(57)【要約】【課題】  電気回路的手法を用いた場合であっても、高温水中での局部腐食進展過程を定量的に評価する。【解決手段】  局部腐食進展過程評価装置は、腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第１のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第２のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、所定の計測手段を用いて計測したき裂内部溶液のｐＨ値を入力する入力部１３と、この入力部１３を介して入力されたｐＨ値に基づいて、電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を算出する演算部１４とを備える。【選択図】  図８
2008051500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価方法であって、
腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第１のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第２のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、き裂内部溶液のｐＨ値を所定の計測手段を用いて計測するｐＨ値計測工程と、
上記ｐＨ値計測工程にて計測したｐＨ値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を、所定の演算手段によって算出する演算工程とを備えること
を特徴とする局部腐食進展過程評価方法。
【請求項２】
上記き裂内部溶液の上記水素イオンに関して、上記金属イオンの水に対する加水分解反応に、溶出した金属構成元素の組成比率が関係付けられていること
を特徴とする請求項１記載の局部腐食進展過程評価方法。
【請求項３】
上記演算工程では、上記電気回路を流れる電流を算出するための下記式（１）及び下記式（２）に示す因子ｆ，ｇ２を用いて、上記き裂進展速度を算出すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の局部腐食進展過程評価方法。
【数１】
2008051500.tif 000026
【請求項４】
応力の作用のもとにき裂が進展する条件を下記式（３）に示す範囲とすること
を特徴とする請求項３記載の局部腐食進展過程評価方法。
【数２】
2008051500.tif 000027
【請求項５】
上記演算工程では、上記き裂進展速度をｄａ／ｄｔとしたとき、下記式（４）を用いて算出し、最小き裂進展速度を、上記き裂先端部に応力が作用していない状態のき裂内部の水素イオン濃度と金属イオン濃度とを用いて評価するとともに、最大き裂進展速度を、上記き裂先端部に十分に大きな又は無限大の応力が作用した状態のき裂内部の水素イオン濃度と金属イオン濃度とを用いて評価すること
を特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項記載の局部腐食進展過程評価方法。
【数３】
2008051500.tif 000028
【請求項６】
上記演算工程では、上記き裂先端部に酸化物皮膜が存在する場合には、その皮膜抵抗が、又は、当該酸化物皮膜が応力の付加によって破損している場合には当該酸化物皮膜の等価抵抗が、上記き裂先端部に相当するアノードの電気化学的抵抗に直列に接続されているものとして上記き裂進展速度を算出すること
を特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項記載の局部腐食進展過程評価方法。
【請求項７】
上記演算工程では、上記き裂進展速度ｄａ／ｄｔを下記式（５）を用いて算出し、その応力依存因子として、因子ε（ＫＩ）又は応力拡大係数ＫＩの他に、上記き裂先端部から十分に離れた位置での内力又は外力によって発生する応力σ∞と金属の降伏応力σｙとを用いて評価すること
を特徴とする請求項１又は請求項４記載の局部腐食進展過程評価方法。
【数４】
2008051500.tif 000029
【請求項８】
高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価装置であって、
腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第１のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第２のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、所定の計測手段を用いて計測したき裂内部溶液のｐＨ値を入力する入力手段と、
上記入力手段を介して入力されたｐＨ値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を算出する演算手段とを備えること
