JP2008080347A

JP2008080347A - 管溶接構造体及び管溶接方法ならびに管溶接構造体を備えたボイラ装置

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Publication number: JP2008080347A
Application number: JP2006261067A
Authority: JP
Inventors: Motoroku Nakao; 元六仲尾; Yasushi Sato; 恭佐藤; Yasuhide Marumoto; 泰秀丸本
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP4885672B2

Abstract

【課題】管体どうしの溶接部の溶接割れ感受性を低減させることのできる管溶接構造体を提供する。
【解決手段】フェライト系鋼からなる第１の管体1に、Ｎｉ基合金からなる第２の管体2をＮｉ基合金からなる溶接金属材で突合せ又は隅肉溶接する管溶接構造体において、第１の管体1と前記突合せ又は隅肉溶接で形成された溶接金属層5の間に、リンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制したＮｉ基合金からなるバタリング溶接層7が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、火力発電用ボイラ装置などの管溶接構造体に係り、特に高温強度、耐溶接割れ性に優れた過熱器又は再熱器の出口などにおける管溶接構造体に関するものである。

石炭、ガス又は重原油を燃料とした火力発電用ボイラ装置は、高温、高圧化に伴い効率が向上することから、主蒸気条件で２５ＭＰa以上、６５０℃以上、再熱蒸気で５ＭＰa以上、６００℃以上の超臨界圧ボイラ装置が増加している。

こうした高温、高圧のボイラ装置においては、ボイラ火炉の上部やボイラ火炉からの燃焼排ガスの流路内には過熱器や再熱器などの熱交換器が配置されており、その熱交換器を構成している伝熱管群により燃焼排ガスの熱を吸収して管内を流通する蒸気を所定の蒸気条件に過熱している。

これら伝熱管群は各管の熱吸収のアンバランスを解消するためと、下流側に蒸気を流す中継として、図５に示すように管寄１の側面にスタッブ管２を介して伝熱管３が多数接続されていたり、あるいは図６に示すように管寄１の側面にマニホールド４が接続され、そのマニホールド４の側面にスタッブ管２を介して伝熱管３が多数接続されている。

特に前述のような高温、高圧の条件下では、前記管寄１叉はマニホールド４として、９〜１３重量％のＣｒと、１〜２重量％のＭｏと、１〜２重量％のＷなどを含むフェライト系鋼を使用し、前記伝熱管３としてＳＵＳ310HTBやＳＵＳ304J1HTBなどのオーステナイト系ステンレス鋼を使用した構成が一般的である。

しかし、フェライト系鋼からなる管寄１叉はマニホールド４にオーステナイト系ステンレス鋼からなる伝熱管３を直接溶接した場合、溶接部に溶接割れが生じたり、ＳＵＳと９Ｃｒ等鋼の線膨張率の差が大きいために熱疲労亀裂が発生する。

そのため図７に示すように、線膨張率がＳＵＳと９Ｃｒの中間のＮｉ基合金からなるスタッブ管２を管寄１（叉はマニホールド４）と伝熱管３の間に介在して、Ｎｉ基合金からなる溶接金属５で溶接する方法が採用されている。

なお、管体の溶接に関しては、例えば下記のような特許文献を挙げることができる。
特開平８−２７１１８３号公報

ところで前記伝熱管（例えば外径４５ｍｍ、５０．８ｍｍ、肉厚６〜８ｍｍ）３と管寄１の隅肉溶接においてスタッブ管２を間に介在する場合、スタッブ管２の外径は伝熱管３と同じで肉厚も略同等となり、管寄１とスタッブ管２の溶接は、Ｎｉ基合金により例えば３層５パスで行なう。具体的には初層が１パスで、２層、３層が２パスとなる。その際に２層、３層目のパスはＮｉ基合金のスタッブ管側と９Ｃｒフェライト系鋼の管寄側に振り分けられるためスタッブ管側は問題ないが、管寄側において９Ｃｒフェライト系の希釈を少なくするような溶接条件には限界があり、そのために割れを低減することが困難である。

スタッブ管２を管寄１と同系材の９〜１３重量％Ｃｒ鋼にすることにより、その隅肉溶接部の溶接割れの問題はなくなるが、高温強度上スタッブ管２を極厚にする必要があり、極厚９〜１３重量％Ｃｒ鋼の溶接熱影響部細粒域ではクリープ強度が極端に低下する所謂、タイプIVクラック問題が生じる。

