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浅山 泰; 小井 衛
JNC TN9400 2001-029, 40 Pages, 2001/01
JNC-TN9400-2001-029.pdf:0.93MB
ライナ材料SM400Bの高温材料試験で得られた引張破断伸び及び曲げ破断伸びの下限値を基本として、目安値を以下のように定めた。膜+曲げひずみ
m+bの目安値をm+b
15% 室温T350
m+b30% 350
T1000とする。なお、ネッキング(断面のくびれ)による不安定変形防止の観点から、上記の目安値は、下記の膜ひずみの参考値を考慮して適用するものとする。この参考値は、高温引張試験で得られた一様伸びデータを参照して定めた。膜mの参考値を、m5% 室温T350m10% 350T1000とする。実機ライナ材料は、漏洩ナトリウムの燃焼による温度変動下において多軸応力状態で変形するが、上記のひずみ目安値はこのような条件およびその他想定される影響因子の下で妥当であることを確認した。
月森 和之; 古橋 一郎*
JNC TN9400 2001-015, 80 Pages, 2000/11
JNC-TN9400-2001-015.pdf:2.62MB
強度上重要な構造物が腐食等により、著しく減肉する場合、減肉の進行とともに構造物が強度変化を含めてどのようにふるまうかを捉えることが重要である。ナトリウム漏えい時の腐食減肉を伴うライナの強度解析においては、すでに時間とともに板厚が減少することを考慮した解析が行われている。ただし、この場合は、板厚が相対的に薄いため、温度解析において滅肉は考慮されていない。しかしながら、板厚の大きい構造あるいは温度境界条件から板厚内での大きな温度勾配が想定される構造については、温度解析においても減肉の進行を考慮する必要がある。そこで今回、温度解析において腐食減肉を模擬する機能を開発した。本書では、方法と定式化、FINASへの組込みと使用方法および検証問題について記す。検証問題としては、外部流体によって腐食が進行する伝熱管について、条件を簡略化して温度解析から応力解析まで行い、解析機能の確認を行うとともに、温度解析における滅肉進行を考慮した場合としない場合の違いを論じた。
笠原 直人; Lejeail, V.*
JNC TN9400 2001-013, 46 Pages, 2000/09
JNC-TN9400-2001-013.pdf:0.97MB
流体温度ゆらぎによる構造物の熱疲労現象は熱流動と横造の両分野に亘る複雑な問題であり、従来その評価にはナトリウムモックアップテストが必要であった。本間題に対する解析による設計法を確立するため、CEAとJNCは評価法の開発を行ってきている。流体温度ゆらぎに対する構造健全性に対して、流体から構造への伝達過程で生じる温度ゆらぎの減衰作用が重要な役割を果たすことが知られている。その減衰の大きさは周波数に依存することから、評価法検証のために周波数制御ナトリウム試験データを用いたベンチマーク問題を計画した。一つはCEAから出題されたもので、温度が周波数制御された平行流を受ける管と平板の温度および疲労評価に関する問題である。もう-つのJNC出題の問題は、周波数制御された垂直ジェットを受ける平板の評価に関するものである。本報告書は両者の実験の疲労評価結果について述べる。応力計算にCEAは有限要素解析法を、JNCは周波数応答関数を用いており、解析結果はCEAの算出応力がJNCより若干大きめであった。その結果、予測疲労損傷もCEAの結果が若干JNCより大きくなった。応力に差が生じた理由は、実験による温度波形が周波数応答関数で想定した正弦波と矩形波の中位にあることである。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
笠原 直人
JNC TN9400 2001-012, 31 Pages, 2000/08
JNC-TN9400-2001-012.pdf:1.06MB
構造の過度応答特性を利用することによって、一般的な熱過渡問題に対する合理的な構造解析法を提案した。構造物は固有の応答時定数を有するため、急激な流体温度変化に追従することは不可能である。逆に緩やかな温度変化は構造内部の熱伝導によって均熱化されるため、熱応力の要因となる構造内温度勾配を生じさせ難い。過渡的温度変化に対する上記特性を定量化するため、本研究では構造のステップ応答を記述する緩和関数法を開発した。本関数は、熱応力の流体温度変化に対する感度解析と、プラント冷却系の最適構造設計に適用することが出来る。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
笠原 直人
JNC TN9400 2001-007, 43 Pages, 2000/08
JNC-TN9400-2001-007.pdf:0.81MB
