JP4492475B2

JP4492475B2 - 高周波誘導加熱法による残留応力改善方法

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Publication number: JP4492475B2
Application number: JP2005219866A
Authority: JP
Inventors: 志郎高橋; 稔増田; 章二林; 豊吉江
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP2007039705A

Description

本発明は、材料の厚さ方向に温度差を発生させることにより熱応力を利用して材料内面の残留応力を改善する高周波誘導加熱残留応力改善方法に係り、特に非凝縮性ガス（空気等）が停滞する部位への適用が好適な高周波誘導加熱残留応力改善方法に関する。

原子力発電プラントにおいては、その稼働率向上等の観点から構造材料の応力腐食割れ（以下「ＳＣＣ」という。）の発生を抑制することが重要な課題となっている。ＳＣＣは材料，応力，環境の３因子が重畳した条件下で発生するとされている。従って、これらの３因子のうち、少なくとも１因子を緩和することによりＳＣＣの発生を抑制することができる。

３因子のうち、応力因子の改善（引張残留応力の低減）を図る手段として、高周波誘導加熱残留応力改善方法（以下「ＩＨＳＩ」という。）がある。ＩＨＳＩとは、材料の厚さ方向に温度差を発生させることにより熱応力を利用して材料内面の残留応力を改善させるものである（特許文献１参照。）。従って、例えば配管等にＩＨＳＩを適用しようとする場合には、配管外面側を高周波誘導加熱法により加熱するとともに配管内面を水冷する必要がある。しかし、非凝縮性ガス（空気等）は熱伝達率が非常に悪いため、再循環系配管（以下「ＰＬＲ配管」という。）の除染口のような非凝縮性ガスが停滞する部位においては、非凝縮性ガスを除去しなければ、内面を水冷することが困難となる場合がある。つまり、ＩＨＳＩ施工対象部位に十分な温度勾配を付与できず、その結果、ＩＨＳＩによる残留応力改善効果を期待できないことも考えられる。

特開昭６１−１１９６１９号公報

再循環系配管の除染口のような非凝縮性ガスが停滞する部位に対して、十分な残留応力改善効果を達成することができる残留応力改善方法を提供することを課題とする。

配管に接続された施工対象部の内部に停滞している非凝縮性ガスを加圧することにより圧縮し、前記非凝縮性ガスと接する水を加熱することにより生じた蒸気を前記施工対象部の内部に流入させ、前記非凝縮性ガスと接する水を減圧沸騰させることにより生じた蒸気を前記施工対象部の内部に流入させるとともに、前記施工対象部の内部に流入した蒸気を減圧することにより前記蒸気を膨張させて、前記施工対象部の内部に停滞している非凝縮性ガスを前記施工対象部の外部に排出し、前記施工対象部の内部に流入した蒸気を冷却することにより、前記施工対象部の内部を水で満たし、その後、前記施工対象部の内部に水が満たされた状態で、前記施工対象部の外表面を高周波誘導加熱法により加熱し、前記施工対象部の厚さ方向に温度差を生じさせる。

本発明によれば、非凝縮性ガスを排除することができるため、非凝縮性ガスが停滞する部位に対して、十分な残留応力改善効果を達成することができる。

ＩＨＳＩとは、施工対象部の厚さ方向に温度差が発生するように、配管外面側を高周波誘導加熱法により加熱するとともに配管内面を水等により冷却するものである。この際に発生する熱応力により、ＳＣＣの「応力因子」である引張残留応力を緩和して、配管内面の残留応力を改善し、耐ＳＣＣ性を向上させることができる。

ここで、ＩＨＳＩを配管に対して実施するためには、配管内面を冷却水等で冷却することが必須となる。しかし、ＰＬＲ配管の除染口等、下方が開口し上方に閉じた凸部を備える部位には非凝縮性ガスが停滞する場合がある。非凝縮性ガスの熱伝達率は非常に悪いため、ＩＨＳＩの施工に際して非凝縮性ガスが配管内に存在すると、配管内面を十分に冷却することができない。つまり、配管内外面の温度勾配を十分に付与することができず、耐ＳＣＣ性を向上（残留応力を改善）することが困難となる。従来、非凝縮性ガスが存在する部位をＩＨＳＩの施工対象とする場合、水流等を利用して非凝縮性ガスを排除することが行われてきた。しかし、ＰＬＲ配管の除染口等、非凝縮性ガスが停滞する部位に対しては、水流を利用するだけでは非凝縮性ガスを完全に排除することはできない。本発明は、ＰＬＲ配管の除染口等、非凝縮性ガスが停滞し、かつ、水流等を用いても非凝縮性ガスを十分に排除することが困難な部位を適用対象としている。

