JPS6372831A - 二重管溶接部の熱処理方法とその装置 - 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、二重管溶接部の熱処理方法とその装置に係わ
り、特に、二重管を構成している内外管の溶接部近傍の
表面における残留応力の改善を図る熱処理技術に関する
ものである。

「従来の技術」 一般に、金属材料、例えば原子力発電プラントや化学プ
ラント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ｊ（存する
場合、応力腐食割れが進行することが知られている。特
に、溶接継手によって管体を連結している構造であると
、溶接継手の近傍の表面に、溶接時の熱影響によって引
っ張り残留応力が発生した状態となり易い。

従来、オーステナイト系ステンレス鋼管等における残留
応力改善方法としては、管の内部に冷却水を挿通させな
から管壁を誘導加熱して、内外表面の温度差により、管
の内面に圧縮の残留応力を付与する技術等が提案されて
いる。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、このような従来方法の例であると、配管
の中に冷却水を流すことのできる場合や、単体の管であ
る場合には適用可能であるが、二重管構造である場合や
、管の内外両表面を処理したい場合等であると、実施が
困難となる。

本発明は、このような従来技術の問題点を有効に解決す
るものであり、二重管の内外両面に圧縮残留応力を付与
するとともに、二重管の内部に加熱源等を挿入すること
によって、熱処理を実施するようにしているものである
。

「問題点を解決するための手段」 内管の表面に外管の端部を溶接してなる二重管を熱処理
する場合に、二重管の内外表面を気体雰囲気に保持する
とともに、内管に熱発生源を挿入して溶接箇所近傍を加
熱した後、二重管の内外両面に冷却流体を噴出させて、
溶接箇所近傍に降伏点を越える引っ張り応力を発生させ
た後冷却するようにしているものである。

また、その実施のために使用される熱処理装置は、二重
管の内管内に挿入されるとともにその長さ方向に移動可
能な移動体に、外管との溶接箇所近傍を加熱する加熱装
置と、該溶接箇所近傍における内面に冷却流体を噴出す
る内部冷却装置と、前記二重管の開口部から突出して溶
接箇所近傍における外面に冷却流体を噴出する外部冷却
装置とを搭載してなるものである。

「作用　」 二重管の熱処理を実施するに当たって、二重管の回りを
気体雰囲気にしておき、二重管の内管に移動体を挿入す
る。

移動体に搭載している加熱装置を内外管の溶接部の近傍
に位置させ、加へ装置の作動により二重管を内部から加
熱する。

加熱装置により内管に発生させた熱を溶接部を経由して
、外管に伝達する。この場合において、二重管の回りが
気体雰囲気となっているため、ニ雷管表面からの熱放散
を少なくしている。必要な温度まで加熱した後、加熱装
置を停止する。

また、移動体の挿入時あるいは加熱後に、外部冷却装置
を内管の開口から突出させた状態として、内外の冷却装
置から冷却流体を噴出させ、二重管の内外両面から、処
理対象表面を冷却する。この冷却途中において、処理対
象表面近傍に降伏点を越える引っ張り応力が発生して、
その部分が塑性変形による伸びを生じさせる。

この塑性変形が生じた部分は、寸法変化を生じなかった
管壁の他の部分との温度差により、冷却終了後において
圧縮残留応力が付与された状態となるものである。

冷却完了後に移動体に搭載している加熱装置及び両面冷
却装置は、二重管における内管から抜き取って除去され
る。

「実施例」 まず、本発明に係る二重管溶接部の熱処理方法を実施す
るための熱処理装置の一実施例について、第１図ないし
第６図に基づいて説明する。

該−実施例において、熱処理の対象としている二重管は
、沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器底部１に設置
されろ制御棒のためのスタブチューブ（外管）２と、そ
の中に取り付けられるハウジング（内管）３とからなる
ものである。また、第６図に示すように、原子炉圧力容
器底部１は例えば低合金鋼によって、スタブチューブ２
は例えばインコネルによって、ハウジング３は例えばオ
ーステナイト系ステンレス鋼によって構成されている。

