JP2019120387A

JP2019120387A - 連結構造及び連結方法

Info

Publication number: JP2019120387A
Application number: JP2018002483A
Authority: JP
Inventors: 純之下田; Sumiyuki Shimoda; 佑司田頭; Yuji Tagashira; 恭之原田; Yasuyuki Harada
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-22
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: JP6987648B2

Abstract

【課題】締結部材の締め付け力のばらつきを抑制して管体の内部圧力の上昇や温度の上昇があっても適切なシールを維持する。【解決手段】第１フランジ部１０に設けられる第１対向面１１と、第２フランジ部２０に設けられる第２対向面２１と、第１対向面１１の内周側に設けられる凹溝部１２と、第２フランジ部２０に設けられる突起部２２と、凹溝部１２に配置され突起部２２により圧縮変形するシール部３０と、第１対向面１１と第２対向面２１とを接触させる軸力を付与する複数の締結部材４０と、第１フランジ部１０の外周側に設けられる第１外周突部１３と、第２フランジ部２０の外周側に設けられる第２外周突部２３と、を備え、第１外周突部１３及び第２外周突部２３は、第１対向面１１と第２対向面２１との少なくとも一部が接触しかつ複数の締結部材４０の軸力が付与された状態で、所定範囲の隙間ＣＬを空けて配置される連結構造３００を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、第１管体と第２管体とを連結する連結構造及び連結方法に関するものである。

従来、流体等が流通する管部材の端部のフランジ部と他の管部材のフランジ部とをボルト等により連結する連結構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、一方の管部材のフランジ部と他方の管部材のフランジ部との間に流動性シール部材を配置し、流動性シール部材を配置した位置の内周側と外周側に溝及び溝に挿入される溝挿入部を設け、溝と溝挿入部との間に流動性シール部材を行き渡らせることが開示されている。

特開２０１６−１３８６１６号公報

しかしながら、火力発電プラントなどに使用する温度と圧力の高い蒸気などの流体を流通する大型配管に使用するフランジ部においては、大型構造でのシール性能を維持するとともに、配管温度や圧力によりフランジ部の一部に変形につながる応力が生じても、内部流体の漏出を防止する信頼性の高いシール構造が必要である。また、発明者らの経験から、フランジ部を締め付ける締結ボルトにおいてもサイズが５００Ａを超える大型の配管用になると、圧力の高い蒸気などの流体を流通させると、均一に安定なる締め付け力を維持してシール性を維持することが難しい場合があることが判明した。特許文献１に開示される連結構造のようにガラスシール等の流動性シール部材を用いている場合や、金属製の環状シール部材を採用した場合、作業者によってボルトの締め付け力にばらつきがあると、シール部材により適切なシールを行うことができない可能性がある。さらに、管部材の内部を流通する気体等の圧力が上昇して管部材に変形が生じた場合に、シール部材によるシール力が弱まって適切なシールを行うことがでない可能性がある。

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、第１管体の第１フランジ部と第２管体の第２フランジ部とを連結する場合に、作業者による締結部材の締め付け力のばらつきを抑制して、管体の内部圧力の上昇や温度の上昇があっても適切なシールを維持することが可能な連結構造及び連結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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様にかかる連結構造は、第１管体及び第２管体を連結する連結構造であって、前記第１管体は、軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第２管体と連結される端部に第１フランジ部を備え、前記第２管体は、前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第１管体と連結される端部に第２フランジ部を備え、前記第１フランジ部の径方向の第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第１対向面と、前記第２フランジ部の前記第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第２対向面と、前記第１フランジ部の前記第１対応面の前記第１位置の内周側の第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される凹溝部と、前記第２フランジ部の前記第２対向面の前記第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される突起部と、前記軸線回りに円環状に形成されるとともに前記凹溝部に配置され、前記第１対向面と前記第２対向面の少なくとも一部を接触させることにより前記突起部により圧縮変形するシール部と、前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部の前記第１位置の外周側の第３位置に取り付けられるとともに前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部を接触させる軸力を付与する複数の締結部材と、前記第１フランジ部の前記第３位置の外周側の第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第１外周突部と、前記第２フランジ部の前記第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第２外周突部と、を備え、前記第１外周突部及び前記第２外周突部は、前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部が接触しかつ前記複数の締結部材の前記軸力が付与された状態で、前記軸線方向に所定範囲の隙間を空けて配置される。

本発明の一態様にかかる連結構造によれば、第１管体の第１フランジ部と第２管体の第２フランジ部とを複数の締結部材により締結すると、第１フランジ部の第１対向面と第２フランジ部の第２対向面が近接または接触する。締結部材による締結により第１対向面と第２対向面が近づくにつれ、第１フランジ部の凹溝部に配置されるシール部が、第２フランジ部の突起部により圧縮変形し、第１対向面と第２対向面の接触位置の内周側に円環状のシール領域が形成される。第１対向面と第２対向面との少なくとも一部が接触することで、シール部に十分な圧縮変形が発生して停止するため、シール部の軸線回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。よって、作業者による締結部材の締め付け力のばらつきによらずに適切なシールを維持することができる。

