JP2007155233A - ボイラ火炉及びボイラ火炉用パネルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】肉盛溶接に伴うボイラ火炉用パネルの変形を抑制して変形の修正作業時間の短縮を図ることができ、しかも、鋼管の熱効率の低下の抑制が可能なボイラ火炉及びボイラ火炉用パネルの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】上記課題は、鋼管と平鋼の溶接継手部を隅肉溶接して隅肉溶接部を形成し、火炉内面側の当該鋼管と平鋼の表面に耐食性材料を肉盛溶接して肉盛溶接部を形成したボイラ火炉用パネルを使用したボイラ火炉において、火炉外面側にのみ前記隅肉溶接部を形成したボイラ火炉とする構成によって達成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボイラ火炉及びボイラ火炉用パネルの製造方法に係り、特に、鋼管と平鋼との溶接継手部を隅肉溶接し、その火炉内面側に耐食性材料を肉盛溶接したパネルを周囲に配置したボイラ火炉及びボイラ火炉用パネルの製造方法に関する。

従来、石炭焚ボイラの火炉壁に使用されるボイラ火炉用パネルにおいては、図６〜図１０に示すように、内部をボイラ水や蒸気が流れる複数本の炭素鋼または低合金鋼からなる鋼管１と、これら鋼管１の側面に断面形状がいわゆるＫ形の二辺の斜面部を有する開先加工部を当接させ、この開先加工部で両側から隅肉溶接によって接合してなる図１０に示すようなボイラ火炉用パネル１７が使用されているが、硫黄を多く含有した石炭燃料を用いて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制する低酸素燃焼を行った場合、ボイラの燃焼バーナ近傍の火炉壁は激しい硫化腐食が生じる。この対策として、火炉壁に溶射を施工することが一般的に行われてきた。しかし、石炭中の硫黄分が２〜３％と多くなった場合には、溶射による０．２〜０．３ｍｍ厚の皮膜では十分な耐食性が得られないため、インコネル６２５（ＵＮＳ ＮＯ６６２５）、ハステロイＣ２２（ＵＮＳ ＮＯ６０２２）、インコネル６８６（ＵＮＳ ＮＯ６６８６）、インコロイ８２５（ＵＮＳ ＮＯ８８２５）等の高耐食性材料を肉盛溶接する方法が適用されている。

肉盛溶接とは、母材表面に目的に応じた所要の組成の金属を溶接によって溶着する方法であり、溶着によって母材と溶接材料とが合金化されて強固な密着力が得られること及び肉盛層の厚みに制限がなく、厚い皮膜を形成することができる特徴がある。

従来の肉盛溶接法では、図９に示すように、火炉内外面側の両側端に断面形状がいわゆるＫ形の二辺の斜面部を有する開先加工部３を形成した平鋼２と鋼管１を用いて、図８に示すように、前記開先加工部３で火炉内面及び外面の両面に隅肉溶接を施して隅肉溶接部４を形成して鋼管１と平鋼２を接合した第１のボイラ火炉用パネル１７を形成した後、図７に示すように、鋼管１と平鋼２の火炉内面側表面に、例えば、特許文献１記載の方法によって、肉盛溶着が施工されて肉盛溶着部４が形成されているが、この肉盛溶接後の第２のボイラ火炉用パネル１８は、肉盛溶接金属が収縮することにより、図７に示すように、火炉内面側に湾曲して大きく反り変形する。従って、肉盛溶接後の第２のボイラ火炉用パネル１８を図６に示すような平坦状の最終形状とするには、プレス加工による曲げ修正を行う必要があり、変形量が大きい場合には、プレス回数が増加し、修正に多大な時間を要する問題があった。

この対策として、火炉壁の平鋼２を鋼管１の中央部より火炉内面側にずらした位置で隅肉溶接を行って肉盛溶接施工時の溶接面積を減少させて肉盛溶接時間の短縮を図る方法が提案されている。(例えば、特許文献２参照)
特開２０００−８４６６５公報 特開平１０−２３８７０６公報

