(57)【要約】【課題】配管の外面冷却により配管を拡管して残留応力を改善させる方法において氷栓の耐圧性を向上させて氷栓形成用冷媒容器を小型化すること、配管の内外面に温度差を付与して残留応力を改善させる方法において肉厚が薄いため十分な温度差が得られ難い小口径配管に対する残留応力改善方法を提供することにより、製品の信頼性を向上させること。【解決手段】配管の外面冷却により配管を拡管して残留応力を改善させる方法において、冷媒容器中央部を部分的に断熱することにより氷栓形成時の冷却速度を冷媒容器中央部で低下させ、これにより氷栓中央部を最後に凝固させる。また、配管の内外面に温度差を付与して残留応力を改善させる方法において、内外面の温度差を付与する際に、軸方向の引張荷重を付与する。【選択図】  図１
2010042452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
施工対象の溶接部およびその近傍に軸方向の引張荷重を付与した状態で、溶接部およびその近傍の内圧を上昇させて拡管し、配管内面に圧縮残留応力を付与することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
【請求項２】
施工対象の溶接部およびその近傍に軸方向の引張荷重を付与した状態で、溶接部およびその近傍の外面を加熱するとともに内面を冷却することで、内外面に温度差を与え、温度差により生じる熱膨張差と軸方向の引張荷重から生じる引張応力を利用して配管内面に引張降伏を与え、配管内面に圧縮残留応力を付与することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
【請求項３】
溶接部の上流と下流に、配管を外面から挟んで固定する配管固定治具を設置し、２つの配管固定治具を介して軸方向の引張荷重を溶接部に付与することを特徴とする軸方向引張荷重の付与方法。
【請求項４】
残留応力を付与する方向に引張方向もしくは圧縮方向の外荷重を付与した状態で、温度分布や変形により生じる分布応力を与えることで、外荷重を付与した方向に圧縮残留応力を選択的に付与することを特徴とする残留応力改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力腐食割れを生じる可能性があるニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス鋼製の小口径配管溶接部に対する応力腐食割れ進展性および発生感受性改善のための残留応力改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
配管溶接部内面に作用する残留応力を緩和して、応力腐食割れの発生感受性を改善させる方法については、配管の外面冷却により配管を拡管して残留応力を改善させる例が、特許文献１に開示されている。
【０００３】
この公報では、配管突合せ溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、配管外面を冷却して氷栓を形成させた後に、氷栓間の外面冷却により内部の水を凝固させ、凝固時の体積膨張により溶接部近傍を拡管させて、配管内面に圧縮残留応力を付与している。
【０００４】
また、配管の内外面に温度差を付与して残留応力を改善させる例が、特許文献２に開示されている。
【０００５】
この公報では、配管外面を加熱するとともに内面を冷却することで、配管の内外面に大きな温度差を与え、温度差により生じる熱膨張差を利用して配管外面に圧縮降伏、内面に引張降伏を与え、配管内面に圧縮残留応力を付与している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３４５９６号公報
【特許文献２】特開昭５４−０６０６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス鋼は、引張残留応力が負荷された状態で高温純水中に長時間曝されることにより、応力腐食割れが発生する可能性がある。
【０００８】
