WO2012039273A1 - 枝管溶接部の熱処理方法 - Google Patents

枝管溶接部の熱処理方法 Download PDF

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WO2012039273A1
WO2012039273A1 PCT/JP2011/070195 JP2011070195W WO2012039273A1 WO 2012039273 A1 WO2012039273 A1 WO 2012039273A1 JP 2011070195 W JP2011070195 W JP 2011070195W WO 2012039273 A1 WO2012039273 A1 WO 2012039273A1
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昌樹 鶴来
青池　聡
折谷　尚彦
ゆか 福田
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株式会社日立製作所
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    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints

Definitions

  • the present invention relates to a heat treatment method for improving the residual stress of piping generated by welding or processing.
  • Patent Documents 1 to 3 are typical methods for improving the residual stress after pipe welding or processing.
  • a refrigerant is passed through the pipe inner surface, a temperature difference is generated in the thickness direction of the pipe, the pipe inner surface is pulled, and the pipe outer surface is compressed and yielded.
  • it describes a method of forming a residual stress distribution in the pipe plate thickness direction so that the inner surface of the pipe becomes compressive stress and the outer surface of the pipe becomes tensile stress after the heat treatment.
  • the tensile residual stress generated by the thermal history of welding and processing contributes to the decrease in fatigue strength, the occurrence of stress corrosion cracking, and the development. By releasing or compressing these residual stresses, damage due to fatigue and stress corrosion cracking can be suppressed.
  • Patent Document 1 With respect to the tensile residual stress of welding and processing in piping, in Patent Document 1, after uniformly heating the outer surface of the pipe to a small-diameter pipe with a thin plate thickness, the coolant is passed through the inner surface, and the temperature difference is caused in the thickness direction. It describes a method of generating and compressing the inner surface of the pipe and generating a tensile residual stress on the outer surface.
  • Patent Document 2 describes the composition of the target material, the temperature and time of heat treatment, the hardness after heat treatment, and the cleanliness of the surface.
  • Patent Document 3 describes a heat treatment temperature, a heating range, a necessary plate thickness temperature difference, a heat treatment time, and a construction method.
  • the end of the large-diameter pipe side of the heating range is greatly decreased from the target temperature, and sufficient stress improvement may not be realized.
  • the temperature is greatly higher than the target temperature in the vicinity of the center of the heating range, which may affect the material properties of the pipe.
  • a larger heater is required, which causes an increase in cost.
  • the temperature rise rate is suppressed to make the temperature uniform, the work time becomes enormous, and it is necessary to insulate a wide range of piping with a heat insulating material or the like, which also causes an increase in cost.
  • JP 54-94415 A Japanese Patent No. 4196755 JP 2005-320626 A
  • An object of the present invention is to provide a heat treatment method for reducing tensile residual stress generated by welding or processing of piping.
  • the present invention uses a joint joint that joins a small-diameter pipe having a diameter of 200 mm or less and a plate thickness of 15 mm or less to a larger-diameter pipe, and after welding the small-diameter pipe and the joint joint,
  • the distance between the heating range and the large-diameter pipe is 70 mm or more.
  • the tensile residual stress generated by pipe welding or processing can be effectively changed to a compressive residual stress.
  • the schematic diagram of an example of joining of large diameter piping and small diameter piping of a prior art Sectional drawing of an example of the joint of the large diameter piping and small diameter piping of a prior art.
  • the schematic diagram of one Example of this invention Sectional drawing of one Example of the joint of large diameter piping and small diameter piping. The relationship between the heating position and the maximum temperature difference within the heating range.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of one embodiment of the present invention.
  • the small-diameter pipe 12 having a diameter of 200 mm or less and a plate thickness of 15 mm or less is joined to the larger-diameter pipe 10 via a joint 31 previously joined to the pipe 10.
  • the joint 31 is composed of a thick pedestal portion 32 that is directly joined to the large-diameter pipe 10 and a small-diameter portion 33 that is designed to have the same diameter as the small-diameter pipe 12 and is joined directly to the pipe 12.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the heating state of the welded portion of one embodiment of the present invention.
  • a heater 42 is disposed on the outer surface of the welded portion 41 between the small-diameter portion 33 of the joint 31 and the small-diameter pipe 12 to heat the welded portion.
  • the heating range reaches a predetermined target temperature
  • the refrigerant is flowed into the pipe to cool the inner surface of the pipe, and the residual stress on the inner surface of the welded portion 41 is improved by the temperature difference between the inner and outer surfaces.
  • it is desirable that the heating range can be heated as uniformly as possible.
  • FIG. 5 shows the relationship between the distance between the end of the heating range and the large-diameter pipe 10, the maximum temperature difference within the heating range, and the heating target temperature, obtained using the finite element method.
  • the horizontal axis indicates the distance between the end of the heating range and the large-diameter pipe 10
  • the vertical axis indicates the ratio between the maximum temperature difference within the heating range and the heating target temperature.
  • the vertical axis indicates that the smaller the value, the more uniformly the heating range is heated. From FIG. 5, the ratio between the maximum temperature difference in the heating range and the heating target temperature rapidly decreases when the distance between the end of the heating range and the large-diameter pipe 10 exceeds 50 mm, and becomes constant above 70 mm.
  • the distance between the end of the heating range and the large-diameter pipe 10 is 70 mm or more. Therefore, as shown in FIG. 4, the length of the small-diameter portion 33 of the joint 31 is the distance from the end of the heater 42 to the large-diameter pipe 10 in consideration of the length of the heater 42 for heating uniformly. May be 70 mm or more.

