JP5304392B2

JP5304392B2 - 異材継手構造及びその製造方法

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Publication number: JP5304392B2
Application number: JP2009086110A
Authority: JP
Inventors: 隆平野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010234419A

Description

本発明は、低合金鋼製配管とステンレス鋼製配管とをニッケル基溶接材料を用いて接合する異材継手構造及びその製造方法に関する。

ＰＷＲ（加圧水型原子炉）において、圧力容器には低合金鋼の内面にステンレスでクラッディングしたものが用いられ、圧力容器に接続される配管にはステンレス鋼が用いられているため、低合金鋼製配管とステンレス鋼製配管との異材継手構造が必要となる。

異材継手構造の一例を図３を用いて説明する。図３は異材継手構造の断面図であり、図中上側が配管の外面側、下側が配管の内面側である。

図３に示すように、圧力容器にノズル（管台）ａが一体的に形成され、そのノズルａの先端部にセーフエンドと称される配管ｂが接続される。ノズルａは低合金鋼製配管ｃの内面全周にステンレスでクラッディングしたものからなり、低合金鋼製配管ｃの内面にクラッド部（ステンレスクラッド）ｄが形成される。また、セーフエンドｂは、ステンレス鋼製配管ｅからなる。

また、低合金鋼製配管ｃとステンレス鋼製配管ｅとの接合の前に、低合金鋼製配管ｃの先端部にニッケル基合金の溶接材料を用いて肉盛溶接することで、低合金鋼製配管ｃの先端部に肉盛溶接部ｆが形成される。

低合金鋼製配管ｃに対して溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）が要求されるため、低合金鋼製配管ｃの先端部に肉盛溶接部ｆを形成した後、低合金鋼製配管ｃに対して溶接後熱処理を行う。

そして、溶接後熱処理を行った後、肉盛溶接部ｆとステンレス鋼製配管ｅの端部とをニッケル基合金の溶接材料を用いて溶接接合して、肉盛溶接部ｆとステンレス鋼製配管ｅとの間に溶接接合部ｇを形成することで、低合金鋼製配管ｃ（ノズルａ）とステンレス鋼製配管ｅ（セーフエンドｂ）とを接合している。

例えば、低合金鋼製配管ｃはＳＦＶＱ１Ａからなり、ステンレス鋼製配管ｅはＳＵＳ３１６ＬＮ（オーステナイト系ステンレス鋼）からなり、肉盛溶接部ｆ及び溶接接合部ｇの材料はＡｌｌｏｙ１８２或いはＡｌｌｏｙ８２からなる。

なお、特許文献１には、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼或いは高ニッケル合金からなる配管と低合金鋼からなる配管とを接合する異材継手構造が記載されている。

特開昭６０−２５５２６８号公報

近年では、ＰＷＲにおいては、低合金鋼製配管ｃ及びステンレス鋼製配管ｅの材料については変更することなく、ＳＣＣ（応力腐食割れ）対策のため、肉盛溶接部ｆ及び溶接接合部ｇの材料を、Ａｌｌｏｙ１８２或いはＡｌｌｏｙ８２から、それらよりもＳＣＣの感受性が低いＡｌｌｏｙ１５２或いはＡｌｌｏｙ５２に変更して、異材継手構造を構成することがある。

肉盛溶接部ｆ及び溶接接合部ｇの材料（ニッケル基合金の溶接材料）がＡｌｌｏｙ１８２或いはＡｌｌｏｙ８２である場合、Ａｌｌｏｙ１８２及びＡｌｌｏｙ８２はニッケル含有量（Ｎｉ含有量）が比較的高く（Ａｌｌｏｙ８２において最低で６７％）且つクロム含有量（Ｃｒ含有量）が比較的低いため、オーステナイト系ステンレス鋼等で懸念されるボンドマルテンサイト状組織による脆化割れは低合金鋼製配管ｃと肉盛溶接部ｆとの境界部外面に生じなかった。