本発明の目的は、管体どうしの溶接部の溶接割れ感受性を低減させることのできる管溶接構造体及び管溶接方法ならびに管溶接構造体を備えたボイラ装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、フェライト系鋼からなる第１の管体に、Ｎｉ基合金からなる第２の管体をＮｉ基合金からなる溶接金属材で突合せ又は隅肉溶接する管溶接構造体において、
前記第１の管体と前記突合せ又は隅肉溶接で形成された溶接金属層との間に、リンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制したＮｉ基合金からなるバタリング溶接層が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記第１の管体が９Ｃｒ〜１３Ｃｒのマルテイサイト系ステンレス鋼からなり、前記第２の管体ならびに突合せ又は隅肉溶接金属層がインコネルからなることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、前記第１の管体が管寄叉はマニホールドで、前記第２の管体が伝熱管を前記第１の管体に接続するスタッブ管であることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は、フェライト系鋼からなる第１の管体に、Ｎｉ基合金からなる第２の管体をＮｉ基合金からなる溶接金属材で突合せ又は隅肉溶接する管溶接方法において、
前記第１の管体の前記第２の管体を溶接する位置に第１の開先を形成する工程と、
その第１の開先にリンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制したＮｉ基合金材でバタリング溶接する工程と、
前記第１の管体と前記第２の管体の溶接位置に第２の開先を形成する工程と、
その第２の開先で前記第１の管体と前記第２の管体をＮｉ基合金からなる溶接金属材で突合せ又は隅肉溶接する工程とを含んでいることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第４の手段において、前記バタリング溶接工程によって形成されるバタリング溶接層の厚さが、前記突合せ又は隅肉溶接しても前記バタリング溶接層が残っており前記第１の管体の一部が溶融しない厚さであることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第４または第５の手段において、前記第１の管体が９Ｃｒ〜１３Ｃｒのマルテイサイト系ステンレス鋼からなり、前記第２の管体ならびに突合せ又は隅肉溶接金属層がインコネルからなることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第４ないし第６の手段において、前記第１の管体が管寄叉はマニホールドで、前記第２の管体が伝熱管を前記第１の管体に接続するスタッブ管であることを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は、過熱器ならびに再熱器を備えたボイラ装置において、前記過熱器ならびに再熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器の管溶接構造体が前記第３の手段による管溶接構造体であることを特徴とするものである。

本発明によれば、溶接割れを有効に防止することのできる管溶接構造体及び管溶接方法ならびにその管溶接構造体を備えたボイラ装置を提供できるので、ボイラ装置を高温、高圧化でき効率が向上するので、燃焼ＣＯ₂量を削減でき、地球温暖化防止に貢献できる。

ボイラ装置の過熱器や再熱器の管寄／スタッブ管の溶接構造は、管寄に高強度で且つ経済的な９Ｃｒ〜１３Ｃｒのフェライト系材料を用い、オーステナイト系ステンレス鋼管の伝熱管との間にインコネル６１７で代表されるＮｉ基合金製スタッブ管を用いることにより、クリープ強度や疲労強度など高温強度の問題は解決できる。

管寄とスタッブ管の隅肉又は突合せ溶接は、径大の管寄とそれに対して垂直方向に設置した小径のスタッブ管の溶接のため、Ｎｉ基合金で溶接する際、９Ｃｒ鋼管寄材からの希釈による不純物量の増加、収縮時の２つの管体からの拘束力、形状的な溶接の困難さから凝固割れなどの溶接割れ感受性が極めて高くなる条件にある。

図３は、フェライト系鋼とＮｉ基合金を隅肉溶接する際に溶接材料のリン(Ｐ)と硫黄(Ｓ)の含有率を種々変更して、溶接割れの発生の有無を調べた特性図である。火ＳTＰT28で代表される９Ｃｒフェライト鋼でのＰの含有率は０．０２０重量％以下、Ｓの含有率は０．０１０重量％以下である。また、インコネル６１７及びＮｉ基合金溶接材料のＰの含有率とＳの含有率は共に０．０１５重量％以下である。

