JP2014114882A - クリープ損傷を受ける金属製配管の補強工法、及び、補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管の溶接部を、外周面に帯鋼を巻き付けることで補強するにあたり、帯鋼による補強効果を高める。
【解決手段】本発明に係る補強工法は、内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管１，１の溶接部２を、溶接部２の外周面に帯鋼（帯状の薄型鋼板）を巻き付けることで補強する工法である。そして、帯鋼を巻き付ける巻付工程に先立って、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化するセラミックス系接着剤３ａ（耐熱性素材）を、溶接部２の外周面に塗布する塗布工程を行うことを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管の溶接部を、溶接部の外周面に帯状の薄板鋼板を巻き付けることで補強する補強工法、及び、補強構造に関する。

蒸気タービン等の動力として使用される動力用蒸気は高温高圧の流体である。例えば、蒸気温度が３００℃から６５０℃、蒸気圧力が５Ｍｐａから８Ｍｐａ程度に調整される。このような高温高圧とされた動力用蒸気を流しているので、配管にはクリープによる劣化が生じる。

クリープ劣化に伴う配管の破壊を防止すべく、この配管に対する補強が行われる。通常は、配管の対象部分を切断し、切断箇所に健全な配管を接合する方法が採られている。しかしながら、この方法では、配管の溶接作業や熱処理作業が伴うため、作業に手間がかかるという問題がある。そこで、特許文献１に記載された方法では、配管の対象部分にワイヤーを巻き付けることで、配管の補強を行っている。

特開２０１１−１８５４０３号公報

配管に作用する曲げ応力への耐性を高めるため、ワイヤーに代えて帯鋼（帯状の薄型鋼板）を巻き付けることが考えられる。ここで、金属製配管を作製するに際しては溶接が行われているので、この配管には、周方向や長手方向に延びる溶接部が形成される。この溶接部の外表面には凹凸が存在することから、帯鋼と溶接部との当接部には、溶接部の凹凸に起因する隙間が存在してしまう。そして、この隙間により、帯鋼による補強効果が損なわれてしまう虞があった。例えば、配管の膨張によって生じた応力が、隙間の空いた箇所に集中することで、帯鋼による補強効果が損なわれる虞があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶接部についても帯鋼による十分な補強効果を得られるようにすることにある。

前述の目的を達成するため、本発明は、内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管の溶接部を、前記溶接部の外周面に帯状の薄型鋼板を巻き付けることで補強する補強工法であって、前記薄型鋼板を巻き付ける巻付工程に先立って、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化する耐熱性素材を、前記溶接部の外周面に塗布する塗布工程を行うことを特徴とする。

本発明の補強工法によれば、溶接部の凹凸に起因する隙間が耐熱性素材によって埋められ、耐熱性素材の上から薄型鋼板が巻き付けられるので、薄型鋼板を溶接部の外周面に対して隙間なく巻き付けることができ、隙間に起因する応力の集中を抑制できる。その結果、薄型鋼板による補強効果を高めることができる。

前述の補強工法において、前記耐熱性素材は、金属系接着剤であることが好ましい。この工法では、耐熱性素材の耐熱温度が、配管内を流れる流体の温度よりも十分に高いので、高い信頼性を確保できる。

前述の補強工法において、前記巻付工程を、前記塗布工程で塗布された前記耐熱性素材が可塑性を有している状態で行うことが好ましい。この補強工法では、巻き付けられた薄型帯鋼の形状に倣って耐熱性素材を変形させることができるので、薄型帯鋼と耐熱性素材の密着度合いを高めることができる。

前述の補強工法において、前記金属製配管は、フェライト系クロム鋼で作製されたものであり、前記薄型鋼板は、オーステナイト系ステンレス鋼で作製されたものであることが好ましい。この補強工法では、薄型鋼板が、配管を構成するフェライト系クロム鋼よりもクリープ強度の高いオーステナイト系ステンレス鋼で作製されているので、クリープ損傷に対する有効な補強を行うことができる。

また、本発明は、内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管の溶接部を、前記溶接部の外周面に帯状の薄型鋼板を巻き付けることで補強する補強構造であって、前記薄型鋼板の内周面と前記溶接部との間に、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化する耐熱性素材で作製された充填層を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管の溶接部を、外周面に帯状の薄板鋼板を巻き付けることで補強するにあたり、薄板鋼板による補強効果を高めることができる。