この場合におけるスタブチューブ２とハウジング３との
溶接部４の位置は、原子炉圧力容器ｌの内部に配される
スタブチューブ２の上端部とハウジング３の外表面との
間となる。したがって、溶接部４及びその近傍の熱処理
対象箇所は、原子炉圧力容器ｌの内部に露出しているス
タブチューブ２の外表面、ハウジング３の外表面、ハウ
ジング３の内表面等で、溶接部４の近傍に位置している
部分となる。

このような二重管に適用する熱処理装置について、以下
説明する。

該熱処理装置は、例えば第１図に示すように、上下方向
に沿って配設される前記ハウジング３の中に挿入状聾と
して、上下方向に移動させるための移動体５が設けられ
るとともに、該移動体５には、ハウジング３の中に挿入
されて前記溶接部４の近傍を加熱するための例えば高周
波加熱コイルを有する加熱装置６と、溶接部４の近傍に
位置しているハウジング３の内面部分に冷却水を噴出す
るための内部冷却装置７と、最上部まで上昇させられた
ときに、ハウジング３の上方開口部８から原子炉圧力容
器ｌの内部に突出して、溶接部４の近傍の外面に冷却水
を噴出するための外部冷却装置９とが搭載されている。

前記移動体５は、第３図に示すように、ハウジング３に
若干の間隙を有して挿入される移動ボックスｌＯと、該
移動ボックスｌＯをハウジング３に対して、上下移動自
在とするための駆動輪１１及びサスベンジジン機構１２
と、これらを上下移動させる昇降機構１３とを有する構
造である。

さらに詳しくは、サスベンジジン機構１２が、移動ボッ
クス１０に対して一体に半径方向に取り付けられている
ガイド１４と、該ガイド１４により移動自在に支持され
るとともに、その移動方向が前記ハウジング３の半径方
向とされている車輪支持フレーム１５と、該車輪支持フ
レーム１５に回転自在に支持されている前記駆動輪１１
と、駆動輪１１を外方、即ちハウジング３の内面に押し
付けて、移動ボックスｌＯに対する上下位置を設定する
ためのばね１６とからなる構成である。

また、前記昇降側１３は、回転駆動力を発生させるモー
タ１７と、該モータ１７の駆動力を伝達するかさ歯車機
構１８と、該かさ歯車機構１８の一部を支持していると
ともに、移動ボックスｌＯに対して一体に取り付けられ
ている軸受け１９と、該軸受け１９に支持され前記かさ
歯車機構１８の一部に連結されているスプライン受け２
０と、該スプライン受け２０によって前記半径方向に移
動自在に支持されているスプライン軸２１と、該スプラ
イン軸２１と前記駆動輪ｉｔとの間で駆動力を伝達する
かさ歯車機構２２と、スプライン軸２１を前記半径方に
移動自在に支持するためのブラケット２３とからなる構
成である。さらに、移動ボックス１０において、第３図
の下方位置には、従動輪２４が設けられて、該従動輪２
４をハウジング３の内面に押し付けるためのサスペンシ
ョン機構（図示例では少し構造が異なるが機能に大差な
いので、同一符号を付して説明を簡略化する）１２が設
けられる。そして、従動輪２４には、昇降機構１３にお
けるモータ１７の駆動力の連結が行なわれず、ロータリ
ーエンコーダ２５が取り付けられて、従動輪２４の回転
量を検出して、移動体５の位置を割り出すようにしてい
る。そして、該従動輪２４は、駆動輪１１とともに移動
体５の昇降時の姿勢の保持を行なうようにしている。

一方、移動ボックスｌＯの上部には、上方に突出状態の
支持管２６が、中心線に沿って一体に取り付けられてお
り、該支持管２６には、前述した加熱装置６と内部冷却
装置７と外部冷却装置９とが、第１図及び第２図のよう
に、取り付けられているとともに、支持管２６の管式の
部分は、冷却水流路２７とされている。