原子力発電プラントを構成する配管にはニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス鋼製の配管があり、溶接により配管内面の残留応力が引張状態となっている溶接部近傍では、応力腐食割れ発生感受性および進展性を改善するために、残留応力を低減、さらには、圧縮化することが望まれている。
【０００９】
前述した配管の外面冷却により配管を拡管して残留応力を改善させる場合、拡管時に氷栓間が高圧になるため、安定した施工を行うには、氷栓の軸長を大きくしなければならない。
【００１０】
また、前述した配管の内外面に温度差を付与して残留応力を改善させる場合、小口径配管では肉厚が薄く、内外面に塑性変形を付与できるほどの温度差を設けることは難しい。
【００１１】
本発明は上記課題を鑑みなされたものであり、その目的は、肉厚が薄いため十分な温度差が得られ難い小口径配管に対する残留応力改善方法を提供することにより、製品の信頼性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明はかかる課題を解決するために、配管の内外面に温度差を付与して残留応力を改善させる方法において、内外面の温度差を付与する際に、軸方向の引張荷重を付与する。
【００１３】
本発明の配管の残留応力改善方法は、施工対象の溶接部およびその近傍に軸方向の引張荷重を付与した状態で、溶接部およびその近傍の内圧を上昇させて拡管し、配管内面に圧縮残留応力を付与することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の配管の残留応力改善方法は、施工対象の溶接部およびその近傍に軸方向の引張荷重を付与した状態で、溶接部およびその近傍の外面を加熱するとともに内面を冷却することで、内外面に温度差を与え、温度差により生じる熱膨張差と軸方向の引張荷重から生じる引張応力を利用して配管内面に引張降伏を与え、配管内面に圧縮残留応力を付与することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の軸方向引張荷重の付与方法は、溶接部の上流と下流に、配管を外面から挟んで固定する配管固定治具を設置し、２つの配管固定治具を介して軸方向の引張荷重を溶接部に付与することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の残留応力改善方法は、残留応力を付与したい方向に引張方向もしくは圧縮方向の外荷重を付与した状態で、温度分布や変形により生じる分布応力を与えることで、外荷重を付与した方向に圧縮残留応力を選択的に付与することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の耐圧性に優れた氷栓の作製方法は、内部が水で満たされた配管に冷媒容器を設置するとともに、前記冷媒容器の中央付近に位置する配管の外面全周に断熱材を敷設した状態で、前記冷媒容器内の配管外面を冷却することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、肉厚が薄く大きな温度勾配が取れない小口径配管であっても、軸方向の引張荷重により重畳される引張応力により内面に塑性ひずみを発生させることが可能となり、圧縮残留応力を付与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】冷媒容器中央付近の配管外面全周に断熱材を敷設して冷却することにより耐圧性に優れた氷栓ができることを説明する図。
【図２】耐圧性に優れた氷栓を作成した後、氷栓間の水の凝固により溶接部近傍を拡管させて、配管内面に圧縮残留応力を付与する方法を説明する図。
【図３】冷媒容器１つで溶接部を拡管して、溶接部近傍の内面に圧縮残留応力を付与する方法を説明する図。
【図４】冷媒容器中央部に予め断熱材が取付けられた水平配管に耐圧性を向上させた氷栓を作成するための冷媒容器を説明する図。
【図５】冷媒容器中央部に予め断熱材が取付けられた垂直配管に耐圧性を向上させた氷栓を作成するための冷媒容器を説明する図。
