WO2005024083A1

WO2005024083A1 - 原子炉構造物とその製造方法および補修方法

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Publication number: WO2005024083A1
Application number: PCT/JP2004/008367
Authority: WO
Inventors: Katsuhito Takahashi; Kazumi Fujii; Takahiko Kato; Ryo Ishibashi; Hideyo Saitou; Masakazu Hisatsune; Osamu Saitou; Takeshi Obana; Masahisa Inagaki; Syouji Hayashi; Takashi Itou; Haruo Fujimori; Michiyoshi Yamamoto; Shigeo Hattori; Masaaki Tsubaki; Hirofumi Kinoshita
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-03-17
Also published as: JP4391992B2; JPWO2005024083A1

Abstract

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼部材どうしの溶接部を含む原子炉構造物において、高温高圧水にさらされる溶接部の応力腐食割れを抑制することを目的とする。本発明は、原子炉構造物として用いられているオーステナイト系ステンレス鋼部材どうしを、所定の溶接金属を用いて溶接し、更に熱処理を施して、少なくとも高温水に接する表面の室温での残留応力が引張応力で144MPa以下、もしくは圧縮応力になるように施工する。これにより、原子炉構造物の高温高圧水にさらされる溶接部の応力腐食割れを抑制することができる。

Description

明細書

原子炉«物とその法およ r«修方法謹分野

本発明はオーステナイ卜系ステンレス鋼どうしの溶接部を含む原子炉構造物とその製造方法および補修方法に係り、特に、原子炉が運転されている間に生じる激凝 15の応力腐食割れを防止する攝に関する。

沸騰水型軽水炉の炉内構造物や再循環冷却水配管には、近年 S US 3 1 6 L鋼といった炭素含有量の低いステンレス鋼（低炭素ステンレス鋼）が用いられている。

これらの炉内ネ髓物や再循環冷却水配管において、原子炉水に接する表面に弓 I弓議留応力が Tる部位では、原子炉水の酸化性觀の作用により、運転中に応力腐食割れを弓 Iき起こ員傷卿 Jが顕在化しつつある。このような引弓惑留応力は、特に溶接時に、溶接金属部の凝固収縮により溶接部周辺に発生する。さらに、製程での機械加工によつ Όΐ 表面に引弓戲留応力が発生することもある。

応力腐食割れは、材料 '応力'環境（水質）のすベての要因が重なつた条件で発生するとされており、それぞれの要因を緩和する対策が検討されてきた。この中で応力対策は、溶接や加工によって発生した引弓力の緩和もしくは ]£縮応力化を指向して種々の方法が提案、実施されている。具体的には、 1 9 8 7年に日本で開催された国際会議における、岡田秀弥 '口ジャー W. ステーリ一による発表「BWR配管および Ρ WR蒸気発生機における腐食損傷」、その予稿言の第 1 4 4頁に記載のような溶 ί¾熱処理 (PWHT, SHT) 、高周波誘導加熱応力改善処理 (IHS I) といった熱処理が挙げられる。また、特開平 7— 6 2433号公報に記載のようなショットビーニング、ウォータージエツトビーニング（WJP) といった表面処理が挙げられる。

熱処理による応力纖は、表面処理と比べて、応力緩和もしくは赚応力化領域を材料の表面から深部まで作りこむことが可能である。 PW HTや IHS Iは、 ί碳素ステンレス鋼が删される以前に、炭有量の高い S US 304鋼を用いた機器に対して開発されたもので、原子炉 fi^物および BE管として用いられている觀素ステンレス鋼には、ほとんど適用されていない。但し、 BfcWのプラントを中心に用いられている SUS347や SUS321を主体とした安定化ステンレス鋼は、 1 997年にアメリカで開催された国際会議の Proceedings of the Eighth International Symposium on EVIROMENTAL DEGRADATION OF METALS IN NUCLEAR POWER SYSTEMS-WATER REACTORS Volume 2、第 81 2頁に記載のように»から PWHTによる応力緩和文様が^!されている。

現在、日本国内の沸騰水型軽水; T?は、炉内構造物や再循環冷却水配管などの配管類のほとんどに SUS 316 L鋼がレられており、齢部は SUS 316 Lの溶接棒で妾されている。溶 ί額陋傍で発生する応力腐食割れは、辦妾による引張残留応力が原因の一つである。引張残留応力 ί氐減のために、 PWHT、 IHS Iといった拠理を実施することは械である。しかしながら、このような讓理は、炭化物、 σ相、 χ相、ラーべス相などがし、纖妾の謝ヒを引き起こす。また、： ^ fffi物の Iffi^は複数のビードを重ねる、レわゆる多層肉盛によつて作製されているため、灘工程で辦 Pは加熱冷却の熱サイクルを受けた結果、脆化を引き起こす。

このような脆化は、応力腐食割れなどにより一旦割れが発生した:^、き裂の βをし原子炉構造物および IB管などの損傷を早め、その健全 I生を劣化させるという問題点がある。

本発明の目的は、軽水炉において、高温高 j¾に接する體錢の応力腐食割れを抑制するための原子炉構造物と、その ii^法、補修方法および! ¾替方法を提 ί共することにある。発明の開示

漏目的を ¾rる本発明の要旨は、次の通りである。

( 1 ) オーステナイト系ステンレス鋼き附どうしの溶^を含む原子炉構造物において、溶接金属の化学成分が質量で N iが 9. 00-14.

