(57)【要約】【課題】配管内面の溶接部に確実にき裂を発生させて、配管の疲労寿命を評価することができる試験片及び疲労寿命評価方法を提供する。【解決手段】同一形状の２つの金属配管部２と金属配管部２の間に溶接部３とを有する疲労寿命評価用試験片１が、配管から切り出される。試験片１の配管内側に対応する面は、配管内側と同一形状とされる。試験片１の配管外側に対応する面は、溶接部３と金属配管部２との接続部６で連続的な曲線を有する。試験片１の中心軸Ｃから溶接部３の配管内側及び外側に対応する各頂点までの距離の比率が１以上とされる。上記試験片１は、疲労寿命評価装置の負荷中心軸が中心軸Ｃより配管内側面の方向に位置するように、負荷中心軸からずらして配置される。上記のように配置された試験片１に引張荷重及び圧縮荷重が繰り返し負荷されて、溶接部３または接続部４に疲労亀裂が発生するまでの繰り返し回数が取得される。【選択図】図１
2013108952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管から切り出され、該配管の疲労寿命を評価するための試験片であって、
同一形状の２つの金属配管部と該２つの金属配管部との間に挟まれた溶接部とを有し、
前記２つの金属配管部は、共通する１つの中心軸を有するように配置され、
前記溶接部の前記配管の外側に対応する面、及び、前記溶接部の前記配管の内側に対応する面のそれぞれが凸状になっており、
前記配管の内側に対応する面において、前記溶接部及び該溶接部近傍に位置する前記金属配管部は、前記配管の内側の面と同一形状であり、
前記配管の外側に対応する面において、前記溶接部と前記金属配管部との各々の接続部は、前記溶接部の面と前記金属配管部の面とで連続的な曲線を有し、
前記溶接部の前記配管の内側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離に対する、前記溶接部の前記配管の外側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離の比率が、１以上である疲労寿命評価用試験片。
【請求項２】
前記配管の外側に対応する側の前記凸部が加工されて、前記比率が１以上とされている請求項１に記載の疲労寿命評価用試験片。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の疲労寿命評価用試験片を用いて、前記配管の疲労寿命を評価する方法であって、
疲労寿命評価装置の負荷中心軸が、前記試験片の中心軸よりも配管の内側に対応する方向に位置するように、前記試験片が前記疲労寿命評価装置に設置される工程と、
前記疲労寿命評価装置に設置された前記試験片が、前記配管の使用環境において前記配管の内側を流通する水と略同一とされる温度及び圧力の水に浸漬される工程と、
前記試験片が前記水に浸漬された状態で、所定の荷重で前記試験片に引張応力及び圧縮応力の組み合わせを繰り返し付与する工程と、
前記溶接部に疲労き裂が発生した時の前記引張応力及び圧縮応力の組み合わせを前記試験片に付与した回数を取得し、前記回数を前記配管の疲労寿命と見なす工程と、
を含む疲労寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部を高温高圧の水が流通し、溶接部を有する配管の疲労寿命を評価するための試験片、及びこれを用いた疲労寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子力発電設備では、一次系冷却水用配管の内部を高温かつ高圧の水が流通する。図５に示されるように、一次系冷却水用配管などの配管５０は、主にステンレスとされる２つの金属配管５１が、主にステンレスとされる溶接材料によって溶接されて構成される。図５において、Ｘ面は配管内側の面であり、Ｙ面は配管外側の面である。配管の内側及び外側のいずれも、金属配管５１と溶接部５２との接続部６３において、金属配管５１の面と溶接部５２の面とは不連続になっている。
【０００３】
配管内部に高温高圧の水が流通すると、配管外部環境との温度差に起因して、配管の内側及び外側に引張応力及び圧縮応力が繰り返し付与される。繰り返し応力が付与されることによって、配管内面の溶接部５２（溶接ビード）や接続部６３に疲労き裂が発生する。このため、保守管理の観点から配管の疲労寿命を正確に評価することが重要となっている。
【０００４】