前記内部冷却装置！７は、ハウジング３の外部ににおけ
る冷却水供給装置２８に対して、支持管２６の冷却水流
路２７を経由して接続されており、後述するように、ハ
ウジング３及びスクブチューブ２の加熱後に作動させて
、半径方向外方に向けた多数の噴出口２９から、冷却水
をハウジング３の内部に噴出させるもので、第１図例で
は、加熱装置６の下方位置に設置されている。

次いで、外部冷却装置９について説明する。該外部冷却
装置９は、ノズル開閉機構３０と複数本の噴出ノズル３
１とを設けてなるものであり、ノズル開閉機構３０は、
支持管２６の上部に、前記冷却水供給袋！２Ｂに連結さ
れている冷却水流路２７と連通状態の分岐管３２が設け
られ、該分岐管３２と噴出ノズル３１との間に、これら
を接続する可撓性チューブ３３を配設ずろとともに、支
持管２６の回りに噴出、ノズル３１を回動自在に支持す
るためのヒンジ部３４が設けられ、支持管２６と噴出ノ
ズル３１との間には、噴出ノズル３１の開く角度を弾発
力により狭めて、ハウジング３の上部開口部８を通過で
きる大きさとするためのばね３５が設けられ、また、支
持管２６の上部は、閉塞状聾とされるとともに、前記噴
出ノズル３１の開放角度を制限するキャップ状のストッ
パ３６が設けられた構成とされている。

その他、移動ボックス１０には、加熱装置６及び昇降機
構１３に必要な通電を行なうための電気ケーブル３７、
内部及び外部冷却装置７・９に給水するための冷却水供
給ホース３８、ロータリーエンコーダ２５に接続される
信号ケーブル等が搭載され、移動ボックスｌＯとともに
昇降操作される。

このような構造の熱処理装置により、二重管の熱処理を
実施する方法について説明する。

［気体雰囲気の保持］ 熱処理の開始に先立って、スタブチューブ２とハウジン
グ３との回りを空気雰囲気にする。原子炉圧力容器底部
ｌに水がたまっている場合には、排水して二重管部の回
りを気体雰囲気にし、以下、この状態を保持する。

［移動体の挿入ヨ ハウジング３の中に移動体５を挿入するとともに、昇降
機構１３を作動させてハウジング３の上部位置に設定す
る。即ち、昇降機構１３のモータ１７を運転することに
より、回転駆動力をかさ歯車機構１８、スプライン軸２
１．かさ歯車機構２２を経由して駆動輪１１に伝達し、
第３図矢印のように駆動輪１１を回転させて移動ボック
ス１０を上昇させる。移動ボックス１０の位置は、ロー
タリーエンコーダ２５に上り随時検出される。

［加熱装置の位置設定コ ロータリーエンコーダ２５の検出信号により、支持管２
６に取り付けられている加熱装置６の位置を、スタブチ
ューブ２とハウジング３との溶接部４の内面、つまり、
熱処理対象箇所に合わせ、モータ１７を停止させるとと
もに、回転ロック状態として設定位置に固定する。

［加熱装置の作動コ 誘導加熱コイルに通電することにより、二重管部を構成
しているハウジング３及びスタブチューブ２を、内部か
ら誘導加熱する。この場合において、高周波電流におけ
る誘導加熱であると、実質的な発熱対象物（つまりハウ
ジング３）が外側に位置していることと、渦電流損等に
よる発熱深さが浅くなる傾向にあるので、主としてハウ
ジング３の内面近傍が高温となる。

［熱伝達コ 第６図にＨｌで示すように、ハウジング３の内面の一部
が高温となる温度分布を示すが、その熱はハウジング３
の長さ方向と、溶接部４を経由してスタブチューブ２へ
と伝達される。しかしこの場合における加熱は、気体雰
囲気で実施されるとともに、ハウジング３及びスタブチ
ューブ２を取り巻いている空気の部分の熱伝達が極めて
小さいため、熱放散量が小さく、大部分の熱がハウジン
グ３から溶接部４及びスタブチューブ２へ伝達して、７
１度分布がＨｌ・Ｈｌ・Ｈ３のようになる。

