JP4862972B1 - すき間付二重管とその製造方法 - Google Patents

Abstract

管内面に厚さ１０〜３０μｍのＣｒを含有する酸化スケール層を生成させた２％以上のＣｒを含有するフェライト系鋼の外管に、管外面をスケール層含めて０．１ｍｍ以上の厚さで切削および／または研磨した２％以上のＣｒを含有する鋼もしくは合金の内管を挿入した後、外径減少率が５〜３０％の冷間加工を行う。管外面に酸化スケール層を生成させた内管を、管内面を切削研磨した外管に挿入した後、同様の冷間加工を行ってもよい。この方法で製造した二重管は、均質なすき間を有し、かつ熱伝導性が良好であり、発電ボイラー、化学工業用、原子力用の高温耐熱耐圧部材として、さらには、将来の高速増殖炉の蒸気発生器管の素材として好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電ボイラー、化学工業、原子力プラントや、次世代高速増殖炉などの高温環境下で使用される耐熱耐圧管のうち、管内面と管外面で熱交換を必要とする二重管であって、二重管の外管内面と内管外面の間に適度なすき間と圧着性をもったすき間付二重管の製造方法、およびこの方法で製造したすき間付二重管に関する。

別に記載がない限り、本明細書における用語の定義は次のとおりである。
「すき間付二重管」：二重管の外管内面と内管外面の金属面が機械的、冶金的に密着していない（すなわち、当該金属面が金属結合しておらず、両金属面間に僅かなすき間が存在する）、しかも適度な圧着性をもった二重管をいう。なお、前記の「圧着性」とは、外管に内管を挿入し冷間加工により圧着することにより得られた二重管における外管と内管の剥離、分離のし難さをいう。
「貫通リーク」：二重管の外管もしくは内管のいずれかに発生したクラックが進展して二重管を貫通した結果、二重管内を通過する流体が漏れ出すことをいう。
「％」：二重管等、対象物に含まれる各成分の質量百分率（質量％）を表す。

火力発電ボイラー、化学工業、原子力プラントや、次世代高速増殖炉などの高温環境下で使用される鋼管等の管材は、高温での強度および耐食性に優れることが要求される。その中で、一方の管を耐食性のよい材質とし、他方を高温強度に優れた材質とした二重管が必要に応じて使用されている。

例えば、特許文献１には、Ｃｒ含有量が３０％以下のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系オーステナイト耐熱鋼のビレットの外面に、ＣｒおよびＮｉを主成分として含有する合金粉を充填した複層ビレットを熱間製管して成る二重管が記載されている。また、特許文献２には、二重管のいずれか一方がＣｒ３０％以上を有するオーステナイトステンレス鋼管、他方がＣｒ２５％以上を有するオーステナイトステンレス鋼管より成る二重管が記載されている。

これらの二重管は、高耐食材と高強度材等の性質の異なる異材質管を組み合わせ、外管と内管を物理的、もしくは冶金的に密着させた（すなわち、外管内面と内管外面を金属面で接触、もしくは金属結合させた）すき間のない二重管である。

しかしながら、すき間のない密着二重管では、外管と内管の金属面が物理的もしくは冶金的に密着しているため、例えば、高速増殖炉（Ｆａｓｔ Ｂｒｅｅｄｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ、以下、「ＦＢＲ」と記す）の蒸気発生器において、冷却剤としてのＮａを循環させる伝熱管（二重管）で万一にせよ発生のおそれがある貫通リーク（クラックが二重管を貫通した結果生じるリーク）を防止できない。

次世代高速増殖炉（ＦＢＲ）の蒸気発生器管に用いる二重管で万一貫通リークが生じると、液体Ｎａと水（蒸気）の接触による反応、爆発がおこり極めて危険である。そのため、貫通リークの防止は、高速増殖炉（ＦＢＲ）における最重要な課題である。

