(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接材部と母材部との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とする。【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼製配管の溶接継手部外周に高周波誘導コイルをその継手部を中心に所定幅で配置し、且つ上記配管内に冷却水を流しながら上記高周波誘導コイルに高周波電流を流して継手部を加熱する高周波誘導加熱残留応力改善法において、配管の内外面に特定の温度差を与え、特定のコイル幅を設定して高周波誘導加熱を行う。【選択図】図５
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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製配管の溶接継手部の内面の残留応力を改善すべく、その溶接継手部外周に高周波誘導コイルをその継手部を中心に所定幅で配置し、且つ上記配管内に冷却水を流しながら上記高周波誘導コイルに高周波電流を流して継手部を加熱する高周波誘導加熱残留応力改善法において、溶接材部と母材部との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とすべく、上記配管の内外面温度差をΔＴ0、高周波誘導コイルを配置するコイル幅をＬとし、
【数１】
2005226112.tif 000014
【数２】
2005226112.tif 000015
としたとき、Ａが１．６以上となるように配管の内外面に温度差を与え、且つＫが３．２以上となるようにコイル幅を設定して高周波誘導加熱することを特徴とする高周波誘導加熱残留応力改善法。
【請求項２】
上記高周波誘導コイルで加熱される溶接継手部は、配管が鋭敏化する温度を越えない温度に加熱される請求項１記載の高周波誘導加熱残留応力改善法。
【請求項３】
オーステナイト系ステンレス鋼製配管の溶接継手部の内面の残留応力を改善すべく、上記配管内に冷却水を流しながら、上記溶接継手部外周にその継手部を中心に所定幅で配置され且つ高周波電流を流して継手部を加熱するための高周波誘導コイルにおいて、溶接材部と母材部との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とすべく、上記配管の内外面温度差をΔＴ0、高周波誘導コイルを配置するコイル幅をＬとし、
【数１】
2005226112.tif 000016
【数２】
2005226112.tif 000017
としたとき、Ａが１．６以上となるように、且つＫが３．２以上となるように構成したことを特徴とする高周波誘導コイル。
【請求項４】
上記コイル幅両端におけるコイルの導線の配列ピッチを、上記コイル幅中心側における上記導線の配列ピッチよりも短くした請求項３記載の高周波誘導コイル。
【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製配管の溶接継手部の内面の残留応力を改善する高周波誘導加熱残留応力改善法及び高周波誘導コイルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントにおける配管は、オーステナイト系ステンレス鋼製にて構成されている。オーステナイト系ステンレス鋼製の配管継手部の溶接においては、継手部内面に残留引張応力が残り、応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking−以下、ＳＣＣと称する）が発生することがある。
【０００３】
そこで、原子力プラントにおいては、ＳＣＣを防止するために、高周波誘導加熱残留応力改善法（Induction Heating Stress Improvement−ＩＨＳＩ）が行われている。この高周波誘導加熱残留応力改善法は、溶接継手部の配管の内面に生じた残留引張応力を除去するために、溶接継手部外周に高周波誘導コイルを配置し、配管内に冷却水を流しながら、高周波誘導コイルに高周波電流を流して溶接継手部及びその近傍を加熱し、応力改善に必要な内外面温度差を発生させた後、溶接継手部を常温に戻すことにより、配管内面に残る残留引張応力を低減するようにしている。
【０００４】
この高周波誘導加熱残留応力改善法では、非特許文献１に示されているように、溶接中心から１０ｍｍの位置で、残留引張応力９８ＭＰａ以下になるように改善することが従来より要求されている。
【０００５】
この要求を満たすためには、高周波誘導コイルを配置するコイル幅Ｌ（ｍｍ）で、且つ配管の内外面温度差ΔＴとすると、以下の数３及び数４の条件を満たせばよいことが非特許文献１に規定されている。
【０００６】
【数３】
2005226112.tif 000003
【０００７】
【数４】
2005226112.tif 000004
【０００８】
また、従来、配管に用いられていたオーステナイト系ステンレス鋼製は、例えばＳＵＳ３０４であり、その鋭敏化を防止するためには最高加熱温度を一律５５０℃以下にすることが決められている。
