ＢＷＲの炉内構造物及び配管の保全技術
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カテゴリ: 第6回
1. 緒言
2.炉内構造物のSCC保全技術例14,101. 近年、沸騰水型原子力発電所(以下BWR)の炉内 構造物(炉心シュラウド、シュラウドサポート、CRD スタブチューブ)の溶接部や、原子炉再循環系(以下 PLR)配管溶接部で、応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking、以下SCC)が確認されている。[1][2][3]炉心シュラウドにSCCが発見され、健全性評価 結果、補修が必要となった場合の補修工法として、ドサポート、CRD スタブチューブ)において Cが確認された[2][31。このようなSCCの発生 、種々の補修工法・予防保全技術が開発され、 対し、種々の補修工法・予防保全技術が開発され、実 機への適用も進められている。 1. 本稿は、BWR炉内構造物及びPLR配管のSCC に対する補修工法・予防保全技術についての事例紹 介を目的としている。なお、今回紹介する補修・保 対し、種々の補修工法・予防保全技術が開発され、実 機への適用も進められている。 * 本稿は、BWR炉内構造物及びPLR配管のSCC に対する補修工法・予防保全技術についての事例紹 介を目的としている。なお、今回紹介する補修・保 全技術は、日本保全学会の WEB 上英文 Journal とし て発刊された”E-Journal of Advanced Maintenance”に、
EJAM2.炉内構造物のSCC保全技術例141,160* 炉心シュラウドにSCCが発見され、健全性評価の 結果、補修が必要となった場合の補修工法として、適 用済技術であるクランプ等の機械的補修、放電加工や 研削加工によるき裂除去に加え、より短時間で補修可 能な工法として、き裂を残存させたまま補修する封止 溶接工法が開発されている。 * 封止溶接工法は、Fig.1 に示すように、き裂を残し たままで表面に肉盛溶接を行い、炉水環境から遮断す2.1 レーザー封止溶接 - 水中レーザー封止溶接は、水中において封止溶接が 可能であることに加え、従来の溶接技術と比較して入 熱を極めて低く抑えられる特徴があり、中性子照射領 域で問題となるHeによる脆化対応としてもメリット のある工法である。 * Fig.2 に、水中レーザー溶接の炉内構造物用試作へ ッド及び水中レーザー溶接試験の概要を示す。また、 Fig-3 に SUS304L 製の試験体に実施した溶接試験結果 を示す。溶接部近傍に設けられた開口幅 0.3mm、深 さ30mm、長さ 20mm の模擬き裂上に行った封止溶接は、 外観写真に示すように良好なビード形状が得られた。 また模擬き裂をクラッド層により封止できることを確 認した。Laser oscillatorOptical fiber (core dia 0.8min, length 60m)Welding wire caseShielding gasXY-stage Welding、 wire caseB19TankCompact optical headWaterPooShielding gas (Ar) Test pieceFixtureCompact optical headFig.2 Schematic of experimental setup forLeaser Seal WeldingAppearancesResults of penetrant testResults of section macro testSeal weldSeal weld layer|Shielding gas:951/minsmmArtificial crackFig.3 Result of underwater LSW experiments2.2 TIG 封止溶接TIG 封止溶接として、気中及び水中での適用例を紹 介する。Fig.3 は、CRD スタブチューブ取付溶接部に発生した SCC の封止溶接として、炉内を気中環境にして TIG 封 止溶接を適用することを想定したモックアップ試験結果である。外観写真を Fig. 4 に、封止溶接部の断面マ クロ写真を Fig.5 に示す。模擬き裂上に行った封止溶 接は、外観写真に示すように良好なビード形状が得ら れ、模擬き裂はクラッドで封止できることを確認した。Seal WeldingFig.4Appearance of TIG seal welding on the CRDstub-tube welding portionCRD stub-tubeSlitSeal WeldingWeldRPV Bottom23456789361 23.Fig.5 Section macro test of TIG seal welding on the CRDstub-tube welding portion水中 TIG 溶接は、水中で局部的な気相空間を形成し、 その気相空間内で溶接を実施する。