JPH0318482A - ホウ素含有ステンレス鋼の溶接方法及び使用済燃料貯蔵ラックの製造方法 - 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〕 本発明は、ホウ素を含有したステンレス鋼の溶接方法に
係り、特に原子力発電所の燃料貯蔵設備内にて、使用済
燃料を高密度に貯蔵するラックの溶接継手強度を改善す
るに好適なホウ素含有ステンレス鋼の溶接方法及び使用
済燃料貯蔵ラックの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

オーステナイト系ステンレス鋼は４００〜８５０℃の範
囲でオーステナイト地中に過飽和に固溶していた炭素（
Ｃ）がクロム（Ｃｒ）を主体とする炭水化物（Ｃｒ２３
Ｃ，）として粒界近傍に析出し、その結果Ｃｒ欠乏層が
生じ、粒界の耐食性が劣化するという現象が起る。従来
のオー゛ステナイト系ステンレス鋼の水冷溶接は、溶接
人熱により上記の温度範囲になった部分のＣｒ炭化物の
析出を抑制することを目的としていた（例えば特開昭５
６−５３８８１号公報参照）。又、オーステナイト系ス
テンレス鋼の溶接熱影響部での応力腐食割れを防止する
目的で、例えば管の溶接において腐食環境に曝される側
に圧縮応力を加えるために、管の内面を冷却、外面を加
熱する技術も知られている（特開昭５３−７５１４０号
公報参照）。しかし，上記従来技術は、溶接部の耐食性
向上を目的としたものでボロン含有ステンレス鋼の様に
、母材よりも低い融点を有する共晶（ボライド）が存在
する材料の溶接熱影響部でのボライドの粗大化防止とい
う点に配慮されていなかった。

従来の使用済燃料貯蔵ラックは，例えば米国特許第４１
１９８５９号に記載のように、軸方向に垂直な断面が正
方形の、ボロン含有ステンレス鋼の角筒体が，前記断面
が水平となるように、しかも、市松模様状に配列され，
このとき鉛直方向となった前記角筒体の角部と隣接する
角筒体の角部とが、Ｌ字形あるいは２字形に曲げ加工さ
れた金属片を用いて連結されて製作されていた。この連
結は、前記金属片の端と角筒体の側面とで形成される開
先のすみ肉溶接により行われていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、材料としてボロン含有ステンレス鋼を
用いた場合に．その溶接の熱影響部に粗大化したボライ
ド（Ｆｅ，Ｃｒ），Ｂが存在し、靭性が低下する点につ
いて配慮されていなかった。

使用済燃料貯蔵の高密度化を目的とした燃料ラックに用
いるボロン含有ステンレス鋼は、オーステナイト系ステ
ンレス鋼にホウ素を０．５〜０．７重量パーセント程度
添加した材料である。このため、ホウ素は共晶（Ｆ　６
，　ｃ　ｒ）　２Ｂ　（以下「ボライド」と称す）の形
で材料中に微粒状に分散し存在する。この共晶は比較的
低温度（約１３００℃）で溶融することが知られており
、この材料で溶接した場合、溶接の熱影響部で溶融した
ボライドは溶接施行後徐々に晶出するが常温・空冷とい
う条件の下では、結晶粒が粗大化し、靭性を低下させる
。特に従来技術（米国特許Ｎｎ４１１９８５９号）では
、隣り合う角筒体同志をＬ字形あるいは２字形の金属片
を用いて、それらを溶接により連結しているため、地震
等により荷重が作用した場合、その荷重は前記溶接部に
曲げ荷重として伝わり，靭性を低下した上記熱影響部で
荷重を担保しなければならず、構造を強化しなければな
らなかった。

本発明の課題は、溶接熱影響部の靭性低下の少ない、信
頼性の高い使用済燃料貯蔵ラックを提供することにある
． 〔課題を解決するための手段〕 上記の課題は、溶接中に溶接部もしくは溶接部の近傍を
強制冷却することを特徴とするホウ素含有ステンレス鋼
の溶接方法により達威される。

上記の課題はまた、ホウ素含有１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステ
ンレス鋼からなる角筒体が、前記角筒体の軸方向に垂直
な断面が市松模様になるように配置され、前記断面の対
角線上で隣接する前記角筒体相互が金属片を介して溶接
により連結されて使用済燃料貯蔵ラックが構成される使
用済燃料貯蔵ラックの製造方法において、前記溶接の施
行中に溶接部もしくは溶接部の近傍を強制冷却すること
によって達成される． さらに、上記の課題は、冷却流体が供給される管と，該
管の外面に半径方向にかつ前記管の母線に沿って突設さ
れた複数のノズルとを備え，該ノズルは角筒体相互を連
結する金属片の溶接ピッチと同一ピッチで設けられてい
る、ホウ素含有ステンレス鋼の溶接に用いられる冷却装
置によっても達戒される。

