JP2012170964A - 高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】熱影響部に生じる応力を緩和する。
【解決手段】
高クロム鋼材の母材２，３の間を開先溶接して余盛部５を形成すると共に、余盛部５を両方の母材２，３側に拡張して開先溶接による熱影響部２ａ，３ａとその近傍を覆うようにビードを盛って拡張部６を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手に関する。更に詳しくは、本発明は、高クロム鋼材の母材同士を開先溶接する高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手に関するものである。なお、ここでの高クロム鋼材とは、鋼材中のクロムの含有量が重量パーセントで８％以上１３％以下のフェライト鋼材をいう。

蒸気管や圧力容器等の片面溶接では開先溶接が行われる。従来の開先溶接の継手を図１０に示す。２つの母材１０１，１０２間には開先１０３が設けられており、開先１０３にビードが形成されて盛金１０４が成されている。ビードは母材１０１，１０２の厚みに応じて幾層にも形成されている。図１０中２点差線で示すように、開先１０３の肩部１０３ａ，１０３ａは他の部分よりも深く溶融するので、肩部１０３ａ，１０３ａでは開先１０３の間隔が広がる。

なお、開先溶接の一般的な技術水準を示す文献として、例えば特開平１１−７７２９９号公報（片面溶接）、特開平８−５７６４２号公報（両面溶接）がある。

特開平１１−７７２９９号公報 特開平８−５７６４２号公報

本発明者らは、予防保全的な見地から開先溶接の継手に生じるクリープを抑制すべく、溶接継手の熱影響部１０１ａ，１０２ａに生じる応力について鋭意研究を行ったところ、高クロム鋼の管状部材（母材１０１，１０２）同士の溶接継手において、熱影響部１０１ａ，１０２ａの外周面から若干深い位置に応力が集中することを見出した。そして、その応力集中を緩和するための方策について更に研究を重ねた結果、開先１０３に形成した余盛部１０５を母材１０１，１０２側に拡張することが有効であることを見出し、本発明を成すに至ったものである。

本発明は、熱影響部に生じる応力を緩和することができる高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の高クロム鋼材の溶接方法は、高クロム鋼材の母材間を開先溶接して余盛部を形成すると共に、余盛部を両方の母材側に拡張して開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って拡張部を形成するようにしている。

また、請求項２記載の高クロム鋼材の溶接方法は、余盛部及び拡張部の表面を超音波探傷可能な平滑面に加工している。

さらに、請求項３記載の高クロム鋼材の溶接継手は、高クロム鋼材の母材間を開先溶接して形成された余盛部と、余盛部を両方の母材側に拡張して開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って形成された拡張部とを備えるものである。

また、請求項４記載の高クロム鋼材の溶接継手は、余盛部及び拡張部の表面が超音波探傷可能な平滑面となっている。

請求項１記載の高クロム鋼材の溶接方法および請求項３記載の高クロム鋼材の溶接継手によれば、余盛部及び拡張部を形成することで母材の拡張部を設けた側の表面近傍における熱影響部の応力集中を緩和でき、クリープの発生を抑制して溶接継手の寿命を伸ばすことができる。

また、請求項２記載の高クロム鋼材の溶接方法および請求項４記載の高クロム鋼材の溶接継手では、余盛部及び拡張部の表面を超音波探傷可能な平滑面にしているので、超音波探傷を行うためにわざわざ平滑面を形成する必要がなくなり、保守点検時等の超音波探傷の実施が容易になる。

本発明の高クロム鋼材の溶接継手の実施形態の一例を示す断面図である。 図１の溶接継手を使用した管状部材の横断面図である。 図２の管状部材の平面図である。 図１の溶接継手を使用した他の管状部材の平面図である。 本発明の高クロム鋼材の溶接継手の他の実施形態を示す断面図である。 溶接継手の有限要素解析の結果を示し、（Ａ）はエルボ部腹側長手溶接部の熱影響部における応力分布を示す図、（Ｂ）は突き合わせ溶接部の熱影響部における応力分布を示す図である。 解析に使用した長手継手のモデルを示し、（Ａ）は余盛部と拡張部の厚さと幅の変化を比較するために使用したモデルを示す図、（Ｂ）は肉盛（余盛部と拡張部）の有無を比較するために使用したモデルを示す図である。 溶接継手の有限要素解析の結果を示し、（Ａ）は余盛部と拡張部の幅を一定にして厚さを変化させた場合の応力分布を示す図、（Ｂ）は余盛部と拡張部の厚さを一定にして幅を変化させた場合の応力分布を示す図である。 溶接継手の有限要素解析の結果を示し、余盛部と拡張部がある場合と無い場合の応力分布の違いを示す図である。 従来の高クロム鋼材の溶接継手を示す断面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に本発明の高クロム鋼材の溶接継手を示す。高クロム鋼材の溶接継手（以下、単に溶接継手という）１は、高クロム鋼材の母材２，３間を開先溶接して形成された余盛部５と、余盛部５を両方の母材２，３側に拡張して開先溶接時の熱影響部２ａ，３ａとその近傍を覆うようにビードを盛って形成された拡張部６とを備えている。なお、図１，５において、通常の開先溶接で形成される余盛部を２点鎖線５ａで示している。

