(57)【要約】【課題】原子力プラントの配管等に適用する材料について、破断前漏洩成立性を効率的に評価することが可能な材料評価方法及びこの材料評価方法を用いた材料選定方法を提供すること。【解決手段】材料のシャルピー衝撃値と、引張強度の値とを求め、前記シャルピー衝撃値に基づいて、前記材料の弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）を算出し、前記引張強度の測定値と基準値に基づいてストレスファクターＳＦを算出し、前記ストレスファクターＳＦに基づいて、前記材料の破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を算出し、前記［Ｊ−Ｔ］（1）と、前記［Ｊ−Ｔ］（２）とを比較することを特徴とする。【選択図】図１
2013104813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に適用する材料のシャルピー衝撃値と、引張強度の値と、を求め、
前記シャルピー衝撃値に基づいて、前記材料の弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）を算出し、
前記引張強度の測定値と前記材料の引張強度の基準値に基づいてストレスファクターＳＦを算出し、
前記ストレスファクターＳＦに基づいて、前記材料の破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を算出し、
前記弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）と、前記破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）とを比較することを特徴とする材料評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の材料評価方法であって、
弾塑性破壊力学のパラメータのＪ積分値Ｊ＝Ｃ１・（（△ａ）Ｃ２）・（ｅｘｐ（Ｃ３・（（△ａ）Ｃ４）））
テアリングモジュラスＴ＝（ｄＪ／ｄａ）・（Ｅ／σｆ２）
ｌｎ（Ｃ１）＝ａ１＋ａ２ｌｎ（ＣＶＮ）＋ａ３Ｔ＋ａ４ｌｎ（Ｂｎ）＋ａ５・φｔ
Ｃ２＝ｄ１＋ｄ２ｌｎ（Ｃ１）＋ｄ３ｌｎ（Ｂｎ）
Ｃ３＝ｄ４＋ｄ５ｌｎ（Ｃ１）＋ｄ６ｌｎ（Ｂｎ）
Ｃ４＝ｃｏｎｓｔ
ＣＶＮ：記シャルピー衝撃値、Ｔ：使用温度、ａ：亀裂長さ、Ｅ：ヤング率、σｆ：流動応力、Ｂｎ：
板厚、φｔ：中性子照射量
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６：予め設定された定数  
に基づいて、前記材料の弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）を算出することを特徴とする材料評価方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の材料評価方法であって、
前記弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）が、前記破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を満足する場合における、吸収エネルギー要求値とストレスファクターＳＦの対応を算出し、
測定により得られたシャルピー衝撃値に基づく吸収エネルギー値及び引張強度の測定値と、前記吸収エネルギー要求値とストレスファクターＳＦの対応とを比較することを特徴とする材料評価方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の材料評価方法を用いて、前記材料の破断前漏洩の成立性に基づいて、材料を選定することを特徴とする材料選定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内部流体が存在することに起因して亀裂が進展する可能性がある原子力プラント、発電プラントの配管、圧力容器等の構造物に関して、破断前漏洩（Ｌｅａｋ  Ｂｅｆｏｒｅ  Ｂｒｅａｋ）の成立性を効率的に評価するための材料評価方法及び材料選定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力プラント、発電プラントの配管、圧力容器をはじめとする内部流体を含んだ構造物では、例えば、図５において（１）、（２）、（３）で示す順序で、疲労又は腐食に起因する亀裂が進展することが想定される。図５において、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、亀裂の進展状況を示している。
このような亀裂は、材料の破壊靱性が低い場合には、亀裂が貫通（例えば、図５における（２））する前に不安定破壊が発生する可能性があり、この場合、何ら予兆なく突然破壊に至ることになり非常に危険である。
【０００３】
このように内面から亀裂が進展する場合に、不安定破壊が発生する前に亀裂が貫通して、漏洩した内部流体を早期に検知することにより、亀裂部に不安定破壊が発生する前にプラントを安全に停止操作する破断前漏洩（Ｌｅａｋ  Ｂｅｆｏｒｅ  Ｂｒｅａｋ、以下、ＬＢＢという場合がある）という概念が、原子力プラントの配管設計において採用されている。
