JP3682599B2 - 原子炉内溶接構造物の表面処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉内溶接構造物の表面処理方法に係り、特に、原子力圧力容器内で炉水に接する原子炉内溶接構造物の表面を処理し、その耐粒界腐食性を改善するに好適な原子炉内溶接構造物の表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子力機器に属する原子炉圧力容器として、図５に示すものが知られている。この原子炉圧力容器には、低合金鋼の圧力容器本体１内に炉内構造物２や各種計装ノズル３、制御棒駆動機構の配管４などが取付られている。この原子炉圧力容器は、図６に示すように、低合金鋼の圧力容器本体１と、炉の内壁面を構成するステンレス鋼肉盛溶接金属５から構成されている。この圧力容器本体１の開口１ａには計装ノズル配管７が挿入されている。そしてノズル配管７の先端側は、溶接の開先内に応力除去焼鈍を行なったニッケル基合金の肉盛溶接金属部６とニッケル基合金の付き合わせ溶接金属部８によって圧力容器本体１に溶着されている。
【０００３】
従来技術では、溶接の開先内の溶接金属部６と付き合わせ溶接金属部８のニッケル基合金として、ＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格による溶接棒ＥＮｉＣｒＦｅ−１あるいはＥＮｉＣｒＦｅ−３が使用されている。これらの合金組成の一例を示すと、ＥＮｉＣｒＦｅ−１相当の材料はヒートＡ：０．０４１重量％Ｃ、２．４６重量％Ｍｎ、７２．１３重量％Ｎｉ、１４．７３重量％Ｃｒ、８．０１重量％Ｆｅ、２．３３重量％Ｎｂ、０．０３重量％Ｔｉであり、ＥＮｉＣｒＦｅ−３相当の材料はヒートＢ：０．０３９重量％Ｃ、６．３２重量％Ｍｎ、６５．８９重量％Ｎｉ、１５．２６重量％Ｃｒ、９．５４重量％Ｆｅ、１．６７重量％Ｎｂ、０．５４重量％Ｔｉである。
【０００４】
しかし、従来技術によるニッケル基合金ではＮｂ含有量が少ないので、粒界腐食感受性を有するということが、図７に示す試験結果から明らかである。
【０００５】
図７は、ニッケル基合金の改良ＡＳＴＭ Ｇ２８試験、いわゆる硫酸・硫酸第２鉄腐食試験による粒界腐食試験結果を示している。図中に示した材料のうち、Ｔｙｐｅ８２と称するものは、ＡＷＳ Ａ５．１４−７６規格におけるＥＲＮｉＣｒ−３相当の材料であり、Ｔｙｐｅ１８２とは、ＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格で溶接棒ＥＮｉＣｒＦｅ−１あるいはＥＮｉＣｒＦｅ−３である。さらに、Ｔｙｐｅ６００とは、通常のニッケル基６００合金のことである。図７において、粒界腐食試験結果は、材料中の炭素（Ｃ）量とニオブ量と２倍のチタン（Ｔｉ）の量の合計（Ｎｂ＋２Ｔｉ）重量％の関係で示している。図中の黒塗の記号は耐粒界腐食性の判定基準０．５ｍｍ／ｄ以上であったことを示しており、白抜きの記号は耐粒界腐食性の判定基準０．５ｍｍ／ｄ以下であったことを示している。
【０００６】
図７より明らかなように、安定化パラメータと称するＮ（＝Ｏ．１３（Ｎｂ＋２Ｔｉ）／Ｃ）の値が１２以上の成分領域は耐粒界腐食性が優れる領域である。この耐食性が優れるメカニズムはニッケル基合金内において、十分な量のＮｂは、ＣをＮｂＣとして固定して安定化させることになるので、結晶粒界でＣとＣｒとが反応してＣｒの欠乏偏析を形成し、いわゆる鋭敏化することがないためである。なお、耐粒界腐食性が優れる領域に一点だけ黒塗のデータがあるが、このヒートは、他のヒートのＳｉ量に比べ、多くのＳｉ量を含有しており、例外のヒートと考えて良い。
【０００７】
このように、図７から明らかな点は、一定Ｃ量の場合、耐粒界腐食性の向上のためには、Ｎｂ量を多く含有させる必要があることを示していることである。
【０００８】
また上述したＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格で溶接棒の種類がＥＮｉＣｒＦｅ−１あるいはＥＮｉＣｒＦｅ−３の溶接金属はほとんどが上記ヒートＡおよびヒートＢのように、含有Ｎｂ量が少なく、図７で安定化パラメータＮ（＝０．１３（Ｎｂ＋２Ｔｉ）／Ｃ）の値が１２以下の領域であり、耐粒界腐食性を有していない。したがって、炉水に接するニッケル基合金溶接部には何らかの表面処理を施す必要があると考えられる。
【０００９】
表面処理方法としては、例えば、特許公報第２６５４２３５号に記載されているように、原子炉容器の溶接部に固定されたオーステナイト系ステンレス鋼中性子束モニタハウジングなどの長尺ハウジングの上記溶接部によって熱の影響を受ける範囲内の内周面の表面を直接溶融させて、ここに、デルタ・フェライト組織を析出させ、しかるのち、熱影響部にショット・ピーニングを施すものが提案されている。
