(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に亀裂が発生した鋳鋼部材の補修方法であって、  前記亀裂を含むように、前記鋳鋼部材をその表面から所定深さまで切削することにより、前記鋳鋼部材の深さ方向に向かって末広がりの楔状の断面を有する凹部を形成する凹部形成工程と、  前記鋳鋼部材より柔らかい金属製の素材からなり、かつ前記鋳鋼部材と拡散接合が可能な補修部材を、前記凹部形成工程により形成された凹部に押し込んで埋設する補修部材埋設工程と、  前記埋設した補修部材の露出面と、前記鋳鋼部材の表面との境界部を加熱することにより、前記補修部材と前記鋳鋼部材とを拡散接合する拡散接合工程と、  を含む鋳鋼部材の補修方法。
【請求項２】
前記補修部材埋設工程においては、前記補修部材と前記凹部との接触面の界面張力を減少させるフラックスを前記補修部材又は前記凹部に導入するフラックス導入工程を含む、請求項１に記載の鋳鋼部材の補修方法。
【請求項３】
前記拡散接合工程においては、前記鋳鋼部材の表面への加熱領域よりも前記補修部材の露出面への加熱領域が広くなるように前記境界部を加熱する、請求項１又は２に記載の鋳鋼部材の補修方法。
【請求項４】
前記補修部材埋設工程は、前記補修部材を押し込むことにより前記補修部材の表層部に形成される余盛部を研磨する余盛部研磨工程を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋳鋼部材の補修方法。
【請求項５】
前記補修部材は、銀又はアルミニウムから選択される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の鋳鋼部材の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を補修する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  火力発電設備や原子力発電設備等に多く用いられる鋳鋼部材は、長期間に渡って高温・高圧条件におかれることにより、熱応力によるクリープ損傷を受ける。これにより表面に発生する亀裂は破損の原因となるため、各種の補修方法が提案されている。【０００３】  例えば、特許文献１には、ニッケル基超合金のガスタービン等に対する補修方法として、ホウ素等を含むコバルト基ろう合金、コバルト基耐摩耗性合金等を混合して粉体混合物を形成して焼結し、タービンの表面部分を除去し、上記焼結形成物を拡散接合させ、分散させる方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１８８７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  ところが、鋳鋼部材には、前述の火力発電設備や原子力発電設備等における蒸気タービン室や蒸気タービンの弁など、大型のものが多い。このような鋳鋼部材は、熱処理を行うために工場に持ち帰るといったことができないので、その熱処理は現場で行わざるを得ない。しかし、現場で行える熱処理の規模には限界があるため、補修が不完全となる場合がある。このような場合には、補修後しばらくしてから補修箇所やその近傍から再び亀裂が発生し、再度補修を行わなければならなくなるといった事態が生じるおそれがある。【０００６】  本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を現場で確実に補修する鋳鋼部材の補修方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  前述の目的を達成するための本発明の一つは、表面に亀裂が発生した鋳鋼部材の補修方法であって、前記亀裂を含むように、前記鋳鋼部材をその表面から所定深さまで切削することにより、前記鋳鋼部材の深さ方向に向かって末広がりの楔状の断面を有する凹部を形成する凹部形成工程と、前記鋳鋼部材より柔らかい金属製の素材からなり、かつ前記鋳鋼部材と拡散接合が可能な補修部材を、前記凹部形成工程により形成された凹部に押し込んで埋設する補修部材埋設工程と、前記埋設した補修部材の外部露出面と、前記鋳鋼部材の表面との境界部を加熱することにより、前記補修部材と前記鋳鋼部材とを拡散接合する拡散接合工程と、を含む。