JP2016197003A - シェルアンドチューブ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性、信頼性に優れたシェルアンドチューブ溶接方法を提供する。【解決手段】チューブシート１００の一側面にチューブシート溝１２０を陥没形成する。チューブ挿入ホール１１０にチューブ接合部材２００を挿入する。溶接ワイヤを切断してリングワイヤ４００を製作する。リングワイヤ４００をチューブ３００に挿入する。チューブ３００をチューブシート１００に挿入する。チューブシート１００にチューブ接合部材２００の他端を溶接結合する。トーチＴがチューブ接合部材２００に挿入され、リングワイヤ４００を溶加材として用いてチューブ接合部材２００の一端とチューブ３００の一端とを溶接結合する。【選択図】図３

Description

本発明は、シェルアンドチューブ熱交換器のチューブシートとチューブの溶接方法に関する。

シェルアンドチューブ（Ｓｈｅｌｌ ａｎｄ Ｔｕｂｅ）熱交換器は、二つのチューブシート（Ｔｕｂｅ Ｓｈｅｅｔ）と、前記各チューブシートを連結した複数のチューブ（Ｔｕｂｅ）とを含んで構成され、その外側は円筒状の胴体であるシェル（Ｓｈｅｌｌ）で密閉される構成である。シェルアンドチューブ（Ｓｈｅｌｌ ａｎｄ Ｔｕｂｅ）熱交換器は、加熱、冷却、凝縮、気化などの多様な熱交換に使用される。

一般的なシェルアンドチューブ熱交換器の構成は、図１に示したように、チューブ側とシェル側にそれぞれ異なる流体が流入・流出しながら、チューブ側流体とシェル側流体の相互間で熱交換が行われる。前記シェル側流体の移動経路を説明すると、流体は、シェル側流入口（Ｓ―Ｓ―Ｉ、Ｓｈｅｌｌ Ｓｉｄｅ Ｉｎｌｅｔ）に流入し、シェル内に形成された複数のバッフル板３０によってジグザグ状に通過してシェル側流出口（Ｓ―Ｓ―Ｏ、Ｓｈｅｌｌ Ｓｉｄｅ Ｏｕｔｌｅｔ）を介して流出する。チューブ１０は、両側のチューブシート２０によって溶接結合され、前記チューブ１０内の流体と前記シェル内の流体とが混合されることを防止する。チューブ側流体の移動経路を説明すると、流体は、チューブ側流入口（Ｔ―Ｓ―Ｉ、Ｔｕｂｅ Ｓｉｄｅ Ｉｎｌｅｔ）に流入し、シェルの内部を通過する前記チューブ１０に流入して前記シェル内部の流体の熱と相互熱交換をした後、チューブ側流出口（Ｔ―Ｓ―Ｏ、Ｔｕｂｅ Ｓｉｄｅ Ｏｕｔｌｅｔ）を介して流出する。

このとき、前記シェル側とチューブ側のそれぞれ異なる流体の混合を防止するために、前記シェル側の内部を通過する前記チューブ１０が前記シェル側の内部と完全に遮断されなければならないので、前記チューブ１０は、前記シェルの両側に二つが互いに向かい合って対称に形成された前記チューブシート２０に溶接結合される。

シェルアンドチューブ熱交換器の前記チューブシート２０とチューブ１０の溶接結合方法の従来技術（特許文献１）としては、韓国登録特許公報第１０―１２９８７０３号がある。すなわち、図１に拡大して図示したように、前記チューブシート２０には複数のチューブ挿入ホールＨが形成され、前記チューブ１０を前記チューブシート２０のチューブ挿入ホールＨにそれぞれ挿入した状態で前記チューブ１０を拡管させて前記チューブシート２０に密着固定させる。その後、前記チューブ１０と前記チューブシート２０との間にチューブ側溶接（ウェルディング、Ｗｅｌｄｉｎｇ）を実施し、前記チューブ１０とチューブシート２０とを結合させる。ここで、チューブ側溶接（ウェルディング）とは、チューブ側から流出したり、チューブ側に流入する流体が前記チューブ１０と前記チューブシート２０との間に浸透することを防止する溶接であって、前記チューブ１０と前記チューブシート２０との結合時の外側部分（すなわち、チューブ側に流出・流入する流体と接する部分）に対する溶接である。

