KR102308405B1 - 니켈기 합금 용접 재료, 원자로용 용접 재료, 원자력용 기기 및 구조물, 그리고 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법 - Google Patents

니켈기 합금 용접 재료, 원자로용 용접 재료, 원자력용 기기 및 구조물, 그리고 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내(耐)SCC성이 양호하며, 또한, 용접성이 우수한 니켈기 합금 용접 재료를 제공하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 실시형태에 따른 니켈기 합금 용접 재료는, 질량％로, Cr:30.0％ 초과 36.0％ 이하, C:0.050％ 이하, Fe:1.00％ 이상 3.00％ 이하, Si:0.50％ 이하, Nb+Ta:3.00％ 이하, Ti:0.70％ 이하, Mn:0.10％ 이상 3.50％ 이하, Cu:0.5％ 이하를 함유하고, 잔부(殘部)가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

Description

니켈기 합금 용접 재료, 원자로용 용접 재료, 원자력용 기기 및 구조물, 그리고 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법{NICKEL-BASED ALLOY WELDING MATERIAL, WELDING MATERIAL FOR NUCLEAR REACTOR, EQUIPMENT AND STRUCTURE FOR NUCLEAR POWER, AND METHOD OF REPAIRING EQUIPMENT AND STRUCTURE FOR NUCLEAR POWER}
본 발명의 실시형태는, 니켈기 합금 용접 재료, 원자로용 용접 재료, 원자력용 기기 및 구조물, 그리고 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법에 관한 것이다.
종래, 비등(沸騰) 수형 원자로(BWR) 플랜트에서는, 로(爐) 내 구조물의 용접부에 응력 부식 균열(SCC: Stress Corrosion Cracking)이 발생하는 사상(事象)이 보고되어 있다. 구체적으로는 SCC 감수성을 갖는 14질량％ 이상 17질량％ 이하의 Cr을 함유하는 182 합금을 용접 재료로서 사용했을 때, SCC가 발생한 것이다. 또한, 82 합금은, 18질량％ 이상 22질량％ 이하의 Cr을 함유하는 것이며, 182 합금에 비해 내(耐)SCC성이 우수한 재료이지만, 이 82 합금에 있어서도 손상 사례가 보고되고 있다.
BWR 플랜트보다 온도 환경이 엄격한 가압 수형 원자로(PWR) 플랜트의 용접부의 용접 재료에는, 690계 합금인 52 합금이 사용되고 있다. 52 합금은, 28질량％ 이상 31.5 질량％ 이하의 Cr을 함유하고 있으며, 82 합금에 비해 Cr의 함유율이 높다.
일반적으로, Cr 합금의 내SCC성을 향상시키는 원소이다. 그렇기 때문에, 합금에 포함되는 Cr의 비율이 증가하면, 합금의 SCC 감수성을 저하시킬 수 있다.
이러한 것으로서, 일본국 공개특허공보, 특표2013-527805호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 함) 및 마찬가지로 일본국 공개특허공보, 특개평11-012669호 공보(이하, 특허 문헌 2라고 함)가 있다.
BWR 플랜트의 용접 재료에는, 내SCC성이 높은 82 합금이 주로 사용되고 있지만, 이 82 합금이 SCC에 의해 손상되는 상황일 경우에는 BWR 플랜트용으로서, 82 합금보다 우수한 내SCC성을 갖는 용접 재료를 사용하는 것이 필요하다.
또한, PWR 플랜트에서는, 82 합금보다 우수한 내SCC성을 갖는 52 합금이 사용되고 있다. 이것은, 52 합금의 Cr 함유량이 높은 것에 의하지만, 그 한편으로 52 합금에 의한 용접은, 예를 들면 30％에 가까우면 Cr 함유량이 높기 때문에, 182 합금이나 82 합금에 비해 고온 균열이나 연성(延性) 저하 균열 등의 용접시에 균열이 생기기 쉽다는 과제가 있다. 또한, 52 합금은, BWR 플랜트용 용접 재료로서 적용한 예가 없고, 이 52 합금을 BWR 플랜트에 사용하기 위해서는, 용접 조건을 확립할 필요가 있다.
