JP4343156B2 - 減温管 - Google Patents

Description

本発明は、内部を流通する高温蒸気をスプレノズルから噴霧された冷却水によって冷却する減温管に関する。

減温管は用途に応じて配管内を流れる蒸気や熱水等を温度低下させる系統に設置されている。配管内を流通する蒸気や熱水を減温する方法としては、冷却水と混合することにより熱水を減温する方法の他、特開２００４−２１８９８５号公報に記載されているような減温管に挿入されたスプレノズルから冷却水を噴霧して水の気化熱により蒸気を減温する方法が代表的である。蒸気に冷却水を噴霧する減温方法では特に減温幅が大きく、急激な温度低下から生じる熱衝撃が減温管内に発生することがある。

特開２００４−２１８９８５号公報

ここで、この種の減温管では、蒸気の冷却系統の一部をなす母管の内周面に熱衝撃から母管を保護するためのスリーブを取り付けるのが一般的である。通常、スリーブは母管の内周面との間に介在させた固定リングに取り付けられる。スリーブの蒸気流れ方向上流側の端部はこの固定リングの内周面に対して溶接により固定される。このとき、固定リングと母管又はスリーブとの間には製作上間隙が必要となる。固定リングと母管との間に間隙を設ける場合、固定リングは上流側を母管内壁面に、下流側をスリーブ外壁面に溶接して固定する場合が多い。それに対して固定リングとスリーブとの間に間隙を設ける場合、固定リングは上流側と下流側とが母管の内周面に固定されることが多い。このような制作上の問題から、スリーブ又は固定リングのいずれかはその外周側に間隙を有した状態で上流側のみを固定されるのが通常である。

こうした一般の減温管においては、減温管内側を高温蒸気が流れる際、減温管は母管側である外壁面に対して内壁面のメタル温度が高くなり径方向に熱膨張差が生じる。すると、この熱膨張の影響を受けて外周側に間隙を有したスリーブ又は固定リングの上流側の溶接部に熱応力が集中し、応力集中が大きいほど溶接部に亀裂が発生し易くなり、減温管の寿命を短くする要因となっていた。

本発明の目的は、局部的に過度な応力集中が発生することを防止して強度信頼性及び耐久性を向上させることができる減温管を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、内部を流通する高温蒸気を半径方向より挿入されたスプレノズルから噴霧された冷却水によって冷却する減温管において、耐圧部である母管と、この母管の内周部に挿入され、前記スプレノズルが噴霧する冷却水による急激な減温により発生する熱衝撃から前記母管を保護するスリーブと、このスリーブ及び前記母管との間にそれぞれ間隙を有するように前記スリーブと前記母管との間に配置され、蒸気の流れ方向に延びる長穴を管壁に有する固定リングと、前記スリーブに固定され、前記スリーブの外周面から突出した先端部が前記固定リングの長穴内に位置するピンと、前記固定リングの上流側及び下流側に設けられ、前記固定リングの蒸気流れ方向の移動範囲を制限するストッパとを備えたことを特徴とする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記ピンが過大な荷重が加わった際に周囲の部材に優先して折損することを特徴とする。

（３）上記（２）において、また好ましくは、前記ピンが折損しても前記固定リングの長穴が蒸気流路に露出しないように、前記ピンの折損時の前記スリーブの移動範囲を制限するストッパが設けられていることを特徴とする。

（４）上記目的を達成するために、また本発明は、内部を流通する高温蒸気を半径方向より挿入されたスプレノズルから噴霧された冷却水によって冷却する減温管において、耐圧部である母管と、この母管の内周部に挿入され、前記スプレノズルが噴霧する冷却水による急激な減温により発生する熱衝撃から前記母管を保護するスリーブと、このスリーブ及び前記母管との間にそれぞれ間隙を有するように前記スリーブと前記母管との間に配置され、蒸気の流れ方向に延びる長穴を管壁に有する固定リングと、前記母管に固定され、前記母管の内周面から突出した先端部が前記固定リングの長穴内に位置するピンと、前記固定リングの上流側及び下流側に設けられ、前記固定リングの蒸気流れ方向の移動範囲を制限するストッパとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、スリーブの径方向及び蒸気流れ方向への熱膨張を吸収できるので、局部的に過度な応力集中が発生することを防止して強度信頼性及び耐久性を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は第１の実施の形態に係る減温管の内部構造を表す断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
図１及び図２に示した減温管１０は、例えば事業用又は産業用の発電設備におけるボイラ等から発生する蒸気を流通する配管に設けられ、蒸気（高温流体）に水（低温流体）を噴霧し注入することで蒸気を冷却し蒸気温度を制御する役割を果たす。この減温管１０は、内部を流通する高温蒸気を半径方向より挿入された減温器の少なくとも１つのスプレノズル２０から噴霧された冷却水によって冷却するものである。なお、本実施の形態においては、減温管の蒸気流れ方向（矢印７）の上流側の部分のみを示しており、スプレノズル２０の挿入部分よりも下流側の部分については図示省略してある。また、以下において記載した場合は蒸気の流れ方向上流側を単に上流側、蒸気の流れ方向下流側を単に下流側と記載する。

