JP2001235104A

JP2001235104A - Crack growth monitoring method and device

Info

Publication number: JP2001235104A
Application number: JP2000052140A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Tachibana; 正彦橘; Naoto Uetake; 直人植竹
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】任意所望な荷重が試験片に負荷されつつ、一
定応力拡大係数下で亀裂進展速度を高精度に評価するこ
と。【解決手段】一対のはりを備えた試験片２が任意環境
下におかれた状態で、該試験片２の亀裂進展部に発生し
ている亀裂９１の進展速度が直流電位差法により評価さ
れるに際し、亀裂進展部に引張り応力が負荷されるべ
く、一対のはりを押し開く方向に、途中での除荷負荷可
として、かつ直接間接に任意大きさとして該はりに圧電
素子２２から負荷される荷重は、該荷重の圧電素子２３
による測定結果により所望にフィードバック制御されつ
つ、上記亀裂９１の進展速度が評価されるようにしたも
のである。 PROBLEM TO BE SOLVED: To evaluate a crack growth rate with high accuracy under a constant stress intensity factor while an arbitrary desired load is applied to a test piece. SOLUTION: In a state where a test piece 2 having a pair of beams is placed in an arbitrary environment, a growth rate of a crack 91 generated in a crack growth portion of the test piece 2 is evaluated by a DC potential difference method. At this time, in order to apply a tensile stress to the crack propagation portion, a pair of beams can be pushed open, a load can be unloaded in the middle, and the beam is directly and indirectly applied to the beam as an arbitrary size from the piezoelectric element 22. The load is the piezoelectric element 23 of the load.
In this case, the propagation speed of the crack 91 is evaluated while feedback control is desirably performed according to the measurement result of the above.

Description

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、原子力発電プラン
トや火力発電プラント等の発電プラント、化学プラン
ト、ボイラー等において、室温よりも高温な液体中に浸
漬され、かつ自重や溶接、加工等による残留応力等の影
響により連続的に引張応力が生じている状態で使用され
ている金属材料自体の健全性、特にその金属材料自体に
生じている応力腐食割れによる亀裂の進展速度を評価す
るための亀裂進展モニタリング方法とその装置に関する
ものである。The present invention relates to a power plant such as a nuclear power plant or a thermal power plant, a chemical plant, a boiler, etc., which is immersed in a liquid having a temperature higher than room temperature, and has a residual weight due to its own weight, welding, processing, etc. Cracks to evaluate the soundness of metal materials used in a state where tensile stress is continuously generated due to the effects of stress, especially the rate of crack growth due to stress corrosion cracking occurring in the metal materials themselves It relates to a progress monitoring method and its device.

【０００２】[0002]

【従来の技術】発電用原子炉の一つとして沸騰水型原子
炉（以下、ＢＷＲと称す）が挙げられるが、このＢＷＲ
では、炉心で原子炉冷却材（軽水）を沸騰させ、それに
より生じる高温高圧の飽和蒸気が主蒸気系配管を介し蒸
気タービンに送られ、蒸気タービンが回転駆動されるこ
とで発電が行われるものとなっている。従って、ＢＷＲ
が稼動状態にある間、その内部は常時、高温高圧な水・
蒸気に曝されているものである。2. Description of the Related Art A boiling water reactor (hereinafter, referred to as BWR) is one of the nuclear reactors for power generation.
In this, the reactor coolant (light water) is boiled in the reactor core, and the high-temperature and high-pressure saturated steam generated by this is sent to the steam turbine via the main steam system piping, and the steam turbine is driven to rotate to generate power. It has become. Therefore, BWR
While the is in operation, the inside of the
It has been exposed to steam.

【０００３】ところで、ＢＷＲ内の機器材料として使用
されるものの一つとして、ステンレス鋼が挙げられる。
このステンレス鋼には比較的高濃度の炭素が含有されて
いるが、このステンレス鋼には、材料・環境・応力の組
合せがある一定の条件を満たす時に、割れを伴う腐食で
ある応力腐食割れが生じるものとなっている。[0003] Incidentally, one of the materials used as a device material in a BWR is stainless steel.
This stainless steel contains a relatively high concentration of carbon.However, when the combination of material, environment, and stress satisfies certain conditions, this stainless steel is subject to stress corrosion cracking, which is corrosion accompanied by cracking. Is what happens.

【０００４】この応力腐食割れ因子について簡単に説明
すれば、先ず材料が持つ応力腐食割れ因子（材料因子）
としては、その材料自体の組成や組織が挙げられる。含
有炭素量が比較的多いステンレス鋼においては、ある特
定の熱履歴によって組成の偏析を起こすが、これが応力
腐食割れの原因の一つであるとされている（因みに、応
力腐食割れ感受性が高い状態になることを鋭敏化とい
う）。しかしながら、現在、生産されているステンレス
鋼はその精練技術の向上により、炭素濃度の低い製品が
供給されており、その分、応力腐食割れの発生する可能
性は低減化されたものとなっている。また、環境が持つ
応力腐食割れ因子（環境因子）としては、材料が曝され
ている雰囲気中での酸素・過酸化水素等の酸化種濃度が
挙げられる。ＢＷＲ内では、冷却材としての水が放射線
により分解され、過酸化水素・酸素が生成されている
が、これらが応力腐食割れの原因の一つとされている。
これは、近年、ラボ実験によって得られたデータより、
酸素・過酸化水素がある濃度以下に制御される場合は、
応力腐食割れが抑制され得ることが知れているからであ
る。更に、応力が持つ腐食割れ因子（応力因子）として
は、溶接や加工による残留応力の影響が挙げられ、ある
一定以上の引張り応力下でのみ応力腐食割れが発生され
るものとなっている。亀裂先端での応力因子は応力拡大
係数で表され、応力拡大係数は亀裂の形状が全く同一で
あれば荷重に比例するが、ラボ実験の結果からして、あ
る一定以下の応力拡大係数では、応力腐食割れが進展し
ないことが報告されているからである。結局、応力腐食
割れは、材料・環境・応力の何れか１つの因子が緩和さ
れるだけでも、ある程度、抑制可能とされているもので
ある。[0004] The stress corrosion cracking factor will be briefly described. First, the stress corrosion cracking factor (material factor) of the material is described.
Examples include the composition and texture of the material itself. In stainless steel with a relatively high carbon content, segregation of the composition occurs due to a specific thermal history, and this is considered to be one of the causes of stress corrosion cracking (in the state of high sensitivity to stress corrosion cracking) Is called sensitization). However, the stainless steels currently being produced are supplied with low carbon content due to the improvement of the refining technology, and the possibility of occurrence of stress corrosion cracking has been reduced accordingly. . The stress corrosion cracking factor (environmental factor) of the environment includes the concentration of oxidizing species such as oxygen and hydrogen peroxide in the atmosphere to which the material is exposed. In the BWR, water as a coolant is decomposed by radiation to generate hydrogen peroxide and oxygen, which are considered to be one of the causes of stress corrosion cracking.
This is from recent data obtained from laboratory experiments.
If oxygen and hydrogen peroxide are controlled below a certain concentration,
It is because it is known that stress corrosion cracking can be suppressed. Further, the corrosion cracking factor (stress factor) of the stress includes the influence of residual stress due to welding and processing, and stress corrosion cracking is generated only under a certain or more tensile stress. The stress factor at the crack tip is represented by the stress intensity factor, which is proportional to the load if the shape of the crack is exactly the same. This is because it has been reported that stress corrosion cracking does not progress. As a result, stress corrosion cracking can be suppressed to some extent even if only one of the factors of material, environment, and stress is reduced.

