(57)【要約】【課題】被改善箇所の配管内面の軸方向にかかる残留引張り応力を改善することができる配管内面の残留応力改善方法及び内面の残留応力を改善した配管を提供する。【解決手段】配管２０の内面の引張り残留応力を改善する必要がある被改善箇所Ｏに対して配管２０の軸方向に位置をずらして応力改善入熱領域Ｌ５〜Ｌ７を設定し、設定した応力改善入熱領域Ｌ５〜Ｌ７の配管外面に、被改善箇所Ｏを含む領域Ｌ１〜Ｌ４に比較して高い溶接入熱を与えることを特徴とする。【選択図】  図７
2009012030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内面の引張り残留応力を改善する必要がある被改善箇所に対して配管の軸方向に位置をずらして応力改善入熱領域を設定し、設定した応力改善入熱領域の配管外面に、前記被改善箇所を含む領域に比較して高い溶接入熱を与えることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項２】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、配管の外半径をＲ、配管の厚さをｔｐとした場合、前記応力改善入熱領域は、前記被改善箇所から配管の軸方向にとった距離が０．７５（Ｒｔｐ）１／２以上の領域であることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項３】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、配管の外半径をＲ、配管の厚さをｔｐとした場合、前記応力改善入熱領域は、前記被改善箇所から配管の軸方向にとった距離が２．７（Ｒｔｐ）１／２以下の領域であることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項４】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、溶接金属を供給することなく少なくとも前記応力改善入熱領域の配管外面に溶接入熱を与えることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項５】
請求項４の配管内面の残留応力改善方法において、ＴＩＧ溶接により溶接入熱を与える行うことを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項６】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、溶接金属を供給しつつ溶接入熱を与え、少なくとも前記応力改善入熱領域の配管外面に溶接金属を積層することを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項７】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、被改善箇所が溶接部であることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項８】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、前記被改善箇所を含む領域に溶接入熱を与えることなく、前記応力改善入熱領域の配管外面にのみ溶接入熱を与えることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項９】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、配管の外半径をＲ、配管の厚さをｔｐとし、配管内面にひび割れ箇所がある場合、前記ひび割れ箇所を覆うようにして該配管の外面に溶接金属を積層し、さらに前記ひび割れ箇所から軸方向に０．７５（Ｒｔｐ）１／２以上離れた前記応力改善入熱領域に溶接金属を重畳することを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項１０】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、配管の外半径をＲ、配管の厚さをｔｐと、配管内面にひび割れ箇所がある場合、前記ひび割れ箇所を覆うようにして該配管の外面に溶接金属を積層する際、該溶接金属のうち前記ひび割れ箇所から軸方向に０．７５（Ｒｔｐ）１／２以上離れた前記応力改善入熱領域ではそれよりも前記ひび割れ箇所側の領域よりも総入熱量を大きくすることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項１１】
請求項１の配管内面の残留応力改善方法において、配管内に冷却媒体がある状態で応力改善入熱領域の配管外面に溶接入熱を与えることを特徴とする配管内面の残留応力改善方法。
【請求項１２】
