(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ及びＮ鋼であって、且つ調質のための熱処理である焼きならし・焼戻し又は焼入れ・焼戻し処理を施して強度を高めた調質鋼として最終的に使用されるとともに高温条件下で使用される鋼板を、前記調質のための熱処理を行わないまま円筒状又は半円筒状に曲げ加工し、
次いで、円筒状又は半円筒状鋼板の端部を長手方向にＣｒ，Ｍｏ，Ｃ，Ｎｂ，Ｖ及びＮ量が母材と同等の組成の溶接材料を用いて、１層１パスでの積層方法による多層盛の狭開先溶接法で溶接して管形状とし、
続いて、焼きならし・焼戻し処理又は焼入れ・焼戻し処理を行い、
前記溶接の際に軟化したＨＡＺ部を前記母材と同等の強度に回復させると共に、前記溶接後の溶接金属を前記母材と同等の強度にする
ことを特徴とする板曲げ溶接鋼管の製造方法。
【請求項２】
９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ及びＮ鋼であって、且つ調質のための熱処理である焼きならし・焼戻し又は焼入れ・焼戻し処理を施して強度を高めた調質鋼として最終的に使用されるとともに高温条件下で使用される鋼板を、前記調質のための熱処理を行わないまま円筒状又は半円筒状に曲げ加工し、
次いで、円筒状又は半円筒状鋼板の端部を長手方向にＣｒ，Ｍｏ，Ｃ，Ｎｂ，Ｖ及びＮ量が母材と同等の組成の溶接材料を用いて、１層１パスでの積層方法による多層盛の狭開先溶接法で溶接して管形状とし、
次いで、前記管形状となった鋼管に前記溶接材料と同一の溶接材料で枝管を溶接し、
続いて、焼きならし・焼戻し処理又は焼入れ・焼戻し処理を行い、
前記溶接の際に軟化したＨＡＺ部を前記母材と同等の強度に回復させると共に、前記溶接後の溶接金属を前記母材と同等の強度にする
ことを特徴とする板曲げ溶接鋼管の製造方法。
【請求項３】
９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ及びＮ鋼であって、且つ調質のための熱処理である焼きならし・焼戻し又は焼入れ・焼戻し処理を施して強度を高めた調質鋼として最終的に使用されるとともに高温条件下で使用される鋼板を、前記調質のための熱処理を行わないまま円筒状又は半円筒状に曲げ加工し、
次いで、円筒状又は半円筒状鋼板の端部を長手方向にＣｒ，Ｍｏ，Ｃ，Ｎｂ，Ｖ及びＮ量が母材と同等の組成の溶接材料を用いて、１層１パスでの積層方法による多層盛の狭開先溶接法で溶接して管形状とし、
次いで、前記管形状となった鋼管に曲げ加工を行い、
続いて、焼きならし・焼戻し処理又は焼入れ・焼戻し処理を行い、
前記溶接の際に軟化したＨＡＺ部を前記母材と同等の強度に回復させると共に、前記溶接後の溶接金属を前記母材と同等の強度にする
ことを特徴とする板曲げ溶接鋼管の製造方法。
【請求項４】
請求項１，２又は３に記載の板曲げ溶接鋼管の製造方法において、
前記長手方向の溶接部における前記ＨＡＺ部の最低硬さと周囲の母材平均硬さの差がビッカース硬さで１５以内にあり、且つ溶接金属の最高硬さと周囲の母材平均硬さの差がビッカース硬さで３０以内にある
ことを特徴とする板曲げ溶接鋼管の製造方法。
【請求項５】
請求項１，２，３又は４に記載の板曲げ溶接鋼管の製造方法において製造された板曲げ溶接鋼管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板を円筒状あるいは半円筒状に曲げ加工し、端部を長手方向に溶接して鋼管とする板曲げ溶接鋼管に係わり、特にボイラ、化学プラント等の高温あるいは高圧力の条件下で使用される高強度鋼に好適な板曲げ鋼管およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラや各種熱交換器等においては、多数の伝熱管群及び伝熱管を集合する管寄せと配管が高温、高圧の条件下で使用されている。近年、特に大容量の発電用ボイラにおいては発電効率向上のため蒸気条件が高温高圧化しつつあり、伝熱管材や配管材として、従来の２．２５Ｃｒ系フェライト鋼に替って、高温強度の高い９Ｃｒ系フェライト鋼が多く使用されるようになった。
