JP2013108952A - Test piece for fatigue life evaluation and fatigue life evaluation method using the same - Google Patents

Test piece for fatigue life evaluation and fatigue life evaluation method using the same Download PDF

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Yuichi Fukuda
悠一 福田
Hiroshi Kanezaki
宏 金▲崎▼
Yuichiro Nomura
雄一郎 野村
Kenji Yamamoto
賢二 山本
Seiji Asada
誠治 朝田
Kunimitsu Tatsuno
国光 辰野
Yoshihiro Tomokuni
善博 友國
Itaru Muroya
格 室屋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a test piece and a fatigue life evaluation method, capable of evaluating a fatigue life of a pipe by surely causing a crack in a welded portion of an inner surface of the pipe.SOLUTION: A test piece 1 for fatigue life evaluation having a welded portion 3 between two metal piping portions 2 having the same shape is cut out from a pipe. A surface corresponding to the inside of the pipe, of the test piece 1 is formed in the same shape as the inside of the pipe. A surface corresponding to the outside of the pipe, of the test piece 1 has a continuous curve in connecting portions 6 between the welded portion 3 and the metal piping portions 2. A ratio of a distance from a central axis C of the test piece 1 to respective apexes corresponding to the inside and the outside of the welded portion 3 is set to 1 or more. The test piece 1 is arranged so as to be deviated from a load central axis so that the load central axis of a fatigue life evaluation device is located in a direction of the inside of the pipe from the central axis C. A tensile load and a compression load are repeatedly applied to the test piece 1 arranged in this way, and the number of repeated times until a fatigue crack occurs in the welded portion 3 or the connecting portions 6 is acquired.

Description

本発明は、内部を高温高圧の水が流通し、溶接部を有する配管の疲労寿命を評価するための試験片、及びこれを用いた疲労寿命評価方法に関する。   The present invention relates to a test piece for evaluating the fatigue life of a pipe having a welded portion through which high-temperature and high-pressure water flows, and a fatigue life evaluation method using the test piece.

加圧水型原子力発電設備では、一次系冷却水用配管の内部を高温かつ高圧の水が流通する。図５に示されるように、一次系冷却水用配管などの配管５０は、主にステンレスとされる２つの金属配管５１が、主にステンレスとされる溶接材料によって溶接されて構成される。図５において、Ｘ面は配管内側の面であり、Ｙ面は配管外側の面である。配管の内側及び外側のいずれも、金属配管５１と溶接部５２との接続部６３において、金属配管５１の面と溶接部５２の面とは不連続になっている。   In the pressurized water nuclear power generation facility, high-temperature and high-pressure water circulates inside the primary cooling water piping. As shown in FIG. 5, a pipe 50 such as a primary cooling water pipe is configured by welding two metal pipes 51 mainly made of stainless steel with a welding material mainly made of stainless steel. In FIG. 5, the X plane is the inner surface of the pipe, and the Y plane is the outer surface of the pipe. In both the inner side and the outer side of the pipe, the surface of the metal pipe 51 and the surface of the welded part 52 are discontinuous at the connection part 63 between the metal pipe 51 and the welded part 52.

配管内部に高温高圧の水が流通すると、配管外部環境との温度差に起因して、配管の内側及び外側に引張応力及び圧縮応力が繰り返し付与される。繰り返し応力が付与されることによって、配管内面の溶接部５２（溶接ビード）や接続部６３に疲労き裂が発生する。このため、保守管理の観点から配管の疲労寿命を正確に評価することが重要となっている。   When high-temperature and high-pressure water flows inside the pipe, tensile stress and compressive stress are repeatedly applied to the inside and outside of the pipe due to a temperature difference from the outside environment of the pipe. By repeatedly applying stress, fatigue cracks are generated in the welded portion 52 (weld bead) and the connecting portion 63 on the inner surface of the pipe. For this reason, it is important to accurately evaluate the fatigue life of piping from the viewpoint of maintenance management.

一般に、溶接部の疲労き裂による疲労を評価する際には、溶接部を含む対象部材や製品から丸棒形状に切り出した試験片が使用される。曲げやねじりなどの特別な負荷が要求されない場合は、丸棒形状の試験片の長さ方向の軸を試験機軸（主軸）に一致させ、試験片に対して試験機軸方向に引張及び圧縮の負荷を繰り返し付与する単軸負荷型の疲労試験が実施される。疲労試験で得られる試験片の軸方向の長さの変化量等から試験片に付与される引張応力及び圧縮応力の大きさが求められ、所定の応力下で疲労亀裂が発生した時の応力繰り返し回数に基づいて、溶接部を含む部材の疲労寿命が評価される。   In general, when evaluating fatigue due to a fatigue crack in a welded portion, a test piece cut into a round bar shape from a target member or product including the welded portion is used. When special loads such as bending and twisting are not required, the lengthwise axis of the round bar-shaped test piece is aligned with the test machine axis (main axis), and tensile and compression loads are applied to the test piece in the test machine axis direction. A uniaxial load type fatigue test is repeatedly applied. The tensile stress and compressive stress applied to the specimen are determined from the amount of change in the axial length of the specimen obtained in the fatigue test, and the stress repetition when a fatigue crack occurs under the specified stress. Based on the number of times, the fatigue life of the member including the weld is evaluated.

