JPH02182377A - 高強度Ｃｒ―Ｍｏ鋼のガスシールドアーク溶接施工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、高温、高圧の圧力容器に用いられる高強度
Ｃｒ　−Ｍｏ鋼のガスシールドアーク溶接施工法に関し
、と（に耐水素割れ性をはじめとして、クリープ強度、
じん性および耐使用中ぜい化特性に優れた溶接金属を得
ようとするものである。

（従来の技術） 近年、石油精製の分野において、従来の操業条件をより
高めて効率を上げたり、プラントを軽量化して建設コス
トを低減しようとする動きが高まっていて、そのため用
いられる材料も従来より一層高強度化される傾向にある
。特に重質油分解装置や脱硫装置に用いられるＣｒ　−
Ｍｏ　’１７４については、従来鋼に比較してより過酷
な条件に耐え得る、すなわち高強度のみならず優れたク
リープ強度および耐水素アタック性をそなえた改良鋼（
例えば特開昭６Ｌ　２２３１６３号公報）が開発されて
いる。

ところでかような用途に用いられるＣｒ　−Ｍｏ鋼板を
溶接する際には、鋼板の板厚が３００　ｍｍ程度にも達
する場合もあり、おもに狭開先のサブマージアーク溶接
法やガスシールドアーク溶接法が用む）られてきたが、
上記したような新しく開発された高強度Ｃｒ　−Ｍｏ鋼
を溶接するための溶接材料で鋼板と同等の特性を存する
ものは未だ開発されていないのが現状である。

このような溶接金属に要求される特性としては、強度面
においては、母材と同等のクリープ破断強度を有し、か
つ常温での引張強さが母材と同レベルの引張強さとはな
ること、すなわち極端なオーバーマツチ継手とならない
こと、一方じん外面においては、溶接後熱処理（ＰＷＩ
ｆＴ）後のしん性およびぜい化処理（ステップクリーニ
ング処理）後のしん性が良好であり、しかもステップク
リーニング後のしん外植とＰＷＩＩＴままのしん外植と
の差、いわゆるぜい化量が小さいこと、さらには高温高
圧水素環境下で長時間暴露した後のしん性ぜい化量が小
さいこと等があげられる。

さらに脱硫リアクター等では、高温、高水素分圧下で重
油中の硫黄分をＨｚＳとして除去するため、容器内は高
Ｈ２Ｓ環境下にあることから、かかるＨ２Ｓによって材
料への水素侵入が助長されシャットダウン時に割れを生
じるいわゆる水素割れの問題がある。かかる水素割れは
、この割れを起点としてぜい性破壊を生じ容器の破壊的
損傷に至る場合もあり大きな問題となる。この水素割れ
を防止する方法として、たとえばＮＡＣＥ　（Ｎａｔｉ
ｏｎａｌ　Ａｓ５ｏｃｉａｔｉｏｎｏｆ　ｃｏｒｒｏｓ
ｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）等においては、低合
金鋼に対して材料の硬さをＨＲＣで２２以下（ビ・ノカ
ース硬さに換算するとｔｌｖ２４８以下）にすることを
提唱している。この値はおもにラインパイプ材料に適用
されているものであるが、発明者らは、後述するように
４点曲げＳＳＣ試験をＣｒ−Ｍｏ鋼溶接継手において実
施し、耐水素割れ性について調査したところ、Ｃｒ　−
Ｍｏ鋼溶接金属においてもＨｖで２４８が水素割れ防止
のための限界値として採用し得ることをみいだした。

しかるに現状のＣｒ　−Ｍｏ　ｍ溶接材料においては溶
接金属の硬さに言及したものは皆無であり、例えば特開
昭６２−１０１３９４号公報や特開昭６２−１１４７９
５号公報にみられる如＜、Ｖ、　Ｎｂ、　Ｂ等の添加に
より高強度化を図ったワイヤが開示されてはいるものの
、常温強度の過剰な上昇により溶接金属の硬さは１１ν
２４８をはるかに超えていると考えられる。

さらに水素割れは、溶接金属において、１点でもＩｌｖ
　２４８を超えていると生じるおそれがあるため、溶接
金属の最高硬さをｌｌｖ　２４Ｂ以下にすることが必要
である。このような溶接金属を得るためには、鋼板によ
る希釈を考慮して、使用される鋼板および溶接ワイヤの
組成を限定するのはいうまでもなく、溶接パス間温度、
溶接入熱を限定し、さらには溶接後熱処理条件を限定す
ることが肝要である。

