JP5881421B2 - 二重管及び二重管の製造方法並びに蒸気発生器 - Google Patents
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Description
本発明は、高速増殖炉の蒸気発生器等に採用を予定している組網線型等の二重管及び二重管の製造方法並びに蒸気発生器に関する。
高速増殖炉の蒸気発生器には、安全のため改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなる二重管の適用が検討されている。また、このような二重管として、組網線型二重管の適用も検討されている。組網線型二重管は、内管、外管と、内管と外管の隙間に挟み込まれるように配置された網状の組網線によって構成されている。
組網線型二重管を用いた高速増殖炉の蒸気発生器の場合、内管と外管との隙間（組網線部）には、ヘリウム（Ｈｅ）ガスが充填される。そして、組網線型二重管の外管が破損した場合には、液体ナトリウム（Ｎａ）中にヘリウムガスが流れ込むので、このヘリウムガスを検出することによって外管の破損を検出することができる。
一方、内管が破損した場合には、組網線層を通じて水蒸気がヘリウムガス中に流れ込むので、この水蒸気を検出することによって内管の破損を検出することができる。このように、組網線型二重管を用いた高速増殖炉の蒸気発生器では、リアルタイムでの健全性の評価が可能となっている。
上記構成の二重管を、高速増殖炉の蒸気発生器に使用する場合、必要とされる二重管の長さは非常に長くなる。このため、複数の二重管構成部材を、その軸方向端部で溶接し連結して必要な長さの二重管を構成する必要がある。この二重管を用いた高速増殖炉の蒸気発生器において、リアルタイムでの健全性評価を行うためには、溶接時に二重管の内管と外管との間の隙間が埋まることは許されない。このため、二重管同士を接続するための溶接方法についても各種の方法が提案されている。例えば、外管側に幅広の溝を設け、その溝を介して内管を外側からレーザー溶接にて溶接し、その後、外管を外側からＴＩＧ溶接にて多層溶接を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
上記のように、外管側に幅広の溝を設け、その溝を介して内管を外側からレーザー溶接にて溶接し、その後、外管を外側からＴＩＧ溶接にて多層溶接を行う技術では、外側から溶接ヘッドをアクセスさせるため、内管は１パス貫通でレーザー溶接が可能であるが、外管はＶ型開先に対して多層の肉盛溶接を行う必要があり、溶接に時間がかかるという問題がある。また、溶接位置が同一場所となるため放射線透過試験を行った場合、フィルム上で溶接位置が重なる部分が出てきてしまい、欠陥の判別が難しい等の問題もある。
さらに、一般に外管と内管との間隔は、例えば０．４ｍｍ等と非常に狭くなっており、溶接時に二重管の内管と外管との間の隙間が埋まってしまうことを避けるため、図６（ａ）、図６（ｂ）示すように、二重管基材２の開先形状をＶ字溝（ａ）、Ｕ字溝（ｂ）とすると、溶接した際に溶接部の裏波ビード３と二重管基材２との間にＶノッチ（Ｖ字状の間隙）１が形成されやすい。そして、Ｖノッチ１が形成されると当該部には応力集中が生じやすく、平滑部に比べて疲労強度が低下するという問題がある。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、その目的は、溶接部に強度低下の原因となるＶノッチが形成されることを抑制することができるとともに、従来に比べて短時間で溶接を行うことのできる二重管及び二重管の製造方法並びに蒸気発生器を提供することにある。
本発明の二重管の一態様は、内管と外管とを有する複数の二重管構成部材を、軸方向端部の溶接部で溶接して連結した二重管であって、前記二重管構成部材の前記溶接部には、軸方向の長さが、当該溶接部の溶接によって生ずる裏波ビード幅の１／２以上とされた溝が設けられていることを特徴とする。
