(57)【要約】  低合金鋼を母材１１とする原子炉容器１であって、母材１１の内面側には、Ｎｉ基合金系溶接材料であるインコネル６９０合金溶材で多層肉盛溶接して成る複数の肉盛層２２〜２４が積層され、複数の肉盛層２２〜２４のうちの母材１１の内面側に直に積層される初層である肉盛層２２は、希釈率を大きくした肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように形成されている。高い耐食性が得られ、多層肉盛溶接後における溶接後熱処理において、母材に含まれる炭素が溶接材料側に拡散して溶接境界部に硬化層が形成されるのを抑制することが可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材料を母材とする圧力容器の前記母材内面側をＮｉ基合金系溶接材料で多層肉盛溶接するに際して、
前記Ｎｉ基合金系溶接材料による肉盛溶接に先立つ少なくとも初層の肉盛溶接の段階で、Ｃｒの含有量を該少なくとも初層に続く肉盛層のＣｒの含有量よりも少なくするべく肉盛溶接を行う
ことを特徴とする圧力容器の肉盛溶接方法。
【請求項２】
前記Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材を用い、該インコネル６９０合金溶材による肉盛溶接に先立つ少なくとも初層の肉盛溶接の段階で、希釈率を大きくしてＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように肉盛溶接を行う請求項１に記載の圧力容器の肉盛溶接方法。
【請求項３】
前記Ｎｉ基合金系溶接材料による肉盛溶接に先立って、該Ｎｉ基合金系溶接材料よりもＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料により少なくとも初層の肉盛溶接を行う請求項１に記載の圧力容器の肉盛溶接方法。
【請求項４】
前記Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材を用い、該インコネル６９０合金溶材よりもＣｒの含有量が少ないインコネル６００合金溶材を低クロムＮｉ基合金系溶接材料として用いる請求項３に記載の圧力容器の肉盛溶接方法。
【請求項５】
鉄鋼材料を母材とする圧力容器であって、
前記母材の内面側には、Ｎｉ基合金系溶接材料で多層肉盛溶接して成る複数の肉盛層が積層され、
これらの複数の肉盛層のうちの少なくとも前記母材の内面側に直に積層される初層が、該少なくとも初層に続く肉盛層よりもＣｒの含有量を少なくして形成されている
ことを特徴とする圧力容器。
【請求項６】
前記Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材が用いられ、少なくとも前記母材の内面側に直に積層される初層が、希釈率を大きくした肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように形成されている請求項５に記載の圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力容器の内面を多層肉盛溶接する際に用いられる圧力容器の肉盛溶接方法及び圧力容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高温高圧のガスや液体を取り扱う圧力容器には、高い耐食性が求められることから、特許文献１に記載されているように、原子炉容器の場合には、低合金鋼から成る母材上に、耐食性に優れたＮｉ基合金、例えば、Ｃｒを１５〜２０重量％含むインコネル６００合金（「インコネル（INCONEL）」はスペシャルメタルズ社の登録商標、「インコネル６００合金」は材料名）を溶接材料として多層肉盛溶接することが知られている。【０００３】
この原子炉容器に対する肉盛溶接において、応力腐食割れ対策として、高温高圧水に接触する最終肉盛層の溶接時には、インコネル６００合金の共金系溶材である溶接ワイヤや溶接棒を用いるようにしているが、近年、さらなる応力腐食割れ対策として、より合金元素を高めたインコネル６９０合金（「インコネル（INCONEL）」はスペシャルメタルズ社の登録商標、「インコネル６９０合金」は材料名）を溶接材料として、全層を多層肉盛溶接する手法が試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平04-026937号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した多層肉盛溶接による肉盛溶接部は、溶接時に生じた熱歪等に起因する応力等を除去するための溶接後熱処理（応力除去焼鈍）を必要とする。この応力除去焼鈍は、600℃前後の温度で行うが、この温度条件のもとでは、母材としての低合金鋼中に含まれる炭素が、炭化物形成元素であるＣｒを含む溶接材料側に拡散して溶接境界部（ボンド部）近傍で濃化する。【０００６】
