JP2015045619A - 高温配管の延命方法及び高温配管の延命化構造、高温配管のメタル温度の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラントの全体運転温度を低下せずに、プラント運転効率の低下とならずに、高温部材の余寿命を延命させることができる高温部材の延命方法及び高温部材の延命化構造、高温配管のメタル温度の制御方法を提供する。【解決手段】高温部材である高温配管１１の溶接部１２クリープ破断の余寿命評価により、クリープ破断リスクの高い箇所（クリープ損傷度が高い溶接部）が確認され定常の継続使用が出来ないと判断された際、配管１１の前記クリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材１３の一部を回転方向に除去し、剥き出し部１４とし、配管１１の外面温度を局所的に低下させ、クリープ破断リスクの高い箇所の寿命の延長を図る。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば火力・原子力発電プラントや化学プラント等で用いられる高温配管や圧力容器等の高温部材の延命方法及び高温部材の延命化構造、高温配管のメタル温度の制御方法に関するものである。

火力プラントを構成する、例えばボイラ等は、高温・高圧環境で運転されるので、これを構成する材料である耐熱鋼には、長期に亘る運転によりクリープ等による損傷が蓄積されることがある。そこで、この種のプラントの運用に当たっては、前記耐熱鋼の精度の高い寿命評価を行って耐圧部の信頼性を維持することが、長期に亘る安定的な運用を確保する上で肝要である。

火力発電プラント等で使用される高温配管は、ボイラで加熱された上記を蒸気タービンに運ぶ機能を有しているが、高温且つ長時間の使用によりクリープ損傷が進行してクリープボイドが発生し、これらのボイドがつながることで亀裂が生じ、最終的には破断する。
最終的な破断を防止するために、定期的な非破壊検査によりクリープボイドの成長度合いを分析して部材毎のクリープ損傷度を導出し、部材の余寿命評価を行っている（特許文献１、２）。一般的に母材部に比べて、配管溶接部のクリープ破断リスクが高いため、検査箇所は主に溶接部となっている。

特開２００４−８５３４７号公報 特開２００８−１２２３４５号公報

この非破壊検査の結果、クリープ損傷度が高い部材があり、次の定期検査までの間にてクリープ破断リスクが高い場合、部材の取替えを行うか、又はプラント全体の運転温度を下げることで、配管全体のメタル温度を下げ、クリープ破断リスクを低減する対策を講じている。
しかしながら、プラント全体運転温度を下げることは、プラントの運転効率の低下となる、という問題がある。

よって、プラントの全体運転温度を低下せずに、プラント運転効率の低下とならずに、高温部材の余寿命を延命させることができる技術の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、プラントの全体運転温度を低下せずに、プラント運転効率の低下とならずに、高温部材の余寿命を延命させることができる高温部材の延命方法及び高温部材の延命化構造、高温配管のメタル温度の制御方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、高温部材の溶接部のクリープ破断の余寿命評価により、定常の継続使用が出来ないと判断された際、前記高温部材のクリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材の一部を除去し、前記高温部材の外面温度を局所的に低下させ、クリープ破断リスクの高い箇所の寿命の延長を図ることを特徴とする高温部材の延命方法にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記保温材を除去した部材の表面を冷却することを特徴とする高温部材の延命方法にある。

第３の発明は、第２の発明において、前記冷却が、空気による冷却又は冷却水による冷却であることを特徴とする高温部材の延命方法にある。

第４の発明は、第１の発明において、前記保温材を除去した部材の表面に放熱部材を設置することを特徴とする高温部材の延命方法にある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記保温材を除去した部材の表面の温度を計測し、冷却能力が適正であることを判断することを特徴とする高温部材の延命方法にある。

第６の発明は、第５の発明において、前記冷却能力が適正でない場合、冷却能力を適正となるように変更することを特徴とする高温部材の延命方法にある。

第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記高温部材が、高温配管又は高温圧力容器であることを特徴とする高温部材の延命方法にある。

第８の発明は、高温部材のクリープ破断の余寿命評価により、定常の継続使用が出来ないと判断された際、前記高温部材のクリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材の一部を除去し、前記高温部材の外面温度を局所的に低下させてなることを特徴とする高温部材の延命化構造にある。

第９の発明は、第８の発明において、前記保温材を除去した部材の表面を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする高温部材の延命化構造にある。

第１０の発明は、第９の発明において、前記冷却手段が、空気による空冷手段又は冷却水による水冷冷却であることを特徴とする高温部材の延命化構造にある。

第１１の発明は、第８の発明において、前記保温材を除去した部材の表面に、放熱部材を設置してなることを特徴とする高温部材の延命化構造にある。

第１２の発明は、非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管の溶接部において、配管の保温材を除去し、冷却機能を付与する第１の工程と、運転時の配管の剥き出し部のメタル温度を計測する第２の工程と、温度計測の判断として、温度計測で、配管寿命は要求される余寿命を満足するか否かを判断する第３の工程と、第３の工程において、余寿命を満足する場合、冷却能力を変更しないでそのまま運転する工程と、第３の工程において、余寿命を満足しない場合、冷却能力を上げて要求寿命を満足するためのメタル温度まで低下させる操作を行う工程とを備えることを特徴とする高温配管のメタル温度の制御方法にある。

