JP2010071868A - Method of manufacturing spent nuclear fuel storage rack, filler material used for this method and the spent nuclear fuel storage rack manufactured by the method - Google Patents
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Abstract
【課題】ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手性能を改善する。
【解決手段】ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造する使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、溶接に用いる溶加材が、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:9.0〜12.0質量%(又は、Ni:12.0〜15.0質量%)、Cr:19.5〜23.5質量%(又は、Cr:23.0〜27.0質量%)、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下を含有し、残部不可避的不純物及びFeからなるものとし、溶接金属中のδフェライト量を4.8〜15質量%にする。
【選択図】 図2To improve weld joint performance of austenitic stainless steel containing boron.
In a method for manufacturing a spent nuclear fuel storage rack in which austenitic stainless steel containing boron is manufactured by welding, a filler material used for welding is C: 0.1 mass% or less, Si: 0.05. ˜0.65 mass%, Mn: 1.0 to 2.5 mass%, P: 0.03 mass% or less, S: 0.03 mass% or less, Ni: 9.0 to 12.0 mass% (or Ni: 12.0 to 15.0% by mass), Cr: 19.5 to 23.5% by mass (or Cr: 23.0 to 27.0% by mass), N: 0.1% by mass or less, It contains Mo: 1.0 mass% or less, Cu: 1.0 mass% or less, and the balance consists of inevitable impurities and Fe, and the amount of δ ferrite in the weld metal is 4.8-15 mass%.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法、その方法に用いられる溶加材及びその方法により製造された使用済核燃料貯蔵ラックに関する。 The present invention relates to a method for producing a spent nuclear fuel storage rack, a filler material used in the method, and a spent nuclear fuel storage rack produced by the method.
使用済核燃料貯蔵ラック(以下、適宜、燃料貯蔵ラックと略す。)は、原子力発電所で発電のために使用された使用済核燃料集合体を再処理工場に運び出すまでの間、使用済核燃料集合体を燃料貯蔵プール内に安全に貯蔵するために用いられる。 A spent nuclear fuel storage rack (hereinafter, abbreviated as a fuel storage rack, as appropriate) is a spent nuclear fuel assembly until the spent nuclear fuel assembly used for power generation at a nuclear power plant is transported to a reprocessing plant. Is stored safely in the fuel storage pool.
一方、限られた燃料貯蔵スペースの有効活用のため、燃料貯蔵容量の増加が望まれており、燃料貯蔵ラックの稠密化あるいは高集積化を図るため、中性子吸収能力の高い元素であるボロン(硼素)を含有させたオーステナイト系ステンレス鋼(以下、適宜、ボロン添加ステンレス鋼と略す。)を、中性子吸収材及び構造強度部材を兼ねる部材として使用して燃料貯蔵ラックを形成している。 On the other hand, in order to make effective use of the limited fuel storage space, it is desired to increase the fuel storage capacity, and boron (boron), which is an element having a high neutron absorption capability, is required to increase the density or integration of the fuel storage rack. ) -Containing austenitic stainless steel (hereinafter abbreviated as boron-added stainless steel as appropriate) is used as a member that also serves as a neutron absorber and a structural strength member to form a fuel storage rack.
例えば、特許文献1に記載の燃料貯蔵ラックは、複数の仕切板を格子状に組み立てて、その格子状の空間であるセルに使用済核燃料集合体(以下、適宜、燃料集合体という。)を収納するようにしている。また、特許文献2又は特許文献3に記載の燃料貯蔵ラックは、複数の角筒体を市松模様状に配列して、使用済核燃料集合体を収納する格子状のセルを形成している。これらの燃料貯蔵ラックは、ボロン添加ステンレス鋼を用いて形成されていることから、中性子に対する遮蔽効果に優れており、燃料貯蔵ラック内での燃料集合体の稠密化を行い、貯蔵容量の向上を行なうことができる。
For example, in the fuel storage rack described in
また、燃料貯蔵ラックには、耐震性を満足する強度が求められることから、一般に、構成部材を溶接で強固に接合した構造物が用いられる。まず、特許文献1に記載の燃料貯蔵ラックの製造方法では、まず、長尺の仕切板を水平に置き、その長尺仕切板に複数の切り込み穴を形成し、その切り込み穴に短尺仕切板に形成した凸部を差し込んで、短尺仕切板を複数個垂直に取り付けて、各交点を下向きに隅肉溶接する。次いで、前記短尺仕切板の他方の凸部を別の長尺仕切板の切り込み穴に差し込み、この部分を溶加材(溶加棒又は溶加ワイヤ)により栓溶接し、これらの隅肉溶接及び栓溶接を繰り返して燃料貯蔵ラックを製造している。同様に、特許文献2又は3に記載の燃料貯蔵ラックの製造方法では、複数の角筒体を市松模様状に配列し、互いに隣接する2つの角筒体の対角方向の隣接角部間にクサビ状の接合用部材を設け、溶加材により接合用部材と角筒体の角部の両者を溶接接合する作業を繰り返して、燃料貯蔵ラックを製造している。
In addition, since the fuel storage rack is required to have strength that satisfies earthquake resistance, a structure in which constituent members are firmly joined by welding is generally used. First, in the method for manufacturing a fuel storage rack described in
ところで、特許文献1〜3に記載の溶接に用いる溶加材ないし接合用部材には、オーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接では、δフェライト組織を含む溶加材が使用される。これは、溶接により形成される溶接金属の組織中のオーステナイト組織に、若干のδフェライト組織を含んだ状態にすることで、良好な溶接金属が得られ、また、溶接時の高温割れを防止できることからである。特に、δフェライト量が高い場合には、溶接収縮に伴う変形及び残留応力の減少などの効果が得られる。
By the way, austenitic stainless steel is used for a filler material or a joining member used for welding described in
そこで、ボロン添加ステンレス鋼の溶接においても、同様に、δフェライト量の高い溶接棒を用いるのがよいとされている。しかし、ボロン添加ステンレス鋼は難溶接材料であることから、特許文献4には、燃料貯蔵ラックを製造するにあたり、溶接部のフェライト量を考慮した溶接法、溶接条件を採用することが提案されている。 Therefore, it is also recommended to use a welding rod having a high amount of δ ferrite in the welding of boron-added stainless steel. However, since boron-added stainless steel is a difficult-to-weld material, Patent Document 4 proposes to employ a welding method and welding conditions that take into account the ferrite content of the welded part when manufacturing a fuel storage rack. Yes.