一般に、溶接部の疲労き裂による疲労を評価する際には、溶接部を含む対象部材や製品から丸棒形状に切り出した試験片が使用される。曲げやねじりなどの特別な負荷が要求されない場合は、丸棒形状の試験片の長さ方向の軸を試験機軸（主軸）に一致させ、試験片に対して試験機軸方向に引張及び圧縮の負荷を繰り返し付与する単軸負荷型の疲労試験が実施される。疲労試験で得られる試験片の軸方向の長さの変化量等から試験片に付与される引張応力及び圧縮応力の大きさが求められ、所定の応力下で疲労亀裂が発生した時の応力繰り返し回数に基づいて、溶接部を含む部材の疲労寿命が評価される。
【０００５】
特許文献１は、水環境中で試験片の熱疲労を測定する試験機を開示する。特許文献１の試験機を用いた試験では、試験片表面に高温純水と低温純水を交互に噴射させるとともに、試験片の両端を荷重フレームに固定して熱疲労試験を実施する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−２３１４３５号公報（特許請求の範囲、発明の利用分野）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的な疲労寿命評価装置で計測可能な試験片の大きさは、原子力発電設備に使用される配管よりも極めて小さい。つまり、配管形状を維持したままで疲労試験を実施することは、試験装置の都合上現実的に不可能である。
配管から溶接部を含む短冊状の試験片を切り出せば、一般的な疲労寿命評価装置での評価が可能となる。しかし、このような試験片では、図５のように接続部６３においては金属配管５１と溶接部５２とは不連続に接続されている。このため、例えば配管外面の肉盛り近傍など評価対象ではない部分に応力が集中してき裂が発生する場合があり、評価対象である配管内面の溶接部５２や接続部６３に亀裂を発生させることができない。このため、配管の疲労寿命を正確に評価できないことが問題となっていた。
【０００８】
本発明は、配管内面の溶接部に確実にき裂を発生させて、配管の疲労寿命を評価することが可能な疲労寿命評価用試験片及び疲労寿命評価方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、配管から切り出され、該配管の疲労寿命を評価するための試験片であって、同一形状の２つの金属配管部と該２つの金属配管部との間に挟まれた溶接部とを有し、前記２つの金属配管部は、共通する１つの中心軸を有するように配置され、前記溶接部の前記配管の外側に対応する面、及び、前記溶接部の前記配管の内側に対応する面のそれぞれが凸状になっており、前記配管の内側に対応する面において、前記溶接部及び該溶接部近傍に位置する前記金属配管部は、前記配管の内側の面と同一形状であり、前記配管の外側に対応する面において、前記溶接部と前記金属配管部との各々の接続部は、前記溶接部の面と前記金属配管部の面とで連続的な曲線を有し、前記溶接部の前記配管の内側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離に対する、前記溶接部の前記配管の外側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離の比率が、１以上である疲労寿命評価用試験片を提供する。
【００１０】
上記発明において、前記配管の外側に対応する側の前記凸部が加工されて、前記比率が１以上とされていることが好ましい。
【００１１】
本発明の疲労寿命評価用試験片は、溶接部を含み、溶接部を挟んで対称となる形状に配管から切り出される。溶接部及び溶接部近傍に位置する金属配管部は、配管の内側に対応する面に機械加工が施されず、切り出す前の配管の内側内壁と同一形状の凸形状を有する。一方、配管外側の対応する面には機械加工が施され、上述の接続部の形状を有し、試験片中心軸から溶接部の頂点までの距離の比率が上述の範囲を有する物とされる。
本発明の疲労寿命評価用試験片は、上記の形状とすることにより、配管内側に対応する溶接部及び接続部において応力を集中させることができる。このため、配管内側の溶接部及び接続部に疲労き裂を確実に発生させることができる。
【００１２】
