JPS63143221A - 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＠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
善する場合には、鋼管の中に冷却水を挿通さ仕ながら鋼
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、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、母管壁の温間分布が不均一に
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、サーマルスリーブの基部の近傍に
おいて、前述の残留応力改善処理を実施すると、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不要な応力を発
生させないようにしながら、母管及び基部の残留応力改
善を行なうことを目的とするしのである。

「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を冷却して
低温状態に保持しながら母管を加熱し、母管壁に温度差
を付与するようにしているしのである。

「作用　」 母管を誘導加熱すると、母管壁の温度が全体的に上界す
るが、ザーマルスリーブ全体、その基部、基部の外側に
位置する母管壁は、冷却された状態となっているために
、温度上昇が抑制されて熱膨張がほとんど生じない。こ
のため、基部とその外側の母管壁と間の熱膨張差が少な
く、熱膨張差に基づく応力の発生や、塑性変形の発生が
抑制されて、両者の接合部（サーマルスリーブの基部）
に不利な応力が付与されることを避けることができる。

また、母管壁の加熱されている箇所の熱膨張によって、
冷却状部になっている基部とその外側の母管壁とには、
変形力が加えられるが、低温状態に保持されることと、
断面積が大きいこととに法づいて、発生応力が低く押さ
えられて、応力が降伏点を越えるまでには至らず、残留
応力に悪影響を及ぼすことがない。

そして、加熱状聾となっている母管壁には、内外面の温
度差によって、降伏点以上の引っ張り応力が発生し、そ
の後の冷却によって平常状聾に戻すと、母管内面の必要
箇所に有効な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ｒこらのとされている。

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、サーマルスリーブ５９基部は、
母管４の内面に、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、二の二重金属管は、オーステ
ナイト系ステンレスｇ（ＳＵＳ３０．１）によって偶成
されているらのとする。

そして、残留応力改寿方法の実施に使用される機器は、
曲記筒状中空部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、サーマルスリーブ５の基部
の外表面に向けて冷却水を噴出させて冷却するｆこめの
冷却器ｌＯと、該冷却器ＩＯから噴出された冷却水の飛
散を抑制するｆ二めの一対の仕切り板１１と、高周波電
流をコイルに流すことによって母管４の必要とする部分
を表面側から誘導加熱するための一対の加熱手段１２と
て構成されており、該加熱手段１２は、冷却器１０が介
在している箇所、つまり、一対の仕切り仮１１の間を除
いて、母管４の必要長さを覆うように配設されている。

以下、母管４の突き合わけ溶接部（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１２を配設した範囲）等に、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伶− 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、滞留状態のまま維持されてしまう場合が
あると考えられる。

［部分水流の発生］ 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５の基部、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。

［冷却器の作動］ さらに、冷却器１０を作動させて、第１図に矢印で示す
ように、母管表面における仕切り板１１の間に冷却流体
を噴出させて、サーマルスリーブ５の基部の外側に位置
している母管壁の所定箇所を冷却状態に維持する。仕切
り仮１１で区画することにより、以下の誘導加熱工程に
おいて加熱部分が冷却流体によって、冷却されることを
防止するとともに、誘導加熱時の熱伝達による温度上昇
を抑制する。

［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、仕切
り板１１の間を冷却した状態としておいて、誘導加熱コ
イルに高周波電流を流す等により、加熱手段１２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、突き合わけ溶接部７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、外表面が高く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の部分の両表面と
、サーマルスリーブ５の基部の近傍の母管壁は、冷却状
態に保持されているため、低い温度に維持される。

［半径方向の膨張抑制二 この場合、母管４が加熱されている状態にあっても、第
１図に寸法して示す部分では、母管壁の一部とサーマル
スリーブ５の基部とが、低温状態に保持されるので、こ
の近傍の熱膨張が抑制される。

一方、母管４の加熱によって、寸法りを除く部分は熱膨
張するため、この近傍では、第２図の実線から鎖線で示
すような変形が生じる。なお、第２図においては、冷却
器ｌＯの作動による熱膨張の抑制作用（拘束作用）をモ
デル化して、母管４に密接状態のリングに置き換えて示
している。

