JP2008526522A - ２つの要素を接合するための方法およびスリーブ - Google Patents
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Abstract
少なくとも１つが溶接困難な材料を含む、またはそのような材料から作られる、少なくとも２つの、チューブのような要素１、２を接合する方法であって、要素を一体に溶接する工程と、その後、溶接接合部３を例えばスリーブ４を用いて断熱する工程とを含む方法である。
Description
本発明は、少なくとも１つが溶接困難な材料を含む、またはそのような材料から作られる、少なくとも２つの、チューブのような要素の接合方法に関する。用語「溶接困難な材料」は、分散強化型合金のように、溶接した場合に、その機械的特性または耐食性を少なくとも部分的に失う材料を意味する。
大規模な化学設備の操業の中断は、生産性の顕著な減少、および設備が稼働停止中の間の収入の損失を伴う。様々な所定のメンテナンス作業は、全ての作業が完了するまで設備の多くの部分の停止を要する。このような操作の１つは、エチレンの生産に用いる、分解炉内チューブ（または、クラッキングファーネスチューブ、cracking furnace tube）の交換である。
蒸気分解装置(steam cracker)のような、炉で用いられるチューブは、通常、９００℃〜１２００℃の温度で使用され、これらチューブは、約２０ｍまでの長さを有することが可能で、従って、極めて重たい。また、これらチューブは、通常、腐食性または炭素含有媒体を輸送する。チューブは通常、外側からの放射および対流により主に加熱されるが、しかし、チューブを通る要素の温度も、チューブを内側から加熱するのに寄与し得る。このような高い使用温度、高い負荷、および腐食性または炭化環境に耐えるように、分散強化型合金のような、多くの耐熱合金が用いられている。これらの合金は、優れたクリープ強度のような、所望の特性を有するように、特に成分調整（または、配合、formulate）されているが、しかし、これらは重大な溶接性の問題を有している。
溶接工程は、溶接接合部を著しく弱体化する炭化物相、窒化物相および／または酸化物相の再配列、クラスター生成（または、クラスタリング、clustering）、または粗大化を生じ得る。合金が高温で用いられる場合、有意な接合強度を達成することが困難なことがある。このような合金を一緒に溶接することは、従って、溶接接合領域で合金の所望の特性を失う可能性がある。このことは、このような溶接接合部が、分解炉（または、クラッキングファーネス、cracking furnace）の所定の部分で曝される高温に耐えることができないかもしれないことを意味している。
欧州特許公報第１４１８３７６号公報は、このような合金の溶接の代替手段を示している。この特許公報は、高温で用いる、溶接困難な材料より作られるパイプであって、こられの端末部の内側および外側にネジ部（ネジ）が切られ、従って、互いにネジ締めされているパイプを示している。このようなパイプの不都合は、パイプにネジ部（ネジ）を切る際に、材料をパイプから取り除く必要があることから、パイプの接合部分の機械的安定性が低下することである。機械的に、より弱い構造は、パイプの接合部分の寿命が短いことを示唆し、従って、労働コストおよび材料コストを増加させる。さらに、要素を一体に接合した後、パイプ接合部の内面および／または外面は、シールをしてパイプ接合部の気密性を維持する必要がある。従って、このようなパイプの製造および設置(installation)は、パイプを溶接して一体にする場合に比べ、より複雑で時間を要する。結局、この特許に開示された発明の恩恵を得るには、既存の溶接したパイプを、ネジ部を設けたパイプと取り替える必要があるであろう。
本発明の目的は、チューブまたはフィン付チューブのような、少なくとも２つの要素の簡易な結合方法であって、少なくとも１つの要素が溶接困難な材料を有して成り、高温環境に耐えることが可能な、優れた機械的特性を備えた接合部が得られる接合方法を提供することである。
