JP2005320626A - 熱処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、配管の溶接又は曲げ加工によって発生する溶接部近傍又は曲げ加工近傍の残留応力を極めて効果的に圧縮残留応力に変えることができる熱処理方法及びその装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明は、配管の内外面がクリープ温度領域の同一温度状態になるように所定時間加熱した後、前記配管内面を冷媒で冷却する加熱冷却処理を行うことを特徴とする熱処理方法にある。
又、本発明は、配管外周面を加熱する加熱源と、該加熱源による前記配管の温度をクリープ温度領域で所定時間加熱制御する加熱源制御装置と、前記配管内に冷媒を供給する冷媒供給装置と、前記所定時間加熱した後前記配管内に冷媒を供給する熱処理制御装置とを有することを特徴とする熱処理装置にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接又は曲げ加工により発生した配管の残留応力を改善する新規な熱処理方法及びその装置に関する。

配管の溶接後又は曲げ加工後の残留応力を改善する代表的な方法として、特許文献１及び特許文献２が挙げられる。これらの特許文献には、配管内面に予め冷媒を存在させ、配管外面を加熱して配管内面と外面に温度差を発生させ、内面を引張り降伏、外面を圧縮降伏させる熱処理方法が示されている。また、特許文献３には、配管内面に予め冷媒を存在させないで、溶接部近傍の配管外面を加熱した後、その加熱を止めて、又は加熱しながら管内に冷媒を通して管内面を冷却することにより管内面に圧縮残留応力を形成させる熱処理方法が示されている。更に、特許文献４には、配管内面に予め冷媒を存在させないで、配管を均一に加熱した後、管内面を水冷することにより管内面に圧縮残留応力を形成させる熱処理方法が示されている。

特開昭５２−１３０４０９号公報 特開昭５２−７０９１４号公報 特開昭５５−１１０７２９号公報 特開昭５７−５８９９１号公報

溶接等の熱，加工履歴に伴い発生した残留応力又は曲げ加工によって発生した引張り残留応力は、疲労強度の低下，応力腐食割れの発生及び進展の主要因となる。これらの残留応力を開放すると共に、上記の損傷が危惧される部位の残留応力を圧縮残留応力または、その材料の降伏応力以下の引張り残留応力にすることにより、疲労，応力腐食割れによる損傷を抑制することが可能である。

これらの引張り残留応力に対し、特許文献１及び特許文献２に代表される熱処理を施す技術は、予め冷媒を配管内面に存在させることが可能な大型配管で、ポンプ等の循環システムを有する配管系には有効であるが、薄肉の小口径配管ではその効果は期待できない。また、特許文献３及び特許文献４に代表される熱処理を施す技術においても薄肉小口径配管ではその大きな効果は期待できない。

本発明の目的は、配管の溶接又は曲げ加工によって発生する溶接部近傍又は曲げ加工近傍の残留応力を極めて効果的に圧縮残留応力または、その材料の降伏応力以下の引張り残留応力に変えることができる熱処理方法及びその装置を提供することにある。

本発明は、溶接後に当該溶接部の配管外面に熱源を配置し、残留応力が緩和する温度以上に加熱し、一定時間加熱保持した後、加熱を中止し、又は加熱しながら配管内面を冷媒で冷却することにより、配管の内外面に温度差を形成し、その結果、配管内面には引張りの降伏応力が、外面には圧縮の降伏応力が発生する。そして、熱処理後、常温に達した際には、熱処理時の降伏により配管内面には圧縮または、その材料の降伏応力以下の引張り応力場が形成される。

また、本発明は、配管を２００℃〜１０００℃の温度領域で所定時間加熱保持した後、前記配管内面を冷媒で冷却する加熱冷却処理を行うことを特徴とする熱処理方法にあり、配管の内外面が２００℃〜１０００℃の温度領域の同一温度状態になるように前記加熱保持することが好ましい。

また、本発明は、前記配管内面を冷媒で冷却する際に前記配管外面を加熱する前記加熱冷却処理を施すこと、前記配管の突合せ溶接部又は曲げ加工部に前記加熱冷却処理を施すこと、前記冷却の際の前記配管内外面の温度差を１００℃以上とすること、又は、前記配管の加熱温度が２００℃〜１０００℃であることが好ましい。

また、本発明は、前記配管の外面の加熱範囲は、前記配管の板厚ｔ及び配管半径ｒとすると、√（ｒｔ）〜５√（ｒｔ）の軸方向の範囲を前記溶接部を中心として、又は曲げ加工部軸方向長さに０.５√（ｒｔ）〜２.５√（ｒｔ）の軸方向を加えた軸方向範囲を曲げ加工部中心として外側表面であることが好ましい。

また、本発明は、前記加熱冷却処理後、該加熱冷却処理部から所定距離離れた位置で前記配管の径方向に収縮変形させること、前記所定距離をＬとした場合、０.６√(ｒｔ) ＜Ｌ＜３.０√(ｒｔ) とすること、前記加熱冷却処理後、前記配管内に前記冷媒を満たし、前記加熱冷却処理部を過冷却させて前記配管内の前記冷媒を固化させて体積膨張させ、前記加熱冷却処理部に内圧による変形を発生させた後、前記配管内の冷媒を溶解することが好ましい。

また、本発明は、配管外周面を加熱する加熱源と、該加熱源による前記配管の温度を
２００℃〜１０００℃の温度領域で所定時間保持制御する加熱源制御装置と、前記配管内に冷媒を供給する冷媒供給装置と、前記所定時間加熱した後前記配管内に冷媒を供給する熱処理制御装置とを有することを特徴とする熱処理装置にある。

