(57)【要約】【課題】金属構造物の寸法安定化熱処理をその構造物の表面の引張残留応力を圧縮に改善することも兼ねて合理的に実施する。【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼あるいはニッケル基合金製の溶接構造物を、寸法安定化熱処理の温度履歴曲線７に示すように、その溶接構造物が変形を来たさない温度勾配で加熱して寸法安定化に要する規定の温度である４００℃で所定の時間保持する。その後、その溶接構造物の変形を来たさない温度勾配でその溶接構造物の冷却を温度履歴曲線７のように開始する。その冷却過程でその構造物の母材の強度が高まる３００℃以下で、表面強制冷却熱処理の温度履歴曲線８のように、その溶接構造物の表面を強制冷却してその溶接構造物の表面に圧縮応力を付与する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル基合金製の構造物の寸法安定化熱処理の冷却過程で、３００℃以下の温度領域で前記溶接構造物表面を強制冷却することを特徴とした金属表面残留応力改善熱処理方法。
【請求項２】
炭素鋼製の溶接構造物の溶接後熱処理の冷却過程で、３００℃以下の温度領域で前記溶接構造物表面を強制冷却することを特徴とした金属表面残留応力改善熱処理方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記強制冷却は、シャワー状水の前記溶接構造物表面への散布によることを特徴とした金属表面残留応力改善熱処理方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２において、前記強制冷却は、水槽内の水中へ前記溶接構造物を浸漬させることによることを特徴とした金属表面残留応力改善熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接構造物の金属表面の残留応力改善熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金鋼の溶接構造物では、溶接熱などの熱サイクルによって結晶粒界にクローム炭化物が析出し、この結果、結晶粒界の極近傍にクローム欠乏層が形成され、このクローム欠乏層に鋭敏化（腐食に対し感受性が高くなる現象）が発生する。また、溶接部近傍の表面には、一般に高い引張残留応力が存在するので、材料が鋭敏化した状態で、厳しい腐食環境下で使用されると応力腐食割れを起こす。すなわち、材料の鋭敏化，高い引張残留応力、及び腐食環境の三因子が重畳すると、応力腐食割れの危険性が高まる。又、炭素鋼の溶接構造物においても、溶接により残留応力を発生してしまう。
【０００３】
溶接構造物の引張残留応力を緩和するために、残留応力改善熱処理として、例えば、オーステイト系ステンレス鋼製溶接構造物の残留応力軽減方法に、溶接構造物を３５０〜５５０℃に加熱した後に、一定時間その温度に保持し、次に冷却過程では急冷させ表面残留応力を改善する手法が公知である（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５６−１３３４２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
オーステイト系ステンレス鋼製溶接構造物の３５０〜５５０℃からの冷却による残留応力の改善は、熱処理後の仕上げ加工で高い寸法精度を確保する必要があるものについては、この熱処理により大きく変形してしまい製品の製作が困難となる。また、表面の残留応力改善のためにこの残留応力改善熱処理を寸法安定化熱処理等とは別に単独で行うことは、その構造物の製造工程上熱処理ステップが追加になり好ましくない。更に、３５０〜５５０℃からの急冷熱処理を施した場合、この熱処理により構造物に歪が生じるため、その後に寸法安定化熱処理を行う必要があり、この寸法安定化熱処理により３５０〜５５０℃の熱処理の効果が消失してしまう。
【０００６】
従って、本発明の目的は、金属製の構造物の残留応力改善熱処理を構造物変形を極力伴わないようにしながら寸法安定化熱処理や溶接後熱処理の冷却過程で同時に行って全体の熱処理を合理化することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題を解決する具体的手段では、オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金鋼製の構造物の寸法安定化熱処理の冷却過程中、しかも母材強度が高くなる３００℃以下の低温領域でその構造物表面を衝風あるいはシャワー状水を当てて、その構造物表面を強制冷却させその構造物の肉厚方向に温度勾配を付与する。これによりその構造物表面を塑性変形させてその構造物表面に改善された残留応力を生成させるものである。強制冷却の別手段としてその構造物を純水を入れた水槽に浸漬させてもよい。
【０００８】
