JP4260353B2

JP4260353B2 - 管群溶接部の局部焼鈍方法

Info

Publication number: JP4260353B2
Application number: JP2000336904A
Authority: JP
Inventors: 恭佐藤; 陸四蔵本
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2020-11-06
Also published as: JP2002146439A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は管群溶接部の局部焼鈍方法に係り、特に、管寄せを含む管群構造の管群溶接部の局部焼鈍方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラや各種熱交換器等においては、高温、高圧の条件下で、伝熱管や配管類が多数使用されている。近年、特に発電用ボイラにおいては、発電効率向上のために、蒸気温度と圧力が次第に上昇してきており、それに応じて、伝熱管材料として従来から使われてきたＣｒ含有量１〜２.２５％ＣｒのＣｒＭｏ系低合金鋼に替わり、新しい高強度フェライト系耐熱鋼が開発されている。これらのフェライト系耐熱鋼は９％Ｃｒ鋼にＮｂ、ＶあるいはさらにＷ等を添加し、焼ならし- 焼戻し熱処理によって焼戻しベイナイト組織となるように成分設計されたものであり、従来材に比べて格段に優れた高温強度を有している。一方、プラント容量も増大する傾向にあり、それに伴って熱交換器等の部材の長尺化、大型化が進んでいる。
【０００３】
このような部材の製作において、伝熱管群の溶接後の焼鈍が重要な課題の一つになってきた。すなわち、従来使われてきた炭素鋼あるいは１〜２.２５％Ｃｒ鋼の場合、伝熱管の突合せ溶接部は焼鈍を必要としないが、上述の高強度９％Ｃｒ鋼等では溶接後に焼鈍を行う必要があり、長尺部材の焼鈍方法に工夫を要するようになってきた。以下、熱交換器の管群構造を例にとり、図を用いて従来技術とその問題点を説明する。
【０００４】
図６は熱交換器の一般的な構造例を示す図であり、左側がガス流れ方向から見た正面図であり、右側がその側面図である。この熱交換器は、多数の長尺の伝熱管２からなる管群が上下端において管寄せ１、１’と溶接接合されているものであり、従来は、側面図で示されるように、熱交換器の製作過程中あるいは使用過程中における伝熱管２の熱膨張による熱変形を吸収するため、湾曲したレグ管３を有するものが多い。この場合に、レグ管３の湾曲部が比較的小さな応力によって変形するので、上記のような熱変形が起こっても、熱交換器内に大きな応力が発生することはない。
【０００５】
近年では伝熱管２の長さが２０ｍを超えるものも多い。このような大きさの部材を製作する工程において、焼鈍工程を必要とする場合には、部材全体を焼鈍炉に入れて全体焼鈍を行うことは困難であり、一般には局部焼鈍を行う。
【０００６】
次に、上記の局部焼鈍を行う場合の熱交換器の製作過程について、図７〜図９によって説明する。
【０００７】
まず、図７に示したように、管寄せ１にレグ管３を、すみ肉溶接によって、すみ肉溶接部４において接合し、この図に示す状態で一度焼鈍炉に入れて焼鈍を行う。次に、図８に示したように、横置きした状態で、レグ管３と長尺の伝熱管２の突合せ溶接を、突合せ溶接部５において行う。溶接後、図９に示すように、突合せ溶接部５を箱型ヒータ６で囲み、局部焼鈍を行う。箱型ヒータ６としては電気式のパネルヒータ等を組合せ、保温材で覆ったものが多く用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図６〜図９に示した比較的長いレグ管３を有する構造の場合は、レグ管３が焼鈍工程中に起こる熱変形に伴う応力を小さくするので、特に問題なく突合せ溶接部５の局部焼鈍を実施できるが、設計条件によっては、図１０に示すように、短尺のスタッブ管７の先端に突合せ溶接部５が設けられる場合もあり、このような構造では、以下の理由により、図１１に示す従来技術による方法で局部焼鈍を行う場合には支障が生じる。
【０００９】