【００１０】
この方法をニッケル基合金に適用する場合を考えてみると、ニッケル基合金では、表面を溶融させても、冶金的条件から、フェライト組織は現われず、特有の効果が現われないことになる。
【００１１】
また、別の表面処理方法としては、例えば、特許公報第２６７２６１３号に記載されているように、原子炉圧力容器内の炉水中に設置されたオーステナイト・ステンレス鋼の原子炉内構造物及び機器の溶接部の表面を炉水中でレーザにより、溶融する溶融工程と、この溶融された溶接部の表面を炉水により、急冷する急冷工程とに従って処理するものが提案されている。しかし、この方法を用いても、ニッケル基合金では、溶接金属のように、Ｎｂを含有しない場合や、Ｎｂ含有量が少ない場合には、溶融工程と急冷工程だけでは、耐粒界腐食性を改善することはできない。この理由は、ニッケル基合金はオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、Ｃの固溶度が非常に小さく、水冷による冷却でも鋭敏化を防ぐことは困難であるからである。
【００１２】
さらに、別の表面処理方法として、特開平３−６３１２８号公報に記載されているように、ステンレス鋼母材の表面に、Ｃｒ：１５−５０重量％、Ｎｉ：５−３０重量％、Ｆｅ：４０−６０重量％、Ｍｏ：１−４重量％の組成のクラッド層を形成するものが提案されている。この方法によれば、耐食性を向上させることができる。しかし、この技術は、ステンレス鋼を対象としており、Ｎｂに着目してクラッド形成をすることについては配慮されてはいない。したがって、上記の技術を用いても、ニッケル基合金に対しては、あまり耐粒界腐食性の向上を図ることは期待できない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術では、Ｃの固溶度が小さいニッケル基合金では、Ｎｂ含有量が少ないと、耐粒界腐食特性の確保のためには、十分でないということについては配慮されておらず、これを改善しょうとする表面処理技術もオーステナイト系ステンレス鋼に対してのみであり、ニッケル基合金に対する処理方法については配慮されていない。
【００１４】
本発明の目的は、ニッケル基合金の耐粒界腐食特性を改善することができる原子炉内溶接構造物の表面処理方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、原子炉圧力容器の開口に挿入された溶接対象を前記圧力容器の内壁面にニッケル基合金で溶接し、この溶接によって圧力容器内に形成された溶接構造物の表面を処理するに際して、
前記溶接構造物の表面にＮｂを供給し、前記溶接構造物の表面層金属と前記供給したＮｂに熱エネルギーを与えて両者を溶融融合して合金化することを特徴とする原子炉内溶接構造物の表面処理方法を採用したものである。
【００１６】
前記原子炉内溶接構造物の表面処理方法を採用するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１７】
（１）前記溶接構造物の表面層金属と前記供給したＮｂに熱エネルギーを与えるに際して、アーク放電による熱エネルギーまたはレーザ光による熱エネルギーを利用すること。
【００１８】
（２）前記溶接構造物の表面にＮｂを供給するに際して、金属Ｎｂの粉末と揮発性溶媒の混濁体を前記溶接構造物の表面に塗布すること。
【００１９】
（３）前記溶接構造物の表面に供給するＮｂはＮｂ：４〜２０重量％、Ｃｒ：１５〜３５重量％、Ｎｉ：６０重量％以上を含有する合金である。
【００２０】
前記した手段によれば、溶接構造物の表面にＮｂを供給し、溶接構造物の表面層金属と供給したＮｂに熱エネルギーを与えて両者を溶融融合して合金化するようにしたため、ニッケル基合金の耐粒界腐食特性を改善することができるとともに、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【００２１】