【０００５】従って、運転開始から数十年を経過したプ
ラントでは、比較的高濃度の炭素を含むステンレス鋼が
依然として使用されていることから、これまでにも、材
料・環境・応力といった応力腐食割れの３因子緩和によ
る予防保全措置が試みられているのが実情である。その
際、材料因子改善上の最も確実な方法は低炭素材に交換
することであるが、炉底部等、その交換が困難な部位・
領域にある構造材については、他の因子の緩和により予
防保全を行わざるを得ないものとなっている。また、応
力因子の改善方法としては、固体（金属微粒子）を材料
表面に高速噴射することで、その材料表面に圧縮応力を
加えるショットピーニングや、高圧液体を材料表面に噴
射し、材料表面に圧縮応力を加えるウォータージェット
ピーニングが挙げられるが、これら方法も、アクセスが
困難な炉底部構造材に対する予防保全策としては不適当
なものとなっている。よって、炉底部のように、作業ア
クセスが困難な部位・領域に存在している構造材に対し
ては、せいぜい、環境因子の緩和による予防保全が考え
られている程度である。その環境因子の緩和方法である
が、その方法としては、過酸化水素・酸素を水素と反応
させ、水に還元することによって、酸化種濃度を低減化
する水素注入技術が挙げられ、実際に普及しているのが
実情である。ところで、その水素注入効果を含む水質緩
和による応力腐食割れ予防保全策の評価手法としては、
冷却水中に含まれる酸素・過酸化水素等の酸化種濃度が
水素注入により如何程、減少したかを実測の上、評価す
る手法と、金属が溶液中に浸漬された際に生じる自然浸
漬電位、即ち、腐食電位（冷却水中の過酸化水素・酸素
等の酸化種濃度により変化する）を実測の上、評価する
手法とが広く用いられたものとなっている。しかしなが
ら、最近、実機プラントでの同一腐食環境に対する実測
データからは、前者による評価結果では、水素注入効果
が大とされるも、後者によるそれでは、その効果が小さ
い、といった具合に水素注入効果の度合いが異なるとい
う報告がなされており、水素注入効果の評価指標の統一
化が求められているのが実情である。従って、このよう
な事情を考慮すれば、酸化種濃度や腐食電位を用いて間
接的に亀裂進展速度を評価するよりも、実評価目標とし
ての亀裂進展速度は、むしろ、実機炉内で直接的に測定
された上、評価されるのが望ましいものとなっている。[0005] Therefore, in a plant several decades after the start of operation, stainless steel containing a relatively high concentration of carbon is still used. The fact is that preventive maintenance measures are being attempted by alleviating the three factors. At that time, the most reliable way to improve the material factor is to replace it with a low-carbon material.
Preventive maintenance of structural materials in the area has to be carried out by mitigating other factors. In addition, as a method of improving the stress factor, solid (metal fine particles) is injected at high speed to the material surface to apply compressive stress to the material surface, such as shot peening, or high pressure liquid is injected to the material surface to compress it Although water jet peening under stress is mentioned, these methods are also unsuitable as preventive maintenance measures for hard-to-access furnace bottom structural members. Therefore, for structural materials existing in parts and areas where access to work is difficult, such as the furnace bottom, preventive maintenance by alleviating environmental factors is considered at most. This is a method of mitigating the environmental factors. One of the methods is hydrogen injection technology that reduces the concentration of oxidizing species by reacting hydrogen peroxide and oxygen with hydrogen and reducing it to water. That is the fact. By the way, as an evaluation method of stress corrosion cracking prevention maintenance measures by water quality mitigation including the hydrogen injection effect,
A method to measure and evaluate how much the concentration of oxidizing species such as oxygen and hydrogen peroxide contained in cooling water has been reduced by hydrogen injection, and a natural immersion potential generated when a metal is immersed in a solution. That is, a technique of actually measuring and evaluating the corrosion potential (which changes depending on the concentration of oxidizing species such as hydrogen peroxide and oxygen in the cooling water) has been widely used. However, recently, from the actual measurement data for the same corrosive environment in the actual plant, the hydrogen injection effect is large in the former evaluation result, but the hydrogen injection effect is small in the latter evaluation. Have been reported to be different, and the fact is that unification of the evaluation index of the hydrogen implantation effect is required. Therefore, considering such circumstances, rather than indirectly evaluating the crack growth rate using the oxidizing species concentration and corrosion potential, the crack growth rate as the actual evaluation target is more directly measured in the actual furnace. It is desirable to be measured and evaluated.

【０００６】一方、ラボ実験における炉内機器の応力腐
食割れ評価方法としては、３つの方法、即ち、定荷重
法、定歪み速度法、定歪み法に大別されるものとなって
いる。このうち、定荷重法では、荷重が高精度に制御さ
れる必要があり、モータやアクチェータ、てこ等の専用
荷重負荷装置を使用して荷重が負荷されているのが一般
的である。しかしながら、このような荷重負荷装置は小
型化が困難であり、実機炉内での測定には不向きであ
る。また、定歪み速度法では、試験片に非常に低い速度
で歪みを与え続け、破断迄の時間や伸びと応力の関係、
応力破断面観察から材料の健全性が調査されているが、
この方法によれば、試験片は強制的に破断させられるこ
とから、亀裂進展速度測定用センサとしては不向きであ
る。更に、定歪み法では、治具を使用して試験片に塑性
歪みを与えて試験環境中に放置し、一定時間後における
材料の損傷度に基づいて、その環境における材料の耐久
性が評価されており、試験片をＵ字型に固定するＵ−ベ
ンド法や、同じくボルト・ナットを使用してＣ字型に固
定するＣ−リング法、専用の治具を使用して試験片を２
点支持ばり状に歪みを付与するベントビーム法等が一般
的である。On the other hand, methods for evaluating stress corrosion cracking of furnace equipment in laboratory experiments are roughly classified into three methods, namely, a constant load method, a constant strain rate method, and a constant strain method. Among these, the constant load method requires that the load be controlled with high precision, and the load is generally applied using a dedicated load application device such as a motor, an actuator, or a lever. However, such a load applying device is difficult to miniaturize, and is not suitable for measurement in a real furnace. In the constant strain rate method, the specimen is continuously strained at a very low speed, and the time until fracture or the relationship between elongation and stress,
Although the soundness of the material has been investigated from the observation of the stress fracture surface,
According to this method, since the test piece is forcibly broken, it is not suitable as a sensor for measuring a crack growth rate. Further, in the constant strain method, a test piece is subjected to plastic strain by using a jig and left in a test environment, and the durability of the material in the environment is evaluated based on the degree of damage of the material after a predetermined time. The U-bend method is used to fix the test piece in a U-shape, the C-ring method is used to fix the test piece in a C-shape using bolts and nuts.
A bent beam method or the like in which a point-supported beam is strained is generally used.

【０００７】従って、以上の方法の中では、定歪み法が
最も構成簡単にして、容易に実施可能とされているが、
定歪み法による高温高圧水中内高応力負荷環境下での測
定では、亀裂の進展により応力条件が変化するため、あ
る一定の応力拡大係数下での亀裂進展速度測定には適さ
ないものとなっている。しかしながら、定歪み法の一つ
として、試験片に一定の弾性歪みを与えて試験環境中に
放置し、一定時間後における材料の損傷度に基づいて、
その環境における材料の耐久性を評価する手法が知られ
ている。試験片として二重片持ちばり型試験片を使用
し、試験片の弾性歪みを利用して試験片の亀裂進展部に
引張り応力を生じさせ、その状態で一定期間中、被測定
環境に曝し、この期間中に進展した亀裂長さから耐久性
を評価する手法が一般的とされているが、この手法によ
れば、定歪み試験乍らも、弾性歪みの回復力を利用して
荷重が負荷されていることから、弾性変形の回復力によ
り試験片には荷重が負荷され得るものとなっている。従
って、定荷重試験に近い試験が可能であり、炉内での亀
裂進展速度測定を目的とする場合には、その手法が最適
となっている。Accordingly, among the above methods, the constant distortion method is the simplest in structure and can be easily implemented.
In the measurement under the high stress load environment in high temperature and high pressure water by the constant strain method, the stress condition changes due to the crack growth, so it is not suitable for the crack growth rate measurement under a certain stress intensity factor. I have. However, as one of the constant strain methods, a test piece is given a certain elastic strain and left in a test environment, and based on a degree of material damage after a certain time,
Techniques for evaluating the durability of a material in that environment are known. Using a double cantilever beam type test piece as a test piece, using the elastic strain of the test piece to generate a tensile stress in the crack propagation part of the test piece, in that state, for a certain period of time, exposed to the environment to be measured, It is generally considered that the durability is evaluated based on the crack length developed during this period. According to this method, the load is applied by using the recovery force of the elastic strain while performing the constant strain test. Therefore, a load can be applied to the test piece by the recovery force of the elastic deformation. Therefore, a test close to a constant load test is possible, and when the purpose is to measure the crack growth rate in a furnace, the method is optimal.

