JP2002321028A

JP2002321028A - 拡管作業の品質管理方法および拡管作業品質管理の計測機能付き拡管装置

Info

Publication number: JP2002321028A
Application number: JP2001128080A
Authority: JP
Inventors: Junya Takahashi; 潤也高橋; Yuichi Muneyoshi; 裕一宗吉
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2002-11-05

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】拡管作業の全数の品質管理と、大幅な作業効
率の向上と、高信頼度の拡管作業の品質管理とを目的と
する。【解決手段】拡管作業と計測作業とが同時に行える。
この結果、拡管作業の全数の品質管理が可能であり、大
幅な作業効率の向上が図られる。計測手段１９でマンド
レル１７の突入量を計測することにより、拡管前の管７
の内径、クリアランス、拡管後の管の内径の各寸法を求
めることができる。この結果、作業員により各寸法を計
測して求める従来の方法と比較して、高精度かつ正確な
各寸法の計測が可能となり、高信頼度の拡管作業の品質
管理が得られることとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば、ボイ
ラや熱交換器などの管を管板に固定する拡管作業におい
て、その拡管作業の品質を管理する方法、および、その
拡管作業の品質管理を行うための計測機能が付いている
拡管装置に係るものである。特に、この発明は、拡管作
業と計測作業とが同時に行えることにより、拡管作業の
全数の品質管理が可能であり、また、大幅な作業効率の
向上が図られ、さらに、高信頼度が得られる拡管作業の
品質管理方法および拡管作業品質管理の計測機能付き拡
管装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】（一般のパッケージボイラの説明）以
下、管と管板との拡管作業が行われているパッケージボ
イラについて図４〜図７を参照して説明する。

【０００３】前記パッケージボイラ１は、外部ケーシン
グ２および火炉壁３内に火炉４と蒸気ドラム５と水ドラ
ム６とをそれぞれ配置し、前記蒸気ドラム５と前記水ド
ラム６との間に多数本のボイラチューブ７を連結し、バ
ーナー８を装備してなるものである。なお、多数本の前
記ボイラチューブ７の開口端は、前記蒸気ドラム５と前
記水ドラム６の中心にそれぞれ向いている。

【０００４】つぎに、前記パッケージボイラ１の作用に
ついて説明する。前記バーナー８を燃焼させると、前記
バーナー８からの燃焼ガス９は、図５中の矢印に示すよ
うに、火炉４を経てボイラチューブ７群を通り、このボ
イラチューブ７中の水と熱交換を行う。ボイラーチュー
ブ７中の水が蒸気（過熱蒸気）となり、その蒸気がター
ビン（図示せず）を駆動して発電の仕事をする。一方、
熱交換を行ってボイラチューブ７群を通過した燃焼ガス
９は、パッケージボイラ１から外部に排出される。

【０００５】前記パッケージボイラ１において、前記蒸
気ドラム５および前記水ドラム６と前記ボイラチューブ
７との固定は、拡管作業により行われている。すなわ
ち、図７に示すように、前記蒸気ドラム５および前記水
ドラム６（以下、管板５と称する）に管孔１０を開設す
る。前記管孔１０に前記ボイラチューブ（以下、管と称
する）７を挿入する。前記管７を後記する拡管装置１１
により外側に拡大させて、管７の外面と管板５の管孔１
０の内面とを密着固定するものである。

【０００６】（拡管装置の説明）前記拡管装置１１は、
図８〜図１１に示すように、ドライブヘッド１２と、中
継ユニット１３と、コントロールユニット１４とから構
成されている。

【０００７】前記ドライブヘッド１２は、エキスパンダ
１５と、後記するマンドレル１７を回転させる駆動部、
この例は、油圧駆動式の駆動部（図示せず）とを備え
る。

【０００８】前記エキスパンダ１５は、管７中に挿入す
る管状のケージ１６と、前記ケージ１６中に回転可能に
かつ軸方向に移動可能に配置された円錐形状のマンドレ
ル１７と、前記ケージ１６に回転可能にかつ軸方向に移
動不可能に配置され、前記マンドレル１７が前記管７中
に突入するのに伴なって外側に突出して前記管７を外側
に拡大させる複数本、この例では３本のローラ１８とか
ら構成されている。