前記チューブ１０の拡管を経てチューブ側を溶接するとしても、シェル側の前記チューブシート２０とチューブ１０とが完全に密着せず、微細な隙間が発生し、その結果、隙間腐食によって前記チューブ１０に破孔が発生した。これを解決するために、前記チューブシート２０上にチューブ溝１２とチューブシート溝２２をそれぞれ形成する。前記チューブ溝１２は、前記チューブ１０の拡管時、前記チューブ１０の一定部分が前記チューブ溝１２に挿入されることによって結合力を高めるためのものであって、前記チューブシート溝２２は、シェル側溶接時の作業を容易にするためのものである。

前記チューブ溝１２は、前記チューブシート２０のチューブ挿入ホールＨの内面に形成し、前記チューブ挿入ホールＨに前記チューブ１０を挿入した後で拡管させると、前記チューブシート２０に前記チューブ１０がさらに密着して結合される。その後、シェル側溶接（ウェルディング、Ｗｅｌｄｉｎｇ）を実施するが、シェル側溶接とは、シェル側に流入する流体による前記チューブ１０の破孔と腐食を防止するために、流体が前記チューブ１０と前記チューブシート２０との間に浸透することを防止する溶接であって、前記チューブ１０とチューブシート２０との結合内側部分（すなわち、シェル側に流入したり、シェル側から流出する流体と接する部分）に対する溶接である。前記チューブシート２０の内側面にチューブシート溝２２を形成し、溶接トーチＴを用いてシェル側溶接が行われる。前記溶接トーチＴにより、母材である前記チューブ１０は、前記チューブシート溝２２によって形成されたチューブシート下端接合部２３と共に前記チューブシート２０の外側で直接溶接される。

ここで、前記チューブシート２０の側面にチューブシート溝２２を形成する理由は、シェル側の溶接時に前記チューブシート２０全体を加熱する必要なしで、前記チューブシート溝２２によって形成された前記チューブシート下端接合部２３に対してのみ加熱すると溶接が可能になるようにするためである。前記チューブ１０の厚さは、約１．５ｍｍ〜約２ｍｍ程度であるので、前記チューブシート溝２２によって形成された前記チューブシート下端接合部２３の厚さも前記チューブ１０の厚さと同一に形成すると、前記チューブシート２０全体を加熱する必要なしで前記チューブシート下端接合部２３に対してのみ局部的に加熱するとしても溶接が行われるので、溶接時に必要な熱の消耗量を減少させ、これによって溶接効率を高めることができる。また、前記チューブシート溝２２は、前記チューブシート２０の側面に形成されるが、前記チューブ１０が挿入されるチューブ挿入ホールＨから予め定められた距離だけ離隔した形態で前記チューブ挿入ホールＨの周囲に円弧状に形成される。

前記チューブシート２０とチューブ１０の内外側に対する溶接、すなわち、前記チューブシート２０と前記チューブ１０との溶接結合であるチューブ側（外側）溶接とシェル側（内側）溶接がそれぞれ行われるが、溶接は、チューブ側（外側）溶接及びシェル側（内側）溶接のいずれを先に行っても構わない。

しかし、前記従来技術（特許文献１）は、シェル側の溶接時、前記溶接トーチＴにより、母材である前記チューブ１０が前記チューブシート溝２２によって形成されたチューブシート下端接合部２３と共に前記チューブシート２０の外側で直接溶接される方式であるが、前記チューブシート２０のシェル側に一つのチューブ１０のみが溶接されるのではなく、数十個〜百個以上のチューブ１０が溶接される。よって、前記チューブシート２０のシェル側の外側で直接溶接する方法は好ましいが、現実的に多数のチューブ１０を前記チューブシート２０に溶接結合しなければならないので、空間が狭小であり、溶接トーチＴを接近させるための空間の確保が難しく、これによって溶接が不可能な部分が発生する。すなわち、前記チューブシート２０のシェル側に溶接される前記チューブ１０の外側に前記溶接トーチＴを用いて直接溶接しようとするとき、前記チューブシート２０の外側にあるチューブ１０は溶接可能であるとしても、隣接する他のチューブ１０や内側に結合しなければならない更に他のチューブ１０の溶接時に前記各チューブ１０の相互間で干渉が発生するので、溶接が難しく、作業効率が著しく低下し、完全な溶接作業の遂行が難しいという問題がある。