このようなＬＢＢを成立させるために、例えば、不安定破壊が発生する前に発生する内部流体の漏洩を早期に効率的に検知するための種々の技術が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２８５７１７号公報
【特許文献２】特開２００２−１０６８００号公報
【特許文献３】特開２００９−１９２０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、ＬＢＢの成立に関して、不安定破壊が生じる限界亀裂寸法（例えば、図５における（３））を、貫通が生じる亀裂寸法（例えば、図５における（２））に対して大きくして、不安定破壊前の内部流体の漏洩を容易に検知することが有効であり、そのためには、亀裂貫通時点で不安定破壊しない破壊靱性を有する材料を採用することが望ましい。
【０００６】
しかしながら、一般に材料強度が高くなるほど破壊靱性は低下する傾向があるため、配管等の構造物に適用しようとする材料が、ＬＢＢの要求条件を満足するかどうかは、現状では破壊靱性試験を実施するしかなく多大な労力を必要としているため、ＬＢＢ成立性を効率的に評価可能な材料評価方法、材料選定方法に対する強い要請がある。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、原子力プラント、発電プラントの配管、圧力容器をはじめとする内部流体を含んだ構造物に適用する材料について、ＬＢＢ成立性を効率的に評価することが可能な材料評価方法、材料選定方法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】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、対象物に適用する材料のシャルピー衝撃値と、引張強度の値とを求め、前記シャルピー衝撃値に基づいて、前記材料の弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）を算出し、前記引張強度の測定値と前記材料の引張強度の基準値に基づいてストレスファクターＳＦを算出し、前記ストレスファクターＳＦに基づいて、前記材料の破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を算出し、前記弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）と、前記破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）とを比較することを特徴とする。
【０００９】
この発明に係る材料評価方法によれば、材料のシャルピー衝撃値と、引張強度の測定値に基づいて、ＬＢＢ成立性を効率的に評価することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材料評価方法であって、弾塑性破壊力学のパラメータのＪ積分値Ｊ＝Ｃ１・（（△ａ）Ｃ２）・（ｅｘｐ（Ｃ３・（（△ａ）Ｃ４）））
テアリングモジュラスＴ＝（ｄＪ／ｄａ）・（Ｅ／σｆ２）
ｌｎ（Ｃ１）＝ａ１＋ａ２ｌｎ（ＣＶＮ）＋ａ３Ｔ＋ａ４ｌｎ（Ｂｎ）＋ａ５・φｔ
Ｃ２＝ｄ１＋ｄ２ｌｎ（Ｃ１）＋ｄ３ｌｎ（Ｂｎ）
Ｃ３＝ｄ４＋ｄ５ｌｎ（Ｃ１）＋ｄ６ｌｎ（Ｂｎ）
Ｃ４＝ｃｏｎｓｔ
ＣＶＮ：記シャルピー衝撃値、Ｔ：使用温度、ａ：亀裂長さ、Ｅ：ヤング率、σｆ：流動応力、Ｂｎ：
板厚、φｔ：中性子照射量
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６：予め設定された定数  
に基づいて、前記材料の弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）を算出することを特徴とする。
【００１１】
この発明に係る材料評価方法によれば、材料のＬＢＢ成立性の評価について、信頼性を向上することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の材料評価方法であって、前記弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）が、前記破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を満足する場合における、吸収エネルギー要求値とストレスファクターＳＦの対応を算出し、測定により得られたシャルピー衝撃値に基づくシャルピー吸収エネルギー値及び引張強度の測定値と、前記吸収エネルギー要求値とストレスファクターＳＦの対応とを比較することを特徴とする。
【００１３】
この発明に係る材料評価方法によれば、シャルピー吸収エネルギー要求値とストレスファクターＳＦとの対応により、材料試験で得られたシャルピー試験結果に基づくシャルピー吸収エネルギー値と、引張強度から得られたストレスファクターＳＦに基づいて、材料のＬＢＢ成立性を容易かつ効率的に評価することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、材料選定方法であって、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の材料評価方法を用いて、前記材料の破断前漏洩の成立性に基づいて、材料を選定することを特徴とする。
