(57)【要約】【課題】原子炉構造物の応力腐食割れのき裂進展を一層精度よく、かつ具体的に評価することができる原子炉構造物の診断方法を提供する。【解決手段】原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、解析されたき裂の形状変化に基づいて構造物のき裂形状を予測する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて前記構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化する結晶粒界配置・方位差算出モデル化工程と、
前記構造物の形状と溶接条件とに基づいて前記構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する溶接残留応力分布算出工程と、
前記モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、前記構造物のき裂先端の結晶粒界に加わる応力拡大係数と、算出したき裂先端の結晶粒界の方位差と、前記構造物の材質ならびに使用環境条件とに基づいて、前記き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度を算出し、単位時間における前記き裂の形状変化を解析するき裂形状変化解析工程と、
解析された前記き裂の形状変化に基づいて前記構造物のき裂形状を予測するき裂形状予測工程と、
予測したき裂形状を表示するき裂形状表示工程とを有することを特徴とする原子炉構造物の診断方法。
【請求項２】
前記き裂形状変化解析工程では、前記構造物の材質を示す指標として鋼種、硬さおよび粒界偏析度を使用する請求項１記載の原子炉構造物の診断方法。
【請求項３】
前記き裂形状変化解析工程では、前記構造物の使用環境条件を示す指標として、環境中の腐食電位と導電率とを使用する請求項１記載の原子炉構造物の診断方法。
【請求項４】
前記き裂形状変化解析工程では、前記結晶粒界の方位差、前記構造物の材質および前記構造物の使用環境条件と、前記き裂進展速度との関係から、き裂進展速度を定式化したマスターカーブを用いてき裂先端の結晶粒界でのき裂進展速度を算出する請求項１記載の原子炉構造物の診断方法。
【請求項５】
原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて前記構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化する結晶粒界配置・方位差算出モデル化手段と、
前記構造物の形状と溶接条件とに基づいて前記構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する溶接残留応力分布算出手段と、
前記モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、前記構造物のき裂先端の結晶粒界に加わる応力拡大係数と、算出したき裂先端の結晶粒界の方位差と、前記構造物の材質ならびに使用環境条件とに基づいて、前記き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度を算出し、単位時間における前記き裂の形状変化を解析するき裂形状変化解析手段と、
解析された前記き裂の形状変化に基づいて前記構造物のき裂形状を予測するき裂形状予測手段と、
予測したき裂形状を表示するき裂形状表示工程とを有することを特徴とする原子炉構造物の診断システム。
【請求項６】
電子計算機により原子炉構造物に発生するき裂形状を予測するための診断プログラムであって、
前記原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて前記構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化する結晶粒界配置・方位差算出モデル化部と、
前記構造物の形状と溶接条件とに基づいて前記構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する溶接残留応力分布算出部と、
前記モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、前記構造物のき裂先端の結晶粒界に加わる応力拡大係数と、算出したき裂先端の結晶粒界の方位差と、前記構造物の材質ならびに使用環境条件とに基づいて、前記き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度を算出し、単位時間における前記き裂の形状変化を解析するき裂形状変化解析部と、
解析された前記き裂の形状変化に基づいて前記構造物のき裂形状を予測するき裂形状予測部と、
