JPH0230716A - 円周溶接部の残留応力改善方法 - 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〕 本発明は、管又は管状容器などの突合せ周溶接継手にお
ける残留応力を改善する方法に関し特にＰＷＲのオース
テナイト系ステンレス鋼配管の突合せ溶接継手部に存在
する内面引張残留応力を圧縮状態に改善する方法に関す
る。

〔従来の技術〕

管又は管状容器などの突合せ周溶接部には、内面では周
方向、軸方向とも引張残留応力が存在しておυ、この内
面の引張残留応力の存在は疲労強度や耐応力腐食割れ性
能の低下を招くため、引張残留応力の程度を軽減ないし
は圧縮状態とすることが望まれている。

この目的を達するため種々の残留応力改善法が提案され
ておシ、外面加熱・内面冷却法は、外面を加熱すると同
時に内面を水などで冷却すること、により内外面の温度
差を生ぜしめ、その時の熱応力によって内面の残留応力
状態を圧縮状態としようとするものであるが、この方法
は、内面を冷却する必要があるので冷却が難しい場所で
は適用不可能であること、冷却するだめ加熱装置の容量
に大きなものが必要であることなどの欠点がある。

またリング法は、溶接線の両側を加熱しそのすぐあとを
冷却しながら、順次溶接線に沼って処理していくもので
あるが、この方法も、やはシ冷却の必要があるという欠
点がある上に、溶接線方向に順に加熱冷却してゆくため
効果が不確実である。

これらの方法はすべて加熱と同時に冷却が必要であるが
、従来提案されている方法のうち冷却が不要の方法とし
て、溶接線の両側に溶接ピードを置き、それによる残留
応力分布を利用して所期の部分の残留応力分布を改善し
ようとする方法がある。しかしこの方法は、溶接による
材質変化が生じるし、又リング法と同じく一度に加熱し
ないため信頼性に欠けるという欠点がアシ、更に軸方向
の残留応力が改善しにくいという原理的欠陥がある。

更に、上記の諸方法の欠点を持たない、即ち処理後又は
処理中の冷却が不要でそのため加熱装置の容量が少さく
て済み、かつ残留応力改善効果が確実で信頼性に富む方
法として、管又は管状容器などの突合せ周溶接継手の溶
接線両側における管又は管状容器寸法に応じた適切な領
域に、環状に均一な加熱を施し、軸方向に温度分布を生
ぜしめたのち加熱を停止し放冷する管又は管状容器−の
残留応力改善方法が知られている。しかしながら、この
方法も、それによシ引張シ残留応力は軽減されるが、必
ずしも溶接線近傍が圧縮状態になるとは限らないという
問題点があった。

本発明者らは、先に応力腐食割れを完全に防止するため
には、応力状態を圧縮にする必要があるところから、上
記の方法を更に改善して、管又は管状容器などの中空体
内面溶接線近傍の応力状態を完全に圧縮状態にする方法
として、中空体の突合せ周溶接継手の溶接線両側に、下
記式を満足するよう溶接中心からの距離ｌ及び加熱幅Ｗ
の領域で、環状に均一な加熱を施して均一な高温部を形
成した後、ナ゛ 専礫ヰ繊四桝放冷することを特徴とする中空体の残留応
力改善法 を提案した。（特願昭６０〜９３６００）ところが、こ
の提案方法では、加熱領域がβｊ　＝　１．４　、βＷ
≧１．４と規定されているのみで、生じさせる軸方向温
度差には明確な規定はなされていなかった。このため、
実際に施工すると、対象の降伏点が高く、初期の引張残
留応力が大きい場合には、施工によって、内面の引張残
留応力は大きく除去されるものの、圧縮状態にまでは改
善纏れないことがあった。又、β／＝１．４と加熱位置
が一点で規定されているため、施工条件の余裕度がなく
、施工に困難があるとともに、施工対象によっては、寸
法制約上の問題から、β／　＝　１．４　　を満足でき
ず、施工できない場合があった。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明は、前記の提案方法の問題点を解決するために、
詳細な熱応力解析を実施し、対象の物性値（ヤング率、
熱膨張率、降伏点）及び加熱位置；βｌ、加熱幅；βＷ
に応じた必要温度差ΔＴを明らかにした。又、必要に応
じて、加熱位置が選べるように、充分な残留応力除去効
果の得られるβｌ、βＷ、ΔＴの組合せを明らかにした
。その結果、本発明を完成した。

本発明は管又は管状容器の突合せ周溶接継手の溶接線両
側において、加熱部位の溶接中心からの距離；１１加熱
幅；Ｗ及び軸方向温度差；△Ｔの各パラメータを、下記
（１）又は（２）又は（３１式を満足するように設定し
、環状加熱した後放冷することを特徴とする残留応力改
善方法。

（１）式ｉ１．０くβＪ　＜　１．４　、βＷ≧１．０
．△Ｔ≧σ。

１０．２Ｅ・α （２）式；　０．９　＜βｌ≦１．２．βＷ〉１．４．
△Ｔ≧σ。

／ａ、５Ｅ・α （３）式；０．８≦β／＜１．０．βＷ≧２．２．△Ｔ
≧σア／ａ、＋Ｅ・α 但し、β””　３　（１−１／２）　／　ｒ２ｈ２（無
次元化パラメータ） ｌ！；加熱位置（へ、。≦／　＜　ｌ！０、、　）Ｗ；
加熱幅（”ｍｉｎ≦Ｗ） △Ｔ；軸方向温度差 シ；ポアソン比 Ｅ；ヤング率 σ、；降伏応力 α；熱膨張率 ｒ；対象管半径 ｈ；対象管肉厚 である。

