JP6730927B2 - 段付き設計の溶接継手用作製物 - Google Patents

Description

本開示は、溶接部用作製物の段付き配置を備えた溶接部、溶接部を備える溶接継手、および溶接部を形成する溶接方法に関する。

エネルギー生産構成部品およびボイラー構成部品は、いくつかの異なる鋼から製造される。典型的な５００ＭＷボイラーは何百万ポンドの様々な金属グレードを含むばかりでなく、これらの材料を互いに接合するために何万もの溶接部をも必要とする。典型的な溶接部は、少なくとも１つの母材（基材）金属、熱影響部（ＨＡＺ）、および溶接部そのものを含む。溶接部は、母材金属材料、溶接プロセスからの消耗品、および溶接プロセス中に導入される追加材料で構成されている。ＨＡＺは、母材金属と同じ化学組成を有するが、異なる材料ミクロ組織を有する母材金属内の領域である。異なるミクロ組織は、溶接プロセスにより発生する強烈な局在化した熱に由来する。
エネルギーおよびボイラー用途に使用される合金は、運転時の性能およびコストなどの要素に基づいて選択される。様々なボイラー構成部品における稼働条件は、水が水蒸気に変換される際に変わる。したがって、様々なシステム構成部品において、水蒸気、温度、および圧力が増加すると、商用発電ボイラーは、温度および圧力の様々なレベルに適応するために様々なタイプの鋼を含み得る。

エネルギー生産構成部品およびボイラー構成部品に関連する問題は、これらに限定はされないが、クリープ変形およびそれに続く破損が含まれる。クリープ変形および損傷は、材料が物理的および熱的応力に曝されると起こる。提示される変形は、弾性的、塑性的、またはき裂などの破損でさえあり得る。通常は温度が上昇するにつれ、クリープ変形速度も増加する。
クリープ強度強化フェライト（ＣＳＥＦ）鋼は、高温および高応力下で長時間稼働することが要求される構成部品を製作するのに、ますます使用されている。溶接ＨＡＺにおける局所的損傷の直接的結果として、こうした構成部品がき裂を発達させ、破損し得ることを経験が示している。母材の予想寿命のわずか１０分の１で破損が起こり得、安全性および経済的な危険を生じる恐れがある。現在使用されている溶接継手の設計は、低い経済コスト、溶接機利用の容易さ、および溶接部を完成するのに要する時間などの実用的製造要素に現在は基づいている。構成部品が運転中に破損した場合、構成部品を使用できるように復元するために、補修溶接による修復が典型的には行われる。

圧力境界溶接部を製作するための設計手法は、典型的には「公式による設計」に基づく。ＡＳＭＥ序文第Ｉ節には、公式の目的は、「合理的に長期安全な有用期間」を付与するために、「寿命および特性の合理的な保護を提供し、運転時の劣化に対する余裕を与えること」と述べられている。第Ｉ節には、何が合理的な長期設計寿命なのか明確な提示は提供されていない。期待される性能に関して定義がないのは、溶接継手の挙動を調整することができる論点の複雑さに一部起因している。挙動に影響を与える要素には、使用応力、使用温度、構成部品の幾何学的形状、金属および構成要素のミクロ組織、溶接プロセスの検討、熱処理および溶接残留応力、ならびにこれらの応力の緩和が含まれる。こうした不確実性のため、操作員は典型的には（例えば、非破壊評価などの）所与のシステム内にある部品の定期検査を実施しなければならない。工学的に優れた本溶接設計により、非破壊評価技術による査定など、運転時の性能および寿命管理に大きな利点となる、相当程度の改善された継手設計が提供される。
様々な研究者が、ＨＡＺにおける溶接部の早発破損に関連する問題を最小化または防ぐ試みとして、他の合金組成物を備えた新しいＣＳＥＦ鋼およびそれに続く熱処理計画を開発しようと試みてきた。合金組成物および熱処理計画の調整によっては、せいぜい限定された成功しか生まれなかった。今まで、類似または異なるＣＳＥＦ鋼溶接物を改善するために、運転時の損傷発達を制御する、工学的手法を誰も提案してこなかった。

必要なことは、相当に改善された運転時性能を提供する継手の設計および製作への工学的手法である。溶接部用作製物の改善された幾何学的形状および制御された溶接手順の利点により、クリープ損傷が発達し得る条件下で稼働するボイラーの圧力境界溶接部の欠陥許容範囲に、大きな利点が提供される。絶対溶融温度の約４０％を超える温度で、クリープ損傷は通常は発達する。

従来技術のＣＳＥＦ溶接部幾何学的形状を示す模式的な溶接部断面図である。 溶接部幾何学的形状の例示的実施形態を示す模式的な溶接部断面図である。 段付き配置である溶接部用作製物の例示的実施形態を示す模式的な図である。 従来のＣＳＥＦ溶接部幾何学的形状のき裂伝播／破損の断面を示す顕微鏡写真である。 例示的実施形態による段付き溶接部用作製物のき裂伝播の断面を示す顕微鏡写真である。 従来の溶接部幾何学的形状を備えた溶接試料と比較した、段付き溶接部用作製物の例示的実施形態を使用して得た、クリープ歪対時間のグラフ表示である。 従来のＣＳＥＦ溶接部幾何学的形状のき裂伝播／破損の断面を示す顕微鏡写真である。 例示的実施形態による段付き補修溶接部用作製物のき裂伝播断面を示す顕微鏡写真である。 従来の溶接部幾何学的形状を備えた溶接試料と比較した、段付き補修溶接部用作製物の例示的実施形態を使用して得た、歪対時間のグラフ表示である。