これに対し、金属面同士を物理的もしくは冶金的に密着させないですき間を設けた二重管が開発されている。二重管のすき間は、外管もしくは内管のどちらかに破損やクラックが生じても、その進展をすき間で止めて、すぐには貫通リークを生じさせないことが大きな特徴である。また、この二重管のすき間を利用し、ヘリウムなどの不活性ガスを流して内管もしくは外管のどちらか一方が万一破損してもこれをいち早く検出し、貫通リーク事故を未然に防ぐ技術も開発されている。

例えば、非特許文献１では、内外管の間にこれと同一材質の素線（１００μｍ）を束ねて編んだ組網線を挿入した組網線入り二重管が提案されている。この二重管に設けたすき間にヘリウムなどの不活性ガスを流しておくことにより、内管もしくは外管の破損を素早く検出して、貫通リークを防止することができる。

また、非特許文献２には、外管の内面にリーク検出のための溝加工を施した溝付二重管が記載されている。

しかし、このような従来技術によるすき間付二重管の製造は、極めて特殊で、複雑・精緻な加工の繰り返しが必要である。そのため、製造における相当な困難性に加え、その複雑さから多大な工数および時間がかかり、不良が多く、量産に不向きで経済性にも劣る。また、金属面同士の接触があるため、クラックが進展し、二重管を貫通するリークが生じる危険性も皆無ではない。さらに、次世代高速増殖炉で構想されている３５ｍもの長尺二重管を製造することは、実際には困難である。

その他の従来技術として、特許文献３には、高炉の炉壁などに設置されるステーブクーラ用冷却二重管が記載されている。この二重管は、炭素鋼からなる内管と外管の界面に酸化物などの異層を挟み込んで引き抜き加工により製造される。しかし、酸化物等の挟み込みが外管と内管の間の熱伝達を遮断しているので、熱交換器管には使用できない。また、炭素鋼に限定されているため、４５０℃以上の環境下で使用される高温耐圧部材としては、強度規格が満たされず、耐食性も不十分であり、使用できない。

特開昭６４−１７８０６号公報 特開昭５７−１２０００２号公報 特開２００２−３０３１５号公報

「東芝レビュー」Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１（１９９２）７５〜７８頁 「住友金属」Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．４、Ｏｃｔ．（１９８８）１１２〜１１４頁

本発明は、外管と内管の接触面に貫通リークを防止するためのすき間を設けた二重管における上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、次の諸条件を満たすすき間付二重管の製造方法、およびこの方法で製造されたすき間付二重管を提供することである。
（１）高温耐熱耐圧部材として、高温強度を有すること。
（２）貫通リークを防止するためのすき間を外管内面と内管外面の間に有する二重管を、複雑な工程をふまず、容易に製造できること。
（３）管外面と管内面の間の熱伝導性が損なわれない、すなわち二重管の外管と内管の間の熱伝達が遮断もしくは著しく阻害されないこと。
（４）熱交換器管として、二重管の外管と内管が適度な圧着性をもっていること。
（５）このすき間付二重管を、高い品質（すき間の間隔が適度でばらつきが少ない、つまり均質であることを意味する）で、安定的に製造でき、かつ経済的であること。

本発明の要旨は、次のとおりである。

（１）管内面に厚さ１０〜３０μｍのＣｒを含有する酸化スケール層を生成させた２％以上のＣｒを含有するフェライト系鋼の外管、および、管外面をスケール層含めて０．１ｍｍ以上の厚さで切削および／または研磨した２％以上のＣｒを含有する鋼もしくは合金の内管を準備し、外管に内管を挿入した後、外径減少率が５〜３０％の冷間加工を行うことを特徴とするすき間付二重管の製造方法（この製造方法を「第１発明」ともいう）。

（２）管外面に厚さ１０〜３０μｍのＣｒを含有する酸化スケール層を生成させた２％以上のＣｒを含有するフェライト系鋼の内管、および、管内面をスケール層含めて０．１ｍｍ以上の厚さで切削および／または研磨した２％以上のＣｒを含有する鋼もしくは合金の外管を準備し、外管に内管を挿入した後、外径減少率が５〜３０％の冷間加工を行うことを特徴とするすき間付二重管の製造方法（この製造方法を「第２発明」ともいう）。

