JPH01205898A

JPH01205898A - 高速増殖炉用溶接構造物

Info

Publication number: JPH01205898A
Application number: JP3011688A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sukegawa; 祐川　正之; Hiroyuki Doi; 裕之土井; Hiroshi Fukui; 寛福井; Norio Yamada; 山田　範雄; Yoshinori Furukawa; 古川　義徳; Takatoshi Yoshioka; 吉岡　孝利; Yukio Nakagawa; 幸雄中川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1989-08-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接構造物
に係り、特に５００℃以上の高温で耐食性と高温強度が
優れ、かつ溶接割れを防止した高速増殖炉用溶接構造物
に関する。

〔従来の技術〕

高速増殖炉、特にプール型の原子炉では第５図に示すよ
うに、原子炉容器１０の炉心１１で核反応により熱を発
生し、その熱を冷却材である液体ナトリウムでとりだし
、その液体ナトリウムを容器内の循環ポンプ１３により
容器内を循環させて中間熱交換器１２に導き、そこで別
系統の液体ナトリウムに熱が伝達され、その流体ナトリ
ウムは一次系配管を経由して蒸気発生器に８かれて水を
加熱してタービン駆動用蒸気を発生させて、中間熱交器
１２に戻る。原子炉の始動、停止、または出力調整時に
は制御棒駆動機構１４が作動する構造となっている。

高速増殖炉の中でも特に高度の安全性を要求される原子
炉の容器１０は、２０〜３０万時間にわたり５００〜５
５０℃の高温で、十分な強度を有するとともに、液体ナ
トリウムに対する耐食性も保有して問題なく使用できる
ことが要求されるので、その容器材料としては、高温強
度、延性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の使用
が主流となっている。

また、構造材料に対しては、耐食性や長時間高温強度の
向上をねらい、耐熱金属材料１２３委員会研宮報告（Ｖ
ｏ　１．２８．Ｎ（１１，Ｐ６５）にあるようにＣ（炭
素）を低め、Ｐ（燐）、Ｎ（窒素）をコントロールした
材料が検討されている。

一方、溶接材料については、例えばＪＩＳＺ３３２１の
溶接ワイヤ又は棒が主流であり、デルタフェライトを８
〜１５％程度含有するものである。

従来、一般のプラントで高温で使用される溶接構造物に
対しては、溶接時の高温割れと比較的短時間での高温強
度が重視され、この割れ発生防止のために、多量（８〜
１５％）のデルタフェライトを含む溶接材料が用いられ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、２０〜３０万時間にわたり５００〜５５
０℃の高温で使用される高速増殖炉の原子炉容器に対し
、上記構造材料と溶接材料とから構成される溶接構造物
を適用すると、高温で長時間使用中に、オーステナイト
系ステンレス鋼中のデルタフェライトがシグマ相に変わ
って材質が劣化し、高温強度が低下するという問題があ
った。

本発明の目的は、溶接金属の高温割れを防止するととも
に長期間使用中の溶接構造物の高温強度低下を防止した
高速増殖炉用溶接構造物の提供にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の高速増殖炉用溶接
構造物は重量比で、炭素０．０１〜０．０３％、シリコ
ン０．１〜１％、マンガン１〜２％、ニッケル１０〜１
４％、クロム１６〜１８％、モリブデン２〜３％、窒素
０．０１〜０．１％および炭素十窒素を０．０７％以上
を含有し残部が実質的に鉄からなるオーステナイト系ス
テンレス鋼構造用鋼を、炭素０．０１〜０．０３％、シ
リコン０．１〜１％、マンガン１〜２％、ニッケル１０
〜１４％、クロム１８〜２０％、モリブデン２〜３％、
窒素０．０１〜０．１％および炭素士窒素を０．０７〜
０．１３％を含み残部が実質的に鉄からなる溶接材料に
よってで溶接され、炭素０．０１〜０．０３％、シリコ
ン０．１〜１％、マンガン１〜２％、ニッケル１０〜１
４％、クロム１８〜２０％、モリブデン２〜３％、窒素
０．０１〜０．１％および炭素士窒素を０．０７〜０．
１３％含有し残部が実質的に鉄からなり、かつデルタフ
ェライトを３〜７％含有する溶接部を有するものである
。

