JP4972595B2

JP4972595B2 - 配管のき裂進展抑止方法

Info

Publication number: JP4972595B2
Application number: JP2008089149A
Authority: JP
Inventors: 史則岩松; 聡青池
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009243545A

Description

本発明は、応力腐食割れや疲労によりき裂が生じたオーステナイト系ステンレス鋼などの配管のき裂進展抑止方法に関する。

配管を拡管させて残留応力を緩和する方法は、特許文献１に記載されている。

この記載された応力緩和方法では、内部に水を保有した配管の上流および下流に水密な栓を形成し、この水密な栓に挟まれた配管内部の水を冷却して凝固させ、氷を形成して体積膨張させることが試みられている。

また、内径の大きな配管への施工では、氷栓の形成位置を配管突合せ溶接部の上流および下流の曲げ管またはエルボまたは分岐部とする。

この結果、配管内の水密な栓で挟まれた水の圧力が上昇することで配管が拡管され塑性変形する。これにより配管の残留応力が改善する。

特開２００６−３３４５９６号公報

氷栓の形成後に配管内の氷栓で挟まれた水の圧力を上昇させる場合、配管の内径が大きくなるに従い、氷栓に加わる管軸方向の推進力は大きくなる。

そのため、従来の技術では、配管の内径が大きい配管に対して施工する場合、エルボ部または分岐管に氷栓を形成することにより、氷栓に作用する管軸方向の荷重を管壁により支持させるため、施工する箇所が制限される。

また、配管の内径が大きくなるに従い、完全に凍結せずに配管内面に一定厚さの氷層が形成された状態で温度が均衡し、配管中央部まで完全に凍結しない可能性がある。

そこで、本発明は、内面に貫通しないき裂を有する直径の大きい配管に対して、き裂の進展抑止のために、管軸方向の推進力に耐え、配管内面のき裂近傍に圧力を加えることが可能な氷栓を確実に形成する配管のき裂進展抑止方法を提供することを目的とする。

本発明の配管のき裂進展抑止方法は、内面に貫通しない微小なき裂を有する鉛直方向の配管のき裂進展抑止方法であって、配管の内部を気体環境中とし、き裂の鉛直下部を氷点下に冷却し、配管の内面の管壁に沿って鉛直上部より水を供給して氷栓を形成し、き裂の鉛直上部まで水が溜め、き裂の鉛直上部を氷点下に冷却し、き裂が形成されている位置に溜められた水を氷点下に冷却することを特徴とする。

ここで、鉛直下部とは、配管の鉛直方向であって、き裂の位置より下部の位置のことであり、鉛直上部とは、配管の鉛直方向であって、き裂の位置より上部の位置のことである。

そして、き裂が形成されている位置は、配管の外部から、直接、冷却せず、き裂の鉛直上部および鉛直下部の配管の外部から冷却し、その冷却熱によって、き裂が形成されている位置を氷点下に冷却することを特徴とする。

なお、き裂が形成されている位置近傍の配管の外部には断熱材を形成し、断熱材の鉛直下部および鉛直上部を冷却することで、き裂が形成されている位置を冷却し、氷を作る。

つまり、き裂の鉛直下部および鉛直上部に形成された氷栓（氷）により、き裂が形成されている位置近傍に溜められた水が、氷栓で閉じられる。こうした氷栓で閉じられた領域を形成した後に、この領域に、配管の内部の管壁に沿って、先に形成された氷栓の冷却熱を用いて、氷栓を形成する。

目的を達成するための本発明の特徴は、鉛直方向の配管である点であり、まず内部を気体環境中とする。その後、き裂の鉛直下部を氷点下に冷却し、配管の内面の管壁に沿って鉛直上部より水を供給し、き裂の鉛直下部に氷栓を形成する。その後、き裂の鉛直上部まで水を溜め、水が溜まった後、き裂の鉛直上部を氷点下に冷却し、き裂の鉛直上部に氷栓を形成する。そして、最後に、鉛直上部及び鉛直下部の氷栓からの冷却熱によって、溜まった水を凍らせる。

この特徴において、き裂の鉛直下部および鉛直上部に氷栓を形成するためには、冷媒容器を用意する必要がある。

配管の内部の流体を除去して気体環境とし、き裂近傍の配管の外面に断熱材、および、き裂近傍の配管の外面であって、断熱材の外周部，鉛直上部及び鉛直下部に冷媒容器を設置する。

冷媒容器の内部に、エチルアルコールとドライアイスを投入して、十分な時間が経過した後、き裂の鉛直下部が氷点下になったことを確認する。

配管の鉛直上部より管壁内面に沿って水を供給し、き裂の鉛直下部に氷栓を形成する。

配管の内部を気体環境として、氷を形成するために必要な量の水を供給することで、水の熱伝達および対流を低減させることができる。

次に、超音波探傷試験により、き裂の鉛直上部まで水が溜まったことを確認する。これにより、き裂の鉛直下部に確実に氷栓が形成されたことが確認される。

続いて、き裂の鉛直上部をエチルアルコールとドライアイスで冷却する。この時、き裂近傍の配管の外面に断熱材が設置されているため、配管の内部のき裂近傍には水が氷栓によって挟まれた領域が形成される。

