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技術 表面改質部に対する機械的特性評価方法

出願人 株式会社東芝
発明者 渡邉勝信
出願日 2008年1月22日 (12年3ヶ月経過) 出願番号 2008-011105
公開日 2009年8月6日 (10年8ヶ月経過) 公開番号 2009-174886
状態 未査定
技術分野 機械的応力負荷による材料の強さの調査
主要キーワード 多項近似式 押込荷重 押込試験 弾塑性材料 付加荷重 X線回折法 降伏応力値 押込装置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2009年8月6日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

表面改質部を被測定物とする、表面改質部に対する機械的特性評価方法を提供する。

解決手段

表面改質部である被測定物に対する圧子押込試験と同様の条件を模擬し、被測定物の機械的・物理的特性を表す数値パラメータとして弾塑性解析を行い、圧子最大押変位残留変位または弾性変位と機械的・物理的特性を表す数値との相関関係を取得しデータベース化する弾塑性解析ステップと、実際に被測定物に圧子押込試験を行い、圧子押込試験の結果から圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を取得する押込試験ステップと、押込試験ステップで取得した圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を、データベース化された圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と機械的・物理的特性を表す数値との相関関係と比較し、被測定物の機械的・物理的特性を表す数値を同定する機械的・物理的特性同定ステップとを具備するものである。

概要

背景

発電プラントや各種作業用プラントなどの構造物は、溶接などの熱影響による残留引っ張り応力の存在や構造物の腐食環境相互作用により、応力腐食割れが生じる場合がある。このような構造物の材質には耐腐食性のある金属材料が用いられ、さらには構造物の破損を未然に防ぐため定期的な取替えが実施される。

しかし、例えば沸騰水型原子炉における炉心シュラウドやそのサポート構造原子炉炉底部にある制御棒駆動機構ハウジングなどの構造物は、溶接構造であることから切断等をしない限り取り替えることはできず、半永久的に使用される構造物である。

そうした取替えが困難な構造物に対して応力腐食割れを事前に予防する手段として、構造物の表面に衝撃を与え、構造物に存在する引っ張り応力を圧縮応力へ改善することで構造物の表面改質を行う表面改質手段がある。例えばプラズマ衝撃力を利用するレーザピーニング(特許文献1参照)や、キャビテーション破壊時の衝撃力を利用するウォータジェットピーニング(特許文献2参照)がある。

レーザピーニングなどの施工後の施工部位に対する効果の確認は目視などにより行われ、施工後の施工部位に存在する残留圧縮応力の程度は、あらかじめ実際の施工部位相当の形状を有する試験材料を用いて試施工を行い、この試験材料に対しX線回折法などを用いて残留圧縮応力の大きさを測定することで担保している。

ここで、材料の機械的・物理的特性を表す材料定数残留ひずみを測定する方法として、特許文献3および特許文献4に示された発明がある。

特許文献3に示された発明は、あらかじめ弾塑性材料に対して圧子押込試験を行い、この圧子押込試験に基づき得られた変位荷重曲線曲線定数組と、複数の弾塑性材料における降伏応力加工硬化指数および加工硬化係数からなる材料定数組との関係をデータベース化する。また、調査対象材料に対する圧子押込試験に基づき得られた変位—荷重曲線の曲線定数組を得て、この曲線定数組をデータベース化された曲線定数組と照合することにより、調査対象材料の材料定数組を決定する方法である。

特許文献4に示された発明は、あらかじめ材料に対し圧子押込試験を行い得られた押し込み深さや硬さと残留ひずみとの相関関係と、調査対象材料に対し圧子押込試験を行い得られた圧子押込深さや硬さとを照合することにより、残留ひずみを決定する方法である。
特開平7−246483号公報
特開平6−47667号公報
特開平9−288050号公報
特開平8−247914号公報

概要

表面改質部を被測定物とする、表面改質部に対する機械的特性評価方法を提供する。表面改質部である被測定物に対する圧子押込試験と同様の条件を模擬し、被測定物の機械的・物理的特性を表す数値パラメータとして弾塑性解析を行い、圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と機械的・物理的特性を表す数値との相関関係を取得しデータベース化する弾塑性解析ステップと、実際に被測定物に圧子押込試験を行い、圧子押込試験の結果から圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を取得する押込試験ステップと、押込試験ステップで取得した圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を、データベース化された圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と機械的・物理的特性を表す数値との相関関係と比較し、被測定物の機械的・物理的特性を表す数値を同定する機械的・物理的特性同定ステップとを具備するものである。