本発明の一態様にかかる連結構造によれば、第１フランジ部の締結部材の締結位置よりも外周側の第４位置に第１外周突部が設けられており、第２フランジ部の締結部材の締結位置よりも外周側の第４位置に第２外周突部が設けられている。第１外周突部及び第２外周突部は、第１対向面と第２対向面との少なくとも一部が接触しかつ複数の締結部材の軸力が付与された状態で、軸線方向に所定範囲の隙間を空けて配置される。そのため、第１対向面と第２対向面との少なくとも一部が接触した後に複数の締結部材による軸力を過剰に強めてしまった場合でも、第１外周突部と第２外周突部との軸線方向の隙間が所定範囲よりも小さくなることで締結部材による軸力過剰であることを把握して修正することができる。また、この軸線方向の隙間が所定範囲よりも大きな場合には締結部材による軸力不足であることを把握して、必要に応じて修正することができる。更には締結部材による軸力を更に過剰に強めてしまった場合でも、第１外周突部と第２外周突部と接触することにより、異常な締め付けによる第１フランジ部及び第２フランジ部のこれ以上の過剰な変形を停止することができる。すなわち、第１外周突部と第２外周突部との軸線方向の隙間が所定範囲にあることを外観より把握することで、第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形が防止され、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。

また、第１管体及び第２管体の内部の圧力が上昇することや、温度の上昇により、第１フランジ部の第１対向面及び第２フランジ部の第２対向面の内周側の接触部分の面圧が低下し、第１フランジ部の第１対向面及び第２フランジ部の第２対向面の外周側の接触部分の面圧が上昇するようなフランジ変形を発生させる現象（フランジローテーション）が発生する場合があるが、第１外周突部と第２外周突部とが接触することにより、第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形が防止され、シール部の軸線回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。

本発明の一態様にかかる連結構造において、前記シール部は、前記凹溝部に配置され、前記軸線回りに円環状に形成される第１シール部材と、前記凹溝部に配置され、前記軸線回りに円環状に形成され、前記第１シール部材の外周側または内周側に配置される第２シール部材とを備えていてもよい。
第１シール部材の外周側もしくは内周側に更に第２シール部材が配置されるため、第１シール部材と第２シール部材により二重のシール領域が形成される。そのため、第１シール部材と第２シール部材のいずれか一方に製造時の誤差等により所望のシール力が付与されたシール領域が形成されない場合であっても、他方のシール部材により確実にシール領域を形成することができる。

本発明の一態様にかかる連結構造において、前記第１外周突部は、前記軸線回りの同一径周上の複数位置に設けられており、前記第２外周突部は、前記軸線回りの前記同一径周上の複数位置であって前記第１外周突部に少なくとも一部が対向する位置に設けられていてもよい。
第１外周突部が同一径周上の軸線回りの複数位置に設けられ、第２外周突部が第１外周突部に対向する位置に複数設けられているため、締結部材による締結を過剰に強めてしまった位置が軸線回りの周方向のいずれの領域であっても、いずれかの第１外周突部とそれに対向する第２外周突部とが所定範囲より小さくなることにより、第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形を把握して修正することができる。

さらに、第１外周突部と第２外周突部との周方向での軸線方向の隙間の分布において、軸線方向に所定範囲よりも大きな部分と小さな部分の偏りがあると、複数の締結部材による軸力に分布があることを把握して、必要に応じて締結部材の軸力を修正することができる。すなわち、第１外周突部と第２外周突部との周方向での軸線方向の隙間が所定範囲にあることを外観より把握することで、第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形が防止され、シール部の軸線回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。また、締結部材による締結を過剰に強めてしまった位置が軸線Ｘ回りのいずれであっても、いずれかの第１外周突部とそれに対向する第２外周突部とが接触することにより、これ以上の第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形が防止される。従い、シール部３０の軸線Ｘ回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。

本発明の一態様にかかる連結構造において、前記第１外周突部は、前記軸線回りの同一径周上の位置に連続して設けられており、前記第２外周突部は、前記軸線回りの前記同一径周上の位置に連続して設けられていてもよい。
第１外周突部及び第２外周突部を軸線回りの同一径周上の位置に連続して設ける形状とすることにより、第１外周突部及び第２外周突部の製造時の加工工数を低減しつつ、締結部材による締結を過剰に強めてしまった位置が軸線回りの周方向のいずれの領域であっても、第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形を把握して修正することができる。