00%、 Crが 19. 50〜25. 00%、 S iが 0. 65 %以下、 M nが 1. 00〜2. 50%、 Moが 0. 50%以下、 Coが 0. 10% 以下、 Cが 0. 020%以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 030% 以下、 Sが 0. 030%以下、 eと避不純物からなり、少なくとも高温水に接する表面の室温での残留応力が弓 I張応力で 144 M Pa以下、もしくは ffi縮応力であることを樹敷とする原子炉構造物。

(2) オーステナイト系ステンレス鋼音附どうしの激凝 15を含む原子炉構造物において、前記オーステナイト系ステンレス鋼音附の少なくとも一方の化学成分が、質量で N iが 10. 50〜： 15. 00%、 Crが 16. 00〜18. 50%、 31が1. 00%以下、 Mnが 2. 00% 以下、 Moが 2. 00〜3. 00%、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0。 020%以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 045%以下、 Sが 0. 030%以下、歹 ^^が Feと^ J避不純物からなり、灘麵の化学成分が質量で Niが 9. 00-14. 00%、 Crが 19· 50〜25. 00%、 S iが 0. 65%以下、 Mnが 1. 00〜2. 50%、 Moが 0. 50%以下、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0. 020%以下、が 0. 12%以下、 Pが 0. 030%以下、 S力 0. 030%以下、藤が F eと避不純物からなり、少なくとも高 & !Kに接する表面の室温での残留応力が引張応力で 144MP a以下、もしくは fl&縮応力であることを樹敫とする原子戸構造物。

(3) オーステナイト系ステンレス鋼細ォどうしの溶 ί慈を含む原子炉ネ髓物の法において、オーステナイト系ステンレス鋼音附どうしの澍 «Xに用いる灘«の化学成分を、質量で Niが 9. 00〜 14. 00%、 Crが 19. 50〜25. 00%、 31が0. 65%以下、 Mnが 1. 00〜2. 50%、 Moが 0. 50%以下、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0. 020%以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 0 30%以下、 Sが 0· 030 %以下、聽が F eおよ tJ^J避不純物とし、画少なくとも高に接する表面の室温での残留応力が引張応力で 144MP a以下、もしくは ]¾縮応力となる «理をことをとする原子炉ネ疆物の I ^法。

(4) ォ一ステナイト系ステンレス鋼音附どうしの激縐を含む原子炉構造物のを取り替える補修方法にぉレて、既設の原子炉構造物にオーステナイト系ステンレス鋼き附を新規に取り付ける溶接施工に用いる灘錦の化学成分を、質量で Niが 9. 00〜14. 00%、 Cr が 19. 50〜25. 00%、 S iが 0. 65%以下、 Mnが 1. 00 〜2. 50%、 Moが 0. 50%以下、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0 020 %以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 030 %以下、 Sが 0. 030%以下、凝が Fe及 i i避不純物とし、激翁麦、少なくとも高に接する表面の残留応力が弓 I弓跡力で 144MPa以下、もしくは ffi縮応力となる»理を Wことを樹敷とする原子炉構造物の補修方法。

(5) 少なくとも一方のオーステナイト系ステンレス鋼音附の化学成分を、質量で Niが 10. 50〜15. 00%、 Crが 16. 00〜1 8. 50%、 31が1. 00%以下、 Mnが 2. 00 %以下、 Moが 2 00〜3. 00%、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0. 020 %以下、 N が 0. 12%以下、 Pが 0. 045 %以下、 Sが 0. 030%以下、残部が Feおよ W¾J避不純物とする（3) または（4) 記載の方法。

(6) 激幾に高こ接する表面を 240°C〜1050°Cに昇温して 1秒以上 100， 000秒以下に傲寺する «理を施すことを特徴とする（3) または（4) 記載の方法。

(7) 溶 « 後に当該溶の高温水に接する一面を水または水以上の謝云 »を有する流体で冷却すると同時に、他の一面を 240 ° (：〜

1050°Cにカロ熱し、ここでとカロ熱面との fig勾配を 12°CZm m以上確保する讓理を ¾Τことを鐘とする（3) または（4)記載の方法。

( 8 ) wii¾rcと«理時間 t時間との関係が

T+273≥9442. 3/ (9. 23+ 1 og₁₀ (t) )

を満たす処理条件で理を施し、かつ、禁拠理後の当該溶接金属部より採取した Vノッチ試^ i をシャルピー ί»Ι式斷去により薩するのに要する、室温での酵 Ρ及収エネルギーを 100 J以上に保つことを糊敷とする（3) または（4) 記載の方法。

( 9 ) 850°C未満で »理をし、かつ、 ML理後の辦妾^ S部に含有るフェライ卜の量を百率で 6 %以上に保つことを樹敫とする (3) または（4) 記載の方法。

(10) 850で未満で«理を»：し、力、つ、する猶^ S中のフェライト含有量百、率と、己 »理後の溶接^!部に含 ^;Tするフエライト量百分率との差を 5以内に概寺することを纖とする（3) または（4) 記載の方法。なお、本発明における原子炉構造物には、配管も含まれるものとする本発明は、原子炉構造物の材料として用いられるオーステナイト系ステンレス鋼の澍 Mrに用いる灘 «の化学成分を縦し、 m

の引弓 S¾留応力を低減もしくは ffi縮化して、応力腐食割れの発生および画を抑制し、原子炉謎物の酔1生を猶寺したものである。

謝に、当該^^を所望の条件で «理することにより、引弓留応力を低減もしくは E&縮化した領域を材料表面から深き [5まで得ることができ、その結果、腐食減肉などによる残留応力改善領域の消失に対して翻性を向上させることができる。

辦妾麵は、通常ァ -オーステナィト相と δ-フェライト相の 2相糸纖であり、特に δ -フェライト相は赚により σ相、カイ相、ラーべス相とレた脆化相をしゃすいため、灘^ Sは母材と比べて脆化しやすレ^

本発明では、脆化相の生成を促進する Moに着目し、溶接金属の Mo 量を 0. 5 %以下、好ましくは 0. 1 %以下とすることにより Moを含

¾ る脆化相の «を抑制した。なお、以上及び以下の議で、各の％表示は質量 (m a s s ) %を表す。 Cは溶 ί繳ゃ醒処理によって、粒界に C r炭化物を «し粒界鋭敏化と脆化を招くので、 0. 0 2 0 % 以下とする。 Nは材料^ gを上げるため必要に応じて添加するが、 « の添加は脆化を招くため、 0. 1 2 %以下とする。 C rは耐食性を向上させるが、過度の添加は脆化を招くため、溶接金属中の C r量としては 1 9. 5 0〜2 5. 0 0 %が望ましい。 N iはオーステナイト相を安定にし、機柳勺' I'頓を向上させるため、激妾 «中の N i量としては 9.

