JP2015116603A - 溶接部分の補修溶接方法及び補修溶接構造 - Google Patents

Abstract

【課題】補修溶接による強度低下を抑制できる溶接部分の補修溶接方法を提供する。【解決手段】中空筒状の大口径の管材２と、中空筒状の大口径の管材３とを第１の溶接材料４を周方向に施して突き合わせ溶接した溶接部分の補修溶接方法であって、溶接部分に生じた欠陥を第１の管材２または第２の管材３の少なくとも一方を含めて切除するステップと、切除した領域に切除した管材の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する第２の溶接材料５で肉盛り溶接するステップとを備えた。【選択図】図３

Description

本発明は、溶接部分の補修溶接方法及び補修溶接構造に関するもので、例えば、火力発電所に設置された陸用ボイラの大口径配管の溶接部分等、熱の影響を受ける配管の補修に好適な溶接部分の溶接方法及び補修溶接構造に関する。

火力発電所に設置された陸用ボイラの大口径配管の溶接部分は、定期的に組織検査、超音波検査等の非破壊検査が行われ、その結果に基づいて、欠陥部分は補修溶接が行われている。補修溶接は、欠陥部分を両側または片側から切除し、その切除した部分に肉盛り溶接を施すのが一般的である。
また、第１の母材と第２の母材とを突き合わせ溶接した溶接部分の補修溶接方法として、第１の母材との境界部及び第２の母材との境界部の両者を含むとともに、第１の母材及び第２の母材の表面から厚み方向に深さを有する領域を当該領域の底面が前記表面に沿うように切除した後、当該領域を肉盛り溶接する溶接部分の補修溶接方法が公知である（例えば、特許文献１参照）。
また、第１の母材と第２の母材とを母材の成分と近い溶接材料で溶接された溶接部分の補修方法として、溶融、固化した後のクリープ延性が母材よりも大きい材料（例えば、母材よりも炭素の含有量が少ない材料）で肉盛り溶接する溶接部分の補修溶接方法が公知である（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−１９４４５８号公報 特開２００３−３２６３８５号公報

しかしながら、溶接部分の補修溶接によっても母材や溶接金属に新たに熱が加わり、母材や溶接金属に熱影響部（ＨＡＺ（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ））が形成されるので、意図しない強度低下を招くことがある。
本発明は、上記実情を鑑みて、補修溶接による強度低下を抑制できる溶接部分の補修溶接方法及び補修溶接構造を提供することを目的とする。

本発明は、中空筒状の第１の管材と中空筒状の第２の管材とを第１の溶接材料を周方向に施して突き合わせ溶接した溶接部分の補修溶接方法であって、前記溶接部分に生じた欠陥を前記第１の管材または前記第２の管材の少なくとも一方を含めて切除するステップと、切除した領域に前記切除した管材の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する第２の溶接材料で肉盛り溶接するステップとを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、第１の管材と第２の管材とに内圧と熱が作用した場合に第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分がほかの部分よりも膨張する。これにより、一部（第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分）が欠落した円環状をなす部分には圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、第１の管材と第２の管材とにおいて内圧と熱により周方向に生じる引っ張り応力（フープ応力）を緩和する。これにより、溶接による熱影響部に作用する作用応力が低減される。したがって、本発明の溶接部分の補修溶接方法によれば、補修溶接による強度低下を抑制できる。

本発明の一態様では、前記第１の管材及び前記第２の管材と前記第１の溶接材料は、同一材料からなることが好ましい。
このようにすれば、第１の管材と第２の管材とに内圧と熱が作用した場合に第２の溶接材料で溶接した部分が第１の溶接材料で溶接した部分よりも膨張する。これにより、一部が欠落した円環状をなす部分（第１の溶接材料で溶接された部分）には圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、第１の管材と第２の管材とにおいて内圧と熱により周方向に生じる引っ張り応力（フープ応力）を緩和する。これにより、溶接による熱影響部に作用する作用応力が低減される。したがって、この溶接部分の補修溶接方法によれば、補修溶接による強度低下を抑制できる。

本発明の一態様では、前記第２の溶接材料は、前記第１の管材及び前記第２の管材よりもクリープ強度が大きいことが好ましい。
このようにすれば、第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分のクリープ強度を向上させることができる。

