JP2014104487A - 溶接構造及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐孔食性が良好であり、製造コストが低く、かつ溶接部における強度が十分な溶接構造、及びこの溶接構造を形成するための溶接方法を提供する。
【解決手段】管状をなして互いに端面が対向する一対の配管１１、１２と、これら配管の端面同士を溶接する溶接部２０と、を備え、前記溶接部は、前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側及び外側のうち少なくとも一方に設けられ、超高純度鋼材よりなる第一溶接部分２１と、前記端面同士の間において、前記第一溶接部分以外の領域に設けられ、該第一溶接部分よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分２２と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、配管同士を溶接した溶接構造及び溶接方法に関する。

一般的に、配管の溶接構造においては、一対の配管の端面同士が突き合わされ、アーク溶接によって溶接棒を溶接して溶接部が形成される。このように形成された溶接部は、溶接時に生じる残留応力によって耐応力腐食割れ性が劣化する場合がある。また、例えばステンレス鋼材を用いて溶接部を形成した場合には、鋭敏化が生じて耐応力腐食割れ性が劣化することもある。

上記した溶接部の耐応力腐食割れ性を改善するために、特許文献１には、溶接部が耐応力腐食割れ性の高いＳＵＳ３４７などにより構成された溶接構造が開示されている。また、特許文献２には、ステンレス鋼に対して９００℃〜１１００℃の温度範囲で熱処理を行い、母相中におけるＣｒ濃度を上昇させることが開示されている。

実開昭６０−２８６８０号公報 特開平７−２１６４４７

ところで、ダムの放水管（配管）などでは、淡水中において溶接部に孔食が発生することが問題となる場合があり、耐孔食性の改善が求められている。しかしながら、特許文献１に記載の溶接構造では、耐応力腐食割れ性を向上できるものの、耐孔食性を向上させることは困難である。
また、特許文献２に記載の方法では、高温での加熱処理が必要であるため、既に敷設された配管などに適用することはできない。

また、超高純度鋼は、耐孔食性が良好であることが知られており、この超高純度鋼材により溶接部を形成することも考えられているが、超高純度鋼材は高価であるため、製造コストが高くなる問題がある。また、超高純度鋼材は不純物を含まないため強度が他のステンレス鋼材と比較して低く、溶接部の強度が不十分とされる場合もある。
なお、超高純度鋼材とは、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｍｎ、Ｎａなどの不純物濃度が１００ｐｐｍ以下とされ、極めて高い純度を有する鋼材である。

この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、耐孔食性が良好であり、製造コストが低く、かつ溶接部における強度が十分な溶接構造、及びこの溶接構造を形成するための溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の溶接構造は、管状をなして互いに端面が対向する一対の配管と、これら配管の端面同士を溶接する溶接部と、を備え、前記溶接部は、前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側及び外側のうち少なくとも一方に設けられ、超高純度鋼材よりなる第一溶接部分と、前記端面同士の間において、前記第一溶接部分以外の領域に設けられ、該第一溶接部分よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分と、を有することを特徴としている。

本発明の溶接構造によれば、溶接部が、配管の端面同士の間において配管の径方向内側及び外側のうち少なくとも一方に設けられるとともに超高純度鋼材よりなる第一溶接部分を有しているので、淡水などの液体がこの第一溶接部分に接している場合に孔食を抑制することができ、耐孔食性を向上させることができる。したがって、溶接構造の信頼性及び寿命を向上させることが可能である。
さらに、溶接部が、配管の端面同士の間において第一溶接部分以外の領域に設けられるとともに、第一溶接部分よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分を有している。この第二溶接部分は、第一溶接部分よりもコストの低い鋼材で構成されているので、溶接部のすべてが超高純度鋼材で構成されている場合と比較して、製造コストを低減することができる。さらに、超高純度鋼材は、不純物が少ないため強度が低いが、溶接部が超高純度鋼材よりも純度の低い鋼材で構成された第二溶接部分を有することによって、溶接部として十分な強度を確保することが可能である。

また、本発明の溶接構造は、前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側に前記第一溶接部分が設けられ、前記端面同士の間において、前記配管の径方向外側に前記第二溶接部分が設けられていても良い。
配管の内側には、淡水などの液体が流れ耐孔食性が必要とされるが、上記の構成の場合には、溶接部において径方向内側に超高純度鋼材で構成された第一溶接部分が設けられているので、耐孔食性が向上する。
さらに、配管においては、径方向外側に曲げの応力やフープ応力などが作用するため、強度が必要とされる場合があり、上記の構成では、溶接部が径方向外側において超高純度鋼材よりも強度が高い第二溶接部分を有しているので、十分な強度を確保することができる。

本発明の溶接方法は、一対の配管の端面同士を突き合わせ、前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側及び外側のうちいずれか一方に、超高純度鋼材よりなる第一溶接部分を設ける工程と、該第一溶接部分よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分を前記第一溶接部分に積層する工程と、を備えることを特徴している。