그래서, 본 발명의 실시형태는, 내SCC성이 양호하며, 또한, 용접성이 우수한 니켈기 합금 용접 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 실시형태에 따른 니켈기 합금 용접 재료는, 질량％로, Cr:30.0％ 초과 36.0％ 이하, C:0.050％ 이하, Fe:1.00％ 이상 3.00％ 이하, Si:0.50％ 이하, Nb+Ta:3.00％ 이하, Ti:0.70％ 이하, Mn:0.10％ 이상 3.50％ 이하, Cu:0.5％ 이하를 함유하고, 잔부(殘部)가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시형태에 따른 원자로용 용접 재료는, 상술한 니켈기 합금 용접 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시형태에 따른 원자력용 기기 및 구조물은, 상술한 니켈기 합금 용접 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시형태에 따른 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법은, 상술한 니켈기 합금 용접 재료를 보수용의 용접 재료로서 준비하는 재료 준비 스텝과, 상기 용접 재료를 사용하여, 원자력용 기기 및 구조물의 보수를 실시하는 보수 스텝을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 내SCC성이 양호하며, 또한, 용접성이 우수한 니켈기 합금 용접 재료를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은 니켈기 합금 용접 재료의 각각에 대한 화학 성분을 나타내는 비교표.
도 2는 시험체 채취를 설명하는 도면이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도, (c)는 평면도.
도 3은 CBB 시험 지그를 나타내는 도면이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도.
도 4는 CBB 시험의 결과를 나타내는 표.
도 5는 SCC 균열 진전 시험에 사용한 시험편 형상을 나타내는 도면이며, (a)는 좌측면도, (b)는 정면도, (c)는 우측면도.
도 6은 본 실시예에 따른 니켈기 합금 용접 재료 C와 82 용접 재료에 대한, SCC 균열 진전 속도와 응력 확대 계수의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법의 수순을 나타내는 플로우도.
도 8은 비등 수형 원자로의 슈라우드 서포트를 개념적으로 나타내는 부분 입단면도.
도 9는 비등 수형 원자로의 제어봉 구동 기구 하우징 관통부를 개념적으로 나타내는 부분 입단면도.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 니켈기 합금 용접 재료, 원자로용 용접 재료, 원자력용 기기 및 구조물, 그리고 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법에 대해서 설명한다. 여기에서, 서로 동일 또는 유사한 부분에는, 공통의 부호를 부여하고, 중첩 설명은 생략한다.
제1 실시형태에 있어서의 니켈기 합금 용접 재료는, 이하에 나타내는 화학 조성 범위를 갖는 니켈기 합금으로 구성된다. 또, 이하의 설명에 있어서, 화학 조성을 나타내는 ％는, 특기하지 않는 한 질량％를 나타내는 것으로 한다.
니켈기 합금 용접 재료는, Cr(크롬):30.0％ 초과 36.0％ 이하, C(탄소):0.050％ 이하, Fe(철):1.00％ 이상 3.00％ 이하, Si(규소):0.50％ 이하, Nb(니오브)+Ta(탄탈):3.00％ 이하, Ti(티탄):0.70％ 이하, Mn(망간):0.10％ 이상 3.50％ 이하, Cu(구리):0.5％ 이하를 함유하고, 잔부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어진다.
또한, 제2 실시형태는, 니켈기 합금 용접 재료로서, Mo(몰리브덴):2.00％ 이상 5.00％ 이하를 더 포함한다.
또한, 다른 실시형태는, 제1 실시형태 또는 제2 실시형태에, Zr(지르코늄):0.05％ 이하, B(붕소):0.05％ 이하, V(바나듐):0.5％ 이하, Al(알루미늄):0.5％ 이하, Co(코발트):0.12％ 이하 중 어느 것을 더 포함한다.
이들 니켈기 합금 용접 재료에 있어서의 불가피적 불순물로서는, 예를 들면, P(인), 및 S(황) 등을 들 수 있다. 불가피적 불순물은, 예를 들면, 니켈기 합금 용접 재료를 제조하기 위해 필요한 광석이나 스크랩 등의 원재료에 포함되어 있는 성분이나, 제조 공정으로부터 혼입하는 성분이다.
