JP5965856B2 - アイスプラグによる金属管の溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管内にアイスプラグを形成し、金属管の溶接部の裏面をシールドガスにより大気から遮蔽した状態で溶接するアイスプラグによる金属管の溶接方法に関する。

従来、例えば、原子力発電プラントや化学プラント設備で使用するステンレス鋼鋼管同士を溶接する場合には、溶接金属及びステンレス鋼鋼管の内面の酸化及び窒化防止のため、溶接部の裏面（具体的には、鋼管の内側面）を大気から遮蔽した状態でアルゴンガス等を供給する方法が特許文献１で知られている。
また、特許文献２には、溶接対象の同管の溶接部近傍を不活性ガスを用いた水溶性溶液の泡で全閉した後、溶接部に不活性ガスを流し、裏波溶接を行うことが提案されている。
更に、特許文献３にはシールしようとする配管にドライアイスを用いて遮断壁を形成することが提案されている。
以上の方法ではシールは完全ではなく、シールを持続させることは難しい等の問題があるので、出願人は先に特許文献４に示すように、氷柱を用いて管内をシールすることを提案した。この方法の概略を図８（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら説明する。

図８（Ａ）に示すように、溶接しようとする片側の配管１００に対して、例えば、開口部１０１から配管１００の内径の３〜６倍の距離を有するシール部位１０２の外側に、冷媒を流すコイル１０３を設けて冷却する。この状態で、配管１００の一端に形成されている開口部１０１からシール部位１０２に氷柱１０５を挿入する。この氷柱１０５の直径は配管１００の内径より僅少の範囲で小さい。

そして、図８（Ｂ）に示すように、氷柱１０５を配管１００に配置した後、霧吹き手段１０６によって、氷柱１０５の周囲に氷１０８を造り、配管１００と氷柱１０５との隙間を内面シール状態に埋めて氷柱１０５を配管１００に固定する。これによって、配管１００のシール部位１０２をシールする閉塞手段（アイスプラグ）を構成する。
次に、図８（Ｃ）に示すように、配管１００の端部に接続しようとする管材１０９（直管又はエルボ等をいう）を当接又は近接させて、配管１００と管材１０９との溶接を行う。この場合、管材１０９の他端は閉止状態となって、内部にシールドガス（例えば、アルゴンガス）が充填されている。

特開平１−１８６２７８号公報 特開平９−２４８６７３号公報 特開平２−７０３９９号公報 特開２００４−３４４９３６号公報

しかしながら、このように配管１００と氷柱１０５との隙間を霧吹き手段１０６によって、内面シール状態に埋める場合、配管１００と氷柱１０５との隙間に入った霧吹きの水は、冷却されすぐに凍るため、配管１００と氷柱１０５との隙間の奥まで到達できない。そのため、氷柱１０５の霧吹きを実施した側、即ち溶接部側にのみ短く氷１０８が形成される。この状態で配管１００と管材１０９の溶接作業を実施すると、溶接部１１０が急熱され配管１００の熱伝導、及び配管１００内に発生する温風ガスにより、溶接部１１０に最も近い部分の氷１０８と氷柱１０５の氷が徐々に融けて、溶接中にシールの役目を果たさなくなり、大気の流入によりバックシールドガス雰囲気が保たれず、溶接部１１０が酸化され、溶接品質を損なうという課題があった（図８（Ｄ）参照）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、負圧が発生している配管（金属管）やどのような姿勢（例えば、垂直、傾斜）の配管でも施工可能で、かつ氷柱と配管とのシール部が融けにくいアイスプラグ（閉塞手段）による金属管の溶接方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法は、金属管Ａに溶接接続される金属管Ｂの内部で、該金属管Ｂの開口端から離れたシール位置をアイスプラグによって閉塞し、前記金属管Ａ、Ｂ同士の溶接部の裏側をシールドガスによって大気から遮蔽した状態で溶接するアイスプラグによる金属管の溶接方法において、
前記アイスプラグを、前記シール位置を含む前記金属管Ｂの外側に冷却コイルを配置し、該金属管Ｂの前記シール位置を冷却状態に保つ第１工程と、
前記金属管Ｂ内に前記開口端から円柱又は円板状の氷柱を入れて、前記第１工程で冷却状態に保たれた範囲内に固定する第２工程と、
前記氷柱の手前側に、粒状の氷又はフレーク状の氷を軸方向に詰めて水を噴射し、該氷及び水を凍らせる第３工程とを有して形成する。

