JP3440701B2

JP3440701B2 - ボイラ用高温パイプとその製造方法

Info

Publication number: JP3440701B2
Application number: JP18710396A
Authority: JP
Inventors: 宥公竹内; 均早川
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 2003-08-25
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: JPH1030897A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラ内に配管さ
れる蒸気管や温水管に用いられる高温用パイプに関し、
特に、腐食等を生じ易い成分を含む高温ガスと接触する
高温用パイプと、その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】一般に、ボイラ内には、燃
焼によって加熱された高温ガスと接触させ、内部を流通
する水や水蒸気を昇温させる蛇行した温水管や蒸気管が
配管されている。一方、ボイラの用途が広範になるにつ
れ、使用される高温ガスもパイプに腐食等を生じ易い成
分を含む場合が多くなりつつある。例えば、ゴミを焼却
する工場等では、焼却したガスの熱を有効利用するた
め、焼却後の高温ガスをボイラ内に流通させ、係るガス
流と直交するよう配管された蛇行形状の温水管や蒸気管
と接触せしめている。即ち、図３に示すように、焼却炉
Ｆ内でゴミを焼却したガス、又は、焼却された灰分を周
囲から加熱するロータリーキルンＫ内からのガスは、矢
印のように、竪型のボイラＢの一側内を上昇し、他側内
を下降する際、係る部位に配管された蛇行する蒸気管Ｐ
と接触し、その内部を流通する水蒸気Ｓを加熱する。
尚、図中のＤは、焼却された灰滓の排出部、Ｅはボイラ
Ｂを通過したガスから微粉等の除去・吸着等を行う除塵
装置、Ｃは係るガスを放出する煙突をそれぞれ示す。

【０００３】ところで、ゴミ等を高温で焼却すると、蒸
気管Ｐを構成する鋼管の表面に煤が付着して、熱交換の
効率が低下すると共に、発生するガス中の塩素、酸素、
又は硫黄、或いはこれらの化合物等が鋼管の表面を腐食
するという問題がある。上記の煤はガスが当初に接触す
る部位の蒸気管Ｐに多く付着する。一方、上記ガス中の
塩素、酸素、硫黄、又はこれらの酸化物等は、蒸気管Ｐ
の表面を腐食する。これを解決するため、鋼管の表面に
耐熱、耐食性の合金鋼等を溶射することも試みられた
が、多孔質な被覆層しか得られず、ガス中の成分に対す
る耐食性の点でも、不十分であった。

【０００４】

【発明が解決すべき課題】本発明は、前記従来技術の問
題点を解決し、前記高温ガスに接触しても腐食を生じに
くいボイラ用高温パイプとその製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決する手段】本発明は、前記課題を解決する
ため、ボイラ内に配管される蛇行形状のパイプにステン
レス鋼管を用い、該鋼管の所要の外周面にＣｒおよびＭ
ｏを含むＮｉ合金の被覆層を粉末肉盛溶接により設け
る、ことに着想して成されたものである。即ち、本発明
のボイラ用高温パイプは、蛇行形状を呈するステンレス
鋼管における直線部および曲線部のうち高温ガス等と接
触する外周面に、ＣｒおよびＭｏを含むＮｉ合金を粉末
肉盛溶接により所定厚さで溶着した被覆層を設けた、こ
とを特徴とする。これによれば、蛇行形状のステンレス
鋼管において高温ガス等と接触する外周面にのみ、Ｃｒ
およびＭｏを含むＮｉ合金の被覆層を粉末肉盛溶接によ
り正確に設けたので、腐食やエロージョンを効果的に防
止することができる。上記Ｎｉ合金は、１５〜２０wt％
Ｃｒ，９〜１５wt％Ｍｏ、残部Ｎｉの組成を有する。各
元素の範囲限定理由は、以下の通りである。Ｎｉは、耐
塩化性、耐酸化性、及び耐硫化性を与えるベース金属
で、前記各特性を得るため少なくとも４０wt％以上を添
加する。Ｃｒは、耐熱性と耐食性を与えるため、１５wt
％以上添加する。一方、２０wt％を越えると上記の各特
性が飽和し、コスト高になると共に、肉盛溶接部に割れ
等の不利益が生じ始めるので、それ以下とした。更に、
Ｍｏは、Ｃｒと相まって耐食性を向上させるため９wt％
以上添加するが、１５wt％を越えると溶接割れの恐れが
あるため、それ以下とした。尚、場合により、更に４wt
％以下のＷが耐食性向上のため添加される。

