(57)【要約】【課題】スタブ管溶接部に発生する応力を低減させて、母管及びスタブ管における最も弱点部位であるスタブ管溶接部のクリープ寿命の長寿命化を実現すること。【解決手段】スタブ管の溶接構造において、母管の外径をＤ、母管の肉厚をＴ、スタブ管の外径をｄとした場合、スタブ管の肉厚ｔが次式に示す範囲内にあることスタブ管溶接構造。（１．１ｄ／２）／（［２／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）≦ｔ≦（０．９ｄ／２）／（［１／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）  Ｒｏ：母管の外半径（Ｒｏ＝Ｄ／２）、Ｒｉ：母管の内半径（Ｒｉ＝Ｒｏ−Ｔ）【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火力発電用ボイラの主蒸気管又は再熱蒸気管からなる母管に結合され内圧を受けるスタブ管の溶接構造において、
前記母管の外径をＤ、前記母管の肉厚をＴ、前記スタブ管の外径をｄとした場合、前記スタブ管の肉厚ｔが次式に示す範囲内にあることを特徴とするスタブ管溶接構造。
（１．１ｄ／２）／（［２／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
≦ｔ≦
（０．９ｄ／２）／（［１／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
Ｒｏ：母管の外半径（Ｒｏ＝Ｄ／２）、
Ｒｉ：母管の内半径（Ｒｉ＝Ｒｏ−Ｔ）
【請求項２】
請求項１において、
前記母管と前記スタブ管が９Ｃｒ鋼又は１２Ｃｒ鋼からなるフェライト系耐熱鋼で構成されていること特徴とするスタブ管溶接構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電用ボイラの主蒸気管又は再熱蒸気管に対するスタブ管溶接構造に係わり、特に溶接部の応力低減構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電用ボイラの主蒸気管又は再熱蒸気管における従来のスタブ管溶接構造は、図５に示すとおりである。図５の図示構造によると、母管１（主蒸気管又は再熱蒸気管）とスタブ管２は溶接部４により接続されており、母管１とスタブ管２にはそれぞれ内圧により周方向応力と軸方向応力が発生する。母管１とスタブ管２は溶接により接合されているため、母管１とスタブ管２のひずみ量が異なった場合には、これに伴う応力が溶接部４に余分に作用しており、スタブ管溶接部のクリープ寿命を低下させていた。
【０００３】
スタブ管溶接部の熱影響部の応力集中を低減するための従来技術として、例えば、特許文献１には、スタブ管に形成される溶接熱影響部（ＨＡＺ）の厚みを小さくして強度劣化を抑制して溶接部の応力集中を少なくすること、また、スタブ管の外径をなだらかに変化させて熱応力発生を抑制すること、等が提案されている。
【０００４】
また、従来の他のスタブ管溶接構造では、スタブ管２の肉厚ｔは、スタブ管外径ｄに対して母管１の肉厚Ｔ／外径Ｄの比にほぼ等しい値（Ｔ／Ｄ＝ｔ／ｄ、ｔ＝Ｔ×ｄ／Ｄ又はｄ×Ｔ／Ｄ）が用いられている。
【０００５】
上記の従来の他のスタブ管溶接構造において、従来構造の種々の母管及びスタブ管における、外径と肉厚の比（外径／肉厚）を図２に示す。図２において、従来構造として、図２の第１列と第２列に母管の外径Ｄと肉厚Ｔを示し、第３列と第４列にスタブ管の外径ｄと肉厚ｔを示す。図２の第６列に従来の母管の外径Ｄと肉厚Ｔの比Ｔ／Ｄを示し、第７列にスタブ管の外径ｄと肉厚ｔの比ｔ／ｄを示す。これによると、従来構造の母管の比は４．５〜５．６程度であり、スタブ管の比は３．５〜６．２程度となっていて、いずれも平均的には５．０程度でありほぼ等しい値となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２０４８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、火力発電用ボイラは高効率を目的に、蒸気条件は年々高温・高圧化する傾向にあり、最近のボイラでは蒸気配管は主蒸気／再熱蒸気ともに６００℃以上となることから、９Ｃｒ鋼又は１２Ｃｒ鋼といったクリープ強度の強い耐熱鋼が使用されようになってきている。一方で、ボイラの主蒸気管、再熱蒸気管のスタブ管などは溶接構造で製造されていることが多い。
