原子力学会 水化学部会 第12回定例研究会

PWR環境における強加工ステンレス
鋼のSCC進展速度
平成23年 3月7日
(株)原子力安全システム研究所
寺地巧、山田卓陽、宮本友樹、有岡孝司

INSSFukuiJapan
Institute of Nuclear Safety System, Inc.

2

背景：PWR主要系統における応力腐食割れ（SCC）
Ni基合金（600合金など）のSCC
蒸気発生器伝熱管
原子炉容器上蓋管台
蒸気発生器入り口管台
etc

ステンレス鋼のSCC
IASCCや酸素滞留部のSCCを除き
き、最近まで報告例が無かった。
近ま 報告例が無⇒割れ感受性が低いと考えられていた。
2007年に美浜発電所でステンレス鋼にも傷が確認された。

PWRでのSCC:Ni基合金SCC報告部位
ステンレス鋼の傷（2007年美浜2号機）
Institute of Nuclear Safety System, Inc.

3

背景：美浜2号機でのステンレス鋼の傷



蒸気発生器管台を接合している
ステンレス製（SUS316)セーフエ
ステンレス製（SUS316)セフ
ンドの溶接接合部（HAZ部）に粒界型の割れ

美浜2号機(2007年9月）

ステンレス製
セーフエンド

信頼性向上には、ステンレス鋼知見拡充 必要。のSCCへの知見拡充が必要。

（出典：経済産業省ホームページ2008年2月)
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4

背景：原子力安全システム研究所（INSS)取り組み
INSSでは2000年頃から、実機の割れに先行した検討を開始。
INSSでのステンレス鋼のSCC研究
 SCC感受性評価
SSRT試験 実験室的に割れ感受性がある とを確認
SSRT試験⇒実験室的に割れ感受性があることを確認
 き裂進展速度評価
影響因子の評価(冷間加工 応力 温度）
影響因子の評価(冷間加工・応力・温度）
溶接熱影響部の検討
 メカニズム研究
腐食機構の研究
クリープ機構等クリプ機構等
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5

研究目的


強加工ステンレス鋼の応力腐食割れ進展速度を計測する。
また、き裂進展速度に及ぼす以下のパラメータについて体系的なデ タを取得する。
系的なデータを取得する。
(1)冷間加工度
(2)温度
(3)応力
(4)材料種（SUS316 SUS304)(4)材料種（SUS316,SUS304)(５)加工方位(６)鋳造ステンレス鋼(７)溶接金属(8)溶接熱影響部

今回報告する内容

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試験方法：供試材
供試材の化学成分
供試材成分
Ｃ
SUS316 0.047
SUS304 0.04
0 04（重量％）

Ｓｉ

Ｍn

ＰＳ

Ｎi

ＣrＭo

0.45
0 310.31

1.42
1 59
1.59

0.024
0 031
0.031

0.001
0 001
0.001

119 21
9.21

16.45
18 34
18.34

2.07
0 370.37（熱処理：SUS316: 1080℃、SUS304：1100℃、水冷）

5 20% 板厚減少率
5-20%
圧延方向

供試材の機械的特性
引張強さ 伸び%耐力
冷間2N/mm2 （320℃ HV(1kg)
加工度 N/mm)（320℃) （320℃) （320℃)
5243458
36184

SUS316SUS30
410345495

29219

15495

565

15254

20572

607

10

270

5270

434

38

205

10365

466

32

214

15436

503

24

243

20498

564

16267

31.2

12.5

252-φ6.4

13.
30 75

1.5

EDM notch
Fatigueprecrack
2

7.5

0.5T CT試験片Institute of Nuclear Safety System, Inc.

7

試験方法：試験装置の構成

Gas(H2, Ar)Flow mater

Water
controltank

DH, DO,Cond.
analyzer

Regulator試験環境:
PWR1次系模擬環境
500ppmB, 2ppmLi,30cc-STP/kg･H2O DH2270-360˚Ｃ
˚

Water
CoolerHeaterPDM
Heat exchangergPre heater

Low pressure
feeder pumpHigh pressurepump

応力条件
K=25-40MPa√m*Bold line: High pressure zone

試験装置の構成

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8

試験方法：き裂進展速度の計測
Trapezoidal load

1.4
1.2

Crack length (mm)

→ W=6.1kN
K=31.1MPa√mConstant load
Wmax. → W=4.4kN=4.4kN
K=21.6MPa
R=0.7,0.017Hz
every14400s

10.8
0.6

→ W=7.7kN
K=41.7MPa√m

1.65×10-7mm/s-71.05×10 mm/s

0.4

316SS 20%CW(T-S)
500ppmB + 2ppmLi +DH2 : 30cc-STP/kgH2O
320°C-886.48×10 mm/s

0.20020406080100120

Test time (days)


