厚壁大径管的焊接接头结构和其焊接施工方法

摘要

对由以重量％计含有Cr：20～35％、Mo：0.1～10％、Al：0.1～3％、Ti：0.11～3％、Ni：余量的Ni基系合金所形成的一对厚壁大径母管(1)和相同材质的宽度为约60mm的中间构件分别预先实施热加工或冷加工，至少对包含在设置有锅炉的现场成为最终焊接部的部分的范围实施固溶处理后，在设置有锅炉的现场对所述中间构件之间进行最终焊接，通过该方法可以获得高可靠性的厚壁大径管的焊接接头结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种厚壁大径管的焊接接头结构和其焊接方法，所述厚 壁大径管的焊接接头结构由Ni基系合金形成，被用于主蒸汽温度达到 700℃左右的新一代超超临界压发电设备的主要机器、即锅炉的高温部的 集流管、主蒸汽管、以及再热蒸汽管等中；特别涉及当设置有锅炉的现场 没有制造工厂那样的大型热处理设备时，在前述设置有锅炉的现场进行最 终焊接部的焊接时不易产生再热裂纹的焊接接头结构和其焊接施工方法。

背景技术

在前述发电设备用锅炉的高温部中，传热管、配管大多使用耐热钢。 这些之中，集流管、主蒸汽管、以及再热蒸汽管等大径管一直使用的是 2.25～11％Cr系耐热钢。近年，在抑制二氧化碳排出的背景下，特别是在 燃煤火力发电设备中，为了提高发电效率而不断提高在前述锅炉中产生的 蒸汽的温度，现在，正在运转的是主蒸汽温度为600℃的燃煤火力发电设 备。

此外，出于进一步提高发电效率的目的，正在进行主蒸汽温度为 700℃的发电设备的开发。在这样的蒸汽温度的高温区域中，现有的耐热 钢在强度及耐腐蚀性方面存在问题，无法使用，因此，有必要使用固溶强 化型或析出强化型的高强度的Ni基系合金。

在将这些高强度的Ni基系合金用于前述主蒸汽温度为700℃的发电 设备用的锅炉时，使用利用固溶强化、析出强化等强化机理对Ni基系合 金的金属组织进行调质而确保了高温强度的材料，但用于实际机器时，由 于在金属结晶(以下有时简单称为结晶)晶粒内析出强化相，从而晶粒内 的强度变得比晶界的强度高。因此，蠕变容易集中于晶界，与现有材料相 比，对于由焊接时的热循环引起的再热裂纹的敏感性有时变高。

此外，前述发电设备用的锅炉的高温部的集流管、主蒸汽管、以及再 热蒸汽管等中使用的前述高强度的Ni基合金为例如壁厚20mm以上、直 径165.2mm以上的厚壁大径管，但前述集流管、主蒸汽管、以及再热蒸 汽管等以数米～数十米的长度来使用。需要说明的是，在已安装的使用现 有材料的发电设备用的锅炉的高温部的主蒸汽管、再热蒸汽管中，使用直 径500、600mm或更大直径的蒸汽管。

作为前述高强度Ni基系合金，有例如固溶强化型的Alloy617(52Ni －22Cr－13Co－9Mo－Ti－1Al、析出强化型的Alloy263(50Ni－20Cr－ 20Co－6Mo－2Ti－Al)、Alloy740(50Ni－25Cr－20Co－2Nb－2Ti－Al)。

在将这些合金制成例如壁厚20mm以上、外径165.2mm以上的壁厚 大径管的工序中，首先制造用于获得目标制品长度、壁厚的铸锭，然后利 用锻造等施加充分加工逐渐制造出制品尺寸，前述高强度Ni基系合金为 高强度合金，因此在材料厂家的通常制造能力下难以制造出长尺寸的制 品，例如通常最多能制造长度为3m以下的制品，因此，加工度变得比较 小。需要说明的是，加工度是表示由前述铸锭的加工前的原始长度、厚度 至制品的最终长度、厚度的变形量的指标。

