JPS62247025A - ノズルの熱処理方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、原子カプラントや化学プラント等の建設プラ
ントにおけるタンクや圧力容器の配管接続部等に用いら
れるノズルの熱処理方法に係り、特に応力腐蝕割れ、腐
蝕疲労等に対する強度を増大させるのに好適なノズルの
熱処理方法に関する。

（従来の技術） 従来、原子カプラント、火力プラント、化学プラント等
の建設プラントにおける、例えばタンクや圧力容器の配
管接続部等に用いられているノズルは、溶接時に溶接入
熱によってその溶接部近傍の内・外面に引張りの残留応
力が発生する。一般に鉄鋼材料においては、引張応力と
腐蝕因子とが共存する場合、引張り方向と垂直な方向に
粒界腐蝕割れが急速に進行することが知られている。従
って、ノズルに流れる流体が腐蝕性流体の場合は、ノズ
ル内面に存在する引張りの残留応力が、応力腐蝕割れや
ＩＲＥ！Ｉｔ疲労の原因となる。特に原子カブランドの
オーステナイト系ステンレスの場合、又は化学プラント
、石油精製プラント等の場合、ノズル内には腐食性流体
を流すことから、応力腐蝕１Ｉｊｌれはしばしば実用上
の問題となっていた。斯かる応力腐蝕割れの問題を解決
する手段としては、１１ｇ蝕因子が存在する面、例えば
流体が腐蝕性流体の場合にはノズル内面に圧縮の応力を
残留させることによって、応力腐蝕割れや腐蝕疲労を大
幅に低減することができる。

プラント等建設後、ノズル内面の残留応力を圧縮側にす
るための改善方法としては、サーマルスリーブが付与さ
れていないノズル内面については従来の方法で対応でき
る。例えば、ノズル外面を誘導加熱装置の如き、高出力
加熱装置により、変態温度より低い温度でかつ、ノズル
肉厚方向の温度分布が定常化するまで加熱すると共に、
ノズル内部に冷却材（例えば水）を連続的に流し、内外
面に降伏点以上の熱応力を与えた後に、常温状態に戻す
ことにより、ノズル内面を圧縮応力、外面を引張応力に
することができる。

ところが、第４図に示づ従来のサーマルスリーブ付ノズ
ルは、ノズル１とセーフエンド２とサーマルスリーブ３
とから構成されており、ノズル１とセーフエンド２とは
溶接部５により溶着接続されている。なお、符号４はり
゛−マルスリーブ３とノズル内面との間隙である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、斯かるサーマルスリーブを付与している
ノズルでは、ノズル外面の加熱は上記と同様な方法で可
能であるが、ノズル内部に冷却材を連続通水しても、サ
ーマルスリーブが障壁となり内面を充分に冷却できない
。従って、サーマルスリーブ付ノズルにおいて現状の技
術では内面に充分な残留応力を生じさせることができな
いという問題点がある。

本発明は上記事情に１みて創案されたもので、その目的
どする処は、サーマルスリーブ付ノズル内面の残留応力
を圧縮側にすることによっ゛Ｃ１応力腐蝕割れ、ｗ！４
蝕疲労等に対する強度を増大させることにより、ノズル
の信頼性を向上させることができるノズルの熱処理方法
を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上述した問題点を解決するため本発明は、建設プラント
のノズルに残留応力を発生させるための熱処理方法にお
いて、前記プラント建設後、前記ノズルの溶接部近傍に
円周方向に間隔を置いて少なくとも１個穿孔し、この穿
孔からノズル内面とサーマルスリーブとの間隙に冷却材
を流すとともに、ノズル外面を加熱装置によって肉厚方
向の温度分布が定常化するまでの一定時間加熱して前記
溶接部近傍の内外面間に相異なる方向の所定の熱応力が
生じるような温度差を発生させた後、前記溶接部近傍を
常温に戻すことによって、ノズル溶接部近傍の内面に残
留圧縮応力を、外面に残留引張応力をそれぞれ発生させ
ることを特徴とするものである。

