JP4928326B2

JP4928326B2 - 溶接構造物の応力腐食割れ進展性の改善方法

Info

Publication number: JP4928326B2
Application number: JP2007088534A
Authority: JP
Inventors: 聡青池; 勝煥朴; 賢彰田中; 孝一黒沢
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008246501A

Description

本発明は、応力腐食割れを生じる可能性があるニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接構造物に関し、特に応力腐食割れ進展性および発生感受性の改善方法及び応力腐食割れ進展性が改善された溶接構造物に関する。

炉内構造物表面に作用する残留応力を緩和して、応力腐食割れの発生感受性を改善させる例が特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示されているものは、原子炉炉内構造物の表面を水中でウォータージェットを用いてピーニングすることにより圧縮残留応力を効果的に付与し、残留応力を引張残留応力から圧縮残留応力に変えて、腐食割れの発生感受性を改善している。

また、炉水環境を改善して、応力腐食割れの発生感受性および進展性を改善させる例が特許文献２に開示されている。この特許文献２に開示されているものは、原子炉の運転中の炉水に水素と貴金属を注入することにより、構造材表面の腐食電位を低減して応力腐食割れの発生感受性および進展性を改善している。

この他に、構造部材表面に応力腐食割れ等によりき裂が生じた場合の補修方法を示す例が特許文献３に示されており、この特許文献３に開示されているものは、構造部材表面に生じたき裂にツールを加圧接触させ、ツールを回転させてき裂部とツールとの接触面に摩擦熱を発生させ、摩擦熱によって構造部材を軟化させて摩擦攪拌接合によりき裂部を接合して補修している。また、溶接部を被覆するスリーブを配置し、スリーブの端部を摩擦撹拌接合法で接合することで溶接部を高温水環境から隔離して応力腐食割れの発生を防止する例が特許文献４に開示されている。

なお、ニッケル基合金溶接金属の応力腐食割れ進展特性として、柱状晶と直交する方向にき裂が進展する場合のき裂進展速度は、柱状晶方向に沿ってき裂が進展する場合のき裂進展速度に比べて１／１０程度に減速することが、非特許文献1に開示されている。

また、被接合部材の上方を走行する走行体のガーダから吊り下げられ、走行体によって移送されながら摩擦撹拌処理を行う摩擦攪拌接合装置についての例が特許文献５に開示されており、被接合部材をテーブルに固定し、テーブルを回転することにより被接合部材を回転させて、環状または円形の摩擦攪拌接合を行う例が特許文献６に開示されている。

特開平５−７８７３８号公報特開２０００−３２９８９５号公報特開２００６−７５８４４号公報特開２００３−３１４７８２号公報特開２０００−３４３２５１号公報特開２００１−３２１９６６号公報「発電用原子力設備規格維持規格（2004年度版）」（2004.12）JSME S NA1-2004，社団法人日本機械学会，解説3-2-231 図３

ニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス鋼は、引張残留応力が負荷された状態で高温純水中に長時間曝されると、応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する可能性がある。原子力発電プラント原子炉圧力容器を構成する炉内構造物にはニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接構造物があり、炉内構造物の信頼性を高めるために応力腐食割れ発生感受性および進展性を改善することが望まれている。

前述した特許文献１のように、炉内構造物の表面を水中でウォータージェットを用いてピーニングすることにより、残留応力を引張残留応力から圧縮残留応力に変えて、腐食割れの発生感受性を改善する場合、残留応力が圧縮化している範囲が極表層に限られるため、き裂深さの浅いき裂では応力腐食割れの発生感受性の改善効果は高いが、き裂深さの深いき裂ではその効果が低下する。

また、前述した特許文献２のように炉水環境を改善して、応力腐食割れの発生感受性および進展性を改善させる場合は、運転中は継続して水素および貴金属を注入する必要があるため、継続的な保守費用を必要とする。さらに、前述したき裂を摩擦撹拌処理により補修する特許文献３に開示されているものは、予防保全として応力腐食割れの発生を抑止し、あるいは、応力腐食割れの進展性を抑制するものではない。さらに、スリーブを用いて溶接部を高温水環境から隔離するものでは、温度および圧力の変動によりスリーブ溶接部に繰り返し応力変動が負荷されるため、溶接部が疲労損傷して隙間環境を生じ、応力腐食割れが発生しその応力腐食割れが進展する可能性を否定できない。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ニッケル基合金またはオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接材からなる溶接部で部材を接合して構成された溶接構造物において、前記溶接部の表層、または前記溶接部と該溶接部近傍の部材との表層の柱状晶方向を表面面内方向とすることにより、応力腐食割れの進展性の改善効果の影響範囲を溶接部等の深くまで及ぼし、溶接部の応力腐食割れの進展性を抑制して溶接構造物の信頼性を向上させることにある。

