(57)【要約】【課題】内圧を用いる拡管時に、配管溶接部近傍における配管内面に働く引張応力を低減ないし圧縮状態にして応力腐食割れを防止できる配管の残留応力改善方法を提供することにある。【解決手段】配管１Ａ，１Ｂの溶接部を含み溶接の開先面合わせのための内面加工された範囲である溶接部近傍２において、配管の溶接部近傍２の肉厚を溶接部近傍以外の肉厚より薄くする。溶接部近傍の２の肉厚を薄くすることで、内圧による拡管時の溶接部近傍２の変形量は溶接部近傍２以外の変形量より大きくなる。配管１を拡管により塑性変形するまで膨らませる。これにより、配管の残留応力が改善される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管の溶接部の残留応力を改善する配管の残留応力改善方法であって、
配管の溶接部を含み溶接の開先面合わせのための内面加工された範囲である溶接部近傍において、前記配管の前記溶接部近傍の肉厚を前記溶接部近傍以外の肉厚より薄くし、
その後、前記配管を内圧を用いて拡管することにより、
配管の残留応力を改善することを特徴とする配管の残留応力改善方法。
【請求項２】
請求項１記載の配管の残留応力改善方法において、
前記配管の溶接部近傍を拡管により塑性変形させることを特徴とする配管の残留応力改善方法。
【請求項３】
請求項１記載の配管の残留応力改善方法において、
前記溶接部に溶接余盛があるときは、前記溶接余盛を除去し、溶接余盛がないときは、前記溶接部近傍の前記配管の外面を切削して、前記配管の前記溶接部近傍の肉厚を前記溶接部近傍以外の肉厚より薄くすることを特徴とする配管の残留応力改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の残留応力を改善する方法に係り、特に、配管の溶接部近傍の残留応力を改善するに好適な配管の残留応力改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントでは、高温水配管には耐食性を考慮してステンレス鋼製配管を用いることが多い。ステンレス鋼やニッケル合金鋼等を用いた配管では、配管の溶接部に引張残留応力が付与されたまま高温純水中に長時間曝されると、応力腐食割れを発生する恐れがある。
【０００３】
そこで、配管の溶接部近傍を拡管させ、残留応力を緩和する方法としては、内部に水を保有した配管の少なくとも２個所に水密な栓を形成し、この水密な栓に挟まれた配管内部の水を冷却して凝固させ、氷を形成して体積膨張させることで、配管が拡管され、塑性変形することで配管の残留応力を改善するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−９５９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のように、内圧を用いる拡管時には、肉厚に対して溶接余盛の割合が大きい配管の場合、溶接部近傍の変形量が配管溶接部以外の変形量より小さくなるために、溶接部近傍の内面は軸方向で引張となる変形となる。配管の内面に大きな引張応力が残留すると、応力腐食割れの問題が発生する。
【０００６】
本発明の目的は、内圧を用いる拡管時に、配管溶接部近傍における配管内面に働く引張応力を低減ないし圧縮状態にして応力腐食割れを防止できる配管の残留応力改善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】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、配管の溶接部の残留応力を改善する配管の残留応力改善方法であって、配管の溶接部を含み溶接の開先面合わせのための内面加工された範囲である溶接部近傍において、前記配管の前記溶接部近傍の肉厚を前記溶接部近傍以外の肉厚より薄くし、その後、前記配管を内圧を用いて拡管することにより、配管の残留応力を改善するようにしたものである。  
かかる方法により、内圧を用いる拡管により、配管溶接部近傍における配管内面に働く引張応力を低減ないし圧縮状態にして応力腐食割れを防止し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記配管の溶接部近傍を拡管により塑性変形させるようにしたものである。