目的

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、表面改質後の施工部位に与える影響を考慮した表面改質部に対する機械的特性評価方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

表面改質手段により表面特性改質した表面改質部を有する被測定物に対する圧子押込試験と同様の条件を模擬し、前記被測定物の機械的・物理的特性を表す数値パラメータとして弾塑性解析を行い、圧子最大押変位残留変位または弾性変位と前記機械的・物理的特性を表す数値との相関関係を取得しデータベース化する弾塑性解析ステップと、前記被測定物に前記圧子押込試験を行い、前記圧子押込試験の結果から圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を取得する押込試験ステップと、前記押込試験ステップで取得した圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を、前記データベース化された圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と前記機械的・物理的特性を表す数値との相関関係と比較し、前記被測定物の前記機械的・物理的特性を表す数値を同定する機械的・物理的特性同定ステップとを具備することを特徴とする表面改質部に対する機械的特性評価方法

請求項2

前記機械的・物理的特性を表す数値は、残留応力降伏応力および縦弾性係数の少なくとも一つの値であることを特徴とする請求項1記載の表面改質部に対する機械的特性評価方法。

請求項3

前記弾塑性解析ステップで取得した前記圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と、前記機械的・物理的特性を表す数値との相関関係は、多項近似式で表してデータベース化し、前記機械的・物理的特性同定ステップは、前記多項近似式に前記押込試験ステップで取得した圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を代入して前記機械的・物理的特性を表す数値を同定することを特徴とする請求項1記載の表面改質部に対する機械的特性評価方法。

請求項4

前記弾塑性解析ステップで取得した前記圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と、前記機械的・物理的特性を表す数値との相関関係は、前記圧子最大押込変位を前記機械的・物理的特性を表す数値の関数として表す式と、前記残留変位を前記機械的・物理的特性を表す数値の関数として表す式と、前記弾性変位を前記機械的・物理的特性を表す数値の関数として表す式とで表してデータベース化し、前記機械的・物理的特性同定ステップは、前記圧子最大押込変位、残留変位および弾性変位を、前記圧子最大押込変位を前記機械的・物理的特性を表す数値の関数として表す式と、前記残留変位を前記機械的・物理的特性を表す数値の関数として表す式と、前記弾性変位を前記機械的・物理的特性を表す数値の関数として表す式とにそれぞれ代入して連立方程式を取得し、前記連立方程式を解くことで前記機械的・物理的特性を表す数値を同定することを特徴とする請求項1記載の表面改質部に対する機械的特性評価方法。

技術分野

0001

本発明は、構造物などの機械的特性評価技術係り、特に被測定物表面改質部の機械的・物理的特性を評価する機械的特性評価方法に関する。

背景技術

0002

発電プラントや各種作業用プラントなどの構造物は、溶接などの熱影響による残留引っ張り応力の存在や構造物の腐食環境相互作用により、応力腐食割れが生じる場合がある。このような構造物の材質には耐腐食性のある金属材料が用いられ、さらには構造物の破損を未然に防ぐため定期的な取替えが実施される。

0003

しかし、例えば沸騰水型原子炉における炉心シュラウドやそのサポート構造原子炉炉底部にある制御棒駆動機構ハウジングなどの構造物は、溶接構造であることから切断等をしない限り取り替えることはできず、半永久的に使用される構造物である。

0004

そうした取替えが困難な構造物に対して応力腐食割れを事前に予防する手段として、構造物の表面に衝撃を与え、構造物に存在する引っ張り応力を圧縮応力へ改善することで構造物の表面改質を行う表面改質手段がある。例えばプラズマ衝撃力を利用するレーザピーニング(特許文献1参照)や、キャビテーション破壊時の衝撃力を利用するウォータジェットピーニング(特許文献2参照)がある。

0005

レーザピーニングなどの施工後の施工部位に対する効果の確認は目視などにより行われ、施工後の施工部位に存在する残留圧縮応力の程度は、あらかじめ実際の施工部位相当の形状を有する試験材料を用いて試施工を行い、この試験材料に対しX線回折法などを用いて残留圧縮応力の大きさを測定することで担保している。

