(57)【要約】【課題】隅肉溶接部に発生したクリープ損傷に対し、低コストかつ短期の施工で長期の延命効果を達成できる補修手段を実現する。【解決手段】中空筒状部材であって内部圧によりフープ応力が発生する管寄せ１０に対し、管台１２が交差した方向で溶接されて形成された隅肉溶接部ｗ１であって、クリープ損傷ｄ１が発生した隅肉溶接部ｗ１の既存溶接金属Ｍ０及び既存溶接金属Ｍ０の周囲に形成された既存熱影響部Ｈ０を含む領域の表面が、クリープ損傷発生域を含む深さまで座繰りされ、座繰り後に形成される座繰り部の底面１４が、管寄せ１０の軸線に対して傾斜した方向であって、かつフープ応力Ｆの作用方向に沿って形成され、座繰り部に形成された座繰り空間ｓに新たな補修用溶接金属Ｍ１が充填されてなる。【選択図】図１
2014136246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空筒状部材であって内部圧によりフープ応力が発生する第１の被溶接部材に対し、第２の被溶接部材が交差した方向で溶接されて形成された隅肉溶接部であって、
クリープ損傷が発生した前記隅肉溶接部の既存溶接金属及び該既存溶接金属の周囲に形成された既存熱影響部を含む領域の表面が、クリープ損傷発生域を含む深さまで座繰りされ、座繰り後に形成される座繰り部の底面が、前記第１の被溶接部材の軸線に対して傾斜した方向であって、かつ前記フープ応力の作用方向に沿って形成され、
前記座繰り部に形成された座繰り空間に新たな補修用溶接金属が充填されてなることを特徴とする隅肉溶接部の補修構造。
【請求項２】
前記第１の被溶接部材、前記第２の被溶接部材、前記既存溶接金属及び前記新たな補修用溶接金属が、９〜１２Ｃｒ系の高Ｃｒフェライト鋼で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の隅肉溶接部の補修構造。
【請求項３】
中空筒状部材であって内圧によりフープ応力が発生する第１の被溶接部材に対し第２の被溶接部材が交差した方向で溶接されて形成され、クリープ損傷が発生した隅肉溶接部の補修方法において、
前記隅肉溶接部の既存溶接金属及び該既存溶接金属の周囲に形成された既存熱影響部を含む領域の表面を、クリープ損傷発生域を含む深さまで座繰りすると共に、座繰り後に形成される座繰り部の底面が前記第１の被溶接部材の軸線に対して傾斜した方向であって、かつ前記フープ応力の作用方向に沿って形成される座繰り工程と、
前記座繰り部に形成された座繰り空間に新たな補修用溶接金属を充填する補修溶接工程とからなることを特徴とする隅肉溶接部の補修方法。
【請求項４】
前記既存溶接金属及び前記既存熱影響部の表面からの深さと、前記表面からの深さに応じて分布されるフープ応力との関係を示すフープ応力マップを予め作成するマップ作成工程をさらに含み、
前記座繰り工程は、前記フープ応力マップから前記クリープ損傷が発生した深さを推定し、この推定した深さに基づいて座繰り深さを決定する座繰り深さ決定ステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の隅肉溶接部の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ボイラ管のように高温環境下に曝される部材の隅肉溶接部に発生したクリープ損傷を補修するための補修構造及び補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
９〜１２重量％のＣｒを含有させた９〜１２Ｃｒ系高Ｃｒフェライト鋼は、５００〜６５０℃の温度域で強度、耐食・耐酸化性が低合金鋼より優れ、オーステナイト鋼に比べて熱伝導度が高く、熱膨張係数が小さいという長所を有する。そのため、火力発電用ボイラの蒸気配管や管寄せ等に広く用いられている。一方、高温高圧蒸気に長時間曝される耐熱材料にとって重要な特性は、クリープ破断強度である。クリープ破断とは、ある温度環境下で一定応力を付加して放置し続けた場合、材料の引張強度以下の応力でも材料の変形が進む現象である。即ち、クリープボイドの発生や結晶粒の粗大化、さらには微視き裂を含むき裂等のクリープ損傷が起り、遂には破断に至る場合もある。
【０００３】