上記目的を達成するために、本発明の溶接構造物の応力腐食割れ進展性の改善方法は、ニッケル基合金またはオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接材からなる溶接部で部材を接合して構成された溶接構造物において、前記溶接部の表面、または前記溶接部と該溶接部近傍の部材との表面に、回転するツールを表面垂直方向の荷重負荷により圧着させた状態で移動させて摩擦撹拌処理を行い、該摩擦撹拌処理を行った摩擦撹拌処理部の柱状晶方向を表面面内方向とする溶接構造物の応力腐食割れ進展性の改善方法において、前記溶接部の表面形状が多面である場合には、ツールを各面の一端の近傍から他端の近傍に水平方向に移動して摩擦撹拌処理を行い、溶接部表層、または前記溶接部と該溶接部近傍の部材との表層における柱状晶方向を表面面内方向とした後、摩擦撹拌処理を行った２つの面が共有する端部部分を放電溶融して溶接部の端部部分が再凝固する際の柱状晶方向を表面面内方向とすることを特徴としている。

本発明は、ニッケル基合金またはオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接材からなる溶接部の表面に、回転するツールにより摩擦撹拌処理を行い、摩擦撹拌処理部の柱状晶方向を表面面内方向とすることにより、溶接部に柱状晶方向と直交する方向に応力腐食割れが発生しにくくし、また、応力腐食割れが発生しても、柱状晶の方向が応力腐食割れ方向と直交しているので、応力腐食割れのき裂進展速度を低下させ、構造物の寿命を延長することができる。

本発明では、摩擦撹拌処理が所定間隔あけて平行に行われており、その施工方向を応力腐食割れの発生する方向と直交させることで、一定間隔あけた平行の摩擦撹拌処理部により溶接部に発生する応力腐食割れのき裂長さが短くなり、応力腐食割れの進展を効果的に抑制し、構造物の寿命を延長することができる。また、小径のツールを用いた摩擦攪拌処理が可能となるので、ツールへの負荷荷重が低減でき、摩擦攪拌処理する装置の小型化が可能となるとともに、摩擦撹拌処理面積を大幅に削減することができるため、消耗の激しいツールの節約にも大きな効果が期待できる。

本発明の溶接構造物の応力腐食割れ進展性の改善方法は、溶接部の表面形状が多面である場合には、ツールを各面の左または右端部近傍から他方の端部近傍へ向かって水平方向に移動して摩擦撹拌処理を行い、溶接部表層における柱状晶の方向を表面面内方向とした後、摩擦撹拌処理を行った２つの面が共有する端部を放電溶融して溶接部の端部が再凝固する際の柱状晶方向を表面面内方向とすることを特徴としている。

本発明では、溶接部の表面形状が多面である場合には、ツールを各面の左または右端部近傍から他方の端部近傍へ向かって水平方向に移動して摩擦撹拌処理を行い、面の端部を残して摩擦撹拌処理を行っているので、ツールが溶接部の端部から外れることがないので、ツールや溶接部を破損することがない。しかも、摩擦撹拌処理を行った２つの面が共有する端部を放電溶融して溶接部の端部が再凝固する際の柱状晶方向を表面面内方向とすることにより溶接部の全面を安全に柱状晶方向を表面面内方向とすることができる。

本発明によれば、ニッケル基合金またはオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接材からなる溶接部で部材を接合して構成された溶接構造物において、溶接部等の表面に、回転するツールにより摩擦撹拌処理を行い、摩擦撹拌処理部の柱状晶方向を表面面内方向とすることにより、溶接部に応力腐食割れが発生しにくくし、また、溶接部に応力腐食割れが発生しても、深さ方向のき裂進展は、柱状晶方向が応力腐食割れ方向と垂直になっているので、応力腐食割れのき裂進展速度を応力腐食割れが柱状晶方向に沿って発生する場合とくらべ１／１０程度に減速させることが可能となるため、溶接部の耐用年数を長くすることができ当該溶接構造物の寿命を長くすることができる。