すなわち、同特許文献4によれば、ボロンが0.1〜1.5質量%添加されたオーステナイトステンレス鋼を溶接するに際し、溶接時の溶加材として、C:0.1質量%以下,Si:0.05〜0.65質量%,Mn:1.0〜2.5質量%,Ni:8.0〜10.5質量%,Cr:28.0〜32.0質量%,Mo:0.5質量%以下,P:0.03質量%以下,S:0.03質量% 以下を含有し、残部不可避的不純物及びFeからなる2相ステンレス鋼を用いて溶接し、溶接金属のフェライト量を15〜40%とすることが記載されている。これによれば、溶接性に優れ、溶接時のそり,歪などによる変形,残留応力を極力抑えることが可能であり、溶接部に発生する高温割れの発生を防止し、高品質,高信頼の溶接部が得られるとともに貯蔵セル間の精度が保てられ、製造作業性に優れた高精度な使用済燃料貯蔵ラックの製造が可能となるとしている。 That is, according to Patent Document 4, when welding austenitic stainless steel to which boron is added in an amount of 0.1 to 1.5 mass%, as a filler material during welding, C: 0.1 mass% or less, Si : 0.05 to 0.65% by mass, Mn: 1.0 to 2.5% by mass, Ni: 8.0 to 10.5% by mass, Cr: 28.0 to 32.0% by mass, Mo: 0 .5% by mass or less, P: 0.03% by mass or less, S: 0.03% by mass or less, and welding with a duplex stainless steel composed of the balance unavoidable impurities and Fe, and the ferrite content of the weld metal Is described as 15 to 40%. According to this, it is excellent in weldability, and it is possible to suppress warpage, distortion due to welding, distortion and residual stress as much as possible, prevent the occurrence of hot cracks that occur in the welded part, high quality and high reliability. It is said that a welded part can be obtained and the accuracy between storage cells can be maintained, so that a highly accurate spent fuel storage rack excellent in manufacturing workability can be manufactured.
しかし、特許文献4に記載された溶接方法には改善の余地がある。 However, there is room for improvement in the welding method described in Patent Document 4.
すなわち、ボロン添加ステンレス鋼に添加されるボロン(B)は、強力なオーステナイト生成元素であり、溶接時に母材から溶融したBを含む溶接金属は優先的にオーステナイト組織になりやすい。このため、ボロン添加ステンレス鋼の溶接金属においてはδフェライト組織が減少し、完全オーステナイト組織を形成しやすい。そのため、燃料貯蔵ラックの溶接組立工程においては、残留応力の発生、歪みなどによる変形が大きくなり、燃料集合体を収納するセル間隔や組立寸法の精度が低下しやすくなる。 That is, boron (B) added to the boron-added stainless steel is a strong austenite generating element, and the weld metal containing B melted from the base material at the time of welding tends to preferentially have an austenite structure. For this reason, in the weld metal of boron-added stainless steel, the δ ferrite structure is reduced, and a complete austenite structure is easily formed. Therefore, in the welding assembly process of the fuel storage rack, the deformation due to generation of residual stress, distortion, etc. is increased, and the accuracy of the interval between the cells for storing the fuel assemblies and the assembly dimensions are likely to be lowered.
燃料貯蔵ラックの寸法精度を確保し、かつ品質を高めるためには、例えば、特許文献2、3の角筒体構造のラックあるいは長尺仕切板と短尺仕切板を用いた板構造のラックの場合は、角筒体あるいは板材を変形防止のために、拘束治具によって組立て架台に十分な拘束力で固定して、溶接組立時の寸法精度を維持する必要がある。しかし、変形を抑制するために必要な拘束力は大きく、しかも拘束力は作業者の経験に基いて設定されることが多いため、組立架台や拘束治具の消耗が速く、かつ組立準備にかかる時間が増加し、コストが大きくなるという問題がある。特に、燃料貯蔵ラックは溶接点数が多いから、溶接時のラック全体の熱変形が大きく、かつ溶接後の変形が予想しにくいので、溶接による熱変形の防止あるいは溶接割れ抑制等のために製造時間が長くなるという問題がある。
In order to ensure the dimensional accuracy of the fuel storage rack and improve the quality, for example, in the case of the rack of the rectangular tube structure of
一方、ボロン添加ステンレス鋼に添加されるBは、オーステナイト組織に100ppm程度しか固溶しないため、B添加量が多い場合には溶接金属の凝固時に、オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる鉄(Fe)、クロム(Cr)等と反応し、Fe,Cr系のホウ化物(Fe,Cr)2Bを形成する。このホウ化物は地金であるオーステナイト組織よりも低融点であるため、溶接金属の組織粒界に偏析する特徴があり、溶接時の高温割れの発生要因と考えられている。 On the other hand, since B added to the boron-added stainless steel only dissolves about 100 ppm in the austenite structure, when the amount of B is large, iron (Fe) contained in the austenitic stainless steel during solidification of the weld metal, It reacts with chromium (Cr) or the like to form Fe, Cr boride (Fe, Cr) 2 B. Since this boride has a lower melting point than the austenite structure, which is a metal, it has a feature of segregating at the grain boundaries of the weld metal, and is considered to be a cause of hot cracking during welding.
