JP2921783B2 - 水素遅延破壊抵抗性ジルコニウム合金無継目圧力管とその製造方法 - Google Patents

水素遅延破壊抵抗性ジルコニウム合金無継目圧力管とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は水素遅延破壊（delayed
hydride cracking,DHC, 以下DHC)機構に依る亀裂伝播抵
抗性及び破壊靱性の向上された集合組織（図１示す稠密
六方格子のＣ−軸が無継目圧力管の直径方向に多く集中
されている組織、即ち無継目圧力管内に図２のニ、ハ方
位を持つ結晶粒の多い集合組織）を持ち、ＣＡＮＤＵ原
子炉の圧力管等に使用できるジルコニウム合金無継目圧
力管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のＣＡＮＤＵ原子炉用無継目（シー
ムレス）圧力管製造過程においては、孔の穿たれたビレ
ットを熱間圧出して冷間引抜きする方法に依りジルコニ
ウム合金（Zircaloy-2,Zr-2.5% Nb 等) 無継目圧力管を
製造したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】然しながら、この方法
を使用して製造したジルコニウム合金の無継目圧力管は
製造過程中に形成される独特な集合組織（材料内結晶粒
の方位分布が或る特定方向に偏重されている微細組織）
のために、水素遅延破壊に対する鋭敏性が大きくて原子
炉内で稼動中に破損事故を起こす等の問題点を持ってい
る。
【０００４】圧力管材料の破損事故原因を調査すること
によって、水素遅延破壊が圧力管材料に対して最も大き
な安全性阻害要因として作用することが究明され、ま
た、１９８０年を前後として水素遅延破壊の機構、水素
遅延破壊に及ぼす集合組織の影響、圧力管材料における
集合組織形成等に対する次のような研究があった。例え
ば、カナダ原子力公社（Canada AECL-CRL)のC.E.コール
マン、Ｓサガット等は既存の製造方法に依り製造された
Zr-2.5% Nb合金及び板材において、試片の加工方向を異
にして製作し、集合組織が水素遅延破壊に及ぼす影響を
実験的に調査し、ジルコニウム合金の集合組織が水素遅
延破壊挙動に非常に大きな影響を及ぼすということを確
認した。
【０００５】R.A.ホルト等は圧力管製造過程中の圧出比
を調節することによって、圧力管材料の集合組織変化に
及ぼす圧出比の影響に対して研究し、圧出比の変化に依
っては圧力管の集合組織に殆ど影響を及ぼさないという
ことを確認した。韓国では金性洙等がZr-2.5% Nb板材を
使用して、集合組織が水素遅延破壊挙動に及ぼす影響を
研究し、また、集合組織の変化を通して水素遅延破壊に
対する抵抗性を向上させうることを確認した。
【０００６】このように、カナダ及び韓国においては、
水素遅延破壊挙動に及ぼす集合組織の影響に対する研究
が遂行され、ジルコニウム合金無継目圧力管において水
素遅延破壊抵抗性を向上させる為には、ジルコニウム合
金無継目圧力管の集合組織の改善が必要であるという結
論に到達したが、現在まで成形加工に依って無継目圧力
管の集合組織を変化できる方法は開発されていなかっ
た。
【０００７】本発明は上記のような欠点の改善のため
に、ジルコニウム合金無継目圧力管の集合組織を変化さ
せることによって、原子炉稼動中の安全性を向上させ
て、原子炉稼動率を向上できるジルコニウム合金無継目
圧力管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】熱間圧出に依り製造され
たジルコニウム合金無継目圧力管で形成された集合組織
を変化させる為に無継目圧力管材の変形加工に圧出及び
引抜きだけを使用せずに、無継目圧力に交叉圧延（cros
s-rolling:主成分加工方向に垂直な方向に平面変形条件
の変形を与えて加工すること）や交叉圧延と類似する平
面変形条件下で変形を起こしうる方法で拡管（tube exp
ansion) させることによって、無継目圧力管最終製品の
集合組織を改善させる“拡管加工方法”に関するもので
ある。
【０００９】
【実施例】本発明の要旨は次の通りである。本発明は、
圧出に依って製造されたジルコニウム合金（Zircaloy-
2,Zircaloy-4,Zr-2.5% Nb,Zr-1% Nb,pure Zr 等) 管に