以下、本発明における溶接構造物の応力腐食割れの発生感受性および進展性の改善方法について図面を用いて説明する。

本実施例は、後記する摩擦撹拌処理を溶接部の表面に施すことにより溶接構造物の応力腐食割れの発生感受性および進展性を改善する。

図１は、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１を示し、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部に摩擦撹拌処理を施して応力腐食割れの進展性等を改善する方法を説明するためのものである。図１において、（ａ）は原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１の溶接時（柱状晶方向を表面面内方向としていない）の溶接部の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は摩擦撹拌処理を施した溶接部の正面図、（ｄ）は（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。

原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１は、原子炉圧力容器３に、原子炉炉心シュラウドサポートレグ４が溶接部５で接合された構造となっている。溶接部５はニッケル基合金溶接金属が採用されているため、結晶構造は柱状晶となる。原子炉圧力容器３に原子炉炉心シュラウドサポートレグ４を接合した溶接部５の柱状晶方向７は、図１（ｂ）の矢印に示すように、溶接凝固時に原子炉炉心シュラウドサポートレグ４や原子炉圧力容器３との境界面が柱状晶の起点となり、その後、溶接部５の表面方向に向かって成長するため、溶接部５の表面近傍における溶接部の柱状晶方向７は、表面に対して垂直方向となる。そして、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１に応力腐食割れが発生する場合、残留応力分布の影響等から溶接部５では鉛直方向に長い応力腐食割れ１２が発生する傾向が強い。

本発明はこの溶接部５の表面に摩擦攪拌処理を行う。摩擦攪拌処理は、回転軸の先端に摩擦攪拌処理用の外径１０ｍｍ程度の回転工具（ツール）を装着し、このツールを溶接部５の表面に垂直方向に荷重を負荷した状態で回転させ、ツールを溶接部５内に進入させ、ツールを水平方向に移動させ、溶接部５を攪拌して摩擦熱により可塑化、粘性化することにより行われる。本実施例では溶接部５の表面全体に摩擦攪拌処理を行った。ツールで摩擦攪拌処理され可塑化、粘性化した溶接部５の表面は、図１（ｃ）（ｄ）に示すように、その表面から深さ５ｍｍ程度の範囲における柱状晶方向８が表面面内方向となった。回転工具の直径は、大きいほど、また、摩擦攪拌処理を行う深さは深いほど望ましいが、ツールによる摩擦攪拌処理を行うのに大きな回転駆動力を要するので、その大きさや深さが制限され、その深さは好ましくは２ｍｍ以上である。摩擦攪拌処理は溶接部５のみに限らず、溶接部５の近傍の原子炉炉心シュラウドサポートレグ４にも行うとよい。

図２には、ニッケル基合金溶接金属において、柱状晶方向に対してき裂方向が垂直な場合と柱状晶方向とき裂方向が平行の場合における応力拡大係数と応力腐食割れ（き裂）の進展速度との関係が示されている。ニッケル基合金溶接金属では、柱状晶方向に垂直な方向への応力腐食割れ進展速度１１は、柱状晶方向に沿った方向への応力腐食割れ進展速度１０に比べて１／１０程度のき裂進展速度となる。そこで、本実施例では、ツールを水平方向に移動させて摩擦攪拌処理を行い、溶接部５の表面面内方向における柱状晶方向を水平方向にして応力腐食割れ１２が深さ方向に進展する際のき裂方向と直交させて深さ方向のき裂進展性を改善している。

したがって、摩擦攪拌処理を行い柱状晶の方向が表面面内方向とした摩擦撹拌処理部６では、柱状晶方向と直交する方向には応力腐食割れが発生しにくくなり、また、応力腐食割れが発生しても、柱状晶の方向が応力腐食割れ方向と垂直になっているので、深さ方向のき裂進展速度が表面から深さ数ｍｍ程度の範囲で１／１０程度に低下させることができる。これにより、溶接部５における応力腐食割れの発生感受性および進展性を抑制し、溶接構造物の寿命を延長することができる。

なお、溶接部５の表面に摩擦攪拌処理を施工後に、さらにその表面にウォータージェットを用いてピーニングして圧縮残留応力を付与し、溶接構造物表面の引張残留応力を圧縮残留応力化させ（特許文献１参照）、原子炉の運転中の炉水に水素と貴金属を注入し構造材表面の腐食電位を低減する（特許文献２参照）と、応力腐食割れの発生感受性をさらに抑制することができる。

