JP2020131212A - 配管溶接方法及び配管溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラの火炉壁を構成する配管の補修を行う場合に、補修期間の短縮及び補修費用の低減を実現し、作業者の溶接技量に左右されずに高い溶接品質の補修を行い得る配管溶接方法及び配管溶接装置を提供する。【解決手段】軸方向に並ぶ配管ＰＥ，ＰＮの一方の配管ＰＮの端部Ｐａに、配管ＰＮを径方向に貫通する挿通溝Ｐｔを該配管ＰＮの周方向に沿って多くとも半周分形成し、挿通溝Ｐｔが形成されていない配管ＰＥ，ＰＮの連続する端部Ｐａ，Ｐａの内面Ｐｓに対して外部から挿通溝Ｐｔを通してレーザ光Ｌを照射して溶接した後、配管ＰＮの挿通溝Ｐｔをデフォーカスしたレーザ光Ｌａを用いて塞ぐ。【選択図】図１

Description

本開示は、例えば、ボイラの火炉壁を構成する配管の補修や新設に用いるのに好適な配管溶接方法及び配管溶接装置に関するものである。

従来、例えば、ボイラの火炉壁を構成する配管が破損した場合には、この破損した配管を新しい配管と交換したうえで、新しい配管の端部を全周にわたってＴＩＧ溶接することで既設配管に対して接合するようにしていた。
この補修は、火炉の内側及び外側の両面からの溶接施工になり、特に、火炉の内側においては足場を組んだうえでの溶接施工になるので、補修に多くの期間がかかるうえ、補修コストが嵩む施工となっていた。

従来において、このような配管補修時における施工の欠点を補うべく成された配管補修溶接方法としては、例えば、特許文献１に記載された溶接方法がある。

この溶接方法は、破損した配管の除去部分に新しい配管を挿入して、この新しい配管とその両端部に位置する既設配管との接続部を円周溶接する方法であり、まず、新しい配管及び既設配管の火炉壁の外側を向く面に開口部を穿設し、この開口部から小型の溶接トーチを管内に挿入して新しい配管及び既設配管の円周接ぎ部を管内面から自動溶接した後、開口部の形状に合わせた挿入管をＴＩＧ溶接で開口部に取り付けるようにしていた。

特開平０８−２８１４６８号公報

ところが、上記した従来の配管補修溶接方法では、新しい配管及び既設配管の円周接ぎ部の管内面を自動溶接した後に行う施工が、開口部に対して挿入管をＴＩＧ溶接で取り付けるといった複雑な施工になるので、この挿入管の取り付けには高い技量が要求される。

つまり、上記した従来の配管補修溶接方法では、溶接品質が作業者の溶接の技量に左右されてしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっている。

本開示は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、例えば、ボイラの火炉壁を構成する配管の補修を行う場合において、補修期間の短縮及び補修費用の低減を実現したうえで、作業者の溶接技量に左右されることなく、高い溶接品質の補修を行うことが可能な配管溶接方法及び配管溶接装置を提供することを目的としている。

本開示の第１の態様は、軸方向に並ぶ配管同士を接合する配管溶接方法であって、前記軸方向に並ぶ配管の互いに連続する端部のうちの少なくとも一方の端部に、前記配管を径方向に貫通する挿通部を該配管の周方向に沿って多くとも半周分形成し、前記挿通部が形成されていない前記配管の連続する端部の内面に対して前記配管の外部から前記挿通部を通してレーザ光を照射して溶接した後、前記配管の前記挿通部を溶接によって塞ぐ構成としている。

また、本開示の第２の態様は、軸方向に並ぶ配管のうちの一方が新しい配管であり他方が既設の配管である場合において、前記既設の配管の端部に連続する前記新しい配管の端部に前記挿通部を事前に形成する構成としている。

さらに、本開示の第３の態様は、前記挿通部が形成されていない前記配管の連続する端部の内面に対して前記配管の外部から前記挿通部を通してレーザ光を前記配管の軸心回りに回動させつつ照射すると共に、前記挿通部の両端においてレーザ光を直線状に移動させつつ照射する構成としている。