本発明の溶接方法によれば、配管の端面同士の間において内側及び外側のうちいずれか一方に、超高純度鋼材よりなる第一溶接部分を設ける工程を備えているので、淡水などの液体と接する溶接部の表面側に確実に第一溶接部分を形成することができ、耐孔食性を向上させることができる。また、第一溶接部分よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分を第一溶接部分に積層する工程を備えているので、溶接構造の製造コストを低減するとともに、溶接部の強度を十分に確保することができる。

また、本発明の溶接方法は、前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側及び外側のうちいずれか他方に、さらに前記第一溶接部分を設ける工程と、を備えていても良い。
この場合、溶接部の両表面に第一溶接部分が形成されるので、両面に淡水などの液体が接する場合においても、耐孔食性を向上させることが可能である。

本発明によれば、耐孔食性が良好であり、製造コストが低く、かつ溶接部における強度が十分な溶接構造、及びこの溶接構造を形成するための溶接方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る溶接構造の概略説明図である。 一実施形態に係る溶接構造の断面の概略説明図である。 一実施形態に係る溶接構造の製造方法を示す概略図である。 一実施形態の変形例に係る溶接構造の断面の概略説明図である。

以下に、本発明の実施の形態について添付した図１から図４を参照して説明する。
図１に、本実施形態に係る溶接構造１の概略図を示す。溶接構造１は、図１に示すように、左側に配置された第一の配管１１（配管）と、右側に配置された第二の配管１２（配管）と、これら第一の配管１１と第二の配管１２（一対の配管）を溶接する溶接部２０とを備えている。この溶接構造１は、例えば、第一の配管１１と第二の配管１２との端面同士を突き合わせＶ型開先を形成し、アーク溶接を用いて溶接棒によって第一の配管１１と第二の配管１２を溶接することで形成されている。

第一の配管１１及び第二の配管１２は、管状に形成され、端面同士が対向配置されている。本実施形態においては、これら第一の配管１１及び第二の配管１２は、ダムの放水管とされている。このようなダムの放水管などの配管は内部に淡水が流れるため、良好な耐孔食性が必要とされている。
溶接部２０は、第一の配管１１と第二の配管１２を接合するものであり、周方向全域にわたって形成されている。

図２に、図１の破線で囲う領域の断面（配管の長手方向と平行な断面）の概略説明図を示す。図２に示すように、溶接構造１の溶接部２０は、第一の配管１１及び第二の配管１２の端面同士の間において、径方向（図２において上下方向）の内側（図２において下側）に設けられた第一溶接部分２１と、端面同士の間において、第一溶接部分２１以外の領域に設けられた第二溶接部分２２と、を有している。
すなわち、第一の配管１１及び第二の配管１２の端面同士の間において、径方向内側（図２において下側）に第一溶接部分２１が設けられ、径方向外側（図２において上側）に第二溶接部分２２が設けられている。

第一溶接部分２１は、第一の配管１１及び第二の配管１２の端面同士の間において、径方向内側の全周にわたって設けられている。第一溶接部分２１は、超高純度鋼材で構成されている。この超高純度鋼材は、耐孔食性が良好である。
なお、超高純度鋼材とは、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｍｎ、Ｎａなどの不純物濃度が１００ｐｐｍ以下である鋼材を意味している。より具体的には、オーステナイト系超高純度ステンレス鋼材、マルテンサイト系超高純度ステンレス鋼材、フェライト系超高純度ステンレス鋼材などが挙げられる。

ここで、第一溶接部分２１は、第一の配管１１及び第二の配管１２と同種の鋼材で構成されることが望ましい。例えば、第一の配管１１及び第二の配管１２がオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている場合には、第一溶接部分２１は、オーステナイト系超高純度ステンレス鋼で構成されていることが望ましい。

第二溶接部分２２は、第一の配管１１及び第二の配管１２の端面同士の間において、径方向外側の全周にわたって設けられている。この第二溶接部分２２は、第一溶接部分２１よりも純度の低い鋼材で構成されている。
ここで、第二溶接部分２２は、第一溶接部分２１と同系の鋼材で構成されていることが望ましい。例えば第一溶接部分２１がオーステナイト系超高純度ステンレス鋼で構成されている場合には、第二溶接部分２２が一般的な不純物量を含有するオーステナイト系ステンレス鋼で構成されていることが望ましい。

本実施形態においては、溶接部２０の径方向内側が超高純度鋼材からなる第一溶接部分２１で構成され、溶接部２０の径方向外側が第一溶接部分２１よりも純度の低い鋼材からなる第二溶接部分２２で構成されており、不純物の多い第二溶接部分２２の方が、第一溶接部分２１よりも強度が高い。すなわち、溶接部２０の径方向内側よりも外側の方が、強度が高くなっている。

次に、本実施形態に係る溶接方法について、図３を用いて説明する。なお、図３においては、製造される溶接構造１の一部の断面（配管の長手方向と平行な断面）を例示している。
まず、図３に示すように、第一の配管１１と第二の配管１２の端面の開先同士を突き合わせ、Ｖ型開先となるように配置する。

