JP5433302B2

JP5433302B2 - 溶接材料の選定方法及び発電用プラント

Info

Publication number: JP5433302B2
Application number: JP2009123358A
Authority: JP
Inventors: 伸彦齋藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: JP2010269342A

Description

本発明は、配管などの材質が異なる発電用プラント部材同士を接続する溶接継手部に適用される溶接材料を選定する方法に関する。

火力発電や原子力発電に用いられる圧力容器や配管には、低合金鋼（主に１〜２％Ｃｒ系鋼）や高Ｃｒ鋼（主に９〜１２％Ｃｒ系鋼）が用いられる。使用温度や作用応力などの部材の使用条件と、材料の許容応力を考慮して、上記材料からなる部材が使用される場所が決定される。このようにして決定された各部材は、溶接により接続されるが、このとき、低合金鋼と高Ｃｒ鋼とを溶接する異材溶接継手部が必要となる。

異材溶接継手部には、一般にインコネル系溶接材料及びフェライト系（共金系）溶接材料が用いられる。インコネル系溶接材料は、溶接継手部と高Ｃｒ鋼との界面に脱炭層が形成されにくいため、継手部でのクリープ強度及び靭性が良好となる。しかし、インコネル系溶接材料を使用すると、熱膨張の差に起因する熱応力によって損傷が発生する可能性がある。また、インコネル系溶接材料は、フェライト系溶接材料と比較して高価である上、溶接効率が悪いために、溶接に要するコストが高くなる。一方、フェライト系溶接材料は、溶接効率が良く、熱応力が小さいという利点がある。しかし、溶接継手部に含有される炭素が高Ｃｒ鋼に移動し、溶接継手部／高Ｃｒ鋼界面の溶接継手部側に脱炭層が形成されやすくなる。脱炭層により、クリープ強度及び靭性の低下が懸念される。

特許文献１では、低合金鋼の開先面にインコネル系溶接材料を肉盛溶接し、次に裏当金を装着してインコネル系溶接材料を更に肉盛溶接した後に、開先加工を行って、低合金鋼とステンレス鋼とを溶接する方法が開示されている。

特開昭５９−１０４７８号公報（特許請求の範囲、第２頁左上欄８〜２０行、図２）

上述のように、インコネル系溶接材料とフェライト系溶接材料は、互いに相反する利点と欠点とを有する。そのため、溶接部材が使用される温度や使用時間といった環境、熱応力、コストなどを考慮して、適切な溶接材料を選択する必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、異材溶接継手での脱炭層形成有無を予測して、部材の組合せや使用部位に応じた最適な溶接材料を選定する方法を提供する。

本発明の溶接材料の選定方法は、以下の工程を含む。
金属母材である低合金鋼及び高Ｃｒ鋼のそれぞれに含まれる各炭化物生成元素の所定温度における炭化物生成反応標準自由エネルギーの比率と、前記炭化物生成元素の濃度との積を合計した値を炭化物生成能パラメータと定義したときに、前記低合金鋼の炭化物生成能パラメータと、前記高Ｃｒ鋼の炭化物生成能パラメータとの差の絶対値を算出する。前記低合金鋼と前記高Ｃｒ鋼とが溶接材料で溶接された部材の使用温度及び使用時間から、時効パラメータを算出する。予め作成された、脱炭層が形成される条件の領域と脱炭層が形成されない条件の領域とを炭化物生成能パラメータの差の絶対値と時効パラメータとで表したグラフにおいて、前記算出された炭化物生成能パラメータの差の絶対値と、前記算出された時効パラメータとの交点が、前記脱炭層が形成される条件の領域にある場合に、前記溶接材料としてインコネル系溶接材料を選定する。前記交点が、脱炭層が形成されない条件の領域にある場合に、前記溶接材料としてフェライト系溶接材料を選定する。

上記発明において、前記脱炭層が形成される条件の領域が、式（１）：
Ｌ≧２６．７８３−０．７７８１２Δｇ …（１）
（但し、Ｌ：時効パラメータ、Δｇ：炭化物生成能パラメータの差の絶対値）
で表され、前記時効パラメータが、式（２）：
Ｌ＝（Ｔ＋２７３）（２０＋ｌｏｇ（ｔ）） …（２）
（但し、Ｔ：部材が使用される温度（℃）、ｔ：使用時間（時間））
で表され、前記算出された炭化物生成能パラメータの差の絶対値と、前記算出された時効パラメータとが、前記式（１）の関係を満たす場合に前記溶接材料としてインコネル系溶接材料を選定し、前記算出された炭化物生成能パラメータの差の絶対値と、前記算出された時効パラメータとが、前記式（１）の関係を満たさない場合に前記溶接材料としてフェライト系溶接材料を選定しても良い。

本発明者は、上述のように定義される２つの金属母材の炭化物生成能パラメータの差の絶対値と時効パラメータとが、２つの金属母材をフェライト系溶接材料で溶接した場合における脱炭層の形成状況と相関があることを見出した。溶接される金属母材の材質と、溶接部材が使用される環境（温度及び時間）とが判れば、上述の工程によって、金属母材の組合せ及び使用環境に応じて最適な溶接材料を選定できる。例えば、金属部材の組合せ毎に高温長時間での時効試験を実施して脱炭層の形成を確認する必要が無くなるため、最適な溶接材料を、容易かつ迅速に選定可能となる。

