KR20160105502A - 주강 부재의 보수 방법 - Google Patents

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히데타카 니시다
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쥬코쿠 덴료쿠 가부시키 가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생한 균열을 현장에서 확실하게 보수하는 것에 있다. 본 발명에서는 강 부재의 표면부(11)의 균열(12)을 포함하는 부분을 제거하여 오목부(15)를 형성하고, 주강 부재보다 부드럽고, 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 제 1 보수 부재(20)(순수 니켈제의 부재 등)를 오목부(15)에 끼워넣고, 끼워넣어진 제 1 보수 부재(20)와 주강 부재를 스폿 용접에 의해 접합한다. 또한, 주강 부재보다 부드럽고 또한 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 띠 형상의 제 2 보수 부재(30)를, 균열(12)의 길이 방향과 교차하도록, 또한 끼워넣은 제 1 보수 부재(20)의 위를 걸치도록 용접한다.

Description

주강 부재의 보수 방법{METHOD FOR REPAIRING CAST STEEL MEMBER}
본 발명은 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생된 균열을 보수하는 보수 방법에 관한 것이다.
화력 발전 설비나 원자력 발전 설비 등에 있어서의 주강 부재는 장기간에 걸쳐서 고온·고압 조건에 놓여지는 경우가 많으므로, 이것들은 열응력에 의한 크리프 손상을 받고, 또한 이것이 원인이 되어 균열이 발생한다.
이러한 균열을 보수하는 경우, 일반적으로는 균열의 표면 부근을 깎고, 그 위에 용접 오버레이를 하고, 열처리하는 방법이 취해지고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 터빈 날개 표면의 보수의 경우에는 표면의 균열에 절삭면을 형성하고, 이 절삭면의 주위를 가열하고, 가열한 상태에서 니켈기 합금 등의 용접 재료로 용접·육성하고 서냉한 후, 육성부를 절삭하여 γ'(감마 프라임) 상을 석출하는 열처리를 행한다.
일본 특허 공개 2011-214541호 공보
그런데, 화력 발전 설비나 원자력 발전 설비 등에 있어서의 주강 부재에는 증기 터빈실이나 증기 터빈의 밸브 등 대형의 것이 많으므로 열처리를 행하는 경우에 있어서는 이들 부재를 공장에 가지고 들어갈 수 없다. 따라서, 열처리는 현장에서 행하지 않을 수 없지만 현장에서 행할 수 있는 열처리의 규모에는 한계가 있기 때문에 결과적으로 열처리가 불충분하여 도리어 보수 부분이 취화해서 균열되기 쉬워지는 등의 문제가 생기고 있었다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생한 균열을 확실하게 현장에서 보수하는 보수 방법을 제공하는 것에 있다.
상술의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나는, 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생한 균열을 보수하는 보수 방법으로서, 상기 주강 부재의 표면부의 상기 균열을 포함하는 부분을 제거하여 오목부를 형성하고, 상기 주강 부재보다 부드럽고, 상기 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 제 1 보수 부재를 상기 오목부에 끼워넣고, 상기 끼워넣어진 제 1 보수 부재와 상기 주강 부재를 스폿 용접에 의해 접합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 같이, 주강 부재보다 부드럽고 또한 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 제 1 보수 부재를 균열을 제거한 부분에 끼워넣음으로써, 이 제 1 보수 부재가 자신(균열의 제거 부분인 오목부)에 작용하는 열응력을 주위로 발산할 수 있다. 이것에 의해, 보수 부분으로부터 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 제 1 보수 부재와 주강 부재의 용접을 현장에서의 시공이 용이한 스폿 용접에 의해 행한다. 이것에 의해, 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생한 균열을 현장에서 확실하게 보수할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 하나는, 상기 주강 부재보다 부드럽고 또한 상기 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 띠 형상의 제 2 보수 부재를, 상기 균열의 길이 방향과 교차하도록, 또한 상기 끼워넣어진 제 1 보수 부재 상을 걸치도록 용접하는 것을 특징으로 한다.