【０００９】前記ローラ１８は、前記マンドレル１７と
接触している。この結果、前記マンドレル１７を矢印方
向に回転させると、３本の前記ローラ１８は、矢印方向
に自転しながら公転する。

【００１０】一方、３本の前記ローラ１８は、前記ケー
ジ１６に対して軸方向に移動不可能であり、かつ、前記
マンドレル１７は、前記ケージ１６に対して軸方向に移
動可能である。この結果、前記マンドレル１７は、回転
しながら、前記管７の中を突入していく。前記マンドレ
ル１７の軸方向の移動により、３本の前記ローラ１８が
外側に突出して前記管７を外側に拡大するものである。

【００１１】（拡管の過程の説明）以下、前記拡管装置
１１による拡管の過程を図１２〜図１４を参照して説明
する。

【００１２】まず、管板５の管孔１０中に管７を挿入す
る（図１２参照）。この時点（拡管前）において、ｄ₁
は、拡管前の管７の内径、Ｄは管７の外径、Ｈは管孔１
０の内径、Ｃは管７の外面と管孔１０の内面との間のク
リアランス（Ｈ−Ｄ）である。

【００１３】つぎに、前記管７中に拡管装置１１のエキ
スパンダ１５を挿入する。駆動部を駆動させてマンドレ
ル１７を回転させる。すると、拡管装置１１の拡管作用
により、前記管７の端部が塑性変形して外側に拡大さ
れ、前記管７の外面が管孔１０の内面に当たる、いわゆ
る、肌付けの状態となる（図１３参照）。この状態で
は、前記管板５と前記管７とは、固定されていない。ま
た、クリアランスＣは、０である。

【００１４】さらに、駆動部を駆動させてマンドレル１
７を回転させる。すると、前記拡管装置１１の拡管作用
により、前記管７の端部がさらに塑性変形して外側に拡
大され、前記管７の外面が管孔１０の内面に食い込んで
密着固定する、いわゆる、冷やしばめの状態となる（図
１４参照）。この状態で、前記管７の拡大の塑性変形と
前記管板５の管孔１０の収縮作用とにより、継ぎ手が形
成されて管板５と管７とが水密に固定されることとな
る。この状態（拡管後）において、ｄ₂は、拡管後の管
７の内径である。

【００１５】（拡管作業における従来の品質管理方法の
説明）以下、上記の拡管過程を経て継ぎ手を形成して管
板５と管７とを固定した拡管作業の品質管理方法につい
て説明する。

【００１６】従来の拡管作業の品質管理方法は、前記拡
管作業と別個に、作業員が以下の各寸法を計測する。す
なわち、拡管前の管７の内径ｄ₁、管７の外径Ｄ、管孔
１０の内径Ｈ、拡管後の管７の内径ｄ₂。なお、前記管
７の外径Ｄと前記管孔１０の内径Ｈとは、前記管７の外
面と前記管孔１０の内面との間のクリアランスＣ（Ｈ−
Ｄ）を求めるためのものである。

【００１７】つぎに、計測により求められた前記各寸法
を、上式（１）に代入して拡管率Ｅを演算して求める。
このようにして求めた拡管率Ｅが所定の値の範囲内にあ
るか否かにより、拡管作業の品質を管理するものであ
る。

【００１８】すなわち、管板５の板厚Ｔおよび管７の外
径Ｄごとに、前記拡管率Ｅと把握力（管板５と管７との
固定力）との間には、下記に示すように、相対関係があ
る。このために、管板５の板厚Ｔおよび管７の外径Ｄご
とに、管板５と管７との拡管作業の試験を行って、前記
拡管率Ｅと把握力との間の相対関係を予め求めてある。

【００１９】前記拡管率Ｅと把握力との相対関係の１例
を図１５および図１６に示す。図１５は、テストピース
（管７）ごとの拡管率Ｅと把握力との相対関係を示した
表図である。図１６は、図１５に基づいて作図されたグ
ラフである。この試験で使用された１４本のテストピー
ス（管７）の外径は、５０．８ｍｍ、また、管板５の板
厚は、２４ｍｍである。

