中性子回折法による転がり軸受け内部の残留応力測定
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カテゴリ: 第7回
1.緒言
エネルギー資源の乏しい我が国において、限られ た資源を有効利用することは不可欠であり、3割以 上の電力を供給する原子力発電プラントの安全を確 保し、稼働率を向上させることは非常に重要である。 そのために発電所における状態監視保全が必要にな ってくるが、その中でも発電において負荷が大きい 回転機器とりわけベアリングの適切な点検・管理が 重要である。ベアリングの余寿命評価については、振 動計による加速度信号の発生頻度の上昇カーブのフ ィッティングにより、破壊までの回転数を算出する 手法が行われきたが、機器や運転条件の違いでバラ つきが大きく、十分な予測とは言えない。そこで、ベ アリングの劣化損傷を繰り返し負荷による金属疲労 として捉え、表面及び内部の残留応力の変化を追い、 それと Acoustic Emission 法及び摩耗粒子法との相 関を考察すれば、AE 信号や発生粒子からベアリング の残留応力を推定でき、より正確な余寿命評価を可 能にしたいと考えている。 1. 本稿では、加速劣化試験(通常より強い荷重をかけ た回転試験)で段階的に疲労させたベアリング試料 に対し、日本原子力研究開発機構(JAEA)の JRR-3 にある中性子回折 RESA-1 による測定を行い、その 結果について述べる。1. 本研究で使用したベアリングの試料を Fig.1 に示 す。内輪と外輪の間に 11 個の球があり、直径は7mm である。材質は炭素クロム鋼で重量は約 10g となっ ている。試料は加速劣化試験を行っていないもの (new)と、荷重回転試験を施し、AE のピーク信号が発 生直後のもの(used)を使用した。輪からベアリング球 を取り出し、Fig.1 右のようにアルミの土台に設置し JRR-3における RESA-1 を用いて中性子回折による 内部の残留応力測定を行った。ちなみに、new の試料 は銀色に光っているが、used 試料は劣化が進んだた め焦げ茶色にくすんでいる。
5本試験1回目Fig.1 ベアリング試料Fig.2 は加速劣化試験における回転数と AE 信号の発 生頻度、摩耗粒子についての関係を示している。実験 前が new の試料にあたり、AEPeak が used の試料に
うように、AE 信号が発生し あたる。これを見て分かるように、AE 信号が発生し てから短い時間の間に大規模な破損が起きている。 ベアリングは、表面の数 um の深さに強い圧縮応力 が加わっており、内部ではわずかな引張応力が加わ り釣り合っている。この表面の圧縮応力が材料の劣 化で弱くなってくると、表面の亀裂などの破壊が発 生すると考えられている。そのような疲労破壊と応 力分布の変化の関係を評価し、余寿命評価の検討を するのが本測定の主な目的である。?驗後 (AE Peak)
試能時間.minFig.2 加速劣化試験と AE 信号Used2.2 中性子回折法12||3|※測定点の間隔は0.5mm1. 結晶内は一般的に規則正しく原子が並び、格子をFig.3測定点エントリー、フットのた日にお方1、2結晶内は一般的に規則正しく原子が並び、格子を 形成している。それらの格子間隔は存在している応 力により変化する。つまり、その格子間隔を計測する ことで、弾性係数やポアソン比から具体的な応力の 値を評価することができる。中性子が結晶内部に入 射したとき、あらゆる方向に散乱するが、式(1)に示す Bragg の回折条件を満たす方向に強く回折が起きる。 っ。つまり、その格子間隔を計測する ズやポアソン比から具体的な応力の - ができる。中性子が結晶内部に入 ゆる方向に散乱するが、式(1)に示す を満たす方向に強く回折が起きる。
