JP2008190611A - ステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手 - Google Patents

Abstract

【課題】内部を高温の流体が通過する配管の接続部分に介挿する、伸縮継手に用いるベローズ管を、ステンレス製とした場合に、σ相の析出に伴う靭性低下により破損してしまうのを防止する。
【解決手段】伸縮継手１００は、ステンレス製のベローズ管１１の両端にフランジ１２ａ，１２ｂを溶接し、ベローズ管１１の内側に配される内筒１３の片端を前記フランジ１２ａまたは前記ベローズ管１１の片端内側に溶接し、前記内筒１３の他端と前記フランジ１２ｂまたは前記ベローズ管１１の他端との隙間をシール部材１５で塞ぐとともに、前記内筒１３と前記ベローズ管１１との間に内側断熱材１４ａを配する。
内筒１３を溶接するのはベローズ管１１の内側であっても構わない。内筒１３との隙間をシール部材１５で塞ぐのもベローズ管１１の内側であって構わない。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部を高温の流体が通過する金属管の接続部分に介挿する、ステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手に関する。

配管を施工する場合、複数の金属管を接続することがあるが、そのとき、伸縮式の継手を介挿することがある。そして、配管の内部を、例えば、１００℃以上の高温の流体が通過する場合も多い。

図６（ａ）は、特許文献１に記載の伸縮継手１００（以下、略して継手と称している箇所もある）の断面図である。１１はベローズ管と呼ばれる蛇腹状の金属管、１２ａ、１２ｂはフランジ、１３は内筒、１４ａは断熱材である。

図６（ｂ）は、接続されるべき両側の配管を破線で模式的に示したものであるが、内部を通過する高温の流体（ガスなど）が最大で７００℃以上にも及ぶことがあり、両側の配管が熱膨張して伸びるため、伸縮継手１００は両側から圧縮され、そのひずみをベローズ管１１の圧縮にて吸収している。

また、内筒１３は、内部を通過する高温且つ腐食性を有するガスなどに耐え得るべく、耐熱性及び耐腐食性に富む金属材料でつくられており、高温流体が継手内において乱流を生じることなく滑らかに通過し得る形状とされている。

しかも、内筒１３の片側はフランジ１２ａに溶接されている一方で、反対側はフランジ１２ｂとは僅かな隙間を隔てて離れている。図６（ｂ）に示した通り、伸縮継手１００が両側から圧縮された場合に、両側が溶接されていると内筒１３は座屈してしまうため、これを回避する必要があるからである。

特許文献１ではまた、配管周辺への熱的影響を抑制するための、断熱材１４について、以前はベローズ管１１の外側にあったものを、ベローズ管１１を熱と酸化から保護する役目も果たす目的で、ベローズ管１１の内側に配置している。内筒１３は整流の目的で以前から配置されていたため、これとベローズ管１１との間に断熱材１４ａを配置するようにしたものである。

特許文献２には、図７に示すように、フランジ１２ａ，１２ｂを２つの部材１２ａ１と１２ａ２、あるいは、１２ｂ１と１２ｂ２を溶接して構成するとともに、１つの部材１２ａ２あるいは１２ｂ２の側をベローズ管１１の側にせり出させ、片方のフランジ１２ａについて、そのせり出させた部材１２ａ２の内側に内筒１３を溶接するようにしている。

また、もう片方のフランジ１２ｂに溶接した部材１２ｂ２と、内筒１３の間にはシール部材１５を介挿するようにしている。

特許文献３には、図８に示すように、フランジ１２ａ，１２ｂを、ボルト１６ａ，ナット１６ｂで締結することを記載している。両側の配管がすでに施工済みの場合にその間に伸縮継手１００を介挿する際、ナット１６ｂを締め込んで伸縮継手１００の長さを一時的に縮めるようにすることで、施工しやすくなる。図８では、伸縮継手１００の下部にしかボルト１６ａ，ナット１６ｂが配置されていないように見えるが、フランジ１２の外周どの位置にも実質的に均等に締め込みの力が作用するよう、実際には上下左右など伸縮継手１００の中心に対し対象な位置にボルト１６ａ，ナット１６ｂが配置される。

特許文献３にはまた、ベローズ管１１をステンレス製とすることも記載されている。
ステンレス協会編、「ステンレス鋼便覧−第３版−」、日刊工業新聞社、１９９５年１月２４日、ｐ１０７，９９８ 実開昭５４−０１１３２６号公報 実開昭５３−１４５０２３号公報 特開２００４−２１１８６８号公報

しかしながら、ベローズ管１１としてステンレス製のものを用いた場合、断熱材１４ａを介挿した場合でも、そのステンレス製のベローズ管がσ相の析出する温度に達し、靭性が低下して破損してしまう場合がある、という問題があった。図９（出典：非特許文献１）に、ステンレスにおける、（ａ）σ相析出温度、（ｂ）σ相析出と靭性の低下の関係、をそれぞれ示す。