図１は、ＰＬＲ配管の除染口等、非凝縮性ガスが停滞する部位から非凝縮性ガスを取り除く手順を示した図である。以下、図１を用いて、非凝縮性ガスが停滞する部位から非凝縮性ガスを取り除く手順を説明する。

まず、ＩＨＳＩ施工対象部２に停滞する非凝縮性ガスを加圧する（ａ）。加圧することにより非凝縮性は圧縮され、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の水位が上昇し、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の水を加熱し易くなる。

次に、ヒータ４によりＩＨＳＩ施工対象部２内部の水(特に、非凝縮性ガスと接する水)が飽和温度に達するまで加熱する(ｂ)。ＩＨＳＩ施工対象部２内部の水が飽和温度に達すると、その水は蒸発し、蒸気が発生する。そして、この蒸気は空気の密度より軽いため、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の非凝縮性ガスの一部が蒸気に置換される。つまり、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の一部が蒸気で満たされることとなる。

その後、ＩＨＳＩ施工対象部２内部を減圧する（ｃ）。減圧することにより、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の蒸気が膨張し、ＩＨＳＩ施工対象部２内部に残存していた非凝縮性ガスがＩＨＳＩ施工対象部２外に排出される。つまり、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の非凝縮性ガスは蒸気に置換される（ＩＨＳＩ施工対象部２内部が蒸気で満たされる）こととなる。尚、ＩＨＳＩ施工対象部２内部を減圧することにより、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の水（特に、非凝縮性ガスと接する水）を減圧沸騰させることもできる。減圧沸騰した水は蒸気に変化しＩＨＳＩ施工対象部２内部に流入するため、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の蒸気空間はさらに膨大する。その結果、施工対象部２内部が蒸気で満たすことができる。

最後に、配管内部の水を循環させる（ｄ）。これにより、ＩＨＳＩ施工対象部２内部から排出された非凝縮ガスを排除する。また、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の蒸気は冷却されて水に状態変化するため、ＩＨＳＩ施工対象部２内部が水で満たされたこととなる（IHSI施工対象部２内部の蒸気が水に置換されることとなる）。

以上、（ａ）−（ｄ）の手順により、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の非凝縮性ガスを蒸気に置換し（ＩＨＳＩ施工対象部２内部を蒸気で満たし）、さらにこの蒸気に代えて水に置換することにより（ＩＨＳＩ施工対象部２内部を水で満たすことにより）、ＩＨＳＩ施工対象部２内部から非凝縮性ガスを排除することができる。その結果、非凝縮性ガスが停滞する部位に対しても、高周波誘導加熱残留応力改善法による十分な残留応力改善効果を達成することができる。本発明は、圧力や温度を制御し、非凝縮性ガス及び蒸気の物性並びに蒸気の状態変化（減圧沸騰，膨張，圧縮）を利用することにより、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の非凝縮性ガスを排除しようとするものである。

尚、水位を上昇させなくても非凝縮性ガスと接する水を十分に加熱することができれば、（ａ）において非凝縮性ガスを加圧しなくてもよい。また、（ｂ）及び（ｄ）におけるＩＨＳＩ施工対象部２内部への加熱や減圧沸騰は、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の非凝縮性ガスを蒸気に置換する（ＩＨＳＩ施工対象部２内部を蒸気で満たす）ための手段である。つまり、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の非凝縮性ガスを蒸気に置換することができれば他の手段を用いてもよいし、また、加熱又は減圧沸騰の何れかのみの手段を用いてもよい。但し、発明者の実験結果から、ＰＬＲ配管の除染口に対しては、（ａ）−（ｄ）の手順を行うことにより、ＩＳＨＩ施工に際して十分に非凝縮性ガスを排除できることが認められた。

以下、本発明における高周波誘導加熱法による残留応力改善方法について具体的に説明する。

以下、本発明の第１の実施例を図１乃至図４を用いて説明する。本実施例は、非凝縮性ガスが停滞する部位であるＰＬＲ配管の除染口にＩＨＳＩを施工するに際して、除染口内の非凝縮性ガスを排除することにより、除染口の残留応力改善を図るものである。

図３は、沸騰水型原子炉のＰＬＲ配管系の概略図である。まず、本実施例のＩＨＳＩ適用対象部位であるＰＬＲ配管の除染口について説明する。図３に示すように、ＰＬＲ配管１は原子炉７と結合されている。ＰＬＲ配管１から構成されるＰＬＲ配管系統により、原子炉内の冷却水が再循環される。除染口２はＰＬＲポンプ６の前後に位置し、バルブ５に挟まれて設置されている。ＰＬＲ配管１の母管に対してＩＨＳＩを施工する場合は、配管内に冷却水を循環させることができるため、配管内面を十分に冷却することができる。しかし、空気等の不凝縮ガスは密度が軽いため、除染口２の上部に停滞する。つまり、除染口２には熱伝達率の低い非凝縮性ガスが停滞するため、除染口２内壁面を十分に冷却することができない。本発明においては、除染口のように空気が停滞し、水流や加熱だけでは非凝縮性ガスを除去することが困難な部位に対しても、非凝縮性ガスを排除して、IHSIによる残留応力改善効果を十分に達成することができる。