しかしながら、上述した特許文献２記載の構造の第２のボイラ火炉用パネルでは、肉盛溶接施工時の溶接面積が減少するため、第２のボイラ火炉用パネルの変形を抑制することができるが、その抑制量は十分でなく、プレス加工による曲げ修正を必要とし、しかも、ボイラの火炉に曝される鋼管１面積が減少するため、鋼管の熱効率の低下等の新たな問題を招く可能性がある。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解決すべくなされたもので、その目的は、肉盛溶接に伴う第２のボイラ火炉用パネルの変形を抑制して変形の修正作業時間の短縮を図ることができ、しかも、鋼管の熱効率の低下を抑制することが可能なボイラ火炉用パネル及びボイラ火炉用パネルの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による第１の手段としては、複数の鋼管間に平鋼を沿設することにより前記鋼管の軸方向に形成された溶接継手部を溶接により接合してパネルとして周囲に配置したボイラ火炉において、前記パネルのボイラ火炉外面側の前記溶接継手部には隅肉溶接を行い、前記パネルのボイラ火炉内面側の前記溶接継手部には隅肉溶接を行わずに、ボイラ火炉内面側の前記鋼管、溶接継手部及び平鋼の表面には耐食性材料の肉盛溶接を行ったパネルとして周囲に配置したことを特徴とするボイラ火炉としたものである。

本発明による第２の手段としては、前記第１の手段記載のボイラ火炉において、前記平鋼の側端の両側に、断面形状で一辺にのみ斜面部を有する開先加工部を形成し、当該斜面部を火炉外面側に配設して、当該斜面部に隅肉溶接部を形成したことを特徴とするボイラ火炉としたものである。

本発明による第３の手段としては、鋼管の外周に平鋼の側端を当接させて溶接継手部を形成し、当該溶接継手部の火炉外面側のみに隅肉溶接を施し、しかる後に、火炉内面側の鋼管と平鋼の表面に肉盛溶接を施すことを特徴とするボイラ火炉用パネルの製造方法としたものである。

本発明による第４の手段としては、前記第３の手段記載のボイラ火炉用パネルの製造方法において、前記平鋼の側端の両側に、断面形状で一辺にのみ斜面部を有する開先加工部を形成し、当該斜面部を前記火炉外面側に配設して、当該斜面部に隅肉溶接部を形成したことを特徴とするボイラ火炉用パネルの製造方法としたものである。

本発明によれば、上記の構成とすることによって、第２のボイラ火炉用パネルの肉盛溶接時の変形を可及的に低減することが可能なボイラ火炉用パネルを提供することが可能となるので、肉盛溶接に伴うボイラ火炉用パネルの変形の修正作業時間の短縮を図ることができ、しかも、鋼管の熱効率の低下を抑制することが可能なボイラ火炉及びボイラ火炉用パネルの製造方法を提供することが可能となった。

本発明においては、鋼管と平鋼の溶接継手部を隅肉溶接した際にも第１のボイラ火炉用パネルの変形が発生する場合があることに着目し、前記溶接継手部の火炉外面側にのみに隅肉溶接を行って火炉内面側に突出した湾曲面となるように反り変形させ、このように変形した第１のボイラ火炉用パネルの火炉内面側の表面に、肉盛溶接した場合、肉盛溶接による収縮によって前記湾曲した反り変形が矯正され、ほぼ平坦な第２のボイラ火炉用パネルとすることができることを究明した。

この場合に、平鋼の側端面に、断面形状で一辺のみに斜面部を形成した台形状の開先加工部を施したものを使用し、当該斜面部を火炉外面側に配設して当該斜面部に隅肉溶接を施すと、従来のいわゆるＫ形の二辺の斜面部を有する開先加工部を有する場合に比べ、斜面部の深さをより深くすることが可能となって、溶接量を多くすることがすることが可能となり、鋼管への熱伝達及びこの溶接継手部分での強度を高めることができるので好適である。

