非破壊検査用標準供試体及びその製造方法
【課題】管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体を提供する。
【解決手段】管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体１０であって、炭素鋼で形成され、貫通孔１５を有する供試体本体１２と、貫通孔１５に挿入され、ＣｒーＭｏ鋼で形成された管体１４とを備え、管体１４の外周面と、供試体本体１２における貫通孔１５の内周面との間に隙間１７が設けられ、管体１４の長手方向における一端側の外周面と、供試体本体１２の貫通孔の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接した溶接部１８を有し、溶接部１８は、隙間１７に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、応力腐食割れにより導入された亀裂状欠陥を有している。
【解決手段】管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体１０であって、炭素鋼で形成され、貫通孔１５を有する供試体本体１２と、貫通孔１５に挿入され、ＣｒーＭｏ鋼で形成された管体１４とを備え、管体１４の外周面と、供試体本体１２における貫通孔１５の内周面との間に隙間１７が設けられ、管体１４の長手方向における一端側の外周面と、供試体本体１２の貫通孔の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接した溶接部１８を有し、溶接部１８は、隙間１７に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、応力腐食割れにより導入された亀裂状欠陥を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊検査用標準供試体及びその製造方法に係り、特に、化学プラント用チューブリアクタ等の管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学プラント用チューブリアクタや加圧水型原子炉(Pressurized Water Reactor ,PWR)用蒸気発生器等では、反応媒体や高温水等が通る多数の管体が管板に溶接固定されている。これらの多数の管体は、管板に設けられた穴に各々挿通されており、管端が管板と全周に亘って溶接されてシールされている。
【０００３】
管端と管板との溶接された部分である管端溶接部に生じたブローホールや介在物等の欠陥を検査するために、放射性透過試験等の非破壊検査が行われている。特許文献１には、熱交換器、多管式反応器などにおいて、管体と、この管体を支持する管板との溶接状態や溶接欠陥の有無を検査するための放射線透過試験方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８０６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、放射線透過試験等の非破壊検査では、ブローホールや介在物のように体積の大きい欠陥は、比較的検出されやすいが、溶接割れや応力腐食割れ等の亀裂状欠陥は亀裂容積が小さいため検出され難い。そのため、従来の非破壊検査方法では、亀裂状欠陥の大きさ等を特定するのが難しいという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、管端溶接部に発生した亀裂状欠陥をより精度良く非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非破壊検査用標準供試体は、管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体であって、炭素鋼で形成され、貫通孔を有する供試体本体と、前記貫通孔に挿入され、ＣｒーＭｏ鋼で形成された管体と、を備え、前記管体の外周面と、前記供試体本体における貫通孔の内周面との間に隙間が設けられ、前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記供試体本体の貫通孔の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接した溶接部を有し、前記溶接部は、前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、応力腐食割れにより導入された亀裂状欠陥を有していることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る非破壊検査用標準供試体の製造方法は、管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体の製造方法であって、貫通孔を有する供試体本体を炭素鋼で形成し、管体をＣｒーＭｏ鋼で形成する工程と、前記管体を前記貫通孔に挿入し、前記管体の外周面と前記貫通孔の内周面との間に隙間を設けて前記管体を位置決めする工程と、前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記貫通孔の一端側の内周面との間を全周に亘って溶接し、予備供試体を形成する工程と、前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、前記予備供試体を２５０℃に加熱して、前記予備供試体の溶接部に応力腐食割れによる亀裂状欠陥を導入する工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る非破壊検査用標準供試体の製造方法において、前記亀裂状欠陥を導入する工程は、前記予備供試体を金属製容器に入れ、前記予備供試体と前記金属製容器との間の空間及び前記管体の管内に、重量比で５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した熱媒体が注入されて前記予備供試体が加熱されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、管体と供試体本体の貫通孔との間の隙間に、重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、管体と供試体本体との溶接部に応力腐食割れによる亀裂状欠陥を人工的に導入した非破壊検査用標準供試体を製造できるので、化学プラント用チューブリアクタ等の実機における管端溶接部の非破壊検査結果と、非破壊検査用標準供試体の非破壊検査結果と比較することにより実機の管端溶接部に発生した亀裂状欠陥をより精度良く特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態において、非破壊検査用標準供試体の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態において、非破壊検査用標準供試体の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態において、非破壊検査用標準供試体における製造工程のフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態において、供試体本体の貫通孔に管体を挿入して位置決めした状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態において、予備供試体の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態において、亀裂状欠陥の導入方法を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態において、予備供試体を金属製容器に入れて腐食液と熱媒体とを注入した状態を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態において、溶接継手の製作方法を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態において、溶接後の冷却条件を変えた各試験片の各部位における表面の硬度分布を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態において、曲げ治具の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態において、応力腐食割れ試験の結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態において、応力腐食割れが発生した試験片の外観写真である。
【図１３】本発明の実施の形態において、図１２の応力腐食割れの部位の表面を拡大した写真である。