具体的には、図４に示すように、原子炉内溶接構造物を構成するニッケル基合金の表面層の組成がＡ点の粒界腐食感受性域にあった場合、このＡ点の組成の表面層にＮｂ原子をアーク放電またはレーザを利用して溶融すると、Ｂ点における表面層のＮｂ含有量が増える。すると、Ｎｂはニッケル基合金内に存在するＣと反応し、このＣをＮｂＣの高温で安定な炭化物として固定し、材料を安定化させる。したがって、その後、材料表面の溶融層の冷却過程において、結晶粒界でＣとＣｒとが反応してクロム炭化物が形成されないので、Ｃｒ欠乏現象、すなわち鋭敏化を生じず、耐粒界腐食性が低下することはない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す原子炉内溶接構造部の表面処理方法のうち塗布工程を説明するための図である。図１において、原子炉圧力容器２０は、低合金鋼の容器本体２２を備えており、この本体２２の内壁面（炉水を臨む面）にはステンレス鋼肉盛溶接金属２４が溶着されている。そして本体２２の開口２６内には溶接対象の計装ノズル配管２８が挿入されている。このノズル配管２８の先端側は溶接の開先内においてニッケル基合金の肉盛溶接金属部３０を設けたあと、応力除去後焼鈍を行ない、しかる後に、ニッケル基合金の付き合わせ溶接金属部３２を形成してノズル配管２８に溶着されている。溶接の開先内における肉盛溶接金属部３０と付き合わせ溶接金属部３２のニッケル基合金としては、ＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格で溶接棒の種類ＥＮｉＣｒＦｅ−１が使用されている。この合金組成を示すと、０．０４１重量％Ｃ、２．４６重量％Ｍｎ、７２．１３重量％Ｎｉ、１４．７３重量％Ｃｒ、８．０１重量％Ｆｅ、２．３３重量％Ｎｂ、０．０３重量％Ｔｉである。
【００２３】
ノズル配管２８が開口２６の先端側（内壁面）に肉盛溶接金属部３０と付き合わせ溶接金属部３２によって溶着されて原子炉内に溶接構造物が形成されたあとは、Ｎｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体の塗布工程において、Ｎｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体３４がスプレー３６から噴射される。スプレー３６はノズル配管２８中に挿入されており、スプレーノズル３６の端部はノズル回転駆動装置３８に接続され、ノズル回転駆動装置３８はＮｂ粉末塗布制御装置４０とノズル回転駆動制御装置４２に接続されている。そしてスプレーノズル３６は、ノズル回転駆動装置３８の駆動にしたがって、混濁体３４を肉盛溶接金属部３０と突き合わせ溶接金属部３２に向けて噴射し、これら原子炉内溶接構造物の表面にＮｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体３４を塗布する。これら溶接構造物の表面に混濁体３４が塗布されると、これら溶接構造物の表面にはＮｂ粉末塗布層４４が形成される。このＮｂ粉末の平均粒径は０．５μｍ以下であり、Ｎｂ粉末塗布層４４の厚さは少なくとも５μｍ以上が適当である。
【００２４】
Ｎｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体３４の塗布工程において、Ｎｂを０．５μｍ以下の粒径の小さい粉末にするのは、溶接の開先内の肉盛溶接金属部３０および突き合わせ溶接金属部３２のニッケル基合金の表面層の溶融部分にＮｂを溶解しやすくするためと、スプレー方式によってＮｂを搬送しやすくするためである。
【００２５】
次に、本発明における溶融工程の第１実施形態を図２にしたがって説明する。本実施形態は、ノズル配管２８内にレーザ制御駆動管４６を挿入し、この駆動管４６の一端をレーザ機構部駆動装置４８に接続し、他端をアーム５０に接続し、駆動装置４８にレーザ発信機５２、機構部駆動制御装置５４を接続し、アーム５０の先端側にレンズ・ミラー格納部５６を接続し、レンズミラー格納部５６から溶接構造物に向けてレーザ光５８を照射するようにしたものである。
【００２６】
すなわち、本実施形態においては、図１に示す塗布工程の後、Ｎｂ粉末塗布層４４に向けてレーザ光５８を照射し、Ｎｂ粉末塗布層４４をレーザ光５８の熱エネルギーによって溶融させる溶融工程が行なわれる。レーザ光５８の熱エネルギーによってＮｂ粉末塗布層４４が溶融されると、この表面には表面溶融処理層６０が形成される。
【００２７】
本実施形態におけるレーザ発信機５２によるレーザはＹＡＧレーザであり、レーザ発信機５２から出力されるレーザはレーザ機構部駆動装置４８、レーザ制御駆動管４６、アーム５０、レンズ・ミラー格納部５６に伝送され、レンズ・ミラー格納部５６からＮｂ粉末塗布層４４に向けてレーザ光５８が照射される。なおレーザ光はグラスファイバによって伝送される。また、ＹＡＧレーザ照射の条件は、出力：０．４５ｋＷ、パルス周波数：３０Ｈｚ、レーザ照射速度：１ｍｍ／ｓ、シールドガス：アルゴンである。
【００２８】
