(57)【要約】【課題】管寄とスタッブ管との溶接部の割れが有効に防止できる管寄／スタッブ管溶接構造体を提供する。【解決手段】Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ含有の９Ｃｒ〜１２Ｃｒ鋼からなる管寄２に同一材質のスタッブ管３を植え込み溶接し、スタッブ管３とレグチューブ５をトランジションピース４を介して接続した管寄／スタッブ管溶接構造体において、スタッブ管３、トランジションピース４、レグチューブ５の内径を略同一とし、スタッブ管３の肉厚をレグチューブ５の肉厚より1.２〜３．０倍に大きくしたことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｗ、Ｍｏ、ＮｂおよびＶを含有する９Ｃｒ〜１２Ｃｒ鋼からなる管寄に同一材質のスタッブ管を植え込み溶接して、このスタッブ管とレグチューブとをトランジションピースを介して接続した管寄／スタッブ管溶接構造体において、
前記スタッブ管、トランジションピース、レグチューブの内径を略同一とし、前記スタッブ管の肉厚を前記レグチューブの肉厚より1.２〜３．０倍の範囲で大きくしたことを特徴とする管寄／スタッブ管溶接構造体。
【請求項２】
請求項1記載の管寄／スタッブ管溶接構造体において、前記スタッブ管とレグチューブとを接続する前記トランジションピースが、
前記レグチューブと同一内径でかつ同一肉厚の肉薄管部と、前記スタッブ管と同一内径でかつ同一肉厚の肉厚管部と、前記肉薄管部から肉厚管部にかけて肉厚が徐々に肉厚になるように外径が変化した外径変化管部とから構成されていることを特徴とする管寄／スタッブ管溶接構造体。
【請求項３】
請求項1記載の管寄／スタッブ管溶接構造体において、前記管寄と前記スタッブ管が前記９Ｃｒ〜１２Ｃｒのマルテンサイト系ステンレス鋼から構成され、前記トランジションピースと前記レグチューブとがオーステナイト系ステンレス鋼から構成されていることを特徴とする管寄／スタッブ管溶接構造体。
【請求項４】
請求項３記載の管寄／スタッブ管溶接構造体において、前記スタッブ管と前記トランジションピースとがニッケル基合金系材料で溶接されていることを特徴とする管寄／スタッブ管溶接構造体。
【請求項５】
請求項２記載の管寄／スタッブ管溶接構造体において、前記トランジションピースの外径変化管部の長さが、前記肉厚管部の外径から前記肉薄管部の外径を差し引いて２で除した値の３倍以上大きいことを特徴とする管寄／スタッブ管溶接構造体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の管寄／スタッブ管溶接構造体において、前記スタッブ管の長さが１００ｍｍ以上であることを特徴とする管寄／スタッブ管溶接構造体。
【請求項７】
過熱器の管寄にスタッブ管を植え込み溶接した管寄／スタッブ管溶接構造体を備えたボイラ装置において、前記管寄／スタッブ管溶接構造体が請求項1ないし５のいずれか１項記載の管寄／スタッブ管溶接構造体であることを特徴とするボイラ装置。
【請求項８】
請求項７記載のボイラ装置において、前記レグチューブは天井壁貫通部に隙間を設けてスライド可能になっており、
前記管寄に対して前記スタッブ管から前記レグチューブまでの一連の管体が多数本取り付けられて、これら管体群がボックスケ−シングで覆われていることを特徴とするボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気温度が６００〜６５０℃級の超臨界圧ボイラ(ＵＳＣボイラ)装置における過熱器の管寄／スタッブ管溶接構造体に係り、特に管寄およびスタッブ管材として９〜１２％Ｃｒ鋼を使用する場合の管寄とスタッブ管との溶接部の割れ防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラ装置は一般に天井壁より上のペントハウス（天井囲い）内に管寄やマニホールドを収納し、天井壁より下の火炉内にペンダントコイルを吊り下げる構造が採用されている。