本発明によれば、配管のメタル温度を下げることで、配管のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図１は、実施例１に係る高温部材の延命化構造の概略図である。 図２は、配管の保温材を剥離した部分を示す図である。 図３は、保温材の剥離箇所からの距離と、配管内部にかかる引張応力及び圧縮応力との関係を示す図である。 図４は、実施例２に係る高温部材の延命化構造の概略図である。 図５は、図４の斜視図である。 図６は、実施例２に係る他の高温部材の延命化構造の概略図である。 図７は、実施例３に係る高温部材の延命化構造の概略図である。 図８は、冷却用空気を供給する空気供給手段の一例を示す斜視図である。 図９は、実施例４に係る高温部材の延命化構造の概略図である。 図１０は、実施例４に係る他の高温部材の延命化構造の概略図である。 図１１は、高温部材の剥き出し部の保護構造の概略図である。 図１２は、高温配管のメタル温度制御方法の工程図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、実施例１に係る高温部材の延命化構造の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る高温部材の延命構造は、高温部材である高温配管（以下「配管」という）１１の溶接部１２のクリープ破断の余寿命評価により、クリープ破断リスクの高い箇所（クリープ損傷度が高い溶接部）が確認され定常の継続使用が出来ないと判断された際、配管１１の前記クリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材１３の一部を回転方向に除去し、剥き出し部１４とし、配管１１の外面温度を局所的に低下させ、クリープ破断箇所の寿命の延長を図るようにしている。
図１中、符号１５はボイラ蒸気を図示し、例えば６００℃の高温蒸気が配管１１内を流れている。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管１１の溶接部１２において、図１に示すとおり常設されている保温材１３を除去して、剥き出し部１４を形成し、この剥き出し部１４から熱を逃がすことにより、配管１１のメタル温度を下げるようにしている。

この場合、保温材１３を除去して剥き出し部１４とすることで、外気（例えば１００℃）との自然対流伝熱がなされ、熱伝達率は２〜１２Ｗ/ｍ²Ｋ程度となる。

このように、配管１１のメタル温度を下げることで、配管のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

この結果、配管の局所的な温度低下のみで延命化を図ることができるので、従来のように、プラント全体の運転温度を下げることで、配管全体のメタル温度を下げ、クリープ破断リスクを低減することによるプラントの運転効率の低下となる弊害が解消される。

このように、本実施例によれば、高温配管のクリープ損傷リスクの高い部位が確認された場合、所定距離の幅（Ｌ）だけ配管１１を被覆する保温材１３を除去して、剥き出し部１４を形成することで、メタル温度を下げて、クリープ損傷リスクを低減させることで、プラント全体の運転効率の低下せずに、延命化を図ることができる。ここで、メタル温度の低下はクリープ破断寿命だけでなく、亀裂進展寿命の延命化にも効果がある。

ここで、保温材１３を除去する幅Ｌは、配管１１の外径が例えば４６０ｍｍの場合、後述するように約９００ｍｍ以上とするのが好ましい範囲であるが、保温材１３を除去する幅によっては、局部面外方向変形により圧縮応力を発生させ、応力低減による延命化も期待できる。

次に、保温材１３の一部を除去する幅Ｌについて説明する。
図２では、配管１１から左側の保温材１３を除去したものであり、保温材１３の除去した端部ｘ₀から保温材を除去する距離（Ｌ／２）について説明する。
保温材１３を除去することで、配管１１に引張応力と圧縮応力とがかかるので、保温材１３を剥いだ場所ｘ₀からの距離をｘ（ｘ₁、ｘ₂、ｘ₃）とすると、応力の変化が０に漸近する距離は以下の式で表される。
βｘ＝５・・・（１）
ここで、βは以下の式（２）で示されるため、xの値を求めればよいこととなる。

ここで、νはポアソン比という材料特性であり、一般に配管１１の金属材料は概ね０．３である。また、ａは平均半径、ｈは板厚である。

例えば、配管１１の外径４６０ｍｍ、板厚７０ｍｍとする場合は、ａ＝１９５ｍｍ、ｈ＝７０ｍｍであり、βｘ＝２．４のときのｘの値が２１８ｍｍ、βｘ＝５のときのｘの値が４５４ｍｍとなる。また、β∝１／√(ａｈ)であるので、ｘの値と√（ａｈ）は関連する値となり、ａ、ｈが代わるとｘの値が代わることとなる。

よって、例えば、外径４６０ｍｍ、板厚７０ｍｍの場合は、ｘ＝２１８〜４５４ｍｍとなる。

図２及び図３を用いて配管１１の保温材１３を剥離して剥き出し部１４とする距離（Ｌ）について、説明する。
図２は、配管の保温材を剥離した部分を示す図である。なお、保温材の剥離は溶接部を中央として剥離するようにしているが、図２は、左側の剥離部分について説明する。

図３は、保温材の剥離箇所ｘ₀からの距離（ｍｍ）と、配管内部にかかる引張応力及び圧縮応力との関係を示す図である。
図２の配管では、配管の外径が４６０ｍｍ、配管の板厚が７０ｍｍの場合について説明する。