本発明の一態様にかかる連結構造は、第１管体及び第２管体を連結する連結構造を用いた連結方法であって、前記第１管体は、軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第２管体と連結される端部に第１フランジ部を備え、前記第２管体は、前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第１管体と連結される端部に第２フランジ部を備え、前記連結構造は、前記第１フランジ部の径方向の第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を有する第１対向面と、前記第２フランジ部の前記第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を有する第２対向面と、前記第１フランジ部の前記第１対向面の前記第１位置の内周側の第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される凹溝部と、前記第２フランジ部の前記第２対向面の前記第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される突起部と、前記軸線回りに円環状に形成されるとともに前記凹溝部に配置され、前記第１対向面と前記第２対向面の少なくとも一部を接触させることにより前記突起部により前記軸線に沿って圧縮変形するシール部と、前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部の前記第１位置の外周側の第３位置に取り付けられるとともに前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部を接触させる軸力を付与する複数の締結部材と、前記第１フランジ部の前記第３位置の外周側の第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第１外周突部と、前記第２フランジ部の前記第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第２外周突部と、を備え、前記第１外周突部及び前記第２外周突部は、前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部が接触しかつ前記複数の締結部材の前記軸力が付与された状態で、前記軸線方向に所定範囲の隙間を空けて配置され、前記シール部を前記凹溝部に配置する工程と、前記第３位置に複数の締結部材を締結して前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部を接触させる軸力を付与する工程と、を備える。

本発明の一態様にかかる連結方法によれば、第１管体の第１フランジ部と第２管体の第２フランジ部とを連結する場合に作業者による締結部材の締め付け力のばらつきや管体の内部圧力の上昇や温度の上昇があっても適切なシールを維持することが可能な連結方法を提供することができる。

本発明によれば、第１管体の第１フランジ部と第２管体の第２フランジ部とを連結する場合に作業者による締結部材の締め付け力のばらつきを抑制し、管体の内部圧力の上昇や温度上昇があっても適切なシールを維持することが可能な連結構造及び連結方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる連結構造を示す縦断面図である。比較例にかかる連結構造を示す縦断面図である。本発明の第２実施形態にかかる連結構造を示す縦断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態にかかる連結構造３００ついて、図面を参照して説明する。
本実施形態の連結構造３００は、第１管体１００及び第２管体２００を、内部を流通する蒸気等の流体が外部へ漏出しないように連結するための構造である。
本実施形態の連結構造３００は、例えば、火力発電プラントの蒸気タービン（図示略）では、蒸気タービンの高圧段で仕事をした蒸気を再熱器（図示略）へ導く再熱蒸気管（図示略）に配置されるフリーブロー用管体の連結などに用いられる。フリーブロー用管体は、再熱蒸気系統に存在する異物を系統外へ排出するための管体であり、タービン入口の主蒸気に比べると温度と圧力は相対的に低いものの、温度と圧力は高い状態の蒸気であり、メンテナンス時に分解可能なようにフランジ連結接合部を設けた大口径（例えば５００Ａから１０００Ａ）の蒸気配管である。

図１に示すように、連結構造３００により第２管体２００と連結される第１管体１００は、管体の長手方向の軸線Ｘに沿って筒状に延びるとともに第２管体２００と連結される端部に第１フランジ部１０を有する。また、連結構造３００により第１管体１００と連結される第２管体２００は、軸線Ｘに沿って筒状に延びるとともに第１管体１００と連結される端部に第２フランジ部２０を有する。第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０は、それぞれ第１管体１００及び第２管体２００と接続して一体に形成されており、金属材料（例えば、炭素鋼（ＳＦ４９０），低クロム鋼など）により形成されている。

第１フランジ部１０および第２フランジ部２０は、図１に示すように軸線Ｘに対する外周へ向かう径方向で順に、第２位置Ａ２，第１位置Ａ１，第３位置Ａ３，第４位置Ａ４が設定されている。連結構造３００は、第１フランジ部１０の軸線Ｘに対する径方向の第１位置Ａ１に設けられるとともに軸線Ｘに直交する平面に沿った平坦形状を有する第１対向面１１と、第２フランジ部２０の第１位置Ａ１に設けられるとともに軸線Ｘに直交する平面に沿った平坦形状を有する第２対向面２１と、を備える。図１に示すように、第１対向面１１及び第２対向面２１は、径方向の同じ位置（第１位置Ａ１）に配置されるため、後述する締結部材４０による軸力を第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０に付与すると、少なくとも一部が互いに接触してメタルタッチした状態となる。

連結構造３００は、第１フランジ部１０の第１対向面１１の第２位置Ａ２の内周側の第２位置Ａ２に設けられるとともに軸線Ｘ回りに円環状に形成される凹溝部１２と、第２フランジ部２０の第２対向面２１の第２位置Ａ２に設けられるとともに軸線Ｘ回りに円環状に形成される突起部２２と、を有する。

連結構造３００は、軸線Ｘ回りに円環状に形成されるとともに凹溝部１２に配置されるシール部３０を備える。シール部３０は、凹溝部１２に配置された状態で締結部材４０を締結して締結部材４０の軸力を増加させ、第１対向面１１と第２対向面２１の少なくとも一部を接触させることにより突起部２２により軸線Ｘに沿って圧縮変形して、所望の密着状態とすることができる。なお、第１対向面１１と第２対向面２１との少なくとも一部が接触した場合、締結部材４０の軸力を増加させることで第１対向面１１と第２対向面２１との接触する範囲が増加しても、第１対向面１１の凹溝部１２の深さに対する第２対向面２１の突起部２２の高さの関係は、シール部３０が必要以上に圧縮変形することがないように設定されている。シール部３０としては、例えば、耐熱性と耐薬品性に優れた膨張黒鉛材をシート状に形成したガスケットなどを用いることができる。

