JP4847888B2 - 原子力発電プラントの配管残留応力改善方法および高周波加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電プラントにおける配管の残留応力の改善に好適な技術に関する。

例えば原子力発電プラントにおける再循環系の配管には、オーステナイト系ステンレス鋼管などのステンレス鋼管を用いるのが一般的である。ステンレス鋼管は、耐食性に優れているものの、応力腐食割れを発生することがある。応力腐食割れは、金属に腐食環境下で引張り応力が働いている場合に、通常よりも低い応力で金属が破壊する現象である。こうした応力腐食割れは、鋼管材料の鋭敏化（鋼管材料の腐食に対する感受性が高くなる現象）、引張残留応力、および腐食環境という３つの要因が重畳する状態で発生の可能性が高まる。したがって、これらの要因の１つでも取り除いてやれば、応力腐食割れの発生を効果的に防止することができる。

こうしたことから、原子力発電プラントでは、応力腐食割れの可能性のある配管について、溶接部近傍における残留応力を改善するための処理を施すようにしている。そしてその残留応力改善処理には、例えば特許文献１や特許文献２に開示されるような方法を用いている。具体的には、配管を外周面から例えば高周波加熱で加熱すると同時に内周面から冷却して配管の外周面と内周面の間に温度差を発生させ、これにより内周面側に引張り降伏を生じさせるとともに外周面側に圧縮降伏を生じさせることで残留応力を改善する。

特開２００５−１２６７７１号公報 特開２００５−２２６１１２号公報

原子力発電プラントにおける応力腐食割れの可能性のある配管、つまりオーステナイト系ステンレス鋼管などのステンレス鋼管を用いた配管は、例えば沸騰水型原子力発電プラントの場合、再循環系の配管とそれに接続する一部の配管であるのが一般的である。つまり残留応力改善処理は、再循環系の配管とそれに接続する一部の配管を対象として行われることが多い。この場合、配管内周面の冷却のために原子炉圧力容器の炉水を用いることができ、従来では実際にもそのようにしていた。具体的には、再循環系の再循環ポンプを作動させることで炉水を残留応力改善処理対象の配管に循環させて配管内周面の冷却を行うようにしていた。

ところで、こうした残留応力改善処理は、原子力発電プラントの定期検査時に行われるのが一般的である。原子力発電プラントの定期検査では、まず原子炉圧力容器から容器ふたを外し、その状態で定期検査における様々な作業を進める。つまり定期検査では、例えば原子炉の燃料取替え作業のように、原子炉圧力容器から容器ふたを外した容器開放状態でないと行うことのできない作業が多数あるということである。

しかるに、残留応力改善のために再循環ポンプを作動させる場合には、再循環ポンプにより原子炉圧力容器内の炉水に大きなポンプ圧が発生するため、外してある容器ふたを一旦原子炉圧力容器に装着して原子炉圧力容器を仮に閉鎖する必要がある。すなわち再循環ポンプを作動させることで冷却水を処理対象の配管に循環させて配管内周面の冷却を行うという従来の方法であると、残留応力改善処理作業を行っている間は原子炉圧力容器の仮閉鎖を必要とし、その間は他の作業の多くを行えなくなるということである。このことは、定期検査に要する期間を長くする結果を招くことになり、その改善が強く望まれている。

本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、原子炉圧力容器の仮閉鎖を必要とせずに原子力発電プラントにおける配管の残留応力改善作業を行えるようにすること課題としている。

本発明では上記課題を解決するために、原子力発電プラントの配管を加熱装置で外周面から加熱すると同時に内周面から冷却することで、これら外周面と内周面の間に温度差を発生させるようにしてなる原子力発電プラントの配管残留応力改善方法において、折り曲げが可能で一定の姿勢を維持できる剛性を有する冷却水供給ホースを前記配管の開口から該配管の内部に挿入し、前記冷却水供給ホースの先端に取り付けられた前記冷却水の噴射ノズルを前記外周面の加熱部位と対応する前記内周面の部位の近傍に位置決めした後、前記噴射ノズルから前記内周面の部位に前記冷却水を吹き付けることにより、前記配管の内周面の冷却を行うようにしたことを特徴としている。

