JP4771408B2

JP4771408B2 - 配管構造体

Info

Publication number: JP4771408B2
Application number: JP2005284555A
Authority: JP
Inventors: 照史岩田
Original assignee: トキコテクノ株式会社
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP2007093445A

Description

本発明は、流体が供給される配管構造体に係り、特に流体が供給された管路を振動させて流体の物理量を測定する振動式測定装置に用いて好適な配管構造体に関する。

振動式測定装置としては、コリオリ式質量流量計と振動式密度計とがある。このうち、コリオリ式質量流量計は、被測定流体が通過する一対のセンサチューブを加振器により振動させ、流量に比例したコリオリ力によるセンサチューブの変位を振動センサ（ピックアップ）により検出する構成となっており、一方、振動式密度計は、前記コリオリ式質量流量計と同様の構成で、センサチューブが被測定流体の密度に応じた周波数で振動するようになっている（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）。

特開平６−３３１４０６号公報特開２００５−１６４２６４号公報

ところで、たとえば自動車の燃料として使用されるＣＮＧ等の圧縮性天然ガスや水素などの高圧ガスが供給されるガス供給径路に上記質量流量計を設けて流量計測を行う場合は、センサチューブの耐圧強度を高める必要がある。しかるに従来、センサチューブを含む配管系（配管構造体）の材料としては、耐食性の良好なオーステナイト系ステンレス鋼、特にモリブデンを含有しかつ炭素含有量を低く抑えたＳＵＳ３１６Ｌが一般に使用されており、材料強度がそれほど大きくないことから、耐圧強度を高めるには、センサチューブの肉厚を厚くしなければならなかった。しかし、センサチューブの肉厚を厚くすると、センサチューブを振動させる加振器の駆動力を大きくしなければならず、加振器の大型化や消費電力の増大が避けられなくなる。また、センサチューブの肉厚を厚くすると、センサチューブの剛性が高くなる分、計測時の共振振幅が小さくなって外乱の影響を受け易くなり、その上、流入口側および流出口側の振動センサの位相角（捩れ角）が小さくなって、計測精度の低下が避けれないようになる。

なお、一部には、オーステナイト系ステンレス鋼に代えて、強度の大きいフェライト系あるいは二相系析出硬化型ステンレス鋼を上記センサチューブ（配管）として用いる考え方もあるが、この場合は、材料が水素脆化を起こす危険があり、その適用範囲は限られたものとなる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、耐食性および強度が十分で、しかも水素脆化を起こす危険のない材料で配管を形成することにより、高圧の水素ガス条件下でも、配管の肉厚を厚くすることなく長期的に安定して使用できる配管構造体を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、γ´析出型鉄基合金製の配管と該配管の端部に嵌合されたオーステナイト系ステンレス鋼製の筒状の接続部材とをろう付によりすみ肉接合し、前記配管の端部を前記接続部材を介してオーステナイト系ステンレス鋼製の継手部材の流路取付孔に差込んで、該接続部材と継手部材とを溶接によりすみ肉接合したことを特徴とする。

このように構成した配管構造体においては、配管の材料として、耐食性に富みかつ材料強度が大きく、しかも水素脆化の心配がないγ´析出型鉄基合金を用いているので、高圧の水素ガス条件下でも、配管の肉厚を厚くすることなく長期的に安定して使用できるようになる。さらに、接続部材および継手部材の材料として、耐食性に富むオーステナイト系ステンレス鋼を選択しているので、全体としての耐食性も良好に維持される。また、異種材料である配管と接続部材とのすみ肉接合にろう付を採用しているので、配管に材質的な悪影響を与えることがなく、かつ接合部に割れなどの不具合が発生することがない。さらに、接続部材と継手部材とは同種材料からなっているので、両者のすみ肉接合に接合強度の大きい溶接を採用しても、溶接不具合が生じる虞はない。

本発明において、上記配管の材料であるγ´析出型鉄基合金としては、ＳＵＨ６６０またはＳＵＨ６６０相当合金を選択するのが望ましい。ＳＵＨ６６０またはＳＵＨ６６０相当合金は、ニッケルおよびクロムの含有量がそれほど高くない（Ｎｉ24〜27wt％、Cr13〜16 wt％）ので、配管の二次加工が容易であり、材料コストの上昇もそれほどの負担にならない。また、上記接続部材および継手部材の材料であるオーステナイト系ステンレス鋼としては、耐食性に優れたＳＵＳ３１６Ｌを選択するのが望ましい。

