JP2010091174A

JP2010091174A - 管寄せ管台の溶接構造

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Publication number: JP2010091174A
Application number: JP2008260701A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Komai; 伸好駒井; Noriyuki Miyazawa; 敬之宮澤; Fumio Nishi; 文雄西; Takumi Tokiyoshi; 巧時吉; Nobuhiko Saito; 伸彦齋藤; Toshiyuki Imazato; 敏幸今里; Masahiko Sotono; 雅彦外野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-07
Also published as: EP2233876B1; KR101233555B1; EP2233876A4; WO2010041577A1; KR20100108414A; JP5320010B2; EP2233876A1; CN101925792A; US20100307429A1

Abstract

【課題】管台と管寄せの間に別部材を介在させず、即ち部品点数を増やすことなく、管台のクリープおよび疲労損傷耐久性を向上させることができる管寄せ管台の溶接構造を提供する。
【解決手段】フェライト鋼からなる管寄せの外周壁に、曲げ加工部を有する複数個の管台を溶接によって接続される管寄せ管台の溶接構造において、前記管台はオーステナイト系ステンレス鋼で形成され、前記管寄せに、前記オーステナイト系ステンレス鋼製の管台が、Ｎｉ基合金の溶接材料を用いた溶接によって接続される。また、前記管寄せ外周壁の外表面における管台溶接位置周囲に、環状の溝が刻設され、該溝の内側に管台接合面を形成され、前記管台と前記管台接合面とが略同一径をもって連続的に繋がるように、前記管台と前記管台接合面との先端部を突き合わせて突き合わせ開先が形成され、該突き合わせ開先がＮｉ基合金材料を用いて溶接される。
【選択図】図３

Description

本発明は、管寄せと管台の溶接構造に関するものであり、特に火力発電所で用いられるボイラの最終過熱器及び再熱器に適用して好適な管寄せ管台の溶接構造に関するものである。

現在、主要な発電方法として原子力、火力、水力の３つの方法が用いられており、中でも火力発電は安全で負荷変動への対応能力の高い発電方法として利用価値が高く、発電分野において今後も引き続き重要な役割を果たしていくものと予想される。

火力発電所における発電用ボイラの主要部品として蒸発器、過熱器、再熱器などの各機器にそれぞれの内部流体を分配、あるいは集合させる管寄せがある。これらの管寄せには、それぞれの伝熱管や配管を取付ける多数の管台取付孔が設けられている。
図１は、曲げ加工部を有する管台およびそれを溶接した管寄せ部全体の構成を示す模式図である。管寄せ部は、直管状の管寄せ２に、曲げ加工部を有する多数の管台４を溶接により接続して構成される。例えば発電用ボイラにおいては、１本の管寄せ２に多数の管台４が溶接により接続されて構成されている。

従来より、ボイラの最終過熱器及び再熱器などで用いられる使用温度が高い管寄せ２には、高温強度に優れ、熱変形や熱応力防止の観点から熱膨張係数が小さく、熱伝達率の大きい１Ｃｒ鋼、２Ｃｒ鋼、９Ｃｒ鋼および１２Ｃｒ鋼などのフェライト系耐熱鋼（以後、フェライト鋼と称する）が用いられている。また管台には、熱応力を発生させないために管寄せと同材質の１Ｃｒ鋼、２Ｃｒ鋼、９Ｃｒ鋼および１２Ｃｒ鋼などのフェライト鋼を用いることが一般的である。ここで、従来から使用されているフェライト鋼は、管台ではＪＩＳＳＴＢＡ２２、ＳＴＢＡ２３、ＳＴＢＡ２４や省令で定められている火ＳＴＢＡ２４Ｊ１、火ＳＴＢＡ２８、火ＳＴＢＡ２９、火ＳＵＳ４１０Ｊ３ＴＢなどが、管寄せではその大径管相当規格材が挙げられる。また、その米国ＡＳＭＥ規格相当材なども使用されている。

