JP5005494B2

JP5005494B2 - ベローズ並びにこれを用いたユニバーサル式ベローズ、高速増殖炉用配管システム及び高速増殖炉施設

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Publication number: JP5005494B2
Application number: JP2007271363A
Authority: JP
Inventors: 和道芋生; 聡糸岡; 周作澤田; 和博藤又; 将彦新井
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: JP2009098063A

Description

本発明は、５００℃以上の高温の流体が流れる機器及び配管に適用されるベローズと、これを用いたユニバーサル式ベローズ、高速増殖炉用配管システム及び高速増殖炉施設とに係り、特に、高Ｃｒフェライト系鋼からなる機器及び配管に好適なフェライト系耐熱鋼からなるベローズに関するものである。

近年、高温の流体が流れる高速増殖炉施設などの機器及び配管には、従来からのオーステナイト系ステンレス鋼に加えて、高温強度に優れた高Ｃｒフェライト系鋼も用いられている。また、この種の高温の流体が流れる機器及び配管には、熱膨脹を吸収するためのベローズの設置が必須となっている。

一方、現状では、高温の流体が流れる機器及び配管に設置されるベローズとして、ステンレス鋼製のものが広く用いられており、ベローズ素管用のフェライト系ステンレス鋼板が多数提案されている（特許文献１，２，３参照。）。これらの各特許文献に記載のベローズ素管材料は、いずれもフェライト系ステンレス鋼であり、フェライト系鋼又は焼き戻しマルテンサイト系鋼を使用したものは、まったく見当たらない。このように、高温で使用するフェライト系鋼を用いたベローズは実績が無い。
特開２００７−１６３１１号公報特開２００７−１６３０６号公報特開平１１−１５９６１６号公報

溶接構造を有する機器及び配管の信頼性及び健全性を確保する観点からは、ベローズとして、配管と同系統の材質からなるものを用いることが好ましい。即ち、フェライト系材料からなる配管にステンレス鋼製のベローズを用いると、フェライト鋼とオーステナイト鋼との異種材料溶接部を持つことになるが、この異種材料溶接部は、高温で使用すると急激な強度の低下が起こるので、信頼性及び健全性の点で長時間の使用に問題があるからである。したがって、高温で使用するフェライト系耐熱鋼製機器及び配管には、フェライト系耐熱鋼製のベローズを適用することが特に望まれる。

本発明は、かかる従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フェライト系耐熱鋼製の機器及び配管と好適な溶接構造を構成可能なフェライト系耐熱鋼製のベローズを提供すること、並びに、これを用いたユニバーサル式ベローズ、高速増殖炉用配管システム及び高速増殖炉施設を提供することにある。

本発明者らは、フェライト系耐熱鋼の特性と塑性加工性について調べると共に、塑性加工方法について研究した。その結果、以下に示す成型加工方法を見出し、本発明に至ったものである。

本発明は、ベローズが、フェライト系耐熱鋼からなり、ベローズ蛇腹部が、使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返すことにより形成されていることを特徴とする。

ベローズに用いるフェライト系耐熱鋼は、重量％で、Ｃ０．０５〜０．２０％、Ｓｉ０．５％以下、Ｍｎ０．０５〜１．５％、Ｎｉ３．０％以下、Ｃｒ８．５〜１３．０％、Ｍｏ０．０５〜３．０％、Ｗは０又は０．０５〜１．８％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎｂ及びＴａの１種又は２種の合計０．０１〜０．２０％及びＮ０．０１〜０．１％を含む、主として６００℃を超えない温度範囲で使用する耐熱鋼である。

以下、各元素の限定理由について述べる。

Ｃは、焼入性を確保し、また焼き戻し過程でＭ_２３Ｃ_６型炭化物を析出させて高温強度を高めるために不可欠の元素であり、最低０．０５％を必要とするが、０．２０％を越えるとＭ_２３Ｃ_６型炭化物を過度に析出させ、マトリックスの強度を低めてかえって長時間側の高温強度を損なうので、０．０５〜０．２０％に限定する。望ましくは、０．０９〜０．１３％である。さらに望ましくは、０．１０〜０．１２％である。

Ｓｉは、ラーベス相の生成を促し、また粒界偏析等により延性を低下させるので、有害元素として０．５％以下に制限する。望ましくは０．２５％以下、より望ましくは０．１５％以下である。Ｓｉは脱酸剤として加えるが、真空脱酸する場合には無添加であり、そのときの含有量は０．０１％程度である。０．０１〜０．１％が好ましい。