交叉圧延を適用させて拡管することによって管の直径方
向においての基底画成分（basal pole component) を高
めた水素遅延破壊抵抗性ジルコニウム(Zr)合金無継目圧
力管をその目的物とし、その製造方法は、ジルコニウム
合金(Zircaloy-2,Zircaloy-4,Zr-2.5% Nb,pure Zr 等)
管を製造する際に、最終規格より小さい直径の無継目圧
力管を高温圧出や高温圧出及び引抜きに依り製造した
後、顕著な相変態が起こらず変形機構が変化しない約６
００°Ｃ以下の温度で拡管し、上記加工中に交叉圧延に
依り拡管を起こすロータリ圧延(rotary rolling)、ロー
タリピアシングミル(rotary piercing mill)等の拡管加
工方法を使用して無継目圧力管の集合組織を改善させ、
拡管過程で耐圧（油圧、爆発）を適用させて拡管加工す
ることによって、無継目圧力管の集合組織を改善させ、
上記した方法中の２種類以上の拡管方法を適用した無継
目圧力管の集合組織を改善させ、上記した方法中少なく
とも１つ或いはそれ以上の拡管方法と中間焼鈍及び引抜
き成形加工と混合使用して無継目圧力管の集合組織を改
善させる一連の方法である。
【００１０】言い換えれば、製造しようとする最終製品
より直径が小さく肉（壁）厚が厚く熱間圧出された無継
目圧力管（図２のイ及びロのような方位の結晶平面変形
条件で拡管すると肉厚は薄くなるからである）をロータ
リ圧延方法のような交叉圧延を使用して拡管加工して稠
密六方格子（hexagonal close packed) の構造の材料内
で(1012)<1011>双晶変形及び(1121)<1126>双晶変形と、
双晶変形された結晶粒のスリップ(slip)機構とを作用さ
せることによって、最終的に製造された無継目圧力管内
において結晶粒のＣ軸方向が管の直径方向（図２のニ及
びハ）に偏重されるように製造するものである。変形機
構中で稠密六方格子にて作用する双晶面を図１に表わ
し、双晶変形機構の模型を図３に示す。また図４には従
来の製法と本発明に依る技術を比較した製造工程図（fl
ow diagram) を表わし、図５ではビレットから圧力管を
製造する過程を図式的に表わす。
【００１１】本発明の一変形例において、ジルカロイ-2
（Zircaloy-2),ジルカロイ-4(Zircaloy-4), ジルコニウ
ム-2.5% ニオビウム(Zr-2.5%Nb),ジルコニウム-1% ニオ
ビウム(Zr-1%Nb) 等のジルコニウム合金と純ジルコニウ
ム(pure Zr) の大部分を構成する相は、稠密六方格子の
アルファジルコニウム(a-Zr)であり、これらの合金で集
合組織に係る問題は稠密六方格子の基底面方位の集中に
関連付けられる。従って、これらの合金に依り示される
水素遅延破壊の鋭敏性は共通的なものであり、これらの
合金を用いて本発明を適用することに依って水素遅延破
壊に対する抵抗性を向上させうる。
【００１２】結晶粒のＣ軸が円周方向に集中されている
無継目圧力管（図２のイとロのような方位の結晶粒）を
拡管する過程において表われる集合組織の変化は、ＤＨ
Ｃ亀裂伝播の抵抗性を向上させるようになるので、平面
変形条件に類似するように拡管する過程もまた集合組織
の改善を誘起しうる。また図２のハ及びニのような方位
の結晶粒分率は交叉圧延等に依る変形量を増加させるこ
とによって高めることができる。
【００１３】従って図８のロータリ圧延と類似する平面
変形に依り成形加工できる図９のロータリピアシングミ
ルに依る交叉圧延を適用して無継目圧力管の集合組織を
変化できる。また有限な大きさのケーシング内において
の爆発及び油圧に依る拡管成形方法を適用して無継目圧
力管の集合組織を変化することができるであろう。爆発
に依る変形方法はガス、火薬、電磁気力を利用し、水、
シリコン油、油圧油による油圧を使用しうるであろう。
【００１４】図４には数種の成形加工実施例が示されて
いるが、拡管と引抜きを混合して適用して集合組織を改
善することが可能である。また再結晶温度以下の温度で
成形加工中に顕われる加工硬化の効果を除去する為の中
間焼鈍の適用は加工変形量を増加させる。
【００１５】
【発明の効果】本発明の効果としては、圧力管と類似し
た集合組織を持つ焼鈍された板材を圧力管製造時に適用
する変形量（２５％〜３０％）の冷間引抜きと同様に初
