JP2012143784A - 溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器ノズルと配管の突き合わせ溶接する場合に、溶接継手部の応力腐食割れとその溶接部に対する超音波探傷検査特性の低下を防止できる工法を提供すること。
【解決手段】圧力容器のノズル２と配管３との突き合わせ面が、両者２，３の材料に溶接馴染みのよい溶接材料で溶接され、溶接されたノズル２と配管３の端部は、開先加工されて肉盛り溶接されることで溶接継手部５が形成され、溶接継手部５の外周面にウェルドオーバーレイ溶接４を実施することで、溶接継手部５の内面を圧縮応力に移行させるように作用させて溶接継手部５の応力腐食割れを抑制し、ウェルドオーバーレイ溶接４を実施する際、溶接継手部５の内周側にあるウォータージェットノズル７からのウォータージェット噴射６による流体振動を溶接部位に与えることでウェルドオーバーレイ溶接部並びに溶接継手部における組織の肥大化を回避して超音波探傷検査の特性低下を防止すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉圧力容器のノズルと配管との溶接継手部における応力腐食割れ防止と、溶接継手部の残留応力を改善するウェルドオーバーレイ（肉盛層又はバタリング層とも称する）形成作業における超音波探傷検査特性の低下防止に関する技術である。

一般に、原子炉圧力容器等の極めて高い安全性が要求される溶接構造物にあっては、溶接施工後あるいは定期検査期間中において、溶接部に対して超音波探傷検査（ＵＴ）等によって溶接欠陥や応力腐食割れ（ＳＣＣ）等の有無が非破壊検査される。

原子炉圧力容器に形成されたノズルと配管を相互に突き合わせて継手溶接する場合に、ノズルは低合金鋼、配管はＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼といった異種材料で形成されているため、ノズル側の突き合わせ面と配管側の突き合わせ面にそれぞれ、両材料に対して溶接馴染みの良いニッケル基合金又はステンレス鋼を肉盛り溶接した後、適当な熱処理を施してその溶接継手部の残留応力を除去している。

次に、ノズル側と配管側の両先端を加工形成した開先に対して、同様にニッケル基合金又はステンレス鋼で溶接して両者を繋ぎ合わせる。この繋ぎ合わせた溶接継手部の外面から超音波探傷検査によって溶接継手部の溶接欠陥や応力腐食割れの有無をチェックしている。

ここで、上述した構造のノズルと配管との溶接継手部は、その内側の引張残留応力により経年運転に伴って応力腐食割れが発生する虞がある。そのため、ＳＣＣ等が発生した場合に、溶接継手部の外面にウェルドオーバーレイと称される肉盛溶接を施工し、ＳＣＣ等の進展を抑制して運用している。また、ＳＣＣ等のない健全なノズルであっても、ウェルドオーバーレイが溶接継手部の内面を圧縮応力に移行させる効果があることから、応力腐食割れの発生を未然防止する方法として提案されている。すなわち、ウェルオーバーレイの形成作業は、応力腐食割れが発生した際の補修作業又は応力腐食割れ予防のため行われる。

ところで、上述した圧力容器ノズルと配管の突き合わせ溶接において、溶接材料としてのオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金を用いた溶接部では、柱状晶組織（デンドライト）が著しく成長することが分かっており、この成長した組織（肥大化した組織）によって超音波探傷検査時の音波が乱れてしまい、溶接部の健全性を十分に確認できないといった課題があった。

そこで、上記課題に対応する従来技術として、磁気攪拌溶接法を使用してウェルドオーバーレイを行うことによって組織を微細化して超音波探傷検査特性の低下を防止することが特許文献１に開示されている。この開示によると、溶接継手部の内側に水を張った後に溶接継手部の外面に磁気攪拌しながら多層に肉盛溶接してバタリングを施し、継手内面を圧縮応力にするようにしている。

特開２０００−３１２９６９号公報

しかしながら、上記の特許文献１に開示されたような、ウェルドオーバーレイ施行時における磁気攪拌溶接は、溶接トーチの周りに磁気コイルが必要であり、トーチ廻りが大きくなって、溶接アーク用のカメラが取り付け困難になる等の不都合を生じて、溶接装置の遠隔操作性が低下する。また、磁気攪拌は、溶融プール（被溶接部材間で溶接材料が溶融した状態）のマクロな流動を制御することにより実現されるものであるため、流動状態が変わる全姿勢溶接などの場合（ノズルと配管の全円周に亘る溶接）に、溶接の向きによって攪拌効果が不安定となる。