を特徴とする局部腐食進展過程評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温水中の金属材料についての局部腐食の進展過程を評価する局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置に関し、特に、高温水中での応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking；ＳＣＣ）又は腐食疲労割れ（Corrosion Fatigue；ＣＦ）を含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、鉄鋼材料は、腐食環境下で錆等の腐食が発生して進行するが、ステンレス鋼等の錆にくい材料においては、その表面が極めて薄い腐食の皮膜で覆われることにより、腐食の進行が防止されることが知られている。しかしながら、原子力プラントのような高温水環境においては、溶接されたステンレス鋼の残留応力が存在する部位で、鋭敏化した結晶粒界から応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking；以下、ＳＣＣという。）の発生と進展とが起こる。
【０００３】
従来では、このＳＣＣの発生を抑制する方法として、鋭敏化した部材を腐食に強いＳＵＳ３０４ＬやＳＵＳ３１６Ｌのような低炭素ステンレス鋼に置き換えたり、貴金属をコーティングしたりする対策がとられてきた。しかしながら、このような対策がとられたとしても、表面加工された原子炉用低炭素ステンレス鋼の母材から新たにＳＣＣの発生が見出されているのが現状である。
【０００４】
このように各種対策が長年にわたる非常に多くの研究のもとに提案され、実施されてきたにもかかわらず、ＳＣＣが繰り返し発生しているのは、その発生・進展のメカニズムが未だに十分に解明されておらず、また、その正確な評価方法も未だに構築されていないことによるためとも考えられる。
【０００５】
ＳＣＣの発生・進展のメカニズムの解明、及びその評価のための実験においては、通常、低速度引張り試験、金属と溶液界面との電気化学的評価、及び破壊力学的手法が用いられてきた。一方、定量的評価としては、ＳＣＣの発生・進展現象が、材料、環境及び応力の３要素が同時に作用する現象であることを考え、全腐食経路に電気回路的手法を適用し、腐食メカニズムの解明及び評価を行う方法が検討されてきた（例えば、特許文献１乃至特許文献５等参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２７９６８４号公報
【特許文献２】特開平９−１５９６０１号公報
【特許文献３】特開平７−２０９１７３号公報
【特許文献４】特開平５−１４２１３９号公報
【特許文献５】特開平５−１１３３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の限定された条件下で取得した実験データを用いた評価では、環境条件が変化あるいは変動した場合には、直ちに新たな環境での評価に適用することができないという問題があった。また、従来の電気回路的手法を用いた評価方法は、常温の塩化物環境下での局部腐食進展を評価するものであり、塩化物イオンが殆ど含まれていない高温水中環境下では評価式が異なるため、そのまま適用することはできない。さらに、従来の電気回路的手法を用いた評価方法においては、高温水環境で材料の鋭敏化の程度に応じた評価を行うことができず、また、提案された評価式からは与えられた腐食環境でＳＣＣが発生して進展できるかについての可否を定量的に評価することができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、電気回路的手法を用いて高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食進展過程を評価する斬新な手法を提案し、任意の環境、材質及び作用応力変化に対してＳＣＣを含む局部腐食の起こり得る条件、進展の可否、及び進展速度等を定量的に評価することができる局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置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】
【０００９】
本願発明者は、局部腐食進展過程の評価方法について鋭意研究を重ねた結果、電気回路的手法を用いた場合であっても、き裂内部溶液のｐＨ値を計測するのみで局部腐食進展過程を定量的に評価することができる斬新な手法を見出し、本発明をなし得た。
【００１０】
すなわち、上述した目的を達成する本発明にかかる局部腐食進展過程評価方法は、高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価方法であって、腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第１のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第２のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、き裂内部溶液のｐＨ値を所定の計測手段を用いて計測するｐＨ値計測工程と、上記ｐＨ値計測工程にて計測したｐＨ値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を、所定の演算手段によって算出する演算工程とを備えることを特徴としている。