【０００６】一方、前記ボイラ用高温パイプの製造方法
は、長尺なステンレス鋼管における高温ガス等と接触す
る外周面に、ＣｒおよびＭｏを含むＮｉ合金を所定厚さ
で粉末肉盛溶接する工程と、上記鋼管を直線部と曲線部
とを含む蛇行形状に折り曲げる工程と、からなる、こと
を特徴とする。上記溶接と折り曲げの順序は任意である
が、長尺なステンレス鋼管の長手方向において、所要部
分の外周面にのみ前記Ｎｉ合金を所定厚さに粉末肉盛溶
接した後、該溶接部を除いた部分に於いてステンレス鋼
管をＵ形状等に複数カ所順次逆向きに折り曲げて蛇行形
状にする方法が望ましい。これによれば、ステンレス鋼
管表面の所望の位置に、必要な長さと厚さの被覆層を、
正確且つ迅速に優れた溶接性能にして得ることができ
る。また、前記折り曲げ工程において、前記粉末肉盛溶
接が施される外周面は直線部に位置している、ボイラ用
高温パイプの製造方法も含まれる。これにより、所定厚
さの被覆層を高温ガス等が接触する直線部に確実に形成
することができる。更に、前記粉末肉盛溶接が、前記Ｎ
ｉ合金の粉末を不活性ガスと共に供給し、中心からの高
温プラズマ流によって上記粉末を溶融し、その周囲をシ
ールドガスによって覆うプラズマトーチを用いる溶接で
ある、ボイラ用高温パイプの製造方法も含まれる。即
ち、前記粉末肉盛溶接は、所謂プラズマ・パウダー・ウ
ェルディング(ＰＰＷ)を用いることが望ましい。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施に好適な形態
をその作用と共に説明する。図１(Ａ)は、前述した竪型
ボイラＢ内に配管する本発明による高温パイプ１の全体
を示す正面図で、パイプ１は、例えばＳＵＳ３０４から
なるステンレス鋼管２を複数カ所において、順次逆向き
にＵ形状に曲げられ、全体として蛇行した形状を呈す
る。係る蛇行状のステンレス鋼管２は、同図中の右下に
加熱される水蒸気Ｓの入り口３と、右上の出口４を有
し、且つ、ほぼ中間高さ位置には、水平な直線部２ａ同
士の間隔を拡げた離隔部５を有する。係るパイプ１は、
ボイラＢ内に複数本が同図の前後方向に平行に配管され
ている。また、高温パイプ１に接触する高温ガスは、同
図に於いて上方から、下方へ降下するよう送給される。

【０００８】上記ステンレス鋼管２の直線部２ａ及び曲
線部２ｂの表面には、Ｃｒ及びＭｏを含むＮｉ合金の被
覆層６が設けられている。この被覆層６は、図１(Ｂ)の
断面図に示すように、上記鋼管２の直線部２ａ又は曲線
部２ｂの外周面全体を、後述する肉盛溶接によって、前
記Ｎｉ合金によって被覆すると共に、上記鋼管２の外表
面にも溶け込んで金属組織的にも一体化されている。被
覆層６は、同図(Ｃ)の部分拡大断面に示すように、上記
鋼管２の肉厚と同等かそれ以上の厚さになるよう肉盛り
される。因みに、ステンレス鋼管２の厚さ４mmの場合、
被覆層６の厚さは、ビード６ａ間の谷部６ｂにても４mm
以上の厚さになるよう肉盛溶接される。

【０００９】図２は、本発明の高温パイプ１の製造方法
に関し、同図(Ａ)は、ＳＵＳ３０４のステンレス鋼管２
(直径５０mm、肉厚４mm)を示す。この鋼管２の所望部分
に前記Ｎｉ合金を被覆する。同図(Ｂ)は、その被覆を得
るための肉盛溶接の態様を示す。先ず、ステンレス鋼管
２を図示しない複数対のローラ群上に回転可能に載置
し、モータ等の駆動源と伝達手段により、一定速度(１.
５回転/毎分)によって回転させる。そして、粉末肉盛溶
接するためのプラズマトーチ１０を鋼管２の所定位置に
近接して配置する。このトーチ１０は、前記Ｎｉ合金の
粉末(平均粒径９５μmm)をアルゴン等の不活性ガス流に
載せ、中心からの高温プラズマ流にて溶融し、前記鋼管
２の表面に溶着させる。また、トーチ１０は、それらの
周囲を不活性なシールドガス流によって覆うような同心
円の複層断面構造を有する。係るプラズマトーチ１０は
図示しない送り手段に保持され、且つ、ステンレス鋼管
２の表面に沿って一定速度(２１０mm／分)にて、スライ
ドされる。

