JP2003149366A - 溶接継手付きラッパ管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オーステナイト系ステンレス鋼製のハンドリ
ングヘッドあるいはエントランスノズルとの溶接部にδ
フェライト相の生成がない溶接構造を実現できるような
フェライト鋼製ラッパ管及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 両端部にオーステナイト系ステンレス鋼
製のハンドリングヘッド２２とエントランスノズル２４
が接合される高速炉燃料集合体用のフェライト鋼製ラッ
パ管２０である。該ラッパ管は、フェライト鋼製のラッ
パ管本体２６の両端に、オーステナイト系ステンレス鋼
製の短尺管状の溶接継手２８が溶接され、焼ならしにて
溶接部のδフェライト相が消失した状態になっている。
このような溶接継手付きラッパ管は、フェライト鋼丸管
とオーステナイト系ステンレス鋼丸管とを接合溶接し、
六角管状に抽伸した後、焼ならしにて溶接部に生成した
δフェライト相を消失させることによって製造すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、両端部にオーステ
ナイト系ステンレス鋼製のハンドリングヘッドとエント
ランスノズルが接合溶接される構造の高速炉燃料集合体
用のフェライト鋼製ラッパ管及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】高速増殖炉用燃料集合体は、例えば図４
に示すように、六角管であるラッパ管１０内に、スペー
サワイヤが巻装されている多数本の燃料ピンを集束して
構成された燃料要素１２が収納されており、ラッパ管１
０の上端口は、ハンドリングヘッド１４と称する上側の
端管栓が溶接手段によって接合され、ラッパ管１０の下
端口は、エントランスノズル１６と呼ばれる下側の端管
栓が溶接手段によって接合されている構造である。な
お、符号１８はスペーサパッドを表している。

【０００３】従来の高速増殖炉用燃料集合体にあって
は、ラッパ管１０と上側と下側の端管栓（ハンドリング
ヘッド１４とエントランスノズル１６）は、全てオース
テナイト系ステンレス鋼で製造されていた。

【０００４】しかし、ラッパ管にオーステナイト系ステ
ンレス鋼を用いると、ラッパ管が炉内での高速中性子の
照射を受けることで、スウェリング（体積膨張）によ
り、かなりの変形を起こし易いという問題がある。そこ
で、耐スウェリング性材料としてフェライト鋼等が開発
され、ラッパ管の耐スウェリング性向上のために、オー
ステナイト系ステンレス鋼からフェライト鋼等への材質
の変更が必要となってきている。

【０００５】これに対して高速増殖炉の炉内材料として
は、液体ナトリウム環境下での耐食性と中性子照射脆化
に対する抵抗性に比較的優れたオーステナイト系ステン
レス鋼が用いられており、そのため炉心支持板もオース
テナイト系ステンレス鋼で製作されている。従って、も
しエントランスノズルをフェライト鋼で製作すると、熱
膨張差に起因して炉心支持板とエントランスノズルの嵌
合部からの液体ナトリウムの漏洩が懸念されることにな
る。そこで、エントランスノズルは、炉心支持板と同
様、オーステナイト系ステンレス鋼にすることが望まし
い。

【０００６】このような理由から、ラッパ管素材にフェ
ライト鋼を適用する場合、ラッパ管素材であるフェライ
ト鋼とエントランスノズル素材であるオーステナイト系
ステンレス鋼との異材溶接を行う必要が生じる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】フェライト鋼製のラッ
パ管とオーステナイト系ステンレス鋼製のエントランス
ノズル及びハンドリングヘッドとを異材溶接する際、例
えばＴＩＧ溶接を行った場合、溶接部に脆性を示すδフ
ェライト相が生成するのは避けられない。溶接方法とし
て、ＴＩＧ溶接に比べて入熱量が小さい電子ビーム溶接
を選択した場合においても、ＴＩＧ溶接に比べればδフ
ェライト生成量をかなりの割合で低減できるものの、皆
無にはできない。一般にδフェライト相が生成した材料
では、使用期間中に靱性の低下を招くことが知られてい
る。

【０００８】そこで、溶接後に焼戻しを行って、生成し
たδフェライト相の低減を図ることが試みられている。
しかし、燃料集合体組立後の熱処理には大規模な熱処理
炉が必要となるだけでなく、そのような状態で熱処理を
行ってもδフェライト相の低減効果は殆ど期待できな
い。

【０００９】また溶接により、フェライト鋼製ラッパ管
の熱影響部が硬化することからも、それに対処するため
の溶接後熱処理が不可欠となるが、上記のように燃料集
合体組立後の熱処理には大規模な熱処理炉が必要とな
る。

