JPS63160783A - 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、
特に母管の内面とサーマルスリーブの基部との溶接部近
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、金属材料、例えば原子力や化学プラント等に多
用されているオー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」（ｑ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
心する場合には、鋼管の中に冷却水を挿通さＵ・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熟
応力が生じる温度壬を与え、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仕た状態とする応力
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、オーステナイト系ス
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％母管の内面にサ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、母管の板厚とサーマ
ルスリーブの基部とを合わせた厚さ寸法が、母管自身の
厚さ寸法より著しく大きくなるため、前述したようにｔ
”４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する応力の大きさ
や向きか、１」的とする績から外れる現染が発生ずると
考えられろ。

また、サーマルスリーブの基部の溶接部近傍には、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、前述した残留応力改り処理をサーマル
スリーブのＪＩ（部の近傍で実施ずろと、悪影響を及ぼ
してしまうおそれらある。

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、母管内面に残留応力改善処理
を施４°場合に、同時に、サーマルスリーブの基部にお
ける必要箇所の残留応力改善を行なうようにしているも
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、母
管の内面にサーマルスリーブの基部を溶接してなる二重
金属管の内部に冷却水を存在させた状態として、前記基
部の両側に位置する二重管部と単管部との両方を同時に
加熱し、該加熱工程の後に一方の加熱のみを続行して加
熱側のｙ＆部表面に降伏点を越える応力を発生させ、次
いで、全部の加熱を停止して冷却するようにしているも
のである。

「作用　」 冷却水を存在さＵた状態で母管を加熱すると、加熱され
た部分と冷却状態にある部分との温度差によって、二重
管部と単管部との母管壁に降伏点を越える応力が発生し
て塑性変形を生じる。その後、一方の加熱のみを続行す
ると、非加熱部分の低温状態と加熱部分の高温状態とで
寸法が相異することに基づいて、サーマルスリーブの基
部近傍に曲げモーメントか作用する。この曲げモーメン
トは、サーマルスリーブの基部の内表面に引っ張り応力
を発生させる。この応力が降伏点を越えるようにした後
に、全部の加熱を停ｉ１＝して冷却状態とすると、母管
の内面に対しては圧縮の残留応力を付与した状態、また
、サーマルスリーブの基部における前記加熱側の表面に
も、圧縮の残留応力を付与した状態することができる。

「実施例」 以下、本発明に係る二重金属管等の残留応力改遵方法の
実施例について、図面に基づき説明する。

該実施例では、第１図に示すように、二重金属管が、原
子炉圧力容器１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、サーマルスリーブ５が設けられる
とともに、１１上管４とサーマルスリーブ５との間に筒
状中空部６が形成されたものとされている。

また、母管４は突き合わせ溶接部（溶接継手）７によっ
て長さ方向に連結され、サーマルスリーブ５の基部は、
母管４の内面に、基部溶接部８によって取り付けられて
いる構造であり、さらに、この二重金属管は、オーステ
ナイト系ステンレスｊ１４（ＳＵＳ３０４　　）によっ
て構成されているものとずろ。

そして、残留応力改善方法の実施に使用される機器は、
前記筒状中空部６の中に冷却水を噴出させて流水状態と
するための冷却ノズル９と、高周波電流をコイルに流４
°ことによってｌ：上管４の必要とする部分を表面側か
ら誘導加熱するための第１の加熱手段ＩＯと第２の加熱
手段１１とで構成されており、二つの加熱手段１０・１
！は、母管４の外表面を長さ方向に間隔を明けて、必要
長さを覆うように配設されているとと乙に、時間差を空
けて独立状態で作動さＵられるらのである。

［残留応力改許二Ｅ程例］ 以下、母管４の突き合わせ溶接部（溶接継手）７とサー
マルスリーブ５の基部とを含む母管４の内面（第１図に
おいて、サーマルスリーブ５の基部を中心として、第１
図の左右に第１及び第２の加熱手段１０・１１を配設し
た範囲）に、残留応力改心を行なう場合について説明す
る。

［母管部への冷却水の供給］ 二重金属管の内部に冷却水を充満さＵ・、母管４とサー
マルスリーブ５との間に形成される筒状空間部６に６、
冷却水を満たず。そして、母管４の加熱に先立って、第
１図の矢印で示すように、冷却水に流れを生じさせてお
くことが望ましい。この場合、筒状空間部６が小さな間
隙によって形成されていると、筒状空間部６の中に存在
している冷却水は、サーマルスリーブ５の中に生じる水
流によってほとんど干渉されないので、滞留状態のまま
維持されてしよう場合があると考えられる。

