JP2008508100A - 装置中の腐食した流体伝導部品を溶接によって交換する方法及びそれによって得られる部品 - Google Patents
装置中の腐食した流体伝導部品を溶接によって交換する方法及びそれによって得られる部品 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本明細書において開示する方法に関連して、ジルコニウム−チタン融接継手の機械的及び腐食特性を、固相接合によって作製された溶接継手と比較して評価した。ジルコニウム及びチタンを、例えばティグ溶接、金属ガスアーク溶接、プラズマ溶接、及び抵抗溶接のような技術を使用して融接して、高強度溶接継手を作製できることは周知である。上記に言及したように、しかしながら、融合によって異種材料を接合することによって作製された溶接部は腐食によって影響され得、溶接帯域の硬さ及び強度をかなり増大させ得る固溶硬化にさらされる。ジルコニウム−チタンの自己発生(すなわち、溶加材の使用無しで)融接においては、溶接帯域において生成したジルコニウム−チタン合金は100%ジルコニウムから100%チタンまで変化しよう。この合金化の影響は、ジルコニウムまたはチタン溶加材の使用によって幾分減少し得る。溶加材の使用の場合でさえも、溶接部の領域は様々なジルコニウム−チタン合金組成物で構成されようし、このような合金領域はかなり損なわれた耐食性及び機械的性質を有するかもしれない。管状区画の固相接合を、溶接の最中の接合した材料の溶解及び溶接帯域における問題のある合金の生成を避けるための手段として調べた。
幾つかの溶接試料を、ジルコニウム管区画をチタン管区画にフライホイール式摩擦圧接して単一の管を生じることによって作製した。図6は、切断して区画にしていないフライホイール式摩擦圧接試料及び切断して区画にしたフライホイール式摩擦圧接試料の両方を表し、ここで、ジルコニウム管区画(より暗色の材料)はチタン管区画にフライホイール式摩擦圧接されており、内径及び外径表面にばりを生じる。ばりは、溶接サイクルの最中に生じるアプセットによって溶接区域から押された。溶接プロセスは最終溶接継手において熱応力を生じることがあるので、フライホイール式摩擦圧接した試料の幾つかを目標550℃(1022°F)で約1/2時間応力除去して、溶接応力を除去した。応力除去熱処理を使用した溶接した試料において、試料を熱処理の前及び後の両方で評価した。図7は、ばりを除去された2つの十分に機械加工されたフライホイール式摩擦圧接試料を示す。
下位サイズ試料を、室温で、標準的な引張試験を使用して試験して、溶接継手の機械的強度を決定した。引張標本を、引張ゲージ標本の中央における溶接帯域の中央を用いて機械加工した。標本を、ASTM E−8に従って試験した。表1は、幾つかの異なる試料溶接部に関する引張試験の結果を提供する。結果は、フライホイール式摩擦圧接試料は、融接試料よりも高い極限強さ及びわずかに低い降伏強さを有したことを示す。上記に説明したひずみ取り焼なましをフライホイール式摩擦圧接試料に適用することは、試料の機械的強度をわずかに低下させたのみだった。実際の引張試験手順を観察した際に、溶接した試料の全て(フライホイール式摩擦圧接した及び融接したの両方)はチタン母材において破損し、溶接区域においてはそうではないことが分かった。
金属組織学を使用して、ジルコニウム−チタン溶接界面の特性を検査した。図8は、フライホイール式摩擦圧接した試料の管壁におけるジルコニウム−チタン溶接界面の断面である。ばり材料は、溶接継手から掃くように除去されることが示されるが、異種金属の間の界面は輝いており、別個である。図9は、同じ溶接界面の高倍率の図である。溶接継手に隣接する金属の各々の暗色化した帯域は、熱影響部である。暗色化は、結合界面での熱入力によって生じ、合金化にはよらない。高倍率でさえも、ジルコニウムとチタン金属との間の界面は輝いており、別個であり、合金化の証拠を示さない。
従って、上記の試験結果は、ジルコニウム−チタンフライホイール式摩擦圧接した試料は、機械的性質及び耐食性の点で、融接した試料よりもはるかに良好に機能し、フライホイール式摩擦圧接した試料は、溶接帯域内部に合金化した領域が実質的に無いようだったことを示す。融接した試料において見られたような明瞭な腐食性攻撃は、フライホイール式摩擦圧接した試料において認められたなかった。融接した試料は、硝酸及び尿素環境における耐食性を評価するために行った試験において、15mpy(0.38mm/年)を超える高い腐食速度を有したが、フライホイール式摩擦圧接は、2mpy(0.05mm/年)未満の腐食速度を示した。
