JP4300085B2

JP4300085B2 - 配管の残留応力改善方法

Info

Publication number: JP4300085B2
Application number: JP2003334503A
Authority: JP
Inventors: 聡青池; 邦夫榎本; 智菅野; 雅幸石渡; 眞一久恒; 尚彦折谷
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005095948A

Description

本発明は、構造物の残留応力を改善する方法に係り、特に配管の溶接部近傍の残留応力を改善する方法に関する。

配管の内面の残留応力を緩和する方法の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の応力緩和方法では、環状溶接部の外周側を均一に急速加熱し、内面側の引張り残留応力を低減させることが試みられている。この結果、配管の内外面に温度差が付与され、この温度差に基づく熱膨張差により、低温側である配管内面の残留応力が改善される。小口径の配管内面における引張残留応力を改善する方法の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の残留応力低減方法では、小口径配管を水で満たし、その後配管の内面にキャビテーション気泡を含む高速水流をノズルから噴射している。これにより、高速水流から発生したキャビテーション気泡が小口径配管の内面近傍で崩壊し、圧縮応力を生じさせている。

特開２００１−１５０１７８号公報

特開２０００−５２２４７号公報

上記特許文献１および特許文献2のいずれに記載の残留応力の改善方法は、十分な作業スペースが確保される場合には、所望の効果を得ることができる。しかしながら、発電プラントの小口径配管等の場合には、隣り合う配管同士のスペースに限りがある。例えば、溶接作業がどうにかできる程度のスペースしか確保できない場合には、溶接後の残留応力低減に用いる従来の装置を導入するのに、十分なスペースが与えられない恐れがある。また、この従来の装置を導入できるようにするためスペースを確保すると、発電プラントが大型化し高価になる。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、コンパクトな装置を用いて配管の溶接部近傍の応力腐食割れを防止することにある。本発明の他の目的は、配管内面に働く引張残留応力を低減ないし圧縮状態にして応力腐食割れを防止することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、内部に水を保有した配管の少なくとも2個所に水密な栓を形成し、この水密な栓で挟まれた配管内部の水を冷却して凝固させ、氷を形成して体積膨張させて配管を塑性変形させ、配管の残留応力を改善するものである。

この特徴において、配管の外面に配管の最大塑性変形量を制限する拘束治具を設けた後に、配管内部の水を凝固させるのがよく、拘束治具は、厚板材の片面中央部を２つ割り円筒状に形成した２個の治具と、この治具を締結する締結具とを有し、円筒の軸方向端部の径よりも軸方向中間部の径が大であることが望ましい。また上記特徴において、２つ割円筒状の治具の少なくとも一方の内面に、配管とこの治具との接触を検出して配管の拡管量を計測する手段を設けるのがよく、水密な栓間に配管の溶接部を配置するのが好ましい。さらに、配管の外部にこの配管の周面を覆うように中空の容器を取り付け、この中空容器の内部にドライアイスを投入して水密な栓を形成してもよく、中空容器にドライアイスを投入して水密な栓を形成した後、さらにドライアイスを投入して水密な栓で挟まれた配管内部の水を凝固させるようにしてもよい。

本発明によれば、配管内部に水を満たし、配管外部に冷凍源のドライアイス等を配置したので配管内部に圧縮応力を発生させることができ、配管を溶接した後に溶接部近傍に生じた引張残留応力を低減できる。これにより、配管の溶接部近傍に生じる恐れのある応力腐食割れを防止できる。また、配管内外の引っ張り残留応力を低減するための温度差を付与しにくい小口径で薄い配管においても、確実に引張残留応力を低減できる。

ステンレス鋼やニッケル基金合金等では、引張残留応力が付与されたまま高温純水中に長時間曝されると、応力腐食割れを発生するおそれがある。発電プラントでは、高温水配管には耐食性等を考慮してステンレス製配管を用いることが多い。このような場合、配管の溶接部近傍における応力腐食割れを防止するために、配管内面の引張残留応力を低減するか、圧縮残留応力にすることが望ましい。以下に、応力腐食割れを防止する残留応力改善方法の具体的実施例を図面を用いて説明する。

図１ないし図７に、本発明に係る配管の残留応力改善方法の一実施例を示す。本実施例では、発電プラントに用いる小口径配管の溶接部近傍の応力を改善する場合を例にとり説明する。図１の（ａ）〜（ｄ）は、小口径配管１の変化状態を示す図であり、小口径配管１の縦断面図である。同図（ｅ）および（ｆ）は、小口径配管１の各部（Ａ部、Ｂ部）の応力状態を示す図である。