このように配管内周面の冷却を噴射ノズルからの冷却水の噴射で行うようにしたことにより、処理対象の配管に冷却水を循環させる必要がなくなり、したがって原子力発電プラントの配管の残留応力改善処理に際して原子炉圧力容器の仮閉鎖を行う必要がなくなる。この結果、配管の残留応力改善作業と並行して他の作業を進めることができるようになり、定期検査期間の短縮化を図ることが可能となる。また、噴射ノズルの配管への挿入は、例えば、残留応力改善対象の配管に既設の開口部を利用して行うことで、残留応力改善作業をより効率的に進めることができるようになる。

上記のような残留応力改善方法については、前記配管の加熱時に高周波加熱コイルを冷却水の循環で冷却する冷却系を備える高周波加熱装置を前記加熱装置として用い、前記冷却水噴射手段で噴射する前記冷却水を前記冷却系から得るようにすることができる。このようにすることにより、冷却水噴射手段を簡易化することができる。また冷却水の温度設定の自由度を高めて、より効率的な冷却を行えるようになる。

本発明では上記課題を解決するために、原子力発電プラントの配管を外周面から加熱すると同時に内周面から冷却してこれら外周面と内周面の間に温度差を発生させることで前記配管の残留応力を改善するのに用いられ、前記外周面の加熱を高周波加熱コイルで行う加熱系を備えるとともに、加熱時の前記高周波加熱コイルを冷却水の循環で冷却する冷却系を備えた高周波加熱装置において、前記外周面の加熱部位と対応する部位について前記内周面に冷却水を噴射することで前記内周面の冷却を行う冷却水噴射手段を備え、前記冷却水噴射手段は、折り曲げが可能で一定の姿勢を維持できる剛性を有する冷却水供給ホースの先端に冷却水を噴射する噴射ノズルを取り付けて構成され、該噴射ノズルで噴射する前記冷却水を前記冷却系から得るようにされていることを特徴としている。

このような高周波加熱装置によれば、上述のような方法による残留応力改善作業を行うことができる。したがって配管の残留応力改善処理に際して原子炉圧力容器の仮閉鎖を行う必要がなくなり、その結果、配管の残留応力改善作業と並行して他の検査作業を進めることができるようになり、定期検査期間の短縮化を図ることが可能となる。またこのような高周波加熱装置によれば、残留応力改善作業における装置構成の簡素化を図れ、残留応力改善作業の作業性を高めることができる。

以上のような本発明によれば、原子炉圧力容器の仮閉鎖を必要とせずに原子力発電プラントにおける配管の残留応力改善処理を行えるようになる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の残留応力改善方法は、例えば沸騰水型原子力発電プラントに適用することができる。その場合、沸騰水型原子炉発電プラントにおける再循環系の配管とそれに接続する一部の配管が処理対象となるのが一般的である。図１に示すのは、従来型の沸騰水型原子炉発電プラントにおける再循環系１とその周辺の模式化した配管構造である。

再循環系１は、母管２ａ、リングヘッダ管２ｂ、ライザー管２ｃなどの配管２を主なものとして含む。母管２ａは、例えばオーステナイト系ステンレス鋼管のようなステンレス鋼管が用いられ、例えば６００ｍｍ程度と管径が最も大きく、両端を原子炉圧力容器３に接続するようにして設けられ、途中に再循環ポンプ４が取り付けられている。リングヘッダ管２ｂは、母管２ａと同様なステンレス鋼管が用いられ、母管２ａと交差して原子炉圧力容器３の周囲を回る状態のリング状にして設けられている。ライザー管２ｃは、母管２ｂと同様なステンレス鋼管が用いられ、リングヘッダ管２ｂから立ち上がって原子炉圧力容器３に接続するようにして設けられている。再循環系１では、これらの各配管２が残留応力改善の対象となる。また再循環系１には、例えば残留熱除去系に分岐する配管２ｅが接続されており、この配管２ｅも残留応力改善の対象となる。

