JP2007024830A - 表面温度計の取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面温度計を簡便に交換することが可能である表面温度計の取付構造を提供する。
【解決手段】 測定対象の配管外周面に沿わせて配置される金属製薄板状のパッド３と、パッド３に測温部が固定されているシース熱電対４と、パッド３の外側から取り付けられ、パッド３を配管１に固定するためのパッド固定バンド５，６と、このパッド固定バンドを配管１に締め付け固定するボルト・ナット７，８とを有していることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば化学プラントの加熱炉配管温度、電力設備でのボイラ配管温度等を接触式で測定する表面温度計の取付構造に関するものである。

加熱炉内の配管を流れる原油をバーナで加熱し、その加熱した原油を蒸留塔に送り、各種石油精製製品を製造する石油精製プラントや配管内の水を重油等の燃焼により加熱して蒸気を発生させるボイラ等では、上記配管の表面温度をシース熱電対で測定することによって温度管理が行われている。

図５に示す表面温度計は配管表面温度測定用のものであり、測定対象の配管に密着した状態で取り付けるため、シース熱電対５０の先端にはパッド５１が設けられ、後端には補強パイプ５２を介して端子箱５３が接続されている。なお、５４はループ状のエキスパンションである。

加熱炉内で使用される上記シース熱電対５０は、高温に耐えることができるように例えば外径φ８ｍｍ程度の比較的大径からなる金属シースによって保護されているものである。

また、パッド５１は図６に示すように断面が扇形やナイフエッジ形をしたものがある。

同図(ａ)に示す扇形のものは、シース熱電対５０の先端部を挿入するようになっており、挿入された熱電対先端から露出させた熱電対素線をパッド５１ａ底面に形成されている貫通孔に通し、配管５５と接触する状態でその貫通孔縁部に溶接し、測温接点を構成している。

上記パッド５１ａと配管５５外周面との間に対向して形成される楔状の隙間にはそれぞれ溶接が施され、パッド５１ａは配管５５と一体化されている。

上記シース熱電対の取付構造によれば、シース熱電対５０の測温接点を配管表面に直接接触させることができ、しかもその周囲はパッド５１ａによってカバーされているため、高温の環境であっても精度の高い温度測定が可能になる。

一方、図６(ｂ)に示すナイフエッジ形のものも上記扇形のものと基本的に同じ構成であり、熱電対素線がパッド５１ｂの底面に形成されている貫通孔を通り配管５５の表面に接触するようになっている。

この場合もパッド５１ｂのエッジ５１ｃと配管５５との間に対向して形成される楔状の隙間にはそれぞれ溶接が施される。

しかしながら、上記した従来の表面温度計では、いずれもシース熱電対５０を接続したパッド５１ａ（または５１ｂ）を配管表面に溶接するように構成されているため、シース熱電対５０が劣化したりまたは熱電対素線が断線するなどして交換する場合には、パッド５１ａ（または５１ｂ）を配管５５に残した状態でシース熱電対５０を切断除去することになる。

従って、新しく表面温度計を配管に取り付ける場合には、シース熱電対を接続したパッドを配管表面に再度溶接によって固定しなければならず、表面温度計の交換作業に手間がかかりメンテナンスコストが高くなるという欠点がある。

また、溶接を行うと配管の圧力検査を行わなければならないため、シース熱電対が劣化或いは断線してもメンテナンス時期が来るまで表面温度計の交換を先送りしているのが実情である。その間、温度を把握できない測定点が存在することになり、正確な温度管理ができなくなるという不都合もある。

本発明は以上のような従来の表面温度計の取付構造における課題を考慮してなされたものであり、溶接を行わずに表面温度計を簡便に交換することができる表面温度計の取付構造を提供することにある。

本発明は、測定対象の配管外周面に沿わせて配置される金属製薄板状のパッドと、上記パッドに測温部が固定されているシース熱電対と、上記パッドの外側から取り付けられ、上記パッドを上記配管に固定するためのパッド固定バンドと、このパッド固定バンドを上記配管に締め付け固定する締結手段とを有している表面温度計の取付構造を要旨とする。

