JPH02173218A - 容器貫通管溶接部の残留応力改善方法とその装置 - Google Patents

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、容器貫通管溶接部の残留応力改善方法とその
装置に係り、特に、溶接部近傍に位置する配管壁の内外
面における欠陥部の発生を残留応力の改善によって防止
するものである。

「従来の技術とその課題」 原子力発電関連プラント、各種エネルギ関連プラント、
化学プラント、火力発電プラント等には、容器を貫通し
た状態の配管、つまり、容器貫通管が使用される。

例えば、第３図に示すように、沸騰水型原子炉における
原子炉圧力容器（容器）には、その容器壁（下鏡部）ｌ
に明けた配管貫通用穴２を経由して、容器貫通管（貫通
管）３が貫通しているとともに、配管貫通用穴２を上方
に延長するように、下鏡部１の内底部にスタブチューブ
４が立設され、該スタブチューブ４における上縁部と貫
通管３の外周面との間が、溶接部５によって一体化され
ており、貫通管３は、例えば、原子炉の状態を検出する
Ｉ；めの各種センサの信号伝達等を行なっている。

このような貫通管３は、機械的強度の優れた下鏡部ｌ及
びスタブチューブ４に取り付けられているために、貫通
管３の伸縮や曲げによる変形力の影響が、溶接部５やそ
の近傍の配管壁に現れ易く、十分な信頼性を確保するこ
とが要求される。

また、溶接部５を形成する場合には、溶融状態の溶接金
属が凝固するときに収縮することに基づいて、機械的強
度が相対的に小さい容器貫通管３が外側に引っ張られる
現象や、容器貫通管３の熱容量が、その近傍の下鏡部１
やスタブチューブ４の熱容量と比較して小さいｔ：めに
、溶接部５の形成時の溶接熱によって、容器貫通管３の
配管壁の一部が加熱される現象を生じ易い。

しｔ；がって、定期検査時等において、溶接部５あるい
はその近傍の配管壁の状態を十分検査することが望まし
い。

従来、溶接部５の近傍に欠陥部が生じていた場合は、そ
の欠陥部の状態に応じて溶接部５の部分で解体し、新規
の配管を再溶接によって取り付ける等の対策が必要とな
る。

しかしなから、新規配管と交換作業時の労力は、多大な
ものとなるとともに、前述の原子炉圧力容器における下
鏡部１の場合であると、原子炉運転後の交換作業時には
、交換作業従事者の放射線被曝低減対策を十分に行なう
ことも必要となり、その労力は膨大なものとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、溶
接部を解体することなく、溶接部近傍の配Ｖ壁の内外面
について、残留応力改善を施すことを目的とするもので
ある。

「課題を解決するための手段」 本発明では、従来技術の課題を解決するために、容器貫
通管溶接部の残留応力改善方法と、これを実施するため
の容器貫通管溶接部の残留応力改善装置とを提案してい
る。

前者の容器貫通管溶接部の残留応力改善方法は、容器に
貫通管を取り付けている溶接部の表面に冷却水を接触さ
せた状態で、その付近の配管壁を内側から誘導加熱して
降伏点を越える応力を発生させるとともに、前記配管壁
の内面にシャワー水を噴出させて誘導加熱箇所と冷却箇
所との温度差により、降伏点を越える応力を発生させる
ものである。

後者の容器貫通管溶接部の残留応力改善装置は、容器貫
通管内に挿入される支持管と、該支持管の先端に取り付
けられて溶接部近傍の配管壁を内側から加熱する誘導加
熱コイルと、該誘導加熱コイルに対して支持管の中を挿
通して接続される給電用電線と、支持管の先端に誘導加
熱コイルと離間して取り付けられるとともに冷却水供給
系と支持管穴を経由して接続され加熱状態の配管壁に冷
却水を噴出するシャワー水用ノズルとを配設してなる構
成である。

「作用」 容器貫通管溶接部の残留応力改善方法及びその装置にあ
っては、容器の中に冷却水を貯留することにより、溶接
部表面とその近傍における配管壁表面とを、冷却水に接
触させた状態としておくとともに、容器貫通管内に支持
管先端の誘導加熱コイルを挿入して、給電用電線を介し
て誘導加熱コイルに給電することにより、その付近の配
管壁を内側から誘導加熱する。この誘導加熱時には、冷
却水に接触している外面側の冷却が促進されて、温度上
昇が抑制されるが、誘導加熱範囲の配管壁内部や内面側
が高温状態となって、内外の熱膨張差に基づく熱応力が
発生し、各配管壁の熱応力が降伏点を越えると、その部
分に塑性変形が伴うものとなる。