近年、火力発電所は、電力需要の変動に追従するために頻繁な起動停止を伴う運転形態が求められている。そのような火力発電所の使用条件において、管寄せ管台の温度と火炉天井壁との温度差による熱応力や伝熱管の自重による応力で、管台の管寄せ側溶接部で疲労やクリープによる損傷が認められている。特に、発電効率向上のために最高蒸気条件が約６００℃まで高められた超々臨界圧（ＵｌｔｒａＳｕｐｅｒＣｒｉｔｉｃａｌ：ＵＳＣ）ボイラの最終過熱器及び再熱器管寄せ管台においては、フェライト鋼を用いると、これらの材料の溶接熱影響部は母材部に比べてクリープ強度が弱いため、クリープ損傷が発生しやすく、定期的な検査や管切り替えなどの工事が従来以上に必要となる可能性がある。

図５は管台４の曲げ加工部（図１におけるＢ部）を示す側面図であり、図６は図５におけるＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄ、Ｅ−Ｅ断面図である。図６に示したように、管台４の曲げ加工部においては、管台４断面形状は一定形状とはならず扁平している。従って、内圧が作用すると管断面が偏平しているために曲げ応力が発生する。

また、前記クリープ損傷が発生する別の要因として、前記曲げ加工部は、直管部分と比べると、曲げ背側の管厚減少および塑性変形によるクリープ強度低下が生じることが挙げられる。

この要因については、曲げ加工部を有する管状の１２Ｃｒ鋼で形成された供試体に内圧をかけてクリープ試験を行ったところ、曲げ加工部で直管部に比べて大きなクリープ損傷が生じ、そこから噴破したことから、曲げ加工部の扁平による曲げ応力がクリープ損傷の要因の１つであることが確認できている。

前記クリープ損傷が発生するさらに別の要因として、管台毎に蒸気温度に多少のばらつきがあるため、想定温度よりも高い温度となった管台では、他の管台よりもクリープ寿命が短くなる。

上記の要因によるクリープ損傷が発生する問題を解決するためには、管台を厚肉管で形成すればよいが、不経済であることに加え、上記の要因をすべて排除するためには現実的な管寸法では収まらない。従って、管台の厚肉化によってクリープ損傷の発生を抑制することは難しい。

そこで特許文献１には、フェライト鋼の管をフェライト鋼の管寄せの板面に立てて接続する管と管寄せの接続構造において、これら鋼管と管寄せとの間にオーステナイト鋼の管を介在させ、このオーステナイト鋼の管は、この管とフェライト鋼の管寄せとの溶接止端部から管外形の１／２以上離れた位置まで伸ばした管と管寄せの溶接構造が開示されており、さらにこのような溶接構造において、管寄せ板面で溶接部位置の周辺を削りこんで環状の突起部を形成する一方、管の先端部を加工して前記突起部に対向する断面が外広がりの台形状の開先を形成し、前記突起部を溶接のルート部として、管側のルート部を管寄せ側のルート部よりも長くした溶接構造が開示されている。

特開平８−１５２２９１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、フェライト鋼の管とフェライト鋼の管寄せの間にオーステナイト鋼の管を介在させることにより、部品点数が増えることに加え、フェライト鋼の管とオーステナイト鋼、フェライト鋼の管寄せとオーステナイト鋼をそれぞれ溶接する必要が生じ、溶接にかかる工数が従来の略２倍となる。従って、数百本の管台を管寄せに溶接接合のある発電用ボイラに用いられる管寄せと管台の溶接に特許文献１に開示された技術を適用すると、溶接に係る工数が膨大なものとなり、製作費用、コスト面での負担が大きくなる。
また、管台が曲げ加工部を有している場合、特許文献１に開示された技術を適用しても管台の曲げ加工部のクリープ損傷を低減することは難しい。

