JP2011131252A - 配管の残留応力改善方法 - Google Patents

配管の残留応力改善方法 Download PDF

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Abstract

【課題】配管により大きな圧縮残留応力を付与して引張残留応力を確実に除去し、応力腐食割れを防止することができる配管の残留応力改善方法を提供する。
【解決手段】配管1の残留応力を改善する応力改善領域に対して、前記配管軸方向の負荷を、前記配管外面の軸方向ひずみが0%以上となる応力でかつ前記配管の降伏応力以下の応力とするとともに、配管1の内圧5を上昇させる。配管1は内圧5により半径方向に塑性変形し拡管する。配管1が塑性変形するまで内圧5を上昇させた後、内圧5および軸方向荷重4を除荷することにより、配管1の内面の応力改善領域である溶接部2および熱影響部3に圧縮残留応力が付与される。
【選択図】図1C

Description

本発明は、配管の残留応力改善方法に係り、特に、配管の溶接部付近の残留応力を改善するのに好適な配管の残留応力改善方法に関する。
発電プラントで使用される配管では、溶接が行われると溶接部近傍には残留応力が発生する。また、高温水配管には耐食性を考慮してステンレス鋼製配管またはニッケル合金鋼製配管を用いることが多い。ステンレス鋼およびニッケル合金鋼等を用いた配管では、配管の溶接部に引張残留応力が付与されたまま高温純水中に長時間曝されると、応力腐食割れを発生する恐れがある。したがって、溶接により発生した引張残留応力を低減し、または圧縮残留応力に変化させて残留応力を改善することが望ましい。
配管の溶接部の残留応力を改善する方法として、配管内に形成した氷栓(アイスプラグ)を利用する方法が、先行技術文献に提案されている。
特許文献1に記載された配管の残留応力改善方法は、配管の溶接部の上流側と下流側に氷栓形成用の冷媒容器をそれぞれ取り付け、各冷媒容器と溶接部の間に拡管用の冷媒容器をそれぞれ取り付ける。始めに氷栓形成用の各冷媒容器によって配管内で溶接部の上流及び下流の二箇所に氷栓を形成し、次に拡管用の各冷媒容器によって氷栓間に存在する水を凍らせて生成された氷の体積膨張を利用して配管の溶接部付近を外側に向って押し広げる。これによって、配管の溶接部付近が塑性変形され、溶接部付近の内面に圧縮残留応力が付与され、引張残留応力を低減ないし圧縮残留応力にする。
特許文献2に記載された配管の残留応力改善方法は、溶接部の余盛もしくは配管外面を切削して、配管の溶接部近傍の肉厚をその他部分の肉厚より薄くする。配管の溶接部近傍の肉厚を薄くすると、配管の内圧による拡管時の溶接部近傍の変形量が溶接部近傍以外の変形量より大きくなる。配管を塑性変形するまで拡管することで、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残留応力にする。
特許文献3に記載された小口径配管の残留応力改善方法は、配管の溶接部近傍に軸方向の引張荷重を付与した状態で、配管の内外面に温度差を付与して溶接部近傍の内圧を上昇させて拡管し、配管内面に圧縮残留応力を付与する。
特開2006−334596号公報 特開2008−238190号公報 特開2009−50906号公報
特許文献1に記載された配管の残留応力改善方法では、配管の塑性変形時における内面と外面の応力差により残留応力を改善する。したがって、配管の直径および厚さによっては、配管の残留応力の改善が応力腐食割れを防止する程度まで十分に行われない可能性がある。特許文献2に記載された配管の残留応力改善方法では、応力腐食割れを防止するために溶接余盛もしくは配管外面を切削した時に、要求される配管の強度を下回る可能性がある。また、特許文献3に記載された小口径配管の残留応力改善方法では、軸方向の引張荷重により重畳される引張応力により内面に塑性ひずみを発生させ圧縮残留応力を付与している。この場合、負荷する引張荷重の大きさによっては、配管の残留応力の改善が応力腐食割れを防止するのに十分に行われない可能性がある。
