JP2005337067A - 蒸気タービン配管異材溶接構造および同溶接構造部の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービン配管にＷ入りの２Ｃｒ鋼管や９〜１２Ｃｒ鋼管のような高強度材を用いた場合、配管肉厚の薄肉化を図るとともに、薄肉化による材料コストを大幅に低減することができるようにする。
【解決手段】蒸気タービン部材の鋳鋼品と短管の異材溶接において、両材料の材料特性を確保するために、熱処理方法として異材溶接部の両材料に対し、高周波コイル６，７，８により、それぞれの材料の熱処理条件になるように電流、電圧を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンプラントにおける２ＣｒＭｏＶ鋳鋼等の低合金鋼製タービンケーシング等と、それに溶接接合される９〜１２Ｃｒ鋼等からなる高合金鋼製配管等との異材溶接構造および熱処理技術に係り、特に溶接材料として９〜１２Ｃｒ鋼またはＷ入りのＣｒ鋼等の高合金鋼を適用した場合に、溶接材料および溶接部の材料強度等の特性を確保することができ、それにより配管等の薄肉化の実現が図れる蒸気タービン配管異材溶接構造および同溶接構造部の熱処理方法に関するものである。

一般に、蒸気タービンプラントのタービンケーシングには、１〜２重量％ＣｒＭｏ鋼等の低合金鋼が適用され、この鋳鋼製タービンケーシングには、エルボや短管が溶接にて接合される。

また、弁またはタービン部品のケーシングについても、タービンケーシングと同様に、１〜２重量％ＣｒＭｏ鋼からなる低合金鋼が適用され、これらのタービン部品に接続される短い配管（以下、「短管」という。）にも１〜２重量％ＣｒＭｏ鋼等の低合金鋼が用いられ、かつこれらの溶接材料についても同一組成の材料が適用されてきた。

従来、このようなタービンケーシングやタービン部品（以下、これらを「タービンケーシング等」という。）に溶接される配管の材料には、タービンケーシングと同様の１〜２重量％ＣｒＭｏ鋼等の低合金鋼が用いられ、かつこれらの溶接材料についても同一組成の材料が適用されてきた。

このように、従来の一般的な蒸気タービンにおいては、低合金製のケーシングと配管等の溶接に同一組成の材料が用いられ、溶接後の熱処理としては溶接部を含む接合部分の全体に対し同一温度で焼鈍等の処理が行われ、一定の材料特性の確保と残留応力の低減とが図られていた。

ところで近年においては、タービンケーシング等に従来と同様の１〜２重量％ＣｒＭｏ鋼等の低合金鋼を用い、これに接合される配管等の材料に高Ｃｒ鋼等の高合金鋼を適用し、これにより配管材料の薄肉化を図ることが検討されている。この場合には、ケーシング素材と熱処理温度が異なる高合金鋼等とを溶接する異材溶接部が形成される。

この異材溶接における、溶接材料の選択および溶接後の熱処理条件は、低合金鋼または高合金鋼のいずれかの材料の熱処理温度を基準にして行われることになる。

通常では溶接材料として低合金鋼が適用され、熱処理条件も低合金鋼である鋳鋼ケーシングの応力除去焼鈍温度（ＳＲ温度）に合わせることが多い。

また、溶接後の熱処理として、電気炉等により全体焼鈍を行うのが一般的であり、現地作業等では高周波誘導加熱により行うことも多々ある。

しかし、このような低合金鋼側を基準として溶接材料および熱処理温度を設定した場合には、配管材料に対する熱処理温度は特性確保のための所定温度よりも低くなることになる。このため、高合金鋼製の配管を適用する場合の溶接時における材料特性の低下だけでなく、熱処理温度が低い場合には、溶接部の特性、特に延性、靭性の低下が著しく、また残留応力も完全に除去されない等の問題があった。