【０００３】
この構造をとるためには、天井壁貫通部に関して下記のことが重要になる。
【０００４】
（ａ）ペンダントコイルの天井壁貫通部からペントハウス内に燃焼灰を進入させないこと。ペントハウス内に燃焼灰が堆積すると、定期検査等でペントハウス内耐圧部やケーシングの検査を行なう場合、定検期間は限られた短いものである中で、灰除去に膨大な作業（期間）が必要となる。
【０００５】
（ｂ）灰進入防止のための部材（ボックスケ−シング等）の設置によって、ペントハウス内のレグチューブやスタッブ管に応力を発生させてはならない。
【０００６】
前記（ａ），（ｂ）の条件を満足する構造として、管寄に取り付けられたレグチューブは天井壁貫通部に隙間を設けたスライド構造とし、灰のペントハウス内への漏れ対策としては、図８に示すように管寄２からレグチューブ５にかけてボックスケーシング９で囲む方式が採用されている。図中の１は管寄マニホールド、１２は天井壁である。前述のようにレグチューブ５が天井壁１２を貫通する部分は、隙間が設けられてスライド可能になっている。前記ボックスケーシング９の天井壁１２と接する部分には溶接が施されている。
【０００７】
この構造はペントハウス内への灰侵入防止が可能で、レブチューブ５の天井壁貫通部がスライド可能であることから、レグチューブ５の天井壁１２との拘束による熱応力の発生しない優れた構造である。
【０００８】
しかし、この構造において問題がない訳ではない。図９はこの問題点を説明するための図、図１０は図９のＡ部の拡大図である。これらの図に示すようにスタッブ管３の管寄２との溶接部に軸方向応力（内圧による軸方向応力Ｘ1、ペンダントコイルの自重による曲げ応力Ｘ２）が作用する。
【０００９】
一般には溶接部のクリープ破断強度は母材と同等であり、蒸気温度が５５０〜５８０℃で、管寄２、スタッブ管３がともに２．２５Ｃｒ-１Ｍｏ鋼の低合金鋼で製作される場合には、スタッブ管３、トランジションピース４、レグチューブ５を同一内径、同一肉厚で構成しても、管寄２にスタッブ管３を植え込み溶接した溶接部のクリープ破断強度に問題はなかった。
【００１０】
なお管寄せ部の溶接構造に関しては、例えば下記のような特許文献を挙げることができる。
【特許文献１】特開平７−２０４８４３号公報
【特許文献２】特開平７−２１４３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年、プラント効率向上を目指して蒸気条件が高温化すると、より母材強度の高い材料が要求される。
【００１２】
例えばＵＳＣ(Ultra Super Critical)材料としてはＷ、Ｍｏ、ＮｂおよびＶを含有する９Ｃｒ〜１２Ｃｒ鋼があり、蒸気温度６００〜６５０℃級のボイラにおいて、管寄やスタッブ管に使用される。
【００１３】
ところがこの材料からなる管寄に同一材料のスタッブ管を植え込み溶接して、このスタッブ管とレグチューブの間にトランジションピースを介して接続した構造で、スタッブ管、トランジションピース、レグチューブを同一内径、同一肉厚で構成すると、スタッブ管の植え込み溶接部に割れが発生するという問題が生じる。
【００１４】
本発明の目的は、管寄とスタッブ管との溶接部の割れが有効に防止できる管寄／スタッブ管溶接構造体ならびにそれを備えたボイラ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、Ｗ、Ｍｏ、ＮｂおよびＶを含有する９Ｃｒ〜１２Ｃｒ鋼からなる管寄に同一材質のスタッブ管を植え込み溶接して、このスタッブ管とレグチューブとをトランジションピースを介して接続した管寄／スタッブ管溶接構造体において、前記スタッブ管、トランジションピース、レグチューブの内径を略同一とし、前記スタッブ管の肉厚を前記レグチューブの肉厚より1.２〜３．