2015 Fiscal Year Research-status Report
先進耐熱材料の多軸応力下での高温損傷、破壊の予測モデル開発
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26420036
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
田淵 正明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 材料信頼性評価ユニット, グループリーダー (60354239)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本郷 宏通 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 材料情報ステーション, 主幹エンジニア (40354237)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 材料力学 / 破壊力学 / 損傷力学 / 高温材料 / クリープ / 高効率火力発電 / USCプラント / A-USCプラント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
CO2排出量の削減のために火力発電プラントの高効率化が進められている。600℃級USCおよび700℃級A-USCプラントで長期間使用される高Cr鋼とNi基合金および溶接構造体の安全性・信頼性の向上は重要な研究課題である。本年度は、以下の研究を実施した。
(1) USCプラント用のGr.91鋼（４ヒート）について、母材、再現HAZ材及び溶接継手の長時間クリープ試験（約50,000h）を実施した。Gr.91鋼溶接継手は、高温ではHAZで破断するが、600℃で50,000hを超えて破断した３個の試験片は、溶接金属で破断していた。30,000hを超えると溶接金属の硬さが急に低下し、溶接金属破断に移行することを明らかにした。
(2) 母材および再現HAZ材のクリープデータを用いて、FEMと損傷力学解析を行い、溶接継手のクリープ寿命を予測した。時間消費則、延性消費則、損傷力学を用いた計算解析では、いずれも多軸応力の効果を考慮することによって比較的良い寿命予測ができた。しかし、10,000hを超えるような場合には、実験値よりも危険側の予測となった。多軸応力に関わる係数や延性が長時間側で小さくなることが考えられ、計算手法の改良を検討している。
(3) USC用の高Cr鋼について、環状切欠試験片を用いたクリープき裂成長（CCG）試験を行い、多軸応力の効果に関わる係数について検討した。A-USC用のNi基合金、高B-9Cr鋼及びA-USC用異材溶接継手についても、CCG試験に着手し、同様の検討を行っている。Bを添加し粒界を強化した高B-9Cr鋼では、クリープき裂の発生・成長抵抗が、既存高Cr鋼よりもかなり改善されていることが分かった。
(4) 高温破壊解析を行う計算コードを改良し、高Cr鋼溶接部の破壊力学パラメータ値に及ぼす板厚、サイドグルーブ、HAZ幅や溶接金属の影響について３次元解析を行い、変形拘束の影響を明らかにした。また、３次元のCCGシミュレーションに着手し、き裂成長のクライテリアと多軸応力の影響について検討を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計算解析の基本となるUSC、A-USCプラント用耐熱材料のクリープひずみデータの取得はほぼ終了している。また、耐熱材料と溶接継手の高温き裂成長試験も計画通り実施中である。多軸応力下での高温損傷、破壊を解析するための３次元計算コードの開発、改良も予定どおり進んでおり、検証計算を行い妥当な計算結果も得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き以下の実験と計算解析を行っていく計画である。
（１）前年度に引き続き、USC、A-USCプラント用耐熱材料のクリープひずみ特性を取得し、計算解析の基本となるクリープ構成式の構築、改良を行う。
（２）前年度に引き続き、USC、A-USCプラント用耐熱材料と溶接継手について、高温き裂成長試験を実施し、高温破壊特性を明らかにする。
（３）（１）で取得したデータを用いて、損傷力学解析、破壊力学解析を実施し、耐熱材料と溶接継手の高温損傷・破壊のクライテリアに及ぼす材料特性（延性、粒界強度）と多軸応力に関わる係数を明らかにする。
（４）実験結果と計算結果を比較しながら、USC、A-USCプラント用耐熱材料と溶接継手の高温損傷・破壊のシミュレーションを行う計算モデルとプログラムの改良を進める。
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