また本発明は、上記の疲労寿命評価用試験片を用いて、前記配管の疲労寿命を評価する方法であって、疲労寿命評価装置の負荷中心軸が、前記試験片の中心軸よりも配管の内側に対応する方向に位置するように、前記試験片が前記疲労寿命評価装置に設置される工程と、前記疲労寿命評価装置に設置された前記試験片が、前記配管の使用環境において前記配管の内側を流通する水と略同一とされる温度及び圧力の水に浸漬される工程と、前記試験片が前記水に浸漬された状態で、所定の荷重で前記試験片に引張応力及び圧縮応力の組み合わせを繰り返し付与する工程と、前記溶接部に疲労き裂が発生した時の前記引張応力及び圧縮応力の組み合わせを前記試験片に付与した回数を取得し、前記回数を前記配管の疲労寿命と見なす工程と、を含む疲労寿命評価方法を提供する。
【００１３】
上述の形状を有する疲労寿命評価用試験片を、試験片の中心軸が疲労寿命評価装置の負荷中心軸からずれるように疲労寿命評価装置に設置して、疲労寿命試験を実施する。こうすることにより、試験片に曲げモーメントによる曲げ応力を付与する。上述した負荷中心軸と試験片の中心軸との位置関係にすることにより、配管の内側に対応する面の溶接部に付与される曲げ応力を、配管外側に対応する面の溶接部に付与される曲げ応力よりも大きくすることができる。従って、試験片の配管内側に対応する溶接部及び接続部において疲労き裂を確実に発生させることができる。このため、配管の疲労寿命を正確に評価することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、配管内側に対応する側の溶接部に確実に疲労き裂を発生させることができる。このため、配管の疲労寿命を正確に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】疲労寿命評価用試験片の形状の一例を示す概略図である。
【図２】疲労寿命測定装置の概略図である。
【図３】試験片が疲労寿命測定装置に設置される状態を表す概略図である。
【図４】試験片に作用する荷重モードを説明する概略図である。
【図５】溶接部を有する配管の水流通方向の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本実施形態に係る疲労寿命評価用試験片の形状の一例を示す概略図である。図１（ａ）は、試験片の正面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の試験片長辺端部（符号７）側から見た側面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面概略図である。
【００１７】
試験片１は、原子力発電設備の一次系冷却水配管など、内部を高温高圧水が流通する配管から切り出される。試験片１は、配管の溶接部を含むように切り出され、図１に例示される形状に加工される。
【００１８】
試験片１は、２つの金属配管部２と、金属配管部２の間に挟まれる溶接部３で構成される。金属配管部２は、例えばステンレスとされる。溶接部３は、例えばステンレスとされる。２つの金属配管部２は同一形状とされる。なお、金属配管部２の形状は図１（ａ）に示される形状に限定されない。
【００１９】
図１（ｂ）及び図１（ｃ）において、符号Ｘは配管の内側に対応する面を指し、符号Ｙは配管の外側に対応する面を指す。
試験片１のＸ面において、溶接部３は凸形状となっている。Ｘ面の溶接部３及び溶接部３近傍の金属配管部２は、配管内側形状と同一となっている。図１（ｃ）に示すように、試験片１のＸ面における溶接部３と金属配管部２との接続部６は、溶接部３の面と金属配管部２の面とが不連続となっている。
金属配管部２のＸ面の溶接部３から離れた場所は、機械加工が施されていても良い。例えば図１（ｂ）のように、金属配管部２のＸ面の短辺両端部４は切欠き加工されていても良い。
【００２０】
試験片１のＹ面において、溶接部３は凸形状となっている。溶接部３から離れた場所の金属配管部２のＹ面は、少なくとも試験片１の中央部で平坦になるようになるように機械加工される。図１（ｂ）では、溶接部３から離れた場所で金属配管部２のＹ面の短辺両端部５は切欠き加工されているが、機械加工せずに配管外側の形状と同一とされていても良い。
【００２１】
試験片１のＹ面における溶接部３と金属配管部２との接続部６は、溶接部３の面と金属配管部２の面とで連続的な曲線となるように機械加工される。例えば、接続部６の表面は、曲率半径Ｒ＝２０ｍｍ以上の曲線に機械加工される。
【００２２】
図１（ｃ）に示すように、２つの金属配管部２は、紙面横方向の中心線を一致させるように接続される。この中心線が、試験片１の中心軸Ｃとされる。試験片１の中心軸Ｃからの溶接部３のＸ面の頂点Ｐｘの距離をｄｘとし、中心軸Ｃからの溶接部３のＹ面の頂点Ｐｙの距離をｄｙとしたときに、ｄｙ／ｄｘが１以上とされる。なお、ｄｙ／ｄｘ＞１である場合、溶接部３の中心線（中心軸Ｃに対して垂直方向において、Ｘ面からの距離とＹ面からの距離とが同じになる点を結んだ線）は、Ｙ面側に湾曲した形状となる。ｄｙ／ｄｘ＝１であると、図１（ｃ）のように、溶接部３の中心線は試験片１の中心軸Ｃと一致するので、特に好ましい。
