KR20130118933A - 용접 구조 및 용접 공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 용접 구조(30A)는, 용접층(60A)을, 저합금강보다도 탄소량이 적은 저합금강 또는 탄소강으로 이루어지고 모재(31)에 적층된 제 1 육성(肉盛)층(33)과, 600계 니켈기 합금으로 이루어지고 제 1 육성층(33)에 적층된 제 2 육성층(34)과, 690계 니켈기 합금으로 이루어지고 제 2 육성층(34)에 적층된 제 3 육성층(35)으로 구성한다.

Description

용접 구조 및 용접 공법{WELDING STRUCTURE AND WELDING METHOD}
본 발명은, 증기 발생기나 원자로 압력 용기 등에 육성(肉盛) 용접 및 이음매 용접을 실시함으로써 형성되는 용접 구조 및 그의 용접 공법에 관한 것이다.
본원은, 2011년 3월 18일에 일본에 출원된 특허출원 제2011-061350호에 대하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
예컨대, 증기 발생기에서의 관판(管板, tube plate) 및 수실(水室)로 이루어지는 1차측 용기의 내벽면에는, 저합금강으로 이루어지는 모재의 표면에 오스테나이트계 스테인레스강이나 니켈기 합금이 육성 용접되어 있고, 이것에 의해서 내식성의 향상을 도모하고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
오스테나이트계 스테인레스강으로서는 타입 308 또는 타입 308L의 용접 금속이 알려져 있고, 니켈기 합금으로서는 690계 니켈기 합금(예컨대, 인코넬 690(등록상표))이 알려져 있다.
한편, 증기 발생기나 원자로 압력 용기의 수입출구(水入出口)에 설치된 관대(管臺)에는, 보호단부(safe end)를 통해서 배관이 접속되어 있다. 이 보호단부는 스테인레스강으로 이루어지는 단관(短管)으로서, 이음매 용접에 의해서 관대에 접속되어 있다. 또한, 증기 발생기에서의 수실의 내벽에는 니켈기 합금의 칸막이판이 용접됨과 함께, 칸막이판의 일부는 관판에도 용접됨으로써, 1차측 용기가 2개로 구획되어 있다. 니켈기 합금으로서는, 690계 니켈기 합금(예컨대, 인코넬 690(등록상표))이 알려져 있다.
이 이음매 용접의 용접 구조의 일례로서는, (1) 저합금강으로 이루어지는 모재로서의 수실 또는 관대에 적층된 690계 니켈기 합금에 의한 육성(肉盛)층, 및 상기 육성층과 칸막이판 또는 보호단부를 이음매 용접하는 690계 니켈기 합금으로 이루어지는 이음매 용접층을 구비한 것, (2) 저합금강으로 이루어지는 모재로서의 수실에 적층된 오스테나이트계 스테인레스강에 의한 육성층, 및 육성층과 칸막이판을 이음매 용접하는 690계 니켈기 합금으로 이루어지는 이음매 용접층을 구비한 것이 알려져 있다.
일본 특허공개 제2008-212945호 공보
그런데, 상기의 용접 구조를 형성할 때는, 모재에 690계 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강을 육성 용접할 때에 입열(入熱)에 의해 모재가 변성하는 것에 의해 모재의 표면에 열 영향부가 생성된다. 이 열 영향부에 대해서는, 잔류 응력의 완화, 열 영향부의 연화 및 수소 제거를 도모하도록, 열 처리를 실시할 필요가 있다.
여기서, 상기한 것과 같이 저합금강으로 이루어지는 모재에는 예컨대 0.2% 정도의 탄소가 함유되어 있다. 따라서, 열 처리 시에는 이 탄소 성분이 모재로부터 690계 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강 내로 확산하여 이행해 나가는 현상인 침탄(浸炭)이 발생한다.
이와 같이 690계 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강 내에 탄소 성분이 이행해 나가면, 탄소 성분이 이행한 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강의 표면 근방에 경화층이 생성된다. 이 경화층이, 철을 주성분으로 하는 저합금강과, 690계 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강의 경계 근방, 즉 이재(異材) 용접 경계 근방에 존재하면, 모재와 육성 용접 금속의 경계에서 박리 균열이 발생할 위험이 증가된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 육성 용접 금속으로의 침탄과 박리 균열의 발생에는, 모재에 함유되는 평균 탄소 농도뿐만 아니라, 모재 중의 탄소를 포함하는 미량 성분의 편석 등도 영향을 준다고 생각되고 있다.
본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로서, 박리 균열을 방지할 수 있는 용접 구조 및 용접 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 용접 구조는, 저합금강으로 이루어지는 제 1 모재에 용접층이 형성되어 이루어지는 용접 구조로서, 상기 용접층은, 상기 저합금강보다도 탄소량이 적은 저탄소의 저합금강 또는 탄소강으로 이루어지고 상기 제 1 모재에 적층된 제 1 육성층과, 니켈기 합금 또는 스테인레스강으로 이루어지고 상기 제 1 육성층에 적층된 제 2 육성층을 구비한다.
이러한 특징의 용접 구조에 의하면, 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 제 2 육성층과 저합금강으로 이루어지는 제 1 모재의 사이에, 미량 성분이 관리된 저탄소의 저합금강 또는 탄소강이 개재되어 있기 때문에, 제 1 모재의 열 영향부에 열 처리를 실시할 때에, 예컨대 탄소 성분이 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강으로 확산 및 이행해 버리는 것을 억제할 수 있다.
