JP4331388B2

JP4331388B2 - 肉盛補修溶接方法

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Publication number: JP4331388B2
Application number: JP2000240781A
Authority: JP
Inventors: 洋一石田; 則光馬場
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: JP2002059263A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素鋼または低合金鋼の厚板または管の表面のきずを肉盛溶接によって補修する方法に関するものである。
なお、本発明は炭素鋼または低合金鋼の厚板または管の表面きず補修に適用できるが、以下の説明では特に大きな効用が期待できる既設ガスパイプラインのインサービス肉盛溶接補修に適用する場合について述べる。
【０００２】
【従来の技術】
既設ガスパイプラインの導管部の外面にきずが認められた場合、きずの最深部の残存厚みがパイプラインの設計値以上の浅いきずについては、きずを含む凹部をその部分の厚みが設計値を下回らない範囲で滑らかに研削すればよいが、残存厚みが設計値以下の深いきずについては、新しい鋼管との差し替えまたは補修が必要である。特に、ガス輸送・供給上導管を切断し取り替えることが困難な場合には補修を余儀なくされる。
【０００３】
例えば、社団法人日本ガス協会ガス工作物等技術基準調査委員会「高圧導管指針」(JGA指-204-89)３４２ページ解表８−１の「高圧導管等の主な修理方法」では、「貫通に至らない欠陥が、土木機械等により局所的に生じたすり傷等軽度な損傷の場合で、かつガス輸送・供給上導管を切断し取り替えることが困難な場合にあっては、溶接スリーブ工法、または同工法が適用できない場合は、肉盛溶接工法を用いることができる」とされ、同書３４５ページから３４６ページにかけて「肉盛溶接予定部分の管厚が７mm以上」、「ガウジング幅は５０mm以下」で「溶接は低水素系溶接棒による被覆アーク溶接すること」が定められ、さらに「修理対象導管の材質がＡＰＩ５Ｌ−Ｘ５２相当以上で、ガス供給を継続しながら溶接を行う場合は、当該溶接部を所定の温度に後熱する」とされている。同書では溶接スリーブ工法を肉盛溶接工法より先に検討することを推奨しているが、スリーブにより剛性が増した部分とその他の部分の境界のように、剛性に大きな差がある部分が隣接するのは座屈防止の観点から好ましくなく、地震の多い日本ではあまり使われていない。
【０００４】
一方、米国においては平成１１年に改訂された米国石油協会（ＡＰＩ）規格１１０４(19th edition,1999）のAppendix Bに新たに“In-service Welding”と題してスリーブによる補修方法がＡＰＩ規格１１０７から取り込まれたが、同規格には肉盛補修溶接に関する規定は含まれていない。肉盛補修溶接に関する規定としては、米国ガス協会(American Gas Association)がエディソン溶接研究所(Edison Welding Institute,米国）に委託して作成したガイドライン(Guidelines for weld deposition repair on pipelines,Feb.24,1998,EWI Project No.PR-185-9734）がある。同ガイドライン１３ページではきず深さが３．２mm以上のときに低温割れを防止するための多層盛り溶接によるテンパービード法が推奨されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、鉄鋼材料を用いるパイプラインや圧力容器の溶接では、低温割れ防止の観点から溶接熱影響部と溶接金属部（以下ではこれらを合わせて溶接部と称する）の最高硬さが規制される。溶接部の硬さは、母材と溶接材料の化学成分および溶接部の温度履歴で決まり、化学成分から計算される炭素当量値が低いほど、また加熱された部分の冷却時間（例えば８００℃から５００℃まで温度が低下する時間）が長いほど硬さは低下する傾向にある。母材に生じたきずの凹部の厚みを設計厚み以上に増すために行う肉盛補修溶接の場合、厚み方向への伝熱の影響により導管敷設時の周溶接部に比べて同じ溶接条件でも冷却時間が短くなる。とくに、母材を予熱しない場合には最初の補修溶接ビードの冷却時間が最も短く、その溶接部はかなり硬くなる。前述した「高圧導管指針」ではＡＰＩ５Ｌ−Ｘ５２相当材以上のグレードの鋼管の肉盛補修溶接後の後熱を義務づけて硬さの低減を図ることを定めている。予熱や後熱は専用の熱処理設備を要し、工事の時間とコストを増大させるので、これらを省くことができれば産業上有用な価値がある。