特許文献１は、水環境中で試験片の熱疲労を測定する試験機を開示する。特許文献１の試験機を用いた試験では、試験片表面に高温純水と低温純水を交互に噴射させるとともに、試験片の両端を荷重フレームに固定して熱疲労試験を実施する。   Patent Document 1 discloses a testing machine that measures thermal fatigue of a test piece in a water environment. In the test using the testing machine of Patent Document 1, high-temperature pure water and low-temperature pure water are alternately sprayed on the surface of the test piece, and both ends of the test piece are fixed to a load frame to perform a thermal fatigue test.

特開昭５９−２３１４３５号公報（特許請求の範囲、発明の利用分野）JP 59-231435 A (Claims, Field of Use of the Invention)

一般的な疲労寿命評価装置で計測可能な試験片の大きさは、原子力発電設備に使用される配管よりも極めて小さい。つまり、配管形状を維持したままで疲労試験を実施することは、試験装置の都合上現実的に不可能である。
配管から溶接部を含む短冊状の試験片を切り出せば、一般的な疲労寿命評価装置での評価が可能となる。しかし、このような試験片では、図５のように接続部６３においては金属配管５１と溶接部５２とは不連続に接続されている。このため、例えば配管外面の肉盛り近傍など評価対象ではない部分に応力が集中してき裂が発生する場合があり、評価対象である配管内面の溶接部５２や接続部６３に亀裂を発生させることができない。このため、配管の疲労寿命を正確に評価できないことが問題となっていた。 The size of a test piece that can be measured by a general fatigue life evaluation apparatus is extremely smaller than a pipe used in a nuclear power generation facility. That is, it is practically impossible to carry out the fatigue test while maintaining the pipe shape because of the convenience of the test apparatus.
If a strip-shaped test piece including a welded part is cut out from the pipe, the evaluation with a general fatigue life evaluation apparatus becomes possible. However, in such a test piece, the metal pipe 51 and the welded portion 52 are discontinuously connected at the connecting portion 63 as shown in FIG. For this reason, for example, stress may concentrate on a portion that is not the object of evaluation, such as near the build-up of the outer surface of the pipe, and a crack may be generated. Can not. For this reason, it has been a problem that the fatigue life of piping cannot be accurately evaluated.

本発明は、配管内面の溶接部に確実にき裂を発生させて、配管の疲労寿命を評価することが可能な疲労寿命評価用試験片及び疲労寿命評価方法を提供する。   The present invention provides a fatigue life evaluation test piece and a fatigue life evaluation method capable of reliably generating a crack in a welded portion on the inner surface of a pipe and evaluating the fatigue life of the pipe.

上記課題を解決するために、本発明は、配管から切り出され、該配管の疲労寿命を評価するための試験片であって、同一形状の２つの金属配管部と該２つの金属配管部との間に挟まれた溶接部とを有し、前記２つの金属配管部は、共通する１つの中心軸を有するように配置され、前記溶接部の前記配管の外側に対応する面、及び、前記溶接部の前記配管の内側に対応する面のそれぞれが凸状になっており、前記配管の内側に対応する面において、前記溶接部及び該溶接部近傍に位置する前記金属配管部は、前記配管の内側の面と同一形状であり、前記配管の外側に対応する面において、前記溶接部と前記金属配管部との各々の接続部は、前記溶接部の面と前記金属配管部の面とで連続的な曲線を有し、前記溶接部の前記配管の内側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離に対する、前記溶接部の前記配管の外側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離の比率が、１以上である疲労寿命評価用試験片を提供する。   In order to solve the above problems, the present invention is a test piece that is cut out from a pipe and evaluates the fatigue life of the pipe, and includes two metal pipe parts having the same shape and the two metal pipe parts. A welded portion sandwiched therebetween, and the two metal piping portions are arranged so as to have one common central axis, a surface corresponding to the outside of the piping of the welding portion, and the welding Each of the surfaces corresponding to the inside of the pipe of the portion is convex, and on the surface corresponding to the inside of the piping, the welded portion and the metal piping portion located in the vicinity of the welded portion are In the surface corresponding to the outer side of the pipe having the same shape as the inner surface, each connection portion of the welded portion and the metal pipe portion is continuous between the surface of the welded portion and the surface of the metal pipe portion. Corresponding to the inside of the pipe of the weld Fatigue life in which the ratio of the distance between the apex of the convex portion on the side corresponding to the outside of the pipe of the welded portion and the central axis with respect to the distance between the apex of the convex portion and the central axis is 1 or more An evaluation specimen is provided.

上記発明において、前記配管の外側に対応する側の前記凸部が加工されて、前記比率が１以上とされていることが好ましい。   In the above invention, it is preferable that the convex portion on the side corresponding to the outside of the pipe is processed so that the ratio is 1 or more.

本発明の疲労寿命評価用試験片は、溶接部を含み、溶接部を挟んで対称となる形状に配管から切り出される。溶接部及び溶接部近傍に位置する金属配管部は、配管の内側に対応する面に機械加工が施されず、切り出す前の配管の内側内壁と同一形状の凸形状を有する。一方、配管外側の対応する面には機械加工が施され、上述の接続部の形状を有し、試験片中心軸から溶接部の頂点までの距離の比率が上述の範囲を有する物とされる。
本発明の疲労寿命評価用試験片は、上記の形状とすることにより、配管内側に対応する溶接部及び接続部において応力を集中させることができる。このため、配管内側の溶接部及び接続部に疲労き裂を確実に発生させることができる。 The test piece for fatigue life evaluation of the present invention includes a welded portion, and is cut out from the pipe into a symmetrical shape with the welded portion interposed therebetween. The welded part and the metal pipe part located in the vicinity of the welded part are not machined on the surface corresponding to the inside of the pipe, and have the same convex shape as the inner inner wall of the pipe before cutting. On the other hand, the corresponding surface outside the pipe is machined to have the shape of the connection portion described above, and the ratio of the distance from the central axis of the specimen to the apex of the welded portion is within the above range. .
By making the test piece for fatigue life evaluation of the present invention have the above shape, stress can be concentrated at the welded portion and the connecting portion corresponding to the inside of the pipe. For this reason, a fatigue crack can be reliably generated in the welded portion and the connecting portion inside the pipe.

