JP2010138476A - ジェットポンプビームおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐応力腐食割れ性および耐高温高強度性に優れ、延性の高い高弾性率の改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金のジェットポンプビームおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％でＮｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下、ならびに残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなる析出強化型ニッケル基合金の材料を構成し、前記ニッケル基合金材料を１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理と、この固溶化熱処理後に６９４℃〜７１４℃で５〜７時間の時効硬化熱処理とを施して改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビーム２７を構成したものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、沸騰水型原子炉内で高温高圧水を強制的に循環させるジェットポンプに用いられるジェットポンプビームおよびその製造方法に係り、特に耐応力腐食割れ性に優れ、高弾性率および高温強度を有する析出硬化型改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビームおよびその製造方法に関する。

沸騰水型原子炉には、冷却材を原子炉炉心に強制的に送り込むために外部再循環系を設けたものがあり、原子炉圧力容器内には外部再循環系に接続されたジェットポンプが備えられる。ジェットポンプは原子炉圧力容器と炉心シュラウドとの間の環状のダウンカマ部に複数組設けられる。

ジェットポンプは、原子炉圧力容器内のダウンカマ部に設けられて、ライザ管、トランジションピース、インレットミキサおよびディフューザから構成される。トランジションピースはライザ管の上部に一体に形成され、ライザ管の頭部に二又分岐部を構成している。トランジションピースで二又に分岐された冷却材は、反転流路を形成するインレットミキサのエルボに案内される。このエルボはばね部材製のジェットポンプビームにより押圧支持され、浮上がりが防止される。

沸騰水型原子炉には、ジェットポンプのポンプビームに高弾性率と高温強度を有する析出硬化型Ｎｉ基合金であるインコネルＸ−７５０合金が特許文献１に記載されたように従来から使用されている。インコネルＸ−７５０合金を原子炉用部材に用いた例は、特許文献２にも記載されている。

また、原子炉用部材に耐食性、耐高温性の高強度材料として、析出硬化型通常熱処理ニッケル基合金であるインコネル７１８合金が用いられることも、特許文献３および４に記載されている。
特開昭５９−８５８３４号公報 特開平５−１６４８８６号公報 特開２００４−９１８１６号公報 特開平４−２９７５３７号公報

沸騰水型原子炉の高温高圧水環境下で使用される引用文献１に記載のジェットポンプのジェットポンプビームには、高弾性率と高温強度を有する析出硬化型ニッケル基合金であるインコネルＸ−７５０合金が使用されている。インコネルＸ−７５０合金は、ジェットポンプビームとしての高弾性率および高温強度を有するものの、高温高圧水環境下で応力腐食割れ（ＳＣＣ）感受性が高く、原子炉運転中の高温高圧環境下において、応力腐食割れが発生するという課題がある。

また、インコネルＸ−７５０合金と同様に、ニッケル基合金である引用文献３に記載のインコネル７１８合金は原子炉用部材に用いられているが、このインコネル７１８合金の熱処理は、９９５℃〜１０４０℃で固溶化熱処理を施した後、７６０℃の温度で５時間保持した後、炉内冷却によって７６０℃から６５０℃まで降温し、さらに６５０℃の温度で１時間保持した後、冷却する時効硬化処理を施すことが記載されている。

さらに、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）Ｂ６３７には、通常熱処理インコネル７１８合金は、９２４℃〜１０１０℃で固溶化熱処理を施した後、７１８℃で８時間保持して炉内冷却し、さらに６２０℃で８時間保持した後、空冷する時効硬化処理を施して熱処理する例が記載されている。

しかし、ＡＳＴＭ等に記載されているように、通常の熱処理を施した通常熱処理インコネル７１８合金は、高温高強度に優れた材料であるが、延性に劣るという課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、耐応力腐食割れ性および耐高温高強度性に優れ、延性の高い高弾性率の改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金のジェットポンプビームおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、インコネル７１８合金の固溶化熱処理および時効硬化熱処理を改善し、高温高圧水中の応力腐食割れ感受性を低下させて延性を確保し、インコネルＸ−７５０合金と同等の機械的特性を有する改良熱処理インコネル７１８合金製のジェットポンプビームおよびその製造方法を提供することにある。

本発明に係るジェットポンプは、上述した課題を解決するために、質量％でＮｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下、ならびに残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなる析出強化型ニッケル基合金の材料を構成し、前記ニッケル基合金材料を１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理と、この固溶化熱処理後に６９４℃〜７１４℃で５〜７時間の時効硬化熱処理とを施して改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビームを構成したことを特徴とするものである。

