24インチエルボの熱過渡強度試験; 日米協力によるETECでの委託試験とその解析

Thermal transient strength test of 24-inch elbow; Test at ETEC under PNC/USDOE corporation and its analysis

武藤 猛*; 加納 巌*; 厚母 栄夫

not registered; not registered; Atsumo, Hideo

高速炉に関する日米協力の一環として,SUS304製24インチエルボの熱過渡強度試験を米国のETEC(Energy Technology Engineering Center)へ委託して実施し,その結果を動燃事業団で解析,評価して次の結果を得た。(1) 熱過渡試験は機械荷重として面内曲げモーメントを,熱荷重としてチッ素ガスによる繰返し一定急速冷却を加えることにより行われた。機械荷重を階段状に増大させたときある荷重以下ではシェークダウン挙動が見られ,変形は進行しないが,それ以上ではラチェッティング挙動が生じ,くり返し熱応力によりエルボの曲げ変形が進行することが観察された。エルボ内外面の多くの点で高温ひずみゲージによりひずみが測定された。(2) FINASを用いて熱ラチェット解析を行なった。定性的なシェークダウンまたはラチェッティング挙動については解析と試験結果はほぼ一致したが,サイクル当りの変位およびひずみ増分については解析の方が試験結果よりかなり大き目の値となった。これはエルボの端部効果を無視しているためと考えられる。(3) クリープ効果を無視してよい今回の試験の場合,現行の高温構造設計基準(ASMEコードケースN‐47および高速原型炉高温第1種機器の構造設計指針(案))を用いて計算されたラチェッティング発生限界の機械的荷重は,試験で得られた限界の荷重に比べ,十分安全側である。(4) 面内荷重を受けるエルボの熱ラチェットの発生メカニズムは,横腹部で周方向曲げ変形が,横腹部から約20度外側および約30度内側で各々長手方向伸びおよび圧縮変形が進行することであることが試験および解析により確認された。

As a part of PNC-USDOE corporation in the field of fast breeder reactor, thermal transient test of 24-inch elbow, made of type 304 stainless steel, was performed at ETEC (Energy Technology Engineering Center). Test results were analysed and evaluated at PNC. Following results were drawn from the test and the relevant stress analysis: (1)Thermal transient test was performed under constant in-plane bending moment and cyclic rapid cooling by nitrogen gas. When the mechanical load was increased step by step, shakedown or ratchetting behavior was observed under or above a certain level of load. For typical points at inner and outer surface of elbow, strain was measured by using high-temperature strain gage. (2)Thermal ratchetting analysis was performed by using FINAS. Coincidence between analysis and test results was obtained for qualitative shake down or ratchetting behaviour. As to increment of displacement or strain per cycle, analytical results were fairly larger than test results. (3)In the case of this test, in which creep effect is negligible, ratchetting load calculated by current high-temperature structural design method (ASME Code Case N-47 and PNC's structural design guide) gives sufficiently concervative value. (4)Thermal ratchetting mechanism of elbow under in-plane bending moment was identified as follows by test and analysis : bending deformation in circumferential direction at elbow side; extensional deformation in longitudinal direction at outer point from the elbow side by 20-degree; compressive deformation in longitudinal direction at inner point from the elbow side by 30-degree. (5)Ratchetting condition can be estimated fairly well and conservatively by taking following parameters in Bree's diagram : x = [(membrane stress) + (bending stress)/(section factor)]/(yield stress), and y = (thermal stress using equivalent linear temperature difference)/(yield stress). (6)Comparing this test with another test for smaller elbow at O-arai Engineering ...