溶接欠陥による漏れ

大型の金属コンテナと数百キロメートルに及ぶ流体輸送パイプラインは両方とも溶接によって接続されています。この溶接法により、機械的特性に優れた溶接継手が得られます。しかし、溶接の過程では、人的要因やその他の自然要因の影響により、溶接部の形成過程でさまざまな欠陥が必然的に発生します。溶接部の漏れの大部分は、溶接プロセスで残った溶接欠陥によって引き起こされます。

最も一般的な溶接方法は電気溶接とガス溶接です。両方に共通する溶接欠陥について以下に説明します。

1. 電気溶接シームの欠陥

電気溶接は、電気エネルギーによって生成された高温アークによって金属接合部全体を得るプロセスです。電気溶接シームの一般的な欠陥には主に次のようなものがあります。

(1) 図 6-6 に示すように、完全に溶接されていない溶接部のギャップまたはエッジが溶けずに残ったギャップを不完全溶接といいます。浸透が不完全なため、層間のわずかな隙間に沿って圧力媒体が漏れ、ひどい場合にはジェット漏れも発生します。

(2) 図 6-7 に示すように、溶接部に含まれるスラグの非金属物質をスラグ介在といいます。スラグの混入は主に操業技術が不十分で、溶融池内のスラグが浮き上がらず溶接部に存在することが原因です。スラグの混入は、母材の汚れに起因する場合もあります。

外部欠陥と呼ばれるスラグの介在物がいくつか見られます。肉眼では見えず、非破壊検査で確認できる溶接部の深さに存在するものもあり、これを内部欠陥と呼びます。内部欠陥と外部欠陥は両方とも溶接部に多大な悪影響を及ぼし、その存在により溶接部の機械的特性が低下します。針状の微小介在物では、スラグ介在物の鋭角により亀裂とほぼ同等の応力集中が発生します。溶接部に針状の窒化物やリン酸塩が存在すると金属が脆くなり、酸化鉄や硫化鉄も亀裂を形成する可能性があります。

スラグの混入によって引き起こされる溶接漏れも、特に溶接品質の要件が低い流体輸送パイプラインや容器でよく見られます。スラグ介在物が存在する溶接部では局所的な応力集中が発生し、スラグ介在物先端の微小亀裂が拡大します。この亀裂がパイプ肉厚を貫通すると漏れが発生します。

(3) 金属の溶接中、何らかの理由により、溶融池内のガスが逃げる時間がなく、溶融池内に滞留します。図6-8に示すように、溶接部内の流体金属は凝固してポアと呼ばれる気孔を形成します。気孔の形状、大きさ、量は母材の鋼種、溶接棒の性質、溶接位置、溶接機の作業技術レベルなどに関係します。細孔を形成するガスの一部は、もともと母材金属または電極の鋼芯に溶解しています。薬剤の皮膚が溶けるときに発生するガスもあります。加熱により地金の油錆やスケールが分解して生成するものもあります。他のものは大気から来ます。低炭素鋼の溶接部の気孔は主に水素または一酸化炭素の気孔です。

孔の位置の違いにより、表面孔と内部孔に分けることができます。分布の違いにより、排出孔、密孔、連続孔などに分けることができます。これらの気孔の原因は様々で、気孔の形や大きさも球形、楕円形、渦巻き形、毛虫形など様々です。

気孔率は溶接部の強度に大きな影響を与えます。これにより、溶接部の有効作業荷重が減少し、溶接部の機械的特性、特に曲げ靭性と衝撃靭性が低下し、溶接部の緻密性が損なわれる可能性があります。連続的な気孔も溶接構造の破壊につながる可能性があります。

通常、単一の小さな空気穴が漏れを引き起こすことはありません。しかし、温度差応力、設置応力、またはその他の自然力の作用下では、長気孔の先端に応力集中現象が発生し、その結果、気孔の先端に亀裂が発生し、継続的に膨張し、最終的には漏れにつながります。いくつかの連続したハニカム細孔が点漏れの原因となります。このような溶接気孔による漏れを、圧着シール技術で導入した簡易な方法で解消することができます。漏洩圧力や漏洩量が大きく、漏洩箇所に人が近づくことが困難な場合には、薬剤型加圧シール技術を用いて漏洩箇所をなくすことができます。また、加圧溶着シール技術の導入により熱間加工が許される部分をなくすことができ、より高強度で長寿命となります。

(4) 亀裂は金属の最も危険な欠陥です。これは、さまざまな材料の溶接プロセスでよく遭遇する問題でもあります。この金属の危険な欠陥は、継続的に拡大および拡大する傾向があります。シールの観点から見ると、亀裂の拡大は最終的にはシールされている流体媒体の漏洩につながります。

亀裂は、縦亀裂、横亀裂、溶接中心亀裂、ルート亀裂、クレーター亀裂、熱影響部亀裂などに分類できます。

溶接の表面に亀裂が発生する場合と、溶接の内部に亀裂が発生する場合があります。時には巨視的であり、時には顕微鏡でのみ観察できる微視的です。よくある亀裂は以下の通りです。

1) 溶接金属の高温割れ。この種の亀裂の特徴は、その亀裂が青黒色、つまり高温で酸化した金属の色であることです。亀裂は常に溶接部の中心、または溶接部の魚鱗の波紋に垂直な方向に発生します。溶接面に見られる熱亀裂はジグザグ状で目立たない。アークピットに現れる模様状またはややジグザグな線状亀裂もサーマルクラックに属します。

