JPS6219952B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉や化学プラント等の配管に用い
るステンレス鋼管の接合方法に関するものであ
る。

近時、原子炉等の配管に於て、溶接によつて接
合した部分或はその近傍に割れが発生し、内部を
流通する流体が漏洩する事故が屡々発生してい
る。

上記のようなステンレス鋼管の割れの原因は、
ステンレス鋼管を溶接によつて接合すると、その
溶接の際の熱影響で該ステンレス鋼管の溶接部或
はその近傍に、粒界に炭化物が析出するという鋭
敏化組織と、同じく溶接時の熱影響によつて鋼管
の内表面側に引張の残留応力が現われ、このよう
な状況下のステンレス鋼管内に腐食性物質を含む
流体が流通することによつて前記鋭敏化組織の部
分が腐食し始め、更にこの腐食部分に前記残留応
力が作用して応力腐食割れに発展して外部に現わ
れることによるものであることが判明した。

而して、上記の応力腐食割れは装置の運転上或
は安全上等の見地から極めて不都合であるから、
このような割れの生じない対策を講じる必要があ
り、従来もかかる観点から上記のような割れを防
止する種々の方法が提案されてはいる。

例えば、溶接時の熱影響による応力腐食割れを
防止するステンレス鋼管の溶接方法として、接合
すべきステンレス鋼管の開先の底の部分を溶接し
てステンレス鋼管を水密に接合した後、当該鋼管
内に冷却媒体として例えば水を流通させ乍らその
後の溶接を施す方法が提案されている。この方法
によれば、溶接時の熱影響を受ける部分、特にス
テンレス鋼管の内表面を強制的に冷却し乍ら溶接
ができるので、組織に炭化物が析出するという鋭
敏化現象を防ぐことができる一応の効果は認めら
れるが、この方法は、初めに開先部分を初層溶接
しておいてから、ステンレス鋼管内に冷却媒体を
流通させ乍らその後の溶接を施すから、前記開先
部分に、初層溶接の際に熱影響を受けて鋭敏化し
た組織がそのまま残留するという致命的欠陥があ
る。

一方、溶接時の熱影響を受けて組織が鋭敏化し
たり、或は内表面に引張応力が残留したりする溶
接後のステンレス鋼管の当該鋭敏化組織や引張残
留応力を消失させる目的で、ステンレス鋼管の溶
接後或は該鋼管の配管施工時又はその後に熱処理
をする方法も提案されている。

例えば、鋭敏化組織を消失させる方法として、
溶接により接合して配管されたステンレス鋼管の
鋭敏化組織が存在すると目される部分を、該鋼管
の外側から急速に溶体化温度にまで加熱して急冷
する局部的溶体化処理法が提案されているが、こ
の処理法は、ステンレス鋼管の外側から加熱して
処理対象部分であるステンレス鋼管の内表面を溶
体化温度にまで急速に昇温させてやらなければな
らないから、特に管壁の肉厚が大きい場合、ステ
ンレス鋼管の内表面付近を溶体化温度にまで昇温
させるのに時間を要し、この結果、この処理のた
めの加熱の際に、前記鋼管の内表面に於て、加熱
される部分の近傍の組織が鋭敏化温度域におけ
れ、新たな鋭敏化組織を生起させ易いという難点
があり、また、このような処理をすべきステンレ
ス鋼管は配管した後は該管の外側からしか加熱で
きないので、該鋼管の内表面を急速に溶体化温度
にまで昇温するには、大型で大容量の加熱装置が
不可欠であるという装置的難点もある。尚、ステ
ンレス鋼管の内面側から必要部分を急速に加熱し
て急冷することも考えられるが、ステンレス鋼管
を配管施工し乍ら前記処理のための装置を前記鋼
管内にセツトすることは事実上不可能であり、仮
に、可能な場合があつたととしても、処理後大き
な引張応力が前記鋼管の内表面側に残留するとい
う新たな欠点が顕われる。

