JP4958578B2

JP4958578B2 - 液化天然ガスの気化器伝熱管

Info

Publication number: JP4958578B2
Application number: JP2007037384A
Authority: JP
Inventors: 英志手塚; 佐知子矢島; 保成織戸; 信二逸見; 真一瀬戸; 広康鳥居; 仁延庄谷; 誠道池田
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: JP2008202652A

Description

本発明は、火力発電所等に天然ガスを送出している液化天然ガス（以下、ＬＮＧと称す）基地において、海水を利用してＬＮＧを気化させるための、液化天然ガスの気化器伝熱管に関するものである。

従来より、ＬＮＧを気化させる場合、オープンラック式気化器（ＯＲＶ）が用いられている。

このオープンラック式気化器（ＯＲＶ）は、複数の伝熱管をカーテン状に配列した状態において、伝熱管の下方から上方に向けて、約−１６２℃程度のＬＮＧを流通させると共に、伝熱管の表面に沿って海水を流下させ、海水による加温により伝熱管内のＬＮＧを気化するものである。

火力発電所等に天然ガスを供給しているＬＮＧ基地は、このような気化器を用いてＬＮＧを気化させ、その結果得られた天然ガスを、火力発電所等の消費量に応じて供給している。

このようなＬＮＧ基地においては、複数の気化器が設けられており、それぞれの気化器は、海水ポンプによって汲み上げられた海水による伝熱管の加温により、ＬＮＧを気化させているのである。

そして、図９に示すように、気化器の伝熱管１１は、海水による熱伝達を促進するために、伝熱管１１の管内の周壁面に、波形状に形成した内側フィン１を設けている。この内側フィン１により、伝熱管１１の内部を流通するＬＮＧとの接触面積を増大させているのである。

また、図８に示すように、伝熱管１１の下端部は、下部に配置したヘッダー１４の上方の側面に穿設した通孔１４ａに連通するように、ヘッダー１４に固定されている。

すなわち、伝熱管１１の下端部は、ヘッダー１４の通孔１４ａを囲むように内側に向けて凹設された環状凹部１４ｂに挿入され、伝熱管１１の外周面とヘッダー１４は、この嵌合部分において互いに溶接により固着されている。

また、気化器の伝熱管１１は、図９に示すように、ヘッダー１４との嵌合部分を含む伝熱管１１の内部全体に、波形状に形成した内側フィン１を設けている。

このとき、内側フィン１の谷部分における管の肉厚（管外径と管内径との間の幅員）は、山部分における管の肉厚よりも薄くなっている。

また、従来においては、特許文献１に開示されているように、上下に配置されたヘッダー間に、ＬＮＧ流路と放熱フィンを有するパネルを溶接し、パネルの表面に沿って海水等を流下させてＬＮＧを気化させるＬＮＧ気化器における当該下部ヘッダーとパネルとの溶接接合部、またはその溶接接合部を含む近傍を検査面として残存させて上下ヘッダーおよびパネル全面に防食金属皮膜の溶射層を施してなる技術が存在する。

この特許文献１においては、特に熱負荷が繰り返しかかり熱疲労強度が問題となる下部ヘッダーとパネルとの溶接接合部、またはその溶接接合部を含む近傍には、Ａｌ−Ｚｎ合金等の防食金属皮膜の溶射層が施されていないので、ＰＴ検査に先立ち防食金属皮膜を除去し、またＰＴ検査後に防食金属皮膜を溶射して施す必要がないことから、定期検査はもとより必要の都度、据え付け現場でＰＴ検査が容易に行え、これにより、伝熱管の割れ、損傷等が大きな損傷に到る前に把握することができ、しかも、伝熱管の肉厚測定も溶射皮膜による誤差なく測定することができるものである。

また、特許文献２に開示されているように、内部にＬＮＧが流通され、外表面に海水が供給され、この海水と上記ＬＮＧとが熱交換し、この熱交換によってＬＮＧが気化するように構成されたＬＮＧ気化器用伝熱管における上記伝熱管の外表面に、Ｚｎが含まれたアルミニウム合金の被膜が形成されている技術が存在する。
特開平１１−２７０９９６号公報特開平６−３１７３９２号公報

しかしながら、図９に示すように、ヘッダー１４との嵌合部分を含む内部全体に内側フィン１を設けた伝熱管１１を使用している従来の気化器においては、以下のような弊害が生じている。

具体的には、図１０に示すように、下部のヘッダー１４に固定されている伝熱管１１の下端部において、波形状に形成されている内側フィン１の谷部である、伝熱管１１の肉厚の一番薄い箇所に応力が集中することから、管の内側から直径方向に疲労亀裂が生じてしまうのである。

