JPS61194116A - 鋼製円筒の熱処理方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、配管などに用いられる鋼製円筒の熱処理に係
り、特に、溶接部に発生した引張応力を消失せしめて残
留圧縮応力を生せしめるに好適な鋼製円筒の熱処理方法
に関するものである。

［発明の背景］ 一般に配管構造物について、管同志または管と機器との
接続は溶接により行なわれることが多い。

その溶接接続部には材料の降伏点程度の引張残留応力が
残留している。原子力発電プラントに使われている５Ｕ
Ｓ３０４鋼等のステンレス鋼管では溶接熱サイクルによ
る材質劣化、高温純水及び高引張残留応力の王者の重畳
によって応力腐食割れが生じ、かつて、プラント停止に
至るトラブルを招いた実例が有る。この応力腐食割れは
上記の三因子の重畳から一つの因子を解消することによ
って防止できることが知られている。

こうした観点から、溶接された鋼管の残留引張応力を軽
減、除去する技術として、特公昭５３−３８２４６が公
知である。

上に掲げた公知例の発明は、溶接によって管内面に生じ
た高い引張残留応力を軽減し、逆に圧縮の残留応力に反
転することによって応力腐食割れを防止しようとする高
周波誘導加熱処理法に関するものである。これは、管内
面をプラントの水を用いて冷却しながら管外面に設けた
高周波誘導加熱コイルで管外表面層を加熱して生ずる管
の肉厚方向の温度勾配（内外面温差にて２５０〜３００
℃程度）により管の内面を引張降伏させ、しかる後に、
管内面の冷却を継続しつつ管外面の加熱を停止し、鎖管
の肉厚方向の温度勾配が消失して完全に冷却した状態で
は管内面に圧縮応力を残留させるものである。

上記公知の発明は、第９図に示すように、溶接部１によ
って連設された管２，２′内を冷却剤の流れ矢印３にて
冷却するとともに、高周波誘導トランス（以下、トラン
スと略記する）５に接続された高周波誘導加熱コイル（
以下、加熱コイルと略記する）４によって溶接部１の近
傍の管２゜２′の外表面を加熱するものである。これに
よって内表面に引張降伏を生じ、引張残留応力が解放さ
れる。

上記の公知発明による熱処理を施した溶接管の残留応力
を第１０図に示す。

本第１０図は縦軸に応力値ｋｇ　ｆ　／　ｔｒｙｓ”　
をとり、引張を＋、圧縮を−で表わしである。

横軸は溶接部からの距離を示し、図の上端に示した横軸
方向の単位畏さ３ｆ１７のＲは管外径。

ｔは肉厚である。

上記公知発明の効果は管内面の冷却能率によって左右さ
れ、管内冷却剤の流速によって変化する。

本第１０図において・印は冷却剤流速０．７ｍ／秒の場
合、◇印は同じ＜０．１ｍ／秒のときの実測値である。

破線は周方向の応力の分布、実線は軸方向の応力の分布
を示す。

この図表から理解できるように、前記公知の発明によれ
ば、管内面を充分に冷却できる場合には優れた効果を発
揮するが、管内面を充分に冷却できないときは充分な効
果を期待し難い、こうした短所は９例えば管が２重管で
ある場合や、管内面の熱伝導を防げるような部材が取り
付けられている場合に技術的問題となる。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、前述の公
知の発明を改良して、これに新規な工程を追加し、管内
面を充分に冷却することができない（即ち、管内、外面
の温度差が小さい）場合においても、溶接部周辺におけ
る管内面の引張応力を解消し得る熱処理方法を提供しよ
うとするものである。

〔発明の概要〕

次に、本発明の基本的な原理について説明する。

前述の第１０図に表わされているように、管内面の冷却
が不充分な場合でも、管の周方向応力（破線）は前記の
公知発明によって圧縮応力に変えることができるが、冷
却不充分のときは軸方向の引張応力が除去できない。

このため、本発明の方法は前記の公知発明を併用して、
該公知発明の熱処理工程の後、若しくは前に、溶接部の
熱膨脹変形を拘束した状態で、その左右に（軸方向に）
隣接している部分の管を。

高周波誘導加熱で加熱して膨脹変形させるものである。

このため、相対的には溶接部のみが俵絞りにかけられた
状態となり局部曲げ作用が生ずることになる。この局部
変形のために管内面の溶接部には軸方向引張応力が生ず
るので、この処理終了後には軸方向残留応力が改善され
ることになる。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の１実施例について、添付の図面を参照し
つつ説明する。

