JP2020172679A - 構造部材の被覆処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば原子力発電プラントにおいて冷却材と接触する状態で使用される金属材料からなる構造部材を対象とした、長期間に渡って高耐食性を維持することができ、また施工時の被覆材料の取り扱いが簡便な構造部材の被覆処理方法を提供する。【解決手段】ジルコニウムに白金を添加して製作した電極１と被施工金属材料２とを電源４を介して電線５で接続し、電極１の末端と被施工金属材料２のうち施工対象領域の表面とを非接触状態で近接させた状態で電極１と被施工金属材料２との間に電圧を印加することによってアーク放電を発生させるアーク放電工程、アーク放電工程において発生したジュール熱によって電極１の末端を加熱して溶融させる溶融工程、溶融工程で溶融させた電極１を被施工金属材料２に接触させる接触工程、を複数回繰り返すことによって被覆材料の成分で被施工金属材料２の表面のうち所定の領域を被覆する。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば原子力発電プラントの構造部材の腐食の抑制に効果的な被覆処理方法に係り、特に、冷却材として水を使用する軽水炉に適用するのに好適な構造部材の被覆処理方法に関する。

火力機器，原子力機器等の表面の耐食性，耐熱性を向上することにより、それら機器の信頼性を向上することを目的として、特許文献１には、溶射用粉末の表面層にクロム，パラジウム等の溶射用粉末の母材より腐食電位の低い金属をめっき等の方法により設けた溶射用粉末を用いて、被加工物の表面層を形成することで、表面層の耐食性，耐熱性物質の量を容易に制御できるため、目的にあった表面層が形成できる、ことが記載されている。

特開平８−１７６７８７号公報

沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲ（Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）プラントと表記する）は、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶ（Ｒｅａｃｔｏｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ）と称する）内に炉心を内蔵した原子炉を有している。このようなＢＷＲプラントでは、原子炉冷却材として純水が使用されている。

ＢＷＲでは、再循環ポンプ（またはインターナルポンプ）によって炉心に供給された冷却材が炉心内に装荷された燃料集合体内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、一部が蒸気になる。この蒸気は、ＲＰＶからタービンに導かれ、タービンを回転させる。

タービンから排出された蒸気は、復水器で凝縮されて水になる。この水は、給復水系統を通じて再び給水としてＲＰＶに供給される。給水は、ＲＰＶ内での放射性腐食生成物の発生を抑制するために、給復水系統に設けられた復水ろ過装置と復水脱塩装置によって金属不純物が除去されている。

ＢＷＲにおける定格運転時には、ＲＰＶ内に設置された炉内機器（例えば、炉心シュラウド）は、常に高温高圧の冷却材、または蒸気に曝される。この炉内機器の材料として、ステンレス鋼、高ニッケル合金が使用される。

これら材料で構成されている炉内機器およびＲＰＶに接続された配管等の原子炉の構成部材は、高温高圧の冷却材と接する表面において腐食現象を生じることがある。

ここで、ステンレス鋼、高ニッケル合金は、その表面に化学的に安定な不働態と呼ばれる酸化皮膜を形成する。このため耐食性が高いものの、溶液中に酸化剤が存在すれば腐食は生じる。特に、原子炉冷却材中には水の放射線分解で生成する溶存酸素や過酸化水素などの酸化剤が存在するため腐食が生じやすい。

高温高圧の冷却材と接する部材の腐食現象は、材料の接水面全面が一様に腐食する全面腐食と、局部的に腐食が進行する局部腐食とに大別される。

全面腐食では、材料の構成元素が冷却材中に溶出して、燃料棒に付着して放射化した後に再度冷却材中に溶出し、他部位の配管などの金属材料の内面に付着することで作業者の被ばく源となる。

前述のように冷却材を浄化しても、腐食生成物として冷却材中に溶出した不純物が冷却材中に僅かに存在し、金属酸化物として炉心内の燃料棒の表面に付着する。燃料棒に付着した金属不純物は、燃料棒内の核燃料物質の核分裂により放出される中性子の照射によって原子核反応を起こし、コバルト６０，コバルト５８，クロム５１，マンガン５４等の放射性核種になる。