期圧延方向に３０％冷間圧延することにより既存の製造
方法に依り製造された無継目圧力管の集合組織を持つ板
材を得た。
【００１６】また上記の焼鈍された板材を初期圧延方向
に交叉する方向に３０％冷間圧延することにより本発明
で改善、製造される無継目圧力管と類似した集合組織を
持つ板材を得た。これら２つの板材を使用してサブサイ
ズ（Subsize)ＣＴ試片（Ｗ＝１７ｍｍ，ｔ＝３．３ｍ
ｍ）を製作し、水素化させ、３６７°Ｃで応力除去処理
と水素均質化処理した後、ＤＨＣ亀裂成長速度測定試
験、臨界応力集中係数（critical stress intensity fa
ctor) 測定試験、破壊靱性測定試験を遂行した。
【００１７】圧延による板材の集合組織の変化を図６に
示し、基底面成分の変化を表１に示す。交叉圧延に依る
変形量が３０％である時、板材の横（transverse) 方向
において基底面成分は以下の表２に示す如く変化した。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
【００２０】水素遅延破壊機構に依る亀裂成長速度は以
下の表３に示す如く集合組織の改善に依りその亀裂伝播
速度が１／２程度に低くなった。また、集合組織の改善
に依って水素遅延破壊を起こす為に必要な臨界応力拡大
係数は以下の表４に示す如く約２倍程度に高くなった。
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
【図面の簡単な説明】
【図１】稠密六方格子においてのＣ−軸と双晶面を示す
図である。
【図２】圧力管材料内の結晶粒の方位を示す図である。
【図３】双晶に依る稠密六方格子の変形を示す図であ
る。
【図４】製造工程比較図である。
【図５】改善された集合組織を持つ圧力管製造工程の比
較図である。
【図６】直接圧延と交叉圧延に依る集合組織の変化を表
わす極点図である。
【図７】ＤＨＣ抵抗性向上の確認に使用された板材にお
いて直接圧延と交叉圧延に依る集合組織の変化を表わす
逆極点図である。
【図８】ロータリ圧延の概略図である。
【図９】ロータリピアシングミルの概略図である。
【符号の説明】
１０１２，１１２１ 双晶面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホン ジューン−ファ 大韓民国 ダエジェオン−シ ユースン −ク エオエウン−ドン 99 ハンビッ ト アパート 132−206 (72)発明者 カン ヨウン−ファン 大韓民国 ダエジェオン−シ ユースン −ク エオエウン−ドン 99 ハンビッ ト アパート 132−206 (56)参考文献 特開 平３−39691（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−87637（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B21D 39/00 - 41/04 G21C 1/00 - 3/06 B21B 21/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 交叉圧延により結晶粒の双晶変形が生じ
    たジルコニウム合金管からなる管の直径方向における結
    晶粒の基底面成分の割合が高められた水素遅延破壊抵抗
    性ジルコニウム合金の無継目圧力管。
  2. 【請求項２】 ジルコニウム合金管を圧出する段階と、 約６００°Ｃ以下の温度で拡管されるよう上記圧出され
    たジルコニウム合金管を交叉圧延する段階とからなるこ
    とを特徴とする水素遅延破壊抵抗性ジルコニウム合金の
    無継目圧力管の製造方法。
  3. 【請求項３】 上記圧出されたジルコニウム合金管を交
    叉圧延する段階は、ロータリ圧延を使用することを特徴
    とする請求項２記載の水素遅延破壊抵抗性ジルコニウム
    合金の無継目圧力管の製造方法。
  4. 【請求項４】 上記圧出されたジルコニウム合金管を交
    叉圧延する段階は、ロータリピアシングミルを使用する
    ことを特徴とする請求項２記載の水素遅延破壊抵抗性ジ
    ルコニウム合金の無継目圧力管の製造方法。
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