内面の引張り残留応力を改善する必要がある被改善箇所に対して軸方向に位置がずれた応力改善入熱領域の外面に、前記被改善箇所を含む領域に比較して高い溶接入熱が与えられていることを特徴とする配管。
【請求項１３】
請求項１２の配管において、外半径をＲ、厚さをｔｐとした場合、前記応力改善入熱領域は、前記被改善箇所から軸方向にとった距離が０．７５（Ｒｔｐ）１／２以上の領域であることを特徴とする配管。
【請求項１４】
請求項１２の配管において、外半径をＲ、厚さをｔｐとした場合、前記応力改善入熱領域は、前記被改善箇所から軸方向にとった距離が２．７（Ｒｔｐ）１／２以下の領域であることを特徴とする配管。
【請求項１５】
請求項１２の配管において、前記被改善箇所が溶接部であることを特徴とする配管。
【請求項１６】
請求項１２の配管において、前記被改善箇所がひび割れ箇所であることを特徴とする配管。
【請求項１７】
請求項１６の配管において、外半径をＲ、厚さをｔｐとした場合、前記ひび割れ箇所を覆うようにして外面に溶接金属が積層され、さらに前記ひび割れ箇所から軸方向に０．７５（Ｒｔｐ）１／２以上離れた前記応力改善入熱領域に溶接金属が重畳されていることを特徴とする配管。
【請求項１８】
請求項１６の配管において、外半径をＲ、厚さをｔｐとした場合、前記ひび割れ箇所を覆うようにして外面に溶接金属が積層され、該溶接金属のうち前記ひび割れ箇所から軸方向に０．７５（Ｒｔｐ）１／２以上離れた前記応力改善入熱領域ではそれよりも前記ひび割れ箇所側の領域より総入熱量が大きいことを特徴とする配管。
【請求項１９】
請求項１８の配管において、前記応力改善入熱領域の溶接金属のデンドライト組織が、それよりも前記ひび割れ箇所側の領域よりも開いていることを特徴とする配管。
【請求項２０】
プラントの配管であって、内部に冷却媒体がある状態で応力改善入熱領域の配管外面に溶接入熱を与えたことを特徴とする請求項１２の配管。
【請求項２１】
沸騰水型原子力発電プラントの冷却水配管であることを特徴とする請求項２０の配管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内面の残留応力改善方法、内面の残留応力を改善した配管に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼や高ニッケル基合金の溶接部では、溶接熱によって結晶粒界にクロム炭化物が析出する。その結果、結晶粒界の極近傍にクロム欠乏層が形成され、このクロム欠乏層が鋭敏化する（腐食に対し感受性が高くなる）。また、溶接部近傍の表面には、一般に高い引張残留応力が存在する。高い引張残留応力が存在する材料が、鋭敏化した状態で厳しい腐食環境下で使用されれば応力腐食割れを起こすことがある。すなわち、材料の鋭敏化、高い引張残留応力、及び厳しい腐食環境の三因子が重畳すると、応力腐食割れが発生する危険性が高まる。
【０００３】
従来、オーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れは、ＪＩＳ規格のタイプ３０４ステンレス鋼等といった炭素含有量が高い材料の溶接熱影響部に発生すると考えられていた。そのため、タイプ３０４ステンレス鋼の溶接部位で腐食環境に曝される部位は、応力腐食割れを発生させる因子のうち、材料的因子の改善を目的として、炭素量が少なく鋭敏化し難い元素が付加されたＪＩＳ規格のタイプ３１６Ｌステンレス鋼に交換されてきた。
【０００４】
しかしながら、近年、タイプ３１６Ｌステンレス鋼の溶接部位の熱影響部から応力腐食割れが発生する可能性が否定しきれなくなってきた。時間の経過とともに、タイプ３１６Ｌステンレス鋼を用いる材料的因子の改善が必ずしも十分でないことが判明しつつある。さらに、従来の知見では割れが進展しないと考えられていたステンレス鋼の溶接金属が応力腐食割れを起こさないとも言い切れない。このような可能性から、応力腐食割れを抑制するためには、材料的な因子の改善だけでなく、残留応力因子や腐食環境因子の改善も急務となってきている。
【０００５】
それに対し、応力腐食割れの発生を抑制する方策の一つに、腐食環境に曝される領域の引張残留応力を低減させることが挙げられる。配管の溶接継手部の引張残留応力を緩和する方法としては、配管の既設溶接継手部を含めて配管の外側を覆うように肉盛溶接し、その後に配管を冷却して肉盛部を収縮させ、既設溶接継手部の内面に圧縮残留応力を生じさせる方法が提唱されている（特許文献１等参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１１５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載された技術のように配管の外面に肉盛溶接を行うと、肉盛溶接部の収縮により配管の周方向に収縮変形が起き、配管内面の周方向応力は圧縮応力になる。配管外面の肉盛溶接は周方向応力を圧縮化する場合には、非常に有効な方法である。
