JP5761870B2 - 腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシート及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電所の蒸気発生器チューブシートの腐食及び伝熱管のデンティングを防止するための腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシート及びその製造方法に関する。

原子力発電は、原子炉の圧力容器において、核燃料の核分裂反応による熱を用いる。核分裂反応で発生した熱は、燃料集合体と蒸気発生器との間で循環する第１次側に伝達される。１次側の熱くなった水は、蒸気発生器で第２次側に熱を伝達し、その結果で生成された蒸気がタービン発電機を動かす。タービンを通過した２次側は凝縮器で温度が低下し、蒸気発生器に戻るようになる。

この際、１次側に流れる冷却水、すなわち、原子炉と蒸気発生器との間を循環する水を１次側冷却水、２次側を流れる冷却水を２次側冷却水という。

原子力発電所で稼動している蒸気発生器に設けられるチューブシート（tube sheet）１００は、伝熱管２００（tube）を拡管して固定する支持板であって、その材質は低合金鋼で構成される。

前記伝熱管２００の内部には１次側冷却水が流れ、伝熱管２００の外部には２次側冷却水が流れる。１次側冷却水は冷却水と接触する材料表面から溶出されたコバルト、ニッケル、鉄などの金属イオン及び金属酸化物を含むが、これらが原子炉の内部で放射化されて放射能を帯びるようになる。

図１を参照すると、２次側冷却水が接触する２次側チューブシート表面は、腐食反応によりマグネタイトに酸化されて体積が膨張する。その過程で隣接している伝熱管２００の外面は内径方向に押さえられて形状変化が発生する。このような現象をデンティング(denting)という。デンティングが発生すると、伝熱管２００に応力が付加されるため、伝熱管２００の応力腐食割れが発生しやすい。

伝熱管２００に割れが生じる場合、伝熱管２００の内部に流れる１次側冷却水が伝熱管２００の外部に漏洩される問題が発生する。したがって、放射能を帯びる１次側冷却水が伝熱管２００の外部に漏洩され、２次側冷却水に沿って蒸気発生器の外部に放出される深刻な問題が発生する。

従来、デンティングを抑制するための方法として２次側冷却水質を中性に維持する水化学的な方案と、チューブシートの上部に蓄積されるスラッジ４０を除去するランシング及び化学洗浄方法が適用されてきたが、デンティング現象は持続的に発生されている。

また、特許文献１に蒸気発生器チューブシート１００の腐食防止方法として、耐腐食性に優れた材料のストリップを用いてチューブシート１００に被せ溶接を行う構成が開示されている。ただし、前記被せ溶接は、伝熱管装着穴３０を形成してから被せ溶接が行われ、クラッド溶接の後に伝熱管装着穴３０を再形成する。また、前記被せ溶接はチューブシート１００の内部まで行われる。

韓国特許公開公報第２００５−０００７９５０号

本発明は、原子力発電所の蒸気発生器チューブシートの１次側チューブシート表面及び２次側チューブシート表面を耐腐食性金属でクラッド（被覆）して腐食による伝熱管のデンティングを防止することができる蒸気発生器チューブシート及びその製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、チューブシート表面をクラッドした後、適当な温度で熱処理することにより、溶接による残留応力を除去してクラッド層の健全性を向上させることができる蒸気発生器チューブシート及びその製造方法を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、伝熱管装着穴を穴あけする段階の後または前に、２次側チューブシート表面を研磨してスラッジの付着を最小化することができる蒸気発生器チューブシート及びその製造方法を提供することをまた他の目的とする。

また、本発明は、１次側チューブシート表面及び２次側チューブシート表面に耐腐食性金属でクラッドした後に、伝熱管装着穴を一度に形成することにより、装着穴の直進度及び加工寸法の精密度を向上させ、製作時間及び製作経費を低減することができる蒸気発生器チューブシート及びその製造方法を提供することをまた他の目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートは、蒸気発生器の伝熱管を支持するように設置される蒸気発生器チューブシートと、１次側チューブシート表面及び２次側チューブシート表面をクラッドする耐腐食性金属と、を含み、前記耐腐食性金属２０の厚さ（Ｄ）が伝熱管の拡管部の隙間深さ（Ｈ）以上であることを特徴とする。

