JP4461031B2 - 補修溶接方法及び補修溶接部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、火力・原子力発電プラントや化学プラント等におけるボイラやタービンの高温配管などの高温耐圧金属部材における溶接部の補修溶接方法に関する。

近年、例えば火力・原子力発電プラントや化学プラント等におけるボイラやタービンの高温配管においては、運転時間が長時間に及ぶに従い長時間使用による設備の劣化、頻繁な起動停止や急速な負荷変動等による熱疲労等を十分に考慮した保守管理が益々重要になってきている。
例えば、高温耐圧金属部材が用いられる大口径厚肉配管では、溶接部における劣化を早期に発見するため、定期的に組織検査、超音波検査等の非破壊検査が行われ、その結果に基づいて、欠陥部分の補修を行っている。
ここで、構造部材を補修する技術としては、その欠陥部分を両側もしくは片側から切除し、その切除した部分に肉盛溶接を施すものが一般的である（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平７−６２８９３号公報 特開２００３−３２６３８５号公報

ところで、大口径厚肉配管では、長期の使用により、高温耐圧溶接部にて、クリープボイドが生じ、このクリープボイドが生じたクリープ損傷は、強度低下による破断等の要因となる恐れがある。

そして、このクリープ損傷が厚肉配管の溶接部に生じた場合、配管であることからクリープ損傷部分を厚さ方向にわたって全て除去することが困難なため、前述した補修方法により、特にクリープボイドが多く発生するＨＡＺ部（溶接熱影響部：Heat Affected Zone）を、表面側から部分的に取り除き、再溶接（補修溶接）することが考えられる。

しかしながら、図６に示すように、母材２１同士を溶接金属２２にて溶接した溶接部にて、クリープ損傷箇所の一部を除去して補修溶接すると、強度が強い補修溶接部分２３と補修溶接されなかったクリープボイドが残留するＨＡＺ部からなる強度の弱い劣化部分２４との間にミスマッチといわれる強度差が発生し、それらの境界に亀裂が生じ、その亀裂が熱応力で加速され、破断する恐れがある。

したがって、クリープ損傷が生じた溶接部では、損傷部分の取り替えができない場合、応急的にクリープ損傷部分に補強板を溶接して取り付け、肉厚を厚くしなければならず、作業が繁雑であるばかりか、溶接後の焼鈍など多大な手間も要していた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、クリープ損傷が生じた溶接部を容易に補修して延命化させることが可能な補修溶接方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の補修溶接方法は、母材同士が溶接金属で溶接された部材の補修溶接方法であって、溶接金属と母材の境界部を含む所定領域を除去する工程と、除去された所定領域に補修溶接を施す工程と、を備え、所定領域は、母材の溶接による熱影響部を含み、母材の厚さをＴ、所定領域を除去した後の厚さをａとすると、０．０１≦ａ／Ｔ≦０．３であることを特徴とする。
これにより、クリープボイドが多く発生する熱影響部を確実に除去して新たな溶接金属として、確実な補修が可能である。

この補修溶接方法によれば、所定領域の除去後における残りの厚み部分と強度が高い新たな溶接金属との強度差であるミスマッチがほとんどなくなり、ミスマッチが生じることによる境界部での亀裂の発生が確実に防止される。

また、本発明は、補修する部材が、第１の母材と第２の母材が溶接金属で溶接されたものであり、第１の母材と溶接金属の境界部及び第２の母材と溶接金属の境界部のいずれか一方について補修溶接を施しても良い。
つまり、不純物含有量や溶接ビード形状の違い等により、溶接金属と母材との境界のいずれか一方にて顕著に集中して進行するクリープ損傷を補修することにより、効果的な補修が可能である。

また、所定領域を除去した後の厚さａは、補修溶接による熱影響が及ぶ領域以下の厚さであることが好ましい。
つまり、新たな溶接金属の溶接時における熱影響を、クリープ損傷部分の除去後の残り厚み部分にまで及ばすことにより、残り厚み部分と強度が高い新たな溶接金属との強度差であるミスマッチが効果的になくなる。

