JPH07204844A - 配管分岐部の溶接方法及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 配管分岐部の溶接方法及び冷却装置に係り、
管台溶接時における管台と母管との内面を確実に冷却し
て引っ張り残留応力の発生を抑制し、また、冷却手段の
着脱性を向上させ、配管分岐部の形状等に対する適用範
囲を大きくする。 【構成】 管台の中を経由してスプレーノズルを母管の
内部に挿入し、管台の管穴及び分岐穴への給水により溶
接部の内面を冷却すると同時に、母管の内面を水膜によ
り冷却し、溶接部の形成と並行して、分岐穴近傍におけ
る母管の内面の残留応力を圧縮方向に移行させる処理を
行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、配管分岐部の溶接方法
及び冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】配管分岐部を作製する場合には、例え
ば、図３に示すような構造が採用される。図３にあっ
て、符号１は母管、１ａは分岐穴、２は溶接開先、３は
管台、３ａは管穴、４は溶接開先、５は溶接部である。

【０００３】図３例の配管分岐部にあっては、管台３が
直管形状とされるとともに、その管穴３ａと母管１の分
岐穴１ａとの内径が等しく設定されている。これらの配
管分岐部は、両溶接開先２，４に溶接部５を形成するこ
とにより、母管１に管台３を取り付けた状態となるとと
もに、管台３の先端に、管穴３ａと同内径の管を溶接に
より接続して延長することが行なわれる。

【０００４】溶接部５の形成時には、溶接金属の熱収縮
に基づいて、溶接部５の内面付近に、引っ張りの残留応
力が付与される部分が発生し易い。

【０００５】従来、溶接部５の形成にともなって、分岐
穴１ａ及び管穴３ａの内壁に付与される引っ張りの残留
応力を低減する方法として、管穴３ａに連続的に冷却水
を送り込んで、分岐穴１ａ及び管穴３ａの内壁を冷却し
ながら、溶接部５を形成する溶接方法が考えられてい
る。金属壁が炭素鋼やステンレス鋼等である場合にこの
溶接方法を適用すると、溶接熱によって管壁が熱膨張し
た際に、冷却状態の分岐穴１ａ及び管穴３ａの引っ張り
応力が降伏点を越えることによって塑性変形が生じ、溶
接作業後に管壁温度が平均化すると、引っ張り塑性変形
分だけ圧縮されることになって、溶接部５の近傍位置の
分岐穴１ａ及び管穴３ａの内壁に、図３（ｂ）に示すよ
うに圧縮応力を付与することが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、管穴３ａに送
り込む冷却水量には限度があり、かつ、母管１の内部容
積が大きいことに基づいて、母管１の内壁面を空気雰囲
気とせざるを得ない場合が多いため、母管１の内壁面に
おける分岐穴１ａの近傍位置には、溶接金属の収縮に基
づく引っ張り応力が、図３（ｃ）に示すように付与され
易くなる。引っ張り応力が付与されている金属壁に水等
の腐食流体が接触する条件が重畳すると、応力腐食割れ
の発生原因となり得る。

【０００７】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
ので、以下の目的を有するものである。 ａ）管台溶接時における管台と母管との内面を確実に冷
却して引っ張り残留応力の発生を抑制すること。 ｂ）冷却手段の着脱性を向上させ、配管分岐部の形状等
に対する適用範囲を大きくすること。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、母管と接続状態に管台を溶接する方法として、母
管に明けた分岐穴の回りに溶接開先を形成する工程と、
分岐穴の内方縁部近傍を閉塞しかつ閉塞部分を貫通した
状態のスプレーノズルを母管の内部に挿入する工程と、
分岐穴の回りの溶接開先と管台の基部との間をシール状
態とする工程と、冷却水をスプレーノズルの回りに注入
して分岐穴及び管穴の内壁を冷却する工程と、スプレー
ノズルから母管の内面に対して冷却水を環状に噴出させ
て分岐穴近傍の冷却を行なう工程と、冷却水による冷却
を行ないながら溶接開先と管台の基部との溶接部を形成
する工程とを有する構成を採用している。また、配管分
岐部溶接用冷却装置として、管台の端部に取り付けられ
るサドル部材と、該サドル部材に一体に配され管台の管
穴及び母管の分岐穴を経由して母管の内部に挿入される
冷却水供給管と、該冷却水供給管の先端部に接続され母
管の内部位置から冷却水を分岐穴の近傍に向けて円環状
に噴出するスプレーノズルと、冷却水供給管の先端外周
部に配され分岐穴との間隙を閉塞する水シール部と、管
穴と冷却水供給管との間に双方に対して間隙を形成した
状態で配され給水時に溶接部の内面を冷却する給水スリ
ーブと、冷却水供給管及び給水スリーブに接続され冷却
水を供給する給水系とを具備する構成を採用している。
そして、スプレーノズルが、冷却水が供給されるノズル
内筒と、該ノズル内筒に外嵌め状態に配され冷却水を分
岐穴の近傍に向けて円環状に噴出する噴出スリットを形
成するノズル外筒とを具備する構成を付加するようにし
ている。

