JP2013193124A

JP2013193124A - 構造用鋼材の溶接方法及び溶接鋼構造物

Info

Publication number: JP2013193124A
Application number: JP2012066282A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Nakatani; 光良中谷; Masamitsu Abe; 正光安部; Junya Yamada; 順也山田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30
Also published as: WO2013140798A2; KR20140142226A; EP2785487A2; WO2013140798A3; US20150202710A1; CN104169035A

Abstract

【課題】大型の構造用鋼材の溶接部へ脱水素処理を施した場合であっても、製造コストの上昇を抑えることができる構造用鋼材の溶接方法及び溶接鋼構造物を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．１５〜０．５％を含有する構造用鋼材５の溶接方法である。構造用鋼材５の接合端部５ａを予熱して１５０〜２５０℃の温度で保持する予熱工程１と、接合端部５ａを多層溶接する溶接工程２と、多層溶接で施工する際のパス間温度を１５０℃〜３５０℃に保持する加熱工程３と、１５０℃以上の温度で保持された溶接部７を、温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で熱処理を行う直後熱処理工程４とを含んだ溶接方法とすることで、拡散水素量を所定程度まで減らしながら製造コストの上昇を抑えることができた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温・高圧条件に対応できるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の溶接方法、及びこの溶接方法によって溶接された溶接鋼構造物に関する。

ボイラーなどの構造物に用いられる金属材料として、高温・高圧下で使用されることを考慮して、ＣｒやＭｏを含んだＣｒ−Ｍｏ鋼が使用されている。近年、生産効率を図るために、操業条件が一層高温・高圧化される傾向にある。そのため、構造用鋼材を用いるにあたり、一層肉厚となり、材料コストや製造コストが増大する。Ｃｒ−Ｍｏ鋼にバナジウムを添加したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼が、良好な高温強度及び耐水素侵食性を有し、更には高圧条件に耐えうるため、石油精製プラントにおける脱硫リアクターや、特許文献１に示すような蒸気タービンなどの構造用鋼材として用いられるようになってきている。例えば、１００ｍｍを超えるような肉厚のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼では、構造物の組み立てにおいて多層溶接となるため、拡散性水素による低温割れ（遅れ割れ）の発生が懸念される。

溶接施工現場では、溶接部の拡散性水素量を減らすために、溶接部が冷却される前に加熱する直後熱処理として脱水素処理（ＤＨＴ：Dehydrogenation Heat Treatment）を施している。この脱水素処理では、非特許文献１に記載されたＡＰＩ規格にあるように、温度：３５０℃、処理時間：４時間で処理することが推奨されている。この条件で直後熱処理すれば、溶接部の拡散水素量が減少することは確認されており、低温割れの危険性も少なくなる。

特開平８−２０９２９３号公報 API Recommended Practice 934-A Second Edition,2008

大型の構造用鋼材の溶接部へ脱水素処理を施す際、ガスバーナーを使用して３５０℃の温度で長時間保持するのは容易ではない。そのため、構造用鋼材の大きさに見合った電気ヒーターや熱処理炉などの熱処理装置が必要となり、特に外気温が低い場合には保温材を設置しなければならない。熱処理装置が大型となるだけでなく、ガスバーナーで熱処理する場合に比べて工程も複雑となり、製造コストが増大してしまうといった問題がある。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、大型の構造用鋼材の溶接部へ脱水素処理を施す場合であっても、製造コストの上昇を抑えることができる構造用鋼材の溶接方法及び溶接鋼構造物を提供することを目的とする。

発明者らは、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼からなる構造用鋼材において問題となる溶接部の低温割れの抑制のための熱処理に関し、鋭意検討を行った結果、従来よりも低温で直後熱処理することで溶接部の低温割れを抑制できる構造用鋼材の溶接方法及び溶接鋼構造物を得るに至った。

即ち本発明の構造用鋼材の溶接方法は、質量％で、Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．１５〜０．５％を含有する構造用鋼材の溶接方法であって、前記構造用鋼材の溶接しようとする接合端部を１５０℃〜２５０℃の温度で予熱する予熱工程と、前記接合端部を多層溶接する溶接工程と、前記多層溶接で施工する際の前記接合端部のパス間温度を１５０℃〜３５０℃に保持する加熱工程と、１５０℃以上の温度で保持された溶接部を、温度：２５０℃〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で熱処理を行う直後熱処理工程とを含むことを特徴とする。

