JP5675957B2 - 蒸気発生器用伝熱管、蒸気発生器及び原子力プラント - Google Patents

Description

本発明は、原子力機器用材料、蒸気発生器用伝熱管、蒸気発生器及び原子力プラントに関するものであり、特に、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）で使用される熱交換器の材料として好適な、伝熱特性、耐食性及び薄肉加工性に優れた原子力機器用材料と、この原子力機器用材料を用いた蒸気発生器用伝熱管、この蒸気発生器用伝熱管を用いた蒸気発生器、及び、この蒸気発生器を用いた原子力プラントに関するものである。
本願は、２０１１年３月１０日に、日本に出願された特願２０１１−０５３４４４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

一般に、原子力発電所において加圧水型軽水炉に用いられる蒸気発生器（ＳＧ）用の伝熱管は、最高温度が３００℃以上になるような高温水環境で使用される。このような高温水環境下において用いられる伝熱管は、残留応力等の存在下で応力腐食割れ（ＳＣＣ）が生じるおそれがあることから、蒸気発生器用伝熱管の材料には、耐腐食性に優れた材料を採用することが、安全性等の観点から必須となる。

従来、上述のような蒸気発生器用伝熱管の材料としては、旧来のＮＣＦ６００（ＴＴ６００合金）及びその代替材であり、一次系水中における応力腐食割れ（ＰＷＳＣＣ）に対して優れた耐久性を備えた特殊熱処理ＧＮＣＦ６９０（ＴＴ６９０合金）が使用されている。このＴＴ６９０合金は、実機（加圧水型軽水炉）においても、また、加速環境における数万時間にわたるＰＷＳＣＣ試験においても、これまでに割れの発生が確認されていないものである。このため、ＴＴ６９０合金を蒸気発生器用伝熱管の材料に適用することにより、ＰＷＳＣＣに起因して伝熱管が損傷するという問題は根絶されたものと考えられている。また、加圧水型軽水炉の蒸気発生器用伝熱管の二次系環境においても、現状では、ＴＴ６９０合金を使用した実機プラントにおける腐食損傷等の問題は顕在化していない。

しかしながら、蒸気発生器用伝熱管の二次系環境における水質環境は、蒸気発生器用伝熱管と、これを支持する管支持板との隙間のように、イオンの濃縮が生じやすい狭隘部において、ｐＨ＝９以上のアルカリ環境となる可能性が完全には否定できない。本発明者等による実験的な調査では、濃縮の程度を著しく高めたアルカリ環境下においては、ＴＴ６９０合金にも粒界腐食割れ（ＩＧＡ）感受性が認められることが明らかとなっている。この環境は、現在の加圧水型軽水炉の温度環境においてはＴＴ６９０合金の健全性に影響を及ぼすものではないが、より高い冷却水温度条件下において設計寿命を８０年程度に延ばすことが求められている次世代の軽水炉では、ＩＧＡ感受性のより低い材料を使用することが必要となってくる。

また、次世代軽水炉の蒸気発生器用伝熱管には、設計寿命の長期化に伴って要求される上述の耐食性の改善以外に、さらに伝熱性能の向上が要求される。即ち、プラント熱効率の向上のためには、軽水炉の二次系側への伝熱効率を上昇させることが必要であることから、伝熱管にも伝熱特性のさらなる向上が要求される。

また、蒸気発生器用伝熱管の粒界腐食を抑制する方法として、材料中の成分組成設計を適正化する方法が知られている。例えば、Ｎｉ基合金（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金）においてＣｒ量を高めた材料を採用することにより、軽水炉の一次系及び二次系における伝熱管の応力腐食割れ感受性と粒界腐食感受性を低下させることができ、耐腐食性が向上する。しかしながら、材料中のＣｒ量が高すぎると熱伝導率及び塑性加工性が低下するため、所望の伝熱特性が得られず、また、機械的性質の低下や、細径薄肉の蒸気発生器伝熱管の製造自体が困難になるという問題がある。

