JPS63199075A - 金属管の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、金属管の溶接方法に係り、特に、金属管の内
外面が腐食性流体と接触する場合における応ノコ腐食割
れ等を防止する溶接方法に関するしのである。

「従来の技術」 一般に、金属材料、例えば原子力や化学プラント等に多
用されているオーステナイト系ステンレス鋼等において
は、引っ張り応力と腐食因子とが共存する場合に、腐食
割れが急速に進行することが知られている。

従来、オーステナイト系ステンレス鋼管において、管内
部に腐食因子である水等の流体が挿通される場合、溶接
継手近傍の残留応力を改善する技術として、鋼管の中に
冷却水を挿通させながら鋼管を外側から誘導加熱して、
母管壁の内外面に降伏点以上の熱応力が生じる温度差を
与え、溶接継手の近傍の内面に、残留圧縮応力を発生さ
Ｕｏた状態とする応力改善方法が考えられている。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、このような方法は、オーステナイト系ス
テンレス鋼管が単純な形状であるとと６に、その内部に
腐食性流体が挿通される場合には適用可能であるが、第
４図に示すように、改善を対象とする金属管が形状の複
雑な二重管であるとともに、母管１０の中に収容されて
いるサーマルスリーブｌｌの溶接継手３である場合、ま
た、す−マルスリーブｌ！の内外両面が腐食性流体と接
触している使用条件の場合等であると、前記誘導加熱に
よって母管ＩＯを外側から加熱しても、サーマルスリー
ブ！！まで熱伝達が有効に行なわれず、適用困難となる
ことが多い。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するとと
もに、内外面が腐食性流体と接触するような用途の金属
管における継手の溶接を実施する場合に、溶接継手の形
成と関係づけて管内外面の粒界応力割れ対策を実施する
ことを目的とするものである。

「問題点を解決するための手段」 本発明における金属管の溶接方法では、溶接継手の形成
に先立って、溶接継手予定箇所の中心から離間した管内
面に、バクリング層を形成する第１のバタリング溶接を
行なっておき、該第１のバタリング溶接後に溶接継手予
定箇所の溶接を行ない、また、溶接継手形成後において
、溶接継手近傍における管内面を覆うように、第１のバ
タリング層の間の管内面に第２のバタリング溶接を行な
うようにしているものである。

「作用　」 溶接継手予定箇所から所要距離離間した位置における金
属管の内面に、第１のバクリング溶接を行なうことによ
って、金属管の内面の一部が、バクリング層に覆われた
状態となり、以下、バタリング層の有する耐腐食性によ
って金属管の内面の一部を保護する。また、第１のバタ
リング溶接材料の選定とともに、バタリング溶接入熱量
を適宜の極小入熱量とすることによって、バタリング層
に近接する金属管組織中に、鋭敏化域が発生することを
抑制できるとともに、万一、鋭敏化域が生じた場合でも
以下に述べるように、軸方向及び周方向の圧縮応力によ
って、管に応力腐食割れが発生することを妨げる。

第１のバタリング溶接に続いて、溶接継手を形成すると
、該溶接継手部分が冷却とともに収縮することによって
、第１のバタリング層の近傍が曲げモーメントの内側と
なる現象が生じ、バタリング層とこれに近接している金
属管の内面に、軸方向及び周方向とも圧縮方向に移行す
る応力が付与される。

さらに、開先溶接部の内面に、第２のバタリング溶接を
行なうと、両バタリング層の存する耐腐食性によって溶
接継手の内面近傍を保護することができる。そして、第
２のバタリング層が軸方向と周方向とに収縮することに
よって、その形成範囲及び近傍に影響を及ぼし、溶接継
手の外面近傍については、軸方向及び周方向とも圧縮応
力を付与した状態となる。また、前述した第１のバタリ
ング層については、さらに圧縮応力を付与した方向に移
行する。

このように、第２のバクリング層を形成してなる溶接後
の状態にあっては、溶接継手の露出している部分、ある
いはバタリング層に近接して鋭敏化域が形成される可能
性を有している部分について、圧縮応力を付与した方向
に移行させ、腐食因子が存在する場合において、金属管
の主要内外面を応力腐食割れ等の現象から保護し得る状
態に変換するものである。

