JP2010007873A - 管寄せとニッケル基合金からなる伝熱管の溶接構造 - Google Patents

Abstract

【課題】経年変化した析出強化型Ｎｉ基合金からなる伝熱管の現地での大量の取替溶接工事が容易な管寄せとＮｉ基合金からなる伝熱管の溶接構造を提供すること。
【解決手段】経年使用後の伝熱管取替工事において、ＴｉとＡｌを含有するγ’相析出強化型Ｎｉ基合金からなるボイラ伝熱管４とＴｉとＡｌを含有するγ’相析出強化型Ｎｉ基合金からなる管寄せ１とを溶接接合するに際して管寄せ１に固溶強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金、弱析出強化型（γ’相の平衡析出量１０％以下）ニッケル（Ｎｉ）基合金又は高強度オーステナイト鋼からなるスタブ管２の一端を接合し、当該スタブ管２の他端に、伝熱管４と同材質の肉厚調整用ピース５を介して新伝熱管６を接合する管寄せ１とＮｉ基合金からなる伝熱管４の溶接構造であり、前記材質のスタブ管２は析出強化型Ｎｉ基合金伝熱管に比べ、経年使用によっても著しい硬化や延性低下が生じないので溶接割れのポテンシャルが小さく、溶接前にスタブ管先端を固溶化処理することなく、そのまま現地溶接することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は主蒸気温度が７００℃前後となる発電プラントのボイラにおいて、管寄せとニッケル（Ｎｉ）基合金からなる伝熱管の溶接構造に係わり、特に経年使用後の伝熱管の取替え補修工事が容易な溶接構造に関するものである。

発電プラント用の大型ボイラにおいては、高温部の管寄せや主蒸気管等の厚肉大径の配管には、従来２．２５〜１１％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が長年用いられてきた。近年、二酸化炭素の排出抑制を背景として、特に石炭焚火力発電プラントではプラント効率向上のため蒸気温度が向上しつつあり、現在では主蒸気温度６００℃のプラントも稼動している。一方、更なるプラント効率の向上を目指して主蒸気温度７００℃の発電プラント開発も欧州を中心に進められており、このような高温域では、高温強度及び耐食性に問題があるため、もはや従来のフェライト系耐熱鋼の適用は不可能となる。

このため高温部の管寄せや主蒸気管等の厚肉大径の配管にニッケル（Ｎｉ）基耐熱合金或いはオーステナイト系耐熱鋼の採用が必要となる。一方、高温部である火炉内の過熱器管等の薄肉小径の伝熱管材については従来からオーステナイト系耐熱鋼が用いられてきたが、設計温度が７００℃以上となる高温域で使用される伝熱管材については、既存のオーステナイト系耐熱鋼はもちろん、固溶強化型Ｎｉ基合金でもクリープ強度が不足することが指摘され、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）を添加してγ’相の析出で強化されている析出強化型Ｎｉ基合金の採用が必須となる。これらの析出強化型Ｎｉ基合金は、金属間化合物γ’相（Ｎｉ₃Ａｌ、ガンマプライム）の析出強化により、設計温度が７００℃以上の高温域で使用される場合においても高いクリープ強度が得られるものである。

析出強化型Ｎｉ基合金はＡｌ、Ｔｉを多く含み、γ’相の析出強化で高温強度を確保するが、実機使用中に強化相が大量析出して硬化するため、将来の予防保全による伝熱管取替工事の場合、既設管側の溶接熱影響部における割れのポテンシャルが高く、経年変化した伝熱管の溶接が一つの重要な課題と考えられる。

ボイラ管寄せに伝熱管を取り付けるに際して、伝熱管と同一材質の短管を管寄せと伝熱管の間に配置して溶接することが特許文献１に記載されている。またボイラのフェライト鋼管寄せにフェライト鋼伝熱管を取り付けるに際して、高温強度に優れたオーステナイト鋼管を短管として管寄せと伝熱管の間に配置して、インコネル系の溶接材料を用いて突き合わせ溶接することで疲労やクリープ損傷の少ない溶接接続ができることが特許文献２に記載されている。

