JP2011194458A - 補修溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突合せ溶接部に補修溶接を施す際に、新たにクリープボイド又は結晶粒の粗大化が発生しやすい領域が形成されることを回避して、補修後において、突合せ溶接部の寿命を確実に延ばすことができる補修溶接方法を提供する。
【解決手段】第一母材１３ａと第二母材１３ｂを突合せ溶接した溶接部Ｗの補修方法であって、溶接部Ｗのうち、第一母材１３ａとの境界部Ｂ１ａ及び第二母材１３ｂとの境界部Ｂ１ｂの両者を含むと共に第一母材１３ａ及び第二母材１３ｂの表面から厚み方向に深さを有する領域を、その領域の底面２０Ｂが表面に沿うように除去する工程と、その領域に補修溶接（２０）する工程と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、火力・原子力発電プラントや化学プラント等におけるボイラの高温配管における溶接部の補修溶接方法に関する。

近年、例えば、火力・原子力発電プラントや化学プラント等におけるボイラの高温配管においては、運転時間が長時間に及ぶに従い設備の劣化、頻繁な起動停止や急速な負荷変動による熱疲労などを十分に考慮した保守管理が重要になってきている。

例えば、高温耐圧金属が用いられる大口径肉厚配管では、溶接部における劣化を早期に発見するため、定期的に組織検査、超音波検査などの非破壊検査が行われ、その結果に基づいて、欠陥部分の補修を行っている。
その補修技術としては、欠陥部分を両側もしくは片側から切除し、その切除した部分に肉盛溶接を施す方法が採られている。

大口径肉厚配管としては、高クロム鋼（high chrominum steel）が使用されている。そして、長期の使用により高温耐圧溶接部においてはクリープボイド又は結晶粒の粗大化が生じる。このクリープボイド等の損傷は、強度低下による破断などの要因になるおそれがある。
このクリープ損傷が肉厚配管の溶接部に生じた場合には、配管であることからクリープ損傷部分を厚さ方向にわたって全て除去することが困難となる。

そこで、前述した補修方法により、特にクリープボイド又は結晶粒の粗大化が多く発生する溶接熱影響部（ＨＡＺ部）を表面側から所定の条件に適合するように部分的に取り除き、再溶接（補修溶接）をする技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−１９８６５８号公報

従来の補修方法（特許文献１等）を用いた場合には、クリープボイド等の損傷が取り除かれるので、配管の溶接の延命を図ることができる。

ところが、発明者らは、突合せ溶接部に補修溶接を施した部材に対して、クリープ試験（ＪＩＳＺ２２７１）を行った結果、補修溶接を施したことで新たにクリープボイド又は結晶粒の粗大化が発生しやすい領域が発生することを確認した。
具体的には、図６に示すように、突合せ溶接部Ｗのうち、補修溶接部１２０との境界（第二境界部Ｂ２）近傍に、新たにクリープボイド又は結晶粒の粗大化が発生しやすいことを確認した。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、突合せ溶接部に補修溶接を施す際に、新たにクリープボイド又は結晶粒の粗大化が発生しやすい領域が形成されることを回避して、補修後において、突合せ溶接部の寿命を確実に延ばすことができる補修溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る補修溶接方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る補修溶接方法は、第一母材と第二母材を突合せ溶接した溶接部の補修方法であって、前記溶接部のうち、前記第一母材との境界部及び前記第二母材との境界部の両者を含むと共に前記第一母材及び第二母材の表面から厚み方向に深さを有する領域を、当該領域の底面が前記表面に沿うように除去する工程と、前記領域に補修溶接する工程と、を有することを特徴とする。

また、前記境界部は、突合せ溶接による熱影響部を含むことを特徴とする。

また、前記深さは、前記溶接部又は前記境界部に発生した損傷よりも深いことを特徴とする。

また、水蒸気を発生させる蒸気ボイラに接続する蒸気配管の溶接部の補修溶接方法として、上述の補修方法を用いることを特徴とする。

また、前記蒸気配管は、前記蒸気ボイラの過熱器又は再熱器に接続する蒸気配管であることを特徴とする

本発明によれば、突合せ溶接部に補修溶接を施した場合であっても、新たにクリープボイド又は結晶粒の粗大化が発生しやすい領域が形成されることが回避できるので、補修後において、突合せ溶接部の寿命を確実に延ばすことができる。
また、上記補修溶接法を、水蒸気を発生させる蒸気ボイラに接続される蒸気配管の溶接部の補修溶接に適用したので、蒸気ボイラの強度を長期的に保障することができる。