（ａ）は、金属製配管の溶接部を説明する縦断面図である。（ｂ）は、（ａ）図におけるＢ−Ｂ断面図である。（ｃ）は、（ａ）図におけるＣ部拡大図である。 溶接部の外周面にセラミックス系接着剤を塗布している工程を模式的に説明する図である。 塗布されたセラミックス系接着剤の表面を均す工程を模式的に説明する図である。 均した後におけるセラミックス系接着剤の形状を示す断面図である。 溶接部の外周面に帯鋼（帯状の薄板鋼板）を巻き付けている状態を模式的に説明する図である。 帯鋼を巻き付けた状態を模式的に説明する図である。 配管の長手方向に形成される溶接部を説明する図であり、（ａ）は接着剤の塗布範囲を示し、（ｂ）は接着剤が塗布された部分を拡大して示している。

以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態の補強工法を説明するに際し、まずは補強工法が施工された後の補強構造を説明する。

図１（ａ）に示す補強構造は、一対の配管１，１を接合すべく各配管１，１の全周に亘って形成された溶接部２に設けられており、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、充填層３と補強層４とを有している。

補強構造が設けられる配管１は、内部空間に動力用蒸気（蒸気温度＝３００℃〜６５０℃、蒸気圧力＝５Ｍｐａ〜８Ｍｐａ）を長期間に亘って流すものであり、この動力用蒸気によってクリープが生じる。高温高圧の蒸気を流すことから、配管１は金属によって作製されている。詳しくは、熱膨張率の低いフェライト系クロム鋼（例えば９Ｃｒ〜１２Ｃｒ）で作製されている。

配管１の直径は、用途によって様々であるが、例えば２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の範囲に定められる。また配管１の肉厚は４０ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲に定められる。なお、配管１の直径や肉厚は、動力用蒸気の温度、圧力、流量、及び、流速といった諸条件を加味して定められる。この配管１は、短尺な配管１，１同士を接合することで長尺化されるが、その際、各配管１の周方向の全域が溶接される。従って、配管１同士の接合箇所には溶接部２が形成される。

図１（ｃ）に示すように、溶接部２は、半径方向において内周側ほど狭幅な楔形の断面形状に形成される。そして、溶接部２の外周面は、配管１の外周面とほぼ面一とされており、凹凸が形成されている。この凹凸は、例えば溶接棒の溶融によって生じる。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、充填層３は、溶接部２の外周面と補強層４の内周面との隙間に、周方向の全域に亘って充填されている。この充填層３は、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化する耐熱性素材によって設けられている。本実施形態では、耐熱性素材としてセラミックス系接着剤３ａが用いられている。ここで、セラミックス系接着剤３ａについて説明する。

セラミックス系接着剤３ａとは、アルミナ、ジルコニア、アルミノシリケートといったセラミックス素材がベース成分として使用された接着剤であり、金属系接着剤の一種である。このセラミックス系接着剤３ａは、耐熱温度が１０００〜２０００℃以上であり、動力用蒸気の蒸気温度であれば十分な耐熱性を有している。また、硬化物の圧縮強度は約８〜３０ＭＰａであり、蒸気圧力と同等かそれ以上の値を示している。そして、このようなセラミックス系接着剤３ａとしては、例えば、太陽金網株式会社が販売する商品名：Resbond907GF,919,901,989、Thermeez7030、Durabond940を挙げることができる。

このセラミックス系接着剤３ａは、前述したように、可塑性を有しており、時間の経過に伴って硬化する性質を有している。例えば、容器から出した状態、或いは、薬剤を練り混ぜた状態においてペースト状をしており、その後硬化する性質を有している。

補強層４は、充填層３を外周側から覆う層であり、図１（ｃ）に示すように、帯鋼（帯状の薄型鋼板）５が螺旋状に幾重にも巻き付けられることで構成されている。補強層４を構成する帯鋼５は、配管１を構成するフェライト系クロム鋼よりもクリープ強度の高い金属が用いられている。本実施形態では、厚さ０．２ｍｍ、幅３０〜５０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。

このように構成された補強構造では、内部を流れる動力用蒸気によって配管１が外周側に膨張しようとしても、この膨張は補強層４によって抑制される。そして、配管１，１同士の溶接部２の外周面には、セラミックス系接着剤３ａによる充填層３が設けられており、隙間が埋められている。このため、膨張によって配管１から生じる押圧力は、充填層３を介して補強層４の全体に伝達される。これにより、配管１における応力の集中が緩和され、補強層４による補強効果を高めることができる。