【図１４】本発明の実施の形態において、図１２の応力腐食割れの部位の断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、非破壊検査用標準供試体１０の構成を示す斜視図である。図２は、非破壊検査用標準供試体１０の構成を示す断面図であり、図２（ａ）は、非破壊検査用標準供試体１０の全体構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は、非破壊検査用標準供試体１０の溶接部を拡大した断面図である。
【００１３】
非破壊検査用標準供試体１０は、加圧水型原子炉用蒸気発生器、熱交換器または化学プラント用チューブリアクタ等の実機における管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するために標準供試体として使用される。非破壊検査用標準供試体１０は、供試体本体１２と、管体１４とを備えている。
【００１４】
供試体本体１２は、矩形状等に炭素鋼で形成されている。供試体本体１２には、一端面から他端面まで貫通する貫通孔１５が形成されている。貫通孔１５は、その長手方向に対して直交する方向の断面が円形状に形成されている。
【００１５】
管体１４は、円筒状等にＣｒーＭｏ鋼（クロム−モリブデン鋼）で形成されている。管体１４は、供試体本体１２の貫通孔１５に貫通孔１５と軸心を揃えて挿入されている。
【００１６】
管体１４は、放射方向外方へ突出した突出部１６を有している。管体１４は、突出部１６を貫通孔１５の内周面に当接させることにより供試体本体１２に位置決めされている。突出部１６は、周方向の２箇所に設けられている。突出部１６は、管体１４の周方向の同一円周上に対向させるようにして設けられていることが好ましい。突出部１６は、管体１４の周方向に３箇所以上設けてもよい。突出部１６が貫通孔１５の内周面と当接しているので、管体１４は、突出部１６と貫通孔１５の内周面との摩擦により位置ズレが抑えられている。
【００１７】
管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間には、隙間１７が設けられている。隙間１７は、周方向に同じ幅で設けられることが好ましい。隙間１７は、後述する腐食液２７を注入可能な幅で設けられている。隙間１７の幅（管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の間隔）は、例えば、０．２ｍｍから０．５ｍｍである。
【００１８】
管体１４は、その長手方向の一端が供試体本体１２と溶接されて固定されている。溶接部１８は、管体１４の長手方向における一端側の外周面と、供試体本体１２の貫通孔１５の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接シールして形成されている。
【００１９】
溶接部１８は、溶接により肉盛された肉盛部１９と、肉盛部１９と管体１４との接続部位と、肉盛部１９と供試体本体１２との接続部位とを含んでおり、肉盛部１９だけでなく、肉盛部１９の近傍のように溶接により熱影響を受ける領域も含んでいる。また、溶接シールすることにより、隙間１７に後述する腐食液２７を注入しても溶接部１８から腐食液２７が漏れないようにされている。
【００２０】
溶接部１８には、隙間１７に腐食液２７を注入して応力腐食割れにより導入した亀裂状欠陥２０が形成されている。亀裂状欠陥２０は、例えば、管体１４と肉盛部１９との接続領域に形成されている。亀裂状欠陥２０は、例えば、１００μｍから５００μｍの長さで形成されている。
【００２１】
次に、非破壊検査用標準供試体１０の製造方法について説明する。
【００２２】
図３は、非破壊検査用標準供試体１０における製造工程のフローチャートである。非破壊検査用標準供試体１０の製造工程は、供試体本体１２と管体１４とを準備する準備工程（Ｓ１０）と、管体１４を供試体本体１２に位置決めする位置決め工程（Ｓ１２）と、管体１４を供試体本体１２に溶接する溶接工程（Ｓ１４）と、溶接部１８に亀裂状欠陥２０を導入する亀裂状欠陥導入工程（Ｓ１６）と、を備えている。
【００２３】
準備工程（Ｓ１０）は、供試体本体１２と管体１４とを準備する工程である。供試体本体１２は、例えば、板厚１００ｍｍの炭素鋼の板材から、幅１００ｍｍ×長さ１００ｍｍのブロック状に切り出して形成される。炭素鋼には、例えば、溶接構造用圧延鋼材であるＳＭ４９０が用いられる。
【００２４】
供試体本体１２の一端面から一端面と対向する他端面までドリル等で穿孔して貫通孔１５が形成される。貫通孔１５は、管体１４を貫通孔１５に挿入したときに、貫通孔１５の内周面と管体１４の外周面との間に、例えば、０．２ｍｍから０．５ｍｍの隙間１７が設けられるように形成される。
【００２５】
管体１４は、チューブ状にＣｒーＭｏ鋼で形成される。ＣｒーＭｏ鋼には、例えば、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼が用いられる。管体１４にＣｒーＭｏ鋼を使用するのは、応力腐食割れ（ＳＣＣ）感受性が高いので応力腐食割れによる亀裂状欠陥を入れやすいからである。管体１４は、金属材料の一般的な塑性加工である押出し成形等で成形される。管体１４は、例えば、外径が２０ｍｍとなるように成形される。
【００２６】
位置決め工程（Ｓ１２）は、管体１４を供試体本体１２の貫通孔１５に挿入して位置決めする工程である。図４は、供試体本体１２の貫通孔１５に管体１４を挿入して位置決めした状態を示す図であり、図４（ａ）は、管体１４が供試体本体１２に位置決めされた状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は、管体１４が供試体本体１２に位置決めされた状態を示す上面図である。
【００２７】
管体１４は、突出部１６を貫通孔１５の内周面に当接させて位置決めされる。また、管体１４は、管体１４の長手方向の一端が供試体本体１２の下端と略同じ位置となるように位置決めされる。突出部１６は、後述する腐食液２７の流路を確保するために周方向の一部に設けられる。突出部１６は、例えば、管体１４の管内に金属加工治具を挿入し、管体１４を放射方向外方へ塑性変形させて形成される。突出部１６は、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７が周方向で略同じになるようにして形成される。
【００２８】
このように、管体１４は、突出部１６を貫通孔１５の内周面と当接させることにより、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間に腐食液２７が注入可能な隙間１７を設けて位置決めされる。また、突出部１６が貫通孔１５の内周面と当接しているので、摩擦により管体１４の位置ズレが抑えられている。
【００２９】
溶接工程（Ｓ１４）は、管体１４を供試体本体１２に溶接して予備供試体を形成する工程である。図５は、予備供試体２１の構成を示す断面図である。管体１４の長手方向における一端側の外周面と、貫通孔１５の一端側の内周面との間を全周に亘って溶接してシールし、予備供試体２１を形成する。溶接方法には、例えば、アーク溶接やＴＩＧ溶接等が用いられる。溶接棒には、炭素鋼等を用いることができる。また、管体１４がＣｒーＭｏ鋼で形成されているので、ＣｒーＭｏ鋼を溶融させるために、入熱を多くすると共に、溶接棒の供給を少なめにすることが好ましい。溶接は、例えば、２パス等で行われる。
【００３０】
溶接部１８の硬度は、ビッカース硬度でＨＶ４００より大きいことが好ましい。溶接部１８の硬度をＨＶ４００より大きくすることにより溶接部１８の残留応力がより大きくなるので、溶接部１８に残留応力を応力源とする応力腐食割れによる亀裂状欠陥２０を入れやすくなる。溶接部１８を更に硬化させるために、溶接前に供試体本体１２を十分に冷却しておくことが好ましい。例えば、溶接前に、予め供試体本体１２をドライアイスと液体窒素とを含む浴槽（バス）に浸漬等させて冷却しておけばよい。また、溶接直後に予備供試体２１を水冷して溶接部１８を硬化させてもよい。更に、溶接部１８の硬度がＨＶ４００以下である場合には、予備供試体２１を熱処理して焼きを入れることにより溶接部１８を硬化させてもよい。
【００３１】
亀裂状欠陥導入工程（Ｓ１６）は、予備供試体２１の溶接部１８に亀裂状欠陥２０を導入する工程である。亀裂状欠陥２０は、溶接部１８に応力腐食割れを生じさせて導入される。図６は、亀裂状欠陥２０の導入方法を示す模式図である。
【００３２】
金属製容器２４は、予備供試体２１を収容できる大きさで炭素鋼等で形成されている。金属製容器２４は、例えば、予備供試体２１を挿入可能な大きさの管材に底板を溶接し、応力除去焼鈍処理して成形される。金属製容器２４の外側には、リボンヒータ等からなるヒータ２６が設けられている。また、金属製容器２４には熱電対等の温度計測器（図示せず）が取り付けられており、制御装置（図示せず）によりヒータ２６を制御して金属製容器２４内の温度調節が可能にされている。また、予備供試体２１には、金属製容器２４への出し入れを容易に行うために供試体本体１２に吊り金具２２が取り付けられている。