균열의 길이 방향과 교차하는 방향은 열응력이 걸리기 쉬운 방향이다. 그래서, 본 발명과 같이 주강 부재보다 부드러운 제 2 보수 부재를 균열의 길이 방향과 교차하도록 제 1 보수 부재의 위를 걸치도록 용접함으로써 보수 부분으로부터의 균열의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 하나는 상기 장착한 제 2 보수 부재와 상기 주강 부재의 본체를 스폿 용접에 의해 접합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 제 2 보수 부재의 용접에 대해서도 스폿 용접을 행하여 접합하므로 현장에서의 시공이 용이하게 행해진다.
또한, 본 발명의 다른 하나는 상기 제 1 보수 부재 및 상기 제 2 보수 부재는 동일한 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 1 보수 부재 및 제 2 보수 부재가 동일한 소재임으로써, 보수 부분에 작용하는 열응력을 주위에 균등하게 분산시킬 수 있으므로, 보수 부분으로부터의 균열의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 이 경우의 제 1 보수 부재 및 제 2 보수 부재로서는, 예를 들면 니켈의 순도가 99.9% 이상인 금속제의 부재가 적합하게 사용된다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생한 균열을 현장에서 확실하게 보수할 수 있다.
도 1은 증기 터빈 케이싱의 외각(外殼) 부재의 일례를 설명하는 도면이다.
도 2는 균열(12)의 확대도이다.
도 3은 절삭선(13)에 의거한 균열 부분의 제거를 나타내는 도면이다.
도 4는 제 1 보수 부재(20)의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는 제 1 보수 부재(20)의 오목부(15)로의 장착을 설명하는 도면이다.
도 6은 제 1 보수 부재(20)와 모재의 표면부(11)를 고착하는 스폿 용접을 설명하는 도면이다.
도 7은 제 2 보수 부재(30)의 구성을 설명하는 도면이다.
도 8은 제 2 보수 부재(30)의 홈부(16)로의 장착을 설명하는 도면이다.
도 9는 제 2 보수 부재(30)와 모재를 고착하는 스폿 용접을 설명하는 도면이다.
본 실시형태의 주강 부재의 보수 방법은 열응력에 의해 발생한 주강 부재의 균열의 보수에 대하여 적용할 수 있고, 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같은 화력 발전소나 원자력 발전소 등에 설치되는 증기 터빈 케이싱의 외각 부재(10)에 적용할 수 있다.
증기 터빈 케이싱의 외각 부재(10)는 CrMoV 주강 등의 주강 부재로 이루어지고, 그 기동·정지에 수반하여 열응력을 받는다. 이것에 의해, 증기 터빈 케이싱외각 부재(10)는 크리프 손상을 받아 내측의 표면부(11)에 균열(12)이 발생한다. 균열(12)은, 예를 들면 동 도면에 나타내는 바와 같이 지그재그 형상으로 나타내어진다. 이하에서는 이 균열(12)의 보수 방법을 예로, 본 실시형태의 주강 부재의 보수 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 균열(12)의 확대도이다. 우선, 본 실시형태의 보수 방법에서는 동 도면에 나타내는 바와 같이 표면부(11)에 발생한 균열(12)에 대하여 균열(12)의 길이 방향(제 1 방향)과, 이것과 직교하는 방향인 균열(12)의 폭 방향(제 2 방향)을 결정한다. 그리고, 이 길이 방향의 균열(12)의 길이, 및 폭 방향의 균열(12)의 길이를 캘리퍼스 등으로 측정한다.
보수를 필요로 하는 균열(12)의 길이 방향의 길이는, 예를 들면 5㎜~100㎜이며, 균열(12)의 폭 방향의 길이는, 예를 들면 0.1㎜~10㎜이다. 본 실시형태에서는 도 2에 나타내는 바와 같이 균열(12)의 길이 방향의 길이는 L, 폭 방향의 길이는 W인 것으로 한다.
이어서, 이 균열(12)을 제거한다. 설명의 편의상, 본 실시형태에서는 도 3에 나타내는 바와 같이 균열(12)의 전체를 둘러싸는 직사각 형상의 절삭선(13)을 모재의 표면에 설정하는 것으로 한다. 절삭선(13)의 장변(13a)의 방향은 먼저 설정한 균열(12)의 길이 방향과 평행하게 하고, 절삭선(13)의 단변(13b)의 방향은 먼저 설정한 균열(12)의 폭 방향과 평행하게 한다.
