌ０−７Ｓ−’とした。こ
れによると、−〇、４〜−０．２Ｖ−ＨＨの第１次不働
態領域では電位が増加するに従ってき裂進展速度か加速
される傾向がみられる。しかし、　　０．２Ｖ＊）Ｉｇ
〜０．２ＶｓＨｃの第２次不働態領域では電位か増加す
るにつれて逆にき裂進展速度が減速される傾向が認めら
れる。

このことは、　０．２ＶｓＨｇを越えると、電位の増加
と共にき裂先端で消費される単位時間当たりの電荷量が
減少することを示している。すなわち、電位の増加と共
に再不働態化に要する時間か長くなり、それに伴い単位
時間当たりの皮膜破壊回数が減少し、き裂進展速度が遅
くなるものと考えられる。

第９図Ｂにおいて破線は、前述の皮膜破壊モデル式〔（
４）式〕を用いてき裂成長初期における鋭敏化５ＵＳ３
０４のき裂進展速度の電位依存性について試算した結果
を示している。この計算に用いた各パラメータＭ、　Ｚ
、　Ｆ及びρは、それぞれ、５５．４ｇ、　２，９６５
００ｃ／ｍｏｌ及び７．８ｇ／ａｌとした。また、鋭敏
化Ｓ　Ｕ　Ｓ　３０４のＳＣＣの歪速度依存性を繰り返
し５ＳＲＴ法により検討した結果、４．２Ｘ　１０−７
３−’の歪速度てＳＣＣ感受性か最大となることから、
Ｅｅ＋７ｅ’−＋の値はｌとした。き裂成長初期すなわ
ちき裂深さＯｍにおける計算結果から明らかなように０
、４　Ｖ　ｓｓｔ　〜ＯＶ　ａｎｔの第１次不働態領域
及び第２次不働態領域では、−０，２Ｖ、−でき裂進展
速度か最大となり、これより電位か高くても低くてもき
裂進展速度か遅（なる傾向かあることが理解される。

このようなき裂進展速度の電位依存性は繰り返し５ＳＲ
Ｔ法により求めた結果と同様な傾向を示している。また
、図にはき裂成長過程における鋭敏化５ＵＳ３０４のき
裂進展速度のき裂深さ依存性について試算した結果も示
している。き裂深さは０〜３．２　Ｘ　１０−’ｍの範
囲とした。これより、き裂深さ４．４　Ｘ　１０−’　
〜３．２Ｘ　１０−２ｍの範囲では、き裂進展速度が−
０，２ＶＳＨＥ付近で約Ｉ　Ｘ　１０−”／ｍ　／ｈを
示しており、これは実測値ともよく一致している。

また、き裂深さが増加するに従ってき裂進展速度が徐々
に加速される傾向があり、き裂が成長し始めるときに比
してき裂が成長したときの方がき裂進展速度か著しく加
速されることが理解される。

従って、上述の如くの試験結果並びにそれに基づく考察
からして、実機環境下において新生面の溶解速度及び不
動動態化に要した時間とを求めて、前述の皮膜破壊モデ
ル式〔（４）式〕に代入することにより、き裂進展速度
が得られ、被検体とされる金属材料の板厚を求められた
き裂進展速度で除すことにより、応力腐食割れ寿命が、
加速試験によらず、短時間て確実に予測することができ
る。

次に、本発明に係る応力腐食割れ寿命及びき裂進展速度
予測方法を利用して装置寿命診断等を行うようにされた
沸騰水型原子カプラントの廃液濃縮装置第１０図を参照
して説明する。　図において、床ドレンや樹脂再生廃液
等の一般廃液を中和するための中和処理装置５２．イン
ヒビター添加タンク５３、混合タンク５４．廃液を濃縮
するための加熱缶４０及び蒸発缶５６．蒸発した水を回
収するためのデミスタ−５７及び復水器５８．センサ６
３．バルブ６０゜６１等から廃液濃縮装置の主要部が構
成されており、それに加えて、加熱缶４０を形成する金
属材料（ＳＵＳ３１６ステンレス鋼）の新生面の溶解速
度及び再不動態化に要する時間を測定（Ｉｎ−ｓｉｔｕ
測定）するための歪電極試験装置５０．ポテンショスタ
ット４３．メモリーコンバータ５９および新生面の溶解
速度及び再不働態化に要した時間から応力腐食割れ寿命
及びき裂進展速度を算出するためのコンピュータが配置
されている。

歪電極試験装置５０には、新生面を形成させるための前
述した急速歪付加装置等が備えられている。

この廃液濃縮装置における廃液には、種々雑多な不純物
が混入するため腐食環境を監視するための水質管理シス
テムか不可欠である。そこで、測定された金属材料の新
生面の溶解速度及び再不働態化に要した時間から応力腐
食割れ寿命及びき裂進展速度を算出し、この結果をもと
に異常時には、バルブ６０．６１等を操作して廃液の流
入を停止したり、濃縮廃液を除去したり、警紺を発する
ようにされる。

