高温高圧水中における界面酸化物の反応動力学と応力腐食割れ

• 研究課題/領域番号: 01F00508
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 外国
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 庄子 哲雄 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授
• 研究分担者: LU Zhanpeng 東北大学, 大学院・工学研究科, 外国人特別研究員 ; LU Z.
• 研究期間 (年度): 2001 – 2003
• 研究課題ステータス: 完了 (2003年度)
• 配分額: 1,600千円 (直接経費: 1,600千円); 2003年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2002年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2001年度: 400千円 (直接経費: 400千円)
• キーワード: 応力腐食割れ / き裂進展速度 / 軽水炉 / 高温高圧水 / 理論的定式化 / き裂先端ひずみ速度 / 変形と酸化の相互作用 / 環境助長割れ / 粒界型応力腐食割れ / 高温水 / オーステナイト合金のき裂進展速度 / き裂の発生 / 接触電気抵抗

研究概要

本期間は、軽水炉(LWR)環境下の構造材料における応力腐食割れ(SCC)挙動のモデル化とき裂進展速度の定量化を研究の目標とした。
加圧水型軽水炉(PWR)における圧力容器蓋用管台(VHP)の寿命評価には、Ni基合金のき裂進展挙動をよく理解することが重要である。HAZ(熱影響部)部近傍等、特にPWRプラントのVHPにおけるSCCとしてよく知られている残留応力が存在する領域のき裂進展速度の予測には、き裂進展速度に対するKの時間変化dK/dtを入念に調べる必要がある。
FRIの一般化したき裂進展予測モデルの式を提案し、実験および実機から得たPWRにおける一次側SCC(PWSCC)き裂進展速度を予測した。このモデルは、様々な材料と環境の組合せでもき裂進展速度を予測でき、且つき裂先端部の酸化とき裂先端部の力学的な影響、およびき裂進展に伴うそれらの相乗効果もまた定量化できる。き裂進展における応力拡大係数K、降伏応力、およびdK/dtのもつ意味を数値解析により実証し、他のき裂進展速度モデルによる計算結果と比較した。実験および実プラントから得たき裂進展速度と、本モデルによる数値解析結果はよく一致した。本モデルから見かけの酸化活性化エネルギーを定量化した結果、影響因子の相互作用と思われる一種の加速現象が予期された。従って、その活性化エネルギーを、き裂進展を支配する判断基準として用いる際には注意を要すると指摘した。
実プラント等で経験される材料損傷形態を考慮して、本モデルの式に基づくSCC加速試験方法を詳細に検討した。実際の損傷のK依存性を把握することは重要であり、本研究に基づけば、BWRの炉心シュラウド、再循環ポンプの配管およびPWRのVHPにおいて最近観測されたき裂発生が示唆される。
上述の成果を含め、今までに得られた結果を国際会議にて発表している。

研究成果

• [文献書誌] T.Shoji, G.F.Li, J.H.Kwon, S.Matsushima, Z.P.Lu: "Quantification of Yield Strength Effects on IGSCC of Austenitic Stainless Steels in High Temperature Waters"11th Int.Symp.on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactors ANS, Skamania, USA. 834-844 (2003)
• [文献書誌] T.Shoji, T.Yamamoto, K.Watanabe, Z.P.Lu: "3D-FEM Simulation of EAC Crack Growth Based on the Deformation/Oxidation Mechanism"11th Int.Symp.on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactors ANS, Skamania, USA. 855-861 (2003)
• [文献書誌] Z.P.Lu, T.Shoji: "Environmentally Assisted Cracking Mechanism and Lifetime Prediction of Austenitic Alloys in High Temperature Waters"11^<th> Fracture Mechanics Symposium, the Society of Materials Science, Japan.Oct.2-3, 2003, Otsu, JAPAN. 103-108 (2003)
• [文献書誌] T.Shoji, Z.P.Lu, Q.J.Peng: "Experimental and Numerical Approaches for Characterizing the Crack growth rate of alloy 600 in PWR Primary water and lifetime Prediction for Welded Structures"Conference on Vessel Head Penetration Inspection, Cracking and Repairs.Sept.29-Oct.2, 2003, Gaitherburg, MD, USA. (In press).
• [文献書誌] Z.P.Lu, Y Takeda, T.Shoji: "Effects of Environmental Factors on Electronic Properties of Interfacial Oxide Film on 304L Stainless Steel in High Temperature Pure Water"Key Engineering Materials. Vol.261-263. 919-924 (2004)
• [文献書誌] Zhanpeng LU, Qunjia PENG, Tetsuo SHOJI: "Crack Growth Rate of Grain Boundary Model Alloy in PWR Primary Water"2002' ICG-EAC-A meeting, July25-26, 2002, Sendai, Japan. 175-184 (2002)
• [文献書誌] Zhanpeng LU, Qunjia PENG, Tetsuo SHOJI: "Review on Low Temperature Crack Propagation of Alloy 690"2002' ICG-EAC-A meeting, July25-26, 2002, Sendai, Japan. 203-210 (2002)
• [文献書誌] Z.P.Lu*, R.Kanetani, G.F.Li, Q.J.Peng, T.Shoji: "Environmentally Assisted Crack Growth Behavior of Simulated Grain Boundary Materials in PWR Primary Water"IAEA Technical Meeting on Corrosion, Fatigue and Other Time and Load Dependent Degradation Mechanisms other than Irradiation. Mar. 11-13, 2003. Stretton, Warrington, Cheshire, England, UK. (To be presented). (2003)