JP2020153455A - 大型異径配管フランジ - Google Patents

Abstract

【課題】クラックを確実に抑制できる大型異径配管フランジを提供する。【解決手段】反応塔２に接続されるフランジ部１２と、配管１に接続されるハブ部１１とを有する大型異径配管フランジであって、ハブ部１１のフランジ部１２から配管１までの高さＨｈが、フランジ部１２の最大厚みＴｆよりも大きく形成されている。【選択図】図５

Description

本発明は大型異径配管フランジに関する。

石油精製や石油化学などの工業用プラントにおいては、塔槽類に配管を接続するために、配管の端部のフランジと塔槽類の開口部とをボルト締結する構造が多用されている。
配管にフランジを形成するために、配管の端部に予め所定形状とされたフランジ部材が溶接される。フランジ部材としては、例えば突き合わせ溶接型（ＷＮ型）など、ボルト締結される円板状のフランジ部と、配管と溶接される円筒状のハブ部とを有する。
フランジの形状については、公益社団法人石油学会（ＪＰＩ）による規格「ＪＰＩ−７Ｓ−１５−２０１１ 石油工業用フランジ」が参照される。塔槽類との接続に用いられる呼び径６５０Ａ〜１５００Ａの大型異径配管用フランジについては、「ＪＰＩ−７Ｓ−４３−２００８ 石油工業用大口径フランジ」が参照される。

前述した大型異径配管用フランジに例示された突き合わせ溶接型では、フランジ部から立ち上がるテーパ形状（外径がフランジ部側から漸減する円錐台形状）のハブ部が用いられ、ハブ部の円錐面とフランジ部の表面および配管の表面とが鋭角で交差していた。
このような交差部では応力集中が生じ易く、配管やハブ部に応力によるクラックが生じることがある。そこで、フランジ部と交差部および配管との交差部を、それぞれ滑らかに連続した円弧状（楕円の湾曲形状）に形成し、応力集中を緩和させたフランジ部材が提案されている（特許文献１参照）。

特開昭５２−１４００２０号公報

前述した特許文献１のフランジ部材によれば、ハブ部とフランジ部および配管との交差部を円弧状に形成することで、当該部分の応力集中が緩和されていた。
しかし、特許文献１に基づく応力集中の緩和を図ったにも拘わらず、フランジ部材のハブ部に応力によるクラックが生じることがあった。とくに、前述したＪＰＩ規格に基づいてフランジ部に十分な剛性が得られているにも拘わらず、ハブ部にクラックが生じる事例があり、その改善が求められていた。

本発明の目的は、クラックを確実に抑制できる大型異径配管フランジを提供することにある。

本発明の発明者は、鋭意研究の結果、ボルト締結によってフランジ部の外周側が塔槽類側へ引き寄せられることで、ハブ部の配管側が拡張するように変形されることを見出し、これを防止するべく本発明の構成に至ったものである。
すなわち、フランジ部の外周部は塔槽類とのボルト締結により配管と反対側に向けて荷重を受ける。一方、フランジ部の内周部は塔槽類内部の圧力により配管側に向かう荷重を受ける。その結果、フランジ部の内側に接続されているハブ部は、フランジ部からハブ部を拡張させるような力を受け、ハブ部の表面に周方向の引っ張り力によるクラックが生じたと考えられる。
ここで、クラックの原因となるハブ部の配管側の外向きの拡張は、ハブ部の高さが小さいと配管側での外向きの変形量が小さく、逆にハブ部の高さが大きいと配管側での外向きの変形量が大きくなると考えられる。しかし、試験結果から、ハブ部の高さが小さいと配管側での応力が大きく、逆にハブ部の高さが大きいと配管側での応力が小さくなることが判った。その原因としては、ハブ部の高さが大きいほうが、配管接続部までの距離が長く、フランジ部から伝達される力が分散されて応力が小さくなると考えられる。
このような知見のもと、本発明の発明者らは、ハブ部を拡張させる力を分散させて応力を緩和するべく、以下に示す本発明の構成を採用した。

本発明の大型異径配管フランジは、塔槽類に接続されるフランジ部と、配管に接続されるハブ部とを有する大型異径配管フランジであって、前記ハブ部の前記フランジ部から前記配管までの高さが、前記フランジ部の最大厚さよりも大きく形成されていることを特徴とする。
本発明において、ハブ部の高さとしては、例えばフランジ部の最大厚さの１０１〜２００％とすることが好ましく、なかでも１２０〜１５０％とすることが好ましい。

