JPH04127993A - 容器貫通管取り付け溶接部の応力改善方法 - 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、容器貫通管取り付け溶接部の応力改善方法に
関するものである。

「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、火力発電ブラット等には、容器を貫通し
た状態の配管、つまり、容器貫通管か使用される。

例えば、第７図に示すように、沸騰水型原子炉における
原子炉圧力容器には、その容器壁（容器下鏡部）ｌに明
けた配管貫通用穴２を経由して容器貫通管（配管）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、容器壁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における上端面と容器貫通管
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
、容器貫通管３は、例えば原子炉の状態を検出するため
の各種センサの信号伝達等を行なっている。

このような容器貫通管３は、機械的強度の優れた容器壁
１及びスタブチューブ４に取り付けられているために、
容器貫通管３の伸縮や曲げによる変形力の影響が、配管
壁や溶接部５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の形成時に溶融状態の溶接金属が凝固収
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て溶接部５の近傍に引っ
張り残留応力が付与される現象や、容器貫通管３の熱容
量がその近傍の容器壁１やスタブチューブ４の熱容量と
比較して小さいたぬに、溶接部５の形成時の溶接熱によ
って、容器貫通管３の管壁の一部が加熱されて管壁組織
が鋭敏化する現象を生じ易い。

したがって、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検査することが望ましい。

従来、溶接部５の近傍に位置する容器貫通管３の管壁に
欠陥部の発生が認められる場合や、欠陥部発生の可能性
の高い場合は、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。

この場合にあって、例えば、溶接部５を解体することな
く、容器貫通管３の内部から欠陥部の補修を実施し得る
と好都合であるが、その技術は未だ確立されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、容
器貫通管を取り付けている外側の溶接部を解体すること
なく、溶接部近傍の外表面の残留応力を圧縮方向に移行
させる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」 配管貫通用穴を有する支持構造体の端面と、配管貫通用
穴に挿入された容器貫通管の表面との間に形成されてい
る溶接部近傍における容器貫通管表面の残留応力を改善
する方法であって、容器貫通管外表面に冷却水を接触さ
せた状態で溶接部の内側に位置する容器貫通管内面にク
ラッド溶接を施す工程と、該クラッド溶接部分の冷却に
より容器貫通管内面に熱収縮を生じさせ溶接部近傍にお
ける容器貫通管外表面の残留応力を圧縮方向に移行させ
る工程とを有する容器貫通管取り付け溶接部の応力改善
方法としている。

「作用　」 容器貫通管に欠陥部の発生が認められる場合や、欠陥部
の発生が懸念される場合に、容器貫通管外表面に冷却水
を接触させた状態で、容器貫通管内面にクラッド溶接を
施すと、クラッド溶接部分は加熱によって温度上昇する
が、容器貫通管外表面は冷却水に接して温度上昇が抑制
される。

このため、容器貫通管の加熱部分範囲の熱膨張が抑制さ
れて、内面に圧縮応力及び外面に引っ張り応力が発生し
て、その一部が降伏点を越えた応力となり、クラッド溶
接部分が冷却されて容器貫通管の内外の温度差が無くな
ると、溶接部近傍の容器貫通管外表面の残留応力が圧縮
方向に移行させられ、この部分の残留応力が改善される
。

「実施例」 第１図は、本発明に係る容器貫通管取り付け溶接部の応
力改善方法を、第７図に示した原子炉圧力容器における
容器！！１の容器貫通管３に適用した一実施例を示すも
のである。

［補修前の容器貫通管の状態］ 容器貫通管３を取り付ける際の溶接部５の形成時に、溶
融状態の溶接金属が収縮することによりて、前述したよ
うに、相対的に機械的強度の低い容器貫通管３の管壁の
一部が溶接金属の収縮方向に引っ張られることに基づい
て、その近傍の管壁に引っ張り残留応力が付与される部
分や、第１図に斜めの破線で示すように、溶接熱によっ
て容器貫通管３の管壁℃一部が鋭敏化した状態の熱影響
部Ｘが残され、そして、引っ張り残留応力、熱影響部Ｘ
、腐食流体である水の存在の諸因子が重畳して、溶接部
５のトウ部５ａの近接位置における容器貫通管３の外表
面に、微小な欠陥部Ｙの発生が認められる（または欠陥
部発生が懸念される）ものとする。

