JP2013184272A - 高能率パイプ切断機及びパイプ切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭素鋼・ステンレス鋼などの金属パイプを、従来の機械加工に比べて、高能率で安全に、かつコストを抑えて切断できる切断装置及び方法を提供すること。
【解決手段】 パイプ切断装置が、パイプに外挿可能な環状の自動回転駆動部と、環状の自動回転駆動部をパイプに沿って回転駆動させるための駆動モーターと、環状の自動回転駆動部に設置された切断用の切断刃物とを備えたパイプ切断装置が、切断刃物によるパイプの切断箇所を集中的かつ部分的に加熱する加熱源を環状の自動回転駆動部にさらに備えていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、パイプ切断機及びパイプ切断方法に関する。より具体的には、径の大きな炭素鋼やステンレス鋼パイプなど、各種金属パイプを切断する技術に関するものである。

原子力・火力発電プラント、石油精製プラントなどの各種プラントでは、径や厚みの大きな金属パイプが多数使用されている。
これらプラント、特に原子力発電所を解体又は廃炉する際には、パイプの交換や解体を目的として、パイプを切断することが必要になり、各種のパイプ切断加工機が使われている。
しかし、特に福島第一原子力発電所や浜岡原子力発電所など、原子力プラントの放射能汚染が懸念されるパイプを切断する際には、人が直接パイプに触れたり、近づいて切断作業することができず、また切断時に煙や粉末が飛び散ると、汚染が広がり得るため、そのような切断方法が適さないなどといった問題点がある。
また、放射能汚染が懸念されるパイプでなくとも、切断時に音や煙が多く出る方法は好ましくなく、その一方で切断コストが高い方法も好ましくない。

そこで、従来より、遠隔操作が可能で、かつ切断時に煙や粉末が飛び散らない切断方法として、パイプの周囲に取り付けた環状の自動回転駆動部に、切削用又は開先加工用のバイトなどの切断刃物を取り付けて、自動回転駆動部を回転させ、バイトを徐々にパイプ内側へ向けて送りながらパイプ表面を切削して切断する方法が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
出願人自身も、２分割式の環状回転駆動部に自動送りスライドを設け、自動送りスライド上に切断用又は開先加工用バイトを取り付けて、パイプ切断や開先機械加工を行っている。

しかしながら、従来の切断方法では、刃物の切削送り（バイトの送り量）は、１回転毎に最大でも0.07〜0.1mm程度しかない。すなわち、１回で削れる深さは、0.07〜0.1mm程度しかない。したがって、100mmの厚さのパイプを切断するには、少なくともパイプ周囲を１０００回転以上させなければならない。さらには、もし径が大きいパイプであれば、バイトを一周させるのにさえ時間がかかり、最終的に切断するまでには膨大な時間が必要となってしまう。
しかし、特に福島第一原子力発電所の解体にあたっては、迅速・安全・低コストのすべての要求を満たすことが急務であり、かつ、通常のパイプ切断にあたっても、従来に比して高能率で安全に、かつコストを抑えた切断装置及び方法が必要とされている。

特開２００１−１６２４３２号公報

したがって、本発明は、炭素鋼・ステンレス鋼などの金属パイプを、従来の機械加工に比べて、高能率で安全に、かつコストを抑えて切断できる切断装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を解決するため、本発明のパイプ切断装置は、パイプに外挿可能な環状の自動回転駆動部と、環状の自動回転駆動部をパイプに沿って回転駆動させるための駆動モーターと、環状の自動回転駆動部に設置された切断用の切断刃物とを備えたパイプ切断装置が、切断刃物によるパイプの切断箇所を集中的かつ部分的に加熱する加熱源を環状の自動回転駆動部にさらに備えていることからなる。
また、加熱源が、プラズマアークトーチ、又はフェライトコアにコイルが巻かれた誘導加熱装置からなることが好適である。
また、加熱源が、パイプ切断線となる幅2mm〜6mmを集中的に加熱可能なことが好適である。
また、加熱源が、切断刃物の先端の前方100〜200mmの位置に配置されていることが好適である。
また、切断刃物が、切削用又は開先加工用バイトであることからなる。
また、加熱源への給電装置として、パイプに外挿可能な環状の集電装置が設けられていることが好適である。

すなわち、本発明は、パイプの切断部分を予熱（加熱）することで、パイプの金属硬度を下げ、金属硬度が下がった状態で切削することで、従来以上の深さで切削することを可能にしたものである。しかしながら、単にパイプを加熱するという発想だけでは不十分である。なぜなら、パイプの全体又は広い部分が加熱されてしまうと、パイプに歪みを生じたり、切断装置自体への影響が生じる可能性があるからである。そこで、本発明では、環状の自動回転駆動部に熱集中性の高い加熱源を設けて、環状の自動回転駆動部と一緒に回転しながら、パイプを削る部分だけを削る直前に集中的かつ部分的に予熱させる構成として、本発明を完成させたものである。