（３）前記（１）または（２）に記載の方法で製造したすき間付二重管のすき間が、スケール層を含めて１０〜１００μｍであることを特徴とするすき間付二重管。

（４）前記（３）に記載のすき間付二重管の内管と外管の界面の面圧が５〜７０ＭＰａであることを特徴とするすき間付二重管。

（５）前記（３）または（４）に記載のすき間付二重管が、高速増殖炉の蒸気発生器管に使用されることを特徴とするすき間付二重管。

本発明のすき間付二重管の製造方法によれば、高温耐熱耐圧部材として高温強度を有し、
外管内面と内管外面の間に貫通リークを防止するためのすき間を有する高品質の二重管を容易かつ安定的に製造することができる。
本発明の方法により製造されたすき間付二重管は、外管内面と内管外面の間に適正な間隔のすき間を有しており、管外面と管内面の間の熱伝導性が損なわれず、外管と内管が適度な圧着性をもっている。このすき間付二重管は、発電ボイラー、化学工業、原子力用の高温耐熱耐圧部材として使用することができ、特に、将来の高速増殖炉の蒸気発生器管として好適である。

図１は、すき間付二重管の内管と外管の界面の面圧測定法（クランプトン法）を説明する図である。

本発明者らは、従来技術の大きな課題である、二重管における貫通リークを防止できる適正な間隔のすき間を効率的、経済的に製造する方法について検討を重ねた。その結果、２％以上のＣｒを含有するフェライト系の鋼にあらかじめスケール層を生成残存させておくことが極めて有効であること、スケール層が外管と内管の接触面に残存しても外管と内管の間の熱伝達（二重管の熱伝導）が十分可能であることを知見した。さらに、スケール層を生成させた面と接することとなる管（つまり、相手方の管）の外面または内面の切削研磨、および、外管に内管を挿入して二重管に仕上げる際における適正な加工の付与が重要であることを見出した。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

前述したように、本発明のすき間付二重管の製造方法において、第一発明は、外管の内面に酸化スケール層を生成させ、内管の外面を切削および／または研磨し、前記外管に内管を挿入した後、所定の加工度で冷間加工する方法である。一方、第二発明は、外管と内管に施す処理を逆にして、内管の外面に酸化スケール層を生成させ、外管の内面を切削および／または研磨し、以下、同様に冷間加工する方法である。

酸化スケール層を生成させる管を、前述のように、２％以上のＣｒを含有するフェライト系鋼とするのは、外管内面と内管外面の両面間にばらつきが少ない、適正な間隔のすき間を形成させるためである。

適正な間隔のすき間の形成のためには、緻密で安定なスケール層が必要である。Ｃｒを含有しない炭素鋼のスケール層は厚さのばらつきが大きく、脆く不安定で、管の加工中に容易に剥離脱落するために、二重管としたときに適正な間隔のすき間を形成させることができない。２％以上のＣｒを含有するフェライト系鋼のスケール層は、安定しており、ばらつきが少なく、適正な間隔のすき間を形成させるのに必須である。Ｃｒ量の上限は規定しないが、１５％以上ではスケールが生成しにくくなるため、望ましくはＣｒ量が１３％未満のフェライト系鋼とする。

一方、フェライト系の鋼以外のオーステナイト系の鋼やＮｉ基合金などでは、十分な厚さのスケール層を形成させることが困難であるため、スケール層を生成させる管は、フェライト系の鋼に限定する。

管の内面または外面に形成させるスケール層の厚さを、前述のように、１０〜３０μｍとするのは、スケール層の厚さが１０μｍ未満では、外管内面と内管外面の両面間にすき間を付与する効果がなく、一方、３０μｍを超えるとスケール層が加工中に剥離脱落しやすくなるか、すき間が大きくなりすぎて外管と内管の間の熱伝達性が急激に悪化するからである。

スケール層は、二重管の引抜きや圧延加工を行う前の、外管および内管それぞれの製造中における加熱や、製造後の外管および内管を二重管として組合せる前の熱処理により生成させる。スケール層の厚さは、加熱時の温度および時間とスケール層厚の関係をあらかじめ材質別に調べておくことにより調整することができる。