本発明においてシース熱電対とは、金属シース内に一対の熱電対素線が配線され、金属シースと熱電対素線との間に粉末状の無機質絶縁物が充填封入され一体化された公知のものを示す。

また、シース熱電対における測温接点の形状は、熱電対素線が金属シースの先端内壁に接続されている接地形であってもよく、また、金属シースと接続されていない非接地形のものであってもよい。シース熱電対４の測温接点は接地形の場合は金属シースの先端にあり、非接地形の場合は金属シースの先端からシース径の約２倍の長さに位置にある。以下、本発明の測温部とは、測温接点を含むシース熱電対の先端部を意味する。

本発明において、上記パッドにおける配管接触面に管軸方向に向けて凹溝を形成し、シース熱電対の測温部をその凹溝に嵌合させた状態で固着している。このようにすることにより、パッドと配管の接触面積が広くなってパッド温度が配管温度に近づく。このため、良い測定精度が得られる。また、測温部をパッドに安定して固定できる。

本発明において、上記シース熱電対の先端から所定の長さについて金属シースを縮径加工し、その縮径部分を凹溝に固着するように構成すれば、測温部が測定対象である配管表面のより近くに配置されるために測定精度が向上する。

本発明において、パッド固定バンドを例えばばね材で構成すれば、締結手段によって配管に締め付け固定された際にパッドの厚み分について拡径方向に弾性変形し、その復元力でパッドを配管表面に押圧することができる。

本発明において、上記シース熱電対を水冷ジャケットで被覆することができる。

高温中で使用するシース熱電対は径が細いほど寿命が短くなる傾向があるが、そのような細径のシース熱電対を使用する場合であっても水冷ジャケットで被覆することにより耐熱性を高め、長寿命化を図ることができる。また、高温雰囲気中で使用する場合、温度の低い配管等に接触していない空中引き回し部分の寿命が短いため、そのような配置において水冷ジャケットは特に効果がある。

本発明において、上記パッドの外面を断熱材で被覆し、その断熱材を断熱材固定バンドで上記配管に固定することが好ましい。それにより、シース熱電対に対し周囲から作用する熱の影響を少なくして測定精度を高めることができる。

本発明の表面温度計の取付構造によれば、溶接を行うことなく機械的に表面温度計を配管に固定するように構成したため、表面温度計の交換が簡便に行えるという長所を有する。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は本発明に係る表面温度計の取付構造を配管の管軸方向から示したものである。
同図において、１は測定対象となる配管であり、この配管１の外周面１ａに表面温度計２（図４参照）が取り付けられている。

なお、本実施形態では石油精製プラントの加熱炉内配管を測定する場合を例に取り説明する。

表面温度計２は、配管１の外周面１ａに沿って配置されるパッド３と、測温部がそのパッド３に固定されているシース熱電対４とを有し、その表面温度計２を配管１に取り付ける取付構造として、一対の固定バンド（パッド固定バンド）５，６と、それらの固定バンド５，６を締め付け固定する締結手段としてのボルト７およびナット８と、パッド３の外面を被覆する断熱材９と、この断熱材９を配管１に固定する配管バンド（断熱材固定バンド）１０が設けられている。

以下、各部の構成について説明する。

ａ）パッドおよびシース熱電対
図２はパッド３とシース熱電対４の測温部との固定構造を示したものであり、同図(ａ)は左側面図、同図(ｂ)は正面図、同図(ｃ)は図２(ｂ)のＡ−Ａ矢視断面を示したものである。ただし、シース熱電対４については外観図で表している。

図２に示すように、パッド３は配管外周面１ａの曲率と同じ曲率に曲げ加工された薄板部材からなり、本実施形態では例えば周方向の幅が２０〜５０ｍｍ、管軸方向の長さが１００ｍｍ、厚さが５ｍｍのステンレス鋼を使用している。