【０００９】

【作用】母管の溶接開先に管台の基部を仮溶接した状態
としておいて、管台の先端に配管分岐部溶接用冷却装置
のサドル部材を取り付け、冷却水供給管、スプレーノズ
ル及び水シール部を管穴及び母管の内部に挿入して、分
岐穴と冷却水供給管の外周との間を閉塞し、給水系を作
動させると、冷却水が冷却水供給管及び給水スリーブに
よって母管の内面と管穴内面とに供給される。冷却水供
給管の内部を挿通する冷却水は、スプレーノズルから分
岐穴の近傍に向けて円環状に噴出することにより、分岐
穴近傍の母管の内面に水膜を形成しながら冷却を行な
う。冷却水供給管の回りを挿通する冷却水は、水シール
部よりも外方において管穴及び分岐穴の内壁の冷却を行
なう。これらの冷却を行ないながら、溶接部が形成され
ると、溶接部内面近傍に圧縮の残留応力を付与すること
が可能になるとともに、分岐穴近傍の母管の内面にあっ
ても、溶接熱により管壁が加熱される際に、母管の内面
が冷却された低温状態に保持されて、残留応力を圧縮方
向に移行させることが可能になる。そして、スプレーノ
ズルの噴出スリットから、冷却水を分岐穴の近傍に向け
て円環状に噴出することにより、母管の内面に水膜が形
成されて冷却が均一化する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係る配管分岐部の溶接方法及
び冷却装置の一実施例について、図１及び図２を参照し
て説明する。図１において、符号１０は冷却装置、１１
はサドル部材、１２は冷却水供給管、１３はスプレーノ
ズル、１４は水シール部、１５は給水スリーブ、１６は
給水系である。

【００１１】前記冷却装置１０は、図１に示すように、
管台３の端部に外嵌め状態に取り付けられるサドル部材
１１と、該サドル部材１１に貫通状態に一体に配され管
台３の管穴３ａ及び母管１の分岐穴１ａを経由して母管
１の内部まで挿入される冷却水供給管１２と、該冷却水
供給管１２の先端部に接続されて冷却水を分岐穴１ａの
近傍に向けて円環状に噴出させるためのスプレーノズル
１３と、冷却水供給管１２の先端外周部に配されて分岐
穴１ａの内壁面に弾性接触することにより閉塞状態とす
るための水シール部１４と、冷却水供給管１２の回りに
サドル部材１１に支持された状態に配され溶接部５の内
面に冷却水を挿通させるための給水スリーブ１５と、冷
却水供給管１２及び給水スリーブ１５に接続されて冷却
水の供給を行なうための給水系１６と、これら各部に介
在して冷却水の漏洩を防止するためのゴム等の弾性材料
により形成されるシール部材１７とを具備するものであ
る。これらの詳細について、以下説明する。

【００１２】前記サドル部材１１は、図１に示すよう
に、管台３の上端部外周に外嵌め状態に取り付けるため
のソケット部１１ａと、冷却水供給管１２に対して環状
間隙を形成した状態で挿通させるための上方中空穴１１
ｂと、該上方中空穴１１ｂの下方位置の内壁に形成され
給水スリーブ１５のおねじ部１５ａと螺合状態とされる
めねじ部１１ｃと、該めねじ部１１ｃの下方位置に配さ
れ給水スリーブ１５に対して環状間隙を形成した状態で
挿通させるための下方中空穴１１ｄとを有している。