このような本発明では、フランジ部の高さがフランジ部の厚みよりも大きく形成されることで、フランジ部からハブ部へとハブ部を拡張させるような力が伝達されても、フランジ部から配管までの距離が長く、ハブ部における高さ方向の剛性が削減され、フランジ部から伝達される力が分散されて応力を緩和することができる。
これにより、ハブ部における周方向の引っ張り力が緩和でき、クラックを確実に抑制することができる。

本発明の大型異径配管フランジにおいて、前記フランジ部は、厚みおよびボルト孔の形状が既存のフランジの規格に基づいて形成されていることが好ましい。
このような本発明では、既存の規格に基づく塔槽類に接続する際に、フランジ部を確実かつ円滑に接続できる。

本発明の大型異径配管フランジにおいて、前記フランジ部は、前記塔槽類とボルト締結される外周部と、前記外周部の内側に連続しかつ前記ハブ部に連続する内周部とを有し、前記内周部の最小厚みが前記外周部の最大厚みの７０％以下に形成されていることが好ましい。
このような本発明では、フランジ部の内周部の厚みが外周部よりも薄く形成されることで、外周部からハブ部に至る領域の剛性が削減され、外周部からハブ部に伝達される力を緩和することができ、クラックを一層確実に抑制できる。

本発明によれば、クラックを確実に抑制できる大型異径配管フランジを提供することにある。

本発明が適用される大型異径配管フランジの全体を示す斜視図。 既存の大型異径配管フランジを示す断面図。 図２における応力分布を示す断面図。 既存の大型異径配管フランジに生じたクラックを示す側面図。 本発明の第１実施形態を示す断面図。 前記第１実施形態における応力分布を示す断面図。 本発明の第２実施形態を示す断面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の前提となる既存のフランジを用いた配管接続構造について説明する。

〔配管接続構造〕
図１において、配管１は、塔槽類である反応塔２の開口部３に接続され、反応塔２内のガスなどを取り出すものである。配管１と反応塔２の開口部３とを接続するために、配管１の端部には、本発明の大型異径配管フランジであるフランジ部材４が溶接されている。

フランジ部材４は、配管１に溶接されるハブ部５と、開口部３にボルト締結されるフランジ部６と、を有する。
ハブ部５は、一端側がフランジ部６の内周縁から連続して形成されており、他端側を配管１の端部に全周溶接される。
フランジ部６は、外周縁に沿って多数のボルト孔を有し、このボルト孔を挿通する多数のボルト７により反応塔２の開口部３と締結される。

図２において、既存の規格では、フランジ部６は全体が一定の厚みＴｆとされている。なお、ボルト７が挿通される部分には開口部３側に薄い切欠きが形成される。フランジ部６の厚みＴｆは、配管１の厚みあるいはハブ部５の最大厚み（径方向の厚み）に対しても十分大きな数値とされている。
図２のフランジ部材４では、ボルト７で締結することで、フランジ部６の外側を開口部３に引き寄せる向き（図中下向き）の力Ｆ１が生じ、フランジ部６の内側では反応塔２から離れる向き（図中上向き）へ変形させる力Ｆ２が働く。これに伴い、ハブ部５には、配管１側を拡径させる向きの力Ｆ３が働く。

図３は、フランジ部材４に前述した力Ｆ１〜Ｆ３が働いたときの各部の応力分布を示す。フランジ部材４のうち、フランジ部６の反応塔２側の領域（黒色ないし濃い色の領域）では応力が小さいが、ボルト７で締結されるフランジ部６の外周側表面、反応塔２と反対側の表面、およびハブ部５と配管１との溶接部分など（白色ないし薄い色の領域）では、応力が大きくなる。
なかでも、ハブ部５と配管１との溶接部分では、薄い色（応力が大きい）がハブ部５の外側面から内側面まで達しており、ハブ部５の配管１側を拡径させる力Ｆ３により周方向に拡張され、図４に示すクラックＣｒを生じるとともに、クラックＣｒが材の表面から内部まで達する可能性がある。

このような既存のフランジ部材４に対し、以下の第１実施形態および第２実施形態に示す本発明に基づくフランジ部材１０，２０を用いることで、応力集中を緩和することができる。

〔第１実施形態〕
図５および図６には、本発明の第１実施形態が示されている。
図５において、配管１、塔槽類である反応塔２、開口部３およびボルト７は、図１および図２のフランジ部材４で説明した通りであり、重複する説明は省略する。
本実施形態のフランジ部材１０（本発明の大型異径配管フランジ）は、配管１に溶接されるハブ部１１と、反応塔２に接続されるフランジ部１２と、を有する。