そこで、本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、その主たる目的は、圧力容器ノズルと配管の突き合わせ溶接する場合において、溶接継手部の応力腐食割れとその溶接部に対する超音波探傷検査特性の低下を防止できる簡易な具体的工法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
圧力容器と一体構造の低合金鋼からなるノズルと、前記ノズルとは異なる材料からなる配管との突き合わせ面が、前記ノズルと前記配管の両者の材料に溶接馴染みのよい溶接材料で溶接され、前記溶接されたノズルと配管の端部は、開先加工されて肉盛り溶接されることで溶接継手部が形成され、前記溶接継手部の外周面にウェルドオーバーレイ溶接を実施することで、前記溶接継手部の内面を圧縮応力に移行させるように作用させて溶接継手部の応力腐食割れを抑制し、前記ウェルドオーバーレイ溶接を実施する際、前記溶接継手部の内周側に挿入されたウォータージェットノズルからのウォータージェット噴射による流体振動を溶接部位に与えることでウェルドオーバーレイ溶接部並びに溶接継手部における組織の肥大化を回避して超音波探傷検査の特性低下を防止すること。

さらに、前記ウェルドオーバーレイ溶接を実施する際、前記溶接継手部の直近内周側に挿入されたウォータージェットノズルからのキャビテーション気泡を用いたウォータージェットピーニングによる打撃振動を溶接部位に与えることで、ウェルドオーバーレイ溶接部並びに溶接継手部における組織の肥大化を回避して超音波探傷検査の特性低下を防止すること。

本発明によれば、圧力容器のノズルと配管との溶接継手部の外面に対して多層の肉盛溶接（ウェルドオーバーレイ溶接）を行うとともに、肉盛溶接に際して簡易な手段で振動を付加することによって、溶接継手部の応力腐食割れを未然に発生防止するとともに、超音波探傷の検査特性の低下を防止することができる。

また、原子炉圧力容器のノズルと配管との継手溶接において、ウェルドオーバーレイ溶接を容易に適用することができ、原子力プラントの運転の健全性、継続性に役立てることができる。

本発明の第１の実施形態に係る溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法を説明する断面図である。 第２の実施形態に係る溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法を説明する断面図である。 第３の実施形態に係る溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法を説明する断面図である。

本発明の第１〜第３の実施形態に係る溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法について、図１〜図３を参照しながら以下説明する。図面において、１は原子炉圧力容器、２はノズル、３は配管、４はウェルドオーバーレイ、５は溶接継手部、６はウォータージェット、７はウォータージェットノズル、８は振動付加手段、９は溶接トーチ、１０はパルス発振器、１１はトランスデューサ、１２は溶融プール、１３は振動方向、をそれぞれ表す。

図１において、本発明の第１の実施形態では、低合金鋼の圧力容器１のノズル２と、ＳＵＳ３０４等の耐食性金属からなる配管３の突き合わせ面に、両者の材料に溶接馴染みのよいニッケル基合金等を肉盛り溶接し、その両端を開先加工してインコネルで溶接して両者を繋ぎ合わせ、溶接継手部５を形成する。

次いで、溶接継手部５の外面に、インコネル＃５２等（商品名）の溶接材料を多層肉盛溶接して設計強度上で要求される寸法のウェルドオーバーレイ（肉盛層又はバタリング層）４をその全周に亘って実施する。ここで、ウェルドオーバーレイ４を形成するに際して、ウォータージェットノズル７からのウォータージェット６が、圧力容器１の内周面と、溶接継手部５の内周面と、配管３の周面とを振動面として、ノズル２と配管３に対して振動を付加する。

図１において、一点鎖線は、ノズル２及び配管３の中心線を示すものであり、ノズル３は、圧力容器１の中央部に向けて、２つの円環状部が設けられ、１つは溶接継手部５に対面し、他は内管を形成している。この配管３の内管と圧力容器の内周面との間の空隙部にウォータージェットノズル７が配置されている。この空隙部に配されたウォータージェットノズル７からのウォータージェット６が、圧力容器１とノズル２のそれぞれの内壁面と、配管３の内壁面と、溶接継手部５の内周面とに振動を与えており、これらの内壁面と内周面を通して溶接継手部５とオーバーレイ４の溶接部に振動を与えている。

