JP2005103631A - 異種材料の溶接方法および低温液化ガスの配管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接施工の手間を増加させることなく、しかも、インバー配管とオーステナイト系ステンレス鋼配管の溶接部における発生応力を抑制することができるような異種材料の溶接方法および低温液化ガスの配管構造を提供する。
【解決手段】 オーステナイト系ステンレス鋼からなる部材１ａ，３ａ，３ｂ，６ａとインバーからなる部材２０，２２とを溶接施工するにあたり、下式を満たすような溶接材料を用いて溶接を行なう。
０．６ ≦ ρ ≦ １．２
ρ ＝ （αs＋αi）／２αw
ここにおいて、αsはオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数、αiはインバーの線膨張係数、αwは溶接材料の線膨張係数である。
【選択図】 図９

Description

本発明は、例えば、液化天然ガス受入用の配管や設備を構築する際に用いられる異種材料の溶接方法およびそれを用いた低温液化ガスの配管構造に関するものである。

一般に、液化天然ガス（以下、ＬＮＧと略す。）の受入れ基地においては、専用の貯蔵タンクを有するＬＮＧタンカー等の船舶によって運ばれてきたＬＮＧを受入れるためのＬＮＧ棧橋に設置されたローディングアームや、このローディングアームを介して送られてくるＬＮＧを一旦貯留しておく貯槽、さらには貯槽からＬＮＧポンプによって送り出されたＬＮＧを気化させて都市ガス用、火力発電設備の燃料用あるいは工業用として送出するための気化器といった各種の設備が配置されており、これら諸設備はＬＮＧの移送配管によって互いに接続されている。

図１０は、従来のこの種のＬＮＧの受入れ基地における一部分を示すもので、図中符号１はＬＮＧ棧橋２に設けられてＬＮＧタンカー側の配管と接続されるローディングアームであり、符号３はこのローディングアーム１によって送られてくるＬＮＧを一旦蓄えておくための貯槽である。そして、ローディングアーム１と貯槽３とは、弁４を介して配管された受入れ母管（移送配管）５によって接続されている。また、ＬＮＧ棧橋２には、ローディングアーム１と並列してローディングアーム６が配設されている。このローディングアーム６には、貯槽３の上部から導かれたリターンガス管７がブロア８を間に介して接続されており、ＬＮＧの受入れ中に発生するボイルオフガス（ＢＯＧ）の一部が貯槽３からブロア８によってリターンガス管７を経てＬＮＧタンカー側の貯槽に返送されることにより、当該タンカー側の貯槽内圧をほぼ一定に保持するようになっている。さらに、この受入れ基地には、貯槽３内のＬＮＧを送出すＬＮＧポンプ１０およびこれによって送出されたＬＮＧを気化させるための気化器（図示を略す。）等の諸設備が配置されており、これら設備も、送出管９等の移送配管によって互いに接続されている。

このようなＬＮＧ受入れ基地において、ローディングアーム１および６、貯槽３あるいは気化器といった諸設備間を接続する受入れ母管５、リターンガス管７あるいは送出管９等の移送配管は、約−１６０℃のＬＮＧを移送するものであるために耐腐食性や低温特性の観点から、もっぱらオーステナイト系ステンレス鋼製の管材が用いられている。一方、この種の移送配管のうち、特に受入れ母管５およびリターンガス管７においては、立地上の条件から、ローディングアーム１の設けられたＬＮＧ棧橋２と貯槽３との距離が少なくとも数百ｍ、長いものにあっては数キロｍと長距離にわたって配管されている。加えて、その配管敷設時から実際の運転時に至るまでの間に、いずれも常温から約−１６０℃または約−１３０℃間の温度変化を受けることになる。このため、通常図１０に示すように、配管途中の５０〜６０ｍおきに曲り部５ａ、７ａを設けることにより、この温度差に起因する配管の熱伸縮を吸収するようにしている。