上記パッド３のサイズは、パッド３に覆われていないシース熱電対４部分から測温部４ａに対し熱が伝導するのを抑制することを目的として設定されている。すなわち、周囲温度が高いとシース熱電対４の金属シースを伝わって測温部４ａの温度が上昇し測定誤差が生じる。そこで、配管外周面１ａに密着させるパッド３について一定の大きさを確保すれば、そのパッド３は周囲温度よりも低い温度である配管表面に密着している構造上、上記金属シースを伝わって進入してくる入熱を抑制することができる。

なお、パッド３の材質については、耐熱性、耐食性を確保することができシース熱電対４をスポット溶接できるものであれば、ステンレス鋼に限らず、それと同等の部材で構成することができる。因みにパッド３が取り付けられる配管１の外径はおよそ１００ｍｍ以上である。

パッド３において配管接触側となる内面３ａにはその中心位置において管軸方向（取付状態において）に向けて凹溝３ｂが形成されている。

この凹溝３ｂはパッド３の先端端面３ｃから距離ｔ離れた位置を始点として切欠き加工されており、シース熱電対４の先端は凹溝３ｂの内側端面３ｄと接触する状態で取り付けられている。

この凹溝３ｂに嵌め込まれるシース熱電対４は、金属シースと一対の熱電対素線との間に粉末状の無機絶縁物、例えば高純度酸化マグネシウムを充填封入し一体構造とした公知のものである。

また金属シースは使用状態で測温接点や熱電対素線が被測定物または雰囲気により侵されないもの、例えばステンレス鋼や耐食耐熱超合金で構成することができるが、本実施形態ではステンレス鋼を用い、上記パッド３も同素材とすることで両者を固定するスポット溶接を容易且つ確実にしている。

また、金属シースの外径はφ８ｍｍのものを使用しており、パッド３に固定されるシース熱電対端部４ａ′については縮径加工を施している。すなわち、絞り加工によって外径をφ３．２〜４．８ｍｍまで細径化するとともにやや偏平に加工している。縮径加工されたシース熱電対端部４ａ′の測温部４ａは高純度酸化マグネシウムが緻密化されており、耐熱性が良く熱応答性も速くなっている。

このような構成のシース熱電対端部４ａ′を凹溝３ｂ内に嵌め込み、スポット溶接によりその凹溝３ｂに固着している。

ｂ）固定バンド
図１において、配管１の外周面１ａに沿ってパッド３が配置された状態で、その外側から半割り構造からなる固定バンド５，６のうち、一方の固定バンド５が取り付けられる。

この固定バンド５は帯状金属部材からなり、その長手方向各端部には、取付状態において略直径方向に折り曲げられたフランジ部５ａが形成されている。各フランジ部５ａにはボルト７の首部を貫通させるためのボルト孔が設けられている。

一方、固定バンド６は、上記固定バンド５に対し垂直軸Ｖを中心として左右対称に形成されている点を除いて基本的に固定バンド５と同じ材質、同じ構成からなり、フランジ部５ａに対向するフランジ部６ａを備え、各フランジ部６ａにはボルト７の首部を貫通させるボルト孔が設けられている。

上記固定バンド５，６の材質は配管１ａと同等の線膨張係数を持った耐熱材料から構成することができる。

上記構成を有する固定バンド５，６は管軸方向に２本設けられ、パッド３の両端部をそれぞれ固定するようになっている。

また、固定バンド５，６を例えばばね材で構成すれば、締結手段によって配管に締め付け固定された際にパッドの厚み分について拡径方向に弾性変形し、その復元力でパッド３を配管表面に押圧することができる。

ｃ）ボルトナット
固定バンド５および６において対向するフランジ部５ａ，６ａに設けられた各ボルト孔にはそれぞれボルト７の首部が通され、固定バンド６のフランジ部６ａから突出するその首部にナット８が螺合されることにより、一対の固定バンド５および６が配管１に締め付け固定されるようになっている。

ｄ）断熱材
断熱材９は厚さ１２．５ｍｍのマット状セラミックファイバー９ａ（１層目断熱材）と９ｂ（２層目断熱材）を配管１の径方向に二層重ねたものからなり、その周方向長さは１００〜１５０ｍｍ、管軸方向長さは３００〜３５０ｍｍに形成されている。