図３に示すように、配管の保温材の剥離部０ｍｍをｘ₀とすると、上述のように、所定距離ｘ₁（＝２１８ｍｍ）で引張応力が０となる。この所定距離ｘ₁からさらに所定距離ｘ₂（２７３ｍｍ）で圧縮応力が最大となる。この所定距離ｘ₂からさらに所定距離ｘ₃（４５４ｍｍ）で圧縮応力が０となり収束する。

これを配管１１の左側の剥離部分と、右側の剥離部分とをあわせると、２倍となるので、剥離する距離Ｌは、４５９ｍｍ×２＝９０８ｍｍとなる。
よって、剥離する距離Ｌとしては、約９００ｍｍ以上とすることが好ましいものとなる。

また、圧縮応力によりさらなる寿命延長を図る場合には、保温材１３を除去する範囲を以下の数式に基づき決定すればよい。
２．４≦βｘ＜５・・・（３）
例えば、外径４６０ｍｍ、板厚７０ｍｍの場合は、少なくとも引張応力がかからない距離Ｘ₁（＝２１８ｍｍ）だけ剥離する必要があり、収束するＸ₃（４５９ｍｍ）以上では、保温材を剥離する必要がなくなる。

図４は、実施例２に係る高温部材の延命化構造の概略図である。図５は、図４の斜視図である。なお、実施例１に係る構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図４及び図５に示すように、実施例２に係る高温部材の延命化構造は、実施例１において保温材１３を除去した剥き出し部１４に対して、放熱部材である多層フィン１７を周囲に密着するように設けている。

図５に示すように、複数のフィン１８を有する上部フィン１７Ａと、複数のフィン１８を有する下部フィン１７Ｂとをフランジ１９同士を合わせて締結部材２０により締結している。
フィン１８の厚み（ｄ₁₁）は例えば７０ｍｍ、高さ（ｈ₁₁）は３００ｍｍ程度として、多層フィン構造を形成している。

本実施例では、非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された高温配管の溶接部において、図４及び図５に示すとおり常設されている保温材１３を除去して剥き出し部１４を形成し、この剥き出し部１４に密着するように、上部フィン１７Ａ、下部フィン１７Ｂを設置している。このように多層フィン構造を用いて熱を逃がす面積を増やすことにより配管のメタル温度を、実施例１よりも下げることができる。

本実施例によれば、保温材１３を除去し、剥き出し部１４に設置した多層フィン１７により熱を逃がす面積が増加し、面積増加率に比例して熱流束が増加し、実施例１に比べてメタル温度を早く冷やすことが可能となる。

この結果、メタル温度を下げることで、配管１１のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図６は、実施例２に係る他の高温部材の延命化構造の概略図である。
図６に示すように、長手方向の溶接部１２による長手継手配管１１Ａにおいて、多層フィン１７を設置している。このように、多層フィン１７の設置で熱流束を増加させ、外気との自然対流熱伝達により配管を冷やすことで、多層フィン１７と配管１１の熱伸び差により、配管１１に圧縮応力が付加され、応力低減効果を図ることができる。

図７は、実施例３に係る高温部材の延命化構造の概略図である。なお、実施例１に係る構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図７に示すように、実施例３に係る高温部材の延命化構造は、実施例１において保温材１３を除去した剥き出し部１４の表面に対して、その表面を冷却用媒体（例えば空気）２１により冷却している。ここで、冷却用媒体２１としては、空気以外に雑用排ガス、不活性ガス等を用いるようにしてもよい。

図８は、冷却用空気を供給する空気供給手段の一例を示す斜視図である。
図８に示すように、配管１１の剥き出し部１４の外周に沿って環状の空気供給手段２２を設け、環状の空気供給手段２２の空気噴出孔（図示せず）から空気２３を全周にわたって送風して、強制冷却するようにしている。

冷却用媒体２１による強制冷却の空気の風速は、例えば１０ｍ／ｓ前後とするのが好ましい。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された高温配管の溶接部において、図７及び図８に示すように、常設されている保温材１３を除去し、冷却用媒体（空気）２１により強制冷却によって放熱させ、配管１１のメタル温度を下げる。
この場合、保温材１３を除去し、剥き出し部１４に対して冷却用媒体（空気）２１による強制冷却を行うことで、外気との強制対流伝熱がなされ、熱伝達率は２０〜１００Ｗ/ｍ²Ｋ程度となる。

実施例３では、実施例１及び２と異なり、メタル温度を冷却用媒体２１により強制的に下げることで、配管１１のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図９は、実施例４に係る高温部材の延命化構造の概略図である。なお、実施例１に係る構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図９に示すように、実施例４に係る高温部材の延命化構造は、実施例１において保温材１３を除去した剥き出し部１４の周囲に、冷却手段であるウォータージャケット３１を設置している。このウォータージャケット３１を設置することで、水との自然熱伝達により配管を冷やすことで、内部流体との熱交換を行い、メタル温度の低減を図るようにしている。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管の溶接部において、図９に示すとおり常設されている保温を除去して、ウォータージャケット３１等を用いて強制的に熱を逃がすことにより配管のメタル温度を下げる。

