(57)【要約】【課題】施工部を溶体化処理による材質改善と応力改善処理による圧縮応力化により表面改質を行うことにより、高効率でしかも確実に損傷の発生を防止することができる構造物の表面改質方法及びその装置を提供する。【解決手段】構造物の施工部表面を高周波誘導加熱により９００℃以上１１００℃以下の範囲内で加熱する溶体化処理工程と、前記施工部の表面温度を溶体化処理温度から３００℃まで冷却する際の平均冷却速度を３０℃／秒以上に制御する工程とからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の施工部表面を高周波誘導加熱装置の加熱部により９００℃以上１１００℃以下の範囲内で加熱する溶体化処理工程と、前記施工部表面の温度を冷却装置により３０℃／秒以上の平均冷却速度で溶体化処理温度から３００℃まで冷却する冷却工程とからなることを特徴とする構造物の表面改質方法。
【請求項２】
前記溶体化処理工程は、前記高周波誘導加熱装置の加熱部を前記構造物の施工部表面に対して一定速度で移動させながら当該施工部表面を加熱することを特徴とする請求項１記載の構造物の表面改質方法。
【請求項３】
前記溶体化処理工程は、前記高周波誘導加熱装置の加熱部を前記構造物の施工部表面中の一部分の領域に対峙するように固定した状態で当該施工部表面の一部分の領域を所定時間加熱保持して溶体化処理し、その後前記加熱部を他の領域に対峙するように固定した状態で所定時間加熱保持して溶体化処理し、以降これを繰り返して施工対象領域全体を溶体化処理することを特徴とする請求項１記載の構造物の表面改質方法。
【請求項４】
前記冷却工程は、空気噴射による冷却手段あるいは水噴射による冷却手段の少なくとも一方の冷却手段で冷却することを特徴とする請求項２または３記載の構造物の表面改質方法。
【請求項５】
構造物の施工部表面の溶体化処理温度、改質深さ、施工後の表面圧縮応力値、圧縮応力深さを決める施工制御パラメータが、前記溶体化処理工程における加熱部の出力周波数、出力電力、移動速度、冷却工程における冷却速度のいずれかあるいは２つ以上のパラメータの組み合わせであることを特徴とする請求項２記載の構造物の表面改質方法。
【請求項６】
構造物の施工部表面の溶体化処理温度、改質深さ、施工後の表面圧縮応力値、圧縮応力深さを決める施工制御パラメータが、前記溶体化処理工程における加熱部の出力周波数、出力電力、加熱保持時間、冷却工程における冷却速度のいずれかあるいは２つ以上のパラメータの組み合わせであることを特徴とする請求項３記載の構造物の表面改質方法。
【請求項７】
原子炉炉内構造物の建設時に、当該構造物の溶接部を表面改質処理することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の構造物の表面改質方法。
【請求項８】
構造物表面に存在するき裂深さを施工前検査により同定する工程と、特許請求の範囲５または６項記載の施工パラメータを制御することにより同定されたき裂深さ以上の圧縮応力層を形成する工程とからき裂進展を防止することを特徴とする構造物の表面改質方法。
【請求項９】
構造物の施工部表面に対向して配置され高周波磁束誘導コイルを備えた加熱部と、この加熱部を移動させる加熱部駆動機構と、前記加熱部の高周波磁束誘導コイルに高周波の電力を供給する高周波電源装置と、前記加熱部駆動機構に制御信号および駆動電力を供給して前記加熱部を前記施工部表面に対して予定速度で移動させる加熱部駆動機構制御装置とから構成したことを特徴とする構造物の表面改質装置。
【請求項１０】
前記構造物の施工部表面を強制冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする請求項９記載の構造物の表面改質装置。
【請求項１１】
