2011, Vol.18, 170-180

原子炉構造材の非破壊的健全性評価手法の検討（その２）
A Study of Non Destructive Integrity Assessment Method for Structural
Materials of Nuclear Reactor － Part 2 －戸塚信夫（Nobuo Totsuka）

松崎明博（Akihiro Matsuzaki）

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原子炉構造材の非破壊的健全性評価手法の検討（その２）
A Study of Non Destructive Integrity Assessment Method for Structural
Materials of Nuclear Reactor － Part 2 －戸塚＊1
信夫（Nobuo Totsuka）＊2
明博（Akihiro Matsuzaki）

松崎

要約 地震被災後の原子炉構造材の健全性評価および実構造材の実強度を非破壊的に評価する手法として，硬度測定法が最も有力な方法と考えられ，前報においてポータブル硬度計による評価法とその有効性について報告した．本報では当該手法を高度化し，プラントの長期運転時の熱時効による硬度変化と地震時の繰り返し変形による硬度変化について実験し，地震被災時の塑性変形量を硬度測定によりさらに正確に定量評価する手法を検討したので，それについて報告する．
キーワード

原子炉構造材，非破壊検査，硬度測定，塑性変形，ポータブル硬度計，金属組織

Abstract		 The hardness measurement is one of the most effective way for non
destructive integrity assessment evaluating structural materials of nuclear power plants before
and after suffering an earthquake. Then an actual evaluation method and effectiveness of themethod using portable hardness tester has been reported in the previous Journal. In this study,
the developing method which can evaluate more accurately the amount of plastic deformationof the material caused by an earthquake has been reported, based on the experimental results
about the hardness change of the material considering the thermal aging due to plant operationand the cyclic deformation suffered by an earthquake.
Keywords

Structural Materials of Nuclear Reactor, Non Destructive Integrity Assessment, PlasticDeformation, Portable Hardness Tester, Metallurgical Structure

1.

緒言た構造材料の健全性評価方法を検討した．

2007 年 7 月 16 日に発生した中越沖地震で東京電
力柏崎刈羽原子力発電所は想定を上回る大きな地震動を被り，原子力発電所の耐震性について懸念され（1）る事態となった．
実際には主要機器において大きな損傷はこれまでのところ見られていないが（1），

2.

実験方法

2.1

くり返し変形による材料の硬度，組織変化に関する実験

そのことをより定量的，実証的に証明するには構造

供試材は市販の炭素鋼（SS400）と研究室で溶材料の塑性変形量を非破壊で定量評価することが必製したステンレス鋼（SUS304, SUS316）である．

（2）

要であり，前報 で具体的方法としてポータブル硬図 1 に供試材の製造工程および試験・評価項目を度計を用いた硬度測定法が有効であることを報告し示し，表 1 に化学成分，図 2, 3 にはそれぞれくりた．本報では，この硬度測定法をさらに高度化し，返し歪付与試験用試験片形状と試験状況を示した．

より精度をあげるため，実際のプラントの部位にくり返し歪み付与試験は標点距離 5mm で，歪み制よっては運転中に受ける可能性のある熱時効の影響御によるくり返し歪みを付与した．試験機は，島および地震被災時に受ける可能性のあるくり返し変津製作所製 Dynamic Servo（10kN），また伸び計は形の影響を実験的に評価し，これらの影響を考慮しMTS 社製伸び計 Model 632.39F-30 を用いた．また＊1 （株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊2 JFEテクノリサーチ（株） 千葉分析・材料事業部

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単純引張歪み付与材と比較するために，歪み量 0.8%

座屈，試験機の荷重制限などで一部実施できない条および 3% を主体に，くり返し歪み付与試験を実施

件もあり，より小さい歪み量またはくり返し回数とした．くり返し回数は，1，5，50 回を目標としたが，なったものもある．

図2

図1

供試材の製造工程および試験・評価項目
表1

図3

供試材化学成分（重量 %）くり返し歪み付与試験の外観

くり返し歪み付与試験片形状

172

2.2

長時間熱時効による材料の硬度，組織変化に関する実験

原子力発電所のように 350℃以下の温度域で鋼材部から歪付与後試料を採取し，硬度および組織観察を行った．

3.1.1

くり返し変形による材料の硬度変化挙動，が使用された場合，大きな組織変化は無いものの，熱時効による転位組織の変化や微視的な領域での偏図 4 ～ 6 に，各くり返し歪み付与試験時の代表的析，析出現象などにより，硬さに影響を及ぼす可能