また、本発明に係るジェットポンプの製造方法は、上述した課題を解決するために、質量％でＮｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下、ならびに残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなる析出強化型ニッケル基合金の材料を用意し、前記ニッケル基合金材料を１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理後、機械加工あるいは冷間加工により製品形状に加工し、加工された製品形状の前記ニッケル基合金材料を６９４℃〜７１４℃で５〜７時間時効硬化熱処理を施して改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビームを製造することを特徴とする製造方法である。

さらに、本発明に係るジェットポンプの製造方法は、上述した課題を解決するために、質量％でＮｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下、ならびに残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなる析出強化型ニッケル基合金を用意し、前記ニッケル基合金材料の材料溶解後、型鍛造により製品形状に粗加工し、粗加工したニッケル基合金材料を１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理し、機械加工あるいは冷間加工により仕上げ加工し、仕上げ加工したニッケル基合金材料を６９４℃〜７１４℃で５〜７時間時効硬化熱処理を施して改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビームを製造することを特徴とする製造方法である。

本発明に係るジェットポンプビームおよびその製造方法は、析出硬化型ニッケル基合金材料の固溶化熱処理および時効硬化熱処理を改善して高温高圧水中の耐応力腐食割れを向上させ、高弾性率と高温高強度に優れ、大きな延性を有するジェットポンプビームを提供することができる。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係るジェットポンプビームを備えたジェットポンプの据付例を示す斜視図である。ジェットポンプ１０は沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器１１と炉心シュラウド１２との間の環状のダウンカマ部１３に設置される。炉心シュラウド１２は、原子炉炉心１４を取り囲むように円筒状に形成される。この原子炉炉心１４に図示しない多数の燃料集合体が装荷されている。

ジェットポンプ１０は、原子炉圧力容器１１内のダウンカマ部１３の周方向に間隔をおいて、複数組例えば１０組２０個設けられる。ジェットポンプ１０は、原子炉圧力容器１１内で外部の原子炉再循環系（図示せず）と接続され、外部の原子炉再循環系へ取り出される冷却材流量を少なくできるようにして原子炉炉心１４に冷却材を強制的に送り込むようになっている。

ジェットポンプ１０は、冷却材供給管として再循環入口ノズル１６からのライザ管１７と、トランジションピース１８と、対をなすエルボ１９を有するインレットミキサ２０と、ディフューザ２１とから主に構成される。トランジションピース１８はライザ管１７の頂部に一体に構成され、ライザ管１７を上昇してくる冷却材の流れを二又に分岐させてインレットミキサ２０のエルボ１９に案内している。

インレットミキサ２０は、ライザ管１７からの冷却材を反転させる一対のエルボ１９，１９と、このエルボ１９で反転された冷却材を噴射させる混合ノズルとしてのジェットポンプノズル２２と、このジェットポンプノズル２２からの冷却材の噴射により、ダウンカマ部１３入口側で周囲の炉水を巻き込んで混合させるインレットスロート２３とを一体に構成している。インレットスロート２３に案内された冷却材は、周辺から流入する炉水と混合されてディフューザ２１に導かれ、このディフューザ２１を下降して原子炉圧力容器１１内の炉心下部プレナムに案内される。この炉心下部プレナムに案内された混合水は、ここで反転して原子炉炉心１４に導かれる。

また、図２に示すように、トランジションピース１８の二又分岐部の両側に一対の門型支持ポスト２５，２５が対向配置で立設されている。各支持ポスト２５，２５の上端部の対向位置に横長な溝部（ノッチ）２６，２６が略水平方向にそれぞれ設けられる。ポケットを構成するこれらの溝部２６，２６に、インレットミキサ２０のエルボ１９を上方から押圧支持するジェットポンプビーム２７の両端が係止されている。ジェットポンプビーム２７の両端部は、矩形の横断面を有し、支持ポスト２５の溝部２６，２６の上端面に面接触してエルボ１９を係合支持している。

ジェットポンプビーム２７は、ばね部材（弾性体）として高弾性率の高弾性材料で形成され、ビーム長手方向中央部に向って断面積が増大している。なお、図１および図２において、符号２８はインレットミキサ２０の吊りボルトである。