【００２３】
本実施形態では、Ｙ面における溶接部３が凸形状を有し、且つ、所定のｄｙ／ｄｘ及び曲率半径Ｒを満たすように、溶接部３のＹ面及び接続部が適宜機械加工される。
【００２４】
図１の試験片を用いて、配管の疲労寿命を評価する方法を以下で説明する。
図２は、疲労寿命測定装置の概略図である。疲労寿命測定装置１０は、上部治具１１、下部治具１２、及び、ロードフレーム１３を備える。試験片１は、上部治具１１と下部治具との間に固定されている。
【００２５】
上部治具１１の上部は、ロードフレーム１３に固定されている。
下部治具１２は、軸体１４に接続されている。軸体１４の下端に動力部１５が接続される。動力部１５は、下方のロードフレーム１３内に収納されている。動力部１５はアクチュエータ１６及びサーボバルブ１７で構成されている。アクチュエータ１６の動力源として油圧ユニット１８がサーボバルブ１７に接続される。サーボバルブ１７は制御部１９に接続される。
【００２６】
上部治具１１及び下部治具１２は、圧力容器２０内に収納される。圧力容器２０の下部には、水供給配管２１及び水排出配管２２が設置される。
【００２７】
下部治具１２と動力部１５との間で、軸体１４に負荷制御部２３が設置される。負荷制御部２３は制御部１９に接続される。制御部１９は例えばコンピュータとされる。
【００２８】
試験片１の金属配管部２にＸ面及びＹ面の変位量を測定するための変位計２４が設置される。変位計２４の２つの探針は、溶接部３を挟むように金属配管部に接触させられる。
【００２９】
図３は、試験片が疲労寿命測定装置に設置される状態を表す概略図である。試験片１は、図１に示される長辺両端部７（金属配管部２）を上部治具１１及び下部治具１２で固定されることで、疲労寿命測定装置１０に設置される。溶接部３の中心と上部治具１１との距離は、溶接部３の中心と下部治具１２との距離と同一とされる。
【００３０】
試験片１の中心軸Ｃは、疲労寿命測定装置１０の負荷中心軸Ｌに対してずらして配置される。負荷中心軸Ｌは、試験片１の中心軸ＣよりもＸ面側（配管の内側に対応する面側）に位置している。負荷中心軸Ｌは試験片１を貫いていても良いし、試験片１のＸ面の外側に位置していても良い。なお、試験片１の中心軸Ｃと負荷中心軸Ｌとの距離は、治具１１，１２に試験片１を確実に固定でき試験片１が外れない程度の値とされる。
【００３１】
配管の疲労寿命の評価は、以下の工程で実施される。
試験片１が図３のように疲労寿命測定装置１０に設置され、変位計２４が試験片１に取り付けられる。
その後、圧力容器２０内に水供給配管２１から水が供給される。試験片１全体は、水に浸漬される。圧力容器２０内部の水の温度及び圧力は、発電設備などに配管が使用された場合に配管内部を流通する高温高圧水と略同一とされる。具体的に、水の温度は、２３℃〜３２５℃とされる。圧力容器２０内は水で充填されており、圧力は０．１ＭＰａ〜１６ＭＰａとされる。圧力容器２０内の水は、水排出配管２２から圧力容器２０外に排出される。水供給配管２１及び水排出配管２２には、それぞれバルブ（不図示）が設置されており、バルブおよび循環ポンプにより圧力容器２０内部の圧力が調整されている。測定中、圧力容器２０内の水の温度及び圧力が上記範囲に保持されながら、圧力容器２０内への水の供給及び圧力容器２０外への水の排出が継続される。
【００３２】
試験片１が水に浸漬された後、制御部１９はサーボバルブ１７に制御信号を送信する。制御信号を受信したサーボバルブ１７は、油圧ユニット１８を作動させ、油圧ユニット１８を介してアクチュエータ１６を作動させる。アクチュエータ１６により、軸体１４が所定の周期及び所定の変位量で上下方向に移動させられる。アクチュエータ１６は、軸体の移動量Ｄを変位信号として制御部１９に送信する。
【００３３】
軸体１４の移動により、下部治具１２が上下に変位させられる。下部治具１２が変位することにより、試験片１に引張荷重及び圧縮荷重が繰り返し負荷される。引張荷重及び圧縮荷重が負荷される周期は軸体の移動周期と同一である。
変位計２４は、試験片１のＸ面及びＹ面のそれぞれの変位量Ｅｘ，Ｅｙを計測する。変位計２４は、Ｘ面及びＹ面の変位量Ｅｘ，Ｅｙをひずみ信号として制御部１９に送信する。
