JP2002174401A - ボイラ火炉壁のメンブレンパネル構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 火炉壁の伝熱管とメンブレンバーの結合部な
どに存在するメンブレンバーの止端部、特に伝熱管側に
おける亀裂の発生を防止し、信頼性の高い或いはメンテ
ナンスの必要性の無いボイラ火炉壁構造を提供するこ
と。 【解決手段】 メンブレンバー３の肉厚部側に接続する
伝熱管１ａの内径ｔ、肉薄部側に接続する伝熱管１ｂの
内径ｔ_０にｔ＞ｔ_０の関係があると、厚さが同じメンブ
レンバー２に比較して伝熱管１ａとメンブレンバー３の
接続部の発生応力が低くなり、メンブレンバー３の応力
分布は全体的に比較的均一になり、この部位の信頼性が
向上する。更に、メンブレンバー３の端面の肉厚を適当
に設定することにより、最大応力発生部位はメンブレン
バー３の端面側から中央部に移動する。このため、従来
技術のように伝熱管１とメンブレンバー２の境界部１６
に亀裂が発生しなくなるとともに、定期検査時にはメン
ブレンバー３の中央部付近のみの検査を行えばよいの
で、部材の損傷評価が極めて容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複数の伝熱管とメン
ブレンバーで構成されるボイラ炉壁のメンブレンパネル
構造に係り、特に伝熱管とメンブレンバーとの溶接部に
おける亀裂発生及び発生した亀裂が大きくなることを防
止できるボイラ火炉壁のメンブレンパネル構造に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図２に発電所用ボイラの燃焼室及び火炉
全体の外観構造を示す。この種のボイラにおいては、内
部に水、水・蒸気混合物又は蒸気が流れる伝熱管が複数
設置されている。図９には図２に示す燃焼室及び火炉全
体の外観構造の伝熱管とメンブレンバーで構成されるボ
イラ炉壁のメンブレンパネル構造を示す。

【０００３】隣接する２つの伝熱管１、１の間に配され
るメンブレンバー２の端部を溶接で接合したメンブレン
パネルで図２に示すボイラの前壁４、側壁１２、ケージ
壁５、ケージ底部壁６及び天井壁７などの壁面ができて
おり、これらの壁面で気密性の高い箱形の燃焼室及び火
炉が構成されている。

【０００４】図３に側壁１２とケージ壁５の接続部付近
の詳細図を示す。複数の水壁管９、ケージ側壁管１０お
よびケージ底部管１３の両側に、それぞれ伝熱効果を上
げるためメンブレンバー２と呼ばれる板又は平網を配
し、管９、１０及び１３とメンブレンバー２の軸方向の
接続部分を溶接によって結合し、機密性を有する一体の
燃焼室を形成している。なお、ケージ側壁管１０の下端
部にはケージ側管寄せ１４が設けられている。

【０００５】図２に示す円で囲まれた領域は３種類の管
群（水壁管９、ケージ側壁管１０及びケージ底部管１
３）が３次元的に合体した結合部８であり、この結合部
８は複雑な構造をしていることから、構造物としては強
度的に最も注意しなければならない形状不連続部を形成
する。

【０００６】このようなボイラの燃焼室及び火炉におい
ては、前壁４、側壁１２に設けられる水壁管９、ケージ
側壁５に設けられるケージ側壁管１０及びケージ底部壁
６に設けられるケージ底部管１３の温度差から熱変形が
生じ、側壁１２とケージ側壁５の結合部８及びケージ側
壁５とケージ底部壁６の結合部８を含む領域に亀裂が発
生する場合がある。

【０００７】検査時に発見されたメンブレンパネルの亀
裂は、その都度補修され、更に適宜補強も施されている
が、補修及び補強後も定期検査を行うたびに、同一個所
のケージ側壁５とケージ底部壁６の結合部８等に新たな
亀裂が発見され、亀裂の削除と補修に多大の時間と費用
を要しているのが現状である。

