JPH01192405A - 金属管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、円周方向に沿って−様な圧縮残留応力を有
する金属管の製造方法に関し、さらに詳しく言うと、内
部から大きな圧力が作用しまたは円周方向に大きな引張
応力が作用するような金属管１例えば核燃料被覆管、ウ
ォータロッド管、制御棒案内管、ＳＧ管、ガス管または
水道管などに使用することができる金属管、特に核燃料
被覆管として好適に使用することができる金属管の製造
方法に関するものである。

［従来技術とその課題］ 原子炉の運転中に、核燃料被覆管に核燃料ペレットとの
相互作用によって応力腐食割れ（この応力腐食；１れを
特にｐｃＩｉｓｃｃという、）が発生することがある。

このため核燃料被覆管としてはｐｃｒｉｓｃｃ発生の対
策を施したものが使用されている。

このような核燃料被覆管としては、■ジルコニウム・ラ
イナ管、■サンド・ブラスト管、■ルブリカント・コー
ト管などが知られている。

ここで、■のジルコニウム・ライナ管は管の内面に軟ら
かい純Ｚｒの層を設け、核燃料ペレットとの接触（以下
、　ｐＣＭｒという、）によって管の内面付近に生じる
引張応力を緩和させるようにしたものである。

しかし、このジルコニウム・ライナ管は異材と・の貼り
合わせ・加工に基づく均一性や剥離の問題、製造コスト
の増加の問題などがある。

■のサンド・ブラスト管は粒子の衝撃によって管の内面
付近に圧縮残留応力を形成させ、この圧縮残留応力によ
ってＰＣＭＩによる引張応力を緩和させ、ＰＣＩＩＳＣ
Ｃが発生しないようにしたものである。

しかし、このサンド・ブラスト管では厚さ方向の少し深
いところにおいて、サンド・プラストによって形成され
た圧縮応力とバランスする引張応力が存在するので、伝
播過程のＰＣＩＩＳＣＣに弱く、しかも、管が−様に拡
がる「リフト・オフ」や「バルーニング」を生じ易いと
いう問題がある。

■のルブリカント・コート管はグラファイトのような潤
滑材によってＰＣＭ　Ｉの作用点をずらすようにしたも
のである。しかし、この方法によって製造された金属管
も核燃料被覆管の耐拡管性能を根本的に改良するもので
はない。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもの
で、原子炉の運転中においてＰＣＩＩＳＣＣを生じて燃
料棒が破損したりすることがなく、また高燃焼度におい
て仮想される「リフト・オフ」が生じたりすることのな
い金属管およびその製造方法を提供することを目的とす
るものである。

［課題を解決するための手段Ｊ 前記目的を達成するための本願発明は１円周方向に−様
な圧縮残留応力を有する金属管の製造方法であり、その
特徴とするところは、金属素管を圧延し、および／また
は引抜いて所定の１μ径を有する金属管を得る金属管の
製造方法において、所定直径よりも小さめの直径および
所定肉厚よりも大きめの肉厚を有する金属管を形成して
から所定直径および所定肉厚の金属管に拡管させること
である。

本発明によって製造される金属管は、その１１１途の点
よりすると、たとえば、核燃料被覆管、ウォータロッド
管、制御棒案内管、ＳＧ管、ガス管または水道管を挙げ
ることができる。

所定の圧縮残留応力がないことにより従来生じていた不
都合を本発明により最も良く解消することができる金属
管としては、核燃料被覆管を挙げることができる。

金属管の材質としてはその金属管の前記用途に応じて、
たとえば、鉄、ステンレス鋼、鉛、ジルコニウム、ジル
コニウム合金、マグノックスなどを挙げることができる
。

本発明の金属管を核燃料被覆管として使用する場合、ｍ
記ステンレス鋼、ジルコニウム、ジルコニウム合金、マ
グノックスなどを好適に使用することができる。

金属管の円周方向に残留せしめる圧縮残留応力は、金属
管の用途および種類等により相違して一類に規定するこ
とができないが、たとえば金属管が核燃料被覆管である
場合には１円周方向に残留せしめる圧縮残留応力は通常
６〜８　ｋｇ／■膳２である。このような圧縮残留応力
は、Ｘ線応力測定法、あるいは、より実用的には内部ガ
ス加圧によって弾性限界内の直径増加を生ぜしめたとき
、この直径増加が当該圧縮残留応力によって相殺される
量を求めることにより容易に測定することができる。

本願発明においては、金属素管を公知の手段により所定
直径よりも小さめの直径および所定肉厚よりも大きめの
肉厚を有する金属管を形成し、次いで、所定直径および
所定肉厚に拡管する。

