JPS5916557B2 - オ−ステナイト系ステンレス鋼管の溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はオーステナイト系ステンレス鋼管の溶接方法に
係り、特に腐食環境にさらされるオーステナイト系ステ
ンレス鋼管の溶接部内面に発生す”０ る応力腐食割れ
を軽減し得る溶接方法に関する。

一般にオーステナイト系ステンレス鋼は５０００〜８０
０℃に加熱されると、オーステナイト地中に固溶してい
るＣがクロム炭化物となり、結晶粒界に沿つて網状に析
出するため、その部分にＣｒ５の欠乏層を生じ腐食環境
下で粒界腐食を生ずる等耐食性の低下を来たす欠点があ
る。この炭化物の析出は溶接の如く比較的短時間高温に
加熱されただけでも認められる。溶接部は、この炭化物
の析出に加え残留応力や運転時の応力により特定の環０
境下で粒界型の応力腐食割れを発生する欠点もある。
このためオーステナイト系ステンレスより成る実際構造
物の溶接においては、炭化物の析出を極力少なくするた
め溶接入熱量を低くしてバス間温度を低くする等の対策
をとつている。ヌ また溶接熱影響部における残留応力
を緩和させるために応力除去の焼なまし処理を行なうこ
とも考えられるが、５０００〜８００℃に加熱する焼ハ
なまし処理では炭化物が析出して耐食性を減じ、また８
５０℃以上の加熱を行なう場合には、熱処理による変形
も生じ易いことなどから実際には応力除去の焼なまし処
理は、ほとんど行われていない。

更に溶接残留応力の軽減に対してはピーニング法の適用
も考えられるが、溶接部の管内面のピーニング法は作業
上種々の難点があり、実施は甚だ困難である。前記難点
を解決するためオーステナイト系ステンレス鋼管の突合
わせ溶接に当つて、該鋼管の被溶接部を冷却して溶接す
ることも考案されているが、被溶接部を外部から冷却し
ても溶接熱影響部における炭化物の析出を防止すること
ができず、また単に内部に冷却水を流すだけでは管内面
に加わる残留応力も低くならず、応力腐食割れを防止す
ることは甚だ困難であつた。

本発明の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼管の突
合わせ溶接における前記従来の難点を解決し、溶接引張
残留応力および炭化物の析出を著しく低下させることに
よつて応力腐食割れの発生を防止する溶接方法を提供す
るにある。

本発明の要旨とするところは、管内面を強制冷却しなが
ら溶接するオーステナイト系ステンレス鋼管の突合わせ
溶接方法において、前記管内部を流れる冷却媒体が外部
に流出しないように冷却媒体を流す前に予め被溶接部を
初層溶接する段階と、前記管内部にその配置又は構造に
よつて被溶接部近傍において冷却媒体の流速が最大とな
るようにした挿入体を挿入する段階と、前記挿入体を介
して前記管内部に冷却媒体を流しながら溶接する段階と
、を包含することを特徴とするオーステナイト系ステン
レス鋼管の溶接方法である。

すなわち、本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼管
の溶接部に発生する応力腐食割れが、クロム炭化物の析
出と管内面溶接部の引張残留応力に大きく起因すること
に着目し、この２つの原因を同時に軽減する手段につい
て種々研究した結果冷却媒体が管内面溶接部に効果的に
接触し、良好な熱伝達の方法を講じて溶接部を冷却する
ことができる場合に著しく効果があることを見出した。

すなわち、管内面に冷却媒体を自然に、もしくは循環し
て流す場合には前記２つの原因の防止に効果は少ないが
、特殊な治具を管内に挿入し、冷却媒体の流れを拘束し
て被溶接部および溶接熱影響部における流速を最大にす
る挿入体によれば、その効果が一段と大きくなることを
究明した。第１発明の詳細ならびにその実施例を添付図
面を参照して説明する。先ず最初にオーステナイト系ス
テンレス鋼管の内面を強制冷却する冷却水等の冷却媒体
が外部に流出しないように冷却媒体を流す前に予め被溶
接部を１〜２パス溶接する。