一般而言，有加工度越大越容易变成细粒组织的倾向，再结晶温度变 低。在制造前述高强度Ni基系合金的厚壁大径管时，晶粒粒径变为例如 200～300μm的较粗的粗粒。从而材料厂家制造的厚壁大径管被锅炉厂家 购入，锅炉厂家购入时的晶粒粒径如前所述为例如200～300μm的较粗的 粗粒。

在将这样的高强度Ni基系合金用于结构上应力集中的位置时，由于 粗大化的晶粒的延展性和韧性降低，最初产生于结晶晶界处的微小裂纹传 播所需的极限应力降低，从而即使较小的应力下微小裂纹也容易传播。

特别是锅炉中作为主蒸汽管、再热蒸汽管使用的厚壁大径管中存在多 个部位的焊接接头，在前述焊接接头的焊接部附近存在承受焊接所致的热 循环的焊接热影响部，但此处的晶粒比非焊接部更加粗大化，进而还被指 出如下问题：由于存在焊接时的残留应力，因此发生再热裂纹的风险(ポ テンシャル)高。

图3示出在设置有前述厚壁大径管(例如Alloy617)的锅炉的现场 施工而形成的焊接部的热影响部可能产生的再热裂纹的假想图。将图3 (A)中所示的包含厚壁大径管1的焊接部2的焊接部附近的剖面图的放 大图示于图3(B)。

图3中，在无焊接后的热处理的状态下，由于在焊接部2的内面侧存 在与材料的屈服应力相当的拉伸的残留应力、以及由于受到焊接而产生的 热影响部3为比原组织粗粒化的组织，厚壁大径管1、1的在现场施工而 成的焊接部2容易产生再热裂纹4。

为了避免图3(B)所示的再热裂纹4，除了焊接后在焊接部及包含 焊接热影响的范围内进行焊接后的热处理来谋求焊接部2的应力的降低 以外，期望进行如下改善：使焊接部及包含焊接热影响的范围的厚壁大径 管1的晶粒粒径细粒化。但是，前述高强度Ni基系合金的厚壁大径管1、 1以从材料厂家购入时的状态的组织来使用，因此晶粒粒径较大，为例如 200～300μm，进而，最终焊接部的焊接热影响部发生粗大化进展，现实 中虽然能够降低焊接部2的应力，但晶粒粒径几乎不变。

此外，实际机器中使用的厚壁大径管(以下有时称为已安装管。)的 焊接部、焊接热影响部的在某种程度的范围内产生再热裂纹时，通常在将 包含裂纹所引起的不良部的部分去除后，用相同材质准备作为新材的短 管，在设置有锅炉的现场通过焊接将已安装材和新材连接。例如，使用将 长管切成必要长度而制作的新管作为前述短管。

为了对前述已安装管和短管的焊接部以及焊接热影响部去除焊接后 的残留应力，需要进行固溶处理或稳定化热处理。这些由高强度的Ni基 系合金形成的厚壁大径管的材料本身的固溶处理温度在1200℃左右，非 常高，进而，为了使材料整体均匀受热，升温及降温时的温度梯度受到限 制，保持时间也必须设为例如1小时左右，因此对于进行固溶处理而言， 需要较长时间。此外，稳定化热处理虽然比前述固溶处理温度低，但也需 要为900℃以上的高温，保持时间需要设为比固溶处理时间更长的时间 (例如每25mm壁厚需要1小时)。

对于这样的热处理条件，实际进行的作业是在技术上难度高、作业环 境方面伴有困难性的作业。例如，实际的热处理作业部位大多为锅炉的较 高位置，因此当然需要采取足够的安全对策，而且由于为极其高温的热处 理，因此在加热电源的设置场所、该加热导线的长度方面存在限制，进而， 需要配备用于长时间保持高温的充分的保温材等。从而，在不具备必要的 热处理设备的设置锅炉的现场的焊接中，期望将固溶处理、稳定化处理等 高温下长时间的热处理的次数设置为足够且最少的次数。

本申请人提出了涉及如下焊接方法的专利发明：为了防止锅炉用的不 锈钢管(但不是前述高强度Ni基系合金)的经年材料的新焊接部的再热 裂纹，将长度20mm以上的作为新材的短管分别焊接在经年材料的焊接 部，对焊接部的管内面侧进行研削或平滑，或者对焊接部实施用于除去应 力的退火，将新材之间焊接，从而降低焊接部的残留应力(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利第4303159号公报

