JPS62199722A - 筒体の残留応力改善方法 - 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〕 本発明は筒体、特に溶接された筒体の溶接部を含む内面
の残留応力の改善方法に関する。

〔従来の技術〕

溶接された筒体の内面には溶接部およびその近傍に引張
応力が残留していることが多く、この残留引張応力は応
力腐食割れ等の原因になる。そこで、残留引張応力を極
めて小さい値に改変するか、又は、むしろ残留圧縮応力
に改変すること（これを残留応力の改善という）が必要
となる。筒体内面の残留応力の改善は、一旦、筒体の内
面および外面Ｋ、夫々、降伏点を超える引張応力および
圧縮応力を加えることによって行うことができ、これに
よシ、ヒステリシス効果のため筒体内面の残留応力は極
めて小さい引張応力に改変されるか又は圧縮応力に改変
される。

従来このような溶接筒体の内面の残留応力改善を行う方
法として、筒体を外面から加熱すると同時に内部に冷却
流体を強制的に流して内面を冷却することによシ変態点
以下の温度に訃いて筒体く内外面間の温度差を発生させ
、この温度差によって前記の如く降伏点を超える応力を
加えるようＫする方法が行われていた。しかし、この方
法では、対象とする筒体が二重円筒の外筒であって核外
筒の内面を冷却流体で強制冷却できないような場合には
、外筒の内外面温度差を充分に大きくすることができず
、残留応力の改善ができない。

この点に配慮した二重円筒の残留応力改善のための熱処
理方法として特開昭６０−１４１８２５公報には、原子
炉圧力容器ノズル部に設けられた二重円筒と一重円筒の
連接した筒体に関するものが開示されている。この方法
は、−重円筒部と二重円筒部とを幅広くカバーする高周
波誘導加熱コイルを設置し、初めに一重円筒部のみの内
外面に板厚方向温度差を与え、次いで一重円筒の内外面
及び二重円筒部の外筒の内外面の両方に板厚方向温度差
を与えるために極〈短間加熱を行りた後Ｋ、二重円筒部
の加熱のみを停止し、時間差をおいた後に一重円筒部の
加熱を停止するものである。これＫよって、二重円筒部
の加熱時間が極く短いためにこの部分の内面温度を上昇
させずに済むという利点がもたらされた。しかし、この
方法は一重円筒加熱→−重円筒と二重円筒の極〈短時加
熱→二重円筒加熱停止、−重円筒加熱継続→−重円筒加
熱停止という加熱範囲の変更を伴う数ステツブの手順を
要する。また、板厚内外面の温度差のみを利用する応力
改善処理であるため、内外面温度差のみによシ降伏点以
上のひずみを発生させる必要があシ、この温度差が長手
方向において一定の長さ以上達成されていなければなら
ない。またこの方法は熱処理途中で加熱範囲の変更、す
なわちコイルの切換えを伴うために加熱設備の整合性の
調整（電流−電圧の位相調整等）を必要とする。

また特許第９５７３２４にも内外面温度差のみを利用す
る残留応力改善のための熱処理法が示されているが、前
記公報と同様に所要の内外面温度差の長手方向分布が一
定範囲確保できない場合には効果的な応力改善は達成さ
れない。また、外面温度を変態温度以下にして温度差を
大にするためには内面温度を低くする必要があるが、二
重円筒の環状隙間内の冷却水は強制冷却が困難であシ自
然対流しか生じないためにすぐに沸騰冷却状態となり、
そのために外筒の内面温度が高くなって内外面温度差の
確保が難しい。このため、上記特許も二重円筒の外筒の
応力改善熱処理として最適ではない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述のようＫ、従来の技術は筒体の内外面温度差のみに
よる熱ひずみを利用する残留応力改善方法であるため、
この温度差はそれのみで降伏点以上の応力を生ずるに充
分なものにしなければならず、しかもこの温度差は長手
方向の相当な範囲に亘って実現されなければならない（
例えば外径３５０　ｍ　、板厚３０５ｍの５ＵＳ３０４
ステンレス鋼管では内外面温度差２５０℃が長手方向に
おいて約２００ｍに亘って実現されねばならない）。し
かしながら、このようなことは、断面形状が一定でない
筒体や、内面の強制冷却が困難で冷却液の自然対流冷却
や沸騰冷却しかできないような筒体（例えば二重筒の外
筒）の場合には、達成が困難である。

