JP4254817B2

JP4254817B2 - 高周波誘導加熱応力緩和法

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Publication number: JP4254817B2
Application number: JP2006194641A
Authority: JP
Inventors: 隆平野; 拓郎寺嶋
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2008019499A

Description

本発明は、応力腐食割れを予防するための高周波誘導加熱応力緩和法に関するものである。

従来、粒界応力腐食割れ（Intergranular Stress Corrosion Cracking、以下ＩＧＳＣＣという）の予防保全の一環として、オーステナイト系ステンレス鋼母材部および溶接部に対し、高周波誘導加熱による応力緩和法（Induction Heating Stress Improvement、以下ＩＨＳＩという）が、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の溶接継手部に実施されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２２６１１２号公報

ところで、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の水位計装ノズル（ニッケルクロム鉄合金、Ｐ−４３）と、セーフエンド（オーステナイト系ステンレス鋼、Ｐ−８）との溶接継手部は、従来の対象箇所（モリブデン鋼とオーステナイト系ステンレス鋼との溶接継手部など）に比べ、小口径で薄肉であること、および従来と母材の組合せが異なることなどの理由により、ＩＨＳＩの効果が確認できていなかった。

すなわち、従来のＩＨＳＩは、大口径で肉厚の管溶接部を対象に実施されてきたが、従来の加熱条件および加熱装置では、水位計測ノズル（Ｐ−４３＋Ｐ−８溶接継手）のような小口径、薄肉の管形状に対する応力改善効果が低いとされ、また水位計測ノズル（Ｐ−４３＋Ｐ−８溶接継手）に対する施工後の応力改善効果および健全性について確証されていなかったことが問題であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小口径で薄肉な管の溶接継手部の残留応力を緩和することができる高周波誘導加熱応力緩和法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、中立半径Ｒが３３ｍｍ以下、かつ板厚ｔが８．５ｍｍ以上１７ｍｍ以下である管の溶接継手部の管内面を水冷しながら管外面側から高周波誘導コイルにて加熱して、上記溶接継手部の内面の残留応力を緩和するための高周波誘導加熱応力緩和法において、上記管は、ニオブ含有量が１％以上３％以下のニッケルクロム鉄合金製鋼管と、炭素含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管とからなり、それら鋼管の間に位置する溶接部は、Ｒ−４３またはＡｌｌｏｙ８２から形成され、上記高周波誘導コイルによる高周波誘導加熱を行うに際して、上記高周波誘導加熱の加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下に設定し、かつ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離Ｄを、数１

以上に設定し、かつ最高加熱温度を６５０℃以下に設定したものである。

上記目的を達成するために本発明は、中立半径Ｒが３３ｍｍ以下、かつ板厚ｔが８．５ｍｍ以上１７ｍｍ以下である管の溶接継手部の管内面を水冷しながら管外面側から高周波誘導コイルにて加熱して、上記溶接継手部の内面の残留応力を緩和するための高周波誘導加熱応力緩和法において、上記管は、ニオブ含有量が１％未満若しくは３％超のニッケルクロム鉄合金製鋼管と、炭素含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管とからなり、それら鋼管の間に位置する溶接部は、ニッケルクロム鉄合金からなり、上記高周波誘導コイルによる高周波誘導加熱を行うに際して、上記高周波誘導加熱の加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下に設定し、かつ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離Ｄを、数１

以上に設定し、かつ最高加熱温度を６００℃以下に設定したものである。

上記目的を達成するために本発明は、中立半径Ｒが３３ｍｍ以下、かつ板厚ｔが８．５ｍｍ以上１７ｍｍ以下である管の溶接継手部の管内面を水冷しながら管外面側から高周波誘導コイルにて加熱して、上記溶接継手部の内面の残留応力を緩和するための高周波誘導加熱応力緩和法において、上記管は、ニオブ含有量が１％未満若しくは３％超のニッケルクロム鉄合金製鋼管と、炭素含有量が０．０２％超のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管とからなり、それら鋼管の間に位置する溶接部は、ニッケルクロム鉄合金からなり、上記高周波誘導コイルによる高周波誘導加熱を行うに際して、上記高周波誘導加熱の加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下に設定し、かつ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離Ｄを、数１

