JP2009291839A - リブを形成し、ボイラー管内に挿通し、恒久的に結合するための方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】核沸騰中に形成され、停滞する蒸気泡が絶縁層を形成し、管壁を介して管内の流れに向かう熱移動を阻害する如き運転状況を防止する制御下の管内流れ配分を提供するための、リブを形成し、ボイラー管内に挿通し、恒久的に結合するための、リブを形成し、ボイラー管内に挿通し、恒久的に結合するための方法を提供することである。
【解決手段】スピンドル１００が、スピンドル１００の外面に形成した螺旋形のチャンネル２にして、ボイラー管内面上のリブを形成するために使用するワイヤ状のリブ材（図示せず）を収受するに充分な幅及び深さのチャンネル２を有する。チャンネル２は、あるピッチ角螺旋状に配向され、所望のＳＬＲ管またはＭＬＲ管のリブピッチ角に相当する形態を有する。ワイヤ状部材６がスピンドル１００のチャンネル２内に巻き付けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に蒸気発生装置で使用する配管に関し、詳しくは、内側リブ付きボイラー管の作製方法に関する。リブを設けることにより、核沸騰中に形成された蒸気泡が停滞する、つまり、停滞蒸気泡により絶縁層が形成され、管壁を介して管内の流れに向かう熱移動が阻害される運転状況を防止する制御下の管内流れ配分が提供される。

従来からの蒸気発生システムの主要動作部品はボイラーである。一般に蒸気は、水中に多数の管を通すと共に、この水を状態変化させる、即ち液体から蒸気に変化させるに十分加熱することで発生させている。

水が管を流通するに従い、管の内壁に最も近い位置の水が管壁を介した伝熱により加熱される。水の外側層が蒸気に変化するプロセスに際して水の外側層に生じる最初の変化は蒸気泡の形成である。蒸気泡は管内の水と混合するまで管壁に隣り合う位置に維持されて絶縁層または絶縁フィルムを構成し、かくして管壁に沿って極部ホットスポットが生じる。こうしたホットスポットは結局は管をオーバーヒートさせ、最終的には損傷させる。更には、蒸気泡はその絶縁性故に、管内の水と混合するまでは管中心部を高速で通過する水のコア部分のそれ以上の加熱をも防止する。

従って、管壁を通して水に熱を素早く且つ効率的に移行させるには、管を通る水の層流を途絶させて水の外側層を混合させ、管の中心部を流れる水のコア部分内に蒸気泡を同伴させる形態の手段を設ける必要がある。従来用いられてきたそうした手段の１つには、内面にリブ（ランドまたは溝）を形成したボイラー管を使用することが含まれる。

内壁面にリブを設けたボイラー管製造法に関する既存の従来技術に関しては、米国特許第３，０８８，４９４号、同第３，２１３，５２５号、同第３，２７２，９６１号、同第３，２８９，４５１号、同第３，２９２，４０８号を参照されたい。前記米国特許第３，０８８，４９４号は、特定様式での比率及び配列下にランドや溝を螺旋状に形成した内壁を有する蒸気発生用管を提供することに関わるものであり、同第３，２１３，５２５号は、管の穿孔内に内側リブを形成し、管内壁から切削動作手段によって材料を除去してそうしたリブを形成する方法に関わるものであり、同第３，２７２，９６１号は、リブ付きの蒸気発生管の製造法及び製造装置に関わるものであり、当該方法及び装置によれば、リブは溶接法により管の内面に付着される。また、同第３，２８９，４５１号は、管に螺旋状の内側リブを形成するための方法及び装置に関わるものであり、内側リブは冷間引抜き法により形成される。最後に、同第３，２９２，４０８号は、内側リブ付きの管の形成法に関わるものであり、リブ形成用工具を管から取り外し易くするための非対称螺旋状溝が管に形成される。
こうした従来技法があるにも拘わらず、リブ付き内面を持つボイラー管を提供する新規且つ改良された方法に対する需要がある。この目的上使用されてきた従来法には明らかに欠点があり、また、使用コストも割高である。

そうした従来法及び従来装置を使用する上での不利益の１つは、金属変形プロセスを完了した後、形成用部材を管から成功裏に取り外すのが困難な点である。一般に、螺旋模様のような所定の外部形状を持つ部材を管に挿通し、次いで、この部材上の螺旋模様が管の内壁に形成されるように管を減径させる。管から部材を取り外すには以下の事実、即ち、管内面が本来部材の外面と正確に相補するように変形されているという事実から、実質上、部材を回転させながら管から抜き出す必要がある。管からの部材の外しにくさは、管への部材の挿通長さと、管の内壁に形成した模様及び部材の外面に形成した模様の完全相補状態に関する相対的な程度とによる。

