JP2016087607A - Ｌｎｇ船用異材継手 - Google Patents
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Abstract
【課題】アルミニウム合金板とステンレス板が配置されたLNG船用異材継手において、その中間材として、チタン板、ニッケル板が挿入された４層構造とし、かつ、各層を特定厚みとすることで、LNG船のアルミニウム合金製の球形タンクと船体側のステンレス部材とを高い接合性能をもって接合することができる継手の提供。【解決手段】アルミニウム合金板１、チタン板２、ニッケル板３、及びステンレス板４の４層を接合したアルミニウム合金／チタン／ニッケル／ステンレスで構成されるLNG船用異材継手であって、接合後のトータル厚みが３４．０〜３６．９ｍｍであり、かつ、該各層間の各接合界面の全てが、波高１ｍｍ以下の波状の接合界面であることを特徴とする前記LNG船用異材継手。【選択図】図１
Description
本発明は、異種金属が多層接合されたLNG船用異材継手に関する。
LNG（液化天然ガス）運搬船の製造においては、極低温となるアルミニウム合金製の球形タンクと船体側のステンレス部材とを接合する継手が必要であるが、この継手材の接合界面の接合状態が悪い場合、経時変化や不慮の応力集中、熱サイクル等によってクラックが発生、進展し、それに因り部材が損傷すると、経済的損失だけではなく、人的被害を起こす可能性がある。そこで、球形タンクと船体側ステンレス部材とを高い接合性能をもって接合するLNG船用異材継手が必要とされている。
近年、特に、LNGやシェールガスの開発が世界各地で増加しており、それらのガスを輸送する運搬船においては、ガスを極低温に冷却して液化し、体積を小さくして運搬するため、液化されたガスを貯蔵する極低温用容器と船体を接合する継手が必要とされている。
異種金属材料の溶接用継手材を製作する方法としては、爆発圧着、HIP、ロウ付けなどがある。継手材の両端は同種溶接となる材料となっているが、その間に両端の金属材料を接合し易くするため、あるいは性能を向上させるために別の材料を挿入している構成のものもある。
前記したように、LNG運搬船では、アルミニウム合金製の球形タンクと船体側のステンレス部材を接合する必要があるが、溶接による接合は困難であるほか、接合力も低い傾向がある。継手材の接合界面の接合状態が悪い場合は、剥離が生じ接合界面の機械特性を低下させ、1,000トン近い球形タンクが脱落するなど、大きな事故に繋がる可能性がある。
前記したように、LNG運搬船では、アルミニウム合金製の球形タンクと船体側のステンレス部材を接合する必要があるが、溶接による接合は困難であるほか、接合力も低い傾向がある。継手材の接合界面の接合状態が悪い場合は、剥離が生じ接合界面の機械特性を低下させ、1,000トン近い球形タンクが脱落するなど、大きな事故に繋がる可能性がある。
そこで、特許文献１、２に開示されるように、アルミニウム合金とステンレスを接合する場合や、過酷な環境下で使用され、かつ、非常に高い接合特性を必要とする場合、同種の金属同士が溶接できるように、予め異材同士を冶金的に接合させた溶接用継手材を用いる方法が多くなってきた。しかしながら、アルミニウム合金板とステンレス板が配置されたLNG船用異材継手においてさらなる改善の必要性が未だ在る。
本発明が解決しようとする課題は、アルミニウム合金板とステンレス板が配置されたLNG船用異材継手において、その中間材として、チタン板、ニッケル板が挿入された４層構造とし、かつ、各層を特定厚みとすることで、LNG船のアルミニウム合金製の球形タンクと船体側のステンレス部材を高い接合特性をもって接合することができる継手を提供することである。
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討し、実験を重ねた結果、以下の構成により前記課題を予想外に解決できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。すなわち、本発明は以下の通りのものである。