金属管の拡管は、金属管の直径を絞る従来の装置におい
て、金属管を逆方向に（拡管方向）に流すことにより容
易に達成することができる。また、金属管の直径を絞る
従来の装置を利用して拡管を行なう場合、管を拡大する
ために中子を使用するのであるが、この中子の代りに、
高圧の不活性ガスを金属管中に圧入するようにして、管
拡大を行なっても良い。

［作　用］ 本願発明により製造される金属管においては。

金属管中に残留圧縮応力を有するから、金属管の用途に
応じた使用時に金属管に加する応力に対して前記内部圧
縮応力が抵抗して、金属管の破壊が阻止される。

また木Ｗ！発’ＪＪにおいては、金属管の製造において
、金属素管を所定直径および所定肉厚よりも小さな金属
管を一旦形成してから、所定直径および所定肉厚を有す
る金属管に拡管するので、金属管の円周方向に内部圧縮
残留応力が形成される。

［実施例］ 第１図はこの実施例で使用する縮管および拡管に使用さ
れる装置を示す説明図であり、第１ａ図は正面図、第１
ｂ図は側面図である。

これらの図において、２．２゛は上下一対のロール、４
．４°はこれらのロール２．２°の周面に形成されたダ
イスカリバー、６，６°はロール２，２９の中心に取付
けられたロールシャフト、８はロール２，２°の間に圧
入されている金属素管、　１０はこの金属素管の内部に
圧入されているマンドレル、！２は金属素管８が圧延さ
れて形成された圧延管である。

この実施例においては、第１ａ図および第１ｂ図に示す
装置を２台設ける。そして、その内の一台を縮管装置と
し、他の一台を拡管装置として使用する。

そして、第１ａ図および第１ｂ図に示す縮管装置で、金
属素管を、第１ｂ図中の矢印Ａに示す方向に圧延して、
所定の直径より小さ目の、かつ所定の肉厚より太き目の
圧延された金属管を作る。

次に、この圧延された金属管を、第１ａ図および第１ｂ
図に示す拡管装置に、第１ｂ図中の矢印Ｂに示す方向（
上記圧延と逆の方向）に移動させて拡管させ、かつ肉厚
を減じさせて所定直径の金属管を得るものである。

第２図はこのようにして得られた核燃料被覆管の断面を
示すものであり、図において１２は核燃料被覆管、１４
はこの核燃料被覆管の内部に円周方向に一様に生成して
いる弾性的な圧縮残留応力である。

ここで核燃料被覆管１２の円周方向に圧縮応力が生じる
理由は次の通りである。

一般に、引張塑性変形を施した材料は、その引っ張られ
た方向に圧縮残留応力を保留することが知られている。

これは、与えられた引張応力を消滅させる方向に材料の
組織が滑って（微視的には転位が移動して）塑性変形を
生じるが、引張応力がゼロになるまで伸びるような完全
塑性体でない限り、除荷直前の引張応力に匹敵する圧縮
応力が除荷の直後に発生し、その一部がフックの法則に
従って材料を収縮させるとともに、残りの部分が圧縮残
留応力として材料に保留されるからである。この「残り
の部分」が存在するのは、上記の「組織の滑り」によっ
て材料の変形（収縮）が不可逆的になった結果である。

この発明において拡管圧延を施しているのは、金属管の
円周方向に引張塑性変形を施して、その円周方向に圧縮
応力を残留させるためである。

次に、第３図に示す内圧拡管試験９！１を用いて拡管の
パラメータを把握すると共に、評価のために内圧クリー
プテストおよびヨウ素ＳＣＣテストを行った。

図において１６は試料被覆管、１８はこの試料被覆管の
上端部に取付けられた端栓、２０は試料被覆管１６の上
端部に取付けられた上部電極、２２は試料被覆管１６の
下端部に取付けられた下部電極、２４は上下型Ｊ４ｉ２
０．２２に電気を供給する電源、２６は試料被覆管１６
にＡｒガスを供給して加圧する加圧系、２８は供給され
ているＡｒガスの圧力検出器、３０はこの圧力検出器で
検知された圧力を電気信号に変換する圧力変換器、３２
はレーザ発光器、３４はこのレーザ発光器からのレーザ
光を受けるレーザ受光器、３６はレーザ発光器３２とレ
ーザ受光器３４から試料被覆管１６の長さを求めるレー
ザ測長器、３８は赤外線パイロスコープ、４０は赤外線
パイロスコープで検知した赤外線を’１を気信号に変換
する放射変換器、４２は温度調節計、４４は圧力変換器
３０、レーザ測長器３６および放射変換器４０からの電
気信号を記録する記録計である。

