JPS61245090A

JPS61245090A - 配管系の熱処理方法

Info

Publication number: JPS61245090A
Application number: JP60086410A
Authority: JP
Inventors: 武原　秀俊
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-04-24
Filing date: 1985-04-24
Publication date: 1986-10-31

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、配管の残留応力改善方法に係シ、特に、配管
の長手方向温度差により残留応力分布を改善する熱処理
方法に関する。

〔発明の背景〕

応力腐食割れ因子の１つである引張残留応力を圧縮応力
に変化させ、応力腐食割れを防止する技術としては、特
公昭５３−３８２４６に記載の高周波誘導加熱処理等が
有効に活用されている。高周波誘導加熱処理は、配管系
を構成する配管の内部に冷却材を存在させ次状態で、配
管外部を加熱することによシ、配管内面と外面との間（
板厚方向）に温度差を発生させ、配管内面の応力を引張
から圧縮へ変°化させるものでメク、板厚方向の温度勾
配によシ発生する熱応力を利用した応力改善方法である
。従って、充分な管内外面温度差を得ることが必要であ
り、管内面の冷却条件を確保することは、施工上極めて
重要な項目となっている。

この几め、冷却条件の確保が難しい箇所、例えば、サー
マルスリーブ付ノズル部等へ、高周波誘導加熱処理を適
用するのは困難であつ九。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、管内面に冷却材が存在しない状態、又
は、管内面に於ける冷却効果があまり期待できない状態
に於いて、配管内面の応力分布を圧縮応力へ変化させる
熱処理方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、プラントの配管系に於いて、前記配管を局部
加熱することによって生ずる熱変形に伴なう引張及び圧
縮の応力分布を利用して、配管内部の残留応力分布を改
善するものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を、図面によシ説明する。

第１図〜第４図は、本発明の基本原理を示したものであ
る。

第１図に示す如く、配管のＡ−Ａ部を配管外面よシ局部
的に加熱すると、外面が内面よシも高温になシ、この温
度差によシ、加熱部（Ａ−Ａ）は、外側へ膨張変形する
。この膨張変形によシ、加熱部（Ａ−Ａ）の配管外面で
は引張、内面では圧縮応力が発生し、また加熱による変
形の端部（Ｂ−Ｂ）では、配管外面に圧縮、内面に引張
応力が発生する。

この加熱による応力は、加熱による変形に依存しておシ
、加熱部（Ａ−Ａ）と非加熱部（Ｃ−Ｃ）との温度差、
即ち、配管長手方向の温度勾配が大きく、降伏応力値を
越える熱変形応力を発生させることが可能な場合には、
第２図に示す如く、加熱が終了し、配管の温度が下がる
と、Ａ−Ａ部の配管外面に圧縮、内面に引張の残留応力
が発生し、Ｂ−Ｂ部の配管外面に引張、内面に圧縮の残
留応力が発生する。

この残留応力発生の過程を、配管内面に関して説明した
ものが第３図である。Ａ−Ａ部とＣ−Ｃ部の温度差が小
さければ、熱変形応力は降伏応力を越えないので、Ａ−
Ａ部ではＯＤ２、Ｃ−Ｃ部でＨＯＤｔの直線上に応カー
歪関係は存在し、加熱を中止すれば、０に戻る。しかし
、Ａ−Ａ部とＣ−Ｃ部との温度差が、ある程度以上大き
くなると、Ａ−Ａ部にて圧縮降伏応カーσア、Ｃ−Ｃ部
にて引張降伏応力σアを越える。降伏応力を越えたＢｌ
及びＢｚＯ時点で、加熱を停止すると、Ｃ−Ｃ部ではＢ
ｔ　、Ｅｌを経てＣ１点に達する。一方Ａ−Ａ部では、
Ｂｚ　、Ｅｘを経てＣ１点に達する。このため、第４図
に示す如＜、Ｃ−Ｃ部には圧縮残留応力が、まＮ、Ａ−
Ａ部には引張の残留応力が生じる。