このようなシース熱電対４の測温部はパッド３によって覆われているため、先に説明したように金属シースを伝わって進入してくる入熱はある程度抑制されるようになっている。

本実施形態ではその入熱をさらに効果的に遮断する目的で断熱材９を設けている。

詳しくは、断熱材９を設ける第一の目的は、周囲温度が高いことによってパッド３が設けられていない部分のシース熱電対４の温度が高くなり、その結果、金属シースを伝わってシース熱電対４の測温部４ａが温度上昇し測定誤差が生じることを抑制することにあり、第二の目的は、周囲温度が高いことによってパッド３の温度が上昇し、その結果、パッド３を伝わって進入する入熱の影響で測温部４ａが温度上昇し測定誤差が生じることを抑制することにある。

断熱材９は図３に示すように、周方向長さに比べて軸方向長さの方を長くしており、それにより、シース熱電対４において偏平加工を施した範囲Ｌを確実に断熱するようになっている。

なお、上記断熱材９は上記したセラミックファイバーに限らず、測定対象の温度や環境の温度に応じてその材質、厚さを適宜決定することができる。

２層目断熱材９ｂの外面はメッシュ２．５ｍｍからなる金網１１で覆われており、接触等による断熱材９の破損を防止するとともに断熱材９を所定の形状に保形するようになっている。

ｅ）配管バンド
上記金網１１の外面から巻き付けられ配管１に固定される配管バンド１０は、固定バンド５の管軸方向外側に２本設けられており、金網１１によって保護されている断熱材９を配管１に固定するようになっている。

次に、図４は表面温度計２の全体構成を示したものである。

同図において、シース熱電対４は２〜５ｍにわたって配管１に配線され、さらに配管１と直交する方向に折り曲げられる。

折り曲げられたシース熱電対４は熱膨張吸収のためにループ１３が形成され、図示しない加熱炉の耐火レンガ壁１４を通して加熱炉外に引き出される。引き出されたシース熱電対４に端子箱１２が接続されている。

また、図中１５は折曲部分Ｂから加熱炉外に延びるシース熱電対４に被装された水冷ジャケットである。

この水冷ジャケット１５は内管と外管からなる二重管で構成されており、冷却水入口１５ａから導入された冷却水は内管を矢印Ｃ方向に流れ、外管に移動する際に流れをＤ方向に変え、外管の端部に設けられた冷却水出口１５ｂから排出されるようになっている。

表面温度計を上記取付構造にすることで、例えば基準温度平均２０２．４℃に対し厚さ６ｍｍ、２０ｍｍ幅のパッド３を配管１に固定した場合、断熱材９なしでは温度平均２７６．３℃となり７３．９℃の温度誤差が発生していたが、断熱材９有りでは２１９．８℃となり温度誤差が１７．４℃まで抑制された。

上記基準温度は、細径（φ１．０ｍｍ）のシース熱電対を配管に切った溝に設置して測定したものであり、配管の真の温度と考えられる温度である。

また、厚さ６ｍｍ、５０ｍｍ幅のパッド３を配管１に固定した場合には、断熱材９なしでは温度平均が２６３．１℃となり、測定誤差が６０．７℃であったのが、断熱材９有りでは２１８℃となり測定誤差が１５．６℃まで抑制された。このことから本実施形態の表面温度計の取付構造を採用すると、表面温度の測定誤差を抑制できることが確認された。

次に表面温度計２を配管に取り付ける方法について説明する。

図１において、配管１の外周面に測温部４ａを備えたパッド３を配置する。

そのパッド３の外側から固定バンド５を巻き付けるとともにこの固定バンド５と対応して固定バンド６を反対側から配置する。

固定バンド５のフランジ部５ａに形成されているボルト孔と固定バンド６のフランジ部６ａに形成されているボルト孔とにボルトを挿通させ、ナット８で締め付ける。固定バンド５，６は管軸方向に二箇所配設されるため各固定バンドの上下２箇所、計４箇所について締め付け固定を行う。