前記構造物の施工部表面と前記加熱部との距離を一定に保持するための機構を備えたことを特徴とする請求項９記載の表面改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼で製作された構造物の応力腐食割れ等のき裂の発生、進展を防止する表面改質方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、オーステナイト系ステンレス鋼製の原子炉炉内構造物の損傷事例は溶接による熱影響部に限定され、熱鋭敏化により材料が劣化した応力腐食割れ感受性が高い部位で発生していた。しかしながら、近年、製造段階での加工硬化、引張残留応力、材質的な不均一など従来の応力腐食割れとは異なるメカニズムにより発生したと考えられる損傷が数多く報告されている。
【０００３】
これらの損傷は、従来の熱鋭敏化に起因した応力腐食割れに比較すると、溶接線から十分離れた部位にも発生しており、その予防保全対策としては従来よりも広い面積を対象とした一層効率的な施工方法が求められている。これまで、実用化されている予防保全技術としては、レーザピーニング、ショットピーニングなどの応力改善技術あるいはレーザ溶体化、溶融による表面改質技術がある（例えば、特許文献１、２）。
【特許文献１】特開2001-287062号公報（第４頁、図１−３）、
【特許文献２】特開平7-75893号公報（第５頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これら応力改善技術および表面改質技術のいずれも、溶接線近傍の限定された領域の施工を目的に開発されたものであり、上記のように溶接線から十分離れた部位に発生する損傷に対する予防保全技術として適用するためには飛躍的な施工効率の改善が必要となる。
【０００５】
また、前述のように発生メカニズムについてもプラント供用期間中の材料劣化のみならず製造段階での熱履歴、加工履歴が影響している可能性が指摘されており、単に材質改善あるいは応力改善処理のみでは十分な対策技術とはならない可能性がある。
【０００６】
そこで本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、施工部を溶体化処理による材質改善と応力改善処理による圧縮応力化により表面改質を行い、従来技術に比べて高効率でしかも確実に損傷の発生を防止することができるようにした構造物の表面改質方法及びその装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る構造物の表面改質方法の発明は、構造物の施工部表面を高周波誘導加熱装置の加熱部により９００℃以上１１００℃以下の範囲内で加熱する溶体化処理工程と、前記施工部表面の温度を冷却装置により３０℃／秒以上の平均冷却速度で溶体化処理温度から３００℃まで冷却する冷却工程とからなることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項８に係る構造物の表面改質方法の発明は、構造物表面に存在するき裂深さを施工前検査により同定する工程と、請求項５または６項記載の施工パラメータを制御することにより同定されたき裂深さ以上の圧縮応力層を形成する工程とからき裂進展を防止することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項９に係る構造物の表面改質装置の発明は、構造物の施工部表面に対向して配置され高周波磁束誘導コイルを備えた加熱部と、この加熱部を移動させる加熱部駆動機構と、前記加熱部の高周波磁束誘導コイルに高周波の電力を供給する高周波電源装置と、前記加熱部駆動機構に制御信号および駆動電力を供給して前記加熱部を前記施工部表面に対して一定速度で移動させる加熱部駆動機構制御装置とから構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶体化処理による材質改善と応力改善処理による圧縮応力化により表面改質を行うことにより、原子炉炉内機器の製造履歴および供用中の材質劣化に起因した応力腐食割れ等のき裂発生を防止し、さらに、すでに存在するき裂の進展を抑制する高効率でかつ効果的な表面改質方法及び改質装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。  
（実施例１）