予測したき裂形状を表示出力するき裂形状表示出力部とを有することを特徴とする原子炉構造物の診断プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子炉構造物の応力腐食割れのき裂進展を精度よく評価するための原子炉構造物の診断方法、同診断システムおよびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントにおいては、原子炉構造物は運転中に高温水中環境に曝される。原子炉構造物を形成する材料には、高温水中での耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金などが使用されるが、これらの材料には、炉水環境中において構造物の溶接部に残留している引張応力に起因した応力腐食割れの事例が報告されている。したがって、原子炉構造物の信頼性向上、長寿命化を目的として、応力腐食割れの発生や進展に関する精度良い予測方法を開発しておくことが重要である。
【０００３】
高温水中における応力腐食割れは、材料中の結晶粒界（以下、単に「粒界」とも称する）に沿って進展することが知られている。
【０００４】
このような応力腐食割れに関し、従来では環境助長割れ耐久性に優れた材料、それを適用した金属部品についての提案がされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、近年の粒界の構造や性格に関する基礎研究では、結晶学的な粒界の方位差と粒界腐食との間に相関関係があることが、非特許文献１等に報告されている。例えばオーステナイト系ステンレス鋼では、方位差の小さい規則粒界は、方位差が大きいランダム粒界に比べて腐食され難い。その理由は、規則粒界の方が粒界エネルギーが低いため粒界炭化物が析出し難いうえ、粒界拡散速度が遅いため、粒界でのＣｒ欠乏が生じ難いものと考えられている。
【０００６】
さらに、高温水中における応力腐食割れの進展速度は、原子炉構造物の溶接部に残留している引張応力と関係があり、引張残留応力が大きいほど応力腐食割れ進展速度が大きい。具体的には、大きな引張残留応力と垂直な方向の粒界、もしくは垂直な方向に近い粒界に沿って応力腐食割れが進展する傾向にある。
【０００７】
したがって、応力腐食割れに影響を及ぼすと考えられる粒界の幾何学的配置や方位差、引張残留応力分布等の因子を考慮して、応力腐食割れの進展方向や進展速度を評価することにより、より精度の高い予測が可能となる。
【０００８】
応力腐食割れの進展の評価手法に関しては、非特許文献２に報告されている。この方法は、結晶の２次元的な幾何学的配置を正六角形にモデル化し、半楕円の初期き裂形状を予め設定した後、有限要素計算により各結晶粒内に働くき裂先端の引張応力と応力拡大係数を計算し、応力腐食割れ進展を解析する方法である。
【０００９】
この方法では、結晶粒内の方位の違いによる結晶粒内のき裂先端の応力拡大係数の変化を取り扱っているが、粒界き裂先端の進展速度に及ぼす粒界の幾何学的配置や方位差の影響については考慮されていない。
【特許文献１】特開２００４−３３９５７６号公報
【非特許文献１】社団法人日本金属学会発行「まてりあ」３５（１９９６）６５５
【非特許文献２】原子力安全システム研究所発行、ＩＮＳＳ  Ｊｏｕｒｎａｌ．１０（２００３）１７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来の技術においては、粒界き裂先端の進展速度に及ぼす結晶粒界の幾何学的配置や方位差の影響については考慮されていない。そこで、種々の検討を行なった結果、このような結晶粒界の幾何学的配置や方位差は、原子炉構造物の応力腐食割れのき裂進展方向および進展量等に極めて大きい影響を及ぼす因子であり、これを評価することにより、応力腐食割れのき裂進展を精度よく、かつ具体的に評価することができるとの知見を得た。
【００１１】
本発明は、このような知見に基いてなされたものであり、原子炉構造物の応力腐食割れのき裂進展を一層精度よく、かつ具体的に評価することができる原子炉構造物の診断方法を提供することを目的とする。同時に、本発明では前記応力腐食割れのき裂進展を精度よく、かつ具体的に評価することができる原子炉構造物の診断システムおよび原子炉構造物の診断プログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明では、原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて前記構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化する結晶粒界配置・方位差算出モデル化工程と、前記構造物の形状と溶接条件とに基づいて前記構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する溶接残留応力分布算出工程と、前記モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、前記構造物のき裂先端の結晶粒界に加わる応力拡大係数と、算出したき裂先端の結晶粒界の方位差と、前記構造物の材質ならびに使用環境条件とに基づいて、前記き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度を算出し、単位時間における前記き裂の形状変化を解析するき裂形状変化解析工程と、解析された前記き裂の形状変化に基づいて前記構造物のき裂形状を予測するき裂形状予測工程と、予測したき裂形状を表示するき裂形状表示工程とを有することを特徴とする原子炉構造物の診断方法を提供する。
