JP5996789B2

JP5996789B2 - 鋳鋼部材の補修方法

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Publication number: JP5996789B2
Application number: JP2015512422A
Authority: JP
Inventors: 西田　秀高; 秀高西田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: CA2939466C; PL3106257T3; US9962797B2; EP3106257A1; US20170182606A1; JPWO2015121936A1; EP3106257A4; CN105980101A; KR20160105502A; PH12016501599A1; CA2939466A1; EP3106257B1; WO2015121936A1

Description

本発明は、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を補修する補修方法に関する。

火力発電設備や原子力発電設備等における鋳鋼部材は長期間に渡って高温・高圧条件におかれることが多いので、これらは熱応力によるクリープ損傷を受け、さらにこれが原因となって亀裂が発生する。

このような亀裂を補修する場合、一般的には、亀裂の表面付近を削り、その上に肉盛りをし、熱処理する方法がとられている。例えば特許文献１に記載されているように、タービン翼表面の補修の場合は、表面の亀裂に切削面を形成し、この切削面の周囲を加熱し、加熱した状態でニッケル基合金等の溶接材料で溶接・肉盛し徐冷した後、肉盛部を切削してγ'（ガンマプライム）相を析出する熱処理を行う。

特開２０１１−２１４５４１号公報

ところが、火力発電設備や原子力発電設備等における鋳鋼部材には、蒸気タービン室や蒸気タービンの弁など大型のものが多いので、熱処理を行う場合においてはこれらの部材を工場に持ち帰るといったことができない。したがって熱処理は現場で行わざるを得ないが、現場で行える熱処理の規模には限界があるため、結果として熱処理が不充分となり、却って補修部分が脆化して割れやすくなる等の不具合が生じていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を確実に現場で補修する補修方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の一つは、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を補修する補修方法であって、前記鋳鋼部材の表面部の、前記亀裂を含む部分を除去して凹部を形成し、純度が９９．９％以上のニッケル、純度が９９．９９９９％以上の鉄、及び純度が９９．９９９９％以上のアルミニウムのうち少なくともいずれからなる部材であり、前記凹部と同じ形状に成形され、前記鋳鋼部材より柔らかく、前記鋳鋼部材と溶接可能な第１補修部材を前記凹部に押し込んで埋設し、前記埋設した第１補修部材と、前記鋳鋼部材とをスポット溶接により接合することを特徴とする。

本発明のように、鋳鋼部材より柔らかく、かつ鋳鋼部材と溶接可能な金属からなる第１補修部材を、亀裂を除去した部分に嵌め込むことで、この第１補修部材が自身（亀裂の除去部分たる凹部）にかかる熱応力を周囲に逃がすことができる。これにより、補修部分から亀裂が発生することを防ぐことができる。また、本発明では、第１補修部材と鋳鋼部材との溶接を、現場での施工が容易なスポット溶接で行う。これにより、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を、現場で確実に補修することができる。

また、本発明の他の一つは、前記鋳鋼部材より柔らかく、かつ前記鋳鋼部材と溶接可能な金属からなる帯状の第２補修部材を、前記亀裂の長手方向と交叉するように、かつ前記埋設した第１補修部材の上を跨ぐように溶接することを特徴とする。

亀裂の長手方向と交叉する方向は、熱応力がかかりやすい方向である。そこで本発明のように、鋳鋼部材より柔らかい第２補修部材を亀裂の長手方向と交叉するように、第１補修部材の上を跨ぐように溶接することで、補修部分からの亀裂の発生を確実に防ぐことができる。

また、本発明の他の一つは、前記取り付けた第２補修部材と前記鋳鋼部材の本体とをスポット溶接により接合することを特徴とする。

本発明によれば、第２補修部材の溶接についてもスポット溶接を行って接合するので、現場での施工が容易に行える。

また、本発明の他の一つは、前記第１補修部材及び前記第２補修部材は同一の素材からなることを特徴とする。

第１補修部材及び第２補修部材が同一の素材であることにより、補修部分にかかる熱応力を周囲に均等に分散させることができるので、補修部分からの亀裂の発生を効果的に抑えることができる。