「実施例」 以下、第１図ないし第３図に基づいて、本発明に係る金
属管の溶接方法における一実施例を説明する。

まず、第１図に基づ、いては金属管における溶接継手の
一実施例を説明する。該−実施例にあっては、金属管！
における溶接継手予定箇所に、金属管室の半径方向内方
に向けた溶接開先２が形成され、該溶接開先２に、金属
管ｌの内側から溶接継手３が形成される場合、該溶接継
手３から軸方向に離間した位置に、第１のバタリング層
４を予め形成しておき、また、溶接継手３の上と第１の
バクリングＪｉ！４の間とを覆うように第２のバタリン
グ層５が形成される。

以下、この溶接方法を工程順に説明する。

［第１のバタリング層の形成］ く溶接開始点の設定〉 第３図（ａ）に示すように、溶接継手予定箇所の中心１
）。から、金属管ｌの軸方向に所要用＋１＋１ＬＩだけ
離間した位置に溶接開始点ｐ、を設定し、該溶接開始点
Ｐ、における金属管１の内面に、中心Ｐ、から遠ざかる
方向に第１のバタリング溶接におけるビードａ＋”ａ！
・ａ、を順次形成する。

この場合の所要距離Ｌ１とは、後述する溶接継手３と第
２のバタリング層５との形成による金属管ｌの収縮を予
測した距離であり、発明者等の研究によれば、金属管１
の各部には、詳細を後述するように、第２図に示すよう
な応力が付与されるので、（ｉ）式によって表される範
囲に設定するとよい。

０．８（ａｈ　）”≦Ｌ＋　　≦２．５（ａｈ　）’°
’−−（ｉ　）ただし、ａ：金属管ｌの平均半径 ｈ：金属管！壁の厚さ く溶接条件の設定〉 金属管１がオーステナイト系ステンレス鋼（例えば５Ｕ
Ｓ３０４材）から形成される場合、第１のバタリング層
４の形成における溶接条件は、例えば次のように設定さ
れる。

溶接金属：　５ｔＪＳ３０８ＵＬＣ材（耐ＳＣＣ材）溶
接人熱量二極小人熱爪Ｑ。

ただし、 Ｑ、＝＝７〜８キロジュール／　ｃｍ−＝　（ｉｉ　）
くビードの形成〉 上記溶接条件によって、第１のバタリング溶接を行なう
。また、バタリング層４の状態は、前述したように溶接
開始点Ｐ、からビードの形成を開始して、中心Ｐ１から
遠ざかる方向にビードａ、・ａ、・ａ、を順次形成して
行くものとするともに、各ビードａ１・ａ、・ａ、を合
わせた長さく形成距離）が少なくとも１０ｍｍ以上とな
るように設定する。

金属管ｌが、オーステナイト系ステンレス鋼によって形
成されている場合は、第１のバタリング層４の形成熱に
よって、第１のバタリング層４の直下における金属管ｌ
の内部組織の一部（近接している組織）が加熱される゛
ことになるが、バタリング溶接作業を極小入熱量で実施
することと、ビード形成方向を前述のように設定するこ
とによって、鋭敏化域の発生を抑制することができる。

また、第１のバタリング層４は、溶接金属を耐ＳＣＣ材
料（耐応力腐食割れ材料）としておくととらに、溶接金
属が溶融状態から冷却される際に、再凝固した組織がデ
ルタフェライトを含んで、鋭敏化されにくい状態となる
ため、以下、第１のバタリングＪｉ！ｉ４の範囲につい
ては、耐腐食性が付与されたものとして扱うことができ
る。

なお、中心Ｐ０の片側について、所要距離Ｌ１に第１の
バタリング層４の長さを加えた範１用における金属管！
の内面は、以下の第２のバタリング層５によっても覆わ
れることになる。

そして、第１のバタリング層４の部分は、溶融金属が固
化するときに収縮をともなうため、軸方向及び周方向と
し、引っ張り応力が付与された状態となり、金属管！の
内部組織中にその影響が現れて、部分的には、圧縮応力
場が付与される好ましい状態となるが、後述する溶接継
手３や第２のバタリング層５の影響に比較して、影響が
非常に小さなものとなるので、便宜上、影響を無視して
説明する。

［溶接開先の形成］ 金属管ｌにおける溶接継手３の予定箇所について、第１
図（ａ）において実線から鎖線で示すように切削加工し
て、溶接継手３のための溶接開先２を形成する。

