JP5006321B2 - 溶接結合を製作する方法、ならびに溶接結合を補修する方法 - Google Patents

Description

本発明は、内面、外面、およびこれらをつなぐ端面をそれぞれ有する第１および第２の構成部品の間で溶接結合を製作する方法に関するものであり、第１の構成部品は内面側のめっきを支持するフェライトの本体で構成され、その端面はＮｉ基合金からなる緩衝層を備え、第２の構成部品はオーステナイト材料で形成されている。

さらに本発明は、このような種類の溶接結合を補修する方法も対象としている。構成部品としては、特に、内面が腐食性の媒体と接触するパイプやパイプ接続部が考慮の対象となる。ここでは特に、圧力下におかれた高い温度を有する水が一次冷却剤として循環している原子力発電所の一次循環路を挙げておく。強度上の理由によりフェライト材料で構成されている原子炉圧力容器の腐食現象を防止するために、原子炉圧力容器は、オーステナイト材料からなるめっきを内面に備えている。それに対して、原子炉圧力容器の接続管に接続される配管系は、耐腐食性の高いオーステナイト材料で全体的に構成されている場合がある。冒頭に述べた種類の２つの構成部品、すなわちオーステナイトの内面めっきをもつフェライトのパイプ区域と、全体的にオーステナイトからなるパイプ区域とは、通常のやり方によると、ニッケル基合金からなる溶接継目によって相互に結合される。その場合の欠点は、特定のニッケル基合金がオーステナイト材料よりも低い耐腐食性（粒間応力腐食）しか有しておらず、そのために、例えば原子炉の作動中に水のような腐食性媒体と長期間接触していると、溶接継目が内側から腐食していく危険があることである。

以上を前提とする本発明の課題は、耐腐食性の溶接結合を製作する方法、および耐腐食性の溶接結合を補修する方法を提案することにある。溶接結合を製作する方法に関しては、この課題は請求項１によって解決され、補修方法に関しては請求項９によって解決される。

本発明の詳しい具体的事項、ならびに利点については、添付の図面を参照して行う以下の説明から明らかである。

図２は、第１の構成部品１と第２の構成部品２との間の従来式の溶接結合を示し、第１の構成部品１は特にパイプ区域、例えば原子炉圧力容器４の接続管３であり、構成部品２は、これに突き合わせて接続されたパイプ５（図１）である。構成部品１および２は、外面６および７と、内面８および９と、外面および内面を相互につなぐ端面１０または１２とをそれぞれ有する。第１の構成部品１は、本体１３と、内面側でこれに取り付けられためっき１４とで構成されている。本体１３はフェライト材料ででき、例えば２２ＮｉＭｏＣｒ３７（材料番号１．６７５１）またはＳＡ５０８Ｃｌ２（ＡＳＭＥコード）でできている。めっき１４はオーステナイト材料からなり、例えば材料番号１．４５５１またはＡＩＳＩ３４７からなっている。本体１３の端面１５は、例えばニッケル含有率が６７％よりも多いインコネル１８２などのニッケル基合金からなる緩衝層１６を支持し、合金成分としては、特に１６％のクロム、６．５％のマンガン、および６％の鉄が含まれている（この個所、およびこれ以外の個所のパーセント表示は重量パーセントである）。緩衝層１６は本体１３の端面１５全体を覆っている。その内方を向いている短辺１７は、めっき１４と物質接合により結合されている。第２の構成部品はオーステナイト材料ででき、例えばＸ１０ＣｒＮｉＭｏＴｉ１８１０（１．４５７１）またはＡＩＳＩ３１６Ｌでできている。両方の構成部品１および２は、軸方向に距離をおいて互いに一直線上に並ぶようにアライメントされ、溶接溝１８または溶接継目１９を互いの間に介在させている。溶接継目１９は、例えばＩ８２などの溶加材としてのニッケル基合金によって生成され、第１または第２の構成部品１および２の内面８および９まで延び、そこで、これと関連する媒体の腐食要因にさらされ、特に、高圧下にあり２８０℃を超える高い温度を有する一次冷却材の腐食要因にさらされる。ニッケル基合金は比較的低い耐腐食性を有するので、溶接継目１９の領域では内面から腐食がはじまる可能性がある。そこで本発明の目的は、すでに冒頭に述べたとおり、この点への対処法を提供することにある。