【０００８】尤も、これまでにも、試験片のはり部分に
弾性変形を与え、この回復力を利用する手法が多く採用
されている。試験片に弾性歪みを与える手段としては、
特開平６−３２３９６８号公報に示されているように、
硬質材料により歪みを生じさせるものが一般的である
が、特開平５−３４０８５８号公報の実施例に示されて
いるように、密閉系に封入されたガスや水の圧力を利用
して弾性歪みを生じさせるものも知られている。[0008] Until now, many methods have been adopted so far, in which a beam portion of a test piece is elastically deformed and the recovery force is used. As a means for giving an elastic strain to the test piece,
As shown in JP-A-6-323968,
Generally, a hard material causes strain, but as shown in the embodiment of JP-A-5-340858, elastic strain is generated by utilizing the pressure of gas or water sealed in a closed system. Are also known.

【０００９】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６−３２３９６８号公報に示されている、硬質材料によ
り歪みを生じさせる手法において、二重片持ちばり型試
験片に、弾性歪みのスプリングバック(弾性回復)を利用
した引張り応力を生じさせるためには、試験片に歪みを
生じさせる必要があるが、試験片に歪みを生じさせた
時、塑性歪みと弾性歪みの和が全歪みとして生じる。高
温環境中での試験においては、全歪み一定として行う方
法が一般的であり、試験前に室温にて歪みを付与し、そ
の後昇温して試験環境に曝す。高温高圧水中の高応力負
荷環境下での測定では、治具や試験片の膨張率の相違や
リラクゼーション等により、試験中に負荷応力が変化す
るため、一定応力拡大係数での亀裂進展速度の定量的測
定には不向きである。このような試験に用いる試験片で
は、塑性歪みに比し弾性歪みの割合が多く、かつ試験期
間中に変化しないことが望ましい。しかしながら、実際
には、クリープにより塑性歪みが増加し、弾性歪みが減
少することは避けられない。即ち、リラクゼーションに
より弾性変形が減少する結果として、試験片に負荷され
る荷重は減少する。また、歪み一定で試験した場合、亀
裂が進展するに伴い歪みが回復することから、亀裂進展
部に負荷される荷重が減少する。However, in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-323968, in which a strain is caused by a hard material, a spring-back of an elastic strain is applied to a double cantilever type test piece. In order to generate tensile stress using elastic recovery), it is necessary to generate a strain in the test piece. When strain is generated in the test piece, the sum of plastic strain and elastic strain is generated as total strain. In a test in a high-temperature environment, a method is generally performed in which the entire strain is kept constant. Strain is applied at room temperature before the test, and then the temperature is raised and the test environment is exposed. In the measurement under high stress load environment in high temperature and high pressure water, since the applied stress changes during the test due to the difference in the expansion rate of the jig and the test piece and the relaxation, etc., the crack growth rate at a constant stress intensity factor is determined. Not suitable for objective measurement. In the test piece used for such a test, it is desirable that the ratio of elastic strain is larger than that of plastic strain and that the ratio does not change during the test period. However, in practice, it is inevitable that creep increases plastic strain and decreases elastic strain. That is, as a result of the reduction in elastic deformation due to relaxation, the load applied to the test piece decreases. In addition, when the test is performed with a constant strain, the strain is recovered as the crack progresses, so that the load applied to the crack propagation portion decreases.

【００１０】一方、通常のラボ試験において、亀裂が不
活性化した際には、一時的に荷重を低下させ、直ちに元
の荷重に戻す除荷負荷という操作が一般的に採られてい
るが、硬質材料により歪みを生じさせる手法では、一旦
試験が開始されたならば、荷重を変化させることは不可
となっている。従って、一旦亀裂が不活性化した試験片
では、それ以降、水質に依存した亀裂進展速度は得られ
ないことになる。これら理由により硬質材料により歪み
を生じさせる手法では、同一環境中における応力腐食割
れとして測定される亀裂進展速度が真の値とは異なる可
能性があり、材料に及ぼす環境の影響が正確に評価され
得ない虞があるというものである。[0010] On the other hand, in a normal lab test, when a crack is inactivated, an operation of temporarily reducing the load and immediately returning to the original load is called an unloading operation. In the technique of causing strain by a hard material, it is impossible to change the load once the test is started. Therefore, in the test piece in which the crack was once inactivated, the crack growth rate depending on the water quality cannot be obtained thereafter. For these reasons, the strain induced by hard materials may cause the crack growth rate measured as stress corrosion cracking in the same environment to be different from the true value, and the effect of the environment on the material can be accurately evaluated. There is a possibility that it cannot be obtained.

【００１１】また、特開平５−３４０８５８号公報に示
されているように、荷重負荷手段として、密閉系に封入
されたガスや水の圧力を利用して弾性歪みを生じさせる
ものでは、試験中でも除荷負荷を含む荷重制御が可能で
あり、応力拡大係数を一定に保った試験が可能である。
しかしながら、その荷重負荷手段では、密閉系内の圧力
と、試験環境での圧力（以下、外圧と称す）との圧力差
を利用して荷重が負荷されており、外圧が急激に変化し
た場合には、試験片に負荷されている荷重も変化するこ
とから、一定応力拡大係数とはならない可能性があるも
のとなっている。これに加え、外圧が急激に著しく低下
した場合には、差圧が過大となり、最悪の場合、試験片
が破壊され試験の続行が不可能となるばかりか、原子炉
内での測定の場合には、炉水による不必要な汚染や、ロ
ストパーツとなる可能性も考えられるものとなってい
る。Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-340858, as a means for applying a load, an elastic strain is generated by using the pressure of gas or water sealed in a closed system. Load control including unloading load is possible, and a test with a constant stress intensity factor is possible.
However, the load is applied using the pressure difference between the pressure in the closed system and the pressure in the test environment (hereinafter, referred to as external pressure), and when the external pressure changes rapidly, Since the load applied to the test piece also changes, the stress intensity factor may not be constant. In addition, if the external pressure drops sharply and sharply, the differential pressure becomes excessive, and in the worst case, the test piece is destroyed and the test cannot be continued. It is considered that unnecessary contamination by reactor water and the possibility of lost parts may occur.

【００１２】本発明の第１の目的は、実機炉内やラボ実
験等において、一対のはり（梁）を備えた試験片を用い
亀裂進展速度が評価されるに際し、大規模な荷重負荷装
置等を不要として、かつ試験中での除荷負荷可として、
任意所望な荷重が試験片に負荷されつつ、亀裂進展速度
が連続的に評価され得る亀裂進展モニタリング方法とそ
の装置を供するにある。本発明の第２の目的は、実機炉
内やラボ実験等において、一対のはりを備えた試験片を
用い亀裂進展速度が評価されるに際し、大規模な荷重負
荷装置等を不要として、かつ試験中での除荷負荷可とし
て、荷重がフィードバック制御された状態として試験片
に負荷されることで、従って、任意所望な荷重が試験片
に負荷されつつ、一定応力拡大係数下で亀裂進展速度が
連続的に評価され得る亀裂進展モニタリング方法とその
装置を供するにある。A first object of the present invention is to evaluate a crack growth rate using a test piece having a pair of beams (beams) in an actual furnace or in a laboratory experiment, etc. Is unnecessary and the unloading load during the test is possible.
An object of the present invention is to provide a crack growth monitoring method and a crack growth monitoring method capable of continuously evaluating a crack growth rate while an arbitrary desired load is applied to a test piece. A second object of the present invention is to eliminate the need for a large-scale load-applying device and the like when evaluating the crack growth rate using a test piece having a pair of beams in an actual furnace or a laboratory experiment. As the load can be unloaded, the load is applied to the test piece in a feedback-controlled state, so that the crack growth rate can be increased under a constant stress intensity factor while any desired load is applied to the test piece. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for monitoring crack growth that can be continuously evaluated.