この結果、このような従来の受入れ母管５やリターンガス管７にあっては、全体としての管長が長くなるとともに、常温から約−１６０℃間の熱収縮を吸収するために、配管の多数の箇所に曲り部５ａ、７ａを設置する必要が有り、よって施工時における必要資材や工事量が多くなって工期の長期化と建設費の高騰化、さらには保守管理における煩雑さを招くという問題点があった。しかも、多数の曲り部５ａ、７ａによって圧力損失が大きくなるために、これを考慮して受入れ母管５やリターンガス管７の管径も必要以上に大きく設定しなければならず、圧送装置の能力の増大などが必要となり、かかる観点からも経済性に劣るという問題点があった。特に、近年、このような配管を地下のトンネルや管渠に設置することが多くなり、このような問題点は一層顕著になっている。

そこで、上記のような移送配管の素材として、オーステナイト系ステンレス鋼に替えて、低線膨張係数であるインバーの採用が検討されている。インバー（３６％ニッケル鋼）は、線膨張係数がオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数の約１／１０と極めて小さいものである。インバーはＮｉ含有量が大きいためにオーステナイト系ステンレス鋼よりも高価であるが、上記の用途においては、曲り部の配置を１／１０にすることができるので、上述したような設計上、施工上および保守管理上の多くの問題点を軽減し、コスト的にも改善が期待できる。

ところで、このように移送配管としてインバーを採用する場合、他のオーステナイト系ステンレス鋼からなる装置、例えばローディングアーム１および６、貯槽３あるいは気化器、あるいは適宜設けられる弁装置等との接続部では、インバーとオーステナイト系ステンレス鋼との異種金属間の溶接接合が必要となる。

しかしながら、上述したように、移送配管は一般に３００〜１０００ｍｍφと大径であり、かつインバーはオーステナイト系ステンレス鋼と比較して線膨張係数が約１／１０と大幅に異なることから、設備から延出するオーステナイト系ステンレス鋼からなる配管と直接溶接接合すると、これら素材の線膨張係数の相違に起因する径方向の熱伸縮量の差を吸収するために溶接部において過大な応力が発生し、熱伸縮が繰り返し作用した場合には当該溶接部が破損する虞がある。

このような溶接施工上の問題点を解決するために、特許文献１には、インバー配管とオーステナイト系ステンレス鋼配管の間に、９％Ｎｉ鋼からなる中間配管を介在させることにより、応力を緩和する方法が記載されている。

特開２０００−１１７４２０号公報

しかしながら、上記のような中間配管を用いる方法では、そのために別の部材を用意しなければならず、また溶接の手間も２倍に増えるため、施工費用の増加を免れない。

この発明は、上記背景に鑑み、溶接施工の手間を増加させることなく、しかも、インバー配管とオーステナイト系ステンレス鋼配管の溶接部における発生応力を抑制することができるような異種材料の溶接方法および低温液化ガスの配管構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の異種材料の溶接方法は、オーステナイト系ステンレス鋼からなる部材とインバーからなる部材とを溶接施工するにあたり、下式を満たすような溶接材料を用いて溶接を行なうことを特徴とする。
０．６ ≦ ρ ≦ １．２
ρ ＝ （αs＋αi）／２αw
ただし、αsはオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数、αiはインバーの線膨張係数、αwは溶接材料の線膨張係数である。

請求項１に記載の発明においては、上記の式を満たす溶接材料を用いて形成した溶接部においては、溶接部およびこれに隣接する領域における発生応力が、各材料（オーステナイト系ステンレス鋼およびインバー）における発生応力の許容値、すなわち、材料の降伏点（または０．２％耐力）の２倍の値または引張強さの内、いずれか小さい方の値より小さくなる。したがって、発生応力が過大となることがなく、このような熱影響を繰り返して受けた場合でも、常温から−１６０℃への冷却の際に割れの発生や破損等を起こすことがない。

請求項２に記載の異種材料の溶接方法は、請求項１に記載の異種材料の発明において、前記溶接材料は、ＪＩＳ規格Ｚ３３３２に規定する９％ニッケル鋼用ティグ溶加棒およびソリッドワイヤに相当するものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明においては、線膨張係数比ρが約０．９であり、いずれの部材において発生する応力も、それぞれの許容値を充分に下回ることが確認された。また、溶接継手部における曲げ試験、衝撃試験等の機械的試験においても、良好な結果が得られた。