また本発明は、上記の疲労寿命評価用試験片を用いて、前記配管の疲労寿命を評価する方法であって、疲労寿命評価装置の負荷中心軸が、前記試験片の中心軸よりも配管の内側に対応する方向に位置するように、前記試験片が前記疲労寿命評価装置に設置される工程と、前記疲労寿命評価装置に設置された前記試験片が、前記配管の使用環境において前記配管の内側を流通する水と略同一とされる温度及び圧力の水に浸漬される工程と、前記試験片が前記水に浸漬された状態で、所定の荷重で前記試験片に引張応力及び圧縮応力の組み合わせを繰り返し付与する工程と、前記溶接部に疲労き裂が発生した時の前記引張応力及び圧縮応力の組み合わせを前記試験片に付与した回数を取得し、前記回数を前記配管の疲労寿命と見なす工程と、を含む疲労寿命評価方法を提供する。   Further, the present invention is a method for evaluating the fatigue life of the pipe using the test piece for fatigue life evaluation, wherein the load center axis of the fatigue life evaluation apparatus is more than the center axis of the test piece. The step of installing the test piece in the fatigue life evaluation apparatus so that the test piece installed in the fatigue life evaluation apparatus is positioned in a direction corresponding to the inside, A step of immersing in water at a temperature and pressure substantially the same as the water flowing through the inside, and a state in which the test piece is immersed in the water, and a tensile stress and a compressive stress are applied to the test piece with a predetermined load. The step of repeatedly applying the combination and the number of times the combination of the tensile stress and the compressive stress when the fatigue crack is generated in the weld are applied to the test piece are obtained, and the number of times is regarded as the fatigue life of the pipe Process To provide a fatigue life evaluation method.

上述の形状を有する疲労寿命評価用試験片を、試験片の中心軸が疲労寿命評価装置の負荷中心軸からずれるように疲労寿命評価装置に設置して、疲労寿命試験を実施する。こうすることにより、試験片に曲げモーメントによる曲げ応力を付与する。上述した負荷中心軸と試験片の中心軸との位置関係にすることにより、配管の内側に対応する面の溶接部に付与される曲げ応力を、配管外側に対応する面の溶接部に付与される曲げ応力よりも大きくすることができる。従って、試験片の配管内側に対応する溶接部及び接続部において疲労き裂を確実に発生させることができる。このため、配管の疲労寿命を正確に評価することが可能となる。   The fatigue life evaluation test piece having the above-described shape is installed in the fatigue life evaluation apparatus so that the center axis of the test piece is displaced from the load center axis of the fatigue life evaluation apparatus, and the fatigue life test is performed. In this way, a bending stress due to a bending moment is applied to the test piece. By making the positional relationship between the load center axis and the center axis of the test piece described above, the bending stress applied to the welded portion of the surface corresponding to the inside of the pipe is applied to the welded portion of the surface corresponding to the outside of the pipe. The bending stress can be larger. Therefore, a fatigue crack can be reliably generated at the welded portion and the connecting portion corresponding to the inside of the pipe of the test piece. For this reason, it becomes possible to evaluate the fatigue life of piping correctly.

本発明によれば、配管内側に対応する側の溶接部に確実に疲労き裂を発生させることができる。このため、配管の疲労寿命を正確に評価することが可能となる。   According to the present invention, a fatigue crack can be reliably generated in the welded portion on the side corresponding to the inside of the pipe. For this reason, it becomes possible to evaluate the fatigue life of piping correctly.

疲労寿命評価用試験片の形状の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the shape of the test piece for fatigue life evaluation. 疲労寿命測定装置の概略図である。It is the schematic of a fatigue life measuring apparatus. 試験片が疲労寿命測定装置に設置される状態を表す概略図である。It is the schematic showing the state in which a test piece is installed in a fatigue life measuring apparatus. 試験片に作用する荷重モードを説明する概略図である。It is the schematic explaining the load mode which acts on a test piece. 溶接部を有する配管の水流通方向の断面概略図である。It is the cross-sectional schematic of the water distribution direction of piping which has a welding part.

図１は本実施形態に係る疲労寿命評価用試験片の形状の一例を示す概略図である。図１（ａ）は、試験片の正面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の試験片長辺端部（符号７）側から見た側面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面概略図である。   FIG. 1 is a schematic view showing an example of the shape of a fatigue life evaluation test piece according to this embodiment. Fig.1 (a) is a front view of a test piece. FIG.1 (b) is the side view seen from the test piece long side edge part (code | symbol 7) side of Fig.1 (a). FIG.1 (c) is the AA cross-sectional schematic of Fig.1 (a).

試験片１は、原子力発電設備の一次系冷却水配管など、内部を高温高圧水が流通する配管から切り出される。試験片１は、配管の溶接部を含むように切り出され、図１に例示される形状に加工される。   The test piece 1 is cut out from a pipe through which high-temperature and high-pressure water flows, such as a primary cooling water pipe of a nuclear power generation facility. The test piece 1 is cut out so as to include the welded portion of the pipe, and is processed into the shape illustrated in FIG.

