JP7370830B2 - Nickel-based alloy welding materials, welding materials for nuclear reactors, nuclear equipment and structures, and repair methods for nuclear equipment and structures - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、ニッケル基合金溶接材料、原子炉用溶接材料、原子力用機器および構造物、ならびに原子力用機器および構造物の補修方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to nickel-based alloy welding materials, welding materials for nuclear reactors, nuclear power equipment and structures, and methods for repairing nuclear power equipment and structures.

従来、沸騰水型原子炉(BWR)プラントでは、炉内構造物の溶接部に応力腐食割れ(SCC:Stress Corrosion Cracking)が発生する事象が報告されている。具体的には、SCC感受性を有する14質量%以上かつ17質量%以下のCrを含有する182合金を溶接材料として使用したときに、SCCが発生したものである。また、82合金は、18質量%以上かつ22質量%以下のCrを含有するものであり、182合金に比べて耐SCC性に優れた材料であるが、この82合金においても損傷事例が報告されている。 Conventionally, in boiling water reactor (BWR) plants, it has been reported that stress corrosion cracking (SCC) occurs in welded parts of reactor internal structures. Specifically, SCC occurred when a 182 alloy containing 14% by mass or more and 17% by mass or less of Cr, which is susceptible to SCC, was used as a welding material. In addition, 82 alloy contains 18% by mass or more and 22% by mass or less of Cr, and is a material with superior SCC resistance compared to 182 alloy, but damage cases have also been reported with this 82 alloy. ing.

BWRプラントよりも温度環境の厳しい加圧水型原子炉(PWR)プラントの溶接部の溶接材料には、690系合金である52合金が用いられている。52合金は、28質量%以上かつ31.5質量%以下のCrを含有しており、82合金に比べてCrの含有率が高い。 Alloy 52, which is a 690 series alloy, is used as a welding material for welding parts in pressurized water reactor (PWR) plants, which have a more severe temperature environment than BWR plants. The 52 alloy contains 28% by mass or more and 31.5% by mass or less of Cr, and has a higher Cr content than the 82 alloy.

一般的に、Crは合金の耐SCC性を向上する元素である。そのため、合金に含まれるCrの割合が増加すると、合金のSCC感受性を低下させることができる。 Generally, Cr is an element that improves the SCC resistance of the alloy. Therefore, when the proportion of Cr contained in the alloy increases, the SCC susceptibility of the alloy can be reduced.

特表2013-527805号公報Special Publication No. 2013-527805 特開平11-012669号公報Japanese Patent Application Publication No. 11-012669

BWRプラントの溶接材料には、耐SCC性の高い82合金が主に用いられているが、この82合金がSCCにより損傷するような状況の場合には、BWRプラント用として、82合金よりも優れた耐SCC性を有する溶接材料を用いることが必要となる。 Alloy 82, which has high SCC resistance, is mainly used as a welding material for BWR plants, but in situations where 82 alloy is damaged by SCC, it may be better than 82 alloy for BWR plants. It is necessary to use a welding material that has high SCC resistance.

また、PWRプラントでは、82合金よりも優れた耐SCC性を有する52合金が用いられている。これは、52合金のCr含有量が高いことによるが、その一方で52合金による溶接は、たとえば30%近くとCr含有量が高いために、182合金や82合金に比べて高温割れや延性低下割れなどの溶接時に割れが生じやすいという課題がある。さらに、52合金は、BWRプラント用の溶接材料として適用した例が無く、この52合金をBWRプラントに使用するためには、溶接条件を確立する必要がある。 Also, in PWR plants, 52 alloy, which has better SCC resistance than 82 alloy, is used. This is due to the high Cr content of 52 alloy, but on the other hand, welding with 52 alloy has a high Cr content of nearly 30%, so welding with 52 alloy causes hot cracking and reduced ductility compared to 182 alloy and 82 alloy. There is a problem that cracks are likely to occur during welding. Furthermore, 52 alloy has never been applied as a welding material for a BWR plant, and in order to use this 52 alloy for a BWR plant, it is necessary to establish welding conditions.

そこで、本発明の実施形態は、耐SCC性に良好で、かつ、溶接性に優れたニッケル基合金溶接材料を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the embodiments of the present invention is to provide a nickel-based alloy welding material that has good SCC resistance and excellent weldability.

上述の目的を達成するため、本実施形態に係るニッケル基合金溶接材料は、質量%で、Cr:30.0%を超えかつ36.0%以下、C:0.050%以下、Fe:1.00%以上かつ3.00%以下、Si:0.50%以下、Nb+Ta:0.01%以上かつ3.00%以下、Ti:0.001%以上かつ0.70%以下、Mn:0.10%以上かつ3.50%以下、Cu:0.5%以下を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物におけるSおよびPは、それぞれ0.005%以下である、ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the nickel-based alloy welding material according to the present embodiment has, in mass %, Cr: more than 30.0% and 36.0% or less, C: 0.050% or less, Fe: 1 .00% or more and 3.00% or less, Si: 0.50% or less, Nb+Ta: 0.01% or more and 3.00% or less, Ti: 0.001% or more and 0.70% or less, Mn: 0 .10% or more and 3.50% or less, Cu: 0.5% or less, and the remainder consists of Ni and inevitable impurities, and S and P in the inevitable impurities are each 0.005% or less. , is characterized by.

また、本実施形態に係る原子炉用溶接材料は、上述のニッケル基合金溶接材料を用いることを特徴とする。 Further, the nuclear reactor welding material according to this embodiment is characterized by using the above-mentioned nickel-based alloy welding material.

また、本実施形態に係る原子力用機器および構造物は、上述のニッケル基合金溶接材料を用いることを特徴とする。 Furthermore, nuclear power equipment and structures according to the present embodiment are characterized by using the above-mentioned nickel-based alloy welding material.