配管１の図示しない溶接部の近傍には、応力腐食割れが発生しやすいことが知られている。そこで応力腐食割れが発生する恐れのある位置、すなわち応力改善が望まれる位置７を挟んで左右両側に所定距離だけ離して、密封位置を定める。そして図１（ａ）に示すように、配管１内部に作動水２を通し、密封位置に水密な栓３、３を配置し、水２で満たされた水密な空間１ａを形成する。この水密な栓３、３としては、配管１に開閉弁を設け、この開閉弁を閉じる。または、配管１の外周側を冷却して内部の水２を凝固させて、アイスプラグ２９を形成する。配管２の外周には、応力改善位置７を挟んで両側にリング状に形成された内側容器５、５を配置する。内側容器５、５の隣りであって応力改善位置とは反対側に、これもリング状に形成された外側容器４、４を配置する。内側容器５、５および外側容器４、４のリング内部は空洞であり、この内部の空洞にメチルアルコール６を注入する。

次に、同図（ｂ）に示すように、応力改善位置７から遠い側に位置する外側容器４、４に、ドライアイス８を投入する。外側容器４、４にドライアイス８が投入されると、外側容器４、４が取り付けられた部分に対応する配管１内部分の水２が冷却され、凝固９し始める。配管１内の水の凝固９が進むに従い氷が形成され、それに伴い体積膨張して水密な栓3で挟まれた部分の水2の水圧が上昇する。そして、配管１が膨らみ１０始める。

外側容器４、４にドライアイス８を投入してからしばらくして、内側容器５、５にドライアイス８を投入する（図１（ｃ）参照。）。これにより、配管１内の水２の冷却が促進され、配管１の中央部を除いて、配管１内の殆ど水２が氷９に変化する。

配管１内に氷９が形成されて、配管２が予め定めた量だけ膨らんだら、水密な栓３、３を取り外すか、水密な栓３、３が弁の場合には弁を開く（図１（ｄ）参照。）。なお、配管１の膨らみ１０量と配管１に作用する圧縮応力との関係は、予め実験等で求めておく。水密な栓３、３が無くなったら、外側容器４、４と内側容器５、５を配管１から外して、配管１内部の氷９を融解させる。なお、水密な栓３がアイスプラグ２９の場合には、氷９が融解すると水密な栓３も融解するので、外側容器４、４と内側容器５、５を配管１から外すだけでよい。

上記手順により、配管１内部に形成された氷９が溶解した後も、配管１の膨らみ１０が残る。これにより、配管１の中心線を含む縦断面においては、配管１が曲げ変形して配管１軸方向に、残留応力が発生する。この残留応力は、最も拡管したＡ部においては図１（ｅ）に示すように、配管１の内面１１側で圧縮応力となり、配管１の外面１2側では引張応力となる。これに対し、配管１が拡管し始めるＢ部においては、図１（ｆ）に示すように、配管１の内面１１側で引張応力に、配管１の外面１２側で圧縮応力となる。配管１が曲げ変形して生じる曲げ応力は、曲げ半径が小さい程大きい。そこで、Ａ部における配管１の膨らみ１０の曲げ半径を小さくし、Ｂ部における配管１の膨らみ１０の曲げ半径を大きくする。配管１の内部には大きな圧縮応力か小さな引張応力を残留応力として付与される。

上記残留応力改善方法において、メチルアルコール６の代わりにエチルアルコールを代用してもよい。また、リング状の内側容器５や外側容器４の代わりに図2、図３に示すような容器を用いてもよい。図２は、水平な配管１に内側容器や外側容器を取り付ける例であり、図３は垂直な配管１に内側容器や外側容器を取り付ける例である。外側容器または内側容器を組み立てる前の斜視図を、図２（ａ）に、そのＸ矢視図を同図（ｂ）に、組み立て後の斜視図を同図（ｃ）に、そのＸ矢視図を同図（ｄ）に示す。

外側容器４または内側容器5を、上部容器１４とこの上部容器１４が嵌合する下部容器１７とから形成する。下部容器１７は箱型をしており、対向する側面部１７ａに配管１が通るＶ字型の溝１７ｂが形成されている。この溝１７ｂの下部は、配管１形状に合わせて半円状となっている。下部容器１７の上面には、各角部に対応してねじ穴１６ｂが４個形成されている。上部容器１４は一対の板部材であり、下部容器１７のねじ穴１６ｂに対応した位置に穴１６ａが形成された横板部１４ａと、下部容器１７のＶ字型の溝１７ｂに嵌合する嵌合部１４ｂとを有している。嵌合部１４ｂの下端部も配管１形状に合わせて半円状となっている。