図３．１から図３．６には、第１の方法態様が模式的に図示されている。この方法の第１の部分（図３．１から図３．３）では、まず最初に、構成部品１にインコネル１８２からなる緩衝層１６が与えられる。そのために、まず本体１３が、その端面１５がめっき１４に対して引っ込んだ状態になるように、またはめっき１４がその突起２０によって端面１５から軸方向２２へ突き出すように、端面側で除去される。このとき、メッキ１４の一部も一緒に除去され、その結果として突起２０は、当初のめっきの厚み３１よりも僅かに小さい厚みを有することになる。次のステップ（図３．２）として、緩衝層１６が多層の溶接ビード（図示せず）の形態で、突起２０の部分を起点として端面１５に被着される。こうして得られた緩衝層は不均等な端面２３を有し、構成部品１の外面６からは余剰材料２１が上方へ突き出ている。次いで緩衝層１６の部分の第１の構成部品１が熱処理され、これにより緩衝層１６をようせいつする間に生じた材料応力が除去される。次の方法ステップで緩衝層１６が切削加工され、それによってその端面２３が平滑化されるとともに、構成部品１の外面６と一直線上に並ぶように外面から除去される（図３．３）。そして、このようにして準備された構成部品１に、溶接溝１８を残しながら構成部品２が端面側で当て付けられ、構成部品２の端面１２とめっき１４の端面２４の間に、例えば材料番号１．４５５１またはＥＲ３４７Ｓｉなどのオーステナイト材料からなる基部２５が溶着される。基部２５によって形成される両方の構成部品１および２の間の連結部分は、めっき１４および構成部品２と同じ材料ででき、もしくはこれに匹敵する材料でできているので、腐食の観点からも、めっき１６および構成部品２と同一または類似の挙動を示す。インコネルへのオーステナイト材料の溶接は亀裂を生じやすい傾向があるので、基部２５は、めっき１４と緩衝層１６の間の分離線２６までしか延びていなくてよい。

次の方法ステップとして、９６％のニッケル、３％のチタン、および残りとして鉄、シリコン、マンガンといった通常の随伴成分を含むニッケル合金からなる中間層２８が、基部２５の外面に溶着される（図３．５）。

そして最後の作業工程（図３．６）として、中間層２８の外面に溶接継目１９が被着され、このとき溶加材としてインコネル８２が使用される。この溶接工程では、本明細書における他のすべての溶接工程と同じく、保護ガスのもとで溶接が行われる。この方法はほぼ自動化されている。その際には、溶加材、すなわち例えばインコネル８２からなる溶接ワイヤは、手作業によってではなく、相応の装置によって自動的に溶接部位へ供給される。このとき決定的に重要なのは、常に一定に保たれた速度で供給が行われ、溶接アークの領域およびそこに生じる溶融浴部に、十分な溶加材が常に存在するようになっていることである。溶接継目１９のニッケル基合金がオーステナイトの基部へ直接溶着されると、このことは亀裂につながりかねない。内から外に向かって溶接が行われるので、亀裂を含んだ基部領域の更新は高いコストをかけなければ可能でなく、多くの場合、両方の構成部品１および２の間の結合を再び切り離し、高いコストをかけた予備作業の後で、あらためて基部２５の溶着から始めることによってのみ可能である。前述した種類の中間層２８が存在していれば、基部２５に亀裂形成が起こらないことが判明している。中間層により、さまざまな材料とのいっそう好都合な混合比率に基づき、亀裂形成の傾向が抑制される。

第２の方法態様が図４．１から図４．５に示されている。この方法態様は、構成部品１の準備が違っていることによって、上に説明した方法態様と区別される。上に説明した態様とは異なり、本体１３の端面１５ではなくめっき１４が最初に除去されるが、このときに本体の一部も一緒に除去される。それにより、めっき１４は端面１５に対して若干引っ込んだ状態になり、その結果、構成部品１の内面８に切欠き２９が存在するようになる。本体１３によって形成される切欠き２９の底面３０は、内面８を通って広がる平面３３（パイプの場合であれば円筒状の外套面）に対し、めっき１４を除去するときの本体１３の部分的な除去に基づいて、めっき１４の厚み３１よりも若干大きい間隔３２を有する。次のステップ（図４．２）として、除去されためっき１４の代わりになるオーステナイト層３４が切欠き２９に溶接され、このオーステナイト層が余剰材料３５によって、内面８を通って広がる平面３３を超えて突き出すようにされる。引き続いて、オーステナイト層３４が突出部３６によって軸方向２２へ突き出るようになるまで、本体１３の端面１５が除去される。このとき、本体１３に接している領域４１の一部も除去される。

