INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 161

一次系実機配管に対する残留応力の現場測定法の提案
Development of an On-Site Measurement Method for Residual Stressin Primary System Piping of Nuclear Power Plants
前川晃（Akira Maekawa）＊1

高橋茂（Shigeru Takahashi）＊2

藤原昌晴（Masaharu Fujiwara）＊3

要約 原子力プラントの高放射線および高汚染区域で大型の配管・容器の残留応力測定を想定した場合，放射化した配管等をそのまま持ち出すことは難しく，持ち出せたとしても測定に至るまでの取り扱いが難しい．迅速な測定かつ必要な測定精度を確保した残留応力の現場測定法の開発が望まれる．本研究では，原子力プラントの高放射線および高汚染区域に設置された配管の残留
応力現場測定を実現するために，放電スキムカット法と歪み量直接測定法の組合せによる新しい測定法を提案する．放電スキムカット法は，配管内外表面を放電加工にてボートサンプルをすき取ることにより応力解放を行いサンプル表面で解放されたひずみ量から応力値を測定する方法である．小型で可搬式の放電サンプリング装置を用いれば現場での測定が可能である．歪み量直接
測定法は刻印マーキングにより応力解放後の刻印間距離を測定することで残留応力値を測定する方法である．この２つの方法の組合せにより，高放射線および高汚染区域内での測定作業が簡素化および迅速化されるため，測定時の大幅な被ばく低減を達成しつつ，従来法と同等の測定精度
で残留応力を評価することができる．歪み量直接測定法の適用性は既に確認されていることから，
本研究では，放電スキムカット法の適用性を調べた．実験結果から従来法と同等の精度で測定するための適用条件を明らかにした．さらに，加工液に純水を使用できる放電加工条件を決定し，放射性廃棄物対策も万全とした．
キーワード

残留応力，一次系配管，現場測定，放電加工，放電スキムカット法，歪み量直接測定法，被ばく低減，適用性，測定精度

Abstract
In residual stress measurement for large-scale pipes and vessels in high radiation
areas and highly contaminated areas of nuclear plants, it is diﬃcult to bring the radioactivatedpipes and vessels out of the areas as they are. If they can brought out, it is very burdensome tohandle them for the measurement. Development of an on-site measurement method of residual
stress which can be quickly applied and has suﬃcient measurement accuracy is desirable. In
this study, a new method combining an electric discharge skim-cut method with a microscopicstrain measurement method using markers was proposed to realize the on-site residual stressmeasurement on pipes in high radiation areas and highly contaminated areas. In the electric
discharge skim-cut method, a boat-type sample is skimmed out of a pipe outer/inner surface
using electric discharge machining and released residual stress is measured. The on-sitemeasurement of residual stress by the method can be done using a small, portable electric
discharge machine. In the microscopic strain measurement method using markers, the residual
stress is estimated by microscopic measurement of the distance between markers after the
stress release. The combination of both methods can evaluate the residual stress with the sameaccuracy as conventional methods oﬀer and it can achieve reduction of radiation exposure in themeasurement because the work is done simply and rapidly. In this study, the applicability of theelectric discharge skim-cut method was investigated because the applicability of the microscopicstrain measurement method using markers was conﬁrmed previously. The experimental
examination clariﬁed the applicable conditions for the residual stress measurement with thesame accuracy as the conventional methods. Furthermore, the electric discharge machining
conditions using pure water as the machining liquid was found to eliminate the amount of liquidradioactive waste completely.
Keywords

Residual stress, Primary system piping, On-site measurement, Electric discharge machining,
Electric discharge skim-cut method, Microscopic strain measurement using markers, Radiation
exposure reduction, Applicability, Measurement accuracy＊ 1 （株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊ 2 元（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊ 3 （株）神戸工業試験場

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1

62

ではなく，残留応力が絡んだ複合要因事象（17）とみ

1. はじめになす方が現象を理解しやすい．
原子力発電プラントでは，供用期間中に配管・容残留応力の大きさや分布は溶接施工条件や加工条器の構造物にき裂が発見された場合，維持規格（1）件に大きく影響を受けるため，個別の評価が必要に基づいて構造健全性評価を行うことができる．無‑ 20）となる．解析により残留応力を推定する方法（18）（欠陥構造を想定する設計時の構造評価と異なり，維を確立すれば，現状のように，き裂進展評価に大き

持規格では発見されたき裂が進展することを想定すな保守性を持った残留応力分布値を入力データとしるため，その進展に影響を及ぼす残留応力分布も評て設定する必要はなく，合理的な健全性評価が可能

（2）
（3）
,

価に反映させる必要があるなど，数段高い技

術レベルの構造評価が必要となる．

になると考えられる．また，解析では塑性ひずみ量が算出でき，これは SCC き裂の発生要因として重このようなき裂を考慮した評価を実機構造物の評

要な役割（21）を担っていることが近年明らかになり価に適用する上で懸案となっているのが残留応力のつつあることから，き裂発生後の健全性評価だけで取り扱いである．他の荷重（自重，内圧，熱過渡荷

