JP6217892B1 - 鋳鋼部材の補修方法 - Google Patents
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Abstract
鋳鋼部材１０に発生した亀裂１５を除去した部分を溶接材料４０で肉盛溶接することにより鋳鋼部材１０を補修する方法であって、肉盛溶接の前に、肉盛溶接により生じる鋳鋼部材１０の熱変形を防ぐ固定材５０を鋳鋼部材１０に取り付け、取り付けた固定材５０を加熱することにより、当該固定材５０を熱変形の方向と逆向きに変形させておく。固定材５０は、例えば、オーステナイト系ステンレスの金属材料である。固定材５０を、例えば、熱変形の変位量と略同一量変形させる。
Description
本発明は、鋳鋼部材を補修する方法に関する。
火力発電設備や原子力発電設備等における鋳鋼製の構造物は長期間に渡って高温・高圧条件におかれることが多いので、例えばその起動・停止によりかかる熱応力が原因で、当該構造物に亀裂が発生することがある。
しかし、火力発電設備や原子力発電設備等における鋳鋼製の構造物には、蒸気タービン室や蒸気タービンの弁など大型のものが多いので、これらの構造物を工場に持ち帰って熱処理を行うとすると、配管の切り離しや運搬作業に大きな手間がかかり、かつ費用もかかるため現実的ではない。
しかしながら、現場での熱処理の規模には限界があるので、熱処理が不充分となり、これに起因する残留応力が発生し、補修後に変形が生じるおそれがある。溶接に伴う変形を抑える技術としては、例えば特許文献１に、１対の部材が重ね合されて溶接により接合されて構成された溶接継手構造材において、一方の部材にはこの部材の剛性を高めると共に、溶接されて接合される接合部の溶接熱を吸収する部位を形成することが提案されている。
しかしながら、亀裂が深く溶接量が多い場合には、熱処理不足に起因する残留応力が発生し、これにより変形が生じるおそれが高い。
本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、補修後の鋳鋼部材の変形を防ぐ鋳鋼部材の補修方法を提供することにある。
前述の目的を達成するための本発明の一つは、鋳鋼部材に発生した亀裂を除去した部分を溶接材料で肉盛溶接することにより当該鋳鋼部材を補修する方法であって、前記肉盛溶接を行う前に、前記亀裂を除去した部分の、前記肉盛溶接により生じる熱変形を防ぐ固定材を前記鋳鋼部材に取り付け、取り付けた前記固定材を加熱することにより、当該固定材を前記熱変形の向きと逆向きに変形させる。
本発明のように、肉盛溶接を行う前に、肉盛溶接により生じる熱変形を防ぐ固定材を鋳鋼部材に取り付け、これを加熱して当該固定材を上記熱変形と逆向きに変形させておくことで、肉盛溶接による熱変形と、固定材への加熱による熱変形とが相殺される結果、肉盛溶接後の鋳鋼部材は、肉盛溶接前と比べて変形のない状態で固定されることになる。すなわち、肉盛溶接による熱変形を結果的に生じさせないようにすることができる。このように、本発明の鋳鋼部材の補修方法によれば、補修後の鋳鋼部材の変形を防ぐことができる。
また、本発明の他の一つは、前記固定材は、オーステナイト系ステンレスの金属材料である。オーステナイト系ステンレス（オーステナイトを含むステンレス）は熱膨張係数が高いので、このような固定材を加熱することで、固定材を確実に変形させることができる。これにより、肉盛溶接による変形が大きい場合でも、補修後の鋳鋼部材の変形を防ぐことができる。
また、本発明の他の一つは、前記固定材を加熱することにより、前記固定材を前記熱変形の変位量と略同一量変形させる。固定材を、熱変形の変位量と略同一量変形させることで、肉盛溶接による変形と、固定材の加熱による変形とを確実に相殺させることができる。
また、本発明の他の一つは、前記固定材を加熱することにより、前記肉盛溶接により収縮する前記鋳鋼部材の収縮量と略同一量だけ、前記固定材を前記鋳鋼部材の収縮の方向と逆向きに膨張させておく。これにより、肉盛溶接による生じる、鋳鋼部材の補修部位（溶接部）の収縮による変形を防ぐことができる。
また、本発明の他の一つは、前記熱変形をＦＥＭ解析に基づき推定する。ＦＥＭ解析を用いることで、鋳鋼部材の補修部位（溶接部）の熱変形を正確に推定することができる。
また、本発明の他の一つは、前記溶接材料は、ニッケルを重量比で７０％以上含有する。本発明者らは、溶接材料にニッケルが７０重量％以上含有されていれば、溶接補修後の当該鋳鋼部材における亀裂の再発生を効果的に防ぐことができることを発見した。また、ニッケルを含む溶接材料による溶接は、現場での作業も容易である。
