JP3892647B2 - 溶接構造およびそれを備えた熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば天然ガスを熱交換により冷却する熱交換器等を組み立てる際に適用される溶接構造およびそれを備えた熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば天然ガスを処理するプラントに導入される熱交換器や配管、タンク等の設備機器は、低温域における機械的性質や伝熱性に優れたアルミニウム合金を用いて形成されることが望まれている。特に、日本工業規格で規定された５０８３材は、アルミニウム合金の中でも低温域において比較的に高い強度を有するため、上記の設備機器の材質として好適なものとされている。
【０００３】
従って、従来は、５０８３材のアルミニウム合金を押出や切削等の加工処理により所定形状の構成部材として作成する。この後、天然ガスと接触する側の壁面に裏当金を取り付け、他方の壁面側から５０８３材からなる溶接金属を用いて組立て溶接して溶接部を形成することによって、構成部材同士を溶接部を介して接合することにより設備機器として組み上げている場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、溶接金属を用いて溶接する際に、溶融した溶接金属が構成部材と裏当金との隙間から流体に接することがある。この際、流体に接した溶接金属は、マグネシウムを例えば２．０％以上の含有率で含む５０８３材等からなっているため、冷却過程においてマグネシウムがβ層(Mg2Al3)の形態で多量に析出することになる。従って、この状態で組み上げられた設備機器を天然ガスの処理に使用すると、溶接による熱影響部や溶接金属中に析出した多くのマグネシウムが天然ガスに対して直接的に接触するため、マグネシウムと天然ガス中の水銀とが反応することによる応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking) が生じ易い原因になるという問題がある。
【０００５】
従って、本発明は、溶接金属中に析出したマグネシウムと水銀との反応による応力腐食割れを防止することができる溶接構造およびそれを備えた熱交換器を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、水銀を含む処理対象物に接触する接合部位に適用され、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる構成部材の溶接構造であって、前記構成部材における前記処理対象物が接触する側の壁面に設けられる裏当金と、前記裏当金と前記構成部材とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と前記構成部材との当接部から前記第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によれば、裏当金と構成部材との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属と処理対象物との接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が処理対象物側に漏出し、この処理対象物と接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと処理対象物中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなることを特徴としている。上記の構成によれば、裏当金が組立て溶接時の加熱でマグネシウムを析出することになっても、マグネシウムの析出量が低減されるため、この裏当金における応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、前記組立て溶接時の加熱により前記構成部材にマグネシウムが析出する熱影響領域を覆うように形成されていることを特徴としている。上記の構成によれば、熱影響領域を裏当金で覆うことによって、熱影響領域に析出したマグネシウムと処理対象物との接触を防止することができることから、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか１項に記載の溶接構造であって、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されていることを特徴としている。上記の構成によれば、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されるため、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れか１項に記載の溶接構造であって、前記構成部材および溶接部は、マグネシウムを２．０％以上の含有率で含むアルミニウム合金からなり、前記裏当金およびシール部は、マグネシウムの含有率が２．０％未満であるアルミニウム合金からなることを特徴としている。上記の構成によれば、溶接構造に使用する材料を容易に選定することができる。
【００１２】
請求項６の発明は、前記構成部材および溶接部のアルミニウム合金は、請求項５に記載の溶接構造であって、日本工業規格における５０００系として分類される各種合金の中から選択されており、前記裏当金およびシール部のアルミニウム合金は、日本工業規格における１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、６０００系、および７０００系として分類される各種合金の中から選択されていることを特徴としている。上記の構成によれば、標準化された一般的なアルミニウム合金により形成することができるため、材料コストを低減することができる。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１ないし６の何れか１項に記載の溶接構造であって、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位に適用されることを特徴としている。上記の構成によれば、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位における応力腐食割れを防止することができる。
【００１４】
請求項８の発明は、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されたアルミニウム合金からなるヘッダーと装置本体とを組立て溶接することにより形成され、水銀を含む天然ガスに対して熱交換を行う熱交換器であって、前記標準化熱処理前にヘッダーの内壁面に設けられ、前記組立て溶接時に他方の構成部材に当接される裏当金と、前記裏当金とヘッダーと装置本体とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含む第１溶接金属を用いて前記組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と装置本体との当接部において前記第１溶接金属が流体と接しないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満である第２溶接金属を用いて前記当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えたことを特徴としている。
【００１５】
上記の構成によれば、裏当金と装置本体との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属の漏出を防止するため、第１溶接金属と天然ガスとの接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が天然ガス側に漏出し、この天然ガスと接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと天然ガス中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図４に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る溶接構造は、例えば熱交換器の接合部位に適用されている。熱交換器は、図３に示すように、内部に多数のプレートフィンを積層状態に備え、液状やガス状の天然ガスを熱交換する装置本体１と、装置本体１に対して天然ガスや冷媒等を流通させるノズル２と、ノズル２と装置本体１とを連結するヘッダー３とを備えている。これらの各部材２・３は、マグネシウムを４．０％〜４．９％の範囲で含んだ５０８３材のアルミニウム合金で形成されており、標準化熱処理によりβ層(Mg2Al3)の析出が抑制されていると共に、天然ガス中の水銀を内部に侵入させないように皮膜形成処理により皮膜が内壁面に形成されている。