本発明の二重管の他の態様は、内管と外管とを有する複数の二重管構成部材を、軸方向端部の溶接部で溶接して連結した二重管であって、前記二重管構成部材の前記溶接部には、軸方向の長さが、当該溶接部の溶接によって生ずる溶接ビード幅の１／２以上とされた溝が設けられていることを特徴とする。
本発明の二重管の製造方法の一態様は、内管と外管とを有する複数の二重管構成部材を、軸方向端部の溶接部で溶接して連結した二重管の製造方法であって、前記二重管構成部材の前記溶接部に、軸方向の長さが、当該溶接部の溶接によって生ずる裏波ビード幅の１／２以上とした溝を設け、前記内管を当該内管の内側から溶接し、前記外管を当該外管の外側から溶接することを特徴とする。
本発明の二重管の製造方法の他の態様は、内管と外管とを有する複数の二重管構成部材を、軸方向端部の溶接部で溶接して連結した二重管の製造方法であって、前記二重管構成部材の前記溶接部に、軸方向の長さが、当該溶接部の溶接によって生ずる溶接ビード幅の１／２以上とした溝を設け、前記内管を当該内管の内側から溶接し、前記外管を当該外管の外側から溶接することを特徴とする。
本発明の蒸気発生器の一態様は、内部に液体金属が流通される容器と、前記容器内に収容され内部に水及び水蒸気が流通される伝熱管とを具備した蒸気発生器において、前記伝熱管は、内管と外管とを有する複数の二重管構成部材を、軸方向端部の溶接部で溶接して連結した二重管であって、前記二重管構成部材の前記溶接部には、軸方向の長さが、当該溶接部の溶接によって生ずる裏波ビード幅の１／２以上とされた溝が設けられている二重管から構成されていることを特徴とする。
本発明の蒸気発生器の他の態様は、内部に液体金属が流通される容器と、前記容器内に収容され内部に水及び水蒸気が流通される伝熱管とを具備した蒸気発生器において、前記伝熱管は、内管と外管とを有する複数の二重管構成部材を、軸方向端部の溶接部で溶接して連結した二重管であって、前記二重管構成部材の前記溶接部には、軸方向の長さが、当該溶接部の溶接によって生ずる溶接ビード幅の１／２以上とされた溝が設けられている二重管から構成されていることを特徴とする。
以下、本発明の二重管及び二重管の製造方法並びに蒸気発生器の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる二重管１００を製造する際に、二重管構成部材同士の溶接を行う溶接の工程を説明するための図である。二重管構成部材１００ａ、１００ｂは、内管４と外管５および内管４と外管５が直接接触しないように挿入された組網線６とから構成されている。この組網線６が配置された部分は、二重管の軸方向にガスを流すための間隙を有しており、二重管構成部材１００ａと二重管構成部材１００ｂとを溶接する際には、この間隙にバックシールドガスとしてアルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスを流す。
二重管構成部材１００ａ及び二重管構成部材１００ｂの内管４同士を溶接するために、内管４の内側に挿入される溶接ヘッドは、円筒状に形成された筺体７を具備しており、筺体７内には、反射ミラー８、集光レンズ９、コリメートレンズ１０が収容され、筺体７に支持されている。
また、筺体７には、溶接ヘッドにレーザー光を供給する光ファイバー１３と、溶接時に反射ミラー８および集光レンズ９のスパッタ、ヒューム等による汚れを防止するためにアルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスを流すためのチューブ（例えばウレタンチューブ）１２とが接続されている。なお、チューブ１２と筺体７との間には、これらの間をシールするためのＯリング１１が配設されている。
本実施形態では、上記構成の溶接ヘッドを用いて、二重管構成部材１００ａ及び二重管構成部材１００ｂの内管４同士をレーザー溶接により溶接する。また、二重管構成部材１００ａ及び二重管構成部材１００ｂの外管５同士を溶接する際は、これらの外側からレーザー溶接により溶接を行う。
