JPH06159007A

JPH06159007A - 損傷されたボルト孔の冶金的強化方法

Info

Publication number: JPH06159007A
Application number: JP5206077A
Authority: JP
Inventors: Jr Samuel D Reynolds; サミュエル・ドーノン・レイノルズ・ジュニア; Ashoke K Mukherjee; アショク・クリシュナ・ムカージー
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1994-06-07
Also published as: CA2104521A1; US5201455A; CA2104521C

Abstract

(57)【要約】【目的】ボルト孔の雌ネジ部分の破損された材料を取
り替えるための方法であって、元の構造的完全性を保つ
だけでなく、破損された材料部分の接合部の冶金的強化
を可能にする方法である。【構成】破損された材料は、雌ネジ部分から取り除か
れ、連続螺旋ビードを利用する機械ガスタングステンア
ーク溶接装置を使用して、溶加材１６が、ボルト孔１２
の露出した母材にアーク溶接される。溶加材１６を選ぶ
時、溶加材１６が付着される母材１８と、さらに、孔の
母材１８が被っている破損のタイプを考慮して正しく選
択することは、機械的接合部の構造的完全性を改良する
ことと、関係する蒸気タービン装置の寿命を延ばすこと
を可能にする。溶加材１６の溶接の調質は、熱の影響を
受けた領域の溶接金属の好ましくない弱化を抑え、その
結果破損されたボルト孔１２の更なる冶金的強化を可能
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は破損されたボルト孔を補修す
るための方法に関するものであって、さらに詳しく言う
と、破損したネジの切ってあるボルト孔を現場で溶接補
修する方法に関するものであり、この方法においては、
機械的または冶金的に損傷を受けた材料は取り除かれ、
元の母材に等しいかそれ以上の冶金的特性を有する溶接
付着物と取り替えられる。

【０００２】

【発明の背景】ある環境下では、ボルト孔の雌ネジ部分
は、運転中に様々な破損を受け、この破損は、ボルト孔
についての機械的接合部の強度を弱める結果となる。材
料の破損は、発電所設備、例えば蒸気タービンの蒸気室
内などの設備で起こり、このような蒸気タービンでは、
高温により、炭素鋼や低合金クロム−モリブデン鋼から
作られた弁のボルト孔のネジ部分に破損が生じる。運転
中に発生する破損を被ることで知られている蒸気タービ
ン装置の例としては、スロットル弁、調速機弁、再熱蒸
気止め弁、インタセプト弁がある。この種の弁の機械的
接合部で起こる破損には、クリープ損傷、擦過腐蝕、過
負荷、および機械的または熱的に誘起された疲労を含
む。

【０００３】ボルト孔の雌ネジ部分の破損された材料を
取り替えるための一般的に知られている方法では、ボル
ト孔の内径から破損された材料を機械的に取り除くこと
が必要であり、従って冶金的に好ましい材料で、以前の
孔よりも大きい内径の状態で、新しい孔が形成される。
その後、インサートがその新しい孔に挿入される。その
技術分野では公知であるインサートには、らせん状コイ
ルまたはかさ弁型埋め込みボルトがある。このインサー
トは、螺刻された後では、インサート孔が元の内径にな
るが、ボルト孔の内径の拡大と、同時に生じるボルト孔
周辺の材料の減少とによって失った構造的強度の解決策
にはなっていない。

【０００４】上記の弁のようなタービン装置では、一連
のボルト孔は、円周方向に位置しており、機械的接合部
の周辺に間隔をおいて配置されているが、破損された材
料を取り除くことは、ボルト孔間の接合部の部分から材
料を取り除く結果になる。その接合部の部分から材料を
取り除くことは、接合部の構造的強度を極端に低下させ
ることであるという点で問題が認識されている。孔を元
の内径に戻して機械的結合を可能にするために、インサ
ートがボルト孔に挿入されるが、ボルト孔相互の間の接
合部の部分の強度を元の強さに戻すことにはならない。
従って、ボルト孔の破損された材料を補修するために、
接合部の全体的構造的強度を著しく犠牲にしなければな
らない。ある弁接合部での複数個の隣接したボルト孔を
補修しなければならない場合には、この問題は、更に増
大する。

【０００５】例えば、弁の破損されたボルト孔を修復す
る別の方法には、ボルト孔を取り囲む部分を取り除き、
それに続いて、新しい部分全体を残っている構造体に溶
接し、その後、新しいボルト孔を形成する方法がある。
この方法は、主な二次加工作業として、徹底した溶接後
の熱処理を必要とし、この熱処理は、不適切な歪みを引
き起こす可能性があり、場合によっては、関連する接合
部の強度を弱める場合もあるので、好ましくないとされ
ている。更に別の方法には、弁の接合部全体を取り替え
てしまう方法がある。このような方法はコストが高く、
複雑であることは明かである。