［溶接継手の形成］ 金属管ｌに形成した溶接開先２を突き合わせた状態とし
て、溶接継手形成のための溶接を行なう。

溶接継手形の溶接条件は、 溶接金ｆｉＡ：　　５ＵＳ３０８Ｌ材 溶接人熱量：普通人熱爪Ｑｔ ただし、 Ｑｔ＝ｔｏ　〜１５キロジュール／　ｃ　ｍ　−−（ｉ
ｉｉ　）とする。

この場合において、溶接継手部分の溶接入熱ｍは、普通
人熱爪としているので、溶接開先２の両側に位置してい
る金属管ｌの組織が溶接熱の影響を受けて、第１図に示
すように、溶接継手３の両側に沿って、鋭敏化域Ｘが形
成されることが起こり得るとともに、該鋭敏化域又は、
金属管ｌの内外両面に達する乙のとなり、後述する第２
のバタリング溶接によって改善される。

また、該溶接継手３の部分は、溶融金属が固化するとき
に収縮をともなうため、該溶接継手３の部分の軸方向及
び周方向の収縮による影響を金属管ｌの各部に及ぼして
応力を発生させる。

各部に付与される応力について検討すると、溶接継手３
の外面にあっては、第３図（ｂ）において、金属管１の
外径かに１＆Ｉで示すように小さくなって、矢印で示す
ようにモーメントＭが作用するため、軸方向については
引っ張り、溶接継手３が半径方向に小さくなることに基
づいて、周方向については圧縮となる応力が付与される
。また、溶接継手３の内面にあっては、溶接金属自身の
収縮によって軸方向及び周方向とも引っ張り応力が付与
された状態となる。

そして、溶接継手３における溶接金属の収縮は、前記第
１のバタリングＦＩＪ４やその近傍にまで影響を及ぼす
と考えられる。溶接継手３が周方向の寸法を小さくする
ことによって、第３図（ｂ）に鎖線で示すように、金属
管ｌの外面が変形すると、第１のバタリング層４の反対
面である金属管１の外面には、第３図（ｂ）に示すよう
に、若干小さな曲げモーメントｍが作用し、軸方向につ
いては若干の引っ張り応力、溶接継手３の外径が小さく
なることの影響で径が縮小されることに基づいて、周方
向については圧縮応力を付与する方向に移行するように
影響が現れる。

一方、第１のバタリング層４の内面にあっては、その反
対側の外面と逆に、曲げモーメントｍが作用することに
よって、軸方向について若干の圧縮応力となり、外径寸
法が小さくなることに基づいて、周方向については圧縮
応力を付与する方向に移行するように影響が現れる。

［第２のバタリング層の形成］ くバタリング溶接範囲〉 第１のバタリング層４と溶接継手３とが形成された金属
管１の内面について、溶接継手３から両方に離間した位
置に形成されている第１のバタリング層４の間に、溶接
継手３を覆うように、第２のバタリング溶接を行なう。

く溶接条件の設定〉 該第２のバタリング層５の形成における溶接条件は、第
１のバタリング層４の形成時における溶接条件とほぼ同
じで、例えば次のように設定される。

溶接金属：　５ＵＳ３０８ＵＬＣ材（耐ＳＣＣ材）溶接
入熱ｆｆ１＝小人熱ｆｆ１Ｑ。

ただし、 Ｑ、＝７〜１０キロジュール／　ｃｍ−−（ｉｖ　）く
ビードの形成〉 上記条件によって、第２のバタリング溶接を行なう。そ
して、第２のバタリングＨ５の形成状態は、第１のバタ
リング層４の上、または、前記溶接開始点Ｐ１から、溶
接継手３の中心Ｐ０に向かう方向に、第１ｆｆのビード
Ｃ，・Ｃ２・Ｃ３・旧・・を順次形成して行って、中心
位置近傍でビードｃｎを止める方法によって行なう。ま
た、第１５のビードＣ。

〜ｃｎの上に、第１図及び第３図（ｃ）に示すように、
第２層のビードｄ１・ｄ、・ｄ、・ｄｎ及び第３層以上
のビードを必要に応じて搭載して、複数層としてもよい
。

［溶接後の状態］ 第２のバタリング溶接を行なうと、溶接継手３の内面側
については両バタリングＨ４・５で覆われた状態となり
、両バタリング層４・５の有する耐腐食性によって、溶
接継手３の内面近傍を保護することができる。