【０００８】
しかしながら、特許文献１には、肉盛溶接の入熱条件や肉盛溶接部の厚さ・位置等が特に規定されていない。肉盛溶接の幅や位置によっては配管内面に凸になる変形が生じる。この場合には、配管内面の軸方向応力は引張応力になってしまう。配管内面の突合せ溶接部付近に引張残留応力が残留していると、それが亀裂の発生を誘起する要因となる。そのため、亀裂の発生及び進展を抑制するためには、被改善箇所の周方向のみならず軸方向の引張り応力も改善する必要がある。
【０００９】
本発明は、被改善箇所の配管内面の軸方向にかかる残留引張り応力を改善することができる配管内面の残留応力改善方法及び内面の残留応力を改善した配管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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、配管内面の引張り残留応力を改善する必要がある被改善箇所に対して配管の軸方向に位置をずらして応力改善入熱領域を設定し、設定した応力改善入熱領域の配管外面に溶接入熱を与える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被改善箇所の配管内面の軸方向にかかる残留引張り応力を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
まず、本願明細書において“被改善箇所”とは、配管内面の引張り残留応力を改善する必要がある箇所を意味し、代表的には、例えば配管接合部に代表される配管の溶接部や溶接部の近傍（例えば１０ｍｍ以内）の領域である。また、“溶接入熱”とは、溶接を行なう際に発生するアークの発熱量を近似的に換算した値であり、溶接電流・溶接電圧・溶接速度により定まる。したがって、特に断らない場合、本願明細書において“溶接入熱を与える”という概念には、ワイヤー等の溶接金属を供給する（肉盛する）場合と溶接金属を供給しない場合の双方が含まれる。また、“応力改善入熱領域”とは、被改善箇所の残留応力の改善に寄与する溶接入熱を与える領域を意味し、当該領域よりも被改善箇所に近い領域（被改善箇所を包含する領域）に比較して高い溶接入熱が与えられる。また本願明細書において、“応力改善入熱領域に対して被改善箇所を含む領域よりも高い溶接入熱を与える”という概念には、被改善箇所を包含する領域に対して応力改善入熱領域よりも低い溶接入熱を与える場合と当該領域に溶接入熱を与えない場合が含まれる。これらを踏まえ、次に本発明の残留応力の改善原理を説明する。
【００１４】
図１に示したような、外半径がＲ、管壁の厚さがｔｐの配管２０の外面に、厚さがｔｗ、片側長さがＷの肉盛部（溶接金属部）３０を積層する肉盛溶接を施工した場合の配管２０の内面の残留応力分布について説明する。
【００１５】
例えば、次に示した表１のように配管寸法や溶接条件の異なる４つのケースＡ−Ｄにつき、配管内面の周方向及び軸方向の応力分布を測定した結果を図２に示した。
【００１６】
【表１】
2009012030.tif 000003
【００１７】
図２のグラフでは、残留応力（ＭＰａ）を縦軸に、肉盛部３０の軸方向（配管２０の中心軸方向）の中心位置Ｏから軸方向にとった距離（ｍｍ）を横軸にとっている。縦軸では、正の値が引張り残留応力、負の値が圧縮残留応力を表している。この図２から判るように、周方向残留応力・軸方向残留応力とも配管２０の外半径Ｒと厚さｔｐによって分布が異なる。
【００１８】
一方、図３は図２のグラフの横軸を配管２０の外半径Ｒと板厚ｔｐから計算される（Ｒｔｐ）１／２で無次元化したグラフである。図３に示したように、内面の残留応力分布は各ケースＡ−Ｄで周方向残留応力・軸方向残留応力ともほぼ一致する。すなわち、肉盛部３０の中心位置Ｏからの軸方向距離を（Ｒｔｐ）１／２で無次元化して応力分布を求めておけば、配管２０の外半径Ｒや厚さｔｐによらず配管内面の残留応力分布を算出することができる。
【００１９】
ここで、図３から判るように、配管内面の周方向応力は、僅かに引張り応力側に傾く領域もあるが概ね圧縮応力に傾いており、肉盛部３０の中心位置Ｏから離れるにつれて０（ゼロ）に漸近していく。すなわち、肉盛溶接を配管２０の外面に施工することにより配管内面の周方向応力は圧縮化され、応力腐食割れを起こし難い状態に改善される。
【００２０】
それに対し、配管内面の軸方向応力は、肉盛部３０の中心位置Ｏの近辺で引張り応力になっている。つまり残留応力を改善したい箇所（被改善箇所）の外面に肉盛溶接を施工すると、配管内面の周方向応力は圧縮応力になるが、配管内面の軸方向応力は引張応力になってしまう。したがって、配管外面に肉盛溶接を施工して被改善箇所の応力腐食割れを抑制する上では、単に被改善箇所を含む領域の外面に肉盛部３０を形成するのではなく、被改善箇所と肉盛部３０との位置関係に配慮する必要がある。
【００２１】