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Abstract

　本発明は、直径が２００ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以下の小口径配管（１２）を、より大口径の配管（１０）と接合する接合継ぎ手（３１）を用いて、前記小口径配管（１２）と前記接合継ぎ手（３１）との溶接後に、溶接部近傍を加熱した後、配管内面を冷媒で冷却する熱処理方法において、加熱範囲と大口径配管（１０）との距離が７０ｍｍ以上であることを特徴とする熱処理方法である。これにより、配管の溶接または加工によって発生する引張残留応力を低減する熱処理方法を提供する。

Description

枝管溶接部の熱処理方法
　本発明は、溶接または加工によって発生した配管の残留応力を改善する熱処理方法に関する。
　配管の溶接または加工後の残留応力を改善する代表的な方法として、特許文献１～３が挙げられる。これらの特許文献には、配管外面を所定の温度に加熱した後、配管内面に冷媒を通し、配管の板厚方向に温度差を発生させ、配管の内面を引張り降伏，配管外面を圧縮降伏させることにより、熱処理後には配管内面が圧縮応力，配管外面が引張り応力になるような残留応力分布を配管板厚方向に形成させる方法について記載されている。
　溶接や加工の熱履歴により発生した引張り残留応力は、疲労強度の低下，応力腐食割れの発生，進展の一要因となる。これらの残留応力を開放または圧縮化することにより、疲労，応力腐食割れによる損傷を抑制することが可能である。
　配管における溶接，加工の引張り残留応力に対し、特許文献１では、板厚が薄い小径管に対して配管外面を均一加熱した後、冷却材を内面に通水し、板厚方向に温度差を発生させ、配管内面に圧縮、外面に引張りの残留応力を発生させる方法について記載している。
　特許文献２では、対象とする材料の成分，熱処理の温度，時間，熱処理後の硬さ，表面の清浄度について記載されている。
　特許文献３では、熱処理の温度，加熱の範囲，必要な板厚温度差，熱処理時間，工法について記載されている。
　いずれの文献でも、適切な応力改善を実現するには適切な加熱範囲を均一に加熱することが望まれている。
　しかし、直径が２００ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以下の小口径配管を、より大口径の配管に接合する場合には、図１に示すように、予め、大口径配管１０に接合された継ぎ手１１に該小口径配管１２を溶接する方法が用いられているが、継ぎ手は、図２の断面図に示すように、短軸であり該小口径配管と同径部２１長さは厚肉部２２に比しても短い構造となる。従って、継ぎ手と小口径配管との溶接部と該大口径配管との距離が近いため、大きな熱容量を有する該大口径配管に熱を吸収され、均一に加熱できない問題があった。
　つまり、加熱範囲中央近傍を所定の目標温度まで加熱すると加熱範囲の大口径配管側端部では目標温度より大きく低下し、充分な応力改善が実現できない可能性がある。一方、加熱範囲の大口径配管側端部を所定の目標温度まで加熱すると、加熱範囲中央近傍では目標温度を大きく上回る温度となり、配管の材料特性に影響を与える可能性がある。また、加熱範囲の大口径配管側端部を所定の目標温度まで加熱するには、より大きなヒータが必要となり、コスト増加の要因となる。また、昇温速度を抑制して温度の均一化を図ると、作業時間が膨大となり、広範囲の配管を断熱材などで断熱処理する必要があり、やはりコスト増加の要因となる。
特開昭５４－９４４１５号公報 特許第４１９６７５５号公報 特開２００５－３２０６２６号公報
　本発明の目的は、配管の溶接または加工によって発生する引張残留応力を低減する熱処理方法を提供することにある。
