報告書番号

O18004

タイトル（和文）

XFEMを用いた曲げとねじりを受ける周方向亀裂付きオーステナイト系ステンレス鋼配管の破壊評価

タイトル（英文）

Failure assessment using XFEM for the austinitic stainless steel pipe with the circumferential crack subjected to bending and torsion

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
亀裂付き配管の破壊評価法は発電用原子力設備規格－維持規格に規定されている。周方向亀裂の破壊評価に極限荷重評価法を用いた場合、許容応力評価では膜応力、曲げ応力および熱膨張応力を考慮しており、亀裂開口モードはモードⅠのみとなる。しかし配管系統によっては、ねじり応力も作用する可能性があり、この場合、亀裂開口モードはモードⅠとモードⅡの混合モードとなる。混合モード下における亀裂付き配管の破壊評価法は確立されておらず、また破壊評価法の構築に資するための解析技術も確立されていない。現状の破壊評価法では混合モードを考慮していないが、安全率で裕度を持たせている。以上より、実機配管の健全性をより高精度に評価するためには、混合モード下における亀裂付き配管の破壊評価法を構築する必要がある。

目 的
混合モード下における亀裂付き配管の破壊評価法の構築を目指し、XFEMを用いた破壊評価解析技術を開発する。

主な成果
1.XFEMによる混合モード下のエネルギー解放率算定と最大荷重・最大モーメント予測
曲げとねじりを受ける周方向亀裂付きオーステナイト系ステンレス鋼の既往の実験結果（試験体: TP1）との比較から、XFEMによるパラメータスタディにより混合モード下における亀裂発生臨界エネルギー解放率GiCおよび亀裂進展臨界エネルギー解放率GPiCを明らかとした。また、これらの値を用い、TP1とは曲げモーメントおよびねじりモーメントが異なる条件（試験体: TP2）に対してXFEM解析を行った結果、最大荷重、最大曲げモーメントおよび最大ねじりモーメントに対する解析誤差は6.1%以下であり、安全率1.39に対して十分許容できることを示した。

2.曲げとねじりを受ける周方向亀裂付き配管の破壊評価
曲げとねじりを受ける健全配管の破壊評価法（JEAG4601・補-1984）を亀裂付き配管の破壊評価に試適用した結果、解析値と初期亀裂未考慮の限界曲げモーメントおよび限界ねじりモーメントを用いた破壊評価は非安全側となった。一方、解析値と初期亀裂を考慮した限界曲げモーメントおよび限界ねじりモーメントを用いることで、安全裕度は少ないものの、非安全側の評価とはならないことを示した。

以上より、混合モード下におけるXFEMを用いた亀裂付き配管の破壊評価解析技術を開発できる見通しを得た。

今後の展開
XFEMを用いた解析技術がエルボ配管などにも適用可能か検証する。

概要 （英文）

Failure assessment for a pipe with a circumferential crack in nuclear power plants has to be conformed to Rules on Fitness for Service for Nuclear Power Plants published by JSME in Japan. Applied stress considered in the failure assessment for the pipe using limit load assessment based on the rules are membrane stress, bending stress and thermal stress. The failure assessment focuses on the only mode 1. In actual plants, depending on the piping system, torsional stress may be applied to the pipe other than membrane stress, bending stress and thermal stress. Under such a load condition, crack opening mode is mixed mode, which is combination of mode 1 and mode 2. So, it is necessary to establish the failure assessment method for the pipe with crack under mixed-mode.
In this study, applicability of XFEM for evaluation of maximum load, bending moment and torsional moment in fracture tests for the stainless steel pipes with the circumferential crack subjected to bending and torsion, and validity of the failure assessment method based on JEAG 4601 were verified. Though JEAG 4601 rules the failure assessment for no crack pipe subject to bending and torsional moment, the failure assessment was applied to the pipe with crack on trial. The decreasing load due to crack propagation in the fracture tests were simulated by XFEM, and the maximum load, bending moment, and torsional moment were predicted within a margin of error of 6.1%. In the validation of failure assessment method based on JEAG 4601, the failure assessments for the pipe with the circumferential crack were evaluated to non-safety side. The main reason the failure assessments were evaluated to non-safety side was presumed that the formulas for critical bending moment and torsional moment are not considered the initial crack effect. As the results of taking into account the effect of the crack on fracture, the failure assessments were evaluated conservatively.

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