応力－歪線図および試験後の試験片の硬さ測定結果性がある．したがって，単なる地震動を想定した硬を示す．測定部位は，標点距離内の 1/4d 部 L 断面で，さの評価のみでは的確な構造物強度，材質変化の評

HV1kgf で 5 点測定の平均値である．SUS304 およ

価ができない恐れがあり，熱時効による微視組織，び SUS316 では，くり返し数および歪み量の増加に硬さの変化挙動を明確にしておく必要がある．そこ伴い，硬さは上昇する．くり返し歪み付与試験によで前節と同じ素材を用い予歪なし，3% および 10%る加工硬化の影響と考えられる．の引張予歪みを付与した後に，250 および 350℃で，一方，SS400 の歪み量 0.8% では，1 サイクルま3600 時間までの長時間時効熱処理を行い，組織とでは僅かに硬さが上昇し，その後はくり返し数の増硬さの変化を調査した．予歪は JIS 5 号試験片（JIS加に伴いやや低下する．歪み量 3.0% では，5 サイZ2281）を用いて付与し，その平行部から試料を採クル目まではくり返し数の増加に伴い硬さは上昇す取し，時効試験を行った．

る．なおこれらの図には，無負荷時の硬さおよび単純引張負荷後の硬さも合わせて示してある．図から

3.

実験結果

3.1

くり返し変形による材料の硬度，組織変化に関する実験結果

明らかなように，いずれの鋼種においても，単純引張歪み付与材の硬さは，無負荷と 1 サイクルくり返し歪み付与材とのほぼ中間にある．

2.2 で述べたくり返し歪付与試験用試験片の平行

図4SUS304 のくり返し歪み付与試験時の応力 - 歪線図，荷重，硬度変化

173

3.1.2

図5SUS316 のくり返し歪み付与試験時の応力 - 歪線図，荷重，硬度変化

図6SS400 のくり返し歪み付与試験時の応力 - 歪線図，荷重，硬度変化

くり返し変形による材料の組織変化挙動が顕著に増加する．これらの組織変化により，加工（光学顕微鏡観察）硬化を示したと考えられる．一方，SUS316 およびSS400 では，歪み量およびくり返し回数が増加して

図 7 ～ 9 に，各くり返し歪み付与後の試験片の代も，特段の組織変化は認められない．いずれも加工表的な光学顕微鏡組織を示す．測定部位は，標点距による変態は起きないため，光学顕微鏡レベルでは離内の 1/4d 部 L 断面である．SUS304 は，くり返組織変化が認められなかったものと考えられる．

し数の増加に伴い，マルテンサイト組織や変形双晶

174

図7SUS304 のくり返し歪み付与試験時の組織変化（光学顕微鏡観察）

図8

SUS316 のくり返し歪み付与試験時の組織変化（光学顕微鏡観察）

図9SS400 のくり返し歪み付与試験時の組織変化（光学顕微鏡観察）

175

3.1.3

くり返し変形による材料の組織変化挙動（透過電子顕微鏡観察）

SS400 の転位組織の変化は，SUS316 に類似しているが，転位のセル化がさらに明瞭に進行するとともに，50 サイクルでは転位セルサイズが大きくなっ各くり返し歪み付与後の試験片から薄膜を作製ている．セルサイズの粗大化は，変形抵抗の低下をし，透過電子顕微鏡により観察した微細組織の代表もたらす．このために，SS400 では，くり返し歪み写真を図 10 ～ 12 に示す．SUS304 については，光付与による僅かな軟化が認められ，また硬さの増加

