JP6479416B2 - 円筒部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、原子炉の内部で炉心槽として適用される円筒部材の製造方法に関するものである。

例えば、原子力プラントにおける加圧水型原子炉は、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気をタービン発電機へ送って発電するものである。

この加圧水型原子炉は、原子炉容器内に炉心が設けられており、この炉心は、多数の燃料集合体により構成されている。即ち、原子炉容器は、内部に円筒形状をなす炉心槽が内壁面と所定の隙間をもって配置されている。この炉心槽は、上部が原子炉容器に吊下げ支持されており、内部に多数の燃料集合体が配置されている。このような原子炉容器としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２００１−１０８７７８号公報

原子炉容器の内部に配置される炉心槽は、円筒形状をなし、内部に炉心を構成する多数の燃料集合体が配置されている。この炉心槽は、放射線などの漏洩を防止するため、所定厚さの板材を用いて製造される。従来、炉心槽は、所定長さの板材をローラ曲げ加工によりリング形状とし、端部を溶接により接合することで、円筒形状に形成している。

ところが、炉心槽は、厚板材をローラ曲げ加工によりリング形状とし、端部を溶接により接合して製造されるが、厚板材をローラ曲げ加工すると、各端部の接合面が変形し、特に、電子ビーム溶接により厚板材の端部を接合するとき、高精度な接合が困難となる。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、高品質の円筒部材を製造することができる円筒部材の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の円筒部材の製造方法は、板材における長手方向の各端部に端曲げ加工を施す工程と、端曲げ加工された前記板材の各端面に一次開先加工を施す工程と、前記板材をリング形状に曲げ加工を施す工程と、リング形状に曲げ加工された前記板材の各端面に二次開先加工を施す工程と、前記板材の各端部同士を接合する工程と、を有することを特徴とするものである。

従って、まず、板材の各端部に端曲げ加工を施した後に各端面に一次開先加工を施し、次に、板材をリング形状に曲げ加工を施した後に各端面に二次開先加工を施し、そして、板材の各端部同士を接合する。そのため、一次開先加工により板材の長さ調整を行い、二次開先加工により各端面の平行度を調整することとなり、板材の各端部同士を適正に接合することができる。その結果、板材における各端部の接合面の変形をなくして高精度に接合することができ、高品質の円筒部材を製造することができる。

本発明の円筒部材の製造方法では、前記一次開先加工は、端曲げ加工された前記板材の各端面を所定長さだけ除去することを特徴としている。

従って、一般に、板材には予備長さが確保されており、一次開先加工により板材の各端面を所定長さだけ除去することで、板材の長さ調整を容易に行うことができる。

本発明の円筒部材の製造方法では、前記二次開先加工は、前記板材の各端面同士が平行となるように加工することを特徴としている。

従って、曲げ加工後に二次開先加工により各端面同士を平行とすることで、板材の各端部同士を高精度に接合することができる。

本発明の円筒部材の製造方法では、前記二次開先加工は、リング形状に曲げ加工された前記板材の内周長さ及び外周長さに基づいて前記板材の各端面同士が平行となるように加工することを特徴としている。

従って、高精度な二次開先加工を可能とすることができる。

本発明の円筒部材の製造方法では、前記板材の各端部同士を電子ビーム溶接により接合することを特徴としている。

従って、板材の接合部の近傍の狭い範囲で深い位置まで溶接を行うことができ、溶接ひずみを減少して板材の高精度な接合を行うことができる。

本発明の円筒部材の製造方法によれば、板材の各端部に端曲げ加工を施した後に各端面に一次開先加工を施し、板材をリング形状に曲げ加工を施した後に各端面に二次開先加工を施し、板材の各端部同士を接合するので、板材における各端部の接合面の変形をなくして高精度に接合することができ、高品質の円筒部材を製造することができる。

図１は、本実施形態の円筒部材の製造方法を表す製造工程のフローチャートである。 図２は、円筒部材としての炉心槽の材料となる厚板材の斜視図である。 図３は、端曲げ加工が施された厚板材の斜視図である。 図４は、厚板材の端曲げ加工を説明するための概略図である。 図５は、端曲げ加工が施された厚板材の端部を表す斜視図である。 図６は、ローラ曲げ加工が施された厚板材の概略図である。 図７は、厚板材のローラ曲げ加工を説明するための概略図である。 図８は、ローラ曲げ加工が施された厚板材の端部を表す概略図である。 図９は、溶接により端部が接合されて製造された円筒部材の斜視図である。 図１０は、加圧水型原子炉を表す縦断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る円筒部材の製造方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

