JPS63112089A - 二重金属管等の残留応力改善方法 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、二重金属管の残留応力改善方法に係わり、特
に母管の内面とサーマルスリーブの基部との溶接部近傍
の残留応力改善方法に関するものである。

「従来の技術」 一般に、金属材料、例えば原子力や化学プラント等に多
用されているオーステナイト系ステンレス鋼等において
は、引っ張り応力と腐食因子とが共存する場合に、腐食
割れが急速に進行することが知られている。

従来、オーステナイト系ステンレス鋼管の残留応力を改
善する場合、鋼管の中に冷却水を挿通させながら、鋼管
を誘導加熱して、母管壁の内外面に降伏点以上の熱応力
が生じる温度差を与えて、鋼管の継ぎ目等の溶接部付近
の内面に、残留圧縮応力を発生させた状態とする応力改
善方法が考えられている。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、このような方法は、オーステナイト系ス
テンレス鋼管が直管等の単純な形状である場合には適用
可能であるが、母管の内面にサーマルスリーブの基部を
溶接してなる二重金属管であると、母管の板厚とサーマ
ルスリーブの基部とを合わせた厚さ寸法が、母管自身の
厚さ寸法より著しく大きくなるため、前述したように母
管を誘導加熱した場合に、母管壁の温度分布が不均一に
なる現象や、温度差によって発生する応力の太きさや向
きが、目的とする値から外れる現象が発生すると考えら
れる。

また、サーマルスリーブの基部の溶接部近傍には、溶接
熱によって組織の一部が鋭敏化した状態となっていると
考えられるので、母管における溶接継手近傍の残留応力
改善処理を行なった場合に、サーマルスリーブの基部に
対して悪影響を与えてしまうおそれもある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するもの
であり、母管溶接部近傍の残留応力改善処理を行なう場
合に、サーマルスリーブの基部の近傍に位置している母
管壁の熱膨張を妨げることによって、サーマルスリーブ
の基部の溶接部近傍に圧縮残留応力を付与することを目
的とするものである。

「問題点を解決するための手段」 本発明における二重金属管等の残留応力改善方法は、母
管の内面にサーマルスリーブの基部を溶接してなる二重
金属管の内部に、冷却水を存在させた状態とするととも
に、前記基部の外側に位置している母管表面に拘束リン
グを外嵌した状態で母管を加熱して、母管壁に温度差を
付与するようにしているものである。

「作用　」 誘導加熱により母管は温度が上昇するが、サーマルスリ
ーブはほとんど加熱されない。このため、拘束リングを
用いない場合、母管とサーマルスリーブの間に熱膨張差
が生じ、両者の接合部（サーマルスリーブの基部）に応
力改善に不利な圧縮応力が生じる場合がある。本発明で
はサーマルスリーブ基部の外側に、拘束リングが介在し
て母管部自身の熱膨張を抑制しているため、加熱状態の
ときにサーマルスリーブの基部に不利な応力が発生する
ことが少なく、かつ、応力発生があった場合でも応力が
降伏点を越えるまでには至らないように抑制できる。

また、サーマルスリーブの基部を除く、母管内壁には内
外面の温度差により、降伏点以上の引っ張り応力が発生
し、冷却により平常状態に戻すと、圧縮応力を付与した
状態とすることができる。

「実施例」 以下、本発明に係る二重金属管等の残留応力改善方法の
一実施例を図面に基づいて説明する。

該−実施例では、第１図に示すように、二重金属管が、
原子炉圧力容器１におけるノズル２とセイフェンド３と
を含む母管４の内部に、サーマルスリーブ５が設けられ
るとともに、母管４とサーマルスリーブ５との間に筒状
中空部６が形成されたものとされている。

また、母管４は突き合わせ溶接部（溶接継手）７によっ
て長さ方向に連結され、母管４の内面にはサーマルスリ
ーブ５の基部が、基部溶接部８によって取り付けられて
いる構造であり、さらに、この二重金属管は、オーステ
ナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４　　）によって構
成されているものとする。

そして、残留応力改善方法の実施に使用される機器は、
前記筒状中空部６の中に冷却水を噴出させて流水状態と
するための冷却ノズル９と、高周波電流をコイルに流す
ことによって誘導加熱を行なうための加熱手段１０と、
後述する拘束リング１１とで構成されている。

