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歪み量直接測定による残留応力測定技術の開発
Development of a new method for determining residual stress by microscopic
measurment of the distance between markers
戸塚中島信夫（Nobuo Totsuka）*宣雄（Nobuo Nakajima）*

酒井
光田俊治（Shunji Sakai）*弘道（Hiromichi Mitsuda）*

要約 原子炉圧力容器上蓋の管台貫通部の応力腐食割れ（ＳＣＣ）発生事例は，我が国では報告された例はないが，海外においては数例の報告がある．本劣化事象研究のためには，ＳＣＣ発生個所の残留応力を測定することが重要であるが，実機プラントの当該部位に適用できる既存技術はない．このため，前記部位である管台の管内面の残留応力を測定する方法として，ダイヤモン
ド圧子を有するマーカーを開発し，このマーカーにより，打刻された標点間距離を測定顕微鏡を用いて，測定し直接歪み量を求める方法で，歪みゲージと同等の精度で，残留応力が測定できることを確認し，上記部位に適用できることを検証した．
キーワード

原子炉圧力容器上蓋貫通管台，ＳＣＣ，残留応力，歪み量，歪みゲージ，ダイヤモンド圧子，４点マーカー，測定顕微鏡

Abstract
Abustract: The Stress Corrosion Cracking (SCC) has been observed abroad in several
PWRs' control rod drive mechanism nozzles. Although it is considered that the residual stress is theessential cause of SCC, the mechanism is not known yet. For the purpose of measuring residual stressat the portion where the SCC was observed, no suitable conventional technique are available.
In this paper, new technique developed for measuring residual stress around thelocation of SCC isproposed. The technique consists of the following steps: stanping markers with diamond tips andmeasuring the distance between two marks using measuring microscope before and after releasing thestress.
The residual stress can be calculated from the value of the strain,i.e. change in the distance.
It has been confirmed that this technique gives the same acuracy as the conven-tional method using
strain gausez.
KeywordsPWR Control Rod Drive Mechanism Nozzle, SCC, Residual stress, Strain gage, diamond tip,

4 point marker, measuring microscope

1．はじめにータは非常に少なく，特にＳＣＣ発生の主要因である残留応力，すなわち当該材料にどのような残留応原子炉圧力容器（以下ＲＶと略す）上蓋の管台貫力が作用してＳＣＣの発生が助長されるのかについ通部には，海外においていくつか応力腐食割れ（以ての知見はほとんど得られていないのが現状であ下ＳＣＣと略す）発生事例が報告（１）（２）されている．

る．

日本においては，ＳＣＣ発生事例の報告はないもの

この原因は，当該部材（図１に参考図を示す）のの予防保全の観点から既に上蓋の交換が行われたり，残留応力を測定しようとする場合，従来の非破壊的また，近い将来交換を行う予定のプラントがある．

手法では検査に用いる装置が大きすぎて口径の小さ一方においては，当該部材料に関する経年劣化デな当該部には取り付けができず，破壊を伴う検査法*（株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

90

管台本体

制御棒駆動装置

圧力容器上蓋;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

圧力容器上蓋貫通部拡大図

Jウェルド部

図1

圧力容器上蓋貫通部略図に一般的に用いられる歪みゲージ法では汚染されている当該部に歪みゲージを正確に貼るための作業時3．小型化及び精度向上のための予備実験間を確保するのが困難なためである．
そこで，当該部に適用できる新しい残留応力測定技術の開発を目的に研究開発を行い，実機に適用できる新技術を開発できたので，本技術並びに本技術の検証結果について報告する．

上記の２条件を満足する方法として大型鋼材，鋼管等で行われている直接歪み測定法に着目した．
この方法は，50 mm 〜 100 mm 以上の標点間距離をポンチでマーキングし，応力開放の前後における評点間距離の変化をダイヤルゲージ等で測定するも2．ＲＶ上蓋管台貫通部の残留応力測定法への必要条件のである．この方法をＲＶ上蓋管台の口径の小さい管の内部に適用できるように小型化して評点間距離を短くし，かつ測定精度を向上するために，写真１

ＲＶ上蓋管台貫通部の残留応力測定法は，次の条に示す２点マーカー（評点間距離 10 mm）を試作し件を満足するものでなければならない． すなわちて予備実験を行った．試作機のマーキング用ポンチ

ａ．残留応力測定は，ＲＶ上蓋の交換作業中に，保にはマイクロビッカース硬度計の圧子（１辺約 300

管廃棄されるまでの短い時間を利用して実施すμm 程度の正四角錘状ダイヤモンド）２個を用いた．

る必要上，および管台部はかなり汚染されてい本測定方法が所期の測定精度をもつことを検証するという理由で，作業時間が非常にタイトであるため，図２に示す形状，表１に示す機械的性質のる．従って，短時間作業が可能な方法であるこ引張り試験片を用いて以下の試験を行った．とが要求される．

試験は引張り試験機（島津製作所製，25 ｔオーｂ．当該部材表面の脱脂，洗浄等の前処理が充分にトグラフ）に写真２の様に，あらかじめ平行部に歪できないので表面の汚れに鈍感な方法であるこみゲージ（共和電業社製，単軸歪みゲージ，ゲージとが必要である．