【００１１】
また、上述した目的を達成する本発明にかかる局部腐食進展過程評価装置は、高温水中での応力腐食割れ又は腐食疲労割れを含む局部腐食の進展過程を電気回路的に評価する局部腐食進展過程評価装置であって、腐食経路のうち、き裂先端部を金属が溶出するアノードとし、き裂外表面を酸素の還元が関与する第１のカソードとし、且つ、き裂内側壁面を水素イオンの還元が関与する第２のカソードとして構成された電気回路によって局部腐食反応を表現するとともに、き裂部内外の溶液抵抗には、溶出した金属イオン並びに加水分解反応によって生じた水素イオンを関係付けたとき、所定の計測手段を用いて計測したき裂内部溶液のｐＨ値を入力する入力手段と、上記入力手段を介して入力されたｐＨ値に基づいて、上記電気回路を流れる電流を算出するための金属イオン濃度及び水素イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を算出する演算手段とを備えることを特徴としている。
【００１２】
このような本発明にかかる局部腐食進展過程評価方法及び局部腐食進展過程評価装置においては、加水分解反応において適用されてきた全金属イオン濃度の代わりに、大きな平衡定数を有する金属イオン濃度を用いて表現されるき裂進展速度を算出することにより、鋭敏化の程度がき裂進展過程に及ぼす効果を定量的に評価することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、電気回路的手法を用いた場合であっても、き裂内部溶液のｐＨ値を計測するのみで、高温水中での局部腐食進展過程を定量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】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
この実施の形態は、高温水中の金属材料についての応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking；以下、ＳＣＣという。）や腐食疲労割れ（Corrosion Fatigue；ＣＦ）等を含む局部腐食の進展過程を評価する局部腐食進展過程評価装置である。特に、この局部腐食進展過程評価装置は、任意の環境、材質及び作用応力変化に対して、ＳＣＣを含む局部腐食の起こり得る条件、進展の可否、及び進展速度等を定量的に評価することができるものである。
【００１６】
なお、本発明は、原子力プラントのような高温水環境下で発生する局部腐食を対象としている。通常、腐食は、常温（室温）腐食と高温腐食とに大別されるが、いずれも温度についての厳密な定義は存在しない。強いて言えば、常温腐食は、一般には、例えば２５℃程度の大気温度下での腐食を指す。一方、高温腐食は、使用環境（水中、ガス、燃焼灰等）によって呼び方も異なり、高温水中腐食は、加圧によって達成される１００℃以上の水溶液中腐食を称することが多い。原子力プラントのような水中で生じる腐食では、例えば沸騰水型原子炉（Boiling Water Reactor；ＢＷＲ）では２８８℃程度、加圧水型原子炉（Pressurized  water  reactor；ＰＷＲ）では３１０℃程度の温度となっている。本発明は、このような常温腐食ではなく、高温水環境下で発生する局部腐食を対象としたものである。
【００１７】
まず、局部腐食進展過程評価装置の具体的な構成及び動作の説明に先立って、この局部腐食進展過程評価装置に適用する評価方法について説明する。
【００１８】
本発明にて提案する評価方法は、き裂内部の各種イオン濃度の腐食にともなう単位時間あたりの変化を求める速度式に関して、金属イオンによる高温水の加水分解反応において従来技術として適用されてきた全金属イオン濃度の代わりに、大きな平衡定数を有する金属イオン濃度（クロムイオン濃度）を用いるものであり、これにより、鋭敏化の程度がき裂進展過程に及ぼす効果を定量的に評価することができるものである。
【００１９】
また、この評価方法は、き裂内部溶液の金属イオン及び水素イオン濃度の速度式から数学的に導出された数式を構成する因子を用いて、き裂進展の可否及び進展速度等の各種進展過程の特性を定量的に評価することができるものである。
【００２０】
図１に、ＳＣＣを含む局部腐食のき裂部のモデル形状と、そのき裂部内外における腐食に関係するイオン及び分子を示す。局部腐食現象においては、き裂先端部のアノードから金属が金属イオン（Ｍｎ＋）となって溶出し、その金属イオンの一部が高温水を加水分解して水素イオン（Ｈ＋）を発生する。溶出した金属イオン（Ｍｎ＋）は、き裂外表面方向へと泳動する。そして、き裂外表面では、溶存酸素（Ｏ２）が還元され、また、き裂内部で発生した水素イオン（Ｈ＋）は、き裂内側壁面で還元されて水素分子（Ｈ２）となる。なお、同図においては、き裂外表面を第１のカソードとし、き裂内側壁面を第２のカソードとして示している。
【００２１】
