JP4749082B2 - 流れ加速腐食減肉部の補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電設備，火力発電設備，ガスタービン発電を組合せたコンバインドサイクル排熱回収ボイラ，化学装置の熱交換器など流動温水単流，流動高温水単流又は蒸気・水二相流体による炭素鋼及びクロム含有率（以下、Ｃｒ量と略記する）１重量％未満のＣｒ−Ｍｏ鋼配管や伝熱管での流れ加速腐食損傷部の部分補修方法に関する。

原子力発電設備(加圧水型，沸騰水型，高速増殖炉，ＨＴＴＲ)，火力発電設備(石炭焚きボイラ，重油焚きボイラ，ガス焚きボイラ)，排熱回収ボイラ，化学装置での熱交換器など流動温水単流，流動高温水単流又は蒸気・水二相流体を取扱う機器，配管及び伝熱管では、流れ加速腐食(Flow Accelerated Corrosion ：ＦＡＣ，エロージョン・コロージョンと呼ぶこともある。またＦＡＣとエロージョン・コロージョンを区別して呼ぶこともある。以下、これらを総称してＦＡＣと略記する)と称される減肉損傷が生じることがある。

この材料損傷は、図４に示したように温度(５０℃以上)，水質(ｐＨ，溶存酸素濃度，還元物質，摩耗性懸濁物質濃度)，流動(流速，偏流，循環流)及び材質(特にＣｒ含有量)の影響があり、相互作用もあるため、一概的に管理できず、噴破損傷も突発的に顕在化することが多い。

図５にＦＡＣの生じやすい部位の例を示す。図中の１はエルボ管、２は溶接部、３はオリフィス、４はＦＡＣによる減肉部、５はＦＡＣ損傷管、Ｘは高温水単相流や蒸気-水二相流などの管内流体である。

この図に示すようにエルボ管１などのベンド管［同図（ａ）参照］，オリフィス３の流体流れ方向下流側［同図（ｂ）参照］，溶接部２の流体流れ方向下流側［同図（ａ），（ｃ）参照］など、偏流や渦流、循環流が生じやすい部位にＦＡＣによる減肉部４が発生する。この他にティーズ，ノズル，バルブや弁の流体流れ方向下流側，ポンプ出口部などでもＦＡＣによる減肉部４が発生し易い。

配管や伝熱管での損傷が検出され、残肉厚が国の規定した設計必要肉厚(ｔｓｒ)以下の場合又は次回定期補修検査時にｔｓｒ以下になると予想される場合は、補修や更新が必要となる。

高温水単相流，蒸気-水二相流いずれの場合のＦＡＣは、Ｃｒ量１重量％以上のを含む低合金鋼の採用により、既設炭素鋼に比べ減肉速度を１／１０以下に低減できることが分かっており、補修や更新時の対策材として１重量％以上のＣｒ鋼が採用されている(出典例：M.Bouchacour； EDF Internal Report,1982, Ref.:HT-PDP,XXX MAT/T.42)。

損傷配管や伝熱管全体を１重量％以上のＣｒ鋼により更新することは、９０％以上の割合を占める直管部など健全な部位も高価な材料にすることになり、経済上好ましいことではない。

損傷部位のみを部分的に１重量％以上のＣｒ鋼で補修する手法が考えられる。図６はその手法を説明するための図で、図中の符号７は旧炭素鋼管、８は１重量％以上のＣｒ鋼からなる補修管、９は補修溶接部である。

同図に示すように補修溶接部９の流体流れ方向下流側の旧炭素鋼管７で新たなＦＡＣ１０が生じることになり、完全や対策とはならない。特に現地での補修溶接は、管内面側の溶接余盛の高さや形状を管理することが困難であり、工場での溶接に比べ余盛がより高くなる傾向があり、この傾向はＦＡＣ上は加速要因となる。

補修溶接後、ｐＨや溶存酸素濃度など水質変更でＦＡＣは抑制可能であるが、復水器のアンモニアアタックなど別の問題が生じるので水質変更は困難なケースがほとんどである。

配管や伝熱管のＦＡＣやエロージョン損傷の部分補修法として、例えば給復水ドレン系統などＦＡＣ損傷部位の内面に流体に対して化学的に安定な金属またはセラミックの被覆を形成することが下記特許文献１で提案されている。また、損傷した配管溶接部の外面にバッチあて溶接補修を行ない、残留応力の改善を図ることが下記特許文献２で提案されている。
特開平５−２８０６８７号公報 特開２００３−８０３９２号公報