なく，き裂の発生可能性の有無も評価することが可

重，地震，事故時の衝撃）については，設計・建設

能になるという副次的な効果も期待できる．しかし規格に基づいた評価を行う時にも想定する必要があながら，既存の研究成果をみると解析結果のみで残り，維持規格に準拠した評価を行う時にも基本的に留応力量が推定できると判断するほど解析技術は完

同じ荷重を想定すれば良いので，既存の知見が活用

成・成熟の域に達しているとは言えないと考えざるできる．一般に，き裂の発生が懸念される部位は，‑ 24）．また，高経年化プラントの実機配を得ない（22）（

ほとんどが配管や容器の溶接部ないしその近傍であ管はかなりの年月が経過していることから当時の詳り，き裂を考慮した評価を行う上で残留応力分布の細な溶接過程の調査は難しく，したがって，何らか推定は不可欠である．残留応力は溶接施工や塑性加の測定方法による実機配管の検証は不可欠である．

工のように塑性を受ける部位に必ず発生し内在する

本研究では，当社が開発した歪み量直接測定法（25）応力であり，機械構造物の構造健全性に大きな影響と放電スキムカット法を組み合わせた残留応力測定を与える．

法を提案する．これは，応力解放時のひずみ測定の加圧水型原子炉（PWR）の一次系で問題となる
（4）
（
‑ 7）

は溶接部

一次冷却水応力腐食割れ（PWSCC）

内に発生するき裂であることから，き裂進展挙動はためにひずみゲージを貼り付ける作業が必要ないので，大幅な被ばく低減が見込めることから実用測定法として優れている．

溶接部の残留応力分布の大きさや形状に依存する．

表１に，既存の残留応力測定技術と本研究で提案

溶接時の熱サイクルにより溶接部には塑性ひずみがする測定方法について分類した．実機配管の残留応発生し母材部による拘束条件と相まって発生する引力測定は，配管の使用継続性の観点から，非破壊的張力の残留応力はき裂を開口させる駆動力となる．

な測定が望まれる．しかし，回折法などの非破壊法

したがって，き裂進展解析による SCC き裂の進展

は，測定精度がミクロ組織の影響を受けやすいなど（8）と停留の評価は溶接残留応力評価に大きく依存‑が残っている．測測定精度の信頼性に課題（47）（49）

する．

定精度の信頼性では応力弛緩法が有利である．現状

PWR 配管において熱疲労による疲労き裂が報告

では，この応力弛緩法のうち補修により原状回復がされている例（9）‑（11）では，Crystal River- ３号機（12）期待できる部分破壊法が実用的であると考えられ

（13）

の報告に

,
や
る．表１に示す部分破壊法のうち，穿孔法（35）（36）

見られるように溶接部に熱疲労き裂が発生した．溶Ring Core 法（37）はひずみ解放操作に高度な技術を接部には降伏応力に近い引張力の残留応力が内在す,
は表面の残留応力を測定す
要する．DHD 法（38）（39）

るため，高サイクル熱疲労き裂の進展挙動は，内在ることは得意ではない．

や Farley- ２号機（14），Civaux- １号機

するこの引張応力により加速する．なお，日本では

放電スキムカット法は表面残留応力に対する測定

美浜２号機（15）や玄海２号機（16）で熱疲労によるき法の一つであり，部分破壊法に属し，配管表面の残裂が報告されているが，これも高残留応力部位の配留応力を応力弛緩法の原理に基づいて測定すること

管曲り部で発生している．このように高残留応力場ができる．この方法は，配管内外表面を放電加工にの熱疲労き裂による漏えい事象は熱疲労単独の事象てボートサンプルをすき取ることにより応力解放を

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1

表１

残留応力の測定技術

63

2. 放電スキムカット法（25）

歪み量直接測定法,
Slitting/Contour 法（28）（29）

完
全
破 壊 法

,
ブロック切断法（30）（31）（ワイヤーカット法）

応力弛緩
,法（26）（27）

（32）
（34）
‑
ひ ず み 固有ひずみ法

ゲージ法 放電スキムカット法,
穿孔法（35）（36）

部
分
破 壊 法

Ring Core 法（37）,DHD 法（38）（39）,（43）,
X 線回折法（27）（42）,
回折法（40）（41）

非破壊法

シンクロトロン
X 線回折法（28）
中性子回折法

（43）‑
（45）

（28）
（40）
,
（42）
, （43）,

磁歪法

原子力発電プラントのサイト内において大型で放射化した部材の残留応力を測定する必要が生じた場
合，現状では，当該部位に影響を与えない大きな範囲で切り出して非放射線区域で測定する方法や工場にてモックアップによる測定をする方法しかなく，
これらは大掛かりで時間のかかる方法となる．測定箇所にひずみゲージを貼り付け，残留応力の測定に必要な最小限の小型サンプルを現場で切り出して応力解放を行えれば，小型なことから取り扱いが比較的容易でありサイト内の実験室で迅速に残留応力を測定することが期待できる．
近年，大型プラントの配管や容器の材料劣化など