本発明は、ろう付のろう材として、ろう付温度がγ´析出型鉄基合金の時効温度よりも高い金属ろうを選択し、配管と接続部材とをろう付によりすみ肉接合した後、前記接続部材を含めた配管の全体を時効硬化処理するようにしてもよい。ろう材として、γ´析出型鉄基合金の時効温度よりも高いろう付温度を有する金属ろうを選択することで、ろう付後に時効硬化処理を行っても、ろう材が溶け出すことはなく、接合部が安定して維持される。また、この時効硬化処理により配管の材料強度が著しく増大するので、配管のより一層の薄肉化が可能になる。

本発明は、振動式測定装置の配管系としての適用が可能であり、該振動式測定装置に適用する場合は、前記配管がセンサチューブ、継手部材がマニホールドとなる。

本発明に係る配管構造体によれば、高圧の水素ガス条件下でも、配管の肉厚を厚くすることなく長期的に安定して使用できるので、その利用価値は向上する。特に、振動式測定装置の配管系に適用した場合には、加振器の大型化や消費電力の増大を抑えることができると共に、計測精度の低下を抑えることができ、極めて有用となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明に係る配管構造体を備えた振動式測定装置を示したものである。振動式測定装置は、ここではコリオリ式質量流量計として構成されており、その一対のセンサチューブ１、２、各センサチューブ１、２の両端部に嵌着された筒状の接続部材３、該接続部材３を介して各センサチューブ１、２の両端部が連結されたマニホールド４が、本配管構造体における配管、接続部材、継手部材にそれぞれ相当している。

コリオリ式質量流量計の基本構造は、前記特許文献１または２に記載されたものと実質同じであり、各センサチューブ１、２は、その両端側の直管部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂの間に３つのＵ字曲げを組合せた異形の曲げ部１ｃ、２ｃを有している。一方、マニホールド４は、その上面側に、背面側の流入口５から分岐した２つの流路６に開通する２つの取付孔７と、同じく背面側の流出口（図示略）から分岐した２つの流路（図示略）に開通する２つの取付孔８（図２）とを有している。一対のセンサチューブ１、２は、それぞれの直管部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂを前記接続部材３を介して前記流入側取付孔７と流出側取付孔８とに差込んだ状態で対称的にマニホールド４に支持されている。また、一対のセンサチューブ１、２の各直管部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂは、マニホールド４に近接する部位で相互に固定板９により拘束され、さらに、センサチューブ１、２の曲げ部１ｃ、２ｃは相互に補強板１０により補強されている。

各センサチューブ１、２の上部側には、流入側直管部１ａ、２ａと流出側直管部１ｂ、２ｂとの間に介在して各センサチューブ１、２をそれぞれ振動させる一対の加振器１１、１２と、一対のセンサチューブ１、２の流入側直管部１ａ、２ａ間および流出側直管部１ｂ、２ｂ間に介在してセンサチューブ１、２の振動を検出する一対のピックアップ（振動センサ）１３、１４とが配設されている。各加振器１１、１２は、円筒形状のコイル１５とこのコイル１５に挿入された棒状のマグネット１６とからなっており、それらの配置は、一対のセンサチューブ１、２間で逆向きとなっている。一方、各ピックアップ１３、１４は、板状をなすコイル１７とこのコイル１７を受入れる凹部を有するコ字形のマグネット１８とからなっている。

各加振器１１、１２のコイル１５には、センサチューブ１、２の固有振動数にほぼ等しい振動数の交番的な電流が供給されるようになっており、この電流供給によりマグネット１６に対して吸引力および反発力が作用し、両者の電磁的な相互作用によって一対のセンサチューブ１、２が前記固定板９を支点に振動する。一方、各ピックアップ１３、１４は、コイル１７とマグネット１８との間に相対変位が生じると、コイル１７に電磁誘導電流が流れ、一対のセンサチューブ１、２の振幅に応じた大きさの検出信号を出力する。なお、加振器１１、１２およびピックアップ１３、１４は、センサチューブ１、２の直管部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂに嵌着したブラケット１９に支持されている。

