JP5298081B2

JP5298081B2 - 配管の残留応力改善方法と、その施工管理方法

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Publication number: JP5298081B2
Application number: JP2010159270A
Authority: JP
Inventors: 聡青池; 昌樹鶴来; 忍大城戸; ゆか福田; 尚彦折谷; 智菅野
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: JP2012021188A

Description

本発明は、配管内面に作用する残留応力を圧縮方向に改善する方法と、その施工管理方法に関する。

配管溶接部近傍の内面には、溶接時の熱履歴により引張方向の残留応力が作用している場合がある。この引張残留応力は、オーステナイト系ステンレス鋼製の高温水配管における応力腐食割れの発生と進展の一要因となる。このため、溶接部近傍の内面に作用している引張残留応力を圧縮方向に改善、望ましくは圧縮化できれば、応力腐食割れによる配管の損傷を抑制することができる。

配管溶接部近傍の内面に作用する引張残留応力を圧縮方向に改善する方法の内、配管を加熱した後に内面を急冷することで残留応力を圧縮方向に改善する方法については、加熱温度の調整により内外面の温度差を調整できることから、板厚が薄く内外面に大きな温度差を付与するのが難しい小口径配管でも残留応力を圧縮方向に改善できる。

配管を加熱した後の内面急冷により内面に作用する引張残留応力を圧縮方向に改善する代表的な方法は、特許文献１〜３に挙げられている。これらの特許文献には、配管を外面から所定の温度まで加熱した後で内部に冷媒を供給し、配管内外面の温度差で生じる熱応力により配管内面を引張降伏させることで、配管内面の残留応力を圧縮方向に改善させる方法が記載されている。

特許文献１には、管群全体を均一に加熱した後、管内に冷却材を流入させることで内外面に温度差を与え、内面を引張降伏させることで、配管内面に作用する引張残留応力を緩和もしくは圧縮化する方法が記載されている。

特許文献２には、残留応力低減のために溶接後２００℃〜９００℃に加熱し１時間均熱後、空冷した場合と内面水冷した場合の残留応力変化が記載されており、加熱温度が高い方ほど内面軸方向の残留応力低減効果が高いこと、空冷に比べて内面水冷の残留応力低減効果が高いことが記載されている。なお、冷却方法が内面水冷の条件で内面軸方向の残留応力が圧縮残留応力となるのは、加熱温度がおよそ６００℃を超過してからである。

特許文献３には、配管を均一に加熱した後、管内に冷却材を流入させることで内外面に温度差を与え、配管内面に作用する引張残留応力を圧縮方向に改善する方法と、施工管理方法として配管内径毎に冷却水量の最低値を規定する方法が記載されている。

上述したように、オーステナイト系ステンレス鋼製配管の応力腐食割れによる損傷を抑制するためには、溶接時の熱履歴により発生した引張残留応力を圧縮方向に改善、望ましくは圧縮化する必要がある。

特許文献１〜３で示される配管を加熱した後に内面を急冷することで残留応力を圧縮方向に改善する方法では、特許文献２で示されるように、配管の加熱温度が高くなるに従い配管内面に対する残留応力低減効果が向上する。これは、配管の加熱温度が高くなることで内面水冷時の配管内外面温度差が増大することに起因する。温度差が増大すると発生する熱応力も増大するため、配管内面で生じる引張方向の塑性変形量が増大し、残留応力の低減効果が向上する。

しかしながら、配管を均一温度で高温に加熱するには長時間を要する。さらに、高温に長時間保持した場合、温度帯によっては材料の脆化や炭化物の析出などの材料劣化が生じる場合も考えられる。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、６００〜９００℃の温度帯ではσ相脆化が生じることが知られている。また、オーステナイト系ステンレス鋼の場合でも溶接部には溶接金属中にフェライト相が含まれるため、４７５℃付近の温度では４７５℃脆化が生じる場合も考えられる。このため、配管の加熱温度は、施工時間の短縮および材料劣化軽減の観点から低温であることが望ましく、低温の加熱温度でも溶接部近傍内面に作用する残留応力を圧縮化することが、残留応力改善の課題となっている。