【０００３】
この材料は９Ｃｒー１Ｍｏ鋼をベースにＮｂ，Ｖ及びＮを添加し、焼ならし・焼戻し処理で焼戻しマルテンサイト組織として強度を高めた、いわゆる調質鋼である。
【０００４】
配管の中で肉厚が６０〜７０ｍｍを超えるような肉厚の大径管材は、熱間押出しあるいは鍛造によって継目無鋼管として製作される。一方、肉厚が５０ｍｍ程度以下の比較的薄肉の大径管材は板曲げ溶接鋼管として製作されることが多い。板曲げ溶接管材とは、鋼板を円筒状に曲げ加工し、円筒の長手方向の端部を溶接して管状とした鋼管である。
【０００５】
従来技術による板曲げ溶接鋼管の一般的な製作手順を図９を用いて説明する。まず鋼板をプレス加工やロール加工などにより曲げ加工して円筒状に成形する。その際、加工度や鋼板の強度によっては、曲げ加工を容易にするため鋼板を高温に加熱して熱間曲げを行う。前述した高強度の調質鋼の場合、高温強度が高く加工性が悪いため常温での円筒形状への加工は難しく、９００〜１０００℃に加熱して熱間曲げ加工することが多い。この際、調質鋼は高温への加熱によって、組織が変態を起こし、強度が低下するため、熱間曲げ加工後に焼ならし・焼戻し処理を行って組織を回復させることが必要となる。
【０００６】
通常、焼ならしは１，０５０℃以上、焼戻しは７８０℃前後に加熱して行われる。次に円筒の外面側あるいは内面側から端部を長手方向に溶接して接合し、鋼管とする。径が比較的小さい場合はプレスで半円筒状のものを形成し、これを２個突合わせ溶接して鋼管とする場合もある。
【０００７】
ところで焼戻しマルテンサイト組織の鋼は溶接の際に溶接熱影響部（ＨＡＺ部）においてビッカース硬さで２０〜４０程度の軟化が生じるため、大入熱の溶接では軟化領域が広くなって継手のクリープ破断強度が低下することがある。特に管の長手溶接部では内圧により発生する周方向応力が溶接線に対して直角となり、軟化領域に大きな応力が作用するので、軟化領域の幅が広くならないように、溶接施工の際に入熱を小さく抑える等の細心の注意が必要であった。
【０００８】
ＨＡＺの軟化を回復させる方法として、溶接後に上述の焼ならし・焼戻し処理を行う方法も考えられる。この場合、ＨＡＺの組織は溶接前の状態に回復するが、従来の溶接材料では溶接金属のクリープ破断強度が低下するという問題が生じる。すなわち従来の溶接材料の成分設計の考え方では、溶接金属が凝固、急冷された組織のままで７４０℃前後の応力除去焼鈍を受けて使用することを前提としており、溶接割れの防止及び強度と組織の調整を目的としてＣを母材より低く、ＮｉとＭｎを母材より高めに、また他の添加元素量も調整している。
【０００９】
その結果、溶接後に焼ならしを行い、さらに７８０℃前後の高温で焼戻しを行うと溶接金属の高温強度が低下する。特にサブマージアーク溶接のように大入熱溶接で１パスあたりの溶接量が多い溶接法の場合は溶接割れ防止のためＣとＮｂの量を低くしており、焼ならし・焼戻し処理後にクリープ破断強度が大きく低下する。
【００１０】
