説明

原子力発電プラント構造材の溶接方法

【課題】原子力発電プラント構造材(特に原子力発電プラント構造材であるオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金)に適用可能な耐応力腐食割れに優れた溶接方法を提供することを課題とする。
【解決手段】原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接方法であって、溶接部の柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように原子炉構造材を溶接する。本発明によれば、原子力発電プラント溶接構造物に関し、原子力発電プラントの更なる安全性向上のため、き裂の発生及び進展しにくいように、溶接部の柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることにより、耐応力腐食割れに優れた原子力発電プラント構造物の溶接方法を提供することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、原子力発電プラント構造材の溶接方法に係り、特に原子力発電プラント構造材であるステンレス鋼やニッケル基合金の溶接に適用するの好適な原子力発電プラント構造材の溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
原子力発電プラントでは、高温高圧水に接する部分に対して、耐食性に優れた材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金等が用いられている。しかし、高温高圧水中で長期に渡り運転した場合、溶接部や熱影響部に応力腐食割れ等の経年劣化事象が顕在化する可能性がある。応力腐食割れは、材料因子、応力因子、環境因子の3因子が重畳して発生すると考えられている。
【0003】
応力腐食割れを防止するため、(1)耐応力腐食割れに優れた材料を用いる、(2)応力を低減する、(3)環境を改善する等の方法が提案されている。例えば、耐応力腐食割れに優れた材料を用いる方法として、オーステナイトとδフェライトの2相組織を段階的に変化させることにより、表面上を耐食性の優れた材料に改質する方法ある(特許文献1参照)。また、金属表面を熱処理し、金属材料中に析出物を形成することにより、耐応力腐食割れに優れた材料にする表面改質方法がある(特許文献2参照)。
【0004】
しかし、オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金の溶接部の金属組織は、柱状晶またはデントライト組織を有し、母材から表面方向へ柱状晶またはデントライト方向が揃っている。このため、応力腐食割れ等のき裂が発生した場合、柱状晶またはデントライト方向にき裂が進展する可能性がある。近年、経年劣化事象の顕在化により、柱状晶またはデントライト組織を有する溶接構造物において、応力腐食割れによる損傷事例が報告されている。
【0005】
特許文献1,2に記載の方法では、材料及び表面改質をして耐応力腐食割れに優れた金属材料にすることにより応力腐食割れの発生を防止するが、溶接金属の組織は柱状晶またはデントライト組織を有することとなる。柱状晶またはデントライト組織を有する溶接金属部のき裂進展速度は、柱状晶またはデントライト組織が溶接表面に向かって揃っているため、き裂が進展しやすい。従って、金属組織自体を耐応力腐食割れに優れた組織にする必要がある。
【0006】
【特許文献1】特開2004−195499
【特許文献2】特開2005−227171
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
原子力発電プラント構造材(特に原子力発電プラント構造材であるオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金)に適用可能な耐応力腐食割れに優れた溶接方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接方法であって、溶接部の柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように原子炉構造材を溶接する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、原子力発電プラント溶接構造物に関し、原子力発電プラントの更なる安全性向上のため、き裂の発生及び進展が抑制されるように、溶接部の柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることにより、耐応力腐食割れに優れた原子力発電プラント構造物の溶接方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本発明における原子力発電プラント構造材の溶接方法について、図1−図8を用いて詳細に説明する。