鋼の溶接部および溶接された鋼継手が提供される。ある実施形態によれば、溶接部は、溶接区域に段付き配置を有する少なくとも１つの溶接部用作製物、および溶接区域に適用される溶接材料を含む。溶接区域は、溶接プロセスにより影響を受ける局所的な領域であり得る。段付き配置を有する溶接部用作製物および溶接材料は溶接プロセス中に溶接区域において合体することができる。溶接区域は、溶接部と垂直方向に、溶接材料および溶接部用作製物と隣接して広げることができる。
ある実施形態によれば、段付き配置を有する溶接部用作製物は基材から機械加工される。基材は、機械加工が可能な少なくとも１つの基材端部を備えた母材を含む。この少なくとも１つの基材端部を次に機械加工して段付き配置を製造する。機械加工プロセスには、これらに限定はされないが、研削、穿孔、穴あけ、錐もみ、孔抜き、鋸引き、切削、油圧成形、形削り、ガス切断、アークガウジングおよび鍛造を含むことができる。ガス切断またはアークガウジングなどの除去速度が高速なプロセスを使用する場合は、より精密な追加機械加工がさらに必要な可能性がある。

溶接部用作製物は、段付き配置に機械加工した少なくとも１つの基材端部を有する基材を含んでも良い。ある実施形態によれば、段付き配置は１段超を含む。
溶接部用作製物は２つの異なる構成部品の表面に位置してもよく、または単一の構成部品内にあってもよい。溶接部用作製物は、単一の構成部品において、き裂または破断を介して実証され得る。き裂または破断の端部は、機械加工して段付き溶接部用作製物を作り出すことができ、次に補修溶接を行うことができる。
ある実施形態によれば、溶接材料を複数の段付き溶接部用作製物の継手に適用して、段付き溶接継手に適合させる。ある実施形態によれば、複数の溶接部用作製物のうちの少なくとも１つの溶接部用作製物は、複数の溶接部用作製物のうちの別の溶接部用作製物と、組成的に異なる。ある実施形態によれば、溶接材料は少なくとも１つの溶接部用作製物と実質的に同じ組成である。

溶接材料は、溶接部用作製物の段付き断面に合うように適合できる可能性がある。溶接材料は、溶接プロセスで使用される消耗品、溶接部用作製物からの母材、ならびに溶接プロセス中に取り入れられる追加の基材材料および溶加材を含むことができる。溶接プロセス中に取り入れられる追加の基材材料および溶加材は、溶接部用作製物からの母材と類似の組成または異なる組成であってもよい。
ある実施形態によれば、少なくとも１つの溶接部用作製物および溶接材料は、それぞれ独立して、フェライト系材料、それとしてグレード１１クロムモリブデン鋼、グレード１２クロムモリブデン鋼、グレード２２クロムモリブデン鋼、ＣｒＭｏＶクロムモリブデン鋼、グレード２３クリープ強度強化フェライト鋼、グレード２４クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９２クリープ強度強化フェライト鋼、ＶＭ１２クリープ強度強化フェライト鋼、またはマルテンサイトミクロ組織ホウ素／窒素制御鋼（ＭＡＲＢＮ）を含む。

ある実施形態によれば、少なくとも１つの溶接部用作製物および溶接材料は、それぞれ独立して、オーステナイト系ステンレス鋼、それとしてグレード３０４ステンレス鋼、グレード３０４Ｈステンレス鋼、グレード３１６ステンレス鋼、グレード３１６Ｈステンレス鋼、グレード３２１ステンレス鋼、グレード３２１Ｈステンレス鋼、グレード３４７ステンレス鋼、グレード３４７Ｈステンレス鋼、グレード３１０ステンレス鋼、グレード３１０Ｈステンレス鋼、３１０ＨＣｂＮステンレス鋼、３４７ＨＦＧステンレス鋼、スーパー３０４Ｈステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ ＡＡ−１ステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ Ａ−３ステンレス鋼、ＮＦ７０９ステンレス鋼、またはＸＡ７０４ステンレス鋼を含む。
フェライト系材料およびオーステナイト系ステンレス鋼は発電用途では興味の対象になる。フェライト系材料は、クロムモリブデン（ＣｒＭｏ）鋼およびＣＳＥＦ鋼を含んでもよい。オーステナイト系ステンレス鋼は、従来のまたは高性能なステンレス鋼合金を含んでもよい。発電用途において、修復または新規製作の需要に応じて、フェライト系材料とオーステナイト系ステンレス鋼の異なる組合せを互いに溶接することは、一般的な慣行に含まれる。

ある実施形態によれば、溶接部はニッケル基合金を含む。溶接部は、手動および／または自動供給のワイヤー、溶接棒、または電極などの外部供給源により追加された溶接金属を含んでもよい。類似組成の溶接部用作製物間の新規製作に対して、母材と同一組成の合金または溶加材を溶接部に追加してもよい。異なる溶接部用作製物間の新規製作に対して、合金または溶加材の選択は、構成部品；異なるフェライト系構成部品とフェライト系構成部品の修復などの材料の組合せ；ならびに材料組合せ間の期待される溶接挙動に依存する。一般に、フェライト系材料とオーステナイト系ステンレス鋼との間の新規製作に対して、米国溶接協会（ＡＷＳ）の規格に従えば、ニッケル基合金または溶加材が使用される。

