Mitigation of Residual Stress and Sensitization of SUS 304 Pipe Weldment with Inside Water Cooling Method by Seishin Kirihara, Katsuyuki Imai, Isao Ma

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こうしょやなぎしま
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1 Mitigation of Residual Stress and Sensitization of SUS 304 Pipe Weldment with Inside Water Cooling Method by Seishin Kirihara, Katsuyuki Imai, Isao Masaoka and Ryoichi Sasaki This report covers experimental results on the relation between welding methods (natural cooling and inside water cooling) and residual stress and carbide precipitation in heat affected zone of 2B, 3B, 4B, 8B and 12B welded austenitic stainless steel pipes. The results of this experiment are as follows: (1) The inside surfaces of pipe welds by natural cooling show tensile residual stress. (2) The inside surface of pipe welds with inside water cooling in appropriate conditions show compressive residual stress. (3) The weld sensitized zone of pipe welds can be reduced by inside water cooling technique. From the above results, it is considered that the inside water cooling method is effective to prevent SUS 304 pipe weldment from stress corrosion cracking.

2 Table 1 Chemical Compositions and Mechanical Properties of Base and Deposited Metals OD : Outside Diameter (mm), I D : Inside Diameter (mm) Table 2 Welding Conditions [Note] N.C : Vatural Cooling I. W.C : Inside Water Cooling (From 2nd or 4th pass) Welding Seqtence : Horizontal fixed pipe (5G, Multiple position)

3 Fig. 1(a) Effect of Welding Conditions on Residual Stress of 3 mm HAZ from Fusion Line for 4B Pipe Fig. 1(b) Effect of Welding Conditions on Residual Stress of 3 mm HAZ from Fusion Line for 8B Pipe

4 Fig. 2 Effect of Welding Conditions on Residual Stress of Inside Surface in HAZ (3 mm from Fusion Line) for Welded Pipe Fig. 3(a) Effect of Cooling Condition on Axial Direction Residual Stress for Inside Surface of 4B Pipe Fig. 3(b) Effect of Cooling Condition on Circumferential Direction Residual Stress for Inside Surface of 4B Pipe Fig. 4 Residual Stress of inside surface (3 mm HAZ) of Welded pipes by running Water Cooling method

5 22 700研究論文桐原.今井,正岡,佐々木:管内水冷溶接によるSUS304鋼管溶接部の残留然冷却材の析出域は境界部より約4mm離ら12mm程度までの広範囲の領域に認められたが,管内面水冷却した場合は2 3mmと Fig. 5 れた位置か減少した. Effect of Welding Conditions for Cooling Time at 2nd Pass Welding (8B Pipe) 影響部の冷却曲線の一例である.特に,2mm熱での冷却法の差を比較すると,800 も噴水冷却材も変らない.しかしながら,800 は明らかに差が見られ,800 間は自然冷却材が8秒,噴影響部までは自然冷却材 Fig. 6 以下で Effect of Welding Conditions for Total Time at C and Distance from Fusion Line (8B Pipe) から500 までの冷却時水冷却は3秒である.このようにして,各点の熱サイクルを溶接パスごとに調べた. 図6は本鋼種の鋭敏化温度をと限定した場合の溶接中その温度域に滞在する時間を累積した結果である.累積時間は溶接条件に関係なく,境界部から離れるにつれて少なくなる.管内面水冷材は当然のことであるが,自然冷却材に比し時間は少ない. 図7は8B管溶接部の鋭敏化に及ぼす溶接条件の影響を示す.鋭敏化域はマクロ組織で黒く変色している部分である.管内面水冷材の鋭敏化域は自然冷却材に比較し著しく少ないことがわかる. 図8は4B管 Fig. 7 溶接部の顕微鏡組織の一例である.自 Fig. 8 Effect of iwelding!conditions for Macrostructure Effect of Welding Conditions on Micro-Structure (4B Pipe)

