JP2007170919A - 熱交換器の振動測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本体胴の外表面における円周方向および軸方向の超音波垂直入射位置を特定して振動の測定を可能とする熱交換器の振動測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る熱交換器の振動測定方法は、管板２とじゃま板９によって伝熱管７を支持する熱交換器の本体胴１の外表面に超音波振動計１７を装着して伝熱管７の振動を測定する熱交換器の振動測定方法において、測定対象とする伝熱管７の位置を座標化し、熱交換器の本体胴１の外表面における超音波入射位置を特定する方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱交換器の本体胴内に収容される伝熱管が振動する際、本体胴の外表面から伝熱管の振動測定を可能にする熱交換器の振動測定方法に関する。

これからの原子力発電プラントは、運転寿命を今迄の４０年から６０年に延長することが検討されており、この運転寿命の延長化の一つとして熱交換器、例えば多管円筒式熱交換器が対象になっている。

多管円筒式熱交換器は、伝熱管の本数が多く、伝熱管内外を流れる流体の乱れによる流体変動力を常に受けており、この流体変動力に基づく振動や流体から受ける腐食等によって経年劣化に対する監視化が必要になってくる。

すなわち、この種の熱交換器は、本体胴内に収容する数多くの伝熱管をじゃま板で支持させているが、じゃま板等に設けられている管穴が上述の振動や腐食等によってその隙間が経年的に大きくなり、これに伴って振動がますます大きくなり、伝熱管を疲労損傷に至らしめることが考えられる。

上述経年劣化に伴う伝熱管の振動増加を監視する手段には、熱交換器の本体胴外表面に超音波式振動計を装着して振動測定を行うことが考えられるが、振動発生位置を特定することができなかった。そこで、例えば、特許文献１に見られるように、支持板に防振金具を設けたり、あるいは、例えば、特許文献２に見られるように、管穴に充填剤を注入し、伝熱管の振動摩耗、減肉および腐食等に対処させていた。
特開平９−１１３１７２号公報 特開平１０−２３２０９５号公報

特許文献１，２に見られる手法は、伝熱管等の経年劣化に恒久的に対処させたものではなく、いわば暫定的な手法である。

特に、振動等が増加してくると、交換部品の準備に早目に着手し、今迄の取付部品が疲労損傷等による亀裂等が起こる前に交換する必要がある。

しかし、運転中、伝熱管の振動を直接測定する手段がないため、交換部品の準備の着手ができず、工期のスケジュール等に大きな支障を来す虞がある。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、本体胴の外表面における円周方向および軸方向の超音波垂直入射位置を特定し、特定の伝熱管の振動測定を可能とする熱交換器の振動測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器の振動測定方法は、上述の目的を達成するために、管板とじゃま板によって伝熱管を支持する熱交換器の本体胴の外表面に超音波振動計を装着して前記伝熱管の振動を測定する熱交換器の振動測定方法において、測定対象とする伝熱管の位置を座標化し、前記熱交換器の本体胴の外表面における超音波入射位置を特定する方法である。

本発明に係る熱交換器の振動測定方法は、伝熱管の振動を容易に監視・測定診断することができる。

以下、本発明に係る熱交換器の振動測定方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る熱交換器の振動測定方法の実施形態を説明する際の全体系統を示す概念図である。なお、本発明に係る熱交換器は、多管円筒タイプのものを例示として適用している。

本実施形態に係る多管円筒タイプの熱交換器は、横長筒状の本体胴１に管板２を介装させて水室３を接続させている。

水室３は、仕切板４で区画され、入口ノズル５を備える入口水室３ａと、出口ノズル６を備える出口水室３ｂとで構成し、入口ノズル５から入口水室３ａに供給される被冷却流体を本体胴１内をＵターンさせた後、出口水室３ｂから出口ノズル６を経て次の機器に供給される。

また、本体胴１は、Ｕ字状に形成する数多くの伝熱管７を収容するとともに、伝熱管７を支持する管板２およびじゃま板９と、冷却流体を本体胴１内に案内する胴体入口ノズル１０および緩衝板（インレットアタック板）１１と、被冷却流体を冷却させた後の冷却流体を他の機器に供給する胴体出口ノズル１２とで構成し、胴体入口ノズル１０から本体胴１内に緩衝板１１を介して供給される冷却流体を蛇行状に流し、この間、伝熱管７内の被冷却流体を冷却させ、被冷却流体を冷却させた後の冷却流体を胴体出口ノズル１２から別の機器に供給する。