【００１０】更に、その溶接条件は、Ｎｉ合金の粉末の
供給量を４０ｇ／分、この粉末を供給する不活性ガス流
量を１リットル／分、プラズマ流温度を約５０００℃、及
び、１パスのみとしたときのビードの幅を１０mm、高さ
を４．１mmとし、ビード同士が重複する谷部は、ビード
の頂部より０.１mm低いが、その厚さは４.０mmになるよ
うにした。一方、前記鋼管の長手方向への移動速度は１
２mm／分とした。また、Ｎｉ合金粉末は２種類用いた。
一方の組成は、１６．５wt％Ｃｒ−１４．８wt％Ｍｏ−
残Ｎｉを用いた。その他の元素は、Ｃ;０.０１wt％、
Ｓ;０.００４wt％、Ｆｅ;０.４１wt％、Ｗ;２.５wt％を
含んでいた。係るＷを添加したのは、耐食性と耐エロー
ジョン性向上のためである。他方のＮｉ合金粉末は、１
９％Ｃｒ−１２wt％Ｍｏ−残Ｎｉの組成を有する粉末を
用いた。上記肉盛溶接によって、２本のステンレス鋼管
２の複数の位置に前記各Ｎｉ合金の長さ８００mm程度の
被覆層６を設けた。

【００１１】次いで、図２(Ｃ)に示すように、被覆層６
を有する部分を除いて、各ステンレス鋼管２を順次Ｕ形
状に折り曲げ加工して、途中に前記離隔部５も形成し
て、高温パイプ１を２本得た。尚、上記曲げ加工は、上
記鋼管２のＵ形部において円形中空部が扁平形状になら
ないよう、互いに連結された複数の鋼球や、粉体を当該
中空部内に密に充填した状態で行われる。図２(Ｄ)は、
同図(Ｃ)中のＤ−Ｄ断面で、Ｎｉ合金の被覆層６は上記
鋼管２の直線部２ａに設けられているので、上記曲げ加
工によっても全く影響を受けていない。因みに、被覆層
６は前記のように長尺なステンレス鋼管２の直線部２ａ
に肉盛溶接すると、正確で迅速な溶接が行える。尚、上
記鋼管２が緩やかに湾曲するように曲がった部分には、
上記肉盛溶接を施した後に曲げ加工しても、溶接ビード
が変形、損傷することは少ない。しかし、Ｕ形の曲げ部
分においては、溶接ビードが変形、損傷し得るので、係
る部分に被覆層６を設けるためには、先に曲げ加工をし
た後、その曲げ形状に応じた肉盛溶接を施すことが望ま
しい。

【００１２】次に、前記方法によって得られた本発明の
２種類のＮｉ合金粉末を各々被覆した２本の高温パイプ
１と、炭素鋼(STB410)の鋼管を用い、同じ位置に同じ厚
さのステンレス鋼管(SUS310S）を嵌込んだ比較例のパイ
プを、それぞれ前記図３に示す同じ竪型ボイラＢ内に蒸
気管Ｐとして配管されたのと同じ条件下において、連続
運転状態下で使用し比較した。因みに、水蒸気Ｓの温度
は、前記パイプ１の入口３では、２５０〜３００℃であ
るが、出口４では３５０℃以上に昇温される。また、係
る蒸気管Ｐを加熱する高温ガスは、図３に示すものと同
様なゴミ焼却炉Ｆ等からの燃焼済みのガスであり、各種
のゴミから放出される塩素、酸素、硫黄、及びこれらの
酸化物、塩化物、及び硫化物等の鋼管に対し有害な成分
が含まれている。その結果、本発明のパイプ１は、２本
とも１年間の長期に渉る連続した加熱と、シャットダウ
ンによる冷却を受けても、被覆層６に変化が認められ
ず、腐食やエロージョン等の劣化部分も殆どなかった。
一方、比較例のパイプは、配管して１５０日後に、腐食
部分が認められ、１８０日間後には、塩化物や硫化物な
どによると思われるエロージョンの跡が顕著に認められ
た。この結果から、本発明の各パイプ１に用いた前記被
覆層６は、そのＮｉ合金の特性と、肉盛溶接によるステ
ンレス鋼管２の表面への溶融、及び溶着とによって、比
較例の炭素鋼管にステンレス鋼管を嵌込んだパイプに比
べ、耐食性はもとより、耐エロージョン性の点において
も、格段に優れていることが判明した。

【００１３】図２(Ｅ)は、前記被覆層６の他の溶着例を
示す断面図で、ステンレス鋼管２の表面に対し、前記肉
盛溶接の条件を調整して、高温ガス流が直に接触する表
面側に溶接ビードをより厚くしたものを示す。また、図
２(Ｆ)は、同様にして、上記鋼管２の高温ガス流が直に
接触する表面側に被覆層６を厚く設け、反対側の表面へ
の被覆は省略したものである。これらの態様も本発明の
パイプに含まれる。