ここで、このような局部腐食反応を電気回路によって等価的に表現すると、図２に示す電気回路モデルとなる。図１に示した第２のカソードにおいて、水素イオンが還元されて水素分子が生成される反応が生じる場合には、図２中Ｂ−Ｅ間を流れる電流Ｉ２は、図３中矢印で示すように、Ｂ→Ｅ方向となる。一方、第２のカソードにおいて、水素分子が酸化されて水素イオンが生成される反応が生じる場合には、図２中Ｂ−Ｅ間を流れる電流Ｉ２は、図４中矢印で示すように、Ｅ→Ｂ方向となる。また、図１に示した第１のカソードにおいて、たとえ水素注入を行うことによって水素分子が酸化されて水素イオンが生成される反応が生じたとしても、酸素による起電力が大きいため、図２中Ｂ−Ｃ間を流れる電流Ｉ１は、流れる電流は小さくなるものの、図３及び図４中矢印で示すように、Ｂ→Ｃ方向となる。本発明にて提案する評価方法においては、このように各電極の酸化還元反応に変化がある場合には、流れる電流の方向や起電力の方向を考慮して回路計算を行い、電流又はき裂進展速度の評価を行う。
【００２２】
具体的に、図２に示す電気回路について、キルヒホッフの法則に基づいて各経路の電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉを求めると、次式（１）で表される。
【００２３】
【数５】
2008051500.tif 000003
【００２４】
ここで、電流Ｉ１の右辺に存在するＣＭｎ＋は、き裂内部溶液の全金属イオン濃度であり、電流Ｉ２の右辺に存在するＣＨ＋は、き裂内部溶液の水素イオン濃度である。また、電流Ｉ１の右辺に存在する因子ｆ、及び電流Ｉ２の右辺に存在する因子ｇ２は、それぞれ、次式（２）及び次式（３）で表される。さらに、次式（２）におけるａ０、及び次式（３）におけるｂ０は、図２に示す電気回路のアノード、第１のカソード、及び第２のカソードの各起電力及び溶液の電気伝導度に依存する因子であり、それぞれ、次式（４）及び次式（５）で表される。さらにまた、次式（２）及び次式（３）において、ａ１，ｂ１は、図２に示す電気回路のアノード、第１のカソード、及び第２のカソード（電極部）の抵抗値及び溶液抵抗値に依存する因子である。また、ε（ＫＩ）は、応力の作用に対応するき裂先端部の歪み量又は応力拡大係数に依存する因子であり、作用応力に依存すると推定されるき裂先端部の溶解面積の増加率を示す。さらに、次式（４）及び次式（５）において、Ｅａ，Ｅｃ１，Ｅｃ２は、それぞれ、アノードの起電力、第１のカソードの起電力、及び第２のカソードの起電力である。さらにまた、Ｒａｓ，Ｒｃ１０ｓ，Ｒｃ１ｓ，Ｒａ，Ｒｃ２ｓは、それぞれ、図２に示す電気回路の抵抗値の詳細であり、具体的には、Ｒａｓ，Ｒｃ１ｓ，Ｒｃ２ｓは、き裂部内外の溶液抵抗値であり、Ｒｃ１０ｓ，Ｒａは、それぞれ、き裂外表面（第１のカソード）及びき裂内側壁面（第２のカソード）の電極抵抗値であり、図２に示す抵抗値との関係は、次式（６）に示すものである。なお、図２に示すＲａｐは、アノードの電極抵抗値である。また、次式（４）及び次式（５）において、ΛＭ２＋，ΛＨ＋は、それぞれ、金属イオン及び水素イオンの当量伝導度であり、ＳＭ２＋，ＳＨ＋は、それぞれ、き裂内部の金属イオン及び水素イオンの流路面積であり、ｌＭ２＋，ｌＨ＋は、それぞれ、き裂内部の金属イオン及び水素イオンの流路距離である。
【００２５】
【数６】
2008051500.tif 000004
【００２６】
【数７】
2008051500.tif 000005
【００２７】
【数８】
2008051500.tif 000006
【００２８】
【数９】
2008051500.tif 000007
【００２９】
【数１０】
2008051500.tif 000008
【００３０】
また、き裂外表面（第１のカソード）の起電力ＥＣ１及びき裂内側壁面（第２のカソード）の起電力ＥＣ２は、２８８℃の高温水を想定した場合には、それぞれ、次式（７）及び次式（８）で表されるように、き裂内部溶液のｐＨの関数となる。なお、次式（７）及び次式（８）において、ＰＯ２，ＰＨ２は、それぞれ、酸素分圧及び水素分圧である。
【００３１】
【数１１】
2008051500.tif 000009
【００３２】
【数１２】
2008051500.tif 000010
【００３３】
さらに、溶出した金属イオンによる加水分解反応は、次式（９）乃至次式（１１）で表され、中和反応は、次式（１２）で表される。
【００３４】
【数１３】
2008051500.tif 000011
【００３５】
【数１４】
2008051500.tif 000012
【００３６】
【数１５】
2008051500.tif 000013
【００３７】
【数１６】
2008051500.tif 000014
【００３８】
これら上式（１）乃至上式（１２）を考慮すると、き裂内部溶液の水素イオン濃度ＣＨ＋及び全金属イオン濃度ＣＭｎ＋の時間的変化は、それぞれ、次式（１３）及び次式（１４）に示す速度式で表される。
【００３９】
【数１７】
2008051500.tif 000015
【００４０】
【数１８】
2008051500.tif 000016
【００４１】