すなわち、図１１に示す従来技術による方法で突合せ溶接部５の局部焼鈍を行うとすると、焼鈍中に突合せ溶接部５の熱がスタッブ管７を通して管寄せ１側に伝わり、管寄せ１の温度も上昇する。しかし、管寄せ１の温度上昇領域８は管寄せ１の片側の側面、すなわち突合せ溶接部５側の側面に偏るため、その側面の温度と、管寄せ１の、管寄せ１の中心軸１２を対称軸として、温度上昇領域８と対称の位置にある側面１６の温度との間に温度差が生じ、その差による熱膨張量の差によって、図１２中の点線で示すごとく、管寄せ１が熱変形を起こす。
【００１０】
このような状態になると、スタッブ管７には比較的小さな応力によって変形して熱変形に伴う応力を低下させる働きがないので、両端をそれぞれ管寄せ１と管寄せ１’（図１２）とに固定されている伝熱管系統、すなわち、すみ肉溶接部４、スタッブ管７、突合せ溶接部５及び伝熱管２には、特に管寄せ両端１７、１８（図１２）の近くに固定された伝熱管系統において、過大な引張荷重が作用し、場合によってはこの伝熱管系統に損傷を与えることになる。
【００１１】
このような場合、突合せ溶接部５だけでなく管寄せ１も含めて箱型ヒータ６で囲み、管寄せ１の側面の温度差を小さくして上記のような熱変形が起こらないようにして、局部焼鈍する方法も考えられるが、薄肉のスタッブ管７と厚肉の管寄せ１を同時に均一に加熱するのは容易ではなく、箱型ヒータ６が大型のものとなって段取りの工数も増えることから、現実的な解決方法とはなり難かった。
【００１２】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消し、９％Ｃｒ以上のフェライト系高強度耐熱鋼の長尺伝熱管群からなる熱交換器の伝熱管群溶接部の局部焼鈍方法において、溶接部の構造に関わらず、伝熱管系統に過大な引張荷重による損傷を与えることなく、容易に実施できる局部焼鈍方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、
管寄せの中心軸を対称軸として片側の側面にすみ肉溶接されたスタッブ管と９％Ｃｒ以上のフェライト系高強度耐熱鋼からなる伝熱管との突合せ溶接部の局部焼鈍方法において、該管寄せの中心軸を対称軸として前記局部焼鈍を行う側と反対の側面に補助ヒータを設置し、該管群溶接部の局部焼鈍工程中に、該管寄せの該管群溶接部側側面の温度と、該管寄せの該補助ヒータ設置側側面の温度とを計測し、該両温度の差が許容範囲内にあるように、該管寄せの該補助ヒータ設置側側面を該補助ヒータで加熱することを特徴とする管寄せを含む管群構造の管群溶接部の局部焼鈍方法を構成する。
【００１５】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
管寄せの中心軸を対称軸として片側の側面にすみ肉溶接されたスタッブ管と９％Ｃｒ以上のフェライト系高強度耐熱鋼からなる伝熱管との突合せ溶接部の局部焼鈍方法において、該管寄せの中心軸を対称軸として前記局部焼鈍を行う側と反対の側面に補助ヒータを設置し、該管群溶接部の局部焼鈍工程中に、該管寄せの中心軸の変形量を計測し、該変形量が許容範囲内にあるように該管寄せの該補助ヒータ設置側側面を該補助ヒータで加熱することを特徴とする管寄せを含む管群構造の管群溶接部の局部焼鈍方法を構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図１〜図５によって説明する。
［実施の形態１］
図１は管寄せ１に溶接されたスタッブ管７と伝熱管２の突合せ溶接部５を局部焼鈍する場合の、本発明に係る局部焼鈍方法の一実施の形態を示す図である。上記本発明の目的は、図１に示したように、管寄せ１の中心軸１２に対して管群溶接部すなわち突合せ溶接部５と反対の側、すなわち、溶接部５の各点から中心軸１２に下した垂線を延長した側に補助ヒータ１１を設置し、管寄せ１の突合せ溶接部５側側面の温度と管寄せ１の補助ヒータ１１設置側側面１３の温度との差が許容範囲内にあるように、補助ヒータ１１で管寄せ１の補助ヒータ１１設置側側面１３を加熱することにより達成される。
【００１７】
上記の手段によって、管寄せ１の中心軸１２の熱変形を小さく抑えることができるので、伝熱管系統、すなわち、すみ肉溶接部４、スタッブ管７、突合せ溶接部５及び伝熱管２への過大引張荷重の負荷を防止できる。
【００１８】