単一リードリブ（ＳＬＲ）ボイラー管と、多重リードリブ（ＭＬＲ）ボイラー管とを作製する最新法では、円滑な管を長孔付き回転マンドレルを通して引き抜く、機械的か、または冶金学的な変形プロセス処理が必要である。このプロセス中、管の円滑な内面は塑性変形され且つ長孔付きマンドレルの形状に漸次一致せしめられ、かくして管の長さ方向に沿って螺旋状のリードリブが設けられる。この変形プロセスは困難なだけでなく費用を要し、しかも、所望の細かい幾何学的模様を有し且つ必要な寸法形状精度を持つ断面形状を正確に創出させる能力上の限界がどうしてもある。従来の冶金学的プロセスには、リブのリード角を４０°またはそれ以上の最適角とする能力に限界がある。また、従来の変形プロセス処理法を用いて高温、高強度、抗変形材（例えば、合金８００Ｈ）からＳＬＲ管やＭＬＲ管を製造するのは非常に困難である。

米国特許第３，０８８，４９４号 米国特許第３，２１３，５２５号 米国特許第３，２７２，９６１号 米国特許第３，２８９，４５１号 米国特許第３，２９２，４０８号

核沸騰中に形成されて停滞する蒸気泡が絶縁層を形成し、管壁を介して管内の流れに向かう熱移動を阻害する如き運転状況を防止する制御下の管内流れ配分を提供するための、リブを形成し、ボイラー管内に挿通し、恒久的に結合するための方法を提供することである。

本発明の１様相によれば、内側流れを制御下に途絶させるように動作する手段を設けたボイラー管を製造する新規且つ改良された方法が提供される。
本発明の他の様相によれば、リブ付きの内面を備えるボイラー管の製造方法が提供される。
本発明の他の様相によれば、ワイヤ状部材をスピンドルの周囲に巻き付けることにより管内面にリブ模様を形成する、リブ付きボイラー管の製造方法が提供される。
本発明の更に他の様相によれば、管内壁に取り付けたワイヤ状部材を残してボイラー管からスピンドルを取り外す、リブ付きボイラー管の製造方法が提供される。
本発明の更に他の様相によれば、使用コストが比較的安価で、簡単に利用でき、ボイラー管内部でリブに形成し得る様々の異なる模様、即ち、螺旋、円、等、に関する限りにおいて融通性が極めて高い。

従って、本発明の方法には、円滑な内面を持つ管を製造することと、それとは別に、代表的には平坦な非円形の金属ワイヤから形成するワイヤ状部材を作成することが含まれる。ワイヤ状のリブ部材は、代表的には不等辺形断面を持つが、矩形、四辺形、またはその他の、円形を含む幾つかの所望の幾何学的形状のものであっても良い。各リブは円滑な管の内部に順次挿通され、次いで位置決めされ、耐腐食性の、ニッケルベースの充填金属を使用して、リブの位置及び方向を恒久的に固定するべく管の内面にろう接される。
ＳＬＲ管及びＭＬＲ管、ワイヤ状部材は、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケルベース合金、を含む色々の異なる金属材料から創出させ得る。

核沸騰中に形成され、停滞する蒸気泡が絶縁層を形成し、管壁を介して管内の流れに向かう熱移動を阻害する如き運転状況を防止する制御下の管内流れ配分を提供するための、リブを形成し、ボイラー管内に挿通し、恒久的に結合するための、リブを形成し、ボイラー管内に挿通し、恒久的に結合するための方法が提供される。

図１は、随意的な螺旋チャンネルを有するスピンドルの１実施例の側面図である。 図２は、ワイヤ状部材をスピンドルの螺旋チャンネル内に巻装する状況を示す側面図である。 図３は、ワイヤ状部材の外面に充填金属材料を付着させ、スピンドルをボイラー管内に挿通する状況を示す側面図である。 図４は、ボイラー管の一部における円滑な内面の側方側面図である。 図５は、本発明の方法に従い提供されるボイラー管の一部の螺旋状リブを示す側方断面図である。

図面を参照するに、幾つかの図面において同じ参照番号は同じまたは機能的に類似する要素を表し、詳しくは、図５ではボイラー管が番号２０で示されているが、本発明の方法の実施に当たり、ボイラー管２０内を通る流体流れを制御下に途絶させるように動作する手段が設けられる。詳しくは、ボイラー管２０には、ボイラー管２０内に乱流を生じさせる螺旋状のリブ２６が設けられる。この乱流は結局、ボイラー管２０を流通し得る水または蒸気の層流を破壊するように作用し、かくして、蒸気発生中の熱の移行効率向上を促進させてボイラー管２０の、特には核沸騰中に形成される蒸気泡の停滞によって生じるオーバーヒートを防止する。