次に管内部における冷却媒体の流れを強制的に変化させ
る挿入体を挿入する。これは従来の如く単に管内部に冷
却媒体を流すのみでは流速が管中心部で最大となり、被
溶接部のある管内面部では極めて遅く、冷却効果が少な
くなるのを防止させるためである。この傾向は管径が大
になるに従つて益々著しいのに鑑み、冷却媒体の流れを
強制的に変化させて被溶接部近傍において流速が最大に
なる如く構成された挿入体を挿入することによつて、冷
却が極めて効果的となり、しかも冷却媒体の使用量が著
しく節減される。冷却媒体としては通常水が使用され、
これによつて十分目的が達成されるがその他、油等の冷
却媒体も使用することができる。実施例 １ 第１図は第１発明の最も簡単な形の実施例であつて、オ
ーステナイト系ステンレス鋼管１Ａ，１Ｂを先ず内部を
流す冷却媒体４が流出しないように冷却媒体を流す前に
予め開先底面を１〜２パス溶接して溶着金属２によつて
管内面を密封する。

次に管内径より小なる外径を有する円柱体を挿入体３と
して挿入する。挿入体３の冷却媒体出口側の端面は、被
溶接部２の直下より少なくとも２５ｍ１Ｌ１好ましくは
５０ｕ程度出口側に出た所まで設ける必要がある。溶接
熱影響部は第１図中、１Ｃで示す部分であり、この溶接
熱影響部１Ｃの管内面側における管軸方向の巾（図中、
ｌで示す）は約２５露であり、この巾の部分は最高５０
０℃以上の熱の影響を受けるものと想定される。しかし
、安全を見込めば３００℃以上の熱の影響を受ける部分
まで含めることが望ましく、この場合の熱影響部の巾は
５０ｍｍ程度と想定される。なお第２図〜第４図、第６
図および第７図において溶接熱影響部は第１図と同様で
あるので省略している。この円柱体の挿入体３により従
来管中心部で流速最大であつたのを防止して被溶接部２
の存在する管内壁部で冷却媒体の流速を高めて冷却効果
を大とし、かつ熱影響部の少なくとも２５ｍｍを効果的
に冷却ですることができる。実施例 ２ 第２図は第１発明の他の実施例を示す。

すなわち、この場合の挿入体３は冷却媒体の入口側の円
柱体外径が小であつて、被溶接部２の近傍に至り次第に
直径を大とし、ほぼ被溶接部２の直下に至り最大となつ
ている。かかる挿入体３を使用することにより、冷却媒
体４が単に管内壁に平行せず、被溶接部２の手前で一定
角度をもつて被溶接部２に当るので冷却効果がより大と
なる。すなわち挿入体３の直径を変化させ次第に大とす
ることにより、管内壁との間隙が小となり、その部分の
断面積が小となるので流速が次第に大となり、被溶接部
２の近傍において最大となつて冷却効果を一層向上させ
ることができる。この間隙の変化は被溶接鋼管の板厚お
よび管径によつて適正条件を選択する必要がある。実施
例 ３ 第３図は実施例２の変形であつて、冷却媒体の入口側は
円錐体で始まり、被溶接部２の近傍で円柱体となつて間
隙を急速に縮小し、従つて流速を急速に大として冷却効
果を高める挿入体３を使用するものである。

実施例 ４ 第４図は第１発明の変形例を示す他の実施例であつて、
Ａはその横断面図、Ｂはその側断面図を示す。

すなわち、この場合は冷却媒体４が均一に被溶接部２を
冷却し得るように円柱体の外周に長さ方向の仕切板５を
複数個設けた挿入体３を使用するものである。多量の冷
却媒体を使用する場合には、かかる配慮も必要がないが
、少量の冷却媒体にて効果的に被溶接部２を冷却する場
合に有効である。実施例 ５ 第５図は挿入体３として第４図に示した仕切板をらせん
状の仕切板６としたものであつて、Ａはその横断面図、
Ｂはその側断面図である。

この場合も実施例４と同様な場合に効果的である。次に
第２発明の詳細ならびにその実施例を添付図面を参照し
て説明する。先ず管内部に流れる冷却媒体が外部に流出
しないように冷却媒体を流す前に予め被溶接部を１〜２
パス溶接する。

