疲労き裂の発生・成長挙動に与える炉水環境中での温度の影響について
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カテゴリ: 第16回
疲労き裂の発生・成長挙動に与える炉水環境中での温度の影響について
Influence of Temperature on the Fatigue Crack Initiation and Growth in Reactor Coolant Environment
大阪大学三澤樹Tatsuru MISAWAMember
大阪大学北田孝典Takanori KITADA
大阪大学竹田敏Satoshi TAKEDA
大阪大学中村隆夫Takao NAKAMURAMember
原子力安全
システム研究所
釜谷昌幸Masayuki KAMAYAMember
Abstract:
The fatigue tests were conducted under different temperature (325℃ and 200℃) in simulated PWR reactor coolant condition with interrupting tests and replica-observation. By observing fatigue crack on the specimen surface, the effect of temperature on crack initiation and growth were studied. From the results of the fatigue tests, the followings were confirmed;
・The number of cycles that fatigue cracks initiate is almost the same in different temperature. On the other hand, the number of cracks that initiate on the specimen increase in high temperature.
・The crack growth rate is accelerated and the number of cracks coalescence increase in high temperature condition.
・The increase of temperature decreases fatigue life and the decrease of fatigue life is mainly caused by the increase of crack coalescence.
Keywords:
Fatigue crack, Environmental effect, Temperature, Crack initiation, Crack growth, Crack coalescence
はじめに
現在、国内の原子力発電所の中には運転を開始して40 年近いプラントがあり今後の運転において機器の 年
が顕著に現れてくることが予想される。原子力発電所の 全 保のためには、 年 の影響を して に取替や修理などを行う保全活動が重要となる。
より効果的な保全活動をおこなうために、釜谷らは疲労 の 合いに した 想き裂 法に き疲労による 年 を 理する 法 を しており、そのためにはき裂の発生・成長挙動を正 に することが求められている。
原子力プラントの冷却材を模擬した高温・高圧水中（以下、環境中という）では大 中と て疲労寿命が低下することが明らかとされており、これを環境効果と呼んでいる。[3]
連絡先: 三澤 樹
〒565-0871 大阪府吹田市山田丘2-1
大阪大学大学院工学研究科環境・エネルギー工学専攻
E-mail: t-misawa@ne.see.eng.osaka-u.ac.jp
環境効果が疲労き裂の発生・成長過程に及ぼす影響につ いては、藤川らにより検討が行われており、環境中でのき裂の発生・成長挙動を観察するために 2 段レプリカ法が開発された。検討の 果、環境中では大 中と てき裂成長速 の加速、き裂の発生の促進、き裂の合体の増加に影響を与えることが明らかとなった。[4]
環境効果については温 、 速 、などが疲労寿命の低下に影響を与えることが明らかにされており、それらの因子は日本機械学会発電用設備規格 環境疲労評価 法において考慮されている。