これらの放射性核種の一部は、取り込まれている酸化物の溶解度に応じて冷却材中にイオンとして溶出したり、クラッドと呼ばれる不溶性固体として冷却材中に再放出されたりする。それらイオンやクラッドは、冷却材とともに再循環系などを循環している間に、構造部材（例えば、配管）の冷却材と接触する表面に形成される酸化皮膜中に蓄積される。蓄積された放射性物質は、ＢＷＲプラントの保守点検作業を行う従事者の放射線被ばくの原因となる。すなわち、高温の冷却材と接触した状態で使用される金属材料から炉水中へと溶出する腐食生成物が、保守点検作業従事者の被ばくの原因となる。

特に、放射化によって作業者の被ばく源となる主要元素は、コバルトである。コバルトは、耐摺動部材であるコバルト基合金として使用される。この他、ステンレス鋼や高ニッケル合金に含まれるニッケルに同伴する不純物として含まれている。

従事者の被ばく線量は、従事者毎に規定値を超えないように管理されている。近年この規定値が引き下げられ、各従事者の被ばく線量を可能な限り低くする必要が生じている。

また、局部腐食では、材料、環境および応力の３要因がある一定条件を満たす時に生じる応力腐食割れ（以下、ＳＣＣという）に代表される、ひび割れの形態をとる腐食が生じる可能性がある。

ＳＣＣ対策には、発生抑制、進展抑制、および除去の３種がある。ＳＣＣが発生しないように、および、生じてしまったＳＣＣに対してはその進展速度を低下させるために、腐食環境を緩和する技術がある。また、生じてしまったＳＣＣを除去して肉盛溶接によって補修する手法がある。

また、近年、応力拡大係数および腐食電位に応じたき裂進展速度を算定して次の運転サイクルにおけるき裂進展量を評価し、この評価果に基づいて、原子炉の運転継続の可否を決定できるという考え方が示された。このため、原子炉の運転継続が可能と評価された場合に限り、構造部材の補修を行わずに次の運転サイクルで原子炉を運転することが可能となった。

このような継続運転を行う場合に、定格運転で構造部材に生じたき裂の進展速度を低減するために、ＢＷＲに対する種々の環境緩和技術（冷却水の水質改善技術）の適用が検討されている。

環境緩和技術の一つに、水素注入や、貴金属注入等の各種技術が知られている。また、貴金属を用いずに腐食電位を低減させる技術も提案されている。このような技術の一環として、上述の特許文献１に記載のような技術がある。

特許文献１では、ステンレス合金等の金属やアルミナ等のセラミックの母材表面に耐食性，耐熱性の優れた溶射層を形成する方法として、母材成分の微細粒子の表面層に白金、パラジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウム、チタン、タンタル等を含ませることで粒子の中心部と組成の異なる表面層を形成させた微細粒子を、プラズマ溶射により母材表面に堆積させている。

しかしながら、貴金属注入技術では、一定期間ごとに貴金属を注入して構造部材表面に貴金属を付着させる処理が必要であった。また、定格運転期間中は連続的に冷却材中に水素を注入しつづける必要がある、との課題がある。

また、放電により構造部材の表面に卑金属元素の皮膜を形成する方法では、供用中にジルコニウムの腐食が進行して皮膜が消失した場合に、その部位では皮膜による高耐食性を維持できなくなる、との課題がある。また、放電発熱によって電極を溶かし、卑金属元素を飛翔させて構造部材の皮膜形成面に付着させ、卑金属元素の皮膜を形成する場合、溶融した電極棒の成分の液滴が、気中で冷却・酸化されながら飛翔して、構造部材に衝突して皮膜を形成するために、均一な密度と厚さの皮膜を形成しにくい、との課題がある。

更に、特許文献１に記載の方法では、ジルコニウムの湿式めっきは困難であること、および、表面にジルコニウムが露出した微細粒子は粉塵爆発が生じ得るので施工時の微細粒子の取り扱いが難しいことが課題である。また、プラズマを吹き付けて施工することから施工温度が高く、熱影響により母材の機械的・結晶学的特性を変化させてしまう可能性がある。