【００１３】[0013]

【課題を解決するための手段】上記第１の目的は、一対
のはりを供えた試験片が任意環境下におかれた状態で、
該試験片の亀裂進展部に発生している亀裂の進展速度
が、直流電位差法により評価されるに際しては、亀裂進
展部に引張り応力が負荷されるべく、一対のはりを押し
開く方向に、途中での除荷負荷可として、かつ直接間接
に任意大きさの荷重が負荷されつつ、上記亀裂の進展速
度が連続的に評価されることで達成される。また、装置
構成としては、亀裂進展部に引張り応力が負荷されるべ
く、一対のはりを押し開く方向に、途中での除荷負荷可
として、かつ任意大きさの荷重を該はりに負荷するため
の荷重負荷手段が、該はりに直接設けられるか、又は亀
裂進展部に引張り応力が負荷されるべく、一対のはりを
押し開く方向に、荷重負荷治具を介し途中での除荷負荷
可として、かつ任意大きさの荷重を該はりに負荷するた
めの荷重負荷手段が、該荷重負荷治具に設けられること
で達成される。The first object of the present invention is to provide a test piece provided with a pair of beams in an arbitrary environment,
When the growth rate of the crack generated in the crack growth portion of the test piece is evaluated by the DC potential difference method, in order to apply a tensile stress to the crack growth portion, the pair of beams are pushed in the direction of being pushed open. This is achieved by continuously evaluating the growth rate of the crack while applying a load of an arbitrary magnitude directly and indirectly while allowing the load to be unloaded. Further, as a device configuration, in order to apply a tensile stress to the crack propagation portion, in the direction to push open a pair of beams, to allow unloading load in the middle, and to apply a load of any size to the beam. The load applying means is provided directly on the beam, or in order to apply a tensile stress to the crack propagation part, in the direction of pushing and opening the pair of beams, allowing unloading load on the way via a load applying jig. This is achieved by providing a load applying means for applying a load of an arbitrary magnitude to the beam to the load applying jig.

【００１４】上記第２の目的はまた、一対のはりを供え
た試験片が任意環境下におかれた状態で、該試験片の亀
裂進展部に発生している亀裂の進展速度が、直流電位差
法により評価されるに際しては、亀裂進展部に引張り応
力が負荷されるべく、一対のはりを押し開く方向に、途
中での除荷負荷可として、かつ直接間接に任意大きさと
して該はりに負荷される荷重は、該荷重の測定結果によ
り所望にフィードバック制御されつつ、上記亀裂の進展
速度が連続的に評価されることで達成される。また、装
置構成としては、亀裂進展部に引張り応力が負荷される
べく、一対のはりを押し開く方向に、途中での除荷負荷
可として、かつ任意大きさの荷重を該はりに負荷するた
めの荷重負荷手段と、該荷重負荷手段から該はりへの荷
重を測定した上、該荷重を所望にフィードバック制御す
るための荷重測定手段とが、上記一対のはり間に直接設
けられるか、又は亀裂進展部に引張り応力が負荷される
べく、一対のはりを押し開く方向に荷重負荷治具を介
し、途中での除荷負荷可として、かつ任意大きさの荷重
を該はりに負荷するための荷重負荷手段と、該荷重負荷
手段から該はりへの荷重を測定した上、該荷重を所望に
フィードバック制御するための荷重測定手段とが、該荷
重負荷治具に設けられることで達成される。A second object of the present invention is to provide a test piece provided with a pair of beams in an arbitrary environment, wherein the rate of growth of a crack generated in a crack growth portion of the test piece is determined by a DC potential difference. When evaluated by the method, in order to apply a tensile stress to the crack propagation part, in order to push open a pair of beams, unloading is possible on the way, and the beam is directly and indirectly applied to the beam as an arbitrary size. The load to be applied is achieved by continuously evaluating the growth rate of the crack while performing desired feedback control based on the measurement result of the load. Further, as a device configuration, in order to apply a tensile stress to the crack propagation portion, in the direction to push open a pair of beams, to allow unloading load in the middle, and to apply a load of any size to the beam. And a load measuring means for measuring the load on the beam from the load applying means and for performing desired feedback control of the load, is directly provided between the pair of beams, or a crack. In order to apply a tensile stress to the extension part, a load for allowing unloading load on the way through a load applying jig in the direction of pushing and opening the pair of beams, and for applying a load of any magnitude to the beam. This is achieved by providing the load applying jig with a load means and a load measuring means for measuring the load on the beam from the load applying means and then performing desired feedback control of the load.

【００１５】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図１から図８により説明する。先ず図２にＡＳＴＭやＪ
ＳＭＥにより規定されている形態の二重片持ちばり試験
片、即ち、ＣＴ（ Compact Tension）試験片１を示す。
二重片持ちばり試験片においては、はりの歪みと亀裂進
展部に生じる応力拡大係数との間には、相関が求められ
るものとなっている。即ち、はり部分の歪みが制御され
ることによって、亀裂進展部に負荷される応力拡大係数
が制御され得るものである。本発明による亀裂進展モニ
タリング装置では、試験片のはり部に設けられた荷重負
荷用圧電素子への印加電圧が調整されることで、試験片
に付与される歪みを制御して荷重を負荷し、これにより
試験中においても、亀裂進展部に付与される応力拡大係
数が所望の値に調整可能とされたものとなっている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. First, ASTM and J
1 shows a double cantilever test piece of a form defined by SME, that is, a CT (Compact Tension) test piece 1.
In the double cantilever beam test specimen, a correlation is required between the strain of the beam and the stress intensity factor generated in the crack propagation part. That is, by controlling the strain at the beam portion, the stress intensity factor applied to the crack propagation portion can be controlled. In the crack growth monitoring device according to the present invention, the voltage applied to the load-applying piezoelectric element provided at the beam portion of the test piece is adjusted, thereby controlling the strain applied to the test piece and applying a load, As a result, even during the test, the stress intensity factor applied to the crack propagation portion can be adjusted to a desired value.

【００１６】図３は本発明に係る、試験片への荷重負荷
原理を示したものである。図示のように、二重片持ちば
り試験片２のノッチの部分に対しては、絶縁材５１を介
し圧電素子２１が挿入されているが、その圧電素子２１
の両端には、電圧印加用電線６１を介し電圧源８５から
の電圧が印加可として構成されたものとなっている。圧
電素子２１に印加される電圧が０Ｖの時に、二重片持ち
ばり試験片２のはり部分には全く歪みが発生しない状態
となるよう、圧電素子２１及び絶縁材５１がノッチ部分
に装荷されているものであるが、この状態で試験環境に
曝し、電圧源８５からの電圧が電圧印加用電線６１を介
し、圧電素子２１に印加されるようにしたものである。
その結果、圧電素子２１には印加電圧に応じた歪みが生
じ、２重片持ちばり試験片２のはり部分が押し開かれる
ことで、はり部分に歪みを生じさせるものである。これ
により、亀裂９１のある亀裂進展部には引張り応力が負
荷されるものである。このような方法による場合、歪み
は圧電素子に印加される電圧のみに依存し、試験片のお
かれている環境には依存しないことから、外乱に対する
測定条件の変化が抑制され得、この結果として、一定応
力拡大係数下での試験が可能となるものである。FIG. 3 shows the principle of applying a load to a test piece according to the present invention. As shown in the drawing, the piezoelectric element 21 is inserted into the notch portion of the double cantilever test piece 2 via an insulating material 51.
Are configured such that a voltage from a voltage source 85 can be applied thereto via a voltage application wire 61. When the voltage applied to the piezoelectric element 21 is 0 V, the piezoelectric element 21 and the insulating material 51 are loaded on the notch portion so that no distortion occurs in the beam portion of the double cantilever beam test piece 2. However, in this state, the piezoelectric element 21 is exposed to a test environment, and the voltage from the voltage source 85 is applied to the piezoelectric element 21 via the voltage application wire 61.
As a result, distortion is generated in the piezoelectric element 21 in accordance with the applied voltage, and the beam portion of the double cantilever beam test piece 2 is pushed open, thereby causing distortion in the beam portion. As a result, a tensile stress is applied to the crack extension having the crack 91. In the case of such a method, since the strain depends only on the voltage applied to the piezoelectric element and does not depend on the environment in which the test piece is placed, a change in the measurement condition with respect to disturbance can be suppressed, and as a result, This enables testing under a constant stress intensity factor.

