JPS63160782A - 二重金属管等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、二重金属管等の残留応力改善方法に係わり、
特に母管の内面と内情の溶接継手近傍の残留応力改善方
法に関するものである。

「従来の技術」 一般に、金屑材料、例えば原子力や化学プラント等に多
用されているオ、−ステナイト系ステンレス鋼等におい
ては、引っ張り応力と腐食因子とが」（存する場合に、
腐食割れが急速に進行することが知られている。

従来、オーステナイト系ステンレス鋼管の残留応力を改
りずろ場合、鋼管の中に冷却水を挿通させながら、鋼管
を誘導加熱して、母管壁の内外面に降伏点以上の熱応力
が生じる温度差を与えて、鋼管の継ぎ目等の溶接部付近
の内面に、残留圧縮応力を発生させた状態とする応力改
善方法が考えられている。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、このような方法は、ず−ステナイト系ス
テンレス鋼管が直管等の単純な形状である場合には適用
可能であるが、母管の内面に内管（例えばザーマルスリ
ーブ）の基部を溶接してなる二重金属管であると、母管
の板厚と内管の溶接継手とを合わせた厚さ寸法が、母管
自身の厚さ寸法上り著しく大きくなるため、前述したよ
うに母管を誘導加熱した場合に、母管壁の温度分布が不
均一になる現象や、温度差によって発生ずる応力の大き
さや向きが、目的とする値から外れる現象が発生ずると
考えられる。

また、内管における溶接継手の近傍には、溶接熱によっ
て組織の一部が鋭敏化した状態となっていると考えられ
るので、前述した母管への残留応力改善処理を、内管の
溶接継手の近傍で行なった場合に、内管の溶接継手に対
して悪影響を与えてしまうおそれもある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決すること
を目的とするものであり、内管の溶接継手に対して直接
的に残留応力改善処理を行なうものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明における二重金属管等の残留応力改善方法は、二
重金属管における母管の内面に取り付けた内管の溶接継
手近傍の残留応力を改善する方法であって、母管の外表
面に外嵌した中空リングの中に冷却流体を供給して熱収
縮を生じさせ、該中空リングの熱収縮によりｎ；７記溶
接継手の近傍を内方に突出変形さけるととらに、溶接継
手近傍に降伏点を越える応力を発生させた後、萌紀冷却
流体の供給を停止するようにしているものである。

「作用　」 冷却流体を中空リングに供給することによって、熱収縮
を生じさＵ′で中空リングの直径を挟め、中空リングに
接触している母管壁及び溶接継手を内方に突出させる。

溶接継手が内方に突出すると、内管における溶接継手の
近傍に曲げ変形が生じる。

このため、曲げ変形箇所の外側となっている部分には、
引っ張り応力が発生する。該引っ張り応力が降伏点を越
える大きさになっていると、部分的な塑性変形が生じろ
。その後、中空リングへの冷却流体の供給を停止すると
、母管壁及び溶接継手が当初の寸法に戻るとともに、部
分的な塑性変形が生じた部分には、圧縮応力を付与した
状態とする等の残留応力改善処理を行なうことができる
。

「実施例」 以下、本発明に係る二重金属管等の残留応力改善方法の
一実施例を図面に基づいて説明する。

該−実施例にあっては、第１図に示すように、二重金Ｆ
ｊ４管が、原子炉圧カ容ｖ３ｆにおけるノズル２とセイ
フェンド３とを含む母管４の内部に、内管５（サーマル
スリーブ）が設けられるとともに、ｆｒ管４と内管５と
の間に筒状中空部６が形成されたものとされて、母管４
の内面と内管５の基部との間か、溶接継手７によって一
体に連結されており、また、母管４は突き合わせ溶接部
８にょつて長さ方向に連結されている横送であり、さら
に、この二重金属管は、オーステナイト系ステンレスＭ
（ＳＬＩＳ３０４　　）によって構成されているものと
する。

そして、残留応力改善方法の実施には、第１図に示すよ
うに、ｎａ記溶接継手７の外側に位置いる母管壁の回り
に、外嵌状態に取り付けられる中空リング９と、該中空
リング９における中空部１゜に接続されて、例えば液体
窒素等の冷却流体を送り込むための冷却流体供給系２と
が使用される。

［残留応力改善工程例コ 以下、内管５における溶接継手７の残留応力を改善する
工程例について説明する。

〈初期状態にお１する溶接継手〉 母管４と内管５との溶接継手７を形成する際の溶接熱影
響等によって、第１図にＡ°点及びＢ点で示す箇所に、
残留応力が発生していたとするととしに、該残留応力は
、Ａ点が引っ張り、Ｂ点が圧縮であるとする。

なお、二重金属管の用途を考慮した場合、内管５の中を
温度変化の激しい流体が挿通ずることがあり、Ａ点の近
傍に引っ張り残留応力が発生していると、前述した応力
腐食割れとぅの原因となり得るので、この部分の残留応
力改善を特に注意して行なうものとして説明する。