下部容器１７と上部容器１４の合わせ面および配管１との組み合わせ面には、パッキン１３が設けられている。下部容器１７と上部容器１４とをねじ１５を用いて、ねじ止めすることによりパッキン１３が潰れて、下部容器１７と上部容器１４の合わせ面、各容器１４、１７と配管１との組み合わせ面にできる恐れのある隙間を塞ぎ、メチルアルコールやドライアイス等の冷媒が容器から漏れるのを防いでいる。

垂直な配管１に容器を取り付ける途中の状態を図３（ａ）に、取付け後の状態を同図（ｂ）に示す。外側容器４または内側容器５を、容器１８とこの容器と嵌合する側板１９とから形成する。容器１８は、一側面部がない枡状をしており、底面部１８ａには、配管１が通りかつ側板１９が嵌合する溝１８ｂが形成されている。図３において、溝１８ｂの左端側は配管１形状に合わせて半円形になっている。容器１８の側面部がない部分の端面には、ねじ穴１６ｂが上下に４ヶ所形成されている。側板１９は、外側容器４または内側容器４の側面部を形成する垂直板部１９ａと、この垂直板部１９ａから直角に突き出て容器１８に形成された溝１８ｂに嵌合する底板部１９ｂとからなる。底板部１９ｂの端部は配管１形状に合わせて半円形になっている。垂直板部１９ａには、容器のねじ穴１６ｂに対応する位置に穴１６ａが形成されている。容器１８と側板１９、配管１との嵌合面には、パッキン１３が設けられている。ねじ１５を用いて側板１９を容器１８にねじ止めすると、パッキン１３が潰れて外側容器４または内側容器５を気密に形成する。これにより、メチルアルコールやドライアイス等の冷媒が、外側容器４や内側容器５から漏洩するのが防止される。

ところで、配管１を変形させて圧縮応力を付与するときに、ただ膨張量を増大させればよい、というわけではない。多大な配管１の変形は、配管１に過大な応力を発生させ配管寿命を縮める恐れがある。そこで本発明においては、配管の変形を所定量までとする拘束治具を用いて配管を拡管している。この様子を、図４を用いて説明する。

図４（ａ）に、拡管を制限する拘束治具２０を組み立てる前の斜視図を示し、同図（ｂ）に組み立て後の縦断面図を示す。拘束治具２０は、２つ割れ形状をしている上側治具２１と下側治具２２とを有している。２つの治具２１、２２の合わせ面には、配管１を通すための半円形の溝２１ａ、２２ａがそれぞれ形成されている。下側治具２２の上面には、上側治具２１と組み合わせる際にボルト２６締めするボルト穴２５ｂが、溝２２ａを挟んで左右両側に複数箇所形成されている。上側治具２１には、ボルト穴２５ｂに対応する位置に貫通穴２５ａが形成されている。

上側治具２１にはさらに、溝２１ａの頂部に沿って軸方向に複数のダイヤルゲージ取付け穴が形成されている。図４では３箇所に取付け穴が形成されており、中央部の穴には内側ダイヤルゲージ２４が、その両隣の穴には外側ダイヤルゲージ２３、２３が取付けらている。内側容器５、５の中間部において、上側治具２１と下側治具２２により配管１を上下から挟みこむ。そして、ボルト２6を用いて上側治具２１と下側治具２２を、配管１に固定する。

ここで、溝２１ａ、２２ａは、図４（ｂ）に詳細を示すように、中央部付近で配管１との隙間２７が大きく、両端部で配管１との隙間２７が小さくなるように形成されている。さらに、内側ダイヤルゲージ２４を取り付けた穴付近が、最大隙間すなわち最大拡管量に設定されている。ダイヤルゲージ２３、２４は、配管１に治具２１、２２を取り付けた状態で、先端の触針部が配管１に接するように取り付けられる。上側治具２１および下側治具２２はステンレス鋼などの低温靭性に優れた材料を用いている。隙間２７は配管の膨張形状、すなわち配管１の中心線を含む断面の曲げ形状を規定する。上述したように、この曲げ形状で残留応力が規定されるから、配管１内面に残留する応力値や配管１外径の許容変形量を考慮して隙間２７を設定する。