なお、従来の技術として、蒸気タービンを用いた発電プラント等の配管系等において、異質材料の接続部分を構成する異材継手の溶接方法として、減厚の発生防止と熱応力の低下を図り、強度的にも安定して使用に耐える接合部の得られる技術が提案されている。

この提案では、例えば２．２５ＣｒＭｏ鋼と９Ｃｒ鋼との溶接に関し、溶接材料としてＮｉ基合金、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、または９Ｃｒ鋼等を適用することが開示されている（特許文献１参照）。

ただし、どのような熱処理を行うかにより、実際の溶接品質および構造特性等に差が生じるにも拘らず、この従来技術においては、熱処理技術について明確な開示がない。
特開２０００−２２０４０３号公報

上述したように、従来では、低合金鋼および高合金鋼の異材溶接部について、溶接材料として低合金材料が適用され、溶接後の熱処理条件も低合金である鋳鋼ケーシングの応力除去焼鈍温度（ＳＲ温度）に合わせており、この溶接後の熱処理は電気炉等により全体焼鈍を行うのが一般的であった。

このような低合金側を基準として溶接材料および熱処理温度を設定した場合には、高合金鋼からなる配管材料に対する熱処理温度が、特性確保のための所定温度よりも低くなり、高合金鋼配管材料の溶接時における溶接材料の特性低下だけでなく、熱処理温度が低い場合には、溶接部の材料特性、特に延性、靭性の低下が著しく、また残留応力も完全に除去されない問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、蒸気タービンの低合金鋼と高合金鋼との異材溶接部の材料特性を向上させ、溶接後の残留応力をも低減させることができ、特に衝撃靭性値の著しい改善、ひいては溶接部とともに機器の信頼性を向上させることができ、さらに配管肉厚の薄肉化およびそれによる材料コストの大幅な低減等が図れる蒸気タービン配管異材溶接構造および同溶接構造部の熱処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、既設の蒸気タービンプラントにおける蒸気配管の高強度化材料の適用による配管の薄肉化の検討、およびＣｒＭｏＶ鋳鋼等からなる低合金鋼と、９〜１２Ｃｒ鋼を含む高合金鋼、その他各種合金からなる高合金鋼との異材溶接部の溶接材料の検討を行ってきた。さらに、溶接後の材料特性を確保するために望ましい熱処理方法についても検討を重ねてきた。

この結果、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼と、９〜１２Ｃｒ鋼からなる高合金鋼またはＷを含む高合金鋼等との異材溶接部の溶接材料については、高強度配管材料である９〜１２Ｃｒ鋼の組成に合わせた材料を用いることにより、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金側の溶接希釈に伴う材料特性の低下を有効に防止できることを見出した。

すなわち、本発明者らは、既設の蒸気タービンケーシングと溶接構造にて接合されている蒸気配管材料として９〜１２重量％Ｃｒ鋼材を用いることにより配管の薄肉化を大幅に図ることができるとともに、溶接部の材料特性を低下させない溶接材料、溶接後の熱処理方法を発明するに至った。

まず、本発明者らは既設プラントの蒸気配管材料として高合金鋼を用いることにより配管肉厚を従来の２／３以下にできることを見出した。肉厚が薄くなると配管過熱時の内外面の温度差を従来材に比べて著しく小さくすることができ、溶接後の応力除去焼鈍等の熱処理において材料特性面から内外面の強度差をも小さくすることができる。

構造溶接ならびに補修溶接において使用する溶接材料としては、一般的に母材強度の弱い材料に合わせるが、異材継手となるため溶接部の強度を重視するとともに溶接時の希釈にともなう溶着金属の特性低下を抑制する。この時の溶接材料としては高強度の溶接材料を用い、高温特性を付与するため、Ｗ入りのＣｒ鋼または高強度配管材料と同一成分系の溶接材料とすることが望ましい。

また、高周波誘導加熱またはニクロム線等を用いた加熱によって、低合金鋼側と高合金鋼側との間に軸方向に沿って傾斜的に温度差を設ける、いわゆる傾斜熱処理を行うことにより、溶接部の材料特性の確保と残留応力の低減が顕著であることが判明した。

