(57)【要約】【課題】クリープ強度に差がある部材から構成されている支持ブラケットにおいて、クリープ強度が低い部材に支配されているクリープに対する許容度を向上させる構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】主構造１に主構造の材料よりも相対的にクリープ強度が高い材料の支持部材４を接合して構成される支持ブラケット６において、支持部材が接合される主構造側の接合面は主構造側の面を凹形状に加工し、前記凹形状に加工した部位にクリープ強度が支持部材の材料と同等または相対的に高い材料を配置し、前記クリープ強度が前記支持部材の材料と同等または高い材料を配置した領域に肉盛り座２を配置し、前記肉盛り座に前記支持部材を接合する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主構造に主構造の材料よりも相対的にクリープ強度が高い材料の支持部材を接合して構成される支持ブラケットにおいて、
支持部材が接合される主構造側の接合面に設けられた凹形状部と、
前記凹形状部に設けられたクリープ強度が前記支持部材の材料と同等または相対的に高い材料と、
前記クリープ強度が前記支持部材の材料と同等または高い材料を配置した領域に設けられた肉盛り座と、
前記肉盛り座に前記支持部材が接合されていることを特徴とした支持ブラケット。
【請求項２】
請求項１に記載の支持ブラケットにおいて、
前記凹形状部の接合面からの深さが異なることを特徴とした支持ブラケット。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の支持ブラケットにおいて、
前記凹形状の接合面からの深さは、主構造の厚さの１０％よりも深いことを特徴とした支持ブラケット。
【請求項４】
請求項１から請求項３の支持ブラケットのいずれかにおいて、
前記主構造側の壁面に設けられた凹部形状にクリープ強度が前記支持部材の材料と同等または相対的に高い材料を設ける際には、溶接金属の肉盛溶接を用いて行い、
前記支持部材の接合には、溶接を用いて行うことを特徴とした支持ブラケットの製造方法。
【請求項５】
主構造に主構造の材料よりも相対的にクリープ強度が高い材料の支持部材を接合して構成される支持ブラケットにおいて、
支持部材が接合される主構造側の面に、接合する支持部材の接合面の面積よりも広く、クリープ強度が支持部材と同等かそれよりも相対的に高い材料による部材が設置されており、
前記設置したクリープ強度が前記支持部材の材料と同等または高い材料による部材に支持部材が接合されていることを特徴とした支持ブラケット。
【請求項６】
請求項５に記載した支持ブラケットにおいて、
主構造側に設けるクリープ強度が支持部材と同等かそれよりも相対的に高い材料による部材の面積は、支持部材の接合面の面積の１５０％よりも広いことを特徴とした支持ブラケット。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載した支持ブラケットにおいて、
主構造側に設けるクリープ強度が支持部材と同等または相対的に高い材料による部材の高さは、主構造の厚さの１０％よりも高いことを特徴とした支持ブラケット。
【請求項８】
請求項５から請求項７に記載の支持ブラケットのいずれかにおいて、
主構造側のクリープ強度が支持部材と同等または相対的に高い材料による部材の設置は溶接金属の肉盛溶接を用いて行い、
前記支持部材の接合には、溶接を用いて行うことを特徴とした支持ブラケットの製造方法。
【請求項９】
主構造に主構造の材料よりも相対的にクリープ強度が高い材料の支持部材を接合して構成される支持ブラケットにおいて、
主構造にすでに設置した支持部材の周囲に、支持部材の設置面と支持部材の面を共有するように、クリープ強度が主構造と同等か相対的に高い材料による部材を配置したことを特徴とした支持ブラケット。
【請求項１０】
請求項９に記載した支持ブラケットにおいて、
前記設置したクリープ強度が主構造と同等または相対的に高い材料による部材の面積は、支持部材の接合面の面積の５０％よりも広いことを特徴とした支持ブラケット。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載した支持ブラケットにおいて、
前記設置したクリープ強度が主構造と同等または相対的に高い材料による部材の高さは、主構造の厚さの１０％よりも高いことを特徴とした支持ブラケット。
【請求項１２】
請求項９から請求項１１に記載の支持ブラケットのいずれかにおいて、