상술한 화학 조성 범위를 갖는 니켈기 합금 용접 재료는, BWR 플랜트 혹은 PWR 플랜트의 원자로 압력 용기 내의 로 내 구조물을 구성하는 부재 전반을 용접하기 위한 원자로용 용접 재료로서 사용할 수 있다. 여기에서, 원자로용 용접 재료는, 니켈기 합금 용접 재료를 사용하여, 실제로 용접의 시공이 가능하도록, 봉 형상, 와이어 형상, 혹은 분말 형상 등의 형태로 한 것이다.
예를 들면, 원자로 내 구조물을 구성하는 부재의 모두를 본 실시형태의 니켈기 합금 용접 재료로 용접해도 되고, 원자로 내 구조물을 구성하는 부재의 일부를 본 실시형태의 니켈기 합금 용접 재료로 용접해도 된다.
다음으로, 이들 실시형태에 따른 니켈기 합금 용접 재료에 있어서의 각 화학 조성 범위의 한정 이유를 설명한다.
(1) Cr Cr은, 니켈기 합금 용접 재료의 내SCC성, 내산화성, 내식성 및 기계적 강도를 높이는데 불가결한 원소이다. 또한, Cr은, 강화상(强化相)인 M23C6형 탄화물의 구성 원소이다. 일반적으로, Cr은 함유율이 증가함에 따라, 내식성은 향상되지만, Cr의 함유량이 지나치게 높으면, 고가격이 되고, 또한, 유해상인 σ상의 석출에 의해 기계적 강도가 저하하거나, 용접성이 저하할 우려가 있다.
Cr의 함유율은, 26％정도 이상이 바람직하지만, 본 실시형태에서는, 30％를 초과하는 범위로 하고 있다. 또한, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 36.0％까지의 범위에서 확인을 행했다. 이 결과, 36.0％까지의 범위에서도 양호한 결과를 얻을 수 있음을 확인했다.
이상에 따라, Cr의 함유율을, 30.0％ 초과 36.0％ 이하로 하고 있다.
(2) C C는, 용해시의 탈산제로서, 및 기계적 강도를 높이는데 유용하다. 또한, C는, 강화상인 M23C6형 탄화물의 구성 원소임과 함께, 주조시의 용탕(溶湯)의 유동성을 확보하는 효과를 갖는다. 한편, C의 함유율이 0.050％를 초과하면, Cr 탄화물의 석출에 수반하여, 입계(粒界) 근방에 Cr 결핍이 생겨, 내SCC성이 저하한다. 또한, 연성 저하 균열이 생기기 쉬워진다. 그 때문에, C의 함유율을 0.050％ 이하로 하고 있다. 또한, C의 함유율이 0.001％ 미만일 경우에는, 기계적 강도를 높이는 효과를 기대할 수 없기 때문에, 0.001％ 이상 함유하고 있는 것이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 강도 향상의 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(3) Fe Fe는, 기계적 강도를 높이는데 유용하다. Fe의 함유율이 1.00％ 미만일 경우에는, 기계적 강도가 저하한다. 한편, Fe의 함유율이 3.00％를 초과하면, 내식성이 저하한다. 그 때문에, Fe의 함유율을 1.00％ 이상 3.00％ 이하로 하고 있다.
(4) Si Si는, 용해시의 탈산제로서 유용함과 함께, 주조시의 온수 흐름을 향상시키는 효과를 갖는다. Si의 함유율이 증가함에 따라, 비금속 개재물이 생성되어, 내식성이 저하하므로, Si의 함유율은 낮은 쪽이 바람직하다. 그리고, Si의 함유율이 0.50％를 초과하면, 주조성이나 기계적 강도가 저하한다. 그 때문에, Si의 함유율을 0.50％ 이하로 하고 있다. 또한, Si의 함유율이 0.001％ 미만일 경우에는, 용해시의 탈산제로서의 효과를 기대할 수 없기 때문에, 0.001％ 이상 함유하고 있는 것이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 용해시의 탈산 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(5) Nb+Ta Nb 및 Ta는, 탄화물을 형성함으로써 Cr 탄화물의 생성을 억제하고, 내SCC성을 높인다. 단, Nb 및 Ta의 함유율이 높아지면, 용접 균열이 생기기 쉬워진다. 이 때문에, Nb+Ta의 함유율을 3.00％ 이하로 하고 있다.