0 0- 1 4. 0 0 %が望ましい。 s iは溶鯽寺の湯：^ 性を向上させるが、 σ相などの脆化相の生成を ί©1するため、溶接金属中の S i量を 0. 6 5 %以下とする。 Mnはオーステナイト相の安定性を向上させると同時に弓 I張^ を向上させるが、 σ相などの脆化相の «を鹏させるため、溶接金属中の Μη量としては 1. 0 0〜2. 5 0 %が望ましい。一方、 P、 Sは溶解原料から混入する不純物で、激妾時の高温割れを招くため、 Ρ量および S量はそれぞれ 0. 0 3 0 %以下、好ましくは 0. 0 1 0 %以下とする。なお、溶掛寺の割れを抑制するために、溶接麵ならびに猶物音附の化学誠は、澍妾方法に応じて、フェライト初晶凝固モードとなるように言雇されることが望ましい。

本発明において、画麦に、残留応力を禱口させるために Μ«理の^^として 1 0 5 0°Cより高温に加熱した:^は、原子炉†f ^物の変形が大きく寸法精度が繼寺できないため、的でない。一方、当該溶擬の一面を加熱し、他の一面を冷却する讓理において、カロ熱面の温度が 2 4 0°C未満では、カロ熱面と冷顺の勾配が小さく、觀理後に応力を織口することができない。以上のことから、讓理の^ 範囲としては、 2 4 0〜 1 0 5 0°Cとし、温度勾配を 1 2°C/mm以上とすることが望ましい。

さらに、上記のようにされた激妾麵を用いても、讓理によつて被激 ¾^號化する可能 I生がある。オーステナイト系ステンレス鋼において、最高を 7 0 0°C以上とする:^は、寺時間を 1 0, 0 0 0秒以下とすることにより脆化を回避できる。また、最高 figを 2 4 0〜7 0 0°Cとする:^は、傲寺時間を以下の式 ( 1 ) でされる時間以下とすることにより脆化を回避できる。

1 o g₁₀ t = l 3. 1 - 0. 0 1 3 X T …… ( 1 )

ここで、 Tは讓理 £g CO 、 tはィ卿寺間（秒）である。

上記の «理をることにより、当該^ の室温での残留応力を引弓赃力で 1 4 4MP a以下、あるいは ffi縮応力に変化させた:^、溶擬の脆化を抑制しカつ原子 J:戸運転中における応力腐食割れの発生および纖を抑制できる。これにより、原子炉構造物の健全性を歸できる。図面の簡単な説明

第 1図は本発明の一実施例である溶接配管の熱処理を模式的に示した図である。

第 2図は第 1図に示した激錢画の ¾図である。

第 3図は本発明の他の実施例である溶接配管への熱処理を模式的に示した図である。

第 4図は原子力炉炉内 TO物の側図である。

第 5図は第 4図における熱処理を施す部分の拡大図である。

第 6図は本発明の他の β例であるシュラゥドへの熱処理を^:的に示した図である。

第 7図は第 6図における熱処理を Μ "部分の拡大図である。

第 8図は熱処理装置の成図である。

第 9図は本発明の他の実施例であるシュラゥドへの熱処理を fe¾勺に示した図である。

第 1 0図は本発明の他の実施例であるシュラゥドへのウォータージェットビーニング処理を的に示した図である。

第 1 1図は灘鍋部のシャルピー衝纖縣課を示した図である。第 1 2図は讓理による残留応力の変化を示した図である。

第 1 3図は ΙΕ«!®^牛範囲を示した図である。

第 1 4図はフェライト量と衝撃吸収エネルギーの関係を示した図である。

第 1 5図は蒙拠理前後のフェライト量百分率の差と «撃 PJ:収エネルギ一の関係を示した図である。発明を ¾5 するための最良の形態

第 1図は、本発明のー例である激妾配管の讓理を勺に示した図であり、第 2図にその溶擬15の断面の fet図を示す。外径 318. 5mm, 肉厚 21. 4mmの S US 316 Lステンレス鋼製の配管 1および 1'と、 Feを分として質量で Crを 19. 91%、 Niを 9. 72%, Cを 0. 018%、 S iを 0. 48%、 Mnを 1. 98%、 P を 0. 023%、 Sを 0. 003%、 Moを 0. 41%、 Coを 0. 0 8%、 Nを 0. 08%含 ¾ る謝妾麵部 5から構成される雜凝|53の内部に、水 2を ¾r とともに、灘 ^)1部の外周から約 5 mmの位置に配置した誘導加熱コイル 4に 30 kH zの高周波を印加して激凝 3をカロ熱した。カロ聽件は、激翁 [5夕酒の^ Sを 650°C、この Sでの射寺時間を 10秒とし、この時の冷却水^ Jtは 25 °Cとした。配管内外面の&¾¾は625° ^¾勾配は29. 皿であった。

： $«S例の讓理を施した澍とその周辺部では、慰妾^!部 5と體»灣部 6の何れにも、オーステナイト相とフェライト相の界面およびフェライト相内部にひ相などの脆化相は析出していなかった。また、配管内面の残留応力は 105MPa@Jtの BB縮応力を示した。