즉, 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 제 2 육성층과 접촉하는 것은 저합금강보다도 탄소량이 적은 저탄소의 저합금강 또는 탄소강만이며 미량 성분이 관리되어 있기 때문에, 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강으로의 탄소 또는 미량 성분의 혼입을 저감시킬 수 있다. 이에 의해서, 철을 주성분으로 하는 저탄소강과 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강의 사이의 이재 용접 경계에서의 박리 균열을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접 구조에 있어서는, 상기 용접층은, 상기 제 2 육성층보다도 니켈량이 적고, 또한 상기 제 2 육성층보다도 크로뮴량이 많은 니켈기 합금으로 이루어지며, 상기 제 2 육성층에 적층된 제 3 육성층을 추가로 구비하여도 좋다.
이에 의해, 저탄소의 저합금강 또는 탄소강과 접촉하는 것은, 2종류의 육성 용접 금속 중 니켈량이 많은 쪽이 된다. 여기서, 일반적으로 니켈과 탄소는 상성(相性)이 나쁘기 때문에, 니켈량이 많은 니켈기 합금을 향하여 저탄소강의 탄소가 적극적으로 이행해 나가는 경우는 없다. 따라서, 니켈기 합금으로의 침탄을 더한층 억제할 수 있다. 또한, 내식성의 관점에서는 니켈기 합금에서의 크로뮴량이 많은 것이 바람직하다. 따라서, 예컨대 육성 용접했을 때의 용접층의 표면에 크로뮴량이 많은 니켈기 합금으로 이루어지는 제 3 육성층이 형성됨으로써 내식성을 높게 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접 구조는, 1차측 용기 내벽면에 노출되는 상기 용접층이, 상기 제 3 육성층과 같은 니켈기 합금으로 이루어짐과 함께, 상기 제 3 육성층과 스테인레스강 또는 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 모재를 이음매 용접하는 이음매 용접층을 추가로 구비하여도 좋다.
이에 의해, 상기와 같이, 이재 용접 경계에서의 박리 균열의 억제를 도모하면서, 제 1 모재와 제 2 모재를 신뢰성 높게 접속할 수 있다.
또한, 제 2 육성층에 비하여 크로뮴량이 많은 니켈기 합금에 의해 이음매 용접층이 구성되어 있기 때문에, 이음매 용접층의 내식성을 높은 것으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접 구조에 있어서는, 상기 저탄소의 저합금강 또는 탄소강의 탄소 함유량이 0.1% 이하여도 좋다.
이에 의해, 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층으로의 침탄량을 더한층 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접 구조에 있어서는, 상기 제 2 육성층을 구성하는 니켈기 합금이 600계 니켈기 합금이며, 상기 제 3 육성층을 구성하는 니켈기 합금이 690계 니켈기 합금이어도 좋다.
이에 의해서, 니켈기 합금으로의 침탄을 확실히 억제하면서 내식성이 높은 용접 구조를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접 구조에 있어서는, 상기 제 2 육성층을 구성하는 니켈기 합금이 600계 니켈기 합금이며, 상기 제 3 육성층을 구성하는 스테인레스강이 타입 308계 또는 타입 308L계 스테인레스강이어도 좋다.
이에 의해서, 니켈기 합금으로의 침탄을 확실히 억제하면서 내식성이 높은 용접 구조를 실현할 수 있다.
상기 제 1 육성층을 형성하는 상기 저탄소의 저합금강 또는 탄소강에, 바나듐 또는 니오븀이 첨가되어 있어도 좋다.
바나듐이나 니오븀은 탄소를 포착하기 때문에, 제 1 육성층로부터 제 2 육성층으로 탄소가 확산해 버리는 것을 보다 확실히 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법은, 저합금강으로 이루어지는 제 1 모재에 용접층을 형성하는 용접 공법으로서, 상기 제 1 모재에 대하여, 상기 저합금강보다도 탄소량이 적은 저합금강 또는 탄소강에 의한 육성 용접을 실시함으로써 제 1 육성층을 형성하는 제 1 용접 공정과, 상기 제 1 육성층에 대하여, 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강에 의한 육성 용접을 실시함으로써 제 2 육성층을 형성하는 제 2 용접 공정과, 상기 제 1 용접 공정에 의해 생성된 상기 제 1 모재의 열 영향부에 대하여 용접 후에 열 처리를 실시하는 열 처리 공정을 구비한다.
이러한 특징의 용접 방법에 의하면, 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 제 2 육성층과 접촉하는 것은 저합금강보다도 탄소량이 적은 저합금강 또는 탄소강만이 되기 때문에, 니켈기 합금으로의 침탄량 또는 미량 성분의 혼입을 저감시킬 수 있다. 이에 의해서, 철을 주성분으로 하는 저탄소강과 니켈을 주성분으로 하는 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강의 사이의 이재 용접 경계에서의 박리 균열을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접 방법은, 제 2 육성층에, 상기 제 2 육성층보다도 니켈량이 적고, 또한 상기 제 2 육성층보다도 크로뮴량이 많은 니켈기 합금 또는 스테인레스강을 제 3 육성층으로서 육성 용접하는 제 3 용접 공정을 추가로 구비하여도 좋다. 이 경우, 상기 제 3 용접 공정은 상기 제 2 용접 공정 후, 상기 열 처리 공정 전에 행해진다.
