锅炉及压力容器用钢板 SGV410,SGV450,SGV480 JISG3118 原子炉格纳容器用SGV480钢の 溶接后热処理及び予热省略施工法の确立 EstablishmentofWeldingProcesswithoutPWHTandPreheatinginSGV480Plate fo...

锅炉及压力容器用钢板 SGV410,SGV450,SGV480 JISG3118

原子炉格纳容器用SGV480钢の 溶接后热処理及び予热省略施工法の确立

EstablishmentofWeldingProcesswithoutPWHTandPreheatinginSGV480Plate

for Nuclear Reactor Containment Vessel

神戸造船所 渡 远 长 村 隆 文*ヱ 技 术 本 部 吉本贤太郎*3

望*1 东久保智広*2

原子炉格纳容器の溶接部の厚さが38mmを超える场合は,省令81号の规定により溶接后热処理(SR)が必要とされているが,

现地溶接部の溶接后热処理を実施することは実际上困难である.本研究では,制钢技术の一つであるTMCP(热加工制御)法を 适用して组织の微细化と低炭素当量化を図り,靭性及び溶接性の双方を大幅に向上したSGV480钢板を开発した.この钢板の実

机への适用性评価试験を行い,最低使用温度190Cの立地条件下の原子炉格纳容器用钢板として,板厚55mmまでSR及び予热

を省略した溶接施工が可能であることを确认した.

OrdinancesofJapan'sMinistryofInternationalTradeandIndustryprovidethatweldedjointsmorethan38mmthick usedinnuclearreactorcontainmentvesselsundergoPostWeldHeatTreatment(PWHT).PWHTisdifficulttoapplyinthefield,however.Wemade SGV480platetougher and more weldablebyusinga ThermoMechanicalControIProcess (TMCP)inrolling.SuchplatecanbeusedwithoutPWHTorpreheatingupto55mmthickatlowestservicetemperature

190C.

1.ま え が き 原子炉格纳容器の制作においては,溶接部の厚さが38mmを超

える场合,省令81号の规定により溶接后熟処:哩(SR)が必要とさ れている.SRは溶接残留応力の低减を目的としているが,现地溶 接部に実施することは実际上困难である.

(1)钢板の化学成分はJIS G3118SGV480钢に准じ,机械的性 能は同规格に定められた値以上

(2)360Cにおけるシャルピー冲撃吸収エネルギーが40J以上

(3)无延性迁移温度(NDT温度)は410C以下 2.2 试験方法

当社が设定した钢板の仕様に基づき,新日本制銭(株)及び川崎 制鉄(株)の2社が钢板を试作検讨し,母材性能を确认した.その 后,実生产ベースで制造した钢板を用いて当社で溶接継手を制作 し,性能试験を実施した.

(1)供武村

先行プラントにおいては,JIS G3118中常温圧力容器用 SGV480钢板の板厚44.5mmまでSRを行わない特殊な方法によ

る溶接の认可を申请し,実用化をしてきた.しかし,今后のプラ ントにおいては,立地条件から最低使用温度の大幅低下と耐震上 の安全确保の観点から板厚増加の可能性があることから,母材及 び溶接部に対して更に高い靭性が要求される. 従来技术の延长线上,すなわち,焼ならし钢で靭性向上を図る 场合,微量元素の添加量を増やす必要があるが,この场合,溶接 性の悪化が悬念される.本研究では,熟加」二制御(TMCP)法を 通用して金属组织の微细化及び低炭素当量化を図り,勒性及び溶

板厚は今后のプラントで想定される最大板厚の55mmとし

た.表1に使用した钢种及び溶実相料の组合せを示す. 予热省略を実现するため,Cを始め炭素当量を低减し,Mnに ついては强度と勒性のバランスを考虑してJIS G3118の规格内 (Mn≤1.2%)と规格外(Mn>1.2%)の2种类を开発した. 表2に各々の钢板の化学分析结果を示す.