本発明方法は加熱によって生じる内面の溶接線近傍の引
張歪により過歪を与え、放冷による除荷に従い、残留応
力が軽減するものである。

以下、本発明方法を第１図、第２図及び第３図によって
説明する。

本発明は第１図に示すように、管１外面より突合せ溶接
継手の溶接金属２の両側において高周波加熱、ガス炎な
どの加熱源３（図は加熱コイルをあられす）によって加
熱し、第２図に示したような応力−熱履歴を生じさせる
。第２図において、４は初期の状態、５は加熱によって
引張の過歪を与えられた状態、６は除荷によって残留応
力が圧縮応力に変化した状態を示す。

第３図は本発明方法の施工時に生じさせる温度分布を示
す図表で、図中に本発明方法の施工パラメータである加
熱位置；１１加熱幅；Ｗ及び軸方向の温度差；ΔＴを示
す。

本発明で規定した、施工パラメータ（ｐ　、　ｗ。

△Ｔ）範囲の妥当性を証明するため実施した多くの熱弾
塑性有限要素解析による数値実験結果及び、実際の溶接
継手に対して施工した結果について以下に示す。

表１は、施工パラメータのうち、Ｋ（無次元化温度）、
すなわちσｙ／Ｅ・α・△Ｔ１について、これを変化さ
せて設定したパラメータの正当性を確認したものである
。（供試体；外径１１４．３朋、板厚；１５．５ｍｍの
ＳＯ３３０４）表１に示すように、βＡ’＝１．４．β
Ｗ＝１．０の加熱領域としているため、Ｋ≦０．２の条
件が、施工パラメータを満足している事になる。これに
対して施工後の内面残留応力は、Ｋ＝０．２４において
も圧縮状態となっておシ、設定した施工パラメータの妥
当性が証明されている。

表２は、表１と同一の供試体において、ｌ。

Ｗ、にのすべてのパラメータを変化した場合のもので、
ケースＮを除いて、すべて本発明で設定した施工パラメ
ータと満足している。（ケースＮはＷが施工パラメータ
よシ小さくなっている） 数値実験の結果は、表２に示す如く、予測どうυ、ケー
スＮを除いて、内面溶接残留応力はほぼ圧縮側に改善さ
れておシ、本発明で設定した施工パラメータ範囲が妥当
なものである事が示されている。

表３は、表１、表２が外径１１４．３朋、板厚１３．５
１１１１と、比較的、小径管を対象としたものであった
のに対し、厚肉の場合、大径の場合について設定した施
工パラメータの妥当性を確認するために実施しだもので
ある。表中に示すように、対象管が、厚肉管の場合でも
、大径管である場合でも、本発明で設定した施工パラメ
ータに基づき、本方法を施工すれば、充分な残留応力除
去効果が得られ、内面残留応力を圧縮状態に改善できる
事が示された。

第４図、第５図は、実際に設定した施工パラメータに従
って、実溶接継手に対して、本発明方法を施工した場合
の施工後残留応力分布を示す。供試管は外径１１４．３
ｍｍ、板厚１５．５ｙのＳＵＳ　３０４製のものであシ
、施工パラメータは、として施工した。図に示すように
、施工によって管内面溶接線近傍は、はぼ圧縮応力状態
に改善されておシ、本発明で示した施工パラメータ範囲
が妥当である事がわかる。

〔発明の効果〕

本発明により、施工対象の物性値（ヤング本熱膨張率、
降伏応力）に応じた、本残留応力改善方法の適正な施工
パラメータが設定でき、どのような場合にも安定した効
果が得られるようになった。

先に提案した方法では、加熱位置が限定されていたため
、本発明方法を適用できない場合があったが、本発明に
よυ、加熱位置に応じた加熱幅（Ｗｌ、軸方向温度差（
△Ｔ）が設定・施工できるようになったので、施工可能
な対象の範囲が第６図に示すように拡大した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の適用例を説明するための図、第２
図は本発明方法施工時の応力−歪履歴を示す図表、第３
図は施工時に生じさせる温度分布を示す図表、第４図、
第５図は本発明方法を適用し、施工した後の残留応力分
布を示す図表、第６図は本発明方法において円周溶接部
の残留応力が改善できる範囲を示した図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 管又は管状容器の突合せ周溶接継手の溶接線両側におい
   て、加熱部位の溶接中心からの距離；ｌ、加熱幅Ｗ及び
   軸方向温度差；△Ｔの各パラメータを、下記（１）又は
   （２）又は（３）式を満足するように設定し、環状加熱
   した後放冷することを特徴とする残留応力改善方法。 （１）式；１．０≦βｌ≦１．４、βＷ≧１．０、△Ｔ
   ≧σ＿ｙ／０．２Ｅ・α （２）式；０．９≦βｌ≦１．２、βＷ≧１．４、△Ｔ
   ≧σ＿ｙ／０．３Ｅ・α （３）式；０．８≦βｌ≦１．０、βＷ≧２．２、△Ｔ
   ≧σ＿ｙ／０．４Ｅ・α 但し、β＾４＝３（１−ν＾２）／ｒ＾２ｈ＾２（無次
   元化パラメータ） ｌ；加熱位置（ｌ＿ｍ＿ｉ＿ｎ≦ｌ≦ｌ＿ｍ＿ａ＿ｘ）
   Ｗ；加熱幅（Ｗ＿ｍ＿ｉ＿ｎ≦Ｗ） △Ｔ；軸方向温度差 ν；ポアソン比 Ｅ；ヤング率 σ＿ｙ；降伏応力 α；熱膨張率 ｒ；対象管半径 ｈ；対象管肉厚