溶接は広範囲に適 用されている TIG 溶接であり、レーザー溶接に比較し て高めの溶接入熱となるが、施工条件範囲を比較的広 く設定出来、信頼性の高いき裂封止溶接施工が可能で ある。Fig.6 に水中 TIG 溶接の施工概念を示す。本工 法についても溶接モックアップ試験を行い、水中封止 溶接が確実に行えることを確認している。fluidinert gaswelding torchwaterリリースweld depositelentrodearcweld wireFig.6 Work of underwater welding188Dsccaとは 3. PL RITO SCCE HF 15|| (5),171,[81,1951171181591ここでは、PLR配管のSCCに対する材料、残留 応力の改善に関する予防保全技術のうち、以下に示す 工法を紹介する。 (1)内面肉盛工法(CRC : Corrosion Resistant Cladding) (2) 内面研磨(Internal Polishing) (3)高周波誘導加熱応力改善方法(IHSI: Induction Heating Stress Improvement)3.2 内面研磨配管内表面の残留応力の改善を目的として、配管 内面表面を研磨することにより、極表面の応力を圧 縮側に移行させ、SCCの発生を抑制する技術であ る。Fig.9 に磨き工具の例を、Fig.10 に配管内面の磨 き施工状況例を示す。Rotating head whetstone-Metal surfaceFig.9 Sample of polishing tool3.1 内面肉盛工法CRCは、溶接部近傍の鋭敏化領域の配管内面接 液部を、Fig.7 に示すように鋭敏化しない溶着金属で 覆い、SCCの感受性を改善する工法である。配管 内面肉盛方式には種々のものがあるが、その代表構 造例を Fig.8 に示す。(CRC : Corrosion Resistant Cladding) (2) 内面研磨(Internal Polishing) (3)高周波誘導加熱応力改善方法(IHSI: Induction Heating Stress Improvement)配管のSCC保全技術例[51,171,181,[9] 3.2 内面研磨配管内表面の残留応力の改善を目的として、配管内面表面を研磨することにより、極表面の応力を圧 LR配管のSCCに対する材料、残留 縮側に移行させ、SCCの発生を抑制する技術であ する予防保全技術のうち、以下に示す る。Fig.9 に磨き工具の例を、Fig.10 に配管内面の磨き施工状況例を示す。 盛工法Rotating head - Corrosion Resistant Cladding)whetstone 磨(Internal Polishing) 誘導加熱応力改善方法 Induction Heating Stress Improvement)う。Metal surfaceFig.9 Sample of polishing tool面肉盛工法 溶接部近傍の鋭敏化領域の配管内面接 7に示すように鋭敏化しない溶着金属で この感受性を改善する工法である。配管 式には種々のものがあるが、その代表構 に示す。WeldPipeFig.7 Concept of CRCFig.10Polishing inside the PipingPipe weldSensitized zone2nd layer Claddingladding provement such as SHT al polishing shall be after weld)3.3 IHSI対象部位の加熱有効範囲の板厚方向に温度差が発 生するように、配管外面側を高周波誘導加熱法によ り加熱するとともに配管内面を水冷し、この時に発 生する熱応力により配管内面の残留応力を改善する ものである。Fig.11 に THSI の施工概念図を示す。また Fig.12 に IHSI施工時の応力分布, 変形, 温度分布状態を示す。IHSI では,溶接部の内面を水冷しながら,外面側 を高周波誘導加熱により所定の温度まで加熱する加 熱過程において,板厚方向に大きな温度差を生成さ せる。この時,外面側では圧縮の降伏が生じ内面 側では引張りの降伏が生じる。次に加熱を停止(内*Note: SHT means Solution Heat TreatmentFig. 8 Sample structure of CRC- 189 - Sensitized zonePipe weld2nd layer Cladding (As weld)1st layer Cladding (Stress improvement such as SHT or Internal polishing shall be carried out after weld) Fig. 7 Concept of CRCFig.10Polishing inside the Pipingipe weldSensitized zonedding ovement such as SHTpolishing shall be fter weld)2nd layer Cladding (As weld)3.3 IHSI対象部位の加熱有効範囲の板厚方向に温度差が発 生するように、配管外面側を高周波誘導加熱法によ り加熱するとともに配管内面を水冷し、この時に発 生する熱応力により配管内面の残留応力を改善する ものである。