0006

ここで、材料の機械的・物理的特性を表す材料定数残留ひずみを測定する方法として、特許文献3および特許文献4に示された発明がある。

0007

特許文献3に示された発明は、あらかじめ弾塑性材料に対して圧子押込試験を行い、この圧子押込試験に基づき得られた変位荷重曲線曲線定数組と、複数の弾塑性材料における降伏応力加工硬化指数および加工硬化係数からなる材料定数組との関係をデータベース化する。また、調査対象材料に対する圧子押込試験に基づき得られた変位—荷重曲線の曲線定数組を得て、この曲線定数組をデータベース化された曲線定数組と照合することにより、調査対象材料の材料定数組を決定する方法である。

0008

特許文献4に示された発明は、あらかじめ材料に対し圧子押込試験を行い得られた押し込み深さや硬さと残留ひずみとの相関関係と、調査対象材料に対し圧子押込試験を行い得られた圧子押込深さや硬さとを照合することにより、残留ひずみを決定する方法である。
特開平7−246483号公報
特開平6−47667号公報
特開平9−288050号公報
特開平8−247914号公報

発明が解決しようとする課題

0009

ウォータジェットピーニングなどの表面改質手段を利用して構造物に表面改質を行った場合、施工後の施工部位には残留圧縮応力が発生する。また、ピーニング施工後の施工部位である表面改質層には、残留応力の変化のみならず降伏応力や縦弾性係数などの機械的・物理的特性を表す値も変化する。これらの機械的・物理的特性を表す値は、ピーニング施工後の構造物の健全性評価に大きな影響を与える。

0010

ピーニング施工後の構造物に対し、特許文献3および4に示す発明を適用し降伏応力などの材料定数を決定することが考えられる。しかし、特許文献3および4に示す発明は、表面改質を行った構造物に存在する影響については考慮されていなかった。

0011

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、表面改質後の施工部位に与える影響を考慮した表面改質部に対する機械的特性評価方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

本発明に係る表面改質部に対する機械的特性評価方法は、上述した課題を解決するために、表面改質手段により表面特性改質した表面改質部を有する被測定物に対する圧子押込試験と同様の条件を模擬し、前記被測定物の機械的・物理的特性を表す数値パラメータとして弾塑性解析を行い、圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と前記機械的・物理的特性を表す数値との相関関係を取得しデータベース化する弾塑性解析ステップと、前記被測定物に前記圧子押込試験を行い、前記圧子押込試験の結果から圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を取得する押込試験ステップと、前記押込試験ステップで取得した圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位を、前記データベース化された圧子最大押込変位、残留変位または弾性変位と前記機械的・物理的特性を表す数値との相関関係と比較し、前記被測定物の前記機械的・物理的特性を表す数値を同定する機械的・物理的特性同定ステップとを具備することを特徴とする。

発明の効果

0013

本発明に係る表面改質部に対する機械的特性評価方法は、表面改質後の施工部位に与える影響を考慮して、表面改質部の機械的特性評価を正確に行うことができる。

発明を実施するための最良の形態

0014

本発明に係る表面改質部の機械的特性評価方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

0015

本実施形態における表面改質部に対する機械的特性評価方法は、一例としてオーステナイト系ステンレス鋼などからなる原子力発電プラント原子炉内構造物であって、例えばウォータジェットピーニングなどの表面改質手段を用いて表面改質が行われたピーニング施工部位の機械的・物理的特性を評価する場合に適用して説明する。この表面改質部に対する機械的特性評価方法は、原子力発電プラント内の原子炉内構造物において、特に取り外して機械的・物理的特性の評価を実施することが困難な原子炉内構造物に対して有効である。なお、本実施形態における表面改質部に対する機械的特性評価方法は、機械的・物理的特性を表す数値である残留応力、降伏応力および縦弾性係数を同定することによる評価方法として説明する。

0016

[第1の実施形態]
本実施形態における表面改質部の機械的特性評価方法に用いる圧子押込試験装置の一例について説明する。

0017

圧子押込試験装置は、被測定物に圧子を押し込むことで所定の荷重を付加し、押込点の変位を測定する圧子を備える計測部が、原子炉内挿入可能に構成される。また原子炉内において、計測部の位置を制御する位置制御機構や、原子炉外などに設置され、計測部から得られた被測定物の測定データを処理するコンピュータなどからなるデータ処理部などで構成される。

