JPS6410575B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、オーステナイト系ステンレス製品の
幅方向溶接部の応力を改善するのに好適な高周波
加熱コイルに係り、特にその形状に関する。

〔発明の背景〕 例えば、BWRプラントにおける原子炉一次系
を構成する機器及び配管には、従来からオーステ
ナイト系ステンレス鋼が使用される。その溶接部
においては、材質が変わることすなわち材料の鋭
敏化、高引張応力、温度サイクル等の環境条件の
３因子が重畳して応力腐食割れが発生し、プラン
ト稼動率の低下を招く惧れがある。応力腐食割れ
は上記３因子のいずれか１因子を改善すると防止
できるが、材料の取替えは工程と費用の面で採用
し難い。

配管または圧力容器に継手がある場合、有限要
素法による熱弾塑性解析及び残留応力測定実験に
よれば、継手近傍の配管または圧力容器の内面に
は引張の残留応力が発生している。応力腐食割れ
は、溶接線の熱影響部、すなわち溶接金属溶着部
から約10mmの範囲で発生することが一般にわかつ
ている。この部分の溶接による引張りの残留応力
を圧縮に転じれば、溶接線による応力腐食割れを
防止できる。

ひとつの解決策として提案されたのが、特公昭
53−38246号公報記載の方法である。これは配管
の内部に冷却材をを存在させ、配管２を第１５図
に示す形状の高周波加熱コイル５（特開昭52−
130409号公報）で加熱する。配管２の内面と外面
にはコイル５による加熱で温度差が発生し、内外
面にはそれぞれ引張、圧縮の降伏力が生じる。こ
の時点で加熱を停止すれば、配管内部の冷却水に
より配管２が冷却され、外面には引張、内面には
圧縮の残留応力が発生する。

上記方法による内面応力改善箇所は、全てコイ
ル５の幅内にあり、また鋭敏化を防止するために
は、550℃以下の均一な加熱が条件になつている。

この方法は、直管−直管組合せの周溶接部と、
直径の異なる母管に対する管台取付溶接部とにつ
いても同様に適用されている。（特開昭58−9786
号公報） 配管及び機器の溶接形状は、上記周方向継手４
だけでなく、軸方向継手もある。軸方向溶接部に
対しても周方向と同様、内面に引張の残留応力が
ある。このような軸方向継手に対する応力改善法
は未開発であり、不本意ながらも材料を取替える
のが一般的であつた。

前記第１５図に模式的に示した周方向継手用加
熱コイルは、具体的には第１６図に示す形状であ
る。これを軸方向継手溶接線に適用しようとする
と、必要のない部分まで加熱するために無駄が多
く、しかも第１７図に示す如く、配管等に突起物
６があるときは、周方向継手用加熱コイル５は、
装着できない。また、段落し部７の加工が困難な
上に、接合面８があるので組立と分解に時間がか
かる。

加えて、周方向加熱コイル５の幅は、軸方向の
長い継手溶接線３と比較すると狭く、第１８図に
示すように狭く単純な加熱特性であることから、
何回も位置を変えて加熱する必要があり、作業特
性がいかにも悪かつた。

例えば、「高周波熱処理」昭32.3.15日刊工業新
聞社発行のp128〜129は、パンケーキ型コイルで
は、中央にいわゆるblack spotという加熱されな
い部分が生ずるので、これを解消する手段とし
て、コイルの巻回し方向を工夫して同一方向に電
流を流す形状を提案している。

しかし、その断面形状が特殊になり、被加工物
の形状および大きさが限定されてしまい、熱の無
駄が多く、作業性も良くない。特に、周囲の辺が
中央部よりも被加工物側に突出することから、所
定幅しかない被加工物の場合は問題は少ないが、
平面的な被加工物の溶接線に適用することはかな
り困難であり、汎用性がない。

［発明の目的］ 本発明の目的は、コイル中央部の温度低下が少
なく、軸方向継手溶接線に沿つた部分のみを効率
よく加熱でき作業性のよい高周波加熱コイルを提
供することである。

［発明の概要］ 本発明は、上記目的を達成するために、略四角
形の渦巻形に巻回した形状を有し管または容器の
溶接線を中心として配置される高周波加熱コイル
において、前記渦巻中心のコイルのターン幅を外
周のターン幅よりも小さくした高周波加熱コイル
を提案するものである。