前記熱処理制御装置は前記配管内を冷媒で冷却する際中に、前記配管外面を加熱する制御部を有すること、前記加熱源は突合せ溶接部又は曲げ加工部の外側表面を中心に式(１)〜前記配管の外径の幅を有すること、前記加熱源が高周波誘導コイル、電気ヒータ又は通電加熱による電源であること、前記熱処理制御装置は前記配管内外面の温度差を１００℃以上、又は前記加熱温度を２００℃〜１０００℃で加熱する設定手段を有すること、前記配管の外側と前記加熱源との間に吸熱材を設けること、前記吸熱材は熱容量が大きく熱伝導および配管との熱伝達が良好であること、前記冷媒を冷却又は前記加熱冷却処理部を過冷却させて前記配管内の前記冷媒を固化させる冷却装置を有すること、前記冷媒が、水，空気，不活性ガス，水と空気を混合した霧状の気体のいずれかであることが好ましい。前記冷媒を水とした場合、前記配管の内側直径ｄ（ｍ）と水の流量Ｑ(ｍ³／min)との関係がＱ／ｄ²≧１８（mmin）を満たすことが好ましい。

ところで、応力腐食割れは応力・環境・材料の３つの要因が重なった時に発生すると考えられている。３つの要因を低減することにより、応力腐食割れ発生の対策がとられている。応力については、応力腐食割れ発生に寄与する発生の下限界応力があるとされている。１９８８年に出版された、腐食防食協会編「金属の腐食・防食Ｑ＆Ａ」１６０頁によれば、変色皮膜破壊機構の応力腐食割れについては、その材料の降伏応力が応力腐食割れ発生の下限界応力条件とされている。

よって、接水面（配管内面）の残留応力を圧縮応力または、その材料の引張り降伏応力以下の引張り残留応力に低減できれば、変色皮膜破壊機構の応力腐食割れについては、応力腐食割れ感受性を低減できる。

例えば、原子力発電プラントに使用されるＳＵＳ３１６Ｌ，ＳＵＳ３０４Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼に関して、変色皮膜破壊機構の応力腐食割れ発生を防止する場合には、使用温度２８８℃における代表的な降伏応力値１４４ＭＰａ以下の引張り残留応力に低減する必要がある。

更に、本発明による配管は、前記熱処理方法および前記熱処理装置により、配管内面の残留応力が圧縮応力または配管の降伏応力以下の引張り応力としたことを特徴とする。

更に、本発明は、配管溶接外面に、溶接部を中心とする√（ｒｔ）〜５√（ｒｔ）の軸方向の範囲に設けた加熱手段により管厚内部を均一に、２００℃〜４２５℃好ましくは
２５０℃〜３７５℃加熱後、直ちに、原子炉付属ポンプまたは特別に設備したポンプのいずれかによって、配管内部に速度２２.９ｍ／ｓ以上、好ましくは３０.６ｍ／ｓ以上の純水，原子炉水，原子炉プール水からなる流水を流して冷却し、完全冷却後に外面の加熱と内部の冷却を停止することを特徴とする原子炉配管の熱処理方法である。

本発明によれば、配管の溶接又は曲げ加工によって発生する溶接部近傍又は曲げ加工近傍の残留応力を極めて効果的に圧縮残留応力に変えることができる熱処理方法及びその装置を提供することができる。また、４２５℃以下で熱処理するため、ステンレス鋼，炭素鋼，低合金鋼の脆化を引起すことなく引張り残留応力を低減または圧縮に変えることができる。

図１は本発明に係る溶接後熱処理方法を示す模式図である。図２は本発明に係る溶接後熱処理方法を示すフロー図である。溶接作業１００の後、配管１０の溶接部１１の外面を覆うように加熱源２０を配置する。加熱源２０としては、高周波誘導加熱コイルを用いた高周波誘導加熱コイル配置１０１，電気ヒータを用いた電気ヒータ配置１０２等があるが、目的とする温度まで試験体を加熱する能力を有していれば赤外線加熱装置等でも用いることができる。加熱源２０を用いて、配管１０の溶接部１１の近傍を加熱１０３する。

加熱範囲１３は溶接による残留応力分布を考慮し、板厚ｔ，配管半径ｒの対象物の場合は溶接部１１を中心に前述の式（１）によって求められる長さ分を熱処理することが好ましい。加熱温度は材料に依存するが、好ましくは２００℃〜１０００℃の範囲で実施する。材料がステンレス鋼，炭素鋼，低合金鋼であって、加熱によりσ脆化や４７５℃脆化が懸念される場合は、脆化が懸念される温度より十分低い２００℃〜４２５℃、さらに好ましくは２５０℃〜３７５℃とする。

加熱温度４２５℃以下，加熱時間１００分以内であれば、σ脆化や４７５℃脆化は起こり得ない。

本実施例においては、外径２５〜１００mm，厚さ３〜１０mmのＪＩＳ規格のSUS316L 及びＳＵＳ３０４Ｌのオーステナイト系ステンレス鋼管を用いた。

高温クリープにより残留応力を開放する場合には、昇温する加熱工程１０３の後、配管の内外面の温度をほぼ同じ温度にて一定時間その温度で保持する高温保持工程１０４を有する。高温保持工程１０４の時間は、好ましくは１秒〜２時間、より好ましくは１０〜
１００分で、配管の内外面で高温において一次クリープ変形が終了する時間が望ましい。高温保持工程１０４の後、配管１０の内面に冷媒１２を流し込み、配管１０の外表面と内表面に温度差を発生させる。