一方、支持管をその長さ方向にずらして、誘導加熱コイ
ルを溶接部近傍から外すとともに、シャワー水用ノズル
を溶接部近傍に配置して、冷却水供給系から冷却水を供
給することによりシャワー水を噴出させ、高温状態とな
っている溶接部近傍の配管壁内面を冷却水によって冷却
する。

この冷却により、冷却された配ｖ壁内面と高温状態の配
管壁内部との間に、温度差が付与されることになって、
熱膨張差に基づく熱応力が発生し、各配管壁の熱応力が
降伏点を越えると、その部分にも塑性変形が生じる。

各配管壁に塑性変形が生じた後に、誘導加熱によって高
温状態となっていた箇所が、加熱停止と自然冷却とによ
って低温状態となり、各配管壁の温度差が小さくなると
、誘導加熱時に冷却水によって冷却した部分、つまり、
溶接部近傍の配Ｖ壁の外面と配管壁内面との組織に圧縮
残留応力を付与する応力改善が施される。

また、誘導加熱コイルとシャワー水用ノズルとは、外部
からの支持管の操作によって、貫通管に対して出し入れ
されるとともに、これらの位置が調整される。

ｒ実施例ｊ 第１図は、容器貫通管溶接部の残留応力改善方法を、第
３図に示した原子炉圧力容器における容器壁（下鏡部）
ｌの容器貫通管（貫通管）３及び溶接部５に適用する場
合の装置の一実施例を示している。

［残留応力改善装置の構成］ 第１図において、符号６は支持管、７は誘導加熱コイル
、８はシャワー水用ノズル、９は給電用電線、！Ｏは冷
却水供給系を示している。

前記支持管６は、容器貫通管（貫通管）３の管式３ｉの
中に環状間隙を空けて挿入されるとともに、冷却水供給
系１０と接続されて、シャワー水用ノズル８と誘導加熱
コイル７とに、第１図の矢印で示すように、冷却水を供
給するものである。

前記誘導加熱コイル７は、その内部に冷却水挿通路７１
が形成されて、その冷却本人ロアｂが支持管６１と連通
状態、また、冷却水出ロアｃが容器貫通管３と支持管６
との環状間隙に連通状態となるように設定されている。

前記シャワー水用ノズル８は、支持ｆ６の先端に取り付
けられて、その上方に誘導加熱コイル７を支持するとと
もに、そのハウジング８＆に噴出孔８ｂが多数明けられ
て、前記管式３との壁に向けて全周むらなくシャワー水
を噴出するように設定されている。

前記給電用電線９は、絶縁ケーブルとされて、管式３ａ
の外方位置において高周波電源１１に接続される。

このように構成されている残留応力改善装置によって、
容器貫通管３及び溶接部５の近傍の残留応力を改善する
工程について、第２図（Ａ）ないし第２図（Ｇ）に基づ
いて説明する。

［溶接部形成による影響の検討］ 容器貫通管３をスタブチューブ４に溶接部５によって取
り付ける場合に、溶接金属が溶融状態から凝固するとき
の熱収縮現象により、溶接部５の近傍の容器貫通管３及
びスタブチューブ４には、第２図（Ａ）に十符号で示す
ように、引っ張り残留応力が生じる。

このため、容器貫通管３は、溶接部５の近傍で半径外方
向に引っ張られて、第２図（Ｂ）に示すように、径の大
きくなった箇所が生じるので、配管壁の外面の一部に、
十符号で示す引っ張り残留応力が付与されｒ二状態とな
っているとする。

また、容器貫通管３は、小口径管とされるとともに、そ
の配管壁がスタブチューブ４と比較して薄く、熱容量が
相対的に小さくなるために、溶接部５の形成時の溶接熱
によって、配！壁の一部が必要以上に加熱された部分、
つまり、位置ｌと位置Ｃとの範囲で示す熱影響部Ｘが生
じているものと仮定する。

一方、一般論として、オーステナイト系鋼においては、
腐食因子と引っ張り残留応力とが同時に存在する場合に
、応力腐食割れ等が進行し易い傾向がある。そこで、容
器貫通管３の内外面に、水が接触しているとともに、引
っ張り残留応力が付与されている状態を改善することを
検討する。例えば、容器貫通管３の外面における位ｆｉ
ａと位置すとの間において、引っ張り残留応力が、第２
図（Ｃ）で示すように、付与されているとして、その改
善方法について、以下説明する。

