JP2007047158A

JP2007047158A - 放射性流体によって濡れた金属表面を修復する方法

Info

Publication number: JP2007047158A
Application number: JP2006206434A
Authority: JP
Inventors: Warren R Junker; ウォーレン・アール・ジャンカー; John P Lareau; ジョン・ピー・ラルー; Roman Maev; ロマン・メーブ; Emil Strumban; エミル・ストラムバン
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2007-02-22
Also published as: US20070031591A1

Abstract

【課題】ベース金属中に高い温度応力を発生させることなく、放射性流体によって濡れていた金属表面を修復する方法を提供する。
【解決手段】原子炉圧力容器２、その内部、又は溶接部２２の濡れた表面は、接触している放射性流体を除去し、金属粒子及びセラミック粒子の粉末混合物を形成し、濡れていた表面に粉末混合物をコールドスプレーし、表面上にコーティング４０，４４を形成することにより修復される。１２５ＲＭＳ以上の平滑性を有する堆積時のコーティングは、予備的な研磨工程を行わずに、超音波、渦電流又は染色浸透探傷試験によって非破壊検査することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、放射性流体によって濡れた金属表面を修復する方法に係り、特に、応力腐食又は侵食を受けやすい放射性環境に曝される金属表面を修復する方法に関する。

［関連出願の相互参照］
本願は、２００４年８月６日に出願された米国仮特許出願第６０／５９９，５１８号の利益を主張する。

高速、高温、高圧の循環水及び／又は蒸気に何十年も曝された後では、水冷式原子炉プラントの一次冷却系の構造部品の金属表面は、定期的な非破壊検査において割れ又は侵食の兆候を示している。場合によっては、部品が割れて漏れを生じている。これまで、疑わしい表面は、様々な既知の現場溶接技術を用いて修復されてきた。本明細書で用いる場合、「修復」という用語は、腐食面又は侵食面の修復だけでなく、金属表面が実際に劣化する前の予防的な事前修復を含む。したがって、多くの場合、疑わしい溶接部及びそれらの熱影響部にわたって、また一次冷却系の他の疑わしい表面にわたって、肉盛り溶接が施されてきた。他の場合、アロイ８２（Alloy 82）又はアロイ１８２（Alloy 182）の充填金属組成物（filler metal compositions）を含む疑わしい溶接部は、少なくとも部分的に除去されて、アロイ５２（Alloy 52）又はアロイ１５２（Alloy 152）のような異なる充填金属組成物を堆積させた溶接部に置き換えられてきた。

しかしながら、これらの現場溶接技術には、作業員の被爆、コスト及びクリティカルパススケジュールの時間損失が多大に伴っている。望ましくないことに、これらの溶接技術は、ベース金属の化学希釈だけでなく高い温度応力ももたらしている。

ベース金属中に高い温度応力を発生させることなく、放射性流体によって濡れていた金属表面を修復する方法を提供することが、本発明の目的である。ベース金属の化学的性質を希釈することなく影響を受けやすい溶接部を修復することが、本発明のさらなる目的である。

これらの目的を視野に入れて、本発明は、包括的には、金属表面に接触しないように放射性流体を除去する修復方法に関する。好ましい実施形態では、金属表面は、圧力容器若しくは圧力管の内面、内部構造の表面、又は溶接部の表面若しくはその熱影響部であってもよい。

本発明の一般的な実施形態では、金属粒子及びセラミック粒子の粉末混合物が形成される。好ましい実施形態では、金属粉末は、最も好ましくはニッケル若しくはアロイ６９０（Alloy 690）のようなニッケル基合金、又は３０４型若しくは３１６型ステンレス鋼のようなステンレス鋼の不定形粒子から成り、セラミック粉末は、最も好ましくは炭化チタンの球形粒子から成る。

