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論文

水中及び液体金属中流れ系におけるキャビテーション初生と壊食に関する基礎的研究

矢田 浩基; 金川 晃大*; 服部 修次*

日本機械学会論文集,B, 78(788), p.811 - 820, 2012/04

液体金属噴流によるキャビテーション試験が可能な試験ループを開発し、融点が68$$^{circ}$$Cの低融点合金(PbBi-68)を用いた液体金属流れ系でキャビテーション初生試験及び壊食試験を行った。加速度センサを用いて検出した初生キャビテーション数は水中及びPbBi-68中でほぼ等しく、流速依存性は見られない。また、異なる形状のノズルを用いて水中で試験を行い、初生キャビテーション数は下流圧と実測の流速から求めたキャビテーション数を用いて評価することによりノズル形状にかかわらずほぼ同じ値となること、各ノズルでの壊食速度は加速度センサ出力電圧の大小関係と定性的に一致することが明らかとなった。

論文

液体金属中のキャビテーション壊食に及ぼす液体金属種及び試験材料の影響

矢田 浩基; 倉地 宏晃*; 月森 和之; 服部 修次*

日本機械学会論文集,A, 77(773), p.146 - 153, 2011/01

3種類の組成の異なる鉛ビスマス合金中で磁わい振動によるキャビテーション壊食試験を行った。試験温度を融点と沸点を百分率で整理した相対温度を使用すると、相対温度14$$^{circ}$$Cにおける各種鉛ビスマス中の壊食速度はイオン交換水中に比べて約10$$sim$$12倍、ナトリウム中では約2$$sim$$5倍となる。また、試験後の材料の硬さを調査した結果、イオン交換水中よりも鉛ビスマス中でより加工硬化が進むことから、鉛ビスマス中ではより大きな気泡崩壊圧が作用したと考えられる。さらに、試験材料にSUS304, SUS403, 9Cr-1Mo鋼を用いて壊食試験を行い、壊食速度の違いは材料の硬さと平山のNi当量で整理が可能であることが明らかとなった。

論文

Effect of liquid metal composition and hydrodynamic parameters on cavitation erosion

服部 修次*; 矢田 浩基; 倉地 宏晃*; 月森 和之

WEAR, 267(11), p.2033 - 2038, 2009/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:37.3(Engineering, Mechanical)

Cavitation erosion testing machine was developed using the vibratory apparatus for low-temperature melting alloys. The erosion tests of SUS304 were carried out in three kinds of lead bismuth and deionized water to discuss the influence of metal kind on erosion rate. Moreover, the effect of flow velocity and cavitation number on the erosion rate was discussed. The erosion rate was evaluated in terms of a relative temperature which was defined as the percentage between freezing and boiling points. At 14 degrees Celsius relative temperature, the erosion rate is 10 to 12 times in various lead-bismuth alloys, and 2 to 5 times in sodium, compared with that in deionized water. It is considered that the erosion rate in sodium is in proportion to 1st to 6th power of flow velocity similarly to that in mercury.

報告書

液体金属中のキャビテーション壊食に関する基礎的研究; 液体金属中のキャビテーション壊食による液体パラメータの影響(共同研究)