本発明の目的は、配管の内圧により配管を拡管して残留応力を改善させる方法において、配管の内圧上昇前もしくは上昇と同時に、所定条件の下で軸方向荷重を加えることで、配管により大きな圧縮残留応力を付与する配管の残留応力改善方法を提供することにある。
本発明は、流体を内部に充填した配管における引張残留応力を有する応力改善領域に対して、前記配管に軸方向荷重の負荷を加え、前記配管内部の圧力を上昇させて前記応力改善領域を塑性変形させる配管の残留応力改善方法において、前記配管軸方向の負荷の範囲を、前記配管外面の軸方向ひずみが0%以上となる応力でかつ前記配管の降伏応力以下の応力とすることを特徴とする。
また、応力改善領域は前記配管の溶接部および該溶接部による熱影響部、或いは前記配管の拡管部を含むことを特徴とする。
また、配管が塑性変形された後に、前記配管内の圧力および前記配管の軸方向の負荷を除荷することを特徴とする。また、配管内面が塑性変形を開始した後、配管外面が塑性変形を始めた時点で前記配管内部の圧力を除荷することを特徴とする。また、配管外面のひずみが約0.5%に達した時点で前記配管内部の圧力を除荷することを特徴とする。
さらに、配管外面の軸方向ひずみに対する周方向ひずみの変化を計測して塑性変形を確認することを特徴とする。
さらに、配管外面における周方向ひずみの検出位置を前記溶接部近傍とし、軸方向ひずみの検出位置を前記溶接部近傍を除く領域とすることを特徴とする。
本発明によれば、配管の内圧を上昇させ、配管の残留応力を改善する応力改善領域に軸方向の荷重を負荷する際に、配管の塑性変形時に配管外面の軸方向のひずみが0%以上で、かつ配管の降伏応力以下の軸方向荷重を負荷することで、配管の応力改善領域の内面に大きな圧縮残留応力を付与し、残留応力状態を改善し、応力腐食割れを防止することができる。
本発明による配管の残留応力改善方法を示す模式図 本発明による配管の残留応力改善方法を示す模式図 本発明による配管の残留応力改善方法を示す模式図 本発明の施工対象とする配管および溶接部近傍の構造の説明図 本発明において配管への軸方向荷重の負荷装置を示す模式図 本発明による配管の残留応力改善方法における拡管方法を示す模式図 本発明による残留応力改善に最適な軸方向ひずみ条件を示すグラフ 本発明による残留応力改善に最適な軸方向ひずみ条件を示すグラフ 本発明による残留応力改善に最適な軸方向ひずみ条件を示すグラフ 本発明による残留応力改善に最適な軸方向応力条件を示すグラフ 本発明による配管の内圧上昇時の周方向ひずみおよび応力を示すグラフ 本発明により配管の内圧上昇時の軸方向および周方向ひずみを示すグラフ 本発明の施工対象とする配管の内面の残留応力を評価した例を示す説明図 本発明による溶接残留応力が存在する配管の周方向残留応力を示すグラフ 本発明による溶接残留応力が存在する配管の軸方向残留応力を示すグラフ 本発明の施工対象とする配管の外面のひずみを評価した例を示す説明図
発明者らは、配管の溶接部及び溶接部付近においてこれらの内面により大きな圧縮残留応力を付与することができる方法を検討した。この結果、発明者らは、配管の残留応力を改善する応力改善領域に、軸方向の荷重の負荷と配管の内圧を上昇させて塑性変形させ、塑性変形時に配管外面の軸方向のひずみが0%以上で配管の降伏応力以下の軸方向荷重を負荷することで、配管の応力改善領域の内面に大きな圧縮残留応力を付与するのが望ましいことを新たに見出した。
これによって、配管の応力改善領域の内面により大きな圧縮残留応力を付与して、引張残留応力状態を低減しまたは圧縮残留応力状態に変化させ、配管において応力腐食割れが発生する確率をさらに低減することができる。以上の検討結果を反映した本発明の実施形態を、以下に説明する。
〔残留応力改善の基本構成〕
本発明の好適な一実施形態における配管の残留応力改善方法を、図1A〜1Cを用いて、発電プラントにおける配管の溶接部近傍の残留応力を改善する場合を例にとり説明する。