［１］アルミニウム合金板、チタン板、ニッケル板、及びステンレス板の４層を接合したアルミニウム合金／チタン／ニッケル／ステンレスで構成されるLNG船用異材継手であって、接合後のトータル厚みが３４．０〜３６．９ｍｍであり、かつ、該各層間の各接合界面の全てが、波高１ｍｍ以下の波状の接合界面であることを特徴とする前記LNG船用異材継手。
［１］アルミニウム合金板、チタン板、ニッケル板、及びステンレス板の４層を接合したアルミニウム合金／チタン／ニッケル／ステンレスで構成されるLNG船用異材継手であって、接合後のトータル厚みが３４．０〜３６．９ｍｍであり、かつ、該各層間の各接合界面の全てが、波高１ｍｍ以下の波状の接合界面であることを特徴とする前記LNG船用異材継手。
［２］前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層で構成された異材継手の該アルミニウム合金層の厚みが１２．２〜１２．９ｍｍ、該チタン層の厚みが１．６ｍｍ〜２．３ｍｍ、該ニッケル層の厚みが１．６ｍｍ〜２．３ｍｍ、そして該ステンレス層の厚みが１８．６ｍｍ〜２１．５ｍｍである前記[１]に記載のLNG船用異材継手。
［３］前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合界面において、JIS Z 2343-1-II Cd-2浸透探傷試験により検出される指示模様が、いずれも２ｍｍ以下であり、かつ、前記異材継手の長さ１０ｍｍ当たりの該指示模様の数が、いずれも５個以下である、前記［１］又は[２]に記載のLNG船用異材継手。
［４］前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合が、爆発圧着によるものである、前記［１］〜［３］のいずれかに記載のLNG船用異材継手。
［４］前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合が、爆発圧着によるものである、前記［１］〜［３］のいずれかに記載のLNG船用異材継手。
本発明に係るLNG船用異材継手は、例えば、図２に示すモス型のLNG運搬船の球形タンクと船体側のステンレス部材とを接合する異材継手、その他の船舶や輸送機器、構造体などのアルミニウム合金とその他各種金属とを溶接接合する場合にも用いることができる。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本明細書中、用語「極低温」とは、空気を冷却・液化・蒸留することにより、化学、鉄鋼等の各プラントで使用される酸素、窒素等のガスを液体として抽出するための空気分離装置や、ガス田から採掘された天然ガスを様々なプロセスを経て液化するための天然ガス液化装置などが晒される極めて低い温度を意味するほか、絶対零度（摂氏零下273.15℃）に近いヘリウムの沸点である4K（摂氏零下約269℃）までを含む。
本明細書中、用語「極低温」とは、空気を冷却・液化・蒸留することにより、化学、鉄鋼等の各プラントで使用される酸素、窒素等のガスを液体として抽出するための空気分離装置や、ガス田から採掘された天然ガスを様々なプロセスを経て液化するための天然ガス液化装置などが晒される極めて低い温度を意味するほか、絶対零度（摂氏零下273.15℃）に近いヘリウムの沸点である4K（摂氏零下約269℃）までを含む。
前記したように、本実施形態は、アルミニウム合金板、チタン板、ニッケル板、及びステンレス板の４層を接合したアルミニウム合金／チタン／ニッケル／ステンレスで構成されるLNG船用異材継手であって、接合後のトータル厚みが３４．０〜３６．９ｍｍであり、かつ、該各層間の各接合界面の全てが、波高１ｍｍ以下の波状の接合界面であることを特徴とする前記LNG船用異材継手である。好ましくは、前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層で構成された異材継手の該アルミニウム合金層の厚みが１２．２〜１２．９ｍｍ、該チタン層の厚みが１．６ｍｍ〜２．３ｍｍ、該ニッケル層の厚みが１．６ｍｍ〜２．３ｍｍ、そして該ステンレス層の厚みが１８．６ｍｍ〜２１．５ｍｍである。
