JP2005152993A - 耐食性薄金属シートによる防食構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の耐食性薄金属シートによる防食構造は、金属基材1の表面に耐食性薄金属シート2を配し、基材1とシート2を溶融溶接により接合した後、貫通溶接部3を覆うように該耐食性薄金属シート2の他端又は他の耐食性薄金属シート4の端部をシート2の端部上に配置し、その重ね部端面を、基材1まで貫通しないように溶融溶接にて溶接し密閉することによって得られる。
【選択図】 図1
Description
〈要件1〉腐食環境に曝される溶接接合部が十分な耐食性を有すること
〈要件2〉ライニング材が密閉構造であり、被ライニング材が腐食環境に曝されないこと
〈要件3〉ライニング材と被ライニング材との接合強度が十分であること
また、経済性の観点から当然、以下の要件を満たすことが必要となる。
〈要件4〉ライニング工法が簡便であり、低コストで施工できること
したがって、本発明の目的は前記の各要件を満たすような防食構造を提供することにある。一方で、従来の金属構造物の防食構造およびライニング(被覆)方法としては、前記特許文献に示す様な各種の方法があったが、上記要件の観点から分析検討してみると、それぞれ以下に示す解決課題を残していることが分かった。
例えば、この点は特許文献1記載の発明の実施形態を示す図3から明らかである。特許文献1では、図3に示す継手形式1による防食構造を提案しており、明細書[0006]には「鋼管1の成分は溶着部6の表面にまで拡散しないので、溶接部の耐食性を損ねることはない」と記載されている。しかし、発明者らは実際に図3に示すレーザ溶接を行い、溶接部の耐食性を塩水噴霧試験により調査した結果、薄金属シートの耐食性よりも明らかに低下することを確認した。この実験では、被ライニング材である厚金属基材に、一般的な溶接用鋼であるSM490材を、薄金属シートにNiやCr等の耐食性元素を多量に含んだ耐食ステンレス鋼を使用した。溶接部の耐食性低下の原因は、溶接ビードが被ライニング材まで貫通したため、SM490材の希釈により、溶接金属のNiやCr量が薄金属シートよりも少なくなったためである。
従って、特許文献1記載の発明の実施形態を示す図3や特許文献3記載の発明の実施形態を示す図8、図9、図11及び図12の継手形式、すなわち厚金属基材を溶融した溶接金属部が腐食環境に曝される防食構造では、耐食性に問題がある。
この点については、特許文献2記載の発明の実施形態を示す図6を例に説明する。
特許文献2では、図6に示す継手形式3による防食構造を提案しており、インダイレクト抵抗シーム溶接により接合し、密閉シールすることを特徴としている。しかし、図6に示す様な継手形式による防食構造を、例えば海水の飛沫干満帯等に適用すると、重ね継手の端部において、2枚の薄金属シート間に隙間があるため、隙間腐食の問題が生じる。このとき、一般に隙間腐食は、母材よりも溶接熱影響部で問題となる可能性が高い。
同様の理由により、特許文献1の実施形態を示す図3や図4に示す継手形式においても、2枚の薄金属シート間に隙間が残っている場合には、耐食性に問題がある。
この点については、特許文献1記載の発明の実施形態を示す図4を例に説明する。
特許文献1では、図4に示す継手形式2による防食構造を提案しており、被ライニング材はライニング材に溶着されていないが、特許文献1の明細書[0008]には「薄板と鋼材の摩擦力や薄板と鋼材との間に接着材を塗布する等により防食構造を構築できる」と記載されている。しかし、上記明細書[0008]の記載による固定方法には、現実的には以下に示す様な課題がある。
また、「薄板と鋼材との間に接着材を塗布する」方法により防食構造を構築した金属構造物を実用に供した場合には、薄板の熱伝導を介して太陽光線により接着材が高温に熱せられ、熱可塑等により接着性能が劣化し、ライニング材の固定が外れる可能性がある。
この点については、特許文献3を例に説明する。
特許文献3では、抵抗溶接による固相接合とアーク溶接による溶融接合の組合せによる溶接被覆方法を提案しているが、経済性および耐食性の観点から、以下に示す3つの課題がある。
特許文献3の明細書[0017]の実施例に記載の様に、図7に示す抵抗溶接にはインダイレクトシーム溶接機が用いられているが、抵抗溶接用に数千アンペアの大容量の溶接電源が必要であり、さらに多大な電極加圧力が必要なため、その反力を取るために溶接装置が大掛りとなる。従って、抵抗溶接装置の価格はアーク溶接と比較して大幅に高い。