この場合、保温材１３を除去し、剥き出し部１４にウォータージャケット３１を配置することで冷却水との自然対流伝熱がなされ、熱伝達率は５００〜６００Ｗ/ｍ²Ｋ程度となる。この結果、メタル温度が下がり、配管１１のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図１０は、実施例４に係る他の高温部材の延命化構造の概略図である。
図１０では、保温材１３を除去した剥き出し部１４の表面に、冷却配管３２を配置し、冷却水３３を通水することで冷却水３３により放熱させ、配管１１のメタル温度の低下を図るようにしている。

この強制冷却のための冷却水３３の速度は、例えば１ｍ／ｓ前後とするのが好ましい。また、巻きつける冷却配管３２の径は例えば２０ｍｍ程度とすればよい。

図１１は、高温部材の剥き出し部の保護構造の概略図である。
また、図１１に示すように、配管１１の保温材１３を除去することで、剥き出し部１４が雨ざらしになる状態を防止するために、雨仕舞等の保護部材２９を剥き出し部１４の範囲Ｌよりも長い範囲にわたって設置し、配管１１に対して熱障壁とならないようにすることが好ましい。また、熱障壁対策以外に、保護部材２９を設置することで、太陽による熱影響が無いようにし、適正な冷却となるようにしている。

図１２は、高温配管のメタル温度制御方法の工程図である。
本実施例では、冷却用媒体２１や冷却水等の冷却手段による冷却の際、保温材１３を除去した部材の表面の温度を温度計測手段により計測し、冷却能力が適正であることを判断している。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された高温配管の溶接部において、常設されている保温材１３を除去後、剥き出し部１４の一部に温度計測手段の熱電対を取り付け、配管１１のメタル温度を計測し、余寿命評価を行うようにしている。この熱伝対の設置は、熱影響部から１０〜２０ｍｍ離し、複数個所設置することが好ましい。

この場合、温度を計測することで、要求される余寿命を達成できるかの判断が可能となることと、実施例３の送風による強制冷却や実施例４のウォータージャケットと組み合わせることで、要求される余寿命を満足するよう冷却能力を制御することで、配管寿命を延長させることが可能となる。

例えば次の定期点検までの残り時間が１万時間とする場合、例えば図１０に示すような冷却配管３２を巻きつけて冷却水３３により強制冷却をした場合に、５０℃程度温度を下げる必要があると判断した際、実際の冷却水３３による冷却では、温度計測により３０℃しか低下していないような場合、不足分の２０℃をさらに低下させる冷却を、例えば空気冷却による強制冷却や、冷却媒体の冷却能力の制御（冷却水を冷媒でさらに低下させる等の制御）することにより、要求される余寿命となるよう配管寿命を延長させることが可能となる。

図１２は、このような高温配管のメタル温度制御方法の工程図である。
第１の工程は、非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管の溶接部において、配管１１の保温材１３を除去し、実施例３又は実施例４の冷却機能を付与する（Ｓ−１）。
第２の工程は、運転時の配管１１の剥き出し部１４のメタル温度を計測する（Ｓ−２）。
第２の工程（Ｓ−２）の温度計測の結果の判断として、温度計測で、配管寿命は要求される余寿命を満足するか否かを判断する（Ｓ−３）。
第３の工程（Ｓ−３）において、余寿命を満足する（Ｙｅｓ）の場合、冷却能力を変更しないでそのまま運転する（Ｓ−４）。
これに対し、第３の工程（Ｓ−３）において、余寿命を満足しない（Ｎｏ）の場合、冷却能力を上げて要求寿命を満足するためのメタル温度まで低下させる操作を行う（Ｓ−５）。
この結果、余寿命まで健全な運転を実施することが可能となる。

また、温度計測を行うことにより、現在の冷却が健全か否かを判断することができる。

１１ 高温配管（配管）
１２ 溶接部
１３ 保温材
１４ 剥き出し部
１５ ボイラ蒸気

本発明は、例えば火力・原子力発電プラントや化学プラント等で用いられる高温配管や圧力容器等の高温配管の延命方法及び高温配管の延命化構造、高温配管のメタル温度の制御方法に関するものである。

火力プラントを構成する、例えばボイラ等は、高温・高圧環境で運転されるので、これを構成する材料である耐熱鋼には、長期に亘る運転によりクリープ等による損傷が蓄積されることがある。そこで、この種のプラントの運用に当たっては、前記耐熱鋼の精度の高い寿命評価を行って耐圧部の信頼性を維持することが、長期に亘る安定的な運用を確保する上で肝要である。

火力発電プラント等で使用される高温配管は、ボイラで加熱された上記を蒸気タービンに運ぶ機能を有しているが、高温且つ長時間の使用によりクリープ損傷が進行してクリープボイドが発生し、これらのボイドがつながることで亀裂が生じ、最終的には破断する。
最終的な破断を防止するために、定期的な非破壊検査によりクリープボイドの成長度合いを分析して部材毎のクリープ損傷度を導出し、部材の余寿命評価を行っている（特許文献１、２）。一般的に母材部に比べて、配管溶接部のクリープ破断リスクが高いため、検査箇所は主に溶接部となっている。