【００２０】図１６のグラフに示すように、前記拡管率
Ｅと把握力との間には、放物線の相対関係がある。な
お、多少の誤差は、許容の範囲にある。この図１６のグ
ラフから明らかなように、ある拡管率Ｅにおいて、把握
力の最大値がある。そのある拡管率Ｅを越えると、把握
力が低下する。これは、管板５の管孔１０の内面が外側
に塑性変形して管７を締め付ける収縮力が低下するから
である。このように、拡管率Ｅをチェックすることによ
り、所定の把握力が得られることとなる。すなわち、拡
管率Ｅをチェックすることにより、拡管作業の品質を管
理することができる。

【００２１】なお、上式（１）において、クリアランス
Ｃを拡管後の管７の内径ｄ₂から引くことにより、さら
に正確な前記拡管率Ｅと把握力との相対関係が得られ
る。すなわち、実際に把握力（固着力）が得られるの
は、図１３の肌付けの状態から図１４の冷やしばめの状
態に入ってからである。図１２のエキスパンダ１５挿入
状態から図１３の肌付けの状態までは、管７の外面と管
孔１０の内面との間のクリアランスＣが埋められる過程
であって、実際には把握力が得られていない。この結
果、図１２の状態から図１３の状態のクリアランスＣを
なくすことにより、正確な前記拡管率Ｅと把握力との相
対関係が得られることとなる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の拡管
作業の品質管理方法は、拡管作業と、各寸法の計測作業
とを作業員がそれぞれ別個に行うので、下記の課題があ
る。

【００２３】拡管作業と、各寸法の計測作業とをそれぞ
れ別個に行うので、多数本（たとえば、図４〜図７に示
すパッケージボイラにおいて、蒸気ドラム５に連結する
ボイラチューブ７は、約１０００本である）の管７の拡
管作業の品質管理を行うには、非常に多くの作業を必要
とする。このために、抜き取りにより、各寸法の計測作
業を行っているのが実状である。

【００２４】また、作業員が各寸法の計測作業を行うの
で、高精度かつ正確な各寸法の計測が困難であり、拡管
作業の品質管理の信頼度に問題がある。

【００２５】この発明は、拡管作業と計測作業とが同時
に行えることにより、拡管作業の全数の品質管理が可能
であり、また、大幅な作業効率の向上が図られ、さら
に、高信頼度が得られる拡管作業の品質管理方法および
拡管作業品質管理の計測機能付き拡管装置を提供するこ
とを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１にかかる発明は、まず、管中にエキスパ
ンダを挿入直後におけるマンドレルの位置を第１計測手
段により計測して拡管前の管の内径を求め、つぎに、拡
管装置の駆動変化の時点におけるマンドレルの位置を第
２計測手段により計測してクリアランスを求め、それか
ら、拡管装置の駆動停止時点におけるマンドレルの位置
を第３計測手段により計測して拡管後の管の内径を求
め、そして、前記計測により求めた各寸法を上式（１）
に代入して拡管率を演算することを特徴とする。

【００２７】この結果、請求項１にかかる発明は、拡管
作業と計測作業とが同時に行えるので、拡管作業の全数
の品質管理が可能であり、また、大幅な作業効率の向上
が図られる。さらに、第１、第２、第３計測手段により
各寸法を計測して求めることができるので、作業員によ
り各寸法を計測して求める従来の方法と比較して、高精
度かつ正確な各寸法の計測が可能となり、高信頼度の拡
管作業の品質管理が得られることとなる。

【００２８】また、請求項２にかかる発明は、管中にエ
キスパンダを挿入直後におけるマンドレルの位置を計測
して拡管前の管の内径を求める第１計測手段と、駆動部
の駆動変化の時点におけるマンドレルの位置を計測して
クリアランスを求める第２計測手段と、駆動部の駆動停
止時点におけるマンドレルの位置を計測して拡管後の管
の内径を求める第３計測手段と、第１、第２、第３計測
手段によりそれぞれ求めた拡管前の管の内径、クリアラ
ンス、拡管後の管の内径から、上式（１）により拡管率
を求める演算手段と、を備えたことを特徴とする。