第３図は、配管内面の初期残留応力が無い状態からの過
程を示しているが、如何なる初期残留応力が存在しても
、Ａ１及びＡ２点を越える熱変形を与えれば、加熱終了
後は、Ｃ１点及び０２点に到達し、第４図に示す応力分
布を得ることができ、配管内面の残留応力分布を変える
ことが可能である。

第５図は、残留応力分布の改善例を示したものである。

第５図（尋の状態は、配管ｔ−溶接し次状態での配管内
面に於ける残留応力分布を示し九ものでおる。

配管１の内面に於ける残留応力は、溶接時の入熱に依シ
、溶接線２の近傍に高い引張応力が存在した状態となっ
ている。配管がステンレス鋼でできている場合は、材料
によって、この溶接線２の近傍に、溶接時の入熱により
、材料の耐食性が劣化した熱影響部が発生する場合があ
る。この様な場合には、耐食性の劣化し比熱影響部と、
高い引張残留応力とが共存した状態となシ、応力腐食割
れを発生する可能性が高い環境となっている。

第５図中）は、この様に１高い引張残留応力が存在する
状態となっている溶接線近傍に、高周波誘導加熱コイル
３を用いて本発明による熱処理ｔ−実障した場合の残留
応力分布を示したものである。

本発明による熱処理を実施すると、配管外面に設置した
高周波誘導加熱コイル３によって加熱された部分が、局
部的に熱変形を生じ、高周波誘導加熱コイル３の中心部
で引張残留応力を、また高周波誘導加熱コイル３の両端
で圧縮の残留応力を発生する。従って、溶接線２の近傍
に、圧縮の残留応力が発生する様な位置に、高周波誘導
加熱コイルを設置し、本発明による熱処理を実施すれば
、溶接線２近傍に存在した引張残留応力場を、圧縮残留
応力場へ変化させることが可能である。

第５図（Ｃ）は、第５図（ｂ）に於ける高周波誘導加熱
コイル３の位置を移動させ、本熱処理によシ発生する引
張残留応力の発生位置を、溶接線２の位置から、よシ離
れ穴位置とじに場合の残留応力分布を示したものである
。本発明による熱処理では、残留応力分布に変化を与え
る影響範囲も、局部的に限定されているため、第５図（
ｂ）に示す高周波誘導加熱コイル３の位置で実施した本
発明による熱処理で引張応力場から、圧縮応力場へ残留
応力分布を改善した溶接線２の近傍の部分へ、悪影響を
与えることなく、残留応力を変化させることが可能でお
る。

第５図に示す様な一連の熱処理を実施すれば、溶接熱に
よシ耐食性の劣化した熱影響部近傍の残留応力を、引張
応力から圧縮応力へと変化させることが可能でアシ、応
力腐食割れ因子の１つである引張残留応力を取シ除くこ
とができ、応力腐食割れの防止に有効である。

以下に本発明による熱処理方法の実施例を、解析に依る
シュミンーションにて説明する。

第６図は、解析に用いた簡単なモデルを示したもので、
有限要素法解析用２次元軸対称モデルを用い、１２Ｂｓ
ｃｈ　８０のステンレス配管を模擬し念ものである。

本発明による熱処理は、管内面での冷却条件が悪い場合
に於いても応力分布を改善できるので、解析に於ける冷
却条件は、管外表面：　室温空気管内表面：　室温停滞水としている。管内表面の停滞水は、配管が加熱され、管
内表面が高温になると、膜沸騰を発生し、管内表面での
冷却条件が極めて悪くな夛、管内外面（板厚方向）での
温度差が小さくなる。従って、特公昭５３−３８２４６
に記載の、板厚方向温度差を利用して、配管の残留応力
を改善する高周波誘導加熱処理等を用いても、配管内表
面に於ける応力分布を改善することが難しい冷却条件と
なっている。