【実施例1】
【0011】
本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第1の実施例を図1−3を用いて説明する。本実施例は、磁気攪拌装置を用いて溶接金属を攪拌することにより、柱状晶またはデントライト方向を不均一化させるものである。尚、本発明は、ステンレス鋼及びニッケル基合金をはじめ、柱状晶またはデントライト組織を有する溶接金属に適用可能であるが、本実施例については、ニッケル基合金を用いた場合について述べる。
【0012】
まず、本実施例の原子力発電プラント構造材の溶接方法に用いる溶接装置について説明する。図2は、本実施例で適用する磁気攪拌装置を備えたTIG溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示している。本実施例で適用する磁気攪拌装置を用いたTIG溶接装置は、溶融金属を磁気攪拌するための磁気攪拌装置6及びTIG溶接装置5から構成される。TIG溶接装置5は、制御装置7とシールドガス供給装置11とから構成される。通常のTIG溶接では溶接金属2にデントライト組織3を有する金属組織が形成されることとなる。ここで、本実施例においては、デントライト方向を不均一にするために、TIG溶接装置5には磁気攪拌装置6が取り付けられている。磁気攪拌装置6は溶融金属2を攪拌することによりデントライト方向を不均一にするものであり、TIG溶接装置5の先端部に取り付けられる。
【0013】
次に、磁気攪拌装置6を備えたTIG溶接装置5による原子力発電プラント構造材の溶接方法について説明する。具体的な溶接手順としては、まず、溶接しようとするニッケル基合金の板に開先をとり、裏当て金を取付け、TIG溶接装置を用いて溶接する。図1に示すように溶接部の初層から3/4程度まで通常のTIG溶接により溶接金属2を溶接し、その後、最終層までを磁気攪拌装置6を備えたTIG溶接装置5により溶接する。
【0014】
以下に、磁気攪拌装置6を備えたTIG溶接装置5による溶接について説明する。磁気攪拌装置6を備えたTIG溶接装置5が溶接構造物1上部に設置される。TIG溶接装置5が溶接を開始すると、溶接ワイヤーが供給される。これと同時に、磁気攪拌装置制御装置8により磁気攪拌装置6が同期して制御される。
【0015】
TIG溶接では、TIG溶接装置5の電極と溶接構造物1との間でパルス状の放電が開始され、電極と溶接構造物1との間に電場9が発生する。ここで、TIG溶接装置5先端部近傍に取り付けられた磁気攪拌装置6により、溶接近傍に磁場10を発生させる。TIG溶接により発生した電場9と磁場10とが影響することにより、溶融金属2にローレンツ力13が発生し、溶融金属2をある一定方向に回転させることができる。図3は、溶融金属部でのローレンツ力の影響を示す模式図である。通常のTIG溶接では、先に溶接した溶接金属2表面上から金属結晶が成長し、デントライト組織3を形成することとなる。しかし、ローレンツ力13により溶融金属2が攪拌され、金属が冷却し凝固する過程において、溶融金属2表面上が磁気攪拌されるため、金属組織が不均一のままに凝固され、溶融金属2表面ではデントライト組織3の形成が抑制される。
【0016】
通常のTIG溶接を施工した溶接部に対して、磁気攪拌装置6により溶融金属2を磁気攪拌しながら、TIG溶接装置5を一定方向に移動させて溶接を行う。このようにして1パス目の溶接を実施する。同様にデントライト組織3を有した溶接金属2表面を覆うように2、3パス目の溶接を実施し、各層段階的に溶接金属2表面部にデントライト組織3を不均一化した金属組織を形成する。このようにして溶接を繰り返した後、最終層を形成して溶接を終了する。磁気攪拌装置6を用いた溶接により、溶接金属2部表面上はデントライト組織3が不均一化するため、凝固過程においてデントライト組織3が成長しにくく、細密化された金属結晶を最終層に形成することができる。尚、各層で攪拌程度を段階的に増加させることにより、段階的に柱状晶またはデントライト組織が不均一化した領域を形成するようにしてもよい。
【0017】
