JP4206092B2 - ステンレス鋼配管およびステンレス鋼管の接合方法 - Google Patents
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Description
請求項1にかかる発明は、ステンレス鋼管の端部が互いに突き合わされ溶接されて接合部が形成されてなるステンレス鋼配管であって、
その接合部が、ステンレス鋼管の壁の外側部分の溶融接合部と、壁の内側部分の固相接合部とからなることを特徴とするステンレス鋼配管である。
請求項2にかかる発明は、ステンレス鋼管の肉厚が1mmを越える場合、固相接合部の深さtsが、0<ts≦0.7(mm)であることを特徴とする請求項1記載のステンレス鋼配管である。
請求項5にかかる発明は、バックシールドガス雰囲気下、又は真空環境下での酸化性ガスの含有量が10ppm以下であることを特徴とする請求項4に記載のステンレス鋼管の接合方法である。
請求項7にかかる発明は、ステンレス鋼管の肉厚tが1mmを越える場合、溶融接合部の溶け込み深さtwを、t−0.7≦tw<t(mm)とすることを特徴とする請求項4記載のステンレス鋼管の接合方法である。
請求項8にかかる発明は、ステンレス鋼管の肉厚tが1mm以下の場合、溶融接合部の溶け込み深さtwを、t>tw≧0.3t(mm)とすることを特徴とする請求項4記載のステンレス鋼管の接合方法である。
溶融接合部Wは、両方の管の壁の外側部分の金属が完全に溶融して溶け合って接合された部分であり、固相接合部Sは、両方の管の壁の内側部分の金属が溶融しておらず、溶け合うことなく、固相のまま両者の金属原子が拡散して接合している部分である。
この接合部2の形成は、いわゆる部分溶け込み溶接法によってなされる。得られた配管は、その内面4にデッドスペースが形成されることがなく、さらにヒュームが生成しないステンレス鋼配管となる。
次に、本発明のステンレス鋼配管の特徴である管の内面4側に固相接合部Sが形成されるための溶接条件を確立するため、以下の実験を行なった。
(i) 壁の外面3からの溶融接合部Wの溶け込み深さtw(mm)の特定(実験1)。
(ii) 溶接速度の特定(実験2)。
(iii)溶接雰囲気の特定(実験3)。
(iv) 管端部の表面粗度Ryの特定(実験4)。
[溶接機器]・自動溶接機:アークマシン社製 モデル207
・溶接ヘッド:アークマシン社製 モデル750
・電源:パルス発振器付設、パルス発生時間:0.1/0.1秒
[溶接条件] ・アーク長(電圧目安):0.8mm(8V)
・溶接速度:120mm/min
・溶接スタート位置と運行:時計3時位置スタート、横向き下進溶接
・バックシールドガス:アルゴンガス 4L/min
・シールドガス:アルゴンガス 10L/min
・溶接前・後のパージ時間:30秒以上
[試験用管] ・材質:ステンレス鋼 SUS 316 L
・外径:9.53mm(3/8インチ)
・肉厚:1mm
上記した肉厚1mm、外径9.53mmのSUS 316 Lのステンレス鋼管よりなる試験用の管としてNo1〜No8の8試料用意して、それぞれ所望する溶け込み深さtwmmを得るため、溶接運行の各レベルの溶接電流値を表1に示す値で行なった。
そして、これらの溶接手段による溶接は、図2に図示するように、管の溶接すべき突合せ端部の断面を区分して、その位置に応じて、溶接電流を適宜調節して行なう。即ち、管の中心を原点0として、(X−X’)軸、(Y−Y’)軸により区画して、これにより区分される第1象限をレベル(1)とし、第2象限をレベル(4)、第3象限をレベル(3)、そして第4象限をレベル(2)として定めて、(X−X’)軸が配管接合部1の断面を横切る時計時刻3時表示地点をスタート地点として溶接を開始して、管外壁面3を周面に沿って時計指針の運行と同一方向に向けて、レベル(2)−レベル(3)−レベル(4)−レベル(1)−レベル(2)の順序に従ってアークやビーム等を照射せしめながら運行せしめる。そして、その際、前記各レベルで適宜溶接電流を適切に調整して溶接を行なった。
この結果から、平均溶け込み深さtwが0.3mm(使用管の肉厚tの30%)以上の溶融接合部Wが形成されていれば、完全溶け込み接合と同等の引張り強さTを有する配管を得ることが出来ることが確認された。即ち固相接合部Sの深さtsを0.7mm(使用管の肉厚tの70%)以下に形成するように部分溶け込み溶接すればよいことが確認された。