（作　用） 本発明は前記手段により、ノズルに設けられた穿孔から
ノズル内面とサーマルスリーブとの間隙に冷却材を流す
と同時にノズル外面を加熱装置によってノズル肉厚方向
の温度分布が定常化するまでの一定時間加熱し、この温
度差によって溶接部近傍の内外面間に相異なる方向の所
′定の大きさの熱応力を発生さ往、その後、溶接部近傍
を常温に戻すことによってノズル溶接部近傍の内面に残
留圧縮応力を、外面に残留引張応力をそれぞれ発生させ
、これにより応力腐蝕割れ、腐蝕疲労等に対する強度を
増大させ、ノズルの信頼性を向上させるものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係るノズルの熱処理方法の一実施例を第
１図乃至第２図を自照して説明する。

第１図は、本発明に係るノズルの熱処理方法で使用する
サーマルスリーブ付ノズルの新面図を示すもので、この
サーマルスリーブ付ノズルは低合金製ノズル１とオース
テナイト系ステンレス鋼からなるセーフエンド２とサー
マルエンド３とから構成されている。前記ノズル１とセ
ーフエンド２とは溶接部５により溶着接続されており、
このサーマルスリーブ３とノズル内面との間には間隙４
が形成されている。

また、ノズル１とセーフエンド２との溶接部５の中心よ
りセーフエンド側に所定距離を置いて穿孔６が円周方向
に所定間隔を置いて穿設されている。

第２図は本発明のノズルの熱処理方法を実施する概略図
を示すものであり、前記穿孔６は分岐管７ａ、７ｂ及び
主配管７を介して冷却材ポンプ８に連通され、この冷却
材ポンプ８は冷却材タンク９に連通されている。そして
、冷却材ポンプ８によって冷却材（冷ｕ１水）は穿孔６
を介して間隙４に送られる。

一方、溶接部５及びその近傍の外周には、加熱電源１０
ａを備えた加熱装置１０が全周に亘って配設されており
、この加熱装置１０によってノズル外周を加熱するよう
になっている。

しかして、本実施例においては穿孔６は、その数は８個
、その径はφ３Ｑｎ＋ａ＋とじ、溶接部５の中心よりセ
ーフエンド側に１１０ｍｍの処に形成した。

冷却水の通水は、第２図に示す如く、この穿孔６からポ
ンプ８により冷却材を５　ｍ　／　ｓｅａで送り込むと
、サーマルスリーブ３とノズル内面との間隙４では１．
５ｍ／ＳｅＣの流速を確保できる。冷却材の通水と同時
に、加熱装置１０によってノズル外面を変態温度より低
い温度で肉厚方向の温度分布が定常状態にするまで一定
時間加熱する。

これにより、ノズル１の内面と外面とに温度差を生じさ
せる。いま、加熱温度をＴＯ１管内を流れる冷却材の温
度をＴｗとすると、ノズル内面は、冷却材の温度によっ
て冷却されＴｉとなる。したがって、ノズルの内・外画
面に生じる熱応力は温度分布を線形と仮定すれば、次式
の如くなる。

σα口σψｗ　Ｅ　＊α啼 （Ｔｏ　−Ｔｉ　）／２　（１−ν）−・・（１）ここ
で、σαは軸方向応力、σφは周方向応力、Ｅはヤング
率、αはＩ！１１１ｍ係数、νはポアソン比である。

（１）式から内外面の温度差が大きい程、熱応力σα及
びσΦも大きいことがわかる。

次にセーフエンド側のオーステナイト系ステンレス鋼に
ついて熱応力を計算する。ヤング率Ｅは１．９ｘ１０４
Ｎｙ／−前後、ポアソン比νは０．３〜０．５位である
。降伏点は温度によって異なり、温度が高くなる程降伏
点は低くなるが、平均として２０Ｋｙ／−前後である。