【００３３】
次に、予備供試体２１を金属製容器２４内にセットする。そして、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７に腐食液２７を注入する。金属製容器２４と予備供試体２１との間の空間と、管体１４の管内とには、熱媒体２８を入れる。図７は、予備供試体２１を金属製容器２４に入れて腐食液２７と熱媒体２８とを注入した状態を示す断面図である。
【００３４】
腐食液２７には、重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液（溶融塩、融点は約２００℃）が用いられる。５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を２５０℃に加熱して所定時間保持することにより、溶接部１８に応力腐食割れを発生させることができる。５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７に注入するために、予め２００℃以上に加熱して溶融させてから注入される。
【００３５】
熱媒体２８には、重量比で５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液（溶融塩、融点は約１５０℃）が用いられる。５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、２５０℃で加熱されたとき溶接部１８に応力腐食割れを発生させることがない。また、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、熱伝導性に優れており、２５０℃に加熱しても蒸気圧が低く、大気圧下の開放系で加温ができるので取り扱いが容易である。５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、各試薬を固体状態で金属製容器２４に入れた後、ヒータ２６で１５０℃以上に加熱して溶融させてつくられる。
【００３６】
このように、５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液による腐食液２７と、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液による熱媒体２８とを組み合わせて用いることにより、予備供試体２１を２５０℃に加熱して溶接部１８に応力腐食割れによる亀裂状欠陥２０を導入することができる。応力腐食割れにより亀裂状欠陥２０を導入するための２５０℃での保持時間は、例えば、５００時間である。また、２５０℃での保持時間を調節することにより、亀裂状欠陥２０の大きさを変えることができる。亀裂状欠陥２０をより大きく形成するためには、２５０℃での保持時間をより長くすればよい。
【００３７】
次に、溶接部１８に亀裂状欠陥２０が導入されるまで予備供試体２１を２５０℃で保持した後、予備供試体２１が吊り金具２２で引き上げられて洗浄される。なお、必要に応じて管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７を、管体１４を放射方向外方に拡径（全厚拡管）して塞ぐようにしてもよい。以上により非破壊検査用標準供試体１０の製造が完了する。
【００３８】
次に、非破壊検査用標準供試体１０を用いた非破壊検査方法について説明する。非破壊検査方法には、放射線透過試験法、超音波探傷試験法等を使用することができる。まず、実機の管端溶接部の非破壊検査条件と同じ条件で非破壊検査用標準供試体１０について非破壊検査を行い、非破壊検査用標準供試体１０に導入された亀裂状欠陥２０の検査データを取得する。なお、亀裂状欠陥２０の大きさごとに検査データをデータベース化しておくとよい。
【００３９】
放射線透過試験の場合には、非破壊検査用標準供試体１０の溶接部１８に放射線を照射して、溶接部１８を透過した放射線でフィルムを感光させる。亀裂状欠陥２０の部分では透過放射線の強度が周囲より大きくなるのでフィルムが強く感光される。亀裂状欠陥２０の大きさごとに、感光されたフィルムからなる検査データを取得する。超音波探傷試験の場合には、非破壊検査用標準供試体１０の溶接部１８の表面から超音波を内部に伝搬させる。そして、亀裂状欠陥２０で反射された超音波を検出する。亀裂状欠陥２０の大きさごとに、亀裂状欠陥２０で反射された超音波から得られた検査データを取得する。
【００４０】
次に、実機の管端溶接部について放射線透過試験または超音波探傷試験を行い、管端溶接部の検査データを取得する。そして、実機の管端溶接部の検査データと、非破壊検査用標準供試体１０の亀裂状欠陥２０の検査データとを比較して、実機の管端溶接部の欠陥の大きさを定量的に評価する。このようにして、実機の管端溶接部における溶接割れや応力腐食割れ等の亀裂状欠陥を精度よく検出することができる。なお、放射線透過試験と超音波探傷試験について説明したが、他の非破壊検査試験方法についても上記と同様に行うことで亀裂状欠陥の検出精度が向上する。
【００４１】
また、非破壊検査用標準供試体１０は、化学プラント用チューブリアクタに主に使用されている炭素鋼製管板とＣｒ−Ｍｏ鋼製管体とを組み合わせた管端溶接部における溶接割れや応力腐食割れ等の非破壊検査だけでなく、その他の金属材料で形成された管板と管体とを組み合わせた管端溶接部の非破壊検査にも使用することができる。非破壊検査試験では、管板と管体との材質の影響よりも亀裂状欠陥による影響が大きいからである。
【００４２】
例えば、非破壊検査用標準供試体１０は、加圧水型原子炉用蒸気発生器に使用されているＮｉ基合金（Ａｌｌｏｙ５２）クラッド製管板とＮｉ基合金製（Ａｌｌｏｙ６９０）管体とを組み合わせた管端溶接部の非破壊検査にも使用することができる。なお、加圧水型原子炉用蒸気発生器に使用されている管端溶接部は全厚拡管されているので、非破壊検査用標準供試体１０の管体１４を全厚拡管して隙間１７を塞いだものを使用すればよい。
【００４３】
更に、非破壊検査用標準供試体１０によれば、重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液２７を注入して応力腐食割れにより亀裂状欠陥を人工的に導入していることから、溶接部に機械加工等で欠陥を入れるよりも実際の応力腐食割れと略同じ形態の亀裂状欠陥を模擬できるので、応力腐食割れ等による亀裂状欠陥の検出精度が向上する。
【実施例】
【００４４】
炭素鋼とＣｒ―Ｍｏ鋼との溶接部に対する応力腐食割れ特性について評価した。
【００４５】
まず、炭素鋼シート材と、Ｃｒ―Ｍｏ鋼シート材とを溶接して溶接継手の製作を行った。図８は、溶接継手３２の製作方法を示す図であり、図８（ａ）は、溶接継手３２の形状を示す図であり、図８（ｂ）は、溶接条件を示す図である。
【００４６】
溶接継手３２は、長さ１１５ｍｍ×幅１００ｍｍの矩形状とした。炭素鋼シート材３４には、溶接構造用圧延鋼材であるＳＭ４９０を用いた。Ｃｒ―Ｍｏ鋼シート材３６には、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼を用いた。そして、炭素鋼シート材３４とＣｒ―Ｍｏ鋼シート材３６とを突き合わせた部位３８をＴＩＧ溶接した。ＴＩＧ溶接棒として、ＴＧＳ−５０を使用した。電流値を６０（Ａ）から１００（Ａ）とし、アーク電圧を９（Ｖ）から１１（Ｖ）とした。
【００４７】
ＴＩＧ溶接後は、溶接部の硬度を変えるため冷却条件を変えて冷却した。第一の冷却条件では、溶接した後に空冷した。第二の冷却条件では、溶接直後に水槽に入れて水冷した。第三の冷却条件では、溶接後に空冷した後、９００℃で１５分間保持し、水槽に入れて水冷した。
【００４８】
次に、各溶接継手３２から試験片を切り出した。試験片の形状を、幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×板厚２ｍｍの矩形状とした。また、各試験片について、溶接部が試験片の幅方向の略中央で、且つ試験片の長手方向に沿って位置するように各溶接継手３２から切り出した。
【００４９】
溶接後の冷却条件を変えた各試験片の表面硬さをビッカース硬さ試験により測定した。図９は、溶接後の冷却条件を変えた各試験片の各部位における表面の硬度分布を示すグラフである。図９に示すグラフの横軸は、幅方向の試験片の位置を表しており、グラフの縦軸は、ビッカース硬度（ＨＶ）を表している。
【００５０】
第一の冷却条件（溶接後に空冷）の試験片では、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域で高い硬度が得られた。第二の冷却条件（溶接直後に水冷）の試験片では、肉盛部、及び肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域で硬度が高くなり、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域でＨＶ４００より大きい硬度が得られた。第三の冷却条件（溶接後に空冷した後、９００℃で１５分間保持して水冷）の試験片では、炭素鋼側からＣｒ−Ｍｏ鋼側まで、いずれも硬度が高くなり、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域ではＨＶ４００より大きい硬度が得られた。