試験片１は、２つの金属配管部２と、金属配管部２の間に挟まれる溶接部３で構成される。金属配管部２は、例えばステンレスとされる。溶接部３は、例えばステンレスとされる。２つの金属配管部２は同一形状とされる。なお、金属配管部２の形状は図１（ａ）に示される形状に限定されない。   The test piece 1 includes two metal pipe parts 2 and a weld part 3 sandwiched between the metal pipe parts 2. The metal piping part 2 is made of stainless steel, for example. The welding part 3 is made of stainless steel, for example. The two metal piping parts 2 are made into the same shape. In addition, the shape of the metal piping part 2 is not limited to the shape shown by Fig.1 (a).

図１（ｂ）及び図１（ｃ）において、符号Ｘは配管の内側に対応する面を指し、符号Ｙは配管の外側に対応する面を指す。
試験片１のＸ面において、溶接部３は凸形状となっている。Ｘ面の溶接部３及び溶接部３近傍の金属配管部２は、配管内側形状と同一となっている。図１（ｃ）に示すように、試験片１のＸ面における溶接部３と金属配管部２との接続部６は、溶接部３の面と金属配管部２の面とが不連続となっている。
金属配管部２のＸ面の溶接部３から離れた場所は、機械加工が施されていても良い。例えば図１（ｂ）のように、金属配管部２のＸ面の短辺両端部４は切欠き加工されていても良い。 In FIGS. 1B and 1C, the symbol X indicates a surface corresponding to the inside of the pipe, and the symbol Y indicates a surface corresponding to the outside of the pipe.
On the X plane of the test piece 1, the welded portion 3 has a convex shape. The welded part 3 on the X surface and the metal pipe part 2 in the vicinity of the welded part 3 have the same shape as the pipe inner side. As shown in FIG.1 (c), as for the connection part 6 of the welding part 3 in the X surface of the test piece 1, and the metal piping part 2, the surface of the welding part 3 and the surface of the metal piping part 2 become discontinuous. ing.
Machining may be performed at a place away from the welded part 3 on the X surface of the metal pipe part 2. For example, as shown in FIG. 1B, the both ends 4 of the short side of the X surface of the metal pipe part 2 may be cut out.

試験片１のＹ面において、溶接部３は凸形状となっている。溶接部３から離れた場所の金属配管部２のＹ面は、少なくとも試験片１の中央部で平坦になるようになるように機械加工される。図１（ｂ）では、溶接部３から離れた場所で金属配管部２のＹ面の短辺両端部５は切欠き加工されているが、機械加工せずに配管外側の形状と同一とされていても良い。   On the Y plane of the test piece 1, the welded portion 3 has a convex shape. The Y plane of the metal piping part 2 at a location away from the welded part 3 is machined so as to become flat at least in the center part of the test piece 1. In FIG. 1 (b), both ends 5 of the short side of the Y surface of the metal pipe part 2 are notched at a place away from the welded part 3, but the same shape as the outside of the pipe is obtained without machining. May be.

試験片１のＹ面における溶接部３と金属配管部２との接続部６は、溶接部３の面と金属配管部２の面とで連続的な曲線となるように機械加工される。例えば、接続部６の表面は、曲率半径Ｒ＝２０ｍｍ以上の曲線に機械加工される。   The connection portion 6 between the welded portion 3 and the metal piping portion 2 on the Y plane of the test piece 1 is machined so as to form a continuous curve between the surface of the welded portion 3 and the surface of the metal piping portion 2. For example, the surface of the connecting portion 6 is machined into a curve having a radius of curvature R = 20 mm or more.

図１（ｃ）に示すように、２つの金属配管部２は、紙面横方向の中心線を一致させるように接続される。この中心線が、試験片１の中心軸Ｃとされる。試験片１の中心軸Ｃからの溶接部３のＸ面の頂点Ｐｘの距離をｄｘとし、中心軸Ｃからの溶接部３のＹ面の頂点Ｐｙの距離をｄｙとしたときに、ｄｙ／ｄｘが１以上とされる。なお、ｄｙ／ｄｘ＞１である場合、溶接部３の中心線（中心軸Ｃに対して垂直方向において、Ｘ面からの距離とＹ面からの距離とが同じになる点を結んだ線）は、Ｙ面側に湾曲した形状となる。ｄｙ／ｄｘ＝１であると、図１（ｃ）のように、溶接部３の中心線は試験片１の中心軸Ｃと一致するので、特に好ましい。   As shown in FIG.1 (c), the two metal piping parts 2 are connected so that the centerline of the paper surface horizontal direction may correspond. This center line is the center axis C of the test piece 1. When the distance from the central axis C of the test piece 1 to the vertex Px of the X plane of the welded part 3 is dx, and the distance from the central axis C to the vertex Py of the Y plane of the welded part 3 is dy / dx Is 1 or more. When dy / dx> 1, the center line of the welded portion 3 (a line connecting points where the distance from the X plane and the distance from the Y plane are the same in the direction perpendicular to the central axis C). Is curved to the Y-plane side. It is particularly preferable that dy / dx = 1 because the center line of the welded portion 3 coincides with the center axis C of the test piece 1 as shown in FIG.

本実施形態では、Ｙ面における溶接部３が凸形状を有し、且つ、所定のｄｙ／ｄｘ及び曲率半径Ｒを満たすように、溶接部３のＹ面及び接続部が適宜機械加工される。   In the present embodiment, the Y surface and the connection portion of the weld portion 3 are appropriately machined so that the weld portion 3 on the Y surface has a convex shape and satisfies a predetermined dy / dx and a curvature radius R.