또한, Nb+Ta의 함유율이 0.01％ 미만일 경우에는, Cr 탄화물 생성의 억제 효과를 기대할 수 없기 때문에, 0.01％ 이상 함유하고 있는 것이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 Cr 탄화물 생성의 억제 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
여기에서, 「Nb+Ta」는, Nb와 Ta의 총량을 나타낸다. 또한, 총량이 상기 범위 내인 한에 있어서, Nb 또는 Ta 중 어느 한쪽이 포함되어 있지 않아도 되거나, 혹은, 양쪽이 포함되어 있어도 되는 것을 나타낸다.
(6) Ti Ti는, 탄화물을 형성함으로써 Cr 탄화물의 생성을 억제하고, 내SCC성을 높인다. Ti의 함유율이 0.70％를 초과하면, 용접 균열이 생기기 쉬워진다. 그 때문에, Ti의 함유율을 0.70％ 이하로 하고 있다. 또한, Cr 탄화물 생성의 억제 효과를 기대할 수 있는 최저한도로서 0.001％ 이상이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 Cr 탄화물 생성의 억제 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(7) Mn Mn은, 오스테나이트 안정화 원소임과 함께, 취성(脆性)의 원인이 되는 S(황)와 결합하여 MnS가 되고, 취성을 방지하여, 강도나 온수 흐름을 향상시킨다. Mn의 함유율이 0.10％ 미만일 경우에는, 상기한 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mn의 함유율이 3.50％를 초과하면, S 등과 비금속 개재물을 형성하기 쉬워져, 내식성이 저하한다. 또한, 오스테나이트의 안정화에 의해, 용접 균열 감수성이 높아진다. 그 때문에, Mn의 함유율을 0.10％ 이상 3.50％ 이하로 하고 있다.
(8) Cu Cu는, 강도를 높이는 효과가 있다. 단, 첨가량이 지나치게 많으면 내(耐)용접 균열성이 저하하기 때문에, Cu의 함유율은 0.5％ 이하가 바람직하다. 또한, 입계 강도를 높이는 효과를 얻을 수 있는 최저한도로서 0.001％ 이상이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 강도 향상의 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(9) Mo Mo는, 강도를 높임과 함께, 연성 저하 균열에 효과가 있다. 단, 첨가량이 늘어나면 취화상(脆化相)을 형성하기 때문에, Mo의 함유율은 2.00％ 이상 5.00％ 이하가 바람직하다.
(10) Zr Zr은, 입계 강도를 높임과 함께, 연성 저하 균열에 효과가 있다. 단, 첨가량이 지나치게 많으면 용접성이 저하하기 때문에, Zr의 함유율은 0.05％ 이하가 바람직하다. 또한, 연성 저하 균열 억제 효과를 얻을 수 있는 최저한도로서 0.001％ 이상이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 연성 저하 균열 억제 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(11) B B는, 입계 강도를 높이는 효과가 있다. 단, B의 함유율은 0.05％ 이하가 바람직하다. 또한, 입계 강도를 높이는 효과를 얻을 수 있는 최저한도로서 0.01％ 이상이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 입계 강도 향상의 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(12) V V는, 강도를 높이는 효과가 있다. 단, 첨가량이 지나치게 많으면 연성이 저하하기 때문에, V의 함유율은 0.5％ 이하가 바람직하다. 또한, 강도를 높이는 효과를 얻을 수 있는 최저한도로서 0.01％ 이상이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 강도 향상의 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(13) Al Al은, 강도를 높이고, 탈산화의 효과가 있다. 단, 첨가량이 지나치게 많으면 슬래그 발생 등으로 용접 작업성이 저하하기 때문에, Al의 함유율은 0.5％ 이하가 바람직하다. 또한, 강도를 높이고, 탈산화의 효과를 얻을 수 있는 최저한도로서 0.01％ 이상이 바람직하다. 단, 다른 첨가 원소에 의해 충분한 강도향상 및 탈산화의 효과를 얻을 수 있을 경우에는, 의도적인 첨가가 없어도 된다.