以上に設定し、かつ最高加熱温度を５５０℃以下に設定したものである。

好ましくは、予め、残留応力を緩和するのに必要とされる内外面の温度差ΔＴの関係式である数２を求め、

上記高周波誘導加熱時に、管外面の実際の最高加熱温度を求めるために設定された管外面の評価点における温度Ｔ _Oを測定することで、管内面温度Ｔ_iを数３および数４にて算出し、

それら測定した評価点のうちの最低温度と算出した管内面温度Ｔ_iとの差ΔＴが、数２を満たすことを確認するものである。

本発明によれば、小口径で薄肉な管の溶接継手部の残留応力を緩和することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の高周波誘導加熱応力緩和法（以下、ＩＨＳＩという）は、小口径かつ薄肉の管の溶接継手部を対象とし、例えば、原子炉圧力容器の水位計装ノズルとそのノズルに接合されるセーフエンドとの溶接継手部を対象とする。

まず、図１および図２に基づきＩＨＳＩが対象とする溶接継手部を説明する。

図１に示すように、原子炉圧力容器１には、その圧力容器１内の冷却水の水位を計測する水位センサ（図示せず）を接続するための水位計装ノズル２が取り付けられる。

図２に示すように、水位計装ノズル２は、圧力容器１から外方に延出する管形状を有し、その先端には、セーフエンド３と呼ばれる管が取り付けられる。

より具体的には、水位計装ノズル２は、ニッケルクロム鉄合金（例えば、インコネル（登録商標））からなり、他方、セーフエンド３は、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、それらニッケルクロム鉄合金の母材（以下、Ｐ−４３という）とオーステナイト系ステンレス鋼の母材（以下、Ｐ−８という）とは、溶接にて接合される。また、本実施形態では、ニッケルクロム鉄合金の溶接材を加えて溶接が行われる。

このように、溶接継手部４は、Ｐ−４３の母材部２と、Ｐ−８の母材部３と、それら母材の間に位置するニッケルクロム鉄合金の溶接部５とで構成される。

次に、図３に基づき本実施形態のＩＨＳＩを説明する。

図３に示すように、ＩＨＳＩは、溶接継手部４の外周を囲繞するよう高周波誘導コイル（以下、加熱コイルという）６を配置し、その加熱コイル６に高周波加熱電源７から高周波電流を供給して溶接継手部４を管外面側から加熱すると共に、管２、３内に液体（具体的には、水）を流して溶接継手部４の管内面を水冷して行われる。

これにより、溶接継手部４の外面側が加熱されて膨張しようとするが、その一方で、内面側は水冷され変形しないため、その内面が圧縮されることとなり残留応力（引張応力）が圧縮応力に移行される。

本実施形態では、従来に比べて小口径、薄肉の管２、３の溶接継手部４を対象とすることから、従来のＩＨＳＩ加熱条件（エッセンシャルバリアブル）である最高加熱温度Ｔ_O（℃）、管内外面の温度差ΔＴ（℃）、加熱時間τ（ｓｅｃ）、コイル幅Ｌ（ｍｍ）、溶接線位置（溶接中心）とコイル端との距離Ｄ（ｍｍ）の各エッセンシャルについて再検討した。ここで、本実施形態の小口径、薄肉の管２、３とは、管２、３の中立半径Ｒが３３ｍｍ以下、板厚ｔが１７ｍｍ以下のものをいう。