この目的は、要素を一体に溶接し、その後、溶接接合部を断熱する(または、熱的に絶縁する、thermally insulating)工程を含む方法により達成される。要素の周辺から溶接接合部を断熱することによって、溶接困難な材料が溶接接合部で曝される温度は、低下する。従って、中空であるそのような要素を介して流れるいかなる媒体の流れまたは組成物も、この接合構造を通過する際に変化することはない。さらに、断熱材は断熱部内部の要素の部分内部の温度を維持し、この結果、該部分がよりゆっくり冷やされて、これにより溶接接合部の熱衝撃を低減する。断熱材は、また、溶接接合部を機械的または化学的攻撃からも保護する。
本発明の方法は、高温で機械的に安定であり、また、実施するのが容易で、従って、設置および交換費用が低減された、流体密な接合部構造をもたらす。本発明の方法は、溶接が困難な要素を含む新しいシステムを導入する、またはシステムの材料の種類を変える必要なく、もしく炉の設計のようなシステムの構成を変えることなく既存のシステムを改善するのに用いてもよい。
本発明の実施形態では、前記断熱工程は、断熱性を有するスリーブを配置し、前記溶接接合部と、前記溶接接合部により接合する前記要素の前記溶接接合部に最も近接した領域とを覆うことを含む。このようなスリーブは、効果的に溶接接合部を断熱し、溶接接合部が曝される温度を実質的に低下させ、要素が冷却される場合に温度降下の速度を減少させ得る。このようなスリーブは、溶接接合部が曝される高い温度の熱源の位置に応じて、要素の外側および／または要素の内側に配置してもよい。従って、本発明の更なる実施形態では、前記断熱の工程は、前記要素の外部に対して溶接接合部に断熱材を与えるように、前記溶接接合部と前記要素の前記領域とを取り囲むように、前記溶接接合部の外側に前記スリーブを配置することを含む。このスリーブの配置は、例えば、要素が分解炉（または、クラッキングファーネス）に配置され、外側より加熱されるチューブの場合に適している。
本発明の別の実施形態では、少なくとも前記溶接接合部により接合される領域が中空である、チューブのような要素を接合し、前記断熱工程は、要素の内部に対して溶接接合部に断熱材を与えるように、前記溶接接合部と、溶接接合部に最も近接した、要素の前記領域とを覆うように、前記要素の内側に前記スリーブを配置することを含む。
本発明の別の実施形態では、スリーブは、セラミックスファイバのような耐火（または、耐熱、refractory）材料が少なくとも部分的に充填され、例えば金属またはセラミックスで作られる、前記溶接接合部の外側に配置する外側ジャケットを含んで成る。
本発明の別の実施形態では、スリーブは、セラミックスファイバのような耐火材料により少なくとも部分的に取り囲まれ、例えば金属またはセラミックスで作られた、前記要素の内側に配置する内側ジャケットを含んで成る。ジャケットは、例えばＫａｎｔｈａｌ ＡＰＭでもよく、前記耐火材料は、例えば、Ｆｉｂｒｏｔｈａｌ（Ｋａｎｔｈａｌ社から市販）のような、セラミックスファイバまたは真空成形した(vacuum-formed)セラミックスファイバでもよい。耐火材料は、例えばＫａｅｗｏｏｌ １２６０でもよい。スリーブのジャケットの内側／外側と要素の外壁／内壁との間に圧縮可能な耐火材料の層を有することは、溶接する要素に対して、スリーブがより自由に動くことができ、熱膨張に起因する膨張または収縮による力がスリーブに作用せず、これによりスリーブの寿命が延びる。
スリーブは、少なくとも部分的に溶接接合部を取り囲むまたは隣接する、単一または複数の要素から成ってもよく、円形または正方形断面のような、いかなる幾何学的形態を有してもよい。
本発明の別の実施形態では、断熱材は少なくとも１つの溶接する要素に固定して取り付けられる。
前記接合する要素が、チューブのような中空である、本発明の更なる実施形態に係る方法は、少なくとも１つの要素の溶接する１または複数の端面に、例えば鍛造または旋削(turning)により、（前記要素の残りの部分の厚さと比較して）より厚い壁部を設け、これに断熱材を取り付ける工程を含む。本発明のより更なる実施形態に係る方法は、断熱材を支持するように、より厚い壁部に、１以上の耐荷重性（または、負荷分担、load bearing）肩部（または、段部、shoulder）のような、耐荷重手段（または、負荷分担手段、load bearing means）を設置する工程を含む。要素は、自らの重量を支え、曲げモーメントに耐える必要があることから、１または複数の要素の１または複数の端末部分のみをより厚くする。このことは、溶接接合部の面積を増加することができ、溶接接合部が支える面積あたりの荷重が減少し、少なくとも１つの前記要素の溶接が困難な特性に起因する、溶接接合部のより低い機械的強度にもかかわらず、十分な強度を有し得る。要素全体の厚さの増加は、より高い材料コストをもたらし、さらに、要素の熱輸送特性に悪影響を与える。
