JP4191460B2 - 配管の補強方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温の蒸気が流れる配管の補強方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
発電プラント等に備えられるボイラに使用される配管は、高温で長期間使用されるため、疲労やクリープ損傷が生じることが知られている。
例えば、伝熱管は、その外周面に管列の乱れ防止のための金物を備えており、互いに隣接する伝熱管どうしを金物で連結するようになっている。しかし、金物はボイラ内の高温の燃焼ガスにより受熱する一方で、より低温の伝熱管に取り付けられていることで、金物の付け根の部分に熱応力が集中し、クリープによる損傷が生じる。このため、この金物に関し、形状を工夫することで、この問題を軽減する技術等が既に提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−33003号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ボイラで加熱された高温の蒸気が流れる主蒸気管および再熱蒸気管等は、ボイラの起動発停時に配管の温度差が生じ、また、配管の取り回しのために配管熱伸びによって、配管応力と呼ばれる大きな力が発生する。そのため、配管の接続部や曲げ加工部などにおいて、配管応力のために、疲労やクリープ損傷が生じることがある。配管部材として用いられる、例えば図7に示すような略L字型のエルボ1等の場合、配管内を流れる高温・高圧の蒸気によって内圧がかかっており、曲折部分1a等においては、この内圧によって溶接線(W1)の垂直方向に応力(フープ応力)が作用するとともに、内圧でエルボ1が伸張しようとするため、溶接方向にも応力が作用する。そのため、直管に作用する応力よりも作用応力が大きく、また、多軸方向へ応力が作用するためクリープ損傷が大きくなる。特に、図7で示したエルボ1のように、一対のエルボ部材1b、1bが溶接部W1にて溶接されることで形成された、いわゆるモナカ合わせ構造の場合、溶接部W1に応力が作用し、溶接部W1のクリープ損傷が生じることがある。
また、配管部材として用いられる、図8に示すように略T字型のTピース2の場合、ボイラの運転中には配管温度が高温になっているため、このTピース2に接続される配管3、4、5に伸びが生じるが、その伸び量の差から、Tピース2の曲折部分2aの近傍に配管応力が集中して作用する。このTピース2が、配管を接続する溶接部W2を有する構造、さらには外径や内径が変化する段差部分を有するような構造では、溶接部W2、段差部分に応力が局所的に集中し、クリープによる損傷が生じることがある。
【0005】
このような主蒸気管や再熱蒸気管を構成するエルボ1やTピース2等にクリープによる損傷が生じた場合、損傷部分を直すために、配管全体を交換しなければならないこともあり、補修に多大なコストと期間が必要となる。このため、クリープによる損傷を防止したり軽減するための技術の開発が強く望まれている。
【0006】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、クリープによる損傷を軽減することのできる配管の補強方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明は、ボイラで加熱された蒸気を通す配管の補強方法であって、ボイラ起動発停時や運転中の配管伸びによって発生する配管応力が集中する箇所に、応力を軽減または分散させる応力分散部材を取り付けることを特徴とする。この応力分散部材としては、応力に対する抵抗力を発揮する、棒材やプレート等があり、これらを配管に溶接等の固定手段によって固定することで、これら応力分散部材を介し、応力を分散させることができる。
このとき、応力分散部材を取り付けるに先立ち、応力分散部材を予熱し、取り付け後に応力分散部材が引張応力を発揮した状態とする。
また、応力分散部材は、配管に亀裂が発生した後に、亀裂が伸展するのを抑制するために取り付けることができる。
【0008】
また、応力分散部材として、棒材または板材を、配管の曲折方向内側に取り付けることができる。
また、配管応力が集中する箇所が、蒸気の流れる方向を所定の曲率半径で変更するエルボであるとき、このエルボを一対のエルボ部材を高温蒸気の流れる方向に沿った合わせ面にて溶接することで形成したものとし、応力分散部材を、エルボの湾曲方向内側に取り付ける構成とすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