Fig.11 に THSI の施工概念図を示す。また Fig.12 に IHSI施工時の応力分布, 変形, 温度分布状態を示す。IHSI では,溶接部の内面を水冷しながら,外面側 を高周波誘導加熱により所定の温度まで加熱する加 熱過程において,板厚方向に大きな温度差を生成さ せる。この時,外面側では圧縮の降伏が生じ,内面 側では引張りの降伏が生じる。次に加熱を停止(内*Note: SHT means Solution Heat TreatmentFig.8 Sample structure of CRCIHSI 対象部位の加熱有効範囲の板厚方向に温度差が発 こするように、配管外面側を高周波誘導加熱法によ 加熱するとともに配管内面を水冷し、この時に発 する熱応力により配管内面の残留応力を改善する * Fig.11 に IHSI の施工概念図を示す。また Fig.12 に IHSI施工時の応力分布, 変形, 温度分布状態を示す。IHSI では,溶接部の内面を水冷しながら,外面側 を高周波誘導加熱により所定の温度まで加熱する加 熱過程において,板厚方向に大きな温度差を生成さ せる。この時,外面側では圧縮の降伏が生じ内面 側では引張りの降伏が生じる。次に加熱を停止(内 - 189 -面の冷却は継続)すると板厚方向の温度差が縮小す る冷却過程となり,加熱過程で生成された外面側の 応力は引張り応力に変わり,内面の応力は圧縮応力 に変わって,そのまま残留応力として残存する。IHSI により,このようなメカニズムで溶接部内面の残留 引張応力を軽減又は圧縮側にすることができる。Heating CoilPipeCooling WaterWeldFig-11 Concept of IHSI(Under Heating 1High% DJIOuter surface - Oy1 CompressionTensile Inner surface toy oy: Yielding StressBalancedposition [After Cooling] Outer surface TensileTensileCompression Inner surface CompressionAT=0 Stress distribution Deformation Temperature distribution Fig-12 Stress, Deformation and TemperatureDistributions Induced by IHSI4.結言BWRの炉内構造物及びPLR配管の保全に関し て、代表的な技術を紹介した。これらのSCC対策 技術の多くは、すでに実機へ適用されている。今回 紹介した技術は日本保全学会““E-Journal of Advanced Maintenance““に掲載されたものであり、今後も上記 Journal 上において、原子炉の補修・保全工法の紹介 を拡充していく予定である。参考文献[1]Shunichi SUZUKI, Kenrou TAKMORI et.al, “StressCorrosion Cracking in Low Carbon Stainless Steel Components in BWRs”, E-Journal of Advanced Maintenance, Vol.1 (2009), pp.1-29, Japan Society of Maintenology, [2] 青木孝行、服部成雄他、“BWR 環境下で長期使用されたニッケル基合金の応力腐食割れ”、 保全学、VOL.4、No.1(2005)、pp34-41 [3] Taizo Matsunaga, Keiji Matsunaga, ““Stress CorrosionCracking of CRD Stub tube joint and Repair at HAMAOKA UNIT 1”, ICONE 11““, Tokyo, Japan, April20-23, 2003, ICONE11-36056 [4] 田中賢彰、伊藤敬、山本哲夫、森敦史、牧野吉延、“BWR炉心シュラウドの補修及び予防保全工法”、
“原子炉再循環配管の SCC に対する補修・保全技術