さらにまた、本開示の第４の態様は、前記挿通部を塞ぐ際の溶接時において、該挿通部の端部にタブ板を仮付けする構成としている。

さらにまた、本開示の第５の態様は、デフォーカスしたレーザ光を用いて前記挿通部を塞ぐ構成としている。

さらにまた、本開示の第６の態様は、スポット形状を線状又は矩形状に成型したレーザダイオードのレーザ光を用いて前記挿通部を塞ぐ構成としている。

さらにまた、本開示の第７の態様は、レーザ光をオシレートさせて前記挿通部を塞ぐ構成としている。

さらにまた、本開示の第８の態様は、ガスタングステンアーク溶接を用いて前記挿通部を塞ぐ構成としている。

一方、本開示の第９の態様は、径方向に貫通する挿通部を軸方向に並ぶ配管の互いに連続する端部のうちの少なくとも一方の端部の周方向に沿って多くとも半周分形成した前記軸方向に並ぶ配管同士を接合する配管溶接装置であって、前記挿通部が形成されていない前記配管の連続する端部の内面に対して前記配管の外部から前記挿通部を通してレーザ光を照射するレーザヘッドと、前記配管の前記挿通部を塞ぐ溶接機構と、前記レーザヘッド及び前記溶接機構を前記配管の軸心周りに移動させる駆動機構を備えている構成としている。

本開示の配管溶接方法及び配管溶接装置において、レーザには、ファイバーレーザやディスクレーザや半導体レーザ等の高密度レーザを用いるのが一般的であるが、これらのものに限定されない。

本開示の第１の態様に係る配管溶接方法を用いて、例えば、ボイラの火炉壁の破損した配管の補修を行う場合には、まず、破損した配管を除去したうえで、この除去した配管と軸方向に並ぶ既設配管の間に新しい配管を嵌める。

この際、軸方向に並ぶ既設配管及び新しい配管の互いに連続する端部のうちの少なくとも一方の端部における火炉壁の外側に位置する面に、径方向に貫通する挿通部を配管の周方向に沿って多くとも半周分形成する。
この挿通部は、既設配管の間に新しい配管を嵌める際に形成してもよいし、本開示の第２の態様に係る配管溶接方法のように、新しい配管に予め形成しておいてもよい。

次いで、挿通部が形成されていない既設配管及び新しい配管の連続する端部の内面に対して、配管の外部から挿通部を通してレーザ光を照射して溶接した後、配管の挿通部を溶接によって塞ぐことで、既設配管に対する新しい配管の接合が完了する。

このように、本開示の第１の態様に係る配管溶接方法では、補修のための溶接施工を火炉壁の外側から行うので、火炉の内側に足場を組む必要がない分だけ、補修に費やす時間が少なくて済むと共に補修費用の低減が図られることとなる。

また、本開示の第１の態様に係る配管溶接方法では、従来の配管補修溶接方法で必要としていた既設配管及び新しい配管に対する開口部の設置が不要になって、この開口部に対する挿入管のＴＩＧ溶接による複雑な取り付け施工をしなくても済むので、作業者の溶接技量に左右されることなく、高い溶接品質の補修を行い得ることとなる。

本開示に係る配管溶接方法によれば、例えば、破損した配管を補修する場合において、補修期間の短縮及び補修費用の低減を実現しつつ、作業者の溶接技量に左右されることなく、高い溶接品質の補修を行うことができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本開示の一実施形態に係る配管溶接方法に用いる配管溶接装置を概略的に示す斜視説明図である。 図１の配管溶接装置により接合される軸方向に並ぶ既設配管及び新しい配管を示す斜視説明図（ａ）及び接合部分の一部を破断して示す拡大斜視説明図（ｂ）である。 図１の配管溶接装置によって挿通部が形成されていない配管の端部の内面に対して配管の外部から挿通部を通してレーザ光を照射する状況を示す接合部分の横断面説明図である。 図１の配管溶接装置によって配管の挿通部を塞ぐ状況を示す接合部分の斜視説明図である。 図１の配管溶接装置によって配管の挿通部を塞ぐ際の接合部分の横断面説明図である。 図１の配管溶接装置によって配管の開先として形成した挿通部を塞ぐ際の接合部分における初層盛りの状態を示す縦断面説明図（ａ）及び多層盛りの状態を示す縦断面説明図（ｂ）である。 本開示の他の実施形態に係る配管溶接装置によって配管の挿通部を塞ぐ状況を示す接合部分の斜視説明図である。 本開示のさらに他の実施形態に係る配管溶接装置によって配管の挿通部を塞ぐ状況を示す接合部分の斜視説明図である。 本開示のさらに他の実施形態に係る配管溶接装置によって配管の挿通部を塞ぐ状況を示す接合部分の斜視説明図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本開示の一実施形態に係る配管溶接方法に用いる配管溶接装置を示しており、この実施形態は、本開示の配管溶接方法をボイラの火炉壁の破損した配管の補修に用いた場合を示している。

