JP4804936B2 - ボイラの水壁構造 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラなどの火炉周壁における水壁構造に係わり、特に、フィンと管との温度差による応力集中を緩和するのに好適な水壁構造に関する。

図３は従来技術に関するボイラの水壁構造を示す平面図と断面図である。図３に示すように、管１を平面状に並べ、管１と管１との間は管長手方向に一定間隔でスリット９を施したフィンプレート８を溶接し、炉外側に耐火材５及びケーシング４を施工することで水壁を構成している。フィンプレート８は管１の吸収熱量向上（炉外への熱損失の低減）、および耐火材５を支持する機能を有している。フィンプレート８は管１と管長手方向に連続して溶接されているが、フィンプレート８にスリット９を設置することで、フィン先端部（管１から管径方向に最も離れた部位）と管連結部との温度差に起因する管長手方向の熱伸び差による熱応力を低減する構造となっている。

図３に示す従来技術の他に、ボイラ水壁構造において熱応力を回避する構造として、フィン付きパネル部の幅方向の複数箇所でフィンの上端から所要の長さＬで縦方向に延びるスリットを形成することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平９−１１２８０３号公報

しかしながら、上記特許文献１を含めた従来技術はフィンプレート８にスリット９を設置することで熱応力を低減しているが、低減効果が充分でなく、実際にはスリット９のストップホール部から管側に亀裂が発生している。フィンプレート８は管軸方向に連続して溶接しているため、ストップホール部からの亀裂が進展して管１に到達し、さらに応力集中が働いて管１へ亀裂が進展し、管内流体が漏洩する懸念がある。

また、フィン先端部が焼損し（図３の図示説明を参照）、炉外側に施工されている耐火材５の劣化、脱落が生じ得る。これにより水壁のシール性が低下するため、炉内ガスの漏洩及びボイラ炉内への空気流入などの課題が発生する恐れがある。フィン焼損の対策としてフィンの材質選定があるが、フィンは管と直接溶接させるため、フィンの材質は管材質により制限されて焼損に対し効果のある材質選定が難しいといった課題があった。

本発明の目的は、フィンの熱応力による管溶接部への悪影響を回避し、かつフィンの焼損を抑制し、信頼性の高いボイラ水壁構造を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
ボイラのケーシング側に配置された複数の水壁管と、前記水壁管の管軸方向で前記水壁管に連結されたフィンと、を備えたボイラの水壁構造において、
前記フィンは、前記管軸方向に互いに独立した複数のプレートからなり、各々のプレート同士が前記管軸方向に沿って隙間をあけて配置され、
前記プレートは、炉内部側から前記ケーシング側に亘ってそれぞれ１段目プレートと２段目プレートからなる２段構造を形成し、
前記炉内部側の１段目プレートの、前記複数の水壁管の中心軸をそれぞれ結ぶ平面と平行な方向における水壁管管径方向の長さは、前記ケーシング側の２段目プレートの前記水壁管管径方向の長さよりも短く、
隣接する水壁管にそれぞれ連結された前記２段目プレートには、前記２段目プレート同士に掛け渡される支持プレートを設け、
前記支持プレートは、前記２段目プレートの一方にのみ固定されるとともに、前記ケーシングとの間で耐火材を支持する構成である。

また、ボイラの水壁構造において、前記炉内部側の１段目プレートと前記ケーシング側の２段目プレートとは、互いに配された前記隙間を塞ぐように、上下で互い違いになるように設置される構成とする。

また、ボイラの水壁構造において、前記独立した複数のプレートは、各々のプレートを連結部材によって連結して一体的なプレートを形成し、前記一体的なプレートを前記水壁管に溶接する構成とする。

本発明によれば、フィンの熱応力による亀裂が発生しないため、管の損傷を防止する効果が得られる。また、耐火材の支持プレートを設置することで支持プレート材質を自由に選定し焼損を防ぐことができるため、ボイラ水壁の健全性が向上し、万一損傷した場合でも補修が容易となる効果が得られる。

