JP2008185309A - 出入口取合部の炉壁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力低減及び溶接性確保を両立し、疲労破損の問題を解消して耐久性や信頼性の向上を可能にした出入口取合部の炉壁構造を提供すること。
【解決手段】所定の間隔で略平行に並列された炉壁管２と、間隔を塞ぐように取付けられたフィン３とによりボイラ火炉の炉壁を形成し、ボイラ火炉の中間管寄せ部で炉壁管２が略直角に方向転換するように折曲されている出入口取合部１０の炉壁構造において、互いの軸線Ｃ１，Ｃ２が流路軸線上で略直交しているベンド管１１を用いて炉壁管２を折曲した。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばボイラの火炉中間管寄せ部等に適用される出入口取合部の炉壁構造に関する。

従来、超臨界圧変圧運転ボイラ等においては、たとえば図３に示すように、火炉中間管寄せ部の出口取合部１に弱点部位を生じることが懸念されている。
図３において、炉壁管２が出入りする出入口取合部１では、他の部分と比較してフィン３の幅（高さ）Ｗ（図４参照）が大きくなる。このため、頻繁な温度変化を繰り返すボイラ運用（たとえばＤＳＳ運用）に対し、十分な耐力の確保が困難になる弱点部位を生じている。なお、図示の炉壁管２は、ベンダーにより管材料が所望のＲ形状に曲げられたベンド管２ａを用いて火炉の内外方向へ略９０度の方向転換をしているが、この場合に加工可能な曲率半径は、管材料の外形をＤとして１ＤＲが最小となる。
具体的に説明すると、炉壁管２及びフィン３はともに火炉の輻射熱を受けている。このため、炉壁管２は内部を流れる蒸気により冷却されており、一方、フィン３が受けた輻射熱はフィン自体を通って熱伝導により炉壁管２へ流れていく。

しかし、フィン３の幅Ｗが広い出入口取合部１では、熱伝導によるフィン３自体の温度低下が不十分となるため、炉壁管２とフィン３との間に生じる温度差が大きくなって熱応力を発生する。このため、ボイラの起動停止に伴って熱応力が繰り返し作用すると、弱点部位においては、たとえば疲労亀裂のような疲労損傷を引き起こす原因となる。このような疲労損傷は、特に溶接止端部の応力集中部に発生しやすいため、炉壁管１とフィン２との間の溶接形状が重要となる。
また、上述した熱応力を低減するためには、フィン３の幅Ｗをできるだけ小さくする必要がある。このため、上下に隣接するベンド管２ａの面間距離Ｌ１（図４参照）は、可能な限り小さくすることが望ましい。

ところで、ボイラ本体の熱膨張が大きい場合でも管寄せの支持装置や配管に応力が係らず、損傷しないようにした炉壁の管寄せ支持構造が開示されている。この従来技術では、炉壁管に屈曲部を形成し、この屈曲部がシールプレートを斜めに貫通する箇所では、スリーブを炉壁管の外周に密に取り付けてシールプレートに溶接し、気密を保つようにしている。（たとえば、特許文献１参照）
特開平９−２２９３０３号公報（図１及び図２等）

上述したように、ボイラの火炉中間管寄せ部においては、出入口取合部１の熱応力を低減するため、図４に示したベンド管２ａの面間距離Ｌ１を最小に設定する必要がある。
しかしながら、面間距離Ｌ１を最小にすると、ベンド管２ａとフィン３との溶接は、火炉外側での作業が困難になる。すなわち、狭い隙間からベンド管２ａの外周曲面とフィン３との間を溶接する際には、ベンド管２ａの湾曲により溶接箇所が鋭角状に狭くなっているため、溶接棒等の溶接装置を所望の溶接箇所まできちんと到達させて作業することは困難になる。この結果、火炉外側の溶接部４は、内部に空間４ａを生じやすくなる。換言すれば、ベンド管２ａの裏側（火炉外側）から強度上有効な溶接部４を形成する溶接作業を行うことは困難な状況になるので、実質的には火炉内側からの片側溶接となって疲労損傷を生じやすくなる。

