JP2006334596A - 配管の残留応力改善方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡易かつ短時間での施工が可能な、配管溶接部近傍の内面に働く引張残留応力を圧縮残留応力にする施工方法を提供する。
【解決手段】
配管溶接部の内面に働く引張残留応力を配管外面からの冷却により作成した氷栓を用いて圧縮残留応力にする施工方法において、配管突合せ溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、配管外面を冷却して氷栓を形成させた後に、氷栓作成用の冷媒容器間に設置した拡管用の冷媒容器を用いて配管外面を冷却する。
また、内径の大きな配管溶接部への施工では、氷栓の形成位置を配管突合せ溶接部の上流および下流の曲げ管またはエルボまたは分岐管とする。
【効果】
短時間での施工および冷却能力の低い冷媒での施工が可能となる。また、冷却終了後の加熱処理を必要としない施工方法を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、応力腐食割れを生じる可能性があるオーステナイト系ステンレス鋼などの配管の溶接部に対する残留応力の改善方法に関する。

配管内面の残留応力を緩和する例として、環状溶接部外周側を急速加熱させて内面側の引張り残留応力を低減させる例が特開２００１−１５０１７８号公報〔特許文献１〕に開示されている。この公報では、急速加熱により配管の内外面に温度差を付与し、熱膨張差により低温側とした配管内面の残留応力を改善している。

この他に、配管内面を水冷しながら外面側を高周波誘導加熱コイルによる誘導加熱で昇温して内外面に温度差を設けて配管内面の引張り残留応力を低減する高周波誘導加熱方法がある。

また、小口径配管内面の引張残留応力を改善する例については、特開２０００−052247号公報〔特許文献２〕に、水で満たされた小口径配管内面にキャビテーション気泡を含む高速水流をノズルから噴射し、キャビテーション気泡を前記小口径配管の内面近傍で崩壊させて引張残留応力状態を改善する例が開示されている。

また、配管溶接部の内面に働く引張残留応力を配管外面からの冷却により作成した氷栓を用いて緩和する例については、溶接部の両側１箇所ずつ、または、溶接部のみを外面から冷却して氷栓を作成し、溶接部を隔離して内圧を上昇させることにより溶接部近傍を拡管させる例が特許第１５５９８０４号公報〔特許文献３〕に開示されている。この他に、溶接部の配管外面を加熱して溶接部の氷栓形成を防止しつつ拡管する例が特許第1544585号公報〔特許文献４〕に開示されている。この他に、氷栓形成部を含む配管に通電し、発熱させることにより氷栓の融解を促進し、拡管量を制御する例が特許第１４２８２８３号公報〔特許文献５〕に開示されている。さらに、配管内面の残留応力を配管外面からの冷却により作成した氷栓を用いて緩和した試験結果が「アイスプラグを用いた配管残留応力除去方法，名山理介，溶接学会論文集第１２巻第１号ｐ．１３２−１３６（１９９４）」〔非特許文献１〕に開示されている。

特開２００１−１５０１７８号公報 特開２０００−０５２２４７号公報 特許第１５５９８０４号公報 特許第１５４４５８５号公報 特許第１４２８２８３号公報 アイスプラグを用いた配管残留応力除去方法，名山理介，溶接学会論文集第１２巻第１号ｐ．１３２−１３６（１９９４）

オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基金合金は、引張残留応力が負荷された状態で高温純水中に長時間曝されることにより、応力腐食割れが発生する可能性がある。発電プラントを構成する配管系にはオーステナイト系ステンレス鋼製の高温配管があり、溶接部近傍の配管内面に働く引張残留応力を低減ないし圧縮状態にすることが望まれている。特に現在運転中の発電プラントを構成する既設の配管系へ簡易に適用可能な施工方法が強く望まれている。

前述した配管溶接部の内面に働く引張残留応力を配管外面からの冷却により作成した氷栓を用いて緩和する公知例に基づいて施工を行う場合、氷栓形成の初期段階では氷栓の耐圧性が弱く、「氷栓の形成⇒氷栓の成長に伴う内圧上昇⇒氷栓の一部が破壊⇒氷栓間の内圧低下⇒氷栓の形成」を繰り返すため、十分な耐圧性を有するまで氷栓が成長したときには、すでに広い範囲で水の凝固が完了している。拡管のための水の凝固を行うには、広範囲に形成された氷栓を介した冷却となるため熱伝達性が低下し、施工を完了するには長時間を要し、液体窒素などの高い冷却能力を有する冷媒が必要となる。また、広範囲に形成された氷栓を介した冷却となるため、目標とする外面ひずみを与えた後、直ちに冷却を終了しても、広範囲に形成された氷栓の余冷熱により氷栓の成長が継続するため、配管外面を加熱するなどの手法を用いて付与するひずみを制御する必要がある。