本発明の実施形態に係るボイラ水壁構造について、図１と図２を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施形態に係るボイラ水壁構造を示す平面図と断面図である。図２は本実施形態に係るボイラ水壁構造におけるフィン構成例を示す図である。

図１と図２において、１は管、２はフィン、３は耐火材の支持プレート、４はケーシング、５は耐火材、６は連結部材、７は溶接範囲、をそれぞれ表す。

図１に示すように、隣接するボイラの壁管１の間のシール用として、各々の管１の軸方向に独立した板（プレート）を管軸方向に並べて管１と溶接し、フィン２を構成している。その際、板（プレート）同士は管軸方向に隙間をあけて設置する。また、フィン２を溶接した管１と管１の隙間は耐火材支持プレート３を炉外側から設置し、その上に耐火材５を炉外側に施工して水壁を構成する。

フィン２は互いに独立して管１に溶接されているため、管軸方向の板（プレート）一枚毎の幅（管軸方向の幅）は短かい。すなわち、フィン先端部（管１から管径方向に最も離れたフィン部位）と管１の溶接部との温度差による管軸方向の熱伸び差は充分小さいため、熱応力によるフィン及び管の割れは発生しない。

また、フィン先端部の焼損に対しては、管径方向のフィン長さを短くすることでフィン先端温度の過上昇を防止し、酸化限界温度以下に保持させることで抑制可能である。ここで、フィン２を溶接した管１と管１の隙間に対しては耐火材支持用として支持プレート３を設置し、その外側に耐火材５を施工して水壁を構成する。支持プレート３の焼損に対しては焼損に対し優れた性能を持つ材質を選定することで対応可能である。この支持プレート３の固定方法は、プレートの一部を一枚のフィン２に溶接させ、フィン２との温度差、材質の違いによる熱伸び差の影響をフィン２や管１が受けないようにしている。

また、フィン２は管径方向で長さの異なる２枚を重ねて溶接しており、フィン長さは炉内側は短く、炉外側は長いフィンの２段構造としている。炉外側フィンは耐火材５を支持するため長いフィンを採用している。炉内側からの熱による焼損の抑制とフィン強度保持のため、炉内側に短いフィンを溶接し、炉内からの熱は２段のフィンにより管１へ伝熱させる。ここで、吸収熱量の大きい炉内側のフィン２はフィン長さを短くしてフィン先端部の焼損を抑制している。

これに対して、炉内側のフィン長さを炉外側より長くした場合は炉内からの熱によりフィン先端部の焼損の恐れがある。また、２段のフィンを同じ長さにした場合は１枚の厚いフィンと同等の構造と考えられ、必要以上に厚いフィン構造となってしまう。

この２段のフィンは、隣接するケーシング側のフィンとフィンの間隔部を炉内側のフィンが覆うようにして上下で互い違いになるように設置して、隣接するフィンとフィンの隙間を塞ぐ構造としている。

フィン２を溶接した管１と管１の隙間に設置する耐火材支持用の支持プレート３は、支持プレート３の片側一箇所を一枚のフィン２に溶接し固定している。これによりフィンとの温度差および材質の違いによる熱伸び差の影響を受けないようにしている。

次に、図２を用いて本実施形態に係るボイラ水壁構造におけるフィン構成例を説明する。図２において、管１に溶接する前のフィン構造を複数の小型の板（プレート）同士を連結部材６によって薄い幅で連結させ一体化させておく。図２に示す連結部材を設けた意味は、複数の小型の板（プレート）を一体のフィンプレートとして管に溶接が可能であり、施工が容易であるということである。図１では独立した小型の板（プレート）をそれぞれ管１に溶接させる必要があった。

