(57)【要約】      （修正有）【課題】２重管を加熱して引張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にする方法であり、管内部にアクセスすることなく２重管の残留応力を簡単、迅速且つ確実に改善することができる２重管の残留応力の改善方法を提供する。【解決手段】隣接する管体２と突合せ溶接にて継手部を形成する第１の管体１１と、第１の管体１１の内壁面に基部のみが取り付けられた第２の管体１２とを有する２重管の溶接部を有する継手であって、第１の管体１１及び隣接する管体２の温度が両管体１１，２を構成する材料内部で改質が発生する温度と及び前記継手部からの伝熱によって水の温度が沸騰する温度のうちいずれか一方が達成される前に加熱を停止する。【選択図】      図１
2004346344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する管体と突合せ溶接にて継手部を形成する第１の管体と、
前記第１の管体の内壁面に基部のみが取り付けられた第２の管体とを有する２重管の溶接部の残留応力改善方法であって、
前記第２の管体は、前記継手部の内側に同心円上に配置されるものであり、
前記２重管及び前記隣接する管体の内部に水が充填されており、
前記２重管及び前記隣接する管体の内部で前記水が停留した状態で、前記継手部の溶接部及び溶接部近傍を外部より全周にわたって加熱するものであり、
前記第１の管体及び前記隣接する管体の温度が該両管体を構成する材料内部で改質が発生する温度になるかまたは前記加熱された前記継手部における伝熱によって内部の水の沸騰のうちいずれか一方が達成される前に加熱を停止するものであり、
前記継手部の内外面の温度差が前記溶接時の熱応力にて蓄積された引っ張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にするために必要な温度差になるように加熱することを特徴とする２重管の残留応力の改善方法。
【請求項２】
前記継手部の溶接部及び溶接部近傍を加熱するときに、加熱に用いる加熱装置を該継手部の溶接部及び溶接部近傍を囲繞する位置に配置し、
前記継手部の溶接部及び溶接部近傍の外表面に複数の熱電対を取り付けておき、
前記加熱装置を動作させて前記継手部の外表面が所定の温度になるまで加熱し、そのときの前記継手部の外表面の温度分布を計測し、
前記温度分布が前記溶接部及び溶接部近傍で略均一になるように加熱装置の設置状態を調整した後に、前記継手部の外面と内面の温度差が前記溶接時の熱応力にて蓄積された引っ張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にするために必要な温度差になるように加熱することを特徴とする請求項１に記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項３】
前記加熱装置には高エネルギ密度電源を用いることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項４】
前記加熱装置は、高周波誘導加熱コイルである請求項３に記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項５】
前記加熱装置は、該加熱装置と該加熱装置にて加熱される前記継手部の溶接部及び溶接部近傍にアークを発生させ、その発生したアークを前記溶接部及び溶接部近傍を高速で回転させて加熱するものである請求項３に記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項６】
前記第１の管体と前記第１の管体と隣接する管体は互いに異なる材質で構成されており、
前記第１の管体及び前第１の管体に記隣接する管体のそれぞれの材質における誘導電流の発生を考慮して前記高周波誘導加熱コイルの外径及び巻き数を決定することを特徴とする請求項４に記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項７】
前記第１の管体及び前記隣接する管体の表面に複数のＡＥ（アコースティックエミッション）センサが取り付けられており、前記２重管及び前記隣接する管体に充填された水の沸騰時に発生するＡＥを計測することで該水の沸騰状態の確認を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項８】
前記２重管の内部に充填された水の液面の変動を観察することで該水の沸騰状態の確認を行うことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項９】
前記２重管及び前記第１の管体に隣接する管体は溶接により上下に接合されており、前記２重管及び前記第１の管体に隣接する管体は直立された状態で内部に水が充填されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項１０】
前記水の変わりに所定のガスが充填されており、
前記加熱装置は前記第１の管体の内外面で十分な温度差を有し、且つ、前記２重管の材質が変質する温度の手前で加熱を終了することを特徴とする請求項１から請求項９に記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項１１】