これらの温度分布Ｈ，−ｔ（ｔ　・Ｈ５の温度差は少な
く、また、ハウジング３及びスタブチューブ２の相互の
熱伝達により、内外面も熱処理適温まで高くなる。

［加熱停止］ ハウジング３及びスタブチューブ２を必要な温度まで加
熱した後、加熱装置６を停止する。

し移動体の上昇及び冷却装置の設定〕 再度昇降機構１３を作動さけて、加熱装置６を熱処理対
象箇所よりも上方に退避させるとともに、内部冷却装置
７を熱処理対象箇所の近傍に位置させる。また、この場
合において、外部冷却装置９は、第１図の状態になる。

即ち、第１図の鎖線で示すように、噴出ノズル３１の先
端が、ハウジング３の上方開口部８よりも上方になると
、噴出ノズル３１が回動自在な状態となる。

［冷却流体の供給］ ハウジング３の外部に設置した冷却水供給装置２８を作
動させて、冷却水を支持管２６の冷却水流路２７に送り
込む。該冷却水の圧力により、内部冷却装置７の噴出口
２９から冷却水が、ハウジング３の内面における熱処理
対象箇所に噴出し、一方、冷却水の圧力で可撓性チュー
ブ３３が直線状に伸びようとして、噴出ノズル３１が外
側に回動するとともに、噴出ノズル３１の先端から冷却
水が、熱処理対象箇所、溶接部４の近傍に、第１図のよ
うに噴出する。このとき、噴出ノズル３１の開く角度は
、ストッパ３６に当たることにより設定される。

［熱処理対象箇所の冷却］ 両冷却装ｒ１１７．９から冷却水が噴出することにより
、処理対象内外面の温度が低下して、内外表面の収縮作
用が生じる。

［応力の発生と塑性変形］ 内外表面に収縮が生じた場合に、ハウジング３及びスタ
ブチューブ２における管壁の内部は、加熱直後の温度に
近い高温状態になっており、高温状態に基づく膨張状聾
になっている。したがって、処理対象表面近傍には、引
っ張り応力が発生することになる。

この引っ張り応力が降伏点を越える場合は、その部分に
塑性変形による伸びが生じる。

［圧縮残留応力の付与］ 二重管の内外面に降伏点を越える引っ張り応力を発生さ
仕た後、両冷却装置７９による冷却を続行すると、二重
管における処理対象箇所の近傍及びその周囲が常温、つ
まり、冷却水の温度付近まで徐々に低下して行く。

常温まで戻された状態にあっては、加熱及び冷却時に降
伏点を越える応力が付与されなかった部分、即ち、実質
的に寸法変化を生じなかった部分が、当初の寸法に戻る
ため、降伏点を越える引っ張り応力を付与された処理対
象表面は、冷却終了後において、塑性変形分に相当する
圧縮残留応力が付与された状態となるものである。

［冷却装置の停止］ 処理対象箇所及びその他の箇所が常温まで戻るか、ある
いは圧縮残留応力を付与するために影響を与えない程度
の温度となってから、両冷却装置７・９を停止させる。

外部冷却装置９が停止状態となると、ばね３５の弾発力
で噴出ノズル３１が支持管２Ｇの近傍に戻される。

［移動体の除去］ 移動体５を逆方向に作動させることによって、ハウジン
グ３の下部から抜き取って除去する。

［熱処理方法の詳細説明コ 前述した熱処理対象箇所の冷却時において、・高温状態
となっている二重管の内外面に、冷却水を噴出すること
により、流速の大きいシャワー状の冷却水を熱処理対象
箇所の表面に順次接触させて、大きな熱伝達を得ること
ができる。この場合における冷却初期には、高温状態の
表面と冷却水との接触箇所で激しい水蒸気の発生が起こ
り、いわゆる核沸騰状態となるため、熱伝導率が、！な
いし２万Ｋｃａｌ　／ｍ”ｈ　”Ｃ程度の大きなものと
なって、有効な熱伝達を生じさせることが可能となるも
のである。