このように、調質された高強度鋼に対して一般的な従来技術による方法で板曲げ溶接鋼管を製作した場合、板曲げ溶接鋼管は長手溶接部のＨＡＺまたは溶接金属の強度が低くなる可能性があり、溶接施工条件や使用条件によっては設計的に安全裕度をとるため継目無鋼管に比べて、肉厚を厚くする必要があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、容易に製作が可能で、長手溶接部の強度を高めて信頼性を向上させた板曲げ溶接鋼管を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、主として次のような構成を採用する。
【００１３】
９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ及びＮ鋼であって、且つ調質のための熱処理である焼きならし・焼戻し又は焼入れ・焼戻し処理を施して強度を高めた調質鋼として最終的に使用されるとともに高温条件下で使用される鋼板を、前記調質のための熱処理を行わないまま円筒状又は半円筒状に曲げ加工し、
次いで、円筒状又は半円筒状鋼板の端部を長手方向にＣｒ，Ｍｏ，Ｃ，Ｎｂ，Ｖ及びＮ量が母材と同等の組成の溶接材料を用いて、１層１パスでの積層方法による多層盛の狭開先溶接法で溶接して管形状とし、
続いて、焼きならし・焼戻し処理又は焼入れ・焼戻し処理を行い、
前記溶接の際に軟化したＨＡＺ部を前記母材と同等の強度に回復させると共に、前記溶接後の溶接金属を前記母材と同等の強度にする板曲げ溶接鋼管の製造方法。
【００１４】
また、前記板曲げ溶接鋼管の製造方法において、
前記長手方向の溶接部における熱影響部の最低硬さと周囲の母材平均硬さの差がビッカース硬さで１５以内にあり、且つ溶接金属の最高硬さと周囲の母材平均硬さの差がビッカース硬さで３０以内にある板曲げ溶接鋼管の製造方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態に関して図面を用いて詳細に説明する。まず、図１で板曲げ溶接鋼管の基本的な製造手順を説明する。素材として圧延後徐冷あるいは焼戻しを行って強度を低く抑えた未調質の鋼板１を用い、プレス加工やロール加工で円筒状に曲げ加工する。加工度によっては半円筒状に加工してもよいし、冷間曲げまたは熱間曲げのいずれの加工法でもよい。板曲げ加工後、長手溶接を行う。
【００１６】
溶接法としては１パス当たりの溶着量が小さく、溶接割れを生じにくい狭開先のＴＩＧ，ＭＡＧまたはＭＩＧ溶接法とする。溶接材料は、焼ならし・焼戻し後の溶接金属の強度を母材と同等にするため、強度に大きく影響するＣｒ，Ｍｏ，Ｃ，Ｎｂ，Ｖ及びＮ量が母材の成分仕様範囲に含まれるものを用いる。長手溶接した後、所定の焼ならし・焼戻し処理または焼入れ・焼戻し処理を行う。
【００１７】
次に具体的な施工例を示す。試験に用いた鋼板は、板厚４０ｍｍの９Ｃｒー１ＭｏーＮｂーＶーＮ鋼で、圧延後に焼なましのみを行ったものである。化学組成を図３に示す。この鋼板に対し、曲げ半径９００ｍｍの条件で冷間曲げ加工を実施した。本鋼の焼ならし・焼戻し状態での室温における０．２％耐力は６０ｋｇ／ｍｍ２前後であるが、ここでは焼なましによって約４０ｋｇ／ｍｍ２と低くなっており、冷間曲げでも問題なく容易に半円筒状に加工することができた。
【００１８】
長手溶接（部）２は図３に示した溶接材料（１）を用い、狭開先ＴＩＧ溶接法で１層１パスでの積層方法で多層盛の突合せ溶接施工により行った。図２に溶接開先形状を示す。長手溶接後、１，０５０℃×１時間の焼ならしと７８０℃×１時間の焼戻しを行った。（この継手をＡと称する。）
また比較のため、従来の製造方法、すなわち調質した鋼板に従来の溶接材料（２）を用いて溶接継手を２個製造し、片方（Ｂ）には７４０℃×１．５時間の一般的な溶接後熱処理を行い、他方（Ｃ）には１，０５０℃×１時間の焼ならしと７８０℃×１時間の焼戻しを行った。
【００１９】