より好ましい形態においては、前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合界面において、JIS Z 2343-1-II Cd-2浸透探傷試験により検出される指示模様が、いずれも２ｍｍ以下であり、かつ、前記異材継手の長さ１０ｍｍ当たりの該指示模様の数が、いずれも５個以下である。
より好ましい形態においては、前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合界面において、JIS Z 2343-1-II Cd-2浸透探傷試験により検出される指示模様が、いずれも２ｍｍ以下であり、かつ、前記異材継手の長さ１０ｍｍ当たりの該指示模様の数が、いずれも５個以下である。
本実施形態においては、前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合が、爆発圧着によるものであることができる。
爆発圧着とは、爆薬の高い圧力を利用した金属接合方法の１つであり、特に異種金属同士を強固に接合することのできる技術である。この技術の大きな特徴は、金属素材に熱をほとんど負荷させることなく、接合させることができるので、通常の方法では接合できない金属同士の組み合わせでも強固に接合することができることである。さらに、強固に接合されるメカニズムとして、爆発圧着によって接合された金属の接合界面は、特有の波状を呈することが知られており、直線の接合界面より接合面積が大きいことに起因するとも言われている。但し、この波状界面の大きさが大きくなるにつれ、接合時の塑性変形や熱的影響が大きくなるため、接合界面の合金層化につながる。接合界面に合金層が生成すると、接合部が硬く・脆くなる傾向にあるため、接合界面にミクロクラックが生じやすい。異材継手が、極低温環境下に晒されるような前記した設備・装置等に使用される場合、ミクロクラックの拡大や進展があり、重大な事故につながる危険性がある。したがって、接合界面の波の高さを制御することと、ミクロクラックの存在を確認する浸透探傷試験を行うことが重要となる。
爆発圧着に用いる爆薬とは、爆轟波を発生する火薬類である。金属板を強固に接合させるためには、爆速が1000m毎秒以上の爆薬を用いることが好ましく、より最適な接合力とするために、金属の音速の1/3〜1/2となる1500m〜3000m/秒の爆薬を用いることが更に好ましい。爆薬としては、具体的には硝酸アンモニウムや硝酸エステル類のＰＥＴＮ（ペンタエリスリトールテトラナイトレート）やニトログリセリン、ニトロ化合物のＴＮＴ（トリニトロトルエン）、ニトラミンのシクロトリメチレントリニトラミンやシクロテトラメチレンテトラニトラミンなどが挙げられ、これらを単独又はその他爆薬成分あるいはその他爆薬以外の成分を混合したものを用いてもよい。
本実施形態におけるアルミニウム合金とは、ASME Section II, Part B又はJIS規格における合金番号1100、1080、1070、1050又は同等品の純アルミニウム以外の、アルミニウムを主成分とし、Fe成分やMn、Mg等の成分を含んだ合金であることができる。
また、本実施形態におけるステンレスとは、Feを主成分とするASME Section II, Part A又はJIS規格に記載されるもの、又は該規格と同等の成分を含んだものであることができる。ステンレスは、接合前に、素材の研磨を行うことで、酸化被膜等を除去し、接合性を向上させることができる。アルミニウム合金、チタン、ニッケル、又は、それらを２種以上組み合わせた中間製品についても必要に応じて爆発圧着による接合前に素材の研磨を実施することができる。
本実施形態におけるアルミニウム合金板、チタン板、ニッケル板、及びステンレス板の板厚は、以下のように測定した。
波高とは、図３に示すように、接合界面における波の頂上から谷までの高さの差を示す。本実施形態において、波高は、拡大鏡・ノギスを用いて継手材外周面前面の接合界面の任意の１０点を計測し、その平均値を求めたものを意味する。また、各層の板厚測定についても、図３に例示する。アルミニウム合金の板厚は、最外端面から波の頂部、すなわち波頂までの高さと、最外端部から波の底部、すなわち波底までの高さの平均値を示す。また、チタン、ニッケルの中間材料については、同一部材の波の頂部、すなわち波頂からもう一方の波頂までの高さと、波の底部すなわち波底からもう一方の波底までの高さの平均値と定義する。本発明において、板厚は、拡大鏡・ノギスを用いて継手材の任意の３点を計測したものを意味する。
