原子力発電機器における応力改善工法の長期安全性評価のための基盤技術開発
大阪府立大学

柴原 正和、木谷 悠二、生島 一樹

日本原子力研究開発機構

秋田 貢一、鈴木 裕士、井川 直樹

発電設備技術検査協会

古川 敬、西川 聡

原子力発電の安全性の向上

ピーニングによる溶接残留応力の改質• 原子力発電は重要なベースロード電源• 原子力技術の安全性向上が喫緊の課題• ショットピーニング、ウォータージェットピーニング、レーザーピーニング等• 衝撃力の負荷により圧縮残留応力の付与しき裂進展を防止→PWSCCの防止

原子力発電におけるSCC(Stress Corrosion Cracking)中村 康夫, 段林 勝治, 阪本 浩之, 勝谷 泰之, 塚本 義正: PWR原子炉容器出入口管台内面クラッディングの実機適用, 三菱重工技報, Vol.43, No.1 (2006), pp.4-5.

• 原子炉圧力容器の出入口管台部において1次冷却水系の応力腐食割れ(PWSCC)の発生が報告• き裂の進展に伴い重大事故につながる恐れ• 力学的因子• 材料的因子• 環境的因子

レーザーピーニング例

ウォータージェット
ピーニング例

http://www.gt-ind.com.sg/services_inhouse.html

http://www.hitachi-hgne.co.jp/activities/maintenance/advance/alleviation/index.html

本研究の目的

引張り応力下で発生合金において発生溶存酸素、塩化物イオン等想定される効果

実機の溶接過程、ピーニング施工、温度、荷重等の再現• SCC発生可能性の事前検討による原子力安全プラントの安全性向上• 圧縮残留応力の持続性が担保されることによる保守管理コストの大幅な削減

3因子が重畳する場合にSCCが発生実工程を模擬できるFEM解析
手法の開発

溶接施工後の残留応力分布の改質によりSCCを防止可能

研究体制

基盤解析技術 – 理想化陽解法FEMの概略②その場中性子残留応力測定（原子力機構）①実機模擬試験体製作（発電技検）• 同材、異材の配管形状溶接継手を想定• オーステナイト系ステンレスと炭素鋼• 突合せティグ溶接後にピーニング施工

解析手順と特徴

1.E+9109• ジャケットヒーター、応力負荷機構を製作• X線回折法により表面残留応力測定• 中性子回折法により高温、荷重下残留応力測定

試験体

理想化陽解法の効果
温度ステップ4

変位

1.E+7
107

温度ステップ3

工学中性子回折装置
TAKUMI/J-PARC

温度ステップ2変位が収束するまで時間ステップを進める

製作する応力負荷機構の概念図

Y. Caoa, et al.

YUAN Min-Gang, et al.
L.-E. Lindgren, et al.

104

Murakawa, et al.
3D analysis

Ueda, et al.

D. Dean, et al.

D. Dean, et al.

B. L. Josefson, et al.

1.E+2
102
1970
1970

1980
1980

1990
1990

2000
2000

2010
2010

年代

実機レベルの溶接残留応力の予測

2020
2020

2030
2030

2040
2040

2050
2050

溶接力学分野における先駆的研究③ 理想化陽解法FEM解析手法の高度化

800
熱電対１700

熱電対２600

熱電対３500• 整形加工後の試験体4体について2体を外表面に，残り 2体を内表面に SP
施工• 溶接部を中心に約50 mmの範囲についてSPを実施

400
300
200
10000

投射材
内表面

投射圧力
ノズル径
投射量
テーブル回転速度
投射時間
アークハイト値

f ( , ) =内面SPa ( , )

 a( , ) 2 d
10



K
a4 ( ) = A4 − 1
 1 + exp( K ( 0 −  )) v1
衝突中心からの距離:rrr

0.60.4

τ = 0.15

単一ショット衝突時の残留応力分布• 写真は外面SP
条件試料O-1• ワイヤ放電加工で切断(MPa)225.00.4

Residual stress (MPa)

計算時間: 約10分y汎用解析-25.0 コード0.0g ( )衝突時の荷重と等価な分布を表現

解析モデル
(全体)

••

0.0

100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0
Depth (mm)ピーニング後の深さ方向の残留応力分布を計測-225.0溶接トーチzy0.8

1.0 = r r0

 = t t0

正規化半径

正規化衝突時間

ショットピーニングによる変化を解析• 溶接条件: 180A, 10V, 3.33 mm/s, 70%• ピーニング: 3000発のショットが衝突するまで(Coverage=2)を解析• 衝突条件: 力積1.48x10-4Ns(ABAQUS解析の結果より)、衝突時間1.0μs、半径0.4mm• 使用計算機: Core i7 3.4GHz, 64GB memory,GeForce GTX TITAN Black (GPU並列化を使用)

x1200.0

溶接線方向残留応力分布A’A

900.0

計算時間: 約4時間

汎 用 FEM ソ フ ト の 接 触 機 能 を用いた衝突解析と同等の解析が可能

0.6

解析条件
2,374,544要素
2,451,645節点(7,280,810自由度) • ビ ー ド オ ン プ レ ー ト 後 の 残 留 応 力 分 布 の-175.0
内面SP条件0.4