図１の試験片を用いて、配管の疲労寿命を評価する方法を以下で説明する。
図２は、疲労寿命測定装置の概略図である。疲労寿命測定装置１０は、上部治具１１、下部治具１２、及び、ロードフレーム１３を備える。試験片１は、上部治具１１と下部治具との間に固定されている。 A method for evaluating the fatigue life of piping using the test piece of FIG. 1 will be described below.
FIG. 2 is a schematic view of a fatigue life measuring apparatus. The fatigue life measuring device 10 includes an upper jig 11, a lower jig 12, and a load frame 13. The test piece 1 is fixed between the upper jig 11 and the lower jig.

上部治具１１の上部は、ロードフレーム１３に固定されている。
下部治具１２は、軸体１４に接続されている。軸体１４の下端に動力部１５が接続される。動力部１５は、下方のロードフレーム１３内に収納されている。動力部１５はアクチュエータ１６及びサーボバルブ１７で構成されている。アクチュエータ１６の動力源として油圧ユニット１８がサーボバルブ１７に接続される。サーボバルブ１７は制御部１９に接続される。 The upper part of the upper jig 11 is fixed to the load frame 13.
The lower jig 12 is connected to the shaft body 14. A power unit 15 is connected to the lower end of the shaft body 14. The power unit 15 is housed in the lower load frame 13. The power unit 15 includes an actuator 16 and a servo valve 17. A hydraulic unit 18 is connected to the servo valve 17 as a power source for the actuator 16. The servo valve 17 is connected to the control unit 19.

上部治具１１及び下部治具１２は、圧力容器２０内に収納される。圧力容器２０の下部には、水供給配管２１及び水排出配管２２が設置される。   The upper jig 11 and the lower jig 12 are accommodated in the pressure vessel 20. A water supply pipe 21 and a water discharge pipe 22 are installed below the pressure vessel 20.

下部治具１２と動力部１５との間で、軸体１４に負荷制御部２３が設置される。負荷制御部２３は制御部１９に接続される。制御部１９は例えばコンピュータとされる。   A load control unit 23 is installed on the shaft body 14 between the lower jig 12 and the power unit 15. The load control unit 23 is connected to the control unit 19. The control unit 19 is, for example, a computer.

試験片１の金属配管部２にＸ面及びＹ面の変位量を測定するための変位計２４が設置される。変位計２４の２つの探針は、溶接部３を挟むように金属配管部に接触させられる。   A displacement meter 24 for measuring the displacement amount of the X plane and the Y plane is installed in the metal piping part 2 of the test piece 1. The two probes of the displacement meter 24 are brought into contact with the metal piping portion so as to sandwich the welded portion 3.

図３は、試験片が疲労寿命測定装置に設置される状態を表す概略図である。試験片１は、図１に示される長辺両端部７（金属配管部２）を上部治具１１及び下部治具１２で固定されることで、疲労寿命測定装置１０に設置される。溶接部３の中心と上部治具１１との距離は、溶接部３の中心と下部治具１２との距離と同一とされる。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which the test piece is installed in the fatigue life measuring apparatus. The test piece 1 is installed in the fatigue life measuring apparatus 10 by fixing the long side both ends 7 (metal piping part 2) shown in FIG. 1 with the upper jig 11 and the lower jig 12. The distance between the center of the welded part 3 and the upper jig 11 is the same as the distance between the center of the welded part 3 and the lower jig 12.

試験片１の中心軸Ｃは、疲労寿命測定装置１０の負荷中心軸Ｌに対してずらして配置される。負荷中心軸Ｌは、試験片１の中心軸ＣよりもＸ面側（配管の内側に対応する面側）に位置している。負荷中心軸Ｌは試験片１を貫いていても良いし、試験片１のＸ面の外側に位置していても良い。なお、試験片１の中心軸Ｃと負荷中心軸Ｌとの距離は、治具１１，１２に試験片１を確実に固定でき試験片１が外れない程度の値とされる。   The center axis C of the test piece 1 is arranged so as to be shifted from the load center axis L of the fatigue life measuring device 10. The load center axis L is located closer to the X plane than the center axis C of the test piece 1 (the plane corresponding to the inside of the pipe). The load center axis L may penetrate the test piece 1 or may be located outside the X plane of the test piece 1. The distance between the center axis C of the test piece 1 and the load center axis L is set to a value that allows the test piece 1 to be securely fixed to the jigs 11 and 12 and not to be removed.