連結構造３００は、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の第１位置Ａ１の外周側の第３位置Ａ３に取り付けられるとともに第１対向面１１と第２対向面２１とを接触させる軸力を付与する複数の締結部材４０を有する。締結部材４０は、例えば先端部に雄ねじが形成された締結ボルト４１と、締結ボルト４１の雄ねじに締結される雌ねじが形成された締結ナット４２と、を備える。締結ボルト４１の軸部は、第１フランジ部１０に形成された第１貫通穴１４と第２フランジ部２０に形成された第２貫通穴２４とに挿入され、締結ナット４２と締結される。締結部材４０は、上記形状に限定されるものでなく、例えば両端に雄ねじがある通しボルトを用いて両端側から締結ナットで締め付けてもよい。また、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０のいずれか一方に雌ねじが形成され、他方側のフランジ部から締結ボルトで締め付けてもよい。

連結構造３００は、第１フランジ部１０の第３位置Ａ３の外周側の第４位置Ａ４に設けられるとともに軸線Ｘに直交する平面に沿った平坦形状を有する第１外周突部１３と、第２フランジ部２０の第４位置Ａ４に設けられるとともに軸線Ｘに直交する平面に沿った平坦形状を有する第２外周突部２３と、を備える。第１外周突部１３及び第２外周突部２３は、第１対向面１１と第２対向面２１との少なくとも一部が接触しかつ複数の締結部材４０の軸力が付与された状態で、軸線方向に所定範囲の隙間ＣＬを空けて配置される。

第１外周突部１３は、軸線Ｘ回りの周方向に所定の幅を持って形成されており、軸線Ｘ回りに等間隔の角度を隔てて複数位置に設けられている（例えば、４５度間隔で８箇所）。同様に、第２外周突部２３は、軸線Ｘ回りの周方向に所定の幅を持って形成されており、軸線Ｘ回りに等間隔の角度を隔てて複数位置に設けられている（例えば、４５度間隔で８箇所）。第２外周突部２３は、軸線Ｘ回りの複数位置であって第１外周突部１３に少なくとも一部が相互に対向する位置にそれぞれ設けられている。

第１外周突部１３と第２外周突部２３との間の軸線Ｘ方向の隙間ＣＬは、複数の締結部材４０による軸力を過剰に強めてしまった場合に互いに接触して隙間ＣＬがゼロになり、それ以上に締結部材４０による軸力が過剰にならないようにするように予め設定された隙間である。また、隙間ＣＬが所定範囲より小さい場合は、締結部材４０による軸力が大きい場合であることを把握することができて、締結部材４０による軸力を低減するよう修正することができる。隙間ＣＬが所定範囲より大きい場合は、締結部材４０による軸力が少ない場合であることを把握することができて、締結部材４０による軸力を増加するよう修正することができる。

さらに、第１外周突部１３と第２外周突部２３との周方向での、軸線Ｘ方向の隙間ＣＬの分布において、軸線Ｘ方向に所定範囲よりも大きな部分と小さな部分の偏りがあると、複数の締結部材４０による軸力に分布があることを把握して修正することができる。すなわち、第１外周突部１３と第２外周突部２３との周方向での軸線Ｘ方向の隙間ＣＬが所定範囲にあることを外観より把握することで、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の均一で適正な締め付け状態に調整することが出来て、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。

隙間ＣＬの所定範囲としては、例えば、０．４ｍｍ〜１．０ｍｍとすることができる。更に好ましくは、０．６ｍｍ〜０．８ｍｍとすることができる。隙間ＣＬが０．４〜０．６ｍｍより小さいと目視で隙間の存在を認識し難しくなる。隙間ＣＬが０．８〜１．０ｍｍより大きいと目視で隙間の大小の差を認識し難くなる。また、隙間ＣＬが１．０ｍｍより大きいと隙間ＣＬがゼロまで締結部材４０で締め込んだ際に、締結部材４０の軸力が過剰になり第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０に大きな変形を発生させて、所望のシール力を与えることが難しくなる。隙間ＣＬの所定範囲は、所定範囲にあることを外観より目視で把握することが可能とする範囲が好ましい。

隙間ＣＬを設けることにより、複数の締結部材４０による軸力を過剰に強めてしまった場合であっても、第１外周突部１３と第２外周突部２３とが接触して隙間ＣＬがゼロになり、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０のこれ以上の過剰な変形が防止される。周方向での軸線Ｘ方向の隙間ＣＬが所定範囲にあることを外観より把握することで、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の均一で適正な締め付け状態に管理することが出来て、シール部３０の軸線Ｘ回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。なお、第１外周突部１３と第２外周突部２３は、軸線Ｘ回りの全ての円環状領域での隙間ＣＬを外観より目視で把握することが一層に容易になるように、軸線Ｘ回りの周方向に所定の幅で等間隔の角度を隔てて複数位置に形成されているが、軸線Ｘ回りの同一径周上の位置に連続して設ける形状としてもよく、加工数を低減可能とし、ほぼ同様な効果を得ることができる。