は回折角、2は中性子の波長である う整数である。結晶内の応力が変 変化により、回折角の変化が起き 一定として微分して書き換えると下 得られ、格子ひずみEを求めること do、nはそれぞれ無ひずみ状態の格 目である。dold =cot 960 (2) dは格子面間隔、0は回折角、2は中性子の波長である nは回折次数という整数である。結晶内の応力が変 化による格子間隔変化により、回折角の変化が起き る。式(1)を波長一定として微分して書き換えると下 のような式(2)が得られ、格子ひずみEを求めること ができる。ここでdo、0はそれぞれ無ひずみ状態の格 子間隔及び回折角である。 c=(d-do)/do=-cot no.50 つまり、回折角の変化から測定点のひずみを求める ことが可能である。中性子はX線と違って金属に対 し透過性が高く、金属内部での応力測定に適してい る。
つまり、回折角の変化から測定点のひずみを求めるFig.4 測定体系 ことが可能である。中性子はX線と違って金属に対 し透過性が高く、金属内部での応力測定に適してい3.測定結果 る。Fig.6-7 に測定結果を示す。Fig.6は実際に測定され 2.3 測定条件た Hoop 方向の回折ピーク角であり、Fig.7 は式(2)を用いて計算した格子ひずみである。また横軸は共に 今回は RESA-1 のマシンタイムを丸4日間利用し ベアリング球の中心からの距離を表しており、赤い奥からビ ンプルに 1次元検 測定を行った。使用した中性子ビームの波長は 0.165A、ビーム径は1mm×3mm、回折面は(110)を 利用した。また、測定点はマシンタイムを考慮し 、 Fig.3 のように中心を通る軸に対し、周方向のひずみ を 1mm 深さから 0.5mm 間隔で1試料あたり 11 点、 計 22 点の測定を行った。1つの点を測定する時間は 140分に設定した。これは、信頼性を確保するために 必要なピーク強度を得るための積算時間である。また、Fig.4は全体の実験体系である。右奥からビ ームを出し、中央のステージにおかれたサンプルに 入射・回折を起こす。そして回折中性子を1次元検 出器で測定する。入村中性子回折中性子
Used * Fig.6-7 に測定結果を示す。Fig.6は実際に測定され た Hoop 方向の回折ピーク角であり、Fig.7は式(2)を 用いて計算した格子ひずみである。また横軸は共に ベアリング球の中心からの距離を表しており、赤い点が新しい試料(new)、青い点が AE ピーク信号発生 直後の試料(used)である。また、格子ひずみを求める ときに必要になる無ひずみ状態の回折角であるが、 今回用いた試料は、新しいものは内部の応力がほと んど存在しないと考えられるため、new の値を無ひ ずみ状態と扱い計算を行った。Fig.7 から明らかなように、used 試料のデータは、 右側では圧縮されているのに対し左側では引張応力 が加わっている。中心に対する対称性が無いのがわ かる。なお、この格子ひずみに回折弾性係数を乗じる と実際の応力が求まるが、ここで扱われている係数 やひずみは引張試験などの機械的試験で求まる値と は異なるので、注意が必要である。]
Fig.7 格子ひずみ(周方向)今回は当初の予定よりもビーム径が 1mm×3mm と 大きくなったため、測定精度を左右する Gauge Volume は直径 7mm の試料に対し大きくなってしま った。しかしながら、回折角の変化は追うことができ new と used で有意な差を計測することができた。ま た、試料の位置合わせにおけるずれは 0.1mm 以下で あるため、今回の実験結果にはほとんど影響は無か ったと思われる。 * 測定当初は、ベアリングの回転はランダムであり、応力分布の変化も中心に対称的に起こりうると仮定 していたため、このような非対称的な応力分布は予 想外であった。原因を考察してみると、回転試験にお けるベアリングの回転がランダムでない可能性があ る。ベアリングの球は外輪と内輪にはさまれ回転を 続けるが、輪の回転の向きによって球の回転に偏り が生じる可能性はある。