JPH07284978A - 金属材料の表面改質方法およびその装置 - Google Patents

金属材料の表面改質方法およびその装置

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JPH07284978A
JPH07284978A JP7867994A JP7867994A JPH07284978A JP H07284978 A JPH07284978 A JP H07284978A JP 7867994 A JP7867994 A JP 7867994A JP 7867994 A JP7867994 A JP 7867994A JP H07284978 A JPH07284978 A JP H07284978A
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JP
Japan
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grinding
metal material
grindstone
residual stress
grinding wheel
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JP7867994A
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English (en)
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Minoru Obata
稔 小畑
Akira Sudo
亮 須藤
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】汎用的で、作業性が良く簡易な方法で、構造物
の応力腐食割れ感受性を低減する。 【構成】鉄基またはニッケル基合金等の金属材料からな
る構造物1の表面に研削砥石6を当接し、砥石6の周速
度を300m/分以下の回転数に選択して砥石駆動装置5に
より研削加工を施す。砥石駆動装置5は走行用ガイド7
に沿って上下駆動装置4により上下動する。砥石駆動装
置5と上下駆動装置4はそれぞれ制御盤8,9で制御さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は例えば原子炉炉内構造物
溶接部に圧縮残留応力を形成して応力腐食割れを未然に
防止することができる金属材料の表面改質方法およびそ
の装置に関する。
【0002】
【従来の技術】オーステナイト系ステンレス鋼やニッケ
ル基合金などの軽水炉炉内構造物、例えばシュラウドは
高温高圧水中でしかも中性子照射という過酷な環境にさ
れされるため、腐食あるいは中性子照射による材料劣化
が懸念される。
【0003】特にシュラウドの内面を突合わせ溶接した
溶接部近傍に形成される引張残留応力が一因となって応
力腐食割れを発生する可能性が考えられる。また、従
来、原子力プラント構造物の建設時に表面仕上げの手段
として用いられてきた研削加工は表面に引張残留応力を
形成し、応力腐食割れを誘起すると考えられており、応
力腐食割れの観点からは好ましくない。
【0004】したがって、建設時に発生する引張残留応
力の低減あるいは積極的に圧縮応力に変えることによっ
て応力腐食割れ感受性を低減することは、高い信頼性を
保ちながら原子力プラントを長時間、安定に運転するう
えからも必要である。
【0005】近年、軽水炉の寿命延長、信頼性向上を目
的に炉内構造物の予防保全技術として耐応力腐食割れ性
改善のための材料表面改質技術の開発が行われてきてい
る。その一環として表面残留応力改質技術の適用が検討
されている。
【0006】また、炉内構造物に仮に割れ等の欠陥が発
生した際の補修工法として溶接が考えられ、その場合、
新たに溶接部近傍に応力腐食割れの一因となりうる引張
残留応力を発生させることになるため、何等かの方法で
表面の残留応力を改質しなければならない。
【0007】このように建設時およびある期間原子力プ
ラントを運転した後の予防保全、補修技術の一環として
炉内構造物溶接部の表面残留応力改善技術の開発が行わ
れている。その改善技術として、たとえばショットピー
ニング、ウォータジェットピーニングあるいは誘導加熱
による応力除去(IHSI)等の施工方法が検討されて
いる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の方法も装置が大型になるばかりでなく作業性が悪く、