能勢らは炉水環境中の疲労寿命に影響を与える因子のうち、 速 に注目してき裂の発生・成長挙動に与える影響について検討したが[5]、本研究では、温 に着目して、その違いがき裂の発生・成長挙動に与える影響について調査し、疲労寿命の低下との関係について明らか とした。
記号説明
a:き裂深さ (m) f:形状係数 D:定数 m:定数
Δ ε: 範囲 (%)
△Kt: 拡大係数
da/dN:き裂成長速 (m/cycle)
試験の実施
試験条件
本研究では、PWR 一次冷却材を模擬した試験条件で、オーステナイト系ステンレス鋼 SUS316 中空試験片を用いた低サイクル疲労試験を実施した。き裂の発生・成長を調査するため、途中で試験を中断し 2 段レプリカ法を用いてき裂の観察を行った。疲労試験は 制御で、
範囲 1.2%で固定し、 速 は増加側で0.004%/sec、下降側で 0.4%/sec ののこぎり波で実施した。今回の試験では、温 は200℃で実施し、能勢らの研究で得られた325℃での試験 果と 較した。Table 1,2,3 に試験条件を、 Fig. 1 に試験片 法を す。
Table 1 Chemical component of test material (SUS316) (wt%)
Fe
c
Si
Mn
p
S
Ni
cr
Mo
Ba
0 06
0 5
1 3
0 031
0 027
10 18
16 94
2 02
Table 2 Fatigue test condition
Temp.(℃)
Strain range(%)
Strain rate(%/sec)
325
1 2
0 004
200
1 2
0 004
Table 3 Water condition of simulated PWR environment
Fig.1 Sketch of hollow specimen (Unit : mm)
試験方法
本研究では、中空試験片の内側表面に発生するき裂の発生・成長を観察するために、試験を途中で中断し、段レプリカ法を用いてき裂の観察を行った。
2 段レプリカ法は、中空試験片の内側表面のき裂を観察するために立体レプリカとフィルムレプリカを併用した
法である。2 段レプリカ法では、ま 試験機から取り外した中空試験片の内部に液体状のシリコンゴムを充填する。このゴムが固まった後、試験片内部から取り出す。 これが立体レプリカである。立体レプリカ表面には試験片内側表面の凹凸情報（き裂形状）が写し取られており、それをフィルムレプリカに転写する。 (Fig.2,3 参照)
き裂の観察範囲は、軸方向に 3mm、試験片周方向に2mm とし、 的に 長くなったき裂の周 を 範囲から選定した。
き裂の発生は、顕微鏡でのき裂の観察限界を考慮してき裂の長さが20?,m になった時点と定義した。
Fig.2 Hollow specimen and 3-dimensional replica
Fig.3 Cracks on the film replica
試験結果
疲労寿命
中空試験片の内側表面から発生したき裂が外側表面に貫通するまでの繰返し数を疲労寿命と定義し、200℃と325℃で疲労寿命に するサイクル数の がほぼ同じとなるサイクル数で疲労試験を途中止めし、2 段レプリカ法により、き裂の観察を行った。Table.4 に観察を行ったサイクル数と疲労寿命を す。
Table 4 Observation cycle and fatigue life in fatigue test
Tem.(℃)
Observation cycles
Fatigue life
325
25,50,100,150,200,300,400
709
200
50,100,200,300,500,700,1000,1525
1525
き裂数
Table5、6 に200℃、325℃の試験の各サイクルにおいて観察されたき裂の数と、新たに観察されたき裂数、合体 数を す。ここで、合体数は、き裂同士が合体した箇所の数である。
Table 5 Number of cracks (200C)
Cycles
50
100
200
300
500
700
1000
1525
Total Cracks
0
0
16
40
69
74
61
32
Crack n t at on
0
0
16
26
33
20
3
1
Crack Coalescenece
0
0
0
2
4
16
16
30
Table 6 Number of cracks (325C)
Cycles
25
50
100
150
200
300
400
709
Total Cracks
0
0
0
24
96
107
91
Crack n t at on
0
0
0