이것에 의해, 니켈기 합금으로의 침탄을 더한층 억제할 수 있음과 함께, 용접층의 내식성을 높게 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접 방법은, 상기 제 3 육성층과 스테인레스강 또는 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 모재를, 니켈기 합금 또는 스테인레스강에 의한 이음매 용접을 실시함으로써, 이음매 용접층을 형성하는 제 4 용접 공정을 추가로 구비하여도 좋다. 이 경우, 상기 제 4 용접 공정은, 상기 열 처리 공정의 후에 행해진다.
본 발명의 용접 구조 및 용접 방법으로 니켈기 합금을 제 2 육성층으로 하는 경우에서는, 저합금강보다도 탄소량이 적은 저합금강 또는 탄소강만이 니켈기 합금에 접촉하기 때문에, 니켈기 합금으로의 침탄량을 저감시킬 수 있다. 이것에 의해서, 니켈기 합금으로의 침탄에 근거하여 경화층이 형성되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 이재 용접 경계에서의 박리 균열을 방지하는 것이 가능해진다.
도 1은 실시형태에 따른 용접 구조를 구비한 증기 발생기의 개략 구성도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 따른 증기 발생기의 수실의 내벽면에 형성된 오버레이 용접의 용접 구조의 개략 구성도이다.
도 3은 제 2 실시형태에 따른 증기 발생기의 관대와 보호단부의 사이 또는 수실과 칸막이판의 사이에서의 이음매 용접의 용접 구조의 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 한편, 이하에서는, 본 발명의 용접 구조(30)를 원자력 플랜트의 증기 발생기(10)에 적용한 예에 대하여 설명한다.
이 증기 발생기(10)는, 원자로 용기 및 가압기에 의해 고온 고압으로 된 1차 냉각재가 도입되고, 상기 1차 냉각재와 2차 냉각재의 사이에서 열 교환을 행하게 함으로써 2차 냉각재를 증발시키는 것이다.
보다 상세하게는, 증기 발생기(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 저합금강으로 이루어지는 관판(11)에 의해, 1차측 용기(13)와 2차측 용기(14)가 구획되어 있다. 1차측 용기는, 이 관판(11)과 저합금강으로 이루어지는 수실(12)로 구성되어 있다. 관판(11)에는 U자형 전열관(18)이 부착되어 있다. 또한, 수실(12)에는, 1차 냉각재 입구 관대(16)와 1차 냉각재 출구 관대(17)가 형성되어 있다. 이들 1차 냉각재 입구 관대(16) 및 1차 냉각재 출구 관대(17)에는, 스테인레스강으로 이루어지는 단관상의 보호단부(44)가 각각 용접되어 있다.
1차측 용기(13)는, 니켈기 합금으로 이루어지는 칸막이판(15)으로 구획되어 있다. 1차 냉각재 입구 관대(16)로부터 들어간 1차 냉각재는, 전열관(18)을 통하여 1차 냉각재 출구 관대(17)측으로 운반된다. 1차계 냉각재는 전열관(18)을 통과하고 있는 사이에 2차측 냉각수와 열 교환을 행하여, 2차측 용기(14) 내에 증기를 발생시킨다.
관판(11)과 수실(12)로 이루어지는 1차측 용기(13)의 내벽면에는, 1차 냉각재에 의한 부식을 회피하기 위해서 오스테나이트계 스테인레스강 또는 니켈기 합금의 육성 용접(19)이 실시되어 있다. 칸막이판(15)은, 관판(11)과 수실(12)에 이 육성 용접(19)을 통해서 이음매 용접(20)에 의해 고정되어 있다.
칸막이판(15)을 직접, 저합금강으로 이루어지는 관판(11) 또는 수실(12)에 이음매 용접(20)에 의해 고정하는 경우에는, 저합금강측의 열 영향부의 성능을 확보하기 위해서, 용접 후에 열 처리를 행할 필요가 있다. 한편, 오스테나이트계 스테인레스강과 니켈기 합금, 및 니켈기 합금끼리의 용접에서는, 용접 후의 열 처리는 불필요하다. 그래서, 용접 후의 열 처리 및 그 밖의 제작 상의 제약으로부터, 미리 오스테나이트계 스테인레스강 또는 니켈기 합금을 관판(11) 및 수실(12) 내벽면에 육성 용접(19)를 실시하여, 용접 후에 필요한 열 처리를 행한 후에, 칸막이판(15)을 이음매 용접(20)에 의해 고정하는 방법이 적용되고 있다.
단관상의 스테인레스강제인 보호단부(44)에 대해서도, 미리 오스테나이트계 스테인레스강 또는 니켈기 합금을 1차 냉각재 입구 관대(16) 및 1차 냉각재 출구 관대(17)의 단면에 육성 용접(19)을 실시하여, 용접 후에 필요한 열 처리를 행한 후에, 보호단부(44)를 이음매 용접(20)에 의해 고정하는 방법이 적용되고 있다.
우선, 제 1 실시형태로서, 수실(12)의 내벽면에서의 육성 용접(19)의 용접 구조(30A) 에 대하여 설명한다.