【図６】軸方向の引張荷重を付与した状態で、溶接部およびその近傍を拡管することで、配管内面に圧縮残留応力を付与できることを説明する図。
【図７】軸方向の引張荷重を付与した状態で、溶接部およびその近傍の内外面に温度差を与えることで、配管内面に圧縮残留応力を付与できることを説明する図。
【図８】軸方向の引張荷重を配管に付与する方法の具体例を説明する図。
【図９】平板に温度分布と外荷重を付与することで外荷重付与方向の平板表面における残留応力を圧縮化する例を説明する図。
【図１０】中実円筒を高温に加熱するとともに軸方向の長さを治具により拘束した状態で冷却水内に浸漬させることで、表面の残留応力を圧縮化する例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２１】
耐圧性に優れた氷栓の作成方法について図１を用いて説明する。図１は内部が水で満たされた配管に冷媒容器を設置するとともに冷媒容器中央付近に位置する配管の外面全周に断熱材を敷設した状態で、冷媒容器内の配管外面を冷却することで氷栓の耐圧性を向上させた実施例を示すものである。
【００２２】
まず、配管３に冷媒容器１４を取付けるとともに、冷媒容器１４の中央付近に位置する配管３の外面全周に断熱材１１を敷設する。この状態で冷媒容器１４にエタノール１０とドライアイス９を投入すると、冷媒容器１４内部で断熱材１１が敷設されていない配管３の内表面から水４が冷却され始め、氷６が形成し始める（ステップ１）。
【００２３】
その後、時間の経過とともに断熱材１１の敷設部でも氷６が形成し始めるが、冷却能力の差により断熱材１１の敷設部に比べて冷媒容器１４の両端近傍の凝固速度が速くなり、氷６の厚さに差が生じ始める（ステップ２）。
【００２４】
さらに、時間が経過すると、凝固速度が速い冷媒容器１４の両端近傍が氷６により閉塞し、断熱材１１敷設部に水４が取り残され、凝固が進むにつれて当該部の内圧が上昇し始める（ステップ３）。
【００２５】
断熱材１１の敷設部に取り残された水４の凝固が全て完了すると断熱材１１敷設部が局所的に膨張した形状の氷栓となる。これにより、当該部における配管内壁との接触圧が上昇することにより氷栓の摩擦力が上昇するため、断熱材１１を敷設しない場合に比べて耐圧性が向上する（ステップ４）。
【００２６】
なお、図中１３は、ドレン弁である。
【００２７】
さらに、耐圧性に優れた氷栓を活用して溶接部近傍を拡管させて、配管内面に圧縮残留応力を付与する方法について、図２を用いて説明する。
【００２８】
図２は、耐圧性に優れた氷栓を作成した後、氷栓間の水の凝固により溶接部近傍を拡管させて、配管内面に圧縮残留応力を付与する方法の実施例を示すものである。
【００２９】
溶接部１の上流および下流の配管３に氷栓作成用の外側冷媒容器７を設置するとともに外側冷媒容器７の中央付近に位置する配管３の外面全周に断熱材１１を敷設した状態で外側冷媒容器７内の配管３外面を冷却して配管３内部に耐圧性に優れた氷栓５を作成した後、氷栓５間の配管３外面を冷却し、内部の水４を凝固させ、凝固時の体積膨張により溶接部１近傍の開先加工部２を拡管させて、配管３内面に圧縮残留応力を付与する。
【００３０】
耐圧性に優れた氷栓を採用することにより耐圧性が向上するため、外側冷媒容器７の寸法を小型化することが可能となる。これにより、発電プラント内で狭隘かつ複雑な経路になることが多い小口径配管への施工性が大幅に向上する。
【００３１】
冷媒容器中央付近に位置する溶接部と配管の外面全周を断熱材で覆うことにより、冷媒容器１つで溶接部を拡管して溶接部近傍の内面に圧縮残留応力を付与する方法について、図３を用いて説明する。
【００３２】
図３は冷媒容器１つで溶接部を拡管して溶接部近傍の内面に圧縮残留応力を付与する方法の実施例を示すものである。
【００３３】