更に他の従来技術（特許文献２）としては、韓国公開特許公報第１０―２０１３―００８１４４０号がある。すなわち、図２に示したように、シェル側の流体が前記チューブ１０とチューブシート２０との間に浸透することによって前記チューブ１０に発生する破孔と腐食を防止するためのものであって、シェル側に対する溶接時、前記チューブ１０の内部に溶接トーチＴを挿入して溶接Ｗを実施する方法である。すなわち、前記溶接トーチＴが前記チューブ１０の内部に挿入され、母材である前記チューブ１０に先に溶接熱が加えられ、前記チューブ１０を経て前記チューブシート溝２２によって形成された前記チューブシート下端接合部２３に溶接熱が間接的に伝達されて溶解されながら前記チューブ１０と前記チューブシート２０のチューブシート下端接合部２３とが溶接結合される方式である。

ここで、前記チューブ１０の内部に前記溶接トーチＴを挿入して溶接する理由は、前記チューブシート２０に挿入される多数の前記チューブ１０をシェル側の外側で溶接トーチＴを用いて直接溶接する場合、前記各チューブ１０の間の狭小な空間に溶接トーチＴを接近させて溶接することが難しく、溶接をするとしても不良が発生するので、前記チューブ１０の内部に前記溶接トーチＴを挿入して溶接するようになる。

また、前記チューブシート２０とチューブ１０の内外側に対する溶接、すなわち、前記チューブシート２０と前記チューブ１０との溶接結合であるチューブ側（外側）溶接とシェル側（内側）溶接がそれぞれ行われるが、溶接はいずれを先に行っても構わない。

図２の従来技術（特許文献２）は、シェル側の溶接時、前記チューブシート２０に複数の前記チューブ１０を挿入した状態で前記チューブ１０の内部に溶接トーチＴを挿入して溶接する方式である。しかし、前記チューブ１０の外周に溶接結合される前記チューブシート２０のチューブシート下端接合部２３に前記溶接トーチＴの溶接熱が直接伝達される方式ではなく、前記チューブ１０を経た溶接熱が間接的に伝達される方式であって、正確な溶接熱が前記チューブシート下端接合部２３に伝達されないことによって、溶接時に前記チューブ１０に破孔が発生し、溶接不良が発生し、生産性が低下するという問題を有する。

また、前記各従来技術は、前記チューブシート２０上にチューブ溝１２を形成し、前記チューブ１０の拡管時に前記チューブ１０の一定部分が前記チューブ溝１２に挿入されることによって結合力を高めるものであって、前記チューブシート２０にチューブ溝１２を別途に設置しなければならなく、拡管工程が必要であるので、製作費用が上昇するという問題も有する。

前記のような問題を解決するために、本出願人が出願及び登録した特許文献３の韓国登録特許公報第１０―１３５９７７８号の「シェルアンドチューブ溶接方法」がある。しかし、上述した従来技術のみならず、特許文献３の技術においても、狭小な空間的制約のために母材間の溶接のみが可能であって、溶接棒を使用できないので、最上の溶接品質を得ることができなく、酸化や窒化及び長期間の使用による腐食などの問題が依然として残っている。

韓国登録特許公報第１０―１２９８７０３号 韓国公開特許公報第１０―２０１３―００８１４４０号 韓国登録特許公報第１０―１３５９７７８号

前記のような問題を解決するためになされた本発明の目的は、従来に非常に狭小な空間の制約のために溶接棒を使用できなかった場合と異なり、画期的に溶接棒を使用できる新たな方式を導入し、最上の溶接品質を得ることができ、その結果、酸化や窒化及び長期間の使用による腐食などの問題を解決できるシェルアンドチューブ溶接方法を提供することにある。

本発明の他の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付の各図面と連関した以下の詳細な説明と好ましい各実施例からさらに明らかになるだろう。

