JP6186658B2 - 溶接構造物の設計方法、及び溶接構造物の製造方法 - Google Patents

溶接構造物の設計方法、及び溶接構造物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、溶接構造物の設計方法、及び溶接構造物の製造方法に関する。
溶接構造物としては、例えば、以下の特許文献１に記載されているものがある。この溶接構造物は、原子力発電プラントにおける蒸気発生器である。この蒸気発生器は、鏡と、鏡の内側を仕切る仕切板と、を有している。鏡は、低合金鋼で形成されている母材と、母材の表面にオーステナイト系ステンレスが肉盛溶接されて形成されているクラッド（溶接部材）と、を有している。仕切板は、ニッケル基合金で形成されている。この仕切板は、鏡の表面、つまりオーステナイト系ステンレスで形成されているクラッドの表面に溶接されている。
特開２０１２−１９６６８６号
溶接構造を含む溶接構造物を設計する場合、母材とクラッド等の溶接部材との境界近傍の材料力学的特性、例えば、破壊応力や引張り強さ等の特徴応力をできる限り正確に把握しておくことが好ましい。
そこで、本発明は、溶接構造、特に、低合金鋼又は低炭素鋼で形成されている部材にオーステナイト系合金の溶接材料からなる溶接部材を溶接した溶接構造を含む溶接構造物の設計方法、及び溶接構造物の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための発明に係る一態様としての溶接構造物の設計方法は、
低合金鋼又は低炭素鋼で形成された部材にオーステナイト系合金で形成された溶接材料が溶接された溶接構造を含む試験片を作成する試験片作成工程と、前記試験片中に水素を供給する水素供給工程と、前記水素が供給された前記試験片に荷重をかけて、前記試験片の材料力学的な特性を示す特徴応力を取得する特徴応力取得工程と、前記溶接構造を含む溶接構造物で、前記溶接構造に生じる最大応力が前記特徴応力取得工程で取得された前記特徴応力未満になるよう、前記溶接構造物を設計する設計工程と、を実行し、前記溶接構造物は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている第一部材と、前記第一部材の表面に肉盛溶接された前記溶接材料としての第三溶接材料で形成されている第三溶接部材と、前記第三溶接部材の表面に第二溶接材料を介して溶接された第二部材と、を有し、前記第一部材は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成された部材の表面が削られて前記部材に凹部が形成され、且つ前記凹部の側面が削られていない前記表面に近づくに連れて次第に前記凹部の外側に向かうよう傾斜しているものであり、前記第三溶接材料を肉盛溶接する前記第一部材の表面は、前記凹部の底面及び側面であり、前記設計工程では、前記凹部の周りの表面が広がる第一方向における前記凹部の側面の存在領域を、前記第二溶接材料で形成される第二溶接部材の表面と前記第三溶接部材の表面とが接触する前記第一方向における位置から離す。
また、前記目的を達成するための発明に係る他の態様としての溶接構造物の設計方法は、
低合金鋼又は低炭素鋼で形成された部材にオーステナイト系合金で形成された溶接材料が溶接された溶接構造を含む試験片を作成する試験片作成工程と、前記試験片中に水素を供給する水素供給工程と、前記水素が供給された前記試験片に荷重をかけて、前記試験片の材料力学的な特性を示す特徴応力を取得する特徴応力取得工程と、前記溶接構造を含む溶接構造物で、前記溶接構造に生じる最大応力が前記特徴応力取得工程で取得された前記特徴応力未満になるよう、前記溶接構造物を設計する設計工程と、を実行し、前記溶接構造物は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている第一部材と、前記第一部材の表面に肉盛溶接された前記溶接材料としての第三溶接材料で形成されている第三溶接部材と、前記第三溶接部材の表面に第二溶接材料を介して溶接された第二部材と、を有し、前記第一部材は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成された部材の表面が削られて前記部材に凹部が形成され、前記凹部の側面が削られていない前記表面に近づくに連れて次第に前記凹部の外側に向かうよう傾斜し、且つ前記凹部の底面が前記凹部の周りの表面が広がる第一方向に広がるものであり、前記第三溶接材料を肉盛溶接する前記第一部材の表面は、前記凹部の底面及び側面であり、前記設計工程では、前記溶接構造物中の前記溶接構造に生じる最大応力が前記特徴応力未満になるよう、前記凹部の前記底面に対して、傾斜している前記側面が成す角度を定める。