実験結果により、本発明による板曲げ溶接鋼管の長手溶接部（Ａ）の断面マクロ組織を観察すると、溶接金属中に低温割れあるいは高温割れのような溶接割れは生じていない。溶接後の焼ならし・焼戻し処理によってＨＡＺ部は母材部分と同一の組織となっており、マクロ組織では区別がつかない状態となっている。
【００２０】
図４に肉厚中央部における硬さ分布を示す。比較のため（Ｂ）の溶接部の硬さ分布も合わせて示すが、従来法（Ｂ）ではビッカース硬さで母材に対して約２０の明瞭なＨＡＺ部の軟化が認められるのに対し、本発明ではＨＡＺ部に軟化領域は認められず、ＨＡＺ部に相当する位置から母材にかけての硬さのばらつき範囲はビッカース硬さで１０以内であった。この種の調質鋼の硬さのばらつき幅約５を考慮すれば、ビッカース硬さのばらつき範囲が１５以内であれば母材と同等の強度と考えることができる。
【００２１】
また、溶接金属と母材の硬さの差も従来法ではビッカース硬さで５０以上あるのに対し、本発明では約２０と小さくなり、母材の硬さに近い値となっている。溶接部の強度不連続性を極力抑える観点からは、母材と溶接金属の硬さ（強度）差はビッカース硬さで約３０以内に抑えることが望ましい。
【００２２】
すなわち、長手方向の溶接部における熱影響部の最低硬さと周囲の母材平均硬さの差がビッカース硬さで１５以内にあり、かつ溶接金属の最高硬さと周囲の母材平均硬さの差がビッカース硬さで３０以内にすることが望ましい。
【００２３】
次にこれらの溶接部から継手試験片を切り出し、クリープ破断強度を調べた結果を図５及び図６に示す。従来の製造手順による溶接部の継手（Ｂ）の試験片、及び従来の溶接材料を用いて溶接後に調質した溶接部の継手（Ｃ）の試験片は、それぞれＨＡＺ部及び溶接金属で破断し、いずれも母材より強度が低下している。一方、本発明による継手（Ａ）の試験片は全て母材部分で破断し、母材強度と同等であった。
【００２４】
このように本実施形態で示した板曲げ溶接鋼管では、長手溶接部のＨＡＺ部の軟化及び溶接金属の強度低下の問題が解決され、継目無鋼管と同等の信頼性を得ることができる。なお、本実施形態では調質していない鋼板を素材に用いたが、曲げ加工度が小さい場合や熱間曲げ加工の場合は比較的小さな加工能力でも加工できるので、従来通り調質された鋼板を素材に用いてもよい。
【００２５】
次に、本発明による第２の実施形態について以下説明する。管寄せやＴ管台等の枝管類が付属する大径管に適用するものについて、その製造手順を図７に示す。基本的な考え方は前記第１の実施形態と同一であるが、本実施形態では長手溶接２を実施し、枝管３、周溶接４も同じ溶接材料で溶接した後に焼ならし、焼戻し処理を行うものである。この場合、枝管が径の小さい伝熱管であれば溶接時の溶着量は小さいので、溶接方法は通常のすみ肉開先のＴＩＧ，ＭＡＧ，ＭＩＧあるいは被覆アーク溶接でよい。
【００２６】
本実施形態では、付属する枝管類の長さによっては焼ならし、焼戻し時に大型の加熱炉を必要とするが、管寄せやＴ管台のように長手溶接部以外の溶接部を有する部分についても、前記第１の実施形態と同様に溶接部の強度を高めることができ、信頼性向上に効果が大きい。
【００２７】
更に、本発明による第３の実施形態として以下説明する。エルボ配管のように板曲げ溶接鋼管の製造後に曲げ工程が入る配管に適用するものについて、その製造手順を図８に示す。基本的な考え方は第１の実施形態と同一であるが、本実施形態では長手溶接を実施し、配管としての曲げ加工を行った後に焼ならし、焼戻し処理を行うものである。
【００２８】
配管の曲げ加工時の歪み履歴あるいは熱履歴は焼ならし、焼戻し処理によって消滅するので、加工法は冷間、熱間を問わず、高周波加熱の曲げ加工でもよい。
【００２９】
