JP2013144837A

JP2013144837A - 高強度低合金鋼の溶接後熱処理法

Info

Publication number: JP2013144837A
Application number: JP2012006099A
Authority: JP
Inventors: Masaru Okamura; 賢岡村; Motoroku Nakao; 元六仲尾; Yasushi Sato; 恭佐藤
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-25

Abstract

【課題】既設の水壁管や現地溶接部において、溶接部の周辺部材への影響を与えずに広い施工範囲の耐ＳＣＣ性を向上させる高強度低合金鋼の熱処理方法を提供すること。
【解決手段】質量％でクロム（Ｃｒ）：１．９以上２．６以下、モリブデン（Ｍｏ）：０．０５以上１．０以下、バナジウム（Ｖ）：０．２０以上０．３０以下の主要添加元素、及びホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）を含む微量添加元素を少なくとも含む組成を有し、焼き入れ、焼き戻し又は焼きならし、焼き戻し処理が施された高強度低合金鋼を溶接した部材における溶接部及び該溶接部近傍を３５０℃以上６００℃未満の温度域で溶接後熱処理することを特徴とする高強度低合金鋼の溶接後熱処理法であり、ボイラ建設現地の溶接部もしくは熱処理実施範囲が広範囲におよぶ既設のボイラ伝熱管の溶接部と該溶接部近傍に適用できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、高強度低合金鋼の溶接に係わり、特にボイラ又は化学プラント等の高温あるいは高圧力の条件下で使用される高強度低合金鋼の現地溶接部及び既設部位に好適な高強度低合金鋼の溶接後熱処理法に関する。

ボイラ高効率化に伴う運転温度の上昇により、ボイラ水壁管材料として高強度低合金鋼の適用事例が増加している。近年、予熱及び後熱処理なしで使用できる高強度低合金材料が開発され、多くのプラントに適用されてきた。
その代表例であるＡＳＴＭ２１３Ｔ２４（以下Ｔ２４）やＡＳＴＭ２１３Ｔ２３（以下Ｔ２３）はボイラ水壁管として多く適用されている。

しかしながら、Ｔ２４鋼を使用し、予熱や後熱処理なしで製作されたボイラ水壁管において、近年、溶接熱影響部における応力腐食割れ（ＳＣＣ）が多発しており、その対策として工場施工段階で７２０℃前後の温度域において予熱や後熱処理を行っている。一方で、既設のボイラ水壁管等のように現地での熱処理施工が必要であり、かつ施工範囲が広範囲におよぶ場合には、熱処理施工部分の周辺部に使用されている炭素鋼部材の劣化による強度低下や伝熱管パネルの熱応力による変形が懸念されるため、この温度域での熱処理を適用することは困難である。

特開２００２−１４６４３９号公報（特許文献１）には高強度の９％Ｃｒ鋼を用いる伝熱管の突合せ溶接部を溶接後に焼鈍するにあたり、例えば、伝熱管パネルなどに過大な引張荷重による損傷を与えないで局部焼鈍を行うために、突合せ溶接部を箱形ヒータで覆いながら、当該部分の局部焼鈍を行う方法が開示されている。

また、特表平１１−５０２２５９号公報（特許文献２）にはＣｒ−Ｍｏ含有量のフェライト鋼を焼きならした後に、適切な範囲のラーソン・ミラー・パラメータ（ＬＭＰ）式に従った焼き戻し温度と時間により焼き戻すことで高温強度に優れた鋼材とすることができることが記載されている。

特開２００２−１４６４３９号公報特表平１１−５０２２５９号公報

上記特許文献１記載の発明は、溶接部分が伝熱管の管寄せ部分である場合には、熱処理範囲が広範囲に亘るために当該管寄せ部分の局部焼鈍を行うことが難しい。また、熱処理範囲が広範囲に亘る場合には、ボイラ水壁パネル構造の変形や管寄せ部分の周辺部に使用されている炭素鋼部材の強度低下などの影響が問題となり、既設の水壁パネルなどの現地溶接部に前記特許文献１記載の局部焼鈍方法を適用することは適切とはいえなかった。

本発明の課題は、既設の水壁パネルやその他の現地溶接部において、溶接部の周辺部材への影響を与えずに広い施工範囲の耐ＳＣＣ性を向上させる高強度低合金鋼の熱処理方法を提供することである。

上記本発明の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、質量％でクロム（Ｃｒ）：１．９以上２．６以下、モリブデン（Ｍｏ）：０．０５以上１．０以下、バナジウム（Ｖ）：０．２０以上０．３０以下の主要添加元素、及びホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）を含む微量添加元素を少なくとも含む組成を有し、焼き入れ、焼き戻し又は焼きならし、焼き戻し処理が施された高強度低合金鋼を溶接した部材における溶接部及び該溶接部近傍を３５０℃以上６００℃未満の温度域で溶接後熱処理することを特徴とする高強度低合金鋼の溶接後熱処理法である。

