JP2006231339A - 構造物の補修方法、補修構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造物を良好に補修して強度を維持することができる補修方法を提供する。
【解決手段】 構造物の補修対象領域を除去する第１工程と、除去した除去領域に所定の溶接材料を溶着することで補修する第２工程とを有し、溶着により生成される溶接金属は、溶着後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、マルテンサイト変態開始時における溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された溶接金属の状態を第２状態としたとき、溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、溶接金属の材料組成が設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造物の補修方法、補修構造体に関するものである。

構造物を補修するとき、構造物表面に所定の溶接材料を溶着する手法（例えば肉盛溶接）が用いられる場合がある。
特開２００３−３１１４６３号公報

ところで、構造物を補修するとき、溶接材料を構造物表面に溶着した後、冷却過程において熱変形（熱収縮）が生じると、構造物に亀裂が発生する等の不都合が生じる可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、構造物を良好に補修して強度を維持することができる補修方法、及びその補修後に形成された高品質な補修構造体を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の補修方法は、構造物の補修方法において、前記構造物の補修対象領域を除去する第１工程と、前記除去した除去領域に所定の溶接材料を溶着することで補修する第２工程とを有し、前記溶着により生成される溶接金属は、溶着後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されることを特徴とする。

本発明によれば、構造物の表面に溶接材料を溶着したときに生成される溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、溶接金属の組成が設定されることで、溶着に伴う熱変形（熱収縮）を低減し、構造物に発生する応力を緩和できる。換言すれば、第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように、溶接金属の組成を設定することで、溶着後（補修後）において構造物に発生する応力を緩和することができる。したがって、応力により構造物に亀裂が発生する等の不都合の発生を抑制でき、構造物を良好に補修して強度を維持することができる。

本発明の補修方法において、前記補修対象領域は、亀裂発生領域を含む構成を採用することができる。すなわち、補修対象である構造物にラメラティアと呼ばれる亀裂が形成されている可能性がある場合には、その亀裂（ラメラティア）発生領域を除去した後、その除去領域に溶接材料を溶着することで、補修後において亀裂が再び発生する不都合を抑制できる。

本発明の補修方法において、前記構造物は、第１部材と前記第１部材に接合された第２部材とを有し、前記第１部材の補修対象領域を除去した後、該第１部材の除去領域に前記溶接材料を溶着して前記溶接金属からなる第１層を形成し、前記第１層の上に更に前記溶接材料を溶着する構成を採用することができる。すなわち、第１部材と第２部材とを溶接材料を使って溶接する場合、まず、第１部材の除去領域に溶接材料を溶着して溶接金属からなる第１層を形成し、その第１層の上に溶接材料を溶着して溶接金属の第２層目を形成し、これを複数回繰り返すことで、第１部材や第２部材に大きな応力（溶接変形に起因する応力）を発生させることなく、最終的に第１部材と第２部材とを溶接することができる。したがって、補修後において第１部材や第２部材に亀裂が発生する不都合を防止できる。

本発明の補修構造体は、所定の溶接材料が溶着されることで補修された補修部を有する補修構造体において、前記補修部は、前記構造体の一部を除去した除去領域に前記溶接材料を溶着したものであり、前記溶着により生成される溶接金属は、溶着後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されてることを特徴とする。

本発明によれば、構造物の表面に溶接材料を溶着したときに生成される溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、溶接金属の組成が設定されているので、溶着に伴う熱変形（熱収縮）を低減し、構造物に発生する応力を緩和できる。換言すれば、第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように、溶接金属の組成を設定することで、溶着後（補修後）において構造物に発生する応力を緩和することができる。したがって、応力により構造物に亀裂が発生する等の不都合の発生を抑制でき、構造物を良好に補修して強度を維持することができる。

ここで、「溶接金属」とは、所定の溶接材料を使って被溶接材を溶接したときに生成される金属、あるいは所定の溶接材料を被溶接材の表面に溶着したときに生成される金属を言う。本発明では、第１状態から第２状態に遷移した場合でもその膨張量又は収縮量が許容値以下となるように（第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように）、被溶接材に応じて、最適な溶接材料が設定（選定）される。

本発明によれば、構造物を良好に補修し、その構造物の強度を維持することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。図１に示すように主板（第１部材）１の表裏面のそれぞれに副板（第２部材）２を溶接した十字状の溶接継手（十字継手）Ｔにおいて、主板１には亀裂（ラメラティア）４が発生している。亀裂４は、主板１のうち副板２との溶接部３近傍であって、主板１の厚さ方向ほぼ中央部に形成されている。図１に示す十字継手Ｔは、既設の構造物の一部であって、例えば船舶、海洋構造物、ペンストック、橋梁、貯槽、建設機械等の大型鋼構造物の一部である。