波高とは、図３に示すように、接合界面における波の頂上から谷までの高さの差を示す。本実施形態において、波高は、拡大鏡・ノギスを用いて継手材外周面前面の接合界面の任意の１０点を計測し、その平均値を求めたものを意味する。また、各層の板厚測定についても、図３に例示する。アルミニウム合金の板厚は、最外端面から波の頂部、すなわち波頂までの高さと、最外端部から波の底部、すなわち波底までの高さの平均値を示す。また、チタン、ニッケルの中間材料については、同一部材の波の頂部、すなわち波頂からもう一方の波頂までの高さと、波の底部すなわち波底からもう一方の波底までの高さの平均値と定義する。本発明において、板厚は、拡大鏡・ノギスを用いて継手材の任意の３点を計測したものを意味する。
接合特性を指標する測定値として、以下の実施例において以下の試験を用いた。
浸透探傷試験は、JIS Z 2343-1-II Cd-2又は同等規格に準じ、検出された赤色（但し、図４は白黒写真である）指示模様の大きさ、数をノギスなどの計測器を使用し測定した。具体的には、指示模様とは、図４に示すような材料表面に存在する傷が、浸透探傷試験で用いた浸透液により目視で観察される赤色の模様のことであり、検出された模様の大きさ、数をノギスなどの計測器を使用し測定したものである。本発明においては、各指示模様の長さが2mm以下であり、かつ、該異材継手の長さ10mm当たり5個以下である。
浸透探傷試験は、JIS Z 2343-1-II Cd-2又は同等規格に準じ、検出された赤色（但し、図４は白黒写真である）指示模様の大きさ、数をノギスなどの計測器を使用し測定した。具体的には、指示模様とは、図４に示すような材料表面に存在する傷が、浸透探傷試験で用いた浸透液により目視で観察される赤色の模様のことであり、検出された模様の大きさ、数をノギスなどの計測器を使用し測定したものである。本発明においては、各指示模様の長さが2mm以下であり、かつ、該異材継手の長さ10mm当たり5個以下である。
引張応力（引張強さ）は、JIS Z 2241の金属引張試験方法に準じ、板厚方向は全厚、つかみ部φ20mm、平行部φ10mmの棒状試験片を用いて試験を実施した結果から得られた値である。
せん断強さは、JIS G 0601のクラッド鋼の試験方法に規定されるせん断強さ試験に従い実施した結果から得られた値である。
衝撃吸収エネルギーは、JIS Z 2242の金属材料のシャルピー衝撃試験法に従い、JIS Z 2202に規定されるVノッチ試験片を用いて試験を実施した結果から得られた値である。試験片の作製に際し、全厚方向の試験片寸法が不足するため、最外端の材料に同一材料を電子ビーム溶接で接合させることでJIS Z 2242を満たす寸法の試験片を作製した。
折り曲げ試験は、爆発圧着クラッドの界面の折り曲げ強さを判断する試験と定義し、図５に示す90°の溝を有する鋼製の型上に試験片を設置し、その上部から90°の角度を有する圧子で試験片に一定荷重をかけて型に押し込み、界面の曲げ強さを判定する試験とした。型と圧子の長さは同一とし、試験片はそれ以下の長さとした。試験片の形状は、厚さ3mmの爆発圧着クラッド全界面を含んだ任意の長さとし、試験の際は、圧子の頂部を試験片の界面と一致させ試験を実施した。合否の判定は、界面割れが生じたか否かで判断し、界面割れとなった場合は不合格、素材割れ又は変形のみとなった場合は合格とした。
アルミニウム合金板（JIS H4000 A3003P-O）とチタン板（JIS H4600 TP270C）とニッケル板（JIS H4551 NW2201）とSUS304L鋼板（JIS G4304 SUS304L）からなる異材継手を、爆発圧着法により作製した。このクラッド鋼に対して、JIS G 0601に従った超音波探傷試験を行い、接合が確認された位置から試験片を切り出し、複合板外周部の切断面は#60のホイール研磨と#120のディスクサンダーで表面仕上げを行った。