本発明が対象にするのは高クロム鋼材同士の開先溶接であり、開先溶接が可能であれば母材（高クロム鋼材）２，３の形状や大きさ、用途は特に制限されない。例えば、管状部材、板状部材等のいずれについても適用可能である。本実施形態では、管状部材の長手継手（図３）の形成に適用している。ただし、管状部材の周継手（図４）の形成に適用しても良く、あるいは板状部材の溶接継手に適用しても良い。

ここで、高クロム鋼材とは、鋼材中のクロムの含有量が重量パーセントで８％以上１３％以下のフェライト鋼材をいい、例えば改良９Ｃｒ鋼、１２Ｃｒ鋼等が含まれる。

本発明は、同種の高クロム鋼材（例えば、１２Ｃｒ鋼と１２Ｃｒ鋼）の溶接に適用しても良いし、異なる種類の高クロム鋼材（例えば、改良９Ｃｒ鋼と１２Ｃｒ鋼）の溶接に適用しても良い。

溶接する母材２，３間には開先４が設けられており、開先溶接されて余盛部５が形成されている。また、開先溶接時に母材２，３には熱影響部２ａ，３ａが生じるが、余盛部５は両方の母材２，３側に拡張され、熱影響部２ａ，３ａとその近傍を覆う拡張部６，６が形成されている。即ち、開先溶接時の熱影響部２ａ，３ａとその近傍を覆い隠すように拡張部６，６となるビードが形成されている。

本実施形態では、母材（管状部材）２，３の外周面２ｂ，３ｂ側にのみ拡張部６，６を設けている。高クロム鋼材と高クロム鋼材との溶接継手１では、熱影響部２ａ，３ａに生じる応力の深さ方向（肉厚方向）の分布が外周面２ｂ，３ｂから若干深い位置にピークを有している（図６（Ａ），図９参照）。母材２，３の外周面２ｂ，３ｂ側に拡張部６，６を設けることで、熱影響部２ａ，３ａの外周面２ｂ，３ｂ側の表層に生ずる応力を緩和することができ、特に前記ピークを著しく減少させることができる。ただし、母材２，３の内周面２ｃ，３ｃ側への加工が可能な場合等には外周面２ｂ，３ｂ側と内周面２ｃ，３ｃ側（裏波ビード側）の両方に拡張部６，６をそれぞれ設けても良く、場合によっては内周面２ｃ，３ｃ側にのみ拡張部６，６を設けるようにしても良い。

本実施形態では、板厚（肉厚）が同一の母材２，３同士を開先溶接している。ただし、板厚が異なる母材２，３同士を開先溶接する場合にも適用可能である。この場合には、少なくとも基準面側（面一にする側の面。一般的には内周面２ｃ，３ｃ。）に拡張部６，６を形成することが好ましい。

余盛部５と拡張部６は開先４に充填される溶加材と同じ溶加材で形成されている。溶加材としては、例えば高クロム鋼系の溶加材等の使用が可能である。高クロム鋼系の溶加材としては、例えば株式会社神戸製鋼所製「溶接材料」：MGS-9Cb，MGS-9CbNT，TGS-9Cb等の使用が可能である。また、溶接手段としては開先溶接を行うものであれば適用可能であり、例えば、MIG溶接、被覆アーク溶接、TIG溶接、サブマージアーク溶接等の使用が可能である。

本実施形態では開先４の内周面２ｃ，３ｃ側から外周面２ｂ，３ｂ側へとビードが積み重ねられて溶融金属部７が形成される片面溶接を行っている。

適用可能な開先４の種類には特に制限はなく、例えばＩ形、Ｖ形、Ｘ形、レ形、Ｋ形、Ｊ形、Ｕ形、Ｈ形等のいずれにも適用可能であり、その他の形状の開先４にも適用可能である。