【００１０】更に異材溶接時には熱膨張差に起因して曲
がりが生じるため、曲がり矯正が必要になるが、燃料集
合体組立後の曲がり矯正は極めて困難である。また、曲
がり矯正を行えたとしても、完全に矯正することはでき
ず、且つコストアップの要因となる。このようなことか
ら、フェライト鋼製のラッパ管にオーステナイト系ステ
ンレス鋼製のエントランスノズルあるいはハンドリング
ヘッドを直接異材溶接する方法は不適当であると考えら
れていた。

【００１１】本発明の目的は、オーステナイト系ステン
レス鋼製のハンドリングヘッドあるいはエントランスノ
ズルとの溶接部にδフェライト相の生成がない溶接構造
を実現できるフェライト鋼製ラッパ管及びその製造方法
を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、両端部にオー
ステナイト系ステンレス鋼製のハンドリングヘッドとエ
ントランスノズルが接合溶接される高速炉燃料集合体用
のフェライト鋼製ラッパ管であって、フェライト鋼製の
ラッパ管本体の両端に、オーステナイト系ステンレス鋼
製の短尺管状の溶接継手が溶接され、焼ならしにて溶接
部のδフェライト相が消失した状態になっている溶接継
手付きラッパ管である。

【００１３】このような溶接継手付きラッパ管は、フェ
ライト鋼丸管とオーステナイト系ステンレス鋼丸管とを
丸管同士の状態でまず接合溶接し、六角管状に抽伸した
後、焼ならしにて溶接部に生成したδフェライト相を消
失させるという手順によって製造することができる。

【００１４】ここでフェライト鋼丸管の化学成分は、Ｃ
＝０．０９〜０．１５重量％、Ｓｉ≦０．１０重量％、
Ｍｎ＝０．４０〜０．８０重量％、Ｐ≦０．０３０重量
％、Ｓ≦０．０３０重量％、Ｎｉ＝０．２０〜０．６０
重量％、Ｃｒ＝１０．０〜１２．０重量％、Ｍｏ＝０．
３０〜０．７０重量％、Ｗ＝１．７０〜２．３０重量
％、Ｖ＝０．１５〜０．２５重量％、Ｎｂ＝０．０２０
〜０．０８０重量％、Ｎ＝０．０３０〜０．０７０重量
％とするのが好ましい。焼ならしは、１０２５〜１０７
５℃、より好ましくは１０４５〜１０５０℃で行う。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るラッパ管
と、それを用いて組み立てる高速増殖炉用燃料集合体の
一例を示す概略説明図であり、Ａは組立前の状態を、Ｂ
は組立後の状態を表している。この高速増殖炉用燃料集
合体は、フェライト鋼製の（大部分がフェライト鋼から
なる）ラッパ管２０の上下両端口に、それぞれオーステ
ナイト系ステンレス鋼製のハンドリングヘッド２２とエ
ントランスノズル２４が接合溶接される構造である。本
発明では、ラッパ管２０は、フェライト鋼製のラッパ管
本体２６の両端に、それぞれオーステナイト系ステンレ
ス鋼製の短尺管状の溶接継手２８が溶接され、その溶接
部で発生したδフェライト相が焼ならし処理によって消
失した状態になっており、この点に特徴がある。このよ
うな溶接継手を有する構造としたことにより、燃料集合
体組立工程では、従来技術と同様に、オーステナイト系
ステンレス鋼同士（ハンドリングヘッド２２と短尺管状
の溶接継手２８、及び短尺管状の溶接継手２８とエント
ランスノズル２４）での溶接が可能となる。

【００１６】例えば、化学成分がＣ＝０．０９〜０．１
５重量％、Ｓｉ≦０．１０重量％、Ｍｎ＝０．４０〜
０．８０重量％、Ｐ≦０．０３０重量％、Ｓ≦０．０３
０重量％、Ｎｉ＝０．２０〜０．６０重量％、Ｃｒ＝１
０．０〜１２．０重量％、Ｍｏ＝０．３０〜０．７０重
量％、Ｗ＝１．７０〜２．３０重量％、Ｖ＝０．１５〜
０．２５重量％、Ｎｂ＝０．０２０〜０．０８０重量
％、Ｎ＝０．０３０〜０．０７０重量％であるフェライ
ト鋼丸管を用いる。該フェライト鋼丸管とオーステナイ
ト系ステンレス鋼丸管とを接合溶接し、六角管状に抽伸
した後、１０２５℃〜１０７５℃の焼ならし処理を施す
ことによって、溶接部に生成したδフェライト相を消失
させることができる。