発明者は、低合金鋼又は低炭素鋼で形成された部材にオーステナイト系合金で形成された溶接材料が溶接された溶接構造について、以下の事実を見出した。
（１）オーステナイト系合金は、溶接材料として使用されると、溶接過程で、空気中の水分から形成される水素を組織内に保持する場合がある。
（２）オーステナイト系合金に保持されていた水素は、雰囲気温度が高くなると拡散する。
（３）溶接材料の溶接対象である部材が低合金鋼又は低炭素鋼で形成されている場合、溶接材料であるオーステナイト系合金に保持された水素は、部材側に移動する。
（４）部材側に移動すると、低合金鋼又は低炭素鋼の境界近傍で水素脆化が生じる。この結果、部材中で溶接材料との境界近傍の強度が低下する。
発明者は、以上の知見により、溶接構造物の設計に先立ち、溶接構造物中の以上の溶接構造における材料力学的な特性を示す特徴応力を先に述べた決定方法で決定することにした。
当該方法では、上記溶接構造の特徴応力を得ることができる。よって、この特徴応力に基づいて溶接構造物を設計、製造することで、水素脆化による溶接構造の損傷を抑えることができる。
ここで、前記溶接構造物の設計方法において、前記特徴応力取得工程の実行中に前記水素供給工程を実行してもよい。また、前記特徴応力取得工程の実行前に前記水素供給工程を実行してもよい。また、前記特徴応力取得工程の実行前から実行中にかけて継続して前記水素供給工程を実行してもよい。
また、以上のいずれかの前記溶接構造物の設計方法において、前記水素供給工程では、水素イオンを含む水溶液中に前記試験片を配置し、前記試験片を負極にすることで、前記試験片に前記水素を供給してもよい。
当該設計方法では、簡単な設備で試験片への水素供給を行うことができる上に、試験片への水素供給量の調節を容易に行うことができる。
また、特徴応力取得工程の実行前から試験片に水素を供給する、以上のいずれかの前記溶接構造物の設計方法において、前記水素供給工程では、水素イオンを含む水溶液中に前記試験片を配置し、前記試験片を負極にすることで、前記試験片に前記水素を供給し、前記水素供給工程の実行により、前記試験片中における前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている部分の水素濃度が、前記溶接構造を含む実際の溶接構造物において、前記部材の前記境界側の部分における最大水素濃度と想定される水素濃度以上になるよう、前記特徴応力取得工程前に実行する前記水素供給工程の実行時間を含む水素供給条件が定められていてもよい。
当該設計方法では、簡単な設備で試験片への水素供給を行うことができる上に、試験片への水素供給量の調節を容易に行うことができる。さらに、当該設計方法では、実際の溶接構造物における水素脆化環境よりも厳しい条件下での特徴応力を得ることができる。
また、以上のいずれかの前記溶接構造物の設計方法において、前記試験片作成工程では、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている部材に前記溶接材料を溶接した溶接構造を含む試験片母材を作成した後、前記試験片母材から前記低合金鋼又は前記低炭素鋼と前記溶接材料との境界を含む部分を試験片として取得してもよい。
当該設計方法では、試験片部材から試験片を得ることで、容易に試験片の形状を目的の形状にすることができる。
また、以上のいずれかの前記溶接構造物の設計方法において、前記特徴応力取得工程で取得する特徴応力は破壊応力であってもよい。
また、以上のいずれかの前記溶接構造物の設計方法において、前記溶接構造物は、圧力容器であってもよい。さらに、この圧力容器は、原子力発電プラントにおける冷却材が溜まる容器であってもよい。
前記目的を達成するための発明に係る第一態様としての溶接構造物の製造方法は、
以上のいずれかの前記溶接構造物の設計方法を実行すると共に、前記設計方法の実行結果に従って前記溶接構造物を製造する製造工程を実行する。
本発明によれば、低合金鋼又は低炭素鋼で形成された部材にオーステナイト系合金で形成れた溶接材料が溶接された溶接構造の特徴応力を得ることができる。よって、この特徴応力に基づいて溶接構造物を設計、製造することで、水素脆化による溶接構造の損傷を抑えることができる。
