多重管の接合方法及び多重管
【課題】 耐食性の低下が少ない多重管の接合方法及び多重管を提供する。
【解決手段】 ２本の多重管１ａ、１ｂのそれぞれの一端面同士を接合する多重管の接合方法において、それぞれの多重管は低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂと、内管の外周に配されたステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂとを備え、２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間にアモルファスシートからなるインサート材を介在させた状態で、端面同士を突き合わせ、端面近傍を加熱してインサート材の融点以上かつ多重管の融点以下の温度に保持する。
【解決手段】 ２本の多重管１ａ、１ｂのそれぞれの一端面同士を接合する多重管の接合方法において、それぞれの多重管は低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂと、内管の外周に配されたステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂとを備え、２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間にアモルファスシートからなるインサート材を介在させた状態で、端面同士を突き合わせ、端面近傍を加熱してインサート材の融点以上かつ多重管の融点以下の温度に保持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重管の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石炭ガス化炉複合発電（ＩＧＣＣ）のガス化炉の火炉壁管には、ガス化炉で生成した高温の石炭ガスに対して、耐食性を持たせるために、例えば低合金鋼からなる内管と、この内管と一体となるようにその外周に形成されたステンレス鋼からなる外管とからなる二重管（コンポジット管）が用いられている。
【０００３】
前記内管を構成する低合金鋼は火炉壁管に強度を与える材料であり、さらにこの低合金鋼を高温の石炭ガスによる腐食から保護するために、外管の材料にはステンレス鋼が用いられている。ステンレス鋼は、Ｃｒを多く含むことにより耐食性を有している。
【０００４】
従来、このような二重管の切り換え補修等において２本の二重管を長手方向に接合する場合には、ＴＩＧ（ティグ）溶接による突き合わせ溶接が行われていた（例えば、特許文献１参照）。
図１０〜図１２は、二重管のＴＩＧ溶接による接合方法を説明する図である。
図１０は、接合前の二重管の概略縦断面図である。接合される二重管１ａ，１ｂは、低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂとステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂとから形成されている。二重管１ａ，１ｂの端面同士を突き合わせる部分には、外周側からＶ型開先５１が形成されている。
【０００５】
二重管１ａ，１ｂ同士を接合するには、まず内管２ａ，２ｂ同士が対向する領域に対し、低合金鋼用溶接材料からなるＴＩＧ溶加棒を用いてＴＩＧ溶接が行われる。続いて外管３ａ，３ｂ同士が対向する領域に対し、ステンレス鋼用溶接材料からなるＴＩＧ溶加棒を用いてＴＩＧ溶接が行われる。接合後の二重管１ａ，１ｂの概略縦断面図を図１１に示す。また、接合部Ｃの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管１ａ，１ｂの厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフを図１２に示す。図１１及び図１２に示すように、内管２ａ，２ｂ同士の間には低合金鋼用溶接材料により形成された低合金鋼溶着金属部（以下、「溶着金属」は「溶金」と略す）５２が形成され、外管３ａ，３ｂ同士の間にはステンレス鋼用溶接材料により形成されたステンレス鋼溶金部５３が形成されることにより、２本の二重管１ａ，１ｂが接合される。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４１０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したＴＩＧ溶接による二重管の接合方法を行った場合、低合金鋼溶金部５２とステンレス鋼溶金部５３とが接する部分においては、それぞれの成分が他方の成分中に互いに拡散しているため、図１２の部分拡大図に示すように、ステンレス鋼溶金部５３中のＣｒが希釈されたＣｒ希釈域Ｄが溶金幅と略等しい幅数ｍｍで管円周全域にわたって生じる。そして、図１２のグラフに示すように、二重管１ａ，１ｂの厚さ方向におけるステンレス鋼溶金部５３のＣｒ濃度は、外表面からＣｒ希釈域Ｄにかけて不均一に減少する傾向となる。
【０００８】
このＣｒ希釈域Ｄでは、組織がマルテンサイト化し、溶接割れが発生しやすいという問題があった。
また、特に接合した二重管１ａ，１ｂが、上述したＩＧＣＣにおけるガス化炉の火炉壁管等である場合は、二重管１ａ，１ｂの外部が高温の石炭ガスなどの腐食環境に曝されるため、ステンレス鋼溶金部５３の表面の健全部（Ｃｒ非希釈域）が腐食してＣｒ希釈域Ｄが露出すると、腐食による減肉が一気に加速される。すなわち、Ｃｒ希釈部Ｄによって接合部Ｃの耐食性が低下するという問題があった。
【０００９】
また、ＴＩＧ溶接は、溶接材料（ＴＩＧ棒）に起因するブローホールや融合不良といった溶接欠陥を生じやすいという問題があった。
さらに、ＴＩＧ溶接による接合方法は、多数の管が密集した火炉壁管の補修等に適用する場合には施工性が良くないという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、耐食性の低下が少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することを目的とする。また本発明は、溶接欠陥の少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することを目的とする。さらに本発明は、多数の管が密集した火炉壁管の補修等においても施工性の良い多重管の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の多重管の接合方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の多重管の接合方法は、２本の多重管のそれぞれの一端面同士を接合する多重管の接合方法であって、それぞれの多重管は低合金鋼からなる内管と、該内管の外周に配されたステンレス鋼からなる外管とを備え、前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間にアモルファスシートからなるインサート材を介在させた状態で、該端面同士を突き合わせ、前記端面近傍を加熱して前記インサート材の融点以上かつ前記多重管の融点以下の温度に保持する方法である。
この方法によれば、薄いシート状のアモルファスシートをインサート材として用いることにより、上記加熱・保持の工程においてＣｒ含有量が飽和しやすく、Ｃｒ希釈域が生じにくい。従って、インサート材がＣｒ含有量の少ない低合金鋼用アモルファスシートであっても、接合部の耐食性の低下を抑えることができる。また、ＴＩＧ溶接法で接合する場合のように複数の溶接材料を用いなくても、例えば低合金鋼用アモルファスシート１枚だけを溶接材料（インサート材）として用いても接合が可能なので、施工性がよい。さらに上記方法によれば、ＴＩＧ溶接において溶接材料（ＴＩＧ棒）が原因で発生するブローホールや融合不良といった溶接欠陥を生じにくい。
【００１２】
上記低合金鋼用アモルファスシートとは、例えばＣｒ含有量が２質量％以上３質量％以下のアモルファスシートである。
【００１３】
また、接合部のＣｒ含有量の飽和を補助するために、前記インサート材中のＣｒ含有量を３質量％以上２５質量％以下としてもよい。
この場合、接合部中のＣｒ含有量がより完全に飽和されるので、高い耐食性が得られる。また、より短時間でＣｒ含有量が飽和するので、加熱・保持時間を短縮することができる。
【００１４】
上記発明において、加熱し保持する時間は、通常は１８０秒以上３００秒以下、より好ましくは２００秒以上３００秒以下である。
Ｃｒの拡散を十分に行うためには１８０秒以上、より好ましくは２００秒以上の加熱・保持が行われる。また３００秒加熱・保持を行えばほぼ完全にＣｒ含有量が飽和すると考えられるので、３００秒を超えて加熱・保持を行っても、加熱・保持時間に応じたＣｒ拡散効果はほとんど得られない。