ある実施形態によれば、溶接部用作製物は、厚み、Ｔ；段の深さ、ｔ_s；段の角度、α；および段の幅、ｗを含む。厚み、Ｔは、約６ｍｍ（０．２５インチ）〜約２５０ｍｍ（１０インチ）の範囲でもよい。段の深さ、ｔ_sは、厚みＴの約２５％から厚みＴの約７５％の範囲でもよいが、厚みＴの約２５％から厚みＴの約５０％の範囲でもよい。段の角度、αは、鉛直軸から約０度〜約９０度でもよく、ここで鉛直軸は厚みＴと実質的に平行である。段の幅は、段の数と構成部品の厚みによって変化し得る。段の幅、ｗは、約３．８ｍｍ（０．１５インチ）または４．００ｍｍ（０．１５６インチ）〜約１９ｍｍ（０．７５インチ）の範囲でもよい。ある例示的実施形態によれば、段の幅、ｗは少なくとも約６ｍｍ（０．２４インチ）でもよい。
段の深さ、ｔ_sは、構成部品および段の数に依存する。一般に、溶接部用作製物において、より厚い構成部品は、薄い構成部品よりもより多くの段を含み得る。

段の角度、αは、溶接位置にアクセスするためのアプリケーション、使用する溶接プロセス、ならびに他の考慮すべき事項、例えば投入する溶接熱量の制御、溶接のミクロ組織、および溶接プロセスによりもたらされる結果としての残留応力などに依存して変化し得る。
溶接の幅、ｗは、およそＨＡＺの幅の最小寸法と、所与の構成部品のおよそ厚み、Ｔの最大寸法とを有し得る。ある実施形態では、段の幅は、少なくともＨＡＺの幅とほぼ等しくてもよい。理論によって制限されることは望まないが、段の幅がＨＡＺの幅よりも小さいなら、クリープき裂伝搬を停止または減少させるには段の幅が狭すぎる恐れがあるので、本主題の利益が達成できない恐れがある。ＨＡＺの幅は、当業者によって既知の方法を使用して決定することができる。
厚み、Ｔに基づいて損傷許容範囲を向上するためには、異なる溶接設計および段の配置が必要な可能性がある。再熱器のチューブなどの用途ではＴは非常に小さい可能性があるが、容器または高圧のチューブ、パイプ、もしくはヘッダーのような構成部品に対してははるかに大きい可能性がある。

段付き配置を有する溶接部用作製物は、一連のオフセット領域を備えて実現してもよい。各オフセット領域は、段の深さ、段の角度、および段の幅により定義されてもよい。オフセット領域は、平面状、曲面状、または切子面状表面を含んでもよい。溶接部用作製物の厚みに段付きまたはジグザグ状の配置を作り出すために、複数のオフセット領域を用いてもよい。
ある実施形態によれば、材料のクリープ温度領域内で溶接部を稼働することができる。材料のクリープ温度領域では、ＨＡＺにおいてき裂が発達する恐れがある。例示的実施形態によれば、段付き配置である溶接部用作製物を備えることにより、ＨＡＺにおけるき裂伝播を制御することができる。おおむね直線的にＨＡＺを通して直接き裂が入る代わりに、例示的実施形態では、き裂の伝播の方向が、数回ではないとしても、少なくとも１回変化するように強いられる。よって、本実施形態による溶接部は、現行用いられている溶接部に対して改善された耐用期間を示す。

ある実施形態によれば、溶接継手は、少なくとも２つの溶接部用作製物および上で記載した溶接部を備える。ある実施形態によれば、溶接継手を材料のクリープ温度領域内で稼働することができる。溶接継手のさらなる実施形態によれば、少なくとも２つの溶接部用作製物の少なくとも１つの溶接部用作製物は、ヘッダー、パイプ、チューブ、アタッチメント溶接、Ｔ字管、バルブ、フローノズル、または容器の少なくとも１つなどの高エネルギーボイラー構成部品を構成する。
溶接継手は、少なくとも１つの材料部分が少なくとも１つの他の材料部分に接合された位置または端部である。特定の幾何学的形状にある別の材料部分を、所望の最終用途に応じて接合するために、溶接プロセスを使用することができる。典型的には、溶接継手は構造的配置を調製する際に使用される。ＡＷＳによれば、溶接継手は５つの種類で特徴付けられる：突合せ、角、へり、重ね、およびＴ継手。５つの一般的な溶接継手の種類のそれぞれは、いくつかの異なる配置を有することができる。

溶接継手は、単一の高エネルギーボイラー構成部品の補修溶接、または２つの別の高エネルギーボイラー構成部品どうしの溶接部を備えてもよい。単一の構成部品において、欠陥を除去するまたはき裂もしくは破断を修復するために、補修溶接が使用され得る。２つの別の構成部品を互いに溶接するとき、継手は２つの構成部品間に界面を含み得る。
ある実施形態によれば、接合された構成部品は、溶接継手を有する少なくとも２つの溶接部用作製物を備える。接合された構成部品は、補修溶接を備えた単一の高エネルギーボイラー構成部品であってもよい。接合された構成部品はまた、互いに溶接された少なくとも２つの高エネルギーボイラー構成部品であってもよい。互いに溶接された少なくとも２つの高エネルギーボイラー構成部品の非限定的な例示的例は、パイプ系、チューブ系、ヘッダー、マニホールド、パイプもしくはチューブ用アタッチメント溶接部、パイプもしくはチューブへのＴ字溶接、パイプもしくはチューブへ溶接したバルブ、パイプもしくはチューブへ溶接したフローノズル、および／またはパイプもしくはチューブに溶接した容器を含む。