前記のような目的を達成するために、本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法は、チューブ側とシェル側にそれぞれ異なる流体が流入及び流出しながら相互間で熱交換が行われるシェルアンドチューブ熱交換器のチューブシートに貫通形成されたチューブ挿入ホールにチューブを溶接結合するシェルアンドチューブ溶接方法において、前記チューブシートのシェル側の一側面に前記チューブ挿入ホールから外周方向に向かって所定の距離だけ離隔した環状のチューブシート溝を陥没形成し、前記チューブシート溝と前記チューブ挿入ホールとの間に接合部が形成されるチューブシート溝形成段階と、前記チューブシートのチューブ挿入ホールの長さより小さい長さを有する円筒状であり、前記チューブシートのチューブ挿入ホールの内部に前記チューブと同一の直径で形成されたチューブ接合部材を挿入するチューブ接合部材挿入段階と、非被覆溶接棒である長形の溶接ワイヤを一定の長さに切断し、前記チューブの外周に挿入されるように前記チューブの直径より大きい直径を有するリング状のリングワイヤに製作するリングワイヤ製作段階と、前記リングワイヤを前記チューブの一端の外周に挿入するリングワイヤ挿入段階と、前記チューブの一端が前記チューブ接合部材の向かい合う一端に接触し、前記チューブシート溝とチューブ挿入ホールとの間に形成された前記接合部に前記リングワイヤが接触すると同時に前記チューブシート溝の陥没した間隔範囲内に位置するように、前記チューブの一端を前記チューブシートの一側方向に挿入するチューブ挿入段階と、前記チューブシートのチューブ側の他側面に前記チューブ接合部材の他端を溶接結合するチューブ側溶接段階と、溶接トーチが前記チューブ接合部材の内部に挿入され、前記チューブシートのシェル側の一側面に前記リングワイヤを溶加材として用いて前記チューブ接合部材の一端、前記チューブの一端及び前記接合部を共に溶接結合するシェル側溶接段階とを含み、前記チューブ接合部材挿入段階では、前記チューブ接合部材の他端が前記チューブシートのチューブ側の他側面上に位置し、前記チューブ接合部材の一端が前記チューブシート溝の陥没した間隔範囲内に位置するように前記チューブシートのチューブ挿入ホールの内部に挿入され、前記シェル側溶接段階では、前記チューブシートのチューブシート溝の間隔範囲内に前記チューブ接合部材の一端と前記チューブの一端とが接触した状態で前記チューブ接合部材の内部に溶接トーチを挿入して溶接を実施する場合、前記チューブ接合部材の一端と前記チューブの一端とが接触した部位と共に、接触した隙間を介して前記チューブシートの接合部まで溶接熱が直接伝達され、前記チューブシートの接合部に接触した前記リングワイヤが溶融されながら前記リングワイヤを溶加材として用いて前記チューブ接合部材の一端と前記チューブの一端とが共に溶接結合されることを特徴とする。

本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法は、シェルアンドチューブ熱交換器のチューブシートに貫通形成されたチューブ挿入ホールに同一の直径のチューブ接合部材とチューブを共に挿入して接触させた状態でチューブ接合部材の内部に溶接トーチを挿入して溶接することであって、溶接対象に溶接トーチを容易に接近させることができ、特に、溶接トーチの溶接熱が溶接対象であるチューブシート、チューブ接合部材及びチューブに同時に直接加熱されながらリング状のリングワイヤを溶加材として用いて溶接が行われることによって、精密な溶接が可能であることはもちろん、最上の溶接品質を得ることができるので、酸化や窒化及び長期間の使用による腐食などの問題を解決することができ、耐久性及び信頼性をさらに向上させることができる。

従来技術に係るシェルアンドチューブ溶接方法に対する断面図である。 他の従来技術に係るシェルアンドチューブ溶接方法に対する断面図である。 本発明のシェルアンドチューブ溶接方法によって製作されたシェルアンドチューブ熱交換器を示した図である。 本発明のシェルアンドチューブ溶接方法に係るチューブシート溝形成段階及びチューブ接合部材挿入段階を示した断面図である。 本発明のシェルアンドチューブ溶接方法に係るリングワイヤ製作段階を示した図である。 本発明のシェルアンドチューブ溶接方法に係るリングワイヤ挿入段階を示した断面図である。 本発明のシェルアンドチューブ溶接方法に係るチューブ挿入段階を示した断面図である。 本発明のシェルアンドチューブ溶接方法に係るチューブ接合部材の内部に溶接トーチが挿入された状態を示した断面図である。 図８の実施例の溶接トーチによってチューブ側及びシェル側が溶接された状態を示した断面図である。 図３の実施例と反対側のチューブ側及びシェル側の溶接過程を示した断面図である。 図３の実施例と反対側のチューブ側及びシェル側の溶接過程を示した断面図である。 図３の実施例と反対側のチューブ側及びシェル側の溶接過程を示した断面図である。

以下では、添付の図面を参照して本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法に関する好ましい実施例を詳細に説明する。