【００５１】
このように、第二の冷却条件または第三の冷却条件で冷却することにより、第一の冷却条件で冷却するよりも溶接部での残留応力が大きくなり、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域で硬度がより高くなる結果が得られた。
【００５２】
次に、試験片を曲げ治具にセットして定ひずみ曲げを負荷した状態で応力腐食割れを評価した。
【００５３】
図１０は、曲げ治具の構成を示す断面図である。曲げ治具には、ＣＢＢ（Creviced Bent Beam）試験治具を使用した。試験片をＣＢＢ試験治具にセットすることにより、試験片には２％の曲げひずみが負荷される。
【００５４】
試験片をＣＢＢ試験治具にセットした状態で腐食候補液を入れた炭素鋼製容器に入れ、試験片を腐食候補液に浸漬した。腐食候補液には、ＮａＮＯ２試薬（昭和化学株式会社製、亜硝酸ナトリウム、コード番号１９５０−４２６０）、ＮａＮＯ３試薬（昭和化学株式会社製、硝酸ナトリウム、コード番号１９４９−８２８９）、ＫＮＯ３試薬（昭和化学株式会社製、硝酸カリウム、コード番号１６４２−４２８０）を所定の混合比で混合した混合液（溶融塩）を使用した。なお、各試薬には、１級試薬を使用した。また、炭素鋼製容器の加熱温度を１５０℃から５５０℃とし、浸漬時間を５００時間とした。そして、５００時間浸漬後に、炭素鋼製容器からＣＢＢ試験治具を取り出して試験片を観察した。
【００５５】
図１１は、応力腐食割れ試験の結果を示すグラフである。図１１に示すグラフの横軸は、ＮａＮＯ２試薬とＮａＮＯ３試薬とＫＮＯ３、試薬との合計に対するＮａＮＯ２試薬の重量比での割合を表しており、グラフの縦軸は、加熱温度を表している。また、白丸のデータは、応力腐食割れが発生しなかったものを示しており、黒菱形（大）のデータと黒菱形（小）のデータとは、応力腐食割れが発生したものを示している。
【００５６】
また、白丸のデータと黒菱形（大）のデータとは、第一の冷却条件（溶接後に空冷）の試験片についての試験結果であり、黒菱形（小）のデータは、第二の冷却条件（溶接直後に水冷）及び第三の冷却条件（溶接後に空冷した後、９００℃で１５分間保持して水冷）の試験片（溶接部を更に硬化させたもの）についての試験結果を示している。
【００５７】
図１１のグラフから明らかなように、ＮａＮＯ２試薬を含まず、ＮａＮＯ３試薬及びＫＮＯ３、試薬を混合した混合液の場合には、加熱温度２５０℃で応力腐食割れが発生した。また、溶接部を更に硬化させた場合には、ＮａＮＯ２試薬を含まず、ＮａＮＯ３試薬及びＫＮＯ３、試薬を混合した混合液の場合だけでなく、５％のＮａＮＯ２試薬を含んでいる混合液でも加熱温度２５０℃で応力腐食割れが発生した。なお、その他については、応力腐食割れの発生が認められなかった。
【００５８】
表１は、図１１のグラフのデータの一部をまとめた表である。５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いて２５０℃で加熱したものは、溶接部のＣｒ−Ｍｏ鋼側で応力腐食割れが発生した。また、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いた場合には、加熱温度２００℃から３００℃の場合にも応力腐食割れが発生しなかった。
【表１】
【００５９】
図１２は、応力腐食割れが発生した試験片の外観写真である。図１３は、図１２の応力腐食割れの部位の表面を拡大した写真である。図１４は、図１２の応力腐食割れの部位の断面写真である。このように、５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いて２５０℃で加熱したものは、Ｃｒ−Ｍｏ鋼粗粒の溶接熱影響部（ＨＡＺ）に粒界応力腐食割れによる亀裂状欠陥が発生した。
【００６０】
以上の評価試験結果から、応力腐食割れを発生させる腐食液２７として５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いることにより、溶接部１８に亀裂状欠陥２０を導入することが可能になる。また、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いた場合には、応力腐食割れを生じないので熱媒体２８として使用することができる。
【００６１】
次に、非破壊検査用標準供試体１０の製造を行った。
【００６２】
炭素鋼ＳＭ４９０で形成された板厚１００ｍｍの板材から、幅１００ｍｍ×長さ１００ｍｍで切り出し炭素鋼製ブロック（供試体本体１２）を作製した。炭素鋼製ブロックの略中央をドリルで穿孔して、内径２１ｍｍの貫通孔を形成した。２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼でＣｒ−Ｍｏ鋼製管体（管体１４）を押出し加工で成形した。Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の外径を２０ｍｍとし、長さを１５０ｍｍとした。
【００６３】
次に、炭素鋼製ブロックの貫通孔にＣｒ−Ｍｏ鋼製管体を挿入し、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の管内から加工治具を挿入して、周方向の一部を放射方向外方へ突出させて突出部を形成した。突出部は、周方向に間隔を空けて同一円周上に２箇所に設けた。そして、突出部を貫通孔の内周面に当接させて、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の位置決めを行った。また、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の外周面と貫通孔の内周面との間のルートギャップ（隙間１７）は０．２ｍｍとし、周方向でルートギャップが略等しくなるようにした。
【００６４】
次に、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の長手方向における一端側の外周面と、炭素鋼製ブロックの貫通孔の長手方向における一端側の内周面とをＴＩＧ溶接して周方向に亘ってシールしてモックアップ（予備供試体２１）を形成した。溶接棒には、ＴＧＳ―５０を使用した。なお、溶接条件は、図８（ｂ）に示す溶接条件と略同じ条件とした。
【００６５】
次に、モックアップを炭素鋼製容器に入れ、応力腐食割れによる亀裂状欠陥の導入を行った。炭素鋼製容器は、内径２００ｍｍの有底円筒状とした。そして、モックアップを炭素鋼製容器に入れてセットした。
【００６６】
炭素鋼製容器とモックアップとの間の空間と、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の管内とに重量比で５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合したものを入れた後、炭素鋼製容器を加熱して溶融させて熱媒体とした。次に、予め２００℃以上に加熱して溶融させた重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液からなる腐食液をＣｒ−Ｍｏ鋼製管体の外周面と貫通孔の内周面との間のルートギャップに注入した。そして、２５０℃で５００時間保持することにより、溶接部に亀裂状欠陥を導入して非破壊検査用標準供試体を製造した。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 非破壊検査用標準供試体、１２ 供試体本体、１４ 管体、１５ 貫通孔、１６ 突出部、１７ 隙間、１８ 溶接部、１９ 肉盛部、２０ 亀裂状欠陥、２１ 予備供試体、２２ 吊り金具、２４ 金属製容器、２６ ヒータ、２７ 腐食液、２８ 熱媒体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊検査用標準供試体及びその製造方法に係り、特に、化学プラント用チューブリアクタ等の管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学プラント用チューブリアクタや加圧水型原子炉(Pressurized Water Reactor ,PWR)用蒸気発生器等では、反応媒体や高温水等が通る多数の管体が管板に溶接固定されている。これらの多数の管体は、管板に設けられた穴に各々挿通されており、管端が管板と全周に亘って溶接されてシールされている。
【０００３】
