JP2002286013A - 高温高圧機器構成部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温、高圧の状態で使用され、二以上の部
品がボルト締付けされる機器の締め付けの緩み、ネジ部
の損傷を防止する。 【解決手段】 締め付け対象となる一の部品１に雌ネ
ジ１２を形成し、雌ネジに螺合して二の部品２を貫通す
るボルト１３を用いて部品同士をボルト締付け固定する
高温高圧機器構成部品であり、一の部品１のうち、二の
部品２に近接する端部側１０１を高温強度に優れた材料
で構成し、他部１０２を熱伝導性に優れた材料で構成
し、これら材料を接合して一の部品１とする。 【効果】 運転時の要求性能に対し、十分な強度、延
靭性を有し、高温高圧機器構成部品の長寿命化が図れ
る。一体型の複合構造であることにより、機器の運転条
件や製品材料等仕様の変更に対しても温度、射出圧力条
件に合わせて必要な構造材料を組み合せることが可能で
変更が容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温状態（３００
℃以上）にて使用される、特殊な圧力容器、射出機や押
出機など金属加工機のノズル、フランジ等を構成する高
温高圧機器構成部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧力容器、樹脂、プラスチック、
金属加工機のフランジ等構成部品は、図４に示す如く、
ノズル本体１０に雌ネジ１２を加工し、このノズル本体
１０にフランジ１１を取付けるとともに前記雌ネジ１２
に六角頭部ボルト１３を螺合させ締付ける構造になって
おり、フランジ等の着脱を容易に行うことができる構造
になっている。これら構成部品は運転時にはヒータ１４
により所定温度に加熱される。

【０００３】上記機器は、所定温度、圧力に保持した
後、ノズルを通して原材料を圧送し、加熱、内部流体の
化学反応等により製品材料を生成する。このようなノズ
ルやフランジ等の構成材料にはボルトの締付け荷重に耐
える高温強度に優れた高強度合金が採用される。また容
器内面は、内部流体との接触による腐食が著しいことか
ら、耐食性を有するステンレス鋼、インコネル（商品
名、以下同じ）、ハステロイ合金（商品名、以下同
じ）、Ｃｏ基合金等、高合金系耐食材料の肉盛り溶接、
クラッドが施される場合があり、ノズル本体とフランジ
にも適用されている。この様な機器に使用されるノズル
本体とフランジ間には、ガスケットを挟みボルト締めに
て内部流体のリークを防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記機器では、
所定の温度、圧力に保持され、さらに振動が発生する過
酷な条件下で稼働される場合、ボルト１３及びノズル雌
ネジ１２でのネジ部損傷や、ネジの弛みによる反応生成
物の漏洩が生じることがある。上記原因としては、ボル
ト１３の材料とフランジ本体１０に使用されている材料
とが異なり、高温強度、高温クリープ強度及び線膨脹係
数等に差が生じることが考えられ、またこれに振動が加
わることにより一層ネジ部が弛むと考えられる。

【０００５】さらにノズル本体１０の雌ネジとボルト１
３とが、焼き付きにより着脱出来なくなることがあり、
その場合、ボルト１３を着脱するためには該ボルトを切
断し、ドリル等によりノズル本体に穿孔加工を行うこと
が必要である。また、沿岸など大気中に塩分を多く含む
環境や、周囲に腐食性ガスを含む環境にさらされる場
合、あるいは流体による構造部材の内部腐食、異種材料
の組合わせによる電位差腐食が問題となる場合において
は、ボルト１３のみならず、ノズル雌ネジ１２からの腐
食による交換を余儀なくされ、機器の信頼性の低下、寿
命の短縮を起こすことがある。またノズル本体１０やフ
ランジ１１は外面からヒータ１４により加熱されるが、
高温強度、高温クリープ強度に優れる合金、例えばイン
コネル７１８等のＮｉ基耐熱合金は熱伝導性が悪く、高
温での延靭性が低いため、内外面の温度差に起因した熱
応力が発生し、素材の劣化、機器の信頼性の低下を招く
ことが問題になっている。

