JP5750276B2

JP5750276B2 - 熱処理方法

Info

Publication number: JP5750276B2
Application number: JP2011039176A
Authority: JP
Inventors: 昌樹鶴来; 青池　聡; 聡青池; 折谷　尚彦; 尚彦折谷; ゆか福田; 忍大城戸
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP2012176412A

Description

本発明は、溶接または加工によって発生した配管の残留応力を改善する熱処理方法に関する。

配管の溶接または加工後の残留応力を改善する代表的な方法として、特許文献１〜３が挙げられる。これらの特許文献には、配管外面を所定の温度に加熱した後、配管内面に冷媒を通し、配管の板厚方向に温度差を発生させ、配管の内面を引張り降伏、配管外面を圧縮降伏させることにより、熱処理後には配管内面が圧縮応力、配管外面が引張り応力になるような残留応力分布を配管板厚方向に形成させる方法について記載されている。

溶接や加工の熱履歴により発生した引張り残留応力は、疲労強度の低下，応力腐食割れの発生，進展の一要因となる。これらの残留応力を開放または圧縮化することにより、疲労，応力腐食割れによる損傷を抑制することが可能である。

配管における溶接，加工の引張り残留応力に対し、特許文献１では、板厚が薄い小径管に対して配管外面を均一加熱した後、冷却材を内面に通水し、板厚方向に温度差を発生させ、配管内面に圧縮，外面に引張りの残留応力を発生させる方法について記載している。

特許文献２では、対象とする材料の成分，熱処理の温度，時間，熱処理後の硬さ，表面の清浄度について記載されている。

特許文献３では、熱処理の温度，加熱の範囲，必要な板厚温度差，熱処理時間，工法について記載されている。

特許文献１では、加熱温度，冷却時の板厚温度差の規定が一切されていないため、例えばステンレス鋼製配管の場合、６５０℃近傍に加熱し、その後、水により急冷した場合、脆化相が析出し、残留応力は改善されるが、耐衝撃特性が低下する問題が発生する。逆に配管を１００℃に加熱し、その後、水により急冷した場合には、板厚温度差が不十分なため、内表面に目的とする圧縮応力場を形成させることが困難である。このように、対象物に対して適切な温度，板厚方向温度差を規定しないことには目的とする応力場を形成させることは困難である。

特許文献２では、対象とする材料の成分，熱処理の温度，時間，熱処理後の硬さ，表面の清浄度について記載されている。特許文献２では、残留応力を改善するために板厚方向の温度差と加熱による材料のクリープ変形を用いるため、熱処理に３０分以上要する。この場合、熱処理対象が多数ある場合には熱処理に必要な時間が多くなる。

特許文献３では、熱処理の温度，加熱の範囲，必要な板厚方向温度差，熱処理時間，工法について記載されている。

特許文献１〜３において、残留応力を改善する基本的な駆動力は板厚方向の温度差である。短小な配管を工場内で溶接または加工する場合、板厚方向の温度差を測定するために温度測定器を配管内面と外面に取り付け、熱処理時にその温度差を計測することにより板厚温度差を管理し、所定の残留応力場を形成させることは可能であるが、熱処理対象の配管が長い場合、熱処理対象の配管が閉ループの一部である場合には、配管内面の温度を測定することは困難であり、その結果、板厚方向温度差を管理することが困難である。

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、板厚方向の温度差を管理することが可能な熱処理方法を提供することにある。

本発明は、直径が２００mm以下、板厚が１５mm以下の小口径配管の溶接部近傍を加熱した後、配管内面を冷却する熱処理方法において、予め求めた、配管径と配管肉厚ごとの温度測定位置の外面の温度低下速度と内外温度差の関係から定まる、所定の内外温度差となる配管肉厚と外面の温度低下速度の関係に基づいて、施工時に測定した施工部の配管外面における温度低下速度と当該速度測定位置の測定した配管肉厚から、施工の適否を判定することを特徴とする。

本発明によれば、熱処理時の板厚方向の温度差は配管の板厚と外表面の温度低下速度と相関性があるため、配管板厚と外表面温度低下速度を管理することにより、板厚方向の温度差を管理することが可能になる。

本発明の配管外表面，内表面温度の時間変化の解析結果の一例。本発明の配管内外面温度差，外表面温度低下速度の時間変化の解析結果の一例。本発明の一実施例の模式図。本発明の最大内外温度差と最大外表面温度低下速度の関係の解析結果の一例。本発明の板厚と目標最大外表面温度低下速度の関係の一例。本発明の熱処理方法のフロー図。