24
76
33
21
Crack Coalescenece
0
0
0
0
4
21
37
Fig.4 に、200℃と325℃で観察したき裂数の推移を す。き裂数のヒークは 325℃で 300 サイクル、200℃では 700 サイクルであり、それぞれき裂数は 107 個、74 個であった。
Fig.4 Number of total cracks
き裂の発生
Fig.5 と6 に、200℃及び325℃で各サイクル間に発生したき裂の発生率(1 サイクル当たりに発生したき裂数)をす。200℃では、100-200 サイクルで初めてき裂が発生し、200-300 サイクル間でき裂の発生率がヒークとなった。
325℃では、100-150 サイクルで初めてき裂が発生し、
150-200 サイクル間でき裂の発生率がヒークとなった。
Fig.5 Crack initiation rate (200C)
Fig.6 Crack initiation rate (325C)
き裂の合体
Fig7 と8 に、200℃及び325℃で各サイクル間に合体したき裂の合体頻 (1 サイクル当たりのき裂の合体数)を
す。325℃の方が200℃より き裂の合体頻 は高かった。200℃では、500-700 サイクルでき裂の合体頻 がヒークとなり、その後合体頻 は減少した。325℃では、合体
頻 はサイクルを るごとに増加した。
Fig.7 Crack coalescence per cycle (200C)
Fig.8 Crack coalescence per cycle (325C)
Fig.9 と10 に、き裂1 本当たりのき裂の合体頻 (1 サイクル当たりのき裂の合体数をき裂数で割った の)を す。この 較から、325℃の方が200℃より き裂1 本当たりの合体頻 が高い 果となった。また、い れの 合 、サイクルが進 につれてき裂 1 本あたりのき裂の合体頻
は増加傾向にあることが分かった。
Fig.9 Crack coalescence per crack (200C)
Fig.10 Crack coalescence per crack (325C)
き裂長さ
Fig11 と12 に、200℃と325℃で観察した各サイクルでのき裂長さ分布を す。き裂は成長、合体を繰り返しながら長くなるため、サイクルを るごとに長いき裂が増えるが、325℃の方が 200℃より 早い段階から長いき裂が多くなった。き裂が発生してからしばらくの間はどちらの温 で 短いき裂がほとんどであるが、300 サイクル時点で 0.4mm を超えるき裂が 200℃ではなかった一方で、325℃では 6 本あり、 長いき裂の長さは 0.8mm 以上あった。また、200℃では325℃より 0.1mm 以下のき裂の割合の減り方が大きかった。
Fig.13 に、各サイクルで観察されたき裂の長さの和を
「総き裂長さ」として し、観察領域がどれくらいき裂で められているかを した。総き裂長さが長いほど、き裂密 が高くなる。
200℃では、700 サイクル以降で総き裂長さの成長が遅くなり、このときの総き裂長さは約21000?,m であった。200-700 サイクルと 700-1525 サイクルでの総き裂長さの
成長を に一次関数と なすと 1 サイクル当たりの総き裂長さの成長は、200-700 サイクルでは、約40?,m/cycle、700-1525 サイクルでは約 4?,m であった。325℃では、
200℃ほどき裂の成長が遅くなることがなく、200℃でき裂の成長が遅くなった 21000?,m を超えて ほぼ一定の速さで成長した。200-400 サイクルでの総き裂長さを一次関数と なすと、1 サイクル当たりの総き裂長さの成長は、約66?,m であった。
Fig.11 Distribution of crack length (200C)
Fig.12 Distribution of crack length (325C)
Fig.13 Total crack length
Fig.14 と15 に、合体したき裂 めて観察したサイクル間でのき裂の成長分の長さをき裂数で割った、き裂の1 サイクル当たりの平均成長量を す。
200℃では、き裂の平均成長量は200-700 サイクルで0.4 '"'- 0.5μm/cycle の間で徐々に小さくなり、700 サイクル以降では平均成長量が に小さくなった。325℃では、150-200 サイクルでき裂の平均成長量は 大きく、き裂
数が多くなる 200-300 サイクルで平均成長量は一旦小さ
くなり、合体によってき裂数が減る 300 サイクル以降では平均成長量は び増加した。
