説明

高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手

【課題】熱影響部に生じる応力を緩和する。
【解決手段】
高クロム鋼材の母材2,3の間を開先溶接して余盛部5を形成すると共に、余盛部5を両方の母材2,3側に拡張して開先溶接による熱影響部2a,3aとその近傍を覆うようにビードを盛って拡張部6を形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手に関する。更に詳しくは、本発明は、高クロム鋼材の母材同士を開先溶接する高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手に関するものである。なお、ここでの高クロム鋼材とは、鋼材中のクロムの含有量が重量パーセントで8%以上13%以下のフェライト鋼材をいう。
【背景技術】
【0002】
蒸気管や圧力容器等の片面溶接では開先溶接が行われる。従来の開先溶接の継手を図10に示す。2つの母材101,102間には開先103が設けられており、開先103にビードが形成されて盛金104が成されている。ビードは母材101,102の厚みに応じて幾層にも形成されている。図10中2点差線で示すように、開先103の肩部103a,103aは他の部分よりも深く溶融するので、肩部103a,103aでは開先103の間隔が広がる。
【0003】
なお、開先溶接の一般的な技術水準を示す文献として、例えば特開平11−77299号公報(片面溶接)、特開平8−57642号公報(両面溶接)がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−77299号公報
【特許文献2】特開平8−57642号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明者らは、予防保全的な見地から開先溶接の継手に生じるクリープを抑制すべく、溶接継手の熱影響部101a,102aに生じる応力について鋭意研究を行ったところ、高クロム鋼の管状部材(母材101,102)同士の溶接継手において、熱影響部101a,102aの外周面から若干深い位置に応力が集中することを見出した。そして、その応力集中を緩和するための方策について更に研究を重ねた結果、開先103に形成した余盛部105を母材101,102側に拡張することが有効であることを見出し、本発明を成すに至ったものである。
【0006】
本発明は、熱影響部に生じる応力を緩和することができる高クロム鋼材の溶接方法および溶接継手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】
【0007】
かかる目的を達成するために、請求項1記載の高クロム鋼材の溶接方法は、高クロム鋼材の母材間を開先溶接して余盛部を形成すると共に、余盛部を両方の母材側に拡張して開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って拡張部を形成するようにしている。
【0008】
また、請求項2記載の高クロム鋼材の溶接方法は、余盛部及び拡張部の表面を超音波探傷可能な平滑面に加工している。
【0009】
さらに、請求項3記載の高クロム鋼材の溶接継手は、高クロム鋼材の母材間を開先溶接して形成された余盛部と、余盛部を両方の母材側に拡張して開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って形成された拡張部とを備えるものである。
【0010】
また、請求項4記載の高クロム鋼材の溶接継手は、余盛部及び拡張部の表面が超音波探傷可能な平滑面となっている。
【発明の効果】
【0011】
請求項1記載の高クロム鋼材の溶接方法および請求項3記載の高クロム鋼材の溶接継手によれば、余盛部及び拡張部を形成することで母材の拡張部を設けた側の表面近傍における熱影響部の応力集中を緩和でき、クリープの発生を抑制して溶接継手の寿命を伸ばすことができる。
【0012】
また、請求項2記載の高クロム鋼材の溶接方法および請求項4記載の高クロム鋼材の溶接継手では、余盛部及び拡張部の表面を超音波探傷可能な平滑面にしているので、超音波探傷を行うためにわざわざ平滑面を形成する必要がなくなり、保守点検時等の超音波探傷の実施が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の高クロム鋼材の溶接継手の実施形態の一例を示す断面図である。
【図2】図1の溶接継手を使用した管状部材の横断面図である。
【図3】図2の管状部材の平面図である。
【図4】図1の溶接継手を使用した他の管状部材の平面図である。