前記クリープ強度が主構造と同等または相対的に高い部材の設置は溶接金属の肉盛溶接を用いて行うことを特徴とした支持ブラケットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリープ対策を行った支持ブラケットとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント、原子力発電プラント、化学プラントなどの設備では、機器を固定するために構造物の壁面に支持ブラケットと呼ばれる突起物を設け、その上に構造物を載せて設置する場合がある。支持ブラケットに用いられる材料および形状、寸法は、設計の際の強度計算により強度に十分な余裕を持つように決定され、想定した条件で使用する場合には破損が生じないように製造されている。しかしながら、さらに十分な余裕を確保することは、設備を継続して運転する上で重要である。
【０００３】
火力発電プラント、原子力発電プラント、化学プラントの中には、例えば容器のような大きな構造に対しては炭素鋼または高強度な低合金鋼を用い、容器の内面には腐食の防止を目的として耐食性の高い材料によりクラッド溶接と呼ばれる溶接が行われ、また、耐食性と強度を備えたオーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金の支持部材から構成された支持ブラケット構造がある。高温環境下では、荷重が一定であっても時間とともにひずみが増大するクリープが起きる。高温環境下で使用される機器は、クリープに対しても余裕を確保するように設計されているが、さらに十分な余裕を確保するための対策をとることは、プラントを安全に継続して運転する上で重要である。
【０００４】
例えば、炭素鋼または低合金鋼のクリープ強度とオーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金のクリープ強度とを比較すると、前者の方が同じ応力に対して発生するクリープひずみは大きい。すなわち、クリープ強度が低い。そのため、クリープに対する許容度は、相対的にクリープ強度の低い材料の特性に支配されるが、材料の配置によりクリープに対する許容度を向上させることが可能である。
【０００５】
特許文献１には中空筒上の周方向突合せ溶接部に生じた欠陥の補修溶接方法であって，欠陥を切除後にクリープ強度が大きい溶接材料により肉盛溶接する補修溶接方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１１６６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では欠陥の補修溶接方法であって、クリープ強度に差がある部材から構成されている支持ブラケットについては記載がされていない。
【０００８】
そこで本願発明はクリープ強度に差がある部材から構成されている支持ブラケットにおいて、クリープ強度が低い部材に支配されているクリープに対する強度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題は、主構造に主構造の材料よりも相対的にクリープ強度が高い材料の支持部材を接合して構成される支持ブラケットにおいて、支持部材が接合される主構造側の接合面に設けられた凹形状部と、前記凹形状部に設けられたクリープ強度が前記支持部材の材料と同等または相対的に高い材料と、前記クリープ強度が前記支持部材の材料と同等または高い材料を配置した領域に設けられた肉盛り座と、前記肉盛り座に前記支持部材が接合されていることにより解決される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、設備に設置された主構造の材料のクリープ強度が、支持部材の材料のクリープ強度よりも低い支持ブラケットにおいて、支持ブラケット全体のクリープ強度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の支持ブラケットの構造の一例を示す図である。
【図２】支持ブラケットに負荷される荷重と支持ブラケット内の方向を示した図である。
【図３】荷重を受ける支持ブラケットの一評価ラインに沿った応力分布を示した図である。
【図４】一定応力を負荷したときに発生するクリープひずみと時間の関係を示した図である。
【図５】従来の支持ブラケットに発生するクリープ領域を示した図である。
【図６】実施例１の支持ブラケットを示した図である。
【図７】実施例１で支持ブラケットに発生するクリープ領域を示した図である。
【図８】実施例２の構造を示した図である。
【図９】実施例２で支持ブラケットに発生するクリープ領域を示した図である。
【図１０】実施例３の構造と支持ブラケットに発生するクリープ領域を示した図である。
【図１１】実施例４の構造を示した図である。
【図１２】実施例５で支持ブラケットに発生するクリープ領域を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施例を以下に図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