高温低圧機器の構造不連続部では、ひずみ集中による強度低下を考慮した評価が必要となる。本研究では、弾塑性とクリープによる構造不連続部のひずみ集中挙動に関して以下を明らかにした。ひずみ集中係数は、材料の構成方程式および応力緩和時間の各因子に依存して変化するが、ひずみ集中の要因であり応力とひずみの再配分は一本の応力緩和軌跡上で生じる。上記の応力緩和軌跡は構成方程式に鈍感であり、その理由は、応力ひずみの再配分特性がひずみ集中部を拘束する弾性領域のコンプライアンス特性によって規定されるためである。構造不連続部では、応力緩和の進展に伴う弾性領域の拘束力低下によって系のコンプライアンス特性が変化するため、応力緩和軌跡が曲線になる。さらに、上記メカニズム分析結果に基づき、応力緩和軌跡の変化をモデル化した力学モデルを考案すると共に、本モデルを利用した非弾性設計アプローチを提案した。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
月森 和之
JNC TN9400 2000-086, 103 Pages, 2000/08
JNC-TN9400-2000-086.pdf:3.67MB
「もんじゅ」2次系床ライナのナトリウム漏えい時の機械的健全性を評価するため、溶融塩型腐食による減肉を考慮した有限要素法による非弾性解析が行われている。ライナは薄板であるため、全体の変形を捉える上ではシェル要素モデルで十分であるが、局所的ひずみの取扱いには限界がある。一方、形状不連続部の局所的ひずみを精度良く扱うためには3次元ソリッド要素によるモデル化が必要となるが、実機モデル規模の解析を行うことは困難である。しかし、シェル要素による全体モデルの解析結果から境界条件を抽出し、それを3次元ソリッド要素による部分モデルの周辺境界条件として受け渡す手法が確立されれば、局所的ひずみを直接精度良く評価することが可能となる。本研究の目的は、構造不連続部における変位の受け渡しの際に問題となる要素の違いによる境界での変位の不整合を処理する手法を検討するとともに、これらの手法を組込んだインターフェース・プログラムを作成・検証し、「もんじゅ」の機械的構造健全性を評価するための非弾性解析に適用を可能にすることにある。得られた主な結果は次の通りである。(1)T字やL字コーナー部では2方向のシェル要素で囲まれる領域を定義し、距離に基づく重み関数を導入することにより、また、ライナプレートとフレームの接合部では4節点長方形板曲げ要素の内挿関数を利用して境界での変位の連続性が保たれるような処理の方法を提案した。(2)上記手法を組込んだインターフェース・プログラムの作成・検証を行い、FINASのシェル要素(QFLA4S)の解析結果から得られた変位がソリッド要素(HEX20)による部分モデルの周辺境界に受け渡たされていることを確認した。(3)「もんじゅ」2次系床ライナの減肉連動非線形解析に適用し、ひずみ防止リブ端の溶接部におけるひずみを直接評価して、シェル要素では厳密に捉えることが困難な局所的なひずみ挙動を求めることができることを示した。なお、本事例について、部分ソリッド要素モデルによる解析結果との比較から、シェル要素モデルによる解析結果はひずみを保守的に算出していることを確認した。
笠原 直人; Lejeail, V.*
JNC TN9400 2001-014, 44 Pages, 2000/06
流体温度ゆらぎによる構造物の熱疲労現象は熱流動と構造の両分野に亘る複雑な問題であり、従来その評価にはナトリウムモックアップテストが必要であった。本間題に対する解析による設計法を確立するため、CEAとJNCは評価法の開発を行ってきている。流体温度ゆらぎに対する構造健全性に対して、流体から構造への伝達過程で生じる温度ゆらぎの減衰作用が重要な役割を果たすことが知られている。その減衰の大きさは周波数に依存することから、評価法検証のために周波数制御ナトリウム試験データを用いたべンチマーク問題を計画した。一つはCEAから出題されたもので、温度が周波数制御された平行流を受ける管と平板の温度および疲労評価に関する問題である。もう一つのJNC出題の問題は、周波数制御された垂直ジェットを受ける平板の評価に関するものである。本報告書は両者の実験の温度評価結果について述べる。CEAの流体・構造結合数値計算法およびJNCの周波数応答関数は、温度ゆらぎ減衰の周波数依存性を評価可能であるが、両者とも熱伝達係数の設定が課題であることが分かった。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
浅山 泰
JNC TN9400 2001-021, 290 Pages, 2000/05