また、鋼を溶接する方法が提供される。ある実施形態によれば、少なくとも１つの基材を溶接する方法は、段付き配置を有する少なくとも１つの基材を準備するステップと；溶接材料を段付き配置を有する基材に適用して、溶接材料と少なくとも１つの基材とを溶接して溶接部を形成するステップとを含む。ある実施形態によれば、少なくとも１つの基材を溶接する方法は、溶接材料を段付き配置を有する基材に適用するステップと、溶接材料と少なくとも１つの基材とを溶接して溶接部を形成するステップとを含む。ある実施形態では、段付き配置を有するように基材を準備してもよい。ある実施形態によれば、段付き配置は１段超を含む。
溶接は、類似または異なる材料を接合するプロセスである。基材が溶融して互いに合体するまで基材材料に熱または圧力を適用するが、溶加材を一緒に用いてもよい。単に機械的接合というより、基材材料が実際に互いに溶融しているという点で、溶接はろう付けやはんだ付けとは著しく異なっている。溶接プロセスは、金属、プラスチック、フラックス材料、ガス、消耗する溶加材、電気、レーザー、および電子線さえも使用して、行うことができる。

ある実施形態によれば、適当な溶接技法は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、またはサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）を含んでもよい。
ある実施形態によれば、溶接は従来の溶接またはテンパービード溶接技法を含む。従来の溶接は新規製作用途に適用することができる。一般に、従来の溶接は、溶接物を充たすことをあまり考慮せずに可能な限り迅速になされる。
補修溶接は溶接物を充たすことをより考慮する必要があり、より時間のかかる恐れがある。補修溶接は、テンパービード溶接またはコントロールドフィル溶接と称される特別な溶接技法を含んでもよい。テンパービード溶接は、ハーフ−ビードまたはバター−ビード技法に分類され得る。コントロールドフィル溶接は、例えば電極の大きさを限定し、ストリンガー溶接ビードを活用するなどの制約された熱投入を使用して、機械加工された開先を溶接する技法を含み、ベベルから開始し、機械加工した開先の内に向かって溶接しながら、フィルパス（ｆｉｌｌ ｐａｓｓ）を堆積することができる。

ハーフ−ビード技法においては、後に溶加材層が堆積する前に、堆積した溶接金属のいくらかを典型的には研削により除去する。
バター−ビード技法においては、バターリング層は、制御された溶接手順およびパラメータを使用して、その後の層を堆積させ、焼戻す。バターリングした層は、基材または溶接材料と同じ材料であっても、基材または溶接材料と異なる材料であってもよい。バター−ビード溶接は、ＳＭＡＷプロセスの場合などのように、層間に投入する熱を増加させる、または電極サイズを大きくすることにより達成してもよい。

溶接手順の後、溶接後熱処理が必要な可能性がある。いくつかの溶接構成部品、溶接部幾何学的形状、および溶接材料には、溶接手順を経た後に残留応力が含まれる恐れがある。残留応力を緩和し、溶接材料の性質を所望の範囲内に戻すために、溶接後熱処理を用いることができる。溶接後熱処理は、これらに限定はされないが、焼なまし、焼ならし、および焼戻しが含まれる。ある実施形態によれば、段付き溶接設計により、溶接後熱処理の必要性を低減または削除することができる。
図１は、互いに溶接された２つの基材間の従来技術による溶接部断面を示す。溶接手順を実施後、溶接部１は金属基材（複数可）３を接合する。金属基材３における熱影響部２の配向は、溶接部幾何学的形状に対してランダムである。溶接部１の配向もまた、溶接部幾何学的形状に対してランダムである。

図２は、本工学的溶接部の溶接部断面の例示的実施形態を示す。溶接手順を実施後、溶接部４は溶接部用作製物（複数可）６を接合する。段付き配置を備えた溶接部用作製物の設計に伴う工学の結果として、熱影響部５もまた段付き配置を想定している。その結果、溶接部４は溶接部用作製物６の段付き配置に合うように適合される。
段付き溶接設計の予期しない利点は、熱影響部５のミクロ組織、熱影響部５の位置、および熱影響部５における損傷発達速度が全て制御されることである。図１の従来技術の溶接部断面に示すように、熱影響部２は一直線に並んでいる。したがって、図１による溶接部断面におけるクリープ損傷は、局所的なクリープに弱い部位に沿って急速に伝播するであろう。図２による溶接部断面におけるクリープ損傷は、特定の部位に局在化する。図２の段付き配置によって、クリープ誘導のき裂を受けやすい部位が分離され、したがって特定のミクロ組織、すなわち熱影響部５と溶接部用作製物６とに対して、損傷の発達とき裂伝播とが異なっている。

クリープ条件下では、損傷は応力の軸に対して垂直な方向にだけ伝播できる。図２に示す段付き配置は、熱影響部５のある位置で形成された損傷が、溶接部用作製物６を通過してのみ伝播できることを意味する。溶接部用作製物６は熱影響部５に比べて優れた材料特性を有し、よって溶接性能が向上する。溶接性能が向上するにつれて、クリープ損傷の伝播がよりよく制御され、溶接部の耐用期間が長くなる。段付き配置を備えた溶接設計により、従来技術の溶接設計より約２倍長い耐用期間を示す可能性がある。
さて、図３に関して、溶接部用作製物の例示的実施形態を示す。溶接部用作製物は、厚み７、段の幅８、段の深さ９、および段の角度１０を有する。溶接部用作製物は、段付き配置の一部として少なくとも１つの段を有することができる。
単に本主題をさらに説明するために、以下の例を述べる。例示的な例は、いかなる形でも主題を制限するとは解釈すべきではない。