【０００６】本発明は、上記事情を解決して高温高圧機
器の要求性能を満たすためになされたものであり、高温
高圧機器部品に要求されるボルト締め付けに対する強
度、熱応力に対する機器の信頼性を高めた高温高圧機器
構成部品を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明のうち、請求項１記載の高温高圧機器構成部品
は、高温高圧機器を構成する部品であって互いに締め付
けの対象となる一の部品に雌ネジが形成され、該雌ネジ
に螺合して二の部品を貫通するボルトを用いて前記一の
部品と二の部品とが互いに固定される高温高圧機器構成
部品において、前記一の部品のうち、前記二の部品に近
接する端部側であって少なくとも前記雌ネジを含む端部
が高温強度に優れた材料からなり、他部が熱伝導性に優
れた材料からなり、これら材料が接合されて一の部品が
構成されていることを特徴とする。

【０００８】請求項２記載の高温高圧機器構成部品は、
請求項１の発明において、前記一の部品および二の部品
の内面に耐食性ライニングが形成されていることを特徴
とする。

【０００９】請求項３記載の高温高圧機器構成部品は、
請求項１または２に記載の発明において、前記一の部品
と二の部品との接合面に耐食性ライニングが形成されて
いることを特徴とする。請求項４記載の高温高圧機器構
成部品は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明におい
て、前記ボルトと高温強度に優れた材料とが同材質から
なることを特徴とする。

【００１０】すなわち請求項１記載の発明によれば、一
の部品が特性の異なる二つの材料で構成され、雌ネジが
存在する部分では、優れた高温強度が確保され、外部ヒ
ータ加熱やボルト締付荷重に耐える耐久性が向上すると
ともに、ボルト締付荷重を高めて高い密閉性を確保する
ことも可能となる。また、一の部品の他部は熱伝導性に
優れた材料で構成されており、外部ヒータからの加熱等
による内外面の温度差を小さくして、該温度差に起因し
た熱応力を緩和して素材の耐久性を向上させ、さらに機
器の信頼性を高めることができる。また、上記材料が接
合により複合化されていることにより、部品の形状、寸
法を変更することなく、上記した異なる要求性能を満足
し、機器の信頼性の向上、運転寿命の長期化、構造の簡
略化を可能とする。

【００１１】なお、本発明は、上記したように圧力容器
等、所定の温度、圧力で使用される高温高圧機器構成部
品に関するものである。ただし、本発明は特定の用途に
限るものではなく、温度、圧力によって締め付けに関し
課題がある種々の用途に適用することが可能である。ま
た本発明では、締め付けに関し、雌ネジとボルトとを必
要としている。該ボルトは、スタッドボルトでも頭部を
有するボルトであってもよい。スタッドボルトにあって
はナットを用いて一の部品と二の部品とを締め付け固定
する。また、一の部品と二の部品とが上記ボルト等によ
って締め付け可能であれば、締め付け箇所が特定の場所
に限定されるものではなく、また締め付け対象となる部
品の形状等も特定のものに限定されない。

【００１２】また、本発明で一の部品に用いられる高温
強度に優れた材料は、二の部品に近接する端部側の全て
を構成するものであってもよいが、少なくとも雌ネジを
含む端部に使用するものであればよい。また、その材質
としては、所定の高温強度を有するもの、例えば、一の
部品における他部に比較して相対的に高温強度に優れる
ものが選定される。該高温強度としては高温引張強度や
高温クリープ強度、高温での延・靱性が挙げられる。高
温強度としてこれら特性のいずれかを考慮したものでも
よく、また、複数の特性を考慮したものでもよい。高温
強度が高い材料としては、インコネル等のＮｉ基超合
金、ステンレス鋼、ハステロイ合金等が挙げられる。ま
た、ボルトや雌ネジでは、肉盛り、クラッドの施工が難
しく後述する耐食性ライニングの形成が困難であるた
め、これらが腐食により損傷する場合が考えられるた
め、端部に用いる材料には、優れた高温強度に加えて優
れた耐食性を兼ね備えたものを用いることができる。上
記で高温強度が高いとして例示した材料は、耐食性にも
優れている。