そこで図３を見ると、配管内面に作用する軸方向応力は、肉盛部３０の中心位置Ｏの近くでは引張応力側に傾くが、中心位置Ｏから離れるにつれ、急激に圧縮応力側に傾いた後、約２．７（Ｒｔｐ）１／２の位置で０になる。中心位置Ｏからの距離が２．７（Ｒｔｐ）１／２以上の領域では、中心位置Ｏから離れるにつれ、僅かに引張応力側に傾いた後に０に漸近していく。このことから、配管外面に肉盛溶接をした場合、肉盛部３０の中心位置Ｏからの距離が２．７（Ｒｔｐ）１／２以上の領域には肉盛部３０を形成したことによる熱的影響が殆どなく、被改善箇所から２．７（Ｒｔｐ）１／２以上離れたところに肉盛部３０を形成しても被改善箇所の残留応力の改善には作用しないことが判る。したがって、被改善箇所の軸方向応力の改善のためには、被改善箇所からの距離が２．７（Ｒｔｐ）１／２以内の領域に肉盛部３０を形成すれば足りる。
【００２２】
次に、図４に例示した配管を対象に外面の肉盛形状と配管内面の軸方向残留応力の分布との関係を検討する。図４の配管は、例えば外径が６０９．６ｍｍ（外半径Ｒが３０４．８ｍｍ）、厚さｔｐが３８．９ｍｍであるとする。この図４の配管の外面に、図５に示すように厚さ０．５ｔｐ及びｔｐの肉盛部３０を配管外面に形成する肉盛溶接を仮定して、領域Ｌ１を中心にして軸方向に連続する肉盛部３０の幅０．２５（Ｒｔｐ）１／２の領域Ｌ１〜Ｌ７の配管内面の軸方向残留応力をロバスト設計手法により求めた。ロバスト設計手法は公知の方法である。配管外面の肉盛部３０の各領域Ｌ１〜Ｌ７の肉盛厚さｔｗと配管内面の軸方向応力との関係のロバスト設計手法による評価結果を図６に示す。
【００２３】
図６において、肉盛部３０の断面形状を領域Ｌ１〜Ｌ７のそれぞれにおいてｔｗ＝０，０．５ｔｐ，ｔｐのうちで相対的に感度が高くなる溶接厚さに設定した場合が、配管２０の被改善箇所（領域Ｌ１の中心、つまり中心位置Ｏとする）の内面に高い軸方向圧縮応力を発生させるのに好適な条件になると想定できる。領域Ｌ１〜Ｌ３は、ｔｗ＝０が良好な条件である（つまり肉盛部３０を形成すると被改善箇所Ｏの内面の軸方向応力が引張応力になることを示している）。領域Ｌ４では、溶接厚みｔｗが被改善箇所Ｏの内面の軸方向応力に与える影響が比較的小さい。領域Ｌ５〜Ｌ７では、ｔｗ＝ｔｐが良子な条件である（つまり肉盛部３０を厚くすることで被改善箇所Ｏの内面の軸方向応力を圧縮側に傾けられることを示している）。この結果を基に設定された、被改善箇所Ｏに圧縮応力を付与するための肉盛部３０の形状を図７に示す。図７から判るように被改善箇所Ｏの配管内面の軸方向応力を圧縮化するためには、被改善箇所Ｏから離れた領域に肉盛を行う必要がある。肉盛する必要があるのは被改善箇所Ｏから見て領域Ｌ４から遠い側の領域である。ここでは、例えば領域Ｌ４の中心部をとり被改善箇所Ｏから配管の軸方向距離が０．７５（Ｒｔｐ）１／２以上の領域とする。領域Ｌ４内の被改善箇所Ｏに最も近い位置を肉盛部３０の開始点とし、０．６２５（Ｒｔｐ）１／２以上の領域に肉盛部３０を形成するようにしても良い。
【００２４】
以上のように、被改善箇所Ｏの配管内面の周方向残留応力及び軸方向残留応力を圧縮応力化し、被改善箇所Ｏの応力腐食割れを抑制するには、好ましくは被改善箇所Ｏから０．６２５（Ｒｔｐ）１／２〜２．７（Ｒｔｐ）１／２の領域、より好ましくは０．７５（Ｒｔｐ）１／２〜２．７（Ｒｔｐ）１／２の領域を前出の応力改善入熱領域に設定し、この応力改善入熱領域に肉盛部３０を形成することが有効である。このように、引張残留応力を抑制する必要がある被改善箇所から規定の範囲だけ軸方向に位置のずれた応力改善入熱領域の配管外面に肉盛溶接を行うことにより、被改善箇所の配管内面の周方向引張残留応力及び軸方向引張残留応力の抑制、さらには圧縮応力化が可能となる。
【００２５】
一般に、配管の継ぎ目部分の突合せ溶接部、若しくは突合せ溶接部の近傍（例えば１０ｍｍ以内の部分）の内面に高い引張残留応力が作用していると、経年に伴って応力腐食割れの発生が懸念される。このような突合せ溶接部やその近傍を被改善箇所に位置付け、上記のように被改善箇所からずれた応力改善入熱領域に溶接入熱を与えることにより、被改善箇所の応力腐食割れを抑制することができる。応力改善入熱領域には、前出の各図で説明してきたように肉盛部３０を形成しても良いが、溶接金属を供給せずに（肉盛部３０を形成せずに）溶接入熱を与えるだけでも良い。
【００２６】
次に、既に配管２０にひび割れ箇所が発生している場合について説明する。
【００２７】
例えば配管２０の内面にひび割れ箇所が存在する場合、管壁のひび割れが進行しても溶接金属で強度を確保できるように、ひび割れ箇所を補修する必要がある。そのため、ひび割れ箇所を被改善箇所Ｏとした場合、被改善箇所Ｏを避けて肉盛溶接する訳にはいかない。そこで、配管内面にひびが検出された場合に、被改善箇所（ひび割れ箇所）Ｏを覆う領域の外面に肉盛部３０を形成するウェルドオーバーレイ工法を応用した配管内面の軸方向の引張応力の改善について検討する。