（発明が解決しようとする課題） この発明は、Ｃｒ　−Ｍｏ鋼をガスシールドアーク溶接
する際に、溶接金属のクリープ強度を母材と同等に保ち
つつ、溶接金属のしん性および耐使用中ぜい化特性に優
れさらには耐水素割れ特性にも優れた溶接金属を得るた
めの溶接施工法を提案することを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明の要旨は、Ｃ：　０．０９〜０．１８ｗｔ！　
（以下単に％で示す）　、Ｓｉ　：　０．１３％以下、
Ｍｎ　：　０．２５〜０．６５％、Ｃｒ　：　１．８５
〜３．２５％、Ｍｏ　：　０．８５〜１．１５％、Ｖ　
　：　０．２３〜０．３７％、Ｓ：０．０１５％以下、
Ｐ：　０．０２０％以下を含む組成になり、引張強さ＝
６０〜７７．５ｋｇｆ／胴２０．２％耐力≧４２ｋｇｆ
／ｍｍ” の強度を有する鋼板をガスシールドアーク溶接するに際
し、 フィラワイヤとしてＣ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ７
０．２０〜０．５０％、Ｍｎ　：　０．６０〜１．００
％、Ｃｒ　：　２．２５〜３．２５％、Ｍｏ　：　０．
８５〜１．１５％、Ｖ：０．１５〜０．３５％、Ｎｂ　
：　０．０３％以下、Ｔｉ　：’　０．０２％以下、Ｎ
ｉ　：　０．６０％以下、Ｎ：０．００５〜０．０１５
％を含有し、残部は実質的にＦｅの組成になるワイヤを
用いると共に、シールドガスとして Ｃｏ□：　７〜２５ｖｏｌ％または ０□：１〜５ｖＯ１ｚ を含み、残部は実質的にＡｒよりなるガスを用いて、予
熱およびバス間温度＝１７５〜２５０　℃１溶接人熱：
　１０〜３０　ｋＪ／ｃｍ の条件下にミグ溶接を行い、ついで溶接部に対し、６７
０　℃以上の温度範囲において少なくとも１回、下記（
１）式で示されるＴＰが２０．２０〜２０．５０を満足
する溶接後熱処理を施すことにより、溶接金属の最高硬
さをビッカース硬さ試験においてＨｖ　２４８以下とす
ることにより、溶接金属の耐水素割れ性に優れしかも母
材と同等のクリープ強度、さらにはじん性および耐使用
中ぜい化特性にもすぐれた溶接金属を得るところにある
。

記 ＴＰ　＝　　（Ｔ＋２７３）Ｘ　（２０＋　１　ｏｇｔ
）　Ｘ　１０−’　　　　・・・（１）ここでＴ：　溶
接後熱処理温度（°Ｃ）ｔ：　溶接後熱処理時間（ｈ） 以下この発明を具体的に説明する。

さて発明者らは、種々のワイヤ成分系、溶接条件を詳細
に検討し、さらには溶接後熱処理条件の溶接金属の最高
硬さにおよぼす影響を調査し、それら溶接金属の引張強
さ、じん性、使用中ぜい化量、クリープ破断強度及び耐
水素ねれ性について調査した。それらについて以下具体
的な作用について述べる。

（作　用） まずこの発明では、Ｃ：０．０９〜０．１８％、Ｓｉ７
０．１３％以下、Ｍｎ　：　０．２５〜０．６５％、Ｃ
ｒ　：　１．８５〜３．２５％、Ｍｏ　：　０．８５〜
１．１５％、Ｖ　：　０．２３〜０．３７％、Ｓｈｏ。

０１５％以下、Ｐ　：　０．０２０％以下を含む組成に
なるＣｒ　−Ｍｏ　Ｉｔｉｊｌを対象とする。というの
はこの発明は、従来鋼であるＡＳＴＭ　Ａ３８７　Ｇｒ
、２１．　Ｇ、ｒ。

２２やＡ３３６　Ｆ２１．　Ｆ２２等に規定される材料
では適用し得ない、より高温、高水素圧環境で用いられ
る材料を対象としており、従来鋼のＣｒ＋　Ｍｏ等の組
成に加えＶを添加して著しくクリープ強度と耐水素侵食
特性を改良した上記規定範囲の鋼材がこの発明を構成す
る上で不可欠なためである。

次にワイヤ組成について説明する。

Ｃは、強度向上に有効な有用成分であるが、０．０５％
未満ではクリープ強度向上のために有効なＶ、　Ｎｂ等
の微細炭化物が十分でなく、クリープ強度が不足する。

しかしながら過剰に添加すると強度、硬さが著しく増加
し、また高温われの原因ともなるので、上限は０．１２
％に限定した。

Ｓｉは、焼戻しぜい化に対して影響を与える元素であり
、ぜい化の観点から０．５０％以下に限定する必要があ
る。一方でＳｉは、ガスシールド溶接においては有効な
脱酸剤でありブローホール防止の点から少なくとも０．
２０％を含有させるものとした。

