(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、
前記構造部材の補修部位の運転環境データに基づいて補修施工時の入熱量が補修対象構造部材の許容値以下になるように予め設定された複数の溶接方法の中から適切な溶接方法を選定し、該溶接方法の施工データに基づいて溶接施工出力を調整して補修溶接を実施することを特徴とする構造部材補修方法。
【請求項２】
前記運転環境データは、補修部位の水質、温度、中性子照射量、材質、ヘリウム含有量の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の構造部材補修方法。
【請求項３】
前記施工データは、溶接方法の溶接施工出力と入熱量の関係または溶接施工出力と材質の関係を含む溶接施工条件と補修部性状の関係を含むことを特徴とする請求項１記載の構造部材補修方法。
【請求項４】
補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、
極性及び周期が単一のパルス電圧を繰り返して印加し、電流の積算値に基づいて溶接施工出力を設定する放電パルス溶接によって構造部材と電極間に短時間放電を発生させて放電熱で蒸発した電極成分を構造部材に溶接する溶接方法を用い、補修部位表面の酸化皮膜を予め測定した施工出力と破壊データまたは電極極性と破壊データに基づいて施工出力を調整して前記皮膜を破壊除去する第１の工程と、
その後、補修部位の運転環境データに基づいて溶接施工時の該補修部位への入熱量が許容値以下となるように施工データを参照して求めた溶接施工出力で前記溶接方法を用いて補修溶接を行う第２の工程と、
を備えていることを特徴とする構造部材補修方法。
【請求項５】
前記施工データは、放電出力と入熱量の関係、放電出力と材質の関係を含む溶接条件と補修部性状の関係を含むことを特徴とする請求項４記載の構造部材補修方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部材補修方法および構造部材補修装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料は供用される環境において様々な経年変化を起こす。通常、強度や肉厚等を考慮して構造物の仕様が決定されるが、大きな応力が負荷される部分はき裂を起こす可能性があり、酸化性の環境では腐食による減肉が進行する可能性がある。
【０００３】
これらの経年変化に対して、き裂や減肉を補修する補修加工を実施することにより、構造部材を当初の設計仕様を満足する形態に復元することが可能となる。また、経年変化を予測し、き裂や減肉が進行する前に該部に同様の補修加工を行うことにより、構造物の安全性を向上することも可能となる。更に、構造物の強度仕様を満足することができる補修方法があれば、新規部材に交換する方法に比べて、廃棄物減量、コスト低減、工期短縮の観点で有利である。
【０００４】
一般的な補修方法には、金属材料を熱的に溶解して補修対象部に肉盛りする溶接補修がある。しかし、この方法は、肉盛りする材料および補修対象構造部材を融点以上に加熱するために、補修対象構造部材に熱的な影響が残留する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
熱的に電極材料を溶かして構造部材に肉盛り溶接すると、溶けた電極材料の熱が構造部材に伝導するために、補修部および補修部近傍に熱影響組織が発生する。また、電極材料による肉盛り部が冷えるときの熱収縮によって構造部材に引張応力が発生する。従って、このような組織の変化や応力の発生を軽減するために、補修溶接時の入熱量の管理は補修後の強度を確保する上で非常に重要である。特に、原子炉の炉内構造部材は、中性子照射を受けることによって部材中にヘリウムが発生するために、そこに熱を加えるとヘリウムが集合して金属結晶粒界に移動することで強度の低下が起る。
【０００６】
また、入熱に対する感受性（熱影響の程度）は、使用時の構造部材に負荷される応力や歪み、酸素濃度や不純物濃度等の水質環境、使用温度、放射線量、使用開始からの稼動期間、材質等の運転環境によって異なることを考慮する必要がある。
【０００７】
更に、補修溶接の入熱による応力や組織変化に対して、補修後に熱処理や応力緩和等の二次的な作業を行う場合があり、補修部の信頼性を向上するためには入熱量をコントロールした構造部材の補修方法が必要である。
【０００８】
本発明の目的は、補修溶接による入熱による補修対象の構造部材の応力発生や組織変化を抑制することができる構造部材補修方法を提案することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記構造部材の補修部位の運転環境データに基づいて補修施工時の入熱量が補修対象構造部材の許容値以下になるように溶接方法を選定して該溶接方法の施工データに基づいて溶接施工出力を調整して補修溶接を実施することにより、補修による構造部材への入熱による応力発生や組織変化を抑制することを特徴とする。