【００１４】本発明は、以上の形態に限定されるもので
はない。前記鋼管２の材質には、ＳＵＳ３０４以外のオ
ーステナイト系ステンレス鋼、又はフェライト系、二相
系等の各種のステンレス鋼を用いることもできる。ま
た、肉盛溶接も、長尺なステンレス鋼管を固定し、前記
プラズマトーチをその周囲に回転させつつ、上記鋼管の
長手方向にスライドさせることもできる。更に、被覆層
の厚さやステンレス鋼管の材質によっては、２パス以上
の複層肉盛りを行ったり、或いは、肉盛溶接した後でＵ
形状に折り曲げられた部分の被覆層の薄くなった部分に
のみ、追加して肉盛溶接することも含まれる。また、溶
接不良を防ぐため、肉盛溶接の前後に適宜熱処理も行わ
れる。

【００１５】ステンレス鋼管の断面形状も円形断面の
他、楕円形断面のものも含まれる。また、その用途も水
蒸気や温水用の他、各種の油やガス等の熱媒体を加熱す
るためのボイラ内に配管される高温パイプも含まれる。
更に、高温パイプが配管されるボイラの種類も、ゴミ焼
却炉からの高温ガスと熱交換するものに限らず、重油、
天然ガス、石炭、微粉炭、コークス等の燃焼ガスと熱交
換するものにも適用することができる。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、本発明のボイラ用高温パ
イプは、蛇行形状を呈するステンレス鋼管における高温
ガス等と接触する外周面にＣｒ及びＭｏを含むＮｉ合金
を粉末肉盛溶接により所定の厚さに溶着した被覆層を設
けたので、種々の高温ガスに長期間に渉って接触して
も、腐食を生じず、しかも、エロージョンの発生を防止
することができる。従って、パイプの耐久性を大幅に向
上させることができ、且つメンテナンスも著しく低減す
ることができる。また、Ｎｉ合金の被覆層を粉末肉盛溶
接によって設けるようにしたので、蛇行形状に折り曲げ
られるステンレス鋼管表面の所望の位置に、必要な長さ
と厚さの被覆層を容易に形成でき、特にＮｉ合金の粉末
をプラズマトーチを用いて肉盛溶接すると、正確、迅速
に、優れた溶接性能の被覆層を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Ａ)は本発明のボイラ用高温パイプの正面図、
(Ｂ)は(Ａ)の一部拡大断面図、(Ｃ)は(Ｂ)中の一点鎖線
で示す部分の拡大断面図である。

【図２】(Ａ)は素材のステンレス鋼管の概略図、(Ｂ)は
該鋼管への肉盛溶接の態様を示す概略図、(Ｃ)は溶接後
に曲げ加工されたパイプの概略正面図、(Ｄ)は(Ｃ)中に
おけるＤ−Ｄ断面図、(Ｅ)及び(Ｆ)はその他の被覆態様
を示す断面図である。

【図３】ゴミ焼却工場の工程を示す概略図である。

【符号の説明】

１………………………高温パイプ２………………………ステンレス鋼管２ａ……………………直線部２ｂ……………………曲線部６………………………被覆層１０……………………プラズマトーチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−41911（ＪＰ，Ａ) 特開平２−185961（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F28F 19/06 C23C 4/08 F22B 1/18,37/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】蛇行形状を呈するステンレス鋼管における
直線部および曲線部のうち高温ガス等と接触する外周面
に、ＣｒおよびＭｏを含むＮｉ合金を粉末肉盛溶接によ
り所定厚さで溶着した被覆層を設けた、ことを特徴とするボイラ用高温パイプ。
【請求項２】前記Ｎｉ合金が、１５〜２０wt％Ｃｒ、９
〜１５wt％Ｍｏ、残部Ｎｉの組成を有するものである、
請求項１に記載のボイラ用高温パイプ。
【請求項３】長尺なステンレス鋼管における高温ガス等
と接触する外周面に、ＣｒおよびＭｏを含むＮｉ合金を
所定厚さで粉末肉盛溶接する工程と、上記鋼管を直線部
と曲線部とを含む蛇行形状に折り曲げる工程と、からな
る、ことを特徴とするボイラ用高温パイプの製造方法。
【請求項４】前記折り曲げ工程において、前記粉末肉盛
溶接が施される外周面は直線部に位置している、請求項
３に記載のボイラ用高温パイプの製造方法。
【請求項５】前記粉末肉盛溶接が、前記Ｎｉ合金の粉末
を不活性ガスと共に供給し、中心からの高温プラズマ流
によって上記粉末を溶融し、その周囲をシールドガスに
よって覆うプラズマトーチを用いる溶接である、請求項３または４に記載のボイラ用高温パイプの製造方
法。