【０００８】ケージ側壁５とケージ底部壁６の結合部８
は形状が不連続なことから応力が集中しやすい形状をし
ており、ボイラ運転時と運転停止時の伸び差から前記結
合部８を広げようとする力とケージ側壁５とケージ底部
壁６の温度差による伸び差から生じる前記結合部８にせ
ん断力とが複雑に関係して働き、結合部８に亀裂が発生
する。

【０００９】更に、ケージ底部壁６は一般的に傾斜が付
いていることからケージ側壁５を構成するメンブレンバ
ー２の下端部は、図３に示すように階段状に長さが異な
っている。このように隣接するメンブレンバー２の長さ
が異なると、メンブレンバー２の端部には隣のメンブレ
ンバー２の長い側のみに応力が集中する。この発生応力
はメンブレンバー２の長さが一定の場合に発生している
応力よりも極めて大きくなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図９に従来のメンブレ
ンパネルの側面図（図９（ａ））と断面図（図９
（ｂ））を示すが、伝熱管１とメンブレンバー２の接続
部においては、メンブレンバー２の止端部１６に応力集
中を緩和させる目的でアール加工が施されているが、そ
の応力緩和の効果は十分でなく、伝熱管１とメンブレン
バー２の止端部１６に亀裂１５が発生し、伝熱管１やメ
ンブレンバー２に向かって進展していた。

【００１１】上述のように、伝熱管１とメンブレンバー
２の止端部１６に亀裂１５が発生し、特に伝熱管１に向
かって亀裂１５が伝播して伝熱管１の内表面まで達する
と、伝熱管１の内部流体である蒸気の漏れが生じ、ボイ
ラの運転停止を余儀なくされることになる。従って、特
に起動と停止の繰り返し頻度が高いボイラプラントでは
運用上の問題点となっている。

【００１２】本発明の課題は、火炉壁の伝熱管とメンブ
レンバーの接続部などに存在するメンブレンバーの止端
部での亀裂の発生、特に伝熱管側における亀裂の発生を
防止し、信頼性の高い、メンテナンスの必要性の無いボ
イラ火炉壁のメンブレンパネル構造を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、ボ
イラ火炉壁に複数の伝熱管を併設し、隣接する二つの伝
熱管の間にメンブレンバーを接続して得られるボイラ火
炉壁のメンブレンパネル構造において、隣接する二つの
伝熱管の間に配されるメンブレンバーの両端部の一方の
端部の肉厚（板厚と言うこともある）を他方の端部の肉
厚に比べて厚くしたボイラ火炉壁のメンブレンパネル構
造により解決される。

【００１４】また、上記本発明のメンブレンパネル構造
において隣接するメンブレンバーの長さが異なる部位に
おいて、短い方に位置するメンブレンバーの両端部の一
方の端部の肉厚を他方の端部の肉厚よりも厚くする構成
にしても良い。

【００１５】

【作用】図４には本発明と従来技術の隣接する２つの伝
熱管１、１の間にメンブレンバー２を溶接で接合したメ
ンブレンパネルを示し、図４（ａ）、（ｂ）には本発明
の一実施の形態の示し、図４（ｃ）、（ｄ）には従来技
術を示す。図４（ａ）は本発明の一実施の形態のメンブ
レンパネルの側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のメンブ
レンパネルのＡ−Ａ線断面図であり、図４（ｃ）は従来
のメンブレンパネルの側面図、図４（ｄ）は図４（ｃ）
のメンブレンパネルのＢ−Ｂ線断面図である。

【００１６】従来、各伝熱管１の熱伸び差から、図４
（ｃ）に示すような均一肉厚のメンブレンバー２の止端
部１６には応力集中によって大きな応力が発生してい
た。しかし本発明では図４（ａ）に示すようにメンブレ
ンバー３の大きな応力が発生する部分に肉厚部３ａを設
け、応力集中が生じる伝熱管１側に、メンブレンバー３
の肉厚部３ａを溶接接続し、他方の伝熱管１側の溶接接
続部は従来と同じ肉厚にする。

【００１７】こうして肉厚部３ａ側のメンブレンバー３
の止端部１６の剛性を強くすることで、従来伝熱管１と
メンブレンバー２の止端部（境界部）にあった最大応力
発生部位の応力を低下させることができる。