また、その高速増殖炉用溶接構造物としては、原子炉容
器、一次系配管であってもよい。

〔作用〕

上記のように構成された本発明の高速増殖炉用溶接構造
物に使用するオーステナイト系ステンレス鋼構造用鋼、
溶接材料、溶接部の成分組成（重量比）については、Ｃ
（炭素）を０．０１〜０．０３％とすることによりオー
ステナイト組織が安定化し、炭化物析出が少なく耐食性
が向上する。

０．０１％より少ないとオーステナイト組織の安定化が
十分でなく、０．０３％を越えると炭化物の析出により
耐食性が低下する。

Ｎ（窒素）を０．０１〜０．１０％含有することにより
、Ｃに代ってオーステナイト地の固溶強化がはかれ、Ｎ
量の多い程高温強度が高くなるが、０．１０％を越える
と延性が低下し、０．０１％より少ないと固溶強化が不
足する。

Ｃ，Ｎとも、高温強度、延性に影響する元素であり、ｃ
＋Ｎｍを０．０７％以上とすることによリ、高温強度、
延性のバランスがとれる。０．０７％より少ないと上記
のバランスがくずれる。また、Ｃ＋Ｎ量の最大値は各元
素の最大含有量の合計０．１３％となる。

Ｎｉ　にッケル）は１０〜１４％、Ｃｒ（クロム）は構
造用鋼では１６〜１８％、溶接材料及び溶接部では溶接
中の酸化による消耗を補うために１８〜２０％で安定し
たオーステナイト組織と良好なデルタフェライト量が得
られるが、Ｎｉはシグマ相化する為に低目におさえるの
がよく、Ｃｒは耐酸化性および高温強度確保の為に高目
にするのが好ましい。Ｎｉ、Ｃｒの夫々の組成範囲外で
は安定したオーステナイト組織が得られない。

Ｍｏ（モリブデン）は、２〜３％含有することにより、
一部はオーステナイト地を固溶強化し、一部は炭化物と
して析出するので高温強度を向上させ、結晶粒界を強化
させる。２％より少ないと本来有する特性が得られず、
３％より多いとシグマ相が析出し易くなり高温強度が低
下する。好ましくは２．１〜２．６％が望ましい。

Ｓｉ（シリコン）、Ｍｎ（マンガン）は脱ＭＭとして添
加されるもので、それぞれ０．１〜１％、１〜２％含む
ことにより十分な脱酸効果を有し、かつ高温強度向上に
効果を有する。Ｍｎは溶接性の点でＳｉの３〜５倍の量
で含有するのが好ましい、Ｓｉは０．１％より少ないと
脱酸効果が不足し、１％を越えると割れが出易くなるの
で、好ましくは０．１〜０．６％が良好であり、Ｍｎは
１％より少ないと脱酸効果が減少して高温強度も低下−
し、１．２％を越えると製造性が劣化する。

デルタフェライトは、溶接金属の高温割れを防止する作
用があり、特にクレータ割れ以外の高温割れを防止する
ためには、デルタフェライト量は溶接金属に３％以上必
要となる。また、溶接金属中のデルタフェライトは高温
で長時間使用中にシグマ相に変化して高温強度を低下さ
せるため、溶接金属のデルタフェライト量を少くするこ
とが望ましく、その上限を７％とする。

〔実施例〕

本発明の主要点は次の通りである。

第１は、耐食性向上のために、溶接構造物を構成する構
造材料、溶接材料及びその溶接部のＣ量を０．０１〜０
．０３％以下にすること。

第２は、Ｃ量を従来の０．０４〜０．０７％より低下す
ることによって起こる高温強度の低下を防止する目的で
、Ｎを０．０１〜０．１％添加すること。

第３は、本発明の最大技術であるが、溶接構造物製作時
に溶接金属の高温割れを起こさずに、更に溶接構造物を
５００℃以上の高温で長時間使用中の組織変化、即ちシ
グマ相析出による材料劣化、つまり強度低下を抑制する
ために、溶接構造物に使用する溶接材料とその溶接部の
デルタフェライト量を３〜７％にコントロールすること
にある。

このデルタフェライト量のコントロールは、Ｎｉ。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉの含有量（％）から次記の当量
式で算出されるＣｒ当量、Ｎｉ当量を調整することによ
り可能となる。