本実施例においては、第１ステツプとして前記公知例の
発明に係る熱処理を施し、然る後に第２ステツプとして
本発明に係る新規な熱処理を施す。

ただし、本発明を実施する際、前記第１．第２のステッ
プを置き替えることもできる。

先ず、第１のステップ（公知発明の熱処理ステップ）を
第９図に示すごとく施す、即ち、溶接継手１で接続され
た管２及び２′の内面を冷却剤３で冷しながら溶接部１
を覆って管２，２′の外面に設けた高周波誘導加熱コイ
ル４（以下、加熱コイル）で急速加熱を行なう、上記の
加熱コイル４は高周波加熱用トランス５に、該トランス
５は高周波加熱温度６にそれぞれ接続されている。この
構成において、まず冷却剤３を流しながら加熱コイル４
にトランス５、電源６を用いて高周波電流を通電すると
溶接部１を含む管２，２′の加熱コイル４でカバーされ
ている外表面層に高周波電流が誘導される。この誘導電
流のためにジュール熱が発生する。高周波電流の表皮効
果により内面側よりも外面側の発熱が大であるが熱伝導
により温度分布の均一化が起る。しかし、内面の冷却は
加熱中も継続しているために外面で高温、内面で低温に
なる内外面温度差がつけられる。所望の温度差が得られ
るまで加熱し、冷却剤３の冷却は継続したままで加熱コ
イル４への通電を停止する０本発明での必要温度差ΔＴ
はΔＴ＝１５０℃程度である。管内冷却剤流速が０．１
ｍ／秒のとき。

ΔＴ＝１７０℃程度である。この作業条件によって第１
ステツプ（前記公知発明）の熱処理を施し゛　た後、管
の残留応力は第１０図に◇印で表したような分布カーブ
となる。即ち、周方向の残留応力は既に圧縮方向に改善
されているので、軸方向の引張応力を解消せしめれば足
りる状態になっている。

次に、第２ステツプの熱処理を施す。（第１図参照） 管２，２′の溶接部１近傍を覆う冷却チャンバ８．８′
を設ける。この双方の冷却チャンバ８゜８′は複数の連
結管７，７′によって接続しである。

また、これらの冷却チャンバ８．８′は、管２゜２′を
抱持して気密に取り付け、取り外しできるようにそれぞ
れ半割構造になっていて、締結バンド１３．１３’で締
め付は装着しである。１２゜１２′はパツキンである。

上記の冷却チャンバ８，８′内に冷却剤９を満たし、循
環ポンプ１０と循環装置１１とにより矢印Ａ、Ａ’の如
く循環流動せしめる。この場合、ドレン弁１４は閉じ、
供給弁１５は開いておく。

管２の外面に設けた温度センサ１６と供給管１７に設け
た流量センサ１８及び冷却制御盤２０によって管２が所
望の温度になるまで冷却する。所望の温度に到達した時
点で溶接部１の外表面に管の半径方向の膨脹変形を拘束
する常温状態の拘束具２１を取付ける。この拘束具２１
も、管２，２′への着脱が容易なように分割構造になっ
ており、締結具２２で固定される。冷却した状態（室温
よりも低温）で拘束具２１を取り付けた後、冷却チャン
バ８，８′を取り外して冷却を停止すると、管２，２′
は室温まで昇温し、これに伴って熱膨脹しようとして、
拘束具２１で締めつけられる。

次に、第２図のように拘束具２１の面側に分割型の高周
波加熱コイル２３．２３’　を取りつける。

該加熱コイル２３と同２３′とは渡り線２４で接続導通
され、加熱コイル２３と同２３′で閉ループを構成して
トランス５に接続されている。この構成で高周波加熱を
行なうと拘束具２１の両側が熱膨脹するために俵絞り変
形が起る。

第３図はこの変形によって生ずる管内面の軸方向の応力
分布（負荷応力分布と表示）曲線■と。

この処理終了後に拘束具２１を取外した後で残っている
残留応力分布曲線＠とを示す。

この図表（第３図）は、上記実施例における熱処理を模
式化して示したものであって、図表の縦軸は管の軸方向
応力σ、の降伏応力σ、に対する比を示している。また
、図表の横軸は拘束具中心からの管軸方向の距離Ｚとβ
との積を表わしている。ただし であり、上式におけるり、ｔは第４図に示すごとくであ
る。Ｐは拘束圧力を表わしている。νはポアソン比であ
って、鋼では約０．３である。

拘束具２１によって俵絞り荷重Ｐを受けるところでは引
張応力が発生するが、Ｚ≧（１，１〜１．３）／βでは
圧縮応力が発生する。ここの圧縮応力σ１０．が降伏点
を越えると、ここで圧縮降伏を起して処理終了後に引張
り残留応力が生ずることになる。従って、最大でもここ
のσ１０．は降伏応力程度にするのがよい、すなわち、
第３図の如くにσ８１．／σ１＝−１にすると拘束具２
１の内面ではｌｌ２Ｚ、中２／βにわたって引張降伏を
起す、応力分布のパターンとしては曲げ応力であるから
管表面では圧縮降伏が生ずることになる。拘束具を取外
してカーブ■の負荷応力分布が消失すると破線のような
圧縮残留応力＠が得られる。