また、本実施形態に係る原子力用機器および構造物の補修方法、上述のニッケル基合金溶接材料を補修用の溶接材料として準備する材料準備ステップと、前記溶接材料を用いて、原子力用機器および構造物の補修を実施する補修ステップと、を有することを特徴とする。
Furthermore, the method for repairing nuclear power equipment and structures according to the present embodiment includes a material preparation step of preparing the above-mentioned nickel-based alloy welding material as a welding material for repair, and using the welding material to repair nuclear power equipment and structures. The present invention is characterized by comprising a repair step of repairing the structure.

本発明の実施形態によれば、耐SCC性に良好で、かつ、溶接性に優れたニッケル基合金溶接材料を提供することが可能となる。 According to the embodiments of the present invention, it is possible to provide a nickel-based alloy welding material that has good SCC resistance and excellent weldability.

ニッケル基合金溶接材料のそれぞれについての化学成分を示す比較表である。1 is a comparison table showing chemical components of each of nickel-based alloy welding materials. 試験体採取を説明する図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は平面図である。It is a figure explaining specimen collection, (a) is a front view, (b) is a side view, and (c) is a top view. CBB試験治具を示す図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。It is a figure which shows a CBB test jig, (a) is a front view, (b) is a side view. CBB試験の結果を示す表である。It is a table showing the results of the CBB test. SCC亀裂進展試験に用いた試験片形状を示す図であり、(a)は左側面図、(b)は正面図、(c)は右側面図である。It is a figure which shows the test piece shape used for an SCC crack growth test, (a) is a left view, (b) is a front view, and (c) is a right view. 本実施例によるニッケル基合金溶接材料Cと82溶接材料についての、SCC亀裂進展速度と応力拡大係数の関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between SCC crack growth rate and stress intensity factor for nickel-based alloy welding material C and 82 welding material according to the present example. 原子力用機器および構造物の補修方法の手順を示すフロー図である。FIG. 2 is a flow diagram showing the procedure of a repair method for nuclear equipment and structures. 沸騰水型原子炉のシュラウドサポートを概念的に示す部分立断面図である。FIG. 2 is a partial elevational cross-sectional view conceptually showing a shroud support of a boiling water reactor. 沸騰水型原子炉の制御棒駆動機構ハウジング貫通部を概念的に示す部分立断面図である。FIG. 2 is a partial elevational sectional view conceptually showing a control rod drive mechanism housing penetration portion of a boiling water reactor.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るニッケル基合金溶接材料、原子炉用溶接材料、原子力用機器および構造物、ならびに原子力用機器および構造物の補修方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳説明は省略する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, with reference to drawings, the nickel-based alloy welding material, the welding material for nuclear reactors, the nuclear power equipment and structures, and the repair method of nuclear power equipment and structures according to embodiments of the present invention will be described. Here, parts that are the same or similar to each other are given the same reference numerals, and overlapping explanations will be omitted.

第1の実施形態におけるニッケル基合金溶接材料は、以下に示す化学組成範囲を有するニッケル基合金で構成される。なお、以下の説明において、化学組成を表す%は、特記しない限り質量%を表わすものとする。 The nickel-based alloy welding material in the first embodiment is composed of a nickel-based alloy having the chemical composition range shown below. In addition, in the following description, % representing a chemical composition represents mass % unless otherwise specified.

ニッケル基合金溶接材料は、Cr(クロム):30.0%を超えかつ36.0%以下、C(炭素):0.050%以下、Fe(鉄):1.00%以上かつ3.00%以下、Si(ケイ素):0.50%以下、Nb(ニオブ)+Ta(タンタル):3.00%以下、Ti(チタン):0.70%以下、Mn(マンガン):0.10%以上かつ3.50%以下、Cu(銅):0.5%以下を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる。 Nickel-based alloy welding materials include Cr (chromium): more than 30.0% and 36.0% or less, C (carbon): 0.050% or less, Fe (iron): 1.00% or more and 3.00%. % or less, Si (silicon): 0.50% or less, Nb (niobium) + Ta (tantalum): 3.00% or less, Ti (titanium): 0.70% or less, Mn (manganese): 0.10% or more and 3.50% or less, Cu (copper): 0.5% or less, and the remainder consists of Ni and inevitable impurities.

また、第2の実施形態は、ニッケル基合金溶接材料として、Mo(モリブデン):2.00%以上かつ5.00%以下をさらに含む。 Further, the second embodiment further includes Mo (molybdenum): 2.00% or more and 5.00% or less as a nickel-based alloy welding material.

さらに、他の実施形態は、第1の実施形態または第2の実施形態に、Zr(ジルコニウム):0.05%以下、B(ボロン):0.05%以下、V(バナジウム):0.5%以下、Al(アルミニウム):0.5%以下、Co(コバルト):0.12%以下のいずれかをさらに含む。 Further, in another embodiment, Zr (zirconium): 0.05% or less, B (boron): 0.05% or less, V (vanadium): 0. 5% or less, Al (aluminum): 0.5% or less, Co (cobalt): 0.12% or less.

これらのニッケル基合金溶接材料における不可避的不純物としては、例えば、P(リン)、およびS(硫黄)などが挙げられる。不可避的不純物は、例えば、ニッケル基合金溶接材料を製造するために必要な鉱石やスクラップなどの原材料に含まれている成分や、製造工程から混入する成分である。 Examples of unavoidable impurities in these nickel-based alloy welding materials include P (phosphorus) and S (sulfur). Unavoidable impurities are, for example, components contained in raw materials such as ore and scrap necessary for manufacturing the nickel-based alloy welding material, or components mixed in during the manufacturing process.

上述した化学組成範囲を有するニッケル基合金溶接材料は、BWRプラントあるいはPWRプラントの原子炉圧力容器内の炉内構造物を構成する部材全般を溶接するための原子炉用溶接材料として使用することができる。ここで、原子炉用溶接材料は、ニッケル基合金溶接材料を用いて、実際に溶接の施工が可能なように、棒状、ワイヤ状、あるいは粉末状などの形態にしたものである。 The nickel-based alloy welding material having the chemical composition range described above can be used as a welding material for a nuclear reactor for welding all the members constituting the reactor internals in the reactor pressure vessel of a BWR plant or a PWR plant. can. Here, the welding material for a nuclear reactor is a nickel-based alloy welding material made into a rod-like, wire-like, or powder-like form so that welding can actually be carried out.