図２は、二重管構成部材１００ａ及び二重管構成部材１００ｂの軸方向端部の溶接部の構成を拡大して模式的に示すものである。同図に示すように、二重管構成部材１００ａ及び二重管構成部材１００ｂの一方、本実施形態では二重管構成部材１００ａの内管４が、所定長さ（Ｌ１）外管５より長く構成されている。また、他方の二重管構成部材１００ｂは、外管５が所定長さ（Ｌ１）内管４より長く構成されている。したがって、内管４の溶接位置と、外管５の溶接位置は、軸方向に沿って所定長さ（Ｌ１）ずれた位置となっている。
さらに、内管４と外管５との間には、これらの内管４と外管５との間の間隔が拡がるように溝２０が形成されている。この溝２０の軸方向長さ（溝２０を上から見たときの深さ）Ｌ２は、溶接によって生ずる裏波ビード幅の１/２以上とされている。一般に、組網線６が配置された部分の内管４と外管５との間隔は、非常に狭く、例えば０．４ｍｍ程度とされている。これに対して、溝２０の部分における内管４と外管５との間隔は、例えば０．８ｍｍ程度等とされ、内管４と外管５との間の間隔が拡がった構成となっている。この溝２０は、例えば、内管４の外側面を切削するとともに、外管５の内側面を切削することによって形成することができる。このように内管４及び外管５を切削することによって、これらの表面に形成された酸化被膜等を溶接前に除去することができ、酸化被膜等を溶接に悪影響を与えることを防止することができる。なお、上記溝２０は内管４または外管５に所定の厚みがある場合は、その一方に形成しても良いのは勿論である。
図３に示すように、例えば、二重管基材２である図３の場合の外管５同士を外側からレーザー溶接した際に、外管５の内側面に裏波ビード３が形成される。なお、図３では、下部に示した２重管の円で囲んだ領域の溶接状態を上部に拡大して示してある。本実施形態では、上記の裏波ビード３の幅の１／２（図３中に示すＬ３）と、溝２０の軸方向長さＬ２との関係が、
（裏波ビード３幅の１／２（Ｌ３））≦（溝２０の軸方向長さ（Ｌ２））
となるように、溝２０の軸方向長さＬ２が設定されている。これは、以下のような理由による。
（裏波ビード３幅の１／２（Ｌ３））≦（溝２０の軸方向長さ（Ｌ２））
となるように、溝２０の軸方向長さＬ２が設定されている。これは、以下のような理由による。
すなわち、溝２０の軸方向長さＬ２を上記のように設定すると、図３に示すように、裏波ビード３と二重管基材２（図３の場合外管５）がなす角度θ１が９０度以上となり、Ｖノッチとならない。一方、例えば、図４に示すように、上記の溝２０の軸方向長さＬ２が裏波ビード３の幅の１／２（Ｌ３）よりも短いと、裏波ビード３と二重管基材２（図４の場合外管５）とがなす角度θ２が９０度以下となりＶノッチが形成される。
以上の理由から、本実施形態では、溝２０の軸方向長さＬ２は、溶接によって形成される裏波ビード３の幅の１／２（Ｌ３）以上とされており、これによって溶接部分に強度低下の原因となるＶノッチが形成されることがなく、信頼性の向上を図ることができるようになっている。この裏波ビード３の幅は、実際には、例えば２ｍｍ以下程度となる。したがって、溝２０の軸方向長さＬ２は、例えば１ｍｍ以上程度とすればよい。
裏波ビード３は、レーザー等によって溶接する際にレーザーを照射する側（溶接方向）とは反対側に形成される。図３に示すように、この裏波ビード３の幅は、レーザーを照射する側に形成される溶接ビート３０の幅以上となることはない。したがって、上記の溝２０の軸方向長さＬ２を、溶接ビート３０の幅の１／２（Ｌ４）以上とすれば、溶接部分に強度低下の原因となるＶノッチが形成されることを防止することができる。
また、図２に示す内管４と外管５との長さの差（所定長さ）Ｌ１は、例えば５ｍｍ以上程度とすることが好ましい。これによって、内管４の溶接部の裏波ビード３と、外管５の溶接部の裏波ビード３とが重なることを確実に防止することができ、内管４と外管５との間の間隙が閉塞されてしまうことを確実に防止することができる。また、溶接後に溶接部の放射線透過試験を行う際に、内管４の溶接部と、外管５の溶接部とが重ならないように放射線透過画像を得ることができる。
なお、上記実施の形態においては、内管４と外管５および内管４と外管５が直接接触しないように組網線６を挿入した二重管１００の例で示したが、内管４と外管５および内管４と外管５が直接接触しないように内管４と外管５の間にスペーサ（図示せず）を配置する場合、または内管４と外管５の間に全長にわたって溝を形成した場合の二重管においてもその接続において本実施の形態を適用することができる。