(14) Co(코발트) Co는, 그 동위 원소인 60Co가 붕괴에 의해 감마선원으로 되기 때문에, 원자로 내에서 사용할 경우의 Co의 함유율은 0.12％ 이하가 바람직하다.
(15) P 및 S P 및 S는, 본 실시형태에 있어서의 니켈기 합금 용접 재료에 있어서, 불가피적 불순물로 분류되는 것이다. 이들 불가피적 불순물은, 니켈기 합금 용접 재료에 잔존하는 함유율을 가능한 한 0％에 가깝게 하는 것이 바람직하다.
P는, 입계의 취화를 생기게 하여, 내식성을 저하한다. 또한, P가 편석(偏析)됨으로써, 용접 균열이 대폭으로 생기기 쉬워진다. 그 때문에, P의 함유율은 0.005％ 이하로 억제되는 것이 바람직하다. 또한, S의 함유율이 0.010％보다 크면, S는, Mn과 비금속 개재물을 형성하여, 내식성을 저하시킨다. 그 때문에, S의 함유율은, 0.005％ 이하로 억제되는 것이 보다 바람직하다. P 및 S의 함유율이 각각 0.005％ 이하이면, 응고 균열이 억제된다.
이상에 기술한 본 실시형태에 따른 니켈기 합금 용접 재료 및 원자로용 용접 재료에 의하면, 기존의 BWR용 용접 재료를 구성하는 합금, 예를 들면 182 합금 및 82 합금에 비해 우수한 내SCC성을 가짐과 함께, 양호한 용접성을 갖는다. 그 때문에, 실시형태의 니켈기 합금 용접 재료를 원자력 플랜트에 있어서의 로 내 구조물을 용접하기 위한 용접 재료에 사용함으로써, 로 내 구조물의 용접이 용이해져, 로 내 구조물의 용접부에 있어서의 내SCC성 향상을 기대할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 실시형태의 구체적인 실시예를 도면 및 표를 참조하면서 상세하게 설명한다. 또, 본 실시형태는, 이들 실시예에 의해 한정되는 것이 아니다.
(스텝 1) 도 1은, 니켈기 합금 용접 재료의 각각에 대한 화학 성분을 나타내는 비교표이다. 니켈기 합금 용접 재료로서, A, B, C 및 D의 4종류의 조성을 나타내고 있다.
이들 화학 조성을 갖는 니켈기 합금 용접 재료를 각각 얻기 위해, 필요한 원재료를 진공 유도 용해로에서 용해하고, 약 150㎜ 각(角)×약 450㎜ 길이의 잉곳을 제조했다. 그 후, 단조(鍛造)에 의해 Φ60㎜×약 1000㎜의 단조품을 제작하고, 롤 압연에 의해 Φ9.5㎜로 했다. 또한, 표면을 필링(peeling) 후, 와이어 드로잉에 의해 Φ1.2㎜의 와이어로 했다. 이렇게 해서, 니켈기 합금 용접 재료 A, B, C 및 D의 4종류에 대해서, 용접 재료가 제조 가능한 것이 확인되었다.
(스텝 2) 도 2는, 시험체 채취를 설명하는 도면이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도, (c)는 평면도이다. 구조물(12)의 평판(12a) 위에, 기재부(基材部)(11)를 평판 형상으로 형성하고, 기재부(11) 위에 육성부(肉盛部)(10)를 형성한다. 구조물(12)은 기재부(11)가 변형하지 않도록 강성(剛性)을 확보하고 있다. 기재부(11)는, 600 합금제로 했다. 이 상태의 것을 3대 제작했다.
