JP2005111513A - 残留引張応力緩和方法および溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配管の既設溶接継手部の残留引張応力を緩和する。
【解決手段】配管２０の既設溶接継手部２４を含む配管の外側を加熱してこの既設溶接継手部を覆う膜３０を形成するように肉盛溶接を行ない、その後に配管２０を冷却して膜３０を収縮させて、既設溶接継手部２４の内面に圧縮残留応力を生じさせる。肉盛溶接時に、配管２０の内部を冷却してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、残留引張応力緩和方法および溶接装置に関し、特に、配管の溶接継手部に生じる引張残留応力を緩和する方法およびその方法に好適な溶接装置に関する。

種々の設備に設置される配管の溶接接続において、溶接継手（従来の溶接開先および新しい狭開先のいずれにおいても）を採用する場合、溶接後その継手の内面近傍に大きな引張残留応力が生ずる。原子力発電プラントなどのステンレス鋼配管の場合、この引張残留応力により応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する原因となりうる。

ステンレス鋼配管のＳＣＣは、材料因子（材料鋭敏化、内表面極表層部の硬化層）、環境因子（水質環境）、および、応力因子（引張残留応力）の３つの因子が重畳して生じることが知られている。ＳＣＣ防止として最も効果的な対策としては、応力因子（引張残留応力）を取り除くことが挙げられ、引張残留応力を圧縮残留応力に改善することにより、ＳＣＣ防止を図ることができる。

配管溶接部の引張残留応力を緩和する技術については、例えば特許文献１および２が知られている。特許文献１は、サーマルスリーブを有するノズルに関するもので、誘導加熱装置などの高出力加熱装置により加熱する技術を開示している。また、特許文献２は、原子炉内部の配管の溶接部について、内外面で同時に、ＳＣＣ防止処理を行なおうとするものである。
特開昭６２−２４７０２５号公報 特開２０００−２５４７７６号公報

既設の配管溶接部の引張残留応力を緩和または圧縮応力に変える技術として、通常の配管溶接機を適用可能な簡便な技術が確立されていない。
本発明の目的は、既設の配管溶接部の引張残留応力を緩和する技術として、通常の配管溶接機を適用可能な簡便な残留引張応力緩和方法およびその方法の実施に好適な溶接装置を提供することにある。

本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、配管の既設溶接継手部の残留引張応力緩和方法において、前記配管の既設溶接継手部を含む配管の外側を加熱してこの既設溶接継手部を覆う膜を形成するように肉盛溶接を行なう肉盛溶接工程と、前記肉盛溶接工程の後に前記配管を冷却して前記膜を収縮させる冷却工程と、を有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、配管の既設溶接継手部の残留引張応力緩和のための溶接装置において、溶接機ヘッドと、この溶接機ヘッドを前記配管の外表面に沿って駆動する駆動装置と、前記溶接機ヘッドが前記既設溶接継手部を覆う範囲を移動するように前記駆動装置を制御する移動制御装置と、前記既設溶接継手部を覆う範囲に肉盛溶接を施すように制御する溶接制御装置と、を有すること、を特徴とする。

本発明によれば、配管溶接継手部内面の引張残留応力を緩和または圧縮残留応力に変換できる。このため、配管のＳＣＣの防止または抑制に有効である。

以下に、図面を参照しながら本発明に係る残留引張応力緩和方法およびこれに好適な溶接装置の実施の形態について説明する。ここで、相互に同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態を示すものである。図１（ａ）は、既設の配管２０の溶接接合部付近を示す。２本の配管２０の両方の合わせ端部に開先２２を設け、これらを互いに軸方向（配管長手方向）に突き合わせた状態で溶接し、既設溶接継手部２４が形成されている。この図の例では、開先２２は、配管内面２６から配管外面２８に向かって比較的大きく開いた従来開先２２の例を示している。

次に、図１（ｂ）に示すように、既設溶接継手部２４の外側を覆う範囲で、薄い肉盛溶接を行なう。これにより、薄い肉盛溶接部３０が形成される。この実施の形態では、配管２０の内部は空の状態で行なう。肉盛溶接の方向は、矢印３２に示すように、配管２０の軸方向に沿って上流側または下流側から一方向に順次進めていく。この肉盛溶接により、肉盛溶接部３０およびそれに近い配管２０の外側部分が高温になり、その後、しだいに放熱してやがて環境温度にまで戻る。この温度変化については図３を参照して後述する。