本発明の一般的な実施形態では、金属表面上にコーティングを形成するために、粉末混合物は金属表面にコールドスプレー（cold sprayed）される。したがって、粉末混合物は、その溶融温度を大幅に下回る温度で、超音速で流れるガスによってコーティングすべき金属表面にスプレーされる金属粒子の混合物である。ある特定の好ましい実施形態では、非対称、凹状及び／又は凸状の金属表面をコーティングしてもよい。好ましくは、コーティングの厚さは少なくとも３００ミクロンである。

本発明の他の好ましい実施形態では、コーティングは、超音波、渦電流、又は染色浸透探傷試験によって非破壊検査される。１２５ＲＭＳ（二乗平均平方根）以上の平滑性（smoothness）を特徴とする表面を有するコーティングが堆積される実施形態では、堆積時のコーティングをこれらの試験の１つによって検査することができる。有利なことに、浮遊塵埃粒子の発生を伴う予備的な表面研磨工程を用いる必要がない。

特許請求の範囲に記載された本発明は、単なる例として添付図面によって示される以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から、さらに明らかとなるであろう。

本発明の修復方法は、有利には、流体冷却式（fluid cooled）原子炉の溶接部及び金属部品の濡れた表面を修復するために用いてもよい。図面、特に図１を参照すると、商用電力を発生させるために用いられるタイプの加圧水型原子炉の典型的な原子炉圧力容器２が示されている。同様の圧力容器は、加圧水型原子炉と、他の軽水炉及び重水炉と、他のタイプの原子力プラントとに用いられている。原子炉圧力容器２は、その炉心領域４に、閉じた一次冷却系又はループを再循環する水、蒸気、液体金属又はガスのような流体に伝達される熱を生成する放射性材料を有している。したがって、加圧水型原子炉の原子炉圧力容器２は、遠隔に位置する（図示しない）タービンを駆動する蒸気を発生させる蒸気発生器に、高温、高圧、高速の水を再循環させるために、一次冷却系のコールドレグ７及びホットレグ９のそれぞれに動作可能に接続された入口ノズル６及び出口ノズル８を有している。図１に示されるように、セーフエンド１１は、原子炉圧力容器２と一次冷却系との間に溶接されてもよい。さらに、セーフエンド１１は、異なる構成材料から作製された内部容器構造間に溶接されてもよい。原子炉圧力容器２は、取り外し可能なフランジ付きヘッド１２を設置するためのフランジ１０を有している。時間が経つにつれて、再循環流体の放射能レベルは高まる傾向があり、この流体は、原子炉圧力容器２の濡れた表面を汚染及び／又は侵食し、一次冷却系のバランスを損なわせる。

図２〜図４に示されるように、原子炉圧力容器２及びそのヘッド１２は概して、重炭素鋼又は低合金のシェル１４と、金属表面である凹状内面１７を有する比較的薄いステンレス鋼のライナ１６とを有している。ヘッド１２は、その内部領域から延びる貫通部１８と、ヘッド１２が大きく湾曲した領域から延びる周辺の貫通部２０とを有しており、これらは溶接部２２によって接合されている。これらの溶接部２２は、原子炉圧力容器２の圧力範囲（pressure boundaries）の一部も形成している。原子炉圧力容器２の貫通部１８は概して、金属表面である凹状の内面２４及び凸状の外面２６を有する管又はパイプであり、プラントがオンラインであるときに、炉内計装ライン（in-core instrumentation lines）又は制御棒駆動機構がこの管又はパイプ中を移動する。これらの貫通部１８は、凹状内面１７を越えて原子炉圧力容器２内へ約２．５４〜１５．２センチメートル（約１〜６インチ）延びてもよく、一般的にはアロイ６００（Alloy 600）又はアロイ６９０のようなニッケル基合金から作製される。さらに、アロイ８００（Alloy 800）材料が一部の一次冷却系に用いられている。他の貫通部は、ステンレス鋼又は他の適当な組成物から作製してもよく、固体金属であってもよく、又は他の断面形状を有していてもよい。溶接部２２は概して、ニッケル系のアロイ８２（ＡＷＳ仕様ＥＲＮｉＣｒ−３）、アロイ１８２（ＡＷＳ仕様ＥＮｉＣｒ−３）、アロイ５２（ＡＷＳ仕様ＥＲＮｉＣｒＦｅ−７）、又はアロイ１５２（ＡＷＳ仕様ＥＮｉＣｒＦｅ−７）から成っている。