【００１３】
また、本発明では、原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて前記構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化する結晶粒界配置・方位差算出モデル化手段と、前記構造物の形状と溶接条件とに基づいて前記構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する溶接残留応力分布算出手段と、前記モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、前記構造物のき裂先端の結晶粒界に加わる応力拡大係数と、算出したき裂先端の結晶粒界の方位差と、前記構造物の材質ならびに使用環境条件とに基づいて、前記き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度を算出し、単位時間における前記き裂の形状変化を解析するき裂形状変化解析手段と、解析された前記き裂の形状変化に基づいて前記構造物のき裂形状を予測するき裂形状予測手段と、予測したき裂形状を表示するき裂形状表示工程とを有することを特徴とする原子炉構造物の診断システムを提供する。
【００１４】
さらに、本発明では、電子計算機により原子炉構造物に発生するき裂形状を予測するための診断プログラムであって、前記原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて前記構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化する結晶粒界配置・方位差算出モデル化部と、前記構造物の形状と溶接条件とに基づいて前記構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する溶接残留応力分布算出部と、前記モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、前記構造物のき裂先端の結晶粒界に加わる応力拡大係数と、算出したき裂先端の結晶粒界の方位差と、前記構造物の材質ならびに使用環境条件とに基づいて、前記き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度を算出し、単位時間における前記き裂の形状変化を解析するき裂形状変化解析部と、解析された前記き裂の形状変化に基づいて前記構造物のき裂形状を予測するき裂形状予測部と、予測したき裂形状を表示出力するき裂形状表示出力部とを有することを特徴とする原子炉構造物の診断プログラムを提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、原子炉構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出してモデル化し、構造物の形状と溶接条件とに基づいて溶接残留応力分布を計算し、モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基いて、き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度、き裂形状等を予測することにより、原子炉構造物の応力腐食割れのき裂進展を一層精度よく、かつ具体的に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、原子炉構造物のき裂形状予測方法を電子計算機２１の使用により実施するシステム構成図であり、図２は、同システムを使用して原子炉構造物の診断方法を実施するための工程図である。
【００１７】
図１に示すように、電子計算機２１は、演算部Ａおよびデータ部ＢとしてＣＰＵ、メモリ、データベース等を備えた本体部２１ａと、入力用のキーボード２１ｂと、表示用のディスプレイ２１ｃ等を有している。本体部２１ａには、フレキシブルディスク等の外部記憶装置２１ｄが装着可能となっている。
【００１８】