前記水の変わりに管内は真空であり、
前記加熱装置は前記第１の管体の内外面で十分な温度差を有し、且つ、前記２重管の材質が変質する温度の手前で加熱を終了することを特徴とする請求項１から請求項９に記載の２重管の残留応力の改善方法。
【請求項１２】
前記２重管は加圧水型原子炉（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ：ＰＷＲ）の一次冷却系配管であり、前記第２の管体は、前記第１の管体に内部に充填された冷却水の熱衝撃を該第１の管体に伝えないようにするサーマルスリーブであり、
前記第１の管体に隣接する管体は加圧器のセーフエンドであり、
前記一次冷却系の配管とセーフエンドの接合部の溶接時の熱応力によって蓄積される残留応力を請求項１から請求項１１のいずれかに記載の２重管の残留応力の改善方法を用いて改善することを特徴とする２重管の残留応力の改善方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２重管の残留応力の改善方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に腐食しにくい鉄鋼材料、例えばステンレス鋼などは表面に極めて薄い腐食膜を予め形成しており、該腐食膜が新たな腐食の進行を防いでいる。このような材料は、引張り応力と腐食環境がある一定の条件を満たしたときに材料にき裂が発生し、そのき裂が時間と共に進展する応力腐食割れ（Ｓｔｒｅｓｓ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ：ＳＣＣ）という現象が発生することが知られている。
【０００３】
原子炉の配管には腐食に強いオーステナイト系ステンレス鋼がよく使われている。オーステナイト系ステンレス鋼は表面が薄い酸化皮膜で覆われていて、この皮膜が保護しているため全面腐食の進行が非常に遅い。オーステナイト系ステンレス鋼で最も一般的でしかも耐食性の優れた材料として、ＪＩＳの材料記号でＳＵＳ３１６と称する材料が挙げられる。ＳＵＳ３１６は鉄に約１８％のクロムと約１２％のニッケルと約２．５％のモリブデンを混ぜた合金である。ＳＵＳ３１６は合金成分が一様に混ざり合った安定な材料であるが、６００℃程度に加熱すると材料中のクロムと鉄に含まれている炭素が結合してクロム炭化物（クロムカーバイド）として析出する鋭敏化という現象を起こし、さらにそこに大きな（降伏点以上の）引っ張り応力が作用することでＳＣＣが発生することは早くから知られていた。
【０００４】
特にステンレス製の配管を溶接し継手を形成する場合、該ステンレス製の配管の溶接部近傍が溶接熱にて加熱されステンレス中の炭素がクロムと結合し、結晶粒界に沿ってクロムカーバイトとして析出する。すると前記結晶粒界近傍に沿ってステンレス中にクロム欠乏域ができ、耐食性が低下する。クロム欠乏域が発達した組織では、大きな（降伏点以上の）引っ張り応力が加わっていると、酸素濃度が高い場合、高温純水（腐食性物質が含まれていない）中であっても、結晶粒界に沿って局部的な腐食が発生し、それがＳＣＣにまで発展していく。
【０００５】
さらに、前記ＳＣＣの原因である引張り応力として、溶接近傍部における溶接熱による加熱及びその後、急冷することで蓄積される引張り状態の残留応力も含まれることが、明らかになっている。
【０００６】
このＳＣＣの発生原因として、材料（クロムカーバイドの析出による耐食性の低下）、環境（腐食性の環境）、応力（降伏点以上の引張り応力）の全ての条件を満たすことであることが広く知られている。つまり、これら材料、環境、応力のＳＣＣの発生条件のうち少なくとも一つの条件を満たさないようにすればＳＣＣの発生を防ぐことができるということである。
【０００７】
まず、材料を改善するものとしてステンレス中に含まれる炭素の含有量を減らすものが検討されている。前記ステンレス中の炭素含有量を減らすとクロムカーバイドの発生を抑えることができ、結果として鋭敏化することを抑えることが可能である。
【０００８】
また、溶接部近傍の残留応力を低減する又は残留応力を引張り状態から圧縮状態にすることでもＳＣＣを防ぐことが可能である。この引張り状態の残留応力を低減又は圧縮状態にする方法の一つとして、高周波加熱残留応力改善法（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｈｅａｔｉｎｇ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｐｒｏｃｅｓｓ、以下ＩＨＳＩ法という）が提案されている。このＩＨＳＩ法は管の溶接部近傍の厚み方向に温度勾配ができるように、管内面を流水により冷却しながら外面側を高周波誘導加熱コイルを利用して誘導加熱で昇温した後、加熱を停止し、配管の厚み方向が略均一な温度となるまで内面に水を流すことで冷却し続け、結果として溶接部近傍の引張り状態の残留応力を低減又は圧縮状態にするものである。このとき、管外周面と管内周面の温度差が一定以上の温度差である必要がある。
【０００９】
