JP2020196043A - ニッケル基合金溶接材料、原子炉用溶接材料、原子力用機器および構造物、ならびに原子力用機器および構造物の補修方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Crは、ニッケル基合金溶接材料の耐SCC性、耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。また、Crは、強化相であるM23C6型炭化物の構成元素である。一般的に、Crは含有率が増加するにつれて、耐食性は向上するが、Crの含有量が高すぎると、高価格になり、また、有害相であるσ相の析出により機械的強度が低下する、溶接性が低下する懸念がある。
Cは、溶解時の脱酸剤として、および機械的強度を高めるのに有用である。また、Cは、強化相であるM23C6型炭化物の構成元素であると共に、鋳造時の溶湯の流動性を確保する効果を有する。一方、Cの含有率が0.050%を超えると、Cr炭化物の析出に伴い、粒界近傍にCr欠乏が生じ、耐SCC性が低下する。また、延性低下割れが生じやすくなる。そのため、Cの含有率を0.050%以下としている。また、Cの含有率が0.001%未満の場合には、機械的強度を高める効果が期待できないため、0.001%以上含有していることが好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
Feは、機械的強度を高めるのに有用である。Feの含有率が1.00%未満の場合には、機械的強度が低下する。一方、Feの含有率が3.00%を超えると、耐食性が低下する。そのため、Feの含有率を1.00%以上かつ3.00%以下としている。
Siは、溶解時の脱酸剤として有用であると共に、鋳造時の湯流れを向上させる効果を有する。Siの含有率が増加するにつれて、非金属介在物が生成され、耐食性が低下するので、Siの含有率は低いほうが好ましい。そして、Siの含有率が0.50%を超えると、鋳造性や機械的強度が低下する。そのため、Siの含有率を0.50%以下としている。また、Siの含有率が0.001%未満の場合には、溶解時の脱酸剤としての効果が期待できないため、0.001%以上含有していることが好ましい。ただし、他の添加元素により十分な溶解時の脱酸効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
NbおよびTaは、炭化物を形成することによりCr炭化物の生成を抑制し、耐SCC性を高める。ただし、NbおよびTaの含有率が高くなると、溶接割れが生じやすくなる。このため、Nb+Taの含有率を3.00%以下としている。
Tiは、炭化物を形成することによりCr炭化物の生成を抑制し、耐SCC性を高める。Tiの含有率が0.70%を超えると、溶接割れが生じやすくなる。そのため、Tiの含有率を0.70%以下としている。また、Cr炭化物生成の抑制効果が期待できる最低限度として0.001%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分なCr炭化物生成の抑制効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
Mnは、オーステナイト安定化元素であると共に、脆性の原因となるS(硫黄)と結合してMnSとなり、脆性を防止し、強度や湯流れを向上させる。Mnの含有率が0.10%未満の場合には、上記した効果が得られない。一方、Mnの含有率が3.50%を超えると、Sなどと非金属介在物を形成しやすくなり、耐食性が低下する。さらに、オーステナイトの安定化によって、溶接割れ感受性が高くなる。そのため、Mnの含有率を0.10%以上かつ3.50%以下としている。
Cuは、強度を高める効果がある。ただし、添加量が多すぎると耐溶接割れ性が低下するため、Cuの含有率は0.5%以下が好ましい。また、粒界強度を高める効果が得られる最低限度として0.001%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
Moは、強度を高めるとともに、延性低下割れに効果がある。ただし、添加量が増えると脆化相を形成するため、Moの含有率を2.00%以上かつ5.00%以下が好ましい。
Zrは、粒界強度を高めるとともに、延性低下割れに効果がある。ただし、添加量が多すぎると溶接性が低下するため、Zrの含有率は0.05%以下が好ましい。また、延性低下割れ抑制効果が得られる最低限度として0.001%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な延性低下割れ抑制効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
Bは、粒界強度を高める効果がある。ただし、Bの含有率は0.05%以下が好ましい。また、粒界強度を高める効果が得られる最低限度として0.01%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な粒界強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
Vは、強度を高める効果がある。ただし、添加量が多すぎると延性が低下するため、Vの含有率は0.5%以下が好ましい。また、強度を高める効果が得られる最低限度として0.01%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
Alは、強度を高め、脱酸化の効果がある。ただし、添加量が多すぎるとスラグ発生等で溶接作業性が低下するため、Alの含有率は0.5%以下が好ましい。また、強度を高め、脱酸化の効果が得られる最低限度として0.01%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上および脱酸化の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
