STST熱応力き裂発生試験 非弾性解析と強度評価

Creep-fatigue failure test of nozzle models under thermal transient loadings; (3)Inelastic analysis and damage evaluation

田中 信之; 石崎 公人; 菊池 政之; 渡士 克己; 岩田 耕司

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容器ノズル形状部の過渡熱応力下でのクリープ疲労強度評価法の詳細化を図ることを目的に,容器ノズルを模擬した試験体を用いた熱過渡強度試験結果について,弾塑性応力ひずみ関係,クリープ挙動,クリープ損傷評価法等をパラメータとする非弾性解析および同解析結果に基づくクリープ疲労損傷評価を行った結果以下が明らかとなった。(1) 弾塑性応力ひずみ関係に標準ひずみ速度の繰返し応力ひずみ関係を使用した非弾性解析結果をひずみ範囲に使用し,一方当該ひずみ範囲極値に対応する応力を初期応力としてクリープ損傷を計算すると供試体き裂発生状況と良好に対応するクリープ疲労損傷値が得られる。(2) 材料のクリープ挙動を考慮した非弾性解析結果と考慮しない非弾性解析結果とでは、クリープ疲労損傷値に有意な差が得られなかった。(3) (1)での評価について,標準ひずみ速度の繰返し応力ひずみ関係を低ひずみ速度の繰返し応力ひずみ関係に置き換えると、ひずみ範囲が10%、またクリープ疲労損傷値が20%程度増加するが、供試体き裂発生状況との対応に大幅な差違はなく、いずれも良好な破損との対応を示す。(4) (1)での評価について,標準ひずみ速度の繰返し応力ひずみ関係を単調負荷曲線に置き換えると,ひずみ範囲が3040%、またクリープ疲労損傷値が6080%程度増加し、単調負荷曲線を用いた損傷値は実際より広い範囲でのき裂発生を予想する結果となった。(5) クリープ損傷値を相当応力の時刻歴に沿って計算すると疲労損傷値に比べて無視できる程度の大きさのクリープ損傷値を示すに止まる。(6) き裂発生領域では,弾性解析結果にひずみ拡大係数1.2を乗じて求めたひずみ範囲は(1)による計算結果と良好に対応した。一方,き裂が発生していない領域ではこの方法は損傷値を過大評価する結果となった。

This report describes the inelastic thermal stress analysis and creep-fatigue damage evaluation results of the three kinds of nozzle-like configuration models made of SUS304. Crack initiation test on the models has been conducted in Thermal Shock Test Sodium Loop to clarify crack initiation behavior in thermal bending stress conditions. The models have been loaded with two types of thermal bending stresses; one is caused by throughtout temperature distribution arisen in the nozzle-like configuration and the other is caused by temperature gradient arisen in the wall thickness of the models. Thermal transient test has been conducted under the condition that 550C and 300C sodium flow into the models for 5 hrs and 1 hr, respectively in one cycle, and finished after loading 1,700 cycles of thermal transient. After the test, crack inspection test by PT has been performed, and crack initiation at cross-sections interested have been observed successfully. For the analytical study, heat transfer analysis using the measured temperature data and inelastic thermal stress analysis were carried out by using cyclic stress-strain curves obtained from two kinds of strain rate conditions as the constitutive stress-strain relationships. Analysis results were utilized mainly for two objectives. One was to present the prospect of damage evaluation method based on inelastic analysis. And the other was to advance the present creep-fatigue damage evaluation method based on elastic analysis. Many analysis results and damage evaluation results of the test models are presented here, and discussed focusing on the application of inelastic analysis results to rational creep-fatigue failure predicting method.