また、残留応力の改善方法としては無数の金属の球を高速度で残留応力を改善したい場所に衝突させることで、該残留応力を改善するショットピーニング法等も提案されている。
【００１０】
また、環境の条件を改善する方法として管内に流れる流体中に含まれる腐食性物質を取り除いたり、酸化の原因である酸素の含有量を減少させたりする方法も提案されている。
【００１１】
【特許文献１】
特許２６２４６４９号公報
【特許文献２】
特公平６−９９７５４号公報
【特許文献３】
特公平４−１４１７２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のステンレス製配管中の炭素含有量を減らし、クロムカーバイドの析出を抑えることで、クロム欠乏域の発生を抑えることができる。しかしながら、ステンレス鋼材中の炭素含有量が減少したことでステンレス鋼材の強度が低下する。強度が低下したステンレス鋼材は部材によっては用いることが可能であるが、大きな応力がかかる部分に採用することはできない。また、加工を施してステンレス製の配管として製作し継手として形成したあとで、炭素含有量を減らして材料を改質するのは困難である。
【００１３】
また、前記ＩＨＳＩ法を用いて前記ステンレス製配管の残留応力状態を低減するか又は引張り状態から圧縮状態へかえる場合、前記ステンレス製配管の残留応力を改善する部分の外部に高周波誘導コイルを配し、該コイルに電流を流して該ステンレス製配管を外部より加熱すると共に、配管内部に絶えず水を流して、所定の温度に冷却するものであり、既に据え付けられている配管に対して実施するのはやりやすいが、内部に水流を発生させなくてはならず、管内部にアクセスできない場合は実施が困難である。
【００１４】
また、外部へ管内に流れる流体の熱を伝えないようにするサーマルスリーブを有するような、二重管の場合、前記配管本体と前記サーマルスリーブとの隙間には流体が十分に流れない場合も考えられ、それゆえ、内部を十分に冷却することができず、配管内外で十分な温度差を得ることができない。
【００１５】
また、前記配管と前記サーマルスリーブの隙間に管内流体が沸騰したときに発生する蒸気が溜まり層状になる、いわゆる、膜沸騰状態になった場合、流体と蒸気では熱伝導率が異なり蒸気の層ができている部分の配管ではほかの流体と接している部分とは温度が異なり、結果として配管内面の周方向に温度のムラができる。
【００１６】
ショットピーニングにて残留応力を改善する方法についても既に据え付けられている配管又は配管を接合した継手に対して実施するのは非常に困難である。
【００１７】
流体中の腐食性物質を取り除く方法に関しては、配管内を流れる流体の使用目的によっては取り除くことができないものもあり、また、一度運転を開始しているプラント等の場合、新たに腐食性物質を取り除く装置等を取り付けるのは非常に大掛かりな作業が必要となると共に、新たに定期点検をする部材が増える。
【００１８】
このような問題を鑑みて、本発明は２重管を加熱して引張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にする方法であり、２重管の残留応力を簡単、迅速且つ確実に改善することができる２重管の残留応力の改善方法を提供することを目的とする。
【００１９】
また本発明は２重管を加熱して引張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にする方法であり、管内部にアクセスすることなく２重管の残留応力を改善することができる２重管の残留応力の改善方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、隣接する管体と突合せ溶接にて継手部を形成する第１の管体と、前記第１の管体の内壁面に基部のみが取り付けられた第２の管体とを有する２重管の溶接部の残留応力改善方法であって、前記第２の管体は、前記継手部の内側に同心円上に配置されるものであり、前記２重管及び前記隣接する管体の内部に水が充填されており、前記２重管及び前記隣接する管体の内部で前記水が停留した状態で、前記継手部の溶接部及び溶接部近傍を外部より全周にわたって加熱するものであり、前記第１の管体及び前記隣接する管体の温度が該両管体を構成する材料内部で改質が発生する温度になるかまたは前記加熱された前記継手部における伝熱によって内部の水の沸騰のうちいずれか一方が達成される前に加熱を停止するものであり、前記継手部の内外面の温度差が前記溶接時の熱応力にて蓄積された引っ張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にするために必要な温度差になるように加熱することを特徴とする２重管の残留応力の改善方法を提供する。
【００２１】
このようにすることで、管体に蓄積された引張り状態の残留応力を低減又は圧縮状態にすることができ、しかも、管体は損傷することなく応力腐食割れ（ＳＣＣ）を防ぐことが可能である。また、水が停留している場所での実施も簡単に行うことが可能であり、内部にアクセスできない管体及び管体を繋いだ継手に対しても広く適用することが可能である。
【００２２】