服部 修次*; 井上 文貴*; 倉地 宏晃*; 渡士 克己; 月森 和之; 橋本 貴司; 矢田 浩基

JAEA-Research 2008-080, 45 Pages, 2009/02

JAEA-Research-2008-080.pdf:2.86MB

液体金属中のキャビテーション壊食に関する研究は、ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉の安全性の確認、水銀を使用する核破砕中性子源ターゲット容器の問題を解決するうえで非常に重要であるが、極めて特殊なケースであるため水中に比べてほとんど研究が進展していない状況である。本研究では、まず低融点の液体金属中でキャビテーション試験を行うことができる試験装置の開発を行った。次いで、鉛・ビスマスの液体金属中とイオン交換水中で壊食試験を行い、両試験液中での壊食速度の違いについて検討し、壊食速度に及ぼす液体の影響、及び壊食速度の温度依存性について考察し、以下の成果を得た。試験温度を融点と沸点の間を百分率で定義した相対温度で壊食速度を整理したところ、相対温度が14$$^{circ}$$Cにおける鉛・ビスマス中の壊食速度はイオン交換水中に比べて約10倍、ナトリウム中では約2$$sim$$5倍である。液体の相対温度が同一のとき、各種液体の壊食速度は、液体の密度及び音速を用いた評価式で整理できる。相対温度14$$sim$$30$$^{circ}$$Cにおける壊食速度増加の温度依存性は、液体の飽和蒸気圧の増加によるものである。

論文

Removal of sea salt from specimen surface using a cavitating jet in air

服部 修次*; Zhang, S.*; 矢田 浩基; 月森 和之

Proceedings of International Symposium on Advanced Mechanical and Power Engineering 2008 (ISAMPE 2008), p.32 - 39, 2008/10

Stress corrosion cracking (SCC) is the unexpected sudden failure of normally ductile metals subjected to a tensile stress in a corrosive environment, especially at elevated temperature. One important form of SCC that concerns the nuclear industry is chloride SCC induced by the existence of sea salt, since most power plants are built at the seaside. Austenitic stainless steels are highly susceptible to chloride SCC, which is the reason why it is necessary to discuss the method to remove sea salt from specimen surface. In this study, a cavitating jet in air, by injecting a high-speed water jet into a concentric low-speed water jet that surrounds the high-speed water jet and is issued into air, was realized for removing the chloride that is one of critical environmental contributors to chloride SCC, especially at stagnant areas and crevices where chloride might become concentrated. Besides, in order to make clear the removal effect of the cavitating jet, the effects of parameters, such as injection pressure of high- and low-speed water jet, stand-off distance, were discussed to acquire an optimum cleaning condition.

報告書

高温環境下の超長寿命疲労強度特性の解明(共同研究報告書)

服部 修次*; 伊藤 隆基*; 渡士 克己; 橋本 貴司

JNC TY4400 2005-003, 82 Pages, 2005/09

疲労については、1820年代にドイツの鉱山技師W.A.J.Albertによって初めて試験が行われてから今日まで数多くの試験・研究が実施され、多くの知見が得られてきた。その中の重要な知見の一つは、多くの鉄鋼材料において10$$^{5}$$$$sim$$10$$^{6}$$サイクル程度の応力繰返しで応力-寿命曲線(S-N曲線)に明瞭な疲労限度が現れることである。

報告書

高温環境下の超長寿命疲労強度特性の解明に向けた疲労試験装置の開発 平成13年度(共同研究報告書)

服部 修次*; 伊藤 隆基*

JNC TY4400 2002-003, 29 Pages, 2002/03

JNC-TY4400-2002-003.pdf:1.5MB

高速増殖炉構造物の強度的な安全性、健全性、信頼性を著しく向上させることを目的とし、超長寿命領域(ギガサイクル)での試験実施を可能とする超音波振動式超長寿命疲労試験装置を開発した。この試験装置は、コンバータ(ピエゾ素子)によって発生した20KHZの振動が、ブースタ、ホーンで増幅されて試験片に伝わり、試験片に繰返し応力を発生させることができる疲労試験機である。従来の油圧サーボ式疲労試験機と違い、超音波振動式疲労試験装置では共振を利用しているため、試験片自体の質量が反力の役目を果たしているので、試験片の片側を固定する必要がなく、試験片の変位を計測することで試験片の内部に発生する最大ひずみおよび最大応力を計算することができる。本試験装置の開発により、高速増殖炉用材料を対象としたギガサイクルでの加速疲労試験が可能となった。すなわち、試験で得られた寿命データを基に超寿命疲労強度特性を明らかにすることによって、適切な寿命予測のための材料強度情報や設計・保守点検時の基礎資料を提供し、構造物の安全性、健全性、信頼性の向上に寄与できるものと期待できる。本報告書では、開発した超音波振動式超長寿命疲労試験装置の仕様および特徴について報告する。

口頭

Effect of liquid parameter on cavitation erosion in liquid metals

橋本 貴司; 服部 修次*; 井上 文貴*; 渡士 克己

no journal, , 

液体金属中のキャビテーション壊食に関する研究は、ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉の安全性を確認したり、水銀を使用する核破砕中性子源ターゲット容器の問題を解決するうえで非常に重要である。本研究では、低融点の液体金属中でキャビテーション壊食試験ができるように試験装置の開発を行った。次いでSUS304を用いた壊食試験をPb-Biの液体金属中とイオン交換水中で実施し、質量の減損をさまざまな温度で測定した。

口頭

Effect of liquid parameter on cavitation erosion in liquid metals

服部 修次*; 井上 文貴*; 渡士 克己; 橋本 貴司

no journal, , 

キャビテーション壊食に関する研究は種々行われているが、液体金属中のキャビテーションによる研究は極めて特殊であるため、ほとんど研究が行われていない。本研究では、液体金属中でキャビテーション壊食試験が実施可能なように磁歪振動式の試験装置を開発し、次いでSUS304の試験片を用いて低融点液体金属(Pb-Bi)によるキャビテーション壊食試験を実施した。その後、液体金属中の壊食量について、温度の影響を含め検討を行った。

口頭

液体金属中キャビテーション壊食に及ぼす金属種及び流体パラメータの影響

服部 修次*; 井上 文貴*; 倉地 宏晃*; 月森 和之; 矢田 浩基

no journal, , 

液体金属中のキャビテーション壊食に関する研究は、ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉の安全性の確認や、水銀を使用する核破砕中性子源ターゲット容器の問題を解決するうえで非常に重要である。本研究では液体金属用キャビテーション壊食試験装置及び試験材料としてオーステナイト系ステンレス鋼SUS304を用い、金属の種類(Pb, Biの組成)が異なる鉛・ビスマス合金とイオン交換水で壊食試験を行った。鉛・ビスマス合金の液体種類による壊食速度の違いは、融点と沸点を百分率して定義した相対温度で整理することによりほぼ一致し、各種液体のキャビテーション気泡崩壊圧による加工硬化についても検討した。また、実際の配管のキャビテーションは流れ系で発生するため、流体力学パラメータである流速、及びキャビテーション数の影響を文献調査により検討した。液体金属中の壊食速度に与える流速依存性は1$$sim$$6乗であると推定でき、液体金属中と水中の初生キャビテーション数は同程度であり、壊食速度とキャビテーション数の関係式を見いだした。

口頭

液体金属中のキャビテーション壊食に関する基礎的研究

服部 修次*; 井上 文貴*; 倉地 宏晃*; 月森 和之; 矢田 浩基

no journal, , 

液体金属中のキャビテーション壊食に関する研究は、ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉の安全性の確認や、水銀を使用する核破砕中性源ターゲット容器の問題を解決するうえで非常に重要である。本研究では液体金属用に室温から150$$^{circ}$$Cまで実験可能なキャビテーション壊食試験装置を開発し、試験材料としてオーステナイト系ステンレス鋼SUS304を用い、金属の種類(Pb, Biの組成)が異なる鉛・ビスマス合金とイオン交換水で壊食試験を行った。鉛・ビスマス合金の液体種類による壊食速度の違いは、融点と沸点を百分率して定義した相対温度で整理することにより音速と密度の評価式で整理でき、各種液体のキャビテーション気泡崩壊圧による加工硬化についても検討した。また、実際の配管のキャビテーションは流れ系で発生するため、流体力学パラメータである流速、及びキャビテーション数の影響を文献調査により検討した。液体金属中の壊食速度に与える流速依存性は1から6乗であると推定でき、液体金属中と水中の初生キャビテーション数は同程度であり、壊食速度とキャビテーション数の関係式を見いだした。