本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法の場合、図３〜図９に示したように、チューブシート１００は、チューブ挿入ホール１１０、チューブシート溝１２０及び接合部１３０を含んで形成され、前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０にチューブ接合部材２００とチューブ３００が挿入されて溶接結合される方式である。

本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法が適用されるシェルアンドチューブ熱交換器の構成は、図３に示したように、チューブ側とシェル側にそれぞれ異なる流体が流入・流出しながら、相互間で熱交換が行われるものであって、前記シェル側の内部を通過する前記チューブ３００が前記シェル側の内部と完全に遮断されたときに前記シェル側とチューブ側のそれぞれ異なる流体の混合が防止されるので、前記チューブ３００は、シェル側に対してチューブ側が密閉されるように一対が互いに向かい合って対称に形成された前記チューブシート１００に溶接結合される。

チューブシート１００には、図３に示したように、チューブ挿入ホール１１０が貫通形成され、前記チューブ挿入ホール１１０から外周方向に向かって所定の距離だけ離隔した環状のチューブシート溝１２０が陥没形成される。このとき、前記チューブシート溝１２０が前記チューブ挿入ホール１１０から離隔した間隔には接合部１３０が形成され、前記接合部１３０は、後述するチューブ接合部材２００の一端に接触したチューブ３００の一端と共に溶接結合される。

前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０から外周方向に向かって所定の距離だけ離隔した環状のチューブシート溝１２０を陥没形成する理由は、シェル側の溶接時に前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０全体を加熱する必要なしで、前記チューブシート溝１２０によって形成された前記接合部１３０に対してのみ局部的に加熱すると溶接が可能であるので、溶接時に必要な熱の消耗量を減少させることができ、溶接効率が高くなるためである。また、前記チューブ３００の厚さは、約１．６ｍｍ程度であるので、前記チューブ挿入ホール１１０から離隔した前記チューブシート溝１２０の間隔に形成された前記接合部１３０の厚さも前記チューブ３００の厚さと同一に形成すると、溶接効率がさらに高くなる。

ここで、前記チューブ挿入ホール１１０は、前記チューブシート１００の一側面と他側面を貫通して形成されるが、前記一側面は、一対の前記チューブシート１００が互いに向かい合う内側を称するものとしてシェル側であり、他側面は、前記チューブシート１００が互いに向かい合う内側と反対側である外側を称するものとしてチューブ側である。よって、前記チューブシート１００に形成される前記チューブシート溝１２０と接合部１３０はシェル側に形成される。

チューブ接合部材２００は、図３、図４及び図６に示したように、前記チューブ３００と同一の直径で形成された円筒状に前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０に挿入される。前記チューブ挿入ホール１１０に挿入された前記チューブ接合部材２００の一端は、一対の前記チューブシート１００が互いに向かい合う内側であるシェル側（一側）に位置し、前記チューブ接合部材２００の他端は、一対の前記チューブシート１００が互いに向かい合う反対側である外側のチューブ側（他側）に位置する。

このとき、前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０と離隔して陥没形成された前記チューブシート溝１２０の陥没した距離である前記接合部１３０の長さ内に前記チューブ接合部材２００の一端と前記チューブ３００の一端とが接触すると、溶接時に後述する溶接トーチＴによって前記チューブ接合部材２００と前記チューブ３００が前記接合部１３０と共に溶接結合される。よって、前記チューブ接合部材２００の長さは、前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０の長さより小さく形成されることが好ましい。すなわち、前記チューブ接合部材２００は、他端が前記チューブ挿入ホール１１０の他端と一致するように位置し、一端が前記チューブ３００の一端に接触すると同時に前記チューブシート溝１２０の陥没した間隔範囲内に位置するように構成する。

チューブ３００は、図３、図４及び図６〜図１２に示したように、一対が互いに向かい合って対称に形成された前記各チューブシート１００の間に溶接結合され、熱交換器のシェル側の内部を通過し、前記シェル側の内部と完全に遮断されるように密閉され、前記シェル側とチューブ側のそれぞれ異なる流体の混合を防止する。前記チューブ３００の一端は、前記チューブ接合部材２００の一端に接触すると同時に前記チューブシート溝１２０の陥没した間隔範囲内に位置するように前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０に挿入され、後述する溶接トーチＴによって前記チューブ接合部材２００の一端及び前記チューブシート１００の接合部１３０と共に溶接結合される。