このため、二重管の管壁内部の温度が、はとんど低下し
ないうちに、内外面は１００°Ｃ程度（あるいは１００
℃以下）に冷却することが可能で、大きな温度差を内外
面に与えることができる。

これらの温度差に基づいて、両表面には、非常に大きい
引っ張り応力が生じる。この場合の引っ張り応力は次式
で与えられる。

σ＝２ＥαΔＴ／３（１−ν　）・・・・・・（１）た
だしσ：放物線状のａＬ度分布が生じているときの温度
分布 α：熱膨張率 ΔＴ：内部と外部との温度差 Ｅ：ヤング率 シ；ポアソン比 また、残留応力を改善するためには、σ〉σｙ（降伏応
力）となることが必要であり、ステンレスの場合、 Ｕ　Ｙ　＝　２５ｋｇ／ｍｍ” Ｅ　　　　＝　　１９９００ｋｇ／ｉ＋ｍ鵞ａ　　＝　
１６．３９Ｘ　１０−”ｍｍ／ｍｍ’ｃν　＝０．３ という条件を付与して、式（１）より必要温度差を計算
すると、 ΔＴ＝３σｙ（１−ν）／２Ｅα ＝　３　ｘ　２５ｘ　Ｏ，７／　（２ｘ　１９９００ｘ
　１６．３９ｘ　１０−＠）＝８０ ここで、２倍の安全裕度を設定すると、ΔＴ≠１６０℃ となる。

、°、外面温度が１００℃まで低下するとして計算する
と、 加熱温度Ｔｍ１ｎ＝１００＋ＩＢＯ ；２６０℃ 以上が必要である。

ただし、加熱温度の上限は、溶接部及びその近傍の熱処
理対象箇所における鋭敏化防止のため、５５０℃以下と
するように管理する。

［他の実施態様〕 これまで説明した実施例に代えて、次のようにすること
もできる。

（ａ）オーステナイト系ステンレス鋼、インコネル合金
以外の材料である金属材料を処理対象とすること。

（ｂ）二重管が原子力発電プラント用、あるいは制御棒
挿通箇所以外の部分であること。

（Ｃ）移動体の昇降機構における駆動源を、ハウジング
（内管）の外に設けること。

（ｄ）加熱装置が高周波誘導加熱装置以外のものである
こと。

（ｅ）溶接継手以外の部分、溶接継手から離間している
表面も処理対象箇所とすること。

（ｆ）加熱装置におけるコイル等を必要に応じて冷却す
ること。

（ｇ）第１図及び第２図において、移動体の挿入と同時
に、外部冷却装置における噴出ノズルを開くようにする
こと。

（ｈ）処理対象表面の温度を検出しながら加熱すること
、また、その手段として、ハウジングの内面にあっては
例えば熱電対、スタブチューブの外面にあっては例えば
炉内部上より赤外線温度計を使用して測温すること。

（ｉ）溶接部が内外管の端部となっている二重管に適用
すること。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係わる二重管溶接部の熱
処理方法とその装置によれば、■二重管の内外表面を気
体雰囲気に保持しておいて、内管に熱発生源を挿入して
加熱するものであるから、気体への熱放散が少なく、二
重管の各部への熱伝達を促進させ、熱処理対象箇所を速
やかに処理適温まで加熱して、温度むらが少なく効率の
良い熱処理を実施することができる。

■二重管の内外表面を気体雰囲気として加熱し、冷却流
体を噴出して急冷却するものであるから、処理対象表面
と管壁内部との間に大きな温度差を付与して、圧縮残留
応力の付与を確実に行なうことができる。また、この場
合において、核沸騰現象による潜熱を利用して、大きな
温度差を形成することができる。