【００１７】
ここで、標準化熱処理とは、２５０℃〜３５０℃に加熱して１時間〜１０時間保持した後、常温まで冷却することによって、組織に偏析がない状態に戻す処理のことである。尚、上記の加熱温度や保持時間、冷却速度は、例示したものであり、装置本体１やヘッダー３の肉厚等により適宜変更されるものである。
【００１８】
また、皮膜形成処理とは、酸化皮膜を形成する場合、装置本体１やヘッダー３内に酸化性ガスを導入し、全流路の出入口を密栓した後、加熱炉における加熱雰囲気中に数時間放置することによって、アルミニウム合金と酸化性ガス中の酸化成分とを反応させて皮膜を形成する処理のことである。尚、酸化性ガスとしては、２５〜３５％の酸素濃度の大気ガスやオゾン（Ｏ3 ）、塩素ガス（Ｃｌ2 ）、ＮＯx 等を用いることができる。また、酸化性ガスとして２５〜３５％の酸素濃度の大気ガスを用いた場合には、上述の標準化熱処理を並行して行うことができるように、加熱雰囲気の温度が２５０〜３５０℃の範囲であることが望ましく、放置時間（処理時間）が１〜１０時間程度であることが望ましい。
【００１９】
また、皮膜形成処理は、水酸化皮膜を形成する場合、上述の酸化性ガスの代わりに常温のアルカリ水溶液を導入し、このアルカリ水溶液を数十秒保持させることによって、アルミニウム合金とアルカリ水溶液中のアルカリ成分とを反応させることにより皮膜を形成する処理のことである。尚、アルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム溶液（ＮａＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）2 ）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）2 ）等を用いることができる。また、アルカリ水溶液に水酸化ナトリウム溶液を用いた場合には、水酸化ナトリウム濃度が１〜７％の範囲であることが望ましく、放置時間（処理時間）が９０秒程度であることが望ましい。
【００２０】
上記の装置本体１とヘッダー３とは、図１に示すように、裏当金４と溶接部５とを含む接合構造により接続されている。即ち、この接合構造は、装置本体１における平面状の取り付け面１ａと、取り付け面１ａに対して内壁面側（天然ガス側）から外壁面側にかけて隙間を拡大させるように傾斜されたヘッダー３の接合面３ａと、ヘッダー３の内壁面に固設された裏当金４と、裏当金４の上端部をヘッダー３に接合させる接合部７と、裏当金４と各面１ａ・３ａとの空間部に形成された溶接部５と、溶接金属が流体と接するのを防止するように裏当金４と取り付け面１ａとの隙間に形成されたシール部６とを有している。
【００２１】
上記の裏当金４は、溶接による加熱でβ層(Mg2Al3)を再析出させる熱影響領域を覆うようなサイズおよび形状に形成されている。例えば取り付け面１ａから３０ｍｍの高さ位置までの範囲に熱影響領域が存在する場合には、図２に示すように、この熱影響領域を十分に覆うことができるように、例えば取り付け面１ａから４０ｍｍの高さを有するように裏当金４のサイズが決定される。また、裏当金４は、マグネシウムを含まない３００３材のアルミニウム合金により形成されており、組立て溶接時に高温状態に加熱されても、β層(Mg2Al3)の析出が生じないようにされている。さらに、裏当金４は、接合面４ａがヘッダー３の接合面３ａと同一方向に傾斜されており、例えば４５度の角度に設定されている。
【００２２】
上記の裏当金４の接合面４ａと取り付け面１ａとで形成される空間部には、図１に示すように、上述のシール部６が形成されている。シール部６は、β層(Mg2Al3)の析出を最小限に抑制するように、マグネシウムが０．０５％以下の４０４３材のアルミニウム合金からなっており、ヘッダー３と装置本体１とを接合する直前にシール溶接により形成される。一方、裏当金４をヘッダー３に固設する接合部７は、標準化熱処理や皮膜形成処理を行う前に溶接により形成されており、シール部６と同様の４０４３材のアルミニウム合金からなっている。また、溶接部５は、後述の組立て溶接により形成されており、ヘッダー３と装置本体１とを強固に接合するように、５１８３材のアルミニウム合金からなっている。
【００２３】
上記の構成において、熱交換器の製造方法および動作について説明する。
先ず、５１８３材および３００３材からなる押出形材や板材を用意すると共に、５０８３材および４０４３材からなる溶接金属を用意する。そして、５０８３材からなる押出形材や板材を所定のサイズに切り出すと共に、必要に応じて所定の形状に成形した後、図３に示すように、内部にフィンを備えた装置本体１やノズル２、ヘッダー３として組み立てる。また、図１に示すように、後述の組立て溶接時において、ヘッダー３にβ層(Mg2Al3)が析出する熱影響領域を溶接条件やヘッダー３の板厚等に基づいて求め、この熱影響領域（例えば取り付け面１ａから３０ｍｍの範囲）を十分に覆うことができる裏当金４を３００３材の板材から切り出し、一端部に接合面４ａを形成する。
【００２４】
次に、ノズル２とヘッダー３とを５０８３材により溶接する。また、この溶接に前後して、裏当金４の接合面４ａがヘッダー３の接合面３ａから下方に突出するように、ヘッダー３の内壁面に裏当金４を当接させながら、裏当金４の上端部とヘッダー３の内壁面とを４０４３材からなる溶接金属により溶接することによって、裏当金４とヘッダー３とを接合部７で固設する。
【００２５】
次いで、溶接されたノズル２とヘッダー３内に酸化性ガスを導入し、全流路の出入口を密栓した後、加熱炉内に搬入する。そして、例えば３００℃の加熱雰囲気中に５時間放置することによって、アルミニウム合金と酸化性ガス中の酸化成分とを反応させて酸化性皮膜を形成する（皮膜形成処理）。この後、加熱温度を緩やかに低下させて２００℃にまで温度が低下したときに、５０℃／時間の冷却速度でもって強制的に冷却することによって、β層(Mg2Al3)の析出を防止する（標準化熱処理）。
【００２６】
これにより、ノズル２やヘッダー３、ノズル２とヘッダー３とを接合した溶接部は、マグネシウムを比較的に多く含む５１８３材で形成されていても、マグネシウムがβ層(Mg2Al3)の形態で析出する量は極めて少なく、さらに、各部材２・３や溶接部の内壁面側が酸活性皮膜で覆われているため、天然ガス中の水銀が各部材２・３や溶接部のマグネシウムと反応することによる応力腐食割れが生じ難い状態になる。また、裏当金４をヘッダー３に固設する接合部７は、マグネシウムの含有率（０．０５％以下）が小さい４０４３材で形成されているため、応力腐食割れが一層生じ難い状態になる。尚、裏当金４は、マグネシウムを含有しない３００３材で形成されているため、β層(Mg2Al3)の析出による応力腐食割れを生じることは殆どない。
【００２７】
上記のようにして各部材２・３への皮膜形成処理および標準化熱処理が完了すると、続いて組立て溶接処理を行う。即ち、装置本体１の取り付け面１ａに対して裏当金４の接合面４ａの先端が当接するように、この裏当金４が固設されたヘッダー３を位置決めする。そして、裏当金４の接合面４ａと取り付け面１ａとで形成された空間部に対して４０４３材の溶接金属を用いたシール溶接を行うことによって、４０４３材からなるシール部６を形成する。この際、マグネシウムの含有率が小さい４０４３材の溶接金属を用いているため、シール部６の形成時に、接合面４ａと取り付け面１ａとの隙間からシール部６の溶接金属が流体に接した場合であっても、β層(Mg2Al3)の析出による応力腐食割れの危険性は、５０８３材が漏出する場合よりも極めて小さな状態になる。
【００２８】
この後、装置本体１の取り付け面１ａとヘッダー３の接合面３ａと裏当金４とシール部６とで形成された空間部に対して５１８３材の溶接金属を用いた組立て溶接を行うことによって、５１８３材からなる溶接部５を形成する。この際、溶接時の熱量の一部がヘッダー３を伝達し、熱影響領域を高温度に加熱するため、この熱影響領域にβ層(Mg2Al3)が析出することがある。ところが、裏当金４が熱影響領域を覆うように形成および設けられているため、熱影響領域に再析出したβ層(Mg2Al3)のマグネシウムが天然ガスに直接的に接触することはない。また、組立て溶接時においては、裏当金４も熱影響領域と同程度の高温度に加熱されることになるが、裏当金４を構成する３００３材がマグネシウムを含有していないため、β層(Mg2Al3)を析出することはない。さらに、裏当金４の接合面４ａと取り付け面１ａとの隙間がシール部６により完全に塞がれているため、溶接時に５１８３材からなる溶接金属が天然ガスと接することもない。