このように、 Φ¾Ι例の化学成分の灘鍋部から構成される配管では、例の讓理を »ことにより、材料の脆化相を^ ることなしに、配管謝凝の妾水表面の残留応力を圧 ϋ化し、その結果、応力腐食割れの発生および »を抑制でき、原管の 1生を »することができる。

第 3図は、本発明の他の鎌例である灘配管の讓理を ¾的に示した図である。外径 609. 6mm、肉厚 30. 9mmの SUS304 Lステンレス鋼製の配管 1および 1'と、 Feを主成分として質量で Cr を 23. 47%、 Niを 13. 66%、 Cを 0. 016%、 S iを 0. 39%、 Mnを 1. 94%、 Pを 0. 024%、 Sを 0. 003%、 M oを 0. 38%、 Coを 0. 085%、 Nを 0. 10%含 "る^ ^:妾フィラーで配管 1および 1 'を T I G激妾した灘妾^ g部 5から構成される

3の外周に本 7を密着させ、 ^ Ίに通電して^^を加熱した。辦錢の加熱^ JSは 700°Cとし、この搬での傲寺時間を 2時間に設定した。謝慈 3を力,した後に、

¾ (本 7を取り外し、配管全体を強制空冷により冷却した。

例の讓理を施した激凝 3は、離麵部 5と辦應部

6の丫可れにもオーステナイト相とフェライト相の界面およびフェライト相内部に σ相などの脆化相が析出しなかった。また、讓理後における配管内面の残留応力は約 2 OMPaであった。

このように本実施例の化学成分の溶接金属部から構成される配管では、

*¾例の»理を施すことにより、材料の脆化相をすることなしに、嶽翁の接 7娘面の残留応力を AB縮化し、その結果、応力腐食割れの発生および »を抑制でき、原子 j¾己管のl^t生を對寺することがでさる。

本発明の他の^例として、原子炉炉内; fi^物の一つであるシュラウドに細した例で説明する。第 4図は、原子力炉炉内構造物の側麵図である。原子炉圧力容器 8内に設置されているシュラウド 9の溶接部を、讓理装置操作ロポット 10の«にシュラウドの内周面に沿って取り付けられた讓理装置 11を用いて熱処理した。この熱処理装置 11は、シュラウド 9の内径に合わせて、その直径を颜できる機能を有し、熱処理装置 11とシユラウド 9の内面との ί隱を一定に保つことができる。讓理する部分の駄図を第 5図に示す。 SUS 316 Lステンレス鋼製のシュラウドの各部品は、 F eを主成分として質量で C rを 19. 03%、 Niを 9. 65%、 Cを 0. 018%、 S iを 0. 47%、 M nを 1 · 4 7 %、 Sを 0. 0 2 5 %、 Pを 0. 0 2 5 %、 Moを 0. 2

8 %、 C oを 0. 0 7 %、 Nを 0. 0 2 %含 Tる ^^フイラ一を用いてサブマージアーク謝妾法により謝妾した。この翻 153近傍に讓理装置 1 1を譲して讓理を施した。讓理装置 1 1は、誘導加熱用コィル 1 2. Αと^]水噴出コイル 1 2 B力に配置されているカロ却コイル 1 2と讓理面のを計測するための^ ¾センサ 1 3カゝら構成されシュラウド鹏随傍の、を監視しながら加熱と冷却を同一装置で ¾M "能な猶になっている。冷却水 1 4としては、圧力容¾§ ^部から供給される水を用いることもできるが、予め圧力容器内部に炉水を滞留させておき、この炉水をポンプで汲み上げて噴出させることにより、噴出した冷却水や加 »¾ι装置からの漏 fcK等の回収が^ となり、効率的な ί«が、可倉となる。.

上記構成において、讓理装置操作ロポット 1 0により讓理装置 1 1を «理が要な激部 5と部 6からなる^ §Μ立に移動させ、位置決めする。その後、誘導加熱用コイル 1 2 Αを用いてシユラウド内表面が 8 5 0°Cになるまで加熱、その温度で 1 5秒傲寺した後に冷却水噴出コイル 1 2 Bから冷却水 1 4を噴出させて加熱されたシユラウド^^ を冷却する。本発明の理を施した後、配管内面の残留応力は引弓跡力で 1 OMP a離を示した。

このように本 ¾i例の «I理を施すことにより、シュラウド溶^ 15の応力腐食割れが抑制でき、原子炉構造物の敝1生を緞寺することができる。ここでは、シュラウド内面に禁拠理を法を例に説明しているが、讓理装置をシユラウド外面に識することにより、シュラウド外面側の激 Μ 部にも同様の觀理を » "こと力きる。

第 6図は本発明の他^ 例であるシュラウドへの熱処理を^勺に示した図である。原子炉圧力容器 8内に設置されているシュラウド 9の溶讓理装置操作ロボット 10の«にシュラウドをはさんで対向して位置する讓理装置 11を用いて讓理した。この讓理装置 1 1は、シュラウド 9の直径に合わせて、その直径を麵できる機能を有し、熱処理装置 11とシユラウド 9とのを一定に保つことができる _c 讓理する部分の駄図を第 7図に示す。 SUS 304Lステンレス鋼製のシュラウドの各咅 ^品は、 F eを分として質量で C rを 24. 34%、 Niを 13. 38%、 Cを 0. 010%、 S iを 0. 56%、 Mnを 1. 57%、 Pを 0. 024%、 Sを 0. 007%、 Moを 0. 041%、 Coを 0. 08%、 Nを 0. 02%含: Tる辦妾フイラ一を用いてサブマージアーク激妾法により灘した。この灘麵部 5および激^^ 部 6からなる^^立に»理装置 11をして理を施した。讓理装置 11は、誘導加熱用コイル 12 Aと冷却水噴出コィル 12 Bがに配置されているカロ熱冷却コイル 12と、 «理面のを計測するためのセンサ 13からネ冓成され、シユラウド^^ 近傍の温度を監視しながら力,と冷却を同一装置で ¾M "能な構造になつている。