このようなボロン添加ステンレス鋼の難溶接性のために、溶接による熱変形の防止や溶接割れ抑制等のために、溶接施工条件等の溶接施工管理及び検査精度を向上させることにより、溶接施工性を高め、製品品質を保持するようにしている。そのため、溶接作業者の作業負担及び製造工数が増加し、コストが増加するという問題がある。 Due to the difficult weldability of such boron-added stainless steel, welding workability is improved by improving the welding work management and inspection accuracy such as welding work conditions in order to prevent thermal deformation due to welding and to suppress weld cracking. To maintain product quality. For this reason, there is a problem in that the work burden and manufacturing man-hours of the welding worker are increased and the cost is increased.
本発明が解決しようとする課題は、中性子吸収材としてのボロン(B)を含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接施工性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することにある。 The problem to be solved by the present invention is to improve the welding workability of austenitic stainless steel containing boron (B) as a neutron absorber, to reduce the burden on the welding operator, and to improve the spent fuel storage rack It is to ensure quality.
上記の課題を解決するため、鋭意研究したところ、次の述べる解決原理を知見した。 As a result of diligent research to solve the above problems, we have found the following solution principle.
母材であるボロン添加ステンレス鋼の溶接部の高温割れ感受性を低く抑えるためには、ボロン添加ステンレス鋼のボロン添加量が例えば1.0質量%程度の場合、溶接金属のδフェライト量を40質量%以下の範囲で適切な量となるようにコントロールするとともに、溶接継手部の強度とをバランスさせる必要がある。 In order to suppress the high temperature cracking susceptibility of the welded portion of the boron-added stainless steel, which is the base material, when the boron addition amount of the boron-added stainless steel is, for example, about 1.0 mass%, the amount of δ ferrite of the weld metal is 40 mass. It is necessary to balance the strength of the welded joint portion while controlling the amount to be an appropriate amount within a range of% or less.
そこで、本発明者らは、溶加材の組成成分について研究したところ、後述するように、最大割れ長さについてはクロム(Cr)の量の影響は少ないが、総割れ数及び総割れ長さはCrの量が大きく影響することを知見した。つまり、特許文献4のように、溶接金属のδフェライト量を15〜40質量%の範囲にコントロールしても、Crの量が高く(例えば、28.0〜40.0質量%)なると、総割れ数及び総割れ長さが急激に増加する。 Therefore, the present inventors have studied the compositional components of the filler metal. As will be described later, the maximum crack length is less affected by the amount of chromium (Cr), but the total number of cracks and the total crack length. Found that the amount of Cr greatly affected. That is, as in Patent Document 4, even if the amount of δ ferrite of the weld metal is controlled in the range of 15 to 40% by mass, if the amount of Cr increases (for example, 28.0 to 40.0% by mass), The number of cracks and total crack length increase rapidly.
これらの知見に鑑み、本発明は、中性子吸収材としてのボロン(B)を含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造する使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、前記溶接に用いる溶加材が、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:9.0〜12.0質量%、Cr:19.5〜23.5質量%、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下、残部不可避的不純物及びFeからなる材料を用いて溶接することを特徴とする。 In view of these findings, the present invention provides a method for manufacturing a spent nuclear fuel storage rack in which austenitic stainless steel containing boron (B) as a neutron absorber is manufactured by welding. , C: 0.1% by mass or less, Si: 0.05 to 0.65% by mass, Mn: 1.0 to 2.5% by mass, P: 0.03% by mass or less, S: 0.03% by mass Hereafter, Ni: 9.0-12.0 mass%, Cr: 19.5-23.5 mass%, N: 0.1 mass% or less, Mo: 1.0 mass% or less, Cu: 1.0 mass %, The remainder is unavoidable, and welding is performed using a material composed of Fe.
これにより、溶接金属中のδフェライト量が4.8〜15質量%になるが、高温割れの総割れ長さが溶接長さの1割以下程度しか生じないという良好な結果が得られた。つまり、高温割れを低減でき、かつ、後述するように、溶接金属の0.2%耐力、引張強さ、伸び等の機械的性質を母材と同等もしくは母材以上に保持できる溶接継手が得られた。その結果、ボロン添加ステンレス鋼の溶接作業性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することができる。つまり、製作時の溶接条件管理、溶接部の検査等の管理を軽減でき、溶接工数及び溶接難易を低減することが可能になり、それらの管理及び検査等によらず、最適な溶接継手構造を得ることができる。 As a result, the amount of δ ferrite in the weld metal was 4.8 to 15% by mass, but a good result was obtained that the total crack length of the hot crack was only about 10% or less of the weld length. That is, it is possible to obtain a welded joint that can reduce hot cracking and can maintain the mechanical properties of the weld metal such as 0.2% proof stress, tensile strength, and elongation equal to or higher than the base metal, as will be described later. It was. As a result, the welding workability of the boron-added stainless steel can be improved, the burden on the welding operator can be reduced, and the high quality of the spent fuel storage rack can be ensured. In other words, it is possible to reduce the management of welding conditions at the time of production, inspection of welded parts, etc., and it is possible to reduce welding man-hours and welding difficulty. Obtainable.
この場合において、溶接により形成される溶接金属中に、前記溶加材の組成に加えて、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの10〜20質量%が溶融する溶接条件で溶接することが好ましい。 In this case, in the weld metal formed by welding, in addition to the composition of the filler material, welding may be performed under a welding condition in which 10 to 20% by mass of the boron contained in the austenitic stainless steel is melted. preferable.
また、本発明は、上記の溶化材のNi及びCrの組成に代えて、Ni:12.0〜15.0質量%、Cr:23.0〜27.0質量%の溶化材を用いることができる。この場合でも、溶接金属中のδフェライト量が4.8〜15質量%になり、ボロン添加ステンレス鋼の溶接作業性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することができる。 Further, in the present invention, instead of the composition of Ni and Cr in the above-described solution material, a solution material of Ni: 12.0 to 15.0 mass% and Cr: 23.0 to 27.0 mass% is used. it can. Even in this case, the amount of δ ferrite in the weld metal is 4.8 to 15% by mass, improving the workability of boron-added stainless steel, reducing the burden on the welder, and increasing the spent fuel storage rack Quality can be ensured.