すなわち、パネル１２を構成する伝熱管１１と上下部のヘッダー１３，１４との接続が溶接により行われる一方、ＬＮＧの気化器の操業中は伝熱管１１に大きな熱負荷が繰り返しかかることから、特に、伝熱管１１と下部のヘッダー１４の溶接による接合部近傍の拘束により熱疲労強度が問題となる。これを詳細に観察すると、図８に示すように、ＬＮＧの流れに沿う方向および直行する方向に疲労亀裂が生じており、このことからも熱応力の拘束が原因であることが明らかである。

この損傷が長期にわたり蓄積して、疲労亀裂が伝熱管１１の下から上へ徐々に進行し、また、伝熱管１１の内側から外側へ向けて徐々に進行して行き、このような疲労亀裂が生じている場合には、伝熱管１１の取り替えが常に必要となるのである。

また、特許文献１および特許文献２に示す技術は、共に伝熱管の外側からの亀裂の発生に対する保護対策を図ったものであり、伝熱管の内側から生じる亀裂の発生については、何等考慮されていない。

そのため、図８・図９に示す従来の気化器と同様に、伝熱管１１に疲労亀裂（図１０参照）が生じる恐れがある。

そこで、本発明は如上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、伝熱管の下端部近傍部分における管内の周壁面を円筒形にすることにより、伝熱管の内側から生じる亀裂に対して、充分な保護対策を図った液化天然ガスの気化器伝熱管を提供することを目的とする。

本発明に係る液化天然ガスの気化器電熱管は、上下にヘッダーを配置し、このヘッダー間に複数の伝熱管をカーテン状に配列したパネルを設置し、ＬＮＧがパネルを形成する伝熱管の下方から上方に向けて流通すると共に、伝熱管の表面に沿って海水を流下させ、伝熱管の内部を流通するＬＮＧとの熱交換によって当該ＬＮＧを気化するように構成された液化天然ガスの気化器伝熱管において、伝熱管内の周壁面を波形フィン形状に形成し、伝熱管の下端部近傍部分における管内の周壁面を、円筒形に形成しており、伝熱管の管内における円筒形部分は、少なくとも伝熱管の最下端部分から、伝熱管とヘッダーとの溶接部分まで形成されていることで、上述した課題を解決した。

さらに、伝熱管の管内における円筒形部分の上部は、波形フィン形状に次第に移行するものであることで、同じく上述した課題を解決した。

また、伝熱管の管内における円筒形部分が、波形フィン形状に移行する部分は、伝熱管の外表面に形成された放熱用フィンの下方に位置していることで、同じく上述した課題を解決した。

この他、伝熱管の管内における波形フィン形状は、谷部および山部が丸みを帯びた略星形であることで、同じく上述した課題を解決した。

また、伝熱管の管内における波形フィン形状は、谷部が円弧状もしくは平坦状で、山部が丸みを帯びた略花びら形であることで、同じく上述した課題を解決した。

本発明に係る液化天然ガスの気化器伝熱管は、上下にヘッダーを配置し、このヘッダー間に複数の伝熱管をカーテン状に配列したパネルを設置し、ＬＮＧがパネルを形成する伝熱管の下方から上方に向けて流通すると共に、伝熱管の表面に沿って海水を流下させ、伝熱管の内部を流通するＬＮＧとの熱交換によって当該ＬＮＧを気化するように構成された液化天然ガスの気化器伝熱管において、伝熱管の下端部近傍部分における管内の周壁面を、円筒形に形成したことから、伝熱管の下端部近傍部分に疲労亀裂が生じる事態の発生を未然に防止することができる。

具体的には、伝熱管は、管内の周壁面を波形フィン形状に形成し、伝熱管の下端部近傍部分における管内の周壁面を円筒形に形成したことから、円筒形部分における作用応力は、波形フィン形状部分に比較して１／３に減少する。

そして、下部のヘッダーに固定されている伝熱管の下端部近傍部分に、応力集中が無くなり、伝熱管に疲労亀裂が生じる事態を回避しているのである。

また、伝熱管の管内における円筒形部分の上部は、波形フィン形状に次第に移行するものであることから、ＬＮＧが伝熱管の内部を滑らかに流通することができる。さらに、内表面に急激な段差を設けないことで、新たな応力集中源の発生を招くことを避けている。

また、伝熱管の管内における円筒形部分は、伝熱管の最下端部分から、伝熱管とヘッダーとの溶接部分までに形成されていることから、伝熱管の溶接部分に疲労亀裂が生じる事態の発生を未然に防止することができる。