【００２９】
これにより、組立て溶接処理により溶接部５やヘッダー３にβ層(Mg2Al3)が析出することになっても、裏当金４等によりβ層(Mg2Al3)と天然ガスとの接触が十分に防止された状態になる。この結果、熱交換器が液化天然ガス製造プラントに導入され、水銀を含んだ天然ガスに対して熱交換を行うようになっても、溶接部５や溶接部５周辺における応力腐食割れの発生が十分に防止されることになる。
【００３０】
以上のように、水銀を含む天然ガス（処理対象物）に接触する接合部位に適用され、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる構成部材の溶接構造は、構成部材における処理対象物が接触する側の壁面に設けられる裏当金４と、裏当金４と構成部材とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部５と、裏当金４と構成部材との当接部から第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部６とを備えた構成にされている。
【００３１】
具体的には、本実施形態の溶接構造は、熱交換器の接合部位に適用されており、熱交換器は、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されたアルミニウム合金からなるノズル２（構成部材）とヘッダー３（構成部材）とを装置本体１に組立て溶接することにより形成され、水銀を含む天然ガス（処理対象物）に対して熱交換を行うものであり、標準化熱処理前に一方のヘッダー３の内壁面に設けられ、組立て溶接時に他方の装置本体１に当接される裏当金４と、裏当金４と装置本体１およびヘッダー３とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部５と、裏当金４と装置本体１との当接部から第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部６とを備えた構成にされている。
【００３２】
尚、本実施形態の溶接構造は、組立て溶接前に標準化熱処理および皮膜形成処理を行っているが、β層(Mg2Al3)の析出状態に基づいて必要に応じて行えば良いものであり、各処理の一方が行われても良いし、両処理ともに行われなくても良い。また、本実施形態の溶接構造は、天然ガスを熱交換する熱交換器の接合部位に適用される場合について説明しているが、これに限定されるものでもない。即ち、水銀を含む全ての液状や粉状の流体、これらの流体や固体を含む処理対象物に適用することができる。従って、本実施形態の溶接構造は、液化天然ガス製造プラントの他、エチレン製造プラントやアンモニア製造プラント等の各種プラントに導入される熱交換器やタンク、配管等の設備機器の接合部位に適用することもできる。
【００３３】
具体的に説明すると、図４に示すように、先ず、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含む５０８３材等のアルミニウム合金からなる材料を準備した後、この材料を加工することによって、タンクの胴体部分や配管の一部を構成する第１円筒部材３１（構成部材）および第２円筒部材３２（構成部材）を作成する。
【００３４】
また、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）である３００３材等のアルミニウム合金からなる材料を用意した後、この材料を加工することによって、円管状の裏当金３３を作成する。尚、裏当金３３は、各円筒部材３１・３２にβ層(Mg2Al3)が析出する熱影響領域を覆うことができるような長さに設定しておくと共に、各円筒部材３１・３２の天然ガス側の壁面となる内壁面に外周面が接触するような外周径に設定しておく。
【００３５】
この後、両円筒部材３１・３２の先端部３１ａ・３２ａ同士を所定距離を隔てて突き合わせた後、両円筒部材３１・３２内に裏当金３３を嵌挿する。そして、裏当金３３の両端が突き合わせの中心位置から左右対称の位置に存在するように、裏当金３３を位置決めする。
【００３６】
次に、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）である４０４３材等の第２溶接金属を準備する。そして、裏当金３３の先端部３１ａ・３２ａと各円筒部材３１・３２の内壁面との当接部の全体を第２溶接金属でシール溶接することによって、当接部の全体にシール部３４を形成する。
【００３７】
この後、必要に応じて標準化熱処理によりβ層(Mg2Al3)の析出を抑制したり、皮膜形成処理により内壁面に皮膜を形成する。そして、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含む５０８３材等の第１溶接金属を準備し、両円筒部材３２・３１の先端部３１ａ・３２ａと裏当金３３とで形成された空間部を第１溶接金属で組立て溶接する。これにより、この空間部に溶接部３５を形成し、この溶接部３５を介して第１円筒部材３１と第２円筒部材３２とを接合することによって、タンクや配管の接合部位における溶接構造を完成する。
【００３８】
上記の製造過程を経て完成された溶接構造であれば、第１溶接金属により溶接部３５を形成する組立て溶接時に、溶融状態の第１溶接金属が裏当金３３と円筒部材３１・３２との隙間に進入しても、裏当金３３の両端全体がシール部３４で封止された状態になっているため、裏当金３３の両端から流体に接することはない。これにより、第１溶接金属が冷却されてβ層(Mg2Al3)が析出することになっても、天然ガス中の水銀と直接的に接触することがないため、応力腐食割れの発生が防止されたものになる。
【００３９】
また、組立て溶接時に、両円筒部材３１・３１が溶接部３５からの熱伝達により加熱されると、両円筒部材３１・３１の熱影響領域にβ層(Mg2Al3)が析出することになる。ところが、裏当金３３が熱影響領域を覆うように形成および設けられているため、熱影響領域に析出したβ層(Mg2Al3)のマグネシウムが天然ガスに直接的に接触することはない。また、組立て溶接時においては、裏当金３３も熱影響領域と同程度の高温度に加熱されることになるが、裏当金４を構成する３００３材がマグネシウムを含有していないため、β層(Mg2Al3)を析出することはない。
【００４０】
尚、本実施形態における溶接構造は、構成部材となる装置本体１やヘッダー３、円筒部材３１・３２および溶接部５・３５は、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含む全てのアルミニウム合金で形成することができる。具体的には、日本工業規格における５０００系として分類される５０５２材、５６５２材、５１５４材、５２５４材、５４５４材、５０５６材、５０８２材、５１８２材、５０８３材、および５０８６材のアルミニウム合金の中から選択して形成することができる。
【００４１】
また、裏当金４・３３およびシール部６・３４は、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）である全てのアルミニウム合金で形成することができる。即ち、裏当金４・３３およびシール部６・３４は、日本工業規格における１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、６０００系、および７０００系として分類される各種合金の中から選択することができる。
【００４２】
