JP2017015446A

JP2017015446A - 強度確認方法

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Publication number: JP2017015446A
Application number: JP2015129942A
Authority: JP
Inventors: 裕生形; Yutaka Ubukata; 光男佐野; Mitsuo Sano
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: JP6440584B2

Abstract

【課題】角フランジ型のインタークーラのシェルを対象とした合理的な強度確認方法を提供する。
【解決手段】インタークーラ１のシェル３の強度を確認する強度確認方法は、シェル３のうちガス入出部１３と、円筒胴部１０に対するガス入出部１３の付け根部分の近傍と、で構成されるガス入出部関連部位４０の強度を評価する第１評価工程と、ガス入出部関連部位以外の部位の強度を評価する第２評価工程と、を備え、第１評価工程は、ガス流通路Ｇからシェル３に所定の水圧を印加する水圧印加工程と、ガス入出部関連部位４０に設定された所定の測定スポット４４の変位を測定する変位測定工程と、測定スポット４４の変位と、所定の基準値との大小比較に基づいてガス入出部関連部位４０の強度を判断する基準判断工程と、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、強度確認方法に関するものである。

インタークーラとして、特許文献１に開示されたものが知られている。このインタークーラは蒸気を冷却するものであり、インタークーラのシェルは、蒸気が導入される円筒胴部と、当該円筒胴部の側面に設けられた蒸気出入口とを備えている。蒸気出入口は、円筒胴部の側壁面から円筒状に突出するように設けられている。このように、シェルの円筒胴部の側方に突出するガスの出入口が円形断面をなすタイプを「丸フランジ型」のインタークーラと呼ぶ場合がある。その一方、圧縮機のインタークーラの旧いタイプのものとして、いわゆる「角フランジ型」と呼ばれるものが存在する。角フランジ型のインタークーラでは、シェルの円筒胴部の側方に突出するガスの出入口が矩形断面をなし、シェルの円筒胴部の側方に角筒部を含むガス入出部が設けられている。円筒胴部及び角筒部の内部空間でガス流通路が形成され、ガス流通路内には多数の冷媒チューブを有するチューブバンドルが設けられる。

従来、インタークーラの製造・納品時におけるシェルの強度確認について、安全基準等は存在していなかった。従って、角フランジ型のインタークーラの製造・納品時には、自主的なシェルの強度確認が行われていた。ところが、その後の法規制の変更により、現行法制下にあっては、インタークーラの製造・納品時には所定の安全基準に則ってシェルの強度確認を行うことが義務付けられるようになっている。

特開２０１３−２４２１４０号公報

しかしながら、現行法規にあっては、現在の主流である丸フランジ型のインタークーラに関しては、強度計算によるシェルの強度確認方法が定められているものの、旧式である角フランジ型のインタークーラを対象としたシェルの強度確認方法は定められていない。従って、角フランジ型のインタークーラの強度確認を法規に則って行うことができず、角フランジ型のインタークーラを製造することは実質的に不可能になっている。更には、インタークーラのうちチューブバンドルのみを交換する場合であっても改めてシェルの強度確認が求められる。このため、現在稼働中の角フランジ型のインタークーラにあっては、チューブバンドルを交換してインタークーラの稼働を継続することも実質的に不可能になっている。このようなチューブバンドルの交換の要望も比較的多いため、角フランジ型のインタークーラのシェルを対象とした合理的な強度確認方法を確立することが求められる。

本発明は、角フランジ型のインタークーラのシェルを対象とした合理的な強度確認方法を提供することを目的とする。

本発明のインタークーラの強度確認方法は、円筒形状をなす円筒胴部と、円筒胴部から側方に突出する矩形断面の角筒部を含むガス入出部と、円筒胴部及び角筒部の内部空間で形成され冷却対象のガスを流通させるガス流通路と、を有するシェルを備えたインタークーラのうちシェルの強度を確認する強度確認方法であって、ガス入出部と、円筒胴部に対するガス入出部の付け根部分の近傍と、で構成されるガス入出部関連部位の強度を評価する第１評価工程と、ガス入出部関連部位以外の部位の強度を評価する第２評価工程と、を備え、第１評価工程は、ガス流通路からシェルに所定の水圧を印加する水圧印加工程と、ガス入出部関連部位に設定された所定の測定スポットの、水圧の印加前に対する印加時の変位を測定する変位測定工程と、測定スポットの変位と、所定の基準値との大小比較に基づいてガス入出部関連部位の強度を判断する基準判断工程と、を有する。