上言己構成において、禁拠理装置操作ロポット 10により禁拠理装置 1 1を «理が必要な激妾 «部 5と ffi ^響部 6からなる灘慈[¾立に移動させ、位置決めした。その後、讓理装置 11、 1 Γ の誘導加熱用コイル 12A、 12 A' を用いてシュラウド内表面が 750°Cになるまで加熱し、そので 30分間 i¾fした後、冷却水噴出コイル 12 B、 12 B'から冷却水 14を噴出させてシュラウド薩 (5を糊した。

ここでは、シュラウドの内外面を同時に加熱、冷却する蒙拠理を例に説明したが、用いている讓理装置各々は一対の加熱コイルと冷却水噴出コイルを具備しているため、シュラウド内面、あるい « ^面の一方をカロ熱し、他の面を冷却する讓理を ¾ ことも可能である。また、第 8 図に示すように、シュラウドの片面に赤外線ヒー夕ゃ抵 ¾ロ熱ヒータな · どのカロ熱用ヒータ 15から構成されるカロ纖置 16を配置し、 «の面に冷却水噴出コイル 12 Bから構成される冷却水装置 17を配置して、シュラゥド溶擬 |5{立を加熱冷却することにより、シュラウドの片面のみに讓理を ¾ こと力河能である。また、冷却装置として、冷却水噴出コイルの替わりに、不活性ガスや空気などの気体を吹き付ける装置を具備してもよく、冷却水噴出コイルと同様の冷却効果を得ることができるこのように: 列の蒙処理を施すことにより、シュラウド辦翁!^の応力腐食割れが抑制でき、原子 J:戸構造物の^ 1生を^ ^寺することができる。

第 9図は本発明の他の^ W!Jであるシュラウドへの熱処理を fet的に示した図である。 SUS304L鋼製のシュラウド 9は、 Feを主成分として質量で Crを 19. 03%、 Niを 9· 65%、 Cを 0. 012 %、 S iを 0. 046%、 Mnを 1. 42%、 Pを 0. 020%、 Sを 0. 004%、 Moを 0. 21%、 Coを 0. 07%、 Nを 0. 08% 含 « "る辦妾棒を用いて、被覆ァ一ク灘法による嶽妾を施して組み立てられている。このシュラウド 9

中で 600°Cのに 8時間ィ搬した後、水冷により急冷した。

このように Φ¾例の讓理を M "ことにより、シュラウド辯翁の応力腐食割れが抑制でき、原子炉構造物の I生を嫩寺することができる。

本発明の他の実施例として、溶擬に高圧高速流体によるウォータージエツトピーニングをことにより圧 H応力を付与する方法を示す。第 10図はウォー夕ージエツトビ一ニングを音啦の拡大図である。 SUS316 L鋼製のシュラウド咅附 9を、 F eを生成分として質量で Crを 19. 13%、 Niを 9. 72%、 Cを 0. 018%、 S iを 0。 048%、 Mnを 1. 98%、 Pを 0. 023%、 Sを 0. 003%、 Moを 0. 30%、 Coを 0. 08%、 Nを 0. 10%含 #"る灘棒を用いて被覆アーク^法により妾した。この時、この^!妾 «部 5 と激纖灣部 6には 300MP aの引弓鉱力が ¾留していた。この溶擬とその近傍にウォータージエツトピーニング装置のノズル 19を設置し、噴射圧力 7 OMP a、噴射 ¾¾240m/秒、噴寺間 30分/ m の条件で高圧高速水 20を噴射した。これによる渦流とキヤビテーション気泡により、噴射部位の材料表面力塑性変形を受け、当該^^の残留応力は 400 MP aの J¾縮応力に変化した。

このように^ ¾例のウォータージエツ卜ピーニングを施すことによりシュラウド激翁 15の応力腐食割れが抑制でき、原子炉物の 1'生を糸傲寺することができる。

外径が 100 mm以下の小口径配管に対する本発明の^ g例を示す。本発明の删にあたって、赃な讓藝件範囲を決定した。謝鐵留応力の低減を目的とした PWHTは、カロ謝尉寺時間が長ぐカロ熱が高いほど、灘纖留応力の低漏果が大きいと考えられる。その反面、条件によっては、激妾 ^ISの δフェライト相からの、 σ相など月危化相の «や成長が «され、脆化しやすくなると考えられる。このこと力ゝら，辦纖留応力の低減と謝匕の回»簡立できる讓麟件範囲にて麵理を実る必要がある。

まず、上記の羅藝件範囲を求めるにあたって、シャルピー

験により脆化を回避可能な讓赚件範囲を求めた。

第 11図は、讓理後の灘 Sについて、室温にてシャルピー扉試験を魏した結果である。纖 ϋは、質量比で Niが 9. 97%、 Crが 19. 83%、 3 が0. 344%、 Mnが 1· 92%、 Moが 0. 010%、 Cが 0. 016%、 Nが 0. 0534%、 Pが 0. 020%、 Sが 0. 004%, mWF eと^!避不純物とする溶加材をして製作した。 Vノッチ試^ は、絲件で«理した後の謝妾^!から採取した。

Vノッチ試^ の寸法は »寸法であり、長さが 55mm、高さと幅が 10匪の ΙΕ^Γ形麵で、角度 45⁰ のノッチが付けられている。ノツチ下の高さは 8mmである。以下の婦 P及収エネルギーは、上記の寸法の試に対して求めた値を示す。