また、前記管の先端部を加工して前記突起部に対向する断面が外広がりの台形状の開先を形成するため、溶接部周辺の形状が複雑になり溶接作業性が悪化することに加え、曲げ応力が大きくかかる管台の溶接止端部において、溶接材料と管台を合わせた径が充分確保できない可能性がある。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、管台と管寄せの間に別部材を介在させず、即ち部品点数を増やすことなく、管台のクリープおよび疲労損傷に対する耐久性を向上させることができる管寄せ管台の溶接構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、
フェライト鋼からなる管寄せの外周壁に、曲げ加工部を有する複数個の管台を溶接によって接続する管寄せと管台の溶接構造において、前記管台をオーステナイト系ステンレス鋼で形成し、前記管寄せに、前記オーステナイト系ステンレス鋼製の管台を、Ｎｉ基合金の溶接材料を用いた溶接によって接続することを特徴とする。

クリープ強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を管台材料として採用することで、温度変動や管台の曲げに対する耐久性が著しく向上する。また、オーステナイト系ステンレス鋼は耐熱性にも優れるため、従来よりも高い蒸気温度条件のボイラでも使用可能であり、従来のフェライト鋼で形成された管台を６００℃の蒸気温度条件で用いていた場合と同じ構造で、管台の材料をオーステナイト系ステンレス鋼に変更するだけで６３０℃程度の蒸気温度条件で使用可能であると推測できる。

また、常温から６００℃における熱膨張係数（１／℃）は、フェライト鋼の一種である９Ｃｒ鋼で約１２．６×１０^−６であり、オーステナイト系ステンレス鋼では約１８．４×１０^−６である。そこで、常温から６００℃における熱膨張係数が、９Ｃｒ鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の間の約１６．０×１０^−６であるＮｉ基合金を溶接材料として用いることで、溶接金属と９Ｃｒ鋼間及び溶接金属とオーステナイト系ステンレス鋼間に生じる熱応力を小さく抑えることができる。Ｎｉ基合金の溶接材料の一例として、ＪＩＳＺ３３３４ＹＮｉＣｒ−３やＡＷＳＡ５．１４ＥＲＮｉＣｒ−３などで定められたインコネル系溶接材料を挙げることができる。

このとき、前述の通り溶接材料にＮｉ基合金を用いることで発生する熱応力を小さく抑えることはできるが、溶接材料に前記Ｎｉ基合金を用いても、溶接金属と管台（オーステナイト系ステンレス鋼）及び溶接金属と管寄せ（フェライト鋼）の間には熱応力が発生することは避けられない。しかし、応力解析を行った結果、管台に用いているオーステナイト系ステンレス鋼のクリープ強度が高いため、前記熱応力によるクリープ損傷や疲労損傷は小さく、実用上問題ない。

また、前記管寄せ外周壁の外表面における管台溶接位置周囲に、環状の溝が刻設され、該溝の内側に管台接合面が形成され、前記管台と前記管台接合面とが略同一径をもって連続的に繋がるように、前記管台と前記管台接合面との先端部を突き合わせて突き合わせ開先が形成され、該突き合わせ開先がＮｉ基合金材料を用いて溶接されることを特徴とする。

熱膨張率が高いオーステナイト系ステンレス鋼で形成される管台と連続的に繋がるように前記管台接合面を設け、該突起部と前記管台の先端部を付き合わせることで、前記溝の存在により熱応力を軽減することができる。
なお、前記構造は、小径管の突き合わせに類似した構造であり、該小径管の突き合わせ構造は従来より耐久性は充分に立証されている。

また、前記溝の深さなどの形状は、温度、曲げ作用応力などに応じて決定する。ただし、溝深さ分に対応して管寄せの管厚を厚くする必要がある。

このとき、溶接金属と管台（オーステナイト系ステンレス鋼）及び溶接金属と管寄せ（フェライト鋼）の間に発生する熱応力の絶対値は非常に小さいものであり、前記熱応力によるクリープ損傷や疲労損傷は小さく実用上問題ない。

また、前記管寄せ外周壁の管台溶接位置に貫通孔を設け、前記管台先端部を前記貫通孔に挿入し、前記挿入された管台先端部を、前記管寄せ外周壁の内面に、Ｎｉ基合金の溶接材料を用いた溶接によって接続することを特徴とする。