ジェットポンプビーム２７の中央部にエルボ１９を上方から押圧し、抑え付ける押圧構成部材としてのヘッドボルト３０が設けられる。ジェットポンプビーム２７の中央部に、図３に示すように、ビーム長手方向に直交する縦ねじ孔３１が上下方向に貫通して形成され、この縦ねじ孔３１にヘッドボルト３０が貫通するように、ねじ結合される。ヘッドボルト３０は、六角ボルト等の多角ボルトからなり、ヘッドボルト３０の雄ねじ３２はジェットポンプビーム２７の縦ねじ孔３１にねじ結合され、その先端（下端）はインレットミキサ２０のエルボ１９の頂部を押圧接触している。

インレットミキサ２０のエルボ頂部には台座部が設けられ、この台座部に設けられた球面座（図示せず）を、ヘッドボルト３０下端に形成された円弧状あるいは半丸頭状のボス部３３が押圧接触している。

インレットミキサ２０のエルボ１９は、ジェットポンプビーム２７のボルト固定装置３５によりトランジションピース１８に着脱自在に据え付けられる。ジェットポンプビーム２７のボルト固定装置３５は、図３および図４に示すように構成される。

ボルト固定装置３５は、図３に示すように、ジェットポンプビーム２７の縦ねじ孔３１にねじ結合されるヘッドボルト３０と、このヘッドボルト３０の多角形ヘッド部３６に回転一体で軸方向に摺動自在に嵌合するロックキャップ３７と、このロックキャップ３７を固定位置と回転フリー位置に選択的に収容可能な本体ハウジング３８と、この本体ハウジング３８をジェットポンプビーム２７の頂部ベース面２７ａに座金等を介して固定し据え付けるベースプレート３９と、本体ハウジング３８内に収納され、ロックキャップ３７を上方にばね付勢するばね部材４０とを有する。

ベースプレート３９は、ジェットポンプビーム２７の頂部ベース面２７ａに位置決めピン４１と小ねじ４２とにより固定される（図４参照）。ベースプレート３９の内周フランジ３９ａは、本体ハウジング３８下部の外周フランジ３８ａを上方から押圧し、覆設される。なお、図２および図４において、符号４５はジェットポンプビーム２７に一体に形成されたトラニオンである。

ベースプレート３９に本体ハウジング３８の軸廻りの回転を拘束する回転拘束機構４４が設けられる。回転拘束機構４４は本体ハウジング３８をベースプレート３９に着脱可能に係止させ、本体ハウジング３８の回転を拘束している。

また、ボルト固定装置３５のロックキャップ３７は、外周部に下方に向って拡開するテーパ状外歯４８が周方向に形成され、この外歯４８に本体ハウジング３８の内歯状溝４９が選択的に噛合している。ロックキャップ３７の外歯４８は、ロックキャップ３７が上動して図３の左側位置を取るとき、本体ハウジング３８の内歯状溝４９に噛合（スプライン結合）して回転一体となって固定される。また、図３の右側位置を取るとき、回転フリーとなる。回転フリーとなる本体ハウジング３８の内周壁下部は、内歯状溝４９の底部と同一内周面状に面一に形成される。

さらに、ロックキャップ３７および本体ハウジング３８はニッケル基合金等の硬い材質が用いられる。少なくともロックキャップ３７の外歯４８および本体ハウジング３８の内歯状溝４９は硬い材質であり、硬質の溶接肉盛材料あるいはコバルトを含有する溶接肉盛材料が用いられる。

ボルト固定装置３５は、ロックキャップ３７をばね部材（弾性体）４０のばね付勢力に抗して押し縮めることで、ロックキャップ３７の外歯４８と本体ハウジング３８の内歯状溝４９との噛み合いが解除され、ロックキャップ３７は図３の右側半分の回転フリー位置をとる。これにより、ヘッドボルト３０を自由に回転させることができ、ヘッドボルト３０は、ジェットポンプビーム２７に対して回転フリーとなり、ヘッドボルト３０を回動させて昇降移動させることができる。

しかして、ジェットポンプビーム２７のボルト固定装置３５では、インレットミキサ２０はジェットポンプのライザ管１７上部のトランジションピース１８のシート面上に、ジェットポンプビーム２７を利用してボルト固定装置３５により押圧支持されて据付けられる。ジェットポンプ１０は、ライザ管１７内を上昇した冷却水をトランジションピース１８で二又に分岐させて対をなすエルボ１９に案内される。