この図３から明らかなように、Ｐ＋Ｓの含有率が０．０２重量％以下、好ましくは０．０１重量％以下では、当該条件で溶接割れは発生しておらず、割れを防止するためにはＰとＳの合計含有率を０．０２重量％以下にすれば良いことが判明した。

そこで、前記拘束力の掛からないバタリング溶接を管寄側に事前に実施し、開先加工後にＮｉ基合金のスタッブ管との隅肉又は突合せ溶接を施すようにした。管寄とスタッブ管との溶接割れ感受性を関数式で示せば次のようになる。

溶接割れ感受性＝(Ｐ+Ｓ)の不純物量×溶接時の拘束応力
本実施形態では第１ステップで開先内でのバタリング溶接が行われ、第２ステップで開先加工などの機械加工が行われて、第３ステップで隅肉又は突合せ溶接が行われる。

前記第１ステップの開先内でのバタリング溶接は、溶接時の拘束力がないことから溶接割れは発生しない。第１ステップのＮｉ基バタリング溶接部の厚さｔ（但し、この厚さｔは、バタリング溶接部を突合せ溶接のために開先形状に削ったときの残りのバタリング溶接部の厚さであって、バタリング溶接したときの溶接したままの肉盛厚さではない）は、第３ステップの隅肉又は突合せ溶接時における９Ｃｒ鋼の母材を溶融させない厚さ２ｍｍ以上あれば十分であることが、本発明者らの諸種の実験結果から明らかになった。なお、Ｎｉ基バタリング溶接部の厚さｔの上限値は厳密なものではないが、溶接施工性や経済性などの理由から、７ｍｍ程度が適当である。

前記第３ステップの隅肉又は突合せ溶接時、事前のバタリング溶接により９Ｃｒ鋼管寄からの溶接希釈がないため、Ｐ+Ｓの不純物量を管理し易く、拘束応力が高くなっても割れが防止できる。

以下、本発明の実施形態について図とともに説明する。図１ならびに図２は実施形態に係るボイラ装置用の管寄（またはマニホールド）／スタッブ管溶接構造体の拡大断面図で、図１は開先内でバタリング溶接した状態を示す第１ステップの拡大断面図、図２は隅肉溶接した状態を示す第２ステップの拡大断面図である。図中の１は火ＳTＰT28からなるフェライト系鋼管寄、２はインコネル６１７からなるＮｉ基合金スタッブ管、４は火ＳTＰT２８からなるフェライト系マニホールド、５はインコネル６１７からなるＮｉ基合金溶接金属層（付合せ叉は隅肉溶接金属層）、７はＮｉ基合金バタリング溶接金属層である。

第１ステップとして図１に示すように、フェライト系の管寄１（叉はマニホールド４）の開先部に予め、溶接材料中のＰ+Ｓ含有率が０．０２重量％以下（本実施形態ではＰ+Ｓ含有率が０．０１５重量％）に規制されているＮｉ基合金をバタリング溶接し、厚さが５ｍｍ程度のバタリング溶接金属層７を形成する。次に第２ステップとして図２に示すように、開先加工後、フェライト系の管寄１（叉はマニホールド４）とＮｉ基合金スタッブ管２をＮｉ基合金溶接金属で隅肉溶接し、Ｎｉ基合金溶接金属層５を形成する。

前記バタリング溶接金属層７の厚さは、開先加工による研削、スタッブ管３との隅肉溶接時の溶融量を考慮して決定すればよく、スタッブ管２との溶接時に管寄材（叉はマニホールド材）を溶融させなければよい。

本実施形態で使用されるフェライト系鋼管寄１（フェライト系マニホールド４）、Ｎｉ基合金スタッブ管２、Ｎｉ基合金溶接金属層５、Ｎｉ基合金バタリング溶接金属層７の化学組成例を示せば図４の通りである。

管寄開先部のバタリング溶接は、スタッブ管との隅肉溶接に比べて前記拘束力がほとんどなく、そのため溶接割れ感受性はより低くなり、溶接割れが発生し難い。さらにバタリング後の開先加工時に染色探傷などで割れの有無を検査できるので、より信頼性を高めることができる。

