JPS6236793B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的にいえば腐蝕防止に関するもの
であり、特に原子炉の操業に使用するためのオー
ステナイト鋼管を、その使用現場で、ある単位長
の鋼管を相互に溶接することによつて、得られる
管組立体の応力腐蝕割れ傾向を実質的に増加する
ことなしに、製造する方法およびかく得られる新
規突合せ溶接管組立体に関するものである。

原子炉中に使用されるステンレス鋼管の溶接熱
影響帯域における応力腐蝕割れは以前から重要な
問題として一般に認識されている。従来、この問
題の解決のために提案された手段、すなわち“解
決策”の一つは米国特許第4049186号明細書に記
載されるオーバーレイ溶接またはバツクウエイ溶
接法であり、これは特に管セグメントへの切断の
必要性または管の切開きの必要性さえも全く排除
し得る点で、存在する配管設備における応力腐蝕
割れ傾向を低減するという主要な利点をもつと考
えられる。しかしながら、原子炉操業条件下での
応力腐蝕割れを防止するためにバツクレイ溶接ま
たはその他の手段について特別の検査または予防
策を必要としない、しかも大部分の個所にはかゝ
る特別の注意を払わなければ応力腐蝕割れを生ず
るおそれのある在庫品の使用を許容するような、
使用現場での溶接管組立体の製造または溶接不良
となつた部分の補修を可能にする方法または手段
の出現は依然として渇望されている。

本発明はバツクレイ溶接のような従来技術にお
ける特別の予防策および制限の必要なしに応力腐
蝕割れに対する所要の抵抗性を有する使用現場で
の溶接ステンレス鋼管組立体の製造を可能にし、
しかも大部分の個所には特別の注意を払わなけれ
ば応力腐蝕割れを生ずるおそれのあるステンレス
鋼管の在庫品の使用を可能にするという点で当該
技術における要求を満たす解決策を提供するもの
である。

しかも本発明の解決策は使用現場においては何
等特別のまたは追加の技術または方法を必要とせ
ず、好ましい実施態様においては追加の操作とし
て単に管製造工場における溶接および溶体化熱処
理を伴うのみで比較的簡単かつ経済的に達成され
るものである。

本発明の解決法を可能にする新規概念は、本質
的に、適用応力および残留応力をいずれも溶接熱
影響帯域の内径範囲に減少させ、局部鋭敏化作用
を顕著に低下させかつ配管設備の各管の溶接熱影
響帯域における粒界応力腐蝕割れ（IGSCC）の
開始に必要な臨界的応力強度係数を著しく増加さ
せることである。これらの概念は、本発明に従つ
て、形状および材質の新規組合せからなるスプー
ル片を用い、これらのスプール片を各管の両端部
に突合せ溶接しそして得られる部分組立体をそれ
ぞれ対向するスプール片間で端部と端部とを溶接
によつて接合させて新規な応力腐蝕割れ耐性をも
つステンレス鋼管組立体または配管を形成するこ
とによつて達成される。

スプール片は、より具体的に述べれば、原子炉
の水管に使用するためのステンレス鋼管の製造に
通常使用されているステンレス鋼合金よりも好ま
しくは鋭敏化され難い、実質的により高価なステ
ンレス鋼合金製のものである。さらにこのスプー
ル片合金は通常の原子炉の操作条件下でそれらと
結合されている鋼管の合金と共存性でありかつ同
時に基本の鋼管のステンレス鋼規格に要求される
降伏強さと等しいかまたは好ましくはそれより大
きい降伏強さを有するものである。さらにこれら
のスプール片は管組立体を形成する場所で該スプ
ール片と管との部分組立体を別の同様の部分組立
体と溶接により結合させる際、その溶接端に面し
た部位に増大した壁厚をもつ比較的短かい部分を
与えるように形成される。実際問題として、かゝ
る材質のスプール片の使用によつて得られるべき
特別の利点は、この増大した壁厚部分を標準管の
壁厚（たとえば直径４インチのスケジユール80型
管について約0.75インチである）の約２倍にしか
つこの壁厚増大部分の端部を該部分組立体の基本
の鋼管への接続用溶着金属との接触のために円錐
台形に形成することによつて最高となる。スプー
ル片の製造に使用するに適する合金の例は316LN
（304ステンレス鋼規格について要求される降伏強
さに等しいかまたはそれより大きい降伏強さをも
つ）、304LNおよび347LN（前記316LNの規格に
合格する等級）、304ステンレス鋼の降伏強さに等
しいかまたはそれより大きい降伏強さを達成する
に十分な程度に小さい粒度に加工された304Lお
よび347Lおよび８〜13％のフエライト含量をも
つ混粒ステンレス鋼である。

