JP2016033451A

JP2016033451A - 原子力発電プラント用弁装置

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Publication number: JP2016033451A
Application number: JP2014155527A
Authority: JP
Inventors: 岡野　正紀; Masanori Okano; 正紀岡野; 友輔河野; Yusuke Kono; 雄太松田; Yuta Matsuda; 慶一朗永岩; Keiichiro Nagaiwa
Original assignee: Okano Valve Mfg Co Ltd
Current assignee: Okano Valve Mfg Co Ltd
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: JP5947342B2

Abstract

【課題】原子力発電プラントの配管に取り付けて使用される弁であって、コバルトフリーでありながら、耐摩耗性、耐衝撃性及び耐食性に優れ、良好な流体シール性を長期間維持できる弁を提供する。
【解決手段】原子力発電プラントの配管に取り付けて使用される安全弁であって、弁座面１３が、クロムを５１〜５５質量％、タングステンを１．５〜１０質量％、ケイ素を０．１〜３．０質量％、ホウ素を０．１〜１．５質量％、それぞれ含有するとともに、残部がニッケルと不可避不純物で構成されている合金で形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子力発電プラントの配管に取り付けて使用される弁装置に関する。

原子力発電プラントは多数の配管を備え、該配管の途中には多数の弁装置（例えば、仕切弁、玉形弁、安全弁、逆止弁など）を備えている。原子力発電プラントで使用される弁装置は、高い信頼性と耐久性が要求される。つまり、開閉作動を繰り返しても、良好な流体シール性が維持されることが強く要求される。

そして、信頼性と耐久性を得るために、弁装置を構成する部材の素材には、優れた靱性、耐摩耗性及び耐食性が要求される。中でも、弁座面はこれらが特に強く要求される。弁座面は他の部材に密着して流体を封止する部材であるから、弁座面が損傷、摩耗あるいは腐食して、表面の平滑性が損なわれると、流体シール性が低下するからである。

このような弁座面を得るために、当該部位に特殊な金属を肉盛溶接することが知られている。かかる加工は、一般にハードフェーシングと呼ばれている。ハードフェーシング用の材料、つまり弁座面を形成する材料として、ステライト（登録商標）合金に代表されるような、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）及びタングステン（Ｗ）を基材とするＣｏ−Ｃｒ−Ｗ合金（以下、「Ｃｏ基合金」と言う）が広く知られている。

しかしながら、原子力発電プラントの冷却水系の配管に備える弁に、Ｃｏ基合金を使用すると、時間の経過とともに弁座面が摩耗あるいは腐食して、その結果、コバルト（Ｃｏ）の粒子が冷却水中に混入する。該粒子が混入した冷却水が炉心に達すると、冷却水中のコバルト（Ｃｏ）は核燃料から放出される中性子の照射を受けて、原子核反応を起こし、放射性同位元素コバルト６０（Ｃｏ^６０）になる。そして、コバルト６０（Ｃｏ^６０）は、冷却水とともにプラント内を循環する間にプラントの構成部材の内表面（接液表面）に付着して、原子力発電プラントの放射能レベルを増大させる。この現象は、定期検査時等における作業員の放射線被曝の大きな原因になっている。そのために、Ｃｏ基合金の代替材料が強く求められている。またコバルト（Ｃｏ）は工業資源として貴重な希少金属であり、その使用量を節約することが望まれている。

特許文献１には、Ｃｏ基合金を重量で、炭素（Ｃ）１．０〜３．５％、ケイ素（Ｓｉ）２％以下、クロム（Ｃｒ）２５〜３５％、タングステン（Ｗ）１５％以下、鉄（Ｆｅ）３％以下、ニッケル（Ｎｉ）３％以下、モリブデン（Ｍｏ）６％以下で、残部をコバルト（Ｃｏ）と不可避不純物で構成することが開示されている。特許文献１は、該Ｃｏ基合金は耐摩耗性が高く、コバルト（Ｃｏ）を含む摩耗粉の発生量が少ないので、原子力発電プラントに使用しても、放射能レベルは増大しないと主張している。

原子力発電プラント用ではないが、特許文献２には、自動車用エンジンバルブのハードフェーシングに使用する高靱性Ｃｒ基合金が開示されている。該Ｃｒ基合金は、ニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）に、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）を加え、さらに、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ニオブ（Ｎｂ）及びチタン（Ｔｉ）の１種または２種以上を添加することを特徴としている。該Ｃｒ基合金は、従来のハードフェーシング材に比べて、優れた靱性、耐摩耗性及び耐食性を有しているとされている。