この形式のインタークーラのシェルは、ガス入出部と、円筒胴部に対するガス入出部の付け根部分の近傍と、で構成されるガス入出部関連部位を含んでいる。ガス入出部関連部位については強度計算が複雑すぎて計算による強度算出は困難と考えられる。従って、ガス入出部関連部位については、第１評価工程で実際に水圧を印加し、測定スポットの変位を測定することにより、角フランジ型のシェルの合理的な強度の判断を実行することができる。

また、第１評価工程は、ガス流通路からシェルに圧力を印加したときにガス入出部関連部位に発生する変形、応力、及びひずみのうち少なくとも何れか１つの指標量の分布をコンピュータシミュレーションによって取得するシミュレーション工程と、シミュレーション工程で得られた分布に基づいて測定スポットを設定する測定スポット設定工程と、を更に備えてもよい。

この構成によれば、ガス入出部関連部位のうち強度上の弱点になる可能性が高い部位に測定スポットを設定することができる。

変位測定工程では、測定スポット内に含まれる複数の測定点について水圧の印加前に対する印加時の変位を測定してもよい。これにより、評価の正確性を向上することができる。

また、第２評価工程では、強度計算に基づいてガス入出部関連部位以外の部位の強度を評価してもよい。この構成によれば、ガス入出部関連部位の形状の影響がほとんど及ばないと考えられる部位の強度については、例えば、丸フランジ型のシェルについて規定された既知の計算方法に基づいて強度を評価することができる。

本発明によれば、角フランジ型のインタークーラのシェルを対象とした合理的な強度確認方法を提供することができる。

本実施形態の強度確認方法の対象であるインタークーラの一例を示す斜視図である。図１のインタークーラの鉛直断面図である。図１のインタークーラの水平断面図である。水圧印加工程におけるシェルの状態を示す斜視図である。

図面を参照しつつ本発明に係る強度確認方法の実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態の強度確認方法の対象として角フランジ型のインタークーラ１の一例を示す斜視図であり、図２はその鉛直断面を取った断面図であり、図３は水平断面を取った断面図である。インタークーラ１は、例えば、一軸多段圧縮機や一軸多段酸素圧縮機等の、インタークーラ別置き型の圧縮機と一緒に使用されるものである。以下の説明において「上部」、「下部」などの上下の概念を含む語を用いる場合には、図１に示されるインタークーラ１の姿勢における上下に対応させるものとする。

図に示されるように、インタークーラ１は、圧力容器であるシェル３を備えている。シェル３は、上下に延在する円筒形状をなす円筒胴部１０と、円筒胴部１０の外周面上に設けられたガス入出部１３と、を備えている。円筒胴部１０の上部には、当該円筒胴部１０の筒壁が外側に膨らむように屈曲されてなるエキスパンジョン部１２が形成されている。シェル３内部の圧力変動によってシェル３の円筒軸方向への伸縮変形が発生するところ、この伸縮変形がエキスパンジョン部１２で吸収される。

ガス入出部１３は、円筒胴部１０から側方に突出する矩形断面の角筒部１５を有している。更にガス入出部１３は、角筒部１５を補強するために、角筒部１５の周囲に形成された外リブ部１７と、角筒部１５の中空部内に形成された内リブ部１９と、を有している。ガス入出部１３の先端には角型のフランジ１４が設けられている。ガス入出部１３は、当該フランジ１４によって冷却対象であるガスの供給源（例えば、圧縮機）及び冷却後のガスの排出先（例えば、後段の圧縮機、冷凍機用の凝縮機、内燃機関等）に連結される。また、角筒部１５の矩形断面の中空部は、上下に延びる仕切部２１によって、ガス入口流路２３と、ガス出口流路２５とに二分されている。すなわち、図１において、角筒部１５の中空部の右半分がガス入口流路２３であり、左半分がガス出口流路２５である。また、上述の円筒胴部１０の中空部２７内にも、仕切部２１が延びている。

上述の円筒胴部１０の内部空間である中空部２７と、角筒部１５の内部空間であるガス入口流路２３及びガス出口流路２５と、によってガス流通路Ｇが形成される。すなわち、圧縮機（図示せず）で圧縮された高圧のガスが、ガス入口流路２３から導入され、円筒胴部１０の中空部２７を通過し、その後、ガス出口流路２５からガスが排出される。