各»8 ^件の ¾W後の試験片についてしたところ、衝撃 P及収ェネルギーが 100 J以上では延性的な破面を呈し、衝纖収エネルギーが 100 J未満では延性から脆性に遷移した破面を呈した。そこで、脆化を回避可能とする »P及収エネルギーの下限値を 100 Jと決定したなお、讓聽難の条件では、約 180 Jの酵吸収エネルギーを示した。なお、 850°Cで讓理した条件では、脆化しなかった。

第 11図によれば、 Niが 9. 00-14. 00%、 Crが 19. 5 0〜25. 00%、 31が0. 65%以下、 Mnが 1. 00〜2. 50 %、 Moが 0. 50%以下、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0· 020% 以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 030%以下、 Sが 0. 030% 以下、歹凝が Feと^!避不純物とする糸滅範囲内にある灘麵は、 »理により脆化しにくい傾向がある。しかし、 700で以上800で以下とする^^域にて長時間讓理することにより、吸収エネルギ —の低下がみられ 750°Cで 10時間尉寺した条件では、衝，収ェネルギーが約 80 Jに低下した。脆化を回避するため、 700°C以上 8 00°C以下の^ ^域にて讓理する:！^は、讓理時間を 10時間未満とすることが望ましい。

次に、残留応力を禱ロ可能な牛範囲を第 12図に示す。これは、溶より短冊状に採取した試^ を曲げて、 »理1¾麦の応力を測定した試結果である。これによれば、讓理前は 60 OMPaであった残留応力が、 850°Cの讓理では加謝嫌 1時間にて、残留応力がほぼ OMP aとなった。 750°Cの熱処理では加謝尉寺時間が 1時間にて、 144MP a以下に残留応力の鏺口が舰できた。 650°Cの讓理で m l 0時間で、 144MPa以下に残留応力を癬口することができた。

ラーソンミラーの式から搬則して、任意の讓理 «—時間条件と残留応力の »口が同等となる条件は、以下の式 (2) で表されると考えられ'る。

T+273 = C1/ (C2+l og₁₀ t) …… (2)

但し、 T： CO、 t ：時間（h r ) 、 C 1：定数、 C 2：定数。残留応力が 144MPaとなつた条件が 750 °Cで 1時間の条件と 6 50°Cで 10時間の条件であったことから、残留応力が 144MPaとなる式は、下記の式 (3) のように求められる。

T+273 = 9442. 3/ (9. 23+ 1 og₁₀ t) … ' (3) 但し、 T (°C) 、 t ：時間 (hr) 。

なお、以上の結果は、難理前の残留応力が 600 MP aであって、難理前の残留応力値によって、応力の鍵! ^ 兄が異なる。

なお、熱処理時間が 1時間未満では、残留応力が急激に緩和されるが、性のある試結果は得られなかった。

以上より、本発明による熱処牛範囲を第 13図に示すように決定した。カロ辦寺間は 27. 78時間（100000秒に相当）以内とし、 700°C以上 800°C以下の^ 領域についてのみ 10時間未満とした。カロ熱^ i は、 1050°Cを上限とし、式（3) による曲線を下限とした。第 13図に示す条件範囲内にある、カロ熱： 750° カロ謝卿寺間： 1時間にて、小口径配管に対する PWHTを行なった。第 3図に示す外径 60. 5mm、肉厚 5. 5mmの SUS316Lステンレス鋼製の配管 1および Γ には、開先加工と配管部材どうしの内径を一致させるための加工が内面に施されている。また、灘部 5 の化学成分は、 F eを誠分として質量比で C rを 19. 83 %、 N i を 9. 97%、 Cを 0. 016%、 S iを 0. 34%、 Mnを 1. 92 %、 Pを 0. 02%、 Sを 0. 004%、 Moを 0. 010%、 Coを 0. 01%、 Nを 0. 0534%含むものであった。部品は TIG慰妾法により量 15 k J/cmにて製作したものであるが、赚法はレーザ妾法、レーザ ·アークハイブリット激妾法、電子ビ一ム灘法でも »ない。また、 ^^件は] 不良が発生しない条件であれは «してもない。配管の激凝 3の夕周に ^本 7を密着させ、

^本に通電して鹏 15を力 tl熱した。纖 153 面からのみカロ熱することになるので、昇温時には外面と内面との温度に差を生じる。そこで、同等形状の観部品にて内面の離を実測し、外面と内面とのの相関を擁しておくことが好ましい。管内面には、酸化を防止するために不活性ガスである A rガスを流量： 20L/分で流し続けた。管の内側が密閉できる:^は不活性ガスを纖しても良レ昇温は昇 S 度： 10°C/分にて行った。配管潘齄 15のが 750°Cに到纖は、温度変動が 5 °C以内となるようにヒータの出力を制御し、 1時間倒寺した後、ヒータと断熱材を賊した。その後、配管の内面は A rガスによる冷却、外面は自然冷却を行なった。内面の冷却は A rガスよりも冷却効果の大きい H eガスや水にすると、内面に BB縮応力を付与できるので更に良い。 J9危化を回避するために、昇温ffiおよび冷却を極端に遅くすることは避ける。特に700〜800°〇に曝される時間を、昇温、保持およ却の時間を合わせて 10時間未満に短くすることが好ましい。以上のようにした部品と同一の部品に対し、 XH、力測定法により管内面の残留応力を測定し、残留応力が 144MP aに低下していることを確忍した。