しかし、ＳＣＣ対策のために用いているＡｌｌｏｙ１５２或いはＡｌｌｏｙ５２では、クロム含有量を高めていることから、ニッケル含有量が低く（６０％以下）なっている。

このため、低合金鋼製配管ｃに対して溶接後熱処理を行うことから、低合金鋼製配管ｃと肉盛溶接部ｆとの境界部外面（肉盛溶接部ｆにおける低合金鋼とニッケル基合金との境界部）に、オーステナイト系ステンレス鋼等にみられるボンドマルテンサイト状組織が生じる可能性が高い。

このボンドマルテンサイト状組織は低合金鋼製配管ｃを溶接後熱処理で高温に長時間保持することで生成されるため、溶接方法等の工夫や変更ではボンドマルテンサイト状組織の生成防止は難しい。また、ボンドマルテンサイト状組織が生成すると脆くなるため表面割れ発生の要因となり得るので、ボンドマルテンサイト状組織による表面割れ対策を確立しておく必要がある。

そこで、本発明の目的は、低合金鋼製配管の外面側におけるボンドマルテンサイト状組織による表面割れの発生を防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、内面がステンレスでクラッディングされ且つ内部を液体が流れる低合金鋼製配管とステンレス鋼製配管とを接合する異材継手構造において、上記低合金鋼製配管の先端部に設けられ、ニッケル基合金からなる肉盛溶接部と、該肉盛溶接部と上記低合金鋼製配管の先端部との境界部外面を覆うように設けられ、ニッケル基合金からなる境界溶接部と、上記肉盛溶接部と上記ステンレス鋼製配管の端部との間に設けられ、ニッケル基合金からなる溶接接合部とを備え、上記肉盛溶接部及び上記溶接接合部をなすニッケル基合金は、上記境界溶接部をなすニッケル基合金よりもクロム含有量が高く且つニッケル含有量が低く構成されて、上記境界溶接部をなすニッケル基合金よりも応力腐食割れの感受性が低いものであり、上記境界溶接部をなすニッケル基合金は、上記肉盛溶接部及び上記溶接接合部をなすニッケル基合金よりもニッケル含有量が高く且つクロム含有量が低く構成されて、上記肉盛溶接部及び上記溶接接合部をなすニッケル基合金よりもボンドマルテンサイト状組織の生成の感受性が低いものである。

ここで、異材継手構造を製造する方法において、上記低合金鋼製配管の先端部に、ニッケル基合金の溶接材料を用いて肉盛溶接して上記肉盛溶接部を形成し、その肉盛溶接部と上記低合金鋼製配管の先端部との境界部外面を覆うように、ニッケル基合金の溶接材料を用いて肉盛溶接して上記境界溶接部を形成し、その後、低合金鋼製配管に対して溶接後熱処理を行い、溶接後熱処理を行った後、上記肉盛溶接部と上記ステンレス鋼製配管の端部とをニッケル基合金の溶接材料を用いて溶接接合して、上記溶接接合部を形成するようにしても良い。

本発明によれば、低合金鋼製配管の外面側におけるボンドマルテンサイト状組織による表面割れの発生を防止することができるという優れた効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係る異材継手構造の断面図である。図２（ａ）から図２（ｅ）は、異材継手構造の製造方法を説明するための図である。図３は、従来の異材継手構造の断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は異材継手構造１の断面図であり、図中上側が配管の外面側、下側が配管の内面側である。

図１に示すように、異材継手構造１は、低合金鋼製配管２とステンレス鋼製配管３とを接合したものである。低合金鋼製配管２の内面全周を覆うようにステンレス系材料でクラッディングして、低合金鋼製配管２の内面にクラッド部（ステンレスクラッド）６が設けられる。これら低合金鋼製配管２及びステンレス鋼製配管３の内部には、液体が流れるようになっている。本実施形態の異材継手構造１は、例えば、ＰＷＲ（加圧水型原子炉）の原子力圧力容器、加圧器及び蒸気発生器等の配管接続部に適用される。

本実施形態では、低合金鋼製配管２及びクラッド部６が圧力容器に一体的に形成されるノズル４を構成し、ステンレス鋼製配管３がノズル４の先端部に取り付けられるセーフエンド５を構成するものとする。本実施形態では、低合金鋼製配管２はＳＦＶＱ１Ａからなり、ステンレス鋼製配管３はＳＵＳ３１６ＬＮ（オーステナイト系ステンレス鋼）からなる。また、本実施形態では、クラッド部６の材料（ステンレス系材料）は、炭素含有量が低い３０９Ｌ系及び３０８Ｌ系のものである。ＪＩＳ規格で言えば、初層がＹ３０９Ｌ、二層目以降がＹ３０８Ｌとなる。

