JP2017536515A - 高温、高圧過渡時および周期的荷重下の異種管継手 - Google Patents

高温、高圧過渡時および周期的荷重下の異種管継手 Download PDF

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Abstract

第1の管部(30)および第2の管部(31)、ならびに第1の管部と第2の管部との間の異種管継手を備え、第1および第2の連続的な管部(30、31)が、異なる材料挙動および特性をそれぞれ有する第1および第2の金属材料(M5、M6)で作られている異種管継手装置(28)が説明される。異種管継手(28)が結合継手(F1、F2)であり、第1の金属材料(M5)で作られた第1の管部(30)の一端に第1の金属材料(M5)で作られた第1のカップリング(F1)が提供され、第2の金属材料(M6)で作られた第2の管部(31)の一端に第2の金属材料(M6)で作られた第2のカップリング(F2)が提供され、第1のカップリング(F1)と第2のカップリング(F2)とが一緒にボルト留めされ、それによって第1のカップリング(F1)の前面(42)と第2のカップリング(F2)の前面(42)との間の直接の金属接触により第1のシールが確立されることで、寿命の改善および適用性の拡大が達成される。【選択図】図3

Description

本発明は、異なる材料の部分を含む配管の技術に関する。具体的には、請求項1の前提部分に記載の異種管継手を指す。
高温、高圧荷重、高サイクル、高過渡ならびに外力およびモーメントに曝されている接合部において、金属学的挙動が異なり、この文脈において「異種金属」と呼ばれる異なる金属/合金の使用は、応力の問題およびこのような接合部の短寿命をもたらす可能性がある。
当業界における現在のコードおよび規格/文献は、そのような接合部の挙動および安全性についてはあまり有益ではなく、危険な状況も多い。
図1は、コンバインドサイクル発電プラント(CCPP)10の基本的なスキームを示す。図1のコンバインドサイクル発電プラント10は、熱回収蒸気発生器(HRSG)19を介して水/蒸気サイクル12に連結したガスタービン11を備える。
ガスタービン11は圧縮機14を備え、空気入口13から吸気して圧縮空気を燃焼器15に送達し、圧縮空気はそこで燃料16の燃焼によって高温ガスを発生させるために使用される。高温ガスはタービン17を駆動し、タービン17の排ガス18は、熱回収蒸気発生器19を通過して、最終的に煙道ガス20として排出される。
熱回収蒸気発生器19は、蒸気タービン21用の蒸気を発生させる。さらに、熱回収蒸気発生器19からの水は空気冷却器22に供給され、冷却を目的にタービンに供給される圧縮機14からの圧縮空気を冷却するために使用される。水が水入口管24を通って供給される一方、発生した蒸気は、蒸気出口管23を介して熱回収蒸気発生器19に流れ戻る。
コンバインドサイクル発電プラントのさらに詳細な図は、例えば、米国特許第6018942号明細書に示されている。
ガスタービン11の高圧空気冷却器22は、通常、タービン17の高温ガス通路部分に流入する高温腐食生成物を回避するためにオーステナイト系ステンレス鋼で作られる必要がある。同時に、冷却器22が連結されているプラントの残りの水/蒸気側は、フェライト鋼で作られる。冷却器22の蒸気出口管23における溶接連結は、上述した種類の異種金属の継手または溶接であり、従って、短寿命となる。
この状況を図2にさらに詳細に示す。蒸気出口管23は、3つの異なる、または異種の材料M1、M2、M3で作られた管部が相互に連結された特殊な異種管継手25で空気冷却器22に連結される。レベル検知ライン27を備える管部の材料M1は、例えばステンレス鋼であり、M2は、例えばニッケル合金であり、M3は、例えばマルテンサイトフェライト鋼である。材料M1で作られた管部と材料M2で作られた管部との間の接合部はそれほどクリティカルではないが、材料M2で作られた管部と材料M3で作られた管部との間の溶接シーム26は、異種金属材料M2とM3との接合部で必要な異材溶接シームである。
このような異種金属連結部の早期故障を引き起こす主な要因の1つは、プラント起動時の管の壁における非常に高い温度勾配である。
米国特許出願公開第2007/007767号明細書
本発明の目的は、異種金属材料間の異種管継手に関して説明した問題を回避することである。
本発明の別の目的は、現場で施工される異材溶接シームのない、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。
