JP3712797B2

JP3712797B2 - フェライト系耐熱鋼管の溶接構造

Info

Publication number: JP3712797B2
Application number: JP23313496A
Authority: JP
Inventors: 昌光橋本; 広治田村; 一孝須崎; 輝夫小山
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1996-09-03
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2016-09-03
Also published as: JPH1076388A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電プラント、高速増殖炉等に使用されるフェライト系耐熱鋼管の溶接構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力プラント、高速増殖炉等に使用される鋼材の使用温度、使用圧力は上昇する傾向にある。このため、当該鋼材には、高温での使用に適したフェライト系耐熱鋼管が使用されるようになってきた。このような鋼管には、フェライト系耐熱鋼板（調質されたフェライト系高Ｃｒ耐熱鋼板等）を曲げ、長手方向を被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の溶接方法で作成されるものがある。この溶接方法を図６および図７により説明する。
【０００３】
図６は溶接前の鋼管の一部を示す図、図７は溶接された鋼管の溶接構造を示す図である。各図で、１はフェライト系耐熱鋼管（以下、単に鋼管という。）１１はその母材（フェライト系耐熱鋼板）を示す。図６に示す２ａはフェライト系耐熱鋼板を曲げた後に鋼管１の外面（図では上側、以下同じ）から加工された開先、２ｂは鋼管１の内面（図では下側、以下同じ）から加工された開先である。これら開先２ａ、２ｂを用いて溶接が行われる。図７に溶接後の溶接部が示されている。３ａは外面からの溶接の溶接金属、３ｂは内面からの溶接の溶接金属である。４ａ、４ｂは各溶接の溶接入熱によって生成した熱影響部（ＨＡＺ）、４ａ₁ 、４ｂ₁ はＨＡＺ４ａ、４ｂと母材１１との境界を示す。ＡはＨＡＺ４ａの境界４ａ₁ とＨＡＺ４ｂの境界４ｂ₁ との重なり部を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フェライト系耐熱鋼板を曲げ、軸方向の長手溶接により鋼管を作成する場合、内圧が作用する長手溶接には、内圧による周方向応力が、溶接入熱により生成したＨＡＺ４ａ、４ｂに対して垂直に働く。ところで、フェライト系耐熱鋼では、溶接に際し、溶接入熱によりＨＡＺ４ａ、４ｂと母材１１との境界４ａ₁ 、４ｂ₁ において軟化する領域が生じ、溶接部のクリープ破断強度が母材１１に比べて低下することが明らかになった。これは、母材１１については適正な成分設計や適正な熱処理により良好な特性が得られるようになっているものの、ＨＡＺ４ａ、４ｂにおいては溶接入熱により組織が変化して母材１１と同等のクリープ特性が得られないためである。
【０００５】
又、フェライト系耐熱鋼板の板曲げ溶接により鋼管を作成する場合、開先の加工の困難さから、図６および図７に示すように、鋼管の外面と内面の両方から溶接を行う場合がある。この場合、図７に示すように両方のＨＡＺ４ａ、４ｂが重なる部分Ａが生じる。そして、境界４ａ₁ 、４ｂ₁ に生じる軟化域は、母材１１や溶接金属３ａ、３ｂに比べてクリープ変形し易いので、ＨＡＺ４ａ、４ｂが重なる部分Ａにクリープ変形が集中する。このため、当該重なる部分Ａのクリープ損傷が進み、上記軟化域で亀裂が発生し易くなっている。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、内圧を受けるフェライト系耐熱鋼管の長手溶接部のクリープ破断やクリープ損傷を低減することができるフェライト系耐熱鋼管の溶接構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述のように、内圧を受ける長手溶接の鋼管においては、最大応力成分である周方向応力が溶接部に垂直に働く。