【００１５】
この発明に係る材料選定方法によれば、適用しようとする材料のシャルピー衝撃値と引張強度の測定値に基づいて、ＬＢＢが成立する材料を効率的に選定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る材料評価によれば、材料のシャルピー衝撃値と引張強度の測定値があれば、材料の破断前漏洩成立性を、破壊靱性試験を実施することなく効率的に評価できる。
また、この発明に係る材料選定方法によれば、適用しようとする材料のシャルピー衝撃値と引張強度の測定値があれば、破断前漏洩が成立する材料を効率的に選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る材料評価方法の概略を説明するフロー図である。
【図２】第１の実施形態に係るＪ−Ｔ曲線の概略を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係るＪ−Ｔ曲線（〔J−Ｔ〕（１））と、Ｊ−Ｔ曲線（〔J−Ｔ〕（２））の比較を説明する図である。
【図４】第２の実施形態に係るシャルピー吸収エネルギー要求値とＳＦの対応に関する曲線を示す図である。
【図５】本発明が対象とする亀裂の進展を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１から図３を参照して、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係る材料評価方法の概略を説明するフロー図である。第１の実施形態は、例えば、原子力プラントのＰＷＲ（加圧水型原子炉）の炭素鋼配管で形成された２次系配管に適用する場合の例である。以下、図１に基づいて、第１の実施形態に係る材料評価方法を説明する。
【００１９】
（１）まず、構造物に適用する材料を選定し、試験片を採取する（Ｓ１）。
材料の選定については、材料特性が均一とされる範囲（例えば、製品ロット等）ごとに評価対象を特定する。
（２）次に、採取した試験片を材料試験機を用いて、シャルピー衝撃値と、引張強度の値とを求める（Ｓ２）。
（３）次いで、測定したシャルピー衝撃値に基づいて、この材料の弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値を算出する（Ｓ３）。
（４）次に、テアリングモジュラスを算出する（Ｓ４）。
ここで、例えば、
弾塑性破壊力学のパラメータのＪ積分値Ｊ
＝Ｃ１・（（△ａ）Ｃ２）・（ｅｘｐ（Ｃ３・（（△ａ）Ｃ４）））・・・（１）
テアリングモジュラスＴ＝（ｄＪ／ｄａ）・（Ｅ／σｆ２）                  ・・・（２）
ｌｎ（Ｃ１）＝ａ１＋ａ２ｌｎ（ＣＶＮ）＋ａ３Ｔ＋ａ４ｌｎ（Ｂｎ）＋ａ５・φｔ
Ｃ２＝ｄ１＋ｄ２ｌｎ（Ｃ１）＋ｄ３ｌｎ（Ｂｎ）
Ｃ３＝ｄ４＋ｄ５ｌｎ（Ｃ１）＋ｄ６ｌｎ（Ｂｎ）
Ｃ４＝ｃｏｎｓｔ
ＣＶＮ：記シャルピー衝撃値、Ｔ：使用温度、ａ：亀裂長さ、Ｅ：ヤング率、σｆ：流動応力、Ｂｎ：
板厚、φｔ：中性子照射量
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６：予め設定された定数であり、数式（１）、（２）に基づいて、上記〔Ｊ−Ｔ〕（１）に係る〔Ｊ−Ｔ〕（１）曲線をプロット（算出）する。
なお、シャルピー試験データからＪ−Ｒ曲線(J積分と延性亀裂成長量Δaの関係を示す材料データ)については、例えば、Ｕ．Ｓ．ＮＲＣ（Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）（米国）のＮＵＲＥＧ／ＣＲ−５２７９等に示された配管材料に対する相関式に基づいて推定してもよい。また、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６については、例えば、ＮＵＲＥＧ／ＣＲ−５２７９に記載された数値を用いることができる。
（５）次に、Ｓ3で算出した弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とＳ4で算出したテアリングモジュラスに基づいて、これらの対応関係を［Ｊ−Ｔ］（1）曲線としてプロットする（Ｓ５）。
（６）Ｓ３〜Ｓ５と並行して、Ｓ２で測定した引張強度の測定値と引張強度のスペック値（基準値）に基づき、ストレスファクターＳＦ（＝（引張強度の測定値）／（引張強度のスペック値））を算出する（Ｓ６）。
（７）次に、Ｓ６で算出したストレスファクターＳＦを、図２で示すような、ストレスファクターＳＦをパラメータとするＪ積分値とテアリングモジュラスの関係を示すＪ−Ｔ曲線に当てはめて、試験片を採取した材料においてＬＢＢが成立可能なＪ積分値とテアリングモジュラスの関係を示す〔Ｊ−Ｔ〕（２）曲線を選択（算出）する（Ｓ７）。
（８）Ｓ５において作成した［Ｊ−Ｔ］（1）曲線と、Ｓ７において選択した［Ｊ−Ｔ］（２）曲線とを、例えば、図３のように比較して、［Ｊ−Ｔ］（1）曲線≧［Ｊ−Ｔ］（２）曲線であるかどうかを判断する。
［Ｊ−Ｔ］（1）曲線≧［Ｊ−Ｔ］（２）曲線である場合には、この材料によりＬＢＢが成立するため、この材料に基づいて設計するとともに、この材料を、原子力プラントのＰＷＲ（加圧水型原子炉）の２次系配管として用いる。
なお、選択した材料において、ＬＢＢが成立しない場合には、必要に応じて、新たなロットの材料について、Ｓ１〜Ｓ８の手順を繰り返す。