手順の１つ目は、加熱停止工程１０５し、配管内面に冷媒１２を流し込み、配管内面冷却工程１０６を有する。手順の２つ目は、加熱停止せずに加熱を続行したまま、冷媒１２を流し込み、配管内面冷却工程１０６を有する場合である。特に、加熱源２０に高周波誘導加熱コイル配置工程１０１を用いた場合は、加熱のまま冷媒を流し込み配管を内面冷却１０６することにより、配管の内外面により大きな温度差を発生させることが可能である。この温度差により、理想的には、外表面では圧縮の降伏が、内表面では引張りの降伏が発生する。配管１０の内外表面の温度差が最大になった段階で一連の熱処理を常温まで冷却放置１０７する。常温まで冷却すると、内表面では、加熱時の温度差により発生した引張り降伏のスプリングバックにより圧縮残留応力が発生する。

図３は、配管の温度変化（ａ）とそれに伴う溶接部近傍の内表面の応力ひずみの関係
（ｂ）を示す図である。図３（ａ）は、溶接部１１を昇温工程３３によって配管がクリープ変形する温度領域に加熱後、その温度で所定時間加熱保持する定温工程３４によって配管の外表面温度変化３１及び内表面温度変化３２が所定時間一致するように一定時間保持し、その後、加熱を停止し、湿り空気を用いて強制冷却工程３５により配管内に冷媒を流し込み、溶接部１１の内外表面に温度差３０を発生させた場合の外表面温度変化３１と内表面温度変化３２の温度変化を示す。そして、冷却時には温度差３０は少なくとも１００℃以上である。図３（ｂ）はその温度変化に伴う溶接部近傍の内表面の応力ひずみ関係を示すクリープ変形＋熱ひずみ処理時応力ひずみ線図４０を示すものである。

図４は、加熱源２０に電気ヒータ２１を用いた場合の断面図（ａ）及びその板厚方向の温度分布の模式図（ｂ）〜（ｄ）を示す図である。図４に示すように、（ｂ）が昇温工程板厚温度分布７０、（ｃ）がクリープ変形時板厚温度分布７１、（ｄ）が冷却時板厚温度分布７２を示すものである。

図３（ｂ）に示すように、配管内表面は、溶接終了時残留応力５０から前述の加熱保持によってクリープ変形が生じ、クリープ変形後の残留応力５１となり、更に、配管内面の冷媒による冷却によって内表面の熱ひずみによる引張り側降伏応力５２，冷却常温状態の残留応力５３，加熱冷却同時工程時の内表面降伏応力５５，加熱冷却同時工程終了後の冷却常温状態の残留応力５６となる。

即ち、内表面は溶接終了時残留応力５０の状態にある。昇温工程３３の内表面は溶接終了時残留応力５０のままである。昇温工程３３の板厚断面ＣＤの分布７０は、外表面が内表面よりやや温度が高い。定温工程３４に保持すると、クリープ変形により溶接終了時残留応力５０はクリープ変形後残留応力５１に緩和される。この時の板厚断面ＣＤのクリープ変形時板厚温度分布７１は、板厚方向に均一である。定温工程３４の温度により溶接終了時の残留応力５０の緩和量が大きくなる。

定温工程３４の時間は１０分〜１００分程度が望ましく、この一定時間保持後、強制冷却工程３５を実施する。ここでは加熱を停止し、配管１０の内面に冷媒１２を流し込む。これにより、外表面温度変化３１と内表面温度変化３２に温度差３０が発生する。この時、内表面では熱ひずみが発生し、内表面の熱ひずみによる引張側降伏応力５２の状態になる。また強制冷却工程３５の状態における板厚断面ＣＤの冷却時板厚温度分布７２は、外表面が内表面に比べて温度差３０をもっている。ここで、この温度差３０が大きいほど内表面の引張側降伏応力５２はより大きく降伏する。温度差３０は少なくとも１００℃以上であることが望ましい。最大温度差３０を経て、溶接部１１を徐冷していくと、引張側降伏応力５２の降伏のスプリングバックにより冷却常温状態残留応力５３へと変化し、常温では内表面に圧縮の残留応力が発生する。

図５は、溶接部１１を一定時間加熱保持し、その後、加熱しながら冷媒を流し込み溶接部１１の内外表面に温度差３０を発生させた場合の外表面温度変化３１と内表面温度変化３２の温度変化を示す図（クリープ変形あり、加熱＋冷却工程あり）であり、前述した符号と同一のものは特に言及することが無い限りは同一の構成，作用を示すものである。この場合、昇温工程３３及び定温工程３４は図３と変らないが、湿り空気による強制冷却工程３５では、外部から熱が供給されているため外表面温度変化３１の温度は図３の条件と比較して緩やかであり、一方、内表面温度変化３２は図３の条件と同様に冷却されるため、図３の条件と比較して大きな温度差３０が発生する。この温度差３０は約４００℃である。この熱ひずみにより、図３の加熱冷却同時工程時の内表面降伏応力５５まで降伏し、そのスプリングバックにより、常温時には加熱冷却同時工程終了後の常温状態残留応力
５６まで改善される。定温工程３４では外表面温度変化３１の温度は内表面温度変化３２の温度と均一となり、この定温工程３４によりクリープ変形が起こる。そして、前述の図３（ｂ）に示す加熱冷却同時工程終了後の冷却常温状態の残留応力５６となる。