ＩＨＳＩ加熱条件を再検討した結果、表１の加熱条件が得られた。表１に、従来からのＩＨＳＩ加熱条件と本実施形態のＩＨＳＩ加熱条件の比較を示す。

ここで、表１のＡｌｌｏｙ８２は、ニッケルクロム鉄合金の溶加材であり、ＪＩＳ規格のＹＮｉＣｒ−３、ＡＷＳ規格のＥＲＮｉＣｒ−３に相当する。また表１のＲ−４３は、ニッケルクロム鉄合金の溶加材であり、ＪＩＳ規格のＹＧＴ９Ｎｉ−１、ＡＷＳ規格のＥＲＮｉＣｒ−３、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−２、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−３、ＥＲＮｉＣｒＦｅ−５、ＥＲＮｉＣｒＦｅ−６に相当する。
表１に示すように、本実施形態では、応力緩和の対象部が薄肉であることから、加熱への影響因子として、加熱深さＳ（ｍｍ）を加熱条件として追加した。また、加熱範囲が不十分にならないよう、溶接中心とコイル端の距離Ｄ（ｍｍ）を新たに設定し直した。

すなわち、本実施形態では、管２、３の中立半径（管公称厚さの中心における曲率半径）をＲ（ｍｍ）、板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、上記高周波誘導加熱の加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下に、かつ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離Ｄを、数５

以上に設定して、高周波誘導加熱する（図３参照）。

まず、図４に基づき加熱深さＳについて説明する。

一般に、誘導加熱は、加熱コイル６に誘導電流を流すことにより被加熱物に磁束を発生させ、非常に密度の高い電流（うず電流）を誘導し、これによって被加熱物を加熱させる方法である。

うず電流は、被加熱物の表面に近いほど強く、内部に行くにつれて指数的に弱くなる。これを表皮効果という。図４は、この表皮効果を示したものである。

図４は、電流浸透深さＳ（図４ではσ）と渦電流密度分布との関係を示したものである。

図４から、うず電流が表面における強さの０．３６８倍に減少した点までの深さを加熱深さＳと定義する。その加熱深さＳの式を数６に示す。

以上のように定義された加熱深さＳを、本実施形態では、ｔ／６以上ｔ／２以下に設定した。

これは、板厚ｔの適用範囲が８．５〜１７ｍｍ（実機水位計装ノズル２の板厚範囲）であること、および使用周波数の範囲を２０±１０ｋＨｚ程度に設定することが、加熱時の熱伝達性および加熱装置（高周波加熱電源）の性能の点から現実的であると考えられることによる。

すなわち、加熱深さＳがｔ／２を超え、加熱深さが深くなると、管板厚方向の温度分布が適切な勾配とならないことから、十分な応力改善効果が得られない。一方、加熱深さＳがｔ／６未満であると、表面での加熱となってしまい、前述と同一の理由により、応力改善効果が十分に得られなくなってしまう。

ここで、加熱深さＳは、管２、３の材料の固有抵抗と加熱コイル６に付与される周波数とにより決定される。

図５および図６に基づき、加熱コイル６に付与する周波数ｆと加熱深さＳの関係について説明する。

図５に、インコネル（登録商標）（Ｐ−４３）およびオーステナイト系ステンレス鋼（Ｐ−８）の各周波数による加熱深さＳの計算結果を示す。

図５より、インコネル（登録商標）とステンレス鋼では、加熱深さＳに差異はなく、現状で一般に使用される周波数（ｆ＝２０ｋＨｚ）では、加熱深さＳは約４ｍｍ、周波数設定範囲（ｆ＝２０±１０ｋＨｚ）では、加熱深さＳは３〜５．５ｍｍ程度になると言える。

図５の結果をもとに、周波数ｆと、板厚ｔを加熱深さＳで割った商ｔ／Ｓとの関係を求めると図６のようになる。

図６より、板厚ｔが８．５ｍｍの場合、周波数ｆが１０ｋＨｚではｔ／Ｓが２．２５を下回り、ＩＨＳＩ施工時の外面加熱、内面冷却を行う際に、板厚方向への適切な温度勾配が得られないと考えられることから、周波数ｆを２０ｋＨｚ以上に設定する必要がある。