次に、第１の実施形態に関する防止工法についての機能乃至作用について説明する。まず、溶接継手部５を形成すると、溶接継手部５の内側に図示の矢印のような引張残留応力が発生し、運転時間の経過で応力腐食割れが発生し得る。そこで、溶接継手部５の外周面にオーバーレイ溶接（多層の肉盛溶接）を実施することで、その内面に図示の矢印のような圧縮応力を働かせ、この圧縮応力が溶接継手部５の内面を圧縮応力に移行させるように作用する。このように、オーバーレイ４の形成により、応力腐食割れの発生を防止することができるのである。

さらに、ウォータジェット６による上述した振動を与えつつオーバーレイ溶接することによって、オーバーレイ溶接の溶融プール１２（溶接材料の溶融した状態、後述する図２の（Ｂ）を参照）を振動させ、組織を微細化させながら溶接する。この微細化によって超音波探傷時の超音波の乱れを無くして、検査特性の劣化を防止している。このオーバーレイ溶接の際、溶接継手部５は、その一部がオーバーレイ４の溶接時の加熱によってその柱状晶組織が成長し肥大化する現象が生じるが、振動の付加によって、溶接継手部５における柱状晶組織の肥大化も避けることができる。

ここで、溶接継手部５を含めた溶接部全体の応力腐食割れを検査するための超音波探傷装置は、オーバーレイ４の外側に配置されて探傷検査するものであるので、溶接継手部５の検査を探傷特性の低下を招くことなく実施するためには、溶接継手部自体の組織肥大化を回避するのは当然であり、溶接継手部５の上に形成したオーバーレイ４の組織肥大化も回避することが求められるのであって、このためにも、オーバーレイ溶接の際の振動付加が効果的となるのである。このように、振動付加しながらオーバーレイ溶接することによって、ウェルドオーバーレイ溶接金属及び溶接継手部の組織が微細化され、溶接部全体の超音波探傷の検査特性の改善を図ることができる。

次に、図２を用いて、本発明の第２の実施形態に係る溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法を説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態との比較で云えば、振動を付加する手法が異なるものである。図２において、パルス発振器１０からの振動パルスをトランスデューサ１１が受け、振動付加手段８がオーバーレイ４に対して振動を与える構造である。振動付加手段８は溶接トーチ９の上下動と連動して上下動作をする。すなわち、図２の（１）に示す第２の実施形態は、第１の実施形態で用いたウォータージェット６を使わないで、外面側に振動付加手段８を設置し、溶融金属を振動させる工法である。

振動付加手段８による振動として、超音波振動を与える手法の外に、低周波の音波を付加する手法によって溶融境界を振動させることができる。振動付加手段８の振動により、第１の実施形態と同様に、オーバーレイ４と溶接継手部５の組織を微細化しながら溶接でき、溶接部全体の超音波探傷の検査特性の改善を図ることができる。

図２の（２）は、（１）に示すＡ部分の拡大図であり、組織の微細化を説明する模式図である。オーバーレイ４の母材と溶接金属の溶融プール１２における振動を図解しており、振動付加手段８により母材には左右矢印のような振動１３が付加され、一方、溶融プール１２にはその溶融性の故に母材の振動の方向と大きさとは異なる振動が発生し、柱状晶組織が著しく成長するのが阻害されており、振動が付加されない場合に比べてその部位の組織は微細化することとなる。組織の肥大化を避けて微細化しつつ溶接作業が多層に亘って進行されるのである。翻って、溶接継手部５の直上のオーバーレイ溶接でも同様な現象が生じているのであり、その際、オーバーレイ溶接時の加熱で溶接継手部５でも図２の（２）に示す溶融プール１２と同様な振動現象が生じていて、溶接継手部５の組織の微細化に繋がっているのである。

次に、図３を用いて、本発明の第３の実施形態に係る溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法を説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態との比較で云えば、第１の実施形態におけるウォータージェット６による間接的な振動の付加（ウォータジェット６でノズル２と配管３の内周面を振動させて溶接部に振動を付加する）に代えて、ウォータージェットピーニング（ｐｅｅｎｉｎｇ）による振動を溶接継手部に直接付加する手法が異なるものである。ここで、ウォータージェットピーニングは、ウォータージェットによるキャビテーション気泡を利用したピーニングを例示している。

