JP2005257589A

JP2005257589A - 原子炉用ステンレス鋼の健全性評価方法

Info

Publication number: JP2005257589A
Application number: JP2004072141A
Authority: JP
Inventors: Fumiyoshi Ueno; 文義上野; Takashi Tsukada; 隆塚田; Yoshiyuki Nemoto; 義之根本
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】
原子炉用ステンレス鋼をはじめとする一般のステンレス鋼の表面に対して研削あるいは研磨等の機械加工を施すと、加工に誘起されて母相とは別の相が発生する等の微細な金属組織の変化が起こり、材料が劣化することが知られている。このような金属材料の表層の内部に生じる劣化は、従来の欠陥検出法として利用されている渦流探傷法、超音波探傷法、放射線透過探傷法等で検出することはできない。
【解決手段】
装置あるいは金属材料の表面に対し、超高感度磁気検出素子を備えた検出器を有する非破壊検出装置を用いて磁気分布を測定することにより、その表面における硬化層等の劣化部位を、それが有する磁気力と装置あるいは金属材料母相の磁気力との相違に基づき検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子炉用ステンレス鋼の応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress Corrosion Cracking）に対する健全性を評価するため、ＳＣＣ発生原因の一つである原子炉用ステンレス鋼表面の機械加工に伴う硬化層やその他の金属組織の劣化部位を、微細な金属組織中のすべり線や転位の増加あるいは加工に誘起されて発生する磁性相の存在などの磁気特性変化の発現に基づき、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）等の超高感度磁気検出素子を用いて非破壊検出方法に関するものである。

原子炉用ステンレス鋼をはじめとする一般のステンレス鋼の表面に対して研削あるいは研磨等の機械加工を施すと、加工面の表層部において硬化層が生じ、その層中には、すべり線や転位の増加、あるいは加工に誘起されて母相とは別の相が発生する等の微細な金属組織の変化が起こり、材料が劣化することが知られている（非特許文献１）。また、溶接部においても同様に、溶接熱影響や残留ひずみにより微細な組織変化が起こり、材料が劣化する。このような金属材料の表層の内部に生じる劣化は、き裂に代表される材料欠陥を生じていないが、ＳＣＣの発生あるいは欠陥に発展する可能性を有する材質変化が生じた状態である（非特許文献２及び３）。このような微細な劣化は、従来欠陥検出法として利用されている渦流探傷法、超音波探傷法、放射線透過探傷法等で検出することはできない。

このような微細な劣化に対して、従来は、微小硬さ測定、あるいはエッチングによって現出した微細な金属組織の顕微鏡観察によって、その存在を確認する方法が一般的である。しかし、これらの方法は、材料が使用されている装置から試験部位を切り出して試験を行う方法であり、破壊検出方法である。
ステンレス協会編、「ステンレス鋼便覧（第３版）」、日刊工業新聞社、１９９５年１月２４日発行、ｐｐ．１６６〜１６７及びｐ．１１０８原子力安全・保安院作成、「原子力発電設備の健全性評価についてー中間とりまとめ」、総合資源エネルギー調査会、原子力安全・保安部会発行、平成１５年３月１０日、ｐ．１，ｐｐ．１４〜２０原子力安全・保安院作成、「東京電力株式会社福島第一原子力発電所４号機、福島第二原子力発電所３号機、同４号機、柏崎刈羽原子力発電所１号機及び同２号機の炉心シュラウドのひび割れについて」、総合資源エネルギー調査会、原子力安全・保安部会発行、平成１５年３月１０日、ｐｐ．２５〜３１

原子炉用ステンレス鋼の表面の機械加工に伴う劣化等の微細な金属組織の変化によって、磁気特性の変化を生じている場合、磁気的方法を適用することで非破壊検出できる。実際、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４は、通常、常磁性であるオーステナイト相が母相であるが、機械加工に伴って生じる加工層中に強磁性を示すマルテンサイト相が存在することが知られており、これは母相に対して磁気特性が顕著に相違するものであって、磁気的検出方法によって容易にこの組織変化が検出できる。
また、原子炉用ステンレス鋼には、機器・構造物を組み立てる際の溶接施工に伴って、溶接熱影響による金属組織の変化や溶接部に残留歪みが生じている。この部位は、原子炉の運転による経年により劣化しやすい。このような劣化部位は、微細な金属組織の変化を伴うものであり、母相に対して磁気特性が相違することから、磁気的検出方法によってこの組織変化が検出できる。
さらに、機械加工や溶接が施工されていない材料でも、特に応力が集中する部位では、原子炉の運転による経年により金属組織変化が生じ、劣化しやすい。このような劣化部位も、同様に磁気的検出方法によってこの組織変化が検出できる。

他のステンレス鋼についても、同様に、機械加工の結果、すべり線や転位の増加あるいは母相とは磁気特性の異なる別な相が生じる等の微細な組織変化が起こって劣化し、ＳＱＵＩＤ等のように高感度の磁気検出センサを用いることにより、これらの劣化を非破壊検出することができる。

ＳＱＵＩＤ等は、高感度の磁気検出方法で、非破壊検出にも適用される代表的な方法である。よって、ＳＱＵＩＤ等を用いて、原子炉用ステンレス鋼の微細な金属組織変化に伴う劣化を非破壊検出することが可能である。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、軽水冷却型原子炉に用いられるステンレス鋼製構造物のＳＣＣの防止や予防保全及び健全性評価の観点から、原子炉用ステンレス鋼の機械加工に伴う劣化等を非破壊検出する方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記の課題を解決するものとして、ステンレス鋼の表面に対して研削あるいは研磨等の機械加工を施した際に、加工面の表層部において生じる硬度の増加やすべり線や転位の増加、あるいは加工に誘起されて母相とは別の相が発生する等の微細な金属組織の変化を、非破壊的に検出する方法であって、超高感度磁気検出素子を用いて電磁気的に検出する非破壊検出方法を提供するものである。