本発明の発電用プラントは、前記低合金鋼で作製されるプラント部材と、前記高Ｃｒ鋼で作製されるプラント部材とが、上記の方法により選定された溶接材料を用いて溶接されたものとされる。

本発明の選定方法を用いると、最適な溶接材料を迅速に選定できる。例えば、本発明の選定方法を用いて、高温長時間の使用によりフェライト系溶接材料では脱炭層が発生しやすい条件である部位にのみ、インコネル系溶接材料を適用することができる。こうすれば、高価で溶接効率が悪いインコネル系溶接材料で形成された溶接継手部の数を最小限に抑えることができるため、材料コスト及び溶接コストが低減される。更には、例えば脱炭層に起因して発生する溶接継手部の破損によるトラブルを未然に防止することができるために、保守管理コストが低減される。

本発明によれば、金属母材の組合せと使用環境とから、フェライト系溶接材料及びインコネル系溶接材料のいずれが溶接継手部として最適であるかを、容易かつ迅速に判断できる。インコネル系溶接材料で形成された溶接継手部を、例えば発電用プラントの設計段階で、必要に応じて効率良く配置できるために、材料コスト及び溶接コストが低減できる上、保守管理コストも低減できる。

互いに材質が異なる鋼材をフェライト系溶接材料で溶接した場合に、時効試験によって脱炭層が形成された試験片と、脱炭層が形成されなかった試験片とを、ΔｇとＬとの関係でプロットしたグラフである。

本発明の溶接材料の選定方法の一実施形態を以下に説明する。
発電用プラントの圧力容器や配管といったプラント部材に使用される低合金鋼や高Ｃｒ鋼などの金属母材には、炭化物を生成する元素であるＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂが含有される。

Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂそれぞれの鋼中での炭化物生成反応の標準エネルギーΔＧ（ｃａｌ／ｍｏｌ）は、式（３）〜（７）で表される。（「金属データブック」、日本金属学会編、１９９９年、ｐ．１５１参照）
Ｃｒ： ΔＧ＝−５５５５０＋５６．０６Ｔ …（３）
Ｍｏ： ΔＧ＝−１６１００＋１９．２７Ｔ …（４）
Ｗ： ΔＧ＝−３７０００＋３４．５８Ｔ …（５）
Ｖ： ΔＧ＝−４０４００＋２８．０７Ｔ …（６）
Ｎｂ： ΔＧ＝−５０５２０＋３１．８７５Ｔ …（７）
ただし、式（３）〜（７）において、Ｔは温度（Ｋ）である。

ここで、発電用プラントの使用環境温度に相当する温度５００℃での各元素のΔＧを、式（３）〜（７）から算出する。温度５００℃における各元素のΔＧの比を、式（８）に示す。
ΔＧ_Ｃｒ：ΔＧ_Ｍｏ：ΔＧ_Ｗ：ΔＧ_Ｖ：ΔＧ_Ｎｂ
＝１．２：０．３：１．０：１．９：２．６ …（８）

式（８）で示す比が、各元素の炭化物生成能（炭化物の形成しやすさ）を表す。金属母材中に含有される炭化物生成元素の濃度は、母材の材質により異なる。金属母材の炭化物生成能パラメータｇは、式（９）で定義される。
ｇ＝１．２Ｃ_Ｃｒ＋０．３Ｃ_Ｍｏ＋１．０Ｃ_Ｗ＋１．９Ｃ_Ｖ＋２．６Ｃ_Ｎｂ …（９）
ただし、式（９）において、Ｃ_Ｃｒ、Ｃ_Ｍｏ、Ｃ_Ｗ、Ｃ_Ｖ、Ｃ_Ｎｂはそれぞれ、金属母材中のＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの濃度（ｗｔ％）である。

２つの金属母材それぞれについて、式（９）を用いて炭化物生成能パラメータｇを算出する。２つの金属母材の炭化物生成能パラメータｇの差の絶対値を、Δｇと定義する。

次に、２つの金属母材が溶接されてプラント部材とされた場合に、プラント部材が使用される温度及び使用時間から、時効パラメータを算出する。時効パラメータＬは、式（２）で表される。
Ｌ＝（Ｔ＋２７３）（２０＋ｌｏｇ（ｔ）） …（２）
ただし、式（２）において、Ｔはプラント部材が使用される温度（℃）、ｔは使用時間（時間）である。

ここで、脱炭層が形成される条件の領域と脱炭層が形成されない条件の領域とを、ΔｇとＬとの関係で表したグラフを、予め作成しておく。以下に、上記グラフの作成方法を説明する。
表１に、溶接される金属母材の鋼種と、溶接施工方法を示す。鋼種には、Ｐ１２２（１１Ｃｒ−２Ｗ−０．４Ｍｏ−１Ｃｕ−Ｎｂ−Ｖ鋼）、Ｐ９１（９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ鋼）、Ｐ２３（２．２５Ｃｒ−１．６Ｗ鋼）、Ｐ２２（２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を用いた。
上記金属母材の溶接には、表１に示すフェライト系溶接材料を用いた。２種類の母材を溶接した後、表１に示す温度条件で２時間の後熱処理を実施し、試験片を得た。溶接直後及び後熱処理後の試験片について、浸透探傷試験（ＰＴ）、磁気探傷試験（ＭＴ）、超音波探傷試験（ＵＴ）、放射線探傷試験（ＲＴ）を実施し、溶接不良が無いことを確認した。

上記試験片を溶接面に対して垂直に切断し、複数の観察用試料を作製した。観察用試料について、電気炉を用いて、表２示す条件で時効試験を実施した。時効試験後、溶接面周辺部を研磨し、脱炭層の生成状況を光学顕微鏡で観察した。

図１は、時効試験によって脱炭層が形成された試験片と、脱炭層が形成されなかった試験片とを、ΔｇとＬとの関係でプロットしたグラフである。同図において、横軸は炭化物生成能パラメータの差の絶対値Δｇ、縦軸は時効パラメータＬである。図１に斜線で示された領域が、脱炭層が形成される条件の領域（脱炭層形成領域）とされる。脱炭層が形成されない条件の領域、すなわち、図１で脱炭層形成領域以外の領域が、無脱炭層領域とされる。図１において、脱炭層形成領域は、式（１）で表される。
Ｌ≧２６．７８３−０．７７８１２Δｇ …（１）

図１に例示されるグラフにおいて、上述のように算出した溶接される２つの金属母材のΔｇと、時効パラメータＬとの交点が、脱炭層形成領域にあるか、無脱炭層領域にあるかを判定する。交点が脱炭層形成領域にある場合は、２つの金属母材を溶接する溶接材料として、インコネル系溶接材料（例えば、ＷＥＬＭＩＧ８２）を選定する。交点が無脱炭層領域にある場合は、溶接材料としてフェライト系溶接材料を選定する。

あるいは、式（１）を用いて、溶接材料を選定することも可能である。
溶接される２つの金属母材のΔｇを、式（１）の右辺に代入して、数値を算出する。この数値と式（２）から算出されたＬとが式（９）の関係を満たす場合、２つの金属母材を溶接する溶接材料として、インコネル系溶接材料を選定する。上述のように求めた式（１）の右辺の数値と式（２）から求めたＬとが式（１）の関係を満たさない場合は、溶接材料としてフェライト系溶接材料を選定する。

以上のように、２つの金属母材の材質とプラント部材の使用条件（温度、時間）とが判れば、図１に例示される脱炭層形成領域を図示したグラフや、式（１）に例示される脱炭層形成領域を表した式を用いて、２つの金属母材を連結する溶接継手部に最適な溶接材料を選定することができる。

Claims

金属母材である低合金鋼及び高Ｃｒ鋼のそれぞれに含まれる各炭化物生成元素の所定温度における炭化物生成反応標準自由エネルギーの比率と、前記炭化物生成元素の濃度との積を合計した値を炭化物生成能パラメータと定義したときに、前記低合金鋼の炭化物生成能パラメータと、前記高Ｃｒ鋼の炭化物生成能パラメータとの差の絶対値を算出し、
前記低合金鋼と前記高Ｃｒ鋼とが溶接材料で溶接された部材の使用温度及び使用時間から、時効パラメータを算出し、
予め作成された、脱炭層が形成される条件の領域と脱炭層が形成されない条件の領域とを炭化物生成能パラメータの差の絶対値と時効パラメータとで表したグラフにおいて、前記算出された炭化物生成能パラメータの差の絶対値と、前記算出された時効パラメータとの交点が、前記脱炭層が形成される条件の領域にある場合に、前記溶接材料としてインコネル系溶接材料を選定し、
前記交点が、脱炭層が形成されない条件の領域にある場合に、前記溶接材料としてフェライト系溶接材料を選定する溶接材料の選定方法。
前記脱炭層が形成される条件の領域が、式（１）：
Ｌ≧２６．７８３−０．７７８１２Δｇ …（１）
（但し、Ｌ：時効パラメータ、Δｇ：炭化物生成能パラメータの差の絶対値）
で表され、
前記時効パラメータが、式（２）：
Ｌ＝（Ｔ＋２７３）（２０＋ｌｏｇ（ｔ）） …（２）
（但し、Ｔ：部材が使用される温度（℃）、ｔ：使用時間（時間））
で表され、
前記算出された炭化物生成能パラメータの差の絶対値と、前記算出された時効パラメータとが、前記式（１）の関係を満たす場合に前記溶接材料としてインコネル系溶接材料を選定し、
前記算出された炭化物生成能パラメータの差の絶対値と、前記算出された時効パラメータとが、前記式（１）の関係を満たさない場合に前記溶接材料としてフェライト系溶接材料を選定する請求項１に記載の溶接材料の選定方法。
前記低合金鋼で作製されるプラント部材と、前記高Ｃｒ鋼で作製されるプラント部材とが、請求項１または請求項２に記載の方法により選定された溶接材料を用いて溶接された発電用プラント。