【図5】本発明の高クロム鋼材の溶接継手の他の実施形態を示す断面図である。
【図6】溶接継手の有限要素解析の結果を示し、(A)はエルボ部腹側長手溶接部の熱影響部における応力分布を示す図、(B)は突き合わせ溶接部の熱影響部における応力分布を示す図である。
【図7】解析に使用した長手継手のモデルを示し、(A)は余盛部と拡張部の厚さと幅の変化を比較するために使用したモデルを示す図、(B)は肉盛(余盛部と拡張部)の有無を比較するために使用したモデルを示す図である。
【図8】溶接継手の有限要素解析の結果を示し、(A)は余盛部と拡張部の幅を一定にして厚さを変化させた場合の応力分布を示す図、(B)は余盛部と拡張部の厚さを一定にして幅を変化させた場合の応力分布を示す図である。
【図9】溶接継手の有限要素解析の結果を示し、余盛部と拡張部がある場合と無い場合の応力分布の違いを示す図である。
【図10】従来の高クロム鋼材の溶接継手を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。
【0015】
図1〜図3に本発明の高クロム鋼材の溶接継手を示す。高クロム鋼材の溶接継手(以下、単に溶接継手という)1は、高クロム鋼材の母材2,3間を開先溶接して形成された余盛部5と、余盛部5を両方の母材2,3側に拡張して開先溶接時の熱影響部2a,3aとその近傍を覆うようにビードを盛って形成された拡張部6とを備えている。なお、図1,5において、通常の開先溶接で形成される余盛部を2点鎖線5aで示している。
【0016】
本発明が対象にするのは高クロム鋼材同士の開先溶接であり、開先溶接が可能であれば母材(高クロム鋼材)2,3の形状や大きさ、用途は特に制限されない。例えば、管状部材、板状部材等のいずれについても適用可能である。本実施形態では、管状部材の長手継手(図3)の形成に適用している。ただし、管状部材の周継手(図4)の形成に適用しても良く、あるいは板状部材の溶接継手に適用しても良い。
【0017】
ここで、高クロム鋼材とは、鋼材中のクロムの含有量が重量パーセントで8%以上13%以下のフェライト鋼材をいい、例えば改良9Cr鋼、12Cr鋼等が含まれる。
【0018】
本発明は、同種の高クロム鋼材(例えば、12Cr鋼と12Cr鋼)の溶接に適用しても良いし、異なる種類の高クロム鋼材(例えば、改良9Cr鋼と12Cr鋼)の溶接に適用しても良い。
【0019】
溶接する母材2,3間には開先4が設けられており、開先溶接されて余盛部5が形成されている。また、開先溶接時に母材2,3には熱影響部2a,3aが生じるが、余盛部5は両方の母材2,3側に拡張され、熱影響部2a,3aとその近傍を覆う拡張部6,6が形成されている。即ち、開先溶接時の熱影響部2a,3aとその近傍を覆い隠すように拡張部6,6となるビードが形成されている。
【0020】
本実施形態では、母材(管状部材)2,3の外周面2b,3b側にのみ拡張部6,6を設けている。高クロム鋼材と高クロム鋼材との溶接継手1では、熱影響部2a,3aに生じる応力の深さ方向(肉厚方向)の分布が外周面2b,3bから若干深い位置にピークを有している(図6(A),図9参照)。母材2,3の外周面2b,3b側に拡張部6,6を設けることで、熱影響部2a,3aの外周面2b,3b側の表層に生ずる応力を緩和することができ、特に前記ピークを著しく減少させることができる。ただし、母材2,3の内周面2c,3c側への加工が可能な場合等には外周面2b,3b側と内周面2c,3c側(裏波ビード側)の両方に拡張部6,6をそれぞれ設けても良く、場合によっては内周面2c,3c側にのみ拡張部6,6を設けるようにしても良い。
【0021】
本実施形態では、板厚(肉厚)が同一の母材2,3同士を開先溶接している。ただし、板厚が異なる母材2,3同士を開先溶接する場合にも適用可能である。この場合には、少なくとも基準面側(面一にする側の面。一般的には内周面2c,3c。)に拡張部6,6を形成することが好ましい。
【0022】
余盛部5と拡張部6は開先4に充填される溶加材と同じ溶加材で形成されている。溶加材としては、例えば高クロム鋼系の溶加材等の使用が可能である。高クロム鋼系の溶加材としては、例えば株式会社神戸製鋼所製「溶接材料」:MGS-9Cb,MGS-9CbNT,TGS-9Cb等の使用が可能である。また、溶接手段としては開先溶接を行うものであれば適用可能であり、例えば、MIG溶接、被覆アーク溶接、TIG溶接、サブマージアーク溶接等の使用が可能である。
【0023】
本実施形態では開先4の内周面2c,3c側から外周面2b,3b側へとビードが積み重ねられて溶融金属部7が形成される片面溶接を行っている。
【0024】