【０００８】  本発明のように、鋳鋼部材をその表面から所定深さまで切削して凹部を形成し、この凹部に補修部材を埋設し、埋設した補修部材と鋳鋼部材とを拡散接合することで、大型の熱処理装置を要することなく、また大量の熱を要すること無く、作業現場で確実に補修部材と鋳鋼部材とを接合することができる。また、補修部材として鋳鋼部材より柔らかい金属製の素材からなる補修部材を用いることにより、補修部材を埋設した部分にかかる熱応力を周囲に逃がすことができる。これにより、補修部分からの亀裂の再発生を効果的に防ぐことができる。さらに、形成される鋳鋼部材の凹部の断面は、その表面から深さ方向に向かって末広がりの楔状の断面を有しており、このような凹部に補修部材を埋設することで、埋め込んだ補修部材を凹部から抜けにくくすることができる。  このように、本発明の鋳鋼部材の補修方法によれば、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を現場で確実に補修することができる。【０００９】  また、本発明の他の一つは、前記補修部材埋設工程においては、前記補修部材と前記凹部との接触面の界面張力を減少させるフラックスを前記補修部材又は前記凹部に導入するフラックス導入工程を含む。【００１０】  本発明のように、補修部材や凹部にフラックスを導入して補修部材と凹部との間の接触面の界面張力を減少させることにより、補修部材と鋳鋼部材との拡散接合をより確実に行うことができる。【００１１】  また、本発明の他の一つは、前記拡散接合工程においては、前記鋳鋼部材の表面への加熱領域よりも前記補修部材の露出面への加熱領域が広くなるように前記境界部を加熱する。【００１２】  拡散接合は被接合部材の熱による塑性変形を利用した接合方法であるので、本発明のように、熱により塑性変形しやすい補修部材の表面への加熱領域を、鋳鋼部材の表面への加熱領域よりも広くすることで、補修部材と鋳鋼部材の接合をより確実に行うことができる。【００１３】  また、本発明の他の一つは、前記補修部材埋設工程は、前記補修部材を押し込むことにより前記補修部材の表層部に形成される余盛部を研磨する余盛部研磨工程を含む。【００１４】  本発明のように、補修部材の表層部に形成される余盛部を研磨することで、補修後の鋳鋼部材の表面を平滑にすることができる。【００１５】  また、本発明の他の一つは、前記補修部材は、銀又はアルミニウムから選択される。【００１６】  本発明のように、補修部材として、熱により塑性変形する金属であり、また充分な強度を有する銀又は��ルミニウムを用いることで、確実な拡散接合を実現できる。
【発明の効果】
【００１７】  本発明によれば、鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を現場で確実に補修することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】蒸気タービン車室の外殻部材を説明する図である。
【図２】本実施形態の補修方法の手順を説明するフローチャートである。
【図３】亀裂１２の平面拡大図である。
【図４】凹部１３の形状を示す上方斜視図である。
【図５】亀裂短手方向と平行な直線Ｐ−Ｑで鉛直方向に切断した凹部１３の正面図である。
【図６】亀裂長手方向と平行な直線Ｒ−Ｓで凹部１３を鉛直方向に切断した凹部１３の側面図である。
【図７】補修部材３０の形状の一例を示した図である。
【図８】補修部材３０による補修方法を説明する図である。
【図９】補修部材３０による補修方法を説明する図である。
【図１０】余盛部３４を研磨する方法を説明する図である。
【図１１】拡散接合の方法を説明する図である。
【図１２】接合治具４０の回転部４１と、これと接触させる外殻部材１０及び補修部材３０との位置関係を説明する図である。