上記本発明によれば、サブマージアーク溶接によって溶接する溶接工程の前に、接合端部を１５０℃〜２５０℃の温度で予熱する予熱工程を導入し、多層溶接で施工する際のパス間温度を１５０℃〜３５０℃に保持する加熱工程を導入し、１５０℃以上の温度で保持された溶接部に直後熱処理を施すに際し、その熱処理を、温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で行うこととしているので、大型の構造用鋼材の溶接部へ脱水素処理を施す際、例えばガスバーナーを使用して加熱、熱処理することができる。そのため、大型の電気ヒーターや熱処理炉などの熱処理装置が必要ではなくなり、それに加え工程も簡素化することができる。これにより、製造コストを抑制することができる。

多層溶接で施工する際の接合端部のパス間温度が１５０℃〜３５０℃とされるために、溶接熱に影響を受ける部分の靱性を劣化させる原因となる結晶粒の粗大化を防止すると共に、溶接部の低温割れの抑制効果を更に向上させることができる。

前記溶接は、突き合わせでのサブマージアーク溶接法によるものであることが好ましい。突き合わせでのサブマージアーク溶接法を採用すれば、効率良く構造用鋼材を接合することができる。

本発明の溶接鋼構造物は、質量％で、Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．１５〜０．５％を含有する構造用鋼材を溶接した溶接鋼構造物であって、１５０〜２５０℃の温度に予熱した前記構造用鋼材の接合端部を、１５０〜３５０℃のパス間温度で多層溶接し、その溶接部に温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で直後熱処理を施したことを特徴とする。

上記本発明によれば、溶接工程の前に、１５０℃〜２５０℃の温度で予熱する予熱工程を導入し、多層溶接で施工する際のパス間温度を１５０℃〜３５０℃に保持する加熱工程を導入し、溶接部に直後熱処理を施すに際し、その熱処理を、温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で行うこととしているので、大型の構造用鋼材の溶接部へ脱水素処理を施す際、例えばガスバーナーを使用して加熱、熱処理することができる。そのため、大型の電気ヒーターや熱処理炉などの熱処理装置が必要ではなくなり、それに加え工程も簡素化することができる。これにより、製造コストを抑制することができる。

多層溶接で施工する際のパス間温度が１５０℃〜３５０℃とされるために、溶接熱に影響を受ける部分の靱性を劣化させる原因となる結晶粒の粗大化を防止すると共に、溶接部の低温割れの抑制効果を更に向上させることができる。

構造用鋼材の肉厚は厚いものであってもよく、例えば、圧力容器用として肉厚を５０mm〜３５０mmとする円筒状に構成されているものが挙げられ、従来よりも低温の直後熱処理で脱水素でき、製造コストを抑制することができる。

上記の通り、本発明によれば、大型の電気ヒーターや熱処理炉などの熱処理装置が必要ではなくなり、それに加え工程を簡素化できるので、製造コストを抑制することができる。

本発明の一実施施形態に係る構造用鋼材の溶接方法の手順を説明するためのフローチャートである。（ａ）は構造用鋼材の溶接方法を、構造用鋼材の長手方向・外側溶接に適用した例を示す図であり、（ｂ）は長手・内側溶接に適用した例を示す図である。（ａ）は構造用鋼材の溶接方法を、構造用鋼材の周方向・外側溶接に適用した例を示す図であり、（ｂ）は周方向・内側溶接に適用した例を示す図である。構造用鋼材の接合端部の開先形状とパス割りを説明するための断面模式図である。溶接部の拡散性水素量の解析技術によって解析した水素濃度と鋼材表面からの深さの関係を表すグラフである。溶接部の拡散性水素量の解析技術によって解析した水素濃度の分布をシミュレーションした結果である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る構造用鋼材の溶接方法の手順を説明するためのフローチャートである。本実施形態の構造用鋼材の溶接方法は、構造用鋼材を予熱する予熱工程１と、溶接を行う溶接工程２と、所定温度に加熱して保持する加熱工程３と、溶接後に熱処理を行う直後熱処理工程４とからなる。