インレットミキサ２０のエルボ１９では冷却水が反転され、図１に示すように両外側のジェットポンプノズル２２からインレットスロート２３の吸込口に向けて下方に噴射される。冷却水がジェットポンプノズル２２から高速噴出流体（駆動流体）が噴出される際、炉心上部の気水分離器および蒸気乾燥器（共に図示せず）から分離された飽和水（冷却材）をダウンカマ部１３で巻き込み、ジェットポンプノズル２２出口に生じた低圧部からインレットスロート２３に吸引される。この駆動流体および吸引流体（被駆動気体）はインレットスロート２３で充分混合された後、ディフューザ２１で圧力を回復し、炉心下部プレナムに送られる。

ジェットポンプ１０から出た冷却材は、炉心下部プレナムで反転して原子炉炉心１４に導かれ、この炉心１４を通っていく間で加熱されて気水混合の二相流となり上昇し、図示しない気水分離器に送られて分離された後、蒸気乾燥器（図示せず）に送られて乾燥され、主蒸気出口から図示しない蒸気タービンに送られる。

また、ダウンカマ部１３に案内された飽和水の一部は、ダウンカマ部１３を下降して出口ノズルから２系統の再循環ループに取出されて再循環ポンプ（図示せず）で昇圧される。再循環ポンプで昇圧された後、ジェットポンプ１０の再循環入口ノズル１６からライザ管１７に送られ、ライザ管１７内を上昇し、インレットミキサ２０のエルボ１９で反転し、ジェットポンプノズル２２から再び噴出されるようになっている。

ところで、ジェットポンプ１０のジェットポンプビーム２７には、図５に示される改良型熱処理析出硬化型ニッケル基合金（改良型処理インコネル７１８合金）材料で製作されたばね用部材である原子炉部材が用いられる。このジェットポンプビーム２７は、従来の通常熱処理析出硬化型インコネル７１８合金の固溶化熱処理および時効硬化型熱処理の熱処理を改善・改良した改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金（改良熱処理インコネル７１８合金）材料が用いられる。

［Ａ］ジェットポンプビーム材料の化学成分組成
ジェットポンプビーム２７には、改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金（改良熱処理インコネル７１８合金）材料が用いられる。この改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金に使用される材料は、ＪＩＳ Ｇ４９０１，ＡＭＳ ５６６２およびＡＳＴＭ Ｂ６７０等に規定される材料と同様である。

ジェットポンプビーム２７に用いられる改良熱処理ニッケル基合金は、インコネル７１８合金相当に対応し、その化学成分元素を質量％（ｍａｓｓ％）で表示すると次の通りになる。

このジェットポンプビーム２７は、質量％で、Ｎｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下を含み、かつ、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成の析出硬化型ニッケル基合金（インコネル７１８合金）材料が用いられ、この材料に改善・改良された固溶化熱処理および時効硬化熱処理が施された改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金により製作される。原子炉部材としてのジェットポンプ１０に用いられるジェットポンプビーム２７が製作される。

析出硬化型ニッケル基合金は改善・改良された固溶化熱処理および時効硬化熱処理等の熱処理が施される。この熱処理は、析出硬化型ニッケル基合金を材料溶融させてから１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理し、その後、６９４℃〜７１４℃で５〜７時間の時効硬化熱処理を施した改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金（改良熱処理インコネル７１８合金）が用いられる。

改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金の化学成分（成分組成元素）は、通常熱処理（ＡＳＴＭ Ｂ６３７）インコネル７１８合金相当であるが、固溶化熱処理および時効硬化熱処理を改善・改良した熱処理を施して、改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金を製作したものである。

改良熱処理インコネル７１８合金は、通常熱処理インコネル７１８合金やインコネルＸ−７５０合金に較べると、高温水環境下における応力腐食割れ感受性に優れており、応力腐食割れ感受性が小さく、耐応力腐食割れ特性を高め得ることを知見した。この応力腐食割れは、引張応力の存在、使用環境条件および材料自体の特性の三要素が揃ったとき発生することが知られており、この応力腐食割れを防止するために、材料自体の特性を改善し。応力腐食割れ感受性を小さくして耐応力腐食割れ性を向上させたものである。

ジェットポンプビーム２７は、軽水炉の高温高圧の放射線環境下で使用されるので、ジェットポンプビーム２７の組成成分元素のＣｏ，Ｂは、放射性の観点から上限が設定され、実用上、Ｃｏ：０．０５％以下、およびＢ：０．００１％以下が好ましい。