パッド３を固定バンド５，６によって固定した後、そのパッド３を覆うようにして１層目となるマット状の断熱材９ａを配置し、さらにその外側に２層目となるマット状の断熱材９ｂを配置する。次いでこの２層目の断熱材９ｂの外面を金網１１でカバーする。

次に、金網１１の外側に配管バンド１０を二本掛け、締結金具で配管１に固定する。

さらに、パッド３から引き出されているシース熱電対４に水冷ジャケット１５を被装し、熱膨張を吸収するためにループ１３を形成し、炉外に配置されている端子箱１２に接続する。

なお、水冷ジャケット１５はシース熱電対４の耐熱性が低い場合に必要に応じて付加すればよい。

上記表面温度計の取付構造によれば、パッドを配管に溶接しておらず、機械的に固定する方法を採用しているため、シース熱電対が劣化したり、熱電対素線が断線した場合など、熱電対を交換する毎に配管の圧力検査をする必要がなく、保守・管理が極めて簡単になるという利点がある。

シース熱電対は径が細いものほど高温で寿命が短くなる傾向があるが、本実施形態のシース熱電対４の端部の縮径加工部は、周囲温度より低温の配管に接触しているので温度上昇が抑制され、縮径加工することによる寿命低下は問題とならない。

なお、本発明の表面温度計の取付構造は、化学プラントの加熱炉配管や電力設備でのボイラ配管等の温度測定に適用することができるが、それ以外にも、高温の環境下でその環境よりも低い温度対象について表面温度を正確に測定するような場合に好適である。

本発明に係る表面温度計取付構造の構成を示す側面断面図である。 (ａ)はシース熱電対の測温部が固定されているパッドの側面図、(ｂ)は正面図、(ｃ)はＡ−Ａ矢視断面図である。 表面温度計取付構造の正面図である。 表面温度計の設置状態を示す説明図である。 従来の表面温度計の構成を示す説明図である。 (ａ)は従来のパッド形状およびその固定方法、(ｂ)は従来の別のパッド形状およびその固定方法を示す説明図である。

符号の説明

１ 配管
２ 表面温度計
３ パッド
３ａ 内面
３ｂ 凹溝
３ｃ 先端端面
３ｄ 内側端面
４ シース熱電対
４ａ 測温部
４ａ′ シース熱電対端部
５，６ 固定バンド
５ａ，６ａ フランジ部
７ ボルト
８ ナット
９ 断熱材
９ａ セラミックファイバー（１層目断熱材）
９ｂ セラミックファイバー（２層目断熱材）
１０ 配管バンド
１１ 金網
１２ 端子箱
１３ ループ
１４ 耐火レンガ壁
１５ 水冷ジャケット
１５ａ 冷却水入口
１５ｂ 冷却水出口

Claims (6)

1. 測定対象の配管外周面に沿わせて配置される金属製薄板状のパッドと、
   上記パッドに測温部が固定されているシース熱電対と、
   上記パッドの外側から取り付けられ、上記パッドを上記配管に固定するためのパッド固定バンドと、
   このパッド固定バンドを上記配管に締め付け固定する締結手段とを有していることを特徴とする表面温度計の取付構造。
2. 上記パッドにおける配管接触面に管軸方向に向けて凹溝が形成されており、上記シース熱電対の測温部がその凹溝に嵌合された状態で固着されている請求項１記載の表面温度計の取付構造。
3. 上記シース熱電対の先端から所定の長さについて金属シースが縮径加工され、その縮径部分が上記凹溝に固着されている請求項２記載の表面温度計の取付構造。
4. 上記パッド固定バンドは上記締結手段によって上記配管に締め付け固定された際に、上記パッドの厚み分について拡径方向に弾性変形し、その復元力で上記パッドを上記配管表面に押圧するように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面温度計の取付構造。
5. 上記シース熱電対に水冷ジャケットが被覆されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面温度計の取付構造。
6. 上記パッドの外面が断熱材で被覆され、その断熱材を上記配管に固定する断熱材固定バンドが設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面温度計の取付構造。

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