【００２９】この結果、請求項２にかかる発明は、前記
請求項１にかかる発明と同様に、拡管作業と計測作業と
が同時に行えるので、拡管作業の全数の品質管理が可能
であり、また、大幅な作業効率の向上が図られる。さら
に、第１、第２、第３計測手段により各寸法を計測して
求めることができるので、作業員により各寸法を計測し
て求める従来の方法と比較して、高精度かつ正確な各寸
法の計測が可能となり、高信頼度の拡管作業の品質管理
が得られることとなる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる拡管作業
の品質管理方法および拡管作業品質管理の計測機能付き
拡管装置の実施の形態の１例を図１〜図３を参照して説
明する。図中、図４〜図１６と同符号は同一のものを示
す。なお、この実施形態によりこの拡管作業の品質管理
方法および拡管作業品質管理の計測機能付き拡管装置が
限定されるものではない。

【００３１】図１において、１９は拡管装置１１に装備
された計測手段である。前記計測手段１９は、メジャー
２０と、前記メジャー２０の先端に固定され、管板５に
セットされる磁石２１と、前記メジャー２０の基端に設
けられた巻取り器２２とから構成されている。前記計測
手段１９は、前記巻取り器２２により巻き取った前記メ
ジャー２０の量（拡管装置１１のドライブヘッド１２と
管板５との間の距離Ｌ１の変化）を、マンドレル１７の
突入量として計測するものである。

【００３２】前記計測手段１９は、管７中にエキスパン
ダ１５を挿入直後（図１２に示す状態）におけるマンド
レル１７の位置を計測して拡管前の管７の内径ｄ₁を求
める第１計測手段機能と、油圧式駆動部の駆動変化（油
圧変化）の時点（図１３に示す状態）におけるマンドレ
ル１７の位置を計測してクリアランスＣを求める第２計
測手段機能と、油圧式駆動部の駆動停止時点（図１４に
示す状態）におけるマンドレル１７の位置を計測して拡
管後の管７の内径ｄ₂を求める第３計測手段機能と、を
備えるものである。なお、図１２に示す状態、すなわ
ち、管７中にエキスパンダ１５を挿入直後の状態は、拡
管装置１１が安定した状態にあるので、マンドレル１７
の位置の基準としている。

【００３３】また、前記拡管装置１１には、前記計測手
段１９の第１、第２、第３計測手段機能によりそれぞれ
求めた拡管前の管７の内径ｄ₁、クリアランスＣ、拡管
後の管７の内径ｄ₂から、上式（１）により拡管率Ｅを
求める演算手段が装備されている。前記演算手段は、前
記計測手段１９と一体もしくは別体に前記拡管装置１１
に装備されている。

【００３４】前記マンドレル１７の突入量と、前記管７
の内径の増加量｛ｄ₂−（ｄ₁＋Ｃ）｝との間には、図
２に示すように、ほぼ比例関係にある。図２は、前記マ
ンドレル１７の突入量と、前記管７の内径の増加量との
試験結果データに基づいて作成したグラフである。この
図２中の黒点は、各テストピース（管７）の試験結果を
示す。

【００３５】図１３に示す肌付きの状態、すなわち、ク
リアランスＣが０となる時点と、油圧式駆動部の油圧変
化点との間には、図３に示すように、密接な関係があ
る。すなわち、図１２に示すエキスパンダ１５の挿入状
態から図１３に示す肌付きの状態にかけての管７の内径
増加は、管７自体の塑性変形だけであるから、油圧が一
定である。それが、図１３に示す肌付きの状態に入る
と、管７の内径増加は、管７自体の塑性変形に管板５の
管孔１０を外側に拡大しようとする力が加わるので、油
圧に変化が生じる。