なお、この残留応力にバランスする引張残留応力が管外
表面に発生して釣り合うことになる。

第５図はσａｓｍＰ／σ、＝−０．５となるようにした
場合であって、この場合は２Ｚ、中１．４／βとなり、
前述の第３図の場合よりも若干狭まくなる。このＺｌを
軸方向応力改善幅として管の呼径を横軸に、縦軸にＺｍ
／ｌをとって示すと第６図の如くになる。

上記のしは第４図に示した管肉厚寸法である。

ＢＷＲ発電プラントの一次系には５ｃｈ８０や５ｃｈｌ
ｏｏのステンレス鋼がよく使用されるが。

この場合、σ１．．／σ、、−ニー０．５〜−１．０と
すれば平均的にみて２Ｚ、さく３〜４）×（管肉厚）が
応力改善範囲となる。σ１１．／σ、＝−１となる温度
範囲は拘束具が膨脹変形を完全に拘束するとすれば、冷
却時と加熱時の温度差は２００℃程度でよい。実際には
完全拘束は難かしく、拘束具も俵絞りと同程度変形する
ような剛性を有する部材とすれば温度差が約４００℃と
なる。

上記のような拘束具を用いると、第１図に示した工程に
おいて一１００℃で拘束具２１を取り付けた場合、第２
図の工程において必要な加熱温度は３００℃程度で足り
、比較的低温の加熱で所期の効果が得られる。これは、
管２，２′を冷却した状態で拘束具２１を取り付けたこ
とに派生して得られた効果である。

第７図は前記（第２図）と異なる実施例の説明図である
。

前例（第２図）においては溶接部１の拘束を拘束具２１
によって機械的に締め付けたのに比し。

本例（第７図）においては冷却チャンバ２５によって腋
部の外周を冷却し、熱収縮によって拘束力を与える。本
例は溶接部１の外周面にパツキン１２を介して設けた拘
束用の外面冷却チャンバ２５内に外面冷却剤９を循環ポ
ンプ１０で送入して冷却しながら冷却チャンバ２５の両
側に設けた分割型コイル２３．２３’で加熱を行なうこ
とによって俵絞り変形を与えるようにしたものである。

この外面冷却チャンバ２５も第１図の冷却チャンバー８
，８′と同様に管２，２′に直接的に冷却剤が接触して
冷却効果を高めるようにしである。

第８図は更に異なる実施例を示す。本例においては前例
における分割型コイル２３．２３’　を完全に分離して
、それぞれ別個独立に加熱制御を行なう、このため加熱
用のトランス、電源もそれぞれ５’　、６’及び５　Ｉ
Ｎ　、　６　′Ｉ＋と独立にしである。

これの特徴は管２と２′の剛性（管の口径、肉厚、弾性
率）、熱的性質線膨脹係数、熱伝導率）及び電磁気的性
質（比透磁率、比抵抗）等が異なるときに、その差異に
応じて適正な俵絞り状変形が起るように制御できる点に
ある。

〔発明の効果〕

以上詳述したように１本発明の方法を適用すると、前述
の公知技術（特公昭５３−３８２４６号の配管系の熱処
理方法）によっては充分な軸方向残留引張応力除去が困
難な条件下にあっても、上記軸方向残留引張応力を著し
く軽減することができるという優れた実用的効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の１実施例における第１ステツプの
説明図、第２図は同じく第２ステツプの説明図、第３図
乃至第６図は上記実施例の作用。 効果の説明図、第７図及び第８図はそれぞれ上記１・・
・溶接部、２．２’・・・管、３・・・冷却剤、４・・
・加熱コイル、８，８′・・・冷却チャンバ、９・・・
外面冷却剤、２１・・・拘束具、２３．２３’・・・分
割型コイル、２５・・・外面冷却チャンバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鋼製円筒の内面を冷却剤で冷却しつつ、該鋼製円筒
   に外嵌した高周波誘導加熱コイルによつて該円筒表面を
   急速加熱して生じる肉厚方向の温度勾配によつて該円筒
   の内面に引張降伏を発生せしめる鋼製円筒の熱処理方法
   において、上記の冷却、加熱操作前、及び前記の冷却、
   加熱操作後の少なくとも何れかに、該円筒の熱処理部位
   の外周に該円筒の半径方向の膨脹を拘束する手段を設け
   、上記の膨脹拘束手段に隣接する両側を高周波誘導加熱
   コイルで加熱することを特徴とする鋼製円筒の熱処理方
   法。 ２、前記の拘束手段を鋼製円筒に装着する際、該拘束手
   段を鋼製円筒よりも相対的に高温ならしめた状態ならし
   めることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の鋼
   製円筒の熱処理方法。 ３、前記拘束手段は、熱処理部を割り締めするように構
   成した環状の締付具であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項又は同第２項に記載の鋼製円筒の熱処理方法
   。 ４、前記の拘束手段は、熱処理部の外周を冷却して該外
   周部を熱収縮させるものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は同第２項に記載の鋼製円筒の熱処理
   方法。