請求項３に記載の異種材料の溶接方法は、請求項１または請求項２に記載の異種材料の発明において、前記オーステナイト系ステンレス鋼からなる部材および前記インバーからなる部材は、配管であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明においては、オーステナイト系ステンレス鋼からなる配管および前記インバーからなる配管が、上式を満たすような溶接材料を用いて溶接されており、両者の径方向の伸縮量の差によって発生する応力を低減されるので、冷却の際の割れの発生や破損が防止できる。

請求項４に記載の低温液化ガスの配管構造は、低温液化ガスの配管構造であって、オーステナイト系ステンレス鋼からなる配管とインバーからなる配管とが、下式を満たすような溶接材料を用いて溶接を行なうことにより接合されていることを特徴とする。
０．６ ≦ ρ ≦ １．２
ρ ＝ （αs＋αi）／２αw
ただし、αsはオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数、αiはインバーの線膨張係数、αwは溶接材料の線膨張係数である。

請求項４に記載の発明においては、上記の式を満たす溶接材料を用いて形成した配管の溶接部においては、溶接部およびこれに隣接する領域における発生応力が従来から採用されているその材料における発生応力の許容値以下になるので、冷却の際に割れの発生や破損等を起こすことがない。したがって、異種材料からなる配管どうしを、手間やコストを増大させることなく、直接に溶接接合することができる。

請求項５に記載の低温液化ガスの配管構造は、請求項４に記載の発明において、前記溶接材料が、ＪＩＳ規格Ｚ３３３２に規定する９％ニッケル鋼用ティグ溶加棒およびソリッドワイヤに相当するものであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明においては、線膨張係数比ρが約０．９であり、いずれの配管において発生する応力も、それぞれの許容値を充分に下回ることが確認された。また、溶接継手部における曲げ試験、衝撃試験等の機械的試験においても、良好な結果が得られ、優れた性能を有する配管構造が構築されることが確認された。

この発明によれば、溶接部およびこれに隣接する領域における発生応力が従来から採用されているその材料における発生応力の許容値以下になるので、発生応力が過大となることがなく、このような熱影響を繰り返して受けた場合でも、溶接の際に割れの発生や破損等を起こすことがない。したがって、インバーおよびオーステナイト系ステンレス鋼からなる部材を直接溶接することができ、これらの部材を使用した設備を、コストの増加や工期の延長を伴うことなしに建設することができる。

図１は、本発明に係る低温液化ガスの移送配管構造をＬＮＧ受入れ基地における移送配管構造に適用した実施形態を示すもので、図１０に示した従来のものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
図１に示すように、このＬＮＧ受入れ基地においては、ローディングアーム１に接続されたオーステナイト系ステンレス鋼からなる配管１ａと、貯槽（設備）３に接続されたオーステナイト系ステンレス鋼からなる配管３ａとの間にインバーからなる受入れ母管（移送用の配管）２０が配管されている。配管１ａと配管２０、および配管２０と配管３ａとは、それぞれ溶接部２１によって直接に溶接接合されている。また、ローディングアーム６に接続されたオーステナイト系ステンレス鋼からなる配管６ａと、貯槽３に接続されたオーステナイト系ステンレス鋼からなる配管３ｂとの間にインバーからなるリターンガス管２２が配管され、配管６ａと配管２２、および配管２２と配管３ａとは、それぞれ溶接部２１によって直接に溶接接合されている。

本発明において移送配管の素材として用いられているインバー（３６％ニッケル鋼）は、Ｎｉの含有率が３５〜３６％のニッケル鋼の一種（標準組成は、Ｍｎ；０．４％、Ｃ；０．２、Ｎｉ；３６％、残部Ｆｅ）であり、線膨張係数が約１．５×１０^-6／℃であって、オーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数の約１／１０と極めて小さいものであることから、従来、薄板としてバイメタルや精密部品に、また厚板として精密部品成形用の治具等として用いられているものである。オーステナイト系ステンレス鋼からなる配管としては、例えば、ＪＩＳ規格Ｇ３４５９のＳＵＳ３０４ＴＰやＪＩＳ規格Ｇ３４６８のＳＵＳ３０４ＴＰＹなどである。