【０００６】
熱処理を省略する方法として多層盛り溶接を行って前の層で硬化した部分を後の層の溶接熱による熱履歴により軟化させるテンパービード法が知られており、前述した米国ガス協会の「ガイドライン」にも示されている。同「ガイドライン」１２ページとFig.１からFig.９にかけて１層当たり１５パスの２層溶接による肉盛補修方法が例示されている。この方法は１層目と２層目の最初にその層の補修溶接部の周縁を溶接し、２層目の周縁溶接ビードは母材を溶融させず１層目のみを溶融することによって母材に新たな硬化部を生じさせないようにする点に特徴がある。
【０００７】
ところが、小規模のきずの補修にこのガイドラインに例示されている方法を適用すると次のような施工上の問題が生じる。すなわち、直径１０mmないし２０mm程度のきずでは周囲を滑らかに仕上げても、窪み部のサイズはたかだか直径２０mmないし３０mm程度であり、最初に周縁部のビードを溶接するとその溶接ビードで囲まれた部分の面積が狭すぎ、そのまま内側のパスを溶接すると溶接欠陥を生じてしまう。発明者らの実験では「ガイドライン」の例の方法を適用するには少なくとも幅５０mm、長さ７０mm程度以上の寸法が必要であり、小さな面積の浅いきずの補修部をガイドラインの例の方法が適用できるまで広げるのは非常に無駄が多い。
また、「高圧導管指針」と「ガイドライン」に例示されている溶接方法は、いずれも低水素系の溶接棒を用いる被覆アーク溶接法による施工を推奨または例示している。被覆アーク溶接で多層盛り溶接を行う場合、各パス溶接後にグラインダ等による下地の研削が必要であり、補修溶接施工時間の大きな割合を占めているので、この手間を減らすことも有用である。
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、鋼板または鋼管の直径１０mmないし２０mm程度の小さいきずの補修においても、予熱や後熱を必要としない、簡便で施工性に優れた肉盛補修溶接方法を提供することを目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の手段を採用した。
本発明は、鋼板または鋼管の表面のきずの肉盛補修溶接において、きず部を非補修部の母材と同等の厚みまでティグ溶接法で肉盛溶接した後、その補修溶接ビードの全表面を覆う層をティグ溶接法または被覆アーク溶接法で１層溶接し、さらにその層のほぼ全表面を覆うが母材部は全く溶融しない層をティグ溶接法または被覆アーク溶接法で１層溶接する手順で施工する。
【００１０】
本発明は、さらに最終層の溶接に際し、始端同士、終端同士または始端と終端が重なる１本ないし複数本の溶接ビードで最終層全体の周りを縁取る最外周ビードを構成するように溶接するとともに、最外周を構成する溶接ビードに囲まれるすべての溶接ビードを最外周を構成する溶接ビードの溶接に先だって施工する手順で溶接する。
【００１１】
本発明の溶接方法では、きず部を非補修部の母材と同等の厚みまで肉盛溶接した後、その補修溶接ビードの全表面を覆う層を１層溶接することによるテンパー効果により、それまでの層の溶接で硬化した溶接部の硬さの低減をはかり、さらにその層のほぼ全表面を覆うが母材部は全く溶融しない層を１層溶接することによるテンパー効果により、その前層の溶接で硬化した溶接部の硬さの低減を図る方法を提供する。これらの溶接をすべてティグ溶接法で行うことにより、パス間のグラインダ等による手入れがほとんど不要となる。また、最後の２層のうち、先に溶接する層がそれまで溶接した層の表面の溶接ビードを完全に覆うように溶接することにより、それまでの溶接で硬化した部分の硬度を確実かつ十分に低減することができる。