JPS63213640A - 蒸気発生器伝熱管支持板用ステンレス鋼 - 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】 〈産業状の利用分野〉 この発明は、優れた耐食性、強度、加工性（溶接性や切
削性も含む）並びに衝撃靭性等を兼備していて、特に原
子炉の蒸気発生器における伝熱管支持板用として好適な
フェライト系ステンレス銅に関するものである。

く背景技術〉 現用の原子炉の中でも加圧木型原子炉（ＰＷＲ）は、負
の反応因子となる“沸騰により発生ずる気泡”の心配が
ないので制御面からは沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に比べ
有利であるとして長い歴史を誇って来たが、欧米におい
て、最近、加圧木型原子炉の蒸気発生器を構成する伝熱
管に“デンティングと呼ばれる不都合な現象の発生する
ことが見つかり、その改善策が急がれることとなった。

加圧木型原子炉の蒸気発生器を構成する伝熱管の“デン
ティングとは、第１図で示される如く、伝熱管１の支持
板２が両者の隙間部で腐食されてマグネタイト（Ｆｅ３
０４）を主体とした腐食生成物３を堆積し、その成長に
よって伝熱管１と支持板２との隙間が埋め尽くされてし
まうばかりか、伝熱管１を局部的に圧迫・変形してしま
う現象のことであり、その発生原因として「コンデンサ
ーからの海水リークにより蒸気発生器二次側水中に混入
した塩化物が伝熱管と支持板との隙間部で濃縮し、支持
板材料の該部分が急速に腐食する」ことが挙げられてい
るが、このようなデンティングを生じると伝熱管内面に
応力が発生することとなり、粒界応力腐食割れを引き起
こす要因となって、汚染水の漏洩につながる恐れを招き
かねないものであった。

幸いなことに、我が国では全ての原子カプラントが揮発
性薬品処理（ＡＶＴ）を実施していて水質管理が十分に
なされているため現在のところデンティング現象の発生
は見つかっていないが、それでも欧米の対策に習って、
伝熱管支持板材料をこれまでの炭素鋼に代えて５ＵＳ４
０５ステンレス鋼に変更すると言う対処がなされるよう
になってきた。

しかしながら、その後の米国原子力関係機関の報告では
、「上記のようなＳＵＳ　４０５ステンレス鋼の適、用
のみでは原子炉蒸気発生器伝熱管のデンティング防止策
として一抹の不安が残るものである」との見解も出され
ている。

ところで、これらの問題をも踏まえた上で、原子炉蒸気
発生器伝熱管の支持板材に要求される主な特徴点として （ａ）　　耐食性（耐隙間腐食性、耐全面腐食性、耐応
力腐食割れ性、耐ガルバニックコロ−ジョン性等）に優
れること、 （ｂｌ　　機械的性質（例えば常温及び３００℃程度の
高温での強度、衝撃特性等）が良好なこと、（Ｃ１物理
的性質（比重、線膨張係数、ヤング率等）が好適である
こと、 （ｄ＋　　耐摩耗性（フレッティング特性）に優れるこ
と、 ［ｅ）　　溶接性が良好であること、 ｆｆ）　　切削性（ドリルによる穴あけ加工性、ブロー
チ加工性等）が良好であること、 （ｇｌ　　工業的見地から見て価格的に満足出来るもの
であること、 等が列挙されるが、高度な耐食性の点はともかく、前記
５ＵＳ４０５ステンレス鋼は上記要求点の殆どを満足す
る材料として知られているものでもあった。

〈発明の目的〉 そこで、本発明者等は、これまで原子炉蒸気発生器伝熱
管の支持板材として好適とされてきたＳＯ３４０５ステ
ンレス鋼の長所を生かしつつ、実績に基づいたもの以外
の新たな適用には過大とも思えるほどの慎重さで以って
臨む原子力関係分野の特殊性をも考慮した上で、更に優
れた耐食性を示し、特に実質上蒸気発生器伝熱管にデン
ティング発生を懸念する必要がな（、しかも耐応力腐食
割れ性の点でより一層安心出来る材料を構成成分やその
含有割合を格別に異質なものとすることなく実現し、原
子力関係設備・機器類の信頼性を磐石なものとすべく研
究を行ったのである。なお、その際に設定した上記デン
ティング及び応力腐食割れに関しての目標設定は、デン
ティング現象に対する伝熱管支持板の臨界腐食量が約６
０ｍｇ／ｃＪであることから、原子炉の寿命を約４０年
とし、ＡＶＴ環境における４０年間の推定腐食量の値が
臨界腐食量よりも小さいこととし、かつ応力腐食割れの
発生は不可であるとした。