Ｍｎは、Ｓｉと同様の作用を及ぼすので０，６０〜１．
００％の範囲に限定した。

Ｃ「およびＭｏは、耐酸化性、高温強度の面から添加さ
れている元素であり、この発明で対象としているＣｒ−
Ｍｏ鋼の基本となる成分である。従って溶接金属におい
ても、母材と同等の成分となるようにＣｒは２．２５〜
３．２５％、またＭＯにおいては０．８５〜１．１５％
の範囲で添加するものとした。

■は、この発明で対象とするＣｒ　−Ｍｏ鋼において、
そのクリープ強度および耐水素アタック性の面から不可
欠の元素として母材に添加されているものである。従っ
て溶接金属においても、クリープ強度および耐水素アタ
ック性の点から母材と同等程度添加されることが望まし
いが、母材との希釈を考慮にいれると、溶接ワイヤ組成
としてはＯ１１５％以上あれば溶接金属のクリープ強度
および耐水素アタック性とも良好なものとなる。一方、
■を過剰に添加すると、常温における引張強さが高くな
りすぎて母材の強度範囲を超えてしまうだけでなく溶接
金属の最高硬さも高くなってしまい、さらにはじん性も
損なうため、溶接ワイヤにおいてはその上限を０．３５
％に限定した。

Ｎｂは、クリープ強度の向上に対し、少量の添加でもそ
の効果があるが、０．０３％を超えて添加すると、常温
における引張強さのみならず硬さも高くなりすぎ、さら
にはじん性も損うので０．０３％以下に限定した。

Ｔｉは、Ｎｂと同様、少量の添加でクリープ強度の向上
に有効に寄与するが、０．０２％を超えて添加すると、
やはり常温における引張強さや硬さが高くなりすぎ、ま
たじん性も損われるので０．０２％以下に限定した。

Ｎｉは、ＳＲ後のしん性の改善に効果のある有用元素で
あるが、過剰に添加すると高温高圧水素環境下において
ぜい化を引き起こすので、０．６０％以下に限定した。

Ｎは、Ｖ、Ｎｂ等と結合し微細な窒化物もしくは炭窒化
物を生成する。これらはクリープ強度の向上に著しい効
果があるが、かかる効果を得るためには溶接ワイヤ中に
Ｎを０．００５％以上添加することが必要である。一方
０．０１５％を超えて添加すると、常温における引張強
さが高くなりすぎ、また硬さも上昇しすぎ、さらにはじ
ん性も損われるので０．０１５％以下に限定した。

次にシールドガスは、安定したスプレー移行を実現する
ためには、ガス中に少量のＣＯ２または０２を含む必要
があるので、この発明では、Ｃｏ、　：　　７〜２５シ
ｏｌχまたはＯ：　１〜５ｖｏｌχを含み、残部は実質
的に計からなるガス組成とした。

溶接入熱は、溶接金属のしん性、強度及び硬さに大きく
影響を与える。１０　ｋＪ／ｃｍ未満では狭開先溶接に
おいて欠陥が発生するおそれが大きく、また作業能率の
面からも１０　ｋＪ／ｃｍ以上とする。一方３０　ｋＪ
／ｃ＋ｉを超えると、−層当りの積層量が多くなって次
層以降のパスによる再熱に依存したテンバ効果が得られ
なくなり、硬さが上昇し、またじん性も損われるため３
０　ｋＪ／ｃｍ以下に限定した。

パス間温度は、低温割れ防止のためおよび溶接金属の硬
さの過大な上昇を防止するため、１７５°Ｃ以上とする
。一方２５０°Ｃを超えると溶接金属の冷却速度が遅く
なり、焼入れ不足によってじん性が損われるので、２５
０°Ｃ以下に限定した。

溶接後熱処理は、後述するような種々の処理温度、時間
により溶接金属の特性を調査したところ、下記（１）式
であられされるＴＰが２０．２０未満では溶接金属の最
高硬さがＨｖ　２４Ｂを超えて耐水素割れ性が劣化する
ことが判明したのでＴＰ≧２０．２０とする。