すなわち、低合金と高合金との溶接施工終了後に、応力除去焼鈍を行うことになるが、この熱処理施工において両鋼種の母材強度と残留応力除去のために高合金側の熱処理温度を高く、低合金側の熱処理温度を低くし、両材料の間で温度勾配を設けることにより最適な熱処理施工を行うことができる。

具体的には、下記（１）〜（５）の事項が明確となった。
（１）低合金製の蒸気タービンケーシングとの配管材料として９〜１２Ｃｒ鋼材を用いることにより、従来のＳＴＰＡ２４規格（ＪＩＳ）に基づく配管の薄肉化が可能となり、材料コストを下げることが可能となる。
（２）低合金鋼と高合金鋼との異材溶接における溶接材料として、２．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ−２Ｗ材または高強度配管材料の組成と同一組成材を用いることにより低合金側の溶接部の希釈量を低減させ、材料特性の低下を最小限とすることが可能となる。
（３）低合金鋼と高合金鋼との溶接施工終了後に、応力除去焼鈍を行うことになるが、この熱処理施工において両鋼種の母材強度と残留応力除去のために高合金鋼側の熱処理温度を高く、低合金鋼側の熱処理温度を低くし、両材料の間で温度勾配を設けることにより最適な熱処理施工を行うことができる。すなわち、低合金鋼と高合金鋼とのそれぞれの溶接後における応力除去焼鈍温度を満足するように高周波誘導加熱またはニクロム線等を溶接部近傍に設置し、中央の溶接金属部位を含んで温度勾配を作る傾斜熱処理を行うことにより、材料強度および延・靭性の確保、残留応力の低減を図ることが可能となる。
（４）誘導加熱範囲としては、溶接金属幅の１．５倍〜３倍とすることにより、溶接熱影響部の硬化域を軟化することが可能となる。
（５）高合金鋼を溶接材料として用いることにより、配管の薄肉化が図られるため、熱処理の際における加熱時の配管内外面の温度差を小さくすることができ、内外の温度差を約５０℃程度にすることが可能となる。

本発明はかかる知見に基づいて成されたものであり、請求項１に係る発明では、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製のタービンケーシングと、９〜１２Ｃｒ鋼からなる高合金鋼製の配管とが、前記９〜１２Ｃｒ鋼を溶接材料として溶接接合された蒸気タービン配管異材溶接構造であって、前記配管の肉厚が４０〜６０ｍｍ、前記溶接材料の衝撃靭性値が少なくとも３５Ｊ、かつ前記タービンケーシングおよび前記配管における溶接熱影響部の衝撃靭性値が少なくとも５０Ｊであることを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造を提供する。なお、衝撃靭性値はシャルピー試験による計測値を示す。

請求項２に係る発明では、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製のタービンケーシングと、Ｃｒを含む高合金鋼からなる配管とが、Ｗを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合された蒸気タービン配管異材溶接構造であって、前記配管の肉厚が４０〜６０ｍｍ、前記溶接材料の衝撃靭性値が少なくとも３５Ｊ、かつ前記タービンケーシングおよび前記配管における溶接熱影響部の衝撃靭性値が少なくとも５０Ｊであることを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造を提供する。

請求項３に係る発明では、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製タービン部品としての弁またはケーシングと、このタービン部品に接続される９〜１２Ｃｒ鋼製またはＣを含む高合金鋼製の短管とが、前記９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合された蒸気タービン配管異材溶接構造であって、前記短管の肉厚が４０〜６０ｍｍ、前記溶接材料の衝撃靭性値が少なくとも３５Ｊ、かつ前記タービン部品および前記短管における溶接熱影響部の衝撃靭性値が少なくとも５０Ｊであることを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造を提供する。計器類とは、圧力計、温度計、その他の各種計測機器を含む。