隅肉や突合せ溶接により裏波６を出す、換言すれば管内面側まで溶け込んだ溶接を行うことにより、強度や信頼性の高い溶接部を形成することができる。

管寄ならびにマニホールドとしては、例えば９重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ−１．８重量％Ｗ−残Ｆｅからなる火ＳＴＰＡ２９、火ＳＴＰＡ２８、火ＳＵＳ４１０Ｊ３ＴＰなどが用いられる。これら材料中には、高温強度を上げるためにＭｏ，Ｗなどの元素が添加されている。また、スタッブ管ならびにＮｉ基合金溶接金属層（付合せ叉は隅肉溶接金属層）としては、例えば５５重量％Ｎｉ−２２重量％Ｃｒ−５重量％Ｃｏ％−９重量％Ｍｏからなるインコネル６１７やインコネル６２５などが用いられる。

本発明の実施形態に係る管寄（叉はマニホールド）の開先内でバタリング溶接した状態を示す拡大断面図である。本発明の実施形態に係る管寄（叉はマニホールド）とスタッブ管を隅肉溶接した状態を示す拡大断面図である。フェライト系鋼とＮｉ基合金を隅肉溶接する際に溶接材料のリンと硫黄の含有率を種々変更して、溶接割れの発生の有無を調べた特性図である。本発明の実施形態で使用する管寄（マニホールド）、スタッブ管、溶接金属層、バタリング溶接金属層の化学組成を示す図である。管寄にスタッブ管を介して伝熱管を接続した状態を示す図である。管寄にマニホールドを接続し、そのマニホールドにスタッブ管を介して伝熱管を接続した状態を示す図である。管寄（マニホールド）にスタッブ管を介して伝熱管を接続した状態を示す断面図である。

符号の説明

１：管寄、２：スタッブ管、３：伝熱管、４：マニホールド、５：溶接金属層、６：裏波、７：バタリング溶接金属層、ｔ：バタリング溶接金属層の厚さ。

Claims

フェライト系鋼からなる第１の管体に、Ｎｉ基合金からなる第２の管体をＮｉ基合金からなる溶接金属材で突合せ又は隅肉溶接する管溶接構造体において、
前記第１の管体と前記突合せ又は隅肉溶接で形成された溶接金属層との間に、リンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制したＮｉ基合金からなるバタリング溶接層が設けられていることを特徴とする管溶接構造体。
請求項１記載の管溶接構造体において、前記第１の管体が９Ｃｒ〜１３Ｃｒのマルテイサイト系ステンレス鋼からなり、前記第２の管体ならびに突合せ又は隅肉溶接金属層がインコネルからなることを特徴とする管溶接構造体。
請求項１または２記載の管溶接構造体において、前記第１の管体が管寄叉はマニホールドで、前記第２の管体が伝熱管を前記第１の管体に接続するスタッブ管であることを特徴とする管溶接構造体。
フェライト系鋼からなる第１の管体に、Ｎｉ基合金からなる第２の管体をＮｉ基合金からなる溶接金属材で突合せ又は隅肉溶接する管溶接方法において、
前記第１の管体の前記第２の管体を溶接する位置に第１の開先を形成する工程と、
その第１の開先にリンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制したＮｉ基合金材でバタリング溶接する工程と、
前記第１の管体と前記第２の管体の溶接位置に第２の開先を形成する工程と、
その第２の開先で前記第１の管体と前記第２の管体をＮｉ基合金からなる溶接金属材で突合せ又は隅肉溶接する工程とを含んでいることを特徴とする管溶接方法。
請求項４記載の管溶接方法において、前記バタリング溶接工程によって形成されるバタリング溶接層の厚さが、前記突合せ又は隅肉溶接しても前記バタリング溶接層が残っており前記第１の管体の一部が溶融しない厚さであることを特徴とする管溶接方法。
請求項４または５記載の管溶接方法において、前記第１の管体が９Ｃｒ〜１３Ｃｒのマルテイサイト系ステンレス鋼からなり、前記第２の管体ならびに突合せ又は隅肉溶接金属層がインコネルからなることを特徴とする管溶接方法。
請求項４ないし６のいずれか１項記載の管溶接方法において、前記第１の管体が管寄叉はマニホールドで、前記第２の管体が伝熱管を前記第１の管体に接続するスタッブ管であることを特徴とする管溶接方法。
過熱器ならびに再熱器を備えたボイラ装置において、前記過熱器ならびに再熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器の管溶接構造体が請求項３記載の管溶接構造体であることを特徴とするボイラ装置。