［温度差の発生］ 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堪づいて、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１２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°Ｃ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１２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３図は、サーマルスリーブ５の基部の外側に位置して
いる母管壁の熱膨張を、完全に拘束（１００％拘束）し
た状態で加熱手段１２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３図においても、第２図の場合と同様に、冷却
器」０による熱膨張の抑制作用（拘束作用）が１００％
であるとして、モデル化したリングに置き換えて示して
いる。かつ、第３図では二重金属管における実際の寸法
を併記している（以下の第４図及び第５図においても同
様に寸法を併５己している　）。

第４図は、冷却器ｌＯの作動によって熱膨張を１００％
抑制した場合において、第３図のモデル図の解析位置に
対応する母管壁に、残留応力改善処理後に発生する軸方
向の残留応力の分布について、検討した結果を示してい
る。また、第４図において、応力分布曲線の数値と応力
との関係は、図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／　ｍｍ２（
圧縮残留応力）を表しており、以下、第５図もこれに阜
ずろ。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５図は、第３図において、熱膨張の抑制がなさ
れてい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の分布の検討結果を示
している。

これらの結果より、第４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。

このような残留応力改善効果は、第５図と比較すること
により、その差が明確となる。

即ち、熱膨張抑制を行なっていない場合は、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Ｉ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
り残留応力が生して、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
部となり得るものである。

［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、軸方向の引つ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、熱膨張を抑制する
ことによって、特に問題を生じないようにし得ることが
明らかである。

ただし、前記冷却器ｌＯを作動させた場合は、熱膨張を
１００％抑制することが困難な状態となり得るので、実
際の適用時には熱膨張抑制率（拘束率）の大きさによっ
て、第４図と第５図とに示す間の応力値となり、適宜に
熱膨張抑制率を設定することにより対応できる。

［冷却条件の設定］ 以下、冷却によって得られる熱膨張抑制率（拘束率）に
ついて説明する。

所定値以上の熱膨張抑制率を得るためには、冷却条件を
適宜範囲に設定することが必要であるが、この場合の冷
却条件は、冷却温度と冷却域の幅とによって決定されろ
。

ただし、前記所定値は、サーマルスリーブ・セイフェン
ド回りの形状により質なるが、面性したように１００％
より小さくても効果を期待でき、例えば３０〜４０％で
も効果がある。

く熱膨張抑制モデル〉 第６図に示すように、円筒シェル（母管）にリング（サ
ーマルスリーブ基部の母管壁等）が接続されたモデルを
考える。この場合において、基部を除くサーマルスリー
ブの他の部分は無視するものとする。第６図において、 Ｒ：母管・リングの中立半径 ｔ　：母管壁の厚さ ｂ　：リングの軸長さく冷却部の軸長さ）ｄ　：リング
壁の厚さ として、初期状態より、シェル部がΔＴｌ温度上昇し、
リング部がΔＴ、温度上昇した場合の変位を求める。

このとき、リングとシェルとの接合点における力のモー
メントのつり合いは、第７図に示すようになる。

ただし、 Ｍｏ：モーメント Ｑｏ：剪断力 境界条件に基づいて解析を行なうと、 Ｍ、＝ＣＨ（ΔＴ１−ΔＴ　＊）／　［（１／　２β２
Ｄ）＋　〔４β　Ｒ（Ｒ＋　　２　）／　ｂｄＥ　’ｔ
コ・・・・・・（ｉ）Ｑ　ｏ　＝２βＭ　、−−（ｉｉ
　） ただし α　：熱膨張率 β　：（３（１−νす／　Ｒ’ｔ’）’・＊５Ｄ　　：
　Ｅｔ”／（１２（１−νす）Ｅ　：ヤング率 ν　；ポアソン比 この場合において、リングの変位Ｗは次式で与えられる
。

Ｗ”（２ＱｏＲ（Ｒ＋２）／ｂｄＥ）↓αΔＴｔＲ・・
・・・・（ｉｉｉ） また、熱膨張抑制率Ｆは次式で与えられる。

Ｆ＝１−（リングの変位）／（自由状態で一様にΔＴ１
温度上昇した場合の変位） ＝ｌ−Ｗ／（７１！ΔＴ　、　Ｒ）　・−−−−−（ｉ
Ｖ　）〈熱膨張抑制率の計算例〉 Ｒ＝１　５３ｍｍ、　　ｔ　　＝３　１．　５ｍｍ５　
ｂ　　＝１　００ｍｍ。