図５は、本発明の一実施形態に係る蒸気発生器２００の断面構成を模式的に示す図である。同図に示すように、蒸気発生器２００は、略円筒状に形成された容器２０１を具備しており、この容器２０１内には、図中矢印で示すように、上部から下部に向けて液体金属としての液体ナトリウムが流通されるように構成されている。
容器２０１内には、前述した実施形態に係る二重管１００から構成され、スパイラル状とされた伝熱管２１０が設けられており、この伝熱管２１０の内部に、図中矢印で示すように、下部から上部に向けて水及び水蒸気が流通されるようになっている。なお、伝熱管２１０を構成する二重管１００の内管４と外管５との間には、前述したとおり、ヘリウムガスが充填されており、内管４及び外管５の破損を検出できるようになっている。
本実施形態の蒸気発生器２００では、伝熱管２１０の溶接部に強度低下の原因となるＶノッチが形成されることを抑制することができるので、その信頼性の向上を図ることができる。また、内管４と外管５との間の間隔が溶接により閉塞されてしまうことを防止できるので、内管４及び外管５の破損を確実に検出することができる。さらに、従来に比べて短時間で溶接を行うことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが，これらの実施形態は，例として提示したものであり，発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は，その他の様々な形態で実施されることが可能であり，発明の要旨を逸脱しない範囲で，種々の省略，置き換え，変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は，発明の範囲や要旨に含まれるとともに，特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Claims (16)
- 内管と外管とを有する複数の二重管構成部材が、軸方向端部の溶接部で連結されている二重管であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部には、前記内管と前記外管との間に、これら内管と外管の間隔が広がるように軸方向に形成された溝を有し、その溝の軸方向から見た深さが、当該溶接部の溶接によって生ずる裏波ビード幅の１／２以上である
ことを特徴とする二重管。 - 内管と外管とを有する複数の二重管構成部材が、軸方向端部の溶接部で連結されている二重管であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部には、前記内管と前記外管との間に、これら内管と外管の間隔が広がるように軸方向に形成された溝を有し、その溝の軸方向から見た深さが、当該溶接部の溶接によって生ずる溶接ビード幅の１／２以上である
ことを特徴とする二重管。 - 請求項１又は２記載の二重管であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部は、一方の前記二重管構成部材の前記内管が軸方向に所定長さ前記外管より長く構成され、かつ、他方の二重管構成部材の前記外管が軸方向に前記所定長さ前記内管より長く構成され、
前記内管同士の溶接位置と、前記外管同士の溶接位置が前記所定長さ軸方向にずれている
ことを特徴とする二重管。 - 請求項１又は２記載の二重管であって、
前記溝は、前記溶接部で溶接される２つの前記二重管構成部材の少なくとも一方に形成されている
ことを特徴とする二重管。 - 請求項１又は２記載の二重管であって、
前記二重管構成部材は、前記内管と、前記外管との間に組網線層を有する
ことを特徴とする二重管。 - 内管と外管とを有する複数の二重管構成部材が、軸方向端部の溶接部で連結されている二重管の製造方法であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部に、前記内管と前記外管との間に、これら内管と外管の間隔が広がるように軸方向に形成された溝を有し、その溝の軸方向から見た深さが、当該溶接部の溶接によって生ずる裏波ビード幅の１／２以上であり、