さらに、最終層では前層の溶接ビードの表面のほとんどを覆うが母材は全く溶かさないように溶接することによって、新たな母材の硬化を防ぐことができる。また、最後の２層の両方または最後の層の溶接のみをティグ溶接法ではなく被覆アーク溶接法で行うことにより、これらの層の溶接においてティグ溶接法より確実にテンパー効果を発揮させる方法を提供する。被覆アーク溶接法では溶接棒の溶融速度が溶接電流とほぼ比例するので、溶加棒の溶融速度と溶接電流の関係が溶接士の技量に依存するティグ溶接法より確実かつ容易に溶接入熱をコントロールできるからである。ただしこの場合、パス間にグラインダ等でビード表面を滑らかに研削する手間がかかる。
【００１２】
また、本発明の溶接方法では、最終層全体の最外周溶接ビードの始端同士、終端同士または始端と終端が必ず重なる手順で溶接することによって、その前層の溶接で最も硬化しやすいビードの外縁部に十分な熱を与えて、それらの近傍の硬さの低減を図る方法を提供する。このとき、最外周を構成するビードを溶接する以前に、最外周より内側の溶接ビードの溶接をすべて済ませておくと、それまでの溶接の予熱効果により最外周溶接ビードの溶接時の冷却時間が長くなるので、この手順で溶接しない場合に比べて硬さの低減の面で効果的であるうえ、溶接がしやすいので溶接欠陥の発生が抑制される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の実施形態例に基づいて説明する。
図１に本発明に係る方法により補修溶接された部分の長手方向に垂直な断面での積層状態を示す。１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの順序で溶接された１層目の３本の溶接ビードの上に、１層目の溶接ビード全表面を覆う１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの順で溶接された２層目の３本のビードが積層され、さらに母材１を溶かさないように２層目の溶接ビードの母材側の端部のみを残して２層目のビード表面を覆う１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの順で溶接された３層目の３本のビードが積層されている。
図２は図１の状態を上面から見た図であり、３層目の３本の溶接ビード１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは長手方向でも母材１を溶融しない範囲に留められている。なお、きず深さが深い場合は１層目の溶接に相当する１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの部分を２層ないしそれ以上の多層盛り溶接とすればよい。
【００１４】
図３は本発明に係る方法によるビード積層状況の一例を示しており、最終層である３層目の溶接順序が図１及び図２の例と異なっている。すなわち、まずビード１４Ａが２層目上の中央部に溶接され、つぎに溶接ビード１４Ｂがビード１４Ａの下縁部と左縁部に沿って溶接されている。最後に、溶接ビード１４Ｃがビード１４Ａの右縁部と上縁部に沿って溶接されている。溶接ビード１４Ｂと１４Ｃは３層目の最外周を構成し、それら２本の溶接ビードの始端同士および終端同士は互いに重なっている。この方法によって、ビード１４Ａの溶接時に硬化した溶接部全体にテンパー効果を与えることができ、とくにビード１４Ｂの始端部と終端部にもビード１４Ｃにより十分にテンパー効果を与えることができる。
なお、図３においては３層目の最外周を２本の溶接ビードで形成したが、本発明ではこれに限ることなく、場合によっては１本もしくは３本以上の溶接ビードで最外周を構成することもできる。１本の場合には溶接ビードの始端と終端とは必ず重なることが必要であるが、３本以上の場合でも始端同士、終端同士または始端と終端が重なることが必要である。
【００１５】
【実施例】
外径６０９mm、肉厚１３．５mmのＡＰＩ５ＬＸグレードＸ６０規格の鋼管のきず補修を対象にした本発明の実施例を示す。鋼管の主要な化学成分と炭素当量を表１に示す。溶接材料として、ティグ溶接にはＪＩＳＹＧＴ５０の溶加棒を、被覆アーク溶接にはＪＩＳＤ５８１６溶接棒を用いた。予熱および後熱は実施していない。