本発明は、このような筒体の場合にも上記の問題を回避
して内面の残留応力を改善し得る方法を提供しようとす
るものである。

〔問題・点を解決するための手段〕

本発明は筒体の内面の残留引張応力を極めて小さい残留
引張応力または残留圧縮応力に改変するための筒体の残
留応力改善方法であって、筒体を外面側から短時間加熱
することによって筒体の内外面温度差の筒体長手方向分
布および筒体の板厚内平均温度の筒体長手方向分布を生
ぜしめ、且つ該加熱は、上記前者の分布に起因する筒体
内面の引張応力と上記後者の分布に起因する筒体内面の
引張応力との和が筒体内面の残留応力改善対象範囲に亘
って降伏点を超えるようになし、その後肢加熱を停止す
ることを特徴とするものである。

〔作用〕

加熱によって筒体の板厚内平均温度の長手方向分布を生
じさせると、熱膨張のため筒体の該平均温度の高い部分
が低い部分よシも径方向に膨らむことによって筒体に応
力が加わる。例えば第２図（、）のように長手方向の狭
い範囲（二重斜線を施した範囲）で他の長手方向範囲よ
シも板厚内平均温度Ｔｔｎが一定の値だけ高いような分
布の場３合には、第２図（ｂ）の如く外面の点Ａには引
張応力、内面の点Ｂには圧縮応力、その両脇の内面の点
Ｃ１，Ｃ２には引張応力が加わる。また第３図（、）の
ように、板厚内平均温度Ｔｍが長手方向の比較的広い範
囲に亘りて他の長手方向よシも一定の値だけ高いような
分布の場合には、第３図伽）の如く該範囲の両端近くの
内面の点３１１Ｂ、に圧縮応力、その脇の内面の点Ｃ３
＋０４には引張応力が加わシ、点Ｂｌと８２間には応力
の加わらない範囲が生ずる。

実際の加熱では図示の如き角形の分布にはならず、第２
図（、）は鋭い山形のピークをなす分布となシ、第３図
（ｂ）は角がとれて丸味を帯びた台形状分布となるが、
応力に関するその作用は本質的には上記と同じである。

他方、加熱によって第４図（、）の如く筒体の外面が内
面よシも高温度であるような内外面温度差を生じさせる
と、その長手方向範囲の広狭にかかわらず、第４図（ｂ
）のように筒体外面には圧縮応力、内面には引張応力が
加わる。

従りて、加熱によシ板厚内平均温度の長手方向分布と内
外面温度差の長手方向分布を同時に生じさせると、前者
に起因する応力と後者に起因する応力とが重畳されるこ
とになる。この場合、前者に起因する筒体内面の引張応
力および後者に起因する筒体内面の引張応力が夫々単独
では降伏点を超えない部分があっても、それらの重畳し
た和である筒体内面の引張応力が残留応力改善対象範囲
に亘って降伏点を超えるようＫすることができ、これに
よって加熱停止後の筒体内面の残留応力を極めて小さい
引張シ応力または圧縮応力に改変することができる。

〔実施例〕

原子炉圧力容器９のノズル部溶接構造における残留応力
の改善に実施した場合の本発明の一実施例を第１図によ
り説明する。

第１図において、１は内筒（サーマルスリーっであり、
分岐部２で外筒３′から分岐している。外筒３′は原子
炉圧力容器９のノズルの先端部を成す他の外筒３“と溶
接部４で溶接されている。外筒３′および３”（これら
の全体を外筒３と称することＫする）と内筒１とで二重
円筒部を形成してお夛、その間には環状隙間が形成され
ている。外筒３および内筒１はステンレスｗ４製である
。外筒３′は分岐部２よシ先の方では−１円筒６となり
、他の一重円筒６′と溶接部７により溶接されている。