【００２８】
ウェルドオーバーレイ工法では、肉盛溶接した溶接金属部（肉盛部）を構造強度部材として位置付け、配管に発生した周方向亀裂が全周貫通しても十分な構造強度が補償されるように肉盛部の厚さを確保する。ウェルドオーバーレイ工法による肉盛溶接では、一般に図８のように厚みが軸方向に一定の肉盛部が形成される。それに対し、本発明の概念に基づき、応力改善入熱領域の配管外面に、それよりも被改善箇所Ｏに近い領域（被改善箇所Ｏを含む領域）に比較して高い溶接入熱を与えた場合の肉盛部の形状を図９に示す。図９では、被改善箇所（ひび割れ箇所）Ｏから応力改善入熱領域までを覆うようにして溶接金属を積層し、応力改善入熱領域には溶接金属をさらに重畳して肉盛部３０が形成してある。
【００２９】
図１０は図７、図８、図９に示した断面形状の肉盛溶接を配管外面に施工した場合の配管内面の軸方向応力分布を示す図である。図８に示した一般的なウェルドオーバーレイ工法による肉盛溶接では、被改善箇所Ｏの近辺の配管内面の引張応力が増加するのに対し、本発明の概念を応用した図９のウェルドオーバーレイ工法による肉盛溶接では、被改善箇所Ｏの近辺の配管内面の残留応力を圧縮側に傾けて軸方向残留応力を改善することができる。また、先に図７に示した肉盛溶接では、被改善箇所Ｏの近辺の配管内面の残留応力がより顕著に圧縮応力化されている。
【００３０】
次に施工後の肉盛箇所の定期検査に好適な例を説明する。
【００３１】
例えば上記のように被改善箇所や応力改善入熱領域に肉盛溶接した後、配管２０の肉盛部３０で被覆した部分におけるひび割れ等の欠陥の有無を超音波探傷により定期的に検査する場合、肉盛部３０の厚さは一様である方が好ましい。しかし、図９に示した形状の肉盛溶接では、領域Ｌ５〜Ｌ７の溶接厚さが、領域Ｌ１〜Ｌ４の溶接厚さと異なっている。
【００３２】
図９に示した例では、応力改善入熱領域の肉盛部３０を厚く積層することにより、被改善箇所を含む領域に比べて応力改善入熱領域の肉盛部３０の収縮力を強め、被改善箇所の内面の残留応力を改善した。これと同様の効果は、肉盛部３０の肉厚を一定に保ちつつ、被改善箇所を含む領域に比べて応力改善入熱領域への溶接入熱の総入熱量を大きくすることでも得ることができる。肉盛部３０の肉厚を一定に保ちつつ、被改善箇所Ｏを含む領域に比べて応力改善入熱領域への溶接入熱の総入熱量を大きくした本発明の一実施の形態を図１１に示した。
【００３３】
図１１に示した例では、領域Ｌ５〜Ｌ７（Ｌ１〜Ｌ７は図５と同一スケールであるとする）を応力改善入熱領域１に設定し、領域Ｌ１〜Ｌ７に肉盛溶接する際、肉盛部３０における当該応力改善入熱領域１の総入熱量が、被改善箇所Ｏを含む領域２（領域Ｌ１〜Ｌ４）の総入熱量よりも大きくなるように入熱を調整して溶接パスを積層してある。この場合、前に述べたように溶接電流・溶接電圧・溶接速度により溶接入熱が定まるので、例えば、応力改善入熱領域１では、溶接金属の送給速度を調整して肉盛部３０の肉厚の変動を抑制しつつ、領域２の溶接パスに対して溶接速度を遅くしたり溶接電流・溶接栓圧を上昇させたりする。これにより、肉厚の変動が抑制された超音波探傷に好適な形状の肉盛部３０を形成しつつ、配管２０の内面の軸方向残留引張応力を抑制することができる。
【００３４】
以上は、配管２０の材料と肉盛部３０（溶接金属）の材料が同じ場合に適用可能であるが、配管２０と肉盛部３０が異種材料である場合にも適用可能である。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼は、炭素鋼よりも線膨張係数が大きい。そのため、配管２０が炭素鋼である場合に配管２０の外面にオーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属を肉盛溶接すると、炭素鋼の溶接金属を使った場合よりも大きい収縮力を配管２０に付与することができる。つまり、炭素鋼配管や低合金鋼配管に本発明の応力改善方法を適用する場合、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属を肉盛溶接材として用いると配管内面の軸方向応力の圧縮化の効果がより高い。したがって、確保すべき収縮力に応じて溶接金属、或いは配管の材質を選択することにより、より効果的に応力改善の作用を得ることができる。
【００３５】
以上の知見を踏まえ、本発明の実施の形態の係る応力改善方法の実施例を幾つか例に挙げて説明していく。
【実施例１】
【００３６】
図１２は本発明に係る応力改善方法の実施例１の施工の様子を表した模式図である。
【００３７】
図１２において、プラント等における既設の配管５の被改善部である突合せ溶接部６の配管内面の軸方向引張残留応力を低減する場合、例えば先に図７に示した領域Ｌ４〜Ｌ７に相当する領域に厚さｔｗ＝０．５ｔｐの肉盛部３を積層し、領域Ｌ５〜Ｌ７に相当する領域に厚さｔｗ＝０．５ｔｐの肉盛溶接を重畳して、厚さｔｗ＝ｔｐの肉盛部３を形成する。配管５が既設のものなので配管５に対してＴＩＧトーチ４を回転移動させて肉盛部３を積層していく。