また、前記チューブ３００は、一対が互いに向かい合って対称に形成された前記各チューブシート１００の間に溶接結合されるので、図３、図４及び図５〜図９に示したように、一側のチューブシート１００にチューブ３００を先に溶接結合した後、図１０〜図１２に示したように反対側も同一の方法で溶接結合する。

このとき、前記チューブ接合部材２００、チューブシート１００の接合部１３０及びチューブ３００が溶接結合されるとき、母材のみが溶接結合される場合、最上の溶接品質を得ることができなく、酸化や窒化及び長期間の使用による腐食などの問題が発生し得る。このような問題を解決するために、本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法では、狭小な空間でもシェルアンドチューブの溶接時に溶加材を使用できる新たで且つ画期的な方法を提供することができる。すなわち、図５〜図９に示したようにリングワイヤ４００を用いる。

リングワイヤ４００は、図５に示したように複数備えられ、長形の溶接ワイヤ４００'を一定の長さに切断した後でリング状に製作する。溶接ワイヤ４００'は、非被覆溶接棒（ｂａｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）であり、リール（図示せず）に巻かれた溶接ワイヤ４００'を解いて一定の長さに切断し、予め多量のリングワイヤ４００を製作しておく。このように製作されたリングワイヤ４００は、図６に示したように、チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０に挿入する前にチューブ３００の一端の外周に挿入しておく。その後、図７及び図８に示したように、チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０にチューブ３００を挿入すると、接合部１３０にリングワイヤ４００が接触した状態になる。

それによって、図８及び図９に示したように、前記チューブ３００の一端は、前記チューブ接合部材２００の一端に接触すると同時に前記チューブシート溝１２０の陥没した間隔範囲内に位置するように前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０に挿入され、溶接トーチＴによって前記チューブ接合部材２００の一端及び前記チューブシート１００の接合部１３０と共にリングワイヤ４００を溶加材として用いて溶接結合される。

また、前記チューブ３００は、一対が互いに向かい合って対称に形成された前記各チューブシート１００の間に溶接結合されるので、図３〜図９に示したように、一側のチューブシート１００にチューブ３００を先に溶接結合した後、図１０〜図１２に示したように、反対側も同一の方法でリングワイヤ４００を溶加材として用いて溶接結合する。

上述したように、本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法は、チューブシート１００に貫通形成されたチューブ挿入ホール１１０に同一の直径のチューブ接合部材２００とチューブ３００を共に挿入して接触させた状態でチューブ接合部材２００の内部に溶接トーチＴを挿入して溶接することであって、溶接対象に溶接トーチＴを容易に接近させることができ、特に、溶接トーチＴの溶接熱が溶接対象であるチューブシート１００、チューブ接合部材２００及びチューブ３００に同時に直接加熱されながらリング状のリングワイヤ４００を溶加材として用いて溶接が行われることによって、精密な溶接が可能であることはもちろん、最上の溶接品質を得ることができるので、酸化や窒化及び長期間の使用による腐食などの問題を解決することができ、耐久性及び信頼性をさらに向上させることができる。

ここで、前記チューブシート溝１２０の間隔範囲内に前記チューブ接合部材２００の一端と前記チューブ３００の一端とが接触した状態で前記チューブ接合部材２００の内部に溶接トーチＴを挿入して溶接熱を加えると、前記チューブ接合部材２００の一端と前記チューブ３００の一端とが接触した部位はもちろん、接触した隙間を介して前記チューブシート溝１２０によって形成された前記チューブシート１００の接合部１３０にも溶接熱が直接伝達され、前記チューブシート１００の接合部１３０に前記チューブ接合部材２００の一端及び前記チューブ３００の一端が共に溶接結合されると同時にリングワイヤ４００が溶融されながら、図９に示したように、溶接後に溶着金属をなすようになる。

以下では、本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法の具体的な工程を図面を参照して説明する。

図４に示したように、前記チューブシート１００にチューブ挿入ホール１１０が先に貫通形成され、その後、前記チューブシート１００の一側面に前記チューブ挿入ホール１１０から外周方向に向かって所定の距離だけ離隔した環状のチューブシート溝１２０を陥没形成するチューブシート溝形成段階を行う。

前記チューブシート溝形成段階において、前記チューブシート溝１２０が前記チューブ挿入ホール１１０から離隔した間隔が前記接合部１３０の厚さとなり、前記チューブシート溝１２０の陥没した距離が前記接合部１３０の長さとなる。前記チューブシート１００の接合部１３０は、前記溶接トーチＴによって前記チューブ接合部材２００の一端及び後述するチューブ３００の一端と共にリングワイヤ４００を溶加材として用いて溶接結合される。

