JP4397064B2 - 高温断熱配管およびその製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高温断熱配管に係り、特にＰＦＢＣプラントのボイラからガスタービンに至る配管のように、高温、高圧流体が流れる配管の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温、高圧用ガス配管、例えばＰＦＢＣ（加圧流動層燃焼ボイラ）用高温ガス配管は、例えば８５０℃、９ａｔｇのような高温高圧のボイラ排ガスをガスタービンに導く配管である。このような高温、高圧に耐えうる配管構造として、高温ガスの温度を断熱材で下げ、その断熱材の外側の外管で圧力を持たせる方式が多用されている。断熱材としては、キャスタブルを用いる場合とセラミックスファイバーを用いる場合の２種類が考えられているが、キャスタブルは熱衝撃等により割れを発生しやすいこと、また、微細な割れでもその破片が後続のガスタービンに至れば急速な摩耗やブレードの破壊を生ぜしめる恐れがあるため、セラミックスファイバーを用いる方がＰＦＢＣ用としては適している。
【０００３】
しかし、セラミックスファイバーを用いる場合には、そのファイバー繊維がガス流によって徐々に壊れ（ほつれ）ないようにするためのライナーを用いる必要があり、結果として、線膨張係数の異なる、ライナー、セラミックスファイバー、外管が半径方向に並んだ構造となっている。すなわち、図６に示すように、セラミックスファイバーのほつれないし飛散を防止するための金属製ライナー１が高温排ガスに接するもっとも内側に、その外側にセラミックスファイバー２、さらに最外部に圧力をもたせるための外管３が位置する。図中、矢印は高温ガスの流れを示す。
【０００４】
ここで構造上特徴的なことは、外管３の温度は運転中に高々２００℃程度であるのに対し、内側のライナー１は直接、高温排ガスに接するので８５０℃になり、お互いの熱膨張量に差が発生するため、ライナー部をスリーブ構造にせざるをえない点である。さらにライナー部は耐熱性をもたせるためにオーステナイト系のステンレスを用い、外管部は使用温度に見合った強度および経済性から、フェライト系の炭素鋼または低合金鋼を使用することにより、オーステナイト系材料の方がフェライト系材料より線膨張係数が大きいので、この熱膨張の差の問題をより大きくしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題点について図７を用いて詳しく述べる。プラントの製作当初は図７（ａ）に示すようにライナー１とセラミックスファイバー２との間には隙間は発生していないが、第１回目の運転に入ると、（ｂ）図のようにライナー１が半径方向に大きく熱膨張するのに対し、外管３は殆ど熱膨張しないので、相対的にライナー１がセラミックスファイバー２を圧縮することになる。事業用の２５０〜３５０ＭＷ級のＰＦＢＣの場合、高温ガス配管の内径が１５００ｍｍとなり、その圧縮量（厚さ）δは約１３〜１５ｍｍと大きくなる。
ところでこのようにセラミックスファイバーが高温下で圧縮された状態で維持されると、一般には殆ど復元しなくなる。これは復元性に乏しいセラミックスファイバーを使用していることによる。
【０００６】
従って、（ｃ）図に示す停止時にライナーが元の半径まで縮んだ時には、ライナーとセラミックスファイバーの間にδだけの隙間７が発生することになる。このため、次の（ｄ）図の起動時に高温排ガスがこの隙間部に侵入し、外管３の過熱を誘発する危険性を有するようになる。元々、外管は２００℃の許容応力に基づいて肉厚を決定しているので、高温、高圧には耐えきれなくなり、クリープ現象により、膨出、噴破することになる。図７には円周方向の隙間、および侵入ガスの流れは示されていないが、（ｃ）、（ｄ）図に示した隙間７は一般に円周方向にも広がっており、侵入した高温ガスは外周を通って流れ、ガスの本流側（高温排ガスがメインに流れている位置）に戻る通路（いわゆるヒートスポット）が形成されている。このような現象は、直管部よりもベンド部やティーズ部等で生じやすいが、いずれにしても、このようなヒートスポットはプラントの運転にとっては、非常に大きな問題となる。
本発明の課題は、高温ガス配管におけるライナーとセラミックスファイバーの間に隙間が発生することによるヒートスポットを未然に防止するのに好適な配管構造およびその製作方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願で特許請求される発明は下記のとおりである。
【０００８】
（１）外管に挿入される管状ライナーの外側に復元性セラミックスファイバーを施工する工程、前記復元性セラミックスファイバーが施工されたライナーをその外周から締結具で締結して半径方向に圧縮する工程、および前記圧縮された復元性セラミックスファイバーを有するライナーを前記外管内へ挿入する工程を有し、前記配管の高温使用時に、前記締結具が熱分解、溶融または炭化し、前記圧縮された復元性セラミックスが回復して、前記外管とライナーの熱膨張差によって生じる隙間を満たすことを特徴とする高温断熱配管の製法。