ｄ＝３５ｍｍ、初期温度＝４０℃、ΔＴ、＝２６０℃、
ヤング率Ｅ＝　２００００ｋｇ／ｍｍ”　、ポアソン比
ν＝０．３、熱膨張率α＝１．６ＸＩＯ−’／’Ｃの条
件下において、 外面温度＝５００℃、内面温度＝１００℃であるとすれ
ば、 ΔＴ、＝（５００＋ｌＯＯ）／２−４０＝２６０℃　が
導き出される。

このとき、冷却状態となっている母管壁中心の温度ΔＴ
ｔをそれぞれ６０．０、−４０、−８０℃として、次表
の熱膨張抑制率Ｆを算出した。

第１表 この表からも明らかなように、リング部を冷却すること
によって、大きな熱膨張抑制率Ｆを得ることができる。

く所要熱膨張抑制率〉 第５図に示したＦＥＭ解析例のケースについて、所要熱
膨張抑制率（引っ張り応力が有害とならない有用範囲の
熱膨張抑制率）を求めた例について説明する。

加熱時に生じる圧縮応力を１５　ｋｇ／　ｍｍ”以下と
すれば、冷却後において、引っ張り残留応力はほとんど
発生しない。

それに対して、解析のケース（熱膨張抑制率＝０　）で
は、加熱時に２０ｋｇ／ｍｌ１１！程度の圧縮応力が生
じている。

ｃｙ　＝　１５　ｋｇ／ｍｍ″に対応する歪みｅ　＝　
０．００１２と、ａ　＝　２０　ｋｇ／ｍｍ″に対応す
る歪みｅ　＝　０．００３０とから、必要な熱膨張抑制
率Ｆを求めると、Ｆ　＝　１−０．００１２１０．００
３０＝０．６ が求められる。

即ち、所要熱膨張抑制率は、継手形状によって影響を受
けるが、一般に６０％程度であると考えられる。

以上の検討結果から明らかなように、熱膨張抑制を行な
った場合は、サーマルスリーブの基部に悪影響を与える
ことなく、母管の応力改善処理を行なうことができる。

「その他の検討例」 ただし、比較的容易に残留応力改善を行なうためには、
第１図に示した冷却部の寸法りは大きな方が有利である
とともに、溶接継手と冷却部との距離（Ｘ）について、
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、 ΔＴ≧４σ（ｌ−ν）／Ｅα τ≧０．７ｈ、”／ａ ただし、 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の範囲とせざる
を得ない場合は、冷却部により発生する応力を配慮して
、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。

そして、多くの場合において、ステンレス綱を対象とし
ているときは、外面温度が４５０〜５５０℃と比較的高
温に設定する必要がある。

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

（イ）冷却器は母管外表面の必要箇所を冷却状聾に保持
する機能を有するものであれば良く、例えば冷却用気体
、液体２酸化炭素、液体窒素等によって作動するものを
採用すること。

（ロ）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。

（ハ）冷却部の温度を可能な範囲で低温とする場合にお
いて、内面の強制冷却を行ないながら外面の冷却装置を
作動させるようにして、内面の氷結を避けること。

（ニ）その場合において、外面の冷却を短時間内に強力
に行なうこと。

（ホ）二重管がオーステナイト系ステンレス調以外の金
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
母管表面を冷却して低温状態に保持しながら母管を加熱
し、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
、サーマルスリーブの基部近傍の母管壁が冷却水に接触
して低温状態に維持されて熱膨張を抑制するとともに、
低温状態に保持されている部分に、相対的な寸法的差が
生じることが少なく、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
。

■母管壁の一部を冷却するようにしているため、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図は冷却による熱膨張抑
制作用を示す説明図、第３図は冷却による熱膨張抑制作
用に基づいて残留応力改善処理を行なう場合のＦＥＭ解
析モデル図、第４図は冷却による熱膨張抑制作用に基づ
い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５図は熱膨張抑制を行なわない状態
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６図は熱膨張抑制モデルの説明図、第
７図は第６図におけるモーメントのつり合いの説明図で
ある。 ｌ・・・・・・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・・・・・溶接部（溶接継手）、 ８・・・・・基部溶接部、 ９・・・・・・冷却ノズル、 ｌＯ・・・・・・冷却器、 １１・・・・・・仕切り板、 １２・・・・・・加熱手段。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社 第１図 第８図 第６図 第６図 Ｍ″７図

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を冷却し
   て低温状態に保持しながら母管を加熱し、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。