本実施形態においては、Ｎｂ粉末塗布層４４の表面層にレーザ光５８を照射してＮｂを溶融させると、溶接構造物表面層のＮｂ含有量が増加し、Ｎｂはニッケル基合金内に存在するＣと反応し、ＣをＮｂＣとして固定し、材料を安定化させる。したがって、その後の材料表面溶融層の冷却過程において、結晶粒界でＣとＣｒが反応してＣｒ炭化物が形成されないので、Ｃｒ欠乏現象、すなわち鋭敏化を生じず、耐粒界腐食性が低下することはない。
【００２９】
したがって、本実施形態によれば、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【００３０】
次に、本発明における溶融工程の他の実施形態を図３にしたがって説明する。
【００３１】
本実施形態は、容器本体２２の開口２６内にステンレス鋼ハウジング管６２を挿入し、ハウジング管６２の管の途中を、圧力容器２０の内壁面を構成するニッケル基合金の肉盛溶接金属部６４にニッケル基合金の突き合わせ溶接金属部６６で溶着するとともに、ハウジング管６２のうち炉水に接する面にスタッブ管６８を装着し、スタッブ管６８の両端側をハウジング管６２の外周側にニッケル基金属の突き合わせ溶接金属部６６とニッケル基合金の突き合わせ溶接金属部７０によって溶着する。この場合、各ニッケル基溶接金属部６４、６６の表面層はＴＩＧ・トーチ７２によるアーク放電７４により溶かされる。このＴＩＧトーチ７２に供給されるワイヤはＮｂ：４〜２０重量％、Ｃｒ：１５〜３０重量％、Ｎｉ：６０重量％以上を含有する合金である。このＮｂを高めた合金を突き合わせ溶接金属部６６、７０の表面層に少量溶かし込む。このときのＴＩＧ溶接条件は、平均電流：５０Ａ、アーク電圧：１２Ｖ、溶接速度：５０ｍｍ／ＭＩＮ、シールドガス：Ａｒである。
【００３２】
ワイヤのＮｂ合金の含有Ｎｂ量を多くしたのは、ニッケル基溶接金属の表面層で組成の希釈があっても、十分なＮｂ量の表面層にするためである。すなわちＣｒおよびＮｉ量はニッケル基溶接金属の表面層で組成に合わせるためである。
【００３３】
本実施形態においては、Ｎｂ粉末塗布層４４の表面層のＮｂをアーク放電７４により溶融させると、溶接構造物表面層のＮｂ含有量が増加し、Ｎｂはニッケル基合金内に存在するＣと反応し、ＣをＮｂＣとして固定し、材料を安定化させる。したがって、その後の材料表面溶融層の冷却過程において、結晶粒界でＣとＣｒが反応してＣｒ炭化物が形成されないので、Ｃｒ欠乏現象、すなわち鋭敏化を生じず、耐粒界腐食性が低下することはない。
【００３４】
したがって、本実施形態によれば、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶接構造物の表面にＮｂを供給し、溶接構造物の表面層金属と供給したＮｂに熱エネルギーを与えて両者を溶融融合して合金化するようにしたため、ニッケル基合金の耐粒界腐食特性を改善することができるとともに、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すＮｂ粉末の塗布工程を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるレーザによる溶融工程を説明するための図である。
【図３】本発明の他の実施形態におけるアーク放電による溶融工程を説明するための図である。
【図４】ニッケル基合金表面層におけるＮｂの組成の変化を説明するための特性図である。
【図５】従来の原子炉圧力容器の断面図である。
【図６】従来の計装ノズルの溶接部の要部断面図である。
【図７】ニッケル基合金の改良ＡＳＴＭ Ｇ２８試験による粒界腐食試験結果を示す特性図である。
【符号の説明】
２０ 原子炉圧力容器
２２ 容器本体
２４ ステンレス鋼肉盛溶接金属部
２６ 開口
２８ ノズル配管
３０ ニッケル基合金の肉盛溶接金属部
３２ ニッケル基合金の突き合わせ溶接金属部
３４ 混濁体
３６ スプレーノズル
３８ ノズル回転駆動装置
４０ Ｎｂ粉末塗布制御装置
４２ ノズル回転駆動制御装置
４４ Ｎｂ粉末塗布層
４６ レーザ制御駆動管
４８ レーザ機構部駆動装置
５０ アーム
５２ レーザ発信機
５４ レーザ機構部駆動制御装置
５６ レンズ・ミラー格納部
５８ レーザ光
６０ 表面溶融処理層
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉内溶接構造物の表面処理方法に係り、特に、原子力圧力容器内で炉水に接する原子炉内溶接構造物の表面を処理し、その耐粒界腐食性を改善するに好適な原子炉内溶接構造物の表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子力機器に属する原子炉圧力容器として、図５に示すものが知られている。この原子炉圧力容器には、低合金鋼の圧力容器本体１内に炉内構造物２や各種計装ノズル３、制御棒駆動機構の配管４などが取付られている。この原子炉圧力容器は、図６に示すように、低合金鋼の圧力容器本体１と、炉の内壁面を構成するステンレス鋼肉盛溶接金属５から構成されている。この圧力容器本体１の開口１ａには計装ノズル配管７が挿入されている。そしてノズル配管７の先端側は、溶接の開先内に応力除去焼鈍を行なったニッケル基合金の肉盛溶接金属部６とニッケル基合金の付き合わせ溶接金属部８によって圧力容器本体１に溶着されている。