【００１５】
上記発明において、前記加熱及び保持は、高周波誘導加熱による前記多重管及びインサート材の自己発熱によるものとすることができる。
前記加熱及び保持に高周波誘導加熱を採用した場合、加熱温度及び保持温度の管理が容易である。また、溶接材料や溶接装置を取り回す必要がないので、作業性がよく、多数の管が密集した水冷壁管の補修等においても施工性が良い。また、高周波誘導加熱では、高周波電流の周波数に対応した浸透深さの部分において主に自己発熱がおこり、他の部分は熱伝導によって加熱されるので、耐食性が求められる外管の接合部分において加熱を優先し、Ｃｒの拡散を促進することができる。
【００１６】
前記高周波加熱を行う場合、前記外管の厚さ以下となる浸透深さで高周波誘導加熱を行い、次いで前記内管に達する浸透深さで高周波誘導加熱を行ってもよい。
この場合、外管の加熱時間を長くすることでＣｒの拡散を促し、多重管の母材と同等の耐食性及び強度を有する接合部を得ることができる。
【００１７】
上記発明において、前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間に前記インサート材を介在させて突き合わせた突き合わせ部分近傍の外表面に、この突き合わせ部分を覆うようにステンレス鋼用アモルファスシートからなる被覆材を配してから前記加熱を行ってもよい。
この場合、インサート材による形成された接合部は、耐食性の高いステンレス鋼用アモルファスシートにより形成された溶金で覆われているので、接合部の耐食性がさらに向上する。
【００１８】
また、上記発明において、前記インサート材は、前記内管の端面同士の間に配置される低合金鋼用アモルファスシートと、前記外管の端面同士の間に配置されるステンレス鋼用アモルファスシートとを有するものであってもよい。
この場合、内管及び外管の組成に近い組成のアモルファスシートがそれぞれインサート材として選択されるので、内管の接合部における強度及び外管の接合部における耐食性は、それぞれ多重管の素管における内管の強度及び外管の耐食性と略同等とすることができる。
【００１９】
上記発明において、前記多重管の接合部外周において、ステンレス鋼用溶接材料を用いてＴＩＧ溶接を行ってもよい。
この場合、インサート材により形成された接合部の外周は、耐食性の高いステンレス鋼用溶接材料によるＴＩＧ溶接で形成された溶金で覆われているので、Ｃｒ希釈域の大きさを最小限とし、接合部の耐食性を高めることができる。
【００２０】
また本発明の多重管は、上記接合方法により接合された多重管である。
この接合された多重管は、接合部におけるＣｒ希釈域が小さく、耐食性に優れている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、耐食性の低下が少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することができる。また本発明によれば、溶接欠陥の少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することができる。さらに本発明によれば、多数の管が密集した水冷壁管の補修等においても施工性の良い多重管の接合方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の多重管の接合方法にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態においては、ＩＧＣＣの石炭ガス化炉において火炉壁管として用いられている二重管を切り換え補修する際に本発明の多重管の接合方法を適用する例について説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態の多重管の接合方法を示す概略外観図である。また、図２は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
接合される２本の二重管（多重管）１ａ，１ｂは、低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂとステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂとから形成されている。内管２ａ，２ｂは、Ｃｒの含有量が２質量％以上３質量％以下の低合金鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＴＢＡ２４−２Ｃｒ）から形成されている。また、外管３ａ，３ｂは、Ｃｒの含有量が１８質量％以上２４質量％以下のステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＵＳ３１０ＴＢ）から形成されている。
二重管１ａ，１ｂの大きさには特に制限はないが、本実施形態では、例えば、外径が３８ｍｍ，内管２ａ，２ｂ部分の厚さが４ｍｍ以上５ｍｍ以下、外管３ａ，３ｂ部分の厚さが１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の二重管１ａ，１ｂが接合される。
本実施形態においては、二重管１ａ，１ｂ同士の溶接される端面は、平滑なＩ形開先となっている。
【００２４】
これら２本の二重管１ａ，１ｂは、液相拡散接合法により突き合わせ溶接される。
まず、図１に示すように、２本の二重管１ａ，１ｂの接合される端面同士を向かい合わせ、これら端面の間にアモルファスシート６からなるインサート材が配置される。アモルファスシート６は、二重管１ａ，１ｂの端面形状と略同じ外径及び内径を有するドーナッツ形状に裁断されており、二重管１ａ，１ｂの端面と略同心となる位置に配置される。
アモルファスシート６の厚さは、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲とすることができる。アモルファスシート６は一枚の厚さがこの範囲であればよいが、２枚以上重ね合わせて前記の範囲の厚さとしても良い。
アモルファスシート６としては、低合金鋼の液相拡散接合法において通常用いられる市販のアモルファスシートを用いることができる。このアモルファスシート６は、内管２ａ，２ｂの低合金鋼とほぼ等しい組成を有し、さらに融点を下げる作用のあるホウ素（Ｂ）等の元素を２質量％以上３質量％以下程度含有する非晶質金属箔である。従って、アモルファスシート６のＣｒ含有量は、内管２ａ，２ｂに用いられる低合金鋼と同様に、２質量％以上３質量％以下程度の範囲内とすることができる。このようなアモルファスシート６としては、例えば、Ｆｅ−２Ｃｒ−１Ｍｏ−０．３Ｓｉ−２Ｃｏ−２．７Ｂの組成を有するアモルファスシート（商品名：Ｈ２（Ｎｏ．２４３７５）、日立金属（株）製）等を用いることができる。
【００２５】
図１の状態から、アモルファスシート６を介して二重管１ａ，１ｂの端面同士が突き合わされて圧接される。このときの加圧は、０．３ｋｇｆ／ｍｍ２以上１ｋｇｆ／ｍｍ２以下が適している。
続いて、上記加圧状態を保ったまま、圧接された端面近傍を加熱する。加熱の際は、不活性ガスからなるシールドガスにより大気と遮断する。例えば、Ａｒガスをシールドガスとして用い、これを５０Ｌ／ｍｉｎ以上流通する。加熱は、アモルファスシート６の融点より高く、かつ二重管１ａ，１ｂの構成材料である低合金鋼及びステンレス鋼の融点より低い温度、例えば１２００℃以上１３００℃以下の温度で行われる。
加熱方法は特に限定されないが、本実施形態においては、図１に示すように、二重管１ａ，１ｂの端面同士を突き合わせた部分の周囲に螺旋状に巻回するように配置された高周波加熱コイル８に、高周波電流を流すことにより、二重管１ａ，１ｂの端面近傍を加熱する、いわゆる高周波誘導加熱法が採用される。すなわち、高周波加熱コイル８に高周波電流を流すと、二重管１ａ，１ｂ及びアモルファスシート６に誘導電流が流れるため、これらの抵抗によって二重管１ａ，１ｂ及びアモルファスシート６の自己発熱が起こる。加熱温度が上記の設定範囲となるように、二重管１ａ，１ｂの表面温度が熱電対等の温度計によってモニターされ、その測定値に応じて高周波電流の出力が調節される。なお、本実施形態において、高周波電流の周波数は５Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲である。また、二重管１ａ，１ｂの長手方向に沿った高周波加熱コイル８の高さは、約２０ｍｍである。
【００２６】