また上記タービンのオーステナイト系鋼からなる主蒸気管とロータを回転自在に支持するフェライト鋼製の外部ケーシングとの間にニッケル基合金部材を介在させて溶接することで強度に優れた６００〜６５０℃、圧力３５２ｋｇ／ｃｍ²の主蒸気用の配管として使用できることが特許文献３に記載されている。
特開２００４−３４９４０号公報 特開平８−１５２２９１号公報 特開昭６１−４２４９２号公報

従来の析出強化型Ｎｉ基合金は、上述のように実機使用中に強化相が大量析出して硬化し、延性が低下する。このため、経年使用後の伝熱管の予防保全時又は漏洩等の事故時において、現場で取替作業を行う場合、従来のように伝熱管を切断して新しい伝熱管と溶接接合して交換すると、既設の伝熱管側で溶接割れのポテンシャルが高いという問題があった。

図７は一般的な発電用大型ボイラの側断面構造の簡略図であり、火炉７の上部に設置された管寄せ１と、火炉７の内部に設置された伝熱管４の位置関係を示すものである。従来の前記ボイラ構造では、厚肉大径の管寄せ１は、図８及び図９の部分拡大図で示すように、スタブ管２を介して薄肉小径の伝熱管４と溶接接合されている。スタブ管２の材質は、一般に伝熱管４の材質よりも強度が低いため、スタブ管２と伝熱管４の間には、両者の肉厚調節のための中間ピース３が挿入されるものもある。

図８は管寄せ１の横断面とそれに接続されたスタブ管２と中間ピース３と伝熱管４を示す模式図であり、スタブ管２と中間ピース３と伝熱管４とは中心線を実線にして示す。また、スタブ管２と中間ピース３と伝熱管４との間に記載した垂直線は接続位置を示す。

経年使用後に伝熱管４を交換する際は、作業の簡易性を考慮するため、例えばオーステナイト鋼の伝熱管４を図１０に示す位置で切断し、図１１のように新しく製作した伝熱管６を現地でそのまま溶接接合していた。しかし上述のように伝熱管４が析出強化型のＮｉ基合金の場合、既設管側（経年材）は実機使用中に強化相γ’が大量析出して硬化し、図１１に示す位置（既設管側の溶接熱影響部）で溶接割れが発生し易い。

このような溶接割れを回避するためには、溶接する前に既設の伝熱管（経年材）４の先端部分を１０００℃以上に加熱する固溶化処理を行って新材と同等の組織に戻すことが望ましい。しかし、前記固溶化処理をボイラが設置されている現地で行うことは、交換する管の数が少ない場合は可能であるが、数十〜百本にもなる場合は多大な工数となって停缶期間が従来よりも長くなる可能性があり、現実には実施困難である。

また、管寄せと管の溶接構造に関しては、特許文献１と特許文献２が提案されているが、適用材料は全て従来のフェライト鋼とオーステナイト鋼で、経年使用によって析出強化型Ｎｉ基合金のように著しく硬化せず、補修時の伝熱管の溶接は容易であり、本発明で提案される析出強化型Ｎｉ基合金の経年使用後の補修問題は解決されていない。

本発明の課題は、経年変化した析出強化型Ｎｉ基合金からなる伝熱管の現地での大量の取替溶接工事が容易な管寄せのＮｉ基合金からなる伝熱管の溶接構造を提供することにある。