本発明は、中空筒状の第１の管材と中空筒状の第２の管材とを第１の溶接材料を周方向に施して突き合わせ溶接した溶接部分の補修溶接構造であって、前記溶接部分に生じた欠陥を切除した領域に前記第１の管材または前記第２の管材よりも線膨張係数が大きな第２の溶接材料で肉盛り溶接した補修溶接部を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、第１の管材と第２の管材とに内圧と熱が作用した場合に第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分がほかの部分よりも膨張する。これにより、一部（第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分）が欠落した円環状をなす部分には圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、第１の管材と第２の管材とにおいて内圧と熱による周方向に生じる引っ張り応力（フープ応力）を緩和する。これにより、溶接による熱影響部に作用する作用応力が低減される。したがって、本発明の溶接部分の補修溶接構造によれば、補修溶接による強度低下を抑制できる。

本発明の一態様では、前記第１の管材及び前記第２の管材と前記第１の溶接材料は、同一材料からなることが好ましい。
このようにすれば、第１の管材と第２の管材とに内圧と熱が作用した場合に第２の溶接材料で溶接した部分が第１の溶接材料で溶接した部分よりも膨張する。これにより、一部が欠落した円環状をなす部分（第１の溶接材料で溶接された部分）には圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、第１の管材と第２の管材とにおいて内圧と熱により周方向に生じる引っ張り応力（フープ応力）を緩和する。これにより、溶接による熱影響部に作用する作用応力が低減される。したがって、この溶接部分の補修溶接方法によれば、補修溶接による強度低下を抑制できる。

本発明の一態様では、前記第２の溶接材料は、前記第１の管材及び前記第２の管材よりもクリープ強度が大きいことが好ましい。
このようにすれば、第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分のクリープ強度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、第１の管材と第２の管材とに内圧と熱が作用した場合に第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分がほかの部分よりも膨張する。これにより、一部（第２の溶接材料で肉盛り溶接された部分）が欠落した円環状をなす部分には圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、第１の管材と第２の管材とにおいて内圧と熱とにより周方向に生じる引っ張り応力（フープ応力）を緩和する。これにより、溶接による熱影響部に作用する作用応力が緩和される。したがって、本発明によれば、補修溶接による強度低下を抑制できる。

本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法を適用した大口径配管を示す図である。 本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法により補修された溶接部分の外表面を示す図である。 本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法を説明するための断面図である。 補修溶接長さと重複ＨＡＺの作用応力との関係を示す図である。 補修溶接長さと重複ＨＡＺのクリープ寿命比との関係を示す図である。 補修溶接を検討するに際して用いた条件（計算条件）を示す図である。 補修溶接の検討結果を示す図である。 補修溶接長さとひずみ応力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接方法を適用した大口径配管を示す図である。 本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接方法により補修された溶接部分の外表面を示す図である。 本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接方法を説明するための断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る溶接部分の補修溶接方法及び補修溶接構造の実施の形態を詳細に説明する。ここでは、火力発電所に設置された陸用ボイラの大口径配管の溶接部分を例に説明するが、これに限定されるものではなく、熱の影響を受ける配管の溶接部分全般に適用可能であり、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法を適用した大口径配管を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法により補修された溶接部分の外表面を示す図である。図３は、本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法を説明するための断面図である。

本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法は、陸用ボイラの大口径配管の溶接部分に適用される。図１に示すように、陸用ボイラの大口径配管は、外径及び内径、材質が等しい中空筒状の大口径の管材２，３に突き合わせ溶接されることにより構成される。突き合わせ溶接に際しては、大口径の管材２，３の周方向において溶接材料（第１の溶接材料４）が溶融される。陸用ボイラの大口径配管には、クロム（Ｃｒ）を含有したフェライト系耐熱鋼による大口径の管材２，３が用いられる。クロムを含有したフェライト系耐熱鋼は、９〜１２ｗｔ％のクロムを含むフェライト系耐熱鋼であって、高クロム耐熱鋼とも称されるものである。大口径の管材２，３の周方向において溶融される溶接材料（第１の溶接材料４）には、大口径の管材２，３と同一材料の溶接材料が用いられる。

