Development of structural response diagram approach to evaluation of thermal stress caused by thermal striping

サーマルストライピングによる熱応力評価のための構造応答線図法の開発

笠原 直人; Yacumpai, A.*; 高正 英樹*

Kasahara, Naoto; Yacumpai, A.*; Takasho, Hideki*

原子力プラントの中で温度が異なる冷却材が合流する領域では、流体混合による不規則な温度ゆらぎが生じるため、熱応力による構造材の疲労破損に注意する必要がある。この現象はサマールストライピングと称され、熱流体と構造が複雑に関連し合う現象であることから、従来はモックアップ実験による評価が行われており、簡便で合理的な設計評価法が必要とされていた。これに対し、温度ゆらぎの振幅は流体から構造材への伝達過程において、乱流混合、分子拡散、非定常熱伝達、および熱伝導による温度除荷の各要因によって減衰し、その特性は周波数依存であることが解明されてきている。筆者らは、このうち非定常熱伝達と温度除荷の効果に着目し、両者による温度振幅の減衰効果を温度ゆらぎ周波数の関数として定量的に記述した構造応答線図を開発した。さらに本線図を設計へ応用するため、無次元数を導入することによって線図の一般化表示を行った。無次元化された構造応答線図の妥当性は、有限要素解析の結果との比較により検証した。本線図を利用することによって、流体温度ゆらぎ振幅から非定常熱伝達と温度除荷による減衰効果を考慮した熱応力の振幅を簡易に評価することが可能となる。

At incomplete mixing area of high temperature and low temperature fluids near the surface of structures, temperature fluctuation of fluid gives thermal fatigue damage to wall structures. This thermohydraulic and thermomechanical coupled phenomenon is called thermal striping, which has so complex mechanism and sometimes causes crack initiation on the structural surfaces that rational evaluation methods are required for screening rules in design codes. In this study, frequency response characteristics of structures and its mechanism were investigated by both numerical and theoretical methods. Based on above investigation, a structural response diagram was derived, which can predict stress amplitude of structures from temperature amplitude and frequency of fluids. Furthermore, this diagram was generalized to be the Non-dimensional structural response diagram by introducing non-dimensional parameters such as Biot number, non-dimensional frequency, and non-dimensional stress. The use of the Non-dimensional structural response diagram appears to evaluate thermal stress caused by thermal striping, rapidly without structural analysis, and rationally with considering attenuation by non-stationary heat transfer and thermal unloading. This diagram can also give such useful information as sensitive frequency range to adjust coupled thermohydraulic and thermomechanical analysis models taking account of four kinds of attenuation factors: turbulent mixing, molecular diffusion, non-stationaly heat transfer, and thermal unloading.