JP5687825B2 - 歪み抑制治具及び鋼製壁部の補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温ガスに曝される鉄鋼製の水冷構造物などの冷却構造を備えた鋼製壁部を補修する際における、当該鋼製壁部に発生する歪みを抑制する技術、及び当該鋼製壁部の補修方法に関する。

高温ガスに曝される鉄鋼製の水冷構造物、例えば、製鋼工場の転炉排ガス冷却設備（フードボイラ・スカート等）においては、その設備の長寿命化を付与するため、上記高温ガス等の排ガスが接触する内壁面に対して、随時、各種肉盛溶接を施して補修を行っている。
ここで、発電設備などに使用されている熱交換器の水管は、経時的に、燃焼ガスやガス中のダストによる摩耗や腐食等により、水管表面で減肉が発生する。このため、水管表面を保護するために、金属やセラミックなどの材料を溶融して吹き付ける溶射法などが採用される。

しかしながら、溶射法で形成する保護皮膜は、一般に薄く靭性が低いため、膨張・収縮の熱サイクルの激しい転炉排ガスのボイラ設備などでは亀裂が発生し易い。このため、近年は耐摩耗性、耐腐食性を維持しつつ、靱性も向上させたＮｉ系材料の肉盛溶接が採用されてきている（特許文献１など）。
ここで、肉盛溶接は、その原理上、施工時に多量の熱が対象に入熱するため、対象とする構造物に熱歪みを生じる。従って、対象がボイラ構造物のように寸法精度が要求される場合、熱歪みを抑える肉盛溶接方法が求められている。

一般的に熱歪みを除去する方法として、歪んだ対象物を逆方向から荷重をかけて変形させることで元に戻す方法がある。しかしこの方法は、あくまで溶接継手部の歪み除去を想定した方法であり、肉盛した後の構造物には適用することが困難である。
また、特許文献２に記載の技術もある。この従来技術は、溶接と同時に裏側から加熱してやることで、熱歪みを抑制する溶接法である。

特公平４−８００８９号公報 特開平４−１６２９７８号公報

上記特許文献２に記載の技術は、溶接と同時に裏側から加熱してやることで、熱歪みを抑える。しかしながら、肉盛溶接の場合、高温割れなどの施工不良を防止するため、通常、水管内部を水冷しながら施工する。このため、この特許文献２に記載の歪み抑制方法を適用することが困難である。
本発明は、冷却媒体が通過する配管が壁部の一部を構成する鋼製壁部を対象として肉盛り溶接する際における、当該鋼製壁部の歪み発生を簡易に抑制可能な技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、冷却媒体が通過する冷却配管が複数本配列すると共に隣り合う冷却配管間を連結部材で連結して構成された鋼製壁部における、一方の壁面の一部若しくは全面を肉盛り溶接する際に上記鋼製壁部の歪み発生を抑制するための歪み抑制治具であって、
上記鋼製壁部における他方の壁面に対向し且つ上記冷却配管の配列方向に延びる補強部材本体と、その補強部材本体から上記鋼製壁部に延びて延在方向先端部を上記鋼製壁部の他方の壁面に仮固定される複数のリブ部材と、から構成することを特徴とするものである。

次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記各リブ部材の他方の壁面への仮固定は、リブ部材の延在方向先端部に片開先を形成し、その片開先部分を他方の壁面に溶接にて固定してなることを特徴とするものである。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、上記鋼製壁部は、筒形状の壁を形成すると共に、その内壁面が上記一方の壁面を形成し、
上記補強部材本体は、筒形状の鋼製壁部の外周を巡るように配置された無端環形状の部材であり、
上記各リブ部材は、上記筒形状の鋼製壁部の径方向に延在させることを特徴とするものである。
ここで、上記補強部材本体の環形状は、筒形状の鋼製壁部の軸方向からみて、当該鋼製壁部の無端環形状と同形若しくは同形に近い形状となっていることが好ましい。

次に、請求項４に記載した発明は、冷却媒体が通過する冷却配管が複数本配列すると共に隣り合う冷却配管間を連結部材で連結して構成された鋼製壁部における一方の壁面の一部若しくは全面を肉盛り溶接して補修する鋼製壁部の補修方法において、
上記請求項１〜３のいずれか１項に記載した歪み抑制治具で鋼製壁部を拘束した状態で、肉盛り溶接を施すことを特徴とするものである。

冷却媒体が通過する冷却配管が複数本配列すると共に隣り合う冷却配管間を連結部材で連結して構成された鋼製壁部においては、冷却配管の延在方向（軸方向）よりも冷却配管の配列方向で歪みは発生し易い。
これに対し、本発明によれば、その歪みが発生し易い上記配列方向に沿って配置した補強部材本体に対して、複数のリブ部材を介して仮固定する。これによって、肉盛り溶接する際における当該鋼製壁部の熱歪み発生を、簡易な構成で抑制することが可能となる。