［容器貫通管の閉塞］ 第１図に示すように、容器壁（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５ＵＳ３０４からなる配管
）３の管式３ａにおける上方位置、第１図において溶接
部５の位置よりも上方に離間した位置に、閉塞栓６を装
着して上下に区画する。この場合、容器貫通管３の回り
に水を存在させた状態とするとともに、閉塞栓６の装着
後はその下部空間を気体雰囲気状態とする。

［クラッド溶接］ 配管貫通用穴２が形成されている容器壁やスタブチュー
ブ等の剛性の高い支持構造体４の端面と配管貫通用穴２
に挿入された容器貫通管３の外表面との間に溶接部５が
形成されているとき、容器貫通管３の内面でかつ溶接部
５の管軸方向の長さよりも広い範囲に、第１図に示すよ
うに、例えばＹＡＧレーザ及び耐食性金属材を使用して
、比較的小人熱量によるクラッド溶接を施し、クラッド
層７を形成する。この場合の耐食性金属材としては、例
えば３０Ｃｒ−３ＯＮｉ−２，５Ｍａｉｌｉｌが挙げら
れる。

［クラッド溶接部の冷却コ 該クラッド層７は、その後の自然冷却によって常温状態
に戻り、この冷却に基づいて、後述するように容器貫通
管３の内面に熱収縮を生じさせて、溶接部５の近傍にお
ける容器貫通管３の外表面に付与される残留応力を圧縮
方向に移行させるものとなり、そして、クラッド層７で
覆われることによって、その範囲にクラツド材に基づく
耐食性が付与される。

以下、クラッド溶接による応力改善方法の詳細について
説明する。

［加熱による温度分布］ クラッド溶接にともなって容器貫通管３の管壁に付与さ
れる温度分布は、容器貫通管３の外表面が気体雰囲気で
あるか冷却水Ｗに接触している雰囲気であるか、そして
、クラッド溶接による入熱量が大きいか否かによって左
右される。

く気体冷却及び大入熱量の条件〉 容器貫通管３の内外面が気体雰囲気で入熱量が大きい場
合には、内外面の冷却が抑制されることにより、クラッ
ド溶接時の熱によって管壁全体が加熱されるため、管壁
部分が高温となりかつ内外面の温度差が小さくなる。ま
た、クラッド溶接後に加熱箇所が常温に戻る過程におい
て、入熱量が大きくクラッド層７が厚い場合であると、
第５図の鎖線から実線で示すように、クラッド溶接金属
の収縮力によって、強度の高い支持構造体４及び溶接部
５の部分の変形が小さなるために、容器貫通管３の管壁
に変形が集中する。したがって、溶接部５におけるトウ
部５ａに引っ張り残留応力が新たに付与され、欠陥部Ｙ
が存在する場合には、これをさらに成長させるものとな
る。

く冷却水冷却及び大入熱量の条件〉 容器貫通管３の外表面が冷却水Ｗに接触した状態で入熱
量が大きい場合は、クラッド溶接時に加熱されることに
よって、第３図に鎖線で示すように、内面及び管壁の温
度が高く外面の温度が低くなる現象が生じるものの、管
壁全体の平均温度は比較的高くなる。このため、加熱箇
所が常温に戻った場合には、クラッド溶接金属の収縮に
ともなって、第６図の鎖線から実線で示すように、容器
貫通管３が全体的に比較的緩やかに変形する。したがっ
て、溶接部５におけるトウ部５ａには、緩やかな変形に
ともなって圧縮残留応力が付与される可能性がある。