この実験において拡管はロールとマンドレルによって行
う代りにＡｒガスで内部加圧することにより円周方向引
張応力を正確に求めながら行い。

管の直径変化はレーザ光線により測定した。

また、材料の加工性は中間熱処理温度やマンドレルとの
摩擦を含めた加工温度に依存するので。

試料被１！２管を通電加熱し、その温度をパイロスコー
プで測定することによって定量的に把握した。

第４図Ｂの右側の小さなチャートは拡管の記録を示す、
即ち■は拡管処理における温度、■は内圧（円周方向引
張応力に比例する）、■および■°はそれぞれ拡管前後
の直径を示す。

左側の長いチャートは同じ装置を用いて内圧クリープテ
ストを行った記録で、拡管処理を行っていないＡと比較
して残留応力値を評価しようとするものである。

■は内圧クリープテストにおける温度、■は内圧、■は
直径であり、右から左に向けて時間の経過を表わす、途
中、２時間はど温度を高めてクリープを加速させた。

この図から、拡管処理を施した金属管Ｂは何も施さない
比較用の金属管Ａより内圧によるクリープ変形が小さく
、公開のクリープ式を用いて評価したところ、約７　ｋ
ｇ／１２の円周方向圧縮応力の存在が認められた。

第５図は第３図に示した装置を用いて試料内部に核分裂
生成物を模擬したヨウ素結晶を封入し。

内圧法によるＳＣＣ試験を行った結果を示すものである
。

拡管処理を施した金属管Ｂが処理を施さない金属管Ａに
比べて著しく　ＳＣＣ寿命が長いことがわかる。

なお、近年、高燃焼度において被覆管の外向きクリープ
が際限なく進行する「リフト・オフ」現象が実現するか
どうか懸念されている。この現象は、燃料棒の内圧がシ
ステム圧より約１００気圧以上高い場合に起こり得ると
考えられており、この程度の内圧をパラメーターとした
国際照射研究が行なわれているが、この値は円周方向引
張応力に換算すれば６〜８　ｋｇ／ｍｍ２に相当する。

従って１本発明によって第５図の金Ｂ管Ｂに相当する核
燃料被覆管は約７　ｋｇ／＋ｓｍ２の圧縮残留応力を保
有するから「リフト・オフ」を防ぐことができる。

したがって、原子炉の運転中においてＰＣＩ／ＳＣ（：
を生じて燃料棒が破損したり、高燃焼度において°仮想
される「リフト・オフ」が生じたりしないようにさせる
ことができる。

［発明の効果］ 本ｍ発明によると１作用する円周方向引張応力に対して
強度の大さな金属管を製造することができる。すなわち
、圧残留応力を有しているため、内圧などにより引張応
力を生じるような場合に。

圧縮残留応力分だけより大きな引張応力に耐えることが
できる。

また本願発明によると、作用する円周方向引張応力に対
して抵抗力のある金属管を製造する方法を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図はこの発明を実施するために使用する圧延機の
正面図、第１ｂ図はその側面図、第２図はこの発明によ
って製造した金属管の断面図、第３図は機械的拡管圧延
を模擬して内圧による拡管を行った実験装置の系統図、
第４図は拡管処理および評価用内圧クリープテストの記
録を示すチャート図、第５図は評価用ヨウ素ＳＣＣテス
トの結果を示すグラフである。 ２．２°・・・・・・・・・ロール、４．４′・・・・
・・・・・ダイスカリバー、６．６’・・・・・・・・
・ロールシャフト、８・・・・・・・・・金属素管、　
１０・・・・・・・・・マンドレル、１２・・・・・・
・・・圧延管、１２・・・・・・・・・核燃料被覆管、
！４・・・・・・・・・圧縮残留応力、Ｉ６・・・・・
・・・・試料被覆管、１８・・・・・・・・・端栓、２
０・・・・・・・・・上部電極、２２・・・・・・・・
・下部電極、２４・・・・・・・・・電源、２６・・・
・・・・・・加圧系、２８・・・・・・・・・圧力検出
奏、３０・・・・・・・・・圧力変換器、３２・・・・
・・・・・レーザ発光器、３４・・・・・・・・・レー
ザ受光器、３６・・・・・・・・・レーザ測長器、３８
・・・・・・・・・赤外線パイロスコープ、４０・・・
・・・・・・放射変換器。 ４２・・・・・・・・・温度ｙＡ箇計、４４・・・・・
・・・・記録計。 特許出願人　　　原子燃料工業株式会社代理人　　　　
　弁理士　福相　直樹 第１ａ図　　　　　　　第１ｂ図 ９′ 第２図 第４図 第５図 時閉（ｈ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属素管を圧延し、および／または引抜いて所定
   サイズの金属管を得る金属管の製造方法において、所定
   直径よりも小さめの直径および所定肉厚よりも大きめの
   肉厚を有する金属管を形成してから所定直径および所定
   肉厚の金属管に拡管させることを特徴とする金属管の製
   造方法。