次に管内部における冷却媒体の流れを強制的に変化させ
る挿入体を挿入する。この挿入体を特殊な形状に構成し
て冷却媒体を被溶接部に垂直に衝突させる。その後、冷
却媒体は管内壁に沿つて更に流入方向の前後に直角に方
向を変えて進行させ、少なくとも２５ｍｍの長さに亘つ
て管内面と挿入体との間に形成された平行間隙部内を流
しながら溶接する方法である。すなわち冷却媒体を被溶
接部の下面に垂直に衝突させることにより、より冷却効
果を大ならしめ、その後、更に少なくとも２５鰭の平行
間隙部を流して溶接熱影響部を冷却しながら溶接するオ
ーステナイト系ステンレス鋼管の溶接方法である。実施
例 ６ 第６図は第２発明の実施例を示す側断面図である。

先ずオーステナイト系ステンレス鋼管１Ａ，１Ｂを突合
わせ、管内部を流れる冷却媒体４が流出しないように冷
却媒体を流す前に予め溶着金属２によつて物層溶接する
。次に管内部に挿入体３を挿入するが、この挿入体は次
の如き構成となつている。すなわち鋼管１Ａ，１Ｂの被
溶接部２を通る円断面を境界として、左右に相対峙する
２つの円柱体７および８を設け、一方の円柱体８の中心
部を通つて冷却媒体の導入管９が導入されており前記相
対峙する端面に開口されている。円柱体７，８の外径は
鋼管１Ａ，１Ｂの内径より小であつて、高さ（円柱体の
軸方向長さ）は少なくとも２５關である。本実施例の挿
入体は、以上の如き構成となつているので、導入管９の
一端より冷却媒体４を流入すると、円柱体７の端面に衝
突し、冷却媒体４は相対峙する２つの円柱体７，８の端
面に形成される円板状の間隙を放射状に流れ、その円周
端縁において被溶接部２の直下にて管内壁に垂直に衝突
し被溶接部２を急速に冷却する。その後冷却媒体４は左
右に分かれ、管内壁と２個の円柱体７，８にて形成され
た円筒状の間隙を進行して円柱体７の方は冷却媒体の導
入方向と同一方向、円柱体８の方は反対方向に分かれて
排出される。円柱体７，８の高さ（円柱体の軸方向長さ
）は少なくとも２５ｍ７７！あるので円柱体７，８の外
側周面と管内壁２によつて形成される流路断面積が小さ
く、従つて流速は極めて大となつて熱影響部の少なくと
も２５關は極めて急速に冷却される〇２つの相対峙する
円柱体７，８の外径および相対峙する端面における円板
状間隙寸法、導入管９の内径等は溶接鋼管の内径、外径
、その他冷却媒体の流速、温度等によつて適正値が決定
される。この被溶接部分２に垂直に冷却媒体を衝突させ
る方法としては、従来、環状ノズル等によつて管内面に
噴出する方法があつたが、ノズルによる場合には、適正
条件を選ばないと溶接中の管内面に気泡が生成し十分な
冷却効果が得られなかつたが、本実施例の方法による挿
入体を使用すれば、気泡の発生もなく、被溶接部２の管
内面に冷却媒体が連続的かつ有効に接触して良好な熱伝
達を行ない冷却することが可能である。この場合におい
ても冷却媒体としては水を使用して十分な効果をあげる
ことができるが、油等の特殊冷媒を使用してもよい。実
施例 ７ 第７図は第２発明の変形例を示す。

この場合は実施例６で示した一つの円柱体８の端面が中
心部に向つて凹面状を呈している。この場合は導入管９
の内径も大として、相対峙する２つの円柱体７および８
にて形成される間隙も中心部から外周に至るに従つて次
第に間隙が小さくなつて噴出口から噴出されるので被溶
接部２の直下の噴出口１１で冷却媒体の流速が最大とな
るので被溶接部および溶接熱影響部の急速冷却に効果的
である。実施例 ８第８図は実施例７の相対峙する２つ
の円柱体７および８にて形成される間隙部は導入管９の
開口部を中心にして放射状に複数個の仕切板１０を設け
たものであつて、Ａは円柱体８の端面を示す平面図、Ｂ
は円柱体Ｔ，８の相対峙する間隙の側断面図である。