本実施例の溶接方法を適用した溶接構造物1は、溶接金属2表面上の金属組織がデントライト組織3を有していないため、耐応力腐食割れに優れており、き裂の発生及び進展を抑制することが可能な溶接構造物1とすることができる。
【実施例2】
【0018】
本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第2の実施例を図4,5を用いて説明する。本実施例は、溶融金属2の表面にレーザーをパルス状に照射して熱及び衝撃を加えることにより、柱状晶またはデントライト方向を不均一化させるものである。
【0019】
まず、本実施例の原子力発電プラント構造材の溶接方法に用いる溶接装置について説明する。図4は、本実施例で適用するレーザー照射装置14を備えたTIG溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示している。本実施例で適用するレーザー照射装置14を備えたTIG溶接装置は、溶融金属2の表面に熱及び衝撃を加えるためのレーザー溶接装置14及びTIG溶接装置から構成される。通常のTIG溶接では溶接金属2にデントライト組織3を有する金属組織が形成されることとなる。ここで、本実施例においては、デントライト方向を不均一にするために、TIG溶接装置5にはレーザー照射装置14が取り付けられている。レーザー照射装置14は溶融金属2の表面に熱及び衝撃を加えることによりデントライト方向を不均一にするものであり、TIG溶接装置5の先端部に取り付けられる。
【0020】
次に、レーザー照射装置14を備えたTIG溶接装置5による原子力発電プラント構造材の溶接方法について説明する。具体的な溶接手順としては、まず、実施例1と同様に溶接部の初層から3/4程度まで通常のTIG溶接により溶接金属2を溶接する。その後、最終層までをレーザー照射装置14を備えたTIG溶接装置5により溶接する。
【0021】
以下に、レーザー照射装置14を備えたTIG溶接装置5による溶接について説明する。レーザー照射装置14を備えたTIG溶接装置5が溶接構造物1上部に設置される。次に、TIG溶接装置5が溶接を開始すると、溶接ワイヤーが供給される。
【0022】
レーザー発振器15より光ファイバーでTIG溶接部先端に導かれたレーザー光16は、パルス状に溶融金属2の表面に照射される。TIG溶接により溶接ワイヤーを溶かすことにより溶融金属2が形成されるが、溶融金属2にレーザー光16をパルス状に照射することにより、溶融金属2の表面に断続的に熱及び衝撃を加えることで、溶融金属2が凝固する過程での金属組織の粗大化が妨げられ、デントライト組織3が形成されにくくなる。図5は、溶融金属部でのパルス状レーザー光による表面改質の様子を示す模式図である。尚、溶融金属2に効果的に熱及び衝撃を加えることがでるよう、複数のレーザー光16を溶融金属2の表面に照射したり、レーザー光16の照射角度を溶接表面に対して斜めに設定しても良い。
【0023】
通常のTIG溶接を施工した溶接部に対して、レーザー照射装置14により溶融金属2表面にレーザー照射しながら、TIG溶接装置5を一定方向に移動させて溶接を行う。このようにして1パス目の溶接を実施する。同様にデントライト組織3を有した溶接金属2表面を覆うように2、3パス目の溶接を実施し、各層段階的に溶接金属2表面部にデントライト組織3を不均一化した金属組織を形成する。このようにして溶接を繰り返した後、最終層を形成して溶接を終了する。レーザー照射装置14を用いた溶接により、溶接金属部表面上はデントライト組織3が不均一化するため、凝固過程においてデントライト組織3が成長しにくく、細密化された金属結晶が最終層に形成することができる。
【0024】
本実施例の溶接方法を適用した溶接構造物1は、溶接金属2表面上の金属組織がデントライト組織3を有していないため、耐応力腐食割れに優れており、き裂の発生及び進展を抑制することが可能な溶接構造物1とすることができる。
【実施例3】
【0025】
本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第3の実施例を図6,7を用いて説明する。本実施例は、沸騰水型原子炉の炉内構造物である炉心シュラウド21を支持するシュラウドサポートの取り付けの際に本発明を適用するものである。図6は、原子炉圧力容器18の炉底部の概略縦断面図である。シュラウドサポートは、原子炉圧力容器18に垂直に取り付けられたシュラウドサポートレグ19の上にシュラウドサポートリング20が取り付けられ、シュラウドサポートリング20の上に炉心シュラウド21が取り付けられた構造をしている。本実施例では、デントライト組織3を有するニッケル基合金を使用したシュラウドサポートリング20とシュラウドサポートレグ19の溶接部の施工について述べる。図7は、シュラウドサポートリング20,シュラウドサポートレグ19,及びシュラウドサポートリング20とシュラウドサポートレグ19との溶接部について示している。