【００１７】しかしながら、高温水中での試験では、ク
リープやリラクゼーションにより試験中に応力拡大係数
が変化し、また、圧電素子に印加される電圧と歪み量と
の関係にはヒステリシスが存在するため、必ずしも圧電
素子に印加される電圧と亀裂進展部に生じる応力拡大係
数とが１対１に対応するとは限らない。この問題を解消
するためには、電流源により圧電素子を駆動し、電荷量
で制御する方法や、静電容量を圧電素子と直列に接続
し、圧電素子の感度を低減する方法、圧電素子に直列に
接続されたインピーダンスにより充電される電荷を測定
することにより制御する方法、変位（歪み）をフィード
バックする方法、荷重を測定してフィードバックする方
法が考えられる。しかし、応力拡大係数を所望の値に調
整することが重要であることを考えると、負荷されてい
る荷重を把握するのが最も適当である。その把握のため
に、荷重を測定するには、後述するように、荷重負荷用
圧電素子とは別に、荷重測定用圧電素子を設置し、この
荷重測定用圧電素子に生じる電位差をモニタして、荷重
負荷用圧電素子への印加電圧をフィードバック制御する
ことが考えられる。これによれば、より高精度に応力拡
大係数が一定に保持され得る結果として、高精度な測定
が可能となるものである。However, in the test in high-temperature water, the stress intensity factor changes during the test due to creep and relaxation, and the relationship between the voltage applied to the piezoelectric element and the amount of strain has hysteresis. The voltage applied to the piezoelectric element and the stress intensity factor generated in the crack propagation part do not always correspond one-to-one. To solve this problem, a method of driving the piezoelectric element with a current source and controlling it with the amount of electric charge, a method of connecting the capacitance in series with the piezoelectric element to reduce the sensitivity of the piezoelectric element, A method of controlling by measuring the electric charge charged by the impedance connected in series, a method of feeding back the displacement (strain), and a method of measuring and feeding back the load can be considered. However, considering that it is important to adjust the stress intensity factor to a desired value, it is most appropriate to grasp the applied load. In order to grasp the load, to measure the load, as described later, separately from the load-loading piezoelectric element, a load-measuring piezoelectric element is installed, and a potential difference generated in the load-measuring piezoelectric element is monitored. It is conceivable to feedback-control the voltage applied to the load-loading piezoelectric element. According to this, as a result that the stress intensity factor can be kept constant with higher accuracy, highly accurate measurement can be performed.

【００１８】前述したように、亀裂進展速度のラボ実験
による測定では、進展状態にある亀裂が環境緩和により
その進展が一旦停止されても、再び腐食性環境に曝され
れば、再び亀裂は進展するのが普通であるが、極希に亀
裂が進展しないことがある。このような場合、荷重負荷
装置を用いた定荷重試験では、一旦荷重を排除し、再び
試験荷重まで戻す除荷負荷と呼ばれる操作を行えば、亀
裂の進展は容易に促進されるものとなっている。また、
硬質材料により歪みを生じさせる手法では、試験中での
荷重制御は不可であることから、除荷負荷を行い得ず、
その時点でその試験片は使用不能となる。これに対し、
本発明では、圧電素子への印加電圧を変化させれば、負
荷される荷重を変化させ得ることから、容易に除荷負荷
を行い得るものとなっている。これにより、より長時間
の測定に耐え得るものである。As described above, in the measurement of the crack growth rate by a laboratory experiment, even if the growth of the crack in the growth state is once stopped by environmental relaxation, if the crack is again exposed to the corrosive environment, the crack will grow again. Usually, cracks do not develop very rarely. In such a case, in a constant load test using a load load device, once the load is removed, and an operation called unloading load is returned to the test load again, crack propagation is easily promoted. I have. Also,
In the method of generating strain by hard material, load control during the test is not possible, so unloading load can not be performed,
At that point, the specimen becomes unusable. In contrast,
In the present invention, if the voltage applied to the piezoelectric element is changed, the applied load can be changed, so that the unloading load can be easily performed. Thereby, it is possible to withstand a longer measurement.

【００１９】さて、亀裂進展速度の測定方法であるが、
これは、一般に直流電位差法と称される手法で測定され
得るものとなっている。ＣＴ試験片を用いた場合での測
定原理を図４に示す。図示のように、ＣＴ試験片１に対
しては、電流印加用電線６３を介し電流源８２から定電
流が供給される一方、そのＣＴ試験片１における所定部
位間電圧が電圧測定用電線６２，６４を介し、電圧計８
３，８４各々で測定されるようにしたものである。電流
源８２からＣＴ試験片１に数Ａ程度の定電流が印加され
れば、電圧計８３，８４各々で測定される電圧はある一
定の値を示すが、亀裂９１が進展するに伴い、ＣＴ試験
片１内での電流路は次第に狭くなることが判る。即ち、
亀裂９１が進展するに伴い、その分、電流路上での抵抗
値が増加する結果として、電圧計８３，８４各々では、
亀裂が進展する前よりも大きい値として電圧が測定され
るものである。従って、人工亀裂が付与されている試験
片を用い、この試験片での亀裂長さと電圧との相関を予
め求めておき、試験中に連続的な電流印加、又は断続的
な電流印加により電圧が測定される場合は、試験中での
亀裂長さが連続的に、又は離散的にリアルタイムに測定
・評価され得るものである。因みに、直流電位差法での
電圧測定箇所は２箇所とされているが、これは、電圧測
定箇所が１点のみの場合は、試験片自体の温度変化によ
り電圧が変化してしまうからである。従って、このよう
な不具合が解消されるべく、２点での電圧、即ち、亀裂
を挟む位置での電圧（動作電圧と称す）と、亀裂位置か
ら遠い位置での電圧（基準電圧と称す）とを測定の上、
先ず動作電圧と基準電圧との比を求め、更には、その比
と亀裂長さとの相関を求めるといった手法が広く用いら
れているものである。Now, a method for measuring the crack growth rate will be described.
This can be measured by a technique generally called a DC potential difference method. FIG. 4 shows the principle of measurement using a CT test piece. As shown in the drawing, a constant current is supplied to the CT test piece 1 from a current source 82 via a current applying wire 63, and the voltage between predetermined portions of the CT test piece 1 is changed to a voltage measuring wire 62, 64, voltmeter 8
3, 84, respectively. When a constant current of about several A is applied to the CT specimen 1 from the current source 82, the voltage measured by each of the voltmeters 83 and 84 shows a certain value. It can be seen that the current path in the test piece 1 gradually narrows. That is,
As the crack 91 grows, the resistance value on the current path increases accordingly. As a result, in each of the voltmeters 83 and 84,
The voltage is measured as a value greater than before the crack developed. Therefore, using a test piece provided with an artificial crack, the correlation between the crack length and the voltage in this test piece is determined in advance, and the voltage is applied by continuous current application or intermittent current application during the test. When measured, the crack length during the test can be measured and evaluated continuously or discretely in real time. Incidentally, the number of voltage measurement points by the DC potential difference method is two. This is because when the voltage measurement point is only one point, the voltage changes due to the temperature change of the test piece itself. Therefore, in order to solve such a problem, a voltage at two points, that is, a voltage at a position sandwiching a crack (referred to as an operating voltage) and a voltage at a position far from the crack position (referred to as a reference voltage) are used. On the measurement
First, a method of obtaining a ratio between an operating voltage and a reference voltage and further obtaining a correlation between the ratio and a crack length is widely used.