【００１０】
具体的には、第１の手段は、補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、前記構造部材の補修部位の運転環境データに基づいて補修施工時の入熱量が補修対象構造部材の許容値以下になるように予め設定された複数の溶接方法の中から適切な溶接方法を選定して該溶接方法の施工データに基づいて溶接施工出力を調整して補修溶接を実施することを特徴とする。
【００１１】
この場合、前記運転環境データには、補修部位の水質、温度、中性子照射量、材質、ヘリウム含有量の少なくとも１つを含み、前記施工データは、溶接方法の溶接施工出力と入熱量の関係または溶接施工出力と材質の関係を含む溶接施工条件と補修部性状の関係を示す。また、前記溶接施工出力は、電圧値、電流値、時間を含む値によって出力を変化させ得る電極の大きさや電極と構造部材の間隔による幾何学的な数値を含む要素に基づいて設定される。
【００１３】
第２の手段は、補修対象の構造部材を溶接によって補修する構造部材補修方法において、極性及び周期が単一のパルス電圧を繰り返して印加し、電流の積算値に基づいて溶接施工出力を設定する放電パルス溶接によって構造部材と電極間に短時間放電を発生させて放電熱で蒸発した電極成分を構造部材に溶接する溶接方法を用い、補修部位表面の酸化皮膜を予め測定した施工出力と破壊データまたは電極極性と破壊データに基づいて施工出力を調整して前記皮膜を破壊除去する第１の工程と、その後、補修部位の運転環境データに基づいて溶接施工時の該補修部位への入熱量が許容値以下となるように施工データを参照して求めた溶接施工出力で前記溶接方法によって補修溶接を行う第２の工程とを備え、前記第１及び第２の工程で使用される溶接方法が、極性及び周期が単一のパルス電圧を繰り返して印加し、電流の積算値に基づいて前記溶接施工出力を設定する放電パルス溶接であることを特徴とする。
【００１４】
これらの場合、前記施工データは、放電出力と入熱量の閑係、放電出力と材質の関係を含む溶接条件と補修部性状の関係を含む。放電出力は、電圧、電流、放電パルス形状、パルス周期、パルス幅および放電出力を変化させ得る電極の大きさや電極と構造部材の間隔による幾何学的な数値などの要素に基づいて設定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の構造部材補修方法の第１の実施の形態を示すフローチャート、図２は、運転環境データベースである。
【００１８】
図１において、まず、ステップ１において、運転環境データを参照して補修部の状態を把握する。この運転環境データは、図２に示すように、補修部の材質（Ｍ１、Ｍ２・・・）や中性子照射量（Ｎ１、Ｎ２・・・）を格納した運転環境データベースから取得する。この運転環境データベースは、補修部の材料が記されたミルシート、製作時における溶接や加工の作業記録および運転記録による運転期間の積算値や温度計、溶存酸素計、導電率、溶存酸素計の指示値から作成する。図２に示した運転環境データベースでは、部位Ａ（例えば原子炉シュラウド）を補修する場合は、材質がＭｌ、中性子照射量がＮｌであることがわかる。また、部位Ｂ（例えば原子炉圧力容器）の場合には、材質がＭ２、中性子照射量がＮ２である。なお、図２におけるＡないしＤ、材質Ｍ、中性子照射量Ｎ、温度Ｔ、雰囲気Ｃ、稼働期間ＴＭは具体的には図２に示す通りである。なお、応力については、各対象物について測定しておき、その測定結果がそれぞれ使用される。
【００１９】
次に、ステップ２において、許容入熱量を判定する。許容入熱量は、文献（例えばWeldability of neutron irradiated austenitic stainless steels、Journal of Nuclear Materials 264、P8(1999)）に示されるように、ヘリウム濃度と相関がある。一方、構造部材中では、合金元素や不純物が中性子照射で核変換する際に、ヘリウムが核反応式（１）および（２）によって生成し、ステンレス鋼の場合には、ヘリウムの生成量は１×１０２２ｎ／ｃｍ２当り、５．５ｐｐｍであることが日刊工業新聞社発行ステンレス鋼便覧Ｐ１４３に示されている。
【００２０】
５８Ｎｉ（ｎ，γ）５９Ｎｉ（ｎ，α）５６Ｆｅ      …（反応式１）
１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ                         …（反応式２）
これらのことから、許容入熱量とヘリウム濃度の相関関係とヘリウム濃度と中性子照射量の相関関係から、許容入熱量は、中性子照射量に依存して変化し、中性子照射量と許容入熱量は、相関関係を持つことがわかる。この中性子照射量と許容入熱量の相関関係を図３に模式的に示す。
【００２１】