図３（ａ）に示すように、突き合わせ溶接される一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３との間にはＶ形の開先が設けられ、開先に沿って溶接材料（第１の溶接材料４）が溶融され、固まった溶接材料（以下「溶接金属４」という）を介して、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３とが接合（溶接）される。そして、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３において溶融された第１の溶接材料４の熱の影響を受けた領域には熱影響部（ＨＡＺ）２４，３４が形成される。熱影響部２４，３４は、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３とにおいて溶接金属４と接する境界面に沿って形成される。具体的には、図２及び図３（ａ）に示すように、開先に沿って略一定の深さで形成される。

陸用ボイラの大口径配管は、内圧や熱応力等による疲労等により、溶接部分に亀裂等の欠陥を生じる。この場合には、本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法を実行することになる。

ここでは、図３（ａ）に示すように、大口径の管材３と溶接金属４とにわたり生じた欠陥Ｃの補修方法を例に説明する。
本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接方法では、まず、機械的又は電気的な方法で、亀裂等の欠陥Ｃが生じた部分を切除するステップを実行する（図３（ｂ）参照）。具体的には、図３（ｂ）に示すように、溶接部分に生じた欠陥を大口径の管材３を含めて切除する。

つぎに、欠陥が切除された領域を大口径の管材２，３よりも線膨張係数が大きくクリープ強度も大きな溶接材料（第２の溶接材料５）で補修（肉盛り溶接）するステップを実行する（図３（ｃ）参照）。大口径の管材２，３よりも線膨張係数が大きくクリープ強度も大きな材料には、インコネル（登録商標）系の溶接材料（ニッケル基合金）が用いられる。

このように、欠陥が切除された領域を第２の溶接材料５で補修すると、図２及び図３（ｃ）に示すように、欠陥Ｃを切除した部分に沿って溶接材料（第２の溶接材料５）が溶融され、固まった溶接材料（以下「補修溶接金属５」という）を介して、大口径の管材３と溶接金属４とが接合（溶接）される。そして、大口径の管材３と溶接金属４とにおいて溶融された第２の溶接材料５の熱の影響を受けた領域には熱影響部（ＨＡＺ）３５，４５が形成される。熱影響部３５，４５は、大口径の管材３と溶接金属４とにおいて補修溶接金属５と接する境界面に沿って形成される。具体的には、欠陥が切除された領域に沿って略一定の深さで形成される。そして、第１の溶接材料４の熱の影響を受け、さらに、第２の溶接材料５の熱の影響を受けた領域には重複熱影響部（重複ＨＡＺ）３４５が形成される。

これにより、本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接構造は、図２及び図３（ｃ）に示すように、突き合わせ溶接される一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３との間にはＶ形の開先が設けられ、開先に沿って第１の溶接材料４が溶融され、固まった溶接金属４を介して、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３とが接合（溶接）される。さらに、欠陥を切除した部分に沿って第２の溶接材料５が溶融され、固まった補修溶接金属（補修溶接部）５を介して、大口径の管材３と溶接金属４とが接合（溶接）される。そして、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３とにおいて溶融された第１の溶接材料４の熱の影響を受けた領域には熱影響部（ＨＡＺ）２４，３４が形成され、大口径の管材３と溶接金属４とにおいて溶融された第２の溶接材料５の熱の影響を受けた領域には熱影響部（ＨＡＺ）３５，４５が形成される。また、第１の溶接材料４の熱の影響と第２の溶接材料５の熱の影響を受けた領域には重複熱影響部（重複ＨＡＺ）３４５が形成される。

上述した本発明の実施の形態１である溶接部分の補修溶接構造によれば、陸上ボイラの大口径配管に陸上ボイラの内圧と熱が作用した場合に補修溶接された補修溶接部（補修溶接金属５）がほかの部分（大口径の管材２，３及び溶接金属４）よりも膨張する。これにより、一部（補修溶接金属５）が欠落した円環状をなす溶接部分（大口径の管材２，３及び溶接金属４）には圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、大口径配管において内圧と熱により周方向に生じる引っ張り応力（フープ応力）を緩和する。これにより、補修溶接による熱影響部に作用する作用応力が低減される。この作用応力の低減により、補修溶接による強度低下を抑制できる。この結果、補修溶接による熱影響部のクリープ寿命の長寿命化も可能になる。

また、第２の溶接材料５には、大口径の管材２，３よりもクリープ強度も大きなインコネル（登録商標）系の溶接材料が用いられるので、補修溶接金属５によってもクリープ寿命の長寿命化が可能になる。