［拘束リングの構造］ 前記拘束リング１１は、第１図ないし第３図に示すよう
に、母管４を囲むように取り付けられる２分割構造の荷
重受はリング１２と、該荷重受はリング１２を組み立て
て一体化するための締結ボルト１３と、母管４と荷重受
はリング１２との間に介在させられるとともに複数分割
されている板状の当て金１４と、該当て金１４による１
母管４の拘束量（接触抑圧量）を調節するための調整ボ
ルト！５と、荷重受はリングＩ２の中に形成されている
冷却水流路１６と、該冷却水流路１６に冷却水を流して
低温状態にするための冷却水入り口１７及び冷却水出口
１８とを備えてなる構造であり、冷却水入り口１７には
冷却水供給源（図示路）が接続される。

以下、母管４の突き合わせ溶接部（溶接継手）７の近傍
（第１図において、サーマルスリーブ５の基部を中心と
してその左右に加熱手段ｌＯを配設した範囲）に、残留
応力改善を行なう場合の処理工程について説明する。

［母管部への冷却水の供給］ 二重金属管となっている部分の内部、つまり、母管４と
その内部のサーマルスリーブ５との内部に、冷却水を充
満させると、母管４とサーマルスリーブ５との間に形成
される筒状空間部６にも、冷却水が満たされる。そして
、母管４の加熱に先立って、第１図の矢印で示すように
、冷却水に流れを生じさせておくことが望ましい。この
場合、筒状空間部６が小さな間隙によって形成されてい
ると、筒状空間部６の中に存在している冷却水は、サー
マルスリーブ５の中に生じる水流によってほとんど干渉
されないので、滞留状態のままを維持する場合があると
考えられる。　　− ［部分水流の発生コ そこで、筒状空間部６に細い給水ノズル９の先端を挿入
して、サーマルスリーブ５０基部、セイフェンド３に向
けて、筒状空間部６に満たされている冷却水の中に、第
１図の矢印で示すように、部分水流を噴出させる。この
部分水流は、サーマルスリーブ５の基部に当たって広が
るため、円周方向に沿う流水が形成される。

［母管の加熱］ このように、サーマルスリーブ５と、筒状空間部６の中
とに冷却水が流れている状態としておくとともに、拘束
リング１１を母管４の外表面の所定の位置、つまり、サ
ーマルスリーブ５の基部溶接部８の外側表面に締結ボル
ト１３によって取り付けるとともに、調整ボルト１５に
よって当て金１４を母管４に緊密に接触させて、接触部
分の膨張を妨げた状態とする。さらに、拘束リング１１
の冷却水流路１６に冷却水を送り込んだ状態としておい
て、誘導加熱コイルに高周波電流を流す等により、加熱
手段１０を作動させる。即ち、基部溶接部８を取り巻い
ている母管４について、突き合わせ溶接Ｎ７の近傍を加
熱する。

母管４を加熱すると、母管４の管壁内部の温度が上昇し
て、外表面が高（内面がこれよりも低くなる温度分布と
なる。このとき、サーマルスリーブ５の部分の両表面は
、冷却水中に接触しているため、低い温度に維持される
。

［半径方向の膨張抑制］ このような母管４の加熱状態において、母管４の外表面
に拘束リング１１が介在しているとともに、拘束リング
１１の冷却水流路１６に冷却水が送り込まれて、低温状
態に維持されることにより、サーマルスリーブ５やその
基部近傍の熱膨張が抑制されるため、この付近では、第
４図の実線から鎖線で示すような変形が生じる。

［温度差の発生コ また、母管４の内面の温度は、給水ノズル９による部分
水流あるいは加熱による上昇流の発生に基づいて、移動
する冷却水に絶えず接触することになり、膜沸騰温度以
下に保持される。このとき、加熱手段１０による母管表
面の温度を内面と大きな差（例えばオーステナイト系ス
テンレス鋼の場合、２００℃以上）が生じるように、加
熱条件を設定すると、母管壁に厚さ方向の温度差を付与
して、母管壁に降伏点以上の熱応力を発生させることが
できる。

そして、筒状空間部６の部分で、冷却水の流れが生じて
いると、加熱によって蒸気が発生した場合でも、上部に
逃げた蒸気に部分水流が噴出して、冷却されるとともに
、最上部から排出移動させられることによって、蒸気の
停滞現象が起こらず、母管４の内面温度が異常に高くな
ることはなく、例えば膜沸騰温度以下に抑制される。