肉盛溶接の範囲は、既設溶接継手部２４をカバーすることは当然であるが、さらに、供用期間中検査（例えば定期検査）での検査対象範囲全体について超音波探触子で走査する範囲をカバーするのが望ましい。肉盛溶接部３０の端部３３に段差が形成され、その部分に超音波探触子（図示せず）が当たると検査に支障がありうるからである。通常の供用期間中検査での検査対象範囲は、配管外面の母材・溶材端面より上流下流それぞれに１０ｍｍ程度の範囲である。そして、この検査対象範囲を検査するために超音波探触子を走査する範囲は、配管の最小厚さをＴ、探傷角度をθとした時に、直射法で試験する場合には、
Ｌ＝Ｔ×tanθ （１）
一回反射法で試験する場合は、
Ｌ＝２Ｔ×tanθ （２）
で求められるＬを検査対象範囲の上流および下流それぞれにさらに加えた範囲である。

本実施の形態では、検査対象範囲全体について超音波探触子で走査する範囲に連続して肉盛溶接部３０が形成されているため、超音波探触子を用いた検査に支障を及ぼす段差が形成されない。このため、超音波探触子を用いた検査を適切に行うことができる。

図２は、は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態の変形例を示すものである。図２（ａ）は、既設の配管２０の溶接接合部が狭開先３４を形成している場合を示す。このときの既設溶接継手部３６は図１（ａ）の場合に比べて狭くなっている。この場合の肉盛溶接の仕方（図２（ｂ））は、図１（ｂ）に示した方法と同様である。

図３は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態（図１）またはその変形例（図２）における肉盛溶接時の配管２０の肉厚方向の温度分布を示す。このとき配管外面２８から熱が流入するので、配管外面２８での温度が上昇する。配管内面２６では比較的温度が低い。このため、この温度分布に応じて熱膨張が生じている。

図４は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態またはその変形例における冷却後の溶接部の板厚方向の応力分布を示す。図３に示したように肉盛溶接時には、配管２０の板厚方向の温度状態は外面側の温度が高く、肉盛溶接部３０およびその近傍は熱膨張により配管２０の内面側に比べて伸びが大きくなっている。肉盛溶接後に、配管２０全体が冷却されると、肉盛溶接部３０の近傍が熱収縮しようとするので、これによって配管２０の内面側に圧縮応力を作り出すことができる。このため、配管内面側でのＳＣＣの防止または抑制を図ることができる。
なお、このとき配管２０外面側には引張応力が発生するが、通常、配管２０の外側は、その環境因子（通常は乾燥状態）がＳＣＣ発生要件を満たしていないので問題にならない。

図５は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第２の実施の形態を示すものである。図５（ａ）は、既設の配管２０の溶接接合部を示す。これは、図１（ａ）に示す第１の実施の形態と同様である。

次に、図５（ｂ）に示すように、既設溶接継手部２４の外側を覆う範囲で、薄い肉盛溶接を行なう。この実施の形態では、肉盛溶接の方向は、矢印４０に示すように、既設溶接継手部２４の中心４２を始点として、配管２０の上流側および下流側の両方に向かって順次進めていく。この場合、既設溶接継手部２４の中心４２の表面で凹凸が生じる場合がある。そのため、肉盛溶接後に中心４２の表面を研磨して平坦にしておくことが望ましい。表面が平坦な方が、供用期間中検査で超音波探触子（図示せず）を接触させたときに正確な検査ができるからである。

図６は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第２の実施の形態の変形例を示すものである。図６（ａ）は、図２（ａ）と同様に、既設の配管２０の溶接接合部が狭開先３４を形成している場合を示す。このときの既設溶接継手部３６は図５（ａ）の場合に比べて狭くなっている。この場合の肉盛溶接の仕方（図６（ｂ））は、図５（ｂ）に示した方法と同様である。

ここに示した第２の実施の形態およびその変形例における肉盛溶接時の配管２０の肉厚方向の温度分布および冷却後の溶接部の板厚方向の応力分布については、第１の実施の形態（図３、図４）と同様である。