発電プラントの配管系統図である。 突合せ溶接した曲がり蒸気配管の断面図である。 本発明の第一実施形態に係る補修溶接法を示す断面図である。 母材と溶接部の境界部における応力-寿命時間の関係図である。 補修溶接部の底面の変形例を示す断面図である。 従来の補修溶接法を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る補修溶接方法ついて、図面を参照して説明する。
（発電プラント及び蒸気ボイラ）
図１に示す発電プラントの配管系統図において、発電プラント１は、燃料を燃焼させることにより過熱蒸気を発生させる蒸気ボイラ２と、この蒸気ボイラ２で発生した過熱蒸気が後述する配管を介して供給される蒸気タービン３と、蒸気タービン３により駆動される発電機４とから構成されている。

蒸気ボイラ２は、例えば、石炭等の燃料を燃焼させることで、水を加熱して蒸気を発生させる熱交換器の一種であり、一次過熱蒸気を発生させる過熱器１０と後述する高圧タービンＴ１から導入された蒸気を再過熱して二次過熱蒸気を発生させる再熱器１２とを備えている。

蒸気タービン３は、過熱器１０で発生した一次過熱蒸気によって駆動される一次タービンとしての高圧タービンＴ１と、再熱器１２で再加熱された二次過熱蒸気によって駆動される二次タービンとしての中圧タービンＴ２と、中圧タービンＴ２からの排気によって駆動される低圧タービンＴ３とを備えている。

蒸気ボイラ２における過熱器１０の出口側は、第１の蒸気配管６により高圧タービンＴ１の一端側と連通接続されており、高圧タービンＴ１の他端側は、第２の蒸気配管７により蒸気ボイラ２の再熱器１２入口側と連通接続されている。これにより、過熱器１０から供給される一次過熱蒸気は、高圧タービンＴ１の一端側に導入されると共に高圧タービンＴ１の他端側から排気される過熱蒸気は再熱器１２に導入されて再過熱されるようになっている。

また、再熱器１２の出口側は、第３の蒸気配管８により中圧タービンＴ２の一端側に連通接続されており、中圧タービンＴ２の他端側は、第４の蒸気配管９により低圧タービンＴ３と連通接続されている。

夫々のタービンＴ１，Ｔ２及びＴ３の回転軸は、これと同軸上にある発電機４の回転軸と連結され、この回転軸が各タービンＴ１，Ｔ２及びＴ３によって回転駆動されて発電される。

上記発電プラント１における蒸気ボイラ２の過熱器１０や再熱器１２に接続される蒸気配管６，８等には、高クロム鋼からなる鋼管が使用される。

なお、高クロム鋼は、約９〜１２ｗｔ％のクロムを含むフェライト系耐熱鋼であって、高クロム耐熱鋼とも呼ばれている。例えば、約１〜２ｗｔ％のＭo（モリブデン）を含み、クリープ強度を向上させるために微量のＶ（酸化ニオブ）やＮｂ（ニオブ）等が添加されている。
特に、耐用温度は約６００〜６５０℃以下で、発電用ボイラ、タービン、原子炉等に用いられている。

次に発電プラント１の作動に付き説明する。
蒸気ボイラ２に導入された水は、過熱器１０によって過熱されて一次過熱蒸気となる。この一次過熱蒸気は、第１の蒸気配管６を送気して高圧タービンＴ１の一端側に導入されて高圧タービンＴ１を作動させる。高圧タービンＴ１の他端側から排気された過熱蒸気は、第２の蒸気配管７を送気して再熱器１２に導入されて約６００〜６５０℃以下の二次過熱蒸気となる。

再熱器１２の出口側から排気されて中圧タービンＴ２の一端側に導入された二次過熱蒸気は、中圧タービンＴ２を作動させた後、第４の蒸気配管９を介して低圧タービンＴ３へ導入され、この低圧タービンＴ３を作動させる。
このようにして、蒸気タービン３を構成する高圧タービンＴ１、中圧タービンＴ２及び低圧タービンＴ３が作動して発電機４を駆動することで電力が発生する。

