水車メンテナンス・ミニ特集

鋳鋼製水車部品の溶接補修方法および適用基準の確立
石井順 *Jun Ishii

水力発電用水車部品の延命化を図る手段として、非破壊検査においては欠陥検出能力向上のため新しい技術の開発が行われており、さらに余寿命評価解析ではその解析結果の信頼性向上を目指した残存寿命評価システムが開発されるなど、より精度の高い余寿命を評価できるようになってきた。
関西電力株式会社殿と当社は、このように評価された余寿命に対し、更新に比べて費用および工期等の点から比較的容易な溶接補修を施工して延命化を図ることを目的として、該当部品の主な素材である鋳鋼に関する溶接施工方法の確立について共同研究を実施した。その材料特性や溶接施工方法、補修を適用する判断基準などの成果について報告する。

キーワード：水力発電、水車、ケーシング、ステーベーン、鋳鋼、アーク溶接、溶接補修、低温割れ、予熱、後熱、炭素当量、溶接割れ感受性組成1.

補修による延命化が望まれている。高経年水車部

はじめに品の多くは造型が容易な鋳物で製作されており、水力発電所には，運転開始後 50 年を越える発

一般的に鋳物の溶接技術は圧延材の溶接技術と異電設備が数多く存在し、長期間の使用による劣化なる部分が多い。そこで今回、関西電力（株）殿や欠陥の発生が各所で確認されている。この欠陥との共同研究により、残存寿命が短いと判定されの検出は超音波探傷検査（UT）などによる非破た高経年の鋳鋼製水車ケーシング・ステーベーン壊検査により実施し、その欠陥の位置および大きの延命化に対する手法として、溶接補修技術を評さなど把握している。さらに、その欠陥につい価した。て残存寿命評価システムを用いた余寿命診断を行
2.

い、精度の高い更新時期の選定が可能になりつつある。

2.1

鋳鋼製水車部品経年材に対する溶接

水車部品経年材の現状

しかし、発電設備、特に水車ケーシングおよび昭和初期に製造された鋳鋼製水車部品は、当時ステーベーンは、設備更新に際して大規模な工事の製作、検査技術により製造されているため、現となるため、最適な設備更新時期の見極めと共に、在の JIS 規格とは異なり、不純物や欠陥を含むも＊研究開発事業部生産技術部次長

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のが多く、溶接性が劣ると考えられる。しかしながら、これまで高経年の鋳鋼製水車部品に対す溶接補修が実施されていないため、それに対する明確な知見がないのが現状である。

2.2

鋳鋼の溶接性について

鋳鋼は溶接性を考慮せずに製作されている傾向があるため、溶接性を始め機械的性質を重視して製作された圧延鋼と同等の化学成分であっても溶接性が劣ると考えられる。すなわち、鋳鋼は鋳造

図1

使用溶接電源組織であるため結晶粒が大きく、炭素量が大きい
ものは溶接の際に熱影響部が硬化し、低温割れがZ3212 D5016）と極低水素系溶接材料（JIS Z3212発生しやすい。また、溶接の予熱温度は、母材のD5016） の 2 種 類 を 選 定、 比 較 し た。 ま た、 使

化学成分により異なり、炭素量の増加とともに高用した MAG 溶接用の溶接材料は、 高張力鋼用くする必要がある。そのため鋳鋼の溶接方法、溶MAG 溶 接 ソ リ ッ ド ワ イ ヤ（JIS Z3312 YGW16)、接材料、溶接条件の選定に当たっては、以上の点CO2 溶接フラックス入りワイヤ（JIS Z3313 YFW-を十分に考慮する必要がある。

C50DM）の 2 種類を選定、比較した。

3. 鋳鋼製水車部品経年材への溶接補修の適用性
評価
3.1

3.3

実機鋳鋼材の成分調査

鋳鋼の溶接補修において、補修対象である高経溶接施工方法の選定

年の老朽化した水車ケーシングおよびステーベー

溶接施工方法は、各施工法の長所および短所をンの成分分析は不可欠であり、また、溶接補修適調査し、さらに比較的機材準備が容易であるなど用判断基準を確立するためにも、実機成分に即し現地における施工を考慮して、被覆アーク溶接た試験体を製作して溶接試験を実施する必要があ（SMAW）とガスシールドアーク溶接（MAG 溶接、る。