配管の疲労寿命の評価は、以下の工程で実施される。
試験片１が図３のように疲労寿命測定装置１０に設置され、変位計２４が試験片１に取り付けられる。
その後、圧力容器２０内に水供給配管２１から水が供給される。試験片１全体は、水に浸漬される。圧力容器２０内部の水の温度及び圧力は、発電設備などに配管が使用された場合に配管内部を流通する高温高圧水と略同一とされる。具体的に、水の温度は、２３℃〜３２５℃とされる。圧力容器２０内は水で充填されており、圧力は０．１ＭＰａ〜１６ＭＰａとされる。圧力容器２０内の水は、水排出配管２２から圧力容器２０外に排出される。水供給配管２１及び水排出配管２２には、それぞれバルブ（不図示）が設置されており、バルブおよび循環ポンプにより圧力容器２０内部の圧力が調整されている。測定中、圧力容器２０内の水の温度及び圧力が上記範囲に保持されながら、圧力容器２０内への水の供給及び圧力容器２０外への水の排出が継続される。 Evaluation of the fatigue life of piping is performed in the following steps.
The test piece 1 is installed in the fatigue life measuring apparatus 10 as shown in FIG. 3, and the displacement meter 24 is attached to the test piece 1.
Thereafter, water is supplied from the water supply pipe 21 into the pressure vessel 20. The entire test piece 1 is immersed in water. The temperature and pressure of the water inside the pressure vessel 20 are substantially the same as the high-temperature and high-pressure water that circulates inside the pipe when the pipe is used for power generation equipment or the like. Specifically, the temperature of water shall be 23 degreeC-325 degreeC. The inside of the pressure vessel 20 is filled with water, and the pressure is 0.1 MPa to 16 MPa. The water in the pressure vessel 20 is discharged out of the pressure vessel 20 through the water discharge pipe 22. Each of the water supply pipe 21 and the water discharge pipe 22 is provided with a valve (not shown), and the pressure inside the pressure vessel 20 is adjusted by the valve and the circulation pump. During the measurement, the supply of water into the pressure vessel 20 and the discharge of water outside the pressure vessel 20 are continued while the temperature and pressure of the water in the pressure vessel 20 are maintained in the above ranges.

試験片１が水に浸漬された後、制御部１９はサーボバルブ１７に制御信号を送信する。制御信号を受信したサーボバルブ１７は、油圧ユニット１８を作動させ、油圧ユニット１８を介してアクチュエータ１６を作動させる。アクチュエータ１６により、軸体１４が所定の周期及び所定の変位量で上下方向に移動させられる。アクチュエータ１６は、軸体の移動量Ｄを変位信号として制御部１９に送信する。   After the test piece 1 is immersed in water, the control unit 19 transmits a control signal to the servo valve 17. The servo valve 17 that has received the control signal operates the hydraulic unit 18 and operates the actuator 16 via the hydraulic unit 18. The shaft body 14 is moved in the vertical direction by a predetermined period and a predetermined amount of displacement by the actuator 16. The actuator 16 transmits the movement amount D of the shaft body to the control unit 19 as a displacement signal.

軸体１４の移動により、下部治具１２が上下に変位させられる。下部治具１２が変位することにより、試験片１に引張荷重及び圧縮荷重が繰り返し負荷される。引張荷重及び圧縮荷重が負荷される周期は軸体の移動周期と同一である。
変位計２４は、試験片１のＸ面及びＹ面のそれぞれの変位量Ｅｘ，Ｅｙを計測する。変位計２４は、Ｘ面及びＹ面の変位量Ｅｘ，Ｅｙをひずみ信号として制御部１９に送信する。
負荷制御部２３は、試験片に付与される荷重量Ｐを荷重信号として制御部１９に送信する。 The lower jig 12 is displaced up and down by the movement of the shaft body 14. When the lower jig 12 is displaced, a tensile load and a compressive load are repeatedly applied to the test piece 1. The period in which the tensile load and the compressive load are applied is the same as the movement period of the shaft body.
The displacement meter 24 measures the displacement amounts Ex and Ey of the X plane and the Y plane of the test piece 1. The displacement meter 24 transmits the displacement amounts Ex and Ey of the X plane and the Y plane to the control unit 19 as strain signals.
The load control unit 23 transmits the load amount P applied to the test piece to the control unit 19 as a load signal.

制御部１９は、軸体の移動量Ｄ、変位量Ｅｘ，Ｅｙ、及び荷重量Ｐを取得する。制御部１９は、変位量Ｅｘ，Ｅｙが所定値になるように、軸体の移動量Ｄを制御して、荷重量Ｐを所定値に調整する。   The control unit 19 acquires the movement amount D, the displacement amounts Ex and Ey, and the load amount P of the shaft body. The control unit 19 adjusts the load amount P to a predetermined value by controlling the movement amount D of the shaft body so that the displacement amounts Ex and Ey have predetermined values.

下部治具１２の変位により試験片１に荷重が繰り返し付与されることにより、試験片１に引張と圧縮とが繰り返し付与される。制御部１９は、１回の引張及び１回の圧縮を１つの繰り返し回数として、試験片１に付与された引張及び圧縮の繰り返し回数を計測する。   By repeatedly applying a load to the test piece 1 due to the displacement of the lower jig 12, tension and compression are repeatedly applied to the test piece 1. The control unit 19 measures the number of repetitions of tension and compression applied to the test piece 1 with one tension and one compression as one number of repetitions.

図４は、試験片に作用する荷重モードを説明する概略図である。図４において、「＋」はＸ面またはＹ面の伸長、「−」はＸ面またはＹ面の圧縮を表す。
本実施形態において、試験片１の溶接部３には、軸力による引張応力及び圧縮応力σＡ、曲げモーメントによる引張応力及び圧縮応力（曲げ応力）σＢが付与される。試験片１の溶接部３に付与される引張応力及び圧縮応力σは、σ＝σＡ＋σＢで表される。 FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a load mode that acts on the test piece. In FIG. 4, “+” represents expansion of the X or Y plane, and “−” represents compression of the X or Y plane.
In the present embodiment, a tensile stress and a compressive stress σ A due to an axial force and a tensile stress and a compressive stress (bending stress) σ B due to a bending moment are applied to the welded portion 3 of the test piece 1. A tensile stress and a compressive stress σ applied to the welded portion 3 of the test piece 1 are represented by σ = σ A + σ B.

