(57)【要約】【課題】    キーホール等の欠陥の発生を抑制することのできる亀裂補修方法を提供する。【解決手段】  構造物１に発生した亀裂部１２に溶接により溶材を充填して前記亀裂を補修する亀裂補修方法であって、前記溶材は亀裂部に存在する化合物の分解温度以下の施工温度で充填する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に発生した亀裂の開口部を溶接により封止して補修する亀裂補修方法であって、
前記溶接は亀裂内に存在する化合物の分解温度以下の施工温度で施工することを特徴とする亀裂補修方法。
【請求項２】
構造物に発生した亀裂の開口部を溶接により封止して補修する亀裂補修方法であって、
前記溶接は亀裂内に存在する化合物の融点以下の施工温度で施工することを特徴とする亀裂補修方法。
【請求項３】
請求項１記載の亀裂補修方法において、
前記化合物は鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む酸化物であり、前記構造物に発生した亀裂部に存在する可能性のある酸化物の最低分解温度をもとに施工温度を設定することを特徴とする亀裂補修方法。
【請求項４】
請求項２記載の亀裂補修方法において、
前記化合物は鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む酸化物であり、前記構造物に発生した亀裂部に存在する可能性のある酸化物の最低融点をもとに施工温度を設定することを特徴とする亀裂補修方法。
【請求項５】
請求項１または２記載の亀裂補修方法において、
前記施工温度をもとに溶接電極に供給する電気パルスの出力条件を設定することを特徴とする亀裂補修方法。
【請求項６】
請求項１または２記載の亀裂補修方法において、
構造物に発生した亀裂の開口部は亀裂の開口部に溶接材を充填する溶接により生じたキーホールであることを特徴とする亀裂補修方法。
【請求項７】
請求項１または６記載の亀裂補修方法において、
構造物は水中に配置した構造物であり、該構造物の亀裂部の上方には該亀裂部を被覆するカバーまたはチャンバを備え、該カバーまたはチャンバ内にガスを導入して水をガスに置換した後、前記亀裂を補修することを特徴とする亀裂補修方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亀裂補修方法に係り、特に配管等の構造物に発生した亀裂の補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料は使用される環境に応じて様々な経年変化を起こす。構造物の肉厚等の仕様は、使用される材料の機械的強度等を考慮して設計される。しかし、このように設計しても、大きな応力がかかる構造物の部分には亀裂等が発生することがあり、また、酸化性の環境においては、腐食割れが進行することがある。
【０００３】
これら、経年変化により発生した亀裂に対しては、補修加工を施すことにより、当初の設計仕様を満足する状態に復元することが可能である。この方法は、経年変化の発生した構造物を新規部材に交換する方法に比して、廃棄物の減量、コスト低減、工期短縮等の観点から有利である。
【０００４】
構造物の一般的な補修方法としては、金属材料を溶解して補修対象部に肉盛する溶接補修法が知られている。この方法に用いる溶接方法としては、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接（特許文献１参照）が広く用いられている。これらの補修方法は熱源は異なるものの構造部材を融点以上に加熱し、溶解して接合する方法である点で共通する。
【特許文献１】特開２００１−２８７０６２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、構造物を融点以上に加熱溶解して接合する従来の溶接法では、亀裂を完全に封止することは困難である。すなわち、構造物を溶融しながら亀裂の封止を進めて行くと、溶接の終端には必然的にキーホールが残る。このため亀裂を完全に封止するの困難となる。
【０００６】
構造物を融点以上に加熱溶解して接合する従来の溶接法では、亀裂が発生した補修対象構造物も融点以上に加熱する。溶接の熱源にパルス放電のような低入熱源を利用する場合おいても、亀裂部に化合物が含まれる場合、例えば、鉄の酸化物が含まれる場合には反応式(1)の分解反応が生成する。
【０００７】
２Ｆｅ２Ｏ３    →  ４Ｆｅ＋  ３Ｏ２  （分解温度1565℃）  反応式（１）
亀裂部の温度が上昇すると、亀裂部の酸化物が分解し、分解生成物（酸素）が気体となって噴出する。このため、溶接部終端にはキーホールが発生することになる。
