KR101233555B1 - 헤더 노즐의 용접 구조 - Google Patents

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후미오 니시
다꾸미 도끼요시
노부히꼬 사이또오
도시유끼 이마자또
마사히꼬 호까노
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

노즐(4)과 헤더(2) 사이에 별도의 부재를 개재시키지 않고, 즉 부품 개수를 늘리지 않고, 노즐(4)의 크리프 및 피로 손상 내구성을 향상시킬 수 있는 헤더 노즐(2)의 용접 구조를 제공한다. 페라이트강으로 이루어지는 헤더(2)의 외주벽에, 굽힘 가공부를 갖는 복수개의 노즐(4)을 용접에 의해 접속되는 헤더 노즐의 용접 구조에 있어서, 상기 노즐(4)은 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성되고, 상기 헤더(2)에, 상기 오스테나이트계 스테인리스강제의 노즐(4)이, Ni기 합금의 용접 재료를 사용한 용접에 의해 접속된다. 또한, 상기 헤더(2) 외주벽의 외표면에 있어서의 노즐(4) 용접 위치 주위에 환형상의 홈(10)이 새겨지고, 상기 홈(10)의 내측에 노즐 접합면(14)이 형성되고, 상기 노즐(4)과 상기 노즐 접합면(14)이 대략 동일 직경을 갖고 연속적으로 연결되도록, 상기 노즐(4)과 상기 노즐 접합면(14)의 선단부를 맞대어 맞댐 개선이 형성되고, 상기 맞댐 개선이 Ni기 합금 재료를 사용하여 용접된다.

Description

헤더 노즐의 용접 구조 {WELDED HEADER/NOZZLE STRUCTURE}
본 발명은 헤더와 노즐의 용접 구조에 관한 것으로, 특히 화력 발전소에서 사용되는 보일러의 최종 과열기 및 재열기에 적용하는 데 적합한 헤더 노즐의 용접 구조에 관한 것이다.
현재, 주요한 발전 방법으로서 원자력, 화력, 수력의 3개의 방법이 사용되고 있고, 그 중에서도 화력 발전은 안전하고 부하 변동으로의 대응 능력이 높은 발전 방법으로서 이용 가치가 높아, 발전 분야에 있어서 앞으로도 계속해서 중요한 역할을 발휘해 갈 것이라고 예상된다.
화력 발전소에 있어서의 발전용 보일러의 주요 부품으로서 증발기, 과열기, 재열기 등의 각 기기에 각각의 내부 유체를 분배, 혹은 집합시키는 헤더가 있다. 이들 헤더에는 각각의 전열관이나 배관을 설치하는 다수의 노즐 설치 구멍이 형성되어 있다.
도 1은 굽힘 가공부를 갖는 노즐 및 그것을 용접한 헤더부 전체의 구성을 도시하는 모식도이다. 헤더부는 직관 형상의 헤더(2)에, 굽힘 가공부를 갖는 다수의 노즐(4)을 용접에 의해 접속하여 구성된다. 예를 들어, 발전용 보일러에 있어서는, 1개의 헤더(2)에 다수의 노즐(4)이 용접에 의해 접속되어 구성되어 있다.
종래부터 보일러의 최종 과열기 및 재열기 등에서 사용되는 사용 온도가 높은 헤더(2)에는, 고온 강도가 우수하고, 열변형이나 열응력 방지의 관점으로부터 열팽창 계수가 작고, 열전달률이 큰 1Cr강, 2Cr강, 9Cr강 및 12Cr강 등의 페라이트계 내열강(이후, 페라이트강이라고 칭함)이 사용되어 있다. 또한, 노즐에는 열응력을 발생시키지 않기 위해 헤더와 동일한 재질의 1Cr강, 2Cr강, 9Cr강 및 12Cr강 등의 페라이트강을 사용하는 것이 일반적이다. 여기서, 종래부터 사용되고 있는 페라이트강은, 노즐에서는 JIS STBA22, STBA23, STBA24나 관련 기관령으로 정해져 있는 화(火) STBA24J1, 화 STBA28, 화 STBA29, 화 SUS410J3TB 등이, 헤더에서는 그 대경 관 상당 규격재를 들 수 있다. 또한, 그 미국 ASME 규격 상당재 등도 사용되고 있다.