原子力発電プラントは、図示しないが、原子炉格納容器内に配置される原子炉及び蒸気発生器と、蒸気タービン発電設備とを有している。本実施形態の原子炉は、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気をタービン発電機へ送って発電する加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）である。

原子炉は、燃料の核分裂により一次冷却水を加熱し、蒸気発生器は、この高温高圧の一次冷却水と二次冷却水との間で熱交換し、高圧の蒸気を生成する。蒸気タービン発電設備は、この蒸気により蒸気タービンを駆動することで発電を行う。一方、蒸気タービンを駆動した蒸気は、復水器で冷却されて復水となり、蒸気発生器に戻される。

原子炉について説明する。図１０は、加圧水型原子炉を表す縦断面図である。

図１０に示すように、加圧水型原子炉１０において、原子炉容器１１は、その内部に炉内構造物が挿入できるように、原子炉容器本体１２とその上部に装着される原子炉容器蓋（上鏡）１３により構成されており、この原子炉容器本体１２に対して原子炉容器蓋１３が複数のスタッドボルト１４及びナット１５により開閉可能に固定されている。

原子炉容器本体１２は、原子炉容器蓋１３を取り外すことで上部が開口可能であり、下部が半球形状をなす下鏡１６により閉塞された円筒形状をなしている。原子炉容器本体１２は、上部に一次冷却水としての軽水（冷却材）を供給する入口ノズル（入口管台）１７と、軽水を排出する出口ノズル（出口管台）１８が形成されている。

原子炉容器本体１２は、内部に円筒形状をなす炉心槽２１が内壁面と所定の隙間をもって配置されている。炉心槽２１は、上部が入口ノズル１７及び出口ノズル１８より上方で原子炉容器本体１２の内壁面に支持されている。また、原子炉容器本体１２は、内部にて、入口ノズル１７及び出口ノズル１８より上方に位置して上部炉心支持板２２が配置されている。上部炉心支持板２２は、上部が炉心槽２１の上部に支持されている。上部炉心支持板２２は、複数の炉心支持ロッド２３によりその下方に上部炉心板２４が吊下げ支持されている。上部炉心板２４は、円板形状をなして多数の連通孔（図示略）が形成されている。

また、炉心槽２１は、下方の下鏡１６の近傍に位置して下部炉心支持板２５が支持されている。下部炉心支持板２５は、円板形状をなして多数の連通孔（図示略）が形成されている。下部炉心支持板２５は、外周部が位置決め部材２６により原子炉容器本体１２の内壁面に位置決め支持されている。位置決め部材２６は、下部炉心支持板２５の外周面に周方向に沿って所定間隔で固定される複数のラジアルキイ（図示略）と、原子炉容器本体１２の内壁面に周方向に沿って所定間隔で固定される複数のラジアルキイサポート（図示略）により構成されている。

炉心槽２１は、下部であって、下部炉心支持板２５より上方に下部炉心板２７が支持されている。下部炉心板２７は、円板形状をなして多数の連通孔（図示略）が形成されている。炉心２８は、炉心槽２１における上部炉心板２４と下部炉心板２７により区画された領域に配置されている。炉心２８は、この領域に配置された多数の燃料集合体２９により構成されている。燃料集合体２９は、図示しないが、多数の燃料棒が支持格子により格子状に束ねられて構成され、上端部に上部ノズルが固定される一方、下端部に下部ノズルが固定されている。また、炉心２８は、内部に多数の制御棒３０が配置されている。所定数の制御棒３０は、上端部がまとめられて制御棒クラスタ３１を構成し、燃料集合体２９内、つまり、複数の燃料棒の間に挿入可能となっている。

上部炉心支持板２２は、この上部炉心支持板２２を貫通して上下に延出する多数の制御棒クラスタ案内管３２が固定されている。各制御棒クラスタ案内管３２は、下端部が上部炉心板２４に連結され、内部に制御棒クラスタ３１が挿通可能となっている。