図１に概略的に示すように、この配管溶接装置１は、ボイラの火炉壁Ｗの破損した配管を補修する配管溶接装置である。火炉壁Ｗは、火炉内熱源との間で熱交換する多数の上下方向の配管Ｐｇを互いに平行を成すようにして一列に並べて構成されており、隣接する配管Ｐｇ同士はフィンＦを介して互いに接続されている。

この配管溶接装置１は、レーザ発振器２と、このレーザ発振器２から光ファイバ３を介して供給されるレーザ光Ｌを内蔵した光学系により集光するレーザヘッド４と、このレーザヘッド４で集光したレーザ光Ｌを９０°屈曲させて補修する配管Ｐに向けて照射するトーチミラー５と、レーザヘッド４及びトーチミラー５の駆動機構１０を備えており、レーザ発振器２には、ファイバーレーザやディスクレーザや半導体レーザ等の高密度レーザの発振器を用いることができる。

駆動機構１０は、補修する配管Ｐの両側に位置するフィンＦに溶着される固定部１１と、補修する配管Ｐのうちの後述する新しい配管ＰＮを支持するチャック１２と、固定部１１に支持された湾曲レール１３と、レーザヘッド４及びトーチミラー５を保持して湾曲レール１３上を移動するスライダ１４を具備しており、スライダ１４を湾曲レール１３上で移動させる駆動方式には、例えば、ラック＆ピニオン方式を採用し得るがこれに限定されない。

ここで、補修する配管Ｐは、図２（ａ）にも示すように、破損した配管を除去した後の軸方向に並ぶ既設配管ＰＥ，ＰＥの間に新しい配管ＰＮを嵌めて成っており、新しい配管ＰＮの端部Ｐａには、図２（ｂ）に示すように、径方向に貫通する挿通溝（挿通部）Ｐｔが周方向に沿って半周弱にわたって形成されている。

駆動機構１０の固定部１１は、湾曲レール１３を配管ＰＥ，ＰＮ（Ｐ）と同芯配置するべく芯合わせ可能に湾曲レール１３を固定するようになっており、これにより、レーザヘッド４（レーザ光路）を湾曲レール１３上において配管ＰＥ，ＰＮ（Ｐ）の軸心Ｃと平行を成す状態で該軸心周りに移動させることができるようにしている。

つまり、挿通溝Ｐｔが形成されていない配管ＰＥ，ＰＮ（Ｐ）の互いに連続する端部Ｐａ，Ｐａの内面Ｐｓに焦点を合わせたレーザヘッド４からのレーザ光Ｌをトーチミラー５で屈曲させ、この状態でレーザヘッド４を湾曲レール１３に沿って図１矢印方向に移動させることで、図３にも示すように、レーザ光Ｌを配管ＰＥ，ＰＮ（Ｐ）の軸心Ｃ回りに回動させつつ配管Ｐの外部から挿通溝Ｐｔを通して端部Ｐａ，Ｐａの内面Ｐｓに照射することができるようになっている。

この際、駆動機構１０の湾曲レール１３の両端部において、スライダ１４に対してレーザヘッド４を図１右下方向に移動させて、焦点距離を適正に調整しつつレーザ光Ｌを直線状に図３下方向に移動させるように成すことで、配管ＰとフィンＦとの接続部分近傍における内面Ｐｓの溶接も行うことができる。なお、スライダ１４に対してレーザヘッド４を移動させる機構には、例えば、ラック＆ピニオン方式やボールねじ方式を採用し得るがこれらに限定されない。

そして、この実施形態における配管溶接装置１では、レーザヘッド４において、図４に示すように、デフォーカスしたレーザ光Ｌａを照射することができるようにしており（挿通溝Ｐｔを塞ぐ溶接機構をレーザヘッド４が兼ねるようにしており）、レーザヘッド４から照射されるデフォーカスしたレーザ光Ｌａを用いて、新しい配管ＰＮの端部Ｐａにおいて径方向に貫通する挿通溝Ｐｔを塞ぐことができるようになっている。

この挿通溝Ｐｔを塞ぐ際の溶接時において、図５に示すように、挿通溝Ｐｔの端部Ｐｌに配管Ｐと同じ材質又は溶接材料から成るタブ板Ｔを仮付けすることで、挿通溝Ｐｔの端部Ｐｌ（レーザ光Ｌａの照射終端）において生じるクレータがタブ板Ｔに移るようにしている。