なお、上式（１３）及び上式（１４）において、Ｆは、ファラデー定数であり、ｎは、溶出した金属イオンの価数であり、ＣＭｎ＋，δＣｒ３＋は、それぞれ、き裂内部溶液の全金属イオン濃度及びき裂先端部の金属構成元素であるクロムの組成比率（鋭敏化の程度）を示す。また、上式（１３）及び上式（１４）において、ｋ１，ｋ２は、それぞれ、高温水中での正方向速度定数であり、ｋ−１，ｋ−２は、それぞれ、高温水中での負方向速度定数である。ここで、上式（１３）における｛−｝項は、水素イオン（Ｈ＋）及び水酸化物イオン（ＯＨ−）の中和反応に関するものであるが、高温水中での正方向速度定数ｋ２は、十分に大きいとみなすことができるため、中和反応は瞬時に終了する。そのため、上式（１３）の速度式を解くにあたっては、この項は省略可能である。これを踏まえ、上式（１３）及び上式（１４）の速度式を解くと、次式（１５）及び次式（１６）が得られる。なお、次式（１５）及び次式（１６）において、δＣｒは、金属構成元素であるクロムの組成比率であり、ＫＣｒは、クロムイオンによる水の加水分解反応の平衡定数である。
【００４２】
【数１９】
2008051500.tif 000017
【００４３】
【数２０】
2008051500.tif 000018
【００４４】
したがって、図２に示す電気回路を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉは、次式（１７）で表される。
【００４５】
【数２１】
2008051500.tif 000019
【００４６】
全電流Ｉの右辺において、係数を示す（−）項は、電流又はき裂進展速度の大きさを表し、べき項を示す｛−｝項は、時間依存性を示し、き裂内部イオンの濃縮の可能性を判断する因子を表す。
【００４７】
そこで、き裂内部溶液の金属イオン濃度若しくは水素イオン濃度が濃縮して腐食速度が加速するのか、一定なのか、又は腐食速度が時間経過とともに減少するのかを評価するために、次式（１８）に定義する因子ＰＣを利用する。
【００４８】
【数２２】
2008051500.tif 000020
【００４９】
この因子ＰＣは、時間に依存する。すなわち、き裂内部溶液のイオン濃度又はき裂進展速度は、任意時刻においてＰＣ＞０である場合には、時間経過とともに増大する方向に進み、ＰＣ＝０である場合には、一定であり、ＰＣ＜０である場合には、時間経過とともに減少する方向に進むことを示す。上式（２）及び上式（３）から、作用応力に依存すると推定されるき裂先端部の溶解面積の増加率ε（ＫＩ）を変化させたとき、因子ＰＣ及び因子ｆ並びにｇ２×δＣｒ×ＫＣｒを表す曲線を求めることができる。これら曲線のレベル・形状から分類されるパタ−ンとその条件とを図５に示す。
【００５０】
図５中パタ−ンＡの場合には、パラメ−タＰＣは、作用応力の有無に関係なく正となり、き裂内部溶液のイオン濃度又はき裂進展速度は、時間経過とともに増大することを示す。また、パターンＢの場合には、パラメ−タＰＣは、応力に依存しない係数ａ０，ａ１，ｂ０，ｂ１によって決定される曲線ｆと曲線ｇ２×δＣｒ×ＫＣｒとの交点までの範囲にあるε（ＫＩ）では負となり、交点よりも大きい範囲にあるε（ＫＩ）では正となる。さらに、パターンＣの場合には、パラメ−タＰＣは、作用応力の有無に関係なく負となり、き裂内部溶液のイオン濃度又はき裂進展速度は、時間経過とともに減少することを示す。
【００５１】
したがって、ＳＣＣが発生する条件、すなわち、応力の作用のもとにき裂が進展する条件は、次式（１９）に示す条件に限定される。
【００５２】
【数２３】
2008051500.tif 000021
【００５３】
一方、上式（１７）において、任意時刻ｔにおけるき裂内金属イオン濃度及び水素イオン濃度を、それぞれ、ＣＭｎ＋ｔ，ＣＨ＋ｔとすると、時刻ｔでのき裂進展速度は、次式（２０）で与えられる。なお、次式（２０）において、Ｍは、金属の原子量であり、ｎは、溶出した金属イオンの価数であり、Ｆは、ファラデー定数であり、Ｓは、金属が溶出するき裂先端部の面積であり、ρは、金属の密度である。
【００５４】
【数２４】
2008051500.tif 000022
【００５５】
また、上式（２０）のき裂進展速度ｄａ／ｄｔの応力依存性は、上式（４）及び上式（５）に示した流路面積Ｓと流路距離ｌとの比Ｓ／ｌに破壊力学的関係式を適用し、次式（２１）のように求められる。
【００５６】
【数２５】
2008051500.tif 000023
【００５７】
上式（２１）において、σ∞は、溶接や加工による残留応力のような内力又は外力により、き裂先端部から十分に離れた位置において発生する応力であり、σｙは、金属の降伏応力であり、熱処理や塑性加工を施したり、微量元素を添加したりすることによって変化する。また、上式（２１）において、Ｅは、金属のヤング率（縦弾性係数）であり、Ａ，Ｂ，Ｃは、応力に依存しない定数であり、Ｄは、"０"を含む応力に依存しない定数である。なお、上式（２１）の右辺において定数Ｄを設けているのは、応力σ∞が"０"であっても、き裂が存在して各電極での起電力が存在する限り、電気回路を構成する抵抗の大きさに応じた電流が流れるため、き裂進展速度ｄａ／ｄｔを"０"とみなすことができない場合もあるからである。
【００５８】