本配管構造体を構成するセンサチューブ（配管）１、２はγ´析出型鉄基合金であるＳＵＨ６６０相当合金（Ａ２８６）から、接続部材３およびマニホールド（継手部材）４はオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６Ｌからそれぞれ形成されている。各センサチューブ１、２と接続部材３とは、図１に示されるようにセンサチューブ１、２の外周面と接続部材３の端面との間をすみ肉接合してなる接合部２０によって一体化され、一方、接続部材３とマニホールド４とは、同じく図１に示されるように接続部材３の外周面とマニホールド４の上面との間をすみ肉接合してなる接合部２１によって一体化されている。

ここで、各センサチューブ１、２と接続部材３とのすみ肉接合にはろう付が、接続部材３とマニホールド４とのすみ肉接合には溶接（アーク溶接）がそれぞれ採用されている。ろう付の採用により異種材料であるセンサチューブ１、２と接続部材３との相互間に材料の溶込みが起こらず、したがって薄肉のセンサチューブ１、２の材質は維持され、しかも接合部２０に割れが生じることはない。また、ろう付に伴う入熱も小さいので、薄肉のセンサチューブ１、２に変形が生じることもない。一方、溶接の採用により接続部材３とマニホールド４との相互間には材料の溶込みが起こるが、両者は同一材料から形成されているので、材質変化を起こすことはなく、その上、接合部２１に割れ（溶接割れ）が生じることもない。また、溶接に伴う入熱はろう付に比べてかなり大きくなるが、両者は厚肉構造となっているので、変形を生じることもない。

本実施形態においては、センサチューブ１、２に接続部材３をろう付した後、両者を時効硬化処理に供し、センサチューブ１、２を時効硬化させるようにしている。この場合、センサチューブ１、２の材料であるＡ２８６の時効温度は、７００〜７６０℃となっているので、前記ろう付に用いるろう材としては、この時効温度よりも高いろう付温度を有する金属ろう、たとえば、金ろう、ニッケルろう、パラジウムろう等を選択する。

なお、本実施形態においては、図１に示されるように、各センサチューブ１、２と接続部材３とを端面側においても溶接（溶接部２２）しているが、これは、両者の接合を補強するためである。また、この溶接により接合部２０への応力付加が軽減される。なお、この端部は、センサチューブの振動にあまり影響を及ぼさない部分であるので、異種材料同士の接合で変形などが生じても特に問題とならない。
また、マニホールド４の取付孔７、８内に接続部材３との間をシールするシール部材２３を配設しているが、これは、接続部材３とマニホールド４との接合部２１に被測定流体が接触するのを防止するためである。

本配管構造体を製造するには、予め、溶体化処理を施したＡ２８６の素管（継目無し管）を曲げ加工して、図２に示したように、両端側の直管部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂの間に異形の曲げ部１ｃ、２ｃを有するセンサチューブ１、２を製作する。そして、各センサチューブ１、２に、補強板１０の一部、ブラケット１７、固定板９等の必要な部品を通してろう付した後、各センサチューブ１、２の両端部に、別途形成した接続部材３を嵌合し、前記したように両者をろう付によりすみ肉接合（接合部２０）し、さらに、所望によりセンサチューブ１、２と接合部材３の端面同士を溶接（溶接部２２）して、サブアセンブリ体とする。そして、この接合完了後、前記サブアセンブリ体をＡ２８６の時効温度に加熱し、センサチューブ１、２を時効硬化処理する。この時効硬化処理により、センサチューブ１、２は、その硬さがＨｖ４００程度に硬化すると共に、その引張強さが１０００Ｐａ程度に強化する。その後は、時効硬化処理を終えたセンサチューブ１、２の端部を接続部材３と一緒に、別途用意したマニホールド４の取付孔７、８に（所望によりシール部材２３を介して）差込み、続いて接続部材３とマニホールド４とを溶接によりすみ肉接合（接合部２１）し、これにて本配管構造体は完成する。その後は、補強板１０の残りの部分を接合して補強板１０を完成させ、さらに、ブラケット１７に必要な加振器１１、１２およびピックアップ１３、１４を取付けてコリオリ式質量流量計は完成する。