本発明の目的は、例えば原子力発電プラントにおいて冷却材と接触する状態で使用される金属材料からなる構造部材を対象とした、長期間に渡って高耐食性を維持することができ、また施工時の被覆材料の取り扱いが簡便な構造部材の被覆処理方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ジルコニウム、ジルコニウムを主成分とした合金、チタン、チタンを主成分とした合金、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンのうちいずれか１種類以上からなる被覆材料から製作した電極と被施工金属材料とを電源を介して電線で接続し、前記電極の末端と前記被施工金属材料のうち施工対象領域の表面とを非接触状態で近接させた状態で前記電極と前記被施工金属材料との間に電圧を印加することによってアーク放電を発生させるアーク放電工程、前記アーク放電工程において発生したジュール熱によって前記電極の末端を加熱して溶融させる溶融工程、前記溶融工程で溶融させた前記電極を前記被施工金属材料に接触させる接触工程、を複数回繰り返すことによって前記被覆材料の成分で前記被施工金属材料の表面のうち所定の領域を被覆することを特徴とする。

本発明によれば、長期間に渡って高耐食性を維持することができ、また施工時の被覆材料の取り扱いが簡便な構造部材の被覆処理方法を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の構造部材の被覆処理方法に好適に用いられる被覆処理装置の構成を示す図である。 実施例１の構造部材の被覆処理方法の一工程の概要を示す図である。 実施例１の構造部材の被覆処理方法の一工程の概要を示す図である。 実施例１の構造部材の被覆処理方法の一工程の概要を示す図である。 実施例１の構造部材の被覆処理方法が施された構造部材の断面図である。 本発明の実施例２の構造部材の被覆処理方法の最終工程に用いられる被覆処理装置の構成図である。 実施例２の構造部材の被覆処理方法が施された構造部材の断面図である。 本発明の実施例３の構造部材の被覆処理方法の一工程の概要を示す図である。

以下に本発明の構造部材の被覆処理方法の実施例を、図面を用いて説明する。

最初に、原子炉のステンレス鋼製やニッケル基合金製の構造部材において生じる腐食について説明する。

腐食は、固液界面における酸化剤の還元反応と、それに随伴して生じる金属の酸化反応と、によって進行する。特に、ＲＰＶ内では、炉水の放射線分解により生成された過酸化水素および酸素が、定常的に炉水中に溶存している。

このような過酸化水素および酸素を含んでいる炉水が構造部材表面の酸化皮膜と接触すると、炉水に含まれる酸素および過酸化水素が下記（１）式および（２）式の反応により水に還元される。また、（１）式および（２）式の反応により消費される電子は、構造部材から供給される。
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ……（１）
Ｈ_２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ……（２）

このとき、構造部材の電気的中性を保つために、（３）式に示す対反応が生じる。この対反応によって、構造部材に含まれる金属元素がイオン化して炉水に溶出することにより腐食が進展する。ここで、（３）式中、Ｍは構造部材に含まれる金属元素である。この金属元素のイオン化により、電子が放出される。
Ｍ → Ｍ^ｎ＋ ＋ ｎｅ⁻ ……（３）

（３）式で示される金属元素イオンの溶出によって生じるアノード電流密度は、（１）式、（２）式で示される酸素および過酸化水素等の酸化種の還元反応によって生じるカソード電流密度と絶対値が等しくなり、局所的な見かけ上の電流収支が０となる。すなわち、酸素や過酸化水素が材料から電子を奪う量に応じて（３）式の腐食が進行する。

すなわち、（１）式、（２）式で示される酸素および過酸化水素等の酸化種の還元反応、あるいは（３）式で示される金属元素イオンの溶出反応のどちらかを抑制すれば、腐食は進行しなくなる。

したがって、化学的に安定で、かつ電子の授受を行わない絶縁体で構造部材を被覆することにより、（１）式乃至（３）式の反応を抑制することができる、といえる。

そのような絶縁材料で、かつ、原子炉内で使用可能な材料、すなわち中性子吸収による炉心への影響がなく、脆化が遅く、かつ、放射化によって長寿命核種を生成しない材料が適切である。