なお、上式（４）乃至上式（８）から、因子ａ０，ｂ０×δＣｒ×ＫＣｒ，（１＋ａ１）／（１＋ｂ１）×ｂ０×δＣｒ×ＫＣｒは、それぞれ、き裂内部溶液のｐＨの関数となる。任意の高温水温度及び任意の材料のクロム含有量δＣｒにおいて、各因子とｐＨ値との関係を求めると、図６に示すようになる。同図に示す相関図において、ｐＨ値が（１）〜（３）の領域は、図５中パターンＡの状態に対応し、ｐＨ値が（３）〜（４）の領域は、パターンＢの状態に対応し、ｐＨ値が（４）以降の領域は、パターンＣの状態に対応している。したがって、初期状態においてき裂内部溶液のｐＨ値が（１）のレベルにあった場合には、時間経過とともに応力が材料に付加されていなくても、ｐＨ値は自然に（３）のレベルまで低下する。ここで、応力の作用がない場合には、ｐＨ値は（３）のレベルで一定となる。一方、よりｐＨ値が低下するには応力の作用が必要となり、ｐＨ値は、応力の大きさに応じて、（３）〜（４）の間のうち適切な位置まで低下する。しかしながら、いかに大きな力を作用させても、ｐＨ値は、（４）のレベル以下には低下しない。すなわち、腐食が進行した孔食よりＳＣＣが発生する場合等には、最初のき裂内部溶液のｐＨ値が既に（５）のレベルになっていることも考えられるが、時間経過とともに水素イオン濃度は減少し、ｐＨ値は、（３）〜（４）の間の応力が作用したレベルまで後戻りし、その位置で一定となる。
【００５９】
ここで、パターンＢの状態に対応する（３）〜（４）の短い領域が高温水下でのＳＣＣの発生範囲に相当する。したがって、本発明にて提案する評価方法においては、実機のき裂内部溶液のｐＨ値を計測することにより、腐食状態が図６に示す相関図のｐＨ範囲のどのレベルにあるのかを評価することが可能となる。したがって、実測したｐＨ値が（３）のレベルよりも高い場合には、ＳＣＣの進展の可能性は小さく、（３）〜（４）の間にある場合には、作用応力をできるだけ減少させる対策が必要であるとか、（４）のレベル以下にある場合には、き裂内部溶液を希釈したり、材料交換の準備をしたり等の評価及び対策をとることが可能となる。また、図６に示す相関図は、装置設計の段階で作成することができるため、この評価方法においては、実機環境を模擬した実験室試験においてＳＣＣのき裂部のｐＨ値を計測し、安全設計に供することができる。さらに、この評価方法においては、実験室試験において計測されたｐＨ値を用いて、上式（２０）から、そのときのき裂進展速度を評価することもできる。また、図６中（４）のレベルのｐＨ値は、十分に大きな又は無限大の応力に相当するものであり、このｐＨ値に対するき裂進展速度に基づいて板厚設計を行えば、破壊力学的手法によらず、安全設計をすることも可能となる。
【００６０】
さて、以下では、このような評価方法を適用した本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置について説明する。この局部腐食進展過程評価装置は、金属母材又は粒界のクロム含有量測定に対するき裂進展速度を評価するものである。
【００６１】
ここで、図７に、金属材料の粒界のクロム含有量と応力作用に対する最小及び最大き裂進展速度との関係を示す相関図を示す。
【００６２】
同図において、実線は、応力が作用した金属のクロム含有量に対する最大き裂進展速度を示し、破線は、最小き裂進展速度を示している。最小き裂進展速度は、図６に示した点Ｐｍｉｎの、き裂先端部に応力が作用していない状態で濃縮して一定となったｐＨの状態に相当し、最大き裂進展速度は、図６に示した点Ｐｍａｘのき裂先端部に無限大応力（又は十分に大きな応力）作用した状態で一定となったｐＨの状態に相当する。局部腐食進展過程評価装置は、様々なクロム含有量に対する相関図について実施することにより、このような評価を得る。
【００６３】
具体的には、局部腐食進展過程評価装置は、図８に示すように、被測定物の金属母材１及び溶接部２の表面を走査してクロム濃度を計測する例えば磁気力顕微鏡等からなるセンサー１１と、このセンサー１１から伝達される電気信号に基づいてクロム濃度を算出する計測部１２と、き裂進展速度の算出に必要な所定のデータを入力する入力部１３と、計測部１２によって算出されたクロム濃度と入力部１３を介して入力されたデータとに基づいてき裂進展速度を算出するための諸因子を算出する演算部１４と、入力部１３を介して入力されたデータと演算部１４による計算結果とを画面上に表示する表示部１５と、この表示部１５に表示された情報を記録及び保存する記録部１６とを備える。
【００６４】
なお、センサー１１は、溶接部２の近傍の溶接残留応力が高い部分のみならず、溶接金属部分、熱影響部及び母材部についても、点又は面としてクロム濃度の計測を行う。そして、それらの結果は、計測位置も含めて表示部１５に表示されたり記録部１６に保存されたりする。また、センサー１１は、母材一般部については、表面が加工されている場合にもクロム濃度を計測する。さらに、局部腐食進展過程評価装置は、必要に応じて、表面から歪みを与えないように加工し、センサー１１によって深さ方向のクロム濃度も計測する。
【００６５】
このような局部腐食進展過程評価装置は、図９に示すような一連の手順にしたがって、き裂進展速度を求める。
【００６６】