〔作用〕

ホウ素含有ステンレス鋼の溶接中に溶接部もしくは溶接
部近傍が強制冷却されるので、溶接熱により溶融したボ
ライドが急速に冷却される。急速に冷却されるために、
ボライドの粒子の戒長が妨げられ、ボライドは冷却が完
了した状態で比較的細粒のままである。このため、ボラ
イドの分散強化効果が確保され、靭性低下が回避される
。

ホウ素含有ステンレス鋼の角筒体からなる燃料ラックの
溶接の際、溶接部もしくは溶接部の近傍が強制冷却され
ながら溶接が行われると上述のように溶接部近傍の靭性
低下が回避され、構造体として外部荷重に対する安全率
が向上する．一本の管の外面に、半径方向にかつ該管の
母線に沿って複数のノズルが設けられ、該複数のノズル
は、前記管の長手方向に、角筒体相互を連結する金属片
の溶接ピッチと同一ピッチで設けられている冷却装置に
よれば当該角筒体の複数の溶接部を同時に冷却できる。

したがって、複数の溶接部の溶接を冷却しながら同時に
溶接することができる。また、前記冷却装置が一度、角
筒体内の所定位置に配置されると、該冷却装置を動かす
ことなしに複数の溶接個所を順次冷却しながら溶接する
こともできる。

（実施例〕 以下，本発明の一実施例を第１図乃至第６図参照して説
明する。

原子力発電所にて使用済みとなった核燃料は、再処理、
あるいは永久保管貯蔵等の後続処理に供するまでの間、
発電所内の使用済燃料貯蔵プール内に一旦貯蔵される。

上記使用済燃料貯蔵プール内には、角管を主要構成部材
とし、使用済燃料の長手力向をほぼ鉛直にして収納する
使用済燃料貯蔵ラック（以下「燃料ラック」と称す。）
が、使用済燃料を計画通り貯蔵した後で、も炉心の全燃
料を受け入れられる貯蔵容量を有するように整然と設置
されている。ところで、使用済燃料の後続処理の能力は
有限であるため、それらの作業を円滑、かつ，余裕をも
って行うためには、発電所の使用済燃料貯蔵容量を使用
済燃料貯蔵プール内の寸法を変えることなく、最大限確
保する必要がある。

このためには、発電所における使用済燃料貯蔵プール寸
法内の燃料ラックの使用済燃料貯蔵ピッチを出来る限り
小さくし、貯蔵効率を向上させる必要がある。貯蔵効率
を向上させる方法としては，上記燃料ラックの構成材料
として中性子吸収断面積の大きい元素を添加した材料か
ら製造された角管を用いると共に、前記角管をその矩形
断面が水平となる様に、市松模様状に配列する方法が貯
蔵密度を大きくする上で有効である。

ここでは、前記角管に１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステンレス鋼
に中性子吸収断面積の大きい元素としてホウ素を含有さ
せたステンレス鋼（以下、「ボロン含有ステンレス鋼」
と称す。）を材料として用いた場合のラックの製造方法
の例を実施例として示す。

燃料ラックの構成部材であるボロン含有ステンレス鋼製
の角管は、製鋼工程で所定量のホウ素が添加された後ス
ラブに鋳造され，圧延工程へ送られる。圧延工程では前
記スラブが公称厚さ例えば５ミリメートルの鋼板にまで
圧延される。上記鋼板は、プレスあるいは，ロール戒形
により円筒にされた後、突合せ部を溶接され，さらに、
固溶体化熱処理及び歪取りが行われた後，引き抜きによ
り角或形される。この場合、ホウ素含有量が０．５〜１
．０重量パーセントとなるようにホウ素添加量が調整さ
れる。

以上のようにして製造された角筒体である角管１を用い
て燃料ラック２が製造される。第６図は本発明による燃
料ラック２の一部を示す，燃料ラック２を構或する角管
１は，使用済燃料の貯蔵密度を高めるため、その軸方向
に垂直な断面が市松模様となるように配列されながら組
立てられる。

組立ての際、燃料ラック２が構造体として充分な強度を
有するように，前記角管１の前記水平断面における稜１
ａと、市松模様配列において対角線上で相対する角管１
の稜１ｂとがＬ字形の金属片３を介して連結される。前
記金属片３の端面３ａは、第２図に示されているように
前記角管１の側面１ｃにすみ肉溶接で固定される。上記
金属片３は、１　８　Ｃ　ｒ−８　Ｎ　ｉ系ステンレス
鋼製で厚さは３ミリメートルであり、角管１の全長トこ
亘って溶接されている。但し、強度的に余裕があれば角
管１の全長に対して適当な間隔で分割してもかまわない
．以下、本発明による燃料ラック２の製造方法に於ける
溶接方法について説明する。