本発明のパイプ切断に使用される切断刃物としては、パイプ切断に使用される様々な刃物を使用可能であるが、煙や粉末をとばさない必要がある際には、切削又は開先加工用バイトが好適であり、一般的には削り幅（パイプ切断線）が2mm〜6mm、より一般的には4〜6mm程度である。このため、加熱源は、この削り幅4〜6mmの部分を、バイトが削る直前に集中的に加熱できることが好ましい。このような加熱源としてはプラズマアーク， TIG，誘導加熱，レーザー加熱など様々なものが使用可能である。しかしながら、TIGなどは、加熱対象を部分的かつ集中的に絞り込むことが大変難しく、適用することは不可能ではないが好適ではない。また、レーザー加熱は設備費や使用コストが高く、また環状の自動回転駆動部への設置や制御が難しいなど、あまり現実的ではない。

そこで、本発明においては、加熱源はプラズマアークトーチ又はフェライトコアにコイルが巻かれた誘導加熱装置からなることが好適である。プラズマアークは、機械的・電気的に収束されたプラズマ柱をもつアークで、高密度の熱を発生させるために使用される（JIS規格 溶接用語（JIS Z 3001））ものであって、アークを一定の幅に収束させ、加熱部分を絞り込むこと、及び遠隔でのパワーコントロールを最も容易に行うことができる。例えば、削り幅4mmのバイトで送り量が0.5mmであれば、アークは通常円柱状に発生するので、4mmの円柱状のアークを発生させ、0.5mmの深さまで加熱すれば、ほぼ切削部分のみを予熱することが出来る。なお、プラズマアークによる加熱装置自体は溶接などに使用されている周知の技術であり、本発明においてはそれらを環状の自動回転駆動部に設置することで使用可能である。

また、フェライトコアにコイルが巻かれた誘導加熱装置を使用することが好適である。すなわち、高周波誘導加熱を利用することにより、局部集中加熱及び遠隔でのパワーコントロールが容易であり、本発明の目的に合致するからである。例えば、削り幅4mmのバイトで送り量が0.5mmであれば、パイプ側の端面が、短辺4mm、長辺10〜30mmの略長方形で、高さが数cmフェライトコアにコイルを巻いて誘導加熱を行えば、プラズマアークトーチを利用した場合と同様にほぼ切削部分のみを予熱することが出来る。加熱源の各種設定などは公知の手段により適宜設定されるものであって、特に限定されるものではなく、また切断刃物及び加熱源は複数設けられても良い。

加熱源は、環状の自動回転駆動部に設置され、パイプを加熱しながら、切断刃物と一緒に移動する。このため、加熱源は切断刃物に近いほど熱損失が少ない。しかしながら、構造上極端に近づけることは難しい。このため、加熱源は、切断刃物の先端の前方100〜200mmの位置に配置されていることが好適である。この距離であれば、パイプが加熱されてから刃物が切削するまでのタイムラグが殆どなく切削を行うことができる。

また、加熱源には、電源及び配線が必要となるが、上述の通り、加熱源は環状の自動回転駆動部と一緒に回転するため、配線などが混線しないように注意する必要がある。そこで、加熱源への給電装置として、環状の集電装置が設けられていることが好適である。より具体的には、スリップリングと集電子で構成されたスリップ給電装置により構成される。回転側である加熱源に集電ブラシなどの集電子を接続し、固定側となるパイプにスリップリングを外挿し、集電子がスリップリング上を摺動して集電する。この構成を採用することで、加熱源がパイプ周囲に沿って回転しても、加熱源への配線が捻れることなどがなく、給電がより円滑に行われることになり、本発明をより容易に実施することが可能となる。

さらに、本発明のパイプ切断方法は、上述のパイプ切断装置を使用して、切断部を100℃〜270℃（より好ましくは150℃〜250℃）に予熱し、パイプの金属硬度を下げて切削することからなる。
また、パイプ切断装置の回転速度が10〜30m/minであることが好適である。
また、パイプ素材の硬度が15〜35％低下するまで予熱することが好適である。

上述の方法について、本発明者等は、上述のパイプ切断装置、具体的には後述する実施例に記載のパイプ切断装置を使用して、様々な条件下で実験を行った。

まず、ＳＵＳ３１６の高温硬さ試験を行った結果が下記表１である。金属が加熱されたときの硬度を、ブリネル硬度（BHN）を縦軸に、試験体温度を横軸にして表した表である。
表１