しかし、前記特許文献１，２などに記載されているＦＡＣやエロージョン損傷の部分補修法では、施工及び性能上の問題があるため、充分な補修効果を得ることができない。本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、高温水単相流や蒸気・水二相流などによるＦＡＣによる減肉部を好適にかつ経済的に補修する方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、例えば高温水単相流や蒸気・水二相流などの流体が流通する例えば高温水配管などの管部材の前記流体の流れ加速腐食による減肉部を補修する方法において、
前記管部材の減肉部を含む部分を切除する工程と、
その管部材の切除して現れた端部のうちの流体流れ方向下流側の端部に、前記管部材よりも高耐食性の第１の溶接材を用いて、前記管部材の切除部分よりも短くその管部材よりも高耐食性の第１の補修管を溶接する工程と、
前記第１の溶接材によって形成された第１の溶接部における管内面側の突出部を、前記第１の補修管の開口部側から除去する工程と、
前記第１の補修管と前記管部材の切除して現れた端部のうちの流体流れ方向上流側の端部との間に、前記管部材よりも高耐食性の第２の補修管を配置し、その第２の補修管と前記第１の補修管との間、ならびに前記第２の補修管と前記流体流れ方向上流側の端部との間を、前記管部材よりも高耐食性の第２の溶接部材を用いて溶接する工程とを含むことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記突出部を除去する工程が研削による工程であることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記突出部を除去する工程が例えば溶接溶融トーチによる再加熱溶融による工程であることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１の手段において、前記第１ならびに第２の溶接材と前記第１ならびに第２の補修管がクロム含有率１重量％以上の材料で構成されていることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、温水単相流高温水単相流や蒸気・水二相流などによるＦＡＣによる減肉部を好適にかつ経済的に補修することができる。

ＦＡＣは直管では発生せず、ほとんどの場合、エルボ，ティーズ，ノズル，オリフィス，バルブやポンプ出口，溶接余盛部など形状が不連続部の個所で生じる。これは数ｍ／ｓｅｃから十数ｍ／ｓｅｃ以上の高速でレイノルズ数上、極端な乱流にない限り直管部における管表面部での実質流速が低く、温度や水質上管表面の生成酸化皮膜が脆弱であっても、酸化皮膜が取り去られることはなく、ＦＡＣ速度も高くならないためである。

従ってＦＡＣの損傷は、限られた部位で局所的に生じることが多く、工期や経済上余裕がない場合は、部分補修が一般的に行なわれる。

損傷部位を耐ＦＡＣ性の優れたＣｒ量１％以上の低合金鋼を用いて補修した場合、前述の図６で説明したように補修溶接部の後流側の既存炭素鋼管でＦＡＣが新たに生じることになる。

補修溶接部の管内面側の余盛（突出部）を研削したり，加熱溶融などにより凹凸をなくせば、その下流側にＦＡＣが生じることはないので、本発明のようにＦＡＣ損傷部の切断除去→下流側にＣｒ量１％以上の低合金鋼の溶接→管内面側溶接余盛の除去，平滑化→Ｃｒ量１％以上の低合金鋼による補修溶接を行なえば、経済的且つ耐ＦＡＣ性の優れた部分補修が可能となり、原子力や火力発電設備の安定運転に寄与できる。

以下、本発明の実施形態を図とともに説明する。図１は、実施形態に係るＦＡＣによる減肉損傷の部分補修方法を説明するための工程図である。

同図（ａ）に示すように、例えば溶接部２の管内流体Ｘの下流側にＦＡＣ減肉部４を生じたＦＡＣ損傷管５（例えば炭素鋼あるいはＣｒ量１％未満のＣｒ−Ｍｏ鋼からなる管体）の損傷部（溶接部２とその下流側のＦＡＣ減肉部４の両方を含む部分）を切断除去するため、ＦＡＣ損傷管５を流体流れ方向上流側の切断線６ａと下流側の切断線６ｂに沿って切断する。

次に同図（ｂ）に示すように、前記下流側の切断線６ｂに沿って切断した旧炭素鋼管７の下流側端部７ａに、Ｃｒ量１重量％以上の低合金鋼からなる短管状の第１の補修管１１を、Ｃｒ量１重量％以上の溶接材料からなる第１の溶接材で溶接する。符号９は、その溶接材で形成された第１の溶接部である。前記第１の補修管１１の長さは、管の径、後述する第２の溶接部１７［同図（ｄ）参照］の管内面側余盛高さ、管内流体Ｘの条件などに依存するため、それらに応じた長さに設定すればよく、次の機械加工のやり易さを考慮して３０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲が妥当である。