【００２０】以上より判るように、本発明による亀裂進
展モニタリング装置を実機プラントに適用するには、被
測定部位・領域にセンサとして設置すれば、対象材料は
その任意応力拡大係数下での亀裂進展速度が高精度に測
定・評価され得るものである。以下、本発明についてよ
り具体的に説明すれば、図５は本発明による亀裂進展モ
ニタリング装置の一例での構成を示したものである。図
示のように、その構成は、ほぼ図３，図４それぞれに示
した構成の組合せとされたものとなっている。図示のよ
うに、測定に用いられるＣＴ試験片１のノッチ内には圧
電素子２２が挿入されるが、その際に、ＣＴ試験片１と
圧電素子２２との電気的絶縁性を確保すべく、圧電素子
２２はその両側に位置している絶縁材５１を介しノッチ
内に挿入されるものとなっている。その絶縁材５１の材
料としては、表面に酸化皮膜を生成させたジルコニウム
合金やセラミック等、圧縮応力負荷時での変形量が極め
て少ない絶縁材料が使用されているものである。既述の
ように、試験に先立っては、人工的に数種類の異なる長
さの人工亀裂が予め付与されたＣＴ試験片が作製された
上、それぞれの亀裂長さと、動作電圧と基準電圧との比
との間の相関関係を予め式として求めておけばよいもの
である。As can be seen from the above description, in order to apply the crack growth monitoring device according to the present invention to an actual plant, if the material is installed as a sensor at a site or area to be measured, the material to be cracked under an arbitrary stress intensity factor The speed can be measured and evaluated with high accuracy. Hereinafter, the present invention will be described more specifically. FIG. 5 shows a configuration of an example of a crack growth monitoring device according to the present invention. As shown, the configuration is substantially a combination of the configurations shown in FIGS. As shown in the figure, a piezoelectric element 22 is inserted into a notch of a CT test piece 1 used for measurement. At this time, in order to secure electrical insulation between the CT test piece 1 and the piezoelectric element 22, The piezoelectric element 22 is inserted into the notch via insulating materials 51 located on both sides thereof. As a material of the insulating material 51, an insulating material such as a zirconium alloy or a ceramic having an oxide film formed on its surface, which has a very small amount of deformation when a compressive stress is applied, is used. As described above, prior to the test, a CT test piece was artificially provided with artificial cracks of several different lengths in advance, and each of the crack length, the operating voltage and the reference voltage were compared. The correlation with the ratio may be obtained in advance as an equation.

【００２１】さて、実際に試験が行われるに際しては、
亀裂進展モニタリング装置がセンサとして試験槽や実機
炉内に装荷された上、この状態でその周囲環境は試験条
件に調整される。この調整により試験温度に達すれば、
圧電素子２２には電圧が印加されるが、この電圧印加に
より圧電素子２２自体が変形される結果として、ＣＴ試
験片１のノッチが押し開かれ、亀裂先端部分に引張り応
力を生じさせ得るものである。この状態を保持しつつ、
ＣＴ試験片１の周囲環境、例えば酸素濃度等を変化させ
れば、任意環境下での亀裂進展試験が可能となるもので
ある。その環境状態で、電流源８２からＣＴ試験片１に
は定電流が印加されつつ、電圧計８３，８４それぞれで
は既述の電圧が測定されているものである。これら測定
電圧にもとづき、予め求めておいた相関関係式からは、
その時点での亀裂長さが測定・評価され得、更に、亀裂
長さの時間変化からは、亀裂進展速度が評価され得るも
のである。ところで、試験片によっては、過酷条件下で
も亀裂が進展しない場合があり得るが、このような場合
には、除荷負荷を行えばよいものである。即ち、圧電素
子２２への電圧印加を一旦、停止した上（荷重負荷の一
時停止）、再び圧電素子２２への電圧印加を再開し荷重
を負荷すれば、亀裂はその進展が促進され得、継続的な
試験が可能とされているものである。Now, when the test is actually performed,
The crack growth monitoring device is loaded as a sensor in a test tank or an actual furnace, and the surrounding environment is adjusted to test conditions in this state. If the test temperature is reached by this adjustment,
A voltage is applied to the piezoelectric element 22. As a result of the application of the voltage, the notch of the CT test piece 1 is pushed open as a result of deformation of the piezoelectric element 22 itself, and a tensile stress can be generated at a crack tip portion. is there. While maintaining this state,
By changing the surrounding environment of the CT test piece 1, for example, the oxygen concentration or the like, a crack growth test can be performed under an arbitrary environment. In this environmental state, a constant current is applied to the CT test piece 1 from the current source 82, and the voltmeters 83 and 84 measure the above-described voltages. From the correlation equation obtained in advance based on these measured voltages,
The crack length at that time can be measured and evaluated, and the crack growth rate can be evaluated from the time change of the crack length. By the way, depending on the test piece, the crack may not develop even under severe conditions, but in such a case, the unloading load may be performed. That is, if the voltage application to the piezoelectric element 22 is temporarily stopped (temporary suspension of the load application), and the voltage application to the piezoelectric element 22 is resumed and the load is applied again, the crack can be accelerated and the crack can be promoted. Tests are possible.

【００２２】ここで、荷重負荷用としての圧電素子２２
について補足説明すれば、図６にその圧電素子の詳細な
一例での構成を、電圧源との接続関係とともに示す。一
般に、圧電素子の構成としては、主に積層型やバイモル
フ型、ユニモルフ型が知られており、このうち、積層型
のものには、長手方向での変形量は大きくないが、耐久
性に富み、また、応答速度が早く、しかも、発生応力が
高いという特徴が備ったものとなっている。従って、本
発明の実施上、圧電素子の機能が金属材料に歪みを与え
ることにあることを考慮すれば、その圧電素子としては
積層型のものが適しているといえる。図示のように、圧
電素子２２は複数の圧電素子部分２２２が積層された状
態として、しかも、圧電素子部分２２２相互間にはま
た、電場生成用の導体板（又は膜）２２１が介挿された
状態として構成されたものとなっている。圧電素子２２
が導体板２２１を介し電圧源８５に接続されるに際して
は、圧電素子部分２２２各々には相互に隣接圧電素子部
分２２２とは異なる極性状態として電圧が印加されるべ
く、電圧源８５からの電圧が導体板２２１各々に所定に
印加されているものである。これにより、圧電素子部分
２２２各々は同一方向に同時に伸び、また、同時に縮み
得るものである。Here, the piezoelectric element 22 for load application
FIG. 6 shows a detailed example of the configuration of the piezoelectric element together with the connection with a voltage source. Generally, as a configuration of a piezoelectric element, a laminated type, a bimorph type, and a unimorph type are mainly known. Among them, a laminated type has a small amount of deformation in a longitudinal direction, but has a high durability. In addition, it is characterized by a high response speed and a high generated stress. Therefore, in consideration of the fact that the function of the piezoelectric element is to give a strain to the metal material in the practice of the present invention, it can be said that a laminated element is suitable for the piezoelectric element. As shown in the drawing, the piezoelectric element 22 is in a state where a plurality of piezoelectric element portions 222 are stacked, and a conductor plate (or film) 221 for generating an electric field is interposed between the piezoelectric element portions 222. It is configured as a state. Piezoelectric element 22
Is connected to the voltage source 85 via the conductor plate 221, the voltage from the voltage source 85 is applied to each of the piezoelectric element portions 222 so that the voltages are applied in a different polarity state from the adjacent piezoelectric element portions 222. This is applied to each of the conductor plates 221 in a predetermined manner. Thus, each of the piezoelectric element portions 222 can simultaneously expand and contract in the same direction.

【００２３】また、圧電素子２２が高温水中で使用され
ることを考慮すれば、その材料としては、高温での機械
的強度が高いことが要求されると同時に、高温での変位
量の大きさを考慮して選定される必要があるものとなっ
ている。これら理由からして、その材料としては、チタ
ン酸バリウムBaTiO₃やニオブ酸リチウムLiNbO₃、ジルコ
ン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸鉛（PbNb₂O₆）、水
晶（SiO₂）、チタン酸ビスマスナトリウム（ＢＮＴ）等
が適しているといえる。Considering that the piezoelectric element 22 is used in high-temperature water, the material is required to have high mechanical strength at high temperatures, and at the same time, the magnitude of displacement at high temperatures is high. It is necessary to be selected in consideration of. For these reasons, the materials include barium titanate BaTiO ₃ , lithium niobate LiNbO ₃ , zircon lead titanate (PZT), lead niobate (PbNb ₂ O ₆ ), quartz (SiO ₂ ), titanic acid It can be said that bismuth sodium (BNT) or the like is suitable.