例えば、原子炉内構造物を構成する部材の全てを本実施形態のニッケル基合金溶接材料で溶接してもよいし、原子炉内構造物を構成する部材の一部を本実施形態のニッケル基合金溶接材料で溶接してもよい。 For example, all of the members constituting the reactor internals may be welded using the nickel-based alloy welding material of this embodiment, or some of the members constituting the reactor internals may be welded using the nickel-based alloy welding material of this embodiment. Welding may be performed using alloy welding materials.

次に、これらの実施形態に係るニッケル基合金溶接材料における各化学組成範囲の限定理由を説明する。 Next, the reasons for limiting each chemical composition range in the nickel-based alloy welding materials according to these embodiments will be explained.

(1)Cr
Crは、ニッケル基合金溶接材料の耐SCC性、耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。また、Crは、強化相であるM23型炭化物の構成元素である。一般的に、Crは含有率が増加するにつれて、耐食性は向上するが、Crの含有量が高すぎると、高価格になり、また、有害相であるσ相の析出により機械的強度が低下する、溶接性が低下する懸念がある。
(1) Cr
Cr is an essential element for increasing the SCC resistance, oxidation resistance, corrosion resistance, and mechanical strength of nickel-based alloy welding materials. Further, Cr is a constituent element of M 23 C 6 type carbide, which is a reinforcing phase. Generally, as the Cr content increases, corrosion resistance improves, but if the Cr content is too high, the price increases and mechanical strength decreases due to the precipitation of the harmful σ phase. , there is a concern that weldability may deteriorate.

Crの含有率は、26%程度以上が好ましいが、本実施形態では、30%を超える範囲としている。また、後述する実施例に示すように、36.0%までの範囲で確認を行った。この結果、36.0%までの範囲でも良好な結果が得られることを確認した。 The content of Cr is preferably about 26% or more, but in this embodiment, it is in the range of more than 30%. Further, as shown in the examples described later, confirmation was performed in a range up to 36.0%. As a result, it was confirmed that good results could be obtained even up to 36.0%.

以上により、Crの含有率を、30.0%を超えかつ36.0%以下としている。 As a result of the above, the content of Cr is set to be more than 30.0% and less than 36.0%.

(2)C
Cは、溶解時の脱酸剤として、および機械的強度を高めるのに有用である。また、Cは、強化相であるM23型炭化物の構成元素であると共に、鋳造時の溶湯の流動性を確保する効果を有する。一方、Cの含有率が0.050%を超えると、Cr炭化物の析出に伴い、粒界近傍にCr欠乏が生じ、耐SCC性が低下する。また、延性低下割れが生じやすくなる。そのため、Cの含有率を0.050%以下としている。また、Cの含有率が0.001%未満の場合には、機械的強度を高める効果が期待できないため、0.001%以上含有していることが好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(2)C
C is useful as a deoxidizer during dissolution and to increase mechanical strength. Further, C is a constituent element of M 23 C 6 type carbide, which is a reinforcing phase, and has the effect of ensuring the fluidity of the molten metal during casting. On the other hand, when the C content exceeds 0.050%, Cr deficiency occurs near the grain boundaries due to the precipitation of Cr carbides, resulting in a decrease in SCC resistance. In addition, ductility reduction cracking is more likely to occur. Therefore, the content of C is set to 0.050% or less. Further, if the C content is less than 0.001%, no effect of increasing mechanical strength can be expected, so it is preferably contained at 0.001% or more. However, if a sufficient strength improvement effect can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(3)Fe
Feは、機械的強度を高めるのに有用である。Feの含有率が1.00%未満の場合には、機械的強度が低下する。一方、Feの含有率が3.00%を超えると、耐食性が低下する。そのため、Feの含有率を1.00%以上かつ3.00%以下としている。
(3) Fe
Fe is useful for increasing mechanical strength. If the Fe content is less than 1.00%, the mechanical strength will decrease. On the other hand, when the Fe content exceeds 3.00%, corrosion resistance decreases. Therefore, the Fe content is set to 1.00% or more and 3.00% or less.

(4)Si
Siは、溶解時の脱酸剤として有用であると共に、鋳造時の湯流れを向上させる効果を有する。Siの含有率が増加するにつれて、非金属介在物が生成され、耐食性が低下するので、Siの含有率は低いほうが好ましい。そして、Siの含有率が0.50%を超えると、鋳造性や機械的強度が低下する。そのため、Siの含有率を0.50%以下としている。また、Siの含有率が0.001%未満の場合には、溶解時の脱酸剤としての効果が期待できないため、0.001%以上含有していることが好ましい。ただし、他の添加元素により十分な溶解時の脱酸効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(4) Si
Si is useful as a deoxidizing agent during melting and has the effect of improving the flow of molten metal during casting. As the Si content increases, nonmetallic inclusions are generated and the corrosion resistance decreases, so it is preferable that the Si content is low. When the Si content exceeds 0.50%, castability and mechanical strength decrease. Therefore, the content of Si is set to 0.50% or less. Further, if the Si content is less than 0.001%, no effect as a deoxidizer during dissolution can be expected, so it is preferably contained at 0.001% or more. However, if a sufficient deoxidizing effect during dissolution can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(5)Nb+Ta
NbおよびTaは、炭化物を形成することによりCr炭化物の生成を抑制し、耐SCC性を高める。ただし、NbおよびTaの含有率が高くなると、溶接割れが生じやすくなる。このため、Nb+Taの含有率を3.00%以下としている。
(5) Nb+Ta
Nb and Ta suppress the generation of Cr carbides by forming carbides and improve SCC resistance. However, when the content of Nb and Ta increases, weld cracking becomes more likely to occur. For this reason, the content of Nb+Ta is set to 3.00% or less.

また、Nb+Taの含有率が0.01%未満の場合には、Cr炭化物生成の抑制効果が期待できないため、0.01%以上含有していることが好ましい。ただし、他の添加元素により十分なCr炭化物生成の抑制効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。 Further, if the content of Nb+Ta is less than 0.01%, no effect of suppressing the formation of Cr carbide can be expected, so it is preferable that the content is 0.01% or more. However, if a sufficient effect of suppressing Cr carbide formation can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

ここで、「Nb+Ta」は、NbとTaの総量を表す。また、総量が上記範囲内である限りにおいて、Nb又はTaのいずれか一方が含まれていなくてもよく、あるいは、双方が含まれていてもよいことを表す。 Here, "Nb+Ta" represents the total amount of Nb and Ta. It also means that either Nb or Ta may not be included, or both may be included, as long as the total amount is within the above range.

(6)Ti
Tiは、炭化物を形成することによりCr炭化物の生成を抑制し、耐SCC性を高める。Tiの含有率が0.70%を超えると、溶接割れが生じやすくなる。そのため、Tiの含有率を0.70%以下としている。また、Cr炭化物生成の抑制効果が期待できる最低限度として0.001%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分なCr炭化物生成の抑制効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(6) Ti
By forming carbides, Ti suppresses the generation of Cr carbides and improves SCC resistance. When the Ti content exceeds 0.70%, weld cracking is likely to occur. Therefore, the Ti content is set to 0.70% or less. Moreover, 0.001% or more is preferable as the minimum amount at which the effect of suppressing Cr carbide generation can be expected. However, if a sufficient effect of suppressing Cr carbide formation can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(7)Mn
Mnは、オーステナイト安定化元素であると共に、脆性の原因となるS(硫黄)と結合してMnSとなり、脆性を防止し、強度や湯流れを向上させる。Mnの含有率が0.10%未満の場合には、上記した効果が得られない。一方、Mnの含有率が3.50%を超えると、Sなどと非金属介在物を形成しやすくなり、耐食性が低下する。さらに、オーステナイトの安定化によって、溶接割れ感受性が高くなる。そのため、Mnの含有率を0.10%以上かつ3.50%以下としている。
(7) Mn
Mn is an austenite stabilizing element, and combines with S (sulfur), which causes brittleness, to form MnS, which prevents brittleness and improves strength and melt flow. If the Mn content is less than 0.10%, the above effects cannot be obtained. On the other hand, when the Mn content exceeds 3.50%, nonmetallic inclusions with S and the like are likely to be formed, resulting in a decrease in corrosion resistance. Additionally, austenite stabilization increases weld cracking susceptibility. Therefore, the Mn content is set to 0.10% or more and 3.50% or less.

(8)Cu
Cuは、強度を高める効果がある。ただし、添加量が多すぎると耐溶接割れ性が低下するため、Cuの含有率は0.5%以下が好ましい。また、粒界強度を高める効果が得られる最低限度として0.001%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(8) Cu
Cu has the effect of increasing strength. However, if the amount added is too large, the weld cracking resistance will decrease, so the content of Cu is preferably 0.5% or less. Furthermore, the minimum content that can achieve the effect of increasing grain boundary strength is preferably 0.001% or more. However, if a sufficient strength improvement effect can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(9)Mo
Moは、強度を高めるとともに、延性低下割れに効果がある。ただし、添加量が増えると脆化相を形成するため、Moの含有率を2.00%以上かつ5.00%以下が好ましい。
(9)Mo
Mo increases strength and is effective against ductility-degrading cracking. However, if the amount added increases, a brittle phase is formed, so the Mo content is preferably 2.00% or more and 5.00% or less.

(10)Zr
Zrは、粒界強度を高めるとともに、延性低下割れに効果がある。ただし、添加量が多すぎると溶接性が低下するため、Zrの含有率は0.05%以下が好ましい。また、延性低下割れ抑制効果が得られる最低限度として0.001%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な延性低下割れ抑制効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(10) Zr
Zr increases grain boundary strength and is effective against ductility reduction cracking. However, if the amount added is too large, weldability deteriorates, so the content of Zr is preferably 0.05% or less. In addition, the minimum amount for achieving the effect of suppressing ductility deterioration cracking is preferably 0.001% or more. However, if a sufficient effect of suppressing ductility reduction cracking can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(11)B
Bは、粒界強度を高める効果がある。ただし、Bの含有率は0.05%以下が好ましい。また、粒界強度を高める効果が得られる最低限度として0.01%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な粒界強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(11)B
B has the effect of increasing grain boundary strength. However, the content of B is preferably 0.05% or less. Furthermore, the minimum content that can achieve the effect of increasing grain boundary strength is preferably 0.01% or more. However, if a sufficient effect of improving grain boundary strength can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(12)V
Vは、強度を高める効果がある。ただし、添加量が多すぎると延性が低下するため、Vの含有率は0.5%以下が好ましい。また、強度を高める効果が得られる最低限度として0.01%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(12)V
V has the effect of increasing strength. However, since ductility decreases if the amount added is too large, the content of V is preferably 0.5% or less. Furthermore, the minimum content that can provide the effect of increasing strength is preferably 0.01% or more. However, if a sufficient strength improvement effect can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(13)Al
Alは、強度を高め、脱酸化の効果がある。ただし、添加量が多すぎるとスラグ発生等で溶接作業性が低下するため、Alの含有率は0.5%以下が好ましい。また、強度を高め、脱酸化の効果が得られる最低限度として0.01%以上が好ましい。ただし、他の添加元素により十分な強度向上および脱酸化の効果を得ることができる場合は、意図的な添加がなくてもよい。
(13) Al
Al increases strength and has a deoxidizing effect. However, if the amount added is too large, welding workability will deteriorate due to slag generation, etc., so the content of Al is preferably 0.5% or less. In addition, the minimum content of 0.01% or more is preferable to increase the strength and obtain the deoxidizing effect. However, if sufficient strength improvement and deoxidation effects can be obtained by other additive elements, intentional addition may not be necessary.

(14)Co(コバルト)
Coは、その同位元素である60Coが崩壊によりガンマ線源となるため、原子炉内で使用する場合のCoの含有率は0.12%以下が好ましい。
(14) Co (cobalt)
Since the isotope 60 Co of Co becomes a gamma ray source by decay, the content of Co when used in a nuclear reactor is preferably 0.12% or less.

(15)PおよびS
PおよびSは、本実施形態におけるニッケル基合金溶接材料において、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、ニッケル基合金溶接材料に残存する含有率を可能な限り0%に近づけることが好ましい。
(15) P and S
P and S are classified as inevitable impurities in the nickel-based alloy welding material in this embodiment. It is preferable that the content of these unavoidable impurities remaining in the nickel-based alloy welding material be as close to 0% as possible.

Pは、粒界の脆化を生じさせて、耐食性を低下する。さらに、Pが偏析することによって、溶接割れが大幅に生じやすくなる。そのため、Pの含有率は0.005%以下に抑制されることが好ましい。また、Sの含有率が0.010%よりも大きいと、Sは、Mnと非金属介在物を形成し、耐食性を低下させる。そのため、Sの含有率は、0.005%以下に抑制されることがより好ましい。PおよびSの含有率がそれぞれ0.005%以下であると、凝固割れが抑制される。 P causes grain boundary embrittlement and reduces corrosion resistance. Furthermore, due to the segregation of P, weld cracking becomes significantly more likely to occur. Therefore, it is preferable that the content of P is suppressed to 0.005% or less. Furthermore, when the S content is higher than 0.010%, S forms nonmetallic inclusions with Mn, reducing corrosion resistance. Therefore, it is more preferable that the S content is suppressed to 0.005% or less. When the contents of P and S are each 0.005% or less, solidification cracking is suppressed.

以上に述べた本実施形態によるニッケル基合金溶接材料および原子炉用溶接材料によれば、既存のBWR用溶接材料を構成する合金、例えば182合金および82合金に比べて優れた耐SCC性を有すると共に、良好な溶接性を有する。そのため、実施の形態のニッケル基合金溶接材料を原子力プラントにおける炉内構造物を溶接するための溶接材料に用いることによって、炉内構造物の溶接が容易になり、炉内構造物の溶接部における耐SCC性向上が期待できる。 The nickel-based alloy welding material and nuclear reactor welding material according to the present embodiment described above have superior SCC resistance compared to alloys constituting existing BWR welding materials, such as 182 alloy and 82 alloy. In addition, it has good weldability. Therefore, by using the nickel-based alloy welding material of the embodiment as a welding material for welding reactor internals in a nuclear power plant, welding of reactor internals becomes easier, and welding of the reactor internals becomes easier. It can be expected to improve SCC resistance.

以下、本実施形態の具体的な実施例を図面および表を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of this embodiment will be described in detail with reference to the drawings and tables. Note that this embodiment is not limited to these examples.

(ステップ1)
図1は、ニッケル基合金溶接材料のそれぞれについての化学成分を示す比較表である。
ニッケル基合金溶接材料として、A、B、CおよびDの4種類の組成を示している。
(Step 1)
FIG. 1 is a comparison table showing the chemical components of each of the nickel-based alloy welding materials.
Four types of compositions, A, B, C, and D, are shown as nickel-based alloy welding materials.

これらの化学組成を有するニッケル基合金溶接材料をそれぞれ得るために、必要な原材料を真空誘導溶解炉にて溶解し、約150mm角×約450mm長さのインゴットを製造した。その後、鍛造によりΦ60mm×約1000mmの鍛造品を製作し、ロール圧延によりΦ9.5mmとした。さらに、表面をピーリング後、伸線によりΦ1.2mmのワイヤとした。こうして、ニッケル基合金溶接材料A、B、CおよびDの4種類について、溶接材料が製造可能であることが確認された。 In order to obtain each of the nickel-based alloy welding materials having these chemical compositions, necessary raw materials were melted in a vacuum induction melting furnace to produce ingots approximately 150 mm square x approximately 450 mm long. Thereafter, a forged product with a diameter of 60 mm x approximately 1000 mm was produced by forging, and the forged product was rolled into a diameter of 9.5 mm. Furthermore, after peeling the surface, a wire having a diameter of 1.2 mm was obtained by wire drawing. In this way, it was confirmed that four types of nickel-based alloy welding materials A, B, C, and D could be manufactured.

(ステップ2)
図2は、試験体採取を説明する図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は平面図である。架構12の平板12aの上に、基材部11を平板状に形成し、基材部11の上に肉盛部10を形成する。架構12は基材部11が変形しないように剛性を確保している。基材部11は、600合金製とした。この状態のものを3台製作した。
(Step 2)
FIG. 2 is a diagram illustrating specimen collection, in which (a) is a front view, (b) is a side view, and (c) is a plan view. A base portion 11 is formed into a flat plate shape on a flat plate 12a of the frame 12, and a built-up portion 10 is formed on the base portion 11. The frame 12 ensures rigidity so that the base member 11 does not deform. The base member 11 was made of 600 alloy. Three units were manufactured in this condition.

ステップ1で製造したニッケル基合金溶接材料のうちA、BおよびCを用いて、それぞれの基材部11の上に、入熱を16KJ/cm以下、ベース電流を180A、溶接材料の送給速度を900mm/minとしたガスタングステンアーク溶接により、図2に示すように長さLが250mm、幅Wが60mm、高さHが50mmの肉盛部10を多層盛りで形成した。 Using A, B, and C of the nickel-based alloy welding materials manufactured in step 1, heat input is 16 KJ/cm or less, base current is 180 A, and welding material feeding speed is applied to each base material part 11. By gas tungsten arc welding at a rate of 900 mm/min, a multilayer overlay portion 10 having a length L of 250 mm, a width W of 60 mm, and a height H of 50 mm was formed as shown in FIG.