本発明者らは、そのような材料の一つとして燃料被覆管材料の主成分として用いられているジルコニウムに着目した。ジルコニウムは、高温で水と接触することにより、下記（４）式に従って絶縁材であるジルコニア（ＺｒＯ_２）を生成する。
Ｚｒ＋２Ｈ_２Ｏ→ＺｒＯ_２＋２Ｈ_２ ……（４）

構造部材の表面にジルコニウムの被覆層を形成して、水と接触させて加熱すれば最外層がジルコニアとなるため、構造部材と炉水とを遮断でき、その結果、腐食が抑制される。

また、ジルコニウム以外にも、構造部材の用途に応じて、ジルコニウムを主成分とした合金や、チタン、チタンを主成分とした合金、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンを表面に被覆することによっても同様の効果が発揮されることを着想した。

更に、これらの主材に、貴金属、特には白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムをめっき等により添加することでよりその効果が得られることを着想した。

このようなステンレス鋼製やニッケル基合金製の構造材料の表面を例えば白金を含むジルコニウムで被覆させるための方法として、本発明では、アーク溶接を応用したワイヤ状等の電極送給式の肉盛技術を用いることを発想した。好適には不活性ガス雰囲気中において、構造部材の表面上にジルコニウム被覆層を形成することを発想した。

より具体的には、白金を含むジルコニウムで構成される電極を構造部材に接近させて、この電極と構造部材とを電源を介して接続して、この電極と構造部材との間に電圧を印加してアーク放電を生じさせる。

このアーク放電を生じさせている際に、電極の先端に不平等電界が形成されることで電極先端の電位勾配が大きくなり、電極の先端のみが高温に加熱されて融解される。その後、先端を融解させた状態で電極の先端のみを一時的に構造部材に接触させると、液相となっている電極の成分の金属が構造部材の表面に付着する。

構造部材の表面において急冷された電極成分の金属は固相になる。そのため、電極を瞬間的に構造部材に接触させた後は電極を構造部材から離して、再び電極と構造部材との間に電圧を印加してアーク放電を生じさせるステップに戻る。

このようなアーク放電による溶融と接触付着とのステップを構造部材の表面のうち所望の領域全域に電極の成分を付着するまで繰り返す。

このような、放電、電極の融解、電極と部材の接触、電極成分の部材への付着、電極と部材を離すまでの各ステップを、位置を変えながら繰り返すことによって、例えば白金を含むジルコニウムの被覆層を、構造部材の所望の範囲に、所望の厚さで形成することができる。

以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。

＜実施例１＞
本発明の構造部材の被覆処理方法の実施例１について図１乃至図５を用いて説明する。

図１は本実施例１の構造部材の被覆処理方法に好適に用いられる被覆処理装置の構成を示す図である。図２乃至図４は被覆処理方法の一工程の概要を示す図である。図５は構造部材の被覆処理方法が施された構造部材の断面図である。

本実施例における被覆処理方法が好適に適用される構造部材は、ＢＷＲを構成する部材であり、特にはシュラウドやその溶接部である。なお、構造部材はＢＷＲを構成するものに限られず、特に限定されないが、炉水、海水、工業用水等の水に接した状態で供されるものとすることが望ましい。

また、その組成についても金属であればよいため、特に限定されるものではないが、好適にはステンレス鋼やニッケル基合金とすることが望ましい。

最初に、本実施例にかかる被覆処理方法を好適に実施可能な被覆処理装置の概要について図１を用いて説明する。

図１に示すように、被覆処理装置は、被施工金属材料２の所定の表面に対して電極１を構成する材料を被覆処理するための装置であり、電極１、電流計３、電源４、電線５、ベルジャ９、ガスボンベ１０、ガス配管１１、シール部材１８、電極支持移動装置１９等を備えている。

電極１は、白金を含有するジルコニウム製であり、例えばジルコニウムからなる棒あるいはワイヤを成形する際に白金粉末を添加したり、後述する実施例２のようにジルコニウム棒あるいはワイヤの表面に白金をめっきにより被覆したり、ジルコニウム製のワイヤと白金製のワイヤとを編み込むことで作製したりすることができ、その製法は特に限定されない。