長 5mm，電気抵抗 120 Ω）を貼付した試験片をセ

91

写真 1

マーカー外観

1225R

2030

写真 2試験状況

50250

図2

表1

引張試験片形状

供試材の機械的性質

降伏点(kg/mm2)

引張強さ(kg/mm2)

78.34

84.31

弾性限伸び(%) 全伸び(%)

0.64

26.2

ットした．所定の荷重を負荷した時点で写真３に示

写真 3

すような，手振れ防止ジグにセットした２点マーカ

固定金具付きマーカーーで，歪みゲージを貼付した面とは反対側の平行部にマーキングした．このとき同時に，歪みゲージの軸引張りと考えて次の式（１）を用いた．
σ＝Ｅ・ε

抵抗値と試験機の荷重を測定および記録した後，荷重を除き，その前後における刻印間距離の変化，すσ：応力

Ｅ：ヤング率（１）ε：歪み量

なわち歪み量を測定した．刻印間距離は写真４に示
すような測定顕微鏡を用いて測定した．測定した歪試験結果は図３に示したとおりである．なお，本試

みの値は，試験機および歪みゲージの指示値と比較

験では試験機の荷重を実績荷重すなわち真値とし，した．

ヤング率を 21000kg ／ mm ２として計算した．これ

目標荷重は 10，20，30，40kg ／ mm ２の４点で，それぞれ３回繰り返して実験を行った．
なお，歪み量から応力を計算するには，試験を単らの試験結果から，本測定法は歪みゲージとほぼ同程度の精度をもつものであることが明らかになった．

92

写真７，９はマーカー部分が引っ込んだ状態のもの
で写真８，10 はマーカーがマーキングのために飛び出している状態を示している．また写真９，10はパイプ内にマーカー部分を挿入した状態を示している．
なお，ダイヤモンド圧子を正方形の頂点に４個配したのは管内面の管軸方向と周方向の２軸の応力を測定するためと，マーキング時の圧子間のバランスを取るためである．図４に本装置を用いての管台内面残留応力測定作業の概念図と図５にマーカーヘッドの略図および残留応力の計算方法を示した．

写真 4

圧痕間隔測定状況

0.25

重み（％）

0.2

0.150.1

写真 50.05

装置外観001020304050

実績荷重（kg/mm2）
歪ゲージ

図3

2点マーカー予備的試験結果（荷重と歪みの関係）

4．実機適用自動マーキング装置の開発
前述の予備実験により，ダイヤモンド圧子による

写真 6

装置外観（パイプに装着したところ）

写真 7

マーカーヘッド外観（マーカーヘッド

マーキングとそれによる標点間距離の測定を測定顕微鏡で行う本方法が，歪みゲージによる方法と同程度の精度が得られることが明らかとなったのでＲＶ上蓋管台の管内面を測定するための自動マーキング装置の開発を行った．
開発した装置は管内面にマーキングするためのダイヤモンド圧子４個を正方形の頂点に配する４点マーカーへッドとこのヘッドに駆動力を伝達するシャフトと駆動力を発生させるモーターおよび制御装置からなっている．
写真５，６に装置の外観を示し，写真７〜 10 にマーカーヘッドの部分を示す．

部押し出し前）

93

モーター

管台

反力受け
マーカーヘッド
RV上蓋

写真 8

マーカーヘッド外観（マーカー部押し出し時）
図4

上蓋貫通台部残留応力測定装置概略図（21.9）
155106.95555 5φ23φ6φ104.5136°

M3（1）

マーカー先端部略図

パイプ挿入時（マーカー部押し出し前）

Ly
Ly

写真 9Lx◇

応力開放後マーク

L x0：ｘ方向マーカー間オリジナル距離
L x ：応力開放後のｘ方向マーカー間距離
L y0：ｙ方向マーカー間オリジナル距離
L y ：応力開放後のｙ方向マーカー間距離
残留応力計算式：
x方向応力 σx =E・（1-γ2）
・（εx +εy・γ）
x方向応力 σy =E・（1-γ2）
・（εy +εx・γ）
x方向歪みεx = L x0-L x
y方向歪みεy = L y0 -L yσ：応力 E：ヤング率 γ：ポアソン比 ε：歪

図５
写真 10

パイプ挿入時（マーカー部押し出し時）

マーカー先端部略図および残留応力測定法
略図94PP

荷重

荷重

4点マーカー
歪ゲージ

歪ゲージ

4点マーカー（0°位置：引張り荷重）

図６（90°位置：圧縮荷重）

パイプによる４点マーカー検証試験略図

実際の残留応力の測定は，図４の要領で必要個所にマーキングした後管台部分を切り出してマーキングした部分を図５の様に細断し応力開放した後，測定顕微鏡で評点間距離を測定して図５の計算式により残留応力を計算する．ここで，応力開放前の評点間距離はマーカーのダイヤモンド圧子間の距離を直接測定した値を用いた．

5.