本発明の他の実施形態では、溶接が困難な前記材料は、Ｃ：最大０．０８ｗｔ％、Ｓｉ：最大０．７ｗｔ％、Ｃｒ：１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％、Ａｌ：１ｗｔ％〜１０ｗｔ％、Ｍｏ：１．５ｗｔ％〜５ｗｔ％、Ｍｎ：最大０．４ｗｔ％、残部：Ｆｅおよび通常存在する不純物を含有する分散強化型合金を含む。
本発明の他の態様にかかる実施形態では、溶接困難な前記材料は、カンタル（Ｋａｎｔｈａｌ）社のＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ技術により開発された、鉄−クロム−アルミニウム（ＦｅＣｒＡｌ）合金、カンタル（Ｋａｎｔｈａｌ）ＡＰＭまたはＡＰＭＴ（すなわち、Ｋａｎｔｈａｌ ＡＰＭと同様のＦｅＣｒＡｌ合金系でモリブデンを添加した）を含む。
本発明の実施形態では、このような溶接困難な材料は、オーステナイトステンレス鋼のような、より簡単もしくは簡便に溶接できる要素、または溶接が困難な要素と溶接してもよい。
本発明の実施形態では、前記スリーブは、支持リングのような、支持手段により支持されている。
本発明の更なる実施形態では、断熱材は、耐火材料、セラミック材料またはケイ酸アルミニウムのような耐火ファイバ（または、耐熱ファイバ、refractory fiber）を含む。本発明の実施形態では、断熱材は、実質的に全体的にセラミック材料または耐火ファイバより成る。
本発明の別の実施形態では、断熱材は、溶接が困難な材料を含む。
本発明の実施形態にかかる方法は、例えば少なくとも１つの熱電対により、溶接接合部および／または断熱材またはその周囲の少なくとも１箇所の温度を測る工程を含む。従って、溶接する要素を介して流れるいかなる媒体の温度、または要素の温度をモニターすることが可能であり、所望の温度に到達および維持するように、断熱材の厚さまたは種類を変えてもよい。
本発明は、また、上述した実施形態のいずれか、および添付の特許請求の範囲にかかる方法に用いるスリーブにも関する。
実施形態のいずれかにかかる方法またはスリーブは、排他的ではないけれども、とりわけ、９００℃以上、または例えば分解炉もしくは熱交換器内のような、腐食環境または高温環境での使用を意図している。
本発明の更なる利点および有利な特徴は以下の詳細な説明および他の従属請求項により明らかになる。
図は一定の縮尺で描いたものではなく、より明確にするために特定の特徴部の寸法は、誇張されていることを留意すべきである。
以下の詳細な説明および図は、本発明を開示した実施形態に限定することを意図したものではない。開示する実施形態は、本発明の原理の単なる例示である。
図１は、それぞれの端末で一体に溶接されている２つのチューブ１、２を示す。２つのチューブ１、２の少なくとも一方または両方は、鉄系（または、鉄基）分散強化型材料のような溶接が困難な材料より作られている。溶接接合部３は、存在することによりチューブを介して流れるいかなる媒体にも悪影響を与え得る、２つのチューブ１、２の内面に沿った凹凸を有しないで、実質的に緻密な適合を与える。
チューブ１、２は、例えば、石油精製、化学もしくは石油化学プラント、発電プラント、製鋼プラントまたは原子力装置で用いる、加熱パイプまたは高温プロセスパイプであってもよい。この例のチューブ１、２は、同じ直径であるけれども、本発明の接合方法は、異なる直径のチューブ、および複数のブランチ（または、分岐、branch）を有するチューブを接合するのに用いてもよい。