このような多管円筒タイプの熱交換器において、本実施形態に係る熱交換器の振動測定方法に適用する振動測定装置は、本体胴１の外表面から垂直に超音波を入射し、伝熱管７の振動による反射エコーを受信する超音波プローブ１３と、増幅器１４で増幅した受信エコーをアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器１５と、アナログからデジタルに変換され、データベース化した情報を取り込むパーソナルコンピュータ１６とで構成される超音波振動計１７を備えたものである。

この超音波振動計１７は、データベース化した振動の変位振幅の経年変化に基づく平均値を許容値とし、この許容値をパーソナルコンピュータ１６に表示させ、表示させた許容値に対し、図５に示すように、振動測定データと比較し、振動測定データが許容値を超えるまでの値を余寿命として、伝熱管の振動に基づく寿命を監視するようになっている。

次に、伝熱管７の振動を本体胴１の外表面から測定するとき、検査対象の伝熱管７を特定するための手法を図２〜図４を引用して説明する。

なお、図２は、伝熱管７を支持する管穴８を管板２に設けた管穴配列を示すもので、水室側から見た管板２の正面図である。

また、図３は、管板２をＸ−Ｙ座標化し、検査対象となる伝熱管７の位置を計算によって特定化する際の図である。

さらに、図４は、伝熱管７の管配列が管板２に対して三角形状の位置に配置されている場合を示す図である。

本体胴１内に収容される伝熱管７を支持する管穴８を備える管板２は、図２に示すように、縦断中心線ＶＬをＹ座標にし、これに９０°で交差する横断中心線ＨＬをＸ座標にし、座標化して置き換える。そして、管板２のＸ座標とＹ座標との交点Ｏは、管板２の中心点であり、本体胴１の中心点でもある。

また、縦断中心線ＶＬの位置には、水室３を入口水室３ａと出口水室３ｂとに区画する仕切板４が設置されるので、この位置からピッチａだけ管穴の位置を逃している。

さらに、検査対象となる伝熱管７を支持する管板２の管穴８は、座標（Ｆ，Ｈ）に位置させている。

このように座標化しておくと、検査対象となる伝熱管７を支持する管板２の管穴８の座標位置は、Ｘ軸となす角θから求めることができる。ここで、角度θは、本体胴１内に収容され、検査対象としての伝熱管の位置を示す角度でもある。換言すれば、検査対象の伝熱管に対し、本体胴１の外表面の接線に垂直に超音波を入射できる座標位置は、本体胴１の外表面に沿うＸ軸となす角θの位置である。

このような前提の下、検査対象としての伝熱管の位置を数式化すると、以下に示すようになる。

今、検査対象としての伝熱管７がＹ軸からｙ列目、Ｘ軸からｘ列目として伝熱管７の本体胴１の外表面における超音波入射位置Ｌを求める。

座標（Ｆ，Ｈ）は、次のようにして求められる。

したがって、本体胴１の外表面のＸ軸からの距離、換言すれば、本体胴１の外表面における超音波入射位置Ｌは、以下に示すとおりに求まる。

ここで、Ｆは、検査対象となる伝熱管のＹ軸から管穴中心までの距離であり、Ｈは、検査対象となる伝熱管のＸ軸からの管穴中心までの距離であり、ａは、Ｙ軸から一番近い伝熱管中心までの距離であり、Ｐは、伝熱管の管配列ピッチであり、θは、検査対象となる伝熱管中心がＸ軸となす角度であり、Ｒは、本体胴の外径であり、Ｌは、本体胴の外表面の超音波入射位置（本体胴の外表面のＸ軸からの距離）である。

このように、伝熱管７の位置を特定化すると、例えば、振動によって伝熱管が損傷を受けても、位置の特定化により監視、診断を容易に行うことができる。すなわち、図１に示すように、伝熱管７を支持するじゃま板９に設けたじゃま板管穴１８は、経年的に、伝熱管７との摩耗、あるいは流体による腐食のために隙間が拡大し、伝熱管７の振動が大きくなる。