以下の実施例および比較例は、通常の従来からの溶接実験法に従って試験した。クリープ試験片は、製作した溶接物から機械加工した。試験片は、約５０ｍｍ（２インチ）の試料厚み、および約１２．７ｍｍ（０．５０インチ）の試料幅のゲージ横断面を有した。ゲージ長さは、両方の融合線および両方のＨＡＺを含むのに十分であり、約１５０ｍｍ（６インチ）長さであった。ゲージ長さは、破損位置の金属組織解析および破損していないＨＡＺにおける損傷評価を提供するのに十分であった。使用した試料中のゲージ横断面の総面積は約５００ｍｍ²（０．８０平方インチ）であった。
試験片が、キャップのない（外端部）および裏／裏当てバー部位（内端部）のない溶接部を備えるように、全ての試験片は溶接部の全厚みのほぼ中央から取り出した。

全ての試験は、定荷重装置を使用して、約６２５℃（１１５７°Ｆ）および約８０ＭＰａ（１１．６ｋｓｉ）の条件下で実施した。これらの試験パラメータは、典型的なグレード９１鋼試料で約３，０００〜５，０００時間の十字溶接部（ｃｒｏｓｓ−ｗｅｌｄ）クリープ寿命でＨＡＺ破損する結果を示した。溶接物は、１００％破断または寿命の約９９％と解釈された。完全に破断しない溶接物に対しては、試験中に歪が継続的に観察される第３次クリープを示した時点で試験を中止した。
各クリープ試験中に記録するデータには、全ゲージ長さに渡って伸びる、伸び計の２つの側面からの伸び、伸びの計算平均値、破断までの時間、および温度を含んだ。最初、本来の全ゲージ長さに基づくクリープ歪を計算するのに平均伸びを使用していた。しかし、ＨＡＺで局所的に変形が起きると、このやり方では実際の局所的な歪値を過小評価することが明らかである。

（比較例１）
比較例１は、従来の溶接部幾何学的形状を備えたグレード９１クリープ強度強化フェライト鋼であった。図４に示すように、比較例１は、溶接部１に隣接する熱影響部２でのクリープき裂および破損を示す。比較例１は、上で議論した試験手順に従って試験した。
図４に関しては、従来のクリープ強度強化フェライト鋼溶接部幾何学的形状のき裂伝播および破損断面を示す顕微鏡写真を示している。溶接部１は、熱影響部２と隣接していることが示されている。金属基材３は、溶接部１の一方の側で熱影響部２と隣接している。しかし熱影響部２にき裂が生じ、金属基材を熱影響部２の右側に分断している。き裂は構成部品全体に伝播した。

（実施例２）
実施例２は、例示的実施形態による段付き溶接部幾何学的形状を備えた、グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼である。図５に示すように、実施例２は熱影響部５にあるクリープき裂１５を示すが、構成部品の破損はない。実施例２は、上で議論した試験手順に従って試験した。
図５に関しては、例示的実施形態による段付き溶接部用作製物のき裂伝播断面を示す顕微鏡写真を示している。溶接部４は溶接部用作製物６を接合している。熱影響部５は、溶接部４と溶接部用作製物６との間の段付き断面を想定している。き裂１５は構成部品を通して部分的に伝播した。しかし、溶接部用作製物６の段付き配向によって、き裂１５が構成部品全体を通して伝播することを防いだことが分かる。

図６に関しては、クリープ歪対時間のグラフ表示を、比較例１と実施例２を比較しながら示している。グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼のクリープ歪を、温度６２５℃（１１５７°Ｆ）および圧力８０ＭＰａ（１１．６ｋｓｉ）の下で測定した。比較例１は従来の溶接部幾何学的形状で溶接し、実施例２は、厚みの１／３の単一段、および１０ｍｍ（０．４０インチ）の段幅を含む段付き断面を備えて溶接した。
さらに図６に関しては、データ系列２０は比較例１のクリープ歪変化図を示す。破損点２１において、き裂が試料を通して伝播し、溶接部は破断した。データ系列２２は実施例２のクリープ歪変化図を示す。データは、段付き溶接部幾何学的形状が耐用期間をほぼ５０％増加させることを明らかにしている。

さらにクリープ歪は、第１、第２、および第３の３つの段階を示すことが知られている。従来の溶接は破損点２１において第２のクリープ段階で破断した。実施例２は、十分長く存続し続け、第２のクリープ段階を完全に通過した後、第３のクリープ挙動２３を示した。
より大きな損傷許容範囲がある場合には、き裂が形成されても、試験片を通してき裂を駆動するためにエネルギーが必要となる。単純な工学原理によれば、このき裂伝播の好ましい経路は、加えられた応力に垂直な残存リガメント（ｌｉｇａｍｅｎｔ）を横断する。き裂が成長するにつれて、き裂の前方の純断面（ｎｅｔ ｓｅｃｔｉｏｎ）は減少し、試験片に定荷重が加えられると、このリガメントにおける応力が徐々に増加するであろう。典型的には良好な靭性の状況に対して、こうした影響は、時間に対する測定歪が徐々に増加することをもたらすであろう。クリープ速度が増加するこの期間を、通常は「第３のクリープ」と称する。
一般に、明確な第３のクリープ期間を有することは、破壊処理が支配的になっている証拠であり、第３のクリープの程度は構造物損傷の許容範囲の指標である。例示的実施形態による段付き溶接部において、第３のクリープ期間は、高い耐クリープ損傷性を有する母材鋼を通して存在する「純断面」き裂経路とつながっている。したがって、母材を通してき裂が伝播するためにはかなり大きなエネルギーが必要である。これによってき裂はその成長過程で開かれ、極端な場合には、き裂の開きが十分で、破損する前に装置の制約のために試験を終了しなければならない。破損が完了する前に試験を終了する場合、試験完了時刻は破損の時刻とほぼ同じと認められる。