【００３８】
溶接装置を配管５に設置する場合、まずＴＩＧトーチ４の移動用のレール７を配管５の外周面に嵌める。レール７は半割れ構造であり、設置の際に既設の配管５を切断する必要はない。次に、ＴＩＧトーチ４を支持する移動機構８をレール７の上に設置する。移動機構８は、レール７を配管５の軸方向両側から挟持する車輪を有しており、図示しないモータで車輪を駆動することによりレール７に沿って配管５の外周面を周方向に走行する。また、ＴＩＧトーチ４を支持するアーム１１は移動機構８に対して配管１０の周方向にスライド可能に支持されており、ＴＩＧトーチ４を軸方向に移動させる機能を有する。ＴＩＧトーチ４にはケーブル９が接続されており、ケーブル９を介して図示しない溶接電源からの電力がＴＩＧトーチ４にかけられ、これによりＴＩＧトーチ４から配管５に向かってアークが発生する。本例では、こうした溶接装置を図１２に示したように軸方向に２つ対向させて設置する。配管５はほぼ水平に配設されているが、これに限定されない。
【００３９】
図１２の溶接装置を用いて肉盛溶接を施工する場合、溶接電流、溶接電圧、ＴＩＧトーチ４からの不活性ガスの流量、溶接金属の供給速度等の溶接条件は、図示しない制御装置に入力設定され、その制御装置によって制御される。制御装置に設定入力する溶接条件は、一般的なＴＩＧ溶接条件で構わない。運転開始後、アークがスタートしワイヤー（溶接金属）の供給が開始した後、移動機構８が配管５の周方向に走行し配管５の外周面にリング状の肉盛部３が形成され始める。このとき、本例では既設の配管５に対してＴＩＧトーチ４を回転させるため、ＴＩＧトーチ４を同一方向に連続して回転させると、ＴＩＧトーチ４に接続したケーブル９が配管５の周囲に巻き付いてしまう。そのため、移動機構８が配管５の外面を１周してスタート位置に戻ったらアークをストップし、移動機構８を溶接時と逆方向に走行させてスタート位置まで戻す。次にアーム１１を駆動してＴＩＧトーチ４を軸方向に移動させ、後続パスの溶接を行う。後続パスの溶接は、ＴＩＧトーチ４の軸方向位置が異なる点を除いて１パス目と同様である。このようにして応力改善入熱領域に肉盛部３を形成する。
【００４０】
なお、本実施例では、配管５に２組の溶接装置を設置して突合せ溶接部６を挟む２箇所の応力改善入熱領域に肉盛溶接を同時施工したが、１台の溶接装置で突合せ溶接部６を挟んで２つの肉盛部３を順次形成していく方法でも良い。但し、後者の方法は溶接装置が１台で済むメリットがあり、前者の方法は後者の方法に対して溶接施工の所要時間が１／２で済むメリットがある。
【実施例２】
【００４１】
図１３は本発明に係る応力改善方法の実施例２の施工の様子を表した模式図である。
【００４２】
本実施例で応力を改善する配管５は、プラント等に既に設置された配管ではなく、工場内で複数の配管を突合せ溶接して接合した配管であり、その両端は自由端である。本例における肉盛部３の形状は、例えば図１２で説明した実施例１と同じで構わない。
【００４３】
本実施例の場合には、配管５を回転させることができるので、肉盛溶接に際しては、配管５にレールを設けて配管５に対してＴＩＧトーチを周回させる必要がない。したがって、本例では配管５をポジショナー（回転チャック装置）１０に設置し、ＴＩＧトーチ４に対して配管５を自転させ、配管５の外面に肉盛部３を形成していく。このとき、ＴＩＧトーチ４は配管５の天位置、すなわち配管５の中心線の鉛直上方位置に下向きに配置することで、溶接金属の溶着効率を大きくとることができる。肉盛溶接を１箇所ずつ行う場合には、１つのＴＩＧトーチ４を設置し、そのＴＩＧトーチ４のアークをスタートさせ、ワイヤー（溶接金属）の供給を開始する。次にポジショナー１０を回転させつつ、ＴＩＧトーチ４を配管５の軸方向に移動させながら連続に溶接する。そして、所定の肉盛厚さになった段階で溶接を終了させる。ＴＩＧトーチ４に対して配管５が回転するため、ＴＩＧトーチ４のケーブル９が配管５に巻きつくことがない。
【００４４】
図１３のようにＴＩＧトーチ４を２個設置できる場合には、被改善箇所である突合せ溶接部６を挟んで軸方向両側に２個のＴＩＧトーチ４を設置し、同時に２箇所の肉盛部３を形成していく。２個のＴＩＧトーチ４を用いる場合、１つのＴＩＧトーチ４を用いる場合に比べて溶接施工の所要時間を１／２に短縮することができる。
【実施例３】
【００４５】
本発明に係る応力改善方法の実施例３を説明する。
【００４６】