また上記の目的を達成するため本発明は、前記継手部の溶接部及び溶接部近傍を加熱するときに、加熱に用いる加熱装置を該継手部の溶接部及び溶接部近傍を囲繞する位置に配置し、前記継手部の溶接部及び溶接部近傍の外表面に複数の熱伝対を取り付けておき、前記加熱装置を動作させて前記継手部の外表面が所定の温度になるまで加熱し、そのときの前記継手部の外表面の温度分布を計測し、前記温度分布が略均一になるように加熱装置の設置状態を調整した後に、前記継手部の外面と内面の温度差が前記溶接時の熱応力にて蓄積された引っ張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にするために必要な温度差になるように加熱することを特徴とする２重管の残留応力の改善方法を提供する。
【００２３】
この方法によると、予め予備加熱をしておくことで、加熱を無駄なく均一に行うことができ、加熱時のエネルギ及び時間を節約することが可能である。
【００２４】
上述の構成において加熱に用いられる加熱装置は高エネルギ密度電源を例示できる。例えば高周波誘導コイル、アークを管体に沿って周回させるもの、レーザを用いるもの等を例示することができる。
【００２５】
また上述の目的を達成するため本発明は、前記第１の管体と前記第１の管体と隣接する管体は互いに異なる材質で構成されており、前記第１の管体及び前第１の管体に記隣接する管体のそれぞれの材質における誘導電流の発生を考慮して前記高周波誘導加熱コイルの外径及び巻き数を決定することを特徴とする２重管の残留応力の改善方法を提供する。
【００２６】
この構成によると、加熱場所の材質に合わせて高周波誘導コイルの形状、大きさ等を調整することができ、異材継手で異なる物理特性の材料を加熱する場合でも、十分な加熱を行うことができ、それゆえ、確実に残留応力を改善することが可能である。
【００２７】
また上記構成の第１の管体及び隣接する管体において、表面に複数のＡＥ（アコースティックエミッション）センサが取り付けられており、前記２重管及び前記隣接する管体に充填された水の沸騰時に発生するＡＥを計測することで該水の沸騰状態の確認を行ってもよい。この構成によると、より正確に管内の水の状態を把握することができ、水が沸騰する前に確実に加熱を停止させることができる。
【００２８】
また、水の状態を調べるのに、水面の状態を観察して確認してもよい。水が沸騰すると水中に蒸気の泡が現れ上方へ流れていく。その蒸気の泡の発生を確認してすぐに加熱を停止すれば、水が膜沸騰を行う前に停止することができ、確実な加熱操作を行うことが可能である。
【００２９】
また、上記構成の継手として、管体を上下に接合しているものを例示できる。このことより、管内部の水が沸騰した場合でも蒸気は管の上部に流れていき、管内面と水の間に蒸気の膜ができるのを防ぐことができ、それだけ確実に、管内外面での温度差を発生させることができる。それによって、確実に管板厚部の内面の引張り状態の残留応力を低減又は圧縮状態にすることが可能である。
【００３０】
管内部に水が入っていないもの、換言すると、管内部が真空であるか又は所定のガスが充填されているものに対しても同様にして、引張り状態の残留応力を低減又は圧縮状態にすることが可能である。これにより、本発明の２重管の残留応力の改善方法を広い分野に適応することができる。
【００３１】
本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法を加圧水型原子炉（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ：ＰＷＲ）の一次冷却系配管と加圧器のセーフエンド継手部に適応するものを例示できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１に２重管と単管を溶接にて接合したものを本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法をもちいて残留応力を改善するものを示す。
【００３３】
図１に示す継手Ａは、２重管１と単管２を上下に配置して突合せ溶接にて接合したものである。２重管１と単管２の内部は水Ｗｔが充填されている。２重管１及び単管２はそれには限定されないがここではステンレス材で形成されている。
【００３４】
２重管１は第１の管体１１と第１の管体１１の内壁１１１に形成された後述の固定台部１１２に基部１２１が固定されている第２の管体１２を備えている。第１の管体１１は、下部１１ｄの内壁１１１は内径ｄ１で、上部１１ｕの内壁１１１は内径ｄ１よりも大きい内径ｄ２で形成されており、ｄ１とｄ２の間の内径ｄ３を有し、第２の管体１２の基部１２１が固定される固定台部１１２を備えている。また、第１の管体１１の外径Ｄ１は均一である。
【００３５】
第２の管体１２は第１の管体１１の固定台部１１２に設置される厚さ１２ｔの管体であり、第１の管体１１と第２の管体１２の間には水Ｗｔが流れ込むことができる隙間ｐが形成されている。第２の管体１２は２重管１及び単管２内に充填されている水Ｗｔの熱が、第１の管体１１及び単管２に熱衝撃として伝わらないようにする、いわゆるサーマルスリーブとして作用するものである。２重管１及び単管２内部に充填されている水は停留している。
【００３６】