절삭선(13)의 장변(13a)의 길이는, 예를 들면 1㎜~120㎜ 정도이다. 또한, 절삭선(13)의 단변(13b)의 길이는, 예를 들면 1㎜~30㎜ 정도이다. 본 실시형태에서는동 도면에 나타내는 바와 같이 절삭선(13)의 장변(13a)이 L2, 절삭선(13)의 단변(13b)이 W2인 것으로 한다.
그리고, 이 절삭선(13)에 의거해 균열(12)과 그 주위를 깎아낸다. 즉, 도 3에 나타내는 바와 같이 절삭선(13)을 따라서 표면부(11)를 깊이 방향의 도중까지 깎아낸다. 이 작업은, 예를 들면 드릴이나 엔드 밀 등의 공구로 행한다.
또한, 표면부(11)를 깎아내는 깊이는 균열(12)이 진전되고 있다고 생각되는 깊이보다 깊은 것이 필요하다. 균열(12)의 내부로의 진전의 정도가 판단되지 않은 경우에는 균열의 유무를 확인하면서 조금씩 절삭을 반복하도록 하면 된다.
또한, 깎아내는 깊이는 구체적으로는, 예를 들면 1㎜~100㎜ 정도이다. 본 실시형태에서는 도 3에 나타내는 바와 같이 길이 D2를 갖는 깊이 방향의 변(14)을 갖는 대략 직육면체의 공간인 오목부(15)를 형성하는 것으로 한다.
이어서, 이상과 같이 형성한 오목부(15)를 도 4에 나타내는 보수 부재(이하, 제 1 보수 부재(20)라고 한다)로 보수한다. 제 1 보수 부재(20)는 오목부(15)와 같은 형상으로 성형되어 있다. 설명의 편의상, 본 실시형태에서는 길이 L2의 변(21)과, 길이 W2의 변(22), 길이 D2의 변(23)을 갖는 직육면체 형상의 부재인 것으로 했다.
그리고, 이 제 1 보수 부재(20)를 도 5와 같이 오목부(15)에 매설한다. 구체적으로는 제 1 보수 부재(20)의 변(21)과 절삭선(13)의 장변(13a), 제 1 보수 부재(20)의 변(22)과 절삭선(13)의 단변(13b), 제 1 보수 부재(20)의 변(23)과 오목부(15)의 깊이 방향의 변(14)을 각각 대응시켜서 제 1 보수 부재(20)를 오목부(15)에 끼워넣고, 제 1 보수 부재(20)를 표면측으로부터 두드려서 밀어넣는다.
여기서, 제 1 보수 부재(20)의 소재는 표면부(11)의 소재(주강)보다 부드러운 금속제의 소재이다. 이 이유는 다음과 같다. 즉, 균열(12)이 발생한 표면부(11)는 열응력이 걸리기 쉬운 부위이기 때문에 거기에 표면부(11)의 소재인 주강보다 부드러운 제 1 보수 부재(20)를 끼워넣음으로써, 그 제 1 보수 부재(20)에 작용하는 열응력은 주위로 분산되어 보수 부분으로부터의 균열은 매우 발생되기 어려워지기 때문이다.
이러한 제 1 보수 부재(20)의 소재로서는, 예를 들면 순수 니켈이 있다. 니켈의 순도는 적어도 99.9% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 니켈 이외의 금속에서는, 예를 들면 크롬, 철, 알루미늄 등이 적합하지만, 이 경우의 순도는 99.9999% 이상인 것이 바람직하다.
계속해서, 도 6의 부호 24에 나타내는 바와 같이 제 1 보수 부재(20)를 스폿 용접한다. 즉, 제 1 보수 부재(20)의 코너부와 모재를 표면부(11)에서 스폿 용접에 의해 접합한다. 또한, 도 6의 예에서는 네 모퉁이를 스폿 용접하고 있다. 이 스폿 용접은, 예를 들면 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접에 의해 행할 수 있다.
제 1 보수 부재(20)는 이와 같이 스폿 용접을 행할 수 있는 금속제의 소재인 것이 필요하다. 상기 순니켈 등은 이 조건을 충족하고 있다.