溶接は以下の手順で行われる。まず、２つの母材２，３の間を開先溶接して余盛部５を形成する。次に、余盛部５を両方の母材２，３側に拡げて拡張部６，６を形成する。このとき、開先４に溶加材を充填した際に生じた熱影響部２ａ，３ａの表面（外周面２ｂ，３ｂ）とその近傍をビード（拡張部６）で覆うようにする。拡張部６は余盛部５から連続するように形成する。これにより、余盛部５から熱影響部２ａ，３ａを超えて拡がる拡張部６が形成される。拡張部６を形成する際、母材２，３の外周面２ｂ，３ｂ（熱影響部２ａ，３ａの表面とその近傍）をなるべく溶融させないようにして外周面２ｂ，３ｂに新たな熱影響部が生成されるのを防止することが好ましい。

一般に管状部材の長手継手では、開先溶接の熱影響部２ａ，３ａに生じる応力分布（開先４の深さ方向の応力分布）は外周面２ｂ，３ｂから若干深い位置にピークを有している（図６（Ａ），図９参照）。即ち、開先溶接では開先４の肩部４ａ，４ａが溶融して間隔が広がることから開先４にその角度が急激に変わる変化領域８が生じ、この変化領域８に応力が集中するので上記ピークが発生することになる。本発明の溶接継手１では、拡張部６を形成することで溶接継手１の外周面２ｂ，３ｂ側部分の断面積が大きくなり、熱影響部２ａ，３ａに生ずる応力を分散させることができる。これにより、熱影響部２ａ，３ａの外周面２ｂ，３ｂ側の部分（表層）に生ずる応力を緩和することができ、クリープの発生を抑制して溶接継手１の寿命を伸ばすことができる。特に変化領域８への応力の集中を著しく緩和することができる。

拡張部６としては、熱影響部２ａ，３ａを少しでも超えて拡張していれば良い。拡張部６が熱影響部２ａ，３ａを少しでも超えていれば応力を緩和するものとして実用上有効な効果が得られる。

なお、拡張部６を形成することで、熱影響部２ａ，３ａの内周面２ｃ，３ｃ側の部分に生じる応力は若干増加する傾向にあるが（図６（Ａ），図９参照）、溶接継手１のクリープによる損傷に対しては内周面２ｃ，３ｃ側の応力よりも外周面２ｂ，３ｂ側の応力の方が影響が大きいので、内周面２ｃ，３ｃ側の応力の若干の増加は特に問題にはならない。

本発明は、例えば火力発電所における改良９Ｃｒ鋼製高温再熱蒸気管のエルボ部腹側長手溶接部および突き合わせ溶接部、１２Ｃｒ鋼製主蒸気管の突き合わせ溶接部に適用できるが、これらに限られない。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図５に示すように、余盛部５及び拡張部６の表面を超音波探傷可能な平滑面９に加工しても良い。この場合には超音波探傷を行うためにわざわざ平滑面９を形成する必要がなくなり、保守点検時等の超音波探傷の実施が容易になる。平滑面９としては、超音波探傷可能なものであれば母材２，３の外周面２ｂ，３ｂに沿う曲面でも良いし、平面でも良い。

また、上述の説明では、母材２，３を溶接する際に余盛部５と拡張部６を一緒に形成していたが、余盛部５と拡張部６を後から（一定の時間をおいてから）形成しても良い。例えば、既に設置されている配管等の溶接継手に後から余盛部５と拡張部６を追加形成するようにしても良い。またこの場合、既に設置されている配管等の溶接継手に余盛部が形成されているときには、拡張部６を後から追加形成しても良い。これらの場合には、既に設置されている配管等の溶接継手に本発明を適用することができる。

また、余盛部５と拡張部６をいったん削り取って溶融金属部７の表面を母材２，３の外周面２ｂ，３ｂと面一にした後、余盛部５と拡張部６を改めて形成しても良い。

また、上述の説明では片面溶接に適用していたが、両面溶接に適用しても良い。この場合、母材２，３の外周面２ｂ，２ｂと内周面２ｃ，３ｃとの両方に余盛部５と拡張部６をそれぞれ設けるようにしても良いし、いずれか一方にのみ余盛部５と拡張部６を設けるようにしても良い。

溶接継手１の熱影響部２ａ，３ａの応力分布を調べるために有限要素法による解析を行った。有限要素解析コードはＭＳＣ ＭＡＲＣを使用した。

まず最初に、拡張部６を設けていない状態について、余盛部５がある場合とない（溶融金属部７の表面が母材２，３の外周面２ｂ，３ｂと面一）場合について解析を行った。ここでは、溶接継手１として、大口径管の長手継手であるエルボ部腹側長手溶接部と周継手である突き合せ溶接部とをモデル化し解析を行った。有限要素解析における諸条件を表１に示す。