異種反応性金属、例えば、チタン及びジルコニウムを冶金学的に結合して、多層管状流体伝導部材を形成するための1具体例は、3つの別個のプロセス経路を含む。第1のプロセス経路は、外部ビレット、またはベース構成要素を製造することに関する。第2のプロセス経路は、内部ライナー構成要素を製造することに関する。第3のプロセス経路においては、ベース構成要素及びライナー構成要素を組み合わせて、組立てられたビレットにし、ビレットを次に押出し、冷間加工し、熱処理して、多層管を提供する。以下の節においては、チタン等級3(UNS R50550)外部ベース及びジルカダイン702TM(Zr702)(UNS R60702)内部ライナーを含む多層管類の製造において特に適用されるように、3つのプロセス経路をより詳細に説明する。Zr702合金は、ATIワー・チャン、オールバニー、オレゴン(ATI Wah Chang, Albany, Oregon)から入手可能であり、以下の化学(総合金重量の重量%で)を有する:99.2min.ジルコニウム+ハフニウム;4.5max.ハフニウム;0.2max.鉄+クロム;0.005max.水素;0.25max.窒素;0.05max.炭素;及び0.16max.酸素。
Claims (68)
- 取り付け領域を有する装置の物品の少なくとも1つの流体伝導部品を交換する方法であって:
耐食性の第1の材料を含む流体伝導第1の領域、及び前記取り付け領域の材料と同一及び実質的に同一のうちの1つである第2の材料を含む流体伝導第2の領域を含む交換部品を提供し、前記第1の領域及び前記第2の領域は、直接的に及び間接的にのうちの1つで固相接合によって接合されて、単一の流体伝導交換部品を形成することと;
前記交換部品の前記第2の領域の前記第2の材料を前記装置の物品の前記取り付け領域に固定することを含むプロセスによって、前記交換部品を前記装置の物品に固定することと;
を含む方法。 - 前記交換部品は、円筒形部品、管、パイプ、ノズル、スタブエンド、管コネクタ、パイプコネクタ、尿素処理装置のためのストリッパー管、伝熱管、及び流体伝導部品からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記耐食性の第1の材料は、ジルコニウム、ジルコニウム合金、チタン、チタン合金、ニオブ、及びニオブ合金からなる群から選択される少なくとも1つの材料であり、前記第2の材料は、チタン、チタン合金、及びステンレス鋼からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記装置の物品は尿素合成装置のストリッパーユニットであり、前記交換部品はストリッパー管であり、前記取り付け領域はストリッパー管板の領域である、請求項3に記載の方法。
- 前記第1の領域を直接的に及び間接的にのうちの1つで前記第2の領域に固相接合することは、フライホイール式摩擦圧接、熱間圧接、ロール圧接、及び超音波溶接を含む、冷間圧接、拡散溶接、爆発溶接、鍛接、摩擦圧接からなる群から選択される固相接合技術を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の領域は、耐食材料の内部層及び前記第2の材料の外部層を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の領域は押出し結合によって形成され、その結果、前記第2の領域の前記内部層及び前記外部層は融合される、請求項6に記載の方法。
- 前記第2の領域は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択される材料の内部層、並びにチタン及びチタン合金からなる群から選択される材料の外部層を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の領域は、前記第2の領域の前記内部層及び前記外部層を冶金学的に結合することを含むプロセスによって形成される、請求項8に記載の方法。
- 前記第2の領域の前記内部層及び前記外部層を冶金学的に結合することは、押出し結合、爆発結合、熱間静水圧成形、及び遠心鋳造からなる群から選択される少なくとも1つの技術を含む、請求項9に記載の方法。
- 前記装置の物品は尿素合成装置のストリッパーユニットであり;
前記交換部品はストリッパー管であり;
前記取り付け領域は管板の領域であり;
前記交換部品の前記第1の領域はジルコニウムであり;
前記交換部品の前記第2の領域は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択される材料の内部層、並びにチタン及びチタン合金からなる群から選択される材料の外部層を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記内部層は、直接的に及び間接的にのうちの1つで前記外部層に冶金学的に結合される、請求項11に記載の方法。