溶接部４およびその近傍における外筒３の内面の残留引
張応力を残留圧縮応力に改変することが本実施例の残留
応力改善方法の目的である。

８は本発明方法を実施するために外筒３の周りに配置し
た誘導加熱コイルであり、直列接続されたコイル８−１
．８’−２，８−３よシなる（上半分の図示は省略しで
ある）。コイル８に電力を印加したときの外筒３の板厚
内平均温度の外筒長手方向の分布が、溶接部４よシもや
や右側に一方のピークを生じ、分岐部２の近傍に他方の
ピークを生じ、且つこれら両ピーク間の部分では谷間を
生ずるように、これらコイルを配置する。そのためには
右方のコイル８−１は溶一部４の右方で且つ外筒３“と
の距離を狭くとって、また、左方のコイル８−３は分岐
部２に面して外筒３′との距離を狭くとって、ま、た中
間のコイル８−２は外筒３’ＩＣ面してそれとの距離を
広くとって、配置される。

二重円筒部の外筒３と内筒１との間の環状隙間内には冷
却水５を満たす。この冷却水５は、該環状隙間が狭くま
た分岐部２で行き止りになりているため、強制的に流動
させることは困難である。

内、筒１および一重円筒６，６′の内部にも冷却水１０
を満す。冷却水１０は強制的に流動させなくともよいが
、本実施例では強制的に流動させる場合について述べる
。

このような誘導加熱コイルの配置と冷却の条件下で誘導
加熱コイル８−１〜８−３に同時に大入力を加え、短時
間の加熱を行い、その後、加熱を停止し常温まで冷却す
る。第５図のカーブＡとＢは、夫々このときの外筒３“
の外面と内面の温度時間曲線である。外筒３“の内面温
度Ｂを見るに、前記環状隙間内の冷却水５が強制流動さ
れていないために自然対流冷却となシ、しかも環状隙間
が狭いのでＢ１点で沸騰冷却となシ、さらに加熱を継続
すると８２点で膜沸騰となシ１．該内面の温度上昇が急
になる。一方、曲線ＣとＤは夫々、外筒ぎの外面と内面
の温度一時間曲線であり、前述の如くコイル８−２と外
筒３′との距離を大きくして外筒３“側よシも温度上昇
を低く押えるようなコイル配置にしたことが功を奏して
外筒３′の外面温度は外筒３”のそれよシも低くなって
いる。

第６図は本実施例による上記加熱処理の熱応力シミーレ
ージラン解析結果を例示したものである。同図に示した
温度および温度差は加熱時間の最後の時点におけるもの
であシ、また残留応力は加熱後常温に戻ったときの残留
応力である。横軸は溶接部４の中心を原点とした円筒長
手方向距離を表わす。同図において、Ｔｉは外筒３の内
面の温度、Ｔｍは外筒３の板厚的平均温度、ΔＴは外筒
３の内外面温度差を示しておシ、またσｔは外筒３の内
面の長手方向残留応力、σθは外筒３の内面の円周方向
残留応力を示している。残留応力の正値は引張残留応力
を、負値は圧縮残留応力を意味する。

第６図のσ７．σθのグラフから明らかなように、本実
施例による前記熱処理後の外筒３の内面の残留応力は、
長手方向残留応力σ６および円周方向残留応力σθのい
ずれも圧縮応力になっておシ、所期の残留応力改善の目
的が達せられていることがわかる。これについて下記に
解脱する。