0018

計測部に備えられた圧子は、所定の荷重により被測定物に押し込まれることで被測定物における押込点の荷重方向の変位を測定する。圧子の押し込みは、駆動源としてモータなどを利用し遠隔操作で行われる。また、押込荷重については被測定物の硬さに応じて設定されるため、所定範囲可変に構成される。

0019

計測部から得られた測定データはデータ処理部で処理され、被測定物の変位—荷重曲線を得る。また、データ処理部は、機械的・物理的特性を表す数値である残留応力などと圧子押し込みによる各変位との相関関係を解析的手法を用いて取得し、これをデータベース化する処理などを実行する。

0020

このような圧子押込装置を用いて、被測定物に対し圧子押込試験を実施した場合、被測定物に付加した荷重と押込点の荷重方向の変位との関係を表す、変位—荷重曲線が得られる。図1に変位—荷重曲線の一例を示す。

0021

この変位—荷重曲線は、縦軸に圧子押込試験装置より付加された荷重を表し、横軸に荷重方向の圧子の押込変位量を表している。変位—荷重曲線は、ヒステリシス性を有し、圧子押込時に得られる押込時変位—荷重曲線、および圧子引抜時に得られる引抜時変位—荷重曲線からなる。

0022

変位—荷重曲線からは、圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heを読み取ることができる。圧子最大押込変位hmaxは、押込時変位—荷重曲線における圧子押込時における最大変位量である。また、残留変位hrは圧子引抜後における圧子押込前からの変位量である。弾性変位heは圧子引抜後の弾性変位量であって、圧子最大押込変位hmaxと残留変位hrの差で表される。

0023

次に、本実施形態における表面改質部に対する機械的特性評価方法を説明する。本実施形態における表面改質部に対する機械的特性評価方法は、有限要素法(Finite Element Method,FEM)などの解析的手法を用いて取得した解析データをデータベース化し、このデータベースを参照することにより被測定物の機械的・物理的特性の評価を行う。図2は、解析データ取得処理の工程を示すフローチャートである。

0024

ステップS1において、圧子押込試験装置を用いた圧子押込試験に用いられる圧子の形状や付加荷重などの試験条件同一条件を模擬して、弾塑性解析を行う。弾塑性解析は、残留応力(σr)、降伏応力(σy)および縦弾性係数(E)のうち少なくとも一つをパラメータとして実施する。以後、L個(L≧2)の残留応力をパラメータとして弾塑性解析を行う例を説明する。

0025

ステップS2において、解析実施ステップS1で行った弾塑性解析の解析結果から、付加荷重と被測定物の押込変位との関係を表す変位—荷重曲線を取得する。図3は、弾塑性解析を行い取得した変位—荷重曲線の一例を示すグラフである。弾塑性解析は、L個の残留応力の値をパラメータとして行うため、パラメータの値に応じてL本の変位—荷重曲線が得られる。

0026

ステップS3において、残留応力をパラメータとした変位—荷重曲線から、残留応力(σr)の値と、圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heとの相関関係を求める。また、L個の残留応力の値をパラメータとしたため、L個の残留応力に対応する圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heのL組のデータが得られる。

0027

図4は、パラメータとしてのL個の残留応力の値と、圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heとの関係の解析結果の一例を示す図である。横軸は残留応力の値であり、正の値を引っ張り応力、負の値を圧縮応力とした。縦軸は圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heの変化の割合であって、残留応力が0[MPa]の時の各変位量を基準値とし、この基準値に対する変化の割合を示す。変化の割合が負の値をとる場合には基準値よりも変位が小さいことを示し、変化の割合が正の値をとる場合には基準値よりも変位が大きいことを示す。

0028

図4より、被測定物に存在する残留応力が小さく(圧縮に)なるほど圧子最大押込変位hmaxおよび残留変位hrは基準値よりも小さくなり、残留応力が大きく(引っ張りに)なるほど大きくなることがわかる。一方、弾性変位heについては、圧子最大押込変位hmaxおよび残留変位hrとは逆の相関関係をなし、残留応力が小さく(圧縮に)なるほど弾性変位heは基準値よりも大きくなり、残留応力が大きく(引っ張りに)なるほど小さくなることがわかる。