また、本実施形態の異材継手構造１は、低合金鋼製配管２の先端部に肉盛溶接により設けられ、ニッケル基合金からなる肉盛溶接部７と、その肉盛溶接部７と低合金鋼製配管２の先端部との境界部外面を覆うように肉盛溶接により設けられ、ニッケル基合金からなる境界溶接部８と、肉盛溶接部７とステンレス鋼製配管３の端部との間に溶接により設けられ、ニッケル基合金からなる溶接接合部９とを備えている。

本実施形態では、肉盛溶接部７及び溶接接合部９の材料（ニッケル基合金の溶接材料）は、境界溶接部８の材料よりもクロム含有量が高く且つニッケル含有量が低く構成されて、境界溶接部８の材料よりもＳＣＣの感受性が低いニッケル基合金からなる。例えば、肉盛溶接部７及び溶接接合部９の材料は、Ａｌｌｏｙ１５２（１５２合金）或いはＡｌｌｏｙ５２（５２合金）からなる。

また、本実施形態では、境界溶接部８の材料（ニッケル基合金の溶接材料）は、肉盛溶接部７及び溶接接合部９の材料よりもニッケル含有量が高く且つクロム含有量が低く構成されて、肉盛溶接部７及び溶接接合部９の材料よりもボンドマルテンサイト状組織の生成の感受性が低いニッケル基合金からなる。例えば、境界溶接部８の材料は、Ａｌｌｏｙ１８２（１８２合金）或いはＡｌｌｏｙ８２（８２合金）からなる。

次に、本実施形態の異材継手構造の製造方法の一例を図２を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、低合金鋼製配管２の先端部の内面全周に、ステンレス系材料でクラッディングをし、低合金鋼製配管２の内面をクラッド部６で覆う。つまり、低合金鋼製配管２の内面にクラッド部６を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、内面にクラッド部６が形成された低合金鋼製配管２の先端部を機械加工して、低合金鋼製配管２の先端部に開先２ａを形成する。その後、低合金鋼製配管２の先端部に形成した開先２ａに、ニッケル基合金の溶接材料（Ａｌｌｏｙ１５２或いはＡｌｌｏｙ５２）を用いて肉盛溶接をし、低合金鋼製配管２の先端部を肉盛溶接部７で覆う。つまり、低合金鋼製配管２の先端部に肉盛溶接部７を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、低合金鋼製配管２の先端部外面及びその低合金鋼製配管２に隣接する肉盛溶接部７の外面を機械加工して、低合金鋼製配管２の先端部外面及び低合金鋼製配管２に隣接する肉盛溶接部７の外面にそれぞれ、開先２ｂ、７ａを形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、低合金鋼製配管２の先端部外面に形成した開先２ｂと肉盛溶接部７の外面に形成した開先７ａとの間の空間に、ニッケル基合金の溶接材料（Ａｌｌｏｙ１８２或いはＡｌｌｏｙ８２）を用いて肉盛溶接をし、低合金鋼製配管２の先端部と肉盛溶接部７との境界部外面を境界溶接部８で覆う。つまり、低合金鋼製配管２の先端部と肉盛溶接部７との境界部外面を覆うように境界溶接部８を設ける。

低合金鋼製配管２の先端部に肉盛溶接部７を形成し且つ低合金鋼製配管２の先端部と肉盛溶接部７との境界部外面を覆うように境界溶接部８を設けた後、低合金鋼製配管２に対して残留応力改善のための溶接後熱処理を行う。

そして、図２（ｅ）に示すように、肉盛溶接部７の先端部を機械加工して、肉盛溶接部７の先端部に開先７ｂを形成する。肉盛溶接部７の先端部（開先７ｂ）とステンレス鋼製配管３の端部とを対向させ、肉盛溶接部７の先端部とステンレス鋼製配管３の端部とをニッケル基合金の溶接材料（Ａｌｌｏｙ１５２或いはＡｌｌｏｙ５２）を用いて溶接接合して、肉盛溶接部７とステンレス鋼製配管３の端部との間に溶接接合部９を形成する。つまり、肉盛溶接部７とステンレス鋼製配管３の端部との間に溶接接合部９を設ける。