本発明の別の目的は、クリープ、疲労およびそれらの相互作用を考慮して長寿命化を達成し、メンテナンス作業の軽減をもたらす、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。
本発明の別の目的は、配管設計およびサポートコンセプトの大幅な変更を必要とせず、従って既存のサービスフリートにとって有益である、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。
本発明の別の目的は、重量の影響が少なく、従って、死荷重、力およびモーメントのような外部荷重、拘束された熱膨張、風および地震による荷重に曝された、動作中のシステムである既存の配管の大規模な変更を必要としない、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。
これらおよび他の目的は、請求項1に記載の異種管継手によって達成される。
本発明による異種管継手装置は、第1の管部および第2の管部、ならびに第1の管部と第2の管部との間の異種管継手を備え、第1および第2の管部は、異なる材料挙動および特性をそれぞれ有する第1および第2の金属材料で作られている。管部は、例えば、高圧、高温、高サイクル、高クリープならびに外力およびモーメントといった境界条件下にある配管、特にコンバインドサイクル発電プラント(CCPP)における配管の一部とすることができる。
管継手は結合継手であり、第1の金属材料で作られた第1の管部の一端に第1の金属材料で作られた第1のカップリングが提供され、第2の金属材料で作られた第2の管部の一端に第2の金属材料で作られた第2のカップリングが提供され、第1のカップリングと第2のカップリングとが(例えばボルトとナットによって)一緒にボルト留めされ、それによって第1のカップリングの前面と第2のカップリングの前面との間で直接の金属接触により第1のシールが確立されることを特徴とする。
本発明の実施形態によれば、第1および第2のカップリングは、それぞれの管部に溶接される。
本発明の別の実施形態によれば、カップリングの前面は、わずかに円錐形である。
具体的には、カップリングの前面は、178°〜179.9°の範囲の開口角を有する円錐形である。
本発明の別の実施形態によれば、第1の材料はNi系合金であり、第2の材料はフェライト/マルテンサイト合金である。
本発明の別の実施形態によれば、第1の管部は、第1のカップリングとは反対側の端部で、第1および第2の金属材料とは異なる第3の金属材料で作られた第3の管部に溶接される。
本発明のさらに別の実施形態によれば、第1および第2のカップリングは、その前面がわずかに円錐形で、それぞれが中央孔を有し、第1のシールがカップリングの中央孔に隣接して確立され、第2のシールが提供されて第1のシールを取り囲み、第1のシールが破損した場合に異種管継手を気密に保持する。
具体的には、第2のシールは、カップリングの前面のライニング溝によって作られている環状空間に配置された金属製シールリングを備える。ライニング溝は、第1および第2のカップリングが相互に取り付けられると相互に隣接する。
本発明の別の実施形態によれば、第1および第2のカップリングは、標準的なASME B16.5カップリングの外形寸法よりも実質的に小さい外形寸法を有する。
本発明の別の実施形態によれば、上述の異種管継手装置を有するコンバインドサイクル発電プラントが提供される。
具体的には、第1および第2の管部が、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンの空気冷却器とコンバインドサイクル発電プラントの熱回収蒸気発生器とを連結する。
次に、さまざまな実施形態によって、および添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
コンバインドサイクル発電プラントCCPPの簡略化したスキーム図である。 クリティカルな異材溶接シームを備える、空気冷却器と熱回収蒸気発生器HRSGとの間の例示的な従来技術による管連結部の図である。 本発明による異種管結合継手の実施形態の図である。 本発明の実施形態によるカップリングのサイズと、ASME規格による同一内径を有するカップリングのサイズとの比較図である。 本発明の実施形態によるわずかに円錐形の前面を有するカップリングの詳細図である。 本発明の実施形態による、複数のシールを有する結合継手の縦断面図である。
好ましくはコンバインドサイクル発電プラントで使用される配管における、ステンレス鋼管部とフェライト鋼管部との連結部の課題は以下の通りである。
・CTE(熱膨張係数)不一致の最適化