- 前記第1の領域を直接的に及び間接的にのうちの1つで前記第2の領域に固相接合することによって形成された溶接領域は、前記第1の材料及び前記第2の材料を組み合わせる合金が実質的に無い、請求項12に記載の方法。
- 前記第1の領域は間接的に前記第2の領域に固相接合され、その結果、少なくとも1つの第3の材料は前記第1の領域と前記第2の領域との間に配置される、請求項11に記載の方法。
- 尿素合成ユニットのストリッパー中のストリッパー管を交換ストリッパー管で交換する方法であって:
耐食性の第1の材料を含む流体伝導第1の領域、及び前記ストリッパーの管板を構成する材料と同一及び実質的に同一のうちの1つである第2の材料を含む流体伝導第2の領域を含む交換ストリッパー管を提供し、前記第1の領域及び前記第2の領域は、直接的に及び間接的にのうちの1つで固相接合によって接合されて、単一の流体伝導交換部品を形成することと;
前記第2の領域の前記第2の材料を、前記管板の同一のまたは実質的に同一の材料に融接することと;
を含む方法。 - 前記耐食性の第1の材料は、ジルコニウム及びジルコニウム合金チタン、チタン合金、ニオブ、及びニオブ合金からなる群から選択される少なくとも1つの材料であり、前記第2の材料は、チタン、チタン合金及びステンレス鋼からなる群から選択される少なくとも1つの材料である、請求項16に記載の方法。
- 前記第1の領域を直接的に及び間接的にのうちの1つで前記第2の領域に固相接合することは、冷間圧接、拡散溶接、爆発溶接、鍛接、摩擦圧接、フライホイール式摩擦圧接、熱間圧接、ロール圧接、及び超音波溶接からなる群から選択される固相接合技術によって実行される、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の領域は、単一の材料でできており、前記第2の領域は、単一の材料でできている、請求項15に記載の方法。
- 前記第2の領域は、耐食材料の内部層及び前記第2の材料の外部層を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記第2の領域は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択される材料の内部層、並びにチタン及びチタン合金からなる群から選択される材料の外部層を含む、請求項19に記載の方法。
- 前記第2の領域は押出し結合によって形成され、その結果、前記第2の領域の前記内部層及び前記外部層は融合される、請求項20に記載の方法。
- 前記第1の領域を直接的に及び間接的にのうちの1つで前記第2の領域に固相接合することによって形成された溶接領域は、前記耐食性の第1の材料及び前記第2の材料の合金が実質的に無い、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の領域は間接的に前記第2の領域に固相接合され、その結果、少なくとも1つの第3の材料は前記第1の領域と前記第2の領域との間に配置される、請求項15に記載の方法。
- 装置の物品のための部品であって:
耐食性の第1の材料を含む流体伝導第1の領域と;
第2の材料を含む流体伝導第2の領域と;を含む部品において、
前記第1の領域及び前記第2の領域は直接的に及び間接的にのうちの1つで固相接合によって接合されて、単一の流体伝導部品を形成する、部品。 - 前記部品は、円筒形部品、管、パイプ、ノズル、スタブエンド、管コネクタ、パイプコネクタ、尿素処理装置のためのストリッパー管、伝熱管、及び流体伝導部品からなる群から選択される、請求項24に記載の部品。
- 前記耐食性の第1の材料は、ジルコニウム及びジルコニウム合金;チタン、チタン合金、ニオブ、及びニオブ合金からなる群から選択される少なくとも1つの材料であり、前記第2の材料は、チタン、チタン合金、及びステンレス鋼からなる群から選択される、請求項24に記載の部品。
- 前記第1の領域を直接的に及び間接的にのうちの1つで前記第2の領域に固相接合することは、冷間圧接、拡散溶接、爆発溶接、鍛接、摩擦圧接、フライホイール式摩擦圧接、熱間圧接、ロール圧接、及び超音波溶接からなる群から選択される固相接合技術によって実行された、請求項24に記載の部品。
- 前記第2の領域は、耐食材料の内部層及び前記第2の材料の外部層を含む、請求項24に記載の部品。
- 前記第2の領域の前記内部層及び前記外部層は一緒に押出し結合される、請求項28に記載の部品。
- 前記第2の領域は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択される材料の内部層、並びにチタン及びチタン合金からなる群から選択される材料の外部層を含む、請求項28に記載の部品。