また、溶接後に該溶接時の熱影響で生じた引張
残留応力を消失させる方法としては、溶接により
接合されたステンレス鋼管内に水等の冷却媒体を
投入しておいて、引張残留応力の存在すると目さ
れる部分を加熱することにより、当該ステンレス
鋼管の肉厚方向に温度差を付け、前記鋼管の内表
面側を引張降伏させる方法が提案されているが、
この方法によると、溶接時の熱影響で発生した鋭
敏化組織は何ら消失されずそのまま残留するか
ら、応力腐食割れを防止する方法としては不充分
である。

本発明は叙上のようなステンレス鋼管の溶接部
或はその近傍に発生する応力腐食割れとその対応
策として提案されている手段の現状に鑑み、応力
腐食割れの原因となる鋭敏化組織や引張残留応力
が少なくとも鋼管の内表面には生じることのない
ステンレス鋼管の接合方法を提供することを目的
としてなされたもので、その方法は、接合すべく
突合せたステンレス鋼管の開先部分に初層溶接を
施してから該初層溶接部及びその近傍を急速に溶
体化温度にまで加熱して急冷する局部的溶体化処
理を施し、次いで接合された前記鋼管の内表面を
冷却媒体で冷却し乍ら初層溶接を施した開先部分
全体に溶接を施すことを特徴とするものである。

次に本発明方法の実施例を図に拠り説明する。

第１図に於て、１，１′は溶接により接合すべ
き20インチ、sch100、Ｃ＝0.06％の２本のステン
レス鋼管で、それらの管端部には突合せ溶接に必
要な形状の開先２，２′の加工が施してある。

そこで、本発明方法の実施に当つては、まず両
ステンレス鋼管１，１′の開先２，２′の底を突合
せ、第２図に示すようにこの部分のみを溶接する
初層溶接を施す。尚、この初層溶接は溶接金属が
２〜３層になつてもよい。こうすると前記の両鋼
管１，１′はこの部分で溶接され接合するが、こ
の初層溶接時の熱影響を受けて溶接金属３の近傍
の組織に炭化物が析出する現象即ち、鋭敏化組織
４，４′が発生する。しかし、ここで発生した鋭
敏化組織４，４′は、狭い範囲に施される初層溶
接によるものであるから、比較的狭範囲で且つ鋭
敏化傾向も浅い。このことは第２図の鋭敏化組織
４の破線で囲んだ部分を400倍に拡大した第３図
の写真から明らかである。

次いで、本発明では前記鋭敏化組織４，４′を
消失させるために次のような熱処理を施す。

即ち、第４図に示すように、突合された２本の
ステンレス鋼管１，１′の開先２，２′が形成する
断面形状内に略合致する断面形状で前記鋼管１，
１′の開先部の全周を覆うと共に、冷却液通路５
１並びに冷却液噴出用のジヤケツト５２を具備し
た加熱誘導子５を、先に初層溶接して接合したス
テンレス鋼管１，１′の開先２，２′部分に当てが
い、該誘導子５に電力を投入して前記鋭敏化組織
４，４′を含むその近傍の組織を溶体化温度（約
1050〜1150℃。以下、同じ）にまで急速に昇温さ
せ、直ちにジヤケツト５２から冷却液を噴出させ
て前記加熱部分を急冷させることによつて、先の
初層溶接時の熱影響で生じた鋭敏化組織４，４′
を消失させる局部的溶体化処理を施すのである。

ここでは、前記鋼管１，１′について加熱誘導
子５に3KHz、300KWの電力を投入したところ、
ステンレス鋼管１，１′の処理対象部分が約８秒
で1050℃に昇温したので、直ちにジヤケツト５２
から水を噴出させて前記加熱部分を400℃まで約
２秒で急速に冷却して局部的溶体化処理を施し
た。

この溶体化処理の後、先に鋭敏化組織であつた
部分とこの溶体化処理の際の熱影響を受ける処理
境界部分について、第４図に示す破線Ａで囲んだ
部分と破線Ｂで囲んだ部分とを400倍に拡大して
考察したところ、先に鋭敏化組織であつた部分
は、第５図の写真に示すように粒界に析出してい
た炭化物が消失して溶体化されており、また処理
境界部分は、第６図の写真に示すようにこの溶体
化処理の熱影響を全く受けていないことが確認で
きた。