스텝 1에서 제조한 니켈기 합금 용접 재료 중 A, B 및 C를 사용하여, 각각의 기재부(11) 위에, 입열(入熱)을 16KJ／㎝ 이하, 베이스 전류를 180A, 용접 재료의 송급(送給) 속도를 900㎜／min으로 한 가스 텅스텐 아크 용접에 의해, 도 2에 나타내는 바와 같이 길이(L)가 250㎜, 폭(W)이 60㎜, 높이(H)가 50㎜인 육성부(10)를 다층 모음으로 형성했다.
이 결과, 니켈기 합금 용접 재료 A, B 및 C에 의한 용접 재료 중 어느 것에 대해서도, 문제 없이 육성 용접이 가능하며, 유해한 결함이 없는 것이 확인되었다.
또, 니켈기 합금 용접 재료 D에 대해서도 Mo 이외의 성분은 니켈기 합금 용접 재료 A와 동등하므로, 니켈기 합금 용접 재료 A에 의한 용접 재료와 동(同)조건에서 용접 가능하다고 생각된다.
(스텝 3) 스텝 2에서 형성한 각각의 육성부(10)로부터, 10㎜ 폭, 50㎜ 길이로, 2㎜의 두께의 시험편(20)을 4개씩 채취했다. 이들 시험편에 대해서, 이하에 나타내는 극간이 있는 정 변형 굽힘(CBB: Creviced Bent Beam) 시험을 실시했다.
도 3은, CBB 시험 지그를 나타내는 도면이며, (a)는 정면도, (b)는 측면도이다. 또, 이하의 설명에서, 상하 방향의 표현을 이용하고 있지만, 설명의 편의상 이용하고 있는 것으로, 이것에 한정하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 3에 나타내는 바와 같이, CBB 시험 지그(30)는, 전체적으로 거의 직방체의 외경(外徑)을 갖는다. CBB 시험 지그(30)는, 시험편(20)을 상하에 끼우는 상반부(31) 및 하반부(32)와, 시험편(20)과 상반부(31)와의 사이에 극간을 확보하기 위한 그라파이트 울(34)과 2개의 스페이서(35), 및 상반부(31) 및 하반부(32)를 서로 체결하는 2개의 볼트(33)를 갖는다. 2개의 스페이서(35)는, 그라파이트 울(34)을 사이에 끼우도록 배치되어 있다.
상반부(31)는 길이 방향에 대해서 윗쪽을 향하여 오목면 형상으로, 하반부(32)는 상반부(31)의 오목면에 대향하도록 길이 방향에 대해서 윗쪽을 향하여 볼록면 형상으로 형성되어 있다. 상반부(31)의 오목면 및 하반부(32)의 볼록면은, 각각의 곡률 반경이 100㎜가 되도록 형성되어 있다.
시험편(20)은, 상반부(31)와 하반부(32) 사이에 끼워져, 볼트(33)로 체결된다. 이때, 그라파이트 울(34)과 스페이서(35)에 의해 시험편(20)과 상반부(31) 사이에 극간이 확보되고, 시험편(20)에는, 스페이서(35) 및 하반부(32)에 의한 굽힘 하중이 부가되며, 또한, 윗면에 부식 환경 형성용의 공간이 형성된 상태가 확보된다.
이상과 같은 시험 체계에 의거하여, 고온수 중의 응력 부식 균열 감수성을 평가하기 위해, 스텝 2에서 제작한 니켈기 합금 용접 재료 A, B 및 C를 사용한 시험편(20)을 사용하여, CBB 시험을 행했다.
CBB 시험은, 오토클레이브(autoclave)를 사용하여 온도 288℃, 압력 7.8㎫의 고온 고압 순수 중에 500시간 침지(浸漬)시킨 후, SCC 발생의 유무를 평가했다. 시험은, 각각의 니켈기 합금 용접 재료에 대해서 채취한 4개의 시험편(20)에 대해서 실시했다.
도 4는, CBB 시험의 결과를 나타내는 표이며, 니켈기 합금 용접 재료 A를 사용한 시험편, 니켈기 합금 용접 재료 B를 사용한 시험편, 및 니켈기 합금 용접 재료 C를 사용한 시험편 각각의, CBB 시험 후의 균열 발생 수를 나타내고 있다.