請求項４に係る発明では、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製のタービンケーシングと、９〜１２Ｃｒ鋼製またはＣを含む高合金鋼製の配管とを、前記９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合した後に、前記タービンケーシング側から溶接部を経て前記配管側に亘る一定の領域に熱処理として、前記タービンケーシング側を低温側、前記配管側を高温側とし、前記低温側を最低６８０℃、前記高温側を最高７７０℃でそれぞれ加熱し、かつそれらの中間領域である前記溶接材料部分に前記各温度を基点とする緩やかな勾配の傾斜的温度分布を与えて応力除去焼鈍処理を行うことを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法を提供する。

請求項５に係る発明では、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製タービン部品としての弁またはケーシングと、このタービン部品に接続される９〜１２Ｃｒ鋼製またはＣを含む高合金鋼製の短管とを、前記９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含む入りのＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合した後、前記タービン部品側から溶接部を経て前記短管側に亘る一定の領域に熱処理として、前記タービン部品側を低温側、前記短管側を高温側とし、前記低温側を最低６８０℃、前記高温側を最高７７０℃でそれぞれ加熱し、かつそれらの中間領域である前記溶接材料部分に前記各温度を基点とする緩やかな勾配の傾斜的温度分布を与えて応力除去焼鈍処理を行うことを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法を提供する。

請求項６に係る発明では、前記応力除去焼鈍処理における加熱領域は、前記溶接部の溶接材料部分を含み、かつ前記溶接部分における管軸方向に沿う全幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に設定する請求項４または５記載の蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法を提供する。

請求項７に係る発明では、前記応力除去焼鈍処理における加熱手段として管外周側に巻装される高周波誘導コイルまたは電熱コイルを使用し、この高周波コイルまたは電熱コイルは、前記加熱領域に亘り、供給電流および電圧の少なくともいずれかが異なる複数種類のものを前記温度分布に対応して配置する請求項６記載の蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法を提供する。

請求項８に係る発明では、前記応力除去焼鈍処理において、前記配管の内面と外表面との温度差が、前記配管内の非加熱状態下で５０℃以内とされる請求項４から７までのいずれかに記載の蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法を提供する。

本発明によれば、蒸気タービン配管にＷ入りの２Ｃｒ鋼管や９〜１２Ｃｒ鋼管のような高強度材を用いた場合、配管肉厚の薄肉化を図るとともに、薄肉化による材料コストを大幅に低減することができる。

また、これらの鋼管をＣｒＭｏＶ鋳鋼のような低合金鋼と溶接する場合には、高強度配管材料と同一組成の溶接材料を用いて溶接し、両鋼種の応力除去焼鈍温度にて傾斜熱処理を行うことにより、溶接金属および溶接熱影響部の特に衝撃靭性値を著しく改善することができ、構造溶接部とともに機器の信頼性をも向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、蒸気タービン配管異材溶接構造部を示す構成図であり、図２は、同溶接構造部の熱処理方法を示す説明図（図１のＡ部拡大図）である。

図１に示すように、タービンケーシング１は、胴部１ａおよび配管接続用管部１ｂを一体に有している。このタービンケーシング１の胴部１ａおよび管部１ｂは、低合金鋼であるＣｒＭｏＶ鋳鋼製とされている。

タービンケーシング１の管部１ｂには、配管２が溶接部３を介して溶接接合されている。この配管２は、高合金である９〜１２Ｃｒ鋼製とされている。溶接部３の溶接材料には、９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼が適用されている。

また、図１に示すように、配管２には、低合金鋼製タービン部品としての弁４または図示省略の計器類、例えば圧力計、温度計、その他の各種計測機器が短管を介して溶接接合されている。以下、タービン部品として代表的に弁４を掲げて説明するが、上記の各種計器類の内容についても同様である。