また、前記鋼管１，１′と同じ大きさ、形状で
炭素含有量が0.04％のステンレス鋼管（図示せ
ず）について、初層溶接を施した後、上記例と同
様に加熱誘導子を配し、これに3KHz、100KWの
電力を投入したところ、その処理対象部分は約30
秒かかつて1090℃に昇温したので、直ちに加熱部
分を急冷して局部的溶体化処理を施し、先に施し
た初層溶接によつて組織が鋭敏化した部分と、こ
の溶体化処理の熱影響を受ける処理境界部分の組
織を、上記例の場合と同様に拡大して考察したと
ころ、初層溶接の際に現われた炭化物は消失して
おり、また処理境界部分に新たな鋭敏化現象も生
じていないことが確認できた。

このようにして本発明の発明者らは上記例以外
の多くのステンレス鋼管について、これらを初層
溶接により一旦接合し、該溶接による熱影響で鋭
敏化した組織を溶体化するための局部的溶体化処
理を施してみて、初層溶接を施した後の局部的溶
体化処理の好ましい態様について次のような結論
を得た。

(イ) 処理対象部分、換言すれば初層溶接によつて
組織が鋭敏化した部分のみを急速に溶体化温度
に昇温させるには、加熱誘導子に大電力を投入
するとよい（因に、600KWの電力を投入した
ら約３秒で溶体化温度に昇温した）。これは、
局部溶体化処理のための加熱の際、処理影響部
が被曝時間により変化があるが、約600〜約800
℃の間を通過する時間を短かくするためであ
る。

(ロ) 処理対象部分を急速に加熱することはこの溶
体化処理のための必要な条件であるが、実験の
結果、約60秒以内に溶体化温度にまで昇温させ
たものは好結果が得られた。ここで加熱昇温時
間に幅があるのは、ステンレス鋼管の炭素含有
量が少ないもの（炭素含有量Ｃ＝0.03％以下）
では加熱時間が比較的長くても処理影響部分の
組織が鋭敏化することはなかつたからであり、
従つて、急速加熱の時間は、ステンレス鋼管の
炭素含有量の多寡と加熱誘導子に投入する電力
の大小によつて、選択することができる。

(ハ) 溶体化温度にまで急速加熱したら、直ちに急
速に冷却するとよい。これは冷却の際、処理影
響部が鋭敏化温度域を通過する時間を短かくす
るためである。この点上記実施例では、加熱誘
導子５に冷却液噴出用ジヤケツト５２を設け
て、約２秒で急速冷却を可能にしている。

以上のようにして、初層溶接の後の局部的溶体
化処理が施されたステンレス鋼管１，１′は一応
水密に接合された状態になつているから、接合さ
れた前記鋼管１，１′内に、冷却媒体６としてこ
こでは水を流通させ、前記鋼管１，１′の内表面
を冷却し乍ら開先２，２′の残部に溶接を施すの
である。（第７図参照） このように管の内部を直接冷却し乍ら溶接を施
すと、ステンレス鋼管１，１′の内表面はほぼ水
温に保持された状態で前記開先２，２′の部分の
残部が溶接されるから、冷却が速やかでステンレ
ス鋼管１，１′の溶接部或はその近傍の内表面に
溶接時の熱影響を受けて鋭敏化組織が発生するこ
とは全くないのである。尚、ここに於ける冷却媒
体の投入形態は、ステンレス鋼管１，１′が装置
本体に配管されてしまつたものであれば、水等に
よる冷却液を流通させて行ない、また配管される
前であれば、前記鋼管１，１′の内部に水等の冷
却液を収容充填して行なうとよいが、これに限ら
れるものではなくその他の形態或は適宜手段によ
つてもよい。

以上の本発明方法による溶接工程を経て接合を
終了すると、ステンレス鋼管１，１′の内表面に
は、溶接による熱影響を受けて生じる鋭敏化組織
や引張残留応力は存在しない。