【０００８】
亀裂部に存在する化合物としては、前記酸化物の他に水酸化物、硫化物、塩化物等を含む金属化合物が考えられる。なお、これら化合物の分解温度を図３に示す。
【０００９】
また、亀裂部に水分が含まれる場合は、溶接時の入熱により加熱されると、水（密度０．９５８３×１０３ｋｇ／ｍ３）から水蒸気（密度０．５９８×１０３ｋｇ／ｍ３）が発生する。発生した水蒸気が噴出すると、同様に溶接終端にキーホールが発生することになる。
【００１０】
このように、化合物あるいは水分が残存する状態で亀裂の補修を行なう場合は、溶接終端にキーホールが発生することになる。
【００１１】
このため亀裂の大きさや内部に存在する酸化物等の量によっては、分解生成物あるいは水蒸気の噴出がなくなるまで、複数回に渡って加熱施工することが必要となる。このため、施工の終端部のみが過入熱となり、肉盛高さも大きくなるなど、溶接の品質が低下することになる。
【００１２】
なお、予め亀裂の内部を清浄にすることにより前記分解生成物の発生を抑制することはできる。しかし、幅や深さ等の亀裂の形状によっては内部まで洗浄できない場合、あるいは洗浄の効果が十分に得られない場合が生じる。
【００１３】
このような場合には、前述したように複数回の施工を施し、あるいは複数回の洗浄を施すことが必要となり、工程の長期化、コスト増加をもたらす。
【００１４】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、キーホール等の欠陥の発生を抑制することのできる亀裂補修方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１６】
構造物に発生した亀裂の開口部を溶接により封止して補修する亀裂補修方法であって、前記溶接は亀裂内に存在する化合物の分解温度以下の施工温度で施工する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、以上の構成を備えるため、キーホール等の欠陥の発生を抑制することのできる亀裂補修方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１ないし図５は、本発明の第１の実施形態を説明する図であり、図１は亀裂の補修方法を説明するフローチャート、図２は補修すべき亀裂の例を説明する図、図３はデータベースを説明する図、図４は溶接時間と施工部温度の関係を示す図、図５は補修装置の電極の操作軌跡を説明する図である。
【００１９】
図１において、まず、ステップ１において、非破壊検査により亀裂の位置と深さを確認する。非破壊検査はカメラによる目視法、超音波や渦電流による信号計測法、あるいは浸透探傷法等の検査法を単独または組み合わせて行う。この検査により、例えば、図２に示すように、構造物１上に発生した亀裂１２の幅Ｘ、長さＹ及び深さＺを把握し、これら亀裂に関する情報を亀裂データとして亀裂データベース２００に格納する。
【００２０】
次に、ステップ２において、亀裂部にある（あると推定される）化合物等（化合物、合金、水等）が溶融または分解しないための許容温度を設定する。許容温度は、文献（例えば日本化学会編化学便覧基礎編Ｉや日刊工業新聞社発行ステンレス鋼便覧）に示される化合物や合金の融点（融点において気体が放出される）または分解温度を格納した化合物分解温度データベース３００を参照して設定する。
【００２１】
なお、鉄、クロム、ニッケル、コバルト、鉄合金、ニッケル合金、水についてそれぞれの化合物の融点または分解温度（水については沸点）の例を図３に示す。
【００２２】
例えば、高温水に晒された鉄合金が補修対象構造物である場合、亀裂の中には鉄の酸化物が含まれていると考えることができる。図３を参照すると、鉄の酸化物の内、比較的安定な酸化鉄（ＩＩＩ）は反応式（１）に示すようにステンレス鋼の融点とほぼ同じ温度であるが、酸化鉄（ＩＩ）は１３７０℃で分解することが分かる。
【００２３】
これらのことから、亀裂部に存在し得る化合物が酸化鉄（ＩＩ）と酸化鉄（ＩＩＩ）であると推定する場合は、亀裂部の許容温度を１３７０℃以下に設定して溶接する。
【００２４】
また、亀裂部に塩化鉄（ＩＩ）が含まれる場合は６７０℃以下、硫化鉄（ＩＩ）が含まれる場合は１１９３℃以下に設定する。このように許容温度を設定することにより、化合物等の分解を防止できる。また、亀裂部にニッケル、クロム、コバルト等が含まれる場合も同様に設定することができる。また、水分が含有されている場合の許容温度は大気圧下では１００℃以下とする。
【００２５】