ボイラの管寄せ等の厚肉配管には、多数の小口径の蒸気配管を接続するための管台やガンマプラグが隅肉溶接されている。ガンマプラグは、プラント建設時に配管溶接部の検査を行うために、ガンマ線源を挿入する円筒形の短管であり、プラント建設後施栓される。高Ｃｒフェライト鋼からなる部材を溶接したとき、溶接熱影響部が軟化現象を起して母材よりも強度が低下する。そのため、クリープひずみが熱影響部に集中的に蓄積することで、クリープ破断強度が母材と比べて大きく低下することがわかっている。
【０００４】
図４（Ａ）は、管寄せ１００に溶接部ｗ１で管台１０２が隅肉溶接されている状態を示し、図４（Ｂ）は溶接部ｗ１の拡大図である。図５（Ａ）は、厚肉配管１０４に溶接部ｗ２でガンマプラグ１０６が隅肉溶接されている状態を示し、図５（Ｂ）は溶接部ｗ２の拡大図である。これら溶接部ｗ１又はｗ２に、クリープ損傷ｄ１又はｄ２が発生した場合、クリープ損傷の度合いによって、応急対策又は恒久対策に分けて工事が実施される。
【０００５】
応急処置として補修工事を実施する場合、クリープ損傷ｄ１又はｄ２が発生した領域を除去し、図６の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、座繰り空間を、溶接部ｗ３として示す補修溶接を行う。これによって、次の定期点検までの期間正常運転を維持させる。クリープ損傷が多数発生した場合、恒久対策を施す。即ち、溶接部ｗ１、ｗ２の全体を座繰りし、新たに管台１０２を溶接し直す。
【０００６】
特許文献１には、ボイラの高温配管における突合せ溶接部に、クリープ損傷が発生した場合の補修方法が開示されている。この補修方法は、溶接部とその両側の母材とを含み、母材の表面からクリープボイドを含む深さまで座繰りを行い、座繰り空間に補修溶接により溶接金属を充填するものである。この場合、母材や溶接部の表面に対して座繰り部の底面をほぼ平行になるように形成することで、配管に発生するフープ応力の作用方向とクリープ損傷の発生方向とをほぼ平行にしている。これによって、フープ応力（引張応力）がクリープ損傷全体に作用しないようにし、クリープ損傷の進展を抑制するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１９４４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の応急対策により、クリープ損傷発生域を除去し、座繰り空間に補修溶接を行った場合、既設の溶接金属内に補修溶接による熱影響部が形成される。最近の試験結果から、溶接金属内に形成された熱影響部は、クリープ破断強度が顕著に低下することが確認されつつある。従って、この応急対策では延命効果が期待できない。また、前述の恒久対策は多大のコストと工事期間を要し、発電プラントの停止期間が長期になるため、簡単に採用できない。
【０００９】
また、特許文献１に開示された補修方法は、突合せ溶接に適用されるものであり、特許文献１に開示された補修方法を、隅肉溶接部に発生したクリープ損傷の補修にそのまま適用することができない。
【００１０】
図７（Ａ）は、管寄せ１００の外周面に管台１０２が直角方向に隅肉溶接された場合を示す。図７（Ｂ）は隅肉溶接された溶接部ｗ１の断面図であり、既存溶接金属Ｍ０の周囲に形成された熱影響部Ｈ０に、クリープ損傷ｄ１が発生した場合を示している。
図７（Ｂ）に、隅肉溶接部に働くフープ応力Ｆの分布を２点鎖線で示している。フープ応力Ｆ（引張応力）が管寄せ１００の軸方向（矢印ａ方向）に対し傾斜した方向に働いている。管寄せ１００の内部に発生する内圧と、隅肉溶接部の形状とによって、フープ応力Ｆは、管寄せ１００の内面より外表面近傍で高い値となる。特に、囲み部Ｂでフープ応力Ｆの応力集中が起こるため、領域Ｂでクリープ損傷が発生しやすいことがわかった。
【００１１】
この場合の従来の補修方法を図８により説明する。図８（Ａ）において、まず、クリープ損傷ｄが発生した領域を座繰りして取り除く。
次に、図８（Ｂ）に示すように、座繰り後の座繰り空間ｓに新たな溶接金属Ｍ１を充填する補修溶接を行う。この場合、新溶接金属Ｍ１の周囲に新たな熱影響部Ｈ１が形成されるが、この新熱影響部Ｈ１が既存溶接金属Ｍ０の内部にも形成される。
【００１２】