この加熱状態を１８０秒以上３００秒以下、より好ましくは２００秒以上３００秒以下の時間保持する。この加熱状態を保持すると、はじめは二重管１ａ，１ｂは溶融せず、アモルファスシート６のみが溶融する。このとき、アモルファスシート６に含有するＢは、二重管１ａ，１ｂ中に拡散する。二重管１ａ，１ｂの端面付近は、Ｂが拡散したことにより一旦融点が下がり、溶融する。さらにＢの拡散が進むと、Ｂ濃度が減少するため、融点が再び上がり、二重管１ａ，１ｂの端面同士を突き合わせた部分は凝固する。その後、加熱及び加圧を終了し、自然冷却する。必要に応じて、さらに高周波誘導加熱等により熱処理を行っても良い。こうして、二重管１ａ，１ｂの接合が完了する。
【００２７】
図３は、本実施形態で用いられる接合装置の一例を示した概略斜視図である。
接合ヘッド部１０の上下に取り付けられたクランプ部１１ａ，１１ｂによって二重管１ａ，１ｂのそれぞれを把持して、二重管１ａ，１ｂの端面同士が圧接される。また、接合ヘッド部１０に取り付けられた高周波加熱コイル８には、高周波電源１２から整合トランス１３を介して高周波電流が供給される。加熱温度が設定温度となるように、温度計（熱電対）１４によって二重管１ａ，１ｂの表面温度がモニターされ、その測定値に応じて高周波電源１２の出力が自動調整される。
【００２８】
本実施形態の接合方法によれば、低合金鋼用のアモルファスシート６しか用いなくても、ステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂをも接合することができる。その理由は、次の通りである。
図４は、図２に示した接合部Ａの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管１ａ，１ｂの厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフを示したものである。本実施形態において、上記加熱時には、ステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂに含まれるＣｒは、よりＣｒ含有量の低い低合金鋼用のアモルファスシート６中に拡散する。しかし、アモルファスシート６の厚さは１０μｍ以上３０μｍ以下と薄いため、アモルファスシート６中のＣｒ含有量はすぐに飽和し、ステンレス鋼のＣｒ含有量と略同じ値で均一になる。一方、外管３ａ，３ｂ中のＣｒ含有量は、ミクロ的には減少するが、アモルファスシート６が薄いため、Ｃｒ希釈域Ｂが生じたとしても、その幅は数十μｍであり、従来のＴＩＧ法で接合を行った場合に生じるＣｒ希釈域（図１２におけるＣｒ希釈域Ｄ）とその体積を比較すれば、無視できるレベルである。
【００２９】
このように、本実施形態の多重管の接合方法によれば、Ｃｒ希釈域Ｂが無視できるレベルであるので、組織のマルテンサイト化が抑えられて接合部における溶接割れが発生しにくく、接合部の耐食性が向上する。また、ＴＩＧ溶接を採用する場合のように低合金鋼用の溶接材料とステンレス鋼の溶接材料を用いる必要がなく、低合金鋼用のアモルファスシート６を１枚用いるだけで溶接できるので、作業性が向上する。さらに、ブローホールや融合不良といった、溶接材料（ＴＩＧ棒）に起因する溶接欠陥を生じにくい。
【００３０】
（第１実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第１実施形態の第１変形例について、図５〜図６を用いて説明する。
本変形例では、第１実施形態の加熱工程において、高周波電流の周波数を変調させながら二重管１ａ，１ｂの加熱を行う。
図５は、金属（α鉄、γ鉄及び銅）の高周波誘導加熱を行った場合の周波数ｆと電流の浸透深さｐの関係を示すグラフである。図５のグラフに示すように、一般に金属の高周波誘導加熱を行った場合、電流の浸透深さｐと周波数ｆとは反比例の関係にある。この関係を式で表すと、次のようになる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ｐ：高周波電流の浸透深さ（ｍｍ）
ρ：抵抗率（Ω・ｍｍ）
μｒ：透磁率
ｆ：周波数（Ｈｚ）
【００３３】
金属の管を外面側から誘導加熱する場合、浸透深さｐの範囲で自己発熱の９０％が発生する。本変形例では、この性質を利用して二重管１ａ，１ｂを接合することにより、外管３ａ，３ｂのステンレス鋼中のＣｒ拡散を促し、十分な強度を有する健全な接合部を得る方法の一例を挙げて説明する。
【００３４】
図６は、本変形例の二重管１ａ，１ｂの接合方法における時間毎の高周波周波数、管表面温度及び加圧力の変化の例をそれぞれ示したグラフである。
本変形例で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、アモルファスシート６及び接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても以下に断りがないものについては第１実施形態と同様である。
まず、高周波電流の浸透深さｐが外管３ａ，３ｂの厚さ以下となるような高い周波数設定（例えば、５ｋＨｚより高く５００ｋＨｚ以下の周波数）で加熱を開始し、例えば１２０秒以上１８０秒以下の間、外管３ａ，３ｂを自己発熱させる。この間、内管２ａ，２ｂは熱伝導により加熱される。
【００３５】
前記加熱時間の最後に、例えば３０秒以上６０秒以下の時間をかけて、浸透深さｐが内管２ａ，２ｂに到達するように、所定の周波数（例えば５ｋＨｚ）になるまで段階的にまたは直線的に周波数を下げていき、内管２ａ，２ｂも自己発熱させる。前記所定の周波数に達したら、この周波数を例えば１８０秒以上３００秒以下の時間保持して加熱を継続する。その後、加熱を終了し、自然冷却する。
加熱の際は、二重管１ａ，１ｂの表面温度がアモルファスシート６の融点より高く、かつ二重管１ａ，１ｂの融点より低い温度、例えば１２００℃以上１３００℃以下の温度に維持されるように、高周波電流の出力が調節される。また、加熱している間、二重管１ａ，１ｂ同士を圧接する加圧力は、例えば０．３ｋｇｆ／ｍｍ２以上１ｋｇｆ／ｍｍ２以下の一定の値とする。
【００３６】
上述のような方法で二重管１ａ，１ｂの加熱を行うことにより、ステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂ側から低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂ側へと液相拡散が進行する。
本変形例では、外管３ａ，３ｂの加熱時間を長くすることでＣｒの拡散を促し、加圧力及び加熱温度（二重管１ａ，１ｂの表面温度）を管理することで、二重管１ａ，１ｂの母材と同等の強度及び耐食性を有する接合部を得ることができる。
【００３７】
（第１実施形態の第２変形例）
第１実施形態の第２変形例においては、前記第１実施形態で用いた低合金鋼用のアモルファスシート６に代えて、Ｃｒ含有量が低合金鋼用アモルファスシートより多くステンレス鋼用アモルファスシートより少ないアモルファスシートをインサート材として用いて二重管１ａ，１ｂの接合を行う。
本変形例で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても第１実施形態と同様である。
【００３８】
本実施形態で用いられるアモルファスシートのＣｒ含有量は、内管２ａ，２ｂ及び外管３ａ，３ｂのＣｒ含有量に応じて適宜選択され、例えば３質量％以上２５質量％以下の範囲から選択される。
【００３９】
本変形例によれば、第１実施形態の場合と比べてＣｒ含有量が外管３ａ，３ｂのステンレス鋼により近いので、接合部中のＣｒ含有量がより完全に飽和される。従って、二重管１ａ，１ｂの接合部の耐食性をより高めることができる。また、より短時間でＣｒ含有量が飽和するので、加熱・保持時間を短縮することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、図７を用いて説明する。
図７は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
本実施形態では、第１実施形態と同様に二重管１ａ，１ｂの接合される端面同士の間にアモルファスシート６をインサート材として配置する他に、二重管１ａ，１ｂの突き合わせ部分近傍の外表面に、この突き合わせ部分を覆うようにステンレス鋼用アモルファスシート２０を被覆材として貼り付けて接合が行われる。
ステンレス鋼用アモルファスシート２０は、外管３ａ，３ｂのステンレス鋼とほぼ等しい組成を有し、さらに融点を下げる作用のあるホウ素（Ｂ）等の元素を２質量％以上３質量％以下程度含有する非晶質金属箔である。従って、アモルファスシート２０は、Ｃｒを１８質量％以上２４質量％以下程度含有している。
本実施形態で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、低合金鋼用のアモルファスシート６及び接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても第１実施形態と同様である。
