JPS63161122A - 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Ｊ 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
善する場合には、鋼管の中に冷却水を押通させながら鋼
管を誘導加熱して、母管壁の内外面に降、火点以上の熱
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
数倍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大きさや向
きが、目的とする値から外れる現象が発生ずると考えら
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０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、二
つの発明からなるもので、第！の発明にあっては、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
、前記基部をはさむ両側の母管壁を時間差をおいて加熱
し、母管壁に温度差を付与するものであり、また、第２
の発明にあっては、これらの手段に加えて、前記基部を
はさむ両側の母管壁について、一方の片側表面を冷却状
態にして他の片側を加熱し、次いで時間差をおいて、他
方の片側表面を冷却状態にして一方の片側を加熱して、
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　」 サーマルスリーブの基部の近傍を除いて、母管を片側ず
つ加熱すると、加熱された側の母管壁の温度が上昇する
。このときサーマルスリーブとその基部とは、冷却によ
って低温状態となっているため、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、母管の片側加熱
によって、サーマルスリーブの基部の内径寸法が若干大
きくなる変形を生じるが、この場合において、サーマル
スリーブの大部分は、当初の寸法を維持しようとするた
め、サーマルスリーブの基部には、引っ張り応力が発生
ずる。したがって、該引っ張り応力が降伏点を越えた場
合にあっても、加熱及びその後の定常状態には、圧縮応
力に変換されて、サーマルスリーブと母管との接合部（
サーマルスリーブの基部）に不利な応力が生じることを
避けることができる。

また、片側ずつ加熱する工程において、加熱範囲外の母
管壁の表面を冷却すると、冷却範囲における母管壁の熱
膨張が抑制されて、この部分の母管壁では、表面及び内
面の熱膨張差が非常に少なくなり、加熱部分の影響を受
けることがなく、また、加熱部分については、他の部分
へ影響を及ぼずことなく、残留応力改善を実施すること
ができろものとな、る。

そして、これらの加熱及び冷却後において、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
って降伏点以上の引っ張り応力が発生し、冷却によって
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」 まず、第１の発明に係る二重金属管等の残留応力改善方
法の実施例について、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ｌ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、サーマルスリーブ５の基部は、
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、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
加熱するための第１の加熱手段１０と第２の加熱手段１
１とで構成されており、二つの加熱手段１０・Ｉｆは、
母管４の外表面を長さ方向に間隔を明けて、必要長さを
覆うように配設されているとともに、時間差を空けて独
立状態で作動させられるものである。

以下、母管４の突き合わせ溶接部（溶接継手）７とサー
マルスリーブ５の基部とを含む母管４の内面（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、第１
図の左右に第１及び第２の加熱手段ｌＯ・１１を配設し
た範囲）に、残留応力改善を行なう場合について説明す
る。

［＠管部への冷却水の供給コ ニ重金居、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、部分水流を噴出さ仕る。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・１１
を交互に作動させる。

即ち、第１図において、サーマルスリーブ５の基部の右
側位置にある第１の加熱手段ＩＯを作動させて、母管壁
を片側だけ誘導加熱すると、この部分の母管壁の温度が
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の基部の近傍と、その左側に位置してい
る母管壁とは、直接的に加熱されず、また、冷却水に浸
されている部分では、温度上昇が抑制されて低い温度に
維持される。

［半径方向の膨張抑制］ このように母管壁を片側だけ加熱している状態において
、前述の低温に維持されている部分では、元の形状にと
どまろうとする熱膨張拘束・作用が生じ、一方、加熱部
分では熱膨張しようとするため、第１の加熱手段■０の
近傍の母管壁から、サーマルスリーブ５の基部にかけて
、第２図（Ａ）の実線から破線で示すような変形が生じ
る。

［母管壁における温度差の発生］ 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、第１の加熱手段１０によっ
て生じ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。

［基部溶接部における影響］ 一方、母管壁の加熱部分が、サーマルスリーブ５の基部
から若干離間している状態では、第２図（Ａ）に示すよ
うに、加熱された母管壁が熱膨張することによって、サ
ーマルスリーブ５の基部が引っ張られるため、（ｉ）部
に矢印のような引っ張り変形力が発生すると考えられる
。この近傍は低温状態に保持されていることと、断面積
が大きいこととに基づいて、降伏点を越える応力を発生
さＵ′ないようにすることも可能であるが、たとえ、応
力が降伏点を越えた場合でも、後述するように悪影響を
及ぼずことがない。