この場合において、加熱箇所における容器貫通管３の外
面の冷却程変が膜沸騰状態には至らないとしても、概略
１５０℃まで上昇していると仮定し、外面が１０５０℃
まで加熱されているとすると、管壁の平均温度Ｔａは、 Ｔ　ａ　＝　（１０５０＋　１５０）／　２　＝　６０
０℃となる。

管壁の平均温度が高くなり、かつ、クラッド層７の冷却
にともなう管壁の収縮を機械的強度の高い支持構造体４
が妨げることによって、容器貫通管３の外表面には、第
５図飼の場合と同様に管軸方向に引っ張り応力が発生ず
−る可能性があり、方、第６図に実線で示す変形によっ
て、前述したように圧縮残留応力が付与される可能性が
ある。

引っ張り応力発生効果（σｔ／Ｅ）と、圧縮応力発生効
果（σｅ／Ｅ）とに分けて検討すると、引っ張り応力発
生効果（σｔ／Ｅ）は、概略下記の通りとなる。

ｃｒｔ　、’Ｅ＝ｔ、ｇｔａ−ａ　・Ｔａ　＝０．０１
８３　　（ｉ　）ただし、 α：線膨張係数・・・・・・１．６８Ｘ　ｔｏ−’Ｅ；
ヤング率 である。

一方、管壁厚さ方向の温度差で圧縮応力を生じさせると
きの応力発生効果（σｃ／Ｅ）は、概略下記の通りとな
る。

ただし、 ΔＴ、管壁内外面の温度差（”Ｃ） ポアソン比・・・・・０３ （ｉ）（ｉｉ）より、 σｔ／Ｅ＞　　σｃ／Ｅ　　　　　　　　（山）となり
、冷却水によって容器貫通管３の外表面を冷却しても大
入熱量である場合には、圧縮応力を付与する効果の方が
少なく、結果的に引っ張り応力が付与される。

く冷却水冷却及び小人熱量の条件〉 容器貫通管３の外面が冷却水Ｗに接触した状態で入熱量
が小さい場合は、第３図に実線で示すように、容器貫通
管３の内面近傍の温度が高く、管壁中央部の温度上昇が
小さくなり、かつ、冷却水Ｗに接触している外表面の温
度が低くなるため、管壁全体の平均温度が比較的低い値
（例えば２００℃以下）に設定される。

また、水温５０℃、入−量１１ノユール／ｃｍ。

容器貫通管３の外径５０ｍｍ、管壁厚さ６ｍｍの条件で
あるときの管壁の温度分布は、第４図に示すように、ク
ラッド層７に近接した部分のみが高くなり、冷却水Ｗと
接触している外表面及びその近傍管壁が低くなる。

したがって、管壁内の平均温度は、内外面の単なる平均
よりも低くなり、例えば２００℃程度に設定することが
できる。この条件下での先のノくラメータ（ｉ）（ｉｉ
）を計算すると、 ｃｒｔ　／Ｅ＝１．８１６−　ａ　−Ｔａ　＝０．００
６１　　（ｉｖ）α　・　Δ　Ｔ ＝ｏ、ｏｕ　　　（ｖ） “０／”””　　２（１−ν） となり、（ｉｖ）（ｖ）より、 σｔ／　Ｅ　　＜　　ｔｙ　ｃ／　Ｅ　　　　　　　（
ｖｉ　）の関係が生じて、トウ部５ａ及びその近傍にお
ける容器貫通管３の外表面に付与される残留応力を、圧
縮方向に移行させるものとなる。

実験結果によれば、上述の条件下において改善処理を実
施した場合、第２図に示すように、処理前に破線の応力
分布をなすものが、処理後においては実線の応力分布と
となり、トウ１ｉ（５ａ及びその近傍における容器貫通
管３の外表面に付与される残留応力を、圧縮方向に移行
させる効果が顕著に現れることが判明した。