また、第２の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法は、第１の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記第３工程を複数回繰り返す。

第３の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法は、第１、第２の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記第２工程において、前記氷柱は、前記氷柱の外周と前記金属管Ｂの内周の境に、水を噴霧して固定する。

第４の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法は、第１、第２の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記第２工程において、冷却状態に保たれた前記金属管Ｂ内周面の所定の位置に水を噴射し、前記冷却コイルにより前記金属管Ｂの内周にアイスリングを形成し、その後、該アイスリングに前記氷柱を当接させて位置決め固定する。

そして、第５の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法は、第４の発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記アイスリングの形成は、前記金属管Ｂ内にバルーンを当接させ、該バルーンと前記金属管Ｂとの当接部に水を噴射して凍らせて行う。

ここで、粒状の氷又はフレーク状の氷とは、氷塊から造るかき氷（箔状、粒状）、水分を凍らせて粒状としたもの、及び雪等の氷等を含む。
噴霧（噴射）する水には、過冷却された水又は２℃以下の水、又は氷片を含む水を使用するのが好ましい。
また、前記冷却コイルは銅管、アルミ管又はステンレス管からなって、前記金属管Ｂに巻回されているのが好ましい。

前記シール位置は前記冷却コイルで冷却された領域で、前記金属管Ｂの開口端からより距離が離れた奥側部分に位置するのが好ましい。

本発明に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法においては、アイスプラグの製造にあって、氷柱の手前側に、粒状の氷又はフレーク状の氷を軸方向に詰めて水を噴射し、この氷及び水を凍らせる第３工程を有しているので、アイスプラグが金属管Ｂの長手方向に渡って金属管Ｂと氷によって接合され、溶接部からの熱伝達があっても容易に融け落ちない。従って、金属管Ａ、Ｂの溶接が裏側をシールした状態で確実に行える。

特に、金属管Ｂの内部に負圧又は正圧が発生していても、例えば、アイスリングによってアイスプラグを確実に所定の位置に形成でき、金属管Ｂを完全に遮断できる。

また、第２工程において、氷柱の固定を、金属管Ｂ内に水を噴射し、冷却コイルにより金属管の内周にアイスリングを形成し、その後、アイスリングに氷柱を当接させて位置決めして行う場合は、氷柱も所定の位置に配置できる。
更に、バルーンを取り除く場合には、バルーン内部の流体を抜いて萎めることができるので、使用後のバルーンの除去が容易となる。

（Ａ）〜（Ｉ）は本発明の第１の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法の説明図である。 本発明の第１〜第６の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法の概略説明図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は本発明の第２の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法の工程説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第３の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法の説明図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は本発明の第４の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法の説明図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は本発明の第５の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法の説明図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は本発明の第６の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法の説明図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は従来例に係る金属管の溶接方法の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法は、それぞれ直管又は曲管からなる金属管Ａと金属管Ｂの開口端１１、１０を溶接するものである。一般に金属管Ｂは既設（又は長尺）の配管であって、金属管Ｂの他側は閉塞できないことが多いが、金属管Ａは両端に開口端１１、１２を有し、金属管Ａの他側（開口端１２）は、例えば、蓋１３（又はキャップやシールカバー）を被せることよって、容易に塞ぐことができる（以下の実施の形態においても同じ）。
しかし、金属管Ａの他側が蓋等で閉塞できない場合であっても、金属管Ｂと同様に、金属管Ａの内部にアイスプラグを形成して、金属管Ａの他側を閉塞し、金属管Ａ、Ｂの溶接箇所（溶接部）の裏側を不活性ガスで大気からシールすることができる。

そこで、図２に示すように、本発明の第１〜第６の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法においては、金属管Ｂの内側途中位置（即ち、開口端１０から離れたシール位置１５）をアイスプラグ１６で閉塞し、金属管Ａは取外し可能な蓋１３を用いて開口端１２を閉塞し、金属管Ａ、Ｂの溶接箇所（溶接部）１７の裏側を不活性ガス（シールドガスの一例）で大気からシールするものである。