本発明はまた、より効果的な手段として、コイ
ル中央部のみコイルを縦向きに巻回しターン幅を
さらに小さくした高周波加熱コイルを提案するも
のである。

これらの手段によれば、コイル中央部の温度を
従来よりも高くでき、いわゆるblack spotを生ず
ることがないのは勿論であるが、被加工物との接
触面が平面的であるので、上記従来技術のように
断面形状が特殊になり被加工物の形状および大き
さが限定されてしまうような欠点がない。したが
つて、熱の無駄が少なく、作業性は非常に良いこ
とになる。

更に、必要にして充分な加熱範囲を確保するに
は、被加工物の中心を見込む周方向断面角度を
120゜以上にすべきである。また、コイルの周方向
での中心は、継手溶接線と一致することが望まし
いが、突起物等があり、これを回避しなければな
らないときは、±20゜周方向にずれてもよい。

次に、上記コイルを用いて加熱するには、従来
よりもコイル幅が約３倍も大きいので、飛びとび
でよい。それでも充分な応力特性の改善が可能で
ある。しかし、より滑らかな応力特性の改善を望
むような特別な場合は、連続通電しながら連続的
に移動させることもできる。

配管または圧力容器の平均半径をＲ、板厚をｔ
とすると、コイル幅が2.7√以上あれば、効果
的に高周波加熱処理による応力改善が可能であ
る。

ただしこれは内面の冷却が完全な場合、すなわ
ち内面の流速が充分速く内面の冷却による熱伝達
率が約2000Kcal／m²ｈ℃程度以上のときであつ
て、種々の理由により内面の冷却を大きくできな
い場合、すなわち自然対流で100Kcal／m²ｈ℃程
度の熱伝達率しか得られない場合は、軸継手コイ
ルの軸方向の幅は、前記と同じ記号を用いると、
４√以上あれば効果的に高周波加熱処理によ
る応力改善ができる。

〔発明の実施例〕

配管２の周方向溶接部４を均一に加熱する周継
手コイル５は原子炉再循環系配管を対象に開発さ
れ、そのコイル５を加熱する電源容量も上記目的
で開発されたため、コイル幅を大きくできない問
題がある。また配管径についても、原子炉再循環
系配管２４^Bより大きい径の容器には不適であつ
た。したがつて現状の設備を用い実機軸方向溶接
線を効率よく加熱するには、コイルによつて加熱
される周方向領域を縮小し、軸方向に集中させな
ければならない。この問題を解決するために、本
発明が提供するコイルが第１図に示す平板の渦巻
形コイル１である。渦巻形コイル１はスパイラル
状にコイルを巻回したものであり、外周部コイル
のターン幅と比べて、中央部のターン幅を狭くし
たことが特徴である。

また渦巻形コイル１は第２図に示すように、周
継手コイル５に比べ周方向の加熱領域が1/3で済
むので、現状設備の加熱電源を使用した場合は、
周継手コイルの３倍の幅を加熱できる。すなわち
渦巻形コイル１は、軸方向溶接線３に対し周継手
コイル３回分の加熱を１回で実施できる。第２図
の渦巻形コイルθ＝120゜は試作試験で実証された
値である。周方向の加熱領域を見込む角度がこれ
よりも小さくなると、応力改善効果も小さくな
る。

次に渦巻形コイルの温度分布を説明する。先に
示した第１８図の周継手コイルの場合は、コイル
中心付近の温度が最も高く、磁界が中心に集中し
ていることを示している。

周継手コイル５と渦巻形コイル１の違いは、コ
イルの中心の温度分布であり、第３図に示す温度
分布となる。渦巻形コイル１は、コイル中心の温
度がコイル端と同じ程度であり、コイル幅に対し
コイル端から1/4付近の温度が最も高くなるＭ型
温度分布となる。

これはコイルに流れる電流の方向を軸方向の断
面で見た第４図で説明できる。コイル１に流れる
電流は、コイル中心を境にして右半分と左半分で
異なり、磁界も右ネジの法則に従い発生する。コ
イル中心では、右半分９、左半分１０の磁界が反
発し境界面を作り、コイルの右半分、左半分はそ
れぞれ単独の磁界を構成する。また左右コイルで
単独に構成する磁界の磁束密度は、一般に知られ
ている周継手コイル５と同様、コイル９，１０の
中央が最も高くなる。以上に述べたように、渦巻
形コイル１はコイル中心を境に、左右の温度分布
が同型であり、渦巻形コイル１の温度分布はその
半分の幅の周継手コイル５を２度加熱するのと同
じ形状となる。