冷却を継続すると配管の断熱材を設置した位置の温度が低下し、管壁内面に沿って、上下の氷栓を繋ぐように氷が形成される。

さらに、氷の体積膨張により水圧が上昇するため、配管のき裂近傍には圧力が生じる。

これにより、配管の外面のき裂近傍において、管周方向のひずみの上昇が生じるため、き裂の鉛直下部および鉛直上部に氷栓が形成されたことを確認できる。

目標とする管周方向のひずみに達した後、冷媒容器を除去し、配管の内部の氷が溶けて水になると、き裂の先端近傍に圧縮残留応力域が形成される。

本発明により、内面に貫通しないき裂を有する直径の大きい配管に対して、き裂の進展抑止のために、管軸方向の推進力に耐え、配管内面のき裂近傍に圧力を加えることが可能な氷栓を確実に形成する配管のき裂進展抑止方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図１ないし図３に、本発明に係る配管のき裂進展抑止方法の一実施例を示す。

本実施例では、発電プラントに用いる配管の内面に発生した貫通しないき裂の進展を抑止する場合を例にとり説明する。

図１は、本発明に係る配管のき裂進展抑止方法の一実施例であり、配管１の縦断面図である。

鉛直方向の配管１の内面に発生した貫通しないき裂２の進展を抑止するために、配管１の内部の水を除去し、気体３の環境中とする。

断熱材５を、配管１の外面におけるき裂２の位置に設置する。

断熱材５の管軸方向長さが短過ぎると、配管１が十分に拡管できず、長過ぎると氷１１が、氷９，１０栓を繋ぐように形成されないため、断熱材５は、配管１の直径と同程度から二倍程度の管軸方向長さとするのがよい。

次に、配管１に設置した断熱材５の鉛直下部および鉛直上部に氷９，１０栓を形成するために十分な管軸方向長さを持った冷媒容器４を設置する。

この冷媒容器４は、配管１にリング状に取り付けることが可能な容器を用いる。

また、この冷媒容器４は、内部が空洞である。この空洞に、エチルアルコール６を断熱材５の鉛直下端程度まで注入する。なお、エチルアルコールに代えてメチルアルコールを用いてもよい。

続いて、冷媒容器４に、ドライアイス７を投入する。ドライアイス７を投入することにより、冷媒容器４の内部における冷媒の液面が上昇するが、断熱材５の鉛直上端まで液面が上昇しないようにする。

これにより、冷媒容器４が取り付けられた断熱材５の鉛直下部に対応する配管１を氷点下に冷却する。

続いて、配管１の内部の鉛直上部より水８を管壁に沿って供給する。

これにより、供給された水８が冷却され、配管１の内部の氷点下となった領域で凝固して、氷９栓が形成される。

氷９栓が形成されると、配管１の鉛直上部からの水８の供給により、配管１の内部に水８が溜まり始める。例えば、超音波探傷試験により、配管１の内部の水位を測定することで、氷９栓が形成されたことが確認できる。

十分な時間が経過した後も、配管１の内部に水が溜まらない場合は、水８の供給量が過大で、氷９の成長速度と、水８の供給による氷９を溶かす速度が平衡している可能性があるので、水８の供給量を減少させる。

配管１の内部に水８が冷媒容器４の上端程度まで溜まったことを確認した後に、水８の供給を止める。

続いて、エチルアルコール６とドライアイス７を冷媒容器４に断熱材５の鉛直上部まで満たされるように投入する。このとき、室温のエチルアルコール６を冷媒容器４に投入すると、冷媒容器４内のドライアイス７が急激に気化するため、投入するエチルアルコール６にドライアイス７を入れて事前に冷却しておくと良い。

断熱材５の鉛直上部を冷却することにより、配管１の内部の水８が、冷却され凝固し始める。配管１が全て水８で満たされている場合に比べて、氷９栓により対流が抑制されるため、氷１０栓が形成できる。

このとき、断熱材５を設置していたことにより、配管１の内部には氷９，１０栓により水８が挟まれた領域が形成される。

冷媒容器４の内部のドライアイス７が無くならないように適宜投入し続けると、氷９，１０栓に挟まれた領域に氷１１が形成され始める。水８から氷１１へ変化する際の体積膨張により、氷９，１０栓に挟まれた領域に圧力が生じ始める。

この時、配管１の管壁内面に沿って、氷１１が形成されることで、氷９，１０栓に加わる管軸方向の力を支持する。

配管１が別途実施した解析や実験により予め定めた量まで拡管したら、冷媒容器４を取り外す。

しばらくすると、温度が上昇するので配管１の内部に形成された氷９，１０，１１が融解し、圧力が低下する。

上記手順により、配管１の内面におけるき裂２の先端近傍には、塑性変形が起こり、圧縮残留応力域が形成され、き裂２の先端は鈍化される。これによりき裂２の進展を抑止できる。