(2)溶接条件

接性の双方を大幅に向上させたSGV480钢を开発することによ

り,SR及び予热の省略可能な溶接施工法の确立をねらった. なお,本研究は,通商产业省资源エネルギー庁より委托を受け た技术研究组合"原子力用次世代机器开発研究所(ANERI)"の 研究の一环として新日本制织(株)及び川崎制鉄(株)と共同で実施

溶接継手制作に际Lては,格纳容器制作时に适用する被覆ア

ーク溶接(SMAW)法,サブマージアーク溶接(SAW)法及 びマグ溶接(GMAW:80%Ar+20%CO2)法の3种类の洛

表1 供试材

Test materials

したものである.

2.适用性评価试験

钢板 改良型SGV480 (板厚55mm)

(制造メーカ)

川崎制鉄

新日本制錬

高Mnタイプ 低九4nタイプ 高Mnタイプ 低Mnタイプ

(神戸制钢所)

TMCP法を适用して制造したSGV480钢板の実机への适用性评

価を行うために,母材及び溶接継手部の性能试験を実施した.

(日鉄溶接工业)

被覆アーク溶接 溶接 材料 溶积 マグ溶接

LB52NSUL〔￠4mm)

L55SNEL(￠4mm) YD(≠4.8mm)

NB55L(12×100)

2.1 日 标性能 钢板の目标性能は,最低使用温度19〇Cを想定L,省令に基づ

き以下のとおりに设定した.

零1制品业务部主席 *2鉄构部工作课 *3高砂研究所材料·强度研究室

サブマージアーク

PFH5 LT(12×10 )

MGS50J(451.2mm)

YM36E(￠1.2mm)

三菱重工捜报 Vol.37 No.4(20007)

コ11

表2 铜板の化学成分 Chemicalcompositionoftestplates

(単位:mass%)

表3 母材の机械试験结果 Mechanicalpropertiesofbasemetals

引张试験(1)

シャルピー试験(2)

商量试験(3)

铜棒

C

Si

Mn

P

S

Ni

Mo

Nb

Ⅴ

Ce.

P.m

钢 种 方向

Y.S

川

低 低

鉄 材

T.S 伸び 虎∴ γrrS (N/mm2) (N/mm2) (%) (OC)

566 31 338 98 557 33 303 66 560 32 339 85

NDT温度

(OC)

鉄 材

高 Mn 0.07 0.28 1.39 0.008 0.001 0.18 0.08 0.02 0.004 0.34 0.17

川

56

新 =

\1=

546 34 327 77 525 35 287 100

61

践 材

低

新 ‖ 錬 材

528 36 339 ≤120

547 34 326 ≤101 538 36 353 ≤100

80

高 Mn C 468

○:従来SGV480调

P 制 钢 最 中 づ 岳 三

货

65

○

)

●:TMCP适用钢(新日报) ▲:TMCP适用钢(川鉄)

试験片采取位置は1/4J,すべてSRなし,根厚55mm 注:(1)JISZ220110号试験片 2本の平均値 (2)JISZ2202Vノッチ试験片 3本の平均値 (3)ASTM E20895aに准拠 P3型

C印(WES)=C++++十+

300

￥

志 蒜 蒜

栅 ミ ≠ H 璧

0

0

△○△0 0△0

..

.

千

0.3 0.35 0.4

山 ユ キ ∴ 皆

200

00 △

0e O△

△

△

0 △

△

台..

△ △ 0 0

0:新日银材

△:川鉄材

炭素当量Ceq(WES)(%)

○

△

C

図1溶接割れ阻止予热温度とC..(WES)の関系 従来 材と比较して,予热阻止温度が大幅に低下し,予热の省略

が可能である.

目标値(i上▼36の平均値≥40J)

Relationshipbetween criticalpreheating temperature and carbon esuivalent

WB HWB HWBHWB HWB HWB HWBHWB HWB HWB HWBHWB H しノ\·ノしハハハノし八八八ノし/しノ

看Mn低Mn高Mn低Mn高Mn低Mn高Mn低Mn高Mn低Mn高Mn低Mn

SRなし SRあり SMAW SRなし GMAW SRあり SRなし SRあり SAW

接方法を用いた.入热量はマグ溶接のみ平均35kJ/cm,それ以 外は平均45kJ/cmとした.予热は行わず,SRはあr)となしの

2种类とした.ただし,継手ESSO试験片のみSRなしで実施 した.なお,SRの条件は,6250Cx2.05hとした. 2.3 试験结果

2.3.1溶接割れ特性

図2 360Cにおけるシヤルピー冲撃吸収エネルギー ー36qCにおける シャルピー冲撃试験の吸収エネルギーの平均値が目标値を満足してい る.(W:溶接金属,B:ボンド,H:热影响部)

