(57)【要約】【課題】金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を確実かつ十分に回復させることができる熱処理方法を提供する。【解決手段】加熱装置により金属部材の溶接熱影響部をＡ３変態点以上の温度Ｔ１まで加熱した後、その温度Ｔ１で所定時間保持する。その後、金属部材を所定の温度Ｔ３まで低下させた後、Ａ３変態点未満の温度Ｔ２まで再加熱する。その温度Ｔ２で所定時間保持した後、金属部材を常温まで冷却する。金属部材を温度Ｔ１まで加熱する際の加熱速度は、５０℃／ｈ以上８００℃／ｈ未満の加熱速度に設定される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高圧下で使用された金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を回復するための熱処理方法であって、前記金属部材の溶接熱影響部を５０℃／ｈ以上８００℃／ｈ未満の加熱速度でＡ３変態点以上の温度まで加熱する工程を備えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
前記加熱する工程の後に３００℃以下に冷却し、Ａ３変態点未満の温度まで再加熱する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電プラント等において高温高圧下で使用された金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を再生熱処理により回復させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント等において使用される設備（ボイラまたはタービン等）では、高温高圧（５５０℃〜６００℃、２５０ＭＰａ）の気体が扱われる。このような環境で使用される設備においては、高温高圧の気体に長時間曝されることによって発生する金属部材（例えば、気体が流通する鋼管）の溶接熱影響部（ＨＡＺ：Heat Affected Zone）のクリープ損傷が特に問題となる。溶接部近傍は、溶接時の熱影響を受けて溶接熱影響部が生成され、高温高圧下で使用されるとクリープ損傷の影響を特に受けやすいからである。
【０００３】
そこで、従来より、クリープ損傷によって低下した金属部材の強度を回復させることを目的として種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、金属部材をＡ３変態点以上の温度で加熱保持することにより、金属部材の劣化部の強度を回復させる強度回復方法が記載されている。この方法によれば、劣化部のクリープ強度を回復させるために、劣化部が加熱速度約８５０℃／ｈでＡ３変態点以上の温度まで加熱されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３２５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らは、種々の実験および考察により、Ａ３変態点以上の温度までの加熱速度が、劣化部のクリープ強度回復に大きな影響を与えることを見出した。
【０００６】
本発明の目的は、金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を確実かつ十分に回復させることができる熱処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下に示す発明を要旨とする。
【０００８】
本発明に係る熱処理方法は、高温高圧下で使用された金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を回復するための熱処理方法であって、前記金属部材の溶接熱影響部を５０℃／ｈ以上８００℃／ｈ未満の加熱速度でＡ３変態点以上の温度まで加熱する工程を備えるものである。
【０００９】
この熱処理方法によれば、金属部材の溶接熱影響部がＡ３変態点以上の温度まで加熱されるので、結晶粒を再結晶させることができる。再結晶は粒界、特に炭化物が存在している部分から核成長が生じるので、熱処理前の金属部材の溶接熱影響部の結晶粒界にクリープ強度劣化の原因の一つであるボイドが存在している場合でも、そのボイドを再結晶後の結晶粒内に取り込むことができる。
【００１０】
また、熱処理前の金属部材の溶接熱影響部の結晶粒界に炭化物が存在している場合でも、その炭化物を固溶させることができるとともに、微細化することができる。これらの結果、ボイドまたは炭化物を起点とする金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度劣化による亀裂発生および亀裂成長を防止することができる。また、この熱処理方法によれば、金属部材の溶接熱影響部が５０℃／ｈ以上８００℃／ｈ未満の加熱速度でＡ３変態点以上の温度まで加熱されるので、従来の加熱速度約８５０℃／ｈ以上でＡ３変態点以上の温度まで加熱する熱処理に比べて生成される結晶粒の粒径を十分に大きくすることができる。そのため金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を十分に回復させることができる。