また、その太さについても被施工金属材料２に対して細ければよく、特に限定されないが、詳しくは後述するようにジュール熱によって溶融させる必要がある以上、用いる材料に応じて適切な値とすることが望ましい。細ければ細いほど溶融させることが容易になるものの、一連の放電、溶融、付着の流れの一回一回での被覆量が少なくなって被覆に時間を要することになる。このため、付着量と溶融に要する時間とのバランスを取って適切な値を用いることが望ましい。

なお、白金の偏りについても特に限定されないが、後述する一回のアーク放電にて溶融させる範囲の先端部に必ず白金が含まれるようにすることが望ましい。

また、以下の説明においては白金を含有するジルコニウムを用いる場合について説明するが、被覆材料は白金を含有するジルコニウムに限定されず、ジルコニウムの替わりに、ジルコニウムを主成分とした合金、例えばジルカロイを用いることができる。更には、ジルコニウムやジルコニウム合金の替わりに、チタンや、チタンを主成分とした合金、更にはニオブ、タンタル、クロム、モリブデンのうちいずれか、あるいはこれらをのうち少なくとも１種類以上を主成分として含む金属を用いることができる。

また、電極１は、ジルコニウムからなる場合を始めとして、貴金属を添加したものとすることができる。貴金属としては、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちいずれか１種類以上を用いることができる。これら添加される貴金属は、メインの電極を構成する金属に対する質量比で数％以下、好適には１％以下、とすることが望ましい。

添加方法は、上述のように粉末として添加したり、めっきで表面に被覆させたりなど、様々な方法を用いることができる。

図１に戻り、電線５は、電極１と被施工金属材料２とを電源４を介して接続するものであり、その途中に電流計３を有している。

ベルジャ９は、電極１と被施工金属材料２との間の雰囲気を調整するための容器であり、例えばステンレスなどからなる。このベルジャ９はガス配管１１用の開口や電線５を通すための開口が設けられているとともに、被施工金属材料２との間にゴム製等のシール部材１８が設けられている。

更に、ベルジャ９の電線５を通すための開口の部分には、電極１を水平方向および垂直方向に移動させるための電極支持移動装置１９が設けられている。

電極支持移動装置１９は、電極１を垂直方向に移動させるとともに、水平方向移動させる装置であり、垂直および水平方向に電極１を移動させることができればその構造は特に限定されず、様々な公知の構成からなるものとすることができる。

ガス配管１１は、その一端がガスボンベ１０に接続され、もう一端がベルジャ９内に配置される。

ガスボンベ１０は、被覆処理を行う雰囲気を調節するためのガスが充填されており、好適には不活性ガス、例えばアルゴンが充填されているが、ヘリウムやその他の希ガスが充填されていてもよい。

次に、本実施例に係る構造部材の被覆処理方法について図１乃至図５を参照して説明する。

最初に、白金を含有するジルコニウム製の電極１を準備する。準備の方法は上述のような方法を用いればよく、特に限定されない。

また、ガスボンベ１０に接続したガス配管１１が接続されたベルジャ９を、被施工金属材料２の施工部位を覆うように設置する。

次いで、準備した電極１をベルジャ９内の電極支持移動装置１９に取り付けるとともに、電極１と被施工金属材料２とを電源４と電流計３を介して電線５によって接続する。

その後に、ガスボンベ１０に充填されたアルゴンガスをガス配管１１を使用してベルジャ９内に連続的に供給して、電極１の末端と被施工金属材料２とを接触させずに、相互に近接した位置に設置する。

次いで、電源４をＯＮにして電極１の末端と被施工金属材料２との間に電圧を印加し、電場を生じさせてアーク放電を発生させる（アーク放電工程）。このとき、電極１末端と被施工金属材料２の間隙には図１に模式的に図示したように方錐型の電気力線７が形成され、電極１の末端近傍での電位差が大きくなる。この際も、アルゴンガスの供給は継続しておき、被覆処理終了まで供給は継続させる。

このアーク放電が生じると、電極１末端はジュール熱によって加熱されて、図２に示すように電極１の末端が溶融して溶融物６が電極１の先端に形成される（溶融工程）。

その後、電極支持移動装置１９によって、溶融物６が形成した状態のまま電極１を被施工金属材料２に接触させる（接触工程）。これにより、図３に示すように、溶融物６が被施工金属材料２上で凝固して被覆層８が形成される。