发明内容

发明要解决的课题

在前述高强度Ni基系合金、例如Alloy617(52Ni－22Cr－13Co－9Mo －Ti－1Al、析出强化型的Alloy263(50Ni－20Cr－20Co－6Mo－2Ti－ Al)、Alloy740(50Ni－25Cr－20Co－2Nb－2Ti－Al)的情况下，如上 所述，制成的厚壁大径管的晶粒粒径发生粗粒化，特别是前述晶粒粒径受 到焊接时的热量影响而进一步粗大化。在将这样的前述高强度Ni基系合 金的厚壁大径管之间作为最终焊接部时，获知：由于以从材料厂家购买时 的状态的组织来使用，因此晶粒粒径较大，为例如200～300μm，进而， 最终焊接部的焊接热影响部粗大化发生进展，虽然通过焊接后的高温、长 时间的热处理能够降低焊接部的应力，但晶粒粒径几乎不变，产生再热裂 纹的风险变大。

此外，在对实际机器中已经使用的已安装管中产生了裂纹的焊接部或 焊接部附近的焊接热影响部进行修补时，需要制成再热裂纹的产生风险小 的接头结构。

本发明的课题在于，提供用于防止由高强度的Ni基系合金形成的厚 壁大径管的、在锅炉设置现场形成的焊接部处容易产生的再热裂纹的焊接 接头结构以及焊接施工方法。

用于解决课题的手段

对于本发明的上述课题，提供一种高可靠性的现场焊接接头结构和焊 接施工方法。

方案1所述的发明，为一种厚壁大径管的焊接接头结构，其特征在于， 对由如下的Ni基系合金所形成的一对壁厚为20mm以上、直径为165.2mm 以上的厚壁大径管主体(1)和相同材质的中间构件(5)预先实施包含热 加工或冷加工的机械加工而制作，至少对包含在设置有锅炉的现场成为最 终焊接部的部分的范围实施固溶处理后，将前述一对中间构件(5，5)侧 的端部之间在设置有锅炉的现场进行最终焊接而获得，所述Ni基系合金 以重量％计含有Cr：20～35％、Mo：0.1～10％、Al：0.1～3％、Ti：0.1～ 3％、Ni：余量。

方案2所述的发明是根据方案1所述的厚壁大径管的焊接接头结构， 其特征在于，实施固溶处理的、包含在设置有锅炉的现场成为最终焊接部 的部分的范围为包含将厚壁大径管主体(1)和中间构件(5)焊接后的中 间构件(5)的全长、以及与厚壁大径管主体(1)的焊接部的范围。

方案3所述的发明是根据方案1所述的厚壁大径管的焊接接头结构， 其特征在于，实施固溶处理的、包含在设置有锅炉的现场成为最终焊接部 的部分的范围为中间构件(5)的整体，对所述中间构件(5)的整体实施 固溶处理后，将厚壁大径管主体(1)和中间构件(5)焊接，为了去除或 减轻焊接时的残留应力，对包含厚壁大径管主体(1)和中间构件(5)的 焊接部的范围实施固溶处理、或实施在低于该固溶处理温度的温度下进行 的热处理，然后将一对中间构件(5，5)侧的端部之间在锅炉设置现场进 行最终焊接，从而获得。

方案4所述的发明为一种厚壁大径管的焊接施工方法，其特征在于， 对由如下的Ni基系合金所形成的一对壁厚为20mm以上、直径为165.2mm 以上的厚壁大径管主体(1)和相同材质的中间构件(5)预先实施包含热 加工或冷加工的机械加工而制作，至少对包含在设置有锅炉的现场成为最 终焊接部的部分的范围实施固溶处理后，将前述一对中间构件(5，5)侧 之间在设置有锅炉的现场进行最终焊接。以重量％计含有Cr：20～35％、 Mo：0.1～10％、Al：0.1～3％、Ti：0.1～3％、Ni：余量的