原子炉容器蓋１３は、上部が半球形状をなし、上部に磁気式ジャッキの制御棒駆動装置３３が配置されている。複数の制御棒クラスタ案内管３２は、上端部が原子炉容器蓋１３の内側まで延出され、制御棒駆動装置３３から下方に延出された制御棒クラスタ駆動軸３４が、原子炉容器蓋１３を貫通してこの制御棒クラスタ案内管３２内に挿通されている。制御棒クラスタ駆動軸３４は、制御棒駆動装置３３により上下方向に移動可能であり、制御棒クラスタ案内管３２内を通って炉心２８まで延出され、制御棒クラスタ３１に連結されている。制御棒駆動装置３３は、制御棒クラスタ３１の各制御棒３０を炉心２８に対して抜き差しすることで、原子炉出力を制御する。

原子炉容器本体１２は、下鏡１６を貫通する多数の計装管台３５が設けられ、この各計装管台３５は、炉内側の上端部に炉内計装案内管３６が連結される一方、炉外側の下端部にコンジットチューブ３７が連結されている。各炉内計装案内管３６は、上端部が下部炉心支持板２７に連結されており、振動を抑制するための複数の連接板３８が取付けられている。シンブルチューブ３９は、コンジットチューブ３７内から計装管台３５及び炉内計装案内管３６内を通し、下部炉心支持板２５及び下部炉心板２７を貫通して炉心２８（燃料集合体２９）まで挿通されている。なお、コンジットチューブ３７は内部にシンブルチューブ３８が挿通され、シンブルチューブ３８は内部に計装器用ケーブルが挿通され、計装器用ケーブルの先端部に中性子束検出器が連結されており、中性子束検出器が炉心２８の中性子を検出する。

原子炉容器１１は、炉心２８に対して、その上方に出口ノズル１８に連通する上部プレナム４０が設けられると共に、下方に下部プレナム４１が設けられている。そして、原子炉容器１１と炉心槽２１との間に入口ノズル１７及び下部プレナム４１に連通するダウンカマー部４２が形成されている。そのため、軽水は、入口ノズル１７から原子炉容器１１内に流入し、ダウンカマー部４２を下向きに流れ落ちて下部プレナム４１に至り、この下部プレナム３５の球面状の内面により上向きに案内されて上昇し、下部炉心支持板２５及び下部炉心板２６を通過して炉心２８に流入する。この炉心２８に流入した軽水は、燃料集合体２９から発生する熱エネルギを吸収することで、この燃料集合体２９を冷却する一方、高温となって上部炉心板２４を通過して上部プレナム４０まで上昇し、出口ノズル１８を通って排出される。

このとき、制御棒駆動装置３３は、制御棒クラスタ３１を上下に移動して燃料集合体２９に対する挿入量を調整することで、炉心２８での核分裂を制御する。即ち、炉心２８は、燃料集合体２９を構成する原子燃料が核分裂することで中性子を放出し、減速材及び一次冷却水としての軽水が、放出された高速中性子の運動エネルギを低下させて熱中性子とし、新たな核分裂を起こしやすくすると共に、発生した熱を奪って冷却する。一方、制御棒３０を燃料集合体２９に挿入することで、炉心内で生成される中性子数を調整し、また、制御棒３０を燃料集合体２９に全て下部まで挿入することで、原子炉を緊急に停止することができる。

このように構成された加圧水型原子炉１０にて、炉心槽２１は、上部が上部炉心板７２に連結され、下部が下部炉心板７０に連結されており、内部に多数の燃料集合体７６が配置されている。この炉心槽２１は、燃料集合体７６からの放射線などの外部漏洩を防止するため、所定厚さの厚板材を用いて製造される。

本実施形態の円筒部材の製造方法は、上述した炉心槽２１に適用されるものである。以下、本実施形態の円筒部材の製造方法について説明する。図１は、本実施形態の円筒部材の製造方法を表す製造工程のフローチャート、図２は、円筒部材としての炉心槽の材料となる厚板材の斜視図、図３は、端曲げ加工が施された厚板材の斜視図、図４は、厚板材の端曲げ加工を説明するための概略図、図５は、端曲げ加工が施された厚板材の端部を表す斜視図、図６は、ローラ曲げ加工が施された厚板材の概略図、図７は、厚板材のローラ曲げ加工を説明するための概略図、図８は、ローラ曲げ加工が施された厚板材の端部を表す概略図、図９は、溶接により端部が接合されて製造された円筒部材の斜視図である。