［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、第１の加熱手段ｌＯを停
止させ、以下、自然放置により常温ζこ戻す。また、冷
却時間の経過とともに、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、サーマルスリーブ５の基部の右側におけ
る母管内面に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。

一方、基部溶接部８の近傍の（ｉ）部において、加熱状
態で降伏点を越える応力発生があった場合は、冷却後に
母管内面と同様に、圧縮残留応力を付与した。状態とす
ることができる。

［他の片側の母管内面の残留応力改善処理１次いで、第
２の加熱手段！ｌを作動させて、母管壁の他の片側を誘
導加熱し、母管壁に降伏点を越える応力を発生させて、
再度冷却する工程を実施し、他の片側の母管内面にも圧
縮残留応力を付与した状態とする。

この場合において、第２図（Ａ）に示すサーマルスリー
ブ５の基部近傍の（ｉｉ　　）部には、（ｉ　）部で説
明した場合と同様に、変形に基づく現象が現れるが、目
的とする箇所、つまりサーマルスリーブ５の基部よりら
左側に位置する母管内面に、圧縮残留応力を付与した状
態とすることができるとともに、（ｉｉ　　）部に悪影
響を及ぼすことも避けられる、。

「応力発生の検討例」 サーマルスリーブ５が存在する場合に、第２図（Ａ）で
示すように、片側ずつ母管壁を加熱する本願に係わる方
法′と、第２図（Ｂ）に示すように、両側を同時に加熱
する方法との比較について説明する。

サーマルスリーブ５の基部を含む母管壁を均一に加熱し
た場合（両側を加熱した場合）は、母管壁がサーマルス
リーブ５の外方に、第２図（Ｂ）の破線で示すように、
平均的に熱膨張するため、この熱膨張力によってサーマ
ルスリーブ５の基部が外方に引っ張られ、サーマルスリ
ーブ５の基部に（ｉｉｉ　）部が曲げられる変形が生じ
て、該（市）部に圧縮変形力が作用すると考えられる。

この近傍は、前述したように低温状態に保持されている
ことと、断面積が大きいこととに基づいて、降伏点を越
える応力が発生しにくい条件下にあるが、応力が降伏点
を越えてしまうと、冷却後に母管内面とは反対に、引っ
張りの残留応力を付与した状態となってしまうおそれが
ある。このような現象は、本願に係わる第２図（Ａ）の
場合と比較して、原理的に不利なものとなる。

［加熱条件について］ 第１図及び第２図（Ａ）に示す実施例の残留応力改善方
法における加熱条件について、以下説明すると、母管壁
の内外面に付与される温度差ΔＴは、次式で表される。

Δｉ’　＝　４σ（Ｉ−ν）／Ｅα・・・・・・（ｉ）
ただし、 σ：応カ シ：ポアソン比 Ｅ：ヤング率 α：熱膨張率 また、必要な加熱時間τは、 τ＝０．７ｈ”／ａ”・・・・・・・・・・・・（ｉｉ
）式で表される。ただし、 ｈ：母管壁の厚さ ａ：温度拡散係数 である。

［サーマルスリーブの基部と加熱範囲との相対距離］ 第３図に示すように、サーマルスリーブ５の基部中心と
加熱範囲（加熱手段の端部）との距離Ｑは、前記（ｉ）
部′及び（ｉｉ　）に影響を及ぼさないようにするとい
う点では、大きい方が良い。しかし、時間差を空けて片
側ずつ加熱することによって、サーマルスリーブ５の基
部近傍に圧縮残留応力を付与した状態、つまり、残留応
力を改善した状態とすることができるので、適宜の影響
が生じるように設定することもあり得る。また、二重金
属管において、前述した溶接継手７とサーマルスリーブ
５の基部とが近接状態となる場合も多く、これらを適宜
に勘案して設定すると良い。

例えば、サーマルスリーブ５の基部中心と加熱範囲との
距Ｍり、及びρ、は、 Ｑ、及び＋２１’Ｆ　５０　ｍｍ 程度が良く、かつ、サーマルスリーブ５の基部中心と溶
接継手７の中心との距離しは、５０ｍｍ以上であれば施
工可能と思われるので、できれば、Ｌ　〉　夏　００ｍ
ｍ が望ましい。

