JP3712797B2 - フェライト系耐熱鋼管の溶接構造 - Google Patents
フェライト系耐熱鋼管の溶接構造 Download PDFInfo
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Description
【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、14b HAZ
14a1 、14b1 境界
Claims (3)
- 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。
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JP23313496A JP3712797B2 (ja) | 1996-09-03 | 1996-09-03 | フェライト系耐熱鋼管の溶接構造 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP23313496A JP3712797B2 (ja) | 1996-09-03 | 1996-09-03 | フェライト系耐熱鋼管の溶接構造 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH1076388A JPH1076388A (ja) | 1998-03-24 |
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Family
ID=16950276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP23313496A Expired - Lifetime JP3712797B2 (ja) | 1996-09-03 | 1996-09-03 | フェライト系耐熱鋼管の溶接構造 |
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