以下には、本実施の形態として、発電プラント等で用いられるボイラ設備の配管系統に本発明を適用する場合を例に挙げる。ボイラ設備の図示しないボイラで加熱される蒸気は、主蒸気管、再熱蒸気管等の配管系統(配管)を通して発電用のタービン等に送給される。
本実施の形態では、主蒸気管、再熱蒸気管等の高温(500〜600℃)の蒸気を通す配管系統の曲折部や分岐部に用いられるエルボ本体11に対し、拘束ロッド(応力分散部材、棒材)20、21、拘束ラグ(応力分散部材、板材)22、23を取り付けることで、エルボ(配管)10A、10B、10C、10Dを構成することによって、クリープに対する耐久性を高める複数の例を示す。
【0010】
略C字状のエルボ本体11は、例えば径が600〜700mmといった大口径で、主蒸気管用であれば肉厚が例えば60〜80mmと厚肉であるためにシームレス管を用いることができるが、再熱蒸気管用であれば肉厚が例えば20〜60mm程度と薄肉であるため、図1に示したように、板材を断面略C字状に曲げ加工することで得たエルボ部材11a、11aを、その合わせ面どうしを対向させた状態で、合わせ面の継ぎ目を溶接することで形成されている(以下、この継ぎ目の部分を溶接部W1と称する)。
図1に示すエルボ10Aは、このようなエルボ本体11に、拘束ロッド20を溶接することで形成されている。
拘束ロッド20は、略C字状に曲折したエルボ本体11の曲折方向の内側(腹側)に、溶接部W1の両端部を直線状に結ぶ弦方向に延在し、両端部20a、20bがエルボ本体11に対し溶接されることで一体化されている。
このように、拘束ロッド20をエルボ本体11に取り付けることで形成されたエルボ10Aは、このエルボ10Aを用いた配管系統において、ボイラの作動時に蒸気による内圧によって腹側の溶接部W1に作用する応力を、拘束ロッド20によって分散させることで軽減することができる。
【0011】
図2に示すエルボ10Bは、略C字状のエルボ本体11に、拘束ロッド21を溶接することで形成されている。
拘束ロッド21は、その全長が調整可能な調整機能を有している。一例を挙げれば、拘束ロッド21は、外周面に螺条が形成された2本のネジ部材21a、21bと、これらネジ部材21a、21bに噛み合うターンバックル21cとから構成され、ターンバックル21cを一方向に回すと拘束ロッド21の全長が延び、他方向に回すと拘束ロッド21の全長が縮むようになっている。このような拘束ロッド21は、略C字状に曲折したエルボ本体11の曲折方向の内側(腹側)に、溶接部W1の両端部を結ぶ弦方向に延在し、ネジ部材21a、21bの端部がエルボ本体11に対し溶接されることで一体化されている。
このように、拘束ロッド21をエルボ本体11に取り付けることで形成されたエルボ10Bを用いた配管系統においても、ボイラの作動時に蒸気による内圧によってエルボ本体11の腹側の溶接部W1に作用する応力を、拘束ロッド21によって分散させることで軽減することができる。しかも、拘束ロッド21の全長が調整可能なので、エルボ本体11の拘束力を適宜調節することができる。
【0012】
図3に示すエルボ10Cは、略C字状のエルボ本体11に、拘束ラグ22を溶接することで形成されている。
拘束ラグ22は、略半月形のプレートからなり、その湾曲端部22aが、エルボ本体11の腹側に対応した曲率で形成され、この湾曲端部22aをエルボ本体11の腹側に溶接することで、エルボ本体11に取り付けられている。なお、この拘束ラグ22は、所要の強度、拘束性能を有するのであれば、略半月形に限らず、略三日月状とすることも可能である。
このように、拘束ラグ22をエルボ本体11に取り付けることで形成されたエルボ10Cを用いた配管系統においても、ボイラの作動時に蒸気による内圧によってエルボ本体11の腹側の溶接部W1に作用する応力を、拘束ラグ22によって分散させることで軽減することができる。
【0013】
図4に示すエルボ10Dは、略C字状のエルボ本体11に、拘束ラグ23を溶接することで形成されている。
拘束ラグ23は、略半月形のプレートからなり、その湾曲端部23aが、エルボ本体11の中心線に沿った曲率で形成され、この湾曲端部23aをエルボ本体11の峰部11cに溶接することで、エルボ本体11に取り付けられている。なお、この拘束ラグ23も、所要の強度、拘束性能を有するのであれば、略半月形に限らず、略三日月状とすることも可能で、その個数も一つに限定されない。
このように、拘束ラグ23をエルボ本体11に取り付けることで形成されたエルボ10Dにおいても、このエルボ10Dを用いた配管系統において、ボイラの作動時に蒸気による内圧によって腹側の溶接部W1に作用する応力を、拘束ラグ23によって分散させることで軽減することができる。