前述したとおり、本発明の別の特徴は配管設備
の形成に使用する前に管―スプール片部分組立体
の各々を熱処理することである。実際に、この操
作は工場で行なわれる溶体化焼なましおよびそれ
に続く急冷工程からなり、それによつて溶接工程
で生じた鋭敏化性を排除し得る。この工程はさら
にこれより早い段階での溶接帯域中におけるすべ
ての前段階の溶接および製造の残留応力を除去す
る。

本発明の好ましい実施態様におけるさらに別の
特徴は、部分組立体相互の溶接工程中、基本の溶
接通路が完成した直後から冷却用液体を管組立体
の内表面、特にスプール片の内表面と接触させて
保持することからなる。

したがつて、一般的にいえば、本発明は各管単
位体の各端部に自由端において顕著に増大した壁
厚を有する別に形成されたスプール片をとりつ
け、得られるスプール片を備えた管部分組立体を
対向するスプール片の各対の間に環状凹部を形成
するように互いに隣接して接触する状態に配置し
そして最後に各環状凹部に溶融溶着金属を形成さ
せかつ該溶着金属をスプール片の円錐台形表面と
接触した状態で固化させることによつて部分組立
体を相互に溶接する工程からなる。これらのスプ
ール片―管部分組立体はついで溶体化焼なまし処
理して各溶接部の熱影響帯域の鋭敏化性を除去す
る。

本発明の管組立体または配管設備は多数の前述
した管単位体―スプール片部分組立体からなり、
該スプール片は各々管単位体の内径および壁厚と
実質的に同一の内径および壁厚をもつ一端部と、
管単位体と同一の内径をもつが実質的にそれより
大きい外径および壁厚をもちかつほゞ円錐台形の
水平表面によつて限定されるその自由開放端から
先細りする輪郭をもつ他端部とを有する形状をも
つものである。さらに、この管組立体の基本の管
単位体は304型のような潜在的に応力腐蝕に鋭敏
なステンレス鋼から構成され、一方スプール片お
よび溶着金属はそれぞれ粒界応力腐蝕割れ
（IGSCC）に対する鋭敏性がより小さくかつ少な
くともステンレス鋼に匹敵する強度をもつものか
ら構成される。

つぎに本発明の主たる新規特徴および利点を図
面を参照しつつ説明する。

第１図は溶接部対溶接熱影響帯域および管の内
表面および外表面の関係を示す溶接されたステン
レス鋼管接続部の概略断面図、第２図は溶接熱影
響帯域を示す管―スプール片部分集合体の一部の
断面図、第３図は二つの溶体化熱処理された部分
集合体の対向するスプール片を溶接するために該
対向スプール片間にグリンネル環（Grinnel
ring）をはさんで配列した状態を示す第２図と同
様の断面図、第４図は通常の空冷式溶接法による
場合の対向するスプール片を結合している溶接部
および溶接熱影響帯域を示す第３図と同様の断面
図、第５図は部分組立体を相互に溶接しつつある
間スプール片の内表面と接触状態で保持せしめる
冷却用液体の溶接熱影響帯域に対する影響を示す
第４図と同様の断面図である。

前記米国特許第4049186号明細書に記載される
ごとく、溶接シヤドウ効果（weld shadow
effects）（溶接幾何および局部的溶接収縮変形強
化による）は管接続部の溶接区域全体にわたつて
内径ひずみ輪郭を生ずる作用をもつようにみえ
る。たとえば第１図に示すごとく、溶接された代
表的な304型ステンレス鋼の４インチ管Ａは308型
ステンレス鋼溶接ビード材Ｂおよび溶接部Ｂの熱
影響帯域のアルフア鋭敏化帯Ｃを有する。管の内
径表面上では、帯Ｃは溶接シヤドウまたは溶接ビ
ードの強化拘束帯域を若干超えて延び、したがつ
て代表的な高い適用された軸方向応力または適当
な曲げ応力の条件下では、ある寸法よりも小さい
管については比較的高度に鋭敏化された材料の露
出表面と符合する高いひずみ帯域が生じ得る。十
分に高い応力付与サイクルおよび十分に侵食的な
沸騰水型原子炉の条件に暴露する場合には管Ａの
応力腐蝕割れが生ずるであろう。スケジユール80
型オーステナイトステンレス鋼管については約12
インチまたはそれ以下の直径の場合にかゝる損傷
作用を受け得る。