【００３６】図３においては、油圧振動の下限値が経過
時間約３２秒の時点で変化している。この油圧の変化点
をクリアランスＣが０となった時点とする。この結果、
図１２に示すエキスパンダ１５の挿入状態から図１３に
示す肌付きの状態にかけての管７の内径増加分がクリア
ランスＣ分となる。

【００３７】この発明においては、マンドレル１７の突
入量と管７の内径増加量との間に比例関係があり、ま
た、油圧式駆動部の油圧変化点においてクリアランスＣ
が０となる密接な関係があることを究明した。そこで、
前記マンドレル１７の突入量を計測することにより、拡
管前の管７の内径ｄ₁、クリアランスＣ、拡管後の管７
の内径ｄ₂の各寸法を求めることができる。

【００３８】このように、この実施の形態においては、
拡管作業と計測作業とが同時に行えるので、拡管作業の
全数の品質管理が可能であり、また、大幅な作業効率の
向上が図られる。

【００３９】また、この実施の形態においては、計測手
段１９の第１、第２、第３計測手段機能により、すなわ
ち、マンドレル１７の突入量を計測することにより、拡
管前の管７の内径ｄ₁、クリアランスＣ、拡管後の管７
の内径ｄ₂の各寸法を求めることができる。この結果、
この実施の形態においては、作業員により各寸法を計測
して求める従来の方法と比較して、高精度かつ正確な各
寸法の計測が可能となり、高信頼度の拡管作業の品質管
理が得られることとなる。

【００４０】なお、前記実施の形態においては、マンド
レル１７の突入量を、ドライブヘッド１２と管板５との
間の距離Ｌ１の変化で計測したものである。この発明
は、マンドレル１７の突入量を、その他の距離、たとえ
ば、ドライブヘッド１２と管７との間の距離Ｌ２、また
は、ドライブヘッド１２とケージ１６との間の距離Ｌ
３、または、マンドレル１７とケージ１６の相対変位Ｌ
４の変化で計測しても良い。

【００４１】また、前記実施の形態においては、油圧式
の駆動部を使用したものであるが、この発明において
は、電気式、または、空気圧式の駆動部を使用する場合
がある。電気式の駆動部を使用した場合は、電気信号
（たとえば、電流、電圧など）の変化点を、空気圧式の
駆動部を使用した場合には空気圧の変化点を、図１３に
示す肌付きの状態、すなわち、クリアランスＣが０に達
した時点とする。

【００４２】さらに、前記実施の形態においては、マン
ドレル１７の突入量を、計測手段１９のメジャー２０で
行っている。この発明は、その他の距離計測手段、たと
えば、レーザー距離センサー、超音波距離センサー、接
触式変位センサー、または、マンドレル１７の回転数を
計測するエンコーダーであっても良い。

【００４３】さらにまた、前記実施の形態においては、
パッケージボイラ１の蒸気ドラム５および水ドラム６と
ボイラーチューブ７との結合に使用したものである。こ
の発明は、その他の管板と管との結合、たとえば、熱交
換器の管板と管との結合にも使用できる。

【００４４】

【発明の効果】以上から明らかなように、この発明にか
かる拡管作業の品質管理方法（請求項１）によれば、拡
管作業と計測作業とが同時に行えるので、拡管作業の全
数の品質管理が可能であり、また、大幅な作業効率の向
上が図られる。さらに、第１、第２、第３計測手段によ
り各寸法を計測して求めることができるので、作業員に
より各寸法を計測して求める従来の方法と比較して、高
精度かつ正確な各寸法の計測が可能となり、高信頼度の
拡管作業の品質管理が得られることとなる。

【００４５】また、この発明にかかる拡管作業品質管理
の計測機能付き拡管装置（請求項２）によれば、前記請
求項１にかかる発明の拡管作業の品質管理方法と同様
に、拡管作業と計測作業とが同時に行えるので、拡管作
業の全数の品質管理が可能であり、また、大幅な作業効
率の向上が図られる。さらに、第１、第２、第３計測手
段により各寸法を計測して求めることができるので、作
業員により各寸法を計測して求める従来の方法と比較し
て、高精度かつ正確な各寸法の計測が可能となり、高信
頼度の拡管作業の品質管理が得られることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の拡管作業の品質管理方法および拡管
作業品質管理の計測機能付き拡管装置の実施の形態１を
示す拡管作業状態の縦断面図である。

