JP5043349B2 - 耐酸性固定シール用ジョイント - Google Patents

Description

本発明は、主としてボイラ排ガス用の耐酸性熱交換器における管板と伝熱管（管状体）との機械的接合に用いる耐酸性固定シール用ジョイントに関するものである。

主にボイラの排ガス用として使用されている耐酸性熱交換器の構成部材の材質としては、耐食性の点で金属材料をそのまま採用することができず、炭素材、ガラス材及びフッ素樹脂シートライニングされた金属材が広く使用されている。また、ボイラ排ガス用の耐酸性熱交換器では、チャンバ内を高温の腐食性ガスが通過する。従って、管板と管状体との接続部は、管状体を流通する冷却水により多少は降温されるものの、耐酸性熱交換器稼動時には通常１００℃以上になっており、耐熱性と耐食性において厳しい条件となる。更に、管板と管状体との接続部には、冷却水の通った管状体の荷重がかかり、また、チャンバ内を通過する腐食性ガスのガス流による微振動を常に受けている。高温の腐食性ガスとのシール性能が確保されなければならない上に、内圧に対する機械強度も必要となり、耐久性と信頼性の点で非常に厳しい特性が要求される。

そこで、これまで、管板と管板を貫通する管状体との接合方法としては、耐食性樹脂を繊維で強化したＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)もしくはセメント等からなる充填材を流し込んで管板作成と管状体接合とを同時に行う方法（特許文献１参照）、管板内に埋め込んだ金属板と管状体とを接合する方法（特許文献２参照）、及び黒鉛粉混入樹脂で接着接合する方法（特許文献３参照）等が知られている。

上記以外にも、耐酸性熱交換器にＦＲＰ（繊維強化樹脂）を適応させる試みが多くなされてきた。特に、炭素繊維複合材は熱伝導率、機械特性及び疲労特性に優れていることから、伝熱管（管状体）として採用する提案が知られている（特許文献４，特許文献５，特許文献６参照）。

しかしながら、ＦＲＰは、メリットが多いにもかかわらず、他部材との接合において、金属材料のように溶接接合できないことが、実用化されていない大きな要因となっている。ＦＲＰの場合、溶接に代わる技術としては接着剤による接合が考えられるが、接着剤を深度のある間隙に隅々まで完全に充填し、硬化後においてもクラックやピンホールが発生しないように接合するには、多段の工程を要し、コストが高くなることや、接着剤の耐久性においても問題があった。特に、耐酸性熱交換器においては、接着剤による接合では、耐熱性と耐食性の面で限界があるのが実情である。

一方、機械的接合は、接着剤による接合と比較して、締付作業のみであるため、作業及びメンテナンスが容易であり、かつ、信頼性が高いものである。従って、ＦＲＰにおいては、接着剤と併用して、或いは接着剤のみによる接合に代わるものとして、機械的接合が採用されている。例えば、図１に示す様に、管板Ｋと、この管板Ｋに形成された開口部Ｔとの間に挿通された管状体Ｐとを機械的に接合する場合には、くさび型シール材Ｓが用いられている。
特開昭５８−１１７９９８号公報 実開昭５９−７６８９０号公報 実公平２−４９５１９号公報 特開平７−１２４９４号公報 特開平１０−１３２４９２号公報 特開平１１−３４２５４５号公報

しかしながら、従来のくさび型シール材Ｓでは、管状体Ｐの僅かな外径変動に追従することができず、管板Ｋとくさび型シール材Ｓとの接合部、及び、くさび型シール材Ｓと管状体Ｐとの接合部を、同時に完全にシールすることは困難である。更に、各々の接合部のシール性能が経年変化により低下するという問題がある。その上、一般的に用いられているシール材の材質では、耐熱性、耐食性に見劣りし、耐酸性熱交換器には適応できない材質である。