明細書[0003]に、「アーク溶接しようとすると(薄金属シートの)溶損を避けるために、1mm以上の板厚にしなければならず」と記載されている様に、アーク溶接単独では特に1mm未満の薄板溶接性は低い。そのため、特許文献3では、抵抗シームの固相接合部や図9、図12に示す厚肉の固定金属からアーク熱を拡散する工夫が取られているが、ライニング手順が煩雑となるため、施工コストの増加を招いている。
明細書[0009]には、「抵抗溶接による固相接合状態では接合界面にボイドまたは非金属介在物の残存が避けられない」と記載されているが、接合界面だけではなく、薄金属シート表面の抵抗溶接電極加圧部についても耐食性の低下が懸念される。発明者が実際に抵抗溶接を行い、電極加圧部の外観を観察したところ、薄金属シートの表面は若干酸化して変色しており、耐食性の低下が懸念される。
本発明は上記の課題を解決することを目的とするものである。
(2)前記耐食性薄金属シート同士の重ね部端面の溶融溶接を、レーザ溶接又はプラズマ溶接を用いて行うことを特徴とする(1)記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
(3)前記レーザ溶接又はプラズマ溶接において、前記耐食性薄金属シートよりも耐食性に優れる合金ワイヤを溶接部に添加することを特徴とする(2)記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
(4)前記厚金属基材と前記耐食性薄金属シートとの溶融溶接を、レーザ溶接又はプラズマ溶接を用いて行うことを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
(5)記厚金属基材と前記耐食性薄金属シートとの溶融溶接を、抵抗スポット溶接機による断続溶接によって行い、前記耐食性薄金属シート同士の重ね部端面の溶融溶接を、レーザ溶接又はプラズマ溶接を用いて該耐食性薄金属シートよりも耐食性に優れる合金ワイヤを溶接部に添加して行うことを特徴とする上記(1)記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
以下では、上記(1)〜(5)の発明を発明(1)〜発明(5)という。
また、レーザ溶接又はプラズマ溶接の適用により、溶接可能な限界板厚を減少できるため、高価な薄金属シートの材料費を低減できる。
発明(3)のように、薄金属シートの端面同士の重ね密閉溶接に薄金属シートよりも耐食性に優れた合金ワイヤを添加してレーザ溶接又はプラズマ溶接を行うことにより、耐食性の更なる改善が図れ、メンテナンス費用がさらに削減できる。
発明(5)のような構成とすることにより、後述するような理由により薄金属シートの貼り付け作業の簡素化が図れる。
この場合、被ライニング材が鋼管などの柱状のものであれば、一枚のシートを鋼管に巻き付けて、一枚のシート2の端部に形成された溶接ビード3を同じシートの他の端部によって覆うようにしてもよく、また、複数枚シートを使用する場合には溶接部3を他のシート4の端部で覆うようにしてもよい。
次いで、シート同士の重ね部の端面を溶融溶接にて密閉する。このときの溶接ビード5は、厚金属基材1まで貫通しないように溶接することが重要である。さらに、溶接ビード5は、シート2とシート4の隙間を確実に密閉する必要があるので、連続の重ね溶接とする。また、基材の耐食性を確保するために、溶接ビード5は、溶接ビード3と重ねないようにすることが望ましい。
プラズマ溶接のエネルギ密度は、MIG溶接やMAG溶接の消耗電極式アーク溶接よりも高いことが特徴である。従って、レーザ溶接と同様に、ビード幅が細く、低入熱高速度溶接に適するという特徴を有する。一般的には、エネルギ密度はレーザ溶接よりも低いとされているが、図1の溶接ビード5の施工においては、非貫通溶接が要求されることから、レーザ溶接ではエネルギ密度を敢えて低下させるため、焦点外し、いわゆるデフォーカスを行う方が好ましく、従ってプラズマ溶接でもレーザ溶接と同様の効果が期待できる。
レーザ溶接又はプラズマ溶接に合金ワイヤを添加する理由は、レーザ又はプラズマ単独溶接部の耐食性を改善するためである。レーザ又はプラズマ単独溶接は、ワイヤを添加しないRe−Melt溶接であり、溶接金属の耐食性が母材(薄金属シート)よりも低下する場合がある。これは、製造時に熱処理された母材の金属組織が溶接熱サイクルにより変化するためである。従って、レーザ又はプラズマ単独溶接部が要求される耐食性能を満足しない場合があるので、母材より耐食性に優れる合金ワイヤを添加し、レーザ溶接部又はプラズマ溶接部の耐食性を改善する。
すなわち、アーク溶接によって厚金属基材1に薄金属シート2を接合するとアーク入熱が過大であるため、薄金属シートの熱変形が大きく、特に1mm以下の板厚では施工性が著しく低下する。従って、実工事では図6(右側:継手形式4)に示す抵抗シーム溶接が適用されることが多い。しかし、前記課題4で述べた様に、抵抗シーム溶接には経済性や耐食性に課題がある。