Ｃｒを多量に含むインコネル６９０合金を溶接材料として用いた場合には、低合金鋼中に含まれる炭素の溶接境界部近傍での濃化傾向がより顕著なものとなり、溶接境界部には非常に硬い硬化層が形成される。つまり、溶接境界部には、このような硬化層による延性の低下がみられ、後の側曲げ試験において割れが生じてしまう虞があり、これが原子炉容器を製造するうえでの解決すべき問題となっている。【０００７】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、圧力容器に求められる高い耐食性が得られるのは勿論のこと、多層肉盛溶接後の応力除去焼鈍処理において、母材に含まれる炭素が溶接境界部近傍で濃化して溶接境界部に硬化層が形成されるのを抑制することが可能である圧力容器の肉盛溶接方法及び圧力容器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記したように、Ｃｒを多量に含むインコネル６９０合金で低合金鋼から成る母材を多層肉盛溶接する場合、この溶接時に生じた熱歪等に起因する応力等を除去するための溶接後熱処理（応力除去焼鈍）を行うと、図８に示すように、母材としての低合金鋼（ＳＡ３０２Ｃ）中に含まれる炭素が、炭化物形成元素であるＣｒを含む溶接材料側に拡散して溶接境界部（ボンド部）近傍で濃化し、溶接境界部には非常に硬い硬化層が形成される。【０００９】
本発明者らは、母材の内面側に直に積層される初層の肉盛層に、インコネル６９０合金よりもＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料を用いることで、溶接境界部に硬化層が形成されるのを抑え得ることを見出し、本発明をするに至った。【００１０】
すなわち、本発明は、低合金鋼等の鉄鋼材料を母材とする圧力容器の前記母材内面側をＮｉ基合金系溶接材料で多層肉盛溶接するに際して、前記Ｎｉ基合金系溶接材料による肉盛溶接に先立つ少なくとも初層の肉盛溶接の段階で、Ｃｒの含有量を該少なくとも初層に続く肉盛層のＣｒの含有量よりも少なくするべく肉盛溶接を行う構成とする。【００１１】
好ましくは、前記Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材を用い、該インコネル６９０合金溶材による肉盛溶接に先立つ少なくとも初層の肉盛溶接の段階で、希釈率を大きくしてＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように肉盛溶接を行う構成とする。【００１２】
好ましくは、前記Ｎｉ基合金系溶接材料による肉盛溶接に先立って、該Ｎｉ基合金系溶接材料よりもＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料により少なくとも初層の肉盛溶接を行う構成とする。【００１３】
好ましくは、前記Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材を用い、該インコネル６９０合金溶材よりもＣｒの含有量が少ないインコネル６００合金溶材を低クロムＮｉ基合金系溶接材料として用いる構成とする。【００１４】
また、本発明は、鉄鋼材料を母材とする圧力容器であって、前記母材の内面側には、Ｎｉ基合金系溶接材料で多層肉盛溶接して成る複数の肉盛層が積層され、これらの複数の肉盛層のうちの少なくとも前記母材の内面側に直に積層される初層が、該少なくとも初層に続く肉盛層よりもＣｒの含有量を少なくして形成されている構成とする。【００１５】
好ましくは、前記Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材が用いられ、少なくとも前記母材の内面側に直に積層される初層が、希釈率を大きくした肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように形成されている構成とする。【００１６】
本発明に係る圧力容器の肉盛溶接方法及び圧力容器では、プラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージ溶接により肉盛層が形成されるが、これらの種類の溶接に限定されない。【００１７】
本発明に係る圧力容器の肉盛溶接方法及び圧力容器では、圧力容器を構成する母材内面側をＮｉ基合金系溶接材料、例えば、インコネル６９０合金溶材で多層肉盛溶接するようにしているので、高い耐食性が得られることとなる。【００１８】