く溶接継手近傍の縮径〉 第２図に示すように、母管４の外表面に中空リング９を
外嵌するととらに、この中空リング９の１ケ置を溶接継
手７の中心から、第２図に示すように、寸法Ｑ１だけ内
管５の側にずれた位置に設定する。

くＡ点の応力改善〉 冷却流体供給系ｌ！の作動によって、中空リング９の中
に、液体窒素等の冷却流体を供給して、中空リング９を
冷却することにより熱収縮を生じさせる。中空リング９
が熱収縮して内径が小さくなると、溶接継手７の近傍に
位置している母管壁が押圧されて、第２図に示すように
、内方に突出した変形状態となる。また、当初の形状を
維持しようとする内管５の他の部分との間で、曲げモー
メントＭａが生じて、Ａ点には引っ張り力に基づく歪み
が発生ずる。

第３図によって説明すると、当初（残留応力改善処理開
始面）において、Ａ点に許容範囲を越える（前述した応
力腐食割れ等が発生するしきい値Ｃより大きい）引っ張
りの残留応力Ａ１が発生していたとすると、第２図に示
すような溶接継手近傍の曲げ変形によって、Ａ点には降
伏点を越えた応力が再び生じるが゛、塑性変形をともな
う状態となるため、応力の上昇が少なく引っ張り方向の
歪みが著しくなる曲げ変形によって、第３図に矢印で示
すように、八ｉから八ｊに至る歪み（主としてη）性液
形）が生じろことになる。

なお、１１点に、Ａ点と対称的な圧縮の残留応力量目が
発生していたとすると、同様に矢印で示すように、Ｌｌ
ｉからＨに至る応カー歪み履歴が生じることになる。

く溶接継手近傍の径の復帰〉 このように、溶接継手７の近傍に降伏点を越えろ応力を
発生さＵｏた後、前記冷却流体供給系１Ｋからの冷却流
体の供給を停止するとともに、冷却流体を排除して常温
状態に復帰させると、中空リング９とともに母管壁が当
初の状態に戻り、また・、内管５における溶接継手近傍
も当初の状態に戻ろうとする。つまり、Ａ点及びＢ点は
、弾性変形によって第３図に示すように、ＡＪからΔ「
及びＢｊからＢｔに至る応カー歪み履歴となる。

く残留応力改公状態〉 これらの現象によって、残留応力を改善する目的の部分
、つまり、内管５における溶接継手７の近傍（Ａ点近傍
等）に、当初の状態において、降伏点を越えるような引
っ張りの残留応力が発生した場合でも、第３図にＡｔに
示すように、圧縮応力を付与した改善処理を行なうこと
ができるものである。

なお、Ｂ点にはＢｒの応力が付与されるが、しきい値Ｃ
よりも小さく、かつ、Ａ点が存在している内管５の内部
を温度変化の大きい流体が流れるので、特に問題を生じ
ることがない。

くＢ点の応力改善〉 一方、前述した母管自身の応力改善方法、つまり冷却水
を存在させた状態で母管壁を誘導加熱して温度差を与え
る改善方法を適用した後の溶接継手の状態、あるいは、
この状態でＡ点に応力改善処理を実施した後の溶接継手
の状態等であると、Ｂ点の方に大きな残留応力が発生し
ている可能性も考えられる。

以下、Ｂ点の応力改善を行なう場合について説明する。

第４図に示すように、溶接継手７の中心から内管５と反
対側に寸法ｅ曹だけ離間した箇所に、中空リング９を外
嵌して冷却流体を送り込むことにより母管壁を縮小させ
ろと、溶接継手７の近傍の内管５が曲げ変形ずろことに
より、Ｂ点の近傍に曲げモーメンｌ−Ｍ　ｂが生じ、０
点近傍に降伏点を越えた応力を発生させ、ｉ＋ｉｉ述し
たＡ点の場合に阜じて、圧縮の残留応力を付与する等の
応力改善を行なうことができる。この場合においては、
Ａ点に付与されろ応力をできるだけ小さなものとするこ
とが望ましい。

くＡ点及びＢ点両方の応力数み〉 第２図及び第４図に示した応力改善方法は、処理工程を
組み合わＵｏろことができる。Ａ点における残留応力Ａ
Ｔがしきいｈ’ｉ　Ｃを越えており、これを応力改善し
たときに、１３点におけろ残留応力口「が大きかったと
し、八「及びＢ「を０に近付けろ例を第５図に基づいて
説明する。

即ち、第！段階において、第２図に示す方法により、Ａ
点についてＡＩ　−Ａｊ−Ａｒの応カー歪み履歴に基づ
く応力改善を実施することによって、１１点がａｔ　−
ｎ３−Ｂｒの応カー歪み履歴となっている場合（第５図
において実線の部分）に、第５図において破線で示す歪
み一応力履歴を付加する。

第２段階において、第４図に示す方法により、しきい値
Ｃ及び降伏点を越えるように変形を与えて、８点につい
てＢｒ　−Ｂｐ　−Ｂｑ　−０の応カー歪み履歴を生じ
させると、Ａ点はＡｔ−Ａｐ−八ｑ−０の応カー歪み履
歴となり、Ａ点及び８点がそれぞれ０となる。