（蒸気配管）
次に、発電プラント１で使用される蒸気配管６，８等に付き、図２を参照して説明する。
図２には、突合せ溶接した曲がり蒸気配管Ｅの断面図が示されている。曲がり蒸気配管Ｅ（エルボ）は、高クロム鋼からなる複数の鋼管を繋ぎ合わせて構成したものであって、その繋ぎ合わせ部分（複数個所）には、突合せ溶接した溶接部Ｗが形成されている。

（補修溶接法）
次に、本発明の第一実施形態に係る補修溶接方法に付き図３を参照して説明する。
図３は、図２のＡ部を拡大した部分拡大図（模式図）である。図３において、溶接部Ｗは、上部が蒸気配管Ｅの外周面を示し下部が内周面（配管内部側面）を示している。
なお、図３（ａ），（ｂ）では、説明の都合上、各部材の寸法を適宜変更している。

溶接部Ｗは、高クロム鋼からなる鋼管、すなわち、第一母材１３ａと第二母材１３ｂの端部を突合せ溶接した部分である。
溶接部Ｗと第一母材１３ａの間には、第一境界部Ｂ１ａが形成される。同様に、溶接部Ｗと第二母材１３ｂの間には、第一境界部Ｂ１ｂが形成される。

第一境界部Ｂ１ａと第一境界部Ｂ１ｂには、溶接熱影響部１６ａ，１６ｂが含まれている。これら溶接熱影響部１６ａ，１６ｂは、第一境界部Ｂ１ａと第一境界部Ｂ１ｂの外側に沿うように第一母材１３ａと第二母材１３ｂに形成される。

本実施形態に係る補修溶接方法では、先ず超音波探傷などの非破壊検査により曲がり蒸気配管Ｅの外周面側から溶接部Ｗを検査する。
これにより、図３（ａ）に示すように、例えば、第一境界部Ｂ１ｂの近傍にクリープボイド又は結晶粒の粗大化などの損傷Ｃが探査される。

そこで、溶接部Ｗの一部、すなわち、クリープボイド又は結晶粒の粗大化などの損傷Ｃが存在する部位を除去する（図３（ｂ）参照）。
具体的には、発見された損傷Ｃを完全に除去するために、板厚方向（厚みＴの方向）において、損傷Ｃよりも深い領域（深さＤ）を表面側から除去する。この際、第一母材１３ａとの第一境界部Ｂ１ａ及び第二母材１３ｂとの第一境界部Ｂ１ｂの両方を含む領域を除去する。
更に、除去される領域の底面２０Ｂが、第一母材１３ａ及び第二母材１３ｂの表面（裏面）に沿うように除去（形成）する。なお、表面（裏面）に沿うようにとは、第一母材１３ａ及び第二母材１３ｂの表面（裏面）に倣って円弧状にとの意味を含む。

次いで、図３（ｂ）に示すように、除去された領域に新たな溶接金属を補修して、補修溶接部２０を形成する。
なお、新たな溶接金属、すなわち補修溶接部２０は、溶接部Ｗと同一材料である。また、補修溶接部２０の形成方法（溶接方法）としては、アーク溶接、ＭＩＧ溶接などの従来の溶接方法を用いる。

（補修溶接部のクリープ試験）
ここで、上述した補修溶接方法を採用した根拠について説明する。
具体的には、補修溶接部のクリープ試験に付き、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
このクリープ試験（ＪＩＳＺ２２７１）は、図６に示す溶接部Ｗに対して行ったものある。

図６に示す溶接部Ｗは、従来の補修溶接を施したもの、すなわち、損傷Ｃの近傍領域のみ（溶接部Ｗと第二母材１３ｂとの第一境界部Ｂ１ｂ含む領域）を除去したものである。言い換えれば、第一境界部Ｂ１ａを残しつつ、第一境界部Ｂ１ｂを含む領域のみを除去する。
そして、除去された領域に、新たな溶接金属を補修して、補修溶接部１２０を形成している。
なお、溶接部Ｗのうち、補修溶接部１２０との境界を第二境界部Ｂ２と呼ぶ。