以下、本発明に係わる一実施形態のボイラ火炉及びこのボイラ火炉用パネルの製造方法について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明による一実施形態のボイラ火炉用パネルを使用したボイラ火炉の概略構成を示す断面図で、６はボイラ火炉本体、７はボイラ火炉本体６内へ燃料を噴射して燃焼させるバーナ、８は一次過熱器、９は二次過熱器、１０は三次過熱器、１１は最終過熱器、１２は一次再熱器、１３は二次再熱器、１４は節炭器であり、バーナ７からボイラ火炉本体６内へ燃料を噴射して燃焼させることにより、燃焼ガスを生成し、生成された燃焼ガスを通過させ、二次過熱器９、三次過熱器１０、最終過熱器１１、二次再熱器１３、一次過熱器８、一次再熱器１２及び節炭器１４と熱交換させ、熱交換した後の排ガスを排ガスダクト１５へ流出させ、下流側に設けられた脱硝、脱硫等の排煙処理装置(図示せず)で窒素酸化物や硫黄酸化物等を除去した後、大気へ放出するようになっている。

ボイラ火炉本体６における火炉壁１６は、前述の図１０で示す第１のボイラ火炉用パネル１７と同様な外形を有する炭素鋼または０．５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼等の低合金鋼からなる複数の鋼管１間に同じ材質の平鋼２を沿設することにより前記鋼管１の軸方向に形成された溶接継手部１９を溶接により接合した第２のボイラ火炉用パネル１８を多数接合して形成され、第２のボイラ火炉用パネル１８に配設された鋼管１内に水等の流体を送給し、この流体をバーナー７から生成する燃焼ガスで加熱して、高温流体または蒸気を生成し、この高温流体または蒸気を使用して発電機用タービンを回転させて発電等を行うようになっている。

火炉壁１６を構成する第２のボイラ火炉用パネル１８の断面構造は、図２に示すように、断面円筒状の鋼管１の外周中央の溶接継手部１９で、平鋼２の側端の火炉外面側（火炉壁１６の外表面側）でのみ隅肉溶接部４によって溶接接続され、この隅肉溶接部４と反対側の火炉内面側(火炉壁１６の内表面側)の鋼管１、平鋼２及び溶接継手部１９の表面全体に、高Ｎｉ鋼等のインコネル６２５（ＵＮＳ ＮＯ６６２５）、ハステロイＣ２２（ＵＮＳ ＮＯ６０２２）、インコネル６８６（ＵＮＳ ＮＯ６６８６）、インコロイ８２５（ＵＮＳ ＮＯ８８２５）等の高耐食性材料からなる肉盛溶接部５が形成されており、この肉盛溶接部５によって燃焼ガスに接触して加熱される火炉内面側のボイラ火炉用パネル１７の燃焼ガスによる腐食を防止している。

次に、本発明による一実施形態のボイラ火炉用パネル１８の製造方法について、図３〜図５に基づいて説明する。

図３は、本発明による一実施形態の鋼管１と平鋼２の接合溶接前の配置を示す図で、図４は、図３の鋼管１と平鋼２を隅肉溶接４して接続して形成した第１のボイラ火炉用パネル１７を示す図で、図５は、図４で示す第１のボイラ火炉用パネル１７に肉盛溶接５を施した第２のボイラ火炉用パネル１８を示す図である。

本発明による一実施形態の第２のボイラ火炉用パネル１８は、上述のように、鋼管１と平鋼２の側端を隅肉溶接によって接合溶接されるが、この平鋼２には、図３に示すように、平鋼２の両側端に、断面形状で一辺のみに斜面部２０を有する台形状の開先加工部３がいわゆるレ形に形成されており、この開先加工部３の斜面部２０が火炉外面側となるように、また、平鋼２が鋼管１のほぼ中央位置に位置するように配置し、開先加工部３が鋼管１に当接して溶接継手部１９を形成する。

続いて、この配置状態で、前記開先加工部３の斜面部２０に、溶接トーチ(図示せず)をセットし隅肉溶接を行って、火炉外面側にのみ隅肉溶接部４を形成する。この隅肉溶接部４は、鋼管１の管軸と平行に配設された鋼管１と平鋼２の側端の溶接継手部１９の全体に施され、板状の第１のボイラ火炉用パネル１７が形成される。この場合、隅肉溶接部４が第１のボイラ火炉用パネル１７の一方側（火炉内面側）にしか形成されないため、鋼管１の管軸と直交する方向Ａにおいて反り変形が生じ、図４で示すように、第１のボイラ火炉用パネル１７は、その中央部分で火炉内面側に突出するように湾曲変形する。