Ｃｒ当量＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５８ｉ＋Ｏ，’５Ｎｂ　（
％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋３０Ｃ＋３ＯＮ＋０．５Ｍｎ　（
％）なお、デルタフェライト量は、第６図に示す既知の
デュロング組織図に上記Ｃｒ当量、Ｎｉ当量の値をプロ
ットして求められる。

なお式中のＮｂにオブ）は、高温強度を向上させる元素
であるが、本発明では添加せず、不純物として含有する
ものである。

本発明の実施例の詳細について、第１図〜第４図により
説明する。

高速増殖炉タンク型炉の原子炉容器は原子炉に循環ポン
プと中間熱交換器を内蔵した大型構造物とかなるので、
その製作には構造用鋼板を溶接にて継ぐ方法となること
が考えられる。第１図はその溶接部を含む溶接構造物の
一例を示すもので、この溶接構造物に用いられる構造用
鋼と溶接材料とその溶接部は極めて重要である。

第１表に示すように、デルタフェライト量を変えた各種
組成の溶接材料をそれぞれ、直径１．２ｍｍの溶接ワイ
ヤとし、構造用鋼として０．０１８％Ｃ１０，０９％Ｎ
を含むＳＵＳ　３１６鋼を用いてティグ（ＴＩＧ）溶接
によりそれぞれの溶接ワイヤを用いて溶接し、得られた
溶接金属の成分組成を第２表に示す。

なお、第１表、第２表中のデルタフェライト量は、試番
毎の成分組成から算出したＣｒ当ｉ、Ｎｉ当量をデュロ
ング組織図により求めた値である。

上記の５ＵＳ３．１６ｍと各種溶接ワイヤを用いて、Ｔ
ＩＧ溶接により、フィスコ割れ試験と溶接継手のクリー
プ破断試験を行った。

第１実施例フィスコ割れ試験は、溶接金属の高温割れ感受性を調査
するための試験であって、その溶接方法は、ＪＩＳＺ３
１５５に定められたＣ型ジグ拘束突合せ溶接割れ試験方
法に従って、板厚２０ｍｍ。

板巾約１２０ｍｍ、長さ約２００　ｍ　ｍの試験板を２
枚１組にして■型開光の突合せ継手とし、その試験板を
所定のＣ形ジグで拘束した状態で、本実１例においては
ＴＩＧ溶接によって、約４０　ｍ　ｍ］断続ビードを４
本置いた。

冷却後、溶接部を長手方向に折り曲げて破断し、二の破
面について、クレータ割れを除いた溶接割、の有無とそ
の割れの長さを測定し、割れ率、す２わち、全ピード長
に対する割れの合計長さの比ご求めた。そのフィスコ割
れ率を溶接金属のデルフェライト量で整理した結果を第
２図に示す。

この試験結果によれば、デルタフェライト基が、０％以
上では、割れが全くみられず、２．５％１も割れ率は１
．０％以内とほとんどないが、デフタフエライト量が１
．５％より少ないと１％前１の割れがみられる０本発明
材のゾルタフニライー量３％以上では割れがみられない
。

ｊ２実施例次に、溶接部の高温強度を調査するためクリー−破断試
験を行った。このクリープ破断試験用の１接試験板を作
製するため、第１表に示す５ＵＳ１６鋼を試験板とし、
その板厚２０ｍｍの試験疋に開先角度１０’のＵ型開光
を加工して突合せ継手としてＴＩＧ溶接で多層盛溶接を
行い、溶接試験板を作製した。

クリープ試験片は、全長９０ｍｍ、標点距離３０　ｍ　
ｍの直径６ｍｍの丸棒で、第３図に示すように溶接試験
板の板厚２０ｍｍのほぼ中央部から、溶接部２をはさん
で溶接線に垂直方向に試験片５を採取した。

クリープ破断試験は、一定温度（この試験では６５０℃
）で、一定荷重の条件のもとで試験片のクリープ破断時
間を測定したもので、その結果を第４図に示す。

第４図は、溶接金属のデルタフェライト量の異なる各試
験片について種々負荷荷重を変えてクリープ破断試験を
行い、試験片の単位断面積当りの荷重、すなわちクリー
プ強度とクリープ破断時間の測定値を、溶接金属のデル
タフェライト量について整理した結果を示したものであ
る。