本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。
請求項１記載の発明は、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を含有するγ’相の平衡析出量１０重量％以上のγ’相析出強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金からなるボイラ伝熱管に析出強化型Ｎｉ基合金、固溶強化型Ｎｉ基合金、弱析出強化型Ｎｉ基合金又は高強度オーステナイト鋼のいずれかからなる管寄せを溶接接合する伝熱管と管寄せの溶接構造において、前記管寄せに固溶強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金、γ’相の平衡析出量１０重量％以下の弱析出強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金又は高強度オーステナイト鋼からなるスタブ管の一端を接合し、当該スタブ管の他端に、伝熱管と同材質の肉厚調整用の中間ピースを介して前記伝熱管を接合する管寄せと伝熱管の溶接構造である。

請求項２記載の発明は、固溶強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金、γ’相の平衡析出量１０重量％以下の弱析出強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金又は高強度オーステナイト鋼からなるスタブ管の下端部側が鉛直方向に伸び、該鉛直方向に伸びた部分でスタブ管に中間ピースを接合した請求項１記載の管寄せと伝熱管の溶接構造である。

（作用）
経年使用後の伝熱管取替工事において、上記スタブ管の位置で切断し、その先端に工場で新しく製作した伝熱管を溶接接合する。スタブ管が固溶強化型Ｎｉ基合金、弱析出強化型Ｎｉ基合金或いは高強度オーステナイト鋼で、析出強化型Ｎｉ基合金伝熱管に比べ、経年使用によっても著しい硬化や延性低下が生じないので溶接割れのポテンシャルが小さく、溶接前にスタブ管先端を固溶化処理することなく、そのまま現地溶接することができる。

請求項１記載の発明によれば、高温で長期間経年使用した高強度の析出強化型Ｎｉ基合金からなる伝熱管群を、現地にて高温固溶化処理することなく取替溶接を行って交換することができるので、７００℃級火力発電プラントの将来の信頼性向上を高めることができ、高効率発電プラントの実現を促進することができ、火力発電プラントからの二酸化炭素排出量を削減し、地球温暖化の抑止に寄与できる。

請求項２記載の発明によれば請求項１記載の発明の効果に加えて、溶接部で鉛直方向に自重が作用するため、曲げ応力はほとんど当該溶接部に作用せず、長期間使用中の損傷という面で信頼性を向上させることができる。

本発明の実施例を図面と共に説明する。

図１は、本発明になる伝熱管と管寄せの溶接構造を示す断面図である。析出強化型Ｎｉ基合金ナイモニック（登録商標）２６３（NIMONIC alloy 263）からなる管寄せ１と析出強化型Ｎｉ基合金インコネル（登録商標）７４０（INCONEL alloy 740）からなる伝熱管４の間に、高強度オーステナイト鋼ＨＲ３Ｃ（登録商標）（火SUS310J1TB）からなるスタブ管２及び伝熱管４と同材質の肉厚調整用の中間ピース３を設けた溶接構造である。これらの材料の組成を表１に示す。

スタブ管２と中間ピース３の溶接材料及び中間ピース３と伝熱管４の溶接材料は管寄せ材１の母材と類似の成分の共金系ワイヤナイモニック（登録商標）２６３（NIMONIC Filler Metal 263）を用いる。

高強度オーステナイト鋼のスタブ管２は析出強化型Ｎｉ基合金のような大量のγ’相の析出が生じないため、実機で経年使用しても著しい硬化や延性の低下が生じなく、溶接の熱サイクルによる割れのポテンシャルが小さく、析出強化型Ｎｉ基合金を溶接する前に必須の高温での固溶化熱処理を略すことができる。

経年使用した伝熱管を取り替える際、前記溶接構造のスタブ管２の部分を切断し、開先を取り、固溶化熱処理無しで新管の析出強化型Ｎｉ基合金伝熱管６（INCONEL alloy 740）と繋いだ新規の中間ピース５（INCONEL alloy 740）に溶接する。

なお、本発明は伝熱管の取替補修を想定したものであり、管寄せ１の材料は、上記の析出強化型Ｎｉ基合金のほか、固溶強化型Ｎｉ基合金、弱析出強化型Ｎｉ基合金又は高強度オーステナイト鋼を用いた場合でも、前述と同様な効果が得られる。

