JP2014069207A - 管径拡張装置及び管径拡張方法 - Google Patents

Abstract

【課題】管の外側のスペースが狭く、かつ、管端部から離れた位置の管径を拡張することが可能な管径拡張装置及び管径拡張方法を提供することを目的とする。
【解決手段】管径拡張装置は、水が充満する管２０の内部に配置可能であり、一端部から他端部にかけて水の凝固点よりも低い温度を有する冷媒が流通する中空の筒状部材２と、筒状部材２から筒状部材２の外側方向に突出して設けられた板状の少なくとも二つのフィン３と、二つのフィン３の間に設けられ、筒状部材２の内外間の熱通過を低減する断熱材４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、管を径方向に拡張する管径拡張装置及び管径拡張方法に関するものである。

配管技術において、管を径方向に拡張するため、様々な工法が知られている。例えば、管の端部のみの拡張であるが、端部の区切られた範囲に水を注入し液圧によって管径を拡張する方法や、一端からローラを挿入してローラによる押圧力で機械的に管径を拡張する方法がある。
また、下記の非特許文献１では、溶接継手部の残留応力を除去することを目的としているが、溶接継手を挟む管内の２箇所において氷栓（アイスプラグ）を生成し、二つの氷栓の間に閉じ込められた水が氷栓の成長に伴って氷となる際の体積膨張と内圧上昇によって管を塑性変形させる方法が開示されている。

名山、秋友、「アイスプラグを利用した配管残留応力除去方法」、溶接学会論文集、社団法人溶接学会、1994年、第12巻、第1号、p.132-136

上述した非特許文献１による方法は、拡張対象とする管の外面を液体窒素等によって冷却することによって、氷栓を生成する。そのため、液体窒素等の冷媒が供給される冷却部や、冷却部と接続される冷媒用配管を管の外側に配置する必要がある。

しかし、複数の管が密集して配置されたり、管の周囲に他の機器等が配置されたりしてスペースが狭いため、管の外側に冷却部や冷媒用配管を配置できない場合や管の近傍に作業員がアクセスできない場合がある。
また、液圧やローラによって管の内側から管径を拡張する方法は、管端部のみを拡張する技術であり、管端部から離れた管の中間位置で管径を拡張することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、管の外側のスペースが狭く、かつ、管端部から離れた位置の管径を拡張することが可能な管径拡張装置及び管径拡張方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の管径拡張装置及び管径拡張方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る管径拡張装置は、水が充満する管の内部に配置可能であり、一端部から他端部にかけて前記水の凝固点よりも低い温度を有する冷媒が流通する中空の筒状部材と、前記筒状部材から前記筒状部材の外側方向に突出して設けられた板状のフィンと、二つの前記フィンの間に設けられ、前記筒状部材の内外間の熱通過を低減する熱通過低減部とを備える。

この構成によれば、水が充満した管の内部に配置された状態で、筒状部材の一端部から他端部にかけて冷媒を流通させると、筒状部材の内外間で熱通過が生じ、熱通過低減部材が設けられていない筒状部材の外面やフィンの外面で水が凝固し始める。フィンは、筒状部材の外側方向に突出して形成されていることから、筒状部材と管の内壁との間を塞ぐ氷栓が形成されやすい。そして、管内の水の凝固は、二つのフィンの間に向かって進行する。その結果、二つのフィン間で残存する水は、逃げ場を失う。水から氷への相変態は体積膨張を伴うため、残水の圧力が徐々に上昇する。したがって、水の圧力と氷に変化したときの体積膨張によって、管が塑性変形し、二つのフィンの間の管径が拡張する。

また、筒状部材の管壁の両側に流体があり、その間に温度差があるとき、筒状部材の壁と流体間での対流熱伝達と、筒状部材の壁の内部での伝導伝熱の二つの現象が生じており、熱通過低減部は、これらの少なくともいずれか一方を妨げる。二つのフィンの間に熱通過低減部が設けられていることから、筒状部材に冷媒が流れている場合でも、二つのフィンの間では、熱通過低減部材が設けられていない筒状部材の外面やフィンの外面よりも水の凝固が遅れる。したがって、二つのフィンで先に氷栓が形成され、確実に二つのフィンの間で水を残存させることができる。
さらに、筒状部材は、例えば管端部等の管軸方向の位置に限定されないで、管の内部の任意の位置に配置できるため、管端部から離れた位置の管径の拡張も可能である。