本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、管板とＦＲＰからなる管状体との機械的接合を可能にし、かつ、耐熱性、耐食性及び耐久性に優れた、信頼性の高い耐酸性固定シール用ジョイントを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、管板の開口部と該開口部に挿通された繊維強化樹脂からなる管状体との間に、繊維強化樹脂からなるジョイントパイプを挿入し、前記開口部と前記ジョイントパイプの基部側との間をシールするジョイント機構を設け、前記ジョイントパイプの先端側に、前記管状体と前記ジョイントパイプとの間をシールするユニオン機構を設け、前記ジョイント機構と前記ユニオン機構とを一体化した耐酸性固定シール用ジョイントであって、前記ジョイント機構は、前記ジョイントパイプの基部側に設けたフランジ部と、前記管板と前記フランジ部との間をシールする第１のシール材と、前記ジョイントパイプの先端側に螺合し、かつ、前記フランジ部との間で前記管板を締め付ける締付ナットとを備え、前記ユニオン機構は、前記ジョイントパイプに螺合する固定ユニオンと、前記管状体と前記固定ユニオンとの間に介装され、前記ジョイントパイプと前記管状体とをシールする第２のシール材とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記ジョイント機構の前記第１のシール材が、Ｏリングであり、前記ユニオン機構の前記第２のシール材が、前記固定ユニオンの締め付けにより前記ジョイントパイプの端面と前記管状体の外周面とに密着する断面くさび型シール材であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記ジョイントパイプを形成している繊維強化樹脂は、炭素繊維強化フェノール樹脂複合材からなり、前記Ｏリングで形成している前記第１のシール材と前記断面くさび型シール材で形成している前記第２のシール材は、フッ素樹脂からなることを特徴とする。

請求項１に記載された発明によれば、ジョイント機構及びユニオン機構の両機構が作用することにより、接着剤などを用いずに、耐酸性熱交換器の管板とＦＲＰからなる管状体とが、耐酸性固定シール用ジョイントを介して、機械的に接合されることになる。耐酸性固定シール用ジョイントを上述のように構成することで、これまでは管板と管状体の接合部のみで接合シールしていたものが、ジョイントパイプの基部側と先端側の２箇所に分散して機械強度を維持しながら、機械的接合及びシールをすることができるため、信頼性の向上を図ることが可能となる。
また、耐酸性固定シール用ジョイントは、上述のジョイント機構とユニオン機構とが一体化されているため、部材数が減少し、取付作業効率の向上、及び将来のメンテナンス性の向上を図ることが可能となる。

さらに、第１のシール材及び第２のシール材を介して機械的接合をすることで、機械的接合による結合力を有効にシール作用に利用することができるため、確実にシール性能が確保され、信頼性の向上を図ることが可能となる。

請求項２に記載された発明によれば、ジョイント機構においては、Ｏリングにより管板に穿孔された円形の開口部とジョイントパイプとの間隙を確実にシールすることができ、ユニオン機構においては、くさび型シール材によりジョイントパイプと管状体の間隙を固定ユニオンの締め付けにより確実にシールすることができるため、信頼性の向上を図ることが可能となる。

請求項３に記載された発明によれば、ジョイントパイプは耐熱性、耐食性だけでなく硬度等も確保することができ、また、第１のシール材と第２のシール材は耐食性を確実に確保することができるため、耐酸性熱交換器の管板と管状体との機械的接合及びシールをするために十分適応可能であると共に、これまでの接合方法よりも信頼性の向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図２、図３に示すように、耐酸性固定シール用ジョイントＡは、ジョイント機構１、ユニオン機構２及びジョイントパイプ３から構成されており、管板４と管板４の開口部２０に挿通された管状体５とが、耐酸性固定シール用ジョイントＡを介して、機械的接合されている。

ジョイント機構１の説明を行う。
ノボラック樹脂を主成分としたフェノール樹脂の炭素繊維複合材からなる筒状の形状をしたジョイントパイプ３の基部側に、フランジ部６が設けられている。フランジ部６の外周は、六角又は八角形状が好ましい。フランジ部６における管板４との圧着面には、環状の凹陥部２１が設けられ、凹陥部２１にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂からなるＯリング７が固定されている。