管端と管板との溶接された部分である管端溶接部に生じたブローホールや介在物等の欠陥を検査するために、放射性透過試験等の非破壊検査が行われている。特許文献１には、熱交換器、多管式反応器などにおいて、管体と、この管体を支持する管板との溶接状態や溶接欠陥の有無を検査するための放射線透過試験方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８０６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、放射線透過試験等の非破壊検査では、ブローホールや介在物のように体積の大きい欠陥は、比較的検出されやすいが、溶接割れや応力腐食割れ等の亀裂状欠陥は亀裂容積が小さいため検出され難い。そのため、従来の非破壊検査方法では、亀裂状欠陥の大きさ等を特定するのが難しいという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、管端溶接部に発生した亀裂状欠陥をより精度良く非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非破壊検査用標準供試体は、管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体であって、炭素鋼で形成され、貫通孔を有する供試体本体と、前記貫通孔に挿入され、ＣｒーＭｏ鋼で形成された管体と、を備え、前記管体の外周面と、前記供試体本体における貫通孔の内周面との間に隙間が設けられ、前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記供試体本体の貫通孔の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接した溶接部を有し、前記溶接部は、前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、応力腐食割れにより導入された亀裂状欠陥を有していることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る非破壊検査用標準供試体の製造方法は、管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体の製造方法であって、貫通孔を有する供試体本体を炭素鋼で形成し、管体をＣｒーＭｏ鋼で形成する工程と、前記管体を前記貫通孔に挿入し、前記管体の外周面と前記貫通孔の内周面との間に隙間を設けて前記管体を位置決めする工程と、前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記貫通孔の一端側の内周面との間を全周に亘って溶接し、予備供試体を形成する工程と、前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、前記予備供試体を２５０℃に加熱して、前記予備供試体の溶接部に応力腐食割れによる亀裂状欠陥を導入する工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る非破壊検査用標準供試体の製造方法において、前記亀裂状欠陥を導入する工程は、前記予備供試体を金属製容器に入れ、前記予備供試体と前記金属製容器との間の空間及び前記管体の管内に、重量比で５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した熱媒体が注入されて前記予備供試体が加熱されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、管体と供試体本体の貫通孔との間の隙間に、重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、管体と供試体本体との溶接部に応力腐食割れによる亀裂状欠陥を人工的に導入した非破壊検査用標準供試体を製造できるので、化学プラント用チューブリアクタ等の実機における管端溶接部の非破壊検査結果と、非破壊検査用標準供試体の非破壊検査結果と比較することにより実機の管端溶接部に発生した亀裂状欠陥をより精度良く特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態において、非破壊検査用標準供試体の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態において、非破壊検査用標準供試体の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態において、非破壊検査用標準供試体における製造工程のフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態において、供試体本体の貫通孔に管体を挿入して位置決めした状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態において、予備供試体の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態において、亀裂状欠陥の導入方法を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態において、予備供試体を金属製容器に入れて腐食液と熱媒体とを注入した状態を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態において、溶接継手の製作方法を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態において、溶接後の冷却条件を変えた各試験片の各部位における表面の硬度分布を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態において、曲げ治具の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態において、応力腐食割れ試験の結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態において、応力腐食割れが発生した試験片の外観写真である。
【図１３】本発明の実施の形態において、図１２の応力腐食割れの部位の表面を拡大した写真である。
【図１４】本発明の実施の形態において、図１２の応力腐食割れの部位の断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、非破壊検査用標準供試体１０の構成を示す斜視図である。図２は、非破壊検査用標準供試体１０の構成を示す断面図であり、図２（ａ）は、非破壊検査用標準供試体１０の全体構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は、非破壊検査用標準供試体１０の溶接部を拡大した断面図である。
【００１３】
非破壊検査用標準供試体１０は、加圧水型原子炉用蒸気発生器、熱交換器または化学プラント用チューブリアクタ等の実機における管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するために標準供試体として使用される。非破壊検査用標準供試体１０は、供試体本体１２と、管体１４とを備えている。
【００１４】
供試体本体１２は、矩形状等に炭素鋼で形成されている。供試体本体１２には、一端面から他端面まで貫通する貫通孔１５が形成されている。貫通孔１５は、その長手方向に対して直交する方向の断面が円形状に形成されている。
【００１５】
管体１４は、円筒状等にＣｒーＭｏ鋼（クロム−モリブデン鋼）で形成されている。管体１４は、供試体本体１２の貫通孔１５に貫通孔１５と軸心を揃えて挿入されている。
【００１６】
管体１４は、放射方向外方へ突出した突出部１６を有している。管体１４は、突出部１６を貫通孔１５の内周面に当接させることにより供試体本体１２に位置決めされている。突出部１６は、周方向の２箇所に設けられている。突出部１６は、管体１４の周方向の同一円周上に対向させるようにして設けられていることが好ましい。突出部１６は、管体１４の周方向に３箇所以上設けてもよい。突出部１６が貫通孔１５の内周面と当接しているので、管体１４は、突出部１６と貫通孔１５の内周面との摩擦により位置ズレが抑えられている。
【００１７】
管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間には、隙間１７が設けられている。隙間１７は、周方向に同じ幅で設けられることが好ましい。隙間１７は、後述する腐食液２７を注入可能な幅で設けられている。隙間１７の幅（管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の間隔）は、例えば、０．２ｍｍから０．５ｍｍである。
【００１８】
管体１４は、その長手方向の一端が供試体本体１２と溶接されて固定されている。溶接部１８は、管体１４の長手方向における一端側の外周面と、供試体本体１２の貫通孔１５の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接シールして形成されている。
【００１９】