上記発明において、前記筒状部材よりも弾性を有し、前記筒状部材の端部それぞれに接続されたホースを更に備えてもよく、前記ホースは前記冷媒が流通する。

この構成によれば、ホースは、筒状部材へ冷媒を供給したり、筒状部材から冷媒を排出させたりする。ホースは、筒状部材よりも弾性を有していることから、曲率を有する管の内部にも筒状部材を配置しやすい。また、筒状部材の外面やフィンの外面からホース側に氷が形成されたとしても、ホースが弾性変形するため、二つのフィン間よりも外側で管径が拡張することを防止できる。したがって、管径を拡張する範囲の両側に二つのフィンを固定すれば、必要な範囲のみを確実に拡張できる。

また、本発明に係る管径拡張方法は、上述の管径拡張装置を用いる管径拡張方法であって、管内に水を充満するステップと、前記管内に前記管径拡張装置を配置するステップと、前記管径拡張装置の前記筒状部材内部に前記冷媒を供給するステップとを含む。

本発明によれば、管の内部に設置された管径拡張装置によって管の内部を冷却でき、管軸方向の位置に限定されないで管径拡張装置を配置できることから、管の外側のスペースが狭く、かつ、管端部から離れた位置の管径を拡張することができる。

本発明の一実施形態に係る管径拡張装置を示す全体概略図である。 本発明の一実施形態に係る管径拡張装置を示す部分拡大縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る管径拡張装置を示す部分拡大縦断面図であり、管が拡張を開始した状態を示す。 本発明の一実施形態に係る管径拡張装置の変形例を示す部分拡大縦断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る管径拡張装置１について説明する。
管径拡張装置１は、図１に示すように、氷栓形成ユニット１０が管２０内部に配置される。管径拡張装置１は、管２０内部に氷栓を形成し、管２０の管径を拡張することができる。管径を拡張する対象となる管２０とは、例えば、熱交換器、復水器、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）の蒸気発生器などに設けられている配管である。

管径拡張装置１の氷栓形成ユニット１０は、図２に示すように、水が充満された管２０内に配置されて、管２０内の水を冷却し、管２０内の少なくとも２箇所で氷栓を形成する。そして、形成された二つの氷栓の間で残存する水の圧力と、水から氷へ相変態するときの体積膨張によって、管２０を内側から外側へ塑性変形させて、管径を拡張することができる。管径拡張装置１は、図１に示すように、氷栓形成ユニット１０と、フレキシブルホース５と、冷媒供給装置７と、冷媒回収装置８などを備える。

氷栓形成ユニット１０は、図２に示すように、筒状部材２と、フィン３と、断熱材４と、ジョイント６などからなる。
筒状部材２は、中空状の部材であって、一端部から他端部へ向けて内部を冷媒が流通する。冷媒は、水の凝固点よりも低い温度を有する物質であり、例えば液体窒素である。筒状部材２は、管壁内部で熱が伝導しやすい材質であり、例えば鋼製、アルミニウム合金製などの金属製である。筒状部材２は、氷栓形成ユニット１０が配置される管２０の内壁と筒状部材２の外壁との間で水が凝固し氷が形成されるとき、液体圧力の上昇や体積膨張によって塑性変形しにくい材質や構造を有する。これにより、液体圧力の上昇や体積膨張を用いて、筒状部材２ではなく管２０のほうを塑性変形させて、管径を確実に拡張させることができる。

筒状部材２の端部には、ジョイント６を介してフレキシブルホース５が接続される。筒状部材２は、一端側のフレキシブルホース５から冷媒が供給され、他端側のフレキシブルホース５へ冷媒を排出する。

フィン３は、筒状部材２の外周面に設けられ、筒状部材２から外側方向に突出した形状を有する。フィン３は、例えば円環状の板状部材であり、筒状部材２と同様に、熱が伝導しやすい材質（例えば鋼製、アルミニウム合金製などの金属製）である。フィン３の外径は、管２０の内径よりも小さい。フィン３が設けられることによって、管２０内の水と氷栓形成ユニット１０内の冷媒との間で熱交換可能な表面積が増加する。また、フィン３は、筒状部材２の外側方向に突出して形成されていることから、氷栓形成ユニット１０と管２０の内壁との間を塞ぐ氷栓が形成されやすい。