ジョイントパイプ３の外周には、管板４の厚み分を除いたほぼ全長に、雄ねじ３０が切られている。ジョイントパイプ３の外径は、管板４に穿孔された開口部２０の孔径より僅かに小さく、ジョイントパイプ３の内径は、貫通する管状体５の外径より僅かに大きく設計されている。ジョイントパイプ３の外径は、管板４に穿孔された開口部２０の孔径より１．０ｍｍ小さいものが望ましい。

ＰＴＦＥ樹脂からなる環状のシールパッキン８の内径は、ジョイントパイプ３の外径より僅かに大きく設計されており、ジョイントパイプ３に挿通され、管板４と圧着される。締付ナット９は、内周に雌ねじ３１が切られており、ジョイントパイプ３の雄ねじ３０に螺合される。ロックナット１０にも、締付ナット９と同様に内周に雌ねじ３２が切られており、ジョイントパイプ３の雄ねじ３０に螺合される。締付ナット９とロックナット１０の外周は、六角又は八角形状が好ましい。

ジョイントパイプ３の全長は、管板４、フランジ部６、シールパッキン８、締付ナット９及びロックナット１０の厚みと、固定ユニオン１２の雌ねじ３３の長さＬ及び締付工具の作用長さ等によって決定される。

ジョイントパイプ３を耐酸性熱交換器の内側に入れ、ジョイントパイプ３の先端側を管板４に穿孔された開口部２０より外側に突き出すようにして設置する。ジョイントパイプ３がＯリング７及びフランジ部６を介して、管板４に内側から圧着される。管板４の外側には、シールパッキン８を管板４に圧着できるようにジョイントパイプ３に挿通し、締付ナット９をジョイントパイプ３に挿通し、螺合することで、管板４とジョイントパイプ３が機械的接合及びシールされる。ここで、締付ナット９の締付作業の際に、工具を用いるための作業空間を確保する必要がある。更に、ロックナット１０を締付ナット９の外側からジョイントパイプ３に挿通し、螺合することで、より強固に管板４とジョイントパイプ３とを固定することが可能となる。

次に、ユニオン機構２の説明を行う。
ジョイントパイプ３の先端側に、ＰＴＦＥ樹脂からなる雌雄一対のテーパコア１１を設ける。雄型テーパコア１１ｂの底面と管状体５の外周面とが接する方向に、雄型テーパコア１１ｂが管状体５に挿通され、その後に雌型テーパコア１１ａと雄型テーパコア１１ｂとの傾斜面が面接触されるように、雌型テーパコア１１ａが管状体５に挿通されている。図４に示すように、テーパコア１１の内径ｄは、ジョイントパイプ３の内径と同等寸法で設計されると共に、テーパコア１１の外径Ｄは、ジョイントパイプ３の外径と同等寸法で設計されている。テーパコア１１の傾斜角度Ｒは、雌型テーパコア１１ａと雄型テーパコア１１ｂとで同一とし、面接触となるように設計されている。テーパコア１１の外径直線部ｈは、１．０〜１．５ｍｍ確保した上で、テーパコア１１の傾斜角度Ｒがｔａｎ０．２〜ｔａｎ０．４に収まるようにテーパコア１１の底面の長さＨと高さＩを決定する。

固定ユニオン１２は、ジョイントパイプ３と螺合される側の内径はジョイントパイプ３の外径と同等寸法で設計され、他側の内径はジョイントパイプ３の内径と同等寸法で設計されている。固定ユニオン１２におけるジョイントパイプ３と螺合される側の内周には、テーパコア１１の底面の長さＨ分を除いたほぼ全長に雌ねじ３３が切られており、ジョイントパイプ３の雄ねじ３０に螺合される。また、ジョイントパイプ３の先端には、テーパコア１１が収まるための段差が設けられている。固定ユニオン１２の雌ねじ３３の長さＬは、テーパコア１１を十分に締付けるだけの長さがあればよい。固定ユニオン１２の大きさは、テーパコア１１の大きさに従って決定される。また、固定ユニオン１２の外周は、六角又は八角形状が好ましい。

図２に示すように、雄型テーパコア１１ｂと雌型テーパコア１１ａとを管状体５に挿通した後に、固定ユニオン１２を管状体５に挿通し、ジョイントパイプ３に螺合させると、テーパコア１１が作用し、ジョイントパイプ３の端部と管状体５の外周面とが機械的接合されると共に、シールされる。