【００１７】製造工程の一例を図２に示す。フェライト
鋼製の丸管とオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳ
ＵＳ３１６鋼）製の丸管とを、丸管同士の状態で接合溶
接した後、軟化焼鈍を行う。ここで実施する溶接及び焼
鈍については、従来から行われている一般的な方法を採
用してかまわない。次に、接合溶接した丸管を六角抽伸
し、焼ならし・焼戻し処理を行う。その後、冷間加工率
２％以下の六角抽伸加工による寸法調整・油圧プレスに
よる曲がり矯正を行い、外面研磨、定尺切断を行って溶
接継手付きラッパ管を製造する。そして、面取り、脱脂
を行い、寸法検査を行う。焼ならし・焼戻し後は一切熱
処理を行わないので、ラッパ管の機械的性質は維持され
ることになる。

【００１８】上記の製造工程で、焼ならし処理はラッパ
管本体と短尺管との溶接後に実施しなければならない。
所定の機械的性質を確保するために焼ならし処理を施し
たフェライト鋼製ラッパ管本体と溶体化処理を行ったオ
ーステナイト系ステンレス鋼製短尺管を溶接して、その
後焼鈍したのでは、δフェライト相は消失せずにそのま
ま残ってしまうからである。

【００１９】溶接は六角管同士でも可能であるが、六角
管同士の場合は、六角管突き合わせの開先加工及び六角
アール（Ｒ）部の溶接が難しいのに対して、丸管同士の
場合は、比較的溶接が容易であることから、溶接は上記
のように丸管同士の状態で行うのが好ましい。更に、丸
管同士の溶接の場合には、溶接後に六角抽伸を行うの
で、真直度、捩れといった寸法精度に優れている利点も
ある。因みに、六角管同士の溶接では、溶接時の入熱に
より曲がりが発生し、加工率２％以下の抽伸加工による
寸法調整や油圧矯正では曲がりを完全には矯正できない
という問題も生じる。

【００２０】焼ならし温度は、δフェライト相が消失す
る温度範囲、及びフェライト鋼に要求される引っ張り強
さ、衝撃特性などの機械的性質が確保できる温度範囲等
を勘案して、１０２５℃〜１０７５℃（両端温度を含
む）とする。この温度範囲よりも高い場合、例えば１１
００℃以上ではδフェライト相が安定して存在するため
に、１１００℃以下でなければならない。１０７５℃を
超える（１１００℃以下の）温度範囲では、クリープ破
断強度や引っ張り強さは高い値を示すが、結晶粒が成長
するため靱性が劣化する。靱性を重視するラッパ管で
は、このような温度範囲は適当ではない。また、１０２
５℃未満では、要求される機械的性質を満足できない。
これらの理由により、焼ならし温度は上記のように１０
２５℃〜１０７５℃とするのがよい。焼戻しは、焼なら
しによって消失したδフェライト相が焼戻しによって再
び生じることはないので、要求される機械的性質及びＡ
１変態点を考慮して７００℃〜７５０℃程度の範囲で行
うのがよい。

【００２１】

【実施例】真空溶解炉にてフェライト・マルテンサイト
鋼を溶製しインゴットを得た。これを熱間鍛造し機械加
工でビレットとした後、熱間押出を行い素管を作製し
た。この素管を冷間加工することで丸管とした。他方、
オーステナイト系ステンレス鋼は、市販のＳＵＳ３１６
を用いてビレット加工し熱間押出し後、丸管に冷間加工
した。前記フェライト鋼素管とＳＵＳ３１６鋼管の化学
成分を表１に示す。なお、各成分量は重量％で表示して
ある。

【００２２】

【表１】

【００２３】これらの丸管同士をインコネル系の溶加材
を用いてＴＩＧ溶接し、８００℃×３０分の溶接後熱処
理を施した後、六角管に抽伸加工した。最終熱処理とし
て、焼ならし・焼戻しを、１０５０℃×４０分＋７２０
℃×４０分行った。その後、ラッパ管の寸法調整・曲が
り矯正（冷間加工率２％以下）、外面研磨を行い、定尺
に切断し、オーステナイト系ステンレス鋼製の溶接継手
を備えたラッパ管を製造した。

【００２４】製造した溶接継手付きラッパ管について外
観検査を行い溶接欠陥が無いことを確認した後、直角度
及び捩れの測定を行ったが、いずれも問題はなかった。
表２に測定結果を示す。なお表２中、Ａ面〜Ｆ面は六角
管の６面を表している。

【００２５】

【表２】

【００２６】次に、溶接部断面の組織観察を行った。そ
の結果、本発明方法では、溶接欠陥や割れは全く発生し
ておらず、健全な溶接部が形成できていた。また、図３
に示すように、溶接方法の如何によらず、組織的にもδ
フェライト相の生成は認められなかった。それに対して
従来技術では、δフェライト量は、ＴＩＧ溶接の場合に
は１２．７％もあり、ＥＢ（電子ビーム）溶接の場合で
も０．８％あった。