また、このとき請求項２に係る発明によれば、リブ部材を片開先による溶接で鋼製壁部に仮固定する。この結果、鋼製壁部が補強部材本体から離れる方向への歪みが抑制出来る。また、片開先による溶接による仮固定であるため、例えば、リブ部材に衝撃を付与することで、仮固定したリブ部材を、容易に鋼製壁部から取り外すことが可能である。
また、請求項３に係る発明によれば、環状の補強部材本体と放射状に配置したリブ部材とによって、筒状の鋼製壁部の周方向に沿った歪みを簡易に抑制することが可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る転炉ボイラ設備の一例を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る下部フードボイラを説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る下部フードボイラの一部を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る歪み抑制治具を説明する直線状に展開した平面図である。 本発明に基づく実施形態に係る歪み抑制治具を説明する模式的平面図である。 本発明に基づく実施形態に係るリブ部材の断面を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る歪み抑制治具及び溶接装置を示す図である。 リブ部材の取り外しを説明する図である。 リブ部材の内端部の別の形状を説明する図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、転炉排ガス冷却設備を備えた転炉ボイラ設備の一例を示す図である。
転炉１の吹錬時には、転炉１から排出される高温の排ガスは、スカート２、下側のフードボイラ、上部ボイラ５を経由して集塵機６に送られる。上記下側のフードボイラは、下部フードボイラ３及び上部フードボイラ４からなる。スカート２及び各ボイラ３，４，５は、それぞれ筒形状をした、水冷式の冷却構造（熱交換構造）を持った鉄鋼構造物である。

本実施形態では、肉盛り溶接を行う対象として下部フードボイラ３を例示する。なお、各ボイラ３，４及びスカート２の基本構造は同じであり、本発明を適用可能であるが、下部フードボイラ３が一番熱負荷が大きいため、下部フードボイラ３を例示する。
本実施形態の下部フードボイラ３は、図２及び部分的に示す斜視図である図３に示すように、上部に円環状の給水ヘッダ１０、及び排水ヘッダ１１を備える。その給水ヘッダ１０と排水ヘッダ１１の間を複数の水冷管１４によって連通する。すなわち、上記給水ヘッダ１０から複数の水冷管１４が分岐する。その各水冷管１４は、下方に延び、下側で２つに分岐し、分岐した２つの水冷管１４は、上方に延びて上記排水ヘッダ１１に連通する。

ここで、上記下方に向かう水冷管１４部分を下降管１２と呼び、上記上方に向かう水冷管１４部分を上昇管１３と呼ぶ。上昇管１３が冷却配管を構成する。
上記複数の下降管１２は、下部フードボイラ３の中心軸Ｃを中心とした第１の仮想円に沿って並ぶように配置される。
その下降管１２よりも内径側に上記上昇管１３が配置される。複数の上昇管１３は、下部フードボイラ３の中心軸Ｃを中心とした上記第１の仮想円よりも小さい半径の第２の仮想円に沿って配置される。

そして、図４に示すように、各隣合う上昇管１３同士がフィン１５によって連結する。なお、図４では、直線上に展開した図で示している。この第２の仮想円に沿って配列する複数の上昇管１３及びフィン１５によって、筒形状の鋼製壁部が形成される。フィン１５は連結部材を構成する。
そして、給水ヘッダ１０、下降管１２、上昇管１３、及び排水ヘッダ１１と流れる冷却媒体としての水によって、上記下部フードボイラ３内を通過する排ガスとの間で熱交換が行われる。

そして、本実施形態では、上昇管１３及びフィン１５からなる筒形状の鋼製壁部のうち、上記排ガスに接触する内壁面を肉盛り溶接によって補修する場合を例に挙げて説明する。
本実施形態の歪み抑制治具１９は、模式図である図５に示すように、全体で円環状をなす補強部材本体２０と、その補強部材本体２０とフィン１５外径面とを連結する複数のリブ部材２１とで構成される。
上記補強部材本体２０は、平面視で円弧形状に沿って延びる複数のＨ形鋼からなる。その複数のＨ形鋼を連結することで、無端環状の形状となる。Ｈ形鋼は、例えばウェブ部が水平となるように配置する。

また、各リブ部材２１は、縦断面長方形形状の鋼製の板部材であって、図６に示すように、断面長方形の長辺を上下方向に向けた状態で配置する。そのリブ部材２１の延在方向先端部である内端部に図４に示すように、片開先２１ａが形成されている。
上記構成の歪み抑制治具１９を、上記下部フードボイラ３の外周に配置する。
すなわち、補強部材本体２０を構成する複数のＨ形鋼を、上記下部フードボイラ３の中心軸Ｃを中心とした第３の仮想円に沿って配置し、各Ｈ形鋼を連結することで、図５に示すように、上記第３の仮想円上に無端環状に構成する。各Ｈ形鋼の連結は、例えば、各Ｈ形鋼の端部間に板材をあてがって、ボルト締結若しくは溶接によって連結する。

