9Cr系鋼溶接継手供試体の熱疲労試験解析

Thermal fatigue failure test of Mod.9Cr-1Mo piping specimen containing circumferential weldments, 2; Elastic analysis and damage estimation

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

not registered; Wakai, Takashi; not registered; not registered; not registered; not registered

本報は、内面にナトリウムによる繰返し熱過渡を受ける9Cr系鋼製周溶接付き円筒型供試体の熱疲労き裂発生試験を対象とした実測温度データによる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。本報で評価対象とする供試体は、板厚20MM、15MM、および1-の3種の板厚の円筒母材部からなり、それぞれの円筒部には2本づつの周方向の溶接継手が含まれている。現在、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分づつ交互に流入させる条件で、熱過渡サイクル数9000回を目標に繰返し熱過渡試験を実施中である。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、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室が定めた定数を採用した。この結果、現在計画している試験熱過渡サイクル 000回において、板厚20MM、15MM、および10MMの一般円筒母材部でのクリープ疲労損傷値はそれぞれ、約 1.1、 0.5、0.15となり、厚肉部ではある程度のき裂進展が、中間板厚部では初生段階のき裂の存在が、薄肉部ではき裂発生に至っていないことがそれぞれ予測された。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、従来のオーステナイト系ステンレス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、厚肉部および中間板厚部の溶接継手ではある程度のき裂進展が、薄肉部の溶接継手では初生段階のき裂の存在がそれぞれ予測された。

This report describes elastic thermal stress analysis and creep-fatigue damage estimation results of Mod.9Cr-1Mo piping specimen which consists of three different thickness portions (20, 15, 10mm), and contains six circumferential weldments. Thermal fatigue failure test on the specimen has been conducted in the sodium test loop named SPTT to clarify fatigue crack initiation behavior under thermal bending stress conditions, which is caused by temperature gradient arisen in the wall thickness of the specimen. The thermal transient test is now underway, with the condition where sodium of 550C and 300C sodium alternately flow into the specimen for 5 minutes in one cycle. The test is scheduled to complete after loading 9,000 cycles of thermal transients. Crack inspection by using penetration test tequnique is planned after the test. 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 Mod.9Cr-1Mo steels based on elastic analysis. Some analysis and damage estimation results of the specimen are presented here, and crack initiation after 9,000 cycles of thermal transients are predicted based on the calculated creep-fatigue damage.