〈従来の問題点を解決するための手段〉そして、上述の
如き見地に立った本発明者等の研究の結果、次のような
事項が明らかになった。

即ち、 ■　実績に基づいたもの以外の新たな適用には慎重な原
子力関係の分野で蒸気発生器伝熱管の支持板材としての
使用実績のあるＳＵＳ　４０５ステンレス鋼は、機械的
性質、物理的性質、耐摩耗性、溶接性並びに切削性の面
で、更にはコスト面で該支持板材として十分にバランス
の取れた優れた材料であり、この点から見ても蒸気発生
器伝熱管の支持板材の材質を５ＵＳ４０５と大幅に変え
ることは不利であること、 ■　上記ステンレス烟の耐食性（硫酸−硫酸銅溶液中に
おける耐全面腐食性）には特にＣｒが重要な役割を有し
ていて、蒸気発生器伝熱管の支持板材としてはどうして
もＣｒ含有−ｉ　：　１１．５０％以上（以降、成分割
合を表す％は重量％とする）の確保とＣ及びＭｎの低減
が必要であり、更にコスト面等を考慮した上でも微量の
Ｎｉ並びにＭｏの添加は欠かせないこと、 ■　上記ステンレス鋼の衝撃値や常温及び高温（３００
℃程度）での強度を改善するにはＮｉの添加やＣの最低
量確保が必要であるが、衝撃値に関してはＡｌ、Ｓｉｓ
Ｍｎの低減が好ましい。ただ、上述したように耐食性の
改善のためにはＣ含有量の低減を必要とするが、このＣ
含有量低減によって引き起こされる衝撃値や強度の低下
は適量のＮの添加によって十分にカバーされる上、Ｎの
添加は切削性改善効果をも呼び起こすこと、 ■　ＣＡ’−イオン存在下の高温水中での耐全面腐食性
には微量のＣｕ及びＭｏの複合添加が極めて存効であり
、このようなｉｔ酸成分存在すると上記ステンレス鋼部
材表面の不働態被膜の極く表層部にこれらが濃化すると
言う現象が起きて、この濃化層が他の耐食性改善成分と
ともにＣβ−イオン存在下の高温水中での耐全面腐食性
や耐隙間腐食性を格段に向上することから、蒸気発生器
伝熱管の支持板材に適用した場合、デンディングを実質
上問題のない程度にまで低減し得ること、 ■　従って、５ＵＳ４０５ステンレス鋼のｃｌを成る程
度まで低減するとともに適量のＮを添加した上で、十分
なＣｒ量を確保し、かつ原子力関係機材に適用するのが
ｙＳ躇されない程度の量（これはまた格別なコストアン
プにつながらない量でもある）でＮｉ、　Ｍｏ及びＣｕ
を含有せしめると、５ＵＳ４０５ステンレス鋼が有する
ところの、医気発生器伝熱管の支持板材として優れた機
械的性質、物理的性質、耐摩耗性、溶接性、切削性並び
にコスト面の特徴はそのままに、或いはそれを凌駕した
上で、原子炉設備自体の寿命一杯は全く問題にならない
程度までに上記デンティング現象を抑え得るフェライト
系ステンレス鋼が得られること。

なお、第２図は、蒸気発生器伝熱管の支持板材として従
来使用されていた炭素鋼（Ｃ：　０．１７％。

Ｓｔ　：　０．２１％、　Ｍｎ　：　０．６６％、Ｃｒ
：０．１０％、残部：実質的にＦｅ）、最近になって切
り替えられた５ＵＳ４０５ステンレス鋼（、Ｃ：　０．
０４％、　Ｓｉ：　０．２５％。

Ｍｎ　：　０．２５％、Ｎｉ：０．５％、　Ｃｒ　：　
１３．０％、＾ｊ’：０．１５％、Ｎ：０．０２％、残
部：実質的にＦｅ）、並びに後で詳述する本発明ステン
レス鋼（Ｃ：０．０３％、Ｓｉ：　０．２５％、　Ｍｎ
　：　０．２５％、　Ｎｉ　：　０．５７％、　Ｃｒ　
：　１３．２％。