フランジ部１２は、既存の規格に基づいて形成された円板状の部材であり、その外周縁に沿って多数のボルト孔を有し、このボルト孔を挿通する多数のボルト７により反応塔２の開口部３と締結可能である。
フランジ部１２は、ボルト孔部分の開口部３側に薄い切欠きが形成され、ボルト７の挿通部分の内側（開口部３との間にシールが挟み込まれた部分）より内側の部分で最大厚みＴｆとされている。
フランジ部１２は、厚みＴｆやボルト孔の形状や配置などが既存のフランジの規格に基づいて形成され、例えば既存のフランジ部６（図２参照）と同形状とされる。

ハブ部１１は、円筒状に形成され、一端側の開口がフランジ部１２の内周縁に連続されており、他端側の開口を配管１の端部に全周溶接される。
ハブ部１１は、内径がフランジ部１２側から配管１側まで一定であるが、外径はフランジ部１２側から配管１側にかけて漸減するテーパ形状とされている。

ハブ部１１は、フランジ部１２側の端部から配管１側の端部までの高さＨｈが、フランジ部１２の最大厚みＴｆより大きく形成されている。
ハブ部１１の高さＨｈは、本実施形態では最大厚みＴｆの１３０％とされている。なお、ハブ部１１の高さＨｈとしては、最大厚みＴｆの１０１〜２００％、なかでも１２０〜１５０％とすることが好ましい。

このような本実施形態によれば、以下に述べる効果を得ることができる。
本実施形態では、ハブ部１１の高さＨｈがフランジ部１２の最大厚みＴｆよりも大きく形成されることで、フランジ部１２からハブ部１１へとハブ部１１を拡張させるような力が伝達されても、フランジ部１２から配管１までの距離が長く、ハブ部１１における高さ方向の剛性が削減され、フランジ部１２から伝達される力が分散されて応力を緩和することができる。
これにより、ハブ部１１における周方向の引っ張り力が緩和でき、クラックを確実に抑制することができる。

図６は、配管１に接続されたフランジ部材１０を反応塔２にボルト締結した際の応力分布を示す。
本実施形態のフランジ部材１０では、応力が高い部分（白色ないし薄い色の領域）はフランジ部１２の外周面ないし配管１側の表面にかけて、およびハブ部１１の立ち上がり部分に見られるものの、ハブ部１１は専ら応力が低い部分（黒色ないし濃い色の領域）となっており、ハブ部１１と配管１との溶接部分は応力が低くなっている。
具体的には、ハブ部１１と配管１との溶接部分での応力は、規格に基づく図２のフランジ部材４に対して２０〜１０％程度まで減少している。
従って、既存のフランジ部材４（図２参照）で生じていたような、ハブ部５の表裏を貫通するような応力集中（図３参照）が緩和され、同部分におけるクラックＣｒ（図４参照）を抑制することができる。

本実施形態では、フランジ部１２は、その厚みＴｆやボルト締結用の形状を含めて既存のフランジの規格に基づいて形成した。このため、反応塔２の開口部３が既存の規格に基づいたものであっても、確実かつ円滑に接続できる。

〔第２実施形態〕
図７には、本発明の第２実施形態が示されている。
図７において、配管１、塔槽類である反応塔２、開口部３およびボルト７は、図１および図２のフランジ部材４で説明した通りであり、重複する説明は省略する。
本実施形態のフランジ部材２０（本発明の大型異径配管フランジ）は、配管１に溶接されるハブ部２１と、反応塔２に接続されるフランジ部２２と、を有する。
本実施形態において、ハブ部２１は、前述した第１実施形態のハブ部１１（図５参照）と同様であり、重複する説明は省略し、以下には相違する部分について説明する。

本実施形態において、フランジ部２２は、開口部３にボルト締結される外周部２３と、外周部２３の内側に連続しかつハブ部２１に連続する内周部２４とを有する。
外周部２３は、フランジ部２２の外周に沿った矩形断面のリング状部分であり、その外周縁に沿って多数のボルト孔を有し、このボルト孔を挿通する多数のボルト７により反応塔２の開口部３と締結可能である。
外周部２３の厚さは、ボルト７の挿通部分の内側の開口部３との間にシールが挟み込まれた部分で最大厚みＴｆとされている。
外周部２３は、厚みＴｆやボルト孔の形状や配置などが既存のフランジの規格に基づいて形成され、例えば既存のフランジ部６（図２参照）の外周部と同形状とされる。

内周部２４は、フランジ部２２の外周部２３よりも内側の部分であり、外周部２３の内周から径方向内向きに延び、配管１側に向けて立ち上がり、ハブ部２１に連続している。
内周部２４の厚さは、配管１側に向けて立ち上がるまでの部分が一定厚さとされ、その厚さは厚みＴｉである。厚みＴｉは、外周部２３の厚みＴｆの約５７％とされている。