図４（ａ）〜（ｃ）は、母材と溶接部の境界部における応力-寿命時間の関係図である。
図４（ａ）〜（ｃ）において、縦軸は応力（ＭＰａ）を示し、横軸は寿命時間（ｈ）を示している（両対数グラフ）。
そして、曲線Ｍ１は、母材自体（高クロム鋼）のクリープ強度曲線を示す。曲線Ｂ１は、第一境界部Ｂ１（第一境界部Ｂ１ａ，Ｂ１ｂ）のクリープ強度曲線を示す。曲線Ｂ２は、第二境界部Ｂ２のクリープ強度曲線を示す。

図４（ａ）は、６７５℃におけるクリープ強度を示す図である。
図４（ａ）に示すように、６７５℃で４Ｍｐａの引張応力を作用させた場合には、母材自体の寿命時間を１とすると、第一境界部Ｂ１の寿命時間は２／３、第二境界部Ｂ２の寿命時間は１／４程度である（つまり短寿命）ことが確認できる。

図４（ｂ）は、６５０℃におけるクリープ強度を示す図である。
図４（ｂ）に示すように、６５０℃で６Ｍｐａの引張応力を作用させた場合には、母材自体の寿命時間を１とすると、第一境界部Ｂ１の寿命時間は１／２、第二境界部Ｂ２の寿命時間は１／６程度である（つまり短寿命）ことが確認できる。

図４（ｃ）は、６２５℃におけるクリープ強度を示す図である。
図４（ｃ）に示すように、６２５℃で８Ｍｐａの引張応力を作用させた場合には、母材自体の寿命時間を１とすると、第一境界部Ｂ１の寿命時間は１／２、第二境界部Ｂ２の寿命時間は１／４程度である（つまり短寿命）ことが確認できる。

図４（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、第二境界部Ｂ２、すなわち、溶接部Ｗと補修溶接部１２０との境界近傍が、最もクリープ強度が低い領域であると認められる。つまり、最初の溶接部（溶接部Ｗ）と後から追加した溶接部（補修溶接部１２０）との境界近傍が最もクリープ強度が低い領域であると認められる。

したがって、図３（ｂ）に戻って説明すると、補修溶接部２０を施す際には、最初の溶接部（溶接部Ｗ）と後から追加した溶接部（補修溶接部２０）との境界が形成されないようにすることが望ましい。

そこで、図３（ｂ）に示すように、損傷Ｃを完全に除去する際には、溶接部Ｗと第一母材１３ａとの第一境界部Ｂ１ａ及び溶接部Ｗと第二母材１３ｂとの第一境界部Ｂ１ｂの両方を含む領域を除去する。

これにより、溶接部Ｗと補修溶接部２０との境界は、最小限に抑えられる。つまり、溶接部Ｗと補修溶接部２０との境界は、少なくとも、第一境界部Ｂ１ａ及び第二母材１３ｂの厚み方向に沿う方向においては、形成されないことになる。
なお、溶接部Ｗと補修溶接部２０との境界は、全く無くなる訳ではない。第二境界部Ｂ２ｃが、補修溶接部２０の底面２０Ｂにほぼ一致して、第一境界部Ｂ１ａ及び第二母材１３ｂの表面（裏面）に沿う方向においてのみ形成される。

このように、溶接部Ｗと補修溶接部２０との境界が皆無とならないものの、第二境界部Ｂ２ｃの近傍にクリープボイド又は結晶粒の粗大化等の損傷が発生したとしても、クリープ強度の低下は殆どないほど小さい。
なぜなら、損傷が発生する方向（第一境界部Ｂ１ａ及び第二母材１３ｂの表面に沿う方向）と応力の作用方向が一致するからである。

つまり、図３（ａ）に示す損傷Ｃのように、その発生方向と応力の作用方向がほぼ垂直に交差する場合には、力の作用方向と力の作用面（損傷Ｃの発生面）がほぼ垂直となるので、損傷Ｃの全体に引張応力が作用して、クリープボイドは亀裂となって発展する。
これに対して、第二境界部Ｂ２ｃの近傍（第一境界部Ｂ１ａ及び第二母材１３ｂの表面に沿う方向）に損傷が発生したとしても、力の作用方向と力の作用面（損傷の発生面）がほぼ平行となるので、損傷の全体に引張応力が作用することはない。したがって、クリープボイドが亀裂となって発展することもない。

このような理由から、図３（ｂ）に示すように、補修溶接部２０（溶接部Ｗの除去領域）の底面２０Ｂを、第一母材１３ａ及び第二母材１３ｂの表面（裏面）に沿うように形成している。