【００２４】さて、本発明は実機（原子炉内）における
亀裂進展速度のその場測定を主目的としているが、ここ
で、実機に適用した場合について説明すれば、以下のよ
うである。即ち、本発明は、主に補修・交換が困難であ
る炉底部を評価対象としているが、図７に示すように、
試験片（加重負荷用圧電素子を含む）７６が炉内に装荷
されるに際しては、その試験片７６は中性子束計測ハウ
ジング７４内に挿入された上、炉底部付近に位置するよ
う設置される。その際、試験片７６は水流により脱落せ
ぬよう固定され、また、試験片７６のおかれた環境によ
る亀裂進展速度の変化を測定することが主目的であるこ
とから、試験片７６が装荷された中性子束計測ハウジン
グ７４内には炉水が入り易い構造とするのが望ましいも
のとなっている。同様の理由で、試験片７６を中性子束
計測ハウジング７４内に固定する治具としても、通水し
易い形状が望ましいものとなっている。更に、試験片７
６と中性子束計測ハウジング７４は絶縁材（必ずしも必
須ではない）で電気的に絶縁され、電流・電圧の印加や
電圧測定のための機器類７８は、放射線の影響を受けな
い原子炉建屋、中央制御室内等の放射線量の低い場所に
設置された上、ＭＩ（mineral insulated）ケーブル等
の耐放射線性に優れたリード線７５で試験片７６に接続
される。これにより、荷重負荷や電流・電圧印加が遠隔
操作されつつ、中央制御室内等で電圧測定が行われた
上、連続的に亀裂進展速度がモニタされ得るものであ
る。尤も、亀裂進展速度を測定するには、一定期間毎に
試験片を取出した上、目視や顕微鏡によって亀裂長さを
測定するようにしてもよいものである。なお、図７中、
符号７１，７２，７３，７７はそれぞれ原子炉圧力容
器、炉心支持板、シュラウドサポート、炉心シュラウド
を示す。The present invention mainly aims at in-situ measurement of a crack growth rate in an actual machine (in a nuclear reactor). Here, the case where the present invention is applied to an actual machine will be described as follows. In other words, the present invention mainly evaluates the furnace bottom, which is difficult to repair and replace, but as shown in FIG.
When a test piece (including a piezoelectric element for load loading) 76 is loaded into the furnace, the test piece 76 is inserted into the neutron flux measurement housing 74 and installed so as to be located near the furnace bottom. At this time, the test piece 76 is fixed so as not to fall off by the water flow, and since the main purpose is to measure the change in the crack growth rate due to the environment where the test piece 76 is placed, the test piece 76 is loaded. It is desirable that the neutron flux measurement housing 74 has a structure in which reactor water easily enters. For the same reason, it is desirable that the jig for fixing the test piece 76 in the neutron flux measurement housing 74 has a shape that allows easy passage of water. Further, the test piece 7
The neutron flux measurement housing 6 and the neutron flux measurement housing 74 are electrically insulated by an insulating material (not necessarily essential), and the equipment 78 for applying current / voltage and measuring voltage includes a reactor building, a center, which is not affected by radiation. It is installed in a place with a low radiation dose such as a control room, and is connected to a test piece 76 by a lead wire 75 having excellent radiation resistance such as a MI (mineral insulated) cable. Thus, while the load application and the current / voltage application are remotely controlled, the voltage is measured in the central control room or the like, and the crack growth rate can be continuously monitored. However, in order to measure the crack growth rate, a test piece may be taken out at regular intervals, and then the crack length may be measured visually or by a microscope. In FIG. 7,
Reference numerals 71, 72, 73, 77 denote a reactor pressure vessel, a core support plate, a shroud support, and a core shroud, respectively.

【００２５】ここで、本発明による亀裂進展モニタリン
グ装置の、最も望ましい構成について説明すれば、図１
はその一例での構成を示したものである。図示のよう
に、図５に示すものと実質的に異なるところは、二重片
持ちばり試験片２のノッチ内には荷重負荷用の圧電素子
２２の他に、その圧電素子２２とは絶縁材５１で絶縁さ
れた状態として、荷重測定用の圧電素子２３が新たに挿
入された上、その圧電素子２３に生じる電圧が電圧測定
用電線６５を介し電圧計８６で測定可とされていること
であり、他の事情は図５に示すものに同様となってい
る。即ち、図１に示す亀裂進展モニタリング装置では、
電圧印加により圧電素子２２に生じる荷重は圧電素子２
３で電圧に変換された上、電圧測定用電線６５を介し電
圧計８６で測定されているものである。応力拡大係数を
所望の値に調整することが重要であることを考えれば、
圧電素子２２により負荷されている荷重を圧電素子２３
で実測の上、圧電素子２２への印加電圧がフィードバッ
ク制御される場合は、応力拡大係数が常時、所望の値に
維持された状態として、高精度な測定が可能とされてい
るものである。因みに、荷重測定用の圧電素子２３とし
ては、その機械的強度上の要求からして、荷重負荷用の
ものと同様、積層型のものが適したものとなっている。Here, the most desirable configuration of the crack growth monitoring device according to the present invention will be described with reference to FIG.
Shows a configuration in one example. As shown in the drawing, what is substantially different from the one shown in FIG. 5 is that, in addition to the piezoelectric element 22 for applying a load, a notch is provided in the notch of the double cantilever test piece 2. In a state in which the piezoelectric element 23 is insulated at 51, the piezoelectric element 23 for load measurement is newly inserted, and the voltage generated at the piezoelectric element 23 can be measured by the voltmeter 86 via the voltage measuring wire 65. The other circumstances are the same as those shown in FIG. That is, in the crack growth monitoring device shown in FIG.
The load generated on the piezoelectric element 22 by the voltage application is the piezoelectric element 2
The voltage is converted into a voltage at 3 and measured by a voltmeter 86 via a voltage measuring wire 65. Given that it is important to adjust the stress intensity factor to the desired value,
The load applied by the piezoelectric element 22 is
When the voltage applied to the piezoelectric element 22 is feedback-controlled after the actual measurement, the stress intensity factor is always maintained at a desired value and high-precision measurement is enabled. Incidentally, as the piezoelectric element 23 for load measurement, a stacked type element is suitable as the piezoelectric element 23 for load application from the viewpoint of mechanical strength.

【００２６】最後に、本発明による亀裂進展モニタリン
グ装置の他の例について説明すれば、図８はその構成を
示したものである。図示のように、図１に示すものと実
質的に異なるところは、ＣＴ試験片１のはり部分に対し
ては、接続ピン１２及び絶縁材５２を介し、全体が鋏形
状とされた荷重負荷治具１１の一端側が装着される一
方、荷重負荷治具１１の他端側にはまた、圧電素子２
２，２３が挟み込まれる状態として装着されていること
であり、他の事情はほぼ図１に示すものに同様となって
いる。因みに、所定部位に使用されている絶縁材５１，
５２の材料としては、表面に酸化皮膜が生成されたジル
コニウム合金やセラミック等、圧縮応力負荷時での変形
量が極めて少ない絶縁材料が使用される。Finally, another example of the crack growth monitoring apparatus according to the present invention will be described. FIG. 8 shows the structure of the apparatus. As shown in the drawing, what substantially differs from that shown in FIG. 1 is that the beam portion of the CT test piece 1 has a scissor-shaped load One end of the tool 11 is attached, while the other end of the load jig 11 is
2 and 23 are mounted in a state of being sandwiched, and other circumstances are almost the same as those shown in FIG. Incidentally, the insulating material 51,
As the material of 52, an insulating material such as a zirconium alloy or a ceramic having an oxide film formed on its surface, which has a very small amount of deformation under a compressive stress load, is used.