次に、前述の補強構造を形成するための補強工法について説明する。

この補強工法では、まず塗布工程を行う。図２に示すように、この塗布工程では、セラミックス系接着剤３ａ（耐熱性素材）を準備し、このセラミックス系接着剤３ａが可塑性を有している間に溶接部２の外周面へ塗布する。例えば、ペースト状のセラミックス系接着剤３ａをコテ板の上に準備しコテを用いて塗布する。本実施形態では、溶接部２の表面が隠れる程度の幅及び厚さで、各配管１，１における周方向に対し、くまなくセラミックス系接着剤３ａを塗布する。ここで、セラミックス系接着剤３ａは、適度なぬれ性と接着性を有することから、溶接部２の凹凸内に入り込むとともに溶接部２の表面に保持され、垂れ落ちなどの不具合を抑制できる。

セラミックス系接着剤３ａを塗布したならば、塗布したセラミックス系接着剤３ａの表面を均す。例えば、図３の矢印のようにコテを左右に動かすことで、図４に拡大して示すように、塗布したセラミックス系接着剤３ａの表面が、湾曲した平滑面となるように均す。全周に亘ってセラミックス系接着剤３ａの表面を均したならば、塗布工程を終了する。

塗布工程が終了したならば、巻付工程を行う。この巻付工程では、前述した帯鋼５を配管１の外周面に対し、縁部が互いに重なり合う状態で螺旋状に巻き付ける。例えば、図５及び図６に示すように、セラミックス系接着剤３ａが塗布された範囲よりも、配管１の長手方向に広い範囲に対し、帯鋼５を隙間なく巻き付ける。この巻付工程は、塗布されたセラミックス系接着剤３ａが可塑性を有している状態（完全に硬化される前の状態）で行われる。

これにより、塗布されたセラミックス系接着剤３ａは、巻き付けられた帯鋼５の表面形状に倣って変形することとなり、図１（ｃ）に示すように、補強層４（帯鋼５）の内表面と溶接部２の外表面とが、充填層３（セラミックス系接着剤３ａ）を介して隙間なく密着される。また、本実施形態では、塗布工程でセラミックス系接着剤３ａの表面を平滑面としているので、無用な段差を無くすことができ、この点でも補強層４、充填層３及び溶接部２の密着性を高めることができる。

そして、図６に示す範囲に対して帯鋼５を幾重にも巻き付けることにより、補強層４が形成される。本実施形態では、帯鋼５を２５重に巻き付けることで、厚さが約５ｍｍの補強層４を形成している。帯鋼５の巻き付けが終了したならば、帯鋼５の端部を溶接によって固定し、巻付工程を終了する。

以上説明したように、本実施形態では、帯鋼５を溶接部２の外周面に巻き付ける巻付工程に先立って塗布工程を行い、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化するセラミックス系接着剤３ａを溶接部２の外周面に塗布しているので、帯鋼５を溶接部２の外周面に対して隙間なく巻き付けることができる。すなわち、溶接部２の凹凸に起因する隙間がセラミックス系接着剤３ａによって埋められ、セラミックス系接着剤３ａの上から帯鋼５が巻き付けられるので、隙間に起因する応力の集中を抑制できる。言い換えれば、応力を補強層４（帯鋼５）へ確実に伝達できる。その結果、補強層４（帯鋼５）による補強効果を高めることができる。

そして、セラミックス系接着剤３ａは、その耐熱温度が配管１内を流れる動力用蒸気の温度よりも十分に高いので、高い信頼性を確保できる。また、巻付工程は、塗布されたセラミックス系接着剤３ａが可塑性を有している状態で行われるので、巻き付けられた帯鋼５の形状に倣って充填層３（セラミックス系接着剤３ａ）を変形させることができ、帯鋼５と充填層３の密着度合いを高めることができる。

また、本実施形態において、配管１がフェライト系クロム鋼で作製され、帯鋼５は、フェライト系クロム鋼よりもクリープ強度の高いオーステナイト系ステンレス鋼で作製されていることから、クリープ損傷に対する有効な補強を行うことができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。例えば、次のように構成してもよい。

前述の補強工法では、配管１における周方向の全域に亘って形成された溶接部２に対する補強を行っていたが、補強対象は周方向の溶接部２に限られない。例えば、図７（ａ）に示すように、配管１の作成時に形成される長手方向の溶接部２´に対しても、同様に適用できる。この場合、符号Ｘで示す範囲にセラミックス系接着剤３ａを塗布し、表面を円滑に均した状態で、配管１の外周面に帯鋼５を巻き付ければよい。これにより、図７（ｂ）に示すように、隙間が充填層３´（セラミックス系接着剤３ａ）で埋められるので、帯鋼５と充填層３´の密着度合いを高めることができ、補強層４（帯鋼５）による補強効果を高めることができる。