特開昭５４−９４４１５号公報特許第４１９６７５５号公報特開２００５−３２０６２６号公報

本発明の目的は、３５０℃未満の施工温度で配管の溶接部近傍の内面に作用している引張残留応力を圧縮化する方法を提供することにある。

本発明の残留応力改善方法は、配管を加熱した後に配管内面を急冷することで配管内面の残留応力を圧縮方向に改善する方法において、配管溶接部近傍を配管外面からのヒータ加熱により施工温度まで昇温させた後、配管内部に冷却水を供給して配管溶接部近傍の内面を急冷する工程を２回以上繰り返し、冷却水を供給して配管内面を急冷した際の配管外面温度の低下速度の最大と温度測定位置の配管板厚に基づき、施工が適正に行われたか否かを判定することを特徴とする。

本発明によれば、配管溶接部近傍の内面に作用している引張残留応力を圧縮残留応力に改善できるため、高温水配管（例えばオーステナイト系ステンレス鋼製）に適用することで、応力腐食割れの発生を抑制することが可能である。さらに、施工温度が３５０℃未満と低いことから４７５℃脆化やσ相脆化が発生しない、加熱時間の短縮により施工時間を短縮できる、といった効果も同時に得られる。

本発明の残留応力改善方法について、施工手順の具体例を説明する図。本発明の残留応力改善方法を配管突合せ溶接部近傍に適用する場合の具体例を説明する図。本発明の残留応力改善方法において、配管加熱後に内面を水冷した際の配管外面温度の経時変化から温度低下速度を評価する具体例を説明する図。本発明の残留応力改善方法を適用することで得られる残留応力改善効果の具体例を説明する図。

本発明は、以下のような特徴を有する。

配管溶接部近傍を外面からのヒータ加熱により３５０℃未満の施工温度に加熱した後、配管内部に冷却水を供給して内面を急冷する工程を少なくとも２回以上繰り返す。また、施工時の管理については、冷却水を供給して内面を急冷した際の外面温度の低下速度と温度測定位置の配管板厚に基づき内外面の温度差を評価し、内外面の温度差により生じる熱応力が配管材料の降伏応力以上であることを確認する。なお、外面温度は、例えば熱電対などの温度測定器を溶接部近傍の配管外面に取付けて測定する。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明による小口径配管の残留応力改善方法では、配管溶接部近傍または配管内面の残留応力を圧縮方向に改善したい範囲について、外面からのヒータ加熱により３５０℃未満の施工温度に加熱した後、配管内部に冷却水を供給して内面を急冷する工程（以下、「加熱後の急冷」と呼ぶ）を少なくとも２回以上繰り返す。施工温度を３５０℃未満とすることにより、例えば６００℃以上の施工温度で加熱後の急冷を施した場合に比べて残留応力低減効果が低下する。これにより、１回目の加熱後の急冷では、初期残留応力が局所的に高い部分では引張残留応力が残存してしまう場合が考えられる。１回目の加熱後の急冷によって局所的に高い引張残留応力は低減しているため、配管内面に残存している引張残留応力は２回目の加熱後の急冷により圧縮化できる。

本発明による小口径配管の残留応力改善方法では、施工温度が低いことから、加熱後の急冷により配管内面の残留応力が改善されたことを管理するのが重要となる。配管内面の残留応力が改善されるか否かは、加熱後の急冷により配管内面で生じる熱応力が、配管材料の降伏応力を超過するか否かにより決まる。配管内面で生じる熱応力を直接測定することはできないが、配管内外面の温度差により配管内面に発生する熱応力については、次式（１）（２）に示す中空円筒管の内面に発生する熱応力の式により評価できる。

ここで、σ_θは周方向の熱応力、σ_aは軸方向の熱応力、αは線膨張率、Ｅは縦弾性係数、νはポアソン比、ΔＴは配管内外面の温度差、ａは配管の内半径、ｂは配管の外半径を示す。

例えば、配管外径が６０.５mm、配管板厚が５.５mmのオーステナイト系ステンレス鋼製の配管に対して、配管内外面に１５０℃の温度差を付与した場合、αを１５.１４×１０^-6Ｋ^-1、Ｅを１９５ＧＰａ、νを０.３として評価すると、配管内面には３３７ＭＰａの熱応力が発生すると評価できる。配管材として使用されるオーステナイト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４鋼やＳＵＳ３１６鋼の降伏応力は３３７ＭＰａよりも小さいため、配管内外面に１５０℃の温度差を付与することにより配管内面に引張方向の塑性変形を発生させ、施工後の残留応力を圧縮方向に改善することができる。