【０００９】
（２）前記外管内側に予めセラミックスファイバーを施工する工程を有することを特徴とする（１）記載の高温断熱配管の製法。
（３）前記ライナーの外側に復元性セラミックスファイバーを巻き付け、その上から締結具として有機質のバンドで圧縮しながら巻き付けることを特徴とする（１）または（２）に記載の高温断熱配管の製法。
（４）前記有機質のバンドを巻き付けた上に金属箔を巻き付けることを特徴とする（３）記載の高温断熱配管の製法。
【００１０】
図１は、本発明の原理をモデル的に説明する図である。本発明においては、例えば元厚ｈ１が２５０ｍｍのセラミックスファイバーを外管３とライナー２の間の厚さ（ｈ２）の２００ｍｍまで圧縮施工する。セラミックスファイバーは、運転時のライナー２の膨張１３ｍｍを考慮すると６３ｍｍの圧縮を受けることになるが、復元率として３０％を有するものであれば、１８７ｍｍの状態から６３×０．３＝１８．９ｍｍ、すなわちｈ３＝２０５．９ｍｍの位置まで戻りうる。しかし、実際には２００ｍｍの位置にライナーがあるのでその位置に留まり、停止時に隙間が発生しないことになる。
【００１１】
ここで復元率＝（復元時のセラミックスファイバーの厚さ−圧縮時の厚さ）／（元の厚さ−圧縮時の厚さ）。
隙間が発生しない条件を一般化して表すと（１）式のようになる。
復元率＞δ／（ｈ１−ｈ２＋δ）………（１）
復元性のあるセラミックスファイバーとしては、アルミナ・シリカ系の繊維を９５０〜１０００℃で熱処理を行い、ムライトへの結晶化を行い、高温下での安定性を図ったもの（イソライト工業社製、商品名１２６０Ｓ）が好ましいものとしてあげられるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の高温断熱配管の製法を図２に基づいて説明する。
（ａ）まずステップ１として、復元性セラミックスファイバー２を外管３の内側にアンカーボルト４で固定する。
（ｂ）次にステップ２として高復元性セラミックスファイバー２をライナー１の回りに巻き付ける。
（ｃ）次にステップ３として締結具として有機質バンド５を高復元性セラミックスファイバーの回りに圧縮しながら巻き付ける。この時セラミックスファイバーを圧縮するのに必要な荷重は、圧縮率２０％（２５０ｍｍのものを２００ｍｍまで圧縮する場合の圧縮率は２０％）では約０．０５ｋｇ／ｃｍ² であり、有機質バンドで十分対応できる。
（ｄ）次にステップ４として有機質バンドで圧縮したセラミックスファイバーの上に薄い（例えば０．１から０．３ｍｍ）ステンレス箔６を巻き付ける。
（ｅ）最後にステップ５としてライナー側を外管側に挿入して施工は完了することになる。
【００１３】
【作用】
本発明による高温断熱配管は第１回目の運転（通常は試運転）に入った時点で、締結具（この場合は有機質バンド）が分解、溶融または炭化して強度を持たなくなり、圧縮荷重がセラミックスファイバー全体に作用することになる。従ってこのような圧縮状態が運転中維持されることになり、図７に示したような停止時および起動時のライナーとセラミックスファイバー間の隙間が発生しなくなる。
【００１４】
セラミックスファイバーの締結具（有機質バンド、ボルト等）の材質としては、常温で強度を有し、比較的低温（例えば１５０〜２００℃）で熱分解または炭化して強度を失うものが望ましく、例えばポリエチレンのような熱可塑性樹脂製のものが適している。
また図２のステップ（ｃ）で示したように、セラミックスファイバーの上にステンレス箔を被覆すると、円管の、外管内への挿入を容易にする効果だけでなく、高温排ガスの外管側のバイパス通路を遮断するためにも効果的である。
【００１５】
図３は、フランジ方式の直管部の配管に本発明を適用した場合の説明図である。手順としては、以下のように本発明の配管を製作することができる。
（１）ステップ１として外管３側の保温施工を行う。まずライナーの外管への固定用部材としても機能するリング状サポートとしての軸方向隔壁１０に有機質ボルト１１を固定（例えば軸方向隔壁１０に穴を開け、ナットで固定する）し、ボルトに対応する位置に穴を開けた円盤状の高復元性セラミックスファイバー２をこのボルトを用いて固定する。この時、ボルトは所定の長さにしておき、ワッシャーを介してナットで所定の圧縮率の厚さまで締め込む。
次に、外管３の内側に高復元性セラミックスファイバー２を金属製アンカーボルト４を用いて固定する。この時のセラミックスファイバーとしては高復元性のものが望ましいが、ライナー側のセラミックスファイバー２の方に高復元性のものを用いるので、必ずしも高復元性である必要は無い。
【００１６】
（２）ステップ２としてライナー１の内側に高復元性セラミックスファイバーを有機質バンド５を用いて所定の圧縮率になるまで圧縮施工する。次に、ステンレス箔６をこの上に巻く。