【００４１】
本実施形態の接合方法によれば、インサート材として用いられる低合金鋼用アモルファスシート６による接合部の外表面近傍でＣｒ濃度希釈部分が生じても、低合金鋼用アモルファスシート６による接合部はステンレス鋼用アモルファスシート２０により形成された溶金で覆われているので、接合部の耐食性がさらに向上する。
【００４２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について、図８を用いて説明する。
図８は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
本実施形態では、第１実施形態のアモルファスシート６に代えて、内管２ａ，２ｂの端面形状と略同形状に裁断された低合金鋼用アモルファスシート２１を内管２ａ，２ｂの端面同士の突き合わせ部分に配置し、外管３ａ，３ｂの端面形状と略同形状に裁断されたステンレス鋼用アモルファスシート２２を外管３ａ，３ｂの端面同士の突き合わせ部分に配置して、それぞれのアモルファスシート２１，２２をインサート材として用いて接合を行う。
前記低合金鋼用アモルファスシート２１としては、第１実施形態でインサート材として用いたアモルファスシート６と同様のものが用いられる。また、前記ステンレス鋼用アモルファスシート２２は、外管３ａ，３ｂのステンレス鋼とほぼ等しい組成を有し、さらに融点を下げる作用のあるホウ素（Ｂ）等の元素を２質量％以上３質量％以下程度含有する非晶質金属箔である。従って、アモルファスシート２０は、Ｃｒを１８質量％以上２４質量％以下程度含有している。前記低合金用アモルファスシート２１及びステンレス鋼用アモルファスシート２２の厚さは、いずれも約１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲である。
本実施形態で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても第１実施形態と同様である。
本実施形態によれば、内管２ａ，２ｂ及び外管３ａ，３ｂの組成に近い組成のアモルファスシート２１，２２がそれぞれインサート材として選択されるので、内管２ａ，２ｂの接合部における強度及び外管３ａ，３ｂの接合部における耐食性は、二重管１ａ，１ｂの素管における内管２ａ，２ｂの強度及び外管３ａ，３ｂの耐食性と略同等となる。
【００４３】
なお本実施形態における接合条件については、第１実施形態の第１変形例と同様に、最初は高周波電流の浸透深さが外管３ａ，３ｂの厚さ以下となるような高い周波数設定で加熱を行い、次に浸透深さが内管２ａ，２ｂに達するような周波数設定で加熱を行うようにしても良い。この場合、低合金鋼用アモルファスシート２１及びステンレス鋼用アモルファスシート２２の各材料に合わせて、最適な加熱時間を設定することが可能となる。
【００４４】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について、図９を用いて説明する。
図９は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
本実施形態では、外径が第１の実施形態で用いたアモルファスシート６の外径（二重管１ａ、１ｂの外径）より小さく、内管２ａ，２ｂの外径より大きいドーナッツ形状の低合金鋼用アモルファスシート２３が、二重管１ａ，１ｂの端面同士の間に、二重管１ａ，１ｂの端面と略同心となるように配置され、インサート材として用いられる。この低合金鋼用アモルファスシート２３の厚さ及び材質は、第１実施形態で用いたアモルファスシート６と同様である。また、二重管１ａ，１ｂの突き合わせ部分のうち、外管３ａ，３ｂ部分にのみ、予め外周側からＶ形開先２４が形成されている。但し、開先は、そのままＩ形の開先形状としても良い。
本実施形態において二重管１ａ，１ｂ同士を接合するには、まず第１実施形態と同様の方法により、アモルファスシート２３を溶融して液相拡散接合が行われる。
次に、Ｖ形開先２４の位置において、ステンレス鋼用溶接材料を用いてＴＩＧ溶接を行う。
【００４５】
本実施形態によれば、従来のＴＩＧ溶接と同等の耐食性が得られ、かつＣｒ希釈域の大きさは最小限とすることができる。
【００４６】
なお、上記に示した本発明の各実施形態においては、ＩＧＣＣの石炭ガス化炉において火炉壁管として用いられている二重管を切り換え補修する際に本発明の多重管の接合方法を適用する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。従って、他の用途に用いられる管であっても、低合金鋼からなる内管と、ステンレス鋼からなる外管とを備えた管であれば本発明の接合方法を適用することができる。また、接合される管は二重管に限定されず、３層以上の構造を有する多重管であっても本発明の接合方法を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１実施形態の多重管の接合方法を示す概略外観図である。
【図２】第１実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図３】第１実施形態で用いられる接合装置の一例を示した概略斜視図である。
【図４】図２に示した接合部Ａの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管の厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフである。
【図５】金属の高周波誘導加熱を行った場合の周波数ｆと電流の浸透深さｐの関係を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の第１変形例による二重管の接合方法における時間毎の高周波周波数、管表面温度及び加圧力の変化の例をそれぞれ示したグラフである。
【図７】第２実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図８】第３実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図９】第４実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図１０】ＴＩＧ溶接による接合前の二重管の概略縦断面図である。
【図１１】ＴＩＧ溶接による接合後の二重管の概略縦断面図である。
【図１２】図１１に示した接合部Ｃの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管の厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ，１ｂ 二重管（多重管）
２ａ，２ｂ 内管
３ａ，３ｂ 外管
６，２１，２３ 低合金鋼用アモルファスシート
２０，２２ ステンレス鋼用アモルファスシート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重管の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石炭ガス化炉複合発電（ＩＧＣＣ）のガス化炉の火炉壁管には、ガス化炉で生成した高温の石炭ガスに対して、耐食性を持たせるために、例えば低合金鋼からなる内管と、この内管と一体となるようにその外周に形成されたステンレス鋼からなる外管とからなる二重管（コンポジット管）が用いられている。
【０００３】
前記内管を構成する低合金鋼は火炉壁管に強度を与える材料であり、さらにこの低合金鋼を高温の石炭ガスによる腐食から保護するために、外管の材料にはステンレス鋼が用いられている。ステンレス鋼は、Ｃｒを多く含むことにより耐食性を有している。
【０００４】
従来、このような二重管の切り換え補修等において２本の二重管を長手方向に接合する場合には、ＴＩＧ（ティグ）溶接による突き合わせ溶接が行われていた（例えば、特許文献１参照）。
図１０〜図１２は、二重管のＴＩＧ溶接による接合方法を説明する図である。
図１０は、接合前の二重管の概略縦断面図である。接合される二重管１ａ，１ｂは、低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂとステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂとから形成されている。二重管１ａ，１ｂの端面同士を突き合わせる部分には、外周側からＶ型開先５１が形成されている。
【０００５】