高速炉の実用化のためには、建設コストの低減は当然として、同時に維持コストの低減を図るとともに、プラント設計寿命の延長を図ることが必要である。この観点から従来より、新構造材料の開発や高温構造設計基準の高度化が行われてきた。しかし、高速炉が軽水炉なみの経済性を確保するためには、さらに視野を広げかつ突っ込んだ検討を行う必要がある。そこで、本研究では、いわゆる設計基準に限らず、プラントコストの低減に寄与すると考えられる技術を広い範囲でサーベイし、有望技術を摘出した。調査対象は、プラント機器構造の材料選定、設計解析、製作・検査、運転・維持のすべてとした。摘出した有望技術について効果と課題の概略を評価した。特に有望と考えられるものについては、実証炉フェーズI設計を例題とし、中間熱交換器の設計に対する合理化効果を試算した。この結果、破損モードとして最も代表的なクリープ疲労のみを考えた場合には、現状の弾性解析ベースの許容応力で約2倍程度の拡大を見込めるとともに、設計寿命60年を実現できる見通しを得ることができた。さらに、これらの有望技術をプラント設計に適用し、安全性を確保した上でコストミニマムを実現するプラント設計を行うために必要となる新たな基準体系の概念検討を行った。この基準体系は、従来の高温構造設計基準を、材料選定、設計解析、製作・検査、運転・維持を包括管理する体系に発展させたもので、確保すべき安全裕度を定量的に示した上で、最も合理的にそれを達成する方法を示すことのできる体系である。
北村 誠司; 森下 正樹
JNC TN9400 2000-060, 168 Pages, 2000/05
JNC-TN9400-2000-060.pdf:4.09MB
共通床(コモンデッキ)に原子炉容器、一次系機器を搭載し、これを大型の皿ばねを用いた免震要素で上下方向に支持する3次元免震構造概念(コモンデッキ方式)を対象に、適切な上下免震特性に関する検討を行った。検討用の入力地震動としては、4種類の自然地震波と3種類の人工地震波を地震入力を用いた。地盤条件や免震建屋の特性を考慮し、水平免震建屋の地震応答解析を行い、上下免震要素の支持レベルにおける床応答と加速度時刻歴を整理した。上記で得た免震支持レベルでの応答加速度を入力として、1自由度上下免震構造モデルを用いて地震応答解析を行った。解析は、線形解析、非線形解析(復元力特性が弾性である皿ばねと弾完全塑性の減衰要素を想定)の2種類について実施した。線形解析で検討する範囲は、免震振動数0.8
2.5Hz、減衰比260%を組み合わせた領域とした。非線形解析では、皿ばねの剛性のみで決まる免震振動数0.55Hz、剛性比120、及び降伏震度0.010.2の範囲で検討した。上下免震システムの免震特性として、最大相対変位、最大加速度、及び512Hz間における床応答加速度の最大値の3つの応答量に対する判断基準を設定し、これらを満足するパラメタの組み合わせ領域について調べた。判断基準として最大相対変位50mm、規格化加速度0.75、規格化床応答0.33を用いた場合、線形解析の結果から、免震振動数は0.8、1.0、1.2Hz、減衰比はそれぞれ30、20、15%以上の組み合わせが適切であることがわかった。また非線形解析の結果、免震振動数0.81.0Hzの皿ばねと、剛性比46、降伏震度0.050.06の減衰要素を組み合わせて用いることで、適切な免震特性が得られることがわかった。非線形解析の結果は、等価減衰比が20%以上の減衰要素を用いることで、系としての卓越振動数が1.02.0Hzの範囲において適切な免震効果が得られることに相当する。
月森 和之; 古橋 一郎*
JNC TN9400 2000-049, 93 Pages, 2000/03
JNC-TN9400-2000-049.pdf:2.82MB
ナトリウム冷却ループ型大型炉の設計において、1次系配管に発生する応力の低減が設計成立の重要な鍵のひとつである。本件は、炉容器と中間熱交換器を結ぶ基本的な配管系として面内S字型のレイアウトを対象として、想定される寸法範囲で弾性計算によるパラメータサーベイを行い、配管ルーティングに依存した発生応力の傾向を把握し、最適のルーティング候補を選定することを目的とする。得られた主要な見解は以下のとおりである。(1)概して、ノズルよりもエルボ部の応力が厳しくなる。炉容器出口ノズルと中間熱交換器入口ノズル間レベル差と炉容器出口ノズルと液面までの距離を大きくすると、エルボの応力は減少する傾向にある。(2)超90度エルボを適用することで、エルボに発生する応力を大幅に低減することが期待できる。暫定的に応力制限を課した場合、超90度エルボ配管引回しは、従来の90度エルボ配管引回しに比べて広い寸法パラメータ範囲で成立する。(3)告示501号ベースでエルボの応力評価を行った場合、エルボ端部で応力強さが最大となる場合、シェル要素による計算された応力よりも過大となる傾向にある。この場合、エルボ中央と端部最大応力の平均を最大値とみなすことで、簡便かつ保守的に最大応力強さを評価できる。(4)従来の90度エルボによる配管引回しでエルボ部の応力強さが最小となるケース(炉容器出口ノズルと中間熱交換器入口ノズル間レベル差V=7m、炉容器出口ノズルと液面までの距離V1=5m)に対して、105度エルボを前提として、ノズル間レベル差の最小化および同寸法で発生応力の大幅低減という2つの観点からそれぞれについて、V=5m,V1=4mおよびV=7m,V1=5mという代替引回しを提示した。いずれの場合もノズル部の応力は、90度エルボ配管引回しに比べて減少する。