本発明は、前記従来技術の問題を解決するべくなされたもので、内部を高温の流体が通過する配管の接続部分に介挿する、伸縮継手に用いるベローズ管を、ステンレス製とした場合に、σ相の析出に伴う靭性低下により破損してしまうのを防止することを目的とする。

すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）ステンレス製のベローズ管の両端にフランジを溶接し、ベローズ管の内側に配される内筒の片端を前記フランジまたは前記ベローズ管の片端内側に溶接し、前記内筒の他端と前記フランジまたは前記ベローズ管の他端との隙間をシール部材で塞ぐとともに、前記内筒と前記ベローズ管との間に断熱材を配し、該断熱材は、前記内筒の内側を流れる流体が達することのある最高温度に達しても、前記ベローズ管がσ相の析出を起こす温度に達しないだけの厚さとしたことを特徴とするステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手。
（２）前記ベローズ管の外側にも断熱材を配したことを特徴とする（１）のステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手。

本発明によれば、σ相の析出に伴う靭性低下により破損してしまうのを防止できる、ステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手を提供できる。

（第１の実施形態）
図１（ａ）に、本発明の第１の実施の形態に係る伸縮継手の全体構成を示す。各符号は、図６〜図８に示した従来の伸縮継手と同じものは同じにしている。

本実施の形態に係る伸縮継手１０１は、ステンレス製のベローズ管１１の両端にフランジ１２ａ，１２ｂを溶接し、ベローズ管１１の内側に配される内筒１３の片端を前記フランジ１２ａまたは前記ベローズ管１１の片端内側に溶接し、前記内筒１３の他端と前記フランジ１２ｂまたは前記ベローズ管１１の他端との隙間をシール部材１５で塞ぐとともに、前記内筒１３と前記ベローズ管１１との間に内側断熱材１４ａを配する。

内筒１３を溶接するのはベローズ管１１の内側であっても構わない。内筒１３との隙間をシール部材１５で塞ぐのもベローズ管１１の内側であって構わない。

内側断熱材１４ａは、材質として、キャスタブル、セラミックファイバー、グラスウール、ロックウールなどのものを用いることができるが、前記内筒１３の内側を流れる流体が達することのある最大の温度に達しても、前記ベローズ管１１がσ相の析出を起こす温度に達しないだけの厚さとする。ここで、ステンレスのσ相析出開始温度は、図９（ａ）に示したように時間に依存するが、例えばＳＵＳ３０４の場合には６００℃程度である。よって、エンジニアリング上の余裕代を適宜設定し、前記ベローズ管がその温度に達しないように内側断熱材１４ａの厚さを設定すればよい。σ相析出温度および内筒１３の内側を流れる流体が達することのある最高温度Ｔならびにエンジニアリング上の温度余裕代（一例として１００℃）を考慮した設計温度と、その設計温度にぎりぎり達しない内側断熱材１４ａの材質と厚さｈの関係を例示したものを表１に示す。

内側断熱材１４ａの厚さに上限はないが、過度に厚くしても断熱効果が飽和する上、内筒１３の径が小さくなり、内側を流れる流体の圧力損失が大きくなる。特に、既設の配管系に本発明の伸縮継手を増設する場合には、フランジ径が決まっているため、内筒１３の径を確保するには、断熱効果を十分確保できる限度内においてできるだけ薄くするのが好ましい。例えば、前記ベローズ管がσ相の析出を起こさないように前述のようにして設計された内側断熱材１４ａの厚さをｈとすると、１．１ｈ（１割増し）を上限とするのが好ましい。

なお、内側断熱材１４ａは図１（ｂ）に示すようにベローズ管１１の蛇腹部分にまで充填させるようにした方が、ベローズ管１１がσ相の析出を起こす温度に、より達しにくくなる側に作用するため、好ましいことはいうまでもない。

（第２の実施の形態）
図２に示すように、ベローズ管１１の外側にも断熱材１４ｂを配置するのも好ましい。外側断熱材１４ｂの材質としては、内側断熱材１４ａと同様、セラミックファイバー、グラスウール、ロックウールなどのものを用いることができる。この場合、本発明の伸縮継手を設置する周辺の温度、熱環境を考慮して、例えば、内筒１３の内側を流れる流体が達することのある最高温度に達しても、外側断熱材１４ｂの最外部の温度が１００℃以下となるように、外側断熱材１４ｂの厚さを設計するのが好ましい。

なお、第１の実施形態において、図３に示すように、片端のフランジ１２ａと他端のフランジ１２ｂをボルト１６ａとナット１６ｂで締結することで、すでに施工済みの両側の配管の間に伸縮継手１０３を介挿する際に、ナット１６ｂを締め込んで伸縮継手１０３の長さを一時的に縮められるようにするのも好ましい。第２の実施形態においても、同様である。