Cracks for Preventing SCC Propagation”, E-Journal of Advanced Maintenance, Vol.1, No.1,25th May 2009, Japan Society of Maintenology, [7] Toshiba Corporation. “CRC (Corrosion ResistantCladding)”, E-Journal of Advanced Maintenance, Vol.1, No.1,,25th May 2009, Japan Society of Maintenology, [8] Toshiba Corporation. “Internal Polishing”, E-Journal ofAdvanced Maintenance, Vol.1, No.1, 25th May 2009, Japan Society of Maintenology, [9] Toshiba Corporation. “IHSI (Induction Heating StressImprovement)”, E-Journal of Advanced Maintenance, Vol.1, No.1, 25th May 2009, Japan Society of Maintenology, 190“ “?BWRの炉内構造物及び配管の保全技術“ “大坪 徹,Tooru OOTSUBO,伊東 敬,Takashi ITOU,坂下 彰浩,Akihiro SAKASHITA
2.炉内構造物のSCC保全技術例14,101. 近年、沸騰水型原子力発電所(以下BWR)の炉内 構造物(炉心シュラウド、シュラウドサポート、CRD スタブチューブ)の溶接部や、原子炉再循環系(以下 PLR)配管溶接部で、応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking、以下SCC)が確認されている。[1][2][3]炉心シュラウドにSCCが発見され、健全性評価 結果、補修が必要となった場合の補修工法として、ドサポート、CRD スタブチューブ)において Cが確認された[2][31。このようなSCCの発生 、種々の補修工法・予防保全技術が開発され、 対し、種々の補修工法・予防保全技術が開発され、実 機への適用も進められている。 1. 本稿は、BWR炉内構造物及びPLR配管のSCC に対する補修工法・予防保全技術についての事例紹 介を目的としている。なお、今回紹介する補修・保 対し、種々の補修工法・予防保全技術が開発され、実 機への適用も進められている。 * 本稿は、BWR炉内構造物及びPLR配管のSCC に対する補修工法・予防保全技術についての事例紹 介を目的としている。なお、今回紹介する補修・保 全技術は、日本保全学会の WEB 上英文 Journal とし て発刊された”E-Journal of Advanced Maintenance”に、
EJAM2.炉内構造物のSCC保全技術例141,160* 炉心シュラウドにSCCが発見され、健全性評価の 結果、補修が必要となった場合の補修工法として、適 用済技術であるクランプ等の機械的補修、放電加工や 研削加工によるき裂除去に加え、より短時間で補修可 能な工法として、き裂を残存させたまま補修する封止 溶接工法が開発されている。 * 封止溶接工法は、Fig.1 に示すように、き裂を残し たままで表面に肉盛溶接を行い、炉水環境から遮断す2.1 レーザー封止溶接 - 水中レーザー封止溶接は、水中において封止溶接が 可能であることに加え、従来の溶接技術と比較して入 熱を極めて低く抑えられる特徴があり、中性子照射領 域で問題となるHeによる脆化対応としてもメリット のある工法である。 * Fig.2 に、水中レーザー溶接の炉内構造物用試作へ ッド及び水中レーザー溶接試験の概要を示す。また、 Fig-3 に SUS304L 製の試験体に実施した溶接試験結果 を示す。溶接部近傍に設けられた開口幅 0.3mm、深 さ30mm、長さ 20mm の模擬き裂上に行った封止溶接は、 外観写真に示すように良好なビード形状が得られた。 また模擬き裂をクラッド層により封止できることを確 認した。Laser oscillatorOptical fiber (core dia 0.8min, length 60m)Welding wire caseShielding gasXY-stage Welding、 wire caseB19TankCompact optical headWaterPooShielding gas (Ar) Test pieceFixtureCompact optical headFig.2 Schematic of experimental setup forLeaser Seal WeldingAppearancesResults of penetrant testResults of section macro testSeal weldSeal weld layer|Shielding gas:951/minsmmArtificial crackFig.3 Result of underwater LSW experiments2.2 TIG 封止溶接TIG 封止溶接として、気中及び水中での適用例を紹 介する。Fig.3 は、CRD スタブチューブ取付溶接部に発生した SCC の封止溶接として、炉内を気中環境にして TIG 封 止溶接を適用することを想定したモックアップ試験結果である。