【０００９】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記溶接部に溶接余盛があるときは、前記溶接余盛を除去し、溶接余盛がないときは、前記溶接部近傍の前記配管の外面を切削して、前記配管の前記溶接部近傍の肉厚を前記溶接部近傍以外の肉厚より薄くするようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、内圧を用いる拡管時に、配管溶接部近傍における配管内面に働く引張応力を低減ないし圧縮状態にして応力腐食割れを防止できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法について説明する。本実施形態では、発電プラントに用いる小口径配管の溶接部近傍の応力を改善する場合を例にとり説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態による配管の残留応力改善方法の要点について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法の要点を示す断面図等である。図１（ａ）〜図４（ｃ）は、小口径配管の縦断面図である。図１（ｄ）は、小口径配管の溶接部近傍の応力状態図である。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂは、その端部を突き合わせ、溶接される。小口径配管１Ａ，１Ｂの材料としては、ステンレス鋼やニッケル合金鋼等が用いられる。小口径配管１Ａ，１Ｂの外径は、例えば、６０ｍｍφ程度である。その肉厚Ｔ１は、例えば、５ｍｍ程度である。
【００１３】
配管同士の溶接前には、溶接の開先面合わせのため、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂの内面６を切削加工する内面加工３が施される。これは、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂの内径は、公差分の誤差があり、誤差があるまま、突き合わせて溶接すると、溶接部４の内面に段差が生じるためである。内面加工３が施された後の、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂの肉厚Ｔ２は、（肉厚Ｔ１−０．５ｍｍ）程度である。以下の説明では、溶接部近傍２とは、配管の溶接部を含み溶接の開先面合わせのための内面加工３がされた範囲とする。なお、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂの肉厚Ｔ２とは、上述の内面加工３が施された後の寸法を称している。すなわち、０．５ｍｍとは、内面加工３による内面の切削量である。
【００１４】
内面加工３が行われた後で、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂの開口端部を突き合わせ、溶接され、溶接部４が形成される。なお、溶接部４の外周側には、溶接余盛５が形成される。
【００１５】
次に、図１（ｂ）に示すように、配管１Ａ，１Ｂの溶接部近傍２の内面６の引張残留応力を改善するため、配管１Ａ，１Ｂを拡管する前に残留応力の改善対象とする溶接部近傍２の肉厚を溶接部近傍２以外の肉厚より薄くする。具体的には、溶接の開先面合わせのための内面加工３の存在する配管１Ａ，１Ｂの場合、溶接余盛５をグラインダ等を用いて除去することで溶接部近傍２の肉厚を薄くする。前述したように、内面加工３が施された後の、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂの肉厚Ｔ２は、内面加工３が施された前の、小口径配管１Ａと小口径配管１Ｂの肉厚Ｔ１よりも、０．５ｍｍ程度薄くなっている。しかし、溶接部４が形成されると、溶接余盛５の厚さは１ｍｍ程度あるため、溶接部近傍２の肉厚は、溶接部近傍２以外の肉厚よりも僅かに厚くなっている。このとき、溶接余盛５を除去することで溶接部近傍２の肉厚を、溶接部近傍２以外の肉厚よりも薄くすることができる。
【００１６】
次に、図１（ｃ）に示すように、配管１Ａ，１Ｂに内圧をかけることで、拡管する。内圧のかけかたについては、図３を用いて後述する。
【００１７】