これにより熱応力及び曲げ応力が最大となる管寄せ外周面側の管寄せと管台の接触位置にクリープ強度に弱い溶接部が存在しないため、管台に曲げ応力が作用しても、該曲げ応力に起因するクリープ損傷はほとんど発生しない。

なお、前記貫通孔に管台を挿入するために、予め管を冷却するか、管寄せを暖めておくことが必要な場合がある。
また、管寄せ内側からシール溶接を行う必要があり、通常ＵＳＣボイラの最終過熱器及び再熱器で用いられる管寄せは内径が３００ｍｍ程度であり、内部から人手で溶接を行うことは困難である場合には、自動溶接用のロボット等を用意する必要がある。

このとき、管台（オーステナイト系ステンレス鋼）が管寄せ（フェライト鋼）から圧縮応力を受けるが、管台（オーステナイト系ステンレス鋼）のクリープ寿命は管寄せ（フェライト鋼）に比べると高く、充分な耐久性を有する。

以上記載のごとく本発明によれば、管台と管寄せの間に別部材を介在させず、即ち部品点数を増やすことなく、管台のクリープおよび疲労損傷に対する耐久性を向上させることができる管寄せ管台の溶接構造を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

実施例１においては、６００℃級ＵＳＣボイラの最終過熱器及び再熱器で用いられる管寄せ及び曲げ加工部を有する管台の一例について説明する。管台およびそれを溶接した管寄せ部全体の構成は図１に示した従来例と同じであるので説明は省略する。
図２は、実施例１に係る管寄せ管台溶接部周辺の断面図であり、図１におけるＡ部拡大図に相当する。
図２において、フェライト鋼である９Ｃｒ鋼で形成された管寄せ２の外周壁には貫通孔３が設けられている。該貫通孔３周囲には管寄せ２を削り込んだ凹状部７を設け、曲げ加工部を有する管台４内の通路５と前記貫通孔３とが対向するように、管台４先端を凹状部７に当接させ、接続する。ここで、管台４はオーステナイト系ステンレス鋼であり、従来から使用されているＪＩＳＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３２１ＨＴＢ、ＳＵＳ３４７ＨＴＢおよび省令で定められている火ＳＵＳＴＰ３４７ＨＴＢ、火ＳＵＳ３２１Ｊ１ＨＴＢ、火ＳＵＳ３２１Ｊ２ＨＴＢ、火ＳＵＳ３０４Ｊ１ＨＴＢ、火ＳＵＳ３４７Ｊ１ＴＢ、火ＳＵＳ３０９Ｊ４ＨＴＢ、火ＳＵＳ３１０Ｊ１ＴＢ、火ＳＵＳ３１０Ｊ２ＴＢ、火ＳＵＳ３１０Ｊ３ＴＢなどや、その米国ＡＳＭＥ規格相当材などが挙げられる。
前記接続は、インコネルなどのＮｉ基合金の溶接材料を用いて隅肉溶接によって行い、該隅肉溶接によって溶接部６が形成される。

このようにして管寄せ２と管台４を溶接により接続し、管台に曲げ応力が作用した場合、管台４の溶接止端部（図２におけるＣ部）が形状不連続部であり、溶接熱影響部が隣接しているため，最もクリープ損傷が生じやすい位置になる。しかし、クリープ強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を管台４の材料とすることで、前記管台４の曲げに対する耐久性が著しく向上し、管台４の曲げに起因する管台の溶接止端部（図２におけるＣ部）でのクリープ損傷は実用上問題とならない程度まで小さくなる。

曲げ加工断面の扁平による内圧負荷時の曲げ応力は、材質によらず発生するが、フェライト鋼よりもクリープ強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を選択すれば、曲げ加工部のクリープ寿命を考慮した管厚設定ができ、その問題を解決できる。