適用可能な開先4の種類には特に制限はなく、例えばI形、V形、X形、レ形、K形、J形、U形、H形等のいずれにも適用可能であり、その他の形状の開先4にも適用可能である。
【0025】
溶接は以下の手順で行われる。まず、2つの母材2,3の間を開先溶接して余盛部5を形成する。次に、余盛部5を両方の母材2,3側に拡げて拡張部6,6を形成する。このとき、開先4に溶加材を充填した際に生じた熱影響部2a,3aの表面(外周面2b,3b)とその近傍をビード(拡張部6)で覆うようにする。拡張部6は余盛部5から連続するように形成する。これにより、余盛部5から熱影響部2a,3aを超えて拡がる拡張部6が形成される。拡張部6を形成する際、母材2,3の外周面2b,3b(熱影響部2a,3aの表面とその近傍)をなるべく溶融させないようにして外周面2b,3bに新たな熱影響部が生成されるのを防止することが好ましい。
【0026】
一般に管状部材の長手継手では、開先溶接の熱影響部2a,3aに生じる応力分布(開先4の深さ方向の応力分布)は外周面2b,3bから若干深い位置にピークを有している(図6(A),図9参照)。即ち、開先溶接では開先4の肩部4a,4aが溶融して間隔が広がることから開先4にその角度が急激に変わる変化領域8が生じ、この変化領域8に応力が集中するので上記ピークが発生することになる。本発明の溶接継手1では、拡張部6を形成することで溶接継手1の外周面2b,3b側部分の断面積が大きくなり、熱影響部2a,3aに生ずる応力を分散させることができる。これにより、熱影響部2a,3aの外周面2b,3b側の部分(表層)に生ずる応力を緩和することができ、クリープの発生を抑制して溶接継手1の寿命を伸ばすことができる。特に変化領域8への応力の集中を著しく緩和することができる。
【0027】
拡張部6としては、熱影響部2a,3aを少しでも超えて拡張していれば良い。拡張部6が熱影響部2a,3aを少しでも超えていれば応力を緩和するものとして実用上有効な効果が得られる。
【0028】
なお、拡張部6を形成することで、熱影響部2a,3aの内周面2c,3c側の部分に生じる応力は若干増加する傾向にあるが(図6(A),図9参照)、溶接継手1のクリープによる損傷に対しては内周面2c,3c側の応力よりも外周面2b,3b側の応力の方が影響が大きいので、内周面2c,3c側の応力の若干の増加は特に問題にはならない。
【0029】
本発明は、例えば火力発電所における改良9Cr鋼製高温再熱蒸気管のエルボ部腹側長手溶接部および突き合わせ溶接部、12Cr鋼製主蒸気管の突き合わせ溶接部に適用できるが、これらに限られない。
【0030】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図5に示すように、余盛部5及び拡張部6の表面を超音波探傷可能な平滑面9に加工しても良い。この場合には超音波探傷を行うためにわざわざ平滑面9を形成する必要がなくなり、保守点検時等の超音波探傷の実施が容易になる。平滑面9としては、超音波探傷可能なものであれば母材2,3の外周面2b,3bに沿う曲面でも良いし、平面でも良い。
【0031】
また、上述の説明では、母材2,3を溶接する際に余盛部5と拡張部6を一緒に形成していたが、余盛部5と拡張部6を後から(一定の時間をおいてから)形成しても良い。例えば、既に設置されている配管等の溶接継手に後から余盛部5と拡張部6を追加形成するようにしても良い。またこの場合、既に設置されている配管等の溶接継手に余盛部が形成されているときには、拡張部6を後から追加形成しても良い。これらの場合には、既に設置されている配管等の溶接継手に本発明を適用することができる。
【0032】
また、余盛部5と拡張部6をいったん削り取って溶融金属部7の表面を母材2,3の外周面2b,3bと面一にした後、余盛部5と拡張部6を改めて形成しても良い。
【0033】
また、上述の説明では片面溶接に適用していたが、両面溶接に適用しても良い。この場合、母材2,3の外周面2b,2bと内周面2c,3cとの両方に余盛部5と拡張部6をそれぞれ設けるようにしても良いし、いずれか一方にのみ余盛部5と拡張部6を設けるようにしても良い。
【実施例1】
【0034】
溶接継手1の熱影響部2a,3aの応力分布を調べるために有限要素法による解析を行った。有限要素解析コードはMSC MARCを使用した。
【0035】
まず最初に、拡張部6を設けていない状態について、余盛部5がある場合とない(溶融金属部7の表面が母材2,3の外周面2b,3bと面一)場合について解析を行った。ここでは、溶接継手1として、大口径管の長手継手であるエルボ部腹側長手溶接部と周継手である突き合せ溶接部とをモデル化し解析を行った。有限要素解析における諸条件を表1に示す。
【0036】
【表1】

【0037】