尚、１０００系としては、１Ｎ９９材や１Ｎ９０材、１０８５材、１０８０材、１０７０材、１０６０材、１０５０材、１２３０材、１Ｎ３０材、１１００材、１２００材、１Ｎ００材が存在する。２０００系としては、２０１１材や２０１４材、２０１７材、２１１７材、２０１８材、２２１８材、２６１８材、２２１９材、２０２４材、２０２５材、２Ｎ０１材が存在する。３０００系としては、３００３材や３２０３材、３００４材、３１０４材、３００５材、３１０５材等が存在する。４０００系としては、４０３２材等が存在する。６０００系としては、６１０１材や６００３材、６１５１材、６０６１材、６Ｎ０１材、６０６３材等が存在する。７０００系としては、７００３材や７Ｎ０１材、７０５０材、７０７２材等が存在する。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、水銀を含む処理対象物に接触する接合部位に適用され、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる構成部材の溶接構造であって、前記構成部材における前記処理対象物が接触する側の壁面に設けられる裏当金と、前記裏当金と前記構成部材とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と前記構成部材との当接部から前記第１溶接金属が流体と接することを妨げるために、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えた構成である。
【００４４】
上記の構成によれば、裏当金と構成部材との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属の漏出を防止するため、第１溶接金属と処理対象物との接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が処理対象物側に漏出し、この処理対象物と接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと処理対象物中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【００４５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなる構成である。上記の構成によれば、裏当金が組立て溶接時の加熱でマグネシウムを析出することになっても、マグネシウムの析出量が低減されるため、この裏当金における応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【００４６】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、前記組立て溶接時の加熱により前記構成部材にマグネシウムが析出する熱影響領域を覆うように形成されている構成である。上記の構成によれば、熱影響領域を裏当金で覆うことによって、熱影響領域に析出したマグネシウムと処理対象物との接触を防止することができることから、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００４７】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか１項に記載の溶接構造であって、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されている構成である。上記の構成によれば、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されるため、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００４８】
請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れか１項に記載の溶接構造であって、前記構成部材および溶接部は、マグネシウムを２．０％以上の含有率で含むアルミニウム合金からなり、前記裏当金およびシール部は、マグネシウムの含有率が２．０％未満であるアルミニウム合金からなる構成である。上記の構成によれば、溶接構造に使用する材料を容易に選定することができる。
【００４９】
請求項６の発明は、前記構成部材および溶接部のアルミニウム合金は、請求項５に記載の溶接構造であって、日本工業規格における５０００系として分類される各種合金の中から選択されており、前記裏当金およびシール部のアルミニウム合金は、日本工業規格における１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、６０００系、および７０００系として分類される各種合金の中から選択されている構成である。上記の構成によれば、標準化された一般的なアルミニウム合金により形成することができるため、材料コストを低減することができる。
【００５０】
請求項７の発明は、請求項１ないし６の何れか１項に記載の溶接構造であって、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位に適用される構成である。上記の構成によれば、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位における応力腐食割れを防止することができる。
【００５１】
請求項８の発明は、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されたアルミニウム合金からなるヘッダーと装置本体とを組立て溶接することにより形成され、水銀を含む天然ガスに対して熱交換を行う熱交換器であって、前記標準化熱処理前にヘッダーの内壁面に設けられ、前記組立て溶接時に他方の構成部材に当接される裏当金と、前記裏当金とヘッダーと装置本体とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含む第１溶接金属を用いて前記組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と装置本体との当接部から前記第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満である第２溶接金属を用いて前記当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えた構成である。
【００５２】
上記の構成によれば、裏当金と装置本体との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属の漏出を防止するため、第１溶接金属と天然ガスとの接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が天然ガス側に漏出し、この天然ガスと接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと天然ガス中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
請求項１の発明は、
【図面の簡単な説明】
【図１】装置本体とヘッダーとが接合された状態を示す説明図である。
【図２】裏当金が取り付け面に当接された状態を示す説明図である。
【図３】熱交換器の斜視図である。
【図４】円筒部材同士が接合された状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 装置本体
１ａ 取り付け面
２ ノズル
３ ヘッダー
３ａ 接合面
４ 裏当金
４ａ 接合面
５ 溶接部
６ シール部
７ 接合部
３１ 第１円筒部材
３２ 第２円筒部材
３３ 裏当金
３４ シール部
３５ 溶接部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば天然ガスを熱交換により冷却する熱交換器等を組み立てる際に適用される溶接構造およびそれを備えた熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば天然ガスを処理するプラントに導入される熱交換器や配管、タンク等の設備機器は、低温域における機械的性質や伝熱性に優れたアルミニウム合金を用いて形成されることが望まれている。特に、日本工業規格で規定された５０８３材は、アルミニウム合金の中でも低温域において比較的に高い強度を有するため、上記の設備機器の材質として好適なものとされている。
【０００３】
従って、従来は、５０８３材のアルミニウム合金を押出や切削等の加工処理により所定形状の構成部材として作成する。この後、天然ガスと接触する側の壁面に裏当金を取り付け、他方の壁面側から５０８３材からなる溶接金属を用いて組立て溶接して溶接部を形成することによって、構成部材同士を溶接部を介して接合することにより設備機器として組み上げている場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、溶接金属を用いて溶接する際に、溶融した溶接金属が構成部材と裏当金との隙間から流体に接することがある。この際、流体に接した溶接金属は、マグネシウムを例えば２．０％以上の含有率で含む５０８３材等からなっているため、冷却過程においてマグネシウムがβ層(Mg2Al3)の形態で多量に析出することになる。従って、この状態で組み上げられた設備機器を天然ガスの処理に使用すると、溶接による熱影響部や溶接金属中に析出した多くのマグネシウムが天然ガスに対して直接的に接触するため、マグネシウムと天然ガス中の水銀とが反応することによる応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking) が生じ易い原因になるという問題がある。