최근, 화력 발전소는 전력 수요의 변동에 추종하기 위해 빈번한 기동 정지를 수반하는 운전 형태가 요구되고 있다. 그와 같은 화력 발전소의 사용 조건에 있어서, 헤더 노즐의 온도와 화로 천장벽의 온도차에 의한 열응력이나 전열관의 자중에 의한 응력으로, 노즐의 헤더측 용접부에서 피로나 크리프에 의한 손상이 인정되어 있다. 특히, 발전 효율 향상을 위해 최고 증기 조건이 약 600℃까지 높아진 초초 임계압(Ultra Super Critical : USC) 보일러의 최종 과열기 및 재열기 헤더 노즐에 있어서는, 페라이트강을 사용하면, 이들 재료의 용접 열영향부는 모재부에 비해 크리프 강도가 약하기 때문에, 크리프 손상이 발생하기 쉬워, 정기적인 검사나 관 교체 등의 공사가 종래 이상으로 필요해질 가능성이 있다.
도 5는 노즐(4)의 굽힘 가공부(도 1에 있어서의 B부)를 도시하는 측면도이고, 도 6은 도 5에 있어서의 A-A, B-B, C-C, D-D, E-E 단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 노즐(4)의 굽힘 가공부에 있어서는, 노즐(4) 단면 형상은 일정 형상으로는 되지 않고 편평하게 되어 있다. 따라서, 내압이 작용하면 관 단면이 편평하게 되어 있으므로 굽힘 응력이 발생한다.
또한, 상기 크리프 손상이 발생하는 다른 요인으로서, 상기 굽힘 가공부는 직관 부분에 비하면, 굽힘 배면측의 관 두께 감소 및 소성 변형에 의한 크리프 강도 저하가 발생하는 것을 들 수 있다.
이 요인에 대해서는, 굽힘 가공부를 갖는 관 형상의 12Cr강으로 형성된 공시체에 내압을 가하여 크리프 시험을 행한바, 굽힘 가공부에서 직관부에 비해 큰 크리프 손상이 발생하여, 그곳으로부터 파열되었으므로, 굽힘 가공부의 편평에 의한 굽힘 응력이 크리프 손상의 요인의 하나인 것을 확인할 수 있다.
상기 크리프 손상이 발생하는 또 다른 요인으로서, 노즐마다 증기 온도에 다소의 편차가 있으므로, 상정 온도보다도 높은 온도로 된 노즐에서는, 다른 노즐보다도 크리프 수명이 짧아진다.
상기한 요인에 의한 크리프 손상이 발생하는 문제를 해결하기 위해서는, 노즐을 후육관으로 형성하면 좋지만, 비경제적인 데다가, 상기한 요인을 모두 배제하기 위해서는 현실적인 관 치수로는 해결되지 않는다. 따라서, 노즐의 후육화에 의해 크리프 손상의 발생을 억제하는 것은 어렵다.
따라서, 특허 문헌 1에는 페라이트강의 관을 페라이트강의 헤더의 판면에 세워서 접속하는 관과 헤더의 접속 구조에 있어서, 이들 강관과 헤더 사이에 오스테나이트강의 관을 개재시키고, 이 오스테나이트강의 관은 이 관과 페라이트강의 헤더와의 용접 지단부(weld toe)로부터 관 외형의 1/2 이상 이격된 위치까지 연신된 관과 헤더의 용접 구조가 개시되어 있고, 또한 이와 같은 용접 구조에 있어서, 헤더 판면에서 용접부 위치의 주변을 깎아 환형상의 돌기부를 형성하는 한편, 관의 선단부를 가공하여 상기 돌기부에 대향하는 단면이 밖으로 넓어지는 사다리꼴 형상의 개선(開先)을 형성하고, 상기 돌기부를 용접 루트부로 하여, 관측의 루트부를 헤더측의 루트부보다도 길게 한 용접 구조가 개시되어 있다.