加圧水型軽水炉において用いる蒸気発生器用伝熱管を製造する際の加工性を向上させるため、伝熱管材料として、Ｃｒ量の高いＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金にＣａ、Ｍｇを添加し、不純物中のＢ、Ｏ、Ｎ、Ｓの含有量を少量に制限することが提案されている（特許文献１を参照）。特許文献１によれば、このような成分の制限により、塑性加工性が向上するとされている。しかしながら、特許文献１に記載の成分組成を有する材料を伝熱管に用いた場合、加工性は向上するものの、Ｃｒ量が適正範囲でないため、Ｃｒ量が多くなり過ぎた場合に伝熱特性が低下するという問題や、Ｃｒ量が多くなりすぎた場合に機械的性質が低下するという問題がある。

特許第２８３４９８２号公報

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、特に、加圧水型軽水炉に用いられる蒸気発生器用伝熱管に好適な、伝熱特性、耐食性及び加工性に優れた蒸気発生器用伝熱管、蒸気発生器及び原子力プラントを提供することを目的とする。

本発明者等は上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、原子力機器用材料において、まず、成分組成中のＣｒ量に関し、下限を適正に設定することで耐応力腐食割れ性が確保でき、また、上限を適正に設定することで塑性加工性が確保できることを知見した。さらに、成分組成中におけるＮｉ量に関して、下限を適正に設定することでＩＧＡ感受性が抑制され、耐食性が確保できるとともに、上限を適正に設定することで、伝熱特性や溶接性が確保できることを知見した。そして、このような材料を適用することにより、特に、原子力発電所の加圧水型軽水炉に用いられる蒸気発生器用伝熱管において、必要な全ての特性を兼ね備えることが可能となることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明に係る、伝熱特性、耐食性及び加工性に優れた原子力機器用材料を有する蒸気発生器用伝熱管は、質量％で、Ｃｒ：２４．５〜２６．５％、Ｎｉ：２２〜４０％、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜０．５２％、Ｎ：０．００１〜０．１８％、Ｔｉ：０．５％以下、Ａｌ：０．０４５〜０．５％をそれぞれ含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。

係る構成の原子力機器用材料によれば、特に、Ｃｒ及びＮｉの含有量を上記範囲に限定することにより、高い塑性加工性を確保しながら、熱伝導率を向上させるとともに、ＩＧＡ感受性を抑制できる作用が得られ、係る構成の蒸気発生器用伝熱管によれば、上記の原子力機器用材料が用いられたものなので、高い熱伝導率を有するとともに、ＩＧＡ感受性が抑制され、耐食性に優れたものとなる。

また、本発明に係る蒸気発生器は、上記の蒸気発生器用伝熱管を具備することを特徴とする。
係る構成の蒸気発生器によれば、上記の本発明に係る蒸気発生器用伝熱管が用いられたものなので、高い熱伝導率を有するとともに、ＩＧＡ感受性が抑制され、耐食性に優れたものとなる。

また、本発明に係る原子力プラントは、上記の蒸気発生器を具備することを特徴とする。
係る構成の原子力プラントによれば、上記の本発明に係る蒸気発生器を備えてなるものなので、熱伝導性、並びに、耐食性に優れたものとなる。

本発明では、伝熱特性、耐食性及び加工性に優れた原子力機器用材料によって、成分組成を適正な範囲に制御することにより、加圧水型軽水炉の二次系側で生じうる高温のアルカリ環境下におけるＩＧＡ感受性が抑制され、優れた耐ＳＣＣ性を確保できるとともに、伝熱特性に優れた蒸気発生器用伝熱管を得ることが可能となる。また、塑性加工性に優れることから、蒸気発生器用伝熱管を細径薄肉管として製造することが可能となり、伝熱特性がさらに高められるとともに、生産性が向上する。従って、上記の原子力機器用材料を、原子力発電所の加圧水型軽水炉における一次系側と二次系側の両方に接する蒸気発生器用伝熱管に適用することにより、加圧水型軽水炉において必要な全ての特性を兼ね備え、特に伝熱特性に優れた蒸気発生器用伝熱管を実現することができる。

Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅの含有量と、蒸気発生器の使用温度に近い３００℃における熱伝導率の関係を示すグラフである。 Ｃｒの含有量と、加圧水型軽水炉の一次系を模擬した環境下における耐応力腐食割れの発生の有無との関係を示すグラフである。 Ｃｒの含有量と、グリーブル試験における絞り加工特性との関係を示すグラフである。 Ｃｒ及びＮｉの含有量と、アルカリ環境下の低ひずみ速度引張試験における粒界破面率との関係を示すグラフである。 アルカリ環境下における粒界腐食割れ感受性の指標である粒界破面率との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る伝熱特性、耐食性及び加工性に優れた、原子力機器用材料、蒸気発生器用伝熱管、蒸気発生器及び原子力プラントについて、図面を適宜参照しながら詳しく説明する。
図１〜図５は、本発明に係る伝熱特性、耐食性及び加工性に優れた原子力機器用材料（以下、単に原子力機器用材料と略称することがある）の実施の形態を説明する模式図である。図１は、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅの含有量と、蒸気発生器の使用温度に近い３００℃での熱伝導率の関係を示すグラフであり、図２は、Ｃｒの含有量と、加圧水型軽水炉の一次系を模擬した環境下における応力腐食割れの発生の有無との関係を示すグラフであり、図３は、Ｃｒの含有量と、グリーブル試験における絞り加工特性との関係を示すグラフであり、図４は、Ｃｒ及びＮｉの含有量と、アルカリ環境下の低ひずみ速度引張試験における粒界破面率との関係を示すグラフであり、図５は本発明に係る試験例と従来例の、アルカリ環境下の粒界破面率との関係を示すグラフである。

本発明に係る原子力機器用材料は、例えば、原子力発電所の加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）における一次系側及び二次系側の環境の両方に接する蒸気発生器（ＳＧ）用の伝熱管の材料として適用されるものである。このようなＰＷＲ用途においては、蒸気発生器用伝熱管は３００℃以上の高温となり、蒸気発生器用伝熱管と管支持板との隙間においてアルカリ濃縮が生じ、蒸気発生器用伝熱管がｐＨ＝９以上の弱アルカリの水質環境に曝されるおそれがある。このため、弱アルカリ環境下における粒界腐食割れ（ＩＧＡ）感受性が抑制されて耐食性に優れ、さらに、高い塑性加工性を確保しながら、優れた伝熱特性が得られる原子力機器用材料が要求されるようになっている。

上述のような要求を実現するため、本発明の原子力機器用材料は、質量％で、Ｃｒ：２４．５〜２６．５％、Ｎｉ：２２〜４０％、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜０．５２％、Ｎ：０．１８％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ａｌ：０．０４５〜０．５％をそれぞれ含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金の構成を採用している。このように、特に、Ｃｒ及びＮｉの含有量を上記範囲に限定することにより、蒸気発生器用伝熱管を製造する際の高い塑性加工性を確保することが可能になるとともに、熱伝導率が高められ、且つ、ＩＧＡ感受性が抑制できるという作用が得られる。

以下、本発明に係る原子力機器用材料の成分組成に関し、各元素の規定理由について詳述する。なお、以下の説明において含有量を示す「％」は、特に指定が無い限り「質量％」を表すものとする。

「Ｃｒ：クロム」２４．５〜２６．５％
鉄基あるいはニッケル基合金に対してＣｒを添加することにより、合金上に形成される緻密な酸化物皮膜が有する保護作用によって、耐ＳＣＣ性、耐孔食性を著しく向上させる効果が得られる。Ｃｒの含有量が少なすぎると、ＩＧＡ感受性が高まって耐ＳＣＣ性が低下することから、Ｃｒは２４．５％以上含有することが必要である。一方、Ｃｒの含有量が多すぎると、熱伝導率が低下するとともに、固液共存温度域が縮小して溶接性が低下するため、フェライト相が出現しない範囲で、極力高いＣｒ量とすることが望ましい。一方で、従来材料であるＴＴ６９０合金と比較して熱伝導率の向上を図る場合、Ｃｒの含有量を低く抑える必要がある。本発明では、熱伝導率に及ぼすＣｒ含有量の影響を推定することにより、その上限を２６．５％とした。
以上の理由により、本発明では、伝熱特性、耐食性及び加工性の全てを満足する領域として、Ｃｒの含有量を２４．５〜２６．５％の範囲に規定した。Ｃｒ含有量は、好ましくは２４．５〜２５％である。