本発明は上記課題を鑑みなされたものであり、その目的は、簡易かつ短時間での施工が可能な、配管溶接部近傍の内面に働く引張残留応力を圧縮残留応力にする施工方法及びその装置を提供することにある。

本発明はかかる課題を解決するために、配管溶接部に働く残留応力を改善するにあたり、配管外面からの冷却により作成される氷栓を用いて配管内部の圧力を上昇させて配管溶接部の残留応力を改善させる配管の残留応力改善方法において、配管溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、配管外面を冷却して内部に氷栓を形成させた後に、氷栓作成用の前記冷媒容器間に設置した拡管用の冷媒容器を用いて配管を冷却することを特徴とする。これにより、氷栓間の水の冷却効率を向上させ、施工時間の短縮を実現する。また、冷却効率の向上により冷媒に要求される冷却能力が緩和するため、ドライアイスでも短時間の施工が可能となる。

具体的には、配管内に水が満たされた状態で、配管突合せ溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器を間に拡管用の冷媒容器が設置できるだけの間隔をあけて設置する。氷栓作成用の冷媒容器内にドライアイスとエタノールを投入した後、十分な時間放置し、配管内部に氷栓を作成する。このとき氷栓の形成に伴い内圧が上昇するが、氷栓間が十分離れているため、氷栓の形成に伴う内圧上昇は小さい。氷栓作成用の冷媒容器間に拡管用の冷媒容器を溶接部を避けて設置した後、冷媒としてドライアイスとエタノールを投入し拡管を開始する。配管拡管量の制御は、配管溶接部近傍の開先加工部外面に予め設置しておいたひずみゲージにより周方向に発生するひずみを測定し、外面が塑性変形し始めた時点で冷却を停止する。冷却の停止は拡管用の冷媒容器の排水口からエタノールを排出した後ドライアイスを容器内から取除くことにより行う。本施工方法では拡管時の冷却部に氷が形成されていないため冷却効率が高く、また、冷却面積も広く設定できるため短時間での施工が可能となる。また、冷却による低温部分の大部分は熱伝達率が大きく熱容量の小さい金属であるため、余冷熱による氷栓の成長が短時間で終了する。このため、冷却終了後の加熱処理は必要としない。これにより、簡易かつ短時間で施工可能な、配管溶接部近傍の内面に働く引張残留応力を圧縮残留応力にする施工方法を提供することができる。

また、更に本発明は上述した課題を解決するために、配管溶接部近傍を拡管するにあたり、配管突合せ溶接部の上流および下流の曲げ管、エルボまたは分岐管に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、該配管外面を冷却して内部に氷栓を形成させることも特徴とする。これにより、拡管時に氷栓の上流面と下流面の内圧差により生じる管軸方向の推進力を、氷栓形成部の管壁に対して垂直方向の荷重として管壁に支持させるため、配管軸方向に氷栓が移動して内圧が低下することを防ぐことができ、本施工方法を内径の大きな配管へ適用することができる。

本発明によれば、拡管時の冷却部に氷が形成されていないため冷却効率が高く、また、冷却面積も広く設定できるため、短時間での施工および冷却能力の低い冷媒での施工が可能となる。

また、冷却による低温部分の大部分は熱伝達率が大きく熱容量の小さい金属であり余冷熱による氷栓の成長が短時間で終了するため、冷却終了後の加熱処理を必要としない施工方法およびシステムを提供することができる。

また、本発明によれば、拡管時に氷栓の上流面と下流面の内圧差により生じる管軸方向の推進力を、氷栓形成部の管壁に垂直な荷重として管壁で支持し、内圧上昇時に配管軸方向に氷栓が移動して内圧が低下することを防ぐことができるため、内径の大きな配管溶接部に対する施工が可能となる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

本発明の配管溶接部の内面に働く引張残留応力を、配管外面からの冷却により作成した氷栓を用いて圧縮残留応力にする施工方法について、図１を用いて説明する。

図１は配管突合せ溶接部近傍に対する施工を示すものであり、配管突合せ溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、配管外面を冷却して氷栓を形成させた後に、氷栓作成用の冷媒容器間に設置した拡管用の冷媒容器を用いて配管外面を冷却することを特徴とする施工方法の実施例である。

この図１の実施例において、配管１の突合せ溶接部２近傍には、局部的に管厚の薄い開先加工部３が存在する。配管１の内部には水４が満たされている。配管１の突合せ溶接部２を中心に、外側に氷栓作成用の冷媒容器５を、内側に拡管用の冷媒容器６を配管に１組ずつ設置する。突合せ溶接部２近傍で局部的に管厚の薄い開先加工部３の外表面１２にひずみゲージ１８を設置し、零点補正を行い拡管時に発生する周方向のひずみをひずみゲージ１８に接続された計測器１９により計測可能にする。