【００１１】
熱処理方法は、Ａ３変態点以上の温度まで加熱する工程の後に３００℃以下に冷却し、Ａ３変態点未満の温度まで再加熱する工程をさらに備えてもよい。この場合、焼き戻し処理により組織を均質化して金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度の機械的性質をより改善することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を確実かつ十分に回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態に係る再生熱処理方法の一例を示す図である。
【図２】金属部材の断面図である。
【図３】高温高圧の環境下において長時間使用された金属部材のＨＡＺの結晶粒を示す写真である。
【図４】再生熱処理における熱履歴を示す図である。
【図５】再生熱処理後のＨＡＺの結晶粒を示す写真である。
【図６】実施例における再生熱処理の熱履歴を示す図である。
【図７】実施例と比較例クリープ破断特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態に係る熱処理方法について説明する。なお、以下においては、鋼管の溶接熱影響部のクリープ強度回復方法を例に挙げて、本発明に係る熱処理方法を説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る熱処理方法の一例を示す図である。なお、図１には、高温高圧下で使用された鋼管１１および鋼管１２からなる金属部材１０が示されている。鋼管１１および鋼管１２は、溶接金属１３により接続されている。図１に示すように、本実施の形態に係る熱処理方法においては、金属部材１０の外周面（溶接金属１３を含む溶接熱影響部）を覆うように布状の電気抵抗ヒータ１４（以下、ヒータ１４と略記する。）が設けられる。この状態で、ヒータ１４により金属部材１０が加熱される。それにより、金属部材１０の溶接熱影響部のクリープ強度回復が行われる。なお、ヒータ１４は、例えば、ニクロム線により構成される。以下、本発明に係る熱処理方法について詳細に説明する。
【００１６】
図２は、金属部材１０の溶接金属１３およびその周辺部を示す断面図である。図２に示すように、鋼管１１，１２の溶接金属１３の両端部近傍には、溶接熱影響部１５，１６（以下、ＨＡＺ１５，１６と略記する。）が形成されている。本発明者らは、このＨＡＺ１５，１６に注目して種々の実験を行い、金属部材１０の溶接熱影響部のクリープ強度回復方法について考察した。
【００１７】
図３は、高温高圧の環境下において長時間使用された金属部材１０のＨＡＺ１５，１６の結晶粒を示す写真である。
【００１８】
図３に示すように、高温高圧の環境下において長時間使用された金属部材のＨＡＺ（図２の符号１５，１６）においては、結晶粒２１（図３においては、一部を実線で図示する。）の粒界に複数のボイド２２が生成されるとともに、複数の炭化物２３が析出している。本発明者らは、これらのボイド２２および炭化物２３が、結晶粒２１の粒界における亀裂発生および亀裂成長の要因になっていると考えた。そして、本発明者らは、このボイド２２および炭化物２３を結晶粒内に閉じ込めることができれば、金属部材のクリープ損傷を防止でき、クリープ強度を回復できると考えた。
【００１９】
そこで、本発明者らは、ボイド２２および炭化物２３を結晶粒内に閉じ込めるために、以下に示す方法で金属部材の再生熱処理を行い、結晶粒の再結晶を試みた。素材は２．２５（ｗｔ％）Ｃｒ−１（ｗｔ％）Ｍｏ鋼で、５７０℃、２１０ＭＰａの高温高圧化で約３０万時間稼働した外径７２０ｍｍφ、肉厚６０ｍｍのボイラ用高温配管の溶接部近傍から管の長さ方向に平行に切り出した種々の試験片を用いて行った。なおこの部材のＡ３変態点は、約８８０℃である。
【００２０】
図４は、その再生熱処理における熱履歴を示す図である。この再生熱処理においては、まず、金属部材のＨＡＺ（図２の符号１５，１６）を含む試験片をＡ３変態点以上の温度Ｔ１（例えば、９２０℃）まで加熱速度３００℃／ｈで加熱した。これにより、結晶粒を再結晶させることができるとともに、析出した炭化物を固溶させることができる。次に、試験片を温度Ｔ１で約２０分間保持した後、温度Ｔ３（例えば、３００℃）まで空冷した。次に、試験片をＡ３変態点未満の温度Ｔ２（例えば、７４０℃）まで再度加熱した後、その状態で６０分間保持した。その後、試験片を常温まで空冷した。これにより内部応力を緩和し、組織を均一化することができる。
【００２１】
図５は、上記の熱処理後のＨＡＺ（図２の符号１５，１６）の結晶粒を示す写真である。なお、図５においては、熱処理前の結晶粒（図３の符号２１）が点線で、熱処理後の新たな結晶粒３１が実線で一部図示されている。