主板１に亀裂４が発生したとき、その主板１を含む構造物を補修するために、図２に示すように、亀裂４が発生した亀裂発生領域４Ａを含む所定領域が除去される。図２に示す例では、主板１の亀裂発生領域４Ａ及び副板２の一部の領域が除去される。亀裂発生領域４Ａを除去するために、グラインダーやガウジングを使うことができる。また、亀裂発生領域４Ａを含む所定領域を除去した後、主板１と副板２とを完全に分離してもよいし、亀裂発生領域４Ａを除去するのみで主板１の一部と副板２の一部とを接続した状態としてもよい。

次に、所定の溶接材料を使って、亀裂発生領域４Ａを除去した除去領域５Ａを補修する。本実施形態においては、亀裂発生領域４Ａを除去するのみで主板１の一部と副板２の一部とを接続した状態とし、主板１の除去領域５Ａに溶接材料を溶着する。そして、この除去領域５Ａに溶接材料（溶接金属）を積層する多層肉盛溶接を行い、主板１と副板２とを接合する。

図３は、除去領域５Ａに溶接材料を溶着する状態を示す模式図である。図３に示すように、まず、主板１の除去領域５Ａに溶接材料を溶着する。所定の溶接材料を被溶接材（主板１）に溶着することにより、除去領域５Ａにおいて所定の金属が形成される。以下の説明においては、溶接材料を被溶接材に溶着したときに生成される金属を適宜「溶接金属」と称する。主板１の除去領域５Ａには、溶接金属からなる第１層が形成される。次に、第１層の上に溶接材料を溶着して溶接金属の第２層を形成する。そして、下層の溶接金属の上に溶接材料を溶着して溶接金属の層を順次形成する動作を、除去領域５Ａの深さに応じて複数回行う。この動作を複数回繰り返すことで、最終的に主板１と副板２とが溶接され、溶接継手Ｔには、これら複数層の溶接金属を含む補修部が形成される。

本実施形態において、溶着（溶接）により生成される溶接金属は、溶着（溶接）後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こす。そして、マルテンサイト変態開始時における溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された溶接金属の状態を第２状態としたとき、溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、溶接金属の材料組成が設定されている。ここで、許容値とは、溶接金属が第２状態になった場合においても、主板１あるいは副板２に所定値以上の応力が生じないように予め設定された値である。なお、この応力に関する所定値とは、補修後において必要とされる溶接継手Ｔ（補修構造体）の品質や強度に応じて決定される。すなわち、溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量を許容値以下に抑えることができれば、主板１や副板２に所定値以上の応力（溶接変形に起因する応力）が作用することを防止することができる。好ましくは、第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように、溶接金属の材料組成が設定されることが望ましい。溶接金属に生じる膨張又は収縮を抑えることにより、主板１や副板２の溶接変形を抑制し、溶接継手Ｔを補強することができる。したがって、補修後の溶接継手Ｔ（補修構造体）は所望の品質を維持することができる。

そして、第１状態から第２状態に遷移した場合でもその膨張量又は収縮量が許容値以下となるように（第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように）、被溶接材（桁部材、添接板）に応じて、最適な溶接材料が設定（選定）される。

溶接金属の材料組成としては、例えば特開２００１−２２５１８９号公報に開示されているように、溶接により形成された溶接金属が、Ｃ：0.20質量％以下、Ｃｒ：3.0 〜11.5質量％、Ｎｉ：3.0 〜10.5質量％を含有する鉄合金組成で、かつ360 ℃以下100 ℃以上のマルテンサイト変態開始温度を有し、さらに該マルテンサイト変態開始温度から30℃（室温）までの温度範囲の線膨張量が１mmあたり−３×10^-3mm／℃以上３×10^-3mm／℃未満である温度−伸び曲線を示す組成とすることができる。

そして、上述の組成の溶接金属を形成できるように、被溶接材に適合した溶接条件で、使用する溶接材料を適宜選定することができる。また、ここでは、線膨張量の許容範囲を−３×10^-3mm／℃以上３×10^-3mm／℃未満としているが、上述したように、補修後において必要とされる溶接継手Ｔ（補修構造体）の品質や強度に応じて、許容範囲（許容値）を厳しく設定したり、あるいは緩く設定することができる。そして、材料組成を適宜変更することで、前記膨張量又は収縮量を調整することができる。

また、第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量は、溶接金属の材料組成の他に、溶接方法や溶接条件に応じても変化する可能性があるため、最適な膨張量又は収縮量を得るために、最適な溶接方法あるいは溶接条件を決定するとよい。本実施形態においては、溶接方法として、被覆アーク溶接、ガスメタルアーク溶接、サブマージアーク溶接、ＦＣＷなど各種溶接法がいずれも好適に適用できる。