図２は、本実施例におけるＩＨＳＩの施工手順を示すフローチャートである。以下、図２のフローチャートに沿って、本実施例におけるＩＨＳＩの施工手順を説明する。まず、ＰＬＲ配管１の除染口２に、除染口を加熱するための加熱ヒータ４を設置する。また、
ＰＬＲ配管１内を通水する（Ｓ１）。さらに、除染口前後に位置するバルブ５を閉止する（Ｓ２）。

次に、除染口２内部の非凝縮性ガスを加圧する。加圧は水頭圧により行われる。除染口２内部が水頭圧により加圧されることにより、除染口内部に停滞している非凝縮性ガスが圧縮される（Ｓ３）。非凝縮性ガスを圧縮して除染口内部の水位をヒータ部まで上昇させることにより、除染口内部の水を加熱し易くなる（図１（ａ）参照。）。尚、非凝縮性ガスの加圧は、ポンプ圧や空気圧等を用いてもよい。また、圧力を保持するため、除染口前後のバルブ５は閉止しておく。

その後、除染口をヒータ４で加熱する（Ｓ４）。加熱温度は、外面温度２００℃程度とする。加熱手段は、ＩＨＳＩの施工に用いるヒータ４を利用することができる。但し、
ＩＨＳＩの施工に用いるヒータ４とは別のヒータを利用してもよい。

配管内の水（特に、非凝縮性ガスと接する冷却水）が飽和温度に達するまで加熱を継続する（Ｓ５）。例えば、配管内の圧力が約０.２５ＭＰａの場合では、配管内の水が約
１２５℃の飽和温度に達すると、配管内の水は蒸発し、蒸気が発生する。その結果、除染口２内は蒸気と空気が混合した状態となる。ここで、圧力が約０.２５ＭＰａ，温度が
１２５℃の条件での蒸気の密度は約１.３７／ｍ³であり、空気の密度２.１８／ｍ³である。つまり、蒸気は空気より軽いため、除染口２内の上部には蒸気、下部には空気が集まることとなる。従って、除染口２内部の一部は非凝縮性ガスから蒸気に置換される、つまり、ＩＨＳＩ施工対象部２内部の一部が蒸気で満たされることとなる（図１（ｂ）参照。）。

次に、ＰＬＲ配管内の圧力を減圧する（Ｓ６）。ＰＬＲ配管内の圧力を減圧すると、除染口の内の蒸気と非凝縮性ガスが膨張するとともに、配管内の水が減圧沸騰する。配管内の水が減圧沸騰すると、その水は蒸気に変化する。これらの作用により、除染口内の蒸気空間は膨大し、その結果、非凝縮性ガスは除染口から押し出され、排除されることとなる。つまり、ＰＬＲ配管内の圧力を減圧することにより、除染口内の蒸気が膨張し、除染口２内部に残存していた非凝縮性ガスが除染口２外に排出される（除染口２内部の非凝縮性ガスが蒸気に置換される（除染口２内部が蒸気で満たされる））。さらに、配管内の水
（特に、非凝縮性ガスと接する冷却水）を減圧沸騰させることにより、この水も蒸気に変化し除染口内に流入するため、除染口内部の蒸気空間をより一層増大させることができる。配管内の水を減圧沸騰させなくても除染口内の非凝縮性ガスを排出させることができるが、減圧沸騰を利用するとより効果が大きい。

尚、ＰＬＲポンプ６は閉止バルブ５間に存在する。従って、ＰＬＲポンプ部６，ＰＬＲポンプのケーシングから圧力抜き８により減圧することができる。この場合、配管の改造等が不要となり、作業の合理化が可能となる。また、水頭圧により加圧を行い、閉止バルブ５を開けることにより減圧することも可能である。

次に、ヒータを停止する（Ｓ７）。

その後、除染口内の非凝縮性ガスの残存量を超音波等の液位センサにより確認する
（Ｓ８）。除染口内の非凝縮性ガスの残存量を確認することにより、確実なＩＨＳＩの施工を可能とすることができる。尚、（Ｓ３）−（Ｓ６）の手順によっても所望の程度まで非凝縮性ガスを排除できていない場合には、（Ｓ３）−（Ｓ６）の操作を複数回繰り返すことができる。