この表からわかるように、加熱により金属硬度は明らかに下がっている。また、１００℃程度までは硬度が急激に減少するが、硬度の減少率は逓減していくことが見受けられ、１００℃〜２５０℃程度まで加熱されることが好適である。

さらに、下記表２は、上述のパイプ切断装置、具体的には後述する実施例に記載のパイプ切断装置を使用して、回転速度を2m/分〜20m/分で回転させ、プラズマ電流300Ampで加熱した場合のパイプ表面温度を示した表である。
表２

この表２から、環状の自動回転駆動部の回転速度が、2m/min〜20m/min（プラズマ電流300A）であれば、加熱部分を１５０℃〜２７０℃程度まで加熱できることが理解できる。また、試験に使用したモーター性能により20m/minまでの試験を行ったが、速度を上げた場合の加熱温度の低下率は逓減しているため、例えば30m/min程度まで速度を上げても、１５０℃以上の温度が維持されるであろうことが推測される。

さらに、環状の自動回転駆動部の回転速度（プラズマ電流300A）と、可能になったバイト送り量を測ったものが表３である。表中の曲線より上の部分は切削不良又は不可能、下の部分は切削可能と想定される。
表３

この表からは、まず加熱を行わない従来の方法によれば、パイプの硬度は一定であることから、回転速度が増減してもバイト送り量（約0.07mm）は変わらないことが理解できる。そして、この表から分かる通り、本発明によれば、従来のバイト送り量（約0.07mm）から、0.3〜0.7mm程度にまで飛躍的に向上させることが理解できる。

さらに特筆すべき事象として、回転速度が遅ければ、加熱部分の温度は高くなり、パイプの硬度が下がるにも関わらず（表１及び表２参照）、回転速度がより早いほうが、むしろバイトをより深く送ることができることが発見された。この理由としては、加熱が高く回転速度が遅いと、予熱部の温度が上がりすぎ、液状又は粘性の高い泥のような状態になり、却って切削しにくくなったことが推測される。したがって、この発見は、切断速度を上げるという目的にも合致しており、現在のモーター性能を考慮すれば、より早い速度、すなわち10〜30m/min（可能であればそれ以上）で切削を行うことが好ましい。さらに、加熱によるパイプ素材の硬度の低下率は、15〜35％程度であることがより好ましい。

以上の検証により、本発明においては、切断刃物の前方100〜200mmを、100℃〜270℃（より好ましくは150℃〜250℃）に加熱し、速度を10m/min以上（好ましくは10〜30m/min）で回転させる（この時、SUS316であればブリネル硬度は80〜120BHN程度まで下がっている）ことにより、従来のおよそ１０倍の切削深さを得ることが出来る。したがって、パイプ切断時間もおよそ１０分の１程度にまで削減可能である。さらに、本発明の装置及び方法は遠隔操作が可能で、加熱部分も部分的であり危険性も少なく、特別に複雑な装置や設定が必要なく、コストパフォーマンスにも優れている。

本発明により、炭素鋼・ステンレス鋼などの金属パイプを、従来の機械加工に比べて、およそ数倍から１０倍の高能率で安全に、かつコストを抑えて切断できる切断装置及び方法を提供することが可能である。

本発明のパイプ切断機１の実施の１例を示す図である。 図１に記載のパイプ切断機１を側面から見た図である。

本発明の好適な実施例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明のパイプ切断機２を示す図である。図２は、図１に記載のパイプ切断機２を側面から見た図である。

ステンレス鋼製のパイプ１を切断するためのパイプ切断機２は、２分割されたリングフレーム３，３’が分割接続部材４で結合された環状の自動回転駆動部５と、環状の自動回転駆動部５を駆動させるための回転駆動モーター６を有している。この回転駆動モータ６により、環状の自動回転駆動部５はパイプ１の外周を回転する。

環状の自動回転駆動部５には、パイプ切断装置７が取り付けられている。このパイプ切断装置７は、突っ切りバイト８と、倣いローラー９、加圧スプリング１０、突っ切りバイト８がパイプを１回転する毎にパイプ内側へ向けて送るためのスライド機構１１とから構成されている。このスライド機構１１の先端部は、突っ切りバイト８及び倣いローラー９が、加圧スプリング１０によりパイプ１の外周に向けて押し当てられて、パイプ１の表面を倣いながら切削する機構になっている。また、スライド機構１１には、スプロケット１２が設けられ、パイプ１を１回転するとスプロケット１２が回転することで、突っ切りバイト８がパイプ１の内側へ向けて送られる（押し込む）ように構成されている。この突っ切りバイト８は、パイプ１を幅4mmで切削することが可能である。