本発明に係る熱処理方法は、配管内面に発生した引張の熱応力により、塑性ひずみを生じせしめ、温度降下後に残留応力の改善を図るものである。機械工学便覧・材料力学基礎編（１９９４年）によると、内半径ａ，外半径ｂの中空円筒にΔＴの温度勾配が存在するときの配管内表面に発生する周（σ_θ），軸（σ_a）方向応力は以下の式（１）で求められる。

ここで、αは線膨張率、Ｅは縦弾性係数、νはポアソン比、β₁は式（２）で表される。

図１，図２に有限要素法を用いた、本発明に係わる熱処理方法の模擬解析結果の例を示す。図３に、熱処理方法の模式図を示す。

図１は配管の外表面温度１０と内表面温度１１の時間変化を示している。図２は内外温度差２０と外表面温度低下速度２１の時間変化を示している。本解析例は、配管公称外径６０.５mmの配管を用いて、加熱温度を３２５℃、冷却水温度を１１.７℃とした場合の例である。配管外表面温度１０の評価位置は、図３の溶接部１０１の中心から配管軸方向に２０mm離れた位置であり、配管内表面温度１１の評価位置は溶接部１０１の中心とした。

図１によれば、配管の内表面温度１１は、通水直後から急激に低下し３２５℃から１００℃まで温度低下するのに数秒である。一方、外表面温度１０は冷却水３１を通水し始めた直後から温度の低下はみられるものの、内表面温度１１と比較すると緩やかに温度が下がり、１００℃まで低下するのに１０秒以上要している。式（１）より、熱応力には内外面の温度差が必要である。溶接部１０１に目的とする温度差を達成できたかどうか判断するために、溶接部１０１の配管内面近傍に予め、あるいは熱処理前に温度測定器３２を取り付けることが可能であれば、直接内外面の温度差を測定することが可能であるが、概して、配管内面に予め、または熱処理前に温度測定器３２を取り付けておくのは作業上困難である。したがって、熱処理による残留応力改善効果を管理するには、内外面温度差に代わるパラメータが必要である。

図２の内外面温度差２０は、冷却水通水初期に最大温度２２を示し、その後、漸減する。また、配管外表面の温度低下速度２１は、時間変化に対して内外面温度差２０とは時間遅れを生じながら、ほぼ同じ傾向で変化している。図２における内外面温度差２０の最大値および配管外表面の温度低下速度２１の最大値をそれぞれ、最大内外温度差２２および最大外表面温度低下速度２３とする。

図４に有限要素法解析により求めた、配管外径が等しく、板厚の異なる配管の最大内外温度差２２と最大外表面温度低下速度２３の関係を示す。図４より、最大内外温度差２２は最大外表面低下速度２３と比例し、また板厚とも相関性を有している。従って、それぞれの板厚ごとに、目標とする最大内外温度差における最大外表面温度低下速度を求め、この最大外表面温度低下速度を目標最大外温度低下速度４０とする。

図５に板厚と目標最大外表面温度低下速度４０との関係を示す。図中で白抜きされた範囲が、最大内外温度差２１が目標とする内外温度差より大きくなる施工適正範囲であるから、施工前に測定した配管板厚と施工時に測定した最大外表面温度低下速度を図５に示す板厚と目標最大外表面温度低下速度との関係に当てはめて、白抜きの範囲にあれば、施工は目標の内外温度差を達成したことが分かる。

図６は、熱処理方法の一連のフロー図を示す。本熱処理は図３に示す熱処理対象配管１００の溶接部１０１に対して、温度測定器３２を取り付ける位置の板厚を測定する工程６１、温度測定器を取り付ける工程６２、熱処理対象部にヒーター，保温材を取り付ける工程６３、２００〜４００℃の目標温度にまで昇温する加熱工程６４、配管径に合わせた冷却に必要な流量の冷却水３１を通水する冷却工程６５、冷却工程６５と並行して、冷却時の配管外表面温度を測定する工程６６、さらに通水終了後に測定した配管外表面温度から最大外表面温度低下速度２３を算出する工程６７、算出した最大外表面温度低下速度２３と工程６１で測定した配管板厚を予め求めた板厚と目標最大外表面温度低下速度の関係とを比較する工程６８，６９からなり、工程６９で施工適正範囲にあれば、施工は完了７１する。しかし、工程６９で施工適正範囲外の場合には、施工条件見直し工程７０において施工条件を見直して、工程６４以降を繰り返す。

