JPS5854175B2 - 不銹鋼管の局部溶体化処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はオーステナイト系ステンレス鋼等により形成さ
れた鋼管、条材その他の材料（以下、単に不銹鋼管等と
いう）を溶接する際などの加熱、昇温による熱影響を受
けて局部的に生じる鋭敏化組織を、処理前に健全な組織
であった部分に新たな鋭敏化組織を生じさせることなく
、消失させると同時に、内面側に新たな圧縮応力を生ぜ
しめてこれを残留させるための溶体化処理方法に関する
ものである。

不銹鋼管等は耐食性や機械的性質が優れているところか
ら、例えばＪＩＳ規格のＳＵＳ ３０４を使用した鋼管
等が原子炉装置や化学装置その他の分野で耐食管等とし
て多用されていることは周知である。

然し乍ら、上記鋼管等は、装置に形成されたり部品とし
て装置に組込まれたりする際の溶接時の熱影響で溶接部
の近傍にクロム炭化物が析出して組織が鋭敏化され、結
晶粒界にクロム欠乏層を生じ、例えば当該部分に溶存酸
素等を含む液体が接触すると該クロム欠乏層が溶存酸素
などと結合して電気化学的に腐食し、更にこの腐食部分
に溶接の際に残留した引張応力が作用して粒界割れを生
じ、結局溶接部に応力腐食割れの現象を生じて実用上、
安全上極めて不都合であることが指摘されている。

このような不都合は上記のような溶接部に限らず、その
他の加工により局部的に熱影響を受けその部分の組織が
鋭敏化したものについても生じる。

本発明の発明者は、上記鋼管等の溶接部のように組織の
鋭敏化に起因する応力腐食割れを生じないようにするた
め、溶接などのように高温の熱を伴う諸加工時の熱影響
により当該溶接部近傍に析出したクロム炭化物による鋭
敏化組織を消失させ、他の部分にその処理による熱影響
を及ぼさない局部溶体化処理方法を先に提案（特許第１
１２９２４７号（特公昭５７−１９１６９））ｔ、てい
る。

而して、先に提案した方法は、不銹鋼管の周接子の溶接
部を含むその近傍のみを誘導加熱により溶体化温度にま
で急速な昇温速度で加熱し、前記管の内面が溶体化温度
に達したら直ちにその内面側に水を接触させて急冷する
ことを要旨とするものであり、一応の効果を奏するが、
この方法は、溶接時の熱影響を受けず組織が健全である
部分をこの方法による溶体化処理の加熱によって鋭敏化
しないようにするため、前記溶接部を含むその近傍のみ
を急速な昇温速度の加熱により目的温度にまで昇温させ
るに足りる大容量の電源が不可欠であって設備乃至は施
工面で難がある。

因に、容量の小さな電源を以て上記原発明方法を実施す
ると昇温速度が緩慢になり、健全な組織の部分が鋭敏化
温度域に比較的長い時間おかれることとなり、溶接によ
り鋭敏化した部分の溶体化はできても、その囲りに新た
な鋭敏化組織を発現させ易くなる３また、上記原発間の
実施における大容量電源を用いた急速加熱は、不銹鋼管
がプラント等の配管として組立てられた後に施す関係上
、その溶接部分の外周側からしか加熱できず、従って、
鋭敏化組織を改善しなければならない管の内表面を溶体
化温度（約１０５０〜１１５００Ｃ）にまで昇温させる
には、護管の外表面を内表面の温度以上、Ｇすえは肉厚
が１０ｍｍ以上ある場合には、約１３００℃前後）にま
で昇温させなければならないこととなるが、このような
加熱はその部分の結晶粒の粗大化を招いて好ましくない
のみならず、外表面を溶損させるに至ることもあるなど
の難点がある。

而して、上記方法の加熱に誘導加熱を利用する場合には
、その周波数を選択することによって前記加熱の際の難
点をある程度改善できるが、周波数を選択した誘導加熱
によっても発熱は加熱対象（ここでは管の外表面）に集
中し、内表面の昇温は熱伝導に依るところ大であるから
、先に述べた外表面の結晶粒粗大化域は溶損の傾向は依
然として残るのである。