特開２００４−８５３４７号公報 特開２００８−１２２３４５号公報

この非破壊検査の結果、クリープ損傷度が高い部材があり、次の定期検査までの間にてクリープ破断リスクが高い場合、部材の取替えを行うか、又はプラント全体の運転温度を下げることで、配管全体のメタル温度を下げ、クリープ破断リスクを低減する対策を講じている。
しかしながら、プラント全体運転温度を下げることは、プラントの運転効率の低下となる、という問題がある。

よって、プラントの全体運転温度を低下せずに、プラント運転効率の低下とならずに、高温部材の余寿命を延命させることができる技術の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、プラントの全体運転温度を低下せずに、プラント運転効率の低下とならずに、高温部材の余寿命を延命させることができる高温配管の延命方法及び高温配管の延命化構造、高温配管のメタル温度の制御方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、高温配管の溶接部のクリープ破断の余寿命評価により、定常の継続使用が出来ないと判断された際、前記高温配管のクリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材の一部を除去し、前記高温配管の外面温度を局所的に低下させ、クリープ破断リスクの高い箇所の寿命の延長を図ると共に、前記保温材の一部を除去する剥き出し部の幅が、該剥き出し部の剥離端部から、前記保温材を除去することで前記高温配管に生じる引張応力と圧縮応力との応力の変化が、引張応力から圧縮応力に変化した後圧縮応力が０に漸近する距離の２倍以上であり、前記引張応力から圧縮応力に変化した後圧縮応力が０に漸近する距離は、下記（１）によることを特徴とする高温配管の延命方法にある。
βｘ＝５・・・（１）
βは以下の式（２）で示される。

ここで、νはポアソン比であり、ａは配管の平均半径、ｈは配管の板厚である。

第２の発明は、第１の発明において、前記保温材を除去した部材の表面を冷却することを特徴とする高温配管の延命方法にある。

第３の発明は、第２の発明において、前記冷却が、空気による冷却又は冷却水による冷却であることを特徴とする高温配管の延命方法にある。

第４の発明は、第１の発明において、前記保温材を除去した部材の表面に放熱部材を設置することを特徴とする高温配管の延命方法にある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記保温材を除去した部材の表面の温度を計測し、冷却能力が適正であることを判断することを特徴とする高温配管の延命方法にある。

第６の発明は、第５の発明において、前記冷却能力が適正でない場合、冷却能力を適正となるように変更することを特徴とする高温配管の延命方法にある。

第７の発明は、高温配管のクリープ破断の余寿命評価により、定常の継続使用が出来ないと判断された際、前記高温配管のクリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材の一部を除去し、前記高温配管の外面温度を局所的に低下させてなると共に、前記保温材の一部を除去する剥き出し部の幅が、該剥き出し部１４の剥離端部から、前記保温材を除去することで前記高温配管に生じる引張応力と圧縮応力との応力の変化が、引張応力から圧縮応力に変化した後圧縮応力が０に漸近する距離の２倍以上であり、前記引張応力から圧縮応力に変化した後圧縮応力が０に漸近する距離は、下記（１）によることを特徴とする高温配管の延命化構造にある。
βｘ＝５・・・（１）
βは以下の式（２）で示される。

ここで、νはポアソン比であり、ａは配管の平均半径、ｈは配管の板厚である。

第８の発明は、第７の発明において、前記保温材を除去した部材の表面を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする高温配管の延命化構造にある。

第９の発明は、第８の発明において、前記冷却手段が、空気による空冷手段又は冷却水による水冷冷却であることを特徴とする高温配管の延命化構造にある。

第１０の発明は、第７の発明において、前記保温材を除去した部材の表面に、放熱部材を設置してなることを特徴とする高温配管の延命化構造にある。

本発明によれば、配管のメタル温度を下げることで、配管のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図１は、実施例１に係る高温配管の延命化構造の概略図である。 図２は、配管の保温材を剥離した部分を示す図である。 図３は、保温材の剥離箇所からの距離と、配管内部にかかる引張応力及び圧縮応力との関係を示す図である。 図４は、実施例２に係る高温配管の延命化構造の概略図である。 図５は、図４の斜視図である。 図６は、実施例２に係る他の高温配管の延命化構造の概略図である。 図７は、実施例３に係る高温配管の延命化構造の概略図である。 図８は、冷却用空気を供給する空気供給手段の一例を示す斜視図である。 図９は、実施例４に係る高温配管の延命化構造の概略図である。 図１０は、実施例４に係る他の高温配管の延命化構造の概略図である。 図１１は、高温配管の剥き出し部の保護構造の概略図である。 図１２は、高温配管のメタル温度制御方法の工程図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、実施例１に係る高温配管の延命化構造の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る高温配管の延命構造は、高温部材である高温配管（以下「配管」という）１１の溶接部１２のクリープ破断の余寿命評価により、クリープ破断リスクの高い箇所（クリープ損傷度が高い溶接部）が確認され定常の継続使用が出来ないと判断された際、配管１１の前記クリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材１３の一部を回転方向に除去し、剥き出し部１４とし、配管１１の外面温度を局所的に低下させ、クリープ破断箇所の寿命の延長を図るようにしている。
図１中、符号１５はボイラ蒸気を図示し、例えば６００℃の高温蒸気が配管１１内を流れている。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管１１の溶接部１２において、図１に示すとおり常設されている保温材１３を除去して、剥き出し部１４を形成し、この剥き出し部１４から熱を逃がすことにより、配管１１のメタル温度を下げるようにしている。