特開２００５−２９０５２９号公報特開平０５−２７１８４１号公報

特許文献１が主張するように、Ｃｏ基合金の耐摩耗性を向上させれば、粒子の発生を減少させることができるであろう。しかしながら、該Ｃｏ基合金が、コバルト（Ｃｏ）を含有していることに変わりはない。そのため、該Ｃｏ基合金で原子力発電プラントの弁を構成すれば、極微量かも知れないが、コバルト（Ｃｏ）を含む粒子が発生し、該粒子が炉心に達してコバルト６０（Ｃｏ^６０）が発生する。つまり、特許文献１に記載の発明によっては、原子力発電プラントの放射能レベル増大の問題を本質的に解決することはできない。

また、特許文献２には、変形例として、コバルト（Ｃｏ）を含まない合金（コバルトフリー合金）についての開示もあるが、原子力発電プラント用の弁には、さらに高度の信頼性と耐久性が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、原子力発電プラントの配管に取り付けて使用される弁であって、コバルトフリーでありながら、耐摩耗性、耐衝撃性及び耐食性に優れ、良好な流体シール性を長期間維持できる弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る原子力発電プラント用弁装置は、少なくとも一部の部位が、クロムを５１〜５５質量％、タングステンを１．５〜１０質量％、ケイ素を０．１〜３．０質量％、ホウ素を０．１〜１．５質量％、それぞれ含有するとともに、残部がニッケルと不可避不純物で構成されている合金で形成されていることを特徴とする。

前記合金は、クロムを５３．５質量％、タングステンを２．５質量％、ケイ素を１．０質量％、ホウ素を０．５質量％、それぞれ含有するとともに、残部がニッケルと不可避不純物で構成されるようにしても良い。

前記合金で形成される部位は弁座面であっても良い。

本発明によれば、原子力発電プラント用弁装置の少なくとも一部の部位をコバルトフリー合金で構成したので、開閉作動を繰り返してもコバルト（Ｃｏ）を含む粒子が発生することがない。そのため、原子力発電プラントの放射能レベルの増大が生じない。

また、弁座面を前記合金で形成すれば、弁座面の靱性、耐摩耗性及び耐食性が向上するので、開閉作動を繰り返しても、弁座面の平滑性が大きく損なわれることがない。その結果、良好な流体シール性が維持される。つまり、弁の信頼性及び耐久性が向上する。

本発明の実施形態を例示する安全弁の断面図である。図１の安全弁の弁体回りを部分拡大した断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１に示した安全弁１は、本発明の具体的実施態様の例示である。安全弁１は原子力発電プラントの配管に使用される弁の一種であって、外部機構２と弁本体３とから構成されている。

外部機構２は、弁棒４と、弁棒４に取付けられたスプリング５、およびこれらを包囲するスプリングケース６とからなる。弁本体３は、弁体７と、弁体７を包囲する弁箱８と、弁箱８に取り付けられた弁座９とからなる。なお、弁体７は外部機構２の弁棒４の先端に取り付けられている。また、弁座９は略円筒状の部品であって、弁座９の一端は安全弁１の入口１０を形成し、他端は弁箱８の内部にあって、弁閉状態においては弁体７と面接触している。つまり、弁閉状態において弁座９の他端は弁体７によって閉蓋されている。また、後述するように、弁体７が弁座９から離れて弁開状態になると、入口１０から流入した流体は弁箱８を通って、出口１１から安全弁１の外に流出する。

次に、弁体７と弁座９の取り合い部の詳細な構成を説明する。図２に示すように、弁体７はサーマルジスク１２を備える。サーマルジスク１２は円環状の部品であって、弁体７（の本体）の先端を取り囲むように取り付けられている。弁閉状態においてサーマルジスク１２は弁座９に面接触して、入口１０から弁箱８に続く弁座９内の流路を封止する。また、弁棒４はスプリング５によって弁座９に向かう方向に付勢されて、弁体７とサーマルジスク１２を弁座９に押し付けている。つまり、図１、２に示す状態においては、スプリング５の付勢力によって弁閉状態が維持されている。