本発明の発明者は、原発間あ法の実施により生じる上記
難点の原因を究明した結果、原発間に於ける加熱の態様
に原因のあることを知得した。

即ち、原発間は、不銹鋼管等（炭素含有ｉ０．０５優の
場合。

以下同じ）の組織にクロム炭化物が析出するのは、当該
組織が加熱又は加熱後の冷却の際に保持又は通過される
温度域と、該温度域に組織がおかれる時間に関係がある
という事実、具体的には、前記の温度域は炭素含有量に
よって若干異なるが４００〜８００°Ｃであり、当該温
度域と保持又は通過される時間との関係は、例えば６０
０°Ｃでは約１００〜２００秒で粒界腐食が生じ、特に
７００〜８００℃の温度域では約２０秒前後で組織が鋭
敏化してしまうというクロム炭化物の析出に関して従来
報告されている事実（第１図の図表で実線で囲まれた部
分参照）と、発明者の実験による、４００〜８００℃の
温度域であれば当該温度域に約１０秒前後おかれても組
織が鋭敏化するという実験結果（第１図の図表で破線で
囲まれた部分参照）に基づき、局部的な溶体化処理の際
、その処理をされて部分に隣接し未だ組織が鋭敏化され
ていない他の健全な組織の部分の鋭敏化を防ぎつつ上記
局部的な処理対象部分だけを溶体化するには、上記の他
の健全な組織の部分が局部溶体化のための加熱の際、大
略４００〜８００℃の温度域に保持又は通過される時間
をできるだけ短かくする必要があるとの結論に基いてな
されたものであるが、原発間による加熱方法は、上記の
溶体化処理すべき部分に隣接した健全な組織の部分が新
たに鋭敏化しないようにすることを加熱昇温速度を大き
くすることによって達成しようとしたため、前述のよう
な難点が派生したものである。

そこで、本発明の発明者はクロム炭化物の析出に関して
、その温度域と当該温度域に組織が保持又は通過される
時間との関係を検討したところ、一般に組織に炭化物が
析出するといわれている４００〜８０００Ｃの鋭敏化温
度域でも、組織がその温度域におかれる時間によっては
クロム炭化物の析出しない場合のあること（第１図の図
表で斜線を施した部分参照）を知り、この現象を利用し
た加熱を施せば、前述の加熱対象の厚みに関して加熱の
際に生じる温度差を生ぜしめず、且つ処理すべき部分の
近傍の健全な組織の部分にクロム炭化物を析出させるこ
となく局部的な溶体化処理を施すことができるとの結論
を得て本発明を完成したもので、その構成は、不銹鋼管
に於ける周接手溶接部とそれを含む近傍の組織のように
、組織が局部的な熱影響を受けて局部的に鋭敏化した部
分における全周を、環状誘導子により、鋼管母材の炭素
含有量の多寡に応じ、上、下させることがある６００〜
４００℃前後の温度域で且つ、健全な組織の部分に炭化
物が析出することのない時間において、前記鋭敏化した
部分の肉厚方向の内外側でほぼ等温になるように予熱し
た直後、当該予熱部分を急速に溶体化温度にまで加熱し
、その加熱部分が溶体化温度に達したら直ちに、該加熱
部分をその内面側に水を接触させて強制的に冷却し溶体
化処理前に健全な組織である部分を鋭敏化させることな
く局部的に鋭敏化した組織のみを溶体化すると共に、こ
の溶体化した部分の内面側に圧縮残留応力を生じさせる
ことを特徴とするものである。

次に本発明方法の実施例について説明する。

呼び径４インチのＪＩＳ ５ＵＳ−３０４゜５ｃｈ８
０、肉厚７．６間の管を第２図々示のように母材１，１
′として突合せ溶接したものを用意してその一つを断面
として観察したところ、溶接ビード２周辺の母材１，１
′の組織は溶接時の昇温及び冷却によって粒界にクロム
炭化物が析出した鋭敏化組織３，３′に変化していた。

尚４，４′は溶接による熱影響を受けていない安定組織
である。

そこで、このような組織を持った多数の試料を２組に分
け、環状の誘導子５による誘導加熱により、原発明の加
熱態様と本発明の加熱態様で急速に加熱して急冷し、溶
接ビード２部分に於ける管の外表面Ａと内表面Ｂとの昇
温状態を観察したところ、次の通りであった。