第２図の場合には、管Ａと同一寸法および同一
合金の管Ｅを308ステンレス鋼の溶接部Ｇによつ
て316またはそれより低い鋭敏化性のステンレス
鋼のスプール片Ｆに突合せ溶接する。管Ｅは鋭敏
化帯域Ｈをもち、スプール片Ｆは同様の熱影響帯
域Ｊをもち、これらは共に鋭敏化帯Ｃと同様に溶
接ビードＧの拘束帯域を超えて延びて管およびス
プール片の内表面上に延びている。しかしなが
ら、本発明の好ましい実施態様によれば、使用現
場におけるよりもむしろ工場で製造するのが適当
であるこの部分組立体Ｋはこの部分組立体の溶接
部における鋭敏化された状態を排除するために溶
体化焼なましされかつ急冷される。いかなる場合
にも、かく脱鋭敏化された部分組立体Ｋおよび
K′は、使用現場において、第３図に示すごとく
組立てられついで部分組立体ＫおよびK′のスプ
ール片ＦおよびF′の対向端部表面によつて限定
される環状凹部を充填することによつて形成され
た溶接部Ｍにより一体に接続される。

スプール片ＦおよびF′は実質的に同一の形状
および寸法をもち、各スプール片は管Ｅおよび
E′と同一の内径をもちかつ管ＥおよびE′の壁厚
に匹敵する壁厚をもつ一端部を有する。各場合に
おいてスプール片の他端部は管に接続する端部よ
りも幾分大きい外径、すなわち管接続端部の約２
倍またはそれ以上の外径を有する。これらのスプ
ール片の各々の自由端表面はほゞ円錐台状の輪郭
をもち、したがつて二つの部分組立体間に適当な
溶着金属充填用凹部Ｗを与える。さらにこれらの
スプール片はその増大した横断面の部分が各場合
にスプール片内径において熱影響帯域を超えて延
び、ついでより小さい横断面をもつ端部に向つて
先細りするように形づくられることも認められる
であろう。

所要の配管設備を提供するために、任意数の
かゝる部分組立体を図面に示したごとき方式で相
互に突合せ溶接し得る。これは適当には管を製造
する工場で製造した部分組立体を用いて使用現場
で、すなわち配管設備の場所で、行なわれるであ
ろう。

第５図の場合には、原子炉管路の通常の操業に
おけるごとく水を管組立体を通じて流動せしめる
ことができあるいは水をスプレーとして部分組立
体を接続する溶接を行ないつつある帯域における
管の内表面に向けて供給することができることが
認められるであろう。しかしながら、スチームポ
ケツトの形成を回避しかつより良好な伝熱を生じ
させるためには、水を該帯域中に流通させない場
合はかゝる溶接を行なわないことが好ましい。特
別の場合には、水以外の非侵害性の液体冷却材を
溶接操作中管の内表面上に用いることができる。
この操作の結果、管の内表面の帯域における熱影
響帯域は排除されまたは実質的に限定される。

本発明の特徴および利点をさらに説明するため
に、本発明の実施の一態様を実施例によつて詳述
するが、これは勿論本発明を限定するものではな
い。

実施例 ８本の直径４インチの304型ステンレス鋼管お
よびこの鋼管と同一の内径をもちかつ第２〜５図
に示しかつ前記詳述した形状、寸法の316型ステ
ンレス鋼製の８個のスプール片を用いて８個の部
分組立体を形成した。すなわち、各スプール片の
より小さい外径の端部を308L型グリンネル環お
よび充填用金属およびガス（アルゴン）タングス
テンアークを用いて各管の一端に突合せ溶接し
た。これらの部分組立体をついでアルゴン中で１
時間1100℃に加熱し、10秒間水で急冷し、ついで
室温で５％弗化水素酸―30％硝酸―65％水溶液中
に４分間浸漬し、水洗し、繊維刷毛で擦り洗いし
そして最後に前記酸溶液に４分間再浸漬しそして
水洗した。ついでこれらの部分組立体を２個づつ
４組とし、各組の部分組立体を各スプール片の対
向端部表面間に308Lグリンネル環をはさんで配
置してその横方向の接近を密接にして組立体全体
にわたる通路を形成した。かく組立てられた２組
の組立体をガスタングステンアークを用いる溶接
によつて接続させた。すなわちまずスプール片の
内表面をアルゴン支持ガス流で冷却しつつグリン
ネル環をその位置に仮着け溶接させ、ついでグリ
ンネル環を溶融しそして第二の溶接層ビードを3/
３２インチの308L充填材ワイヤーで適用した。つ
いで各場合について、スプール片の接続をシール
ド金属アーク溶接棒を用いて一連の308L溶着金
属層を施こすことによつて完成した。