이어서, 제 1 보수 부재(20)에 의해 보수된 부분을 더욱 보강한다. 도 7은 이 보강에 사용하는 부재(이하, 제 2 보수 부재(30)라고 함)이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이 제 2 보수 부재(30)는 띠 형상의 부재이다.
제 2 보수 부재(30)는 모재의 표면부(11)에 장착된다. 도 8은 제 2 보수 부재(30)의 모재로의 장착을 설명하는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 제 2 보수 부재(30)의 장착시에는 모재의 표면부(11)에 홈부(16)를 형성해 둔다.
홈부(16)는 모재의 표면에 형성된 직사각 형상의 절삭선(17)을 따라서 표면부(11)를 절삭함으로써 형성된다. 홈부(16)는 제 2 보수 부재(30)를 장착했을 때에 제 2 보수 부재(30)와 감합하는 형상을 갖는다. 홈부(16)는, 예를 들면 커터나 엔드 밀 등의 공구에 의해 형성된다. 또한, 홈부(16)는 연삭 등의 다른 기계 가공에 의해 표면부(11)를 제거하여 형성해도 좋다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 홈부(16)는 제 1 보수 부재(20)의 위를 걸치도록 설치되고, 홈부(16)의 길이 방향은 제 1 보수 부재(20)의 길이 방향(제 1 방향)과 교차하는 방향으로 설치된다. 홈부(16)의 길이 방향은 바람직하게는 길이 방향과 이루는 각이 대략 직각(80~90도)으로 되는 방향(균열(12)의 폭 방향과 평행한 방향)이다. 본 실시형태에서도 홈부(16)의 길이 방향과 길이 방향이 이루는 각은 대략 직각인 것으로 한다.
또한, 홈부(16)의 깊이는 제 2 보수 부재(30)의 두께와 일치하고, 제 2 보수 부재(30)를 장착했을 때에 보수 부분에 의한 모재의 표면이 평탄하게 되도록 설계되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서도 홈부(16)의 깊이와 제 2 보수 부재(30)의 두께는 일치하고 있는 것으로 한다.
또한, 홈부(16)의 길이 방향의 길이는, 예를 들면 5㎜~100㎜이며, 홈부(16)의 폭 방향(제 1 보수 부재(20)의 길이 방향과 평행한 방향)의 길이는, 예를 들면 1㎜~20㎜이며, 홈부(16)의 깊이 방향의 길이는, 예를 들면 1㎜~20㎜이다. 본 실시형태에서는 도 8에 나타내는 바와 같이 홈부(16)의 길이 방향의 길이가 L3, 폭 방향의 길이가 W3, 깊이 방향(두께 방향)의 길이가 D3인 것으로 한다. 따라서, 제 2 보수 부재(30)의 길이 방향의 길이는 L3, 폭 방향의 길이는 W3, 두께 방향의 길이는 D3이다.
또한, 제 2 보수 부재(30)의 소재는 제 1 보수 부재(20)와 마찬가지로 스폿 용접이 행할 수 있는 금속제의 소재이다. 또한, 제 2 보수 부재(30)의 소재는 제 1 보수 부재(20)와 동일하고, 표면부(11)보다 부드러운 금속제의 소재인 것이 바람직하다. 제 1 보수 부재(20)의 소재와 제 2 보수 부재(30)의 소재가 동일함으로써 보수 부분에 작용하는 열응력은 주위에 균등하게 분산되므로 보수 부분으로부터의 균열의 발생이 효과적으로 억제된다.
이러한 제 2 보수 부재(30)의 소재의 예로서는 상술의 순수 니켈이 예시되고, 그 순도는 적어도 99.9% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 니켈 이외의 금속에서는, 예를 들면 크롬, 철, 알루미늄 등을 사용할 수 있지만, 이 경우의 순도는 99.9999% 이상인 것이 바람직하다.
최후로, 홈부(16)에 끼워넣어진 제 2 보수 부재(30)와 모재를 스폿 용접에 의해 고착한다. 즉, 도 9의 부호 31에 나타내는 바와 같이 제 2 보수 부재(30)의 4개의 코너부의 각각과, 절삭선(17)의 4개의 코너부의 각각을 스폿 용접에 의해 고착한다. 또한, 이 스폿 용접은, 예를 들면 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접에 의해 행한다.