［応力の発生］ このように、２００℃以上の温度差を付与して、セイフ
ェンド３の付近に降伏点を越える応力を発生させる加熱
をしばらくの間続行してから、加熱手段ｌＯを停止させ
、以下、自然放置により常温に戻す。また、冷却時間の
経過とともに、冷却水及びセイフェンド３等の熱伝達に
より、母管壁は、はぼ均一な温度、例えば冷却水の温度
（常温）に戻る。このような冷却後の状態において、処
理対象部分であるセイフェンド３の近傍における母管４
の内面、例えば、第１図において突き合わせ溶接部７の
近傍の内面を圧縮残留応力を付与した状態とすることが
できるものである。

「応力発生の検討例」 第５図は、拘束リング１１を母管４の外表面に密着させ
た状態で加熱手段ＩＯを作動させて、前述の一実施例の
応力改善処理を施す場合におけるＦＥＭ解析モデル図を
示している。なお、第５図中に実際の寸法を併記してい
る（以下の第６図ないし第８図も同様に寸法を併記して
いる）。

第６図は、第５図のモデル図の解析位置において、残留
応力改善処理後に母管壁に発生する軸方向の残留応力分
布の検討結果を示している。また、第６図において、応
力分布曲線の数値と応力との関係は、図の近傍に併記し
である通りである。例えば数値３は、その部分に対応す
る応力−２０ｋｇ／ｍｍ”（圧縮残留応力）を表してお
り、以下、第７図及び第８図もこれに準する。負は圧縮
残留応力、正は引っ張り残留応力を表すものである。

一方、第７図は、第５図において拘束リング１１のない
状態で残留応力改善処理を行なった後に、母管壁に発生
する軸方向の残留応力分布の検討結果を示している。

これらの結果より、第６図では残留応力を改善する目的
の部分、つまり突き合わせ溶接部７の近傍における母管
内面には、曲線２ないし曲線４の圧縮残留応力を付与す
ることができたことを示し、また、サーマルスリーブ５
の基部溶接部８の近傍においては、曲線４ないし曲線５
の圧縮残留応力または応力零の状態であることを示して
いる。

この残留応力改善効果は、第７図と比較することにより
、その差が明確となる。

即ち、拘束リングを使用しない場合は、残留応力を改善
したい目的の部分、突き合わせ溶接部４の近傍における
母管内面には、曲線２程度の圧縮残留応力を付与するこ
とができることを示しているが、サーマルスリーブ５の
基部における基部溶接部８の近傍には、曲線１ないし曲
線７の性質の異なる差の大きな残留応力、つまり、圧縮
残留応力から引っ張り残留応力に至る変化が現れており
、特に、曲線７の２０　ｋｇ／ｃｍ”に及ぶ引っ張り残
留応力が生じて、基部溶接部８の近傍に溶接による熱影
響部が存在することも加味すると、この部分が欠陥部と
なり得ることを示している。

［サーマルスリーブ基部への影響］ 一方、母管４の突き合わせ溶接部７及びサーマルスリー
ブ５の基部における基部溶接部８の近傍の熱影響部では
、前述したように、軸方向の引っ張り残留応力が存在す
る場合に、腐食因子との共存によって腐食割れ等の不具
合現象が生じ易くなるものであるが、周方向の残留応力
についても、第８図に示すように検討を加えた。その結
果、曲線２ないし曲線５で示すように、圧縮残留応力な
いし応力零であり、特に問題を生じないことが明らかで
ある。

「その他の検討例」 また、第４図に示したように、拘束リング１１で母管４
の膨張を抑制しているため、拘束リング１１の位置が、
本来の母管内面の残留応力改善にどのような影響を与え
るかという点について検討を行なった。

第９図及び第１Ｏ図は、母管を均一温度で加熱した場合
（空気中で加熱した場合に近似する　）に、拘束リング
１１の端部からの距離Ｘだけ離間した位置における母管
内面に発生する軸方向及び周方向の応力の分布を、リン
グ・シェル理論を用いて模式的に計算した結果を示すも
のである。

ただし、 Ｒ＝母管の中立半径 Ｔ＝母管の板厚 である。

実際の残留応力改善を実施するために、母管４を加熱し
て内外面に温度差を付与している状態では、外面が高温
状態、内面が低温状態とすることが必要である。このた
め、外面に圧縮応力、内面に引っ張り応力が付与された
状態と、これらの応力が降伏点を越えることに基づいて
、改善処理後において、母管内面に圧縮残留応力を付与
した状態とするものである。

