JPH02187275A - 異材配管継手構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子力発電機器における高温水用配管のステン
レス鋼管と炭素鋼管、もしくは、低合金鋼管との異材接
合配管の構造に関する。

〔従来の技術ゴ 従来の異材継手は、特開昭６２−１４４８８３号公報に
記載のように、Ｎｉ箔又は高Ｎｉ合金箔をステンレス鋼
板と炭素鋼等の間に介在させて拡散、あるいは、熱間圧
延後、板厚方向に切抜いて管状に加工した異材部品を作
る。その部品をステンレス鋼配管と炭素鋼等配管の間に
介在させてそれぞれ同種材で溶接する。

なお、この種に関連するものとして、例えば、特開昭６
１−９９５９０号公報に異材接合部を互に管軸方向に重
ね合わせて接合面積を大きくし接合強度を向上させる８
この方法として熱間等方加圧により接合するようになっ
ている。この方法は接合部が軸中心部より勾配をもち、
かつ、この部分が厚肉の二重管構造となっている。これ
は接合部が強度的に脆弱なことを補うのと、接合境界を
長くしてシール精度を向上させるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は板状に重ね合せた接合板を板厚方向に管
状に切り抜いて継手部品とするために板の断面の圧延組
織が高温水環境に曝される。この圧延組織は鋼中の不純
物等介在物が圧延によって伸ばされ層状に存在するので
継手部品として温水環境下での耐食性と強度の低下をき
たす。また、異材継手部品は配管系へ最終的に共金溶接
されるが、従来の板厚方向へ切り抜いた部品は板厚方向
に最大溶接応力が作用する継手となるので溶接熱影響部
の圧延層状組織に剥離割れの生じる危険性が大きく、こ
の割れ防止に対して考慮がされていない。また、異材接
合部は高温で接合されると接合境界の炭素鋼側に脱炭層
、ステンレス鋼側に侵炭層が生じ、クロム炭化物等１種
々の異相が生じて、この部分の耐食性と強度特性の低下
をきたす。

この対策として適当な中間材の使用により防止していた
が完全ではなかった。さらにこの境界は両金属の線膨張
係数の違いにより接合後残留応力が生じる。この残留応
力と接合部の異相とが重畳して、最悪の場合、高温水環
境下で応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生が危惧される。こ
の残留応力は接合法、中間材の材質、形状によって異な
るが、これ等についても考慮されていない。また、原子
力発電所等の限定された空間内で使用する部品は極力小
型に作る必要があり、接合部が二重管となる継手は不適
切である。従来の異材接合技術はこの使用目的に対する
考慮がされておらず、適用範囲が限定されていた。

本発明の目的は炭素鋼系配管とステンレス鋼系配管の異
材接合部の異相の生成防止と残留応力発生を低減して、
異材接合部のＳＣＣを防止することにあり、さらに、原
子力設備等において冷水。

温水、高温水等さまざまな温度でくり返し使用される配
管系の適切な異材継手配管部品を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、形状の同一な炭素鋼系鋼管
とステンレス鋼系鋼管とを、それぞれ。

軸方向の端面を突合せて熱間等方加圧（ＨＩ　Ｐ）によ
り接合するものである。この場合、炭素鋼管の炭素含有
量との関係でＦｅ、Ｎｉ、またはＮｉ合金等の中間材を
介在させて接合する。中間材を使用しない場合、炭素ｉ
閏の炭素含有量は０．０５％未満、あるいは、ステンレ
ス鋼の炭素含有量以下のときである。中間材を使用する
場合の中間材の炭素量も前述の値であることが必要であ
る。また、この中間材の厚さは、２０／ｉｍ以上で最大
厚さは炭素鋼管肉厚の３０％以下が良い。また、接合時
の熱間等方加圧は加熱開始時は６００℃以上の適当な温
度で行うが、冷却時は実質的に室温に冷却するまで加圧
を続ける。この方法により接合部に生じる異相を防止し
、接合部の残留応力を低減させて、高温水中での腐食や
ＳＣＣ等を防止する。

〔作用〕

先ず、第１図に示すように炭素鋼管１とステンレス鋼管
２を突合せる。接合部３には必要に応じて中間材を介在
させる。等方加圧による拡散接合を行うための真空容器
４内に設定する。中間材はＦｅ、Ｎｉ、Ｎｉ合金を用い
る。この中間材は接合する鋼管より不純物の少ないもの
が望ましい。

特に、炭素量は厳しく規制し０．０５％未満のものか、
必ずステンレス鋼管の炭素量より低いものである。中間
材は接合温度の上昇に伴う炭素鋼側からステンレス鋼側
への浸炭の防止と接合部の残留応力の発生の低減を目的
とする。

この中間材の厚さは接合温度と時間によって異なり接合
温度７００℃、接合時間５分の場合で概ね３０〜４０μ
ｍの脱炭、浸炭巾となるので最小でも５０μｍは必要で
ある。

この中間材は低炭素材であるので低強度であるので発生
残留応力も小さいが、この中間材の厚さが厚いと継手強
度が低下する。従って、中間材強度が鋼管強度の８０％
の場合、中間材厚さは鋼管肉厚の３０％以下であり、も
し、同一強度の場合は本来制限はないが、経済的な面か
ら厚くする必要はない。