また、弁座９のサーマルジスク１２と面接触する表面の部位を弁座面１３と呼ぶ。弁座面１３は弁座９の本体（母材）とは異なる素材で構成されている。弁座面１３の素材については後述する。

サーマルジスク１２は析出硬化系のステンレス鋼ＳＵＳ６３０を素材としている。ＳＵＳ６３０の成分組成の範囲はＪＩＳ４３０３「ステンレス棒鋼」に規定されているが、本実施形態において実際に使用したＳＵＳ６３０は、クロム（Ｃｒ）を１６．０質量％、ニッケル（Ｎｉ）を４．６質量％、ケイ素（Ｓｉ）を０．３質量％、炭素（Ｃ）を０．０６質量％、銅（Ｃｕ）を３．３質量％、マンガン（Ｍｎ）を０．８質量％、ニオブ（Ｎｂ）を０．３質量％、それぞれ含有し、残部は鉄（Ｆｅ）と不可避不純物で構成されている。

言うまでもないことだが、安全弁１は、弁体７に加わる流体の圧力が所定の値を超えた場合に開弁して、配管圧力の低下を図る安全装置である。つまり、流体が弁体７を持ち上げる力がスプリング５の付勢力より大きくなると、サーマルジスク１２は弁座９から離れ、入口１０から流入した流体は、弁座９内に形成された流路を通って弁箱８内に流入し、更には、出口１１から放出される。その結果、入口１０における配管圧力が低下する。配管圧力が低下すると、弁体７はスプリング５の付勢力で押し返されて、サーマルジスク１２が弁座面１３に衝突する。この時、弁座面１３に破損あるいは摩耗が生じる可能性がある。

サーマルジスク１２との衝突によって、弁座面１３が破損・摩耗して、弁座面１３の平滑性が減じれば、流体シール性が損なわれる。そのため、弁座面１３は、耐摩耗性、耐衝撃性及び耐食性に優れた材料で構成される。具体的には、弁座９の母材に特殊な合金を粉体プラズマ（ＰＴＡ）溶接で肉盛溶接して弁座面１３を形成している。なお、弁座９の母材は一般的な炭素鋼を素材としている。ここで、説明の便宜のために、前記合金、つまり本実施形態で使用した弁座面１３の素材を「合金Ａ」と呼ぶことにする。

合金Ａは、クロム（Ｃｒ）を５３．５質量％、タングステン（Ｗ）を２．５質量％、ケイ素（Ｓｉ）を１．０質量％、ホウ素（Ｂ）を０．５質量％、それぞれ含有し、残部はニッケル（Ｎｉ）と不可避不純物で構成される。合金Ａはコバルト（Ｃｏ）を全く含有しないこと、つまりコバルトフリー合金であることに注意されたい。

合金Ａのシャルピー衝撃試験による吸収エネルギーは６８．８Ｊである。なお、弁座面１３の素材として従来から使用されているＣｏ基合金は、クロム（Ｃｒ）を２７．０質量％、タングステン（Ｗ）を５．０質量％、鉄（Ｆｅ）を３．０質量％、炭素（Ｃ）を１．１質量％、それぞれ含有し、残部がコバルト（Ｃｏ）と不可避不純物で構成されるが、該Ｃｏ基合金の衝撃値は８．３Ｊである。つまり、合金Ａは従来技術に係るＣｏ基合金に比べて、耐衝撃性が非常に優れている。

安全弁１は、合金Ａで弁座面１３を形成したので、信頼性及び耐久性が優れている。すなわち、入口１０の口径が５０ｍｍであって、９．１３ＭＰａで作動する安全弁１を製作して、その安全弁１に３０５℃の蒸気を通して開閉作動を６０回繰り返し、その後、サーマルジスク１２と弁座面１３の表面を、目視検査及び浸透探傷検査（ＰＴ検査）したところ、異常は検出されなかった。つまり、開閉作動を６０回繰り返しても、サーマルジスク１２と弁座面１３の表面の平滑性が保たれ、良好な流体シール性が維持されることが作動試験によって確認されている。

もっとも、弁座面１３を形成する素材は合金Ａには限定されない。弁座面１３を形成する合金の成分組成は、次の範囲で選択することができる。すなわち該合金は、クロム（Ｃｒ）を５０〜５５質量％、タングステン（Ｗ）を１．５〜１５質量％、ケイ素（Ｓｉ）を３〜７質量％、ホウ素（Ｂ）を０．１〜１．５質量％、それぞれ含有し、残部がニッケル（Ｎｉ）と不可避不純物で構成されているようにすれば、十分な耐衝撃性と耐久性が実現される。