また、輪の回転が重力に対し て垂直か平行かでも内部の応力変化は異なるだろう。 このようなことから、used 試料の応力変化が中心に 対し非対称になる可能性はある。もう1つの可能性 として、ベアリングで剥離が発生し、その結果応力分 布が非対称になった可能性がある。used サンプルは AE の信号が発生後のものなので、すでに大規模な破 壊が起き、純粋な球でないことが予想される。そのよ うな場合、内部の応力は複雑な状態になっているだ ろう。いずれにせよ、今回の測定では試料数が各状態で 1つしかなかったため、次回は試料数を増やし信頼 性向上を図る必要があるだろう。とりわけ、無ひずみ 状態の回折角を左右する new試料は、試料数を増や し、より精度良く測定するべきである。4.結言1)炭素クロム鋼ベアリングに対し、中性子回折法に より内部の応力測定を用い、疲労による応力の変化 を確認することが可能であることを確かめた。 2)疲労が進んだベアリングは、内部での応力変化が 不均一になる可能性があり、AE ピーク信号発生後に 起きる大規模な破壊との関連性を示唆した。謝辞 本研究では、試料のセッティングや測定手法、及び 測定後の考察に関してまでJAEA の残留応力チーム の方々に非常にお世話になりました。参考文献 [1] 兼松学、野口貴文、安田正雪、鈴木裕士、”残中応力回折用中性子回折装置(RESA)による鉄筋応力 の非破壊測定”、コンクリート工学年次論文集Vol.30、No.2、2008 [2]前川晃、野田満晴、大厩徹、高橋茂、中性子回折法によるオーステナイト系ステンレス鋼配管突合せ溶接継手の残留応力分布測定” 「31 秋庭義明、”新しい光源による応力評価 中性子回折法による応力測定”、(J.Soc. Mat. Sci. Japan), Vol.54, No.7, pp 785-790 July 2005“ “中性子回折法による転がり軸受け内部の残留応力測定“ “平井 俊輔,Shunsuke HIRAI,上坂 充,Mitsuru UESAKA,藤原 健,Takeshi FUJIWARA
エネルギー資源の乏しい我が国において、限られ た資源を有効利用することは不可欠であり、3割以 上の電力を供給する原子力発電プラントの安全を確 保し、稼働率を向上させることは非常に重要である。 そのために発電所における状態監視保全が必要にな ってくるが、その中でも発電において負荷が大きい 回転機器とりわけベアリングの適切な点検・管理が 重要である。ベアリングの余寿命評価については、振 動計による加速度信号の発生頻度の上昇カーブのフ ィッティングにより、破壊までの回転数を算出する 手法が行われきたが、機器や運転条件の違いでバラ つきが大きく、十分な予測とは言えない。そこで、ベ アリングの劣化損傷を繰り返し負荷による金属疲労 として捉え、表面及び内部の残留応力の変化を追い、 それと Acoustic Emission 法及び摩耗粒子法との相 関を考察すれば、AE 信号や発生粒子からベアリング の残留応力を推定でき、より正確な余寿命評価を可 能にしたいと考えている。 1. 本稿では、加速劣化試験(通常より強い荷重をかけ た回転試験)で段階的に疲労させたベアリング試料 に対し、日本原子力研究開発機構(JAEA)の JRR-3 にある中性子回折 RESA-1 による測定を行い、その 結果について述べる。1. 本研究で使用したベアリングの試料を Fig.1 に示 す。内輪と外輪の間に 11 個の球があり、直径は7mm である。材質は炭素クロム鋼で重量は約 10g となっ ている。試料は加速劣化試験を行っていないもの (new)と、荷重回転試験を施し、AE のピーク信号が発 生直後のもの(used)を使用した。輪からベアリング球 を取り出し、Fig.1 右のようにアルミの土台に設置し JRR-3における RESA-1 を用いて中性子回折による 内部の残留応力測定を行った。ちなみに、new の試料 は銀色に光っているが、used 試料は劣化が進んだた め焦げ茶色にくすんでいる。