【図１３】補修部材５０の形状の一例を示した図である。
【図１４】補修部材５０による補修方法を説明する図である。
【図１５】補修部材５０による補修方法を説明する図である。
【図１６】凹部１３の形状の他の一例を示す上方斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】  本実施形態の鋳鋼部材の補修方法は、熱応力により発生した鋳鋼部材の亀裂の補修に対して適用することができ、例えば図１に示すような、火力発電所や原子力発電所等に設けられる蒸気タービン車室の外殻部材１０に適用できる。
【００２０】  蒸気タービン車室の外殻部材１０は、ＣｒＭｏＶ鋳鋼などからなり、その起動・停止に伴って熱応力を受ける。これにより外殻部材１０はクリープ損傷を受け、内側の表面１１に亀裂１２が発生する。亀裂１２は、例えば図１に示すようにジグザグ状に現れる。以下では、このように表面１１に亀裂１２が発生した外殻部材１０を鋳鋼部材の一例として、鋳鋼部材の補修方法について説明する。
【００２１】  図２は、本実施形態の補修方法の手順を説明するフローチャートである。同図に示すように、本実施形態の補修方法は次の工程からなる。まず、亀裂１２の方向や寸法を確認する（以下、亀裂確認工程Ｓ１という）。次に、この亀裂１２を含むように、外殻部材１０をその表面から所定深さまで切削して凹部を形成する（以下、凹部形成工程Ｓ２という）。次に、この凹部に補修部材を埋設する（以下、補修部材埋設工程Ｓ３という）。そして、埋め込んだ補修部材と、母材である外殻部材１０とを拡散接合により接合する（以下、拡散接合工程Ｓ４という）。以下、これらの工程の詳細を説明する。
【００２２】  まず、亀裂確認工程Ｓ１について説明する。図３は、亀裂１２の平面拡大図である。同図に示すように、亀裂１２に対して、亀裂１２の長手方向と、この長手方向と直交する方向である亀裂１２の短手方向とを決定する。そして、ノギス等で、亀裂１２の長手方向における亀裂１２の長さと、亀裂１２の短手方向における亀裂１２の長さとを測定する。
【００２３】  なお、亀裂１２の長手方向（以下、亀裂長手方向という）の長さは通常、５ｍｍ〜１００ｍｍ程度であり、亀裂１２の短手方向（以下、亀裂短手方向という）の長さは通常、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。本実施形態では説明の便宜上、図３に示すように、亀裂長手方向の長さをＬ、亀裂短手方向の長さをＷとする。なお、この亀裂１２は、同図では図示していないが、深さ方向にも進展している。
【００２４】  次に、凹部形成工程Ｓ２について説明する。図４は、凹部形成工程Ｓ２により形成される凹部１３の形状を示す上方斜視図である。同図に示すように、凹部１３は、外殻部材１０の表面１１において、亀裂１２の表面を囲うようにして設けられた長方形状の切削線１４（１４ａ、１４ｂ）を基線として作成される。そして、この切削線１４から、外殻部材１０の深さ方向に向かって、末広がりの方向に切削することにより凹部１３が形成される。
【００２５】  凹部１３は、具体的には以下のようにして作成される。まず、カッター等により、外殻部材１０の表面に、亀裂１２の表面を囲うように切削線１４を入れる。このとき、切削線１４はその四隅の角部１５に角丸を有するようにする。なお、切削線１４の長手方向の辺１４ａの長さは通常、１ｍｍ〜１２０ｍｍ程度であり、切削線１４の短手方向の辺１４ｂの長さは通常、１ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。本実施形態では説明の便宜上、切削線１４の長手方向の辺１４ａの長さをＬ２、切削線１４の短手方向の辺１４ｂの長さをＷ２とする。