しかも、施工方法によっては対象とする構造物が限定さ
れるため、より汎用的で作業性が良好で、簡易的な作業
方法が要求される。
【0009】一方、構造物の補修溶接に伴って溶接部に
引張残留応力が発生するため、新たな応力腐食割れが発
生する原因となる課題がある。
【0010】本発明は上記要求を満足しかつ上記課題を
解決するためにさなれたもので、汎用的でしかも作業性
が良好で、かつ簡易的な方法および装置により構造物の
表面残留応力を改善し、構造物の応力腐食割れ感受性を
低減することができる金属材料の表面改質方法およびそ
の装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は鉄基またはニッ
ケル基合金等の金属材料からなる構造物の表面に研削砥
石を当接し、その研削砥石の周速度を 300m/分以下に
選択して、研削加工を施すことを特徴とする。
【0012】また、本発明は金属材料からなる構造物の
表面に対向して設置された砥石駆動装置と、この砥石駆
動装置を上下駆動する上下駆動装置と、この上下駆動装
置をガイドする走行用ガイドと、前記上下駆動装置およ
び前記砥石駆動装置にそれぞれ設けられた制御盤とを具
備したことを特徴とする。
【0013】
【作用】本願発明者らは表面に引張残留応力を形成する
ための表面研削加工法において砥石の回転数(周速度)
と表面に形成される残留応力の関係を詳細に調べたとこ
ろ、従来の研削加工法で用いられてきた回転数(周速
度)より極端に低速度で加工することにより、材料表面
に圧縮応力が形成可能であることを明らかにした。
【0014】本発明は、以上のような実験結果をもとに
してなされたものであり、応力腐食割れの要因のひとつ
である引張残留応力を圧縮応力に変えることによって応
力腐食割れを有効に制御することにある。
【0015】図1はSUS304鋼板材表面を手動で研削加工
した際の砥石の周速度と表面に形成される残留応力の関
係を示したものである。ここで、周速度とは砥石外径と
回転数によって決まるものであり、砥石円周と単位時間
当たりの回転数の積である。表面残留応力はX線回折法
により求めた。測定はX線管球としてMn−Kα線(加
速電圧20kw)を用い、オーステナイト相( 311)面を回
折面として2θsin2 ψ法により、残留応力値を決定
した。
【0016】試験体の研削加工前の表面残留応力は約10
0MPa程度の引張応力であり、そのような試験体に対して
砥石の回転数を変えて研削加工を行い、周速度と表面に
形成される残留応力の関係を調べた。砥石の送り速度 1
80mm/分、1回送り当りの切り込み深さ0.01mmで同一方
向に1回の研削加工を行った。
【0017】従来の研削加工の砥石周速度は 1000m/分
程度であり、この条件で研削加工した場合は表面にはか
なり大きい( 4000MPa以上)引張残留応力が形成され
る。
【0018】これに対して、従来の研削加工の砥石周速
度よりかなり低速で研削加工した場合は圧縮残留応力が
形成される。周速度がおよそ300m/分以下であれば表面
には圧縮残留応力が形成されることがわかる。
【0019】図2にインコネル 600板材に対して同様な
評価を行った結果を示す。SUS304鋼板材の場合と同様な
結果が得られており、周速度が300m/分以下であれば研
削加工により圧縮残留応力が形成できることが明らかに
なった。
【0020】このような研削加工を行うためには周速度
を300m/分以下の任意の速度で施工可能な砥石回転数の
制御装置を有する研削装置を使用する。砥石は上記条件
を満たしていれば、材質,砥石粒度によらずいずれの砥
石でもよい。
【0021】上記条件の研削加工では研削効率が低いた
め、あらかじめ高速の回転数で加工し、表面を平滑にし
た後、最終仕上げとして用いてもよい。施工の均一性を
上げるため、同一部位を2回以上施工することにより応
力分布を均一化できる効果がある。
【0022】
【実施例】本実施例に係る金蔵材料の表面改質方法の実
施例を以下の実施例1から3に、同じくその装置の実施
例を実施例4に記して説明する◎ (実施例1)板厚38mm,1m ×0.5mの大きさのSUS304板
材を2枚を拘束状態で突き合わせ溶接を行って溶接部を
有する試験体を作製した。この試験体は原子炉シュラウ
ドを模擬したもので、縦に溶接線を有している。
【0023】この試験体の溶接線に直交方向の残留応力
分布を測定した。その結果を図3に示す。この試験体の