「Ｎｉ：ニッケル」２２〜４０％
Ｎｉは、一般的に耐食性を向上させるのに有効な元素であり、特に、耐酸性、並びに、塩化物イオンを含有する高温水中における耐ＳＣＣ性を向上させる効果が得られる。Ｎｉの含有量が少なすぎると、合金中にフェライト相が出現するため、Ｎｉは２２％以上含有することが必要である。一方で、熱伝導率の向上を図る場合、一般的にはＮｉ含有率が高いほど熱伝導率が上昇するが、発明者らは、Ｃｒ含有量を上記範囲に限定すれば、逆に、Ｎｉの含有量が低いほど熱伝導率が上昇することを見出し、耐食性と熱伝導率の両方を確保するために、その含有量を４０％以下に制限した。また、全ての金属材料は水に若干溶解するが、蒸気発生器伝熱管材料中のＮｉも微量に一次系水中に溶出する。溶出したＮｉは、炉心において放射性のＣｏ同位体に転換され、ガンマ線を発生するため、プラントのメンテナンス性を低下させる。そのためにはＮｉを極力低減させることが必要であり、この観点からもＮｉ量は４０％以下であることが望ましい。
以上の理由により、Ｎｉの含有量を２２〜４０％の範囲に規定した。

「Ｆｅ：鉄」（残部）
ニッケル基合金の場合、６％を超えてＦｅを含有すると、塩化物イオンを含む環境下における耐孔食性や、弱アルカリ環境下における耐隙間腐食性が低下することがある。一方、現在のＰＷＲの環境においては、二次系水への海水混入が生じることは無く、塩化物イオンを含む環境下での耐食性については、それほど重視されない。このため、本発明では、Ｆｅについては、熱伝導率や溶接性（固液共存温度域）、ＩＧＡ感受性、熱間加工性等を評価したうえで、他の元素を添加した合金中における残部としている。

「Ｃ：炭素」０．０４％以下
Ｃは機械的強度の確保に必須である元素である。一方で、ニッケル基合金においては、Ｍ_２３Ｃ_６炭化物（Ｍは主としてＣｒである）が粒界に整合析出すると耐ＰＷＳＣＣ性向上に有効であることが明らかになっているが、Ｎｉが少なくＦｅ含有量が大きい合金においては、Ｍ_２３Ｃ_６炭化物の周囲に形成されるＣｒ欠乏層が容易に解消しないため、逆に耐食性を悪化させる。Ｃ含有量は、好ましくは０．０１〜０．０４％であり、さらに好ましくは０．０２〜０．０３％である。

本発明者等は、以上の内容を考慮しながら、固溶化熱処理温度においてＣが完全固溶する量を計算状態図の手法によって導出し、Ｃの上限を０．０４％に規定した。

「Ｓｉ：ケイ素」０．０５〜０．５％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として有効な元素であり、所定量以上で含有させることが必要である。また、Ｓｉは、熱間加工時の粒界割れを減少させ、熱間加工性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｓｉの含有量が０．５％を超えると、合金の溶接性や清浄度を低下させることから、これを上限とすることが好ましい。一方、Ｓｉの含有量が少なすぎると、脱酸効果が不十分となるので、その下限を０．０５％とすることが好ましい。