【００２０】
第１の実施形態に係る材料評価方法によれば、材料のシャルピー衝撃値と、引張強度の測定値に基づいて、ＬＢＢ成立性を効率的に評価することができる。また、例えば、Ｕ．Ｓ．ＮＲＣが規定した材料のＬＢＢ成立性の評価について、信頼性を向上することができる。また、適用しようとする材料のシャルピー衝撃値と引張強度の測定値に基づいて、ＬＢＢが成立する材料を効率的に採用することができる。
【００２１】
次に、図４を参照して、この発明の第２の実施形態について説明する。
図４で示した曲線は、第２の実施形態に係るシャルピー衝撃値とストレスファクターＳＦを当てはめることにより、ＬＢＢ成立性を評価するための評価方法に適用するものである。以下に、図４の曲線の定義について説明する。
（１）まず、第１の実施形態で算出した弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）と、ＬＢＢが成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）とを比較する。
（２）次に、弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）が、ＬＢＢが成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を満足するかどうか判断して、満足するときのシャルピー衝撃値に基づくシャルピー吸収エネルギー要求値と、ストレスファクターＳＦとの対応をプロットして曲線として定義する。
【００２２】
第２の実施形態に係る曲線は、試験により得たシャルピー衝撃値に基づくシャルピー吸収エネルギー値と、引張強度の測定値に基づくストレスファクターＳＦを、曲線と比較することによりＬＢＢ成立性が満足されるかどうかを評価する。例えば、図４に示したシャルピー吸収エネルギー値Ｅ１とストレスファクターＳＦ１の材料特性を有する材料ではＬＢＢが成立しておらず、シャルピー吸収エネルギー値Ｅ２とストレスファクターＳＦ２の材料特性を有する材料ではＬＢＢが成立している。
【００２３】
第２の実施形態に係る材料評価方法によれば、材料試験で得られたシャルピー衝撃値と引張強度の測定値を、シャルピー吸収エネルギー要求値とストレスファクターＳＦ曲線に当てはめることで評価するので、ＬＢＢ成立性を容易かつ効率的に評価することができる。
【００２４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）と、破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を、すべてのテアリングモジュラスにおいて満足することを前提として説明したが、使用環境に応じて求められるテアリングモジュラスの範囲で満足するかどうかを評価してもよい。
【００２５】
また、上記実施の形態においては、弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（1）と、破断前漏洩が成立可能な弾塑性破壊力学パラメータのＪ積分値とテアリングモジュラスとの対応［Ｊ−Ｔ］（２）を、それぞれグラフ上の曲線により表示する場合について説明したが、例えば、数値テーブルやデータベースに格納される数値データの形式で対応させてもよい。
【００２６】
また、上記実施の形態においては、例えば、本発明を、原子力プラント（ＰＷＲ）の２次系配管に適用する炭素鋼に適用する場合について説明したが、ＰＷＲの２次系配管に代えて、例えば、１次系配管、圧力容器に適用してもよいし、ＰＷＲに代えてＢＷＲ（沸騰水型原子炉）の原子力プラントや原子力以外の発電プラント等の配管、圧力容器をはじめとする疲労又は腐食に起因する亀裂が進展する可能性がある構造物に適用してもよい。また、配管本体の母材に代えて、配管の溶接部や溶接熱影響部に適用してもよい。また、炭素鋼に害の材料に適用してもよい。
【００２７】
また、上記実施の形態においては、弾塑性破壊力学のパラメータのＪ積分値Ｊ、テアリングモジュラスＴを算出するために用いたＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６について、Ｕ．Ｓ．ＮＲＣの「ＮＵＲＥＧ／ＣＲ−５２７９」に定められた数値を適用する場合について説明したが、米国内に設置する原子力プラント以外の構造物等に関して、破壊靱性試験により得た実験値やシミュレーションにより得られた結果に基づいてＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を算出する数式や定数ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６を、対象となる構造物の構成や使用条件等に応じて適宜変更して適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、シャルピー衝撃値と、引張強度の測定値により、材料のＬＢＢ成立性を効率的に評価できるので、産業上利用可能である。
【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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