配管内外面の温度差については、施工時に配管内面の温度を測定するのが困難な場合が考えられる。このため、本発明では、配管外面で測定される温度の低下速度が、配管内外面の温度差および配管板厚と強い相関があることに着目し、外面温度の測定位置における配管板厚と配管外面の温度低下速度に基づき配管内外面の温度差を評価する。具体的には、配管内外面の温度差の増加に伴い配管外面の温度低下速度は増加する。また、配管板厚の増加に伴い配管外面の温度低下速度は減少する。

上述した物理的性質を活用することで本発明では、配管溶接部近傍内面または配管内面の残留応力改善方法において、冷却水を供給して配管内面を急冷した際の配管外面温度の低下速度と温度測定位置の配管板厚に基づき、配管内面の残留応力が改善されたことを判定し、施工管理を行う。なお、配管内面を水冷した際に発生する外面温度の低下は、数秒程度の短い時間で完了する事象であるため、本特許では０.１秒以下の間隔で配管外面の温度を測定し、測定した配管外面の温度から、配管外面の温度低下速度を評価する。

以下、本発明による小口径配管の残留応力改善方法および施工管理方法の実施例を説明する。なお、以下の実施例では、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４鋼やＳＵＳ３１６鋼）製配管の突合せ溶接部近傍の配管内面を適用対象とした場合を例に挙げて説明する。

本発明による小口径配管の残留応力改善方法および施工管理方法の実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は、本発明の残留応力改善方法について、施工手順の具体例を説明する図である。図２は、本発明の残留応力改善方法を配管突合せ溶接部近傍に適用する場合の具体例を説明する図である。

本実施例では、まず、個々の外面温度測定位置における配管１の板厚を測定する。なお、外面温度測定位置については、配管外面で測定される温度の低下速度が配管板厚と強い相関があることから、曲面のために配管板厚が連続的に変化する内面開先加工部３の範囲外で配管外面の温度を測定するのが望ましい。

次に、測定した配管板厚から個々の外面温度測定位置における外面温度の低下速度目標値を評価する。配管外面で測定される温度の低下速度は、配管内外面の温度差および配管板厚と強い相関があることから、配管板厚が決定することで外面温度の低下速度から配管内外面の温度差を評価することができる。これにより、内面を引張降伏させるに十分な熱応力が発生する温度差を、外面温度の低下速度目標値として設定することができる。

次に、外面温度測定位置の配管外面に外面温度測定用熱電対８を取付ける。外面温度測定用熱電対８は少なくとも１箇所以上に取付けるものとし、望ましくは冷却水１０の供給側を上流として、突合せ溶接部２の下流に９０°間隔で４箇所取付けるものとする。加熱温度制御用熱電対６については、加熱温度の最高温度を制御するのが望ましいため、加熱温度が最も高温になると考えられる、加熱範囲１１の中央付近の配管外面に取付ける。

その後、加熱範囲１１内の配管外面にヒータ４を取付け、加熱範囲１１を包含する範囲のヒータ４および配管外面に保温材５を取付ける。なお、保温材は、ヒータ４による配管１の加熱効率向上と、外面温度の低下速度から配管内外面の温度差を評価する際の評価精度向上のために取付ける。

次に、加熱温度制御機能付きヒータ電源７からヒータ４に電力供給を開始し、突合せ溶接部２近傍の配管１を施工温度を目標に加熱する。本発明では、施工時間の短縮および材料劣化防止の観点から施工温度（配管の加熱温度の上限）は、３５０℃未満の低温とする。配管１の温度が施工温度まで昇温された後、温度測定ユニット９により配管外面温度の測定を開始し、測定ノイズの軽減と、外面温度の低下速度から配管内外面の温度差を評価する際の評価精度向上のために加熱温度制御機能付きヒータ電源７からの電力供給を停止し、加熱範囲１１に冷却水１０を供給する。なお、冷却水１０の供給量については、加熱範囲１１に冷却水１０が満水状態で到達できる流量とする。

施工管理のため、温度測定ユニット９により測定した配管外面温度の経時変化から外面温度の低下速度の最大値を評価する。本発明の残留応力改善方法において、配管加熱後に内面を水冷した際の配管外面温度の経時変化から温度低下速度を評価する具体例を図３を用いて説明する。加熱範囲１１内の配管１は施工温度（３５０℃未満）を上限温度として加熱されている。この状態で配管１の内部に冷却水１０を供給すると、配管１は内面から急冷される。配管外面では、内面水冷開始後から時間差をおいて表面温度の低下が開始する。なお、小口径配管では、板厚が薄いことから外面温度の急激な低下は、数秒程度の短い時間で完了する。このため、０.１秒以下の間隔で配管外面の温度を測定し、測定した配管外面の温度データから、配管外面の時間変化（即ち、温度低下速度）を評価する。なお、測定間隔が短いことから、温度低下速度に用いる配管外面の温度測定データについては、移動平均処理（５点平均程度）を施すことが望ましい。