他の２組の組立体も同様に、同じ方法、材料お
よび装置を用いて、ただし第二のおよびその後の
層溶接操作を通じて対向スプール片の内表面に可
動冷却装置を用いて水を噴霧しながら溶接するこ
とによつて接続した。

上間第一の２組の組立体の一方にはアルゴン
中、500℃で24時間加熱し、ついで冷却すること
からなる低温鋭敏化熱処理を施した。同様に、第
二の２組の組立体の一方はアルゴン中、500℃で
約40時間加熱しついで炉冷した。かゝる低温鋭敏
化処理は任意の粒界応力腐蝕割れに対する鋭敏化
性の加速試験のために有効であることが知られて
いる。

ついで４組の組立体のすべてを一連の特性試験
および加速応力腐蝕割れ試験に供した。その結
果、第一の２組の組立体は米国特許第4049186号
明細書に記載された存在する溶接部に余裕を与え
るための補助的バツクレイ溶接法を除けば従来技
術により溶接されたステンレス鋼管よりも優れて
いることが立証された。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接されたステンレス鋼管接続部の概
略断面図、第２図は管単位体―スプール片部分組
立体の一部の断面図、第３図は溶接の準備のため
溶体化熱処理された二つの部分組立体を対向スプ
ール片間にグリンネル環を間挿して配置した状態
を示す第２図と同様の断面図、第４図は通常の空
冷式溶接法を用いた場合の対向するスプール片を
接続する溶接部およびスプール片中の熱影響帯域
を示す第３図と同様の断面図そして第５図は部分
組立体相互の溶接中冷却用液体をスプール片の内
表面と接触させて流通させて得られる熱影響帯域
への影響を示す第４図と同様の断面図である。 Ａ，Ｅ，E′…管単位体、Ｂ，Ｇ，G′…溶着金
属、すなわち溶接ビード材、Ｃ，Ｈ，Ｊ…溶接熱
影響帯域、Ｆ，F′…スプール片、Ｋ，K′…管単
位体―スプール片部分組立体、Ｌ…グリンネル
環、Ｗ…スプール片間環状凹部、Ｍ…スプール片
間溶着金属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各管単位体の端部にこの管単位体と実質的に
   同一の内径をもつスプール片の一端部を突合せ溶
   接により同軸的に接合してスプール片―管単位体
   部分組立体を得てから、この部分組立体の溶体化
   熱処理をすませた後、前記部分組立体のスプール
   片の円錐台形表面で終端する開放端にて他端部同
   士が対向するように二つの前記部分組立体を配置
   して、前記部分組立体の間に環状凹部を形成し、
   この環状凹部を溶着金属で実質的に充填すること
   により前記部分組立体同士を溶接する工程を含む
   オーステナイト鋼管単位体を相互に溶接する方法
   であつて、 前記各スプール片は前記管単位体と比較して実
   質的に同一の壁厚の前記一端部と実質的により大
   きい壁厚の前記他端部とを有し、前記スプール片
   の内表面を冷却しながら前記部分組立体同士を溶
   接することにより、前記各スプール片の溶接熱影
   響帯域は前記円錐台形表面から拡がつて軸方向に
   前記大きな壁厚部分を越えない範囲で終端し、溶
   接されたオーステナイトステンレス鋼管組立体の
   応力腐食割れ傾向を実質的に増加することなしに
   溶接する方法。 ２ 各スプール片は管単位体に隣接する端部にお
   いて管単位体の壁厚と実質的に同一の壁厚を有
   し、前記大きな壁厚部分の厚みが管単位体の厚み
   の約２倍である特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ３ スプール片は基本の管材料よりも低い応力腐
   蝕鋭敏化性をもつオーステナイト鋼製でありかつ
   管と実質的に同一の内径をもちかつ各管と同軸関
   係にある特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 管は304型ステンレス鋼製であり、溶着金属
   は308型ステンレス鋼である特許請求の範囲第２
   項または第３項記載の方法。 ５ 管は304型ステンレス鋼製であり、スプール
   片は基本型ステンレス鋼よりも低い鋭敏化性をも
   つ316L，316LN，304L，304LN，347L，321L型
   を包含するステンレス鋼製でありかつ該スプール
   片を管の開放端に突合せ溶接する工程を包含する
   特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   記載の方法。 ６ スプール片―管部分組立体をそれらの対向す
   るスプール片の自由端部間にグリンネル環を間挿
   して配置し、該環を溶融して、得られる組立体内
   に通ずる閉鎖通路を形成させそして二つの部分組
   立体を相互に溶接しつつある間冷却用液体を後続
   の溶接パスのためにスプール片の内表面と接触流
   動させることからなる特許請求の範囲第１項ない
   し第５項のいずれかに記載の方法。