,
（43）
,
（46）
,
超音波法（40）（42）を調べる目的で実機材の材料試験用ミニチュアサン‑ 52）
されている．こプルを採取する装置が提案（50）（

行いサンプル表面に貼り付けたひずみゲージまたはの中で放電加工を利用したサンプル採取用放電加工

その他の方法で解放されたひずみ量つまり応力値を装置も提案されており，小型化も進んでいる．

測定する方法である．放電加工機を配管内外表面に

図１に示すように，残留応力を測定しようとする

設置して表皮を薄くはぎ取るだけなので，測定対象箇所にひずみゲージを貼付し，その箇所をサンプル物への負担が小さく，従来法と比較して測定装置の採取用放電加工によりサンプル採取し，採取前後の精度良い設置が要求されない．原子力プラントの高ひずみゲージの値の変化が読み取れれば，従来のワ

放射線および高汚染区域で残留応力測定を想定した

イヤーカット法を適用したひずみゲージ法による残場合，被ばく低減のために簡便さと迅速性を優先す

留応力測定と同じ原理で残留応力を測定できること

るので，放電スキムカット法は有利である．

になる．また，この方法は測定対象の表面外皮をす

（25）

は，マー

くい取るように切断するので，測定対象物の表面をキングと測定顕微鏡により歪み量を直接測定する方若干傷つけるだけで測定できる．ワイヤーカット法法である．残留応力の生じている部位の表面にマーのように測定対象物を完全破壊することもなく，必カーにより打刻し，応力解放した後の標点間距離の要があれば測定対象物に補修を行えばよい．この方変化を測定顕微鏡により測定することで，ひずみ法を本研究では．放電スキムカット法と呼ぶことにゲージと同等の精度で残留応力を測定することがでする．

表１上段に記載の歪み量直接測定法

きる．測定前処理がほとんど不要であることから，
ひずみゲージによる測定作業よりも高放射線区域にひずみゲージ
ボートサンプル試料

電極

おける迅速な作業が可能であり，被ばく低減可能である．
歪み量直接測定法は既に適用性が確認されていることから，本研究では，放電スキムカット法の適用

供試体
放電加工によるすき取り（a）残留応力測定の概念性について調べた．ブロック切断法の一つである従ひずみゲージ来法のワイヤーカット法と同等の測定精度を得るた
めには，放電スキムカット法の放電加工条件を最適化する必要があることがわかり，その条件を明らかにした．さらに，高汚染区域での使用を想定して，加工液に純水を使用できる放電加工条件を示した．

ボートサンプル試料
電極
放電加工（b）試料のすき取り加工の概念
図１

放電スキムカット法

供試体

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64

放電スキムカット法による残留応力測定用の装置として㈱神戸工業試験場の放電サンプリング装,を選択した．この装置は管外表面
置（図２）（52）（53）

放電サンプリング装置
放電
放
電サ
サン
ンプ
プリ
リン
ング
グ装置
装置

を放電加工にてボートサンプルをすくい取って供用化における金属物性の変化などを把握するサンプルを採取することを目的として開発された．しかも，加工装置のサイズが十分に小型のため配管内に挿入
して管内表面のボートサンプルも採取できそうなこと，加工に伴う塑性変形が少ないこと，表面を薄く（0.5mm 〜）平らに切り出せる．これらの特徴は放電スキムカット法を用いた実機配管の残留応力測定に都合がよい．図２（a）は装置を配管に設置した状況を示す．この状態で配管表面部をすくい取る．図

電 極

配 管
（a）放電サンプリング装置

２（a）右下には，放電加工に用いる電極を示す．図２（b）は装置によるボートサンプル採取状況の例を示す．
加工液で冷却しながらサンプル採取を行なう．
図２（c）は装置によりサンプル採取した結果を示す．

サンプリング領域

金属表面を薄く剥ぎ取ることができる．
提案した方法による実際の現場測定手順は以下のようになると考えている．まず，現場にて切り出し前の表面に刻印マーキングを行ない，歪み直接測定法の準備を行なう．次に，放電サンプリング装置にてボートサンプルを切り出す．最後に，切り出しにより解放されたひずみ量を別室にて，歪み量直接測
定法に従い測定顕微鏡でひずみ変化量を測定する．

（b）サンプル採取状況の例

放電スキムカット法は，上記に示すように測定装
置や測定手順は存在する．しかし，適用性実証や実ボートサンプル績がないことから原理確認ができておらず測定条件も明確ではない．したがって，本研究にて放電スキ
ムカット法の適用性検討を行った．