図７は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態を示すものである。図７（ａ）は、既設の配管２０の溶接接合部を示す。これは、図１（ａ）に示す第１の実施の形態と同様である。

次に、図７（ｂ）に示すように、既設溶接継手部２４の外側を覆う範囲で、薄い肉盛溶接を行なう。この実施の形態では、肉盛溶接を行なっているときに、配管２０内に冷却用流体、例えば冷却水５０を流して配管内面２６を冷却する。その他は、第１の実施の形態（図１（ｂ））と同様である。

肉盛溶接時に配管２０内に冷却水５０を流して配管内面２６を冷却することにより、配管２０の肉厚方向の温度差を大きくすることができる。この点については、図９を参照して後述する。

図８は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態の変形例を示すものである。図８（ａ）は図２（ａ）と同様に、既設の配管２０の溶接接合部が狭開先３４を形成している場合を示す。このときの既設溶接継手部３６は図７（ａ）の場合に比べて狭くなっている。この場合の肉盛溶接の仕方（図８（ｂ））は、図７（ｂ）に示した方法と同様である。

図９は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態（図７）またはその変形例（図８）における肉盛溶接時の配管２０の肉厚方向の温度分布を示す。このとき配管外面２８から熱が流入するので、配管外面２８での温度が上昇する。配管内面２６では比較的温度が低い。このため、この温度分布に応じて熱膨張が生じている。この実施の形態では、配管内面２６が冷却水５０によって冷却されているので、配管内面２０と配管外面２８との温度差が第１または第２の実施の形態の場合（図３）よりも大きい。

図１０は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態またはその変形例における冷却後の溶接部の板厚方向の応力分布を示す。図９に示したように肉盛溶接時には、配管２０の板厚方向の温度状態は外面側の温度が高く、肉盛溶接部３０は熱膨張により配管の内面側に比べて伸びが大きくなっている。肉盛溶接後に、配管２０全体が冷却されると、肉盛溶接部３０が熱収縮しようとするので、これによって配管２０の内面側に圧縮応力が生じる。この実施の形態では、肉盛溶接時に配管内面２６が冷却水５０によって冷却されているので、肉盛溶接時の配管内面２０と配管外面２８との温度差が大きく、したがって、配管２０全体の冷却後の配管２０内面での圧縮応力が、第１および第２の実施の形態（図４）に比べて大きくなっている。

図１１は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第４の実施の形態を示すものである。図１１（ａ）は、既設の配管２０の溶接接合部を示す。これは、図１（ａ）に示す第１の実施の形態および図５（ａ）に示す第２の実施の形態と同様である。

次に、図１１（ｂ）に示すように、既設溶接継手部２４の外側を覆う範囲で、薄い肉盛溶接を行なう。この実施の形態では、肉盛溶接の方向を第２の実施の形態（図５）と同様に、既設溶接継手部２４の中心４２から遠ざかる方向としている。その他は、第３の実施の形態（図７（ｂ））と同様である。

図１２は、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第４の実施の形態の変形例を示すものである。図１２（ａ）は、図２（ａ）、図６（ａ）と同様に、既設の配管２０の溶接接合部が狭開先３４を形成している場合を示す。この場合の肉盛溶接の仕方（図１２（ｂ））は、第４の実施の形態（図１１（ｂ））の場合と同様である。

ここに示した第４の実施の形態およびその変形例における肉盛溶接時の配管２０の肉厚方向の温度分布および冷却後の溶接部の板厚方向の応力分布については、第３の実施の形態（図９、図１０）と同様である。

図１３に、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１または第２の実施の形態（変形例を含む）（図１〜図６）に好適な溶接装置の実施の形態を示す。配管２０の既設溶接継手２４（または３６）を薄く覆う肉盛溶接を行なうものとする。

既設溶接継手２４（または３６）の近傍の配管２０に取付装置５を設置する。取付装置５には、溶接機ヘッド移動制御装置４、駆動装置３を取り付ける。溶接機ヘッド２は駆動装置３および溶接機ヘッド移動制御装置４に接続されている。溶接機ヘッド２はケーブル１０により溶接機１に接続されている。