一方、溶接継手３の外面側については露出状態となり、
金属管１の外面に位置している鋭敏化域Ｘは、露出によ
って腐食性流体と直接接触することになるが、以下に説
明するように、その近傍を圧縮応力場とすることによっ
て保護することができる。

ここまで説明したように、金属管１における内面及び溶
接開先２に、第１のバタリング層４、溶接継手３、第２
のバタリング層５を順次形成することによって溶接作業
を完了させると、金属管１の各部に付与される応力は、
各溶接によって付与された応力を総合した状態で現れる
ことになり、金属管１外面にあっては第２図に実線で示
す状態、金属管ｌの内面にあっては第２図に破線で示す
状態となる（第２図において正は引っ張り応力、負は圧
縮応力を示す）。

第２図に基づいて説明を補足すると、第２のバタリング
溶接によって付与される応力は、第２のバタリング層５
が軸方向と周方向とにそれぞれ収縮することによって、
第２のバタリング層５の形成範囲とその近傍とに、溶接
継手部分における溶接の場合よりも、軸方向に広い範囲
で各部に影響を及ぼすことになる。

即ち、第２のバタリング層５は、第２図にＬｌで示す範
囲において、軸方向及び周方向に収縮することになり、
この範囲内に位置する金属管１の各部が軸方向及び周方
向に圧縮される。

金属管ｌの外面の状態について検討すると、第２図の実
線で示すように、金属管１の外面は、溶接継手３の近傍
において、軸方向及び周方向とも圧縮応力の範囲となり
、溶接継手３の両側に形成され易い鋭敏化域（Ｌ、）も
、露出している外面近傍では圧縮応力場となる。このと
き、溶接継手３から距離ｒ、＋＋Ｉｔ間した第１のバタ
リング層４の近傍は、軸方向が引っ張り応ツノ、周方向
が圧縮応力場となるが、この近傍には鋭敏化域が形成さ
れず問題かない。

また、金属管ｌと第１及び第２のバタリング層４・５を
総合した管の内面にあっては、第２図に破線で示すよう
に、溶接継手３の近傍において、軸方向及び周方向とも
引っ張り応力の範囲となる。

そして、溶接継手３から離間するにしたがって、第２の
バタリング層５における軸方向の応力が、引っ張りから
圧縮応力に変わり、続いて周方向応力も圧縮と変わり、
距離Ｌ＋船離間た第１のバタリング８４の近傍では、軸
方向及び周方向とも圧縮応力場となる。この場合におい
て、金属管ｌの外面の一部、つまり、第１のバタリング
層４の形成された反対側の外表面の近傍には、前述した
ように鋭敏化域が存在しないものの、軸方向の引っ張り
応力が付与された状態となるので、その大きさの管理を
十分に行なうように、前述した各式で表さＵ゛る条件を
設定するらのである。

さらに説明を補足すると、このような溶接後の状態にあ
って、溶接継手３の近傍における金属管１の組織中には
、厚さ方向（半径方向）に沿った鋭敏化域Ｘが形成され
る懸念がある場合においてら、溶接継手３の内面側に第
２のバタリング層５を置くことによって、溶接継手３の
外面を圧縮応力場とすることができるとともに、溶接継
手３の内面には、バタリング層で覆って腐食因子が金属
管１の内面に直接接触しない状態とすることができ、さ
らに、第２のバタリング層５に沿って、金属管■の内部
組織中に軸方向の鋭敏化域Ｘが形成される悪条件を考慮
しても、第１及び第２バタリング層で覆われることと、
バタリング層の引っ張り応力に対応して、軸方向及び周
方向とも圧縮応力を付与した方向に移行させ、腐食因子
が存在する場合において、金属管１の主要内外面を応力
腐食割れ等の現象から保護し得る状態に変換するもので
ある。

［他の実施例］ 第４図は、本発明における金属管の溶接方法を、沸騰水
型原子炉の再循環系入口ノズルの部分に適用した場合の
摺造例を示すものである。

原子炉圧力容器６における再循環系入口用ノズル７の先
端部分に、セイフェンド８が溶接継手９によって取り付
けられるとともに、これらノズル７及びセイフェンド８
を母管１０として、母管１０の内面に、流体の温度差に
よる応力発生を少なくするためのサーマルスリーブＩｔ
が、基部溶接部１２よって取り付けられる構造である場
合、該サーマルスリーブ１１における途中の溶接継手３
が、本発明に係る金属管の溶接方法の適用対象となる。