このため、ＨＡＺが傾いているとせん断成分が働き、ＨＡＺとＨＡが重なっている部分は幾何学的にクリープ変形が集中し易くなり、この結果、当該重なっている部分のクリープ損傷が進み、上記軟化域で亀裂が発生し易くなる。本発明者等はこの点に着目して本発明に想到したものである。即ち、本発明は、フェライト系耐熱鋼板を曲げて溶接することにより構成されるフェライト系耐熱鋼管の溶接構造において、当該フェライト系耐熱鋼管の外面からの溶接による熱影響部と内面からの溶接による熱影響部とのなす角が１４０度から１８０度までの間のいずれかとすることによって上記の目的を達成する。
【０００８】
【作用】
フェライト系耐熱鋼板を曲げ、軸方向の長手溶接により鋼管を作成する場合、鋼管の外面と内面の両方から溶接を行う。この場合、外面からの溶接による熱影響部と内面からの溶接による熱影響部とのなす角が１４０度から１８０度までの間のいずれか、好ましくは１８０度とする。これにより、ＨＡＺの傾きによるせん断成分を小さくし、ＨＡＺとＨＡＺの重なり部分のクリープ変形の集中を緩和し、クリープ破断やクリープ損傷を低減することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例に係るフェライト系耐熱鋼管の溶接構造を示す図、図２は図１に示す溶接を行うための開先加工を示す図である。各図で、１０は本実施例の溶接構造をもつ鋼管、１１は図６、７に示すものと同じ母材、１３ａ、１３ｂは外面および内面からの溶接の溶接金属、１４ａ、１４ｂは外面および内面からの溶接の溶接入熱により生成されるＨＡＺ、１４ａ₁ 、１４ｂ₁ はＨＡＺ１４ａ、１４ｂと母材１１との境界を示す。又、図２における１２ａ、１２ｂはそれぞれ外面側、内面側の開先を示す。
【００１０】
本実施例では、母材１１として、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼板が使用され、鋼管寸法は外径：７６２ｍｍ、肉厚：１００ｍｍである。又、開先形状における図２に示す各寸法は、Ｗ₁ ＝１３ｍｍ、Ｗ₂ ＝８ｍｍ、Ｒ₁ （曲率半径）＝５ｍｍ、Ｒ₂ （曲率半径）＝５ｍｍ、Ｈ₂ ＝１２ｍｍ、Ｈ₁₂＝３ｍｍである。さらに、溶接は、溶接電流：２２０Ａ、溶接電圧：２６Ｖ、溶接方法：狭開先ＭＩＧ、シールドガス：（Ａｒ＋ＣＯ₂ ）、予熱：２２０℃で行った。
【００１１】
溶接は、まず、鋼管１０の内面から狭開先ＭＩＧで行い、その後、鋼管１０の外面から同様に狭開先ＭＩＧで行った。ここで、鋼管の溶接（特に内面からの溶接）に狭開先ＭＩＧを使用したのは、溶接入熱を抑えてＨＡＺ１４ａ、１４ｂを鋼管１０の円周方向に対して垂直に形成させるためである。なお、溶接入熱が大きいと、ＨＡＺ１４ａ、１４ｂを垂直に形成するのが困難となり、ＨＡＺ１４ａとＨＡＺ１４ｂとのなす角が小さくなってくるので、溶接入熱はできる限り抑えた方がよい。
【００１２】
上記溶接の断面のマクロ組織観察の結果、ＨＡＺ１４ａとＨＡＺ１４ｂとのなす角θは約１６５度であった。そして、クリープ損傷解析（解析温度＝６００℃、内圧＝５９ＭＰａ）によるこの溶接構造のクリープ寿命は１９７００時間であり、通常の溶接により得られる溶接構造（θ＝１３５度）の同一条件下におけるクリープ寿命１３８００時間に比較して、より長いクリープ寿命を有することが判った。
【００１３】
このように、本実施例では、ＨＡＺとＨＡＺとのなす角を大きくすることにより、クリープ破断強度を向上させ、クリープ損傷を低減することができ、ひいては、溶接構造の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
なお、上記実施例の説明では、狭開先ＭＩＧ溶接を行う例について説明したが、狭開先の溶接が可能であれば、溶接はＭＡＧ溶接、ＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接等を使用することができる。
【００１５】
図３および図４は鋼管の溶接構造の有限要素法によるクリープ損傷解析結果を示す図であり、図３はＨＡＺとＨＡＺの角度がない場合（１８０度の場合）、図４はＨＡＺとＨＡＺの角度がある場合の解析結果を示す。図３に示す各部分において、図１に示す各部分に相当する部分には、図１と同一符号が付してあり、図４に示す各部分において、図７に示す各部分に相当する部分には、図７と同一符号が付してある。