図1Aにおいて、発電プラントのステンレス鋼(またはニッケル合金)からなる配管1は、その端部を突合せ溶接にて接合されている。この突合せ溶接により、配管1の溶接部2、およびこの溶接部2の両側に隣接して存在する溶接の熱により機械的性質に変化を生じた熱影響部3の内面には、応力腐食割れの原因となる引張残留応力が生じているため、応力を改善する必要がある。従って図1Bに示すように軸方向の引張荷重4を加える。ついで図1Cに示すように内圧5を加え、溶接部2と熱影響部3の残留応力を改善する。
〔ひずみ計による残留応力の測定〕
配管1に発生するひずみを測定する位置を決定する。図2に示すように、溶接部近傍は溶接施工時の内面合せのために配管内面11が開先加工され開先加工面13を形成している。配管内面11の熱影響部3かつ開先加工面13の引張残留応力が改善されたことを確認するために、配管1の周方向のひずみゲージG1の測定位置を溶接部2の近傍に設ける。
一方、軸方向ひずみについては、溶接部近傍は開先加工面13および溶接余盛14が存在するために測定位置により大きく変化する。そのため、配管1の軸方向のひずみゲージG2の測定位置は、溶接部2から十分に離れた位置に設けることが好ましい。
周方向ひずみの測定のために、既設の発電プラント内配管1の外面12にひずみゲージG1をに貼り付ける時には、内圧5の大きさを測定することが困難である。周方向ひずみの変化だけでは、配管1が塑性変形したか明確に判断することができないので、この場合は同じ測定位置で周方向および軸方向のひずみを測定して、軸方向ひずみに対する周方向ひずみを計測することで、配管1が塑性変形しているかを確認できる。
周方向ひずみの測定には、ひずみゲージを用いる代わりに配管1の外径を測定しても良い。配管1の外径を測定する場合、内圧5上昇に伴う配管1の塑性変形で測定位置が分からなくならないように、決定した外径の測定位置に対して配管1の外面12に油性ペン等でそれぞれマーキングを行う。これらのマーキングを用いて外径の測定位置を測定し、得られた測定値を外径の測定位置の初期値として記録する。これらを測定する際には、配管1の厚さのばらつきを考慮し、溶接部2の近傍において配管1の軸心に垂直なそれぞれの断面内で二箇所以上を測定する。〔軸方向荷重の負荷〕
配管1に軸方向荷重4を負荷する構成を図3に示す。軸方向荷重4を負荷する方法として、油圧チャック21および油圧シリンダ22を用いる。配管1の残留応力を改善すべき溶接部2および熱影響部3の上流側および下流側に油圧チャック21を取り付ける。油圧チャック21間に軸方向荷重4を負荷するために、油圧チャック21間に油圧シリンダ22を取り付ける。油圧シリンダ22により軸方向荷重4を負荷したときに配管1に曲げ変形が生じないように、油圧シリンダ22は配管1の周方向に等間隔に2箇所以上取り付ける。配管1の内圧5が上昇すると、配管1の軸方向にも内圧5による負荷が生じる。このため、内圧5が上昇すると初期に油圧シリンダ22で負荷した軸方向荷重4も増加する。油圧シリンダ22による軸方向荷重4は、配管1の内圧5が上昇した時に、配管1の軸方向応力が配管1の降伏応力を超えないようにする。
〔内圧の上昇方法〕
配管1に軸方向荷重4の負荷を加え、配管1の内圧5を上昇させる。図4に公知の内圧上昇方法を説明する。図4(a)に示すように、配管1の残留応力を改善すべき溶接部2および熱影響部3の上流側および下流側に、内側容器32および外側容器33が配管1の外面12に取り付けられる。配管1内には水31が満たされている。
内側容器32および外側容器33は、それぞれ内部が空洞になっている。(b)に示すように内側容器32および外側容器33内に、配管1が浸る程度にエチルアルコール34を注入する。エチルアルコール34が充填された外側容器33内に、上端の開口からドライアイス35を投入する。投入されたドライアイス35によって、外側容器33で取り囲まれた位置で配管1内の水31が冷却される。このため、配管1内のそれぞれの位置で水31が凍って氷栓36が形成され、水31は一対の氷栓36によって密封される。
より強固なシール機能を発揮する氷栓36を配管1内に形成するために、予め実験等により求められた氷栓36が形成される時間よりも長い時間に亘って、外側容器33内のドライアイスによる配管1の冷却を継続する。これにより、強固に配管1の内面に凍りついた一対の氷栓36が形成され、これらの氷栓36の間に水31が満たされた密封領域が形成される。