・操作圧力および温度定格の達成
・プラント起動時の急激な過渡状態
・クリープ、疲労およびその相互作用の考慮
・寿命および許容サイクル数
・寿命到達までメンテナンス不要であり、操業体制に干渉しないこと
・現場施工による異材溶接シームがないこと
・外力およびモーメント
・既存装置の現場置換が容易であること
・ASMEおよびPEDの認証取得
本発明によれば、異種金属結合継手は、関与する材料のさまざまな機械的特性をそれ自体が考慮されており、異なる材料挙動および特性を有する結合面間のクリティカルな材料移行を提供するために使用され、材料の融合(異材溶接シーム)を必要とせず、高圧、高温、高サイクル、高クリープならびに外力およびモーメントといった境界条件の組み合わせを考慮しても、必要な寿命を達成することができる。
図3は、本発明による異種管結合継手28の実施形態を示す。材料(金属)M4で作られた第1の管部29は、材料(金属)M5で作られた第2の管部30に、それほどクリティカルではない(材料30はカップリングの不可欠な部分である)溶接シーム32によって連結される。第2の管部30および第3の材料(金属)M6で作られた第3の管部31は、カップリングF1およびF2を備える結合継手によって連結される。カップリングF1は、第2の管部30と同一の材料、すなわち材料M5で作られる。カップリングF2は、第3の管部31と同一の材料、すなわちM6で作られる。カップリングF1およびF2は、適切なボルト33およびナット34によって連結される。
結合継手F1、F2は、材料M5から材料M6への直接の材料移行となる。
異種管継手28における材料M5およびM6のこの配置によって、現場では同種金属の溶接作業のみを必要とする(異材溶接シームの現場施工は不要である)。異なる熱膨張率の最適化は、材料M5および材料M6の適切な選択によって行われる。
カップリングF1およびF2の外形寸法は、ASME B16.5規格に準拠した標準的なカップリングの寸法から実質的に逸脱する可能性がある。図4は、ASME B16.5規格に準拠した溶接ネック付きカップリング35の外形寸法と本発明の実施形態による同一内径を有する(小型)カップリング36の外形寸法との比較を示す。図4からわかるように、カップリング36の全体の高さh2は、ASME規格カップリング35の全体の高さの半分に満たない。カップリング36の結合部の高さh1は、ASME規格カップリング35の結合部の高さの約半分である。カップリング36の外径dは、ASME規格カップリング35の外径の約2/3である。
従って、小型カップリング36は、従来の(標準的)溶接ネックカップリング35と比較して約60%の材料体積しか有さない。
カップリングF1およびF2の材料体積におけるこの減少は、さまざまな利点を提供する。
・過渡時の熱応力挙動の改善
・軽量化
・配管サポートシステムにおける影響を無視可能→サポートコンセプトの変更不要
他の利点は、カップリングF1およびF2の前面に関する具体的な設計に関する。図5によれば、カップリングF1およびF2は、わずかに円錐形の前面42を有し、その円錐度またはテーパは、2つの異なる角度αおよび角度βによって画定される。角度βは、前面42の主要部(円形の溝40の内側)の円錐度を画定し、角度αは、連結孔37および円形の溝40外側の周縁部の円錐度に関連する。角度αおよびβは、それぞれθ=180°−2αまたはθ=180°−2βの式によって円錐形の前面42の開口角θに関連する。
0.05°〜0.75°の範囲の角度αおよび0.08°〜1.00°の範囲の角度βによって、開口角θは178°〜179.9°の範囲と言うことができる。さらに、カップリングF1、F2の背面も、0.04°〜0.8°の範囲の角度γによる円錐度(179.92°〜178.4°の開口角)を有する。
角度αおよびβによる2段階2角度設計は、継手の最適寿命をもたらす。主前面の角度βによる円錐度は、カップリングF1、F2の内側の孔38(ヒール部)における接触圧力を画定する(図6のシールS1参照)。
最適化されたボルトの予張力による結合面の弾性変形は、外径において円錐の角度αにより両面を密着させる(図6のシールS3参照)。
いかなる場合においても、フェライト系カップリング材料(材料M6)とNi系カップリング材料M5との膨張の差によるせん断力を考慮しなければならない(CTE不一致の最適化)。
図6では、本発明の実施形態による異種管結合継手が、連結された状態で、縦断面で示される。カップリングF1およびF2は連結孔37(図4)を貫通するボルト33およびナット34によって連結される。