次に、充分満足し得る固相接合部Sを得ることが出来る適切な溶接速度を確認するための実験を行なった。実験は、上記した共通の外径9.53mm、肉厚1mmの試験用管を使用し、溶接速度を15mm/min、120mm/min、600mm/min の3種に変化せしめ、それぞれ溶け込み深さtwが0.3mmになるように、表2に表示する如く溶接電流を調整して、高純度アルゴンガスをバックシールドガスとして部分溶け込み溶接を行なった。そして得られた接合部の引張り強さを試験した。なお、引張り試験は実験1と同様な方法にて行なった。その結果を表2に表示する。
次に、溶接に当っての雰囲気ガスであるバックシールドガスの影響について実験した。実験は、上記した共通の外径9.53mm、肉厚1mmの試験用管を使用し、バックシールドガスとして高純度アルゴンガスを使用し、この高純度のアルゴンガス中に酸素ガスを添加して酸素濃度10%〜10ppmに変化せしめて、それぞれの酸素濃度のアルゴンガス雰囲気で、溶け込み深さtwが0.3mmとなるように、溶接速度を120mm/minにして部分溶け込み溶接を行なった。そして、得られた配管の引張り強さを、実験1と同様な方法で試験した。その結果を図4にバックシールドガス中の酸素濃度と引張り強さTとの関係のグラフで図示した。
更に、望ましい固相接合部Sを得るため、管端部の表面粗度の影響を確認した。実験は、上記した共通の外径9.53mm、肉厚1mmの試験用管を使用し、管端部の表面粗度Ryを変化せしめ、それぞれ変化せしめた表面粗度の管を、高純度アルゴンガスをバックシールドガスとして使用し、溶融接合部Wの溶け込み深さtwが0.3mmとなるように、溶接速度を120mm/minにして突合せ接合を行なった。そして、これで得られた各表面粗度で接合した試験用管の引張り強さを、実験1と同様な方法で試験した。その結果を表3に表面粗度Ryの差異による引張り強さTの変化を表示した。
そして、(イ)溶接部断面の観察、(ロ)引張り試験、(ハ)曲げ試験、(ニ)パーティクル発生量の測定、(ホ)腐食試験等を行なった。又、これらの性能をより明確にするため、比較例として、実施例と共通するステンレス鋼管を試験用管として使用し、従来の完全溶け込み溶接方法にって接合したステンレス鋼配管を作製した。そして前記した各試験と外観検査を行ない、これら実施例のステンレス鋼配管と比較例のステンレス鋼配管との性能試験結果を比較した。
本発明に基くステンレス鋼配管を以下の溶接条件にて作製した。
(溶接条件)
・アーク長(電圧目安):0.8mm(8V)
・溶接速度:120mm/min
・溶接スタート位置と運行:時計3時位置スタート、横向き下進溶接
・バックシールドガス:高純度アルゴンガス 4L/min
・シールドガス:高純度アルゴンガス 10L/min
・溶接前・後のパージ時間:30秒以上
・管端部の表面粗度:平均粗度0.29μm、最大粗度0.31μm
・溶接機器:前記実験に使用した機器と同一自動溶接機
・電源:パルス発振器付設、パルス発生時間:0.1/0.1秒
溶接は、図2に図示した突合せ接合部2の時計表示3時位置をスタートして横向き下進溶接で行ない、各レベルの溶接電流と溶接時間を表4に表示する値に調節して行なった。
上記実施例と共通するステンレス鋼管を試験用管として使用し、従来より行なわれている完全溶け込み溶接方法により接合されたステンレス鋼配管を作製した。その溶接条件は次の通りである。
(溶接条件)
溶接条件は上記実施例での溶接条件と同一としたが、完全溶け込み溶接によって形成する裏ビード幅を2mmとなるよう、各レベルの溶接電流と溶接時間を表5に表示する値に調節して行なった。
上記した実施例で得られた、本発明における部分溶け込み溶接により接合されたステンレス鋼配管と、比較例で作製した従来より行なわれている完全溶け込み溶接により接合されたステンレス鋼配管との性能をそれぞれ以下の如く試験して比較した。
(イ)溶接部断面の観察
本発明の溶け込み深さ0.3mmの部分溶け込み溶接方法によって得られたステンレス鋼配管を、突合せ接合部2を管軸に沿って切断し、突合せ接合部2の組織の観察を行なった。その結果、管内面4側において、突き合わせ部分の界面が固相接合によって形成された結晶粒内を貫通している部分が認められ、管内面4側に固相接合部Sが形成されていることが確認できた。