【０００９】
【非特許文献１】飯田他、「高周波誘導加熱による応力緩和法に関する指針（ＳＣＣ対策工法）ＴＮＳ−Ｇ２８０４−１９８５」、社団法人火力原子力発電技術協会、原子力発電技術委員会、ｐ．５−２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＳＣＣ対策として、上記の条件で残留応力を改善しても、未だＳＣＣの発生を完全になくすことができないことが判明した。すなわち、従来の高周波誘導加熱残留応力改善法においては、溶接中心から１０ｍｍの位置の残留応力が９８ＭＰａ以下であればよいとされていたが、この値では、溶接継手部に引張応力が残存するため、その位置では問題が発生しないものの、実際には、溶接材部（デポ部）と母材部との境界に引張応力が作用し、これがＳＣＣを発生させる原因となることが判った。
【００１１】
そこで、本発明者等は、デポ部と母材部との境界に残る残留応力に着目し、その境界での残留応力が、少なくとも引張応力ではなく圧縮応力となる、すなわちデポ部と母材の境界で残留応力を０ＭＰａ以下とすることができる高周波誘導加熱残留応力改善法及び高周波誘導コイルを創作して、本発明を為すに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、オーステナイト系ステンレス鋼製配管の溶接継手部の内面の残留応力を改善すべく、その溶接継手部外周に高周波誘導コイルをその継手部を中心に所定幅で配置し、且つ上記配管内に冷却水を流しながら上記高周波誘導コイルに高周波電流を流して継手部を加熱する高周波誘導加熱残留応力改善法において、溶接材部と母材部との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とすべく、上記配管の内外面温度差をΔＴ0、高周波誘導コイルを配置するコイル幅をＬとし、
【００１３】
【数１】
2005226112.tif 000005
【００１４】
【数２】
2005226112.tif 000006
【００１５】
としたとき、Ａが１．６以上となるように配管の内外面に温度差を与え、且つＫが３．２以上となるようにコイル幅を設定して高周波誘導加熱する高周波誘導加熱残留応力改善法である。
【００１６】
請求項２の発明は、上記高周波誘導コイルで加熱される溶接継手部は、配管が鋭敏化する温度を越えない温度に加熱される高周波誘導加熱残留応力改善法である。
【００１７】
請求項３の発明は、オーステナイト系ステンレス鋼製配管の溶接継手部の内面の残留応力を改善すべく、上記配管内に冷却水を流しながら、上記溶接継手部外周にその継手部を中心に所定幅で配置され且つ高周波電流を流して継手部を加熱するための高周波誘導コイルにおいて、溶接材部と母材部との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とすべく、上記配管の内外面温度差をΔＴ0、高周波誘導コイルを配置するコイル幅をＬとし、
【００１８】
【数１】
2005226112.tif 000007
【００１９】
【数２】
2005226112.tif 000008
【００２０】
としたとき、Ａが１．６以上となるように、且つＫが３．２以上となるように構成した高周波誘導コイルである。
【００２１】
請求項４の発明は、上記コイル幅両端におけるコイルの導線の配列ピッチを、上記コイル幅中心側における上記導線の配列ピッチよりも短くした高周波誘導コイルである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、溶接材部（デポ部）と母材部の境界で残留応力を０ＭＰａ以下とすることができるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
高周波誘導加熱残留応力改善法（ＩＨＳＩ）は、既設原子力発電所のオーステナイト系ステンレス鋼製配管のＳＣＣ対策工法の一つとして開発されており、溶接線近傍内面熱影響部における残留引張応力を改善する工法である。
【００２４】
高周波誘導加熱残留応力改善法は、図１に示すように、配管１の溶接継手部２の外周に高周波誘導コイル３をその継手部２を中心に所定幅で配置し、且つ上記配管１内に冷却水を流しながら高周波誘導コイル３に高周波加熱電源４から高周波電流を流して継手部２を加熱し、配管１の厚さ方向に大きな温度差を発生させる。このとき、配管１の加熱部の外面５では圧縮の降伏が生じ、内面６では引張りの降伏が生じる。なお、図１では、高周波誘導コイル３は、一体的な模式図で示したが、図５乃至図７に示すように、導線１０を複数周巻き付けて構成されている。
【００２５】
次に加熱を停止すると、配管１の内外面５，６の温度差はなくなり、配管１の外面５の圧縮降伏した所では引張りの残留応力が残り、配管１の内面６の引張降伏した所では圧縮の残留応力が生じる。
【００２６】
高周波誘導加熱残留応力改善法は、上述の原理を溶接継手部２に適用して、配管１の内面の残留引張応力を軽減或いは圧縮側にするものである。
【００２７】