［熱膨張抑制条件の設定］ 前述した第３図に示す距離ｅは、（ｉ）部及び（１１）
部の応力改善を行なう目的のためには、小さい方が好ま
しいが、一方、サーマルスリーブ５の基部ｈ＜、熱、膨
張によって拡径されないようにする（熱膨張抑制を行な
う　）ためには、通常、母管壁の厚さｔよりも大きく設
定する必要がある。

ここで、第１の加熱手段ＩＯによる母管壁の加熱を行な
うととしに、加熱しない部分を積極的に冷却する等によ
り、非加熱部分が均一な低温状態となって、熱膨張を抑
制しているとすると、第４図に示すシェルモデルが考え
られる。

即ち、熱膨張抑制率（拘束率）が後述する所定値以上に
できるとして、加熱及び冷却条件を設定する。

熱膨張抑制率Ｆは次式で与えられる。

Ｆ＝１−（サーマルスリーブ基部の変位Ｗ）／（自由状
態で一様にΔＴ、温度上昇した場合の変位） なお、前記所定値は、サーマルスリーブ・セーフエンド
回りの形状により異なるが、一般に３０〜４０％以上で
、あれば効果を期待できる。

［熱膨張抑制率′について］ 初期温度よりシェル■がΔＴ１温度上昇し、シェル■が
ΔＴ、温度上昇したとする。この場合、第４図に示すよ
うに、シェル■及びシェル■の端面に剪断力Ｑ。及びモ
ーメントＭ０を負荷して接合した問題として解くことが
できる。

ここで、境界条件に基づいて解析を行なうと、剪断力Ｑ
０は、 Ｑ、＝α（ΔＴｔ−△Ｔ　、）Ｒβ’　Ｄ　−−（ｉｉ
ｉ　）Ｍ０＝０　　　　　　　　　　　・・・・・・（
ｉＶ）ただし α　：熱膨張率 Ｒ：母管の中立半径 β　：（３（１−ν鵞）／　Ｒ’ｔ’）’−１５Ｄ　　
：　Ｅｔ’／（１２（１−νつ）また、シェル■の半径
方向の変位はＷｘは、次式で与えられる。

Ｗ　Ｘ　＝　（Ｑ　ｏＱ−ｆ”　ｃｏｓβＸ／２β’Ｄ
）十αＲΔＴ１・・・・・・（ｖ） ただし、 Ｘ　；接合点からの距離 また、サーマルスリーブ基部の変位Ｗ１は、Ｘ＝Ｑ、と
して与えられる。

したがって、前述した熱膨張抑制率Ｆは、１’；’＝Ｉ
−Ｗ、／αΔＴ、Ｒ で表される。

く熱膨張抑制率の計算例〉 ｆｌ＝１５３ｍｍ、Ｌ　＝３１．　５ｍｍ、　Ｃｔ＝＝
ｔ　＝＝３　ｔ。

５ｍ＋＋＋、初期温度＝４０℃、Δ’ｒ、＝２６０℃、
ヤング率Ｅ＝２００００ｋｇ／ｍｍ”　、ポアソン比ν
＝０．３、熱膨張率α＝１．ＧｘｌＯ−’ｘｌ／’Ｃの
条件下において、 外面温度＝５００℃、内面温度−１００°Ｃであるとす
れば、 ΔＴ、　＝（５００＋　１００）／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Δ１
゛１をそれぞれ６０．０、−４０、−８０℃として、次
表の熱膨張率Ｆを算出した。

この表からも明らかなように、非加熱部を積極的に冷却
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。

「他の実施例」 次いで、第２の発明に係る二重金属管の残留応力改善方
法の実施例について、第５図（Ａ）及び第５図（Ｂ）に
基づいて説明する。

該実施例では、残留応力改善方法の実施に使用されるｉ
器として、母管４の外表面に第１の加熱手段１０と第２
の加熱手段１１とが設けられるとともに、これら加熱手
段１０・１１における誘導加熱コイルの間に、加熱範囲
の全体°等を覆うように、第１の冷却手段１２と、第２
の冷却手段１３と、第３の冷却手段Ｉ４とがそれぞれ設
けられ、また、各加熱手段１０・１１及び各冷却手段１
２・１３・１４の間には、冷却範囲を区画するように仕
切り板Ｉ５が設けられており、これら加熱手段と冷却子
１段との切り替えによって、残留応力改善工程が行なイ
つれる。