【0026】
原子炉圧力容器18に溶接されているシュラウドサポートレグ19の上にシュラウドサポートリング20が設置される。シュラウドサポートレグ19上端は予め両側開先加工が施されている。シュラウドサポートレグ19先端の両側を、TIG溶接装置5を用いて溶接する。残留応力低減のために内外側を交互に溶接し、実施例1,2と同様に溶接部の3/4程度を溶接する。次にTIG溶接装置5先端に磁気攪拌装置6を取り付け、溶接部表面上にTIG溶接装置5を設置する。TIG溶接装置5が溶接を開始すると溶接ワイヤーが供給される。TIG溶接装置5先端近傍に取り付けられた磁気攪拌装置6により、溶接近傍に磁場10が発生する。そして、TIG溶接により発生した電場9と磁場10とが影響することにより、溶融金属2にローレンツ力13が発生し、溶融金属2が攪拌される。金属が冷却し凝固する過程において、溶融金属2表面上は磁気攪拌されるため、金属組織が不均一のままに凝固され、デントライト組織3が形成されにくくなる。磁気攪拌しながら、TIG溶接装置5を一定方向に移動させて、シュラウドサポートレグ19の両側を最終パスまで溶接する。磁気攪拌装置6を用いて溶接される溶接部は、段階的にデントライト組織3が不均一化される。最終溶接金属表面部には、デントライト組織3が不均一化された細密な金属組織が形成される。
【0027】
本実施例においては、シュラウドサポートレグ19及びシュラウドサポートリング20の溶接部に関し、溶接金属2表面上の金属組織のデントライト組織3を不均一化させて、耐応力腐食割れに優れた溶接構造物1とすることができる。
【実施例4】
【0028】
本発明に係る原子力発電プラント構造材の溶接方法の第4の実施例を図8を用いて説明する。本実施例は、沸騰水型原子炉の炉内構造物である制御棒駆動機構ハウジングに対する予防保全工法として本発明を適用するものである。
【0029】
原子炉は、一般的に経年劣化により応力腐食割れ等が顕在化する場合があり、特に圧力バウンダリを形成する制御棒駆動機構ハウジング22(以下「CRD.H」という。)等の溶接部に対しては、予防保全工法、補修工法が重要となる。図8は、CRD.H22と原子炉圧力容器との接続部を示す図である。図6に示すように、原子力圧力容器18の下鏡には多数のCRD.H22が溶接されており、その溶接部にはニッケル基合金が使用されている。
【0030】
まず、ウエルまで満水にした後、原子炉圧力容器18の上蓋を外し、原子炉内の蒸気発生器、汽水分離器及び燃料を全て撤去し、さらに、制御棒、制御棒案内管等を撤去する。炉内を化学除染した後、原子炉圧力容器18上部まで炉水を取り除く。その後、原子炉圧力容器18とCRD.H22との溶接表面部を放電加工するために、CRD.H22上に放電加工装置を設置、固定する。水中での放電加工により、溶接部表面にある柱状晶またはデントライト組織3を削除した後、放電加工装置を引き上げる。原子炉圧力容器18内の炉水を全て取り除き、CRD.H22上に磁気攪拌装置6を備えたTIG溶接装置5本体を設置、固定する。監視カメラを確認しながら、TIG溶接装置5をセッティングし、磁気攪拌しながら肉盛溶接を実施する。肉盛り溶接を実施した後、TIG溶接装置5を撤去し、再度、放電加工装置を設置、固定する。その後、炉水を炉心支持板下まで注水して、放電加工により、溶接部の成型処理を行う。成型処理後、放電加工装置を引き上げ、ウエルまで炉水を注水する。撤去した炉内構造物、燃料等を撤去と逆の手順で炉内に取り付け、さらに、原子炉圧力容器上蓋を取り付ける。尚、溶接部表面の残留応力低減のため、放電加工による成型処理後に、ウォータージェットピーニング等により、溶接部表面に圧縮応力を形成させてもよい。
【0031】
本実施例においては、シュラウドサポートレグ19及びシュラウドサポートリング20の溶接部に関し、溶接金属2表面上の金属組織のデントライト組織3を不均一化させて、耐応力腐食割れに優れた溶接構造物1とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】柱状晶またはデントライト組織に対する溶接構造物の表面改質方法を示す図。
【図2】磁気攪拌装置を備えたTIG溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示す図。