溶接部１８は、溶接により肉盛された肉盛部１９と、肉盛部１９と管体１４との接続部位と、肉盛部１９と供試体本体１２との接続部位とを含んでおり、肉盛部１９だけでなく、肉盛部１９の近傍のように溶接により熱影響を受ける領域も含んでいる。また、溶接シールすることにより、隙間１７に後述する腐食液２７を注入しても溶接部１８から腐食液２７が漏れないようにされている。
【００２０】
溶接部１８には、隙間１７に腐食液２７を注入して応力腐食割れにより導入した亀裂状欠陥２０が形成されている。亀裂状欠陥２０は、例えば、管体１４と肉盛部１９との接続領域に形成されている。亀裂状欠陥２０は、例えば、１００μｍから５００μｍの長さで形成されている。
【００２１】
次に、非破壊検査用標準供試体１０の製造方法について説明する。
【００２２】
図３は、非破壊検査用標準供試体１０における製造工程のフローチャートである。非破壊検査用標準供試体１０の製造工程は、供試体本体１２と管体１４とを準備する準備工程（Ｓ１０）と、管体１４を供試体本体１２に位置決めする位置決め工程（Ｓ１２）と、管体１４を供試体本体１２に溶接する溶接工程（Ｓ１４）と、溶接部１８に亀裂状欠陥２０を導入する亀裂状欠陥導入工程（Ｓ１６）と、を備えている。
【００２３】
準備工程（Ｓ１０）は、供試体本体１２と管体１４とを準備する工程である。供試体本体１２は、例えば、板厚１００ｍｍの炭素鋼の板材から、幅１００ｍｍ×長さ１００ｍｍのブロック状に切り出して形成される。炭素鋼には、例えば、溶接構造用圧延鋼材であるＳＭ４９０が用いられる。
【００２４】
供試体本体１２の一端面から一端面と対向する他端面までドリル等で穿孔して貫通孔１５が形成される。貫通孔１５は、管体１４を貫通孔１５に挿入したときに、貫通孔１５の内周面と管体１４の外周面との間に、例えば、０．２ｍｍから０．５ｍｍの隙間１７が設けられるように形成される。
【００２５】
管体１４は、チューブ状にＣｒーＭｏ鋼で形成される。ＣｒーＭｏ鋼には、例えば、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼が用いられる。管体１４にＣｒーＭｏ鋼を使用するのは、応力腐食割れ（ＳＣＣ）感受性が高いので応力腐食割れによる亀裂状欠陥を入れやすいからである。管体１４は、金属材料の一般的な塑性加工である押出し成形等で成形される。管体１４は、例えば、外径が２０ｍｍとなるように成形される。
【００２６】
位置決め工程（Ｓ１２）は、管体１４を供試体本体１２の貫通孔１５に挿入して位置決めする工程である。図４は、供試体本体１２の貫通孔１５に管体１４を挿入して位置決めした状態を示す図であり、図４（ａ）は、管体１４が供試体本体１２に位置決めされた状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は、管体１４が供試体本体１２に位置決めされた状態を示す上面図である。
【００２７】
管体１４は、突出部１６を貫通孔１５の内周面に当接させて位置決めされる。また、管体１４は、管体１４の長手方向の一端が供試体本体１２の下端と略同じ位置となるように位置決めされる。突出部１６は、後述する腐食液２７の流路を確保するために周方向の一部に設けられる。突出部１６は、例えば、管体１４の管内に金属加工治具を挿入し、管体１４を放射方向外方へ塑性変形させて形成される。突出部１６は、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７が周方向で略同じになるようにして形成される。
【００２８】
このように、管体１４は、突出部１６を貫通孔１５の内周面と当接させることにより、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間に腐食液２７が注入可能な隙間１７を設けて位置決めされる。また、突出部１６が貫通孔１５の内周面と当接しているので、摩擦により管体１４の位置ズレが抑えられている。
【００２９】
溶接工程（Ｓ１４）は、管体１４を供試体本体１２に溶接して予備供試体を形成する工程である。図５は、予備供試体２１の構成を示す断面図である。管体１４の長手方向における一端側の外周面と、貫通孔１５の一端側の内周面との間を全周に亘って溶接してシールし、予備供試体２１を形成する。溶接方法には、例えば、アーク溶接やＴＩＧ溶接等が用いられる。溶接棒には、炭素鋼等を用いることができる。また、管体１４がＣｒーＭｏ鋼で形成されているので、ＣｒーＭｏ鋼を溶融させるために、入熱を多くすると共に、溶接棒の供給を少なめにすることが好ましい。溶接は、例えば、２パス等で行われる。
【００３０】
溶接部１８の硬度は、ビッカース硬度でＨＶ４００より大きいことが好ましい。溶接部１８の硬度をＨＶ４００より大きくすることにより溶接部１８の残留応力がより大きくなるので、溶接部１８に残留応力を応力源とする応力腐食割れによる亀裂状欠陥２０を入れやすくなる。溶接部１８を更に硬化させるために、溶接前に供試体本体１２を十分に冷却しておくことが好ましい。例えば、溶接前に、予め供試体本体１２をドライアイスと液体窒素とを含む浴槽（バス）に浸漬等させて冷却しておけばよい。また、溶接直後に予備供試体２１を水冷して溶接部１８を硬化させてもよい。更に、溶接部１８の硬度がＨＶ４００以下である場合には、予備供試体２１を熱処理して焼きを入れることにより溶接部１８を硬化させてもよい。
【００３１】
亀裂状欠陥導入工程（Ｓ１６）は、予備供試体２１の溶接部１８に亀裂状欠陥２０を導入する工程である。亀裂状欠陥２０は、溶接部１８に応力腐食割れを生じさせて導入される。図６は、亀裂状欠陥２０の導入方法を示す模式図である。
【００３２】
金属製容器２４は、予備供試体２１を収容できる大きさで炭素鋼等で形成されている。金属製容器２４は、例えば、予備供試体２１を挿入可能な大きさの管材に底板を溶接し、応力除去焼鈍処理して成形される。金属製容器２４の外側には、リボンヒータ等からなるヒータ２６が設けられている。また、金属製容器２４には熱電対等の温度計測器（図示せず）が取り付けられており、制御装置（図示せず）によりヒータ２６を制御して金属製容器２４内の温度調節が可能にされている。また、予備供試体２１には、金属製容器２４への出し入れを容易に行うために供試体本体１２に吊り金具２２が取り付けられている。
【００３３】
次に、予備供試体２１を金属製容器２４内にセットする。そして、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７に腐食液２７を注入する。金属製容器２４と予備供試体２１との間の空間と、管体１４の管内とには、熱媒体２８を入れる。図７は、予備供試体２１を金属製容器２４に入れて腐食液２７と熱媒体２８とを注入した状態を示す断面図である。
【００３４】
腐食液２７には、重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液（溶融塩、融点は約２００℃）が用いられる。５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を２５０℃に加熱して所定時間保持することにより、溶接部１８に応力腐食割れを発生させることができる。５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７に注入するために、予め２００℃以上に加熱して溶融させてから注入される。
【００３５】
熱媒体２８には、重量比で５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液（溶融塩、融点は約１５０℃）が用いられる。５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、２５０℃で加熱されたとき溶接部１８に応力腐食割れを発生させることがない。また、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、熱伝導性に優れており、２５０℃に加熱しても蒸気圧が低く、大気圧下の開放系で加温ができるので取り扱いが容易である。５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液は、各試薬を固体状態で金属製容器２４に入れた後、ヒータ２６で１５０℃以上に加熱して溶融させてつくられる。
【００３６】
このように、５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液による腐食液２７と、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液による熱媒体２８とを組み合わせて用いることにより、予備供試体２１を２５０℃に加熱して溶接部１８に応力腐食割れによる亀裂状欠陥２０を導入することができる。応力腐食割れにより亀裂状欠陥２０を導入するための２５０℃での保持時間は、例えば、５００時間である。また、２５０℃での保持時間を調節することにより、亀裂状欠陥２０の大きさを変えることができる。亀裂状欠陥２０をより大きく形成するためには、２５０℃での保持時間をより長くすればよい。