GMAW）の 2 種類を選定した。本試験にて使用したそれぞれの溶接電源を図 1 に示す。

そこで、昭和初期に建設された K3 発電所 1 号機、M 発電所 1 号機、K 発電所 1 号機の 3 ユニットの成分分析を実施した。成分分析に当っては、

3.2

溶接材料の選定

対象部材表面の塗料および汚れなどをグライン

溶接材料は、溶接の対象としている部材と同一

ダーなどで除去した後、ドリルなどにより切粉を成分の溶接材料を選定することが原則である。ま採取し、これを持ち帰り分析を行った。表 1 にた、低温割れを防止するために、極力水素を減ら成分分析結果を示す。

した低水素系溶接材料、さらには極低水素系の溶

これら成分分析の結果より、溶接時の割れ感受接材料を選定するのが望ましいと考えられる。

性を示す割れ感受性組成（PCM）は 0.4％以下であ

そこで、本試験に使用した溶接材料は、被覆ることと、不純物であるリン（P）および硫黄（S）

アーク溶接用は高張力鋼用低水素系溶接材料（JISが現在の JIS 規格をオーバーしているものが存在̶ 14 ̶表1実機発電所サンプル材成分分析結果（wt％）

することが確認された。なお、PCM は以下式 1 で3.4表される。

3.4.1

新規製作材による溶接補修の適用性試験
試験目的および内容実機の成分分析結果に基づき PCM を基準に成Si Mn Cu Ni Cr Mo V+++ +++ + 5B
30 20 20 60 20 15 10分の異なる試験体を 5 種類製作し、割れ発生防………式 1

止予熱温度を選定するため y 型割れ試験片（JIS元 々、 鋳 鋼 の 規 格 で は 炭 素（C）、P お よ び S

Z3158）を採取し、試験を行った。その試験結果しか規定されていないが、成分分析結果がこのから、母材成分および予熱温度による溶接補修適規格を逸脱しているものは P と S である。これ用基準を確立することにした。

PCM = C +らが溶接金属中へ溶け込むと、溶接金属の硬度を高めて延性およびじん性を阻害して割れを発3.4.2試験体の製作生しやすくさせることが知られている。特に P

溶接割れ感受性組成（PCM）をパラメータとしは低融点化合物を生成しやすく、溶接金属の凝て、一般的な炭素鋼の値から実機成分分析で明ら固中に結晶粒界に濃縮して生成するため、粒界かになった高めの値までを網羅するように、PCM割れが生じやすくなる。このような不純物の混が 0.1％ずつ異なる、0.1、0.2、0.3、0.4％を目標入の原因として、製造年代の古いものでは、鋳とする 4 種類の鋳鋼製試験体を製作した。さらに、造時の湯流れ向上のため、P や S を多く添加する

これらのうち一般的な炭素鋼に多い PCM が 0.2％ことがあり、また不純物となるこれら成分の除のものについては、P および S をそれぞれ 0.1％去、精錬技術が当時はまだ確立されていなかっ含有させた試験体も製作し、不純物が溶接性に与たためではないかと考えられる。また、PCM は式える影響を調査した。

1 からも分かるように C 量に大きく依存し、C 量が高ければ PCM も高くなり、より溶接割れを発生

3.4.3

試験結果しやすいことを示している。したがって、PCM のy 型割れ試験の結果を表 2 に示す。表 3 には試高い材料を溶接する場合には予熱温度を高くし験体 No.3 に対する被覆アーク溶接の試験結果のて割れを防止するのが一般的であるが、作業性一例を示す。などの点からなるべく予熱温度を上げずに割れ割れ防止に大きな影響を及ぼす予熱は、予熱なを防止する施工法が必要であると考えられる。