又、最近、軽水炉の炉内構造物（炉心シュラウドや配管）に見つかったき裂は溶接部に近傍に発生しているが、本発明は、このような溶接部の残留歪みによる劣化部位又は経年による劣化部位の検出にも適用される。

本発明で使用される超高感度磁気検出素子としては、ＳＱＵＩＤ磁気センサ、フラックスゲート磁気センサ（ＦＧセンサ）、磁性薄膜磁気抵抗素子（ＭＲセンサ）、磁気インピーダンス素子、ホール素子等が使用される。これらの検出感度は、図３に示されるように、ＳＱＵＩＤが最も感度が高く（１４^-14〜１０^-10Ｔ（Ｔ：テスラ））、次にＦＧセンサ、ＭＲセンサ、ホール素子の順になっている。

軽水炉の炉心シュラウドや配管等のステンレス鋼製構造物等に対して、表面の機械加工によって生じる加工硬化層等の劣化は、材料の硬化や微細な組織変化の影響により、ＳＣＣの発生を招くとされており、実際に経験された事例が多数報告されている。

本発明は、非破壊検出により劣化部位を特定することにより、ＳＣＣが発生する可能性がある部位を特に注意して検査したり、軽水炉運転上の特別な配慮を施すことによって、ＳＣＣの発生を未然に防止し、あるいは応力腐食割れの初期段階で検出して、早期の安全対策の施策や、軽水炉の健全性確保に貢献する。

装置あるいは金属材料の表面に対し、超高感度磁気検出素子検出器を有する非破壊検出装置を用いて磁気分布を測定することにより、硬化層等の劣化部位が有する磁気力を、母相の磁気力との相違に基づき検出する。

本発明を図１及び図２に基づいて説明すると、１は装置等の金属材料の一部を示し、２はその表面の劣化部位であって、例として機械加工に伴う加工硬化層の存在する部位を示す。３は超高感度磁気検出素子検出器を用いて劣化部位を非破壊検出している状況を示す。

本発明で超高感度磁気検出素子を用いた検出器として使用されるＳＱＵＩＤ検出器は、図４に示されるように、ＳＱＵＩＤ磁気センサコイル、液化ヘリウム、デュワー及び検出信号導線から構成され、ＳＱＵＩＤ磁気センサコイルは超伝導状態に維持するために液化ヘリウムで冷却され、保温のためデュワーに収められ、ＳＱＵＩＤ磁気センサコイル部は検出対象材料の表面部に沿って走査される。検出対象材料の磁気分布によりＳＱＵＩＤ磁気センサコイルに発生した微弱な電圧変化は検出信号線を通じて検出される。得られた電圧変化は磁気変化に換算され、ＳＱＵＩＤ検出器の位置情報とともに処理することにより、磁気分布が得られる。なお、ＳＱＵＩＤ磁気センサコイルに高温超伝導材料を用いれば、液化ヘリウムの代わりに液化窒素を用いることができる。

図１は、軽水炉の炉心シュラウドや配管等の装置に使用される原子炉用ステンレス鋼において、その表面に存在する劣化部位を例として示した概念図である。劣化部位は、切削や研磨等の機械加工の施工よって生じる加工硬化層を示しており、その深さは表面から深さ５００μｍ程度の範囲の極表層に存在する。このような機械加工は、主として容器や配管等の真円度を改善するためや表面を平滑にするため等に施工される。

図１では、機械加工が帯状に施工された金属材料の例を示している。加工硬化層では、母相に比べて硬度の増加やすべり線や転位の増加、あるいは加工に誘起されて母相とは別の相が発生する等の微細な金属組織の変化が生じている。

図２は、上記の加工硬化層を検出するために、超高感度磁気検出素子を用いた検出器の一例としてＳＱＵＩＤ検出器を用いて表面の磁気力を測定する方法の概念を示す。ＳＱＵＩＤ検出器は、液化ヘリウムあるいは液化窒素の温度に冷却された検出コイルを有し、被検出物の磁気力を高感度に検出できる。ＳＱＵＩＤ検出器を用いて、被検出物の表面を走査して測定することにより、母相とは異なる磁気力を有する加工硬化層を、測定領域において磁気分布の変化として捕らえることができる。

装置等の金属材料表面において機械加工に伴う加工硬化層等の劣化部位が存在する状況を示す図である。劣化部位を超高感度磁気検出素子を備えた検出器を用いて非破壊検出している状況を示す図である。各種超高感度磁気検出素子センサの測定レンジを示す図である。ＳＱＵＩＤ検出器の構造を示す図である。

Claims

原子炉用ステンレス鋼の応力腐食割れに対する健全性評価のため、ステンレス鋼表面に存在する、研削あるいは研磨等の機械加工に起因して生じる硬化層等の劣化部位、溶接部の残留歪みによる劣化部位、又は経年による劣化部位の微細な金属組織の変化を非破壊検出する方法であって、超高感度磁気検出素子を使用した検出器を用いて磁気的に検出する非破壊検出方法。
装置あるいは金属材料の表面に対し、超高感度磁気検出素子検出器を有する非破壊検出装置を用いて磁気分布を測定することにより、研削あるいは研磨等の機械加工に起因して生じる金属材料の表面における硬化層等の劣化部位、溶接部の残留歪みによる劣化部位、又は経年による劣化部位を、それが有する磁気力と金属材料母相の磁気力との相違に基づき検出する請求項１記載の方法。