JP2020082147A

JP2020082147A - 管材の溶接方法

Info

Publication number: JP2020082147A
Application number: JP2018221647A
Authority: JP
Inventors: 修城戸; Osamu Kido; 昌光橋本; Masamitsu Hashimoto; 透黒川; Toru Kurokawa
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-06-04

Abstract

【課題】枝管の取り付け寸法を精度良く維持しつつ、溶接部のクリープ強度を向上させることができる管材の溶接方法を提供する。【解決手段】高クロム鋼からなる母管と枝管を１０４０℃以上の温度で焼ならし処理した後（ステップＳ１）、母管と枝管の開先加工を実施（ステップＳ２）してから、母管と枝管を３００℃以上の温度に予熱処理したまま（ステップＳ３）、母管と枝管を溶接する（ステップＳ４）。そして、溶接後に母管と枝管を２００℃以上に維持したまま熱処理炉まで搬送し（ステップＳ５）、当該熱処理炉で母管と枝管を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しする（ステップＳ６）。【選択図】図３

Description

本発明は、ボイラ装置における熱交換器の管寄のように、母管に多数の枝管を溶接して接合する管材の溶接方法に係り、特に、高温強度の高い高クロム鋼からなる管材の溶接方法に関する。

一般的にボイラ装置では、火炉天井壁の上部に設けられたペントハウス内に管寄やマニホールドを収納し、天井部よりも下方の火炉内に熱交換器（過熱器や再過熱器）を構成する伝熱管を吊り下げる構成となっている。

近年、特に大容量の発電用ボイラ装置においては、発電効率向上のために蒸気条件が高温高圧化しつつあり、それに伴って伝熱管や管寄などの管材として、高温強度の高い高クロム鋼が使用されている。高クロム鋼は、鋼材中のクロムの含有量が重量％で９〜１２％のフェライト鋼材であり、１０５０℃前後の焼ならし及び７８０℃前後の焼戻し処理を行うことにより、焼戻しマルテンサイト組織あるいは焼戻しベイナイト組織として高温強度を高めることができる。

高クロム鋼を用いて管寄を構成するには、母管に多数の伝熱管を枝管として溶接する必要がある。ただし、高クロム鋼は溶接時の熱によって母材の金属組織が変化するため、クリープ強度の低い熱影響部が形成されてしまい、この熱影響部が溶接部の弱点部位となってしまう。

このような熱影響部のクリープ強度の低下を抑制する従来技術として、特許文献１に開示されているように、高クロム鋼からなる母管と短管を高クロム鋼と同一組成の溶接材料を用いて溶接した後、高クロム鋼の焼ならし及び焼戻し処理を行い、その後に、短管の先端にフェライト系又はオーステナイト系耐熱鋼の枝管を溶接し、当該溶接部に対しては焼ならし及び焼戻し処理を行わないという溶接方法が知られている。

特許文献１に記載された管材の溶接方法では、高クロム鋼からなる短管を高クロム鋼と同一組成の溶接材料を用いて母管に溶接した後、１０４０℃以上で焼ならし後に７３０〜７８０℃で焼戻しの熱処理を行うことにより、熱影響部の金属組織を母材と同等のものにしてクリープ強度を改善させている。また、短管と枝管との溶接部に対しては焼ならし及び焼戻し処理を行わないため、当該溶接部の強度低下を回復させることはできないが、過大な曲げ荷重の作用する可能性があるのは短管と母管の溶接部であるため、短管と枝管の溶接部での強度低下が問題とならないようにしている。

特許第４０１５７８０号公報

特許文献１に記載された技術は、高クロム鋼からなる母管と短管を溶接した後、焼ならし及び焼戻し処理を行ってクリープ強度を改善させ、その後に短管の先端に枝管を溶接するようにしているため、母管と枝管を接続する短管が必要となり、これら短管と枝管の溶接工程を含めた全体の作業工程が煩雑になるという課題がある。

そこで、短管を省略して高クロム鋼からなる枝管を母管に直接溶接し、溶接後に１０４０℃以上で焼ならし後に７３０〜７８０℃で焼戻しの熱処理を行うことにより、溶接によって低下したクリープ強度を回復させることが考えられる。しかし、母管に多数の枝管を溶接する構造では、焼ならし温度下（１０４０℃以上）で高クロム鋼の強度が低いため、枝管が自重により曲がってしまい、枝管の取り付け寸法が狂うという問題が発生する。