し、50℃、100℃とし、それ以上は周辺機材への影響、変形、さらには狭隘部での溶接環境などを̶

15 ̶

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表2y 型割れ試験結果
溶接方法および溶接材料

試験体

P CM 値

SMAW

予熱温度
ANo.1

0.11

No.20.20

No.30.29

No.4No.50.430.19(P,S:0.1 ％)

GMAW
BC

D
○なし

○○

○50 ℃

○○

○

○

なし

○○

○

○50 ℃

○○○

○なし

○○

○

○なし

××××50 ℃

××××

100 ℃

×○××なし−○−−○：割れなし ×：割れあり −：未試験
溶接材料：
A =低水素系溶接棒、B =極低水素系溶接棒、C =ソリッドワイヤ、D =フラックス入りワイヤ

表 3 y 型割れ試験状況（一例）

̶16 ̶

考慮し対象外とした。表 2 に示したように、被予熱温度について、PCM ≦ 0.3％では予熱なし

覆アーク溶接用の極低水素系溶接材料が最適な溶でも施工可能であることを確認したが、補修対象接方法であることが確認できた。本溶接材料を用が水車のケーシングおよびステーベーンであるこいた場合、PCM が 0.3％程度までは予熱なしでも割とから、残存する水分を確実に除去するためにれが発生することなく溶接可能であり、PCM が 0.4％100℃以上とした。

程度になると 100℃以上の予熱が必要であることがわかった。さらに、PCM が 0.2％程度である場合、3.5

不純物の影響により溶接性が大きく変わらないことを試験体 No.5 より確認することができた。

鋳鋼製経年材に対する溶接試験

上記の評価結果に基づき、入手した鋳鋼製水車のステーベーン経年材（経年 70 年以上、PCM 値0.3％相当）に対して、3.4.4 項に示した施工条件

3.4.4

鋳鋼製水車部品の溶接補修適用基準

にて溶接試験を実施した。

本試験の結果より、鋳鋼製水車部品を補修溶接

その結果、溶接性に問題はなく、硬さ試験、引する場合の溶接補修適用基準を以下に示すとおり張試験でも問題のないことを確認した。図 2 にとした。

溶接試験結果を、図 3 に硬さ試験結果をそれぞ

溶接方法：被覆アーク溶接

れ示す。

溶接材料

：JIS Z3212 D5016、AWS A5.1

4.

E7016、極低水素系溶接材料
予熱温度：100℃以上

まとめ

鋳鋼製高経年の老朽化した水車ケーシングおよ

溶接補修対象：鋳鋼製水車部品（ただし、PCMびステーベーンの溶接施工方法、溶接補修適用基≦ 0.4％のみ）

準を確立した。今後は、この手法に基づいて鋳鋼

図2

高経年鋳鋼財の水車ステーベーンに対する溶接試験

̶ 17 ̶

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硬さ分布計測位置

300

被覆MAG

250

Hv

200････････････････
母材

溶接金属

150
10050HAZ

溶接金属

母材

0HAZ

135791113151719測定点

図３ 硬さ試験結果

製水車ケーシングの補修を行い、残存寿命の延命

参考文献化を図ると共に、長期にわたる信頼度の維持と価（1）仁熊、副島、「現代溶接技術大系 25格競争力の両立を図る。

鋳鋼・鋳鉄溶接のかんどころ」、産報出版

5. 謝 辞（2）柴田、田村、「新版本試験は関西電力 ( 株 ) 殿との共同研究により鋳物の溶接」、( 株 ) 産報遂行しましたが、溶接試験のため製造および運用（3）溶接学会、「溶接･接合技術」、産報出版

開始後 50 年以上経過した貴重な高経年材料をご（4）接合・溶接技術 Q&A1000 編集委員会、「接合・提供いただき、また成分分析には実機水車部品か溶接技術 Q&A 1000」、産業技術サービスセらのサンプル採取など多大なるご協力をいただきンター（5）溶接学会編、「溶接･接合便覧」、丸善 ( 株 )ました。ここに感謝の意を表します。

研究開発事業部
次長

生産技術部

石井 順
TEL. 045-759-2120
FAX. 045-759-2155

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