また、充填層３を構成する耐熱性素材に関し、前述の実施形態では金属系接着剤の一種であるセラミックス系接着剤３ａを例示したが、これに限定されるものではない。金属材料を含有する金属系接着剤であれば、耐熱性素材として好適に使用できる。また、アルミナやシリカを主成分とする耐火パテについても、耐熱性素材として好適に使用できると考えられる。

また、配管１や帯鋼５を構成する金属材料は、前述の組み合わせに限られない。本発明は、他の種類の金属材料を用いても同様に実施できる。

１…配管
２…周方向の溶接部
２´…長手方向の溶接部
３，３´…充填層
３ａ…セラミックス系接着剤
４…補強層
５…帯鋼

前述の目的を達成するため、本発明は、内部の高温高圧流体によってクリープが生じる、フェライト系クロム鋼で作製された金属製配管の溶接部を、前記溶接部の外周面にオーステナイト系ステンレス鋼で作製された帯状の薄型鋼板を巻き付けることで補強する補強工法であって、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化する耐熱性素材を、前記溶接部の外周面に塗布する塗布工程と、前記塗布工程で塗布された前記耐熱性素材が可塑性を有している状態で、前記帯状の薄型鋼板における幅方向側縁同士を重ねて、前記帯状の薄型鋼板を前記金属製配管に対して螺旋状に巻き付ける巻付工程を行うことを特徴とする。

本発明の補強工法によれば、溶接部の凹凸に起因する隙間が耐熱性素材によって埋められ、可塑性を有している耐熱性素材の上から薄型鋼板が螺旋状に巻き付けられるので、薄型鋼板を溶接部の外周面に対して隙間なく巻き付けることができ、隙間に起因する応力の集中を抑制できる。そして、巻き付けられた薄型帯鋼の形状に倣って耐熱性素材を変形させることができるので、薄型帯鋼と耐熱性素材の密着度合いを高めることができる。加えて、薄型鋼板が、配管を構成するフェライト系クロム鋼よりもクリープ強度の高いオーステナイト系ステンレス鋼で作製されているので、クリープ損傷に対する有効な補強を行うことができる。その結果、薄型鋼板による補強効果を高めることができる。

また、本発明は、内部の高温高圧流体によってクリープが生じる、フェライト系クロム鋼で作製された金属製配管の溶接部を、前記溶接部の外周面にオーステナイト系ステンレス鋼で作製された帯状の薄型鋼板を巻き付けることで補強する補強工法であって、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化する耐熱性素材を、前記溶接部の外周面に塗布する塗布工程と、前記塗布工程で塗布された前記耐熱性素材が可塑性を有している状態で、前記帯状の薄型鋼板における幅方向側縁同士を重ねて、前記帯状の薄型鋼板を前記金属製配管に対して螺旋状に巻き付ける巻付工程を行うことで、前記帯状の薄型鋼板の内周面と前記溶接部との間に、前記耐熱性素材で作製され、螺旋状に巻き付けられた前記帯状の薄型鋼板の形状に倣って変形された充填層を設けたことを特徴とする。

補強層４は、充填層３を外周側から覆う層であり、図１（ｃ）に示すように、帯鋼（帯状の薄型鋼板）５が、幅方向側縁同士を重ねた状態で螺旋状に幾重にも巻き付けられることで構成されている。補強層４を構成する帯鋼５は、配管１を構成するフェライト系クロム鋼よりもクリープ強度の高い金属が用いられている。本実施形態では、厚さ０．２ｍｍ、幅３０〜５０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。

Claims (5)

1. 内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管の溶接部を、前記溶接部の外周面に帯状の薄型鋼板を巻き付けることで補強する補強工法であって、
   前記薄型鋼板を巻き付ける巻付工程に先立って、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化する耐熱性素材を、前記溶接部の外周面に塗布する塗布工程を行うことを特徴とする補強工法。
2. 前記耐熱性素材は、金属系接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の補強工法。
3. 前記巻付工程を、前記塗布工程で塗布された前記耐熱性素材が可塑性を有している状態で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の補強工法。
4. 前記金属製配管は、フェライト系クロム鋼で作製されたものであり、
   前記薄型鋼板は、オーステナイト系ステンレス鋼で作製されたものであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の補強工法。
5. 内部の高温高圧流体によってクリープが生じる金属製配管の溶接部を、前記溶接部の外周面に帯状の薄型鋼板を巻き付けることで補強する補強構造であって、
   前記薄型鋼板の内周面と前記溶接部との間に、可塑性を有するとともに時間の経過に伴って硬化する耐熱性素材で作製された充填層を設けたことを特徴とする補強構造。

Images