以上の補修溶接方法により、本発明は、母材同士が第１の溶接金属で溶接され、かつ母材と第１の溶接金属とを含む領域に補修溶接部を備えた補修溶接部材であって、補修溶接部が、第２の溶接金属と、第２の溶接金属の溶接による熱影響部を備え、第２の溶接金属は母材の表裏いずれか一方の面に臨み、第２の溶接金属の溶接による熱影響部は母材の表裏いずれか他方の面に臨む補修溶接部材を提供することができる。この補修溶接部材によれば、母材の厚さ方向において、強度が高い新たな溶接金属との強度差であるミスマッチが生じる部分が排除されたため、強度のミスマッチが生じることによる境界部での亀裂の発生が確実に防止される。
本発明の補修溶接部材は、母材の厚さをＴ、第２の溶接金属の厚さをＴ１、第２の溶接金属の溶接による熱影響部の厚さをＴ２とすると、Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２を満足することになる。このことも、母材の厚さ方向において、強度が高い新たな溶接金属との強度差であるミスマッチが生じる部分が排除される。
そして、本発明の補修溶接部材において、０．０１≦Ｔ２／Ｔ≦０．３であることが好ましい。

本発明の補修溶接方法によれば、所定領域の除去後における残り厚さａを、母材の厚さＴに対して、０．０１≦ａ／Ｔ≦０．３の関係となるように除去するので、残り厚み部分と強度が高い新たな溶接金属との強度差であるミスマッチをほとんどなくすことができ、ミスマッチが生じることによる境界部での亀裂の発生を確実に防止することができる。これにより、亀裂が熱応力で加速されるような不具合をなくすことができ、クリープ損傷が生じた部材の寿命を確実に延ばすことができ、各プラント等の設備における信頼性の確保及び保守管理コストの低減を図ることができる。

以下、本発明に係る補修溶接方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、補修対象部分における一部を断面視した斜視図、図２及び図３は、補修溶接方法の手順を説明する補修対象部分における一部を断面視した斜視図である。
図１に示すように、補修対象部分である部材は、例えば、配管からなる母材１同士の間に、溶接金属（第１の溶接金属）２を溶接することにより、母材１同士を接合した高温耐圧溶接部（部材）３である。

この高温耐圧溶接部３では、溶接金属２と各母材１との境界部に、溶接金属２を溶接した際の熱影響によりＨＡＺ部（熱影響部）４が生じる。ＨＡＺ部４（後述するＨＡＺ部７も同様）は、本質的には母材１に属するものであるが、溶接による熱影響によって母材１とは金属組織が相違し、その存在を確認することができる。
そして、この高温耐圧溶接部３では、長期の使用により、ＨＡＺ部４に多くのクリープボイドを有するクリープ損傷が生じ、特に、このＨＡＺ部４の強度が低下し、高温耐圧溶接部３における破断等の要因となる。

このように、クリープボイドが生じるのは、ＨＡＺ部４であるが、一般に、高温耐圧溶接部３にて生じるクリープ損傷は、不純物含有量や溶接ビード形状の違い等により、溶接金属２と母材１との境界のいずれか一方のＨＡＺ部４にて顕著に進行する場合が多い。

本実施形態の補修溶接方法では、上記のようにクリープボイドが生じて強度低下を起こした高温耐圧溶接部３におけるクリープ損傷部分の補修を次のように行う。

まず、高温耐圧溶接部３を超音波探傷などの非破壊検査を施すことにより、クリープ損傷部分を探し、損傷が大きい片側のＨＡＺ部４を特定する。本実施形態では、図１中右側のＨＡＺ部４におけるクリープ損傷が大きい場合について説明する。

損傷が大きい片側のＨＡＺ部４を特定したら、図２に示すように、このＨＡＺ部４を含む溶接金属２と母材１との境界部に、グラインディングによる開先加工を施し、ＨＡＺ部４を含む所定領域を除去する。
ここで、所定領域の除去後における残り厚さａは、母材１の厚さをＴとした場合に、次式（１）の関係が成立する厚さとする。ａ／Ｔが０．０１未満になると、補修溶接作業を円滑に行うことができなくなり、０．３を超えると補修溶接による部材寿命の延長効果を十分に享受することができない。