이와 같이 해서, 제 2 보수 부재(30)를 제 1 보수 부재(20)의 길이 방향과 교차하는 방향, 즉 균열(12)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 장착함으로써 보수 부분으로부터의 균열의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 균열(12)의 발생 방향(균열(12)의 길이 방향)과 교차하는 방향은 열응력이 작용하기 쉬운 방향이므로, 제 2 보수 부재(30)를 제 1 보수 부재(20)와 마찬가지로 주강 부재보다 부드러운 소재로 함으로써 균열의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 이 경우 제 2 보수 부재(30)와 모재의 용접은 제 1 보수 부재(20)의 경우와 마찬가지로 스폿 용접에 의해 행해지고 있으므로, 현장에서의 시공도 용이하게 행할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 보수 방법에서는 보수 대상 부재인 주강 부재보다 부드럽고 또한 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 제 1 보수 부재(20)를 오목부(15)에 끼워넣음으로써, 이 제 1 보수 부재(20)가 보수 부분에 작용하는 열응력을 주위로 분산시킬 수 있으므로, 보수 부분으로부터의 균열의 발생을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생한 균열을 확실하게 보수할 수 있다.
특히, 열응력에 의해 발생하는 균열은 부재의 표면에 생기기 쉽다. 따라서, 제 1 보수 부재(20)를 오목부(15)와 감합하는 형상으로 하고, 오목부(15)에 메워 넣어진 제 1 보수 부재(20)가 오목부(15)의 표면에 접촉하도록 함으로써 오목부(15)의 표면으로부터의 균열의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 보수 방법에서는 제 1 보수 부재(20) 및 제 2 보수 부재(30)와 모재의 용접을 현장에서의 시공이 용이한 스폿 용접에 의해 행하고 있다. 이것에 의해, 화력 발전소나 원자력 발전소 등에 설치된 바와 같은 대형의 주강 부재에 균열이 발생한 경우라도 그 균열을 현장에서 확실하게 보수할 수 있다.
이상의 실시형태의 설명은 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지를 일탈하는 일 없이 변경, 개선될 수 있음과 아울러 본 발명에는 그 등가물이 포함된다.
예를 들면, 도 8, 도 9에서는 제 2 보수 부재(30)는 복수 설치되도록 하고 있지만, 균열(12)이 짧은 경우에는 하나만이어도 좋다.
10: 터빈 케이싱의 외각 부재 11: 표면부
12: 균열 13: 절삭선
13a: 장변 13b: 단변
14: 깊이 방향의 변 15: 오목부
16: 홈부 17: 절삭선
20: 제 1 보수 부재 21: 변
22: 변 23: 변
30: 제 2 보수 부재

Claims (5)

  1. 열응력에 의해 주강 부재의 표면에 발생한 균열을 보수하는 보수 방법으로서,
    상기 주강 부재의 표면부의 상기 균열을 포함하는 부분을 제거하여 오목부를 형성하고,
    상기 주강 부재보다 부드럽고, 상기 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 제 1 보수 부재를 상기 오목부에 끼워넣고,
    상기 끼워넣어진 제 1 보수 부재와 상기 주강 부재를 스폿 용접에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 주강 부재의 보수 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주강 부재보다 부드럽고 또한 상기 주강 부재와 용접 가능한 금속으로 이루어지는 띠 형상의 제 2 보수 부재를, 상기 균열의 길이 방향과 교차하도록, 또한 상기 끼워넣어진 제 1 보수 부재의 위를 걸치도록 용접하는 것을 특징으로 하는 주강 부재의 보수 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 장착한 제 2 보수 부재와 상기 주강 부재의 본체를 스폿 용접에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 주강 부재의 보수 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 보수 부재 및 상기 제 2 보수 부재는 동일한 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주강 부재의 보수 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 보수 부재 및 상기 제 2 보수 부재는 니켈의 순도가 99.9% 이상인 금속제의 부재인 것을 특징으로 하는 주강 부재의 보수 방법.
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