第１外周突部１３と第２外周突部２３との間の隙間ＣＬは、フランジローテーションに対しても、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の過剰な変形を防止することができる。ここで、フランジローテーションとは、第１管体１００及び第２管体２００の内部の圧力が上昇することや温度が上昇することにより、第１フランジ部１０の第１対向面１１及び第２フランジ部２０の第２対向面２１の内周側の接触面圧が低下し、第１フランジ部１０の第１対向面１１及び第２フランジ部２０の第２対向面２１の外周側の接触面圧が上昇するようなフランジ変形を発生させる現象をいう。

図１に示すように、複数の締結部材４０を締結して第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０に軸力を付与することにより、第１フランジ部１０の第１対向面１１側は、内周側の第２位置Ａ２において、シール部３０に対して接触面圧Ｆ１１を付与する。また、第１フランジ部１０の第１対向面１１側は、外周側の第１位置Ａ１において、第２対向面２１に対して接触面圧Ｆ１２を付与する。同様に、第２フランジ部２０の第２対向面２１側は、内周側の第２位置Ａ２において、シール部３０に対して接触面圧Ｆ２１を付与する。また、第２フランジ部２０の第２対向面２１側は、外周側の第１位置Ａ１において、第１対向面１１に対して接触面圧Ｆ２２を付与する。

図１に示すように、第１管体１００の内周面には内部の圧力Ｐが作用しており、圧力Ｐが所定圧力以上となると、第１管体１００にＲ１１及びＲ１２で示す方向に向けて回転する力が作用する。第１管体１００にＲ１１及びＲ１２で示す方向に向けた力が作用すると、内周側の第２位置Ａ２における接触面圧Ｆ１１が低下するとともに外周側の第１位置Ａ１における接触面圧Ｆ１２が増加する。

同様に、第２管体２００の内周面には内部の圧力Ｐが作用しており、圧力Ｐが所定圧力以上となると、第２管体２００にＲ２１及びＲ２２で示す方向に向けて回転する力が作用する。第２管体２００にＲ２１及びＲ２２で示す方向に向けた力が作用すると、内周側の第２位置Ａ２における接触面圧Ｆ２１が低下するとともに外周側の第１位置Ａ１における接触面圧Ｆ２２が増加する。

以上のように、フランジローテーションが発生すると、内周側の第２位置Ａ２における接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１が低下し、外周側の第１位置Ａ１における接触面圧Ｆ１２が上昇することで接触面圧に勾配が生じて軸力が変化する。内周側の第２位置Ａ２における接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１が低下すると、シール部３０によるシール力が低下してしまう。そこで、本実施形態では、第１外周突部１３及び第２外周突部２３を設けることにより、第１管体１００にＲ１１及びＲ１２で示す方向に向けて回転する力が過剰に作用し、かつ第２管体２００にＲ２１及びＲ２２で示す方向に向けて回転する力が過剰に作用して、シール部３０によるシール力が低下する前に、第１外周突部１３及び第２外周突部２３を接触させるようにしている。第１外周突部１３と第２外周突部２３とが接触することにより、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の過剰な変形が防止され、内周側の第２位置Ａ２における接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１の低下が抑制される。

第１管体１００と第２管体２００を連結構造３００で連結する連結方法は、以下の手順である。
第１に、シール部３０を第１フランジ部１０の凹溝部１２に配置する。
第２に、第１管体１００に第２管体２００を近接させ、第２フランジ部２０の突起部２２がシール部３０に接触した状態とする。
第３に、第１フランジ部１０に形成された第１貫通穴１４と第２フランジ部２０に形成された第２貫通穴２４とに締結ボルト４１の軸部を挿入し、締結ナット４２と締結する。これにより、複数の締結部材４０を締結して第１対向面１１と第２対向面２１との少なくとも一部を接触させる軸力を付与する。
第４に、第１外周突部１３と第２外周突部２３との周方向での、軸線Ｘ方向の隙間ＣＬが所定範囲にあることを外観より把握し、必要に応じて複数の締結部材４０の締め付け状態を調整する。
以上の工程により、第１管体１００と第２管体２００とが連結構造３００により連結される。

次に、本実施形態にかかる連結構造３００と、比較例にかかる連結構造３００Ａとを対比して説明する。図２は、比較例にかかる連結構造３００Ａを示す縦断面図である。
比較例にかかる連結構造３００Ａは、第１フランジ部１０Ａに第１対向面１１が設けられておらず、第２フランジ部２０Ｂに第２対向面２１が設けられていない点で本実施形態の連結構造３００と異なる。また、比較例にかかる連結構造３００Ａは、第１フランジ部１０Ａに凹溝部１２が設けられておらず、第２フランジ部２０Ａに突起部２２が設けられていない点で本実施形態の連結構造３００と異なる。