しかしながら容器の溶接施工時には数回の溶接後熱処理
が施される場合があり、強度の低下が問題となることか
ら、上限はＴＰ　２０．５０に定めた。なお上記の溶接
後熱処理において処理温度が６７０°Ｃ未満ではＴＰが
上記範囲を満たすために長時間を要し実施工には適さな
いので、溶接後熱処理は６７０″Ｃ以上の温度で行うも
のとした、 ＴＰ＝（Ｔ＋２７３）Ｘ（２０＋ｆ！ｏｇｔ）ＸＩＯ−
３−・−（ｔ）ここでＴ：　溶接後熱処理温度（Ｃ） ｔ：　溶接後熱処理時間（ｈ） すなわち６７０°Ｃ以上の温度範囲においてＴＰが２０
．２０〜２０．５０の溶接後熱処理を少なくとも１回施
すことにより、溶接金属の最高硬さをＨｖ　２４８以下
とすることができ、しかもかような溶接後熱処理を数回
節した場合であっても強度の低下を生じないのである。

（実施例） 表１に示す化学組成および表２に示す機械的性質を有す
る鋼板に対し、表３に示すワイヤを用い、第１図の開先
形状で、表４に示す溶接条件下に狭開先ガスシールドア
ーク溶接を行った。

溶接後の熱処理条件は表５に示したとおりである。

得られた溶接金属に表５に示す溶接後熱処理を付与した
ままのもの、および溶接後熱処理後に第２図に示すステ
ップクーリング処理をさらに付与したものに対し、以下
に示す試験を実施した。

引張試験は室温および４８０°Ｃで実施し、室温強度は
６０〜７７．５ｋｇｆ／ｍｍ２のものを、４８０　℃強
度は５２ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ　２以上のものを良好とし
た。

クリープ破断強度は、４８０°Ｃ，ｔＯ万待時間強度相
当する５５０°Ｃ１８００時間強度を内挿により求め、
この値が２４ｋｇｆ／ｍｍ２以上のものを良好と判定し
た。

またＰＷＩＩＴままのしん性は、−１８°Ｃにおいてシ
ャルピー吸収エネルギーの最低値が１０ｋｇｆ−ｍ以上
のものを良好とした。ステップクーリング後のしん性は
、次式（２）を満足できたときに良好と判定した。

ｖＴｒ５．ｓ　＋　３　　・ΔｖＴｒ５．　ｓ≦１０　
℃−（２）ここでΔｖＴｒ５．ｓ　＝　ｖＴｒ’　５．
Ｓ−ｖＴｒｓ、５ｖＴｒ５，５　　：　ＰＷＨＴままの
溶接金属の吸収エネルギーが５．５　ｋｇｆ−ｍとな る温度 ｖＴｒ’　ｓ、ｓ　：　ステップクーリング処理後の溶
接金属の吸収エネルギーが ５．５　ｋｇｆ−ｍとなる温度 さらに耐水素侵食性の評価は、温度５５０°Ｃ１水素圧
力５００　ｋｇｆ／ｍｍ”に保持したオートクレーブ中
に溶接金属から採取したシャルピー試験片を一定時間暴
露後、０°Ｃにおいてシャルピー試験を実施し、吸収エ
ネルギーの暴露時間依存性を調査し、水素侵食により吸
収エネルギーの低下を開始する時間を潜伏期とし、この
潜伏期が１５０時間以上のものを良好と判定した。

溶接金属の硬さは荷重１０ｋｇによるビッカース試験を
第３図に示すような２鵬間隔の基盤の目状に２ｍｍピッ
チで実施し、それらのうちの最高硬さを溶接金属の最高
硬さとした。

またさらに耐水素割れ性の判定には、硬さ試験において
最高硬さを示した断面近傍から採取した試験片を用い、
０．２％耐力の８０％の応力を負荷した状態でＮＡＣＥ
液（２５°Ｃの飽和Ｈ，Ｓ　＋　０．５％ＣＩ（、ＩＣ
０ＯＨ＋５％ＮａＣ１溶液）に１０００時間浸漬して４
点曲げＳＳＣ試験を行い、割れ発生のないものを良好と
した。

実施例１ ｗＡＡに対し、表３に示す種々のワイヤを用い、溶接条
件札１により狭開先１層１パス多層盛りミグ溶接を行っ
た。

得られた溶接金属の化学成分を表６にまとめて示す。

ついで上記の各溶接金属に対し熱処理ＨＴＩを施 したのち、 各種試験を行って得た結果を表７に示 す。

表７より明らかなように、適合例であるＮａ　１におい
ては強度、じん性、耐使用中ぜん化特性、水素アタック
特性および硬さ特性、耐水素割れ特性何れもが良好であ
る。これに対しＮα２〜１４は、この発明の適正条件か
らいずれかがはずれているので表７の備考に示すごとく
必ずしも全ての特性が満足のいくものではなかった。