図４のＡ欄に示すように、試験片１が引っ張られると、溶接部３のＸ面側及びＹ面側はともに中心軸Ｃの方向へ伸長する。試験片１が圧縮されると、溶接部３のＸ面側及びＹ面側はともに中心軸Ｃの方向に収縮する。
試験片１には、引張応力及び圧縮応力σＡが付与される。溶接部３のＸ面に付与されるσＡの大きさと、溶接部３のＹ面に付与されるσＡの大きさは略同一となる。幅Ｗの試験対象部に作用するσＡは、式（１）で表される。
σＡ=Ｐ／（（ｄｘ＋ｄｙ）Ｗ） …（１） As shown in the column A of FIG. 4, when the test piece 1 is pulled, both the X plane side and the Y plane side of the welded portion 3 extend in the direction of the central axis C. When the test piece 1 is compressed, both the X plane side and the Y plane side of the welded portion 3 contract in the direction of the central axis C.
A tensile stress and a compressive stress σ A are applied to the test piece 1. The magnitude of sigma A applied to the X-plane of the welded portion 3, the magnitude of sigma A applied to the Y plane of the weld 3 becomes substantially equal. Σ A acting on the test target portion having the width W is expressed by Expression (1).
σ A = P / ((dx + dy) W) (1)

図４のＢ欄は、負荷中心軸と試験片の中心軸とがずれたことに起因する曲げを示している。負荷中心軸Ｌと試験片１の中心軸Ｃをずらして配置され、試験片１は両端が治具１１，１２に固定されているため、試験片１に荷重が付与されると、試験片１の溶接部３の周辺に曲げモーメントが発生する。図４のＢ欄に示すように、試験片１が引っ張られたときに試験片１のＸ面がＹ面に対して相対的に伸びる曲げが発生し、試験片１が圧縮されたときに試験片のＸ面がＹ面に対して相対的に縮む曲げが発生する。あるいは、試験片１が引っ張られたときに試験片１のＸ面がＹ面に対して相対的に縮む曲げが発生し、試験片１が圧縮されたときに試験片のＸ面がＹ面に対して相対的に伸びる曲げが発生する。
溶接部３のＸ面及びＹ面には、曲げモーメントによる引張応力及び圧縮応力σＢが付与される。 The column B in FIG. 4 shows the bending caused by the shift of the load center axis and the center axis of the test piece. Since the load center axis L and the center axis C of the test piece 1 are shifted from each other and the both ends of the test piece 1 are fixed to the jigs 11 and 12, when a load is applied to the test piece 1, the test piece 1 A bending moment is generated around the welded portion 3. As shown in the column B of FIG. 4, when the test piece 1 is pulled, a bending occurs in which the X plane of the test piece 1 extends relative to the Y plane, and the test piece 1 is tested when the test piece 1 is compressed. A bending occurs in which the X plane of the piece contracts relatively to the Y plane. Alternatively, when the test piece 1 is pulled, bending occurs in which the X plane of the test piece 1 is relatively contracted with respect to the Y plane, and when the test piece 1 is compressed, the X plane of the test piece becomes the Y plane. On the other hand, bending that is relatively extended occurs.
A tensile stress and a compressive stress σ B due to a bending moment are applied to the X plane and the Y plane of the welded portion 3.

ここで、負荷中心軸Ｌと試験片１の中心軸Ｃとをずらすことにより試験片１に発生する曲げモーメントＭは、材料のヤング率Ｅ、断面二次モーメントＩ、はりの曲率ρを用いて式（２）で表される。
Ｍ＝ＥＩ／ρ …（２）
また、曲げ応力σＢは断面係数Zを用いて式（３）で表される。
σＢ=Ｍ／Ｚ …（３）
式（２）より、負荷中心軸Ｌと試験片１の中心軸Ｃとのずれが大きくなるほど試験片のＸ面に付与される曲げモーメントは、試験片のＹ面に付与される曲げモーメントよりも大きくなる。従って、試験片のＸ面（配管内側に対応）に付与される曲げ応力の値σＢは、試験片のＹ面（配管外側に対応）に付与される曲げ応力σＢの値よりも大きくなる。 Here, the bending moment M generated in the test piece 1 by shifting the load central axis L and the central axis C of the test piece 1 uses the Young's modulus E, the secondary moment I of the material, and the curvature ρ of the beam. It is represented by Formula (2).
M = EI / ρ (2)
Further, the bending stress σ B is expressed by Expression (3) using the section modulus Z.
σ B = M / Z (3)
From equation (2), the bending moment applied to the X plane of the test piece becomes larger than the bending moment applied to the Y plane of the test piece as the deviation between the load center axis L and the central axis C of the test piece 1 increases. growing. Therefore, the bending stress value σ B applied to the X plane of the test piece (corresponding to the inside of the pipe) is larger than the bending stress σ B applied to the Y plane of the test piece (corresponding to the outside of the pipe). .

従って、試験片１のＸ面側の溶接部３に付与される引張応力及び圧縮応力の大きさσｘ（σＡ，σＢの和）は、試験片１のＹ面に付与される引張応力及び圧縮応力の大きさσｙ（σＡ，σＢの和）よりも大きくなる。すなわち、溶接部３のＸ面側に応力が集中する。このため、溶接部３のＸ面側が疲労き裂発生起点となり、確実にＸ面側の溶接部３に疲労き裂が発生する。 Therefore, the magnitude σ x (sum of σ A and σ B ) of the tensile stress and the compressive stress applied to the welded portion 3 on the X-plane side of the test piece 1 is the tensile stress applied to the Y-plane of the test piece 1. And the magnitude of compressive stress σ y (the sum of σ A and σ B ). That is, stress concentrates on the X plane side of the welded portion 3. For this reason, the X-plane side of the welded portion 3 becomes a fatigue crack initiation point, and the fatigue crack is surely generated in the welded portion 3 on the X-plane side.