図６は、溶接部１１を加熱後、一定温度に到達した直後に加熱を停止し、湿り空気を用いた冷媒を流し込み溶接部１１の内外表面に温度差３０を発生させた場合の外表面温度変化３１と内表面温度変化３２の温度変化と、温度変化に伴う溶接部近傍の内表面の熱ひずみ処理時応力ひずみ線図４１を示す図（クリープ変形なし）であり、前述した符号と同一のものは特に言及することが無い限りは同一の構成，作用を示すものである。この温度差３０は少なくとも１００℃以上である。溶接終了時の内表面は溶接終了時状態残留応力
６０の状態にある。昇温工程３３の時の内表面は溶接終了時状態残留応力６０のままである。一定温度まで昇温後、加熱を停止し、配管１０の内面に冷媒１２を流し込む。

従ってこの段階ではクリープによる応力緩和は発生せず、溶接後の溶接終了時状態応力６０とほぼ同じ昇温状態の残留応力６１にある。配管内面を冷却する事により、外表面温度変化３１と内表面温度変化３２に温度差３０が発生する。この時、内表面では熱ひずみが発生し、引張り側降伏応力６２の状態になる。ここで、この温度差３０が大きいほど内表面の引張側降伏応力５２はより大きく降伏する。図５の条件と同様に、加熱したまま配管内面を強制冷却することにより、内表面と外表面にさらに大きな温度差を発生させることが可能である。最大温度差３０を経て、溶接部１１を徐冷していくと、引張り側降伏応力６２の降伏のスプリングバックにより冷却常温状態残留応力６３へと変化し、常温では内表面に圧縮の残留応力が発生する。

図７は、昇温工程３３の時に加熱源２０として電気ヒータの出力を大きくし、外表面温度変化３１に示すように外表面を急激に昇温する事により内表面温度変化３２との間に温度差３０を発生させる場合の温度変化を示す線図（急速昇温，高周波加熱）であり、前述した符号と同一のものは特に言及することが無い限りは同一の構成，作用を示すものである。この例は外径１５０mm、肉厚１５mm程度のやや厚肉で、空気の流通によって配管内面を冷却しながら加熱することによって得られる。溶接終了時の内表面は図６の溶接終了時状態残留応力６０の状態にある。昇温工程３３の温度差３０により内表面は引張り側に降伏し、図６の引張り側降伏応力６２の状態になる。その後、溶接部１１を徐冷していくと、引張り側降伏応力６２の降伏のスプリングバックにより冷却常温状態残留応力６３へと変化し、常温では内表面に圧縮の残留応力が発生する。即ち、内外面をクリープ温度領域に加熱しクリープ変形させると共に、外表面温度変化３１に示すように外表面から昇温することにより内表面温度変化３２との間に少なくとも１００℃以上の温度差３０を生じさせる。そして、配管１０の外表面のクリープ変形量が内表面のクリープ変形量より大きくなるように、内外面で十分にクリープ変形を生じさせた後、引き続き冷却することにより常温では内表面に圧縮の残留応力が発生するものである。又、前述の薄肉小径配管に対して配管１０内を湿り空気による冷媒で冷却しながらクリープ温度領域で３０分以上加熱させることにより内表面に高い圧縮の残留応力を形成させることができる。

図８（ａ）は配管１０の外側と加熱源２０との間に吸熱材２３を設けて、配管内面冷却時の配管の内側と外側の温度差３０を大きくする方法を示す図である。

図８（ｂ）は吸熱材２３を用いない場合の温度変化を示す模式図である。

配管１０の内面に冷媒１２を流し込む。これにより、外表面温度変化３１と内表面温度変化３２に温度差３０が発生する。

図８（ｃ）は吸熱材２３を用いた場合の温度変化を示す模式図である。

配管１０の内面に冷媒１２を流し込むことにより、外表面温度変化３１′と内表面温度変化３２′に温度差３０′が発生するが、外表面温度変化３１′は吸熱材２３の余熱により、緩やかな変化となる。よって、吸熱材を用いた場合の温度差３０′は吸熱材を用いない場合の温度差３０よりも大きなものとなる。

本発明は、温度差３０が大きいほど、より大きな熱ひずみを発生させることができるが、厚さが小さい配管に対しては、大きな温度差をつけることが難しい。そのような場合は、溶接部１１の外側と加熱源２０との間に吸熱材２３を設ける。

溶接部１１の外側と加熱源２０との間に吸熱材２３を設ける方法による実施例を以下に示す。

形状が外径φ０.０６０ｍ，内径φ０.０５０ｍのＳＵＳ３０４Ｌステンレス鋼製配管
１０を、Ｙ３０８Ｌステンレス鋼溶加棒を使用して周方向突合せ溶接した溶接部１１に対して本発明を適用した。

実施手順として、配管の内側と外側、溶接部近傍に加熱温度を制御するための温度センサ２４Ａ，２４Ｂを取り付け、次に、吸熱材２３としての繊維状のステンレス鋼（ステンレスウール）で溶接部１１を覆い、さらに材質がステンレスであるワイヤで巻きつけた。さらに吸熱材２３の外側に電気ヒータ２１を巻きつけた。電気ヒータ２１として縄状で折り曲げ自在のものを使用した。

吸熱材２３は、繊維状の金属や、耐熱性のバインダと金属の粉末を混合させた粘土状にした物質またはセラミックスで被覆したりする。通常、吸熱材２３に使用する金属は配管と同一材質のものを用いる。吸熱材２３は熱容量が大きく、熱伝導および配管との熱伝達が良好であることが好ましい。