ヘッド１２の凹状内面１７とほぼ垂直な貫通部１８との間の溶接接合部の幾何学的形状は、非対称の溶接部２２（Ｊ溝溶接部（J-groove welds）として知られている）、すなわち、貫通部１８がヘッド１２から９０°以外の角度で延びる溶接接合部をもたらす。この溶接接合部の形状は、本質的に、ヘッド１２に複雑な応力パターンを発生させ、応力腐食割れを生じさせやすい。ヘッド１２が大きく湾曲した領域にある周辺の貫通部２０の周りのＪ溝溶接部は、非対称応力が大きいことにより、応力腐食割れを特に生じさせやすいことが分かっている。

本発明の一般的な実施形態では、修復すべき金属表面に接触しないように汚染流体が除去される。したがって、本方法を用いて、原子炉プラントがオフラインであるときの燃料補給又は保守のための停止中に、図１に示される原子炉圧力容器２のような圧力容器の濡れた表面を修復してもよい。加圧水型原子炉のヘッド１２の貫通部の溶接表面（penetration weld surface）を点検又は修復する場合、原子炉圧力容器２内の水位は、ヘッド１２にアクセスできるように、フランジ１０以下の高さに下げてもよい。図２に示されるように、ヘッド１２は、原子炉圧力容器２の上方に（図示しない）クレーンで吊り下げるか、又は隣接するヘッドスタンド上に支持することができる。図４に示されるように、水位２８は、原子炉圧力容器２の内部構造を点検及び修復するために、入口ノズル６及び出口ノズル８の底部よりも下の地点に下げられている。

停止の開始時（又は前回の停止中）に、他の疑わしい領域の溶接部及び表面が劣化を示しているかを非破壊検査してもよい。ヘッド１２は放射性であるため、遠隔検査をすることが好ましい。したがって、図２に示されるロボット３０のようなロボットによって操作されるプローブ又は他の（図示しない）装置によって、表面を検査してもよい。図２のロボット３０は、工具端３５に複数の自由度を与える中間継手を有するアーム３４を備えた本体３２を有している。本体３２は、原子炉圧力容器２のフランジ１０又はヘッドスタンドによって支持され得る支持脚３６も有している。図２のロボット３０は概して、原子力産業において、原子炉圧力容器及びその構造内部を点検及び保守するための停止中に用いられるタイプのロボットを示している。

本発明の好ましい実施形態では、修復すべき表面から表面酸化物、堆積物、及び／又は放射能を洗浄することができる。したがって、図２に示されるように、ロボット３０を用いて、（図示しない）洗浄ヘッドをヘッド１２の下に配置して凹状内面１７に研磨粒子を送り、表面酸化物及び堆積物を剥がして除去してもよい。好ましくは、ヘッド１２は、研磨粒子及び除去された物質を収容及び回収することができるように、ヘッドスタンド上で洗浄される。好ましい実施形態では、研磨粒子は、後述するコールドスプレー装置５０によって吹き付けてもよい。研磨粒子は、後述する粉末混合物、セラミック粒子、又は他の適当な媒体のいずれかであってもよい。

貫通部の溶接部を修復する本発明の好ましい実施形態では、図２及び３を参照すると、コーティング表面４２を有するコーティング４０は、溶接部２２の表面と、隣接するライナ１６及び貫通部１８又は貫通部２０の熱影響部とに粉末混合物をコールドスプレーすることによって形成される。溶接部２２は、４０重量％〜８０重量％のニッケル、１０重量％〜３５重量％のクロム、最高１５重量％の鉄、最高１５重量％のマンガン、及び最高５重量％のニオブから構成されてもよい。さらに、溶接部２２に隣接する領域内における貫通部１８又は貫通部２０の凹状の内面２４に、コーティング４４を形成してもよい。