5本試験1回目Fig.1 ベアリング試料Fig.2 は加速劣化試験における回転数と AE 信号の発 生頻度、摩耗粒子についての関係を示している。実験 前が new の試料にあたり、AEPeak が used の試料に
うように、AE 信号が発生し あたる。これを見て分かるように、AE 信号が発生し てから短い時間の間に大規模な破損が起きている。 ベアリングは、表面の数 um の深さに強い圧縮応力 が加わっており、内部ではわずかな引張応力が加わ り釣り合っている。この表面の圧縮応力が材料の劣 化で弱くなってくると、表面の亀裂などの破壊が発 生すると考えられている。そのような疲労破壊と応 力分布の変化の関係を評価し、余寿命評価の検討を するのが本測定の主な目的である。?驗後 (AE Peak)
試能時間.minFig.2 加速劣化試験と AE 信号Used2.2 中性子回折法12||3|※測定点の間隔は0.5mm1. 結晶内は一般的に規則正しく原子が並び、格子をFig.3測定点エントリー、フットのた日にお方1、2結晶内は一般的に規則正しく原子が並び、格子を 形成している。それらの格子間隔は存在している応 力により変化する。つまり、その格子間隔を計測する ことで、弾性係数やポアソン比から具体的な応力の 値を評価することができる。中性子が結晶内部に入 射したとき、あらゆる方向に散乱するが、式(1)に示す Bragg の回折条件を満たす方向に強く回折が起きる。 っ。つまり、その格子間隔を計測する ズやポアソン比から具体的な応力の - ができる。中性子が結晶内部に入 ゆる方向に散乱するが、式(1)に示す を満たす方向に強く回折が起きる。
は回折角、2は中性子の波長である う整数である。結晶内の応力が変 変化により、回折角の変化が起き 一定として微分して書き換えると下 得られ、格子ひずみEを求めること do、nはそれぞれ無ひずみ状態の格 目である。dold =cot 960 (2) dは格子面間隔、0は回折角、2は中性子の波長である nは回折次数という整数である。結晶内の応力が変 化による格子間隔変化により、回折角の変化が起き る。式(1)を波長一定として微分して書き換えると下 のような式(2)が得られ、格子ひずみEを求めること ができる。ここでdo、0はそれぞれ無ひずみ状態の格 子間隔及び回折角である。 c=(d-do)/do=-cot no.50 つまり、回折角の変化から測定点のひずみを求める ことが可能である。中性子はX線と違って金属に対 し透過性が高く、金属内部での応力測定に適してい る。
つまり、回折角の変化から測定点のひずみを求めるFig.4 測定体系 ことが可能である。中性子はX線と違って金属に対 し透過性が高く、金属内部での応力測定に適してい3.測定結果 る。Fig.6-7 に測定結果を示す。Fig.6は実際に測定され 2.3 測定条件た Hoop 方向の回折ピーク角であり、Fig.7 は式(2)を用いて計算した格子ひずみである。また横軸は共に 今回は RESA-1 のマシンタイムを丸4日間利用し ベアリング球の中心からの距離を表しており、赤い奥からビ ンプルに 1次元検 測定を行った。使用した中性子ビームの波長は 0.165A、ビーム径は1mm×3mm、回折面は(110)を 利用した。また、測定点はマシンタイムを考慮し 、 Fig.3 のように中心を通る軸に対し、周方向のひずみ を 1mm 深さから 0.5mm 間隔で1試料あたり 11 点、 計 22 点の測定を行った。1つの点を測定する時間は 140分に設定した。これは、信頼性を確保するために 必要なピーク強度を得るための積算時間である。また、Fig.4は全体の実験体系である。右奥からビ ームを出し、中央のステージにおかれたサンプルに 入射・回折を起こす。そして回折中性子を1次元検 出器で測定する。入村中性子回折中性子