外管および内管を二重管として組合せる際に、前記スケール層を生成させた面と接する相手方の管の外面または内面を、前記のように、スケール層含めて０．１ｍｍ以上の厚さで切削および／または研磨（以下、「切削研磨」とも記す）するのは、外管内面と内管外面の両面間に適正間隔のすき間を形成させるためである。

スケール層を形成させた管の相手方の管表面にスケール層が付着し、あるいは当該管表面が切削および／または研磨されていない場合は、外管内面と内管外面の両面間に形成されるすき間が適正な間隔にならず、均質性（すき間の間隔が適度で、ばらつきが少ないことを意味する）が損なわれるばかりか、圧着性を確保できず、得られた二重管が容易に剥離または分離してしまう。

また、製造時の管表面にはキズ、シワ、浸炭窒化層等があり、不均一であるため、ばらつきのない適正な間隔のすき間をつくるためにも、切削研磨を行ってこれらを除去すべきである。

切削および／または研磨を０．１ｍｍ以上の厚さで行えば、スケール層を除去し、製造時の管表面におけるキズ、シワ、浸炭窒化層等を除去することが可能である。したがって、切削および／または研磨により除去する厚さを０．１ｍｍ以上と規定する。切削研磨代の上限は特に規定しない。切削研磨代が増しても、適正間隔のすき間を形成させるという観点からは技術的に問題はなく、外管または内管の肉厚等から過大な切削研磨は自ずと制約を受けるからである。

切削および／または研磨による表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０５〜３μｍ程度となるように配慮することが望ましい。表面粗さ（Ｒａ）が粗すぎると、二重管に加工した後の外管内面と内管外面間に形成されるすき間が不均質になるのでよくない。

切削および／または研磨を行った後は、それによる圧縮残留応力を残して圧着性のよい二重管とするため、熱処理等は行わない。

なお、切削研磨の代わりにショットピーニング加工を行い、もしくはこれを併用することも効果がある。一方、切削研磨の代わりに酸洗等の化学処理を行うことは、表面に圧縮残留応力が生じず、圧着性のよい二重管にならないので不適である。

スケール層を形成させた面と接する相手方の管を、前述のように、２％以上のＣｒを含有する鋼もしくは合金とするのは、高温耐熱耐圧部材として、規格等で定められた高温強度を確保するためである。前述のように、スケール層を形成させる管は、緻密で安定なスケール層を形成させるという観点からフェライト系の鋼に限定されるが、このスケール層を形成させる管の相手方の管ではそのような制約は受けないので、Ｃｒ量のより高いフェライト系鋼や、オーステナイト系鋼、Ｎｉ基合金など、高温耐熱耐圧部材としての使用条件に応じてより広範囲の鋼もしくは合金を用いることができる。

第一発明または第二発明において、前述したように、それぞれ準備した外管に内管を挿入した後、外径減少率が５〜３０％の冷間加工を行うこととするのは、外管内面と内管外面の間に貫通リークを防止するための適度なすき間を有し、二重管の管外面と管内面の間の熱伝導性が損なわれず、しかも外管と内管が適度な圧着性をもった二重管を、容易に、かつ経済的に製造するためである。

冷間加工は、引抜き加工やロールによる圧延加工により行う。冷間加工による外径減少率は、５〜３０％とする。外径減少率が５％未満では外管と内管が圧着しない。一方、外径減少率が３０％を超える加工ではすき間が小さくなって十分な貫通リークの防止ができなくなる。望ましくは、外径減少率が１０〜１５％の冷間加工である。より望ましくは、外径減少率が１０〜１５％で、かつ、プラグは用いず、ダイスのみを用いた引抜き加工である。

冷間加工後の処理は特に規定しない。そのまま製品とするか、製品の焼ならし・焼戻し、焼なまし、固溶化熱処理、歪取り焼なまし等を行う。製品として内管、外管の界面の面圧が高い二重管が要求される場合は、それに適した条件を適宜選定すればよい。また、高温クリープ特性を重視する場合は、外管と内管の片方または双方について、規格で定められている熱処理を行う。