また、図６より、いずれの板厚ｔでもｔ／Ｓは、最大６を超えない。これは水位計装ノズル２については、使用する周波数ｆは３０ｋＨｚを最大とすることが妥当であることを示している。

次に、図７に基づき溶接中心からコイル端までの距離Ｄについて説明する。

図７に、事前確認試験の内外面温度計測の結果を示す。試験体には外径φ７６．５ｍｍ、板厚１３．５ｔ（ｍｍ）の管を用いた。加熱コイル６は、コイル幅Ｌが１００ｍｍのものを使用しており、水位計装ノズル２のＩＨＳＩの規定値（例えば、飯田他、「高周波誘導加熱による応力緩和法に関する指針（ＳＣＣ対策工法）ＴＮＳ−Ｇ２８０４−１９８５」、社団法人火力原子力発電技術協会、原子力発電技術委員会参照）である数７を満足するようになっている。

一般に、加熱コイル６は、コイル端に行くほどコイル密度が疎になることから、エネルギー密度が小さくなる。特に水位計装ノズル２の場合は、適用する板厚ｔが薄いことからＩＨＳＩ時の内面冷却水の冷却効果が大きく、コイル端ほど温度降下しやすい。

以上の理由により、加熱範囲を十分に確保する観点から、溶接中心からコイル端までの距離Ｄは、コイル幅Ｌの１／２（数５参照）とした。すなわち、管２、３の溶接中心と、加熱コイル６の軸方向の中心とを一致させて、加熱コイル６を配置する。

次に、図８から図１０に、本実施形態のＩＨＳＩ加熱条件で施工した試験体Ａ０２（管径φ５９×板厚１７ｔ（ｍｍ））、Ｂ０２（管径φ６７×板厚８．５ｔ（ｍｍ））、Ｃ０５（管径φ７８×板厚１４．４ｔ（ｍｍ））の軸方向および周方向の残留応力計測結果を示す。

図８から図１０より、いずれの試験体も溶接継手部４における内面の応力は、大部分が圧縮応力（すなわち、残留応力が０以下）となり、ＩＧＳＣＣの発生因子である溶接継手部４の引張応力が圧縮応力に移行し、応力改善効果が確認された。

また、オーステナイト系ステンレス鋼側（セーフエンド３側）だけでなく、溶接部５およびインコネル母材側（水位計装ノズル２側）においても、応力改善効果がみられた。

このように本実施形態では、加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下、溶接中心からコイル端までの距離Ｄを数５以上とすることで、小口径、薄肉な管でも、残留応力を緩和することができる。

次に、高周波誘導加熱の最高加熱温度Ｔ_Oについて説明する。

表１に戻り、本実施形態では、高周波誘導加熱の最高加熱温度Ｔ_Oが、管２、３の材料（材質）をもとに決定され、さらに、溶接された管２、３が、各々異なる材料からなり、それら材料をもとに各々決定された最高加熱温度Ｔ_Oの内、低いほうの最高加熱温度Ｔ_Oにて、上記高周波誘導加熱が行われる。

具体的には、管２、３が、ニオブ含有量が１％以上３％以下のニッケルクロム鉄合金製鋼管２と、炭素含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管３とからなるときは、高周波誘導加熱の最高加熱温度Ｔ_Oが６５０℃以下に設定される。

管２、３が、ニオブ含有量が１％未満若しくは３％超のニッケルクロム鉄合金製鋼管２と、炭素含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管３とからなるときは、高周波誘導加熱の最高加熱温度Ｔ_Oが６００℃以下に設定される。

管２、３が、ニオブ含有量が１％未満若しくは３％超のニッケルクロム鉄合金製鋼管２と、炭素含有量が０．０２％超のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管３とからなるときは、高周波誘導加熱の最高加熱温度Ｔ_Oが５５０℃以下に設定される。