二重管１ａ，１ｂ同士を接合するには、まず内管２ａ，２ｂ同士が対向する領域に対し、低合金鋼用溶接材料からなるＴＩＧ溶加棒を用いてＴＩＧ溶接が行われる。続いて外管３ａ，３ｂ同士が対向する領域に対し、ステンレス鋼用溶接材料からなるＴＩＧ溶加棒を用いてＴＩＧ溶接が行われる。接合後の二重管１ａ，１ｂの概略縦断面図を図１１に示す。また、接合部Ｃの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管１ａ，１ｂの厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフを図１２に示す。図１１及び図１２に示すように、内管２ａ，２ｂ同士の間には低合金鋼用溶接材料により形成された低合金鋼溶着金属部（以下、「溶着金属」は「溶金」と略す）５２が形成され、外管３ａ，３ｂ同士の間にはステンレス鋼用溶接材料により形成されたステンレス鋼溶金部５３が形成されることにより、２本の二重管１ａ，１ｂが接合される。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４１０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したＴＩＧ溶接による二重管の接合方法を行った場合、低合金鋼溶金部５２とステンレス鋼溶金部５３とが接する部分においては、それぞれの成分が他方の成分中に互いに拡散しているため、図１２の部分拡大図に示すように、ステンレス鋼溶金部５３中のＣｒが希釈されたＣｒ希釈域Ｄが溶金幅と略等しい幅数ｍｍで管円周全域にわたって生じる。そして、図１２のグラフに示すように、二重管１ａ，１ｂの厚さ方向におけるステンレス鋼溶金部５３のＣｒ濃度は、外表面からＣｒ希釈域Ｄにかけて不均一に減少する傾向となる。
【０００８】
このＣｒ希釈域Ｄでは、組織がマルテンサイト化し、溶接割れが発生しやすいという問題があった。
また、特に接合した二重管１ａ，１ｂが、上述したＩＧＣＣにおけるガス化炉の火炉壁管等である場合は、二重管１ａ，１ｂの外部が高温の石炭ガスなどの腐食環境に曝されるため、ステンレス鋼溶金部５３の表面の健全部（Ｃｒ非希釈域）が腐食してＣｒ希釈域Ｄが露出すると、腐食による減肉が一気に加速される。すなわち、Ｃｒ希釈部Ｄによって接合部Ｃの耐食性が低下するという問題があった。
【０００９】
また、ＴＩＧ溶接は、溶接材料（ＴＩＧ棒）に起因するブローホールや融合不良といった溶接欠陥を生じやすいという問題があった。
さらに、ＴＩＧ溶接による接合方法は、多数の管が密集した火炉壁管の補修等に適用する場合には施工性が良くないという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、耐食性の低下が少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することを目的とする。また本発明は、溶接欠陥の少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することを目的とする。さらに本発明は、多数の管が密集した火炉壁管の補修等においても施工性の良い多重管の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の多重管の接合方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の多重管の接合方法は、２本の多重管のそれぞれの一端面同士を接合する多重管の接合方法であって、それぞれの多重管は低合金鋼からなる内管と、該内管の外周に配されたステンレス鋼からなる外管とを備え、前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間にアモルファスシートからなるインサート材を介在させた状態で、該端面同士を突き合わせ、前記端面近傍を加熱して前記インサート材の融点以上かつ前記多重管の融点以下の温度に保持する方法である。
この方法によれば、薄いシート状のアモルファスシートをインサート材として用いることにより、上記加熱・保持の工程においてＣｒ含有量が飽和しやすく、Ｃｒ希釈域が生じにくい。従って、インサート材がＣｒ含有量の少ない低合金鋼用アモルファスシートであっても、接合部の耐食性の低下を抑えることができる。また、ＴＩＧ溶接法で接合する場合のように複数の溶接材料を用いなくても、例えば低合金鋼用アモルファスシート１枚だけを溶接材料（インサート材）として用いても接合が可能なので、施工性がよい。さらに上記方法によれば、ＴＩＧ溶接において溶接材料（ＴＩＧ棒）が原因で発生するブローホールや融合不良といった溶接欠陥を生じにくい。
【００１２】
上記低合金鋼用アモルファスシートとは、例えばＣｒ含有量が２質量％以上３質量％以下のアモルファスシートである。
【００１３】
また、接合部のＣｒ含有量の飽和を補助するために、前記インサート材中のＣｒ含有量を３質量％以上２５質量％以下としてもよい。
この場合、接合部中のＣｒ含有量がより完全に飽和されるので、高い耐食性が得られる。また、より短時間でＣｒ含有量が飽和するので、加熱・保持時間を短縮することができる。
【００１４】
上記発明において、加熱し保持する時間は、通常は１８０秒以上３００秒以下、より好ましくは２００秒以上３００秒以下である。
Ｃｒの拡散を十分に行うためには１８０秒以上、より好ましくは２００秒以上の加熱・保持が行われる。また３００秒加熱・保持を行えばほぼ完全にＣｒ含有量が飽和すると考えられるので、３００秒を超えて加熱・保持を行っても、加熱・保持時間に応じたＣｒ拡散効果はほとんど得られない。
【００１５】
上記発明において、前記加熱及び保持は、高周波誘導加熱による前記多重管及びインサート材の自己発熱によるものとすることができる。
前記加熱及び保持に高周波誘導加熱を採用した場合、加熱温度及び保持温度の管理が容易である。また、溶接材料や溶接装置を取り回す必要がないので、作業性がよく、多数の管が密集した水冷壁管の補修等においても施工性が良い。また、高周波誘導加熱では、高周波電流の周波数に対応した浸透深さの部分において主に自己発熱がおこり、他の部分は熱伝導によって加熱されるので、耐食性が求められる外管の接合部分において加熱を優先し、Ｃｒの拡散を促進することができる。
【００１６】
前記高周波加熱を行う場合、前記外管の厚さ以下となる浸透深さで高周波誘導加熱を行い、次いで前記内管に達する浸透深さで高周波誘導加熱を行ってもよい。
この場合、外管の加熱時間を長くすることでＣｒの拡散を促し、多重管の母材と同等の耐食性及び強度を有する接合部を得ることができる。
【００１７】
上記発明において、前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間に前記インサート材を介在させて突き合わせた突き合わせ部分近傍の外表面に、この突き合わせ部分を覆うようにステンレス鋼用アモルファスシートからなる被覆材を配してから前記加熱を行ってもよい。
この場合、インサート材による形成された接合部は、耐食性の高いステンレス鋼用アモルファスシートにより形成された溶金で覆われているので、接合部の耐食性がさらに向上する。
【００１８】
また、上記発明において、前記インサート材は、前記内管の端面同士の間に配置される低合金鋼用アモルファスシートと、前記外管の端面同士の間に配置されるステンレス鋼用アモルファスシートとを有するものであってもよい。
この場合、内管及び外管の組成に近い組成のアモルファスシートがそれぞれインサート材として選択されるので、内管の接合部における強度及び外管の接合部における耐食性は、それぞれ多重管の素管における内管の強度及び外管の耐食性と略同等とすることができる。
【００１９】
上記発明において、前記多重管の接合部外周において、ステンレス鋼用溶接材料を用いてＴＩＧ溶接を行ってもよい。
この場合、インサート材により形成された接合部の外周は、耐食性の高いステンレス鋼用溶接材料によるＴＩＧ溶接で形成された溶金で覆われているので、Ｃｒ希釈域の大きさを最小限とし、接合部の耐食性を高めることができる。
【００２０】
また本発明の多重管は、上記接合方法により接合された多重管である。
この接合された多重管は、接合部におけるＣｒ希釈域が小さく、耐食性に優れている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、耐食性の低下が少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することができる。また本発明によれば、溶接欠陥の少ない多重管の接合方法及び多重管を提供することができる。さらに本発明によれば、多数の管が密集した水冷壁管の補修等においても施工性の良い多重管の接合方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の多重管の接合方法にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態においては、ＩＧＣＣの石炭ガス化炉において火炉壁管として用いられている二重管を切り換え補修する際に本発明の多重管の接合方法を適用する例について説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態の多重管の接合方法を示す概略外観図である。また、図２は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