この結果、ニッケル基合金溶接材料A、BおよびCによる溶接材料のいずれについても、問題無く肉盛溶接が可能であり、有害な欠陥が無いことが確認された。 As a result, it was confirmed that overlay welding could be performed without any problem with any of the welding materials made of nickel-based alloy welding materials A, B, and C, and that there were no harmful defects.

なお、ニッケル基合金溶接材料DについてもMo以外の成分はニッケル基合金溶接材料Aと同等であることから、ニッケル基合金溶接材料Aとによる溶接材料と同条件で溶接可能であると考えられる。 In addition, since the components other than Mo in the nickel-based alloy welding material D are the same as those in the nickel-based alloy welding material A, it is considered that welding can be performed under the same conditions as the welding material with the nickel-based alloy welding material A.

(ステップ3)
ステップ2で形成したそれぞれの肉盛部10から、10mm幅、50mm長さで、2mmの厚みの試験片20を4体ずつ採取した。これらの試験片について、以下に示すすきま付き定ひずみ曲げ(CBB:Creviced Bent Beam)試験を実施した。
(Step 3)
Four test pieces 20 each having a width of 10 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 2 mm were collected from each built-up portion 10 formed in step 2. A creviced bent beam (CBB) test described below was conducted on these test pieces.

図3は、CBB試験治具を示す図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。なお、以下の説明で、上下方向の表現を用いているが、説明の便宜上用いているもので、これに限定することを意味するものではない。 FIG. 3 is a diagram showing a CBB test jig, in which (a) is a front view and (b) is a side view. Note that although the following description uses expressions in the vertical direction, it is used for convenience of explanation and is not meant to be limited to this.

図3に示すように、CBB試験治具30は、全体としてほぼ直方体の外径を有する。CBB試験治具30は、試験片20を上下に挟む上半部31および下半部32と、試験片20と上半部31との間にすき間を確保するためのグラファイトウール34と2つのスペーサ35、および上半部31および下半部32を互いに締め付ける2本のボルト33を有する。2つのスペーサ35は、グラファイトウール34を挟むように配されている。 As shown in FIG. 3, the CBB test jig 30 has an outer diameter of a substantially rectangular parallelepiped as a whole. The CBB test jig 30 includes an upper half 31 and a lower half 32 that vertically sandwich the test piece 20, and graphite wool 34 and two spacers to ensure a gap between the test piece 20 and the upper half 31. 35, and two bolts 33 for tightening the upper half 31 and lower half 32 together. The two spacers 35 are arranged so as to sandwich the graphite wool 34 between them.

上半部31は長手方向について上方に向かって凹面状に、下半部32は上半部31の凹面に対向するように長手方向について上方に向かって凸面状に形成されている。上半部31の凹面および下半部32の凸面は、それぞれの曲率半径が100mmとなるように形成されている。 The upper half part 31 is formed in a concave shape upward in the longitudinal direction, and the lower half part 32 is formed in a convex shape upward in the longitudinal direction so as to oppose the concave surface of the upper half part 31. The concave surface of the upper half part 31 and the convex surface of the lower half part 32 are each formed to have a radius of curvature of 100 mm.

試験片20は、上半部31と下半部32との間に挟まれ、ボルト33で締め付けられる。この際、グラファイトウール34とスペーサ35により試験片20と上半部31との間にすき間が確保され、試験片20には、スペーサ35および下半部32による曲げ荷重が付加され、かつ、上面に腐食環境形成用の空間が形成された状態が確保される。 The test piece 20 is sandwiched between an upper half 31 and a lower half 32 and tightened with bolts 33. At this time, a gap is secured between the test piece 20 and the upper half part 31 by the graphite wool 34 and the spacer 35, and a bending load is applied to the test piece 20 by the spacer 35 and the lower half part 32, and the upper surface A state in which a space for forming a corrosive environment is formed is ensured.

以上のような試験体系に基づいて、高温水中の応力腐食割れ感受性を評価するために、ステップ2で製作したニッケル基合金溶接材料A、BおよびCを用いた試験片20を用いて、CBB試験を行った。 Based on the above test system, in order to evaluate stress corrosion cracking susceptibility in high-temperature water, a CBB test was conducted using test piece 20 using nickel-based alloy welding materials A, B, and C produced in step 2. I did it.

CBB試験は、オートクレーブを用いて温度288℃、圧力7.8MPaの高温高圧純水中に500時間浸漬させた後、SCC発生の有無を評価した。試験は、それぞれのニッケル基合金溶接材料について採取した4体の試験片20について実施した。 In the CBB test, the sample was immersed in high-temperature, high-pressure pure water at a temperature of 288° C. and a pressure of 7.8 MPa for 500 hours using an autoclave, and then the presence or absence of SCC generation was evaluated. The test was conducted on four test pieces 20 taken for each nickel-based alloy welding material.

図4は、CBB試験の結果を示す表であり、ニッケル基合金溶接材料Aを用いた試験片、ニッケル基合金溶接材料Bを用いた試験片、およびニッケル基合金溶接材料Cを用いた試験片それぞれの、CBB試験後の割れ発生数を示している。 FIG. 4 is a table showing the results of the CBB test, including a test piece using nickel-based alloy welding material A, a test piece using nickel-based alloy welding material B, and a test piece using nickel-based alloy welding material C. The number of cracks generated after each CBB test is shown.

この結果、ニッケル基合金溶接材料A、BおよびCを用いたそれぞれ4つの試験片において、すべて応力腐食割れの発生は認められなかった。なお、ニッケル基合金溶接材料Dについても耐食性に影響を与えるCr量がニッケル基合金溶接材料Aと同等であることから、耐SCC性は優れていると考えられる。 As a result, no stress corrosion cracking was observed in all four test pieces using nickel-based alloy welding materials A, B, and C. In addition, since the amount of Cr, which affects corrosion resistance, in the nickel-based alloy welding material D is also equivalent to that in the nickel-based alloy welding material A, it is considered that the SCC resistance is excellent.