単管２は、第１の管体１１と同じ外径Ｄ１を有しており、また、第１の管体１１の上部１１ｕと同じ内径ｄ２を有している。第１の管体１１と単管２は突合せ溶接にて接合されており、溶接部Ｗｄ及び第１の管体１１、単管２の溶接部近傍１１３、２１には溶接時の溶接熱による熱応力で引張り状態の残留応力が蓄積されている。
【００３７】
溶接部Ｗｄ及び溶接部近傍１１３、２１の引張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にするための加熱に用いられる高周波誘導コイル３は溶接部Ｗｄ及び第１の管体１１と単管２の溶接部近傍１１３、２１の外部から囲繞外面１１４、２２に対向すると共に、２重管１及び単管２と同心上に配置される。高周波誘導コイル３に電流を流して、溶接部Ｗｄ及び第１の管体１１と単管２の溶接部近傍１１３、２１に誘導電流を発生させて加熱する。
【００３８】
高周波誘導コイル３に電流を流すことで第１の管体１１及び単管２に誘導電流が発生しそれによって、第１の管体１１及び単管２の外面を管周方向に均一に、且つ、急速な加熱を行う。また、管の外面に加えられた熱は板厚方向に伝熱し管内外で所定の温度差ΔＴを発生させる。ΔＴが発生すると管の板厚内部の固有ひずみが再分布されるとともに、管内面側の引張り残留応力を改善させることができる。管内外の温度差ΔＴの発生は固有ひずみの再分布が目的であり、クリープ現象を利用した応力改善法とはことなり、極短時間であっても温度差ΔＴが発生すれば残留応力改善効果を得ることができる。残留応力改善効果を得るために必要な温度差ΔＴは次式（１）を満たすものであればよい。
ΔＴ＝｛４σｙ（１−ν）｝／Ｅ・α          （１）
ここでσｙ：降伏応力、Ｅ：ヤング率、α：線膨張係数、ν：ポアソン比である。
【００３９】
また、第１の管体１１及び単管２においてクロムカーバイドが析出する温度（鋭敏化する温度）以下の温度で、且つ、上述の内外面温度差ΔＴを発生するように加熱される必要がある。また、外面を加熱することで、２重管１及び単管２の内部に充填されている水Ｗｔは伝熱により加熱され水の沸点に達すると、水は沸騰する。内部の水の沸騰、特に膜沸騰が発生すると熱伝達効率が低下するので、沸騰が起こる前に加熱を終了する必要がある。
【００４０】
これらの条件を踏まえた上で、例えば図２に示すような状態で残留応力の改善を行う必要がある。
まず、高周波誘導コイル３に電流を流し、２重管１及び単管２を急速に加熱する。このとき外面の温度はａ１で示す曲線で昇温していき、内面の温度（水温）はｂ１で示す曲線で昇温していく。外面と内面の温度差が上述の式を満たすΔＴ１で且つ、内部の水Ｗｔが沸騰する前に加熱を停止する。そのとき、外面の温度曲線ａ１はＰＡ１に達したとき、換言すると、外面の温度がｔ１に達し、内面の温度曲線ｂ１はＰＢ１に達し、すなわち、温度がｔ２に達する。外面の温度ｔ１は鋭敏化が起こる温度（オーステナイト系ステンレスでは約５５０℃）よりも低い温度であり、内面の温度ｔ２は内部の水が沸騰する温度（大気圧で１００℃）よりも低い温度である。図２においては加熱を終了した後、図２中ＰＣで第１の管体１１及び単管２が蓄えている熱が伝えられて沸騰している
【００４１】
加熱の停止は時間で制御しており所定時間（ここでは加熱時間ｓ１）を経過した後に、高周波誘導コイル３への電力の供給を停止する。加熱時間ｓ１はΔＴ１、ｔ１、ｔ２の条件を全て満たすものであり、残留応力を改善するための２重管１、単管２と同じ形状、材質の加熱モデルを実際に加熱してみて、前記のような条件を満たす時間ｓ１を決定している。また本発明にかかる残留応力改善法の場合温度差は極短い時間達成されただけでも、残留応力改善効果は発揮される。
【００４２】
図３に本発明にかかる残留応力改善方法を適用した前後の管内面の溶接部及び溶接部近傍の残留応力分布を示す。図３は、縦軸を残留応力（ＭＰａ）、横軸を溶接中心からの距離（ｍｍ）とした分布図である。縦軸は残留応力であり、引張り応力を正に圧縮応力を負にとっている。横軸は中央部に溶接部が配置されており、左側に２重管１、右側に単管２を表示している。
【００４３】
図中で線図Ｓａ１は残留応力改善方法実施前の線図Ｓｂ１は残留応力改善方法実施後の応力分布を示している。線図Ｓａ１より溶接部と母材（第１の管体１１又は単管２）との界面部分Ｐ１、Ｐ２が最も引張り残留応力が高く、略降伏応力に達しており、母材−溶接部界面より、ある程度はなれた部分まで引張り状態の残留応力が蓄積していることがわかる。また、残留応力改善方法を実施した後は線図Ｓｂ１を見ればわかるように、溶接中心から離れたところまで残留応力が全て圧縮状態の残留応力になっていることがわかる。このことより、ＳＣＣ発生の原因の一つである降伏点以上の引張り残留応力という条件を取り除くことができ、ＳＣＣの発生を防ぐことができる。
【００４４】
本実施例に用いた２重管１及び単管２はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）で形成されている。第１の管体１１及び単管２の内径は約２５０ｍｍであり、肉厚は４５ｍｍである。ＳＵＳ３１６の降伏応力を２０５ＭＰａとすると上述の式（１）より残留応力改善に必要な管内外の温度ΔＴ１は２００℃以上であることがわかる。また、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、外面の加熱温度ｔ１は粒界へのクロムカーバイドの析出（鋭敏化）を考慮して５５０℃以下とする。