次に、アーク溶接を用いて、超高純度鋼材で構成された溶接棒によりＶ型開先に溶接し、周方向にわたって、端面同士の間の径方向内側の部分に、第一溶接部分２１を形成する。
なお、第一溶接部分２１を形成する際のアーク溶接の施工回数は、一回でも複数回でも良い。また、アーク溶接は、例えばＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接などを採用すれば良い

次いで、アーク溶接を用いて、超高純度鋼材よりも純度の低い鋼材で構成された溶接棒により、第一溶接部分２１に積層するように溶接し、第二溶接部分２２を形成する。
なお、第一溶接部分２１を形成する際のアーク溶接の施工回数は、一回でも複数回でも良い。図示例では、複数回のパスによってビード２３を積層し、第二溶接部分２２を形成する場合を示している。
上記のようにして、本実施形態である溶接方法が完了し、溶接構造１が得られる。

以上のような構成とされた本発明の溶接構造１によれば、溶接部２０が、この溶接部２０において径方向内側に設けられるとともに超高純度鋼材よりなる第一溶接部分２１を有しているので、淡水などの液体が配管の内部を流れ第一溶接部分２１に液接する場合に孔食を抑制することができ、耐孔食性を向上させることができる。したがって、溶接構造１の信頼性及び寿命を向上させることが可能である。

さらに、溶接部２０は、この溶接部２０における径方向外側に設けられ第一溶接部分２１よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分２２を有しており、この第二溶接部分２２は、第一溶接部分２１よりもコストの低い鋼材で構成されているので、溶接部２０のすべてが超高純度鋼材で構成されている場合と比較して、製造コストを低減することができる。

さらに、超高純度鋼材は、不純物が少ないため強度が低いが、溶接部２０が、この溶接部２０における径方向外側に設けられ超高純度鋼材よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分２２を有することによって、配管のような曲げ応力やフープ応力が作用する場合においても、溶接部２０として十分な強度を確保することが可能である。

また、本実施形態において、望ましくは、同系の鋼材で第一の配管１１、第二の配管１２、第一溶接部分２１、及び第二溶接部分２２を構成する構成とされているので、さらに耐孔食性を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態である溶接構造及び溶接方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、この発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

なお、上記の実施形態においては、配管同士を突き合わせて溶接する場合について説明したが、構造部材同士を突き合わせて溶接する場合であれば、本発明を適用することができる。

また、上記の実施形態では、溶接部は、第一の配管及び第二の配管の端面同士の間において、配管の径方向の内側に設けられた第一溶接部分と、端面同士の間において、外側に設けられた第二溶接部分と、を有している場合について説明したが、図４に示すように、溶接構造１０１の溶接部１２０がさらに径方向外側（図４において上側）に設けられた第一溶接部分２１を有する構成とされても良い。この場合には、溶接部１２０において一方側及び他方側が超高純度鋼材で構成されることになるので、溶接部１２０の一方側及び他方側に淡水などの液体が接する場合でも、孔食を確実に抑制することができる。

また、溶接部は、一対の配管の端面同士の間において、径方向の外側に設けられた第一溶接部分と、端面同士の間において、径方向の内側に設けられた第二溶接部分と、を有している構成としても良い。

また、上記の実施形態では、ダムの放水管を構成する配管同士を溶接する場合について説明したが、種々の配管の溶接に本発明を適用することができる。

また、上記実施の形態においては、Ｖ型開先として構造部材同士（配管）を溶接する場合について説明したが、これに限定されることはなく、例えばＸ型開先やＵ型開先の構造部材同士を溶接する構成としても良い。

１、１０１ 溶接構造
１１ 第一の配管（配管）
１２ 第二の配管（配管）
２０、１２０ 溶接部
２１ 第一溶接部分
２２ 第二溶接部分

Claims (4)

1. 管状をなして互いに端面が対向する一対の配管と、これら配管の端面同士を溶接する溶接部と、を備え、
   前記溶接部は、
   前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側及び外側のうち少なくとも一方に設けられ、超高純度鋼材よりなる第一溶接部分と、
   前記端面同士の間において、前記第一溶接部分以外の領域に設けられ、該第一溶接部分よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分と、を有することを特徴とする溶接構造。
2. 前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側に前記第一溶接部分が設けられ、
   前記端面同士の間において、前記配管の径方向外側に前記第二溶接部分が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造。
3. 一対の配管の端面同士を突き合わせ、前記端面同士の間において、前記配管の径方向内側及び外側のうちいずれか一方に、超高純度鋼材よりなる第一溶接部分を設ける工程と、
   該第一溶接部分よりも純度の低い鋼材よりなる第二溶接部分を前記第一溶接部分に積層する工程と、を備えることを特徴とする溶接方法。
4. 前記端面同士の間において、前記構造部材の径方向内側及び外側のうちいずれか他方に、さらに前記第一溶接部分を設ける工程と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。

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