加藤 猛彦*; 浅山 泰
JNC TN9400 2000-047, 114 Pages, 2000/03
JNC-TN9400-2000-047.pdf:8.25MB
溶接時に生じる残留応力を、汎用有限要素コードにより予測することができれば、FBRプラントの強度評価、余寿命評価の信頼性の向上に大きく寄与することができる。本研究では、FINASを用いて残留応力解析を行う手法を検討した。まず、簡易モデルを用いてパラメータを振って予備解析を行い、基本的な手法を提案した。本手法の要点は以下の通りである。(1)熱伝導解析は、予め層数分のモデルを作成しておき、順次データを受け渡す。(2)母材および溶接金属の構成則は多直線近似を用い、硬化則は等方硬化則とする。(3)金属の溶融状態は、応力が発生しないようにユーザサブルーチンで制御する。(4)入熱時の溶接金属の線膨張率は、零と置く。次に、本手法を用いて、狭開先TIG溶接を想定した5層の平板突合せ継手および管の突合せ継手の残留応力を予測し、既往研究結果と比較した。両者は良く一致し、本提案手法の妥当性を確認することができた。
Laurent LE BER*; 笠原 直人
JNC TN9400 2001-011, 14 Pages, 2000/02
JNC-TN9400-2001-011.pdf:0.37MB
高温構造設計ではクリープ疲労損傷が主要破損モードとして想定される。特に溶接部は繰り返し熱過渡荷重が加わる実機条件下において母材より強度が低下するため留意が必要である。このため、CEAとJNCは高温機器における溶接部の強度低減を考慮するため設計評価法を整備してきている。本研究では両者の評価法をSOUFFLE平板曲げクリープ疲労強度試験解析に適用し、材料データと母材に対する溶接部の強度低減の観点から、評価手法と結果の相互比較を行った。CEAとJNCの最終評価結果は試験結果を精度良く予測出来ることが分かった。材料データに関してはJNCの316FR鋼とCEAの316L(N)鋼を比較したところ、両者とも母材が顕著な繰り返し硬化を示すのに対し溶接金属は硬化を示さず、また母材と溶接金属の疲労強度に大きな差がないことから、類似していた。評価法のアプローチに関しては疲労に関して両者に差が見られた。すなわちJNCは母材と溶接金属の材料特性の差による溶接継手の疲労強度低減を考慮するのに対し、CEAは溶接金属の強度低下評価する。クリープ強度に関しては、両者とも母材に対する溶接金属の強度低下割合を係数で評価する。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所およびサクレー研究所にて実施した業務の一部である。
笠原 直人; Laurent LE BER*
JNC TN9400 2001-010, 27 Pages, 2000/01
JNC-TN9400-2001-010.pdf:0.63MB
高温構造設計ではクリープ疲労損傷が主要破損モードとして想定される。特に溶接部は繰り返し熱過渡荷重が加わる実機条件下において母材より強度が低下するため留意が必要である。このため、CEAとJNCは高温機器における溶接部の強度低減を考慮するため設計評価法を整備してきている。本研究では両者の評価法をTTSによる溶接容器の熱過渡強度試験解析に適用し、材料データ、母材部評価、母材に対する溶接部の強度低減の観点から、評価手法と結果の相互比較を行った。この結果、CEAとJNCの評価法の主な違いは、母材部のひずみ集中評価法、緩和初期応力評価法および溶接部の疲労およびクリープ強度低減係数であることが分かった。さらに試験結果と強度評価結果を比較すると、316FR溶接継手に関しては両評価法ともに保守的であり、両者間ではCEAの評価法がJNCに比較して保守的であることが明らかになった。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所およびサクレー研究所にて実施した業務の一部である。
笠原 直人
JNC TN9400 2001-009, 55 Pages, 2000/01
JNC-TN9400-2001-009.pdf:3.11MB