本発明に係る一実施形態における溶接構造物の製造方法の手順を示すフローチャートである。 本発明に係る一実施形態における試験片の作成方法を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態における水素供給工程及び特徴応力取得工程を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態における水素供給工程中での時間変化に伴う試験片に発生する応力の変化を示すグラフである。 本発明に係る一実施形態における溶接構造の断面図である。 図５に示す溶接構造の各位置に発生する応力を示すグラフである。 本発明に係る一実施形態における溶接構造の設計変更後の断面図である。 本発明に係る一実施形態の変形例における溶接構造の断面図である。 図８に示す溶接構造の各位置に発生する応力を示すグラフである。 本発明に係る一実施形態の変形例における溶接構造の設計変更後の断面図である。 本発明に係る一実施形態の変形例における溶接構造の他の設計変更後の断面図である。 本発明に係る一実施形態における溶接構造物としての蒸気発生器の要部断面図である。 本発明に係る一実施形態における原子力発電プラントの系統図である。
以下、本発明の実施形態及びその変形例について、図面を参照しつつ説明する。
「溶接構造物」
まず、本発明の適用対象である溶接構造物の実施形態について説明する。
本実施形態の溶接構造物は、原子力発電プラントの蒸気発生器である。原子力発電プランは、例えば、図１３に示すように、加圧水型原子炉（以下、単に原子炉とする）１と、原子炉１内の圧力を高める加圧器２と、原子炉１からの一次冷却材と二次冷却材とを熱交換させて二次冷却材である水を蒸気にする蒸気発生器３と、蒸気発生器３を通過した一次冷却材を原子炉１に戻す冷却材ポンプ４と、蒸気発生器３で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン５と、蒸気タービン５の駆動で発電する発電機６と、蒸気タービン５を通過した蒸気を水に戻す復水器７と、復水器７内の水を蒸気発生器３に戻す給水ポンプ８と、を備えている。
蒸気発生器３は、図１２に示すように、筒状の胴１０と、胴１０の端部開口を塞ぐ鏡２０と、胴１０と鏡２０とで形成される内部空間を一次室１５と二次室１６とに仕切る管板１１と、管板１１に端部が固定されて二次室１６内で湾曲しているＵチューブ１２と、一次室１５を入口室１５ｉと出口室１５ｏとに仕切る仕切板２８と、を有している。
鏡２０の入口室１５ｉ側には、入口室１５ｉ内に一次冷却材を導く入口管台２９ｉが形成されている。この入口管台２９ｉには、短管状の入口セーフエンド３１ｉが接合されている。また、鏡２０の出口室１５ｏ側には、出口室１５ｏからの一次冷却材を外部に流出させる出口管台２９ｏが形成されている。この出口管台２９ｏには、短管状の出口セーフエンド３１ｏが接合されている。
蒸気発生器３の一次室１５内の入口室１５ｉには、原子炉１内で加熱された一次冷却材が入口セーフエンド３１ｉを介して流入する。この一次冷却材は、Ｕチューブ１２、一次室１５内の出口室１５ｏ、出口セーフエンド３１ｏを経て、外部に流出する。二次室１６内には、二次冷却材である水が流入する。この水は、二次室１６内に配置されているＵチューブ１２内を通っている一次冷却材との熱交換により加熱されて蒸気となる。
鏡２０は、鏡本体を成す母材（第一部材）２１と、母材２１の一次室１５側の表面に第一溶接材料が肉盛溶接されたものであるクラッド（第一溶接部材）２２とを有している。クラッド２２には、第二溶接材料で形成されている第二溶接部材２７を介して仕切板（第二部材）２８が溶接されている。
ここで、以下の説明の都合上、母材２１の一次室１５側の表面であって、クラッド２２を介して溶接されている仕切板２８近傍での表面２１ｓが広がっている方向をＸ方向（第一方向）とし、この表面２１ｓに対して垂直な方向をＹ方向とする。仕切板２８は、このＹ方向に長く延びている。
本実施形態において、鏡２０の母材２１は、炭素含有率が０．１mass％以下の低合金鋼で形成されている。なお、低合金鋼とは、Ｆｅの他に主要な元素、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどを含み、且つ以下の元素の合計量が５mass％以下の合金鋼である。
Ａｌ、Ｂ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ
クラッド２２を形成する第一溶接材料は、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０８である。仕切板２８は、６９０系ニッケル基合金（例えば、インコネル６９０（インコネルは、スペシャルメタルズ社(Special Metals Corporation)（旧インコ社・International Nickel Company）の登録商標）で形成されている。また、第二溶接材料は、仕切板２８を形成する材料と同じ６９０系ニッケル基合金である。入口セーフエンド３１ｉ及び出口セーフエンド３１ｏは、いずれも、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０８で形成されている。これらは、いずれも、セーフエンド３１ｉ，３１ｏを形成する材料と同じＳＵＳ３０８の溶接材料３２ｉ，３２ｏを介して管台２９ｉ，２９ｏに溶接されている。
「溶接構造物の製造方法」
次に、以上で説明した溶接構造物としての蒸気発生器３の製造方法について、図１に示すフローチャートに従って説明する。
蒸気発生器３の製造にあたり、まず、蒸気発生器３中の溶接構造の材料力学的特性を示す特徴応力を決定する（Ｓ１：特徴応力決定工程）。ここでの溶接構造は、低合金鋼で形成される鏡２０の母材２１と、この母材２１の一次室１５側に肉盛溶接されるオーステナイト系ステンレスのＳＵＳ３０８で形成されるクラッド２２と有する。
発明者は、この溶接構造について以下の事実を見出した。
（１）オーステナイト系合金は、溶接材料として使用されると、溶接過程で、空気中の水分から形成される水素を組織内に保持する場合がある。
（２）オーステナイト系合金に保持されていた水素は、雰囲気温度が高くなると拡散する。
（３）母材が低合金鋼又は低炭素鋼で形成されている場合、溶接材料であるオーステナイト系合金に保持された水素は、母材側に移動する。
（４）母材側に移動すると、低合金鋼又は低炭素鋼の境界近傍で水素脆化が生じる。この結果、母材中で溶接材料との境界近傍の強度が低下する。
発明者は、以上の知見により、蒸気発生器３の設計に先立ち、蒸気発生器３中の以上の溶接構造における材料力学的な特性を示す特徴応力の一つである破壊応力を決定することにした。
特徴応力決定工程では、まず、上記溶接構造と同様の溶接構造を含む試験を作成する（Ｓ２：試験片作成工程）。具体的には、図２に示すように、まず、鏡２０の母材２１と同一材料である低合金鋼で形成されている部材５１を準備する。次に、この部材５１の表面に、第一溶接材料と同一材料であるＳＵＳ３０８を肉盛溶接したものである溶接部材５２を形成し、部材５１及び溶接部材５２を有する試験片母材５３を作成する。そして、この試験片母材５３から、部材５１と溶接部材５２との境界を含む部分を試験片５０として切り出す。この試験片５０の形状は、例えば、ＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定されている形状である。
次に、この試験片５０に水素を供給する（Ｓ３：水素供給工程）。この水素供給工程（Ｓ３）では、試験液を準備する。この試験液は、例えば、以下の組成の水溶液である。
１／３Ｍ Ｈ３ＢＯ３ ＋ １／３０Ｍ ＫＣｌ＋ １／１００Ｍ チオ尿素
上記式で、「Ｍ」はモル濃度を示す。
図３に示すように、以上の試験液６１中に試験片５０を浸し、この試験片５０を作用極とすると共に、試験液６１中にＰｔで形成されている対極６２を浸す。そして、作用極である試験片５０と対極６２との間に、ポテンシオスタット６３で電圧をかける。この結果、試験片５０である作用極が負極となり、試験液６１中に存在する水素イオンが試験片５０に供給される。この際、試験液６１中の電流密度は、例えば、１０ｍＡ／ｃｍ２である。
次に、図３に示すように、試験片５０に対して引張荷重Ｆを加えて引張試験を行い、特徴応力の一つである破壊応力を取得する（Ｓ４：特徴応力取得工程）。図４に示すように、本実施形態では、引張試験を行う前に試験片５０に水素を供給する予備チャージ工程（Ｓ３ａ）を実行すると共に、引張試験中に試験片５０に水素を供給する試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）を実行する。すなわち、本実施形態の水素供給工程（Ｓ３）は、予備チャージ工程（Ｓ３ａ）と試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）とを有する。試験中チャージ工程（Ｓ３ａ）での試験液６１の組成及び試験液６１中の電流密度は、予備チャージ工程（Ｓ３ｂ）での試験液６１の組成、試験液６１中の電流密度と実質的に同じである。