上記した実施例の部分溶け込み溶接によって接合したステンレス鋼配管と、比較例の従来の完全溶け込み溶接によって接合したステンレス鋼配管との引張り試験を、以下の如き引張り試験要領で行なった。
(引張り試験要領)
・試験片長さ:700mm
・つかみ部分間隔:45mm
・挿入心金の間隔:20mm
・引張り速度:20mm/min
・ロードセル:5トン
引張り試験機として島津製作所社製AG−5000Dを使用し、試料はそれぞれ3試料作製して試験した。その結果を表6に母材の引張り強さと共に併記して表示する。
更に、接合部2の固相接合部Sの管切断時の切削跡も消失していて、この固相接合部Sが100%固相で圧接されていることも確認することができた。なお、比較例のステンレス配管では、従来と同様な方式の溶接であるので、検査は、外観が適切に完全溶け込み突合せ溶接されていることを確認したことのみに留めた。
更に、実施例での部分溶け込み溶接によるステンレス鋼配管の接合部の管壁を、管軸方向に短冊状に切断(約1/4周)し、外面3側の溶融接合部Wを支点として外側に約180度曲げ、固相接合部Sを開口させるよう外力を加えた。しかし、この試験を行なっても、固相接合部Sは剥離することも無く、又開口することも無く、固相接合部Sは強固に接合していることが確認された。
次に、実施例における部分溶け込み溶接の場合と、比較例の従来の完全溶け込み突合せ溶接の場合とについて、溶接ヒューム発生量を、溶接時に管内に流すバックシールドガス中のパーティクルをパーティクルカウンターを用いて、表7の試験要領で測定した。
その結果、実施例では、3回の試験のパーティクル個数の平均値は、8,128個/cm3であった。一方、比較例では、3回の試験のパーティクル個数の平均値は208,569個/cm3であった。
即ち、部分溶け込み溶接による接合でのパーティクルの発生量は、従来の完全溶け込み溶接による接合でのパーティクル発生量の約4%にまで激減せしめることができ、本発明の接合法は、この点での効果は極めて優れていることが確認された。
次に、実施例でのステンレス鋼配管の接合部と、比較例でのステンレス鋼配管の接合部の腐食試験を行なった。その試験要領は、各接合部を表8に表示する腐食雰囲気に曝して腐食せしめた後、腐食量の定量評価を行なった。
分析した元素は、ステンレス鋼の主成分であるクロム(Cr)、ニッケル(Ni)、及び鉄(Fe)と、溶融ヒュームの成分であるマンガン(Mn)とした。
又、分析手段として使用した分析機器は、分析成分元素Cr、Ni、及びMnについては誘導結合プラズマ発光分析法(ICP−MS)を用いて行ない、成分元素Feについては原子吸光分析法(AAS)を用いて行なった。この結果を、表9に表示する。
なお、以上の説明における「管」の語句は、直管、エルボ、及びT字管を含めるものとする。
Claims (8)
- ステンレス鋼管の端部が互いに突き合わされ溶接されて接合部が形成されてなるステンレス鋼配管であって、
その接合部が、ステンレス鋼管の壁の外側部分の溶融接合部と、壁の内側部分の固相接合部とからなることを特徴とするステンレス鋼配管。 - ステンレス鋼管の肉厚が1mmを越える場合、固相接合部の深さtsが、0<ts≦0.7(mm)であることを特徴とする請求項1記載のステンレス鋼配管。
- ステンレス鋼管の肉厚tが1mm以下の場合、固相接合部の深さtsが、0<ts≦0.7t(mm)であることを特徴とする請求項1記載のステンレス鋼配管。
- 接合すべきステンレス鋼管の端部を突合わせて、管内をバックシールドガス雰囲気下、又は真空環境下として溶接して接合する際、管の壁の外側部分のみを溶融して溶融接合部を形成することを特徴とするステンレス鋼管の接合方法。
- バックシールドガス雰囲気下、又は真空環境下での酸化性ガスの含有量が10ppm以下であることを特徴とする請求項4に記載のステンレス鋼管の接合方法。
- ステンレス鋼管の端部の表面粗さを30μm以下にすることを特徴とする請求項4に記載のステンレス鋼管の接合方法。
- ステンレス鋼管の肉厚tが1mmを越える場合、溶融接合部の溶け込み深さtwを、t−0.7≦tw<t(mm)とすることを特徴とする請求項4記載のステンレス鋼管の接合方法。
- ステンレス鋼管の肉厚tが1mm以下の場合、溶融接合部の溶け込み深さtwを、t>tw≧0.3t(mm)とすることを特徴とする請求項4記載のステンレス鋼配管の接合方法。
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