【０００８】
上述のような耐熱鋼は溶接時の熱履歴によって結晶粒が細粒化したクリープ強度の低いＨＡＺ（熱影響部）が生じる。このため、溶接部ＨＡＺは主蒸気管又は再熱蒸気管の最弱点部位であり、火力発電用ボイラにおける蒸気漏洩といった事故が発生する一因でもあった。
【０００９】
上述のような課題を解決するため、スタブ管などを鍛造で作成し、弱点部位である溶接部を無くす方法も考えられるが、管台の製作コストの面から考えて現実的ではない。一方で、溶接部におけるクリープ強度が高い９Ｃｒ鋼又は１２Ｃｒ鋼といった耐熱鋼も研究中ではあるが、現在のところ溶接部の大幅なクリープ強度向上は期待でき難い。このため、９Ｃｒ鋼又は１２Ｃｒ鋼といった従来鋼で製作されたスタブ管の溶接構造において、弱点部位である溶接部の発生応力を低下させることが、火力発電用ボイラの信頼性向上に対して極めて重要な課題となっている。
【００１０】
上記の特許文献１に提案された技術は、スタブ管の熱溶接影響部（ＨＡＺ）の厚みを考慮したりスタブ管の外径の変更を要したりして、複雑な構造となっている。また、上述したスタブ管の他の従来構造は、スタブ管溶接構造の発生応力を抑制することについて、充分な解決手段となっていないという課題が残っている。
【００１１】
そこで、本発明では、内圧を受ける母管（主蒸気管又は再熱蒸気管）とスタブ管の溶接部において、母管とスタブ管の剛性をほぼ等しくし、伸び差を少なくすることで、弱点部位である境界部のスタブ管溶接部に発生する応力を低減させて、スタブ管溶接部のクリープ寿命の長寿命化を実現するスタブ管溶接構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。  
火力発電用ボイラの主蒸気管又は再熱蒸気管からなる母管に結合され内圧を受けるスタブ管の溶接構造において、前記母管の外径をＤ、前記母管の肉厚をＴ、前記スタブ管の外径をｄとした場合、前記スタブ管の肉厚ｔが次式に示す範囲内にあることを特徴とするスタブ管溶接構造。
【００１３】
（１．１ｄ／２）／（［２／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
≦ｔ≦
（０．９ｄ／２）／（［１／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
Ｒｏ：母管の外半径（Ｒｏ＝Ｄ／２）、Ｒｉ：母管の内半径（Ｒｉ＝Ｒｏ−Ｔ）
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スタブ管の肉厚を適切に設定することで、スタブ管溶接部に発生する応力を低減させて、母管及びスタブ管における最も弱点部位であるスタブ管溶接部のクリープ寿命の長寿命化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る蒸気管におけるスタブ管溶接構造の斜視図である。
【図２】本実施形態に係るスタブ管溶接構造におけるスタブ管及び母管の外径／肉厚の比を従来構造との対比で表す図である。
【図３】本実施形態に関するスタブ管の肉厚に伴う高応力発生部位の応力変化を示すグラフである。
【図４】本実施形態に関する母管及びスタブ管の内圧による発生応力の方向を示す説明図である。
【図５】従来のスタブ管溶接構造における高応力発生部位を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態に係る蒸気管におけるスタブ管溶接構造について、図１〜図４を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施形態に係る蒸気管におけるスタブ管溶接構造の斜視図であり、図２は本実施形態に係るスタブ管溶接構造におけるスタブ管及び母管の外径／肉厚の比を従来構造との対比で表す図であり、図３は本実施形態に関するスタブ管の肉厚に伴う高応力発生部位の応力変化を示すグラフであり、図４は本実施形態に関する母管及びスタブ管の内圧による発生応力の方向を示す説明図である。
【００１７】