接合される２本の二重管（多重管）１ａ，１ｂは、低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂとステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂとから形成されている。内管２ａ，２ｂは、Ｃｒの含有量が２質量％以上３質量％以下の低合金鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＴＢＡ２４−２Ｃｒ）から形成されている。また、外管３ａ，３ｂは、Ｃｒの含有量が１８質量％以上２４質量％以下のステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＵＳ３１０ＴＢ）から形成されている。
二重管１ａ，１ｂの大きさには特に制限はないが、本実施形態では、例えば、外径が３８ｍｍ，内管２ａ，２ｂ部分の厚さが４ｍｍ以上５ｍｍ以下、外管３ａ，３ｂ部分の厚さが１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の二重管１ａ，１ｂが接合される。
本実施形態においては、二重管１ａ，１ｂ同士の溶接される端面は、平滑なＩ形開先となっている。
【００２４】
これら２本の二重管１ａ，１ｂは、液相拡散接合法により突き合わせ溶接される。
まず、図１に示すように、２本の二重管１ａ，１ｂの接合される端面同士を向かい合わせ、これら端面の間にアモルファスシート６からなるインサート材が配置される。アモルファスシート６は、二重管１ａ，１ｂの端面形状と略同じ外径及び内径を有するドーナッツ形状に裁断されており、二重管１ａ，１ｂの端面と略同心となる位置に配置される。
アモルファスシート６の厚さは、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲とすることができる。アモルファスシート６は一枚の厚さがこの範囲であればよいが、２枚以上重ね合わせて前記の範囲の厚さとしても良い。
アモルファスシート６としては、低合金鋼の液相拡散接合法において通常用いられる市販のアモルファスシートを用いることができる。このアモルファスシート６は、内管２ａ，２ｂの低合金鋼とほぼ等しい組成を有し、さらに融点を下げる作用のあるホウ素（Ｂ）等の元素を２質量％以上３質量％以下程度含有する非晶質金属箔である。従って、アモルファスシート６のＣｒ含有量は、内管２ａ，２ｂに用いられる低合金鋼と同様に、２質量％以上３質量％以下程度の範囲内とすることができる。このようなアモルファスシート６としては、例えば、Ｆｅ−２Ｃｒ−１Ｍｏ−０．３Ｓｉ−２Ｃｏ−２．７Ｂの組成を有するアモルファスシート（商品名：Ｈ２（Ｎｏ．２４３７５）、日立金属（株）製）等を用いることができる。
【００２５】
図１の状態から、アモルファスシート６を介して二重管１ａ，１ｂの端面同士が突き合わされて圧接される。このときの加圧は、０．３ｋｇｆ／ｍｍ２以上１ｋｇｆ／ｍｍ２以下が適している。
続いて、上記加圧状態を保ったまま、圧接された端面近傍を加熱する。加熱の際は、不活性ガスからなるシールドガスにより大気と遮断する。例えば、Ａｒガスをシールドガスとして用い、これを５０Ｌ／ｍｉｎ以上流通する。加熱は、アモルファスシート６の融点より高く、かつ二重管１ａ，１ｂの構成材料である低合金鋼及びステンレス鋼の融点より低い温度、例えば１２００℃以上１３００℃以下の温度で行われる。
加熱方法は特に限定されないが、本実施形態においては、図１に示すように、二重管１ａ，１ｂの端面同士を突き合わせた部分の周囲に螺旋状に巻回するように配置された高周波加熱コイル８に、高周波電流を流すことにより、二重管１ａ，１ｂの端面近傍を加熱する、いわゆる高周波誘導加熱法が採用される。すなわち、高周波加熱コイル８に高周波電流を流すと、二重管１ａ，１ｂ及びアモルファスシート６に誘導電流が流れるため、これらの抵抗によって二重管１ａ，１ｂ及びアモルファスシート６の自己発熱が起こる。加熱温度が上記の設定範囲となるように、二重管１ａ，１ｂの表面温度が熱電対等の温度計によってモニターされ、その測定値に応じて高周波電流の出力が調節される。なお、本実施形態において、高周波電流の周波数は５Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲である。また、二重管１ａ，１ｂの長手方向に沿った高周波加熱コイル８の高さは、約２０ｍｍである。
【００２６】
この加熱状態を１８０秒以上３００秒以下、より好ましくは２００秒以上３００秒以下の時間保持する。この加熱状態を保持すると、はじめは二重管１ａ，１ｂは溶融せず、アモルファスシート６のみが溶融する。このとき、アモルファスシート６に含有するＢは、二重管１ａ，１ｂ中に拡散する。二重管１ａ，１ｂの端面付近は、Ｂが拡散したことにより一旦融点が下がり、溶融する。さらにＢの拡散が進むと、Ｂ濃度が減少するため、融点が再び上がり、二重管１ａ，１ｂの端面同士を突き合わせた部分は凝固する。その後、加熱及び加圧を終了し、自然冷却する。必要に応じて、さらに高周波誘導加熱等により熱処理を行っても良い。こうして、二重管１ａ，１ｂの接合が完了する。
【００２７】
図３は、本実施形態で用いられる接合装置の一例を示した概略斜視図である。
接合ヘッド部１０の上下に取り付けられたクランプ部１１ａ，１１ｂによって二重管１ａ，１ｂのそれぞれを把持して、二重管１ａ，１ｂの端面同士が圧接される。また、接合ヘッド部１０に取り付けられた高周波加熱コイル８には、高周波電源１２から整合トランス１３を介して高周波電流が供給される。加熱温度が設定温度となるように、温度計（熱電対）１４によって二重管１ａ，１ｂの表面温度がモニターされ、その測定値に応じて高周波電源１２の出力が自動調整される。
【００２８】
本実施形態の接合方法によれば、低合金鋼用のアモルファスシート６しか用いなくても、ステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂをも接合することができる。その理由は、次の通りである。
図４は、図２に示した接合部Ａの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管１ａ，１ｂの厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフを示したものである。本実施形態において、上記加熱時には、ステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂに含まれるＣｒは、よりＣｒ含有量の低い低合金鋼用のアモルファスシート６中に拡散する。しかし、アモルファスシート６の厚さは１０μｍ以上３０μｍ以下と薄いため、アモルファスシート６中のＣｒ含有量はすぐに飽和し、ステンレス鋼のＣｒ含有量と略同じ値で均一になる。一方、外管３ａ，３ｂ中のＣｒ含有量は、ミクロ的には減少するが、アモルファスシート６が薄いため、Ｃｒ希釈域Ｂが生じたとしても、その幅は数十μｍであり、従来のＴＩＧ法で接合を行った場合に生じるＣｒ希釈域（図１２におけるＣｒ希釈域Ｄ）とその体積を比較すれば、無視できるレベルである。
【００２９】
このように、本実施形態の多重管の接合方法によれば、Ｃｒ希釈域Ｂが無視できるレベルであるので、組織のマルテンサイト化が抑えられて接合部における溶接割れが発生しにくく、接合部の耐食性が向上する。また、ＴＩＧ溶接を採用する場合のように低合金鋼用の溶接材料とステンレス鋼の溶接材料を用いる必要がなく、低合金鋼用のアモルファスシート６を１枚用いるだけで溶接できるので、作業性が向上する。さらに、ブローホールや融合不良といった、溶接材料（ＴＩＧ棒）に起因する溶接欠陥を生じにくい。
【００３０】
（第１実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第１実施形態の第１変形例について、図５〜図６を用いて説明する。
本変形例では、第１実施形態の加熱工程において、高周波電流の周波数を変調させながら二重管１ａ，１ｂの加熱を行う。