以下、図１（Ａ）〜（Ｉ）を用いて、第１の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法（特に、アイスプラグ１６の形成方法）について説明する。
図１（Ａ）に示すように、シール位置１５を含む金属管Ｂの外側に冷却コイル１９を配置してシール位置１５を冷却状態に保つ。更に、金属管Ｂのシール位置１５に、金属管Ｂを閉塞可能で開口端１０まで伸びる流体供給管の一例であるチューブ２０が設けられたバルーン２１を配置する。このバルーン２１に空気を入れて膨らませ、シール位置１５をこのバルーン２１で閉塞する。

バルーン２１の設置位置（即ち、シール位置１５）は、冷却コイル１９の奥側（開口端１０と逆側）であるのが好ましい。冷却コイル１９として例えば屈曲性のある銅管を用い、金属管Ｂに接して螺旋状に巻くのが好ましい。冷却コイル１９と金属管Ｂとの間には熱伝導性が良好な材料を適当に充填するのが好ましく、また、冷却コイル１９の外側は布又はシート等からなる断熱カバーを設けるのがよい（以上、第１工程）。

そして、図１（Ｂ）に示すように、バルーン２１と金属管Ｂの接触領域（当接部）に好ましくは低温の水をノズル２２で噴射し、図１（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、バルーン２１と金属管Ｂの接触領域に付着した水を凍らせて接触領域（即ち、金属管Ｂの内周）にリング状のストッパーであるアイスリング２３を形成する。この後、バルーン２１を萎めて金属管Ｂ内から除去する。なお、ノズル２２は、空気圧等で水を押し出す構造のものが好ましい。

次に、図１（Ｅ）に示すように、金属管Ｂ内に開口端１０から円柱又は円板状の氷柱２４を入れて、アイスリング２３に当接させて、金属管Ｂ内の所定の位置に、例えば、氷柱２４の奥側端が金属管Ｂの開口端１０から金属管Ｂの内径の３〜６倍位置になるように、位置決めすることができる。この場合、作業者が手で氷柱２４を持って金属管Ｂ内に入れ、図示しない押し棒を用いて、アイスリング２３に氷柱２４を当接させると、アイスリング２３と氷柱２４の接触部分が氷を介して接続され、氷柱２４の位置決めが完了し、氷柱２４が冷却状態に保たれた範囲内に固定される（以上、第２工程）。

この後、図１（Ｆ）、（Ｇ）に示すように、氷柱２４の手前側に粒状又はフレーク状の氷を手もしくは押し棒２７で押し込んで、氷粒層２６を形成し、この氷粒層２６にノズル２５で、例えば、シャワー状又は霧状の水分を供給し、氷柱２４の手前側に、氷柱２４と冷却コイル１９に冷却された金属管Ｂ内周面に密に氷着した第２の氷柱２９を形成する。この後、必要があれば、図１（Ｈ）に示すように、図１（Ｆ）、（Ｇ）の工程を繰り返し、図１（Ｉ）に示すように、第２の氷柱２９の厚みを増す（以上、第３工程）。
ノズル２５は、霧吹きや気体圧を利用したスプレー構造のものが好ましい。

以上のようにして、金属管Ｂの開口端１０から離れた所定位置に氷柱２４及び第２の氷柱２９を有するアイスプラグ１６を形成する。
この後、図２に示すように、開口端１０、１１に必要な開先が形成された金属管Ａ、Ｂを所定位置まで近づけて又は当接させて、金属管Ａ、Ｂの内部に不活性ガス（例えば、アルゴンガス）を充填して、金属管Ａ、Ｂの溶接箇所１７の裏側のシールを図り、金属管Ａと金属管Ｂを溶接する。

金属管Ｂ内に配置された氷柱２４と第２の氷柱２９は、冷却コイル１９を取り外すと、融けて消滅する。なお、作業中には、冷却コイル１９内に冷媒を循環させて、金属管Ｂ内の氷柱２４及び第２の氷柱２９の主要部又は全部が融けないように保持する。

続いて、図３に示す本発明の第２の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法に用いられるアイスプラグの形成方法について説明する。なお、前記した実施の形態と同一の構成要素については、同一の番号を付して詳しい説明を省略する（以下の実施の形態においても同様）。

図３（Ａ）に示すように、金属管Ｂの内径より少し外径の小さい円柱又は円板状の氷柱２４を外側に冷却コイル１９が配置されたシール位置１５に配置する。これによって、氷柱２４は金属管Ｂの内側に氷付いて氷柱２４が固定される（以上、第１、第２工程）。