本発明の製造方法は、ボロンが0.1〜2.0質量%添加されたオーステナイトステンレス鋼を溶接する際に適用できるが、ボロンが1.0〜2.0質量%添加された高濃度のボロンが添加されたオーステナイトステンレス鋼に適用することが好ましい。 The production method of the present invention can be applied when welding austenitic stainless steel to which 0.1 to 2.0% by mass of boron is added, but has a high concentration to which 1.0 to 2.0% by mass of boron is added. It is preferable to apply to austenitic stainless steel to which boron is added.
本発明の製造方法により製造された燃料貯蔵ラックの溶接部の溶接金属の組成は、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:9.0〜12.0質量%(又は、Ni:12.0〜15.0質量%)、Cr:19.5〜23.5質量%(又は、Cr:23.0〜27.0質量%)、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下、残部不可避的不純物及びFeからなり、前記溶接金属中のδフェライト量が4.8〜15質量%であることを特徴とする。これによれば、溶接継手の機械的強度に優れた燃料貯蔵ラックを実現できる。 The composition of the weld metal of the welded portion of the fuel storage rack manufactured by the manufacturing method of the present invention is as follows: C: 0.1% by mass or less, Si: 0.05 to 0.65% by mass, Mn: 1.0 to 2 0.5% by mass, P: 0.03% by mass or less, S: 0.03% by mass or less, Ni: 9.0 to 12.0% by mass (or Ni: 12.0 to 15.0% by mass), Cr: 19.5 to 23.5 mass% (or Cr: 23.0 to 27.0 mass%), N: 0.1 mass% or less, Mo: 1.0 mass% or less, Cu: 1.0 It consists of a mass% or less, the balance of inevitable impurities and Fe, and the amount of δ ferrite in the weld metal is 4.8 to 15 mass%. According to this, the fuel storage rack excellent in the mechanical strength of the welded joint can be realized.
また、本発明の燃料貯蔵ラックは、溶接金属中に、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの10〜20質量%を含有することが望ましい。 The fuel storage rack of the present invention preferably contains 10 to 20% by mass of the boron contained in the austenitic stainless steel in the weld metal.
本発明によれば、中性子吸収材としてのボロン(B)を含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接施工性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することができる。 According to the present invention, the weldability of austenitic stainless steel containing boron (B) as a neutron absorber is improved, the burden on the welding operator can be reduced, and the high quality of the spent fuel storage rack is ensured. be able to.
以下、本発明の使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法について、実施の形態及び溶加材の実施例に基いて説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the spent nuclear fuel storage rack of this invention is demonstrated based on the Example and the Example of a filler metal.
本実施形態の燃料貯蔵ラック10は、図1に示すように、中性子吸収能力の高いボロン(B)が添加されたオーステナイト系ステンレス鋼のセル構成部材20を用いて、使用済燃料集合体が収納される断面が矩形の複数の貯蔵セル30が正方格子状に配列されるように、セル構成部材20を溶接接合で一体化することにより形成される。本実施形態では、B添加量を1.0〜2.0質量%として説明するが、本発明はこれに限らず、B添加量が0.1〜2.0質量%の母材についても適用できる。
As shown in FIG. 1, the
また、本実施形態により溶接して製造される燃料貯蔵ラックの溶接金属は、δフェライト量が4.8〜15質量%含有することを特徴とする。すなわち、δフェライトを予め多量に含んだ溶化材を使用し、母材中のBの溶融により完全フェライト組織化される溶接金属中のδフェライト組織の減少を抑制して、高温割れ抑制に有効な溶接金属中のδフェライト量を確保するものである。これに加えて、δフェライト組織を多く含んだ溶接金属では、冷却時の溶接収縮が緩和されるため、溶接後の残留応力や溶接変形を小さくすることも期待できる。 Further, the weld metal of the fuel storage rack manufactured by welding according to the present embodiment is characterized in that the amount of δ ferrite is 4.8 to 15% by mass. That is, using a solution material containing a large amount of δ ferrite in advance, suppressing the decrease of δ ferrite structure in the weld metal that is completely ferrite structured by melting of B in the base metal, effective in suppressing hot cracking This ensures the amount of δ ferrite in the weld metal. In addition to this, in a weld metal containing a large amount of δ ferrite structure, welding shrinkage during cooling is alleviated, so that it is expected to reduce residual stress and welding deformation after welding.
ここで、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接における高温割れは、溶接後の凝固過程において、凝固脆性温度領域内で割れ発生限度以上の変位が加わると発生することが知られている。そこで、高温割れの感受性評価として用いられるバレストレイン試験をボロン添加ステンレス鋼に対して実施し、溶接金属中のδフェライト量とバレストレイン試験の結果として得られる溶接金属部に生じた高温割れ長さの合計との関係を調べて、溶接継手性能及び施工性を確認した。 Here, it is known that hot cracking in the welding of austenitic stainless steel occurs when displacement exceeding the cracking limit occurs in the solidification brittle temperature region in the solidification process after welding. Therefore, the ballast strain test, which is used to evaluate the susceptibility to hot cracking, was carried out on boron-added stainless steel, and the amount of δ ferrite in the weld metal and the length of hot cracking that occurred in the weld metal obtained as a result of the ballast strain test. We investigated the relationship with the total and confirmed weld joint performance and workability.