【０００６】従って、ボルト孔の雌ネジ部分の破損され
た材料を取り替えるための方法であって、元の構造的な
完全性を保つだけでなく、破損された材料部分の接合部
の冶金的強化を可能にする方法が望まれる。この発明
は、この要望を満足させる方法を提供するものである。

【０００７】

【発明の概要】この発明による、破損されたボルト孔の
冶金的強化方法は、ボルト孔の雌ネジ部分から破損され
た材料および冶金的損傷を受けた表面下の材料を取り除
く工程と、破損された材料を取り替えために冶金的にボ
ルト孔の母材と適合性を有する溶接溶加材を選び、この
溶加材をボルト孔に供給する工程と、母材に溶加材をア
ーク溶接する工程とを備えている。この発明による方法
は、特に、蒸気タービン装置やその他の発電所設備の小
径のボルト孔に用いるのに適している。この発明による
方法を用いた結果、ボルト孔の冶金的特性は強化され、
ボルト孔に関連した機械的接合部の強度は、少なくと
も、雌ネジ部分の材料が破損される前の強度に戻され
る。

【０００８】

【好適な実施例の詳細な説明】この発明による、破損し
たボルト孔の冶金的強化のための方法は、蒸気タービ
ン、発電所設備、同様のボルト孔疲労を持ったその他あ
らゆる機械装置の様々な部分におけるボルト孔に適用す
ることが出来る。この方法は、特に、蒸気タービンの蒸
気室での弁の機械的接合部における小径のボルト孔の適
用に適している。蒸気タービンにおいては、高温の運転
温度により、ボルト孔の雌ネジ部分に様々な損傷が生じ
る。その種の弁には、スロットル弁、調速機弁、再熱蒸
気止め弁、インタセプタ弁が含まれる。しかし、この発
明はこのような種類のものに限定されることはなく、こ
の発明による方法は、蒸気タービンやその他の発電所設
備の機械的接合部のボルト孔や植え込みボルト付属品に
も適用することが出来る。

【０００９】図１には、この発明による方法が適用され
る蒸気タービン装置の弁１０のボルト部分が示されてい
る。この弁１０は、ネジが切られたボルト孔を用いた機
械的接合部を備えている。

【００１０】図２は、弁１０の断面図を示しており、そ
の弁の溶接トーチ１４は、以下で述べるようにしてボル
ト孔１２の母材１８上に溶加材１６を付着させる。以下
で詳しく述べるこの発明の方法によれば、破損された材
料がボルト孔１２の雌ネジ部分から取り除かれ、母材１
８が露出され、その結果、溶接トーチを使用して母材１
８上に溶加材１６が付着される。

【００１１】ボルト孔１２の雌ネジ部分から、冶金的に
損傷した表面下の材料と共に、破損された材料が取り除
かれ、その結果、その技術では公知のことであるが、破
損された材料をリーマ仕上げ、穴あけ、または機械加工
で取り除くことによって、孔の内径は増加する。しか
し、この発明は、この方法に限定されず、ボルト孔から
破損された材料を取り除くための、公知であるその他の
技術を使用することも可能である。ボルト孔１２から破
損された材料を取り除くと、孔間部２０を形成する材料
の量がそれに応じて減少し、その結果弁１０の機械的接
合部の構造的強度が減少する。これにより、蒸気タービ
ンの性能が全体的に低下する。ボルト孔１２の雌ネジ部
分から破損された材料を取り除くと母材１８が露出され
る。

【００１２】弁１０の機械的接合部をボルト孔１２が破
損する前の、少なくとも初期の強度に戻すために、溶加
材１６が、溶接トーチを用いることによって、母材１８
に付着される。余分の量の溶加材が、付着された材料を
ネジきりすることを可能にするために付着されなければ
ならず、その結果ボルト孔は所定の内径に戻される。溶
接用溶加材は、母材との冶金的な適合性に基づいて選択
され、機械的接合部の最適な冶金的特性と使用性能を得
るように調整される。例えば、もし、ボルト孔の雌ネジ
部分が、高サイクル疲労や過負荷のような破損を被った
場合、母材よりも大きな降伏強さを有する溶加材が選ば
れる。もし、ネジ部分がクリープ破壊を被った場合に
は、それより優れたクリープ破壊特性を有した溶加材が
選ばれる。