ここで、本実施形態では、低合金鋼製配管２の先端部とニッケル基合金からなる肉盛溶接部７との境界部外面にボンドマルテンサイト状組織の生成の感受性を有しない（ボンドマルテンサイト状組織の生成の感受性が肉盛溶接部７よりも低い）ニッケル基合金の溶接材料を用いて肉盛溶接することにより、低合金鋼製配管２の先端部と肉盛溶接部７との境界部外面を覆うように境界溶接部８を設けている。

境界溶接部８はボンドマルテンサイト状組織の生成の感受性を有しないため、肉盛溶接部７及び境界溶接部８の形成後に、低合金鋼製配管２に対して溶接後熱処理を行っても、低合金鋼製配管２の先端部と境界溶接部８との境界部外面にボンドマルテンサイト状組織は生成されることはなく、低合金鋼製配管２の外面側にボンドマルテンサイト状組織が生成されることを防止することが可能となる。従って、ボンドマルテンサイト状組織による表面割れが低合金鋼製配管２の外面側には生じないので、異材継手構造１の長期健全性が向上する。

なお、境界溶接部８の材料であるＡｌｌｏｙ１８２及びＡｌｌｏｙ８２はＰＷＲ環境下でＳＣＣの感受性がＡｌｌｏｙ１５２及びＡｌｌｏｙ５２よりも高いが、低合金鋼製配管２の外面側に形成される境界溶接部８は接液しないため、境界溶接部８にＳＣＣが生じるという問題は生じない。また、Ａｌｌｏｙ１８２及びＡｌｌｏｙ８２は強度がＡｌｌｏｙ１５２及びＡｌｌｏｙ５２と同等であるので、強度上の問題も生じない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上記実施形態では、低合金鋼製配管２の内面にクラッド部６を形成するとしたが、これには限定はされない。

１異材継手構造
２低合金鋼製配管
３ステンレス鋼製配管
４ノズル
５セーフエンド
６クラッド部（ステンレスクラッド）
７肉盛溶接部
８境界溶接部
９溶接接合部

Claims

内面がステンレスでクラッディングされ且つ内部を液体が流れる低合金鋼製配管とステンレス鋼製配管とを接合する異材継手構造において、
上記低合金鋼製配管の先端部に設けられ、ニッケル基合金からなる肉盛溶接部と、該肉盛溶接部と上記低合金鋼製配管の先端部との境界部外面を覆うように設けられ、ニッケル基合金からなる境界溶接部と、上記肉盛溶接部と上記ステンレス鋼製配管の端部との間に設けられ、ニッケル基合金からなる溶接接合部とを備え、
上記肉盛溶接部及び上記溶接接合部をなすニッケル基合金は、上記境界溶接部をなすニッケル基合金よりもクロム含有量が高く且つニッケル含有量が低く構成されて、上記境界溶接部をなすニッケル基合金よりも応力腐食割れの感受性が低いものであり、
上記境界溶接部をなすニッケル基合金は、上記肉盛溶接部及び上記溶接接合部をなすニッケル基合金よりもニッケル含有量が高く且つクロム含有量が低く構成されて、上記肉盛溶接部及び上記溶接接合部をなすニッケル基合金よりもボンドマルテンサイト状組織の生成の感受性が低いものであることを特徴とする異材継手構造。
請求項１に記載の異材継手構造を製造する方法において、
上記低合金鋼製配管の先端部に、ニッケル基合金の溶接材料を用いて肉盛溶接して上記肉盛溶接部を形成し、
その肉盛溶接部と上記低合金鋼製配管の先端部との境界部外面を覆うように、ニッケル基合金の溶接材料を用いて肉盛溶接して上記境界溶接部を形成し、
その後、低合金鋼製配管に対して溶接後熱処理を行い、
溶接後熱処理を行った後、上記肉盛溶接部と上記ステンレス鋼製配管の端部とをニッケル基合金の溶接材料を用いて溶接接合して、上記溶接接合部を形成することを特徴とする異材継手構造の製造方法。