【００１８】なお、本発明のメンブレンパネルでも応力
集中によって大きな応力が発生するおそれのない伝熱管
１、１の間には従来通りの均一肉厚のメンブレンバー２
を溶接接続する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態であるボイラ
火炉壁に用いられるメンブレンパネルについて図面と共
に説明する。図１（ａ）にはメンブレンパネルの側面図
を示し、図１（ｂ）には図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図を
示す。図１に示すメンブレンパネルは隣接する伝熱管
１、１の間に均一肉厚（板厚）のメンブレンバー２を溶
接１１により接続したものと肉厚部があるメンブレンバ
ー３を接続したものを組み合わせものである。

【００２０】伝熱管１の材質は１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、
寸法は直径（φ）５０．８ｍｍ×厚さ（ｔ）１０．８ｍ
ｍとした。均一板厚のメンブレンバー２の材質は１Ｃｒ
−０．５Ｍｏ鋼、寸法は幅５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとし
た。メンブレンバー２、３は伝熱管１に溶接１１で接合
している。片方を肉厚にしたメンブレンバー３の材質は
１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、寸法は幅５０ｍｍ×長さ１００
ｍｍで、厚い方の肉厚が２０ｍｍ、薄い方の肉厚が１０
ｍｍとしている。

【００２１】図５には本発明の隣接する２つの伝熱管１
ａ、１ｂの間に不均一な肉厚のメンブレンバー３を溶接
で接合したメンブレンパネル（図５（ａ））と従来技術
の隣接する２つの伝熱管１ａ、１ｂの間に均一な肉厚の
メンブレンバー２をそれぞれ溶接で接合したメンブレン
パネルの断面図（図５（ｂ））を示し、本発明と従来技
術のメンブレンバー３、２の全幅Ｂに対する一方の伝熱
管１の接続部からの距離Ｘ位置（Ｘ≦Ｂ）におけるメン
ブレンバー３、２上の発生応力の関係を図５（ｃ）に示
す。

【００２２】本発明では伝熱管１ａに接続する肉厚部側
のメンブレンバー３の肉厚をｔとし伝熱管１ｂに接続す
る肉薄部側のメンブレンバー３の肉厚をｔ_０とし、前記
肉厚比（板厚比）ｔ／ｔｏ＝２．０、ｔ／ｔｏ＝１．５
の場合のデータを示す。なお、従来技術の伝熱管１ａ、
１ｂに接続するメンブレンバー２の肉厚はｔ_０とする。

【００２３】図５（ｃ）から分かるように、従来技術に
おいては伝熱管１ａとメンブレンバー２の接続部の発生
応力が高く、メンブレンバー２の前記接続部から離れる
につれて応力は低くなっているが、本発明のメンブレン
パネル構造では、メンブレンバー３の応力分布は全体的
に比較的均一になり、この部位の信頼性が向上する。

【００２４】更に、本発明ではメンブレンバー３の両端
部の肉厚を適当な値に設定することにより、最大応力発
生部位はメンブレンバー３の伝熱管１ａに接続する肉厚
部側から中央部に移動する。このため、従来技術のよう
に伝熱管１とメンブレンバー２の境界部１６に亀裂１５
（図９）が発生しなくなるとともに、定期検査時にはメ
ンブレンバー３の中央部付近のみの検査を行えばよいの
で、部材の損傷評価が極めて容易になる。

【００２５】なお、図５（ｂ）に示す従来技術では、伝
熱管１ａ、１ｂとメンブレンバー２の境界部の発生応力
が高くなる範囲は、メンブレンバー２の伝熱管１ａ、１
ｂとの接続部近傍のみであるので、本発明においてメン
ブレンバー３の肉厚を厚くするのは、伝熱管１ａとの接
合部近傍のみで十分である。従って、メンブレンバー３
の伝熱管１ａとの接合部から十分離れた部位は従来技術
のような一定厚さにしても良い。