（比較例３）
比較例３は、従来の溶接部幾何学的形状を備えたグレード９１クリープ強度強化フェライト鋼である。図７に示すように、比較例３は、溶接部１に隣接する熱影響部２でのクリープき裂および破損を示す。比較例３は、上で議論した試験手順に従って試験した。
図７に関しては、従来のグレード９１クリープ強度強化フェライト鋼溶接部幾何学的形状のき裂伝播および破損断面を示す顕微鏡写真を示している。溶接部１は、熱影響部２と隣接していることが示されている。金属基材３は、溶接部１の一方の側で熱影響部２と隣接している。しかし熱影響部２にき裂が生じ、金属基材を熱影響部２の右側に分断している。き裂は構成部品全体に伝播した。

（実施例４）
実施例４は、例示的実施形態による段付き補修溶接部幾何学的形状を備えた、グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼である。図８に示すように、実施例４は熱影響部３４および溶接部用作製物３３にあるクリープき裂を示すが、構成部品の破損はない。実施例４は、上で議論した試験手順に従って試験した。
図８に関しては、実施例４のグレード９１クリープ強度強化フェライト鋼における例示的実施形態による段付き補修溶接部用作製物のき裂伝播断面を示す顕微鏡写真を示している。元の溶接部３２は右側に見られる。補修溶接部３１は、元の溶接部３２に対して段付き断面を使用して導入した。段付き溶接部用作製物３３に隣接する熱影響部３４において、き裂は開始した。溶接部幾何学的形状の段付き特質のために、熱影響部３４の圧力境界を通してき裂は伝播できなかった。その代わり、き裂は熱影響部３４の残部を通して素早く伝播するのでなく、溶接部用作製物３３の母材を通して伝播した。

図９に関しては、歪対時間のグラフ表示を、比較例３と実施例４を比較しながら示している。グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼のクリープ歪を測定した。
さらに図９に関しては、データ系列４０は比較例３のクリープ歪変化図を示す。破損点４１において、き裂が試料を通して伝播し、溶接部は破断した。データ系列４２は実施例４のクリープ歪変化図を示す。データは、段付き溶接部幾何学的形状が第１、第２、および第３のクリープを示すことを明らかにしている。
段付き溶接設計試料に対するデータ系列４２の点４３において、第２のクリープは終了した。この点までは、クリープのほぼ定常状態を変更するには、損傷の発達は不十分であった。点４３を超えると、き裂伝播の非定常状態に沿って第３のクリープが始まった。点４４において、第３のクリープは停止し溶接部は破損した。

本主題の第１の実施形態では、溶接部は、溶接区域に段付き配置を有する少なくとも１つの溶接部用作製物、および溶接区域に適用される溶接材料を含む。
第１の実施形態の溶接部では、段付き配置を有する溶接部用作製物は基材から機械加工することができる。
第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、複数の溶接部用作製物の継手に溶接材料を適用して、段付き溶接継手に適合させる。
第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、複数の溶接部用作製物の少なくとも１つの溶接部用作製物は、複数の溶接部用作製物の別の溶接部用作製物とは、組成的に異なる。
第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、溶接材料は少なくとも１つの溶接部用作製物と実質的に同じ組成である。

第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、少なくとも１つの溶接部用作製物および溶接材料は、それぞれ独立して、フェライト系材料としてグレード１１クロムモリブデン鋼、グレード１２クロムモリブデン鋼、グレード２２クロムモリブデン鋼、ＣｒＭｏＶクロムモリブデン鋼、グレード２３クリープ強度強化フェライト鋼、グレード２４クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９２クリープ強度強化フェライト鋼、ＶＭ１２クリープ強度強化フェライト鋼、またはマルテンサイトミクロ組織ホウ素／窒素制御鋼（ＭＡＲＢＮ）を含む。

第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、少なくとも１つの溶接部用作製物および溶接材料は、それぞれ独立して、オーステナイト系ステンレス鋼としてグレード３０４ステンレス鋼、グレード３０４Ｈステンレス鋼、グレード３１６ステンレス鋼、グレード３１６Ｈステンレス鋼、グレード３２１ステンレス鋼、グレード３２１Ｈステンレス鋼、グレード３４７ステンレス鋼、グレード３４７Ｈステンレス鋼、グレード３１０ステンレス鋼、グレード３１０Ｈステンレス鋼、３１０ＨＣｂＮステンレス鋼、３４７ＨＦＧステンレス鋼、スーパー３０４Ｈステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ ＡＡ−１ステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ Ａ−３ステンレス鋼、ＮＦ７０９ステンレス鋼、またはＸＡ７０４ステンレス鋼を含む。
第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、溶接部はニッケル基合金をさらに含む。

第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、溶接部用作製物は、厚み、Ｔ；段の深さ、ｔ_s；段の角度、α；および段の幅、ｗを含む。厚み、Ｔは、約６ｍｍ（０．２５インチ）〜約２５０ｍｍ（１０インチ）の範囲でよく；および／または、段の深さ、ｔ_sは、厚みＴの約２５％から厚みＴの約７５％の範囲でもよいが、厚みＴの約２５％から厚みＴの約５０％の範囲でもよく；および／または、段の角度αは、鉛直軸から０〜約９０度でもよく、ここで鉛直軸は厚みＴと実質的に平行であり；および／または、段の幅、ｗは、約３．８ｍｍ（０．１５インチ）〜約１９ｍｍ（０．７５インチ）の範囲でもよい。段の幅は、段の数と構成部品の厚みによって変化し得る。
第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、段付き配置は１段超を含む。
第１またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部において、溶接部は材料のクリープ温度領域内で稼働することができる。

