JPS6219276B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は配管の溶接部の残留応力を改善する方
法、特に管肉厚の比較的薄い配管の溶接部に対し
て好適な残留応力改善方法に関するものであつ
て、例えば原子力発電プラントの配管溶接部に対
してきわめて有効に適用し得るものである。な
お、上記した本発明でいう残留応力の改善とは、
配管の溶接部における引張残留応力を除去もしく
は著しく低減することをいう。

かつて原子力発電プラントの配管系溶接部に応
力腐食割れが発見され、プラントの稼動率を低下
させたことがあつた。これは配管の溶接部に溶接
施工時に生じた引張応力が残留し、この引張残留
応力と高温高圧水の環境作用とが原因となつて応
力腐食割れが発生したことによるものであつた。

一般に、第１図に縦断面図として示すような配
管１の突合せ溶接部２は管外面から溶接肉盛を施
こしたものであるが、この溶接部には管内面で引
張応力が、また、管外面で圧縮力が残留すること
が知られている。この軸方向残留応力の管肉厚方
向の分布を第２図に模式的に示す。管の内外表面
に残留する応力は降伏応力σ_Yに近い大きさに達
することが多い。また、突合せ溶接を管内面から
施こした場合にも、残留応力は第２図と同様に管
内面で引張応力となり、管外面で圧縮応力とな
る。

このように、引張残留応力が管内面に存在して
いると応力腐食割れのみならず疲労亀裂が発生し
やすくなるのであつて、引張残留応力の存在が疲
労限を低下させる事実はよく知られている。

そこで、管の溶接部の引張残留応力を適当な手
段で圧縮残留応力に変換する種々な方法が提案さ
れている。

例えば、溶接時に通水して、管の内面を冷却す
ることによつて、溶接部の管内面に圧縮応力を残
留させる方法があるが、これは溶接ビードの置き
方等溶接施工条件によつて大きく影響されるため
確実な方法とはいえない。

また、管の一方の面を加熱して管の内外表面に
大きな温度差をつけることによつて、管材料の降
伏応力以上の熱応力を発生させたのちに冷却し、
管の溶接部の内外面に互いに反対方向の残留応力
を発生させる方法（特開昭53−53544号）があ
る。しかし、この方法は管の溶接部の一方の面で
は引張残留応力を圧縮残留応力に変えることがで
きるが、他の面では圧縮残留応力が引張残留応力
に変り、管の内外面が高温高圧水にさらされるよ
うな配管においては応力腐食割れを生ずる恐れが
あると共に、引張残留応力が存在することから疲
労強度が低下するという欠点がある。

また、管の内外表面に温度差を生じさせて溶接
部において管肉厚の中央部に引張応力を、管の内
外面に圧縮応力を残留させる方法（特開昭55−
110728号）がある。この方法は、管の一方の面を
冷却すると共に他方の面を加熱し、次に加熱中の
面を急冷して、管肉厚の中央部の温度を高く、管
の内外面の温度を低くするように管肉厚方向に温
度差を生じさせることにより、溶接部の残留応力
を管肉厚の中央部では引張応力、管の内外表面で
は圧縮応力とするものである。しかしながら、こ
の方法は、一方の面を加熱中に急冷するものであ
るため、所定の温度分布を得ることが容易でな
く、特に配管の肉厚が比較的薄い場合には温度差
をつけることが困難であるため良好な結果が得ら
れないという欠点がある。

本発明の目的は、上記の欠点を解消し、薄肉配
管に対しても適用が可能な配管溶接部の残留応力
改善法を提供するにあり、その特徴とするところ
は、突合せ溶接した配管の引張残留応力のある該
溶接部を挟み所要の長さを隔てた両側部分を剛に
拘束した状態にしておき、該拘束された配管をそ
の長手方向にわたり管の外側、内側あるいは内外
両側から冷却して溶接部に引張応力を与え、この
引張応力を降伏応力より大きくして溶接部を引張
降伏させることによつて、溶接部の引張残留応力
を圧縮残留応力ないし著しく低減された引張残留
応力に変換するようにした点にある。

以下、本発明のいくつかの実施例を図面により
説明する。第３図は本発明の一実施例を示す縦断
面図であつて、管１は不図示の適宜手段により両
端が拘束された配管である。管１の溶接部２の引
張残留応力を改善するため、溶接部２から軸方向
に離れた管の部分を管の外面に沿つて設けた冷却
装置３により冷却する。この冷却に際しては管の
肉厚方向に温度差をつける必要はない。むしろ肉
厚方向には均一温度にするのがよく、そのために
は薄肉配管の方が好都合である。ここで薄肉配管
とは、冷却の際の肉厚方向の温度差が小さいよう
な配管であつて、10〜20mm程度以下の肉厚の管で
ある。

冷却時の管の軸方向温度分布は第４図に示すよ
うになる。冷却装置３で冷却されている管の部分
の温度は低く、溶接部２の温度は冷却装置３で冷
却されている管の部分の温度より高い。従つて、
溶接部２の降伏応力は冷却されている管の部分の
降伏応力より小さく、且つヤング率Ｅも小さくな
つている。

上記実施例では冷却装置３を管の外側に設置し
て外側から管を冷却しているが、冷却装置３を管
の内側に設置して内側から管を冷却してもよいし
または管の内外両側にこれを設置して内外両側か
ら管を冷却してもよい。冷却装置３は液体窒素
（−196℃）を用いるものが取扱い上便利であり、
液体窒素で冷却すると、ステンレス鋼配管の場
合、収縮して0.3％の塑性歪みが生ずる。