Absorbedenergyat360CforCharpyimpacttest

∩

∩

実机试作钢板を用いて,雰囲気温度50C,相対湿度80%,及 び雰国気温度300C,相対湿度80%の2つの条件下で溶接割れ试

ピ ≡ ≥ ト

0 8 7

■,:ニ ニ ー:¨ ● ■ 二.∵ ■

6

験を実施したが,いずれの条件においても割れの発生は认められ

玺 於 埋 空 想 厳

尘

ー50

凸△ ○△凸○ 凸凸

なかった.図1は,溶接割れ阻止予热温度について,従来钢と比

○△

40

△△ ○△凸 △ 凸 △△ △ △ 公 金 00 目标値(NDT≥41℃)

△△凸凸△凸

0 0

较したものである.今回开発したSGV480钢は,従来钢に比べて

炭素当量の低减により割れ阻止予热温度が低下しており,予热の 省略が可能であることが确认できた. 2.3.2 母材の机械的性质 母材の机械的性质はいずれもJIS G3118に规定される性能を満 たし,シャルピー冲撃试験及び落重试験结果においても,共に目

凸△=…「△…=イ}()〇=…一一__

30

0:新日経材

△:川鉄材

20

WBHWBHWBHWBHWBHWBHWBHWBHWBHWBHWBHWBH し ハ ノ, J し ノし【__】ハ ハ ノ 」 J√し ハ ノし__.__′/\ ノ

高Mn低Mn意Mn低Mn高Mn低Mn恵Mn低Mn高Mn低Mn高Mn低Mn

SRなし SRあり SRなし SRあり

GMAW

SRなし

SRあり

SAW

标値(vE36≥40J,NDT温度≤410C)を満足した(表3参

照). 2.3.3 淳虐継手部の机械的性质

部)

SMAW

図3 无延性迁移温度 落重试験より得られた无延性迁移温度(NDT温

度)が目标値を満足している.(W:溶接金属,B:ポンド,H:热影响

継手引张试験では,いずれも母材の规格値480MPaを上回る十

分な引张强さが得られた.また,継手自由曲げ试験では,いずれ

Nilductility transition temperature

もSRなしで20%以上,SRありで30%以上の伸びを有してい

た.マクロ试験,ミクロ试験等においても,溶接割れや组织上の 问题は认められず,结果は良好であった. 2.3.4 溶接継手部の物性 (1)360Cにおけるシャルピー冲撃吸収エネルギーの平均値は,

図2に示すようにいずれも目标性能(〃且_36≥40J)を満足して おI),钢种による差は认められなかった. (2)継手落重试験结果を図3に示す.いずれの试験条件において もNDT温度が410C以下であー),钢种による有意差は认めら

れなかった.

三菱重工技报 Vol.37 No.4(20007)

212

300

新日银材(SAW) ○:SRなし.高Mn ◇:SRあり,低Mn △:SRなし.低Mn ●:SRなし.J=44.5mm :SRあり.高Mn ▲:SRあり.(=44.5mm

新日银材(SMAW)

400

l ∈ 言 d 至 . ■ k . . k ◇

巳 \ ● ∶ ▲ ▲ ●

8

H n

● ▲

300

摩 言 d ≡ . 密

2 0 0

△:SRなし,高Mn ▽:SRなし,低Mn □:SRあり,高Mn ◇:SRあり,低Mn :ASMESec.×lKI,曲线

■.=36.49+22.79exp[0.036け一町,·′)7)]

◇ 巳 ロ △

△

ギ

.

U

0

200

ー100

0

ー100

r一桁川(℃)

0

温度 r(リC)

図4 溶接継手部の破壊靭性打.,K.の温度表存性

开発したSGV480钢(板厚55mm)は,従来钢(板 厚44.5mm)より破壊靭性値が优れており,SRの省 略が可能である.

図5 溶接継手部の脆性き裂発生靭性の特性 CT试 験より得られた轧,凡.はASⅣIE凡.曲线を上回るこ

とを示す.