6 溶接学会第48巻(1979)第10号781 誌行った.負荷応力は30kg/mm2である. 表4は応力腐食割れ試験結果を示す.自然冷却材は粒界応力腐食割れが発生したが,管内水冷材は5,400 時間経過しても全く割れが認められなかった.この試験方法では両者とも試験片製作過程で残留応力が解放されるため管内面水冷溶接した場合に発生する圧縮残留応力の効果を明確にできなかったが,しかし鋭敏化の低減が応力腐食割れを向上するこ Fig. Effect of Welding Conditions on Inside Surface Crack Pattern, 4 inch Welded 304 Stainless Steel Pipe Exposed to 42 % Boiling MgC12 Solution 9 とが知られた高温水中での定ひずみ速度引張試験による水冷溶接部の評価 3.3応試験には自然冷却及び噴水冷却溶接した4B管力腐食割れ感受性に及ぼす溶接条件の影響 %塩化マグネシウム沸騰水溶液による応力腐図11に示す要領で採取した試験片を用いた.試験片は平行部長さ20mm,平食割れの検討図9は自然冷却及び噴水冷却溶接した4B管の42%MgCI2試験(4時間浸漬)後から行部幅3mm,板厚2mmのものを用いた.試験片の表面は平面部がグラインダ研削(荒溶接部さ6S)側の割れ状況であ面がやすり仕上げの後ゲージやすり仕上げる.割れは自然冷却材に認められ,噴水冷却材には認められない.この自然冷却材で応力腐食割れが認められた位置での残留応力について図10に示す鋼板の溶接継手材 (平行部6φ 引張試験片)の42%MgCl2沸騰水溶液中で試験した実験より推定すると10kg/mm2以上の引張応力が発生していたものと推察される.(図9の浸漬時間が4時間であるため試験時間4時間のところを読みとると約10kg/mm2となる)また,この試験による割れ Fig. 10 は応力方向と直角に発生するので,応力分布及び引張応力の程度なども併せて調べることができるものと考れられる. Stress Corrosion Cracking of Welding 304 Stainless Steel Explosed to 42 % Boiling MgClz Solution なお,本試験では試験面以外はシリコン系の耐熱塗料を被覆し,管内面のみ試験液に触れるようにした. この結果から,自然冷却の場合は残留応力が高いので管内面に塩化物系の腐食媒体があれば割れを生じやすい状態にあるものと思われるが,管内面水冷溶接法を適用すれば管内面は圧縮残留応力になるので応力腐食割れ防 Fig. 11 止に有効な方法の一つになろう高温水による応力腐食割れの検討 Table 溶接部の高温水中応力腐食割れを調べるため,自然冷却及び管内面噴水冷却溶接した4B管て検討した.図11は溶接継手につい試験片の採取位置及び形状を示す. 試験片は管内面側より採取し,特に内面側は溶接のままで加工を加えなかった.表3はである.試 288,圧 SCC Test Specimen of Welded Joint 応力腐食割れ,試験条件験は循環式オートクレープにより,温力85kg/cm2,溶存酸素26ppm含度む純水中で 23 3 SCC Test Conditions

7 Table 4 Results of SCC Test (4B pipe Weld) N. C : Natural Cooling S.W. C : Spray Water Cooling R. W. C : Running Water \Cooling Failed at the time -In Progress 4) J.S. ARMIJO: "Intergramdar Stress Corrosion Cracking of Austenitic Stainless Steels In Oxygenerated High Temperature Water", Corrosion 24 (1968), 10, Fig. 12 Stress-Strain Curves for SUS 304 Pipe Weldments (Constant Extension Rate Test in High Temperature water) 319 `325 5) W.L, Clarke, G.M. Gordon: "Investigation of Stress Corrossion Cracking Susceptibility of Fe-Ni-Cr Alloys in Nuclear Reactor Water Enviroments", Corrosion 29 (1973), 1

Fig. 1 Sampling positions from the ingot. Table 2 Chemical compositions of base metal (%) Fig. 2 (unit: mm) Shape and size of fatigue test specimen. T

Fig. 1 Sampling positions from the ingot. Table 2 Chemical compositions of base metal (%) Fig. 2 (unit: mm) Shape and size of fatigue test specimen. T Friction welding of ADC 12 aluminum alloy diecastings Kazuyoshi KATO* and Hiroshi TOKISUE* Both squeeze and gravity castings of ADC 12 aluminum alloy were friction-welded, using a brake type welding machine.