ジェットポンプビーム２７に用いられる材料は、ＪＩＳ Ｇ４９０１，ＡＭＳ ５６６１およびＡＳＴＭ Ｂ６７０等に規定される材料成分組成と同種であるが、熱処理により析出物であるγ″相のＮｉ_３Ｎｂを析出させることにより、材料の強度を一層向上させることができる。

次に、ジェットポンプビーム２７の化学成分組成を限定した理由を述べる。

（１）Ｎｉ
Ｎｉは、改良熱処理ニッケル基合金の主要元素であり、γ″相，γ′相の析出物の構成元素である。Ｎｉの含有量が５０％未満あるいは５５％を超えるとＦｅの含有率が増加し、母相安定性が低下する。したがって、Ｎｉの含有率は５０％〜５５％の範囲に設定した。

（２）Ｃｒ
Ｃｒは、高温高圧水に対しても耐食性を確保するために必要な元素であるが、Ｃｒ含有率が１７％未満では耐食性の効果が小さく、２１％を超えると高温使用時に粒界にＣｒ炭化物の析出量が増加する。したがって、Ｃｒ含有率は１７％〜２１％とした。

ＮｉにＣｒを添加すると、酸あるいはアルカリ水溶液中で浮動態化して強い耐食性を有する。

（３）Ｎｂ
Ｎｂは、析出硬化によって高温強度を高めるのに必要な元素であり、改良熱処理ニッケル基合金の主要析出物であるγ″相（Ｎｉ_３Ｎｂ）の構成元素である。Ｎｂの化学成分組成量は、４．７５％〜５．５％であることが望ましい。Ｎｂが４．７５％未満では安定した強度に必要なγ″相（Ｎｉ_３Ｎｂ）の析出物の量の確保が困難となり、析出硬化が不充分である。逆に、５．５％を超えると固溶できないＮｂＣの形成量が増えることから好ましくない。

なお、ＴａはＮｂと同様な効果が期待できることから、Ｎｂ＋Ｔａの合計量は４．７５％〜５．５％とすることができる。

（４）Ｍｏ
Ｍｏは、改良熱処理ニッケル基合金の固溶強化に影響を与える元素であり、Ｍｏが２．８％未満では固溶強化の効果が小さく、３．３％を超えると高温使用時にＭ６Ｃ型炭化物の析出量が増加するので好ましくない。したがって、Ｍｏの成分組成量は２．８％〜３．３％が好ましい。

また、Ｍｏの添加により、応力腐食割れ感受性を著しく低下させることができることを知見した。

さらに、ＮｉにＭｏを添加すると、酸に対し耐食性の良い合金が得られる。

（５）Ｔｉ
ＴｉはＡｌと同様に、微細なＮｉと金属間化合物を形成し、高温強度を高める元素として好ましく、材料の析出強度を向上させるγ′相（Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ））を形成し、析出強度に影響を及ぼす。Ｔｉが０．６５％未満では、γ′相の析出量が少なく、逆に、１．１５％を超えると、固溶できないＴｉＣの形成量が増える。

したがって、Ｔｉの成分組成は、０．６５％〜１．１５％とした。

（６）Ａｌ
ＡｌはＴｉと同様に、材料の析出強度を向上させるγ′相（Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ））を形成し、析出強度に影響を及ぼす。Ａｌの成分組成が、０．２％未満では、析出量が少なく、逆に、０．８％を超えると、Ｔｉ濃度とＮｂ濃度の関係から安定した析出が期待できない。

したがって、材料の安定した析出強度を得るために、Ａｌは０．２％〜０．８％の範囲とした。

（７）その他の元素
その他の元素は、ＦｅとＦｅを添加する際に流入する元素であるが、極力低減することが望ましい。

また、改良熱処理ニッケル基合金には、ＪＩＳ Ｇ４９０１，ＡＭＳ ５６６２およびＡＳＴＭ Ｂ６７０等で規定されている微少な成分組成材料、
Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、好ましくは０．０１５％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下が含まれている。

Ｃは、材料強度を高めるために必要な元素であるが、多量に含有させると、耐食性が劣化し、靭性が低下するので、０．０８％以下とした。

［Ｂ］ジェットポンプビームの機械的特性
改良熱処理ニッケル基合金（析出硬化型改良熱処理インコネル７１８合金）で製造されたジェットポンプビーム２７の機械的特性は、従来のジェットポンプビームであるインコネルＸ−７５０合金とほぼ同様である。

