高速炉構造用SUS316鋼溶接継手供試体の熱クリープ疲労試験解析

Thermal creep-fatigue failure test of SUS316FR piping specimen containing circumferential weldment; (2) Elastic analysis and damage evaluation

田中 信之; 若井 隆純 ; 石崎 公人; 菊池 政之; 渡士 克己; 永田 敬

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本報は、内面にナトリウムによる繰返し熱過渡を受ける高速炉構造用SUS316鋼製周溶接付き円筒型供試体の熱クリープ疲労き裂発生試験を対象とした熱応力解析とクリープ疲労損傷計算の結果を示した報告書である。本報で評価対象とした供試体は、内径53.5mm、板厚20mm、長さ350mmの円筒形状モデルであり、円筒中央部には周方向の溶接継手が含まれている。このような供試体内部に550と300のナトリウムをそれぞれ5時間と1時間づつ交互に流入させる条件で、熱過渡サイクル数1600回までの繰返し熱過渡試験を実施し、溶接部および一般母材部にき裂の発生を確認している。本報ではまず有限要素法による弾性熱応力解析を汎用非線形構造解析コードFINASを用いて行い、この結果に基づいて設計基準の有する安全係数を取り除いた正味ベースのクリープ疲労損傷計算を、同種のオーステナイト系ステンレス鋼であるSUS304に対して開発した寿命予測法(TTSDS)を用いて実施した。伝熱・応力解析および損傷計算の材料定数には暫定的に材料開発室が定めた定数を採用した。この結果、試験熱過渡サイクル1600回において、板厚20mmの一般円筒母材部でのクリープ疲労損傷値は約1.2となり、これまでのSUS304の実績からある程度のき裂進展が生じうることが推定される。一方溶接継手部のき裂発生寿命予測については現時点では充分なデータが得られていないのが現状であるが、従来のSUS304鋼の溶接継手の場合と同程度のひずみ集中係数が適用できるとすると、厚肉部の溶接継手でも同程度以上のき裂進展が推定される。これらの推定は実際に供試体に観察されたき裂の存在と矛盾しておらず、SUS304鋼で開発した手法の材料特性データをSUS316鋼のものに置き換えることにより、妥当な評価が行える見通しが得られたと考える。

This report describes elastic thermal stress analysis and creep-fatiguedamage evaluation results of an SUS316FR piping specimen which contains circumferential weldment in the middle portion of it. Thermal creep-fatigue failure test on the specimen was conducted in a sodiumtest loop named STST to clarify creep-fatigue crack initiation behavior of SUS316FR base metal and weldment under thermal bending stress conditions, which is caused by temperature gradient arisen in the wall thickness or the specimen. Thermal transient test was conducted under the condition that 550C and 300C sodium alternately flow into the specimen for 5 hours and 1 hour, respectively in one cycle. The test had been completed after loading 1,600 cycles or thermal transients. After the test, crack inspection by PT was performed, and cracks were observed successfully in both the base metal and weldment. For an analytical study, heat transfer analysis using measured temperature data and elastic thermal stress analysis were carried out with the finite element method, and the analysis results were utilized to develop a candidate creep-fatigue damage evaluation method for SUS316FR steel based on elasticanalysis. Some analysis results and damage evaluation results of the specimen arepresented here, and crack initiation after 1,600 cycles of thermal transients is predicted based on the calculated creep-fatigue damage, which demonstrates a good agreements with the crack distribution on the specimen inner surface.