本実施形態でも第１の実施形態と同様に溶接部の強度を高めることができ、これらの実施形態を併用することにより、ボイラ等の実プラントにおける配管系の大部分に信頼性の向上した溶接板曲げ鋼管を適用できる。
【００３０】
以上のように、本発明では、次のような構成を採用することで、次のような作用、機能が得られるものである。
【００３１】
本発明は、素材鋼板として圧延のままあるいは圧延後に焼なましのみを行った調質していない鋼板を用いて板曲げ加工を行い、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃ，Ｎｂ，Ｖ及びＮ量が母材の成分仕様範囲に含まれる溶接材料を用いて１パス当たりの溶着量が少ない狭開先溶接法で長手溶接した後に、焼ならし・焼戻し処理を行って強度を調整し、母材とＨＡＺ部の硬さの差を小さくすることにより達成される。
【００３２】
曲げ加工時に素材鋼板の強度を低く抑えられるので曲げ加工性が向上する。また１パス当たりの溶着量が少ない狭開先溶接法で溶接するので、母材と同等の組成の溶接材料を用いても溶接割れを生じることはない。溶接の際に軟化したＨＡＺ部の組織は焼ならし・焼戻し処理によって母材一般部と同等に回復し、溶接金属も母材とほぼ同一の組成で焼ならし・焼戻し処理されるので、母材と同等の強度が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の板曲げ溶接鋼管では、鋼板素材の強度を低く抑えたまま曲げ加工が行えるので鋼板の曲げ加工性が改善され、溶接部の強度が向上して品質信頼性が向上する。これに伴い板曲げ鋼管の設計裕度を一般の継目なし鋼管と同等にして肉厚を薄くすることが可能で、工業的に効果が大である。
【００３４】
さらに素材鋼板は圧延後の焼ならし、焼戻し処理が不要なので鋼板の製造コストを低減できるだけでなく、冷間曲げ加工できる加工度の範囲が従来より拡大して曲げ工数の低減にも大きな効果があり、ひいてはプラントの建設コストを下げることができるので経済的な効果も大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における板曲げ溶接鋼管の製造手順を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における長手溶接部の溶接開先形状を示す図である。
【図３】第１の実施形態における鋼板及び溶接材料の化学組成を示す図である。
【図４】第１の実施形態における長手溶接部の硬さ分布を示す図である。
【図５】第１の実施形態におけるクリープ破断試験結果を示す図である。
【図６】第１の実施形態におけるクリープ破断試験に関するデータを示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における板曲げ溶接鋼管の製造手順を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における板曲げ溶接鋼管の製造手順を示す図である。
【図９】従来技術による板曲げ溶接鋼管の製造手順の例を示す図である。
【符号の説明】
１  鋼板
２  長手溶接（部）
３  枝管
４  周溶接（部）
【図１】
0003611434.tif 000002
【図２】
0003611434.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003611434.tif 000006
【図６】
0003611434.tif 000007
【図７】
0003611434.tif 000008
【図８】
0003611434.tif 000009
【図９】
0003611434.tif 000010