ここで、上記の成分組成を選択した理由を概説する。クロム（Ｃｒ）は、ニッケル（Ｎｉ）及びタングステン（Ｗ）を固溶した硬質のクロム固溶体を形成し、合金の耐摩耗性と耐食性の向上に寄与するが、その量が４０．０質量％以下では耐摩耗性が乏しく、かつ耐食性の向上が認められないことが知られている。本発明では、ニッケル（Ｎｉ）の成分比率を後述するような最適範囲にするために、クロム（Ｃｒ）を５１〜５５質量％の範囲で含有させることにした。クロム（Ｃｒ）を５３．５質量％だけ含有させた場合に最良の結果が得られることは前述した通りである。

タングステン（Ｗ）はクロム（Ｃｒ）およびニッケル（Ｎｉ）に固溶し、合金の強度を高めるが、その量が１．５質量％以下ではこの効果がなく、１５．０質量％以上にすると、靱性の乏しいσ相が析出するため合金の靱性が低下することが知られている。本発明では、ニッケル（Ｎｉ）の含有比率を後述するような最適範囲にするために、タングステン（Ｗ）を１．５〜１０質量％の範囲で含有させることにした。タングステン（Ｗ）を２．５質量％だけ含有させた場合に最良の結果が得られることは前述した通りである。

ケイ素（Ｓｉ）は主にニッケル（Ｎｉ）に固溶し、ニッケル固溶体中に入り、その硬さを高め、合金の耐摩耗性向上に寄与するとともに、ハードフェーシング時に脱酸材として作用し、合金の溶解性を向上させるが、その量が０．１質量％以下では、これらの効果が得られず、３．０質量％以上では合金の靱性が低下することが知られている。そこで、ケイ素（Ｓｉ）を０．１〜３．０質量％の範囲で含有させることにした。ケイ素（Ｓｉ）を１．０質量％だけ含有させた場合に最良の結果が得られることは前述した通りである。

ホウ素（Ｂ）はクロム（Ｃｒ）との間でクロムホウ化物を形成し、合金の耐摩耗性を更に向上させるのに寄与する。クロムホウ化物はニッケル固溶体と共晶を形成するが、その量が０．１質量％以下では耐摩耗性向上の効果が少なく、１．５質量％以上では合金の靱性が低下する。そこで、ホウ素（Ｂ）を０．１〜１．５質量％の範囲で含有させることにした。ホウ素（Ｂ）を０．５質量％だけ含有させた場合に最良の結果が得られることは前述した通りである。

ニッケル（Ｎｉ）はタングステン（Ｗ）を固溶し、靱性のあるニッケル固溶体を形成するが、その量が３０．０質量％以下では、クロム固溶体が多くなり合金の靱性が低下し、４８．０質量％以上では靱性は上がるものの、所定の硬さが得られず、耐摩耗性が低下する。そこで、本発明では、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ケイ素（Ｓｉ）及びホウ素（Ｂ）の含有比率を前述のように定め、残部がニッケル（Ｎｉ）と不可避不純物で構成されようにして、ニッケル（Ｎｉ）の含有比率を３０．５質量％から４７．５質量％の範囲で選択できるようにした。前述したように、ニッケル（Ｎｉ）と不可避不純物の含有比率が４２．５質量％になるように、他の成分の含有比率を選べば、最良の結果が得られる。

以上説明したように、安全弁１の弁座面１３は合金Ａで形成されている。合金Ａは、靱性、耐摩耗性、耐衝撃性及び耐食性に優れているので、安全弁１の開閉を繰り返しても、弁座面１３の平滑性が大きく損なわれることはない。そのため、良好な流体シール性が長期間維持される。つまり、本発明によれば、耐久性に優れた弁が提供される。また、合金Ａはコバルト（Ｃｏ）を含有しないので、原子力発電プラントの冷却水配管に使用する場合において、コバルト（Ｃｏ）の微粉末が冷却水に混入することがない。そのため、コバルト（Ｃｏ）の微粉末が炉心に到達して、コバルト６０（Ｃｏ^６０）が発生することがないから、原子力発電プラントの放射能レベルを増大させることがない。