実施例１を図１から図９を用いて説明する。本実施例は、特に新設の設備において支持部材を取り付ける主構造側の壁面にクリープ破損の発生を抑制する構造を作り込んでおくものである。従来技術の構造と本実施例の構造とを比較しながら、本実施例での効果も併せて説明する。
【００１４】
最初に従来技術の方法による支持ブラケットの構造について説明する。図１は従来の支持ブラケットの構造の一例を示す図である。図１（ａ）は支持部材４を取り付ける前の主構造１の壁面を示す。主構造１側の材料は低合金鋼であり、支持部材４の材料はオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４である。従来技術では、主構造１に対して支持部材４を取り付ける側の壁面に、支持部材４と同じ鋼種の溶接材料により肉盛り座２が形成される。肉盛り座２を形成する目的は、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４製の支持部材４を低合金鋼製の主構造１に溶接により接合するときに、肉盛り座２が設けてあることにより施工が比較的容易な同材溶接とすることができるからである。
【００１５】
肉盛り座２を設けた後に、主構造材の腐食を防止するために、耐食性を有する例えばＳＵＳ３０４の溶接材料によりクラッド溶接３が施工される。クラッド溶接３は、耐食性の確保を目的としたものであり、強度部材とは見なさない。次に図１（ｂ）に示すように支持部材４を溶接部５に溶接することにより取り付ける。図１（ｃ）は、主構造１に支持部材４を取り付けた支持ブラケット６の形状を示している。
【００１６】
図２は支持ブラケットに負荷される荷重と支持ブラケット内の方向を示した図である。支持ブラケット６が荷重を受ける状態を示している。支持ブラケット６は、その上面に機器が設置され、支持ブラケットには機器の重量が荷重Ｐとして作用する。本実施例では、支持部材４が取り付けられる主構造１は、厚さが１６０ｍｍの低合金鋼であり、支持部材４は、壁面との接合面は上下方向が１２０ｍｍ、幅方向が８０ｍｍであり、突起部の長さは１２５ｍｍとする。突起部の上面に６トンの荷重が負荷される場合を取り扱う。
【００１７】
図３は、荷重を受ける支持ブラケットの一評価ラインに沿った応力分布を示した図である。図２に示した支持部材４の荷重が負荷される面上に設けた評価ラインに沿った応力分布図である。ｘ方向応力およびｙ方向応力のいずれも支持部材４と主構造１の境界で高い応力分布となる。最大値は主構造１の壁面と支持ブラケット６の接合部の形状不連続によるものであり、この値は例えば形状を円弧状にしたフィレットを設けることにより低くすることができる。一方、この境界部から離れた領域の応力分布は、支持ブラケット固有の構造に起因するものである。図２に示した評価ラインｘ軸上では、図３に示したように原点Ｏで示した支持部材４の付根部でピークをとる応力分布となる。主構造１側では、主構造１の低合金鋼とクラッド溶接３の境界面で相当応力が１６ＭＰａとなり、境界面から離れるとともに減少する。クラッド溶接３、肉盛り座２の領域に発生している応力は、支持部材４と主構造１の取り付け部の断面形状の変化に起因した局所的なものである。
【００１８】
以上のような応力分布を持つ支持ブラケット６において発生するクリープについて考察する。ここで、クリープは温度の影響を大きく受ける。本実施例では、発明の効果を顕著に示すことを目的として、図３に示した応力分布でクリープが発生する条件を仮定して説明する。図４は一定応力を負荷したときに発生するクリープひずみと時間の関係を示したものである。図４（ａ）はＳＵＳ３０４のクリープ特性、図４（ｂ）は低合金鋼のクリープ特性を仮定したものである。クリープひずみは、０．１５より大きくなると急速に増加して破断に至ると仮定した。また、それぞれのグラフの横軸は無次元化した時間を示している。図４（ｂ）に示した低合金鋼のクリープ特性の方が、図４（ａ）に示したＳＵＳ３０４のクリープ特性よりも低くなる仮定としている。
【００１９】
図４に示したクリープ特性を用いて発生するクリープひずみを有限要素法により解析した結果を図５に示す。ここで、図４に示したクリープ特性を用いて構造物に発生するクリープひずみを予測する方法は公知の技術であり、例えば「有限要素法による熱応力・クリープ・熱伝導解析、サイエンス社」に詳細な方法が示されている。支持部材４には、荷重Ｐにより支持部材のクリープ領域７として点線で囲まれる領域にクリープ領域が発生する。ここで、クリープ領域とは、図４のクリープ特性で示した０．１５を超えて加速クリープの領域を示している。また、点線で囲まれた応力集中によるクリープ領域８で示すように取り付け部の応力集中による応力に起因したクリープ領域が発生する。さらに、点線で囲まれた主構造とクラッド溶接境界面のクリープ領域９に示すように、クラッド溶接材と低合金鋼の接合面を境界とした低合金鋼側に、低合金鋼のクリープ強度が低いことに起因したクリープ領域が発生する。応力集中によるクリープ領域８と主構造とクラッド溶接境界面のクリープ領域９を包含すると、支持部材４と主構造１の間を分断していることがわかる。すなわち、これらクリープ領域に発生したクリープにより、支持部材４の主構造１からの分離が起きる。以上が支持ブラケットの従来技術による構造と、想定されるクリープ破損の形態である。