続いて、昇温速度８℃／minにて昇温し、加熱温度３００℃に３０min保持した。所定時間経過と同時に加熱保持を停止し、冷却媒１２として水を流量０.０６０ｍ³／min にて送水した。

以下に、配管内面の残留応力を配管の降伏応力以下の引張り応力に低減した実施例について前述の図４（ａ）を用いて説明する。

ＳＵＳ３１６Ｌ，ＳＵＳ３０４Ｌ等のステンレス鋼製配管を原子炉配管として使用する場合、変色皮膜破壊機構の応力腐食割れを防止するためには、残留応力を、その使用温度２８８℃における降伏応力１４４ＭＰａ以下の引張り応力にする必要がある。

形状が外径φ０.０６０ｍ，内径φ０.０５０ｍのＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼製配管
１０を、Ｙ３１６Ｌステンレス鋼溶加棒を使用して周方向突合せ溶接した溶接部１１に対して本発明を適用した。

実施手順として、まず、溶接部１１を含む配管１０に対し、電気ヒータ２１を巻きつけた。電気ヒータ２１として縄状で折り曲げ自在のものを使用した。次に、昇温速度８℃／min にて溶接部１１を所定温度に加熱した。加熱温度は３５０℃とし、所定の温度に３０
min 保持した。所定時間経過と同時に、電気ヒータ２１の加熱の停止と送水を行なった。冷媒１２の流量は０.０６０ｍ³／minとした。

本発明適用の効果を確認するために、本発明適用後の配管１０よりサンプルを採取し、配管内面の残留応力を歪み開放法により測定した。

図９は、熱処理条件３５０℃３０min、冷却水量０.０６０ｍ³／min にて本発明を適用した配管内面について、管の軸方向に作用する残留応力の値と残留応力の管の軸方向に対する分布を調べた結果である。図９では、残留応力について、引張り応力を正、圧縮応力を負の符号で表している。

配管内面の残留応力は、溶接部近傍で最大値６０ＭＰaを示し、目標とする１４４ＭＰaより低い残留応力である。

なお、熱処理を実施しなかった場合は、配管内側に凡そ３００ＭＰａの引張り応力が残留している。

本発明では配管内面を圧縮残留応力とすることができる。以下に、配管内側の残留応力を圧縮にした実施例について、図４（ａ）を用いて説明する。

形状が外径φ０.０３５ｍ，内径φ０.０２５ｍのＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼製配管
１０を、Ｙ３１６Ｌステンレス鋼溶加棒を使用して周方向突合せ溶接した溶接部１１に対して本発明を適用した。

実施手順として、まず、溶接部１１を含む配管１０に対し、電気ヒータ２１を巻きつけた。電気ヒータ２１として縄状で折り曲げ自在のものを使用した。

次に、昇温速度８℃／minにて溶接部１１を所定温度に加熱した。加熱温度は３００℃とし、所定の温度に１０min保持した。所定時間経過と同時に、電気ヒータ２１の加熱の停止と送水を行なった。冷媒１２の流量は０.０６０ｍ³／minとした。

本発明適用の効果を確認するために、本発明適用後の配管１０よりサンプルを採取し、配管内面の残留応力を歪み開放法により測定した。

図１０は、熱処理条件３００℃３０min，冷却水量０.０６０ｍ³／min にて本発明を適用した配管内面について、管の軸方向に作用する残留応力の値と残留応力の管の軸方向に対する分布を調べた結果である。図１０では、残留応力について、引張り応力を正，圧縮応力を負の符号で表している。

図１０より、配管内面の溶接部近傍の残留応力は全て圧縮応力である。

なお、熱処理を実施していない条件の配管では凡そ３００ＭＰａの引張り応力が残留していた。

本発明は、冷却媒としての水の流速が十分である場合、すなわち、配管の内径に対する流量が十分である場合に効果が得られる。加熱温度３００℃および３５０℃で本発明を適用した条件について、残留応力測定の判定結果を冷却水の流量と配管の径で表わされたグラフ上にまとめた図を図１１に示す。

なお、残留応力が１４４ＭＰａ以下となった条件について適当、１４４ＭＰａを超えた条件を不適当とした。

図１１より、配管の内径が０.０５０ｍ，冷却水量０.０４５ｍ³／minの条件を残留応力可否の境界とみなし、この条件での流速に等しい点を結んだ曲線２１０を残留応力可否の境界線とした。

曲線２１０は（式１−１）にて表わされる。領域２１１は適正な配管の内径と流量を示した領域である。

（式１−１）
Ｑ／π／(ｄ／２)²＝(０.０４５ｍ³／min)／π／(０.０５ｍ／２)²
Ｑ／ｄ²＝１８mmｉｎ。

図１２（ａ）は加熱源として高周波誘導加熱コイルを用い、（ｂ）はその誘導コイル周波数とその周波数条件時の加熱深さの関係８１を示す図である。高周波誘導加熱コイル
２２の周波数が低い場合、その加熱領域８０は大きく板厚全体を加熱する。高周波誘導加熱コイル２２の周波数を高くしていくと加熱領域８０は薄くなる。従って、高周波誘導加熱コイル２２を溶接部１１の外面に配置し、高い周波数で加熱した場合、配管１０の外表面だけを加熱することができる。