0029

なお、図5は、パラメータとしてのM個の降伏応力の値と、圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heとの関係の解析結果の一例を示す図である。M個(M≧2)の降伏応力の値をパラメータとしたため、M個の降伏応力の値に対応する圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heのM組のデータが表される。

0030

横軸は降伏応力の変化の割合であって、ピーニング施工前の被測定物の降伏応力値を基準値とし、この基準値に対する変化の割合を示す。変化の割合が負の値をとる場合には基準値よりも降伏応力が低下することを示し、変化の割合が正の値をとる場合には基準値よりも降伏応力が上昇することを示す。

0031

縦軸は圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heの変化の割合であって、被測定物の降伏応力をピーニング施工前の降伏応力値とした場合の各変位量を基準値とし、この基準値に対する変化の割合を示す。変化の割合が負の値をとる場合には基準値よりも変位が小さいことを示し、変化の割合が正の値をとる場合には基準値よりも変位が大きいことを示す。

0032

図5より、被測定物に存在する降伏応力が上昇するほど圧子最大押込変位hmaxおよび残留変位hrは基準値よりも小さくなり、降伏応力が低下するほど大きくなることがわかる。一方、弾性変位heについては、圧子最大押込変位hmaxおよび残留変位hrとは逆の相関関係をなし、降伏応力が上昇するほど弾性変位heは基準値よりも大きくなり、降伏応力が低下するほど小さくなることがわかる。

0033

図6は、パラメータとしてのN個の縦弾性係数の値と、圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heとの関係の解析結果の一例を示す図である。N個(N≧2)の縦弾性係数をパラメータとしたため、N個の降伏応力に対応する圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heのN組のデータが取得できる。

0034

横軸は縦弾性係数の変化の割合であって、ピーニング施工前の被測定物の縦弾性係数を基準値とし、この基準値に対する変化の割合を示す。変化の割合が負の値をとる場合には基準値よりも縦弾性係数が低下することを示し、変化の割合が正の値をとる場合には基準値よりも縦弾性係数が上昇することを示す。

0035

縦軸は圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heの変化の割合であって、被測定物の縦弾性係数をピーニング施工前の縦弾性係数とした場合の各変位量を基準値とし、この基準値に対する変化の割合を示す。変化の割合が負の値をとる場合には基準値よりも変位が小さいことを示し、変化の割合が正の値をとる場合には基準値よりも変位が大きいことを示す。

0036

図6より、被測定物に存在する縦弾性係数が上昇するほど圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heは基準値よりも小さくなり、降伏応力が低下するほど大きくなることがわかる。なお、この相関関係は、弾性変位heでより強く見られる。

0037

ステップS4において、データ取得ステップS3で取得したL組の残留応力と各変位との相関関係から、以下に示すL−1次の多項近似式最小二乗法などを用いて求める。残留応力を各変位の関数として表したL−1次の多項近似式は、以下のように表される。
[数1]
σr=a1r+a2rhmax+a3rhmax2+・・・+aLrhmaxL−1
[数2]
σr=b1r+b2rhr+b3rhr2+・・・+bLrhrL−1
[数3]
σr=c1r+c2rhe+c3rhe2+・・・+cLrheL−1
一方、各変位を残留応力の関数として表したL−1次の多項近似式を求めることもできる。
[数4]
hmax=d1r+d2rσr+d3rσr2+・・・+dLrσrL−1
[数5]
hr=e1r+e2rσr+e3rσr2+・・・+eLrσrL−1
[数6]
he=f1r+f2rσr+f3rσr2+・・・+fLrσrL−1
[数4]は圧子最大押込変位hmaxを残留応力の関数として表したL−1次の多項近似式、[数5]は残留変位hrを残留応力の関数として表したL−1次の多項近似式、[数6]は弾性変位heを残留応力の関数として表したL−1次の多項近似式である。

0038

なお、σrは残留応力、hmaxは圧子最大押込変位hmax、hrは残留変位hr、heは弾性変位heを示す。また、[数1]におけるa1r、a2r、・・・、aLr、[数2]におけるb1r、b2r、・・・、bLr、および[数3]におけるc1r、c2r、・・・、cLr、[数4]におけるd1r、d2r、・・・、dLr、[数5]におけるe1r、e2r、・・・、eLr、および[数6]におけるf1r、f2r、・・・、fLrは定数である。