次に、図３（Ｂ）に示すように、手もしくは押し棒３０を用いて、氷柱２４の手前側に粒状の氷又はフレーク状の氷を軸方向外側から内側に詰めて、押し棒３０で押し固め、図３（Ｃ）に示すように、更にシャワー３１によって水（冷水）を噴射又は噴霧し、詰められた氷、及び水を凍らせる。これによって、氷柱２４の手前位置に第２の氷柱３３を形成し、金属管Ｂの奥側所定位置にアイスプラグ３２を形成する（以上、第３工程）。なお、図３（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、粒状又はフレーク状の氷を詰めること、及び水の噴射は繰り返し行ってもよい。

次に、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す本発明の第３の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法、特に、アイスプラグの形成方法について説明する。
図４（Ａ）に示すように、所定位置周囲に冷却コイル１９が配置された金属管Ｂ内に氷柱２４を配置し、氷柱２４の周囲にシャワー３１によって水を噴射して、氷柱２４を金属管Ｂの内部に固定する。これによって、氷柱２４の手前側にアイスリング３４が形成される。

この後、このアイスリング３４の内側に、粒状又はフレーク状の氷３５を入れて、押し棒３６で押し固め、シャワー３１によって水を吹きかけ、第２の氷柱３８を形成する。これによって、氷柱２４及び第２の氷柱３８からなるアイスプラグ３９が形成される。
なお、粒状の又はフレーク状の氷３５を入れて、押し棒３６で押し固めて水を吹きかける工程は繰り返すこともできる。

次に、図５（Ａ）〜（Ｆ）を参照しながら、本発明の第４の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法（特に、アイスプラグの形成方法）について説明する。
まず、図５（Ａ）に示されるように、金属管Ｂのシール位置１５の内壁に、シャワー３１で冷水を吹き付け、その部分を凍らせてアイスリング４０を形成する。

そして、図５（Ｂ）に示すように、このアイスリング４０をストッパーとして、氷柱２４を入れて、氷柱２４を氷結させる。次に、図５（Ｃ）に示すように、粒状又はフレーク状の氷４１を手もしくは押し棒３０によって氷柱２４に向けて押し固める。この後、図５（Ｄ）に示すように、シャワー３１によって冷水を吹き付け、全体を凍らせ、第２の氷柱４３を形成する。

この後、必要な場合は、図５（Ｅ）に示すように、更に、粒状又はフレーク状の氷４１を手又は押し棒３０で押し固め、図５（Ｆ）に示すように、シャワー３１で冷水を吹き付け、第２の氷柱４３の厚さを増す。以上の工程によって、金属管Ｂの内側所定位置にアイスプラグ４４が形成される。

続いて、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示す本発明の第５の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法（特に、アイスプラグの形成方法）について説明する。
金属管Ｂは垂直状態であり、金属管Ｂの下端（開口端１０）に金属管Ａが溶接される。図６（Ａ）に示すように、金属管Ｂのシール位置１５には冷却コイル１９が配置され、その内側に氷柱４６が配置される。氷柱４６の搬入は先部に載置台４７が設けられた押し棒４８によって行う。

氷柱４６を所定時間保持すると氷柱４６は金属管Ｂの内壁に付着するが、図６（Ｂ）に示すように、氷柱１６の外周と金属管Ｂの内周の境にシャワー４９によって積極的に冷水を吹き付けることによって、より確実に氷柱４６を金属管Ｂの内壁に固定することができる。そして、図６（Ｃ）に示すように、手もしくは押し棒４８によって、粒状又はフレーク状の氷５２を詰め込み、押し棒４８によって押圧し、シャワー（ノズル）５１で冷水を吹き付ける。図６（Ｄ）に示すように、第２の氷柱５３が形成される。これによって、金属管Ｂの所定位置にアイスプラグ５４を形成できる。

次に、図７（Ａ）〜（Ｄ）に示す本発明の第６の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法（特に、アイスプラグの形成方法）について説明する。この実施の形態では、金属管Ｂが垂直状態にあり、金属管Ｂの上端（開口端１０）に金属管Ａが溶接される。この場合のアイスプラグ５６の形成は以下のようにして行う。
まず、図７（Ａ）に示すように、シール位置１５に冷却コイル１９を配置する。そして、シール位置１５の金属管Ｂの内側に冷水を散水して、アイスリング５７を形成し、その上に円柱状又は円板状の氷柱５８を載せる。