また、本発明の他の一つは、前記肉盛溶接は、前記溶接材料のリメルト処理を行うことを含む。本発明のように、溶接材料に対するリメルト処理を行うことにより、鋳鋼部材に残留応力が残ることを防ぐことができる。これにより、補修後の鋳鋼部材に亀裂が再発生することを防ぐことができる。
本発明によれば、補修後の鋳鋼部材の変形を防ぐことができる。
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、火力発電所や原子力発電所等に設けられる、蒸気タービン車室の一部を示した図である。この蒸気タービン車室の外殻部材１０は、例えばＣｒＭｏ鋳鋼などからなり、車室本体１１と、車室本体１１の内表面１６に立設された柱状の翼環（以下、柱部１２という）とを含んで構成されている。
図１は、火力発電所や原子力発電所等に設けられる、蒸気タービン車室の一部を示した図である。この蒸気タービン車室の外殻部材１０は、例えばＣｒＭｏ鋳鋼などからなり、車室本体１１と、車室本体１１の内表面１６に立設された柱状の翼環（以下、柱部１２という）とを含んで構成されている。
柱部１２の下縁１３には、蒸気タービンの起動・停止によって大きな熱応力がかかり、その結果、その表面に亀裂１５が発生する。
本実施形態に係る補修方法では、このように外殻部材１０に発生した亀裂１５を含む所定の部位を除去し（開先を形成し）、亀裂１５を除去した部分を所定の溶接材料で肉盛溶接する。
そして、本実施形態においては、この肉盛溶接を行う前に、当該肉盛溶接により生じる熱変形をＦＥＭ（Finite Element Method）解析に基づき推定する。このＦＥＭ解析を行うための入力パラメータとして、亀裂１５を除去する部分（以下、除去部分という）の形状、溶接材料に関する条件（以下、溶接条件という）、及び、後述する固定材に関する条件（以下、固定条件という）をそれぞれ決定する。
除去部分は、例えば、図２に示すように、亀裂１５全体を包含する、柱部１２の下縁１３の所定の範囲（以下、除去部２０という）である。
溶接条件は、例えば、使用する溶接材料の素材の条件、及び、肉盛溶接の方法の条件を含む。
溶接材料の素材は、外殻部材１０と溶接が可能な金属であればよいが、外殻部材１０よりも延性が高い（柔らかい）ニッケルを含んでいることが好ましい。また、溶接材料の素材は、クロムを含有し、かつニッケルを重量比で７０％以上含有することがさらに好ましい。この場合、他の成分は、硫黄（Ｓ）やリン（Ｐ）等の不可避不純物を除くと、例えば、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）等が挙げられる。
肉盛溶接の方法は、例えば、リメルト処理である。具体的には、図３に示すように、除去部２０を除去して形成された溝部３０の底面３２に、アーク溶接機２２等を用いて溶融状態の溶接材料４０を所定量供給して肉盛を形成する。そして、冷却し固化した肉盛の表面を、ＴＩＧトーチ等を用いて加熱することにより、当該肉盛をリメルトする。リメルト後、当該肉盛を自然冷却させる。このようなリメルト処理の繰り返しにより、溝部３０を溶接材料４０で充填し、溶接部を形成する。
このように、溶接材料４０に対するリメルト処理を行うことにより、鋳鋼部材（外殻部材１０。特に溝部３０）に残留応力が残ることを防ぐことができる。これにより、補修後の鋳鋼部材に亀裂が再発生することを防ぐことができる。
次に、固定条件は、例えば、固定材の素材である。固定材の素材は、熱膨張する金属であればよい。このような固定材としては、例えば、熱膨張係数が高いＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレスが好ましい。
以上の除去部分、溶接条件、及び固定条件や、外殻部材１０の構造に関する情報等を、ＦＥＭ解析を行うプログラムがインストールされた情報処理装置（コンピュータ）に入力することにより、肉盛溶接により生じる熱変形（例えば、溶接後に冷却に伴い生じる溶接部の収縮）を推定する。
なお本実施形態では、ＦＥＭ解析により、図２に示すように、溶接部の収縮によって柱部１２の高さが減少すると推定されたものとする。具体的には、肉盛溶接によって柱部１２の上縁１７が車室本体１１の内表面１６の方向に変位すると共に、車室本体１１の内表面１６は柱部１２の上縁１７の方向に変位すると推定されたものとする。そして、このときの柱部１２の高さの変位量（変位の絶対的な長さ）はＸであるとする。
次に、固定材（拘束材）を外殻部材１０に取り付ける。
具体的には、図４に示すように、車室本体１１の内表面１６、及び柱部１２の上縁１７の間を挟んで固定する固定材５０を設ける。すなわち、固定材５０は、肉盛溶接により生じる外殻部材１０の熱変形を防ぐ。なお、固定材５０の固定は、例えば隅肉溶接により行う。
