報告書番号

Q16006

タイトル（和文）

ステンレス鋳鋼の超音波伝搬挙動予測のための基礎検討

タイトル（英文）

Basic study on numerical prediction of ultrasonic wave propagation behavior in cast stainless steels

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
ステンレス鋳鋼（CASS）は，原子力発電所の供用期間中検査の対象である一次冷却材配管に用いられるが，結晶組織に起因する超音波の散乱・減衰および超音波伝搬経路の屈曲・分岐により，CASSに対する超音波探傷試験は非常に困難である．既報[1]では，CASSに対し超音波フェーズドアレイ法を適用したときの欠陥検出性に対する周波数および屈折角の影響を調べ，結晶組織に応じて適切な条件を設定する必要があることを示した．探傷条件の最適化にあたっては，超音波伝搬シミュレーションの活用が有効であるが，これまでに行われた同様の研究注 ）では，結晶組織の情報を断面観察より得ており，実機への適用が困難であった．製造条件から結晶組織を予測できれば，断面観察を経ずに結晶組織を考慮した超音波伝搬シミュレーションが可能となる．

目 的
製造条件からステンレス鋳鋼の結晶組織を予測し，これを考慮した超音波伝搬シミュレーションの適用性を検討する．

主な成果
1. 結晶組織の予測
凝固組織の予測に用いられるセルラーオートマトン法注 ）と有限要素法の連成解析（CAFE）法を用いて，静止鋳造により製作したステンレス鋳鋼試験体の結晶組織を製造条件のみから予測した（図1）．予測結果を試験体断面の観察結果と比較したところ，結晶粒分布の様相，および粒面積の統計的な分布がよく一致しており，CAFE法における最適な計算パラメーターを決定できた（表1，図2）．

2. 超音波伝搬シミュレーションの適用
有限要素法を用いて，上記1で予測された結晶組織を考慮した超音波伝搬シミュレーションを行った．試験体断面における超音波伝搬挙動の観察結果とシミュレーションによる予測結果を比較したところ，観察結果では先頭波面より後ろに波の散乱が観察されたものの，先頭波面の形状および先頭波面における振幅が大きい位置がよく一致していた．また，結晶組織に起因する伝搬経路の屈曲・分岐も再現できていた（図3）．

今後の展開
複数断面における粒面積の統計的な分布が一致するように計算パラメーターを最適化し，かつ先頭波面の後ろに観察される散乱波の原因を特定することで，提案する手法の高度化を行う．

概要 （英文）

Cast stainless steel (CASS) is widely used in primary coolant piping of nuclear power plants because of its high corrosion resistance and high strength. An in-service inspection based on ultrasonic testing (UT) has to be conducted for weld joints of primary coolant piping on the basis of JSME Rules on Fitness-for-Service for Nuclear Power Plants. However, it is difficult to detect and size flaws in CASS components with high accuracy because of the following reasons: Ultrasonic waves are scattered and attenuated due to coarse grains, and anisotropic and heterogeneous properties in CASS lead to ultrasonic beam splitting and skewing. In order to solve such a problem, it is important to deeply understand wave propagation behavior in CASS. To achieve this, it is effective to simulate wave propagation in CASS taking into account microstructures. Experimental observation of cross-sections is a method to obtain a microstructure but is difficult to be applied to field CASS components. If the microstructures in CASS can be predicted from the casting condition, we can simulate wave propagation without the limit of experimental observation. In this study, we prepared a statically cast stainless steel specimen, and observed its cross-sectional macrographs and wave propagation behavior experimentally. Then, we applied the cellular automaton coupled finite element model to predict the microstructures of CASS, and carried out wave propagation simulation based on FEM with the consideration of predicted microstructures. Consequently, statistical distribution of grain area and ultrasonic wave propagation behavior obtained from vertical cross-section of the specimen are good agreement with those predicted from numerical simulations.

報告者

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