■上記により、高周波利用によって内管の内面近傍を誘
導加熱するようにしても、熱放散が少ないため、溶接継
手を経由して二重管の処理対象箇所全体を効率良く加熱
することができる。

■内管に挿入した外部冷却装置の一部を二重管の開口か
ら突出させて、外面に冷却流体を噴出するものであるか
ら、処理装置の取り扱い性の向上と、構造の単純化を達
成することができる。

■上記により二重管の中に挿入するものであるから、原
子炉における燃料棒用ハウジングへの適用が容易であり
、原子炉圧力容器内に炉水を介在させる必要がな（、ハ
ウジングの溶接部の残留応力の改善実施時に、既設設備
との干渉等の他の部分との係わりを少なくすることがで
きる。

等の効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明に係わる二重管溶接部の熱
処理装置の一実施例を示すもので、第１図は冷却装置の
作動状態における正断面図、第２図は加熱装置の作動状
態における正断面図、第３図は移動体の要部を切欠した
正面図、第４図は一部を切欠した外部冷却装置の正面図
、第５図は一部を省略した第４図の■−■矢視図、第６
図はスタブチューブ及びハウジングからなる二重管の要
部の拡大図である。 ｌ・・・・・・原子炉圧力容器底部、 ２・・・・・・スタブチューブ（外管）、３・・・・・
・ハウジング（内管）、 ４・・・・・・溶接部、 ５・・・・・・移動体、 ６・・・・・・加熱装置、 ７・・・・・・内部冷却装置、 ８・・・・・・上方開口部、 ９・・・・・・外部冷却装置、 １０・・・・・・移動ボックス、 １１・・・・・・駆動輪、 １２・・・・・・サスペンション機構、１３・・・・・
・昇降機構、 １４・・・・・・ガイド、 １５・・・・・・車輪支持フレーム、 １６・・・・・・ばね、 １７・・・・・・モータ、 １８・・・・・・かさ歯車組Ｌ １９・・・・・・軸受け、 ２０・・・・・・スプライン受け、 ２１・・・・・・スプライン軸、 ２２・・・・・・かさ歯車機構、 ２３・・・・・・ブラケット、 ２４・・・・・従動輪、 ２５・・・・・・ロータリーエンコーグ、２６・・・・
・・支持管、 ２７・・・・・・冷却水流路、 ２８・・・・・・冷却水供給装置、 ２９・・・・・・噴出口、 ３０・・・・・・ノズル開閉機構、 ３１・・・・・・噴出ノズル、 ３２・・・・・・分岐管、 ３３・・・・・・可撓性チューブ、 ３４・・・・・・ヒンジ部、 ３５・・・・・・ばね、 ３６・・・・・・ストッパ、 ３７・・・・・・電気ケーブル、 ３８・・・・・・冷却水供給ホース。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ｉ）内管の表面に外管の端部を溶接してなる二重管を
   熱処理する方法であって、二重管の内外表面を気体雰囲
   気に保持するとともに、内管に熱発生源を挿入して溶接
   箇所近傍を加熱した後、二重管の内外両面に冷却流体を
   噴出させて、溶接箇所近傍に降伏点を越える引っ張り応
   力を発生させた後冷却することを特徴とする二重管溶接
   部の熱処理方法。 （ｉｉ）内管の表面に外管の端部を溶接してなる二重管
   を熱処理する装置であって、内管内に挿入されるととも
   にその長さ方向に移動可能な移動体を設けるとともに、
   該移動体に、外管との溶接箇所近傍を加熱する加熱装置
   と、該溶接箇所近傍における内面に冷却流体を噴出する
   内部冷却装置と、前記二重管の開口部から突出して溶接
   箇所近傍における外面に冷却流体を噴出する外部冷却装
   置とを搭載してなることを特徴とする二重管溶接部の熱
   処理装置。