本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、枝管の取り付け寸法を精度良く維持しつつ、溶接部のクリープ強度を向上させることができる管材の溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明による管材の溶接方法は、高クロム鋼からなる母管と枝管を１０４０℃以上の温度で焼ならしのみを実施した後、前記母管と前記枝管に対して３００℃以上の温度で予熱処理を施してから両者間を溶接し、次いで、低温割れ抑止処理を実施した後、前記母管と前記枝管を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しすることを特徴とする。

本発明による管材の溶接方法によれば、枝管の取り付け寸法を精度良く維持しつつ、溶接部のクリープ強度を向上させることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に記載する実施形態の説明により明らかにされる。

ボイラ装置の全体構成図である。本発明が適用される母管と枝管の溶接構造を示す説明図である。第１の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図である。第１の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。第２の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図である。第２の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。第３の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図である。第３の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。第４の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図である。第４の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。第４の実施形態が適用される母管と枝管の溶接構造を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図１０を参照しつつ説明する。

図１はボイラ装置の全体構成図であり、このボイラ装置は、燃料を燃焼する火炉１と、火炉１内で発生した燃焼ガスの流路である燃焼ガス通路２と、火炉１及び燃焼ガス通路２の天井部に設けられたペントハウス３と、を備えている。火炉１の上部に連設された燃焼ガス通路２内には、燃焼ガスの熱を回収するための熱交換器として、一次過熱器４、二次過熱器５、三次過熱器６、四次過熱器７、一次再熱器８、二次再熱器９、節炭器（図示せず）が設けられており、火炉１内で発生した燃焼ガスと熱交換器を流れるボイラ給水との間で熱交換が行われる。給水ポンプから熱交換器に供給されたボイラ給水は、節炭器で予熱された後、火炉壁の水管に供給される間に加熱されて飽和蒸気となる。

火炉１で加熱された過熱蒸気は、一次過熱器４の入口側に導入された後、一次過熱器４である程度過熱されて二次過熱器５に導入される。二次過熱器５に導入された過熱蒸気は、二次過熱器５と三次過熱器６でさらに過熱されて最終の四次過熱器７に導入され、四次過熱器７で所定温度まで昇温された後、四次過熱器７の出口側から排出されて不図示の高圧タービンに供給される。そして、四次過熱器７を出た過熱蒸気により高圧タービンが回転駆動され、高圧タービンで仕事をした蒸気は一次再熱器８の入口側に導入される。高圧タービンから一次再熱器８に導入された蒸気は、一次再熱器８で過熱されてから二次再熱器９に導入され、二次再熱器９で所定温度まで昇温された後、二次再熱器９の出口側から排出されて不図示の低圧タービンに供給される。

このように構成されたボイラ装置において、火炉１及び燃焼ガス通路２の天井部１０は、複数の伝熱管と伝熱管相互を交互に接続することにより製作されている。そして、天井部１０の上部に設けられたペントハウス３内に、吊下げ型の熱交換器である過熱器４，５，６，７や再熱器８，９を構成する伝熱管群の上部と、これら伝熱管群に溶接により接続された管寄及びマニホールドが配置されている。管寄はマニホールドの軸線方向に所定間隔を存して複数設置されており、各管寄から伝熱管群が吊り下げられている。

上記のボイラ装置は、蒸気温度が６００℃級の超臨界圧のボイラ装置であるため、伝熱管や管寄などの管材として、高温強度の高い高クロム鋼が使用されている。図２はペントハウス３内に設置された管寄と伝熱管の説明図であり、同図に示すように、管寄である母管１１に対して多数の伝熱管が枝管１２として溶接されている。これら母管１１と枝管１２は、鋼材中のクロムの含有量が重量％で９〜１２％の高クロム鋼からなり、以下に説明する溶接方法を用いて接合されるようになっている。

図３は本発明の第１の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図、図４は第１の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。