【００４５】
２重管１及び単管２を縦に接続して、突合せ溶接部Ｗｄ及び溶接部近傍１１３、２１を加熱することで、万一、内部の水が沸騰しても第１の管体１１及び単管２と第２の管体（サーマルスリーブ）１２の間の隙間部に発生した蒸気の気泡は上方に逃げる。そのため、水流を発生させなくても管内面と水の間に蒸気の膜ができにくく、それだけ管内面から水に熱が確実に伝熱し、管内外面の温度差をつけやすい構造となっている。
【００４６】
（実施例２）
２重管、単管及び高周波誘導コイルの構成は実施例１と同じであり、便宜上同一の部分には同一の符号を用いる。残留応力の改善のための加熱の前に、予備加熱を行うものである。クロムカーバイドが析出する温度は約５５０℃であり、上述より、残留応力の改善に必要な管内外面の温度差ΔＴ１は２００℃以上である。以上のことを踏まえて予備加熱では、予備加熱によって残留応力に影響を及ぼさない温度、すなわち、それには限定されないがここでは、外面の温度が１５０℃程度まで加熱を行う。このとき第１の管体１１及び単管２の外面１１４、２２に複数（ここでは３つ）の熱伝対を取り付け、外面の温度分布ｔ３、ｔ４、ｔ５を計測する。
【００４７】
図４に示すように、温度分布ｔ３、ｔ４、ｔ５が加熱対象場所において、略均一（均熱）（それには限定されないが、ここではｔ３、ｔ４、ｔ５が１５０℃±２０℃）であることを確認する。もし、均熱でない場合は、高周波誘導コイル３の位置を調整し略均一に加熱できるようにする。その後、実施例と同様に、残留応力の改善方法を用いて溶接部Ｗｄ及び第１の管体１１、単管２の溶接部近傍１１３、２１の外面を急速に加熱して、２重管１及び単管２の内部の水Ｗｔが沸騰する前に加熱を停止する。その後冷却して、溶接部Ｗｄ及び溶接部近傍１１３、２１の内面の引張り状態の残留応力を低減又は圧縮状態にするものである。
【００４８】
予備加熱を行うことで第１の管体１１及び単管２の外面１１４、２２を周方向にわたって均一又は略均一に加熱することができる。それだけ、第１の管体１１及び単管２の板厚方向に均一又は略均一に温度差を付けることができ、より高い残留応力改善法の効果を得ることが可能である。コイル３を調整するためには、予め分割可能なコイルを用いておけば調節は比較的容易に行える。
【００４９】
（実施例３）
本実施例で示す２重管、単管及び高周波誘導コイルの構成は実施例１と同じである。実質上同一の部分には同一の符号を用いる。本実施例においては、２重管１及び単管２の内部に水を溜めていないものの溶接継手の外面から加熱することで残留応力を改善するものである。
【００５０】
また、高周波誘導コイル３にて加熱を行う場合、誘導電流が金属材料に浸透する浸透深さδは次の式で表される。
δ＝（ρ×１０００）１／２／｛２π×（μ×ｆ）１／２｝      式（２）
ここで、ρ：固有抵抗、μ：比透磁率、ｆ：周波数である。
すなわち、式（２）より、周波数が大きいほど誘導電流の浸透深さは浅くなる。このことより、第１の管体１１及び単管２の板厚に応じた周波数で高周波誘導コイル３を駆動してやれば、外面側により近い部分を加熱することができることがわかる。すなわち、式（２）より外面から大出力で高い周波数で加熱すると、誘導加熱により加熱される領域が外面近傍に限定され、外面近傍が迅速に加熱されるため、内面の温度が上昇する前に、内外面の温度差を発生させえることができる。
【００５１】
ここで２重管１及び単管２はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）で構成されており、固有抵抗（ρ）が１００（μΩ・ｃｍ）、比透磁率（μ）が１、コイルの周波数（ｆ）が２（ｋＨｚ）であるのでこれらの値を式（２）に適用すると浸透深さδは約１１．２ｍｍになる。板厚４０ｍｍに比べて十分小さいことがわかる。
【００５２】
加熱時の温度変化を図５に示す。管外面の温度ｔ６は実施例１で行ったときの時間ｓ１よりも短い時間ｓ２で鋭敏化が起こる温度（オーステナイト系ステンレスの場合５５０℃）に近い温度に達している。このとき、管内外面の温度差ΔＴ２は管内外面の温度差ΔＴ２は上式（１）に示すΔＴ以上になっている。すなわち第１の管体１１及び単管２にて鋭敏化が発生する前に、本発明にかかる残留応力の改善方法に必要な管内外面の温度差ΔＴ以上の温度差を得ていることがわかる。
【００５３】
この加熱の後、冷却することで管内面の引張り状態の残留応力を低減又は圧縮状態にすることができる。図６に本発明にかかる残留応力改善方法を実施する前後の残留応力分布を示す。
実施例１のときと同様の表示方法で表示してある。残留応力に関しては改善方法実施前は溶接中心からある程度はなれた部分であっても引張り状態の残留応力が蓄積されていたのに対し、残留応力改善方法を実施した後は、溶接中心を含めて圧縮状態の残留応力が蓄積していることがわかる。
【００５４】
内部に水を充填しないので、本発明にかかる残留応力の改善方法をより広範囲に実施することが可能である、また、内部に高い冷却効果を有するガスを充填することでより高い残留応力改善効果を得ることも可能である。また、管内を真空にして実施してもよい。
【００５５】
（実施例４）
