JP2015112642A - 配管接続方法及び配管接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 大径配管に小径配管を溶接するにあたり、低コストで、ＳＣＣ及びＳＲＣを防止・回避することができるようにした配管接続方法及び配管接続構造を提供する。
【解決手段】 大径配管６に接続される小径配管１に、耐ＳＣＣ性及び耐ＳＲＣ性を備えた短管材２を予め溶接し、前記小径配管１と前記短管材２との溶接体の全体を熱処理し、その後に前記溶接体を大径配管６に溶接することとした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、配管接続方法及び配管接続構造に関する。

化学プラントなどでは、ＳＵＳ３２１などのステンレス製小径配管を低合金鋼の大径配管のボス部（材質は、ＳＵＳ３２１などのステンレス）に、据え付け溶接するといったことが行われている。
このような配管接続構造の実機を高温高圧ガス環境（例えば、温度５２０℃、２５ｋｇ／ｃｍ^２）で使用すると、大径配管に溶接されている小径配管が、その熱影響部（ＨＡＺ）周辺で割れを生じることがある。

割れの原因としては以下の（１）、（２）のようなことが推測されている。
（１）「溶接入熱、及び運転温度による鋭敏化」と、「運転中に生成する腐食性物質（ポリチオン酸）による腐食」と、「溶接残留応力を初めとする負荷応力による劣化」とが重畳して応力腐食割れ（以下、ＳＣＣともいう。）を起こした。
（２）「溶接残留応力を初めとする負荷応力による劣化」及び「高温運転中の粒内微細炭化物析出に起因する延性低下」が重畳して再熱割れ（以下、ＳＲＣともいう。）を起こした。

前記（１）、（２）の対策として、小径配管の材質変更、又は溶接部の熱処理が想定される。
しかし、材質変更では大幅なコストアップを避けることができない。

また、配管の溶接は、製品実機に据え付け時に行っている。このため、大径管の寸法が大きいことから、熱処理炉を用いることはできない。
一方、マフラーなどを用いた局部熱処理では、以下の問題があった。
（１）低合金鋼製大径管が強度低下（熱影響を受けると要求強度を満足できなくなる。）を起こす。
（２）小径管は長尺ものであり、局部熱処理近傍で鋭敏化を起こす領域ができてしまう。すなわち、小径管の熱処理部近傍が４５０℃〜８５０℃域で保温され鋭敏化を起こしてしまう。

以上のように、大径配管に小径配管を溶接するにあたり、低コストで、ＳＣＣ及びＳＲＣを防止・回避することができないという問題があった。
なお、例えば特許文献１（特開昭５４−１８４３８）のような先行技術が知られている。しかし、これは、ＳＣＣのみを防止しようとする技術であり、このような問題を解決するものではなかった。

特開昭５４−１８４３８号公報

前記事情に対して、本発明は、大径配管に小径配管を溶接するにあたり、低コストで、ＳＣＣ及びＳＲＣを防止・回避することができるようにした配管接続方法及び配管接続構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、配管接続方法であって、大径配管に接続される小径配管に、耐ＳＣＣ性及び耐ＳＲＣ性を備えた短管材を予め溶接し、前記小径配管と前記短管材との溶接体の全体を熱処理し、その後に前記溶接体を大径配管に溶接することを特徴とする。

前記熱処理としては、耐ＳＣＣ性を付与するために溶体化処理又は安定化処理を行い、耐ＳＲＣ性を付与するために応力除去熱処理を行うことが好適である。
また、安定化処理を、応力除去熱処理と重複する温度範囲で実施することにより、耐ＳＣＣ性を付与する熱処理と、耐ＳＲＣ性を付与する熱処理を同時に実施することもできる。

本発明は、別の側面で、配管接続構造であって、耐ＳＣＣ性及び耐ＳＲＣ性を備えた短管材を予め溶接し、得られる溶接体の全体を熱処理した後、短管端部を大径配管に溶接することにより形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、大径配管に小径配管を溶接するにあたり、低コストで、ＳＣＣ及びＳＲＣを防止・回避することができるようにした配管接続方法及び配管接続構造が提供される。

図１は、本発明に係る配管接続方法の第１の実施の形態で小径配管と短管材とを溶接する状態を説明する概念図である。 図２は、本発明に係る配管接続法の第１の実施の形態で、溶接体を加熱処理する状態を説明する概念図である。 図３は、本発明に係る配管接続法の第１の実施の形態で、小径配管を大径配管に接続する状態を説明する概念図である。 図４は、本発明に係る配管接続法の第１の実施の形態で、小径配管を大径配管に溶接した状態を説明する斜視図である。

以下、本発明に係る配管接続方法及び配管接続構造の実施の形態についてさらに詳細に説明する。

第１の実施の形態
まず、本発明に係る配管接続方法の第1の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本第1の実施の形態に係る配管接続方法は、大径配管から、アンモニアを供給し、並列した複数の小径配管に分岐してアンモニアを小分けに供給する、といったヘッダ構造を想定している。もっとも、本発明に係る配管接続方法は、このような形態に係るものにその対象が限定されるものではない。