従来の改善要求は、上述したように、溶接中心から１０ｍｍの位置で、残留引張応力が９８ＭＰａ以下とすることであった。
【００２８】
この場合の基本条件として、高周波誘導コイルを配置するコイル幅Ｌ（ｍｍ）で、且つ配管の内外面温度差ΔＴとすると、以下の数３及び数４の条件を満たせばよいことが非特許文献１に規定されていた。
【００２９】
【数３】
2005226112.tif 000009
【００３０】
【数４】
2005226112.tif 000010
【００３１】
ここで、数３により求めた配管の内外温度差ΔＴに基づいて、ΔＴ、１．３ΔＴ、１．６ΔＴ、１．９ΔＴの四種それぞれに２．０√（Ｒｔ）、２．５√（Ｒｔ）、３．０√（Ｒｔ）、３．５√（Ｒｔ）、４．０√（Ｒｔ）の条件で、配管内面の溶接中心から１０ｍｍの位置の残留引張応力を解析して算出した。
【００３２】
図２に示すように、上記従来の要求を満たすための基準は、内外面温度差がΔＴ以上で、コイル幅が２．７√（Ｒｔ）以上であることが導き出される。
【００３３】
しかし、上記の条件で残留応力を改善しても、未だＳＣＣの発生を完全になくすことができないことが判明した。すなわち、従来の高周波誘導加熱残留応力改善法においては、溶接中心から１０ｍｍの位置の残留応力が９８ＭＰａ以下であればよいとされていたが、この値では、溶接継手部に引張応力が残存するため、その位置では問題が発生しないものの、実際には、溶接材部（デポ部）と母材部との境界に引張応力が作用し、これがＳＣＣを発生させる原因となることが判った。
【００３４】
また、例えばＳＵＳ３２６ＬＣ（ローカーボン）等の、ＳＣＣ対策材では、デポ部近傍でＳＣＣが発生する知見が得られた。これは、ＳＣＣ対策材では、溶接による熱影響部が発生せず、応力がデポ部と母材部との境界に集中するためであることを見出した。
【００３５】
そこで、本発明者は、応力改善の評価点をデポ部と母材部との境界を残留応力の評価点とし、残留応力を少なくとも引張応力ではなく圧縮応力となる、すなわち０ＭＰａ以下とすることを条件とした。
【００３６】
そして、数３により求めた配管の内外温度差ΔＴに基づいて、ΔＴ、１．３ΔＴ、１．６ΔＴ、１．９ΔＴの四種それぞれに２．０√（Ｒｔ）、２．５√（Ｒｔ）、３．０√（Ｒｔ）、３．５√（Ｒｔ）、４．０√（Ｒｔ）の条件で、デポ部と母材部との境界の残留引張応力を解析して算出した。
【００３７】
この解析における配管溶接は、図９に示す開先形状で行われている。配管１の内面６側には２ｍｍ角のリップが形成され、内面６から１９ｍｍからの位置までは開先角度が略３０°になるように形成されている。内面６より１９ｍｍ以上離れた位置では、開先角度は略１０°となっている。隣接する配管１のリップ間にはインサートリングが設けられている。
【００３８】
図３に示すように、配管の内外温度差が高いほど残留応力は小さく圧縮側へと移行し、コイル長さが長いほど、残留応力は小さくなる。そして、残留応力が０ＭＰａ以下になる点を調べると、内外温度差が１．６ΔＴで、コイル長さが３．２√（Ｒｔ）であることを見出した。よって、配管１の内外面温度差ΔＴ0が１．６ΔＴ以上で、コイル幅Ｌが３．２√（Ｒｔ）以上であることを、上記条件を満たすための新たな基準とした。なお、開先形状は上記形状に限られるものではなく、開先角度が２°〜３°である狭開先の場合であっても、上記基準は適応可能である。
【００３９】
すなわち、本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼製配管１の溶接継手部２の内面６の残留応力を改善すべく、その溶接継手部２外周に高周波誘導コイル３をその継手部２を中心に所定幅で配置し、且つ配管１内に冷却水を流しながら高周波誘導コイル３に高周波電流を流して継手部を加熱する高周波誘導加熱残留応力改善法において、溶接材部（デポ部）７と母材部８との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とすべく、配管１の内外面温度差をΔＴ0、高周波誘導コイル３を配置するコイル幅をＬとし、
【００４０】
【数１】
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【００４１】
【数２】
2005226112.tif 000012
【００４２】
としたとき、Ａが１．６以上となるように配管の内外面に温度差を与え、且つＫが３．２以上となるようにコイル幅を設定して高周波誘導加熱することを基準としたことを特徴とする。
【００４３】
一方、配管の最高加熱温度は、配管が鋭敏化する温度を超えない温度に加熱される。最高加熱温度は、ステンレス鋼材の種類に応じて決まる。例えば、ＳＵＳ３０４では、５５０℃であるが、この場合ΔＴは数３の式より２７０℃（ν＝０．３、Ｅ＝１９５０００、α＝１５．１４×１０-6、σy＝２８５）となり、１．６ΔＴは、４３２℃となる。冷却水が約５０℃であるので、加熱温度は、４８２℃あればよく、最高加熱温度を超えることはない。
【００４４】
最高加熱温度は、加熱時間に応じて変化する。一例として、図４にＳＵＳ３１６に鋭敏化が発生する鋭敏化温度（加熱温度）と鋭敏化時間（加熱時間）の関係を示す。ここで、加熱時間は、下記の数５の式で算出される。