【０００５】
従って、本発明は、溶接金属中に析出したマグネシウムと水銀との反応による応力腐食割れを防止することができる溶接構造およびそれを備えた熱交換器を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、水銀を含む処理対象物に接触する接合部位に適用され、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる構成部材の溶接構造であって、前記構成部材における前記処理対象物が接触する側の壁面に設けられる裏当金と、前記裏当金と前記構成部材とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と前記構成部材との当接部から前記第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によれば、裏当金と構成部材との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属と処理対象物との接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が処理対象物側に漏出し、この処理対象物と接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと処理対象物中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなることを特徴としている。上記の構成によれば、裏当金が組立て溶接時の加熱でマグネシウムを析出することになっても、マグネシウムの析出量が低減されるため、この裏当金における応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、前記組立て溶接時の加熱により前記構成部材にマグネシウムが析出する熱影響領域を覆うように形成されていることを特徴としている。上記の構成によれば、熱影響領域を裏当金で覆うことによって、熱影響領域に析出したマグネシウムと処理対象物との接触を防止することができることから、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか１項に記載の溶接構造であって、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されていることを特徴としている。上記の構成によれば、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されるため、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れか１項に記載の溶接構造であって、前記構成部材および溶接部は、マグネシウムを２．０％以上の含有率で含むアルミニウム合金からなり、前記裏当金およびシール部は、マグネシウムの含有率が２．０％未満であるアルミニウム合金からなることを特徴としている。上記の構成によれば、溶接構造に使用する材料を容易に選定することができる。
【００１２】
請求項６の発明は、前記構成部材および溶接部のアルミニウム合金は、請求項５に記載の溶接構造であって、日本工業規格における５０００系として分類される各種合金の中から選択されており、前記裏当金およびシール部のアルミニウム合金は、日本工業規格における１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、６０００系、および７０００系として分類される各種合金の中から選択されていることを特徴としている。上記の構成によれば、標準化された一般的なアルミニウム合金により形成することができるため、材料コストを低減することができる。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１ないし６の何れか１項に記載の溶接構造であって、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位に適用されることを特徴としている。上記の構成によれば、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位における応力腐食割れを防止することができる。
【００１４】
請求項８の発明は、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されたアルミニウム合金からなるヘッダーと装置本体とを組立て溶接することにより形成され、水銀を含む天然ガスに対して熱交換を行う熱交換器であって、前記標準化熱処理前にヘッダーの内壁面に設けられ、前記組立て溶接時に他方の構成部材に当接される裏当金と、前記裏当金とヘッダーと装置本体とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含む第１溶接金属を用いて前記組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と装置本体との当接部において前記第１溶接金属が流体と接しないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満である第２溶接金属を用いて前記当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えたことを特徴としている。
【００１５】
上記の構成によれば、裏当金と装置本体との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属の漏出を防止するため、第１溶接金属と天然ガスとの接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が天然ガス側に漏出し、この天然ガスと接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと天然ガス中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図４に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る溶接構造は、例えば熱交換器の接合部位に適用されている。熱交換器は、図３に示すように、内部に多数のプレートフィンを積層状態に備え、液状やガス状の天然ガスを熱交換する装置本体１と、装置本体１に対して天然ガスや冷媒等を流通させるノズル２と、ノズル２と装置本体１とを連結するヘッダー３とを備えている。これらの各部材２・３は、マグネシウムを４．０％〜４．９％の範囲で含んだ５０８３材のアルミニウム合金で形成されており、標準化熱処理によりβ層(Mg2Al3)の析出が抑制されていると共に、天然ガス中の水銀を内部に侵入させないように皮膜形成処理により皮膜が内壁面に形成されている。
【００１７】
ここで、標準化熱処理とは、２５０℃〜３５０℃に加熱して１時間〜１０時間保持した後、常温まで冷却することによって、組織に偏析がない状態に戻す処理のことである。尚、上記の加熱温度や保持時間、冷却速度は、例示したものであり、装置本体１やヘッダー３の肉厚等により適宜変更されるものである。
【００１８】
また、皮膜形成処理とは、酸化皮膜を形成する場合、装置本体１やヘッダー３内に酸化性ガスを導入し、全流路の出入口を密栓した後、加熱炉における加熱雰囲気中に数時間放置することによって、アルミニウム合金と酸化性ガス中の酸化成分とを反応させて皮膜を形成する処理のことである。尚、酸化性ガスとしては、２５〜３５％の酸素濃度の大気ガスやオゾン（Ｏ3 ）、塩素ガス（Ｃｌ2 ）、ＮＯx 等を用いることができる。また、酸化性ガスとして２５〜３５％の酸素濃度の大気ガスを用いた場合には、上述の標準化熱処理を並行して行うことができるように、加熱雰囲気の温度が２５０〜３５０℃の範囲であることが望ましく、放置時間（処理時間）が１〜１０時間程度であることが望ましい。
【００１９】