本発明の一つの実施例について説明する。図４は、鋼片を加熱するための加熱炉２００である。２１はバーナである。２２は空気レキュペレータであり、これからバーナ２１に供給しようとする空気Ａを燃焼済の廃ガスＥで予熱する熱交換器の一種である。２３はガスレキュペレータであり、これからバーナ２１に供給しようとするガスＧを燃焼済の廃ガスＥで予熱する熱交換器の一種である。２４はダンパーであり、開度調節可能な弁にて廃ガスＥの流量を調節する。本発明を用いた伸縮継手１０４Ａ，１０４Ｇは図４中には図示していないが、それぞれ、各バーナ２１に向かう予熱後の空気ＡとガスＧの配管の途中に介挿される。便宜上フランジ部が大気中に露出しているかのように描いているが、実際には断熱材１４ｂで外側を覆っている。

図５に伸縮継手１０４Ａ，１０４Ｇを示す。（ａ）は側面断面図、（ｂ）は正面断面図である。伸縮継手１０４Ａ，１０４Ｇは寸法こそ違うものの、実質的に相似形だと考えてよい。側面断面図である図５（ａ）は、先述の第２の実施の形態に登場した図２（ｂ）と比べ、ベローズ管１１の蛇腹形状の部分まで断熱材１４ｂが達しない点で異なるが、その他の点では実質的に何ら変わるところはない。

図５（ａ）は、施工済の状態を示している。施工前においては図３（ｂ）に示すような状態であったものを、ナット１６ｂの調節によりベローズ管１１を３ｍｍ圧縮して、既に施工済であった両側の配管の間に嵌め込み、ナット１６ｂを再度調節してベローズ管１１の圧縮を開放し、しかる後、フランジ１２ａ，１２ｂに空いたボルト孔に図示しないボルトを通して別のこれも図示しないナットで締結するようにした。さらに、それが終わると、ボルト１６ａ，ナット１６ｂをフランジ１２ａ，１２ｂから切り離し、最後にベローズ管１１の外側を別の断熱材１４ｂにて覆うようにし、図５（ａ）に示すような施工済の状態として施工を完了した。

ベローズ管１１の材質はＳＵＳ３０４とした。内側断熱材１４ａの材質はセラミックファイバーとし、厚さは最も薄いところでも２５ｍｍとした。また、外側断熱材１４ｂの材質はロックウールとし、厚さは最も薄いところで５０ｍｍとした。伸縮継手１０４Ａ，１０４Ｇの各部の寸法は表２に示す通りである。ただし、これらの寸法はあくまで一例であり、配管は末端にいくほど枝分かれして寸法が小さくなるなどして変動するので、これらより大きいものも小さいものもあり得る。また、フランジが矩形断面の場合を例示しているが、円形断面のものもあり得る。

ちなみに、図５（ｂ）に示す正面断面図は、施工前の状態を示しており、ナット１６ｂなどのベローズ管１１の長さを調節するための部材がまだ取り付けられている状態を示している。

予熱された空気Ａの到達することのある最高温度は６５０℃であるが、このときのベローズ管１１の到達温度は４９９℃にとどまるため、σ相は析出しない。また、外側断熱材１４ｂの最外部の温度は８７℃にとどまり、周囲の温熱環境としても問題ない。

本発明によれば、σ相の析出に伴う靭性低下により破損してしまうのを防止できる、ステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手を提供できる。

本発明の一つの実施の形態を説明するための線図 本発明の別の実施の形態を説明するための線図 本発明のさらにまた別の実施の形態を説明するための線図 本発明の実施例について説明するための線図 本発明の実施例について説明するための線図 従来技術について説明するための線図 従来技術について説明するための線図 従来技術について説明するための線図 本発明が解決しようとする課題について説明するための線図

符号の説明

１１ ベローズ管
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ａ１，１２ａ２，１２ｂ１，１２ｂ２ フランジ
１３ 内筒
１４ａ 内側断熱材
１４ｂ 外側断熱材
１５ シール部材
１６ａ ボルト
１６ｂ ナット
２１ バーナ
２２ 空気レキュペレータ
２３ ガスレキュペレータ
２４ ダンパー
１００，１０１，１０２，１０３，１０４Ａ，１０４Ｇ 伸縮継手
２００ 加熱炉
Ａ 空気
Ｅ 廃ガス
Ｇ ガス

Claims (2)

1. ステンレス製のベローズ管の両端にフランジを溶接し、ベローズ管の内側に配される内筒の片端を前記フランジまたは前記ベローズ管の片端内側に溶接し、前記内筒の他端と前記フランジまたは前記ベローズ管の他端との隙間をシール部材で塞ぐとともに、前記内筒と前記ベローズ管との間に断熱材を配し、該断熱材は、前記内筒の内側を流れる流体が達することのある最高温度に達しても、前記ベローズ管がσ相の析出を起こす温度に達しないだけの厚さとしたことを特徴とするステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手。
2. 前記ベローズ管の外側にも断熱材を配したことを特徴とする請求項１のステンレス製のベローズ管を用いた伸縮継手。

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