この場合、保温材１３を除去して剥き出し部１４とすることで、外気（例えば１００℃）との自然対流伝熱がなされ、熱伝達率は２〜１２Ｗ/ｍ²Ｋ程度となる。

このように、配管１１のメタル温度を下げることで、配管のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

この結果、配管の局所的な温度低下のみで延命化を図ることができるので、従来のように、プラント全体の運転温度を下げることで、配管全体のメタル温度を下げ、クリープ破断リスクを低減することによるプラントの運転効率の低下となる弊害が解消される。

このように、本実施例によれば、高温配管のクリープ損傷リスクの高い部位が確認された場合、所定距離の幅（Ｌ）だけ配管１１を被覆する保温材１３を除去して、剥き出し部１４を形成することで、メタル温度を下げて、クリープ損傷リスクを低減させることで、プラント全体の運転効率の低下せずに、延命化を図ることができる。ここで、メタル温度の低下はクリープ破断寿命だけでなく、亀裂進展寿命の延命化にも効果がある。

ここで、保温材１３を除去する幅Ｌは、配管１１の外径が例えば４６０ｍｍの場合、後述するように約９００ｍｍ以上とするのが好ましい範囲であるが、保温材１３を除去する幅によっては、局部面外方向変形により圧縮応力を発生させ、応力低減による延命化も期待できる。

次に、保温材１３の一部を除去する幅Ｌについて説明する。
図２では、配管１１から左側の保温材１３を除去したものであり、保温材１３の除去した端部ｘ₀から保温材を除去する距離（Ｌ／２）について説明する。
保温材１３を除去することで、配管１１に引張応力と圧縮応力とがかかるので、保温材１３を剥いだ場所ｘ₀からの距離をｘ（ｘ₁、ｘ₂、ｘ₃）とすると、応力の変化が０に漸近する距離は以下の式で表される。
βｘ＝５・・・（１）
ここで、βは以下の式（２）で示されるため、ｘの値を求めればよいこととなる。

例えば、配管１１の外径４６０ｍｍ、板厚７０ｍｍとする場合は、ａ＝１９５ｍｍ、ｈ＝７０ｍｍであり、βｘ＝２．４のときのｘの値が２１８ｍｍ、βｘ＝５のときのｘの値が４５４ｍｍとなる。また、β∝１／√(ａｈ)であるので、ｘの値と√（ａｈ）は関連する値となり、ａ、ｈが代わるとｘの値が代わることとなる。

よって、例えば、外径４６０ｍｍ、板厚７０ｍｍの場合は、ｘ＝２１８〜４５４ｍｍとなる。

図２及び図３を用いて配管１１の保温材１３を剥離して剥き出し部１４とする距離（Ｌ）について、説明する。
図２は、配管の保温材を剥離した部分を示す図である。なお、保温材の剥離は溶接部を中央として剥離するようにしているが、図２は、左側の剥離部分について説明する。

図３は、保温材の剥離箇所ｘ₀からの距離（ｍｍ）と、配管内部にかかる引張応力及び圧縮応力との関係を示す図である。
図２の配管では、配管の外径が４６０ｍｍ、配管の板厚が７０ｍｍの場合について説明する。

図３に示すように、配管の保温材の剥離部０ｍｍをｘ₀とすると、上述のように、所定距離ｘ₁（＝２１８ｍｍ）で引張応力が０となる。この所定距離ｘ₁からさらに所定距離ｘ₂（２７３ｍｍ）で圧縮応力が最大となる。この所定距離ｘ₂からさらに所定距離ｘ₃（４５４ｍｍ）で圧縮応力が０となり収束する。

これを配管１１の左側の剥離部分と、右側の剥離部分とをあわせると、２倍となるので、剥離する距離Ｌは、４５４ｍｍ×２＝９０８ｍｍとなる。
よって、剥離する距離Ｌとしては、約９００ｍｍ以上とすることが好ましいものとなる。

また、圧縮応力によりさらなる寿命延長を図る場合には、保温材１３を除去する範囲を以下の数式に基づき決定すればよい。
２．４≦βｘ＜５・・・（３）
例えば、外径４６０ｍｍ、板厚７０ｍｍの場合は、少なくとも引張応力がかからない距離Ｘ₁（＝２１８ｍｍ）だけ剥離する必要があり、収束するＸ₃（４５４ｍｍ）以上では、保温材を剥離する必要がなくなる。

図４は、実施例２に係る高温配管の延命化構造の概略図である。図５は、図４の斜視図である。なお、実施例１に係る構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図４及び図５に示すように、実施例２に係る高温配管の延命化構造は、実施例１において保温材１３を除去した剥き出し部１４に対して、放熱部材である多層フィン１７を周囲に密着するように設けている。