接合条件は接合温度、接合時間９等方加圧力（以下加圧
力と略称）によってそれぞれ決定するが、概ね、接合温
度は７００〜１０５０℃、接合時間（接合温度を保持す
る時間）は５分〜３時間、加圧力は３〜２０ｋｇｆ／ａ
＃である。加圧は真空容器が加熱で軟化して実質的に強
度をもたない温度が良く、炭素鋼容器では６５０℃以上
が良いが限定されるものではない。この加圧は接合後、
室温に冷却するまで必ず保持する必要がある。高温で加
圧を除去すると残留応力は高くなる。

接合が終了した後は真空容器を除去して、所定の継手部
品に加工する・ 第２図は継手部品を配管に溶接する要領を示す。

異材継手部品はそれぞれ溶接部で共金溶接される。

異材接合境界から溶接部までの距離Ｑは５０μｍ以上、
あるいは、管の直径以上が必要である。これは共金溶接
した場合に接合部が高温となり、線膨張係数の違いによ
り応力が発生して剥離する危険を避けるためである７接
合部は５００℃以上の高温にならないようにすべきであ
る。

さらに、第１図で示す部品で管内面Ｎｉ、Ｎｉ合金管を
同時に接合する二重管部品とする継手が被接合材接合部
の腐食防止に効果がある。これは被接合材接合境界で非
破壊検査で検出できない表面の微少欠陥による腐食を防
ぐのに効果がある。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

〈実施例１〉 第３図は炭素鋼管端面に低炭素鋼溶接棒で被覆アーク溶
接で肉盛溶接をして、その接合面を平らに機械加工をし
てステンレスｌｌＩ管５ＵＳ３０４端面と合わせこれら
被接合材を真空容器内に設置して、この容器を熱間等方
加圧で接合する継手形式である。それぞれ、管外径は１
１４ａｍ、肉厚は１１＋＋ｎ＋である。管の長さは１２
０　＋ｍである。炭素鋼管の炭素量は０．１８％、溶着
金属のそれは０．０４８％、ステンレス鋼管のそれは０
．０６３％である。肉盛溶接は三層行なった０機械加工
後の肉盛層の厚さは約７閣である。炭素鋼からの炭素の
希釈は肉盛部接合面で実質的に無いようにした。熱間等
方加圧による接合条件は接合温度８５０℃、接合時間−
時間、加圧力４　ｋｇ　ｆ　／ａＪで行った。

接合後、接合境界の硬さ分布を測定した。境界部に局部
的な硬さの上昇はなく、脱炭、浸炭層は生じない。この
継手の引張試験による破断部は炭素鋼側で接合界面では
ない。また、この継手部の内面の最大残留応力は引張応
力の１２ｋｇｆ／ｍｍ”である。この最大応力を示す位
置は接合境界より約１０　ｏｎのステンレス鋼管側であ
る。接合境界はむしろ圧縮残留応力を示す。

〈実施例２〉 実施例１と同様な方法でステンレス鋼管５ＵＳ３０４の
端面にＮｉ合金を肉盛溶接した。このＮｉ合金は０，０
３％Ｃ２７５％Ｎｉ、１６％Ｃｒ。

８％Ｆｅを主成分とするものである。接合条件も実施例
１と同じである。接合部の脱炭浸炭は無く、最大残留応
力も実施例１とほぼ同様であった。

〈実施例３〉 実施例１と同様な方法でステンレス鋼管５ＵＳ３０４の
端面に工業用純Ｎｉ溶接材料でＴＩＧ溶接法で肉盛溶接
８を行った。このＮｉ溶接材料は０．０２％Ｃを含み、
１％以下のＭｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａ（ｌと不純物から成る
ものである。この接合条件も実施例１と同じである。結
果も同様である。

以上炭素鋼管あるいはステンレス鋼管の接合部に肉盛溶
接を行い熱間等方加圧により接合したが。

いずれも本発明の目的とする異相の生成防止と残留応力
の低減が同時に行なえた。実施例ではこの肉盛溶接は炭
素鋼側ないしはステンレス鋼側のみを実施したが、両者
を肉盛し、その肉盛部端面を接合しても良いことが判断
される。

〈実施例４〉 第１図の形式の継手形式で中間材として厚さ２ｍの工業
用純Ｆｅ板を用いた。この炭素量は０．０２％である。

炭素鋼管、ステンレス鋼管の化学成分、及び、形状は実
施例１と同じである。接合条件は接合温度１１００℃、
接合時間３０分、加圧力１２ｋｇｆ／ｄである。接合後
、この断面の硬さ分布の測定結果でも境界に硬化部分は
無い。接合部の最大残留応力は境界より約２０＋ｕ＋＋
＋のステンレス鋼側であった。図中、５は脱気パイプ。

〈実施例５〉 実施例４と同様な方法で中間材を変えて行った中間材は
Ｎｉ合全合板主成分は炭素量０．０４％。

７５％Ｎｉ、１６％Ｃｒ、８％Ｆｅである。接合後のこ
の断面の硬さ分布測定結果でも硬化部分は無い。最大残
留応力は境界より約４５１１Ｉ１１のステンレス鋼側で
ある。