このように、ボイラの火炉中間管寄せ部においては、面間距離Ｌ１の設定値が、出入口取合部の疲労破損に関係する熱応力低減と溶接性確保というように、相反する課題に影響を与えている。このような背景から、ボイラの火炉中間管寄せ部においては、熱応力低減及び溶接性確保を両立することにより、疲労破損の問題を解消して耐久性や信頼性を向上させることができる出入口取合部の炉壁構造が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱応力低減及び溶接性確保を両立することにより、疲労破損の問題を解消して耐久性や信頼性を向上させることができる出入口取合部の炉壁構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明は、所定の間隔で略平行に並列された炉壁管と、前記間隔を塞ぐように取付けられたフィンとによりボイラ火炉の炉壁を形成し、前記ボイラ火炉の中間管寄せ部で前記炉壁管が略直角に方向転換するように折曲されている出入口取合部の炉壁構造において、
互いの軸線が流路軸線上で略直交しているベンド管を用いて前記炉壁管を折曲したことを特徴とするものである。

このような出入口取合部の炉壁構造によれば、互いの軸線が流路軸線上で略直交しているベンド管を用いて炉壁管を折曲したので、曲率半径が極めて小さくなり、火炉外側でベンド管とフィンとを溶接する溶接箇所が鋭角状に狭くなることはない。この場合のベンド管は、曲げ鍛造により所望の極めて小さな曲率半径に成形したものを使用することが好ましい。
また、曲率半径が極めて小さなベンド管を使用することで、出入口取合部におけるフィンの幅を狭めることも可能になる。

上述した本発明によれば、互いの軸線が流路軸線上で略直交している曲率半径の小さいベンド管を用いて炉壁管を折曲したので、出口取合部の炉壁構造においては、ベンド管とフィンとを溶接する火炉側の溶接箇所が鋭角状に狭くなることはなく、溶接棒等の溶接装置を所望の位置まで到達させて確実に溶接することができ、しかも、フィンの幅を狭めることも可能になる。従って、出口取合部の炉壁構造においては、炉壁管とフィンとの温度差が低減されるとともに、火炉出口側及び火炉入口側の両方から確実に溶接することができるので、耐久性や信頼性が向上するという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係る出口取合部の炉壁構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、出口取合部１０は、所定の間隔で略平行に並列された炉壁管２と、炉壁管２の間隔を塞ぐように取付けられたフィン３とによりボイラ火炉の炉壁が形成されている。ボイラ火炉の中間管寄せ部では、出口取合部１０で火炉外側へ向けて炉壁管２が略直角に方向転換するように折曲されている。出口取合部１０で火炉外側へ向かう２本の炉壁管２は、図中に矢印で示すように、配管内部を流れる冷却用蒸気を導入する入口及び冷却後の蒸気を戻す出口となる。

炉壁管２の折曲部には、互いの軸線Ｃ１，Ｃ２が流路軸線上で略直交しているベンド管１１が用いられている。このベンド管１１は、曲げ鍛造により成形された曲率半径が極めて小さいエルボ部材（曲げ鍛造管）であり両端に直線状の管材が溶接により連結される。すなわち、水平方向の軸線Ｃ１と鉛直方向の軸線Ｃ２とが９０度に交差する交点Ｐは、水平方向から鉛直方向へ向けて、あるいは、鉛直方向から水平方向へ向けて、流路方向が略９０度の変化をする流路軸線上にある。換言すれば、ベンド管１１における軸線Ｃ１，Ｃ２の交点Ｐは、少なくともベント管１１内に流路を形成している位置にあり、特に、曲率半径をできるだけ小さくするためには、略直角に曲がる流路軸線の折曲位置と略一致する位置にあることが好ましい。

上述した形状のベンド管１１は、従来のチューブ曲げ加工では曲率半径が小さすぎて製作することは不可能であった。
このように、曲率半径が小さいベンド管１１を用いて出口取合部１０を構成することにより、図２に示すように、火炉外側でベンド管１１とフィン３とを溶接する溶接箇所が鋭角状に狭くなることはない。すなわち、ベンド管１１の外周面がフィン３と略直角になるため、溶接棒等の溶接装置を所望の位置まで容易に到達させ、溶接部１２の溶接形状を改善することができる。