０．０１≦ａ／Ｔ≦０．３…（１）

そして、このようにして、所定領域を除去したら、この除去部５に被覆アーク溶接により補修溶接を施し、その後、例えば、７００〜７３０℃程度にて約１時間程度の熱処理を行う。
このようにすると、図３に示すように、この除去部５が新たな溶接金属（第２の溶接金属）６によって埋められ、補修が完了する。

また、このとき、新たな溶接金属６の溶接時における熱影響が、クリープ損傷部分の除去後の残り厚さａの部分にまで及び、この残り厚さａの部分が、補修溶接により生じたＨＡＺ部（熱影響部）７とされる。
そして、上記のようにして補修溶接を施した高温耐圧溶接部３では、クリープ損傷部分が除去されて新たな溶接金属６とされることにより、損傷の進行が確実に抑えられ、延命化が図られる。また、補修完了後において、母材１の厚さをＴ、溶接金属６の厚さをＴ１、ＨＡＺ部７の厚さをＴ２とすると、図３に示すように、Ｔ１＋Ｔ２がＴとほぼ一致する。その結果、溶接金属６は母材１の一方の面もＨＡＺ部７は母材１の一方の面Ｓ１に臨み、ＨＡＺ部７は母材１の他方の面Ｓ２に臨む構造となる。なお、ＨＡＺ部７の厚さＴ２は、残り厚さａとほぼ一致することから、補修溶接後には、０．０１≦Ｔ２／Ｔ≦０．３の関係を有することになる。

ここで、クリープ損傷部分の一部を、例えば、母材１の厚さＴの約半分程度除去して補修した場合、図４（ａ）に示すように、新たな溶接金属６とクリープボイドが多く残留するＨＡＺ部４との境界にてミスマッチが生じて応力集中が発生する。そして、この応力集中部分にて亀裂が生じ、破断を加速させる恐れがある。
しかしながら、本実施形態の補修溶接方法では、補修箇所におけるＨＡＺ部４がなくなるので、図４（ｂ）に示すように、新たな溶接金属６とクリープボイドが残留するＨＡＺ部４との境界が生じず、ミスマッチによる応力集中が発生することがない。

このように、上記実施形態に係る補修溶接方法によれば、所定領域の除去後における残り厚さａを、母材１の厚さＴに対して、０．０１≦ａ／Ｔ≦０．３の関係となるように開先加工を施すので、新たな溶接金属６の溶接時における熱影響を、クリープ損傷部分の除去後の残り厚さａの部分にまで及ぼして、残り厚さａの部分を補修溶接により生じるＨＡＺ部７とすることができる。これにより、残り厚さａの部分と強度が高い新たな溶接金属６との強度差であるミスマッチをほとんどなくすことができ、ミスマッチが生じることによる境界部での亀裂の発生を確実に防止し、亀裂が熱応力で加速されるような不具合をなくし、クリープ損傷が生じた部材の寿命を確実に延ばすことができる。したがって、各プラント等の設備における信頼性の確保及び保守管理コストの低減を図ることができる。

（補修溶接の有効性の評価試験）
（１）実機で長時間使用された溶接部材（ｔ＝３４ｍｍ）に、４ｋｇ／ｍｍ²の負荷を、６２５℃で４４０２時間付与することにより、クリープ損傷を付与して試験片とした。溶接部材は、ＪＩＳ ＳＴＰＡ２４（２．２５Ｃｒ−Ｍｏ鋼）から構成されている。
（２）この試験片に、本発明の補修溶接方法により補修（ａ＝３ｍｍ）したものを実施例の試験片とし、クリープ損傷部分の一部（母材の厚さの半分）を除去して被覆アーク溶接により補修した場合を比較例の試験片とし、未補修材の試験片とともに、クリープ破断試験を行った。溶接棒としては、いずれも２Ｃｒ鋼用の市販溶接棒を用いた。
なお、クリープ破断試験は、４ｋｇ／ｍｍ²の負荷を６２５℃で付与し、試験片が破断するまでの時間を計測する。