［部分水流の発生］ そこで、筒状空間部６に細い給水ノズル９の先端を挿入
して、サーマルスリーブ５の基部、セイフェンド３に向
けて、筒状空間部Ｇに満たされている冷却水の中に、第
１図の矢印で示すように、部分水流を噴出させる。この
部分水流は、サーマルスリーブ５の基部に当たって広が
るため、円周方向に沿う流水が形成される。

このように、母管壁の内面に流水状態の冷却水を存在さ
せ、山崩熱手段菫０・１１を作動させることにより、母
管壁に例えば２００℃以上の温度差を与えるようにする
と６、前述したように母管壁の内面については、応力改
善処理を行なうことができろ。

しかし、これらの母管壁の応力改善処理が、サーマルス
リーブ５の基部溶接部８に悪い影響を及ぼさないように
、次のような工程によって、母管壁の応力改善処理を行
なう。

［基部溶接部近傍のモデル］ 第２図（ａ）ないし第２図（Ｃ）は、サーマルスリーブ
５の基部溶接部８の近傍に、内面におけるＡ点、筒状空
間部６に接した外面におけるＢ点をモデルとしてそれぞ
れ設定し、各工程におけろモデル点近傍の形状変化を示
すものである。。

Ｅ山崩熱手段による母管の加熱］ サーマルスリーブ５と、筒状空間部Ｇの中とに冷却水が
流れている状態としておいて、誘導加熱コイルに高周波
電流を流す等により、加熱手段！０−１１を同時に作動
さＵｏる。第１図において、１１（部溶接部８の左側位
置となっている二重管部を囲む彫型の加熱手段１０と、
基部溶接部８の右側１：１．置となっている単管部を囲
、む第２の加熱手段Ｉｌとによって、母管壁を誘導加熱
する。、この両側加熱によって加熱される部分は、主と
して母管壁であり、サーマルスリーブ５の大部分及び基
部溶接部８の近傍は、冷却水に接触して温度上昇が抑制
されているため、母管壁の熱膨張を妨げる方向に働く。

即ち、加熱工程前において、第２図（ａ）の状態となっ
ていた母管壁は、サーマルスリーブ５の基部によって熱
膨張が妨げられるため、第２図（ｂ）に破線で示すよう
な変形状態となる。円筒体■及び円筒体■を同時加熱す
ることにより、板厚内の平均温度が上昇するため、第２
図（ｂ）に破線で示すように、両回筒体■■は全体的に
半径方向外側に移動しようとする。

また、この際において、円筒体■と円筒体■との板厚を
それぞれｈＩ”　ｈｔとするとともに、ｈｌ＞ｈ２とす
ると、円筒体■で生じる熱心、カモーメントの方が円筒
体■に生じるそれより大きくなり、第２図（ｂ）に破線
で示すように、時計目りの回転モーメントＭを生じる。

したがって、Ａ点の近傍は凹となる曲げ変形を受けるの
で、圧縮の軸方向応力を発生ずる。ここまでのＡ点の応
カー歪み履歴を示すと、加熱前において、第３ｖ４（ａ
）に示すように、０点の位置にあった応カー歪みは、第
３図（ｂ）に太い実線で示すように、Ｓ、。の位置に達
して降伏点を越え、応力の上昇が少なく歪みが多くなる
ために、Ｓ、の位置となる。

［第２の加熱手段による母管壁の加熱１次いで、第２の
加熱手段Ｉｆによる母管壁の加熱を続けるとともに、第
１の加熱手段ＩＯを停止４゛ると、単管部の熱膨張のみ
が維持されて、他の部分が冷却により当初の状態に戻ろ
うとずろため、母管壁の変形状態は、第２図（Ｃ）のよ
うになる。

このような現象によって、Ａ点の近傍は、内方に突出し
て、引っ張り応力を生じることになる。ここまでのＡ点
の応カー歪み履歴は、第３図（Ｃ）及び第３図（ｄ）に
太い実線で示°４゛ように、Ｓ、からＳ、、に変化して
引っ張り応力となるとともに、降伏点を越えることによ
って、杢らにＳｉ２へと変化４′る。

［冷却工程］ 次いで、第２の加熱手段ｔ’　ｔの作動を停止させ、以
下、自然放置により常温に戻す。また、冷却時間の経過
とともに、母管壁は、はぼ均一な温度、例えば冷却水の
温度（常温）に戻る。このように常温に戻すことにより
、？５部の歪みがおおよそ零となるところまで変形が戻
るので、３部の応力及び歪みは、第３図（ｅ）に示すよ
うに、Ｓ　１＋からＳ１４へと移り、最終的に小さな応
力値となる。