そして、自動回転駆動部５には、プラズマトーチ１３を備えたプラズマアーク装置１４が設けられ、突っ切りバイト８の先端の前方100mm〜200mmの位置にプラズマトーチ１３の先端が位置するように配置されている。なお、プラズマトーチ１３は、左右調整スライド１５及び上下調整スライド１６により位置の調整を行うことができる。プラズマトーチ１３は、柱状のアークによりパイプ１の切削幅4mmの部分を集中して加熱するものである。この場合、アークは通常円柱状に発生するので、円の直径が約4mmの円柱状のアークを発生させている。
なお、前方とあるのは、相対的な表現であり、プラズマトーチ１３により集中的に予熱された部分がすぐに突っ切りバイト８により切削されるという趣旨である。

さらに、プラズマアーク装置１４に給電するため、固定されたスリップリング１７と、集電ブラシ１８で構成されたスリップ給電装置１９がパイプ１に外挿されて設けられており、給電ケーブル２０を介してプラズマアーク装置１４に給電可能になっている。この構成を採用することで、自動回転駆動部５と共にプラズマアーク装置１４が回転しても、給電ケーブル２０等が混線することもなく安全に給電を行うことが可能で、また自動回転駆動部５に複数のバイトや加熱源を設けることが容易となる。

なお、プラズマアーク装置１４に変えて、フェライトコアにコイルが巻かれた誘導加熱装置（図示せず）を適用することが可能である。給電に関しても、プラズマアーク装置１４と同様にスリップ給電装置１９を使用することができる。

回転駆動モーター６が駆動すると、環状の自動回転駆動部５が好ましくは10〜30m/minの速度で回転し、パイプ切断装置７及びプラズマアーク装置１４も一緒に回転する。プラズマアーク装置１４のプラズマトーチ１３から発せられたアークによりパイプが局部集中的に、好ましくは150℃〜250℃まで予熱され、その後すぐに突っ切りバイト８が切削を行う。このとき、１回転毎のバイト送り量は0.3〜0.7mmにすることが可能で、パイプ切断速度を飛躍的に向上させることが出来る。

以上の構成を採用することにより、加熱によるパイプ１の歪みや切削不良を生じることなく、従来比で約１０倍まで切断効率を向上させることが可能になったものである。

１ パイプ
２ パイプ切断機
３，３’ リングフレーム
４ 分割接続部材
５ 環状の自動回転駆動部
６ 回転駆動モーター
７ パイプ切断装置
８ 突っ切りバイト
９ 倣いローラー
１０ 加圧スプリング
１１ スライド機構
１２ スプロケット
１３ プラズマトーチ
１４ プラズマアーク装置
１５ 左右調整スライド
１６ 上下調整スライド
１７ スリップリング
１８ 集電ブラシ
１９ スリップ給電装置
２０ 給電ケーブル

Claims (10)

1. パイプに外挿可能な環状の自動回転駆動部と、環状の自動回転駆動部をパイプに沿って回転駆動させるための駆動モーターと、環状の自動回転駆動部に設置された切断用の切断刃物とを備えたパイプ切断装置が、切断刃物によるパイプの切断箇所を集中的かつ部分的に加熱する加熱源を環状の自動回転駆動部にさらに備えていることを特徴とするパイプ切断装置。
2. 加熱源が、プラズマアークトーチ、又はフェライトコアにコイルが巻かれた誘導加熱装置からなることを特徴とする請求項１に記載のパイプ切断装置。
3. 加熱源が、パイプ切断線となる幅2mm〜6mmを集中的に加熱可能なことを特徴とする請求項１又は２に記載のパイプ切断装置
4. 加熱源が、切断刃物の先端の前方100〜200mmの位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパイプ切断装置。
5. 切断刃物が、切削用又は開先加工用バイトであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパイプ切断装置。
6. 加熱源への給電装置として、パイプに外挿可能な環状の集電装置が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のパイプ切断装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のパイプ切断装置を使用して、切断部を100℃〜270℃に予熱し、パイプの金属硬度を下げて切削することを特徴とするパイプ切断方法。
8. 切断部を150℃〜250℃に予熱することを特徴とする請求項７に記載のパイプ切断方法。
9. パイプ切断装置の回転速度が10〜30m/minであることを特徴とする請求項７又は８に記載のパイプ切断方法。
10. パイプ素材の硬度が15〜35％低下するまで予熱することを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のパイプ切断方法。