ピーニングによる残留応力改質効果の解析-125.0-800.00.2

荷重分布関数と荷重履歴関数の積

A

-75.0

外面SP条件0.2

正規化衝突時間 τ= t/t0

P ( , ) = f ( , )

z

25.0

-600.0

0.4

1.0

175.0

75.0

-1000.0

ピーニング前後の残留応力分布を計測

0.8

ピーニング領域

125.0-400.00.6

等価荷重モデル

200.0-200.0τ = 0.900.60.00.2

荷重分布
履歴関数

等価荷重モデルの検証

運動量変化と等しくなるように設定

0.8

正規化半径 ρ= r/r0

残留応力
測定位置
(4×1mm2)0.0

τ = 0.450.2

20 mm①で製作した同材試験体の残留応力をX線回析法により計測• ①と同条件のSP施工後の平板の残留応力をX線回析法により計測• 外面条件と内面条件の違いについて検討

m(v2 − v1 )1
  7 + 2 t0  sin   d0
 3


荷重履歴関数の時間変化
r0P

ショットピーニング前後での残留応力計測

板厚方向のSP後の残留応力分布の計測

a ( , ) = a6  6 + a4 ( )  4 + a2  2 + a00.8r②残留応力測定b=1.00.0

外面SP

溶接後試験体  7 + 2  • 荷重量の時間履歴を定g ( ) = b sin   • 義
荷重の時間積分(力積)が 3
 ショットの衝突前後の0.0塑性変形の進展SP施工時の様子

荷重履歴関数1.0

塑性変形領域

SP部• 荷重分布の時間履歴を定義• 6次関数の係数を時間変化• 係数はロジスティッ
ク曲線に基づき変化

荷重分布関数の時間変化

塑性変形の発生SP後の試験体50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
時間（s）

荷重分布関数

衝突直後

Stress σxx (MPa)

900

投射速度
テーブル回転数
投射時間
カバレッジ
アークハイト値
処理設備

ピーニング時の等価荷重モデルの構築

荷重分布関数 f (ρ, τ)

外表面

荷重履歴の概略:P

投射材

インペラー式
ステンレスラウンドカットワイヤー
φ0.8 mm、Hv468
30 m/s
12 r.p.m.
280 s
200%
0.265 mm
エアー式ステンレスラウンドカットワイヤー
φ0.8 mm、Hv468
0.4 MPa
φ9 mm
9.4 kg/min
30 r.p.m.
120 s×3段打ち（15 mm間隔）
0.265 mm

衝突反力

1000

処理設備

P

ショットピーニング
試験体の製作

4パス目溶接時の温度履歴

600.0

as weld
after peening (coverage=1.0)

300.0

after peening (coverage=2.0)
after peening (w/o welding)

0.0-300.0A’

計算時間: 約1日-600.0
0.0

0.5

1.0

Depth from surface (mm)ピーニング時の応力挙動を解析可能

今後の展望
••
•
•

約40年

I. Tsuji, et al.

本研究 理想化陽解法を活用し実機におけるピーニングの残留応力場改質効果を予測

理想化陽解法FEMによる1パス毎の応力解析例①実機模擬試験体製作

温度（℃）

KIM Juwan, et al.

1.E+3103• 各温度ステップにおいて収束計算を行い静的平衡状態を得た後に次の温度ステップに進む• 高速・省メモリな解析を実現• 並列化に対して高い適用性

これまでの研究成果

試験体製作風景x102

K. Ogawa, et al.

1.E+4

時間ステップΔt• 実験結果を用いてピーニングの力学モデルを検証し、妥当性検討• 溶接、ピーニング、実機環境(熱サイクル、荷重）の一連の工程をシミュレーションできるように高度化し、実機における圧縮残留応力の長期持続性を評価• 溶接時に温度測定を実施

L. Gannon, et al.

1.E+5105

温度ステップ1③ 理想化陽解法FEM解析手法の高度化 （大阪府大）• 同じ溶接条件で10層10パスで積層

荷重-変位曲線

検証用残留応力データ等

溶接時温度データ等• 溶接材料にY316Lを用い てTIG溶接を実施

107 自由度

1.E+6106

配管模擬試験体イメージ

同材・異材継手
試験体の製作

本手法：• 超大規模溶接残留解析• 解析規模の飛躍的向上

1.E+8108

解析規模 (解析自由度)

環境的因子

https://www3.toshiba.co.jp/power/pic/secret/materials/detail_04.html

荷重履歴関数 g (τ)

SCC
発生

ショットピーニング例

中性子回析装置を用いたオペレーション時の温度履歴および荷重履歴を模擬した環境下での応力計測実験による残留応力計測結果と等価ピーニング荷重モデルの妥当性検証と多重衝突の考慮による等価荷重モデルの高度化製作した試験体を模擬した溶接残留応力解析とそれに続くピーニング時の応力挙動の解析および残留応力計測結果との比較
FEM解析を用いたX線残留応力計測時のパラメータ(D0)の同定および電解研磨時の応力解放が残留応力計測に及ぼす影響の検討

1.5

2.0