320℃以下の試験はPDM（電位差法）を適用
試験開始時に台形波による粒界 のき裂進展を誘導
試験開始時に台形波による粒界へのき裂進展を誘導
き裂進展速度は破面から補正
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9

試験結果の評価：破面観察結果


SCC



進展方向
疲労予き裂
破面のSEM観察結果

き裂は粒界を選択的に進展
T-S方位のき裂は2方向に分岐する
き裂進展長さは板厚方向の長さを採用

SUS316
 38個の試験片を用い83
条件のき裂進展速度を評価

疲労予き裂 SCC
0.5mm2mm

SUS304
 16個の試験片により51
き裂進展試験結果の一例 316SS (20%CW, T-S),
条件のき裂進展速度を
環 境 ： 500ppmB + 2ppmLi + DH2: 30cc-STP/kgH2O,
評価
320°C°
破面の外観

破面 断面
破面の断面

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10

き裂進展速度への冷間加工(降伏応力）の影響

き裂進展速速度(mm/ss)

10-4

Alloy600, DCB specimen, Speidel et al., 2)
316SS
304SS

10-5CT specimen, (T-S)
K=25~35MPa√m√

降伏応力の増加と共に進展速度が増加

350℃, Alloy 600
320℃, Alloy600

10-6腐食挙動の異なる
Alloy600と同様の降伏応力依存性が確認された。
⇒応力の影響と推察される。
応力 影響と推察される320℃, 316SS,304SS

10-710-8※1Simulated PWR10-9

100200 300

500

1000

2000

降伏応力 (MPa)※1：5×10-9mm/s以下であり、信頼性が低いデータ

SCC

材料

腐食環
境応
力

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11

き裂進展速度への応力の影響

き裂進展展速度 (mmm/s)

10-5① Speidel et al., Alloy600(10%CW),
350°C, DCB, simulated PWR, 2)② Moshier et al., Alloy600(31.9%CW:LT), 316°C, simulated PWR, 4)

①



10-6

②
③④10-7

き裂進展速度はK値の１乗～２乗に比例するデータが報告乗に比例するデ タが報告されている。（600合金のデータと近い挙動）⑤10-8※110-99
10This work, simulated PWR③316SS(20%CW:T-S), 320°C④316SS(20%CW:T-S), 290°C⑤304SS(20%CW:T-S),() 290°C
100
2030 40 50

K値 (MPa√m)

SCC

材料

腐食環
境応力

※1：5×10-9mm/s以下であり、信頼性が低いデータ
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12

き裂進展速度への温度の影響
B:500ppm, Li:2ppm, DH:30cc, K=25-36MPa√m

き裂進進展速度 (mmm/s）

1.E-06360 340 320
350 330 310

290 270˚C
20%CW
15%CW
10%CW

1 E-071.E07



低温から320℃まではアレ ウ
低温から320℃まではアレニウ
ス型の温度依存性
高温側で進展速度が低下する傾向が認められた傾向が認められた。

1.E-08

1.E-090.00155

0.001650.00175
１／温度（K-1）

0.00185

316SS(T-S)
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②腐食の温度依存性評価

13

温度の影響に関する考察（皮膜厚さの温度依存性）
360

皮皮膜厚さ(nm)

10000

320

280

琢磨面
(加工層なし：0.04μm
コロイダルシリカ）

250˚C

研磨面
（加工層あり）

1000

研磨面（加工層あり：#1000SiC仕上げ）

100

環
境

琢磨面
(加工層なし）10
1
0 00150.00150 00170.00170 00190.00191/温度 (1/K)
SUS316, 500ppmB+2ppmLi
DH 30
DH:30cc-STP/kg-H
STP/k H2OSCC

材料

腐食

応
力

300 C付近に皮膜厚さの300˚C付近に皮膜厚さのピークが認められる。
 進展速度のピークは腐食により説明可能。
説能Institute of Nuclear Safety System, Inc.

14
SUS316, 20%CW,500ppmB+2ppmLi
500pp
pp
DH:30cc-STP/kg-H2O

き裂進展速度への加工方位の影響
1.E-06

き裂裂進展速度度 (mm/sec))

T-L
S-L

S-T
L-T
T-S
T
S

1.E-07
L-S
LS

1.E-0810K（MPa√m）

き裂進展速度へのき裂進展速度の加工方位の影響



変形前の結晶粒

S-L
S-T
L-T
L
T
L-S
T-L
T-S

L- S

S-T

100
S-L

T-S
L- T

T-L

変形後の結晶粒最大で一桁程度の加工方位依存性が認められた。
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15