【0014】
ところで、上記したような拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23は、エルボ本体11に取り付けるに先立ち、例えば高周波コイル等の加熱手段によって、その全体を所定温度(例えば100〜200℃)加熱した後、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23の温度が所定以下に下がらないうちに、エルボ本体11に溶接する。この場合、溶接後に温度が常温に下がった状態で、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23の収縮によって、所定(例えば2kgf/mm2)の引張応力を発揮し、これをエルボ本体11に作用させるようにする。これによって、上記の効果を一層顕著なものとできる。
【0015】
さて、上記に例示したエルボ10Aにおいて、拘束ロッド20の効果を確認するための実験を行ったので、その結果を以下に示す。
[参考例]
まず、図5(a)に示すように、エルボ本体11の外径を200mm、腹側の曲率半径を400mm、肉厚を40mmとし、その材質を2.25Cr−1Mo鋼(JIS・SCMV4材)とした。このエルボ本体11を形成するエルボ部材11a、11aは、熱間型押しで成形した後、940℃で焼きならし、さらに740℃で焼戻しを行うことで形成した。そして、このようなエルボ部材11a、11aどうしは、図5(b)に示すような寸法で開先加工を施し、腹側、背中側をサブマージドアーク溶接法で溶接し、これによってエルボ本体11を得た。
また、エルボ本体11に取り付ける拘束ロッド20(図1参照)は、エルボ本体11と同材の2.25Cr−1Mo鋼で形成し、その径を60mmとした。
そして、上記のエルボ本体11に対し、拘束ロッド20を取り付けないもの、つまりエルボ本体11単体を供試体No.1とし、拘束ロッド20を取り付けるもの、つまりエルボ10A(図1参照)を供試体No.2とした。
【0016】
これら供試体No.1、No.2に対し、ボイラでの使用環境、すなわち内圧がかかった状態を再現するため、エルボ本体11の両端に、エルボ本体11と同材質で板厚60mmの板材60を溶接して塞ぎ、一方の板材60に内圧負荷用のパイプ61を取り付け、供試体全体に対して715℃で4時間の後熱処理を施した。
そして、650℃の環境下で、パイプ61からエルボ本体11内に、水蒸気で2.4kgf/mm2の内圧を負荷し、負荷開始からクリープボイドが発生するまでの時間、微視亀裂が発生するまでの時間、噴破するまでの時間をそれぞれ計測した。その結果が、図6に示すものである。
この図6に示すように、拘束ロッド20を備えない供試体No.1に対し、拘束ロッド20を備えた供試体No.2は、負荷開始からクリープボイドが発生するまでの時間、微視亀裂が発生するまでの時間、噴破するまでの時間が、それぞれ約2.1倍となっており、クリープ寿命が向上しているのが明らかである。
【0017】
[実施例]
参考例の供試体No.2と同様、エルボ本体11に対し、拘束ロッド20を取り付けるに際し、拘束ロッド20を高周波コイルで加熱し、取り付け後に2kg/mm2の引張応力をエルボ本体11に発揮するようにしてエルボ10Aを得て、これを供試体No.5とした。
そして、この供試体No.5に対し、650℃の環境下で、パイプ61からエルボ本体11内に、水蒸気で2.4kgf/mm2の内圧を負荷し、負荷開始からクリープボイドが発生するまでの時間、微視亀裂が発生するまでの時間、噴破するまでの時間をそれぞれ計測した。その結果が、図6に示したものである。
この図6に示したように、取り付け前の加熱を行わない拘束ロッド20を取り付けた供試体No.2に比較しても、クリープボイド発生、微視亀裂発生、噴破までの時間が延長しており、クリープに対する耐久性が高まっているのがわかる。
【0018】
上述したように、エルボ本体11に対し、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23を取り付けることで、応力を分散させて均一化し、エルボ本体11のクリープ寿命を大幅に向上させることができる。しかも、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23は、エルボ本体11に亀裂等が生じた後に取り付けても、亀裂の進展を抑制することができる。