【００１６】
【表１】

【００１７】
図４に補修溶接直前の補修部の状況を示す。図４には補修部の正面図が右側に、正面図の左右方向中央部の断面図が左側に示されている。母材１における補修部３の中央部に存在した管軸方向（図の上下方向）に１１mm、管周方向（図の左右方向）に１９mm、深さ２．０mmのきずは、そのきずを中心に３０mm□の範囲をきずの深さまで鍋底状にグラインダで研削して完全に取り除いた。さらに、この補修部３に隣接した管軸方向両側の２０mm長さの部分２の母材表面を軽くグラインダで研削して酸化膜等を除去して清浄面を露出させた。図４の形状の供試体５体を用意し、それぞれを表２に示す比較例を含む５通りの手順にて肉盛溶接した。
【００１８】
【表２】

【００１９】
以下では、実施例と比較例の溶接手順を詳細に述べる。なお、説明で引用する図５から図１０までのすべての図には補修部の正面図が右側に、正面図の左右方向中央部の断面図が左側に示されており、図示されている溶接ビードはすべて図の下側が始端で上側が終端である。
【００２０】
まず、実施例１の溶接手順を述べる。図５に示される１層目は表面が非補修部の母材表面と同等の高さとなるように、補修部３をビード１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの順でティグ溶接法により３パス溶接した。次に、図６に示される２層目は１層目全体と１層目溶接前に研削した母材表面部２の全範囲を覆うように、ビード１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの順でティグ溶接法により３パス溶接した。さらに、図７に示される３層目は、２層目ビードのみを溶かして母材を溶かさないようにビード１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの順でティグ溶接法により３パス溶接した。なお、１層目および２層目の溶接ビードの表面は滑らかなので、溶接後のグラインダ研削等のビード整形処理は施さなかった。
【００２１】
実施例２の溶接手順は、実施例１と３層目の溶接方式のみが異なり、図７に示される３層目を実施例１と同じ順序でティグ溶接法ではなく被覆アーク溶接法で溶接した。
【００２２】
実施例３の溶接手順は、実施例２と２層目の溶接方式のみが異なり、図６に示される２層目を実施例２と同じ順序でティグ溶接法ではなく被覆アーク溶接法で溶接した。なお、２層目の溶接後に補修溶接部のビード高さが非補修部の母材表面から２mmとなるまで２層目溶接ビード表面をグラインダで研削した。
【００２３】
実施例４の溶接手順は、実施例３と３層目のみが溶接順序で異なる。すなわち、まず図８の平面図に示される３層目の３本のビードのうち、中央のビード１４Ａを先に溶接した。次に、ビード１４Ｂを図の右下角から左下角、左上角に進む手順でビード１４Ａの下縁部と左縁部に沿って連続的に溶接した。さらに、ビード１４Ｂの始端部から図の右上角、左上角に進む手順でビード１４Ａの右縁部と上縁部に沿って連続的に溶接した。この結果、ビード１４Ｂとビード１４Ｃの始端部同士および終端部同士は重なった。
【００２４】
なお、実施例１から実施例４において、３層目で溶かさない２層目の未溶融部の幅はほぼ２mmとした。２mmより未溶融部幅が広いと２層目の周縁部の硬化した部分へのテンパー効果が不十分であり、２mmより未溶融部幅が狭いと過って母材を溶融する恐れが生じ、母材を溶融した場合はその近傍が硬化してしまう。また、実施例における施工では３層目の溶接終了後、塗覆装施工のために補修溶接ビード表面を滑らかに仕上げることが必要である。母材表面と同じ高さになるまで削れば最も理想的であるが、例えば図９に示すように、肉盛部４のビード高さが母材表面から１mmとなるように研削すれば通常は十分である。
なお、比較例では図１０に示されるビード１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃの順で１層目のみ被覆アーク溶接にて３パス溶接を実施した。
【００２５】