以上述べた本発明のすき間付二重管の製造方法によれば、外管内面と内管外面の間に均質なすき間を有する二重管を、複雑な工程をふまず、容易にかつ安定的に製造することができる。３５ｍ程度の長尺品の製造も可能である。

本発明のすき間付二重管は、前述した本発明の方法で製造したすき間付二重管の外管内面と内管外面の間のすき間が、スケール層を含めて１０〜１００μｍであることを特徴とするすき間付二重管である。

すき間が１０μｍ未満では、外管または内管に生じたクラックの進展を阻止することが十分にできず、クラックが伝播して二重管が貫通破壊しやすくなる。一方、すき間が１００μｍを超えると外管と内管の間の十分な熱伝達を確保することができず、外管と内管が圧着しにくくなる。すき間の間隔は、望ましくは、１０〜５０μｍである。さらに望ましくは１０〜３５μｍである。

前記本発明のすき間付二重管において、内管と外管の界面の面圧が５〜７０ＭＰａであることが望ましい。

二重管の内管と外管の界面の面圧は、圧着性を確保して内管と外管が容易に剥離ないしは分離しないようにするために必要である。二重管の界面の面圧が５ＭＰａ未満では良好な圧着性を確保できず、７０ＭＰａを超えると二重管に曲がり等の不具合が生じるおそれがある。

本発明のすき間付二重管は、耐熱耐圧部材として汎用性があり、火力発電ボイラー、化学工業、原子力プラントなどの高温環境下で広く使用できる。特に、貫通リークの防止が重要な課題とされている次世代高速増殖炉の蒸気発生器管として好適であり、３５ｍ程度の長尺品としても十分提供することができる。

二重管を製造するための外管、内管として、２％以上のＣｒを含有する汎用耐熱鋼のＪＩＳ規格ＳＴＢＡ２４（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ）と、ＡＳＭＥ規格Ｔ９１（９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ）、およびＪＩＳ規格ＳＵＳ３２１ＨＴＢ（１８Ｃｒ−１０Ｎｉ−Ｔｉ）の継目無し鋼管を準備した。それぞれの管の寸法は以下のとおりである。
外管：外径２０．４ｍｍ、肉厚１．９ｍｍ、長さ１５ｍ
内管：外径１５．７ｍｍ、肉厚１．６ｍｍ、長さ１５ｍ

これらの継目無し鋼管を用い、表１に示すような外管と内管の組み合わせで、内面もしくは外面にあらかじめ酸化スケール層を生成させた管と、この管の相手方となる管の表面（内面もしくは外面）を切削研磨した管を準備した。

管の酸化スケール層は、事前に適正な熱処理を選定して処理を行い生成させ、表１に示した厚さで、均質かつ密着性のよい酸化スケール層が生成していることを確認した。

切削研磨は、管外面についてはローラー式研磨装置を用い、管内面については管内に研磨紙をつけたプラグを往復運動させる内面研磨装置により、所定の粗さおよび研磨代を確保するように実施した。

これらの外管に表１に示した組み合わせで内管を挿入し、ダイスを使いプラグは使用しない引抜き加工（空引き加工）により二重管を試作した。表１に、引抜き加工時の外径減少率（表１では、「二重管引抜き加工度」と表示）を示す。

表１に、評価結果を製造条件と併記して示す。
製造した二重管のすき間の間隔は、管の円周方向断面の５箇所で、光学顕微鏡観察により各５点づつ測定して平均した値を範囲として示した。

二重管の圧着性は、管を長さ５ｃｍに切断し、さらに長さ方向に半割りし、外管と内管を引き剥がして、容易に剥離もしくは分離するかどうかを調査した。

面圧は、図１に示す面圧測定法（クランプトン法）により実測値を求め、評価した。

二重管の熱伝導性（外管と内管の熱伝達を含む評価）は、下記の手順で外管から内管への伝熱量を測定して計算により熱伝導度を求め、この熱伝導度がＡＳＭＥ規格Ｔ９１の単管の熱伝導度に対し２０％以内の熱伝導度の低下であれば「良好」、それを超える低下なら「不適」として評価した。
手順：
１）管全体をヒーター等で加熱して所定の温度にする。
２）管内面に水を流し、入り側と出側の水の温度を測定する。
３）水の温度差が得られた熱量であり、この熱量が管壁から得られたものと見なし、二重管の熱伝導度を求める。