本主題の第２の実施形態において、少なくとも２つの溶接部用作製物の溶接継手が提供され、第１またはそれに続く実施形態のいずれか１つに定義される溶接部を備える。
第２の実施形態の溶接継手において、溶接継手は材料のクリープ領域内で稼働することができる。
第２またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接継手において、少なくとも２つの溶接部用作製物の少なくとも１つの溶接部用作製物は、高エネルギーボイラー構成部品としてヘッダー、パイプ、チューブ、アタッチメント溶接、Ｔ字管、バルブ、フローノズル、または容器の少なくとも１つを構成してもよい。
本主題の第３の実施形態において、少なくとも２つの溶接部用作製物を備える接合された構成部品が提供され、第１もしくはそれに続く実施形態のいずれかの溶接部、または第２もしくはそれに続く実施形態のいずれか１つの溶接継手を含む。
本主題の第４の実施形態では、少なくとも１つの基材を溶接する方法が提供され、段付き配置を有する少なくとも１つの基材を準備するステップと；段付き配置を有する基材に溶接材料を適用するステップと、溶接材料および少なくとも１つの基材を溶接し、第１またはそれに続く実施形態のいずれか１つに定義される溶接部を形成するステップとを含む。

本主題の第５の実施形態では、少なくとも１つの基材を溶接する方法が提供され、段付き配置を有する基材に溶接材料を適用するステップと、溶接材料および少なくとも１つの基材を溶接して、第１またはそれに続く実施形態のいずれか１つに定義される溶接部を形成するステップとを含む。
第５またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接方法において、基材は段付き配置を有するように準備されてもよい。

第４、第５、またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接方法において、溶接は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、またはサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）を含む。
第４、第５、またはそれに続く実施形態のいずれかの溶接方法において、溶接は従来の溶接またはテンパービード溶接技法を含む。

本明細書に記載の実施形態は単に例示的なものであり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者なら様々な変更および修正をすることができることを、理解されるであろう。こうした変更および修正は全て、上に記載した本発明の範囲内に含まれることを意図している。さらに、本発明の様々な実施形態を結合して所望の結果を提供することができるので、開示された全ての実施形態は必ずしも二者択一ではない。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕溶接区域に段付き配置を有する少なくとも１つの溶接部用作製物、および前記溶接区域に適用される溶接材料を含む溶接部であって、少なくとも１つの前記溶接部用作製物が：
厚みＴ、
段の深さｔ _s、
段の角度α、および
段の幅ｗを備え、ｗが溶接部の熱影響部の幅と少なくともほぼ等しい、溶接部。
〔２〕ｗが少なくとも約６ｍｍである、前記〔１〕に記載の溶接部。
〔３〕前記溶接材料を複数の溶接部用作製物の継手に適用して、段付き溶接継手に適合させる、前記〔１〕に記載の溶接部。
〔４〕前記複数の溶接部用作製物の少なくとも１つの溶接部用作製物が、前記複数の溶接部用作製物の別の溶接部用作製物と、組成的に異なる、前記〔３〕に記載の溶接部。
〔５〕前記少なくとも１つの溶接部用作製物および溶接材料がそれぞれ独立して、フェライト系材料、グレード１１クロムモリブデン鋼、グレード１２クロムモリブデン鋼、グレード２２クロムモリブデン鋼、ＣｒＭｏＶクロムモリブデン鋼、グレード２３クリープ強度強化フェライト鋼、グレード２４クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９２クリープ強度強化フェライト鋼、ＶＭ１２クリープ強度強化フェライト鋼、マルテンサイトミクロ組織ホウ素／窒素制御鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、グレード３０４ステンレス鋼、グレード３０４Ｈステンレス鋼、グレード３１６ステンレス鋼、グレード３１６Ｈステンレス鋼、グレード３２１ステンレス鋼、グレード３２１Ｈステンレス鋼、グレード３４７ステンレス鋼、グレード３４７Ｈステンレス鋼、グレード３１０ステンレス鋼、グレード３１０Ｈステンレス鋼、３１０ＨＣｂＮステンレス鋼、３４７ＨＦＧステンレス鋼、スーパー３０４Ｈステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ ＡＡ−１ステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ Ａ−３ステンレス鋼、ＮＦ７０９ステンレス鋼、またはＸＡ７０４ステンレス鋼を含む、前記〔１〕に記載の溶接部。
〔６〕前記溶接部がニッケル基合金をさらに含む、前記〔１〕に記載の溶接部。
〔７〕ａ）Ｔが約６ｍｍ〜約２５０ｍｍの範囲であり；および／または、ｂ）ｔ _s がＴの約２５％からＴの約７５％の範囲であるが、Ｔの約２５％からＴの約５０％の範囲であってもよく；および／または、ｃ）αが鉛直軸から０〜約９０度であり；および／または、ｄ）ｗが、約３．８ｍｍ〜約１９ｍｍの範囲である、前記〔１〕に記載の溶接部。
〔８〕前記段付き配置が１段超を含む、前記〔１〕に記載の溶接部。
〔９〕前記〔１〕から〔８〕のいずれか１項に記載の溶接部を備える、少なくとも２つの溶接部用作製物の溶接継手。
〔１０〕前記少なくとも２つの溶接部用作製物の少なくとも１つの溶接部用作製物が、高エネルギーボイラー構成部品として、ヘッダー、パイプ、チューブ、アタッチメント溶接、Ｔ字管、バルブ、フローノズル、または容器の少なくとも１つを任意に構成してもよい、前記〔９〕に記載の溶接継手。
〔１１〕前記〔９〕に記載の溶接継手を有する、少なくとも２つの溶接部用作製物を備える、接合された構成部品。
〔１２〕少なくとも１つの基材を溶接する方法であって：
段付き配置を有する少なくとも１つの基材を作製するステップと、
段付き配置を有する基材に溶接材料を適用するステップと、
前記溶接材料および少なくとも１つの基材を溶接して、溶接部を形成するステップとを含み、段付き配置を有する前記少なくとも１つの基材が、厚みＴ、段の深さｔ _s 、段の角度α、および段の幅ｗを備え、ｗが溶接部の熱影響部の幅と少なくともほぼ等しい、方法。
〔１３〕前記溶接が、ガスタングステンアーク溶接、被覆金属アーク溶接、ガスメタルアーク溶接、フラックスコアードアーク溶接、またはサブマージアーク溶接を含む、前記〔１２〕に記載の方法。
〔１４〕少なくとも１つの基材を溶接する方法であって：
溶接材料を、段付き配置を有する基材に適用するステップと、
溶接材料および少なくとも１つの基材を溶接して、前記〔１〕からに記載のいずれか１つの溶接部を形成するステップと
を含み、段付き配置を有する少なくとも１つの基材が、厚みＴ、段の深さｔ _s 、段の角度α、および段の幅ｗを備え、ｗが溶接部の熱影響部の幅と少なくともほぼ等しい、方法。
〔１５〕前記溶接が、ガスタングステンアーク溶接、被覆金属アーク溶接、ガスメタルアーク溶接、フラックスコアードアーク溶接、またはサブマージアーク溶接を含む、前記〔１４〕に記載の方法。