図３と図４に示すように、第１の実施形態に係る溶接方法では、まず、高クロム鋼からなる母管と枝管を１０４０℃以上の温度で焼ならしを実施する（ステップＳ１）。このステップＳ１では、高クロム鋼に対して焼戻し処理を行わず焼ならしのみを実施するため、クリープ強度を向上させることができる。しかし、焼ならし後の高クロム鋼は、硬くて（硬さ：４００ＨＶ程度）脆い（吸収エネルギー：１５Ｊ程度）ため、そのまま溶接すると、溶接後に低温割れが発生してしまう。そこで、焼ならし処理後に、母管と枝管の開先加工を実施した後（ステップＳ２）、母管と枝管を３００℃以上（３００〜４００℃）の温度に熱する予熱処理を実施し（ステップＳ３）、母管と枝管を３００℃以上に維持した状態で溶接する（ステップＳ４）。そして、溶接後に母管と枝管を２００℃以上に維持したまま熱処理炉まで搬送し（ステップＳ５）、当該熱処理炉で母管と枝管を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しする（ステップＳ６）。

このように第１の実施形態に係る溶接方法では、母管と枝管を１０４０℃以上で焼ならし処理した後、通常（２００〜３００℃）よりも高い温度で予熱処理したまま溶接し、溶接後も焼戻し処理まで予熱範囲を２００℃以上に維持するようにしたので、低温割れの要因である材料中の水素を低減させて、焼ならし状態でも低温割れを生じさせることなく溶接部を製作することができると共に、溶接後に焼ならしを行わないため枝管の変形を抑制することができ、溶接部のクリープ強度を向上させることができる。すなわち、低温割れは、溶接部が冷却された後に、溶接熱によって生じた引張残留応力と材料中の水素とによって発生するものであり、発生要因の１つである材料中の水素量をステップＳ３の予熱処理で低減させ、ステップＳ５で低温割れが発生しにくい温度域（２００℃以上）に維持することにより、低温割れが防止されるようになっており、かかるステップＳ３及びＳ５の工程が本発明の低温割れ抑止処理に相当する。
なお、以下に説明する第２の実施形態から第４の実施形態においても、溶接前の３００℃以上の予熱処理による効果が同様に得られる。

図５は本発明の第２の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図、図６は第２の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。

図５と図６に示すように、第２の実施形態に係る溶接方法では、まず、高クロム鋼からなる母管と枝管を１０４０℃以上の温度で焼ならしのみを実施する（ステップＳ１０）。次に、母管と枝管の開先加工を実施した後（ステップＳ１１）、母管と枝管を３００℃以上の温度に熱する予熱処理を実施し（ステップＳ１２）、母管と枝管を３００℃以上に予熱した状態で溶接する（ステップＳ１３）。ここまでの工程は第１の実施形態と同じであるが、溶接後に３００℃以上で直後熱処理を行った後（ステップＳ１４）、熱処理炉内で母管と枝管を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しする（ステップＳ１５）。

このように第２の実施形態に係る溶接方法では、溶接後に予熱範囲の温度を維持したまま熱処理炉に搬送することができない場合でも、直後熱により低温割れの要因となる材料中の水素量を低減することができるため、第１の実施形態と同様に、枝管の変形を抑制できると共に、溶接後の低温割れを生じさせることなく、クリープ強度を向上させることができる。なお、第２の実施形態においては、溶接後に３００℃以上で直後熱処理を行うというステップＳ１３の工程が本発明の低温割れ抑止処理に相当する。

図７は本発明の第３の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図、図８は第３の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。

図７と図８に示すように、第３の実施形態に係る溶接方法では、まず、高クロム鋼からなる母管と枝管を１０４０℃以上の温度で焼ならしのみを実施する（ステップＳ２０）。次に、母管と枝管の開先加工を実施した後（ステップＳ２１）、母管と枝管を３００℃以上の温度に熱する予熱処理を実施し（ステップＳ２２）、母管と枝管を３００℃以上に予熱した状態で溶接する（ステップＳ２３）。ここまでの工程は第１の実施形態と同じであるが、溶接後に２００℃以上の状態で溶接止端部にピーニング処理を施した後（ステップＳ２４）、熱処理炉内で母管と枝管を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しする（ステップＳ２５）。なお、ステップＳ２４のピーニング処理としては、ハンマーピーニングや超音波ピーニングが用いられる。