４点自動マーキング装置の検証試験開発した４点マーキング装置の検証試験を，前述の引張り試験片および引張り試験機による方法とス

写真 11

引張り試験片による検証試験全景

テンレスパイプとアムスラー試験機を用いた二つの方法で行った．

試験は，図６および写真 12 に示すようにアムスラー試験機に，歪みゲージ（共和電業社製，２軸直5.1

４点自動マーキング装置の検証試験
方法

交型，ゲージ長２ｍｍ，電気抵抗 120 Ω）をあらかじめ貼付した上記パイプをセットし，４点マーカーを歪みゲージの直近に配置して行った．所定の圧引張り試験片による検証は，あらかじめ歪みゲー縮荷重を負荷した時点で，マーキングと歪みゲージジを貼付した試験片を写真 11 のようにセットし，の測定を同時に行い，その後荷重を除き，パイプをその反対側の面に４点マーカーをセットして，所定切断して内面に打刻された刻印間距離を測定顕微鏡の荷重を負荷した時点でマーキングと歪みゲージので測定した．また，パイプ加工時の残留応力の有無測定を行う，３．と同様の方法で行った．

については，歪みゲージで確認したが本実験材ではパイプによる検証は，市販のＳＵＳ 304 ステンレスパイプ（外径 76mm，肉厚５ mm）を長さ 50mmで輪切りにしたものを用いた．

残留応力は検出されなかった．
なお，引張り応力下での検証は図６の０°位置で，圧縮応力下では 90 °位置で行い，目標荷重は 20，95

写真 12

パイプによる４点マーカー実証試験全景

10，− 10，− 20kg ／ mm ２の４点でそれぞれ３回繰り返して実験を行った．

5.2

４点自動マーキング装置の検証試験
結果

写真 13，14 に本装置でマーキングした刻印をしめす．

50µm50µm

平板試験片上には正四角錘状に，パイプ内面には底面が菱形の四角錘状に打刻されるがいずれも頂点

写真 13

４点マーカーによる平板試験片上マークの位置は１点で示されていることがわかる．
次に，図７に引張り試験片による，図８にパイプによる検証試験結果をそれぞれ示す．
0.25

トステンレス鋼のヤング率として一般的に用いられ0.2ている 18000kg ／ mm2 を用いた．
また，実績荷重すなわち真値は，アムスラーの荷重と，梁曲げ問題として円輪の変形問題を解いた次式 （３）から計算して求めた．
内面最大応力σ = P/（2 × A）＋Ｍ ×（Z/（K ×（R − Z）− 1）（A/ × R）

歪み（％）

ここで，パイプによる検証試験ではオーステナイ

0.150.1
計算値

0.0501

K = − 1 ＋ R/（2 ×H）×Ln（（R ＋ H）/（R − H））

102030荷重（kgf/mm2）
4点マーカー40

歪みゲージ

Ｍ = P × R ×（− 1/ π ×（1 ＋ K）＋ 0.5）

図7

引張り試験片での荷重と歪みの関係

50

9650µm50µm

写真 14

４点マーカーによるパイプ上マーク

P ：荷重，R ：中立軸半径，Ｚ＝ H ＝ t /2，状態により鈍感な新手法の開発・検討を行った結

t ：板厚，A ＝ t ×ｌ，ｌ：パイプ長

果，ダイヤモンド圧子による評点間の正確な打刻と，測定顕微鏡による評点間距離の変化，すなわち歪み以上の結果から，本装置によるマーキングと測定量の精密な計測によって歪みゲージによる方法と同顕微鏡による歪み量の直接測定という新しく開発し等な精度で残留応力の測定が可能であることを明らた残留応力測定法が歪みゲージによる方法と同等のかにした．

精度を持つ方法であり，圧縮，でも引張りでも有効

また，本技術をＲＶ上蓋管台部に適用するための装置としてマイクロビッカース硬度計用のダイヤモであることが検証された．

ンド圧子を４個，正方形の頂点に配するマーカーヘッドを持ち，このヘッドを遠隔駆動させてマーキン

0.2

グする４点マーカーを開発した．
0.1

歪み

7．謝辞
0

本装置の試作，開発には，東伸工業（株）殿およ

計算値

-0.1

びオグラ宝石（株）殿の協力を，本装置，手法の検証には川鉄テクノリサーチ（株）殿の協力を頂いた

-0.2
-30

-20-10010
荷重（kgf/mm2）
4点マーカー

図82030

歪みゲージ

ことを感謝いたします．

参考文献

パイプでの荷重と歪みの関係（1）Assesment of Pressurized Water Reactor Control
Rod Drive Mechanism Nozzle Cracking,
NUREG/CR-6245, Oct., 1994

6．まとめ（2）"Vessel Head Penetration Cracks Found at Two

ＲＶ上蓋管台の管内面の残留応力測定法として，（3）中原一郎：材料力学（上巻）ｐ 204 養賢堂出版

U.S. Plants", Nucleonics Week, Nov., 1994
従来技術より作業時間が短時間で，かつ材料の表面