- 前記第1の領域を直接的に及び間接的にのうちの1つで前記第2の領域に固相接合することによって形成された前記溶接領域は、前記耐食性の第1の材料及び前記第2の材料の合金が実質的に無い、請求項24に記載の部品。
- 前記第1の領域は間接的に前記第2の領域に固相接合され、その結果、少なくとも1つの第3の材料は前記第1の領域と前記第2の領域との間に配置される、請求項24に記載の部品。
- 装置の物品中の流体伝導部品を交換流体伝導部品で交換する方法であって:
前記装置の物品の既存の流体伝導部品ストリッパー管を、請求項24に記載の設計を有する流体伝導部品で交換することを含む方法。 - 前記流体伝導部品は、円筒形部品、管、パイプ、ノズル、スタブエンド、管コネクタ、パイプコネクタ、尿素処理装置のためのストリッパー管、伝熱管、及び流体伝導部品からなる群から選択される、請求項33に記載の方法。
- 前記装置の物品は、化学処理装置、ストリッパーユニット、凝縮器ユニット、及び熱交換器からなる群から選択される、請求項33に記載の方法。
- 請求項24に記載の部品を含む装置の物品。
- 取り付け領域を有する装置の物品の少なくとも1つの流体伝導部品を交換する方法であって:
流体伝導部品を通る流体伝導通路を取り囲む耐食性の第1の材料の内部層、及び第2の材料の外部層を含む交換流体伝導部品を提供し、前記内部層は、直接的に及び間接的にのうちの1つで前記外部層に冶金学的に結合されることと;
交換部品の外部層を前記装置の物品の前記取り付け領域に固定することを含むプロセスによって、前記交換部品を前記装置の物品に固定することと;
を含む方法。 - 前記取り付け領域は、前記交換部品の前記第2の材料と同一及び実質的に同一のうちの1つである第3の材料を含み、さらに、前記交換部品を前記装置の物品に固定することは、前記外部層の領域を前記取り付け領域の前記第3の材料に固定することを含む、請求項37に記載の方法。
- 前記交換部品を前記装置の物品に固定することは、前記外部層の領域を前記取り付け領域の前記第3の材料に溶接することを含む、請求項37に記載の方法。
- 前記耐食性の第1の材料は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択される少なくとも1つの材料であり、前記第2の材料は、チタン及びチタン合金からなる群から選択される、請求項37に記載の方法。
- 前記装置の物品は尿素合成装置のストリッパーユニットであり、前記交換部品はストリッパー管であり、前記取り付け領域はストリッパー管板の領域である、請求項37に記載の方法。
- 前記内部層及び前記外部層は、押出し結合、爆発結合、熱間静水圧成形、及び遠心鋳造からなる群から選択される少なくとも1つの技術を含むプロセスによって、直接的に及び間接的にのうちの1つで冶金学的に結合される、請求項37に記載の方法。
- 前記装置の物品は尿素合成装置のストリッパーユニットであり;
前記交換部品はストリッパー管であり;
前記取り付け領域は管板の領域であり;
前記交換部品の内部層は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択され;
交換物の外部層は、チタン及びチタン合金からなる群から選択される、請求項37に記載の方法。 - 前記交換部品を前記装置の物品に固定することは、前記外部層の前記第2の材料の領域を前記取り付け領域の前記第3の材料に融接することを含み、それによって形成された前記溶接領域は、前記第1の材料及び前記第2の材料と比較してかなり低減した耐食性を有する合金が実質的に無い、請求項37に記載の方法。
- 前記内部層は、直接的に前記外部層に冶金学的に結合される、及び間接的に前記外部層に冶金学的に結合されるのうちの1つであり、その結果、前記第1の材料及び前記第2の材料と異なる第3の材料を含む少なくとも1つの層は前記内部層と前記外部層との間に配置される、請求項37に記載の方法。
- 尿素合成ユニットのストリッパー中のストリッパー管を交換ストリッパー管で交換する方法であって:
ストリッパー管を通る流体伝導通路を取り囲む耐食性の第1の材料の内部層、及び第2の材料の外部層を含む交換ストリッパー管を提供し、前記内部層は、直接的に及び間接的にのうちの1つで前記外部層に冶金学的に結合され、前記第2の材料は、前記ストリッパーの管板を構成する材料と同一及び実質的に同一のうちの1つであることと;
前記外部層の前記第2の材料を、前記管板の同一のまたは実質的に同一の材料に固定することと;