なお、第４図に示すように、外面近傍が主として加熱さ
れている状態であると、管壁の平均温度Ｔａは、入熱量
に比例するので約２倍の４００℃になったときに、ｖｉ
式の左右辺が等しくなる。これらの条件を加味すると、
入熱量は２２ジュール／−以下であることが好ましい。

また、入熱は、正味入熱であって、実際に容器貫通管３
に吸収されたものを意味し、反射等によって逃げるもの
を含まない。

そして、以上の一実施例の説明では、容器壁１が飼えば
原子炉圧力容器の下鏡部の部分であり、その容器貫通管
３への適用について述べたが、配管の外周面にフランジ
を溶接部によって取り付けているもの、支持構造体４が
容器壁自身であるものに適用することや、容器貫通管３
が５ＵＳ３０４材以外の鋼管等である場合に適用可能で
あることは勿論である。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係る容器貫通官取り付け
溶接部の応力改善方法によれば、（イ）容器貫通管外表
面に冷却水を接触させた状態で、溶接部の内側に位置す
る容器貫通管内面にクラッド溶接を施すことによって管
壁の内外に温度差を付与し、クラッド溶接部分の冷却に
ともなって容器貫通管内面に熱収縮を生じさせることに
より、溶接部近傍における容器貫通管外表面の残留応力
を圧縮方向に移行させるものであるから、溶接部のトウ
部近傍に微少な欠陥部の発生が認められる場合やその懸
念がある場合において、容器貫通管の外表面の残留応力
を積極的に圧縮方向に移行させて、欠陥部の発生防止と
欠陥部の成長阻止とを行なうことができる。

（ロ）　クラッド溶接を容器貫通管の内部で行なうもの
であるから、溶接部を解体する必要がなく、容器貫通管
の回りの取り付け状態に影響されることなく、溶接部の
残留応力改善を実施することができる。

（ハ）　クラッド溶接によって形成したクラッド層が容
器貫通管の内面を覆うため、クラッド層による耐食性の
向上及び容器貫通管内面の欠陥の閉塞を行なうことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る容器貫通管取り付け溶接部の応力
改善方法を原子炉圧力容器の下鏡部の容器貫通管に適用
した一実施例を示す一部の記載を省略した正断面図、第
２図は第１図例の容器貫通管における改善前及び改善後
の残留応力の分布図、第３図は第１図例に準じる処理に
よって管壁に付与される温度分布図、第４図は第１図例
の改善処理によって管壁に付与される温度分布図、第５
図は気体雰囲気及び大入熱加鳩による第１図例と比較す
るための温度分布図、第６図は冷却水雰囲気及び大入執
加鵡による第１図例と比較するための温度分布図、第７
図は沸騰水型原子炉における容器下鏡部を貫通する配管
の例を示す正断面図である。 容器壁（容器下鏡部）、 配管貫通用穴、 容器貫通管（配管）、 管式、 スタブチューブ（支持構造体 溶接部、 トウ部、 ・・閉塞栓、 ・・クラッド層、 ・冷却水、 ・・熱影響部、 ・欠陥部。 １　・　　・ ２　・ ３　　　・ ａ ４　　・ ５　　　・ ５ａ　・ ６　・ Ｗ　・・ Ｘ　・・ ）、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 配管貫通用穴を有する支持構造体の端面と、配管貫通用
   穴に挿入された容器貫通管の表面との間に形成されてい
   る溶接部近傍における容器貫通管表面の残留応力を改善
   する方法であって、容器貫通管外表面に冷却水を接触さ
   せた状態で溶接部の内側に位置する容器貫通管内面にク
   ラッド溶接を施す工程と、該クラッド溶接部分の冷却に
   より容器貫通管内面に熱収縮を生じさせ溶接部近傍にお
   ける容器貫通管外表面の残留応力を圧縮方向に移行させ
   る工程とを有する容器貫通管取り付け溶接部の応力改善
   方法。