이 용접 구조(30A)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 저합금강으로 이루어지는 장치 본체(11)를 모재(제 1 모재)(31)로 하여, 상기 모재(31)의 표면에 순차 적층된 제 1 육성층(33), 제 2 육성층(34) 및 제 3 육성층(35)으로 이루어지는 용접층(60A)을 구비하고 있다. 한편, 모재(31)의 표면 근방에는, 제 1 육성층(33)의 용접에 의해 생성된 열 영향부(32)가 존재하고 있다.
제 1 육성층(33)은, 모재(31)의 표면에 육성 용접을 실시하는 것에 의해 상기 모재(31)에 적층된 층이며, 탄소 함유량이 0.1% 이하의 저탄소의 저합금강 또는 탄소강에 의해서 구성되어 있다.
또한, 제 2 육성층(34)은, 제 1 육성층(33)의 표면에 추가로 육성 용접을 실시함으로써 제 1 육성층(33)에 적층된 층이며, 600계 니켈기 합금(예컨대, 인코넬 600(등록상표))에 의해서 구성되어 있다.
그리고, 제 3 육성층(35)은, 제 2 육성층(34)의 표면에 추가로 육성 용접을 실시함으로써 제 2 육성층(34)에 적층된 층이며, 690계 니켈기 합금(예컨대, 인코넬 690(등록상표))에 의해서 구성되어 있다.
모재(31)를 구성하는 저합금강, 제 1 육성층(33)을 구성하는 저탄소의 저합금강 또는 탄소강, 제 2 육성층(34)을 구성하는 600계 니켈기 합금, 및 제 3 육성층(35)을 구성하는 690계 니켈기 합금의 조성의 일례를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에 나타낸 대로, 제 1 육성층(33)을 구성하는 저탄소의 저합금강 또는 탄소강의 탄소 함유량은 0.1%이며, 모재(31)를 구성하는 저합금강의 탄소 함유량 0.2%보다도 적게 설정되어 있다.
또한, 제 3 육성층(35)을 구성하는 690계 니켈기 합금의 니켈 함유량은 55%이며, 제 2 육성층(34)을 구성하는 600계 니켈기 합금의 니켈 함유량 70%보다도 적게 설정되어 있다. 한편, 690계 니켈기 합금의 크로뮴 함유량은 30%이며, 600계 니켈기 합금의 크로뮴 함유량 15%보다도 많게 설정되어 있다. 한편, 이들 표 1에 나타내는 각 함유량은 일례이며, 다른 값으로 설정하여도 좋다.
또한, 표 1에 나타낸 대로, 저합금강, 및 저탄소의 저합금강 또는 탄소강은 철을 주성분으로 하고 있고, 600계 니켈기 합금 및 690계 니켈기 합금은 니켈을 주성분으로 하고 있다. 이에 의해, 이 용접 구조(30A)에서는, 저탄소의 저합금강 또는 탄소강으로 이루어지는 제 1 육성층(33)과, 600계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층(34)의 사이의 경계가, 서로 다른 재료가 용접되는 경계, 즉 이재(異材) 용접 경계(50)이다.
한편, 제 1 육성층(33)을 구성하는 저탄소의 저합금강 또는 탄소강에는, 바나듐 또는 니오븀이 첨가되어 있는 것이 바람직하다.
내식성을 갖는 육성 용접으로서 오스테나이트계 스테인레스강을 이용하는 경우의 예로서는, 제 1 육성층(33)은 상기와 동일하며, 제 2 육성층은 600계 니켈기 합금, 제 3 육성층은 타입 308 또는 타입 308L 스테인레스강이다.
다음으로, 이러한 용접 구조(30A)의 형성 방법, 즉 용접 공법에 대하여 설명한다.
우선, 모재(31)로서, 도 1에 나타낸 증기 발생기(10)에서의 수실(12) 중 칸막이판(15)과의 접합에 필요한 범위의 내벽면을 준비한다.
그 후, 도 2에 나타낸 바와 같이, 모재(31)의 표면 전역에, 용접재로서 저탄소의 저합금강 또는 탄소강을 이용하여 육성 용접을 행한다(제 1 용접 공정). 이에 의해서, 모재(31)의 표면에 저탄소강으로 이루어지는 제 1 육성층(33)을 형성한다.
이어서, 니켈기 합금을 육성 용접하는 경우는, 제 1 육성층(33)의 표면 전역에, 용접재로서 600계 니켈기 합금을 이용하여 육성 용접을 행한다(제 2 용접 공정). 이에 의해, 제 1 육성층(33)의 표면에 600계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층(34)을 형성한다.
또한, 제 2 육성층(34)의 표면 전역에, 용접재로서 690계 니켈기 합금을 이용하여 육성 용접을 행한다(제 3 용접 공정). 이에 의해서, 제 2 육성층(34)의 표면에 690계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 3 육성층(35)을 형성한다.
한편, 이들 각 용접 공정은, 예컨대 피복 아크 용접에 의해 행해진다.
오스테나이트계 스테인레스강을 육성 용접하는 경우는, 제 1 육성층(33)의 표면 전역에, 용접재로서 600계 니켈기 합금을 이용하여 육성 용접을 행한다(제 2 용접 공정). 이에 의해, 제 1 육성층(33)의 표면에 600계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층(34)을 형성한다(제 2 용접 공정).