溶接部２１は、図２に示すように、この実施の形態では、オーステナイト系ステンレス鋼からなる配管１ａ，６ａ，３ａ，３ｂおよびインバーからなる配管２０，２２の突き合わせ部にＶ字状の開先を形成し、これに適宜の溶接材料を用いて溶接を行い、溶接金属Ｍを形成している。上記溶接接合は、被覆金属アーク溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接あるいはプラズマ溶接などによって行われる。溶接材料は、その線膨張係数αwが、インバーの線膨張係数αiとオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数αsに対して、以下の式を満たすように選択されている。
０．６ ≦ ρ ≦ １．２
ρ ＝ （αs＋αi）／２αw
ここで、ρは、溶接材料の線膨張係数αwに対する、インバーの線膨張係数αiとオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数αsの平均値の比を表すもので、線膨張係数比と呼ぶことができる。線膨張係数比ρの値は、より好ましくは、
０．７ ≦ ρ ≦ １．１
である。

なお、溶接材料の選択においては、上記のような線膨張係数比ρは１つの基準であって、このような条件を満たすものの中から、他の選択基準である、インバーやオーステナイト系ステンレス鋼との成分の共通性やコスト等をも考慮して決定すればよい。

上記のようにして選択した溶接材料を用いて作製した溶接部においては、溶接部およびこれに隣接する領域における発生応力が過大となることがなく、したがって、冷却の際に割れの発生や破損等を起こすことがないことが、有限要素法によるシミュレーションによって発見され、実施により確認されている。それについては、後に詳しく説明する。

このように構成したＬＮＧ受入れ基地における移送配管構造によれば、長距離の配管となるＬＮＧの受入れ母管２０およびリターンガス管２２の素材としてインバーを用いているので、従来のオーステナイト系ステンレス鋼の配管と比較して、常温から液化温度までの間の熱伸縮量を約１／１０に低減させることができ、よってこれら受入れ母管２０およびリターンガス管２２に介装すべき曲り部２０ａ、２２ａも約１／１０に削減することができる。この結果、上記受入れ母管２０およびリターンガス管２２の全体としての管長を短くして構造の簡易化を図ることができ、よって所要資材や施工の手間さらには保守管理を大幅に低減化することができる。加えて、曲り部２０ａ、２２ａの設置箇所が減少する結果、全体としての圧力損失を低減化させることができるため、これら受入れ母管２０およびリターンガス管２２の管径を小さくすることもできて経済的である。

また、溶接接合の際に、インバーとオーステナイト系ステンレス鋼の間に他の中間配管を介在させて溶接する必要がないので、そのような部材を用意する必要がなく、溶接回数が増えることもない。したがって、溶接作業のコストや所要時間が増加することもなく、このようなＬＮＧ受入れ設備の建設コストの増加や工期の延長といった事態を引き起こすこともない。

以下、本発明の溶接方法について、実施例をもって説明する。
以下の実施例において使用した母材および溶接材料の組成および線膨張係数を表１に示す。

まず、配管管径４００ｍｍφ、配管肉厚１０ｍｍのインバーからなる配管と、配管管径４００ｍｍφ、配管肉厚１０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる配管とに、図２に示すようなＶ開先を形成して、実施例１の溶接材料を用いて溶接した。このように溶接した配管を常温から液体窒素温度（−１９６℃）に冷却し、溶接部における応力を測定した。

また、冷却時に溶接部に掛かる応力を評価するために、コンピュータシミュレーションによる熱応力解析を行った。汎用有限要素法プログラムであるＡＢＡＱＵＳver5.5（商品名、米国Hibbitt, Karlson and Sorensen Inc.）を用い、使用要素は、２次元軸対称ソリッド要素とした。
解析モデルでは、溶接部の余盛を省略し、モデル範囲は、配管の長手方向において、熱収縮による曲げ変形の影響が及ばない程度に接合部から充分離れた位置までとした。拘束条件は、モデルの一方の端部を固定し、他端部を管軸方向に変形一定とした線型拘束とした。解析において使用した物性値を表２に示す。