請求項２記載の発明は、ボイラ建設現地の高強度低合金鋼からなる伝熱管の溶接部、熱処理実施範囲が広範囲におよぶ既設ボイラの高強度低合金鋼からなる伝熱管の溶接部及び前記溶接部近傍を３５０℃以上６００℃未満の温度域で溶接後熱処理することを特徴とする請求項１記載の高強度低合金鋼の溶接後熱処理法である。

（作用）
図１はＴ２４鋼の耐力の熱処理温度による変化を示したものである（Von W. Bendickら：VGB Kraftwerkstechnik 777, Heft 5（1997））。図１の横軸は熱処理温度、縦軸は耐力を示す。図１中にあるプロットは、実験により得られた実測値であり、破線はそれらの下限を示すものである。

一般的に実施される従来の７２０℃における熱処理は、溶接による残留応力を緩和することを目的としている。この図１から明らかなように、６００℃以上では耐力が低下し、残留応力も低減するが、６００℃以下の熱処理温度においては、耐力に大幅な減少は認められず、本発明の溶接後熱処理法をＴ２４鋼に適用した場合の耐ＳＣＣ性が熱処理前より向上するのは、同系材料で適用される熱処理による残留応力の低下とは異なるメカニズムによることが分かる。このような、低温熱処理による耐ＳＣＣ性向上は実験事実に基づいたものであり、水素、窒素、炭素などの微量成分の拡散や偏析が関連していると推測される。

請求項１記載の発明によれば、低合金鋼を低温域（３５０℃以上６００℃未満）における熱処理により耐ＳＣＣ性を熱処理前より向上させることができる。この温度域では、前記熱処理により低合金鋼の部材の変形や周辺部材への影響が生じることがないので、既設部材に対する適用が可能である。

請求項２記載の発明によれば、運用中または組み立て済のボイラの溶接部材への現地における適用が可能となるため、部材交換に関わるコストを低減可能であり、低温熱処理のために燃料費の低減にも効果がある。

Ｔ２４鋼の各熱処理温度における熱処理後の耐力を示す図である。本発明の検討に用いた試験片形状、製作法を示す図である。本発明による実施形態で示した熱処理を実施した際のアルカリＳＣＣ試験条件におけるき裂発生時間を示す図である。本発明による実施形態で示した最適な熱処理時間と熱処理温度を示す図である。

本発明の実施例に係る高強度低合金鋼の熱処理方法について、図面及び表を用いて以下説明する。
表１は本発明の対象となる高強度低合金鋼の一般的な成分範囲及び代表例であるＡＳＴＭ２１３Ｔ２４（以下Ｔ２４と称することがある。）とＡＳＴＭ２１３Ｔ２３（以下Ｔ２３と称することがある。）の組成を表したものである。

また、本アルカリＳＣＣ試験では、環境の電位をＴ２３鋼及びＴ２４鋼の不動態領域電位に維持し、ＳＣＣが発生しやすい環境とすることを目的にＮａＮＯ_３を添加している。
表２は本実施例に用いたアルカリＳＣＣ試験の実施条件をまとめたものである。

アルカリＳＣＣ試験液は３５ｗｔ％のＮａＯＨに０．５ｗｔ％のＮａＮＯ_３を添加した水溶液であり、この水溶液にＴ２４鋼の試験片を浸漬した状態で１２０℃の恒温槽内に設置してアルカリＳＣＣ試験を行う。

図２はＴ２４鋼のアルカリＳＣＣ試験片を示し、図２（ａ）の断面図に示す径３８．５ｍｍ×厚み（ｔ）５．４ｍｍのＴＩＧ溶接部１ｂを設けた管状のＴ２４鋼の試験片１にスリット１ａを設け、該管状のＴ２４鋼の試験片１の上下からプレス加工部材２でプレスすることによって試験片１のＴＩＧ溶接部１ｂに０．５％のひずみを与える（図２（ｂ）、図２（ｃ））。また、Ｔ２４鋼の試験片１のプレス加工時に狭めたスリット１ａ部分を溶接して拘束溶接部１ｃとし、該拘束溶接部１ｃにより試験片１のひずみを保持する。拘束溶接部１ｃを形成した負荷ひずみ０．５５％の試験片１の斜視図を図２（ｄ）に示す。