本実施例は、溶接部の表面に摩擦撹拌処理を水平方向に一定間隔あけて施工することにより溶接構造物の応力腐食割れの発生感受性および進展性を改善する。

図３は、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１を示し、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部に摩擦撹拌処理を施して応力腐食割れの進展性等を改善する他の方法を説明するためのものである。図３において、（ａ）は応力腐食割れが発生した溶接部５の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は、摩擦撹拌処理を施した溶接部５に応力腐食割れが発生したときの溶接部５の正面図、（ｄ）は（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。

原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１に応力腐食割れが発生する場合、残留応力分布の影響等から溶接部５では鉛直方向に長い応力腐食割れ１２が発生する傾向が強い。本実施例では、溶接部５の表面に、外径３ｍｍのツールを用いて実施例１と同様の摩擦攪拌処理方法で水平方向に一定間隔Ｃ（ｍｍ）をあけて摩擦攪拌処理を行っている。

図４には、き裂深さが一定のき裂最深点での応力拡大係数K（MPa√m）と表面き裂長さＣ（ｍｍ）との関係を示している。き裂深さと応力条件が同じ場合、き裂長さＣ（ｍｍ）が増加するに伴いき裂最深点の応力拡大係数が増加するが、き裂長さが図４の領域１５では裂最深点の応力拡大係数が小さい。このため、き裂長さを制限するための摩擦攪拌処理の間隔Ｃ（ｍｍ）を、応力腐食割れの進展に影響がある応力拡大係数K（MPa√m）の小さい領域の値とすることにより溶接部５における応力腐食割れの進展を効果的に抑制し、溶接構造物の寿命を延長することができる。

さらに、本実施例では、摩擦攪拌処理の間隔Ｃ（ｍｍ）をき裂長さ制限の効果が高い領域１５以内とすることで応力腐食割れの進展抑制効果が得られるので、小径のツールを採用した摩擦攪拌処理が可能となるので、ツールへの負荷荷重が低減でき、摩擦攪拌処理する装置の小型化が可能となる。加えて、摩擦撹拌処理面積を大幅に削減することができるため、消耗の激しいツールの節約にも大きな効果が期待できる。

本実施例は、溶接部の断面形状が矩形であり、溶接部の３つの面に摩擦撹拌処理を施工することにより溶接構造物の応力腐食割れの発生感受性および進展性を改善する。

図５は、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１の３つの面に摩擦撹拌処理を施工する行程を説明するためのものである。
まず、（ｂ）に示すように溶接部５の表面側の面を実施例１と同様の摩擦攪拌処理方法でツールを水平方向に移動させて摩擦撹拌処理を行う。摩擦攪拌処理は、回転工具（ツール）を溶接部５の表面に垂直方向に荷重を負荷した状態で回転させるため、溶接部５の端部まで摩擦攪拌処理すると、ツールが溶接部５の端部から外れ、被施工体である原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部１やツールを破損する可能性があり、溶接部５の端部まで摩擦撹拌処理を行うことは困難な場合が多い。そこで、本実施例では、溶接部５の表面側の一端から少しの距離Ｗをあけた地点から摩擦撹拌処理を開始してツールを水平に移動させ、他端から少しの距離Ｗをあけた地点で攪拌処理を終了する。すなわち、本実施例では、溶接部の端部近傍を除く範囲に摩擦撹拌処理を行い、溶接部５の表面側の面における柱状晶の方向を表面面内方向に変換する。次ぎに、溶接部５の側面にも端部近傍を除く範囲に摩擦撹拌処理を行う（摩擦撹拌処理後が（ｄ）に示されている）。

その後、摩擦撹拌処理を行った溶接部５の２つの面が共有する端部部分をタングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接用のトーチ等で放電溶融経路１６に沿って放電を行い、溶接金属を溶融させる。放電溶融した溶接金属はその後自然空冷にて再凝固するが、その際、先に施工した摩擦撹拌処理部６の柱状晶を起点として柱状晶が成長するため、再凝固した柱状晶方向は表面面内方向となる傾向が強い。これにより、溶接部５の全面において柱状晶方向を表面面内方向とすることができ、実施例１と同様のメカニズムで溶接部５における応力腐食割れ進展速度を低減することができる。

図６は、原子炉における制御棒駆動機構の溶接部の斜視図であり、原子炉の制御棒駆動機構溶接部１７は、制御棒駆動機構のスタブチューブ１８下端が原子炉圧力容器３に溶接部１９で接続された構造となっている。スタブチューブ１８は円筒形状であるため、溶接部１９の横断面形状は円形である。