次の加工ステップ（図４．４）として、本体１３の端面１５に、上で説明した方法の図３．２に示す方法ステップの場合と同様にして緩衝層１６が溶着され、その際には、突出部３６から作業が開始される。緩衝層１６は端面１５を完全に覆い、オーステナイト層３４の突出部３６と物質接合により結合される。緩衝層は余剰材料２１によって外面６から突出し、または、外面を通って広がる平面３９から突出している。次いで緩衝層１６の部分の第１の構成部品１が熱処理され、これにより緩衝層１６をようせいつする間に生じた材料応力が除去される。次の加工ステップ（図４．５）で、緩衝層１６の余剰材料２１と、オーステナイト層３４の余剰材料３５が除去される。緩衝層１６の端面２３、およびオーステナイト層３４の端面３７が切削加工され、後の溶接溝に合わせて成形される。そして、以上に述べたようなやり方で準備された構成部品１（図４．５）に、すでに上に説明した図３．４から図３．６に示す仕方で、構成部品２が溶接される。

さらに別の方法態様（図５．１から図５．６）は、主として構成部品１の準備に関して、すでに上に説明した態様と相違している。この場合、第１のステップとして本体１３の端面１５に緩衝層１６が溶着され、次いで、切削加工によって、緩衝層が本体の外面６と、および本体１３とめっき１４の間の分離線と、ほぼ一直線上に並ぶ程度まで除去、平滑化される（図５．１）。緩衝層１６の溶着の前にめっき１４の端面２４ａが面取りされ、それにより、本体１３の端面１５との間で、緩衝層１６から離れる方向を向く角度α＜１８０°を形成するようになっている。

次の方法ステップとして、緩衝層１６の短辺１７に中間層４０が溶着される。この中間層は、緩衝層１６のニッケル基合金ともオーステナイト材料とも溶接可能な材料でできている。このような方策により、前掲の材料を中間層４０に溶着し、その際に端面２４ａと物質接合により結合させることによって、短辺１７および端面２４ａで画定される領域４２を、オーステナイト層４３を形成しながら充填することが可能となる。平滑化と成形のために層４３を切削加工すれば、構成部品２との結合のために構成部品１の準備が完了する（図５．３）。中間層４０の材料としては、まず第１に、すでに上に説明した（基部２５と溶接継目１９の間の）中間層２８にも使用できる材料が適し、すなわち、少なくとも９０％のニッケルを含む合金、特に９６％のニッケル、３％のチタン、および残りとして鉄、シリコン、マンガンなどの随伴成分を含む合金が適している。このような合金は、ＡＳＴＭの命名ではＥＲＮＩ１として知られている。図５．３に示すように準備された構成部品１への構成部品２の溶接は、基本的に、すでに上に説明したやり方で行われる。第１のステップとして、溶接溝１８に基部２５が溶接され、このとき基部は、構成部品１の側では、オーステナイト層４３と物質接合により結合される。このとき、できるだけ層４３の端面３７ａ全体が基部２５で覆われ、それによって物質接合による結合に十分に利用されるような量のオーステナイト材料が溶接溝１８へ投入される。このとき基部は最大で、分離層４０とオーステナイト層４３の間の分離線４８まで達する。次のステップ（図５．５）として、基部２５の外面２７にすでに述べた中間層２８が溶着される。この中間層２８は、構成部品１の側では中間層４０と結合され、これとほぼ等しい厚みを有する。最後の方法ステップ（図５．６）として、インコネル８２を含んだ溶接継目１９が最終的に生成される。

すでに述べたとおり、２つの構成部品１および２の間でのＩ１８２を用いた従来式の溶接結合は、特に長期間の使用後に、相応の媒体との接触で腐食しやすい傾向がある。腐食が進むと、従来は、このような溶接結合が全面的に新たに製作されていた。以下に説明する補修方法を適用すれば、比較的少ないコストで溶接結合を修復することができる。例えば原子力発電所の一次循環路のような配管系の場合には、当然ながら、溶接結合全体を分離しなくてもすむように、溶接結合の近傍に操作アクセス部がなくてはならない。このようなアクセス部を通して、操作ツールや溶接ロボットをパイプ内部へ挿入することができる。ニッケル基合金からなる溶接継目１９に腐食によって引き起される損傷個所４４（図６．１）は、円周方向で見て局所的に限定されている場合があり、あるいは、溶接継目１９の内側円周全体にわたって延びている場合もある。まず最初に、損傷個所４４を含む領域が大まかに除去され、それによって切欠き４５が形成される（図６．２）。切欠き４５は、軸方向２２で見て、溶接継目１９に横方向で後続するめっき１４または構成部品２の領域４６へと入り込んでいる。そして、切欠き４５の底面４９に、すでに上に掲げた中間層４０と同じ材料からなる中間層４０ａが溶着される（図６．３）。中間層４０ａは切欠き４５の底面４９を完全に覆っている。最後に中間層４０ａの上に、例えばＡＩＳＩ３４７などのオーステナイト材料からなる遮蔽層４６が、全面を覆うように溶着される。溶接工程後に内面８および９を超えて突き出している材料（図示せず）は、遮蔽層４６の内面４７が構成部品１または２の内面８および９と一直線上に並ぶように事後的に除去される。