溶接部近傍の拡管は、まず、両端の氷栓作成用の冷媒容器５にエタノール７とドライアイス８を投入し、配管１の内部に氷栓９を作成する。氷栓９は後述する拡管処理を行った場合の圧力変化が起きた場合でも動かないように配管１に対して強固に止まるように形成する。この氷栓９の形成により突合せ溶接部２を含む配管１内部には、水密な空間１０が形成される。

そして、次には拡管用の冷媒容器６を氷栓作成用の冷媒容器５の間に配置した後、エタノール７とドライアイス８を投入し、水密な空間１０内の水４を急速に冷却して凝固させ氷５１を形成することで、体積膨張により水密な空間１０内の内圧を上昇させる。これにより、内圧の上昇に伴い管厚の薄い開先加工部３が選択的に拡管される。ひずみゲージ
１８と計測器１９により計測した開先加工部３の外表面１２の周方向ひずみにより、外表面１２で塑性変形を開始したことを確認した後、冷却を停止し、拡管を終了する。冷却の停止は拡管用の冷媒容器６と氷栓作成用の冷媒容器５内のドライアイス８とエタノール７を除去して行う。尚、エタノール７の除去は氷栓作成用の冷媒容器５と拡管用の冷媒容器６に設置されている排水用の弁１３を開放して除去することが可能である。

次に、配管１の拡管により内表面１１に周方向の圧縮残留応力が付与されることについて、図２を用いて説明する。

図２において、図２（ａ）は配管内面の歪みと応力状況を示したものであり、配管内面の歪みと応力状況は施行前の状態１４から、施工をすることで拡管が終了した状態２６を経由して、施工後の状態２７に移行することを示している。また、図２（ｂ）は配管外面の歪みと応力状況を示したものであり、配管外面の歪みと応力状況は施行前の状態２２から、施工をすることで拡管が終了した状態２３を経由して、施工後の状態２４に移行することを示している。

配管１の突合せ溶接部２近傍における施工前の状態１４，２２では、溶接による残留応力が作用しており、配管内面では引張残留応力、配管外面では圧縮残留応力となっているのが一般的である。配管１の拡管に伴い発生するひずみ１５は、配管外面の状態２３に比べて配管内面の状態２６の方が大きくなる。さらに、配管内面では引張残留応力が作用している状態１４から拡管により引張方向の応力が作用するため、拡管時には配管外面よりも早く塑性変形１６を生じる。このため、配管１を拡管すると配管外面に比べて配管内面に多くの塑性変形を付与することになる。

拡管時に上昇させた内圧が氷栓９の融解により低下すると、配管内面と配管外面では弾性変形分のひずみが戻りはじめる。この時、配管内面に付与されたひずみが多いため、配管外面の弾性変形分のひずみ１７は戻りきらずに引張残留応力として残存し、これを機動力として配管内面に圧縮残留応力が付与される。

なお、施工前の配管外面では一般的に圧縮残留応力の状態２２が作用していることから、拡管用の冷媒容器６による外面冷却の終了時期は、配管材料の応力ひずみ特性から判断される塑性変形を生じるひずみ量の２倍程度のひずみを付与した時点とする。

更に、本発明の配管溶接部の内面に働く引張残留応力を、配管外面からの冷却により作成した氷栓を用いて圧縮残留応力にする施工方法の他の例について、図３を用いて説明する。

図３は内径の大きな配管突合せ溶接部近傍に対する施工を示すものであり、配管突合せ溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器５を設置し、配管外面を冷却して氷栓を形成させた後に、氷栓作成用の冷媒容器間に設置した拡管用の冷媒容器６を用いて配管外面を冷却することを特徴とする施工方法の実施例である。

この図３の実施例において、内径の大きな配管２０の突合せ溶接部２近傍には、局部的に管厚の薄い開先加工部３が存在する。内径の大きな配管２０の内部には水４が満たされている。内径の大きな配管２０の突合せ溶接部２の上流および下流それぞれから、少なくとも１箇所以上の曲げ管もしくはエルボ２１を選び、氷栓作成用の冷媒容器５を設置し、かつ拡管用の冷媒容器６を氷栓作成用の冷媒容器５の間に設置する。突合せ溶接部２近傍で局部的に管厚の薄い開先加工部３の外表面１２にひずみゲージ１８を設置して零点補正を行い、拡管時に発生する周方向のひずみをひずみゲージ１８に接続された計測器１９により計測を行うようにする。

