Welding joint design of ITER toroidal field coil structure under cryogenic environment

ITER TFコイル構造物の極低温環境下における溶接継手設計に関する研究

井口 将秀; 櫻井 武尊; 中平 昌隆; 小泉 徳潔; 中嶋 秀夫

Iguchi, Masahide; Sakurai, Takeru; Nakahira, Masataka; Koizumi, Norikiyo; Nakajima, Hideo

原子力機構は、ITER TFコイル構造物の製作にあたり、周辺機器を支持する付属物とコイル容器との接続に、部分溶け込み溶接の適用を提案している。これは、付属物が複雑形状を呈しており、溶接作業性が極めて悪いことに起因する。部分溶け込みは、非溶け込み部を有することから、その先端は極めて高い応力集中が生じ、ITER供用中にき裂進展に至る可能性がある。そのため、設計段階から疲労き裂進展挙動について把握する必要があるが、有限要素法等の数値計算では、実際の溶接部のき裂進展挙動を正確に模擬することは現状極めて困難であり、過度に保守的な設計係数を適用する必要がある。一方、部分溶け込み溶接部を模擬した実規模疲労試験体を用いて、き裂進展挙動を測定する方法も考えられるが、極低温(4.2K)という環境下で、100mm近い板厚の試験体の疲労試験を実施できる設備は、現状存在せず、新たな試験設備の建設は、費用及び時間の面から現実的ではない。そこで原子力機構は、実機形状の部分溶け込み溶接継手を有する部分溶け込み溶接継手試験体を製作し、非溶け込み部先端を残したCT試験片を採取し、4.2Kでのき裂進展挙動を把握する試験を実施した。CT試験片は汎用的に疲労き裂進展試験に供されるものであり、既存の試験設備で試験可能である。これらのCT試験片を使用した疲労き裂進展試験から、き裂進展挙動を明らかにするとともに、き裂進展を計算するために必要な物理係数を取得し、保守的な設計係数を用いることなく、TFコイル構造物を設計できる見通しを得た。

Application of partial penetration welding (PPW) to ITER Toroidal Field Coil structure has been proposed because of limited accessability for weld due to complex geometry and low stress and low importance components. In order to obtain fatigue crack growth (FCG) behavior of PPW joint in cryogenic environment, Japan Atomic Energy Agency performed FCG test at 4K by using Compact Tension (CT) specimens having as-weld notch of PPW. These CT specimens were made from mockups having one of actual joint shape of PPW, double J-groove. As the result of this test, it was observed that crack propagated in weld metal having inclination from as-weld notch. Moreover it was shown that FCG rate of as-weld CT specimens had high FCG rate region in early stage of crack propagation due to residual stress distribution. In addition, application method of this FCG rate to designing of PPW joint was proposed and verified in this study.