接合界面の板厚は、任意長さの継手材外周面上の３ヶ所で拡大鏡・ノギスを用いて測定した。結果を以下の表１に示す。また、各接合界面の波高は表２に示すとおり、いずれの界面も１ｍｍ以下であった。
接合界面の板厚は、任意長さの継手材外周面上の３ヶ所で拡大鏡・ノギスを用いて測定した。結果を以下の表１に示す。また、各接合界面の波高は表２に示すとおり、いずれの界面も１ｍｍ以下であった。
次に、各層の接合界面に関して、JIS Z 2343-1-II Cd-2に従う浸透探傷試験を外周面前面で実施し、検出した指示模様の長さ又は直径を測定した。結果を以下の表２に示す。検出された指示模様の長さは２ｍｍ以下であった。
前記したように、JIS Z 2241に準じる引張試験、JIS G 0610に従うせん断試験、JIS Z 2242に従う衝撃試験、及び折り曲げ試験を実施した。各種試験結果を以下の表２に示す。表２の結果から、本発明に係る異材継手は、高い接合性能を有し、LNG船舶用継手として使用するに十分な性能をもつことが確認された。
本発明に係る異材継手は、高い接合性能を有するため、LNG船のアルミニウム合金製の球形タンクと船体側のステンレス部材とを接合する継手として好適に利用可能である。
１ アルミニウム合金板
２ チタン板
３ ニッケル板
４ ステンレス板
２ チタン板
３ ニッケル板
４ ステンレス板
Claims (4)
- アルミニウム合金板、チタン板、ニッケル板、及びステンレス板の４層を接合したアルミニウム合金／チタン／ニッケル／ステンレスで構成されるLNG船用異材継手であって、接合後のトータル厚みが３４．０〜３６．９ｍｍであり、かつ、該各層間の各接合界面の全てが、波高１ｍｍ以下の波状の接合界面であることを特徴とする前記LNG船用異材継手。
- 前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層で構成された異材継手の該アルミニウム合金層の厚みが１２．２〜１２．９ｍｍ、該チタン層の厚みが１．６ｍｍ〜２．３ｍｍ、該ニッケル層の厚みが１．６ｍｍ〜２．３ｍｍ、そして該ステンレス層の厚みが１８．６ｍｍ〜２１．５ｍｍである、請求項１に記載のLNG船用異材継手。
- 前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合界面において、JIS Z 2343-1-II Cd-2浸透探傷試験により検出される指示模様が、いずれも２ｍｍ以下であり、かつ、前記異材継手の長さ１０ｍｍ当たりの該指示模様の数が、いずれも５個以下である、請求項１又は２に記載のLNG船用異材継手。
- 前記アルミニウム合金層／チタン層、該チタン／前記ニッケル層、及び該ニッケル層／前記ステンレス層の各接合が、爆発圧着によるものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のLNG船用異材継手。
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|---|---|---|---|---|
| JPH07185840A (ja) * | 1993-12-28 | 1995-07-25 | Asahi Chem Ind Co Ltd | 爆発圧着クラッド材およびその製法 |
| JP2000117462A (ja) * | 1998-10-20 | 2000-04-25 | Sanwa Shokai:Kk | 多層複合材料及びその製造方法 |
| JP2012200744A (ja) * | 2011-03-24 | 2012-10-22 | Asahi Kasei Chemicals Corp | 溶接用継手材 |
-
2014
- 2014-10-29 JP JP2014220866A patent/JP2016087607A/ja active Pending
Patent Citations (3)
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