なお、挿通部を塞ぐ際の溶接時において、図６（ａ）に示すように、開先Ｐｋとして形成した挿通部にインサート材Ａを挿入して初層盛を行ったのち、図６（ｂ）に示すように、開先Ｐｋに溶接ワイヤを送給して積層施工を行うようにしてもよい。

上記した配管溶接装置１を用いて、ボイラの火炉壁Ｗの破損した配管の補修を行う場合には、まず、破損した配管（図示せず）を除去したうえで、図２（ａ）に示すように、除去した配管と軸方向に並ぶ既設配管ＰＥ，ＰＥの間に新しい配管ＰＮを嵌める。

この際、新しい配管ＰＮの端部Ｐａにおける火炉壁Ｗの外側（図２（ｂ）手前側）に位置する面に、レーザ光Ｌが挿通し得る挿通溝Ｐｔを新しい配管ＰＮの周方向に沿って多くとも半周分形成する。例えば、図３におけるレーザ光Ｌのスポットサイズθが３°の場合には、溝深さが約１．５ｍｍの挿通溝Ｐｔを形成する。
この挿通溝Ｐｔは、既設配管ＰＥ，ＰＥの間に新しい配管ＰＮを嵌める際に形成してもよいし、新しい配管ＰＮに予め形成しておいてもよい。

次いで、図１に示すように、配管溶接装置１の駆動機構１０における固定部１１，１１を補修する配管Ｐの両側に位置するフィンＦ，Ｆにそれぞれ溶着すると共に、補修する配管Ｐの新しい配管ＰＮをチャック１２で支持する。

そして、挿通溝Ｐｔが形成されていない配管ＰＥ，ＰＮ（Ｐ）の互いに連続する端部Ｐａ，Ｐａの内面Ｐｓに焦点を合わせたレーザ光Ｌを、配管溶接装置１のレーザヘッド４から照射してトーチミラー５で屈曲させる。

この状態で、駆動機構１０を動作させて、レーザヘッド４を湾曲レール１３に沿って図１矢印方向に移動させることで、図３に示すように、レーザ光Ｌを配管ＰＥ，ＰＮ（Ｐ）の軸心Ｃ回りに回動させ、配管Ｐの外部から挿通溝Ｐｔを通して端部Ｐａ，Ｐａの内面Ｐｓにレーザ光Ｌを照射して溶接を行う。

続いて、駆動機構１０の湾曲レール１３の両端部では、スライダ１４に対してレーザヘッド４を図１右下方向に移動（戻し動作）させ、焦点距離を適正に調整しつつレーザ光Ｌを直線状に図３下方向に移動させることで、配管ＰとフィンＦとの接続部分近傍における内面Ｐｓの溶接も行う。

この端部Ｐａ，Ｐａの内面Ｐｓに対する溶接、及び、配管ＰとフィンＦとの接続部分近傍における内面Ｐｓの溶接の後、挿通溝Ｐｔの端部Ｐｌに配管Ｐと同じ材質又は溶接材料から成るタブ板Ｔを仮付けするのに続いて、図４に示すように、デフォーカスしたレーザ光Ｌａをレーザヘッド４から配管ＰＥ，ＰＮの各端部Ｐａ，Ｐａに照射し、これにより径方向に貫通する挿通溝Ｐｔを塞ぐことで、既設配管ＰＥに対する新しい配管ＰＮの接合が完了する。

そして、このような新しい配管ＰＮの一方の端部Ｐａに行った配管溶接を他方の端部Ｐａに対しても行うことで、配管Ｐの補修が完了する。

このように、この実施形態に係る配管溶接装置１では、補修のための溶接施工を火炉壁Ｗの外側から行い得るので、火炉の内側に足場を組む必要がない分だけ、補修に費やす時間が少なくて済むと共に補修費用の低減が図られることとなる。

また、この実施形態に係る配管溶接装置１では、従来の配管補修溶接方法で必要としていた既設配管及び新しい配管に対する開口部の設置が不要になり、その結果、開口部に対する挿入管のＴＩＧ溶接による複雑な取り付け施工も不要になるので、作業者の溶接技量に左右されることなく、高い溶接品質の補修を行い得ることとなる。

上記した実施形態に係る配管溶接装置１では、径方向に貫通する挿通溝Ｐｔを塞ぐ溶接機構による溶接に、レーザヘッド４からのデフォーカスしたレーザ光Ｌａを用いるようにしているが、他の構成として、例えば、図７に示すように、スポット形状を矩形状（線状でもよい）に成型したレーザダイオードのレーザ光Ｌｂを用いて挿通溝Ｐｔを塞ぐようにしてもよい。