Ｍｎは、δフェライトの生成を抑制し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の析出を促進すると共に、熱間加工性を高める元素として最低０．０５％は必要であるが、１．５％を越えると耐酸化性を劣化させるので、０．０５〜１．５％に限定する。望ましくは０．２〜１．０％、さらに望ましくは０．３〜０．７％である。

Ｎｉは、δフェライトの生成を抑制し、靭性を付与する元素であり、３％以下とする。使用温度が５５０℃までは高いＮｉの２〜３％、それを超える温度では０．５〜１．０％が好ましい。しかし、最低０．０５％以上が好ましい。

Ｃｒは、高温Ｎａに対して耐酸化性を付与し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物を析出させて高温強度を高めるために不可欠の元素であり、最低８．５％必要であるが、１３％を越えるとδフェライトを生成し、高温強度および靭性を低下させるので８．５〜１３．０％に限定する。望ましくは、９．０〜１１．８％である。

Ｍｏは、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の微細析出を促進し、凝集を妨げる作用があり、このため特にＮａ中での反応を抑制し、高温強度を長時間保持するのに有効で、最低０．０５％必要であるが、３．０％以上になるとδフェライトを生成し易くするので０．０５〜３．０％に限定する。

Ｗは、Ｍｏ以上にＭ_２３Ｃ_６型炭化物の凝集粗大化を抑制する作用が強く、またマトリックスを固溶強化すると共に、高温強度の向上に有効であり、１．５％程度必要であるが、これより多いとδフェライトやラーベス相を生成しやすくなる。使用温度が５００℃まではＷ無しが好ましく、それ以上ではＷ０．０５〜１．５％、好ましくは０．１〜０．７％である。

Ｖは、Ｖの炭窒化物を析出して前述と同様にＮａ中での高温強度を高めるのに有効であり、最低０．０５％を必要とするが、０．３％を越えると炭素を過度に固定し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の析出量を減じて逆に高温強度を低下させるので０．０５〜０．３％に限定する。望ましくは、０．１５〜０．２５％である。

Ｎｂは、ＮｂＣを生成して結晶粒の微細化に役立ち、また一部は焼入れの際固溶して焼もどし過程でＮｂＣを析出し、Ｎａ中での高温強度を高める作用があり、最低０．０１％必要であるが、０．２０％を越えるとＶと同様炭素を過度に固定してＭ_２３Ｃ_６型炭化物の析出量を減少し、高温強度の低下を招くので、０．０１〜０．２０％に限定する。望ましくは、０．０５〜０．１３％である。さらに望ましくは、０．０５〜０．１１％である。

Ｎは、Ｖの窒化物を析出したり、また固溶した状態でＭｏやＷと共同でＩＳ効果（侵入型固溶元素と置換型固溶元素の相互作用）により高温強度を高める作用があり、最低０．０１％は必要であるが、０．１％を越えると延性を低下させるので、０．０１〜０．１％に限定する。望ましくは、０．０２〜０．０４％である。さらに望ましくは、０．０２〜０．０３％である。

本発明におけるフェライト鋼は、上記成分を満足するとともに、焼き戻しマルテンサイト組織またはフェライト組織を有する材料である。この組織を確実にするには、フェライト組織を形成する成分をＣｒ量に等価換算したＣｒ当量で評価することが知られており、次式により求められるクロム当量は４〜１１が好ましい。

クロム当量＝−40×Ｃ％−30×Ｎ％−2×Ｍｎ％−4×Ｎｉ％＋Ｃｒ％＋6×Ｓｉ％
＋4×Ｍｏ％＋11×Ｖ％＋5×Ｎｂ％−2×Ｃｏ％
次に、本発明に係るベローズを製造する際の熱処理と成型加工とについて述べる。

ベローズは、前述の耐熱鋼を用いた円筒状シームレス管、又は、溶接管を素材として冷間又は熱間にて成型加工により製作する。成型加工により均一な肉厚を維持し、傷のないベローズを製作するためには、用いる素材の加工性すなわち塑性変形能が必要である。前述の耐熱鋼の室温における塑性変形能は、素材厚さと関係し、成型可能な特性を有しているが、オーステナイト系ステンレス鋼よりは、やや劣る。

前述の耐熱鋼の硬さ、強度、延性は熱処理により、制御することが可能である。そこで、成型と熱処理を繰り返し施すことにより、目的の形状のベローズを製作可能となる。

熱処理は、まず一様伸びの範囲内で、素材の焼き戻し温度よりも低い温度で焼きなましを行い、所定の形状に到るまで、これを繰り返し実施する。焼きなまし温度は、望ましくは６８０℃〜７３０℃で、加熱時間は1時間／１インチ厚さを目処とするのが好ましい。