を含む方法。 - 前記耐食性の第1の材料は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択され、前記第2の材料は、チタン及びチタン合金からなる群から選択される、請求項46に記載の方法。
- 前記外部層の前記第2の材料を前記管板の前記同一のまたは実質的に同一の材料に固定することは、前記外部層の前記第2の材料を前記管板の前記実質的に同一の材料に溶接することを含む、請求項46に記載の方法。
- 前記ストリッパー管の前記内部層及び前記外部層は、押出し結合、爆発結合、熱間静水圧成形、及び遠心鋳造からなる群から選択される少なくとも1つの技術を含むプロセスによって、直接的に及び間接的にのうちの1つで冶金学的に結合される、請求項46に記載の方法。
- 前記外部層の前記第2の材料を前記管板の前記実質的に同一の材料に固定することは、前記外部層の前記第2の材料の領域を前記管板に融接することを含み、それによって形成された前記溶接領域は、前記第2の材料と比較してかなり低減した耐食性を有する合金が実質的に無い、請求項46に記載の方法。
- 前記内部層は直接的に前記外部層に冶金学的に結合され、実質的な相互拡散層は生成されない、請求項46に記載の方法。
- 前記内部層は、間接的に前記外部層に冶金学的に結合され、その結果、前記第1の材料及び前記第2の材料と異なる材料を含む少なくとも1つの層は前記内部層と前記外部層との間に配置される、請求項46に記載の方法。
- 装置の物品のための部品であって、ストリッパー管及び伝熱管から選択され、流体伝導部品を通る流体伝導通路を取り囲む耐食性の第1の材料の内部層、及び第2の材料の外部層を含む部品において、前記内部層は、直接的に及び間接的にのうちの1つで前記外部層に冶金学的に結合される、部品。
- 前記部品は、前記装置の物品のための交換部品及び元の部品のうちの1つである、請求項53に記載の部品。
- 前記耐食性の第1の材料は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択される少なくとも1つの材料であり、前記第2の材料は、チタン及びチタン合金からなる群から選択される、請求項53に記載の部品。
- 前記装置の物品は尿素合成装置のストリッパーユニットであり、前記交換部品はストリッパー管である、請求項53に記載の部品。
- 前記内部層及び前記外部層は、押出し結合、爆発結合、熱間静水圧成形、及び遠心鋳造からなる群から選択される少なくとも1つの技術を含むプロセスによって、直接的に及び間接的にのうちの1つで冶金学的に結合される、請求項53に記載の部品。
- 前記内部層は直接的に前記外部層に冶金学的に結合される、請求項53に記載の部品。
- 前記内部層と前記外部層との間に実質的な相互拡散層は存在しない、請求項58に記載の部品。
- 前記内部層は、間接的に前記外部層に冶金学的に結合され、その結果、前記第1の材料及び前記第2の材料と異なる第3の材料を含む少なくとも1つの層は前記内部層と前記外部層との間に配置される、請求項53に記載の部品。
- 流体伝導通路を取り囲む耐食性の第1の材料の内部層、及び第2の材料の外部層を含む流体伝導部品を製造する方法であって、前記内部層と前記外部層との間に任意の実質的な相互拡散層を生成すること無しに、前記内部層及び前記外部層を冶金学的に結合することを含む方法。
- 前記内部層と前記外部層との間に任意の実質的な相互拡散層を生成すること無しに、前記内部層及び前記外部層を冶金学的に結合することは、容易に冷間加工されてよい中間部品を提供し、前記方法は前記中間部品を冷間加工することをさらに含む、請求項61に記載の方法。
- 前記中間部品を冷間加工することは、冷間引抜き、冷間管減少、内部及び外部ロールを用いる管ローリング、並びに流動成形からなる群から選択される少なくとも1つの技術によって前記中間部品を加工することを含む、請求項62に記載の方法。
- 前記耐食性の第1の材料は、ジルコニウム及びジルコニウム合金からなる群から選択され、前記第2の材料は、チタン及びチタン合金からなる群から選択される、請求項62に記載の方法。
- 前記内部層及び前記外部層は、押出し結合を含むプロセスによって冶金学的に結合される、請求項62に記載の方法。
- 尿素合成ユニットのストリッパー中のストリッパー管を交換ストリッパー管で交換する方法であって:
前記尿素合成ユニットの既存のストリッパー管を、請求項53に記載の設計を有する耐食性ストリッパー管で交換することを含む方法。 - 請求項68に記載の設計を有する部品を含む装置の物品。
- 前記装置の物品は、化学処理装置、ストリッパーユニット、凝縮器ユニット、及び熱交換器からなる群から選択される、請求項67に記載の装置の物品。
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