［容器貫通管の閉塞Ｊ 第１図に示すように、原子炉圧力容器の下鏡部（例えば
主として低合金鋼によって構成される　）１に明けた配
管貫通用穴２を貫通している容器貫通管（例えば３０５
３０４からなる配管）３の中に、閉塞栓１２を装着して
管式３ａの中を上下に区画し、閉塞栓１２より下方の管
式３！を空気雰囲気とする。また、容器の中には冷却水
Ｗを貯留した状態として、作業員の放射線被曝線量を低
減しながら作業を行なう（以下の各作業においても同様
である　　）。

［！１！器類の挿入Ｊ 容器貫通管３における管式３＆の中に、支持管６に支持
された状態の誘導加熱コイル７とシャワー水用ノズル８
とを、溶接部５の内方位置まで挿入する。

［配管壁の誘導加熱］ 高周波電源１１から給電用電線９を介して誘導加熱コイ
ル７に給電するとともに、第２図（Ｂ）において、位置
１ないし位置すで示す部分よりも若干広い範囲の配管壁
を内側から誘導加熱し、配管壁の温度を例えば３００°
Ｃないし５００℃となるように設定するとともに、例え
ば１分ないし２０分程度の連続加熱を行なう。誘導加熱
コイル７の素線の中に、冷却水供給系１０を作動させる
ことにより、冷却水を送り込んで冷却を行なう。

そして、支持管６に冷却水を送り込むと、その一部はシ
ャワー水用ノズル８におけるハウジング８１の多数の噴
出孔８ｂから、管式３！との間の環状間隙に噴出すると
ともに、誘導加熱コイル７における冷却水挿通路７Ｊを
経由した水が冷却水出ロアｃから吐出して下方へ流れる
ことになるが、これらは、位置Ｃの下方に離間している
ので、誘導加熱範囲における配管壁内面に影響を及ぼす
ことがなく、配管壁内面は空気雰囲気で加熱される。

一方、誘導加熱時において、水に接触している配管壁外
面側は、冷却が促進されるために温度上昇が抑制される
。したがって、第２図（Ｄ）に示すように、誘導加熱範
囲の配管壁内部や内面側が高温状態となって、位ＴＩＬ
＊の近傍における配管壁内外面には、大きな温度差が生
じる。

［配管壁外面の応力改善］ 第２図（Ｄ）に示すように、配管壁の内面または中間部
分と外面との温度差が大きい場合であると、この温度差
に基づく熱膨張差が大きなものとなり、熱応力によって
塑性変形が伴うものとなる。

例えば、オーステナイト系ステンレス鋼の場合には、温
度差が２００　’Ｏ以上であると、その熱応力が降伏点
を越えて、その部分に塑性変形が伴うものとなる。

この場合の塑性変形は、高温部分が熱膨張しようとする
ときに、低温部分がこれを阻止しようとすることによっ
て生じ、高温部分には圧縮方向の塑性変形、低温部分に
は引っ張り方向の塑性変形が生じようとする現象であり
、配管壁に塑性変形を生じさせた後に、高温状態となっ
ていた箇所を、加熱停止と自然冷却とによって低温状態
に導き、配管壁の温度差を小さくすると、圧縮方向の塑
性変形を生じた部分には引っ張り残留応力、引っ張り方
向の塑性変形が生じた部分には圧縮残留応力が付与され
る。つまり、誘導加熱時において冷却水によって冷却し
た溶接部近傍の配管壁の外面には、後述するように、引
っ張り残留応力から圧縮残留応力ｌこ変換される応力改
善が施されるものである。

［配管壁内面の応力改善Ｊ 前述の第２図（Ｂ）に基づく説明では、配管壁内面の残
留応力が引っ張りであるか圧縮であるかまで言及しなか
ったが、使用状態においては、容器貫通管３の内部に水
が貯留されることになるので、配管壁外面の応力改善と
同時に配管壁内面の応力改善を実施する。

即ち、誘導加熱コイル７への給電を中止するとともに、
支持管６を先端方向に移動させて、誘導加熱コイル７を
溶接部５の近傍から外すとともに、シャワー水用ノズル
８の位置を溶接部５の近傍に配置して、冷却水供給系Ｉ
Ｏから冷却水を供給することにより、噴出孔８ｂからＶ
ヤワー水を噴出させ、高温状態となっている溶接部５の
近傍の配管壁内面を冷却水によって冷却する。

この冷却により、位置１及び位置すの近傍の配管壁の温
度は、内外面が冷却されるため、過渡的に第２図（Ｅ）
で示すようになる。１点鎖線で示す配管壁中間の温度と
、実線で示す配管壁内面の温度との差が、前述したよう
に、２００°Ｃ以上であると、その熱応力が降伏点を越
えて、その部分に塑性変形が伴うようになり、低温状態
に導くことによって、配管壁内面に圧縮残留応力を付与
することができる。