まず、本実施形態に係るスタブ管溶接構造の基本構成と、母管及びスタブ管に発生する応力と、について、図１と図４を用いて説明する。図１において、１は母管（主蒸気管又は再熱蒸気管）、２はスタブ管、４は溶接部、３は高応力発生部位、をそれぞれ表す。
【００１８】
内圧を受ける母管１には、図４に示すように管の周方向及び軸方向に内圧により式（１）と式（２）に示すような応力６，７が発生する。なお、この式は、例えば、教科書、「高温強度の基礎・考え方・応用」、（社）材料学会、２００８、の刊行物に記載されている。
【００１９】
式（１），（２）から明らかなように、母管１の周方向応力６（式（１）のσθ）は、その軸方向応力（式（２）のσｚ）の２倍となっている。一方、スタブ管２には主に内圧により周方向に式（３）に示すような応力σｈｏｏｐが発生する（上記刊行物の記載参照）。なお、スタブ管２の軸方向応力は、内圧と肉厚の関係から、その軸方向圧力は半分以下と小さいので、簡便のために無視している。
【００２０】
ここで、母管１とスタブ管２の剛性が等しいとき、言い換えれば両者のひずみ量が等しいとき、母管１とスタブ管２の境界（溶接部４）に発生する応力は極小となると考えられる。また、通常は母管１とスタブ管２は同一の材料であるので、両者のひずみ量は発生応力に比例している。
【００２１】
したがって、式（４）の関係にあるとき（スタブ管周方向応力σｈｏｏｐが母管軸方向応力σｚ以上であり母管周方向応力σθ以下である関係）、溶接部４の高応力発生部位３に発生する応力は極小になると考えられる。実際には、式（１）と式（２）で計算される応力の平均値において効果が最も大きくなると考えられる。
【００２２】
本発明では、式（３）のスタブ管周方向応力σｈｏｏｐを式（５）に示すように、式（４）の両側それぞれ１０％を除いた範囲とした。これは、ＦＥＭ解析により求めた溶接部の応力の極小値が式（４）の範囲内に無い場合があったためである。
【００２３】
式（１）〜（３）および式（５）からスタブ管の肉厚ｔの範囲を求めると式（６）のようになる。式（６）の詳細な求め方は後述する。
【００２４】
σθ＝２×ｐ／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝      （１）
σｚ＝ｐ／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝      （２）
ここで、
Ｄ：母管の外径、Ｔ：母管の肉厚、ｐ：内圧、Ｒｏ：母管の外半径（Ｒｏ＝Ｄ／２）、
Ｒｉ：母管の内半径（Ｒｉ＝Ｒｏ−Ｔ）を表す。
【００２５】
σｈｏｏｐ＝ｐ（ｄ−ｔ）／２ｔ      （３）
ｄ：スタブ管の外径、ｔ：スタブ管の肉厚、ｐ：内圧を表す。
【００２６】
σθ≧σｈｏｏｐ≧σｚ      （４）
０．９σθ≧σｈｏｏｐ≧１．１σｚ      （５）
（１．１ｄ／２）／（［２／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
≦ｔ≦                                                          （６）
（０．９ｄ／２）／（［１／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
ここで、式（６）の求め方を以下に詳述する。
【００２７】
式（１）＝式（３）とすると、σθ＝σｈｏｏｐ
したがって、２×ｐ／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝＝ｐ（ｄ−ｔ）／２ｔ  となり、両辺をｐで割り整理すると、
［２／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５＝１／２×ｄ／ｔ
よって、ｔ＝（ｄ／２）／（［２／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）      （７）
一方、式（２）＝式（３）とすると、σｚ＝σｈｏｏｐ
したがって、ｐ／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝＝ｐ（ｄ−ｔ）／２ｔ  となり、両辺をｐで割り整理すると、
［１／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５＝１／２×ｄ／ｔ