したがつて、第５図に示すように配管２の軸方
向溶接線３（長さが12l）の残留応力を改善する
場合には、従来の周継手コイル５では12回の加熱
処理が必要であつたのに対し、渦巻形コイル１は
４回で加熱処理を完了できる。また配管に対する
取付けも、周継手コイル５のような接合面８がな
いため簡単である。応力改善効果については、軸
方向溶接線３に対し、前記の温度分布となり、充
分な応力改善ができる。

第２図において軸方向溶接線３に対し、渦巻形
コイル１を配管２に取付ける。配管２の内面には
冷却材を存在させ渦巻形コイル１に電流を流す。
この電流で発生する磁界により、コイル１を巻回
した部分では、配管２にうず電流が発生し、配管
自体が発熱する。

配管に発生したうず電流は高周波であり、電流
密度が高く、また高周波の表皮効果から配管外面
付近に集中する。したがつて配管表面が主に加熱
され、配管内面は水で冷却されているため、配管
の内外面に温度差が生じる。配管の内面応力を引
張応力から圧縮応力に改善するには、配管外面を
圧縮降伏させ、配管内面を引張降伏させるだけの
温度差が必要となる。渦巻形コイル１はその温度
差を与えるためにうず電流を軸方向溶接線３に対
し集中させる特徴がある。したがつて、第６図に
示す如く、周方向で中心を見込む角度が120゜程度
あれば充分な応力改善効果が得られることにな
る。

次に第１図と第７図により、渦巻形コイルの具
体的形状と温度分布とについて説明する。渦巻形
コイル１は、軸方向溶接線３を包むように、スパ
イラル状に銅板１１を巻回す。銅板１１には高周
波の大電流が流れコイル自体が発熱するので、コ
イルを冷却するパイプ１２を取付ける。渦巻形コ
イル１は、その他に冷却水通水ホース、ケーブル
接続端子、配管とのコイルギヤツプ調整コマ、コ
イル補強板などを取付けて構成される。公知の周
継手コイル５と異なる点は、第１６図の段落し部
７及びコイル接合部８がないことである。

このコイル１は軸方向溶接線３の応力を改善す
る試作試験に用いたコイルであり、コイル幅とコ
イル長さを必要最低限の寸法に規定したため、コ
イル形状が左右同型とはならず、温度分布もコイ
ルの右半分、左半分では異なる（第１図）。

しかし、軸方向溶接線３の応力を改善するのに
必要な400℃以上の温度範囲はコイルの右半分及
び左半分で同じであり、配管の継手形状が複雑で
コイル幅を規定しなくてはならない場合があつて
も、渦巻形コイル１で溶接線３の応力を充分改善
できることを示している。また渦巻形コイル１の
中央部は、電流の方向が相反し、磁束密度が小さ
くなり温度上昇が少ない。中央部の温度が低くな
れば応力を改善できる400℃以上の領域も小さく
なり、渦巻形コイルの性能が低下する。なお１３
は磁界の境界面を表わす。

これを防止し改善する本発明の更に望ましい手
段を第８図Ａに示す。これはコイル中央部のみコ
イルを縦向きに巻回し、絶縁板１４を入れ、相反
する電流によつて生じる磁界の境界面１３を小さ
くし、中央部の温度を上昇させるものである。先
の第７図に示すコイルの巻回方法は磁界の境界面
が大きくなり、中央部の温度が150℃程度の温度
分布１６となる（第８図Ｂ）。第８図Ａに示す縦
向き巻回方法を採用すると、コイル中央部の温度
が300℃程度まで上がる温度分布１５が得られる。
しかし、磁界の境界面１３を狭くすればする程磁
界の反ぱつは大きくなり、中央のコイル自体の発
熱量が大きくなる。この問題は銅板１１に冷却パ
イプ１２を接合するのではなく、第９図に示すよ
うに、電流が流れるのに必要な断面積の中空角型
パイプを少なくともコイル中心部に使用すれば解
決できる。

もう一つの特徴は、第１図と第９図に示すコイ
ルコーナー部１８の温度分布である。この部分は
電流がコーナー部１８に集中し電流の流れが悪く
なり、配管に発生する渦電流も小さくなる。した
がつて第９図に示すようにコーナー部１８を曲線
形状にすれば、電流の集中が少なくなり、配管に
発生する渦電流も大きくなる。