次に、固定材５０の側面５２の中心部分をヒータ等で加熱する。これにより、固定材５０を、前記推定した熱変形の方向と逆向きの方向に熱変形させる。すなわち、固定材５０の下方部分は車室本体１１の内表面１６の方向に膨張し（変位し）、固定材５０の上方部分は柱部１２の上縁１７の方向に膨張する（変位する）。
このように固定材５０を加熱することにより、固定材５０を肉盛溶接により生じるであろう（ＦＥＭ解析により推定された）熱変形の方向と逆向きに、当該熱変形の変位量と略同一量（本実施形態では絶対的変位量Ｘ）だけ、変形させる。なお、固定材５０の加熱中の変位量の確認は、例えば、レーザー計測装置による計測で行う。
固定材５０への加熱が終了したら、前記決定した各条件に従って肉盛溶接を行う。そして、この肉盛溶接後、固定材５０への加熱を停止すると共に、取り付けていた固定材５０を外殻部材１０から取り外す。そして、レーザー計測装置等により、肉盛溶接前と比較して外殻部材１０（特に溶接部）に変形が大きく生じていないことを確認する。
以上のように、本実施形態の鋳鋼部材の補修方法は、肉盛溶接を行う前に、肉盛溶接により生じる熱変形を防ぐ固定材５０を鋳鋼部材（外殻部材１０）に取り付け、これを加熱して当該固定材５０を上記熱変形の方向と逆向きに変形させておくことで、肉盛溶接による熱変形と、固定材５０への加熱による熱変形とが相殺される結果、肉盛溶接後の鋳鋼部材は、肉盛溶接前と比べて変形のない状態で固定されることになる。すなわち、肉盛溶接による熱変形を結果的に生じさせないようにすることができる。このように、本実施形態の鋳鋼部材の補修方法によれば、補修後の鋳鋼部材の変形を防ぐことができる。
また、本実施形態の鋳鋼部材の補修方法では、固定材５０は、オーステナイト系ステンレスの金属材料である。オーステナイト系ステンレス（オーステナイトを含むステンレス）は熱膨張係数が高いので、このような固定材を加熱することで、固定材を確実に変形させることができる。これにより、肉盛溶接による変形が大きい場合でも、補修後の鋳鋼部材の変形を防ぐことができる。
また、本実施形態の鋳鋼部材の補修方法では、固定材５０を、熱変形の変位量と略同一量変形させることで、肉盛溶接による変形と、固定材５０の加熱による変形とを確実に相殺させることができる。
例えば、固定材５０を加熱することにより、肉盛溶接により収縮する鋳鋼部材の収縮量と略同一量だけ、固定材５０を鋳鋼部材の収縮の方向と逆方向に膨張させておくので、肉盛溶接による補修部位（溶接部）の収縮による変形を防ぐことができる。
また、本実施形態の鋳鋼部材の補修方法によれば、熱変形をＦＥＭ解析に基づき推定する。ＦＥＭ解析を用いることで、亀裂を除去した部分の熱変形を正確に推定することができる。
また、本実施形態における溶接材料は、クロムを含有し、かつニッケルを重量比で７０％以上含有するので、鋳鋼部材にかかる熱応力をニッケルの延性により効果的に緩和すると共に、クロムにより溶接部の表面の酸化を抑えることができる。これにより、鋳鋼部材の補修を効果的に行うことができる。
以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。
１０ 外殻部材、１１ 車室本体、１２ 柱部、１３ 下縁、１５ 亀裂、１６ 内表面、１７ 上縁、２０ 除去部、２２ アーク溶接機、３０ 溝部、３２ 底面、４０ 溶接材料、５０ 固定材、５２ 側面
Claims (7)
- 鋳鋼部材に発生した亀裂を除去した部分を溶接材料で肉盛溶接することにより前記鋳鋼部材を補修する方法であって、
前記肉盛溶接の前に、前記肉盛溶接により生じる前記鋳鋼部材の熱変形を防ぐ固定材を前記鋳鋼部材に取り付け、取り付けた前記固定材を加熱することにより、当該固定材を前記熱変形の向きと逆向きに変形させておく、鋳鋼部材の補修方法。 - 前記固定材は、オーステナイト系ステンレスの金属材料である、請求項１に記載の鋳鋼部材の補修方法。
- 前記固定材を加熱することにより、前記固定材を前記熱変形の変位量と略同一量変形させる、請求項１に記載の鋳鋼部材の補修方法。
- 前記固定材を加熱することにより、前記肉盛溶接により収縮する前記鋳鋼部材の収縮量と略同一量だけ、前記固定材を前記鋳鋼部材の収縮の方向と逆向きに膨張させておく、請求項３に記載の鋳鋼部材の補修方法。
- 前記熱変形をＦＥＭ解析に基づき推定する、請求項１に記載の鋳鋼部材の補修方法。
- 前記溶接材料は、ニッケルを重量比で７０％以上含有する、請求項１に記載の鋳鋼部材の補修方法。
- 前記肉盛溶接は、前記溶接材料のリメルト処理を行うことを含む、請求項１に記載の鋳鋼部材の補修方法。
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