弁４のケーシング（弁ケーシング）は、低合金鋼であるＣｒＭｏＶ鋳鋼製とされており、弁４との間に接続される図示省略の短管は、９〜１２Ｃｒ鋼製またはＣを含むＣｒ鋼製とされている。弁４と短管との溶接材料は、９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼が適用されている。

タービンケーシング１の管部１ｂに接続される配管２および弁４に接続される配管の肉厚は、４０〜６０ｍｍとされている（以下、これらの配管を代表して「配管２」として説明する。）。

また、配管２の溶接材料の衝撃靭性値は、少なくとも３５Ｊとされ、かつタービンケーシング１の管部１ｂおよび配管２における溶接熱影響部の衝撃靭性値（シャルピー試験による計測値）は、少なくとも５０Ｊとされている。

次に、図２によって配管異材溶接構造部の熱処理方法について説明する。

図２に示すように、ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製のタービンケーシング１の管部１ｂと、９〜１２Ｃｒ鋼製またはＣを含む高合金鋼製の配管２とを、９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合し、溶接部３により接合した。

この溶接後に、タービンケーシング１側から溶接部３を経て配管２側に亘る一定の領域（加熱域）５に傾斜的温度分布を与えて熱処理を行った。

傾斜的温度分布を与える熱処理として、タービンケーシング１の管部１ｂ側を低温側、配管２側を高温側とし、低温側を最低６８０℃で加熱し、高温側を最高７７０℃で加熱した。

この場合、本実施形態では、応力除去焼鈍処理における加熱手段には、配管２および管部１ａの外周側に巻装される高周波誘導コイルまたは電熱コイル６，７，８を使用した。

この高周波コイルまたは電熱コイル６，７，８は、加熱領域に亘り、供給電流および電圧の少なくともいずれかが異なる複数種類のものを上述の温度分布に対応して配置した。

すなわち、加熱域５のうち、配管２側の端部の溶接熱影響９と、タービンケーシング１の管部１ａ端部の熱影響部１０と、これら溶接熱影響９を除く中間領域１１とに対し、電熱コイル６，７，８を対応させて配置し、加熱温度に温度差を与えた。

これにより、中間領域１１である溶接部（溶接材料部分）３には、各温度（低温側６８０℃、高温側７７０℃）を基点とする緩やかな勾配の傾斜的温度分布を与えて、応力除去焼鈍処理を行った。すなわち、熱処理方法として異材溶接部の両材料に熱電対を設け、高周波コイル６，７，８により、それぞれの材料の熱処理条件になるように電流、電圧を調整した。

さらに、応力除去焼鈍処理においては、配管２の内面と外表面との温度差を、配管２内の非加熱状態下で５０℃以内に設定した。

ここで、応力除去焼鈍処理における加熱領域の設定は、溶接部３の溶接材料部分を含み、かつ溶接材料部分における管軸方向に沿う全幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲とした。これは溶接熱影響部も完全に加熱することにより、材料特性改善と残留応力を除去するものである。加熱温度は高強度配管（高合金）側で７７０℃、ＣｒＭｏＶ鋳鋼（低合金）側で６９０℃とし、両側溶接金属幅の１．５倍の範囲を傾斜熱処理することにより、両鋼種とともに溶接金属、溶接熱影響部を一度の熱処理で終了させることができる。この時の加熱保持時間は板厚２５ｍｍに対し１時間とした。

なお、上述した弁４の短管溶接部についても、同様の溶接および熱処理を行った。

以上の熱処理の結果について、図３〜図８（表１〜表６）を参照して、具体的な実施例を従来例とともに対比して説明する。

［第１実施例（表１）］
表１は、従来の低合金配管を用いた場合と、本発明による高強度配管材料を用いた場合の溶接後における配管肉厚変化を示している。

この第１実施例では、表１に示すように、従来の低合金配管によるＳＴＰＡ２４（ＣｒＭｏＶ鋳鋼）の肉厚変化率を１とした場合、高強度配管材料である９Ｃｒ鋼製配管の肉厚変化率は０．８となり、１２Ｃｒ鋼製配管の肉厚変化率は０．７となり、タングステン入りＣｒ鋼（２Ｃｒ―Ｗ）製配管の肉厚変化率は０．８７となった。