3. 歪み量直接測定法 （25）歪み量直接測定法は，高放射線および高汚染区域
における残留応力測定法として開発された．まず，サンプル採取跡

ダイヤモンド圧子を有するマーカーにより測定対象
物の表面に打刻する．破壊法にて残留応力解放後，打刻された標点間距離を測定顕微鏡で測定すること
により基準値からの距離変化量をひずみ変化量に変（c）採取したサンプルと採取跡
図２

放電サンプリング装置

換して解放ひずみを求め，ヤング率を用いて応力値へ変換する．

被ばく線量が大きな部位での残留応力測定に有利でこの方法は，表面の汚れに鈍感な方法であることある．欠点は，応力解放後の標点間距離を測定顕微から，測定部位の脱脂や洗浄等の前処理が不要であ鏡で測定する作業に時間を要することである．しかる．さらに，
測定前処理は，標点間距離が既知のマーし，この測定作業は非放射線区域で行なえば良いの

キング用ポンチで打刻するだけである．このため，

で，測定作業全体で大幅な被ばく低減が行なえる．

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歪み量直接測定法による残留応力測定技術の精度

単位（mm）

確認は文献（25）で既に実施されており，実機での

150

65

ひずみゲージＡ（ワイヤーカット法）
ひずみゲージＢ（放電スキムカット法）

使用実績もあることから，本研究ではその適用性のひずみゲージＣ（ひずみ分布確認用）

議論を行なわない．
1100

なお，本研究で実施した放電スキムカット法の適（a）前面用性検討では，歪み量直接測定法によるひずみ測定は行わず，従来から使用されるひずみゲージ法を単位（mm）

1000
ひずみゲージ貼付使った．測定顕微鏡によるひずみ測定は，測定作業を煩雑とするためである．

支点
SUS30475

4. 適用性実証試験

荷 重

（b）側面

残留応力状態を，
静荷重を負荷した梁で模擬して，

図３

適用性実証試験に使用した供試体

予め貼り付けて初期ひずみを測定した値と，放電サ
ンプリング装置にてすき取った試料から測定した値との差を測定した．そしてこの差を換算することで得られた残留応力値と負荷した静荷重の大きさを比

ずみを測定する．

較して，放電サンプリング装置にて得られた値の妥（6）供試体２のひずみゲージ A をワイヤーカッ

当性を検討した．また，この試験と併せて従来法とト放電加工によりブロック状に切断し，解放の比較を行うため，ブロック切断法の一つであるワ

ひずみを測定する．

イヤーカット法にて矩形状の試料を採取して，ひず試験条件を表２にまとめる．負荷荷重（ひずみ）

みゲージによる解放された応力量の測定を行った．

の大きさを２種類にして実施した．供試体１は弾性範囲内での荷重を負荷した．供試体２は塑性域まで

4.1 試験方法の荷重を負荷した．表２に示すように板厚は 1.5mmを目標にした．測定値の妥当性を評価するために，供試材はオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304

応力−ひずみ線図をもとにした予測値を求め基準値の 厚 板（ 長 さ 1,100mm， 幅 150mm， 厚 さ 75mm）とした（算出方法は後述）．予測値を生じたひずみ

を容体化処理して用いた．供試体に３点曲げ試験装から応力をできるだけ正確に推定するために，ミル置を用いて曲げ荷重を負荷した．荷重負荷点はローシートで同ロットとなる素材から試験片を１本切り

ラー状の形状を用いた．供試体の長手方向中央部の出し，引張試験により応力−ひずみ線図を得た．試

引張応力発生側の表面にひずみゲージを３箇所貼り

験片は外径 6mm のつば付き引張試験片の形状に加付け，曲げ荷重を負荷した状態でひずみゲージをす

工し，軸方向を供試体の長手方向と一致させた．引き取り，表面に発生していた残留ひずみを測定し残張試験は室温・大気中にて JIS2241 に準拠して実施

留応力に換算する．ひずみゲージ貼り付け位置を図

した．

３に示す．
試験は以下の手順で実施した．
（1）供試体中にひずみゲージ A，B，C を図３に示す３箇所に貼り付ける．
（2）ひずみのゼロバランスをとり，３点曲げ試験機にセットする．
（3）ひずみゲージ B が所定のひずみ値に達するまで負荷し，３箇所のひずみ計測をする．
（4）ひずみゲージ B を放電サンプリング装置です
き取り，解放ひずみを測定する．
（5）曲げ荷重を除荷後，ひずみゲージ A と C のひ