また、皮膜形成処理は、水酸化皮膜を形成する場合、上述の酸化性ガスの代わりに常温のアルカリ水溶液を導入し、このアルカリ水溶液を数十秒保持させることによって、アルミニウム合金とアルカリ水溶液中のアルカリ成分とを反応させることにより皮膜を形成する処理のことである。尚、アルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム溶液（ＮａＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）2 ）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）2 ）等を用いることができる。また、アルカリ水溶液に水酸化ナトリウム溶液を用いた場合には、水酸化ナトリウム濃度が１〜７％の範囲であることが望ましく、放置時間（処理時間）が９０秒程度であることが望ましい。
【００２０】
上記の装置本体１とヘッダー３とは、図１に示すように、裏当金４と溶接部５とを含む接合構造により接続されている。即ち、この接合構造は、装置本体１における平面状の取り付け面１ａと、取り付け面１ａに対して内壁面側（天然ガス側）から外壁面側にかけて隙間を拡大させるように傾斜されたヘッダー３の接合面３ａと、ヘッダー３の内壁面に固設された裏当金４と、裏当金４の上端部をヘッダー３に接合させる接合部７と、裏当金４と各面１ａ・３ａとの空間部に形成された溶接部５と、溶接金属が流体と接するのを防止するように裏当金４と取り付け面１ａとの隙間に形成されたシール部６とを有している。
【００２１】
上記の裏当金４は、溶接による加熱でβ層(Mg2Al3)を再析出させる熱影響領域を覆うようなサイズおよび形状に形成されている。例えば取り付け面１ａから３０ｍｍの高さ位置までの範囲に熱影響領域が存在する場合には、図２に示すように、この熱影響領域を十分に覆うことができるように、例えば取り付け面１ａから４０ｍｍの高さを有するように裏当金４のサイズが決定される。また、裏当金４は、マグネシウムを含まない３００３材のアルミニウム合金により形成されており、組立て溶接時に高温状態に加熱されても、β層(Mg2Al3)の析出が生じないようにされている。さらに、裏当金４は、接合面４ａがヘッダー３の接合面３ａと同一方向に傾斜されており、例えば４５度の角度に設定されている。
【００２２】
上記の裏当金４の接合面４ａと取り付け面１ａとで形成される空間部には、図１に示すように、上述のシール部６が形成されている。シール部６は、β層(Mg2Al3)の析出を最小限に抑制するように、マグネシウムが０．０５％以下の４０４３材のアルミニウム合金からなっており、ヘッダー３と装置本体１とを接合する直前にシール溶接により形成される。一方、裏当金４をヘッダー３に固設する接合部７は、標準化熱処理や皮膜形成処理を行う前に溶接により形成されており、シール部６と同様の４０４３材のアルミニウム合金からなっている。また、溶接部５は、後述の組立て溶接により形成されており、ヘッダー３と装置本体１とを強固に接合するように、５１８３材のアルミニウム合金からなっている。
【００２３】
上記の構成において、熱交換器の製造方法および動作について説明する。
先ず、５１８３材および３００３材からなる押出形材や板材を用意すると共に、５０８３材および４０４３材からなる溶接金属を用意する。そして、５０８３材からなる押出形材や板材を所定のサイズに切り出すと共に、必要に応じて所定の形状に成形した後、図３に示すように、内部にフィンを備えた装置本体１やノズル２、ヘッダー３として組み立てる。また、図１に示すように、後述の組立て溶接時において、ヘッダー３にβ層(Mg2Al3)が析出する熱影響領域を溶接条件やヘッダー３の板厚等に基づいて求め、この熱影響領域（例えば取り付け面１ａから３０ｍｍの範囲）を十分に覆うことができる裏当金４を３００３材の板材から切り出し、一端部に接合面４ａを形成する。
【００２４】
次に、ノズル２とヘッダー３とを５０８３材により溶接する。また、この溶接に前後して、裏当金４の接合面４ａがヘッダー３の接合面３ａから下方に突出するように、ヘッダー３の内壁面に裏当金４を当接させながら、裏当金４の上端部とヘッダー３の内壁面とを４０４３材からなる溶接金属により溶接することによって、裏当金４とヘッダー３とを接合部７で固設する。
【００２５】
次いで、溶接されたノズル２とヘッダー３内に酸化性ガスを導入し、全流路の出入口を密栓した後、加熱炉内に搬入する。そして、例えば３００℃の加熱雰囲気中に５時間放置することによって、アルミニウム合金と酸化性ガス中の酸化成分とを反応させて酸化性皮膜を形成する（皮膜形成処理）。この後、加熱温度を緩やかに低下させて２００℃にまで温度が低下したときに、５０℃／時間の冷却速度でもって強制的に冷却することによって、β層(Mg2Al3)の析出を防止する（標準化熱処理）。
【００２６】
これにより、ノズル２やヘッダー３、ノズル２とヘッダー３とを接合した溶接部は、マグネシウムを比較的に多く含む５１８３材で形成されていても、マグネシウムがβ層(Mg2Al3)の形態で析出する量は極めて少なく、さらに、各部材２・３や溶接部の内壁面側が酸活性皮膜で覆われているため、天然ガス中の水銀が各部材２・３や溶接部のマグネシウムと反応することによる応力腐食割れが生じ難い状態になる。また、裏当金４をヘッダー３に固設する接合部７は、マグネシウムの含有率（０．０５％以下）が小さい４０４３材で形成されているため、応力腐食割れが一層生じ難い状態になる。尚、裏当金４は、マグネシウムを含有しない３００３材で形成されているため、β層(Mg2Al3)の析出による応力腐食割れを生じることは殆どない。
【００２７】
上記のようにして各部材２・３への皮膜形成処理および標準化熱処理が完了すると、続いて組立て溶接処理を行う。即ち、装置本体１の取り付け面１ａに対して裏当金４の接合面４ａの先端が当接するように、この裏当金４が固設されたヘッダー３を位置決めする。そして、裏当金４の接合面４ａと取り付け面１ａとで形成された空間部に対して４０４３材の溶接金属を用いたシール溶接を行うことによって、４０４３材からなるシール部６を形成する。この際、マグネシウムの含有率が小さい４０４３材の溶接金属を用いているため、シール部６の形成時に、接合面４ａと取り付け面１ａとの隙間からシール部６の溶接金属が流体に接した場合であっても、β層(Mg2Al3)の析出による応力腐食割れの危険性は、５０８３材が漏出する場合よりも極めて小さな状態になる。
【００２８】
この後、装置本体１の取り付け面１ａとヘッダー３の接合面３ａと裏当金４とシール部６とで形成された空間部に対して５１８３材の溶接金属を用いた組立て溶接を行うことによって、５１８３材からなる溶接部５を形成する。この際、溶接時の熱量の一部がヘッダー３を伝達し、熱影響領域を高温度に加熱するため、この熱影響領域にβ層(Mg2Al3)が析出することがある。ところが、裏当金４が熱影響領域を覆うように形成および設けられているため、熱影響領域に再析出したβ層(Mg2Al3)のマグネシウムが天然ガスに直接的に接触することはない。また、組立て溶接時においては、裏当金４も熱影響領域と同程度の高温度に加熱されることになるが、裏当金４を構成する３００３材がマグネシウムを含有していないため、β層(Mg2Al3)を析出することはない。さらに、裏当金４の接合面４ａと取り付け面１ａとの隙間がシール部６により完全に塞がれているため、溶接時に５１８３材からなる溶接金属が天然ガスと接することもない。
【００２９】
これにより、組立て溶接処理により溶接部５やヘッダー３にβ層(Mg2Al3)が析出することになっても、裏当金４等によりβ層(Mg2Al3)と天然ガスとの接触が十分に防止された状態になる。この結果、熱交換器が液化天然ガス製造プラントに導入され、水銀を含んだ天然ガスに対して熱交換を行うようになっても、溶接部５や溶接部５周辺における応力腐食割れの発生が十分に防止されることになる。
【００３０】
以上のように、水銀を含む天然ガス（処理対象物）に接触する接合部位に適用され、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる構成部材の溶接構造は、構成部材における処理対象物が接触する側の壁面に設けられる裏当金４と、裏当金４と構成部材とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部５と、裏当金４と構成部材との当接部から第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部６とを備えた構成にされている。
【００３１】