【００２２】
図５に示すように、上記の再生熱処理により結晶粒が再結晶し、新たな結晶粒３１（図５においては、一部を実線で示す。）が生成する。ここで、炭化物２３の近傍には、再結晶粒核を生成する元素である炭素（Ｃ）が多く存在しているので、新たな結晶粒３１は、熱処理前の結晶粒２１（図５においては、一部を破線で示す。）の粒界に存在していた炭化物２３の近傍から成長する。それにより、図５に示すように、新たな結晶粒３１内にボイド２２を取り込むことができる。また、炭化物（図３の符号２３）は上記の熱処理により一旦固溶し、微細化して新たな結晶粒３１内に再析出している。
【００２３】
このように、再結晶後の新たな結晶粒３１においては、ボイド２２および炭化物２３が粒界上に存在する頻度が低くなる。また、炭化物２３が微細化している。それにより、新たな結晶粒３１の粒界においてボイド２２または炭化物２３を起点として亀裂が発生することを防止することができる。その結果、金属部材１０の溶接熱影響部のクリープ強度が回復する。
【００２４】
しかしながら、本発明者らのさらなる検討により、Ａ３変態点以上の温度までの加熱速度が、劣化部のクリープ強度回復に大きな影響を与えることを見出した。具体的には、金属部材１０の溶接熱影響部をＡ３変態点以上の温度まで加熱する際の加熱速度が速い場合には、再結晶後の新たな結晶粒３１の粒径が十分に大きくならず、また逆に加熱速度が遅い場合には、再結晶後の新たな結晶粒３１の粒径が十分に大きいにも拘わらず、金属部材１０の溶接熱影響部のクリープ強度の回復が十分にされないことが判明した。そのため本発明者らは、加熱速度５０℃／ｈ以上８００℃／ｈ未満で金属部材１０の溶接熱影響部をＡ３変態点まで加熱することにより、劣化部のクリープ強度の回復を十分に出来ることを提案する。
【００２５】
そこで、本実施の形態においては、金属部材１０の溶接熱影響部をＡ３変態点まで加熱する際の加熱速度を５０℃／ｈ以上８００℃／ｈ未満に設定し、図４で説明した熱処理を行う。これにより、金属部材１０の溶接熱影響部のクリープ強度を十分に回復させることができる。なお、クリープ強度を回復させるためには、急速加熱（８５０℃／ｈ以上）や拘束によるボイドの圧接は必要ない。急速加熱が必要でないため、引張熱応力のリスクを低減し、また金属部材１０の極表層部だけでなく肉中深くまでクリープ強度を容易に回復させることができる。
【００２６】
なお、図４において温度Ｔ１は、Ａ３変態点以上の温度であればよい。好ましくはＡ３変態点＋３０℃〜Ａ３変態点＋１００℃であり、上限として１２００℃程度である。また、図４の例では、金属部材１０の溶接熱影響部を温度Ｔ１まで加熱した後に、金属部材１０の溶接熱影響部を温度Ｔ２まで再加熱しているが、再加熱を行うことなく金属部材１０の溶接熱影響部を常温まで冷却してもよい。
【００２７】
また、温度Ｔ２はＡ３変態点未満の温度であればよい。また、金属部材１０の溶接熱影響部の冷却速度は特に限定されず、金属部材１０は空冷（例えば、冷却速度１０００℃／ｈ）されてもよく、徐冷（例えば、冷却速度１５０℃／ｈ）されてもよい。また、Ａ３変態点以上の温度での保持時間は上記の例に限定されず、２０分より長くてもよく、短くてもよい。また、金属部材１０をＡ３変態点以上の温度にするための加熱を複数回繰り返してもよい。また、熱処理には、上述した布状の電気抵抗ヒータ１４（図１参照）のような抵抗式の加熱装置を用いてもよく、高周波誘導加熱装置を用いてもよい。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例に基づいて本発明の効果を説明する。本実施例においては、２．２５（ｗｔ％）Ｃｒ−１（ｗｔ％）Ｍｏ鋼からなる試験片（素材）を用いた。なお、試験片は中央部分で溶接されており、溶接熱影響部が形成されている。
【００２９】
まず、上記の試験片（新材）を３本用意し、６５０℃、６７５℃および７００℃の環境下において３９．２ＭＰａの単軸クリープ試験を実施し、破断時間を測定した。その結果、６５０℃の試験では試験片は２８１２．４ｈで破断し、６７５℃の試験では７２６．８ｈで破断し、７００℃の試験では１６３．４ｈで破断した。
【００３０】
次に、同様の構成の試験片（新材）を３本用意し、６５０℃の環境下において３９．２ＭＰａの単軸クリープ試験を２１６１ｈ実施し、試験を停止した。本実施例においては、その３本の試験片を実施例１、実施例２および比較例１の試験片とする。なお、実施例１，２および比較例１の試験片のクリープ試験実施時間（２１６１ｈ）は、上述した６５０℃のクリープ試験における試験片の破断時間（２８１２．４ｈ）の７７％に相当する。
【００３１】