０倍の範囲で大きくしたことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記スタッブ管とレグチューブとを接続する前記トランジションピースが、前記レグチューブと同一内径でかつ同一肉厚の肉薄管部と、前記スタッブ管と同一内径でかつ同一肉厚の肉厚管部と、前記肉薄管部から肉厚管部にかけて肉厚が徐々に肉厚になるように外径が変化した外径変化管部とから構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記管寄と前記スタッブ管が前記９Ｃｒ〜１２Ｃｒのマルテンサイト系ステンレス鋼から構成され、前記トランジションピースと前記レグチューブとがオーステナイト系ステンレス鋼から構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記スタッブ管と前記トランジションピースとがニッケル基合金系材料で溶接されていることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第５の手段は前記第２の手段において、前記トランジションピースの外径変化管部の長さが、前記肉厚管部の外径から前記肉薄管部の外径を差し引いて２で除した値の３倍以上大きいことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段において、前記スタッブ管の長さが１００ｍｍ以上であることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第７の手段は、過熱器の管寄にスタッブ管を植え込み溶接した管寄／スタッブ管溶接構造体を備えたボイラ装置において、前記管寄／スタッブ管溶接構造体が前記第1ないし第６のいずれかの手段の管寄／スタッブ管溶接構造体であることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第８の手段は前記第７の手段において、前記レグチューブは天井壁貫通部に隙間を設けてスライド可能になっており、前記管寄に対して前記スタッブ管から前記レグチューブまでの一連の管体が多数本取り付けられて、これら管体群がボックスケ−シングで覆われていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は前述のような構成になっており、スタッブ管の肉厚を大きくして、スタッブ管溶接部外表面の応力を小さくすることにより、外表面から発生するクリープ割れを防止できると同時に、肉厚が厚くなることにより、スタッブ管の植え込み溶接部熱影響部が肉厚を貫通する危険性が少なくなり、より安全性が強固なものになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
蒸気温度６００〜６５０℃級ＵＳＣボイラ用材として開発された９Ｃｒ〜１２Ｃｒ系材料には、例えば火ＳＴＰＡ２８（Ｍｏｄ.９Ｃｒ）、火ＳＴＰＡ２９（ＮＦ６１６）、火ＳＵＳ４１０Ｊ３ＴＰ（ＨＣＭ１２Ａ）などがある。これらＣｒ鋼の化学組成を示せば下記の通りである。なお、単位は重量％である。
【００２５】
火ＳＴＰＡ２８（Ｍｏｄ.９Ｃｒ）
Ｃｒ：9、Ｍｏ：1 、Ｎｂ：0.08、Ｖ：0.22、Ｃ：0.1。
【００２６】
火ＳＴＰＡ２９（ＮＦ６１６）
Ｃｒ：9、Ｍｏ：0.45、Ｗ：1.75、Ｎｂ：0.05、Ｖ：0.2、Ｃ：0.1。
【００２７】
火ＳＵＳ４１０Ｊ３ＴＰ（ＨＣＭ１２Ａ）
Ｃｒ：11、Ｍｏ：0.4、Ｗ：2.0、Ｎｂ：0.07、Ｖ：0.22、Ｃu：1.0、Ｃ：0.1。
【００２８】
この材料はＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ等を添加することにより高温強度を上げることはできるが、溶接した場合、溶接熱影響部の細粒域が軟化し、溶接部としてのクリープ破断寿命が母材のクリープ破断寿命に比べて大きく低下する。
【００２９】
そのためこの材料を使用した管寄に同一材料のスタッブ管を溶接する構造では、溶接部に割れが発生するという問題があるから、レグチューブに発生する応力を低減し、割れ発生を防止する必要がある。
【００３０】