図１に示す各小型板の管への夫々の溶接に代えて、図２では、管１に溶接させる以前の小型の板（プレート）を板（プレート）同士の管との溶接側を連結部材６によって極く薄い幅で連結させておく。さらに、フィン２と管１の溶接範囲７は、フィン２とフィンの管長手方向の隙間を空けるように溶接を断続的に施工する。この連結部材６はフィン２を一時的に連結させておくための物であって容易に分離することができ、フィン２を管１へ溶接する際の衝撃、あるいは管１へ連結した後で何らかの応力が加わった場合に分離することができ、その結果独立した板（プレート）がフィン２を構成する図１と同様な構造となる。

したがって、フィン２の連結部材６に亀裂が発生、貫通したとしても、連結部材６と管１との接触面は溶接していないため、管軸方向のフィン先端部と管との熱伸び差による熱応力の応力集中が発生せず、管１へ亀裂が進展することがないのである。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るボイラ水壁構造は、次のような構成と、機能又は作用を奏することを主たる特徴とするものである。すなわち、ボイラ水壁管の軸方向にフィンを溶接する構造において、独立した小型板を管軸方向に並べ、それぞれの小型板を管に溶接してフィンを形成し、また、フィンを設置した管と管の隙間は独立した支持プレートを配置して耐火材を支持し、ボイラ水壁を構成するものである。

そして、管に溶接したフィンはそれぞれ独立した小型の板で構成されていて管長手方向のフィン幅が短く、フィン先端部と管溶接部での熱伸び差は非常に小さい。そのため、熱応力によりフィンに亀裂が発生することが無く、管へ亀裂が進展することもない。

また、管径方向のフィン長さを短くすることで管からの冷却効果により先端部の温度を焼損温度域以下とすることが可能であり、フィンの焼損を防止できる。その際、フィン長さを短くしたため管と管の隙間には、耐火材を支持するため独立した支持プレートを設置する。この支持プレートの材質を適切に選定することにより支持プレート焼損を防止する。万一、支持プレートが焼損した場合においても管及びフィンに関係なく支持プレートを交換できるため交換作業が容易である。

本発明の実施形態に係るボイラ水壁構造を示す平面図と断面図である。 本実施形態に係るボイラ水壁構造におけるフィン構成例を示す図である。 従来技術に関するボイラ水壁の構造を示す平面図と断面図である。

符号の説明

１ 管
２ フィン
３ 耐火材の支持プレート
４ ケーシング
５ 耐火材
６ 連結部材
７ 溶接範囲
８ フィンプレート
９ スリット

Claims (3)

1. ボイラのケーシング側に配置された複数の水壁管と、前記水壁管の管軸方向で前記水壁管に連結されたフィンと、を備えたボイラの水壁構造において、
   前記フィンは、前記管軸方向に互いに独立した複数のプレートからなり、各々のプレート同士が前記管軸方向に沿って隙間をあけて配置され、
   前記プレートは、炉内部側から前記ケーシング側に亘ってそれぞれ１段目プレートと２段目プレートからなる２段構造を形成し、
   前記炉内部側の１段目プレートの、前記複数の水壁管の中心軸をそれぞれ結ぶ平面と平行な方向における水壁管管径方向の長さは、前記ケーシング側の２段目プレートの前記水壁管管径方向の長さよりも短く、
   隣接する水壁管にそれぞれ連結された前記２段目プレートには、前記２段目プレート同士に掛け渡される支持プレートを設け、
   前記支持プレートは、前記２段目プレートの一方にのみ固定されるとともに、前記ケーシングとの間で耐火材を支持する
   ことを特徴とするボイラの水壁構造。
2. 請求項１において、
   前記炉内部側の１段目プレートと前記ケーシング側の２段目プレートとは、互いに配された前記隙間を塞ぐように、上下で互い違いになるように設置されることを特徴とするボイラの水壁構造。
3. 請求項１または２において、
   前記独立した複数のプレートは、各々のプレートを連結部材によって連結して一体的なプレートを形成し、前記一体的なプレートを前記水壁管に溶接することを特徴とするボイラの水壁構造。

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