この際、インコネル６９０合金溶材による肉盛溶接に先立つ複数の肉盛層のうちの少なくとも母材の内面側に直に積層される初層の肉盛溶接の段階で、希釈率を大きくしてＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように肉盛溶接を行ったり、初層としての肉盛層をＮｉ基合金系溶接材料よりもＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料、例えば、インコネル６００合金溶材により形成したりするようにしているので、多層肉盛溶接後における溶接後熱処理において、母材に含まれる炭素の溶接材料側への拡散が抑えられて溶接境界部に硬化層が形成されることが回避されることとなり、後の側曲げ試験において割れが生じる懸念を払拭し得ることとなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る圧力容器の肉盛溶接方法では、上記した構成としているので、圧力容器に要求される高い耐食性が得られるのは言うまでもなく、多層肉盛溶接後の溶接後熱処理における母材に含まれる炭素の溶接材料側への拡散を抑えて溶接境界部に硬化層が形成されるのを防ぐことが可能であり、その結果、圧力容器の安全性を高めることができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る圧力容器の一実施例を示す原子炉容器の概略構成説明図である。
【図２】本発明の一実施例に係る圧力容器の肉盛溶接部を模してハーフラップにより形成した供試体の模式図である。
【図３】図２のハーフラップにより形成した供試体に対して応力除去焼鈍後に側曲げ試験を行った際の浸透探傷検査の結果を示す溶接境界部を拡大して表した肉盛溶接部の断面写真である。
【図４】図３の浸透探傷検査の測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係る圧力容器の他の実施例を示す原子炉容器の概略構成説明図である。
【図６】本発明の他の実施例に係る圧力容器の肉盛溶接方法により形成された肉盛溶接部に対して応力除去焼鈍後に側曲げ試験を行った際の浸透探傷検査の結果を示す溶接境界部を拡大断面写真で表した肉盛溶接部の模式図である。
【図７Ａ】従来の肉盛溶接方法により形成された肉盛溶接部に対して応力除去焼鈍後に側曲げ試験を行った際の浸透探傷検査の結果を示す溶接境界部の拡大断面写真である。
【図７Ｂ】同じく従来の肉盛溶接方法により形成された肉盛溶接部に対して応力除去焼鈍後に側曲げ試験を行った際の浸透探傷検査の結果を示す溶接境界部の拡大断面写真である。
【図８】従来の肉盛溶接方法により形成された溶接境界部の応力除去焼鈍後における顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る圧力容器の肉盛溶接方法を用いて製造された圧力容器としての原子炉容器を示している。
【００２２】
図１に示すように、この原子炉容器１は、原子炉本体を閉じ込める容器であり、鉄鋼材料である低合金鋼（例えば、ＳＡ３０２Ｃ）を母材１１とする容器本体２及び蓋体３を備えている。高温・高圧水に接する母材１１の容器内面側には、腐食防止のための複数の肉盛層２２〜２４が積層されている。
【００２３】
複数の肉盛層２２〜２４は、母材１１上にＮｉ基合金系溶接材料を多層肉盛溶接して成っており、この実施例において、Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材が用いられ、複数の肉盛層のうちの母材１１の内面側に直に積層される初層である肉盛層２２は、希釈率を大きくした肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように形成され、一方、初層である肉盛層２２に続く肉盛層２３，２４は、希釈率を下げた肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％以上になるように形成されている。
【００２４】
上記した原子炉容器１の母材１１の容器内面側に複数の肉盛層２２〜２４を積層するに際しては、Ｎｉ基合金系溶接材料としてのインコネル６９０合金溶材による肉盛溶接に先立つ初層の肉盛層２２の肉盛溶接の段階で、まず、希釈率を大きくしてＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように肉盛溶接を行って、初層である肉盛層２２を形成する。
【００２５】
次いで、希釈率を下げてＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％以上になるようにインコネル６９０合金溶材による肉盛溶接を行って、初層である肉盛層２２上に２層目以降の肉盛層２３，２４を形成した後、溶接時に生じた熱歪等に起因する応力等を除去するための溶接後熱処理（応力除去焼鈍）を２４〜４８時間実施する。なお、この肉盛溶接には、プラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージ溶接を用いることができるが、これらの種類の溶接に限定されない。
【００２６】
この実施例において、Ｎｉ基合金系溶接材料としてのインコネル６９０合金溶材には、基本組成がNi-29Cr-10Feのインコネル６９０合金の共金系溶材であるインコネル６９０合金溶材（Ni-0.04C-9Fe-30Cr-0.5Mo-1Ti-1Al）を用いた。
【００２７】
