(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管若しくは管状容器等の中空体の溶接部の残留応力低減方法において、
磁界とアーク電流とにより中空体周方向に発生する運動エネルギを利用して、中空体の環状溶接部近傍と対面配置したアーク発生手段により発生したアークを高速回転させ、該アーク発生手段により発生した高速回転アークにより、前記環状溶接部近傍を一側から加熱して、中空体内若しくは外面側の引張り残留応力を低減するのに必要な温度差を前記中空体内外周面間に発生させた事を特徴とする溶接残留応力低減方法。
【請求項２】
配管若しくは管状容器等の中空体の溶接部近傍の残留応力低減装置において、
中空体の環状溶接部近傍と対面配置したアーク発生手段と、該アーク発生手段と中空体溶接部近傍間に発生させたアーク電流と中空体軸方向に形成させた磁界を利用して中空体周方向に運動エネルギを発生させる手段とを備えた事を特徴とする溶接残留応力の低減装置。
【請求項３】
前記アーク発生手段が中空体と同心状に周回するリング体若しくは円板であり、前記運動エネルギを発生させる手段が、前記アーク発生手段の軸方向両側に配置したリング状コイルであり、該コイルにコイル電流を流して中空体軸方向に磁場を形成し、一方前記アーク発生手段と中空体間に直流電源を接続させて電圧を印加させた事を特徴とする請求項２記載の溶接残留応力の低減装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種配管や炉内機器の溶接部近傍を応力腐食割れから防止する残留応力低減方法とその装置に係り、特に配管や炉内機器溶接部近傍内面側の引き張り残留応力を圧縮側に低減・改善する溶接残留応力低減方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば原子力発電プラントにおいて、オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基金合金等で構成された配管や炉内機器等の管状容器は、内面側に高温純水と接触する配管や機器の表面側に降伏応力を越える引っ張り残留応力が発生し、応力腐食割れを起こす可能性がある。
即ち、より具体的に説明するに、配管等の管又は管状容器の突周溶接部近傍の内面では周方向、軸方向ともに引張り残留応力状態となっており、この内面の引張り残留応力の存在は、応力腐食割れ性能の低下等を招く。このため引張り残留応力を低減ないし圧縮状態にすることが望まれている。
【０００３】
このため、従来より種々の残留応力低減方法が提起されている。
先ず図５に示す従来技術は水冷溶接法と呼ばれるもので、配管２１の溶接継手２１ａの内面側に冷却水２２を流しながら溶接を行い、配管２１の板厚方向に温度勾配を発生させ、溶接後の引張り残留応力を低減する方法で、１層目２３は水中溶接を行った後、２層目若しくは３層目以降２４に水冷溶接を行うある。
しかしながらかかる従来技術によれば、管内面側で通水する必要があるため、適用に制限がり、特に現地施行においては適用困難な場合が多い。
【０００４】
図６に示す従来技術は高周波誘導加熱方法と呼ばれるもので、配管３１の溶接部３２対象部位の板厚方向に所定の温度差が生じるように、配管３１内面を水冷しながら外面側を高周波誘導加熱コイル３３を利用して誘導加熱で昇温した後、加熱を停止し、配管３１板厚方向がほぼ均一な室温程度の温度となるまで内面の水冷を続ける結果、配管内面の引張り残留応力を低減する方法である。
【０００５】
かかる従来技術においても管内面を水冷する必要があり、適用に制限があるのみならず、装置が大規模になり現地施行が困難である。
又高周波誘導加熱は、配管全周にわたる加熱方式であり、急速に行うためには誘導加熱容量が大きくなり、また、全周にわたっての均一化は困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、配管若しくは管状容器等の中空体の溶接部近傍の残留応力を低減するために、配管全周にわたる加熱を簡単な装置構成で均一且つ急速に行う事の出来る残留応力低減方法とその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、配管若しくは管状容器等の中空体の溶接部の残留応力低減方法において、
磁界とアーク電流とにより中空体周方向に発生する運動エネルギを利用して、中空体の環状溶接部近傍と対面配置したアーク発生手段により発生したアークを高速回転させ、該アーク発生手段により発生した高速回転アークにより、前記環状溶接部近傍を一側から加熱して、中空体内面若しくは外面側の引張り残留応力を低減するのに必要な温度差を前記中空体内外周面間に発生させた事を特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記した請求項１記載の発明を効果的に達成するための装置に関する発明で、中空体の環状溶接部近傍と対面配置したアーク発生手段と、該アーク発生手段と中空体溶接部近傍間に発生させたアーク電流と中空体軸方向に形成させた磁界を利用して中空体周方向に運動エネルギを発生させる手段とを備えた事を特徴とする。