【００３７】
次に、溶接部１８に亀裂状欠陥２０が導入されるまで予備供試体２１を２５０℃で保持した後、予備供試体２１が吊り金具２２で引き上げられて洗浄される。なお、必要に応じて管体１４の外周面と貫通孔１５の内周面との間の隙間１７を、管体１４を放射方向外方に拡径（全厚拡管）して塞ぐようにしてもよい。以上により非破壊検査用標準供試体１０の製造が完了する。
【００３８】
次に、非破壊検査用標準供試体１０を用いた非破壊検査方法について説明する。非破壊検査方法には、放射線透過試験法、超音波探傷試験法等を使用することができる。まず、実機の管端溶接部の非破壊検査条件と同じ条件で非破壊検査用標準供試体１０について非破壊検査を行い、非破壊検査用標準供試体１０に導入された亀裂状欠陥２０の検査データを取得する。なお、亀裂状欠陥２０の大きさごとに検査データをデータベース化しておくとよい。
【００３９】
放射線透過試験の場合には、非破壊検査用標準供試体１０の溶接部１８に放射線を照射して、溶接部１８を透過した放射線でフィルムを感光させる。亀裂状欠陥２０の部分では透過放射線の強度が周囲より大きくなるのでフィルムが強く感光される。亀裂状欠陥２０の大きさごとに、感光されたフィルムからなる検査データを取得する。超音波探傷試験の場合には、非破壊検査用標準供試体１０の溶接部１８の表面から超音波を内部に伝搬させる。そして、亀裂状欠陥２０で反射された超音波を検出する。亀裂状欠陥２０の大きさごとに、亀裂状欠陥２０で反射された超音波から得られた検査データを取得する。
【００４０】
次に、実機の管端溶接部について放射線透過試験または超音波探傷試験を行い、管端溶接部の検査データを取得する。そして、実機の管端溶接部の検査データと、非破壊検査用標準供試体１０の亀裂状欠陥２０の検査データとを比較して、実機の管端溶接部の欠陥の大きさを定量的に評価する。このようにして、実機の管端溶接部における溶接割れや応力腐食割れ等の亀裂状欠陥を精度よく検出することができる。なお、放射線透過試験と超音波探傷試験について説明したが、他の非破壊検査試験方法についても上記と同様に行うことで亀裂状欠陥の検出精度が向上する。
【００４１】
また、非破壊検査用標準供試体１０は、化学プラント用チューブリアクタに主に使用されている炭素鋼製管板とＣｒ−Ｍｏ鋼製管体とを組み合わせた管端溶接部における溶接割れや応力腐食割れ等の非破壊検査だけでなく、その他の金属材料で形成された管板と管体とを組み合わせた管端溶接部の非破壊検査にも使用することができる。非破壊検査試験では、管板と管体との材質の影響よりも亀裂状欠陥による影響が大きいからである。
【００４２】
例えば、非破壊検査用標準供試体１０は、加圧水型原子炉用蒸気発生器に使用されているＮｉ基合金（Ａｌｌｏｙ５２）クラッド製管板とＮｉ基合金製（Ａｌｌｏｙ６９０）管体とを組み合わせた管端溶接部の非破壊検査にも使用することができる。なお、加圧水型原子炉用蒸気発生器に使用されている管端溶接部は全厚拡管されているので、非破壊検査用標準供試体１０の管体１４を全厚拡管して隙間１７を塞いだものを使用すればよい。
【００４３】
更に、非破壊検査用標準供試体１０によれば、重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液２７を注入して応力腐食割れにより亀裂状欠陥を人工的に導入していることから、溶接部に機械加工等で欠陥を入れるよりも実際の応力腐食割れと略同じ形態の亀裂状欠陥を模擬できるので、応力腐食割れ等による亀裂状欠陥の検出精度が向上する。
【実施例】
【００４４】
炭素鋼とＣｒ―Ｍｏ鋼との溶接部に対する応力腐食割れ特性について評価した。
【００４５】
まず、炭素鋼シート材と、Ｃｒ―Ｍｏ鋼シート材とを溶接して溶接継手の製作を行った。図８は、溶接継手３２の製作方法を示す図であり、図８（ａ）は、溶接継手３２の形状を示す図であり、図８（ｂ）は、溶接条件を示す図である。
【００４６】
溶接継手３２は、長さ１１５ｍｍ×幅１００ｍｍの矩形状とした。炭素鋼シート材３４には、溶接構造用圧延鋼材であるＳＭ４９０を用いた。Ｃｒ―Ｍｏ鋼シート材３６には、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼を用いた。そして、炭素鋼シート材３４とＣｒ―Ｍｏ鋼シート材３６とを突き合わせた部位３８をＴＩＧ溶接した。ＴＩＧ溶接棒として、ＴＧＳ−５０を使用した。電流値を６０（Ａ）から１００（Ａ）とし、アーク電圧を９（Ｖ）から１１（Ｖ）とした。
【００４７】
ＴＩＧ溶接後は、溶接部の硬度を変えるため冷却条件を変えて冷却した。第一の冷却条件では、溶接した後に空冷した。第二の冷却条件では、溶接直後に水槽に入れて水冷した。第三の冷却条件では、溶接後に空冷した後、９００℃で１５分間保持し、水槽に入れて水冷した。
【００４８】
次に、各溶接継手３２から試験片を切り出した。試験片の形状を、幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×板厚２ｍｍの矩形状とした。また、各試験片について、溶接部が試験片の幅方向の略中央で、且つ試験片の長手方向に沿って位置するように各溶接継手３２から切り出した。
【００４９】
溶接後の冷却条件を変えた各試験片の表面硬さをビッカース硬さ試験により測定した。図９は、溶接後の冷却条件を変えた各試験片の各部位における表面の硬度分布を示すグラフである。図９に示すグラフの横軸は、幅方向の試験片の位置を表しており、グラフの縦軸は、ビッカース硬度（ＨＶ）を表している。
【００５０】
第一の冷却条件（溶接後に空冷）の試験片では、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域で高い硬度が得られた。第二の冷却条件（溶接直後に水冷）の試験片では、肉盛部、及び肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域で硬度が高くなり、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域でＨＶ４００より大きい硬度が得られた。第三の冷却条件（溶接後に空冷した後、９００℃で１５分間保持して水冷）の試験片では、炭素鋼側からＣｒ−Ｍｏ鋼側まで、いずれも硬度が高くなり、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域ではＨＶ４００より大きい硬度が得られた。
【００５１】
このように、第二の冷却条件または第三の冷却条件で冷却することにより、第一の冷却条件で冷却するよりも溶接部での残留応力が大きくなり、特に、肉盛部とＣｒ―Ｍｏ鋼との接続領域で硬度がより高くなる結果が得られた。
【００５２】
次に、試験片を曲げ治具にセットして定ひずみ曲げを負荷した状態で応力腐食割れを評価した。
【００５３】
図１０は、曲げ治具の構成を示す断面図である。曲げ治具には、ＣＢＢ（Creviced Bent Beam）試験治具を使用した。試験片をＣＢＢ試験治具にセットすることにより、試験片には２％の曲げひずみが負荷される。
【００５４】
試験片をＣＢＢ試験治具にセットした状態で腐食候補液を入れた炭素鋼製容器に入れ、試験片を腐食候補液に浸漬した。腐食候補液には、ＮａＮＯ２試薬（昭和化学株式会社製、亜硝酸ナトリウム、コード番号１９５０−４２６０）、ＮａＮＯ３試薬（昭和化学株式会社製、硝酸ナトリウム、コード番号１９４９−８２８９）、ＫＮＯ３試薬（昭和化学株式会社製、硝酸カリウム、コード番号１６４２−４２８０）を所定の混合比で混合した混合液（溶融塩）を使用した。なお、各試薬には、１級試薬を使用した。また、炭素鋼製容器の加熱温度を１５０℃から５５０℃とし、浸漬時間を５００時間とした。そして、５００時間浸漬後に、炭素鋼製容器からＣＢＢ試験治具を取り出して試験片を観察した。
【００５５】
図１１は、応力腐食割れ試験の結果を示すグラフである。図１１に示すグラフの横軸は、ＮａＮＯ２試薬とＮａＮＯ３試薬とＫＮＯ３、試薬との合計に対するＮａＮＯ２試薬の重量比での割合を表しており、グラフの縦軸は、加熱温度を表している。また、白丸のデータは、応力腐食割れが発生しなかったものを示しており、黒菱形（大）のデータと黒菱形（小）のデータとは、応力腐食割れが発生したものを示している。
【００５６】
また、白丸のデータと黒菱形（大）のデータとは、第一の冷却条件（溶接後に空冷）の試験片についての試験結果であり、黒菱形（小）のデータは、第二の冷却条件（溶接直後に水冷）及び第三の冷却条件（溶接後に空冷した後、９００℃で１５分間保持して水冷）の試験片（溶接部を更に硬化させたもの）についての試験結果を示している。
【００５７】
図１１のグラフから明らかなように、ＮａＮＯ２試薬を含まず、ＮａＮＯ３試薬及びＫＮＯ３、試薬を混合した混合液の場合には、加熱温度２５０℃で応力腐食割れが発生した。また、溶接部を更に硬化させた場合には、ＮａＮＯ２試薬を含まず、ＮａＮＯ３試薬及びＫＮＯ３、試薬を混合した混合液の場合だけでなく、５％のＮａＮＯ２試薬を含んでいる混合液でも加熱温度２５０℃で応力腐食割れが発生した。なお、その他については、応力腐食割れの発生が認められなかった。