制御部１９は、疲労き裂が発生するまでの引張及び圧縮の繰り返し回数Ｎを計測する。制御部１９は、繰り返し回数Ｎを試験片が切り出された配管の疲労寿命と見なして取得する。上述の工程により、所定応力が付与されるときの配管の疲労寿命が評価される。   The control unit 19 measures the number of repetitions N of tension and compression until a fatigue crack occurs. The control unit 19 obtains the number of repetitions N as the fatigue life of the pipe from which the test piece is cut out. The fatigue life of piping when a predetermined stress is applied is evaluated by the above-described steps.

１ 試験片
２ 金属配管部
３ 溶接部
１０ 疲労寿命測定装置
１１ 上部治具
１２ 下部治具
１３ ロードフレーム
１４ 軸体
１５ 動力部
１６ アクチュエータ
１７ サーボバルブ
１８ 油圧ユニット
１９ 制御部
２０ 圧力容器
２１ 水供給配管
２２ 水排出配管
２３ 負荷制御部
２４ 変位計 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Test piece 2 Metal piping part 3 Welding part 10 Fatigue life measuring device 11 Upper jig 12 Lower jig 13 Load frame 14 Shaft body 15 Power part 16 Actuator 17 Servo valve 18 Hydraulic unit 19 Control part 20 Pressure vessel 21 Water supply piping 22 Water discharge pipe 23 Load control unit 24 Displacement meter

Claims (3)

配管から切り出され、該配管の疲労寿命を評価するための試験片であって、
同一形状の２つの金属配管部と該２つの金属配管部との間に挟まれた溶接部とを有し、
前記２つの金属配管部は、共通する１つの中心軸を有するように配置され、
前記溶接部の前記配管の外側に対応する面、及び、前記溶接部の前記配管の内側に対応する面のそれぞれが凸状になっており、
前記配管の内側に対応する面において、前記溶接部及び該溶接部近傍に位置する前記金属配管部は、前記配管の内側の面と同一形状であり、
前記配管の外側に対応する面において、前記溶接部と前記金属配管部との各々の接続部は、前記溶接部の面と前記金属配管部の面とで連続的な曲線を有し、
前記溶接部の前記配管の内側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離に対する、前記溶接部の前記配管の外側に対応する側の前記凸部の頂点と前記中心軸との距離の比率が、１以上である疲労寿命評価用試験片。 A test piece cut out from a pipe for evaluating the fatigue life of the pipe,
Having two metal pipe parts of the same shape and a welded part sandwiched between the two metal pipe parts,
The two metal piping parts are arranged so as to have one common central axis,
Each of the surface corresponding to the outside of the pipe of the welded portion and the surface corresponding to the inside of the pipe of the welded portion is convex.
In the surface corresponding to the inner side of the pipe, the welded part and the metal pipe part located in the vicinity of the welded part have the same shape as the inner surface of the pipe,
In the surface corresponding to the outside of the pipe, each connection part of the welded part and the metal pipe part has a continuous curve between the surface of the welded part and the surface of the metal pipe part,
The apex of the convex portion on the side corresponding to the outside of the pipe of the welded portion and the central axis with respect to the distance between the apex of the convex portion on the side corresponding to the inside of the pipe of the welded portion and the central axis A test piece for fatigue life evaluation in which the distance ratio is 1 or more. 前記配管の外側に対応する側の前記凸部が加工されて、前記比率が１以上とされている請求項１に記載の疲労寿命評価用試験片。   The test piece for fatigue life evaluation according to claim 1, wherein the convex portion on the side corresponding to the outside of the pipe is processed so that the ratio is 1 or more. 請求項１または請求項２に記載の疲労寿命評価用試験片を用いて、前記配管の疲労寿命を評価する方法であって、
疲労寿命評価装置の負荷中心軸が、前記試験片の中心軸よりも配管の内側に対応する方向に位置するように、前記試験片が前記疲労寿命評価装置に設置される工程と、
前記疲労寿命評価装置に設置された前記試験片が、前記配管の使用環境において前記配管の内側を流通する水と略同一とされる温度及び圧力の水に浸漬される工程と、
前記試験片が前記水に浸漬された状態で、所定の荷重で前記試験片に引張応力及び圧縮応力の組み合わせを繰り返し付与する工程と、
前記溶接部に疲労き裂が発生した時の前記引張応力及び圧縮応力の組み合わせを前記試験片に付与した回数を取得し、前記回数を前記配管の疲労寿命と見なす工程と、
を含む疲労寿命評価方法。 A method for evaluating the fatigue life of the pipe using the test piece for fatigue life evaluation according to claim 1 or 2,
A step in which the test piece is installed in the fatigue life evaluation apparatus such that the load center axis of the fatigue life evaluation apparatus is positioned in a direction corresponding to the inside of the pipe with respect to the center axis of the test piece;
A step in which the test piece installed in the fatigue life evaluation apparatus is immersed in water at a temperature and pressure substantially the same as the water flowing inside the pipe in the usage environment of the pipe;
A step of repeatedly applying a combination of tensile stress and compressive stress to the test piece with a predetermined load while the test piece is immersed in the water;
Obtaining the number of times the combination of tensile stress and compressive stress applied to the test piece when a fatigue crack occurs in the weld, and regarding the number of times as the fatigue life of the pipe;
Fatigue life evaluation method including
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