図１３は加熱源２０に高周波誘導加熱コイル２２を使用した場合の板厚断面ＣＤの温度分布を示す図である。図１２に示すように、配管１０の溶接部１１の外周に高周波誘導加熱コイル２２を配置する。板厚全体が加熱されない周波数条件で溶接部を加熱する。ここで、加熱領域８０は板厚の２／３以下であることが望ましい。図１３（ａ）では昇温初期板厚温度分布９０には加熱領域８０の温度が急激に上昇し、その熱伝達により配管内面も徐々に昇温される。図１３（ｂ）では一定時間後、加熱領域８０の温度域まで配管内面が昇温され、板厚方向は均一な昇温後板厚温度分布９１になる。図１３（ｃ）では、加熱したまま、配管内面に冷媒１２を流し込むと配管内面は冷却され、加熱領域８０との間に温度差３０をもつ冷却時板厚温度分布９２となる。この温度差３０により、配管内面に引張りの降伏を発生させ、常温に戻す過程のスプリングバックにより圧縮残留応力が発生する。図中、横軸のＣが管外表面及びＤが管内表面の位置を示すものである。

図１４は、本発明に係る溶接後熱処理する熱処理装置の構成図である。基本的な構成は、配管１０の周方向突合せ溶接後の溶接部１１を加熱するための加熱源２０と、強制冷却するための機構が配管系開放端１５４の先に取付けられている。配管系開端部１５４には冷却機構と接続するための冷却アタッチメント１５３，冷却アタッチメント１５３と冷媒供給機構１５０とを接続するための冷媒配管１５１、また、冷媒配管１５１は冷却効率を向上させるための追加冷媒供給機構１５２とも接続されている。冷却アタッチメント153，冷媒供給機構１５０，追加冷媒供給機構１５２には流量調整バルブ１５５，１５６，
１５７が取付けられている。流量調整バルブ１５５，１５６，１５７は流量バルブ駆動機構１５８に接続されており、電気，空気圧，水圧または油圧等で駆動する。加熱源制御装置１５９は加熱源２０と接続されており、加熱部に取付けられた温度計からの信号を基に温度を調整する。加熱源制御装置１５９と流量調整バルブ１５８は熱処理温度制御機構
１６０に接続されており、熱処理対象部近傍の温度に理想的な温度差が発生するように、冷媒１２の供給を制御する。冷媒１２の供給は冷媒供給機構１５０から供給されるが、冷却能を上昇させる場合、追加冷供給機構１５２からさらに冷媒１２を供給する場合も考えられる。例えば、冷媒供給機構１５０から冷媒として空気を供給し、追加冷媒供給機構
１５２から水を供給し、最終的に湿気を帯びた空気を冷媒１２として熱処理対象部の配管内面を冷却する。

図１５は、溶接部１１と冷却アタッチメント１５３との間に冷却能向上機構２００を取付けた断面図である。溶接部１１よりも冷媒供給側（上流側）に冷却能向上機構２００を配置する。冷却能向上機構２００により、その取付け部近傍の配管及び配管内面が冷却される。冷媒１２が冷却能向上機構２００近傍を通過する際、冷却能向上機構２００により冷却された配管、配管内面により、冷媒１２は相対湿度が上昇し、冷媒１２の温度が低下する効果が得られる。冷却された冷媒１２はそのまま熱処理対象の溶接部１１に供給され、配管内面を急冷することができる。

図１６は、冷却能向上機構２００を有する構成図である。（ａ）が正面図、（ｂ）が
（ａ）の側面図、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｄ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図である。冷却能向上機構２００は、配管を上下又は左右から挟みこむような形状をした冷媒封入容器１８０、その冷媒封入容器１８０を固定するための冷媒封入容器固定ボルト１８１から構成される。冷媒封入容器１８０には冷媒を循環させるための冷媒循環溝１８６が加工されている。冷媒循環溝１８６へ冷媒を供給するための冷媒注入口１８３，冷媒を排出するための冷媒排出口１８４が冷媒封入容器１８０に併せて加工されている。上下または左右に分割された冷媒封入容器１８０から冷媒が漏洩するのを防ぐために、冷媒封入容器
１８０の分割部には冷媒封入容器シール１８２が取付けられる。また、配管と冷媒封入容器１８０の位置を決定すること、また冷媒の熱を配管に伝達しやすくするための冷媒封入容器配管固定シール１８５が取付けられる。冷媒封入容器１８０，冷媒封入容器配管固定シール１８５は熱伝達率を考慮して、アルミニウム，銅等の材料が使われることが望ましい。

又、本実施例においては、前述のように、加熱冷却処理後、加熱冷却処理部から所定距離離れた位置で配管１０を径方向かしめ装置により径方向に均等にかしめ変形させることによって溶接部の配管内周面の圧縮残留応力をより高めることができる。加熱冷却処理部からの距離Ｌとしては、配管の半径をｒ、板厚をｔとすると、０.６√（ｒｔ）＜Ｌ＜
３.０√（ｒｔ）が好ましい。

更に、本実施例においては、前述のように、加熱冷却処理後、配管１０内に冷媒を満たし、加熱冷却処理部を過冷却させて配管１０内の冷媒を固化させて体積膨張させ、加熱冷却処理部に内圧による変形を発生させた後、配管１０内の冷媒を溶解することにより溶接部の配管内周面の圧縮残留応力をより高めることができる。

本実施例においては、小径薄肉配管の溶接部についてその内周面の残留応力を極めて効果的に圧縮残留応力に変えることができる熱処理方法及びその装置を提供することを説明したが、曲げ加工によって発生する曲げ加工近傍の残留応力に対しても極めて効果的に圧縮残留応力に変えることができる熱処理方法及びその装置を提供することができる。