【００２６】  次に、切削線１４に基づき、外殻部材１０を表面１１から深さ方向に切削する。ここで、図５は亀裂短手方向と平行な直線Ｐ−Ｑで鉛直方向に切断した凹部１３の断面図であり、図６は亀裂長手方向と平行な直線Ｒ−Ｓで凹部１３を鉛直方向に切断した凹部１３の断面図である（いずれも亀裂１２の記載は簡略化して点線で示している）。これらの図に示すように、凹部１３は、直方体形状の空間である溝部１３ａと、溝部１３ａより外側の空間である膨出部１３ｂに分けられる。凹部１３は、この溝部１３ａと膨出部１３ｂとを順に形成することにより作成される。なお、凹部１３の形成（切削）には、ドリルやエンドミル等の工具を用いる。
【００２７】  まず、図５、６に示すように、切削線１４を基線として垂直下方に切削して側面１６を形成し、さらにその内側部分を切削することで、直方体形状の空間である溝部１３ａを形成する。
【００２８】  ここで、溝部１３ａの切削の深さは、亀裂１２の最大深さよりも充分に深いと考えられる深さであり、これにより亀裂１２を除去する。この深さは通常１ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。なお、亀裂１２の最大深さが予想できない場合、すなわち亀裂１２の内部への進展の程度がわからない場合は、亀裂１２の有無を確認しながら少しずつ切削を繰り返すようにする。なお、本実施形態では説明の便宜上、溝部１３ａの切削深さをＤ２とする。
【００２９】  続いて、膨出部１３ｂを作成する。具体的には、図５、６に示すように、切削線１４を基線として、溝部１３ａの側面１６の切削面よりも外側に傾斜した方向に向けて切削工具を進行させる。そして、切削の深さが溝部１３ａの底面１７の深さに近くに達したら、切削方向を外側から内側に徐々に変えることにより、底面１７の縁部１８まで切削を行う。このようにすることで、膨出部１３ｂの下方に曲面２１（フィレット）が形成される。
【００３０】  以上のようにして、溝部１３ａ及び膨出部１３ｂからなる凹部１３が形成される。凹部１３は、外殻部材１０の表面１１から深さ方向に向かって末広がりの楔状の断面を有することになる。なお、図４に示すように、膨出部１３ｂに形成された曲面２１は凹部１３の底縁の全周に設けられ、これにより、凹部１３の隅角部２２は全て曲面に形成されることになる。
【００３１】  次に、補修部材埋設工程Ｓ３について説明する。補修部材埋設工程Ｓ３では、外殻部材１０に形成した凹部１３を補修部材で補修する。図７は、この補修部材３０の形状の一例を示した図である。同図に示すように、補修部材３０はその長手方向の両端面３１が円形に加工された、円柱状の部材である。補修部材３０の軸方向の長さはＬ２である。直径はｄであり、切削線１４の長手方向の辺１４ｂの長さＷ２よりやや長くなっている。ｄの具体的な寸法については後述する。
【００３２】  補修部材３０は、外殻部材１０より柔らかい金属製の素材からなり、かつ、外殻部材１０に対し後述する拡散接合が可能な素材である。このような素材としては、熱により塑性変形しやすい銀又はアルミニウムや、これらと同等の引張強さを有する金属が挙げられる。
【００３３】  図８、９は補修部材３０による補修方法を説明する図である。図８は図５に対応する凹部１３の正面図、図９は図６に対応する凹部１３の側面図である。これらの図に示すように、補修部材３０は凹部１３に埋設される。具体的には、補修部材３０の端面３１と切削線１４の短手方向の辺１４ｂとを揃えた状態で、補修部材３０を上方からハンマー等で叩きながら凹部１３に押し込む。
【００３４】  ここで、補修部材３０の端面３１の直径ｄは、切削線１４の長手方向の辺１４ｂ（つまり凹部１３の開口面の短辺）の長さＷ２よりやや大きくなっているが、前述のように補修部材３０は外殻部材１０より柔らかい金属製の素材からなるので、補修部材３０を叩いて変形させながら凹部１３の内部に入れることができる。また、この過程で、補修部材３０の埋設部分は膨出部１３ｂの方向に進入しながら変形（塑性変形）するので、その結果、補修部材３０全体を凹部１３に充填することができる。
【００３５】  このような点から、補修部材３０の体積は凹部１３の占有空間と同じとなるようように調節されていることが好ましく、補修部材３０の直径ｄ及び長さＬ２もそのような長さに調節されていることが好ましい。これにより、補修後の外殻部材１０の表面１１を平滑に保つことができる。