図５は、金属（α鉄、γ鉄及び銅）の高周波誘導加熱を行った場合の周波数ｆと電流の浸透深さｐの関係を示すグラフである。図５のグラフに示すように、一般に金属の高周波誘導加熱を行った場合、電流の浸透深さｐと周波数ｆとは反比例の関係にある。この関係を式で表すと、次のようになる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ｐ：高周波電流の浸透深さ（ｍｍ）
ρ：抵抗率（Ω・ｍｍ）
μｒ：透磁率
ｆ：周波数（Ｈｚ）
【００３３】
金属の管を外面側から誘導加熱する場合、浸透深さｐの範囲で自己発熱の９０％が発生する。本変形例では、この性質を利用して二重管１ａ，１ｂを接合することにより、外管３ａ，３ｂのステンレス鋼中のＣｒ拡散を促し、十分な強度を有する健全な接合部を得る方法の一例を挙げて説明する。
【００３４】
図６は、本変形例の二重管１ａ，１ｂの接合方法における時間毎の高周波周波数、管表面温度及び加圧力の変化の例をそれぞれ示したグラフである。
本変形例で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、アモルファスシート６及び接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても以下に断りがないものについては第１実施形態と同様である。
まず、高周波電流の浸透深さｐが外管３ａ，３ｂの厚さ以下となるような高い周波数設定（例えば、５ｋＨｚより高く５００ｋＨｚ以下の周波数）で加熱を開始し、例えば１２０秒以上１８０秒以下の間、外管３ａ，３ｂを自己発熱させる。この間、内管２ａ，２ｂは熱伝導により加熱される。
【００３５】
前記加熱時間の最後に、例えば３０秒以上６０秒以下の時間をかけて、浸透深さｐが内管２ａ，２ｂに到達するように、所定の周波数（例えば５ｋＨｚ）になるまで段階的にまたは直線的に周波数を下げていき、内管２ａ，２ｂも自己発熱させる。前記所定の周波数に達したら、この周波数を例えば１８０秒以上３００秒以下の時間保持して加熱を継続する。その後、加熱を終了し、自然冷却する。
加熱の際は、二重管１ａ，１ｂの表面温度がアモルファスシート６の融点より高く、かつ二重管１ａ，１ｂの融点より低い温度、例えば１２００℃以上１３００℃以下の温度に維持されるように、高周波電流の出力が調節される。また、加熱している間、二重管１ａ，１ｂ同士を圧接する加圧力は、例えば０．３ｋｇｆ／ｍｍ２以上１ｋｇｆ／ｍｍ２以下の一定の値とする。
【００３６】
上述のような方法で二重管１ａ，１ｂの加熱を行うことにより、ステンレス鋼からなる外管３ａ，３ｂ側から低合金鋼からなる内管２ａ，２ｂ側へと液相拡散が進行する。
本変形例では、外管３ａ，３ｂの加熱時間を長くすることでＣｒの拡散を促し、加圧力及び加熱温度（二重管１ａ，１ｂの表面温度）を管理することで、二重管１ａ，１ｂの母材と同等の強度及び耐食性を有する接合部を得ることができる。
【００３７】
（第１実施形態の第２変形例）
第１実施形態の第２変形例においては、前記第１実施形態で用いた低合金鋼用のアモルファスシート６に代えて、Ｃｒ含有量が低合金鋼用アモルファスシートより多くステンレス鋼用アモルファスシートより少ないアモルファスシートをインサート材として用いて二重管１ａ，１ｂの接合を行う。
本変形例で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても第１実施形態と同様である。
【００３８】
本実施形態で用いられるアモルファスシートのＣｒ含有量は、内管２ａ，２ｂ及び外管３ａ，３ｂのＣｒ含有量に応じて適宜選択され、例えば３質量％以上２５質量％以下の範囲から選択される。
【００３９】
本変形例によれば、第１実施形態の場合と比べてＣｒ含有量が外管３ａ，３ｂのステンレス鋼により近いので、接合部中のＣｒ含有量がより完全に飽和される。従って、二重管１ａ，１ｂの接合部の耐食性をより高めることができる。また、より短時間でＣｒ含有量が飽和するので、加熱・保持時間を短縮することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、図７を用いて説明する。
図７は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
本実施形態では、第１実施形態と同様に二重管１ａ，１ｂの接合される端面同士の間にアモルファスシート６をインサート材として配置する他に、二重管１ａ，１ｂの突き合わせ部分近傍の外表面に、この突き合わせ部分を覆うようにステンレス鋼用アモルファスシート２０を被覆材として貼り付けて接合が行われる。
ステンレス鋼用アモルファスシート２０は、外管３ａ，３ｂのステンレス鋼とほぼ等しい組成を有し、さらに融点を下げる作用のあるホウ素（Ｂ）等の元素を２質量％以上３質量％以下程度含有する非晶質金属箔である。従って、アモルファスシート２０は、Ｃｒを１８質量％以上２４質量％以下程度含有している。
本実施形態で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、低合金鋼用のアモルファスシート６及び接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても第１実施形態と同様である。
【００４１】
本実施形態の接合方法によれば、インサート材として用いられる低合金鋼用アモルファスシート６による接合部の外表面近傍でＣｒ濃度希釈部分が生じても、低合金鋼用アモルファスシート６による接合部はステンレス鋼用アモルファスシート２０により形成された溶金で覆われているので、接合部の耐食性がさらに向上する。
【００４２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について、図８を用いて説明する。
図８は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
本実施形態では、第１実施形態のアモルファスシート６に代えて、内管２ａ，２ｂの端面形状と略同形状に裁断された低合金鋼用アモルファスシート２１を内管２ａ，２ｂの端面同士の突き合わせ部分に配置し、外管３ａ，３ｂの端面形状と略同形状に裁断されたステンレス鋼用アモルファスシート２２を外管３ａ，３ｂの端面同士の突き合わせ部分に配置して、それぞれのアモルファスシート２１，２２をインサート材として用いて接合を行う。
前記低合金鋼用アモルファスシート２１としては、第１実施形態でインサート材として用いたアモルファスシート６と同様のものが用いられる。また、前記ステンレス鋼用アモルファスシート２２は、外管３ａ，３ｂのステンレス鋼とほぼ等しい組成を有し、さらに融点を下げる作用のあるホウ素（Ｂ）等の元素を２質量％以上３質量％以下程度含有する非晶質金属箔である。従って、アモルファスシート２０は、Ｃｒを１８質量％以上２４質量％以下程度含有している。前記低合金用アモルファスシート２１及びステンレス鋼用アモルファスシート２２の厚さは、いずれも約１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲である。
本実施形態で接合される二重管１ａ，１ｂは第１実施形態のものと同様であり、接合装置も第１実施形態と同様のものが用いられる。また、接合条件についても第１実施形態と同様である。
本実施形態によれば、内管２ａ，２ｂ及び外管３ａ，３ｂの組成に近い組成のアモルファスシート２１，２２がそれぞれインサート材として選択されるので、内管２ａ，２ｂの接合部における強度及び外管３ａ，３ｂの接合部における耐食性は、二重管１ａ，１ｂの素管における内管２ａ，２ｂの強度及び外管３ａ，３ｂの耐食性と略同等となる。
【００４３】
なお本実施形態における接合条件については、第１実施形態の第１変形例と同様に、最初は高周波電流の浸透深さが外管３ａ，３ｂの厚さ以下となるような高い周波数設定で加熱を行い、次に浸透深さが内管２ａ，２ｂに達するような周波数設定で加熱を行うようにしても良い。この場合、低合金鋼用アモルファスシート２１及びステンレス鋼用アモルファスシート２２の各材料に合わせて、最適な加熱時間を設定することが可能となる。
【００４４】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について、図９を用いて説明する。
図９は、本実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
本実施形態では、外径が第１の実施形態で用いたアモルファスシート６の外径（二重管１ａ、１ｂの外径）より小さく、内管２ａ，２ｂの外径より大きいドーナッツ形状の低合金鋼用アモルファスシート２３が、二重管１ａ，１ｂの端面同士の間に、二重管１ａ，１ｂの端面と略同心となるように配置され、インサート材として用いられる。この低合金鋼用アモルファスシート２３の厚さ及び材質は、第１実施形態で用いたアモルファスシート６と同様である。また、二重管１ａ，１ｂの突き合わせ部分のうち、外管３ａ，３ｂ部分にのみ、予め外周側からＶ形開先２４が形成されている。但し、開先は、そのままＩ形の開先形状としても良い。