前述のように、化合物毎にその許容温度が異なる為、どのような化合物が亀裂部に含まれているかを予め調査して特定しておくことが望ましい。また、含まれる化合物の量についても把握しておくことが望ましい。例えば、亀裂部に酸化鉄とわずかなクロム化合物が含まれる場合は、クロム化合物を無視して、許容温度を酸化鉄の許容温度である１５６５℃とすることができる。
【００２６】
ステップ３において、図４に示すように、施工部が許容温度以下となるよう溶接機出力と溶接時間を設定する。なお、図４に示す施工部の許容温度と溶接機出力及び溶接時間との関係は施工部温度データベース４００として格納しておくとよい。図４の例では、溶接機出力は溶接機出力電圧値と電流値の積で求めることができ、溶接機出力がＷ２のときは溶接時間をＴ１まで許容でき、溶接機出力がＷ１のときはＴ２の時間まで施工可能である。
【００２７】
ステップ４において、ステップ１で測定した亀裂データを基に施工範囲を決定し、ステップ５で補修を開始する。図４の例では、溶接機出力及び溶接時間から施工部の温度を把握したが、ステップ６において、溶接時に亀裂近傍の温度測定を行って施工部温度を把握することもできる。
【００２８】
ステップ７、８において、溶接電極を施工範囲で走査して溶接を行う。前記走査は、図５に示すように亀裂１２をなぞるように走査する走査方法、あるいは平行方向に電極を順次走査する操作方法を採用することができる。いずれにしても、亀裂全体を覆うように走査して亀裂を封止する。この溶接によって亀裂の開口部を封止することにより亀裂の進展を抑制することができる。ステップ９において、封止後の非破壊検査を行い、封止状況を確認する。次いで、ステップ１０において、補修を終了する。
【００２９】
図６ないし図７は、本発明の第２の実施形態を説明する図であり、図６は第２の実施形態を説明するフローチャート、図７はＴＩＧ溶接により生じた欠陥（キーホール）の例を説明する図である。
【００３０】
図６において、ステップＡ及びステップＢは本実施形態において追加したステップである。図６に示すように、ステップ１において、非破壊検査により、例えば図２に示すように、構造物１上に発生した亀裂１２の幅Ｘ、長さＹ及び深さＺを把握し、これら亀裂に関する情報を亀裂データとして亀裂データベース２０に格納する。
【００３１】
次いで、ステップＡにおいて、亀裂データベース２０に格納した亀裂データをもとにＴＩＧ溶接を行う。ＴＩＧ溶接を施すと、図７に示すように、溶接終端部に欠陥としてのキーホール１１が発生する。次いで、ステップＢにおいて、再度非破壊検査により、構造物１上に発生したキーホール１１の幅Ｘ、長さＹ及び深さＺを把握し、これら亀裂に関する情報をキーホールデータとしてキーホールデータベース２１に格納する。
【００３２】
ステップ２において、亀裂部（キーホール）にある化合物等が溶融または分解しないための許容温度を設定する。許容温度は、前記化合物分解温度データベース３０を参照して設定する。ステップ３において、前述のように、施工部が許容温度以下となるよう溶接機出力と溶接時間を設定する。ステップ４において、ステップＢで測定したキーホールデータをもとに施工範囲を決定し、ステップ５で補修を開始する。
【００３３】
ステップ６以降の処理は、図１を参照して説明した処理と同じであるので詳細な説明は省略する。
【００３４】
図８ないし図１０は本発明の第３の実施形態を説明する図であり、図８は第３の実施形態を説明するフローチャート、図９はパルス放電法による、溶接機出力と溶接時間の関係を説明する図、図１０はパルス放電による溶接時間と施工部温度の関係を示す図である。
【００３５】
図の例では、溶接方法としてパルス放電法を用いる。すなわち、電極にパルス電流及びパルス電圧を印加することにより構造物と電極間にパルス放電を発生させ、この放電により電極を溶解して構造物上に肉盛する。
【００３６】
図８において、まず、ステップ１において、非破壊検査により、例えば図２に示すように、構造物１上に発生した亀裂１２の幅Ｘ、長さＹ及び深さＺを把握し、これら亀裂に関する情報を亀裂データとして亀裂データベース２００に格納する。
【００３７】
ステップ２において、亀裂部にある化合物等が溶融または分解しないための許容温度を設定する。許容温度は、前記化合物分解温度データベース３００を参照して設定する。
【００３８】
ステップ３において、前述のように、施工部が許容温度以下となるよう溶接機出力と溶接時間を設定する。この場合、溶接機出力として、溶接電極にパルス状の電流を印加する。
【００３９】
例えば、図９に示すように、溶接電極に電流ｉのパルスをτ１時間だけ印加する。パルス周期τ２時間経過後、再度パルス幅τ１だけ電流を印加する。これを、時間Ｔ２まで繰返す。この場合施工部温度は、時間の経過と共に増加することになり、図４で示したのと同様な、溶接時間と施工部温度の関係が得られる。