負荷制御部２３は、試験片に付与される荷重量Ｐを荷重信号として制御部１９に送信する。
【００３４】
制御部１９は、軸体の移動量Ｄ、変位量Ｅｘ，Ｅｙ、及び荷重量Ｐを取得する。制御部１９は、変位量Ｅｘ，Ｅｙが所定値になるように、軸体の移動量Ｄを制御して、荷重量Ｐを所定値に調整する。
【００３５】
下部治具１２の変位により試験片１に荷重が繰り返し付与されることにより、試験片１に引張と圧縮とが繰り返し付与される。制御部１９は、１回の引張及び１回の圧縮を１つの繰り返し回数として、試験片１に付与された引張及び圧縮の繰り返し回数を計測する。
【００３６】
図４は、試験片に作用する荷重モードを説明する概略図である。図４において、「＋」はＸ面またはＹ面の伸長、「−」はＸ面またはＹ面の圧縮を表す。
本実施形態において、試験片１の溶接部３には、軸力による引張応力及び圧縮応力σＡ、曲げモーメントによる引張応力及び圧縮応力（曲げ応力）σＢが付与される。試験片１の溶接部３に付与される引張応力及び圧縮応力σは、σ＝σＡ＋σＢで表される。
【００３７】
図４のＡ欄に示すように、試験片１が引っ張られると、溶接部３のＸ面側及びＹ面側はともに中心軸Ｃの方向へ伸長する。試験片１が圧縮されると、溶接部３のＸ面側及びＹ面側はともに中心軸Ｃの方向に収縮する。
試験片１には、引張応力及び圧縮応力σＡが付与される。溶接部３のＸ面に付与されるσＡの大きさと、溶接部３のＹ面に付与されるσＡの大きさは略同一となる。幅Ｗの試験対象部に作用するσＡは、式（１）で表される。
σＡ=Ｐ／（（ｄｘ＋ｄｙ）Ｗ）    …（１）
【００３８】
図４のＢ欄は、負荷中心軸と試験片の中心軸とがずれたことに起因する曲げを示している。負荷中心軸Ｌと試験片１の中心軸Ｃをずらして配置され、試験片１は両端が治具１１，１２に固定されているため、試験片１に荷重が付与されると、試験片１の溶接部３の周辺に曲げモーメントが発生する。図４のＢ欄に示すように、試験片１が引っ張られたときに試験片１のＸ面がＹ面に対して相対的に伸びる曲げが発生し、試験片１が圧縮されたときに試験片のＸ面がＹ面に対して相対的に縮む曲げが発生する。あるいは、試験片１が引っ張られたときに試験片１のＸ面がＹ面に対して相対的に縮む曲げが発生し、試験片１が圧縮されたときに試験片のＸ面がＹ面に対して相対的に伸びる曲げが発生する。
溶接部３のＸ面及びＹ面には、曲げモーメントによる引張応力及び圧縮応力σＢが付与される。
【００３９】
ここで、負荷中心軸Ｌと試験片１の中心軸Ｃとをずらすことにより試験片１に発生する曲げモーメントＭは、材料のヤング率Ｅ、断面二次モーメントＩ、はりの曲率ρを用いて式（２）で表される。
Ｍ＝ＥＩ／ρ    …（２）
また、曲げ応力σＢは断面係数Zを用いて式（３）で表される。
σＢ=Ｍ／Ｚ    …（３）
式（２）より、負荷中心軸Ｌと試験片１の中心軸Ｃとのずれが大きくなるほど試験片のＸ面に付与される曲げモーメントは、試験片のＹ面に付与される曲げモーメントよりも大きくなる。従って、試験片のＸ面（配管内側に対応）に付与される曲げ応力の値σＢは、試験片のＹ面（配管外側に対応）に付与される曲げ応力σＢの値よりも大きくなる。
【００４０】
従って、試験片１のＸ面側の溶接部３に付与される引張応力及び圧縮応力の大きさσｘ（σＡ，σＢの和）は、試験片１のＹ面に付与される引張応力及び圧縮応力の大きさσｙ（σＡ，σＢの和）よりも大きくなる。すなわち、溶接部３のＸ面側に応力が集中する。このため、溶接部３のＸ面側が疲労き裂発生起点となり、確実にＸ面側の溶接部３に疲労き裂が発生する。
【００４１】
制御部１９は、疲労き裂が発生するまでの引張及び圧縮の繰り返し回数Ｎを計測する。制御部１９は、繰り返し回数Ｎを試験片が切り出された配管の疲労寿命と見なして取得する。上述の工程により、所定応力が付与されるときの配管の疲労寿命が評価される。
【符号の説明】
【００４２】
１  試験片
２  金属配管部
３  溶接部
１０  疲労寿命測定装置
１１  上部治具
１２  下部治具
１３  ロードフレーム
１４  軸体
１５  動力部
１６  アクチュエータ
１７  サーボバルブ
１８  油圧ユニット
１９  制御部
２０  圧力容器
２１  水供給配管
２２  水排出配管
２３  負荷制御部
２４  変位計
【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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