また、トーチミラー５を揺動させる機構を設けて、図８に示すように、レーザヘッド４からのレーザ光Ｌをオシレートさせて挿通溝Ｐｔを塞ぐようにしたり、図９に示すように、駆動機構１０のスライダ１４に対してレーザヘッド４に代えてガスタングステンアーク溶接のトーチ１７を取り付けて、溶接ワイヤ１８を送給しながら挿通溝Ｐｔを塞ぐようにしたりしてもよい。

上記した実施形態では、径方向に貫通する挿通溝（挿通部）Ｐｔが新しい配管ＰＮの端部Ｐａに形成されている場合を示したが、これに限定されるものではなく、径方向に貫通する挿通溝（挿通部）Ｐｔを既設配管ＰＥの端部Ｐａに形成したり、既設配管ＰＥ及び新しい配管ＰＮの各端部Ｐａに跨って形成したりしてもよいほか、例えば、新しい配管ＰＮの端部Ｐａに挿通部としてのスリットを形成してもよい。

また、上記した実施形態では、本開示の配管溶接方法をボイラの火炉壁の破損した配管の補修に用いた場合を示したが、本開示の配管溶接方法を、例えば、ボイラの火炉壁の組み立て時における配管の新設に用いてもよい。

さらに、上記した実施形態では、本開示の配管溶接方法をボイラの火炉壁の配管に採用した場合を示したが、本開示の配管溶接方法を、例えば、過熱器や再熱器等の熱交換器に採用してもよい。

本開示に係る配管溶接方法及び配管溶接装置の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

１ 配管溶接装置
４ レーザヘッド（兼溶接機構）
１０ 駆動機構
Ｃ 配管の軸心
Ｌ レーザ光
Ｌａ デフォーカスしたレーザ光
Ｌｂ レーザダイオードのレーザ光
Ｐ 補修する配管
ＰＥ 既設配管
ＰＮ 新しい配管
Ｐａ 配管の端部
Ｐｇ 火炉壁を構成する配管
Ｐｋ 開先（挿通部）
Ｐｓ 内面
Ｐｔ 挿通溝（挿通部）

Claims (9)

1. 軸方向に並ぶ配管同士を接合する配管溶接方法であって、
   前記軸方向に並ぶ配管の互いに連続する端部のうちの少なくとも一方の端部に、前記配管を径方向に貫通する挿通部を該配管の周方向に沿って多くとも半周分形成し、
   前記挿通部が形成されていない前記配管の連続する端部の内面に対して前記配管の外部から前記挿通部を通してレーザ光を照射して溶接した後、
   前記配管の前記挿通部を溶接によって塞ぐ配管溶接方法。
2. 軸方向に並ぶ配管のうちの一方が新しい配管であり他方が既設の配管である場合において、前記既設の配管の端部に連続する前記新しい配管の端部に前記挿通部を事前に形成する請求項１に記載の配管溶接方法。
3. 前記挿通部が形成されていない前記配管の連続する端部の内面に対して前記配管の外部から前記挿通部を通してレーザ光を前記配管の軸心回りに回動させつつ照射すると共に、前記挿通部の両端においてレーザ光を直線状に移動させつつ照射する請求項１に記載の配管溶接方法。
4. 前記挿通部を塞ぐ際の溶接時において、該挿通部の端部にタブ板を仮付けする請求項１に記載の配管溶接方法。
5. デフォーカスしたレーザ光を用いて前記挿通部を塞ぐ請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の配管溶接方法。
6. スポット形状を線状又は矩形状に成型したレーザダイオードのレーザ光を用いて前記挿通部を塞ぐ請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の配管溶接方法。
7. レーザ光をオシレートさせて前記挿通部を塞ぐ請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の配管溶接方法。
8. ガスタングステンアーク溶接を用いて前記挿通部を塞ぐ請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の配管溶接方法。
9. 径方向に貫通する挿通部を軸方向に並ぶ配管の互いに連続する端部のうちの少なくとも一方の端部の周方向に沿って多くとも半周分形成した前記軸方向に並ぶ配管同士を接合する配管溶接装置であって、
   前記挿通部が形成されていない前記配管の連続する端部の内面に対して前記配管の外部から前記挿通部を通してレーザ光を照射するレーザヘッドと、
   前記配管の前記挿通部を塞ぐ溶接機構と、
   前記レーザヘッド及び前記溶接機構を前記配管の軸心周りに移動させる駆動機構を備えている配管溶接装置。

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