本発明の他の β例として I HS Iを適用した ¾例について説明する。

これまで、 SUS316ステンレス激妾麵を删した部品では、 σ 脆化回避のため I HS Iの最高到磨が 650°Cに制限されていた。しかし、 Feを分として質量比で Crを 19. 83%、 Niを 9. 97%、 Cを 0. 016%、 S iを 0. 34%、 Mnを 1. 92%、 P を 0. 02%、 Sを 0. 004%、 Moを 0. 010%、 Coを 0. 0 1%、 Nを 0. 0534 %含る潘妾^ JSは、第 11図に示すように脆化に要する讓理時間が 10時間と長く、 I H S Iの最 ffi噠を高く設^ ることができる。よって、に比べて大きレゝ ffi縮応力を付与することが能となり、応力腐食割れの発生の感受 I生を低 Tることができる。

第 1図に示す外径 318. 5mm, 肉厚 21. 4mmの SUS316 Lステンレス鋼製の配管 1およびと、配管の謝慈 (53内部に冷却水 2を^ Tとともに、辦妾^) S部の外周から約 5 mmの位置に配置した誘導加熱コイル 4に 30 kHzの高周波を印加して辦凝 |53をカロ熱した。第 2図にその慰を fe的に示す。灘 ¾部 5は、 Feを «分として質量比で Crを 19. 83%、 Niを 9. 97%、 Cを 0. 016 %、 S iを 0. 34%、 Mnを 1. 92%、 Pを 0. 02%、 Sを 0. 004%、 Moを 0. 010%、 Coを 0. 01%、 Nを 0. 0534 %含訂る。

カロ纖件としては、激額外面のを 850°C、この继での辦時間を 10秒とし、冷却水を 25°Cとした。配管内外面の ¾ は 825°C、 ^^勾配は 38. 6°0 ΠΊΠΙであった。： Φ«Ι例の讓理を施した辦 g§とその周辺部では、灘麵部 5と激^^ 部6の何れにも、オーステナイト相とフェライト相との界面およびフェライト相内部にひ相などの脆化相は析出してレぬ力た。配管内面の残留応力は 1 2 O MP a離の ]£縮応力を示した。

本発明による、脆化判法についての麵例について説明する。

灘^ S部の δフェライト相は、讓理によりオーステナイト相ゃ σ 相等に変化する。このことから、讓理前のフェライト量と讓理後のフェライト量を i ^れば、灘 «部の脆 iffiを推定できると考えられる。

シャルピー前のフェライト量と衝撃 P及収エネルギーとの関係をまとめた試嚇吉果を第 1 4図に示す。シャルビー衝«^ 前後のフェライト量百分率の差と衝撃 P及収エネルギーとの関係をまとめた試縣課を第 1 5図に示す。讓跌麵の灘 «部は 1 1 %のフエライ卜を含有し、熱処理を ¾ することによりフェライ卜量は減少した。フェライト量が 6 %未満に減少した溶接金属部では著しい脆性を示した。よって、フェライト量が百分率の差で 5以上減少した:^、もしくは、フェライト量が 6 %以下に減少した:^に、脆化を引き起こす量の σ相が «したと考えられる。

なお、フェライト量は、電磁気的測^ ^法により測定した。また、変形によりるマルテンサイト相は磁 I生を示し、 δフェライトによる磁 I生と混同される。これを避けるために、フェライト量測定はシャルビー衝«»前に難した。

また、難吸収エネルギーは標準寸法の Vノツチ試にっレ τの値である。

実際の部品では、灘^ S部の大きさや形状によりフェライト量の測定値が溶接金属部に実際に存 itするフェライト量と異なる値を示す可能性があるため、測定値の補正が必要な齢がある。そこで、実際の部品を觀した部品を鎖し、部品の外表面から測定したフェライト量と部品麵から測定したフェライト量との相関を予め求めておき、実際に存在するフェライト量にし、フェライト量をすることが望ましい。鐵上の利用可能 I生

本発明により、原子炉構造物の高温高 J¾Kにさらされるの応力腐食割れの発生および »を抑制することが可能になった。本発明はォーステナイト系ステンレス鋼音附どうしの溶を有する原チ炉構造物に対して適用するのに好適である。

Claims

請求の範囲

1. オーステナイト系ステンレス鋼音附どうしの溶接部を含む原子炉構造物において、溶接金属の化学成分が質量で N iが 9 · 00-14. 0 0%、 Crが 19. 50〜25. 00%、 S iが 0. 65 %以下、 Mn が 1. 00〜2. 50%、 Moが 0. 50 %以下、 Coが 0. 10 %以下、 Cが 0. 020%以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 030 %以下、 Sが 0. 030%以下、残部が Feと不可避不純物からなり、少なくとも高温水に接する表面の室温での残留応力が引張応力で 144MP a以下、もしくは ffi縮応力であることを樹敫とする原子炉†te物。

2. オーステナイト系ステンレス鋼音附どうしの溶を含む原チ炉構造物において、少なくとも一方の廳己オーステナイト系ステンレス鋼部材の化学成分が質量で Niが 10. 50〜15. 00%、 Crが 16. 00〜18. 50%、 31が1. 00%以下、 Mnが 2. 00%以下、 Moが 2. 00〜3. 00%、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0. 020 %以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 045%以下、 Sが 0. 030 %以下、残きが、 Feと^]"避不純物からなり、 « )1の化学成分が質量で Niが 9. 00-14. 00%、 Crが 19. 50〜25. 00%、 S iが 0· 65%以下、 Mnが 1. 00〜2. 50%、 Moが 0. 50 %以下、 Co力 0. 10%以下、 Cが 0. 020%以下、 Nが 0. 12 %以下、 Pが 0. 030%以下、 Sが 0. 030%以下、歹凝が Feと避不純物からなり、少なくとも高に接する表面の室温での残留応力が引弓！^力で 144MP a以下、もしくは圧縮応力であることを特徴とする原子炉構造物。