口頭

SUS304鋼の海塩SCCに及ぼす付着塩化物量の影響

Bin Mohd Nor, M. S.*; 服部 修次*; 月森 和之; 矢田 浩基

no journal, , 

SUS304鋼は優れた耐食性材料であるが、塩化物を含む環境では孔食や応力腐食割れ等が発生しやすい欠点がある。本研究では、海塩粒子による応力腐食割れについてSUS304鋼を対象に、環境条件(鋭敏化処理時間,付着海塩量)を変化させて塩化物による応力腐食割れの発生を検討した。大気腐食割れ試験において、付着海塩量が少なくなるに従い割れが発生しにくくなり、非鋭敏化材における2週間の試験では、付着海塩量1200mg/m$$^{2}$$以下で割れが発生しないことを見いだした。

口頭

Ti-Ni形状記憶合金肉盛材の耐キャビテーション壊食性

守山 なぎさ*; 服部 修次*; 月森 和之; 矢田 浩基

no journal, , 

キャビテーション壊食は、ポンプ,水車,トルクコンバータなどの流体機械をはじめ、船用プロペラ,バルブ,ディーゼルエンジン、のシリンダライナなど多くの産業機械や部材で液体が接している箇所に生じて、材料表面を海綿状に損傷する現象である。キャビテーション壊食の発生は、機器の性能低下や材料損傷による寿命低下をもたらすだけでなく、機器全体の破壊にもつながる重要な問題である。キャビテーション壊食の発生を抑制することは現時点では困難であるため、流体機器を設計するときは耐壊食性に優れている材料を選択する必要がある。本研究では、ステライトに代わる肉盛材として今回新たに試作したTi-Ni肉盛材を使用してキャビテーション壊食試験を行った。肉盛材の製作過程で、素材の紛体が異なる5種類のTi-Ni肉盛材を施した試験片を用いてキャビテーション壊食試験を行い、耐壊食性と壊食抵抗を検討した。また、各種のTi-Ni肉盛材と参照材料の壊食試験結果を比較し、壊食特性を検討した。

口頭

管内オリフィスによる鉛ビスマス合金のキャビテーション初生

矢田 浩基; 倉地 宏晃*; 鈴木 克明*; 月森 和之; 服部 修次*

no journal, , 

液体金属中のキャビテーション壊食に関する研究は、ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉の安全性の確認,水銀を使用する核破砕中性子源ターゲット容器の問題を解決するうえで非常に重要である。磁わい振動試験による水中及び鉛ビスマス中での壊食試験では、鉛ビスマス中での壊食速度は水中の約10倍となることが知られている。本研究では、液体金属流れ系におけるキャビテーション壊食の検討を行うため、オリフィスによる鉛ビスマス中でキャビテーション壊食試験が可能な試験装置を製作し、キャビテーションの初生条件を実験的に明らかにした。水中及び鉛ビスマス中での初生キャビテーション数はともに流速依存性はなく、0.8$$sim$$0.6となる。

口頭

SUS304鋼の海塩ESCCに及ぼす付着塩化物濃度の影響

矢田 浩基; Mohammad Syafiq Bin Mohd Nor*; 月森 和之; 服部 修次*

no journal, , 

海塩等の塩化物により誘発される海塩ESCC(External Stress-Corrosion Cracking)について、SUS304鋼を対象に付着塩化物量,試験材料の鋭敏化の程度,応力,試験時間をパラメータとし、SCC発生試験を行った。試験は、試験温度90$$^{circ}$$C, 湿度30%RHの恒温恒湿環境で行い、以下の点が明らかとなった。付着塩化物量とSCC発生量は比例する。鋭敏化の影響は、熱処理時間5$$sim$$8時間でSCC発生のピークが現れる。これは熱処理による再活性化率の傾向と一致する。応力因子は、引張応力400MPa$$sim$$570MPaの範囲において、付着塩化物量1000mg/m$$^{2}$$超える場合は、応力によらずSCCが同程度発生する。時間因子は、試験時間の増加に伴い、少ない塩化物量でもSCCが発生する。本試験条件において、試験期間6か月では塩化物量100mg/m$$^{2}$$以上でSCCが発生する。

