JP2903222B2 - ホウ素含有ステンレス鋼の溶接方法及び使用済燃料貯蔵ラックの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ホウ素を含有したステンレス鋼の溶接方法
に係り、特に原子力発電所の燃料貯蔵設備内にて、使用
済燃料を高密度に貯蔵するラックの溶接継手強度を改善
するに好適なホウ素含有ステンレス鋼の溶接方法及び使
用済燃料貯蔵ラックの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

オーステナイト系ステンレス鋼は400〜850℃の範囲で
オーステナイト地中に過飽和に固溶していた炭素（Ｃ）
がクロム（Cr）を主体とする炭化物(Cr₂₃C₆)として粒界
近傍に析出し、その結果Cr欠乏層が生じ、粒界の耐食性
が劣化するという現象が起る。従来のオーステナイト系
ステンレス鋼の水冷溶接は、溶接入熱により上記の温度
範囲になった部分のCr炭化物の析出を抑制することを目
的としていた（例えば特開昭56−53881号公報参照）。
又、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接熱影響部での
応力腐食割れを防止する目的で、例えば管の溶接におい
て腐食環境に曝される側に圧縮応力を加えるために、管
の内面を冷却、外面を加熱する技術も知られている（特
開昭53−75140号公報参照）。しかし、上記従来技術
は、溶接部の耐食性向上を目的としたものでボロン含有
ステンレス鋼の様に、母材よりも低い融点を有する共晶
（ボライド）が存在する材料の溶接熱影響部でのボライ
ドの粗大化防止という点に配慮されていなかった。

従来の使用済燃料貯蔵ラックは、例えば米国特許第41
19859号に記載のように、軸方向に垂直な断面が正方形
の、ボロン含有ステンレス鋼の角筒体が、前記断面が水
平となるように、しかも、市松模様状に配列され、この
とき鉛直方向となった前記角筒体の角部と隣接する角筒
体の角部とが、Ｌ字形あるいはＺ字形に曲げ加工された
金属片を用いて連結されて製作されていた。この連結
は、前記金属片の端と角筒体の側面とで形成される開先
のすみ肉溶接により行われていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、材料としてボロン含有ステンレス鋼
を用いた場合に、その溶接の熱影響部に粗大化したボラ
イド（Fe,Cr）₂Bが存在し、靭性が低下する点について
配慮されていなかった。使用済燃料貯蔵の高密度化を目
的とした燃料ラックに用いるボロン含有ステンレス鋼
は、オーステナイト系ステンレス鋼にホウ素を0.5〜0.7
重量パーセント程度添加した材料である。このため、ホ
ウ素は共晶（Fe,Cr）₂B（以下「ボライド」と称す）の
形で材料中に微粒状に分散し存在する。この共晶は比較
的低温度（約1300℃）で溶融することが知られており、
この材料で溶接した場合、溶接の熱影響部で溶融したボ
ライドは溶接施行後徐々に晶出するが常温・空冷という
条件の下では、結晶粒が粗大化し、靭性を低下させる。
特に従来技術（米国特許No.4119859号）では、隣り合う
角筒体同志をＬ字形あるいはＺ字形の金属片を用いて、
それらを溶接により連結しているため、地震等により荷
重が作用した場合、その荷重は前記溶接部に曲げ荷重と
して伝わり、靭性を低下した上記熱影響部で荷重を担保
しなければならず、構造を強化しなければならなかっ
た。

本発明の課題は、溶接熱影響部の靭性低下の少ない、
信頼性の高い使用済燃料貯蔵ラックを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、ホウ素含有ステンレス鋼の溶接方法に
おいて、溶接中にホウ素含有ステンレス鋼の溶接部もし
くは溶接部の近傍を強制冷却することにより、達成され
る。

上記の課題はまた、ホウ素含有オーステナイト系ステ
ンレス鋼からなる角筒体が、前記角筒体の軸方向に垂直
な断面が市松模様になるように配置され、前記断面の対
角線上で隣接する前記角筒体相互が金属片を介して溶接
により連結されて使用済燃料貯蔵ラックが構成される使
用済燃料貯蔵ラックの製造方法において、前記溶接の施
行中にホウ素含有オーステナイト系ステンレス鋼の溶接
部もしくは溶接部の近傍を強制冷却することにより、達
成される。