2) 溶接金属の低温割れ。コールドクラックはホットクラックとは異なります。溶接後の低温で製造されますが、一般的には200〜300℃です。低温亀裂は溶接部の冷却中にすぐに発生することがありますが、数時間、数日、さらには 1 ～ 2 か月後に発生する場合もあります。したがって、低温亀裂は遅延亀裂とも呼ばれます。遅れ亀裂の多くは母材または母材と溶接部の接合部の溶融線で発生し、その多くは縦方向に分布しますが、場合によっては横方向の亀裂も発生します。外観の特徴は、溶接金属表面に露出した低温亀裂部に明らかな酸化色がなく、破面が明るいことである。金属組織学的特徴としては、冷間亀裂が粒界で発生したり、粒体内に浸透したりする場合があります。

上記では、いくつかの一般的な溶接シーム欠陥とその原因のみを紹介しました。もちろん、他のいくつかの要因も溶接欠陥を引き起こす可能性があります。一般的に、午後の溶接にどのような種類の溶接欠陥が存在しても、それは溶接の品質に影響を与え、溶接の強度を弱めるだけでなく、機器やパイプライン内で有害な化学媒体が漏洩する重要な原因となります。

2. ガス溶接の溶接欠陥

ガス溶接は、溶接トーチから放出される可燃性ガスと酸素を混合して燃焼させ、その熱で 2 つの溶接部の接合部を溶融状態まで加熱し、溶加材の有無にかかわらず溶接部を接続して全体の溶接接合部を得るプロセスです。ガス溶接の過程では、電気溶接と同様に、何らかの原因により溶接部に溶接欠陥が発生することがあります。

(1) 過熱・過燃焼 過熱・過燃焼とは、一般にガス溶接において金属がある程度加熱された後の金属組織の変化を指します。金属の過熱は、金属表面の黒化と酸化スケールの出現を特徴とします。粒度は粗い。オーバーバーニング中、結晶粒の粗大化に加えて、粒界も強く酸化され、溶接部のマクロな特徴として「スラグ」が発生します。金属は過熱すると脆くなり、燃えすぎるとさらに脆くなります。この欠陥の主な理由は次のとおりです。

1) 火炎エネルギー率が高すぎる。

2) 溶接速度が遅すぎる。

3) トーチが 1 か所に長く留まりすぎます。

また、酸素過剰による酸化炎、溶接ワイヤの材質不適格、風力過大な場所での溶接などの客観的要因も関係します。明らかに、このような溶接欠陥の存在は溶接品質に必然的に影響を及ぼします。

(2) ポアとは溶接部に残る気泡のことです。ガス溶接におけるエアホールの主な原因は次のとおりです。

1) ワークおよび溶接ワイヤの表面が油、錆、塗料、酸化スケールなどで汚れている。

2) 溶接ワイヤと母材の化学組成が要件を満たしていない。

3) 溶接速度が速すぎる。

4) 溶接ワイヤと母材間の加熱と溶融の調整が一貫していない。

気孔が存在すると、溶接部の有効断面積が減少し、溶接部の緻密性が損なわれ、溶接継手の機械的特性が低下します。

(3) 組立溶接時に溶接部や溶接ワイヤに油、塗料、錆などの汚れが付着し、清掃が十分に行われていない場合、スラグの混入が発生することがあります。このようなスラグの混入は、電気溶接時に発生するスラグの混入と同様の害を及ぼします。

(4) アンダーカット アンダーカットとは、母材と溶接金属の接合部にできるくぼみや溝のことです。横方向の溶接部を溶接する場合、溶接部の上部にアンダーカットが最も発生しやすくなります。原因は、溶接ノズルの傾斜角度が正しくないこと、溶接ノズルと溶接ワイヤの振りが適切でないこと、火炎エネルギー率が大きすぎることなどが考えられます。

溶接部にアンダーカット欠陥が形成されると、金属の有効断面積が減少し、アンダーカットに応力集中が形成されます。この応力集中により、溶接部に小さな亀裂が広がり、漏れが発生します。

(5) ガス溶接時の割れの主な原因は次のとおりです。

1) 溶接物および溶接ワイヤの組成および構造が不適格である（金属中の過剰な炭素含有量、過剰な硫黄およびリンの不純物、不均一な構造など）。

2) 溶接中の過度の応力、不十分な溶接補強高さ、または溶接の融合不良。

3) 長い溶接部を溶接する際の不適切な溶接順序。

4) スポット溶接中、溶接が短すぎるか、溶融が不十分です。

5) 職場の低温。

6) 溶接接合部は最後まで充填されていません。

金属の場合、亀裂は最も危険な溶接欠陥です。その存在により溶接部品の支持力は明らかに低下し、亀裂先端には応力集中が必然的に現れます。応力集中により亀裂は継続的に拡大します。亀裂が一定の深さに達すると、パイプラインや機器のシール性能が破壊され、亀裂に沿って流体媒体が漏れ出します。

電気溶接とガス溶接の両方の欠陥が溶接漏れの根本原因です。永久硬化の観点から溶接品質を向上させることが絶対に必要です。ただし、生産の安全性を確保するには、稼働後の機器やパイプラインの溶接部の漏れを圧力シール技術によって排除する必要があります。