このように、高周波誘導加熱の最高加熱温度Ｔ_Oを、管２、３の材料をもとに決定することで、管２、３の劣化を抑制でき、溶接継手部４の健全性を保つことができる。

以上から、本実施形態のＩＨＳＩは、水位計測ノズル２（Ｐ−４３＋Ｐ−８溶接継手部４）に対するＩＧＳＣＣ予防保全対策として有効であることが分かった。

また、高周波誘導加熱後の母材部に健全性確認の目的で機械試験を実施し、規定値を満足していることを確認した。機械試験の結果、本実施形態の加熱条件は、継手性能に悪影響を及ぼさないことが分かった。

次に、本実施形態のＩＨＳＩでは、高周波誘導加熱時に管内外面の温度差ΔＴを求めることで、ＩＨＳＩ施工の効果を確認するようにしている。

すなわち、予め、残留応力を緩和するのに必要とされる内外面の温度差ΔＴの関係式である数８を求め、

上記高周波誘導加熱時に、評価点温度を計測することで、管内面温度Ｔ_iを数９および数１０にて算出し、

それら測定した評価点のうちの最低温度と算出した管内面温度Ｔ_iとの差ΔＴが、数８を満たすことを確認するようにしている。

ここで、ＩＨＳＩ加熱条件の１つである内外面の温度差ΔＴを確認するには、管内面温度Ｔ_iを算出する必要があるが、小口径、薄肉な管２、３の場合、従来からの管内面温度Ｔ_iの計算方法では、試験による内面温度実測値との差が大きい。そこで、本実施形態では、管内面温度Ｔ_iの計算式を再検討し、数９および数１０を得た。

それら数９および数１０の計算値と、管内面温度の実測値とを比較検討した結果を図１１から図１３に基づき説明する。

図１１から図１３は、数１１で与えられるＡを、管内外面の温度Ｔ_i、Ｔ_Oおよび冷却水温度Ｔ_Wの実測値と、数９および数１０の計算値とから各々算出して示したものである。

図１１から図１３によると、板厚ｔが８．５ｍｍ以上１４．４ｍｍ以下の場合は、数９を用いた計算値が実測値を包絡しており、板厚ｔが１４．４ｍｍより厚く１７ｍｍ以下の場合は、数１０を用いた計算値が実測値を包絡している。

このことから、板厚ｔの違いにより数９、数１０を使い分けることで、管内面温度Ｔ_iの計算値を適切に評価できることが確認された。

ここで、従来からの管内面温度Ｔ_iの計算式を数１２に示す。

数１０と数１２は板厚ｔの条件を除き同一であるので、本実施形態では、従来からのＩＨＳＩ工法で使用されていた管内面温度Ｔ_iの計算式（数１０）に数９を追加し、板厚ｔにより数９、数１０を使い分けるようにしていると言える。

このように、管内面温度Ｔ_iの計算式として、板厚ｔの違いにより、数９、数１０を使い分けることで、管内面温度Ｔ_iを適切に評価できる。

その結果、ＩＨＳＩ施工後に、応力改善効果を確実に確認することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

図１は、本発明に係る一実施形態による高周波誘導加熱応力緩和法が対象とする水位計装ノズルが設けられた原子炉圧力容器を示す。図２は、本実施形態の溶接継手部を示す。図３は、本実施形態の溶接継手部と高周波誘導加熱コイルとを示す。図４は、誘導加熱の加熱深さを説明するための図である。図５は、加熱深さと周波数の関係を説明するための図である。図６は、板厚を加熱深さで割った商と、周波数の関係を説明するための図である。図７は、高周波誘導加熱時の管軸方向における外面温度の分布を説明するための図である。図８は、本実施形態の高周波誘導加熱応力緩和法を施工後における管の残留応力計測結果の一例を示す。図９は、本実施形態の高周波誘導加熱応力緩和法を施工後における管の残留応力計測結果の一例を示す。図１０は、本実施形態の高周波誘導加熱応力緩和法を施工後における管の残留応力計測結果の一例を示す。図１１は、本実施形態における水位計装ノズル温度の計測結果と計算結果との関係を説明するための図である。図１２は、本実施形態における水位計装ノズル温度の計測結果と計算結果との関係を説明するための図である。図１３は、本実施形態における水位計装ノズル温度の計測結果と計算結果との関係を説明するための図である。

