JP2008055461A - 原子力発電プラント構造材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力発電プラント構造材（特に原子力発電プラント構造材であるオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金）に適用可能な耐応力腐食割れに優れた溶接方法を提供することを課題とする。
【解決手段】原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接方法であって、溶接部の柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように原子炉構造材を溶接する。本発明によれば、原子力発電プラント溶接構造物に関し、原子力発電プラントの更なる安全性向上のため、き裂の発生及び進展しにくいように、溶接部の柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることにより、耐応力腐食割れに優れた原子力発電プラント構造物の溶接方法を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子力発電プラント構造材の溶接方法に係り、特に原子力発電プラント構造材であるステンレス鋼やニッケル基合金の溶接に適用するの好適な原子力発電プラント構造材の溶接方法に関する。

原子力発電プラントでは、高温高圧水に接する部分に対して、耐食性に優れた材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金等が用いられている。しかし、高温高圧水中で長期に渡り運転した場合、溶接部や熱影響部に応力腐食割れ等の経年劣化事象が顕在化する可能性がある。応力腐食割れは、材料因子、応力因子、環境因子の３因子が重畳して発生すると考えられている。

応力腐食割れを防止するため、（１）耐応力腐食割れに優れた材料を用いる、（２）応力を低減する、（３）環境を改善する等の方法が提案されている。例えば、耐応力腐食割れに優れた材料を用いる方法として、オーステナイトとδフェライトの２相組織を段階的に変化させることにより、表面上を耐食性の優れた材料に改質する方法ある（特許文献１参照）。また、金属表面を熱処理し、金属材料中に析出物を形成することにより、耐応力腐食割れに優れた材料にする表面改質方法がある（特許文献２参照）。

しかし、オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金の溶接部の金属組織は、柱状晶またはデントライト組織を有し、母材から表面方向へ柱状晶またはデントライト方向が揃っている。このため、応力腐食割れ等のき裂が発生した場合、柱状晶またはデントライト方向にき裂が進展する可能性がある。近年、経年劣化事象の顕在化により、柱状晶またはデントライト組織を有する溶接構造物において、応力腐食割れによる損傷事例が報告されている。

特許文献１，２に記載の方法では、材料及び表面改質をして耐応力腐食割れに優れた金属材料にすることにより応力腐食割れの発生を防止するが、溶接金属の組織は柱状晶またはデントライト組織を有することとなる。柱状晶またはデントライト組織を有する溶接金属部のき裂進展速度は、柱状晶またはデントライト組織が溶接表面に向かって揃っているため、き裂が進展しやすい。従って、金属組織自体を耐応力腐食割れに優れた組織にする必要がある。

特開２００４−１９５４９９ 特開２００５−２２７１７１

原子力発電プラント構造材（特に原子力発電プラント構造材であるオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金）に適用可能な耐応力腐食割れに優れた溶接方法を提供することを課題とする。

原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接方法であって、溶接部の柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように原子炉構造材を溶接する。

本発明によれば、原子力発電プラント溶接構造物に関し、原子力発電プラントの更なる安全性向上のため、き裂の発生及び進展が抑制されるように、溶接部の柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることにより、耐応力腐食割れに優れた原子力発電プラント構造物の溶接方法を提供することができる。

以下、本発明における原子力発電プラント構造材の溶接方法について、図１−図８を用いて詳細に説明する。

本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第１の実施例を図１−３を用いて説明する。本実施例は、磁気攪拌装置を用いて溶接金属を攪拌することにより、柱状晶またはデントライト方向を不均一化させるものである。尚、本発明は、ステンレス鋼及びニッケル基合金をはじめ、柱状晶またはデントライト組織を有する溶接金属に適用可能であるが、本実施例については、ニッケル基合金を用いた場合について述べる。

まず、本実施例の原子力発電プラント構造材の溶接方法に用いる溶接装置について説明する。図２は、本実施例で適用する磁気攪拌装置を備えたＴＩＧ溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示している。本実施例で適用する磁気攪拌装置を用いたＴＩＧ溶接装置は、溶融金属を磁気攪拌するための磁気攪拌装置６及びＴＩＧ溶接装置５から構成される。ＴＩＧ溶接装置５は、制御装置７とシールドガス供給装置１１とから構成される。通常のＴＩＧ溶接では溶接金属２にデントライト組織３を有する金属組織が形成されることとなる。ここで、本実施例においては、デントライト方向を不均一にするために、ＴＩＧ溶接装置５には磁気攪拌装置６が取り付けられている。磁気攪拌装置６は溶融金属２を攪拌することによりデントライト方向を不均一にするものであり、ＴＩＧ溶接装置５の先端部に取り付けられる。