表面を直径 150mmの粒度番号 120の窒化ボロン製砥石付
き手動装置を用いて、回転数100rpm(周速度:47m/
分)で同一部位を2回研削加工を行った後の残留応力分
布を図3に示す。
【0024】図3から明らかなように溶接施工後には、
溶接線近傍に500MPa程度の引張残留応力が存在するが、
低速の研削加工後の表面改質後には、初期の応力分布に
依存せず、ほぼ均一な−500MPa程度の圧縮残留応力が形
成されていることが認められた。
【0025】(実施例2)60×60×6t(mm)のSUS304製
試験片の両端を固定し、中央部に入熱量16kJ/cmで溶接
ビード(溶加材なし)を形成して小型の試験体を作製し
た。この試験体表面を直径 150mm、粒度番号 120番の窒
化ボロン製砥石付き手動装置を用いて回転数200rpm(周
速度94m/分)で同一面を2回研削加工を行った。
【0026】溶接直後の溶接線に直行方向に測定した表
面残留応力分布および低速研削加工後(表面改質後)の
残留応力分布を図4に示す。溶接直後には溶接ビードの
近傍に 200〜300MPaの引張残留応力が存在するが、研削
加工後(表面改質後)は初期の残留応力分布によらず−
400 〜450MPaの圧縮応力が形成されている。
【0027】次に実施例2において作製した低速で研削
加工後の試験体および研削加工前の試験体を沸騰42%M
g Cl2 溶液に48時間浸漬の応力腐食割れ試験を行っ
た。研削加工前の試験体には溶接ビード近傍に溶接線に
直行方向に微細な応力腐食割れが発生していた。これに
対して研削加工後の試験体にはまったく割れが観察され
ずSUS304の応力腐食割れ対策として有効であることを確
認した。
【0028】(実施例3)60×60×5t(mm)のインコネ
ル 600製試験片の両端を固定し、中央部に入熱量16kJ/
cmで溶接ビード(溶加材なし)を形成した小型溶接試験
体を作製した。この溶接試験体の表面を直径 150mm、粒
度番号 120番の窒化ボロン製砥石付き手動装置を用いて
回転数150rpm(周速度70m/分)で、かつ同一面を3回
同様な条件で研削加工を施した。
【0029】溶接施工後の溶接線に直行方向に測定した
表面残留応力分布および低速で研削加工後(表面改質
後)の残留応力分布を図5に示す。溶接施工後には溶接
ビードの近傍に 250〜350MPaの引張残留応力が存在する
が、研削加工後(表面改質後)は初期の残留応力分布に
よらず−400 〜−550MPaの圧縮応力が形成されているこ
とが認められた。
【0030】次に実施例3で作製した低速研削加工後の
試験体および研削加工前の試験体を沸騰42%Mg Cl2
溶液に48時間浸漬の応力腐食割れ試験を行った。研削加
工前の試験体には溶接ビード近傍に溶接線に直行方向に
微細な応力腐食割れが発生した。これに対して低速研削
加工後の試験体にはまったく割れが観察されずインコネ
ル 600の応力腐食割れ対策として有効であることを確認
した。
【0031】(実施例4)図4は本発明に係る金属材料
の表面改質装置の一実施例を概略的に示したものであ
る。図4中符号1は軽水炉炉内構造物として原子炉圧力
容器内に設置されているシュラウドで、このシュラウド
1は上部格子板2と炉心支持板3とを保持し、燃料集合
体(図示せず)、全体を包んで炉心を形成するもので、
オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金か
ら構成されている。
【0032】シュラウド1の内には上下駆動装置4で駆
動する砥石駆動装置5が設けられ、砥石駆動装置5に
は、シュラウド1の内面縦溶接部に当接する砥石6が回
転自在に取り付けられている。上下駆動装置4は走行用
ガイド7に沿って上下動に走行する。上下駆動装置4は
上下駆動装置用制御盤8に接続し、砥石駆動装置5は砥
石駆動制御盤9に接続している。
【0033】この実施例4によれば300m/分で周速度
で、かつ任意の送り速度で走行用ガイド7に沿って砥石
が移動し、予防保全対策としてシュラウド1の内面の溶
接部の残留応力を改質することができる。
【0034】シュラウド1の溶接部には建設時にすでに
引張残留応力が形成されており、潜在的な応力腐食割れ
発生の可能性がある。これら溶接部の最終仕上げとして
砥石6を使用し、周速度300m/分以下の条件で研削加工
を施す。
【0035】これにより圧縮残留応力を形成し、応力腐
食割れの発生を未然に防止することができる。しかし