その結果、溶接金属の組成が、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、 S:0.03質量%以下、Ni:12.0〜15.0質量%、Cr:23.0〜27.0質量%、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下、残部不可避的不純物及びFeからなる、いわゆる高Cr,Niとすることにより、溶接金属中のδフェライト量が4.8〜15質量%に減少しても、高温割れの総割れ長さが溶接長さの1割以下程度しか生じないという良好な結果が得られた。 As a result, the composition of the weld metal was C: 0.1 mass% or less, Si: 0.05 to 0.65 mass%, Mn: 1.0 to 2.5 mass%, P: 0.03 mass% or less. S: 0.03 mass% or less, Ni: 12.0 to 15.0 mass%, Cr: 23.0 to 27.0 mass%, N: 0.1 mass% or less, Mo: 1.0 mass% Hereinafter, even if the amount of δ ferrite in the weld metal is reduced to 4.8 to 15% by mass, Cu: 1.0% by mass or less, the balance being unavoidable impurities and Fe, so-called high Cr and Ni. A good result was obtained that the total crack length of the hot crack was only about 10% or less of the weld length.
なお、本発明の燃料貯蔵ラックの製造方法に適用する溶接方法は、TIG溶接、MIG溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかを用いることが好ましい。 In addition, it is preferable to use any of TIG welding, MIG welding, plasma welding, laser welding, and electron beam welding as a welding method applied to the manufacturing method of the fuel storage rack of the present invention.
以下、本実施形態に用いる溶接用の溶化材の材料組成について、実施例に基いて説明する。 Hereinafter, the material composition of the welding solution used in the present embodiment will be described based on examples.
一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属は、溶接割れ防止のために数%程度のδフェライトを含有することが望ましく、これはボロン添加ステンレス鋼についてもいえる。本実施例では、表1の母材の欄に示す化学組成を有するボロン添加ステンレス鋼について、実施例1、2及び比較例1、2の溶加材を用いて溶接を行い、それらの溶接金属についてバレストレイン試験(高温割れ確認試験)を実施した。表1に示すよう、母材であるボロン添加ステンレス鋼は、Bを1.07質量%含有している。表1において、比較例1はオーステナイト系ステンレス鋼に用いられる一般的な溶加材の化学組成であり、実施例1、2は本発明の製造方法に用いた溶加材の化学組成であり、比較例2は実施例1、2に比べてCrの含有量が多い溶加材の化学組成である。 In general, the weld metal of austenitic stainless steel desirably contains about several percent of δ ferrite in order to prevent weld cracking, and this is also true for boron-added stainless steel. In this example, the boron-added stainless steel having the chemical composition shown in the column of the base material in Table 1 was welded using the filler materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, and their weld metals. A ballast rain test (hot cracking confirmation test) was conducted. As shown in Table 1, the boron-added stainless steel as a base material contains 1.07% by mass of B. In Table 1, Comparative Example 1 is a chemical composition of a general filler material used for austenitic stainless steel, Examples 1 and 2 are chemical compositions of a filler material used in the production method of the present invention, Comparative Example 2 is a chemical composition of a filler material having a higher Cr content than Examples 1 and 2.
ここで、表1に示した実施例1、2の溶加材の化学組成について説明する。
[C:0.1質量%以下]
Cは、オーステナイト安定化元素であり、強度向上に寄与するため、含有量は0.1質量%以下が好ましい。さらに好ましくは、ボロン添加ステンレス鋼の溶接部及び溶加材のC量を極力抑え、耐応力腐食割れ性を維持するためには、含有量は0.03質量%以下が望ましい。
[Si:0.05〜0.65質量%]
Siは、脱酸剤として用いられる。ボロン添加ステンレス鋼の溶接部及び溶加材のSi含有量は、0.05〜0.65質量%が望ましい。すなわち、Si含有量が0.05質量%未満だと溶接部の脱酸作用が低く、0.65質量%を超えると耐食性及び靭性が劣化する。
[Mn:1.0〜2.5質量%]
Mnは、溶接時に脱酸作用及び脱硫作用があり、高温割れに有害なSを固定し、耐高温割れ性を抑制する効果がある。この効果を高めるためには、1.0質量%以上必要であり、Mn量が2.5質量%を超えると、溶接時の湯流れが悪くなり、作業性に問題が生じる。
[P:0.03質量%以下]
Pは、低融点化合物を生成する元素であり、極力抑える必要があり、溶加材のP含有量を0.03質量%以下とすることが好ましい。
[S:0.03質量%以下]
Sは、低融点化合物を生成する元素であり、極力抑える必要があり、溶加材のS含有量を0.03質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.005質量%以下である。
[Ni:9.0〜12.0質量%、12.0〜15.0質量%]
Niは、2相ステンレス鋼の必須成分であり、オーステナイト相を安定化させる。そのためには、溶加材のNi含有量を9.0〜15.0質量%とする必要がある。溶加材のNi含有量が9.0質量%未満では、溶接部のフェライト相が増えて靭性が低下する。溶加材のNi含有量が15.0質量%を超えると、オーステナイト相が増えて高温割れが発生しやすくなる。
Here, the chemical composition of the filler materials of Examples 1 and 2 shown in Table 1 will be described.
[C: 0.1% by mass or less]
C is an austenite stabilizing element, and contributes to strength improvement, so the content is preferably 0.1% by mass or less. More preferably, the content is preferably 0.03% by mass or less in order to suppress the C content of the boron-added stainless steel weld and the filler metal as much as possible and maintain the stress corrosion cracking resistance.
[Si: 0.05 to 0.65 mass%]
Si is used as a deoxidizer. The Si content of the welded portion of the boron-added stainless steel and the filler metal is desirably 0.05 to 0.65 mass%. That is, when the Si content is less than 0.05% by mass, the deoxidizing action of the welded portion is low, and when it exceeds 0.65% by mass, the corrosion resistance and toughness deteriorate.
[Mn: 1.0 to 2.5% by mass]
Mn has a deoxidizing action and a desulfurizing action at the time of welding, and has an effect of fixing S harmful to hot cracking and suppressing hot cracking resistance. In order to enhance this effect, 1.0% by mass or more is necessary. If the amount of Mn exceeds 2.5% by mass, the hot water flow at the time of welding deteriorates, causing a problem in workability.