그러나, 특허 문헌 1에 개시된 기술에 있어서는, 페라이트강의 관과 페라이트강의 헤더 사이에 오스테나이트강의 관을 개재시킴으로써, 부품 개수가 늘어나는 것에 추가하여, 페라이트강의 관과 오스테나이트강, 페라이트강의 헤더와 오스테나이트강을 각각 용접할 필요가 발생하여, 용접에 드는 공정수가 종래의 대략 2배로 된다. 따라서, 수백개의 노즐을 헤더에 용접 접합이 있는 발전용 보일러에 사용되는 헤더와 노즐의 용접에 특허 문헌 1에 개시된 기술을 적용하면, 용접에 관한 공정수가 방대한 것으로 되어, 제작비용, 비용면에서의 부담이 커진다.
또한, 노즐이 굽힘 가공부를 갖고 있는 경우, 특허 문헌 1에 개시된 기술을 적용해도 노즐의 굽힘 가공부의 크리프 손상을 저감시키는 것은 어렵다.
또한, 상기 관의 선단부를 가공하여 상기 돌기부에 대향하는 단면이 밖으로 넓어지는 사다리꼴 형상의 개선을 형성하므로, 용접부 주변의 형상이 복잡해져 용접 작업성이 악화되는 것에 추가하여, 굽힘 응력이 크고 이러한 노즐의 용접 지단부에 있어서, 용접 재료와 노즐을 합한 직경을 충분히 확보할 수 없을 가능성이 있다.
일본 특허 출원 공개 평8-152291호 공보
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제를 감안하여, 노즐과 헤더 사이에 별도의 부재를 개재시키지 않고, 즉 부품 개수를 늘리지 않고, 노즐의 크리프 및 피로 손상에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 헤더 노즐의 용접 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 있어서는,
페라이트강으로 이루어지는 헤더의 외주벽에, 굽힘 가공부를 갖는 복수개의 노즐을 용접에 의해 접속하는 헤더와 노즐의 용접 구조에 있어서, 상기 노즐을 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성하고, 상기 헤더에, 상기 오스테나이트계 스테인리스강제의 노즐을, Ni기 합금의 용접 재료를 사용한 용접에 의해 접속하는 것을 특징으로 한다.
크리프 강도가 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 노즐 재료로서 채용함으로써, 온도 변동이나 노즐의 굽힘에 대한 내구성이 현저하게 향상된다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강은 내열성도 우수하므로, 종래보다도 높은 증기 온도 조건의 보일러에서도 사용 가능하고, 종래의 페라이트강으로 형성된 노즐을 600℃의 증기 온도 조건으로 사용하고 있던 경우와 동일한 구조로, 노즐의 재료를 오스테나이트계 스테인리스강으로 변경하는 것만으로 630℃ 정도의 증기 온도 조건으로 사용 가능하다고 추측할 수 있다.
또한, 상온으로부터 600℃에 있어서의 열팽창 계수(1/℃)는, 페라이트강의 일종인 9Cr강에서 약 12.6 × 10-6이고, 오스테나이트계 스테인리스강에서는 약 18.4 × 10-6이다. 따라서, 상온으로부터 600℃에 있어서의 열팽창 계수가, 9Cr강과 오스테나이트계 스테인리스강 사이의 약 16.0 × 10-6인 Ni기 합금을 용접 재료로서 사용함으로써, 용접 금속과 9Cr강 사이 및 용접 금속과 오스테나이트계 스테인리스강 사이에 발생하는 열응력을 작게 억제할 수 있다. Ni기 합금의 용접 재료의 일례로서, JISZ3334 YNiCr-3이나 AWS A5.14 ER NiCr-3 등으로 정해진 인코넬계 용접 재료를 들 수 있다.
이때, 전술한 바와 같이 용접 재료에 Ni기 합금을 사용함으로써 발생하는 열응력을 작게 억제할 수는 있지만, 용접 재료에 상기 Ni기 합금을 사용해도, 용접 금속과 노즐(오스테나이트계 스테인리스강) 및 용접 금속과 헤더(페라이트강) 사이에는 열응력이 발생하는 것은 피할 수 없다. 그러나, 응력 해석을 행한 결과, 노즐에 사용하고 있는 오스테나이트계 스테인리스강의 크리프 강도가 높기 때문에, 상기 열응력에 의한 크리프 손상이나 피로 손상은 작아, 실용상 문제는 없다.