（動的スプレー（kinetic spraying）又はガス力学的スプレー（gas dynamic spraying）としても知られている）コールドスプレーは、１９８０年代後期に開発され、本質的に標的表面に超音速で粉末を吹き付けるコーティングプロセスである。重要なことだが、サーマルスプレー（thermal spraying）とは異なり、粉末及び標的金属はそれらの融点を大幅に下回る温度である。コールドスプレーの主な利点は、ベース金属を実質的に加熱又は希釈しないようにコーティングを施すことができることである。

図３はコールドスプレー装置５０を示しており、ライン５５からの圧縮ガスが、ヒータ５６と、ガスを超音速に加速させるラバルノズル５８とを有するコールドスプレーガン５２に導入される。ガスは、空気、窒素、ヘリウム、これらのガスのいずれかの混合物又は他の適当なガスであってもよい。ガスは、加熱されて超音速に加速される。次に、供給源６０からの粉末混合物を高速ガスに同伴させ、溶接部に送ってコーティング４０を形成してもよい。コールドスプレーガン５２は、コールドスプレーする工程中に、凹状内面１７から約１．２７センチメートル（約０．５インチ）〜約２．５４センチメートル（約１インチ）離れて配置してもよい。好ましくは、コールドスプレーガン５２は、堆積されているコーティング４０のコーティング表面４２に対して垂直に配向される。図３は概して、カシリン（Kashirin）らによる米国特許第６，４０２，０５０号明細書のコールドスプレー装置を示しており、これはカナダのウィンザーのＴＤＭ社（TDM, Inc.）から近代化モデル（modernized models）で市販されている。このコールドスプレー装置５０は、比較的小型であり、（図示された）ロボット３０又は手動での操作が容易である。他のコールドスプレー装置の形状は、米国特許第５，３０２，４１４号明細書、米国特許第６，６２３，７９６号明細書及び米国特許第６，７２２，５８４号明細書によって開示されている。これら４つの特許は、コールドスプレー装置の構造及び動作に関する開示を参照することにより、本明細書に援用される。このようなコールドスプレー装置は、約０．６８９ＭＰａ（約１００ｐｓｉ）〜約２．０７ＭＰａ（約３００ｐｓｉ）の圧力の圧縮ガスを用いてもよく、最高約７００℃の温度までガスを加熱してもよい。ガスは、加熱されて超音速に加速される。粉末粒子は、５〜５０ミクロンあるいはそれ以上であってもよい。

図２及び３に示されるように、ビデオシステムを用いて、吹き付けをモニタリングするようにしてもよい。したがって、ロボット３０は、ＴＶカメラ７２のようなビデオ装置を搭載してもよい。図示の便宜上、ＴＶカメラ７２はコールドスプレーガン５２に近接しているように図示されているが、ＴＶカメラ７２は、ＴＶカメラ７２をスプレー粉末の飛び跳ねから保護するために、実際の実施では、コールドスプレーガン５２から遠くに配置することが好ましい。有利なことに、金属の適切な堆積が行われていることが、ビデオフィードバックによってリアルタイムで確認される。

コールドスプレーガン５２が、ヘッド１２の凹状内面１７、溶接部２２、及び貫通部１８又は貫通部２０の外面２６を通過して移動すると、粉末粒子が表面に付着して層として蓄積し始める。次に、この層を必要な厚さに増大させることができる。本発明の方法は、表面にある初期の割れ又はわずかな欠陥を覆う。粉末粒子は、凹状内面１７の割れ又は欠陥付近に付着して、続いて吹き付けられる粒子と結合する。このように、割れ又は欠陥がコーティングによって埋められるため、劣化した表面が周囲環境からシールされる。