本発明によれば、図１にその一部を示すスピンドル１００を利用して螺旋リブ付きのボイラー管２０を製造する方法発明が提供される。スピンドル１００は、スピンドル１００の外面に形成した螺旋形のチャンネル２にして、ボイラー管内面上のリブを形成するために使用するワイヤ状のリブ材（図示せず）を収受するに充分な幅及び深さのチャンネル２を有することが好ましい。チャンネル２は、所望のＳＬＲ管またはＭＬＲ管のリブのピッチ角に相当するあるピッチ角及び形態下に螺旋状に配向される。

スピンドル１００はボイラー管２０内に受けられるように好適に寸法形状付けされ、詳しくは、実質的に円筒形状の、スピンドル態様下に利用され得る形態を有する、従来からの任意の好適な金属、セラミック、天然のまたは重合部材から作製し得る。あるいは、チャンネル２を持たないスピンドルを使用できる。

図２に示すように、弾性的弾力を有するワイヤ状部材６がスピンドル１００のチャンネル２内に巻き付けられる。ワイヤ状部材６は図２に示すような螺旋状ワイヤまたは渦巻き形の平坦ストリップ、または、螺旋状ワイヤ及び渦巻き型の平坦ストリップと同等機能を持つ任意のその他形式のワイヤ状部材から形成され得る。ワイヤ状部材は四辺形、矩形、不等辺四辺形その他の所望の断面を有し得、これに限定しないが、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼、ニッケルベース合金、を含む金属から形成され得る。
次いで、スピンドル１００の螺旋状のチャンネル２内、またはチャンネルを使用しない場合は円滑な表面に巻き付け、弾性的に圧縮させた状態にワイヤ状部材６を保持するべく、ワイヤ状部材６の各端部８をスピンドル１００の各端部４に一時的に固定する。

スピンドル１００のチャンネル２にワイヤ状部材６を巻装した後、図３に示す本発明の方法に従う次のステップとして、ワイヤ状部材６の外面上にろう接用充填金属ペースト１６を被着させる。ろう接用充填金属材ペースト１６は、ＢＮｉ−２ニッケルを含有するろう接用充填金属ペーストであるのが好ましいが、任意のろう接用充填金属ペーストまたはホイルを使用できる。ろう接用充填金属ペースト１６は一般に、ワイヤ状部材６上に刷毛塗りまたはそうした材料を表面塗布するその他幾つかの既知の方法によって被着させ得る。あるいは、ろう接用充填金属ペーストまたはホイルを、ボイラー管２０の内面２２に、またはワイヤ状部材６及びボイラー管２０の内面２２の両方に被着させ得る。

図３を参照するに、本発明の方法における、ワイヤ状部材６を巻装したスピンドル１００をボイラー管２０（図４に示す）内に挿通させるための次のステップが示される。ワイヤ状部材６の各端部８を釈放して弾性的弾力を持つ螺旋状の巻装状態を拡開させてボイラー管２０の円滑な内面２２と接触するように合致させ、かくして螺旋状リブを結合準備位置に位置決めする。ろう接用充填金属ペースト１６は、ワイヤ状部材６の巻き解きを容易化し、管の内面２２にワイヤ状部材６をぴったりと座着させる潤滑材として作用する。
ワイヤ状部材６を管の内面２２に合致させた後、本発明に従う次のステップにおいてボイラー管２０の内側からスピンドル１００を取り出す。

スピンドル１００を取り外した後、ワイヤ状部材６をろう接してボイラー管２０内でのその位置及び方向を恒久的に固定する。ワイヤ状部材６は、ボイラー管２０をガス炊き炉または電気メッシュ型連続ベルトコンベヤ炉内でろう接用充填金属ペースト１６の溶融温度に加熱することにより、ボイラー管２０の内面２２にろう接され得る。

ワイヤ状部材をボイラー管内面に結合させるための幾つかのろう接用充填金属を入手できるが、ろう接用充填金属ＢＮｉ−２（Ｎｉ＝８２．６％、Ｃｒ＝７％、Ｆｅ＝３％、Ｓｉ＝４．５％、Ｂ＝２．９％）内の異なる合金要素全体が、合金の融点を約９９８．９℃（１８３０°Ｆ）に低下させる（比較例として、純溶融ニッケルでは約１３９９．４℃（２５５１°Ｆ））。充填金属をこのろう接温度下のまま約１時間置くとホウ素の殆どはろう接連結部を出てボイラー管とワイヤ状部材との卑金属中に入る。これにより、高強度で、抗腐食性が高く且つその融点が、ホウ素拡散によって元のろう接用充填金属のそれよりもずっと高い（代表的には約１２６０℃（２３００°Ｆ））、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｆｅからなるろう接連結部が完成する。従って、ＢＮｉ−２は、ワイヤ状のリブを管の内面に接合させるのに特に都合が良い。