本実施例は、例えば図１２又は図１３において肉盛部３を形成せず、溶接金属を供給することなく配管５の外面に溶接入熱を与えて配管５の外表面を溶融させる例である。この場合、溶接入熱により配管５の外周部に収縮力を付与され、配管５の内面の軸方向応力が圧縮化されるような局所的な変形が発生する。これにより、軸方向引張残留応力を抑制し、さらには圧縮応力化が図られる。このように、肉盛部３を積層しなくても、溶接入熱のみによって配管５を収縮変形させることができる。本例は、図１２又は図１３に示した溶接装置をそのまま利用することできる。
【実施例４】
【００４７】
本発明に係る応力改善方法の実施例４を説明する。
【００４８】
本実施例は、突合せ溶接の溶接熱影響部にひびが発生した既設配管への適用例である。溶接装置は図１２に示したものを用いれば足りる。
【００４９】
例えば図１２において、配管５にひびがある場合（便宜上、突合せ溶接部６がひび割れ箇所であるとする）、配管５のひび割れ箇所６を覆う配管外表面位置に肉盛部３を形成する。この場合、先に図８に示したように、ひび割れ箇所６を含む領域Ｌ１〜Ｌ４に相当する領域のみに一様に肉盛溶接したら、ひび割れ箇所６の配管内面の引張残留応力は却って増加する。それに対し、先に図９に示したように、領域Ｌ１〜Ｌ４に相当する領域に加えて領域Ｌ５〜Ｌ７に相当する応力改善入熱領域に、領域Ｌ１〜Ｌ４よりも肉厚の厚い肉盛部３を形成すると、ひび割れ箇所６の配管内面の引張残留応力を抑制することができる。この施工では、まず仮に配管５の全周にひび割れが成長しても必要な構造強度を確保することができる肉厚の肉盛部３を領域Ｌ１〜Ｌ７の配管外面に形成し、これにより配管５を補修する。次に、応力改善入熱領域となる領域Ｌ５〜Ｌ７の部分に肉盛部３を重畳し、ひび割れ部分の配管内面の引張残留応力を改善する。
【００５０】
図１２の溶接装置を用いて本実施例を施工する場合、図１２の実施例と同様にまず配管５にレール７、移動機構８を順次設置し、溶接開始後、移動機構８を走行させＴＩＧトーチ４を配管５の周りに周回させ、肉盛部３を１パスずつ形成していく。溶接は配管５の天頂部から溶接を開始し、ケーブル９の巻き付きを防止するために、肉盛部３を１パス形成する度に移動機構８を逆回転に走行させて溶接開始点に戻した後に、ＴＩＧトーチ４を軸方向に移動させて次の溶接パスを形成する。こうして領域Ｌ１〜Ｌ７の肉盛部３を形成していき、領域Ｌ１〜Ｌ７の肉盛部３の厚さが所定厚さに到達したら、次に領域Ｌ５〜Ｌ７の応力改善入熱領域の肉盛部３を重畳し厚くする。図１２に示したように２つの溶接装置を用いれば、２つの溶接装置を用いる場合に比して、施工に要する時間を１／２に短縮することができる。
【００５１】
また、本実施例、或いは前の３つの実施例を施工する際、配管５内に冷却媒体（冷却水等）が存在する状態で溶接入熱を与えても良い。この場合、配管５の内部に冷却媒体を封入しておくことも考えられるし、配管５の内部に冷却媒体を流通させることも考えられる。例えば、実施例１，４のように対象が既設の配管５である場合には、その配管が構成しているプラントの冷却水を配管５に流通させれば良い。配管５の内側に冷却媒体がある場合、配管の内面側が冷却され、配管外面（高温側）と配管内面（低温）の温度差が拡大する。このように配管の内面と外面の温度差が大きい場合、配管内面が引張側で降伏して引張の塑性歪が発生し、結果として配管内面の残留応力は周方向・軸方向とも圧縮応力になる。なお、配管５の内面と外面の温度差は、配管５の内部に冷却媒体を封入する場合よりも流通させる場合の方が大きくなる。
【実施例５】
【００５２】
本発明に係る応力改善方法の実施例５を説明する。
【００５３】
本実施例は、配管５のひび割れ箇所の補修と超音波探傷法によるその後のひび割れの発生の有無の検査に好適な例であり、肉盛部３の被改善箇所を含む領域と応力改善入熱領域の厚さをほぼ同じにした例である。この場合、例えば先に図１１に示したように、配管５の内面の軸方向応力が引張側に増加する領域Ｌ１〜Ｌ４への総入熱量に対して、配管内面の軸方向引張応力を改善する領域Ｌ５〜Ｌ７への総入熱を大きくする。その際、溶接金属の供給速度を調整して領域Ｌ１〜Ｌ７の肉盛厚さの変動を抑える。領域Ｌ５〜Ｌ７への総入熱量が他の領域Ｌ１〜Ｌ４に比べて大きくなることにより、被改善箇所の配管内面に残留する軸方向引張応力を改善することができる。
【００５４】
本実施例においても、実施例４と同様、配管５のひびを覆う配管外面に肉盛溶接する。このとき、図１１における領域Ｌ１〜Ｌ４に相当する領域２のみの外面に肉盛溶接した場合には被改善箇所の内面の引張応力が増加してしまうので、領域Ｌ５〜Ｌ７に相当する応力改善入熱領域１の外面により高い溶接入熱を与えて肉盛溶接すると、被改善箇所の配管内面の引張残留応力を改善することができる。
【００５５】
例えばＴＩＧ溶接の場合、ワイヤー（溶接金属）の供給量を調節することによって、同じ入熱量でも同じ積層量を溶接するのに要するパス数が異なってくる。入熱量と溶接速度が同じ場合、ワイヤー（溶接金属）の供給量が少なくなるほど同じ積層高さを溶接するのに必要となる溶接パス数が多くなる。溶接パス数の増加は、同じ積層高さを溶接するための総入熱量の増加を意味する。したがって、同じ肉盛厚さにするにしても、応力改善入熱領域２では溶接パス数が増加する条件で肉盛溶接することにより、被改善部の配管内面の引張残留応力を改善することができる。