図４は、補修溶接長さと重複ＨＡＺの作用応力との関係を示す図であり、図５は、補修溶接長さと重複ＨＡＺのクリープ寿命比との関係を示す図である。
図４に示すように、溶接金属の材料と補修溶接金属の材料とが同じ同材補修の場合には、補修溶接長さを長くしても重複ＨＡＺの作用応力は一定となるので、補修溶接によって重複ＨＡＺの作用応力を減ずることはできない。一方、溶接金属の材料よりも線膨張係数が大きい異材補修の場合には、補修溶接長さを長くすると重複ＨＡＺの作用応力は減少（反比例）する。

また、図５に示すように、同材補修の場合には、補修溶接長さを長くしても重複ＨＡＺのクリープ寿命比は一定となるので、補修溶接によって重複ＨＡＺのクリープ寿命を長寿命化することはできない。一方、溶接金属の材料よりも線膨張係数が大きい異材補修の場合には、補修溶接長さを長くすると重複ＨＡＺのクリープ寿命比は大きくなり、クリープ寿命は長くなる。これにより、溶接金属の材料よりも線膨張係数が大きい異材補修により熱影響部のクリープ寿命の長寿命化が可能になる。

図６は、補修溶接を検討するに際して用いた条件を示す図である。図７は、補修溶接の検討結果を示す図であり、図８は、補修溶接長さとひずみ応力との関係を示す図である。
図６に示すように、大口径配管の径６００ｍｍ、大口径配管の管周長１８８５ｍｍ、溶接金属に９〜１２ｗｔ％のクロムを用いるフェライト系耐熱鋼、補修溶接金属にインコネル（登録商標）用いた検討結果である。補修溶接長さＲを５０ｍｍから１０ｍｍ刻みで検討する。

図６に示した条件によると、熱伸び差Ｌは、下記の数式１で求めることができる。

また、歪応力Ｓは、下記の数式２で求めることができる。

これらを整理すると、図７及び図８に示す結果が得られる。図７及び図８によると、歪応力Ｓは、補修溶接長さに比例することがわかる。

［実施の形態２］
図９は、本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接方法を適用した大口径配管を示す図である。図１０は、本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接方法により補修された溶接部分の外表面を示す図である。図１１は、本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接方法を説明するための断面図である。

ここでは、図１１（ａ）に示すように、大口径の管材３と溶接金属４とにわたり生じた欠陥Ｃの補修方法を例に説明する。
本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接方法では、一方の大口径の管材２との境界部及び他方の大口径の管材３との境界部の両者を含むとともに、一方の大口径の管材２及び他方の大口径の管材３の表面から厚み方向に深さを有する領域を当該領域の底面が前記表面に沿うように切除するステップを実行する（図１１（ｂ）参照）。

つぎに、切除された領域を切除した領域よりも線膨張係数が大きくクリープ強度も大きな溶接材料（第２の溶接材料６）で補修（肉盛り溶接）するステップを実行する（図１１（ｃ）参照）。切除した領域よりも線膨張係数が大きくクリープ強度も大きな溶接材料（第２の溶接材料６）には、インコネル（登録商標）系の溶接材料（ニッケル基合金）が用いられる。

このように、欠陥が切除された領域を第２の溶接材料６で補修すると、図１０及び図１１（ｃ）に示すように、欠陥Ｃを切除した部分に沿って溶接材料（第２の溶接材料６）が溶融され、固まった溶接材料（以下「補修溶接金属６」という）を介して、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３とが接合（溶接）される。そして、一方の大口径の管材２と溶接金属４、他方の大口径の管材３と溶接金属４とにおいて溶融された第２の溶接材料６の熱の影響を受けた領域には熱影響部（ＨＡＺ）２６，３６が形成される。熱影響部２６，３６は、一方の大口径の管材２、溶接金属４、他方の大口径の管材３において補修溶接金属６と接する境界面に沿って形成される。具体的には、欠陥が切除された領域に沿って略一定の深さで形成される。そして、第１の溶接材料４の熱の影響を受け、さらに、第２の溶接材料６の熱の影響を受けた領域には重複熱影響部（重複ＨＡＺ）２４６，３４６が形成される。