（試験結果）
図５に示すように、未補修材の場合では８６５１．９時間にて破断したのに対して、クリープ損傷部分の一部を除去して補修した比較例では、７５５４．８時間にて破断した。
一方、実施例では、破断までの時間が９４４８時間であり、未補修材のクリープ破断時間を上回った。

また、クリープ破断試験にて得られた破断までの時間から、ラーソン・ミラー・パラメータ法により、実機温度域（５７０℃）における補修溶接後の破断時間を推定した。
その結果、実機における補修溶接時点からのそれぞれの推定破断時間は、次の通りである。
未補修材：６４０００時間
比較例：４７０００時間
実施例：７７０００時間

このように、比較例では、未補修材よりも推定破断時間が短くなった。これは、強度が強い補修溶接部分と補修溶接されなかったクリープボイドが残留する強度の弱いＨＡＺ部との間にミスマッチが発生して亀裂が生じ、その亀裂が熱応力で加速されて破断したことが原因と考えられる。
これに対して、実施例では、実機における推定破断時間が未補修材の場合よりも長い７７０００時間であり、次回の定期検査工事を４年後と仮定した場合の最大運転時間である約３５０００時間の２倍以上の寿命が得られ、応急対策としては十分に耐久性が得られることが分かった。

本実施形態における補修溶接方法が適応される補修対象部分における一部を断面視した斜視図である。 補修溶接方法の手順を説明する補修対象部分における一部を断面視した斜視図である。 補修溶接方法の手順を説明する補修対象部分における一部を断面視した斜視図である。 補修後における高温耐圧溶接部の内部応力を示す図である。 クリープ破断試験の結果を示すグラフ図である。 クリープ損傷部分を一部分除去して補修した場合に生じる破断を説明する断面図である。

符号の説明

１…母材、２…溶接金属（第１の溶接金属）、３…高温耐圧溶接部（部材）、４…ＨＡＺ部（熱影響部）、６…溶接金属（第２の溶接金属）、７…ＨＡＺ部（熱影響部）、ａ…除去後の厚さ、Ｔ…母材１の厚さ、Ｔ１…溶接金属６の厚さ、Ｔ２…ＨＡＺ部７の厚さ

Claims (6)

1. 母材同士が溶接金属で溶接された部材の補修溶接方法であって、
   前記溶接金属と前記母材の境界部を含む所定領域を除去する工程と、
   除去された前記所定領域に補修溶接を施す工程と、を備え、
   前記所定領域は、前記母材の溶接による熱影響部を含み、
   前記母材の厚さをＴ、前記所定領域を除去した後の厚さをａとすると、０．０１≦ａ／Ｔ≦０．３であることを特徴とする補修溶接方法。
2. 前記部材は、第１の母材と第２の母材が前記溶接金属で溶接されたものであり、
   前記第１の母材と前記溶接金属の境界部及び前記第２の母材と前記溶接金属の境界部のいずれか一方について前記補修溶接を施すことを特徴とする請求項１に記載の補修溶接方法。
3. 前記所定領域を除去した後の厚さａは、前記補修溶接による熱影響が及ぶ領域以下の厚さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の補修溶接方法。
4. 母材同士が第１の溶接金属で溶接され、かつ前記母材と前記第１の溶接金属とを含む領域に補修溶接部を備えた補修溶接部材であって、
   前記補修溶接部は、
   第２の溶接金属と、前記第２の溶接金属の溶接による熱影響部を備え、
   前記第２の溶接金属は前記母材の表裏いずれか一方の面に臨み、前記熱影響部は前記母材の表裏いずれか他方の面に臨むことを特徴とする補修溶接部材。
5. 前記母材の厚さをＴ、前記第２の溶接金属の厚さをＴ１、前記第２の溶接金属の溶接による熱影響部の厚さをＴ２とすると、
   Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２を満足することを特徴とする請求項４に記載の補修溶接部材。
6. ０．０１≦Ｔ２／Ｔ≦０．３であることを特徴とする請求項４又は５に記載の補修溶接部材。

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