予備チャージ工程（Ｓ３ａ）では、試験片５０をチャックで安定保持できるように、例えば、試験片５０に２０ＭＰａの引張応力が発生するよう引張荷重をかけ、この状態を例えば２４時間保持する。なお、この予備チャージ工程（Ｓ３ａ）では、試験片５０を安定保持するために、試験片５０に引張荷重をかけているが、引張荷重をかけなくても試験片５０を安定保持できる場合には、この試験片５０に引張荷重をかけなくてもよい。
予備チャージ工程（Ｓ３ａ）の開始から２４時間経過した時点で、つまり、予備チャージ工程（Ｓ３ａ）の終了時点で、試験片５０に例えば１００ＭＰａの引張応力が発生するよう引張荷重をかけ、特徴応力取得工程（Ｓ４）及び試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）を開始する。この特徴応力取得工程（Ｓ４）では、試験片５０に発生する引張応力が、例えば、１５分当たり１．１７ＭＰａの割合で増加するよう、引張試験中の引張荷重Ｆを次第に増加させる。
引張荷重Ｆを増加させてゆき、試験片５０に亀裂が生じると、この亀裂が生じた時点での応力が、この試験片５０の破壊応力となる。なお、ここでは、特徴応力の一つとして破壊応力を取得するが、引張強さや降伏応力等の特徴応力を取得してもよい。
予備チャージ工程（Ｓ３ａ）における試験液６１、試験液６１中の電流密度、予備チャージ工程（Ｓ３ａ）の実行時間等の水素供給条件は、例えば、以下のように定める。この予備チャージ工程（Ｓ３ａ）の実行により、試験片５０中における低合金鋼で形成されている部分の水素濃度が、上記蒸気発生器３の鏡２０の母材２１中であってクラッド２２との境界近傍における最大水素濃度と想定される水素濃度以上になるよう、水素供給条件を定める。
よって、本実施形態では、水素供給工程（Ｓ３）中の予備チャージ工程（Ｓ３ａ）が完了した時点で、試験片５０中における低合金鋼で形成されている部分の水素濃度は、上記蒸気発生器３の鏡２０の母材２１中であってクラッド２２との境界近傍における最大水素濃度（以下、実機最大水素濃度とする）と想定される水素濃度以上になる。よって、本実施形態において、水素供給工程（Ｓ３）中の試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）は、試験片５０中における低合金鋼で形成されている部分の水素濃度が、特徴応力取得工程（Ｓ４）中に低下するのを防ぐために実行する。
但し、試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）を実行しなくても、特徴応力取得工程（Ｓ４）で試験片５０に亀裂が発生するいくらか前から亀裂発生時点の間、試験片５０中における低合金鋼で形成されている部分の水素濃度が実機最大水素濃度以上である場合には、この試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）を省略してもよい。また、予備チャージ工程（Ｓ３ａ）を実行しなくても、特徴応力取得工程（Ｓ４）で試験片５０に亀裂が発生するいくらか前から亀裂発生時点の間、試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）の実行で、試験片５０中における低合金鋼で形成されている部分の水素濃度が実機最大水素以上になる場合には、この予備チャージ工程（Ｓ３ａ）を省略してもよい。
しかしながら、引張試験の開始時点で、試験片５０中における低合金鋼で形成されている部分の水素濃度が実機最大水素濃度以上であり、且つこの状態が引張試験中も継続している方が、水素脆化の影響を受けた溶接構造の特徴応力を正確に取得できる。このため、水素供給工程（Ｓ３）では、予備チャージ工程（Ｓ３ａ）及び試験中チャージ工程（Ｓ３ｂ）を実行することが好ましい。
特徴応力取得工程（Ｓ４）で、上記溶接構造の特徴応力を取得すると、この溶接構造を含む溶接構造物、つまり蒸気発生器３を設計する（Ｓ５：設計工程）。この設計工程（Ｓ５）では、この蒸気発生器３の溶接構造に生じる最大応力が特徴応力取得工程（Ｓ４）で取得した特徴応力未満、ここでは破壊応力未満になるよう、蒸気発生器３を設計する。
仮に、特徴応力取得工程（Ｓ４）で取得した溶接構造に生じる破壊応力を考慮せずに、蒸気発生器３を設計した場合、応力解析の結果、この蒸気発生器３の溶接構造中で母材２１とクラッド２２との境界の各位置で、図６に示す応力が発生するとする。なお、同図中、横軸はＸ方向の位置であり、縦軸は応力である。また、同図中、破線はＸ方向の応力を示し、一点鎖線はＹ方向の応力を示す。