まず最初に曲げ管もしくはエルボ２１に設置した氷栓作成用の冷媒容器５にエタノール７とドライアイス８を投入し、エルボ２１の内部に氷栓９を作成する。氷栓９は後述する拡管処理を行った場合の圧力変化が起きた場合でも動かないように形成される。この氷栓９の形成により突合せ溶接部２を含む内径の大きな配管２０内部には、水密な空間１０が形成される。次に、拡管用の冷媒容器６にエタノール７とドライアイス８を投入し、水密な空間１０内の水４を凝固させて氷５３を形成することで、体積膨張により水密な空間
１０内の内圧を上昇させる。このとき、氷栓９の両面の内圧差により生じる管軸方向の推進力は、推進力に垂直な氷栓形成部の曲げ管もしくはエルボ２１の管壁により支持される。ひずみゲージ１８と計測器１９により計測した開先加工部３の外表面１２の周方向ひずみにより、外表面１２で塑性変形を開始したことを確認した後、冷却を停止し、拡管を終了する。冷却の停止は前述の実施例１と同様に拡管用の冷媒容器６と氷栓作成用の冷媒容器５内のドライアイス８とエタノール７を除去して行う。なお、エタノール７の除去は氷栓作成用の冷媒容器５と拡管用の冷媒容器６に設置されている排水用の弁１３を開放して除去することが可能である。

また、拡管用の冷媒容器６による外面冷却の終了時期も、実施例１と同様に配管材料の応力ひずみ特性から判断される塑性変形を生じるひずみ量の２倍程度のひずみを付与した時点とする。

尚、本発明は種々の材質の配管に適用することが可能であり、特にオーステナイト系ステンレス製配管に対して、突合せ溶接部の応力腐食割れ抑制に効果がある。

本発明は種々の材質の配管に適用することが可能であり、特にオーステナイト系ステンレス製配管の突合せ溶接部の応力腐食割れ抑制に利用できる。

配管突合せ溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、配管外面を冷却して氷栓を形成させた後に、氷栓作成用の冷媒容器間に設置した拡管用の冷媒容器を用いて配管外面を冷却して拡管することで、配管突合せ溶接部近傍の内面に圧縮残留応力を付与する施工方法を説明する図。 配管の拡管により内表面に周方向の圧縮残留応力が付与される原理を説明する図。 内径の大きな配管突合せ溶接部近傍の内面に圧縮残留応力を付与する施工方法を説明する図。

符号の説明

１…配管、２…突合せ溶接部、３…開先加工部、４…水、５…氷栓作成用の冷媒容器、６…拡管用の冷媒容器、７…エタノール、８…ドライアイス、９…氷栓、１０…水密な空間、１１…内表面、１２…外表面、１３…排水用の弁、１４，２２…施行前の状態、１５…拡管に伴い発生するひずみ、１６…塑性変形、１７…外表面の弾性変形分のひずみ、
１８…ひずみゲージ、１９…計測器、２０…内径の大きな配管、２１…曲げ管もしくはエルボ、２３，２６…施工をすることで拡管が終了した状態、２４，２７…施工後の状態、５１，５３…氷。

Claims (4)

1. 配管溶接部に働く残留応力を改善するにあたり、配管外面からの冷却により作成される氷栓を用いて、配管内部の圧力を上昇させ配管溶接部の残留応力を改善させる配管の残留応力改善方法において、
   配管溶接部の上流および下流に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、配管外面を冷却して内部に氷栓を形成させた後に、氷栓作成用の前記冷媒容器間に設置した拡管用の冷媒容器を用いて配管を冷却することにより、氷栓間の水の冷却効率を向上させることを特徴とする配管溶接部を拡管させる配管の残留応力改善方法。
2. 請求項１の配管の残留応力改善方法において、
   配管溶接部近傍を拡管するにあたり、配管突合せ溶接部の上流および下流の曲げ管，エルボまたは分岐管に氷栓作成用の冷媒容器を設置し、該配管外面を冷却して内部に氷栓を形成させることにより、拡管時に氷栓の上流面と下流面の内圧差により生じる管軸方向の推進力を、氷栓形成部の管壁に対して垂直方向の荷重として管壁に支持させることを特徴とする配管の残留応力改善方法。
3. 配管外面からの冷却により作成される氷栓を用いて、配管内部の圧力を上昇させ配管溶接部の残留応力を改善させる配管の残留応力改善装置において、
   配管溶接部の上流および下流に設置された氷栓作成用の第１，第２の冷媒容器と、
   該第１，第２の冷媒容器に挟まれた配管経路に設置された拡管用の冷媒容器とを備え、
   配管外面を前記第１，第２の冷媒容器により冷却して内部に氷栓を形成させた後に、前記拡管用の冷媒容器を用いて配管を冷却させ、配管溶接部を拡管させる配管の残留応力改善装置。
4. 請求項３の配管の残留応力改善装置において、
   配管突合せ溶接部の上流および下流の曲げ管，エルボまたは分岐管に氷栓作成用の前記第１，第２の冷媒容器を設置したことを特徴とする配管の残留応力改善装置。
   
   

Images