또한, 제 2 육성층(34)의 표면 전역에, 용접재로서 타입 308 또는 타입 308L 스테인레스강을 이용하여 육성 용접을 행한다(제 3 용접 공정). 이에 의해서, 제 2 육성층(34)의 표면에 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 제 3 육성층(35)을 형성한다.
그리고, 최후에, 제 1 육성층(33)의 형성에 의해 모재(31)의 표면에 생성된 열 영향부(32)에 대하여 용접 후의 열 처리를 행한다(열 처리 공정). 이 열 처리는, 모재(31), 제 1 육성층(33), 제 2 육성층(34) 및 제 3 육성층(35)의 전체를 가열함으로써 실시된다. 이에 의해서, 모재(31)의 열 영향부(32)의 잔류 응력의 완화, 열 영향부(32)의 연화, 및 수소 제거가 도모된다.
다음으로, 이상과 같은 용접 구조(30A) 및 용접 공법의 작용에 대하여 설명한다.
여기서, 가령 저합금강으로 이루어지는 모재(31)에 대하여 저탄소의 저합금강 또는 탄소강을 개재시키지 않고서 니켈기 합금을 용접한 경우에, 모재(31)의 열 영향부(32)에 대하여 용접 후에 열 처리를 행하면, 모재(31)와 니켈기 합금의 사이의 이재 용접 경계를 통해서 모재(31)의 탄소 성분이 니켈기 합금으로 확산 및 이행하는 침탄이 발생된다. 이와 같이 니켈기 합금에 탄소 성분이 이행하면, 니켈기 합금에서의 이재 용접 경계 근방에 경화층이 생겨, 모재(31)와 니켈기 합금의 박리 균열의 위험을 증대시켜 버린다.
마찬가지로, 저합금강으로 이루어지는 모재(31)에 대하여 저탄소의 저합금강 또는 탄소강을 개재시키지 않고서 오스테나이트계 스테인레스강을 용접한 경우에, 모재(31)의 열 영향부(32)에 대하여 용접 후에 열 처리를 행하면, 모재(31)와 오스테나이트계 스테인레스강의 사이의 이재 용접 경계를 통해서 모재(31)의 탄소 성분이 오스테나이트계 스테인레스강으로 확산 및 이행하는 침탄이 발생된다. 이와 같이 오스테나이트계 스테인레스강에 탄소 성분이 이행하면, 오스테나이트계 스테인레스강에서의 이재 용접 경계 근방에 경화층이 생겨, 모재(31)와 오스테나이트계 스테인레스강의 박리 균열의 위험을 증대시켜 버린다.
이에 비하여, 본 실시형태의 용접 구조(30A) 및 용접 공법에 의하면, 600계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층(34)과 저합금강으로 이루어지는 모재(31)의 사이에 저탄소의 저합금강 또는 탄소강으로 이루어지는 제 1 육성층(33)이 개재되어 있기 때문에, 모재(31)의 열 영향부(32)에 대하여 용접 후에 열 처리를 실시할 때에, 탄소 성분이 제 2 육성층(34)으로 확산 및 이행해 버리는 것을 억제할 수 있다.
즉, 600계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층(34)과 접촉하는 것은 저합금강보다도 탄소량이 적은 저합금강 또는 탄소강만이기 때문에, 600계 니켈기 합금으로의 침탄을 저감시킬 수 있다.
이에 의해서, 철을 주성분으로 하는 저탄소의 저합금강 또는 탄소강과 니켈을 주성분으로 하는 600계 니켈기 합금의 사이의 이재 용접 경계(50)에서의 박리 균열을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 저탄소의 저합금강 또는 탄소강과 접촉하는 것은, 600계 니켈기 합금과 690계 니켈기 합금의 2종류의 니켈기 합금 중 니켈량이 많은 600계 니켈기 합금이다.
여기서, 일반적으로 니켈과 탄소는 서로 상성이 나쁘기 때문에, 니켈량이 많은 니켈기 합금을 향하여 저탄소강의 탄소가 적극적으로 이행해 나가는 경우는 없다. 따라서, 본 실시형태와 같이 니켈량이 많은 600계 니켈기 합금을 저탄소의 저합금강 또는 탄소강과 접촉시킴으로써, 이재 용접 경계(50)에서의 침탄을 더한층 억제할 수 있다.
마찬가지로, 본 실시형태에서, 저탄소의 저합금강 또는 탄소강과 접촉하는 것은, 600계 니켈기 합금과 스테인레스강 중 니켈량이 많은 600계 니켈기 합금이다. 따라서, 본 실시형태와 같이 니켈량이 많은 600계 니켈기 합금을 저탄소의 저합금강 또는 탄소강과 접촉시킴으로써, 이재 용접 경계(50)에서의 침탄을 더한층 억제할 수 있다.
또한, 내식성의 관점에서는 니켈기 합금에서의 크로뮴량이 많은 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 1차 냉각재가 접촉하는 용접층(60A)의 최외층측, 즉, 가장 모재(31)로부터 이격된 측에 크로뮴량이 많은 690계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 3 육성층(35)이 형성되어 있기 때문에, 용접층(60A) 전체로서의 내식성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 육성층(33)을 구성하는 저탄소강의 탄소 함유량이 0.1% 이하로 되어 있기 때문에, 상기 저탄소강에 접촉하는 제 2 육성층(34)으로의 침탄을 보다 저감시킬 수 있다.