【００１３】さらに、本発明で一の部品に用いられる熱
伝導性に優れた材料は、上記した高温強度に優れた材料
で構成される端部以外の他部で使用される。その材質と
しては、所定の熱伝導率を有するもの、例えば、一の部
品における上記端部に比較して相対的に熱伝導率が高い
ものが選定される。熱伝導率が高い材料としては、鉄系
合金、耐熱鋼、熱間工具鋼等が挙げられる。上記した高
温強度に優れた材料と熱伝導性に優れた材料とは、接合
して一の部品を構成するが、その接合方法は本発明とし
て特に限定されるものではなく、部品の機能を損なわな
いものであれば種々の方法を採用することができる。例
えば、溶融溶接、拡散接合により接合することができ
る。なお、一の部品では、上記材料で構成されるものと
したが、必要に応じて、他の材質からなる材料を一部に
含み、上記材料のいずれかまたは両方に接合されたもの
であってもよい。

【００１４】請求項２記載の発明によれば、一の部品及
び二の部品の内面に耐食性ライニングを形成したので、
請求項１記載の作用を損なうことなく、一の部品と二の
部品の内面において良好な耐食性を確保して内部流体と
の接触による腐食損傷を防止することができる。ライニ
ング材料としては、耐食性に優れたステンレス鋼、イン
コネル、ハステロイ合金、Ｃｏ基合金等が挙げられる。
ライニングの方法としては種々の方法が考えられ、例え
ば肉盛溶接、クラッド、ＨＩＰ、遠心鋳造等が挙げられ
る。特に肉盛り溶接はライニング時の被肉盛材への熱的
ダメージが少なく、二層以上の重ね盛りにより肉盛厚さ
を調整することが可能で、長期使用後内面損傷部の除
去、再ライニングが可能であることから補修まで考慮に
入れたライニング技術として有望である。

【００１５】請求項３記載の発明によれば、接合面に耐
食性ライニングを形成したので、請求項１記載の作用を
損なうことなく、一の部品と二の部品の接合面において
良好な耐食性を得ることができる。なお、この発明にお
けるライニングは請求項２記載のライニングと合わせて
行うのが望ましい。この場合、両ライニングの形成方
法、材質を合わせてもよく、また、両者で異なるものと
してもよい。

【００１６】請求項４記載の発明によれば、一の部品の
雌ネジとボルトとの接触による電位差腐食を防止する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１〜３は本発明の実施形態にお
ける複合構造の高温高圧機器構成部品の縦断面形状を示
すものである。なお、従来の部品および締め付けに提供
される部品と同一のものについては、同一の符号を付し
ている。

【００１８】（実施形態１）以下に本発明の一実施形態
を図１に基づき説明する。この実施形態の高温高圧機器
構成部品は、所定の温度、圧力条件で使用される特殊圧
力容器、射出機や押出機など金属加工機のノズルとフラ
ンジに係わるものであり、ノズル本体１が一の部品を構
成し、フランジ２が二の部品を構成しており、互いにボ
ルト１３によって締め付け固定される。以下、詳細に説
明する。

【００１９】ノズル本体１は、フランジ側端部１０１
が、ヒータ加熱とボルトの締付け荷重に耐える高い高温
強度、クリープ強度を有するＮｉ基超合金で構成され、
他部１２、すなわちノズル入口側は、熱伝導率が高くて
ノズル内外面の温度差を小さくして熱応力を緩和するこ
とが可能な鉄系合金で構成されている。なお、ノズル本
体１の他部を構成する材料は、上記のように熱伝導性だ
けでなく、外面からの耐熱性では上記フランジ側端部１
０１よりは劣るものの比較的高い高温強度を有し、さら
に高温での延靭性、熱伝導性に優れたものが望ましい。
これら特性の異なるフランジ側端部１０１と他部１０２
は、拡散接合により接合されて複合構造のノズル本体１
が得られている。また、ノズル本体１の内面とフランジ
２との接合面の一部には、耐食性を有するステンレス
鋼、インコネル、ハステロイ合金、Ｃｏ基合金からなる
ライニング３が肉盛溶接、クラッド、ＨＩＰ、遠心鋳造
法等の方法により形成されている。このノズル本体１
は、従来のノズルと同形状、同寸法を有している。