本実施例では、外径３ｍｍのツールを用い、ツールを所定間隔をあけた螺旋状に移動させて摩擦攪拌処理を行った。摩擦撹拌処理を行う際のツールの移動軌道を螺旋状とすることで、連続した摩擦撹拌処理の施工が可能となり、効率的な摩擦撹拌処理を行える。

また、この際、実施例２と同様に所定間隔をあけて摩擦攪拌処理を行うとことで、摩擦撹拌処理部２０の間の領域２１に、応力腐食割れ２２が発生した場合でも、溶接部１９のき裂長さの最大値は摩擦攪拌処理部２０，２０間の間隔程度に抑制されるため、応力腐食割れの進展を効果的に抑制し、溶接構造物の寿命を延長することができる。

さらに、実施例２と同様、小径のツールを採用した摩擦攪拌処理が可能となるので、ツールへの負荷荷重が低減でき、摩擦攪拌処理する装置の小型化が可能となる。加えて、摩擦撹拌処理面積を大幅に削減することができるため、消耗の激しいツールの節約にも大きな効果が期待できる。

本発明は応力腐食割れの発生が懸念される種々の材質および使用環境の組み合わせに対して適用することが可能であり、特にニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス製の溶接構造物の応力腐食割れ抑制に利用できる。

本発明の一実施例における、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部を示し、（ａ）は柱状晶方向を表面面内方向としていない溶接部の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は柱状晶方向を表面面内方向とした溶接部の正面図、（ｄ）は（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図。ニッケル基合金溶接金属の応力腐食割れ進展速度を説明する図。本発明の他の実施例における、原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部を示し、（ａ）柱状晶方向を表面面内方向としていない溶接部にき裂が生じた場合の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は柱状晶方向を表面面内方向とした溶接部にき裂が生じた場合の正面図、（ｄ）は（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図。き裂深さ一定の場合における構造物表面でのき裂長さとき裂最深点の応力拡大係数の関係を示す図。本発明のさらに他の実施例を示し、溶接部の複数面に摩擦撹拌処理を施工する行程を説明するための図であり、（ａ）は摩擦撹拌処理が行われていない溶接部の正面図、（ｂ）は正面に摩擦撹拌処理が行われた溶接部の正面図、（ｃ）（ｄ）溶接部の端部部分の柱状晶方向を表面面内方向とする方法を説明するための図であり、（ｃ）溶接部の正面図、（ｄ）は溶接部の側面図。本発明のさらに他の実施例を示し、原子炉における制御棒駆動機構の溶接部の斜視図。

符号の説明

１…原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部、２…摩擦撹拌処理を施した原子炉炉心シュラウドサポートレグ溶接部、３…原子炉圧力容器、４…原子炉炉心シュラウドサポートレグ、５…溶接部、６…摩擦撹拌処理部、７…溶接部の柱状晶方向、８…摩擦撹拌処理部の柱状晶方向、９…ニッケル基合金溶接金属の応力腐食割れ進展速度、１０，１１…応力腐食割れ進展速度、１２…長い応力腐食割れ、１３…き裂長さが抑制された応力腐食割れ、１５…き裂長さ制限の効果が高い領域、１６…放電溶融経路、１７…制御棒駆動機構、１８…スタブチューブ、１９…溶接部、２０…摩擦撹拌処理部、２２…応力腐食割れ

Claims

ニッケル基合金またはオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接材からなる溶接部で部材を接合して構成された溶接構造物において、
前記溶接部の表面、または前記溶接部と該溶接部近傍の部材との表面に、回転するツールを表面垂直方向の荷重負荷により圧着させた状態で移動させて摩擦撹拌処理を行い、該摩擦撹拌処理を行った摩擦撹拌処理部の柱状晶方向を表面面内方向とする溶接構造物の応力腐食割れ進展性の改善方法において、
前記溶接部の表面形状が多面である場合には、ツールを各面の一端の近傍から他端の近傍に水平方向に移動して摩擦撹拌処理を行い、溶接部表層、または前記溶接部と該溶接部近傍の部材との表層における柱状晶方向を表面面内方向とした後、摩擦撹拌処理を行った２つの面が共有する端部部分を放電溶融して溶接部の端部部分が再凝固する際の柱状晶方向を表面面内方向とすることを特徴とする溶接構造物の応力腐食割れ進展性の改善方法。