学顕微鏡組織で認められたマルテンサイト相の増加も顕著ではなかったものと考えられる．くり返しひとともに，図 10 に示すようにくり返し歪み付与にずみ付与による転位組織のセル化，セルサイズの粗伴い，転位組織の変化，すなわち，転位密度の増加大化，またそれらの組織変化による軟化現象についおよびセル化の進行が明らかである．転位組織のセては，従来知見（3）～（6）に一致する現象である．

ル化は変形抵抗の低下，すなわち加工軟化をもたら

また単純引張と繰り返しひずみ付与では塑性ひずす．しかし，図 4 に示したように，SUS304 はくり

み量の直接比較はできないが，両者の組織を比較す

返し歪み付与に伴い加工硬化している．その理由とると，くり返しひずみ付与試験材では転位組織のセしては，転位組織のセル化に伴う軟化よりも，マルル化とともにくり返しひずみ回数の増加に伴いセルテンサイト相の増大効果が上回ったため，加工硬化サイズが大きくなっていることが分かる．くり返し挙動を示したものと考えられる．

歪み付与試験では 1 回の変形量が小さいことから，

SUS316 では，図 11 に示すように無負荷および長範囲の変形組織が発達しにくいため，転位のセル引張負荷の組織と比較して，くり返し歪み付与 5 サ化およびセルサイズの増大を促進すると推察されイクルで転位密度がやや増大している．また，くりる．そのため，図 10 ～ 12 に示したように，くり返返し回数 50 サイクルでは，転位密度の増加とともしひずみ付与回数が増えても，SUS304 および 316にセル化が進行している．転位密度の増加は，初期では加工硬化がさほど進行せず，また SS400 ではのくり返しでの加工硬化を，また転位組織のセル化逆に軟化したものと考えられる．

は 30 サイクル程度以降での変形抵抗の安定化をもたらしたものと考えられる．

図 10

SUS304 のくり返し歪み付与試験時の組織変化（透過電子顕微鏡観察）

1763.2

図 11

SUS316 のくり返し歪み付与試験時の組織変化（透過電子顕微鏡観察）

図 12SS400 のくり返し歪み付与試験時の組織変化（透過電子顕微鏡観察）

長時間熱時効による材料の硬度，組織変化に関する実験結果

効で硬さが増加し，3600 時間時効では逆に硬さが低下した．予歪み 10% 材では長時間時効に伴い，硬さは低下した．

各材料の熱時効による硬度および組織変化を前節と同じ方法で測定，観察した．

図 14 に示すように SUS316 の予歪み無し材では，1000 時間時効までは大きな硬さ変化は認められなかったが，3600 時間の長時間時効により僅かに硬3.2.1

長時間熱時効による材料の硬度変化挙動さが低下した．また，予歪み 3% および 10% 材では，いずれも長時間時効に伴い，硬さは低下した．

各鋼種の時効による硬さ変化の挙動を図 13 ～ 15に示す．

図 15 に示すように SS400 の予歪み無し材では，3600 時間の長時間時効で硬さが低下した．予歪み 3%

図 13 に示すように SUS304 の予歪み無し材では，材では，時効に伴い硬さが上昇した．また，予歪み長時間時効による硬さ変化はほとんど認められな10% 材では 360 時間および 1000 時間時効で僅かに硬かった．しかし，予歪み 3% 材では，1000 時間時さが上昇したが，3600 時間の長時間時効では硬さは

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図 13S
 US304 の 長 時 間 時 効 に よ る
硬度変化

図 14

 US316 の長時間時効によるS硬度変化低下した．

図 15

 S400 の長時間時効による硬S度変化

360 時間，3600 時間の長時間時効熱処理材の光学顕微鏡組織を，無時効材と比較して，図 16 ～ 18 に

3.2.2

長時間時効による材料の組織変化挙動示す．これから明らかなように，いずれの材料も（光学顕微鏡観察）予歪みの有無にかかわらず，光学顕微鏡では明瞭な組織変化は観察できなかった．