この隅肉溶接部４を形成するに当っては、例えば、実開平５−４４３７３で開示されているような方法を使用することによって、複数の鋼管１と平鋼２の溶接継手部１９を同時に施工することができる。このようにして形成された第１のボイラ火炉用パネル１７では、隅肉溶接部４によって、鋼管１の管軸方向及び管軸直角方向の両方に変形が生じるが、鋼管１と平鋼２の強度のために、管軸方向の変化量はわずかで、管軸直角方向の変化量が大半である。

次に、このように湾曲変形した第１のボイラ火炉用パネル１７に対して、第１のボイラ火炉用パネル１７の火炉内面側の表面前面に、図５に示すように、前述の高耐食性材料からなる肉盛溶接部５を形成した第２のボイラ火炉用パネル１８を形成する。肉盛溶接方法としては、例えば、前述の特許文献１に記載されているように、第１のボイラ火炉用パネル１７を垂直に立て、ウイビングあるいは回転アーク溶接させながら下進方向に行われるため、鋼管１の管軸方向の変形量が小さい場合、鋼管１の管軸直角方向に変形した第１のボイラ火炉用パネル１７でも適切に肉盛溶接をおこなうことができる。この肉盛溶接を施工すると、第２のボイラ火炉用パネル１８は、前述の図７で説明したように、火炉外面側の中央部が突出するように湾曲反り変形しようとするが、肉盛溶接部５形成前の第１のボイラ火炉用パネル１７は、火炉外面側の溶接量増加と火炉内面側の隅肉溶接の省略とによって図４に示すように、第１のボイラ火炉用パネル１７の中央部が突出した湾曲変形を生じているので、肉盛溶接部５による湾曲反り変形力が第１のボイラ火炉用パネル１７の変形を矯正するように作用し、第２のボイラ火炉用パネル１８の変形量は、図７で示す従来の第２のボイラ火炉用パネル１８の変形量より大幅に減少し、隅肉溶接部４と肉盛溶接部５の材質や堆積量を適当に制御した場合には、ほぼ平坦な第２のボイラ火炉用パネル１８を形成することができ、プレス加工による曲げ修正工程を省くことが可能となる。このように、本発明による第２のボイラ火炉用パネル１８の製法においては、少なくとも、従来のボイラ火炉用パネル１７の製法時のプレス加工による曲げ修正作業に比べ、この修正作業に要する加工時間を大幅に短縮することができる。

本発明においては、上述のように、隅肉溶接部４が火炉外面側にのみ施工された第２のボイラ火炉用パネル１８は、強度と熱伝達とにおいて問題が生じる場合がある。先ず、強度について説明すると、ボイラ稼動時の高温環境下においてボイラ火炉用パネル１７は膨張するため応力が発生する。隅肉溶接部４を火炉外面側にのみとした場合、鋼管１と平鋼２と隅肉溶接部４とが合わさる部位に応力が集中し、亀裂が発生する。しかし、本発明では、隅肉溶接部４を施さない火炉内面側には、肉盛溶接部５を施すため、応力は集中せず、亀裂が発生する問題はない。

次に、熱伝達に関して説明する。隅肉溶接部４は、平鋼２の熱を鋼管１内部の水、蒸気に伝える役割がある。図９に示す従来の平鋼２の断面形状いわゆるＫ形の二辺の斜面部を有する開先加工部３で火炉外面側のみ隅肉溶接４を施した場合、平鋼２と鋼管１の接続面積が半分となるため、熱伝達率が半減する。その結果、平鋼２の熱が鋼管１内部の水や水蒸気に十分伝わらず、平鋼２が鋼管１に比べ高温となるため、平鋼２の強度低下に加え、熱応力が発生して損傷が大きくなり、最悪の場合、噴破に至る可能性がある。従って、本発明においては、平鋼２の開先加工部３の斜面部２０の深さＤを、図９で示す従来開先加工部３の斜面部２０の深さより深くし(開先を大きくし)、平鋼２の厚みの１／２以上の深さとして溶接量を増加させることで、熱伝達及び強度を確保できるようにしてある。

