(57)【要約】【課題】管接続部が高温に曝された時にＤＭＷの領域における応力をできるだけ減じる。【解決手段】接続される第１の管セクション１２と第２の管セクション１４とを軸方向で整列させるステップと、少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝１６を半径方向内方へ開放させるステップと、接続される第１の管セクション１２および第２の管セクション１４の内部で内側溶接プロセスを行うステップとを含む。【選択図】図３
2015174147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の管セクション（１２）と、第２の管セクション（１４）とを備え、前記第１の管セクション（１２）は、第１の熱膨張率（ＣＴＥ１）を有するフェライト材料から形成されており、前記第２の管セクション（１４）は、前記第１の熱膨張率（ＣＴＥ１）とは異なる第２の熱膨張率（ＣＴＥ２）を有するオーステナイト材料から形成されており、溶接継手（２２）は、前記第２の熱膨張率（ＣＴＥ２）に近い第３の熱膨張率（ＣＴＥ３）を有するオーステナイトフィラー材料から形成されている、特に発電プラントにおいて、高温用途のための管接続部（１０）を溶接する方法（１００）において、
−接続される前記第１の管セクション（１２）と前記第２の管セクション（１４）とを軸方向で整列させるステップと、
−少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝（１６）を半径方向内方へ開放させるステップと、
−接続される前記第１の管セクション（１２）および前記第２の管セクション（１４）の内側で内側溶接プロセスを行うステップと、を含むことを特徴とする、高温用途のための管接続部（１０）を溶接する方法（１００）。
【請求項２】
前記第１の管セクション（１２）として、フェライトＣ鋼から形成された管セクションを使用する、請求項１記載の溶接する方法（１００）。
【請求項３】
前記フェライトＣ鋼として、Ｐ９１鋼またはＰ２２鋼を使用する、請求項２記載の溶接する方法（１００）。
【請求項４】
前記第２の管セクション（１４）として、オーステナイト鋼またはニッケル基材料から形成された管セクションを使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の溶接する方法（１００）。
【請求項５】
前記オーステナイトフィラー材料として、オーステナイト鋼またはニッケル基材料を使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の溶接する方法（１００）。
【請求項６】
第１の管セクション（１２）と、第２の管セクション（１４）とを備え、前記第１の管セクション（１２）は、第１の熱膨張率（ＣＴＥ１）を有するフェライト材料から形成されており、前記第２の管セクション（１４）は、前記第１の熱膨張率（ＣＴＥ１）とは異なる第２の熱膨張率（ＣＴＥ２）を有するオーステナイト材料から形成されており、溶接継手（２２）は、前記第２の熱膨張率（ＣＴＥ２）の範囲の第３の熱膨張率（ＣＴＥ３）を有するオーステナイトフィラー材料から形成されている、特に発電プラントにおける、高温用途のための管接続部（１０）において、
前記溶接溝（１６）は、少なくとも部分的にＶ字形でありかつ半径方向内方へ開放しており、前記第１の管セクション（１２）および前記第２の管セクション（１４）が内側溶接を介して溶接されていることを特徴とする、管接続部（１０）。
【請求項７】
前記第１の管セクション（１２）は、フェライトＣ鋼から形成されている、請求項６記載の管接続部（１０）。
【請求項８】
前記フェライトＣ鋼は、Ｐ９１鋼またはＰ２２鋼である、請求項７記載の管接続部（１０）。
【請求項９】
前記第２の管セクション（１４）は、オーステナイト鋼またはニッケル基材料から形成されている、請求項６から８までのいずれか１項記載の管接続部（１０）。
【請求項１０】