したがって、第９図及び第１Ｏ図において、母管を均一
温度で加熱した状態で、母管内面に引っ張り応力を発生
させるのに都合の良い状態となっているかどうかを見る
と、軸方向応力は、Ｘ＜１．０（ＲＴ　）”　’ の範囲で引っ張り応力となっており、好都合であると言
えるが、 １．０（ＲＴ）’・　５＜Ｘ＜２．５（ＲＴ　　）０・
５の範囲で圧縮応力となっているので、その大きさの管
理を十分にする必要がある。

一方、周方向応力は、 Ｘ＜２（ＲＴ）’・５ の範囲で圧縮応力となっている。

したがって、両方を加味すると、突き合わせ溶接部７の
溶接熱影響部が ｘ＞２．５（ＲＴ　）’・５ の範囲となる運用をすると、母管４の内面とサーマルス
リーブ５の基部との両方を満足させる残留応力改善を施
すことができると考えられる。

「具体的な計算例」 前述した第９図及び第１０図の模式図に、実例の数値を
適用した例について計算した結果を以下に示す。

く計算条件〉 母管の中立半径　　Ｒ＝　１５３ｍｍ 母管の板厚　　　　　ｔ＝３１．５ｍｍ外面温度　　　
　Ｔ、＝５５０℃ 内面温度　　　　　Ｔｚ＝１２０℃ 初期温度　　　　　ＴＯ＝４０℃ 板厚平均温度上昇ΔＴ　＝　（Ｔ　ｔ　＋　Ｔ　ｔ）／
　２　　Ｔ　。

＝２９５℃ ヤング率　　　　　Ｅ　＝　２００００ｋｇ／　ｍｍ”
ポアソン比　　　　ν＝０．３ 熱膨張率　　　　　α＝　１．６Ｘ　１０−０・５／℃
ただし、拘束リングにより半径方向の熱膨張を完全に拘
束しているとして計算した。

これらの計算結果を第１１図に示す。

第１１図において、周方向の応力は、 Ｘ　＝　０．５ＣＲＴ　）’・５ 付近で最大６５　ｋｇ／　ｍｍ”の圧縮応力が生じてい
る。

実際の拘束リングでは、構造上ｌｏｏ％拘束が困難であ
るため、８０％拘束率で計算すると、−６５ｋｇ／ｍｒ
１＋″ｘ　０．８０＝　−５２ｋｇ／　ｍｍ”それに対
して、残留応力改善処理時に母管内外面温度差により生
じる応力は、近似的に次式で与えられる。

σ＝ＥαΔＴ／（２（１−ν）） ＝　２００００ｘ　１．’６Ｘ　１０−’°’Ｘ　（５
５０−１２０）／　（２（１−０，３）） ＝　８９ｋｇ／　ｍｍ’ よって＠管内面（Ｘ　＝　０．５（Ｊｔ　Ｔ　）”５）
１．ニーおｌ＋　ル周方向の残留応力は、 σ−８９−５２＝　３９ｋｇ／　ｍｍ”となる。

なお、ステンレス綱の降伏応力は、 σｙ＝　２５ｋｇ／　ｍｍ’ てあり、 σ〉σｙ であるため、回部においても加熱中に引っ張り側に降伏
する現象が生じ、冷却完了後は、圧縮残留応力となる。

軸方向の残留応力については、 Ｘ　＝　１．４（ＩＮ　Ｔ　）’°５ 付近で最大の圧縮応力となっているが、周方向と比べる
と、４０％程度小さく、軸方向残留応力の改善について
は問題が少ない。

以上の検討結果から明らかなように、拘束リングが存在
しな場合でも、母管の応力改簿処理を損なうことがない
。

ただし、比較的容易に残留応力改善を行なうためには、
溶接継手と拘束リングの距離（Ｘ）が、前述したように
、２．５（ＲＴ　）’°５以上であることが望ましい。

そのときの加熱条件は、 八Ｔ≧４σｙ（＋−ν）／Ｅα τ≧０．７ｈｌ’／ａ たたし、 τ＝加熱時間 り、＝板厚 ａ＝温度拡散係数 である。

また、Ｘ　＜　２．５（ＲＴ　）’・５の範囲とせざろ
を得ない場合は、拘束リングにより発生する圧縮応力を
配慮して、余裕を持たせた残留応力改善処理を行なうこ
とが望ましい。