まず、内部が水４で満たされた配管３に溶接部１が冷媒容器１４の中央となる様に冷媒容器１４を設置する。次に、冷媒容器１４の中央付近に位置する溶接部１と配管３の外面全周に断熱材１１を敷設する。なお、断熱材１１の寸法は配管の外径と板厚毎に、溶接部１近傍の開先加工部２に発生する周方向ひずみが０.４％以上になる厚さと軸長に調節して敷設する。この状態で冷媒容器１４にエタノール１０とドライアイス９を投入すると、冷媒容器１４内部で断熱材１１が敷設されていない溶接部１近傍の開先加工部２の内表面から水４が冷却され始め、氷６が形成し始める（ステップ１）。
【００３４】
その後、時間の経過とともに断熱材１１敷設部でも氷６が形成し始めるが、冷却能力の差により断熱材１１敷設部に比べて冷媒容器１４の両端近傍の凝固速度が速くなり、氷６の厚さに差が生じ始める（ステップ２）。
【００３５】
さらに時間が経過すると、凝固速度が速い冷媒容器１４の両端近傍が氷６により閉塞し、断熱材１１敷設部に水４が取り残され、凝固が進むにつれて当該部の内圧が上昇し始める（ステップ３）。
【００３６】
断熱材１１敷設部に取り残された水４の凝固が全て完了すると断熱材１１敷設部が局所的に膨張した形状の氷６となる。これにより、溶接部１近傍の開先加工部２を拡管させて、配管３内面に圧縮残留応力を付与する（ステップ４）。
【００３７】
従来方法では少なくとも３つ以上の冷媒容器が必要であったのに対し、本形態の方法では１つの冷媒容器で施工が可能となるため、発電プラント内で狭隘かつ複雑な経路になりがちな小口径配管への施工性が大幅に向上する。
【００３８】
耐圧性に優れた氷栓を作成するために予め冷媒容器中央付近に断熱材を設置した冷媒容器について、図４と図５を用いて説明する。
【００３９】
図４は冷媒容器中央部に予め断熱材が取付けられた水平配管に対する冷媒容器の実施例を示すものである。
【００４０】
水平配管に耐圧性を向上させた氷栓を作成するための冷媒容器３４は、冷媒容器上蓋３１と冷媒容器下蓋３２により配管３をパッキン１５と断熱材１１を介して挟み、ボルト１７とナット１８により固定する構造をしている。
【００４１】
なお、冷媒容器上蓋３１と冷媒容器下蓋３２には容器中央に断熱材設置具１６が取付けられている。さらに、冷媒容器上蓋３１と冷媒容器下蓋３２の固定構造としては、冷媒容器上蓋３１と冷媒容器下蓋３２の１辺を蝶つがいで接続するとともに蝶つがいの対辺にバックルを取付け、配管３への脱着をバックルの解除と固定により行う構造を採用することも可能である。
【００４２】
図５は冷媒容器中央部に予め断熱材が取付けられた垂直配管に対する冷媒容器の実施例を示すものである。
【００４３】
垂直配管に耐圧性を向上させた氷栓を作成するための冷媒容器３５は、冷媒容器側蓋（ドレン弁あり）３６と冷媒容器側蓋（ドレン弁なし）３７により配管３をパッキン１５と断熱材１１を介して挟み、ボルト１７とナット１８により固定する構造をしている。なお、冷媒容器側蓋（ドレン弁あり）３６と冷媒容器側蓋（ドレン弁なし）３７には容器中央に断熱材設置具１６が取付けられている。さらに、冷媒容器側蓋（ドレン弁あり）３６と冷媒容器側蓋（ドレン弁なし）３７の固定構造としては、冷媒容器側蓋（ドレン弁あり）
３６と冷媒容器側蓋（ドレン弁なし）３７の１辺を蝶つがいで接続するとともに蝶つがいの対辺にバックルを取付け、配管３への脱着をバックルの解除と固定により行う構造を採用することも可能である。
【００４４】
軸方向の引張荷重を付与した状態で溶接部およびその近傍を拡管することで配管内面に圧縮残留応力を付与する方法について、図６を用いて説明する。
【００４５】
図６は溶接部およびその近傍を弾性変形の範囲内で拡管した状態に軸方向の引張荷重を付与した場合の応力分布を示したものである。
【００４６】
小口径配管溶接部近傍における溶接後の残留応力分布、即ち、施工前の残留応力分布１９では、配管内面の残留応力は引張となっている。これを弾性変形の範囲内で拡管した場合、施工中の応力分布（内圧による拡管のみ）２０は、降伏応力σｙを超過する領域が無いため、施工後の残留応力分布（内圧による拡管のみ）２１は施工前の残留応力分布１９と同じ残留応力分布になる。
【００４７】