〔作用〕

ホウ素含有ステンレス鋼の溶接中に溶接部もしくは溶
接部近傍が強制冷却されるので、溶接熱により溶融した
ボライドが急速に冷却される。急速に冷却されるため
に、ボライドの粒子の成長が妨げられ、ボライドは冷却
が完了した状態で比較的細粒のままである。このため、
ボライドの分散強化効果が確保され、靭性低下が回避さ
れる。

ホウ素含有ステンレス鋼の角筒体からなる燃料ラック
の溶接の際、溶接部もしくは溶接部の近傍が強制冷却さ
れながら溶接が行われると上述のように溶接部近傍の靭
性低下が回避され、構造体として外部荷重に対する安全
率が向上する。

一本の管の外面に、半径方向にかつ該管の母線に沿っ
て複数のノズルが設けられ、該複数のノズルは、前記管
の長手方向に、角筒体相互を連結する金属片の溶接ピッ
チと同一ピッチで設けられている冷却装置によれば当該
角筒体の複数の溶接部を同時に冷却できる。したがっ
て、複数の溶接部の溶接を冷却しながら同時に溶接する
ことができる。また、前記冷却装置が一度、角筒体内の
所定位置に配置されると、該冷却装置を動かすことなし
に複数の溶接個所を順次冷却しながら溶接することもで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第６図参照して
説明する。

原子力発電所にて使用済みとなった核燃料は、再処
理、あるいは永久保管貯蔵等の後続処理に供するまでの
間、発電所内の使用済燃料貯蔵プール内に一旦貯蔵され
る。上記使用済燃料貯蔵プール内には、角管を主要構成
部材とし、使用済燃料の長手方向をほぼ鉛直にして収納
する使用済燃料貯蔵ラック（以下「燃料ラック」と称
す。）が、使用済燃料を計画通り貯蔵した後でも炉心の
全燃料を受け入れられる貯蔵容量を有するように整然と
設置されている。ところで、使用済燃料の後続処理の能
力は有限であるため、それらの作業を円滑、かつ、余裕
をもって行うためには、発電所の使用済燃料貯蔵容量を
使用済燃料貯蔵プール内の寸法を変えることなく、最大
限確保する必要がある。このためには、発電所における
使用済燃料貯蔵プール寸法内の燃料ラックの使用済燃料
貯蔵ピッチを出来る限り小さくし、貯蔵効率を向上させ
る必要がある。貯蔵効率を向上させる方法としては、上
記燃料ラックの構成材料として中性子吸収断面積の大き
い元素を添加した材料から製造された角管を用いると共
に、前記角管をその矩形断面が水平となる様に、市松模
様状に配列する方法が貯蔵密度を大きくする上で有効で
ある。

ここでは、前記角管に18Cr−8Ni系ステンレス鋼に中
性子吸収断面積の大きい元素としてホウ素を含有させた
ステンレス鋼（以下、「ボロン含有ステンレス鋼」と称
す。）を材料として用いた場合のラックの製造方法の例
を実施例として示す。

燃料ラックの構成部材であるボロン含有ステンレス鋼
製の角管は、製鋼工程で所定量のホウ素が添加された後
スラブに鋳造され、圧延工程へ送られる。圧延工程では
前記スラブが公称厚さ例えば５ミリメートルの鋼板にま
で圧延される。上記鋼板は、プレスあるいは、ロール成
形により円筒にされた後、突合せ部を溶接され、さら
に、固溶体化熱処理及び歪取りが行われた後、引き抜き
により角成形される。この場合、ホウ素含有量が0.5〜
1.0重量パ−セントとなるようにホウ素添加量が調整さ
れる。

以上のようにして製造された角筒体である角管１を用
いて燃料ラック２が製造される。第６図は本発明による
燃料ラック２の一部を示す。燃料ラック２を構成する角
管１は、使用済燃料の貯蔵密度を高めるため、その軸方
向に垂直な断面が市松模様となるように配列されながら
組立てられる。組立ての際、燃料ラック２が構造体とし
て充分な強度を有するように、前記角管１の前記水平断
面における稜1aと、市松模様配列において対角線上で相
対する角管１の稜1bとがＬ字形の金属片３を介して連結
される。前記金属片３の端面3aは、第２図に示されてい
るように前記角管１の側面1cにすみ肉溶接で固定され
る。上記金属片３は、18Cr−8Ni系ステンレス鋼製で厚
さは３ミリメートルであり、角管１の全長に亘って溶接
されている。但し、強度的に余裕があれば角管１の全長
に対して適当な間隔で分割してもかまわない。以下、本
発明による燃料ラック２の製造方法に於ける溶接方法に
ついて説明する。