前記オーステナイトフィラー材料は、オーステナイト鋼またはニッケル基材料から形成されている、請求項６から９までのいずれか１項記載の管接続部（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の管セクションと、第２の管セクションとを備え、第１の管セクションは、第１の熱膨張率（ＣＴＥ１）を有するフェライト材料から形成されており、第２の管セクションは、第１の熱膨張率（ＣＴＥ１）とは異なる第２の熱膨張率（ＣＴＥ２）を有するオーステナイト材料から形成されており、溶接継手は、第２の熱膨張率（ＣＴＥ２）の範囲の第３の熱膨張率（ＣＴＥ３）を有するオーステナイトフィラー材料から形成されている、特に発電プラントにおける、高温用途のための管接続部を溶接する方法に関する。本発明は、さらに、このような管接続部に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温用途において、特に発電プラント用途において、フェライト材料から形成された第１の管セクションと、オーステナイト材料から形成された第２の管セクションとを備える管接続部（中間管部品とも称される）を使用することが公知であり、この場合、２つのセクションは、オーステナイトフィラー材料を使用することによって溶接される。異種の金属から形成されたこのような管接続は、異種金属溶接（ＤＭＷ）とも称される。このようなＤＭＷ管接続部は、通常、管の外側から、少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝を用いて溶接される。
【０００３】
独国特許出願公開第１９５２７６３４号明細書は、このような外部溶接を備える管接続部を説明している。加えて、前記明細書は、フェライト材料から形成された第１の管セクションおよびオーステナイト材料から形成された第２の管セクションに言及している。両管セクションを溶接するために、第１のフェライト管材料の熱膨張率と同じ／近い熱膨張率（ＣＴＥ）を有する溶接フィラーが使用される。
【０００４】
異種金属溶接を形成する場合、熱膨張率（ＣＴＥ）の差により、オーステナイト材料から形成された第２の管セクションと、オーステナイト材料から形成された溶接継手材料（フィラー材料）とが、フェライト材料から形成された第１の管セクションよりも大きな伸び（ε）を生じるという問題が、オーステナイトフィラー材料と、フェライト材料から形成された管セクションとの間の融着ラインにおいて生じる。
【０００５】
第２の管セクションと、溶接継手フィラー材料とは、通常、同じ熱膨張率（ＣＴＥ）または少なくとも同じ範囲の熱膨張率（ＣＴＥ）を有するので、第２の管セクションと溶接継手材料との間の接続は通常、良好である。しかしながら、ＤＭＷ管接続部が高温に曝される場合、溶接継手材料と第１の管セクションとの間に熱膨張率（ＣＴＥ）の大きな差が存在する。これは、伸び（ε）の差による付加的な応力につながる。この付加的な応力は、管接続部内の圧力または曲げモーメントなどの作動パラメータによって生ぜしめられる応力に加わり、これにより、決定的な融着ラインにおける応力が増大され、このような管接続部の寿命が短縮される。融着ラインにおける冶金学的特性は、短い使用期間の後の管接続部の故障の原因となる。なぜならば、硬くて脆いマルテンサイト層が、オーステナイト層に隣接して形成され、フェライト材料における炭素空乏領域、および融着ラインにおける脆い析出部が形成されるからである。
【０００６】
したがって、高温配管系統におけるＤＭＷの将来の故障を検出するために、非破壊試験（ＮＤＴ）がこのような管接続部において規則的に短い間隔で行われ、異種金属溶接（ＤＭＷ）を含む移行部材は、頻繁に交換されなければならない。
【０００７】
例えば溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を行うことによって溶接継手の融着ラインにおける冶金学的特性を最適化することによって、熱膨張率（ＣＴＥ）の差によって生ぜしめられる付加的な応力による寿命の短縮という問題を克服することも知られている。付加的な応力を減じるために熱膨張率（ＣＴＥ）をより近づけることができるような材料組合せが知られている。しかしながら、このような手段は、極めてコストがかかりかつ時間を費やすものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９５２７６３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、請求項に記載の発明の課題は、従来技術の欠点を克服し、管接続部が高温に曝された時にＤＭＷの領域における応力をできるだけ減じることを目標とする、管接続部を溶接する方法および管接続部を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、請求項１の前提部における、高温用途のための管接続部を溶接する方法を提供することによって達成される。