このように第３の実施形態に係る溶接方法では、高クロム鋼からなる母管と枝管を１０４０℃以上の温度で焼ならし処理した後に、通常（２００〜３００℃）よりも高い温度で予熱処理することで、低温割れの要因である材料中の水素を低減させ、また、溶接後に予熱範囲の温度を維持したまま熱処理炉に搬送することができない場合でも、温度が下がる前に応力集中部である溶接止端部にピーニング処理を施して圧縮応力を付与することで、同じく低温割れの要因である引張残留応力を低減することができるため、第１の実施形態と同様に、枝管の変形を抑制できると共に、溶接後の低温割れを生じさせることなく、クリープ強度を向上させることができる。すなわち、第３の実施形態においては、溶接後に２００℃以上の状態で溶接止端部にピーニング処理を施すというステップＳ２３の工程が本発明の低温割れ抑止処理に相当する。

図９は本発明の第４の実施形態に係る溶接方法の作業手順を示す説明図、図１０は第４の実施形態の各工程における時間と温度の関係を示す説明図である。また、図１１は第４の実施形態が適用される母管と枝管の溶接構造を示す説明図であり、第４の実施形態に係る溶接方法は、既設の管寄（母管）１１に取り付けられた枝管１２を部分的に新たなものに取り替える場合に適用される。

図９と図１０に示すように、第４の実施形態に係る溶接方法では、まず、枝管１２の取替え部と同形状の高クロム鋼管を１０４０℃以上の温度で焼ならしたもの（以下、これを焼ならし管１３と呼称する）を用意する（ステップＳ３０）。次に、接合相手の管材と焼ならし管１３に開先加工を実施する（ステップＳ３１）。この場合、接合相手の管材は、管寄１１と既設の枝管１２の両方である。しかる後、焼ならし管１３を３００℃以上の温度に熱する予熱処理を実施し（ステップＳ３２）、この状態で焼ならし管１３の両端を接合相手の管寄１１と枝管１２にそれぞれ溶接する（ステップＳ３３）。そして、溶接後に２００℃以上の状態で両方の溶接止端部にピーニング処理を施した後（ステップＳ３４）、焼ならし管１３の両端の溶接部に囲まれた範囲を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しする（ステップＳ３５）。なお、焼ならし管１３の接合相手である管寄１１と枝管１２は、焼ならし管１３と同一材または異種材のいずれでも良い。

このように第４の実施形態に係る溶接方法では、１０４０℃以上で焼ならし処理した焼ならし管を通常（２００〜３００℃）よりも高い温度で予熱処理することで、低温割れの要因である材料中の水素を低減させ、溶接後に応力集中部となる焼ならし管の溶接止端部にピーニング処理を施して圧縮応力を付与することで、同じく低温割れの要因である引張残留応力を低減させることができる。これにより、焼ならし管のような部分的な溶接部に対しても、溶接後の低温割れを生じさせることなく、クリープ強度を向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

１火炉
２燃焼ガス通路
３ペントハウス
４一次過熱器
５二次過熱器
６三次過熱器
７四次過熱器
８一次再熱器
９二次再熱器
１０天井部
１１母管（管寄）
１２枝管（伝熱管）
１３焼ならし管

Claims

高クロム鋼からなる母管と枝管を１０４０℃以上の温度で焼ならしのみを実施した後、前記母管と前記枝管に対して３００℃以上の温度で予熱処理を施してから両者間を溶接し、次いで、低温割れ抑止処理を実施した後、前記母管と前記枝管を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しすることを特徴とする管材の溶接方法。
請求項１に記載の管材の溶接方法において、
前記低温割れ抑止処理は、溶接後の前記母管と前記枝管を熱処理炉まで２００℃以上に維持する予熱処理であることを特徴とする管材の溶接方法。
請求項１に記載の管材の溶接方法において、
前記低温割れ抑止処理は、溶接後の前記母管と前記枝管を３００℃以上の温度で直後熱処理する処理であることを特徴とする管材の溶接方法。
請求項１に記載の管材の溶接方法において、
前記低温割れ抑止処理は、溶接後の前記母管と前記枝管を２００℃以上に維持したまま溶接部位にピーニング処理を施す処理であることを特徴とする管材の溶接方法。
高クロム鋼製の管材を１０４０℃以上の温度で焼ならし処理して焼ならし管を形成した後、前記焼ならし管と接合相手の管材に対して３００℃以上の温度で予熱処理を施してから両者間を溶接し、次いで、予熱範囲を２００℃以上に維持したまま溶接部位にピーニング処理を施した後、前記溶接部位に囲まれた範囲を７３０〜７８０℃の温度で焼戻しすることを特徴とする管材の溶接方法。