外側ダイヤルゲージ２３と内側ダイヤルゲージ２４は、配管１の内部の水２が外側容器４や内側容器５に収容した冷媒により冷却されて凝固し、配管１を拡管させることをゲージ目盛りの変化により表示する。これにより、配管１の拡管を確認できる。なお、外側ダイヤルゲージ２３を内側ダイヤルゲージ２４の両側に設けているので、配管１内部の水２が上流側と下流側でほぼ対称に凝固するか否かを確認できる。配管１内の水２の凝固が上流側と下流側とで不均一のときには、外側ダイヤルゲージ２３のゲージ目盛り値の小さい方が、水２の凝固の進行が遅れているので、その側のドライアイス量を増やすなどして、配管１内の水２の凝固を促進させる。

図５に、配管１内の水２が凝固して体積膨張し配管１を拡管させるときに、拘束治具２０を用いて拡管量を制限する本発明に係る残留応力の改善方法のフローチャートを示す。溶接部近傍等の残留応力を改善する位置７が定まったら、水密な栓３により水２を配管１内に閉じ込める（ステップ５００）。水密な栓３には、配管１中に設けた弁を閉じて用いるか、配管１外に配置した冷媒を用いて配管１内の水２を凝固させてアイスプラグを作成する。

残留応力を改善する位置７に拘束治具２０を取付ける（ステップ５０２）。次いで、上側治具２１に取付けた外側ダイヤルゲージ２３と内側ダイヤルゲージ２４の触針を配管１に接触させ、各ダイヤルゲージ２３、２４の零点を調整する（ステップ５０４）。配管１の内面の残留応力を改善する位置７を挟んで配管１の両側に、１対の内側容器５、５を、この内側容器５、５の軸方向端部側に１対の外側容器４、４それぞれ取付ける。各容器４、５にメチルアルコールを注入する（ステップ５０６）。

配管１の外径の拡管量計測を開始する（ステップ５０８）。拡管量のゼロ点を定める。外側容器４、４にドライアイス8を投入する。これにより配管１内部の水２が凝固し始める（ステップ５１０）。配管１内の水が凝固するのに従って水圧が上昇し、配管が膨らみ始める（ステップ５１２）。内側ダイヤルゲージ２４の両側に配置した一対の外側ダイヤルゲージ２３、２３の指示値を確認する（ステップ５１４）。上流側のダイヤルゲージ２３と下流側のダイヤルゲージ２３との指示値が異なる場合は、ゲージ目盛り値の小さい方の外側容器4にドライアイス8を追加する（ステップ５１６）。配管１内の水２の凝固を促進して、水２の凝固が上流側と下流側でほぼ対称となるようにする。

水２の凝固が上流側と下流側とでほぼ対称となったら、配管１外径の拡管量が増加するかどうかを監視する（ステップ５１８）。配管１の拡管が続く間、冷却を継続する（ステップ５２０）。配管１の外径の変化が殆どなく、配管１外径が平衡状態となったら、内側容器５にドライアイス８を投入する。これにより、内面の残留応力を改善する位置７近傍の水２を凝固させる（ステップ５２２）。配管１内の水２が凝固するにつれ、配管１内の水圧が上昇し、配管１が膨らみ始める（ステップ５２４）。その際、上流側ダイヤルゲージ２３と下流側ダイヤルゲージ２３の指示値を確認し（ステップ５２6）、この２つの指示値が異なる場合にはゲージ目盛り値の小さい側の内側容器５にドライアイス８を追加する（ステップ５２８）。これにより、配管１内の水２の凝固が促進されるとともに、水２の凝固は上流側と下流側とでほぼ対称となる。この状態をしばらく継続する（ステップ５３０）。

配管１および配管内の水２を冷却するのに伴い、配管１の拡管量が増加する。そして、拘束治具２０に配管１の外面が接触する。このとき、配管１の拡管が停止する（ステップ５３２）。残留応力を改善する位置７で、配管１が拘束治具２０に接触したか否かを確認する。残留応力を改善する位置７の近傍には、内側ダイヤルゲージ２４が配置されているので、ダイヤルゲージ２４の指示値から、残留応力を改善する位置７の配管１の拡管量を評価する（ステップ５３４）。配管１が拘束治具２０に接触していないと判断したら、内側容器５、５内の冷媒による冷却を継続する。

残留応力を改善する位置７で配管１が拘束治具２０に接触したら、水密な栓３を解除する（ステップ５３６）。ただし、水密な栓３をアイスプラグ２９で形成したときはこのステップ５３６を省く。内側容器５と外側容器７を配管１から撤去する（ステップ５３８）。冷媒を配管１から取り去ったので、配管内の氷が融解する（ステップ５４０）。なお、水密な栓３をアイスプラグ２９で形成したときは、水密な栓３も同時に融解し、元の水に戻る。これで、配管１には残留応力が付与される。