図３に示されるように、貫通部１８又は貫通部２０の凹状の内面２４にコーティング４４が形成される実施形態では、コールドスプレーガン５２は、貫通部１８又は貫通部２０内に嵌まらない場合には、改造する必要がある。これらの実施形態では、コールドスプレーガン５２の端部とほぼ同じ直径の穴を有する角度付ガンノズル延長部（図示せず）をコールドスプレーガン５２の端部に取り付けて、粉末スプレーを内面２４に向けてもよい。さらに、角度付ガンノズル延長部を用い、貫通部２０とヘッド１２の大きく湾曲した領域との間の領域における貫通部２０の凸状の外面２６上に、コーティング４０を形成してもよい。

別の実施形態では、本発明を用いて、セーフエンドの溶接表面のような遠隔にある表面を、保守のための停止中に修復してもよい。したがって、図４に示されるように、ロボット３０は、種々の点検装置及び保守装置を操作するために、フランジ１０によって支持してもよい。ロボット３０を用いて、出口ノズル８又はセーフエンド１１内にコールドスプレーガン５２を配置して、出口ノズル８、セーフエンド１１、セーフエンド１１の溶接部７４及び／又は溶接部７６の劣化した表面にコーティングをコールドスプレーしてもよい。

好ましい実施形態では、コーティング４０の厚さは少なくとも３００ミクロン（０．０１２インチ）である。図３のコーティング４０及び４４の厚さは、説明のために正しい比率で示されていないことに留意されたい。有利には、コールドスプレーされたコーティング４０は高濃度であり、部品と適合する化学的性質、十分な延性、及びその後のオンライン運転中に溶接部に付着し続けるのに十分な付着強度を有してもよい。

ある好ましい実施形態では、コーティング４０又は４４を超音波、渦電流、又は染色浸透探傷試験によって非破壊検査してもよい。好ましくは、スプレー時のコーティング４０は、スプレー時のコーティング表面４２が１２５ＲＭＳ（二乗平均平方根）以上の平滑性を有する場合、予備的な研磨工程を行わずに点検することができる。有利には、コーティング４０又は４４は、溶接部２２の従来技術の修復に必要であったよりも短時間及び低コストで堆積及び検査を行うことができる。

本発明の実施形態では、粉末混合物は、金属粒子及びセラミック粒子から形成される。金属粒子は、ニッケル又は（アロイ６００、アロイ６９０及びアロイ８００のような）ニッケル基合金、（３０４型又は３１６型のような）ステンレス鋼組成物、又はそれらの混合物から成ることが好ましい。さらに、金属粒子は、鉄、チタン、亜鉛、又はジルコニウムから成るものであってもよい。セラミック粒子は、炭化チタンから成ることが好ましい。さらに、セラミック粒子は、別の金属炭化物、金属酸化物、又は金属窒化物から成るものであってもよい。米国特許出願公開第２００３−０２１９５４２号明細書は、種々の粉末混合物が用いられ得るいくつかの成分を開示している。アルミニウムは原子炉の核工学に干渉するため、粒子は高いアルミニウムレベルを含まないことが好ましい。好ましくは、全粉末のうち、金属粒子は、１５重量％〜７５重量％、より好ましくは６０重量％〜７０重量％であり、セラミック粒子は、約２５重量％〜８５重量％、より好ましくは３０重量％〜４０重量％である。粒子は、（フレーク又は珊瑚の形状のような）不定形であってもよく、又は球形であってもよい。また、粒子は２つ以上の亜粒子（subparticle）から成っていてもよい。好ましい実施形態では、金属粒子は不定形であり、セラミック粒子は球形である。