이 결과, 니켈기 합금 용접 재료 A, B 및 C를 사용한 각각 4개의 시험편에 있어서, 모두 응력 부식 균열의 발생은 인정되지 않았다. 또, 니켈기 합금 용접 재료 D에 대해서도 내식성에 영향을 주는 Cr량이 니켈기 합금 용접 재료 A와 동등하므로, 내SCC성은 우수하다고 생각된다.
또, 182 합금에서는 마찬가지의 시험을 행했을 경우에는, SCC 감수성을 나타냈다는 보고가 이루어지고 있다(「니켈기 용접 금속의 고온수 중 SCC 감수성에 미치는 가공의 영향」, 재료와 환경 2005, A310).
(스텝 4) 스텝 2에서 형성한 니켈기 합금 용접 재료 C의 육성부(10)로부터, CT(Compact Tension) 시험편을 채취하고, SCC 균열 진전 시험을 행했다.
도 5는, SCC 균열 진전 시험에 사용한 시험편 형상을 나타내는 도면이며, (a)는 좌측면도, (b)는 정면도, (c)는 우측면도이다.
CT 시험편(40)은, 베이스(41)의 폭 방향의 중앙에, 단부(端部)로부터 노치(42)를 형성하고, 하중 부가부(43 및 44)간에서 인장 하중을 부가한다. 베이스(41)의 이면(45)(도 5에서는 우측면)에는, 분할되는 부분의 각각에 각인(刻印)(45a)이 형성되어 있다.
CT 시험편(40)의 각부(各部) 치수는, 공칭값이고, 두께(T)는 12.7㎜, 폭(D)은 30.48㎜, 길이(H)는 31.75㎜의 것을 사용한, 0.5T의 CT 시험편이다. 또한, 노치(42)의 폭(W)은 1.6㎜이다.
피로 예비 균열(fatigue pre-crack)을, 대기 중, 실온에서 도입한 후, 다음 수질에서 오토클레이브를 사용하여 환경 중 예비 균열을 도입했다. 그 후에, 다음 수질 조건 및 하중 조건 하에서 SCC 균열 진전 시험을 실시했다.
<수질 조건> 온도: 288℃ 압력: 9㎫ 부식 전위(ECP): 150mVSHE 이상 <하중 조건> 시험 하중: 7.0kN 목표 응력 확대 계수(K): 약 32∼34㎫√m 정하중의 균열 진전 시간은, 562.9시간으로 하고, 시험 후에 파면 보정을 하여 균열 진전 속도를 구했다.
도 6은, 본 실시예에 따른 니켈기 합금 용접 재료 C와 82 용접 재료에 대한, SCC 균열 진전 속도와 응력 확대 계수의 관계를 나타내는 그래프이다. 곡선(S)은, 제안되고 있는 82 합금(TIG 용접재)의 평균 균열 진전 속도 곡선이다((독일)원자력 안전 기반 기구, 2005년도 Ni기 합금 응력 부식 균열(SCC) 진전 평가 기술 조사(정하중 시험)에 관한 보고서). 또한, 점(P)은, 이번 니켈기 합금 용접 재료 C의 경우의 시험 결과이다.
니켈기 합금 용접 재료 C의 경우의 균열 진전 속도는, 응력 확대 계수(K)가 32.2㎫√m이고, 2.63×10-12(m／s)이었다. 이때의 균열 진전 속도(da／dt)는, 약 1.23×10-12[m／s] 미만이었다. 니켈기 합금 용접 재료 C의 경우의 균열 진전 속도(da／dt)의 값은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 82 합금보다 충분히 낮은 것이 나타났다.
이상에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따르면, 내SCC성이 양호하며, 또한, 용접성이 우수한 니켈기 합금 용접 재료 및 원자로용 용접 재료를 제공할 수 있는 것이 확인되고 있다.