【００４０】
溶接機出力をパルス状に印加する場合は、パルスの休止時に出力は零であるため電極は無負荷となる。このとき電極及び構造物の温度が低下することになる。このため溶接時間が長時間となる場合においても、亀裂部の温度を許容温度以下に抑制することができる。
【００４１】
図１０に示すように、溶接機出力パルスのパルス周期、パルス幅に応じて、施工部温度が相違する。従って、亀裂部の温度が設定された許容温度以下となるように、溶接機出力パルスのパルス周期、パルス幅を設定することができる。例えば、パルス周期３ｍｓ、パルス幅５０μｓのときは、４０秒の補修時間であれば、施工部温度は１００℃以下に制限できることがわかる。
【００４２】
図１０に示すように、溶接機出力と温度データの詳細を施工部温度データベース４００に格納しておき、該データベース参照して溶接機出力条件（パルス電流、パルス周期、パルス幅）を設定することが可能である。しかし亀裂部に含まれる化合物ごとに許容温度が異なること、溶接機出力パルスのパルス周期、パルス幅の組合せが多種であることから、図８のフローチャートのステップ６で説明したように、溶接時に亀裂部の温度測定を行ないながら溶接を行なうことも可能である。
【００４３】
また、溶接電極は構造物と同じ材質を用いると接合性が高く、封止に適している。しかし、亀裂の発生した部位によっては、例えば、応力や腐食の影響が強く、構造物と同じ材質では再度亀裂を発生する可能性がある場合は、高耐食性あるいは高硬度の材質を用いるのが良い。例えば、ステンレス鋼に発生した亀裂の場合は、耐食性が高いジルコニウム合金やＮｉ合金、高硬度材として炭化クロム鋼、炭化タングステン鋼を用いることができる。
【００４４】
ステップ４において、ステップ１で測定した亀裂データをもとに施工範囲を決定し、ステップ５で補修を開始する。
【００４５】
ステップ６以降の処理は、図１を参照して説明した処理と同じであるので詳細な説明は省略する。
【００４６】
図１１は、本発明の第４の実施形態を説明する図であり、亀裂補修装置の斜視図を示している。この亀裂補修装置は、第１〜第３の実施形態で説明した亀裂補修方法を実施するために好適な装置である。
【００４７】
この構造物補修装置は、構造物１上に発生した亀裂１２を補修する補修電極（溶接電極）２と、化合物分解温度データ、溶接機出力に対する施工部温度データ、亀裂データ、キーホールデータ等のデータベースを格納する記憶部３と、溶接条件の設定を行う演算装置４と、補修電極２を保持する走査アーム５を駆動する駆動機構６と、補修電極２を補修部位に対向させて走査する制御を行う駆動機構操作盤７と、溶接出力を設定された値に調整して補修電極２に印加する出力調節部８と、データや設定処理の結果等を表示する表示装置９と、補修範囲等を入力して設定する入力装置１０を備える。
【００４８】
出力調節部８は、電圧値や電流値、放電パルスの周期やパルス幅を変化させることにより溶接出力を変化させる構成であり、記憶部３に格納しているデータベースを用いて調整した溶接出力を出力する。補修施工範囲は、入力装置１０を操作して亀裂１２やＴＩＧ溶接部の終端等に発生したキーホール１１を覆うように設定する。これにより、駆動機構操作盤７は走査アーム５を駆動することにより補修電極２を走査して補修溶接する。
【００４９】
図１２は、本発明の第５の実施形態を説明する図であり、水中の構造物に対する亀裂補修に適した亀裂補修亀裂補修装置の断面図を示している。
【００５０】
図に示すように、プール２５内に設定された補修電極２には、ガスで水を排除し局部的に気相空間とするためのカバー１７を備えている。水中に設置されている構造物１の亀裂１２を補修する場合、ガス導入部１５からカバー１７内にガスを導入し、カバー１７内の水を排除する。これにより、補修電極２と構造物１の間は局部的に気相空間を確保することができ、気中で溶接しているのと同じ環境となる。このため水中であっても、本発明を適用することができ、走査アーム５で補修電極２を走査し補修を行なうことができる。
【００５１】
補修時には副次生成物１４として、ガス及びスパッタ物（金属粒子）等が発生し、カバー１７から溢れる。ガスは金属粒子を含んだ気泡となり、水面へ上昇後、空気中へ金属粒子を放出する。一方スパッタは水に溶解あるいは浮遊する。このため、空気中あるいは水中の粒子濃度増加を招く。そこで、濃度増加による環境悪化を防止する目的で回収フード１６を設け、吸引ポンプ２２により副次生成物処理系１８に吸引する。吸引ポンプ２２で吸引する場合、水及びガスが混合されて副次生成物処理系１８へ導入される。このため副次生成物処理系１８では気水分離器２３を介して、液体と気体に分離する。分離した液体は水浄化フィルタ２０や脱塩器２１に搬送され、気体はエアーフィルタ２４に搬送される。搬送された液体及び気体は、それぞれ、ろ過及び浄化後、液体はプール２５に戻し、気体は環境へ放出する。また、水浄化フィルタ２０やエアーフィルタ２４、脱塩器２１以外の副次生成物回収設備を用いることも可能であるし、環境悪化を引き起こさない程度の副次生成物発生量である場合は処理を必要としない。