【００１３】前記冷却水供給管１２は、サドル部材１１
よりも上方に突出した状態とされるおねじ部１２ａと、
該おねじ部１２ａに螺合してサドル部材１１に吊持させ
る等によって管穴３ａへの挿入量を調整可能に取り付け
られる調整ナット１２ｂと、スプレーノズル１３と一体
化するために下端部に配されるねじ等の接続部１２ｃと
を有している。

【００１４】前記スプレーノズル１３は、冷却水供給管
１２の下端部に同軸状態に取り付けられる有底円筒状の
ノズル内筒１３ａと、該ノズル内筒１３ａの底部に形成
されるおねじ部１３ｂと、ノズル内筒１３ａの壁を下部
の複数箇所位置で貫通した状態の連通孔１３ｃと、ノズ
ル内筒１３ａに外嵌め状態に配されるノズル外筒１３ｄ
と、ノズル内筒１３ａ及びノズル外筒１３ｄの間に形成
され連通孔１３ｃに対して接続状態のプレナム部１３ｅ
と、該プレナム部１３ｅに配されノズル外筒１３ｄを下
方に移動させるように弾発力を作用させるスプリング１
３ｆと、おねじ部１３ｂに螺合状態に配されスプリング
１３ｆの弾発力に抗してノズル外筒１３ｄを上方に移動
させるための調整ナット１３ｇと、該調整ナット１３ｇ
の回転量によって間隙が調整されノズル内筒１３ａの外
周面の例えばテーパー形状に基づき間隙寸法が設定され
かつ斜め上方または上方を臨んだ状態に形成される噴出
スリット１３ｈとを有している。

【００１５】前記水シール部１４は、例えばゴム等の弾
性材料により円環状にかつ分岐穴１ａの内径よりも外形
が大きく形成され、分岐穴１ａとの弾性接触によりこの
間を密封するものである。

【００１６】前記給水スリーブ１５は、冷却水供給管１
２の回りに配されて管穴３ａの中に挿入されるもので、
サドル部材１１のめねじ部１１ｃに螺合されるおねじ部
１５ａと、内外を水シール部１４の若干上方位置で貫通
させるための接続穴１５ｂとを有しており、スプレーノ
ズル１３との間に水シール部１４を挟持し、水シール部
１４に上下方向の圧縮力を付与して管穴３ａとの密封性
を高めるようにしている。

【００１７】前記給水系１６は、図１に示すように、給
水を行なう給水系１６ａと、該給水系１６ａと冷却水供
給管１２との間を接続する給水管１６ｂと、該給水管１
６ｂの途中に配され流路の切り替えを行なう制御弁１６
ｃと、冷却水供給管１２に接続するための母管用給水口
１６ｄと、給水系１６ａと給水スリーブ１５の内部との
間を接続する給水管１６ｅと、該給水管１６ｅの途中に
配され流路の切り替えを行なう制御弁１６ｆと、サドル
部材１１の上方中空穴１１ｂを経由して給水管１６ｅに
接続するための溶接部用給水口１６ｇと、サドル部材１
１の下方中空穴１１ｄを経由して給水系１６ａと管穴３
ａとの間を接続する吸水管１６ｈと、吸水管１６ｈに接
続するための溶接部用吸水口１６ｉとを有している。

【００１８】以下、配管分岐部の溶接作業を行なう場合
について説明する。

【００１９】配管分岐部における溶接部５の形成に先立
って母管１に分岐穴１ａ及び溶接開先２を形成しておく
ととともに、管台３に溶接開先４を形成しておく。

【００２０】母管１及び管台３の溶接開先２，４の間
に、シール溶接または１層ないし２層の溶接ビード層を
形成することにより、管台３を立てた状態に固定する。

【００２１】管台３の上に冷却装置１０を搭載し、スプ
レーノズル１３，給水スリーブ１５を管台３の管穴３ａ
に挿入し、サドル部材１１を管台３に外嵌めすることに
より取り付ける。スプレーノズル１３の下方への突出量
は、おねじ部１２ａによって調整される。なお、スプレ
ーノズル１３の挿入に先立って、調整ナット１３ｇによ
って噴出スリット１３ｈの開口量を調整しておく。