ガス流通路Ｇを流通するガスを冷却するために、インタークーラ１は、多数のチューブ５を備えるチューブバンドル７を備えている。なお、図では１８本のチューブ５のみが示されているが、更に多数のチューブ５が互いに平行に配置されてもよい。チューブ５は、円筒胴部１０の中空部２７内を上下に延在しており、チューブ５内には冷却水（冷媒）が流通する。例えば、チューブ５のうち、仕切部２１よりもガス入口流路２３側に位置するものは、冷却水が下降する下り用のチューブ５ｂであり、仕切部２１よりもガス出口流路２５側に位置するものは、冷却水が上昇する上り用のチューブ５ａである。チューブ５に接触したガスは、冷却水との熱交換を行い冷却される。なお、チューブ５内には、水に限定されず他の冷媒を流通させてもよい。

更にインタークーラ１は、シェル３の上に設けられチューブ５に連通する冷却水上室９と、シェル３の下に設けられチューブ５に連通する冷却水下室１１とを備えている。冷却水下室１１には、冷却水入口３１と冷却水出口３３とが形成されている。冷却水下室１１は、冷却水入口３１及び上り用のチューブ５ａに連通された第１下室１１ａと、冷却水出口３３及び下り用のチューブ５ｂに連通された第２下室１１ｂとに二分されている。同様に冷却水上室９は、上り用のチューブ５ａに連通された第１上室９ａと、下り用のチューブ５ｂに連通された第２上室９ｂとに二分されており、第１上室９ａと第２上室９ｂとが連通されている。冷却水入口３１から第１下室１１ａ内に導入された冷却水は、上り用のチューブ５ａ内を上昇して第１上室９ａに導入され、第２上室９ｂを経由して下り用のチューブ５ｂ内を下降し、冷却水下室１１内に戻り冷却水出口３３を通じて排出される。ガス流通路Ｇを流通するガスが、チューブ５と接触することにより冷却水との熱交換を行い、その結果、ガスが冷却される。

ガス流通路Ｇには圧縮機（図示せず）からの高圧のガスが導入されるので、インタークーラ１を安全に運用するためには、シェル３の強度を確認する必要がある。以下、図４を参照しながらシェル３の強度確認方法について説明する。図４は、強度確認の対象であるシェル３に対し、冷却水上室９が接続される上端部１０ａと、冷却水下室１１が接続される下端部１０ｂと、ガス入口流路２３及びガス出口流路２５と、を蓋４３で塞ぎ、ガス流通路Ｇを密封空間とした状態を示す。

本実施形態におけるシェル３の強度確認方法は、円筒胴部１０とガス入出部１３とを備えるシェル３についての強度を確認するものであり、ガス入出部関連部位４０の強度を評価する第１評価工程と、ガス入出部関連部位４０以外の部位の強度を評価する第２評価工程と、シェル３の非破壊検査を行う非破壊検査工程を備える。ガス入出部関連部位４０とは、ガス入出部１３と、円筒胴部１０に対するガス入出部１３の付け根部分の近傍の部位４１と、で構成される部位を言う。近傍の部位４１は、ガスの圧力がシェル３に作用したときに、当該圧力による変形挙動がガス入出部１３の形状の影響を受けると考えられる部位であり、図４の例では二点鎖線で囲まれた部位である。例えば、ガス入出部１３の付け根部分から所定の距離以内の範囲を、上記の近傍の部位４１として定義してもよい。またこの場合上記の所定の距離は、例えば、円筒胴部１０の半径の何倍といったように円筒胴部１０の半径に基づいて規定してもよい。

〔第１評価工程〕
ガス入出部関連部位４０の強度を評価する第１評価工程は、以下に説明するシミュレーション工程、測定スポット設定工程、水圧印加工程、変位測定工程、基準判断工程を備える。

（シミュレーション工程）
例えば、有限要素法（ＦＥＭ）等のコンピュータシミュレーションにより、ガス流通路Ｇからシェル３に圧力を印加したときにガス入出部関連部位４０に発生する変形、応力、及びひずみのうち少なくとも何れか１つの指標量の分布を取得する。有限要素法等により上記指標量の分布を取得する方法については周知であるので、更なる説明を省略する。例えば、ここでは、ガス入出部関連部位４０の変形分布、ガス入出部関連部位４０の応力分布、及びガス入出部関連部位４０のひずみ分布が取得されるものとする。