比較例の連結構造３００Ａにおいて、第１フランジ部１０Ａが第２位置Ａ２においてシール部３０Ａに対して接触面圧Ｆ１を付与し、第２フランジ部２０Ａが第２位置Ａ２においてシール部３０Ａに対して接触面圧Ｆ２を付与するものとする。
また、以下の説明においては、周方向の各位置における接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最大値に対する最小値の割合を面圧保持率と定義する。面圧保持率が１００％に近いほど、周方向の各位置における接触面圧の差が少なく、接触面圧が均一であることを示す。

＜第１比較例＞
本実施形態の連結構造３００と第１比較例の連結構造３００Ａとを、構造上の相違点を除き、他の条件を同じにして、内部を流通する蒸気温度が約３５０℃、蒸気圧力が約４．８ＭＰのときに計測した温度分布と圧力分布を設定し、ＦＥＭ解析を用いたシミュレーション計算により比較を行った。第１比較例の連結構造３００Ａと、それと比較する本実施形態の連結構造３００においては、複数の締結部材４０が均等な軸力を発生するものとする。

この場合、比較例の連結構造３００Ａの接触面圧Ｆ１及び接触面圧Ｆ２の最大値を１．０とすると、接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最小値は０．３であり、面圧保持率は３０％であった。それに対して、本実施形態の連結構造３００の接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１の最大値は０．７であり、接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１の最小値は０．４であり、面圧保持率は５７．１％であった。

比較例の連結構造３００Ａの面圧保持率が低いのは、接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最小値を大きくしないとシール部３０Ａの軸線Ｘ回りの周方向の一部の位置に面圧の低い領域があり、所望のシール性能が得られないため、相対的に接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最大値を過剰に大きくしているからである。
それに対して本実施形態の連結構造３００の面圧保持率が高いのは、第１対向面１１と第２対向面２１とが接触した場合、シール部３０が軸線Ｘ回りの周方向の各位置に均等な面圧のシール領域を形成することができており、また締結部材４０の軸力を増加させてもシール部３０が更に圧縮変形することはなくなるからである。

＜第２比較例＞
本実施形態の連結構造３００と第２比較例の連結構造３００Ａとを、構造上の相違点を除き、他の条件を同じにして比較を行った。ただし、第２比較例の連結構造３００Ａと、それと比較する本実施形態の連結構造３００においては、軸線Ｘよりも紙面上方に配置される締結部材４０が発生する軸力を基準値よりも５％増加させたものとし、軸線Ｘよりも紙面下方に配置される締結部材４０が発生する軸力を基準値よりも５％減少させたものとして、初期からシール部３０、３０Ａの面圧分布にバラツキを発生させたものとする。

この場合、前述した第１比較例の連結構造３００Ａの接触面圧Ｆ１及び接触面圧Ｆ２の最大値を１．０とすると、第２比較例の連結構造３００Ａの接触面圧Ｆ１及び接触面圧Ｆ２の最大値は１．２であり、第２比較例の連結構造３００Ａの接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最小値は０．２であり、面圧保持率は１６．７％であった。それに対して、本実施形態の連結構造３００の接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１の最大値は０．４であり、接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１の最小値は０．２であり、面圧保持率は５０．０％であった。

第２比較例の連結構造３００Ａの面圧保持率が低いのは、締結部材４０が発生する軸力にばらつきがあるため、接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最大値と接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最小値に大きな差が発生したからである。
それに対して本実施形態の連結構造３００の面圧保持率が高いのは、第１対向面１１と第２対向面２１の少なくとも一部が接触することにより、締結部材４０が発生する軸力にばらつきがあってもシール部３０の圧縮変形に大きな影響を与えず、シール部３０が軸線Ｘ回りの周方向の各位置に均等な面圧のシール領域を形成することができるからである。

＜第３比較例＞
本実施形態の連結構造３００と第３比較例の連結構造３００Ａとを、構造上の相違点を除き、他の条件を同じにして比較を行った。ただし、第３比較例の連結構造３００Ａと、それと比較する本実施形態の連結構造３００においては、第１管体１００及び第２管体２００の内部の圧力を第１比較例の２倍／４倍にして、初期から管体の内圧が増加した条件とすることで、管体の軸方向スラスト力と曲げモーメントを発生させたものとしている。

この場合、前述した第１比較例の連結構造３００Ａの接触面圧Ｆ１及び接触面圧Ｆ２の最大値を１．０とすると、第２比較例の連結構造３００Ａの接触面圧Ｆ１及び接触面圧Ｆ２の最大値は１．１／１．３であり、第３比較例の連結構造３００Ａの接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最小値は０．３／０．３であり、面圧保持率は２７．３％／２３．７％であった。それに対して、本実施形態の連結構造３００の接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１の最大値は０．４であり、接触面圧Ｆ１１及び接触面圧Ｆ２１の最小値は０．２であり、面圧保持率は５０．０％／５０．０％であった。