以上のような残留応力改善の対象となる各配管２では、一般的な規模の沸騰水型原子炉発電プラントの場合、例えば７０箇所程度の処理対象部（溶接部近傍部分）がある。この場合、例えば３〜４箇所の処理対象部を一日にこなすとして、残留応力改善作業に２０日前後を要することになる。

図２に、残留応力改善作業の状況を模式化して示す。残留応力改善処理では、処理対象部位について配管２の処理対象部位（これは配管２の溶接部２ｗの近傍である）を外周面から加熱すると同時に内周面から冷却する。これにより配管２の外周面と内周面の間に所定の温度差が発生し、その温度差で内周面側に引張り降伏を生じる一方で、外周面側に圧縮降伏を生じ、処理対象部位について残留応力が改善される。こうした残留応力改善処理は、一実施形態による高周波加熱装置１０を用いて行う。

高周波加熱装置１０は、加熱系１１、冷却系１２、制御系１３、および冷却水噴射手段１４を備えている。

加熱系１１は、高周波加熱コイル１６、取付け治具１７、トランス１８、および電源（高周波発振器）１９を主な要素としている。高周波加熱コイル１６は、取付け治具１７を介して配管２の処理対象部位の外周面に巻き付けるようにして取り付けられ、その取付け状態でトランス１８からケーブル２０を介して高周波電流が供給されることで配管２を外周面から加熱する。その加熱は、高周波加熱コイル１６に流れる電流が配管２の表面に誘起する表皮電流に対する配管２の電気抵抗による発熱でなされる。トランス１８による高周波加熱コイル１６への高周波電流の供給は、電源１９からトランス１８に供給される電流に基づいてなされる。

冷却系１２は、冷却水循環装置２１を備え、この冷却水循環装置２１から冷却水循環ホース２２（２２ａ、２２ｂ）で冷却水を循環させることで冷却対象の冷却を行うようにされている。その主要な冷却対象は高周波加熱コイル１６である。高周波加熱コイル１６は、配管２の加熱時にそれ自身も発熱するので、その焼損を防ぐために冷却を必要とする。高周波加熱コイル１６の冷却は、冷却水循環装置２１がコイル冷却水循環ホース２２ａを介して循環させる冷却水で行われる。冷却系１２は、トランス１８と電源１９も冷却対象とする。これらの冷却は、電源冷却水循環ホース２２ｂを介して循環させる冷却水で行われる。

制御系１３は、制御装置２３を備えており、この制御装置２３により高周波加熱コイル１６の印加電流や通電時間などの制御を通じて配管２の加熱を制御する。そのために制御装置２３は、ケーブル２０に流れる電流を計測する電流計測器２４や配管の外周面や内周面の温度を計測する温度計測器２５を通じて必要なデータを収集できるようにされている。

冷却水噴射手段１４は、冷却系１２の冷却水循環装置２１に接続する冷却水供給ホース２６の先端に噴射ノズル２７を取り付けた構成とされている。この冷却水噴射手段１４は、冷却水循環装置２１から供給される冷却水を噴射ノズル２７により噴射水２８として噴射することで配管２を内周面から冷却する。その冷却は、高周波加熱コイル１６による加熱部位に対応する部位について行う。そのために冷却水供給ホース２６と噴射ノズル２７は、配管２に既設の開口部２９から配管２の内部に挿入できるようにされ、またその挿入により噴射ノズル２７を冷却部位に適切な姿勢状態で位置決めさせることができるようにされている。具体的には、折り曲げが可能である一方で、一定の姿勢を維持できる剛性を有した構造を冷却水供給ホース２６に与えている。