図７に本実施例における２重管、単管及び高周波誘電コイルの配置の概略断面図を示す。単管及びコイル以外は実施例１に記載の継手Ａと実質上同一の構成であり、同一の部分には同一の符号が付してある。
図７に示す継手Ｂにおいて２重管１はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製の第１の管体１１とサーマルスリーブとして作用する第２の管体１２を有している。また、２重管１の第１の管体１１と突合せ溶接にて接合される単管２’は低合金鋼製であり、すなわち、継手Ｂは異材継手を形成している。オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）の各材料定数は実施例３に示したとおりであり、浸透深さは約１１．４ｍｍである。また、低合金鋼の固有抵抗ρは１０（μΩ・ｃｍ）であり、比透磁率μは１００、周波数ｆは２（ｋＨｚ）である。これらの値を式（２）に代入することで、低合金鋼の浸透深さは約０．４ｍｍであることがわかる。
【００５６】
このオーステナイト系ステンレス鋼の浸透深さ（１１．４ｍｍ）と低合金鋼の浸透深さ（０．４ｍｍ）を比べた場合大きく異なることがわかる。そこで、図７に示すように高周波誘導コイル３’が、ステンレス鋼側（２重管１側）のコイル３１’は密度を高く、低合金鋼側、換言すると単管２側のコイル３２’は密度を低くなるように調整している。
【００５７】
図８に加熱時の温度変化のグラフを示す。この高周波誘導コイル３’にて溶接継手を外面から急速に加熱する。このとき、第１の管体１１の外面の温度は図７中ａ２で示す曲線で上昇していき、単管２’の外面の温度はａ３で示す曲線に沿って上昇していく。また、内面（水温）はそれぞれｂ２、ｂ３で示す曲線に沿って上昇していく。外面と内面の温度差ΔＴ３が上述の式（１）を満たし、且つ、管内面は外面からの伝熱により加熱されて、内部に充填されている水の沸点に達すると内部の水Ｗｔが沸騰し、特に水と管内面の間に蒸気の膜を形成する膜沸騰が発生すると熱伝達効率が低下するので、内部の水Ｗｔが沸騰する前に加熱を停止する。その時間はｓ３である。このときの管外面の温度ｔ８は鋭敏化が起こる温度よりも低い。
【００５８】
図９に本発明にかかる残留応力の改善方法を実施する前後の管内面の残留応力の分布図を示す。図９中の線図Ｓａ２は残留応力改善方法を実施する前の残留応力であり、また、図９中の線図Ｓｂ２は残留応力改善方法を実施した後の残留応力である。これを見ると、残留応力の改善方法を実施する前の溶接部Ｗｄ’と母材（２重管１又は単管２’）の界面付近では、ＳＣＣが発生するための条件である降伏応力以上の応力に近い残留応力が蓄積されているが、残留応力の改善方法を実施した後は溶接部Ｗｄ’、溶接部近傍１１３、２１’共に圧縮状態の残留応力が蓄積されていることがわかる。このことより、ある程度の応力の変動が生じてもＳＣＣ発生にいたる引張り応力（降伏点以上の応力）が発生する可能性は非常に低い。
【００５９】
（実施例５）
図１０（Ａ）は本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法を適用する加圧水型原子炉の加圧器の概略斜視図を、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）に示す加圧器の本発明にかかる残留応力の改善方法にて残留応力を改善する部分の拡大断面図である。
図１０に示す加圧器４は、加圧水型原子炉（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ：以下ＰＷＲという）の一次冷却系の冷却水が沸騰しないように圧力をかけるための容器である。
【００６０】
図１０（Ｂ）に加圧器４のセーフエンド４１と一次冷却系５のパイプ５１のつなぎ目を示す。加圧器４には内部に水が充填されており、加圧器４のセーフエンド４１と一次冷却系５のパイプ５１は突合せ溶接にて接合されている。突合せ溶接の部分及びその近傍には溶接熱によって固有ひずみが発生し開放されることなく冷却されることで引張り状態の残留応力が蓄積される。
【００６１】
その引張り状態の残留応力を圧縮状態の残留応力にするために上述の実施例にて示されている、２重管の残留応力の改善方法を用いるものである。
加圧器４は、低合金鋼にて製作されており、一次冷却系５のパイプ５１はオーステナイト系のステンレスにて作製されている。また、加圧器４のセーフエンド４１と一次冷却系５のパイプ５１の継手部（サージ台）には、内部に充填されている冷却水による熱衝撃を防ぐためにパイプ５１内部でパイプ内面に接触しないように、且つ、パイプ５１及びセーフエンド４１と同心円上にサーマルスリーブ５２が取り付けられている。
【００６２】
パイプ５１及びセーフエンド４１とサーマルスリーブ５２の間には隙間ｋが形成されており、その部分で内部に充填している水からパイプ５１及びセーフエンド４１が受ける熱衝撃を和らげることができるようになっている。しかしながら、隙間ｋは管内径に比べて非常に狭く多くの水を蓄えることができない。したがって、外部から加熱する場合、隙間ｋに停留している水がいち早く沸騰してしまうが、蒸気は上方に排出されていき、パイプ５１とサーマルスリーブ５２の取り付け部の図示を省略した隙間より、管内の水が隙間の蒸気が排出された場所に流れ込んでくるようになっている。