次に、本発明の高周波加熱コイルを利用する継
手に沿つた応力改善の方法について説明する。高
周波加熱処理を１回だけ施した後の内面応力分布
の状況を第１０図に示す。ある箇所を高周波加熱
処理した後に、コイル位置を変えて再度加熱処理
したときの被加熱物内面の応力状態を有限要素法
により解析で求めると、第１１図の如くなる。す
なわち、最初の高周波加熱処理後の内面応力分布
形状（第１０図）を、コイル装着位置分だけずら
せて重ね合せ、両者の応力値の低い方を選んだ形
となつている。

これら加熱処理のコイル装着位置を飛びとびに
設定する幅を適当に選べば、第１２図に一点鎖線
で示す応力改善目標値よりもよい効果を得なが
ら、従来と比較して約３分の１の通電回数で同等
以上の成果が得られることになる。

コイルを移動させる手法について、第１３図及
び第１４図により、更に具体的に説明する。管２
の軸方向溶接線３の上部に設置された渦巻形コイ
ル１の両端にはそれぞれ車軸２０が取付けられ、
車軸２０にはベアリングを介して車軸２１が取付
けられている。これら車軸のうち一本は、サーボ
モータ２２により駆動される。車軸２１は断面が
コの字型をしたレール１９の中に納められる。こ
のことにより、軸方向溶接線３が下部にある場合
でも、渦巻形コイル１の装着が可能となる。レー
ル１９を溶接線３に平行に設置すると、渦巻形コ
イル１を溶接線３に沿つて移動できる。なお、レ
ール１９はレールサポート２３によつて支持さ
れ、レール間隔が保持される。

このようにして、飛びとびの位置において加熱
すれば、充分に応力改善ができる。なお、第１２
図に示した応力改善の細かいリツプルまでもなく
して、極めて滑らかにしたいという特別の場合
は、使用電力量が増大し不経済ではあるが、連続
移動させながら連続通電する方法もある。管２の
内部に冷却水を通水しながら、渦巻形コイル１に
通電し、同時にサーボモータ２２により車軸２１
を駆動させ、渦巻形コイル１を長手継手溶接部３
に沿つてある一定の速度ｖで移動させながら、管
２の外表面を加熱して行く方法である。ここで、
ある一定の速度ｖとは、管２の温度伝導率をａ、
平均半径をＲ、肉厚をｔとしたとき、 の範囲にある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、コイル中央部の温度低下が少
なく軸方向継手溶接線に沿つた部分のみを効率よ
く加熱でき作業性のよい高周波加熱コイルが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の渦巻形コイルの一実施例をそ
の温度分布とともに示す図、第２図は第１図コイ
ルと被加熱物との関係を示す概略図、第３図は第
１図コイルの幅方向の温度分布を示す図、第４図
は第１図コイルの磁場の方向を示す図、第５図は
被加熱物と従来の周継手コイル及び本発明コイル
との幅の関係を示す図、第６図は従来のコイルと
本発明コイルとの周方向角度を比較して示す断面
図、第７図は本発明コイル中心部の銅板とパイプ
との配列を示す図、第８図は第７図コイルの配列
を改良した実施例を示す図、第９図は少なくとも
中心部を角パイプで形成した他の実施例を示す
図、第１０図は１回だけ加熱したときの応力改善
状態を示す図、第１１図はコイル位置をずらして
２回加熱したときの応力改善状態を示す図、第１
２図はコイル移動させながら多数回加熱したとき
の応力改善状態を示す概略図、第１３図及び第１
４図はコイルを移動させる機構を示す概略図、第
１５図は従来の周方向継手コイルの加熱原理を示
す図、第１６図は周方向継手コイルの具体例を示
す図、第１７図は突起物がある配管を示す図、第
１８図は第１５図コイルの軸方向温度分布を示す
図である。 １……渦巻形コイル、２……配管（被加熱物）、
３……軸方向溶接線、４……周方向溶接線、５…
…周方向継手コイル、６……突起物、７……段落
し部、８……接合部、９……右半分、１０……左
半分、１１……銅板、１２……パイプ、１３……
磁界境界面、１４……絶縁板、１７……角形パイ
プ、１８……コーナー部、１９……レール、２０
……車軸、２１……車輪、２２……サーボモー
タ、２３……レールサポート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 略四角形の渦巻形に巻回した形状を有し管ま
   たは容器の溶接線を中心として配置される高周波
   加熱コイルにおいて、 前記渦巻中心のコイルのターン幅を外周のター
   ン幅よりも小さくしたことを特徴とする高周波加
   熱コイル。 ２ 特許請求の範囲第１項において、 前記コイル中央部のみコイルを縦向きに巻回し
   ターン幅をさらに小さくしたことを特徴とする高
   周波加熱コイル。