ここで、上記の適切な姿勢状態とは、噴射ノズル２７が冷却部位に均一的に噴射水２８を吹き付けることができる状態のことである。また既設の開口部２９は、例えばγプラグ座である。γプラグ座は、プラント現場で溶接作業を行った場合にその溶接部をスコープなどで検査するために配管２に設けられている開口部である。冷却水供給ホース２６を配管の内部に挿入するのに用いることのできる既設の開口部としては、γプラグ座の他にも配管の種類に応じて、バルブ開口部、リングヘッダーキャップ、除染口などがあり、これらのいずれをも用いることができる。

以下では、上述のような高周波加熱装置１０を用いて再循環系１の配管２に対してなされる残留応力改善作業の例について説明する。残留応力改善作業は、図３に示すような流れで進められる。まず配管内冷却材排出作業を行う（ステップ１０１）。配管内冷却材排出作業では、再循環系１の配管２に残っている冷却材を排出して配管２を空の状態にする。次いで、高周波加熱装置設置作業を行う（ステップ１０２）。高周波加熱装置設置作業では、処理対象の配管２に対して適切な位置関係となるように高周波加熱装置１０を設置する。次いで、高周波加熱コイル取付け作業を行う（ステップ１０３）。高周波加熱コイル取付け作業では、まず取付け治具１７を配管２の処理対象部位に装着し、それからその取付け治具１７に高周波加熱コイル１６を巻き付けるようにして取り付ける。以上までが加熱のための準備作業である。

加熱準備作業を終えたら、配管冷却のための準備作業に移る。配管冷却準備作業では、まず挿入開口部セッティング作業を行う（ステップ１０４）。挿入開口部セッティング作業は、噴射ノズル２７を配管２に挿入するための開口部２９をセッティングする作業である。開口部２９が例えばγプラグ座である場合には、その栓などを取り外すことで開口状態にする。開口部２９のセッティングを終えたら、噴射ノズル挿入作業を行う（ステップ１０５）。噴射ノズル挿入作業では、まず開口部２９にホース支持治具３０を取り付け、それからホース支持治具３０で支持させた状態で冷却水供給ホース２６を配管２の内部に送り込むようにして挿入する。その挿入は、噴射ノズル２７を冷却部位、具体的には溶接部２ｗの近傍に適切な姿勢状態で位置決めできるようにして行う。これで配管冷却準備が完了となる。

冷却準備を終えたら、残留応力改善処理作業に移る。残留応力改善処理では、まず配管冷却処理を開始する（ステップ１０６）。配管冷却処理では、冷却水循環装置２１から冷却水供給ホース２６を通じて送水される冷却水を噴射ノズル２７から噴射水２８として吹き付けることで配管２を内周面から冷却する。この際、例えば冷却水循環装置２１に冷却水温度設定機能を持たせることにより、冷却水の温度を任意に設定することができる。そしてそのようにすることで、より効率的に冷却を行え、したがって残留応力改善処理をより効率的に進めることが可能となる。

ステップ１０６で配管冷却を開始したら、ステップ１０７としてコイル冷却処理を開始し、さらにステップ１０８として配管加熱処理を開始する。コイル冷却処理では、冷却水循環装置２１によりコイル冷却水循環ホース２２ａに冷却水を循環させることで高周波加熱コイル１６を冷却する。配管加熱処理では、トランス１８から高周波加熱コイル１６に高周波電流を通電することで配管２を外周面から加熱する。この配管加熱処理は、制御装置２３が印加電流や通電時間などを制御しつつ、例えば温度条件や加熱時間などの所定の処理条件が満たされるまでなされる。そして所定の処理条件が満たされれば、ステップ１０９として、高周波加熱コイル１６への通電を停止して加熱処理を終了する。

加熱処理終了となれば、当該処理対象部位についての片付け作業に移る。片付け作業では、まず冷却水供給ホース２６への冷却水の送水を止めて配管冷却の停止作業を行う（ステップ１１０）。それから高周波加熱コイル１６が十分に冷えるのを待った後、コイル冷却水循環ホース２２ａの冷却水循環を止めてコイル冷却の停止作業を行う（ステップ１１１）。そして最後に高周波加熱コイル１６と冷却水供給ホース２６の取外し作業を行う（ステップ１１２）。