被覆層８が形成された後は、電極１を被施工金属材料２から離して、図４に示すように、電極支持移動装置１９によって電極１を被覆層８が形成されていない部位へと移動させる。

電極１を移動させた後は、再び電線５と電流計３を介して電源４によって電極１の末端と被施工金属材料２との間に電場を生じさせてアーク放電工程、溶融工程、および接触工程を繰り返す。

被施工金属材料２の被覆対象の表面が電極支持移動装置１９を移動させることが可能な範囲より広い場合は、ベルジャ９そのものを対象位置まで移動させて、同様にアーク放電工程、溶融工程、および接触工程を繰り返す。

この繰り返しにより、被施工金属材料２の表面のうち施工対象表面全域に被覆層８を形成することで、図５に示したように被施工金属材料２の表面に皮膜状の被覆層８が形成される。

なお、被覆層８の表面に対して研削などの各種表面処理を必要に応じて行うことができる。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本発明の実施例１の部材の被覆処理方法は、ジルコニウム、ジルコニウムを主成分とした合金、チタン、チタンを主成分とした合金、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンのうちいずれか１種類以上からなる被覆材料から製作した電極１と被施工金属材料２とを電源４を介して電線５で接続し、電極１の末端と被施工金属材料２のうち施工対象領域の表面とを非接触状態で近接させた状態で電極１と被施工金属材料２との間に電圧を印加することによってアーク放電を発生させるアーク放電工程、アーク放電工程において発生したジュール熱によって電極１の末端を加熱して溶融させる溶融工程、溶融工程で溶融させた電極１を被施工金属材料２に接触させる接触工程、を複数回繰り返すことによって被覆材料の成分で被施工金属材料２の表面のうち所定の領域を被覆する。

このような各工程により、例えば白金を含むジルコニウム被覆層が形成された被施工材料は、供用される状態において高温の炉水との接触により酸化されて、炉水と接触した最外層のみが酸化ジルコニウムに変化する。

酸化ジルコニウムはセラミックスであり、またＢＷＲの炉内条件下においても化学的に安定である。このため、この被施工材料は炉水と直接接触しなくなる。従って、腐食現象の一である応力腐食割れの発生を抑制することができる。また、全面腐食も抑制されるためこの被施工材料からの溶出も減じられる。このため、放射化により作業者の被ばく源となるコバルトなどの成分の炉水中への溶出量を低減することが可能となる。

さらには、ジルコニウムのＺｒ＋２Ｈ_２Ｏ→ＺｒＯ_２＋２Ｈ_２なる反応の進行に伴って、水素が発生する。また、炉水中に白金が放出される。この被覆層の腐食に起因して炉水中に放出される水素によって、水素注入と同様に、水の放射線分解によって生成して腐食の駆動力となる酸素や過酸化水素と、水素との再結合によって、酸素や過酸化水素濃度を減じることができる。

同様に、この被覆層の腐食に起因して炉水中に放出される白金は、炉水の流動に随伴して移動して再付着する。したがって、この被覆層が減耗してこの被施工材料の表面が炉水と接触していれば、白金が再付着することになる。

前述したように水素も同時に炉水中に放出されるので、たとえこの被覆層が局部的に消失してしまった部位があったとしても、貴金属注入と同様に腐食電位低減効果が得られ、応力腐食割れの発生が抑制される。

このように、本実施例の被覆処理方法によれば、公知の方法よりも容易な取扱いで粉塵爆発を懸念することなく、この被施工材料表面に白金を含むジルコニウム被覆層を形成することができ、この被覆層を形成させた場所の被施工材料の全面腐食・局部腐食を抑制することができる。

また、この被覆層が局部的に消失した部位においても、この被覆層の腐食によって炉水中に放出される白金と水素によって応力腐食割れを抑制することが可能となる。

即ち、合理性と経済性の観点から希少で高価な貴金属と定格運転期間中の連続注入が必要な水素の使用量を減じて、かつ、供用中にジルコニウム被覆層が消失した部位でもより長期間に渡って高耐食性を維持することができる。更には、施工時の被覆材料の取り扱いが簡便な方法を用いて金属材料の表面特性を改質することができる。