実施例２ 鋼Ａに対しワイヤーＲ１を用い、溶接条件ＷＣ２により
狭開先１層１バス多層盛りミグ溶接を行った。

得られた溶接金属の化学成分を表８に示す。

ついでこの溶接金属に対し、表５に示す種々の条件下に
熱処理を行ったのち、各種試験を実施して得た結果を表
９に示す。

表９より明らかなように、適合例であるＮｏ、　１５〜
１７においては強度、じん性、耐使用中ぜい化特性、水
素アタック特性および硬さ特性、耐水素割れ特性とも何
れも良好な結果が得られたが、熱処理条件がこの発明の
範囲外であるＮｏ、１８．１９ではいずれも満足のいく
特性値は得られなかった。

実施例３ 鋼Ｂに対しワイヤーＲ３を用い、表４に示す種々の溶接
条件下に狭開先１層１バス多層盛リミグ溶接を行った。

得られた溶接金属の化学成分を表１０に示す。

ついで上記の各溶接金属ＷＭ１６〜２４に対し、熱処理
＋１Ｔ３を施したのち、各種試験を実施して得た結果を
表１１に示す。

表１１より明らかなように、適合例であるＮｏ、２０に
おいては強度、じん性、耐使用中ぜい化特性、水素アタ
ック特性および硬さ特性、耐水素割れ特性とも満足した
ものが得られた。

これに対し、Ｎｏ、２６はパス間温度が下限値以下であ
りＩＡＺ部に遅れ割れを生じたため機械的特性調査は行
わなかった。またＮｏ、２１．２３はアークのはいあが
りを生じ、さらにＮα２２．２４はスプレー移行となら
ず短絡移行によりビード形状が凸となり融合不良を生じ
スパッタも多く発生したため、特性調査は行なかった。

なおＮｏ、２５〜２８はいずれも、この発明の範囲外で
あり表１１の備考に示すように良好な特性は得られなか
った。

（発明の効果） かくしてこの発明によれば、高強度Ｃｒ　−Ｍｏ　銅の
ガスシールドアーク溶接に際し、クリープ強度をはじめ
として、じん性および耐使用中ぜい化特性、さらには耐
水素割れ性に優れた溶接金属を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例における開先形状を示した図、第２図
は、ステップクーリング処理の模式図、第３図は、硬さ
の測定位置を示す溶接金属断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．０９〜０．１８ｗｔ％、Ｓｉ：０．１３ｗ
   ｔ％以下、 Ｍｎ：０．２５〜０．６５ｗｔ％、Ｃｒ：１．８５〜３
   ．２５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８５〜１．１５ｗｔ％、Ｖ：０．２３〜０．
   ３７ｗｔ％、 Ｓ：０．０１５ｗｔ％以下、Ｐ：０．０２０ｗｔ％以下 を含む組成になり、 引張強さ：６０〜７７．５ｋｇｆ／ｍｍ＾２、 ０．２％耐力≧４２ｋｇｆ／ｍｍ＾２ の強度を有する鋼板をガスシールドアーク溶接するに際
   し、 フィラワイヤとして Ｃ：０．０５〜０．１２ｗｔ％、Ｓｉ：０．２０〜０．
   ５０ｗｔ％、 Ｍｎ：０．６０〜１．００ｗｔ％、Ｃｒ：２．２５〜３
   ．２５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８５〜１．１５ｗｔ％、Ｖ：０．１５〜０．
   ３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．０３ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．０２ｗｔ％以下
   、 Ｎｉ：０．６０ｗｔ％以下、Ｎ：０．００５〜０．０１
   ５ｗｔ％ を含有し、残部は実質的にＦｅの組成になるワイヤを用
   いると共に、シールドガスとして ＣＯ＿２：７〜２５ｖｏｌ％または Ｏ＿２：１〜５ｖｏｌ％ を含み、残部は実質的にＡｒよりなるガスを用いて、 予熱およびパス間温度：１７５〜２５０℃、 溶接入熱：１０〜３０ｋＪ／ｃｍ の条件下にミグ溶接を行い、ついで溶接部に対し、６７
   ０℃以上の温度範囲において少なくとも１回、下記（１
   ）式で示されるＴＰが２０．２０〜２０．５０を満足す
   る溶接後熱処理を施すことを特徴とする高強度Ｃｒ−Ｍ
   ｏ鋼のガスシールドアーク溶接施工法。 記 ＴＰ＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇｔ）×１０＾−
   ＾３・・・（１） ここでＴ：溶接後熱処理温度（℃） ｔ：溶接後熱処理時間（ｈ）