このようにして１つの処理対象部位に対する残留応力改善処理を終えたら、高周波加熱装置１０の現在設置位置で処理することのできる処理対象部位が残っているか判断する（ステップ１１３）。処理対象部位が残っていれば、それらの処理対象部位についてステップ１０３以降を繰り返し、残っていなければ、高周波加熱装置１０の現在設置位置からの撤去を行い（ステップ１１４）、終了となる。

以上のように本発明では、配管内周面の冷却を冷却水噴射手段１４による冷却水の噴射で行うようにしている。このため、再循環系１の配管２の残留応力改善処理に際して再循環ポンプ４を作動させる必要がなく、原子炉圧力容器３の仮閉鎖を行わずに済む。したがって配管の残留応力改善作業と並行して他の検査作業を進めることができるようになり、定期検査期間の短縮化を図ることが可能となる。また以上の実施形態では、高周波加熱装置１０に冷却水噴射手段１４を備えさせる構成としている。これにより、残留応力改善作業における装置構成の簡素化を図れ、残留応力改善作業の作業性を高めることができる。

以上、本発明を実施するための一つの形態について説明したが、これは代表的な例に過ぎず、本発明は、その趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば上記実施形態では、高周波加熱装置１０に冷却水噴射手段１４を備えさせる構成としていたが、これに限られず、冷却水噴射手段を独立の機器とする構成とすることも可能である。また冷却水噴射手段を独立の機器とする場合には、冷却水の供給源を高周波加熱装置の冷却系以外に求める構成とすることもできる。

本発明による残留応力改善方法を適用する従来型沸騰水型原子炉発電プラントにおける再循環系とその周辺の配管構造を模式化して示す図である。 残留応力改善作業の状況を模式化して示す図である。 残留応力改善作業の流れを示す図である。

符号の説明

２ 配管
１０ 高周波加熱装置
１１ 加熱系
１２ 冷却系
１４ 冷却水噴射手段
１６ 高周波加熱コイル
２７ 噴射ノズル
２８ 噴射水
２９ 開口部

Claims (3)

1. 原子力発電プラントの配管を加熱装置で外周面から加熱すると同時に内周面から冷却することで、これら外周面と内周面の間に温度差を発生させるようにしてなる原子力発電プラントの配管残留応力改善方法において、
   折り曲げが可能で一定の姿勢を維持できる剛性を有する冷却水供給ホースを前記配管の開口から該配管の内部に挿入し、前記冷却水供給ホースの先端に取り付けられた前記冷却水の噴射ノズルを前記外周面の加熱部位と対応する前記内周面の部位の近傍に位置決めした後、前記噴射ノズルから前記内周面の部位に前記冷却水を吹き付けることにより、前記配管の内周面の冷却を行うようにしたことを特徴とする原子力発電プラントの配管残留応力改善方法。
2. 前記配管の加熱時に高周波加熱コイルを冷却水の循環で冷却する冷却系を備える高周波加熱装置を前記加熱装置として用い、前記噴射ノズルで噴射する前記冷却水を前記冷却系から得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の原子力発電プラントの配管残留応力改善方法。
3. 原子力発電プラントの配管を外周面から加熱すると同時に内周面から冷却してこれら外周面と内周面の間に温度差を発生させることで前記配管の残留応力を改善するのに用いられ、前記外周面の加熱を高周波加熱コイルで行う加熱系を備えるとともに、加熱時の前記高周波加熱コイルを冷却水の循環で冷却する冷却系を備えた高周波加熱装置において、
   前記外周面の加熱部位と対応する部位について前記内周面に冷却水を噴射することで前記内周面の冷却を行う冷却水噴射手段を備え、前記冷却水噴射手段は、折り曲げが可能で一定の姿勢を維持できる剛性を有する冷却水供給ホースの先端に冷却水を噴射する噴射ノズルを取り付けて構成され、該噴射ノズルで噴射する前記冷却水を前記冷却系から得るようにされていることを特徴とする高周波加熱装置。

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