即ち、第５図（Ａ）において、塗りつぶした部分で示す
ように、第１の加熱手段１０と、第１の冷却手段１２と
、第３の冷却手段Ｉ４とを作動さＵｏて、第５図の左側
の残留応力改善工程を実施する。この場合において、母
管部への冷却水の供給と、筒状空間部６への部分水流の
発生とが行なわれるとともに、第１・第３の冷却手段１
２・Ｉ４を作動さＵ・た状態とすることにより、第５図
（Ａ）に示すように、サーマルスリーブ５の基部より右
側は、冷却雰囲気となって熱膨張抑制状態となり、これ
らの部分での応力発生を伴うことがなく、第５図（Ａ）
では、左側に位置している母管壁の内面部分の残留応力
改善がなされる。

次いで、第５図（Ｂ）において、塗りつぶした部分で示
すように、第２の加熱手段１１と、第２の冷却手段１３
と、第３の冷却手段１４を作動させて、第５図の右側の
残留応力改善工程を実施する。この場合において、第５
図（Ｂ）に示すように、サーマルスリーブ５の基部より
左側が、冷却雰囲気となって熱膨張抑制状態となる。こ
の場合は、第５図（Ｂ）の右側に位置している母管壁の
内面部分の残留応力改善がなされる。

そして、これらの残留応力改善工程にあって、サーマル
スリーブ５の基部の近傍は、冷却に基づいて熱膨張抑制
作用が生じて、不要な残留応力が付与される′ことがな
い。

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

（イ）各冷却手段は母管外表面の必要箇所を冷却状態に
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）また、この場合において、外面温度が４５０〜５
５０℃の範囲に設定すること。

（ニ）二重・管がオーステナイト系ステンレス鋼以外の
金属音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、第１の発明にあっては、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
部をはさむ両側の母管壁を時間差をおいて加熱し、母管
壁に温度差を付与するようにしているものであり、また
、第２の発明にあっては、これらの手段に加えて、前記
基部をはさむ両側の母管壁について、一方の片側表面を
冷却状態にして他の片側を加熱し、次いで時間差をおい
て、他方の片側表面を冷却状態にして一方の片側を加熱
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、次のような浸れた効果を奏ず４゜ ■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と非加熱部分と
が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の機械的強度が高いために
、相対的な寸法的差が生じることが少なく７、母管の誘
導加熱によって、サーマルスリーブの基部が悪影響を受
けることを防止できる。

■母管の残留応力改善処理において、サーマルスリーブ
の基部に発生した引っ張り応力が降伏点を越えることが
あっても、定常状態に圧縮残留応力となるので、母管部
分の残留応力改善処理によって悪影響を受けることがな
い。

■非加熱部分を積極的に冷却することによって、目的と
する箇所の残留応力改善を確実に行なうことができ、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（Ａ）は片側加熱時に
おいて冷却によって生じる熱膨張抑制作用の説明図、第
２図（Ｂ）は両側加熱時におい、て冷却によって生じる
熱膨張抑制作用の説明図、第３図はサーマルスリーブの
基部と加熱範囲との関係の説明図、第４図は熱膨張抑制
時のシェルモデル図、第５図（Ａ）（１３）は本発明に
係る二重金属管等の残留応力改善方法におけろ他の実施
例の工程説明図である。 ！・・・・・・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・・・・・・溶接部（溶接継手）、 ８・・・・・・基部溶接部、 ９・・・・・・冷却ノズル、 １０・・・・・・第１の加熱手段、 １１・・・・・・第２の２加熱手段、 １２・・・・・・第１の冷却手段、 １３・・・・・・第２の冷却手段、 １４・・・・・・第３の冷却手段、 １５・・・・・・仕切り板。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記基部をはさむ両側の母管壁を時間差を
   おいて加熱し、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。
2. （２）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、前記基部をはさむ両側の母管壁について、
   一方の片側表面を冷却状態にして他の片側を加熱し、次
   いで時間差をおいて、他方の片側表面を冷却状態にして
   一方の片側を加熱して、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。