同図に示すように、Ｘ方向の応力及びＹ方向の応力の最大値は、いずれも、応力集中箇所の近傍で生じる。この応力集中箇所は、図５に示すように、第一溶接材料（ＳＵＳ３０８）で形成されているクラッド（第一溶接部材）２２の表面と第二溶接材料（６９０系ニッケル基合金）で形成されている第二溶接部材２７の表面との接触位置ａである。
溶接構造中で母材２１とクラッド２２との境界での破壊は、この境界面に対して垂直な方向の応力、つまりＹ方向の応力が破壊応力以上になると発生し得る。仮に、特徴応力取得工程（Ｓ４）で得た破壊応力が３８０ＭＰａで、応力解析で得られたＹ方向の最大応力が４００ＭＰａで破壊応力以上になる場合、このＹ方向の最大応力が破壊応力未満になるよう、設計し直す。
具体的に、図７に示すように、第一溶接材料で形成されているクラッド２２ａの厚さ（Ｙ方向の寸法）を大きくして、前述の応力集中箇所ａから母材２１とクラッド２２ａとの境界までの距離ｄを大きくする。
設計工程（Ｓ５）が終了すると、この設計工程（Ｓ５）で定めた設計結果に基づいて蒸気発生器３を製造する（Ｓ６：製造工程）。
以上のように、本実施形態では、溶接構造を含む試験片５０に水素を供給した状態で荷重をかけて特徴応力を取得し、この特徴応力に基づいて溶接構造物である蒸気発生器３を設計、製造するので、水素脆化による溶接構造の損傷を抑えることができる。
「変形例」
以上の実施形態は、ＳＵＳ３０８で形成されているクラッド２２に、第二溶接材料を介して、第二部材としての仕切板２８を溶接している。しかしながら、図８に示すように、例えば、ＳＵＳ３０８で形成されているクラッド２２及び母材２１の一部を削って、そこに、第三溶接材料としての６９０系ニッケル基合金を肉盛溶接し、この第三溶接材料で形成された接合部クラッド（第三溶接部材）２６上に、第二溶接材料を介して、第二部材として仕切板２８を溶接してもよい。
具体的に、ＳＵＳ３０８で形成されているクラッド２２及び母材２１の一部を削って、上記実施形態の鏡２０の一次室１５側に、外部に向かって凹む凹部２３を形成する。この凹部２３の側面２４は、削られていない母材２１の表面に近づくに連れて次第に凹部２３の外側に向かうよう形成される。つまり、この側面２４は、Ｘ方向成分及びＹ方向成分を含む方向に傾斜している。また、凹部２３の底面２５は、削られていない母材２１の表面が広がるＸ方向に広がっている。第三溶接材料としての６９０系ニッケル基合金が肉盛溶接される表面は、凹部２３の側面２４及び底面２５である。この凹部２３の側面２４及び底面２５に肉盛溶接され６９０系ニッケル基合金が前述の接合部クラッド２６を形成する。よって、この変形例で、鏡２０ｂは、凹部２３が形成されているクラッド２２ｂ及び母材２１ｂと、接合部クラッド２６とを有している。
前述したように、溶接構造中で母材２１ｂと接合部クラッド２６との境界での破壊は、この境界面に対して垂直な方向の応力が破壊応力以上になると発生し得る。このため、この変形例の蒸気発生器に関する応力解析では、凹部２３の底面２５における底面２５に垂直な方向の応力、及び凹部２３の側面２４における側面２４に垂直な方向の応力を求める。
この応力解析でも、図９に示すように、Ｘ方向の応力、Ｙ方向の応力、母材２１ｂと接合部クラッド２６との境界面に垂直な方向の応力の最大値は、いずれも、応力集中箇所の近傍で生じる。なお、同図中、破線はＸ方向の応力を示し、一点鎖線はＹ方向の応力を示し、実線は母材２１ｂと接合部クラッド２６との境界面に垂直な方向の応力を示す。この応力集中箇所は、図８に示すように、第三溶接材料（６９０系ニッケル基合金）で形成されている接合部クラッド（第三溶接部材）２６の表面と第二溶接材料（６９０系ニッケル基合金）で形成されている第二溶接部材２７の表面との接触位置ｂである。
仮に、低合金鋼で形成される母材２１ｂと６９０系ニッケル基合金（第三溶接材料）で形成される接合部クラッド（第三溶接部材）２６とで形成される溶接構造に関して特徴応力取得工程（Ｓ４）で得た破壊応力が３１０ＭＰａで、応力解析で得られた境界面に対して垂直な方向の最大応力が３５０ＭＰａで破壊応力以上になる場合、この境界面に対して垂直な方向の最大応力が破壊応力未満になるよう、設計し直す。
この場合、具体的には、以下の三つの方法が考えられる。
第一の方法：先の実施形態と同様に、第三溶接材料で形成されている接合部クラッド２６の厚さ（Ｙ方向の寸法）を大きくして、前述の応力集中箇所ｂから母材２１ｂと接合部クラッド２６との境界までのＹ方向の距離を大きくする。言い換えると、凹部２３の深さを深くする。
第二の方法：図１０に示すように、凹部２３の側面２４のＸ方向の存在領域を、前述の応力集中箇所ｂからＸ方向で離して、前述の応力集中箇所ｂから母材２１ｂと接合部クラッド２６との境界までのＸ方向の距離を大きくする。言い換えると、凹部２３のＸ方向の幅を広くする。