成型加工は、金型を素管の外側に設置し、内側から液圧にて押し付ける。このときの、押し付け量は、一様伸びの範囲とし、繰り返しによる一様の範囲は（εｎ：ｎは繰り返し回数）はε１＞ε２＞ε３とするのが望ましい。
管の厚さは、１．０ｍｍ〜１５．０ｍｍを特徴としている。また、管の厚さの単位をｍｍ、管の外径の単位をｍとして、シームレス管及び溶接管は、管の厚さと外径の比（厚さ／外径）が０．８〜１．５又は１０〜３０であることを特徴としている。０．８〜１．５は主として容器に適用するベローズであり、１０〜２０は主として配管に適用するベローズである。

本発明のベローズは、成型終了後に、熱処理により内面残留応力を除去することを特徴とし、さらに、熱処理後外表面又は内表面に表面硬化処理を施すことを特徴としている。

本発明のベローズは、熱変化による変形を吸収することを目的としたものである。この熱変化は、高温機器の起動・停止により繰り返し負荷される場合が多い。この繰り返し温度変化により、ベローズは熱疲労による損傷の発生が懸念される。この熱疲労損傷は、従来知見から材料内部ではなく、表面に発生する。この表面に発生する熱疲労損傷を防止する目的で、熱処理後外表面又は内表面に表面硬化処理を施すものである。表面硬化処理を施す前に熱処理を施すのは、熱処理により内面残留応力を除去し、熱変形を吸収するための内面の塑性変形能を確保するためである。

本発明のベローズを高速増殖炉発電プラントに適用する場合、対象は1次主循環ポンプ、中間熱交換器を有する１次系、２次主循環ポンプ及び蒸気発生器を有する２次系である。

１次系及び２次系にはそれぞれ各配管が配置されており、これらの配管には高温の溶融したＮａが循環している。Ｎａの温度はプラント機器により異なり、最高温度としては５００℃、５５０℃、６００℃の各温度に設定されている。本発明のベローズは１次系及び２次系における各機器及び配管の熱膨張を吸収する目的で設置されるものである。

この高速増殖炉に用いるベローズは、温度、圧力、熱変動量等により形状が異なるが、機器又は配管系の接続は溶接により実施される。この場合、特に、ベローズとベローズと同種の耐熱鋼にて製作された短管にて構成されることを特徴としたユニバーサル式ベローズを用いることにより、配管系の長さや、配置を制御しやすくなる。

本発明によれば、高温で用いる機器及び配管から異材継手の使用を排除することができ、同材継手のみよる機器及び配管を用いることが可能になるので、高温機器及び配管に対して高い信頼性と長寿命が与えられ、機器の軽量化も図れる。

また、本発明によれば、高速増殖炉施設に適用した場合、高速増殖炉１次系配管の断熱材敷設方法の簡素化による漏洩監視の簡素化が図れ、施設の信頼性及び安全性を向上することができる。

（実施例１）
表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．５の組成の合金を真空誘導溶解により鋳造し、１０ｋｇのインゴットを得た。このインゴットを１１５０℃で３０ｍｍ角の棒に鍛造後、１０５０℃×２時間の加熱、油中冷却の焼入れ、７６０℃×２時間の焼もどしをこの順に行なって試料を作製した。しかる後に、それぞれの試料について引張試験及びクリープ破断試験を実施した。

表２はＮｏ．１の試験結果を示す。室温における引張強さは１０８０ＭＰａ以上の高い値を示しており、高速増殖炉に適用した場合の使用温度である５００〜５５０℃においても６６０から７７０ＭＰａ程度と高い値であった。更に、１０万時間クリープ破断強度においても５００℃では３５０ＭＰａ以上、５５０℃では２００ＭＰａ以上の高いクリープ破断寿命が得られることがわかる。伸び率はいずれの温度でも１０〜２０％、絞り率は５５〜８５％の高い値を示している。

表３はＮｏ．２の試験結果を示す。室温における引張強さは７００ＭＰａ以上の値を示しており、高速増殖炉に適用した場合の使用温度である５００〜５５０℃においても４６０から４９０ＭＰａと高い値であった。更に、伸び率はいずれの温度でも２０％以上、絞りはいずれの温度でも７５％以上と高い値を示している。

表４はＮｏ．３の試験結果を示す。室温における引張強さは９００ＭＰａ以上の値を示しており、高速増殖炉に適用した場合の使用温度での５００〜６００℃においても５８０から６６０ＭＰａ程度と高い値であった。更に、伸び率はいずれの温度でも１７％以上、絞りはいずれの温度でも５６％以上の高い値を示している。なお、Ｎｏ．４は、引張強度及び１０万時間クリープ強度に関しては、Ｎｏ．３よりも若干高い値を示しており、破断伸び及び破断絞りに関しては、Ｎｏ．３と同等であった。