これら５体の供試体の肉盛溶接終了後、溶接始端部から管軸方向１０mm中央寄り、中央部、終端部から１０mm中央寄りの３箇所で溶接ビードを切断し断面を研磨した後、ビッカース硬さ試験を荷重９８Ｎで行った。硬さ測定位置は母材表面、そこからビード表面側に１mm、２mmおよび母材側に１mm、２mmの母材表面に平行な５本の線上とし、測定ピッチは１mmとした。母材部の硬さは最も硬化しやすい場所、すなわち後者の２本の計測線の左右端の溶融線より母材側それぞれ３点づつを計測した。それ以遠では本来の母材の硬度とほぼ同等で、計測する意味がない。実施例では塗覆装施工のためグラインダ等で研削するが、この例では硬さ値を得るために研削はしなかった。表３に硬さ試験での最高硬さ値とその発生位置を示す。表３の中でパス番号とは最高硬さを示した部分を含むか最も近いパスの１層目から数えた通算のパス数であり、４、５、６パスが２層目の３本のパスである。
【００２６】
【表３】

【００２７】
比較例では１パス目の始端部付近の熱影響部が最も硬化しており、最高ビッカース硬さは２６７であった。これに対し、実施例１から実施例３までのビッカース硬さはいずれも２層目の４パス目ないし６パス目の始端部または終端部の溶接金属部で最高値を示し、それぞれ２４２、２４３、２４０であった。１層目の溶接金属や熱影響部ではこれより低値であり、２層目のテンパー効果が有効に作用したと考えられる。実施例４では２層５パス目の始端部が最も硬化していたものの、最高ビッカース硬さは２３５で実施例中最低値を示し、始端と終端同士を重ねた部分のテンパー効果が最高硬さの低減に有効に作用したと考えられる。
【００２８】
【発明の効果】
上述のごとく本発明によれば、鋼板または鋼管の直径１０mmないし２０mm程度の小さいきずの補修においても予熱や後熱を必要としない、簡便で施工性に優れた肉盛補修溶接方法が実現できる。
すなわち、鋼板または鋼管の表面のきずの肉盛補修溶接において、きず部を非補修部の母材と同等の厚みまでティグ溶接法で肉盛溶接した後、その補修溶接ビードの全表面を覆う層をティグ溶接法または被覆アーク溶接法で１層溶接し、さらにその層のほぼ全表面を覆うが母材部は全く溶融しない層をティグ溶接法または被覆アーク溶接法で１層溶接する手順で施工することにより、予熱や後熱なしに溶接部近傍の硬さを低下させることができる。さらに、始端同士、終端同士または始端と終端が重なる１本ないし複数本の溶接ビードで最終層全体の周りを縁取る最外周ビードを構成するように溶接し、かつ最外周を構成する溶接ビードに囲まれるすべての溶接ビードを最外周を構成する溶接ビードの溶接に先だって施工する手順で溶接することにより、前層の周縁部全体に有効にテンパー効果を与えて、前層周縁部の硬さをさらに低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例を示す補修溶接部の断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】本発明の実施形態例を示す補修溶接部の平面図である。
【図４】本発明の実施例１から４および比較例における補修溶接直前の補修部の状況を示す図である。
【図５】本発明の実施例１から４における１層溶接後の補修部の状況を示す図である。
【図６】本発明の実施例１から４における２層溶接後の補修部の状況を示す図である。
【図７】本発明の実施例１から３における３層溶接後の補修部の状況を示す図である。
【図８】本発明の実施例４における３層溶接後の補修部の状況を示す図である。
【図９】本発明における補修後の仕上げ状況の例を示す図である。
【図１０】比較例における１層溶接後の補修部の状況を示す図である。

Claims

鋼板または鋼管の表面のきずの肉盛補修溶接において、きず部を非補修部の母材と同等の厚みまでティグ溶接法で肉盛溶接した後、その補修溶接ビードの全表面を覆う層をティグ溶接法または被覆アーク溶接法で１層溶接し、さらにその層のほぼ全表面を覆うが母材部は全く溶融しない層をティグ溶接法または被覆アーク溶接法で１層溶接する手順で施工し、最終層の溶接に際し、始端同士、終端同士または始端と終端が重なる１本ないし複数本の溶接ビードで最終層全体の周りを縁取る最外周ビードを構成するように溶接するとともに、最外周を構成する溶接ビードに囲まれるすべての溶接ビードを最外周を構成する溶接ビードの溶接に先だって施工する手順で溶接することを特徴とする肉盛補修溶接方法。