本発明の好ましい実施形態を図示及び説明してきたが、本発明の添付の特許請求の範囲内で本発明を他の形で様々に具現してもよいことを理解されたい。

本発明による、修復することができる原子炉の一次冷却系の概略図である。本発明の好ましい実施形態による、取り外し可能なヘッドの修復を開始する前に、ロボット制御式のコールドスプレーガンが当該ヘッドの下に配置されている、取り外し可能なヘッドの拡大概略図である。溶接表面及び熱影響部の修復中の、図２のヘッド及びコールドスプレーガンの拡大概略図である。本発明の別の好ましい実施形態による、セーフエンドの溶接表面の修復を開始する前に、ロボット制御式のコールドスプレーガンがセーフエンド内に配置されている、原子炉圧力容器の概略図である。

符号の説明

２原子炉圧力容器、１１セーフエンド、１７凹状内面（金属表面）、１８，２０貫通部、２２溶接部、２４内面（金属表面、凹状の表面）、２６外面（金属表面、凸状の表面）、４０，４４コーティング、５２コールドスプレーガン、７４，７６（セーフエンドの）溶接部。

Claims

放射性流体によって濡れた金属表面を修復する方法であって、
前記金属表面に接触しないように前記放射性流体を除去する工程と、
金属粒子及びセラミック粒子の粉末混合物を形成する工程と、
前記金属表面上にコーティングを形成するために、前記放射性流体によって濡れていた前記金属表面上に前記粉末混合物をコールドスプレーする工程と
を含む方法。
前記放射性流体を除去する工程は、前記金属表面から蒸気又は水を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、ニッケル、ニッケル基合金、ステンレス鋼及びそれらの混合物から成る群より選択される金属粒子を含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、不定形の金属粒子を含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、金属炭化物、金属酸化物、又は金属窒化物から成る群より選択されるセラミック粒子を含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、球形のセラミック粒子を含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、ニッケルを含む不定形の金属粒子と、炭化チタンを含む球形のセラミック粒子とを含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、１５重量％〜７５重量％の不定形の金属粒子と、２５重量％〜８５重量％の球形のセラミック粒子とを含む粉末混合物を形成することを含む、請求項７に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、６０重量％〜７０重量％の不定形の金属粒子と、３０重量％〜４０重量％の球形のセラミック粒子とを含む粉末混合物を形成することを含む、請求項８に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、ステンレス鋼を含む不定形の金属粒子と、炭化チタンを含む球形のセラミック粒子とを含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、１５重量％〜７５重量％の不定形の金属粒子と、２５重量％〜８５重量％の球形のセラミック粒子とを含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１０に記載の方法。
前記粉末混合物を形成する工程は、６０重量％〜７０重量％の不定形の金属粒子と、３０重量％〜４０重量％の球形のセラミック粒子とを含む粉末混合物を形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、溶接部の表面又はその熱影響部に前記粉末粒子をコールドスプレーすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、４０重量％〜８０重量％のニッケル、１０重量％〜３５重量％のクロム、最高１５重量％の鉄、最高１５重量％のマンガン、及び最高５重量％のニオブを含む溶接部に前記粉末混合物をコールドスプレーすることを含む、請求項１３に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、非対称の溶接部の表面に前記粉末粒子をコールドスプレーすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、凹状の表面に前記粉末混合物をコールドスプレーすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、凸状の表面に前記粉末混合物をコールドスプレーすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、圧力下で前記放射性流体を含む溶接部の表面に前記粉末混合物をコールドスプレーすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記金属表面は、貫通部の内面であり、
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、前記貫通部から離れたコールドスプレーガンから前記粉末混合物をコールドスプレーすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、原子炉圧力容器のセーフエンドの溶接部に前記粉末粒子をコールドスプレーすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物のコールドスプレー中に前記コーティングをモニタリングする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
超音波、渦電流又は染色浸透探傷試験によって、前記溶接部を非破壊検査する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記粉末混合物をコールドスプレーする工程は、堆積時の表面が１２５ＲＭＳ以上の平滑性を有するコーティングを形成することを含み、
前記溶接部を非破壊検査する工程は、前記堆積時のコーティングを非破壊検査することを含む、請求項２２に記載の方法。
前記金属表面上に前記コールドスプレーによるコーティングを形成する前に、前記金属表面を研磨する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。