図３に示すように、溶接継手部５の内周面直下にウォータジェットノズル７を配置し、溶接継手部５に直接にキャビテーション気泡をピーニングする工法である。ウォータージェットピーニングの振動により、振動を付加しながらオーバーレイ溶接をすることができる。図１に示すようなウォータージェット６ではジェットの流れる流路の内面形状によって振動の局部的偏差が生じることがあるが（振動面への振動が流路に沿って均等に伝わらない）、図３に示すウォータージェットピーニングを採用すれば、ウォータージェットに比べて確実に溶接部全体（ウェルドオーバーレイ溶接金属並びに溶接継手部）を組織の肥大化から回避でき、超音波探傷の検査特性が改善される。

以上説明したように、本発明の実施形態は次のような構成と作用を奏することを主たる特徴とする。すなわち、原子炉圧力容器のノズルと配管との溶接継手の補修または残留応力改善のために、ウェルドオーバーレイを施工するにあたり、内面に流体振動または超音波等の打撃振動を外面に与えることによって対象の溶接継手部に振動を付加しながら多層に肉盛溶接してウェルドオーバーレイを形成する。これによって、溶接継手部の内側が圧縮応力に移行されて応力腐食割れが防止されるとともに、振動により溶接凝固過程で組織が微細化されて超音波の透過率が向上し、その溶接継手部に対する超音波探傷の検査特性の低下を効果的に防止できる。

１ 原子炉圧力容器
２ ノズル
３ 配管
４ ウェルドオーバーレイ
５ 溶接継手部
６ ウォータージェット
７ ウォータージェットノズル
８ 振動付加手段
９ 溶接トーチ
１０ パルス発振器
１１ トランスデューサ
１２ 溶融プール
１３ 振動方向

Claims (3)

1. 圧力容器と一体構造の低合金鋼からなるノズルと、前記ノズルとは異なる材料からなる配管との突き合わせ面が、前記ノズルと前記配管の両者の材料に溶接馴染みのよい溶接材料で溶接され、
   前記溶接されたノズルと配管の端部は、開先加工されて肉盛り溶接されることで溶接継手部が形成され、
   前記溶接継手部の外周面にウェルドオーバーレイ溶接を実施することで、前記溶接継手部の内面を圧縮応力に移行させるように作用させて溶接継手部の応力腐食割れを抑制し、
   前記ウェルドオーバーレイ溶接を実施する際、前記溶接継手部の内周側に挿入されたウォータージェットノズルからのウォータージェット噴射による流体振動を前記ノズルと配管のそれぞれの内壁面を介して溶接部位に与えることでウェルドオーバーレイ溶接部並びに溶接継手部における超音波探傷検査の特性低下を防止する
   ことを特徴とする溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法。
2. 圧力容器と一体構造の低合金鋼からなるノズルと、前記ノズルとは異なる材料からなる配管との突き合わせ面が、前記ノズルと前記配管の両者の材料に溶接馴染みのよい溶接材料で溶接され、
   前記溶接されたノズルと配管の端部は、開先加工されて肉盛り溶接されることで溶接継手部が形成され、
   前記溶接継手部の外周面にウェルドオーバーレイ溶接を実施することで、前記溶接継手部の内面を圧縮応力に移行させるように作用させて溶接継手部の応力腐食割れを抑制し、
   前記ウェルドオーバーレイ溶接を実施する際、前記溶接継手部の外周側に設けられた超音波振動付加装置からの機械振動を溶接部位に与えることでウェルドオーバーレイ溶接部並びに溶接継手部における超音波探傷検査の特性低下を防止する
   ことを特徴とする溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法。
3. 圧力容器と一体構造の低合金鋼からなるノズルと、前記ノズルとは異なる材料からなる配管との突き合わせ面が、前記ノズルと前記配管の両者の材料に溶接馴染みのよい溶接材料で溶接され、
   前記溶接されたノズルと配管の端部は、開先加工されて肉盛り溶接されることで溶接継手部が形成され、
   前記溶接継手部の外周面にウェルドオーバーレイ溶接を実施することで、前記溶接継手部の内面を圧縮応力に移行させるように作用させて溶接継手部の応力腐食割れを抑制し、
   前記ウェルドオーバーレイ溶接を実施する際、前記溶接継手部の直近内周側に挿入されたウォータージェットノズルからのキャビテーション気泡を用いたウォータージェットピーニングによる打撃振動を溶接部位に与えることで、ウェルドオーバーレイ溶接部並びに溶接継手部における超音波探傷検査の特性低下を防止する
   ことを特徴とする溶接継手部の応力腐食割れと超音波探傷検査の特性低下の防止工法。

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