【００３６】  なお、この場合、補修部材３０を、円柱状ではなく楕円柱状の部材としてもよい。例えば、補修部材３０の端面３１の短径の長さを切削線１４の短手方向の辺１４ｂの長さＷ２より短くし、端面３１の長径の長さを凹部１３（溝部１３ａ）の深さ方向の長さＤ２よりも長くする。すると補修部材３０は、端面３１の短径の方向を水平に、端面３１の長径の方向を鉛直方向にした状態で凹部１３に簡単に挿入することができる。その後、補修部材３０を上から叩いて膨出部１３ｂの側に変形させながら補修部材３０を凹部１３全体に充填させることができる。
【００３７】  なお、前述のように、凹部１３の底縁は曲面２１を有し、また凹部１３の隅角部２２も曲面に形成されているので、補修部材３０を埋設した場合に局所的に熱応力が集中しそこから亀裂が再発することを防ぐことができる。また、切削線１４（凹部１３）の角部１５も角丸に加工されているので、角部１５付近の表面１１からの亀裂１２の再発も防ぐことができる。
【００３８】  なお、凹部１３に補修部材を埋め込む際には、補修部材３０の表面、または凹部１３の内表面（両方でもよい）に、フラックス１９を塗布する。このフラックス１９は、例えば炭酸カルシウムやフッ化カルシウムを含む拡散促進剤であり、後述する拡散接合を行う際に、補修部材３０の表面と凹部１３の内表面との間の界面張力を減少させる。これにより、補修部材３０と外殻部材１０との間の拡散接合をより確実に行うことができるようになる。
【００３９】  また、前述のように補修部材３０は凹部１３に埋設すると塑性変形するので、その結果、表層部に余盛部が生じる場合がある。このような場合は、図１０に示すように、研磨具により余盛部３４を研磨し、外殻部材１０の表面と補修部材３０の表面（露出面）との境界部を平坦にしておく。これにより、補修後の外殻部材１０の表面１１を平滑に整えることができる。
【００４０】  最後に、拡散接合工程Ｓ４について説明する。図１１は拡散接合の方法を説明する図である。同図に示すように、拡散接合は接合治具４０を用いて行う。接合治具４０はその下部に小型の円盤状の回転部４１が取り付けられており（回転部４１の直径は例えば２０ｍｍ程度）、この回転部４１は、その主面の円の中心に対して同心円状に高速回転（数百〜数千ｒｐｍ）することが可能である。拡散接合は、この回転部４１と、補修部材３０の外表面３７及び外殻部材１０の表面１１の境界部３５とを接触させつつ、接合治具４０を当該境界部３５に沿って回転部４１を回転させながら走行させることにより行う。
【００４１】  なお、上記の境界部３５につき、外殻部材１０の表面１１への加熱領域よりも、補修部材３０の外表面３７への加熱領域が広くなるように接合治具４０を走行させることが好ましい。具体的には、例えば図１２に示すように、回転部４１を外殻部材１０の表面１１の側に例えば約１ｍｍ程度はみ出させた状態で接合治具４０を走行させる。拡散接合は、被接合部材の熱による塑性変形を利用した接合方法であるので、熱による塑性変形がおこりやすい補修部材３０の外表面３７への加熱領域を外殻部材１０の表面１１への加熱領域よりも広くすることで、補修部材３０と外殻部材１０の接合をより確実に行うことができる。
【００４２】  以上に説明したように、本実施形態の補修方法では、外殻部材１０のような鋳鋼部材をその表面から所定深さまで切削して凹部１３を形成し（凹部形成工程Ｓ２）、この凹部に補修部材３０を埋設し（補修部材埋設工程Ｓ３）、この補修部材３０と外殻部材１０とを拡散接合することで（拡散接合工程Ｓ４）、大型の装置を要することなく、また大量の熱を要すること無く確実に補修部材３０と外殻部材１０とを接合することができる。また、補修部材埋設工程Ｓ３においては凹部１３に埋設する補修部材３０として外殻部材１０より柔らかい金属製の素材からなる部材を用いることにより、補修部材３０を埋設した部分にかかる熱応力を周囲に逃がすことができる。これにより、補修部分からの亀裂の再発生を防ぐことができる。