なお、上記の実施形態は本発明の具体的実施態様を例示するものであって、本発明の技術的範囲を画すものではない。本発明は特許請求の範囲に記述された技術的思想の限りにおいて、自由に変形、応用あるいは改良して実施することができる。

例えば、実施形態の説明において、安全弁１を本発明に係る弁装置の具体例として例示したが、本発明が適用される弁装置は安全弁１には限定されない。本発明は原子力発電プラントの配管に取り付けて使用される、あらゆる種類の弁装置に適用される。例えば、仕切弁、玉形弁、逆止弁、ボール弁、バタフライ弁等々に本発明を適用することができる。

また、実施形態の説明において、本発明が適用される部位、つまり本発明に係る合金で形成される部位として、弁座面１３を例示したが、本発明が適用される部位は弁座面１３には限定されない。原子力発電プラントの配管に取り付けて使用される弁を構成する部位であれば、どんな部位であっても、当該部位が本発明に係る合金で形成されていれば、本発明の技術的範囲に属する。また、「少なくとも一部の部位」とは、弁の全体が本発明に係る合金で形成される場合も本発明の技術的範囲の中にあることを意味している。

また、実施形態の説明において、弁座９の表面に弁座面１３が形成される旨を説明したが、本発明に係る「弁座面」は、弁座９の表面に形成された弁座面１３には限定されない。「弁座面」は「他の部材の表面と面接触して流体を封止する面」のように、広く解釈されるべきである。例えば、サーマルジスク１２の表面（弁座９と面接触する面）に「弁座面」が形成されていても良い。あるいは、サーマルジスク１２を省いて弁体７が弁座９に直接接触するように設計されていれば、弁体７の表面に「弁座面」が形成される場合もあり得る。

また、上記実施形態において、本発明に係る合金で形成された部位（弁座面１３）と当接する部位（サーマルジスク１２）をＳＵＳ６３０で形成する例を示したが、かかる部位の素材はＳＵＳ６３０には限定されない。公知の、あるいは新規な素材でかかる部位を構成することができる。

また、上記実施形態においては、本発明に係る合金を粉体プラズマ（ＰＴＡ）溶接によって母材に肉盛溶接して弁座面を形成することを例示したが、弁座面を形成する手段は、ＰＴＡ溶接には限定されない。他の溶接方法によっても良いし、ハードフェーシングの各種プロセスと組み合わせても良い。

弁座面に限定される訳ではないが、母材と別個に本発明に係る合金で部材を形成して、当該部材を母材と接合するようにしても良い。当該部材を母材に接合する手段は溶接等には限定されない。例えば、適宜の機械的締結手段で締結固定するようにしても良い。また母材が炭素鋼に限定されないことは言うまでもない。母材は例えば、低合金鋼やステンレス鋼であっても、その他の金属材料、あるいは非金属材料であっても良い。

なお、上記実施形態および特許請求の範囲の記載において、「不可避不純物」の語を用いたが、これは、技術的に除去が困難な微量の不純物を意味している。

１安全弁
２外部機構
３弁本体
４弁棒
５スプリング
６スプリングケース
７弁体
８弁箱
９弁座
１０入口
１１出口
１２サーマルジスク
１３弁座面

上記課題を解決するために、本発明に係る原子力発電プラント用弁装置は、少なくとも一部の部位が、クロムを５３．５質量％、タングステンを２．５質量％、ケイ素を１．０質量％、ホウ素を０．５質量％、それぞれ含有するとともに、残部がニッケルと不可避不純物で構成されている合金で形成されていることを特徴とする。

Claims

少なくとも一部の部位が、クロムを５１〜５５質量％、タングステンを１．５〜１０質量％、ケイ素を０．１〜３．０質量％、ホウ素を０．１〜１．５質量％、それぞれ含有するとともに、残部がニッケルと不可避不純物で構成されている合金で形成されている
ことを特徴とする原子力発電プラント用弁装置。
前記合金は、クロムを５３．５質量％、タングステンを２．５質量％、ケイ素を１．０質量％、ホウ素を０．５質量％、それぞれ含有するとともに、残部がニッケルと不可避不純物で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の原子力発電プラント用弁装置。
前記合金で形成される部位は弁座面である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の原子力発電プラント用弁装置。