なお、182合金では同様な試験を行った場合には、SCC感受性を示したという報告がなされている(「ニッケル基溶接金属の高温水中SCC感受性に及ぼす加工の影響」、材料と環境2005、A310)。 Furthermore, it has been reported that 182 alloy showed SCC susceptibility when a similar test was conducted ("Effect of processing on the SCC susceptibility of nickel-based weld metals in high temperature water", Materials and Environment 2005, A310 ).

(ステップ4)
ステップ2で形成したニッケル基合金溶接材料Cの肉盛部10から、CT(compact Tension)試験片を採取し、SCC亀裂進展試験を行った。
(Step 4)
A CT (compact tension) test piece was taken from the built-up portion 10 of the nickel-based alloy welding material C formed in step 2, and an SCC crack growth test was conducted.

図5は、SCC亀裂進展試験に用いた試験片形状を示す図であり、(a)は左側面図、(b)は正面図、(c)は右側面図である。 FIG. 5 is a diagram showing the shape of the test piece used in the SCC crack growth test, in which (a) is a left side view, (b) is a front view, and (c) is a right side view.

CT試験片40は、ベース41の幅方向の中央に、端部から切り欠き42を形成し、荷重付加部43および44間で引張荷重を付加する。ベース41の裏面45(図5では右側面)には、分割される部分のそれぞれに刻印45aが形成されている。 The CT test piece 40 has a cutout 42 formed at the center in the width direction of the base 41 from the end, and a tensile load is applied between the load application parts 43 and 44 . A stamp 45a is formed on the back surface 45 (right side in FIG. 5) of the base 41 at each divided portion.

CT試験片40の各部寸法は、公称値で、厚さTは12.7mm、幅Dは30.48mm、長さHは31.75mmのものを用いた、0.5TのCT試験片である。また、切り欠き42の幅Wは1.6mmである。 The dimensions of each part of the CT test piece 40 are nominal values, and the thickness T is 12.7 mm, the width D is 30.48 mm, and the length H is 31.75 mm. It is a 0.5T CT test piece. . Further, the width W of the notch 42 is 1.6 mm.

疲労予亀裂を、大気中、室温で導入の後、次の水質でオートクレーブを用いて環境中予亀裂を導入した。その後に、次の水質条件および荷重条件の下でSCC亀裂進展試験を実施した。 After fatigue pre-cracking was introduced in the air at room temperature, pre-cracking was introduced in the environment using an autoclave at the following water quality. Thereafter, an SCC crack growth test was conducted under the following water quality and load conditions.

<水質条件>
温度:288℃
圧力:9MPa
腐食電位(ECP):150mVSHE以上
<荷重条件>
試験荷重:7.0kN
目標応力拡大係数K:約32~34MPa√m
定荷重の亀裂進展時間は、562.9時間とし、試験後に破面補正をして亀裂進展速度を求めた。
<Water quality conditions>
Temperature: 288℃
Pressure: 9MPa
Corrosion potential (ECP): 150mV SHE or more <Load conditions>
Test load: 7.0kN
Target stress intensity factor K: approximately 32 to 34 MPa√m
The crack growth time under constant load was 562.9 hours, and the crack growth rate was determined by correcting the fracture surface after the test.

図6は、本実施例によるニッケル基合金溶接材料Cと82溶接材料についての、SCC亀裂進展速度と応力拡大係数の関係を示すグラフである。曲線Sは、提案されている82合金(TIG溶接材)の平均亀裂進展速度曲線である((独)原子力安全基盤機構、平成17年度Ni基合金応力腐食割れ(SCC)進展評価技術調査(定荷重試験)に関する報告書)。また、点Pは、今回のニッケル基合金溶接材料Cの場合の試験結果である。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the SCC crack growth rate and the stress intensity factor for the nickel-based alloy welding materials C and 82 welding materials according to this example. Curve S is the average crack propagation rate curve of the proposed 82 alloy (TIG welding material) Report on load test). Further, point P is the test result for the present nickel-based alloy welding material C.

ニッケル基合金溶接材料Cの場合の亀裂進展速度は、応力拡大係数Kが32.2MPa√mで、2.63×10-12(m/s)であった。このときの亀裂進展速度da/dtは、約1.23×10-12[m/s]未満であった。ニッケル基合金溶接材料Cの場合の亀裂進展速度da/dtの値は、図6に示すように、82合金よりも十分に低いことが示された。 The crack growth rate in the case of the nickel-based alloy welding material C was 2.63×10 −12 (m/s) with a stress intensity factor K of 32.2 MPa√m. The crack growth rate da/dt at this time was less than about 1.23×10 −12 [m/s]. As shown in FIG. 6, the value of the crack growth rate da/dt in the case of the nickel-based alloy welding material C was shown to be sufficiently lower than that of the 82 alloy.

以上に示したように、実施例によれば、耐SCC性に良好で、かつ、溶接性に優れたニッケル基合金溶接材料および原子炉用溶接材料を提供することができることが確認されている。 As shown above, according to the examples, it has been confirmed that it is possible to provide a nickel-based alloy welding material and a nuclear reactor welding material that have good SCC resistance and excellent weldability.

図7は、原子力用機器および構造物の補修方法の手順を示すフロー図である。
まず、ニッケル基合金溶接材料の準備を行う(ステップS01)。ここで、ニッケル基合金溶接材料は、本実施形態で示した溶接材料である。
次に、ステップS01で準備したニッケル基合金溶接材料を用いての原子力用機器および構造物の補修を実施する(ステップS02)。実施例に示したように、耐SCC性に良好で、かつ、溶接性に優れた溶接材料を用いることによって、原子力用機器および構造物についての信頼性の高い補修を行うことができる。
FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of a method for repairing nuclear equipment and structures.
First, a nickel-based alloy welding material is prepared (step S01). Here, the nickel-based alloy welding material is the welding material shown in this embodiment.
Next, nuclear power equipment and structures are repaired using the nickel-based alloy welding material prepared in step S01 (step S02). As shown in the examples, by using a welding material with good SCC resistance and excellent weldability, highly reliable repairs of nuclear power equipment and structures can be performed.