次に、図４に示したように、前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０の内部に前記チューブ３００と同一の直径で形成された円筒状のチューブ接合部材２００を挿入するチューブ接合部材挿入段階を行う。

次に、図５に示したように、長形の溶接ワイヤ４００'を一定の長さに切断し、前記チューブ３００の外周に挿入されるようにリング状のリングワイヤ４００に製作するリングワイヤ製作段階を行う。前記リングワイヤ製作段階の場合は、工程上、チューブ接合部材挿入段階後と記載されているが、他の工程と異なり、先後がなく、予め多量のリングワイヤ４００を製作しておくことができる。

このように製作されたリングワイヤ４００を、図６に示したように前記チューブ３００の一端の外周に挿入するリングワイヤ挿入段階を行う。

次に、図７に示したように、リングワイヤ４００が挿入された前記チューブ３００の一端が前記チューブ接合部材２００の向かい合う一端に接触すると同時に前記チューブシート溝１２０の陥没した間隔範囲内に位置するように前記チューブ３００の一端を前記チューブシート１００の一側方向に挿入するチューブ挿入段階を行う。このとき、前記リングワイヤ４００は、チューブシート１００の接合部１３０に接触した状態となる。

前記チューブ接合部材挿入段階とチューブ挿入段階において、前記チューブシート溝１２０の陥没した間隔範囲が前記溶接トーチＴによって溶接される範囲であるので、前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０と離隔して陥没形成された前記チューブシート溝１２０の陥没した間隔範囲内に前記チューブ接合部材２００の一端と前記チューブ３００の一端が挿入されて接触すると、前記チューブ接合部材２００の内部に挿入される前記溶接トーチＴの溶接熱により、前記チューブシート溝１２０によって形成された前記接合部１３０、前記チューブ接合部材２００の一端及び前記チューブ３００の一端がリングワイヤ４００を溶加材として用いて共に溶接結合される。

次に、図８及び図９に示したように、前記チューブシート１００の他側面に前記チューブ接合部材２００の他端を溶接結合するチューブ側溶接段階と、溶接トーチＴが前記チューブ接合部材２００の内部に挿入され、前記チューブシート１００の一側面に前記リングワイヤ４００を溶加材として用いて前記チューブ接合部材２００の一端と前記チューブ３００の一端とを溶接結合するシェル側溶接段階を行う。ここで、前記チューブ側溶接段階及び前記シェル側溶接段階の溶接は、いずれの段階を先に実施しても構わない。

また、図８及び図９に示したように、前記シェル側溶接段階においては、前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０に挿入された前記チューブ接合部材２００の他端の内部に前記溶接トーチＴを挿入する。但し、前記チューブ接合部材２００の一端と接触する前記チューブ３００の他端方向に前記溶接トーチＴを挿入することもできるが、これは、前記チューブ３００の長さだけ前記溶接トーチＴが挿入されなければならなく、挿入長さが過度に長くなるので、前記チューブ接合部材２００の他端の内部に前記溶接トーチＴを挿入することが好ましい。

図４〜図９の説明は、シェルアンドチューブ熱交換器に設置される一対の前記チューブシート１００とチューブ３００のシェルアンドチューブ溶接方法のうち一側に対する説明であって、図１０〜図１２に示したように、残りの反対側も同一の方法で溶接する。

図１０は、前記チューブシート１００にチューブ挿入ホール１１０及びチューブシート溝１２０が形成されるチューブシート溝形成段階、及び前記チューブ挿入ホール１１０にチューブ接合部材２００が挿入されるチューブ接合部材挿入段階を示した。図１１は、前記チューブ接合部材２００の内部に前記溶接トーチＴが挿入された状態を示したが、前記シェル側溶接段階においては、前記チューブシート１００のチューブ挿入ホール１１０に挿入された前記チューブ接合部材２００の他端の内部、すなわち、挿入距離が短い側に前記溶接トーチＴを挿入することが好ましい。図１２は、前記溶接トーチＴによるチューブ側溶接段階及びシェル側溶接段階を示したが、前記チューブ側溶接段階及び前記シェル側溶接段階の溶接は、いずれの段階を先に実施しても構わない。