なお、この場合の第１補修部材及び第２補修部材としては、例えば、ニッケルの純度が９９．９％以上の金属製の部材が好適に用いられる。

本発明によれば、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を現場で確実に補修することができる。

蒸気タービン車室の外殻部材の一例を説明する図である。亀裂１２の拡大図である。切削線１３に基づく亀裂部分の除去を示す図である。第１補修部材２０の構成を説明する図である。第１補修部材２０の凹部１５への取り付けを説明する図である。第１補修部材２０と母材の表面部１１とを固着するスポット溶接を説明する図である。第２補修部材３０の構成を説明する図である。第２補修部材３０の溝部１６への取り付けを説明する図である。第２補修部材３０と母材とを固着するスポット溶接を説明する図である。

本実施形態の鋳鋼部材の補修方法は、熱応力により発生した鋳鋼部材の亀裂の補修に対して適用することができ、例えば図１に示すような、火力発電所や原子力発電所等に設けられる蒸気タービン車室の外殻部材１０に適用できる。

蒸気タービン車室の外殻部材１０は、ＣｒＭｏＶ鋳鋼などの鋳鋼部材からなり、その起動・停止に伴って熱応力を受ける。これにより蒸気タービン車室の外殻部材１０はクリープ損傷を受け、内側の表面部１１に亀裂１２が発生する。亀裂１２は、例えば同図に示すようにジグザグ状に現れる。以下では、この亀裂１２の補修方法を例に、本実施形態の鋳鋼部材の補修方法について説明する。

図２は、亀裂１２の拡大図である。まず、本実施形態の補修方法では、同図に示すように、表面部１１に発生した亀裂１２に対して、亀裂１２の長手方向（第１方向）と、これと直交する方向である亀裂１２の短手方向（第２方向）とを決定する。そして、この長手方向の亀裂１２の長さ、及び短手方向の亀裂１２の長さをノギス等で測定する。

補修を必要とする亀裂１２の長手方向の長さは、例えば５ｍｍ〜１００ｍｍであり、亀裂１２の短手方向の長さは、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍである。本実施形態では、図２に示すように、亀裂１２の長手方向の長さはＬ、短手方向の長さはＷであるとする。

次に、この亀裂１２を取り除く。説明の便宜上、本実施形態では図３に示すように、亀裂１２の全体を囲う矩形状の切削線１３を母材の表面に設定するものとする。切削線１３の長辺１３ａの方向は、先に設定した亀裂１２の長手方向と平行とし、切削線１３の短辺１３ｂの方向は、先に設定した亀裂１２の短手方向と平行とする。

切削線１３の長辺１３ａの長さは、例えば１ｍｍ〜１２０ｍｍ程度である。また、切削線１３の短辺１３ｂの長さは、例えば１ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。本実施形態では、同図に示すように、切削線１３の長辺１３ａがＬ２、切削線１３の短辺１３ｂがＷ２であるとする。

そして、この切削線１３に基づき亀裂１２とその周囲を除去する。すなわち、図３に示すように、切削線１３に沿って表面部１１を深さ方向の途中まで削り取る。この作業は、例えばドリルやエンドミル等の工具で行う。

なお、表面部１１を削り取る深さは、亀裂１２が進展していると思われる深さよりも深いことが必要である。亀裂１２の内部への進展の程度がわからない場合は、亀裂の有無を確認しながら少しずつ切削を繰り返すようにすればよい。

なお、削り取る深さは、具体的には、例えば１ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。本実施形態では、図３に示すように、長さＤ２を有する深さ方向の辺１４を有する略直方体の空間である凹部１５を形成するものとする。

次に、以上のように形成した凹部１５を、図４に示す補修部材（以下、第１補修部材２０という）で補修する。第１補修部材２０は、凹部１５と同じ形状に成形されている。説明の便宜上、本実施形態では、長さＬ２の辺２１と、長さＷ２の辺２２と、長さＤ２の辺２３とを有する直方体状の部材であるとした。

そして、この第１補修部材２０を、図５のように凹部１５に埋設する。具体的には、第１補修部材２０の辺２１と切削線１３の長辺１３ａ、第１補修部材２０の辺２２と切削線１３の短辺１３ｂ、第１補修部材２０の辺２３と凹部１５の深さ方向の辺１４とをそれぞれ対応させて第１補修部材２０を凹部１５に嵌め込み、第１補修部材２０を表面側から叩いて押し込む。