小型カップリングF1、F2は、ボルトの予張力に直接影響する圧縮されたソフトガスケットを有さない。カップリングF1およびF2の前面42における金属対金属の接触によって、所定の面圧が確立される。従って、ボルトの予張力低下は、金属の挙動によってのみ促進され得るのであり、ガスケットの圧縮力低下によることはない。
図6に示すように、小型カップリングの設計は、カップリングF1、F2の中央孔38に隣接する第1の金属面対金属面のシールS1(ヒール部)を有する2つの主要シール領域を含む。第2のシールS2は、第1のシールS1を取り囲む。第2のシールS2は、各カップリングF1、F2の前面において対向するライニング溝39によって作られた中空の環状空間41aを備える。金属製シールリング41は、環状空間41aに挿入され、カップリングF1、F2が連結されると半径方向に圧縮される。
外側の第2のシールS2は、内側の第1のシールS1(ヒール領域)が開いたときにのみ作動し、1つの主要なシールのみではなく二重のシールをもたらす。第2のシールS2の金属製シールリングは、自己励起される。ガスケットは、ボルトの力のみによって圧縮される。第3のシールS3は、環境シールとして機能する。
本発明による管移行の独自の特徴およびそのさまざまな実施形態は、以下のように要約することができる。
・異種金属結合継手(F1、F2)は、関与する材料のさまざまな機械的特性をそれ自体が考慮されており、異なる材料挙動および特性を有する結合面42間のクリティカルな材料移行を提供するために使用され、材料の融合(異材溶接シーム)を必要とせず、高圧、高温、高サイクル、高クリープならびに外力およびモーメントといった境界条件の組み合わせを考慮しても、必要な寿命を達成することができる。
・関与する材料のCTE(熱膨張係数)不一致は、一方の側の所定の境界条件をカバーし、CTEの差を可能な限り最小とする材料選択によって最適化される。
・一実施形態は、結合面の角度αおよびβ、ならびにプレストレスの設計を含み、結合システム全体のクリープおよび疲労の挙動を制御して寿命および荷重サイクルの目標値を達成するように最適化される。
・ボルト33の数および径は、外力およびモーメントによるクリープ、疲労、応力を考慮して最適化される。ボルトの荷重は、操業中に予想される予張力の大幅な低下を考慮し、継手28の結合を保持するために、非常に高い予張力(120〜160kNの範囲)を有する。ボルトの荷重は、特殊な油圧ツールにより、張力のみを得て、ねじりによる付加的な応力が発生しないように適用される。
・一次シールS1および二次シールS2による二重シールは、本カップリング設計の典型的特徴として使用される。一次シールS1については、所与の荷重サイクルおよび寿命を達成するために、機械的完全性の計算を使用し、システム全体に適切なプレストレスをかけることによって局所的な応力、クリープ、疲労の挙動を制御する。このようにして、一次シールS1は、意図された寿命後も、十分な接触を保持する。二次シールS2の機能は、意図された寿命到達時にも必要とされない。二次シールS2は、流体および圧力との接触はほとんど見られないが、漏れに対する付加的な安全手段とみなされる。一次シールS1が十分な接触圧力を失った場合でも、二次シールS2が完全な気密機能を代替することができる。これにより漏れのない設計となり、EHSに100%適合する。
本発明による解決法の利点は以下の通りである。
・異材溶接シームの現場施工を不要とする。
・クリープ、疲労およびその相互作用を考慮した長寿命化を達成する。関与するコンポーネントは、延長された運用期間(最長50,000EOH)用に設計される。これらのコンポーネントは、運用期間中に操業を妨げるメンテナンスを必要としない。それにより、メンテナンス作業が軽減する。
・漏れを二重シールすることにより、一次シールが十分な接触圧力を失った場合でも、二次シールが完全な気密機能を代替可能とする。
・配管設計およびサポートコンセプトの大規模な変更を見込まず、既存のサービスフリートにとって有益である。
・新規のカップリングのコンセプトは重量の影響が少なく、カップリングの設置には、死荷重、力およびモーメントのような外的荷重、拘束された熱膨張、風および地震による荷重に曝された、作動中のシステムである現行配管の大規模な変更を必要としないことを意味する。
10 コンバインドサイクル発電プラント(CCPP)
11 ガスタービン(GT)
12 水/蒸気サイクル
13 空気入口
14 圧縮機
15 燃焼器
16 燃料
17 タービン
18 排ガス
19 熱回収蒸気発生器(HRSG)
20 煙道ガス
21 蒸気タービン
22 高圧空気冷却器(例えばOTC)
23 蒸気出口管