【００２０】
次に本実施例の構造の適用によるクリープ破損の抑制効果について述べる。図６は、実施例１の支持ブラケットを示した図である。主構造１の材料は低合金鋼であり、支持部材４の材料はオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４である。本実施例の構造では主構造１を製作する際に、主構造１の支持ブラケット接合面に対応する領域に図６に示す長方形ＡＢＣＤの領域の凹部１０を設けた形状とする。次に設けた凹部１０にクリープ強度が支持部材４の材料と同等または高い材料を設置する。本実施例では、支持部材４と同じ材料であるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属を肉盛溶接により設置して、支持部材４を取り付ける側の主構造１の壁面が平面になるように加工する。
【００２１】
次に支持部材４を溶接により取り付けるための肉盛り座２を設ける。また、形成した肉盛り座以外の領域には、炭素鋼の腐食の発生を抑制するためのクラッド溶接３を行う。本実施例においても、低合金鋼よりも耐食性が高いオーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属を用いる。次に肉盛り座２に支持部材４を溶接により接合する。
【００２２】
図７は実施例１で支持ブラケットに発生するクリープ領域を示した図である。ＳＵＳ３０４溶接材を肉盛溶接する凹形状の領域を変えた場合に発生するクリープひずみの分布の予測結果を示したものである。凹部形状の深さを主構造の厚さ１６０ｍｍの１０％よりも深い２０ｍｍ、上下方向を支持部材よりも上下それぞれ２５ｍｍ大きくしたときに発生するクリープ領域を示している。支持部材４に発生する支持部材のクリープ領域７は図５に示した従来技術の支持部材４に発生するクリープ領域と同じである。一方、主構造１内部のクリープ領域が異なる。図５に示した主構造１内部の主構造とクラッド溶接境界面のクリープ領域９は、図７ではクリープ強度が高い材料が配置されているため、クリープ領域の発生を抑制した応力集中によるクリープ領域８とすることができる。図７では、クリープ領域が発生するが、支持部材４を主構造１から分離させるようにクリープ領域が結合することはない。そのため、従来技術の構造と比較して、クリープ破損が起きるまでの時間を相対的に長時間化させる効果を得ることができる。
【実施例２】
【００２３】
実施例２を図８と図９を用いて説明する。本実施例では、主構造１の厚さ、支持部材４の寸法は実施例１と同じである。凹部の形状が実施例１と異なる。図８に示した支持ブラケットでは、凹部の形状がＡＢＣＤＥＦＧＨと変形凹部１５となっており、変形凹部の上部及び下部領域１１が変形凹部の中央部領域１６と比較して深くなっている。主構造１にこのような形態の変形凹部１５を設けて、そこに支持部材４とクリープ強度が同等または相対的に高い材料を設置する。本実施例では、実施例１と同様にオーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属を肉盛り溶接により設置する。次に図１の（ａ）から（ｃ）に示したように、肉盛り座２を形成し、クラッド溶接３を行って、さらに支持部材４を取り付ける。
【００２４】
図８に示した構造に実施例１と同様の荷重Ｐを負荷したときに支持ブラケットに発生するクリープ領域の解析結果を図９に示す。支持部材４に発生する支持部材のクリープ領域７は、実施例１と同じである。主構造１側のクリープ領域が異なる。支持部材４と肉盛り座２の接合部に応力集中によるクリープ領域８が発生する。一方、主構造１の内部は、応力が高い領域はクリープ強度が高い材料が配置されているため、実施例１と比較してクリープ領域の削減を図ることができる。その結果、支持ブラケット中にクリープ領域は発生するが、支持部材４が主構造１から分離するようなクリープ領域が結合することはない。そのため、実施例１の構造と比較して、クリープ破損が起きるまでの時間を相対的に長時間化させる効果を得ることができる。
【実施例３】
【００２５】