フィン３は、氷栓形成ユニット１０と管２０の内壁との間で氷の形成が進行したとき、体積膨張による管軸方向に対して平行な力によって降伏しにくい強度を有することが望ましい。これにより、氷栓形成ユニット１０と管２０の内壁との間で管径方向に氷の形成を進行させて、管径を確実に拡張させることができる。

フィン３は、筒状部材２の端部又は端部付近に形成される。なお、フィン３の形状は、円環形状に限定されない。また、図２に示す例では、フィン３は、筒状部材２の１箇所について１枚のみ形成される場合を示しているが、１箇所に複数枚形成されてもよい。筒状部材２の長さや二つのフィン３間の距離は、管径を拡張する範囲に応じて決定される。

断熱材４は、熱通過低減部の一例であり、２箇所のフィン３間にて、筒状部材２の外周面に設けられる。断熱材４は、筒状部材２やフィン３よりも熱伝導率が低い材料からなる。筒状部材２の管壁の一側に水があり他側に冷媒があって、その間に温度差があるとき、壁と流体間での対流熱伝達と、壁の内部での伝導伝熱の二つの現象が生じる。断熱材４は、これらの現象の両方又は一方を妨げる。二つのフィン３の間に断熱材４が設けられることによって、筒状部材２の内部に冷媒が流れている場合でも、二つのフィン３の間では、断熱材４が設けられていない筒状部材２の外面やフィン３の外面よりも水の凝固が遅れる。したがって、二つのフィン３で先に氷栓が形成され、確実に二つのフィン３の間で水を残存させることができる。
断熱材４が筒状部材２を覆う面積は、例えば、管２０の内部で水を凝固する速度、優先的に水を凝固させる位置などに基づいて決定される。

フレキシブルホース５は、筒状部材２の端部にそれぞれ接続され、冷媒が流通する。一端側で筒状部材２の冷媒供給側に接続されるフレキシブルホース５は、他端側で冷媒供給装置７と接続される。また、一端側で筒状部材２の冷媒排出側に接続されるフレキシブルホース５は、他端側で冷媒回収装置８と接続される。なお、フレキシブルホース５の外周面には断熱材９が施され、断熱材９は、冷媒によってフレキシブルホース５の周囲の水が凝固することを防ぐ。

フレキシブルホース５は、氷栓形成ユニット１０へ冷媒を供給したり、氷栓形成ユニット１０から冷媒を排出させたりする。フレキシブルホース５は、柔軟性を有していることから、曲率を有する管２０の内部にも氷栓形成ユニット１０を配置しやすい。また、フレキシブルホース５は、筒状部材２よりも弾性を有している。これにより、筒状部材２の外面やフィン３の外面からフレキシブルホース５側に氷が形成されたとしても、フレキシブルホース５が内側に弾性変形するため、二つのフィン３間よりも外側で管径が拡張することを防止できる。したがって、管径を拡張する範囲の両側に二つのフィン３を固定すれば、必要な範囲のみを確実に拡張できる。

また、筒状部材２とフレキシブルホース５は、ジョイント６によって接続されることから、両者は着脱自在である。筒状部材２は、氷栓を形成すると塑性変形が生じることから、交換可能であることが望ましい。ジョイント６で着脱可能とすることによって、フレキシブルホース５を再利用することができる。

冷媒供給装置７は、冷媒を貯留しており、フレキシブルホース５を介して氷栓形成ユニット１０へ冷媒を圧送する。冷媒回収装置８は、氷栓形成ユニット１０を通過した冷媒を、フレキシブルホース５を介して回収する。

次に、本実施形態に係る管径拡張装置１を用いた管径拡張方法について説明する。
まず、管径を拡張する対象とする管２０の内部に、フレキシブルホース５が両端部に接続された氷栓形成ユニット１０を配置する。このとき、管径を拡張する位置に氷栓形成ユニット１０を設置し、後工程で位置ずれないように固定する。また、二つのフレキシブルホース５をそれぞれ冷媒供給装置７と冷媒回収装置８に接続する。

次に、管２０の内壁と氷栓形成ユニット１０の外壁との間に水を充満させる。そして、フレキシブルホース５を介して氷栓形成ユニット１０の筒状部材２に冷媒を供給する。冷媒は、冷媒供給装置７から冷媒回収装置８まで一方向に流れる。