Dependenceontemperatureoffracturetoughness

Kc,KIcinweldedjoint

Crackinitiationfracturetoughnessinweldedjoint

(3)継手CT试験の试験结果の一例として,サブマージアーク溶 接法による溶接継手部の破壊勒性范,凡.の温度依存性を図4

に示す.図4には,先行プラントに使用した44.5mm厚の SGV480钢の破壊勒性も并せて示しているが,今回开発した

SGV480钢は,板厚の増加にもかかわらず,最低使用温度付近 では従来钢よりも优れた破壊靭性を有していることが分力ゝった.

また,SRなしの场合でも先行プラントの44.5mm厚钢板の破

壊勒性を上回っていることから,SRの省略も十分可能であると 判断される. さらに,被覆アーク溶接法の场合の破壊勒性値范,旦.につい

〇

て,ASME Boiler and Pressure VesselCode Sec.XI

1

一

O

AppendixAの布.曲线とともに図5に示すが,いずれのデータ

r一町Ⅷ7(Cc)

もASMEのKc曲线を上回っており,脆性破壊発生に対して良

好な勒性を有していることを确认した.

図6 溶接継手部の脆性き裂伝ば停止靭性の特性

ESSO试験より得られたKc.がASME jGa曲线を上回る

ことを示す.

(4)継手ESSO试験より,破壊勒性値Kc.をASME Sec.XI AppendixAのKi.曲线とともに図6に示す.いずれの试験条件

の场合も布.曲线を上回っており,良好な脆性き裂伝ば停止勒性 を有していることが分かった.なお,継手ESSO试験において 脆性き裂はいずれも母材部にそれて停止しており,脆性き裂伝 ば停止性能は母材のそれとほぼ同等であった. 3.破壊力学的安全性评価 3.1脆性き裂発生靭性 破壊力学的に脆性破壊防止に必要な破壊靭性を求め,试験结果 と比较することによって,低温脆性破壊の発生に対する安全性に

CrackarreStfracturetoughnessinweldedjoint 苇:応力拡大系数(MPaJi斎) α:き裂深さ(m)(=0.25J) 伽:残留応力(N/mm2) ‰:设计応力(N/mm2) ￠:塑性域を修正した形状系数(=1.028) 鹤:き裂深さと板厚による修正系数(=1.165)

以上の要领で算出した破壊靭性の目标値を计算条件と并せて表 4に示す.実际の试験においては2TCT试験片(板厚50mm)

を用いているため,破壊勒性试験によって得られる破壊勒性値监

ついて评価した.ここで,想定する欠陥形状及び寸法はASME Code Sec.IIIAppendix Gの判定基准の板厚100300mmに対

する规定を延长して适用し,き裂深さが板厚の0.25倍,表面での 长さがj仮厚のユ.5倍の半だ円形表面き裂を仮定した. また,欠陥に作用する応力として,设计応力(ら及び残留応力♂尺 を仮定し,引张力を受ける半だ円表面き裂を含む平板に対する応

は50mrn厚に対する値である.そこで,55mm厚の要求値に対し て板厚补正を行い,50mmに対する要求値を算出した.この板厚

补正には2种类の方法を用いたが,评価においてより厳しい値と

なるIrwinの板厚补正式で求めたK値(100.2MPaJ正)を目标

値として采用した.最低使用温度190Cにおける破壊靭性値を上 记の目标値と比较したものを図7に示す.しずれの试験条件にお いても破壊勒性値は目标値を上回っており,脆性破壊発生防止に 必要な勒性を満足していることが分かった. 次に,最低使用温度一19DC付近では最终破壊に至るまでに著し

(1)

力拡大系数は,ASMECodeSec.XIで]采用されている计算式(1)

を用いて算出した.