図２（ｄ）に示す拘束溶接部１ｃを形成した試験片１を、まず、表３に示す１５０℃〜６００℃の間に複数の設定温度で２４時間の熱処理を実施することにより、耐ＳＣＣ性に対する熱処理温度の検討を行った。

表３にはＴ２４鋼を熱処理しない場合と、１５０℃〜６５０℃の複数の設定温度条件において２４時間の熱処理を実施した際の、上記アルカリＳＣＣ試験条件におけるき裂発生時間をまとめたものである。

図３は表３に示す各温度で熱処理を行ったＴ２３鋼及びＴ２４鋼の試験片に対して、アルカリＳＣＣ試験を開始した時点からき裂が発生するまでの時間をグラフ化して示したものであり、Ｔ２３鋼、Ｔ２４鋼ともに３５０℃付近の温度域から耐ＳＣＣ性が大幅に向上することが明らかである。

表３と図３から明らかなように、従来技術もしくは比較例においてアルカリＳＣＣ試験を開始した時点から４８時間以内でＳＣＣによるき裂が発生したのに対して、実施例１から実施例４の４５０℃と６００℃の熱処理を実施することにより、耐ＳＣＣ性を２５０℃以下の熱処理に比べて少なくとも２倍以上向上することが可能であることが示された。

また、熱処理によるＴ２３鋼とＴ２４鋼の耐ＳＣＣ性の向上結果は類似しており、同様の組成を有する高強度低合金鋼においても適用可能であることが推察される。

次に、本実施例によるＴ２４鋼の耐ＳＣＣ性向上のために必要な熱処理時間を表４に示す。表４は熱処理温度３５０℃及び４５０℃及び６００℃における熱処理時間の耐ＳＣＣ性に対する影響をまとめたものである。

表４から分かる通り、３５０℃での熱処理の場合は７２時間、４５０℃では６時間で、また６００℃でも６時間で、耐ＳＣＣ性が大幅に向上することが明らかとなった。
これらの値を温度と時間を表すパラメータであるラーソン・ミラー・パラメータ（ＬＭＰ）式により整理すると、ＬＭＰ＝１．３６×１０^４以上で耐ＳＣＣ性向上が可能であることが分かる。

図４は、本発明の実施例における最適な熱処理温度と時間の関係を整理したものである。実線は本実施例により得られた、耐ＳＣＣ性を向上させるのに必要な下限温度と熱処理時間を表すものである。また、熱応力による変形、炭素鋼の劣化及び現地における施工を考慮し、熱処理限界温度（鎖線）を６００℃、長さ２〜１０ｍ程度の部材の温度を均質化させるために必要な下限時間（一点鎖線）を２時間とした。

熱処理時間の上限は特に規定しないが、７２時間程度の実施時間が経済性面から適正である（二点鎖線）。これらの限界値により決定される斜線の領域が本発明による低温熱処理に適した実施条件であることが分かる。

以上説明したように、本発明による実施例１から実施例８で示した熱処理は、溶接部の周辺部材に影響を与えない低温度域、望ましくは３５０℃から６００℃の温度域で熱処理を実施することで、低合金鋼の耐ＳＣＣ性を大幅に向上させるものである。本発明により熱処理された材料は、未処理のものと比較して耐ＳＣＣ性が大幅に向上する。

また、上記Ｔ２３鋼とＴ２４鋼以外にも表１に示した合金組成を有する高強度低合金鋼に適用可能である。

ボイラの高効率化に伴うボイラ運転温度の上昇に伴って、ボイラ伝熱管として高強度鋼の使用が今後増加するものと予想されるが、本発明適用の可能性が高くなるものと考えられる。

１試験片１ａスリット
１ｂＴＩＧ溶接部１ｃ拘束溶接部
２プレス加工部材

Claims

質量％でクロム（Ｃｒ）：１．９以上２．６以下、モリブデン（Ｍｏ）：０．０５以上１．０以下、バナジウム（Ｖ）：０．２０以上０．３０以下の主要添加元素、及びホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）を含む微量添加元素を少なくとも含む組成を有し、焼き入れ、焼き戻し又は焼きならし、焼き戻し処理が施された高強度低合金鋼を溶接した部材における溶接部及び該溶接部近傍を３５０℃以上６００℃未満の温度域で溶接後熱処理することを特徴とする高強度低合金鋼の溶接後熱処理法。
ボイラ建設現地の高強度低合金鋼からなる伝熱管の溶接部、熱処理実施範囲が広範囲におよぶ既設ボイラの高強度低合金鋼からなる伝熱管の溶接部及び前記溶接部近傍を３５０℃以上６００℃未満の温度域で溶接後熱処理することを特徴とする請求項１記載の高強度低合金鋼の溶接後熱処理法。