また、アーク放電工程、溶融工程、および接触工程は、不活性ガス雰囲気中で行うため、被覆層８中に酸化物や窒化物が形成されることを抑制することができ、より安定した被覆層を形成することができる。

更に、電極１は、被覆材料から製作されたワイヤ状、あるいは棒状の形状とすることで、アーク放電によるジュール熱において先端を溶融させることが容易になり、被覆処理を短時間で行うことができるようになる。

また、被覆材料に貴金属を添加したことにより、添加された貴金属に応じた効果を被覆層に追加することができ、被覆層により被覆効果をより高めることができる。

更に、被覆材料は、成分として貴金属を含有するジルコニウム合金、あるいは貴金属をめっきしたジルコニウムであることで、ＢＷＲ等における腐食に対して非常に効果的な被覆層が形成された構造部材を提供することができる。

また、貴金属は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちいずれか１種類以上であることにより、例えば被覆層の腐食電位を下げ、耐食性を更に向上させることができる。

更に、不活性ガスはアルゴン、あるいはヘリウムであることで、安価に安定した被覆層を形成することができる。

＜実施例２＞
本発明の実施例２の構造部材の被覆処理方法について図６および図７を用いて説明する。本実施例の被覆処理方法も、好適にはＢＷＲの構造部材に対して適用される。

図６は本実施例２の構造部材の被覆処理方法の最終工程に用いられる被覆処理装置の構成図、図７は実施例２の構造部材の被覆処理方法が施された構造部材の断面図である。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施例においても同様とする。

本実施例の被覆処理方法は、上述の実施例１の被覆処理工程により被覆層８が形成された後の被施工金属材料２の表面に、更に、被覆材料の少なくとも一部の領域を水蒸気酸化させる酸化工程を実施するものである。

最初に、本実施例の酸化工程を好適に実施可能な酸化処理装置の概要について図６を用いて説明する。

図６に示す酸化処理装置は、水を貯留する貯留槽１２、貯留槽１２に貯留された水を送水するポンプ１３および水配管１４、水を加熱する加熱器１５、水配管１４により供給される水をシャワー状に放出するノズル１６を備えている。

次に、本実施例の被覆処理方法について図６および図７を用いて説明する。

被覆層８を被施工金属材料２上に形成する工程までは、上述した実施例１の被覆処理方法と同じであるため、その詳細は省略する。

被施工金属材料２の表面のうち施工対象表面全域に被覆層８を形成した後は、図６に示したように、被覆層８の近傍にノズル１６を設置するとともに、貯留槽１２とノズル１６とをポンプ１３と加熱器１５とを介して水配管１４により接続する。

その後、貯留槽１２内に貯留した水をポンプ１３によって加熱器１５に搬送し、加熱器１５において水を４００℃の蒸気にする。その上でノズル１６から蒸気を噴出させて、被覆層８に噴射する。

このとき、ノズル１６を移動させて、被覆層８の全域、あるいは所望の範囲を蒸気にばく露する。

このような工程により、図７に示すように、被覆層８の最外層に酸化物層１７が形成される。

その他の構成・動作は前述した実施例１の構造部材の被覆処理方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の実施例２の構造部材の被覆処理方法においても、前述した実施例１の構造部材の被覆処理方法とほぼ同様な効果が得られる。

また、被覆材料の成分で被施工金属材料２の表面を被覆した後、被覆材料の少なくとも一部の領域を水蒸気酸化させる酸化工程を更に有することにより、供用開始前から耐食性の高い被覆層を形成することができ、より腐食などに対する耐性の高い被覆層を形成することが可能となる。

なお、上記の被覆層８に蒸気を噴射して被覆層８の表面に酸化物層１７を形成させる酸化工程は、常温の酸化性水溶液または酸性水溶液を噴射して被覆層８の表面に酸化物層１７を形成させる工程に置き換えることができる。