角管１の長手方向の一方の端面（上端面）は、燃料集
合体の挿入性を良くするために、面取りが行われる。一
方、使用済燃料支持及び冷却水取り入れのための複数の
円形の開口部５をベース面4Aに碁盤目状に備えたベース
４が、その一辺を定盤に接し、かつベース面4Aを鉛直面
に平行にして設置される。次いで、前記面取りされた角
管１の下端が、該角管１の長手方向軸心を水平にし、か
つ該軸心と前記ベース４の角の位置の開口部５の中心と
を一致させて、前記ベース面4Aに接するように配置され
る。その際、該角管１の軸方向に垂直な断面におけるい
ずれかの辺が、ベース４の定盤に接する辺と平行になる
ように、配置される。この状態で角管１はベース４に対
して、移動および回転しないように治具で固定され、ベ
ース面4Aと該ベース面4Aに垂直をなして接している角管
１の下端外面全周とが、すみ肉シール溶接される。すみ
肉シール溶接後、第３図および第５図に示すように、先
端にノズル７を有する冷却装置６が角管１に挿入され、
前記ノズル７から噴出される冷却水が、前記すみ肉シー
ル溶接部の背面に到達する位置に配置される。次いで、
前記ノズル７から噴出される冷却水によって前記すみ肉
シール溶接部の背面が冷却されながら、該すみ肉シール
溶接部の溶接脚長が所定の値になるまで、すみ肉溶接が
行われる。冷却水は、該すみ肉溶接による熱を吸収した
のち、角管１の上端側の開口から排出される。

上述の手順により、ベース４の定盤に接している辺に
沿っている開口部５に、ひとつおきに角管１が当接さ
れ、溶接によりベース４に順次固定される。

次に最下段の開口部（ベース４の定盤に接している辺
に沿う開口部の列）から数えて２段目の開口部５にひと
つおきに２段目の角管列を構成する角管１の下端が、該
角管の稜が、前記最下段の角管の稜と相対する位置に当
接され、冶具８で拘束・固定される。２段目の角管１は
その軸が開口部５の中心を通り、かつ、最下段の角管１
の軸と平行となるように設置される。冶具８は、相対す
る角管１の稜近傍での溶接により、最下段の角管の水平
面と２段目の角管の鉛直面とで形成される直角が鋭角あ
るいは鈍角になるのを防ぐため、角管１がその軸に対し
て回転しないように拘束する。冶具８は角管１の長手方
向に数個所設けられる。第４図は、冶具８の一例であ
り、角管１の画面上下方向の位置を拘束する枠材8Aと、
画面左右方向の位置、間隔を拘束する位置決め冶具8Bと
からなり、角管１の軸まわりの回転は、枠材8Aおよび位
置決め冶具8Bの両者により拘束されている。さらに、角
管相互の位置精度確保のために、２段目の角管が所定の
位置に配置され、冶具８で拘束された後に、対向する角
管の稜相互間が、それぞれの角管に仮付溶接された金属
片３により、連結・固定される。この金属片３は、Ｌ字
形のものでもよいし、直方体に溝状の開先が加工された
ものでもよい。

以上のようにして、溶接によるベース４と角管１から
なる構造体の変形防止措置が講じられたのち、ベース４
と２段目の角管１の溶接が行われる。第２段目以降のベ
ース４と角管１のすみ肉溶接においては、角管１の定盤
側の辺の溶接ができない場合があるが、この場合は、他
の三辺についてすみ肉シール溶接が行われたのち、最下
段の角管とベース４の溶接と同様の方法で、すみ肉の水
冷溶接が行われる。冷却水はシール溶接されていない角
管の定盤側の辺とベース面4Aの間から流出するが、他の
三辺の溶接に支障はない。

角管を相互に稜部で連結する金属片３の溶接は、角管
１の長手方向に対し、200mmピッチで断続的に行われ
る。この溶接に際しても、第１図に示すように冷却水を
噴出するノズル７を備えた冷却装置６が角管１中に挿入
され、噴出される冷却水により角管１と金属片３との溶
接部もしくは溶接部の近傍が角管１の内面側から冷却さ
れながら、溶接が行なわれる。第１図においては一対の
角管を連結する金属片３の溶接部を冷却する装置が示さ
れているが、複数対の角管に対して、冷却装置が挿入さ
れ、複数対の角管を連結する金属片の溶接が同時に行わ
れてもよい。