これにより、本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接構造は、図１１（ｃ）に示すように、突き合わせ溶接される一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３との間にはＶ形の開先が設けられ、開先に沿って第１の溶接材料４が溶融され、固まった溶接金属４を介して、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３とが接合（溶接）される。さらに、欠陥を切除した部分に沿って第２の溶接材料６が溶融され、固まった補修溶接金属６（補修溶接部）を介して、大口径の管材２，３と溶接金属４とが接合（溶接）される。そして、一方の大口径の管材２と他方の大口径の管材３とにおいて溶融された第１の溶接材料４の熱の影響を受けた領域には熱影響部（ＨＡＺ）２４，３４が形成され、大口径の管材２，３と溶接金属４とにおいて溶融された第２の溶接材料６の熱の影響を受けた領域には熱影響部（ＨＡＺ）２６，３６が形成される。また、第１の溶接材料４の熱の影響と第２の溶接材料６の熱の影響を受けた領域には重複熱影響部（重複ＨＡＺ）２４６，３４６が形成される。

上述した本発明の実施の形態２である溶接部分の補修溶接構造によれば、陸上ボイラの大口径配管に陸上ボイラの内圧と熱が作用した場合に補修溶接された補修溶接部（補修溶接金属部分）がほかの部分（大口径の管材２，３及び溶接金属４）よりも膨張する。これにより、一部（補修溶接金属部分）が欠落した円環状をなす部分（大口径の管材２，３及び溶接金属４）には圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、大口径配管において内圧と熱により周方向に生じる引っ張り応力（フープ応力）を緩和する。これにより、補修溶接による熱影響部に作用する作用応力が低減される。また、この作用応力の低減により、補修溶接による強度低下を抑制できる。この結果、補修溶接による熱影響部のクリープ寿命の長寿命化も可能になる。

また、第２の溶接材料６には、大口径の管材２，３よりもクリープ強度も大きなインコネル（登録商標）系の溶接材料が用いられるので、補修溶接金属６によってもクリープ寿命の長寿命化が可能になる。

以上説明したように、本発明は、補修溶接による強度低下を抑制できるので、火力発電所に設置された陸用ボイラの大口径配管の溶接部分等、熱の影響を受ける配管の溶接部分の補修に好適である。

２ 第１の管材
２４ 熱影響部（ＨＡＺ）
２６ 熱影響部（ＨＡＺ）
３ 第２の管材
３４ 熱影響部（ＨＡＺ）
３４５ 重複熱影響部（重複ＨＡＺ）
３４６ 重複熱影響部（重複ＨＡＺ）
３５ 熱影響部（ＨＡＺ）
３６ 熱影響部（ＨＡＺ）
４ 第１の溶接材料（溶接金属）
４５ 熱影響部
５ 第２の溶接材料（補修溶接金属）（補修溶接部）
６ 第２の溶接材料（補修溶接金属）（補修溶接部）

Claims (6)

1. 中空筒状の第１の管材と中空筒状の第２の管材とを第１の溶接材料を周方向に施して突き合わせ溶接した溶接部分の補修溶接方法であって、
   前記溶接部分に生じた欠陥を前記第１の管材または前記第２の管材の少なくとも一方を含めて切除するステップと、切除した領域に前記切除した管材の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する第２の溶接材料で肉盛り溶接するステップとを備えたことを特徴とする溶接部分の補修溶接方法。
2. 前記第１の管材及び前記第２の管材と前記第１の溶接材料は、同一材料からなることを特徴とする請求項１に記載の溶接部分の補修溶接方法。
3. 前記第２の溶接材料は、前記第１の管材及び前記第２の管材よりもクリープ強度が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部分の補修溶接方法。
4. 中空筒状の第１の管材と中空筒状の第２の管材とを第１の溶接材料を周方向に施して突き合わせ溶接した溶接部分の補修溶接構造であって、
   前記溶接部分に生じた欠陥を切除した領域に前記第１の管材または前記第２の管材よりも線膨張係数が大きな第２の溶接材料で肉盛り溶接した補修溶接部を備えたことを特徴とする溶接部分の補修溶接構造。
5. 前記第１の管材及び前記第２の管材と前記第１の溶接材料は、同一材料からなることを特徴とする請求項４に記載の溶接部分の補修溶接構造。
6. 前記第２の溶接材料は、前記第１の管材及び前記第２の管材よりもクリープ強度が大きいことを特徴とする請求項４または５に記載の溶接部分の補修溶接構造。

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