この結果から、クリープ強度は、破断時間が３０００時
間、５０００時間とも同傾向を示し、デルタフェライト
量の増加とともに、クリープ強度は低下し、特にデルタ
フェライト量が７％よりも多くなると１強度低下が著し
くなっている１本発明のデルタフェライト７％以下のも
のは、３０００．５０００時間後の強度低下は少なく、
材料劣化が少ない事を示している。

なお、クリープ破断試験では、ある温度のクリープ破断
時間から、パラメータ、Ｔ　（ｌｏｇｔ十〇）を用いて
、他の温度でのクリープ破断時間を外挿法により求めら
れることが知られている。ここで、Ｔは試験温度（絶対
温度）を、ｔはクリープ破断時間（時間）を、Ｃは定数
で１８を示す。

このパラメータにより、６５０℃での３０００時間は６
００℃での５．Ｉ　Ｘ　１０’時間に相当し、６５０℃
の５０００時間は５５０℃での２．２×１０’時間に相
当するもので、５５０℃前後で２０〜３０万時間（２〜
３　Ｘ　１０５時間）使用される高速増殖炉には十分な
ものであることが判る。

このように、本発明の溶接材料と溶接部のデルタフェラ
イト量を３〜７％にコントロールすることにより溶接時
の高温割れが防止されるとともに、長時間使用中の材料
劣化も防止されるものである。

〔発明の効果〕

本発明の溶接構造物は、Ｃ，Ｎ、Ｃ＋Ｎをコントロール
し、高温強度の優れた構造用鋼と溶接材料を使用し、か
つ溶接材料とその溶接金属のデルタフェライト量を３〜
７％に制御することにより、溶接構造物製作時の溶接割
れを防止するとともに、高温使用中の強度低下を防止し
たものである。従って、５００℃以上の温度で２０〜３
０万時間使用される高速増殖炉原子炉容器や１次系配管
に適用することにより、大型溶接構造物からなる高速増
殖炉の設計、製作が可能となる。更に、耐食性の向上に
より、材料の保管及び原子炉の建設中に起こることが懸
念される腐食やＳＣＣ（応力腐食割れ）に対する問題が
緩和され、経済的な効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の主たる適用部位である高速増殖炉原子
炉容器の溶接構造物の一例を示す図、第２図は本発明の
一実施例であるフィスコ割れ率とデルタフェライト量と
の関係を示す図、第３図はクリープ試験片採用位置を示
す図、第４図はクリープ強度とデルタフェライト量との
関係を示す図、第５図は高速増殖炉タンク型炉の概要図
、第６図はデュロング組織図を示す。１・・・高速増殖炉用溶接構造物、２・・・溶接部、３
・・・構造用鋼。

Claims

【特許請求の範囲】１、重量比で、炭素０．０１〜０．０３％、シリコン０
．１〜１％、マンガン１〜２％、ニッケル１０〜１４％
、クロム１６〜１８％、モリブデン２〜３％、窒素０．
０１〜０．１％および炭素＋窒素を０．０７％以上含有
し残部が実質的に鉄からなるオーステナイト系ステンレ
ス鋼構造用鋼を、炭素０．０１〜０．０３％、シリコン
０．１〜１％、マンガン１〜２％、ニッケル１０〜１４
％、クロム１８〜２０％、モリブデン２〜３％、窒素０
．０１〜０．１％および炭素＋窒素を０．０７〜０．１
３％含有し残部が実質的に鉄からなる溶接材料によって
溶接され、炭素０．０１〜０．０３％、シリコン０．１
〜１％、マンガン１〜２％、ニッケル１０〜１４％、ク
ロム１８〜２０％、モリブデン２〜３％、窒素０．０１
〜０．１％および炭素＋窒素を０．０７〜０．１３％含
有し残部が実質的に鉄からなり、かつデルタフェライト
を３〜７％含有する溶接部を有する高速増殖炉用溶接構
造物。２、前記溶接構造物が、高速増殖炉用原子炉容器である
請求項１に記載の高速増殖炉用溶接構造物。３、前記溶接構造物が、高速増殖炉用一次系配管である
請求項１に記載の高速増殖炉用溶接構造物。