表２

試験条件

測定条件

供試体１

供試体２

負荷目標とする
最大ひずみ

500 × 10‑6

1,500 × 10‑6

ゲージＡ切り出し
目標寸法（mm）（ワイヤーカット法 ）−1.5 × 10w × 10L

ゲージＢ切り出し
目標寸法（mm） 1.5 × 20w × 20L 1.5 × 20w × 20L（放電スキムカット法）

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 166

4.2 試験結果
残留応力測定状況を図４に示す．図５に供試体の試験前後の概観と採取したボートサンプルの写真を示す．図５（b）に示すように，真ん中のひずみゲー
ジ B の貼り付け領域が供試体の外表面から薄くすき取られていることがわかる．このように供試体への損傷は小さいことがわかる．
一方，右側にはワイヤー

ゲージＣ

ゲージＢ

ゲージＡ

カット法によりサンプルを採取した跡が残っているが，ひずみゲージ A の貼り付け領域が全て切り取られており，完全破壊の形態になることがわかる．

（a）試験実施前

電極取付け部

供試体

ワイヤーカット後の残材

ゲージＣ
図４

ワイヤーカット後放電サンプリング後

残留応力測定状況（b）試験実施後放電スキムカット法およびワイヤーカット法による残留応力測定結果を表３と４に示す．表３の測定
値は前節の試験方法の手順（4）にて得られた値で供試体 １ある．表３ではすき取った試料のひずみゲージ測定

供試体 2値から求めた測定値と予測値を比較している．表４
では切り出した試料のひずみゲージ測定値から得ら

放電サンプリング

れた測定値と予測値を比較している．なお，予測値

ワイヤーカットとは，供試体の表面に取り付けたひずみゲージ C の読み取り値から材料試験で得た応力−ひずみ線図を用いて負荷応力を求めて，その応力から弾性域の直（c）採取したサンプル

線の傾きに平行に直線を下ろして応力がゼロになった時のひずみ量との差から理論的な解放ひずみ（解図５

供試体の試験前後の外観と採取したサンプル

放応力）を求めた．以上に述べた方法の概要を図６に示す．

カット法による測定値は予測値に対して 16MPa と表３より，放電スキムカット法による測定値は，大きめの値となった．ワイヤーカット法の測定誤差

予測値と比較して 20 〜 40MPa 低めの残留応力を見は供試体を塑性曲げした時に表面に発生した塑性ひ積った．負荷した応力 200MPa のレベルに対して 10

ずみの影響と思われる．放電スキムカット法の測定〜 20% の測定誤差を含むこととなる．適用性を評

値はワイヤーカット法と比較すると幾分差が大き価するためには，このような誤差が生じた原因を明い．実用に供するにはワイヤーカット法と同程度にらかにしておく必要がある．
一方，
表４よりワイヤー

提案方法の測定精度を向上させる必要がある．そこINSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1

表３

放電スキムカット法による残留応力測定結果と予測値
解放ひずみ（残留応力）

負荷方法

負荷ひずみ
（負荷応力）

測定値

予測値

供試体１

弾性曲げ

503 × 10‑6
（100MPa）

401 × 10‑6（65MPa）

供試体２

弾塑性曲げ

1,526 × 10‑6
（197MPa）

813 × 10‑6
（159MPa）

表４

応力 (MPa)

供試体２

67

測定値と
予測値の差

試料の寸法（mm）

503 × 10‑6
（100MPa）‑22MPa1.66t × 20w × 30L

1,004 × 10‑6
（195MPa）‑38MPa1.36t × 20w × 30L

測定値と
予測値の差

試料の寸法（mm）+16MPa1.5t×10w×10L

ワイヤーカット法による残留応力測定結果と予測値
解放ひずみ（残留応力）

負荷方法

負荷ひずみ
（負荷応力）

測定値

予測値

弾塑性曲げ

1,718×10‑6（208MPa）

1,115×10‑6（224MPa）

1,067×10‑6（208MPa）

残留応力

負荷ひずみ
ヤング率E
ひずみ (％)
解放ひずみ

図６

残留応力の予測値の算定方法（a）サンプルの表面
図７で，放電スキムカット法による測定値が低めであっ（b）サンプルの切断面

供試体２から切り出したサンプルの外観
上，放電サンプリング装置を使用
下，ワイヤーカット法を使用たこととワイヤーカット法と比べて幾分大きい差が生じたことに対して検討した結果，放電加工による外乱（塑性ひずみの発生）の影響ではないかと推定

5. 放電加工による塑性ひずみの発生の影響評価した．陳ら（54）は放電加工による昇温過程で圧縮の塑性ひずみが加工表面に生じる可能性を指摘してい図８（a）に示すように供試体からボートサンプル