方案5所述的发明为根据方案4所述的厚壁大径管的焊接施工方法， 其特征在于，实施固溶处理的、包含在设置有锅炉的现场成为最终焊接部 的部分的范围为包含将厚壁大径管主体(1)和中间构件(5)焊接后的中 间构件(5)的全长、以及与厚壁大径管主体(1)的焊接部的范围。

方案6所述的发明为根据方案4所述的厚壁大径管的焊接施工方法， 其特征在于，实施固溶处理的、包含在设置有锅炉的现场成为最终焊接部 的部分的范围为中间构件(5)的整体，对前述中间构件(5)的整体实施 固溶处理后，将厚壁大径管主体(1)和中间构件(5)焊接，为了去除或 减轻焊接时的残留应力，对包含厚壁大径管主体(1)和中间构件(5)的 焊接部的范围实施固溶处理、或实施在低于该固溶处理温度的温度下进行 的热处理后，将一对中间构件(5，5)侧的端部之间在锅炉设置现场进行 最终焊接。

发明的效果

根据本发明的方案1、4所述的发明，对用于主蒸汽温度达到700℃ 的新一代超超临界压发电设备的由高强度Ni基系合金形成的集流管、主 蒸汽管以及再热蒸汽管等的、金属组织由粗粒组织构成的厚壁大径管1 的在现场形成的焊接接头，使用的是以相同材质预先实施包含热加工或冷 加工的机械加工而制作的一对中间构件5、5，在对前述中间构件5、5的 至少包含在设置有锅炉的现场成为最终焊接部的部分的范围实施固溶处 理后，将前述中间构件5之间最终焊接，能够防止再热裂纹的产生，并且 能够在锅炉设置现场容易地进行焊接作业。

需要说明的是，锅炉中使用的集流管、主蒸汽管、以及再热蒸汽管等 厚壁大径管(有时称为已安装管)1由于材料厂家的制造能力而导致加工 度低、形成粗粒组织，而中间构件5由于为短管而能够获得高加工度，因 此与前述已安装管1相比为较细的细粒，且能够形成变形组织，进而，通 过固溶处理，前述变形组织形成了更细的细粒组织，因此在前述中间构件 5之间焊接后，即使进行热处理也不会产生再热裂纹。

根据方案2、5所述的发明，除了方案1、4所述的发明的效果以外， 通过将前述中间构件5的长度设为能够在现场对包含中间构件5全长和已 安装管1侧的焊接部进行固溶处理的长度，对前述厚壁大径管1焊接前述 中间构件5，然后在前述范围进行固溶处理，从而能够使前述中间构件5 生成细粒组织，即使不对前述中间构件5之间的最终焊接部进行热处理也 不会产生再热裂纹，可实现焊接结构的可靠性的提高。

根据方案3、6所述的发明，除了方案1、4所述的发明的效果以外， 由于预先对前述中间构件5整体进行固溶，因此中间构件5整体中生成细 粒化组织，即使在设置有锅炉的现场不对前述中间构件5之间的最终焊接 部进行热处理，也不会产生再热裂纹，可实现焊接结构的可靠性的提高。 进而，还可以将前阶段的前述厚壁大径管1和经过了前述固溶处理的中间 构件5焊接后的热处理设置为低于固溶处理温度下的、主要目的在于降低 残留应力的稳定化热处理。通过设为前述稳定化热处理，与进行固溶处理 的情况相比，能够减少厚壁大径管1的前述中间构件5侧的焊接热影响部 的晶粒粗大化。

附图说明

图1是示出实施例1的Ni基系合金厚壁大径管的焊接接头结构和焊 接施工方法的图。

图2是示出实施例2的Ni基系合金厚壁大径管的焊接接头结构和焊 接施工方法的图。

图3是说明现有技术中的Ni基系合金厚壁大径管的焊接接头结构和 焊接施工方法的问题点的图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例与附图一起进行说明。

需要说明的是，图1及图2所示的实施方式在新型设置的情况下、以 及对已经使用的结构进行修补的情况下都可以适应。

实施例1

图1为示出表示本实施例的、作为新一代超超临界压发电设备中的主 要设备、即锅炉中的厚壁大径管的焊接接头结构和焊接施工方法的、管焊 接部的至最终焊接为止的施工状况的图。