具体的には、本実施形態の溶接構造は、熱交換器の接合部位に適用されており、熱交換器は、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されたアルミニウム合金からなるノズル２（構成部材）とヘッダー３（構成部材）とを装置本体１に組立て溶接することにより形成され、水銀を含む天然ガス（処理対象物）に対して熱交換を行うものであり、標準化熱処理前に一方のヘッダー３の内壁面に設けられ、組立て溶接時に他方の装置本体１に当接される裏当金４と、裏当金４と装置本体１およびヘッダー３とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部５と、裏当金４と装置本体１との当接部から第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部６とを備えた構成にされている。
【００３２】
尚、本実施形態の溶接構造は、組立て溶接前に標準化熱処理および皮膜形成処理を行っているが、β層(Mg2Al3)の析出状態に基づいて必要に応じて行えば良いものであり、各処理の一方が行われても良いし、両処理ともに行われなくても良い。また、本実施形態の溶接構造は、天然ガスを熱交換する熱交換器の接合部位に適用される場合について説明しているが、これに限定されるものでもない。即ち、水銀を含む全ての液状や粉状の流体、これらの流体や固体を含む処理対象物に適用することができる。従って、本実施形態の溶接構造は、液化天然ガス製造プラントの他、エチレン製造プラントやアンモニア製造プラント等の各種プラントに導入される熱交換器やタンク、配管等の設備機器の接合部位に適用することもできる。
【００３３】
具体的に説明すると、図４に示すように、先ず、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含む５０８３材等のアルミニウム合金からなる材料を準備した後、この材料を加工することによって、タンクの胴体部分や配管の一部を構成する第１円筒部材３１（構成部材）および第２円筒部材３２（構成部材）を作成する。
【００３４】
また、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）である３００３材等のアルミニウム合金からなる材料を用意した後、この材料を加工することによって、円管状の裏当金３３を作成する。尚、裏当金３３は、各円筒部材３１・３２にβ層(Mg2Al3)が析出する熱影響領域を覆うことができるような長さに設定しておくと共に、各円筒部材３１・３２の天然ガス側の壁面となる内壁面に外周面が接触するような外周径に設定しておく。
【００３５】
この後、両円筒部材３１・３２の先端部３１ａ・３２ａ同士を所定距離を隔てて突き合わせた後、両円筒部材３１・３２内に裏当金３３を嵌挿する。そして、裏当金３３の両端が突き合わせの中心位置から左右対称の位置に存在するように、裏当金３３を位置決めする。
【００３６】
次に、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）である４０４３材等の第２溶接金属を準備する。そして、裏当金３３の先端部３１ａ・３２ａと各円筒部材３１・３２の内壁面との当接部の全体を第２溶接金属でシール溶接することによって、当接部の全体にシール部３４を形成する。
【００３７】
この後、必要に応じて標準化熱処理によりβ層(Mg2Al3)の析出を抑制したり、皮膜形成処理により内壁面に皮膜を形成する。そして、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含む５０８３材等の第１溶接金属を準備し、両円筒部材３２・３１の先端部３１ａ・３２ａと裏当金３３とで形成された空間部を第１溶接金属で組立て溶接する。これにより、この空間部に溶接部３５を形成し、この溶接部３５を介して第１円筒部材３１と第２円筒部材３２とを接合することによって、タンクや配管の接合部位における溶接構造を完成する。
【００３８】
上記の製造過程を経て完成された溶接構造であれば、第１溶接金属により溶接部３５を形成する組立て溶接時に、溶融状態の第１溶接金属が裏当金３３と円筒部材３１・３２との隙間に進入しても、裏当金３３の両端全体がシール部３４で封止された状態になっているため、裏当金３３の両端から流体に接することはない。これにより、第１溶接金属が冷却されてβ層(Mg2Al3)が析出することになっても、天然ガス中の水銀と直接的に接触することがないため、応力腐食割れの発生が防止されたものになる。
【００３９】
また、組立て溶接時に、両円筒部材３１・３１が溶接部３５からの熱伝達により加熱されると、両円筒部材３１・３１の熱影響領域にβ層(Mg2Al3)が析出することになる。ところが、裏当金３３が熱影響領域を覆うように形成および設けられているため、熱影響領域に析出したβ層(Mg2Al3)のマグネシウムが天然ガスに直接的に接触することはない。また、組立て溶接時においては、裏当金３３も熱影響領域と同程度の高温度に加熱されることになるが、裏当金４を構成する３００３材がマグネシウムを含有していないため、β層(Mg2Al3)を析出することはない。
【００４０】
尚、本実施形態における溶接構造は、構成部材となる装置本体１やヘッダー３、円筒部材３１・３２および溶接部５・３５は、マグネシウムを所定の含有率以上（２．０％以上の含有率）で含む全てのアルミニウム合金で形成することができる。具体的には、日本工業規格における５０００系として分類される５０５２材、５６５２材、５１５４材、５２５４材、５４５４材、５０５６材、５０８２材、５１８２材、５０８３材、および５０８６材のアルミニウム合金の中から選択して形成することができる。
【００４１】
また、裏当金４・３３およびシール部６・３４は、マグネシウムの含有率が所定の含有率未満（２．０％未満の含有率）である全てのアルミニウム合金で形成することができる。即ち、裏当金４・３３およびシール部６・３４は、日本工業規格における１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、６０００系、および７０００系として分類される各種合金の中から選択することができる。
【００４２】
尚、１０００系としては、１Ｎ９９材や１Ｎ９０材、１０８５材、１０８０材、１０７０材、１０６０材、１０５０材、１２３０材、１Ｎ３０材、１１００材、１２００材、１Ｎ００材が存在する。２０００系としては、２０１１材や２０１４材、２０１７材、２１１７材、２０１８材、２２１８材、２６１８材、２２１９材、２０２４材、２０２５材、２Ｎ０１材が存在する。３０００系としては、３００３材や３２０３材、３００４材、３１０４材、３００５材、３１０５材等が存在する。４０００系としては、４０３２材等が存在する。６０００系としては、６１０１材や６００３材、６１５１材、６０６１材、６Ｎ０１材、６０６３材等が存在する。７０００系としては、７００３材や７Ｎ０１材、７０５０材、７０７２材等が存在する。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、水銀を含む処理対象物に接触する接合部位に適用され、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる構成部材の溶接構造であって、前記構成部材における前記処理対象物が接触する側の壁面に設けられる裏当金と、前記裏当金と前記構成部材とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と前記構成部材との当接部から前記第１溶接金属が流体と接することを妨げるために、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えた構成である。
【００４４】
上記の構成によれば、裏当金と構成部材との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属の漏出を防止するため、第１溶接金属と処理対象物との接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が処理対象物側に漏出し、この処理対象物と接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと処理対象物中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【００４５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなる構成である。上記の構成によれば、裏当金が組立て溶接時の加熱でマグネシウムを析出することになっても、マグネシウムの析出量が低減されるため、この裏当金における応力腐食割れを生じ難くすることができる。