この実施例に係る圧力容器の肉盛溶接方法及び圧力容器では、原子炉容器１を構成する母材１１の内面側をインコネル６９０合金溶材で多層肉盛溶接するようにしているので、高い耐食性が得られることとなる。
【００２８】
加えて、母材１１の内面側に直に積層される初層としての肉盛層２２の肉盛溶接の段階において、希釈率を大きくしてＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないようにして肉盛溶接を行っているので、多層肉盛溶接後の溶接後熱処理において、母材１１に含まれる炭素が初層の肉盛層２２側へ拡散することが抑えられて母材１１と初層の肉盛層２２との溶接境界部に硬化層が形成されることが回避されることとなり、後の側曲げ試験において割れが生じる懸念を払拭し得ることとなる。
【００２９】
つまり、原子炉容器１を製造するうえでの問題が解消され、原子炉容器１の安全性を高め得ることとなる
【００３０】
そこで、上記した実施例に係る原子炉容器１の肉盛溶接部を模して、供試体を製作した。
この供試体は、図２に示すように、上記した実施例の母材１１上に、複数の肉盛層をハーフラップにより形成して成り、上記した実施例の初層に相当する図示左側の肉盛層２２は、インコネル６９０合金溶材による希釈率を大きくした肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように形成され、上記した実施例の初層に続く層に相当する図示中央から右側の肉盛層２３，２４は、インコネル６９０合金溶材による希釈率を下げた肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％以上になるように形成されている。
【００３１】
上記供試体を製作する際の溶接条件を表１に示す。
【表１】
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【００３２】
上記供試体に対して応力除去焼鈍を４８時間実施した後に側曲げ試験を行い、浸透探傷検査により溶接境界部の溶接状態を調べたところ、図３及び図４に示す結果を得た。
【００３３】
図３における拡大断面写真及び図４のグラフに示すように、インコネル６９０合金溶材による希釈率を大きくした肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％を超えないように形成した図３左側の肉盛層２２の溶接境界部には、浸透探傷検査による指示（割れなどの欠陥）が見当たらない。
【００３４】
これに対して、インコネル６９０合金溶材による希釈率を下げた肉盛溶接によってＣｒの濃度が１６ｍａｓｓ％以上になるように形成した図３中央から右側の肉盛層２３，２４の母材１１との各溶接境界部には、いずれも浸透探傷検査による指示が現れた。
【００３５】
したがって、この実施例に係る圧力容器の肉盛溶接方法では、多層肉盛溶接後の溶接後熱処理（応力除去焼鈍）において、母材に含まれる炭素の溶接材料側への拡散が抑えられて溶接境界部には硬化層が形成されずに、割れが生じ難くなっていることが実証できた。
【００３６】
図５は、本発明の他の実施例に係る圧力容器の肉盛溶接方法を用いて製造された圧力容器としての原子炉容器を示している。
【００３７】
図５に示すように、この原子炉容器１も、原子炉本体を閉じ込める容器であり、鉄鋼材料である低合金鋼（例えば、ＳＡ３０２Ｃ）を母材１１とする容器本体２及び蓋体３を備えている。高温・高圧水に接する母材１１の容器内面側には、腐食防止のための複数の肉盛層１２〜１５が積層されている。
【００３８】
複数の肉盛層１２〜１５は、母材１１上にＮｉ基合金系溶接材料を多層肉盛溶接して成っており、複数の肉盛層のうちの母材１１の内面側に直に積層される初層である肉盛層１２は、２層目以降の肉盛層１３〜１５を形成するＮｉ基合金系溶接材料よりもＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料により形成されている。
【００３９】
上記した原子炉容器１の母材１１の容器内面側に複数の肉盛層１２〜１５を積層するに際しては、Ｎｉ基合金系溶接材料による肉盛溶接に先立って、このＮｉ基合金系溶接材料よりもＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料で母材１１の内面側を直に肉盛溶接して、初層である肉盛層１２を形成する。
【００４０】
次いで、初層である肉盛層１２上にＮｉ基合金系溶接材料による肉盛溶接を行って、２層目以降の肉盛層１３〜１５を形成した後、溶接時に生じた熱歪等に起因する応力等を除去するための溶接後熱処理（応力除去焼鈍）を２４〜４８時間実施する。なお、この肉盛溶接には、プラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージ溶接を用いることができるが、これらの種類の溶接に限定されない。
【００４１】
この実施例において、初層である肉盛層１２を形成する低クロムＮｉ基合金系溶接材料には、基本組成がNi-15.5Cr-8Feのインコネル６００合金の共金系溶材であるインコネル６００合金溶材（Ni-0.08C-3Mn-3Fe-20Cr-2.5(Nb+Ta)）を用いた。