補助ヒータ１１による管寄せ１の側面の加熱は、管寄せ１の中心軸１２に対してスタッブ管７からの伝熱による温度上昇領域と反対の位置にある側面１３に行われることが望ましく、そのためには、補助ヒータ１１が、管寄せ１の中心軸１２に対して、突合せ溶接部５と反対の側にあることが望ましく、さらに、中心軸１２を対称軸として、溶接部５と対称の部位にあることがより望ましい。
【００１９】
図１に示したように、本実施の形態においても、従来と同様に、突合せ溶接部５を中心に箱型ヒータ６を設置する。さらに、本実施の形態においては、図１に示したように、管寄せ１の中心軸１２に対して突合せ溶接部５と反対の位置にある側面１３に近接させて、小型の補助ヒータ１１を設置する。
【００２０】
さらに、図２に示すように、管寄せ１の両側面（図２の紙面上、管寄せ１の上下位置）には溶接部側温度測定点９及び補助ヒータ側温度測定点１０を定め、熱電対等の温度測定子を取りつける。溶接部側温度測定点９及び補助ヒータ側温度測定点１０は、図２に示すように、管寄せ１の軸方向（図２の紙面上、水平方向）に沿って、それぞれ対向する位置に複数箇設ける。なお、温度測定点９及び１０の位置は図１においても示してある。また、図２中、１’は管寄せ１と対をなす管寄せである。
【００２１】
突合せ溶接部５の焼鈍は従来通りの手順にて箱型ヒータ６に通電して開始するが、その焼鈍過程（昇温、温度保持、降温過程）において溶接部側温度測定点９及び補助ヒータ側温度測定点１０における温度を計測し、両者の温度差が許容範囲内にあるように、補助ヒータ１１への通電を制御する。すなわち、図３に示したように、溶接部側温度測定点９及び補助ヒータ側温度測定点１０からの温度に関する出力信号をヒータ出力制御装置に入力し、上記温度差が小さくなる方向に制御した電力をヒータ出力制御装置から補助ヒータ１１へ供給する。このような制御は市販の温度制御装置を用いて容易に自動化できる。温度差の許容範囲は、当然、スタッブ管７及び管寄せ１の構造や寸法に依存するが、実構造物で試算したところ、数十℃以内の温度差範囲とすればよいことが判った。このような温度差範囲内での温度差制御は容易である。
【００２２】
本実施の形態によれば、比較的簡単な装置と施工手順で、管寄せ１両側面の温度差を抑え、突合せ溶接部５の局部焼鈍工程中における管寄せ１の熱変形を小さくして、熱変形に伴う応力による伝熱管系統の損傷等の支障が生じないようにすることができる。
【００２３】
なお、上記実施の形態において、それまでに本発明の実施によって得られたデータあるいは計算に基づいて、補助ヒータ１１への電力供給のプログラムを決め、そのプログラムに従って補助ヒータ１１への電力供給を行い、上記のような温度測定とその結果に基づく補助ヒータ１１への電力供給制御を省略することもできる。
［実施の形態２］
次に、上記とは別の実施の形態について説明する。
【００２４】
実施の形態１では、管寄せ１の溶接部側温度測定点９及び補助ヒータ側温度測定点１０における温度を計測して補助ヒータ１１ヘの通電を制御する例を示したが、温度を計測するのではなく、管寄せ１の熱変形そのものを計測して補助ヒータ１１ヘの通電を制御してもよい。
【００２５】
本実施の形態では焼鈍に関わる機器構成は実施の形態１と同一で、図１の場合と同様に管寄せ１の両側に箱型ヒータ６及び補助ヒータ１１を設置する。次に、昇温開始後、管寄せ１の熱変形を、図４における管寄せ１の中心軸１２の変形量１５として計測し、この変形量１５が許容範囲内にあるように（すなわち、管寄せ１の突合せ溶接部５側の側面（図１において左側の側面）及び管寄せ１の中心軸１２に対して溶接部５と反対の側の管寄せ１の側面（図１において右側の側面１３）の間での温度差が小さくなるように）補助ヒータ１１の出力を制御するものである。
【００２６】
管寄せ１の中心軸１２の変形量１５が上記許容範囲内にあるようにする手段について、以下具体的に図を用いて説明する。
【００２７】
管寄せ１の中心軸１２の変形量１５が上記許容範囲内にあるようにするには、図４に示すように、変形量１５が最大となる管寄せ１の両端１７、１８において変形量１５を監視し、この変形量１５が許容範囲内にあるように補助ヒータ１１の出力を制御すればよい。この場合、変形量１５は、図５に示すように、管寄せ１の両端１７、１８の溶接部５から最も遠い距離にある２点Ａ、Ｂ間を結ぶ直線１４の中央で、直線１４と管寄せ１との距離として測定すれば容易に求まるものである。変形量１５の計測に電気的な変位計等を用いれば、その計測装置からの電気信号によって補助ヒータ１１の出力を制御する自動制御も行える。本実施の形態の基本的な考え方は実施の形態１と同様であるが、変位計測装置の設定等が必要になるものの、管寄せ１の中心軸１２の変形量１５を直接的に監視するので、本実施の形態の信頼性は高い。