図示した減温管１０は、蒸気配管の一部をなす耐圧部である母管１と、スプレノズル２０が噴霧する冷却水による急激な減温により発生する熱衝撃から母管１を保護するスリーブ２と、このスリーブ２を母管１に対してスライド可能に支持するための固定リング３と、この固定リング３に対してスリーブ２を係止させるピン４とを備えている。

固定リング３は、母管１の内周部に挿入されて上流側及び下流側の端部が母管１の内周部にすみ肉溶接により固着され、すみ肉溶接部５を介して母管１の内周面に支持されている。この固定リング３の管壁には、蒸気の流れ方向に延びる長穴６が設けられている。本実施の形態ではこの長穴６が固定リング３の周方向に等間隔で２箇所設けられている場合を図示してあるが、長穴６を１箇所のみ又は３箇所以上に設けても良いし、複数箇所設ける場合には図示したように必ずしも等間隔に設ける必要もない。

スリーブ２は固定リング３の内周側に配置され、スリーブ２と固定リング３の内周面との間には僅かな間隙が介在している。このスリーブ２の管壁には、固定リング３の長穴６に位置が対応するように上記ピン４が減温管１０の径方向に沿って配置されている。ピン４は、スリーブ２の上流側端部近傍においてスリーブ２の管壁を貫通した状態でスリーブ２の内周面に対してすみ肉溶接されて固定されており、したがって本実施の形態では２本のピン４がすみ肉溶接部５を介してスリーブ２の内周面に支持されている。各ピン４の減温管径方向外周側の先端部は、スリーブ２の外周面から突出し、固定リング３の対応の長穴６内に位置している。

このような構成により、固定リング３の長穴６内でピン４が移動可能なストロークだけ母管１及び固定リング３に対してスリーブ２が蒸気の流れ方向にスライド可能に係合されている。

また、ピン４は、円柱状の一般的なものでも構わないが、過大な荷重が加わった際に周囲の部材に優先して折損するように構成することが好ましい。例えばピン４のスリーブ２から突出した部分に溝を付ける等して過大な荷重が加わった際に溝部分で優先して折損するように構成することが考えられる。また、ピン４としてボルトやネジ等を用いれば、過大な荷重が加わった場合にネジの谷で優先的にピン４が折損するので、制作上より容易である。

また、過大な荷重により全てのピン４が折損した場合、流通する蒸気の力によりスリーブ２は図１及び図２に示した位置からさらに下流側に移動しようとする。本実施の形態では特に図示していないが、母管１の内周面にはストッパが設けられており、ストッパによってピン４が折損した際のスリーブ２の移動範囲が制約される。このとき、ストッパは、図１及び図２に示したようにピン４が長穴６の下流端に当接した状態でスリーブ２の下流側端部よりも僅かに下流側に位置している。ストッパとスリーブ２の下流側端部との間の距離は、スリーブ２が図１及び図２に図示した状態にあるとき、スリーブの上流側端部と長穴６の上流側端部との距離ｘ以下に設定されている。

つまり、ピン４が折損する前はもちろんピン４が仮に折損したとしても、スリーブ２の上流側端部は長穴６の上流側端部と同位置若しくはそれよりも上流側に位置し、常に長穴６にスリーブ２の外周面がラップし長穴６が蒸気流路に露出しないように構成されている。

図３は一般的な減温管の一構成例の内部構造を表す断面図、図４は一般的な減温管の他の構成例の内部構造を表す断面図である。
図３及び図３に示した減温管では、母管１と固定リング３’とスリーブ２’がそれぞれすみ肉溶接により接合されている。しかしこれら母管１・固定リング３’・スリーブ２’が隙間なく当接するように制作することは困難である。このことから図３では母管１と固定リング３’との間、図４では固定リング３’とスリーブ２’との間に製作上必要な隙間を設けてある。

そのため、流通する蒸気の熱を受けてスリーブ２’が半径方向に熱膨張する際に、図３では母管１と固定リング３’、図４では固定リング３’とスリーブ２’が面接触し、その影響で図３では母管１と固定リング３’を接合しているすみ肉溶接部５、図４では固定リング３’とスリーブ２’を接合しているすみ肉溶接部５に熱応力が集中する。熱応力は減温管使用時には必ず発生し、応力集中が大きいほど溶接部に亀裂が発生し易くなり、減温管の寿命が短くなる要因となる。