Used * Fig.6-7 に測定結果を示す。Fig.6は実際に測定され た Hoop 方向の回折ピーク角であり、Fig.7は式(2)を 用いて計算した格子ひずみである。また横軸は共に ベアリング球の中心からの距離を表しており、赤い点が新しい試料(new)、青い点が AE ピーク信号発生 直後の試料(used)である。また、格子ひずみを求める ときに必要になる無ひずみ状態の回折角であるが、 今回用いた試料は、新しいものは内部の応力がほと んど存在しないと考えられるため、new の値を無ひ ずみ状態と扱い計算を行った。Fig.7 から明らかなように、used 試料のデータは、 右側では圧縮されているのに対し左側では引張応力 が加わっている。中心に対する対称性が無いのがわ かる。なお、この格子ひずみに回折弾性係数を乗じる と実際の応力が求まるが、ここで扱われている係数 やひずみは引張試験などの機械的試験で求まる値と は異なるので、注意が必要である。]
Fig.7 格子ひずみ(周方向)今回は当初の予定よりもビーム径が 1mm×3mm と 大きくなったため、測定精度を左右する Gauge Volume は直径 7mm の試料に対し大きくなってしま った。しかしながら、回折角の変化は追うことができ new と used で有意な差を計測することができた。ま た、試料の位置合わせにおけるずれは 0.1mm 以下で あるため、今回の実験結果にはほとんど影響は無か ったと思われる。 * 測定当初は、ベアリングの回転はランダムであり、応力分布の変化も中心に対称的に起こりうると仮定 していたため、このような非対称的な応力分布は予 想外であった。原因を考察してみると、回転試験にお けるベアリングの回転がランダムでない可能性があ る。ベアリングの球は外輪と内輪にはさまれ回転を 続けるが、輪の回転の向きによって球の回転に偏り が生じる可能性はある。また、輪の回転が重力に対し て垂直か平行かでも内部の応力変化は異なるだろう。 このようなことから、used 試料の応力変化が中心に 対し非対称になる可能性はある。もう1つの可能性 として、ベアリングで剥離が発生し、その結果応力分 布が非対称になった可能性がある。used サンプルは AE の信号が発生後のものなので、すでに大規模な破 壊が起き、純粋な球でないことが予想される。そのよ うな場合、内部の応力は複雑な状態になっているだ ろう。いずれにせよ、今回の測定では試料数が各状態で 1つしかなかったため、次回は試料数を増やし信頼 性向上を図る必要があるだろう。とりわけ、無ひずみ 状態の回折角を左右する new試料は、試料数を増や し、より精度良く測定するべきである。4.結言1)炭素クロム鋼ベアリングに対し、中性子回折法に より内部の応力測定を用い、疲労による応力の変化 を確認することが可能であることを確かめた。 2)疲労が進んだベアリングは、内部での応力変化が 不均一になる可能性があり、AE ピーク信号発生後に 起きる大規模な破壊との関連性を示唆した。謝辞 本研究では、試料のセッティングや測定手法、及び 測定後の考察に関してまでJAEA の残留応力チーム の方々に非常にお世話になりました。参考文献 [1] 兼松学、野口貴文、安田正雪、鈴木裕士、”残中応力回折用中性子回折装置(RESA)による鉄筋応力 の非破壊測定”、コンクリート工学年次論文集Vol.30、No.2、2008 [2]前川晃、野田満晴、大厩徹、高橋茂、中性子回折法によるオーステナイト系ステンレス鋼配管突合せ溶接継手の残留応力分布測定” 「31 秋庭義明、”新しい光源による応力評価 中性子回折法による応力測定”、(J.Soc. Mat. Sci. Japan), Vol.54, No.7, pp 785-790 July 2005“ “中性子回折法による転がり軸受け内部の残留応力測定“ “平井 俊輔,Shunsuke HIRAI,上坂 充,Mitsuru UESAKA,藤原 健,Takeshi FUJIWARA