板厚測定６１は、温度測定器３２を取り付ける位置である必要がある。これは、最大外表面温度低下速度２３を評価する工程６８，６９において、外表面温度測定位置の板厚で評価するためである。従って、配管の板厚が既知である場合には、この工程は省くことが可能である。

温度測定器３２の取り付け４２は、溶接部１０１に極力近くしたいが、前述の板厚測定６１との関係で、溶接部近傍は内面を機械加工するなど板厚が一定とならない可能性があるので、溶接部中心から１５mmから５０mmの離れ、望ましくは２０mmから３５mm離れた位置に取り付ける。また、周方向に最低１か所、好ましくは等間隔９０°ピッチで４か所測定する。

ヒーター，保温材３０は、溶接部１０１を含むように固定される。加熱範囲は配管径以上である。

加熱６４は、目的に応じて目標温度を設定する。例えば、３００℃で使用される配管の場合は、加熱温度を３００℃以下にすることにより、熱処理による材料への影響を取り除くことが可能になる。ただし、鉄系材料の場合には４００℃以上では析出物，相分離などにより材料特性が変化する場合があるので、最大熱処理温度は４００℃以下とする。

冷却６５は、配管径および溶接部の姿勢により、周方向に温度分布を持つことなく冷却できる流量の、流速の冷媒を通水する。冷却６５の工程と同時に配管の温度測定６６が実施され、配管外表面温度１０の時間変化が測定される。

最大外表面温度低下速度の算出６７の工程は、通水終了後に測定された配管外表面温度１０の時間変化から配管外表面温度低下速度の時間変化を算出し、さらにその結果から最大外表面温度低下速度２３を求める。

次に、工程６１で測定した配管板厚と工程６７で求めた最大外表面温度低下速度２３とを予め用意した、配管板厚と目標最大外表面温度低下速度の関係と比較して施工が適性かどうかを判定する。例えば、図５に示すようなグラフに測定結果の板厚と最大外表面温度低下速度２２をプロットし、その位置が図中の施工適正領域内にあれば、施工が適正範囲内であると判定する。あるいは、配管板厚と目標最大外表面温度低下速度の関係を、代数式を用いた評価式で表して判定することも可能である。また、予め当該判定アリゴリズムをプログラム化してパーソナルコンピュータなどの情報処理装置などにより、ソフトウェアによる判定を実施することも可能である。いずれの方法でも施工が適正範囲内と判定された場合は施工が完了する。判定が適正範囲外の場合は、工程７０で施工条件（加熱温度，冷却水温度，流量など）を見直して工程６４に戻り、再施工する。

１０配管外表面温度
１１配管内表面温度
２０内外面温度差
２１外表面温度低下速度
２２最大内外面温度差
２３最大外表面温度低下速度
３０ヒーター，保温材
３１冷却水
３２温度測定器
４０目標最大外表面温度低下速度
６０熱処理開始
６１板厚測定工程
６２温度計測器取り付け工程
６３ヒーター・保温材取り付け工程
６４加熱工程
６５冷却工程
６６温度測定
６７最大外表面温度低下速度の算出
６８判定基準との比較
６９判定
７０施工条件見直し
７１施工完了
１００配管

Claims

直径が２００mm以下、板厚が１５mm以下の小口径配管の溶接部近傍を加熱した後、配管内面を冷却する熱処理方法において、
予め求めた、配管径と配管肉厚ごとの温度測定位置の外面の温度低下速度と内外温度差の関係から定まる、所定の内外温度差となる配管肉厚と外面の温度低下速度の関係に基づいて、施工時に測定した施工部の配管外面における温度低下速度と当該速度測定位置の測定した配管肉厚から、施工の適否を判定することを特徴とする熱処理方法。
請求項１において、溶接中心から１５〜５０mm離れた位置で外面の温度低下速度を測定することを特徴とする熱処理方法。
請求項１において、前記温度低下速度の測定は配管外面のみの温度低下速度であることを特徴とする熱処理方法。
直径が２００mm以下、板厚が１５mm以下の小口径配管の溶接部近傍を加熱した後、配管内面を冷却する熱処理方法において、
前記施工時に測定した施工部の配管外面における温度低下速度と当該速度測定位置の測定した配管肉厚から、予め求めた、目標とする最大内外温度差を一定とした場合の配管肉厚と最大外表面温度低下速度との関係に基づいて、施工の適否を判定することを特徴とする熱処理方法。