これにより、断熱材４で覆われていない筒状部材２の外面及びフィン３の外面が冷却され、管２０内部の水が凝固を開始する。フィン３は、筒状部材２の外側方向に突出して形成されていることから、氷栓形成ユニット１０と管２０の内壁との間を塞ぐ氷栓が、まず、フィン３に対応して２箇所で形成される。このとき、条件によっては、図３に示すように、管径の拡張が開始される。図３中の符号２１は、氷栓を示している。

そして、管２０内の水の凝固は、二つのフィン３の間に向かって進行する。その結果、二つのフィン３間で残存する水は、逃げ場を失う。水から氷への相変態は体積膨張を伴うため、残水の圧力が徐々に上昇する。したがって、水の圧力と氷に変化したときの体積膨張によって、管２０が降伏して塑性変形し、二つのフィン３の間の管径が拡張する。
その後、冷媒の供給を停止し、氷を融解させて、管２０の内部から水を排出し、フレキシブルホース５と共に氷栓形成ユニット１０を管２０の外部に取り出す。管２０は、降伏して塑性変形していることから、拡張された管径が維持されたままとなる。

以上、本実施形態によれば、管２０の内部に設置された管径拡張装置１によって、二つのフィン３に対応して２箇所で氷栓を形成し、二つの氷栓の間に閉じ込められた水が氷栓の成長に伴って氷となる際の体積膨張と内圧上昇によって、管径を拡張することができる。

氷栓を形成する際、管２０の外部から管２０内を冷却するのではなく、管２０の内部のみに設置された管径拡張装置１によって管２０の内部を冷却できる。したがって、複数の管２０が密集して配置されたり、管２０の周囲に他の機器等が配置されたりしてスペースが狭いため、管２０の外側に冷却部や冷媒用配管を配置できない場合や管２０の近傍に作業員がアクセスできない場合であっても、氷栓を形成して管径の拡張を行うことができる。

なお、上記実施形態では、筒状部材２の両端に１箇所ずつ合計２箇所にフィン３が設置される場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。筒状部材２の適切な位置に３箇所以上でフィン３を設け、フィン３の間に断熱材４を配置してもよい。これにより、管径を拡張する範囲が長い場合でも短時間で氷栓を形成できる。

また、図４に示すように、一つの筒状部材２に一つのフィン３を設置し、二つの筒状部材２と、その間に配置される断熱材４等の熱通過低減部を有する別の筒状部材１１とを組み合わせてもよい。この場合でも、まず、二つのフィン３に対応して氷栓が２箇所で形成される。

上記実施形態では、冷媒供給装置７から冷媒回収装置８の間で一つの氷栓形成ユニット１０が配置されて管２０の内部を冷却する場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、フレキシブルホース５を間に介して二つ以上の氷栓形成ユニット１０を冷媒供給装置７から冷媒回収装置８の間に配置してもよい。これにより、離れた位置で別々に異なる氷栓を形成して、複数箇所でほぼ同時期に管径の拡張を行うことができる。そのため、管長が長く複数箇所の管２０の拡張が必要な場合は、作業期間の短縮化を図ることができる。

上記実施形態では、熱通過低減部の一例として断熱材４を用いる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。熱通過低減部は、例えば、温度調整が可能なヒータでもよい。これにより、管２０内で水が凝固する速度や凝固方向を調整できる。

１ 管径拡張装置
２，１１ 筒状部材
３ フィン
４，９ 断熱材
５ フレキシブルホース
６ ジョイント
７ 冷媒供給装置
８ 冷媒回収装置
１０ 氷栓形成ユニット
２０ 管

Claims (3)

1. 水が充満する管の内部に配置可能であり、一端部から他端部にかけて前記水の凝固点よりも低い温度を有する冷媒が流通する中空の筒状部材と、
   前記筒状部材から前記筒状部材の外側方向に突出して設けられた板状のフィンと、
   二つの前記フィンの間に設けられ、前記筒状部材の内外間の熱通過を低減する熱通過低減部と、
   を備える管径拡張装置。
2. 前記筒状部材よりも弾性を有し、前記筒状部材の端部それぞれに接続されたホースを更に備え、前記ホースは前記冷媒が流通する請求項１に記載の管径拡張装置。
3. 請求項１又は２に記載の管径拡張装置を用いる管径拡張方法であって、
   管内に水を充満するステップと、
   前記管内に前記管径拡張装置を配置するステップと、
   前記管径拡張装置の前記筒状部材内部に前記冷媒を供給するステップと、
   を含む管径拡張方法。
   

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