前述のように、最近の試験結果から、既存溶接金属Ｍ０の内部に形成された新熱影響部Ｈ１は、最もクリープ破断強度が低下することが確認されつつある。こうして、既存溶接金属Ｍ０の内部に形成された新熱影響部Ｈ１は、フープ応力Ｆの作用方向に対し直角に近い方向に分布することになる。そのため、クリープ損傷発生域の全体にフープ応力Ｆ（引張応力）が作用し、クリープ損傷ｄはき裂となって進展する。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、隅肉溶接部に発生したクリープ損傷に対し、低コストかつ短期の施工で長期の延命効果を達成できる補修手段を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の隅肉溶接部の補修構造は、中空筒状部材であって内部圧によりフープ応力が発生する第１の被溶接部材に対し第２の被溶接部材が交差した方向で溶接されて形成された隅肉溶接部にクリープ損傷が発生した場合に適用される。「中空筒状部材」とは、例えば、ボイラ設備で高温蒸気が流れる蒸気配管や管寄せ等の厚肉配管である。また、「クリープ損傷」とは、クリープボイドの発生や結晶粒の粗大化、又はこれらがさらに進展して発生する微視き裂を含むき裂等を言う。
【００１５】
前記目的を達成するため、本発明の補修構造は、クリープ損傷が発生した隅肉溶接部の既存溶接金属及び該既存溶接金属の周囲に形成された既存熱影響部を含む領域の表面が、クリープ損傷発生域を含む深さまで座繰りされ、座繰り後に形成される座繰り部の底面が、第１の被溶接部材の軸線に対して傾斜した方向であって、かつフープ応力の作用方向に沿って形成され、座繰り部に形成された座繰り空間に新たな補修用溶接金属が充填されてなるものである。
【００１６】
本発明によれば、クリープ損傷が起きやすい既存溶接金属及び既存熱影響部の表面及び表面近傍の領域は、新たに充填された溶接金属と置き換わるので、新設溶接部と同様の延命効果を獲得できる。また、既存溶接金属の内部に形成された新熱影響部は座繰り部の底面に沿って形成される。そのため、新熱影響部の分布はフープ応力の作用方向に沿って形成されるため、新熱影響部の全体に大きな引張応力が作用することはなくなる。従って、新熱影響部にクリープ損傷が発生したとしても、クリープ損傷の進展は遅く、長期の延命効果を達成できる。
【００１７】
本発明の補修構造において、第１の被溶接部材及び第２の被溶接部材が、９重量％以上１２重量％以下のＣｒを含有する９〜１２Ｃｒ系高Ｃｒフェライト鋼からなる場合、本発明の目的である長期延命効果を顕著に達成できる。前述のように、９〜１２Ｃｒ系高Ｃｒフェライト鋼は、火力発電用ボイラで発生する高温蒸気の温度帯で、強度、耐食・耐酸化性が優れ、熱伝導度が高く、熱膨張係数が小さい等の長所を有し、火力発電用ボイラの蒸気配管や管寄せ等に広く用いられている。
【００１８】
一方、高Ｃｒフェライト鋼からなる母材を溶接する場合、通常、母材と同種の溶接金属が用いられる。９〜１２Ｃｒ系高Ｃｒフェライト鋼を溶接金属として、クリープ損傷が発生した隅肉溶接部を補修する場合、前述のように、既存熱影響部Ｈ０や既存溶接金属Ｍ０の内部に形成された新熱影響部Ｈ１にクリープ破断強度がかなり低下するという問題があった。これに対し、本発明方法を適用することで、施工後の延命効果を向上できる。
【００１９】
また、本発明の隅肉溶接部の補修方法は、前記目的を達成するため、隅肉溶接部の既存溶接金属及び該既存溶接金属の周囲に形成された既存熱影響部を含む領域の表面を、クリープ損傷発生域を含む深さまで座繰りすると共に、座繰り後に形成される座繰り部の底面が第１の被溶接部材の軸線に対して傾斜した方向であって、かつフープ応力の作用方向に沿って形成される座繰り工程と、座繰り部に形成された座繰り空間に新たな補修用溶接金属を充填する補修溶接工程とからなるものである。
【００２０】
これによって、クリープ損傷が起きやすい既存溶接金属及び既存熱影響部の表面及び表面近傍の領域は、新たに充填された溶接金属と置き換わるので、新品同様の延命効果を獲得できる。また、既存溶接金属の内部に形成された新熱影響部は座繰り部の底面に沿って形成され、新熱影響部の分布はフープ応力の作用方向に沿って形成されるため、新熱影響部の全体に大きな引張応力が作用することはなくなる。従って、新熱影響部にクリープ損傷が発生したとしても、クリープ損傷の進展は遅く、長期の延命効果を達成できる。
【００２１】
本発明方法において、既存溶接金属及び既存熱影響部の表面からの深さと、この深さに応じて分布されるフープ応力との関係を示すフープ応力マップを予め作成するマップ作成工程をさらに含み、座繰り工程は、フープ応力マップからクリープ損傷が発生した深さを推定し、この推定した深さに基づいて座繰り深さを決定する座繰り深さ決定ステップを含むようにすることができる。これによって、クリープ損傷の深さを従来の方法によって逐一検出することなく、座繰り深さを設定できるので、補修工事が容易になる。従って、補修工事に有する期間を大幅に短縮できるので、発電プラント等の停止期間を大幅に短縮できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、クリープ損傷を受けた隅肉溶接部の補修後の延命期間を大幅に延ばすことができる。これによって、隅肉溶接部の保守管理が容易になると共に、機器の隅肉溶接部を有する機器の停止期間を短縮し、稼働効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の補修方法の一実施形態に係り、（Ａ）は隅肉溶接部の座繰り加工を示す断面図であり、（Ｂ）は同じく補修溶接工程を示す断面図である。
【図２】前記実施形態で、隅肉溶接部に発生するフープ応力分布を模式的に示す断面図である。
【図３】前記実施形態による補修後の隅肉溶接部の余寿命を示す線図である。
【図４】（Ａ）は厚肉配管の管台溶接部を示す斜視図であり、（Ｂ）は前記管台溶接部の一部拡大図である。
【図５】（Ａ）は厚肉配管に設けられたガンマプラグ溶接部を示す斜視図であり、（Ｂ）は前記ガンマプラグ溶接部の一部拡大図である。
【図６】従来の隅肉溶接部の補修方法を示し、（Ａ）は管台溶接部の補修方法を示し、（Ｂ）はガンマプラグ溶接部の補修方法を示す斜視図である。
【図７】（Ａ）は管台溶接部に発生したクリープ損傷を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ―Ａ線に沿う断面図である。
【図８】従来の補修方法に係り、（Ａ）は隅肉溶接部の座繰り加工を示す断面図であり、（Ｂ）は同じく補修溶接工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２５】
本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１は本実施形態による補修工事開始後の状態を示し、図２は本実施形態による補修工事開始前の状態を示す。中空円筒形の断面を有する管寄せ１０と、管寄せ１０より小径で、同様に中空円筒形の断面を有する管台１２とが溶接部ｗで結合されている。管寄せ１０及び管台１２は、９〜１２重量％のＣｒを含有する９〜１２Ｃｒ系高Ｃｒフェライト鋼で構成されている。管台１２の軸線は管寄せ１０の軸線に対してほぼ直角に配置され、管台１２の端面が管寄せ１０に植え込まれた状態で、溶接部ｗ１によって隅肉溶接されている。
【００２６】
本実施形態は、図２に示すように、例えば、図７（Ｂ）に示すクリープ損傷ｄ１と同様の位置、即ち、クリープ損傷ｄ１が既存溶接金属Ｍ０の周囲に存在する既存熱影響部Ｈ０に発生した場合を想定している。以下、図１により本実施形態に係る補修工事を説明する。
【００２７】
まず、図１に示すように、既存溶接金属Ｍ０及び既存熱影響部Ｈ０の全域を座繰り加工する。座繰り深さは、クリープ損傷ｄ１の発生域を座繰りできる深さとする必要がある。レプリカ法、超音波探傷又はガンマ線照射法等、従来の検出方法を用いて、発生したクリープ損傷ｄ１の深さを検出することで決定することもできる。しかし、これらの検出方法は、クリープ損傷ｄ１の数が少数の場合は対応できるが、クリープ損傷ｄ１の数が多いときは多大の時間を要する。そこで、本実施形態では、以下説明する方法を用いて、座繰り深さを決定する。
【００２８】
図１に示す管寄せ１０及び管台１２の構成では、溶接部ｗ１に発生する引張方向のフープ応力Ｆは、図２に示すように、管寄せ１０の軸線方向（矢印ａ方向）に対して傾斜した方向に発生する。そこで、予め、溶接部ｗ１の表面から深さ方向に向かう、管寄せ１０に発生するフープ応力Ｆの分布を計測しておく。そして、その計測値に基づいて、このフープ応力分布をマップ化しておく。図２は、本実施形態による補修工事を施す前の状態を示すと共に、フープ応力分布を示すマップを図示している。フープ応力マップの横軸は、溶接部ｗ１の表面からの深さＤであり、縦軸は、フープ応力Ｆである。
【００２９】
図２から、高いフープ応力Ｆが発生する領域は、溶接部ｗ１の表面付近に集中していることがわかる。本発明者等は、管寄せ１０に発生するフープ応力Ｆの値とクリープ損傷ｄの発生とがほぼ相関関係にあることを見い出している。そこで、クリープ損傷ｄ１が発生する確率が少なくなるフープ応力Ｆの閾値Ｄ０を設定し、溶接部ｗ１の表面から閾値Ｄ０までの間でクリープ損傷ｄ１が発生したと推定する。
【００３０】