図３に示した中性子照射量と許容入熱量の相関関係から、補修部が部位Ａの場合は、材質Ｍｌの中性子照射量Ｎｌに対する入熱量がＨｌ以下、部位Ｂの場合には、材質Ｍ２の中性子照射量Ｎ２に対する入熱量がＨ２以下であれば許容できることがわかる。
【００２２】
ステップ３において、補修する部位に応じた許容入熱量ＨｌやＨ２を満足できる補修方法を選定する。補修方法は、図４に示した施工データのように、補修施工出力に応じて入熱量が大きくなる特徴がある。Ｒｌ、Ｒ２、Ｒ３は、補修方法の補修施工出力と入熱量を模式的に示したものである。例えば、Ｒｌは放電溶接方法、Ｒ２はレーザ溶接方法、Ｒ３はガス溶接やアーク溶接方法が相当する。ステップ２において判定した許容入熱量Ｈｌ、Ｈ２の場合には、許容入熱量Ｈｌの補修では放電溶接方法Ｒｌを選定し、許容入熱量Ｈ２の補修ではレーザ溶接方法Ｒ２を選定することにより、許容入熱量以下の条件を満足する補修を実施することができる。
【００２３】
ステップ４において、補修施工出力を初期条件として設定する際に、許容入熱量Ｈ１以下、Ｈ２以下を満足することができる補修施工出力は、図４に示した施工データからＷ１またはＷ２となる。この補修施工出力は、電圧値や電流値を制御することで変化させることができる。
【００２４】
以上のステップ１からステップ４において、補修部位に応じた入熱量を満足することができる補修方法および補修施工出力を決定して設定する。
【００２５】
ステップ５において、補修施工範囲をＸ、Ｙ軸座標で入力して設定する。
【００２６】
ステップ６において、補修施工出力を施工ヘッドに印加して補修を開始する。
【００２７】
ステップ７において、駆動機構を制御して施工ヘッドをＸ、Ｙ軸座標で設定された補修範囲を移動走査しながら補修を行う。
【００２８】
ステップ８において、設定された補修範囲内の補修の終了を確認する。
【００２９】
ステップ９において、補修を停止する。
【００３０】
図５は、本発明の構造部材補修方法の第２の実施形態を示すフローチャート、図６は、放電施工データ、図７は、放電施工出力制御特性図である。この第２の実施形態は、電極に電圧をパルス状に印加することで構造部材と前記電極間に短時間放電を発生させ、放電熱で蒸発させた電極成分を構造部材に溶着させる放電パルス溶接方法を設定した補修方法の例である。
【００３１】
図５において、第１の実施形態と同様なステップ１〜３における補修方法の選定ステップで、補修方法として放電溶接方法を決定する。
【００３２】
ステップ４において、初期放電条件を設定する。この初期放電条件の設定は、図６に示した放電施工データに示すように、初期放電出力を入熱量Ｈｌ、Ｈ２に応じてＷｌ、Ｗ２と設定する。また、放電出力は、電圧値や電流値を変えることで変化させることができるが、ここでは、放電パルスの時間幅を調整することで放電出力を変化させる方法を採用している。
【００３３】
放電パルス溶接では、図７に示すように、電圧一定のパルス電圧を時間幅τｌだけ印加するとこの間は電流ｉが流れ、パルス電圧が休止すると電流値はゼロとなる。パルス電圧をτ２の間隔で繰り返して印加すると、電流ｉの積算値に応じて徐々に施工出力が増加し、施工時間Ｔを経過したときに設定値Ｗｌに達するようになる。
【００３４】
ステップ５において、補修範囲をＸ、Ｙ座標で入力して設定する。
【００３５】
ステップ６において、放電パルスを施工ヘッド（電極）に印加して補修を開始する。
【００３６】
ステップ７〜９は、第１の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
【００３７】
図８は、本発明の構造部材補修方法の第３の実施形態を示すフローチャート、図９は、構造部材の稼働時間と該構造部材に形成される皮膜の厚さの関係を示す特性図、図１０は、皮膜除去施工出力と皮膜除去量（厚さ）の関係を示す特性図である。
【００３８】
この第３の実施形態は、補修対象の構造部材に形成された皮膜を破壊して除去した後に該構造部材に補修用の肉盛り溶接を実施する補修方法である。
【００３９】
ステップＡからステップＤの皮膜を除去する手順を追加したことに特徴がある実施形態である。ステップ１からステップ８は前述した第２の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
【００４０】
ステップＡにおいて、図２に示した運転環境データの材質や水質、稼動期間に基づいて補修部位の皮膜厚さを判定する。皮膜厚さは、図９に示すように、主に水質と稼動期間で厚さＤ１と判定することができる。また、気中で使用されている部位であれば、雰囲気ガス濃度と稼動期間で判定することができる。
【００４１】
ステップＢにおいて、図１０に示す破壊データに基づいて、皮膜厚さＤ１を破壊除去するために必要な破壊出力をＢ１に設定する。
【００４２】
ステップＣにおいて、皮膜除去範囲をＸ、Ｙ座標で入力して設定する。
【００４３】
ステップＤにおいて、破壊出力Ｂ１によって補修部位の皮膜除去を実施する。