以上のように、本発明によるボイラ用ボイラ火炉用パネルでは、肉盛溶接の施工の際に問題となるパネルの変形量を低減でき、曲げ修正のためのプレス加工の作業時間の短縮を図ることができるだけでなく、片面の隅肉溶接工程を省略できるので、全体のボイラ火炉用パネルの製造時間を大幅に短縮することができる。

また、パネル自体が内部を水等の流体が流れる重量物であり、このような重量物である上下パネルとの接続におけるパネルの強度を確保する必要があるが、前記隅肉溶接を管軸方向に連続して施工する場合には、このようなパネルの強度の確保をより確実に行うことが可能となり、またボイラ火炉内の高温ガスが外側にリークすることを確実に防止することが可能となる。

上記実施形態においては、石炭焚ボイラについて説明したが、その他重油焚ボイラや、ごみ焼却炉等においても適当に適応可能である。

本発明の一実施形態に係わるボイラ火炉用パネルを備えたボイラ火炉の概略構成を示す断面図である。 本発明による一実施形態の第２のボイラ火炉用パネルの断面図である。 本発明による一実施形態の鋼管と平鋼の配置を示す断面図である。 図３の鋼管と平鋼の配置状態で形成した第１のボイラ火炉用パネルの断面図である。 図４の第１のボイラ火炉用パネルに肉盛溶接部５を形成した第２のボイラ火炉用パネルの断面図である。 従来のプレス加工による曲げ修正を行った第２のボイラ火炉用パネルの断面図である。 従来の曲げ修正加工前の第２のボイラ火炉用パネルの断面図である。 従来の隅肉溶接を施工した第１のボイラ火炉用パネルの断面図である。 従来の鋼管と平鋼の配置を示す断面図である。 従来のボイラ火炉用パネルの斜視図である。

符号の説明

１ 鋼管
２ 平鋼
３ 開先加工部
４ 隅肉溶接部
５ 肉盛溶接部
６ ボイラ本体
７ バーナ
８ 一次過熱器
９ 二次過熱器
１０ 三次過熱器
１１ 最終過熱器
１２ 一次再熱器
１３ 二次再熱器
１４ 節炭器
１５ 排ガスダクト
１６ 火炉壁
１７ 第１のボイラ火炉用パネル
１８ 第２のボイラ火炉用パネル
１９ 溶接継手部
２０ 斜面部

Claims (4)

1. 複数の鋼管間に平鋼を沿設することにより前記鋼管の軸方向に形成された溶接継手部を溶接により接合してパネルとして周囲に配置したボイラ火炉において、
   前記パネルのボイラ火炉外面側の前記溶接継手部には隅肉溶接を行い、前記パネルのボイラ火炉内面側の前記溶接継手部には隅肉溶接を行わずに、ボイラ火炉内面側の前記鋼管、溶接継手部及び平鋼の表面には耐食性材料の肉盛溶接を行ったパネルとして周囲に配置したことを特徴とするボイラ火炉。
2. 請求項１記載のボイラ火炉において、
   前記平鋼の側端の両側に、断面形状で一辺にのみ斜面部を有する開先加工部を形成し、当該斜面部を火炉外面側に配設して、当該斜面部に隅肉溶接部を形成したことを特徴とするボイラ火炉。
3. 鋼管の外周に平鋼の側端を当接させて溶接継手部を形成し、当該溶接継手部の火炉外面側のみに隅肉溶接を施し、しかる後に、火炉内面側の鋼管と平鋼の表面に肉盛溶接を施すことを特徴とするボイラ火炉用パネルの製造方法。
4. 請求項３記載のボイラ火炉用パネルの製造方法において、
   前記平鋼の側端の両側に、断面形状で一辺にのみ斜面部を有する開先加工部を形成し、当該斜面部を前記火炉外面側に配設して、当該斜面部に隅肉溶接部を形成したことを特徴とするボイラ火炉用パネルの製造方法。

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