高サイクル熱疲労特性に関する試験研究; 第3報 周期20秒における正弦波温度変動試験結果

Experimental Study on Properties of High Cycle Thermal Fatigue, 3; Results of sinusoidal temperature fluctuation test at 20 second cycle

長谷部 慎一; 小林 澄男; 田中 宏*; 茨城 幸一*; 深作 博*

Hasebe, Shinichi; Kobayashi, Sumio; Tanaka, Hiroshi*; lbaraki, Koichi*; Fukasaku, Hiroshi*

原子カプラントにおいて温度が異なる流体が合流する領域では、流体の混合に伴って温度変動が発生するため、繰返し熱応力による構造材の疲労破損に注意する必要がある。本研究では、温度変動の周波数効果を取り入れた高サイクル熱疲労評価法の検証データを取得することを目的として、高サイクル熱疲労試験装置(SPECTRA)を用いて周期20秒の正弦波温度変動試験を実施した。試験体には円筒状のSUS304鋼を使用し、管内のNa流量を30リットル/minに保持しながら、Na温度を平均425度-C、振幅200度-Cで正弦波状に制御した。得られた結果は以下の通りである。(1)SPECTRAにより周期20秒の温度変動を試験体に与えて、評価法の検証に有効な 強度データを得ることができた。き裂は約157,150サイクルで試験体を貫通した。(2)試験体上流部の内面には、軸方向に沿ったき裂が多く観察された。大気中疲労試験 により試験体の軸方向と周方向に強度差があることを確認し、高サイクル側では異方 性の影響が現れ易いために、き裂が軸方向に分布したことを明らかにした。(3)き裂発生境界は、き裂(個数、深さ)と軸方向距離の相関から求めた近似曲線により、試験体上流部テーパー端から約430mm下流の位置にあると推測した。(4)内面から発生したき裂は、12mm深さまで粒内を進展するが、その後は粒界に沿って進展する。粒内破面の一部にはストライエーションが形成されたが、粒界破面では観察されなかった。今後は、周期2秒、5秒、10秒、40秒の正弦波温度変動試験を実施し、周波数応答性が構造材のき裂発生と進展挙動に与える影響を確認する予定である。

In a nuclear power plant, it is necessary to be attentive to fatigue fracture of the structural material caused by cyclic thermal stress due to the mixing of temperature different fluids. The purpose of this study is to obtain data to demonstrate high cycle thermal fatigue evaluation methods by applying the effects of the frequency of temperature fluctuation. A sinusoidal temperature fluctuation test of with a 20 second period was conducted using high cycle fatigue test equipment (SPECTRA). A SUS304 steel pipe was used as the test sample, at an average sodium temperature of 425 deg-C, fluctuation amplitude of 200deg-C and a sodium flow rate of 300 l/min in the test pipe. The results obtained are as follows: (1)valid strength data to verify evaluation methods could be obtained by applying a 20 second cycle temperature fluctuation to the test sample with SPECTRA. A Crack penetrated at about 157,150 cycles. (2)Numerous cracks in an axial direction were observed on the jnner surface of the test sample in the upper flow area. An air fatigue test demonstrated the difference in the strength of the test sample between axial direction and circumferential direction, revealing that cracks were distributed in an axial direction since anisotropic influences easily appear on the hjgh cycle side. (3)An approximated curve obtained by the common relation of crack and axial direction distance indicates that the boundary of a crack would be located about 430 mm downstream from the tapered end of the test sample with the upper now. (4)Crack occurring on the inner surface progressed to a depth of 1 to 2 mm in thecrystal grain, then progressed along the crystal grain boundary. Striations were formed on areas of the fracture surface in the grain, but were not found on the fracture surface of the grain boundary. Sinusoidal temperature fluctuation tests at the periods of 2,5,10,and 40 seconds are planned to confirm the influence of fluctuation frequency responsiveness on structural material