この方法は、接続される第１の管セクションと第２の管セクションとを軸方向で整列させるステップと、少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝を半径方向内方へ開放させるステップと、接続される第１の管セクションおよび第２の管セクションの内側で内側溶接プロセスを行うステップとを含む。内側溶接プロセスにおいては、管は、外径からではなく内径から溶接される。第１の管セクションと第２の管セクションとが、半径方向内方へ開放した少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝を使用することによって内側溶接によって溶接される場合、オーステナイトフィラー材料と、フェライト材料から形成された第１の管セクションとの間の決定的な溶接継手融着ラインにおいて、付加的な法線引張応力は生ぜしめられない。オーステナイトの第２の管セクションと、オーステナイトのフィラー材料との、熱により生ぜしめられた伸びが生じたとき、溶接継手材料を、半径方向内方へ開放した少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝の斜面によって支持することができる。したがって、溶接継手材料と第１の管セクションとの間に圧縮応力が生ぜしめられ、これにより、異種金属溶接接続部の寿命および耐久性を高めることができる。
【００１１】
第１の管セクションとしてフェライトＣ鋼から形成された管セクションが使用されることが好ましい。フェライトＣ鋼としてＰ９１鋼またはＰ２２鋼が使用されることが特に好ましい。このような鋼は、通常、発電プラントにおける用途などの高温用途のための好適な特性を有している。
【００１２】
管接続部を溶接する方法の別の好適な択一的態様は、第２の管セクションとして、オーステナイト鋼またはニッケル基材料から形成された管セクションが使用されることを提供する。
【００１３】
方法の別の好適な択一的態様では、オーステナイトフィラー材料として、オーステナイト鋼またはニッケル基材料が使用される。
【００１４】
前記課題は、請求項６の前提部による管接続部を提供することによっても達成される。このような管接続部は、溶接溝が、少なくとも部分的にＶ字形でありかつ半径方向内方へ開放しており、第１の管セクションおよび第２の管セクションが内側溶接によって溶接されていることを特徴とする。第１の管セクションと第２の管セクションとが、半径方向内方へ開放した少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝を使用することによって内側溶接によって溶接されているので、オーステナイトフィラー材料と、フェライト材料から形成された第１の管セクションとの間の決定的な溶接継手融着ラインにおいて、付加的な法線応力は生ぜしめられない。オーステナイトの第２の管セクションと、オーステナイトのフィラー材料との、熱により生ぜしめられた伸びが生じたとき、内側溶接プロセスにより、溶接継手材料を、半径方向内方へ開放した少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝の斜面によって支持することができる。したがって、本発明による管接続部を提供することによって、溶接継手材料と第１の管セクションとの間に圧縮応力が生ぜしめられ、これにより、異種金属溶接接続部の寿命および耐久性を高めることができる。
【００１５】
好適には、溶接溝は、Ｖ字形またはＹ字形であるか、または半径方向内方へ開放した溶接溝のあらゆるその他の斜面を有しており、これにより、管接続部が高温に曝されたときに圧縮応力を生ぜしめるために、溶接継手材料を斜面によって支持することができる。
【００１６】
管接続部の好適な実施の形態では、第１の管セクションはフェライトＣ鋼から形成されており、フェライトＣ鋼は、高温発電プラント用途のための好適な特性を有するＰ９１鋼またはＰ２２鋼であることが特に好ましい。
【００１７】
第２の管セクションがオーステナイト鋼またはニッケル基材料から形成されていることが特に好ましい。
【００１８】