これに対し、弾性変形の範囲内で拡管した状態に軸方向の引張荷重を付与した場合、施工中の応力分布（内圧による拡管＋軸方向引張荷重付与）２２は、配管内面において降伏応力σｙを超過するため塑性ひずみが生じ、施工後の残留応力分布（内圧による拡管＋軸方向引張荷重付与）２３は内面が圧縮の残留応力となる。
【００４８】
なお、本発明の残留応力改善方法の施工では、拡管のための内圧と軸方向引張荷重が同時期に付与されている状態が必要であるが、施工の順序はどちらが先でも構わない。
【００４９】
さらに、本発明の残留応力改善方法の施工には内面に作用する残留応力を増強する効果があるため、内圧による拡管だけでは十分な残留応力改善効果が得られ難い外径６０mm以上の溶接部に対する施工に適用することで、内面の残留応力を圧縮化することが可能となる。
【００５０】
また、本発明のような残留応力改善方法やエルボ溶接部の拡管と組合せることで、内面への圧縮残留応力付与効果を増強することが可能となる。
【００５１】
軸方向の引張荷重を付与した状態で溶接部およびその近傍の内外面に温度差を与えることで配管内面に圧縮残留応力を付与する方法について、図７を用いて説明する。
【００５２】
図７は溶接部およびその近傍の内外面に熱膨張による変形が弾性変形の範囲内となる温度差を与えた状態に軸方向の引張荷重を付与した場合の応力分布を示したものである。
【００５３】
小口径配管溶接部近傍における溶接後の残留応力分布、即ち、施工前の残留応力分布１９では、配管内面の残留応力は引張となっている。これに熱膨張による変形が弾性変形の範囲内となる温度差を与えた場合、施工中の応力分布（温度勾配のみ）２４は、降伏応力σｙを超過する領域が無いため、施工後の残留応力分布（温度勾配のみ）２５は施工前の残留応力分布１９と同じ残留応力分布になる。
【００５４】
これに対し、熱膨張による変形が弾性変形の範囲内となる温度差を与えた状態に軸方向の引張荷重を付与した場合、施工中の応力分布（温度勾配＋軸方向引張荷重付与）２６は、配管内面において降伏応力σｙを超過するため塑性ひずみが生じ、施工後の残留応力分布（温度勾配＋軸方向引張荷重付与）２７は内面が圧縮の残留応力となる。
【００５５】
なお、本発明の残留応力改善方法の施工では、内外面の温度差と軸方向引張荷重が同時期に付与されている状態が必要であるが、施工の順序はどちらが先でも構わない。
【００５６】
さらに、本発明の残留応力改善方法では、板厚が薄く内外面に大きな温度差を付与できないため、熱膨張により生じる変形が小さく弾性変形範囲内となる小口径配管に対しても、軸方向の引張荷重付与により内面に塑性ひずみを生じさせ、施工後の内面の残留応力を圧縮化することが可能となる。
【００５７】
溶接部およびその近傍の配管に軸方向の引張荷重を付与する方法について、図８を用いて説明する。
【００５８】
図８は軸方向の引張荷重を配管に付与する方法の実施例を示すものである。溶接部１の上流と下流に、配管３を外面から挟んでボルト１７とナット１８により固定する配管固定治具２８を設置する。配管３への引張荷重は２つの配管固定治具２８の間に取付けられた油圧もしくは水圧シリンダ２９が軸方向に伸びることで付与される。
【００５９】
残留応力を付与したい方向に引張方向もしくは圧縮方向の外荷重を付与した状態で、温度分布や変形により生じる分布応力を与えることで、外荷重を付与した方向に圧縮残留応力を選択的に付与する方法について、図９と図１０を用いて説明する。
【００６０】
図９は実施例の１つとして、平板に温度分布と外荷重を付与することで外荷重付与方向の平板表面における残留応力を圧縮化する例を示すものである。
【００６１】
本実施例では平板３８を冷却水４０の中に浸漬させた状態で引張方向の外荷重４１をｙ方向に付与するとともに、高周波加熱器４２により平板３８を加熱する。これにより、平板３８が発熱するとともに冷却水４０と接する面（１）と面（２）が冷却されるため、平板３８の温度分布は外表面が低温、内部が高温の状態となる。温度差により熱膨張差が生じるため施工中の平板内応力分布４３は、外面が引張、内面が圧縮の応力分布となる。平板の板厚が薄く降伏応力σｙを超過する領域がない点線の応力分布となった場合、残留応力改善効果が期待できないが、引張方向の外荷重４１を重畳させることにより外表面近傍の領域が降伏応力σｙを超過するため、施工後の平板内残留応力分布４４は外表面近傍の領域で圧縮状態となる。