[P: 0.03 mass% or less]
P is an element that generates a low-melting-point compound, and it is necessary to suppress it as much as possible. It is preferable that the P content of the filler material is 0.03% by mass or less.
[S: 0.03 mass% or less]
S is an element that generates a low-melting-point compound, and it is necessary to suppress it as much as possible. It is preferable that the S content of the filler metal is 0.03% by mass or less. More preferably, it is 0.005 mass% or less.
[Ni: 9.0 to 12.0 mass%, 12.0 to 15.0 mass%]
Ni is an essential component of the duplex stainless steel and stabilizes the austenite phase. For that purpose, it is necessary to make Ni content of a filler material into 9.0-15.0 mass%. When the Ni content of the filler material is less than 9.0% by mass, the ferrite phase in the welded portion increases and the toughness decreases. When the Ni content of the filler material exceeds 15.0% by mass, the austenite phase increases and hot cracking is likely to occur.
しかし、Niは希少金属元素であることから、コストへの影響を考慮して溶加材のNi含有量は、低Ni仕様では9.0〜12.0質量%、高Ni仕様では12.0〜15.0質量%とすることが好ましい。
[Cr:19.5〜23.5質量%、23.0〜27.0質量%]
Crは、2相ステンレス鋼の必須成分であり、フェライト相を安定化させる効果がある。また、2相ステンレス合金の耐食性の向上に寄与する元素である。
However, since Ni is a rare metal element, the Ni content of the filler metal is 9.0 to 12.0 mass% for the low Ni specification and 12.0 for the high Ni specification in consideration of the influence on cost. It is preferable to set it as -15.0 mass%.
[Cr: 19.5 to 23.5 mass%, 23.0 to 27.0 mass%]
Cr is an essential component of the duplex stainless steel and has the effect of stabilizing the ferrite phase. Further, it is an element that contributes to the improvement of the corrosion resistance of the duplex stainless steel alloy.
ボロン添加ステンレス鋼の溶接に用いる溶加材のCr含有量は19.5〜27.0質量%とする必要がある。Cr含有量が19.5質量%未満では、CrがBと反応し、Cr2B等のホウ化物を生成するため、Crがフェライト相を安定化させる効果が低下し、高温割れが発生しやすくなる。また、Cr含有量が27.0質量%を超えると、フェライト相が増加しすぎるため、延性が低下する。 The Cr content of the filler material used for welding the boron-added stainless steel needs to be 19.5 to 27.0% by mass. When the Cr content is less than 19.5% by mass, Cr reacts with B to form borides such as Cr 2 B, so that the effect of Cr stabilizing the ferrite phase is reduced and hot cracking is likely to occur. Become. On the other hand, if the Cr content exceeds 27.0% by mass, the ferrite phase is excessively increased, so that the ductility is lowered.
しかし、Crは希少金属元素であることから、コストへの影響を考慮して溶加材のCr含有量は、低Cr仕様では19.5〜23.5質量%、高Cr仕様では23.0〜27.0質量%とすることが好ましい。
[N:0.1質量%以下]
Nは、強力なオーステナイト生成元素であり、C,Cr,Ti,Mo,Nb,Ta,Vなどと窒化物あるいは炭窒化物を形成し、析出効果によって強度を向上するが、多量に添加すると溶接欠陥の原因となるため、溶加材のN含有量は0.1質量%以下が好ましい。
[Mo:1.0質量%以下]
MoもCr同様、耐食性の向上に寄与する元素であるが、ボロン添加ステンレス鋼の溶接に用いる溶加材のMo含有量は1.0質量%以下とすることが好ましい。溶加材にMoが多量に含有していると、MoがBと反応し、MoB2等の高融点ホウ化物を生成するため、溶接部に発生するヒーリング現象を低下させ、高温割れた発生しやすくなる。
[Cu:1.0質量%以下]
Cuは、オーステナイト鋼に約3.0質量%まで均一に固溶し基地を強化するが、若干靭性を損ない、多量に添加されると高温割れに敏感になるため、溶加材のCu含有量は1.0質量%以下とすることが好ましい。
However, since Cr is a rare metal element, the Cr content of the filler metal is 19.5 to 23.5 mass% in the low Cr specification and 23.0 in the high Cr specification in consideration of the influence on the cost. It is preferable to set it to -27.0 mass%.
[N: 0.1% by mass or less]
N is a strong austenite-forming element and forms nitrides or carbonitrides with C, Cr, Ti, Mo, Nb, Ta, V, etc., and improves the strength by the precipitation effect. Since it becomes a cause of a defect, N content of a filler material has preferable 0.1 mass% or less.
[Mo: 1.0% by mass or less]
Mo, like Cr, is an element that contributes to the improvement of corrosion resistance. However, the Mo content of the filler material used for welding the boron-added stainless steel is preferably 1.0% by mass or less. If the filler metal contains a large amount of Mo, Mo reacts with B to form high melting point borides such as MoB 2 , reducing the healing phenomenon that occurs in the weld zone and causing high temperature cracking. It becomes easy.
[Cu: 1.0% by mass or less]
Cu is solid-dissolved uniformly up to about 3.0% by mass in austenitic steel and strengthens the base, but slightly impairs toughness and becomes sensitive to hot cracking when added in large amounts, so the Cu content of the filler metal Is preferably 1.0% by mass or less.
ここで表1に戻り、実施例1の溶加材のNi含有量は、比較例1と同等であるが、比較例2よりも多くなっている。また、実施例2の溶加材のNi含有量は比較例1、2よりも多く含まれている。つまり、実施例1,2は比較例1に比べて、概ね高Cr、高Niの溶加材であることが分かる。 Here, returning to Table 1, the Ni content of the filler material of Example 1 is equivalent to that of Comparative Example 1, but is higher than that of Comparative Example 2. Further, the Ni content of the filler material of Example 2 is larger than those of Comparative Examples 1 and 2. That is, it can be seen that Examples 1 and 2 are generally high Cr and high Ni filler materials compared to Comparative Example 1.