解析の結果を図6に示す。周方向、軸方向、径方向のそれぞれについて応力を算出した。余盛部5がある場合を実線で、余盛部5が無い場合を破線で示している。この結果から、エルボ腹側部の場合では主応力は周方向であり、その最大値となる外周面側表層(母材外周面から8.5mm)では余盛部5を研削することにより2.7MPa(5.4%)増加することが判る。一方、突き合せ溶接部の場合では主応力は軸方向で外表面(母材外周面2b,3b)において最大となり、余盛部5がない場合では外表面の応力が約6MPa減少する結果となった。実機配管では内圧のほかにシステム荷重が重畳する。エルボ腹側部においては内圧のみで余盛部5による影響は実機配管の材料特性のバラつきを考えると十分小さく、システム荷重が重畳した場合においても同様の結果が得られると考えられる。
【0038】
また、外周面2b,3bから8.5mmの位置と内周面2c,3cから5mmの位置に応力のピークが現れた。外周面2b,3bから8.5mmの位置は上述の変化領域8に対応し、内周面2c,3cから5mmの位置は変化領域8と同様に生じる内周面2c,3c側の変化領域10に対応することから、各変化領域8,10に応力が集中することが判った。
【0039】
次に、エルボ部腹側長手溶接部について、余盛部5と拡張部6とを設けた状態について解析を行った。そのモデルを図7に示す。まず、図7(A)において、開先溶接の幅b(中心からの距離)を30mmとし、厚さaを3.75mmから15mmまで変化させた場合の結果を図8(A)に示す。肉盛なし(余盛部5及び拡張部6なし:a=0)の場合に比べて、厚さaを3.75mmとすることで外周面側表層の応力が大幅に減少した。また、厚さaを7.5mmとすることで外周面側表層の応力が更に減少した。ただし、厚さa>7.5mmでは応力分布に変化は見られなかった。
【0040】
次に、厚さa=7.5mmとし、幅bを20mmから40mmまで変化させた結果を図8(B)に示す。肉盛なし(余盛部5及び拡張部6なし:b=0)の場合に比べて、幅b=20mmとすることで外周面側表層の応力が大幅に減少した。また、幅bを30mm,40mmと増加させることで、外周面側表層の応力が更に減少した。
【0041】
一方、図8(A)と(B)のいずれにおいても、内周面側表層(母材内周面から5mm)では応力が増加(最大で4.5MPa(9.1%))した。そのため、タイプIV損傷が内周面側表層から優先的に進行するようになることも予想される。ただし、溶接継手1のクリープによる損傷に対しては内周面側表層の応力よりも外周面側表層の応力の方が影響が大きいため、内周面側表層での若干の応力増加はあまり問題にならないと考えられる。
【0042】
次に、図7(B)に示すように余盛部5及び拡張部6を形成した場合(拡張部6の熱影響部2a,3bを超える距離が僅かな場合)の周方向応力の分布を図9に示す。なお、図9の「肉盛」は余盛部5及び拡張部6を意味している(図8も同じ)。図9から拡張部6が僅かな場合であっても外周面側表層の応力は低下し、内周面側表層では上昇し、拡張部6の効果が表れることが判る。図示していないが、軸方向および径方向応力についても外周面側表層での応力の低下および内周面側表層での上昇といった周方向応力と同様な傾向が得られた。
【0043】
以上より、余盛部5及び拡張部6を設けることで、クリープによる損傷に大きく影響する溶接継手1の熱影響部2a,3aの応力を緩和できることを確認できた。
【符号の説明】
【0044】
1 溶接継手
2,3 母材
2a,3a 熱影響部
4 開先
5 余盛部
6 拡張部
9 超音波探傷可能な平滑面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
高クロム鋼材の母材間を開先溶接して余盛部を形成すると共に、前記余盛部を前記両方の母材側に拡張して前記開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って拡張部を形成することを特徴とする高クロム鋼材の溶接方法。
【請求項2】
前記余盛部及び前記拡張部の表面を超音波探傷可能な平滑面に加工することを特徴とする請求項1記載の高クロム鋼材の溶接方法。
【請求項3】
高クロム鋼材の母材間を開先溶接して形成された余盛部と、前記余盛部を前記両方の母材側に拡張して前記開先溶接による熱影響部とその近傍を覆うようにビードを盛って形成された拡張部とを備えることを特徴とする高クロム鋼材の溶接継手。
【請求項4】
前記余盛部及び前記拡張部の表面が超音波探傷可能な平滑面であることを特徴とする請求項3記載の高クロム鋼材の溶接継手。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate