(57)【要約】【課題】主蒸気温度が５６０℃を超える場合でも、長時間使用による溶接熱影響部でのクリープ損傷による割れが発生しにくく、溶接および熱処理の管理が容易な溶接方法と溶接構造体を提供することにある。【解決手段】フェライト系鋼からなる管寄せ１の外径面上の伝熱管４取付け位置にＮｉ基合金溶接材料により所定の肉盛高さの溶接金属層１０を積層し、溶接金属層１０の略中心部に管孔１ａを加工し、溶接金属層１０の高さ方向の端面に溶接開先の片側を形成し、これに端面に他方の突合せ溶接開先の片側を形成したオーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金からなる伝熱管４を突合せ溶接により管寄せ１に伝熱管４を溶接する方法と得られた溶接構造体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体を管寄せに溶接する方法において、
前記管寄せの外径面上の管体取付け位置に所定の肉盛高さの溶接金属層を積層して設けた後、該溶接金属層を含む前記外径面上の管体取り付け位置に管孔を加工すると共に、前記溶接金属層の高さ方向の端面に一方の突合せ溶接開先の片側を形成し、これに端面に他方の突合せ溶接開先の片側を形成した管体を突き合わせて完全溶け込み突合せ溶接により前記管寄せに管体を接続することを特徴とする管体を管寄せに溶接する方法。
【請求項２】
管寄せ、該管寄せに接続する管体、溶接金属層の積層に使用する溶接材料および突合せ溶接に使用する溶接材料の材質がそれぞれ、フェライト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金およびＮｉ基合金であることを特徴とする請求項１記載の管体を管寄せに溶接する方法。
【請求項３】
ボイラ火炉内に設けられた伝熱管群から火炉外に伸延した管体が、該火炉外に設けられた管寄せに溶接された溶接構造体であって、前記溶接構造体は、管寄せと、該管寄せの外径面上の管体取付け位置に積層して設けられた所定の肉盛高さを有し、略中心部に管孔が加工された溶接金属層と、該溶接金属層の高さ方向の端面が加工されて一方の突合せ溶接開先の片側を形成した溶接金属層と、端面が加工されて他方の突合せ溶接開先の片側を形成した前記管体とを完全突合せ溶接した突き合わせ溶接部と前記伝熱管群から火炉外に伸延した管体からなることを特徴とする管体が管寄せに溶接された溶接構造体。
【請求項４】
請求項３記載の管寄せの代わりにマニホールドを用いることを特徴とする管体が管寄せに溶接された溶接構造体。
【請求項５】
請求項３記載の管溶接構造体を過熱器及び再熱器の少なくともいずれかの熱熱交換器とすることを特徴とするボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ装置などにおいて内部の水や水蒸気などの被加熱媒体に外部の高温ガスなどの加熱媒体からの熱を吸収させて流動させる伝熱管などの管体が、該管体の管寄せに溶接された溶接構造体に係り、特に高温高圧で高強度を有する管体と管寄せからなる溶接構造体とその溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭、ガス、重原油などを燃料とする火力発電用など大出力のボイラ装置は、高温、高圧化することで効率が向上することから、近年、蒸気温度が６００℃以上のボイラ装置が増加している。
【０００３】
こうした高温のボイラ装置においては、ボイラ火炉周壁にはバーナが設けられ、石炭、ガス、重原油などを燃料として、燃焼用空気と共に火炉内に供給して前記燃料の燃焼が行われる。ボイラ火炉内の上部や該上部に続くボイラ火炉からの燃焼排ガスの流路内には過熱器や再熱器などの熱交換器が配置されており、該熱交換器は運転中には内部を水蒸気などの被加熱媒体が流れる複数の伝熱管（管体と称することがある。）からなる伝熱管群（複数の伝熱管を伝熱管群と称することがある。）とその伝熱管群の管寄せから構成されており、燃焼排ガスなどの加熱媒体の熱を吸収して伝熱管内を流通する被加熱媒体である水蒸気を加熱して所定の蒸気条件にしている。
【０００４】
図５は一般的な火力発電用ボイラの側断面構造の簡略図であり、ボイラ火炉（以下、単に火炉と称することがある。）７の内部（炉内と称することがある。）およびそれに続く燃焼排ガスの流路内との上方に設けられた伝熱管と平鋼などからなる天井壁１６のさらに上方、すなわち前記炉内などとは天井壁１６を境界とする炉外に設置された管寄せ１と、前記炉内の上部に設置された過熱器や再熱器などの熱交換器５を構成する前記伝熱管群４の位置関係を示すものである。
【０００５】
前記ボイラの側断面構造では、炉内には伝熱管４群が複数のパネルまたはコイル形状で吊下げて設けてあり、燃焼排ガスの熱を高効率に吸収できるようになっており、該複数のパネルまたはコイルはその上部から複数の伝熱管４が天井壁を貫通して天井壁１６の上方、すなわち炉外に設けた大径の管寄せ１方向に延伸して溶接により該管寄せ１に接続されている。すなわち管寄せ１には小径の伝熱管４が数本から多数本接続している。該管寄せ１は前記で伝熱管４群と共にボイラの天井梁１７に吊下げられている。
【０００６】
図６（ａ）は管寄せ１に伝熱管４が多数本接続した状態を示す管寄せ側面図の一例を、図６（ｂ）はその管寄せ１の底面から見た図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視図を示す。また図７に１本の伝熱管４と管寄せ１との従来技術の溶接構造を説明するための断面図を示す。図７に示す伝熱管４はスタッブ管２と中間ピース３を介して溶接により管寄せ１に接合される。
【０００７】
図８は従来技術の管寄せ１の一部横断面とそれに接続されたスタッブ管２と中間ピース３と伝熱管４を示す模式図であり、スタッブ管２と中間ピース３と伝熱管４をそれらの管軸である中心線を実線にして示す。また、実線で示すスタッブ管２と中間ピース３、中間ピース３と伝熱管４との間に記載した前記実線に垂直な２本の短線はそれぞれスタッブ管２と中間ピース３、中間ピース３と伝熱管４との溶接部を示す。
なお後で説明するが、図７と図８とはスタッブ管２と伝熱管４とが異種材料および／または異なる外径で、中間ピース３を介して接続する例である。
【０００８】
ここで、過熱器や再熱器のボイラ装置での設置位置に基づいて各部品に使用される材料について説明する。  
過熱器や再熱器を構成する伝熱管４は、伝熱管群のパネルまたはコイルがその主要部であり、ボイラ火炉７内に設置されるため、火炉７内に流れる燃焼排ガスに晒されている。これに対して過熱器や再熱器を構成する管寄せ１は炉外に設置されるため燃焼排ガスに晒されていない。このため伝熱管４にはより高温強度の高い材料が使用され、管寄せ１には経済性も考慮して伝熱管４に使用する材料よりも高温強度の低いものが使用されている。
【０００９】
次に、従来技術において管寄せ１に接続されるスタッブ管２について説明する。そもそもスタッブ管２は管寄せ１と共に炉外設置であり、炉内に設置される伝熱管４と同じ材料を使用する必要がないことから、スタッブ管２は管寄せ１と同材質の材料が使用される。具体的には、伝熱管４に使用する材料は、伝熱管４の内部を流れる被加熱媒体である水蒸気の過熱温度条件が５６０℃程度以下と低い場合にはＳＴＢＡ２４、ＳＴＢＡ２６、火ＳＴＢＡ２７、火ＳＴＢＡ２８、火ＳＴＢＡ２９などの２．２５〜１１％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が使用され、管寄せ１及びスタッブ管２にはＳＴＰＡ２４等の２．２５％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が使用される。
【００１０】
また、前記蒸気温度条件が５６０℃を超えると、伝熱管４にはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７などのオーステナイト系ステンレス鋼が使用され、管寄せ１およびスタッブ管２にはＳＴＰＡ２４、ＳＴＰＡ２６、火ＳＴＰＡ２７、火ＳＴＰＡ２８、火ＳＴＰＡ２９などの２．２５〜１１％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が使用される。さらに６５０℃程度になると管寄せ１およびスタッブ管２にはインコネル６１７(インコネルはニッケル基の超合金の商標、以下同じ)などのＮｉ基合金が使用され、伝熱管にもインコネル６１７などのＮｉ基合金が使用されることになる。
【００１１】
次に、前記スタッブ管２と伝熱管４とが異種材料および／または外径が異なる場合には中間ピース３がスタッブ管２と伝熱管４との間に挿入される。中間ピース３が挿入される例を図７と図８に示している。図７において、スタッブ管２の内径、管寄せ側の管孔径、中間ピース３の内径、および伝熱管４の内径は、伝熱管４からの内部流体の流動状態に悪影響を与えないようにするためほぼ同寸法の径とする。一方でスタッブ管２と伝熱管４とは使用する材料が異種材料である場合は、高温強度は伝熱管４側が大となるため、伝熱管４の肉厚に対してスタッブ管２の肉厚が大になり、スタッブ管２の外径が伝熱管より大となる。このため、中間ピース３はスタッブ管２と伝熱管４との肉厚および外径寸法調整の役目も担っている。
【００１２】
また、前記中間ピース３を使用することにより、ボイラ装置の組み立て工程において、次のような理由から過熱器、再熱器を効率的に設置することができ、経済的効果が大となる。
【００１３】
過熱器や再熱器を構成する伝熱管４の主要部はパネル又はコイル状に形成されており、炉内に設置される。これに対して過熱器や再熱器を構成する管寄せ１は炉外に設置される。ボイラ装置はボイラ鉄骨に吊下げられており、管寄せ１もボイラ鉄骨の最上部にある天井梁１７から吊下げられる。ボイラ装置の組み立て時には、梁や柱かならる主なボイラ鉄骨を組み立ててボイラ建屋を建てた後、まずボイラ上部の部位から組み立てるのが基本手順であり、管寄せ１は据付工程の早い段階で吊上げられる。これに対して伝熱管４の主要部は炉内に設置するため、前記管寄せ１と一体化しての吊上げは行われない場合が多い。このため伝熱管４群は、管寄せ１とは別工程で、炉内と炉外との境界部に設置される天井壁１６を挟んで既に炉外に設置された管寄せ１に対して炉内側に吊上げられ、該伝熱管４群から複数の伝熱管４を、天井壁１６を構成する複数の天井壁管の間から貫通させて炉外に延伸させ、管寄せ１に接続して、過熱器や再熱器の組み立てが完了する。
【００１４】
ここで管寄せ１とスタッブ管２との溶接部は、管寄せ１一つに対して複数個所のスタッブ管２の溶接終了時に管寄せ１とスタッブ管２とが一体化しての全体での応力除去焼鈍などの溶接後熱処理を行うことで作業効率が向上すること、厚肉の管寄せ１に対してスタッブ管２の肉厚は薄く、管寄せ１とスタッブ管２との溶接時に溶接入熱の熱伝導において偏りが生じ、溶け込み深さや異種材料の合金元素の希釈量の調整が難しいなど溶接の難易度が高いことから熱処理設備、溶接および検査装置の設備が整った工場での施工が望ましく、予め工場において溶接により接続される。従って、図７、図８などに示す従来技術においては工場において前記管寄せ１にスタッブ管２が溶接されて一体となり、全体を焼鈍炉に入れて必要な後熱熱処理が施されたものが吊上げられる。
【００１５】
また、中間ピース３は、図７、図８などに示す従来技術において伝熱管４とスタッブ管２とが異種材料および／または外径が異なる場合に使用される。中間ピース３では前記肉厚および外径寸法調整の役目も課していることもあるが、より重要なことは、中間ピース３と伝熱管４との溶接が据付け現地での過熱器や再熱器を組み立てるための最終溶接部となることから、この溶接部が溶接後熱処理を必要とする場合には、溶接後熱処理時の保持範囲、上昇時や下降時の温度勾配、温度保持時間等の管理が必要となるため、これを避けることが望ましい。そのため、中間ピース３には伝熱管４との溶接後の後熱処理が不要となるような材料を選択し、中間ピース３は予め工場において前記スタッブ管２と溶接しておき、工場において管寄せ１、スタッブ管２および中間ピース３とが一体化されて全体で焼鈍炉に入れ必要な後熱熱処理を施すようにしている。
【００１６】
例えば、管寄せ１とスタッブ管２とが９％クロム含有フェライト系耐熱鋼であり、伝熱管４がＳＵＳ３１０などのオーステナイト系ステンレス鋼である場合、中間ピース３には伝熱管４と同材質の材料が使用される。前記管寄せ１は工場においてスタッブ管２と中間ピース３とが順番に溶接されて一体となり、全体を焼鈍炉に入れて必要な応力除去焼鈍などの溶接後熱熱処理が施されたものが吊上げられ、現地において中間ピース３と伝熱管４との最終溶接部が溶接され、この場合溶接後熱処理は不要である。
【００１７】
また過熱器や再熱器では管寄せ１に数十本のスタッブ管２が溶接により接続される構造のものが多いため、前記のように、管寄せ１、スタッブ管２、中間ピース３および伝熱管４といった部品が多く、管寄せ１とスタッブ管２、スタッブ管２と中間ピース３、中間ピース３と伝熱管４との全溶接箇所数が膨大な数になる。従って、これらの溶接部は品質管理されており効率よく溶接作業が行える工場においてできるだけ多くの箇所を溶接しておき、また溶接後熱処理が必要なものは全体での溶接後熱処理を実施しておき、作業環境が劣るボイラ据付け現地では中間ピース３と伝熱管４との最終溶接部のみ溶接するようにして未然に溶接不良や事故の発生を防止している。
【００１８】
ここで、従来例である図７を用いて１本の伝熱管４と管寄せ１との従来の溶接構造を説明する。図７において、スタッブ管２は管寄せ１の外径面に溶接により接続するが、その前段階として、図９に図７に示すスタッブ管２を管寄せ１の外径面に接続した溶接部断面図に示すように、管寄せ１へのスタッブ管２の取付位置に対して、管寄せ１の外部からドリル等により管孔１ａを加工する。前記管孔１ａの径とスタッブ管２との内径とは同寸法である。次に管寄せ１の外径面内側に前記管孔１ａの中心と同軸でスタッブ管２の外径に合わせた寸法で数ミリ深さにエンドミル等で機械加工してスタッブ管２を差込んで設定する孔（以下、セットオン孔と称する。）１ｂを形成する。
【００１９】
次に、前記セットオン孔１ｂに管体２を差し込み後はスタッブ管２と管寄せ１とを溶接により接続する。溶接部の強度は溶接脚長Ｌ１およびのど厚Ｌ２の寸法により確保するが、その必要脚長Ｌ１およびのど厚Ｌ２が得られる外径寸法および深さの孔（以下、座繰り孔と称する。）１ｃを前記セットオン孔１ｂの外径方向にエンドミル等で機械加工しておく。セットオン孔１ｂと座繰り孔１ｃの加工後は、端面を面取りしたスタッブ管２を前記セットオン孔１ｂに差し込み、仮止め等によりスタッブ管２と管寄せ１とを仮設定する。座繰り孔１ｃとスタッブ管２の端部とは外部よりＴＩＧやＭＩＧなどによる隅肉溶接方法により溶接脚長を確保して接続する。
【００２０】
図９に示すように、隅肉溶接により、スタッブ管２側と管寄せ１側の溶接金属層１０の外側にそれぞれ溶接熱影響部８が形成される。この溶接熱影響部８は金属組織が溶接時の高熱による急速加熱および熱伝達による急速冷却によりスタッブ管２及び管寄せ１の母材組織から変化しており、材料によっては硬化するため、溶接後の組織を改善するための熱処理や残留応力を除去するための熱処理を行う必要がある。従来の溶接構造ではセットオン孔１ｂの底部および底部近傍とスタッブ管２の端面および端面近傍の側面側には隙間が残っており、該隙間と座繰り孔１ｃの底部とスタッブ管の端面近傍とを溶融した溶接金属層１０ののど厚方向の最奥部との間において切り欠き構造となっていることから運転中に割れ８ａが生じる起点になる可能性がある。また、管寄せ１の外径面と溶接金属１０との境界部の溶接熱影響部８の一部は、管寄せ１に働く内圧１８による応力の方向に対して垂直方向に位置していることから、この部分で応力が大きくなった場合には運転中に割れ８ｂが生じる起点になる可能性がある。  
【００２１】
次に、スタッブ管２と中間ピース３とは予めそれぞれの接続側の端部を機械加工により、突合せ溶接用の開先に加工しておき、スタッブ管２と中間ピース３とを仮止め溶接等により仮設定した後に完全溶け込み突合せ溶接により接続する。このスタッブ管２と中間ピース３の溶接部は管寄せ１およびスタッブ管２の材料と伝熱管４の材料の組み合せにより異種材料溶接継手となることがある。この場合、現地据付での品質管理や作業性を考慮し最終溶接後に高温および長時間の後熱処理が必要とならないように中間ピース３に使用する材料を選択する。例えば、管寄せ１およびスタッブ管２が２．２５〜１１％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼で、伝熱管４がオーステナイト系ステンレス鋼、またはＮｉ基合金鋼の場合には、中間ピース３として伝熱管４と同種材料が使用される。この場合、スタッブ管２と中間ピース３とは異種材料溶接継手となる。
【００２２】
管寄せ１およびスタッブ管２がＮｉ基合金鋼で、伝熱管４が前記オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、中間ピース３として伝熱管４と同種材料が使用され、スタッブ管２と中間ピース３とは異種材料溶接継手となる。一方、伝熱管４がＮｉ基合金の場合は、中間ピース３を使用する必要は無い。前記スタッブ管２と中間ピース３とが異種材料溶接継手で、中間ピース３にＮｉ基合金を使用した場合には、スタッブ管２と中間ピース３との溶接においては、中間ピース３の成分と同一な共金系溶接材料が使用される。
【００２３】
発電プラント用の大型ボイラにおいては、高温部の管寄せ１や主蒸気管等の厚肉大径の配管には、従来ＳＴＰＡ２４等の２．２５％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が長年用いられてきた。近年、二酸化炭素の排出抑制を背景として、特に石炭焚火力発電プラントではプラント効率向上のため蒸気温度が向上しつつあり、現在では主蒸気温度６００℃のプラントも稼動している。
【００２４】
一方、更なるプラント効率の向上を目指して主蒸気温度６５０℃、７００℃の発電プラント開発も進められている。６００℃のような高温域では、高温強度及び耐食性に問題があるため、もはや従来の２．２５％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼の適用は不可能となる。このため高温部の管寄せ１や主蒸気管等の厚肉大径の配管に高クロムフェライト系の耐熱鋼である火ＳＴＰＡ２８に代表される９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ鋼、火ＳＴＰＡ２９に代表される９Ｃｒ−０．５Ｍｏ−Ｗ−Ｖ−Ｎｂ鋼（％を記載省略。これらの鋼材を以下、９％Ｃｒフェライト系耐熱鋼ということがある。）や火ＳＵＳ４１０Ｊ３に代表される１１Ｃｒ−０．５Ｍｏ−Ｗ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｖ鋼（％を記載省略。以下、１２％Ｃｒフェライト系耐熱鋼ということがある。）等が用いられるようになった。
【００２５】
図７、図９に示す溶接構造を形成する方法は、主として蒸気温度が５６０℃以下である従来のボイラ火炉に用いられていたものであり、代表的な材料としては管寄せ１がＳＴＰＡ２４に代表される２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏのフェライト系耐熱鋼であり、従来は問題なく適用されてきたが、蒸気温度がより高温で使用される前記９％Ｃｒフェライト系耐熱鋼、１２％Ｃｒフェライト系耐熱鋼では、高温下での長時間使用により溶接熱影響部（ＨＡＺ部）８でクリープ損傷による割れが発生しやすくなることが予見され、構造的に問題となる可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２００４−３４９４０号公報
【特許文献２】特開平８−溶接部１１２２９１号公報
【特許文献３】特開２００８−８０３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本出願人は、フェライト系耐熱鋼の管寄せ１に開先部を設け、前記管寄せ１にＮｉ基合金から成るスタッブ管２をＮｉ基合金からなる溶接金属材料で溶接により接続する場合において管寄せ１側に割れが発生し易いことを低減するために、管寄せ１に設けた開先内に予めリンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制されたＮｉ基合金からなる溶接金属材料で肉盛溶接によるバタリング層（以下、バタリング層と称することがある。）を設け、該バタリング層をさらに開先加工し、管寄せに直接溶接するのではなく、前記バタリング層に伝熱管を溶接する溶接構造体を提案した（特許文献３）。
【００２８】
前記特許文献３記載の溶接構造体は、第１ステップとして図１０の断面図に示す９％クロム（Ｃｒ）フェライト系耐熱鋼の管寄せ１の外径面内に設けた開先部に、リンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制されたＮｉ基合金を予め肉盛溶接してバタリング層１４を設け、第２ステップとして図１０に示すようにバタリング層１４を開先加工した後にＮｉ％：４４．５−Ｃｒ％：２０．０〜２４．０−Ｃｏ％：１０．０〜溶接部１１．０−Ｍｏ％：８．０〜１０．０（いずれも重量％）からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標、以下同じ）やインコネル６２５）から成るスタッブ管２を同じくＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）やインコネル６２５）からなる共金系溶接金属材料で溶接して、図１１に示すＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）やインコネル６２５）からなる溶接金属層１５を形成したものである。
【００２９】
すなわち特許文献３記載の溶接構造体は、工場において管寄せ１とスタッブ管２、あるいは必要に応じて管寄せ１とスタッブ管２と中間ピース３とを一体化し必要に応じて溶接後熱処理を行った後に据付け現地に搬送することを前提としており、溶接構造体の構成としては従来技術の図７、図８と同様の構成になっている。
【００３０】
また、特許文献３記載の溶接構造体によれば、図１０に示すようにスタッブ管２を接続する前に管寄せ１のスタッブ管２の取り付け部に対して、肉盛溶接前と肉盛溶接後との２回、開先加工を行う必要がある。また前記開先加工前には通常は、管寄せ１に管孔を空けておくが、前記管孔を避けての肉盛は容易でなく、管孔側に肉盛部分が張り出すように積層し張り出した部分は管孔径に仕上げるために、張り出した部分を切削する必要がある。このときＮｉ基合金からなる溶接金属の加工は容易ではない。
【００３１】
本発明の課題は、ボイラ装置等において伝熱管などの管体を該管体の管寄せに溶接する方法と溶接構造体において、主蒸気温度が５６０℃以上といった高い温度である場合においても、長時間使用による溶接熱影響部（ＨＡＺ部）でのクリープ損傷による割れが発生しにくい品質信頼性の高い構造を有しており、また管寄せと伝熱管（管体）との溶接構造体の構成が最小単位であり、開先加工などの機械加工が最小限であり、工場および据付現地での溶接および熱処理の管理が容易な溶接方法と溶接構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。
請求項１記載の発明は、管体４を管寄せ１に溶接する方法において、前記管寄せ１の外径面上の管体取り付け位置に所定の肉盛高さの溶接金属層１０を積層して設けた後、該溶接金属層１０を含む前記外径面上の管体取り付け位置に管孔１ａを加工すると共に、前記溶接金属層１０の高さ方向の端面に一方の突合せ開先の片側を形成し、これに端面に他方の突合せ開先開先の片側を形成した管体４を突き合わせ溶接により接続して、完全溶け込み溶接継手構造とすることを特徴とする管体４を管寄せ１に溶接する方法である。
【００３３】
請求項２記載の発明は、管寄せ１、該管寄せ１に接続する管体４、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料および突合せ溶接に使用する溶接材料の材質がそれぞれ、フェライト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金、Ｎｉ基合金およびＮｉ基合金であることを特徴とする請求項１記載の管体４を管寄せ１に溶接する方法である。
【００３４】
例えば、管寄せ１は火ＳＴＰＡ２８に代表される９重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ−ＶＮｂ鋼または火ＳＴＰＡ２９に代表される９重量％Ｃｒ−０．５重量％Ｍｏ−１．８重量％Ｗ−ＶＮｂ鋼からなるフェライト系鋼であり、管寄せ１に接続する管体４がＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７などのオーステナイト系ステンレス鋼または、Ｎｉ基合金（インコネル６１７（商標））やインコネル６２５などであり、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料はＮｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標））やインコネル６２５およびＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３相当の溶接材料であり、突合せ溶接に使用する溶接材料は前記と同じくＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）、インコネル６２５およびＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３相当等の溶接材料などを用いる。
【００３５】
請求項３記載の発明は、ボイラ火炉７内に設けられた伝熱管群から火炉７外に伸延した管体４が、該火炉７外に設けられた管寄せ１に溶接された溶接構造体であって、前記溶接構造体は、管寄せ１と、該管寄せ１の外径面上の管体取付け位置に積層して設けられた所定の肉盛高さを有し、略中心部に管孔１ａが加工された溶接金属層１０と、該溶接金属層１０の高さ方向の端面が加工されて一方の突合せ溶接開先の片側を形成した溶接金属層１０と、端面が加工されて他方の突合せ溶接開先の片側を形成した前記管体４とを完全突合せ溶接した突き合わせ溶接部と前記伝熱管群から火炉外に伸延した管体からなることを特徴とする管体が管寄せに溶接された溶接構造体である。
【００３６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の管寄せ１の代わりにマニホールドを用いることを特徴とする管溶接構造体である。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の管溶接構造体を過熱器及び再熱器の少なくともいずれかの熱交換器とすることを特徴とするボイラ装置である。
【発明の効果】
【００３７】
請求項１〜５記載の発明によれば、管体４を該管体４の管寄せ１に溶接する方法と溶接構造体において、管寄せ１の外径面上に所定の高さを有するように積層による溶接金属層１０を形成し開先加工するようにしたので、管体４を管寄せ１に完全溶け込み突合せ溶接を行うのに必要な空間を確保することができ、同時に、前記のように完全溶け込み突合せ溶接時の作業姿勢も溶接部の品質確保面で信頼性の高い作業姿勢が可能となる。また、管寄せ１の外径面内への開先加工が不要となり機械加工が最小限で済む。
【００３８】
特に請求項２記載の発明によれば、スタッブ管２、中間ピース３を使用しないため溶接箇所数の低減が行え、スタッブ管２、中間ピース３を使用する場合に比べて大幅な作業改善が可能となる。
【００３９】
また、請求項１〜５記載の発明によれば、ボイラ装置等において主蒸気温度が５６０℃以上といった高い温度である場合においても、長時間使用による溶接熱影響部（ＨＡＺ部）８でのクリープ損傷による割れが発生しにくい品質信頼性の高い溶接方法と溶接構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の管寄せの外径面上に積層により溶接金属層を設け（図１（ａ））、溶接金属層の中央部に管孔および突合せ溶接開先部を形成する（図１（ｂ））手順を示す管寄せ断面図である。
【図２】図１の溶接金属層の中央部に形成した管孔および突合せ溶接開先部とを設けて管寄せの外径面上から所定の高さに突合せ溶接開先部を形成し、先端に溶接開先部を形成した管体を前記溶接金属層の開先部に突き合わせて（図２（ａ））、完全溶け込み突合せ溶接部１１を形成する（図２（ｂ））手順を説明する溶接構造体の断面図である。
【図３】本発明の管寄せの外径面上に伝熱管を接続した溶接構造体の外観図（図３（ａ））と図３（ａ）の管寄せ外径面内に伝熱管を溶接する時の溶接部の拡大断面図（（図３（ｂ））である。
【図４】管寄せ外径面上にスタッブ管を接続する従来の図１０、図１１に示す溶接技術を適用した場合の溶接構造体の外観図（図４（ａ））と図４（ａ）の管寄せ外径面内にスタッブ管を溶接する時の溶接部の拡大断面図（（図４（ｂ））である。
【図５】発電プラントで用いられる大型ボイラの火炉とその後流側の燃焼ガス流路の側断面構造の簡略図である。
【図６】発電プラントで用いられる大型ボイラの過熱器や再熱器などの管寄せに多数の伝熱管が接続した状態を示す管寄せ側面図（図６（ａ））、管寄せ底面図（図６（ｂ））、図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（図６（ｃ））である。
【図７】従来の伝熱管を接続した管寄せ断面図である。
【図８】従来の伝熱管を接続した管寄せ断面図であり、管軸に対して垂直の断面図を簡略化した図である。
【図９】図７の管寄せとスタッブ管の溶接部断面の拡大図である。
【図１０】従来技術の管寄せの外径面内に設けた開先部に予めバタリング溶接層を設けた後に再び開先部を設けてスタッブ管を溶接する準備中の構造体の断面図である。
【図１１】図１０に示す管寄せとスタッブ管とを溶接して溶接金属層を形成した溶接構造体の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明の実施例を図面と共に説明する。  
図５は一般的な火力発電用ボイラの側断面構造の簡略図であり、ボイラ火炉（以下、単に火炉と称することがある）７の内部（炉内と称することがある）と外部およびそれに続く燃焼排ガスの流路の外部（炉外と称することがある）との境界に設けた伝熱管と平鋼などからなる天井壁１６の上方、すなわち炉外に設置された管寄せ１と、火炉７内の上部に設置された過熱器や再熱器などの熱交換器５を構成する前記伝熱管群の位置関係を示すものである。前記ボイラの側断面構造では、火炉７内には伝熱管群が複数のパネルまたはコイル形状で吊下げて設けてあり、燃焼排ガスの熱を高効率に吸収できるようになっており、該複数のパネルまたはコイルの上部方向に複数の伝熱管４が天井壁１６を貫通して天井壁１６の上方、すなわち炉外、に設けた大径の管寄せ１に溶接により接続されている。すなわち管寄せ１には小径の伝熱管が数本から多数本接続している。
【００４２】
図６（ａ）は管寄せ１に伝熱管４（従来技術では伝熱管４の代わりにスタッブ管２を使用）が多数本接続した状態を示す管寄せ側面図の一例、図６（ｂ）はその管寄せ１の底面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視図を示しており、図６において従来技術では管寄せ１に接続しているのはスタッブ管２であるが、本発明の場合には伝熱管４が管寄せ１の外径面上に積層して設けた溶接金属層１０（図３参照）に接続されている。ここでは伝熱管４は作図の都合上、煩雑になるのを防止するために先端部のみ図示している。
【００４３】
なお、図５において熱交換器５の主部である矩形部を斜線で示しているが、これは１枚のパネルまたはコイルを示しており、前記パネルまたはコイルが紙面奥行き方向に十数枚〜数十枚が隣接して設けられており、それらの複数のパネルまたはコイルから複数の伝熱管４が図６に示す管寄せ１に伸延して組み立て時に接続される。
【００４４】
図５に示す発電プラントで用いられるボイラ火炉７の過熱器や再熱器の熱交換器５に用いられる管寄せ１に多数の伝熱管４を溶接により接続するに当たり、本実施例の図６（ａ）と図６（ｂ）に示す例では管寄せ１の同一横断面のうち図示右側から第１列など奇数列に２本の伝熱管４の管軸が管寄せ１の管軸中心に対してなす角度を９０度として溶接し、第２列など偶数列に２本の伝熱管４の管軸が管寄せ１の管軸中心に対してなす角度を４５度として溶接し、これら合計４本の伝熱管４が順次管寄せ１の管軸方向に整列配置している。このため、管寄せ１に溶接する伝熱管４，４同士は、隣接する奇数列と複数列では互いに図６（ｂ）に示すように、管寄せ１の管軸中心に対してなす角度は２２．５度しかない。そのため、管寄せ１の外径面上に伝熱管４を溶接接続するための作業空間は狭隘部となっている。
【００４５】
このような溶接作業空間で、熱交換器５の組み立て工程で能率良く溶接するためには従来は図８に示すように管寄せ１と予め製作したスタッブ管２とを溶接し、該スタッブ管２と中間ピース３とを溶接した後、さらに主に溶接時の応力除去後を目的とした熱処理を施工しておくことによりボイラ据付け現地での伝熱管４との最終溶接時の作業空間を比較的広くなるようにしていた。すなわち、前記スタッブ管２または中間ピース３により管寄せ外径面上から所定の高さの位置に伝熱管４との完全溶け込み突合せ溶接位置を確保して伝熱管４を突合せ溶接により接続していた。
【００４６】
伝熱管４の内部を流れる被加熱媒体である水蒸気の加熱温度条件、すなわち主蒸気温度が５６０℃程度以下と低い場合には管寄せ１とスタッブ管２との接続構造は図７、図９で示す構造を採用することも可能であるが、主蒸気温度が高温度になってくると、管寄せ１とスタッブ管２との接続構造において溶接部の健全性を向上させるために完全突合せ溶接を行うことが検討され、例えば、図１０、図１１に示すような管寄せ１の外径面内に一方の突合せ開先部を設け、これをスタッブ管２の端面に設けた他方の突合せ開先部との間で完全突合せ溶接を行い、管寄せ１の外径面を挟んで面内と面上間とに積層による溶接金属層１５を形成している。
【００４７】
これに対して本実施例では図１と図２に管寄せ１の横断面図に示すように管寄せ１の溶接部分の外径面上の溶接位置に、所定の高さに溶接金属材料を積層して所定の高さの溶接金属層１０を形成しておき、該溶接金属層１０を形成した後は一方の突合せ開先を形成するように機械加工し、これに他方の突合せ溶接開先となる開先加工を端面に施工した伝熱管４を前記と同じＮｉ基合金と共金系の溶接金属材料を用いて完全突合せ溶接部１１を形成するようにした。
【００４８】
例えば伝熱管４が前述したＮｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）である場合には前記Ｎｉ基合金と共金系の溶接金属材料を積層して所定の高さの溶接金属層１０を形成する。
【００４９】
本実施例によれば、管寄せ１と伝熱管４との溶接作業に必要な作業空間を確保するのに、具体的には、図３（ｂ）に示すように、管寄せ１の外径面上に所定の高さの位置での完全突合せ溶接が可能とするための空間部を確保するのに、図４（ｂ）の従来技術のように予めスタッブ管２や中間ピース３を接続しておくことなく比較的容易に施工できる積層による溶接金属層１０を形成しておけばよい。図１と図２に本実施例の管寄せ１の外表面への積層による溶接金属層１０の形成から伝熱管４との完全突合せ溶接までのステップを示している。
【００５０】
本実施例では溶接金属層１０の積層を７パスで５層とした。積層は管孔軸（管寄せ１の外径面上に形成した管孔１ａの軸）の周りに溶接装置を回転させながら行うが、全積層を連続的に行っても良く、管寄せ１への入熱を制限する場合や積層の形状など積層の状態を確認しながら行う場合は断続的に行っても良い。図１と図２には、管寄せ１に形成した溶接金属層１０を形成した後、溶接金属層１０に伝熱管４の内径と等しい径の管孔１ａを形成して伝熱管４を溶接する手順を示す。  
【００５１】
図１（ａ）には管寄せ１の外径面上に７パスで５層からなる積層により溶接金属層１０を形成したものを示す。本実施例ではその第１層を２パスで重なり部分に大きな段差が生じないように行い、その上の第２層を２パスでそれぞれ第３パスが第１パスと第２パス上に重なり、第４パスが第２パスと第３パス上に重なるように積層し、第５パスを第３パスと第４パス上に重なるように積層し、第６パスから第７パスをそれぞれ１層で順次重なるように積層した。なお、図１、図２に示した積層、パス数は一例であり、積層の高さおよび幅は仕上げ寸法および作業効率などを考慮して適宜設定すればよい。
【００５２】
こうして管寄せ１の外径面上に多層を積層することにより所定の幅と高さ以上の溶接金属層１０を得た後は、図１（ｂ）に示すように管寄せ１の外径面上の所定の高さの位置に完全溶け込み突合せ溶接開先を加工する。従って、前記溶接金属層１０の幅と高さは開先加工代を含んだ寸法以上の大きさで形成しておかなければならないことは云うまでもない。また伝熱管４に使用した材料と溶接金属層１０の材料との強度が同じ場合には前記溶接金属層１０の高さ方向の開先部の厚さは前記伝熱管４の肉厚と同じでよい。
【００５３】
図１（ａ）には管寄せ１の外径面上に溶接金属層１０をドーナツ状に形成した実施例を示している。この図１（ａ）に示す例以外は図示していないが、積層を前記のようなドーナツ状ではなく管孔軸から伝熱管４の外径より大径を有する溶接金属層１０を全体に積層してしてもよい。この場合は溶接金属層１０のほぼ中心部に伝熱管４の内径に相当する寸法の孔１ａをドリル加工等で形成する必要がある。
【００５４】
図１（ｂ）に示すように、管寄せ１に溶接する伝熱管４の内径に相当する寸法の孔１ａを溶接金属層１０の中央部と管寄せ１を貫通させて設け、次に溶接金属層１０の管寄せ外径面上の所定の高さにおいて、管寄せ１側の完全溶け込み突合せ開先部のルート面になるように加工を行うと共に、Ｕ字状の開先面とし、完全溶け込み突合せ溶接金属の深さＤが伝熱管４の肉厚と同じになるように前記ルートを含む開先寸法を加工する。
【００５５】
これに、図２（ａ）に示すように端部に開先加工を施した伝熱管４側開先部を溶接金属１０に施した溶接開先に付き合わせて、管寄せ１の溶接金属１０と伝熱管４の開先端部同士の突合せ部にできる開先部１０ａに、ＴＩＧ溶接などにより前記Ｎｉ基合金と共金系の溶接金属からなるワイヤを補給しながら完全溶け込み突合せ溶接を行い、図２（ｂ）に示すように、溶接金属１０上に突合せ溶接部１１を形成して管寄せ１と伝熱管４とを溶接により接続する。図１と図２に示したように、本実施例によれば、管寄せ１の外径面上に所定の高さと幅を有するように積層による溶接金属層１０を形成しているので、熱交換器５の組み立て工程において完全溶け込み突合せ溶接を行うのに必要な空間を確保することができる。
【００５６】
同時に、前記のように管寄せ１の外径面上に所定の高さ以上に溶接金属層１０を形成することにより、完全溶け込み突合せ溶接時の作業姿勢も図３（ｂ）に示したように溶接部の品質確保面で信頼性の高い作業姿勢が可能となる。また、管寄せ１の外径面内への開先加工が不要となり機械加工が最小限で済むので、溶接および熱処理の管理が容易な溶接方法と溶接構造体を提供できる。
【００５７】
また、管寄せ１へは肉盛溶接により溶接金属を積層するだけであり、溶接および熱処理の管理が容易な溶接方法と溶接構造体を提供できる。
次に、従来技術と本発明での管寄せ１の外径面に形成される溶接熱影響部（ＨＡＺ部）８における溶接割れ８ｂに対しての影響について説明する。  
【００５８】
図３に本発明の実施例となる管寄せ外径面上に伝熱管を接続した例（図３（ａ）、図３（ｂ））と従来技術となる管寄せ外径面内にスタッブ管を接続した図（図４（ａ）、図４（ｂ））を示す。
【００５９】
図３（ａ）には管寄せ１と管寄せ１の外径面上に形成した溶接金属層１０を加工して形成した溶接開先部と伝熱管４の端部に設けた突合せ溶接部とを完全溶け込み突合せ溶接により接続した後の外観図を示し、図３（ｂ）には図３（ｂ）は図３（ａ）に示す溶接構造体を得るための一工程を示す一部断面図であって、前記両方の開先部の断面図と前記開先部を完全溶け込み突合せ溶接するための溶接前の開先と溶接装置のタングステン電極１２ａが装着された溶接ヘッド１２の一部を示し、開先と溶接装置との位置関係を示す。
【００６０】
図４（ａ）には従来技術の図１０、図１１に示す溶接技術を適用した場合であり、管寄せ１と管寄せ１の外径面内に形成した溶接金属層１０を加工した完全溶け込みを目的とした突合せ溶接開先部と伝熱管４の端部に設けた突合せ溶接開先部と溶接ヘッド１２の外観図を示し、図４（ｂ）には図４（ａ）に示す溶接構造を得るための管寄せ１の外径面内を切削して形成した座繰り孔に溶接金属層１０を加工した突合せ溶接開先部とスタッブ管２の端部に設けた突合せ溶接開先部の断面図と前記両方の開先部を突合せ溶接するための溶接装置のタングステン電極１２ａが装着された溶接ヘッド１２の一部を示し、開先と溶接装置との位置関係を示す。
【００６１】
さらに図４（ｂ）には溶接金属層１０による管寄せ１の外径面内にそれぞれ形成される溶接熱影響部（ＨＡＺ）８を示している。
従来技術の図４（ｂ）では、管寄せ１の外径面内に積層により溶接金属層１０を形成するが、前記溶接金属層１０の管寄せ１側に沿って溶接熱影響部８が形成される。熱影響部８の形状は管孔１ａ側から管孔円周方向に平行であるが、管寄せ１の外径面の終端では管寄せ１の半径方向に転じている。すなわち、管寄せ１の厚さ方向に数ミリ長さの熱影響部８が形成されている。溶接熱影響部８は母材（管寄せ１と伝熱管４）と比較して高温強度が低い。管寄せ１には運転中に内圧による応力１８が管寄せ１の円周方向にかかっており、前記応力は管寄せ１の厚さ方向の熱影響部８と垂直となるため割れが発生する可能性が高い。
【００６２】
これに対して本発明の実施例である図３（ｂ）に示すように、溶接金属層１０の管寄せ１側に形成される溶接熱影響部８はほぼ全ての範囲で管寄せ１の円周方向と平行な領域にあり、割れが発生する可能性が低い。  
【００６３】
本実施例によれば、強度的に母材（本実施例では管寄せ１と伝熱管４）の金属組織より弱く、ボイラ運転中に割れが発生し易い部位となる溶接熱影響部８を内圧による影響の小さい範囲で形成することができるので割れが発生し難い溶接構造を実現することができる。
【００６４】
次に、本実施例では溶接金属層１０を管寄せ１の外径面上の所定の高さに形成しているので、図３（ｂ）に示すように溶接ヘッド１２から伝熱管４の管軸に対して直角に向けたタングステン電極１２ａを有する溶接ヘッド１２による伝熱管４の軸周りの完全溶け込み突合せ溶接が可能となる。
【００６５】
前記溶接ヘッド１２は伝熱管４の軸方向および該軸の垂直方向に移動可能であり、完全突合せ溶接における電極１２ａの角度、開先部からの距離、開先位置からの上下方向の距離を調整するための調整代を確保できる。例えば、図３（ｂ）の溶接ヘッド１２によればタングステン電極１２ａの方向を伝熱管４の管軸に対して真横となる９０度からやや下向きの８０度（管軸から時計回り方向に、以下同じ）、やや上向きの１００度などの角度での溶接が可能である。
【００６６】
これに対して、図４（ｂ）に示すような従来技術（特許文献３）で管寄せ１の外径面内に開先部を形成する場合、溶接ヘッド１２は伝熱管４の軸に沿って管寄せ１から離れる方向には移動可能であるが、近づく方向には管寄せ１の外径面に接触しない範囲までしか行えず、前記図３（ｂ）に示すような溶接ヘッド１２が使用できないため、例えば、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すような溶接ヘッド１２の軸と同軸のタングステン電極１２ａを用いる溶接ヘッド１２か、本体の溶接ヘッド１２は図３（ｂ）に示す場合と同じ方向に配置するが、溶接ヘッド１２の先端部の電極１２ａの向きを溶接ヘッド１２の軸に対して４５度等に傾斜させた溶接ヘッド１２を用いて、開先部の最奥部での完全溶け込みを図る必要がある。このため、電極１２ａの傾斜角度や溶接位置からの距離の調整に制限があり、目視での溶接状況の確認が困難となるため、完全溶け込み突合せ溶接を行うには難易度が高い。
【００６７】
本実施例によれば、管寄せ１の外径面上から所定の高さに形成した溶接金属層１０の開先部１０ａの位置に対して、伝熱管４の軸方向に沿って上下方向に移動可能であり、さらに伝熱管４の軸と垂直方向に移動可能な溶接ヘッド１２が使用可能であるため、従来技術と比較して高品質な完全溶け込み溶接部１１を得るための作業性が著しく向上する。
【００６８】
次に、溶接部の検査について述べる。  
溶接部の品質を保証するために溶接部の検査は不可欠であり、耐圧部の非破壊検査として放射線透過検査が行われる。該放射線透過検査はＸ線やγ線を用いて被検部に照射して通過した放射線の強さの変化から欠陥や傷や割れの有無、状態を検査するもので、放射線に感光するフィルムを被検部の裏側に置いて放射線を照射し、放射線が被検部を透過してフィルムに到達し、フィルムを感光させる性能を利用する。透過放射線の強さは被検部の厚さが大きいほど弱くなるため、仮に割れなどの空隙があると、その部分の透過放射線強度は周囲より増大するためフィルムでは強く感光し、黒く出ることから被検部内での割れを検出できる。
【００６９】
しかしながら従来技術の場合は、突合せ溶接部は管寄せ１の外径面内とスタッブ管２との間に形成され、フィルムを貼付する位置としては管寄せ１の内径側か管孔１ａ側になるが、管寄せ１の肉厚は十数ミリ〜数十ミリと厚く、これに対してスタッブ管２は数ミリ程度と薄いことから、管寄せ１側の溶接部とスタッブ管２側の溶接部とを同時に放射線透過検査を行うことは困難であった。
【００７０】
これに対して本発明の実施例では突合せ溶接部１１（図３）は伝熱管４と伝熱管４と同じ肉厚の溶接金属層１０側の開先部の間に形成されるため、伝熱管４側についてのみ同時に放射線透過検査を行うことで検査が済むことになる。本発明の実施例によれば完全溶け込み突合せ溶接部１１を形成する溶接部の溶接後の非破壊検査を確実に行うことができ健全な溶接部であることを確認することが可能となる。
【００７１】
その他、従来技術の管寄せ１とスタッブ管２との完全溶け込み突合せによる溶接部が管寄せ１の外径面上かまたはその近傍に有るため、前記突合せ溶接部にはボイラ運転中に伝熱管４と管寄せ１との線膨張係数の差による応力が作用するのに対して、本発明の実施例では完全溶け込み突合せ溶接部１１を管寄せ１の外径面上の所定の高さ位置に設け、さらに管寄せ１と突合せ溶接部１１の間には溶接金属層１０が介在するため、前記突合せ溶接部１１にかかる応力の作用を低減することができる。
【００７２】
また、本発明では管寄せ１に溶接金属層１０を介して伝熱管４を溶接により接続しているので、溶接金属層１０が管寄せ１の外径面上の所定の高さ位置にあるため、経年使用により伝熱管４を交換する作業が発生した場合、完全溶け込み突合せ溶接部１１での交換が、従来技術に比較して容易に行えるという特徴もある。
【００７３】
また、本発明の実施例では、６００℃のような高温域での使用を想定しており、管寄せ１、該管寄せ１に接続する伝熱管４、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料および突合せ溶接に使用する溶接材料の材質がそれぞれ、高クロム鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金およびＮｉ基合金である。例えば、管寄せ１は火ＳＴＰＡ２８に代表される９重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ−ＶＮｂ鋼または火ＳＴＰＡ２９に代表される９重量％Ｃｒ−０．５重量％Ｍｏ−１．８重量％Ｗ−ＶＮｂなどのフェライト系鋼を用いる。また、管寄せ１に接続する伝熱管４としてはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７などのオーステナイト系ステンレス鋼または、Ｎｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０％からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標））等を用いる。
【００７４】
さらに、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料はＮｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標））等の共金系溶接材料（ＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３等）を積層して設けた溶接金属層を用い、突合せ溶接に使用する溶接材料は前記と同じくＮｉ基合金(インコネル６１７(商標)等の共金系溶接材料（ＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３等）などを用いる。
【符号の説明】
【００７５】
１  管寄せ
２  スタッブ管
３  中間ピース
４  伝熱管
５  熱交換器
７  火炉
８  溶接熱影響部
１０  溶接金属層
１１  完全溶け込み突合せ溶接部
１２  溶接ヘッド
１４  バタリング溶接層
１５  溶接金属層
１６  天井壁
１７  ボイラ鉄骨（天井梁）
１８  内圧
【図１】
2014036971.tif 000003
【図２】
2014036971.tif 000004
【図３】
2014036971.tif 000005
【図４】
2014036971.tif 000006
【図５】
2014036971.tif 000007
【図６】
2014036971.tif 000008
【図７】
2014036971.tif 000009
【図８】
2014036971.tif 000010
【図９】
2014036971.tif 000011
【図１０】
2014036971.tif 000012
【図１１】
2014036971.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月18日(2012.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ装置などにおいて内部の水や水蒸気などの被加熱媒体に外部の高温ガスなどの加熱媒体からの熱を吸収させて流動させる伝熱管などの管体が、該管体の管寄せに溶接された溶接構造体に係り、特に高温高圧で高強度を有する管体と管寄せからなる溶接構造体とその溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭、ガス、重原油などを燃料とする火力発電用など大出力のボイラ装置は、高温、高圧化することで効率が向上することから、近年、蒸気温度が６００℃以上のボイラ装置が増加している。
【０００３】
こうした高温のボイラ装置においては、ボイラ火炉周壁にはバーナが設けられ、石炭、ガス、重原油などを燃料として、燃焼用空気と共に火炉内に供給して前記燃料の燃焼が行われる。ボイラ火炉内の上部や該上部に続くボイラ火炉からの燃焼排ガスの流路内には過熱器や再熱器などの熱交換器が配置されており、該熱交換器は運転中には内部を水蒸気などの被加熱媒体が流れる複数の伝熱管（管体と称することがある。）からなる伝熱管群（複数の伝熱管を伝熱管群と称することがある。）とその伝熱管群の管寄せから構成されており、燃焼排ガスなどの加熱媒体の熱を吸収して伝熱管内を流通する被加熱媒体である水蒸気を加熱して所定の蒸気条件にしている。
【０００４】
図５は一般的な火力発電用ボイラの側断面構造の簡略図であり、ボイラ火炉（以下、単に火炉と称することがある。）７の内部（炉内と称することがある。）およびそれに続く燃焼排ガスの流路内との上方に設けられた伝熱管と平鋼などからなる天井壁１６のさらに上方、すなわち前記炉内などとは天井壁１６を境界とする炉外に設置された管寄せ１と、前記炉内の上部に設置された過熱器や再熱器などの熱交換器５を構成する前記伝熱管４群の位置関係を示すものである。
【０００５】
前記ボイラの側断面構造では、炉内には伝熱管４群が複数のパネルまたはコイル形状で吊下げて設けてあり、燃焼排ガスの熱を高効率に吸収できるようになっており、該複数のパネルまたはコイルはその上部から複数の伝熱管４が天井壁を貫通して天井壁１６の上方、すなわち炉外に設けた大径の管寄せ１方向に延伸して溶接により該管寄せ１に接続されている。すなわち管寄せ１には小径の伝熱管４が数本から多数本接続している。該管寄せ１は前記伝熱管４群と共にボイラの天井梁１７に吊下げられている。
【０００６】
図６（ａ）は管寄せ１に伝熱管４が多数本接続した状態を示す管寄せ側面図の一例を、図６（ｂ）はその管寄せ１の底面から見た図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視図を示す。また図７に１本の伝熱管４と管寄せ１との従来技術の溶接構造を説明するための断面図を示す。図７に示す伝熱管４はスタッブ管２と中間ピース３を介して溶接により管寄せ１に接合される。
【０００７】
図８は従来技術の管寄せ１の一部横断面とそれに接続されたスタッブ管２と中間ピース３と伝熱管４を示す模式図であり、スタッブ管２と中間ピース３と伝熱管４をそれらの管軸である中心線を実線にして示す。また、実線で示すスタッブ管２と中間ピース３、中間ピース３と伝熱管４との間に記載した前記実線に垂直な２本の短線はそれぞれスタッブ管２と中間ピース３、中間ピース３と伝熱管４との溶接部を示す。
なお後で説明するが、図７と図８とはスタッブ管２と伝熱管４とが異種材料および／または異なる外径で、中間ピース３を介して接続する例である。
【０００８】
ここで、過熱器や再熱器のボイラ装置での設置位置に基づいて各部品に使用される材料について説明する。  
過熱器や再熱器を構成する伝熱管４は、伝熱管群のパネルまたはコイルがその主要部であり、ボイラ火炉７内に設置されるため、火炉７内に流れる燃焼排ガスに晒されている。これに対して過熱器や再熱器を構成する管寄せ１は炉外に設置されるため燃焼排ガスに晒されていない。このため伝熱管４にはより高温強度の高い材料が使用され、管寄せ１には経済性も考慮して伝熱管４に使用する材料よりも高温強度の低いものが使用されている。
【０００９】
次に、従来技術において管寄せ１に接続されるスタッブ管２について説明する。そもそもスタッブ管２は管寄せ１と共に炉外設置であり、炉内に設置される伝熱管４と同じ材料を使用する必要がないことから、スタッブ管２は管寄せ１と同材質の材料が使用される。具体的には、伝熱管４に使用する材料は、伝熱管４の内部を流れる被加熱媒体である水蒸気の過熱温度条件が５６０℃程度以下と低い場合にはＳＴＢＡ２４、ＳＴＢＡ２６、火ＳＴＢＡ２７、火ＳＴＢＡ２８、火ＳＴＢＡ２９などの２．２５〜１１％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が使用され、管寄せ１及びスタッブ管２にはＳＴＰＡ２４等の２．２５％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が使用される。
【００１０】
また、前記蒸気温度条件が５６０℃を超えると、伝熱管４にはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７などのオーステナイト系ステンレス鋼が使用され、管寄せ１およびスタッブ管２にはＳＴＰＡ２４、ＳＴＰＡ２６、火ＳＴＰＡ２７、火ＳＴＰＡ２８、火ＳＴＰＡ２９などの２．２５〜１１％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が使用される。さらに６５０℃程度になると管寄せ１およびスタッブ管２にはインコネル６１７(インコネルはニッケル基の超合金の商標、以下同じ)などのＮｉ基合金が使用され、伝熱管にもインコネル６１７などのＮｉ基合金が使用されることになる。
【００１１】
次に、前記スタッブ管２と伝熱管４とが異種材料および／または外径が異なる場合には中間ピース３がスタッブ管２と伝熱管４との間に挿入される。中間ピース３が挿入される例を図７と図８に示している。図７において、スタッブ管２の内径、管寄せ側の管孔径、中間ピース３の内径、および伝熱管４の内径は、伝熱管４からの内部流体の流動状態に悪影響を与えないようにするためほぼ同寸法の径とする。一方でスタッブ管２と伝熱管４とは使用する材料が異種材料である場合は、高温強度は伝熱管４側が大となるため、伝熱管４の肉厚に対してスタッブ管２の肉厚が大になり、スタッブ管２の外径が伝熱管より大となる。このため、中間ピース３はスタッブ管２と伝熱管４との肉厚および外径寸法調整の役目も担っている。
【００１２】
また、前記中間ピース３を使用することにより、ボイラ装置の組み立て工程において、次のような理由から過熱器、再熱器を効率的に設置することができ、経済的効果が大となる。
【００１３】
過熱器や再熱器を構成する伝熱管４の主要部はパネル又はコイル状に形成されており、炉内に設置される。これに対して過熱器や再熱器を構成する管寄せ１は炉外に設置される。ボイラ装置はボイラ鉄骨に吊下げられており、管寄せ１もボイラ鉄骨の最上部にある天井梁１７から吊下げられる。ボイラ装置の組み立て時には、梁や柱からなる主なボイラ鉄骨を組み立ててボイラ建屋を建てた後、まずボイラ上部の部位から組み立てるのが基本手順であり、管寄せ１は据付工程の早い段階で吊上げられる。これに対して伝熱管４の主要部は炉内に設置するため、前記管寄せ１と一体化しての吊上げは行われない場合が多い。このため伝熱管４群は、管寄せ１とは別工程で、炉内と炉外との境界部に設置される天井壁１６を挟んで既に炉外に設置された管寄せ１に対して炉内側に吊上げられ、該伝熱管４群から複数の伝熱管４を、天井壁１６を構成する複数の天井壁管の間から貫通させて炉外に延伸させ、管寄せ１に接続して、過熱器や再熱器の組み立てが完了する。
【００１４】
ここで管寄せ１とスタッブ管２との溶接部は、管寄せ１一つに対して複数個所のスタッブ管２の溶接終了時に管寄せ１とスタッブ管２とが一体化しての全体での応力除去焼鈍などの溶接後熱処理を行うことで作業効率が向上すること、厚肉の管寄せ１に対してスタッブ管２の肉厚は薄く、管寄せ１とスタッブ管２との溶接時に溶接入熱の熱伝導において偏りが生じ、溶け込み深さや異種材料の合金元素の希釈量の調整が難しいなど溶接の難易度が高いことから熱処理設備、溶接および検査装置の設備が整った工場での施工が望ましく、予め工場において溶接により接続される。従って、図７、図８などに示す従来技術においては工場において前記管寄せ１にスタッブ管２が溶接されて一体となり、全体を焼鈍炉に入れて必要な後熱処理が施されたものが吊上げられる。
【００１５】
また、中間ピース３は、図７、図８などに示す従来技術において伝熱管４とスタッブ管２とが異種材料および／または外径が異なる場合に使用される。中間ピース３では前記肉厚および外径寸法調整の役目も課していることもあるが、より重要なことは、中間ピース３と伝熱管４との溶接が据付け現地での過熱器や再熱器を組み立てるための最終溶接部となることから、この溶接部が溶接後熱処理を必要とする場合には、溶接後熱処理時の保持範囲、上昇時や下降時の温度勾配、温度保持時間等の管理が必要となるため、これを避けることが望ましい。そのため、中間ピース３には伝熱管４との溶接後の後熱処理が不要となるような材料を選択し、中間ピース３は予め工場において前記スタッブ管２と溶接しておき、工場において管寄せ１、スタッブ管２および中間ピース３とが一体化されて全体で焼鈍炉に入れ必要な後熱処理を施すようにしている。
【００１６】
例えば、管寄せ１とスタッブ管２とが９％クロム含有フェライト系耐熱鋼であり、伝熱管４がＳＵＳ３１０などのオーステナイト系ステンレス鋼である場合、中間ピース３には伝熱管４と同材質の材料が使用される。前記管寄せ１は工場においてスタッブ管２と中間ピース３とが順番に溶接されて一体となり、全体を焼鈍炉に入れて必要な応力除去焼鈍などの溶接後熱処理が施されたものが吊上げられ、現地において中間ピース３と伝熱管４との最終溶接部が溶接され、この場合溶接後熱処理は不要である。
【００１７】
また過熱器や再熱器では管寄せ１に数十本のスタッブ管２が溶接により接続される構造のものが多いため、前記のように、管寄せ１、スタッブ管２、中間ピース３および伝熱管４といった部品が多く、管寄せ１とスタッブ管２、スタッブ管２と中間ピース３、中間ピース３と伝熱管４との全溶接箇所数が膨大な数になる。従って、これらの溶接部は品質管理されており効率よく溶接作業が行える工場においてできるだけ多くの箇所を溶接しておき、また溶接後熱処理が必要なものは全体での溶接後熱処理を実施しておき、作業環境が劣るボイラ据付け現地では中間ピース３と伝熱管４との最終溶接部のみ溶接するようにして未然に溶接不良や事故の発生を防止している。
【００１８】
ここで、従来例である図７を用いて１本の伝熱管４と管寄せ１との従来の溶接構造を説明する。図７において、スタッブ管２は管寄せ１の外径面に溶接により接続するが、その前段階として、図９に図７に示すスタッブ管２を管寄せ１の外径面に接続した溶接部断面図を示すように、管寄せ１へのスタッブ管２の取付位置に対して、管寄せ１の外部からドリル等により管孔１ａを加工する。前記管孔１ａの径とスタッブ管２との内径とは同寸法である。次に管寄せ１の外径面内側に前記管孔１ａの中心と同軸でスタッブ管２の外径に合わせた寸法で数ミリ深さにエンドミル等で機械加工してスタッブ管２を差込んで設定する孔（以下、セットオン孔と称する。）１ｂを形成する。
【００１９】
次に、前記セットオン孔１ｂに管体４を差し込み後はスタッブ管２と管寄せ１とを溶接により接続する。溶接部の強度は溶接脚長Ｌ１およびのど厚Ｌ２の寸法により確保するが、その必要脚長Ｌ１およびのど厚Ｌ２が得られる外径寸法および深さの孔（以下、座繰り孔と称する。）１ｃを前記セットオン孔１ｂの外径方向にエンドミル等で機械加工しておく。セットオン孔１ｂと座繰り孔１ｃの加工後は、端面を面取りしたスタッブ管２を前記セットオン孔１ｂに差し込み、仮止め等によりスタッブ管２と管寄せ１とを仮設定する。座繰り孔１ｃとスタッブ管２の端部とは外部よりＴＩＧやＭＩＧなどによる隅肉溶接方法により溶接脚長を確保して接続する。
【００２０】
図９に示すように、隅肉溶接により、スタッブ管２側と管寄せ１側の溶接金属層１０の外側にそれぞれ溶接熱影響部８が形成される。この溶接熱影響部８は金属組織が溶接時の高熱による急速加熱および熱伝達による急速冷却によりスタッブ管２及び管寄せ１の母材組織から変化しており、材料によっては硬化するため、溶接後の組織を改善するための熱処理や残留応力を除去するための熱処理を行う必要がある。従来の溶接構造ではセットオン孔１ｂの底部および底部近傍とスタッブ管２の端面および端面近傍の側面側には隙間が残っており、該隙間と座繰り孔１ｃの底部とスタッブ管２の端面近傍とを溶融した溶接金属層１０ののど厚方向の最奥部との間において切り欠き構造となっていることから運転中に割れ８ａが生じる起点になる可能性がある。また、管寄せ１の外径面と溶接金属１０との境界部の溶接熱影響部８の一部は、管寄せ１に働く内圧１８による応力の方向に対して垂直方向に位置していることから、この部分で応力が大きくなった場合には運転中に割れ８ｂが生じる起点になる可能性がある。  
【００２１】
次に、スタッブ管２と中間ピース３とは予めそれぞれの接続側の端部を機械加工により、突合せ溶接用の開先に加工しておき、スタッブ管２と中間ピース３とを仮止め溶接等により仮設定した後に完全溶け込み突合せ溶接により接続する。このスタッブ管２と中間ピース３の溶接部は管寄せ１およびスタッブ管２の材料と伝熱管４の材料の組み合せにより異種材料溶接継手となることがある。この場合、現地据付での品質管理や作業性を考慮し最終溶接後に高温および長時間の後熱処理が必要とならないように中間ピース３に使用する材料を選択する。例えば、管寄せ１およびスタッブ管２が２．２５〜１１％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼で、伝熱管４がオーステナイト系ステンレス鋼、またはＮｉ基合金鋼の場合には、中間ピース３として伝熱管４と同種材料が使用される。この場合、スタッブ管２と中間ピース３とは異種材料溶接継手となる。
【００２２】
管寄せ１およびスタッブ管２がＮｉ基合金鋼で、伝熱管４が前記オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、中間ピース３として伝熱管４と同種材料が使用され、スタッブ管２と中間ピース３とは異種材料溶接継手となる。一方、伝熱管４がＮｉ基合金の場合は、中間ピース３を使用する必要は無い。前記スタッブ管２と中間ピース３とが異種材料溶接継手で、中間ピース３にＮｉ基合金を使用した場合には、スタッブ管２と中間ピース３との溶接においては、中間ピース３の成分と同一な共金系溶接材料が使用される。
【００２３】
発電プラント用の大型ボイラにおいては、高温部の管寄せ１や主蒸気管等の厚肉大径の配管には、従来ＳＴＰＡ２４等の２．２５％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼が長年用いられてきた。近年、二酸化炭素の排出抑制を背景として、特に石炭焚火力発電プラントではプラント効率向上のため蒸気温度が向上しつつあり、現在では主蒸気温度６００℃のプラントも稼動している。
【００２４】
一方、更なるプラント効率の向上を目指して主蒸気温度６５０℃、７００℃の発電プラント開発も進められている。６００℃のような高温域では、高温強度及び耐食性に問題があるため、もはや従来の２．２５％クロム（Ｃｒ）含有フェライト系耐熱鋼の適用は不可能となる。このため高温部の管寄せ１や主蒸気管等の厚肉大径の配管に高クロムフェライト系の耐熱鋼である火ＳＴＰＡ２８に代表される９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ鋼、火ＳＴＰＡ２９に代表される９Ｃｒ−０．５Ｍｏ−Ｗ−Ｖ−Ｎｂ鋼（％を記載省略。これらの鋼材を以下、９％Ｃｒフェライト系耐熱鋼ということがある。）や火ＳＵＳ４１０Ｊ３に代表される１１Ｃｒ−０．５Ｍｏ−Ｗ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｖ鋼（％を記載省略。以下、１２％Ｃｒフェライト系耐熱鋼ということがある。）等が用いられるようになった。
【００２５】
図７、図９に示す溶接構造を形成する方法は、主として蒸気温度が５６０℃以下である従来のボイラ火炉に用いられていたものであり、代表的な材料としては管寄せ１がＳＴＰＡ２４に代表される２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏのフェライト系耐熱鋼であり、従来は問題なく適用されてきたが、蒸気温度がより高温で使用される前記９％Ｃｒフェライト系耐熱鋼、１２％Ｃｒフェライト系耐熱鋼では、高温下での長時間使用により溶接熱影響部（ＨＡＺ部）８でクリープ損傷による割れが発生しやすくなることが予見され、構造的に問題となる可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２００８−８０３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本出願人は、フェライト系耐熱鋼の管寄せ１に開先部を設け、前記管寄せ１にＮｉ基合金から成るスタッブ管２をＮｉ基合金からなる溶接金属材料で溶接により接続する場合において管寄せ１側に割れが発生し易いことを低減するために、管寄せ１に設けた開先内に予めリンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制されたＮｉ基合金からなる溶接金属材料で肉盛溶接によるバタリング層（以下、バタリング層と称することがある。）を設け、該バタリング層をさらに開先加工し、管寄せに直接溶接するのではなく、前記バタリング層に伝熱管を溶接する溶接構造体を提案した（特許文献１）。
【００２８】
前記特許文献１記載の溶接構造体は、第１ステップとして図１０の断面図に示す９％クロム（Ｃｒ）フェライト系耐熱鋼の管寄せ１の外径面内に設けた開先部に、リンと硫黄の合計含有率が０．０２重量％以下に規制されたＮｉ基合金を予め肉盛溶接してバタリング層１４を設け、第２ステップとして図１０に示すようにバタリング層１４を開先加工した後にＮｉ％：４４．５−Ｃｒ％：２０．０〜２４．０−Ｃｏ％：１０．０〜溶接部１１．０−Ｍｏ％：８．０〜１０．０（いずれも重量％）からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標、以下同じ）やインコネル６２５）から成るスタッブ管２を同じくＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）やインコネル６２５）からなる共金系溶接金属材料で溶接して、図１１に示すＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）やインコネル６２５）からなる溶接金属層１５を形成したものである。
【００２９】
すなわち特許文献１記載の溶接構造体は、工場において管寄せ１とスタッブ管２、あるいは必要に応じて管寄せ１とスタッブ管２と中間ピース３とを一体化し必要に応じて溶接後熱処理を行った後に据付け現地に搬送することを前提としており、溶接構造体の構成としては従来技術の図７、図８と同様の構成になっている。
【００３０】
また、特許文献１記載の溶接構造体によれば、図１０に示すようにスタッブ管２を接続する前に管寄せ１のスタッブ管２の取り付け部に対して、肉盛溶接前と肉盛溶接後との２回、開先加工を行う必要がある。また前記開先加工前には通常は、管寄せ１に管孔を空けておくが、前記管孔を避けての肉盛は容易でなく、管孔側に肉盛部分が張り出すように積層し張り出した部分は管孔径に仕上げるために切削する必要がある。このときＮｉ基合金からなる溶接金属の加工は容易ではない。
【００３１】
本発明の課題は、ボイラ装置等において伝熱管などの管体を該管体の管寄せに溶接する方法と溶接構造体において、主蒸気温度が５６０℃以上といった高い温度である場合においても、長時間使用による溶接熱影響部（ＨＡＺ部）でのクリープ損傷による割れが発生しにくい品質信頼性の高い構造を有しており、また管寄せと伝熱管（管体）との溶接構造体の構成が最小単位であり、開先加工などの機械加工が最小限であり、工場および据付現地での溶接および熱処理の管理が容易な溶接方法と溶接構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。
請求項１記載の発明は、管体４を管寄せ１に溶接する方法において、前記管寄せ１の外径面上の管体取り付け位置に所定の肉盛高さの溶接金属層１０を積層して設けた後、該溶接金属層１０を含む前記外径面上の管体取り付け位置に管孔１ａを加工すると共に、前記溶接金属層１０の高さ方向の端面に一方の突合せ溶接開先の片側を形成し、これに端面に他方の突合せ溶接開先の片側を形成した管体４を突き合わせて完全溶け込み突き合せ溶接により前記管寄せ１に管体４を接続することを特徴とする管体４を管寄せ１に溶接する方法である。
【００３３】
請求項２記載の発明は、管寄せ１、該管寄せ１に接続する管体４、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料および突合せ溶接に使用する溶接材料の材質がそれぞれ、フェライト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金、Ｎｉ基合金およびＮｉ基合金であることを特徴とする請求項１記載の管体４を管寄せ１に溶接する方法である。
【００３４】
例えば、管寄せ１は火ＳＴＰＡ２８に代表される９重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ−ＶＮｂ鋼または火ＳＴＰＡ２９に代表される９重量％Ｃｒ−０．５重量％Ｍｏ−１．８重量％Ｗ−ＶＮｂ鋼からなるフェライト系鋼であり、管寄せ１に接続する管体４がＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７などのオーステナイト系ステンレス鋼または、Ｎｉ基合金（インコネル６１７（商標））やインコネル６２５などであり、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料はＮｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標））やインコネル６２５およびＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３相当の溶接材料であり、突合せ溶接に使用する溶接材料は前記と同じくＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）、インコネル６２５およびＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３相当等の溶接材料などを用いる。
【００３５】
請求項３記載の発明は、ボイラ火炉７内に設けられた伝熱管４群から火炉７外に伸延した管体４が、該火炉７外に設けられた管寄せ１に溶接された溶接構造体であって、前記溶接構造体は、管寄せ１と、該管寄せ１の外径面上の管体取付け位置に積層して設けられた所定の肉盛高さを有し、略中心部に管孔１ａが加工された溶接金属層１０と、該溶接金属層１０の高さ方向の端面が加工されて一方の突合せ溶接開先の片側を形成した溶接金属層１０と、端面が加工されて他方の突合せ溶接開先の片側を形成した前記管体４とを完全突合せ溶接した突き合わせ溶接部１１と前記伝熱管４群から火炉７外に伸延した管体からなることを特徴とする管体が管寄せに溶接された溶接構造体である。
【００３６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の管寄せ１の代わりにマニホールドを用いることを特徴とする溶接構造体である。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の溶接構造体を過熱器及び再熱器の少なくともいずれかの熱交換器とすることを特徴とするボイラ装置である。
【発明の効果】
【００３７】
請求項１〜５記載の発明によれば、管体４を該管体４の管寄せ１に溶接する方法と溶接構造体において、管寄せ１の外径面上に所定の高さを有するように積層による溶接金属層１０を形成し開先加工するようにしたので、管体４を管寄せ１に完全溶け込み突合せ溶接を行うのに必要な空間を確保することができ、同時に、前記のように完全溶け込み突合せ溶接時の作業姿勢も溶接部の品質確保面で信頼性の高い作業姿勢が可能となる。また、管寄せ１の外径面内への開先加工が不要となり機械加工が最小限で済む。
【００３８】
特に請求項２記載の発明によれば、スタッブ管２、中間ピース３を使用しないため溶接箇所数の低減が行え、スタッブ管２、中間ピース３を使用する場合に比べて大幅な作業改善が可能となる。
【００３９】
また、請求項１〜５記載の発明によれば、ボイラ装置等において主蒸気温度が５６０℃以上といった高い温度である場合においても、長時間使用による溶接熱影響部（ＨＡＺ部）８でのクリープ損傷による割れが発生しにくい品質信頼性の高い溶接方法と溶接構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の管寄せの外径面上に積層により溶接金属層を設け（図１（ａ））、溶接金属層の中央部に管孔および突合せ溶接開先部を形成する（図１（ｂ））手順を示す管寄せ断面図である。
【図２】図１の溶接金属層の中央部に形成した管孔および突合せ溶接開先部とを設けて管寄せの外径面上から所定の高さに突合せ溶接開先部を形成し、先端に溶接開先部を形成した管体を前記溶接金属層の開先部に突き合わせて（図２（ａ））、完全溶け込み突合せ溶接部を形成する（図２（ｂ））手順を説明する溶接構造体の断面図である。
【図３】本発明の管寄せの外径面上に伝熱管を接続した溶接構造体の外観図（図３（ａ））と図３（ａ）の管寄せ外径面内に伝熱管を溶接する時の溶接部の拡大断面図（（図３（ｂ））である。
【図４】管寄せ外径面上にスタッブ管を接続する従来の図１０、図１１に示す溶接技術を適用した場合の溶接構造体の外観図（図４（ａ））と図４（ａ）の管寄せ外径面内にスタッブ管を溶接する時の溶接部の拡大断面図（図４（ｂ））である。
【図５】発電プラントで用いられる大型ボイラの火炉とその後流側の燃焼ガス流路の側断面構造の簡略図である。
【図６】発電プラントで用いられる大型ボイラの過熱器や再熱器などの管寄せに多数の伝熱管が接続した状態を示す管寄せ側面図（図６（ａ））、管寄せ底面図（図６（ｂ））、図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（図６（ｃ））である。
【図７】従来の伝熱管を接続した管寄せ断面図である。
【図８】従来の伝熱管を接続した管寄せ断面図であり、管軸に対して垂直の断面図を簡略化した図である。
【図９】図７の管寄せとスタッブ管の溶接部断面の拡大図である。
【図１０】従来技術の管寄せの外径面内に設けた開先部に予めバタリング溶接層を設けた後に再び開先部を設けてスタッブ管を溶接する準備中の構造体の断面図である。
【図１１】図１０に示す管寄せとスタッブ管とを溶接して溶接金属層を形成した溶接構造体の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明の実施例を図面と共に説明する。  
図５は一般的な火力発電用ボイラの側断面構造の簡略図であり、ボイラ火炉（以下、単に火炉と称することがある）７の内部（炉内と称することがある）と外部およびそれに続く燃焼排ガスの流路の外部（炉外と称することがある）との境界に設けた伝熱管と平鋼などからなる天井壁１６の上方、すなわち炉外に設置された管寄せ１と、火炉７内の上部に設置された過熱器や再熱器などの熱交換器５を構成する前記伝熱管群の位置関係を示すものである。前記ボイラの側断面構造では、火炉７内には伝熱管群が複数のパネルまたはコイル形状で吊下げて設けてあり、燃焼排ガスの熱を高効率に吸収できるようになっており、該複数のパネルまたはコイルの上部方向に複数の伝熱管４が天井壁１６を貫通して天井壁１６の上方、すなわち炉外に設けた大径の管寄せ１に溶接により接続されている。すなわち管寄せ１には小径の伝熱管が数本から多数本接続している。
【００４２】
図６（ａ）は管寄せ１に伝熱管４（従来技術では伝熱管４の代わりにスタッブ管２を使用）が多数本接続した状態を示す管寄せ側面図の一例、図６（ｂ）はその管寄せ１の底面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視図を示しており、図６において従来技術では管寄せ１に接続しているのはスタッブ管２であるが、本発明の場合には伝熱管４が管寄せ１の外径面上に積層して設けた溶接金属層１０（図３参照）に接続されている。ここでは伝熱管４は作図の都合上、煩雑になるのを防止するために先端部のみ図示している。
【００４３】
なお、図５において熱交換器５の主部である矩形部を斜線で示しているが、これは１枚のパネルまたはコイルを示しており、前記パネルまたはコイルが紙面奥行き方向に十数枚〜数十枚が隣接して設けられており、それらの複数のパネルまたはコイルから複数の伝熱管４が図６に示す管寄せ１に伸延して組み立て時に接続される。
【００４４】
図５に示す発電プラントで用いられるボイラ火炉７の過熱器や再熱器の熱交換器５に用いられる管寄せ１に多数の伝熱管４を溶接により接続するに当たり、本実施例の図６（ａ）と図６（ｂ）に示す例では管寄せ１の同一横断面のうち図示右側から第１列など奇数列に２本の伝熱管４の管軸が管寄せ１の管軸中心に対してなす角度を９０度として溶接し、第２列など偶数列に２本の伝熱管４の管軸が管寄せ１の管軸中心に対してなす角度を４５度として溶接し、これら合計４本の伝熱管４が順次管寄せ１の管軸方向に整列配置している。このため、管寄せ１に溶接する伝熱管４，４同士は、隣接する奇数列と偶数列では互いに図６（ｂ）に示すように、管寄せ１の管軸中心に対してなす角度は２２．５度しかない。そのため、管寄せ１の外径面上に伝熱管４を溶接接続するための作業空間は狭隘部となっている。
【００４５】
このような溶接作業空間で、熱交換器５の組み立て工程で能率良く溶接するためには従来は図８に示すように管寄せ１と予め製作したスタッブ管２とを溶接し、該スタッブ管２と中間ピース３とを溶接した後、さらに主に溶接時の応力除去を目的とした後熱処理を施工しておくことによりボイラ据付け現地での伝熱管４との最終溶接時の作業空間を比較的広くなるようにしていた。すなわち、前記スタッブ管２または中間ピース３により管寄せ外径面上から所定の高さの位置に伝熱管４との完全溶け込み突合せ溶接位置を確保して伝熱管４を突合せ溶接により接続していた。
【００４６】
伝熱管４の内部を流れる被加熱媒体である水蒸気の加熱温度条件、すなわち主蒸気温度が５６０℃程度以下と低い場合には管寄せ１とスタッブ管２との接続構造は図７、図９で示す構造を採用することも可能であるが、主蒸気温度が高温度になってくると、管寄せ１とスタッブ管２との接続構造において溶接部の健全性を向上させるために完全突合せ溶接を行うことが検討され、例えば、図１０、図１１に示すような管寄せ１の外径面内に一方の突合せ開先部を設け、これをスタッブ管２の端面に設けた他方の突合せ開先部との間で完全突合せ溶接を行い、管寄せ１の外径面を挟んで面内と面上間とに積層による溶接金属層１５を形成している。
【００４７】
これに対して本実施例では図１と図２に管寄せ１の横断面図に示すように管寄せ１の溶接部分の外径面上の溶接位置に、所定の高さに溶接金属材料を積層して所定の高さの溶接金属層１０を形成しておき、該溶接金属層１０を形成した後は一方の突合せ開先を形成するように機械加工し、これに他方の突合せ溶接開先となる開先加工を端面に施工した伝熱管４を前記と同じＮｉ基合金と共金系の溶接金属材料を用いて完全突合せ溶接部１１を形成するようにした。
【００４８】
例えば伝熱管４が前述したＮｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標）である場合には前記Ｎｉ基合金と共金系の溶接金属材料を積層して所定の高さの溶接金属層１０を形成する。
【００４９】
本実施例によれば、管寄せ１と伝熱管４との溶接作業に必要な作業空間を確保するのに、具体的には、図３（ｂ）に示すように、管寄せ１の外径面上に所定の高さの位置での完全突合せ溶接を可能とするための空間部を確保するのに、図４（ｂ）の従来技術のように予めスタッブ管２や中間ピース３を接続しておくことなく比較的容易に施工できる積層による溶接金属層１０を形成しておけばよい。図１と図２に本実施例の管寄せ１の外表面への積層による溶接金属層１０の形成から伝熱管４との完全突合せ溶接までのステップを示している。
【００５０】
本実施例では溶接金属層１０の積層を７パスで５層とした。積層は管孔軸（管寄せ１の外径面上に形成した管孔１ａの軸）の周りに溶接装置を回転させながら行うが、全積層を連続的に行っても良く、管寄せ１への入熱を制限する場合や積層の形状など積層の状態を確認しながら行う場合は断続的に行っても良い。図１と図２には、管寄せ１に形成した溶接金属層１０を形成した後、溶接金属層１０に伝熱管４の内径と等しい径の管孔１ａを形成して伝熱管４を溶接する手順を示す。  
【００５１】
図１（ａ）には管寄せ１の外径面上に７パスで５層からなる積層により溶接金属層１０を形成したものを示す。本実施例ではその第１層を２パスで重なり部分に大きな段差が生じないように行い、その上の第２層を２パスでそれぞれ第３パスが第１パスと第２パス上に重なり、第４パスが第２パスと第３パス上に重なるように積層し、第５パスを第３パスと第４パス上に重なるように積層し、第６パスから第７パスをそれぞれ１層で順次重なるように積層した。なお、図１、図２に示した積層、パス数は一例であり、積層の高さおよび幅は仕上げ寸法および作業効率などを考慮して適宜設定すればよい。
【００５２】
こうして管寄せ１の外径面上に多層を積層することにより所定の幅と高さ以上の溶接金属層１０を得た後は、図１（ｂ）に示すように管寄せ１の外径面上の所定の高さの位置に完全溶け込み突合せ溶接開先を加工する。従って、前記溶接金属層１０の幅と高さは開先加工代を含んだ寸法以上の大きさで形成しておかなければならないことは云うまでもない。また伝熱管４に使用した材料と溶接金属層１０の材料との強度が同じ場合には前記溶接金属層１０の高さ方向の開先部の厚さは前記伝熱管４の肉厚と同じでよい。
【００５３】
図１（ａ）には管寄せ１の外径面上に溶接金属層１０をドーナツ状に形成した実施例を示している。この図１（ａ）に示す例以外は図示していないが、積層を前記のようなドーナツ状ではなく管孔軸から伝熱管４の外径より大径を有する溶接金属層１０を全体に積層してしてもよい。この場合は溶接金属層１０のほぼ中心部に伝熱管４の内径に相当する寸法の孔１ａをドリル加工等で形成する必要がある。
【００５４】
図１（ｂ）に示すように、管寄せ１に溶接する伝熱管４の内径に相当する寸法の孔１ａを溶接金属層１０の中央部と管寄せ１を貫通させて設け、次に溶接金属層１０の管寄せ外径面上の所定の高さにおいて、管寄せ１側の完全溶け込み突合せ開先部のルート面になるように加工を行うと共に、Ｕ字状の開先面とし、完全溶け込み突合せ溶接金属の深さＤが伝熱管４の肉厚と同じになるように前記ルートを含む開先寸法を加工する。
【００５５】
これに、図２（ａ）に示すように端部に開先加工を施した伝熱管４側開先部を溶接金属１０に施した溶接開先に付き合わせて、管寄せ１の溶接金属１０と伝熱管４の開先端部同士の突合せ部にできる開先部１０ａに、ＴＩＧ溶接などにより前記Ｎｉ基合金と共金系の溶接金属からなるワイヤを補給しながら完全溶け込み突合せ溶接を行い、図２（ｂ）に示すように、溶接金属１０上に突合せ溶接部１１を形成して管寄せ１と伝熱管４とを溶接により接続する。図１と図２に示したように、本実施例によれば、管寄せ１の外径面上に所定の高さと幅を有するように積層による溶接金属層１０を形成しているので、熱交換器５の組み立て工程において完全溶け込み突合せ溶接を行うのに必要な空間を確保することができる。
【００５６】