その結果、配管系統の寿命を大幅に伸ばすことができ、また、既設の配管系統に対して補修を行うに際しても、従来のように配管系統全体を交換することなく、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23を取り付けるのみで済み、ボイラ設備の配管系統の補修コストと工期を大幅に削減することができる。
【0019】
なお、上記実施の形態では、エルボ本体11に対し、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23を取り付けることで、エルボ10A、10B、10C、10Dを形成したが、このようなエルボ10A、10B、10C、10Dを予め製作しておき、ボイラ設備の配管系統を組み上げる際に用いてもよいし、また、既設の配管系統を構成するエルボ本体11に対し、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23を取り付けることで、配管系統の補強を図ることもできる。
このとき、上記実施例でも示したように、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23を取り付けるタイミングは、エルボ本体11に亀裂が発生した後であってもよく、そのようなケースでもクリープに対する耐久性を高めることができる。
【0020】
なお、エルボ本体11、拘束ロッド20、21、拘束ラグ22、23について、材質を例示したが、もちろん例示した以外の材質を用いることも可能である。また、エルボ本体11については、溶接部W1を有さず、鋳造、鍛造、削り出し等によって一体形成されたものであってもよい。
さらに、ボイラの起動発停および負荷変動による温度変化によって繰り返し応力が作用する部材であれば、エルボ本体11以外の、例えばY字状の配管部材等、様々な配管部材に対しても、上記と同様の構成を適用することで、クリープに対する耐久性を高めることが可能であるのは言うまでも無い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、配管に補強部材、応力分散部材を取り付けることで、クリープに対する耐久性を高めることができ、その結果、補修までに要する時間を著しく延長できる。また、補修を行うに際しても配管系統全体を交換することなく、補強部材、応力分散部材の取り付けのみで損傷の進展を抑制でき、補修コストと工期を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態における配管部材の例を示す図であって、エルボに拘束ロッドを設けた場合の構成を示す図である。
【図2】同、長さ調整機能を有する拘束ロッドを設けた場合の構成を示す図である。
【図3】同、拘束ラグを設けた場合の構成を示す図である。
【図4】同、拘束ラグを設けた他の例を示す図である。
【図5】参考例における条件を示す図である。
【図6】参考例、実施例の結果を示す図である。
【図7】従来のエルボを示す図である。
【図8】従来のTピースを示す図である。
【符号の説明】
10A、10B、10C、10D…エルボ(配管)、11…エルボ本体、11a…エルボ部材、20、21…拘束ロッド(応力分散部材、棒材)、22、23…拘束ラグ(応力分散部材、板材)、W1…溶接部
Claims (4)
- ボイラで加熱された蒸気を通す配管の補強方法であって、
前記配管において、ボイラ起動発停時や運転中の配管伸びによって発生する配管応力が集中する箇所に、応力を軽減または分散させる応力分散部材を取り付け、
前記応力分散部材を取り付けるに先立っては、当該応力分散部材を予熱し、取り付け後に当該応力分散部材が引張応力を発揮した状態とすることを特徴とする配管の補強方法。 - 前記応力分散部材を、前記配管に亀裂が発生した後に、前記亀裂が伸展するのを抑制するために取り付けることを特徴とする請求項1に記載の配管の補強方法。
- 前記応力分散部材として、棒材または板材を、前記配管の曲折方向内側に取り付けることを特徴とする請求項1または2に記載の配管の補強方法。
- 前記配管応力が集中する箇所は、前記蒸気の流れる方向を所定の曲率半径で変更するエルボであり、前記エルボは一対のエルボ部材を前記高温蒸気の流れる方向に沿った合わせ面にて溶接することで形成され、
前記応力分散部材を、前記エルボの湾曲方向内側に取り付けることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の配管の補強方法。
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