【００４３】  さらに、凹部形成工程Ｓ２において、外殻部材１０の凹部１３の断面は、その表面１１から深さ方向に向かって末広がりの楔状の断面を有しており、このような凹部１３に補修部材３０を埋設することで、埋め込んだ補修部材３０を凹部１３から抜けにくくすることが可能となっている。
【００４４】  このように、本実施形態の補修方法によれば、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を現場で確実に補修することができる。
【００４５】  なお、本実施形態では、補修部材として円柱状又は楕円柱状の部材を用いることとしたが、他の形状も考えられる。例えば、補修部材を直方体形状にしてもよい。図１３に示すように、補修部材５０の幅方向の辺５１の長さをＷ２、奥行き方向の辺５２の長さをＬ２とし、それぞれ切削線１４の短手方向の辺１４ｂ、切削線１４の長手方向の辺１４ａと一致させる。また、補修部材５０の高さ方向の辺５３（長さＤ３）を、凹部１３の高さ（溝部１３ａの高さ）Ｄ２よりも長くする。そして、図１４、１５に示すように、補修部材５０の幅方向の辺５１と切削線１４の短手方向の辺１４ｂ、及び、補修部材５０の奥行き方向の辺５２と切削線１４の長手方向の辺１４ａをそれぞれ対応させて補修部材５０を凹部１３に押し込む。なお、この場合、補修部材３０の体積は凹部１３の空間容積と同じとしておくことが好ましい。
【００４６】  以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。
【００４７】  例えば、本実施形態では、凹部１３の底縁に曲面２１を設けることとしたが、より迅速に補修作業を行うべく、これを省略してもよい。すなわち、図１６に示すように、凹部１３の底縁を曲面加工せずに、鋭角の角部２３としてもよい。
【００４８】  また、本実施形態では、亀裂長手方向の断面、及び亀裂短手方向の断面の双方について楔状の断面を有するように凹部１３を形成するようにしたが、作業の簡略化のため、亀裂長手方向の断面のみ、または亀裂短手方向の断面のみについて楔状の断面を有するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】１０  外殻部材、１１  表面、１２  亀裂、１３  凹部、１３ａ  溝部、１３ｂ  膨出部、１４  切削線、１４ａ  長手方向の辺、１４ｂ  短手方向の辺、１５  角部、１６  側面、１７  底面、１８  縁部、１９  フラックス、２１  曲面、２２  隅角部、２３  鋭角の角部、３０  補修部材、３１  端面、３２  長手方向の辺、３３  高さ方向の辺、３４  余盛部、３５  境界部、３７  外表面、４０  接合治具、４１  回転部、５０  補修部材、５１  幅方向の辺、５２  奥行き方向の辺、５３  高さ方向の辺
【要約】  本発明の目的は、鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を現場で確実に補修することにある。  本発明は、表面（１１）に亀裂（１２）が発生した鋳鋼部材（１０）の補修方法であって、亀裂（１２）を含むように、鋳鋼部材（１０）をその表面（１１）から所定深さまで切削することにより、鋳鋼部材（１０）の深さ方向に向かって末広がりの楔状の断面を有する凹部（１３）を形成する凹部形成工程（Ｓ２）と、鋳鋼部材（１０）より柔らかい金属製の素材からなり、かつ鋳鋼部材（１０）と拡散接合が可能な補修部材（３０）を、凹部形成工程（Ｓ２）により形成された凹部（１３）に押し込んで埋設する補修部材埋設工程（Ｓ３）と、埋設した補修部材（３０）の露出面と、鋳鋼部材（１０）の表面（１１）との境界部（３５）を加熱することにより、補修部材（３０）と鋳鋼部材（１０）とを拡散接合する拡散接合工程（Ｓ４）とを含む。【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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