解析の結果を図６に示す。周方向、軸方向、径方向のそれぞれについて応力を算出した。余盛部５がある場合を実線で、余盛部５が無い場合を破線で示している。この結果から、エルボ腹側部の場合では主応力は周方向であり、その最大値となる外周面側表層（母材外周面から８．５ｍｍ）では余盛部５を研削することにより２．７ＭＰａ（５．４％）増加することが判る。一方、突き合せ溶接部の場合では主応力は軸方向で外表面（母材外周面２ｂ，３ｂ）において最大となり、余盛部５がない場合では外表面の応力が約６ＭＰａ減少する結果となった。実機配管では内圧のほかにシステム荷重が重畳する。エルボ腹側部においては内圧のみで余盛部５による影響は実機配管の材料特性のバラつきを考えると十分小さく、システム荷重が重畳した場合においても同様の結果が得られると考えられる。

また、外周面２ｂ，３ｂから８．５ｍｍの位置と内周面２ｃ，３ｃから５ｍｍの位置に応力のピークが現れた。外周面２ｂ，３ｂから８．５ｍｍの位置は上述の変化領域８に対応し、内周面２ｃ，３ｃから５ｍｍの位置は変化領域８と同様に生じる内周面２ｃ，３ｃ側の変化領域１０に対応することから、各変化領域８，１０に応力が集中することが判った。

次に、エルボ部腹側長手溶接部について、余盛部５と拡張部６とを設けた状態について解析を行った。そのモデルを図７に示す。まず、図７（Ａ）において、開先溶接の幅ｂ（中心からの距離）を３０ｍｍとし、厚さａを３．７５ｍｍから１５ｍｍまで変化させた場合の結果を図８（Ａ）に示す。肉盛なし（余盛部５及び拡張部６なし：ａ＝０）の場合に比べて、厚さａを３．７５ｍｍとすることで外周面側表層の応力が大幅に減少した。また、厚さａを７．５ｍｍとすることで外周面側表層の応力が更に減少した。ただし、厚さａ＞７．５ｍｍでは応力分布に変化は見られなかった。

次に、厚さａ＝７．５ｍｍとし、幅ｂを２０ｍｍから４０ｍｍまで変化させた結果を図８（Ｂ）に示す。肉盛なし（余盛部５及び拡張部６なし：ｂ＝０）の場合に比べて、幅ｂ＝２０ｍｍとすることで外周面側表層の応力が大幅に減少した。また、幅ｂを３０ｍｍ，４０ｍｍと増加させることで、外周面側表層の応力が更に減少した。

一方、図８（Ａ）と（Ｂ）のいずれにおいても、内周面側表層（母材内周面から５ｍｍ）では応力が増加（最大で４．５ＭＰａ（９．１％））した。そのため、タイプIV損傷が内周面側表層から優先的に進行するようになることも予想される。ただし、溶接継手１のクリープによる損傷に対しては内周面側表層の応力よりも外周面側表層の応力の方が影響が大きいため、内周面側表層での若干の応力増加はあまり問題にならないと考えられる。

次に、図７（Ｂ）に示すように余盛部５及び拡張部６を形成した場合（拡張部６の熱影響部２ａ，３ｂを超える距離が僅かな場合）の周方向応力の分布を図９に示す。なお、図９の「肉盛」は余盛部５及び拡張部６を意味している（図８も同じ）。図９から拡張部６が僅かな場合であっても外周面側表層の応力は低下し、内周面側表層では上昇し、拡張部６の効果が表れることが判る。図示していないが、軸方向および径方向応力についても外周面側表層での応力の低下および内周面側表層での上昇といった周方向応力と同様な傾向が得られた。

以上より、余盛部５及び拡張部６を設けることで、クリープによる損傷に大きく影響する溶接継手１の熱影響部２ａ，３ａの応力を緩和できることを確認できた。

１ 溶接継手
２，３ 母材
２ａ，３ａ 熱影響部
４ 開先
５ 余盛部
６ 拡張部
９ 超音波探傷可能な平滑面

Claims (4)

1. 高クロム鋼材の母材間を開先溶接して余盛部を形成すると共に、前記余盛部を前記両方の母材側に拡張して前記開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って拡張部を形成することを特徴とする高クロム鋼材の溶接方法。
2. 前記余盛部及び前記拡張部の表面を超音波探傷可能な平滑面に加工することを特徴とする請求項１記載の高クロム鋼材の溶接方法。
3. 高クロム鋼材の母材間を開先溶接して形成された余盛部と、前記余盛部を前記両方の母材側に拡張して前記開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って形成された拡張部とを備えることを特徴とする高クロム鋼材の溶接継手。
4. 前記余盛部及び前記拡張部の表面が超音波探傷可能な平滑面であることを特徴とする請求項３記載の高クロム鋼材の溶接継手。