第７図、及び第８図は、管内面に存在する冷却水が、強
制的に循環されている場合と、停滞水である場合との差
を示したものでおる。

第７図は、管内面に冷却水を強制循環させた状態で、管
外表面を高周波誘導加熱処理した場合に、管内外表面が
受ける温度履歴を示し九ものである。

第７図から判かる様に、管内表面の冷却条件が良好であ
るため、管内外面の温度差（板厚方向温度差）を充分に
獲保することが可能である。

第８図は、管内面の冷却水が、停滞している状態で、管
外面を、高周波誘導加熱処理した場合に、管内外表面が
受ける温度履歴を示したものである。

第８図から判かる様に、管内表面の冷却条件が悪いので
、管内外面の温度差（板厚方向温度差）を充分に獲保す
ることは困難であり、管内面の冷却水が停滞している条
件で、特公昭５３−３８２４６に記載の板厚方向温度差
を利用して配管の残留応力を改善する高周波誘導加熱処
理等を適用しても、配管の残留応力を改善することは、
難しいことが判かる。

第９図は、管内面の冷却水が停滞している状態で、本発
明による熱処理を実施した場合に於ける配管断面の最高
加熱時に於ける等温度線図を示したものである。

第９図から判かる様に、本発明による熱処理は、局部的
な加熱であるため、配管の長手方向（軸方向）に大きな
温度差を生じていることが判かる。

第１Ｏ図は、第９図に示す、配管の長手方向（板厚方向
）に生じた大きな温度差によって起る配管の局部的熱変
形を解析したものである。第１０図では、実際に発生す
る熱変形量を５０倍に拡大し、本熱処理による熱変形を
判かり易くしたものであるが、局部的な変形は、第１図
に示す概念図と同一な挙動を示している。第１１図は、
第１０図に示す、配管の局部的熱変形を発生させた後、
配管が冷却し比時点での等残留応力線図（配管周方向分
布例）を、ま次第１２図は、第１１図Ａ部に於ける、配
管内面での残留応力分布（配管周方向及び軸方向）ｔ−
示したものである。

第１１図から判かる様に、本発明による熱処理方法は、
加熱部分中心で引張残留応力場を、また、加熱部分の両
端で圧縮残留応力場を形成し、その影響範囲は、局部的
であるという効果を有する。

従って、この効果を用い、第５図に示す様な残留応力改
善方法を適用すれば、配管溶接部近傍の残留応力分布を
改善することができる。

また、本発明による熱処理は、加熱部中心で引張応力場
を発生させるが、この引張応力場を第５図に示す様に任
意に移動させることができる。従って、配管内面の引張
応力を消滅させる場合には、第５図に示す改善方法を用
いて、管内面の冷却条件が悪い部分から、良好な部分へ
移動し、冷却条件が良好な箇所で、従来よシ知られてい
る配管の板厚方向温度勾配を利用して配管内面の残留応
力を圧縮応力とする熱処理方法（特公昭５３−３８２４
６）を適用し、圧縮応力とすることも考えられる。また
本発明による熱処理は、配管内面に冷却材が存在しなく
ても実施可能であるが、配管内面に冷却材が存在すれば
、配管の板厚方向温度勾配による残留応力改善効果によ
シ、加熱中心に発生する引張応力を圧縮応力とすること
が可能であシ、併用に依るより高い効果が期待でき、好
ましいといえる。

第１３図及び第１４図は、本発明による熱処理の効果改
善例を示し次ものである。

第１３図は誘導加熱コイル３にて加熱している部分に隣
接する非加熱部を、冷却リング４から冷却水５を吹き付
けることにより冷却し、加熱部と、非加熱部との間の温
度差を大きく保ち、よシ大きな熱変形応力を発生し易く
するものである。