また、常温から６００℃における熱膨張係数（１／℃）は、管寄せ２の材料である９Ｃｒ鋼で約１２．６×１０^−６であり、管台４の材料であるオーステナイト系ステンレス鋼では約１８．４×１０^−６である。また、溶接材料であるＮｉ基合金であるインコネルでは常温から６００℃における熱膨張係数が、９Ｃｒ鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の間の約１６．０×１０^−６である。そのため、溶接材料としてＮｉ基合金を使用することで、溶接金属と９Ｃｒ鋼間及び溶接金属とオーステナイト系ステンレス鋼間に生じる熱応力を小さく抑えることができる。
しかし、オーステナイト系ステンレス鋼と９Ｃｒ鋼は前記の通り熱膨張係数が大きく異なるため、溶接材料に前記Ｎｉ基合金を用いても、溶接材料と管台（オーステナイト系ステンレス鋼）及び溶接材料と管寄せ（フェライト鋼）の間に発生する熱応力を小さく抑えることは出来るが、発生することは避けられない。
そこで、前記熱応力の解析を行った。その結果、管台に用いているオーステナイト系ステンレス鋼のクリープ強度が高いため、前記熱応力によるクリープや疲労損傷は小さく、実用上問題ないことが判明した。

また、オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性にも優れるため、従来よりも高い蒸気温度条件のボイラでも使用可能であり、従来のフェライト鋼で形成された管台を６００℃の蒸気温度条件で用いていた場合と同じ構造で、管台の材料をオーステナイト系ステンレス鋼に変更するだけで６３０℃程度の蒸気温度条件で使用可能であると推測できる。

以上のことから、管台をオーステナイト系ステンレス鋼で形成することにより、管台が有する曲げ加工部の管扁平に起因する曲げ応力や管台溶接部の損傷が小さく、さらに、温度変動に対する裕度が著しく高められ、クリープ損傷を実用上問題ない程度まで抑えることができるといえる。
また、管台をオーステナイト系ステンレス鋼で形成することで発生する熱応力に起因するクリープ損傷は、実用上問題ない程度に小さい。

実施例２においては、６００℃級ＵＳＣボイラの最終過熱器及び再熱器で用いられる管寄せ及び管台の実施例１とは別の例について説明する。
図３は、実施例２に係る管寄せ管台溶接部周辺の断面図である。
図３において、フェライト鋼である９Ｃｒ鋼で形成された管寄せ２の外周壁には貫通孔３が設けられており、該貫通孔３と、曲げ加工部を有する管台４の通路５が対向するように、管台４が配置されるように構成されている。管寄せ２外周壁の外表面における管台４が配置される周囲には、環状の溝１０が刻設され、該溝１０の内側には管台接合面１４が形成されている。また管台４と管台接合面１４とが略同一径をもって連続的に繋がるように、管台４と管台接合面１４との先端部を突き合わせて突き合わせ開先が形成されている。
このように構成された管寄せ２と管台４とを接続する際には、管台接合面１４と管台４の先端部を突き合わせて形成された突き合わせ開先をＮｉ基系合金材料を用いて溶接して溶接部８を形成し接続する。

実施例２によれば、実施例１と同様の効果に加えて、前記溝１０を形成することで、該溝１０により管寄せ２と管台４が異材料であることにより生じる熱応力を軽減することができる。
これにより、溶接材料と管台（オーステナイト系ステンレス鋼）及び溶接材料と管寄せ（フェライト鋼）の間に発生する熱応力の絶対値は、応力解析を行った結果、非常に小さいものであり、前記熱応力によるクリープ損傷は小さく実用上問題ないことが判明した。