さらに、(c)に示すように、エチルアルコール34が充填された内側容器32内にドライアイス35を投入する。内側容器32内のドライアイス35によって、氷栓36間に存在する水31が冷却される。内側容器32を取り付けた各位置では配管1が氷点下に冷却され、氷栓36間に存在する水31が凍り始める。水31が氷37になると体積が膨張するため、氷栓36間に存在する水31の圧力が上昇し始める。氷栓36間で配管1内の圧力が上昇し、この圧力上昇によって配管1が内側容器32間で半径方向において外側に向って拡管部38を形成する。
配管1の変形により配管1が塑性変形したと確認された、もしくは測定した周方向ひずみが設定値に達した後、内側容器32および外側容器33のドライアイス35を外部に排出する。配管1内の氷栓35および氷36が全て融解して水31になった後、もしくは配管1の内圧低下と同時に軸方向荷重4を除荷する。このとき(d)に示すように配管1は塑性変形しているため、内圧5および軸方向荷重4の除荷後も拡管した形状となる。
〔残留応力改善の最適条件〕
本発明の配管の残留応力改善方法を、図5A〜5Cを用いて説明する。発明者らは、本発明の配管の残留応力改善方法を対象に、配管1に生じる残留応力を有限要素法により解析し、応力改善の最適な条件を明らかにした。
本実施例の対象とする配管の残留応力改善方法を適用する配管1は、ステンレス鋼製として、縦弾性係数は195000MPa、ポアソン比は0.3および降伏応力は270MPaとした。配管1の内径は20mmで、肉厚を2mm、6mmおよび10mmと3段階に変化させた。
図5Aに示す肉厚2mmの配管1の内圧5は、0MPaの状態から87MPaまで上昇させた。また、配管1の内圧5と軸方向荷重4により配管1に生じる軸方向の負荷は、配管1の端部に軸方向の分布応力として負荷を加えた。肉厚2mmの配管1の軸方向の分布応力は、軸方向荷重4が無負荷の場合、配管1の内径と外径の比から129MPaとし、配管1の内圧5と同時に0MPaの状態から129MPaまで上昇させた。ここで、軸方向の分布応力とは、負荷時に配管に生じる軸方向の分布応力を意味する。
次に、図5Bに示す肉厚6mmの配管1では、軸方向荷重4が無負荷の場合、内圧5を0MPaから147MPaに増加し、同時に軸方向の分布応力を0MPaから94MPaに上昇させた。
次に、図5Cに示す肉厚10mmの配管1では、軸方向荷重4が無負荷の場合、内圧5を0MPaから216MPaに増加し、同時に軸方向の分布応力を0MPaから72MPaに上昇させた。
各肉厚の配管1に対して、軸方向荷重4を負荷した時に配管1の断面積から計算される軸方向応力を軸方向の分布応力として負荷した。例えば、肉厚6mmの配管1に49kNの軸方向荷重4を負荷した場合は、配管1の断面積から100MPaの軸方向応力が生じると計算される。したがって、配管1の内圧5により生じる軸方向応力147MPaに100MPaを加えて、247MPaを軸方向の分布応力として負荷する。
図5A〜5Cは、軸方向荷重を変化させた場合に、応力改善に最適な条件を有限要素法により評価した結果を示す。図5A〜5Cの横軸は、軸方向荷重4および配管1の内圧5が上述の最大値まで達する時に、配管1の外面12に生じる軸方向ひずみを示す。また縦軸は、配管1の内圧5および軸方向の分布応力を除荷した後の配管1の内面11に生じる残留応力を示し、マイナス領域ほど圧縮残留応力が高いことを示す。縦軸0は。無荷重無内圧の素管の状態を示す。
図5A〜5Cより、軸方向残留応力は軸方向ひずみが0%を超えると改善効果が高くなることが明らかである。したがって、配管1に内圧5および軸方向荷重4の負荷時における配管1の外面12の軸方向ひずみは、0%以上とすることが好ましい。また、周方向残留応力の改善効果は配管1の外面12の軸方向ひずみが0%程度の時に最も高くなる。