【００２７】以上、本発明について説明したが、本発明
の実機（原子炉内）への適用により、狭隘部における高
温高圧水中での亀裂進展速度がオンラインで測定可能と
なるばかりか、試験中でのリラクゼーションによる荷重
変動が抑制可とされていることから、亀裂進展速度デー
タの信頼性が向上され得るものとなっている。これによ
り、原子炉の健全性がより確実に評価され得るものであ
る。測定された亀裂進展速度が水質制御にフィードバッ
クされることで、常時、適切な水質が保持される場合
は、プラント寿命の長期化が期待され得るものである。Although the present invention has been described above, by applying the present invention to an actual machine (in a nuclear reactor), not only can the crack growth rate in a high-temperature and high-pressure water in a narrow portion be measured online, but also during the test. Since the load fluctuation due to relaxation can be suppressed, the reliability of the crack growth rate data can be improved. As a result, the soundness of the reactor can be more reliably evaluated. If the measured crack growth rate is fed back to the water quality control and the appropriate water quality is constantly maintained, it is expected that the plant life will be prolonged.

【００２８】[0028]

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１〜３、
７，９による場合は、実機炉内やラボ実験等において、
一対のはり（梁）を備えた試験片を用い亀裂進展速度が
評価されるに際し、大規模な荷重負荷装置等を不要とし
て、かつ試験中での除荷負荷可として、任意所望な荷重
が試験片に負荷されつつ、亀裂進展速度が連続的に評価
され得る亀裂進展モニタリング方法とその装置が得ら
れ、また、請求項４〜６、７〜９による場合には、実機
炉内やラボ実験等において、一対のはりを備えた試験片
を用い亀裂進展速度が評価されるに際し、大規模な荷重
負荷装置等を不要として、かつ試験中での除荷負荷可と
して、荷重がフィードバック制御された状態として試験
片に負荷されることで、従って、任意所望な荷重が試験
片に負荷されつつ、一定応力拡大係数下で亀裂進展速度
が連続的に評価され得る亀裂進展モニタリング方法とそ
の装置が得られるものとなっている。As described above, claims 1 to 3,
In the case of 7, 9
When evaluating the crack growth rate using a test piece equipped with a pair of beams (beams), any desired load can be tested by eliminating the need for a large-scale load-applying device and allowing unloading during the test. A crack growth monitoring method and apparatus capable of continuously evaluating a crack growth rate while being loaded on a piece is obtained. In the case of claims 4 to 6 and 7 to 9, a crack test in an actual furnace or a laboratory experiment is performed. In the state where the crack growth rate is evaluated using a test piece with a pair of beams, a large-scale load-applying device is not required and the load can be unloaded during the test, and the load is feedback-controlled. As a result, a crack growth monitoring method and apparatus capable of continuously evaluating the crack growth rate under a constant stress intensity factor while applying any desired load to the test piece can be obtained. Also It has become.

[Brief description of the drawings]

【図１】図１は、本発明による亀裂進展モニタリング装
置の、最も望ましい一例での構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a most preferable example of a crack growth monitoring device according to the present invention.

【図２】図２は、ＡＳＴＭやＪＳＭＥにより規定されて
いる形態の二重片持ちばり試験片、即ち、ＣＴ試験片を
示す図FIG. 2 is a diagram showing a double cantilever beam test piece in a form defined by ASTM or JSME, ie, a CT test piece.

【図３】図３は、本発明に係る、試験片への荷重負荷原
理を示す図FIG. 3 is a diagram showing the principle of applying a load to a test piece according to the present invention.

【図４】図４は、亀裂進展速度の測定に採用されている
直流電位差法を説明するための図FIG. 4 is a view for explaining a DC potential difference method adopted for measuring a crack growth rate.

【図５】図４は、本発明による亀裂進展モニタリング装
置の一例での構成を示す図FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an example of a crack growth monitoring device according to the present invention.

【図６】図６は、荷重負荷用圧電素子の詳細な構成を示
す図FIG. 6 is a diagram showing a detailed configuration of a load-loading piezoelectric element.

【図７】図７は、本発明による亀裂進展モニタリング装
置の実機（原子炉内）への適用を説明するための図FIG. 7 is a diagram for explaining the application of the crack growth monitoring device according to the present invention to an actual machine (in a reactor).

【図８】図８は、本発明による亀裂進展モニタリング装
置の他の例での構成を示す図FIG. 8 is a diagram showing a configuration of another example of the crack growth monitoring device according to the present invention.

[Explanation of symbols]

１…ＣＴ試験片、２…二重片持ちばり型試験片、１１：
荷重負荷治具、２１，２２…圧電素子（荷重負荷用）、
２３…圧電素子（荷重測定用）、８２：電流源、８３，
８４，８６…電圧計、８５…電圧源、９１…亀裂1 ... CT test piece, 2 ... Double cantilever type test piece, 11:
Load jigs, 21, 22 ... piezoelectric elements (for load application),
23: piezoelectric element (for load measurement), 82: current source, 83,
84, 86 voltmeter, 85 voltage source, 91 crack

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Claims

[Claims]

1. A method in which a test piece provided with a pair of beams is placed in an arbitrary environment, and a growth rate of a crack generated in a crack growth part of the test piece is evaluated by a DC potential difference method. In the crack growth monitoring method described above, in order to apply a tensile stress to the crack growth part, a load of any magnitude can be directly and indirectly applied in the direction of pushing and opening the pair of beams, allowing unloading load on the way. A crack growth monitoring method wherein the crack growth rate is continuously evaluated while being loaded.

2. A test piece provided with a pair of beams is continuously placed in an arbitrary environment, and a growth rate of a crack generated in a crack growth part of the test piece is continuously evaluated by a DC potential difference method. A crack growth monitoring device for applying a tensile load to the crack growth part, allowing unloading load in the direction of pushing and opening a pair of beams, and applying a load of an arbitrary size. A crack growth monitoring device having a configuration in which a load applying means for applying a load to a beam is provided directly on the beam.

3. A test piece provided with a pair of beams is placed in an arbitrary environment, and a growth rate of a crack generated in a crack growth portion of the test piece is continuously evaluated by a DC potential difference method. A crack growth monitoring device for applying a tensile stress to the crack growth portion, in a direction in which a pair of beams are pushed open, through a load-loading jig, to allow unloading on the way, and an arbitrary size. A crack growth monitoring device having a configuration in which a load applying means for applying a load to the beam is provided in the load applying jig.

4. A test piece provided with a pair of beams is placed in an arbitrary environment, and a growth rate of a crack generated in a crack growth part of the test piece is evaluated by a DC potential difference method. The method for monitoring crack growth according to claim 1, wherein a load is applied in the direction of pushing and opening the pair of beams in order to apply a tensile stress to the crack growth portion, and the beam can be directly and indirectly arbitrarily sized. The crack growth monitoring method according to claim 1, wherein the load applied to the crack is subjected to feedback control as desired based on the measurement result of the load, and the growth speed of the crack is continuously evaluated.

5. A test piece provided with a pair of beams is placed in an arbitrary environment, and a growth rate of a crack generated in a crack growth part of the test piece is continuously evaluated by a DC potential difference method. A crack growth monitoring device for applying a tensile load to the crack growth part, allowing unloading load in the direction of pushing and opening a pair of beams, and applying a load of an arbitrary size. And a load measuring means for measuring a load on the beam from the load applying means, and a load measuring means for performing desired feedback control of the load, provided directly between the pair of beams. A crack growth monitoring device consisting of:

6. A test piece provided with a pair of beams is placed in an arbitrary environment, and a growth rate of a crack generated in a crack growth part of the test piece is continuously evaluated by a DC potential difference method. A crack growth monitoring device for applying a tensile stress to the crack growth portion, through a load jig in a direction of pushing and opening a pair of beams, allowing unloading load on the way, and having an arbitrary size. Load applying means for applying a load to the beam, and load measuring means for measuring a load applied to the beam from the load applying means and performing desired feedback control of the load. A crack growth monitoring device configured on a jig.

7. A multi-layer piezoelectric element and a voltage applying means are used as said load applying means.
The crack growth monitoring device according to any one of 3, 5, and 6.

8. The crack growth monitoring apparatus according to claim 5, wherein at least a laminated piezoelectric element and a voltage measuring means are used as said load measuring means.

9. The multilayer piezoelectric element includes barium titanate BaTiO ₃ , lithium niobate LiNbO ₃ , lead zirconate titanate (PZT), lead niobate (PbNb ₂ O ₆ ), quartz (Si
9. The crack growth monitoring device according to claim 7, wherein the device is any one of O ₂ ) and bismuth sodium titanate (BNT).