【０００３】
従来技術では、溶接の開先内の溶接金属部６と付き合わせ溶接金属部８のニッケル基合金として、ＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格による溶接棒ＥＮｉＣｒＦｅ−１あるいはＥＮｉＣｒＦｅ−３が使用されている。これらの合金組成の一例を示すと、ＥＮｉＣｒＦｅ−１相当の材料はヒートＡ：０．０４１重量％Ｃ、２．４６重量％Ｍｎ、７２．１３重量％Ｎｉ、１４．７３重量％Ｃｒ、８．０１重量％Ｆｅ、２．３３重量％Ｎｂ、０．０３重量％Ｔｉであり、ＥＮｉＣｒＦｅ−３相当の材料はヒートＢ：０．０３９重量％Ｃ、６．３２重量％Ｍｎ、６５．８９重量％Ｎｉ、１５．２６重量％Ｃｒ、９．５４重量％Ｆｅ、１．６７重量％Ｎｂ、０．５４重量％Ｔｉである。
【０００４】
しかし、従来技術によるニッケル基合金ではＮｂ含有量が少ないので、粒界腐食感受性を有するということが、図７に示す試験結果から明らかである。
【０００５】
図７は、ニッケル基合金の改良ＡＳＴＭ Ｇ２８試験、いわゆる硫酸・硫酸第２鉄腐食試験による粒界腐食試験結果を示している。図中に示した材料のうち、Ｔｙｐｅ８２と称するものは、ＡＷＳ Ａ５．１４−７６規格におけるＥＲＮｉＣｒ−３相当の材料であり、Ｔｙｐｅ１８２とは、ＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格で溶接棒ＥＮｉＣｒＦｅ−１あるいはＥＮｉＣｒＦｅ−３である。さらに、Ｔｙｐｅ６００とは、通常のニッケル基６００合金のことである。図７において、粒界腐食試験結果は、材料中の炭素（Ｃ）量とニオブ量と２倍のチタン（Ｔｉ）の量の合計（Ｎｂ＋２Ｔｉ）重量％の関係で示している。図中の黒塗の記号は耐粒界腐食性の判定基準０．５ｍｍ／ｄ以上であったことを示しており、白抜きの記号は耐粒界腐食性の判定基準０．５ｍｍ／ｄ以下であったことを示している。
【０００６】
図７より明らかなように、安定化パラメータと称するＮ（＝Ｏ．１３（Ｎｂ＋２Ｔｉ）／Ｃ）の値が１２以上の成分領域は耐粒界腐食性が優れる領域である。この耐食性が優れるメカニズムはニッケル基合金内において、十分な量のＮｂは、ＣをＮｂＣとして固定して安定化させることになるので、結晶粒界でＣとＣｒとが反応してＣｒの欠乏偏析を形成し、いわゆる鋭敏化することがないためである。なお、耐粒界腐食性が優れる領域に一点だけ黒塗のデータがあるが、このヒートは、他のヒートのＳｉ量に比べ、多くのＳｉ量を含有しており、例外のヒートと考えて良い。
【０００７】
このように、図７から明らかな点は、一定Ｃ量の場合、耐粒界腐食性の向上のためには、Ｎｂ量を多く含有させる必要があることを示していることである。
【０００８】
また上述したＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格で溶接棒の種類がＥＮｉＣｒＦｅ−１あるいはＥＮｉＣｒＦｅ−３の溶接金属はほとんどが上記ヒートＡおよびヒートＢのように、含有Ｎｂ量が少なく、図７で安定化パラメータＮ（＝０．１３（Ｎｂ＋２Ｔｉ）／Ｃ）の値が１２以下の領域であり、耐粒界腐食性を有していない。したがって、炉水に接するニッケル基合金溶接部には何らかの表面処理を施す必要があると考えられる。
【０００９】
表面処理方法としては、例えば、特許公報第２６５４２３５号に記載されているように、原子炉容器の溶接部に固定されたオーステナイト系ステンレス鋼中性子束モニタハウジングなどの長尺ハウジングの上記溶接部によって熱の影響を受ける範囲内の内周面の表面を直接溶融させて、ここに、デルタ・フェライト組織を析出させ、しかるのち、熱影響部にショット・ピーニングを施すものが提案されている。
【００１０】
この方法をニッケル基合金に適用する場合を考えてみると、ニッケル基合金では、表面を溶融させても、冶金的条件から、フェライト組織は現われず、特有の効果が現われないことになる。
【００１１】