同時に、前記のように管寄せ１の外径面上に所定の高さ以上に溶接金属層１０を形成することにより、完全溶け込み突合せ溶接時の作業姿勢も図３（ｂ）に示したように溶接部の品質確保面で信頼性の高い作業姿勢が可能となる。また、管寄せ１の外径面内への開先加工が不要となり機械加工が最小限で済むので、溶接および熱処理の管理が容易な溶接方法と溶接構造体を提供できる。
【００５７】
また、管寄せ１へは肉盛溶接により溶接金属を積層するだけであり、溶接および熱処理の管理が容易な溶接方法と溶接構造体を提供できる。
次に、従来技術と本発明での管寄せ１の外径面に形成される溶接熱影響部（ＨＡＺ部）８における溶接割れ８ｂに対しての影響について説明する。  
【００５８】
図３に本発明の実施例となる管寄せ外径面上に伝熱管を接続した例（図３（ａ）、図３（ｂ））を示し、図４に従来技術となる管寄せ外径面内にスタッブ管を接続した図（図４（ａ）、図４（ｂ））を示す。
【００５９】
図３（ａ）には管寄せ１と管寄せ１の外径面上に形成した溶接金属層１０を加工して形成した溶接開先部と伝熱管４の端部に設けた突合せ溶接部とを完全溶け込み突合せ溶接により接続した後の外観図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す溶接構造体を得るための一工程を示す一部断面図であって、前記両方の開先部の断面図と前記開先部を完全溶け込み突合せ溶接するための溶接前の開先と溶接装置のタングステン電極１２ａが装着された溶接ヘッド１２の一部を示し、開先と溶接装置との位置関係を示す。
【００６０】
図４（ａ）には従来技術の図１０、図１１に示す溶接技術を適用した場合であり、管寄せ１と管寄せ１の外径面内に形成した溶接金属層１０を加工した完全溶け込みを目的とした突合せ溶接開先部と伝熱管４の端部に設けた突合せ溶接開先部と溶接ヘッド１２の外観図を示し、図４（ｂ）には図４（ａ）に示す溶接構造を得るための管寄せ１の外径面内を切削して形成した座繰り孔に溶接金属層１０を加工した突合せ溶接開先部とスタッブ管２の端部に設けた突合せ溶接開先部の断面図と前記両方の開先部を突合せ溶接するための溶接装置のタングステン電極１２ａが装着された溶接ヘッド１２の一部を示し、開先と溶接装置との位置関係を示す。
【００６１】
さらに図４（ｂ）には溶接金属層１０による管寄せ１の外径面内にそれぞれ形成される溶接熱影響部（ＨＡＺ）８を示している。
従来技術の図４（ｂ）では、管寄せ１の外径面内に積層により溶接金属層１０を形成するが、前記溶接金属層１０の管寄せ１側に沿って溶接熱影響部８が形成される。熱影響部８の形状は管孔１ａ側から管孔円周方向に平行であるが、管寄せ１の外径面の終端では管寄せ１の半径方向に転じている。すなわち、管寄せ１の厚さ方向に数ミリ長さの熱影響部８が形成されている。溶接熱影響部８は母材（管寄せ１と伝熱管４）と比較して高温強度が低い。管寄せ１には運転中に内圧による応力１８が管寄せ１の円周方向にかかっており、前記応力は管寄せ１の厚さ方向の熱影響部８と垂直となるため割れが発生する可能性が高い。
【００６２】
これに対して本発明の実施例である図３（ｂ）に示すように、溶接金属層１０の管寄せ１側に形成される溶接熱影響部８はほぼ全ての範囲で管寄せ１の円周方向と平行な領域にあり、割れが発生する可能性が低い。  
【００６３】
本実施例によれば、強度的に母材（本実施例では管寄せ１と伝熱管４）の金属組織より弱く、ボイラ運転中に割れが発生し易い部位となる溶接熱影響部８を内圧による影響の小さい範囲で形成することができるので割れが発生し難い溶接構造を実現することができる。
【００６４】
次に、本実施例では溶接金属層１０を管寄せ１の外径面上の所定の高さに形成しているので、図３（ｂ）に示すように溶接ヘッド１２から伝熱管４の管軸に対して直角に向けたタングステン電極１２ａを有する溶接ヘッド１２による伝熱管４の軸周りの完全溶け込み突合せ溶接が可能となる。
【００６５】
前記溶接ヘッド１２は伝熱管４の軸方向および該軸の垂直方向に移動可能であり、完全突合せ溶接における電極１２ａの角度、開先部からの距離、開先位置からの上下方向の距離を調整するための調整代を確保できる。例えば、図３（ｂ）の溶接ヘッド１２によればタングステン電極１２ａの方向を伝熱管４の管軸に対して真横となる９０度からやや下向きの８０度（管軸から時計回り方向に、以下同じ）、やや上向きの１００度などの角度での溶接が可能である。
【００６６】
これに対して、図４（ｂ）に示すような従来技術（特許文献１）で管寄せ１の外径面内に開先部を形成する場合、溶接ヘッド１２は伝熱管４の軸に沿って管寄せ１から離れる方向には移動可能であるが、近づく方向には管寄せ１の外径面に接触しない範囲までしか行えず、前記図３（ｂ）に示すような溶接ヘッド１２が使用できないため、例えば、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すような溶接ヘッド１２の軸と同軸のタングステン電極１２ａを用いる溶接ヘッド１２か、本体の溶接ヘッド１２は図３（ｂ）に示す場合と同じ方向に配置するが、溶接ヘッド１２の先端部の電極１２ａの向きを溶接ヘッド１２の軸に対して４５度等に傾斜させた溶接ヘッド１２を用いて、開先部の最奥部での完全溶け込みを図る必要がある。このため、電極１２ａの傾斜角度や溶接位置からの距離の調整に制限があり、目視での溶接状況の確認が困難となるため、完全溶け込み突合せ溶接を行うには難易度が高い。
【００６７】
本実施例によれば、管寄せ１の外径面上から所定の高さに形成した溶接金属層１０の開先部１０ａの位置に対して、伝熱管４の軸方向に沿って上下方向に移動可能であり、さらに伝熱管４の軸と垂直方向に移動可能な溶接ヘッド１２が使用可能であるため、従来技術と比較して高品質な完全溶け込み溶接部１１を得るための作業性が著しく向上する。
【００６８】
次に、溶接部の検査について述べる。  
溶接部の品質を保証するために溶接部の検査は不可欠であり、耐圧部の非破壊検査として放射線透過検査が行われる。該放射線透過検査はＸ線やγ線を用いて被検部に照射して通過した放射線の強さの変化から欠陥や傷や割れの有無、状態を検査するもので、放射線に感光するフィルムを被検部の裏側に置いて放射線を照射し、放射線が被検部を透過してフィルムに到達し、フィルムを感光させる性能を利用する。透過放射線の強さは被検部の厚さが大きいほど弱くなるため、仮に割れなどの空隙があると、その部分の透過放射線強度は周囲より増大するためフィルムでは強く感光し、黒く出ることから被検部内での割れを検出できる。
【００６９】
しかしながら従来技術の場合は、突合せ溶接部は管寄せ１の外径面内とスタッブ管２との間に形成され、フィルムを貼付する位置としては管寄せ１の内径側か管孔１ａ側になるが、管寄せ１の肉厚は十数ミリ〜数十ミリと厚く、これに対してスタッブ管２は数ミリ程度と薄いことから、管寄せ１側の溶接部とスタッブ管２側の溶接部とを同時に放射線透過検査を行うことは困難であった。
【００７０】
これに対して本発明の実施例では突合せ溶接部１１（図３）は伝熱管４と伝熱管４と同じ肉厚の溶接金属層１０側の開先部の間に形成されるため、伝熱管４側についてのみ同時に放射線透過検査を行うことで検査が済むことになる。本発明の実施例によれば完全溶け込み突合せ溶接部１１を形成する溶接部の溶接後の非破壊検査を確実に行うことができ健全な溶接部であることを確認することが可能となる。
【００７１】
その他、従来技術の管寄せ１とスタッブ管２との完全溶け込み突合せによる溶接部が管寄せ１の外径面上かまたはその近傍に有るため、前記突合せ溶接部にはボイラ運転中に伝熱管４と管寄せ１との線膨張係数の差による応力が作用するのに対して、本発明の実施例では完全溶け込み突合せ溶接部１１を管寄せ１の外径面上の所定の高さ位置に設け、さらに管寄せ１と突合せ溶接部１１の間には溶接金属層１０が介在するため、前記突合せ溶接部１１にかかる応力の作用を低減することができる。
【００７２】
また、本発明では管寄せ１に溶接金属層１０を介して伝熱管４を溶接により接続しているので、溶接金属層１０が管寄せ１の外径面上の所定の高さ位置にあるため、経年使用により伝熱管４を交換する作業が発生した場合、完全溶け込み突合せ溶接部１１での交換が、従来技術に比較して容易に行えるという特徴もある。
【００７３】
また、本発明の実施例では、６００℃のような高温域での使用を想定しており、管寄せ１、該管寄せ１に接続する伝熱管４、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料および突合せ溶接に使用する溶接材料の材質がそれぞれ、高クロム鋼、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金、Ｎｉ基合金およびＮｉ基合金である。例えば、管寄せ１は火ＳＴＰＡ２８に代表される９重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ−ＶＮｂ鋼または火ＳＴＰＡ２９に代表される９重量％Ｃｒ−０．５重量％Ｍｏ−１．８重量％Ｗ−ＶＮｂなどのフェライト系鋼を用いる。また、管寄せ１に接続する伝熱管４としてはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７などのオーステナイト系ステンレス鋼または、Ｎｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０％からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標））等を用いる。
【００７４】
さらに、溶接金属層１０の積層に使用する溶接材料はＮｉ重量％４４．５−Ｃｒ重量％２０．０〜２４．０−Ｃｏ重量％１０．０〜１５．０−Ｍｏ重量％８．０〜１０．０からなるＮｉ基合金（インコネル６１７（商標））等の共金系溶接材料（ＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３等）を積層して設けた溶接金属層を用い、突合せ溶接に使用する溶接材料は前記と同じくＮｉ基合金(インコネル６１７(商標)等の共金系溶接材料（ＳＦＡ―５.１４、ＥＲＮｉＣｒ−３等）などを用いる。
【符号の説明】
【００７５】
１  管寄せ
２  スタッブ管
３  中間ピース
４  伝熱管
５  熱交換器
７  火炉
８  溶接熱影響部
１０  溶接金属層
１１  完全溶け込み突合せ溶接部
１２  溶接ヘッド
１４  バタリング溶接層
１５  溶接金属層
１６  天井壁
１７  ボイラ鉄骨（天井梁）
１８  内圧
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体を管寄せに溶接する方法において、
前記管寄せの外径面上の管体取り付け位置に所定の肉盛高さの溶接金属層を積層して設けた後、該溶接金属層を含む前記外径面上の管体取り付け位置に管孔を加工すると共に、前記溶接金属層の高さ方向の端面に一方の突合せ溶接開先の片側を形成し、これに端面に他方の突合せ溶接開先の片側を形成した管体を突き合わせて完全溶け込み突合せ溶接により前記管寄せに管体を接続することを特徴とする管体を管寄せに溶接する方法。
【請求項２】
管寄せ、該管寄せに接続する管体、溶接金属層の積層に使用する溶接材料および突合せ溶接に使用する溶接材料の材質がそれぞれ、フェライト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金、Ｎｉ基合金およびＮｉ基合金であることを特徴とする請求項１記載の管体を管寄せに溶接する方法。
【請求項３】
ボイラ火炉内に設けられた伝熱管群から火炉外に伸延した管体が、該火炉外に設けられた管寄せに溶接された溶接構造体であって、前記溶接構造体は、管寄せと、該管寄せの外径面上の管体取付け位置に積層して設けられた所定の肉盛高さを有し、略中心部に管孔が加工された溶接金属層と、該溶接金属層の高さ方向の端面が加工されて一方の突合せ溶接開先の片側を形成した溶接金属層と、端面が加工されて他方の突合せ溶接開先の片側を形成した前記管体とを完全突合せ溶接した突き合わせ溶接部と前記伝熱管群から火炉外に伸延した管体からなることを特徴とする管体が管寄せに溶接された溶接構造体。
【請求項４】
請求項３記載の管寄せの代わりにマニホールドを用いることを特徴とする溶接構造体。
【請求項５】
請求項３記載の溶接構造体を過熱器及び再熱器の少なくともいずれかの熱交換器とすることを特徴とするボイラ装置。