即ち、原発明方法によって投入電力６００ ＫＷ出力周
波数２０００ Ｈｚで誘導子５を作用させ、母材１，１
′の溶接ビード２及びその近傍の組織３３′部分を直接
溶体化温度にまで昇温させたとこる約４秒で内表面Ｂの
部分が略１０５０℃の溶体化温度に昇温されたのに対し
、外表面Ａは約１３３０℃にまで昇温されており（第３
図の図表参照）、この部分の結晶粒に粗大化の傾向が現
われたことは勿論、試料によっては一部溶損が認められ
た。

一方、本発明方法によって前記と同様の熱源を用い、略
５００℃の温度で約１０秒間の予熱を施した後、そのま
ま出力を上げたところ、約２．５秒で内表面Ｂが略１０
５０℃の溶体化温度にまで昇温され、外表面Ａはこの時
略１１７０℃に昇温されていて（第４図の図表参照）、
各試料に溶損が認められなかったのは勿論、結晶粒の粗
大化したものも認められなかった。

以上のことから、肉厚の対象を局部的に溶体化処理する
ため、処理すべき部分を急速に加熱する前に予熱を施せ
ば、溶体化温度にまで更に短時間で昇温できるのみなら
ず、熱源（誘導子５）に近い側（ここでは外表面Ａ）が
過加熱されて組織に不都合な変化も生じないので、局部
的な溶体化処理を一段と効果的に施すことができ、また
熱源の容量も原発明の場合に比べ小さいものでも急速加
熱が可能であることが判る。

而して、上記の予熱は単なる予熱ではなく、クロム炭化
物の析出に関する温度域と当該温度域に健全な部分の組
織がおかれる時間との関係から、適宜の予熱温度と同時
間を設定するので、特別な勘や熟練度等の技伺を要せず
、容易に実施することができるのである。

次いで、上記のように異なった態様で加熱された２種の
試料は、これらを昇温の直後、管内に水を噴射して急冷
したのであるが、結局、原発明の態様で加熱した試料は
、外表面Ａが１３３０℃に昇温されているので、本発明
方広により加熱した試料に比し、冷却されてしまうまで
に時間がかかった（第３図と第４図の図表参照）。

このように冷却に時間がかかるということは、温度降下
時に４００〜８００℃の鋭敏化温度域を通過する時間が
長くかかることであるから、組織にクロム炭化物の析出
するおそれがあって好ましくない。

このことから、局部溶体化処理に於ては、処理すべき部
分の内外面を温度差を少なく急速に溶体化温度にまで昇
温させることが好ましく、本発明方法はこの点でも原発
明に比べ優れているといえる。

次に、上記のような本発明方法によって局部的な溶体化
処理を施した試料の組織の状態を説明する。

＠）７溶接ビード２と母材１，１′の境界部（以下、「
境界部分」という）には、溶接したままでは粒界にクロ
ム炭化物の析出していることが明瞭に認められたが、本
発明方法による処理後、これら炭化物は完全に消失して
いた。

（ロ）前記境界部分の外側で鋭敏化した部分３，３′（
以下、「鋭敏化部分」という）には、溶接したままでは
、溶接時の熱影響を受は粒界にクロム炭化物の析出が認
められたが、本発明方法による処理後では、これら炭化
物は完全に消失していた。

（ハ）溶体化処理前は安定した健全な組織であったが、
溶体化処理の際に熱の影響を受ける部分４゜４′（以下
、「処理影響部分」という）には、本発明方法による処
理後、クロム炭化物の析出が認められたが、その量は前
記境界部分や鋭敏化部分に認められた炭化物の量に比べ
れば、極めて微量であり、全体としてこの部の組織の鋭
敏化は認められなかった。

これは、本発明方法による処理すべき部分の加熱、冷却
の時間が極めて短かくこの部４，４′の組織が変化する
に足りる熱影響がなかったからと思料される。

因に、別の試料を本発明方法の加熱態様で溶体化温度に
まで急速に加熱した後放冷したら、この部分４，４′の
組織に多量のクロム炭化物の析出が認められ、略完全に
鋭敏化していた。

また、本発明方法では、加熱直後の冷却を、管の内面側
に直接冷却水を接触させて行うので、新たな鋭敏化組織
を生じさせることなくなされる局部溶体化処理と同時に
、この処理部分の内面側に、圧縮応力を残留させること
ができるから、応力腐蝕割れを防止することができる。