또한, 상기 헤더 외주벽의 외표면에 있어서의 노즐 용접 위치 주위에 환형상의 홈이 새겨지고, 상기 홈의 내측에 노즐 접합면이 형성되고, 상기 노즐과 상기 노즐 접합면이 대략 동일 직경을 갖고 연속적으로 연결되도록, 상기 노즐과 상기 노즐 접합면의 선단부를 맞대어 맞댐 개선이 형성되고, 상기 맞댐 개선이 Ni기 합금 재료를 사용하여 용접되도록 해도 좋다.
열팽창률이 높은 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성되는 노즐과 연속적으로 연결되도록 상기 노즐 접합면을 설치하여, 상기 돌기부와 상기 노즐의 선단부를 부착함으로써, 상기 홈의 존재에 따라서 열응력을 경감시킬 수 있다.
또한, 상기 구조는 소경 관의 맞댐과 유사한 구조로, 상기 소경 관의 맞댐 구조는 종래부터 내구성은 충분히 입증되어 있다.
또한, 상기 홈의 깊이 등의 형상은 온도, 굽힘 작용 응력 등에 따라서 결정한다. 단, 홈 깊이분에 대응하여 헤더의 관 두께를 두껍게 할 필요가 있다.
이때, 용접 금속과 노즐(오스테나이트계 스테인리스강) 및 용접 금속과 헤더(페라이트강) 사이에 발생하는 열응력의 절대치는 매우 작은 것으로, 상기 열응력에 의한 크리프 손상이나 피로 손상은 작아 실용상 문제는 없다.
또한, 상기 헤더 외주벽의 노즐 용접 위치에 관통 구멍을 형성하여, 상기 노즐 선단부를 상기 관통 구멍에 삽입하고, 상기 삽입된 노즐 선단부를, 상기 헤더 외주벽의 내면에, Ni기 합금의 용접 재료를 사용한 용접에 의해 접속해도 좋다.
이에 의해, 열응력 및 굽힘 응력이 최대로 되는 헤더 외주면측의 헤더와 노즐의 접촉 위치에 크리프 강도가 약한 용접부가 존재하지 않으므로, 노즐에 굽힘 응력이 작용해도, 상기 굽힘 응력에 기인하는 크리프 손상은 거의 발생하지 않는다.
또한, 상기 관통 구멍에 노즐을 삽입하기 위해, 미리 관을 냉각하거나, 헤더를 따뜻하게 해 두는 것이 필요한 경우가 있다.
또한, 헤더 내측으로부터 시일 용접을 행할 필요가 있어, 통상 USC 보일러의 최종 과열기 및 재열기에서 사용되는 헤더는 내경이 300㎜ 정도이고, 내부로부터 사람의 손으로 용접을 행하는 것은 곤란한 경우에는, 자동 용접용 로봇 등을 준비할 필요가 있다.
이때, 노즐(오스테나이트계 스테인리스강)이 헤더(페라이트강)로부터 압축 응력을 받지만, 노즐(오스테나이트계 스테인리스강)의 크리프 수명은 헤더(페라이트강)에 비하면 높고, 충분한 내구성을 갖는다.
이상에 기재한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 노즐과 헤더 사이에 별도의 부재를 개재시키지 않고, 즉 부품 개수를 늘리지 않고, 노즐의 크리프 및 피로 손상에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 헤더 노즐의 용접 구조를 제공할 수 있다.
도 1은 굽힘 가공부를 갖는 노즐 및 그것을 용접한 헤더부 전체의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는 제1 실시예에 관한 헤더 노즐 용접부 주변의 단면도이다.
도 3은 제2 실시예에 관한 헤더 노즐 용접부 주변의 단면도이다.
도 4는 제3 실시예에 관한 헤더 노즐 용접부 주변의 단면도이다.
도 5는 노즐의 굽힘 가공부를 도시하는 측면도이다.
도 6은 도 5에 있어서의 A-A, B-B, C-C, D-D, E-E 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시예를 예시적으로 상세하게 설명한다. 단, 본 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것으로 한정하는 취지는 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
(제1 실시예)
제1 실시예에 있어서는, 600℃급 USC 보일러의 최종 과열기 및 재열기에서 사용되는 헤더 및 굽힘 가공부를 갖는 노즐의 일례에 대해 설명한다. 노즐 및 그것을 용접한 헤더부 전체의 구성은 도 1에 도시한 종래예와 동일하므로 설명은 생략한다.