駆動装置３により、溶接機ヘッド２は配管の軸方向および周方向に移動することができ、その移動ピッチ、範囲および移動速度の制御は溶接機ヘッド移動制御装置４で制御することができる。この構成により、既設溶接継手２４（または３６）を薄く覆う溶接範囲に肉盛溶接を施工することができる。

図１４に、本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３または第４の実施の形態（変形例を含む）（図７〜図１２）に好適な溶接装置の実施の形態を示す。この実施の形態では、配管２０内に冷却水を通水するための冷却水貯蔵装置６および冷却水循環装置７が、冷却水循環用配管８および冷却水循環用接続装置９を介して接続されている。この構成により、配管内面を通水した状態で、既設溶接継手を薄く覆う溶接範囲に溶接を施工することができる。

本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態の変形例を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態における肉盛溶接を行なっているときの溶接部の板厚方向の温度分布を示す要部立断面図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第１の実施の形態における冷却後の溶接部の板厚方向の応力分布を示す要部立断面図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第２の実施の形態を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第２の実施の形態の変形例を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態の変形例を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態における肉盛溶接を行なっているときの溶接部の板厚方向の温度分布を示す要部立断面図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第３の実施の形態における冷却後の溶接部の板厚方向の応力分布を示す要部立断面図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第４の実施の形態を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る残留引張応力緩和方法の第４の実施の形態の変形例を説明するための要部立断面図であって、（ａ）は肉盛溶接を行なう前の状態を示す図、（ｂ）は肉盛溶接を行なった後の状態を示す図。 本発明に係る溶接装置の一実施の形態を示す模式的斜視図。 本発明に係る溶接装置の他の実施の形態を示す模式的斜視図。

符号の説明

１…溶接機、２…溶接機ヘッド、３…駆動装置、４…溶接機ヘッド移動制御装置、５…取付装置、６…冷却水貯蔵装置、７…冷却水循環装置、８…冷却水循環用配管、９…冷却水循環用接続装置、１０…ケーブル、２０…配管、２２…開先、２４…既設溶接継手部、２６…配管内面、２８…配管外面、３０…肉盛溶接部（膜）、３３…肉盛溶接部の端部、３４…狭開先、５０…冷却水。

Claims (6)

1. 配管の既設溶接継手部の残留引張応力緩和方法において、
   前記配管の既設溶接継手部を含む配管の外側を加熱してこの既設溶接継手部を覆う膜を形成するように肉盛溶接を行なう肉盛溶接工程と、
   前記肉盛溶接工程の後に前記配管を冷却して前記膜を収縮させる冷却工程と、
   を有することを特徴とする残留引張応力緩和方法。
2. 請求項１に記載の残留引張応力緩和方法において、前記既設溶接継手部は前記配管の周方向に延びており、前記肉盛溶接工程は、前記膜の形成が前記配管の長手方向に順次進行して前記既設溶接継手部上を通過するように進められること、を特徴とする残留引張応力緩和方法。
3. 請求項１に記載の残留引張応力緩和方法において、前記既設溶接継手部は前記配管の周方向に延びており、前記肉盛溶接工程は、前記膜の形成が、前記既設溶接継手部上から始められて前記配管の長手方向に前記既設溶接継手部から離れる方向に順次進行していくように進められること、を特徴とする残留引張応力緩和方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の残留引張応力緩和方法において、前記肉盛溶接工程は、前記配管の内側に冷却用流体を流しながら進められること、を特徴とする残留引張応力緩和方法。
5. 配管の既設溶接継手部の残留引張応力緩和のための溶接装置において、
   溶接機ヘッドと、
   この溶接機ヘッドを前記配管の外表面に沿って駆動する駆動装置と、
   前記溶接機ヘッドが前記既設溶接継手部を覆う範囲を移動するように前記駆動装置を制御する移動制御装置と、
   前記既設溶接継手部を覆う範囲に肉盛溶接を施すように制御する溶接制御装置と、
   を有すること、を特徴とする溶接装置。
6. 請求項５に記載の溶接装置において、前記配管の内側に冷却用流体を流すための冷却装置をさらに有すること、を特徴とする溶接装置。
   
   

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