る．このような放電加工による加工表面への影響のをすき取る時に，陳ら（54）が指摘するように，放電

大きさは，放電加工条件に依存するので，陳らの指加工によってサンプルの切断側表面のごく薄い部分

摘が一概に適用できるとは思われないが，図７に示に，切削加工時に見られるような加工ひずみ（塑性すように本提案方法で得たサンプルについて調べる

ひずみ）が生じたとする．この時の塑性ひずみが測と，未加工の外表面に比べて放電加工による切断面

定される残留応力値へ及ぼす影響について検討しは明らかに粗い状態で，放電加工ラインの段差など

た．

も見られる．また，サンプルは放電加工側へ反り返

検討では図８（b）に示すようにボートサンプルをるように鞍反りに変形していた．放電加工によりす

矩形断面の板にモデル化し，切断面に存在する圧縮

き取るという工程は，ワイヤーカット法に比べ大電塑性ひずみによる曲げ応力の大きさを評価した．

流にて実施することは明らかなので，放電加工によ

放電加工による圧縮塑性ひずみ（54）はサンプルのり発生する塑性ひずみの影響について評価しておく

加工面とは反対側表面に引張ひずみを生じさせる．

必要がある．なお，
図７に示すように，
ワイヤーカッ

これは残留応力測定の外乱となる．つまり，図９のト法によるサンプルの加工面は滑らかであった．

点線のように評価されて算定応力に誤差が生じるこINSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1

ボートサンプル試料
供試体

電極
塑性ひずみの発生（a）サンプル試料すき取り前

100

試料表面の残留応力の誤差（MPa)

68

80
60

20
0
0.00

放電加工による外乱（塑性ひずみ）のモデル化

試料表面の残留応力の誤差（MPa)

図８

100
塑性ひずみ

80
60

0
0.00

して，このひずみによる反対側表面への曲げ応力を計算した．この計算では圧縮塑性ひずみの大きさとひずみが存在する厚さの二つのパラメータを変化させた．塑性ひずみの大きさは，文献（54）と（55）100

試料表面の残留応力の誤差（MPa)

切断側表面からある厚さまで均一に分布すると仮定

塑性ひずみ

80
60

20
0
0.00

る塑性ひずみは 0.2 〜 5.0% 程度と考えて，塑性ひず

メータサーベイした結果を示す．試験で得たサンプ
ルの全厚さは 1.5mm 前後であったので，図 10 の板
厚 1mm のケースにおいて，表３の残留応力の予測

圧縮塑性ひずみ

図９

引張りひずみ等価線形ひずみ

放電加工により生じる塑性ひずみが残留応力に及ぼす影響の概念（表面残留応力を過小評価する
場合）

0.05
0.10
0.15
塑性域（切断側表面からの厚さ )（ｍｍ）（c）サンプル試料板厚 4mm
試料表面の残留応力の誤差（MPa)

プルの板厚を１，２，４，6mm とした．図 10 にパラ

0.1 ％
1.0 ％
5.0 ％
10.0％

40

を参考にして放電加工により発生する可能性のあ
みの大きさを 0.1 から 10.0％まで変化させた．サン

0.05
0.10
0.15
塑性域（切断側表面からの厚さ )（ｍｍ）（b）サンプル試料板厚 2mm

・サンプル表面が圧縮応力の場合：過大評価

感度解析を行なった．圧縮塑性ひずみがサンプルの

0.3 ％
1.0 ％
3.0 ％
5.0 ％
7.0 ％
9.0 ％

20

・サンプル表面が引張応力の場合：過小評価

性ひずみの大きさが残留応力へ及ぼす影響について

0.1 ％
0.5 ％
2.0 ％
4.0 ％
6.0 ％
8.0 ％
10.0％

40

とになる．

これらの検討結果から，放電加工により生じる塑

0.05
0.10
0.15
塑性域（切断側表面からの厚さ )（ｍｍ）（a）サンプル試料板厚 1mm

モデル化（b）サンプル試料すき取り後

0.2 ％
0.4 ％
1.0 ％
3.0 ％
5.0 ％
7.0 ％
9.0 ％

40

ボートサンプル試料

圧縮 (‑) ← 0 → (+) 引張
圧縮塑性ひずみ

塑性ひずみ

0.1 ％
0.3 ％
0.5 ％
2.0 ％
4.0 ％
6.0 ％
8.0 ％
10.0％

100
塑性ひずみ

80
60

0.1 ％
1.0 ％
5.0 ％
10.0％

40
20
0
0.00

0.05
0.10
0.15
塑性域（切断側表面からの厚さ )（ｍｍ）（d）サンプル試料板厚 6mm
図 10

放電加工による塑性ひずみの大きさが残留応力に及ぼす影響評価結果

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1

ひずみゲージ単位（mm）

15

度の加工による影響が生じたと考えられた．また，
１Ａ

２Ａ

３Ａ

４Ａ

１Ｂ

２Ｂ

３Ｂ

４Ｂ

30

大きいほど放電加工の影響は小さくなることが分かる．4mm の厚さであれば十分に影響が小さく，誤差が 10MPa 以下になる．このことから，提案する放電スキムカット法による残留応力測定をする場合