ボイラー管２０を冷却させると、本発明の方法に従う、内壁２２に螺旋状のリブ模様を形成したボイラー管２０が提供される。図５を参照するに、そうしたボイラー管２０が例示され、螺旋状のリブ２６模様を有している。本発明の方法は螺旋状のリブ模様に限定されるものではなく、ボイラー管の内面上に異なるリブ模様を形成し得るものとする。

上述した新規な方法を使用してＳＬＲ管やＭＬＲ管を製造するコストは、金属変形プロセス処理技法を使用する従来からのそうした管の製造コストと遜色のないものである。本発明の製造方法を使用すると、リブの断面形状やリード角が、金属変形プロセス処理における一体型リブ製造上の制限による拘束を受けないことから、ＳＬＲ管やＭＬＲ管の設計上の融通性がずっと高まり、それが、従来の変形手段によっては達成し得ない複雑な断面を持つ、高性能な、独特のＳＬＲ管やＭＬＲ管の開発が可能となる。しかも、従来の変形プロセス処理法を使用して高温、高強度、抗変形性材料（例えば、合金８００Ｈ）からのＳＬＲ管やＭＬＲ管製造は非常に困難である。

２ チャンネル
６ ワイヤ状部材
１６ ろう接用充填金属材ペースト
２０ ボイラー管
２２ 内面
２６ リブ
１００ スピンドル

Claims (15)

1. 管状部材の内壁にリブを形成する方法であって、
   管状部材の内径よりも小径のスピンドルを提供すること、
   スピンドルの長さ方向に沿ってワイヤ状部材を圧縮した螺旋状に巻装すること、
   ワイヤ状部材上にろう接材を被着させること、
   ワイヤ状部材を巻装したスピンドルを管状部材内に挿通させること、
   圧縮状態下に巻装したワイヤ状部材を圧縮状態から釈放させること、
   管状部材内にワイヤ状部材が残るようにして管状部材からスピンドルを抜き取ること、
   管状部材を加熱して金属材料を溶融させてワイヤ状部材を管状部材の内面に結合させること、
   を含む方法。
2. スピンドルが螺旋形状のチャンネルを含む請求項１の方法。
3. 金属材料がＢＮｉ−２ニッケル含有のろう接用充填ペーストである請求項１の方法。
4. ワイヤ状部材の一端を、当該端部がスピンドルから脱落しないようにスピンドルに取り付けることを含む請求項１の方法。
5. ワイヤ状部材が円形断面を有する請求項１の方法。
6. ワイヤ状部材が矩形断面を有する請求項１の方法。
7. ワイヤ状部材が不等辺四辺形断面を有する請求項１の方法。
8. 管状部材の内壁に螺旋状リブを形成するための方法であって、
   管状部材の内径よりも小径で、その長さ方向に伸延する螺旋状チャンネルを有するスピンドルを提供すること、
   スピンドルの螺旋状チャンネルにワイヤ状部材を巻装すること、
   ワイヤ状部材の一端を、当該端部がスピンドルから脱落しないようにスピンドルに一時的に取り付けること、
   ワイヤ状部材の外面上にＢＮｉ−２ニッケル含有のろう接用充填ペーストを被着すること、
   ワイヤ状部材を巻装したスピンドルを管状部材内に挿通すること、
   巻装され圧縮されたワイヤ状部材を圧縮状態から釈放すること、
   ワイヤ状部材が拡張して管状部材の内面と合致するようにして管状部材から管状部材からスピンドルを抜き取ること、
   管状部材を、少なくともＢＮｉ−２ニッケル含有のろう接用充填材の融点である温度に加熱して金属材料を溶融させてワイヤ状部材を管状部材の内面に結合させること、
   を含む方法。
9. 管状部材の内壁にリブを形成する方法であって、
   管状部材の内径よりも小径のスピンドルを提供すること、
   スピンドルの長さ方向に沿ってワイヤ状部材を螺旋状に圧縮状態下に巻装すること、
   管状部材の内面にろう接材を被着させること、
   ワイヤ状部材を巻装したスピンドルを管状部材内に挿通すること、
   巻装したワイヤ状部材を圧縮状態から釈放すること、
   ワイヤ状部材が管状部材内に残るようにして管状部材からスピンドルを抜き取ること、
   管状部材を加熱して金属材料を溶融させ、ワイヤ状部材を管状部材の内面に結合させること、
   を含む方法。
10. スピンドルが螺旋状チャンネルを含む請求項９の方法
11. 金属材料がＢＮｉ−２ニッケル含有ろう接用充填ペーストである請求項９の方法。
12. ワイヤ状部材の一端を、当該端部がスピンドルから脱落しないようにスピンドルに一時的に取り付けることを更に含む請求項９の方法。
13. ワイヤ状部材が円形断面を有する請求項９の方法。
14. ワイヤ状部材が矩形断面を有する請求項９の方法。
15. ワイヤ状部材が不等辺四辺形断面を有する請求項９の方法。

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