Fig.14 Average crack growth rate (200C)
Fig.15 Average crack growth rate (325C)
き裂成長速度
低サイクル疲労におけるき裂成長速 は 拡大係数と良い相関を すことが釜谷らにより報告されている。本研究では 拡大係数を用いて、き裂成長速 との関係を検討した。レプリカ観察から得られたき裂長さを元に環境中での深さ方向のき裂成長速 (da/dN)を算出した。深さ方向の成長速 は、表面方向のき裂成長速 に
きアスペクト を0.5 と 定して推定した。 拡大係数は式（1）で表される。
き裂成長速 と 拡大係数の関係の式（2）はプロットした実験データから 小二乗法により求めた。
… (2)
本試験では 範囲が一定であるため 拡大係数ΔK はき裂深さa に して大きくなる。き裂の合体の影響を取り除くため、合体が観測されたき裂を除外してき裂の成長速 を求めた。Fig.16 に、200℃と 325℃の
拡大係数△Ktとき裂成長速 da/dN の関係および 小二乗法により求めた近似直線を す。また、Table7 に
小二乗法により得られた定数 D とmの値を、Table8 には、それぞれの温 での 100、500、1000μm におけるき裂成長速 と成長速 の を す。
どちらの温 で △Ktが大きくなるほど、つまりき裂が深くなるほどき裂成長速 は速くなり、温 の違いによるき裂成長速 の は、m の値が同じではないためにき裂の深さによって若干変 するが、325℃の方が約 4.2 倍速い 果となった。
Fig.16 Crack growth rates vs. △Kt
Table7 Parameters in crack growth rates
D
m
200℃
1 6 E-01
1 65E+00
325℃
6E-01
1 67E+00
Table8 Crack growth rate in each crack length
Crack growth rate(?m/cycle)
Rat o
Crack length
(?m)
200℃
325℃
325℃/200℃
100
0 025
0 10
4 11
500
0 092
0 3
4 19
1000
0 164
0 70
4 22
貫通き裂のき裂成長挙動
本項では貫通したき裂の成長挙動を調査し、温 の違いが疲労寿命に与える影響について検討した。
貫通き裂の成長においては、200℃では 5 本のき裂が、
325℃では 15 本のき裂が合体した。300 サイクルまでは
200℃と325℃とでき裂1 本あたりの長さに大きな差はなかった。
200℃では300-700 サイクルの間はき裂は合体しないまま成長し、700-1000 サイクルで 3 本のき裂が合体して長くなった。合体前の3 本のき裂の長さの和は約1200?,m、合体後は約1310?,mであったことから700-1000 サイクルの間での成長量は約110?,mとなる。合体前の 長いき裂の長さと ると2 倍程 の長さに成長している。
一方で、325℃では300-400 サイクルの間に10 本のき裂が合体したことにより、き裂が大きく成長した。これら10 本の合体前の長さの和は約 1560μm、合体後の長さは約 1710μm であったことから、き裂の成長量は約 150μm となる。合体前の 長いき裂の長さと 較すると 6 倍以上に成長している。
考察
き裂の発生への影響
温 の違いがき裂の発生に与える影響について検討した。
初めてき裂が観察されたのは、200℃では100-200 サイ
クルの間であり、325℃では100-150 サイクルの間であった。このことから、き裂が発生するまでのサイクル数に
する温 の違いによる影響は大きくないと考えられる。
1 サイクル当たりに発生するき裂数については、200℃ では200-300 サイクルの区間でヒークとなり、1 サイクルあたり0.21 本であった。一方で、325℃では150-200 サイクルの区間でヒークとなり、、1 サイクル当たり1 本であった。また、 発生量が少なかった100-150 サイクル区間で 1 サイクル当たり0.24 本発生していることから、温 の違いによってき裂の発生量が増加し、き裂数の違いに影響した のと考えられる。
き裂の成長への影響
温 の違いがき裂の成長に与える影響について検討した。
Fig.16 より、200℃より 325℃の方がき裂成長速 が速いため、温 が高い方がき裂の成長が促進されると考えられる。