図２（ａ）は本実施形態の構造用鋼材の溶接方法を、構造用鋼材５の長手方向・外側溶接に適用した例を示す図であり、（ｂ）は長手・内側溶接に適用した例を示す図である。図３（ａ）は本実施形態の構造用鋼材の溶接方法を、構造用鋼材５の周方向・外側溶接に適用した例を示す図であり、（ｂ）は周方向・内側溶接に適用した例を示す図である。図２及び図３の例で示す構造用鋼材５は、圧力容器用として肉厚：５０mm〜３５０mm、直径：５０００mm、長手方向長さ：２５００mmの円筒状の溶接鋼構造物８を得るための鋼材である。なお、本発明の溶接方法で接合する構造用鋼材、これで得られた溶接鋼構造物の大きさや、形状、用途などは限定されるものではない。

構造用鋼材５は、質量％でＣｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．１５〜０．５％を含有するＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼で形成されている。Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の各成分の質量比は、使用条件などに対応させて上記範囲内で変更され、かかる構成成分以外にも他の成分を添加でき、その他不可避的成分も含まれる。

図４は構造用鋼材５の開先形状とパス割りを説明するための断面模式図である。本実施形態のように、開先形状が例えばＸ形となるように構造用鋼材５を成形する。開先形状には、Ｘ形の他にＩ形、Ｖ形、Ｙ形、レ形、Ｋ形、Ｊ形、Ｕ形、Ｈ形などがあり、溶接条件などによって最適な開先形状が選択される。その際の、開先深さ、開先角度、開先幅、ルート間隔なども溶接条件などに応じて適宜選択すればよい。

２つの構造用鋼材５を突き合わせて、所定の開先形状となるようにする。２つの構造用鋼材５を互いに突き合わせた後、両構造用鋼材５の溶接しようとする接合端部５ａを予熱する予熱工程１を行う。予熱工程１でいう接合端部５ａとは、各端面５ｂ、及び各側端５ｃから鋼材内側へ１００mm程度を含む領域のことをいう。溶接に先立って、突き合わせた接合端部５ａにガスバーナーなどによって熱を加え、１５０〜２５０℃の温度となるまで予熱する。予熱温度が１５０℃よりも低ければ拡散性水素の放出の効果が低下すると共に、溶接熱に影響を受ける部分に硬化が生じる。２５０℃よりも高くすると、溶接熱に影響を受ける部分の靱性を劣化させる原因となる結晶粒の粗大化を引き起こすおそれがある。予熱する熱源を限定するものではないが、製造コストを抑えるために、簡易に使用できるガスバーナーがよい。ガスバーナーの他に、電気ヒーター、赤外線ヒーター、ハロゲンヒーターなどを使用してもよい。

構造用鋼材５の接合端部５ａの周りには、サブマージアーク溶接機１２が設置されている。サブマージアーク溶接法では、溶融金属がスラグによって保護されるので、アークが外気から遮断されて安定し、それに加え、溶接速度が早く施工能率に優れているばかりでなく、溶接部の機械的性質がよく、低温靭性に優れるため、当該サブマージアーク溶接法は本発明に好適に用いられる。なお、サブマージアーク溶接法（ＳＡＷ）以外の他の溶接方法で構造用鋼材を溶接してもよい。本実施形態で用いる質量％でＣｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．１５〜０．５％を含有するＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼であれば、例えば、被覆アーク溶接法（ＳＭＡＷ）、ティグ溶接法（ＧＴＡＷ）等によって溶接することができる。

本実施形態で用いられるサブマージアーク溶接機１２は、フラックス補給機、ワイヤー送給機、及び溶接機などで構成されている。フラックス補給機にはフラックスホッパやフラックス回収機が設けられ、ワイヤー送給機には、溶接ワイヤー、ワイヤーリール、ワイヤー送給モータなどが設けられている。溶接機には、溶接電源やトーチ１３などが設けられている。溶接電源からの電流は、トーチ１３から溶接ワイヤーに流れ、構造用鋼材５の接合端部５ａに形成された開先内でアークを発生させて、当該アークによって溶接が行われる。その際の、トーチ１３は、シングルトーチ、又はタンデムトーチでもよい。シングルトーチの場合、例えば、電流：４５０〜６５０Ａ、電圧：２０〜４０Ｖ、溶接速度：２５〜５０ｃｍ／分、タンデムトーチの場合、電流：４５０〜６５０Ａ／４５０〜６５０Ａ、電圧：２０〜４０Ｖ／２０〜４０Ｖ、溶接速度：５０〜８０ｃｍ／分で行えばよい。