【００６３】
こうすることで、内部の水が沸騰し始めてから加熱を終了するとしても、パイプ５１及びセーフエンド４１の内外面に残留応力を改善するための温度差を効率よくつけることが可能である。
【００６４】
また、パイプ５１及びセーフエンド４１の少なくともどちらか一方にＡＥ（アコースティックエミッション）センサを取り付けておき、水が沸騰するときに発生するＡＥを検出することで、内部の水の沸騰状態を検知し、加熱の停止を制御することができるものを用いてもよい。この場合、上述の各実施例の場合、予め同形状、同材質のモデルで温度差、各部材の温度、水の沸騰の各条件について試験した後、その試験を基に加熱停止タイミングを時間で決めていたのに対し、ＡＥでリアルタイムで水の沸騰を検出するのでより正確なタイミングで加熱を停止することが可能である。
【００６５】
以上述べた、各実施例のうち実施例５のみにＡＥセンサを用いて内部の水の状態を検出するものを例示したがそれに限られるものではなく、ＡＥセンサは内部に水を充填するものの沸騰状態を調べるものとして、広く用いることができる。
【００６６】
また、実施例２において予備加熱を用いるものを例示しているがそれに限定されるものではなく、予備加熱温度等は鋭敏化が発生しない温度等材料に支障のない範囲の温度を任意に選択できる。また、ほかの実施例においても予備加熱を行うことで、より高い残留応力改善効果を得ることができる。
【００６７】
上述の各実施例においては急速に加熱するものとして高周波誘導コイルを用いているが、それに限られるものではなく、引張り状態の残留応力を改善するための内外温度差を発生することができるものを広く採用することができる。加熱装置としては、例えば、管体の外周にわたって電極を配置し溶接部及び溶接部近傍にアークを発生させそれを、周方向に高速回転させるものを例示できる。
また、レーザ光を照射することで加熱するものも例示できる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によると、２重管を加熱して引張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にする方法であり、２重管の残留応力を簡単、迅速且つ確実に改善することができる２重管の残留応力の改善方法を提供することができる。
【００６９】
また本発明によると２重管を加熱して引張り状態の残留応力を低減する又は圧縮状態にする方法であり、管内部にアクセスすることなく２重管の残留応力を改善することができる２重管の残留応力の改善方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法の一例を適用する２重管を有する溶接継手の断面図である。
【図２】図１に示す溶接継手の残留応力の改善を行うときの温度と時間の関係を示すグラフである。
【図３】図２に示す２重管の残留応力の改善方法を実行する前後の残留応力を示すグラフである。
【図４】本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法を行う前の予備加熱時の温度と時間の関係を示すグラフである。
【図５】本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法の他の例を適用したときの温度と時間の関係を示すグラフである。
【図６】図５に示す２重管の残留応力の改善方法を実行する前後の残留応力を示すグラフである。
【図７】本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法の一例を適用する２重管を有する異材継手の断面図である。
【図８】図７に示す溶接継手の残留応力の改善を行うときの温度と時間の関係を示すグラフである。
【図９】図８に示す２重管の残留応力の改善方法を実行する前後の残留応力を示すグラフである。
【図１０】図（Ａ）は本発明にかかる２重管の残留応力の改善方法を実行する具体的な例であるＰＷＲの加圧器の概略斜視図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）の２重管部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１  ２重管
１１  第１の管体
１１１  管内面
１１２  固定台部
１１３  溶接部近傍
１１４  外面
１２  第２の管体（サーマルスリーブ）
２、２’  単管
２１、２１’  溶接部近傍
２２  外面
３、３’  高周波誘導コイル
４  加圧器
４１  セーフエンド
５  一次冷却系
５１  パイプ
５２  サーマルスリーブ
【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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【図９】
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【図１０】
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