これによって、座繰り加工の底面の深さを閾値Ｄ０と決定する。こうして決定された座繰り深さＤ０に基づいて座繰り加工を行う。座繰り領域は、溶接部ｗ１の既存溶接金属Ｍ０及び既存熱影響部Ｈ０を含む範囲とする。例えば、座繰り深さを１〜３ｍｍとし、座繰り幅を１０〜２０ｍｍとする。座繰り加工により形成された底面１４は、フープ応力Ｆの作用方向とほぼ平行な方向に形成される。
【００３１】
次に、図１（Ｂ）に示すように、座繰り空間ｓに溶融した補修用溶接金属Ｍ１を充填し固化させる。これで補修作業は終了する。
【００３２】
本実施形態によれば、溶接部ｗ１の既存溶接金属Ｍ０及び既存熱影響部Ｈ０の表面は全面に亘り座繰りされ、座繰り空間ｓには新たな溶接金属Ｍ１が充填される。そのため、クリープ損傷が起きやすい溶接部ｗ１の表面は全面に亘り新溶接金属Ｍ１と置き換わるので、クリープ損傷に対する寿命評価は、新設溶接部と同様となる。
【００３３】
本実施形態でも、新溶接金属Ｍ１の周囲に新たな熱影響部Ｈ１が形成され、既存溶接金属Ｍ０及び既存熱影響部Ｈ０に新熱影響部Ｈ１が形成される。しかし、既存熱影響部Ｈ０に形成される新熱影響部Ｈ１の領域は微小であり、クリープ損傷が発生しり確率は極めて少ない。また、既存溶接金属Ｍ０の内部に形成される新熱影響部Ｈ１は、座繰り部の底面１４に沿って形成されている。そのため、既存溶接金属Ｍ０の内部における新熱影響部Ｈ１の分布はフープ応力Ｆの作用方向に沿って形成される。従って、新熱影響部Ｈ１の全体に引張応力が大きく作用することはなくなり、新熱影響部Ｈ１にクリープ損傷が発生したとしても、クリープ損傷の進展は遅く、長期の延命効果を達成できる。
【００３４】
また、溶接部ｗ１の表面からのクリープ損傷ｄ１の深さを逐一計測することなく、予め作成されたフープ応力マップに基づいて決定するので、補修工事を短縮でき、発電プラント等の停止期間を短縮できる。
【００３５】
図３は、従来の補修方法による管寄せに形成された溶接部ｗ１と、本実施形態の補修方法による管寄せに形成され溶接部ｗ１の補修工事施工後の余寿命を示す。図３から、本実施形態による補修方法のほうが２倍以上の延命効果を達成できていることがわかる。
なお、本実施形態は、既存熱影響部Ｈ０にクリープ損傷ｄ１が発生した場合の例であるが、既存溶接金属Ｍ０にクリープ損傷ｄ１が発生した場合でも、本発明を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、隅肉溶接部に発生したクリープ損傷に対し、低コストかつ短期の施工で長期の延命効果を達成できる補修手段を実現できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０，１００                          管寄せ
１２，１０２                          管台
１４                                  底面
１０４                                厚肉配管
１０６                                ガンマプラグ
Ｄ０                                  閾値
Ｆ                                    フープ応力
Ｈ０                                  既存熱影響部
Ｈ１                                  新熱影響部
Ｍ０                                  既存熱影響部
Ｍ１                                  新溶接金属
ｄ１、ｄ２                            クリープ損傷
ｓ                                    座繰り空間
ｗ１、ｗ２、ｗ３                      溶接部
【図１】
2014136246.tif 000003
【図２】
2014136246.tif 000004
【図３】
2014136246.tif 000005
【図４】
2014136246.tif 000006
【図５】
2014136246.tif 000007
【図６】
2014136246.tif 000008
【図７】
2014136246.tif 000009
【図８】
2014136246.tif 000010