このように、本実施形態により、溶接後における配管の肉厚変化率が低減することが確認された。

［第２実施例（表２）］
表２は、従来の低合金配管を用いた場合の溶接後における割れ率と同様の割れ率を確保するために必要な予熱温度を対比して示したものである。

この第２実施例では、表２に示すように、従来の低合金配管によるＳＴＰＡ２４（ＣｒＭｏＶ鋳鋼）について一定の割れ率を確保するために必要な予熱温度が１５０℃であるのに対し、本発明による高強度配管材料の９Ｃｒ鋼製配管、１２Ｃｒ鋼製配管、タングステン入りＣｒ鋼（２Ｃｒ―Ｗ）製配管のいずれにおいても、一定の割れ率を確保するために必要な予熱温度が１５０℃であり、従来の予熱処理と同等で済み、余分な予熱処理を施す必要がないことが確認された。

［第３実施例（表３）］
表３は、従来の低合金配管を用いた場合の溶接材料の引張強さと、本発明による高強度配管材料を用いた場合の溶接材料における引張強さとを対比して示している。

この第３実施例では、表３に示すように、ＣｒＭｏＶ鋳鋼と高強度配管材料の異材溶接部における溶接後の応力除去焼鈍（ＳＲ）としての傾斜熱処理を行うことにより、材料特性の変化を最小限に抑制することができる。

すなわち、従来の低合金配管によるＳＴＰＡ２４（ＣｒＭｏＶ鋳鋼）の引張強さは６１１ＭＰａであるのに対し、本発明による高強度配管材料のタングステン入りＣｒ鋼（２Ｃｒ―Ｗ）製配管の引張強さは７３５ＭＰａ、９Ｃｒ鋼製配管の引張強さは７１１ＭＰａ、１２Ｃｒ鋼製配管の引張強さは８１８ＭＰａと、従来材に比して向上することが確認された。

［第４実施例（表４，表５）］
表４は、従来の低合金溶接材料を適用した場合の溶接熱影響部の衝撃靭性値（シャルピー衝撃靭性値（Ｊ））の低下度合と、本発明による高強度材料を適用した場合の溶接熱影響部の衝撃靭性値（シャルピー衝撃靭性値（Ｊ））の低下度合とを対比して示している。

この表４に示すように、従来材（２ＣｒＭｏ鋼）では、溶接金属のシャルピー衝撃靭性値が１６２Ｊであるのに対し、溶接熱影響部のシャルピー衝撃靭性値が１１０Ｊと大幅に低下した。

これに対し、本発明による高強度配管材料のタングステン入りＣｒ鋼（２Ｃｒ―Ｗ）では、溶接金属のシャルピー衝撃靭性値が８４Ｊであるのに対し、溶接熱影響部のシャルピー衝撃靭性値は１２９Ｊと高まった。また、９Ｃｒ鋼では、溶接金属のシャルピー衝撃靭性値が１４Ｊであるのに対し、溶接熱影響部のシャルピー衝撃靭性値は８７Ｊと高まった。１２Ｃｒ鋼では、溶接金属のシャルピー衝撃靭性値が２２Ｊ、溶接熱影響部のシャルピー衝撃靭性値が２２と略同一であった。

この結果、溶接熱影響部に対し、本発明の場合は、溶接熱影響部の衝撃靭性値が高まり、従来材に比して材料特性が向上することが確認された。

すなわち、２Ｃｒ系ではＳＲ温度がほぼ同等であるため、衝撃靭性値に顕著な相違は認められないが、高合金鋼ではＳＲ温度が低すぎるために溶接金属、溶接熱影響部とも靭性値の低下が生じる。構造溶接部および補修溶接等を行った場合、これらの靭性値の低下が溶接部を中心としたクラック等の発生原因となる。