도 2는 제1 실시예에 관한 헤더 노즐 용접부 주변의 단면도로, 도 1에 있어서의 A부 확대도에 상당한다.
도 2에 있어서, 페라이트강인 9Cr강으로 형성된 헤더(2)의 외주벽에는 관통 구멍(3)이 형성되어 있다. 상기 관통 구멍(3) 주위에는 헤더(2)를 깎아낸 오목 형상부(7)를 형성하고, 굽힘 가공부를 갖는 노즐(4) 내의 통로(5)와 상기 관통 구멍(3)이 대향하도록, 노즐(4) 선단을 오목 형상부(7)에 접촉시켜 접속한다. 여기서, 노즐(4)은 오스테나이트계 스테인리스강으로, 종래부터 사용되고 있는 JIS SUS304, SUS321HTB, SUS347HTB 및 관련 기관령으로 정해져 있는 화 SUSTP347HTB, 화 SUS321J1HTB, 화 SUS321J2HTB, 화 SUS304J1HTB, 화 SUS347J1TB, 화 SUS309J4HTB, 화 SUS310J1TB, 화 SUS310J2TB, 화 SUS310J3TB 등이나, 그 미국 ASME 규격 상당재 등을 들 수 있다.
상기 접속은 인코넬 등의 Ni기 합금의 용접 재료를 사용하여 필렛 용접(fillet weld)에 의해 행하고, 상기 필렛 용접에 의해 용접부(6)가 형성된다.
이와 같이 하여 헤더(2)와 노즐(4)을 용접에 의해 접속하여, 노즐에 굽힘 응력이 작용한 경우, 노즐(4)의 용접 지단부(도 2에 있어서의 C부)가 형상 불연속부이고, 용접 열영향부가 인접되어 있으므로, 가장 크리프 손상이 발생하기 쉬운 위치로 된다. 그러나, 크리프 강도가 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 노즐(4)의 재료로 함으로써, 상기 노즐(4)의 굽힘에 대한 내구성이 현저하게 향상되어, 노즐(4)의 굽힘에 기인하는 노즐의 용접 지단부(도 2에 있어서의 C부)에서의 크리프 손상은 실용상 문제가 되지 않을 정도까지 작아진다.
굽힘 가공 단면의 편평에 의한 내압 부하 시의 굽힘 응력은, 재질에 상관없이 발생하지만, 페라이트강보다도 크리프 강도가 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 선택하면, 굽힘 가공부의 크리프 수명을 고려한 관 두께 설정을 할 수 있어, 그 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상온으로부터 600℃에 있어서의 열팽창 계수(1/℃)는 헤더(2)의 재료인 9Cr강에서 약 12.6 × 10-6이고, 노즐(4)의 재료인 오스테나이트계 스테인리스강에서는 약 18.4 × 10-6이다. 또한, 용접 재료인 Ni기 합금인 인코넬에서는 상온으로부터 600℃에 있어서의 열팽창 계수가, 9Cr강과 오스테나이트계 스테인리스강 사이인 약 16.0 × 10-6이다. 그로 인해, 용접 재료로서 Ni기 합금을 사용함으로써, 용접 금속과 9Cr강 사이 및 용접 금속과 오스테나이트계 스테인리스강 사이에 발생하는 열응력을 작게 억제할 수 있다.
그러나, 오스테나이트계 스테인리스강과 9Cr강은 상기한 바와 같이 열팽창 계수가 크게 다르므로, 용접 재료에 상기 Ni기 합금을 사용해도, 용접 재료와 노즐(오스테나이트계 스테인리스강) 및 용접 재료와 헤더(페라이트강) 사이에 발생하는 열응력을 작게 억제할 수는 있지만, 발생하는 것은 피할 수 없다.
따라서, 상기 열응력의 해석을 행하였다. 그 결과, 노즐에 사용하고 있는 오스테나이트계 스테인리스강의 크리프 강도가 높기 때문에, 상기 열응력에 의한 크리프나 피로 손상은 작아, 실용상 문제는 없는 것이 판명되었다.