以上の実施例は、不銹鋼管の溶接部及びそれを含む近傍
を、局部的に溶体化すべき対象としたが、本発明方法は
これに限られず、例えば熱間的げやその他の熱間加工或
は熱処理などによってその部及びその近傍の組織がその
時の熱影響によって局部的に鋭敏化したものにも適用し
得ること勿論である。

本発明方法は以上の通りであって、従来原子力装置や化
学装置などに耐食管などとして組込まれる不銹鋼管等は
、組込まれる際の溶接などの熱影響で当該熱影響を受け
た部分の組織が鋭敏化し時に残留応力も作用して、使用
時に該鋭敏化部分に応力腐食割れが発生して問題となっ
ていたが、本発明方法によれば、前記の溶接などによる
熱影響を受けて組織が鋭敏化した部分のみを、その部分
が部品であると装置に組込まれた後であるとを問わず、
局部的に溶体化処理と同時に応力改善できるから、従来
の問題を一挙に解決できるのみならず、この溶体化処理
のための加熱に際し、処理すべき部分をこの部分に隣接
した健全な部分の組織が鋭敏化しない温度と時間で予熱
するから、昇温時間を原発明に比べ短かくすることがで
きて熱源に近い側の過加熱を防止でき、更に前記予熱を
施すことによって急速加熱のための熱源の容量を原発明
の場合よりも小さくできて経済的であるなどの効果を奏
する。

追加の関係 原発明は、不銹鋼管が原子力装置等に組込まれた際、そ
の溶接部などのように加工時或は組立時の熱影響を受け
て組織が局部的に鋭敏化したものを、当該鋭敏化部分だ
けを、他の部分に熱影響を及ぼすことなく局部的に溶体
化処理するために、局部加熱の可能な加熱手段で前記鋭
敏化部分を溶体化温度にまで急速に昇温せしめ、内面側
に水を接触させて急冷する方法であるが、この方法を実
施するには大容量の熱源が不可欠で経済性に欠ける憾が
あり、また処理すべき対象が肉厚のものの場合には、内
表面を溶体化温度にまで昇温させると、熱源に近い外表
面は結晶粒が粗大化したり溶損したりする温度にまで昇
温されることかあって、新たな問題を惹起することが多
かったので、本発明はこれら難点を払拭するため、溶体
化処理すべき部分に隣接した健全な組織の部分が鋭敏化
しない温度と時間において溶体化処理すべき部分を予熱
し、それから溶体化温度にまで急速に昇温させ、この後
直ちに内面側に水を接触させて急冷するようにして処理
すべき部分の内外表面の温度差を小さくすると共に熱源
の容量も小さくて済むようにしたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はオーステナイト系不銹鋼の組織が鋭敏、化する
温度と時間との関係を示す図表、第２図は本発明方法の
実施に用いた試料の縦断面図、第３図は試料を原発明方
法で溶体化処理した場合に於ける試料内外面の温度変化
を示す図表、第４図は試料を本発明方法で溶体化処理し
た場合に於ける試料内外面の温度変化を示す図表である
。 １．１′・・・・・・母材、２・・・・・・溶接ビード
、３，３′・・・・・・鋭敏化組織、４，４′・・・・
・・安定組織、５・・・・・・誘導子、Ａ・・・・・・
外表面、Ｂ・・・・・・内表面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 不銹鋼管に於ける周接手溶接部とそれを含む近傍の
   組織のように、組織が局部的な熱影響を受けて局部的に
   鋭敏化した部分における全周を、環状誘導子により、鋼
   管母材の炭素含有量の多寡に応じ、上、下させることが
   ある６００〜４００℃前後の温度域で、且つ、健全な組
   織の部分に炭化物が析出することのない時間において、
   前記鋭敏化した部分の肉厚方向の内側でほぼ等温になる
   ように予熱した直後、当該予熱部分を急速に溶体化温度
   にまで加熱し、その加熱部分が溶体化温度に達したら直
   ちに、該加熱部分をその内側に水を接触させて強制的に
   冷却し、溶体化処理前に健全な組織である部分を鋭敏化
   させることなく局部的に鋭敏化した組織のみを溶体化す
   ると共に、この溶体化した部分の内面側に圧縮残留応力
   を生じさせることを特徴とする不銹鋼管の局部溶体化処
   理方法。