溶接接合部３およびこの溶接接合部の周辺領域は、従来の方法のいずれかにより溶接接合部の周囲に保持されている外側断熱スリーブ４により取り囲まれている。スリーブ４は溶接後に溶接接合部３に移動し、溶接接合部を完全に取り囲む円筒状のチューブのような単一の部分、または溶接後に溶接接合部３の周囲に固定する２つの円筒状チューブ半部のような複数の部分より成る。
スリーブ４は、溶接接合部３の近接部で、チューブ１、２の温度を上昇させる熱Ｈから溶接接合部３をシールドする。スリーブ４は、軽量セラミックスファイバ６を充填した、金属またはセラミックスの外側ジャケットを含む。外側ジャケット５は、溶接した要素１、２の周囲に発生し、その結果、溶接接合部３に影響を与え得る、あらゆる振動および腐食性ガスの流れに対し、良好な耐久性を有する。約１１１０℃に曝される断熱していない溶接接合部と比較し、溶接接合部の温度を、少なくとも約５０℃〜１００℃から約１５０℃減少させることが可能である。要素（チューブ）の１つがカンタルＡＰＭ（Ｋａｎｔｈａｌ ＡＰＭ）の形態をした溶接が困難な材料である場合、実際、溶接接合部の温度は約９０℃低下した。
図２は、溶接接合部３により、どのようにチューブ１、２が接合されるかを概略的に示している。ここでは、チューブに、例えば鍛造または旋削により、その接合する端部に、上述の溶接接合部の面積あたりの負荷がより低いという利点をもたらす、（チューブの他の部分の厚さと比較し）より厚くなっている壁部をどのように設けているかを示している。より厚い壁部７を利用して、外側スリーブ４を、チューブに固定して取り付け、このスリーブがチューブに対し、溶接接合部３の横方向に移動するのを防止してもよい。この図は、溶接接合部、および要素の溶接接合部に最も近接した領域を覆うために、要素の内部にスレーブ８を配置することにより、溶接接合部３が要素の内部からの熱に対しても、また、どのように保護され得るかを示している。このスリーブ８は、セラミックファイバのような耐火材料１０により少なくとも部分的に取り囲まれた、例えば金属またはセラミックスにより作られる内側ジャケット９を含んでもよい。この図は、要素の内部からの熱に対して溶接接合部を保護するために、要素内部の内部スリーブの配置を示すためのみに用いる。そして、溶接接合部を越えて(bridging)、断熱スリーブを前記要素の内側および／または外側に配置することが可能である。
本発明は、当然ながら、いかなる場合でも上述した実施形態に制限されるものではなく、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の基本的思想から逸脱することのない多くの変形が可能なことが当業者には明らかであろう。
例えば、少なくとも１つの空隙を備え、熱伝導を低減した本発明にかかる断熱スリーブを提供することが可能であろう。これにより、溶接接合部の周囲の領域が更に断熱される。このような、スリーブ中の空隙は、スリーブの重量を更に減少させるであろう。別の態様では、同じ目的のために、空隙が、スリーブと要素との間に設けられてもよい。
Claims (21)
- 少なくとも１つが溶接困難な材料を含む、またはそのような材料から作られる、少なくとも２つの、チューブのような要素１、２を接合する方法であって、
要素を一体に溶接する工程と、その後、溶接接合部３を断熱する工程とを含むことを特徴とする方法。 - 前記断熱工程が、断熱性を有するスリーブ４および／またはスリーブ８を配置し、前記溶接接合部３と、該溶接接合部により接合される前記要素１、２の前記溶接接合部に最も近接する領域とを覆うことを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記断熱工程が、前記要素の外部に対して溶接接合部に断熱材を与えるように、前記溶接接合部と前記要素１、２の前記領域とを取り囲むように、前記溶接接合部３の外側に前記スリーブ４を配置することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 少なくとも前記溶接接合部により接合する領域が中空である、チューブのような要素１、２を接合する方法であって、