図１に示すように、本第1の実施の形態に係る配管接続方法では、小径配管１に対し、大径配管のボス部（図示せず）との間に、短管材（バタリング材）２を介在させる。
小径配管１、大径配管を構成する材料としては、一般的には、ステンレス鋼であり、代表的には、ＳＵＳ３２１を挙げることができる。

短管材２を構成する材料としては、耐ＳＣＣ性及び耐ＳＲＣ性を備えたものが好適である。すなわち、溶接と使用環境によるＳＣＣ感受性及びＳＲＣ感受性の低い材料を選定する。このような短管材２を構成する材料としては、Ｃｒ含有量が２５重量％以上（工業的に最大５２重量％程度までを上限とする。）含まれるものが好適である。また、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、粒内硬化を起こす成分（Ｎｂ、Ｔｉであり、高いＮｉ含有材はＡｌ、Ｔｉなど）を含有しない材料も好適である。具体的には、ＦＭ８２、ＥＮｉＣｒ−４（ＡＷＳ規格）といった材料を挙げることができる。

短管材２の軸方向長さは、実機据え付け溶接時に発生するＨＡＺ（熱影響部）の幅よりも長くなるように設計する。ＨＡＺの長さは、一般的な溶接方法であれば、５ｍｍ以下である。短管材２の軸方向長さは、ＨＡＺを満足するものとし、ＨＡＺの２倍程度までが好適である。したがって、ＨＡＺの長さを満足しつつ１０ｍｍ以下が一般的である。

次いで、小径配管１に短管材２を溶接して構成される溶接体３の全体を熱処理炉４内で熱処理する。

前述したように、配管接続構造の損傷の要因は（ｉ）応力腐食割れ（ＳＣＣ）と（ｉｉ）ＳＲＣ（再熱割れ）が考えられている。
これらに対して第１の実施の形態では、溶接体３に熱処理を実施し、損傷要因（ｉ）、（ｉｉ）を解消することとしている。

ＳＣＣ対策（耐ＳＣＣ性を付与するための処理）
本第１の実施の形態では、ＳＣＣ対策として、溶接体３に対して、溶体化（固溶化）処理、又は安定化処理を実施する。

溶体化処理を実施する場合には、１０００℃以上１２００℃未満の温度に溶接体３を加熱し、その後、常温（４００℃以下）まで急冷させて過飽和固溶状態にすることによって行う。

このように、溶体化（固溶化）処理では、１０００℃以上で加熱し、鋭敏化した組織をリセットする。
ただし、高温（１２００℃以上）では、結晶粒粗大化や表面にスケールが発生し機械的性質と耐食性が低下する。一方、低温（９８０〜１０００℃未満）でも、炭化物やσ相の消失が十分でなく機械的性質と耐食性が低下する。これらのことから、１０００℃以上１２００℃未満の温度に加熱することとしている。

安定化処理を実施してＳＣＣ対策を行う場合には、溶接体３を８５０℃以上９３０℃以下で保持し材料中のＣｒを十分に拡散させることで鋭敏化組織の耐食性低下の原因であるＣｒ欠乏層を消滅し耐食性を回復させる。それと同時にこの温度範囲ではＣｒ欠乏層を生じる原因であるＣｒとＣの結合よりもＴｉやＮｂなどの供炭化物生成元素とＣの結合を積極的に起こさせることができる。これらが結合してできた安定炭化物の固溶温度（１０００℃未満）であれば、その後のＣｒ欠乏層発生を抑制することができる。

この安定化処理における保持時間は溶接部厚さ２５ｍｍ以下で少なくとも２時間、２５ｍｍを越える場合、越えた２５ｍｍごとに＋１時間／２５ｍｍの割合で保持時間を加算する。すなわち、２６〜５０ｍｍでは少なくとも３時間、５１ｍｍ〜７５ｍｍでは少なくとも４時間、７６ｍｍ〜１００ｍｍでは少なくとも５時間といったように加算する。

ＳＲＣに対する対策（耐ＳＲＣ性を付与するための処理）
ＳＲＣ（残留応力）に対しては，応力除去熱処理を実施する。
応力除去熱処理は、残留応力除去及び前記の安定炭化物（析出物）を粗大化させることにより粒内硬化を防ぐ。ＳＲＣの発生しやすい温度域は、５００℃〜８５０℃程度と想定されている。

残留応力除去の観点からは、溶接体３を８５０℃以上９３０℃以下に保持する必要があり、析出物粗大化の観点からは、溶接体３を９００℃以上９３０℃以下に保持する必要がある。そこで、ＳＲＣ対策として、この応力除去熱処理を実施する際には、溶接体３を９００℃以上９３０℃以下に保持することが好適である。