【００４２】
一方、２層目以降の肉盛層１３〜１５を形成するＮｉ基合金系溶接材料には、基本組成がNi-29Cr-10Feのインコネル６９０合金の共金系溶材であるインコネル６９０合金溶材（Ni-0.04C-9Fe-30Cr-0.5Mo-1Ti-1Al）を用いた。
【００４３】
この実施例に係る圧力容器の肉盛溶接方法及び圧力容器においても、原子炉容器１を構成する母材１１の内面側をインコネル６９０合金溶材で多層肉盛溶接するようにしているので、高い耐食性が得られることとなる。
【００４４】
加えて、複数の肉盛層１２〜１５のうちの母材１１の内面側に直に積層される初層としての肉盛層１２をインコネル６９０合金溶材よりもＣｒの含有量が少ないインコネル６００合金溶材により形成するようにしているので、多層肉盛溶接後の溶接後熱処理において、母材１１に含まれる炭素が初層の肉盛層１２側へ拡散することが抑えられて母材１１と初層の肉盛層１２との溶接境界部に硬化層が形成されることが回避されることとなり、後の側曲げ試験において割れが生じる懸念を払拭し得ることとなる。
【００４５】
つまり、原子炉容器１を製造するうえでの問題が解消され、原子炉容器１の安全性を高め得ることとなる
【００４６】
そこで、本発明に係る圧力容器の肉盛溶接方法により形成された肉盛溶接部、すなわち、初層の肉盛層がインコネル６００合金溶材で形成され且つ２層目以降の肉盛層がインコネル６９０合金溶材で形成された肉盛溶接部に対して応力除去焼鈍を４８時間実施した後に側曲げ試験を行い、浸透探傷検査により溶接境界部の溶接状態を調べたところ、図６に示す結果を得た。
【００４７】
また、従来の肉盛溶接方法により形成された肉盛溶接部、すなわち、全層がインコネル６９０合金溶材で形成された２パターンの肉盛溶接部に対して応力除去焼鈍を４８時間ずつ実施した後に側曲げ試験を行い、浸透探傷検査により溶接境界部の溶接状態をそれぞれ調べたところ、図７Ａ，図７Ｂに示す結果を得た。
【００４８】
図６における拡大断面写真に示すように、本発明に係る圧力容器の肉盛溶接方法により形成された肉盛溶接部の溶接境界部には、浸透探傷検査による指示（割れなどの欠陥）が見当たらない。
【００４９】
これに対して、図６の拡大部分に相当する図７Ａ，図７Ｂの各拡大断面写真に示すように、従来の肉盛溶接方法により形成された２パターンの肉盛溶接部の各溶接境界部には、いずれも浸透探傷検査による指示が現れた。
【００５０】
したがって、本発明に係る圧力容器の肉盛溶接方法では、多層肉盛溶接後の溶接後熱処理（応力除去焼鈍）において、母材に含まれる炭素の溶接材料側への拡散が抑えられて溶接境界部には硬化層が形成されずに、割れが生じ難くなっていることが実証できた。
【００５１】
上記した実施例では、Ｎｉ基合金系溶接材料としてインコネル６９０合金溶材を用い、このインコネル６９０合金溶材よりもＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料としてインコネル６００合金溶材を用いる構成としているが、これに限定されるものではない。
【００５２】
また、上記した実施例では、母材１１上に多層肉盛溶接して成る複数の肉盛層のうちの母材１１の内面側に直に積層される初層である肉盛層１２のみをＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料で形成するようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば、２層目の肉盛層１３もＣｒの含有量が少ない低クロムＮｉ基合金系溶接材料で形成するようにしてもよい。
【００５３】
さらに、上記した実施例では、本発明に係る圧力容器が原子炉容器である場合を示したが、これに限定されるものではない。
【００５４】
本発明に係る圧力容器の肉盛溶接方法及び圧力容器の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５５】
１  原子炉容器（圧力容器）
２  容器本体
３  蓋体
１１  母材
１２，２２  初層である肉盛層
１３〜１５，２３，２４  ２層以降の肉盛層
【図１】
2013161667.tif 000004
【図２】
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【図３】
2013161667.tif 000006
【図４】
2013161667.tif 000007
【図５】
2013161667.tif 000008
【図６】
2013161667.tif 000009
【図７Ａ】
2013161667.tif 000010
【図７Ｂ】
2013161667.tif 000011
【図８】
2013161667.tif 000012
【国際調査報告】
2013161667.tif 000013
2013161667.tif 000014