ここで、酸化性の高いＳｉは、Ｃｒよりも優先的に酸化皮膜を形成するが、Ｓｉ系の酸化皮膜が形成された場合には、Ｃｒの酸化皮膜による保護性が低下する。
上記理由により、本発明においては、Ｓｉに関し、脱酸時に混入させる以上には積極的な添加を行わず、その含有量を０．０５〜０．５％の範囲に制限する。

「Ｍｎ：マンガン」０．０５〜０．５２％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として作用する元素であり、所定量以上で含有させることが必要である。また、Ｍｎは、熱間加工時の粒界割れを減少させ、熱間加工性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｍｎの含有量が０．５２％を超えると、合金の溶接性や清浄度を低下させることから、これを上限とすることが好ましい。一方、Ｍｎの含有量が少なすぎると、脱酸効果が不十分となるので、その下限を０．０５％とすることが好ましい。
このため、本発明においては、Ｍｎに関し、脱酸時に混入させる以上には積極的な添加を行わず、特別な意図が無い限り、その含有量を０．０５〜０．５２％の範囲に制限する。

「Ｎ：窒素」０．１８％以下
Ｎは、固溶強化により強度を増大させ、耐孔食性を向上させる効果を有し、フェライト相の生成を抑制してオーステナイト相を安定させる元素としても重要であるが、一般的な耐ＳＣＣ性、熱間加工性に対して悪影響があり、含有量を抑制することが必要である。また、熱伝導率を低下させるため、本発明が目的とする熱伝導率の高い蒸気発生器伝熱管材料としては、Ｎの含有量は０．１８％以下に抑制することが必須である。
以上により、本発明では、Ｎの含有量を、熱間加工性、耐ＳＣＣ性及び熱伝導率を確保する観点から極力低く抑えることとし、その上限を０．１８％に制限した。Ｎ含有量は、好ましくは０．００１％〜０．１８％であり、さらに好ましくは０．００１〜０．１０％である。

「Ｔｉ：チタン」０．５％以下
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮ又はＴｉ（Ｃ，Ｎ）となることにより固溶Ｎを減少させることで、熱間加工性を改善するのに有効な元素である。通常、このような効果を得るには、Ｔｉの含有量をＮの含有量の５倍以上とする必要がある。一方、Ｔｉ量が０．５％を超えると、その効果が飽和することから、上限を０．５％とした。

「Ａｌ：アルミニウム」０．０４５〜０．５％
Ａｌは、Ｓｉ、Ｍｎと同様、脱酸剤として有効な元素であるが、その含有量が０．５％を超えると合金の清浄度を低下させるため、この量を上限とすることが好ましい。しかしながら、Ａｌの含有量が少なすぎると脱酸効果が不十分となり、熱間加工性の低下を招くので、その下限を０．０４５％とすることが好ましい。このようなＡｌを脱酸剤として添加することで、合金中の酸素が低減されることにより、間接的に耐食性を改善することができる。
上記理由により、Ａｌを添加する場合の含有量を０．０４５〜０．５％の範囲に規定する。

「Ｃｒ、Ｎｉ含有量と、伝熱特性、耐食性及び加工性との関係」
本発明の原子力機器用材料においては、上述したように、Ｃｒの含有量を２４．５〜２６．５％の範囲に規定するとともに、Ｎｉの含有量を２２〜４０％の範囲に規定している。本発明では、特に、Ｃｒ及びＮｉの含有量を上記範囲で適正に制御することにより、優れた伝熱特性、耐食性及び加工性を有し、ＰＷＲの二次系において好適な伝熱管材料が実現できるものである。

また、下記表１に、後述の実施例において詳述する、評価試験用の供試材の成分組成一覧を示す。

図１のグラフに、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅの含有量と、蒸気発生器の使用温度に近い３００℃での熱伝導率の関係を示す。Ｎｉ含有量が約５０％以上では、Ｎｉ含有量が増加するに従い熱伝導率が増大するが、Ｎｉ含有量が約５０％以下では、Ｎｉ含有量が減少するに従い熱伝導率が増大する。