首先，如图1(A)所示，对由Ni基系合金(Alloy617； 52Ni-22Cr-13Co-9Mo-Ti-1Al)所形成的一对壁厚为20mm、直径为 165.2mm、长度3m的厚壁大径管1，1分别焊接由材料厂家制作的由相 同材质形成的壁厚为20mm、直径为165.2mm、长度150mm的中间构件 (短管)5，5。

需要说明的是，前述厚壁大径管1在材料厂家中的钢管制造厂家中如 下获得：由铸锭以热锻制成大直径的圆柱状物，对其进行热挤出、拉拔等 加工而形成长的圆筒状，最后利用机械加工对氧化的内外表面进行切削， 精加工至设计尺寸。需要说明的是，直径较小的管有时也通过冷加工来制 造。从而，制作的前述厚壁大径管1的加工度比较低，晶粒粒径比较粗， 为200μm～300μm。

此外，前述中间构件5也能够在前述材料厂家制造，本发明中为了提 高加工度而形成变形组织，在锻造厂家中通过热锻或冷锻来制作。首先， 通过锻造成形出长度及外形，内径通过扩孔进行成形加工从而制作。具有 如下特征：晶粒粒径为100μm～200μm，与前述厚壁大径管1相比为细粒， 但为在晶粒内具有多个滑动面的变形组织。

然后，如图1(B)所示，至少将包含前述中间构件5整体、以及前 述厚壁大径管1和前述中间构件5的焊接部6的范围在1175±20℃的保持 温度下实施规定时间的固溶处理，从而能够使中间构件5的变形组织细粒 化至100μm以下，同时能够去除焊接部6的残留应力，由此能够降低再 热裂纹的敏感性。需要说明的是，前述保持时间为例如1小时左右，需要 为将该时间与升温及降温所需的时间相加而得的时间。

此外，作为本发明的实施例中使用的Ni基系合金，除了上述Alloy617 (52Ni-22Cr-13Co-9Mo-Ti-1Al)以外，还可以使用Alloy263(50Ni－20Cr －20Co－6Mo－2Ti－Al)或Alloy740(50Ni－25Cr－20Co－2Nb－2Ti －Al)等Ni基系合金。

需要说明的是，关于本发明的实施例中的由短管构成的中间构件5 的长度(L)，考虑到锅炉设置现场中的最终焊接部的焊接部宽度和焊接 时受到热影响的范围，在前者为窄坡口的多层堆焊的情况下，一个中间构 件5的最终层的宽度为约10mm，后者为约2.5倍，位于其上的一个中间 构件5的焊接部6的最终层的宽度为约10mm，设为将三者相加、即10 +25+10＝45mm以上即可。

此外，关于本发明的实施例中的中间构件5的长度的上限，首先，需 要设为在锻造厂家制作时可获得较大加工度的上限长度，进而，需要为能 够对包含前述中间构件5全长和与前述厚壁大径管1主体的焊接部的范围 进行固溶处理的长度。如上所述，若为由前述厚壁大径管1主体被赋予较 大加工度(例如20％以上)的中间构件5，则通过上述固溶处理产生再结 晶，形成不易产生再热裂纹的细粒组织。

需要说明的是，虽然限定为获得中间构件5整体的加工度的长度，但 在新制作时，在具有大型热处理设备的工场进行图1(B)的固溶处理时， 可以将中间构件5设为较长。此外，在前述厚壁大径管1为已安装管的情 况下，则为在现场的受制约的环境下能够进行固溶处理的长度。

然后，如图1(C)所示，在最后将中间构件5，5之间在设置有锅炉 的现场中进行最终焊接形成焊接部7而连接时，由于中间构件5为细粒组 织，因此即使不进行固溶处理等高温应力去除热处理，再热裂纹的敏感性 也低。