冷却媒体４を大量に使用する場合には、仕切板１０を設
ける必要がないが、少量の冷却媒体を管内面の被溶接部
２の直下に噴出口１１から均一に流す場合に効果的であ
る。本実施例では仕切板１０が放射状に管内壁に垂直に
分岐するようにしたが、この仕切板をらせん状に設け冷
却媒体が回転しながら被溶接部に衝突するようにすれば
、少量の冷却媒体にて有効に被溶接部２および溶接熱影
響部を冷却することができる。

実施例 ９ 本発明の効果を確認するために外径１１４．３ｍｍ、板
厚８．６ｗ！ｍの４Ｂ等スケジユール８０ｆ）ＪＩＳＧ
４３Ｏ３のＳＵＳ３Ｏ４オーテナイトステンレス鋼管の
突合わせ溶接の場合に適用した。

実験は水平固定管とし、下部から上部へ全姿勢溶接で行
つた。冷却媒体として水を使用し、水が流出しないよう
に冷却媒体を流す前に予め最初３パスをヘリアーク溶接
で行つた。次に実施例８にて記載した第８図に示す挿入
体を用い、水を流しながら第４パス目から被覆アーク溶
接にて溶接を行つた。

挿入体７，８の外径は被溶接鋼管の内径より約１０Ｔｎ
ｍ小なる程度でよくこの場合は８７１！ＬｌＬとし、管
内面溶接部と挿入体である円柱体７，８との間隙を５ｍ
７ｎとし、被溶接部２に垂直に衝突させる冷却水の出口
間隙を３１Ｓ、円柱体の高さ（軸方向長さ）、すなわち
円柱体７，８の外側周面と管内面との間隙部の管軸方向
の長さを片側５０ｍｍとし、流水量は１０１／ｍとした
。第９図は本実験における溶接中の管内面の１２時位置
（直上部）での熱サイクル結果をもとに、前記挿入体の
平行間隙部の長さ２Ｗと溶接熱影響部が炭化物の析出温
度５０００〜８００℃に保持される時間との相関図であ
る。第９図は水冷時における２Ｗが１０ｍ１Ｌ１３０ｍ
』５０１Ｓの各場合の相関図であるが、この図より明ら
かなとおり２Ｗが５０１ｎ１Ｌ１すなわち片側２５ｍ７
１以下の場合には炭化物の析出する５００わ〜８００℃
に昇温する危険があるので、少なくとも平行間隙部、す
なわち円柱体と管内面との間隙部の長さは片側２５ＴＥ
Ｌ以上とすべきである。第１０図ぱ第９図と同様の相関
図であつて、４Ｂ管を用いて突合わせ溶接した場合の溶
接中管内面の１２時位置（直上部）における温度が、炭
化物の析出する５０００〜８００℃に保持される時間に
ついて示したものである。

Ａ曲線は本発明の場合であつて、ほとんど温度が上昇し
ていないのに対し、挿入体を使用せず単に管内に冷却水
を流した従米例のＢ曲線では可成り温度が上つているこ
とが判る。本発明法によるＡ曲線で多少温度が上つてい
るのは水冷開始前の昇温による結果である。第１１図は
、本発明法にて溶接した外径２１６．３ｎ１板厚１２．
７ｍｍの８Ｂスケジユール８０のＳＵＳ３Ｏ４オーステ
ナイトステンレス鋼管溶接部の残留応力測定結果の一例
である。図中横軸の位置（時）は管断面の時計になぞら
えた位置を示す。本実験における溶接は、水平固定管と
し、溶接入熱量を１１０００〜１８０００Ｊ／Ｃｆ！Ｌ
１流水量は１０１／ＷＬにて行つたものである。図より
明らかな如く残留応力は−２２．３〜−２８．５１＜ｇ
／Ｍｄの圧縮応力であり、円周方向にほぼ均一な値を示
している。なお図中σ、は鋼管の長さ方向の残留応力を
表わし、σッは中心軸方向の残留応力を表わしている。
かくの如くして溶接した溶接部の残留応力の分布ならび
に、残留応力による割れ発生の有無を調査するため４２
％の塩化マグネシウム沸騰水溶液中で１２０時間保持し
、腐食試験を行つたが、いずれも割れを検出することが
できなかつた。