Coは、その同位元素である60Coが崩壊によりガンマ線源となるため、原子炉内で使用する場合のCoの含有率は0.12%以下が好ましい。
PおよびSは、本実施形態におけるニッケル基合金溶接材料において、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、ニッケル基合金溶接材料に残存する含有率を可能な限り0%に近づけることが好ましい。
図1は、ニッケル基合金溶接材料のそれぞれについての化学成分を示す比較表である。
ニッケル基合金溶接材料として、A、B、CおよびDの4種類の組成を示している。
図2は、試験体採取を説明する図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は平面図である。架構12の平板12aの上に、基材部11を平板状に形成し、基材部11の上に肉盛部10を形成する。架構12は基材部11が変形しないように剛性を確保している。基材部11は、600合金製とした。この状態のものを3台製作した。
ステップ2で形成したそれぞれの肉盛部10から、10mm幅、50mm長さで、2mmの厚みの試験片20を4体ずつ採取した。これらの試験片について、以下に示すすきま付き定ひずみ曲げ(CBB:Creviced Bent Beam)試験を実施した。
ステップ2で形成したニッケル基合金溶接材料Cの肉盛部10から、CT(compact Tension)試験片を採取し、SCC亀裂進展試験を行った。
温度:288℃
圧力:9MPa
腐食電位(ECP):150mVSHE以上
<荷重条件>
試験荷重:7.0kN
目標応力拡大係数K:約32〜34MPa√m
定荷重の亀裂進展時間は、562.9時間とし、試験後に破面補正をして亀裂進展速度を求めた。
まず、ニッケル基合金溶接材料の準備を行う(ステップS01)。ここで、ニッケル基合金溶接材料は、本実施形態で示した溶接材料である。
次に、ステップS01で準備したニッケル基合金溶接材料を用いての原子力用機器および構造物の補修を実施する(ステップS02)。実施例に示したように、耐SCC性に良好で、かつ、溶接性に優れた溶接材料を用いることによって、原子力用機器および構造物についての信頼性の高い補修を行うことができる。
図9は、沸騰水型原子炉の制御棒駆動機構ハウジング貫通部を概念的に示す部分立断面図である。原子炉圧力容器1を下方から貫通する制御棒駆動機構ハウジング5の貫通部をシールするための溶接部も、同様に異材継ぎ手である。
本実施形態によるニッケル基合金溶接材料は、このような原子力用機器および構造物などの溶接接手へ適用することができる。沸騰水型原子炉のシュラウドサポート、制御棒駆動機構ハウジング貫通部の異材溶接部の他に、図示しないが、加圧水型原子炉の圧力容器上蓋の管台の溶接部、あるいは蒸気発生器の溶接部などに用いることができる。
さらに、原子力分野以外においても、ニッケル基合金が使用されるような高い耐食性が必要とされる発電プラントや化学プラント、海洋船舶やその構造物などにも用いることができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
Claims (11)
- 質量%で、Cr:30.0%を超えかつ36.0%以下、C:0.050%以下、Fe:1.00%以上かつ3.00%以下、Si:0.50%以下、Nb+Ta:3.00%以下、Ti:0.70%以下、Mn:0.10%以上かつ3.50%以下、Cu:0.5%以下を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなることを特徴とするニッケル基合金溶接材料。
- 質量%で2.00%以上かつ5.00%以下のMoをさらに含有することを特徴とする請求項1に記載のニッケル基合金溶接材料。
- 質量%で0.05%以下のZrをさらに含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料。
- 質量%で0.05%以下のBをさらに含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料。
- 質量%で0.5%以下のVをさらに含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料。
- 質量%で0.5%以下のAlをさらに含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料。
- 質量%で0.12%以下のCoをさらに含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料。
- 前記不可避的不純物のうち、SおよびPは、それぞれ0.005%以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のニッケル基合金溶接材料。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載のニッケル基合金溶接材料を用いることを特徴とする原子炉用溶接材料。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載のニッケル基合金溶接材料を用いることを特徴とする原子力用機器および構造物。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載のニッケル基合金溶接材料を補修用の溶接材料として準備する材料準備ステップと、
前記溶接材料を用いて、原子力用機器および構造物の補修を実施する補修ステップと、
を有することを特徴とする原子力用機器および構造物の補修方法。
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