第１４図は、第　図中で用いている冷却水のかわりに拘
束リング６を用いるもので、加熱によシ膨する部分に隣
接して、変形を拘束する部分が存在するので、より大き
な熱変形応力が発生するものである。

第１５図は、本発明の１実施例を示したものである。沸
騰水型原子炉に於いて、原子炉再循環系配管１２から、
原子炉圧力容器１１に戻ってくる冷却水１３は、原子炉
圧力容器１１に存在する冷却水よシ温度が低いので、低
温水と高温水が混合するノズル１０の近傍では、高サイ
クル熱疲労が発生する。これを防止するために、再循環
配管１２とノズル１０を接合するセーフエンド７に、サ
ーマルスリーブ８が取付けられておシ、高サイクル熱疲
労による損傷を防止する構造となっている。

セーフエンド７はステンレス鋼製でアシ、セーフエンド
７とノズル１０を接合する溶接線９の近傍は、応力腐食
割れを発生する可能性を有しているが、ノズルｌＯとサ
ーマルスリーブ８との間に存在する冷却水１４は、サー
マルスリーブによって隔離される構造となっているので
、充分な冷却効果を期待できないので、板厚方向温度勾
配による残留応力改善熱処理を実施するのが難しい。

そこでこの溶接線９近房に対し、本発明による熱処理を
、図中ａ−４ｂ−＋Ｃの順に実施し、溶接線９近傍の引
張残留応力を圧縮へ変化させ、応力腐食割れを防止する
。この場合、加熱処理による配管内面引張残留応力が、
再循環系配管１２とセーフエンド７を接合する溶接線１
５の近傍に発生するが、溶接線１５の近傍では、配管内
面の冷却条件に問題無く、配管板厚方向の温度勾配によ
る残留応力改善熱処理を実施することが可能である。

従って上記の様な２段階の熱処理を実施すればサーマル
スリーブ付ノズル部近傍の配管内面残留応力を全て圧縮
応力とすることができ、応力腐食割れの発生を防止でき
る。

尚、本実施例では、加熱源として、高周波誘導加熱を用
いているが、加熱方法はこの方法に限定するものではな
く、他の方法、例えば、ガスバーナーによる加熱等を利
用しても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、配管内面に冷却材が存在しない状態、
あるいは、配管内面に於ける冷却効果があま夛期待でき
ない箇所に対して、配管内面の残留応力分布を改善する
ことが可能であり、この様な箇所、例えば、サーマルス
リーブ付ノズル部の溶接線近傍に於ける応力腐食割れの
発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による局部加熱変形応力の挙
動説明図、第３図は管内面応力履歴図、第４図は管内面
応力分布図、第５図は応力分布改善例を示す図、第６図
は解析モデル図、第７図〜第１２図は解析による実施例
を示す図、第１３図。第１４図は本発明の効果改善例を示す図、第１５図は本
発明のサーマルスリーブ付ノズル部への適用例を示す図
である。１・・・配管、２・・・溶接線、３・・・高周波誘導加
熱コイル、４・・・冷却リング、５・・・冷却水、６・
・・拘束リング、７・・・セーフエンド、８・・・サー
マルスリーフ、９・・・溶接線、１０・・・ノズル、１
１・・・原子炉圧力容器、１２・・・再循環系配管、１
３・・・冷却水（強制循Ｗ１）、１４・・・冷却水（停
滞水）、１５・・・溶接線。

Claims

【特許請求の範囲】１、プラントの配管系を組立てた後、前記配管系の外表
面を局部的に加熱して、配管の軸方向に温度差を発生さ
せ、この際に発生する局部熱変形を利用して、配管系の
残留応力分布を改善することを特徴とする配管系の熱処
理方法。２、特許請求の範囲第１項において、前記熱処理と配管
板厚方向温度差を用いた応力改善熱処理方法を併用する
ことにより、配管内面の残留応力分布を改善することを
特徴とする配管系の熱処理方法。