報告書番号

EX25003

タイトル（和文）

オーステナイト系ステンレス鋼溶接部を透過させる超音波探傷技術の開発 －実機溶接部を対象とした凝固組織予測－

タイトル（英文）

Development of Far-Side Ultrasonic Testing Technique for Austenitic Stainless Steel Welds - Solidification structure Prediction for Actual Welds-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
原子力プラントの主要機器に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼配管の溶接部は，供用期間中検査として溶接部の両側から超音波探傷試験（UT）が実施される．応力腐食割れなどの熱影響部に発生するきずは，きずが発生した母材側からの探傷で検出可能である．しかし，周辺障害物などにより溶接部を挟んだ反対側から探傷せざるを得ない場合には，溶接部の凝固組織に起因する超音波の散乱および屈曲によって，UTの精度が低下する．UTの精度向上には，凝固組織を取り込んだ超音波伝搬解析に基づき探傷条件を最適化することが重要である．これまでに，溶接施工に伴う母材および溶着金属の溶解現象注1)，並びに溶融池注2)が移動しながら凝固する過程を取り扱えるセルラーオートマトン（CA）注3)法を開発し，７層７パスの溶接部を対象に，予測した凝固組織に基づく超音波伝搬解析で，実験で観察された波動を再現できた注4)．本手法を約40パスの実機溶接部に適用するためには，凝固組織計算の高速化と，予測凝固組織に基づく超音波伝搬解析の妥当性確認が必要である．
目　　的
凝固組織計算を高速化し，実機溶接部の凝固組織を予測する．また，予測した凝固組織を用いて超音波伝搬解析を実施し，実験で観察した波動を再現できるかを確認する．
主な成果
1. 凝固組織計算の高速化と実機溶接部の凝固組織予測
デンドライト成長理論（KGT model）注5)に基づく過冷度ΔTと成長速度Vの関係を事前にテーブル化し，任意のΔTにおけるVを線形補間で算出する手法（図1）を用いることにより，凝固組織の計算を約40倍高速化した．実機溶接部を模擬した15層37パスのオーステナイト系ステンレス鋼溶接部を対象に，溶接条件に基づき高速化したCA法を用いて予測した溶接部凝固組織は，実際のマクロ組織と概ね一致した（図2）．
2. 超音波伝搬解析およびその結果と実験結果との比較
予測した凝固組織を取り入れた解析モデル（図3）を用い，斜角探触子により励起された超音波の溶接部内伝搬を解析し，実験結果と比較した（図4）．その結果，縦波は結晶粒界での散乱を受けながら溶接部を通過するのに対し，横波は著しい散乱によって波面が大きく乱されるという実験結果が概ね再現できた．
今後の展開
必要に応じて凝固組織の予測精度を向上させるとともに，予測凝固組織を活用した超音波探傷試験条件の最適化検討を行う．

概要 （英文）

Austenitic stainless steel welds in nuclear power plant piping are subject to periodic ultrasonic testing. However, the accuracy of UT is often reduced by ultrasonic wave scattering and diffraction due to complex solidification structures within welds. To overcome this, it is crucial to deeply understand wave propagation in such welds by numerical analysis incorporated with three dimensional solidification structure. We developed an improved Cellular Automaton Finite Difference (CAFD) model that predicts three-dimensional solidification structures based on welding conditions. The model significantly accelerates computation by optimizing dendrite growth velocity calculations. Simulations of a multi-layer SUS316L weld using the enhanced CAFD model showed strong agreement with experimental macrostructure observations, especially in cross-sections perpendicular to the weld direction. Ultrasonic wave propagation simulations, incorporating these predicted structures, closely matched experimental results: longitudinal waves passed through welds with minimal scattering, while transverse waves were strongly scattered at grain boundaries. This work demonstrates that the improved CAFD model enables realistic prediction of weld structures and supports more reliable ultrasonic inspection of nuclear piping welds.

報告者

キーワード