図１（ｄ）は、拡管後の、小口径配管の溶接部近傍の応力状態を示している。前述したように、溶接部近傍２の肉厚が、溶接部近傍２以外の肉厚より薄くした状態で拡管しているので、溶接部近傍２の半径方向の変形量を溶接部近傍２以外の変形量より大きくすることができる。塑性変形が始まると弾性変形時時に比べて内圧の上昇に対する変形量が増加する。つまり、溶接部近傍２は塑性しているが、溶接部近傍２以外は肉厚内全体に亘り塑性しきっていない状態が最も変形量の比が大きくなる。また、配管の内圧による拡管では配管の内面６が最も早く降伏し、外面７が最も遅く降伏する。したがって、溶接部近傍２の外面７が塑性変形し始める程度まで配管を拡管させることで、配管の内面６の引張応力が低減し、圧縮応力−σｙが残留し、一方、配管の外面７には、引張応力＋σｙが残留する。
【００１８】
配管の内面に大きな引張応力が残留すると、応力腐食割れの問題が発生するが、本実施形態では、内圧を用いる拡管により、配管溶接部近傍における配管内面に働く引張応力を低減ないし圧縮状態にして応力腐食割れを防止できる。
【００１９】
次に、図２〜図４を用いて、本実施形態による配管の残留応力改善方法の全体の処理の流れについて説明する。  
図２は、本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法の全体の処理の流れを示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法における拡管に用いる装置の構成を示す断面図である。図４は、本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法における拡管に用いる容器の第１の構成を示す斜視図である。図５は、本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法における拡管に用いる容器の第２の構成を示す斜視図である。
【００２０】
図２のステップ１００において、配管１Ａ，１Ｂにおいて残留応力改善を必要とする溶接部４を決定する。
【００２１】
次に、ステップ１０１において、対象となる溶接部４の溶接部近傍２の肉厚と溶接部近傍２以外の肉厚とを比較する。溶接部近傍２の肉厚が溶接部近傍２以外の肉厚より厚い場合は、ステップ１０２に進み、溶接余盛５があるか確認する。溶接部近傍２の肉厚が溶接部近傍２以外の肉厚より薄いことが確認されたら、ステップ１０５に進み、配管１Ａ，１Ｂを拡管８するための準備をする。
【００２２】
溶接部近傍２の肉厚が溶接部近傍２以外の肉厚より厚い場合は、ステップ１０２に進み、溶接余盛５があるか確認し、溶接余盛５があれば、ステップ１０３において、それを除去する。
【００２３】
溶接余盛５がない場合は、ステップ１０４において、溶接部近傍２の配管の外面７を切削することで溶接部近傍２の肉厚を薄くする。図１（ａ）にて説明したように、内面加工３を施した場合には、ステップ１０２，１０３の処理で十分であるが、内面加工を施してない場合で、かつ、溶接余盛がない場合には、そのままでは、溶接部近傍２の肉厚が溶接部近傍２以外の肉厚より薄くならないので、その場合には、ステップ１０４のように、溶接部近傍２の配管の外面７を切削する
ステップ１０１において、溶接部近傍２の肉厚が溶接部近傍２以外の肉厚より薄いことが確認されると、配管１Ａ，１Ｂを拡管するための準備をする。
【００２４】
ここで、図３（ａ）を用いて、拡管のための装置構成について説明する。配管１Ａと配管１Ｂの端部は突き合わせた後、溶接され、溶接部４が形成されている。溶接部近傍２の肉厚は、溶接部近傍２以外の肉厚より薄くなっている。
【００２５】
配管１Ａ，１Ｂの残留応力の改善対象とする溶接部４を挟んで左右両側に所定距離Ｌ１だけ離して、内側容器１２Ａ，１２Ｂが取り付けられる。さらに、内側容器１２Ａ，１２Ｂの外側に、外側容器１３Ａ，１３Ｂが取り付けられる。内側容器１２Ａ，１２Ｂ及び外側容器１３Ａ，１３Ｂは、配管１Ａ，１Ｂにリング状に取り付けることが可能な容器であり、その詳細については、図４を用いて後述する。なお、内側容器１２Ａ，１２Ｂ及び外側容器１３Ａ，１３Ｂの構成は全て同じである。
【００２６】
所定距離Ｌ１は、例えば、３００ｍｍ程度である。距離Ｌ１は、溶接部近傍２に内側容器１２が重ならない範囲でできる限り狭い距離として配置することで、配管を予め定めた量まで短時間に拡管することができる。
【００２７】