外筒３の内外面温度のみで外筒３の内面に残留圧縮応力
を発生させるに必要な最小限の該温度差ΔＴｍ１ｎは次
式で表わされる。

ここで、αは外筒３の線膨張係数、Ｅはヤング率、σア
は降応力であシ、これにステンレス鋼の場合の数値を当
てはめるとΔＴｍ１ｎ４２５０℃となる。しかるに第６
図のΔＴの分布においては、ΔＴが上記ΔＴｍ１ｎの値
を超えているのは溶接部４の右側の外筒の部分および内
筒と外筒との分岐部２の部分のみであシ、その間におけ
るΔＴはΔＴｍ１ｎの値に達していない谷間をなしてい
る。一方、板厚平均温度Ｔｍは外筒内面を冷却水の膜沸
騰が起きるまで加熱して高温にしたことが効いて二重円
筒部分では２１分布より高温側でかつ、Δでと類似の二
つのピークを有する分布となっておシ、ピークの位置お
よびその間の谷間の長さもΔＴのそれとほとんど同じで
ある。

このようなＴｍの分布は模式的には第７図（、）のよう
に表わすことができ、同図中の二重斜線で示した部分が
ピーク部分に相当する。このＴｍの分布のみによる外筒
３内面の応力は第７図（ｂ）のようになシ、Ｔｍ分布の
谷間では引張応力、ピーク部分では圧縮応力となる。し
かして、上述のようにＴｍの分布のピーク部分ではΔＴ
がΔＴｍ１ｎを充分超えているから、結果としてその部
分でも引張応力となる。このようにＴｍ分布による応力
と２１分布による応力との重畳した結果の外筒内面応力
は全領域において引張応力となシ、これが降伏点を超え
ることによシ、冷却後の外筒内面の残留応力は全て圧縮
応力となるのである。

要するにΔＴの不足分をＴｍ分布の作用で補うことによ
って、加熱時におけるΔＴによる外筒内面の引張応力と
Ｔｍ分布によるそれとの重畳した引張応力が降伏点を超
えるようにすることによシ、冷却後には全ての領域で外
筒の内面の残留応力を圧縮応力にすることができるので
ある。

第８図は別の実施例として第１図において溶接部４の右
方にＴｍ　ｅΔＴのピークが一つだけ生じるように第１
図の８−１．８−２のコイルのみで大入熱、短時間の加
熱をした場合のＴＩ　、ΔＴ　＋　’ｒｍ　１σ６．σ
θ（これらの意味は前記の実施例と同様での内面温度Ｔ
ｉは、Ｔｍを大きくするために膜沸騰冷却となっても敢
えて加熱したために２００℃を越えている。そのために
ΔＴは逆に小さ目になっている。外筒３”でのΔＴが小
さいためにこの部分の圧縮残留応力がやや小さくなって
いる。しかし、外筒３′の内面ではσ６．σθともにＴ
ｍのピーク分布の効果によυ、十分大きな残留圧縮応力
になっている。

以上の実施例は二重円筒の場合について述べたが、通常
の一重円筒管であっても内部に冷却水を強制的に流動さ
せることができない場合には、短時間加熱による内外面
温度差と板厚平均温度の分布を組み合せる本発明の方法
によシ残留応力を改善することができる。

第９図は本発明の方法を適用して熱交換器の管板１２と
胴体１３の溶接部４の残留応力を改善する実施例を示す
。胴体１３内には伝熱管１４や仕切板１５等の障害物が
あるために冷却水１１による胴体３の内面の冷却効率を
充分大きくすることができないので、板厚方向の温度差
のみでは応力改善が難しい。そこで本実施例では、この
溶接部を挾んで板厚方向温度差ΔＴの胴体長手方向分布
を台形状とし、且つ、板厚平均温度Ｔｍが上記ΔＴの台
形状分布の一端で溶接部４の右方にピークを有するよう
に誘導加熱コイル８−４．８−５を配して、短時間、大
入熱、急速加熱を行う。コイル８−４．８−５は連続し
た輝線環状コイ、ルであるがコイル８−５がコイル８−
４に比べて胴体１３によシ近接して設置されているから
板厚平均温度Ｔｍはコイル８−４で加熱される部分より
も高くできる。このＴｍの分布によって溶接部４には加
熱時に引張シの曲げ応力が発生することとなシ、ΔＴに
よる引張シ応力と重畳して溶接部４は容易に引張降伏を
生じ、冷却後には応力は反転して残留圧縮応力が得られ
る。本実施例では管板１２は高剛性であるため、溶接部
４に上記曲げ応力を発生させるのに有効に作用する。