また、本発明の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法は、蒸気発生器の伝熱管を支持するように設置される蒸気発生器チューブシートの製造方法であって、１次側チューブシート表面及び２次側チューブシート表面を耐腐食性金属でクラッド（cladding）するクラッド段階と、前記クラッド段階の後、前記耐腐食性金属でクラッドされた蒸気発生器チューブシートを熱処理する熱処理段階と、前記熱処理段階の後、前記耐腐食性金属でクラッドされた２次側チューブシート表面を研磨する研磨段階と、前記研磨段階の後、前記蒸気発生器チューブシートに形成すべき伝熱管装着穴の全てを一度に穴あけする穴あけ段階と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、１次側チューブシートだけでなく２次側チューブシート表面を耐腐食性金属でクラッドして２次側チューブシート表面の腐食抑制及び伝熱管の応力腐食割れを防止して蒸気発生器の健全性が大きく向上する効果がある。

また、本発明による蒸気発生器チューブシートの製造方法によると、クラッド段階の後にチューブシートを熱処理する段階をさらに含むため、クラッド加工による加工変形を最小化できる効果が得られる。

また、本発明によれば、穴あけ段階の前または後にチューブシートを研磨する段階をさらに含むため、スラッジの付着を最小化できる効果が得られる。

また、本発明によれば、クラッド段階の後に１回の穴あけ工程で伝熱管装着穴を形成するため、伝熱管装着穴の直進度が向上すると共に伝熱管装着穴の加工寸法の許容誤差を減らし、製作時間及び経費を画期的に低減できる効果がある。

また、本発明によれば、チューブシートの内部ではなく、１次側チューブシート表面及び２次側チューブシート表面を耐腐食性金属でクラッドして製造時間が減少し、製造工程が容易になる効果がある。

従来技術により製造された蒸気発生器チューブシートに伝熱管が装着されることを示す断面図である。 本発明の蒸気発生器チューブシートの製造方法の概念図である。 本発明の蒸気発生器チューブシートの製造方法により製造された蒸気発生器チューブシートの平面図である。 図２のＡ−Ａ’線に沿って切った蒸気発生器チューブシートに伝熱管が装着されることを示す断面図である。 試験溶液のｐＨが２である場合にＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８Ｃｌ．３の電気化学的腐食速度を比較したグラフである。 試験溶液のｐＨが７である場合にＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８Ｃｌ．３の電気化学的腐食速度を比較したグラフである。 試験溶液のｐＨが１２である場合にＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８Ｃｌ．３の電気化学的腐食速度を比較したグラフである。 ３１５℃、２ＭのＮａＯＨ溶液でＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８の電気化学的腐食速度を示すグラフである。 ３００℃、０．１ＭのＮｉＣｌ_２溶液でＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８の電気化学的腐食速度を示すグラフである。

本発明の構成及び作用について図面を参照して詳細に説明すると、次の通りである。本発明は、腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシート１００であって、蒸気発生器の伝熱管２００を支持するように設置される蒸気発生器チューブシート１００と、１次側チューブシート表面１１及び２次側チューブシート表面１２をクラッドする耐腐食性金属２０と、を含む。前記耐腐食性金属２０は、前記蒸気発生器チューブシート１００の材質よりも腐食速度の低い金属または合金であり、好ましくはステンレススチール（ＳＴＳ）、Ａｌｌｏｙ６００（６００合金）、Ａｌｌｏｙ６９０（６９０合金）のうち少なくとも１つを含む。

蒸気発生器の伝熱管２００を支持するように設置される蒸気発生器チューブシートの製造方法について図２を参照すると次の通りである。本発明の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法は、一定厚さの蒸気発生器チューブシート１００を提供する段階と、１次側チューブシート表面１１及び２次側チューブシート表面１２を耐腐食性金属２０でクラッド（cladding）する段階と、前記耐腐食性金属２０でクラッドされる蒸気発生器チューブシート１００を熱処理する段階と、前記熱処理された蒸気発生器チューブシート１００に伝熱管装着穴３０を穴あけする段階と、からなる。