外観写真を Fig. 4 に、封止溶接部の断面マ クロ写真を Fig.5 に示す。模擬き裂上に行った封止溶 接は、外観写真に示すように良好なビード形状が得ら れ、模擬き裂はクラッドで封止できることを確認した。Seal WeldingFig.4Appearance of TIG seal welding on the CRDstub-tube welding portionCRD stub-tubeSlitSeal WeldingWeldRPV Bottom23456789361 23.Fig.5 Section macro test of TIG seal welding on the CRDstub-tube welding portion水中 TIG 溶接は、水中で局部的な気相空間を形成し、 その気相空間内で溶接を実施する。溶接は広範囲に適 用されている TIG 溶接であり、レーザー溶接に比較し て高めの溶接入熱となるが、施工条件範囲を比較的広 く設定出来、信頼性の高いき裂封止溶接施工が可能で ある。Fig.6 に水中 TIG 溶接の施工概念を示す。本工 法についても溶接モックアップ試験を行い、水中封止 溶接が確実に行えることを確認している。fluidinert gaswelding torchwaterリリースweld depositelentrodearcweld wireFig.6 Work of underwater welding188Dsccaとは 3. PL RITO SCCE HF 15|| (5),171,[81,1951171181591ここでは、PLR配管のSCCに対する材料、残留 応力の改善に関する予防保全技術のうち、以下に示す 工法を紹介する。 (1)内面肉盛工法(CRC : Corrosion Resistant Cladding) (2) 内面研磨(Internal Polishing) (3)高周波誘導加熱応力改善方法(IHSI: Induction Heating Stress Improvement)3.2 内面研磨配管内表面の残留応力の改善を目的として、配管 内面表面を研磨することにより、極表面の応力を圧 縮側に移行させ、SCCの発生を抑制する技術であ る。Fig.9 に磨き工具の例を、Fig.10 に配管内面の磨 き施工状況例を示す。Rotating head whetstone-Metal surfaceFig.9 Sample of polishing tool3.1 内面肉盛工法CRCは、溶接部近傍の鋭敏化領域の配管内面接 液部を、Fig.7 に示すように鋭敏化しない溶着金属で 覆い、SCCの感受性を改善する工法である。配管 内面肉盛方式には種々のものがあるが、その代表構 造例を Fig.8 に示す。(CRC : Corrosion Resistant Cladding) (2) 内面研磨(Internal Polishing) (3)高周波誘導加熱応力改善方法(IHSI: Induction Heating Stress Improvement)配管のSCC保全技術例[51,171,181,[9] 3.2 内面研磨配管内表面の残留応力の改善を目的として、配管内面表面を研磨することにより、極表面の応力を圧 LR配管のSCCに対する材料、残留 縮側に移行させ、SCCの発生を抑制する技術であ する予防保全技術のうち、以下に示す る。Fig.9 に磨き工具の例を、Fig.10 に配管内面の磨き施工状況例を示す。 盛工法Rotating head - Corrosion Resistant Cladding)whetstone 磨(Internal Polishing) 誘導加熱応力改善方法 Induction Heating Stress Improvement)う。Metal surfaceFig.9 Sample of polishing tool面肉盛工法 溶接部近傍の鋭敏化領域の配管内面接 7に示すように鋭敏化しない溶着金属で この感受性を改善する工法である。配管 式には種々のものがあるが、その代表構 に示す。WeldPipeFig.7 Concept of CRCFig.10Polishing inside the PipingPipe weldSensitized zone2nd layer Claddingladding provement such as SHT al polishing shall be after weld)3.3 IHSI対象部位の加熱有効範囲の板厚方向に温度差が発 生するように、配管外面側を高周波誘導加熱法によ り加熱するとともに配管内面を水冷し、この時に発 生する熱応力により配管内面の残留応力を改善する ものである。Fig.11 に THSI の施工概念図を示す。また Fig.12 に IHSI施工時の応力分布, 変形, 温度分布状態を示す。IHSI では,溶接部の内面を水冷しながら,外面側 を高周波誘導加熱により所定の温度まで加熱する加 熱過程において,板厚方向に大きな温度差を生成さ せる。