口頭

キャビテーションを利用したSUS304鋼への付着海塩の洗浄とESCC防止法の提案

Mohammad Syafiq Bin Mohd Nor*; 矢田 浩基; Zhang, S.*; 月森 和之; 服部 修次*

no journal, , 

原子力発電プラントは、海岸近くに建造されることが多く、海塩粒子あるいはこれを含んだ雨水等により、大気からでも腐食が発生しやすい状況にあり、大気露出面や保温材下の配管に海塩ESCC(External Stress-Corrosion Cracking)を生じた事例が報告されている。本研究では、海塩ESCCの発生を防止・抑制するためキャビテーションを利用した効果的な海塩除去及びピーニング手法の開発を行った。試験装置として、大気中でキャビテーションを発生させることのできるノズルを製作した。流水のみの洗浄に比べ、キャビテーションによる洗浄を用いれば、微小き裂が既に発生している部材に対してもより高い洗浄効果が得られ、また、キャビテーションピーニングにより約500MPaの残留圧縮応力を与えられる。さらに、キャビテーションピーニングを施した試験片を用いたESCC試験を実施し、有効性を評価した。

口頭

液体鉛ビスマス流のキャビテーション初生とノズル形状の影響

金川 晃大*; 矢田 浩基; 月森 和之; 服部 修次*

no journal, , 

The cavitation erosion in liquid metal is important for the safety of the nuclear reactor and the industrial equipment. However, a study on the cavitation erosion in liquid metal has not been developed. This study clarified the incipient condition of cavitation in tap water and liquid metal. A test apparatus for Pb-Bi alloy was developed. It was found that the incipient cavitation number in tap water is about 0.8. The incipient cavitation number in Pb-Bi alloy is 0.8. The incipient cavitation number is the same value regardless of kinds of test liquid. And this study clarified an incipient condition of cavitation with different shape of orifice. When the cavitation number was defined by using flow velocity, the incipient cavitation number becomes constant level regardless of the orifice shape. A test apparatus for the erosion tests was developed.

口頭

Cavitation inception in liquid Pb-Bi flow and the effect of nozzle geometry

服部 修次*; 金川 晃大*; 矢田 浩基

no journal, , 

The cavitation erosion in liquid metal is important for the safety of the nuclear reactor and the industrial equipment. However, a study on the cavitation erosion in liquid metal has not been developed. This study clarified the incipient condition of cavitation in tap water and liquid metal. A test apparatus for Pb-Bi alloy was developed. It was found that the incipient cavitation number in tap water is about 0.8. The incipient cavitation number in Pb-Bi alloy is 0.8. The incipient cavitation number is the same value regardless of kinds of test liquid. This study also clarified an incipient condition of cavitation with different shape of orifice. When the cavitation number was defined by using flow velocity, the incipient cavitation number becomes constant regardless of the orifice shape. A test apparatus for the erosion tests was developed.

口頭

キャビテーション初生に及ぼす液体の種類及びノズル形状の影響

矢田 浩基; 金川 晃大*; 服部 修次*

no journal, , 

流体機械におけるキャビテーションの発生は、機器の性能低下や損傷を引き起こすことが知られている。磁わい振動試験による壊食試験では、壊食速度は水中に比べ、鉛ビスマス中では約10倍、ナトリウム中では約2$$sim$$5倍となる。キャビテーションの発生を防止,抑制するには、キャビテーションの発生条件を知ることが重要であることから、本研究では、低融点合金を用いた試験が可能なキャビテーション噴流試験装置を開発し、水中及び鉛ビスマス低融点合金を用いてキャビテーション初生試験について検討した。また、噴流試験に用いるノズル形状がキャビテーション初生条件に及ぼす影響について検討するため、数種類のノズルを用いた試験を行った。

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