即ち、本実施例によれば、配管を溶接又は曲げ加工によって発生する溶接部近傍又は曲げ加工近傍の残留応力を熱処理によって効果的に開放，緩和する方法及びその装置を提供し、熱処理後、常温に達した際、配管内面には圧縮，配管外面に引張りの応力場が形成されるものである。

更に、本実施例は疲労や応力腐食割れが問題になるような配管構造物に対して、その溶接又は曲げ加工で発生した残留応力を開放し、積極的に圧縮の残留応力を付与することにより、配管構造物の疲労や応力腐食割れに対する耐性を向上させることができる。これにより、配管構造物の適用範囲が広がり、また、構造物の寿命を延すことができる。従って、本実施例の技術は配管の突合せ溶接構造物を初め、溶接部以外の分岐配管等へも適用できる。

本発明に係る溶接後熱処理する方法を示す処理模式図を示す断面図。 本発明に係る溶接後熱処理する方法を示すフロー図。 本発明に係る溶接後熱処理時の温度履歴とその応力状態を示す線図。 本発明に係る溶接後熱処理時の配管の断面図とその板厚温度分布を示す線図。 本発明に係る溶接後熱処理時の温度履歴を示す線図。 本発明に係る溶接後熱処理時の温度履歴とその時の応力状態を示す線図。 本発明に係る溶接後熱処理時の温度履歴を示す線図。 本発明に係る加熱源と配管の間に吸熱材を設けて溶接後熱処理する方法と温度履歴を示す線図。 配管内径０.０５ｍ，熱処理条件３５０℃３０min，冷却水量０.０６０ｍ³／minにて本発明を適用した配管内面の残留応力測定結果を示す線図。 配管内径０.０２５ｍ、熱処理条件３００℃１０min，冷却水量０.０６０ｍ³／minにて本発明を適用した配管内面の残留応力測定結果を示す線図。 配管の内径と冷却水の流量から適正施工条件範囲を示す線図。 本発明に係る高周波加熱コイルによる加熱方法を示す配管の断面図及び加熱コイル周波数と加熱域の関係を示す線図。 本発明に係る高周波加熱時の肉厚方向温度分布の経時変化を示す線図。 本発明に係る溶接後の熱処理装置を示す全体構成図。 本発明に係る溶接後の熱処理装置における冷却能向上機構を有する配管の断面図。 本発明に係る溶接後の熱処理装置における冷却能向上機構の断面図。

符号の説明

１０…配管、１１…溶接部、１２…冷媒、１３…加熱範囲、２０…加熱源、２１…電気ヒータ、２２…高周波加熱源、２３…吸熱材、２４Ａ，２４Ｂ…温度センサ、３０…温度差、３１…外表面温度変化、３２…内表面温度変化、３３…昇温工程、３４…定温工程、３５…強制冷却工程、４０…クリープ変形＋熱ひずみ処理時応力ひずみ線図、４１…熱ひずみ処理時応力ひずみ線図、５０…溶接終了時残留応力、５１…クリープ変形後の残留応力、５２…内表面の熱ひずみによる引張り側降伏応力、５３…冷却常温状態の残留応力、５５…加熱冷却同時工程時の内表面降伏応力、５６…加熱冷却同時工程終了後の冷却常温状態の残留応力、６０…溶接終了時状態の残留応力、６１…昇温後状態の残留応力、６２…内表面の熱ひずみによる引張り側降伏応力、６３…冷却常温状態の残留応力、７０…昇温工程板厚温度分布、７１…クリープ変形時板厚温度分布、７２…冷却時板厚温度分布、８０…加熱領域、８１…加熱周波数と加熱領域の関係を示す線、９０…昇温初期板厚温度分布、９１…昇温後板厚温度分布、９２…昇温後冷却時板厚温度分布、１００…溶接作業工程、１０１…高周波誘導加熱コイル配置工程、１０２…電気ヒータ配置工程、１０３…加熱工程、１０４…高温保持工程、１０５…ヒータ停止工程、１０６…配管内面冷却工程、１０７…常温冷却工程、１５０…冷媒供給機構、１５１…冷媒配管、１５２…追加冷媒供給機構、１５３…冷却アタッチメント、１５４…配管系開放端、１５５…流量調整バルブａ、１５６…流量調整バルブｂ、１５７…流量調整バルブｃ、１５８…流量バルブ駆動機構、１５９…加熱源制御装置、１６０…熱処理温度制御機構、１８０…冷媒封入容器、１８１…冷媒封入容器固定ボルト、１８２…冷媒封入容器上下シール、１８３…冷媒注入口、１８４…冷媒排出口、１８５…冷媒封入容器配管固定シール、１８６…冷媒循環溝、２００…冷却能向上機構、２１０…適正施工条件範囲境界線、２１１…適正施工条件範囲。

Claims (25)