その後に、第１の補修管１１の開口部側からグラインダや旋盤などのような機械加工により、前記第１の溶接部９の管内面側に突出している余盛部（突出部）を研削１６する［同図（ｃ）参照］。

研削１６後の溶接余盛高さは、低目で管内面と面一になること（溶接余盛高さ＝０ｍｍ）が望ましく、本発明者らの実験に依れば溶接余盛高さを３ｍｍ以下に規制することにより、ＦＡＣは発生しないことが確認されている。溶接余盛高さが３ｍｍよりも高いと、余盛部（突出部）の下流側に管内流体Ｘの渦流または循環流が発生し、それがＦＡＣの発生要因となるから、溶接余盛高さは３ｍｍ以下に規制して、実質的に段差のない平坦な内面にする必要がある。

次いで同図（ｄ）に示すように、旧炭素鋼管７の部分的な切除によって形成された上流側端部７ｂと第１の補修管１１との間を、Ｃｒ量１重量％以上の低合金鋼管からなる第２の補修管８で接続する。符号１７はその接続の際に形成された第２の溶接部で、Ｃｒ量１重量％以上の溶接材料で構成されている。

図２（ａ），（ｂ）は、エルボ管にＦＡＣが生じた場合の部分補修方法を示す第２実施形態の説明図である。

同図（ａ）に示すように、エルボ管１の溶接部２（２ヵ所）の管内流体Ｘの流れ方向下流側にＦＡＣ減肉部４が形成されている。この損傷部（溶接部２とその下流側のＦＡＣ減肉部４の両方を含む部分）を切断除去するため、エルボ管１を上流側の切断線６ａと下流側の切断線６ｂに沿って切断する。

次に同図（ｂ）に示すように、前記下流側の切断線６ｂに沿って切断した際に形成された旧炭素鋼管７の下流側端部７ａに、Ｃｒ量１重量％以上の低合金鋼短管からなる第１の補修管１１を、Ｃｒ量１重量％以上の溶接材料からなる第１の溶接材料で溶接し、それによって形成された第１の溶接部９の管内面側の溶接余盛部を、前記第１の補修管１１の開口部側から機械加工により研削１６する。研削１６後の溶接余盛高さは、低目で管内面と面一になることが望ましく、３ｍｍ以下に規制されている。

次いで同図に示すように、旧炭素鋼管７の上流側端部７ｂと前記第１の補修管１１との間を、Ｃｒ量１重量％以上のエルボ管からなる第２の補修管８を用いて、Ｃｒ量１重量％以上の第２の溶接材料で補修溶接して第２の接部１７を形成する。

図３は、本発明の第３実施形態に係る部分補修方法を説明するための図である。前記第１実施形態と相違する点は、第１実施形態の図１（ｂ）で第１の溶接部９を形成した後、あるいは図１（ｃ）で第１の溶接部９の管内面側の余盛部を研削１６した後、図３（ｃ）に示すように第１の補修管１１の開口部側から管内に溶接溶融トーチ１５を挿入して、溶接部９の管内面側を再溶融して溶接部９の管内面を平滑化した点である。

本発明者の諸種の実験によれば、溶接部９の管内面が３ｍｍ／１０ｍｍ以下の勾配であれば、通常の火力条件（ボイラやＨＲＳＧでの管内流速が１５ｍ／ｓ以下の条件）では余盛部の後流側に渦流や循環流が発生しないことが確認されており、従って溶接部９の管内面を３ｍｍ／１０ｍｍ以下の平滑度に仕上げることが望ましい。

前記実施形態において、旧炭素鋼管７としては、例えばＣｒ量０．５％以下のＳＴＢ３４０，ＳＴＢ４１０，ＳＴＢ５１０，ＳＴＢＡ１２，ＳＴＢＡ１３，ＳＴＢＡ２０，ＳＧＰ，ＳＴＰＧ３７０，ＳＴＰＧ４１０，ＳＴＳ３７０，ＳＴＳ４１０，ＳＴＳ４８０，ＳＴＰＴ３７０，ＳＴＰＴ４１０，ＳＴＰＴ４８０，ＳＴＰＹ４００，ＳＴＰＡ１２，ＳＴＰＡ２０などが用いられる。