図１は本発明の炉内構造物の表面改質装置に係る一実施例の使用状態を示す概念図である。  
図１において、１は原子炉圧力容器（図示せず）内に設置されたオーステナイト系ステンレス鋼製のシュラウドであり、上部胴、中間部胴及び下部胴から構成されているが、図では上部格子板を載置する中間部胴２、上部胴３間の接続部分に注目して示している。
【００１２】
図で示すように、上部胴３は内径および外径とも中間部胴２よりも大径であり、中間部胴２および上部胴３の両者は、径の寸法差に見合った幅を有する中間部リング４を介して溶接により結合され、さらに、この中間部リング４上にベース５を介して上部格子板６を載置している。これらシュラウド１および上部格子板６を原子炉炉内構造物と呼んでいる。なお、７は前記上部胴３の上端部に溶接して設けた上部リングである。また８は原子炉圧力容器の上部に位置するオペレーティングフロアである。
【００１３】
そして、10は以上のように構成された炉内構造物であるシュラウド１の表面改質を行うための表面改質装置である。この表面改質装置10は以下述べる要素によって構成されている。
【００１４】
11は前記上部格子板６の上面のシュラウド１中心線Ｃ上に載置された支柱であり、この支柱11は内部に駆動部を収容するとともに、上端部に当該駆動部によって回転駆動される回転腕部12を取付けている。なお、回転腕部12の回転中心はシュラウド１中心線Ｃと一致させている。そして、当該回転腕部12はその先端部が前記上部胴３の上部リング７に十分届く寸法に形成されており、当該先端部の下面に前記上部リング７の上端面を踏面とする車輪13を取付けて、回転腕部12の荷重を前記支柱11と車輪13とによって分担して支えるようにしている。
【００１５】
前記回転腕部12の先端部には前記車輪13を取付けるほかに、さらに加熱部支持部材14を下向きに取付けている。この加熱部支持部材14の先端部には加熱部（加熱ヘッド）15を取付けている。この加熱部15は高周波誘導加熱装置の構成要素である高周波磁束誘導コイルを内蔵しており、この高周波磁束誘導コイルで発生させた高周波磁束により施工部に渦電流を誘起させ、この渦電流によって施工部を溶体化処理温度まで加熱する。なお、本発明では以上の支柱11、回転腕部12、車輪13および加熱部支持部材14からなる部分を便宜上、加熱部駆動機構16と称する。
【００１６】
そして、前記加熱部15の先端部には、加熱部15自体とシュラウド１の施工部表面との距離を一定に保持するための加熱部位置決め機構17を取付けている。加熱部15とシュラウドの施工部裏面との距離を一定に保持する理由は施工部表面への入熱量の変動を極力小さく抑えるためである。
【００１７】
なお、図１の例では前記加熱部支持部材14は、加熱部15が中間部リング４外周の溶接線近傍に位置する長さに設定しているが、勿論これに限定されるものではない。例えば、図示していないシュラウド１の中間部胴の溶接部あるいは下部リング近傍部について表面改質施工処理を行う場合にはそれに適合するように加熱部支持部材14の長さおよび形状を適宜選定すればよい。
【００１８】
一方、原子炉圧力容器の上方に位置するオペレーティングフロア８上には、前記加熱部15および加熱部駆動機構16用の電源および制御装置を載置している。すなわち、シュラウド１の表面改質施工処理の際に、前記加熱部15の高周波磁束誘導コイルに所望の周波数の高周波電力を供給するためにインバータ回路で構成した高周波電源装置18と、前記加熱部15が施工部に対して予定速度（例えば一定速度）で移動するように加熱部駆動機構16を制御するための加熱部駆動機構制御装置19とをオペレーティングフロア８上に載置している。
【００１９】
なお、施工部の発熱量を効率的にかつ精度よく制御するためには施工部表面の検出温度をフィードバックして加熱部に供給される高周波電力を制御する必要がある。このため本実施例では図示はしていないが、施工部近傍の表面温度を検出する温度センサーを設け、この温度センサーの検出信号を高周波電源装置18にフィードバックして設定値との偏差信号に基づいてインバータ回路の点弧角を制御し、出力周波数および出力電力を制御するように構成されている。  