図２（ａ）に示す長手方向・外側溶接では、内側に複数のガスバーナー１０を設置して、接合端部５ａを予熱し、（ｂ）に示す長手・内側溶接の溶接では、外側に複数のガスバーナー１０を設置して、接合端部５ａを予熱する。図３（ａ）に示す周方向・外側溶接では、内周側に複数のガスバーナー１０を設置して、接合端部５ａを予熱し、（ｂ）に示す周方向・内側溶接では、外周側に複数のガスバーナー１０を設置して、接合端部５ａを予熱する。

予熱工程１後、溶接工程２においてサブマージアーク溶接機１２によって接合端部５ａの多層溶接を行う。多層溶接時のパス数などの溶接条件は適宜変更される。本実施形態では、図４のようにＸ開先の接合端部５ａに、ＢＰ：３６パス、ＦＰ：９パスで溶接を行った。図２（ａ）に示す長手方向・外側溶接、及び（ｂ）に示す長手・内側溶接の溶接では、溶接機１２のトーチ１３を長手方向に沿って所要の溶接速度で移動させ、図３（ａ）に示す周方向・外側溶接では、溶接機１２のトーチ１３を周方向に沿って所要の溶接速度で移動させ、図３（ｂ）に示す周方向・内側溶接では、溶接機１２のトーチ１３を固定した状態で、構造用鋼材５を所要の速度で回せばよい。

溶接工程２に加え、接合端部５ａのパス間温度の保持のために加熱工程３も実施する。加熱工程３では、接合端部５ａを１５０℃〜３５０℃の温度に加熱することでパス間温度を保持する。パス間温度が１５０℃より低ければ、拡散性水素の放出の効果が低下すると共に、溶接熱に影響を受ける部分に硬化が生じる。３５０℃よりも高くすると、溶接熱に影響を受ける部分の靱性を劣化させる原因となる結晶粒の粗大化を引き起こすおそれがある。そして、このような加熱工程３を導入することによって、溶接部７を１５０℃以上の温度で保持したまま直後熱処理を行うこととすれば、次の直後熱処理工程４で、より高い熱処理効果が得られる。加熱工程３を実施する熱源を限定するものではないが、製造コストを抑えるために、簡易に使用できるガスバーナー１０がよい。ガスバーナーの他に、電気ヒーター、赤外線ヒーター、ハロゲンヒーターなどを使用してもよい。

溶接部７を所定の温度に保持した状態で、次の直後熱処理工程４に移る。この直後熱処理を行うことによって溶接部７の拡散性水素量を大幅に減らすことができる。直後熱処理は、温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で行うことが好ましい。直後熱処理のより好ましい温度は２６０〜３１０℃であり、より好ましい処理時間は７〜９時間である。熱処理温度が２５０℃よりも低ければ、拡散性水素を十分に減らすことができず、熱処理温度を３４０℃よりも高くするには、部材に応じた大きさの電気ヒーターや熱処理炉などの熱処理装置が必要となるなど、作業がし難く、製造コストが増大してしまう。また、処理時間が５時間よりも少なければ、拡散性水素を十分に減らすことができず、１０時間を超えればコストの上昇に繋がるからである。直後熱処理工程４を実施する熱源を限定するものではないが、製造コストを抑えるために、簡易に使用できるガスバーナー１０がよい。ガスバーナーの他に、電気ヒーター、赤外線ヒーター、ハロゲンヒーターなどが使用できる。

以上のように、構造用鋼材５の接合端部５ａに、予熱工程１、溶接工程２、加熱工程３、及び直後熱処理工程４を施すことによって、高品質な溶接部７で強固に接合された溶接鋼構造物８を得ることができる。

本発明者らは、溶接部の拡散性水素量の解析技術を開発し、本実施形態の溶接部７の拡散性水素シミュレーションを実施した。拡散性水素シミュレーションは、熱伝導解析と質量拡散解析によって計算される。熱伝導解析では、溶接入熱・熱処理による温度場を計算し、質量拡散解析では、熱伝導解析の計算結果を反映し、次のFickの拡散方程式及び水素の投与式を用いて計算した。
Fickの拡散方程式：∂φ／∂ｔ＝Ｄ・（∂^２φ）／（∂ｘ^２）
φ：水素濃度、ｔ：時間、Ｄ：拡散定数、ｘ:位置
水素の投与式：Ｃａ＝Ｃｉ＋（Ｂ／（Ａ＋Ｂ））Ｃｒ
Ａ：溶着金属(mm2)、Ｂ：溶融範囲(mm2)、Ｃｉ：初期水素濃度（ppm）
Ｃｒ：Ｂの残留水素濃度（ppm）、Ｃａ：Ａ＋Ｂの平均化した水素濃度（ppm）