【図3】溶融金属部でのローレンツ力の影響を示す図。
【図4】レーザー照射装置を備えたTIG溶接装置及びこの溶接装置を用いた溶接方法を示す図。
【図5】溶融金属部でのパルス状レーザー光による表面改質の様子を示す模式図。
【図6】原子炉圧力容器の炉底部の概略縦断面図。
【図7】シュラウドサポートレグとシュラウドサポートリングとの溶接部を示す図。
【図8】制御棒駆動機構ハウジングと原子炉圧力容器との溶接部を示す図。
【符号の説明】
【0033】
1…溶接構造物、2…溶融金属部、3…柱状晶またはデントライト組織、4…柱状晶またはデントライト組織を不均一化した組織、5…TIG溶接装置、6…磁気攪拌装置、7…TIG溶接装置の制御装置、8…磁気攪拌装置の制御装置、9…TIG溶接装置による電場、10…磁気攪拌装置による磁場、11…シールドガス供給装置、12…溶融金属、13…ローレンツ力、14…レーザー照射装置、15…レーザー発振器、16…レーザー光、17…パルス状レーザー光による熱及び衝撃、18…原子炉圧力容器、19…シュラウドサポートレグ、20…シュラウドサポートリング、21…炉心シュラウド、22…制御棒駆動機構ハウジング。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接方法であって、溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように前記原子炉構造材を溶接することを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
【請求項2】
請求項1に記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記原子炉構造材を溶接する手段はTIG溶接であり、前記TIG溶接により生じた溶融金属に磁場を付与してローレンツ力を与えることにより、前記溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
【請求項3】
請求項2に記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記溶融金属に磁場を付与する手段は磁気攪拌装置であることを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
【請求項4】
請求項1に記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記溶接部に対してレーザーをパルス状に照射することにより、前記溶接部の柱状晶またはデントライト方向を不均一とすることを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
【請求項5】
請求項1乃至4の何れかに記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、初層から板厚の3/4までは溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向を不均一とさせずに溶接し、その後、最終層までは溶接部に形成される柱状晶またはデントライト方向が不均一となるように溶接することを特徴とする原子力発電プラント構造材の溶接方法。
【請求項6】
請求項1乃至5の何れかに記載の原子力発電プラント構造材の溶接方法において、前記原子力発電プラントの構造材は、ステンレス鋼またはニッケル基合金であることを特徴等する原子力発電プラント構造材の溶接方法。
【請求項7】
原子力発電プラント構造材である金属部材の溶接部に形成された柱状晶またはデントライト組織を除去し、
請求項1乃至6の何れかに記載の溶接方法により前記除去後の溶接部を溶接し、
その後、前記溶接部を成型処理することを特徴とする原子力発電プラント構造材の予防保全方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2008−55461(P2008−55461A)
【公開日】平成20年3月13日(2008.3.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−234841(P2006−234841)
【出願日】平成18年8月31日(2006.8.31)
【出願人】(507250427)日立GEニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Fターム(参考)】