［配管壁内外面の同時処理］ このように、配管壁内外面の残留応力改善処理は、一連
の工程によって連続的に行なわれ、誘導加熱時に、第２
図（Ｄ）に示すような温度分布として、内外面の間に大
きな温度差を生じさせ、また、シャワー水によって配管
壁内面を冷却することにより、第２図（Ｅ）に示すよう
な温度分布として、配管壁内面と配管壁中間部分との間
に大きな温度差を生じさせる。このように、誘導加熱と
両面冷却とによって、配管壁に大きな温度差を生じさせ
ることにより、第２図（Ｆ）において、配管壁両面組織
の発生熱応力で代表させて、モデル曲線σ０とモデル曲
線σｉとで示すときに、これらの応力が降伏点σＳを越
えるように運用して、降伏点σＳを越えた熱応力に相当
する塑性変形を起こさせ、冷却後の状態において、第２
図（Ｇ）に、符号（−）で示すように、溶接部近傍の配
管壁の外面と配管壁内面との組織に圧縮残留応力を付与
する応力改善を施すものである。

そして、これらの応力改善処理後に、前述した支持管６
や閉塞栓１２は撤去される。

なお、以上の一実施例では、残留応力改善方法を原子炉
圧力容器の容器貫通管３に適用したものとして説明した
が、他の容器貫通管について適用することや、配管の外
周面に７ランジを溶接部によって取り付けているものに
適用することも可能である。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係る容器壁貫通配管の固
定方法とその装置は、 ■容器貫通管の中からの加熱と冷却とにより、配管壁の
加熱箇所と表面の冷却箇所との間に付与される温度差を
利用して、溶接部近傍の配管壁表面の残留応力が圧縮と
なる方向に移行させるものであり、腐食流体と接触する
表面に圧縮残留応力を付与するとともに、引っ張り残留
応力が存在する場合にこれを低減して、溶接部近傍の欠
陥の発生を防止することができる。

■容器貫通管の外面に冷却水を存在させて誘導加熱した
後、容器貫通管の中にシャワー水を噴出させることによ
り、溶接部近傍の配管壁両面の残留応力改善を同時に行
なうことができる。

■既設配管はもとより新設配管に対して、残留応力改善
対策を適用することができる。

■残留応力改善対象が原子炉圧力容器の配管である場合
において、下鏡部より上方位置の配管の回りに水を存在
させたまま、この水を冷却水として利用し、原子炉運転
開始後の容器貫通管にあっても、作業員の被曝線量を低
減しつつ容易に実施することができる。

等の優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は容器貫通管溶接部の残留応力改善装置の一実施
例を示す正断面図、第２図（Ａ）ないし第２図（Ｇ）は
本発明に係る容器貫通管溶接部の残留応力改善方法の工
程説明図、第３図は沸騰水型原子炉における下鏡部を貫
通する配管の例を示す正断面図である。 ｌ・・・・・・容器壁（下鏡部）、 ２・・・・・・配管貫通用穴、 ３・・・・・・容器貫通管（貫通管）、３ａ・・・・・
・管式、 ４・・・・・・スタブチューブ、 ５・・・・・・溶接部、 ６・・・・・・支持管、 ７・・・・・・誘導加熱コイル、 ７１・・・・・・冷却水挿通路、 ７ｂ・・・・・・冷却水入口、 ７ｃ・・・・・・冷却水出口、 ８・・・・・・シャワー水用ノズル、 ８１・・・・・・ハウジング、 ８ｈ・・・・・・噴出孔、 ９・・・・・・給電用電線、 １０・・・・・・冷却水供給系、 １１・・・・・・高周波電源、 ！２・・・・・・閉塞栓、 Ｘ・・・・・・熱影響部、 Ｗ・・・・・・冷却水。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）容器に貫通管を取り付けている溶接部の表面に冷
   却水を接触させた状態で、その付近の配管壁を内側から
   誘導加熱して降伏点を越える応力を発生させるとともに
   、前記配管壁の内面にシャワー水を噴出させて誘導加熱
   箇所と冷却箇所との温度差により、降伏点を越える応力
   を発生させることを特徴とする容器貫通管溶接部の残留
   応力改善方法。
2. （２）容器貫通管内に挿入される支持管と、該支持管の
   先端に取り付けられて溶接部近傍の配管壁を内側から加
   熱する誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルに対して支
   持管の中を挿通して接続される給電用電線と、支持管の
   先端に誘導加熱コイルと離間して取り付けられるととも
   に冷却水供給系と支持管穴を経由して接続され加熱状態
   の配管壁に冷却水を噴出するシャワー水用ノズルとを配
   設してなることを特徴とする容器貫通管溶接部の残留応
   力改善装置。