また、別の表面処理方法としては、例えば、特許公報第２６７２６１３号に記載されているように、原子炉圧力容器内の炉水中に設置されたオーステナイト・ステンレス鋼の原子炉内構造物及び機器の溶接部の表面を炉水中でレーザにより、溶融する溶融工程と、この溶融された溶接部の表面を炉水により、急冷する急冷工程とに従って処理するものが提案されている。しかし、この方法を用いても、ニッケル基合金では、溶接金属のように、Ｎｂを含有しない場合や、Ｎｂ含有量が少ない場合には、溶融工程と急冷工程だけでは、耐粒界腐食性を改善することはできない。この理由は、ニッケル基合金はオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、Ｃの固溶度が非常に小さく、水冷による冷却でも鋭敏化を防ぐことは困難であるからである。
【００１２】
さらに、別の表面処理方法として、特開平３−６３１２８号公報に記載されているように、ステンレス鋼母材の表面に、Ｃｒ：１５−５０重量％、Ｎｉ：５−３０重量％、Ｆｅ：４０−６０重量％、Ｍｏ：１−４重量％の組成のクラッド層を形成するものが提案されている。この方法によれば、耐食性を向上させることができる。しかし、この技術は、ステンレス鋼を対象としており、Ｎｂに着目してクラッド形成をすることについては配慮されてはいない。したがって、上記の技術を用いても、ニッケル基合金に対しては、あまり耐粒界腐食性の向上を図ることは期待できない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術では、Ｃの固溶度が小さいニッケル基合金では、Ｎｂ含有量が少ないと、耐粒界腐食特性の確保のためには、十分でないということについては配慮されておらず、これを改善しょうとする表面処理技術もオーステナイト系ステンレス鋼に対してのみであり、ニッケル基合金に対する処理方法については配慮されていない。
【００１４】
本発明の目的は、ニッケル基合金の耐粒界腐食特性を改善することができる原子炉内溶接構造物の表面処理方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、原子炉圧力容器の開口に挿入された溶接対象を前記圧力容器の内壁面にニッケル基合金で溶接し、この溶接によって圧力容器内に形成された溶接構造物の表面を処理するに際して、
前記溶接構造物の表面にＮｂを供給し、前記溶接構造物の表面層金属と前記供給したＮｂに熱エネルギーを与えて両者を溶融融合して合金化することを特徴とする原子炉内溶接構造物の表面処理方法を採用したものである。
【００１６】
前記原子炉内溶接構造物の表面処理方法を採用するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１７】
（１）前記溶接構造物の表面層金属と前記供給したＮｂに熱エネルギーを与えるに際して、アーク放電による熱エネルギーまたはレーザ光による熱エネルギーを利用すること。
【００１８】
（２）前記溶接構造物の表面にＮｂを供給するに際して、金属Ｎｂの粉末と揮発性溶媒の混濁体を前記溶接構造物の表面に塗布すること。
【００１９】
（３）前記溶接構造物の表面に供給するＮｂはＮｂ：４〜２０重量％、Ｃｒ：１５〜３５重量％、Ｎｉ：６０重量％以上を含有する合金である。
【００２０】
前記した手段によれば、溶接構造物の表面にＮｂを供給し、溶接構造物の表面層金属と供給したＮｂに熱エネルギーを与えて両者を溶融融合して合金化するようにしたため、ニッケル基合金の耐粒界腐食特性を改善することができるとともに、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【００２１】
具体的には、図４に示すように、原子炉内溶接構造物を構成するニッケル基合金の表面層の組成がＡ点の粒界腐食感受性域にあった場合、このＡ点の組成の表面層にＮｂ原子をアーク放電またはレーザを利用して溶融すると、Ｂ点における表面層のＮｂ含有量が増える。すると、Ｎｂはニッケル基合金内に存在するＣと反応し、このＣをＮｂＣの高温で安定な炭化物として固定し、材料を安定化させる。したがって、その後、材料表面の溶融層の冷却過程において、結晶粒界でＣとＣｒとが反応してクロム炭化物が形成されないので、Ｃｒ欠乏現象、すなわち鋭敏化を生じず、耐粒界腐食性が低下することはない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す原子炉内溶接構造部の表面処理方法のうち塗布工程を説明するための図である。図１において、原子炉圧力容器２０は、低合金鋼の容器本体２２を備えており、この本体２２の内壁面（炉水を臨む面）にはステンレス鋼肉盛溶接金属２４が溶着されている。そして本体２２の開口２６内には溶接対象の計装ノズル配管２８が挿入されている。このノズル配管２８の先端側は溶接の開先内においてニッケル基合金の肉盛溶接金属部３０を設けたあと、応力除去後焼鈍を行ない、しかる後に、ニッケル基合金の付き合わせ溶接金属部３２を形成してノズル配管２８に溶着されている。溶接の開先内における肉盛溶接金属部３０と付き合わせ溶接金属部３２のニッケル基合金としては、ＡＷＳ Ａ５．１１−７６規格で溶接棒の種類ＥＮｉＣｒＦｅ−１が使用されている。この合金組成を示すと、０．０４１重量％Ｃ、２．４６重量％Ｍｎ、７２．１３重量％Ｎｉ、１４．７３重量％Ｃｒ、８．０１重量％Ｆｅ、２．３３重量％Ｎｂ、０．０３重量％Ｔｉである。