符号の説明

２、３管
４溶接継手部
６高周波誘導コイル
Ｒ中立半径
ｔ板厚
Ｄ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離

Claims

中立半径Ｒが３３ｍｍ以下、かつ板厚ｔが８．５ｍｍ以上１７ｍｍ以下である管の溶接継手部の管内面を水冷しながら管外面側から高周波誘導コイルにて加熱して、上記溶接継手部の内面の残留応力を緩和するための高周波誘導加熱応力緩和法において、
上記管は、ニオブ含有量が１％以上３％以下のニッケルクロム鉄合金製鋼管と、炭素含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管とからなり、それら鋼管の間に位置する溶接部は、Ｒ−４３またはＡｌｌｏｙ８２から形成され、
上記高周波誘導コイルによる高周波誘導加熱を行うに際して、
上記高周波誘導加熱の加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下に設定し、
かつ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離Ｄを、数１

以上に設定し、
かつ最高加熱温度を６５０℃以下に設定したことを特徴とする高周波誘導加熱応力緩和法。
中立半径Ｒが３３ｍｍ以下、かつ板厚ｔが８．５ｍｍ以上１７ｍｍ以下である管の溶接継手部の管内面を水冷しながら管外面側から高周波誘導コイルにて加熱して、上記溶接継手部の内面の残留応力を緩和するための高周波誘導加熱応力緩和法において、
上記管は、ニオブ含有量が１％未満若しくは３％超のニッケルクロム鉄合金製鋼管と、炭素含有量が０．０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管とからなり、それら鋼管の間に位置する溶接部は、ニッケルクロム鉄合金からなり、
上記高周波誘導コイルによる高周波誘導加熱を行うに際して、
上記高周波誘導加熱の加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下に設定し、
かつ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離Ｄを、数１

以上に設定し、
かつ最高加熱温度を６００℃以下に設定したことを特徴とする高周波誘導加熱応力緩和法。
中立半径Ｒが３３ｍｍ以下、かつ板厚ｔが８．５ｍｍ以上１７ｍｍ以下である管の溶接継手部の管内面を水冷しながら管外面側から高周波誘導コイルにて加熱して、上記溶接継手部の内面の残留応力を緩和するための高周波誘導加熱応力緩和法において、
上記管は、ニオブ含有量が１％未満若しくは３％超のニッケルクロム鉄合金製鋼管と、炭素含有量が０．０２％超のオーステナイト系ステンレス鋼製鋼管とからなり、それら鋼管の間に位置する溶接部は、ニッケルクロム鉄合金からなり、
上記高周波誘導コイルによる高周波誘導加熱を行うに際して、
上記高周波誘導加熱の加熱深さＳをｔ／６以上ｔ／２以下に設定し、
かつ溶接中心と上記高周波誘導コイル端の距離Ｄを、数１

以上に設定し、
かつ最高加熱温度を５５０℃以下に設定したことを特徴とする高周波誘導加熱応力緩和法。
予め、残留応力を緩和するのに必要とされる内外面の温度差ΔＴの関係式である数２を求め、

上記高周波誘導加熱時に、管外面の実際の最高加熱温度を求めるために設定された管外面の評価点における温度Ｔ _O を測定することで、管内面温度Ｔ _i を数３および数４にて算出し、

それら測定した評価点のうちの最低温度と算出した管内面温度Ｔ _i との差ΔＴが、数２を満たすことを確認する請求項１から３いずれかに記載の高周波誘導加熱応力緩和法。