よって、第一実施形態に係る補修溶接方法によれば、突合せ溶接部Ｗに補修溶接（補修溶接部２０）を施した場合であっても、新たにクリープボイド又は結晶粒の粗大化が発生しやすい領域（クリープボイドが亀裂に進展しやすい領域）が形成されることを回避できるので、補修後において、突合せ溶接部Ｗの寿命を確実に延ばすことができる。

また、この補修溶接法を、水蒸気を発生させる蒸気ボイラ２に接続される蒸気配管６，８等の溶接部の補修溶接に適用することで、補修溶接部の強度を長期的に保障することができる。

なお、溶接部Ｗから除去される領域は、必ずしも第一母材１３ａと第二母材１３ｂの表面に沿う方向に均等な深さでなくても良い。すなわち、クリープボイド又は結晶粒の粗大化等の損傷Ｃが含まれる第二母材１３ｂ側のみを部分的に深く形成しても良い。

なお、前述した実施の形態で示した補修溶接方法は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上述した実施形態において、溶接部Ｗの一部を除去する際に、その領域の底面２０Ｂが、第一母材１３ａ及び第二母材１３ｂの表面（裏面）に沿うように除去する場合について説明した（図３（ｂ）参照）が、これに限らない。
図５に示すように、除去した領域の底面２０Ｂが平坦となる場合であってもよい。例えば、溶接部Ｗの一部を除去する際に、フラットエンドミルを用いたい場合には、底面２０Ｂが図５に示す形状となる。この場合においては、底面２０Ｂは、溶接部Ｗの表面（裏面）に接する接線に対してほぼ平行となるように除去する。特に、溶接部Ｗの幅方向の中央表面に接する接線に対して平行となるように除去することが好ましい。これにより、上述した実施形態とほぼ同一の効果が得られる。
なぜなら、第一母材１３ａ及び第二母材１３ｂは、蒸気配管６，８であり、その直径は数メートルであるのに対して、溶接部Ｗの断面幅は数ミリメートル程度である。このため、溶接部Ｗの一部を除去した領域の底面２０Ｂが、溶接部Ｗの幅方向の表面（裏面）に接する接線に対してほぼ平行となる場合であれば、第一母材１３ａ及び第二母材１３ｂに作用する力の作用方向と力の作用面（損傷の発生面）もほぼ平行となる。
したがって、図５に示す場合であっても、第二境界部Ｂ２ｃの近傍（第一境界部Ｂ１ａ及び第二母材１３ｂの表面に沿う方向）に損傷が発生したとしても、この損傷の全体に引張応力が作用することはなく、クリープボイドが亀裂となって発展することはない。

１…発電プラント、 ２…蒸気ボイラ、 ６，８，Ｅ…蒸気配管（溶接部材）、 １０…過熱器、 １２…再熱器、 １３ａ…第一母材、 １３ｂ…第二母材、 ２０…補修溶接部、 ２０Ｂ…底面、 Ｂ１（Ｂ１ａ，Ｂ１ｂ）…第一境界部、 Ｂ２，Ｂ２ｃ…第二境界部、 Ｃ…損傷、 Ｄ…深さ、 Ｗ…溶接部

Claims (5)

1. 第一母材と第二母材を突合せ溶接した溶接部の補修方法であって、
   前記溶接部のうち、前記第一母材との境界部及び前記第二母材との境界部の両者を含むと共に前記第一母材及び第二母材の表面から厚み方向に深さを有する領域を、当該領域の底面が前記表面に沿うように除去する工程と、
   前記領域に補修溶接する工程と、
   を有することを特徴とする補修溶接方法。
2. 前記境界部は、突合せ溶接による熱影響部を含むことを特徴とする請求項１に記載の補修溶接方法。
3. 前記深さは、前記溶接部又は前記境界部に発生した損傷よりも深いことを特徴とする請求項１又は２に記載の補修溶接方法。
4. 水蒸気を発生させる蒸気ボイラに接続する蒸気配管の溶接部の補修溶接方法として、請求項１から３のうちいずれか一項に記載の補修方法を用いることを特徴とする補修溶接方法。
5. 前記蒸気配管は、前記蒸気ボイラの過熱器又は再熱器に接続する蒸気配管であることを特徴とする請求項４に記載の補修溶接方法。

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