【００２６】従来技術では伝熱管１ａとメンブレンバー
２の止端部１６に発生していた高い応力が本発明ではメ
ンブレンバー３の板厚を厚くすることによって低減され
ており、全体的に均一な応力分布になっていることが図
５（ｃ）から分かる。更に本実施の形態の場合ではメン
ブレンバー３の中央部分の発生応力が最も大きくなって
いる。メンブレンバー３の中央部分の発生応力が両端の
発生応力よりも大きくなるのは、図５（ｃ）に示すよう
に、メンブレンバー３の板厚比ｔ／ｔｏが１．５以上の
場合であった。

【００２７】このように、適当なメンブレンバー３の板
厚を適切な値に設定することにより、最大応力発生部位
が伝熱管１とメンブレンバー３の止端部１６ではなくな
り、伝熱管１に亀裂１５（図９）が発生・進展すること
が無くなり、伝熱管１からの蒸気の漏洩などが防げる。
これによって、信頼性の高い或いはメンテナンスの必要
性の少ないボイラ火炉壁構造を提供することが可能にな
る。

【００２８】本発明において、メンブレンバー３の伝熱
管１ａ、１ｂとの接続部（両端部）の板厚比ｔ／ｔｏは
伝熱管１ａ、１ｂとメンブレンバー３の接続部の発生応
力に大きく影響する。この板厚比ｔ／ｔｏが小さすぎる
と、その効果は十分でなく、逆に大きすぎても反対側
（薄い側）の伝熱管１とメンブレンバー３の結合部（境
界部）の発生応力が大きくなってくるので注意が必要で
ある。

【００２９】板厚比ｔ／ｔｏに対する伝熱管１ａ、１ｂ
とメンブレンバー３の接続部（境界部）の発生応力変化
を図６に示す。

【００３０】図６（ａ）には隣接する２つの伝熱管１
ａ、１ｂの間にメンブレンバー３を溶接で接合したメン
ブレンパネルの断面図を、伝熱管１ａ、１ｂとの接続部
でのメンブレンバー３の板厚比ｔ／ｔｏを変化させたと
きの各接続部Ａ点とＢ点での発生応力の変化を図６
（ｂ））に示す。

【００３１】図６から分かるようにメンブレンバー３の
板厚比ｔ／ｔｏが大きくなるにつれてＡ点の発生応力は
低下しており、Ｂ点の発生応力は逆に上昇している。ま
た、Ａ点の発生応力は肉厚（板厚）変化の初期で大きく
低減されていることが分かる。更に、板厚比ｔ／ｔｏが
３．０を超えると、Ａ点よりもＢ点の発生応力の方が大
きくなっている。このことから、メンブレンバー３の板
厚比ｔ／ｔｏは３．０以下に抑えることが望ましいと言
える。なお、図５と図６のグラフは有限要素法の解析結
果である。

【００３２】本発明の他の実施の形態を図７に示す。図
７（ａ）は伝熱管１、１ａ、１ｂの間にメンブレンバー
２、３を溶接で接合したメンブレンパネルの側面図であ
り、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線矢視図、図７
（ｃ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。

【００３３】図７に示す実施の形態は、応力発生部位の
メンブレンバー３を、その一方の端部側を肉厚にし、応
力発生が比較的少ない部位のメンブレンバー２を従来と
同様に均一肉厚のものを用いる。また。肉厚を厚くする
メンブレンバー３のパネル片面だけを厚くさせた例であ
る。本実施の形態においても、上述の図１、図５、図６
などに示す実施の形態の場合と同様に、伝熱管１ａ、１
ｂとメンブレンバー３の止端部（境界部）１６に位置す
る応力発生部位の発生応力は、板厚が一定な従来技術の
メンブレンバー２の場合に比べて低下した。

【００３４】更に、図７に示す実施の形態のようにメン
ブレンバー３の高応力発生側の肉厚を片側だけ厚くした
場合においても、肉厚を適当に設定することで亀裂が発
生する部位が伝熱管１とメンブレンバー２の止端部１６
からメンブレンバー３の中央部に移動する。前記肉厚を
適当に設定する方法は有限要素法によって行う。