【００５２】
図１３は、本発明の第６の実施形態を説明する図であり、水中の構造物に対する亀裂補修に適した亀裂補修亀裂補修装置の断面図を示している。
【００５３】
図に示すように、この例では、水中の構造物に対して水をガスで排除し、局部的に気相空間を得るためのチャンバ２６を備えている。チャンバ２６は補修電極２のみならず、電極駆動機構１９を覆うように構成する。走査アーム５は亀裂１２の位置にチャンバ２６を設置した後固定し、チャンバ２６内で、補修電極２を電極駆動機構１９により走査する。  補修電極２の走査は例えばＸ軸方向に移動させ、亀裂１２を覆うように溶接を行い、必要に応じてＹ軸方向に移動させる。
【００５４】
また、副次生成物１４として発生したガス及びスパッタ物は副次生成物処理系１８、気水分離器２３を介して液体と気体に分離される。分離された液体は水浄化フィルタ２０、脱塩器２１を介してプール２５に戻し、気体はエアーフィルタ２４を介して環境に放出する。
【００５５】
なお、図１２及び図１３に示す補修装置は、ガス導入部から導入するガスの流量を増加させることで気相空間を確保することが可能であり、下向き及び横向きで実施できる。
【００５６】
なお、本発明は、種々の構造物に適用できるが、特に原子力施設や発電施設などの構造物に対する補修などの予防保全に最適である。また、補修対象としては、亀裂やキーホールの他、隙間、ドリル穴、スリット等の幾何学的に狭隘部の内部に化合物が含まれている箇所の封止に対して適用できる。
【００５７】
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、化合物等が残存する亀裂に対して、亀裂内の化合物が分解あるいは水分が蒸発しない温度以下となるように溶接を行なうので洗浄等の前処理を行うことなく亀裂を封止することができる。また、洗浄等の前処理を行うことなく溶接を行った際に溶接終端で発生するキーホールを封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】亀裂の補修方法を説明するフローチャートである。
【図２】補修すべき亀裂の例を説明する図である。
【図３】データベースを説明する図である。
【図４】溶接時間と施工部温度の関係を示す図である。
【図５】補修装置の電極の操作軌跡を説明する図である。
【図６】第２の実施形態を説明するフローチャートである。
【図７】ＴＩＧ溶接により生じた欠陥（キーホール）の例を説明する図である。
【図８】第３の実施形態を説明するフローチャートである。
【図９】パルス放電法による、溶接機出力と溶接時間の関係を説明する図である。
【図１０】パルス放電による溶接時間と施工部温度の関係を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態を説明する図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態を説明する図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  構造物
２  補修電極
３  記憶部
４  演算装置
５  走査アーム
６  駆動機構
７  駆動機構操作盤
８  出力調節部
９  表示装置
１０  入力装置
１１  キーホール
１２  亀裂
１３  ＴＩＧ溶接部
１４  副次生成物
１５  ガス導入部
１６  回収フード
１７  カバー
１８  副次生成物処理系
１９  電極駆動機構
２０  水浄化フィルタ
２１  脱塩器
２２  吸引ポンプ
２３  気水分離器
２４  エアーフィルタ
２５  プール
２６  チャンバ
２００  亀裂データベース
２１０  キーホールデータベース
３００  化合物分解温度データベース
４００  施工部温度データベース
【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】
2005152956.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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