まず、局部腐食進展過程評価装置においては、同図に示すように、ステップＳ１において、センサー１１及び計測部１２を用いて被測定物の結晶粒界を含む金属の含有クロム量δＣｒを点計測又は面計測して算出する。また、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ２乃至ステップＳ５において、入力部１３を介してき裂進展速度の算出に必要な所定のデータを入力する。具体的には、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ２において、装置設計仕様条件データとして、温度Ｔ、材質、溶存酸素濃度／水素濃度、酸素分圧ＰＯ２／水素分圧ＰＨ２、割れ寸法ＳＭ２＋，ＳＨ＋，ｌＭ２＋，ｌＨ＋を入力する。また、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ３において、高温水初期データとして、所定のセンサーによって計測したき裂内部溶液のｐＨ値、イオン当量伝導度ΛＭ２＋，ΛＨ＋、クロムイオンによる水の加水分解反応の平衡定数ＫＣｒを入力する。さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ４において、電気回路定数データとして、起電力Ｅａ，Ｅｃ１，Ｅｃ２、抵抗値Ｒａｓ，Ｒｃ１０ｓ，Ｒｃ１ｓ，Ｒａ，Ｒｃ２ｓ、抵抗因子ａ１，ｂ１を入力する。さらにまた、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ５において、き裂進展速度計算定数データとして、金属の原子量Ｍ、金属イオンの価数ｎ、ファラデー定数Ｆ、金属の密度ρを入力する。
【００６７】
続いて、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ６乃至ステップＳ８において、計測部１２によって算出されたクロム含有量δＣｒと入力部１３を介して入力されたデータとに基づいて、演算部１４によってき裂進展速度を算出するための諸因子を算出する。具体的には、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ６において、上式（４）の演算を行い、因子ａ０を算出する。また、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ７において、上式（５）の演算を行い、因子ｂ０を算出し、因子ｂ０×δＣｒ×ＫＣｒを算出する。さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ８において、因子（１＋ａ１）／（１＋ｂ１）×ｂ０×δＣｒ×ＫＣｒを算出する。
【００６８】
続いて、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ９において、ステップＳ６乃至ステップＳ８にて算出した因子と、ステップＳ５にて入力されたデータとを用いて、演算部１４によって上式（２０）の演算を行い、き裂進展速度ｄａ／ｄｔを算出する。
【００６９】
そして、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ１０において、これまでの演算結果を用いて、演算部１４により、図６に示したようなクロム含有量毎のｐＨ値と各因子との関係を示すダイアグラムを作成し、ステップＳ１１において、図６に示した点Ｐｍｉｎ，ＰｍａｘのｐＨ値、及びき裂進展速度ｄａ／ｄｔを算出する。
【００７０】
さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、ステップＳ１２において、ステップＳ１０及びステップＳ１１にて算出したデータを用いて、演算部１４により、図７に示したようなクロム含有量δＣｒとき裂進展速度ｄａ／ｄｔとの関係を示すダイアグラムを作成し、ステップＳ１３において、作成したダイアグラムを用いて、目的とする最大き裂進展速度を算出し、一連の処理を終了する。
【００７１】
局部腐食進展過程評価装置は、このような一連の手順にしたがって、き裂進展速度を求め、入力部１３を介して入力されたデータとともに表示部１５の画面上に表示させたり、記録部１６に記録及び保存させたりすることができる。
【００７２】
以上説明したように、本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置においては、原子炉や高温水下にある金属材料のＳＣＣを含む局部腐食のき裂進展速度を、き裂内部溶液のｐＨ値を計測して高温水初期データとして入力して演算を行うことにより、定量的に評価することができる。また、局部腐食進展過程評価装置においては、微小なき裂内部溶液のｐＨ値の計測が困難な場合であっても、き裂部金属の構成元素であるクロムの濃度やクロム濃度の面分布を計測することにより、全作用応力に対する最小き裂進展速度と最大き裂進展速度とを設計の段階で定量的に評価することが可能となり、また、設計条件が変更になったとしても、必要な因子を含む定量式に基づいて再評価することも容易に行うことができる。さらに、局部腐食進展過程評価装置においては、ＳＣＣの発生範囲が定式化されていることから、環境条件が変化した場合であっても、ＳＣＣの発生を抑制する範囲を評価することも可能である。
【００７３】
このように、本発明を適用した局部腐食進展過程評価装置は、電気回路的手法を用いながらも、ＳＣＣを含む局部腐食の起こり得る条件、進展の可否、及び進展速度等を定量的に評価し、各種対策をとることができるという、極めて画期的なものである。
【００７４】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、き裂先端部に酸化物皮膜が存在する場合については言及していないが、本発明は、かかる場合にもき裂進展速度を評価することができる。