＜実施例３＞
本発明の実施例３の構造部材の被覆処理方法について図８を用いて説明する。図８は本実施例３の構造部材の被覆処理方法の一工程の概要を示す図である。

図８に示すように、本実施例の被覆処理方法では、上述の実施例１で説明したアーク放電工程、溶融工程、および接触工程を、不活性な絶縁性の液体２０中で行うものであり、その他の構成・動作は前述した実施例１の構造部材の被覆処理方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

液体２０は、例えば比抵抗が９．０［ＭΩ・ｃｍ］以上の水や絶縁油であり、例えばＢＷＲの炉水などがある。より好適には比抵抗が１８．２４［ＭΩ・ｃｍ］に近い超純水等である。

本発明の実施例３のアーク放電工程、溶融工程、および接触工程は、不活性な絶縁性の液体２０中で行う構造部材の被覆処理方法においても、前述した実施例１の構造部材の被覆処理方法とほぼ同様な効果が得られる。

例えば、ＢＷＲのシュラウドなどは、一度炉水に接触した後は、廃炉まで炉水に接触したままの状態であることが望まれている。このようなシュラウドの溶接部などに耐食性の高い被覆層を新たに形成する場合も、当然に炉水中で被覆処理する必要があるが、本実施例の被覆処理方法であればこのような構造部材に対しても被覆層を形成することができる。

また、被覆層８中に酸化物や窒化物が形成されることを抑制することができ、より安定した被覆層を形成することができる。

更に、液体２０は、比抵抗が９．０［ＭΩ・ｃｍ］以上の水であることで、安定してアーク放電を生じさせることができ、被覆処理を速やかに終了させることができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１…電極
２…被施工金属材料
３…電流計
４…電源
５…電線
６…溶融物
７…電気力線
８…被覆層
９…ベルジャ
１０…ガスボンベ
１１…ガス配管
１２…貯留槽
１３…ポンプ
１４…水配管
１５…加熱器
１６…ノズル
１７…酸化物層
１８…シール部材
１９…電極支持移動装置
２０…液体

Claims (11)

1. ジルコニウム、ジルコニウムを主成分とした合金、チタン、チタンを主成分とした合金、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンのうちいずれか１種類以上からなる被覆材料から製作した電極と被施工金属材料とを電源を介して電線で接続し、前記電極の末端と前記被施工金属材料のうち施工対象領域の表面とを非接触状態で近接させた状態で前記電極と前記被施工金属材料との間に電圧を印加することによってアーク放電を発生させるアーク放電工程、
   前記アーク放電工程において発生したジュール熱によって前記電極の末端を加熱して溶融させる溶融工程、
   前記溶融工程で溶融させた前記電極を前記被施工金属材料に接触させる接触工程、
   を複数回繰り返すことによって前記被覆材料の成分で前記被施工金属材料の表面のうち所定の領域を被覆する
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
2. 請求項１に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記アーク放電工程、前記溶融工程、および前記接触工程は、不活性ガス雰囲気中で行う
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
3. 請求項１に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記前記被覆材料の成分で前記被施工金属材料の表面を被覆した後、前記被覆材料の少なくとも一部の領域を酸化させる酸化工程を更に有する
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
4. 請求項１に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記電極は、前記被覆材料から製作されたワイヤ状、あるいは棒状の形状とする
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
5. 請求項１に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記被覆材料に貴金属を添加した
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
6. 請求項５に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記被覆材料は、成分として貴金属を含有するジルコニウム合金、あるいは貴金属をめっきしたジルコニウムである
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
7. 請求項５に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記貴金属は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうちいずれか１種類以上である
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
8. 請求項２に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記不活性ガスはアルゴン、あるいはヘリウムである
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
9. 請求項１に記載の構造部材の被覆処理方法において、
   前記アーク放電工程、前記溶融工程、および前記接触工程は、不活性な絶縁性の液体中で行う
   ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
10. 請求項９に記載の構造部材の被覆処理方法において、
    前記液体は、比抵抗が９．０［ＭΩ・ｃｍ］以上の水である
    ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。
11. 請求項１に記載の構造部材の被覆処理方法において、
    前記構造部材は、接水した状態で供用されるものである
    ことを特徴とした構造部材の被覆処理方法。

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