ＡＳＴＭ Ｂ６３７に記載のインコネルＸ−７５０合金の機械的特性は、常温で、次の諸条件
引張強さ ： １１０３〜１２７６ＭＰａ、
０．２％耐力 ： ６８９〜８９６ＭＰａ、
伸び ： ２０％以上、
絞り ： ２０％以上、
ブリネル硬さ ： ２６７〜３６３
を満たしており、改良熱処理ニッケル基合金もインコネルＸ−７５０合金と同等の機械的特性を満足するものが用いられる。

［Ｃ］ジェットポンプビームの熱処理条件
改良熱処理ニッケル基合金（析出硬化型改良熱処理インコネル７１８合金）材料を用いたジェットポンプビーム２７が製造される。このジェットポンプビーム２７は、高温高圧環境下で使用される。このため、改良熱処理ニッケル基合金の製造時には、応力腐食割れ感受性を低下させ、金属材料の塑性変形のし易さ、またはし易い状態を表わす延性を確保するために改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金がジェットポンプビーム２７の製造に用いられる。

次に、改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金（改良熱処理インコネル７１８合金）の熱処理限定理由を説明する。

改良熱処理ニッケル基合金の固溶化熱処理温度範囲は、１０１０℃〜１０９０℃で行なわれる。１０１０℃以下では、ニッケル基合金の結晶粒界に、δ相などの金属間化合物の析出が多く、延性の向上は期待できない。また、１０９０℃を超えると、結晶粒が粗大化し、材料強度が低下し、目標とする機械的特性が得られない可能性がある。

ジェットポンプビーム２７の機械的特性は、現用材であるインコネルＸ−７５０合金でも使用上の問題がないことから、ＡＳＴＭ Ｂ６３７に記載のインコネルＸ−７５０合金の機械的特性条件が採用される。

このＡＳＴＭ Ｂ６３７に記載のインコネルＸ−７５０合金の常温における機械的特性は、
引張強さ ： １１０３〜１２７６ＭＰａ、
０．２％耐力 ： ６８９〜８９６ＭＰａ、
伸び ： ２０％以上、
絞り ： ２０％以上、
ブリネル硬さ ： ２６７〜３６３
を満足させればよい。

この機械的特性を、改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金で得るためには、固溶化熱処理温度は１０１０℃〜１０９０℃の熱処理温度範囲が望ましく、また、冷却条件に関しては、時効硬化熱処理は、常温におけるインコネルＸ−７５０合金の機械的特性を満足する条件として、７０４℃を中心とした近傍温度で行なうことが望ましい。

ジェットポンプビーム２７の実構造物の熱処理として時効硬化熱処理には、７０４℃を中心に前後１０℃の温度範囲として６９４℃〜７１４℃の温度範囲が用いられ、時効硬化熱処理時間は、ジェットポンプビーム２７の実構造物の熱処理として、好ましい時間である６時間を中心に前後１時間の５〜７時間の時効硬化熱処理時間範囲が適することを新たに知見した。

［Ｄ］試験片の応力腐食割れ感受性の評価試験
図６は、改良熱処理インコネル７１８合金の耐応力腐食割れ感受性を評価するために、実施例１〜４に示すように、成分組成を異にする４種類の供試材を用意した。各実施例１〜４は、供試材の化学成分組成を質量％で示す図である。

図６に示される実施例１〜４の供試材は、４種類の改良熱処理インコネル７１８合金から製作したもので、析出硬化型ニッケル基合金（インコネル７１８合金を１０３０℃で固溶化熱処理した後、７０４℃×６時間の時効硬化熱処理を施して改良熱処理インコネル７１８合金製の試験片を複数枚、例えば５枚ずつ製作した。

そして、時効硬化熱処理後に、４種類の改良熱処理インコネル７１８合金から、成分組成を異にする試験片を複数枚、例えば５枚ずつ採取した。４種類の試験片を用いて、原子炉圧力容器内温度に相当する高温水中の応力腐食割れ感受性の評価試験を実施した。この評価試験は、例えばＣＢＢ（Ｃｒｅｖｉｃｅｄ Ｂｅｎｄ Ｂｅａｍ）試験装置５０により行なった。

図７（Ａ）および（Ｂ）は、試験片５１の応力腐食割れ感受性を評価するＣＢＢ試験装置５０を示す。このＣＢＢ試験装置５０は、曲率半径１００Ｒの試験面を有する対の試験治具５２ａ，５２ｂ間に試験片５１を挟持し、ボルト５４，５４で締め付ける。試験片５１は、例えば１０×５０×２ｔの矩形板状である。

