Study on PWSCC behaviors at nickel-based alloy welds based on weld residual stress analysis and probabilistic fracture mechanics

溶接残留応力解析及び確率論的破壊力学に基づくNi基合金溶接金属部近傍のPWSCC進展挙動に関する研究

宇田川 誠; 勝山 仁哉  ; 鬼沢 邦雄 

Udagawa, Makoto; Katsuyama, Jinya; Onizawa, Kunio

加圧水型及び沸騰水型原子炉における異材溶接部にはNi基合金が使用されており、このようなNi基合金溶接部において、1次冷却水応力腐食割れ(PWSCC)やNi基合金応力腐食割れ(NiSCC)が数多く発生している。PWSCC/NiSCCの発生及び進展の要因の一つとして、機器を製作する際に生じる溶接残留応力と、運転時の高温・高圧より生じる運転応力が挙げられる。また、PWSCC/NiSCCの発生形態は多様であり、円筒構造物の軸/周/半径方向・内/外表面、さらにはNi基合金母材のほか溶接金属にも発生する。本研究では、このような特徴を有するPWSCC/NiSCCを対象に、構造健全性に影響を及ぼす各種因子の不確かさを考慮して評価するため、確率論的破壊力学(PFM)解析コードPASCAL-NPを開発した。このPASCAL-NP及び溶接残留応力解析結果を用いて、Ni基合金母材及び溶接金属に発生したPWSCCにより漏洩に至った事例の解析を行った。き裂進展速度のばらつきがき裂貫通挙動に及ぼす影響を、決定論的解析結果との比較を通して定量的に評価した。

A number of cracks due to primary water stress corrosion cracking (PWSCC) in PWR and Ni-based alloys stress corrosion cracking (NiSCC) in BWR have been observed near Ni-based alloy welds. One of the causes of initiation and growth due to the SCC is high tensile residual stress as well as operating stress. In this study, an analysis code, PASCAL-NP, for the PWSCC/NiSCC growth at the dissimilar metal welds based on probabilistic fracture mechanics (PFM) was developed. This PFM analysis code has a function of SCC growth calculation for some patterns of crack locations and orientations in a probabilistic manner. This code can also evaluate the failure probability of Ni-based alloy welds due to PWSCC/NiSCC. Using this code and results from welding simulations, case studies on PWSCC growth were performed focusing on the location and orientation of PWSCC. Effect of the scatter of PWSCC growth rate on the crack penetration, i.e. leakage is shown in comparison with deterministic analyses.