バルブ５を開けて、ＰＬＲポンプを運転し、ＰＬＲ配管内に循環水を流す（Ｓ９）。配管内に循環水が流れることにより、除染口２内部から排出された非凝縮ガスが排除される。さらには、除染口２内部の蒸気の温度が低下し、蒸気が凝縮し始める。蒸気は温度低下すると水に状態変化するため、除染口２内部が水で満たされこととなる（ＩＨＳＩ施工対象部２内部の蒸気が水に置換されることとなる）。尚、（Ｓ９）による非凝縮性ガスの排除は、ヒータを停止，出力を低下させなくても、ＰＬＲポンプの流量を増加させることにより実現することができる。

図４は、除染口が接続された位置におけるＰＬＲ配管の断面図を示している。このように、除染口がＰＬＲ配管に対して傾いて設置されている場合もある。このような場合には、ＰＬＲポンプを運転しなくても、除染口から排出された非凝縮性ガスは除染口２に戻らず、ＰＬＲ配管上部に停滞する。従って、ＰＬＲポンプを運転しなくても非凝縮性ガスの排除は可能である。また、ＰＬＲポンプ運転とヒータ停止の順序は逆でもよい。

以上の工程により、除染口に停滞する非凝縮性ガスを排除することができる。

その後、ＩＨＳＩの施工を開始する（Ｓ１０）。具体的には、ヒータ４を用いて高周波誘導加熱により除染口外表面を昇温するとともに除染口内面を水冷する。非凝縮性ガスが排除され水が満たされているため、除染口内面を十分に冷却することができる。その結果、ＩＨＳＩにより、除染口の厚さ方向に温度差を発生させ、除染口の材料内面の残留応力を緩和させることができる。尚、ＩＨＳＩ施工時には沸騰を抑制するために冷却効果を高める必要があるが、空気排除時は冷却効果を抑制して沸騰を発生させる必要がある。また、ＩＨＳＩ施工時は外壁面温度を６００−６５０℃程度まで加熱するが、空気排除時には５００℃以下で十分である。

尚、上記実施例において、水位を上昇させなくても十分に加熱が可能であれば、Ｓ３において非凝縮ガスを加圧する必要はない。また、配管内の水（特に、非凝縮性ガスと接する冷却水）の加熱や減圧沸騰は、除染口２内部の非凝縮性ガスを蒸気に置換する（除染口２内部を蒸気で満たす）ための手段である。つまり、除染口２内部の非凝縮性ガスを蒸気に置換することができれば他の手段を用いてもよいし、また、加熱又は減圧沸騰の何れかのみの手段を用いることもできる。但し、発明者の実験結果から、ＰＬＲ配管の除染口に対しては、加圧，加熱，減圧（減圧沸騰）を行うことにより、ＩＳＨＩ施工に際して十分に非凝縮性ガスを排除できることが認められた。

以上、本実施例によれば、非凝縮性ガスを排除することができるため、非凝縮性ガスが停滞する部位に対して、十分な残留応力改善効果を達成することができる。

非凝縮性ガスが停滞する部位から非凝縮性ガスを取り除く手順を示した図。第１の実施例におけるＩＨＳＩの施工手順を示すフローチャート。沸騰水型原子炉のＰＬＲ配管系の概略図。除染口が接続された位置におけるＰＬＲ配管の断面図。

符号の説明

１…ＰＬＲ配管、２…除染口、３…溶接部、４…ヒータ、５…バルブ、６…ＰＬＲポンプ、７…原子炉、８…圧力抜き。

Claims

配管に接続された施工対象部の内部に停滞している非凝縮性ガスを加圧することにより圧縮し、
前記非凝縮性ガスと接する水を加熱することにより生じた蒸気を前記施工対象部の内部に流入させ、
前記非凝縮性ガスと接する水を減圧沸騰させることにより生じた蒸気を前記施工対象部の内部に流入させるとともに、
前記施工対象部の内部に流入した蒸気を減圧することにより前記蒸気を膨張させて、前記施工対象部の内部に停滞している非凝縮性ガスを前記施工対象部の外部に排出し、
前記施工対象部の内部に流入した蒸気を冷却することにより、前記施工対象部の内部を水で満たし、
その後、前記施工対象部の内部に水が満たされた状態で、前記施工対象部の外表面を高周波誘導加熱法により加熱し、前記施工対象部の厚さ方向に温度差を生じさせる残留応力改善方法。
請求項１において、前記施工対象部は下方が開口し上方は閉じた凸部を備えている残留応力改善方法。
請求項１又は２において、前記施工対象部は原子力発電プラントの再循環系配管に接続された除染口である残留応力改善方法。