上記のように、管の溶接部から軸方向に離れた
位置で軸方向に沿つて管を冷却すると、管の両端
が拘束されているために溶接部２に引張荷重が作
用する。溶接部２においては、その降伏応力が上
記の如く他の部分よりも小さくなつているので、
第５図に示すように、引張残留応力σ_１は上記の
冷却中に引張降伏応力σ_Yに達して引張降伏を起
し、その後冷却を停止して常温に戻すと圧縮残留
応力σ₁′となるが、当初の圧縮残留応力σ_２は冷
却を停止し室温に戻しても同じσ_２となる。ここ
で圧縮残留応力σ₁′の値は、管の両端の拘束の強
さ、冷却する管の部分の長さ及び冷却温度を選択
することによつて選ぶことができる。冷却による
溶接部２の軸方向の公称歪みεは、管両端が剛で
完全に拘束されており、管の冷却部の軸方向収縮
量が溶接部の軸方向の伸びに変るとすると、概略
次のように見積ることができる。

ε＝α・ΔＴ・ｌ_cp／ｌ_wd ………(1) ただし、αは管の線膨張係数、ΔＴは管の冷却前
と冷却時の温度差、ｌ_cpは冷却される管の部分の
長さ、ｌ_wdは溶接部２の軸方向長さである。

上記のようにして溶接部２に引張降伏を与える
ことができるが、上記冷却時に溶接部の引張降伏
応力を更に低下させておけば一層容易に溶接部を
引張降伏させることができる。第６図にそのよう
な実施例を示す。第６図は管外表面の近くに障害
物４があるため管の内側から残留応力改善操作を
行う例であつて、管１の溶接部２から軸方向に離
れた部分を管の内側から冷却装置３により冷却す
ると同時に、溶接部２を加熱装置５により管の内
側から加熱する。溶接部２は加熱されることによ
つてヤング率Ｅと降伏応力σ_Yが低下し、管の他
の部分の冷却による引張荷重で容易に降伏する。
勿論障害物４がなければ管外側から管の冷却と溶
接部の加熱をしてもよいし、又は管の内外両側か
ら管の冷却と溶接部の加熱をしてもよい。加熱装
置５は抵抗線型電気炉を用いてもよいし、高周波
加熱装置を用いてもよい。

溶接部２の塑性降伏を容易にするために、管の
溶接する部分の肉厚を他の部分の肉厚より薄くし
て溶接し、溶接後に管の溶接部２から軸方向に離
れた部分を冷却するようにしてもよい。そのよう
な実施例を第７図に示す。この実施例においても
管の冷却時に溶接部２を加熱してもよいことは勿
論である。溶接部２は薄肉であるため、そうでな
い先記実施例の場合よりも、容易に引張降伏しや
すい。また、第８図に示すように、溶接後に溶接
部の管の肉厚を薄くしてから、如上の冷却及び加
熱をしてもよい。

上記の種々の実施例で溶接部の引張残留応力を
圧縮残留応力に変えることができるが、たとい引
張残留応力が残つたとしてもその大きさは応力腐
食割れや疲労亀裂発生のための応力の限界値以下
にすることができればよいのであつて、かかる態
様も本発明の範囲内にある。

以上説明したように本発明の方法によれば、確
実に配管溶接部の引張残留応力を圧縮残留応力に
変換し、又は応力腐食割れや疲労亀裂の発生の恐
れのない値以下に低減させることができ、前記従
来の残留応力改善方法の如く管肉厚方向に所定の
温度差や温度分布を与えたり、配管の同一個所を
冷却したり加熱をしたりする温度サイクルを与え
るという厄介な操作を行う必要がなく、熱管理が
容易であるという効果がある。この効果は、配管
の肉厚が薄い場合に一層よく発揮されることは容
易に理解できるであろう。

なお、上記の説明においては配管の溶接部以外
の部分を冷却したが、同一低温で溶接部の引張降
伏応力がそれ以外の配管部分のそれより小さくな
るような溶接材料を使用すれば、要は溶接部を引
張り降伏させ得ればよいのであるから、この場合
は溶接部を含めて配管の長手方向全体を冷却して
も所期の目的は十分達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は配管の溶接部の縦断面図、第２図は配
管溶接部に生ずる軸方向残留応力の管肉厚方向の
分布を示す図、第３図は本発明の１実施例を示す
要部縦断面図、第４図は上記実施例における溶接
部を中心とした管の軸方向の冷却による温度分布
図、第５図は本発明によつて改善される溶接部の
応力―歪の履歴線図の一例、第６図、第７図及び
第８図は本発明の他の異る実施例を夫々示す要部
縦断面図である。 １…配管、２…溶接部、３…冷却装置、４…障
害物、５…加熱装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 突合せ溶接した配管の引張残留応力のある該
   溶接部を挟み所要の長さを隔てた両側部分を剛に
   拘束した状態にしておき、該拘束された配管をそ
   の長手方向にわたり管の外側、内側あるいは内外
   両側から冷却し、この冷却により前記配管に誘起
   される引張応力を前記溶接部の降伏応力よりも大
   きくして該溶接部を引張降伏せしめることを特徴
   とする配管溶接部の残留応力改善方法。 ２ 上記配管をその長手方向にわたつて上記冷却
   をする場合に、上記溶接部以外の部分について冷
   却することを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の配管溶接部の残留応力改善方法。 ３ 配管の溶接部以外の部分の上記冷却と同時
   に、該溶接部を加熱して該溶接部の降伏応力を低
   下させることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   に記載の配管溶接部の残留応力改善方法。 ４ 配管の上記溶接部の肉厚を該溶接部以外の肉
   厚より薄くしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第２項又は第３項に記載の配管溶接部の残留応力
   改善方法。