前述のようにスタッブ管の管寄との溶接部に割れを発生させる応力は軸方向応力であり、その内訳は内圧によるものと、ペンダントコイルの自重による曲げ荷重である。内圧による軸力は除くことはできないが、自重による曲げ応力は図１１ならびに図１２に示す構造により軽減することができる。
【００３１】
即ち図１１に示すように、吊り部材１１の上端を管寄２に接続し下端をぺンダントコイルに接続して、吊り部材１１を介してぺンダントコイルを管寄２から吊ることにより、ペンダントコイルの自重を軽減する構造。
【００３２】
また図１２に示すように、スタッブ管５とスタッブ管５との間を支持部材１０で連結することにより、スタッブ管５の管寄２への植え込み溶接部の軸方向応力を軽減する構造である。
【００３３】
しかし、これらの機械的な構造では、プラントの起動時に吊り部材１１や支持部材１０とレグチューブ５の間で温度差が発生し、スタッブ管３の管寄２への溶接部に大きな熱応力が発生し、疲労き裂が生じる危険性がある。疲労き裂の発生を防止するためには、起動時間を長くするなどの運用上の制限が必要となり、制限因子が多い方法となる。
【００３４】
本発明は下記に詳述するような構成を採ることにより、内圧による軸力と自重による曲げ応力を効果的に小さくすることができる。
【００３５】
スタッブ管３は９Ｃｒ〜１２Ｃｒのマルテンサイト系ステンレスであるのに対し、ペンダントコイルおよびレグチューブ５は蒸気温度が６００〜６５０℃のプラントの場合、オーステナイト系ステンレスであるため、両異材の伝熱管を接合するためのトランジションピース４が必要となる。
【００３６】
トランジションピース４の材質はオーステナイト系ステンレスとし、スタッブ管３と取り合う側の寸法（外径と肉厚）は大きく、レグチューブ５と取り合う側の寸法（外径と肉厚）は小さいものとすることで、下記の条件を満足することができる。
【００３７】
（ａ）トランジションピース４の厚肉側の突合せ溶接部にはクリープ破断強度が低下する高Ｃｒ鋼溶接熱影響部が存在するが、肉厚を大きくしているので応力低減が可能である。
【００３８】
（ｂ）スタッブ管３とトランジションピース４の溶接部におけるスタッブ管側の熱影響部は植え込み溶接部の熱影響部と同様、クリープ破断強度が弱くなるが、この部分も厚肉としている構造であるから、応力は小さくなり十分なクリープ強度を有することが可能である。
【００３９】
なお、スタッブ管３とオーステナイト系ステンレス鋼からなるトランジションピース４を繋ぐ溶接棒は両材の平均的線膨張係数を有するＮｉ基合金(インコネル)系のものを用いることで、熱応力が軽減できる。
【００４０】
（ｃ）トランジションピース４の薄肉側の突合せ溶接部は、元々クリープ破断強度が母材と同等であるオーステナイト系ステンレス鋼どうしの溶接であるため、薄肉であっても十分なクリープ破断強度を有することが可能である。
【００４１】
次に本発明の実施形態を図面とともに説明する。図１はマニホールド、管寄及びレグチューブの取り付け状態を示す斜視図、図２はそれの一部拡大斜視図、図３はマニホールド、管寄及びレグチューブの取り付け状態を示す側面図、図４は管寄、スタッブ管、トランジションピース及びレグチューブの取り付け状態を示す一部断面図である。
【００４２】
図１に示すように、炉幅方向に設置した過熱器入口管寄マニホールド１ａと過熱器出口管寄マニホールド１ｂが平行に配置され、これらに対してそれぞれ多数の管寄２が溶接により水平方向に取り付けられている。前記過熱器出口管寄マニホールド１ｂは、タービン（図示せず）に接続されている。
【００４３】
図４に示すように、管寄２にスタッブ管３が植え込み溶接され、そのスタッブ管３はトランジションピース４を介してレグチューブ５に連結されている。
【００４４】
蒸気温度６００〜６５０℃級のプラントでは、許容応力が高く、耐水蒸気酸化性の優れている１２Ｃｒ鋼（火ＳＵＳ４１０Ｊ３ＴＰ）がマニホールド１及び管寄２に使用されており、さらにスタッブ管３も同じ１２Ｃｒ鋼（火ＳＵＳ４１０Ｊ３ＴＰ）を使用している。
【００４５】