또한, 제 1 육성층(33)을 구성하는 저탄소강에 바나듐 또는 니오븀이 첨가되어 있는 경우에는, 이들 바나듐이나 니오븀은 탄소와 상성이 좋아, 탄소를 포착하는 성질을 갖고 있기 때문에, 제 2 육성층(34)으로의 침탄을 더한층 저감시킬 수 있다.
다음으로, 제 2 실시형태로서, 증기 발생기(10)의 수실(12)과 칸막이판(15)의 사이의 용접 구조(30B)에 대하여 설명한다.
이 용접 구조(30B)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 저합금강으로 이루어지는 수실(12)을 제 1 모재(41)로 함과 함께 690계 니켈기 합금으로 이루어지는 칸막이판(15)을 제 2 모재(42)로 하여 이들을 접속하는 복수층의 용접층(60B)으로 구성되어 있다. 이 용접층(60B)은, 제 1 모재(41)측으로부터 제 2 모재(42)측을 향하여 순차로 적층된 제 1 육성층(33), 제 2 육성층(34), 제 3 육성층(35) 및 이음매 용접층(43)으로 구성되어 있다. 또한, 제 1 모재(41)의 표면에는, 제 1 육성층(33)의 용접 시의 입열에 의해서 열 영향부(41a)가 생성되어 있다.
제 1 육성층(33), 제 2 육성층(34) 및 제 3 육성층(35)은, 제 1 실시형태와 같은 구성을 하고 있고, 제 1 모재(41)의 표면에 순차 적층되어 있다.
이음매 용접층(43)은, 제 3 육성층(35)과 제 2 모재(42)를 이음매 용접에 의해서 접속함으로써 형성되는 층이며, 본 실시형태에서는, 690계 니켈기 합금(예컨대, 인코넬 690(등록상표))에 의해서 구성되어 있다.
한편, 본 실시형태의 용접 구조(30B)에서도, 제 1 실시형태와 같이 저탄소의 저합금강 또는 탄소강으로 이루어지는 제 1 육성층(33)과 600계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층(34)의 경계가 이재 용접 경계(50)로 되어 있다.
다음으로, 이러한 용접 구조(30B)의 형성 방법, 즉 용접 공법에 대하여 설명한다.
우선, 제 1 모재(41)로서, 도 1에 나타낸 증기 발생기(10)의 수실(12)을 구성하는 구조재를 준비한다.
이어서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 수실(12)의, 칸막이판(15)과 접속되는 부위에 대하여, 제 1 실시형태와 같이 제 1 용접 공정, 제 2 용접 공정 및 제 3 용접 공정을 순차 실시함으로써, 저탄소의 저합금강 또는 탄소강으로 이루어지는 제 1 육성층(33), 600계 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 육성층(34), 및 690계 니켈기 합금 또는 타입 308 또는 타입 308L 스테인레스강으로 이루어지는 제 3 육성층(35)을 적층 형성한다.
그리고, 제 1 모재(41), 제 1 육성층(33), 제 2 육성층(34) 및 제 3 육성층(35)의 전체를 가열함으로써, 제 1 육성층(33)의 용접에 의해 생성된 제 1 모재(41)의 열 영향부(41a)에 대하여 용접 후의 열 처리 공정을 실시한다.
그 후, 제 3 육성층(35)의 외층측, 즉 제 1 모재(41)로부터 이격된 측의 면과, 제 2 모재(42)로서의 칸막이판(15)의 끝면을, 간격을 두고 대향 배치한다. 690계 니켈기 합금을 이용하여, 이들 제 3 육성층(35)과 제 2 모재(42)를 이음매 용접한다. 이에 의해서, 제 3 육성층(35)와 제 2 모재(42)의 사이에 이들을 서로 접속하는 이음매 용접층(43)을 형성한다. 제 2 모재(42)는 니켈기 합금뿐만 아니라 오스테나이트계 스테인레스강이어도 좋다.
또한, 적용 부위는 칸막이판(15)에 한하지 않고, 예컨대 1차 냉각재 입구 관대(16) 및 1차 냉각재 출구 관대(17)와 보호단부(44)의 사이의 이음매 용접부여도 좋다.
이러한 제 2 실시형태의 용접 구조(30B) 및 용접 방법에서도, 제 1 실시형태와 같이, 이재 용접 경계(50)를 통해서의 침탄에 의한 경화층의 생성을 회피할 수 있기 때문에, 제 1 육성층(33)과 제 2 육성층(34)의 사이에서의 박리 균열의 위험을 저감시킬 수 있다. 이에 의해서, 제 1 모재(41)와 제 2 모재(42)를 신뢰성 높게 접속하는 것이 가능해진다.
또한, 제 2 육성층(34)을 구성하는 600계 니켈기 합금에 비하여 크로뮴량이 많은 690계 니켈기 합금에 의해 이음매 용접층(43)을 구성하고 있기 때문에, 이음매 용접층(43)의 내식성을 높게 할 수 있다. 이에 의해서도 제 1 모재(41)와 제 2 모재(42)의 접속의 신뢰성을 높게 담보할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세히 설명했지만, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 한, 이들로 한정되는 것은 아니고, 다소의 설계 변경 등도 가능하다.