図6は配管1の端部に負荷する軸方向の分布応力に対する、配管1の内面11の軸方向応力の改善効果の上限を示す。図6より、軸方向の分布応力が降伏応力の270MPaを超えると改善効果が落ち、もしくは軸方向荷重4が無い状態より改善効果が落ちる。これらの結果から、配管1の外面12の軸方向ひずみが0%以上で、かつ配管1の軸方向応力が降伏応力を超えない軸方向荷重4とすることが好ましい。
〔周方向の応力とひずみの関係〕
図7A、7Bは、軸方向荷重4のない肉厚6mmの配管1の内圧5を上昇させた時の変化を、有限要素法により評価した結果を示す。
図7Aは、配管1の内圧5を上昇させた時の、外面12の周方向ひずみに対する内面11および外面12の周方向応力の変化を示す。内圧5が低く周方向ひずみが小さい時は、配管1は弾性変形するために、配管1の内面11および外面12に生じる周方向応力はほぼ同じである。
内圧5が上昇し続けると配管1は塑性変形し始める。この時、配管1の半径方向には、内面11は内圧5が負荷されているのに対して、外面12は無負荷の状態である。このため、配管1の内面11と外面12で塑性変形し始める周方向応力が異なり、配管1の内面11と外面12に応力差が生じる。
配管1の内圧5を除荷した時に、配管1は半径方向に弾性変形分だけ縮み周方向応力が低下する。配管1の内面11と外面12の周方向応力の低下量はほぼ同じため、配管1が塑性変形後に生じた内面11と外面12の応力差が大きいほど、残留応力の改善効果が高くなる。図7Aより、配管1の外面12が塑性変形し始めた時、すなわち、外面12の周方向ひずみが0.5%程度の時が最も改善効果が高くなる。ここで、配管1の外面12の同じ箇所において、軸方向ひずみに対する周方向のひずみの変化を測定することで、配管1の外面12が塑性変形したかを判断する。
図7Bは、配管1の内圧5を上昇させた時の、外面12の軸方向ひずみに対する周方向ひずみの変化を示す。残留応力の改善効果が最も高くなる周方向ひずみ0.5%程度で、軸方向ひずみに対する周方向ひずみの変化量が大きく変化している。配管1が溶接等により予め変形をしている場合は、配管1が塑性変形し始める周方向ひずみが本実施例と異なる。このため、配管1の外面12の軸方向ひずみに対する周方向ひずみの変化を測定することで、配管1が塑性変形していることを判断する。
〔残留応力の改善結果〕
本発明の配管の残留応力改善結果を図8を用いて説明する。発明者らは、配管1が溶接部2により軸方向に非一様な形状を持ちかつ溶接残留応力が存在する場合に、本実施形態における残留応力改善効果を有限要素法により評価した。
本実施形態の対象とする配管の残留応力改善方法を適用する配管1はステンレス鋼製として、縦弾性係数は195000MPa、ポアソン比は0.3、降伏応力は270MPaとした。配管1の溶接部2および開先加工面13以外の箇所における内径は25mmで、肉厚は4.5mmである。
図8は有限要素法により評価した配管1の内面11における残留応力を示す。溶接部2および開先加工面13に100MPa〜300MPaの引張残留応力が生じていることが分かる。
図9A、9Bは、本実施形態で改善された配管1の内圧5および軸方向荷重4を除荷した後の内面11の残留応力分布を、有限要素法により評価した例を示す。軸方向荷重が無負荷の場合は、配管1の内圧5を0MPaから110MPa、軸方向の分布応力を0MPaから130MPaに同時に上昇させた。これに対し、軸方向の分布応力を100MPa、130MPa(軸方向荷重無負荷)、200MPaおよび300MPaと変化させた。配管1の内圧5が110MPaに達した時の、配管1の外面12の溶接中心から20mmの位置における軸方向ひずみは、軸方向の分布応力が100MPaの時は−0.04%、130MPaの時は0.02%、200MPaの時は0.18%および300MPaの時は1.23%であった。図9Aより、溶接部分における配管周方向の残留応力は何れも大きくマイナス領域に位置して圧縮残留応力を示し応力状態の改善を示している。なお、軸方向の分布応力が降伏応力を超える300MPaでは、開先加工面近傍で周方向の応力改善効果が低くなっている。