次に、磁気攪拌装置６を備えたＴＩＧ溶接装置５による原子力発電プラント構造材の溶接方法について説明する。具体的な溶接手順としては、まず、溶接しようとするニッケル基合金の板に開先をとり、裏当て金を取付け、ＴＩＧ溶接装置を用いて溶接する。図１に示すように溶接部の初層から３／４程度まで通常のＴＩＧ溶接により溶接金属２を溶接し、その後、最終層までを磁気攪拌装置６を備えたＴＩＧ溶接装置５により溶接する。

以下に、磁気攪拌装置６を備えたＴＩＧ溶接装置５による溶接について説明する。磁気攪拌装置６を備えたＴＩＧ溶接装置５が溶接構造物１上部に設置される。ＴＩＧ溶接装置５が溶接を開始すると、溶接ワイヤーが供給される。これと同時に、磁気攪拌装置制御装置８により磁気攪拌装置６が同期して制御される。

ＴＩＧ溶接では、ＴＩＧ溶接装置５の電極と溶接構造物１との間でパルス状の放電が開始され、電極と溶接構造物１との間に電場９が発生する。ここで、ＴＩＧ溶接装置５先端部近傍に取り付けられた磁気攪拌装置６により、溶接近傍に磁場１０を発生させる。ＴＩＧ溶接により発生した電場９と磁場１０とが影響することにより、溶融金属２にローレンツ力１３が発生し、溶融金属２をある一定方向に回転させることができる。図３は、溶融金属部でのローレンツ力の影響を示す模式図である。通常のＴＩＧ溶接では、先に溶接した溶接金属２表面上から金属結晶が成長し、デントライト組織３を形成することとなる。しかし、ローレンツ力１３により溶融金属２が攪拌され、金属が冷却し凝固する過程において、溶融金属２表面上が磁気攪拌されるため、金属組織が不均一のままに凝固され、溶融金属２表面ではデントライト組織３の形成が抑制される。

通常のＴＩＧ溶接を施工した溶接部に対して、磁気攪拌装置６により溶融金属２を磁気攪拌しながら、ＴＩＧ溶接装置５を一定方向に移動させて溶接を行う。このようにして１パス目の溶接を実施する。同様にデントライト組織３を有した溶接金属２表面を覆うように２、３パス目の溶接を実施し、各層段階的に溶接金属２表面部にデントライト組織３を不均一化した金属組織を形成する。このようにして溶接を繰り返した後、最終層を形成して溶接を終了する。磁気攪拌装置６を用いた溶接により、溶接金属２部表面上はデントライト組織３が不均一化するため、凝固過程においてデントライト組織３が成長しにくく、細密化された金属結晶を最終層に形成することができる。尚、各層で攪拌程度を段階的に増加させることにより、段階的に柱状晶またはデントライト組織が不均一化した領域を形成するようにしてもよい。

本実施例の溶接方法を適用した溶接構造物１は、溶接金属２表面上の金属組織がデントライト組織３を有していないため、耐応力腐食割れに優れており、き裂の発生及び進展を抑制することが可能な溶接構造物１とすることができる。

本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第２の実施例を図４，５を用いて説明する。本実施例は、溶融金属２の表面にレーザーをパルス状に照射して熱及び衝撃を加えることにより、柱状晶またはデントライト方向を不均一化させるものである。

まず、本実施例の原子力発電プラント構造材の溶接方法に用いる溶接装置について説明する。図４は、本実施例で適用するレーザー照射装置１４を備えたＴＩＧ溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示している。本実施例で適用するレーザー照射装置１４を備えたＴＩＧ溶接装置は、溶融金属２の表面に熱及び衝撃を加えるためのレーザー溶接装置１４及びＴＩＧ溶接装置から構成される。通常のＴＩＧ溶接では溶接金属２にデントライト組織３を有する金属組織が形成されることとなる。ここで、本実施例においては、デントライト方向を不均一にするために、ＴＩＧ溶接装置５にはレーザー照射装置１４が取り付けられている。レーザー照射装置１４は溶融金属２の表面に熱及び衝撃を加えることによりデントライト方向を不均一にするものであり、ＴＩＧ溶接装置５の先端部に取り付けられる。

次に、レーザー照射装置１４を備えたＴＩＧ溶接装置５による原子力発電プラント構造材の溶接方法について説明する。具体的な溶接手順としては、まず、実施例１と同様に溶接部の初層から３／４程度まで通常のＴＩＧ溶接により溶接金属２を溶接する。その後、最終層までをレーザー照射装置１４を備えたＴＩＧ溶接装置５により溶接する。

以下に、レーザー照射装置１４を備えたＴＩＧ溶接装置５による溶接について説明する。レーザー照射装置１４を備えたＴＩＧ溶接装置５が溶接構造物１上部に設置される。次に、ＴＩＧ溶接装置５が溶接を開始すると、溶接ワイヤーが供給される。