この結果、火炉外側においてもベント管１１とフィン３との間が溶接部１２により確実に溶接されるので、従来のベンド管２ａのように、溶接不良の原因となる空間部が形成されるようなことはなく、火炉外側及び過労値側の両側溶接により耐久性や信頼性を向上させることができる。
また、火炉外側の溶接が容易になることにより、そして、ベンド管１１の曲率半径が小さくなったことにより、フィン３の幅Ｌ２（図２参照）をベンド管１２の面間距離と略一致する値まで狭めることも可能になる。従って、出口取合部１０の炉壁構造においては、炉壁管２とフィン３との温度差が小さくなって熱応力を低減するとともに、火炉出口側及び火炉入口側の両方から確実に溶接して炉壁管２（ベンド管１１）とフィン３との間を固定するので、出口取合部１０の耐久性や信頼性が大きく向上する。

ちなみに、炉壁管２の外形寸法が２８ｍｍ程度（呼称１インチ）の場合、従来のベンド管２ａを使用してフィン３の幅Ｗ（図４参照）を３２ｍｍ程度に設定すると、ベンド管２ａの面間距離Ｌ１（図４参照）は３〜４ｍｍ程度と小さくなって火炉外側の溶接は困難になる。しかし、曲げ鍛造により成形したベンド管１２を使用した構成とすれば、フィン３の幅及び面間距離がともにＬ１より小さいＬ２（図２参照）で略一致し、このＬ１を幅Ｗより２０ｍｍ程度小さい寸法の１２ｍｍ程度まで低減しても上述した火炉外側の溶接が可能になる。すなわち、溶接箇所に鋭角を形成しないことに加えて、面間距離が１０ｍｍ近く増したことで溶接作業が容易になっている。

このように、互いの軸線Ｃ１，Ｃ２が流路軸線上で略直交している曲率半径の小さいベンド管１１を用いて炉壁管２を折曲した出口取合部１０の炉壁構造は、ベンド管１１とフィン３とを溶接する火炉側の溶接部１２が鋭角状に狭くなることはなく、従って、溶接棒等の溶接装置を所望の位置まで到達させて確実に溶接することができる。さらに、上述したベンド管１１を使用した出口取合部１０の炉壁構造は、入口側のベンド管１１と出口側のベンド管１１との間に形成されるフィン３の幅Ｗ（Ｌ２）を狭めることも可能になる。従って、炉壁管２とフィン３との温度差を低減し、火炉出口側及び火炉入口側の両方から確実に溶接することで、熱応力の低減や疲労損傷の防止により、ボイラの火炉中間管寄せ部における出口取合部１０の信頼性や耐久性が向上する。

また、取合部１０の溶接施工性が向上するという効果や、製造上のコストを低減できるという効果も得られる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る出入口取合部の炉壁構造の一実施形態を示す図で、（ａ）は出入口取合部の側面図、（ｂ）は（ａ）の出入口取合部を火炉内側から見た図である。 溶接部を示す図１（ａ）の要部拡大図である。 出入口取合部の炉壁構造に係る従来構造を示す図で、（ａ）は出入口取合部の側面図、（ｂ）は（ａ）の出入口取合部を火炉内側から見た図である。 溶接部を示す図３（ａ）の要部拡大図である。

符号の説明

１，１０ 出口取合部
２ 炉壁管
３ フィン
４，１２ 溶接部
１１ ベンド管

Claims (1)

1. 所定の間隔で略平行に並列された炉壁管と、前記間隔を塞ぐように取付けられたフィンとによりボイラ火炉の炉壁を形成し、前記ボイラ火炉の中間管寄せ部で前記炉壁管が略直角に方向転換するように折曲されている出入口取合部の炉壁構造において、
   互いの軸線が流路軸線上で略直交しているベンド管を用いて前記炉壁管を折曲したことを特徴とする出入口取合部の炉壁構造。

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