【００１３】蒸気タービンの蒸気室の弁は一般的には、
炭素鋼や低合金のクロム−モリブデン（Ｃｒ−Ｍｏ）鋼
から作られる。従って、この発明による方法が適用され
るボルト孔の母材の例には、２ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏ，１ 1
/4Ｃｒ−1/2Ｍｏ，１ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｖ，1/2Ｃｒ−
1/2Ｍｏ、カーボン−モリブデン鋼、軟鋼を有するグル
ープから選ばれた合金が含まれる。これらの例による
と、溶加材は合金鋼から構成され、この合金鋼は、クロ
ム、モリブデンおよびバナジウムから成るグループから
選ばれた一次合金要素を有する。例えば、ボルト孔の雌
ネジ部分の引張強度とクリープ強度特性を増すために、
母材が合金１ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏから成る場合、２ 1/4Ｃ
ｒ−１Ｍｏのようなより強度のある合金の溶加材が選択
されてもよい。溶接される母材と、ボルト孔の母材が被
る破損の様子により、溶加材が正しく選択された場合に
は、破損されたボルト孔は冶金的に強化される。以下で
述べるこの発明による溶接調質技術は、ボルト孔の機械
的特性の残りの機械的特性をも増加させ、従って関連す
る蒸気タービン装置の寿命を、もともと期待されている
以上に延長させることにもなる。

【００１４】この発明は、これらの例の母材と溶加材と
に限定されない。従って、この発明による方法はその他
の硬化可能な鋼合金母材に適用することが出来、この場
合、溶加材はそれぞれ別の、しかし最適な溶加材を選択
すればよい。また、この発明は、硬化不可能な材料から
構成される母材の冶金的強化を可能にする為に適用する
ことが出来るが、この場合は、母材の機械的および冶金
的特性を増進させる為に、特別な合金溶加材が選ばれ
る。

【００１５】破損された材料を、ボルト孔の雌ネジ部分
から取り去った後、溶加材１６が、図２に示すように、
アーク溶接の技術により、溶接トーチ１４で母材に付着
される。この発明の好ましい実施例では、アーク溶接工
程は、機械的ガスタングステンアーク溶接装置によって
行われる。このガスタングステンアーク溶接装置では，
連続螺旋制御オーバーラップビードを使用して、２．５
４ｃｍ（１インチ）位の内径を持つ小径の孔のすべての
箇所に、溶加材を現場で付着することが可能である。従
って、より大きいどんな孔も同様に補修することができ
る。

【００１６】この発明の好ましい実施例において、機械
的ガスタングステンアーク溶接装置は、プログラム化同
期パルスパラメーター制御が可能である。これによっ
て、溶加材の溶接付着中に与えられるエネルギー量をパ
ルス化することと、このエネルギーパルスによるワイヤ
ー送給装置の同期調整とが可能となる。その技術では一
般に知られているように、溶接溶加材が連続螺旋状軌道
に従って溶接されるとき、重力により、溶融金属は一様
には溶かされない傾向にあり、その結果不適当なビード
形状と潜在的欠陥を生じさせる。溶接エネルギーをパル
ス状にすることは不適当なビード形状の形成を防止す
る。溶加材ワイヤー送給装置の同期調整によって、低エ
ネルギーパルス運転中では、より少ない溶加材がアーク
に与えられ、高エネルギーパルス中ではより多くの溶加
材がアークに与えられる結果、より一様なビードが付着
される。好ましい実施例においては、溶接溶加材１６
が、アークに低温ワイヤー送給装置を用いて与えられ
る。

【００１７】この発明の方法によれば、以下で詳しく述
べるように、溶加材１６が母材１８に層状に付着され
る。連続螺旋状ビード技術を使用したガスタングステン
アーク溶接によれば、層毎にたった一回の始動と停止
で、１つの層全体に溶加材を付着させることが可能とな
り、そのため、溶加材は１度のパスでボルト孔１２の全
表面と全長に付着される。従って、層全体は、機械アー
ク溶接装置の一回の始動と停止によるたった一度のパス
から成っている。これによって、従来の溶接方法に比べ
て、構成部品の歪みは最小に抑えられる。従来の溶接方
法は単一軌道のビードの一連の重ねあわせを用いてお
り、各々のビードは孔の内径表面全体を覆うが、ボルト
孔の長さのほんのわずかの小部分、例えば、０．３２ｃ
ｍ（１／８インチ）を覆うだけであり、各々のビードは
１回の始動と停止とを有している。そのため、例えば、
１０．１６ｃｍ（４インチ）の長さのボルト孔を覆うた
めには、従来の方法では、３０回の始動と３０回の停止
とにより約３０ビードが必要とするであろう。溶接欠陥
は溶接パス、始動、停止の数と共に増大するので、この
発明による方法によれば、最小の溶接欠陥が可能とな
る。