【００５６】
また、本実施例も図１２に示したような溶接装置により施工可能である。その場合、実施例４と同じ要領で領域Ｌ１〜Ｌ４に肉盛部３を形成した後、領域Ｌ５〜Ｌ７の肉盛部を単位長さ当たりの溶接パス数が増加するような条件で形成していく。例えば、応力改善入熱領域２では、溶接電流・溶接電圧・溶接速度を領域Ｌ１〜Ｌ４の肉盛溶接と同じ条件に設定し、単位時間当たりのワイヤー（溶接金属）の供給量を遅くする（例えば１／２程度にする）。溶接金属の供給量を１／２にした場合、応力改善入熱領域２において、領域Ｌ１〜Ｌ４と同じ厚さに肉盛溶接するのに要する溶接パス数は２倍になる。また、単位溶接幅当たりの総入熱量も２倍になる。
【００５７】
本実施例において、応力改善入熱領域２が領域Ｌ１〜Ｌ４よりも高い溶接入熱を与えられ高い収縮力を有していることを確認する方法として、領域Ｌ１〜Ｌ４と領域Ｌ５〜Ｌ７（応力改善入熱領域２）のデンドライト組織の大きさを比較する方法がある。より多くの熱を与えられた領域では、それだけデンドライト組織が広くなる。そこで、デンドライト組織の間隔から収縮力の大きさを判定することが可能となる。
【実施例６】
【００５８】
本発明に係る応力改善方法の実施例６を説明する。
【００５９】
本発明は、既設配管に適用可能な前出の実施例１，３−５を沸騰水型原子力発電プラントの冷却水配管に適用する例である。この場合、図１２又は図１３の配管５が沸騰水型原子力発電プラントの既設の冷却水配管（再循環系配管等）であるとして、定期検査等でプラントを停止させた後、配管５の外面に肉盛溶接を行うことにより、被改善箇所の配管内面に圧縮残留応力を付与し応力腐食割れを抑制することができる。本実施の形態では特に、配管５が冷却水配管であるため、流通する冷却水により配管５の内面を効率的に冷却することができる。他の実施例と同様の効果の他、冷却に追加の装置を設定する必要がない点も大きなメリットである。勿論、冷却水の循環にもプラントに設置されている再循環ポンプが利用できるため、施工に際して用意する機材が少なく段取り時間が短時間で済む点もメリットが高い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】外面に肉盛溶接した配管のモデル図である。
【図２】配管寸法や溶接条件の異なる４つのケースにつき配管内面の周方向及び軸方向の応力分布を測定した結果を示す図である。
【図３】図２のグラフの横軸を配管の外半径と板厚を用いて無次元化したグラフである。
【図４】配管のモデル図である。
【図５】配管外面の肉盛溶接のモデル図である。
【図６】肉盛溶接と残留応力の関係を示した要因効果図である。
【図７】配管内面の軸方向の引張応力を改善するための最適な肉盛溶接のモデル図である。
【図８】ウェルドオーバーレイ工法で用いられる一般的な肉盛溶接のモデル図である。
【図９】本発明の概念に基づいて施工したウェルドオーバーレイ工法による肉盛溶接のモデル図である。
【図１０】図７、図８、図９に示した断面形状の肉盛溶接を配管外面に施工した場合の配管内面の軸方向応力分布を示す図である。
【図１１】本発明の概念に基づいて施工したウェルドオーバーレイ工法の他の例による肉盛溶接のモデル図である。
【図１２】本発明に係る応力改善方法の実施例１の施工の様子を表した模式図である。
【図１３】本発明に係る応力改善方法の実施例２の施工の様子を表した模式図である。
【符号の説明】
【００６１】
１        応力改善入熱領域
２        被改善箇所を含む領域
４        ＴＩＧトーチ
５        配管
６        被改善箇所
７        レール
８        移動機構
９        ケーブル
２０      配管
Ｏ        被改善箇所
Ｌ１〜４  被改善箇所を含む領域
Ｌ５〜７  応力改善入熱領域
Ｒ        配管の外半径
ｔｐ      配管の厚さ
【図１】
2009012030.tif 000004
【図２】
2009012030.tif 000005
【図３】
2009012030.tif 000006
【図４】
2009012030.tif 000007
【図５】
2009012030.tif 000008
【図６】
2009012030.tif 000009
【図７】
2009012030.tif 000010
【図８】
2009012030.tif 000011
【図９】
2009012030.tif 000012
【図１０】
2009012030.tif 000013
【図１１】
2009012030.tif 000014
【図１２】
2009012030.tif 000015
【図１３】
2009012030.tif 000016