第３比較例の連結構造３００Ａの面圧保持率が低いのは、第１管体１００及び第２管体２００の内部の圧力の上昇に伴って接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最大値が増加し、接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最大値と接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最小値に大きな差が発生したからである。
それに対して本実施形態の連結構造３００の面圧保持率が高いのは、第１管体１００及び第２管体２００の内部の圧力の上昇に伴って接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最大値が増加せず、接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最大値と接触面圧Ｆ１および接触面圧Ｆ２の最小値に大きな差が発生しないからである。

以上説明した本実施形態の連結構造３００が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態の連結構造３００によれば、第１管体１００の第１フランジ部１０と第２管体２００の第２フランジ部２０とを複数の締結部材４０により締結すると、第１フランジ部１０の第１対向面１１と第２フランジ部２０の第２対向面２１の少なくとも一部が接触する。締結部材４０による締結により第１対向面１１と第２対向面２１が近づくにつれ、第１フランジ部１０の凹溝部１２に配置されるシール部３０が、第２フランジ部２０の突起部２２により圧縮変形し、第１対向面１１と第２対向面２１の接触位置の内周側に円環状のシール領域が形成される。第１対向面１１と第２対向面２１の少なくとも一部とが接触すると、シール部３０の圧縮変形が停止するため、シール部３０の軸線Ｘ回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。よって、作業者による締結部材４０の締め付け力のばらつきによらずに適切なシールを維持することができる。

本実施形態の連結構造３００によれば、第１フランジ部１０の締結部材４０の締結位置よりも外周側の第４位置Ａ４に第１外周突部１３が設けられており、第２フランジ部２０の締結部材４０の締結位置よりも外周側の第４位置Ａ４に第２外周突部２３が設けられている。第１外周突部１３及び第２外周突部２３は、第１対向面１１と第２対向面２１との少なくとも一部が接触しかつ複数の締結部材４０の軸力が付与された状態で、軸線Ｘ方向に所定範囲の隙間ＣＬを空けて配置される。そのため、第１対向面１１と第２対向面２１との少なくとも一部が接触した後に、第１外周突部１３と第２外周突部２３との軸線Ｘ方向の隙間ＣＬが所定範囲にあることを外観より把握し、必要に応じて締結部材４０の軸力を修正することができる。これにより、第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形が防止され、シール部３０の軸線Ｘ回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。
さらに、複数の締結部材４０による軸力を過剰に強めてしまった場合でも、第１外周突部１３と第２外周突部２３とが接触して隙間ＣＬがゼロになることにより、これ以上の第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の過剰な変形が防止され、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。

また、第１管体１００及び第２管体２００の内部の圧力が上昇することや温度が上昇することにより、第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の内周側の接触面圧が低下し第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の外周側の接触面圧が上昇する現象（フランジローテーション）が発生するが、第１外周突部１３と第２外周突部２３とが接触することにより、これ以上の第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の過剰な変形が防止され、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。

本実施形態の連結構造３００において、第１外周突部１３は、軸線Ｘ回りの同一径周上の複数位置に設けられており、第２外周突部２３は、軸線Ｘ回りの同一径周上の複数位置であって、少なくとも一部が第１外周突部１３に対向する位置に設けられている。
第１外周突部１３が軸線Ｘ回りの複数位置に設けられ、第２外周突部２３が第１外周突部１３に対向する位置に複数設けられているため、軸線Ｘ回りの全ての周方向において、第１外周突部１３と第２外周突部２３との軸線Ｘ方向の隙間ＣＬが所定範囲にあることを外観より把握し、必要に応じて締結部材４０の軸力を修正することができる。これにより、第１フランジ部及び第２フランジ部の過剰な変形が防止され、シール部３０の軸線Ｘ回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。
また、締結部材４０による締結を過剰に強めてしまった位置が軸線Ｘ回りのいずれであっても、いずれかの第１外周突部１３とそれに対向する第２外周突部２３とが接触することにより、これ以上の第１フランジ部１０及び第２フランジ部２０の過剰な変形が防止される。従い、シール部３０の軸線Ｘ回りの全ての円環状領域において、所望のシール力が付与されたシール領域が維持される。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態にかかる連結構造３００Ｂついて、図面を参照して説明する。
本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。本実施形態は、シール部３１が、第１シール部材３２と第２シール部材３３とを有する二重のシール構造である点で第１実施形態と異なる。

図３に示すように、本実施形態のシール部３１は、第１シール部材３２の外周側もしくは内周側に更に第２シール部材３３が配置されるため、第１シール部材３２と第２シール部材３３により二重のシール領域が形成されている。シール部３１は、凹溝部１２に配置された状態で締結部材４０を締結して締結部材４０の軸力を増加させ、第１対向面１１と第２対向面２１を接触させることにより突起部２２により軸線Ｘに沿って圧縮変形する。なお、第１対向面１１と第２対向面２１とが接触した場合、締結部材４０の軸力を増加させてもシール部３１が更に圧縮変形することはない。シール部３１としては、例えば、耐熱性と耐薬品性に優れた膨張黒鉛材をシート状に形成したガスケットなどを用いることができる。