ここで、第１補修部材２０の素材は、表面部１１の素材（鋳鋼）よりも柔らかい金属製の素材である。この理由は次の通りである。すなわち、亀裂１２が発生した表面部１１は熱応力がかかりやすい部位であるから、そこに表面部１１の素材である鋳鋼よりも柔らかい第１補修部材２０を嵌め込むことで、その第１補修部材２０にかかる熱応力は周囲に分散され、補修部分からの亀裂は極めて発生しにくくなるからである。

このような第１補修部材２０の素材としては、例えば純ニッケルがある。ニッケルの純度は、少なくとも９９．９％以上であることが好ましい。また、ニッケル以外の金属では、例えば、鉄、アルミニウム等が適しているが、この場合の純度は９９．９９９９％以上であることが好ましい。

続いて、図６の符号２４に示すように、第１補修部材２０をスポット溶接する。すなわち、第１補修部材２０の角部と母材とを表面部１１でスポット溶接で接合する。なお、図６の例では四隅をスポット溶接している。このスポット溶接は、例えば、TIG（Tungsten Inert Gas）溶接により行うことができる。

第１補修部材２０は、このようにスポット溶接が行える金属製の素材であることが必要である。前記の純ニッケル等はこの条件を満たしている。

次に、第１補修部材２０により補修された部分をさらに補強する。図７は、この補強に使用する部材（以下、第２補修部材３０という）である。同図に示すように、第２補修部材３０は帯状の部材である。

第２補修部材３０は、母材の表面部１１に取り付けられる。図８は、第２補修部材３０の母材への取り付けを説明する図である。同図に示すように、第２補修部材３０の取り付けの際には、母材の表面部１１に溝部１６を形成しておく。

溝部１６は、母材の表面に設けられた矩形状の切削線１７に沿って表面部１１を切削することにより形成される。溝部１６は、第２補修部材３０を取り付けたときに第２補修部材３０と嵌合する形状を有する。溝部１６は、例えばカッターやエンドミル等の工具により形成される。なお、溝部１６は、研削などの他の機械加工により表面部１１を除去して形成してもよい。

同図に示すように、溝部１６は第１補修部材２０の上を跨ぐように設けられ、溝部１６の長手方向は、第１補修部材２０の長手方向（第１方向）と交叉する方向に設けられる。溝部１６の長手方向は、好ましくは、長手方向となす角が略直角（８０〜９０度）となる方向（亀裂１２の短手方向と平行な方向）である。本実施形態でも、溝部１６の長手方向と長手方向のなす角は略直角であるとする。

また溝部１６の深さは、第２補修部材３０の厚みと一致し、第２補修部材３０を取り付けたときに補修部分に係る母材の表面が平坦となるように設計されていることが好ましい。本実施形態でも、溝部１６の深さと第２補修部材３０の厚みは一致しているものとする。

なお、溝部１６の長手方向の長さは、例えば５ｍｍ〜１００ｍｍであり、溝部１６の短手方向（第１補修部材２０の長手方向と平行な方向）の長さは、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍであり、溝部１６の深さ方向の長さは、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍである。本実施形態では、図８に示すように、溝部１６の長手方向の長さがＬ３、短手方向の長さがＷ３、深さ方向（肉厚方向）の長さがＤ３であるとする。したがって、第２補修部材３０の長手方向の長さはＬ３、幅方向の長さはＷ３、厚み方向の長さはＤ３である。

なお、第２補修部材３０の素材は第１補修部材２０と同様、スポット溶接が行える金属製の素材である。さらに、第２補修部材３０の素材は、第１補修部材２０と同一で、表面部１１よりも柔らかい金属製の素材であることが好ましい。第１補修部材２０の素材と第２補修部材３０の素材が同一であることにより、補修部分にかかる熱応力は周囲に均等に分散されるので、補修部分からの亀裂の発生が効果的に抑えられる。

このような第２補修部材３０の素材の例としては、前述の純ニッケルが挙げられ、その純度は、少なくとも９９．９％以上であることが好ましい。また、ニッケル以外の金属では、例えば、鉄、アルミニウム等を用いることができるが、この場合の純度は９９．９９９９％以上であることが好ましい。