すなわち溶接部の残留応力は引張応力ではなく全面に亘
つて圧縮応力となつていることが確認された。本実験は
前述の如く、実施例８にて記載した挿入体を用いて溶接
した結果であるが、第１図より第７図までのその他の挿
入体を用いて溶接を行ない、溶接部を４２％の塩化マグ
ネシウム沸騰水溶液中に１２０時間浸漬し、割れの発生
状況を調査したが、割れが認められず、本発明による効
果を確認することができた。本発明によるオーステナイ
ト系ステンレス鋼管の溶接方法によれば、先ず予備溶接
した後、被溶接管内に特殊の挿入体を挿入し、冷却媒体
の流れを拘束して被溶接部ならびに溶接熱影響部を効果
的に冷却しながら溶接を行なう方法を保つたので、クロ
ム炭化物の析出ならびに残留応力の低減に著しい効果を
発揮し、腐食環境にあつても溶接部の応力腐食割れを防
止ないし、著しく軽減することができる効果をあげるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図より第５図までは第１発明に使用する挿入体の実
施例を示す断面図、第６図より第８図までは第２発明に
使用する挿入体の実施例を示す断面図、第９図は第８図
の挿入体を用い本発明による溶接実施時における冷却水
噴出口両端部の平行間隙部の長さと、炭化物析出の５０
００〜８００℃に保持される時間との相関図、第１０図
は第９図と同様の場合の本発明法Ａと、従来法Ｂとの比
較図、第１１図は本発明法による被溶接部各位置におけ
る残留応力分布図を示す。 符号の説明、１Ａ，１Ｂ・・・・・・オーステナイト系
ステンレス鋼管、２・・・・・・被溶接部、３・・・・
・・挿入体、４・・・・・・冷却媒体、７，８・・・・
・・円柱体、９・・・・・・冷却媒体導入管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管内面を強制冷却しながら溶接するオーステナイト
   系ステンレス鋼管の突合わせ溶接方法において、前記管
   内部を流れる冷却媒体が外部に流出しないように冷却媒
   体を流す前に予め被溶接部を初層溶接する段階と、前記
   管内部にその配置又は構造によつて被溶接部近傍におい
   て冷却媒体の流速が最大となるようにした挿入体を挿入
   する段階と、前記挿入体を介して前記管内部に冷却媒体
   を流しながら溶接する段階と、を包含することを特徴と
   するオーステナイト系ステンレス鋼管の溶接方法。 ２ 前記鋼管の内径より小なる外径を有する円柱体もし
   くは円錐体であつて、被溶接部から冷却媒体出口側方向
   に少なくとも２５ｍｍの長さに亘り前記管内面と挿入体
   との間に冷却媒体の流路断面積が他の流路断面積よりも
   小さい間隙部を形成する挿入体を使用することを特徴と
   する特許請求の範囲の第１項に記載のオーステナイト系
   ステンレス鋼管の溶接方法。 ３ 前記挿入体を介して前記被溶接に垂直に冷却媒体を
   衝突させた後、管内面の被溶接部から管軸方向にそれぞ
   れ少なくとも２５ｍｍの長さに亘つて前記管内面と前記
   挿入体との間に形成された間隙部に冷却媒体を流すこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のオーステナイ
   ト系ステンレス鋼の溶接方法。 ４ 前記鋼管の被溶接部を基準として管軸方向に対しそ
   れぞれ２５ｍｍの軸方向長さを有し、かつ前記鋼管の内
   径よりも小さい外径を有する挿入体であつて、前記挿入
   体の径方向に被溶接部に冷却媒体を衝突させるための通
   路と、該通路に連通する冷却媒体の導入管とを有する挿
   入体を使用することを特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。