（３）ステップ３として上記のようにして制作したライナー側円筒を外管側円筒の内側に挿入する。
（４）ステップ４として軸方向隔壁（リング状サポート）１０と外管３の溶接を行い、フランジ流れ方向後流側の軸方向隔壁に有機質ボルトを用いて高復元性セラミックスファイバーを固定する。
このようにして、高復元性セラミックスファイバーをフランジ全体に渡って圧縮施工することができる。
【００１７】
なお、図３の実施例において、軸方向隔壁１０として示されたリング状サポートは２枚構造でボルト１５で締結されているが、１枚構造としてもよい。またこのリング状サポート１０は、外管３に直接溶接すると、溶接金属１３に亀裂を生じる場合があるので、例えば亀裂防止金属片１４を介して固着してもよい。なお、このリング状サポートは、高温断熱配管であれば一般にも適用可能である。
【００１８】
図４は、ベンド部の配管に対して本発明を適用した実施例を示す説明図である。ベンド管の場合曲率を持っているため、セグメントに分割して（図４では４分割）、施工する必要がある。手段は、ステップ１〜３までは図２の直管の場合と同じであるが、セラミックスファイバーにステンレス箔を被覆する工程がなく、またステップ６〜９に示すように、分割された４個のセグメントを順次、施工する点で異なる。
【００１９】
図５は、ティーズ部の配管に対して本発明を適用した実施例を示す説明図である。ステップ１で外管３に対しセラミックスファイバー２の施工をした後、ステップ２で水平内管１へのセラミックスファイバー２の圧縮施工を行い、ステップ３でこれを外管側に挿入し、さらにステップ４で垂直内管１にセラミックスファイバー２の圧縮施工を行ったものを、ステップ５で外管３側に挿入することにより、ティーズ部全体に高復元性セラミックファイバーを圧縮施工することができる。図中、矢印はガス流れ方向を示す。
【００２０】
図３〜５に示した、それぞれ直管部、ベンド部およびティーズ部のセラミックスファイバーの施工方法は、予め外管部にアンカーボルトで施工した後、ライナー側にセラミックスファイバーを圧縮施工したものを挿入する方式であるが、外管へのセラミックスファイバーの施工は行わず、ライナーに圧縮施工したものを直接外管に挿入してもよい。
【００２１】
セラミックスファイバーの復元性として前述の３０％以上が現実的なものかどうかを確認する目的で、室温〜８００℃以上の範囲の復元率を測定した結果を図８に示す。繊維の種類としては、化学安定性、耐熱性、経済性等の点から、最も多用されているアルミナシリカ系ものを選んだ。その結果、結晶化熱処理材を用いれば、復元率３０％以上が十分実現可能な値であることが分かる。なお、結晶化熱処理を実施しないものは、８００℃以上の復元率は殆どゼロであった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＰＦＢＣプラントのような高温ガス配管の外管とライナー間の熱膨張差による隙間の発生を防止し、ヒートスポット発生の危険性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原理を説明する高温断熱配管の部分断面の説明図。
【図２】 本発明の施工手順の説明図。
【図３】 フランジ部を有する高温断熱配管の直管部に本発明を適用する場合の説明図。
【図４】 ベンド部に本発明を適用する場合の説明図。
【図５】 ティーズ部に本発明を適用する場合の説明図。
【図６】 従来技術の高温断熱配管の部分断面図。
【図７】 従来技術の問題点を示す説明図。
【図８】 セラミックスファイバーの圧縮保持温度と復元率との関係（データ）を示す図。
【符号の説明】
１：ライナー、２：セラミックスファイバー、３：外管、４：アンカーボルト、５：有機質バンド、６：ステンレス箔。

Claims (4)

1. 外管に挿入される管状ライナーの外側に復元性セラミックスファイバーを施工する工程、前記復元性セラミックスファイバーが施工されたライナーをその外周から締結具で締結して半径方向に圧縮する工程、および前記圧縮された復元性セラミックスファイバーを有するライナーを前記外管内へ挿入する工程を有し、前記配管の高温使用時に、前記締結具が熱分解、溶融または炭化し、前記圧縮された復元性セラミックスが回復して、前記外管とライナーの熱膨張差によって生じる隙間を満たすことを特徴とする高温断熱配管の製法。
2. 前記外管内側に予めセラミックスファイバーを施工する工程を有することを特徴とする請求項１記載の高温断熱配管の製法。
3. 前記ライナーの外側に復元性セラミックスファイバーを巻き付け、その上から締結具として有機質のバンドで圧縮しながら巻き付けることを特徴とする請求項１または２に記載の高温断熱配管の製法。
4. 前記有機質のバンドを巻き付けた上に金属箔を巻き付けることを特徴とする請求項３記載の高温断熱配管の製法。

Images