これに対し、溶接材料にＷを添加するか、高合金とすることにより溶接金属の引張強度は高くなる。

なお、本実施例で説明した溶接材料は、具体的には、従来材としての２ＣｒＭｏ鋼が２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼である。

また、実施例であるタングステン入りＣｒ鋼（２Ｃｒ―Ｗ）は、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ−２Ｗ鋼である。９Ｃｒ鋼は、９Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ−Ｎｂ−Ｎ鋼である。１２Ｃｒ鋼は、１２Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ−Ｎｂ−Ｎ鋼である。

表５は、傾斜熱処理後の高強度配管材料の衝撃靭生値（シャルピー衝撃靭性値（Ｊ））を示したものである。

この表５に示したように、配管材料および溶接材料に９Ｃｒ鋼を適用した場合、傾斜熱処理後の溶接金属のシャルピー衝撃靭性値が４４Ｊであり、溶接熱影響部のシャルピー衝撃靭性値が２０６Ｊであった。また、配管材料および溶接材料に１２Ｃｒ鋼を適用した場合には、傾斜熱処理後の溶接金属のシャルピー衝撃靭性値が４４０Ｊであり、溶接熱影響部のシャルピー衝撃靭性値が７９Ｊであった。

このように、本発明では、傾斜熱処理を行うことにより、衝撃靭性値が著しく低下した溶接金属ならびに溶接熱影響部の回復が図られることが確認された。

［第５実施例（表６）］
表６は、本発明により配管の薄肉化が図られた場合における、配管の薄肉化に伴う誘導加熱時における管内・外表面の温度差を観察した結果についてのものである。

上述した表１により、高強度配管を適用することにより配管肉厚の薄肉化が図られることを示したが、本実施例では、高周波誘導加熱において管内面と外表面の温度差がどの程度生じるかを確認した。

表６に示すように、従来適用された配管材（ＳＴＰＡ２４）の場合には誘導加熱時に管外表面温度が７６０℃、管内表面温度が６６０℃となり、内外表面温度差が１００℃と高い。したがって、管内面側に温風を供給する等の手段を必要とした。

これに対し、本発明の９Ｃｒ鋼適用の場合には、薄肉化により、管外表面温度が７６７℃、管内表面温度が７１９℃となり、内外表面温度差は４８℃と低下した。また、１２Ｃｒ鋼の場合には、薄肉化により、管外表面温度が７６５℃、管内表面温度が７１１℃となり、内外表面温度差は５４℃と低下した。

したがって、本発明の場合には管内面側に温風を供給する必要がなくなり、処理工程も容易、簡素化することができる。

なお、上述した弁４の短管溶接部についても、第１〜第５実施例と同様の結果が得られた。

以上の実施形態によれば、蒸気タービンの鋳鋼ケーシングと、それに溶接構造で接合される配管材料を９〜１２Ｃｒ鋼材を用いることによる配管の薄肉化と、低合金鋼と高合金鋼異材溶接部の溶接材料ならびに溶接部の材料特性を確保するための熱処理に関し、蒸気タービン配管にＷ入りの２Ｃｒ鋼管や９〜１２Ｃｒ鋼管のような高強度材を用いた場合、配管肉厚の薄肉化を図るとともに、薄肉化による材料コストを大幅に低減することができる。

また、これらの鋼管をＣｒＭｏＶ鋳鋼のような低合金鋼と溶接する場合には、高強度配管材料と同一組成の溶接材料を用いて溶接し、両鋼種の応力除去焼鈍温度にて傾斜熱処理を行うことにより、溶接金属および溶接熱影響部の特に衝撃靭性値を著しく改善することができ、構造溶接部とともに機器の信頼性をも向上させることができることも確認された。

