136

600合金系溶接金属のPWSCCに及ぼす温度の影響
Influence of Temperature on Primary Water Stress Corrosion Cracking of Alloy 600 Weld Metals
西川嘉人（Yoshito Nishikawa）＊

戸塚信夫（Nobuo Totsuka）＊ 有岡孝司（Koji Arioka）＊

要 約 600合金系溶接金属（82合金および132合金）のPWR１次冷却水中の応力腐食割れ（PWSCC）に及ぼす温度の影響を調べるため，温度330℃から360℃の範囲で低歪速度引張試験（SSRT試験）を実施した．その結果，これら溶接金属の見かけの活性化エネルギーは熱影響部に比べ約30kJ/mol大きく，82合金と132合金のPWSCC感受性は同程度であった．
キーワード

溶接金属，応力腐食割れ，熱影響部，活性化エネルギー

Abstract
Influence of temperature on primary water stress corrosion cracking (PWSCC) of Alloy 600
weld metals was studied at temperatures ranging from 330 to 360 ℃ using slow strain rate technique(SSRT). As the results, it has been revealed that the apparent activation energy of weld metal is about 30
kJ/mol higher than that of heat affected zone, and the PWSCC susceptibility of Alloy 82 is close to that ofAlloy 132.
Keywords

1.

weld metal, stress corrosion cracking, heat affected zone, activation energy

はじめに近年，特に海外の加圧水型軽水炉（pressurized

2.

実験方法

2.1

供試材

water reactor, PWR）プラントで１次冷却水中の応力腐食割れ（primary water stress corrosion cracking,実験に使用した供試材は，図１に示すMA600合金PWSCC）が顕在化してきており，これはPWRプランの板材にＶ形開先により試験片長手方向に垂直な方（1）トの経年劣化事象として認識されてきている ．また向に溶接したものである．ただしこれは実機の溶接

2000年米国V.C.サマー原子力発電所において，600合部位をそのまま模擬したものではない．溶接金属は金の溶接部（溶接金属として182合金が使用されてい82合金をティグ（tungsten inert gas, TIG）溶接で，（2）る）においてPWSCCが発見され ，ニッケル基合金132合金を被覆アーク溶接で用いている．使用した溶の溶接部においてもPWSCCが懸念されるようになっ接金属および母材の化学成分および溶接継手の機械た．日本のPWRプラントで用いられている溶接金属的性質を表１に示す．

は182合金の他に82合金や132合金があるが，これらのPWSCCに関するデータは限られている（3）．そこで

2.2

SCC試験

本研究では82合金および132合金について溶接部およびその熱影響部（heat affected zone, HAZ）の温度に応力腐食割れ（stress corrosion cracking, SCC）試よる影響を明らかにするため，低歪速度引張試験

験には促進SSRT法（4）を用いた．この方法では図２（slow strain rate technique, SSRT）を行い，600合金のように平板試験片平行部の中央を金型により曲げ溶接部のPWSCC特性を検討した．

ることで，従来SSRT試験よりも数十倍PWSCCを加速して試験することができる．促進SSRT試験では曲げ部凹面側のみからPWSCCが発生し進展するため，曲げを溶接金属部や熱影響部に施工することにより，特定部位のPWSCC特性を調べることができる．すな＊ （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

137

わち，図３のように溶接継手の試験片において曲げ（500ppmB + 2ppmLi + 2.75ppmH2）中で温度330℃，る部位を指定することで，特定部位でPWSCCを発生340℃，350℃，360℃の４条件で実施した．また歪速させられる．試験は図４に示すSSRT試験装置により，度は曲げ施工前の平行部長20mmに対し5×10-7/sの一従来から使用している（5）PWR１次冷却水模擬水溶液定速度で引っ張った．

表１

供試材の化学成分，機械的性質および溶接パス数・入熱量
(wt%)

材料

CSi

Mn

P

S

Ni

CrFe

Cu

Nb

82合金

0.017

0.26

2.54

0.006

0.001

72.9

17.95

3.720.01

1.93

132合金

0.030

0.30

2.100.009

0.002

71.5

15.40

8.50

0.01

1.88

＊
母材
（MA600）0.030

0.270.29

0.010

0.001

72.9

16.20-0.05-＊母材には他にTiが0.20％含まれる.
0.2%耐力306MPa
266MPa229MPa200MPa

材料
82合金
132合金

引張強さ625MPa
589MPa563MPa534MPa

溶接パス数
４４２２

入熱量
10.1kJ/cm
14.9kJ/cm
10.1kJ/cm
14.9kJ/cm

溶接金属

PWSCC

(a) 82合金（TIG溶接）

溶接金属部の評価
溶接金属

1mm
2mm

6mm

熱影響部の評価
図３(b) 132合金（被覆アーク溶接）

図１

溶接継手の促進SSRT試験片における曲げ位置とPWSCC発生部の関係

溶接施工状況および試験片採取位置
Oxygen279φ 10R 410R

29φ
25718A

Hydrogen

2.5

Pure argon
gas

1.5R
22.5 0.12R

A

Autoclave(Three row type)