【００１８】溶加材１６は層状に母材に付着される。そ
の技術では知られているように、アーク溶接の運転中、
熱の影響を受けた領域（ＨＡＺ）が形成され、高い焼入
れ硬化性を有した母材の部分には、冷却速度に基づいた
様々な冶金的構造が生成される。母材の質量は、大規模
な吸熱器として作用し、そのため、高い硬化性と様々な
冷却速度とが組合わさって、母材ＨＡＺの冶金的特性を
望ましくない方向に変える。

【００１９】脆化した熱の影響を受けた領域を調質する
ための従来の溶接後熱処理は、実際的ではなく、また好
ましくない。その理由は、そのような処理は余分な熱の
加熱と酸化の問題を引き起こし、関連したタービン装置
の他の構成部材に悪影響を与えるからである。そのた
め、この発明の方法によれば、特に制御された溶接パラ
メータにより、自己調質作用を得ることができ、従来の
溶接後熱処理を必要としなくて済む。

【００２０】従って、溶接溶加材の最初の層は、比較的
低エネルギーのアーク熱入力と注意深く制御された溶接
ビードの部分重なりとにより、母材上に付着される。そ
れに続く層は漸次高い熱入力で付着される。その結果、
各々の以前に付着された層における調質作用は制御され
て、熱の影響を受けた領域での金属の自己調質された冶
金的特性が与えられ、その結果、溶接作業が完了した
時、溶接後熱処理は不必要になる。この溶接ビードの調
質により、ボルト孔の代替材料の冶金的特性の強化が可
能となり、熱の影響を受けた領域における望ましくない
母材の硬化および延性の低下が最小限に抑えられる。同
様に、溶加材の最後の層が母材に付着された後、そのア
ーク溶接の工程は自然的調質パスから成り、このパスで
は、エネルギーは、溶加材を与えることなくアークから
与えられ、溶加材の最後に付着された層の調質が行われ
る。この発明による方法を用いることにより、ボルト孔
や植え込みボルト取付部品の金属の機械的特性と冶金的
特性とは、破損した雌ネジを生んだ元の母材よりもより
良くなる。それにより、機械的接合部の引張強度、クリ
ープ強度は、増大され、関連する蒸気タービンの寿命は
延びる。

【００２１】この発明の実施例について記述し図示した
が、変形例が、当業者にとって容易に思い浮かぶことが
理解される。必然的に、請求項は、そのような改良とそ
れに類したものを含むものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による方法が適用される蒸気タービン
の代表的な弁の斜視図である。

【図２】この発明による溶接工程の適用を示す、図１の
線２−２に沿う弁の断面図である。

【符号の説明】

１０弁１２ボルト孔１４溶接トーチ１６溶加材１８母材２０孔間部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アショク・クリシュナ・ムカージーアメリカ合衆国、フロリダ州、オーランド、ナシュア・レイン 7940

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボルト孔の損傷されたネジ部分の材料を
冶金的に強化のための方法であって、（ａ）前記ボルト孔から前記損傷された材料を取り除
く工程と、（ｂ）前記損傷された材料を取り替えるために前記ボ
ルト孔の母材と冶金的に適合性のある溶加材を選択し、
この溶加材を前記ボルト孔に供給する工程と、（ｃ）前記母材に前記溶加材をアーク溶接する工程
と、を有する、損傷されたボルト孔の冶金的強化方法。
【請求項２】蒸気タービンにおけるボルト孔の損傷さ
れたネジ部分の材料を冶金的に強化するための方法であ
って、（ａ）前記ボルト孔から前記損傷された材料を取り除
く工程と、（ｂ）前記損傷された材料を取り替えるために前記ボ
ルト孔の母材と冶金的に適合性のある溶加材を選択し、
この溶加材を前記ボルト孔に供給する工程と、（ｃ）前記母材に前記溶加材をアーク溶接する工程
と、を有する、損傷されたボルト孔の冶金的強化方法。
【請求項３】円周方向に位置しており、周辺部に間隔
をおいて配置されている複数個のボルト孔を有している
弁を備えた蒸気タービンで、前記複数個のボルト孔の損
傷されたネジ部分の材料を冶金的に強化する方法であっ
て、（ａ）前記ボルト孔から前記損傷された材料を取り除
く工程と、（ｂ）前記損傷された材料を取り替えるために前記ボ
ルト孔の母材と冶金的に適合性のある溶加材を選択し、
この溶加材を前記ボルト孔に供給する工程と、（ｃ）連続螺旋制御オーバーラップビードを用いた機
械的ガスタングステンアーク溶接により前記溶加材を前
記母材にアーク溶接する工程と、を有する、損傷されたボルト孔の冶金的強化方法。