加工方位の影響に関する考察

き裂進
進展速度 (mm/s)

1.E-06（K=30MPa√m相当のき裂進展速度に換算）
S-L
T-L

T-L

L-T
S-T

1.E-07

S-L

T-S
T
S

ST
S-T

L-S

L-T
L
T
1.E-08T-S


結晶粒の変形状態などが割れ速度に影響か(1) 通過する三重点の数、 (2)微小領域のK値、 (3)解放される破面の面積 (4)機械的特性など放される破面の面積、L-S
き裂断面の割れ経路

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16

評価式の作成（T S方位のき裂進展速度）
評価式の作成（T-S方位のき裂進展速度）

き裂進展速度10-5

CGR = 7 .7 × 10 × σ y

評
評価式で求求めたき裂裂進展速度度 (mm/s)

8①10-6

10-710-88



316SS
304SS
10-910-9910-8810-7710-66

10-52 .9×K②

1 .2× exp{p{− 87 ×10 3RT}③

計測されたき裂進展速度すべてを用い、①降伏応力、②応力、③温度の関数を多変量解析により求め、評価式を作成。
作成した評価式による計算値とき裂進展速度実測値にはばらつきが確認される。

測定したき裂進展速度 (mm/s)

デ タ群ばら きの
データ群ばらつきの要因は何か？
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17

データばらつきの原因考察：試験片の有効性
ASTM E399(破壊靭性試験）で( 壊の適用範囲 （B≧2.5 (K/σy)２）

ASTM E647(疲労試験）での適( 労用範囲（(W-a)≧4/π (K/σy)２）100

き裂
裂進展速度ののばらつき
き（実測測値/評価式の値）

き裂
裂進展速度ののばらつき
き（実測測値/評価式の値）

1001010.1316SS
304SS

10.1316SS
304SS
0.010.0100.51(K/σy)２/B



101.500.5

11.5(K/σy)２/(W-a)

平面ひずみ条件 小規模降伏条件に問題は無か たと考えられる
平面ひずみ条件、小規模降伏条件に問題は無かったと考えられる。
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18

データばらつきの原因考察：き裂進展速度の影響

きき裂進展速速度のばらつつき（（実測値/評評価式の値値）

100

5×10-9mm/s

き裂進展速度5×10-9mm/sの実測値は評価値より遅くなる傾向がある。

一定速度（5×10-9mm/s)以上の進展データは比較的信頼性が高い。

1010.1316SS
304SS

0.01
1.E-09

1.E-08

1.E-071.E-06

き裂進展速度 (mm/s)

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精度の高い評価式の再設定
CGR = 7.7 × 108 × σ y

2.9× K 1.2 × e−87×103
RTCGR = 4.2 ×1010 × σ y × K 0.84 × e
210-510-610-710-810-9 -91010-810-7

以下のデータを排除
・試験温度：＞330℃
・評価き裂長さ：＜50μm
・き裂進展速度：＜5×10-9mm/s

316SS
304SS
10-510-6

き裂進展速度 (mm/s)

評
評価式で求求めたき裂
裂
進展速度度 (mm/s)

評
評価式で求求めたき裂
裂
進展速度度 (mm/s)

10-5−72×103
RT10-610-710-810-9316SS
304SS
10-910-810-710-610-5

き裂進展速度 (mm/s)

・評価式の適用性については、再考の余地あり（加工度や応力条件により各パラメータが変化するため、使用するデータ群により最適値が変化する）。ただし、一定の誤差範囲内でき裂進展速度は評価可能の誤差範囲内でき裂進展速度は評価可能。
・SUS316とSUS304は類似のパラメータ依存性を示し、同じ評価式を適用できる。
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20

まとめ
PWR1次系模擬環境で、SUS316およびSUS304のき裂進展速度を次系模擬環境
およびき裂進展速度を評価した。
 体系的なデータ取得を行い、（１）冷間加工、（２）応力、（３）試験温体系的なデータ取得を行い （１）冷間加工 （２）応力 （３）試験温度、（４）加工方位の影響を明らかにした。
 SUS316とSUS304について、類似のパラメータ依存性があり、進展速度に大きな差が無いことを確認した。
 特定条件下で適用可能なき裂進展速度の評価式(経験式）を作成したた。⇒実機保全の優先順位選定や維持規格への反映が期待される。
実機保全の優先順位選定や維持規格 の反映が期待される


残された課題残された課題：⇒ 評価式の理論的妥当性を確認する取組が必要（メカニズム研究）⇒ 進展のみならず発生の評価を進める。
進展のみならず発生の評価を進める
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