Flow meter
ChemicalagentsPressure regulating
valve

Tensile loadTest piece

572Ion exchange resin

Test piece

2792
A35

12.5
2.5A

10Regulat ing tank

1.5R
22.5

Water quality measuring
instrument

Tensile load
Test piece

2.570

Cooler35

2.5 0.12R
57205

図２

Heat exchanger

促進SSRT試験片および金型の形状

Tensile load
Preheater

High−pr essure pump
Conveving pump

図４

SSRT試験装置

138

実験結果

3.

PWSCC進展速度に及ぼす温度の影響得られたデータのうち粒界破面率（金属破断面に対する粒界およびデンドライト境界破面の割合）が小さいデータは，判定によるバラツキが出やすく，温度依存性を示す見かけの活性化エネルギー算出において影響が大きいため，粒界破面率５％未満のデータを評価から除外した．図５と図６にはそれぞれ82合金と132合金で溶接した溶接継手の溶接金属部を360℃のSSRT試験により破断させた破面写真を，図７と図８にそれぞれ82合金と132合金で溶接した溶接

図５

SSRT試験による82合金溶接部破断部のSEMによる被面写真（温度：360℃）

継手の熱影響部を破断させた破面写真を示す．促進
SSRT試験ではPWSCCは試験前の加工による引張り残留応力により，曲げの凹部（図５〜８の下側）からのみ発生・進展する特徴がある．従って，破断面におけるき裂進展速度は次式により求めることができる．
き裂進展速度＝板厚×粒界破面率÷破断時間
図９と図10にそれぞれ82合金と132合金で溶接した溶接継手の溶接金属と熱影響部の温度とSSRT試験によるき裂進展速度の関係を示す．図11と図12には溶図６

SSRT試験による132合金溶接部破断部のSEMによる被面写真（温度：360℃）

360℃

Crack Growth Rate (m/s)

1.E-08350℃

340℃

330℃

Weld Metal
HAZ
MA600

1.E-09

1.E-101.56E-03

1.58E-03

1.60E-03

1.62E-03

1.64E-03

1.66E-03

1.68E-03

1/ T（K-1）

図７

SSRT試験による82合金溶接熱影響部破断部のSEMによる被面写真（温度：360℃）

図９

SSRT試験による82合金溶接部の溶接金属と熱影響部の温度とき裂進展速度の関係
360℃

Crack Growth Rate (m/s)

1.E-08

350℃

340℃

330℃

Weld Metal
HAZ
MA600

1.E-09

1.E-101.56E-03

1.58E-03

1.60E-03

1.62E-03

1.64E-03

1.66E-03

1.68E-03

1/ T（K-1）

図８

SSRT試験による132合金溶接熱影響部破断部のSEMによる被面写真（温度：360℃）

図10SSRT試験による132合金溶接部の溶接金属と熱影響部の温度とき裂進展速度の関係

139

360℃

Crack Growth Rate (m/s)

1.E-08

350℃

340℃

330℃

材のMA600は1.20であった．全データの値1.44に比べAlloy 82
Alloy 132
MA600て小さい値となっていることから，それぞれの差異は小さいものの，溶接金属，熱影響部，母材の見かけの活性化エネルギーの差異は有意であると考えら

1.E-09

れる．

4.

考察

1.E-101.56E-03

1.58E-03

1.60E-03

1.62E-03

1.64E-03

1.66E-03

1.68E-03

1/ T（K-1）

図11

SSRT試験による溶接金属部の溶接金属の温度とき裂進展速度の関係
360℃

Crack Growth Rate (m/s)

1.E-08350℃

340℃

得られた実験結果から見かけの活性化エネルギーの差異はあまり大きくないが，幾つかの傾向が見られる．図９と図10に示したように，82合金と132合金
いずれの溶接継手でも溶接金属は熱影響部に比べき330℃

Alloy 82
Alloy 132
MA600

裂進展速度が小さく，見かけの活性化エネルギーは少し大きい．最近の研究で，き裂がある程度成長するまでの発生域では熱影響部の割れが溶接金属より1.E-09深くなり，き裂が成長し進展が速くなる伝播域では溶接金属のき裂進展速度が熱影響部より大きくなることが報告されている（3）ことと，この結果はよく一致している．従来のSSRT試験は発生域と伝播域の両

1.E-101.56E-03

図12

1.58E-03

1.60E-03

1.62E-03

1.64E-03

1.66E-03

1.68E-03

1/ T（K-1）

方の影響を受けるが，促進SSRT試験は発生域の影響SSRT試験による熱影響部の温度とき裂進展速度の関係をより多く受けるものと考えられる．熱影響部が溶接金属より感受性が高いことは，PWRプラントで溶接金属と熱影響部で整理した溶接金属の違いで比較