各鋼種の長時間時効の代表例として，250℃ で

図 16

SUS304 の長時間時効による組織変化（光学顕微鏡観察）

178

3.2.3

図 17

SUS316 の長時間時効による組織変化（光学顕微鏡観察）

図 18SS400 の長時間時効による組織変化（光学顕微鏡観察）

長時間時効による材料の組織変化挙動（透過電子顕微鏡観察）

図 19 に示す様に SUS304 の予歪み付与材では，3600 時間の長時間時効により転位密度が低下しているように見え，歪みを受けたマルテンサイト相の各鋼種の長時間時効の代表例として，250℃ で回復を示唆していると思われる．この転位組織の変

360 時間，3600 時間の長時間時効熱処理材の透過化，すなわち組織の回復のために，長時間時効によ電子顕微鏡組織を，無時効材と比較して，図 19 ～り硬さが低下したものと推察される．

21 に示す．

図 19

SUS304 の長時間時効による組織変化（透過電子顕微鏡観察）

179

図 20

SUS316 の長時間時効による組織変化（透過電子顕微鏡観察）

図 21

SS400 の長時間時効による組織変化（透過電子顕微鏡観察）

図 20 に示すように SUS316 では 3600 時間の長時した．また，それらの現象が冶金学的な組織変化に間時効により，転位密度が減少しているように見え裏付けられることも示した．したがって，原子力発る．またセル化していた転位組織の解消傾向も一部

電所鋼構造物の健全性を硬さで評価する本手法が，に認められる．これらの転位組織の変化，すなわち原理的に有効であることを立証できた．また，上記オーステナイト相の回復のために，長時間時効によの硬さ変化の現象は複雑であり，各鋼材の初期条件，り硬さが低下したものと推察される．

温度履歴，歪み履歴などの定量的データの整備が，

図 21 に示すように SS400 の予歪み無しの長時間本手法の精度向上にとって重要であると言える．

時効による下部組織の変化は明瞭ではない．予歪み
3% 材も，時効による組織変化は明瞭ではない．しかし，硬さが増加していることから，転位の固着が進行しているものと推察される．

5.

まとめ
地震被災後の健全性評価手法として硬度測定法の実用化を図るために実際の地震を想定して，塑性歪
みの繰り返し負荷と硬さ，組織の関係，さらに長時原子力発電所鋼構造物の健全性を硬さで評価する手法に関する考察

間熱時効による SUS304, SUS316 および SS400 の材

前報（2）および本調査により，原子力発電所の代表⑴繰り返し歪み付与試験時の鋼材の硬さおよび組織的な構造材料について，地震動による歪みおよび熱変化を明らかにした．SUS304 および SUS316 では

時効により硬さが変化することを定量的に明らかに繰り返しの初期に最大応力の増加すなわち加工硬化

4.

質変化について調査し以下の結論を得た．

180を示し，その後は僅かな加工硬化または飽和挙動を示した．一方，SS400 では，繰り返し初期に加工硬化を示した後に，その後は加工軟化した．これらの応力および硬さ変化は，主として転位組織の形態変化に起因すると推察され，従来の冶金学的知見に合致するものであった．
⑵ 1000 時間および 3600 時間の長時間熱時効を受けると，鋼種または予歪み条件によっては，硬さ，組織に変化が認められた．これらの硬さ変化は，光学顕微鏡および透過電子顕微鏡観察による組織変化とほぼ対応していることも明らかとなった．
⑶前報および本調査により，原子力発電所鋼構造物の健全性を硬さで評価する本手法が，原理的に有効であることを示した．また，上記の硬さ変化の現象は複雑であり，各鋼材の初期条件，温度履歴，歪み履歴などの定量的データの整備が，本手法の精度向上にとって重要であると言える．

文献（１）原 子力安全保安院 : 柏崎刈羽原子力発電所の設備健全性について，平成 21 年 3 月（２）戸塚ら : INSS JOURNAL, Vol.17, p 200,（2010）（３）高村仁一 : 日本金属学会報，Vol. 25（1986）p 379（４）Nakai et al.: Int. J. Fatigue, 19-Supp. 1（1997）
S223（５）松岡ら : 日本金属学会誌，vol. 70, No. 8（2006）
p. 700-708（６）西 田ら : 日本機械学会材料力学部門講演会講演論文集，No. 98-5（1998）p. 21-22