表2に示す比較の結果、比較例1に比べて実施例1、2及び比較例2は、溶接部のδフェライト量が高くなることが確認できた。特に、比較例2の高Crの溶加材の場合は、δフェライト量が28.2〜34%と高い値を示した。 As a result of the comparison shown in Table 2, it was confirmed that in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, the amount of δ ferrite in the welded portion was higher than that in Comparative Example 1. In particular, in the case of the high Cr filler metal of Comparative Example 2, the amount of δ ferrite was as high as 28.2 to 34%.
一方、比較例1,2及び実施例1,2について高温割れ感受性のバレストレイン試験の結果を図2、図3に示す。それらの図において、横軸に比較例1、実施例1、実施例2、比較例2の順に示し、縦軸は最大割れ長さ、総割れ長さ(mm)と、総割れ数を示している。図2は希釈率10%の例であり、図3は希釈率20%の例である。 On the other hand, the results of the high-temperature cracking-sensitive ballast train test for Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 are shown in FIGS. In these figures, the horizontal axis indicates Comparative Example 1, Example 1, Example 2, and Comparative Example 2, and the vertical axis indicates the maximum crack length, the total crack length (mm), and the total number of cracks. Yes. FIG. 2 is an example of a dilution rate of 10%, and FIG. 3 is an example of a dilution rate of 20%.
図2,3に示すように、実施例2の溶加材が高温割れの総割れ長さが試験時の溶接長さの1割以下程度の5mmしか生じない良好な結果が得られた。次いで、実施例1の希釈率10%の場合には、総割れ長さが6mmとなるが、概ね実施例2に準ずる良い結果が得られ、高Cr,高Niの溶加材が割れの少ない溶接金属が得られることが判明した。しかし、Crの含有量が高すぎる比較例2については、表2の結果から最もδフェライト量が高いが、図2,3の割れ感受性試験結果を合わせて考慮すると、一般的な溶加材である比較例1と同等の結果になることがわかる。 As shown in FIGS. 2 and 3, a good result was obtained in which the filler material of Example 2 had a total crack length of hot cracks of only 5 mm, which was about 10% or less of the weld length at the time of the test. Next, in the case of the dilution rate of 10% in Example 1, the total crack length is 6 mm, but a good result substantially equivalent to that in Example 2 is obtained, and the high Cr, high Ni filler material has few cracks. It has been found that a weld metal is obtained. However, in Comparative Example 2 in which the Cr content is too high, the amount of δ ferrite is the highest from the results in Table 2, but when considering the crack susceptibility test results of FIGS. It turns out that it becomes a result equivalent to a certain comparative example 1.
さらに、各溶加材を用いた溶接部の機械的性質を図4,5に示す。それらの図の横軸は母材、比較例1、実施例1、実施例2、比較例2の順に示し、縦軸は0.2%耐力と引張強さ(MPa)及び伸び(%)である。図4は希釈率10%の例であり、図5は希釈率20%の例である。 Furthermore, the mechanical property of the welding part using each filler material is shown to FIG. In these figures, the horizontal axis indicates the base material, Comparative Example 1, Example 1, Example 2, and Comparative Example 2, and the vertical axis indicates 0.2% proof stress, tensile strength (MPa), and elongation (%). is there. FIG. 4 is an example of a dilution rate of 10%, and FIG. 5 is an example of a dilution rate of 20%.
それらの図4,5からわかるように、0.2%耐力、引張強さ及び伸びは、一般的な溶加材である比較例1に対し、実施例2,3の溶加材は同等の0.2%耐力が300〜400MPa,引張強さが600〜700MPa、伸びが35%程度の機械的性質を示した。これらの図2〜図5の評価を総合的に検討すると、実施例1,2の溶加材を用いた溶接金属が、高温割れ及び溶接部の強度特性から最適であることがわかる。 As can be seen from FIGS. 4 and 5, the 0.2% proof stress, tensile strength, and elongation are the same as those of Examples 2 and 3 in comparison with Comparative Example 1 that is a general filler material. The mechanical properties were 0.2% yield strength of 300 to 400 MPa, tensile strength of 600 to 700 MPa, and elongation of about 35%. When the evaluations of FIGS. 2 to 5 are comprehensively examined, it is understood that the weld metal using the filler metal of Examples 1 and 2 is optimal from the hot cracking and the strength characteristics of the welded portion.
ここで、図6〜図8に燃料貯蔵ラックの概略構成図を示す。図6の燃料貯蔵ラックは、複数の貯蔵セル31が複数の角筒体21あるいは角筒体21によって囲まれる空間に形成され、最外周部の角筒間には板22が配置される。角筒体21は、市松模様状に配置され、互いに隣接する角部の空間に図示していない接合用部材を適宜設けて、実施例1又は2の溶加材を用いて溶接され、溶接金属41,42により接合される。
Here, the schematic block diagram of a fuel storage rack is shown in FIGS. The fuel storage rack of FIG. 6 is formed in a space in which a plurality of
図7の燃料貯蔵ラックは、複数の貯蔵セル32が複数個の長尺仕切板23と複数個の短尺仕切板24を組み合わせて、実施例1又は2の溶加材を用いて溶接されて一体に形成される。ここで、複数の貯蔵セル32は、長尺仕切板23と短尺仕切板24が十文字に交わる交点部を、溶接金属43によって、例えば隅肉溶接により接合される。このとき、長尺仕切板23と短尺仕切板24が十文字に交わる交点部の溶接は、開先形状等を適切に設計すれば、図7のように両側から実施しても良く、また図8に示すように、片側だけから実施しても良い。
In the fuel storage rack of FIG. 7, a plurality of
以上説明したように、実施例1,2の溶加材を用いることにより、ボロン添加ステンレス鋼のB添加量、溶接部での母材からのB希釈率を組み合わせることにより、ボロン添加ステンレス鋼の溶接継手性能及び施工性の改善を図ることができる。また、溶接金属の最適δフェライト量及び必要強度を容易に達成できる。その結果、溶接作業者の負担を軽減でき、高品質、高信頼性を有する燃料貯蔵ラックを製造することができる。 As described above, by using the filler materials of Examples 1 and 2, by combining the B addition amount of boron-added stainless steel and the B dilution rate from the base material at the welded portion, Welded joint performance and workability can be improved. In addition, the optimum amount of δ ferrite and required strength of the weld metal can be easily achieved. As a result, the burden on the welding operator can be reduced, and a fuel storage rack having high quality and high reliability can be manufactured.