このように、その構造物に実施する寸法安定化熱処理の冷却過程中の３００℃以下の温度範囲で構造物表面を強制冷却させることで、寸法の安定化をするとともに、構造物の肉厚方向に温度勾配を発生させ、その構造物表面の残留応力を改善する。
【０００９】
また、炭素鋼製の溶接構造物の溶接後熱処理の冷却過程でかつ３００℃以下の温度領域で同様の方法でその構造物の表面を強制冷却すると、その構造物の表面を圧縮の残留応力に改善することができる。
【００１０】
強制冷却開始温度は、オーステナイト系ステンレス鋼及びニッケル基合金の寸法安定化熱処理温度が４００℃であること、また、炭素鋼を含めた溶接構造物の溶接後熱処理の冷却速度管理下限温度は３００℃であることより、３００℃とした。また、構造物の熱処理変形を考慮すると母材強度は温度が低いほど高くなるため、できるだけ常温に近いほうが望ましい。好ましくは、潜熱及び気化熱が大きく冷却効果の大きい常温水を強制冷却の冷却媒体として使用する場合の最低温度は１００℃とする。
【００１１】
本発明の熱処理後に最終仕上げ加工を実施する場合においても、加工前に表面残留応力が改善されているので、その改善部を切削しても、残留応力のプラスマイナスがバランスするように応力分布が再配列するために、切削により新たに表面層となる部位の残留応力も引張りから圧縮の残留応力になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例は、オーステナイト系ステンレス鋼あるいはニッケル基合金鋼製の溶接構造で作られた原子炉内部構造物の溶接部及び構造物全表面に存在する引張残留応力を圧縮残留応力に改善するために、その溶接構造の製作過程で生じる内部歪が原子炉運転中に解放されてその溶接構造物が変形しないようにするための寸法安定化熱処理をその溶接構造物に与える。その寸法安定化熱処理の冷却過程において、その溶接構造物である原子炉内部構造物の表面を強制冷却する引張残留応力を圧縮残留応力に改善する応力改善熱処理も行う。
【００１３】
このようにして、原子炉などの腐食環境で用いられる構造物やその構造物に有る溶接部の耐応力腐食割れ性を向上させる。
【００１４】
また、他の実施例として、炭素鋼製溶接構造物の残留応力解放や溶接部じん性改善のための溶接後熱処理の冷却過程において、その溶接構造物の表面を強制冷却する熱処理でその構造物表面に存在する引張残留応力を圧縮残留応力に改善する。これにより、炭素鋼製溶接構造物の残留応力解放や溶接部じん性改善と同時に引張残留応力を圧縮残留応力に改善する。このようにして、一つの熱処理工程で複数の改善事項を成し遂げる。
【００１５】
より具体的な実施例を図に基づいて次に説明する。即ち、本発明の実施例による寸法安定化熱処理の実施例を各図を用いて説明する。図１は、本発明の実施例による寸法安定化熱処理の要領を示したものである。
【００１６】
原子炉圧力容器内に据付けられると同じ状態でオーステナイト系ステンレス鋼５ａとニッケル基合金５ｂを溶接して製造された構造物５を図１（ａ）のように熱処理台車３の上に設置したブロック４の上に乗せる。この状態で、構造物５の洗浄を行う。
【００１７】
次に、熱処理台車３を専用レール２上で走行させて熱処理炉１内に引き込んで、図１（ｂ）の状態とする。熱処理炉１としてはガス炉を用いる。ガス炉以外の電気炉や重油炉でもかまわない。熱処理中の温度管理は、校正された熱電対による構造物５の実体温度測定をするために、熱電対を構造物５に取り付ける。温度管理は熱処理炉１を校正してもよい。
【００１８】
次に、熱処理炉１の扉を閉じ、構造物５に熱変形が生じない加熱速度で図２の温度履歴曲線７のように、熱処理炉１の炉内温度を４００℃まで上昇させ規定時間保持する。所定の保持が終了したら、構造物５に熱変形が生じない冷却速度で図２の温度履歴曲線７のように、構造物５の表面の温度が２００℃になるまで降下させる。
【００１９】
熱処理炉１で構造物５の表面の温度が２００℃まで冷えたら、熱処理炉１の扉を開け、熱処理台車３を構造物５ごと熱処理炉１から熱処理炉１外へ引き出す。ここで図１（ｃ）のように構造物５の表面を強制冷却６して、図２の表面の温度履歴曲線８の垂直な線分領域で表されるように、構造物５の肉厚中心部と表面の温度差をおよそ１００℃とする。この状態で構造物５内部が室温になるまで冷却を続ける。
【００２０】
強制冷却は、構造物５の内外面に対面させて冷却用ノズルを設置し、常温あるいは冷却した純水を貯めた純水タンクからポンプでその冷却用ノズルに送り出し、構造物５の内外表面を均等に冷却する。図２で、前述の構造物５の寸法安定化熱処理による肉厚中心の温度履歴曲線７を実線で、表面強制冷却による構造物５の表面の温度履歴曲線８を点線で示す。
【００２１】