以上のように、本実施例によれば、次世代７００℃級超々臨界ボイラの高温部に使われる高強度析出強化型Ｎｉ基合金伝熱管の溶接割れの危険性を抑え、現地での高温固溶化処理を略し、補修の時に伝熱管の取替溶接作業が簡易に実施できる。

本実施例は、溶接構造の基本的な要件は前記実施例１と同じものであるが、図４に示すようにスタブ管２の長さを延長して、中間ピース３及び伝熱管４の溶接部を管寄せ１から離れた位置に設け、これらの溶接部を鉛直方向に伸びるスタブ管２に位置させたものである。経年補修の際の切断は図５に示す位置で行い、図６のようにスタブ管２に新規の中間ピース５と新規伝熱管６を溶接接合する。厚肉のスタブ管２の長さが長くなるので材料費は肉厚増加分だけ上昇するが、実施例１では伝熱管４の自重による曲げ応力が当該溶接部に作用するのに対し、本実施例では伝熱管４の自重が鉛直方向に作用するため曲げ応力はほとんど当該溶接部に作用せず、長期間使用中の損傷という面で信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、高温蒸気条件（７００℃級ボイラ）でボイラ高温部に使用できるＮｉ基合金が将来の実証機、商用機となりうる可能性がある。

本発明の実施例１における、伝熱管と管寄せの溶接構造を示す断面図である 本発明の実施例１における、経年使用後の補修工事における伝熱管と管寄せの溶接接続部分の切断位置を示す図である。 本発明の実施例１における、経年使用後の補修工事における伝熱管と管寄せの溶接接続後の断面図である。 本発明の実施例２における、伝熱管と管寄せの溶接接続部分の溶接構造を示す断面図である 本発明の実施例２における、経年使用後の補修工事における伝熱管と管寄せの溶接接続部分の切断位置を示す図である。 本発明の実施例２における、経年使用後の補修工事における伝熱管と管寄せの溶接接続後の断面図である。 一般的な発電用大型ボイラの側断面図の例である。 一般的な発電用大型ボイラの伝熱管と管寄せの伝熱管と管寄せの溶接接続部分の構造図である 従来技術における、伝熱管と管寄せの伝熱管と管寄せの溶接接続部分の溶接構造の一例を示す断面図である。 従来技術における、経年使用後の補修工事における伝熱管と管寄せの溶接接続部分の切断位置を示す図である。 従来技術における、経年使用後の補修工事における伝熱管と管寄せの溶接接続後の断面図である

符号の説明

１ 管寄せ
２ スタブ管
３ 中間ピース
４ 伝熱管
５ 中間ピース（新材）
６ 伝熱管（新材）
７ 火炉

Claims (2)

1. チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を含有するγ’相の平衡析出量１０重量％以上のγ’相析出強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金からなるボイラ伝熱管に析出強化型Ｎｉ基合金、固溶強化型Ｎｉ基合金、弱析出強化型Ｎｉ基合金又は高強度オーステナイト鋼のいずれかからなる管寄せを溶接接合する伝熱管と管寄せの溶接構造において、
   前記管寄せに固溶強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金、γ’相の平衡析出量１０重量％以下の弱析出強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金又は高強度オーステナイト鋼からなるスタブ管の一端を接合し、当該スタブ管の他端に、伝熱管と同材質の肉厚調整用の中間ピースを介して前記伝熱管を接合することを特徴とする管寄せと伝熱管の溶接構造。
2. 固溶強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金、γ’相の平衡析出量１０重量％以下の弱析出強化型ニッケル（Ｎｉ）基合金又は高強度オーステナイト鋼からなるスタブ管の下端部側が鉛直方向に伸び、該鉛直方向に伸びた部分でスタブ管に中間ピースを接合したことを特徴とする請求項１記載の管寄せと伝熱管の溶接構造。

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