（測定スポット設定工程）
上記シミュレーション工程で得られた分布に基づいて、ガス入出部関連部位４０のうち強度上の弱点になる可能性が高い部位（以下、「弱点候補部位」）を選択し、選択された弱点候補部位を「測定スポット」として設定する。例えば、変形が所定値以上である（以下、「変形条件」）、応力が所定値以上である（以下、「応力条件」）、及びひずみが所定値以上である（以下、「ひずみ条件」）といった条件のすべてを満足する部位が、弱点候補部位として選択されてもよい。または、上記の変形条件、応力条件、及びひずみ条件のうち少なくとも何れか１つを満足する部位が、弱点候補部位として選択されてもよい。

或いは、弱点候補部位を選択する際には、変形条件、応力条件、及びひずみ条件のうち少なくとも１つを含む論理式で表現可能な種々の条件を選択条件としてもよい。例えば、変形条件と応力条件とが両方とも満足される部位が弱点候補部位として選択されてもよく、変形条件と応力条件との少なくとも一方が満足される部位が弱点候補部位として選択されてもよい。また、変形条件が満足される部位が弱点候補部位として選択されてもよく、応力条件が満足される部位が弱点候補部位として選択されてもよく、ひずみ条件が満足される部位が弱点候補部位として選択されてもよい。ここで選択された弱点候補部位が、後述する「測定スポット」となる。測定スポット４４は、例えば、図４に一点鎖線で示されるようにシェル３上に設定される。例えば図４では、測定スポット４４が、円筒胴部１０に対する外リブ部１７の付け根の部分に現れている。

（水圧印加工程）
続いて、ガス流通路Ｇからシェル３に所定の水圧を印加する。具体的には、図１及び図２に示されるインタークーラ１から、冷却水上室９、冷却水下室１１、及びチューブバンドル７を除去してシェル３のみとする。その後、図４に示されるように、シェル３の上端部１０ａと、下端部１０ｂと、ガス入口流路２３及びガス出口流路２５と、を蓋４３で塞ぎ、ガス流通路Ｇを密封空間とする。そして、シェル３の内部空間であるガス流通路Ｇ内に水を導入し、水圧試験用の加圧ポンプ等で所定の水圧をシェル３に印加する。上記の所定の水圧とは、インタークーラ１の仕様に応じて決定される。例えば、上記の所定の水圧は、インタークーラ１の仕様で許容されるガスの最高使用圧力に設定される。

（変位測定工程）
前述の測定スポット設定工程で設定された測定スポット４４について、水圧印加工程による水圧の印加前に対する印加時の変位を測定する。具体的には、例えば、測定スポット４４内に含まれるシェル３の表面上の測定点について、水圧印加前に対する水圧印加時の変位を、ダイヤルゲージ等によって測定する。例えば円筒胴部１０の筒軸を基準位置とし、水圧印加前における基準位置から測定点までの距離と、水圧印加時における基準位置から測定点までの距離と、の差分を上記変位とする。ここでは、測定スポット４４内に含まれる複数の測定点を設定し、当該複数の測定点の変位を測定し、統計処理によって測定スポット４４の変位を取得してもよい。これにより、測定スポット４４の変位の正確性を向上することができる。

（基準判断工程）
変位測定工程で得られた測定スポット４４の変位と、所定の基準値との大小比較に基づいてガス入出部関連部位４０の強度を判断する。例えば具体的には、測定スポット４４の変位が基準値よりも大である場合には、ガス入出部関連部位４０は規定の強度を満足しないものと評価され、測定スポット４４の変位が基準値以下である場合には、ガス入出部関連部位４０は規定の強度を満足するものと評価される。

〔第２評価工程〕
続いて、第２評価工程では、ガス入出部関連部位４０以外の部位の強度を評価する。具体的には、例えば、円筒胴部１０の円筒壁部の強度、エキスパンジョン部１２の強度、円筒胴部１０の軸方向における両端部１０ａ，１０ｂ等の各部位について、強度計算を実行する。これらの部位には、ガス入出部１３の形状の影響がほとんど及ばないと考えられるので、丸フランジ型のシェルに関する強度計算方法をそのまま流用可能である。例えば、上記の強度計算により得られた各部位の強度のすべてが基準値を満足していれば、ガス入出部関連部位４０以外の部位は規定の強度を満足するものと評価される。また、得られた各部位の強度の少なくとも一部が基準値を満足していなければ、ガス入出部関連部位４０以外の部位は規定の強度を満足しないものと評価される。

〔非破壊検査工程〕
続いて、シェル３の非破壊検査を行い、シェル３が規定の強度を満足するか否かが評価される。非破壊検査としては、例えば、浸透探傷試験、磁粉探傷試験等が例として挙げられる。