또한, 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성도 우수하므로, 종래보다도 높은 증기 온도 조건의 보일러에서도 사용 가능하고, 종래의 페라이트강으로 형성된 노즐을 600℃의 증기 온도 조건으로 사용하고 있던 경우와 동일한 구조로, 노즐의 재료를 오스테나이트계 스테인리스강으로 변경하는 것만으로 630℃ 정도의 증기 온도 조건으로 사용 가능하다고 추측할 수 있다.
이상의 점에서, 노즐을 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성함으로써, 노즐이 갖는 굽힘 가공부의 관 편평에 기인하는 굽힘 응력이나 노즐 용접부의 손상이 작고, 또한 온도 변동에 대한 여유도가 현저하게 높아져, 크리프 손상을 실용상 문제가 없을 정도까지 억제할 수 있다고 할 수 있다.
또한, 노즐을 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성함으로써 발생하는 열응력에 기인하는 크리프 손상은, 실용상 문제가 없을 정도로 작다.
(제2 실시예)
제2 실시예에 있어서는, 600℃급 USC 보일러의 최종 과열기 및 재열기에서 사용되는 헤더 및 노즐의 제1 실시예와는 다른 예에 대해 설명한다.
도 3은 제2 실시예에 관한 헤더 노즐 용접부 주변의 단면도이다.
도 3에 있어서, 페라이트강인 9Cr강으로 형성된 헤더(2)의 외주벽에는 관통 구멍(3)이 형성되어 있고, 상기 관통 구멍(3)과, 굽힘 가공부를 갖는 노즐(4)의 통로(5)가 대향하도록 노즐(4)이 배치되도록 구성되어 있다. 헤더(2) 외주벽의 외표면에 있어서의 노즐(4)이 배치되는 주위에는 환형상의 홈(10)이 새겨지고, 상기 홈(10)의 내측에는 노즐 접합면(14)이 형성되어 있다. 또한, 노즐(4)과 노즐 접합면(14)이 대략 동일 직경을 갖고 연속적으로 연결되도록, 노즐(4)과 노즐 접합면(14)의 선단부를 맞대어 맞댐 개선이 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 헤더(2)와 노즐(4)을 접속할 때에는 노즐 접합면(14)과 노즐(4)의 선단부를 맞대어 형성된 맞댐 개선을 Ni기계 합금 재료를 사용하여 용접하여 용접부(8)를 형성하여 접속한다.
제2 실시예에 따르면, 제1 실시예와 동일한 효과에 추가하여, 상기 홈(10)을 형성함으로써, 상기 홈(10)에 의해 헤더(2)와 노즐(4)이 다른 재료인 것에 따라서 발생하는 열응력을 경감시킬 수 있다.
이에 의해, 용접 재료와 노즐(오스테나이트계 스테인리스강) 및 용접 재료와 헤더(페라이트강) 사이에 발생하는 열응력의 절대치는, 응력 해석을 행한 결과, 매우 작은 것이고, 상기 열응력에 의한 크리프 손상은 작아 실용상 문제가 없는 것이 판명되었다.
이상의 점에서, 노즐을 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성함으로써, 노즐이 갖는 굽힘 가공부의 관 편평에 기인하는 굽힘 응력이나 노즐 용접부의 손상이 작고, 또한 온도 변동에 대한 여유도가 현저하게 높아져, 크리프 손상을 실용상 문제가 없을 정도까지 억제할 수 있다고 할 수 있다.
또한, 노즐을 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성함으로써 발생하는 열응력에 기인하는 크리프 손상은 실용상 문제가 없을 정도로 작다.
(제3 실시예)
제3 실시예에 있어서는, 600℃급 USC 보일러의 최종 과열기 및 재열기에서 사용되는 헤더 및 노즐의 제1 실시예 및 제2 실시예와는 다른 예에 대해 설명한다.
도 4는 제3 실시예에 관한 헤더 노즐 용접부 주변의 단면도이다.
도 4에 있어서, 페라이트강인 9Cr강으로 형성된 헤더(2)의 외주벽에는 노즐(4)의 외경과 대략 동일한 직경인 관통 구멍(3)이 형성되어 있다. 상기 관통 구멍(3)에, 굽힘 가공부를 갖는 노즐(4)을, 그 선단부가 헤더(2)의 외주벽의 내면과 대략 일치하는 위치까지 삽입한다. 또한, 삽입 시에는 미리 노즐(4)을 냉각하거나, 헤더(2)를 따뜻하게 해 둠으로써 노즐(4)의 삽입이 용이해진다. 보수 등과 같이 적은 수의 노즐(4)을 삽입하는 경우에는 삽입하는 노즐(4)을 미리 냉각해 두고, 설비신설 시 등 대량의 노즐(4)을 헤더(2)에 삽입하는 경우에는 헤더(2)를 미리 따뜻하게 해 두면 효율적이다.