Ａ　ｆ　：０．１５％、　Ｍｏ　：　０．５０％、　Ｃ
ｕ　：　０．５０％、Ｎ：０．０４％、残部：実質的に
Ｆｅ）に関する、５ｐｐｍｌＪ！−溶液（３００℃、ｐ
Ｈ９，非脱気）中での全面腐食性の調査結果を示すグラ
フであるが、この第２図からも、５ＵＳ４０５ステンレ
ス鋼の成分を調整するとともに、これに微量のＮｌｚＭ
ｏ及びＣｕを含有させると、その耐食性が予想外に向上
することが分かる。

この発明は、上述のような知見に基づいてなされたもの
であり、 原子炉の蒸気発生器伝熱管支持板用ステンレス鋼を、 ｃ：ｏ、ｏｉ〜０．０８％。

Ｓｉ　：　１．００％以下、　　Ｍｎ　：　１．００％
以下。

Ｃｒ　：　１１．５０〜１４．５０％。

Ｎｉ　：　０．６０％未満、　　Ａ＃：０．１０〜０．
３０％２Ｍｏ　：　０．３０〜１．００％、　Ｃｕ　：
　０．３０〜１．００％２Ｎ：０．１０％以下 を含有するとともに、残部が実質的にＦｅより成る成分
組成に構成することにより、伝熱管支持板から伝熱管の
デンディングその他の不都合を引き起こす因子を十分に
取くことを可能とした点、に特徴を有するものである。

次に、この発明のステンレス鋼において、各構成成分の
含有割合を前記の如くに限定した理由を説明する。

Ａ）　　Ｃ Ｃ成分には鋼の強度及び衝撃値を確保する作用があが、
その含有量が０．０１％未満では所望の強度及び衝撃値
の確保が困難となり、一方、含有量が多くなるほど耐食
性の劣化傾向が大きくなって、０．０８％以上の含有量
では目的とする耐食性改善効果が得られなくなることか
ら、Ｃ含有量は０．０１〜０．０８％と定めた。

Ｂ）　　５ｉ Ｓｉは、通常脱酸剤として鋼に添加されるものであるが
、１．００％を越えて含有されると鋼の靭性低下を招く
ことから、Ｓｉ含有曾は１，００％以下と定めた。

Ｃ）　　Ｍｎ Ｍｎも通常脱酸剤として鋼に添加されるものであるが、
１．００％を越えて含有されると鋼の耐食性及び溶接性
を劣化するようになることから、Ｍｎ含有量は１．００
％以下と定めた。

Ｄ）　　Ｃｒ Ｃｒ成分は、ステンレス鋼としての耐食性を十分に維持
し、伝熱管支持板の使用中の腐食による不都合発生を防
止するのに欠かせないものであり、そのためには少なく
とも１１．５０％の含有量を確保する必要があるが、１
４．５０％を越えて含有させると溶接部の靭性、並びに
加工性を劣化させることから、Ｃｒ含有量は１１．５０
〜１４．５０％と定めた。

Ｅ）　　Ｎｉ Ｎｉは耐食性を向上させ、前記支持板の腐食による伝熱
管のデンティングを防止する作用の他、鋼の機械的性質
の改善作用をも有していて微量の含有量でも目立った効
果を発揮するが、０．６０％以上含有させることは鋼の
著しいコストアンプにつながる上、焼戻し抵抗性が高く
なって硬さの上界を招き、また熱間加工性を阻害したり
溶接割れ感受性を高めたりすることにもなることから、
Ｎｉ含有量は０．６０％未満と定めた。

Ｆ）　八ｌ Ａ１は強力なフェライト生成元素であり、溶接熱影響部
の靭性を改善する作用があるが、その含有量が０．１０
％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方、０
．３０％を越えて含有させると鋼の清浄性の劣化や焼入
れ硬さの低下を招くことから、Ａｊ２含有量は０．１０
〜０．３０％と定めた。

Ｇ）　　Ｍ。

Ｍｏ成分は微量添加で耐食性を向上させ、前記支持板の
腐食による伝熱管のデンティングを防止する作用を有し
ているが、その含有量が０．３０％未満では該作用に所
望の効果が得られず、一方、１．００％を越えて含有さ
せると鋼の靭性低下を招くことから、Ｍｏ含有量は０．
３０〜１．００％と定めた。