0039

また、M組の降伏応力と各変位との相関関係を用いて、降伏応力を各変位の関数として表したM−1次の多項近似式は、以下のように表される。
[数7]
σy=a1y+a2yhmax+a3yhmax2+・・・+aMyhmaxM−1
[数8]
σy=b1y+b2yhr+b3yhr2+・・・+bMyhrM−1
[数9]
σy=c1y+c2yhe+c3yhe2+・・・+cMyheM−1
または、各変位を降伏応力の関数として表したM−1次の多項近似式を求めることもできる。
[数10]
hmax=d1y+d2yσy+d3yσy2+・・・+dMyσyM−1
[数11]
hr=e1y+e2yσy+e3yσy2+・・・+eMyσyM−1
[数12]
he=f1y+f2yσy+f3yσy2+・・・+fMyσyM−1
[数10]は圧子最大押込変位hmaxを降伏応力の関数として表したM−1次の多項近似式、[数11]は残留変位hrを降伏応力の関数として表したM−1次の多項近似式、[数12]は弾性変位heを降伏応力の関数として表したM−1次の多項近似式である。

0040

なお、σrは残留応力を示す。また、[数7]におけるa1y、a2y、・・・、aMy、[数8]におけるb1y、b2y、・・・、bMy、および[数9]におけるc1y、c2y、・・・、cMy、[数10]におけるd1y、d2y、・・・、dMy、[数11]におけるe1y、e2y、・・・、eMy、および[数12]におけるf1y、f2y、・・・、fMyは定数である。

0041

また、N組の縦弾性係数と各変位との相関関係を用いて、縦弾性係数を各変位の関数として表したN−1次の多項近似式は、以下のように表される。
[数13]
E=a1E+a2Ehmax+a3Ehmax2+・・・+aNEhmaxN−1
[数14]
E=b1E+b2Ehr+b3Ehr2+・・・+bNEhrN−1
[数15]
E=c1E+c2Ehe+c3Ehe2+・・・+cNEheN−1
または、各変位を縦弾性係数の関数として表したN−1次の多項近似式を求めることもできる。
[数16]
hmax=d1E+d2EE+d3EE2+・・・+dNEEN−1
[数17]
hr=e1E+e2EE+e3EE2+・・・+eNEEN−1
[数18]
he=f1E+f2EE+f3EE2+・・・+fNEEN−1
[数16]は圧子最大押込変位hmaxを縦弾性係数の関数として表したN−1次の多項近似式、[数17]は残留変位hrを縦弾性係数の関数として表したN−1次の多項近似式、[数18]は弾性変位heを縦弾性係数の関数として表したN−1次の多項近似式である。

0042

なお、Eは縦弾性係数を示す。また、[数13]におけるa1E、a2E、・・・、aNE、[数14]におけるb1E、b2E、・・・、bNE、および[数15]におけるc1E、c2E、・・・、cNE、[数16]におけるd1E、d2E、・・・、dNE、[数17]におけるe1E、e2E、・・・、eNE、および[数18]におけるf1E、f2E、・・・、fNEは定数である。

0043

取得した多項近似式はデータベース化され、解析データ取得処理は終了する。

0044

次に、被測定物の機械的・物理的特性を表す数値を同定する工程について説明する。図7は、機械的・物理的特性を表す数値を同定するための工程を説明するフローチャートである。以下に説明する機械的・物理的特性を表す数値を同定する工程では、特に機械的・物理的特性を表す数値のうち残留応力を同定する場合について説明する。

0045

ステップS11において、圧子押込試験装置を用いて、被測定物におけるピーニング施工部位(表面改質部)に対し圧子押込試験を実施する。圧子押込試験は、被測定物のピーニング施工部位に対して所定の荷重を付加し、被測定物における押込点の荷重方向の変位を測定する。このとき被測定物に付加される所定の荷重は、弾塑性解析で模擬された付加荷重と同様の荷重である。

0046

ステップS12において、圧子押込試験実施ステップS11の測定結果から、図1に示すような変位—荷重曲線を求める。

0047

ステップS13において、変位—荷重曲線から圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heを取得する。