本発明の一実施形態を示す構成図。 本発明の一実施形態を示す説明図。

符号の説明

１ タービンケーシング
１ａ 胴部
１ｂ 配管接続用管部
２ 配管
３ 溶接部
４ 弁
５ 加熱域
６，７，８ 高周波誘導コイルまたは電熱コイル
９，１０ 溶接熱影響
１１ 中間領域

Claims (8)

1. ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製のタービンケーシングと、９〜１２Ｃｒ鋼からなる高合金鋼製の配管とが、前記９〜１２Ｃｒ鋼を溶接材料として溶接接合された蒸気タービン配管異材溶接構造であって、前記配管の肉厚が４０〜６０ｍｍ、前記溶接材料の衝撃靭性値が少なくとも３５Ｊ、かつ前記タービンケーシングおよび前記配管における溶接熱影響部の衝撃靭性値が少なくとも５０Ｊであることを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造。
2. ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製のタービンケーシングと、Ｃｒを含む高合金鋼からなる配管とが、Ｗを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合された蒸気タービン配管異材溶接構造であって、前記配管の肉厚が４０〜６０ｍｍ、前記溶接材料の衝撃靭性値が少なくとも３５Ｊ、かつ前記タービンケーシングおよび前記配管における溶接熱影響部の衝撃靭性値が少なくとも５０Ｊであることを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造。
3. ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製タービン部品としての弁またはケーシングと、このタービン部品に接続される９〜１２Ｃｒ鋼からなる高合金鋼製の短管とが、前記９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合された蒸気タービン配管異材溶接構造であって、前記短管の肉厚が４０〜６０ｍｍ、前記溶接材料の衝撃靭性値が少なくとも３５Ｊ、かつ前記タービン部品および前記短管における溶接熱影響部の衝撃靭性値が少なくとも５０Ｊであることを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造。
4. ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製のタービンケーシングと、９〜１２Ｃｒ鋼からなる高合金鋼製の配管とを、前記９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合した後に、前記タービンケーシング側から溶接部を経て前記配管側に亘る一定の領域に熱処理として、前記タービンケーシング側を低温側、前記配管側を高温側とし、前記低温側を最低６８０℃、前記高温側を最高７７０℃でそれぞれ加熱し、かつそれらの中間領域である前記溶接材料部分に前記各温度を基点とする緩やかな勾配の傾斜的温度分布を与えて応力除去焼鈍処理を行うことを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法。
5. ＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる低合金鋼製タービン部品としての弁またはケーシングと、このタービン部品に接続される９〜１２Ｃｒ鋼からなる高合金鋼製の短管とを、前記９〜１２Ｃｒ鋼またはＷを０．９〜２．０重量％含むＷ入りのＣｒ鋼を溶接材料として溶接接合した後、前記タービン部品側から溶接部を経て前記短管側に亘る一定の領域に熱処理として、前記タービン部品側を低温側、前記短管側を高温側とし、前記低温側を最低６８０℃、前記高温側を最高７７０℃でそれぞれ加熱し、かつそれらの中間領域である前記溶接材料部分に前記各温度を基点とする緩やかな勾配の傾斜的温度分布を与えて応力除去焼鈍処理を行うことを特徴とする蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法。
6. 前記応力除去焼鈍処理における加熱領域は、前記溶接部の溶接材料部分を含み、かつ前記溶接部分における管軸方向に沿う全幅の１．５倍以上、３倍以下の範囲に設定する請求項４または５記載の蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法。
7. 前記応力除去焼鈍処理における加熱手段として管外周側に巻装される高周波誘導コイルまたは電熱コイルを使用し、この高周波コイルまたは電熱コイルは、前記加熱領域に亘り、供給電流および電圧の少なくともいずれかが異なる複数種類のものを前記温度分布に対応して配置する請求項６記載の蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法。
8. 前記応力除去焼鈍処理において、前記配管の内面と外表面との温度差が、前記配管内の非加熱状態下で５０℃以内とされる請求項４から７までのいずれかに記載の蒸気タービン配管異材溶接構造部の熱処理方法。

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