前記内管を当該内管の内側から溶接し、前記外管を当該外管の外側から溶接する
ことを特徴とする二重管の製造方法。 - 内管と外管とを有する複数の二重管構成部材が、軸方向端部の溶接部で連結されている二重管の製造方法であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部に、前記内管と前記外管との間に、これら内管と外管の間隔が広がるように軸方向に形成された溝を有し、その溝の軸方向から見た深さが、当該溶接部の溶接によって生ずる溶接ビード幅の１／２以上であり、
前記内管を当該内管の内側から溶接し、前記外管を当該外管の外側から溶接する
ことを特徴とする二重管の製造方法。 - 請求項６又は７記載の二重管の製造方法であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部の一方の前記二重管構成部材の前記内管を軸方向に所定長さ前記外管より長く構成し、かつ、他方の二重管構成部材の前記外管を軸方向に前記所定長さ前記内管より長く構成して、
前記内管同士の溶接位置と、前記外管同士の溶接位置を前記所定長さ軸方向にずらす
ことを特徴とする二重管の製造方法。 - 請求項６又は７記載の二重管の製造方法であって、
前記溝を、前記溶接部で溶接される２つの前記二重管構成部材の少なくとも一方に形成する
ことを特徴とする二重管の製造方法。 - 請求項６又は７記載の二重管の製造方法であって、
前記二重管構成部材は、前記内管と、前記外管との間に組網線層を有する
ことを特徴とする二重管の製造方法。 - 請求項６又は７記載の二重管の製造方法であって、
前記溶接を、レーザー溶接によって行う
ことを特徴とする二重管の製造方法。 - 内部に液体金属が流通される容器と、前記容器内に収容され内部に水及び水蒸気が流通される伝熱管とを具備した蒸気発生器において、
前記伝熱管は、
内管と外管とを有する複数の二重管構成部材が、軸方向端部の溶接部で連結されている二重管であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部には、前記内管と前記外管との間に、これら内管と外管の間隔が広がるように軸方向に形成された溝を有し、その溝の軸方向から見た深さが、当該溶接部の溶接によって生ずる裏波ビード幅の１／２以上である二重管から構成されている
ことを特徴とする蒸気発生器。 - 内部に液体金属が流通される容器と、前記容器内に収容され内部に水及び水蒸気が流通される伝熱管とを具備した蒸気発生器において、
前記伝熱管は、
内管と外管とを有する複数の二重管構成部材が、軸方向端部の溶接部で連結されている二重管であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部には、前記内管と前記外管との間に、これら内管と外管の間隔が広がるように軸方向に形成された溝を有し、その溝の軸方向から見た深さが、当該溶接部の溶接によって生ずる溶接ビード幅の１／２以上である二重管から構成されている
ことを特徴とする蒸気発生器。 - 請求項１２又は１３記載の蒸気発生器であって、
前記二重管構成部材の前記溶接部は、一方の前記二重管構成部材の前記内管が軸方向に所定長さ前記外管より長く構成され、かつ、他方の二重管構成部材の前記外管が軸方向に前記所定長さ前記内管より長く構成され、
前記内管同士の溶接位置と、前記外管同士の溶接位置が前記所定長さ軸方向にずれている
ことを特徴とする蒸気発生器。 - 請求項１２又は１３記載の蒸気発生器であって、
前記溝は、前記溶接部で溶接される２つの前記二重管構成部材の少なくとも一方に形成されている
ことを特徴とする蒸気発生器。 - 請求項１２又は１３記載の蒸気発生器であって、
前記二重管構成部材は、前記内管と、前記外管との間に組網線層を有する
ことを特徴とする蒸気発生器。
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