本実施形態の円筒部材の製造方法は、板材における長手方向の各端部に端曲げ加工を施す工程と、端曲げ加工された前記板材の各端面に一次開先加工を施す工程と、板材をリング形状に曲げ加工を施す工程と、リング形状に曲げ加工された板材の各端面に二次開先加工を施す工程と、板材の各端部同士を接合する工程とを有している。

この場合、一次開先加工は、端曲げ加工された板材の各端面を所定長さだけ除去する。二次開先加工は、板材の各端面同士が平行となるように加工する。このとき、二次開先加工は、リング形状に曲げ加工された板材の内周長さと外周長さに基づいて板材の各端面同士が平行となるように加工する。そして、板材の各端部同士の接合は、電子ビーム溶接を適用する。

以下、本実施形態の円筒部材の製造方法を具体的に説明する。

本実施形態の円筒部材の製造方法において、図２に示すように、板材１０１は、所定長さＬと所定幅Ｗに設定された一定厚さを有するものであり、製造する炉心槽２１に合わせて設定されている。この場合、板材１０１は、厚板であり、一般的な厚板と称されるものは、厚さが３０ｍｍ以上となっている。図１に示すように、ステップＳ１１にて、この１枚の板材１０１における長手方向の各端部に端曲げ加工を施す。即ち、図３に示すように、板材１０１における長手方向の各端面から中間部側への所定長さＬ１の位置まで、板材１０１を弧状となるように曲げ加工を行うことで、端曲げ部１０２を形成する。

具体的に、図４に示すように、プレス加工装置２００は、下型２０１と上型２０２を有し、下型２０１に凹部２０３が形成され、上型２０２に凸部２０４が形成されている。そのため、下型２０１上に板材１０１を載置し、上型２０２を下降することで、凸部２０４が凹部２０３に嵌合することで、板材１０１の端部が曲げ加工されることで、端曲げ部１０２が形成される。

図１に戻り、ステップＳ１２にて、端曲げ加工された板材１０１の各端面に一次開先加工を施す。この一次開先加工は、端曲げ加工された板材１０１の各端面を所定長さだけ除去するものである。即ち、図５に示すように、板材１０１は、各端部側に予め予備長さＬ２が確保されており、一次開先加工では、板材１０１における予備長さＬ２における予め設定されたＬ３の長さだけ削り取ることで、余長は、Ｌ４の長さとなる。

図１に戻り、ステップＳ１３にて、板材１０１をリング形状に曲げ加工を施す。即ち、図６に示すように、板材１０１における全長をロール曲げ加工することで、リング形状とする。

具体的に、図７に示すように、ローラ曲げ加工装置２１０は、ローラ曲げ加工装置２００とほぼ同様の構成をなし、１個の上部ローラ２１１と２個の下部ローラ２１２，２１３を有し、上部ローラ２１１と各下部ローラ２１２，２１３との間に板材１０１を挿入することでローラ曲げ加工を行う。即ち、板材１０１を上部ローラ２１１と下部ローラ２１２，２１３との間に挿入しておき、各ローラ２１１，２１２，２１３を矢印方向に駆動回転する。すると、板材１０１は、上部ローラ２１１が所定角度の間で往復回動することで、下部ローラ２１２，２１３の間に押し下げられる。そして、板材１０１は、最終的に、上部ローラ２１１の外周面に巻き付けられることとなり、図６に示すように、リング形状に形成される。

図１に戻り、ステップＳ１４にて、リング形状に曲げ加工された板材１０１の各端面に二次開先加工を施す。この二次開先加工は、板材１０１の各端面同士が平行となるように加工する。

即ち、図８に示すように、リング形状をなす板材１０１は、第一開先加工により端面１０３が形成されているものの、この端面１０３同士が平行をなしていないおそれがある。そのため、板材１０１の端面１０３に二次開先加工を施し、各端部を端面１０３から所定長さだけ除去することで、平行な端面１０４を形成する。このとき、炉心槽２１は、その設計データから厚さ、内径、外径が設定されており、二次開先加工は、この設計データに基づいて、リング形状に曲げ加工された板材１０１の内周長さＣ１と外周長さＣ２に基づいて板材１０１の各端面１０４同士が平行となるように加工する。なお、板材１０１の各端面１０４同士が平行となるとは、各端面１０４が隙間なく密着したときに、各端面１０４が平行となることである。