【００２２】給水系１６の作動により、給水管１６ｂ、
制御弁１６ｃ、母管用給水口１６ｄ及び冷却水供給管１
２を経由して冷却水をノズル内筒１３ａの内部に供給
し、かつ連通孔１３ｃからプレナム部１３ｅを経由して
噴出スリット１３ｈから図１の矢印で示すように、冷却
水を円環状に噴出させる。スプレーノズル１３の回りの
母管１の内面に噴出させた冷却水は、図１の鎖線で示す
ように、水膜Ｗを分岐穴１ａの回りに形成する。

【００２３】また、給水系１６の作動により、給水管１
６ｅ、制御弁１６ｆ、溶接部用給水口１６ｇを経由して
送り込まれた冷却水は、給水スリーブ１５の内部、つま
り、冷却水供給管１２と給水スリーブ１５との環状間隙
を経由して、接続穴１５ｂから分岐穴１ａの内部、管穴
３ａを経由して、溶接部用吸水口１６ｉから外方に排出
させられ、吸水管１６ｈにより給水系１６ａまで戻され
て回収される。

【００２４】冷却水を管穴３ａに挿通させた状態及び水
膜Ｗを形成した状態としておいて、両溶接開先２，４に
溶接ビードを重畳して溶接部５を形成する。この際の溶
接熱が母管１及び管台３の管壁を経由して各方向に伝達
されることにより、管壁の温度が高められる。

【００２５】しかし、冷却水が挿通している分岐穴１ａ
及び管穴３ａの内壁面と、水膜Ｗが形成されている母管
１の内表面とは、低温状態に保持されているため、管壁
の熱膨張によって低温に保持されている部分に引っ張り
応力が発生する。この引っ張り応力が降伏点を越える
と、その部分に塑性変形が生じる。

【００２６】溶接作業の終了後、溶接部５が冷却される
とともに、管壁の温度が平均化した状態になると、引っ
張りの塑性変形が生じた部分の残留応力が圧縮方向に移
行する現象が生じる。図２（ｂ）に示すように、溶接部
５の近傍に位置する内面、つまり、分岐穴１ａ及び管穴
３ａの内壁面には、従来技術と同様の圧縮応力の付与が
なされる。そして、図２（ｃ）に示すように、母管１の
内表面で、分岐穴１ａに近い部分には、図３（ｃ）と比
較して、例えばΔσだけ、残留応力が圧縮方向に移行す
る現象が発生する。なお、給水系１６からの冷却水の供
給は、溶接部５の形成後に停止される。

【００２７】溶接部５の形成後及び給水停止後にあっ
て、冷却装置１０は、図１の上方に直線的に引き抜くこ
とによって、サドル部材１１と管台３とが離脱し、か
つ、スプレーノズル１３及び給水スリーブ１５が分岐穴
１ａ及び管穴３ａから引き出される。

【００２８】

【発明の効果】本発明に係る配管分岐部の溶接方法及び
冷却装置にあっては、以下の効果を奏する。 （１） 配管分岐部における溶接を行なう際に、分岐穴
と管穴との内壁に冷却水を挿通させて冷却を行なうとと
もに、スプレーノズルを母管の内部に挿入して母管の内
面に向けて冷却水を環状に噴出させて内面に水膜を形成
しながら溶接部を形成することにより、溶接熱に基づく
管壁の熱膨張にともなって、冷却されている部分に引っ
張り方向の塑性変形が生じ、溶接作業後に塑性変形量に
応じて、溶接部の内面近傍に圧縮の残留応力を付与する
ことができるのに加えて、母管の内表面における残留応
力を圧縮方向に移行させて、配管分岐部の信頼性を向上
させることができる。 （２） 管台から挿入したスプレーノズルによって、母
管の内面に冷却水を噴出することによって、母管の内部
の冷却を簡単に行ない得るとともに、スプレーノズルを
挿入及び抜き取りすることによって、溶接作業を効率よ
く行なうことができる。 （３） スプレーノズルの噴出スリットから円環状に冷
却水を噴出することにより、溶接作業時に、分岐穴の回
りを確実に冷却し、残留応力の低減を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る配管分岐部の溶接方法を実施する
ための冷却装置の一実施例を示す一部を断面した正面図
である。