【００６２】
図１０は実施例の１つとして、中実円筒を高温に加熱するとともに軸方向の長さを治具により拘束した状態で冷却水内に浸漬させることで、中実円筒内に温度分布を付与すると同時に軸方向の長さの拘束により引張方向の外荷重を付与することで表面に圧縮残留応力を付与する例を示すものである。
【００６３】
まず、室温と同じ温度の中実円筒４５を高温環境４７内で高温に加熱する。その後、高温になった中実円筒４５を軸方向長さの拘束治具４８（室温）に取付け、軸方向長さを一定に保つ。高温の中実円筒４５を軸方向長さの拘束治具４８に取付けた状態で冷却水４０中に浸漬させると円筒の温度分布は外表面が低温、内表面が高温の状態となる。
【００６４】
さらに、温度の低下により中実円筒４５は収縮するため、軸方向長さの拘束治具４８による拘束により、軸方向には引張応力が生じる。この様に、温度差により生じる外面が引張、内面が圧縮の応力分布に拘束により負荷される引張方向の応力４９が重畳されるため、外表面近傍において降伏応力σｙを超過する領域が増加する。これにより、施工後の残留応力分布５０は温度差のみで施工した場合に比べて高い圧縮残留応力となる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は応力腐食割れの発生が懸念される種々の材質および使用環境の組み合わせに対して適用することが可能であり、特にニッケル基合金やオーステナイト系ステンレス製の溶接構造物の応力腐食割れ抑制に利用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１  溶接部
２  開先加工部
３  配管
４  水
５  氷栓
６  氷
７  外側冷媒容器
８  内側冷媒容器
９  ドライアイス
１０  エタノール
１１  断熱材
１２  ひずみゲージ
１３  ドレン弁
１４  冷媒容器
１５  パッキン
１６  断熱材設置具
１７  ボルト
１８  ナット
１９  施工前の残留応力分布
２０  施工中の応力分布（内圧による拡管のみ）
２１  施工後の残留応力分布（内圧による拡管のみ）
２２  施工中の応力分布（内圧による拡管＋軸方向引張荷重付与）
２３  施工後の残留応力分布（内圧による拡管＋軸方向引張荷重付与）
２４  施工中の応力分布（温度勾配のみ）
２５  施工後の残留応力分布（温度勾配のみ）
２６  施工中の応力分布（温度勾配＋軸方向引張荷重付与）
２７  施工後の残留応力分布（温度勾配＋軸方向引張荷重付与）
２８  配管固定治具
２９  油圧もしくは水圧シリンダ
３０  シリンダの伸び方向
３１  冷媒容器上蓋
３２  冷媒容器下蓋
３３  ひずみ計測器
３４  水平配管に耐圧性を向上させた氷栓を作成するための冷媒容器
３５  垂直配管に耐圧性を向上させた氷栓を作成するための冷媒容器
３６  冷媒容器側蓋（ドレン弁あり）
３７  冷媒容器側蓋（ドレン弁なし）
３８  平板
３９  平板内の初期残留応力分布
４０  冷却水
４１  引張方向の外荷重
４２  高周波加熱器
４３  施工中の平板内応力分布
４４  施工後の平板内残留応力分布
４５  中実円筒
４６  初期残留応力分布
４７  高温環境
４８  軸方向長さの拘束治具
４９  拘束により負荷される引張方向の応力
５０  施工後の残留応力分布
【図１】
2010042452.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010042452.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010042452.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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