図２のグラフに、Ｃｒの含有量と、加圧水型軽水炉の一次系を模擬した環境下における応力腐食割れの発生の有無との関係を示す（３６０℃、逆Ｕ曲げＳＣＣ試験）。
図２中に示すように、応力腐食割れ感受性の観点から、Ｃｒが２０％以上含有されていれば、ＰＷＲ一次系の水中において、割れの発生が防止できることが明らかである。

また、図３のグラフに、Ｃｒの含有量と、グリーブル試験における絞り加工特性との関係を示す。図３に示すように、Ｃｒが２１〜２６．５％の範囲で含有されていれば、１３００℃における絞り（グリーブル試験）が１００％近くに達し、塑性加工性に富んでいることが明らかである。

また、図４のグラフに、Ｃｒ及びＮｉの含有量と、低ひずみ速度引張試験における粒界破面率との関係を示す。図４に示すように、Ｃｒが２４．５〜２６．５％の範囲、Ｎｉが２２％以上含有されていれば、フェライト相が出現することが無く、耐ＩＧＡ性が抑制され、優れた耐食性が得られることが明らかである（表１中の供試材Ｉ〜ＩＩＩ参照）。

図５は、本発明に係る試験例、比較例及び従来例を含む供試材を対象として、アルカリ環境下における粒界腐食割れ感受性の指標である粒界破面率を比較したグラフを示す。比較に当たり、従来例である供試材ＸＩを基準として、粒界破面率の差を１００分率（％）で示した。本発明に係わる供試材Ｉ〜ＩＩＩは、従来例である供試材ＸＩ（ＴＴ６９０合金）及び供試材ＸＩＩ（ＴＴ６００合金）を上回る耐食性が得られることが明らかである。

また、下記表２に、試験例、比較例及び従来例の熱伝導率の一覧を示す。下記表２に示すように、Ｃｒが２４．５〜２６．５％、Ｎｉが２２〜４０％の範囲で含有されていることにより、試材ＸＩ（ＴＴ６９０合金）を上回る熱伝導率が得られることが明らかである（表１中の供試材Ｉ〜ＩＩＩ参照）。

上記各表及び各図を参照した説明により、特に、Ｃｒの含有量を２４．５〜２６．５％、Ｎｉの含有量を２２〜４０％の範囲に規定することで、ＰＷＲの二次系において求められる伝熱特性、耐食性及び加工性の全ての特性が優れたものとなることが明らかである。

以上説明したように、本発明に係る伝熱特性、耐食性及び加工性に優れた原子力機器用材料によれば、成分組成、特にＣｒ量及びＮｉ量を適正な範囲に制御することにより、高温のアルカリ環境下におけるＩＧＡ感受性が抑制され、優れた耐ＳＣＣ性を確保できるとともに、伝熱特性に優れた蒸気発生器用伝熱管を得ることが可能となる。また、塑性加工性に優れることから、蒸気発生器用伝熱管を細径薄肉管として製造することが可能となり、伝熱特性がさらに高められるとともに、生産性が向上する。従って、本発明の原子力機器用材料を、原子力発電所の加圧水型軽水炉における一次系又は二次系に用いられる蒸気発生器用伝熱管に適用することにより、加圧水型軽水炉において必要な全ての特性を兼ね備えた蒸気発生器用伝熱管を実現することができる。

また、本発明に係る蒸気発生器用伝熱管は、上述した本発明に係る原子力機器用材料が用いられてなるものである。本発明の蒸気発生器用伝熱管によれば、上記原子力機器用材料が用いられたものなので、高い熱伝導率を有するとともに、ＩＧＡ感受性が抑制され、耐食性に優れたものとなる。

また、本発明に係る蒸気発生器は、上述した本発明に係る蒸気発生器用伝熱管が用いられてなるものである。本発明の蒸気発生器によれば、上記蒸気発生器用伝熱管が用いられたものなので、高い熱伝導率を有するとともに、ＩＧＡ感受性が抑制され、耐食性に優れたものとなる。