角管１の長手方向の一方の端面（上端面）は、燃料集合
体の挿入性を良くするために、面取りが行われる．一方
、使用済燃料支持及び冷却水取り入れのための複数の円
形の開口部５をベース面４Ａに碁盤目状に備えたベース
４が、その一辺を定盤に接し、かつベース面４Ａを鉛直
面に平行にして設置される。次いで、前記面取りされた
角管１の下端が、該角管１の長手方向軸心を水平にし、
かつ該軸心と前記ベース４の角の位置の開口部５の中心
とを一致させて、前記ベース面４Ａに接するように配置
される．その際，該角管１の軸方向に垂直な断面におけ
るいずれかの辺が、ベース４の定盤に接する辺と平行に
なるように，配置される。この状態で角管１はベース４
に対して，移動および回転しないように治具で固定され
、ベース面４Ａと該ベース面４Ａに垂直をなして接して
いる角管１の下端外面全周とが、すみ肉シール溶接され
る。すみ肉シール溶接後、第３図および第５図に示すよ
うに、先端にノズル７を有する冷却装置６が角管１に挿
入され、前記ノズル７から噴出される冷却水が、前記す
み肉シール溶接部の背面に到達する位置に配置される。

次いで、前記ノズル７から噴出される冷却水によって前
記すみ肉シール溶接部の背面が冷却されながら、該すみ
肉シール溶接部の溶接脚長が所定の値になるまで、すみ
肉溶接が行われる。冷却水は、該すみ肉溶接による熱を
吸収したのち、角管１の上端側の開口がら排出される。

上述の手順により，ベース４の定盤に接している辺に沿
っている開口部５に、ひとつおきに角管１が当接され、
溶接によりベース４に順次固定される。

次に最下段の開口部（ベース４の定盤に接している辺に
沿う開口部の列）から数えて２段目の開口部５にひとつ
おきに２段目の角管列を構成する角管１の下端が、該角
管の稜が，前記最下段の角管の稜と相対する位置に当接
され、治具８で拘束・固定される。２段目の角管上はそ
の軸が開口部５の中心を通り、かつ、最下段の角管１の
軸と平行となるように設置される。治具８は、相対する
角管工の稜近傍での溶接により，最下段の角管の水平面
と２段目の角管の鉛直面とで形或される直角が鋭角ある
いは鈍角になるのを防ぐため、角管１がその軸に対して
回転しないように拘束する。冶具８は角管ｌの長手方向
に数個所設けられる。第４図は、治具８の一例であり、
角管１の画面上下方向の位置を拘束する枠材８Ａと、画
面左右方向の位置、間隔を拘束する位置決め治具８Ｂと
からなり、角管１の軸まわりの回転は、枠材８Ａおよび
位置決め治具８Ｂの両者により拘束されている。

さらに、角管相互の位置精度確保のために、２段目の角
管が所定の位置に配置され、治具８で拘束された後に、
対向する角管の稜相互間が、それぞれの角管に仮付溶接
された金属片３により、連結・固定される．この金属片
３は、Ｌ字形のものでもよいし、直方体に溝状の開先が
加工されたものでもよい。

以上のようにして、溶接によるベース４と角管１からな
る構造体の変形防止措置が講じられたのち、ベース４と
２段目の角管１の溶接が行われる．第２段目以降のベー
ス４と角管１のすみ肉溶接においては、角管１の定盤側
の辺の溶接ができない場合があるが，この場合は、他の
三辺についてすみ肉シール溶接が行われたのち、最下段
の角管とべ−ス４の溶接と同様の方法で、すみ肉の水冷
溶接が行われる．冷却水はシール溶接されていない角管
の定盤側の辺とベース面４Ａの間から流出するが、他の
三辺の溶接に支障はない。