また、複数のリブ部材２１を、図３及び図５に示すように、上記補強部材本体２０に対し、上昇管１３の並び方向つまり円周方向に沿って並ぶように配置して、その外端部を当該上記補強部材本体２０に固定する。各リブ部材２１は、外端部を上記補強部材本体２０の内径面に対し溶接によって固定する。このとき、各リブ部材２１は、下部フードボイラ３の径方向に延びるように設定する。これによって、複数のリブ部材２１は、下部フードボイラ３の中心軸Ｃに対して放射状に配置する。

また、リブ部材２１の延在方向先端部である内端部に形成された片開先２１ａ部分を、フィン１５外径面に溶接することで、リブ部材２１の内端部をフィン１５に仮固定する。
上記のようにして歪み抑制治具１９を、下部フードボイラ３の軸方向（高さ方向）に沿って２以上配置する。図７では、３つの歪み抑制治具１９を、上下方向に且つ等間隔に配置した例を示している。
以上によって、歪み抑制治具１９が、下部フードボイラ３の外周に取り付けられる。
この状態で、下部フードボイラ３の内壁面に対し、図７に示すような装置３０を使用して、肉盛り溶接によって補修を行う。図７中、符号２５は溶接トーチを示す。また、図４中、Ｂが肉盛り部分を示している。

上記肉盛り溶接の施工における熱によって、下部フードボイラ３は内径側に変形しようとするが、上記歪み抑制治具１９によってその変形が抑制される。すなわち、肉盛り溶接による歪みが小さく抑えることが出来る。ここで、肉盛り溶接の施工中は、給水ヘッダ１０、下降管１２、上昇管１３、及び排水ヘッダ１１と冷却媒体としての水を流して冷却した状態で行うことが好ましい。
また、下部フードボイラ３と同心状に補強部材本体２０を配置すると共に複数のリブ部材２１を放射状に配置しているので、発生する歪みは周方向全周に伝達することで、当該歪み抑制治具１９によって、下部フードボイラ３の全体の形状も、上面視、円形形状に拘束することが出来る。

そして、下部フードボイラ３の内壁面に対する肉盛り溶接が完了したら、常温まで温度低下したことを確認した後に、図８に示すように、開先側からリブをハンマーで叩くことによりリブ部材２１をフィン１５から取り外すと共に、補強部材本体２０を構成する複数のＨ形鋼を分離して撤去する。これによって容易にリブ部材２１を取り外すことが出来る。
ここで、上記肉盛り溶接の施工は、例えば特開２００８−９３７３２号公報に記載されているような肉盛り溶接方法を採用すればよい。

すなわち、ＭＩＧ溶接又はＭＡＧ溶接を行う溶接機を用いて、例えばウィービングの振幅を７ｍｍ〜２０ｍｍの範囲とし、該ウィービングの振動数を毎秒７回以下、溶接速度２〜１７ｍｍ／秒にして溶接を行う。溶接機による溶接の入熱量は、例えば４００〜１１００Ｊｏｕｌｅ／ｍｍとする。
そして、上記肉盛り溶接は、ニッケル基合金又はステンレス合金、例えばインコネルを、下部フードボイラ３の内壁面に対し肉盛り溶接で肉盛りする。肉盛りの厚さは例えば１．５ｍｍ以上とする。
ここで、肉盛り溶接する部分は、下部フードボイラ３の内壁面の全面でも良いし、上半分など内壁面の一部であっても良い。ただし、本実施形態の歪み抑制治具１９は、肉盛りする面積が大きいほど有効に働く。

ここで、上記補強部材本体２０を構成するＨ形鋼のサイズＹ１（ｍｍ）、及び、高さ方向における歪み抑制治具１９の本数Ｙ２（本）は、例えば下記（１）式及び（２）式で決定すれば良い。Ｈ形鋼のサイズＹ１（ｍｍ）は、Ｈ形鋼のウェブ長さとする。
Ｙ１ ＝（１/２０）×Ｘ１−１００ ・・・（１）
Ｙ２ ＝（１/６００）×Ｘ２−１ ・・・（２）
ここで、Ｘ１（ｍｍ）は肉盛対象物の直径（内径）、Ｘ２（ｍｍ）は肉盛対象物の高さとする。

