JP4491334B2 - 配管の熱処理方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラントの配管系を構成する配管の内面に存在する引張残留応力を圧縮残留応力に転換して応力腐食割れを抑制する方法に関わる。

ステンレス鋼やニッケル基合金鋼の溶接部には、溶接熱によって結晶粒界にクローム炭化物が析出し、この結果、結晶粒界の極近傍にクローム欠乏層が形成され、このクローム欠乏層に鋭敏化（腐食に対し感受性が高くなる現象）が発生する。一方、プラントの配管系を構成する配管の溶接部近傍の表面には、一般に高い引張残留応力が生成されるので、材料が鋭敏化した状態で、厳しい腐食環境下で使用されると応力腐食割れを起こす。すなわち、材料の鋭敏化，高い引張残留応力、および腐食環境の三因子が重畳すると、応力腐食割れの危険性が高まる。

この応力腐食割れの発生を抑制するために、腐食環境に曝される領域の引張残留応力の低減が対策の一つとして挙げられる。プラントの既設配管溶接部内面の引張残留応力を低減する方法として、特許公報第９５７３２４号（特許文献１）に記載されている「配管系の熱処理方法」や特開昭５５−１１０７２９号公報（特許文献２）に記載されている「鋼管の残留応力改善方法」がある。前者は、プラントの配管系を組立てた後、配管系を構成する配管内に冷却剤を流動させつつ、配管を外面から加熱して配管の内面と配管の外面との間に温度差を発生させ、外面を圧縮降伏、内面を引張降伏させることにより配管内面の引張残留応力を低減する方法である。後者は、配管内に冷却剤の無い状態で、配管を加熱し、配管の管壁内の温度分布を一様にした後、配管内に冷却剤を供給することで、配管の内面と配管の外面との間に温度差を発生させ、内面を引張降伏させ、外面を圧縮降伏させることにより配管内面の引張残留応力を低減する方法である。

特許公報第９５７３２４号 特開昭５５−１１０７２９号公報

上記特許文献１の従来技術では、配管壁内に形成される温度の差が緩やかである。上記特許文献２の従来技術は、簡易な加熱装置で加熱でき、かつ、配管内面近傍で急峻な温度勾配を得ることが出来るという特徴があるが、管内面を冷却せず加熱するため、既設プラントの配管系に適用する場合には、配管系全体での冷却剤の出し入れが必要となる。

本発明の目的は、既設配管溶接継手の配管において、簡便な方法で内面の応力腐食割れの発生を長期に抑制することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、原子炉を構成する配管の熱処理方法において、前記配管内に冷却水を滞留させ、前記冷却水が停留した状態で前記配管を加熱し、加熱を継続させながら、配管内面の温度が１００℃以上になった時点で冷却水を流動させて配管内面を冷却し、その後、配管内面が引張降伏し、配管外面が圧縮降伏した時点で加熱を停止することを特徴とする。配管を加熱した後、特に配管内面と配管の外面に温度差を発生させ、配管内面を急冷することにより、配管内面を引張降伏させ、配管外面を圧縮降伏させ、配管内外面の温度差がなくなったときには、配管内面の引張残留応力を低減させることとなる。

冷却水を配管内に停滞させた状態で、配管内面近傍で急峻な温度勾配を形成し、内面の残留応力を圧縮応力に転換する。配管の加熱手段は、誘導加熱、及び直接通電加熱のいずれを用いても良い。

本発明によれば、プラントの配管系を組立てた後、配管系を構成する配管の内面に、特に溶接金属部位近傍に圧縮残留応力を発生させることができ、配管系の応力腐食割れを防止することができる。

本発明の第１の実施例を図１から図７を用いて説明する。

図１は、沸騰水型原子力発電プラントに本発明を適用した場合の一実施例である。

原子炉圧力容器１は、核燃料が装荷される炉心部２，蒸気分離乾燥機３および炉心部２を取囲む炉心シュラウド４を内蔵する。複数の制御棒５が、炉心部２内に挿入される。制御棒５の操作は、制御棒駆動制御器６によって、制御される制御棒駆動装置７によって行われる。

原子炉圧力容器１内には、冷却水である軽水が、炉心部２の幾分上方まで満たされる。原子炉の運転時、配管８に設けられる循環ポンプ９を駆動することによって、原子炉圧力容器１内の冷却水は、再循環系配管８及びライザー管（配管８に接続）１０を通ってジェットポンプ１１内に到達する。ライザー管１０の一端は、原子炉圧力容器１内に挿入されてジェットポンプ１１の上端に達している。配管８に設けられたバルブ１２は、開いている。ジェットポンプ１１内に到達した冷却水は、下部プレナム１３を通って炉心部２に達する。炉心部２を上昇しながら、冷却水は核燃料より熱を奪い蒸気となる。