예컨대, 제 1 실시형태에서는, 모재(31)의 표면에 제 1 육성층(33), 제 2 육성층(34) 및 제 3 육성층(35)을 순차 적층한 예에 대하여 설명했지만, 제 3 육성층(35)은 반드시 형성하지 않아도 좋다. 이 경우, 용접층(60A) 전체로서의 내식성은 제 1 실시형태보다 뒤떨어지지만, 제 1 실시형태와 같이, 이재 용접 경계(50)를 통해서의 침탄을 저감할 수 있기 때문에, 박리 균열의 위험을 저감시키는 것이 가능해진다.
또한, 제 1 실시형태 및 제 2실시형태에서는, 제 2 육성층(34)으로서 600계 니켈기 합금을 이용한 예에 대하여 설명했지만, 600계 니켈기 합금 대신에 600계 니켈기 합금보다도 니켈량이 많은 순(純)니켈을 이용하여 제 2 육성층(34)을 구성하여도 좋다. 이 경우도 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태와 같이, 저탄소강으로 이루어지는 제 1 육성층(33)으로부터 이재 용접 경계(50)를 통해서 제 2 육성층(34)으로 탄소가 확산 및 이행해 버리는 것을 억제할 수 있다.
한편, 이와 같이 제 2 육성층(34)에 순니켈을 이용한 경우에는, 제 3 육성층(35)에 600계 니켈기 합금을 이용하여도 좋다. 즉, 제 2 육성층(34) 쪽이 제 3 육성층(35)보다도 니켈량이 많아지도록 구성되어 있으면 좋다.
또한, 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태에서는 증기 발생기(10)에 용접 구조(30A 또는 30B)를 적용한 예에 대하여 설명했다. 그러나, 이것으로 한정되지 않고, 원자력 압력 용기, 보일러, 석유 정제 플랜트 등의 탱크에서의 오버레이 용접이나 배관의 이음매 용접에 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태의 용접 구조(30A 또는 30B)를 적용하여도 좋다.
실시예
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
(경계 균열 발생 상황 확인 시험)
용접 소재의 조합에 의한 경계 균열의 발생 상황을 시험했다.
실시예로서, 모재로서의 저합금강(탄소량 0.2%)에 저탄소의 저합금강(탄소량 0.1%)을 육성 용접한 것에, 용접 재료로서 600계 니켈기 합금을 용접시킨 시험편을 제작했다.
또한, 비교예로서, 모재로서의 저합금강(탄소량 0.2%)에 용접 재료로서 690계 니켈기 합금을 용접시킨 시험편을 제작했다.
표 1에 이용된 재료의 화학 성분을 나타낸다.
그리고, 실시예 및 비교예의 시험편에 각각 수소를 공급함으로써 수소를 내포시킨 후, 각 시험편에 인장 하중을 부여하여 경계 균열 상황, 즉 이재 용접 경계에서의 박리 균열의 발생 상황을 확인하는 시험을 총 3회 행했다. 경계 균열 발생 상황의 판정은, 시험 후의 시험편 파면에서의 경계 균열의 면적율에 기초하여 행했다.
표 2에 시험 결과를 나타낸다. 한편, 경계 균열 발생 상황은, 비교예를 1로 한 경우의 상대 평가로 했다.
Figure pct00002
표 2로부터, 저탄소의 저합금강에 600계 니켈기 합금을 용접한 실시예의 시험편은, 저합금강에 690계 니켈기 합금을 용접한 비교예의 시험편보다도 경계 균열 발생이 적은 것을 알 수 있다. 이는, 저탄소의 저합금강의 탄소량이 저합금강의 탄소량보다도 적고, 또한 탄소와 상성이 나쁜 니켈의 양이 690계 니켈기 합금보다도 600계 니켈기 합금 쪽이 많은 것에 기인하는 것으로 생각된다. 즉, 실시예에서는, 용접 금속으로서의 600계 니켈기 합금으로의 탄소 이행량이 억제되었기 때문에, 박리 균열이 억제되어 있다.
이로부터, 저탄소강에 690계 니켈기 합금을 용접시킨 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태에서는, 박리 균열의 위험을 저감할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
(용접 재료의 경도 확인 시험)
소재의 조합에 의한 이재 용접 경계 근방에서의 용접 재료의 경도를 확인하는 시험을 행했다.
실시예로서, 모재로서의 저합금강(탄소량 0.2%)에 저탄소의 저합금강(탄소량 0.1%)을 육성 용접한 것에, 용접 재료로서 600계 니켈기 합금을 용접시킨 시험편을 제작했다.
또한, 비교예로서, 모재로서의 저합금강(탄소량 0.2%)에 용접 재료로서 690계 니켈기 합금을 용접시킨 시험편을 제작했다.
그리고, 실시예 및 비교예의 시험편에 대하여, 모재와 용접 금속의 경계 근방, 즉 이재 용접 경계 근방에서의 용접 금속(600계 니켈기 합금 또는 690계 니켈기 합금)의 경도를 총 5개의 위치에서 측정했다.
표 3에 시험 결과를 나타낸다. 한편, 실시예 및 비교예의 경도는 비교예를 1로 한 경우의 상대 평가로 했다.