よって、ｔ＝（ｄ／２）／（［１／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）      （８）
ここで、式（７）と式（８）を比較すれば、明らかに、「式（７）のｔ＜式（８）のｔ」である。
【００２８】
したがって、ｔの範囲は、
（ｄ／２）／（［２／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
≦ｔ≦                                                    （９）
（ｄ／２）／（［１／｛（Ｒｏ／Ｒｉ）２−１｝］＋０．５）
ここで、本実施形態においては、値が大きい方（右辺）を０．９倍し、値が小さい方（左辺）を１．１倍して、式（９）のｔの範囲を狭めたものが、式（６）と同一となるのであり、本願の特許請求の範囲においてスタブ管における肉厚ｔの範囲をとしているのである。
【００２９】
図１に示すようなスタブ管溶接構造において、母管１にスタブ管２が溶接部４により結合されている。
【００３０】
本実施形態の具体的構成例では、母管１である主蒸気管の外径Ｄを５８０ｍｍ、主蒸気管の肉厚Ｔを１００ｍｍ、スタブ管２の外径ｄを５０ｍｍとした場合に、スタブ管２の肉厚ｔの変化に伴う高応力発生部位３におけるＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）解析により求めたＭｉｓｅｓ相当応力の変化は、図３に示すとおりである。なお、内圧ｐは２５ＭＰａとした。
【００３１】
スタブ管２の肉厚ｔが薄い場合（１０ｍｍ以下）、スタブ管２の肉厚ｔの増加に伴って発生応力は低下していくが、途中（１４ｍｍ付近）から発生応力が逆に増加していくことが分る。図３に示すミーゼス相当応力が減少から増加に変わるポイント（１４ｍｍ付近、変曲点）は、式（６）に示した範囲内（１３．８〜１８．０ｍｍ）にあることが分る。
【００３２】
従来のスタブ管溶接構造では、スタブ管の肉厚／外径の比が母管の肉厚／外径の比とほぼ等しい値になるように、スタブ管の肉厚は８〜１１ｍｍ程度が多く用いられている。
【００３３】
これに対して、本実施形態の溶接構造として、式（６）で計算されるスタブ管の肉厚ｔを図２の第５列に示し、スタブ管の外径ｄとから計算される外径と肉厚の比（外径／肉厚：ｄ／ｔ）が図２の第８列に示されている。本実施形態のスタブ管の外径と肉厚の比は、第８列に示すように、２．１〜３．５（平均２．８）である。このように、本実施形態における式（６）から計算されるスタブ管の肉厚ｔは、従来構造のスタブ管２の肉厚ｔよりもやや厚くなっている（外径／肉厚：従来５．０→本実施形態２．８）。
【００３４】
本実施形態においては、式（５）の範囲内にスタブ管の肉厚ｔを設定すれば、スタブ管溶接部の発生応力は従来溶接構造のそれよりも低減することになる。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、溶接構造をもつスタブ管溶接部において、内圧を受けた場合の母管の剛性（ひずみ量）と、スタブ管の剛性（ひずみ量）をほぼ等しくすることにより、母管とスタブ管の剛性差によって溶接部に発生する応力を低減させ、溶接部のクリープ寿命を増加させることが可能となる。換言すると、スタブ管溶接部に内圧によって発生する応力は母管（主蒸気管又は再熱蒸気管）とスタブ管の剛性がほぼ等しいときに、剛性差に伴う応力が小さくなり、発生応力は極小となると考えられることから、スタブ管の肉厚を式（６）に示すように適切に設定することで溶接部の発生応力を低減させ、母管及びスタブ管における最も弱点部位であるスタブ管溶接部のクリープ寿命を増加させることが可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１  母管
２  スタブ管
３  高応力発生部位
４  溶接部
５  高応力発生部位
６  母管周方向応力式［（１）］
７  母管軸方向応力式［（２）］
８  スタブ管周方向応力式［（３）］
【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１】
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