次に、ＦＲＰからなる管状体５の外径寸法のバラツキ誤差に対する対策を説明する。
管状体５は、ＦＲＰであるため外径寸法精度及び真円度精度に限界があり、多本数の管状体５の全てのシール性能を確保するには、耐酸性固定シール用ジョイントＡにより、管状体５の外径寸法のバラツキ誤差を吸収することが必要である。ジョイントパイプ３の内径は、管状体５の設計外径より０．０５〜０．３ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．２ｍｍの差をもって大きく設計されることが望ましい。管状体５の外径寸法のバラツキを考慮に入れると、前述の差が０．０５ｍｍより小さい場合は、ジョイントパイプ３に管状体５を貫通させることが困難となり、０．３ｍｍより大きくなると、ジョイントパイプ３と管状体５とのシール性能が悪化するという不具合の発生確率が高くなる。

以上のように、耐酸性固定シール用ジョイントを構成することで、これまでは管板と管状体の接合部のみで接合シールされていたものが、ジョイントパイプの基部側と先端側の２箇所に分散して機械的強度を維持しながら、機械的接合及びシールをすることができるため、信頼性の向上を図ることが可能となる。

本実施形態によれば、ジョイント機構とユニオン機構の両機構とも、ねじ締付作業のみで機械的接合及びシールをすることが可能であるため、作業も容易にできると共に、ねじ締付時のマーキング管理を徹底することで、メンテナンス時にねじ締付状態を容易に確認することが可能となる。

また、上述のジョイント機構とユニオン機構とが一体化されているため、部材数を少なくすることができる。部材数が少なくなれば、部材毎の寸法誤差が少なくなり、部材の寸法精度が確保されやすくなる。更に、取付作業効率の向上、及び将来のメンテナンス性の向上を図ることも可能となる。

上述のジョイント機構とユニオン機構のそれぞれが、機械的接合による結合力を有効にシール作用に利用することができるため、管板の開口部の孔径や管状体の外径寸法の若干の寸法誤差にも追従することができ、信頼性の向上を図ることが可能となる。

次に、構成部材の材質について説明を行う。
まず、ジョイントパイプ３は、フランジ部６が腐食性高温ガスに直接接触すること、また、管状体５との僅かな間隙に腐食性高温ガスが流入する可能性があるために、高度の耐熱性と耐食性が要求される。更に、ジョイントパイプ３は、本実施形態における機械接合部材の主構成品であるため、機械特性も必要となる。その結果、ジョイントパイプ３は、ノボラック樹脂を主成分としたフェノール樹脂の炭素繊維複合材を用いた圧縮成型品もしくは射出成型品とした。炭素繊維含有率は、１０〜３０％が望ましい。耐食性のみを考慮すると、フッ素樹脂の方が優れているが、耐熱性や硬度の点でフッ素樹脂では本実施形態におけるジョイントパイプ３には適さない。

次に、Ｏリング７、シールパッキン８及びテーパコア１１は、耐食性に優れるフッ素樹脂が好ましく、その中でも更に耐熱性の高いＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂がより望ましい。

その他の部材に関しては、ねじ加工での寸法精度が確保され、締付トルクに耐えうる機械強度があれば、その材質は限定されないが、樹脂製品が好ましい。

構成部材を上述の材質にて構成することで、ジョイントパイプは耐熱性、耐食性だけでなく硬度等も確保することができる。また、Ｏリング、シールパッキン及びテーパコアは、耐食性を確実に確保することができる。結果として、信頼性の高い耐酸性固定シール用ジョイントを構成することが可能となる。

本実施形態による耐酸性固定シール用ジョイントは、耐熱性、耐食性及び耐久性を有すると共に、耐酸性熱交換器の管板とＦＲＰからなる管状体との間を機械的接合及びシールすることが可能であるため、当該接合部に十分適応可能であると共に、従来の接合部材より高い信頼性も確保することが可能となる。