ＳＲＣ対策のため、応力除去熱処理を行う際の保持時間としては、溶接部厚さ２５ｍｍ以下で少なくとも１．５時間、２５ｍｍを越える場合、越えた２５ｍｍごとに＋１時間／２５ｍｍの割合で保持時間を加算する。すなわち、２６〜５０ｍｍでは少なくとも３．５時間、５１ｍｍ〜７５ｍｍでは少なくとも４．５時間、７６ｍｍ〜１００ｍｍでは少なくとも５．５時間といったように加算する。

最後に、小径配管１の据え付け現地にて、溶接体３の短管材２によって構成されるバタリング部の管端５と、大径配管６のボス部７とを溶接し、実機据え付けが完了する。
このようにして、溶接を完了した状態で、本発明に係る配管接続構造の一実施の形態が完成する。
この形態を斜視図として示したのが図４である。図４には、小径配管１と短管材２との溶接部８及び大径配管６のボス部７と短管材２との溶接部９も示されている。

以上のようにして、本第１の実施の形態によれば、小径配管の強度低下を招くことはない。また、局部熱処理では不可能だった小径配管全体の鋭敏化組織の改善を行うことができる。すなわち、ＳＣＣ感受性及びＳＲＣ感受性の低い短管材（バタリング材）を用いることにより、ＳＣＣ及びＳＲＣの発生を防止できる配管接続構造（実機製品）を供給することができる。

本第1の実施の形態に係る配管接続方法は、小径配管１の全体に亘る変更ではなく、大径配管７のボス部６の溶接部８近傍のみの材質変更であり、低コストでＳＣＣ、ＳＲＣに対する対策が可能となる。

また、小径配管１を大径配管７との実機に据え付けにあたり、現地での熱処理を伴わずしてＳＣＣ・ＳＲＣを防止することができる。

第２の実施の形態
次に、本発明に係る配管接続方法について、第２の実施の形態を説明する。
前記第１の実施の形態では、熱処理において、前記損傷要因（ｉ）のＳＣＣ対策として、小径配管のＨＡＺの鋭敏化組織をリセットしている。さらに、損傷要因（ｉｉ）のＳＲＣ対策として応力除去と析出物粗大化による軟化を行う必要がある。ＳＣＣと、ＳＲＣとを解消するための熱処理温度は前述の通りである。

本第２の実施の形態では、前記損傷要因（ｉ）及び（ｉｉ）を解消するために、溶接体３に熱処理を実施するに際し、ＳＣＣ対策として第1の実施の形態の安定化処理を行う。ただし、安定化処理を８５０℃以上ではなく、９００℃以上９３０℃以下で行う。この温度範囲で、保持時間を以下のようにして実施する。

溶接部厚さ２５ｍｍ以下で少なくとも２時間、２５ｍｍを越える場合、越えた２５ｍｍごとに＋１時間／２５ｍｍの割合で保持時間を加算する。すなわち、２６〜５０ｍｍでは少なくとも３時間、５１ｍｍ〜７５ｍｍでは少なくとも４時間、７６ｍｍ〜１００ｍｍでは少なくとも５時間といったように加算する。

この保持時間で実施すれば、第１の実施の形態で、ＳＲＣ対策として実施する応力除去熱処理をも同時に実施したことになる。しかも、溶体化処理よりも低温で実施することができる。
すなわち、本第２の実施の形態であれば、熱処理温度の低温化及び熱処理時間短縮による低コスト化を期待することができる。

Claims (6)

1. 大径配管に接続される小径配管に、耐ＳＣＣ性及び耐ＳＲＣ性を備えた短管材を予め溶接し、前記小径配管と前記短管材との溶接体の全体を熱処理し、その後に前記溶接体を大径配管に溶接することを特徴とする配管接続方法。
2. 前記熱処理として、耐ＳＣＣ性を付与するために溶体化処理又は安定化処理を行い、耐ＳＲＣ性を付与するために応力除去熱処理を行うことを特徴とする請求項１の配管接続方法。
3. 前記耐ＳＣＣ性を付与するための安定化処理を、前記耐ＳＲＣ性を付与するための応力除去熱処理と重複する温度範囲で実施することを特徴とする請求項１の配管接続方法。
4. 耐ＳＣＣ性及び耐ＳＲＣ性を備えた短管材を予め溶接し、得られる溶接体の全体を熱処理した後、短管端部を大径配管に溶接することにより形成されたことを特徴とする配管接続構造。
5. 前記熱処理として、耐ＳＣＣ性を付与するために溶体化処理又は安定化処理が行なわれ、耐ＳＲＣ性を付与するために応力除去熱処理が行なわれたことを特徴とする請求項１の配管接続構造。
6. 前記耐ＳＣＣ性を付与するための安定化処理が、前記耐ＳＲＣ性を付与するための応力除去熱処理と重複する温度範囲で実施されたことを特徴とする請求項１の配管接続方法。

Images