1. 配管を２００℃〜１０００℃で所定時間加熱保持した後、前記配管内面を冷媒で冷却する加熱冷却処理を行うことを特徴とする熱処理方法。
2. 請求項１において、前記配管の管厚内が均一に前記加熱保持することを特徴とする熱処理方法。
3. 請求項１又は２のいずれかにおいて、前記配管が直径２０〜２００mm，肉厚２〜１５mmの配管であることを特徴とする熱処理方法。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記配管内面を冷媒で冷却する際に、前記配管外面を加熱する前記加熱冷却処理を施すことを特徴とする熱処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記配管の突合せ溶接部又は曲げ加工部に前記加熱冷却処理を施すことを特徴とする熱処理方法。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記冷却の際の、前記配管内外面の温度差を１００℃以上とすることを特徴とする熱処理方法。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、前記配管の外面の加熱範囲は、前記配管の板厚ｔ及び配管半径ｒとすると、√（ｒｔ）〜５√（ｒｔ）の軸方向の範囲を前記溶接部を中心として、又は曲げ加工部軸方向長さに０.５√（ｒｔ）〜２.５√（ｒｔ）の軸方向を加えた軸方向範囲を曲げ加工部中心として外側表面であることを特徴とする熱処理方法。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記加熱冷却処理後、該加熱冷却処理部から所定
   距離離れた位置で前記配管の径方向に収縮変形させることを特徴とする熱処理方法。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、請求項８記載の所定距離をＬとすると、Ｌは
   ０.６√（ｒｔ）＜Ｌ＜３.０√（ｒｔ）とすることを特徴とする熱処理方法。
10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、前記加熱冷却処理後、前記配管内に前記冷媒を満たし、前記加熱冷却処理部を過冷却させて前記配管内の前記冷媒を固化させて体積膨張させ、前記加熱冷却処理部に内圧による変形を発生させた後、前記配管内の冷媒を溶解することを特徴とした熱処理方法。
11. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記配管の外側と前記加熱源との間に吸熱材を設けることを特徴とする熱処理方法。
12. 請求項１〜１１のいずれかにおいて、前記冷媒が、水，純水，原子炉炉水，空気，不活性ガス，水と空気を混合した霧状の気体のいずれかであることを特徴とする熱処理方法。
13. 請求項１〜１２のいずれかにおいて、前記冷媒を水，純水，原子炉炉水とした場合、前記配管の内側直径ｄ（ｍ）と冷媒の流量Ｑ（ｍ³／min）との関係がＱ／ｄ²≧１８(mmin) であることを特徴とする熱処理方法。
14. 配管外周面を加熱する加熱源と、該加熱源による前記配管の温度を２００℃〜１０００℃の温度領域で所定時間保持制御する加熱源制御装置と、前記配管内に冷媒を供給する冷媒供給装置と、前記所定時間保持した後前記配管内に冷媒を供給する熱処理制御装置とを有することを特徴とする熱処理装置。
15. 請求項１４において、前記熱処理制御装置は、前記配管内を前記冷媒で冷却する際中に、前記配管外面を加熱する制御部を有することを特徴とする熱処理装置。
16. 請求項１４又は１５において、
    前記加熱源は、前記配管の板厚ｔ及び配管半径ｒとすると、√（ｒｔ）〜５√（ｒｔ）の軸方向の範囲を前記溶接部を中心として、又は曲げ加工部軸方向長さに０.５√(ｒｔ) 〜２.５√（ｒｔ）の軸方向を加えた軸方向範囲を曲げ加工部中心とした幅を有し、外側表面であることを特徴とする熱処理装置。
17. 請求項１４〜１６のいずれかにおいて、前記加熱源が高周波誘導コイル，電気ヒータ又は通電加熱による電源であることを特徴とする熱処理装置。
18. 請求項１４〜１７のいずれかにおいて、前記熱処理制御装置は、前記配管内外面の温度差を１００℃以上、または前記加熱温度を２００℃〜１０００℃で加熱する設定手段を有することを特徴とする熱処理装置。
19. 請求項１４〜１８のいずれかにおいて、前記配管の外側と前記加熱源との間に吸熱材を有することを特徴とする熱処理装置。
20. 請求項１４〜１９のいずれかにおいて、前記冷媒が、水，純水，原子炉炉水，空気，不活性ガス，水と空気を混合した霧状の気体のいずれかであることを特徴とする熱処理装置。
21. 請求項１４〜２０のいずれかにおいて、前記冷媒を水とした場合、前記配管の内側直径ｄ（ｍ）と水の流量Ｑ（ｍ³／min）との関係がＱ／ｄ² ≧１８（mmin）であることを特徴とする熱処理装置。
22. 請求項１４〜２１のいずれかにおいて、前記冷媒を冷却又は前記加熱冷却処理部を過冷却させて前記配管内の前記冷媒を固化させる冷却装置を有することを特徴とした熱処理装置。
23. 前記配管は原子炉配管であって、前記配管の溶接部外面に、溶接部を中心とする軸方向√（ｒｔ）〜５√（ｒｔ）の範囲に設けた加熱手段により、管厚内部を均一に、２００℃〜４２５℃好ましくは２５０℃〜３７５℃加熱し、加熱後、直ちに、原子炉付属ポンプまたは特別に設備したポンプのいずれかによって、配管内部に速度２２.９ｍ／ｓ 以上、好ましくは３０.６ｍ／ｓ 以上の純水または原子炉水または原子炉プール水からなる流水を流して冷却し、完全冷却後に外面の加熱と内部の冷却を停止することを特徴とする原子炉配管の熱処理方法。
24. 前記配管は原子炉配管であって、前記配管の溶接部を中心とした軸方向√（ｒｔ）〜
    ５√（ｒｔ）の範囲の溶接部外面を、管厚内部を均一に、２００℃〜４２５℃好ましくは２５０℃〜３７５℃にて加熱する加熱制御装置と、配管内部に速度２２.９ｍ／ｓ 以上、好ましくは３０.６ｍ／ｓ 以上の純水，原子炉水，原子炉プール水からなる流水を流して冷却する原子炉付属ポンプまたは特別に設備したポンプからなることを特徴とした原子炉配管の熱処理装置。
25. 請求項１〜１３および２４の熱処理方法、１４〜２３および２５の熱処理装置により、配管内側の残留応力を圧縮応力または前記配管の降伏応力以下の引張り応力としたことを特徴とする配管。

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