実施例３を図１０を用いて説明する。支持部材４の主構造１側が、支持部材４と同等またはそれよりも高いクリープ強度を有していれば、主構造１側で発生するクリープひずみに起因したクリープ破損の発生を抑制することができる。本実施例では、主構造１の厚さ、支持部材４の寸法は実施例１と同じである。本実施例では、主構造１側に設ける肉盛り座の大きさを、支持ブラケットの接合面の面積よりも広くなるように肉盛り座の溶接領域を設け、そこに支持部材を接合する構造としたものである。本構造は、機器を新設する場合、および供用してきた構造において支持部材の取り替えを行う場合に適用可能である。
【００２６】
本実施例の構造について説明する。実施例１の場合と同様に低合金鋼の主構造１にオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４の支持部材４を設ける場合を対象とする。最初に主構造の壁面に肉盛り座１２を形成する。肉盛り座１２の広さは、上下方向および幅方向ともに接合部よりも５０ｍｍ広く、それぞれ１７０ｍｍおよび１３０ｍｍで面積は２２１００平方ｍｍとし、支持部材の接合面の面積の９６００平方ｍｍの１５０％である１４４００平方ｍｍよりも広い領域とする。肉盛り座１２の高さは主構造の厚さ１６０ｍｍの１０％よりも高い２０ｍｍとする。なお、従来構造の図１に示したように、低合金鋼の主構造１にオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４の部材を溶接により取り付ける場合に、異材溶接を容易にするためにＳＵＳ３０４の部材の接合面と同じ面積のＳＵＳ３０４の溶接材による肉盛り座１２を低合金鋼の壁面に施工するが、本実施例の構造は肉盛り座１２の大きさを支持部材４の接合面よりも広く取っている点に特徴がある。
【００２７】
上記の構造の支持ブラケットに発生するクリープひずみの分布を図１０（ｃ）に示す。支持部材の接合面よりも面積が広くなるように形成したクリープ強度が主構造１の低合金鋼よりも相対的に高い肉盛り座１２により、発生するクリープひずみは従来構造と比較して小さくなる。また、荷重が負荷される位置とそれを保持する主構造側の面との距離ｄが厚く設置した肉盛り座１２により、実施例１または実施例２よりも小さくなるため、支持部材４と肉盛り座１２との接合部の応力は低くなり応力集中によるクリープ領域は生じない。なお、主構造１にはクリープ領域１３が発生する。以上の効果から、クリープ破損に至る時間の長時間化が可能となる。
【００２８】
以上の製造方法では機器を新設する場合としたが、支持部材の取り替えに際して、適用することも可能である。その場合には、最初に支持部材を主構造１の壁面近くで切断し、さらに残存部を切削加工により削り取る。また、肉盛り座１２を形成する領域にわたってクラッド溶接も切削加工により削り取る。次に肉盛り座１２を設け、さらに新しい支持部材４を溶接により取り付けることにより、新設の場合と同様の構造とすることができ、クリープ破損に至る時間を長時間化することができる。
【実施例４】
【００２９】
実施例４を図１１と図１２を用いて説明する。既設の支持ブラケットに対して、クリープ破損に至る時間を長時間化するのに有効な構造である。本実施例の支持ブラケットの構造を図１１に示す。図１１に示した支持ブラケットは、図１（ｃ）に示した支持ブラケット６と同じであるが、そこに肉盛り溶接１４を設けることに特徴がある。
【００３０】
支持部材４の接合部のクリープ強度を支持部材４と同等かそれよりも高い材料とすることにより、クリープ強度が低い部材の主構造１に発生するクリープ破損を抑制できる。本実施例は、既設および新設のいずれの支持ブラケットに対しても適用可能な構造である。
【００３１】
本実施例では、図１に示した従来構造の支持ブラケット６に対して、主構造１のクラッド面上に支持部材４を囲むように肉盛り溶接１４を行うものである。主構造１の壁面に設けられた支持部材の周囲に肉盛り溶接１４を施工する。その結果、負荷された荷重Ｐにより発生する応力の分布は、実施例３の場合と同じとなり、主構造１にクリープ強度が低い材料を用いて製作された支持ブラケットであっても、クリープ破損が発生するまでの時間を長くすることができる。本実施例の方法は、新設の場合および既設の場合であっても適用可能である利点がある。
【００３２】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１：主構造
２：肉盛り座
３：クラッド溶接
４：支持部材
５：溶接部
６：支持ブラケット
７：支持部材のクリープ領域
８：応力集中によるクリープ領域
９：主構造とクラッド溶接境界面のクリープ領域
１０：凹部
１１：変形凹部の上部及び下部領域
１２：肉盛り座
１３：クリープ領域
１４：肉盛り溶接
１５：変形凹部
１６：変形凹部の中央部領域
【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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