接金属部にPWSCCが見られることが少ないことの一したものを示す．各グラフの直線はデータの対数を因と考えられる．またこれらの結果から， PWSCC最小二乗法により近似したものである．また比較の感受性の評価においては伝播域より発生域の評価のため図９〜12に母材であるMA600の温度とき裂進展方がより重要と考えられる．

速度の関係も示した．図９〜12からわかるように，高温ほどき裂進展速度が大きくなる．このき裂進展

溶接金属部においては，図11に示すように，82合速度の温度依存性により見かけの活性化エネルギー

金と132合金の溶接金属のき裂進展速度と見かけの活（5）が求められる ．母材であるMA600の見かけの活性性化エネルギーはほぼ同様であるものの，82合金の化エネルギーが167 kJ/mol （40kcal/mol）であるの方がき裂進展速度は速く，見かけの活性化エネルギに対し，82合金と132合金の溶接金属における見かけーは若干低い傾向が見られる．これは82合金の方が，の 活 性 化 エ ネ ル ギ ー は そ れ ぞ れ 188 kJ/mol （ 45

運転温度域であるより低温で感受性が高い可能性がkcal/mol）と179 kJ/mol （43 kcal/mol）であり，82あることを示している．一方，最近の研究（3）では，合金と132合金で溶接した熱影響部における見かけのリバースＵベンド試験や定荷重試験の結果として，

活 性 化 エ ネ ル ギ ー は そ れ ぞ れ 156 kJ/mol （ 37

82合金の割れ時間が182合金の４〜10倍短いとの報告kcal/mol）と148 kJ/mol （35 kcal/mol）と評価した．

が出されている．本研究で用いた供試材とは，化学

この結果から，82合金と132合金で溶接された溶接金成分，機械的性質，溶接方法，溶接入熱が異なって属の見かけの活性化エネルギーはほぼ同様で，見かいるので，どの要因がPWSCC挙動に影響しているかけの活性化エネルギーは溶接金属，母材，熱影響部を特定することは難しいが，今後定荷重試験等によの順に小さくなる傾向が見られる．なお近似線からりPWSCC発生過程の差異を明らかにする研究が必要の偏差量の対数について標準偏差の指数，すなわちである．

対数グラフ上での倍率で表現される標準偏差に相当する値は，82合金，132合金の溶接金属とそれぞれの一方熱影響部においては，図12に示すように，82

熱影響部で，順に1.43，1.38，1.37，1.33であり，母合金と132合金による溶接の熱影響部のPWSCC感受140

性と見かけの活性化エネルギーは，溶接パス数と溶

Z.S.Smialowska, Corrosion, 43, p.505 (1987).

接方法が異なっているが，ほぼ同様の値である．母（5）N.Totsuka, S.Sakai, N.Nakajima and H.Mitsuda,

材のMA600と比較すると僅かではあるが，PWSCC感CORROSION/2000, Paper No. 212 (2000).

受性が高く，見かけの活性化エネルギーが小さい傾向がある．図７と図８を見ると熱影響部は結晶粒が大きくなっており，組織の状態が明らかに変わっていることがわかる．溶接熱影響部は溶接条件にあまり影響されず，母材の性質により強く影響されたPWSCC挙動を示すものと考えられる．
以上のように見かけの活性化エネルギーは溶接金属と母材で異なることからも，材料ごとの活性化エネルギーを求めることで，より正確に実機条件におけるき裂進展速度や寿命を予測することができると考えられる．

5.

結論
82合金と132合金の溶接金属と溶接熱影響部のPWSCCにおける温度の影響はほぼ同様である．しかしながら，以下の点で細かい差異が認められる．
（1）溶接金属は母材や溶接熱影響部に比べ見かけの活性化エネルギーが30kJ/mol程度高く，PWSCC感受性が若干低い．そのため，低温側では母材や溶接熱影響部に比べ割れが発生し難い．
（2）溶接熱影響部のPWSCC挙動は，溶接金属より母材のものに近い．溶接金属が違ってもほぼ同じ挙動をする．
（3）82合金と132合金の見かけの活性化エネルギーはほぼ同じである．

文献（1） 高経年化に関する基本的な考え方， 通商産業
省資源エネルギー庁報告書 (1996).
（2）B. Crowley, NRC Special Team Inspection
Report, 50-395/00-08, United States Nuclear
Regulatory Commission (2001).
（3）R.S.Pathania, A.R.Mcilree and J.Hickling,"Overview of Primary Water Cracking of Alloys
182/82 in PWRs," Proc. Fontevraud 5International Symposium, France, Sept. 23-27,
p.13 (2002).
（4）N.Totsuka, E.Lunarska, G.Gragnolino and