角管を相互に稜部で連結する金属片３の溶接は、角管１
の長手方向に対し、２００ｍｍピッチで断続的に行われ
る。この溶接に際しても、第ｔ図に示すように冷却水を
噴出するノズル７を備えた冷却装置６が角管１中に挿入
され、噴出される冷却水により角管１と金属片３との溶
接部もしくは溶接部の近傍が角管１の内面側から冷却さ
れながら、溶接が行なわれる。第１図においては一対の
角管を連結する金属片３の溶接部を冷却する装置が示さ
れているが、複数対の角管に対して，冷却装置が挿入さ
れ、複数対の角管を連結する金属片の溶接が同時に行わ
れてもよい． 冷却装Ｎ６は、管６と該管６の長手方向に２ｏＯｍｍ間
隔で、かつその軸が前記管６の半径方向となるように管
６の外周面に母線に沿って取付けられた複数のノズル７
とを備えている。ノズル７の取付間隔は前記溶接のピッ
チと一致しており，金属片３一個の一方の角管との溶接
部の全長を、１個のノズル７で冷却可能としてある。複
数のノズルでｌ個の金属片の溶接部を冷却するようにし
てもよい。この冷却装置６は冷却水を保有する水源に接
続され，溶接開始前に冷却水の供給が開始され，かつ溶
接施行中，絶えず冷却水が供給される．冷却水が，溶接
しようとする溶接部の裏面に適切に噴出されていること
が確認されたのち、角管１と金属片３の端面３Ａの長手
方向全長とで形或されるすみ肉溶接部が、タングステン
・イナート・ガスアーク（ＴＩＧ）溶接により溶接され
た。溶材には．角管１と同じボロン含有ステンレス鋼も
しくはＹ３０８Ｌが用いられた。尚、溶接は溶接の進捗
による構造体の拘束状態の変化が角管１の長手方向に対
して可能な限り均等となるように、角管１の長手方向に
おいて，先ず両端付近、次に中央部が溶接された後、中
央部に対して対称に交互に実施された。また、全溶接線
が同時に溶接される方法でもよい。本実施例では、２０
０ｍｍ間隔にノズル７が取付けられた冷却装置６につい
て記載したが，ノズル７を管６の一箇所のみに設け、Ｔ
ＩＧ溶接のトーチと連動して、溶接対象部へ移動させて
もよい。

又、上記実施例においては溶接部の裏面から冷却する場
合につき説明したが，第７図に示す例のように、トーチ
側から冷却することも可能である．第７図に示す溶接ト
ーチ９は連続的に供給される消耗電極９Ａと、該電極９
Ａの周囲に形或されてシールドガスを噴出するノズル９
Ｂと、該ノズル９Ｂの周囲に同心状に形成されて冷却水
を噴出する冷却ノズル９ｃとを備え、溶接により発生す
る熱は冷却ノズルから噴出する冷却水により冷却され、
溶接部近傍の温度上昇が抑制される。

第２段目の角管の取付、溶接と同様の手順で第３段目以
降の角管の取付、溶接が行われ，所定の貯蔵容量を有す
る燃料ラック２が組立てられる。

本実施例によれば、冷却水を溶接部近傍に噴射しなから
ボロン含有ステンレス鋼の溶接が行われるので、溶接熱
により溶融した熱影響部のボライドは急冷され、粗大化
する前に微粒状のまま品出し、熱影響部で母材と同等の
じん性を得ることが可能となり、溶接熱影響部の荷重に
対する安全率を向上させる効果がある。

また，溶接部が溶接後すぐに冷却されるため．接接変形
が空冷の場合と比べ小さくなる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ボロン含有ステンレス鋼の溶接が、溶
接部を冷却しながら行われるので，溶接熱影響部のボラ
イドの粗大化を防止して溶接部の靭性を母材と同等とす
ることが可能となり，ボロン含有ステンレス鋼を用いた
溶接構造物の安全性を向上させる効果がある．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図．第２図は第６
図のＡ部詳細を示す平面図、第３図および第４図は本発
明の一実施例を示す斜視図，第５図は本発明の実施例を
示す斜視図、第６図は本発明の他の実施例を示す断面図
であり，第７図は本発明のさらに他の実施例を示す断面
図である。 ｌ・・・角筒体（角管）、 ２・・・使用済燃料貯蔵ラック、 ３・・・金属片、６・・・管、７・・・ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶接中に溶接部もしくは溶接部の近傍を強制冷却す
   ることを特徴とするホウ素含有ステンレス鋼の溶接方法
   。 ２、ホウ素含有１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステンレス鋼からな
   る角筒体が、前記角筒体の軸方向に垂直な断面が市松模
   様になるように配置され、前記断面の対角線上で隣接す
   る前記角筒体相互が金属片を介して溶接により連結され
   て使用済燃料貯蔵ラックが構成される使用済燃料貯蔵ラ
   ックの製造方法において、前記溶接の施行中に溶接部も
   しくは溶接部の近傍が強制冷却されることを特徴とする
   使用済燃料貯蔵ラックの製造方法。 ３、冷却流体が供給される管と、該管の外面に半径方向
   にかつ前記管の母線に沿って突設された複数のノズルと
   を備え、該ノズルは角筒体相互を連結する金属片の溶接
   ピッチと同一ピッチで設けられている、ホウ素含有ステ
   ンレス鋼の溶接に用いられる冷却装置。