この蒸気は、蒸気分離乾燥機３を通った後、タービン１４に送られ、復水器１５で凝縮される。タービン１４が駆動され、それに連結される発電機１６が回転する。復水器１５で凝縮されて発生した水は、給水ポンプ１７によって原子炉圧力容器１内に送られる。

以上のように、配管８とライザー管１０によって、沸騰水型原子力発電プラントの一つの配管系である再循環系配管が構成される。

配管８に巻き付けられた加熱コイル１８の両端端部は、高周波発振器１９に接続される。誘導加熱装置の一種である高周波加熱装置２０は、加熱コイル１８と高周波発振器１９などによって構成される。

原子炉圧力容器１とジェットポンプ１１の上端部を連絡する再循環系配管の組立てが終了した後、循環ポンプ９を駆動させ、再循環系配管内に冷却水を流入させておく。その後、循環ポンプ９を停止させ、配管８内部に冷却水が停滞した状態にする。次に、配管８が高周波加熱装置２０の加熱コイル１８によって配管外面から加熱される。このとき、配管８外面の温度は、配管８外面の応力が、圧縮降伏応力以上になる温度を越えるように調整する。一方、配管８内面の温度は、停滞する冷却水が沸騰を始めるため、１００℃以上に上昇する。図示しない配管外面の温度測定手段（例えば、熱電対等）の出力値と、予め設定した加熱時間から配管壁面内の温度分布あるいは、配管内面温度を推定する。

前記配管の壁面温度分布が所定の分布に、あるいは配管内面温度が所定の温度になったと判断されると、循環ポンプ９を駆動し、配管８及びライザー管１０内に、原子炉圧力容器１内の冷却水を供給する。

このように、配管８の外面から加熱を行い、配管８の内外面の温度差が少ない状態を作り、次に、配管８の内面を冷却することによって、配管内面近傍で急峻な温度勾配を形成し、配管８内面を引張降伏させることとなる。

その後、加熱コイル１８の加熱を停止し、温度が下がると、配管８内面に圧縮残留応力が発生し、配管外面には引張残留応力が発生する。

本発明によれば、再循環系配管の組立て後、配管の熱処理を行うことができ、再循環系配管の必要な部位の内面に圧縮残留応力を発生させることができる。

また、原子炉圧力容器１内の冷却水を再循環系配管内に供給できるので、再循環系配管内に冷却水を供給するための装置を新たに設ける必要がない。

図２に示す実施例は、配管２１ａと配管２１ｂの溶接した配管において、溶接部２２近傍の配管内面に圧縮残留応力を発生させるものである。

配管２１には、スペーサー２３及びホルダー２４を介して加熱コイル２５が螺旋状に取付けられる。加熱コイル２５の端部２６ａと端部２６ｂには、電源２７で発生する誘導電流がトランス２８よりケーブル２９ａ，２９ｂを介して供給される。

さらに、加熱コイル２５には、冷却水循環ポンプ３０よりホース３１ａ，３１ｂを介して、加熱コイル２５の端部２６ａと端部２６ｂから冷却水が供給される構造になっている。

配管外面の溶接金属部位に、溶接部表面の温度を測定するための熱電対３２を取付ける。熱電対３２はケーブル３３を介して熱起電力による電圧を制御装置３４に送る。

なお、配管２１の内部には、図示しない供給系により冷却水が供給されるようになっている。

次に、配管に装着する部品である加熱コイル２５、および加熱コイル２５を支持するスペーサー２３，ホルダー２４について順次説明する。

図３に加熱コイル２５の支持状態を示す。加熱コイル２５はパイプ状の銅管を用いている。加熱コイル２５はホルダー２４により支持されるようになっている。

図４に配管２１の中心軸を法線とするような平面で仮想的に切ったときの断面を示す。加熱コイル２５は、図示しないホルダー２４により保持され、絶縁体であるスペーサー
２３を介して、配管１に設置される。

図５に、加熱コイル２５を配管に設置するために分離した状態を示す。加熱コイル２５は半円弧状に分離できるようになっており、接続部となる図示しない上下のホルダー２４で電気的な接続と冷却剤の流路の接続ができるようになっている。そのため、設置に際しては、スペーサーを管表面に合わせて取付けるのみで配管表面と加熱コイルの間の隙間を適切にとることが可能となる。