上記のように構成したコリオリ式質量流量計を高圧（一例として、８０ＭＰａ以上の圧力）の水素ガス系に適用して、水素の質量流量を計測する場合は、マニホールド４の流入口５および流出口に水素ガス系を配管接続し、一対のセンサチューブ１、２内に被測定流体としての高圧水素を流す。そして、この状態のもと、加振器１１、１２のコイル１５に交番電流を供給し、マグネット１６との電磁作用で一対のセンサチューブ１、２を振動させる。すると、水素ガスの質量に応じた大きさのコリオリ力がセンサチューブ１、２に作用し、流入側直管部１ａ、２ａでは、振動方向と逆方向にコリオリ力が作用して、ピックアップ１３による検出信号の位相が遅れ、流出側直管部１ｂ、２ｂでは、振動方向にコリオリ力が作用して、ピックアップ１４による検出信号の位相が進む。この流入側と流出側との位相差は水素ガスの質量流量に比例しており、この結果、前記位相差に基づいて水素ガスの質量流量を計測できる。

しかして、一対のセンサチューブ１、２として、強度の大きいγ´析出型鉄基合金を用ているので、肉厚を厚くしなくてもセンサチューブ１、２の耐圧強度は十分となり、したがって、センサチューブ１、２を振動させる加振器１１、１２の駆動力（コイル１５に流す電流値）を大きくする必要がない。また、肉厚を厚くする必要がないことから、センサチューブ１、２の剛性が小さく抑えられ、したがって、計測時の共振振幅も大きくなって外乱の影響を受け難くなり、その上、流入側および流出側のピックアップ１３、１４の位相角（捩れ角）も大きくなって、計測精度が向上する。本実施形態においては特に、時効硬化処理によってセンサチューブ１、２の強度が著しく高まっているので、センサチューブ１、２のより一層の薄肉化が可能になり、その上、計測精度のより一層の向上を図ることができる。

さらに、センサチューブ１、２を形成するγ´析出型鉄基合金は、水素脆化の危険がないので、高圧の水素ガス条件下でも、長期的に安定して使用できる。また、本実施形態においては特に、接続部材３とマニホールド４との間にシール部材２３を配設しているので、接続部材３とマニホールド４との接合部２１に水素ガスが接触するのが防止され、接合部２１が水素脆化を起こす虞もなく、装置に対する信頼性が著しく向上する。

なお、上記実施形態においては、配管であるセンサチューブ１、２に接続部材３をろう付した後、時効硬化処理をするようにしたが、本発明は、センサチューブ１、２と接続部材３との接合、接続部材３とマニホールド４との接合並びに必要な加振器１１、１２やピックアップ１３、１４などの接合を全て終えてから時効硬化処理をするようにしても、あるいは事前にセンサチューブ１、２を時効硬化処理した後、これに接続部材３、マニホールド４などの必要な部品を接合してもよいものである。ただし、前者の場合は、接続部材３とマニホールド４との間をシールするシール部材２３として、時効温度に耐えるもの（たとえば、ろう材など）を、後者の場合は、ろう材として、時効温度よりも低いろう付温度を有する金属ろうをそれぞれ選択する必要がある。

コリオリ式質量流量計に適用した、本発明に係る配管構造体の構造を示す断面図である。本配管構造体を適用したコリオリ式質量流量計の全体構造を示す斜視図である。

符号の説明

１、２センサチューブ（配管）
１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂ直管部
１ｃ、２ｃ曲げ部
３接続部材
４マニホールド（継手部材）
７、８マニホールドの取付孔
１１、１２加振器
１３、１４ピックアップ（計測センサ）
２０ろう付による接合部
２１溶接による接合部
２３シール部材

Claims

γ´析出型鉄基合金製の配管と該配管の端部に嵌合されたオーステナイト系ステンレス鋼製の筒状の接続部材とをろう付によりすみ肉接合し、前記配管の端部を前記接続部材を介してオーステナイト系ステンレス鋼製の継手部材の取付孔に差込んで、該接続部材と継手部材とを溶接によりすみ肉接合したことを特徴とする配管構造体。
配管の材料であるγ´析出型鉄基合金が、ＳＵＨ６６０またはＳＵＨ６６０相当合金であることを特徴とする請求項１に記載の配管構造体。
接続部材および継手部材の材料であるオーステナイト系ステンレス鋼が、ＳＵＳ３１６Ｌであることを特徴とする請求項１または２に記載の配管構造体。
ろう付のろう材として、ろう付温度がγ´析出型鉄基合金の時効温度よりも高い金属ろうを選択し、配管と接続部材とをろう付によりすみ肉接合した後、前記接続部材の全体を時効硬化処理したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の配管構造体。
配管が、振動式測定装置のセンサチューブであり、継手部材が、該振動式測定装置のマニホールドであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の配管構造体。