最後に、溝部１６に嵌め込んだ第２補修部材３０と母材とを、スポット溶接で固着する。すなわち、図９の符号３１に示すように、第２補修部材３０の４つ角部のそれぞれと、切削線１７の４つの角部のそれぞれとをスポット溶接で固着する。なお、このスポット溶接は、例えば、TIG（Tungsten Inert Gas）溶接により行う。

このようにして、第２補修部材３０を第１補修部材２０の長手方向と交叉する方向、すなわち亀裂１２の長手方向と交叉する方向に取り付けることで、補修部分からの亀裂の発生を効果的に防ぐことができる。すなわち、亀裂１２の発生方向（亀裂１２の長手方向）と交叉する方向は熱応力がかかりやすい方向であるので、第２補修部材３０を第１補修部材２０と同様に鋳鋼部材よりも柔らかい素材とすることにより、亀裂の発生を効果的に防ぐことができる。

また、この場合、第２補修部材３０と母材との溶接は第１補修部材２０の場合と同様にスポット溶接で行っているので、現場での施工も容易に行うことができる。

以上に説明したように、本実施形態の補修方法では、補修対象部材である鋳鋼部材よりも柔らかく、かつ鋳鋼部材と溶接可能な金属からなる第１補修部材２０を凹部１５に嵌め込むことで、この第１補修部材２０が、補修部分にかかる熱応力を周囲に逃がすことができるので、補修部分からの亀裂の発生を防ぐことができる。これにより、熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を、確実に補修することができる。

特に、熱応力により発生する亀裂は部材の表面に生じやすい。したがって、第１補修部材２０を凹部１５と嵌合する形状にし、凹部１５に埋め込まれた第１補修部材２０が凹部１５の表面に接触するようにすることで、凹部１５の表面からの亀裂の発生を効果的に防ぐことができる。

また、本実施形態の補修方法では、第１補修部材２０および第２補修部材３０と母材との溶接を、現場での施工が容易なスポット溶接により行っている。これにより、火力発電所や原子力発電所等に設けられるような大型の鋳鋼部材に亀裂が発生した場合であっても、その亀裂を現場で確実に補修することができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、図８、９では第２補修部材３０は、複数設けるようにしているが、亀裂１２が短い場合は１つのみでもよい。

１０タービン車室の外殻部材、１１表面部、１２亀裂、１３切削線、１３ａ長辺、１３ｂ短辺、１４深さ方向の辺、１５凹部、１６溝部、１７切削線、２０第１補修部材、２１辺、２２辺、２３辺、３０第２補修部材

Claims

熱応力により鋳鋼部材の表面に発生した亀裂を補修する補修方法であって、
前記鋳鋼部材の表面部の、前記亀裂を含む部分を除去して凹部を形成し、
純度が９９．９％以上のニッケル、純度が９９．９９９９％以上の鉄、及び純度が９９．９９９９％以上のアルミニウムのうち少なくともいずれからなる部材であり、前記凹部と同じ形状に成形され、前記鋳鋼部材より柔らかく、前記鋳鋼部材と溶接可能な第１補修部材を前記凹部に押し込んで埋設し、
前記埋設した第１補修部材と、前記鋳鋼部材とをスポット溶接により接合する
ことを特徴とする鋳鋼部材の補修方法。
前記鋳鋼部材より柔らかく、かつ前記鋳鋼部材と溶接可能な金属からなる帯状の第２補修部材を、前記亀裂の長手方向と交叉するように、かつ前記埋設した第１補修部材の上を跨ぐように溶接する
ことを特徴とする請求項１に記載の鋳鋼部材の補修方法。
前記取り付けた第２補修部材と前記鋳鋼部材の本体とをスポット溶接により接合することを特徴とする、請求項２に記載の鋳鋼部材の補修方法。
前記第１補修部材及び前記第２補修部材は同一の素材からなることを特徴とする、請求項２又は３に記載の鋳鋼部材の補修方法。
前記第１補修部材及び前記第２補修部材は、ニッケルの純度が９９．９％以上の金属製の部材であることを特徴とする、請求項４に記載の鋳鋼部材の補修方法。