【００２７】

【発明の効果】本発明は上記のように、フェライト鋼製
のラッパ管本体の両端に、オーステナイト系ステンレス
鋼製の短尺管状の溶接継手が予め溶接され、焼ならしに
て溶接部のδフェライト相が消失した状態になっている
溶接継手付きラッパ管であるから、通常の溶接技術を用
いてオーステナイト系ステンレス鋼製ハンドリングヘッ
ドとフェライト鋼製ラッパ管とオーステナイト系ステン
レス鋼製エントランスノズルからなる高速炉燃料集合体
を組み立てることができる。しかも両端部にオーステナ
イト系ステンレス鋼製のハンドリングヘッド及びエント
ランスノズルを接合溶接する際に、靱性の低下を防止す
ることができる。

【００２８】また本発明は、フェライト鋼丸管とオース
テナイト系ステンレス鋼丸管とを丸管同士の状態でまず
接合溶接し、六角管状に抽伸した後、焼ならしにて溶接
部に生成したδフェライト相を消失させるようにした溶
接継手付きラッパ管の製造方法であるから、曲がりを小
さく、寸法精度よく、しかも容易に製造できる。

【００２９】本発明により、高速炉燃料集合体用のラッ
パ管として、スウェリングの小さいフェライト鋼を用い
ることが可能となり、その結果、燃料集合体構造を現状
から変更することなく実機への適用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る溶接継手付きラッパ管を用いる燃
料集合体の概略説明図。

【図２】その製造工程の一例を示すフロー図。

【図３】従来技術と本発明でのδフェライト相の有無を
示す観察結果の説明図。

【図４】高速増殖炉用燃料集合体の一例を示す説明図。

【符号の説明】

２０ ラッパ管 ２２ ハンドリングヘッド ２４ エントランスノズル ２６ ラッパ管本体 ２８ 短尺管状の溶接継手

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/48 38/48 Ｇ２１Ｃ 21/02 Ｎ Ｇ２１Ｃ 3/30 Ｂ２３Ｋ 103:02 21/02 Ｇ２１Ｃ 3/30 ＧＤＦＨ // Ｂ２３Ｋ 103:02 Ｖ (72)発明者 鵜飼 重治 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 核燃料 サイクル開発機構大洗工学センター内 (72)発明者 奥田 隆成 山口県下関市長府港町13番１号 神鋼特殊 鋼管株式会社内 (72)発明者 藤原 優行 兵庫県神戸市中央区脇浜海岸通１丁目５番 ８号 株式会社コベルコ科研内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 CA03 CC03 DG04 4K042 AA06 BA02 BA06 BA11 CA16 DA04 DC02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端部にオーステナイト系ステンレス鋼
   製のハンドリングヘッドとエントランスノズルが接合溶
   接される高速炉燃料集合体用のフェライト鋼製ラッパ管
   であって、 フェライト鋼製のラッパ管本体の両端に、オーステナイ
   ト系ステンレス鋼製の短尺管状の溶接継手が溶接され、
   焼ならしにて溶接部のδフェライト相が消失した状態に
   なっていることを特徴とする溶接継手付きラッパ管。
2. 【請求項２】 請求項１記載の溶接継手付きラッパ管を
   製造する方法であって、 フェライト鋼丸管とオーステナイト系ステンレス鋼丸管
   とを接合溶接し、六角管状に抽伸した後、焼ならしにて
   溶接部に生成したδフェライト相を消失させることを特
   徴とする溶接継手付きラッパ管の製造方法。
3. 【請求項３】 フェライト鋼丸管は、その化学成分が、
   Ｃ＝０．０９〜０．１５重量％、Ｓｉ≦０．１０重量
   ％、Ｍｎ＝０．４０〜０．８０重量％、Ｐ≦０．０３０
   重量％、Ｓ≦０．０３０重量％、Ｎｉ＝０．２０〜０．
   ６０重量％、Ｃｒ＝１０．０〜１２．０重量％、Ｍｏ＝
   ０．３０〜０．７０重量％、Ｗ＝１．７０〜２．３０重
   量％、Ｖ＝０．１５〜０．２５重量％、Ｎｂ＝０．０２
   ０〜０．０８０重量％、Ｎ＝０．０３０〜０．０７０重
   量％である請求項２記載の溶接継手付きラッパ管の製造
   方法。
4. 【請求項４】 焼ならしを１０２５℃〜１０７５℃で行
   う請求項３記載の溶接継手付きラッパ管の製造方法。