図２の（ａ）〜（ｃ）に、上記手順によるき裂２先端の状態の変化を示し、図２は、配管１の縦断面図のき裂２近傍を示す図である。

図２（ａ）は、初期のき裂２の状態を示す。き裂２の先端は、非常に鋭く、引張残留応力域２１が生じている。

配管１の内部の圧力が上昇して、配管１に通常負荷する応力よりも大きい引張応力を負荷すると、図２（ｂ）に示すように、き裂２が開口されて、き裂２の先端近傍にはより強く広い範囲に引張残留応力域２１が形成される。

この時、き裂２の先端近傍では塑性変形が発生する。その後、配管１の内部の圧力が低下すると、き裂２の先端近傍の変形は、周囲の変形量が少ない領域に拘束されるため、図２（ｃ）に示すように、き裂２の先端近傍に圧縮残留応力域２２が形成される。

また、き裂２の先端が塑性変形することでき裂２は鈍化される。したがって、き裂２の進展が抑止される。

更に、本発明に係る配管のき裂進展抑止方法における他の実施例について、図３を用いて説明する。

図３は、二つの冷媒容器を用いる配管のき裂進展抑止方法の施工例について示すものであり、き裂２の鉛直下部と鉛直上部とに冷媒容器３１，３２をそれぞれ設置して、配管１の外面を冷却する実施例である。

配管１の内部の水を除去し、気体３環境中とする。

配管１の外面のき裂２位置に断熱材５を、き裂２の鉛直下部と鉛直上部とに冷媒容器３１，３２を設置する。

き裂２の鉛直下部に設置した冷媒容器３１にエチルアルコール６およびドライアイス７を投入する。

続いて、配管１の鉛直上部より水８を管壁に沿って供給する。これにより、氷９栓が形成され、配管１の内部に水８が溜まり始める。

配管１の内部に水８が、き裂２の鉛直上部に設置した冷媒容器３２の上端程度まで溜まったことを確認した後に、水８の供給を止める。

続いて、エチルアルコール６とドライアイス７を、き裂２の鉛直上部に設置した冷媒容器３２に投入する。これにより、氷１０栓が形成され、配管１の内部には、氷９，１０栓により水８が挟まれた領域が形成される。

冷媒容器３１，３２により、冷却を継続すると、氷９，１０栓に挟まれた領域に氷１１が形成され始め、氷９，１０栓に挟まれた領域の圧力が上昇し始める。

これにより、断熱材５を設置した位置で配管１が拡管する。

配管１が予め定めた量まで拡管したら、冷媒容器３１，３２を取り外す。

以上のように、これら実施例によれば、配管の内部を気体環境中として、鉛直上部からの水の供給により氷栓を形成することで、水の熱伝達および対流を低減することができ、直径の大きい配管に氷栓を形成可能となる。

また、き裂の鉛直下部および鉛直上部からの冷却により、氷栓で閉じられた領域に管壁に沿って氷栓を繋ぐように氷を形成することで、水圧の上昇により生じる管軸方向の圧力に対して氷栓が支持され、直径の大きい配管の内面に発生した貫通しないき裂を抑止する施工が可能となる。

本発明のき裂進展抑止方法は、応力腐食割れや疲労によりき裂が生じたオーステナイト系ステンレス鋼などの配管に利用可能である。

本発明に係る配管のき裂進展抑止方法の一実施例を示す図。図１に示した配管のき裂進展抑止方法のき裂先端近傍の状態を示す図。本発明に係る配管のき裂進展抑止方法の他の実施例を示す図。

符号の説明

１配管
２き裂
３気体
４，３１，３２冷媒容器
５断熱材
６エチルアルコール
７ドライアイス
８水
９，１０，１１氷
２１引張残留応力域
２２圧縮残留応力域

Claims

内面に貫通しない微小なき裂を有する鉛直方向の配管のき裂進展抑止方法において、
前記配管の内部を気体環境中とし、
前記き裂の鉛直下部を氷点下に冷却し、
前記配管の内面の管壁に沿って鉛直上部より水を供給して氷栓を形成し、
前記き裂の鉛直上部まで水を溜め、
前記き裂の鉛直上部を氷点下に冷却し、
前記き裂が形成されている位置に溜められた水を氷点下に冷却することを特徴とする配管のき裂進展抑止方法。
請求項１において、
前記き裂が形成されている位置は、配管の外部から、直接、冷却せず、前記き裂の鉛直上部及び鉛直下部の配管の外部から冷却し、その冷却熱によって、前記き裂が形成されている位置を氷点下に冷却することを特徴とする配管のき裂進展抑止方法。
請求項１において、
前記き裂が形成されている位置近傍の配管の外部に、断熱材を形成し、前記断熱材の鉛直下部および鉛直上部を冷却することを特徴とする配管のき裂進展抑止方法。
請求項１において、
前記き裂の鉛直下部および鉛直上部に形成された氷栓により、前記き裂が形成されている位置近傍に溜められた水が、氷栓で閉じられた領域を形成した後に、前記領域に、前記配管の内部の管壁に沿って氷栓を形成することを特徴とする配管のき裂進展抑止方法。