これらの値を（１）式に代入することにより、ノズル内
外面の温度差（Ｔｏ　−Ｔｉ　）は約２００℃であるこ
とが導き出される。したがって降伏点以上の熱応力をノ
ズル内外面に発生させるためには最低でも２００℃以上
の温度差が必要である。この温度差（２００℃以上）を
得るためには冷却材をポンプ８により、ノズル内面に必
要な温度を保つ様に流速をコントロールする。この流速
を一定に保つことにより、内面温度は一定に保たれ、外
面温度も加熱装置１０により一定に保て、その制御も極
めて容易である。このようにして降伏点以上の熱応力を
与えた後、常温状態に戻すと、内面は圧縮に、外面は引
張の応力が残留する。その後、穿孔６は盲を施す。

このようにして発生する残留応力はノズルの肉厚方向の
温度分布を定常にすることによりコントロールできる。

そして、本発明ではノズル肉厚方向の温度分布が定常に
なるまでの一定時間加熱しており、この加熱時間は温度
拡散係数と板厚とから次の関係式によって求めることが
できる。

ここで、ｔは板厚、ａは温度拡散係数、τは加熱時間で
ある。従って加熱時間は熱処理対象部に応じて容易に設
定でき、発生させる残留応力をコントロールすることが
できる。

次に上述した実施例を確認するために行った実験例を説
明する。

実験方法は第３図に示すモックアツプ装置を用い、低合
金鋼からなるノズル部１２とステンレスｒＩＡ（ＳＵＳ
３０４）からなるセーフエンド部１１とを溶接部１５で
溶着し、これらの内周側にサーマルスリーブを模した同
筒体１３をセーフエンド部１１より突設する。測定する
位置のノズル外周面に加熱電源１０ａを備えた高周波加
熱装置１０の加熱コイルを巻き付け、さらにセーフエン
ド側の周方向４５°ごとに設けた穿孔１６から、ポンプ
８により主配管７及び分岐管７ａ、７ｂを介して通水し
た。冷却水は間隙１４を通って出口孔１７から排出管１
８を介して排出タンク１９に排出される。なお、符号２
０は盲板である。

このときの高周波加熱条件と冷却材流速条件等は表１に
示す通りである。

表　　　１ 上記表１に掲げる条件で実験を行った測定結果を表２に
示す。

ここで、測定位置は、第３図に示されるように符号Ａ−
Ｄまでが溶接部近傍のノズル側内周面の４箇所（第３図
ではＤは示されないがＢと対向した位置）であり、符号
Ｅ−Ｈまでが溶接部近傍のセーフエンド側内周面の４箇
所（第３図ではＨは示されないがＦと対向した位置）で
ある。

表　　　２ このように、本発明による熱処理方法によればサーマル
スリーブ付ノズルの所望の場所に確実に残留圧縮応力を
得ることができる。

〔発明の効果〕

以上、実施例の説明から明らかなように、本発明によれ
ばサーマルスリーブ付ノズルにおいてもノズル内面の残
菌応力を圧縮側にでき、応力腐蝕割れ、腐蝕疲労等に対
し強度を増大できることによりノズルの信頼性の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るノズルの熱処理方法で使用するノ
ズルの断面図、第２図は本発明の熱処理方法を示す概略
図、第３図は本発明の効果を確認するための実験装置を
示す概略図、第４図は従来のノズルの断面図である。 １・・・ノズル、２・・・セーフエンド、３・・・サー
マルスリーブ、４・・・間隙、５・・・溶接部、６・・
・穿孔、８・・・冷却材ポンプ、１０・・・加熱装置。 第２目

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 建設プラントの配管接続部等に用いられるサーマルスリ
   ーブを有したノズルに残留応力を発生させるための熱処
   理方法において、前記プラント建設後、前記ノズルの溶
   接部近傍に円周方向に間隔を置いて少なくとも１個穿孔
   し、この穿孔からノズル内面とサーマルスリーブとの間
   隙に冷却材を流すとともに、ノズル外面を加熱装置によ
   つて肉厚方向の温度分布が定常化するまでの一定時間加
   熱して前記溶接部近傍の内外面間に相異なる方向の所定
   の熱応力が生じるような温度差を発生させた後、前記溶
   接部近傍を常温に戻すことによつて、ノズル溶接部近傍
   の内面に残留圧縮応力を、外面に残留引張応力をそれぞ
   れ発生させることを特徴とするノズルの熱処理方法。