〈実施例６〉 実施例５のＮｉ合全合板変えて、工業用純Ｎｉを用いた
。炭素量は０．０１５％である。実施例５と同様の結果
である。

〈実施例７〉 実施例６までの異材継手部品を高温水腐食試験装置の試
験配管にそれぞれ共金溶接で接続して腐食試験をした。

この溶接は被覆アーク溶接で、先ず、ステンレス鋼側を
完全に溶接した後に炭素鋼側を溶接した。溶接後、異材
接合部を含め溶接部の染色探傷試験とＸ線透過検査を行
ったが、割れ。

剥離欠陥は検出されない。この配管を８ｐｐｍの酸素を
含む純水を循環させて腐食試験を行った。循環水の温度
は最大１８０℃、また、最低温度は１５°Ｃである。こ
の温度サイクルは４８時間である。試験は六ケ月間続け
た。その後、異材継手部を試験装置から取りはずし、接
合部表面の腐食状況を検査したが、境界部、ステンレス
鋼側に異常な腐食はない。炭素鋼側表面に僅かに酸化膜
とピット状の腐食が認められたが、異常な腐食はない。

断面検査でも接合境界の局部腐食はなく、原子力用配管
部品として完全に使用目的を達することが分った。すな
わち、本発明の異材配管は同等な腐食環境をもつ火力発
電所等にも適用することができる。

〈実施例８〉 実施例５と同じ月質、形状で、さらに、第４図に示すよ
うに肉厚３ｍのＮｉ合金管９を設けて実施例４の接合条
件で接合した。接合後、真空容器４を削除する工程でＮ
ｉ合金管９の肉厚を０．５画になる様に加工した。この
Ｎｉ合金管９の厚さは被接合材からの炭素の拡散を考慮
して５０μｍ以上が必要である。最大厚さは、特に、制
限を設けないが、配管内径や溶接裏波形状等を考慮する
と１１！ｍ程度あれば十分である。この実施例ではＮｉ
合金管を用いているが、Ｎｉ管でも良く、また、これら
と成分系が同様な粉末を充填させて形成させても同様な
効果が期待される。この異材配管部品を加工して第５図
に示すように溶接部６．７で配管に７ｆｆ接し、実施例
７と同様の腐食試験を行った。この結果、異常な腐食は
認められず高温水用異材継手部品として優れた特性を示
し使用目的に合うことが分った。

〔発明の効果〕

本発明によれば、異材継手部品の管内外面に圧延による
層状組織が腐食環境に曝されず、かつ、配管へ溶接して
も圧延層状組織に剥離欠陥が生じない。炭素鋼の炭素が
ステンレス鋼のクロムと結合して脆い異相を生じること
も無い、かつ、耐食性を低下させることもない。さらに
、接合部の残留応力を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の異材継手部品を接合する原
形図の側面と中央断面図、第２図は本発明の異材継手部
品を配管系に溶接する概略の部分断面図、第３図は実施
例の溶接肉盛の状況を示す異材継手部品の部分断面図、
第４図は管内面にＮｉ管等を接合する管の部分断面図、
第５図は管内面にＮｉ管を接合した二重管を用いて溶接
した配管溶接構造の部分断面図である。 １・・・炭素鋼管、２・・・ステンレス鋼管、３・・・
中間材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ステンレス鋼管と炭素鋼管もしくは低合金鋼管を接
   続する配管において、 これら鋼管を予め固相接合で接合した部品をそれぞれの
   同種材側の鋼管へ溶接で接続することを特徴とする異材
   配管継手構造。 ２、ステンレス鋼管と炭素鋼系鋼管を接続する配管にお
   いて、 これら鋼管を予め熱間等方加圧による固相接合で異材接
   合し、かつ、接合界面の異材両金属の相互拡散による異
   相の生成を抑制した部品を、それぞれ同種材側の鋼管に
   溶接で接続することを特徴とする異材配管構造。 ３、特許請求項第１項または第２項において、Ｆｅ，Ｎ
   ｉまたはＮｉ合金等の厚さ５０μｍ以上の板もしくは溶
   接肉盛による中間材を一種以上介在させて熱間等方圧接
   合によつて固相接合することを特徴とする高温水用異材
   配管部品。 ４、特許請求項第３項の異材配管部品の管軸方向の異材
   片側の長さは接合界面からそれぞれの管の外径以上で少
   なくとも５０ｍｍとし、合計長さは中間材厚さに管の外
   径の二倍を加えたものかあるいは１００ｍｍを加えた値
   であることを特徴とする異材配管部品。 ５、特許請求項第１項ないし第４項の異材配管部品の管
   内全面に肉厚５０μｍ以上のＮｉ，Ｎｉ合金管を配管の
   溶接で溶融されない範囲に熱間等方加圧により接合する
   ことを特徴とする異材配管継手部品。 ６、特許請求項第５項を使用して炭素鋼としてステンレ
   ス鋼の配管を溶接することを特徴とする異材配管構造。