Ｈ）　　Ｃｕ Ｃｕ成分にも、他の各成分と一緒になって微量添加で耐
食性を向上させ、前記支持板の腐食による伝熱管のデン
ティングを防止する重要な作用があるが、その含有量が
０．３０％未満では該作用に所望の効果が得られず、一
方、１．００％を越えて含有させると鋼の熱間加工性を
阻害するようになることから、Ｃｕ含有量は０６３０〜
１．００％と定めた。

１）　　Ｎ Ｎ成分は、通常、鋼中に０．０２％程度含まれている元
素であるが、Ｎ成分には鋼の衝撃値及び強度を向上する
作用があるほか、その切削性を改善する作用をも有して
いるので、これらの作用に基づく十分な効果を得るため
にこの発明の鋼には積極的に含有せしめられるものであ
る。特に耐食性改善のためにＣ含有量を低減する必要の
あるこの発明の鋼においては、それによって引き起こさ
れる機械的性質の劣化をＮの添加によって補なわなけば
ならないことから極めて重要な意味を持つ成分である。

しかしながら、その含有量が０．１０％を越えると鋼の
熱間加工性の劣化が目立つようになることから、Ｎ含有
量は１．１０％以下と定めた。

続いて、この発明を、実施例により比較例と対比しなが
ら説明する。

〈実施例〉 まず、一般に採用されている方法により第１表に示され
る如き化学成分組成の鋼を溶製し、鍛造並びに熱間圧延
にて板材とした。

続いて、炭素鋼を除くステンレス鋼については９８２℃
に６０分間加熱・保持した後水冷の焼ならし処理と、７
６０℃に９０分間加熱・保持した後放冷の焼戻し処理と
を施し、これらの板材から腐食試験片を切り出して各種
試験に供した。

このうち、腐食試験としては“全面腐食試験”と“ダブ
ルビベンド（応力腐食割れ）試験”を実施したが、その
試験条件は次の通りであった。

〔全面腐食試験〕

試験液：５ｐｐｍＣ１−水溶液、ｐＨ９，非脱気、 試験温度　：３００℃、 試験時間：５００ｈｒ。

〔ダブルＵベンド試験〕

試験液：　５００ｐｐｍＣＩ！　−水溶液、試験温度：
３００℃、 試験時間：５００ｈｒ。

得られた試験結果を第１表に併せて示す。

第１表に示された結果からも明らかなように、本発明鋼
は耐食性（耐デンテイング性）並びに機械的性質が共に
良好であるのに対して、従来材では耐蝕性にややおとる
ことが分かる。また、これとは別に本発明鋼について実
施した物理的性質の測定、耐摩耗性試験、溶接性試験並
びに切削性試験の結果はいずれも十分に満足できるもの
であり、これらをも勘案すると本発明鋼は原子炉蒸気発
生器伝熱管の支持板材として極めて優れた性能及び実用
性を有していることが明らかである。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、格別な成分の
多量添加や特殊処理を要せずに、蒸気発生器伝熱管のデ
ンティングを引き起こ。す懸念の内優れた耐食性、優れ
た強度、良好な加工性（溶接性や切削性も含む）並びに
十分満足出来る衝撃靭性等を兼備していて、特に原子炉
の蒸気発生器における伝熱管支持板用として好適な材料
をコスト安く提供することができ、原子力設備の信頬性
を一段と向上することが可能となるなど、産業上極めて
優れた効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、原子炉蒸気発生器の伝熱管に生じるデンティ
ング現象を説明するための概略模式図、第２図は、本発
明鋼と従来鋼とについて　５　ｐｐｍＣｌ！−溶液＜３
００℃、ｐＨ９，非脱気）中での全面腐食性を調査した
結果を示すグラフである。 図面において、 １・・・伝熱管、　　　２・・・支持板、３・・・腐食
生成物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量割合にて Ｃ：０．０１〜０．０８％、 Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：
   １１．５０〜１４．５０％、 Ｎｉ：０．６０％未満、Ａｌ：０．１０〜０．３０％、
   Ｍｏ：０．３０〜１．００％、Ｃｕ：０．３０〜１．０
   ０％、Ｎ：０．１０％以下 を含有するとともに、残部が実質的にＦｅより成ること
   を特徴とする、原子炉の蒸気発生器伝熱管支持板用ステ
   ンレス鋼。