また、リブ部材２１は、例えば上昇管１３を６〜１０本間隔毎に配置する。
なお、歪み抑制治具１９は、高さ方向に出来るだけ、高さ方向に等間隔で取り付ける。
ここで、上記実施形態では、フードボイラの内壁面を肉盛り溶接する場合を例示した。冷却媒体が通過する冷却配管が複数本配列すると共に隣り合う冷却配管間を連結部材で連結して構成された鋼製壁部における一方の壁面を肉盛り溶接する場合であれば、他の鋼製壁部を対象としても良い。
また、肉盛り溶接は、補修に限定されず、補強のためであっても良い。

また、上記実施形態では、リブ部材２１の内端部に片開先２１ａを形成して溶接した場合を例示した。片開先２１ａを形成しなくても良い。例えば、図９に示すように、リブの片面側だけを溶接することで仮固定しても良い。また、片開先は、横方向に限定されず上下方向であっても良い。
また、リブ部材２１の内端部を仮固定する位置は、フィン１５に替えて下降管１２であっても良い。但し、フィン１５に仮固定した方が水冷管１４に不要な負荷が掛からず好ましい。

直径Φ５０００ｍｍ、高さ２４００ｍｍの円筒形状の鋼構造物である下部フードボイラ３を補修対象として、内壁面全面に対して肉盛溶接を行ってみた。
肉盛り材料として、０．１％以下Ｃ、２０〜３０％Ｃｒ、８〜１０％Ｍｏ、５．０％以下Ｆｅ、１．０％以下Ｃｏ、３．１５〜４．１５％Ｎｂ、０．４％以下Ｔｉ、０．４％以下Ａｌ、０．５％以下Ｍｎ、０．５％以下Ｓｉ、残部Ｎｉの固体粒子群で形成される肉盛材料（米Ｉｎｃ社 インコネルＡｌｌｏｙ６２５相当）を使用した。

歪み抑制治具１９によって当該下部フードボイラ３を拘束した状態で、肉盛り溶接した場合には、熱歪みは、最大で１２ｍｍ以下であった。すなわち、鋼構造物の直径に対して０．２４％以下の歪みに抑えられたことを確認した。
なお、上記下部フードボイラ３を対象として、上記（１）式及び（２）式に基づき、Ｈ形鋼サイズを１５０×１５０ｍｍに、歪み防止治具を高さ方向に三箇所に取り付けた。

一方、上記下部フードボイラ３を上記歪み抑制治具１９で拘束することなく、内壁面全面に対して肉盛溶接を行ってみた。この場合には、最大１００ｍｍ程度（鋼構造物の直径に対し、約２％の歪み）の熱歪みが発生した。このような歪みが発生した場合には、そのままでは、スカート部などに再組付けが出来ない可能性がある。
このように、本実施形態の歪み抑制治具１９を使用すると、対象物の直径に対し、最大０．３％以下の熱歪みに抑えることが出来ることを確認した。
このように、簡易に取り外し可能な歪み抑制治具１９を取付けることで、溶接歪みを鋼構造物の直径０．３％以下に抑えることが可能となる。

３ 下部フードボイラ
１０ 給水ヘッダ
１１ 排水ヘッダ
１２ 下降管
１３ 上昇管
１４ 水冷管
１５ フィン
１９ 歪み抑制治具
２０ 補強部材本体
２１ リブ部材
２１ａ 片開先

Claims (4)

1. 冷却媒体が通過する冷却配管が複数本配列すると共に隣り合う冷却配管間を連結部材で連結して構成された筒形状の鋼製壁部における、一方の壁面の一部若しくは全面を肉盛り溶接する際に上記鋼製壁部の熱歪み発生を抑制するための歪み抑制治具であって、
   上記鋼製壁部における他方の壁面に対向し且つ上記冷却配管の配列方向に延びる補強部材本体と、
   上記補強部材本体から上記連結部材に延びて延在方向先端部が上記連結部材に仮固定される複数のリブ部材と、
   を備えることを特徴とする歪み抑制治具。
2. 上記各リブ部材の上記連結部材への仮固定は、上記各リブ部材の延在方向先端部に片開先を形成し、その片開先部分を上記連結部材に溶接にて固定してなることを特徴とする請求項１に記載した歪み抑制治具。
3. 上記鋼製壁部は、筒形状の壁を形成すると共に、その内壁面が上記一方の壁面を形成し、
   上記補強部材本体は、筒形状の鋼製壁部の外周を巡るように配置された無端環形状の部材であり、
   上記各リブ部材は、上記筒形状の鋼製壁部の径方向に延在させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した歪み抑制治具。
4. 冷却媒体が通過する冷却配管が複数本配列すると共に隣り合う冷却配管間を連結部材で連結して構成された鋼製壁部における一方の壁面の一部若しくは全面を肉盛り溶接して補修する鋼製壁部の補修方法において、
   上記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載した歪み抑制治具で鋼製壁部を拘束した状態で、肉盛り溶接を施すことを特徴とする鋼製壁部の補修方法。

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