シール部３１は、軸線Ｘ回りに円環状に形成されるとともに凹溝部１２に配置される第１シール部材３２と、軸線Ｘ回りに円環状に形成されるとともに凹溝部１２に配置され、第１シール部材３２の外周側に配置される第２シール部材３３とを備える。

本実施形態によれば、第１シール部材３２の外周側に更に第２シール部材３３が配置されるため、第１シール部材３２と第２シール部材３３により二重のシール領域が形成される。そのため、第１シール部材３２と第２シール部材３３のいずれか一方に製造時の誤差等により所望のシール力が付与されたシール領域が形成されない場合であっても、他方のシール部材により確実にシール領域を形成することができる。

１０，１０Ａ第１フランジ部
１１第１対向面
１２凹溝部
１３第１外周突部
１４第１貫通穴
２０，２０Ａ第２フランジ部
２１第２対向面
２２突起部
２３第２外周突部
２４第２貫通穴
３０，３０Ａ，３１シール部
３２第１シール部材
３３第２シール部材
４０締結部材
４１締結ボルト
４２締結ナット
１００第１管体
２００第２管体
３００，３００Ａ，３００Ｂ連結構造
ＣＬ隙間
Ｘ軸線

Claims

第１管体及び第２管体を連結する連結構造であって、
前記第１管体は、軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第２管体と連結される端部に第１フランジ部を備え、
前記第２管体は、前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第１管体と連結される端部に第２フランジ部を備え、
前記第１フランジ部の径方向の第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第１対向面と、
前記第２フランジ部の前記第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第２対向面と、
前記第１フランジ部の前記第１対向面の前記第１位置の内周側の第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される凹溝部と、
前記第２フランジ部の前記第２対向面前記第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される突起部と、
前記軸線回りに円環状に形成されるとともに前記凹溝部に配置され、前記第１対向面と前記第２対向面の少なくとも一部を接触させることにより前記突起部により圧縮変形するシール部と、
前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部の前記第１位置の外周側の第３位置に取り付けられるとともに前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部を接触させる軸力を付与する複数の締結部材と、
前記第１フランジ部の前記第３位置の外周側の第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第１外周突部と、
前記第２フランジ部の前記第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第２外周突部と、を備え、
前記第１外周突部及び前記第２外周突部は、前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部が接触しかつ前記複数の締結部材の前記軸力が付与された状態で、前記軸線方向に所定範囲の隙間を空けて配置される連結構造。
前記シール部は、
前記凹溝部に配置され、前記軸線回りに円環状に形成される第１シール部材と、
前記凹溝部に配置され、前記軸線回りに円環状に形成され、前記第１シール部材の外周側または内周側に配置される第２シール部材とを備える請求項１に記載の連結構造。
前記第１外周突部は、前記軸線回りの同一径周上の複数位置に設けられており、
前記第２外周突部は、前記軸線回りの前記同一径周上の複数位置であって前記第１外周突部に少なくとも一部が対向する位置に設けられている請求項１または請求項２に記載の連結構造。
前記第１外周突部は、前記軸線回りの同一径周上の位置に連続して設けられており、
前記第２外周突部は、前記軸線回りの前記同一径周上の位置に連続して設けられている請求項１または請求項２に記載の連結構造。
第１管体及び第２管体を連結する連結構造を用いた連結方法であって、
前記第１管体は、軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第２管体と連結される端部に第１フランジ部を備え、
前記第２管体は、前記軸線に沿って筒状に延びるとともに前記第１管体と連結される端部に第２フランジ部を備え、
前記連結構造は、
前記第１フランジ部の径方向の第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を有する第１対向面と、
前記第２フランジ部の前記第１位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を有する第２対向面と、
前記第１フランジ部の前記第１対向面の前記第１位置の内周側の第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される凹溝部と、
前記第２フランジ部の前記第２対向面の前記第２位置に設けられるとともに前記軸線回りに円環状に形成される突起部と、
前記軸線回りに円環状に形成されるとともに前記凹溝部に配置され、前記第１対向面と前記第２対向面の少なくとも一部を接触させることにより前記突起部により前記軸線に沿って圧縮変形するシール部と、
前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部の前記第１位置の外周側の第３位置に取り付けられるとともに前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部を接触させる軸力を付与する複数の締結部材と、
前記第１フランジ部の前記第３位置の外周側の第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第１外周突部と、
前記第２フランジ部の前記第４位置に設けられるとともに前記軸線に直交する平面に沿った平坦形状を備える第２外周突部と、を備え、
前記第１外周突部及び前記第２外周突部は、前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部が接触しかつ前記複数の締結部材の軸力が付与された状態で、前記軸線方向に所定範囲の隙間を空けて配置され、
前記シール部を前記凹溝部に配置する工程と、
前記第３位置に複数の締結部材を締結して前記第１対向面と前記第２対向面との少なくとも一部を接触させる軸力を付与する工程と、を備える連結方法。