内側容器１２Ａ，１２Ｂ及び外側容器１３Ａ，１３Ｂの配管の軸方向の長さＬ２，Ｌ４は、それぞれ、例えば、２００ｍｍである。内側容器１２Ａ，１２Ｂと外側容器１３Ａ，１３Ｂの間の距離Ｌ３は、例えば、１００ｍｍ程度である。距離Ｌ３は、できるだけ短い方がいいが、図４を用いて後述するように、内側容器１２Ａ，１２Ｂや外側容器１３Ａ，１３Ｂは、それぞれ、配管に取り付ける部分にフランジ部を有するため、両方のフランジ部が干渉しないように配置するには、ある程度の距離が必要となる。
【００２８】
配管１Ａ，１Ｂの内部には、作動水１１が通水される。外側容器１３Ａ，１３Ｂは、水密な栓を形成するために用いられる。水密な栓により、外側容器１３Ａと外側容器１３Ｂに挟まれた配管１Ａ，１Ｂの内部に、水密な空間を形成する。水密な栓としては、アイスプラグが用いられるが、その詳細については、図３（ｂ）により後述する。
【００２９】
また、内側容器１２Ａ，１２Ｂは、水密な空間の内圧を上げるために用いられるが、その詳細については、図３（ｃ）により後述する。
【００３０】
配管１Ａ，１Ｂを拡管するための準備として、図２のステップ１０５において、配管１Ａ，１Ｂの内部を水１１で満たす（図３（ａ））。
【００３１】
配管１Ａ，１Ｂの内部が水１１で満たされたら、次に、ステップ１０６において、溶接部４を中心として左右両側に内側容器１２Ａ，１２Ｂを取り付け、さらに、この内側容器１２Ａ，１２Ｂの軸方向端部側に、一対の外側容器１３，１３Ｂを配管１Ａ，１Ｂに取り付ける（図３（ａ））。次に、取り付けた内側容器１２と外側容器１３の内部にエチルアルコール１４を注入する（図３（ａ））。エチルアルコール１４に代えて、メチルアルコール等を用いることもできる。
【００３２】
エチルアルコール１４の注入が終了したら、ステップ１０７において、溶接部近傍２内で外径を測定する位置を決定する。決定した外径の測定位置が拡管による配管１Ａ，１Ｂの変化でわからなくならないように、油性ペン等でマーキングする。初期値として決定した測定位置を測定して記録する。配管１Ａ，１Ｂ外径の測定は針状の接触子とすることで、配管１Ａ，１Ｂの外面７に凝固した氷１７を融解することができる。また、外径測定の際は配管の肉厚のばらつきを考慮して、軸方向に対して垂直な断面内で二箇所以上を測定する。
【００３３】
配管１Ａ，１Ｂを拡管８するための準備が終了したら、ステップ１０８において、外側容器１３Ａ，１３Ｂにドライアイス１５を投入する（図３（ｂ））。水密な栓としてアイスプラグ１６を形成するため、予め実験等により求められたアイスプラグ１６の形成時間より長時間の外側容器１３による配管１Ａ，１Ｂの冷却を継続する。
【００３４】
これにより、ステップ１０９において、配管１Ａ，１Ｂの内部にアイスプラグ１６の形成が完了し、アイスプラグ１６による水密な空間が生じる（図３（ｂ））。
【００３５】
次に、ステップ１１０において、内側容器１２Ａ，１２Ｂにドライアイス１５の投入する（図３（ｃ））。内側容器１２により配管１Ａ，１Ｂが冷却されると、配管１Ａ，１Ｂ内の水１１が氷１７に変化し始めて、配管１Ａ，１Ｂ内の水圧が上昇する。水圧の上昇により配管１Ａ，１Ｂの拡管が始まる（図３（ｃ））。
【００３６】
そして、ステップ１１１において、マーキングした外径の測定位置を測定し、ステップ１１２において、予め定めた量だけ配管１Ａ，１Ｂが拡管したか確認する。拡管量が予め定めた量まで達していない場合は、ステップ１１３において、配管１Ａ，１Ｂの冷却を継続する。
【００３７】
配管１Ａ，１Ｂの拡管量が予め定めた量まで達したことが確認されたら、ステップ１１４において、内側容器１２Ａ，１２Ｂと外側容器１３Ａ，１３Ｂを配管１Ａ，１Ｂから撤去する。配管１Ａ，１Ｂへの冷却が停止するので、しばらくすると、ステップ１１５において、配管１Ａ，１Ｂの内部の氷１７が融解する。水密な栓として形成したアイスプラグ１６も同時に融解する（図３（ｄ））。これで、配管１Ａ，１Ｂの溶接部近傍２の残留応力が改善される。なお、予め定めた拡管量とは、例えば、配管の直径の１％程度である。配管の直径が５０ｍｍであるならば、０．５ｍｍ程度の拡管量で、拡管を停止する。
【００３８】
次に、図４を用いて、拡管に用いる容器の第１の構成について説明する。
【００３９】
内側容器１２（１２Ａ，１２Ｂ）または外側容器１３（１３Ａ，１３Ｂ）は、上部容器２１と、下部容器２２から構成される。上部容器２１と下部容器２２は箱型をしている。上部容器２１は、下部容器２２の接合面は開口している。また、上側容器２１は、接合した後にドライアイス１５を投入できるように配管１Ａ，１Ｂに取り付けた時に上部となる面が、開口している。