オーステナイトフィラー材料がオーステナイト鋼またはニッケル基材料から形成されていることはさらに有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による方法のステップを含む方法チャートである。
【図２】従来技術による管接続部を示す図である。
【図３】本発明による管接続部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、図３に示された本発明による管接続部を溶接するための、本発明による方法１００の方法チャートを示している。第１のステップＳ１０１において、本発明による管接続部１０の第１の管セクション１２と第２の管セクション１４とが、接続されるために軸方向で整列させられる。
【００２１】
第２のステップＳ１０２において、第１の管セクション１２と第２の管セクション１４との間に少なくとも部分的にＶ字形の溶接溝１６が形成され、この溶接溝１６は、矢印２０によって示された、中心軸線１８に向かう方向である半径方向内方へ開放している。
【００２２】
第３のステップＳ１０３において、接続される第１および第２の管セクション１２，１４の内側において、内側溶接法が行われる。内側溶接法においては、管は、外径からではなく内径から溶接される。図１に示された方法１００では、第１の管セクション１２は、高温用途のためにフェライト材料、好適にはＰ９１またはＰ２２鋼（ＣＴＥ１  １２．６もしくは１３．９  Ｅ−６／Ｋを有する）から形成されており、第２の管セクション１４は、オーステナイト材料、好適にはオーステナイト鋼またはニッケル基材料、例えばＩＮ６２５（ＣＴＥ２  １４．８  Ｅ−６／Ｋを有する）から形成されている。溶接継手２２は、好適にはオーステナイト鋼またはニッケル基材料、例えばＥＲＮＩＣｒ−３（ＣＴＥ３  １５．３  Ｅ−６／Ｋを有する）である、オーステナイト溶接継手フィラー材料から形成されている。これは、溶接継手フィラー材料の熱膨張率が、第１の管セクションの材料の熱膨張率に関して（ＣＴＥ３とＣＴＥ１との差は、前記材料の場合、２．７もしくは１．４  Ｅ−６／Ｋである）、第２の管セクションの材料の熱膨張率に近い（もしくはより近似している）（ＣＴＥ３とＣＴＥ２との差は、０．５  Ｅ−６／Ｋでしかない）。別の実施例では、フェライト基材料Ｐ９１（ＣＴＥ１  １２．６  Ｅ−６／Ｋ）またはＰ２２（ＣＴＥ１  １３．９  Ｅ−６／Ｋ）から形成された第１の管セクションは、ＳＳ３４７Ｈのものと同様のＣＴＥ３を有するＳＳ３４７Ｈなどの同様のフィラー材料を使用して、オーステナイト管セクション、例えばＳＳ３４７Ｈ（ＣＴＥ２  １８．９  Ｅ−６／Ｋ）に接続されている。
【００２３】
図１に示された本発明による方法１００および図３に示された本発明による管接続部１０の利点をここで図２および図３を参照してさらに詳細に説明する。
【００２４】
図２は、従来技術による管接続部１０を示している。図３に示された本発明による管接続部１０におけるものと同じ参照符号が、対応する要素に対して使用されている。
【００２５】
管接続部１０は、中心軸線１８の周囲に軸方向に整列させられた、フェライト材料から形成された第１の管セクション１２と、オーステナイト材料から形成された第２の管セクション１４とを有する。Ｖ字形の溶接溝１６が、管接続部１０の外面２４に形成されており、矢印２６の方向で半径方向外方へ開放している。溶接溝１６は、溶接継手２２を形成したオーステナイト材料の溶接継手フィラー材料が充填されている。
【００２６】
従来技術による管接続部１０が、発電プラントにおける高温などの高温に曝されると、異なる熱膨張率（ＣＴＥ）による伸びが生じる。オーステナイト材料の第２の管セクション１４は、フェライト材料から形成された第１の管セクション１２よりも高いＣＴＥを有する。第２の管セクション１４の伸びは、矢印２８によって示されており、第１の管セクション１２の伸びは、矢印３０によって示されている。伸び２８は伸び３０よりも大きく、伸び２８，３０の差は矢印３２によって示されている。材料の選択により、溶接継手２２は、第２の管セクション１４と溶接継手２２との間の融着ライン３４における良好な接続を提供している。第２の管セクション１４と、溶接継手２２とは両方とも、オーステナイト材料から形成されておりかつ同じ範囲のＣＴＥを有しており、すなわちこれらは類似のＣＴＥを有する。
【００２７】