実施例３においては、６００℃級ＵＳＣボイラの最終過熱器及び再熱器で用いられる管寄せ及び管台の実施例１及び実施例２とは別の例について説明する。
図４は、実施例３に係る管寄せ管台溶接部周辺の断面図である。
図４において、フェライト鋼である９Ｃｒ鋼で形成された管寄せ２の外周壁には管台４の外径と略同径である貫通孔３が設けられている。該貫通孔３に、曲げ加工部を有する管台４を、その先端部が管寄せ２の外周壁の内面と略一致する位置まで挿入する。なお、挿入に際しては予め管台４を冷却するか、管寄せ２を暖めておくことで管台４の挿入が容易となる。補修など少ない数の管台４を挿入する場合には挿入する管台４を予め冷却しておき、設備新設時など大量の管台４を管寄せ２に挿入する場合には管寄せ２を予め暖めておくと効率的である。
その後、挿入された管台４の先端部を、管寄せ２の外周壁の内面に、Ｎｉ基合金の溶接材料を用いた溶接によって溶接部１２を形成し接続する。管寄せ２の内側からシール溶接を行う必要があるが、通常ＵＳＣボイラの最終過熱器及び再熱器で用いられる管寄せは内径が３００ｍｍ程度であり、内部から人手で溶接を行うことが困難である場合には、自動溶接用のロボット等を用意する必要がある。

実施例３によれば、熱応力による管台曲げ応力が最大となる箇所は、管寄せ外周面側の管寄せと管台の接触位置（図４のＤの位置）になるが、その箇所にはクリープ強度に弱い溶接部が存在しないため、管台に曲げ応力が作用しても、該曲げ応力に起因するクリープ損傷はほとんど発生しない。
またこのとき、管台（オーステナイト系ステンレス鋼）が管寄せ（フェライト鋼）から圧縮応力を受けるが、管台（オーステナイト系ステンレス鋼）のクリープ寿命は管寄せ（フェライト鋼）に比べると高く、充分な強度を有することが応力解析を行った結果判明した。

以上のことから、管台をオーステナイト系ステンレス鋼で形成することにより、管台が有する曲げ加工部に起因する曲げ応力や温度変動に対する耐久性が著しく向上し、クリープ損傷を実用上問題ない程度まで抑えることができるといえる。
また、管台をオーステナイト系ステンレス鋼で形成することで発生する熱応力に起因するクリープ損傷は、実用上問題ない程度に小さい。

管台と管寄せの間に別部材を介在させず、即ち部品点数を増やすことなく、管台のクリープおよび疲労損傷に対する耐久性を向上させることができる管寄せ管台の溶接構造として使用することができる。

曲げ加工部を有する管台およびそれを溶接した管寄せ部全体の構成を示す模式図である。実施例１に係る管寄せ管台溶接部周辺の断面図である。実施例２に係る管寄せ管台溶接部周辺の断面図である。実施例３に係る管寄せ管台溶接部周辺の断面図である。管台の曲げ加工部を示す側面図である。図５におけるＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄ、Ｅ−Ｅ断面図である。

符号の説明

２管寄せ
３貫通孔
４管台
６、８、１２溶接部
１０溝
１４管台接合面

Claims

フェライト系耐熱鋼からなる管寄せの外周壁に、曲げ加工部を有する複数個の管台が溶接によって接続される管寄せ管台の溶接構造において、
前記管台はオーステナイト系ステンレス鋼で形成され、
前記管寄せに、前記オーステナイト系ステンレス鋼製の管台が、Ｎｉ基合金の溶接材料を用いた溶接によって接続されることを特徴とする管寄せ管台の溶接構造。
前記管寄せ外周壁の外表面における管台溶接位置周囲に、環状の溝が刻設され、
該溝の内側に管台接合面が形成され、
前記管台と前記管台接合面とが略同一径をもって連続的に繋がるように、前記管台と前記管台接合面との先端部を突き合わせて突き合わせ開先が形成され、
該突き合わせ開先がＮｉ基合金の溶接材料を用いて溶接されることを特徴とする請求項１記載の管寄せ管台の溶接構造。
前記管寄せ外周壁の管台溶接位置に貫通孔を設け、
前記管台先端部を前記貫通孔に挿入し、
前記挿入された管台先端部が、前記管寄せ外周壁の内面に、Ｎｉ基合金の溶接材料を用いた溶接によって接続されることを特徴とする請求項１記載の管寄せ管台の溶接構造。