冷却装置６は、管６と該管６の長手方向に200mm間隔
で、かつその軸が前記管６の半径方向となるように管６
の外周面に母線に沿って取付けられた複数のノズル７と
を備えている。ノズル７の取付間隔は前記溶接のピッチ
と一致しており、金属片３一個の一方の角管との溶接部
の全長を、１個のノズル７で冷却可能としてある。複数
のノズルで１個の金属片の溶接部を冷却するようにして
もよい。この冷却装置６は冷却水を保有する水源に接続
され、溶接開始前に冷却水の供給が開始され、かつ溶接
施行中、絶えず冷却水が供給される。

冷却水が、溶接しようとする溶接部の裏面に適切に噴
出されていることが確認されたのち、角管１と金属片３
の端面3Aの長手方向全長とで形成されるすみ肉溶接部
が、タングステン・イナート・ガスアーク（TIG）溶接
により溶接された。溶材には、角管１と同じボロン含有
ステンレス鋼もしくはY308Lが用いられた。尚、溶接は
溶接の進捗による構造体の拘束状態の変化が角管１の長
手方向に対して可能な限り均等となるように、角管１の
長手方向において、先ず両端付近、次に中央部が溶接さ
れた後、中央部に対して対称に交互に実施された。ま
た、全溶接線が同時に溶接される方法でもよい。本実施
例では、200mm間隔にノズル７が取付けられた冷却装置
６について記載したが、ノズル７を管６の一箇所のみに
設け、TIG溶接のトーチと連動して、溶接対象部へ移動
させてもよい。

又、上記実施例においては溶接部の裏面から冷却する
場合につき説明したが、第７図に示す例のように、トー
チ側から冷却することも可能である。第７図に示す溶接
トーチ９は連続的に供給される消耗電極9Aと、該電極9A
の周囲に形成されてシールドガスを噴出するノズル9B
と、該ノズル9Bの周囲に同心状に形成されて冷却水を噴
出する冷却ノズル9cとを備え、溶接により発生する熱は
冷却ノズルから噴出する冷却水により冷却され、溶接部
近傍の温度上昇が抑制される。

第２段目の角管の取付、溶接と同様の手順で第３段目
以降の角管の取付、溶接が行われ、所定の貯蔵容量を有
する燃料ラック２が組立てられる。

本実施例によれば、冷却水を溶接部近傍に噴射しなが
らボロン含有ステンレス鋼の溶接が行われるので、溶接
熱により溶融した熱影響部のボライドは急冷され、粗大
化する前に微粒状のまま晶出し、熱影響部で母材と同等
のじん性を得ることが可能となり、溶接熱影響部の荷重
に対する安全率を向上させる効果がある。

また、溶接部が溶接後すぐに冷却されるため、接接変
形が空冷の場合と比べ小さくなる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ボロン含有ステンレス鋼の溶接が、
溶接部を冷却しながら行われるので、溶接熱影響部のボ
ライドの粗大化を防止して溶接部の靭性を母材と同等と
することが可能となり、ボロン含有ステンレス鋼を用い
た溶接構造物の安全性を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は第６
図のＡ部詳細を示す平面図、第３図および第４図は本発
明の一実施例を示す斜視図、第５図は本発明の実施例を
示す斜視図、第６図は本発明の他の実施例を示す断面図
であり、第７図は本発明のさらに他の実施例を示す断面
図である。 １……角筒体（角管）、２……使用済燃料貯蔵ラック、
３……金属片、６……管、７……ノズル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長山 亮一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 平２−38996（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/23,31/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ホウ素含有ステンレス鋼の溶接方法におい
   て、溶接中にホウ素含有ステンレス鋼の溶接部もしくは
   溶接部の近傍を強制冷却することを特徴とするホウ素含
   有ステンレス鋼の溶接方法。
2. 【請求項２】ホウ素含有オーステナイト系ステンレス鋼
   からなる角筒体が、前記角筒体の軸方向に垂直な断面が
   市松模様になるように配置され、前記断面の対角線上で
   隣接する前記角筒体相互が金属片を介して溶接により連
   結されて使用済燃料貯蔵ラックが構成される使用済燃料
   貯蔵ラックの製造方法において、前記溶接の施行中にホ
   ウ素含有オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部もしく
   は溶接部の近傍が強制冷却されることを特徴とする使用
   済燃料貯蔵ラックの製造方法。