しかしながら、高温のために伸び２８，３０が生じると、融着ライン３６の領域における第１の管セクション１２と溶接継手２２との間のもともと弱い接続部が、一層弱められる。矢印３８によって示された法線応力が、第１の管セクション１２と溶接継手２２との間の融着ライン３６において生じる。これは、付加的な応力につながる。付加的な応力は、管接続部１０における内部圧力または管接続部１０に作用する曲げモーメントなどの作動パラメータによって生じる応力に加わる。
【００２８】
図２に示された従来技術による管接続部１０とは対照的に、図３に示された本発明による管接続部１０は、これらの問題を克服する。管接続部１０は、図２に示された管接続部１０と実質的に同じである。なぜならば、管セクション１２，１４と、溶接継手２２とは、図２における管接続部１０と同じ材料組合せから形成されているからである。しかしながら、オーステナイト材料の溶接継手フィラー材料によって充填されかつ溶接継手２２を形成する溶接溝１６は、半径方向外方へ開放していない。図３に示された管接続部１０は、溶接溝１６を有しており、この溶接溝１６は、Ｖ字形であり、管接続部１０の内面４０に形成されており、矢印２０によって示された、中心軸線１８の方向に向かって半径方向内方へ開放している。
【００２９】
図３の管接続部１０が高温に曝されたとき、融着ライン３４の領域における溶接継手２２と第２の管セクション１４との間の接続は良好である。なぜならば、第２の管セクション１４および溶接継手２２の両方がオーステナイト材料から形成されているからである。しかしながら、フェライト材料の第１の管セクション１２と、溶接継手２２との間の融着ライン３６の領域において、著しい改良を達成することができる。第２の管セクション１４が矢印２８によって示されたように伸びると、伸びの差３２が生じる。なぜならば、矢印３０によって示された第１の管セクション１２の伸びがより小さいからである。しかしながら、溶接溝１６が半径方向内方を向いているため、斜面４２が、融着ライン３６の領域に形成されている。斜面４２は、管接続部１０の外面２４に対して角度４４を成して配置されている。溶接継手２２が矢印２６の方向へ拡張しようとするとき、その移動は、斜面４２が溶接継手２２に反力を加えることによって制限される。これにより、図１に示された方法１００を行い、半径方向内方へ開放したＶ字形の溶接溝１６を提供することによる、図３に示された管接続部１０の内側溶接は、溶接継手２２の領域における応力の低減につながる。矢印４３によって示したように融着ライン３６において圧縮応力が生じる。したがって、図３に示された本発明による管接続部１０の作動時間を著しく延長させることができる一方で、溶接継手２２における応力レベルを改善するための非破壊試験（ＮＤＴ）による管接続部１０の検査のための高額な費用またはその他の高額な費用を回避することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０  管接続部
１２  第１の管セクション
１４  第２の管セクション
１６  溶接溝
１８  中心軸線
２０  矢印
２２  溶接継手
２４  外面
２６  矢印
２８  矢印
３０  矢印
３２  矢印
３４  融着ライン
３６  融着ライン
３８  矢印
４０  内面
４２  斜面
４３  矢印
４４  角度
１００  方法
Ｓ１０１  第１のステップ
Ｓ１０２  第２のステップ
Ｓ１０３  第３のステップ
【図１】
2015174147.tif 000003
【図２】
2015174147.tif 000004
【図３】
2015174147.tif 000005
【外国語明細書】
2015174147.tif 000006
2015174147.tif 000007
2015174147.tif 000008
2015174147.tif 000009
2015174147.tif 000010
2015174147.tif 000011
2015174147.tif 000012
2015174147.tif 000013
2015174147.tif 000014
2015174147.tif 000015
2015174147.tif 000016
2015174147.tif 000017
2015174147.tif 000018
2015174147.tif 000019
2015174147.tif 000020