Figure pct00003
표 3으로부터, 저탄소의 저합금강에 600계 니켈기 합금을 용접한 실시예의 시험편은, 저합금강에 690계 니켈기 합금을 용접한 비교예의 시험편보다도 경도가 적다는 것을 알 수 있다. 이에 대해서도, 경계 균열 발생 상황 확인 시험과 같이, 저탄소의 저합금강의 탄소량이 저합금강의 탄소량보다도 적고, 또한 탄소와 상성이 나쁜 니켈의 양이 690계 니켈기 합금보다도 600계 니켈기 합금 쪽이 많은 것에 기인하는 것으로 생각된다. 즉, 실시예에서는, 용접 금속으로서의 600계 니켈기 합금으로의 탄소 이행량이 억제되었기 때문에, 경도의 상승이 억제되어 있다.
이로부터, 저탄소강에 690계 니켈기 합금을 용접시킨 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태에서는, 경도의 상승을 억제할 수 있고, 결과로서 박리 균열의 위험을 저감할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 용접 구조에 의하면, 니켈기 합금으로의 침탄량을 저감시킬 수 있다. 이에 의해서, 니켈기 합금으로의 침탄에 기초하는 경화층이 형성되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 이재 용접 경계에서의 박리 균열을 방지하는 것이 가능해진다.
10 증기 발생기
11 관판
12 수실
13 1차측 용기
14 2차측 용기
15 칸막이판
16 1차 냉각재 입구 관대
17 1차 냉각재 출구 관대
18 전열관
19 육성 용접
20 이음매 용접
30 용접 구조
30A 용접 구조
30B 용접 구조
31 모재
32 열 영향부
33 제 1 육성층
34 제 2 육성층
35 제 3 육성층
41 제 1 모재
41a 열 영향부
42 제 2 모재
43 이음매 용접층
44 보호단부
50 이재 용접 경계
60A 용접층
60B 용접층

Claims (10)

  1. 저합금강으로 이루어지는 제 1 모재에 용접층이 형성되어 이루어지는 용접 구조로서,
    상기 용접층은,
    상기 저합금강보다도 탄소량이 적은 저탄소의 저합금강 또는 탄소강으로 이루어지고, 상기 제 1 모재에 적층된 제 1 육성(肉盛)층과,
    니켈기 합금 또는 스테인레스강으로 이루어지고, 상기 제 1 육성층에 적층된 제 2 육성층을 구비하는 용접 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접층은,
    상기 제 2 육성층보다도 니켈량이 적고, 또한 상기 제 2 육성층보다도 크로뮴량이 많은 니켈기 합금으로 이루어지며, 상기 제 2 육성층에 적층된 제 3 육성층을 추가로 구비하는 용접 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용접층은,
    상기 제 3 육성층과 같은 니켈기 합금 또는 스테인레스강으로 이루어짐과 함께, 상기 제 3 육성층과 스테인레스강 또는 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 모재를 이음매 용접하는 이음매 용접층을 추가로 구비하는 용접 구조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저탄소의 저합금강 또는 탄소강의 탄소 함유량이 0.1% 이하인 용접 구조.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 육성층을 구성하는 니켈기 합금이 600계 니켈기 합금이며,
    상기 제 3 육성층을 구성하는 니켈기 합금이 690계 니켈기 합금인 용접 구조.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 육성층을 구성하는 니켈기 합금이 600계 니켈기 합금이며,
    상기 제 3 육성층을 구성하는 스테인레스강이 타입 308계 또는 타입 308L계 스테인레스강인 용접 구조.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 육성층을 구성하는 상기 저탄소의 저합금강 또는 탄소강에, 바나듐 또는 니오븀이 첨가되어 있는 용접 구조.
  8. 저합금강으로 이루어지는 제 1 모재에 용접층을 형성하는 용접 공법으로서,
    상기 제 1 모재에 대하여, 상기 저합금강보다도 탄소량이 적은 저합금강 또는 탄소강에 의한 육성 용접을 실시함으로써 제 1 육성층을 형성하는 제 1 용접 공정과,
    상기 제 1 육성층에 대하여, 니켈기 합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강에 의한 육성 용접을 실시함으로써 제 2 육성층을 형성하는 제 2 용접 공정과,
    상기 제 1 용접 공정에 의해 생성된 상기 제 1 모재의 열 영향부에 대하여 용접 후에 열 처리를 실시하는 열 처리 공정을 구비하는 용접 공법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 2 육성층에, 상기 제 2 육성층보다도 니켈량이 적고, 또한 상기 제 2 육성층보다도 크로뮴량이 많은 니켈기 합금 또는 스테인레스강을 제 3 육성층으로 하여 육성 용접하는 제 3 용접 공정을 추가로 구비하고, 상기 제 3 용접 공정은 상기 제 2 용접 공정 후, 상기 열 처리 공정 전에 실시되는 용접 공법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 육성층과 스테인레스강 또는 니켈기 합금으로 이루어지는 제 2 모재를, 니켈기 합금 또는 스테인레스강에 의한 이음매 용접을 실시함으로써 이음매 용접층을 형성하는 제 4 용접 공정을 추가로 구비하고, 상기 제 4 용접 공정은 상기 열 처리 공정 후에 실시되는 용접 공법.
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