加えて、伝熱管の管内における円筒形部分が、波形フィン形状に次第に移行する部分は、伝熱管の外表面に形成された放熱用フィンの下方に位置していることから、伝熱管のうち熱交換に用いられる主要部分（放熱フィンより上方）については、ＬＮＧと十分な接触面積を確保でき、設計条件通りにＬＮＧを気化させることができる。

また、伝熱管の管内における波形フィン形状は、谷部および山部が丸みを帯びた略星形であることから、伝熱管の内部を流通するＬＮＧとの接触面積を増大させ、効率よくＬＮＧを気化させることができる。

同様に、伝熱管の管内における波形フィン形状は、谷部が円弧状もしくは平坦状で、山部が丸みを帯びた略花びら形であることから、伝熱管の内部を流通するＬＮＧとの接触面積を増大させ、効率よくＬＮＧを気化させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。

本発明に係る液化天然ガスの気化器伝熱管は、例えば、オープンラック式気化器（ＯＲＶ）に用いられているものである。

オープンラック式気化器（ＯＲＶ）は、図１（ａ）に示すように、複数の伝熱管１１をカーテン状に配列したパネル１２と、このパネル１２の上下部に連結された上部ヘッダー１３及び下部ヘッダー１４とから成るパネルユニット１５を、複数並列して構成されている。

また、各パネルユニット１５のパネル１２間の上方に、熱源としての海水Ｗを流下させるトラフ１６を配設している。さらに、パネル１２下方には、集水ピット１７を配置している。

そして、オープンラック式気化器（ＯＲＶ）は、図１（ｂ）に示すように、パネル１２を形成する伝熱管１１の下方から上方に向けてＬＮＧが流通すると共に、伝熱管１１の表面に沿って海水Ｗを流下させ、伝熱管１１の内部を流通するＬＮＧとの熱交換によってＬＮＧを気化するのである。

伝熱管１１の下端部は、下部ヘッダー１４の上方の側面に穿設した通孔１４ａ部分において、通孔１４ａ部分を囲むように内側に向けて凹設された環状凹部１４ｂに挿入されている。また、図２に示すように、挿入された伝熱管１１の側面と、環状凹部１４ｂの上端開口縁とを溶接して、伝熱管１１の下端部が下部ヘッダー１４に固定されている。

この伝熱管１１は、下端部近傍部分における管内の周壁面を、円筒形に形成した円管部２としている。

具体的には、図３に示すように、伝熱管１１の多くの領域において、管内の周壁面に、波形フィン１を設けている。また、伝熱管１１の下端部近傍部分における管内の周壁面には、円管部２を設けている。

そして、波形フィン１の谷部分における管肉厚（管外径と管内径との間の幅員）は、山部分における管肉厚よりも小さくなっていると同時に、波形フィン１の谷部分の内径は、前記円管部２の内径と略同じ大きさとしている。

また、図４に示すように、伝熱管１１の管内における円管部２の上部を、上方に位置する波形フィン１の形状に次第に移行するように形成しても良い。

さらに、伝熱管１１は、図５に示すように、伝熱管１１のほぼ全体に、一対の放熱用フィン３を設けている。この放熱用フィン３は、伝熱管１１の外表面において、左右対称位置に突設して形成されている。また、この放熱用フィン３の枚数は、２枚を超え、さらに多いものもある。

この他、伝熱管１１の波形フィン１は、例えば、図６（ａ）に示すように、谷部および山部が丸みを帯びた略星形に形成されている。また、図６（ｂ）に示すように、谷部が円弧状で、山部が丸みを帯びた略花びら形に形成しても良い。さらに、図６（ｃ）に示すように、谷部が平坦状で、山部が丸みを帯びた略花びら形に形成しても良い。

尚、図６に示す波形フィン１の形状は、本発明を何等限定するものではなく、波形フィン１として他の形状を採用しても良い。

次に、伝熱管１１の下端部近傍部分における管内の周壁面を、円筒形に形成した円管部２としていることによる、作用応力の緩和効果を検証するために、簡易な応力計算を行い、この評価について説明する。

図７（ａ）に示すように、伝熱管１１の管内構造において、略星形の波形フィン１が存在する状態から、（ａ）の破線で示すように、星形の頂点を通る大きな円孔に変更した場合の作用応力を評価する。

ここでは、図７（ｂ）に示すように、簡易的にＹ方向の公称応力σ_０の下で、孔構造が楕円の場合と真円の場合とにおける応力集中係数αを比較評価した。

すなわち、楕円の場合では、α＝（σ_ｙ）ｍａｘ／σ_０＝１＋２（ｂ／ａ）＝１＋２（６／１．５）＝９となる。一方、真円の場合では、σ_ｙ＝σ_０（２＋ｂ^２／ｘ^２＋３ｂ^４／ｘ^４）／２、α＝（σ_ｙ）ｍａｘ／σ_０＝３となる。

