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ありかつわかはら
5 years ago
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1 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 INSS Fukui Japan

2 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を除き最近まで報告例が無かった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 )

3 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 )

4 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 ) 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

5 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) 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

6 6 試験方法 : 供試材供試材の化学成分 ( 重量 %) C Si Mn P S Ni Cr Mo SUS316 SUS ( 熱処理 :SUS316: 80 SUS304:10 水冷 ) 圧延方向 5-20% 板厚減少率供試材の機械的特性 SUS31 6 SUS30 4 冷間加工度 (320 ) 耐力 N/mm 2 (320 ) 引張強さ N/mm 2 (320 ) 伸び % (320 ) HV(1kg) φ T CT 試験片 pre- EDM notch Fatigue crack 2

7 7 試験方法 : 試験装置の構成 Gas (H 2,Ar) Flow mater 試験環境 : Regulator PWR1 次系模擬環境 Water control tank DH, DO, Cond. analyzer Water Cooler Heater 500ppmB, 2ppmLi, 30cc-STP/kg H 2 O DH C Heat exchanger PDM Pre heater 応力条件 K=25-40MPa m Low pressure feeder pump High pressure pump *Bold line: High pressure zone 試験装置の構成

8 8 ) ength (mm Crack l 試験方法 : き裂進展速度の計測 Trapezoidal load Constant load Wmax. W=4.4kN =4.4kN K=21.6MPa R=0.7, 0.017Hz every 14400s mm/s W=6.1kN K=31.1MPa m mm/s W=7.7kN K=41.7MPa m mm/s 316SS 20%CW(T-S) 500ppmB + 2ppmLi + DH 2 : 30cc-STP/kgH 2 O 320 C 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へのき裂進展を誘導き裂進展速度は破面から補正

9 9 試験結果の評価 : 破面観察結果進展方向 SCC 疲労予き裂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破面のSEM 観察結果疲労予き裂 SCC 2mm 0.5mm 破面の外観破面の断面き裂進展試験結果の一例 316SS (20%CW, T-S), 環境 : 500ppmB + 2ppmLi + DH 2 : 30cc-STP/kgH 2 O, 320 C SUS 個の試験片を用い83 条件のき裂進展速度を評価 SUS 個の試験片により51 条件のき裂進展速度を評価

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/s s) -4 Alloy600, DCB specimen, Speidel et al., 2) 316SS CT specimen, (T-S) SS K=25~35MPa m , Alloy , Alloy , 316SS, 304SS Simulated PWR 降伏応力の増加と共に進展速度が増加腐食挙動の異なる 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降伏応力 (MPa) 1:5-9 mm/s 以下であり信頼性が低いデータ腐食環境材料応力 SCC

11 11 き裂進展速度への応力の影響き裂進展展速度 (mm m/s) Speidel et al., Alloy600(%CW), 350 C, DCB, simulated PWR, 2) 2 Moshier et al., Alloy600(31.9%CW:L- T), 316 C, simulated PWR, 4) 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されている (600 合金のデータと近い挙動 ) -8 This work, simulated PWR 3316SS(20%CW:T-S), 320 C 4316SS(20%CW:T-S), 290 C SS(20%CW:T-S), ( ) 290 C K 値 (MPa m) 1:5-9 mm/s 以下であり信頼性が低いデータ腐食環境材料応力 SCC

12 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 (m mm/s) 1.E-06 1E-07 1.E 1.E C 20%CW 15%CW %CW 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 1.E / 温度 (K -1 ) 316SS(T-S)

13 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 ) (nm) 皮膜厚さ琢磨面 ( 加工層なし ) 琢磨面 C ( 加工層なし :0.04μm 研磨面コロイダルシリカ ) ( 加工層あり ) 研磨面 ( 加工層あり :#00SiC 仕上げ ) 腐食環境材料応力 SCC / 温度 (1/K) SUS316, 500ppmB+2ppmLi DH:30cc-STP/kg-H H 2 O 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

14 14 き裂進展速度への加工方位の影響 SUS316, 20%CW, 500ppmB+2ppmLi DH:30cc-STP/kg-H 2 O き裂裂進展速度 (mm/sec) 1.E-06 )T-L S-L S-T 1.E-07 L-T L-S T-S S-L S-T L-T L-S T-L T-S 1.E-08 0 K(MPa m) S-L S-T L-S T-S L-T 変形前の結晶粒き裂進展速度への加工方位の影響 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

15 15 加工方位の影響に関する考察 (K=30MPa m 相当のき裂進展速度に換算 ) 1.E-06 S-L S-L (mm/s) き裂進進展速度 1.E-07 1.E-08 T-L S-T L-T T-S L-S T-L S-T L-T T-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 L-S 放される破面の面積 (4) 機械的特性などき裂断面の割れ経路

16 16 評価式の作成 (T-S S 方位のき裂進展速度 ) 評価式で求求めたき裂進展速度 (mm/s) SS 304SS 測定したき裂進展速度 (mm/s) き裂進展速度 CGR 8 = 7.7 σ 2.9 y K 1.2 exp{ p{ RT 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データ群ばらつきの要因は何か? }

17 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 ) での適用範囲 (B 2.5 (K/σ y ) 2 ) ASTM E647( 疲労試験 ) での適用範囲 ((W-a) 4/π (K/σ y ) 2 ) 0 0 のばらつき式の値 ) 裂進展速度の測値 / 評価き裂 ( 実測 (K/σy) 2 /B 316SS 304SS のばらつき式の値 ) 裂進展速度の測値 / 評価き裂 ( 実測 SS 304SS (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ったと考えられる

18 18 データばらつきの原因考察 : き裂進展速度の影響き裂進展速速度のばらつつき ( 実測値 / 評価式の値 ) mm/s 316SS 304SS E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 き裂進展速度 (mm/s) き裂進展速度 5-9 mm/s の実測値は評価値より遅くなる傾向がある一定速度 (5-9 mm/s) 以上の進展データは比較的信頼性が高い

19 19 精度の高い評価式の再設定 CGR y 87 RT = 7.7 σ K e RT CGR = 4.2 σ K e -5 2 y 72 評価式で求求めたき裂進展速度 (mm/s) SS 304SS -9 き裂進展速度 (mm/s) 評価式で求求めたき裂進展速度 (mm/s) -6 以下のデータを排除試験温度: >330-7 評価き裂長さ: <50μm -8 き裂進展速度: <5-9 mm/s SS 304SS 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 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

20 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の反映が期待される残された課題 : 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

Japanese nuclear policy and its effect on EAGLE project

Japanese nuclear policy and its effect on EAGLE project 2018 年 8 月 23 日 JASMiRT 第 2 回国内ワークショップ 3 既往研究で取得された関連材料特性データの現状 - オーステナイト系ステンレス鋼の超高温材料特性式の開発 - 鬼澤高志下村健太加藤章一若井隆純日本原子力研究開発機構背景目的 (1/2) 福島第一原子力発電所の事故以降シビアアクシデント時の構造健全性評価が求められている構造材料の超高温までの材料特性が必要