さらに、伝熱管７の外表面がじゃま板９のじゃま板管穴１８で摩耗すると、伝熱管７とじゃま板管穴１８との隙間が増加し、伝熱管７の振動が増す。そして、伝熱管７は、じゃま板管穴１８との隙間が大きくなり過ぎると、伝熱管７は振動の増加により疲労損傷が起こる。

このため、伝熱管７は、常に監視し、診断し、事故の発生を未然に防止する必要がある。特に、冷却水の流れにより伝熱管７は、流体励起振動を常に受けており、この点からも監視、診断が必要とされる。

また、アメリカ熱交換器協会の規格（Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association）によれば、伝熱管７の管群（管束）の表面の管および表面近傍の管の振動が管内に発生する振動よりも大きいと報告されており、管束表面の振動を測定することが、当該熱交換器の伝熱管７の振動測定を代表していると考えられる。

このように、伝熱管の振動による損傷やじゃま板管穴１８の隙間拡大に対し、伝熱管７の位置を座標化しておけば、監視、診断は容易に行うことができる。

さらに、冷却水入口ノズルやドレン出口ノズルは、本体胴１に対し、Ｘ軸を基準にして９０°、または２７０°の位置と極めて限られた位置に設置されているが、本体胴１の外表面に装着する超音波入射位置であるＸ軸からの距離Ｌは容易に設定することができる。

したがって、本実施形態によれば、検査対象とする伝熱管やこの伝熱管を支持するじゃま板管穴１８を座標化することで、検査対象となる伝熱管の振動を容易に監視、測定することができるとともに、伝熱管を支持するじゃま板管穴の隙間拡大を容易に把握し、熱交換器の安定運転に供することができる。

また、本実施形態によれば、伝熱管等の位置の座標化によって、伝熱管の振動に基づく疲労損傷による余寿命評価を行うことができ、熱交換器を停止させることもなく運転中でも監視、測定、診断を容易に行うことができる。

本発明に係る熱交換器の振動測定方法の実施形態を説明する際の全体系統を示す概念図。 本発明に係る熱交換器の振動測定方法において、管板に設けた管穴の管配列を示す管板の正面図。 本発明に係る熱交換器の振動測定方法において、管板をＸ−Ｙ座標化することを示す図。 本発明に係る熱交換器の振動測定方法において、伝熱管の管配列を示す図。 本発明に係る熱交換器の振動測定方法において、伝熱管の寿命時期を推定する線図。

符号の説明

１ 本体胴
２ 管板
３ 水室
３ａ 入口水室
３ｂ 出口水室
４ 仕切板
５ 入口ノズル
６ 出口ノズル
７ 伝熱管
８ 管穴
９ じゃま板
１０ 胴体入口ノズル
１１ 緩衝板
１２ 胴体出口ノズル
１３ 超音波プローブ
１４ 増幅器
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６ パーソナルコンピュータ
１７ 超音波振動計
１８ じゃま板管穴

Claims (4)

1. 管板とじゃま板によって伝熱管を支持する熱交換器の本体胴の外表面に超音波振動計を装着して前記伝熱管の振動を測定する熱交換器の振動測定方法において、
   測定対象とする伝熱管の位置を座標化し、前記熱交換器の本体胴の外表面における超音波入射位置を特定することを特徴とする熱交換器の振動測定方法。
2. 前記管板と前記じゃま板における縦断中心線をＹ軸とし、横断中心線をＸ軸とし、前記熱交換器の本体胴の外径をＲとし、測定対象とする伝熱管が前記Ｘ軸となす角度をθとするとき、前記熱交換器の本体胴の外表面における超音波入射位置Ｌを次式で求めることを特徴とする請求項１記載の熱交換器の振動測定方法。
   

   
3. 前記伝熱管の振動測定データを許容値と比較し、前記振動測定データが許容値を超えるまでの値を余寿命とすることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器の振動測定方法。
4. 許容値は、振動の変位振幅の経年変化に基づく平均値であることを特徴とする請求項３記載の熱交換器の振動測定方法。

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