図５に示すように、複数のフィン１８を有する上部フィン１７Ａと、複数のフィン１８を有する下部フィン１７Ｂとをフランジ１９同士を合わせて締結部材２０により締結している。
フィン１８の厚み（ｄ₁₁）は例えば７０ｍｍ、高さ（ｈ₁₁）は３００ｍｍ程度として、多層フィン構造を形成している。

本実施例では、非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された高温配管の溶接部において、図４及び図５に示すとおり常設されている保温材１３を除去して剥き出し部１４を形成し、この剥き出し部１４に密着するように、上部フィン１７Ａ、下部フィン１７Ｂを設置している。このように多層フィン構造を用いて熱を逃がす面積を増やすことにより配管のメタル温度を、実施例１よりも下げることができる。

本実施例によれば、保温材１３を除去し、剥き出し部１４に設置した多層フィン１７により熱を逃がす面積が増加し、面積増加率に比例して熱流束が増加し、実施例１に比べてメタル温度を早く冷やすことが可能となる。

この結果、メタル温度を下げることで、配管１１のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図６は、実施例２に係る他の高温配管の延命化構造の概略図である。
図６に示すように、長手方向の溶接部１２による長手継手配管１１Ａにおいて、多層フィン１７を設置している。このように、多層フィン１７の設置で熱流束を増加させ、外気との自然対流熱伝達により配管を冷やすことで、多層フィン１７と配管１１の熱伸び差により、配管１１に圧縮応力が付加され、応力低減効果を図ることができる。

図７は、実施例３に係る高温配管の延命化構造の概略図である。なお、実施例１に係る構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図７に示すように、実施例３に係る高温配管の延命化構造は、実施例１において保温材１３を除去した剥き出し部１４の表面に対して、その表面を冷却用媒体（例えば空気）２１により冷却している。ここで、冷却用媒体２１としては、空気以外に雑用排ガス、不活性ガス等を用いるようにしてもよい。

図８は、冷却用空気を供給する空気供給手段の一例を示す斜視図である。
図８に示すように、配管１１の剥き出し部１４の外周に沿って環状の空気供給手段２２を設け、環状の空気供給手段２２の空気噴出孔（図示せず）から空気２３を全周にわたって送風して、強制冷却するようにしている。

冷却用媒体２１による強制冷却の空気の風速は、例えば１０ｍ／ｓ前後とするのが好ましい。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された高温配管の溶接部において、図７及び図８に示すように、常設されている保温材１３を除去し、冷却用媒体（空気）２１により強制冷却によって放熱させ、配管１１のメタル温度を下げる。
この場合、保温材１３を除去し、剥き出し部１４に対して冷却用媒体（空気）２１による強制冷却を行うことで、外気との強制対流伝熱がなされ、熱伝達率は２０〜１００Ｗ/ｍ²Ｋ程度となる。

実施例３では、実施例１及び２と異なり、メタル温度を冷却用媒体２１により強制的に下げることで、配管１１のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図９は、実施例４に係る高温配管の延命化構造の概略図である。なお、実施例１に係る構成と重複する配管には同一符号を付してその説明は省略する。図９に示すように、実施例４に係る高温配管の延命化構造は、実施例１において保温材１３を除去した剥き出し部１４の周囲に、冷却手段であるウォータージャケット３１を設置している。このウォータージャケット３１を設置することで、水との自然熱伝達により配管を冷やすことで、内部流体との熱交換を行い、メタル温度の低減を図るようにしている。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管の溶接部において、図９に示すとおり常設されている保温を除去して、ウォータージャケット３１等を用いて強制的に熱を逃がすことにより配管のメタル温度を下げる。

この場合、保温材１３を除去し、剥き出し部１４にウォータージャケット３１を配置することで冷却水との自然対流伝熱がなされ、熱伝達率は５００〜６００Ｗ/ｍ²Ｋ程度となる。この結果、メタル温度が下がり、配管１１のクリープ破断寿命が延長することとなり、配管余寿命の延命化が可能となる。

図１０は、実施例４に係る他の高温配管の延命化構造の概略図である。
図１０では、保温材１３を除去した剥き出し部１４の表面に、冷却配管３２を配置し、冷却水３３を通水することで冷却水３３により放熱させ、配管１１のメタル温度の低下を図るようにしている。

この強制冷却のための冷却水３３の速度は、例えば１ｍ／ｓ前後とするのが好ましい。また、巻きつける冷却配管３２の径は例えば２０ｍｍ程度とすればよい。

図１１は、高温配管の剥き出し部の保護構造の概略図である。
また、図１１に示すように、配管１１の保温材１３を除去することで、剥き出し部１４が雨ざらしになる状態を防止するために、雨仕舞等の保護部材２９を剥き出し部１４の範囲Ｌよりも長い範囲にわたって設置し、配管１１に対して熱障壁とならないようにすることが好ましい。また、熱障壁対策以外に、保護部材２９を設置することで、太陽による熱影響が無いようにし、適正な冷却となるようにしている。