【０００９】
そして好ましくは、前記アーク発生手段が中空体と同心状に周回するリング体若しくは円板で構成され、前記運動エネルギを発生させる手段が、前記アーク発生手段の軸方向両側に配置したリング状コイルであり、該コイルにコイル電流を流して中空体軸方向に磁場を形成し、一方前記アーク発生手段と中空体間に直流電源を接続させて電圧を印加させて構成される。
【００１０】
即ち、より具体的には、中空体内面側の引張り残留応力を低減させる場合は、中空体外周側にリング円状のアーク発生リングを配置し、該リングを挟むようにして磁場形成用の一対のリングコイルを配置してアークが円周方向に高速回転しながら環状溶接部外周側を均一に急速加熱させれば良く、又中空体外面側の引張り残留応力を低減させる場合は、中空体内周側に円板状のアーク発生板を配置し、該発生板を挟むようにして磁場形成用の一対のリングコイルを配置してアークが円周方向に高速回転しながら環状溶接部内周側を均一に急速加熱させれば良い。
【００１１】
本発明によれば、コイル磁場とアーク電流により、中空体周方向にアーク駆動力(回転力)が働き、そして該アークによる加熱エネルギーは極めて大きく且つ高速に周回するために、例えば中空体内面側の引張り残留応力を低減させる場合は、溶接部が溶融することなく管外面側が急速に加熱され、中空体内面側の引張り残留応力を低減するのに必要な温度差を前記中空体内外周面間に発生させる事が出来る。
【００１２】
これにより前記中空体内外周面間の板厚内で固有ひずみを再分布させ、内面側の引張り残留応力を低減させることが可能となり、配管内面側溶接部近傍の引張り残留応力の低下により、耐腐食割れ性、耐疲労性、耐脆性、破壊性等の溶接部の改善が期待できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、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。
図１は本発明の実施形態にかかる配管の残留応力低減装置で、特に内面側の引張り残留応力を低減させる装置に関する。
１はステンレス材からなる配管で、その中央部に突き合わせ溶接にて環状に溶接部１ａが形成されている。
３はアーク発生用のリング状電極で、前記配管１側の環状溶接部１ａ近傍と対面して囲撓する如く、該配管１外周側に配管１と同心状に配設するとともに、内周側をナイフエッジ状に薄肉化して、配管１側に向けアークが飛びやすい形状にしている。又前記リング状電極３と配管１間には直流電源４が接続され、環状溶接部１ａ近傍とリング状電極３との間にアーク５を発生（アーク５は一点で発生）可能に構成している。
２、２は、前記リング状電極３を挟むように配置した磁場形成用の一対のリングコイルで、該コイル２、２に円周方向に同一方向にコイル電流を流して中空体軸方向に磁場を形成可能に構成している。
【００１４】
かかる構成によれば前記磁場発生用コイル２、２にコイル電流を流した状態でリング状電極３に直流電源４を印加させることにより、前記一対のコイル２、２間に中空体軸方向に磁場が形成され、一方環状溶接部１ａとリング状電極３との間にアーク５が発生（アーク５は一点で発生）するとともに、前記アーク電流が環状溶接部１ａ側に流れる事により、ファラデーの法則により、前記アーク５に円周方向に運動エネルギーが発生し、リング状電極３により発生したアーク磁場発生用コイル２、２のコイル電流の流れに沿って円周状に高速回転され、これにより環状溶接部１ａが均一加熱される。
【００１５】
尚、リング状電極３の配設位置は、残留応力を低減しようとする部分であれば、特に限定されず溶接部１ａ近傍であればよい。
即ち本実施形態はリング状電極３と配管１との間にアーク５を発生し、同時にコイル２、２にもコイル電流を流して磁場を作り、アーク５を電磁力で配管周方向に高速回転させる。高速回転させたアーク５で管周方向に均一かつ急速な加熱を行い、管の板厚方向に所定の温度差ΔＴを発生させる。残留応力低減のために必要な温度差ΔＴは下の（１）式より求められる値以上とする。
ΔＴ≧｛４Ｖｙ（１−γ）｝／Ｅ・α          （１）
ただしＶｙ：降状応力、Ｅ：ヤング率、α：線膨張係数、γ：ポアソン比。
【００１６】
次にかかる実施形態に基づく実施例を説明する。
供試材料として、外径６０ｍｍ、肉厚８，７ｍｍのＳＵＳ３１６溶接配管１を用いた。
又リング状電極３の材料としてタングステンを用い、配管溶接部１ａ外表面との距離を１〜２ｍｍに設定した。
リング状電極３の上下両側に配した磁場形成用コイル２、２には線径１，２ｍｍの導線を用い、巻き数をそれぞれ２１０ターンとした。
ＳＵＳ３１６管の降状応力を２０５Ｎ／ｍｍ程度として前記（１）式より残留応力低減に必要な管内外の温度差ΔＴを２００°Ｃ以上と計算した。
【００１７】
又供試溶接配管１の溶接部１ａ内外面で温度差２００°Ｃ以上となるよう、コイル電流２０Ａ以上、アーク電流５０〜１００Ａの条件で、溶接ビード中央を外表面側から加熱した。