从而，本实施例在具备热处理设备的锅炉设备制造工厂或锅炉设置现 场均能够实施图1(A)和图1(B)的阶段，最终，在锅炉设置现场进行 图1(C)的阶段的最终焊接。

实施例2

图2为示出表示本实施例的、作为新一代超超临界压发电设备的主要 设备的锅炉中的厚壁大径管的焊接接头结构和焊接施工方法的、管焊接部 的至最终焊接为止的施工状况的图。

首先，如图2(A)和(C)所示，对Ni基系合金(Alloy617)所形 成的一对壁厚20mm、直径165.2mm、长度3m的厚壁大径管1，1(参照 图2(C))和由相同材质形成的壁厚20mm、直径165.2mm、长度250mm 的中间构件5，与实施例1同样地为了提高加工度、形成变形组织而在锻 造厂家通过热锻或冷锻来进行制作。首先，通过锻造成形出长度及外形， 内径通过扩孔进行成形加工从而制作。具有如下特征：晶粒粒径为 100μm～200μm，与晶粒粒径为200μm～300μm的较粗的粗粒的前述厚壁 大径管1相比为细粒，但为在晶粒内具有多个滑动面的变形组织。前述中 间构件的长度的下限、上限与图1时相同。

然后，对前述的图2(A)所示的由变形组织构成的中间构件5整体 预先在具备热处理设备的锅炉设备制造工厂实施固溶处理，从而如图2 (B)所示那样使中间构件5整体成为细粒组织。需要说明的是，若具备 热处理设备，则也能够在现场场地内进行固溶热处理。作为前述固溶处理， 可以通过在1175±20℃的保持温度下实施规定时间的固溶处理，从而将中 间构件5的变形组织细粒化至100μm以下。

然后，如图2(C)那样，与实施例1同样地将厚壁大径管1，1与固 溶处理过的作为短管的中间构件5，5分别在焊接部6，6焊接，如图2(D) 所示，以厚壁大径管1，1与中间构件5，5的各焊接部6，6左右为中心 进行固溶处理或稳定化热处理。

在进行固溶处理作为前述热处理时，由于已经通过图2(B)的固溶 处理使中间构件5的整体成为细粒组织，因此虽然在厚壁大径管1和中间 构件5焊接后在包含厚壁大径管1侧的焊接部6的范围内晶粒粒径也发生 粗大化，但包含中间构件5侧的焊接部6的范围的晶粒粒径不会粗大化。 由于包含前述焊接部的范围的焊接后的残留应力通过固溶处理而被除去， 因此在前述厚壁大径管1侧的晶粒粒径的粗大化部也不存在再热裂纹的 问题。

此外，在去除包含前述焊接部的范围的残留应力的基础上，为了防止 前述包含厚壁大径管1侧的焊接部的范围内的晶粒粒径粗大化，可以改变 固溶处理而进行稳定化热处理。前述稳定化热处理在例如900℃以上、即 低于固溶处理的温度进行，因此能够防止包含厚壁大径管1侧的焊接部的 范围的晶粒粒径粗大化。

图2(D)的热处理也能够与图1(B)的情况同样地在具有大型热处 理设备的工厂或现场进行，在本实施例中，由于已经进行了中间构件的细 粒化，因此不必在厚壁大径管1侧的焊接部包含中间构件5整体地进行固 溶处理，包含一部分来进行即可，在前述厚壁大径管1为已安装管的情况 下，为在现场的受制约的环境中无法对中间构件5整体进行固溶处理时也 能采用的结构。

该固溶处理或稳定化热处理的目的在于去除焊接部6，6的焊接时的 残留应力。此外，关于中间构件5的长度，由于预先通过图2(B)对整 体进行了固溶，因此可以设为比实施例1的中间构件5的长度更长，这里 设为250mm，与实施例1的情况不同的是，在难以通过图1(C)的施工 对中间构件整体进行溶体化处理的情况下等也能够实施。

最后，如图2(E)所示，将为细粒组织的中间构件5，5之间在现场 焊接形成焊接部7，从而与实施例1的接头结构同样地获得再热裂纹敏感 性的改善效果。

从而，本实施例在具备热处理设备的锅炉设备制造工厂或锅炉设置现 场均能够实施图2(D)的阶段，最终在锅炉设置现场进行图2(E)的阶 段的最终焊接。

符号说明

1厚壁大径管母管

2母管之间的焊接部

3母管之间焊接部的热影响部

4再热裂纹

5中间构件

6中间构件和厚壁大径管母管的焊接部

7中间构件之间的焊接部