前記断熱工程は、前記要素の内部に対して溶接接合部に断熱材を与えるように、前記溶接接合部３と、溶接接合部に最も近接した、要素の前記領域とを覆うように、前記要素の内側に前記スリーブ８を配置することを含むことを特徴とする請求項２または３に記載の方法。 - スリーブ４が、セラミックスファイバのような耐火材料６を少なくとも部分的に充填され、例えば金属またはセラミックスで作られた、前記溶接接合部３の外側に配置する外側ジャケット５を含んで成ることを特徴とする請求項３に記載の方法。
- スリーブ８が、セラミックスファイバのような耐火材料１０により少なくとも部分的に取り囲まれ、例えば金属またはセラミックスで作られた、前記要素の内側に配置する内側ジャケット９を含んで成ることを特徴とする請求項４に記載の方法。
- スリーブが、前記溶接接合部を覆うように配置する、少なくとも１つの空隙を含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の方法。
- 前記スリーブ４および／または前記スリーブ８が、溶接接合部により接合される前記要素１、２の少なくとも１つに固定して取り付けられることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の方法。
- 接合する、チューブのような前記要素１、２が中空である、請求項１〜８のいずれかに記載の方法であって、
要素１、２の少なく１つの１またはそれ以上の接合する端部に、前記要素の残りの部分の厚さと比較して、より厚い壁部７を設け、該より厚い壁部７に断熱材を取り付ける工程を含むことを特徴とする。 - より厚い壁部７に、断熱材４を支持するように、１またはそれ以上の耐荷重肩部のような耐荷重手段を設置する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記スリーブ４が、支持リングのような支持手段により支持されることを特徴とする請求項２〜７に記載の方法。
- 前記断熱材４、８が、耐火材料またはセラミックス材料を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
- 前記断熱材４、８が、ケイ酸アルミニウムのような耐火ファイバを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
- 前記溶接困難な材料が、
Ｃ：最大０．０８ｗｔ％、
Ｓｉ：最大０．７ｗｔ％、
Ｃｒ：１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％、
Ａｌ：１ｗｔ％〜１０ｗｔ％、
Ｍｏ：１．５ｗｔ％〜５ｗｔ％、
Ｍｎ：最大０．４ｗｔ％、
残部：Ｆｅおよび通常存在する不純物
を含有する合金のような、分散強化型合金を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。 - 耐火材料またはセラミックス材料を含むことを特徴とする請求項２および請求項２を引用する請求項３〜１４のいずれかに記載の方法に用いるスリーブ。
- ケイ酸アルミニウムのような耐火ファイバを含むことを特徴とする請求項２おび請求項２を引用する請求項３〜１４のいずれかに記載の方法に用いるスリーブ。
- セラミックスファイバのような耐火材料６が少なくとも部分的に充填され、例えば金属またはセラミックスで作られる外側ジャケット５を含んで成ることを特徴とする請求項３および請求項３を引用する請求項４〜１４のいずれかに記載の方法に用いるスリーブ。
- セラミックスファイバのような耐火材料１０により、少なくとも部分的に取り囲まれ、例えば金属またはセラミックスから作られる内側ジャケット９を含んで成ることを特徴とする請求項４および請求項２を引用する請求項５〜１４のいずれかに記載の方法に用いるスリーブ。
- 空隙を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項２および請求項２を引用する請求項３〜１４のいずれかに記載の方法に用いるスリーブ。
- 請求項１〜１４のいずれかに記載の方法、または請求項１５〜１９のいずれかに記載のスリーブの腐食条件、または９００℃以上の温度のような高温での使用。
- 請求項１〜１４のいずれかに記載の方法、または請求項１５〜１９のいずれかに記載のスリーブの分解炉または熱交換器での使用。
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