第三の方法：図１１に示すように、凹部２３の底面２５に対する側面２４の角度αを大きくして、母材２１ｂと接合部クラッド２６との境界で作用するＸ方向の応力とＹ方向の応力で定まる合成応力のうち、境界面に対して垂直な方向に作用する応力成分を小さくする。
以上の三つの方法は、それぞれ単独で実行してもよいが、三つの方法のうちのいずれか二つの方法を組み合わせて実行しても、三つの方法を全て組み合わせて実行してもよい。
以上の実施形態及び上記変形例は、いずれも、蒸気発生器３の鏡２０，２０ｂの溶接構造に本発明を適用した例である。しかしながら、溶接構造であれば、如何なる箇所でもよく、例えば、蒸気発生器３の管台２９ｉ，２９ｏとセーフエンド３１ｉ，３１ｏとの溶接構造に本発明を適用してもよい。
また、以上の実施形態及び上記変形例は、いずれも溶接構造物としての蒸気発生器３に本発明を適用した例である。しかしながら、原子力発電プラントを構成する機器のうち、圧力容器の一つである加圧器２に本発明を適用してもよい。また、溶接構造物は、原子力発電プラントにおける機器に限定されず、他のプラント等の機器であってもよい。
第一部材が低合金鋼又は低炭素鋼であり、この第一部材に溶接される溶接材料がオーステナイト系合金である溶接構造であれば、如何なる溶接構造に本発明を適用してもよい。例えば、溶接材料がＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス、６００系ニッケル基合金、６２５系ニッケル基合金でもよい。
以上の実施形態では、試験片作成工程（Ｓ２）で棒状の試験片５０を形成して、特徴応力取得工程（Ｓ４）で２つの部材が剥離する方向に荷重をかける引張り試験を行う。しかしながら、試験片作成工程（Ｓ２）で板状の試験片を形成して、特徴応力取得工程（Ｓ４）でこの試験片に対して曲げ荷重をかける曲げ試験を行ってもよい。
以上の実施形態の水素供給工程（Ｓ３）では、水素イオンを含む水溶液に試験片を浸して、この試験片に水素を供給する。しかしながら、試験片を圧力容器内に配置し、この圧力容器内に高圧の水素ガスを供給することで、試験片に水素ガスを供給してもよい。このよう高圧の水素ガスを試験片に供給する場合も、以上の実施形態と同様、予備チャージ工程及び試験中チャージ工程を実行することが好ましい。
１：原子炉、３：蒸気発生器、２０,２０ｂ：鏡、２１，２１ｂ：母材（第一部材）、２２，２２ｂ：クラッド（第一溶接部材）、２３：凹部、２４：（凹部の）側面、２５：（凹部の）底面、２６：接合部クラッド（第三溶接部材）、２７：第二溶接部材、２８：仕切板（第二部材）、５０：試験片、５３：試験片母材、６１：試験液（水溶液）、６２：対極、６３：ポテンシオスタット

Claims (12)

  1. 低合金鋼又は低炭素鋼で形成された部材にオーステナイト系合金で形成された溶接材料が溶接された溶接構造を含む試験片を作成する試験片作成工程と、
    前記試験片中に水素を供給する水素供給工程と、
    前記水素が供給された前記試験片に荷重をかけて、前記試験片の材料力学的な特性を示す特徴応力を取得する特徴応力取得工程と、
    前記溶接構造を含む溶接構造物で、前記溶接構造に生じる最大応力が前記特徴応力取得工程で取得された前記特徴応力未満になるよう、前記溶接構造物を設計する設計工程と、
    を実行し、
    前記溶接構造物は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている第一部材と、前記第一部材の表面に肉盛溶接された前記溶接材料としての第三溶接材料で形成されている第三溶接部材と、前記第三溶接部材の表面に第二溶接材料を介して溶接された第二部材と、を有し、
    前記第一部材は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成された部材の表面が削られて前記部材に凹部が形成され、且つ前記凹部の側面が削られていない前記表面に近づくに連れて次第に前記凹部の外側に向かうよう傾斜しているものであり、
    前記第三溶接材料を肉盛溶接する前記第一部材の表面は、前記凹部の底面及び側面であり、
    前記設計工程では、前記凹部の周りの表面が広がる第一方向における前記凹部の側面の存在領域を、前記第二溶接材料で形成される第二溶接部材の表面と前記第三溶接部材の表面とが接触する前記第一方向における位置から離す、
    溶接構造物の設計方法。