【００２８】
上記実施の形態の説明によって明らかなように、管寄せ１の側面の温度測定点９と１０との間の温度差が許容範囲内にあるように、あるいは、管寄せ１の中心軸１２の変形量１５が許容範囲内にあるように、補助ヒータ１１の出力を調節しつつ突合せ溶接部５の局部焼鈍を行うことによって、伝熱管系統、すなわち、すみ肉溶接部４、スタッブ管７、突合せ溶接部５及び伝熱管２に過大な引張荷重を印加することなく、容易に局部焼鈍を実施することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の実施によって、９％Ｃｒ以上のフェライト系高強度耐熱鋼の長尺伝熱管群からなる熱交換器の伝熱管群溶接部の局部焼鈍方法において、溶接部の構造に関わらず、伝熱管系統に過大な引張荷重による損傷を与えることなく、容易に実施できる局部焼鈍方法を提供することができる。
【００３０】
すなわち、本発明に係る局部焼鈍方法によって、９％Ｃｒ以上のフェライト系高強度耐熱鋼の長尺伝熱管群からなる熱交換器においても、溶接部の構造に関わらず伝熱管系統に損傷を与えることなく容易に局部焼鈍を実施できるので、これらの新しい高強度鋼の用途を広げることができ、工業的な効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態１における温度測定点の位置を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１における補助ヒータ出力制御系を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２における管寄せ１の熱変形を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２における管寄せ１の熱変形を説明する図である。
【図６】熱交換器の一般的な構造例を示す図である。
【図７】熱交換器管寄せ部分の構造例を示す図である。
【図８】熱交換器の突合せ溶接部５を示す図である。
【図９】レグ管３を有する熱交換器の突合せ溶接部５を従来の局部焼鈍方法によって焼鈍する場合を示す図である。
【図１０】スタッブ管７を有する熱交換器の突合せ溶接部５を示す図である。
【図１１】スタッブ管７を有する熱交換器の突合せ溶接部５を従来の局部焼鈍方法によって焼鈍する場合を示す図である。
【図１２】管寄せ１の熱変形を示す図である。
【符号の説明】
１、１’…管寄せ、２…伝熱管、３…レグ管、４…すみ肉溶接部、５…突合せ溶接部、６…箱型ヒータ、７…スタッブ管、８…温度上昇領域、９…溶接部側温度測定点、１０…補助ヒータ側温度測定点、１１…補助ヒータ、１２…管寄せの中心軸、１３…補助ヒータ１１設置側側面、１４…管寄せ両端１７、１８間を結ぶ直線、１５…変形量、１６…中心軸１２を対称軸として、温度上昇領域８と対称の位置にある側面、１７、１８…管寄せ両端。

Claims

管寄せの中心軸を対称軸として片側の側面にすみ肉溶接されたスタッブ管と９％Ｃｒ以上のフェライト系高強度耐熱鋼からなる伝熱管との突合せ溶接部の局部焼鈍方法において、
該管寄せの中心軸を対称軸として前記局部焼鈍を行う側と反対の側面に補助ヒータを設置し、該管群溶接部の局部焼鈍工程中に、該管寄せの該管群溶接部側側面の温度と、該管寄せの該補助ヒータ設置側側面の温度とを計測し、該両温度の差が許容範囲内にあるように、該管寄せの該補助ヒータ設置側側面を該補助ヒータで加熱することを特徴とする管寄せを含む管群構造の管群溶接部の局部焼鈍方法。
管寄せの中心軸を対称軸として片側の側面にすみ肉溶接されたスタッブ管と９％Ｃｒ以上のフェライト系高強度耐熱鋼からなる伝熱管との突合せ溶接部の局部焼鈍方法において、
該管寄せの中心軸を対称軸として前記局部焼鈍を行う側と反対の側面に補助ヒータを設置し、該管群溶接部の局部焼鈍工程中に、該管寄せの中心軸の変形量を計測し、該変形量が許容範囲内にあるように該管寄せの該補助ヒータ設置側側面を該補助ヒータで加熱することを特徴とする管寄せを含む管群構造の管群溶接部の局部焼鈍方法。