Claims (10)

1. 溶接区域に段付き配置を有する複数の溶接部用作製物、および前記溶接区域に適用される溶接材料、を含む溶接部であって、少なくとも１つの前記複数の溶接部用作製物が：
   厚みＴ、
   段の深さｔ_s、
   段の角度α、および
   段の幅ｗを備え、ｗが溶接部用作製物の熱影響部の幅よりも小さくなく、ｔ _s がＴの約２５％からＴの約７５％の範囲である、溶接部。
2. 前記溶接材料を複数の溶接部用作製物の継手に適用して、段付き溶接継手に適合させる、請求項１に記載の溶接部。
3. 前記複数の溶接部用作製物の少なくとも１つの溶接部用作製物が、前記複数の溶接部用作製物の別の溶接部用作製物と、組成的に異なる、請求項２に記載の溶接部。
4. 前記複数の溶接部用作製物および溶接材料がそれぞれ独立して、フェライト系材料、グレード１１クロムモリブデン鋼、グレード１２クロムモリブデン鋼、グレード２２クロムモリブデン鋼、ＣｒＭｏＶクロムモリブデン鋼、グレード２３クリープ強度強化フェライト鋼、グレード２４クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９１１クリープ強度強化フェライト鋼、グレード９２クリープ強度強化フェライト鋼、ＶＭ１２クリープ強度強化フェライト鋼、マルテンサイトミクロ組織ホウ素／窒素制御鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、グレード３０４ステンレス鋼、グレード３０４Ｈステンレス鋼、グレード３１６ステンレス鋼、グレード３１６Ｈステンレス鋼、グレード３２１ステンレス鋼、グレード３２１Ｈステンレス鋼、グレード３４７ステンレス鋼、グレード３４７Ｈステンレス鋼、グレード３１０ステンレス鋼、グレード３１０Ｈステンレス鋼、３１０ＨＣｂＮステンレス鋼、３４７ＨＦＧステンレス鋼、スーパー３０４Ｈステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ ＡＡ−１ステンレス鋼、Ｔｅｍｐａｌｏｙ Ａ−３ステンレス鋼、ＮＦ７０９ステンレス鋼、またはＸＡ７０４ステンレス鋼を含む、請求項１に記載の溶接部。
5. ａ）Ｔが約６ｍｍ〜約２５０ｍｍの範囲であり；および／または、ｂ）ｔ_sがＴの約２５％からＴの約５０％の範囲であり；および／または、ｃ）αが鉛直軸から０〜約９０度であり；および／または、ｄ）ｗが、約３．８ｍｍ〜約１９ｍｍの範囲である、請求項１に記載の溶接部。
6. 前記段付き配置が１段超を含む、請求項１に記載の溶接部。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の溶接部を備える、少なくとも２つの溶接部用作製物の溶接継手。
8. 請求項７に記載の溶接継手を有する、少なくとも２つの溶接部用作製物を備える、接合された構成部品。
9. 段付き配置を有する複数の溶接部用作製物を溶接する方法であって：
   溶接材料を、前記複数の溶接部用作製物に適用するステップと、
   溶接材料および前記複数の溶接部用作製物を溶接して、請求項１から８のいずれか１項に記載の溶接部を形成するステップと
   を含み、少なくとも１つの前記複数の溶接部用作製物が、厚みＴ、段の深さｔ_s、段の角度α、および段の幅ｗを備え、ｗが溶接部用作製物の熱影響部の幅よりも小さくなく、ｔ _s がＴの約２５％からＴの約７５％の範囲である、方法。
10. 溶接材料を、前記段付き配置を有する複数の溶接部用作製物に適用する前に、前記段付き配置を有する複数の溶接部用作製物を作製することを含む、請求項９に記載の方法。

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