レーザー発振器１５より光ファイバーでＴＩＧ溶接部先端に導かれたレーザー光１６は、パルス状に溶融金属２の表面に照射される。ＴＩＧ溶接により溶接ワイヤーを溶かすことにより溶融金属２が形成されるが、溶融金属２にレーザー光１６をパルス状に照射することにより、溶融金属２の表面に断続的に熱及び衝撃を加えることで、溶融金属２が凝固する過程での金属組織の粗大化が妨げられ、デントライト組織３が形成されにくくなる。図５は、溶融金属部でのパルス状レーザー光による表面改質の様子を示す模式図である。尚、溶融金属２に効果的に熱及び衝撃を加えることがでるよう、複数のレーザー光１６を溶融金属２の表面に照射したり、レーザー光１６の照射角度を溶接表面に対して斜めに設定しても良い。

通常のＴＩＧ溶接を施工した溶接部に対して、レーザー照射装置１４により溶融金属２表面にレーザー照射しながら、ＴＩＧ溶接装置５を一定方向に移動させて溶接を行う。このようにして１パス目の溶接を実施する。同様にデントライト組織３を有した溶接金属２表面を覆うように２、３パス目の溶接を実施し、各層段階的に溶接金属２表面部にデントライト組織３を不均一化した金属組織を形成する。このようにして溶接を繰り返した後、最終層を形成して溶接を終了する。レーザー照射装置１４を用いた溶接により、溶接金属部表面上はデントライト組織３が不均一化するため、凝固過程においてデントライト組織３が成長しにくく、細密化された金属結晶が最終層に形成することができる。

本実施例の溶接方法を適用した溶接構造物１は、溶接金属２表面上の金属組織がデントライト組織３を有していないため、耐応力腐食割れに優れており、き裂の発生及び進展を抑制することが可能な溶接構造物１とすることができる。

本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第３の実施例を図６，７を用いて説明する。本実施例は、沸騰水型原子炉の炉内構造物である炉心シュラウド２１を支持するシュラウドサポートの取り付けの際に本発明を適用するものである。図６は、原子炉圧力容器１８の炉底部の概略縦断面図である。シュラウドサポートは、原子炉圧力容器１８に垂直に取り付けられたシュラウドサポートレグ１９の上にシュラウドサポートリング２０が取り付けられ、シュラウドサポートリング２０の上に炉心シュラウド２１が取り付けられた構造をしている。本実施例では、デントライト組織３を有するニッケル基合金を使用したシュラウドサポートリング２０とシュラウドサポートレグ１９の溶接部の施工について述べる。図７は、シュラウドサポートリング２０，シュラウドサポートレグ１９，及びシュラウドサポートリング２０とシュラウドサポートレグ１９との溶接部について示している。

原子炉圧力容器１８に溶接されているシュラウドサポートレグ１９の上にシュラウドサポートリング２０が設置される。シュラウドサポートレグ１９上端は予め両側開先加工が施されている。シュラウドサポートレグ１９先端の両側を、ＴＩＧ溶接装置５を用いて溶接する。残留応力低減のために内外側を交互に溶接し、実施例１，２と同様に溶接部の３／４程度を溶接する。次にＴＩＧ溶接装置５先端に磁気攪拌装置６を取り付け、溶接部表面上にＴＩＧ溶接装置５を設置する。ＴＩＧ溶接装置５が溶接を開始すると溶接ワイヤーが供給される。ＴＩＧ溶接装置５先端近傍に取り付けられた磁気攪拌装置６により、溶接近傍に磁場１０が発生する。そして、ＴＩＧ溶接により発生した電場９と磁場１０とが影響することにより、溶融金属２にローレンツ力１３が発生し、溶融金属２が攪拌される。金属が冷却し凝固する過程において、溶融金属２表面上は磁気攪拌されるため、金属組織が不均一のままに凝固され、デントライト組織３が形成されにくくなる。磁気攪拌しながら、ＴＩＧ溶接装置５を一定方向に移動させて、シュラウドサポートレグ１９の両側を最終パスまで溶接する。磁気攪拌装置６を用いて溶接される溶接部は、段階的にデントライト組織３が不均一化される。最終溶接金属表面部には、デントライト組織３が不均一化された細密な金属組織が形成される。

本実施例においては、シュラウドサポートレグ１９及びシュラウドサポートリング２０の溶接部に関し、溶接金属２表面上の金属組織のデントライト組織３を不均一化させて、耐応力腐食割れに優れた溶接構造物１とすることができる。

本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第４の実施例を図８を用いて説明する。本実施例は、沸騰水型原子炉の炉内構造物である制御棒駆動機構ハウジングに対する予防保全工法として本発明を適用するものである。