図６に、図４に示した拘束治具２０を用いたときに、配管１に付与される残留応力の一例を示す。図４（ａ）は、拘束治具２０部の縦断面図であり、拡管状態を誇張して示した図である。同図（ｂ）および（ｃ）は、最大拡管部であるＡ部と、拡管が開始されるＢ部における残留応力の状態を示す図である。拘束治具２０を配管１の外面側に設置したまま、配管１内の水２を冷却して凝固させる。このとき、拘束治具２０の中間部の曲げ半径Ｒ_Ａと両端の曲げ半径Ｒ_ＢをＲ_Ａ≧Ｒ_Ｂに設定する。そのため、上側治具２１と下側治具２２では、Ａ部に対応する位置の軸方向みぞ深さの変化を緩やかに、Ｂ部に対応する位置の軸方向みぞ深さの変化を急激にしている。これにより、配管１の内面のＡ部には、大きな圧縮方向残留応力を、Ｂ部には引張方向に小さな残留応力を付与することができる。

すなわち、Ａ部の曲げ半径ＲＡはＢ部の曲げ半径ＲＢよりも小さいので、曲げ半径が小さいＡ部に大きな圧縮残留応力が、曲げ半径が大きいＢ部に小さな残留応力を付与できる。この図６において、上部治具２１と下部治具２２は、上部治具２１に設けた貫通穴に挿入されたボルト２５と、下部治具２２に形成したねじ穴２6により固定されている。また、配管１１のＡ部内面には降伏応力σｙにほぼ相当する圧縮残留応力が発生し、配管のＢ部内面では、それよりも小さい引張り応力σが作用する。

上記実施例では、残留応力を改善する位置を特に定めていなかったが、残留応力の改善が望まれるのは溶接部近傍が多い。溶接部近傍の残留応力の改善では、上記手順において、残留応力を改善する位置７として、配管溶接部を選定する。溶接部及びその近傍の配管内面には、溶接金属の凝固時に発生した引張残留応力が働いているので、この残留応力を圧縮応力に変化させるか引張り残留応力を低減することが必要である。上記手順により、引張り応力は低減される。

本発明に係る配管の残留応力改善方法の一実施例を示す図。図１に示した改善方法に用いる治具の斜視図および縦断面図。図１に示した改善方法に用いる治具の斜視図。図１示した改善方法に用いる拘束治具の斜視および縦断面図。配管の残留応力を改善する方法の一実施例のフローチャート。拘束治具による残留応力の改善効果を説明する図。

符号の説明

１…配管、２…水、３…水密な栓、４…外側容器、５…内側容器、６…メタノール、７…内面の残留応力を改善する位置、８…ドライアイス、９…氷、１０…配管の膨らみ、１１…配管内面、１２…配管外面、１３…パッキン、１４…上部容器、１５…ボルト、１６…ネジ穴、１７…下部容器、１８…容器、１９…低側面容器、２０…拘束治具、２１…治具、２２…治具、２３…外側ダイヤルゲージ、２４…中央ダイヤルゲージ、２５…ネジ穴、２６…ボルト、２７…隙間、２８…溶接部、２９…アイスプラグ。

Claims

配管の応力改善位置における配管の残留応力改善方法であって、
内部に水を保有した配管であって、配管の外面に配管の最大塑性変形量を制限する拘束治具を設けた後に、前記応力改善位置の両側に、配管内部の水を凝固させ、水密な栓を形成し、この水密な栓の内側であって、前記応力改善位置の両側に、配管内部の水を凝固させ、水密な栓を形成し、配管内部の水を冷却して凝固させ、氷を形成して体積膨張させて配管を塑性変形させ、前記応力改善位置における配管の残留応力を改善することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
前記拘束治具は、厚板材の片面中央部を２つ割り円筒状に形成した２個の治具と、この治具を締結する締結具とを有し、円筒の軸方向端部の径よりも軸方向中間部の径が大であることを特徴とする請求項１に記載の配管の残留応力改善方法。
前記２つ割円筒状の治具の少なくとも一方の内面に、配管の拡管量を計測するダイヤルゲージを設け、前記ダイヤルゲージの表示値から、配管とこの治具との接触を評価することを特徴とする請求項２に記載の残留応力改善方法。
前記水密な栓間に配管の溶接部を配置したことを特徴とする請求項１に記載の配管の残留応力改善方法。