図１に戻り、ステップＳ１５にて、リング形状に加工されて各端面が二次開先加工された板材１０１の各端面１０４同士を接合する。この場合、板材１０１の各端面を接合する溶接装置として、電子ビーム溶接装置を適用する。即ち、図９に示すように、リング形状に加工された板材１０１の各端面１０４同士を密着した状態で拘束し、各端面１０４が密着した位置に電子ビームを照射することで、各端面１０４に溶接部１０５を形成して接合する。

このように本実施形態の円筒部材の製造方法にあっては、板材１０１における長手方向の各端部に端曲げ加工を施す工程と、端曲げ加工された板材１０１の各端面に一次開先加工を施す工程と、板材１０１をリング形状に曲げ加工を施す工程と、リング形状に曲げ加工された板材１０１の各端面１０３（１０４）に二次開先加工を施す工程と、板材１０１の各端面１０４同士を接合する工程とを有している。

従って、まず、板材１０１の各端部に端曲げ部１０２を形成して各端面に一次開先加工を施し、次に、板材１０１をリング形状にロール曲げ加工を施して各端面１０３（１０４）に二次開先加工を施し、そして、板材１０１の各端面１０４同士を接合する。そのため、一次開先加工により板材１０１の長さ調整を行い、二次開先加工により各端面１０４の平行度を調整することとなり、板材１０１の各端面１０４同士を適正に接合することができる。その結果、板材１０１における各端面の変形をなくして高精度に接合することができ、高品質の円筒部材としての炉心槽２１を製造することができる。

本実施形態の円筒部材の製造方法では、一次開先加工は、端曲げ加工された板材１０１における端曲げ部１０２の各端面を所定長さだけ除去する。一般に、板材１０１には予備長さが確保されており、一次開先加工により板材１０１の各端面を所定長さだけ除去することで、板材１０１の長さ調整を容易に行うことができる。

本実施形態の円筒部材の製造方法では、二次開先加工は、板材１０１の各端面１０３を加工することで、平行な端面１０４を形成するものである。従って、曲げ加工後に二次開先加工により、板材１０１の各端面１０３（１０４）同士を平行とするため、板材１０１の各端面１０４同士を高精度に接合することができる。

本実施形態の円筒部材の製造方法では、二次開先加工は、リング形状に曲げ加工された板材１０１の内周長さＣ１及び外周長さＣ２に基づいて板材１０１の各端面１０３（１０４）同士が平行となるように加工する。従って、高精度な二次開先加工を可能とすることができる。

本実施形態の円筒部材の製造方法では、板材１０１の各端面１０４同士を電子ビーム溶接により接合する。従って、板材１０１の接合部の近傍の狭い範囲で深い位置まで溶接を行うことができ、溶接ひずみを減少して板材１０１の高精度な接合を行うことができる。

なお、上述した実施形態では、溶接装置として電子ビーム溶接（ＥＢＷ）装置を用いたが、これに限定されるものではない。

また、上述した実施形態では、円筒部材の製造方法により製造される円筒部材として炉心槽２１を適用したが、これに限定されるものではない。

２１ 炉心槽（円筒部材）
１０１ 板材
１０２ 端曲げ部
１０３，１０４ 端面
１０５ 溶接部

Claims (4)

1. 板材における長手方向の各端部に端曲げ加工を施す工程と、
   端曲げ加工された前記板材の各端面を所定長さだけ除去する一次開先加工を施す工程と、
   前記板材をリング形状に曲げ加工を施す工程と、
   リング形状に曲げ加工された前記板材の各端面に二次開先加工を施す工程と、
   前記板材の各端部同士を接合する工程と、
   を有することを特徴とする円筒部材の製造方法。
2. 前記二次開先加工は、前記板材の各端面同士が平行となるように加工することを特徴とする請求項１に記載の円筒部材の製造方法。
3. 前記二次開先加工は、リング形状に曲げ加工された前記板材の内周長さ及び外周長さに基づいて前記板材の各端面同士が平行となるように加工することを特徴とする請求項２に記載の円筒部材の製造方法。
4. 前記板材の各端部同士を電子ビーム溶接により接合することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の円筒部材の製造方法。

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