【００４６】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の溶接構造であって、前記裏当金は、前記組立て溶接時の加熱により前記構成部材にマグネシウムが析出する熱影響領域を覆うように形成されている構成である。上記の構成によれば、熱影響領域を裏当金で覆うことによって、熱影響領域に析出したマグネシウムと処理対象物との接触を防止することができることから、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００４７】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか１項に記載の溶接構造であって、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されている構成である。上記の構成によれば、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されるため、応力腐食割れを一層生じ難くすることができる。
【００４８】
請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れか１項に記載の溶接構造であって、前記構成部材および溶接部は、マグネシウムを２．０％以上の含有率で含むアルミニウム合金からなり、前記裏当金およびシール部は、マグネシウムの含有率が２．０％未満であるアルミニウム合金からなる構成である。上記の構成によれば、溶接構造に使用する材料を容易に選定することができる。
【００４９】
請求項６の発明は、前記構成部材および溶接部のアルミニウム合金は、請求項５に記載の溶接構造であって、日本工業規格における５０００系として分類される各種合金の中から選択されており、前記裏当金およびシール部のアルミニウム合金は、日本工業規格における１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、６０００系、および７０００系として分類される各種合金の中から選択されている構成である。上記の構成によれば、標準化された一般的なアルミニウム合金により形成することができるため、材料コストを低減することができる。
【００５０】
請求項７の発明は、請求項１ないし６の何れか１項に記載の溶接構造であって、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位に適用される構成である。上記の構成によれば、熱交換器、配管、またはタンクの接合部位における応力腐食割れを防止することができる。
【００５１】
請求項８の発明は、標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されたアルミニウム合金からなるヘッダーと装置本体とを組立て溶接することにより形成され、水銀を含む天然ガスに対して熱交換を行う熱交換器であって、前記標準化熱処理前にヘッダーの内壁面に設けられ、前記組立て溶接時に他方の構成部材に当接される裏当金と、前記裏当金とヘッダーと装置本体とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含む第１溶接金属を用いて前記組立て溶接することより形成された溶接部と、前記裏当金と装置本体との当接部から前記第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満である第２溶接金属を用いて前記当接部をシール溶接することにより形成されたシール部とを備えた構成である。
【００５２】
上記の構成によれば、裏当金と装置本体との当接部に形成されたシール部が組立て溶接時における第１溶接金属の漏出を防止するため、第１溶接金属と天然ガスとの接触を確実に阻止することができる。また、シール部は、第１溶接金属よりもマグネシウムの含有率が小さな第２溶接金属で形成されている。これにより、シール部を形成する際に、シール部の第２溶接金属が天然ガス側に漏出し、この天然ガスと接触する状態になっても、第２溶接金属のマグネシウムの析出量が第１溶接金属よりも少ないため、マグネシウムと天然ガス中の水銀とが反応することによる応力腐食割れを生じ難くすることができる。
請求項１の発明は、
【図面の簡単な説明】
【図１】装置本体とヘッダーとが接合された状態を示す説明図である。
【図２】裏当金が取り付け面に当接された状態を示す説明図である。
【図３】熱交換器の斜視図である。
【図４】円筒部材同士が接合された状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 装置本体
１ａ 取り付け面
２ ノズル
３ ヘッダー
３ａ 接合面
４ 裏当金
４ａ 接合面
５ 溶接部
６ シール部
７ 接合部
３１ 第１円筒部材
３２ 第２円筒部材
３３ 裏当金
３４ シール部
３５ 溶接部
Claims (8)
- 水銀を含む処理対象物に接触する接合部位に適用され、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる構成部材の溶接構造であって、
前記構成部材における前記処理対象物が接触する側の壁面に設けられる裏当金と、
前記裏当金と前記構成部材とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含むアルミニウム合金からなる第１溶接金属を用いて組立て溶接することより形成された溶接部と、
前記裏当金と前記構成部材との当接部から前記第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなる第２溶接金属を用いて当接部をシール溶接することにより形成されたシール部と
を備えたことを特徴とする溶接構造。 - 前記裏当金は、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満であるアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造。
- 前記裏当金は、前記組立て溶接時の加熱により前記構成部材にマグネシウムが析出する熱影響領域を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接構造。
- 標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の溶接構造。
- 前記構成部材および溶接部は、マグネシウムを２．０％以上の含有率で含むアルミニウム合金からなり、
前記裏当金およびシール部は、マグネシウムの含有率が２．０％未満であるアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の溶接構造。 - 前記構成部材および溶接部のアルミニウム合金は、日本工業規格における５０００系として分類される各種合金の中から選択されており、
前記裏当金およびシール部のアルミニウム合金は、日本工業規格における１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、６０００系、および７０００系として分類される各種合金の中から選択されていることを特徴とする請求項５に記載の溶接構造。 - 熱交換器、配管、またはタンクの接合部位に適用されることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の溶接構造。
- 標準化熱処理によりマグネシウムの析出が抑制されたアルミニウム合金からなるヘッダーと装置本体とを組立て溶接することにより形成され、水銀を含む天然ガスに対して熱交換を行う熱交換器であって、
前記標準化熱処理前にヘッダーの内壁面に設けられ、前記組立て溶接時に他方の構成部材に当接される裏当金と、
前記裏当金とヘッダーと装置本体とで形成される空間部に、マグネシウムを所定の含有率以上で含む第１溶接金属を用いて前記組立て溶接することより形成された溶接部と、
前記裏当金と装置本体との当接部から前記第１溶接金属を組立て溶接時に漏出させないように、マグネシウムの含有率が前記所定の含有率未満である第２溶接金属を用いて前記当接部をシール溶接することにより形成されたシール部と
を備えたことを特徴とする熱交換器。
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