て、この実施例4を炉内構造物溶接部に適用することに
より原子力プラントの信頼性向上、寿命延長を達成でき
る。
【0036】なお、構造物に割れ等の欠陥が発見された
場合、欠陥部の補修溶接が考えられるが、補修溶接に伴
って溶接部に引張残留応力が発生するため、新たな応力
腐食割れ発生の起点になる可能性がある。そのような意
味で補修溶接部に上記実施例を適用して応力改善を行う
ことにより信頼性の高い補修溶接施工を行うことができ
る。
【0037】また、予防保全、補修技術として実際の原
子力プラントに適用する場合には遠隔自動施工する必要
がある。そのためには砥石の回転数(周速度)の制御装
置以外に砥石を任意の速度で駆動できる駆動機構を設け
ることによって、より汎用的で作業性が良く簡易な装置
を提供できる。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、従来のショットピーニ
ング、ウォータジェットピーニング、誘導加熱による応
力除去などの表面改質方法と比較して、比較的簡単な装
置により作業性が良好で、しかも汎用性が高く、構造物
の応力腐食割れ感受性を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の作用を説明するためのSUS304鋼の表面
に形成される残留応力値と砥石周速度との関係を示す曲
線図。
【図2】図1と同じく、インコネル 600材の表面に形成
される残留応力値と砥石周速度との関係を示す曲線図。
【図3】溶接模擬試験体に対する本発明の実施例1によ
る研削加工前後の残留応力分布を示す分布図。
【図4】小型溶接試験体(SUS304)に対する本発明の実施
例2による研削加工前後の残留応力分布を示す分布図。
【図5】小型溶接試験体(インコネル600 )に対する本
発明の実施例3による研削加工前後の残留応力分布を示
す分布図。
【図6】本発明に係る金属材料の表面改質装置の一実施
例を概略的に一部ブロックで示す立面図。
【符号の説明】
1…シュラウド、2…上部格子板、3…炉心支持板、4
…上下駆動装置、5…砥石駆動装置、6…砥石、7…走
行用ガイド、8…上下駆動装置制御盤、9…砥石駆動装
置制御盤。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鉄基またはニッケル基合金等の金属材料
    からなる構造物の表面に研削砥石を当接し、その研削砥
    石の周速度を 300m/分以下に選択して、研削加工を施
    すことを特徴とする金属材料の表面改質方法。
  2. 【請求項2】 前記構造物の同一部位に前記研削加工を
    少なくとも2回施すことを特徴とする請求項1記載の金
    属材料の表面改質方法。
  3. 【請求項3】 前記構造物は軽水炉炉内構造物でオース
    テナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金の補修溶
    接部を含むことを特徴とする請求項1記載の金属材料の
    表面改質方法。
  4. 【請求項4】 金属材料からなる構造物の表面に対向し
    て設置された砥石駆動装置と、この砥石駆動装置を上下
    駆動する上下駆動装置と、この上下駆動装置をガイドす
    る走行用ガイドと、前記上下駆動装置および前記砥石駆
    動装置にそれぞれ設けられた制御盤とを具備したことを
    特徴とする金属材料の表面改質装置。
  5. 【請求項5】 前記構造物は軽水炉用炉内シュラウド
    で、補修溶接部を含むことを特徴とする請求項4記載の
    金属材料の表面改質装置。
JP7867994A 1994-04-18 1994-04-18 金属材料の表面改質方法およびその装置 Pending JPH07284978A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004130314A (ja) * 2002-10-08 2004-04-30 Toshiba Corp 応力腐食割れ発生抑制方法
JP2010000543A (ja) * 2009-10-02 2010-01-07 Toshiba Corp 応力腐食割れ発生抑制方法
KR101140930B1 (ko) * 2010-03-29 2012-05-15 현대제철 주식회사 용접부 결함부위 제거를 위한 수평 자세형 연삭 장치

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