　本発明は、直径が２００ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以下の小口径配管を、より大口径の配管と接合する接合継ぎ手を用いて、前記小口径配管と前記接合継ぎ手との溶接後に、溶接部近傍を加熱した後、配管内面を冷媒で冷却する熱処理方法において、加熱範囲と大口径配管との距離が７０ｍｍ以上であることを特徴とする。
　本発明によれば、配管の溶接または加工によって発生する引張残留応力を効果的に圧縮残留応力に変えることができる。
従来技術の大口径配管と小口径配管の接合の一例の模式図。 従来技術の大口径配管と小口径配管の継ぎ手の一例の断面図。 本発明の一実施例の模式図。 大口径配管と小口径配管の継ぎ手の一実施例の断面図。 加熱位置と加熱範囲内最大温度差の関係。
　以下、本発明を詳細に説明する。
　図３には本発明の一実施例の模式図を示す。図３は、直径が２００ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以下の小口径配管１２は、より大口径の配管１０と、予め該配管１０に接合された継ぎ手３１を介して接合される。継ぎ手３１は、大口径配管１０と直接接合する厚肉の台座部３２と小口径配管１２と同じ径で設計されて、該配管１２と直接接合する小口径部３３からなる。
　図４には本発明の一実施例の溶接部の加熱状態を模式的に示す断面図である。図４では、継ぎ手３１の小口径部３３と小口径配管１２との溶接部４１の外表面にヒータ４２を配して溶接部を加熱している。加熱範囲が所定の目標温度に達した後、配管内に冷媒を流して配管内面を冷却し、内外面の温度差により溶接部４１の内面の残留応力の改善を図っている。このとき、加熱範囲をできるだけ均一に加熱できることが望ましい。
　図５には、有限要素法を用いて求めた、加熱範囲の端部と大口径配管１０との距離と加熱範囲内の最大温度差と加熱目標温度との比の関係を示す。横軸は加熱範囲の端部と大口径配管１０との距離を示し、縦軸は加熱範囲内の最大温度差と加熱目標温度との比を示している。縦軸は値が小さければ小さいほど、加熱範囲が均一に加熱されていることを示している。図５より、加熱範囲内の最大温度差と加熱目標温度との比は、加熱範囲の端部と大口径配管１０との距離が５０ｍｍを越えると急激に低下し、７０ｍｍ以上では一定となる。
　したがって、加熱範囲の端部と大口径配管１０との距離は７０ｍｍ以上離すのが適切である。よって、図４に示すように、継ぎ手３１の小口径部３３の長さは、均一に加熱するためのヒータ４２の長さを考慮して、ヒータ４２の端部から大口径配管１０までの距離が７０ｍｍ以上になるようにすればよい。
１０　大口径配管
１１　従来技術の接合継ぎ手
１２　小口径配管
２１　同径部
２２　厚肉部
３１　本発明の接合継ぎ手
３２　厚肉の台座部
３３　小口径部
４１　溶接部
４２　ヒータ

Claims (2)

  1. 　直径が２００ｍｍ以下、板厚が１５ｍｍ以下の小口径配管（１２）を、より大口径の配管（１０）と接合する接合継ぎ手（３１）を用いて、前記小口径配管（１２）と前記接合継ぎ手（３１）との溶接後に、溶接部近傍を加熱した後、配管内面を冷媒で冷却する熱処理方法において、
    　加熱範囲と大口径配管（１０）との距離が７０ｍｍ以上であることを特徴とする熱処理方法。
  2. 　請求項１において、加熱範囲と大口径配管（１０）との距離が７０ｍｍ以上になるように、前記接合継ぎ手（３１）には、予め、小口径配管（１２）と同じ口径部（３３）が配置されていることを特徴とする熱処理方法。
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