0048

ステップS14では、解析データ取得処理における多項近似式取得ステップS4において取得しデータベース化された多項近似式に、変位取得ステップS13で取得した圧子最大押込変位hmax、残留変位hrまたは弾性変位heの値をそれぞれ代入することにより、機械的・物理的特性を表す数値である残留応力(σr)を同定する。

0049

具体的には、取得した圧子最大押込変位hmaxの値を用いて残留応力を求める場合、上述した[数1]または[数4]に示す多項近似式に、圧子最大押込変位hmaxの値を代入する。また、取得した残留変位hrの値を用いて残留応力を求める場合、上述した[数2]または[数5]に示す多項近似式に、圧子押込試験で取得した残留変位hrの値を代入する。取得した弾性変位heの値を用いて残留応力を求める場合には、上述した[数3]または[数6]に示す多項近似式に、圧子押込試験で取得した残留変位hrの値を代入する。

0050

残留応力の値は構造物の健全性の評価に用いられることで、表面改質部に対する機械的特性評価方法が行われる。

0051

以上で被測定物の機械的・物理的特性を表す数値を同定するための工程は終了する。

0052

なお、機械的・物理的特性のうち残留応力を同定する工程について説明したが、降伏応力および縦弾性係数についても同様に求めることができる。具体的には、変位取得ステップS13で取得した圧子最大押込変位hmax、残留変位hrまたは弾性変位heの値を、[数7]〜[数18]にそれぞれ代入することで、機械的・物理的特性を表す数値に係る降伏応力、縦弾性係数についても同様に同定することができる。

0053

この表面改質部に対する機械的特性評価方法によれば、表面改質が行われたことによる機械的・物理的特性の影響評価を考慮して、残留応力、降伏応力および縦弾性係数を同定するため、より正確に機械的・物理的特性を評価することができる。

0054

また、表面改質が行われたことによる残留応力の変化のみならず、降伏応力、縦弾性係数などの健全性評価に影響を与える他の数値についても求めることができる。

0055

さらに、たとえば原子力発電プラント内の原子炉内構造物など、特に取り外して機械的・物理的特性の評価を実施することが困難な原子炉内構造物に対しても機械的・物理的特性の評価を行うことができる点で有効である。

0056

本実施形態においては、解析データから多項近似式を取得してデータベース化したが、残留応力などと圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heとの相関関係が一対一対応付けられたデータを解析データとしてデータベース化し、残留応力などを同定してもよい。例えば、実際に被測定物に対して圧子押込試験を行うことで得られた圧子最大押込変位hmax、残留変位hrまたは弾性変位heの値と、弾塑性解析を行うことで取得した残留応力と一対一に対応付けられた各変位の値である解析データを比較する。解析データにおける各変位のうち、変位取得ステップS13で取得した変位と一致する変位を決定し、その値に対応付けられた残留応力の値を被測定物の残留応力の値として同定する。また、一致する変位の値が存在しない場合には、解析データの中で最も近い変位の値を決定し、例えば線形補間を行うことで残留応力の値を同定する。

0057

また、被測定物は原子炉内構造物に限らず、表面改質部を有する種々の構造物を被測定物として適用することができる。

0058

また、表面改質手段としては、ウォータジェットピーニングに限らず、例えば構造物の表面上に対して皮膜形成を行うなど他の表面改質手段を用いた場合についても適用することができる。

0059

[第2の実施形態]
次に、本発明に係る表面改質部に対する機械的特性評価方法の第2実施形態について説明する。

0060

表面改質部の機械的・物理的特性を表す種々の数値は、独立して一の値のみが変化するのではなく、それぞれの数値が変化する。例えば、表面改質の影響を受けて残留応力の数値のみが変化するのではなく、降伏応力と縦弾性係数と共に互いに影響し合い変化することが想定される。このため、独立した数値を求める関数のみならず、機械的・物理的特性を表す残留応力、降伏応力および縦弾性係数の数値を互いに関連付けて取得することで、より高精度な機械的特性評価を行うことができる。本実施形態においては、機械的・物理的特性を表す残留応力、降伏応力および縦弾性係数の数値を互いに関連付けて取得するために、第1実施形態において取得した多項近似式を用いる。