その際、ＣＢＢ試験装置５０は、試験片５１と対をなす試験治具５２ａ，５２ｂ間にすき間を確保するために、グラファイトウール５５とスペーサ５６を介在させる。

試験片５１のＣＢＢ試験は、オートクレープを用いて例えば温度２８８℃、圧力７．８ＭＰａの高温高圧純水中に５００時間浸漬された後、試験片５１を半割りにし、半割り断面の最大割れ深さを調査した。ＣＢＢ試験は４種類の改良熱処理インコネル７１８合金の試験片５１について、繰返し、複数枚、例えば５枚ずつ実施した。

図８は、実施例１〜４の改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金（改良熱処理インコネル７１８合金）材料製の試験片５１のＣＢＢ試験後の割れ発生数および最大割れ深さを示す図である。改良熱処理インコネル７１８合金は、実施例１〜４の４種類全ての試験片５１において、いずれも応力腐食割れ発生は認められなかった。試験片の応力腐食割れ感受性が極めて小さく、耐応力腐食割れ性が優れていることを確認できた。

［第２の実施の形態］
本発明に係るジェットポンプビームの第２の実施の形態は、図６に示された改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金（改良熱処理インコネル７１８合金）を用いた原子炉用部材、特に図５に示されるジェットポンプビーム２７の製造技術に関するものである。

このジェットポンプビーム２７は、図６に示される化学成分組成の析出硬化型ニッケル基合金（インコネル７１８合金）の材料溶解後、第１の実施形態で示した固溶化熱処理温度範囲で熱処理し、この固溶化熱処理後に、機械加工あるいは冷間加工によりジェットポンプビーム２７の製品形状に加工し、その後、所要の時効硬化熱処理を行なって製造される。インコネル７１８合金は、１０１０℃〜１０９０℃の温度範囲で固溶化熱処理を行ない、この固溶化熱処理後に、インコネル７１８合金を熱間鍛造あるいは冷間鍛造の機械加工を行なったり、または、金属材料を再結晶温度以下で塑性加工を行なう冷間加工を行なってジェットポンプビームの製品形状に加工する。

所定形状の製品形状に加工後、６９４〜７１４℃×５〜７時間の時効硬化熱処理を施して製作する。この時効硬化熱処理を所要時間行なうと、インコネル７１８合金は、析出硬化熱処理によりγ″相（Ｎｉ_３Ｎｂ）が析出し、高強度材料の改良熱処理インコネル７１８合金となる。

しかし、この高強度材料は、一般的に加工性に劣るため、ジェットポンプビーム２７のように複雑な製品形状を製作する場合には、製品形状の加工が容易な固溶化熱処理後に、所定の製品形状に機械加工あるいは冷間加工により所定の製品形状まで加工する。所定の製品形状まで加工した後に、析出硬化熱処理を施して材料強度を向上させ、図５に示すようなジェットポンプビーム２７の原子炉用部材を製作する。

実際の原子炉用部材として、図１に示される成分組成の析出硬化型ニッケル基合金（材料溶融状態）の熱処理に改善・改良を施して改良熱処理析出硬化型ニッケル基合金材料を作成し、この改良熱処理ニッケル基合金を用いてジェットポンプビーム２７の試作を行なった。

実際のジェットポンプビーム２７の製造では、析出硬化型ニッケル基合金（インコネル７１８合金）の材料溶解後に、型鍛造を行ない、ジェットポンプビームの粗加工を行なった。この粗加工後に、インコネル７１８合金を所要温度範囲で固溶化熱処理を行なって、機械加工あるいは冷間加工を施して仕上げ加工を行なう。このジェットポンプビームの仕上げ加工後に、時効硬化熱処理を順次行なって、改良熱処理インコネル７１８合金を作成し、改良熱処理インコネル７１８合金製のジェットポンプビーム２７を図５に示すように製造した。

このようにして、実際の沸騰水型原子炉に使用されるばね用部材としてのジェットポンプビーム２７が、図５に示すように製造される。このジェットポンプビーム２７は、高温高圧の環境下で使用されても、応力腐食割れ感受性が小さく、耐応力腐食割れ性に優れたものとなり、高弾性率および高温強度、さらには優れた延性を有するものとなる。