90

30

サンプル厚さを変えた結果から，サンプルの厚さが

１Ｃ

30

４Ｃ

３Ｃ

２Ｃ

80

80

80

15

値に対する差から塑性域の厚みは 0.05mm の厚さ程

69

30

300

にサンプルの厚さを 4mm 以上にすれば十分な測定

t69

精度が得られるものと推測された．

（a）供試体の形状と寸法

6. 最適測定条件の調査
上記の検討から放電スキムカット法による残留応力測定では，ワイヤーカット法に比べ放電加工の影響が無視できないことがわかり，採取サンプル厚さを 4mm 以上にすれば従来のワイヤーカット法による残留応力測定と同程度の測定精度が確保されるも（b）供試体の外観のと推測された．この推定を確認するために，サン
プル厚さを主パラメータにしてひずみゲージを貼り付けた測定表面へ放電加工の影響が及ばない厚さを実験的に調べた．

6.1 調査方法

図 11

最適測定条件調査で使用した供試体

6.2 調査結果
放電サンプリング装置を用いた放電スキムカット法とワイヤーカット法による残留応力測定結果を放電スキムカット法による残留応力測定の精度向図 12 と 13 に示す．図 12 は２つの方法で採取したサ上のため，均一な低応力状態の供試体を用いて様々

ンプルの写真例を示す．放電スキムカット法では，な板厚のサンプルを切り出し，放電サンプリング装

放電サンプリング装置による切り出し板厚を３〜置による放電加工の影響の生じない板厚条件を調5mm の範囲で試験を実施した．図 13 は２つの方法

べることとした．オーステナイト系ステンレス鋼の測定値を比較する．図 13 に示すように，切り出（SUS304）平板を容体化処理（1,050℃× 2hr）し，し板厚が 4mm 前後まではワイヤーカット法と同等

加工後無酸化応力除去焼なまし処理（550℃× 3hr，の残留応力値を示したが，4mm より薄くなり 3mm炉冷）を行なったものを供試体として使用した．ことしたサンプルでは応力の急増が確認された．こののような処理をすることで供試体製造時の残留応ことから，ワイヤーカット法と同等の測定精度を得力を低く均一にした．図 11 に示すように供試体にるには，放電サンプリング装置による切り出し板厚

A，B，C の３箇所にひずみゲージを各４列貼り付を 4mm 以上にすればよいことがわかった．

け，提案する放電スキムカット法と従来法であるワ

図 13 にはワイヤーカット法による残応力測定値

イヤーカット法の２つの方法で切り出し，切り出しと切り出し板厚との関係も示しているが，切り出し時のひずみ変化を調べ，残留応力を測定した．放電

サンプルのサイズが 10 × 10mm で板厚が 7mm 以上

スキムカット法では，長さ 30mm，幅 10mm，厚さ

ではほとんど切断の影響を受けないことがわかる．

３〜 6mm のサンプルをすき取った．ワイヤーカッ

その後，２〜 3mm 程度までスライスしていくと応ト法では，サンプルを 10 × 10mm 角に切り出した力はわずかに上下に変化するが，10MPa 程度の範後に，ワイヤーカット放電加工により厚さを変化さ

囲内である．さらに，スライスを進めて板厚を薄くせ，69，７，３，２，1mm の厚さにおいてひずみ変すると応力が急増する．この限界は板厚１〜 2mm

化量を測定した．

の間であった．この応力急増は局所的な放電切断熱により発生した塑性ひずみの影響と考えられる．放INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 170

7. 実機適用のための改良

裏面（加工面）

ゲージ貼り付け面

7.1 放電加工用電極の改良
実機適用を考えた場合，ボートサンプルを確実に切り出すことが必要となる．６章の試験ではサン
プルを確実にワンス・スルーで切り出せた収率は100％ではなかった．これは，高放射線および高汚側面（板厚 1mm 加工後）

染区域内での作業では大きな課題となる．６章の試験でサンプルをワンス・スルーにて切り出せなかった原因を調べると，放電加工の最終工程で，母材からの切り離されたサンプル部分が長くなり，サンプ
ルと母材の未切断部つまりリガメントの長さが短くなった時に，
切り離された部分が母材側へ落ち込み，（a）ワイヤーカット法によるサンプル試料の外観
ゲージ貼り付け面

電極との接触により短絡を起こして放電加工工程が中断していることがわかった．そこで，図 14 に示

裏面（加工面）すように放電加工用の電極形状を改良した．図 14（a）に示すように，改良前の電極形状は厚さ 1mm のコの字形状である．図 14（b）が改良形状であり，電極にテールを付けるとともに板厚を厚くした．この形状に改良することで，放電加工時の切断代は大き

側面（板厚 4.0mm 加工後）くなるが，放電加工時のサンプルの落ち込みよる短絡を回避することができた．

7.2 加工液への純水の適用（b）放電スキムカット法（放電サンプリング装置使用）によるサンプル試料の外観
図 12

屑排出のために，加工液として油類を使用した．し採取したサンプル試料の例

かし，提案した方法の使用想定場所は，原子力プラ
ントの高汚染区域であることから放射性廃棄物の低-200減が課題となる．放射性油類は処理に手間がかかる

放電スキムカット法
ワイヤーカット法

ことから，加工液として水が使用できることが望ま-150

残留応力 (MPa)