以上述べた各実施例に見られるように、板厚内平均温度
の長手方向分布におけるピークを溶接部よシやや離れた
位置に生せしめることは、更に下記の利点をもたらす。

すなわち、５ＵＳ３０４ステンレス鋼溶接部は高温にさ
らされると腐食感受性を増し、炭素鋼等では脆化する。

従って、溶接部は外表面といえどもなるべく高温にさら
されることは好ましくない。本発明によれば上記のピー
ク位置の故に溶接部が高温にさらされないので上記の恐
れはなくなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、加熱時に筒体の内面を強制流動流体で
冷却することが困難で自然対流冷却や沸騰冷却となるよ
うな筒体、例えば二重筒の外筒、或いは断面形状が変化
しいる筒体などの場合の如く、内外面温度差を残留応力
改善対象範囲に亘って充分に生せしめることができず、
そのため内外面温度差に基づく応力のみでは残留応力の
改善ができないような筒体に対しても、内外面温度差に
基づく応力と板厚内平均温度の長手方向分布に基づく応
力とを組合せることによって、内面残留応力を改善する
ことができ、しかも加熱中に加熱節−囲の変更等の複雑
な制御は不要であり、操作が単純化される。

勿論、本発明は上記のような筒体の場合に限るものでは
なく、内面を強制冷却できる通常の筒体の場合にも適用
し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子炉圧力容器ノズルの二重筒部に本発明を適
用した実施例を示す一部断面とした図、第２図（ａ）　
、　（ｂ）は筒体の板厚内平均温度の長手方向分布の例
およびそれによる内面の応力を夫々示す図、第３図（ａ
）　、　（ｂ）は筐体板厚内平均温度の長手方向分布の
他の例およびそれによる内面の応力を夫夫示す図、第４
図（ａ）　、　（ｂ）は筒体の内外面温度差の長手方向
分布の例およびそれによる内面の応力を夫々示す図、第
５図は本発明の実施例における時間と温度との関係を示
す図、第６図は同実施例における解析結果を示す図、第
７図（ａ）　、　（ｂ）は同実施例における外筒板厚内
平均温度の長手方向分布およびそれによる内面の応力を
夫々示す模式図、第８図は本発明の他の実施例における
解析結果を示す図、第９図は熱交換器の胴体溶接部に本
発明を適用した実施例を示す図である。 １・・・内筒　　　　　　　２・・・分岐部３・・・外
筒　　　　　　　４，７・・・溶接部８・・・高周波誘
導加熱コイル １２・・・管板　　　　　　１３・・・胴体Ｌ工 第２図 第３図 第４図 時　　間　　を 第６図 〉容接郡４の中心からの長手力ＰＪ距離（面Ｏ第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、筒体の内面の残留引張応力を極めて小さい残留引張
   応力または残留圧縮応力に改変するための筒体の残留応
   力改善方法であって、筒体を外面側から短時間加熱する
   ことによって筒体の内外面温度差の筒体長手方向分布お
   よび筒体の板厚内平均温度の筒体長手方向分布を生ぜし
   め、且つ該加熱は、上記前者の分布に起因する筒体内面
   の引張応力と上記後者の分布に起因する筒体内面引張応
   力との和が筒体内面の残留応力改善対象範囲に亘って降
   伏点を超えるようになし、その後該加熱を停止すること
   を特徴とする筒体の残留応力改善方法。 ２、上記の両者の分布がほぼ同じ位置に夫々少くとも１
   つのピークを有する特許請求の範囲第１項記載の筒体の
   残留応力改善方法。 ３、上記の前者の分布が台形状分布であり、この台形状
   分布の一端部に上記の後者の分布がピークを有する特許
   請求の範囲第１項記載の筒体の残留応力改善方法。 ４、上記筒体が二重筒の外筒である特許請求の範囲第１
   、第２又は第３項記載の筒体の残留応力改善方法。