この場合において、母管１０及びサーマルスリーブ１１
の内部には、腐食性流体である原子炉冷却水が挿通され
るとともに、母管１０とサーマルスリーブ１１との間に
形成される筒状中空部１３に乙、原子炉冷却水、つまり
、腐食性流体が介在する。

したがって、サーマルスリーブ１１を基部溶接＋Ｊ＜　
１２の部分から取り外した状態で扱うことにより、第１
図ないし第３図で説明した一実施例に亭じて、溶接方法
を適用できることになる。

なお、特に、第４図におけるセーフエンド８及びサーマ
ルスリーブ１１の場合においテ、鎖１ｆＡＹ−Ｙ’　の
部分から矢印で示すように切り離し、修理あるいは新規
のものと交換する場合等であると、第１図における溶接
継手３の部分の連結を先に行なうとともに、第４図に示
す基部溶接部１２を形成することによって、サーマルス
リーブｌｌを母管ｌＯの内部に取り付けた状態としてお
いて、第２のバタリング層５を形成することができ、こ
の場合に、サーマルスリーブｉｔの回り筒状中空部１３
に、原子炉冷却水等の流体を存在させた状態で、第２の
バタリング層５を形成することができる。つまり、第２
のバタリング層５を形成するための溶接入熱量を前述し
た範囲に校定することによって、金属管ｌへの熱影響を
抑制しているので、流体を存在させることによって、金
属管ｌの外面が冷却されることにはなるが、本質的に大
きな影響が現れることがない。

また、第１図に示す溶接開先は、第１のバタリング溶接
に先立って、予め形成しておくこともできる。

さらに、金属管ｌの炭素含有ｍが少なく、肉厚が約１０
ｍｍ以上の場合には、第１のバタリング層４及び第２の
バタリング層５の形成時に、溶加棒を加えず、単に溶接
トーチで加熱溶融することによっても、はぼ同等の効果
が得られることは言うまでもない。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係る金属管の溶接方法は
、溶接予定箇所の中心から離間した管内面に第１のバタ
リング溶接を行ない、溶接予定箇所における溶接継手を
形成した後、溶接継手部分を覆うように、第１のバタリ
ング溶接部の間に、第２のバタリング溶接を行なうもの
であるから、次のような優れた効果を奏する。

■溶接継手の内面を広い節回にわたってバタリング層で
覆い、腐食性流体から保護した状態とすることができる
。

■溶接継手の外面近傍を圧縮応力場として、溶接継手形
成時に鋭敏化域を生じる場合でも、応力腐食割れ等の現
象が進行することを妨げするこトカできる。

■バタリング層で覆うことによって、その直下の金属組
織中に圧縮応力を付与し、また、バタリング層を金属管
の内面に沿った方向に形成することによって、鋭敏化域
が形成された場合でも、金属管の厚さ方向への応力腐食
割れの進行を妨げることができる。

■原子炉圧力容器におけるノズル部分のサーマルスリー
ブへの応力腐食割れ対策等に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属管の溶接方法によって形成さ
れる溶接継手の一実施例を示す要部の断面図、第２図は
第１図における溶接継手近傍の処理後の応力分布図、第
３図は本発明に係る金属管の溶接方法における工程例の
説明図、第４図は沸騰水型原子炉の再循環系入口ノズル
の部分の構造例を示す縦断面図である。 １・・・・・・金属管、 ２・・・・・・溶接開先、 ３・・・・・・溶接継手、 ４・・・・・・第１のバタリング層、 ５・・・・・・第２のバタリング層、 ６・・・・・・原子炉圧力容器、 ７・・・・・・ノズル、 ８・・・・・・セーフエンド、 ９・・・・・・溶接継手 ＩＯ・・・・・・母管、 ＩＩ・・・・・・サーマルスリーブ、 １２・・・・・・基部溶接部、 ！３・・・・・・筒状中空部。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　溶接継手予定箇所の中心から離間した管内面に第１の
   バタリング溶接を行なう工程と、前記溶接継手予定箇所
   の溶接を行なう工程と、溶接継手予定箇所における管内
   面を覆って前記第１のバタリング溶接部の間に第２のバ
   タリング溶接を行なう工程とからなることを特徴とする
   金属管の溶接方法。