図６に、接続部となる上下のホルダー２４の断面構造を示す。加熱コイル２５の端部は、ホルダー２４に接続されている。ホルダー２４の上部には、冷却剤の流路となる出入口
３５が設けられている。この出入口３５を耐熱ホース等で接続することにより、冷却剤の回路を構成することができる。

次にこの装置を用いた熱処理施工の手順について説明する。図２において、装置を図示される状態に準備した後に、溶接部２２で接合されている配管２１ａと配管２１ｂの内部に図示しない循環ポンプにより冷却水を満たす。制御装置３４は、冷却水循環ポンプ３０を起動して加熱コイル２５への冷却水の供給を開始する。次に加熱コイル２５に電流を流す。加熱コイル２５を流れる電流により、配管には誘導電流が誘起され、配管の発熱が起きる。配管外面の温度は熱電対３２により測定され、制御装置３４に送られる。制御装置３４は、熱電対３２の出力と、予め設定した加熱時間から配管の管壁面の温度分布あるいは、管内面温度を推定する。

前記配管の管壁面の温度分布あるいは、管内面温度が所定の値になったと判断されると、制御装置３４は、図示しない循環ポンプを駆動し、配管内の冷却水を流動させる。所定の温度勾配が得られた後、加熱コイル２５への電流供給を停止する。

図７に示す実施例は、図２に示す実施例の配管加熱手段を直接通電加熱としたものである。

配管２１には、直接通電加熱用のリング状端子３６ａ，３６ｂが取付けられる。リング状端子の端部３７ａ，３７ｂには、電源３８で発生する電流がトランス３９よりケーブル２９ａ，２９ｂを介して供給される。

さらに、リング状端子３６ａ，３６ｂには、冷却水循環ポンプ３０よりホース３１ａ，３１ｂを介して、リング状端子の端部３７ａ，３７ｂから冷却水が供給される構造になっている。

配管外面の溶接金属部位に、溶接部表面の温度を測定するための熱電対３２を取付ける。熱電対３２はケーブル３３を介して熱起電力による電圧を制御装置３４に送る。

なお、配管２１の内部には、図示しない供給系により冷却水が供給されるようになっている。

次にこの装置を用いた熱処理施工の手順について説明する。図７において、装置を図示される状態に準備した後に、溶接部２２で接合されている配管２１ａと配管２１ｂの内部を冷却水で満たす。制御装置３４は、冷却水循環ポンプ３０を起動してリング状端子36ａ，３６ｂへの冷却水の供給を開始する。次にリング状端子３６ａ，３６ｂに電流を流す。リング状端子３６ａ，３６ｂに挟まれた配管２１は通電加熱され、配管の発熱が起きる。配管表面の温度は熱電対３２により測定され、制御装置３４に送られる。制御装置３４は、熱電対３２の出力と、予め設定した加熱時間から配管の管壁面の温度分布あるいは、管内面温度を推定する。

前記配管の管壁面の温度分布あるいは、管内面温度が所定の値になったと判断されると、制御装置３４は、図示しない循環ポンプを駆動し、配管内の冷却水を流動させる。所定の温度勾配が得られた後、リング状端子３６ａ，３６ｂへの電流供給を停止する。

ここで前述した実施例において、配管内面に圧縮残留応力が発生する理由を以下に説明する。

配管内の冷却水を流動させない状態で、配管を加熱すると、配管内に停滞する冷却水が沸騰を始めるため、配管内面の温度は、冷却水の沸騰温度である１００℃以上に上昇し、配管壁内の温度分布は図８に示す曲線Ａのような傾向になる。Ｔｏは配管外面の温度とする。曲線Ａに示すような温度分布を形成した後、配管内の冷却水を流動させると、配管内面は急激に冷却され、冷却水温度に近づき、配管壁内の温度分布は図８に示す曲線Ｂのようになる。また、時間の経過による配管内外面の温度変化を図解的に示すと、図９に示すようになる。なお、従来の内面を冷却しながら外面を加熱する方法による管壁内の温度分布の一例を対比のため、図８において曲線Ｃで、温度・時間の関係を図９において２点鎖線で示してある。

曲線Ｂで示される本発明による温度勾配に基づいて、図１０に示すように配管内面には大きな引張応力σｉを、配管外面には圧縮応力σｏを生じ、引張応力σｉが材料の降伏強度を越えれば、該配管外面は引張降伏することになり、常温まで冷却すると図１１に示すように配管内面には圧縮応力σriを、配管外面には引張応力σroが残留することになる。