【００４４】
ステップＥにおいて、終了を判定する。
【００４５】
この皮膜除去の終了後のステップ５以降は第１の実施形態と同じである。
【００４６】
図１１は、本発明の構造部材補修方法を実施する第４の実施形態を示す構造部材補修装置の斜視図である。この構造部材補修装置は、第１〜第３の実施形態で説明した構造部材補修方法を実施するために好適な装置である。
【００４７】
この構造部材補修装置は、構造部材１を補修する補修電極２と、運転環境データ、施工データ、皮膜破壊データなどのデータベースを格納する記憶部３と、判定処理を行う演算装置４と、補修電極２を保持する走査アーム５を駆動する駆動機構６と、補修電極２を補修部位に対向させて走査する制御を行う駆動機構操作盤７と、補修施工出力を設定された値に調整して補修電極２に印加する出力調節部８と、データや判定処理の結果等を表示する表示装置９と、補修範囲等を入力して設定する入力装置１０を備える。
【００４８】
出力調節部８は、電圧や電流値、放電パルスの周期やパルス幅を変化させることにより補修施工出力を変化させる構成であり、記憶部３に格納しているデータベースを用いて調整した補修施工出力を出力する。補修施工範囲は、補修対象部１１を覆うように、入力装置１０からＸ軸、Ｙ軸の座標で駆動機構操作盤５に入力し、駆動機構６を制御して走査アーム５を駆動することにより補修電極２を移動走査して補修施工する。酸化皮膜の除去も同様の手順で所定位置に電極２を移動して施工する。
【００４９】
図１２は、電極２の移動走査軌跡の一例を示している。この移動走査軌跡は、構造部材１上をＸ軸およびＹ軸に矩形にジグザグ移動する走査軌跡である。
【００５０】
なお、本発明は、あらゆる構造部材に適用できるが、特に原子力施設や発電施設などの構造部材に対する補修などの予防保全に最適である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は、補修対象部材の入熱量の許容値を考慮した溶接方法を予め設定された複数の溶接方法の中から選定し、許容入熱量の制約を満足する施工出力により補修溶接を実施することができるために、補修後の応力発生や組織変化を防止することができる。更には、補修後の熱処理等の２次的な作業を省略することができ、復旧までの工期の短縮を図ることができる。
【００５２】
また、低入熱量の肉盛り補修は勿論のこと、効率を考慮して、高入熱量の肉盛り補修も可能である。
【００５３】
更に、補修対象部に皮膜が形成された構造部材に対しても該皮膜を除去した上で前述したような肉盛り補修を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造部材補修方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図２】本発明の構造部材補修方法で参照する運転環境データベースの一例を示す図である。
【図３】構造部材の中性子照射量と許容入熱量の関係を示す特性図である。
【図４】補修施工出力と入熱量の関係を示す特性図である。
【図５】本発明の構造部材補修方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【図６】放電施工出力と入熱量の関係を示す特性図である。
【図７】放電施工出力制御特性図である。
【図８】本発明の構造部材補修方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【図９】構造部材の稼働時間と皮膜厚さの関係を示す特性図である。
【図１０】皮膜除去施工出力と破壊皮膜厚さの関係を示す特性図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態を構造部材補修装置の斜視図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態を構造部材補修装置における電極の走査軌跡の一例である。
【符号の説明】
１  構造部材
２  補修電極
３  記憶部
４  演算装置
５  走査アーム
６  駆動機構
７  駆動機構操作盤
８  出力調節部
９  表示装置
１０  入力装置
【図１】
0004184667.tif 000002
【図２】
0004184667.tif 000003
【図３】
0004184667.tif 000004
【図４】
0004184667.tif 000005
【図５】
0004184667.tif 000006
【図６】
0004184667.tif 000007
【図７】
0004184667.tif 000008
【図８】
0004184667.tif 000009
【図９】
0004184667.tif 000010
【図１０】
0004184667.tif 000011
【図１１】
0004184667.tif 000012
【図１２】
0004184667.tif 000013