接続管およびこれと接続されたパイプを備えている原子炉圧力容器である。 接続管とパイプとの間の従来の溶接結合方法を示すである。 溶接結合を行なう第１の方法態様の第１の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第１の方法態様の第２の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第１の方法態様の第３の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第１の方法態様の第４の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第１の方法態様の第５の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第１の方法態様の第６の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第２の方法態様の第１の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第２の方法態様の第２の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第２の方法態様の第３の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第２の方法態様の第４の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第２の方法態様の第５の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第３の方法態様の第１の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第３の方法態様の第２の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第３の方法態様の第３の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第３の方法態様の第４の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第３の方法態様の第５の手順を示す模式的な断面図である。 溶接結合を行なう第３の方法態様の第６の手順を示す模式的な断面図である。 従来の溶接結合を補修する方法の第１の手順を示す模式的な断面図である。 従来の溶接結合を補修する方法の第２の手順を示す模式的な断面図である。 従来の溶接結合を補修する方法の第３の手順を示す模式的な断面図である。 従来の溶接結合を補修する方法の第４の手順を示す模式的な断面図である。

１ 構成部品
２ 構成部品
３ 接続管
４ 原子炉圧力容器
５ パイプ
６ （１の）外面
７ （２の）外面
８ （１の）内面
９ （２の）内面
１０ （１の）端面
１２ （２の）端面
１３ 本体
１４ めっき
１５ （１３の）端面
１６ 緩衝層
１７ （１６の）短辺
１８ 溶接溝
１９ 溶接継目
２０ 突出部
２１ 余剰材料
２２ 軸方向
２３ （１６の）端面
２４ （１４の）端面
２５ 基部
２６ 分離線
２７ （２５の）外面
２８ 中間層
２９ 切欠き
３０ 底面
３１ （１４の）厚み
３２ 間隔
３３ 平面
３４ オーステナイト層
３５ 余剰材料
３６ 突出部
３７ （３４の）端面
３８ （１３と１４の間の）分離線
３９ 平面
４０ 中間層
４１ （３４の）領域
４２ 領域
４３ オーステナイト層
４４ 損傷個所
４５ 切欠き
４６ 遮蔽層
４７ 内面
４８ （４０と４３の間の）分離線
４９ 底面

Claims (13)