本実施形態において二重管１ａ，１ｂ同士を接合するには、まず第１実施形態と同様の方法により、アモルファスシート２３を溶融して液相拡散接合が行われる。
次に、Ｖ形開先２４の位置において、ステンレス鋼用溶接材料を用いてＴＩＧ溶接を行う。
【００４５】
本実施形態によれば、従来のＴＩＧ溶接と同等の耐食性が得られ、かつＣｒ希釈域の大きさは最小限とすることができる。
【００４６】
なお、上記に示した本発明の各実施形態においては、ＩＧＣＣの石炭ガス化炉において火炉壁管として用いられている二重管を切り換え補修する際に本発明の多重管の接合方法を適用する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。従って、他の用途に用いられる管であっても、低合金鋼からなる内管と、ステンレス鋼からなる外管とを備えた管であれば本発明の接合方法を適用することができる。また、接合される管は二重管に限定されず、３層以上の構造を有する多重管であっても本発明の接合方法を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１実施形態の多重管の接合方法を示す概略外観図である。
【図２】第１実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図３】第１実施形態で用いられる接合装置の一例を示した概略斜視図である。
【図４】図２に示した接合部Ａの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管の厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフである。
【図５】金属の高周波誘導加熱を行った場合の周波数ｆと電流の浸透深さｐの関係を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の第１変形例による二重管の接合方法における時間毎の高周波周波数、管表面温度及び加圧力の変化の例をそれぞれ示したグラフである。
【図７】第２実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図８】第３実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図９】第４実施形態の接合方法における接合時の二重管を示す概略断面図である。
【図１０】ＴＩＧ溶接による接合前の二重管の概略縦断面図である。
【図１１】ＴＩＧ溶接による接合後の二重管の概略縦断面図である。
【図１２】図１１に示した接合部Ｃの部分拡大図及びこの部分拡大図中の二重管の厚さ方向におけるＣｒ濃度の変化を表した概念的なグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ，１ｂ 二重管（多重管）
２ａ，２ｂ 内管
３ａ，３ｂ 外管
６，２１，２３ 低合金鋼用アモルファスシート
２０，２２ ステンレス鋼用アモルファスシート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の多重管のそれぞれの一端面同士を接合する多重管の接合方法であって、それぞれの多重管は低合金鋼からなる内管と、該内管の外周に配されたステンレス鋼からなる外管とを備え、
前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間にアモルファスシートからなるインサート材を介在させた状態で、該端面同士を突き合わせ、
前記端面近傍を加熱して前記インサート材の融点以上かつ前記多重管の融点以下の温度に保持する多重管の接合方法。
【請求項２】
前記インサート材中のＣｒ含有量が２質量％以上３質量％以下である請求項１に記載の多重管の接合方法。
【請求項３】
前記インサート材中のＣｒ含有量が３質量％以上２５質量％以下である請求項１に記載の多重管の接合方法。
【請求項４】
前記加熱し保持する時間が１８０秒以上３００秒以下である請求項１から請求項３の何れかに記載の多重管の接合方法。
【請求項５】
前記加熱が、高周波誘導加熱による前記多重管及びインサート材の自己発熱によるものである請求項１から請求項４の何れかに記載の多重管の接合方法。
【請求項６】
前記外管の厚さ以下となる浸透深さで高周波誘導加熱を行い、次いで前記内管に達する浸透深さで高周波誘導加熱を行う請求項５に記載の多重管の接合方法。
【請求項７】
前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間に前記インサート材を介在させて突き合わせた突き合わせ部分近傍の外表面に、この突き合わせ部分を覆うようにステンレス鋼用アモルファスシートからなる被覆材を配してから前記加熱を行う請求項１から請求項６のいずれかに記載の多重管の接合方法。
【請求項８】
前記インサート材が、前記内管の端面同士の間に配置される低合金鋼用アモルファスシートと、前記外管の端面同士の間に配置されるステンレス鋼用アモルファスシートとを有する請求項１及び請求項４から７のいずれかに記載の多重管の接合方法。
【請求項９】
前記多重管の接合部外周において、ステンレス鋼用溶接材料を用いてＴＩＧ溶接を行う請求項１から請求項６のいずれかに記載の多重管の接合方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の多重管の接合方法により接合された多重管。
【請求項１】
２本の多重管のそれぞれの一端面同士を接合する多重管の接合方法であって、それぞれの多重管は低合金鋼からなる内管と、該内管の外周に配されたステンレス鋼からなる外管とを備え、
前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間にアモルファスシートからなるインサート材を介在させた状態で、該端面同士を突き合わせ、
前記端面近傍を加熱して前記インサート材の融点以上かつ前記多重管の融点以下の温度に保持する多重管の接合方法。
【請求項２】
前記インサート材中のＣｒ含有量が２質量％以上３質量％以下である請求項１に記載の多重管の接合方法。
【請求項３】
前記インサート材中のＣｒ含有量が３質量％以上２５質量％以下である請求項１に記載の多重管の接合方法。
【請求項４】
前記加熱し保持する時間が１８０秒以上３００秒以下である請求項１から請求項３の何れかに記載の多重管の接合方法。
【請求項５】
前記加熱が、高周波誘導加熱による前記多重管及びインサート材の自己発熱によるものである請求項１から請求項４の何れかに記載の多重管の接合方法。
【請求項６】
前記外管の厚さ以下となる浸透深さで高周波誘導加熱を行い、次いで前記内管に達する浸透深さで高周波誘導加熱を行う請求項５に記載の多重管の接合方法。
【請求項７】
前記２本の多重管のそれぞれの一端面同士の間に前記インサート材を介在させて突き合わせた突き合わせ部分近傍の外表面に、この突き合わせ部分を覆うようにステンレス鋼用アモルファスシートからなる被覆材を配してから前記加熱を行う請求項１から請求項６のいずれかに記載の多重管の接合方法。
【請求項８】
前記インサート材が、前記内管の端面同士の間に配置される低合金鋼用アモルファスシートと、前記外管の端面同士の間に配置されるステンレス鋼用アモルファスシートとを有する請求項１及び請求項４から７のいずれかに記載の多重管の接合方法。
【請求項９】
前記多重管の接合部外周において、ステンレス鋼用溶接材料を用いてＴＩＧ溶接を行う請求項１から請求項６のいずれかに記載の多重管の接合方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の多重管の接合方法により接合された多重管。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−５０４３９（Ｐ２００７−５０４３９Ａ）
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３８２３７（Ｐ２００５−２３８２３７）
【出願日】平成１７年８月１９日（２００５．８．１９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１９日（２００５．８．１９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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