この時,外面側では圧縮の降伏が生じ内面 側では引張りの降伏が生じる。次に加熱を停止(内*Note: SHT means Solution Heat TreatmentFig. 8 Sample structure of CRC- 189 - Sensitized zonePipe weld2nd layer Cladding (As weld)1st layer Cladding (Stress improvement such as SHT or Internal polishing shall be carried out after weld) Fig. 7 Concept of CRCFig.10Polishing inside the Pipingipe weldSensitized zonedding ovement such as SHTpolishing shall be fter weld)2nd layer Cladding (As weld)3.3 IHSI対象部位の加熱有効範囲の板厚方向に温度差が発 生するように、配管外面側を高周波誘導加熱法によ り加熱するとともに配管内面を水冷し、この時に発 生する熱応力により配管内面の残留応力を改善する ものである。Fig.11 に THSI の施工概念図を示す。また Fig.12 に IHSI施工時の応力分布, 変形, 温度分布状態を示す。IHSI では,溶接部の内面を水冷しながら,外面側 を高周波誘導加熱により所定の温度まで加熱する加 熱過程において,板厚方向に大きな温度差を生成さ せる。この時,外面側では圧縮の降伏が生じ,内面 側では引張りの降伏が生じる。次に加熱を停止(内*Note: SHT means Solution Heat TreatmentFig.8 Sample structure of CRCIHSI 対象部位の加熱有効範囲の板厚方向に温度差が発 こするように、配管外面側を高周波誘導加熱法によ 加熱するとともに配管内面を水冷し、この時に発 する熱応力により配管内面の残留応力を改善する * Fig.11 に IHSI の施工概念図を示す。また Fig.12 に IHSI施工時の応力分布, 変形, 温度分布状態を示す。IHSI では,溶接部の内面を水冷しながら,外面側 を高周波誘導加熱により所定の温度まで加熱する加 熱過程において,板厚方向に大きな温度差を生成さ せる。この時,外面側では圧縮の降伏が生じ内面 側では引張りの降伏が生じる。次に加熱を停止(内 - 189 -面の冷却は継続)すると板厚方向の温度差が縮小す る冷却過程となり,加熱過程で生成された外面側の 応力は引張り応力に変わり,内面の応力は圧縮応力 に変わって,そのまま残留応力として残存する。IHSI により,このようなメカニズムで溶接部内面の残留 引張応力を軽減又は圧縮側にすることができる。Heating CoilPipeCooling WaterWeldFig-11 Concept of IHSI(Under Heating 1High% DJIOuter surface - Oy1 CompressionTensile Inner surface toy oy: Yielding StressBalancedposition [After Cooling] Outer surface TensileTensileCompression Inner surface CompressionAT=0 Stress distribution Deformation Temperature distribution Fig-12 Stress, Deformation and TemperatureDistributions Induced by IHSI4.結言BWRの炉内構造物及びPLR配管の保全に関し て、代表的な技術を紹介した。これらのSCC対策 技術の多くは、すでに実機へ適用されている。今回 紹介した技術は日本保全学会““E-Journal of Advanced Maintenance““に掲載されたものであり、今後も上記 Journal 上において、原子炉の補修・保全工法の紹介 を拡充していく予定である。参考文献[1]Shunichi SUZUKI, Kenrou TAKMORI et.al, “StressCorrosion Cracking in Low Carbon Stainless Steel Components in BWRs”, E-Journal of Advanced Maintenance, Vol.1 (2009), pp.1-29, Japan Society of Maintenology,
“原子炉再循環配管の SCC に対する補修・保全技術
Cracks for Preventing SCC Propagation”, E-Journal of Advanced Maintenance, Vol.1, No.1,25th May 2009, Japan Society of Maintenology,