また、本発明に係る原子力プラントは、上述した本発明に係る蒸気発生器が備えられてなるものである。本発明の原子力プラントによれば、上記蒸気発生器を備えてなるものなので、熱伝導性、並びに、耐食性に優れたものとなる。

以下、実施例を示して、本発明の伝熱特性、耐食性及び加工性に優れた原子力機器用材料を更に詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものでは無い。

［供試材の製造］
本実施例では、まず、上記した表１に示す化学成分組成の合金を真空溶解法で溶製した後、熱間鍛造、熱間圧延及び冷間圧延を施すことで厚さ１４ｍｍ及び５ｍｍの板材からなる供試材（サンプル）に仕上げた。そして、これらの供試材から、以下に説明するような各種特性を評価するための試験片を採取した。

［評価試験項目］
上記手順によって作製した供試材について、以下に説明するような項目の各種評価試験を実施した。

「二次系環境での粒界腐食割れ（ＩＧＡ）感受性確認試験（ＳＳＲＴ試験）」
本実施例では、ＰＷＲの二次系環境における供試材のＩＧＡ感受性を評価するため、二次系酸性模擬環境及び二次系アルカリ性模擬環境条件で低ひずみ速度引張試験（ＳＳＲＴ試験：Ｓｌｏｗ Ｓｔｒａｉｎ Ｒａｔｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を行い、ＩＧＡ感受性を比較評価した。
ＩＧＡ感受性確認試験においては、まず、各供試材から厚さ２ｍｍ、試験部の幅４ｍｍである平板型のＳＳＲＴ用単軸引張試験片を採取した。

次に、採取した試験片を、ＳＳＲＴ試験装置内に設置し、ＳＳＲＴ試験を実施した。試験条件は、試験溶液が１０％水酸化ナトリウム水溶液（ｐＨ １１．５）、温度３００℃、電位は＋１００ｍＶ ｖｓ Ｅｃ、ひずみ速度８．３×１０^−７ｓ^−１である。試験片への定電位の付与にはポテンショスタットを用いた。

また、粒界破面率（％）は、ＳＳＲＴ試験が完了した試験片を用い、次式｛（試験環境に影響を受けた破面の面積／全破面の面積）×１００（％）｝で求めた。

図３及び図４のグラフに示すように、Ｃｒが２４．５〜２６．５％の範囲であり、Ｎｉが２２％以上含有された本発明に係る供試材Ｉ〜ＩＩＩは、フェライト相が出現することが無く、粒界破面率が２１〜２６％と抑制されている。これにより、本発明に係る供試材Ｉ〜ＩＩＩは、ＩＧＡ感受性が抑制され、耐食性に優れていることが明らかである。
これに対し、ＣｒあるいはＮｉの何れかの含有量が適正でない、比較例である供試材ＩＶ、ＶＩＩ並びにＸＩは、ＩＧＡ感受性が認められ、耐食性に劣ることがわかる。

「加工性評価試験」
本実施例では、以下の条件及び手順により、各供試材の加工性を評価した。
一般的に、伝熱管を製造する際の塑性加工としては、熱間加工による素管製造、それに続く冷間加工による最終仕上げが挙げられる。本実施例においては、各供試材の熱間加工性をグリーブル試験の結果で、冷間加工性を引張試験の結果によってそれぞれ評価し、実機サイズの伝熱管の製造が可能であるか否かを判定した。また、熱間加工に関しては、具体的には、押出成形を行うことで細径管を製造する工程における加工性を、グリーブル試験の結果で評価した。

また、本実施例では、グリーブル試験を行うに際し、当該試験で得られる評価項目から熱間加工性を以下の基準で評価した。
（１）熱間延性：実機のＳＧ伝熱管の、熱間加工の温度域での絞りの大きさが、熱間延性、特に形状や表面品質の大きさに対応する。即ち、絞りが大きいほど熱間加工性が良好である。
（２）ゼロ延性温度：伸びが０（実用上、２０％以下と定義）となる温度である。即ち、ゼロ延性温度が高いほど粒界での部分溶融が生じにくく、熱間加工性が良好である。
（３）変形抵抗：実機のＳＧ伝熱管の、熱間加工の温度域での引張強さの大きさが、熱間加工時の変形抵抗に対応する。即ち、変形抵抗が低いほど熱間加工性が良好である。