また、スリーブ２’は減温管使用時に軸方向（蒸気流れ方向）にも熱膨張するが、下流側で何等かの要因により母管とスリーブが引っ掛かり熱膨張が拘束されてしまう。その結果、すみ肉溶接部５に熱応力が集中し、やはり減温管の短命化の要因となる。また、母管１と固定リング３’を接続する溶接部が破損した場合、亀裂の進展状況によっては母管１の管壁に亀裂が進展し、その亀裂から蒸気が漏洩してプラント停止を引き起こす恐れもある。また、各溶接部に亀裂が発生した場合、亀裂の進展状況によっては固定リング３’やスリーブ２’が破損し、破損部分の欠片が蒸気流に同伴して下流に流され、下流の機器内に流入しそれらの機器を破損させる恐れもある。

それに対し、本実施の形態では、スリーブ２と固定リング３をピン４で係合した構造である。つまり、スリーブ２と固定リング３が溶接等によって固着していないので、両者の間の隙間を事前に調整しておくことにより、スリーブ２が熱膨張により半径方向に広がってもすみ肉溶接部５に熱応力が過度に集中することはない。径方向に熱膨張してもスリーブ２は固定リング３に接触しないか接触しても固定リング３の内周面全体でスリーブ２の熱膨張を受けるので、熱応力を緩和することができる。これにより、局部的に過度な応力集中が発生することを防止することができ、強度信頼性及び耐久性を向上させることができる。

また、スリーブ２の流れ方向への熱膨張に関しても、固定リング３に設けた長穴６にピン４を係合させたことにより、スリーブ２がある程度流れ方向に沿って自由にスライド可能であるため、図３や図４等で問題となっていた軸方向への熱伸びを拘束することによる溶接部への熱応力の集中を緩和することができる。

また、前述したように、本実施の形態においては熱応力が過度に作用した場合等に周囲の部材に優先してピン４が折損するようになっているので、母管１に亀裂が入って蒸気が外部に漏洩したりすることがない。またピン４が折損しても、母管１に設けたストッパでスリーブ２の移動範囲を制限し、長穴６がスリーブ２に常時覆われて蒸気流路に露出しないように構成してあるので、長穴６の内壁面・母管１の内周面・スリーブ２の外周面に覆われた空間内に折損したピン４を留めることができる。これにより、破損部分の欠片が蒸気流に同伴して下流に流され、下流の機器内に流入しそれらの機器を破損させるといったことを防止することもできる。

図５は第２の実施の形態に係る減温管の内部構造を表す断面図、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。これらの図において図１又は図２と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図５及び図６に示すように、本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、溶接ではなく固定リング位置設定用のストッパ８を用いて母管１と固定リング３を固定する点である。本実施の形態において、母管１と固定リング３、固定リング３とスリーブ２はそれぞれ直接溶接等によっては固定されておらず、それぞれ間に間隙を有している。

ストッパ８は、母管１の内周面の周方向に少なくとも１箇所設けられており、固定リング３の上流側及び下流側に僅かな間隙を介して配置され、すみ肉溶により母管１の内周面に接合されている。これにより固定リング３の流れ方向の移動範囲が制限されている。

このとき、固定リング３の上流側又は下流側の端部の少なくともいずれか（本実施の形態では上流側端部）には切り欠き部９が設けられており、切り欠き部９には対応のストッパ８が流れ方向に対向している。図６では切り欠き部９が固定リング３の上流に設置しているが、固定リング３の下流側に設置しても良い。この切り欠き部９の深さ寸法（流れ方向の寸法）は、固定リング３が下流側のストッパ８に当接したときの切り欠き部９とこれに対向するストッパ８との間の流れ方向の間隙寸法よりも大きく、切り欠き部９には常時対応するストッパ８が臨む。これにより、固定リング３の周方向への移動範囲を切り欠き部９とストッパ８の周方向の幅の差以内に制限している。

また、ストッパ８の高さ寸法（減温管径方向の寸法）ｚは固定リング３の厚み（減温管径方向の寸法）ｙより小さく設定されている。これにより、スリーブ２が熱膨張により半径方向に広がる場合（図６中では下側にスリーブ２が移動する場合）、スリーブ２はストッパ８には接触せず、固定リング３にのみ面接触するように構成されている。
その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態においても、スリーブ２・固定リング３・母管１の間の径方向の間隙によりスリーブ２の径方向への熱膨張を吸収でき、長穴６による支持構造によりスリーブ２の蒸気流れ方向への熱膨張も吸収できるので、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。勿論、第１の実施の形態と同様、過大な荷重が発生した際にはピン４が優先して折損するので周囲の部材を損傷することを防止でき、さらに折損したピン４は長穴６内に拘束されるので配管の下流側の機器を損傷することも防止することができる。