【００３５】従って、定期検査時等にはメンブレンバー
３の中央部分のみの検査を行えば良く、メンブレンバー
端部検査の時間短縮や省力化が図れる。

【００３６】本発明の別の実施の形態を図８に示す。図
８（ａ）は伝熱管１、１ａ、１ｂの間にメンブレンバー
２、３を溶接で接合したメンブレンパネルの側面図であ
り、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線矢視図、図８
（ｃ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。

【００３７】図８に示す実施の形態は、メンブレンバー
３の端面（伝熱管１との接続部）の肉厚を厚くする場
合、伝熱管１ａ付近の止端部１６付近のみを厚くした例
である。本実施の形態においても、上述の実施の形態の
場合と同様に、伝熱管１ａとメンブレンバー３の肉厚側
の止端部１６での発生応力は、他の部位に設けられる肉
厚が一定なメンブレンバー２の場合に比べて低下してい
た。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱管とメンブレンバ
ーの接続部などに存在するメンブレンバーの止端部での
亀裂の発生、特に伝熱管側における亀裂の発生を防止
し、信頼性の高い、メンテナンスの必要性の無いボイラ
燃焼室及び火炉壁構造が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態のメンブレンバー構造の
メンブレンパネルの側面図（図１（ａ））と図１（ａ）
のＡ−Ａ線断面図（図１（ｂ））である。

【図２】 発電所用ボイラの燃焼室及び火炉全体の外観
構造図である。

【図３】 発電所用ボイラの燃焼室及び火炉の管壁結合
部の詳細図である。

【図４】 本発明の実施の形態のメンブレンバー構造の
メンブレンパネルの側面図（図４（ａ））と図４（ａ）
のＡ−Ａ線断面図（図４（ｂ））と従来技術のメンブレ
ンパネルの側面図（図４（ｃ））と図４（ｃ）のＢ−Ｂ
線断面図（図４（ｄ））である。

【図５】 本発明の実施の形態のメンブレンパネルの断
面図（図５（ａ））と従来技術のメンブレンパネルの断
面図（図５（ｂ））と本発明と従来技術のメンブレンバ
ーの発生応力分布図（図５（ｃ））である。

【図６】 本発明の実施の形態のメンブレンパネルの断
面図（図６（ａ））とメンブレンバーの両端部の発生応
力分布図（図６（ｂ））である。

【図７】 本発明の実施の形態のメンブレンバー構造の
メンブレンパネルの側面図（図７（ａ））と図７（ａ）
のＡ−Ａ線断面図（図７（ｂ））と図７（ａ）のＢ−Ｂ
線断面図（図７（ｃ））である。

【図８】 本発明の実施の形態のメンブレンバー構造の
メンブレンパネルの側面図（図８（ａ））と図８（ａ）
のＡ−Ａ線断面図（図８（ｂ））と図８（ａ）のＢ−Ｂ
線断面図（図８（ｃ））である。

【図９】 従来技術のメンブレンパネルの側面図（図９
（ａ））と断面図（図９（ｂ））である。

【符号の説明】

１ 伝熱管 ２ メンブレンバー ３ メンブレンバー（異形） ３ａ メンブレンバー肉厚部 ４ 前壁 ５ ケージ側壁 ６ ケージ底部壁 ７ 天井壁 ８ 応力が集中する領
域 ９ 水壁管 １０ ケージ側壁管 １１ 溶接部 １２ 側壁 １３ ケージ底部管 １４ ケージ側壁管寄
せ １１ 亀裂 １６ 止端部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボイラ火炉壁に複数の伝熱管を併設し、
   隣接する二つの伝熱管の間にメンブレンバーを接続して
   得られるボイラ火炉壁のメンブレンパネル構造におい
   て、 隣接する二つの伝熱管の間に配されるメンブレンバーの
   両端部の一方の端部の肉厚を他方の端部の肉厚に比べて
   厚くしたことを特徴とするボイラ火炉壁のメンブレンパ
   ネル構造。
2. 【請求項２】 隣接するメンブレンバーの長さが異なる
   部位において、短い方に位置するメンブレンバーの両端
   部の一方の端部の肉厚を他方の端部の肉厚よりも厚くし
   たことを特徴とする請求項１記載のボイラ火炉壁のメン
   ブレンパネル構造。