［？５部の応力改善効果の検討］ 母管壁の内面における残留応力改善効果は、第２図（ａ
）　、　（ｂ）に示すように、加熱手段１０−１１の両
方または一方の作動時に、母管壁の内面が冷却水に接触
して冷却され続けるので、内外面に必要な温度差（例え
ばオーステナイト系ステンレス馴の場合、２００℃以上
）が生じるように、加熱条件を設定すると、前述したよ
うに母管壁に降伏点以上の熱応力を発生させ、内面に圧
縮残留応力を付与した状態とするこ、とができる。

また、Ａ点は、最終的には第３図（ｅ）にＳ　１４で示
すように、圧縮の残留応力となり、第３図（ａ）の状態
と比較して応力改善効果が生じたものとなる。

一方、１３点については、説明を省略したが、Δ点と表
裏の関係にあるため、反対の応カー歪み履歴をたどり、
最終的な状態において、第３図（ｅ）にＳｂの位置で示
すように、若干の引っ張り応力が付与された状態となる
。この場合の応力は、応力腐食割れ等の不具合現象を生
じない程度の大きさく例えば応力腐食割れが生じろしき
い応力Ｃより小さな（Ｐ’ｉ　）に設定される。

［加熱条件についての補足説明］ 前述したように、母管壁の内面における応力改身を実施
するためには、通常の残留応力改心方法と同様の要求温
度及び加熱時間を満足さ仕ろように行なえばよい。

また、第１の加熱手段ＩＯによる加熱を停止して、第２
の加熱手段１１のみで延長加熱を行なう程度は、次式で
与えられた時間以上継続することが必要である。

τ＝　０　、　７１＋＋”／　ａ・・・・・・・・・・
・・（ｉ）ただし、 τ：コイル２の延長加熱の継続時間 １１１：ノズルとサーマルスリーブの溶接部厚さａ：温
度拡散係数 である。

なお、１１７Ｉ述した実施例に代えて、二重管がオース
テナイト系ステンレス鋼以外の金属管である場合に適用
ずろことらできる。

「発明の効果」 以」ユ説明したように、本発明に係る二重金属管等の残
留応力改心方法は、母管の内面にサーマルスリーブの基
部を溶接してなる二重金属管の内部に冷却水を存在させ
た状態として、前記Ｊ１（部の両側に位置する二重管部
と単管部との両方を同時に加熱し、該加熱工程の後に一
方の、加熱のみを続行して加熱側の基部表面に降伏点を
越える応力を発生さＵ・、次いで、全部の加熱を停止し
て冷却するようにしているものであるから、次のような
優れた効果を奏する。

■サーマルスリーブの基部溶接部の近傍に、圧縮残留応
力を積極的に付与する等の残留応力改善を行なうことが
できる。

■母管壁内面の残留応力改善を実施することによって、
基部溶接部への悪影響が生じた場合でも、その影響を少
なくすることができる。

■加熱手段の切り替えによってなし得るので、母管壁の
残留応力改善と同時に、サーマルスリーブの基部溶接部
における残留応力改善を実施することができる。

【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心方法
を原子炉圧力容器におけろ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（ａ）ないし第２図（
Ｃ）は二重金属管の一部をモデル化して示す残留応力改
ｎ工程の説明図、第３図（ａ）ないし第３図（０）はモ
デル化した部分における応力と歪みとの関係を示す曲線
図である。 １・・・・・・原子炉圧力容器、 ２・・・・・・ノズル、 ３・・・・・・セーフエンド、 ４・・・・・；母管、 ５・・・・・・サーマルスリーブ、 Ｇ・・・・・・筒状中空部、　　− ７・・・・・・溶接部（溶接継手）、 ８・・・・・・基部溶接部、 ９・・・・・・冷却ノズル、 ＮＯ・・・・・・第１の加熱手段、 １１・・・・・・第２の加熱手段。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 母管の内面にサーマルスリーブの基部を溶接してなる二
   重金属管の内部に冷却水を存在させた状態とする工程と
   、前記基部の両側に位置する二重管部と単管部との両方
   を同時に加熱する工程と、該工程の後に一方の加熱のみ
   を続行して加熱側の基部表面に降伏点を越える応力を発
   生させる工程と、全部の加熱を停止して冷却する工程と
   を有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。