そして、この高周波電源装置18から出力される高周波の電力は、高周波伝送用ケーブル20を通して前記加熱部15に供給されるようになっている。
【００２０】
また、前記制御装置19からの加熱部用駆動信号および駆動電力は、ケーブル21を通して前記支柱11内に収納されている図示しない駆動部に供給されるようになっている。前記回転腕部12はこの駆動部により一定速度で回転させられ、加熱部支持部材14の先端部に設置している加熱部15をシュラウド１の施工部に対して一定速度で移動させる。
【００２１】
なお、表面改質装置10は以上説明した支柱11からケーブル21までの構成要素のほかに、図示していないが溶体化処理した施工部を急速に冷却するための冷却装置（図２の22）も併せて備えている。
【００２２】
一般に、予防保全対象部となっている施工部の表面には溶接による引張残留応力と機械加工による引張応力が重畳して高い引張応力が残留していると考えられているので、当該施工部を溶体化処理した後に冷却装置によって急速にを冷却することによって、引張応力の低減あるいは冷却過程を制御することにより十分高い圧縮応力が形成することできる。
【００２３】
図２は、上述した表面改質装置10の加熱部15を中心にして描いたブロック構成図である。22は図１に示していない冷却装置であり、施工部を急速に冷却するために、例えば冷気噴射部あるいは冷水噴射部等を有している。
【００２４】
次に、以上説明した表面改質装置10を用いて原子炉炉内構造物等の表面改質方法の実施例について説明する。  
本実施例では、実際に原子力発電プラントに供用されているシュラウド１の代わりに、シュラウド１と同じ材質のＳＵＳ３１６Ｌ鋼製モックアップ試験体を使用し、以下のようにして表面改質処理を行った。
【００２５】
まず、高周波電源装置18の出力を２５０kW、周波数を３００ｋＨｚに設定した状態で、平面状加熱コイルで構成した加熱部15をシュラウド１の中間部胴２および下部胴（図示せず）を結合する下部リング端面の高さ約１００mm×幅約５０mmに位置する部位に配置する。
【００２６】
次に、加熱部駆動機構16の回転腕部12を一定速度で回動させることにより、加熱部15を施工部に対して一定速度で移動させながら高周波誘導加熱により約３分間の溶体化処理を行った。
【００２７】
この場合の溶体化処理温度としては、シュラウド１がオーステナイト系ステンレス鋼製のため、オーステナイト相が安定化しさらに十分に拡散が起こり材質的に均一化する条件として９００℃以上１１００℃以下が最適である。実際に施工部中央部の表面温度を計測したところ、約１０５０℃に保持されていることが確認できた。
【００２８】
次に、溶体化処理後に前記冷却装置22から施工部に対して水を噴射し、施工部の温度を前述の約１０５０℃から室温付近まで急速冷却処理した。図３は溶体化処理後の施工部の冷却速度（℃／秒）と、表面に形成される残留応力との関係を示すグラフである。図３のグラフによれば、表面と内部とで大きな温度差を発生する３０（℃／秒）以上の冷却速度の場合、溶体化処理後の残留応力改善効果が顕著である。これは高温に保持された施工部を冷却する過程において、材料の表面と内部とに大きな温度差が生じるために熱収縮に起因する応力が発生し、表面残留応力は圧縮側に変位し、表面より遅れて温度が低下する内部では引張側に応力が変位するからである。さらに、本実施例は高周波誘導加熱により施工部表面を急速加熱するので、板厚内部への急激な温度勾配を形成しやすいため、溶体化処理後の冷却方法と組み合わせことにより、高い圧縮応力を形成できるばかりでなく、圧縮応力層の厚さも制御することが可能である。
【００２９】
なお、前記施工部の応力改善効果を確認するために、Ｘ線応力測定法によりシュラウド１の表面から約１mmの深さまでの周方向応力の残留応力分布を測定した。図４は横軸に表面からの深さ（mm）をとり、縦軸に残留応力（MPa）をとり、高周波加熱による表面改質処理後の測定結果を描いた図である。この図４のグラフから、表面すなわち深さ０mmの場合約６５０MPaの圧縮応力（マイナス符号は圧縮応力）が形成され、圧縮応力層は約０．５mmの深さまで達していることがわかる。