도 7은, 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법의 수순을 나타내는 플로우도이다. 우선, 니켈기 합금 용접 재료의 준비를 행한다(스텝 S01). 여기에서, 니켈기 합금 용접 재료는, 본 실시형태에서 나타낸 용접 재료이다.
다음으로, 스텝 S01에서 준비한 니켈기 합금 용접 재료를 사용한 원자력용 기기 및 구조물의 보수를 실시한다(스텝 S02). 실시예에 나타낸 바와 같이, 내SCC성이 양호하며, 또한, 용접성이 우수한 용접 재료를 사용함으로써, 원자력용 기기 및 구조물에 대한 신뢰성이 높은 보수를 행할 수 있다.
도 8은, 비등 수형 원자로의 슈라우드 서포트를 개념적으로 나타내는 부분 입단면도이다. 로심(爐心)의 직경 방향 외측에서 로심을 둘러싸는 슈라우드 서포트(2)는, 슈라우드 서포트(3)를 통해, 원자로 압력 용기(1)로부터 지지되고 있다. 이 슈라우드 서포트(3)와 원자로 압력 용기(1)와의 용접부는 이재(異材) 이음매이다.
도 9는, 비등 수형 원자로의 제어봉 구동 기구 하우징 관통부를 개념적으로 나타내는 부분 입단면도이다. 원자로 압력 용기(1)를 아래쪽으로부터 관통하는 제어봉 구동 기구 하우징(5)의 관통부를 시일하기 위한 용접부도, 마찬가지로 이재 이음매이다.
본 실시형태에 따른 니켈기 합금 용접 재료는, 이러한 원자력용 기기 및 구조물 등의 용접 접수(接手)에 적용할 수 있다. 비등 수형 원자로의 슈라우드 서포트, 제어봉 구동 기구 하우징 관통부의 이재 용접부 외에, 도시하지 않지만, 가압 수형 원자로의 압력 용기 윗뚜껑의 관대(管台)의 용접부, 혹은 증기 발생기의 용접부 등에 사용할 수 있다.
또한, 원자력 분야 이외에 있어서도, 니켈기 합금이 사용되는 높은 내식성이 필요해지는 발전 플랜트나 화학 플랜트, 해양 선박이나 그 구조물 등에도 사용할 수 있다.
[그 밖의 실시형태] 이상, 본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다.
또한, 각 실시형태의 특징을 조합해도 된다. 추가로, 이들 실시형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 각종 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되면 마찬가지로, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.
1: 원자로 압력 용기 2: 슈라우드
3: 슈라우드 서포트 5: 제어봉 구동 기구 하우징
10: 육성부 11: 기재부
12: 구조물 12a: 평판
20: CBB 시험편 30: CBB 시험 지그
31: 상반부 32: 하반부
33: 볼트 34: 그라파이트 울
35: 스페이서 40: CT 시험편
41: 베이스 42: 노치
43, 44: 하중 부가부 45: 이면
45a: 각인

Claims (11)

  1. 질량％로, Cr:30.0％ 초과 36.0％ 이하, C:0.050％ 이하, Fe:1.00％ 이상 3.00％ 이하, Si:0.50％ 이하, Nb+Ta:3.00％ 이하, Ti:0.70％ 이하, Mn:0.10％ 이상 3.50％ 이하, Cu:0.5％ 이하를 함유하고, 잔부(殘部)가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 니켈기 합금 용접 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    질량％로 2.00％ 이상 5.00％ 이하의 Mo를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 니켈기 합금 용접 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 불가피적 불순물 중, S 및 P는, 각각 0.005％ 이하인 것을 특징으로 하는 니켈기 합금 용접 재료.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 니켈기 합금 용접 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로용 용접 재료.
  5. 제1항 또는 제2항에 기재된 니켈기 합금 용접 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 원자력용 기기 및 구조물.
  6. 제1항 또는 제2항에 기재된 니켈기 합금 용접 재료를 보수용의 용접 재료로서 준비하는 재료 준비 스텝과,
    상기 용접 재료를 사용하여, 원자력용 기기 및 구조물의 보수를 실시하는 보수 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 원자력용 기기 및 구조물의 보수 방법.
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