本発明の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法は、一定厚さの蒸気発生器チューブシート１００を用意する段階と、前記蒸気発生器チューブシート１００の１次側チューブシート表面１１と２次側チューブシート表面１２に一定厚さを有する耐腐食性金属２０でクラッドする段階と、を含む。蒸気発生器チューブシート１００は、１次側冷却水及び２次側冷却水と合流する部位が酸化されて容易に腐食され、デンティングが発生する問題がある。それによって、伝熱管が破裂されて放射能を帯びる１次側冷却水が伝熱管２００の外部に流れ、２次側冷却水に沿って蒸気発生器の外部に放出される深刻な問題が発生する虞がある。したがって、１次側冷却水及び２次側冷却水が合流する蒸気発生器チューブシート１００の表面を耐腐食性金属２０でクラッドして蒸気発生器チューブシート１００の腐食を防止することができる。

従来技術（特許文献１）は、チューブシートの内部まで被せ溶接を行う構成が開示されている。それに対して、本発明は１次側チューブシート表面１１及び２次側チューブシート表面１２だけ耐腐食性金属でクラッドする構成であるので、従来技術に比べて製造時間が短縮され、製造工程が容易であるという長所がある。

前記耐腐食性金属２０は、蒸気発生器チューブシート材質よりも腐食速度の低い金属または合金で構成され、好ましくは、ステンレススチール（ＳＴＳ）、Ａｌｌｏｙ６００、Ａｌｌｏｙ６９０のうち少なくとも何れか１つを含むことができる。

しかし、前記クラッド過程で応力によるクラッド層またはクラッド層とチューブシートとの界面に内部割れが発生してチューブシート１００の寿命低下の原因となるため、本発明の蒸気発生器チューブシートの製造方法は、耐腐食性金属２０でクラッドされる蒸気発生器チューブシート１００を熱処理する段階をさらに含むことにより、チューブシートの靭性（toughness）及び耐腐食性を向上させることができる。この際、熱処理作業は、火炎、電気抵抗熱処理、高周波熱処理、レーザー熱処理が可能である。

好ましくは、前記熱処理する段階は６００℃〜８２０℃の温度で１０分〜６０分間行われる。前記熱処理温度が６００℃未満の場合はクラッド部位の残留応力の除去が不充分であり、８２０℃を超える場合は引張強度及び硬度が減少し、不適切な析出物が形成される問題がある。

前記熱処理段階では、蒸気発生器チューブシート１００を全体的に熱処理してもよいが、応力集中部位である耐腐食性金属２０でクラッドされた１次側チューブシート表面１１及び２次側チューブシート表面１２または２次側チューブシート表面１２だけ局部的に熱処理して製作費用を低減してもよい。耐腐食性金属２０でクラッドされた蒸気発生器チューブシート１００を熱処理することにより、クラッド工程による残留応力が除去される。それによって、応力が集中された１次側チューブシート表面１１及び２次側チューブシート表面１２の靭性及び耐腐食性が向上されて耐久寿命が向上されたチューブシート１００を製作することができる。

蒸気発生器チューブシート１００に熱処理段階が完了すると、クラッド段階及び熱処理段階を経た蒸気発生器チューブシート１００に伝熱管装着穴３０を穴あけする段階を行う。図２と図４を参照すると、前記穴あけ段階は、伝熱管２００の内部に１次側冷却水が流れるようにチューブシート１００を通孔する。前記穴あけ段階は手動で行ってもよい。しかし、好ましくは、前記穴あけ段階は、伝熱管装着穴３０の直径及び間隔などを所定のプログラムに入力してから、設定された入力値に応じて不図示の穴あけマシーンを作動させることで行われることができる。

前記穴あけ段階は、クラッド段階及び熱処理段階の後に行われ、２回の穴あけ段階の代わりに１回の穴あけ段階を行うため、従来技術（特許文献１）に比べて伝熱管装着穴３０の直進度が向上され、穴の寸法の許容誤差が低下する。さらに、製作時間及び経費が画期的に低減される。