クリープ破断強さは、試作した二重管およびそれぞれの単管について内圧クリープ試験を実施し、二重管と単管の破断強さと比較して評価した。

表１に示したように、本発明材では、二重管のすき間はいずれも均質で、ばらつきが小さく、面圧も概ね望ましい範囲内にあり、圧着性はすべて良好であった。本発明の二重管における重要な特性である熱伝導性もすべて良好な結果であった。
さらに本発明で製造した二重管について、内圧クリープ試験を実施し、二重管の破断強度がそれぞれの単管強度にほぼ等しいことを確認した。

一方、比較材では、外管と内管の両方にスケール層を存在させた場合（試作番号６）、二重管のすき間が大きくなり、かつ、ばらつきも大きく、十分な圧着性が得られず、熱伝導性も不適であった。

スケール層を本発明で規定する範囲よりも薄くした場合（試作番号７）、すき間が０〜１０μｍと小さく、管断面の顕微鏡観察によると、外管内面と内管外面の金属面同士の部分的な接触が認められた。この二重管では、クラックの伝播を阻止できない場合が起こり得ると推測される。

管表面の切削研磨の代わりに、酸洗により脱スケールした場合（試作番号８）、外管と内管が圧着せず、容易に剥離してしまい、二重管として不適であった。

また、外管内面と内管外面とが接する両面を研磨した場合（試作番号９）、二重管はすき間がない状態で圧着された。この二重管では、貫通クラックが生ずるので不適である。

さらに、二重管の引抜き加工度が小さい場合（試作番号１０）、外管内面と内管外面の間のすき間の間隔が大きくばらつき、外管と内管は分離しているため圧着せず、熱伝導も不適であった。

上記調査結果から、本発明のすき間付二重管の製造方法を適用することにより、外管内面と内管外面の間に均質なすき間を有し、かつ管外面と内面の間の熱伝導性が良好な二重管を製造できることが確認できた。

本発明は発電ボイラー、化学工業用、原子力用の高温耐熱耐圧部材として、さらには、将来の高速増殖炉の蒸気発生器管の素材として利用することが可能であり、これらの産業分野において多大な貢献ができる。

１：外管、 ２：内管

Claims (5)

1. 管内面に厚さ１０〜３０μｍのＣｒを含有する酸化スケール層を生成させた２質量％以上のＣｒを含有するフェライト系鋼の外管、および、
   管外面をスケール層含めて０．１ｍｍ以上の厚さで切削および／または研磨した２質量％以上のＣｒを含有する鋼もしくは合金の内管を準備し、
   外管に内管を挿入した後、外径減少率が５〜３０％の冷間加工を行うことを特徴とするすき間付二重管の製造方法。
2. 管外面に厚さ１０〜３０μｍのＣｒを含有する酸化スケール層を生成させた２質量％以上のＣｒを含有するフェライト系鋼の内管、および、
   管内面をスケール層含めて０．１ｍｍ以上の厚さで切削および／または研磨した２質量％以上のＣｒを含有する鋼もしくは合金の外管を準備し、
   外管に内管を挿入した後、外径減少率が５〜３０％の冷間加工を行うことを特徴とするすき間付二重管の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の方法で製造したすき間付二重管のすき間が、スケール層を含めて１０〜１００μｍであることを特徴とするすき間付二重管。
4. 請求項３に記載のすき間付二重管の内管と外管の界面の面圧が５〜７０ＭＰａであることを特徴とするすき間付二重管。
5. 請求項３または請求項４に記載のすき間付二重管が、高速増殖炉の蒸気発生器管に使用されることを特徴とするすき間付二重管。

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