図１２は応力と歪の関係を示している。配管内面と配管外面の温度差が小さければ、配管の内面と配管の外面ともに降伏応力を越えずに、図１２において、配管外面では０Ｄ２、配管内面では０Ｄ１の直線上に応力−歪関係は存在し、加熱を中止すれば、配管の内外面ともに０に戻り、残留応力は変化しない。一方、配管内面と配管外面の温度差が十分大きければ、配管の半径方向の応力分布は図１０に示すようになり、配管の内面では引張側降伏応力σｙ、配管の外面では圧縮側降伏応力−σｙを越える。そのときの管壁面内の応力を図１２において、それぞれＢ１，Ｂ２とする。この時点で加熱を停止すると、配管の内面ではＢ１，Ｅ１の過程をたどり、配管全体が雰囲気温度まで低下すればＣ１点に達する。一方、配管の外面は、Ｂ２，Ｅ２の過程をたどり、Ｃ２点に達する。このため、配管の内面には正の歪が付与されることで圧縮残留応力が、配管の外面には負の歪が付与されることで引張残留応力が生じる。

上述の図１２の応力−歪関係は残留応力が存在しない場合であるが、内外表面に引張残留応力存在する場合に関しても、同様な考え方が成立し、配管の内面と配管の外面の温度差によって発生する応力が元々の引張残留応力に重畳すると考えれば良い。したがって、配管の内外表面を降伏させるためには、初期残留応力が存在しない場合に比べて、温度差は少なくて良い。

沸騰水型原子力発電プラントに本発明による配管の熱処理方法を適用した場合の説明図である。 本発明による配管の熱処理方法の第１の実施例を示す説明図である。 加熱コイルの取付け構造を示す説明図である。 本発明による第１の実施例の加熱装置を配管に取付けた例を示す説明図である。 本発明による第１の実施例の加熱装置を２分割することにより配管から取外した状態を示す説明図である。 ホルダーの断面構造を示す説明図である。 本発明による配管の熱処理方法の第２の実施例を示す説明図である。 管壁内に生じる温度勾配を図解的に示した説明図である。 温度と時間の関係を図解的に示した説明図である。 冷却材の流動を開始し、配管内外面に温度差が生じた場合の管壁内の応力分布を示す説明図である。 本発明の熱処理を施した後の管壁内の応力分布を示す説明図である。 応力−歪関係を示す説明図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…炉心部、３…蒸気分離乾燥機、４…炉心シュラウド、５…制御棒、６…制御棒駆動制御器、７…制御棒駆動装置、８，２１…配管、９…循環ポンプ、１０…ライザー管、１１…ジェットポンプ、１２…バルブ、１３…下部プレナム、１４…タービン、１５…復水器、１６…発電機、１７…給水ポンプ、１８…加熱コイル、１９…高周波発振器、２０…高周波加熱装置、２２…溶接部、２３…スペーサー、２４…ホルダー、２５…加熱コイル、２６…加熱コイル端部、２７，３８…電源、２８，３９…トランス、２９，３３…ケーブル、３０…冷却水循環ポンプ、３１…ホース、３２…熱電対、
３４…制御装置、３５…冷却剤出入口、３６…直接通電加熱用のリング状端子、３７…リング状端子の端部、Ａ…冷却剤流動前の温度分布、Ｂ…冷却剤流動後の温度分布、Ｃ…従来法による温度分布。

Claims (3)

1. 原子炉を構成する配管の熱処理方法において、
   前記配管内に冷却水を滞留させ、前記冷却水が停留した状態で前記配管を加熱し、加熱を継続させながら、配管内面の温度が１００℃以上になった時点で冷却水を流動させて配管内面を冷却し、その後、配管内面が引張降伏し、配管外面が圧縮降伏した時点で加熱を停止することを特徴とする配管の熱処理方法。
2. 請求項１に記載した配管の熱処理方法において、配管の加熱手段が誘導加熱または直接通電加熱であることを特徴とする配管の熱処理方法。
3. 原子炉を構成する配管の溶接補修方法であって、
   配管を溶接する工程と、少なくとも溶接補修された部位の配管内の冷却水を停滞させる工程と、前記溶接補修された部位を加熱する工程と、前記加熱を継続した配管内面の温度が１００℃以上になった時点で配管内の冷却水を流通させて配管内面を冷却する工程と、配管内面が引張降伏し、配管外面が圧縮降伏した時点で加熱を停止する工程とを有することを特徴とする配管の溶接補修方法。

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