【００４５】
【数５】
2005226112.tif 000013
【００４６】
数５の式によれば、例えばＳＵＳ３０４製の厚さ４０ｍｍの配管では、加熱時間は、３１１ｓｅｃ（ｔ＝４０、ａ＝３．５９）であり、長くとも１０分以下であるので、最高加熱温度は、図４のＳＵＳ３１６及びＳＵＳ３１６ＬＣでは、６５０℃とすることができる。
【００４７】
よって、配管の内外温度差ΔＴをより大きく確保できることとなり、コイル長さの確保が困難な場合でも、溶接材部（デポ部）７と母材部８との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とすることができる。
【００４８】
次に、内外温度差ΔＴ0が共に１．６ΔＴで、コイル幅がそれぞれ３．２√（Ｒｔ）（図５参照）と２．７√（Ｒｔ）（図６参照）の場合の配管の各部分の温度分布を比較する。なお、コイル幅が３．２√（Ｒｔ）のコイルの導線１０は等ピッチで１４ターン、コイル幅が２．７√（Ｒｔ）のコイルの導線１０は等ピッチで１２ターンとした。
【００４９】
図示するように、コイル幅が３．２√（Ｒｔ）の場合では、２．７√（Ｒｔ）の場合よりも、内外温度差が１．６ΔＴ近傍となる領域及び応力改善効果のある領域（内外温度差がΔＴ以上となる領域）が広く、溶接継手部２の両側で加熱される部分が長くなるので、加熱を停止した際に配管１の内面６に生じる圧縮の残留応力をより大きくすることができ、応力改善効果が高くなる。さらに、コイル幅の中心に溶接継手部を配置できない場合でも、１．６ΔＴの領域が広いので、溶接部において内外温度差１．６ΔＴを確保することができる。
【００５０】
以上のように、本発明に係る高周波誘導加熱残留応力改善法及び高周波誘導コイルによれば、コイル長さと配管の内外温度差を設定することで、溶接材部（デポ部）７と母材部８との境界の残留応力を０ＭＰａ以下とすることが保証でき、溶接継手部２のＳＣＣ発生を確実に防止することができる。
【００５１】
図７に、本発明に係る高周波誘導コイルの他の実施の形態を示す。
【００５２】
かかる実施の形態では、コイル幅３．２√（Ｒｔ）のうち、両端のコイルの導線１１の配列ピッチを、コイル幅中心側における導線１２の配列ピッチよりも短くし、さらに、その両端の導線１１を、中心側の導線１２よりも配管１の外面５に近くなるように配置したことを特徴とする。
【００５３】
本実施の形態によれば、コイル幅における両端部分の温度を高めることができるので、内外温度差が１．６ΔＴ近傍となる領域及び応力改善効果のある領域の領域を図５のコイルと比較して幅広く確保でき、加熱後冷却した際の応力改善効果がさらに高くなる。
【００５４】
なお、上記実施の形態では、配管１が直管同士で、直列に接続された例を挙げて説明したが、配管が直列ではなく、所定の角度をもって接続される場合でも、本発明は適用可能である。この場合、図８に示すように、コイル長さは、一方の配管１５の加熱部１７の端部と他方の配管１６の厚さ方向中心部との距離ｌ1と、他方の配管１６の加熱部１８の端部と一方の配管１５の厚さ方向中心部との距離ｌ2とを加えた長さとする。これによれば、上述の実施の形態と同様の作用効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る高周波誘導加熱残留応力改善法を説明するための配管及び高周波誘導コイルの一部破断斜視図である。
【図２】溶接中心より１０ｍｍの位置の残留応力とコイル長さとの関係を示したグラフである。
【図３】デポ部と母材部との境界の残留応力とコイル長さとの関係を示したグラフである。
【図４】ステンレス鋼の鋭敏化温度と鋭敏化時間との関係を示したグラフである。
【図５】本発明に係る高周波誘導コイル及び加熱した配管の温度分布を示した図である。
【図６】従来の高周波誘導コイル及び加熱した配管の温度分布を示した図である。
【図７】本発明の他の実施の形態係る高周波誘導コイル及び加熱した配管の温度分布を示した図である。
【図８】配管が直交して接続される場合を示した断面図である。
【図９】配管の開先形状を示した側面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  配管
２  溶接継手部
３  周波数誘導コイル
５  外面
６  内面
７  溶接材部（デポ部）
８  母材部
１１  導線
１２  導線
１５  配管
１６  配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005226112.tif 000021
【図５】
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【図６】
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【図７】
2005226112.tif 000024
【図８】
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【図９】
2005226112.tif 000026