【００１６】
上記図３および図４に示す解析は、鋼板として上記実施例と同様、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼板を選択し、鋼管の外径＝５００ｍｍ、肉厚＝１００ｍｍ、解析温度＝６００℃、内圧＝５９ＭＰａ、図４に示す場合のＨＡＺとＨＡＺの角度θ＝１４０度として行った。図３および図４に示す解析結果は、約４０００時間クリープ後の相当応力の分布を示すものである。この相当応力の分布は色合いの濃淡で示され、相当応力は濃いほど大きく、淡いほど小さい。この濃淡と相当応力との関係が図３の左側に示されている。
【００１７】
上記の解析結果から、図４に示すように、ＨＡＺとＨＡＺとのなす角θが小さい場合、ＨＡＺとＨＡＺとが重なった部分Ｂ（この部分Ｂの拡大図が右側に取り出されている）に高い相当応力が発生している。これは上述のように、この部分にクリープ変形が集中し易いためであり、この部分のＨＡＺの軟化域に亀裂が発生し易いのも、上記の高い応力に起因している。ところが、図３に示すようにＨＡＺとＨＡＺとの角度が１８０度の場合には、相当応力の高い個所は発生していない。したがって、ＨＡＺとＨＡＺとのなす角が大きくなり、直線に近づくほど、この部分に発生する相当応力は小さくなり、クリープ損傷を受け難くなる。このことは、溶接構造のクリープ破断寿命又はクリープ損傷に対してＨＡＺとＨＡＺとのなす角が１８０度に近い方が有利であることを示している。
【００１８】
図５はＨＡＺとＨＡＺとのなす角度θに対する有限要素法解析により得られるクリープ寿命を示す図であり、横軸に角度θが、縦軸にクリープ寿命がとってある。選択した鋼板、鋼管の寸法、解析温度、内圧はそれぞれ図３、図４に示す場合と同じである。図５から、クリープ寿命は、角度θが小さくなるほど、即ち、ＨＡＺとＨＡＺとのなす角度が鋭角になるほど減少していることが判る。特に、角度θが１４０度付近でクリープ寿命が大きく減少しており、このことから、クリープ破断やクリープ損傷を低減するためには、ＨＡＺとＨＡＺとのなす角度は１４０度以上であることが必要となる。逆に、角度θが１４０度以上であれば、溶接構造の内圧によるクリープ破断やクリープ損傷を低減することができ、溶接構造の信頼性を向上させることができることとなる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、フェライト系耐熱鋼管の外面からの溶接による熱影響部と内面からの溶接による熱影響部とのなす角度を１４０度から１８０度までの間のいずれかとしたので、溶接構造の内圧によるクリープ破断やクリープ損傷を低減することができ、ひいては、溶接構造の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るフェライト系耐熱鋼管の溶接構造を示す図である。
【図２】図１に示す溶接を行うための開先加工を示す図である。
【図３】鋼管の溶接構造の有限要素法によるクリープ損傷解析結果を示す図である。
【図４】鋼管の溶接構造の有限要素法によるクリープ損傷解析結果を示す図である。
【図５】ＨＡＺとＨＡＺとのなす角度θに対する有限要素法解析により得られるクリープ寿命を示す図である。
【図６】溶接前の鋼管の一部を示す図である。
【図７】溶接された鋼管の溶接構造を示す図である。
【符号の説明】
１０鋼管
１１母材
１３ａ、１３ｂ溶接金属
１４ａ、１４ｂＨＡＺ
１４ａ₁ 、１４ｂ₁ 境界

Claims

フェライト系耐熱鋼板を曲げて溶接することにより構成されるフェライト系耐熱鋼管の溶接構造において、当該フェライト系耐熱鋼管の外面からの溶接による熱影響部と内面からの溶接による熱影響部とのなす角度が１４０度から１８０度までの間のいずれかであることを特徴とするフェライト系耐熱鋼管の溶接構造。
請求項１において、前記角度は、１８０度であることを特徴とするフェライト系耐熱鋼管の溶接構造。
請求項１において、前記溶接は、狭開先ＭＩＧ溶接であることを特徴とするフェライト系耐熱鋼管の溶接構造。