図５は溶接部の拡散性水素量の解析技術によって解析した水素濃度と鋼材表面からの深さの関係を表すグラフであり、図６は水素濃度の分布をシミュレーションした結果である。図６（ａ）は直後熱処理なしの試料であり、（ｂ）はＡＰＩ規格に従って、ＢＰ側を３５０℃、４時間で直後熱処理、ＦＰ側を３５０℃、４時間で直後熱処理した試料であり、（ｃ）はＢＰ側を２８０℃、７．８時間で直後熱処理、ＦＰ側を２８０℃、７．８時間で直後熱処理した試料である。図５や図６から解るように、ＡＰＩ規格に従ってＢＰ側を３５０℃、４時間で直後熱処理、ＦＰ側を３５０℃、４時間で直後熱処理した試料と、ＢＰ側を２８０℃、７．８時間で直後熱処理、ＦＰ側を２８０℃、７．８時間で直後熱処理した試料とでは、概ね同じ拡散性水素量の状態であることがわかる。

本実施形態において、温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で直後熱処理した溶接鋼構造物８の溶接部７について、上述の解析手法によって拡散性水素量の解析を実施したところ、ＡＰＩ規格に従って直後熱処理した状態のものと同じか、それよりも少ない拡散水素量を示した。

上記実施形態の構造用鋼材の溶接方法及び溶接鋼構造物８によれば、サブマージアーク溶接によって溶接する溶接工程２の前に、接合端部５ａを１５０〜２５０℃の温度で予熱する予熱工程１を導入し、多層溶接で施工する際のパス間温度を１５０℃〜３５０℃に保持する加熱工程３を導入し、１５０℃以上の温度で保持された溶接部７に、直後熱処理を施すに際し、その熱処理を、温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で行うこととしているので、直後熱処理を施す際、例えばガスバーナー１０で加熱、熱処理することができる。そのため、大型の電気ヒーターや熱処理炉などの熱処理装置が必要ではなくなり、それに加え工程を簡素化することができる。これにより、製造コストを抑制することができる。

更に、１５０℃以上の温度で保持された溶接部７に、直後熱処理を施すこととしているので、水素の拡散をより促進させることができ、それと共に溶接熱に影響を受ける部分の硬化が防止され、溶接部７の低温割れの抑制効果を向上させることができる。

上記で開示した本実施形態は、本発明に係る構造用鋼材の溶接方法及び溶接鋼構造物を例示したものであり、構造用鋼材の溶接方法に他の工程を含ませることができ、溶接鋼構造物の形態も限られるものではない。

１予熱工程
２溶接工程
３加熱工程
４直後熱処理工程
５構造用鋼材
７溶接部
８溶接鋼構造物
１０ガスバーナー
１２サブマージアーク溶接機
１３トーチ

Claims

質量％で、Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．１５〜０．５％を含有する構造用鋼材の溶接方法であって、
前記構造用鋼材の溶接しようとする接合端部を１５０℃〜２５０℃の温度で予熱する予熱工程と、
前記接合端部を多層溶接する溶接工程と、
前記多層溶接で施工する際の前記接合端部のパス間温度を１５０℃〜３５０℃に保持する加熱工程と、
１５０℃以上の温度で保持された溶接部を、温度：２５０℃〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で熱処理を行う直後熱処理工程と、
を含むことを特徴とする構造用鋼材の溶接方法。
前記溶接は、突き合わせでのサブマージアーク溶接法によるものであることを特徴とする請求項１に記載の構造用鋼材の溶接方法。
質量％で、Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．１５〜０．５％を含有する構造用鋼材を溶接した溶接鋼構造物であって、
１５０〜２５０℃の温度に予熱した前記構造用鋼材の接合端部を、１５０〜３５０℃のパス間温度で多層溶接し、その溶接部に温度：２５０〜３４０℃、処理時間：５〜１０時間の条件で直後熱処理を施したことを特徴とする溶接鋼構造物。
圧力容器用として肉厚を５０mm〜３５０mmとする円筒状に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の溶接鋼構造物。