24 水入口管
25、28 異種管継手
26、32 溶接シーム
27 レベル検知ライン
29 第1の管部
30 第2の管部、材料
31 第3の管部
33 ボルト
34 ナット
35 溶接ネック付きカップリング(ASMEに準拠)
36 小型カップリング(本発明の実施形態による)
37 連結孔
38 中央孔
39 ライニング溝
40 溝
41 金属製シールリング
41a 環状空間
42 前面、結合面
d (外側の)直径
F1、F2 カップリング、結合継手
h1、h2 高さ
M1−M6 材料
S1 第1のシール、一次シール
S2 第2のシール、二次シール
S3 第3のシール
α、β、γ 角度
θ 開口角
A、B 距離

Claims (13)

  1. 異なる材料挙動および特性をそれぞれ有する第1および第2の金属材料(M5、M6)で作られている第1の管部(30)および第2の管部(31)、ならびに前記第1の管部(30)と前記第2の管部(31)との間の異種管継手(28)を備え、前記異種管継手(28)が結合継手(F1、F2)であり、前記第1の金属材料(M5)で作られた前記第1の管部(30)の一端に前記第1の金属材料(M5)で作られた第1のカップリング(F1)が提供され、前記第2の金属材料(M6)で作られた前記第2の管部(31)の一端に前記第2の金属材料(M6)で作られた第2のカップリング(F2)が提供され、前記第1のカップリング(F1)と前記第2のカップリング(F2)とが一緒にボルト留めされ、それによって前記第1のカップリング(F1)の前面(42)と前記第2のカップリング(F2)の前面(42)との間で直接の金属接触により第1のシール(S1)が確立されることを特徴とする、異種管継手装置(28)。
  2. 前記第1および第2のカップリング(F1、F2)がそれぞれの管部(30、31)に溶接されることを特徴とする、請求項1に記載の異種管継手装置(28)。
  3. 前記カップリング(F1、F2)の前記前面(42)がわずかに円錐形であることを特徴とする、請求項1に記載の異種管継手装置(28)。
  4. 前記カップリング(F1、F2)の前記前面(42)が178°〜179.9°の範囲の開口角を有する円錐形であることを特徴とする、請求項3に記載の異種管継手装置(28)。
  5. 前記第1の材料(M5)がNi系合金であり、前記第2の材料(M6)がフェライト/マルテンサイト合金であることを特徴とする、請求項1に記載の異種管継手装置(28)。
  6. 前記第1の材料がAlloy625グレード2であり、前記第2の材料(M6)が合金であることを特徴とする、請求項5に記載の異種管継手装置(28)。
  7. 前記第1の管部(30)が前記第1のカップリング(F1)側とは他方の端で、前記第1および第2の金属材料(M5、M6)とは異なる第3の金属材料(M4)で作られた第3の管部(29)に溶接されることを特徴とする、請求項1に記載の異種管継手装置(28)。
  8. 前記第3の金属材料(M4)が鋼であることを特徴とする、請求項7に記載の異種管継手装置(28)。
  9. 前記第1および第2のカップリング(F1、F2)がそれぞれ中央孔(38)を有し、前記第1のシール(S1)が前記カップリング(F1、F2)の前記中央孔(38)に隣接して確立され、第2のシール(S2)が提供されて前記第1のシール(S1)を取り囲み、前記第1のシール(S1)が破損した場合に前記異種管継手(28)を気密に保持することを特徴とする、請求項3に記載の異種管継手装置(28)。
  10. 前記第2のシール(S2)が、前記カップリング(F1、F2)の前記前面(42)のライニング溝(39)によって作られている環状空間(41a)に配置された金属製シールリング(41)を備えることを特徴とする、請求項9に記載の異種管継手装置(28)。
  11. 前記第1および第2のカップリング(F1、F2;36)が標準的なASME B16.5カップリング(35)の外形寸法よりも実質的に小さい外形寸法を有することを特徴とする、請求項1に記載の異種管継手装置(28)。
  12. 請求項1に記載の異種管継手装置(28)備えるコンバインドサイクル発電プラント(10)。
  13. 前記第1および第2の管部(30、31)が前記コンバインドサイクル発電プラント(10)のガスタービン(11)の空気冷却器(22)と前記コンバインドサイクル発電プラント(10)の熱回収蒸気発生器(19)とを連結することを特徴とする、請求項12に記載のコンバインドサイクル発電プラント(10)。
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