그 후, 삽입된 노즐(4)의 선단부를, 헤더(2)의 외주벽의 내면에, Ni기 합금의 용접 재료를 사용한 용접에 의해 용접부(12)를 형성하여 접속한다. 헤더(2)의 내측으로부터 시일 용접을 행할 필요가 있지만, 통상 USC 보일러의 최종 과열기 및 재열기에서 사용되는 헤더는 내경이 300㎜ 정도이고, 내부로부터 사람의 손으로 용접을 행하는 것이 곤란한 경우에는, 자동 용접용 로봇 등을 준비할 필요가 있다.
제3 실시예에 따르면, 열응력에 의한 노즐 굽힘 응력이 최대로 되는 개소는, 헤더 외주면측의 헤더와 노즐의 접촉 위치(도 4의 D의 위치)로 되지만, 그 개소에는 크리프 강도가 약한 용접부가 존재하지 않으므로, 노즐에 굽힘 응력이 작용해도, 상기 굽힘 응력에 기인하는 크리프 손상은 거의 발생하지 않는다.
또한 이때, 노즐(오스테나이트계 스테인리스강)이 헤더(페라이트강)로부터 압축 응력을 받지만, 노즐(오스테나이트계 스테인리스강)의 크리프 수명은 헤더(페라이트강)에 비하면 높고, 충분한 강도를 갖는 것이 응력 해석을 행한 결과 판명되었다.
이상의 점에서, 노즐을 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성함으로써, 노즐이 갖는 굽힘 가공부에 기인하는 굽힘 응력이나 온도 변동에 대한 내구성이 현저하게 향상되어, 크리프 손상을 실용상 문제가 없을 정도까지 억제할 수 있다고 할 수 있다.
또한, 노즐을 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성함으로써 발생하는 열응력에 기인하는 크리프 손상은 실용상 문제가 없을 정도로 작다.
노즐과 헤더 사이에 별도의 부재를 개재시키지 않고, 즉 부품 개수를 늘리지 않고, 노즐의 크리프 및 피로 손상에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 헤더 노즐의 용접 구조로서 사용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 페라이트계 내열강으로 이루어지는 헤더의 외주벽에, 굽힘 가공부를 갖는 복수개의 노즐이 용접에 의해 접속되는, 발전용 보일러에 사용되는 헤더 노즐의 용접 구조에 있어서,
    상기 노즐은 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성되고,
    상기 헤더에, 상기 오스테나이트계 스테인리스강제의 노즐이, Ni기 합금의 용접 재료를 사용한 용접에 의해 접속되고,
    상기 용접 재료가, 상온으로부터 600℃에서의 열팽창 계수가, 페라이트강의 일종인 9Cr강과 오스테나이트계 스테인레스강의 사이인 Ni기 합금인 것을 특징으로 하는, 헤더 노즐의 용접 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 헤더 외주벽의 외표면에 있어서의 노즐 용접 위치 주위에 환형상의 홈이 새겨지고,
    상기 홈의 내측에 노즐 접합면이 형성되고,
    오스테나이트계 스테인레스강으로 형성된 상기 노즐과 상기 노즐 접합면이 동일 직경을 갖고 연속적으로 연결되도록, 상기 노즐과 상기 노즐 접합면의 선단부를 맞대어 맞댐 개선이 형성되고,
    상기 맞댐 개선이 상기 Ni기 합금의 용접 재료를 사용하여 용접되는 것을 특징으로 하는, 헤더 노즐의 용접 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 헤더 외주벽의 노즐 용접 위치에 관통 구멍을 형성하고,
    상기 노즐 선단부를 상기 관통 구멍에 삽입하고,
    상기 삽입된 노즐 선단부가, 상기 헤더 외주벽의 내면에, Ni기 합금의 용접 재료를 사용한 용접에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는, 헤더 노즐의 용접 구조.
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