この寸法安定化熱処理中での表面強制冷却によって構造物５の肉厚方向の温度勾配が生成し、オーステナイト系ステンレス鋼５ａであるＳＵＳ３１６Ｌとニッケル基合金５ｂであるインコネルの溶接で製造された構造物５の溶接部及び最終機械加工面を含む全表面の残留応力が改善される。このような構造物５の残留応力の改善により０ＭＰａの表面残留応力が−２００ＭＰａまで改善される。改善される深さは、２〜３ｍｍである。これにより、応力腐食割れ感受性の低い構造物５が、ピーニングや残留応力緩和研磨といった作業を追加することなく、提供することができる。この場合の熱処理条件は、一例として、保持温度４００℃，保持時間４０時間，加熱及び冷却速度５５℃である。
【００２２】
炭素鋼であるＳＳ４００製溶接構造物の溶接後熱処理の冷却過程において、上述の表面強制冷却をＳＳ４００製溶接構造物に施した場合の残留応力改善値および幅もオーステナイト系ステンレス鋼と同様であり、０ＭＰａの表面残留応力が−２００ＭＰａまで改善される。改善される深さは、２〜３ｍｍである。なお、この場合の熱処理条件の一例としては、電気工作物の溶接の技術基準に規定されている溶接後熱処理がそれに該当する。５０ｍｍ厚さのＳＳ４００の場合、保持温度範囲は５９５℃以上７００℃以下、保持時間は２時間以上、加熱速度は１１０℃／時間以下５５℃／時間以上、冷却速度は１３７．５℃  ／時間以下５５℃／時間以上である。
【００２３】
図３に強制冷却装置の一例を示す。強制冷却装置の構成は、溶接構造物５の内側を冷却する冷却ノズル９，構造物５の外側を冷却する冷却ノズル１０，冷却ノズル９，１０に供給する冷却媒体である常温純水を冷却水として貯めるタンク
１３と、そのタンク１３から冷却ノズル９，１０に冷却水を圧送するためのポンプ１２とそれらを接続するホースや冷却水の圧送流量を計測する流量計からなっている。
【００２４】
冷却ノズル９，１０は、１〜２インチのステンレス配管をリング状に成型し、その配管にΦ１ｍｍ前後の穴を多数開けた構造になっている。穴の向きは真横とそれを基準に斜め３０〜４５°上と斜め３０〜４５°下側にも向けて加工され、その穴のリング周方向のピッチはおよそ３０ｍｍである。その冷却ノズル９，１０を上下方向に並べて設定をし、冷却水が構造物５の全体にかかるように設定をする。冷却水がすきまなく構造物５の表面を冷却できるように流量を調整する。
【００２５】
図４に、表面強制冷却する手段として、常温あるいは冷却した純水２０を溜めた水槽１９に構造物５を水面下に浸漬させ構造物５の内外表面を冷却させる実施例を示す。
【００２６】
構造物には、寸法安定化熱処理の前に吊金具２１を付けておく。そして、寸法安定化熱処理の冷却過程で２００℃まで構造物５の肉厚中心温度が下がったら熱処理台車３とともに構造物５を熱処理炉１から熱処理炉１外へ図４（ａ）の状態で引き出す。次に、天井クレーンの吊具１４で天秤１５を吊って、天秤１５からシャックル１６を介して懸垂したワイヤロープ１７を下部シャックル１８を介して吊金具２１に接続して、図４（ｂ）の状態とする。その後に、図４（ｃ）のように天井クレーンで熱処理台車３から構造物５を吊って純水２０を溜めた水槽１９の上に構造物５を移動させる。次に、天井クレーンで構造物５を吊り降ろして、図４（ｄ）のように水槽１９内の純水２０中に構造物５を水面下に浸漬させる。このようにして、構造物５全体を強制冷却させる。構造物５を室温になるまで冷却した後、水槽１９から構造物５を天井クレーンで吊り上げて所望の場所に移動させる。
【００２７】
本発明の実施例によれば、オーステナイト系ステンレス鋼あるいはニッケル基合金製の溶接構造物の主要溶接完了後の寸法安定化熱処理における冷却過程でその構造物の表面を強制冷却させるだけで、溶接部を含む構造物５の全表面の残留応力を改善することができる。また、炭素鋼製溶接構造物の溶接後熱処理の冷却過程でその構造物の表面を強制冷却させるだけで、溶接部を含むその構造物全表面の残留応力を改善することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、金属構造物に加える熱処理の冷却過程で、その熱処理の目的とともに構造物全表面の残留応力を改善目的も同時に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による寸法安定化熱処理施工要領の概念の説明図である。
【図２】寸法安定化熱処理施工要領で採用した熱処理の温度履歴曲線図である。
【図３】寸法安定化熱処理施工要領における強制冷却方法とし、シャワー状にした純水を構造物に吹きかけて強制冷却させる場合の説明図である。
【図４】寸法安定化熱処理施工要領における強制冷却方法とし、純水を溜めた水槽に浸漬させて強制冷却させる場合の説明図である。
【符号の説明】
１…熱処理炉、２…レール、３…熱処理台車、５…構造物、７…構造物温度肉厚中心の温度履歴曲線、８…構造物表面の温度履歴曲線、９，１０…冷却ノズル、１１…流量計、１２…ポンプ、１３…純粋タンク、１９…水槽、２０…純水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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