3. オーステナイト系ステンレス鋼き附どうしの溶¾ ^を含む原子炉構造物の！法において、羅オーステナイト系ステンレス鋼音附どうしを溶接する溶接»：に用いる溶接金属の化学成分が、質量で N iが 9. 00〜14. 00%、 Crが 19. 50〜25. 00%、 S iが 0. 6 5%以下、 Mnが 1. 00〜2. 50%、 Moが 0. 50%以下、 Co が 0. 10%以下、 Cが 0. 020%以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 030%以下、 Sが 0. 030 %以下、歹^ ^が F eと^ J避不純物からなり、激幾に、少なくとも高 ¾に接する表面の室温での残留応力が引張応力で 144MP a以下、もしくは圧 H応力となる«理を施すことを特徵とする原子炉構造物の製 it^法。

4. オーステナイト系ステンレス鋼音附どうしの溶 ¾ ^を含む原チ炉構造物の^^を取り替える補修方法において、既設のオーステナイ .卜系ステンレス鋼き附に替えて新規にオーステナイト系ステンレス鋼き附を取り付ける灘に用いる謝妾^ Sの化学成分が、質量で Niが 9. 0 0-14. 00%、 Crが 19. 50〜25. 00%、 S iが 0. 65 %以下、 Mnが 1. 00〜2. 50%、 Moが 0. 50%以下、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0. 020%以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0 030 %以下、 Sが、 0. 030 %以下、 F eと^ I避不純物からなり、

少なくとも高^ こ接する表面の室温での残留応力が弓 ί弓 ¾芯力で 144MPa以下、もしくは ffi縮応力となる »理を施すことを特徴とする原子炉物の補修方法。

5. 少なくとも一方の前記オーステナイト系ステンレス鋼き! ^才の化学成分が、質量で Niが 10. 50〜15. 00%、 Crが 16. 00〜1

8. 50%、 31が1. 00%以下、 Mnが 2. 00 %以下、 Moが 2. 00〜3. 00%、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0. 020%以下、 N が 0. 12%以下、 Pが 0. 045%以下、 Sが 0. 030%以下、残部が F eと^!避不純物からなる請求項 3記載の原子炉ホ離物の!^ 法。

6. 激幾に、高^ に接する表面を 240°C〜1050°Cに昇温して 1秒以上 100， 000秒以下にィ尉寺する纖理を »~ことを難とする請求項 3記載の原子炉構造物の法。

7. 辦 « 後に、廳翁の高?^:に接する一面を水また以上の熱伝達率を有する流体で冷却すると同時に、他の一面を 240 °C〜 1 050 °Cに加熱し、ここで冷とカロ熱面との?^ ¾勾配を 12 °C/mm 以上確保する«理をことを糊敷とする請求項 3記載の原子炉構造物の i m

8. m m , 理^ j T°cと理時間 t時間との関係が

T+273≥9442. 3/(9. 23+ 1 og₁₀( )

を満たす処： (牛で行い、力、つ、理後の当該部より ί采取した Vノツチ試^ rをシャルピー衡去により蘭するのに要する、室温での難 p及収エネルギーを 100 j以上に保つことを樹敫とする請求項 3記載の原子炉構造物の

9. 嫌己讓理の^ Sを 850°C未満とし、かっ讓理後の謝妾 «に含まれるフェライトの量を百分率で 6 %以上に保つことを樹敫とする請求項 3雄の原予炉職物の!^法。

10. 廳己讓理の^ J を 850°C未満とし、する謝 S中のフェライト含有量百、率と、 lift己理後の^ 1妾«に含まれるフェライト量百分率との差を 5以内に保持することを樹敫とする請求項 3記載の原子炉職物の

11. 少なくとも一方の前記オーステナイト系ステンレス鋼音附の化学成分が、質量で Niが 10. 50〜： L 5. 00%、 Crが 16, 00〜 18. 50%、 31が1. 00%以下、 Mnが 2. 00%以下、 Mo力 2. 00〜3. 00%、 Coが 0. 10%以下、 Cが 0. 020%以下、 Nが 0. 12%以下、 Pが 0. 045 %以下、 Sが 0. 030%以下、凝 [5が F eと^ J避不純物からなる請求項 4記載の原子炉ネ髓物の補修方法。

12. 溶接後に高温水に接する表面を 240°C〜1050°Cに昇温して 1秒以上 100， 000秒以下に傲寺する »理を施すことを糊敷とする請求項 4纖の原子炉構造物の補修方法。

13. 激 « 後に、嫌慈の高に接する一面を水また以上の謝議率を 1"る流体で糊すると同時に、他の一面を 240° (：〜 1050°Cにカロ熱し、ここで冷顺とカロ熱面との^ Jt勾配を 12°C/m m以上確保する讓理をことを樹敫とする請求項 4記載の原子炉構造物の補修方法。

14. 編己 ML理を、 mm . rcと理時間 t時間との関係が

Τ+273≥9442. 3/(9. 23+ 1 og₁₀( )

を、満たす条件で行い、かつ、熱処理後の当該溶接金属部より採取した V ノッチ試をシャルピー ^纖により薩するのに要する、室温での »吸収エネルギーを 100 J以上に保つことを樹敷とする請求項 4記載の原子炉構造物の補修方法。

15. 齒己讓理のを 850°C未満とし、かつ、廳己藝理後の溶接麵に含まれるフェライ卜の量を百分率で 6 %以上に保つことを樹敫とする請求項 4記載の原チ炉構造物の補修方法。

16. 鎌己薩理のを 850°C未満とし、細する激^ S中のフェライト含有量百分率と、編理後の激妾麵に含まれるフェライト量百分率との差を 5以内に保持することを特徴とする請求項 4記載の原子炉嫌物の補修方法。