図8は、沸騰水型原子炉のシュラウドサポートを概念的に示す部分立断面図である。炉心の径方向外側で炉心を囲むシュラウドサポート2は、シュラウドサポート3を介して、原子炉圧力容器1から支持されている。このシュラウドサポート3と原子炉圧力容器1との溶接部は異材継ぎ手である。
図9は、沸騰水型原子炉の制御棒駆動機構ハウジング貫通部を概念的に示す部分立断面図である。原子炉圧力容器1を下方から貫通する制御棒駆動機構ハウジング5の貫通部をシールするための溶接部も、同様に異材継ぎ手である。
本実施形態によるニッケル基合金溶接材料は、このような原子力用機器および構造物などの溶接接手へ適用することができる。沸騰水型原子炉のシュラウドサポート、制御棒駆動機構ハウジング貫通部の異材溶接部の他に、図示しないが、加圧水型原子炉の圧力容器上蓋の管台の溶接部、あるいは蒸気発生器の溶接部などに用いることができる。
さらに、原子力分野以外においても、ニッケル基合金が使用されるような高い耐食性が必要とされる発電プラントや化学プラント、海洋船舶やその構造物などにも用いることができる。
FIG. 8 is a partial elevational sectional view conceptually showing a shroud support of a boiling water reactor. A shroud support 2 surrounding the reactor core on the radially outer side of the reactor core is supported from the reactor pressure vessel 1 via a shroud support 3 . The welded portion between the shroud support 3 and the reactor pressure vessel 1 is a dissimilar metal joint.
FIG. 9 is a partial elevational sectional view conceptually showing a penetration part of a control rod drive mechanism housing of a boiling water reactor. The welded portion for sealing the penetration portion of the control rod drive mechanism housing 5 that penetrates the reactor pressure vessel 1 from below is also a dissimilar material joint.
The nickel-based alloy welding material according to this embodiment can be applied to welding joints of such nuclear power equipment and structures. In addition to the dissimilar metal welds of the shroud support of boiling water reactors and the penetration part of the control rod drive mechanism housing, although not shown, welds of the nozzle holder of the pressure vessel upper cover of pressurized water reactors, or the welds of steam generators. It can be used for etc.
Furthermore, it can also be used in fields other than the nuclear power field, such as power plants and chemical plants that require high corrosion resistance, such as those in which nickel-based alloys are used, as well as marine ships and their structures.

[その他の実施形態]
以上、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。
[Other embodiments]
Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention.

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、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同様に、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ものである。 Moreover, the features of each embodiment may be combined. Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

1…原子炉圧力容器、2…シュラウド、3…シュラウドサポート、5…制御棒駆動機構ハウジング、10…肉盛部、11…基材部、12…架構、12a…平板、20…CBB試験片、30…CBB試験治具、31…上半部、32…下半部、33…ボルト、34…グラファイトウール、35…スペーサ、40…CT試験片、41…ベース、42…切り欠き、43、44…荷重付加部、45…裏面、45a…刻印 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Reactor pressure vessel, 2... Shroud, 3... Shroud support, 5... Control rod drive mechanism housing, 10... Overlay part, 11... Base material part, 12... Frame, 12a... Flat plate, 20... CBB test piece, 30... CBB test jig, 31... Upper half, 32... Lower half, 33... Bolt, 34... Graphite wool, 35... Spacer, 40... CT test piece, 41... Base, 42... Notch, 43, 44 ...Load application part, 45...back side, 45a...engraved

Claims (5)

質量%で、Cr:30.0%を超えかつ36.0%以下、C:0.050%以下、Fe:1.00%以上かつ3.00%以下、Si:0.50%以下、Nb+Ta:0.01%以上かつ3.00%以下、Ti:0.001%以上かつ0.70%以下、Mn:0.10%以上かつ3.50%以下、Cu:0.5%以下を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、
前記不可避的不純物におけるSおよびPは、それぞれ0.005%以下である、
ことを特徴とするニッケル基合金溶接材料。
In mass%, Cr: more than 30.0% and 36.0% or less, C: 0.050% or less, Fe: 1.00% or more and 3.00% or less, Si: 0.50% or less, Nb + Ta : 0.01% or more and 3.00% or less, Ti: 0.001% or more and 0.70% or less, Mn: 0.10% or more and 3.50% or less, Cu: 0.5% or less The remainder consists of Ni and unavoidable impurities,
S and P in the inevitable impurities are each 0.005% or less,
A nickel-based alloy welding material characterized by:
質量%で2.00%以上かつ5.00%以下のMoをさらに含有することを特徴とする請求項1に記載のニッケル基合金溶接材料。 The nickel-based alloy welding material according to claim 1, further comprising Mo in an amount of 2.00% or more and 5.00% or less in mass %. 請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料を用いることを特徴とする原子炉用溶接材料。A welding material for a nuclear reactor, characterized in that the nickel-based alloy welding material according to claim 1 or 2 is used. 請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料を用いることを特徴とする原子力用機器および構造物 Nuclear equipment and structures characterized by using the nickel-based alloy welding material according to claim 1 or 2 . 請求項1または請求項2に記載のニッケル基合金溶接材料を補修用の溶接材料として準備する材料準備ステップと、
前記溶接材料を用いて、原子力用機器および構造物の補修を実施する補修ステップと、
を有することを特徴とする原子力用機器および構造物の補修方法
a material preparation step of preparing the nickel-based alloy welding material according to claim 1 or claim 2 as a repair welding material;
a repair step of repairing nuclear equipment and structures using the welding material;
A method for repairing nuclear equipment and structures, comprising :
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