【００２３】
ノズル配管２８が開口２６の先端側（内壁面）に肉盛溶接金属部３０と付き合わせ溶接金属部３２によって溶着されて原子炉内に溶接構造物が形成されたあとは、Ｎｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体の塗布工程において、Ｎｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体３４がスプレー３６から噴射される。スプレー３６はノズル配管２８中に挿入されており、スプレーノズル３６の端部はノズル回転駆動装置３８に接続され、ノズル回転駆動装置３８はＮｂ粉末塗布制御装置４０とノズル回転駆動制御装置４２に接続されている。そしてスプレーノズル３６は、ノズル回転駆動装置３８の駆動にしたがって、混濁体３４を肉盛溶接金属部３０と突き合わせ溶接金属部３２に向けて噴射し、これら原子炉内溶接構造物の表面にＮｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体３４を塗布する。これら溶接構造物の表面に混濁体３４が塗布されると、これら溶接構造物の表面にはＮｂ粉末塗布層４４が形成される。このＮｂ粉末の平均粒径は０．５μｍ以下であり、Ｎｂ粉末塗布層４４の厚さは少なくとも５μｍ以上が適当である。
【００２４】
Ｎｂ粉末と揮発性溶媒の混濁体３４の塗布工程において、Ｎｂを０．５μｍ以下の粒径の小さい粉末にするのは、溶接の開先内の肉盛溶接金属部３０および突き合わせ溶接金属部３２のニッケル基合金の表面層の溶融部分にＮｂを溶解しやすくするためと、スプレー方式によってＮｂを搬送しやすくするためである。
【００２５】
次に、本発明における溶融工程の第１実施形態を図２にしたがって説明する。本実施形態は、ノズル配管２８内にレーザ制御駆動管４６を挿入し、この駆動管４６の一端をレーザ機構部駆動装置４８に接続し、他端をアーム５０に接続し、駆動装置４８にレーザ発信機５２、機構部駆動制御装置５４を接続し、アーム５０の先端側にレンズ・ミラー格納部５６を接続し、レンズミラー格納部５６から溶接構造物に向けてレーザ光５８を照射するようにしたものである。
【００２６】
すなわち、本実施形態においては、図１に示す塗布工程の後、Ｎｂ粉末塗布層４４に向けてレーザ光５８を照射し、Ｎｂ粉末塗布層４４をレーザ光５８の熱エネルギーによって溶融させる溶融工程が行なわれる。レーザ光５８の熱エネルギーによってＮｂ粉末塗布層４４が溶融されると、この表面には表面溶融処理層６０が形成される。
【００２７】
本実施形態におけるレーザ発信機５２によるレーザはＹＡＧレーザであり、レーザ発信機５２から出力されるレーザはレーザ機構部駆動装置４８、レーザ制御駆動管４６、アーム５０、レンズ・ミラー格納部５６に伝送され、レンズ・ミラー格納部５６からＮｂ粉末塗布層４４に向けてレーザ光５８が照射される。なおレーザ光はグラスファイバによって伝送される。また、ＹＡＧレーザ照射の条件は、出力：０．４５ｋＷ、パルス周波数：３０Ｈｚ、レーザ照射速度：１ｍｍ／ｓ、シールドガス：アルゴンである。
【００２８】
本実施形態においては、Ｎｂ粉末塗布層４４の表面層にレーザ光５８を照射してＮｂを溶融させると、溶接構造物表面層のＮｂ含有量が増加し、Ｎｂはニッケル基合金内に存在するＣと反応し、ＣをＮｂＣとして固定し、材料を安定化させる。したがって、その後の材料表面溶融層の冷却過程において、結晶粒界でＣとＣｒが反応してＣｒ炭化物が形成されないので、Ｃｒ欠乏現象、すなわち鋭敏化を生じず、耐粒界腐食性が低下することはない。
【００２９】
したがって、本実施形態によれば、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【００３０】
次に、本発明における溶融工程の他の実施形態を図３にしたがって説明する。
【００３１】