［他の実施態様］ なお、前述した実施例に代えて次のようにすることもで
きる。

（イ）母管の加熱と温度差の発生との処理工程において
、母管及びセイフェンドの表面温度が５５０℃以下とな
るように設定して、母管外壁の金属組織中に鋭敏化域が
生じないようにすること。

（ロ）冷却水をサーマルスリーブの中で停滞させた状態
で処理するとともに、二重管の大きさ、誘導加熱の深さ
、熱量、時間、温度差の設定等の条件を考慮して、実質
的に対流水を形成するようにすること。

（ハ）サーマルスリーブの基部が下側配置、あるいは筒
状中空部において加熱時に自然対流が行なわれるものに
ついて、冷却水の噴出のための給水ノズルを省略するこ
と。

（ニ）二重管がオーステナイト系ステンレス鋼以外の金
属管である場合に適用すること。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係る二重金属管等の残留
応力改善方法は、母管の内面にサーマルスリーブの基部
を溶接してなる二重金属管の内部に、冷却水を存在させ
た状態とするとともに、前記基部の外側に位置している
母管表面に拘束リングを外嵌した状態で母管を加熱して
、母管壁に温度差を付与するようにしているものである
から、次のような優れた効果を奏する。

■母管を誘導加熱して残留応力改善処理を行なう場合に
、冷却水に接触して低温状態に維持されることにより熱
膨張が抑制される部分と、拘束リングによって拘束され
ることに上り熱膨張が抑制される部分との間に、大きな
寸法的差が生じることがなく、母管の誘導加熱によって
悪影響を受けることを防止できる。

■誘導加熱によって熱膨張して降伏点を越えた母管壁の
収縮作用により、サーマルスリーブの基部が圧縮される
ため、サーマルスリーブの基部にも圧縮残留応力を付与
することができる。

■サーマルスリーブの基部から若干離間した部分の溶接
継手の残留応力改善処理をサーマルスリーブの基部に関
係な〈実施することができ、実施が容易で実用性が高い
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る二重金属管等の残留応力改善方法
を原子炉圧力容器におけるノズル部分に適用した場合の
一実施例を示す縦断面図、第２図は拘束リングによる母
管の拘束状態を示す第１図の■−■線矢視図、第３図は
第２図の■−■線矢視図、第４図は拘束リングを取り付
けた状態で母管を誘導加熱した場合における拘束リング
近傍の変形説明図、第５図は拘束リングを密着させて残
留応力改善処理を行なう場合のＦＥＭ解析モデル図、第
６図は拘束リングを使用して残留応力改善処理を行なっ
た場合における軸方向の残留応力分布図、第７図は拘束
リングのない状態で残留応力改善処理を行なった場合に
おける軸方向の残留応力分布図、第８図は拘束リングを
使用して残留応力改善処理を行なった場合における周方
向の残留応力分布図、第９図は拘束リングからの距離に
よる拘束により発生する応力の変化の検討用模式図、第
１Ｏ図は第９図の模式図における母管内面の拘束により
発生する応力の曲線図、第１１図は第９図及び第１θ図
に基づいて計算した例の母管内面の拘束により発生する
応力の曲線図である。 ！・・・・・・原子炉圧力容器、 ２・・・・・・ノズル、 ３・・・・・・セーフエンド、 ４・・・・・・母管、 ５・・・・・・サーマルスリーブ、 ６・・・・・・筒状中空部、 ７・・・・・・突き合わせ溶接部、 ８・・・・・・基部溶接部、 ９・・・・・・給水ノズル、 １０・・・・・・加熱手段、 １１・・・・・・拘束リング、 １２・・・・・・荷重受はリング、 １３・・・・・・締結ボルト、 ｌ４・・・・・・当て金、 １５・・・・・・調整ボルト、 １６・・・・・・冷却水流路、 １７・・・・・・冷却水入り口、 １８・・・・・・冷却水出口。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社 第１図 第２図 第８図 第５図 第６図 第゛７図 第９図 Ｉ 第１０図 Ｃ÷）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 母管の内面にサーマルスリーブの基部を溶接してなる二
   重金属管の内部に、冷却水を存在させた状態とするとと
   もに、前記基部の外側に位置している母管表面に拘束リ
   ングを外嵌した状態で母管を加熱して、母管壁に温度差
   を付与することを特徴とする二重金属管等の残留応力改
   善方法。