1. 内面（８および９）、外面（６および７）、およびこれらをつなぐ端面（１０および１２）をそれぞれ有する第１および第２の構成部品（１および２）の間で溶接結合を製作する方法であって、前記第１の構成部品（１）は内面側がオーステナイト材料でめっき（１４）されたフェライトの本体（１３）で構成され、その端面（１５）はＮｉ基合金からなる緩衝層（１６）を備え、前記第２の構成部品（２）はオーステナイト材料で形成されている第１および第２の構成部品（１および２）の溶接結合方法において、
   ａ）それぞれの前記端面（１０および１２）が、構成部品（１、２）の内側面まで延びている溶接溝（１８）を相互の間に形成するように前記両方の構成部品（１および２）が互いに配置されるステップと、
   ｂ）前記溶接溝（１８）に、前記第２の構成部品（２）の前記端面（１２）と前記めっき（１４）とを連結するオーステナイト材料からなる基部（２５）が溶接されるステップと、
   ｃ）前記基部（２５）の上に、前記めっき（１４）の端面（２４）および前記第２の構成部品（２）の前記端面（１２）と結合される、少なくとも９０％のニッケルを含むニッケル合金からなる中間層（２８）が溶着されるステップと、
   ｄ）次いで、まだ残っている前記溶接溝（１８）にニッケル基溶加材によって溶接継目（１９）が生成されるステップとを有する方法。
2. 前記緩衝層（１６）は次のようにして前記第１の構成部品（１）に製作されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   ａ）前記めっき（１４）が前記端面（１５）から突出部（２０）によって突き出す程度まで、前記第１の構成部品（１）の前記本体（１３）がその端面（１５）を起点として除去され、
   ｂ）前記本体（１３）の前記端面（１５）に、これを全面的に覆うとともに前記突出部（２０）と結合されたニッケル基溶加材からなる緩衝層（１６）が溶着され、
   ｃ）前記第１の構成部品（１）が前記緩衝層（１６）の領域で熱処理され、それによって前記緩衝層（１６）の溶着中に生じた材料応力を除去し、
   ｄ）前記緩衝層（１６）の表面が切削加工によって平滑化される。
3. 前記緩衝層（１６）は次のようにして前記第１の構成部品（１）に溶着されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   ａ）前記本体の前記端面（１５）に接している前記めっき（１４）の領域が除去され、
   ｂ）前記除去によって生じた切欠き（２９）にオーステナイト材料からなるオーステナイト層（３４）が溶接されて、代替層（３４）が前記構成部品（１）の内面（８）から余剰材料（３５）によって突き出すようにし、
   ｃ）前記オーステナイト層（３４）が前記端面から突出部（３６）によって突き出す程度まで前記本体（１３）の前記端面（１５）が除去され、
   ｄ）前記本体（１３）の前記端面（１５）に、これを全面的に覆うとともに前記代替層（３４）の前記突出部（３６）と結合されたニッケル基溶加材からなる緩衝層（１６）が溶着され、
   ｅ）前記第１の構成部品（１）が前記緩衝層（１６）の領域で熱処理され、それによって前記緩衝層（１６）の溶着中に生じた材料応力を除去し、
   ｆ）切削加工によって前記緩衝層が端面側で平滑化され、前記オーステナイト層３４が前記めっきに対応する厚さまで除去される。
4. 前記緩衝層（１６）は前記第１の構成部品（１）に次のようにして製作されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   ａ）前記本体（１３）の前記端面（１５）に、これを全面的に覆うニッケル基溶加材からなる緩衝層（１６）が溶着され、
   ｂ）切削加工によって前記緩衝層（１６）の端面（２３）および前記構成部品（１）の前記内面（８）のほうを向いているその短辺（１７）が平滑化され、
   ｃ）前記短辺（１７）の上に、前記緩衝層（１６）のＮｉ基合金ともオーステナイト材料とも溶接可能な材料からなる中間層（４０）が全面を覆うように溶着され、
   ｄ）前記中間層（４０）の上にオーステナイト材料からなる層４３が、前記本体（１３）の前記端面（１５）および前記構成部品（１）の前記内面（８）から突き出すように溶着され、
   ｅ）切削加工によって前記オーステナイト層（４３）が平滑化され、その際に前記中間層（４０）と反対を向いているほうの表面が前記内面（８）と一直線上に並ぶようになる程度まで除去される。
5. 前記オーステナイト層（４３）に１０から４０％のＮｉ、１０から３０％のＣｒ、１から１０％のＭｎ、０．１から０．３％のＳｉ、および０．０１から０．４％のＣを含む材料が使用されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 追加的に０．１から０．３％のＮと２から６％のＭｏを含む材料が使用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 追加的に１から３％のＮｂを含む材料が使用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記第１の中間層（２８、４０）に９５から９８％のＮｉを含む材料が使用されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 内面（８および９）、外面（６および７）、およびこれらをつなぐ端面（１０および１２）をそれぞれ有する第１および第２の構成部品（１および２）の間の溶接結合を補修する方法であって、前記第１の構成部品（１）はオーステナイト材料からなる内面側のめっき（１４）を備えるフェライトの本体（１３）で構成され、その端面（１５）はＮｉ基合金からなる緩衝層（１６）を支持し、前記両方の構成部品（１および２）の前記端面（１０および１２）はＮｉ基溶加材からなる溶接継目（１９）によって相互に結合されている第１および第２の構成部品（１および２）の間の溶接結合を補修する方法において、
   ａ）前記両方の構成部品（１および２）の間にある溶接領域が前記めっき（１４）の側で切欠き（４５）を形成しながら除去されるステップと、
   ｂ）前記切欠き（４５）に、これを部分的に充填するとともにその底面（４９）を完全に覆う、前記緩衝層（１６）のＮｉ基合金ともオーステナイト材料とも溶接可能な合金からなる中間層（４０ａ）が溶接されるステップと、
   ｃ）前記中間層（４０ａ）の上にオーステナイト材料からなる遮蔽層（４６）が全面を覆うように溶着されるステップと、
   ｄ）前記遮蔽層（４６）が切削加工によって平滑化されるステップとを有する方法。
10. 前記中間層（４０ａ）に９４から９７％のＮｉを含む材料が使用されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記遮断層（４６）に１０から４０％のＮｉ、１０から３０％のＣｒ、１から１０％のＭｎ、０．１から０．３％のＳｉ、および０．０１から０．４％のＣを含む材料が使用されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 追加的に０．１から０．３％のＮと２から６％のＭｏを含む材料が使用されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 追加的に１から３％のＮｂを含む材料が使用されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

Images