演算部Ａは、原子炉構造物の粒界配置および方位差を演算するための粒界配置・方位差演算部Ａ１、および粒界配置・方位差をモデル化するためのモデル化演算部Ａ２を備えている。また、モデル化した粒界の配置および方位差を求める手段として、溶接残留応力分布算出部Ａ３、結晶学的解析部Ａ４、粒界配置作図部Ａ５、粒界方位差決定部Ａ６等を備えている。また、残留応力に基いてき裂形状の変化を求めるため、残留応力分布計算部Ａ７、結晶粒界き裂先端応力拡大係数計算部Ａ８、粒界き裂先端のき裂進展速度算出部Ａ９、き裂形状変化解析部Ａ１０等を備えている。さらに、き裂形状の予測を行なうため、き裂形状予測部Ａ１１、き裂形状表示出力部Ａ１２等を備えている。
【００１９】
一方、データ部Ｂは、モデル化データＢ１として、構造物結晶粒度，粒界配置，方位差データ、金属組織観察データ、作図データ等を備えている。また、溶接残留応力分布算出データＢ２として、有限要素法データ、熱弾塑性解析データ等を備えている。また、応力拡大係数計算データＢ３として、溶接残留応力分布解析データ、初期き裂形状データ等を備えている。また、き裂形状変化解析データＢ４として、応力拡大係数，粒界方位差，鋼種，硬さ，粒界偏析，腐食電位と、き裂進展速度との関係データ、き裂進展速度を定式化したマスターカーブ、構造物の鋼種、硬さ、粒界偏析データ、および環境中の腐食電位データを備えている。
【００２０】
さらに、データ部Ｂは、構造物のき裂形状予測データＢ５として、粒界方位差パラメータ（Σｎ値）、き裂進展速度式（関数式）、材料・き裂進展速度Σｎ依存性データ等を備えている。さらにまた、き裂形状表示データＢ６として、金属組織画像データ、き裂形状書込みデータ等を備えている。
【００２１】
本実施形態では、電子計算機２１により原子炉構造物に発生するき裂形状を予測するための診断プログラムを使用する場合について説明する。このプログラムは、原子炉構造物の材質およびその結晶粒度に基づいて前記構造物の結晶粒界の配置および方位差を算出し、モデル化する結晶粒界配置・方位差算出モデル化部と、構造物の形状と溶接条件とに基づいて構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する溶接残留応力分布算出部と、モデル化された結晶粒界の配置および方位差ならびに溶接残留応力分布の解析に基き、構造物のき裂先端の結晶粒界に加わる応力拡大係数と、算出したき裂先端の結晶粒界の方位差と、構造物の材質ならびに使用環境条件とに基づいて、き裂先端の結晶粒界におけるき裂進展速度を算出し、単位時間におけるき裂の形状変化を解析するき裂形状変化解析部と、解析されたき裂の形状変化に基づいて構造物のき裂形状を予測するき裂形状予測部と、予測したき裂形状を表示出力するき裂形状表示出力部とを有する。
【００２２】
図２は、上記プログラムを使用して、本発明による方法を実施するための工程を示す工程図であり、上述した演算部Ａおよびデータ部Ｂを適用して、原子炉構造物の診断方法、すなわち原子炉構造物のき裂形状予測方法を実施する工程を示している。
【００２３】
図２に示すように、き裂が発生して診断対象となる原子炉構造物について、まず原子炉構造物の結晶粒度１から原子炉構造物の結晶粒界の配置と方位差をモデル化する（工程Ｓ１）。この工程において、結晶粒界の配置と方位差のモデル化は、例えば原子炉構造物と同じ残材もしくは同等の結晶粒度を有する材料の結晶粒界の配置を、金属組織観察により求めるとともに、方位差を結晶学的解析方法により求める。あるいは、ランダムな粒界配置を作図する手法として、ボロノイ分割を用いるとともに、作図した各粒界に対して粒界の方位差を予め取得した粒界の方位差の統計データに基づいて決定する。
【００２４】
この工程Ｓ１でモデル化される結晶粒界の配置と方位差の一例を、図３に示す。この図３に示すように、モデル化される構造物８には、その結晶構造、特に結晶粒界１１の配置および方位が明確に示される。
【００２５】
図４には、実際に原子炉構造物８の溶接部において、溶接部溶接金属９に隣接する部位に初期き裂１０が発生した箇所を、四角枠１０ａで示している。そして、図５には初期き裂１０が発生した結晶粒界の配置と方位差を示している。この図５に示すように、モデル化された構造物８には、その結晶構造、特に結晶粒界１１の配置および方位とともに、太線で示すように、初期き裂１０が明確に示される。
【００２６】
次に、図２において、原子炉構造物８の形状２と溶接条件３から、構造物の評価対象部位の溶接残留応力分布を計算する（工程Ｓ２）。この工程Ｓ２における溶接残留応力分布計算は、例えば有限要素法による熱弾塑性解析を用いる。
【００２７】
そして、解析した溶接残留応力分布と初期き裂形状４、モデル化した構造物の結晶粒界の配置から、結晶粒界き裂先端の応力拡大係数Ｋを計算する（工程Ｓ３）。応力拡大係数Ｋについては、後に詳説する。
【００２８】
次に、図２に示すように、計算した結晶粒界き裂先端の応力拡大係数Ｋと、構造物の鋼種や硬さＨＶ、粒界偏析５、環境中の腐食電位６、および、応力拡大係数Ｋや粒界方位差、鋼種、硬さＨＶ、粒界濃度の偏析量ΔＣｒ、腐食電位ＥＣＰと、き裂進展速度ａとの関係から、き裂進展速度を定式化したマスターカーブを用いて、粒界き裂先端のき裂進展速度ａを算出し、単位時間におけるき裂形状の変化を解析する（工程Ｓ４）。