また、図9Bより、溶接部分における配管軸方向の残留応力は何れもマイナス領域に位置して圧縮残留応力を示し応力状態の改善を示している。なお、内圧5負荷時に軸方向ひずみが0%以下となった軸方向の分布応力100MPaでは、開先加工面近傍で軸方向応力が一部0MPa以上で引張圧縮応力状態となっている。
したがって、溶接により、予め変形および残留応力が存在する配管においても、配管1の外面12の軸方向ひずみが0%以上、かつ配管1の軸方向応力が降伏応力を超えない軸方向荷重4とすることが好ましい。
図10は、本実施形態で改善された配管1の内圧5および軸方向荷重4を負荷時における、配管1の外面12における周方向および軸方向ひずみの有限要素法による解析結果を示す。図10は、配管1の拡管時に溶接部2の形状によっては配管1の熱影響部3以外の変形量が熱影響部3の変形量より大きくなることを示す。したがって、配管内面11の熱影響部3かつ開先加工面13の引張残留応力が改善されたことを確認するために、配管1の周方向のひずみゲージG1の測定位置を溶接部2の近傍に設けることが好ましい。また、軸方向ひずみについては、溶接部近傍は開先加工面13および溶接余盛14の影響により大きく変化する。そのため、配管1の軸方向のひずみゲージG2の測定位置は、溶接部2から十分に離れた位置に設けることが好ましい。
1…配管、2…溶接部、3…熱影響部、4…軸方向荷重、5…内圧、11…配管内面、12…配管外面、13…開先加工面、14…溶接余盛、21…油圧チャック、22…油圧ジャッキ、31…水、32…内側容器、33…外側容器、34…エチルアルコール、35ドライアイス、36…氷栓、37…氷、38…拡管部、G1…周方向ひずみゲージ、G2…軸方向ひずみゲージ

Claims (8)

  1. 流体を内部に充填した配管における引張残留応力を有する応力改善領域に対して、前記配管に軸方向荷重の負荷を加え、前記配管内部の圧力を上昇させて前記応力改善領域を塑性変形させる配管の残留応力改善方法において、
    前記配管軸方向の負荷の範囲を、前記配管外面の軸方向ひずみが0%以上となる応力でかつ前記配管の降伏応力以下の応力とすることを特徴とする配管の残留応力改善方法。
  2. 請求項1に記載された配管の残留応力改善方法において、前記応力改善領域は前記配管の溶接部および該溶接部による熱影響部を含むことを特徴とする配管の残留応力改善方法。
  3. 請求項1に記載された配管の残留応力改善方法において、前記応力改善領域は前記配管の拡管部を含むことを特徴とする配管の残留応力改善方法。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載された配管の残留応力改善方法において、前記配管が塑性変形された後に、前記配管内の圧力および前記配管の軸方向の負荷を除荷することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
  5. 請求項4に記載された配管の残留応力改善方法において、前記配管内面が塑性変形を開始した後、配管外面が塑性変形を始めた時点で前記配管内部の圧力を除荷することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
  6. 請求項4に記載の配管の残留応力改善方法において、前記配管外面のひずみが約0.5%に達した時点で前記配管内部の圧力を除荷することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
  7. 請求項5または6に記載の配管の残留応力改善方法において、前記配管外面の軸方向ひずみに対する周方向ひずみの変化を計測して塑性変形を確認することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
  8. 請求項7に記載の配管の残留応力改善方法において、前記配管外面における周方向ひずみの検出位置を前記溶接部近傍とし、軸方向ひずみの検出位置を前記溶接部近傍を除く領域とすることを特徴とする配管の残留応力改善方法。
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