【００２０】また、フランジ側端部１０１には、フラン
ジ側に開口する雌ネジ１２が形成されており、該雌ネジ
１２に対応してフランジ２にボルト貫通孔１５が形成さ
れている。フランジ２は、内面およびノズル本体１との
接合面に、上記ライニング３と同材質のライニング４が
形成されている。上記ノズル本体１とフランジ２との接
合においては、両者を接合に備えて位置合わせした後、
フランジ２側から六角頭部付きのボルト１３をボルト貫
通孔１５に挿入し、該ボルト１３の先端側を雌ネジ１２
に螺合させ、該ボルト１３を締め付けることによってノ
ズル本体１とフランジ２とを締め付け固定する。

【００２１】上記高温高圧機器の運転にあたっては従来
の機器と同様、ノズル本体１およびフランジ２の外周側
に配置したヒータ１４によって加熱しつつ、所定温度、
圧力に保持した後、ノズル本体１の入口側より原材料を
圧送し、加熱、内部流体の化学反応により製品材料を生
成する。これによりノズル本体１では内外温度差が生じ
やすくなるが、ノズルの入口側にある他部１０２は熱伝
導性に優れた材料で構成されているため、内外温度差が
小さくなり、熱応力の発生を抑える。また、ノズル本体
１のフランジ側端部１０１では、ボルト１３による締め
付け荷重および外表面からのヒータ１４による加熱がな
されているが、該フランジ側端部１０１は該環境に耐え
得る優れた高温クリープ強度、延靭性を有している。上
記により、ノズル素材の高温変形、熱応力による割れの
発生、進展などの素材の経時劣化損傷防止が可能とな
る。また異種材料を接合により一体化してノズル本体を
構成することでノズル本体１の構造を極力簡略化でき
る。さらにボルト１３とノズル本体１のフランジ側端部
１０１を同材質とすることによりノズル本体１とフラン
ジ２の弛みによる内部流体の漏洩を防止し、さらにノズ
ル雌ネジ１２とボルト１３の雄ねじの接触による電位差
腐食を防止することが可能となる。

【００２２】（実施形態２）図２は、実施形態２におけ
る高温高圧機器構成部品の縦断面形状を示すものであ
る。この実施形態２は、実施形態１における、ノズル本
体１のフランジ側端部１０１と他部１０２との接合方法
を変更したものである。すなわち、溶接性の優れたＮｉ
基合金、例えばインコネル６２５やインコネル１８２等
の溶接材料を用いた、ＧＴＡＷ、ＳＭＡＷ、ＳＡＷ等の
アーク溶接により、あるいは溶接材料を使用しないでレ
ーザや電子ビーム等、高エネルギー密度溶接によりノズ
ル本体１のフランジ側端部１０１と他部１０２とを接合
して複合構造のノズル本体１を得たものである。結果と
して両者間には周継手溶接部５が形成される。

【００２３】このように溶接によりノズル本体１を複合
化することにより、ボルトなどの付帯部品、フランジや
孔加工などの追加加工工程が不要となり、機器の構造を
簡素化できる。また溶接部に生じる残留応力除去を目的
として５００℃〜８００℃前後の溶接後熱処理が施され
るが、熱処理温度の選択によりＮｉ基合金の時効、鉄系
合金の焼戻を兼用することができ、各々の素材の熱処理
工程を簡略化することが可能となる。