上記のようにして作製した実施例１，２および比較例１の試験片に対して、高周波誘導加熱装置を用いて再生熱処理を施した。再生熱処理では、図６に示すように、時点ｔ０−ｔ１間において加熱装置の加熱温度を常温から９２０℃まで昇温させ、時点ｔ１−ｔ２間において加熱温度９２０℃で２０分保持し、時点ｔ２−ｔ３間において試験片を常温まで冷却した。具体的には、実施例１，２および比較例１の試験片に対してそれぞれ下記の表１に示す条件で熱処理を行った。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
熱処理後、６８０℃、３９．２ＭＰａの単軸クリープ試験により破断時間の評価を行った。その結果を図７に示す。なお、図７において、縦軸は試験温度を示し、横軸は破断時間を示す。横軸は、対数目盛で示されている。また、図７には、上述した６５０℃、６７５℃および７００℃の環境下における試験片（０％損傷材：新材）の単軸クリープ試験の結果もプロットされており、その３点のプロットに対して近似直線（二点鎖線）が引かれている。この近似直線は、試験片（新材）の任意の試験温度における予想破断時間を示している。
【００３４】
また、図７には、６５０℃、３９．２ＭＰａの単軸クリープ試験における２７％損傷材、５６％損傷材および７７％損傷材の予想破断時間がプロットされている。なお、２７％損傷材とは、６５０℃の環境下で３９．２ＭＰａの単軸クリープ試験を７５６ｈ（新材の破断時間（２８１２．４ｈ）の２７％に相当する時間）実施した試験片である。同様に、５６％損傷材および７７％損傷材とは、それぞれ６５０℃の環境下で３９．２ＭＰａの単軸クリープ試験を１５８５ｈ（新材の破断時間（２８１２．４ｈ）の５６％に相当する時間）および２１６１ｈ（新材の破断時間の７７％に相当する時間）実施した試験片である。また、２７％損傷材、５６％損傷材および７７％損傷材の予想破断時間は、新材の破断時間（２８１２．４ｈ）から各損傷材のクリープ試験実施時間（７５６ｈ、１５８５ｈ、２１６１ｈ）を減算することにより算出した時間である。また、図７には、任意の試験温度における各損傷材の予想破断時間を示す直線が実線（２７％損傷材）、破線（５６％損傷材）および一点鎖線（７７％損傷材）で引かれている。これらの直線は、図７に０％損傷材（新材）の任意の試験温度における予想破断時間を示す近似直線（二点鎖線）に平行な直線である。なお、実施例１，２および比較例１の試験片は７７％損傷材である。
【００３５】
図７に示すように、８００℃／ｈの加熱速度で再生熱処理をした比較例１の試験片では、クリープ破断時間が１７８ｈであるのに対し、１５０℃／ｈの加熱速度で再生熱処理をした実施例１の試験片では、クリープ破断時間が３４８ｈと、より破断時間が長寿命側にシフトしており、クリープボイドの損傷が回復していることが解る。更に加熱速度を下げた６０℃／ｈの加熱速度で再生熱処理した実施例２の試験片では、クリープ破断時間が２５９ｈと８００℃／ｈの加熱速度で再生熱処理した比較例１の試験片より破断時間が長寿命になっているが、１５０℃／ｈの加熱速度で再生熱処理した実施例１の試験片ものより破断時間が短くなっている。
【００３６】
更に再生熱処理の加熱速度の影響を調査したところ、加熱速度が８００℃／ｈ未満の場合には、加熱速度が８００℃／ｈ以上の場合に比べてクリープボイド損傷の回復の効果が大きいことが判明した。また加熱速度の下限については、加熱速度１５０℃／ｈの場合のクリープボイド損傷の回復の程度に対する加熱速度６０℃／ｈの場合のクリープボイド損傷の回復の程度の低下の割合、および実機加熱の作業効率を勘案して５０℃／ｈを下限とした。なお、再生熱処理において１５０℃／ｈの加熱速度で９２０℃の保持時間の効果について下限２分から上限１２０分まで検討したが、クリープ破断時間について明確な差異は認められなかった。また再生熱処理における冷却速度の効果についても５０℃／ｈから３００℃／ｈについて検討したが、クリープ破断時間について明確な差異は認められなかった。
【００３７】
なお、上記の実施例においては高周波誘導加熱装置を用いて再生熱処理を行ったが、実機の再生熱処理において、例えば加熱速度が３００℃／ｈ以下の場合には、布状の電気抵抗ヒータを用いて再生熱処理を行うことが好ましい。この場合、高周波誘導加熱装置を用いて再生熱処理を行う場合に比べて、ＨＡＺを含む広範囲を均熱的に加熱（制御）できる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、種々の金属部材の溶接熱影響部のクリープ強度を回復させることができるので、特に、火力発電プラントなどにおいてクリープ損傷を受けた配管の強度を回復させるのに有効である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  金属部材
１１，１２  鋼管
１３  溶接部
１４  電気抵抗ヒータ
１５，１６  ＨＡＺ
２１，３１  結晶粒
２２  ボイド
２３  炭化物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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