JP4184667B2 - 構造部材補修方法および構造部材補修装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部材補修方法および構造部材補修装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属材料は供用される環境において様々な経年変化を起こす。通常、強度や肉厚等を考慮して構造物の仕様が決定されるが、大きな応力が負荷される部分はき裂を起こす可能性があり、酸化性の環境では腐食による減肉が進行する可能性がある。
【0003】
これらの経年変化に対して、き裂や減肉を補修する補修加工を実施することにより、構造部材を当初の設計仕様を満足する形態に復元することが可能となる。また、経年変化を予測し、き裂や減肉が進行する前に該部に同様の補修加工を行うことにより、構造物の安全性を向上することも可能となる。更に、構造物の強度仕様を満足することができる補修方法があれば、新規部材に交換する方法に比べて、廃棄物減量、コスト低減、工期短縮の観点で有利である。
【0004】
一般的な補修方法には、金属材料を熱的に溶解して補修対象部に肉盛りする溶接補修がある。しかし、この方法は、肉盛りする材料および補修対象構造部材を融点以上に加熱するために、補修対象構造部材に熱的な影響が残留する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
熱的に電極材料を溶かして構造部材に肉盛り溶接すると、溶けた電極材料の熱が構造部材に伝導するために、補修部および補修部近傍に熱影響組織が発生する。また、電極材料による肉盛り部が冷えるときの熱収縮によって構造部材に引張応力が発生する。従って、このような組織の変化や応力の発生を軽減するために、補修溶接時の入熱量の管理は補修後の強度を確保する上で非常に重要である。特に、原子炉の炉内構造部材は、中性子照射を受けることによって部材中にヘリウムが発生するために、そこに熱を加えるとヘリウムが集合して金属結晶粒界に移動することで強度の低下が起る。
【0006】
また、入熱に対する感受性(熱影響の程度)は、使用時の構造部材に負荷される応力や歪み、酸素濃度や不純物濃度等の水質環境、使用温度、放射線量、使用開始からの稼動期間、材質等の運転環境によって異なることを考慮する必要がある。
【0007】
更に、補修溶接の入熱による応力や組織変化に対して、補修後に熱処理や応力緩和等の二次的な作業を行う場合があり、補修部の信頼性を向上するためには入熱量をコントロールした構造部材の補修方法が必要である。
【0008】
本発明の目的は、補修溶接による入熱による補修対象の構造部材の応力発生や組織変化を抑制することができる構造部材補修方法を提案することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記構造部材の補修部位の運転環境データに基づいて補修施工時の入熱量が補修対象構造部材の許容値以下になるように溶接方法を選定して該溶接方法の施工データに基づいて溶接施工出力を調整して補修溶接を実施することにより、補修による構造部材への入熱による応力発生や組織変化を抑制することを特徴とする。
【0010】
具体的には、第1の手段は、補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、前記構造部材の補修部位の運転環境データに基づいて補修施工時の入熱量が補修対象構造部材の許容値以下になるように予め設定された複数の溶接方法の中から適切な溶接方法を選定して該溶接方法の施工データに基づいて溶接施工出力を調整して補修溶接を実施することを特徴とする。
【0011】
この場合、前記運転環境データには、補修部位の水質、温度、中性子照射量、材質、ヘリウム含有量の少なくとも1つを含み、前記施工データは、溶接方法の溶接施工出力と入熱量の関係または溶接施工出力と材質の関係を含む溶接施工条件と補修部性状の関係を示す。また、前記溶接施工出力は、電圧値、電流値、時間を含む値によって出力を変化させ得る電極の大きさや電極と構造部材の間隔による幾何学的な数値を含む要素に基づいて設定される。
【0013】
第2の手段は、補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、極性及び周期が単一のパルス電圧を繰り返して印加し、電流の積算値に基づいて溶接施工出力を設定する放電パルス溶接によって構造部材と電極間に短時間放電を発生させて放電熱で蒸発した電極成分を構造部材に溶接する溶接方法を用い、補修部位表面の酸化皮膜を予め測定した施工出力と破壊データまたは電極極性と破壊データに基づいて施工出力を調整して前記皮膜を破壊除去する第1の工程と、その後、補修部位の運転環境データに基づいて溶接施工時の該補修部位への入熱量が許容値以下となるように施工データを参照して求めた溶接施工出力で前記溶接方法によって補修溶接を行う第2の工程とを備え、前記第1及び第2の工程で使用される溶接方法が、極性及び周期が単一のパルス電圧を繰り返して印加し、電流の積算値に基づいて前記溶接施工出力を設定する放電パルス溶接であることを特徴とする。
【0014】
これらの場合、前記施工データは、放電出力と入熱量の閑係、放電出力と材質の関係を含む溶接条件と補修部性状の関係を含む。放電出力は、電圧、電流、放電パルス形状、パルス周期、パルス幅および放電出力を変化させ得る電極の大きさや電極と構造部材の間隔による幾何学的な数値などの要素に基づいて設定される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【0017】
図1は、本発明の構造部材補修方法の第1の実施の形態を示すフローチャート、図2は、運転環境データベースである。
【0018】
図1において、まず、ステップ1において、運転環境データを参照して補修部の状態を把握する。この運転環境データは、図2に示すように、補修部の材質(M1、M2・・・)や中性子照射量(N1、N2・・・)を格納した運転環境データベースから取得する。この運転環境データベースは、補修部の材料が記されたミルシート、製作時における溶接や加工の作業記録および運転記録による運転期間の積算値や温度計、溶存酸素計、導電率、溶存酸素計の指示値から作成する。図2に示した運転環境データベースでは、部位A(例えば原子炉シュラウド)を補修する場合は、材質がMl、中性子照射量がNlであることがわかる。また、部位B(例えば原子炉圧力容器)の場合には、材質がM2、中性子照射量がN2である。なお、図2におけるAないしD、材質M、中性子照射量N、温度T、雰囲気C、稼働期間TMは具体的には図2に示す通りである。なお、応力については、各対象物について測定しておき、その測定結果がそれぞれ使用される。
【0019】
次に、ステップ2において、許容入熱量を判定する。許容入熱量は、文献(例えばWeldability of neutron irradiated austenitic stainless steels、Journal of Nuclear Materials 264、P8(1999))に示されるように、ヘリウム濃度と相関がある。一方、構造部材中では、合金元素や不純物が中性子照射で核変換する際に、ヘリウムが核反応式(1)および(2)によって生成し、ステンレス鋼の場合には、ヘリウムの生成量は1×1022n/cm2当り、5.5ppmであることが日刊工業新聞社発行ステンレス鋼便覧P143に示されている。
【0020】
58Ni(n,γ)59Ni(n,α)56Fe …(反応式1)
10B(n,α)7Li …(反応式2)
これらのことから、許容入熱量とヘリウム濃度の相関関係とヘリウム濃度と中性子照射量の相関関係から、許容入熱量は、中性子照射量に依存して変化し、中性子照射量と許容入熱量は、相関関係を持つことがわかる。この中性子照射量と許容入熱量の相関関係を図3に模式的に示す。
【0021】
図3に示した中性子照射量と許容入熱量の相関関係から、補修部が部位Aの場合は、材質Mlの中性子照射量Nlに対する入熱量がHl以下、部位Bの場合には、材質M2の中性子照射量N2に対する入熱量がH2以下であれば許容できることがわかる。
【0022】
ステップ3において、補修する部位に応じた許容入熱量HlやH2を満足できる補修方法を選定する。補修方法は、図4に示した施工データのように、補修施工出力に応じて入熱量が大きくなる特徴がある。Rl、R2、R3は、補修方法の補修施工出力と入熱量を模式的に示したものである。例えば、Rlは放電溶接方法、R2はレーザ溶接方法、R3はガス溶接やアーク溶接方法が相当する。ステップ2において判定した許容入熱量Hl、H2の場合には、許容入熱量Hlの補修では放電溶接方法Rlを選定し、許容入熱量H2の補修ではレーザ溶接方法R2を選定することにより、許容入熱量以下の条件を満足する補修を実施することができる。
【0023】
ステップ4において、補修施工出力を初期条件として設定する際に、許容入熱量H1以下、H2以下を満足することができる補修施工出力は、図4に示した施工データからW1またはW2となる。この補修施工出力は、電圧値や電流値を制御することで変化させることができる。
【0024】
以上のステップ1からステップ4において、補修部位に応じた入熱量を満足することができる補修方法および補修施工出力を決定して設定する。
【0025】
ステップ5において、補修施工範囲をX、Y軸座標で入力して設定する。
【0026】
ステップ6において、補修施工出力を施工ヘッドに印加して補修を開始する。
【0027】
ステップ7において、駆動機構を制御して施工ヘッドをX、Y軸座標で設定された補修範囲を移動走査しながら補修を行う。
【0028】
ステップ8において、設定された補修範囲内の補修の終了を確認する。
【0029】
ステップ9において、補修を停止する。
【0030】
図5は、本発明の構造部材補修方法の第2の実施形態を示すフローチャート、図6は、放電施工データ、図7は、放電施工出力制御特性図である。この第2の実施形態は、電極に電圧をパルス状に印加することで構造部材と前記電極間に短時間放電を発生させ、放電熱で蒸発させた電極成分を構造部材に溶着させる放電パルス溶接方法を設定した補修方法の例である。
【0031】
図5において、第1の実施形態と同様なステップ1〜3における補修方法の選定ステップで、補修方法として放電溶接方法を決定する。
【0032】
ステップ4において、初期放電条件を設定する。この初期放電条件の設定は、図6に示した放電施工データに示すように、初期放電出力を入熱量Hl、H2に応じてWl、W2と設定する。また、放電出力は、電圧値や電流値を変えることで変化させることができるが、ここでは、放電パルスの時間幅を調整することで放電出力を変化させる方法を採用している。
【0033】
放電パルス溶接では、図7に示すように、電圧一定のパルス電圧を時間幅τlだけ印加するとこの間は電流iが流れ、パルス電圧が休止すると電流値はゼロとなる。パルス電圧をτ2の間隔で繰り返して印加すると、電流iの積算値に応じて徐々に施工出力が増加し、施工時間Tを経過したときに設定値Wlに達するようになる。
【0034】
ステップ5において、補修範囲をX、Y座標で入力して設定する。
【0035】
ステップ6において、放電パルスを施工ヘッド(電極)に印加して補修を開始する。
【0036】
ステップ7〜9は、第1の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
【0037】
図8は、本発明の構造部材補修方法の第3の実施形態を示すフローチャート、図9は、構造部材の稼働時間と該構造部材に形成される皮膜の厚さの関係を示す特性図、図10は、皮膜除去施工出力と皮膜除去量(厚さ)の関係を示す特性図である。
【0038】
この第3の実施形態は、補修対象の構造部材に形成された皮膜を破壊して除去した後に該構造部材に補修用の肉盛り溶接を実施する補修方法である。
【0039】
ステップAからステップDの皮膜を除去する手順を追加したことに特徴がある実施形態である。ステップ1からステップ8は前述した第2の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
【0040】
ステップAにおいて、図2に示した運転環境データの材質や水質、稼動期間に基づいて補修部位の皮膜厚さを判定する。皮膜厚さは、図9に示すように、主に水質と稼動期間で厚さD1と判定することができる。また、気中で使用されている部位であれば、雰囲気ガス濃度と稼動期間で判定することができる。
【0041】
ステップBにおいて、図10に示す破壊データに基づいて、皮膜厚さD1を破壊除去するために必要な破壊出力をB1に設定する。
【0042】
ステップCにおいて、皮膜除去範囲をX、Y座標で入力して設定する。
【0043】
ステップDにおいて、破壊出力B1によって補修部位の皮膜除去を実施する。
【0044】
ステップEにおいて、終了を判定する。
【0045】
この皮膜除去の終了後のステップ5以降は第1の実施形態と同じである。
【0046】
図11は、本発明の構造部材補修方法を実施する第4の実施形態を示す構造部材補修装置の斜視図である。この構造部材補修装置は、第1〜第3の実施形態で説明した構造部材補修方法を実施するために好適な装置である。
【0047】
この構造部材補修装置は、構造部材1を補修する補修電極2と、運転環境データ、施工データ、皮膜破壊データなどのデータベースを格納する記憶部3と、判定処理を行う演算装置4と、補修電極2を保持する走査アーム5を駆動する駆動機構6と、補修電極2を補修部位に対向させて走査する制御を行う駆動機構操作盤7と、補修施工出力を設定された値に調整して補修電極2に印加する出力調節部8と、データや判定処理の結果等を表示する表示装置9と、補修範囲等を入力して設定する入力装置10を備える。
【0048】
出力調節部8は、電圧や電流値、放電パルスの周期やパルス幅を変化させることにより補修施工出力を変化させる構成であり、記憶部3に格納しているデータベースを用いて調整した補修施工出力を出力する。補修施工範囲は、補修対象部11を覆うように、入力装置10からX軸、Y軸の座標で駆動機構操作盤5に入力し、駆動機構6を制御して走査アーム5を駆動することにより補修電極2を移動走査して補修施工する。酸化皮膜の除去も同様の手順で所定位置に電極2を移動して施工する。
【0049】
図12は、電極2の移動走査軌跡の一例を示している。この移動走査軌跡は、構造部材1上をX軸およびY軸に矩形にジグザグ移動する走査軌跡である。
【0050】
なお、本発明は、あらゆる構造部材に適用できるが、特に原子力施設や発電施設などの構造部材に対する補修などの予防保全に最適である。
【0051】
【発明の効果】
本発明は、補修対象部材の入熱量の許容値を考慮した溶接方法を予め設定された複数の溶接方法の中から選定し、許容入熱量の制約を満足する施工出力により補修溶接を実施することができるために、補修後の応力発生や組織変化を防止することができる。更には、補修後の熱処理等の2次的な作業を省略することができ、復旧までの工期の短縮を図ることができる。
【0052】
また、低入熱量の肉盛り補修は勿論のこと、効率を考慮して、高入熱量の肉盛り補修も可能である。
【0053】
更に、補修対象部に皮膜が形成された構造部材に対しても該皮膜を除去した上で前述したような肉盛り補修を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構造部材補修方法の第1の実施形態を示すフローチャートである。
【図2】本発明の構造部材補修方法で参照する運転環境データベースの一例を示す図である。
【図3】構造部材の中性子照射量と許容入熱量の関係を示す特性図である。
【図4】補修施工出力と入熱量の関係を示す特性図である。
【図5】本発明の構造部材補修方法の第2の実施形態を示すフローチャートである。
【図6】放電施工出力と入熱量の関係を示す特性図である。
【図7】放電施工出力制御特性図である。
【図8】本発明の構造部材補修方法の第3の実施形態を示すフローチャートである。
【図9】構造部材の稼働時間と皮膜厚さの関係を示す特性図である。
【図10】皮膜除去施工出力と破壊皮膜厚さの関係を示す特性図である。
【図11】本発明の第4の実施形態を構造部材補修装置の斜視図である。
【図12】本発明の第4の実施形態を構造部材補修装置における電極の走査軌跡の一例である。
【符号の説明】
1 構造部材
2 補修電極
3 記憶部
4 演算装置
5 走査アーム
6 駆動機構
7 駆動機構操作盤
8 出力調節部
9 表示装置
10 入力装置
Claims (5)
- 補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、
前記構造部材の補修部位の運転環境データに基づいて補修施工時の入熱量が補修対象構造部材の許容値以下になるように予め設定された複数の溶接方法の中から適切な溶接方法を選定し、該溶接方法の施工データに基づいて溶接施工出力を調整して補修溶接を実施することを特徴とする構造部材補修方法。 - 前記運転環境データは、補修部位の水質、温度、中性子照射量、材質、ヘリウム含有量の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1記載の構造部材補修方法。
- 前記施工データは、溶接方法の溶接施工出力と入熱量の関係または溶接施工出力と材質の関係を含む溶接施工条件と補修部性状の関係を含むことを特徴とする請求項1記載の構造部材補修方法。
- 補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、
極性及び周期が単一のパルス電圧を繰り返して印加し、電流の積算値に基づいて溶接施工出力を設定する放電パルス溶接によって構造部材と電極間に短時間放電を発生させて放電熱で蒸発した電極成分を構造部材に溶接する溶接方法を用い、補修部位表面の酸化皮膜を予め測定した施工出力と破壊データまたは電極極性と破壊データに基づいて施工出力を調整して前記皮膜を破壊除去する第1の工程と、
その後、補修部位の運転環境データに基づいて溶接施工時の該補修部位への入熱量が許容値以下となるように施工データを参照して求めた溶接施工出力で前記溶接方法を用いて補修溶接を行う第2の工程と、
を備えていることを特徴とする構造部材補修方法。 - 前記施工データは、放電出力と入熱量の関係、放電出力と材質の関係を含む溶接条件と補修部性状の関係を含むことを特徴とする請求項4記載の構造部材補修方法。
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