0061

本実施形態における表面改質部に対する機械的特性評価方法を説明する。図8は、解析データ取得処理の工程を示すフローチャートである。

0062

解析実施ステップS21〜多項近似式取得ステップS23は、第1実施形態における解析データ取得処理の解析実施ステップS1〜多項近似式取得ステップS4の工程とほぼ同様であるため、説明は省略する。

0063

ステップS24において、圧子最大押込変位hmax、残留変位hrおよび弾性変位heを、残留応力(σr)、降伏応力(σy)および縦弾性係数(E)の関数として表した関数を取得し、データベース化する。

0064

圧子最大押込変位hmaxは、圧子最大押込変位hmaxを残留応力の関数として表したL−1次の多項近似式である[数4]、降伏応力の関数として表したM−1次の多項近似式である[数10]、および縦弾性係数の関数として表したN−1次の多項近似式である[数16]の和を取ることで、残留応力、降伏応力および縦弾性係数の関数として表される。
[数19]
hmax=(d1r+d2rσr+d3rσr2+・・・+dLrσrL−1)+(d1y+d2yσy+d3yσy2+・・・+dMyσyM−1)+(d1E+d2EE+d3EE2+・・・+dNEEN−1)
また、残留変位hrは、残留変位hrを残留応力の関数として表したL−1次の多項近似式である[数5]、降伏応力の関数として表したM−1次の多項近似式である[数11]、および縦弾性係数の関数として表したN−1次の多項近似式である[数17]の和を取ることで、残留応力、降伏応力および縦弾性係数の関数として表される。
[数20]
hr=(e1r+e2rσr+e3rσr2+・・・+eLrσrL−1)+(e1y+e2yσy+e3yσy2+・・・+eMyσyM−1)+(e1E+e2EE+e3EE2+・・・+eNEEN−1)
さらに、弾性変位heは、弾性変位heを残留応力の関数として表したL−1次の多項近似式である[数6]、降伏応力の関数として表したM−1次の多項近似式である[数12]、および縦弾性係数の関数として表したN−1次の多項近似式である[数18]の和を取ることで、残留応力、降伏応力および縦弾性係数の関数として表される。
[数21]
he=(f1r+f2rσr+f3rσr2+・・・+fLrσrL−1)+(f1y+f2yσy+f3yσy2+・・・+fMyσyM−1)+(f1E+f2EE+f3EE2+・・・+fNEEN−1)
[数19]〜[数21]で表される各変位の関数はデータベース化され、解析データ取得処理は終了する。

0065

次に、被測定物の機械的・物理的特性を表す数値を同定する工程について説明する。図9は、機械的・物理的特性を表す数値を同定するための工程を説明するフローチャートである。

0066

圧子押込試験実施ステップS31〜変位取得ステップS33は、第1実施形態における機械的・物理的特性を表す数値を同定する工程における圧子押込試験実施ステップS11〜変位取得ステップS13とほぼ同様であるため、説明は省略する。

0067

ステップS34において、解析データ取得処理における関数取得ステップS24において取得した各変位の関数である[数19]〜[数21]に、変位取得ステップS33で取得した圧子最大押込変位hmax、残留変位hrまたは弾性変位heの値をそれぞれ代入して連立方程式を取得する。この連立方程式の解を求めることで、残留応力、降伏応力および縦弾性係数の値が同定され、この値を用いて表面改質部の機械的特性評価を行うことができる。以上で機械的・物理的特性を表す数値を同定する工程は終了する。

0068

この表面改質部に対する機械的特性評価方法によれば、機械的・物理的特性を表す残留応力、降伏応力および縦弾性係数の数値を互いに関連付けて同定することで、より高精度な機械的特性評価を行うことができる。

図面の簡単な説明

0069

被測定物に対する圧子押込試験の測定結果である変位—荷重曲線の一例を示す図。
第1実施形態における解析データ取得処理を説明するフローチャート。
弾塑性解析を行い取得した変位—荷重曲線の一例を示すグラフ。
残留応力と各変位との相関関係の解析結果の一例を示す図。
降伏応力と各変位との相関関係の解析結果の一例を示す図。
縦弾性係数と各変位との相関関係の解析結果の一例を示す図。
第1実施形態における機械的・物理的特性を同定する工程を説明するフローチャート。
第2実施形態における解析データ取得処理を説明するフローチャート。
第2実施形態における機械的・物理的特性を同定する工程を説明するフローチャート。

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