Claims (10)
前記溶接に用いる溶加材が、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:9.0〜12.0質量%、Cr:19.5〜23.5質量%、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下を含有し、残部不可避的不純物及びFeからなることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。 In the method of manufacturing a spent nuclear fuel storage rack for manufacturing by welding austenitic stainless steel containing boron,
The filler material used for the welding is C: 0.1 mass% or less, Si: 0.05 to 0.65 mass%, Mn: 1.0 to 2.5 mass%, P: 0.03 mass% or less. , S: 0.03% by mass or less, Ni: 9.0-12.0% by mass, Cr: 19.5-23.5% by mass, N: 0.1% by mass or less, Mo: 1.0% by mass Hereafter, the manufacturing method of the spent nuclear fuel storage rack characterized by containing Cu: 1.0 mass% or less and consisting of remainder unavoidable impurities and Fe.
前記溶接に用いる溶加材が、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:12.0〜15.0質量%、Cr:23.0〜27.0質量%、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下を含有し、残部不可避的不純物及びFeからなることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。 In the method of manufacturing a spent nuclear fuel storage rack for manufacturing by welding austenitic stainless steel containing boron,
The filler material used for the welding is C: 0.1 mass% or less, Si: 0.05 to 0.65 mass%, Mn: 1.0 to 2.5 mass%, P: 0.03 mass% or less. , S: 0.03% by mass or less, Ni: 12.0-15.0% by mass, Cr: 23.0-27.0% by mass, N: 0.1% by mass or less, Mo: 1.0% by mass Hereafter, the manufacturing method of the spent nuclear fuel storage rack characterized by containing Cu: 1.0 mass% or less and consisting of remainder unavoidable impurities and Fe.
溶接により形成される溶接金属中に、前記溶加材の組成に加えて、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの10〜20質量%が溶融混合する溶接条件で溶接することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。 In the manufacturing method of the spent nuclear fuel storage rack of Claim 1 or 2,
In the weld metal formed by welding, in addition to the composition of the filler material, welding is performed under a welding condition in which 10 to 20% by mass of the boron contained in the austenitic stainless steel is melt-mixed. Manufacturing method of spent nuclear fuel storage rack.
前記オーステナイト系ステンレス鋼に前記ボロンが1.0〜2.0質量%含有することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。 In the manufacturing method of the spent nuclear fuel storage rack of Claim 1 or 2,
A method for producing a spent nuclear fuel storage rack, wherein the boron is contained in the austenitic stainless steel in an amount of 1.0 to 2.0% by mass.
溶接により形成された溶接金属が、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:9.0〜12.0質量%、Cr:19.5〜23.5質量%、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下、残部不可避的不純物及びFeからなり、前記溶接金属中のδフェライト量が4.8〜15質量%であることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。 In spent nuclear fuel storage racks manufactured by welding austenitic stainless steel containing boron,
The weld metal formed by welding is C: 0.1 mass% or less, Si: 0.05 to 0.65 mass%, Mn: 1.0 to 2.5 mass%, P: 0.03 mass% or less. , S: 0.03% by mass or less, Ni: 9.0-12.0% by mass, Cr: 19.5-23.5% by mass, N: 0.1% by mass or less, Mo: 1.0% by mass Hereinafter, a spent nuclear fuel storage rack comprising Cu: 1.0 mass% or less, the balance of inevitable impurities and Fe, and the amount of δ ferrite in the weld metal being 4.8 to 15 mass%.
溶接により形成された溶接金属が、C:0.1質量%以下、Si:0.05〜0.65質量%、Mn:1.0〜2.5質量%、P:0.03質量%以下、 S:0.03質量%以下、Ni:12.0〜15.0質量%、Cr:23.0〜27.0質量%、N:0.1質量%以下、Mo:1.0質量%以下、Cu:1.0質量%以下、及び残部不可避的不純物及びFeからなり、前記溶接金属中のδフェライト量が4.8〜15質量%であることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。 In spent nuclear fuel storage racks manufactured by welding austenitic stainless steel containing boron,
The weld metal formed by welding is C: 0.1 mass% or less, Si: 0.05 to 0.65 mass%, Mn: 1.0 to 2.5 mass%, P: 0.03 mass% or less. S: 0.03 mass% or less, Ni: 12.0 to 15.0 mass%, Cr: 23.0 to 27.0 mass%, N: 0.1 mass% or less, Mo: 1.0 mass% Hereinafter, a spent nuclear fuel storage rack comprising Cu: 1.0% by mass or less and the balance of inevitable impurities and Fe, wherein the amount of δ ferrite in the weld metal is 4.8-15% by mass.
前記溶接金属は、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの10〜20質量%を含有することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。 The spent nuclear fuel storage rack according to claim 7 or 8,
The spent nuclear fuel storage rack, wherein the weld metal contains 10 to 20% by mass of the boron contained in the austenitic stainless steel.
前記オーステナイト系ステンレス鋼に前記ボロンが1.0〜2.0質量%含有することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。 The spent nuclear fuel storage rack according to claim 7 or 8,
A spent nuclear fuel storage rack, wherein the boron is contained in the austenitic stainless steel in an amount of 1.0 to 2.0% by mass.
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