上述の第１評価工程及び第２評価工程により、ガス入出部関連部位４０とそれ以外の部位とが両方とも規定の強度を満足すると評価され、かつ、非破壊検査工程によりシェル３が規定の強度を満足するとの検査結果が得られた場合には、シェル３が規定の強度を満たすものと確認される。

続いて、本実施形態におけるシェル３の強度確認方法による作用効果について説明する。角フランジ型のシェル３は、複雑な形状をなすガス入出部関連部位４０を含んでおり、当該ガス入出部関連部位４０については強度計算が複雑すぎて困難と考えられる。従って、ガス入出部関連部位４０については、第１評価工程で実際に水圧を印加し、測定スポット４４の変位を測定することにより強度を判断することができる。その一方、ガス入出部関連部位４０以外の部位については、ガス入出部関連部位４０の形状の影響がほとんど及ばないと考えられるので、例えば、丸フランジ型のシェルについて規定された既知の強度計算方法を流用することで、比較的容易に強度を評価することができる。従って、本実施形態の強度確認方法によれば、角フランジ型のシェルの合理的な強度確認を実行することができる。

また、第１評価工程においては、シミュレーション工程と測定スポット設定工程とによって、ガス入出部関連部位のうち強度上の弱点になる可能性が高い弱点候補部位に測定スポットを設定することができ、より合理的な強度確認を実行することができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。例えば、実施形態に係る強度確認方法の第１評価工程に含まれる一部又は全部の工程や、第２評価工程に含まれる一部又は全部の工程や、非破壊検査工程に含まれる一部又は全部の工程を適宜省略してもよい。例えば、第１評価工程におけるシミュレーション工程と測定スポット設定工程とを省略し、他の方法で測定スポットを決定してもよい。

また、実施形態では、ガス入出部１３は、円筒胴部１０にガスを導入するガス入口流路２３と、円筒胴部１０からガスを導出するガス出口流路２５と、を両方とも備えている。この構成に限定されず、本発明の強度確認方法の適用対象であるシェルは、ガス入出部がガス入口流路及びガス出口流路の少なくとも何れか一方を形成するものであればよい。また、本発明の強度確認方法の適用対象であるシェルは、複数のガス入出部（例えば、ガス入口流路を形成するガス入出部及びガス出口流路を形成する別のガス入出部）を有するシェルであってもよい。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

１インタークーラ
３シェル
５チューブ
７チューブバンドル
１０円筒胴部
１３ガス入出部
１５角筒部
４０ガス入出部関連部位
Ｇガス流通路

Claims

円筒形状をなす円筒胴部と、前記円筒胴部から側方に突出する矩形断面の角筒部を含むガス入出部と、前記円筒胴部及び前記角筒部の内部空間で形成され冷却対象のガスを流通させるガス流通路と、を有するシェルを備えたインタークーラのうち前記シェルの強度を確認する強度確認方法であって、
前記ガス入出部と、前記円筒胴部に対する前記ガス入出部の付け根部分の近傍と、で構成されるガス入出部関連部位の強度を評価する第１評価工程と、
前記ガス入出部関連部位以外の部位の強度を評価する第２評価工程と、を備え、
前記第１評価工程は、
前記ガス流通路から前記シェルに所定の水圧を印加する水圧印加工程と、
前記ガス入出部関連部位に設定された所定の測定スポットの、前記水圧の印加前に対する印加時の変位を測定する変位測定工程と、
前記測定スポットの前記変位と、所定の基準値との大小比較に基づいて前記ガス入出部関連部位の強度を判断する基準判断工程と、を有する強度確認方法。
前記第１評価工程は、
前記ガス流通路から前記シェルに圧力を印加したときに前記ガス入出部関連部位に発生する変形、応力、及びひずみのうち少なくとも何れか１つの指標量の分布をコンピュータシミュレーションによって取得するシミュレーション工程と、
前記シミュレーション工程で得られた前記分布に基づいて前記測定スポットを設定する測定スポット設定工程と、を更に備える請求項１に記載の強度確認方法。
前記変位測定工程では、前記測定スポット内に含まれる複数の測定点について前記水圧の印加前に対する印加時の前記変位を測定する、請求項１又は２に記載の強度確認方法。
前記第２評価工程では、
強度計算に基づいて前記ガス入出部関連部位以外の部位の強度を評価する、請求項１〜３の何れか１項に記載の強度確認方法。