溶接ビード3は厚金属基材1と耐食性薄金属シート2を固定するだけで、密閉性は要求されないことから、レーザ溶接又はプラズマ溶接ではなく、抵抗スポット溶接機による断続溶接も有効である。
すなわち、レーザ溶接又はプラズマ溶接適用のメリットは、既に述べたとおりであるが、図1の溶接ビード3と溶接ビード5の両方にレーザ溶接又はプラズマ溶接を適用すると、溶接装置が1種類で済むため、装置価格やライニング工程の簡素化が図れるというメリットがある。
溶接ビード3は溶込みが深くビード幅が狭い。一方、溶接ビード5は溶込みが浅くビード幅が比較的広い。溶接用レーザとしては炭酸ガスレーザやYAGレーザが一般的であるが、レーザの焦点位置(デフォーカス量)の調整により、ビーム径を変えることができる。ビード3の様な細幅深溶込みはデフォーカス量を小さく、ビード5の様な広幅浅溶込みはデフォーカス量を大きく取って行う。
TIG溶接やプラズマ溶接等の非消耗電極式アーク溶接、MIG溶接やMAG溶接等の消耗電極式アーク溶接、抵抗シーム溶接や抵抗スポット溶接等の抵抗溶接、YAGレーザ溶接や炭酸ガスレーザ溶接等のレーザ溶接のいずれを用いても良い。また、厚金属基材との接合強度が十分であれば、溶接ビードは連続である必要は無く、断続溶接ビードやスポット溶接でも良い。
湾岸構造物においては、飛沫干満帯の防食性能が重要である。飛沫干満帯幅は通常4〜5m程度である。図13に示すライニング構造物では、ライニング材である薄金属シート2、4のパイプ長手方向の長さは、飛沫干満帯の幅よりも長くして薄金属シートの上端および下端が飛沫干満帯には含まれないようにする。
従って、上記構造物では、パイプ端の周方向の溶接継手における防食性能よりも、パイプ長手方向の溶接継手における防食性能の確保が重要視される。
図14および図15は、図13の断面模式図である。2枚の薄金属シートで鋼管のライニングを行う場合、巻き付け方および溶接順序は、図14および図15に示す2通りの方法があるが、いずれでも良い。
本実施例によって得られた防食構造体は優れた耐食性を示した。
また、レーザ溶接に代えてプラズマ溶接を用いた場合にも同様の効果が得られた。
2、4 耐食性薄金属シート
3、5 溶接ビード
11 鋼管
12 耐食性金属
13 外周方向継目
14 軸方向継目
15 溶接部
21 厚金属基材
22 薄金属シート
23 外周端部
24 中間部
26 ローラー電極
27 抵抗溶接部
28 シール溶接部
31 厚金属基材
32 薄金属シート
33 インダイレクトシーム溶接機
34 抵抗溶接部
35 アーク溶接機のトーチ
36、38 溶接ビード
37 固定用金属
Claims (5)
- 被ライニング材に耐食性薄金属シートをライニングして得られる防食構造であって、被ライニング材である厚金属基材の表面に耐食性薄金属シートを配し、前記耐食性薄金属シートの端部又は端部近傍において溶融溶接を行って、前記厚金属基材に前記耐食性薄金属シートを接合し、次に、前記溶融溶接部を覆う様に、前記耐食性薄金属シートの端部に、前記耐食性薄金属シートの他端あるいは他の耐食性薄金属シートの端部を重ね、前記耐食性薄金属シート同士の重ね部端面を、溶接ビードが前記厚金属基材及び前記溶融溶接部の金属を溶融しないように溶融溶接を行い、密閉して得られることを特徴とする耐食性薄金属シートによる防食構造。
- 前記耐食性薄金属シート同士の重ね部端面の溶融溶接を、レーザ溶接又はプラズマ溶接を用いて行うことを特徴とする請求項1記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
- 前記レーザ溶接又はプラズマ溶接において、前記耐食性薄金属シートよりも耐食性に優れる合金ワイヤを溶接部に添加することを特徴とする請求項2記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
- 前記厚金属基材と前記耐食性薄金属シートとの溶融溶接を、レーザ溶接又はプラズマ溶接を用いて行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
- 記厚金属基材と前記耐食性薄金属シートとの溶融溶接を、抵抗スポット溶接機による断続溶接によって行い、前記耐食性薄金属シート同士の重ね部端面の溶融溶接を、レーザ溶接又はプラズマ溶接を用いて該耐食性薄金属シートよりも耐食性に優れる合金ワイヤを溶接部に添加して行うことを特徴とする請求項1記載の耐食性薄金属シートによる防食構造。
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