布=(鹤‰十伽),席

ここで,

い変形を伴う场合があることから,き裂先端开口変位(CTOD) ♂による评価も行った. 三菱重工技报 Vol.37 No.4(20007)

213 表4 脆性き裂発生に対する破壊靭性の目标値 Requiredfractureinitiationtoughness

板厚 f き裂长さ 2c 55mm 82.50mm

∈ ∈ 二 戎 二 ■ ぜ

き裂深さ α

き裂深さと板厚による修正系数 m

13.75mm 1.165 265MPa 131MPa 265MPa 396MPa 1.028 94.6 MPa,/正 96.4 ⅣIPaJ谅(Wallinの板厚补正式) 10 _2 MPa,′瓦(Irwinの板厚补止式)

降伏点 ￠ 设计応力 ♂椚 残留応力 饷

作用応力 ♂[=Jm+血] 欠陥形状系数 0

応力拡大系数 凡

2TCTでの要求勒性値 ノら2T)

図8 溶接ボンド部のT19OCにおける限界CTOD すべて の条件において,限界CTODが破壊力学パラメータ♂を

上回り,脆性き裂発生に対して安全であることを示す.

Fracturetoughness d=,6u,6m ofweldbond at190C

0 0

∈ 七 圧 喜 ゞ

2

0

0

旦 メ ≡ 二

図7 溶接ポンド部の190Cにおける破壊発生靭性催

すべての试験条件において破壊勒性値乾が要求勒性値を 上回り,脆性き裂発生に対して安全であることを示す.

1000/r(1/K)

FracturetoughnessKcofweldbondat19QC

図9 継手ESSO书式験结果 継手ESSO试験结果より得られ

た破壊靭性情范.がすべてASME何点曲线を上回ることを示 す.

♂の评価を行うに当ー),好値の评価と同様の想定欠陥を用い,

ResultofESSOtestinweldedjoint

WES28051997に基づいてSGV480钢溶接継手の限界CTOD

の目标を求めた.この结果,♂の目标値は0.048mmとなった. 板は优れた脆性き裂伝ば停止性能を有していることが确认された. 4.ま と め

図8は最低使用温度▼19OCでの限界CTODを上记の目标値と比

较したものであるが,いずれも目标値を上回っており,良好な勒 性を有していることを确认した.

TMCP法を适用して开発した原子炉格纳容器用SGV480钢板 の适用性评価试験を行った结果,以下の知见を待た. (1)TMCP法适用により,强度を低下きせずに炭素当量を低减す ることが可能となり,予热の省略が可能であることを确认した. (2)溶接継手部の破壊靭性について従来钢と比较した结果,钢种 及び溶接法によらず従来钢よりも优れた勒性を有していること から,SRの省略は可能であることが分かった. (3)最低使用温度190C,板厚55mmにおける破壊勒性を评価し た结果,低温脆性破壊に対して安全であり,実机への适用が可 能であることが分かった. なお,本研究を実施するに当り,御指导御支援を顶いた通商产 业省,ANERI関系者の方々に厚く谢意を表します. 参 考 文 献 (1)竹内俊夫ほか,原子炉格纳容器用SGV49钢溶接継手の破壊 じん性,圧力技术 第17巻第2号(1979)p.6371 (2)Kanazawa,T.et all.,Fracture Toughness of Welded JointsbyHighHeatInputWeldingfor50kg/mm2Class

HighTensileSteelPlates,IIWDoc No,Ⅹ81476.

3.2 脆性き裂伝ば停止勒性

継手ESSO试験结果を用いて,き裂が発生した场合のき裂伝ば 停止特性について评価した.前述のように,本研究で実施した継 手ESSO试験では,ほとんどのケースにおいて脆性き裂が母材に それて停止し,范.は母材とほぼ同等の値を示した.このような倾 向は先行プラント材に対して実施された継手ESSO试験でも报告 されている(1).また,脆性き裂がボンドに沿って进展し,ボンドで 停止した场合でも,母材とほぼ同等の穐.を示すという研究结果も 报告されている(2). 以上より,′仮にポンド部で脆性き裂が発生したとしても,靭性 が高く残留応力の影响もほとんどない母材部にそれることにより, き裂伝ばが阻止されることが十分期待できる.

図9に开発钢板及び従来钢(板厚44.5mm)に対する継手 ESSO试験のデータを,関连温度斤n.rが落重试験の目标値であ る41□Cに等しいとして求めたASMESec.XIAppendix Aの

何片曲线と共に示す.开発钢板のデータは,いずれも凡々曲线を上 回っており,かつ,従来钢板と同等以上であることから,开発钢

三菱重工技报 Vol.37 No.4(20007)，钢板切割，钢板切割