その理由は、スタッブ管３の管寄２への植え込み溶接部６（図４参照）が構造的に応力集中部であることから、管寄２と同材質とすることで、異材としての熱応力を回避するためである。即ちスタッブ管３としてオーステナイト系ステンレス鋼を使用すれば、スタッブ管３の植え込み溶接部６には異材としての熱応力（線膨張係数の差による応力）と形状による応力集中が重畳して、過大な応力が発生するためである。
【００４６】
レグチューブ５の天井壁１２（図１参照）との貫通部は、両部材の拘束による熱応力を回避する目的で隙間を設けてスライド可能な構造（互いに拘束しない構造）にしている。このスライド部からペントハウス内への灰の侵入は、管寄２及びレグチューブ５をその周囲からボックスケーシング９（図８参照）で覆うことで防止している。
【００４７】
ペンダントコイル及びレグチューブ５としては、許容応力（クリープ強度）、耐食性（管外面側）、耐水蒸気酸化性の観点から、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば１８−８系ステンレス鋼）が使用され、必要伝熱面積、内部流体（水蒸気）の圧力損失条件などから、寸法（管外径、肉厚）が決定される。
【００４８】
スタッブ管３の管寄２への植え込み溶接部６について着目すると、図１０に示したように軸方向の応力（Ｘ１）が作用し、溶接熱影響部に割れが発生するポテンシャルが存在する。本発明はこの割れを防止することを目的にしたものであり、その機能について以下に説明する。
【００４９】
図５は、スタッブ管３の肉厚と発生応力（軸方向応力：内圧による軸力＋自重による曲げ応力）の関係を示した特性図である。同図は内径を同じにして肉厚を徐々に厚くした管体ａ，ｂ，ｃ，ｄを示している。管体ａはレグチューブ５と同じ肉厚、管体ｂはレグチューブ５の肉厚に対して１．６倍の肉厚、管体ｃはレグチューブ５の肉厚に対して２．２倍の肉厚、管体ｄはレグチューブ５の肉厚に対して２．８倍の肉厚を有している。
【００５０】
この図から明らかなように、スタッブ管の肉厚を厚くすることで、内圧による軸方向応力が断面積の増加効果により低減でき、さらに自重による曲げ応力は断面二次モーメントの増加効果により低減できる。一方、クリープ破断強度は応力の大きさに大きく依存するため、僅かな応力の低減で寿命延長効果は大きい。
【００５１】
スタッブ管の肉厚がレグチューブの肉厚より1.２倍未満であると、スタッブ管の植込溶接部の寿命が、内圧による軸方向応力のみでも許容応力設定根拠である１０万時間よりも短くなり、一方、スタッブ管の肉厚がレグチューブの肉厚の３倍を超えると、スタッブ管どうしの距離が短くなり、植込溶接自体が難しくなるから、スタッブ管の肉厚をレグチューブの肉厚より1.２〜３．０倍、好ましくは      １．７〜２．３倍の範囲で大きくすることにより、植込溶接部の大幅な寿命改善と現実的な溶接作業が可能であることが、本発明者らの諸種の実験結果より明らかになった。例えばスタッブ管の肉厚をレグチューブの肉厚の２倍にすることでクリープ破断寿命を約１０〜２０倍改善することが可能で、割れ発生寿命を３０万〜６０万時間とする設計が可能となる。
【００５２】
図４に示すように、外径、肉厚を大きくしたスタッブ管（１２Ｃｒ鋼）３と外径、肉厚の小さいレグチューブ（オーステナイト系ステンレス鋼）５は、軸方向の途中で外径を変化させたトランジションピース４を用いることにより、スタッブ管（１２Ｃｒ鋼）とレグチューブ（オーステナイト系ステンレス鋼）５をスムースに繋ぐことができる。さらに肉厚が大きいことから、このトランジションピース４のスタッブ管（１２Ｃｒ鋼）３との溶接部７における１２Ｃｒ鋼側の溶接熱影響部の強度も向上できる。
【００５３】
トランジションピース４は図４に示すように、スタッブ管３と同一内径でかつ同一肉厚の肉厚管部４ａと、レグチューブ５と同一内径でかつ同一肉厚の肉薄管部４ｃと、その肉薄管部４ｃから肉厚管部４ａにかけて肉厚が徐々に肉厚になるように外径が変化した外径変化管部４ｂとから構成されている。前記外径変化管部４ｂの外径変化の割合は、応力集中率を低減するために従来から用いられている1 /３勾配の考え、すなわち、肉厚管部４ａの外径から肉薄管部４ｃの外径を差し引いて２で除した値の３倍よりも長い長さとする方法が現実的である。 