表５はＮｏ．５の試験結果を示す。室温における引張強さは８２０ＭＰａ以上の値を示しており、高速増殖炉に適用した場合の使用温度での５００〜６００℃においても５５０から６００ＭＰａ程度と高い値であった。更に、伸び率はいずれの温度でも２０％以上、絞りはいずれの温度でも７０％以上の高い値を示している。

（実施例２）
表１に示すＮｏ．２の組成の合金を用いて肉厚が１０ｍｍのシームレス管を作製し、このシームレス管をベローズ素管としてベローズの製作を行った。

ベローズの製作は、焼きなまし熱処理と成型加工とを交互に３回繰り返すことにより行い、最終的に肉厚(ｍｍ)／外径(ｍ)＝１５、ピッチ＝６０ｍｍ、山高＝１００ｍｍのベローズ蛇腹部を有するベローズ４を得た。

成型加工は、図１に示すように、山高が小さい金型２ａ、山高が中ぐらいの金型２ｂ、山高が大きい金型２ｃをそれぞれ第１回目の成型加工用の金型、第２回目の成型加工用の金型、第３回目の成型加工用の金型として用い、各回の成型加工において、金型２ａ，２ｂ，２ｃをシームレス管１又は中間品の外側に設置し、液圧装置３によりシームレス管１又は中間品の内側から液圧を加えて、シームレス管１又は中間品を金型２ａ，２ｂ，２ｃに押し付けることにより行った。各回の押し付け量は、一様伸びの範囲内とした。また、焼きなまし熱処理は７２０℃で３０分とした。
与えた変形（一様伸び）（εｎ：ｎは繰り返し回数）は、ε１、ε２、ε３それぞれ１５％、１０％、８％である。

（実施例３）
表１に示すＮｏ．２の組成の合金を用いて試験片を作製し、表面処理と疲労強度についての試験を実施した。疲労試験片の表面にピーニングを施し、表面硬化層を与えた。この表面硬化層は、ピーニングを与えたことにより圧縮残留応力を有している。疲労試験結果を表６に示す。表面に圧縮応力が残留した硬化層を有する試験片の疲労強度は、硬化層を有しない熱処理のままの試験片よりも約１．５倍の疲労強度を有している。ベローズ成型後、成型時に生じた残留応力を除去する熱処理を与えた後、ピーニングにより圧縮の表面硬化層を与えることで疲労強度に優れたベローズを得ることが出来る。

（実施例４）
図２は本発明に係る高速増殖炉発電プラントの系統図である。本プラントは、1次主循環ポンプ１１、原子炉１２、中間熱交換器１３及び1次系配管１４を有する１次系、２次主循環ポンプ１５、蒸気発生器１６及び２次系配管１７を有する２次系、更に蒸気タービン１８を中心とする水―蒸気系を有するものである。１次系及び２次系における各配管には高温の溶融したＮａが循環している。Ｎａの温度はプラントの機器により異なり、最高温度は運転温度によって５００℃、５５０℃、及び６００℃の各温度に設定されている。本発明は１次系及び２次系における各機器及び配管に前述したベローズ４が用いられるものである。

１次系及び２次系配管の構造を図２中の拡大図に示す。配管は、内管１９、外管２０、エルボ２１、前記のようにして作製されたベローズ蛇腹部を有するベローズ４及び短管２３等から構成されている。複数のベローズと短管とを組み合わせたものをユニバーサル式ベローズ、ユニバーサル式ベローズと配管及びエルボとを組み合わせたものを高速増殖炉用配管システムと言う。

機器には、管の厚さの単位をｍｍ、管の外径の単位をｍとして、管の厚さと外径の比（厚さ／外径）が０．８〜１．５のベローズを、また各配管には１０〜３０のベローズを用いる。高速増殖炉において、中間熱交換器（機器）及び１次系配管（配管）に用いるベローズの管の厚さ及び外径を表７に示す。

以上の本実施例によれば、Ｎａと接する容器・配管の構造部に構造部材と同材質により製作されたベローズを用いることにより、熱膨張の差異による熱ひずみの発生が抑制されると共に、Ｎａに関係する熱化学的な材料の構成元素の移動が起こりにくく、材料特性の変化の少ない長寿命のプラントが得られる。