【００４０】
それぞれの容器２１，２２は縁（フランジ部）を有し、縁には容器２１，２２を接合するために、対応した位置に穴を有する。この穴によりボルト２３とナット２４を用いることで容器２１，２２を接合する。
【００４１】
内側容器１２または外側容器１３の接合部分のシールパッキン２５としては、水を含ませたスポンジを用いる。内側容器１２または外側容器１３にドライアイス１５等を投入し冷却することでスポンジが含んだ水が氷に変わり、エチルアルコール１４やドライアイス１５等の冷媒の漏洩を防止することができる。
【００４２】
次に、図５を用いて、拡管に用いる容器の第２の構成について説明する。
【００４３】
図５に示す容器１２’（１３’）は、垂直な配管１Ａ，１Ｂに対応したものである。内側容器１２（１２Ａ，１２Ｂ）と外側容器１３（１３Ａ，１３Ｂ）は、同形状の容器３１Ａ，３１Ｂを二つ用い、配管１Ａ，１Ｂを挟むようにして配置する。垂直配管１Ａ，１Ｂ用の容器３１Ａ，３１Ｂは、配管１Ａ，１Ｂに取り付けた時に上部となる面と接合面がそれぞれ開口している。
【００４４】
それぞれの容器３１Ａ，３１Ｂは縁（フランジ部）を有し、縁には容器３１Ａ，３１Ｂを接合するために、対応した位置に穴を有する。この穴によりボルト２３とナット２４を用いることで容器２１，２２を接合する。
【００４５】
容器３１Ａ，３１Ｂの接合部分のシールパッキン２５としては、水を含ませたスポンジを用いる。内側容器１２または外側容器１３にドライアイス１５等を投入し冷却することでスポンジが含んだ水が氷に変わり、エチルアルコール１４やドライアイス１５等の冷媒の漏洩を防止することができる。
【００４６】
なお、以上の説明では、２個の外側容器１３Ａ，１３Ｂを用いて、水密な栓として２カ所のアイスプラグを形成し、水密な空間を形成していたが、例えば、開閉弁の取り付け端部に、配管を溶接する場合には、開閉弁を一方の水密な栓に用いることができる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態によれば、配管の溶接部近傍の肉厚を溶接部近傍以外の肉厚より薄くすることにより、拡管時の溶接部近傍における半径方向の変形量を溶接部近傍以外の変形量より大きくすることができる。例えば配管内部からの圧力により拡管を行う場合、溶接部近傍の半径方向変形量が溶接部近傍以外の変形量より大きくすることで、溶接部近傍の配管内面で圧縮、外面で引張となる変形を与えることができる。これにより溶接部近傍に生じた引張残留応力を低減し、溶接部近傍に生じる恐れのある応力腐食割れを防止できる。
【００４８】
なお、構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎないものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法の要点を示す断面図等である。
【図２】本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法の全体の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法における拡管に用いる装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法における拡管に用いる容器の第１の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態による配管の残留応力改善方法における拡管に用いる容器の第２の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…配管
２…溶接部近傍
３…溶内面加工
４…溶接部
５…溶接余盛
６…配管内面
７…配管外面
１１…水
１２…内側容器
１３…外側容器
１４…エチルアルコール
１５…ドライアイス
１６…アイスプラグ
１７…氷
２１…上部容器
２２…下部容器
３１…水平配管用の容器
【図１】
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【図２】
2008238190.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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