【図２】管の内径増加量とマンドレル突入量との比例関
係を示すグラフである。

【図３】油圧式駆動部の油圧変化点とクリアランス０時
点との関係を示すグラフである。

【図４】パッケージボイラを示す縦断面図である。

【図５】同じく、パッケージボイラを示す横断面図であ
る。

【図６】図４におけるＶＩ−ＶＩ線断面図である。

【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。

【図８】拡管装置の概略を示す説明図である。

【図９】図８に示す拡管装置による拡管作業を示す縦断
面図である。

【図１０】図９におけるＸ−Ｘ線断面図である。

【図１１】マンドレルとローラとの相対関係を示す説明
図である。

【図１２】（Ａ）は管中にエキスパンダを挿入した直後
の管板と管との一部平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ
−Ｂ線断面図である。

【図１３】（Ａ）は肌付きの状態の管板と管との一部平
面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

【図１４】（Ａ）は冷やしばめの状態の管板と管との一
部平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図であ
る。

【図１５】１４本のテストピース（管）による拡管率と
把握力との関係を示した図表である。

【図１６】図１５に基づいて作成した拡管率とは握力と
の関係を示したグラフである。

【符号の説明】

１パッケージボイラ２外部ケーシング３火炉壁４火炉５蒸気ドラム（管板）６水ドラム７ボイラチューブ（管）８バーナー９燃焼ガス１０管孔１１拡管装置１２ドライブヘッド１３中継ユニット１４コントロールユニット１５エキスパンダ１６ケージ１７マンドレル１８ローラ１９計測手段２０メジャー２１磁石２２巻取り機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管板の管孔中に管を挿入し、前記管中に
拡管装置のエキスパンダを挿入し、前記拡管装置を駆動
してマンドレルを回転させ、前記マンドレルの回転に伴
なって複数本のローラが遊星回転することにより、前記
管が外側に拡大されて前記管孔の内面と前記管の外面と
が密着固定する拡管作業の品質管理方法であって、拡管前の前記管の内径と、前記管の外径と、前記管孔の
内径と、拡管後の前記管の内径とをそれぞれ計測し、下
式（１）により拡管率を求め、前記拡管率が適正な値の
範囲内にあるか否かにより、拡管作業の品質を管理する
方法において、【数１】拡管前の前記管の内径は、前記管中に前記エキスパンダ
を挿入直後における前記マンドレルの位置を第１計測手
段により計測して求め、クリアランスは、前記拡管装置の駆動変化の時点におけ
る前記マンドレルの位置を第２計測手段により計測して
求め、拡管後の前記管の内径は、前記拡管装置の駆動停止時点
における前記マンドレルの位置を第３計測手段により計
測して求める、ことを特徴とする拡管作業の品質管理方法。
【請求項２】管中に挿入する管状のケージと、前記ケ
ージ中に回転可能にかつ軸方向に移動可能に配置された
マンドレルと、前記ケージに回転可能にかつ軸方向に移
動不可能に配置され、前記マンドレルが前記管中に突入
するのに伴なって外側に突出して前記管を外側に拡大さ
せる複数本のローラとから構成されたエキスパンダと、前記マンドレルを回転させる駆動部と、を備えた拡管装置において、前記管中に前記エキスパンダを挿入直後における前記マ
ンドレルの位置を計測して拡管前の前記管の内径を求め
る第１計測手段と、前記駆動部の駆動変化の時点における前記マンドレルの
位置を計測してクリアランスを求める第２計測手段と、前記駆動部の駆動停止時点における前記マンドレルの位
置を計測して拡管後の前記管の内径を求める第３計測手
段と、前記第１計測手段により求めた拡管前の前記管の内径
と、前記第２計測手段により求めたクリアランスと、前
記第３計測手段により求めた拡管後の前記管の内径とか
ら、上式（１）により拡管率を求める演算手段と、を備えたことを特徴とする拡管作業品質管理の計測機能
付き拡管装置。