【００２４】（実施形態３）図３は、実施形態３におけ
る高温高圧機器構成部品の縦断面形状を示すものであ
る。この実施形態３は、実施形態１または２における、
フランジ側端部を雌ネジ１２の周辺部に限定した端部１
１１としたものである。したがって他部１１２は、ノズ
ル本体１の内面に沿ってフランジ２側まで伸長してい
る。該フランジ側他部に対し、フランジ側端部１１１
は、周継手溶接と軸方向継手溶接により接合されてお
り、両者間には、周継手溶接部６と軸方向継手溶接部７
が形成されている。なお、この実施形態３では、実施形
態１、２に比べてライニング３、４が省略されている。
こののようにノズル内面の耐食性が不要な場合等には、
ノズルの雌ネジのみを最小限高強度のＮｉ基耐熱合金等
で補強すればよい。これによりＦｅ系合金に比べて高価
なＮｉ基耐熱合金の量を削減することが可能となり、製
作コスト低減の効果がある。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高温高圧
機器構成部品によれば、高温高圧機器を構成する部品で
あって互いに締め付けの対象となる一の部品に雌ネジが
形成され、該雌ネジに螺合して二の部品を貫通するボル
トを用いて前記一の部品と二の部品とが互いにボルト締
付け固定される高温高圧機器構成部品において、前記一
の部品のうち、前記二の部品に近接する端部側であって
少なくとも前記雌ネジを含む端部が高温強度に優れた材
料からなり、他部が熱伝導性に優れた材料からなり、こ
れら材料が接合されて一の部品が構成されているので、
運転時の要求性能に対し、十分な強度、延靭性を有し、
ノズル、フランジ、ボルトなど高温高圧機器構成部品の
長寿命化が図れる。また溶融溶接、接合を初めとした一
体型の複合構造であることにより、機器の運転条件や製
品材料等仕様の変更に対しても温度、射出圧力条件に合
わせて必要な構造材料を組み合せることが可能であり、
変更が容易である。また万一損傷が生じた場合でもノズ
ル、フランジ等のみを再加工、補修を行うことにより、
機器本体の性能を損うことなく運転再開が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態におけるの高温高圧機器
構成部品を示す縦断面図である。

【図２】 同じくノズル部周継手溶接施工を実施した
他の実施形態における高温高圧機器構成部品を示す縦断
面図である。

【図３】 同じくノズル部周継手溶接および軸継手溶
接施工を実施した他の実施形態における高温高圧機器構
成部品を示す縦断面図である。

【図４】 従来の高温高圧機器構成部品を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

１ ノズル本体 １０１ フランジ側端部 １０２ 他部 １１１ フランジ側端部 １１２ 他部 ２ フランジ ３ ライニング ４ ライニング ５ 周継手溶接部 ６ 周継手溶接部 ７ 軸方向継手溶接部 １２ 雌ネジ １３ ボルト １４ ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｊ 12/00 Ｆ１６Ｊ 12/00 Ｃ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温高圧機器を構成する部品であって互
   いに締め付けの対象となる一の部品に雌ネジが形成さ
   れ、該雌ネジに螺合して二の部品を貫通するボルトを用
   いて前記一の部品と二の部品とが互いにボルト締付け固
   定される高温高圧機器構成部品において、前記一の部品
   のうち、前記二の部品に近接する端部側であって少なく
   とも前記雌ネジを含む端部が高温強度に優れた材料から
   なり、他部が熱伝導性に優れた材料からなり、これら材
   料が接合されて一の部品が構成されていることを特徴と
   する高温高圧機器構成部品
2. 【請求項２】 前記一の部品および二の部品の内面に耐
   食性ライニングが形成されていることを特徴とする請求
   項１記載の高温高圧機器構成部品
3. 【請求項３】 前記一の部品と二の部品との接合面に耐
   食性ライニングが形成されていることを特徴とする請求
   項１または２に記載の高温高圧機器構成部品
4. 【請求項４】 前記ボルトと高温強度に優れた材料とが
   同材質からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   かに記載の高温高圧機器構成部品