【００５８】
表１は、図１１のグラフのデータの一部をまとめた表である。５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いて２５０℃で加熱したものは、溶接部のＣｒ−Ｍｏ鋼側で応力腐食割れが発生した。また、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いた場合には、加熱温度２００℃から３００℃の場合にも応力腐食割れが発生しなかった。
【表１】
【００５９】
図１２は、応力腐食割れが発生した試験片の外観写真である。図１３は、図１２の応力腐食割れの部位の表面を拡大した写真である。図１４は、図１２の応力腐食割れの部位の断面写真である。このように、５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いて２５０℃で加熱したものは、Ｃｒ−Ｍｏ鋼粗粒の溶接熱影響部（ＨＡＺ）に粒界応力腐食割れによる亀裂状欠陥が発生した。
【００６０】
以上の評価試験結果から、応力腐食割れを発生させる腐食液２７として５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いることにより、溶接部１８に亀裂状欠陥２０を導入することが可能になる。また、５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液を用いた場合には、応力腐食割れを生じないので熱媒体２８として使用することができる。
【００６１】
次に、非破壊検査用標準供試体１０の製造を行った。
【００６２】
炭素鋼ＳＭ４９０で形成された板厚１００ｍｍの板材から、幅１００ｍｍ×長さ１００ｍｍで切り出し炭素鋼製ブロック（供試体本体１２）を作製した。炭素鋼製ブロックの略中央をドリルで穿孔して、内径２１ｍｍの貫通孔を形成した。２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼でＣｒ−Ｍｏ鋼製管体（管体１４）を押出し加工で成形した。Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の外径を２０ｍｍとし、長さを１５０ｍｍとした。
【００６３】
次に、炭素鋼製ブロックの貫通孔にＣｒ−Ｍｏ鋼製管体を挿入し、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の管内から加工治具を挿入して、周方向の一部を放射方向外方へ突出させて突出部を形成した。突出部は、周方向に間隔を空けて同一円周上に２箇所に設けた。そして、突出部を貫通孔の内周面に当接させて、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の位置決めを行った。また、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の外周面と貫通孔の内周面との間のルートギャップ（隙間１７）は０．２ｍｍとし、周方向でルートギャップが略等しくなるようにした。
【００６４】
次に、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の長手方向における一端側の外周面と、炭素鋼製ブロックの貫通孔の長手方向における一端側の内周面とをＴＩＧ溶接して周方向に亘ってシールしてモックアップ（予備供試体２１）を形成した。溶接棒には、ＴＧＳ―５０を使用した。なお、溶接条件は、図８（ｂ）に示す溶接条件と略同じ条件とした。
【００６５】
次に、モックアップを炭素鋼製容器に入れ、応力腐食割れによる亀裂状欠陥の導入を行った。炭素鋼製容器は、内径２００ｍｍの有底円筒状とした。そして、モックアップを炭素鋼製容器に入れてセットした。
【００６６】
炭素鋼製容器とモックアップとの間の空間と、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製管体の管内とに重量比で５０％ＮａＮＯ２と５０％ＫＮＯ３とを混合したものを入れた後、炭素鋼製容器を加熱して溶融させて熱媒体とした。次に、予め２００℃以上に加熱して溶融させた重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した混合液からなる腐食液をＣｒ−Ｍｏ鋼製管体の外周面と貫通孔の内周面との間のルートギャップに注入した。そして、２５０℃で５００時間保持することにより、溶接部に亀裂状欠陥を導入して非破壊検査用標準供試体を製造した。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 非破壊検査用標準供試体、１２ 供試体本体、１４ 管体、１５ 貫通孔、１６ 突出部、１７ 隙間、１８ 溶接部、１９ 肉盛部、２０ 亀裂状欠陥、２１ 予備供試体、２２ 吊り金具、２４ 金属製容器、２６ ヒータ、２７ 腐食液、２８ 熱媒体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体であって、
炭素鋼で形成され、貫通孔を有する供試体本体と、
前記貫通孔に挿入され、ＣｒーＭｏ鋼で形成された管体と、
を備え、
前記管体の外周面と、前記供試体本体における貫通孔の内周面との間に隙間が設けられ、
前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記供試体本体の貫通孔の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接した溶接部を有し、
前記溶接部は、前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、応力腐食割れにより導入された亀裂状欠陥を有していることを特徴とする非破壊検査用標準供試体。
【請求項２】
管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体の製造方法であって、
貫通孔を有する供試体本体を炭素鋼で形成し、管体をＣｒーＭｏ鋼で形成する工程と、
前記管体を前記貫通孔に挿入し、前記管体の外周面と前記貫通孔の内周面との間に隙間を設けて前記管体を位置決めする工程と、
前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記貫通孔の一端側の内周面との間を全周に亘って溶接し、予備供試体を形成する工程と、
前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、前記予備供試体を２５０℃に加熱して、前記予備供試体の溶接部に応力腐食割れによる亀裂状欠陥を導入する工程と、
を備えることを特徴とする非破壊検査用標準供試体の製造方法。
【請求項１】
管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体であって、
炭素鋼で形成され、貫通孔を有する供試体本体と、
前記貫通孔に挿入され、ＣｒーＭｏ鋼で形成された管体と、
を備え、
前記管体の外周面と、前記供試体本体における貫通孔の内周面との間に隙間が設けられ、
前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記供試体本体の貫通孔の長手方向における一端側の内周面との間を全周に亘って溶接した溶接部を有し、
前記溶接部は、前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、応力腐食割れにより導入された亀裂状欠陥を有していることを特徴とする非破壊検査用標準供試体。
【請求項２】
管端溶接部における亀裂状欠陥を非破壊検査で検出するための非破壊検査用標準供試体の製造方法であって、
貫通孔を有する供試体本体を炭素鋼で形成し、管体をＣｒーＭｏ鋼で形成する工程と、
前記管体を前記貫通孔に挿入し、前記管体の外周面と前記貫通孔の内周面との間に隙間を設けて前記管体を位置決めする工程と、
前記管体の長手方向における一端側の外周面と、前記貫通孔の一端側の内周面との間を全周に亘って溶接し、予備供試体を形成する工程と、
前記隙間に重量比で５０％ＮａＮＯ３と５０％ＫＮＯ３とを混合した腐食液を注入し、前記予備供試体を２５０℃に加熱して、前記予備供試体の溶接部に応力腐食割れによる亀裂状欠陥を導入する工程と、
を備えることを特徴とする非破壊検査用標準供試体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１６３４７８（Ｐ２０１２−１６３４７８Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９４３（Ｐ２０１１−２４９４３）
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]