  2. 低合金鋼又は低炭素鋼で形成された部材にオーステナイト系合金で形成された溶接材料が溶接された溶接構造を含む試験片を作成する試験片作成工程と、
    前記試験片中に水素を供給する水素供給工程と、
    前記水素が供給された前記試験片に荷重をかけて、前記試験片の材料力学的な特性を示す特徴応力を取得する特徴応力取得工程と、
    前記溶接構造を含む溶接構造物で、前記溶接構造に生じる最大応力が前記特徴応力取得工程で取得された前記特徴応力未満になるよう、前記溶接構造物を設計する設計工程と、
    を実行し、
    前記溶接構造物は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている第一部材と、前記第一部材の表面に肉盛溶接された前記溶接材料としての第三溶接材料で形成されている第三溶接部材と、前記第三溶接部材の表面に第二溶接材料を介して溶接された第二部材と、を有し、
    前記第一部材は、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成された部材の表面が削られて前記部材に凹部が形成され、前記凹部の側面が削られていない前記表面に近づくに連れて次第に前記凹部の外側に向かうよう傾斜し、且つ前記凹部の底面が前記凹部の周りの表面が広がる第一方向に広がるものであり、
    前記第三溶接材料を肉盛溶接する前記第一部材の表面は、前記凹部の底面及び側面であり、
    前記設計工程では、前記溶接構造物中の前記溶接構造に生じる最大応力が前記特徴応力未満になるよう、前記凹部の前記底面に対して、傾斜している前記側面が成す角度を定める、
    溶接構造物の設計方法。
  3. 前記特徴応力取得工程の実行中に前記水素供給工程を実行する、
    請求項１又は２に記載の溶接構造物の設計方法。
  4. 前記特徴応力取得工程の実行前に前記水素供給工程を実行する、
    請求項１又は２に記載の溶接構造物の設計方法。
  5. 前記特徴応力取得工程の実行前から実行中にかけて継続して前記水素供給工程を実行する、
    請求項１又は２に記載の溶接構造物の設計方法。
  6. 前記水素供給工程では、水素イオンを含む水溶液中に前記試験片を配置し、前記試験片を負極にすることで、前記試験片に前記水素を供給する、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接構造物の設計方法。
  7. 前記水素供給工程では、水素イオンを含む水溶液中に前記試験片を配置し、前記試験片を負極にすることで、前記試験片に前記水素を供給し、
    前記水素供給工程の実行により、前記試験片中における前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている部分の水素濃度が、前記溶接構造を含む実際の溶接構造物において、前記部材の前記境界側の部分における最大水素濃度と想定される水素濃度以上になるよう、前記特徴応力取得工程前に実行する前記水素供給工程の実行時間を含む水素供給条件が定められている、
    請求項４又は５に記載の溶接構造物の設計方法。
  8. 前記試験片作成工程では、前記低合金鋼又は前記低炭素鋼で形成されている部材に前記溶接材料を溶接した溶接構造を含む試験片母材を作成した後、前記試験片母材から前記低合金鋼又は前記低炭素鋼と前記溶接材料との境界を含む部分を試験片として取得する、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の溶接構造物の設計方法。
  9. 前記特徴応力取得工程で取得する特徴応力は破壊応力である、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の溶接構造物の設計方法。
  10. 前記溶接構造物は、圧力容器である、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の溶接構造物の設計方法。
  11. 前記圧力容器は、原子力発電プラントにおける冷却材が溜まる容器である、
    請求項１０に記載の溶接構造物の設計方法。
  12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の溶接構造物の設計方法を実行すると共に、
    前記設計方法の実行結果に従って前記溶接構造物を製造する製造工程を、
    実行する溶接構造物の製造方法。
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