【００７５】
図１０に、き裂先端部のき裂進展速度ｄａ／ｄｔと因子ε（ＫＩ）との関係を示す。同図中曲線Ａは、き裂先端部に皮膜が存在しない場合を示し、曲線Ｂは、皮膜抵抗が中程度である場合を示し、曲線Ｃは、皮膜抵抗が大きい場合を示している。この図からわかるように、例えば、応力を付加しないときに既に曲線Ｃのように大きな皮膜抵抗を有する皮膜があった場合には、付加応力を増して因子ε（ＫＩ）が増加すると、き裂進展速度ｄａ／ｄｔは、曲線Ｃに沿って点Ｐ０から点Ｐ１に増加する。このとき、皮膜の一部が破損して当該皮膜の等価抵抗が曲線Ｂのレベルまで低下すると、き裂進展速度ｄａ／ｄｔは、曲線Ｃ上の点Ｐ１に対応する曲線Ｂ上の点Ｐ２から当該曲線Ｂに沿って点Ｐ３まで進行する。さらに、皮膜の破損が進行し、当該皮膜の等価抵抗が０の状態になると、き裂進展速度ｄａ／ｄｔは、曲線Ｂ上の点Ｐ３に対応する曲線Ａ上の点Ｐ４から当該曲線Ａに沿って点Ｐ５まで進行する。すなわち、き裂進展速度ｄａ／ｄｔは、全体として応力の付加とともに、Ｐ０→Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ５と進行し、点Ｐ１や点Ｐ３が閾値とも理解される。したがって、本発明においては、閾値以下の応力に対するき裂進展速度ｄａ／ｄｔを、曲線Ｃ上の点Ｐ０から点Ｐ１までの値に基づいて評価することができる。
【００７６】
このように、本発明は、き裂先端部に酸化物皮膜が存在する場合には、その皮膜抵抗が、又は、当該酸化物皮膜が応力の付加によって破損している場合には当該酸化物皮膜の等価抵抗が、き裂先端部に相当するアノードの電気化学的抵抗に直列に接続されているものとしてき裂進展速度ｄａ／ｄｔを算出し、電気化学的に評価することができる。
【００７７】
また、本発明において、き裂進展速度ｄａ／ｄｔの応力依存性は、上述したように、一般には上式（２１）によって評価することができる。しかしながら、残留応力が存在しない材料から作られた試験片を用いた定荷重試験のような場合には、応力σ∞，σｙを一定とみなしても問題はない。そのため、かかる場合には、き裂進展速度ｄａ／ｄｔの応力依存性は、次式（２２）のように、因子ε（ＫＩ）や応力拡大係数ＫＩの関数としてのみ評価することができる。
【００７８】
【数２６】
2008051500.tif 000024
【００７９】
さらに、本発明においては、因子ε（ＫＩ）や応力拡大係数ＫＩが一定である条件のもとに、例えば、溶接、熱処理又は塑性加工による残留応力を考慮してき裂進展速度ｄａ／ｄｔを評価する場合には、次式（２３）を使用してもよい。
【００８０】
【数２７】
2008051500.tif 000025
【００８１】
このように、本発明においては、状況に応じて、き裂進展速度ｄａ／ｄｔの応力依存性を適切に評価することができる。特に、本発明においては、き裂先端部の歪みや応力拡大係数ＫＩのみならず、溶接、熱処理若しくは塑性加工による残留応力等の内力又は外力によって発生する、き裂先端部から十分に離れた位置での応力を考慮したき裂進展速度ｄａ／ｄｔを定量的に求めることができる。
【００８２】
このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】ＳＣＣを含む局部腐食のき裂部のモデル形状と、そのき裂部内外における腐食に関係するイオン及び分子を示す図である。
【図２】図１に示す局部腐食反応をモデル化した電気回路の構成を示す図である。
【図３】本発明にて提案する評価方法について説明するための図であり、図２に示す電気回路を流れる電流の方向を示す図である。
【図４】本発明にて提案する評価方法について説明するための図であり、図２に示す電気回路を流れる電流の方向であって図３に示す方向とは異なる方向を示す図である。
【図５】き裂内部イオンの濃縮状態を分類した因子のパターンを示す図である。
【図６】き裂内部溶液のｐＨ値と各因子との関係を示す相関図である。
【図７】クロム含有量と応力作用に対する最小及び最大き裂進展速度との関係を示す相関図である。
【図８】本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態として示す局部腐食進展過程評価装置において、き裂進展速度を求める際の一連の手順を示すフローチャートである。
【図１０】き裂進展速度ｄａ／ｄｔと因子ε（ＫＩ）との関係を示す相関図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  金属母材
２  溶接部
１１  センサー
１２  計測部
１３  入力部
１４  演算部
１５  表示部
１６  記録部
【図１】
2008051500.tif 000030
【図２】
2008051500.tif 000031
【図３】
2008051500.tif 000032
【図４】
2008051500.tif 000033
【図５】
2008051500.tif 000034
【図６】
2008051500.tif 000035
【図７】
2008051500.tif 000036
【図８】
2008051500.tif 000037
【図９】
2008051500.tif 000038
【図１０】
2008051500.tif 000039