図３は、シミュレーションにおける解析モデルの要素分割を示す。また、図４および図５に、シミュレーションの結果と、実際の溶接部における応力測定結果を示す。図４は、配管の長手方向応力の分布を、図５は、周方向応力の分布をそれぞれ示している。これらの図において、横軸は溶接部中心からの距離（ｍｍ）、縦軸は応力値（Ｎ／ｍｍ² ）を示している。これらの図から、シミュレーションの結果は実測値と一致していることが分かる。

そこで、このシミュレーションによる熱応力解析を、さらに広い範囲の溶接材料に適用した。ここでは、配管管径４００ｍｍφ、配管肉厚１２ｍｍのインバーからなる配管と、配管管径４００ｍｍφ、配管肉厚１２ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる配管とに、図２に示すようなＶ開先を形成して、いくつかの溶接材料を用いて溶接し、溶接した配管を常温からＬＮＧ温度（−１６２℃）に冷却する際の、溶接部における応力を算出した。対象とした溶接材料は、図９に示すように、先の式で表される線膨張係数比ρが０．５５〜５．５の間で適当に分布するようなもの８つを選択した。これらのうちで実際に溶接材料が入手できているのは、表１において実施例１，２および比較例１，２として示すものであり、その他は、そのようなρを有すると仮定した溶接材料である。

図６ないし図８は、算出した溶接部における応力をプロットした応力分布図の例を示す図である。なお、以下においては、配管の長手方向応力と周方向応力の合成応力の分布を検討対象としている。
図６は、溶接材料として、ＪＩＳ規格Ｚ３３３２において、ＹＧＴ９Ｎｉ−２として規定する溶接材料に相当するものを使用した場合（実施例１）を示す。この溶接材料のρは約０．９である。この図によれば、応力強さは、溶接金属とそれぞれの母材との境界部分でピークを示しており、オーステナイト系ステンレス鋼側で約３５０Ｎ／ｍｍ² 、インバー側で約３１０Ｎ／ｍｍ² である。

図７は、溶接材料としてインバーと同じ成分系のものを採用した比較例１であり、ρは約５．５である。この場合は、応力強さは、オーステナイト系ステンレス鋼側の母材と溶接金属の境界でのみ約５５０Ｎ／ｍｍ² のピークを示しており、インバー側の境界部の応力強さは約１５０Ｎ／ｍｍ²
である。さらに、図８は、溶接材料としてオーステナイト系ステンレス鋼と同じ成分系のものを採用した比較例２であり、ρは約０．５５である。この場合は、応力強さは、インバー側でのみ約４８０Ｎ／ｍｍ²
のピークを示し、オーステナイト系ステンレス鋼側の境界部の応力強さは約１９０Ｎ／ｍｍ² である。

図９は、図６ないし図８の例を含む各実施例および比較例における、インバー側およびオーステナイト系ステンレス鋼側の最大応力強さを、それぞれの場合の線膨張係数比ρをパラメータとして整理したものである。図中、右上がりの線は、オーステナイト系ステンレス鋼と溶接金属との境界部における最大応力強さを表す点を結んだもの、右下がりの線はインバーと溶接金属との境界部における最大応力強さを表す点を結んだものである。実施例１、比較例１，２は、それぞれａ、ｂ、ｃによって表されている。また、実施例２はｄで表されている。これらの線は、インバーに関しては漸減、オーステナイト系ステンレス鋼に関しては漸増となる有意な傾向を示している。