内周部２４の反応塔２側の表面は、外周部２３の同側表面と同一平面とされている。一方、内周部２４の配管１側の表面と外周部２３の同側表面との間には段差２５が形成されている。この段差２５により、内周部２４の厚みＴｉは外周部２３の厚みＴｆより小さく形成されている。

段差２５の入り隅（段差２５と内周部２４の配管１側の表面で挟まれた凹状の角）には、所定の曲率の円弧状部２６が形成されている。
内周部２４とハブ部２１との連続部分の入り隅にも、所定の曲率の円弧状部２７が形成されている。

このような本実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様な効果が得られるほか、以下に述べる効果を得ることができる。
本実施形態では、外周部２３の表面と内周部２４の表面との間に段差２５を設けた。このため、内周部２４の厚みを、段差２５の分だけ外周部２３よりも薄くできる。これにより、内周部２４の最小厚みＴｉが外周部２３の最大厚みＴｆよりも小さくできる。
その結果、内周部２４つまり外周部２３からハブ部２１に至る領域の剛性が削減され、外周部２３からハブ部２１に伝達される力を緩和することができる。
これにより、ハブ部２１における周方向の引っ張り力を更に緩和でき、ハブ部２１におけるクラックを一層確実に抑制することができる。

なお、前述した第２実施形態では、配管１側では内周部２４と外周部２３との間に段差２５があり、反応塔２側では同一平面とし、その結果、内周部２４が外周部２３に対して反応塔２側に偏っている配置とした。ただし、内周部２４の外周部２３に対する配置は変更してよく、反応塔２側に段差があり、配管１側が同一平面であるもの（内周部２４が外周部２３の配管１側に偏っている配置）、および、配管１側および反応塔２側にそれぞれ段差があるもの（内周部２４が外周部２３の厚みの中間位置に連続している）、としてもよい。

本実施形態では、段差２５の入り隅部分に断面円弧状の円弧状部２６を形成した。このため、段差２５の入り隅部分における応力集中を緩和することができる。
また、内周部２４とハブ部２１との連続部分においても、入り隅部分に断面円弧状の円弧状部２７を形成した。このため、内周部２４とハブ部２１との連続部分においても応力集中を緩和することができる。
これらの円弧状部２６，２７により、配管１の表面、ハブ部２１の表面、および内周部２４のハブ部２１に連続する部分の表面が、それぞれ滑らかに連続した形状とされていた。このため、配管１からハブ部２１ないし内周部２４に至る部分の応力集中を緩和することができる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は、前述した実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形等は本発明に含まれる。
前記各実施形態では、配管１を反応塔２の開口部３に接続する例について説明したが、配管１の接続対象としては反応塔２に限らず、貯留槽や処理容器など他の塔槽類であってもよい。
前記実施形態において、開口部３、フランジ部２２および外周部２３については、既存の大型異径配管用フランジの規格である「ＪＰＩ−７Ｓ−４３−２００８ 石油工業用大口径フランジ」に準拠することが好ましいが、これに限らない。
その他、本発明の実施にあたっては、各実施形態で示した具体的形状に限らず、適宜変形させてもよい。

本発明は大型異径配管フランジに利用できる。

１…配管、２…反応塔、３…開口部、４…フランジ部材、５…ハブ部、６…フランジ部、７…ボルト、１０，２０…フランジ部材、１１，２１…ハブ部、１２，２２…フランジ部、２３…外周部、２４…内周部、２５…段差、２６…段差の円弧状部、２７…ハブ部側の円弧状部、Ｃｒ…クラック、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３…力。

Claims (3)

1. 塔槽類に接続されるフランジ部と、配管に接続されるハブ部とを有する大型異径配管フランジであって、前記ハブ部の前記フランジ部から前記配管までの高さが、前記フランジ部の最大厚さよりも大きく形成されていることを特徴とする大型異径配管フランジ。
2. 請求項１に記載した大型異径配管フランジにおいて、
   前記フランジ部は、厚みおよびボルト孔の形状が既存のフランジの規格に基づいて形成されていることを特徴とする大型異径配管フランジ。
3. 請求項１または請求項２に記載した大型異径配管フランジにおいて、
   前記フランジ部は、前記塔槽類とボルト締結される外周部と、前記外周部の内側に連続しかつ前記ハブ部に連続する内周部とを有し、前記内周部の最小厚みが前記外周部の最大厚みの７０％以下に形成されていることを特徴とする大型異径配管フランジ。