応力腐食割れ寿命やき裂進展速度は、前述した皮膜破壊
モデル式を用いて、実測された新生面の活性溶解に伴う
電荷密度と再不働態化に要した時間から応力腐食割れに
関する緒特性をコンピュータ６４て解析することにより
求められる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如く、本発明に係る応力腐食割
れ寿命及びき裂進展速度予測方法においては、加速環境
下で便宜的な試験を行わずとも実際の腐食環境下におい
て新生面の溶解速度及び再不働態化に要する時間を求め
るだけて、確実かつ短時間で信頼性の高い応力腐食割れ
寿命及びき裂進展速度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る応力腐食割れ寿命及びき裂進展速
度予測方法の一例を実施するにあたって使用される急速
歪電極試験装置の概要を示す全体図、第２図〜第９図は
本発明に係る応力腐食割れ寿命及びき裂進展速度予測方
法の説明に供される試験結果等をあられすグラフ、第１
Ｏ図は本発明に係る応力腐食割れ寿命及びき裂進展速度
予測方法を利用して装置寿命診断等を行うようにされた
沸騰水型原子カプラントの廃液濃縮装置を示す概略構成
図、第１１図は加速試験により応力腐食割れ寿命を予測
する従来方法の説明に供される図である。 図において、１は急速歪電極試験装置、　１０はＣＴ試
験片、　１１は測定用セル、１２は急速歪付加装置。 ２１〜２３は電極、２６はポテンショスタット、２７は
ペンレコーダ、２８は歪量検出器、２９はメモリーコン
バータである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属材料からなる被検体を腐食環境下に在置し、上
   記被検体における腐食環境下に曝露されている自由表面
   において一定電位下のもとで新生面を形成するとともに
   、その新生面の溶解速度及び再不働態化に要する時間を
   求め、求められた溶解速度及び再不働態化に要した時間
   に基づいて上記金属被検体の応力腐食割れ寿命を予測す
   ることを特徴とする応力腐食割れ寿命予測方法。 ２、金属材料からなる被検体を腐食環境下に在置し、上
   記被検体における腐食環境下に曝露されている自由表面
   において一定電位下のもとで新生面を形成するとともに
   、その新生面の溶解速度及び再不働態化に要する時間を
   求め、求められた溶解速度及び再不働態化に要した時間
   に基づいて上記金属被検体のき裂進展速度を予測するこ
   とを特徴とするき裂進展速度予測方法。 ３、被検体として供されるべき金属材料の粒界組成及び
   ／又は粒内組成を模擬した合金材料を被検体として用い
   て上記金属材料からなる被検体の応力腐食割れ寿命を予
   測することを特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ寿
   命予測方法。 ４、被検体として供されるべき金属材料の粒界組成及び
   ／又は粒内組成を模擬した合金材料を被検体として用い
   て上記金属材料からなる被検体のき裂進展速度を予測す
   ることを特徴とする請求項２記載のき裂進展速度予測方
   法。 ５、金属材料もしくはその粒界組成及び／又は粒内組成
   を模擬した合金材料からなる被検体を腐食環境下に在置
   し、上記被検体における腐食環境下に曝露されている自
   由表面において一定電位下のもとで新生面を形成し、不
   働態皮膜の破壊による新生面の溶解に伴う電荷密度Ｑｉ
   と再不働態化に要した時間とをそれぞれ直接的もしくは
   間接的に計測し、その計測結果に基づいて、ｎ回の不働
   態皮膜の破壊による新生面の溶解に伴う電荷密度の平均
   値＠Ｑｉ＠を算出し、その電荷密度の平均値＠Ｑｉ＠と
   再不働態化に要した時間ｔ＿ｆとを用いて、き裂進展速
   度ｄａ／ｄｔを次式： ▲数式、化学式、表等があります▼ （ただし、上式において、Ｚ，Ｍ，ρ，Ｆはそれぞれア
   ノード反応に伴われる交換電子数、金属材料の原子量，
   金属材料の密度，ファラデー定数であり、■＿■＿ｔは
   再不働態化終了直後に再び不働態皮膜の破壊が生じるよ
   うなき裂先端歪速度、■＿ｃ＿ｔは任意のき裂先端歪速
   度）に基づいて予測することを特徴とするき裂進展速度
   予測方法。 ６、被検体の板厚を請求項５記載のき裂進展速度ｄａ／
   ｄｔで徐した値に基づいて上記被検体の応力腐食割れ寿
   命を予測することを特徴とする応力腐食割れ寿命予測方
   法。