【００３０】
図５は、前述したモックアップ試験体に対する表面改質の施工部および未施工部の双方の部位から試験片を採取し、金属組織観察および表面からの硬度分布を測定し、横軸に施工部の表面からの深さ（mm）をとり、縦軸にビッカース硬さ（Hv）をとって、施工部および未施工部の硬度分布測定結果を比較して示したものである。この図５からわかるように、実線で示した未施工部には深さ約０．４mmの機械加工によると考えられる加工硬化層が存在するが、表面改質施工処理を行った部分では、破線で示すように前記加工硬化層が消失し内部とほぼ同等の硬さとなっている。この場合、組織は健全なオーステナイト単相組織であり、フェライト相や極端な加工組織は観察されなかった。
【００３１】
図６は、施工面を高周波誘導加熱により溶体化処理を施した後、冷却装置22からの水流噴射による急冷処理によって形成した圧縮応力層の周波数依存性を示した図であり、横軸に表面改質施工部の表面からの深さ（mm）をとり、縦軸に残留応力（MPa）をとっている。図６中、実線は周波数が５０ｋＨｚ、出力が３００kWの場合、一点鎖線は周波数が１００ｋＨｚ、出力が２６０kWの場合、破線は周波数が３００ｋＨｚ、出力２５０kWの場合の特性図である。なお、いずれの施工部とも溶体化処理条件は１０５０℃×３分間である。高周波誘導加熱の場合、表皮効果により渦電流の表皮深さは周波数が低いほど深いため、溶体化領域は材料内部まで及ぶと考えられる。そして急速冷却により形成される圧縮応力層厚さも変化し周波数が低いほど深い圧縮応力層が形成されている。
【００３２】
なお、以上の説明では、施工部の加熱手段として高周波誘導加熱装置を挙げたが、加熱手段としてはこのほかにもヒータあるいはランプなどによる輻射加熱手段も適用可能である。しかし、高周波誘導加熱手段は施工部材に渦電流を誘起して表面層のみ加熱することができるので制御性が良好な上に、局部加熱が可能、周囲が加熱されない、エネルギー効率がよい、急熱が可能、装置が比較的コンパクトである等優れた特徴を有している。また、前述したように高周波誘導加熱の場合、渦電流の表皮深さは使用周波数が低ければが深く、高ければ浅いので、対象部材に応じて周波数を変えて渦電流の表皮深さを制御することにより、溶体化深さを自在に変化させることが可能である。このような理由から高周波誘導加熱手段は、施工部の加熱手段として最適である。
【００３３】
以上述べたように、本実施例は、構造物の施工部の表面を高周波誘導加熱により９００℃以上１１００℃以下の範囲内で加熱して溶体化処理し、その後前記施工部の表面温度を３０℃／秒以上の平均冷却速度で溶体化処理温度から３００℃まで冷却するようにしたので、材質改善と応力改善処理による圧縮応力化とを同時に実現し、従来に比べて高効率で信頼性の高い予防保全方法を提供することができる。
なお、本発明は以上述べた実施例１に記載の装置および方法に限定されるものではなく、以下述べるようにしてもよい。
【００３４】
（実施例２）
施工部に対する加熱手段として高周波誘導加熱を適用した場合、以下述べるように、溶体化処理温度、改質層深さ、施工後の表面圧縮応力値、圧縮応力層深さを決める施工制御パラメータとして、高周波誘導加熱装置の加熱部の出力周波数、出力電力、移動速度（または加熱部による加熱保持時間）あるいは冷却装置による施工部冷却速度のいずれ1つかあるいは２つ以上を組み合わせるようにしてもよい。
【００３５】
すなわち、施工部表面の溶体化処理温度、改質層厚さおよび形成される圧縮応力値、圧縮応力層深さは、施工部の材料特性により適した値に制御する必要があり、特に加熱装置が高周波誘導加熱の場合には、渦電流の表皮深さを決める周波数が溶体化層深さおよび圧縮応力層深さを決める重要なパラメータとなる。一方、溶体化処理温度は周波数と共に渦電流密度を決める加熱装置の出力が主要な制御パラメータとなる。また、冷却速度は残留する圧縮応力値およびその深さを決める重要なパラメータとなる。さらに、移動式装置の場合は施工中の熱伝導による周囲および部材内部への熱拡散を支配する加熱装置の移動速度が主要なパラメータとなる。
【００３６】