本発明に係るジェットポンプビームを備えたジェットポンプの取付状態を示す斜視図。 図１のジェットポンプの頭部（インレットミキサのエルボ）を押圧支持するジェットポンプビームの設置（据付）状態を示す斜視図。 ジェットポンプに備えられるジェットポンプビームの縦断面図。 図３に示されるジェットポンプビームの平面図。 本発明に係るジェットポンプビームを構成する改良熱処理インコネル７１８合金材料の成分組成の各実施例を示す図。 本発明に係る改良熱処理インコネル材料製のジェットポンプビームを示す斜視図。 ジェットポンプビーム材料で構成された試験片の応力腐食割れ感受性を評価する試験装置を示すもので、（Ａ）は評価試験装置の概略的な正面図、（Ｂ）はその側面図。 図７の評価試験装置で評価された各実施例で示される試験片の応力腐食割れ試験結果を示す図。

符号の説明

１０ ジェットポンプ
１１ 原子炉圧力容器
１２ 炉心シュラウド
１３ ダウンカマ部
１４ 原子炉炉心
１６ 再循環入口ノズル
１７ ライザ管
１８ トランジションピース
１９ エルボ
２０ インレットミキサ
２１ ディフューザ
２２ ジェットポンプノズル
２３ インレットスロート
２５ 支持ポスト
２６ 溝部（ポケット）
２７ ジェットポンプビーム
２７ａ 頂部ベース面
２８ 吊りボルト
３０ ヘッドボルト
３１ 縦ねじ孔
３２ 雄ねじ
３５ ボルト固定装置
３６ 多角形ヘッド部
３７ ロックキャップ
３８ 本体ハウジング
３９ ベースプレート
４０ ばね部材
４１ 位置決めピン
４２ 小ねじ
５０ ＣＢＢ試験装置
５１ 試験片
５２ａ，５２ｂ 試験治具
５５ グラファイトウール
５６ スペーサ

Claims (8)

1. 質量％でＮｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下、ならびに残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなる析出強化型ニッケル基合金の材料を構成し、
   前記ニッケル基合金材料を１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理と、
   この固溶化熱処理後に６９４℃〜７１４℃で５〜７時間の時効硬化熱処理とを施して改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビームを構成したことを特徴とするジェットポンプビーム。
2. 前記ニッケル基合金材料のうち、Ｂを質量％で０．００１％以下とした材料を用いてなる請求項１に記載のジェットポンプビーム。
3. 前記ニッケル基合金の成分組成のうち、Ｃｏを質量％で０．０５％以下とした材料を用いてなる請求項１に記載のジェットポンプビーム。
4. 前記ニッケル基合金材料は、固溶化熱処理後に機械加工あるいは製品加工により製品形状に加工され、その後に時効硬化熱処理を施した改良処理ニッケル基合金材料で製作された請求項１ないし３のいずれか１項に記載のジェットポンプビーム。
5. 質量％でＮｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下、ならびに残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなる析出強化型ニッケル基合金の材料を用意し、
   前記ニッケル基合金材料を１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理後、機械加工あるいは冷間加工により製品形状に加工し、
   加工された製品形状の前記ニッケル基合金材料を６９４℃〜７１４℃で５〜７時間時効硬化熱処理を施して改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビームを製造することを特徴とするジェットポンプビームの製造方法。
6. 前記ニッケル基合金材料の成分組成うち、質量％でＢを０．００１％以下、Ｃｏを０．０５％以下とする請求項５に記載のジェットポンプビームの製造方法。
7. 加工された製品形状の前記ニッケル基合金材料は、６０４℃およびその近傍温度でほぼ６時間時効硬化処理を施してジェットポンプビームを製造する請求項５に記載のジェットポンプビームの製造方法。
8. 質量％でＮｉ：５０．０％〜５５．０％、Ｃｒ：１７．０％〜２１．０％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５％〜５．５０％、Ｍｏ：２．８％〜３．３％、Ｔｉ：０．６５％〜１．１５％、Ａｌ：０．２％〜０．８％、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｂ：０．００６％以下、Ｃｏ：１．０％以下、ならびに残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなる析出強化型ニッケル基合金を用意し、
   前記ニッケル基合金材料の材料溶解後、型鍛造により製品形状に粗加工し、
   粗加工したニッケル基合金材料を１０１０℃〜１０９０℃で固溶化熱処理し、機械加工あるいは冷間加工により仕上げ加工し、
   仕上げ加工したニッケル基合金材料を６９４℃〜７１４℃で５〜７時間時効硬化熱処理を施して改良熱処理ニッケル基合金製のジェットポンプビームを製造することを特徴とするジェットポンプビームの製造方法。

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