く円筒における応力発生モデル〉 このように圧縮力による変位によって、金属管等の円筒
体に曲げモーメントを与えて、残留応力を低減させる場
合について、以下、補足説明する。

第６図に示すようなモデルの円筒体に壁と直交する荷重
が加えられる場合において、荷重点での変位Ｗ及び回転
角θは、次式で与えられる。

ｗ＝−（里　／　２　β　”Ｄ）（β　ｙｔ　　Ｏ＋　
　Ｑ　ｏ）−−−−・−（ｔ　　）０　＝　ｄａ／　ｄ
ｘ＝　（１／　２β”Ｄ）（２βＭ　Ｏ＋Ｑ　Ｑ）・・
・・・・（２） ただし、 Ｄ　＝　Ｅ　ｈ’／口２（１−νす］・・・・・・（３
）β＝　［３（１−ｖ　”、）／　（ａ″ｈ’）］’１
６・−・−（４）Ｅ：縦弾性係数 シ：ボアソン比 ａ：円筒半径 ｈ：板厚 Ｘ：荷重作用点からの距離 Ｑｏ：剪断力 式（１）、式（２）からＱ。を消去すると、ＭＯ＝２１
）β（β　豐＋０）・・・・・・（５）逆にｗ、０を与
えると、管にモーメントＭ０が生じろことになる。

一方、第２図及び第４図に示すように、母管に内管が溶
接されている場合、内管の変位は、母管の変位によって
左右されため、第２図及び第４図の方法に準じて、母管
の長さ方向の一部°に、リング状の押圧力を付与した場
合で考えろ。

この場合において、内管に正の曲げモーメント（内面側
に引っ張り応力を生じる方向）を与えるには、式（５）
より、母管と内管の溶接部がｗ＞０．０〉０となるよう
な変位を母管に与えればよい。

逆に負の曲げモーメントを与える場合は、ＷΦ０．０〈
０ となる変位を母管に与える。

文献によれば ｏ＜１２＋＜（３π／４β） のときに、ｗ＞０、θ〉Ｏ ｈキ（３π／４β） のとき、ｗ−！ＦＯ１θく０の条件を満足する。

したがって、上記１．及びＣ２の位置に順に溶接部表面
が降伏応力程度となるような変位を与えることにより、
溶接部両表面の残留応力を０程度にすることができる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係る二重金属管等の残留
応力改善方法は、母管の゛外表面に外嵌した中空リング
の中に冷却流体を供給して熱収縮を生じさせ、該中空リ
ングの熱収縮により前記溶接継手の近傍を内方に突出変
形させるとともに、溶接継手近傍に降伏点を越える応力
を発生さＵｏた後、前記冷却流体の供給を停止するよう
にしているものであるから、 ■母管に外嵌させた中空リングに冷却流体を供給４°る
ことにより、二重金属管の内部の状態、流体挿通のｆｊ
無等によって、残留応力改善処理工程が影響を受けるこ
とがなく、任意時に行なうことができる。

■上記により、母管内面の残留応力改善効果と切り離し
た状態、あるいは、その数倍処理後等に、独立させて実
施でき、その実施にあたって、溶接継手の近傍に不利な
残留応力が生じていた場合に乙、その部分を集中的に改
善できる。

■中空リングの取り付は位置や、冷却流体の供給ｆｉｔ
等によって押圧力を変えることにより、残留応力改善効
果を調整することが容易であり、実用範囲を拡大するこ
とができる。

等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る二重金属管等の残留応力改善方法
を原子炉圧力容器におけるノズル部分に適用した場合の
一実施例を示す縦断面図、第２図は内管の溶接継手にお
けるＡ点近傍の残留応力改善処理例を示す要部の縦断面
図、第３図は第２図の処理例において溶接継手近傍に発
生する応力と歪みとの関係を示す曲線図、第４図は内管
の溶接継手における８点近傍の残留応力改善処理例を示
す要部の縦断面図、第５図は円筒における応力発生モデ
ル図、第６図は内管が存在する場合の応力発生モデル図
である。 ！・・・・・・原子炉圧力容器、 ２・・・・・・ノズル、 ３・・・・・・セーフエンド、 ４・・・・・・母管、 ５・・・・・・内管、 ６・・・・・・筒状中空部、 ７・・・・・・溶接継手、 ８・・・・・・突き合わせ溶接部、 ９・・・・・・中空リング、 １０・・・・・・中空部、 １１・・・・・・−冷却流体供給系、 第１図 第２図 第４聞 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 二重金属管における母管の内面に取り付けた内管の溶接
   継手近傍の残留応力を改善する方法であって、母管の外
   表面に外嵌した中空リングの中に冷却流体を供給して熱
   収縮を生じさせ、該中空リングの熱収縮により前記溶接
   継手の近傍を内方に突出変形させるとともに、溶接継手
   近傍に降伏点を越える応力を発生させた後、前記冷却流
   体の供給を停止することを特徴とする二重金属管等の残
   留応力改善方法。