本発明に係るベローズの製作方法を模式的に示す図である。本発明に係る高速増殖炉発電プラントの系統図である。

符号の説明

１ベローズ素管
２ａ，２ｂ，２ｃ金型
３液圧装置
４ベローズ
１１１次主循環ポンプ
１２原子炉
１３中間熱交換器
１４１次系配管
１５２次主循環ポンプ
１６蒸気発生器
１７２次系配管
１８蒸気タービン
１９内管
２０外管
２１エルボ
２３短管

Claims

フェライト系耐熱鋼からなり、ベローズ蛇腹部が、使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返すことにより形成され、前記使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返す際、繰り返しによる一様伸びの範囲を、繰り返し回数が増加するほど小さくすることを特徴とするベローズ。
前記フェライト系耐熱鋼は、重量％で、Ｃ０．０５〜０．２０％、Ｓｉ０．５％以下、Ｍｎ０．０５〜１．５％、Ｎｉ３．０％以下、Ｃｒ８．５〜１３．０％、Ｍｏ０．０５〜３．０％、Ｗ０．０５〜１．８％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎｂ及びＴａの１種又は２種の合計０．０１〜０．２０％及びＮ０．０１〜０．１％を含むことを特徴とする請求項１に記載のベローズ。
前記フェライト系耐熱鋼は、重量％で、Ｃ０．０５〜０．２０％、Ｓｉ０．５％以下、Ｍｎ０．０５〜１．５％、Ｎｉ３．０％以下、Ｃｒ８．５〜１３．０％、Ｍｏ０．０５〜３．０％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎｂ及びＴａの１種又は２種の合計０．０１〜０．２０％及びＮ０．０１〜０．１％を含むことを特徴とする請求項１に記載のベローズ。
前記ベローズ蛇腹部の成型を、フェライト系耐熱鋼製のシームレス管からなるベローズ素管を用いて行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のベローズ。
前記ベローズ蛇腹部の成型を、フェライト系耐熱鋼製の溶接管からなるベローズ素管を用いて行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のベローズ。
前記ベローズ素管は、管の厚さが１．０ｍｍ〜１５．０ｍｍであることを特徴とする請求項４及び請求項５のいずれか１項に記載のベローズ。
前記ベローズ素管は、管の厚さと外径の比（厚さ（ｍｍ）／外径（ｍ））が０．８〜１．５であることを特徴とする請求項５乃至請求項６のいずれか１項に記載のベローズ。
前記ベローズ素管は、管の厚さと外径の比（厚さ（ｍｍ）／外径（ｍ））が１０〜３０であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載のベローズ。
前記ベローズ蛇腹部は、熱処理により内面残留応力が除去されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のベローズ。
前記ベローズ蛇腹部は、その外表面及び内表面のうちの少なくともいずれか一方に、表面硬化処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のベローズ。
フェライト系耐熱鋼からなり、ベローズ蛇腹部が、使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返すことにより形成されたベローズと、当該ベローズを構成するフェライト系耐熱鋼と同種又は異種のフェライト系耐熱鋼からなる短管との組合せからなり、前記ベローズは、前記使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返す際、繰り返しによる一様伸びの範囲を、繰り返し回数が増加するほど小さくしたものであることを特徴とするユニバーサル式ベローズ。
フェライト系耐熱鋼からなり、ベローズ蛇腹部が、使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返すことにより形成されたベローズと、当該ベローズを構成するフェライト系耐熱鋼と同種又は異種のフェライト系耐熱鋼からなる短管との組合せからなるユニバーサル式ベローズ、並びに、前記ベローズ及び短管を構成するフェライト系耐熱鋼と同種又は異種のフェライト系耐熱鋼で製作されたシームレス管を備え、前記ベローズは、前記使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返す際、繰り返しによる一様伸びの範囲を、繰り返し回数が増加するほど小さくしたものであることを特徴とする高速増殖炉用配管システム。
フェライト系耐熱鋼からなり、ベローズ蛇腹部が、使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返すことにより形成されたベローズと、当該ベローズを構成するフェライト系耐熱鋼と同種又は異種のフェライト系耐熱鋼からなる短管との組合せからなるユニバーサル式ベローズ、並びに、前記ベローズ及び短管を構成するフェライト系耐熱鋼と同種又は異種のフェライト系耐熱鋼で製作されたシームレス管を備えた高速増殖炉用配管システムにより各機器間を接続してなり、前記ベローズは、前記使用するフェライト系耐熱鋼の焼き戻し温度よりも低い温度での焼きなまし熱処理と一様伸びの範囲内での成型とを複数回繰り返す際、繰り返しによる一様伸びの範囲を、繰り返し回数が増加するほど小さくしたものであることを特徴とする高速増殖炉施設。