図４に示すように、伝熱管装着穴３０は、伝熱管２００の直径よりも大きく形成されて伝熱管２００が伝熱管装着穴３０に容易に挿入されるようにする。伝熱管２００が伝熱管装着穴３０に挿入された後、伝熱管２００の下部に圧力を注入して伝熱管２００の下部が拡管されてチューブシート１００に装着されるようにする。この際、２次側チューブシート表面をクラッドする耐腐食性金属は、伝熱管の拡管部の隙間深さ（Ｈ）と同一であるか、より大きい深さ（Ｄ）を持つように形成して伝熱管の拡管部の隙間内部で不純物の濃縮による腐食加速現象を防止することができる。通常、伝熱管の拡管部の隙間深さは６．３５ｍｍであるので、２次側チューブシート表面をクラッドする耐腐食性金属は、７ｍｍ〜２０ｍｍの厚さ（Ｄ）を有するように形成することが好ましい。

また、本発明による蒸気発生器チューブシートの製造方法は、前記穴あけ段階の後に、伝熱管装着穴３０が形成された２次側チューブシート表面１２を研磨して２次側チューブシート表面１２を平坦化させる段階をさらに含む。前記穴あけ段階の後に前記研磨工程を行うことにより、２次側チューブシート表面１２を均一に整理し、粗度(roughness)を高めることにより、伝熱管２００の損傷の可能性を防止し、２次側チューブシート表面１２へのスラッジ４０の付着を防止するという長所がある。

さらに好ましくは、本発明による蒸気発生器チューブシートの製造方法は、前記熱処理段階と前記穴あけ段階との間に前記伝熱管装着穴３０が形成される２次側チューブシート表面１２を研磨する段階をさらに含むことができる。前記穴あけ段階の前に２次側チューブシート表面１２を研磨することにより、２次側チューブシート表面１２の粗度(roughness)が向上し、スラッジ４０の付着を最小化すると共にクリーニングしやすいという長所がある。

＜実施例＞
図５から図７は、クラッドに用いられる耐腐食性金属２０の一種であるＡｌｌｏｙ６９０と従来のチューブシート１００の材料であるＳＡ５０８Ｃｌ．３を対象としてｐＨ変化による電気化学的腐食速度を比較した試験結果である。図５は、試験溶液のｐＨが２である場合にＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８Ｃｌ．３の電気化学的腐食速度を比較したグラフであり、図６は、試験溶液のｐＨが７である場合にＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８Ｃｌ．３の電気化学的腐食速度を比較したグラフであり、図７は、試験溶液のｐＨが１２である場合にＡｌｌｏｙ６９０とＳＡ５０８Ｃｌ．３の電気化学的腐食速度を比較したグラフである。

図５を参照すると、試験溶液のｐＨが２である場合にＡｌｌｏｙ６９０の電気化学的腐食速度は従来のチューブシート１００の材料であるＳＡ５０８Ｃｌ．３に比べて１／１４５に減少した。図６を参照すると、試験溶液のｐＨが７である場合にＡｌｌｏｙ６９０の電気化学的腐食速度は従来のチューブシート１００の材料であるＳＡ５０８Ｃｌ．３に比べて１／１８に減少し、図７を参照すると、試験溶液のｐＨが１４である場合にＡｌｌｏｙ６９０の電気化学的腐食速度は従来の蒸気発生器チューブシート１００の材料であるＳＡ５０８Ｃｌ．３に比べて１／１６に減少した。

また、酸性、中性、塩基性の全範囲でＡｌｌｏｙ６９０材料の腐食電位が高く、陰極分極曲線がＳＡ５０８Ｃｌ．３の陽極分極曲線と交差して示されている。それによって、従来のチューブシート１００の材料が伝熱管の拡管部で伝熱管２００の材料であるＡｌｌｏｙ６９０と接触してガルバニック効果による腐食加速が生じることが分かる。

図８に示すように、従来のＳＡ５０８チューブシート材料は溶液とマグネタイトの接触条件で両方とも重さが減少し、Ａｌｌｏｙ６９０クラッド材料は少し重さが増加した。溶液にだけ露出したＳＡ５０８の腐食速度は０．００７０１ｍｇ／ｃｍ^２ｈであったが、Ａｌｌｏｙ６９０クラッド材料の腐食速度は０．０００２４ｍｇ／ｃｍ^２ｈの低い値を示した。マグネタイトの内部に位置した条件ではＳＡ５０８の腐食速度が０．０１９１４ｍｇ／ｃｍ^２ｈであったが、Ａｌｌｏｙ６９０クラッド材料は０．０００３３ｍｇ／ｃｍ^２ｈの非常に低い値に減少した。したがって、Ａｌｌｏｙ６９０クラッドによりチューブシートの腐食抵抗性が約３０〜６０倍向上した。