Ｃｒ量１％以上の補修管としては、例えばＳＴＢＡ２２，ＳＴＢＡ２３，ＳＴＢＡ２４，火ＳＴＢＡ１０，火ＳＴＢＡ２１，火ＳＴＢＡ２４ＥＧ，火ＳＴＢＡ２４Ｊ１，ＳＴＰＡ２２，ＳＴＰＡ２３，ＳＴＰＡ２４などが用いられる。

Ｃｒ量１％以上の溶接材料としては、例えばＴＩＧ溶接材料，ＭＡＧ溶接材料，ＤＴ２３系，ＤＴ２４系，ＹＧＴ１ＣＭ，ＹＧＴ１ＣＭＬ，ＹＧＴ２ＣＭ，ＹＧＴ２ＣＭＬ，ＹＧＣＣＭ−Ｃ，ＹＧ１ＣＭ−Ａ，ＹＧ２ＣＭ−Ａ，ＹＧ２ＣＭ−Ｇ，ＹＦＣＣＭ−Ｃ，ＹＦＣＭ−Ｇ，ＹＦ２ＣＭ−Ｃ，ＹＦ２ＣＭ−Ｇなどが用いられる。

前記Ｃｒ量１％以上の補修管ならびに溶接材料は、Ｃｒの含有率が多くなるにつれて高価になり、Ｃｒの含有率が５〜１３重量％になると溶接性が悪くなることから、Ｃｒ含有率の上限は５重量％未満である。

前記実施形態は直管とエルボ管の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＦＡＣが局部的に生じ易いオリフィスの下流側部分，バルブやポンプの出口側部分，ノズルの出入り口側部分などの損傷部位に対しても本発明は適用可能である。

本発明の第１実施形態に係るＦＡＣ損傷部の補修方法を説明するための工程図である。 本発明の第２実施形態に係るＦＡＣ損傷部の補修方法を説明するための工程図である。 本発明の第３実施形態に係るＦＡＣ損傷部の補修方法を説明するための工程図である。 ＦＡＣの発生要因を示す説明図である。 ＦＡＣが発生し易い部位を示す説明図である。 本発明者が先に検討したＦＡＣ損傷部の補修方法を説明するための工程図である。

符号の説明

１：エルボ管、２：溶接部、３：オリフィス、４：ＦＡＣ減肉部、５：ＦＡＣ損傷管、６ａ：上流側切断線、６ｂ：下流側切断線、７：旧炭素鋼管、７ａ：下流側端部、７ｂ：上流側端部、８：第２の補修管、９：第１の溶接部、１１：第１の補修管、１５：溶接溶融トーチ、１６：研削、１７：第２の溶接部、Ｘ：管内流体。

Claims (4)

1. 流体が流通する管部材の前記流体の流れ加速腐食による減肉部を補修する方法において、
   前記管部材の減肉部を含む部分を切除する工程と、
   その管部材の切除して現れた端部のうちの流体流れ方向下流側の端部に、前記管部材よりも高耐食性の第１の溶接材を用いて、前記管部材の切除部分よりも短くその管部材よりも高耐食性の第１の補修管を溶接する工程と、
   前記第１の溶接材によって形成された第１の溶接部における管内面側の突出部を、前記第１の補修管の開口部側から除去する工程と、
   前記第１の補修管と前記管部材の切除して現れた端部のうちの流体流れ方向上流側の端部との間に、前記管部材よりも高耐食性の第２の補修管を配置し、その第２の補修管と前記第１の補修管との間、ならびに前記第２の補修管と前記流体流れ方向上流側の端部との間を、前記管部材よりも高耐食性の第２の溶接部材を用いて溶接する工程と
   を含むことを特徴とする流れ加速腐食減肉部の補修方法。
2. 請求項１記載の流れ加速腐食減肉部の補修方法において、前記突出部を除去する工程が研削による工程であることを特徴とする流れ加速腐食減肉部の補修方法。
3. 請求項１記載の流れ加速腐食減肉部の補修方法において、前記突出部を除去する工程が加熱溶融による工程であることを特徴とする流れ加速腐食減肉部の補修方法。
4. 請求項１記載の流れ加速腐食減肉部の補修方法において、前記第１ならびに第２の溶接材と前記第１ならびに第２の補修管がクロム含有率１重量％以上の材料で構成されていることを特徴とする流れ加速腐食減肉部の補修方法。

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