本発明に係るシェルアンドチューブ溶接方法で溶接された状態は、溶接部位Ｗと図示した部位であって、実際に溶接された状態は図９に示した通りである。すなわち、図９に示したように、従来の狭小な空間の制約のために母材間の溶接のみが行われた場合とは異なり、新たで且つ画期的なリングワイヤ４００を溶加材として用いて母材を共に溶接することによって最上の溶接品質を得ることができるので、酸化や窒化及び長期間の使用による腐食などの問題を解決することができ、耐久性及び信頼性をさらに向上させることができる。

以上説明し、図面に図示した本発明の実施例は、本発明の技術的思想を限定するものと解釈してはならない。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に記載した事項によってのみ制限され、本発明の技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を多様な形態に改良変更することが可能である。したがって、このような改良及び変更は、通常の知識を有する者にとって自明なものである限り、本発明の保護範囲に属するだろう。

本発明は、溶接トーチの溶接熱が溶接対象であるチューブシート、チューブ接合部材及びチューブに同時に直接加熱されながらリング状のリングワイヤを溶加材として用いて溶接が行われることによって、精密な溶接が可能であることはもちろん、最上の溶接品質を得ることができるので、酸化や窒化及び長期間の使用による腐食などの問題を解決することができ、耐久性及び信頼性をさらに向上できるシェルアンドチューブ熱交換器に適用することができる。

１００ チューブシート
１１０ チューブ挿入ホール
２００ チューブ接合部材
３００ チューブ
Ｔ トーチ
Ｗ 溶接部位

Claims (1)

1. チューブ側とシェル側にそれぞれ異なる流体が流入及び流出しながら相互間で熱交換が行われるシェルアンドチューブ熱交換器のチューブシートに貫通形成されたチューブ挿入ホールにチューブを溶接結合するシェルアンドチューブ溶接方法において、
   前記チューブシートのシェル側の一側面に前記チューブ挿入ホールから外周方向に向かって所定の距離だけ離隔した環状のチューブシート溝を陥没形成し、前記チューブシート溝と前記チューブ挿入ホールとの間に接合部が形成されるチューブシート溝形成段階と、
   前記チューブシートのチューブ挿入ホールの長さより小さい長さを有する円筒状であり、前記チューブシートのチューブ挿入ホールの内部に前記チューブと同一の直径で形成されたチューブ接合部材を挿入するチューブ接合部材挿入段階と、
   非被覆溶接棒である長形の溶接ワイヤを一定の長さに切断し、前記チューブの外周に挿入されるように前記チューブの直径より大きい直径を有するリング状のリングワイヤに製作するリングワイヤ製作段階と、
   前記リングワイヤを前記チューブの一端の外周に挿入するリングワイヤ挿入段階と、
   前記チューブの一端が前記チューブ接合部材の向かい合う一端に接触し、前記チューブシート溝とチューブ挿入ホールとの間に形成された前記接合部に前記リングワイヤが接触すると同時に前記チューブシート溝の陥没した間隔範囲内に位置するように前記チューブの一端を前記チューブシートの一側方向に挿入するチューブ挿入段階と、
   前記チューブシートのチューブ側の他側面に前記チューブ接合部材の他端を溶接結合するチューブ側溶接段階と、
   溶接トーチが前記チューブ接合部材の内部に挿入され、前記チューブシートのシェル側の一側面に前記リングワイヤを溶加材として用いて前記チューブ接合部材の一端、前記チューブの一端及び前記接合部を共に溶接結合するシェル側溶接段階と、を含み、
   前記チューブ接合部材挿入段階は、
   前記チューブ接合部材の他端が前記チューブシートのチューブ側の他側面上に位置し、前記チューブ接合部材の一端が前記チューブシート溝の陥没した間隔範囲内に位置するように前記チューブシートのチューブ挿入ホールの内部に挿入され、
   前記シェル側溶接段階は、
   前記チューブシートのチューブシート溝の間隔範囲内に前記チューブ接合部材の一端と前記チューブの一端とが接触した状態で前記チューブ接合部材の内部に溶接トーチを挿入して溶接を実施する場合、前記チューブ接合部材の一端と前記チューブの一端とが接触した部位と共に、接触した隙間を介して前記チューブシートの接合部まで溶接熱が直接伝達され、前記チューブシートの接合部に接触した前記リングワイヤが溶融されながら前記リングワイヤを溶加材として用いて前記チューブ接合部材の一端と前記チューブの一端とが共に溶接結合されることを特徴とするシェルアンドチューブ溶接方法。

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