トランジションピース４の材質としては、レグチューブ５と同材質のオーステナイト系ステンレス鋼とすることで、トランジションピース４とレグチューブ５の溶接部８のクリープ破断強度は母材(ステンレス鋼)と同等のものを得ることができ、９Ｃｒ鋼や１２Ｃｒ鋼で問題となる溶接部強度低下が回避できる。
【００５４】
前記実施形態では１２Ｃｒ鋼を使用する管寄/スタッブ管溶接構造体について説明したが、１２Ｃｒ鋼以外の例えば９Ｃｒ系マルテンサイト系ステンレス鋼を使用する管寄/スタッブ管溶接構造体でもスタッブ管の管寄溶接部では割れ発生のポテンシャルがあり、本発明が適用可能である。
【００５５】
図６及び図７は本発明の第２の実施形態を示す図であり、図６は管寄ならびにレグチューブの取り付け状態を示す正面図、図７は図６に示すＢ部の拡大断面図である。
【００５６】
本実施形態で前記第１の実施形態と相違する点は、マニホールド１を用いず炉幅方向に設置した管寄２にレグチューブ５を配置してパネルを構成した点である。
【００５７】
本発明の第３の実施形態は図示していないが、レグチューブ５の天井壁１２との貫通部をエキスパンジョンやケーシングで拘束した構造になっている。この場合、自重による応力の代わりにチューブ間に発生する温度差に起因した熱応力が発生するが、この熱応力を低く抑えることができ、耐力の向上が図れる。
【００５８】
本発明の第４の実施形態は図示していないが、スタッブ管３を自動溶接機が適用可能な長さまで長くすることで、自動溶接を可能としている。自動溶接のためには溶接トーチの回転が必要であるが、スタッブ管３を長くすることによりスタッブ管３どうしの隙間が広がり、自動溶接機の適用が可能となる。自動溶接機が適用可能なスタッブ管３の長さとしては１００ｍｍ以上が好適であるが、スタッブ管３の長さ余り長いと不必要な重量増加をもたらすなどの弊害があるため、スタッブ管３の長さの上限は１５０ｍｍ程度が適当である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマニホールド、管寄及びレグチューブの取り付け状態を示す斜視図である。
【図２】そのマニホールド、管寄及びレグチューブの取り付け状態の一部拡大斜視図である。
【図３】そのマニホールド、管寄及びレグチューブの取り付け状態を示す側面図である。
【図４】その管寄、スタッブ管、トランジションピース及びレグチューブの取り付け状態を示す一部断面図である。
【図５】スタッブ管の肉厚と軸方向応力との関係を示す特性図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る管寄及びレグチューブの取り付け状態を示す正面図である。
【図７】図６Ｂ部の拡大斜視図である。
【図８】レグチューブ等をボックスケーシングで覆った状態を示す斜視図である。
【図９】スタッブ管の管寄との溶接部に発生する軸方向応力について説明するための図である。
【図１０】図９Ａ部の拡大断面図である。
【図１１】スタッブ管溶接部の機械的な応力低減法を説明するための図である。
【図１２】スタッブ管溶接部の他の機械的な応力低減法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：マニホールド、２：管寄、３：スタッブ管、４：トランジションピース、４ａ：肉厚管部、４ｂ：外径変化管部、４ｃ：肉薄管部、５：レグチューブ、６：スタッブ管溶接部、７：トランジションピースのスタッブ管との溶接部、８：トランジションピースのレグチューブとの溶接部、９：ボックスケーシング、１２：天井壁。
【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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