200℃より 325℃の方が成長速 が約4.2 倍速かった。しかし、成長速 の差が大きくなる 1000μmほどの長いき裂で 100 サイクルで 60μmほどの違いにしかならないことから、き裂の成長速 への寄与は小さいと考えられる。しかし、325℃の方が 200℃より き裂数が多いため、Fig.13 に すように総き裂長さには大きな差が生じている。
Fig.14 と15 より、き裂の平均成長量はどちらの温 で
疲労寿命の前半で大きく、き裂が増えるにつれて小さ くなる傾向にあることからき裂が少ないほど 力がき裂に集中しやすく、き裂の数が増えると 力が分散して成長量が小さくなる のと考えられる。
き裂合体への影響
温 の違いがき裂の合体に与える影響について検討した。
Fig.7 と8 より、温 が高いほうがき裂の合体が起こりやすくなることが分かった。温 が高いほど合体の頻が高くなることで、き裂の成長がより促進されると考えられる。また、藤川らの研究[3]では、き裂の合体は環境中 においてき裂先端付近に 在するき裂が互いに成長し合することによって起きると推定しており、き裂の合体にはき裂数が関係していると考えられる。
Fig.9 と10 より、温 が高い方がき裂1 本あたりの合体頻 は高いことから、温 が高いほうがき裂数は多くなるために合体はさらに起こりやすくなると考えられる。200℃のき裂の合体数を見ると、500-700 サイクルでき裂の合体は よく起こっており、その後合体数は減少
した。しかし、Fig.9 でき裂1 本当たりの合体頻 は増えることから、合体数が減少したのはき裂数が減少したこ とが原因と考えられる。
一方、325℃ではき裂数の減少量が少ないが、Fig.10 に
すようにき裂の合体頻 が大幅に増加したため、き裂の合体数が増加し、200℃と てき裂の成長が加速された のと考えられる。
疲労寿命への影響
温 が疲労寿命に与える影響について検討した。
き裂が発生するまでのサイクル数に大きな違いがなか ったことから、温 の違いはき裂が発生してからのき裂の成長過程に影響を与えていると考えられる。き裂の発生量については温 が高いほうが多いため、合体が起こりやすくなり、疲労寿命の低下に影響したと考えられる。
疲労寿命に影響を与えている貫通き裂の成長過程について、き裂 1 本あたりの成長速 は温 が高いほど速くなり疲労寿命を低下させると考えられるが、貫通き裂の成長挙動から 300 サイクルまでのき裂 1 本当たりの長さはそれほど変わらなかった。しかし、この時点でき裂長 さの和は、200℃では約 400μm、325℃では約 1560μmと大きな差があり、そのあとそれらのき裂が合体して 1 本のき裂になった段階で、き裂長さには大きな差が生じた。 このことから、き裂の成長速 の違いより 、き裂の合体数の違いが疲労寿命に大きく影響していると考えられる。
結論
本研究では環境中でのき裂成長挙動を観察することに
より、炉水環境中で温 がき裂の発生および成長挙動に与える影響について調査・検討した。
得られた 果を以下にまとめる。
き裂発生までのサイクル数には温 の違いによる影響は小さいが、発生するき裂の数は温 が高いほど多くなる。
温 が高いほどき裂の成長速 は速くなるが、き裂の成長速 の差が疲労寿命に与える影響は合体に
ると小さい。
温 が高いほどき裂の合体が起こりやすくなり、それによってき裂の成長が大きく促進されることが、疲労寿命の低下の大きな要因である。
参考文献
INSS journal vol.19 2012 NT-12Masayuki Kamaya,
Masahiro Kawakubo “Damage Assessment of Low-cycles Fatigue by Crack Growth Prediction”
The Japan Society of Mechanical Engineers, Fatigue evaluation task “Report on Fatigue Evaluation in Design” 2017
Fujikawa. R., Nakamura, T., Kitada, T., Kamaya, M., “Environmental effect on low cycle fatigue crack growth of SUS316”, Japan Society of Maintenology, Vol. 15, No. 2
能勢昴尚、北田孝典、竹田敏、中村隆夫、釜谷昌幸“PWR 環境中でのステンレス鋼の環境効果（レプリカ観察による亀裂発生・成長挙動の調査）”、日本保全学会第15 回学術講演会要旨集、pp.439-444