加工性評価試験にあたっては、まず、各供試材から平行部φ１０ｍｍの丸棒引張試験片を採取した。
グリーブル試験のヒートパターンとしては、１２５０℃以上でゼロ延性温度を評価する試験においては、試験温度まで３分で昇温して３分間保持するパターンの後、引張試験を行った。また、１２５０℃未満の熱間延性を評価する試験においては、１２５０℃まで３分で昇温して３分間保持するパターンの後、試験温度まで１００℃／ｍｉｎで降温させ、試験温度到達後に、直ちに引張試験を行った。
なお、引張試験におけるひずみ速度は１０／ｓとした。そして、引張試験の後、試験片の外観観察と破断部の外径測定を行い、破断絞りを求めるとともに、最大荷重より引張強さを求めた。

図３のグラフに示すように、Ｃｒが２１〜２６．５％の範囲で含有された成分組成を有する、本発明に係る供試材Ｉ〜ＩＩＩは、グリーブル試験における１３００℃での絞りが１００％近くに達している。これにより、本発明に係る供試材Ｉ〜ＩＩＩは、塑性加工性が顕著に優れていることが明らかである。
これに対し、Ｃｒの含有量が本発明の規定範囲外とされた比較例である供試材ＩＶ〜ＶＩＩは、グリーブル試験における１３００℃での絞りが４０〜９０％程度となっており、塑性加工性が低下していることがわかる。

「熱伝導率評価試験」
本実施例では、以下の条件及び手順により、各供試材の熱伝導率を測定することで、熱伝導性の評価を行った。
厚さ５ｍｍの供試材から、直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状試験片を製作して、比熱、密度及び熱伝導率を測定した。密度はアルキメデス法を用いて測定した。また、比熱、熱伝導率は、円板状試験片を３００℃に保持した状態で、ＪＩＳ Ｒ １６１１に従い、レーザーフラッシュ法を用いて測定を実施した。

上記した表２に一覧を示したように、Ｃｒが２４．５〜２６．５％、Ｎｉが２２〜４０％の範囲で含有された、本発明に係る供試材Ｉ〜ＩＩＩは、熱伝導率が１７．９〜１９．０（Ｗ／（ｍ・ｋ））の範囲であり、耐食性が低い従来例である供試材ＸＩＩ（ＴＴ６００合金）（１９．０（Ｗ／（ｍ・Ｋ）））に比べて伝熱特性に劣るが、従来例である供試材ＸＩ（ＴＴ６９０合金）（１６．８（Ｗ／（ｍ・ｋ）））に比べて伝熱特性に優れることが明らかである。

以上説明した各評価試験の結果より、本発明に係る原子力機器用材料が、伝熱特性、耐食性及び加工性に優れていることが明らかとなった。従って、本発明の原子力機器用材料を、原子力発電所の加圧水型軽水炉における蒸気発生器用伝熱管に適用することにより、加圧水型軽水炉において必要な全ての特性を兼ね備えた蒸気発生器用伝熱管を実現できることが明らかである。

本発明の一態様に係る原子力機器用材料は、伝熱特性、耐食性及び加工性に優れるため、原子力発電所の加圧水型軽水炉における蒸気発生器用伝熱管に適用できる。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃｒ：２４．５〜２６．５％、Ｎｉ：２２〜４０％、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜０．５２％、Ｎ：０．００１〜０．１８％、Ｔｉ：０．５％以下、Ａｌ：０．０４５〜０．５％をそれぞれ含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる原子力機器用材料を有することを特徴とする蒸気発生器用伝熱管。
2. 請求項１に記載の蒸気発生器用伝熱管を具備することを特徴とする蒸気発生器。
3. 請求項２に記載の蒸気発生器を具備することを特徴とする原子力プラント。

Images