【００２９】
ここで、き裂形状の変化の一解析例について、図４および図５を参照して説明する。図５には、ＳＵＳ３０４製の原子炉構造物８における継手溶接部の溶接金属９近傍に発生した応力腐食割れの初期き裂１０が示されている。この図５には、ボロノイ分割によりモデル化した粒界１１−１ないし１１−４の作図結果が示されており、初期き裂１０が太線として表示されている。
【００３０】
初期き裂１０の先端付近の粒界に着目すると、粒界１１−１から１１−４について、粒界方位差がモデル化されており、それぞれΣ３７、Σ３、Σ２９、Σ３３である。ここでΣ値は、粒界で隣接する二つの結晶粒の結晶粒子が作る対応格子点密度の逆数として定義されており、粒界における原子配列の規則性に関係する。そして、Σｎは、粒界方位差を示すパラメータであり、ｎの値が大きいほど方位差の大きいランダム粒界であることを示す。例えば、き裂先端の粒界１１−１と粒界１１−２には、溶接残留応力に起因する応力拡大係数値Ｋ１、およびＫ２が負荷されている。このとき、粒界１１−１および粒界１１−２のき裂進展速度ａは、次式で表される。
【００３１】
［数１］
ａ＝ｆ３０４（Ｋ、Σｎ、ΔＣｒ、ＨＶ、ＥＣＰ）
ここでＫは応力拡大係数、ΔＣｒは粒界Ｃｒ濃度の偏析量、ＨＶは硬さ、ＥＣＰは腐食電位を表すパラメータである。この関数式は、右辺のパラメータに対するＳＵＳ３０４の高温水中き裂進展速度データを予め測定しておき、測定データに基づいて設定されるものである。
【００３２】
図６は、２８８℃純水中におけるＳＵＳ３０４のき裂進展速度のΣｎ依存性を示し、縦軸は結晶粒界のき裂進展速度ａをΣ２９粒界のき裂進展速度ａ２９で規格化した値ａ／ａ２９である。ｎ値が小さいほどき裂進展速度も小さくなる傾向であることを示している。図５において、き裂先端の粒界１１−１の方位差がΣ３７、粒界１１−２のそれがΣ３であるため、各粒界の応力拡大係数Ｋ１およびＫ２がほぼ同等の場合、粒界１１−１のき裂進展速度が大きい。
【００３３】
このため、初期き裂１０は、まず図７に示すように、き裂先端の粒界１１−１へ進展し、図４に示すようなき裂形状１２に変化する。
【００３４】
粒界１個分のき裂形状の変化を解析し、引き続き解析を続ける場合には、図７に示したき裂形状１２を初期き裂形状として、工程Ｓ３および工程Ｓ４の評価を再度行う（工程Ｓ５、ＹＥＳ）。
【００３５】
構造物のき裂形状の予測が行なわれ（工程Ｓ６）、解析を終了する場合には（工程Ｓ５、ＮＯ）、図１および図８に示すように、最終的なき裂形状１３をディスプレイ２１ｃに表示し、または図示しないプリンタ等に出力する（工程Ｓ７）。
【００３６】
以上に述べたように、本実施形態によれば、原子炉構造物の応力腐食割れのき裂形状を精度良く予測することができる。
【００３７】
なお、以上の実施形態では、電子計算機２１におけるプログラムを使用した例について説明したが、本発明ではこのプログラムを使用する場合に限らず、原子炉構造物の応力腐食割れのき裂進展に関して、一般的な手法による原子炉構造物の診断方法および同診断システムとして実施することも可能である。本発明によれば、応力腐食割れのき裂進展を精度よく、かつ具体的に評価することができる原子炉構造物の診断方法、原子炉構造物の診断システムおよび原子炉構造物の診断プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による装置構成を示す説明図。
【図２】本発明の一実施形態による工程を示すフローチャート。
【図３】本発明の一実施形態による結晶粒界のき裂進展を示す説明図。
【図４】本発明の一実施形態を説明する溶接部のき裂状態を示す説明図。
【図５】本発明の一実施形態による溶接部近傍の初期き裂形状を示す説明図。
【図６】本発明の一実施形態による結晶粒界の方位差を示す模式図。
【図７】本発明の一実施形態によるき裂進展を示す説明図。
【図８】本発明の一実施形態によるき裂形状の予測結果を表示した例を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１  原子炉構造物の結晶粒度
２  原子炉構造物の形状
３  溶接条件
４  初期き裂形状
５  構造物の鋼種と硬さ、粒界偏析
６  環境中の腐食電位
７  中応力拡大係数や粒界方位差、鋼種、硬さ、粒界偏析、腐食電位と、き裂進展速度との関係からき裂進展速度を定式化したマスターカーブ
８  原子炉構造物
９  溶接金属
１０  初期き裂
１１  結晶粒界
１２  予測したき裂形状
１３  最終的なき裂形状
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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