このようにして、図４に示すように、本発明に係る溶接継手Ｔが補修され、その補修された補修構造体である補修後の溶接継手Ｔが形成される。本実施形態においては、補修後において構造物に発生する応力が緩和されているので、補修後において、応力に起因して主板１や副板２に亀裂が発生する等の不都合の発生を抑制でき、構造物を良好に補修して強度を維持することができる。

また、本実施形態においては、主板１の厚さ方向ほぼ中央部に亀裂（ラメラティア）４が発生しやすいが、図３を参照して説明したように、亀裂４が発生しやすい部分近傍（ここでは主板１の除去領域５Ａの底部）に対して最初に溶接材料を溶着しているので、主板１の溶接変形を抑えつつ、亀裂４が発生しやすい部分を最初に補強することができる。そして、その第１層の上に溶接金属を順次積層していき、最後に溶接金属と副板２とを接合することで、主板１や副板２に大きな応力が発生することを防止できる。

なお本実施形態では、亀裂発生領域４Ａを除去するのみで主板１の一部と副板２の一部とを接続した状態とし、主板１の除去領域５Ａに溶接材料を溶着しているが、亀裂発生領域４Ａを除去して主板１と副板２とを完全に分離した後、前記所定の溶接材料を使って、主板１と副板２とを再び接合（溶接）するようにしてもよい。

また、上述の実施形態においては、亀裂発生領域４Ａを一括して除去した後、溶接材料を溶着するように説明したが、亀裂発生領域４Ａの一部を除去した後、その除去領域５Ａに溶接材料を溶着し、その後亀裂発生領域４Ａの他の一部を除去した後、その除去領域５Ａに溶接材料を溶着し、この動作を複数回繰り返すようにしてもよい。

なお、上述した実施形態においては、十字継手を例にして説明したが、本発明の補修方法を、図５に示すような箱型断面部材の溶接部３ＡやＩ型ビームの溶接部３Ｂに適用してもよい。あるいは、継手形状としては、荷重非伝達型十字溶接継手、角回し溶接などの隅肉溶接継手、突き合わせ溶接継手など、船舶、海洋構造物、ペンストック、橋梁、貯槽、建設機械等の大型鋼構造物に用いられる継手形状がいずれも好適である。

なお、上述した各実施形態においては、主板１に形成された亀裂（ラメラティア）４を除去し、その除去した領域を補修しているが、主板１に亀裂４以外の欠陥が発生している場合には、その欠陥発生領域を除去して補修することができる。あるいは、主板１に亀裂等の欠陥が発生していなくても、例えば構造物が経時的に劣化している可能性がある場合には、強度維持のために、構造物の一部を除去して、その除去領域に溶接材料を溶着するようにしてもよい。あるいは、構造物のうち亀裂が発生しそうな箇所を、例えば非破壊検査で特定し、その特定された領域を除去し、その除去領域に溶接材料を溶着するようにしてもよい。また、構造物の強度維持のために、例えば主板１や副板２に別の補強部材を溶接する構成が考えられるが、その場合においても、本発明に係る溶接金属の組成を得られるように、例えば補強部材に応じて溶接材料を選定し、その溶接材料を使って構造物と補強部材とを溶接することができる。

本発明の補修方法の一実施形態を説明するための模式図である。 本発明の補修方法の一実施形態を説明するための模式図である。 本発明の補修方法の一実施形態を説明するための模式図である。 本発明の補修方法の一実施形態を説明するための模式図である。 本発明の補修方法の別の実施形態を説明するための模式図である。

符号の説明

１…主板（構造物）、２…副板（構造物）、３…溶接部、４…亀裂、４Ａ…亀裂発生領域（補修対象領域）、５Ａ…除去領域

Claims (4)

1. 構造物の補修方法において、
   前記構造物の補修対象領域を除去する第１工程と、
   前記除去した除去領域に所定の溶接材料を溶着することで補修する第２工程とを有し、
   前記溶着により生成される溶接金属は、溶着後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、
   前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、
   室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、
   前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されることを特徴とする補修方法。
2. 前記補修対象領域は、亀裂発生領域を含むことを特徴とする請求項１記載の補修方法。
3. 前記構造物は、第１部材と前記第１部材に接合された第２部材とを有し、
   前記第１部材の補修対象領域を除去した後、該第１部材の除去領域に前記溶接材料を溶着して前記溶接金属からなる第１層を形成し、前記第１層の上に更に前記溶接材料を溶着することを特徴とする請求項１又は２記載の補修方法。
4. 所定の溶接材料が溶着されることで補修された補修部を有する補修構造体において、
   前記補修部は、前記構造体の一部を除去した除去領域に前記溶接材料を溶着したものであり、
   前記溶着により生成される溶接金属は、溶着後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、
   前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、
   室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、
   前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されてることを特徴とする補修構造体。
   

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