このグラフを検討すると、以下のことが理解できる。すなわち、
０．６ ≦ ρ ≦ １．２
を満たすものは、オーステナイト系ステンレス鋼の境界部における発生応力が４１０Ｎ／ｍｍ² （σs）以下であり、インバー側の境界部における発生応力が４４０Ｎ／ｍｍ²
（σi）以下である。これらの値（σs，σi）は、それぞれの材料の降伏点（または０．２％耐力）の２倍の値または引張強さの内、いずれか小さい方の値であり、これらは、溶接部において発生する応力に関して、一般的に認められている許容値である。

したがって、本発明において規定した線膨張係数比が、０．６
≦ ρ ≦ １．２ であれば、いずれの母材の境界部における応力もそれぞれの許容値（σs，σi）を下回り、溶接時において過大な熱応力が発生することを防止できることが分かる。

なお、本発明は、上記実施の形態や実施例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の趣旨に添う範囲において変更が可能である。例えば、溶接材料としては、ＪＩＳ規格Ｚ３３３２において、ＹＧＴ９Ｎｉ−１，ＹＧＴ９Ｎｉ−３として規定されているものと同等のもの、あるいはＪＩＳ規格Ｚ３３３４において、ＹＮｉＣｒ−３として規定されているものと同等のものを採用することができる。また、ここで例示したか否かに拘わらず、０．６
≦ ρ ≦ １．２であるような溶接材料を用いることが、発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明の低温液化ガスの移送配管構造の実施形態を示すＬＮＧ受入れ基地の一部を示す概略構成図である。 本発明の異種材料の溶接方法における溶接部の構造を示す断面図である。 本発明の異種材料の溶接方法を説明するためのコンピュータシミュレーションの要素分割を示す図である。 コンピュータシミュレーションによる応力分布図と、実際に施工した溶接部における応力測定結果を示すグラフである。 同じく、コンピュータシミュレーションによる応力分布図と、実際に施工した溶接部における応力測定結果を示すグラフである。 本発明の異種材料の溶接方法を説明するためのコンピュータシミュレーションの応力分布図である。 同じく、本発明の異種材料の溶接方法を説明するためのコンピュータシミュレーションの応力分布図である。 同じく、本発明の異種材料の溶接方法を説明するためのコンピュータシミュレーションの応力分布図である。 本発明の異種材料の溶接方法を説明するためのコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフである。 従来の低温液化ガスの移送配管構造を示すＬＮＧ受入れ基地の一部を示す概略構成図である。

符号の説明

１ａ、３ａ、３ｂ、６ａ オーステナイト系ステンレス鋼からなる配管
２０ 受入れ母管（移送配管）
２１ 溶接部
２２ リターンガス管（移送配管）
Ｍ 溶接金属

Claims (5)

1. オーステナイト系ステンレス鋼からなる部材とインバーからなる部材とを溶接施工するにあたり、下式を満たすような溶接材料を用いて溶接を行なうことを特徴とする異種材料の溶接方法。
   ０．６ ≦ ρ ≦ １．２
   ρ ＝ （αs＋αi）／２αw
   ただし、αsはオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数、αiはインバーの線膨張係数、αwは溶接材料の線膨張係数である。
2. 前記溶接材料は、ＪＩＳ規格Ｚ３３３２に規定する９％ニッケル鋼用ティグ溶加棒およびソリッドワイヤに相当するものであることを特徴とする請求項１に記載の異種材料の溶接方法。
3. 前記オーステナイト系ステンレス鋼からなる部材および前記インバーからなる部材は、配管であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の異種材料の溶接方法。
4. 低温液化ガスの配管構造であって、オーステナイト系ステンレス鋼からなる配管とインバーからなる配管とが、下式を満たすような溶接材料を用いて溶接を行なうことにより接合されていることを特徴とする低温液化ガスの配管構造。
   ０．６ ≦ ρ ≦ １．２
   ρ ＝ （αs＋αi）／２αw
   ただし、αsはオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数、αiはインバーの線膨張係数、αwは溶接材料の線膨張係数である。
5. 前記溶接材料は、ＪＩＳ規格Ｚ３３３２に規定する９％ニッケル鋼用ティグ溶加棒およびソリッドワイヤに相当するものであることを特徴とする請求項４に記載の低温液化ガスの配管構造。

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