原子炉は、一般的に経年劣化により応力腐食割れ等が顕在化する場合があり、特に圧力バウンダリを形成する制御棒駆動機構ハウジング２２（以下「ＣＲＤ．Ｈ」という。）等の溶接部に対しては、予防保全工法、補修工法が重要となる。図８は、ＣＲＤ．Ｈ２２と原子炉圧力容器との接続部を示す図である。図６に示すように、原子力圧力容器１８の下鏡には多数のＣＲＤ．Ｈ２２が溶接されており、その溶接部にはニッケル基合金が使用されている。

まず、ウエルまで満水にした後、原子炉圧力容器１８の上蓋を外し、原子炉内の蒸気発生器、汽水分離器及び燃料を全て撤去し、さらに、制御棒、制御棒案内管等を撤去する。炉内を化学除染した後、原子炉圧力容器１８上部まで炉水を取り除く。その後、原子炉圧力容器１８とＣＲＤ．Ｈ２２との溶接表面部を放電加工するために、ＣＲＤ．Ｈ２２上に放電加工装置を設置、固定する。水中での放電加工により、溶接部表面にある柱状晶またはデントライト組織３を削除した後、放電加工装置を引き上げる。原子炉圧力容器１８内の炉水を全て取り除き、ＣＲＤ．Ｈ２２上に磁気攪拌装置６を備えたＴＩＧ溶接装置５本体を設置、固定する。監視カメラを確認しながら、ＴＩＧ溶接装置５をセッティングし、磁気攪拌しながら肉盛溶接を実施する。肉盛り溶接を実施した後、ＴＩＧ溶接装置５を撤去し、再度、放電加工装置を設置、固定する。その後、炉水を炉心支持板下まで注水して、放電加工により、溶接部の成型処理を行う。成型処理後、放電加工装置を引き上げ、ウエルまで炉水を注水する。撤去した炉内構造物、燃料等を撤去と逆の手順で炉内に取り付け、さらに、原子炉圧力容器上蓋を取り付ける。尚、溶接部表面の残留応力低減のため、放電加工による成型処理後に、ウォータージェットピーニング等により、溶接部表面に圧縮応力を形成させてもよい。

本実施例においては、シュラウドサポートレグ１９及びシュラウドサポートリング２０の溶接部に関し、溶接金属２表面上の金属組織のデントライト組織３を不均一化させて、耐応力腐食割れに優れた溶接構造物１とすることができる。

柱状晶またはデントライト組織に対する溶接構造物の表面改質方法を示す図。 磁気攪拌装置を備えたＴＩＧ溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示す図。 溶融金属部でのローレンツ力の影響を示す図。 レーザー照射装置を備えたＴＩＧ溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示す図。 溶融金属部でのパルス状レーザー光による表面改質の様子を示す模式図。 原子炉圧力容器の炉底部の概略縦断面図。 シュラウドサポートレグとシュラウドサポートリングとの溶接部を示す図。 制御棒駆動機構ハウジングと原子炉圧力容器との溶接部を示す図。

符号の説明

１…溶接構造物、２…溶融金属部、３…柱状晶またはデントライト組織、４…柱状晶またはデントライト組織を不均一化した組織、５…ＴＩＧ溶接装置、６…磁気攪拌装置、７…ＴＩＧ溶接装置の制御装置、８…磁気攪拌装置の制御装置、９…ＴＩＧ溶接装置による電場、１０…磁気攪拌装置による磁場、１１…シールドガス供給装置、１２…溶融金属、１３…ローレンツ力、１４…レーザー照射装置、１５…レーザー発振器、１６…レーザー光、１７…パルス状レーザー光による熱及び衝撃、１８…原子炉圧力容器、１９…シュラウドサポートレグ、２０…シュラウドサポートリング、２１…炉心シュラウド、２２…制御棒駆動機構ハウジング。

Claims (7)

1. 原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接方法であって、溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように前記原子炉構造材を溶接することを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
2. 請求項１に記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記原子炉構造材を溶接する手段はＴＩＧ溶接であり、前記ＴＩＧ溶接により生じた溶融金属に磁場を付与してローレンツ力を与えることにより、前記溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
3. 請求項２に記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記溶融金属に磁場を付与する手段は磁気攪拌装置であることを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
4. 請求項１に記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記溶接部に対してレーザーをパルス状に照射することにより、前記溶接部の柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、初層から板厚の３／４までは溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向を不均一とさせずに溶接し、その後、最終層までは溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように溶接することを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記原子力発電プラントの構造材は、ステンレス鋼またはニッケル基合金であることを特徴等する原子力発電プラント構造材の溶接方法。
7. 原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接部に形成された柱状晶またはデントライト組織を除去し、
   請求項１乃至６の何れかに記載の溶接方法により前記除去後の溶接部を溶接し、
   その後、前記溶接部を成型処理することを特徴とする原子力発電プラント構造材の予防保全方法。
   

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