施工が適正であるか否かの判定は、配管外面温度の経時変化から評価した外面温度の低下速度最大値が全て外面温度の低下速度目標を満足するか否かにより評価する。なお、個々の温度測定位置における外面温度の低下速度目標については、当該位置で測定した配管板厚により施工目標が異なる。具体的には、板厚が薄い場合は外面温度の低下速度目標は大きくなり、板厚が厚い場合は外面温度の低下速度目標が小さくなる傾向がある。これは、内外面の温度差が同じ場合でも、板厚が薄い方が測定される外面温度の低下速度が大きくなるためである。

個々の温度測定位置で評価される外面温度の低下速度については、図３に示すように、内面水冷開始後から時間差をおいて最大となり、その後、時間の経過とともに減少する。
本発明による小口径配管の残留応力改善方法では、過渡的な温度分布により生じる熱応力が配管材の降伏応力を超過することで、配管内面に引張方向の塑性変形を与えて残留応力を圧縮方向に改善している。このため、個々の温度測定位置で評価された外面温度の低下速度最大値が外面温度の低下速度目標を満足することで、個々の温度測定位置における残留応力改善が為されたことになる。本実施例では、配管内面全周の残留応力を圧縮化するのを目標としているため、全ての温度測定位置で施工目標を満足した場合を適正な施工と評価するが、特定角度の残留応力のみを圧縮化する場合においては、当該角度の温度測定位置で施工目標を満足した場合を適正な施工と評価する。

本発明による小口径配管の残留応力改善方法では、配管内部に冷却水を供給して内面を急冷する工程を少なくとも２回以上繰り返すため、施工が適正であるか否かの判定において、適正と評価された場合は施工回数に１を加え、適正でない場合は施工回数を０のままとする。その後、配管１内の水抜きを行い、配管１の加熱後の急冷を施工回数が２となるまで繰り返す。

本発明の残留応力改善方法を適用することで得られる残留応力改善効果の具体例を図４を用いて説明する。本発明では、施工温度を３５０℃未満と低温にしたため、例えば６００℃以上の施工温度で加熱後の急冷を施した場合に比べて残留応力低減効果が低下する。
これにより、１回目の施工（加熱後の急冷）では、平均的には圧縮残留応力の場合でも、初期残留応力が局所的に高い部分では引張残留応力が残存してしまう場合が考えられる。
１回目の施工によって局所的に高い引張残留応力は低減しているため、配管内面に残存している引張残留応力は２回目の施工により圧縮化できる。また、配管材質がオーステナイト系ステンレス鋼の場合、繰返し施工による加工硬化で引張降伏および圧縮降伏を開始する応力の絶対値が増加するため、残留応力の最大値も増加し、残留応力低減効果も増大すると考えられる。これらの理由により、位置毎のばらつきが大きく平均値も引張である溶接後の配管内面に作用していた残留応力は、施工回数が増加するに従い位置毎のばらつきが減少して平均値も圧縮方向に改善される。

１配管
２突合せ溶接部
３内面開先加工部
４ヒータ
５保温材
６加熱温度制御用熱電対
７加熱温度制御機能付きヒータ電源
８外面温度測定用熱電対
９温度測定ユニット
１０冷却水
１１加熱範囲

Claims

配管を加熱した後に配管内面を急冷することで配管内面の残留応力を圧縮方向に改善する方法において、
配管溶接部近傍を配管外面からのヒータ加熱により施工温度まで昇温させた後、配管内部に冷却水を供給して配管溶接部近傍の内面を急冷する工程を２回以上繰り返し、
冷却水を供給して配管内面を急冷した際の配管外面温度の低下速度の最大と温度測定位置の配管板厚に基づき、施工が適正に行われたか否かを判定することを特徴とする配管溶接部の残留応力改善方法。
請求項１において、前記配管の材質がオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする配管溶接部の残留応力改善方法。
請求項１において、前記施工温度が３５０℃未満であることを特徴とする配管溶接部の残留応力改善方法。
請求項１において、冷却水を供給して配管内面を急冷した際の配管外面温度を０.１秒以下の間隔で測定することを特徴とする施工管理方法。
請求項４において、配管内面の開先加工範囲外で配管外面の温度を測定することを特徴とする施工管理方法。