いずれも、予想される施工部の材料特性に合わせて溶体化処理温度、改質層深さ、圧縮応力値、圧縮応力層深さを制御するための適正な施工パラメータの組み合わせを選択する必要がある。一方、後述する実施例３のバッチ式装置の場合には加熱部移動速度の代わりに加熱保持時間が施工パラメータとなる。
【００３７】
このように、施工パラメータを制御することにより圧縮応力値および深さの制御技術を応用して、仮にき裂が存在した場合にはき裂深さ以上の圧縮応力層を形成することによりき裂進展を抑制することも可能となる。
【００３８】
（実施例３）
図１に示した表面改質装置10を用いた施工方法では、加熱装置を加熱部駆動機構16により一定速度で移動させて表面改質施工処理を行う移動方式を採用したが、本発明はこの移動方式に限定されるものではない。
【００３９】
本実施例３は、加熱装置を固定した状態で所定の時間加熱保持することにより構造物の施工部表面の所定の一部分の領域について表面改質処理し、その後、表面改質処理範囲が一部重ね合うように順次表面改質処理を行い、最終的に施工対象部全体に亘って表面改質処理する（バッチ方式）方法を提供するものである。
【００４０】
（実施例４）
原子炉炉内構造物の建設時の溶接部に、上述した表面改質処理を適用するようにしてもよい。この場合、表面改質処理を施工された機器の信頼性向上、長寿命化を計ることができる。
【００４１】
（実施例５）
炉内構造物表面にき裂の存在が判明している場合、予め超音波探傷法あるいはＥＣＴ（渦電流探傷法）等の手段によりそのき裂深さを定量化し、その後前述した表面改質施工処理方法を適用して、き裂深さ以上の圧縮応力層を施工部表面に形成することにより、き裂先端部に圧縮応力場を付与し、き裂進展を防止するようにしてもよい。
この方法は、シュラウド等供用中の負荷応力が小さい機器の場合、き裂先端に形成された圧縮応力場により長期間にわたりき裂進展を防止することが可能である。
【００４２】
（実施例６）
本発明の表面改質処理方法を建設時の炉内構造物に適用する際のように気中で施工する場合には、図２に示す冷却装置22により施工部の溶体化処理後に強制空冷あるいは強制水冷によって急冷する必要がある。しかし、予防保全工法として適用する場合は、水中施工であることが想定されるため、溶体化処理後の冷却に際しては、水を自然対流あるいは加熱部の周囲から施工部へ強制的に送り込むことにより急速に冷却されることになるため、図１の冷却装置22のような特別の冷却装置は必ずしも必要ではない。したがって、予防保全工法の場合には施工装置も小型化が可能となり、狭隘部へのアクセスも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の表面改質装置の適用例を示す概念図。
【図２】図１に示す表面改質装置のブロック構成図。
【図３】シュラウドモックアップ試験体の冷却速度と表面に形成される残留応力の関係を示す図。
【図４】シュラウドモックアップ試験体表面に高周波誘導加熱、急冷処理により形成された圧縮応力層を示す応力分布図。
【図５】シュラウドモックアップ試験体表層部の高周波誘導加熱による溶体化処理効果を示す施工部および未施工部の硬度分布図。
【図６】シュラウドモックアップ試験体表面に高周波誘導加熱、急冷処理により形成された圧縮応力層厚さの周波数依存性を示す応力分布図。
【符号の説明】
【００４４】
１…シュラウド、２…中間部胴、３…上部胴、４…中間部リング、５…ベース、６…上部格子板、７…上部リング８…オペレーティングフロア、10…表面改質装置、11…支柱、12…回転腕部、13…車輪、14…加熱部支持部材、15…加熱部（加熱ヘッド）、16…加熱部駆動機構、17…加熱部位置決め機構、18…高周波電源装置、19…加熱部駆動機構制御装置、20…高周波伝送用ケーブル、21…加熱部駆動機構部用信号および駆動電源ケーブル、22…冷却装置。
【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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