そして、図７（Ｂ）に示すように、シャワー５９で氷柱５８の周囲に冷水を吹き付け、氷柱５８の周囲に第２のアイスリング６０を形成する。この第２のアイスリング６０の内部及び上に、図７（Ｃ）に示すように、粒状又はフレーク状の氷６２を載せ、ノズル６１を用いて適当に散水することによって、図７（Ｄ）に示すように、氷柱５８の上に第２の氷柱６３を形成し、アイスプラグ５６を形成する。

本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、前記実施の形態においては、冷却コイルとして銅管を使用したが、アルミニウム管、ステンレス管又はその他の可撓性を有する金属管であってもよい。

以上の実施の形態において、金属管Ｂ内の奥側に負圧が発生していても、金属管Ｂの適当位置を容易に融けないアイスプラグで塞いでいるので、金属管Ａ、Ｂの溶接は問題なく行える。
また、第１〜第６の実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法（特にアイスプラグの形成方法）の一部を組み合わせて、第１〜第６の実施の形態と異なる実施の形態に係るアイスプラグによる金属管の溶接方法としても本発明は適用される。

Ａ、Ｂ：金属管、１０〜１２：開口端、１３：蓋、１５：シール位置、１６：アイスプラグ、１７：溶接箇所、１９：冷却コイル、２０：チューブ、２１：バルーン、２２：ノズル、２３：アイスリング、２４：氷柱、２５：ノズル、２６：氷粒層、２７：押し棒、２９：第２の氷柱、３０：押し棒、３１：シャワー、３２：アイスプラグ、３３：第２の氷柱、３４：アイスリング、３５：氷、３６：押し棒、３８：第２の氷柱、３９：アイスプラグ、４０：アイスリング、４１：氷、４３：第２の氷柱、４４：アイスプラグ、４６：氷柱、４７：載置台、４８：押し棒、４９：シャワー、５１：シャワー、５２：氷、５３：第２の氷柱、５４：アイスプラグ、５６：アイスプラグ、５７：アイスリング、５８：氷柱、５９：シャワー、６０：第２のアイスリング、６１：ノズル、６２：氷、６３：第２の氷柱

Claims (5)

1. 金属管Ａに溶接接続される金属管Ｂの内部で、該金属管Ｂの開口端から離れたシール位置をアイスプラグによって閉塞し、前記金属管Ａ、Ｂ同士の溶接部の裏側をシールドガスによって大気から遮蔽した状態で溶接するアイスプラグによる金属管の溶接方法において、
   前記アイスプラグを、前記シール位置を含む前記金属管Ｂの外側に冷却コイルを配置し、該金属管Ｂの前記シール位置を冷却状態に保つ第１工程と、
   前記金属管Ｂ内に前記開口端から円柱又は円板状の氷柱を入れて、前記第１工程で冷却状態に保たれた範囲内に固定する第２工程と、
   前記氷柱の手前側に、粒状の氷又はフレーク状の氷を軸方向に詰めて水を噴射し、該氷及び水を凍らせる第３工程とを有して形成することを特徴とするアイスプラグによる金属管の溶接方法。
2. 請求項１記載のアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記第３工程を複数回繰り返すことを特徴とするアイスプラグによる金属管の溶接方法。
3. 請求項１又は２記載のアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記第２工程において、前記氷柱は、前記氷柱の外周と前記金属管Ｂの内周の境に、水を噴霧して固定することを特徴とするアイスプラグによる金属管の溶接方法。
4. 請求項１又は２記載のアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記第２工程において、前記氷柱は、前記金属管Ｂ内に水を噴射し、前記冷却コイルにより前記金属管Ｂの内周にアイスリングを形成し、その後、該アイスリングに前記氷柱を当接させて位置決め固定することを特徴とするアイスプラグによる金属管の溶接方法。
5. 請求項４記載のアイスプラグによる金属管の溶接方法において、前記アイスリングの形成は、前記金属管Ｂ内にバルーンを当接させ、該バルーンと前記金属管Ｂとの当接部に水を噴射して凍らせて行うことを特徴とするアイスプラグによる金属管の溶接方法。

Images