図９に示すように、２種類の試験材料は、両方とも溶液とマグネタイト接触条件で重さが減少した。溶液にだけ露出した従来のチューブシート母材ＳＡ５０８の腐食速度は０．８７３３０ｍｇ／ｃｍ^２ｈであったが、Ａｌｌｏｙ６９０クラッド材料の腐食速度は０．００１６３ｍｇ／ｃｍ^２ｈの低い値を示した。マグネタイトの内部に位置した条件ではＳＡ５０８の腐食速度が２．０６２００ｍｇ／ｃｍ^２ｈであったが、Ａｌｌｏｙ６９０クラッド材料は０．００３０３ｍｇ／ｃｍ^２ｈの値に急激に減少した。すなわち、Ａｌｌｏｙ６９０クラッドによりチューブシートの腐食抵抗性が約５４０〜６８０倍に向上した。

それによって、本発明によるチューブシートがマグネタイトで覆われている３００〜３１５℃の苛酷な塩基性環境及び酸性環境でもデンティングを非常に効果的に防止できることが裏付けられている。

本発明は、上述した特定の好ましい実施例と変形例に限定されることはなく、請求範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な設計変更的実施が可能であることは勿論、そのような変更は請求範囲内に記載されている。

１００ 蒸気発生器チューブシート
１１ １次側チューブシート表面
１２ ２次側チューブシート表面
２０ 耐腐食性金属
３０ 伝熱管装着穴
４０ スラッジ
２００ 伝熱管
Ｄ ２次側チューブシート表面をクラッドする耐腐食性金属の厚さ
Ｈ 伝熱管の拡管部の隙間深さ

Claims (9)

1. 蒸気発生器の伝熱管２００を支持するように設置される蒸気発生器チューブシート１００と、１次側チューブシート表面１１及び２次側チューブシート表面１２をクラッドする耐腐食性金属２０と、を含み、
   前記耐腐食性金属２０の厚さ（Ｄ）が伝熱管の拡管部の隙間深さ（Ｈ）以上であることを特徴とする腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシート。
2. 前記耐腐食性金属２０は、前記蒸気発生器チューブシート１００よりも腐食速度の低い金属または合金であることを特徴とする請求項１に記載の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシート。
3. 前記耐腐食性金属２０は、ステンレススチール（ＳＴＳ）、Ａｌｌｏｙ６００、Ａｌｌｏｙ６９０のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシート。
4. 蒸気発生器の伝熱管２００を支持するように設置され、腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシート１００の製造方法であって、
   １次側チューブシート表面１１及び２次側チューブシート表面１２を耐腐食性金属２０でクラッド（cladding）するクラッド段階と、
   前記クラッド段階の後、前記耐腐食性金属でクラッドされた蒸気発生器チューブシート１００を熱処理する熱処理段階と、
   前記熱処理段階の後、前記耐腐食性金属でクラッドされた２次側チューブシート表面１２を研磨する研磨段階と、
   前記研磨段階の後、前記蒸気発生器チューブシート１００に形成すべき伝熱管装着穴３０の全てを一度に穴あけする穴あけ段階と、
   を含むことを特徴とする腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法。
5. 前記穴あけ段階の後に、前記伝熱管装着穴３０が形成された２次側チューブシート表面１２を研磨する研磨段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法。
6. 前記耐腐食性金属２０は、前記蒸気発生器チューブシート１００よりも腐食速度の低い金属または合金であることを特徴とする請求項４に記載の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法
7. 前記耐腐食性金属２０は、ステンレススチール（ＳＴＳ）、Ａｌｌｏｙ６００、Ａｌｌｏｙ６９０のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４に記載の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法
8. 前記クラッド段階で、前記耐腐食性金属２０の厚さ（Ｄ）は、伝熱管の拡管部の隙間深さ（Ｈ）以上であることを特徴とする請求項４に記載の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法。
9. 前記熱処理段階において、前記耐腐食性金属２０でクラッドされた前記２次側チューブシート表面１２を６００℃〜８２０℃の温度で１０分〜６０分間熱処理することを特徴とする請求項４に記載の腐食防止層を有する蒸気発生器チューブシートの製造方法。