高温構造設計ではクリープ疲労損傷が主要破損モードとして想定される。特に溶接部は、繰り返し熱過渡荷重が加わる実機条件下において母材より強度が低下するため留意が必要である。このため、CEAとJNCは高温機器における溶接部の強度低減を設計で考慮するための評価法を整備してきている。両者の評価法を相互比較するため、日欧高速炉協定に基づく国際協力によりベンチマーク問題を設定した。一つはCEAから出題されたもので、550の温度で繰り返し曲げ荷重を受ける溶接平板の疲労およびクリープ疲労強度評価に関するものである。もう一つはJNCから出題したもので、繰り返し熱過渡荷重を受ける溶接容器のクリープ疲労強度評価に関するものである。後者は大洗のTTS試験装置で実施された試験に関するものであり、着眼点は実機荷重に対する母材と溶接部の総合強度評価に関する裕度と適用性の確認にある。本報告書ではTTSによる試験概要の説明を行うと共にベンチマーク問題を定義する。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
笠原 直人
JNC TN9400 2001-008, 80 Pages, 2000/01
JNC-TN9400-2001-008.pdf:1.67MB
流体温度ゆらぎが構造物に引き起こす応力は、通常板厚内の曲げ応力とピーク応力である。この応力モードに対する解析的評価法として著者は周波数応答関数を提案した。これに対し、高温と低温の配管の合流部近傍に生じるホット/コールドスポットは、配管内に3次元的な温度分布と応力分布を生じさせる可能性がある。本研究では、3次元問題を評価可能とするため、有効拘束係数を導入することによって周波数応答関数の拡張を行った。また、拡張した周波数応答関数をフェニックスの二次系配管合流部近傍に生じたホットスポット問題に適用し、評価精度を検証した。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
笠原 直人; Lejeail, V.*
JNC TN9400 2001-006, 57 Pages, 2000/01
JNC-TN9400-2001-006.pdf:3.17MB
流体温度ゆらぎによる構造物の熱疲労現象は熱流動と構造の両分野に亘る複雑な問題であり、従来その評価にはナトリウムモックアップテストが必要であった。本問題に対する解析による設計法を確立するため、CEAとJNCは評価法の開発を行ってきている。流体温度ゆらぎに対する構造健全性に対して、流体から構造への伝達過程で生じる温度ゆらぎの減衰作用が重要な役割を果たすことが知られている。その減衰の大きさは周波数に依存することから、評価法検証のために周波数制御ナトリウム試験データを用いたベンチマーク問題を計画した。一つはCEAから出題されたもので、温度が周波数制御された平行流を受ける管と平板の温度および疲労評価に関する問題である。もう一つのJNC出題の問題は、周波数制御された垂直ジェットを受ける平板の評価に関するものである。本報告書は両者の実験の詳細を説明し、ベンチマーク問題を定義する。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
笠原 直人
JNC TN9400 2001-005, 40 Pages, 2000/01
JNC-TN9400-2001-005.pdf:0.75MB
流体温度ゆらぎによる構造物の熱疲労現象はサーマルストライピングと呼ばれ、近年実プラントのき裂発生要因となったことから、日欧で評価法の開発が進められている。サーマルストライピングの従来の評価法は、温度ゆらぎデータを波形分解して温度ゆらぎ範囲と繰り返し数に変換し、これを静的に構造へ受け渡す保守的なものであった。これに対し実現象では、高周波温度ゆらぎ成分は流体から構造への伝達過程で振幅が減衰し、低周波ゆらぎは構造内熱伝導による均熱化によって熱応力に変換され難いという特性を有する。本研究では以上の動的効果に着目し、構造の応力応答を合理的に評価する周波数応答関数を提案した。関数は熱流動現象を記述する有効熱伝達関数と、構造力学に関する有効熱応力関数との変数分離型で表される。さらに、提案した関数を設計に適用するため、汎用性を有する無次元パラメータによる設計線図を作成した。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。
Lejeail, V.*; 笠原 直人
JNC TN9400 2001-004, 82 Pages, 2000/01
JNC-TN9400-2001-004.pdf:1.68MB
流体温度ゆらぎによる構造物の熱疲労現象はサーマルストライピングと呼ばれ、従来その評価にはナトリウムモックアップテストが必要であった。これを解析的評価法に置き換えるため、著者らは周波数応答関数法を提案し、FAENA試験とTIFFSS試験データを用いて正弦波温度ゆらぎに対する適用性を検証した。本報告書では、周波数応答関数法の拡張とランダム温度ゆらぎ問題への適用方法について述べる。また例として、フェニックス二次系配管の合流部の熱疲労問題を取り上げ、周波数応答関数法による評価を行った。尚、本内容は1999年9月から2000年8月までの期間にCEAカダラッシュ研究所にて実施した業務の一部である。