加えて、本実施の形態ではスリーブ２・固定リング３・母管１が互いに固着されていないので、各管に局部的な応力集中も生じず、母管１とストッパ８を接合しているすみ肉溶接部の熱応力も緩和することができるので、減温管の耐久性をより向上させることができる。またスリーブ２・固定リング３・母管１のそれぞれの間に間隙が設けられているので、スリーブ２の径方向への熱膨張に対しより柔軟に対応することができる。

なお、以上においては、固定リング３に対してピン４が径方向内周側から係合する場合を例に挙げて説明したが、外周側つまり母管１側から係合する構成とすることもできる。すなわち、特に図示しないが、例えばスリーブ２と固定リング３を溶接にて固定し、固定リング３と母管１とは溶接せずに間隙を介在させておき、母管１の管壁越しに固定リング３の長穴６にピン４を臨ませる構成とすることが考えられる。また、第２の実施の形態のように、スリーブ２・固定リング３・母管１を互いに固着しない場合は、単に母管１の管壁越し固定リング３の長穴６にピン４を臨ませる構成とすれば良い。

また、以上において、各図において長穴６の両端を円弧状に形成した場合を図示したが、長穴６の形状は特に限定されない。要はピン４との係合及びスライドの状態が良好であれば良い。また、図１及び図２においては固定リング３の上流側及び下流側の双方で母管１に溶接した場合を例に挙げたが、いずれか一方のみの溶接としても良い。また、スプレノズル２０は母管１に接続でき、かつ減温機能を満足する機器であれば、如何なる種類の装置を用いてもよく、さらに接続方向及び設置数に関しても機能を満足する範囲にあれば制限されない。

第１の実施の形態に係る減温管の内部構造を表す断面図である。 図１中のＡ−Ａ断面による断面図である。 一般的な減温管の一構成例の内部構造を表す断面図である。 一般的な減温管の他の構成例の内部構造を表す断面図である。 第２の実施の形態に係る減温管の内部構造を表す断面図である。 図５中のＢ−Ｂ断面による断面図である。

符号の説明

１ 母管
２ スリーブ
３ 固定リング
４ ピン
６ 長穴
８ ストッパ
１０ 減温管
２０ スプレノズル

Claims (4)

1. 内部を流通する高温蒸気を半径方向より挿入されたスプレノズルから噴霧された冷却水によって冷却する減温管において、
   耐圧部である母管と、
   この母管の内周部に挿入され、前記スプレノズルが噴霧する冷却水による急激な減温により発生する熱衝撃から前記母管を保護するスリーブと、
   このスリーブ及び前記母管との間にそれぞれ間隙を有するように前記スリーブと前記母管との間に配置され、蒸気の流れ方向に延びる長穴を管壁に有する固定リングと、
   前記スリーブに固定され、前記スリーブの外周面から突出した先端部が前記固定リングの長穴内に位置するピンと、
   前記固定リングの上流側及び下流側に設けられ、前記固定リングの蒸気流れ方向の移動範囲を制限するストッパと
   を備えたことを特徴とする減温管。
2. 請求項１の減温管において、前記ピンが過大な荷重が加わった際に周囲の部材に優先して折損することを特徴とする減温管。
3. 請求項２の減温管において、前記ピンが折損しても前記固定リングの長穴が蒸気流路に露出しないように、前記ピンの折損時の前記スリーブの移動範囲を制限するストッパが設けられていることを特徴とする減温管。
4. 内部を流通する高温蒸気を半径方向より挿入されたスプレノズルから噴霧された冷却水によって冷却する減温管において、
   耐圧部である母管と、
   この母管の内周部に挿入され、前記スプレノズルが噴霧する冷却水による急激な減温により発生する熱衝撃から前記母管を保護するスリーブと、
   このスリーブ及び前記母管との間にそれぞれ間隙を有するように前記スリーブと前記母管との間に配置され、蒸気の流れ方向に延びる長穴を管壁に有する固定リングと、
   前記母管に固定され、前記母管の内周面から突出した先端部が前記固定リングの長穴内に位置するピンと、
   前記固定リングの上流側及び下流側に設けられ、前記固定リングの蒸気流れ方向の移動範囲を制限するストッパと
   を備えたことを特徴とする減温管。

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