この条件で加熱した場合、管内外面における温度履歴を図２に示す。これより、加熱開始後約４０秒程度で２００°Ｃ以上の温度差が生じたことが理解できる。
【００１８】
即ち、コイル２、２の磁界でアーク５を高速回転させ、配管溶接部１ａを外表面側から均一かつ急速に加熱する本法より、内面側の引張り残留応力を低減するのに必要な温度差を発生することができた。
本実施形態により加熱処理を施した後の溶接部１ａ近傍の残留応力測定結果を図３(Ａ)、未処理配管溶接部１ａの残留応力測定結果を図３(Ｂ)に示す。
図３(Ａ)、(Ｂ)を比較すると(Ｂ)の溶接部１ａから１０ｍｍの範囲で最高３０Ｋｇｆ／ｍｍ２程度の引張り残留応力が、(Ａ)では１０Ｋｇｆ／ｍｍ２以下に低減していることがわかる。
【００１９】
本実施形態によれば配管１内面側溶接部１ａの引張り残留応力の低下により、耐腐食割れ性、耐疲労性、耐脆性破壊性等の改善が期待できる。
即ち、図４に示すように、実施形態によれば、磁気によりアーク５を駆動回転させながら加熱する事により、配管１外面側を急速に加熱し、板厚内で固有ひずみを再分布させ、内面側の引張り残留応力を低減させることが可能となる。
【００２０】
図７は本発明の実施形態にかかる配管１の残留応力低減装置で、特に配管１外面側の引張り残留応力を低減させる装置に関する。
本実施例においては、中空体外面側の引張り残留応力を低減させるために、配管１内周側に薄肉円板状のアーク発生電極３を配置し、該発生電極３を挟むようにして磁場形成用の一対の磁場発生用のリングコイル２、２を近傍配置する。
【００２１】
かかる実施例においても円板状電極３と配管１の間にアーク５を電磁力で管周方向に高速回転させるとともに、該高速回転させたアーク５で管周方向に均一かつ急速な加熱を行い管の板厚方向に所定の温度差ΔＴを発生させる。
尚、一般配管１において熱を与えた反対側に引張り残留応力が発生する。従って本実施形態では、内側から溶接あるいは肉盛り等にて配管１外周側に引張り残留応力が発生した場合の適用例である。
【００２２】
このようなケースは内面からしか溶接等できない状況での配管１（例：二重構成で内骨の場合とか、外周側に他の装置が存在する場合）及び外周側に腐食環境下におかれる配管１の場合が考えられる。
かかる実施形態においての実施例の供試材料として内径１０２ｍｍ、肉厚６，０ｍｍの３０４ステンレス金同溶接配管１を用いた。円板状電極３の材料としてタングステンを用い、配管溶接部１ａ内表面との距離を１〜２ｍｍとなるように間隔を調整した。
【００２３】
そして円板状電極３の両側に位置する一対の磁場発生用コイル２、２には線径１，２ｍｍの銅線を用い、巻き数はそれぞれ２１０ターンとした。供試溶接配管１の溶接部１ａ内外面で、残留応力低減に必要な温度差ΔＴを生じるようコイル電流２０Ａ以上、アーク電流５０〜１５０Ａの条件で溶接ビード中央を内表面側から加熱したところ、前記実施例と同様な効果を得ることが出来た。
【００２４】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、コイル２、２の磁界でアーク５を高速回転させ、配管溶接部１ａを内表面側から均一かつ急速に加熱する本法により、配管１外面側の引張り残留応力を低減するのに必要な温度差を発生することができた。配管１外面側溶接部１ａの引張り残留応力の低減により、配管１外周側の耐腐食割れ性、耐疲労性、耐脆性破戒性等の改善が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態にかかる配管の残留応力低減装置で、特に内面側の引張り残留応力を低減させる装置の構成図である。
【図２】  本発明によるアーク加熱による管内外面の温度履歴を示すグラフ図である。
【図３】  (Ａ)は本発明による加熱処理後の溶接部残留応力分布図、(Ｂ)は未処理配管の溶接部残留応力分布図である。
【図４】  磁気によりアークを駆動回転させながら加熱した場合の、配管内外面間の温度分布、板厚内での固有ひずみ分布、引張り残留応力分布の加熱過程と冷却過程を示す。
【図５】  水冷溶接法と呼ばれる従来の残留応力低減装置を示す概略図である。
【図６】  高周波誘導加熱方法と呼ばれる従来の残留応力低減装置を示す概略図である。
【図７】  本発明の実施形態にかかる配管の残留応力低減装置で配管外面側の引張り残留応力低減のための装置構成図である。
【符号の説明】
１    配管
１ａ  環状溶接部
２    磁場形成用の一対のリングコイル
３    発生用のリング状若しくは円板状電極
４    直流電源
５    アーク
【図１】
0003746651.tif 000002
【図２】
0003746651.tif 000003
【図３】
0003746651.tif 000004
【図４】
0003746651.tif 000005
【図５】
0003746651.tif 000006
【図６】
0003746651.tif 000007
【図７】
0003746651.tif 000008