【図２】本発明に係る配管分岐部の溶接方法によって形
成される配管分岐部とその内面の残留応力との状況を示
すモデル図である。

【図３】従来の溶接方法によって形成される配管分岐部
とその内面の残留応力との状況を示すモデル図である。

【符号の説明】

１ 母管 １ａ 分岐穴 ２ 溶接開先 ３ 管台 ３ａ 管穴 ４ 溶接開先 ５ 溶接部 １０ 冷却装置 １１ サドル部材 １１ａ ソケット部 １１ｂ 上方中空穴 １１ｃ めねじ部 １１ｄ 下方中空穴 １２ 冷却水供給管 １２ａ おねじ部 １２ｂ 調整ナット １２ｃ 接続部 １３ スプレーノズル １３ａ ノズル内筒 １３ｂ おねじ部 １３ｃ 連通孔 １３ｄ ノズル外筒 １３ｅ プレナム部 １３ｆ スプリング １３ｇ 調整ナット １３ｈ 噴出スリット １４ 水シール部 １５ 給水スリーブ １５ａ おねじ部 １５ｂ 接続穴 １６ 給水系 １６ａ 給水系 １６ｂ 給水管 １６ｃ 制御弁 １６ｄ 母管用給水口 １６ｅ 給水管 １６ｆ 制御弁 １６ｇ 溶接部用給水口 １６ｈ 吸水管 １６ｉ 溶接部用吸水口 １７ シール部材 Ｗ 水膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 37/00 Ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母管（１）と接続状態に管台（３）を溶
   接する方法であって、母管に明けた分岐穴（１ａ）の回
   りに溶接開先（２）を形成する工程と、分岐穴の内方縁
   部近傍を閉塞しかつ閉塞部分を貫通した状態のスプレー
   ノズル（１３）を母管の内部に挿入する工程と、分岐穴
   の回りの溶接開先と管台の基部との間をシール状態とす
   る工程と、冷却水をスプレーノズルの回りに注入して分
   岐穴及び管穴（３ａ）の内壁を冷却する工程と、スプレ
   ーノズルから母管の内面に対して冷却水を環状に噴出さ
   せて分岐穴近傍の冷却を行なう工程と、冷却水による冷
   却を行ないながら溶接開先と管台の基部との溶接部
   （５）を形成する工程とを有することを特徴とする配管
   分岐部の溶接方法。
2. 【請求項２】 母管（１）に明けた分岐穴（１ａ）と接
   続状態に管台（３）を溶接する際に使用される冷却装置
   であって、管台の端部に取り付けられるサドル部材（１
   １）と、該サドル部材に一体に配され管台の管穴（３
   ａ）及び母管の分岐穴を経由して母管の内部に挿入され
   る冷却水供給管（１２）と、該冷却水供給管の先端部に
   接続され母管の内部位置から冷却水を分岐穴の近傍に向
   けて円環状に噴出するスプレーノズル（１３）と、冷却
   水供給管の先端外周部に配され分岐穴との間隙を閉塞す
   る水シール部（１４）と、管穴と冷却水供給管との間に
   双方に対して間隙を形成した状態で配され給水時に溶接
   部（５）の内面を冷却する給水スリーブ（１５）と、冷
   却水供給管及び給水スリーブに接続され冷却水を供給す
   る給水系（１６）とを具備することを特徴とする配管分
   岐部溶接用冷却装置。
3. 【請求項３】 スプレーノズル（１３）が、冷却水が供
   給されるノズル内筒（１３ａ）と、該ノズル内筒に外嵌
   め状態に配され冷却水を分岐穴（１ａ）の近傍に向けて
   円環状に噴出する噴出スリット（１３ｂ）を形成するノ
   ズル外筒（１３ｄ）とを具備することを特徴とする請求
   項２記載の配管分岐部溶接用冷却装置。