従つて、従来、ステンレス鋼管の溶接が完了し
てしまつた後に行うため提案されていた鋼管内面
側にいわゆる局部的溶体化処理を施す方法を、溶
接工程の中にとり込んだので、作業の合理化を図
ることができる。即ち、組織の鋭敏化が小規模で
且つ浅いうちに、その対応処理を施すから、局部
溶体化処理装置１の小容量化、或は、作業時間の
短縮化等が図れるのである。

尚、溶接熱以外の原因で管の内表面に引張応力
が残留していたり、配管施工時の外力等の作用で
引張応力が生じると好ましくないので、上記本発
明方法の実施にあたつては、当該溶接工程の後、
第８図に示すような処理を施すことがある。

即ち、溶体化処理後の溶接は、ステンレス鋼管
１，１′の内部に冷却媒体６を流通させ乍ら行な
うので、当該溶接が完了した後もこの冷却媒体６
を流通させておき、前記鋼管１，１′の溶接部或
はその近傍を適宜の加熱手段７で約500℃に速や
かに加熱し、当該鋼管１，１′の内外面に温度差
を生ぜしめて鋼管の内表面を引張降伏させたあ
と、加熱をやめると、内表面に圧縮応力、外表面
に引張応力が生じる。

このような処理を施すと、仮に、管の内表面に
溶接以外の原因による引張応力が残留していても
引張残留応力を緩和又は消失させることができ、
また、引張応力が残留していなければ、管の内表
面には圧縮残留応力が生じるので、ステンレス鋼
管の応力腐食割れの原因の一つである引張残留応
力を払拭することができる。また、この処理は、
先の溶接工程で用いた冷却媒体をそのまま用いる
ことができるので、実施する上でも手間を省くこ
とができ有利である。

本発明によるステンレス鋼管の接合方法は以上
の通りであつて、ステンレス鋼管を原子炉等の装
置本体に溶接し乍ら配管施工する際など、その接
合すべき開先部分を初層溶接によつて一旦水密な
程度に接合し、この初層溶接時の熱影響で組織が
鋭敏化した部分のみを、誘導加熱等の加熱手段に
より急速に加熱して急冷する局部的溶体化処理に
よつて溶体化した後、前記初層溶接により一応接
合されたステンレス鋼管の内表面を冷却媒体を介
して直接冷却し乍ら前記ステンレス鋼管開先部分
の残部に溶接を施してステンレス鋼管を接合する
ようにしたから、溶接時の熱影響でステンレス鋼
管の内表面側の組織が鋭敏化したり或は内表面側
に引張応力が残留することは凡そなく、従つて、
本発明接合方法により配管施工した原子炉等の配
管に於て、溶接により接合した部分の内表面側に
応力腐食割れの生じることは皆無である。

また、本発明方法は、従来の溶接手段と、局部
的溶体化処理及び応力改善処理のために用いる加
熱手段並びに冷却手段とを準備すれば、比較的容
易に実施できるのでステンレス鋼管を用いた配管
施工現場で実施できる効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は接合すべきステンレス鋼管の開先部を
示す部分断面図、第２図は初層溶接を施した状態
の部分断面図、第３図は第２図の破線の部分の顕
微鏡写真、第４図は初層溶接後に局部的溶体化処
理を施す状態を示す部分断面図、第５図は第４図
の破線Ａの部分の顕微鏡写真、第６図は同じく第
４図の破線Ｂの部分の顕微鏡写真、第７図は本発
明方法による接合部の部分断面図、第８図はステ
ンレス鋼管の内外面に温度差を付ける熱処理の状
態を示す断面図である。 １，１′…ステンレス鋼管、２，２′…開先、３
…溶接金属、４，４′…鋭敏化組織、５…加熱誘
導子、６…冷却媒体、７…加熱手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 突合せたステンレス鋼管の開先部分に初層溶
   接を施してから該初層溶接部及びその近傍を急速
   に溶体化温度にまで加熱して急冷する局部的溶体
   化処理を施し、次いで接合された前記鋼管の内表
   面を冷却媒体で冷却し乍ら初層溶接を施した開先
   部分全体に溶接を施すことを特徴とするステンレ
   ス鋼管の接合方法。