その結果、伝熱管１１の管内における孔構造を、略星形から円孔に変更することにより、作用応力は１／３に減少する。

伝熱管１１の使用材料であるアルミニウム合金の疲労曲線から疲労限度（Ｎ＝１０^７）は、σ_ａ／σ_ｂ＝０．３を中心に分布（０．２５〜０．４０）している。

そして、星形構造の評価点において、ほぼ降伏応力が作用して疲労亀裂が発生したとしても、円孔構造に変更することにより、評価点の作用応力は１／３となり、疲労限度と同等であることから、実機運用中の疲労亀裂の発生を回避できることが判明した。

本発明は、海水を利用してＬＮＧを気化させるための液化天然ガスの気化器伝熱管に利用する他に、種々の熱交換器において、伝熱管の内側から生じる疲労亀裂に対する保護対策として、幅広く利用することができる。

複数の伝熱管を配列したパネルと、このパネルの上下部に連結された上部ヘッダー及び下部ヘッダー等を備えているオープンラック式気化器（ＯＲＶ）の構成を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。伝熱管の下端部が下部ヘッダーに溶接により固定されている状態を示す側面図である。伝熱管の多くの領域において、管内の周壁面に波形フィンを設ける一方、伝熱管の下端部近傍部分における管内の周壁面に円管部を設けている伝熱管の構成を示す斜視図である。伝熱管の管内における円管部の上部を、上方に位置する波形フィンの形状に次第に移行させている伝熱管の構成を示す斜視図である。円管部を備えている伝熱管の全体に、一対の放熱用フィンを設けている伝熱管の構成を示す斜視図である。伝熱管の波形フィン形状を示すもので、（ａ）は谷部および山部が丸みを帯びた略星形である伝熱管の断面図、（ｂ）は谷部が円弧状で、山部が丸みを帯びた略花びら形である伝熱管の断面図、（ｃ）谷部が平坦状で、山部が丸みを帯びた略花びら形である伝熱管の断面図である。伝熱管の作用応力評価を説明するもので、（ａ）は星形状の波形フィン形状が存在する状態から、破線で示す星形の頂点を通る大きな円孔に変更した場合の説明図、（ｂ）はＹ方向の公称応力σ０の下で孔構造が楕円の場合と真円の場合とにおける応力集中係数αを比較評価した場合の説明図である。従来の気化器において、ヘッダーに固定されている伝熱管の下端部近傍部分に、疲労亀裂が生じている状態を示す一部拡大の説明図である。従来の伝熱管の構成を示す斜視図である。従来の伝熱管において、伝熱管の下端部近傍部分に、疲労亀裂が生じている状態を示す斜視図である。

符号の説明

Ｗ…海水
１…波形フィン
２…円管部
３…放熱用フィン
１１…伝熱管
１２…パネル
１３…上部ヘッダー
１４…下部ヘッダー
１４ａ…通孔
１４ｂ…環状凹部
１５…パネルユニット
１６…トラフ
１７…集水ピット

Claims

上下にヘッダーを配置し、このヘッダー間に複数の伝熱管をカーテン状に配列したパネルを設置し、ＬＮＧがパネルを形成する伝熱管の下方から上方に向けて流通すると共に、伝熱管の表面に沿って海水を流下させ、伝熱管の内部を流通するＬＮＧとの熱交換によって当該ＬＮＧを気化するように構成された液化天然ガスの気化器伝熱管において、伝熱管内の周壁面を波形フィン形状に形成し、伝熱管の下端部近傍部分における管内の周壁面を、円筒形に形成しており、伝熱管の管内における円筒形部分は、少なくとも伝熱管の最下端部分から、伝熱管とヘッダーとの溶接部分まで形成されていることを特徴とする液化天然ガスの気化器伝熱管。
伝熱管の管内における円筒形部分の上部は、波形フィン形状に次第に移行するものである請求項１に記載の液化天然ガスの気化器伝熱管。
伝熱管の管内における円筒形部分が、波形フィン形状に移行する部分は、伝熱管の外表面に形成された放熱用フィンの下方に位置している請求項１または２に記載の液化天然ガスの気化器伝熱管。
伝熱管の管内における波形フィン形状は、谷部および山部が丸みを帯びた略星形である請求項１乃至３のいずれかに記載の液化天然ガスの気化器伝熱管。
伝熱管の管内における波形フィン形状は、谷部が円弧状もしくは平坦状で、山部が丸みを帯びた略花びら形である請求項１乃至３のいずれかに記載の液化天然ガスの気化器伝熱管。