本実施形態は、容器本体２２の開口２６内にステンレス鋼ハウジング管６２を挿入し、ハウジング管６２の管の途中を、圧力容器２０の内壁面を構成するニッケル基合金の肉盛溶接金属部６４にニッケル基合金の突き合わせ溶接金属部６６で溶着するとともに、ハウジング管６２のうち炉水に接する面にスタッブ管６８を装着し、スタッブ管６８の両端側をハウジング管６２の外周側にニッケル基金属の突き合わせ溶接金属部６６とニッケル基合金の突き合わせ溶接金属部７０によって溶着する。この場合、各ニッケル基溶接金属部６４、６６の表面層はＴＩＧ・トーチ７２によるアーク放電７４により溶かされる。このＴＩＧトーチ７２に供給されるワイヤはＮｂ：４〜２０重量％、Ｃｒ：１５〜３０重量％、Ｎｉ：６０重量％以上を含有する合金である。このＮｂを高めた合金を突き合わせ溶接金属部６６、７０の表面層に少量溶かし込む。このときのＴＩＧ溶接条件は、平均電流：５０Ａ、アーク電圧：１２Ｖ、溶接速度：５０ｍｍ／ＭＩＮ、シールドガス：Ａｒである。
【００３２】
ワイヤのＮｂ合金の含有Ｎｂ量を多くしたのは、ニッケル基溶接金属の表面層で組成の希釈があっても、十分なＮｂ量の表面層にするためである。すなわちＣｒおよびＮｉ量はニッケル基溶接金属の表面層で組成に合わせるためである。
【００３３】
本実施形態においては、Ｎｂ粉末塗布層４４の表面層のＮｂをアーク放電７４により溶融させると、溶接構造物表面層のＮｂ含有量が増加し、Ｎｂはニッケル基合金内に存在するＣと反応し、ＣをＮｂＣとして固定し、材料を安定化させる。したがって、その後の材料表面溶融層の冷却過程において、結晶粒界でＣとＣｒが反応してＣｒ炭化物が形成されないので、Ｃｒ欠乏現象、すなわち鋭敏化を生じず、耐粒界腐食性が低下することはない。
【００３４】
したがって、本実施形態によれば、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶接構造物の表面にＮｂを供給し、溶接構造物の表面層金属と供給したＮｂに熱エネルギーを与えて両者を溶融融合して合金化するようにしたため、ニッケル基合金の耐粒界腐食特性を改善することができるとともに、圧力容器の炉水中に配置されるニッケル基合金製原子炉内溶接構造物の腐食による損傷を未然に防止でき、原子力プラントの稼動率を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すＮｂ粉末の塗布工程を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるレーザによる溶融工程を説明するための図である。
【図３】本発明の他の実施形態におけるアーク放電による溶融工程を説明するための図である。
【図４】ニッケル基合金表面層におけるＮｂの組成の変化を説明するための特性図である。
【図５】従来の原子炉圧力容器の断面図である。
【図６】従来の計装ノズルの溶接部の要部断面図である。
【図７】ニッケル基合金の改良ＡＳＴＭ Ｇ２８試験による粒界腐食試験結果を示す特性図である。
【符号の説明】
２０ 原子炉圧力容器
２２ 容器本体
２４ ステンレス鋼肉盛溶接金属部
２６ 開口
２８ ノズル配管
３０ ニッケル基合金の肉盛溶接金属部
３２ ニッケル基合金の突き合わせ溶接金属部
３４ 混濁体
３６ スプレーノズル
３８ ノズル回転駆動装置
４０ Ｎｂ粉末塗布制御装置
４２ ノズル回転駆動制御装置
４４ Ｎｂ粉末塗布層
４６ レーザ制御駆動管
４８ レーザ機構部駆動装置
５０ アーム
５２ レーザ発信機
５４ レーザ機構部駆動制御装置
５６ レンズ・ミラー格納部
５８ レーザ光
６０ 表面溶融処理層
Claims (4)
- 原子炉圧力容器の開口に挿入された溶接対象を前記圧力容器の内壁面にニッケル基合金で溶接し、この溶接によって圧力容器内に形成された溶接構造物の表面を処理するに際して、
前記溶接構造物の表面にＮｂを供給し、前記溶接構造物の表面層金属と前記供給したＮｂに熱エネルギーを与えて両者を溶融融合して合金化することを特徴とする原子炉内溶接構造物の表面処理方法。 - 前記溶接構造物の表面層金属と前記供給したＮｂに熱エネルギーを与えるに際して、アーク放電による熱エネルギーまたはレーザ光による熱エネルギーを利用することを特徴とする請求項１に記載の原子炉内溶接構造物の表面処理方法。
- 前記溶接構造物の表面にＮｂを供給するに際して、金属Ｎｂの粉末と揮発性溶媒の混濁体を前記溶接構造物の表面に塗布することを特徴とする請求項１または２に記載の原子炉内溶接構造物の表面処理方法。
- 前記溶接構造物の表面に供給するＮｂはＮｂ：４〜２０重量％、Ｃｒ：１５〜３５重量％、Ｎｉ：６０重量％以上を含有する合金であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の原子炉内溶接構造物の表面処理方法。
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