上記で述べた試験では，放電加工時の冷却や削りしい．そこで，加工液に純水を使用できるように，
放電加工条件を検討した．検討の結果から決定した-100

純水を使う場合の加工条件を表５示す．さらに，油類を加工液に用いた場合との比較を示す．電極材料-50や放電時の極性を変更することで，純水の使用を可能とした．油類加工と比較しても加工時間はほとん

0
15 14 13 12 11 10 9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

板厚 (mm)

図 13

残留応力測定結果の比較

ど差がない．図 15 に純水加工と油類加工による放電加工処理後のサンプル切断面の写真を比較する．
写真から加工による表面性状の違いはほとんど見られないことがわかる．したがって，放電加工条件を

電サンプリング装置とワイヤーカットの２つの切断適切に設定すれば，加工液に純水を使用することが方法で急変する限界板厚が異なるのは，放電エネル

可能であり，加工時の切断表面性状への影響もない

ギーの差によると考えられる．

ことがわかった．

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1

71

(mm)

（a）純水加工
図 15（b）油類加工

純水加工と油類加工のサンプル切断面の比較合せによる新しい測定法を提案した．この２つの方法の組合せにより，高放射線および高汚染区域内で（a）基本形状の測定作業が簡素化および迅速化されるため，測定(mm)

時の大幅な被ばく低減を達成しつつ，従来法と同等の測定精度で残留応力を評価することができる．歪み量直接測定法の適用性は既報（25）にて実施していることから，ここでは，放電スキムカット法の適用性を調べた．その結果，以下に示すように適用が原理的に可能であることを確認でき，提案する方法の実用可能の見通しが得られた．
（1）残留応力状態として静荷重を負荷した梁で模擬して，放電スキムカット法で残留応力測定を実施した．材料試験より得た応力−ひずみ線図をもとにした予測値と比較して，残留応力200MPa のレベルで 10 〜 20% の測定誤差を含む（b）改良形状
図 14が，残留応力測定技術として原理的に成立する

改良前後の放電加工用電極形状

ことを明らかにした．
（2）放電サンプリング装置ですき取るサンプルの形

表５

純水加工と油類加工の比較
純水加工

状を工夫し，板厚 4mm 以上を確保して切り出油類加工すことで従来法のワイヤーカット法と同等の測定精度を確保できることを示した．

分

純水：電気伝導率 石油系炭化水素
1µS/cm 以下（鉱油）100 質量 %加工条件

サンプル材質：炭素鋼（SS400）
採取サンプル寸法（mm）：
2.5t × 20w × 40L

電極材料

銀タングステン

銅

正極性

逆極性

電流設定値（A）

6

5て，加工液として純水を使用できるように加工

加工時間（min）

60

75

条件の最適化を行った．また，この条件による

成

極

性

（3）高放射線区域内での測定を想定すると，確実にワンス・スルー切断にてボートサンプルを得る
必要がある．ワンス・スルー切断のための放電
加工用電極の形状改良を行った．
（4）高汚染区域内での放射性廃棄物低減を目的とし切断加工表面へ影響がないことを確認した．

8. まとめ9. 今後の課題
本研究では，原子力プラントの高放射線および高汚染区域内の配管の残留応力を現場にて測定するた

原子力プラントの高放射線区域や高汚染区域におめに，放電スキムカット法と歪み量直接測定法の組

ける残留応力の現場測定法として，放電スキムカッ

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1

72

ト法と歪み量直接測定法の組合せを提案した．本研

向分析 ,” 日本原子力学会和文論文集，Vol.5,

究により放電スキムカット法の適用可能性が示されNo.4（2006），pp.282‑291.

たことから，提案する組合せの方法により現場測定（7） Nakamura, T., Taniguchi, K., Hirano, S.,

は可能と結論される．実機適用にあたっては，２つNarita, M. Sato, T., “Stress Corrosionの方法を組合せての総合的な測定精度の確認や測定

Cracking in Welds of Reactor Vessel Nozzle

作業の操作性の検証を実施する必要がある．

at OHI-3 and of Other Vesselʼs Nozzle atJapanʼs PWR Plants,” Proceedings of the
ASME 2009 Pressure Vessels and Piping

謝辞

Division Conference（PVP2009），PVP2009放電スキムカット法の適用性試験の実施にあた

77344,（2009）．

り，野田満靖研究員と大厩徹研究員（いずれも現（8） Benson, M., Rudland, D. and Csontos,

関西電力㈱），釜谷昌幸主任研究員の協力があった．

A., “Weld Residual Stress Finite

ここに記して謝意を表する．

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