図１２は、高温配管のメタル温度制御方法の工程図である。
本実施例では、冷却用媒体２１や冷却水等の冷却手段による冷却の際、保温材１３を除去した配管の表面の温度を温度計測手段により計測し、冷却能力が適正であることを判断している。

非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された高温配管の溶接部において、常設されている保温材１３を除去後、剥き出し部１４の一部に温度計測手段の熱電対を取り付け、配管１１のメタル温度を計測し、余寿命評価を行うようにしている。この熱伝対の設置は、熱影響部から１０〜２０ｍｍ離し、複数個所設置することが好ましい。

この場合、温度を計測することで、要求される余寿命を達成できるかの判断が可能となることと、実施例３の送風による強制冷却や実施例４のウォータージャケットと組み合わせることで、要求される余寿命を満足するよう冷却能力を制御することで、配管寿命を延長させることが可能となる。

例えば次の定期点検までの残り時間が１万時間とする場合、例えば図１０に示すような冷却配管３２を巻きつけて冷却水３３により強制冷却をした場合に、５０℃程度温度を下げる必要があると判断した際、実際の冷却水３３による冷却では、温度計測により３０℃しか低下していないような場合、不足分の２０℃をさらに低下させる冷却を、例えば空気冷却による強制冷却や、冷却媒体の冷却能力の制御（冷却水を冷媒でさらに低下させる等の制御）することにより、要求される余寿命となるよう配管寿命を延長させることが可能となる。

図１２は、このような高温配管のメタル温度制御方法の工程図である。
第１の工程は、非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管の溶接部において、配管１１の保温材１３を除去し、実施例３又は実施例４の冷却機能を付与する（Ｓ−１）。
第２の工程は、運転時の配管１１の剥き出し部１４のメタル温度を計測する（Ｓ−２）。
第２の工程（Ｓ−２）の温度計測の結果の判断として、温度計測で、配管寿命は要求される余寿命を満足するか否かを判断する（Ｓ−３）。
第３の工程（Ｓ−３）において、余寿命を満足する（Ｙｅｓ）の場合、冷却能力を変更しないでそのまま運転する（Ｓ−４）。
これに対し、第３の工程（Ｓ−３）において、余寿命を満足しない（Ｎｏ）の場合、冷却能力を上げて要求寿命を満足するためのメタル温度まで低下させる操作を行う（Ｓ−５）。
この結果、余寿命まで健全な運転を実施することが可能となる。

また、温度計測を行うことにより、現在の冷却が健全か否かを判断することができる。

１１ 高温配管（配管）
１２ 溶接部
１３ 保温材
１４ 剥き出し部
１５ ボイラ蒸気

Claims (12)

1. 高温部材の溶接部のクリープ破断の余寿命評価により、定常の継続使用が出来ないと判断された際、
   前記高温部材のクリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材の一部を除去し、前記高温部材の外面温度を局所的に低下させ、クリープ破断リスクの高い箇所の寿命の延長を図ることを特徴とする高温部材の延命方法。
2. 請求項１において、
   前記保温材を除去した部材の表面を冷却することを特徴とする高温部材の延命方法。
3. 請求項２において、
   前記冷却が、空気による冷却又は冷却水による冷却であることを特徴とする高温部材の延命方法。
4. 請求項１において、
   前記保温材を除去した部材の表面に放熱部材を設置することを特徴とする高温部材の延命方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
   前記保温材を除去した部材の表面の温度を計測し、冷却能力が適正であることを判断することを特徴とする高温部材の延命方法。
6. 請求項５において、
   前記冷却能力が適正でない場合、冷却能力を適正となるように変更することを特徴とする高温部材の延命方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
   前記高温部材が、高温配管又は高温圧力容器であることを特徴とする高温部材の延命方法。
8. 高温部材のクリープ破断の余寿命評価により、定常の継続使用が出来ないと判断された際、
   前記高温部材のクリープ破断リスクの高い箇所を被覆している保温材の一部を除去し、前記高温部材の外面温度を局所的に低下させてなることを特徴とする高温部材の延命化構造。
9. 請求項８において、
   前記保温材を除去した部材の表面を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする高温部材の延命化構造。
10. 請求項９において、
    前記冷却手段が、空気による空冷手段又は冷却水による水冷冷却であることを特徴とする高温部材の延命化構造。
11. 請求項８において、
    前記保温材を除去した部材の表面に、放熱部材を設置してなることを特徴とする高温部材の延命化構造。
12. 非破壊検査によりクリープ破断リスクが高いと判断された配管の溶接部において、配管の保温材を除去し、冷却機能を付与する第１の工程と、
    運転時の配管の剥き出し部のメタル温度を計測する第２の工程と、
    温度計測の判断として、温度計測で、配管寿命は要求される余寿命を満足するか否かを判断する第３の工程と、
    第３の工程において、余寿命を満足する場合、冷却能力を変更しないでそのまま運転する工程と、
    第３の工程において、余寿命を満足しない場合、冷却能力を上げて要求寿命を満足するためのメタル温度まで低下させる操作を行う工程とを備えることを特徴とする高温配管のメタル温度の制御方法。

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