以上で本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような態様も採用可能である。

耐酸性固定シール用ジョイントを耐酸性熱交換器に採用しているが、他の機器に使用することも可能である。また、ＦＲＰからなる管状体に耐酸性固定シール用ジョイントを採用した場合を説明したが、性能が確保されるのであれば、ＦＲＰ以外の材質からなる管状体の場合にも採用できる。

以下、実施例により本発明の具体例を説明する。

外径設計値が３２ｍｍで有効長が２ｍである炭素繊維複合材製の伝熱管（管状体）２１０本を並べ、伝熱管内部を通る冷却水の管路長が８４ｍに設計された熱交換器を製作し、厚み８ｍｍの管板に伝熱管１０本を貫通させ、上述の寸法形状を有した本発明による耐酸性固定シール用ジョイントを用いて、管板と伝熱管とを機械接合により固定した。熱交換器の外部に突出した伝熱管の先端には、金属製のジョイントを装着し、通水ホースに連結した。

ボイラ排ガスから、表１に示した条件で熱回収を行った。伝熱管が貫通した管板部分の熱交換器内側の最高温度は約１２０℃であり、硫酸濃度は約７５％であった。熱交換器には１６５℃の腐食性ガスが送られ、管板にかかるチャンバ内圧は１．９６ｋＰａ（２００ｍｍＡｑ）と計算された。

上述の条件により３ヶ月間運転を継続したが、運転期間中のガス漏れは全く観測されなかった。実験終了後に機械接合部のシール性能をリークテストにより調査したが、実験開始前と変化はなく、リークしていないことが確認できた。更に、耐酸性固定シール用ジョイントの変形も無いことが確認できた。

なお、実験に用いた伝熱管は、炭素繊維フェノール樹脂製であり、その外径の振れは、＋０ｍｍ、−０．４ｍｍの範囲内にあった。このとき、ジョイントパイプの内径と管状体の外径との差は、０．３ｍｍ以内であった。

ジョイントパイプは、フドー株式会社の成型用フェノール樹脂コンパウンドＦＫＣＰ８００１を用いて常法により圧縮成型されたものであり、締付ナット及び固定ユニオンはＰＴＦＥ製を使用した。

ジョイントパイプには、管板厚み分以外のほぼ全長にＭ４２の細目ねじを切り、管板とフランジ部との間には、ジョイントパイプに内径４２ｍｍのＯリングを固定した。
テーパコアの高さは、１４〜１５ｍｍとした。

試験結果として、本発明における耐酸性固定シール用ジョイントは、耐酸性熱交換器に適応し、実機に近い条件で３ヶ月間運転した結果においても全く正常に機能し、管板と管状体との機械接合部における、固定状態及びシール性能にも問題ないことが確認された。

くさび型シール材を使用した場合の断面図である。 本発明の一実施形態における管板と管状体との接合部の断面図である。 本発明の一実施形態における耐酸性固定シール用ジョイントの断面図である。 本発明の一実施形態におけるテーパコアの断面図である。

符号の説明

１・・・ジョイント機構 ２・・・ユニオン機構 ３・・・ジョイントパイプ ４・・・管板 ５・・・管状体 ６・・・フランジ部 ７・・・Ｏリング ８・・・シールパッキン ９・・・締付ナット １０・・・ロックナット １１・・・テーパコア（断面くさび型シール材） １２・・・固定ユニオン ２１・・・フランジ部環状凹陥部 ３０・・・ジョイントパイプ雄ねじ ３１・・・締付ナットの内周雌ねじ ３２・・・ロックナットの内周雌ねじ ３３・・・固定ユニオンの内周雌ねじ Ａ・・・耐酸性固定シール用ジョイント

Claims (3)

1. 管板の開口部と該開口部に挿通された繊維強化樹脂からなる管状体との間に、繊維強化樹脂からなるジョイントパイプを挿入し、
   前記開口部と前記ジョイントパイプの基部側との間をシールするジョイント機構を設け、
   前記ジョイントパイプの先端側に、前記管状体と前記ジョイントパイプとの間をシールするユニオン機構を設け、
   前記ジョイント機構と前記ユニオン機構とを一体化した耐酸性固定シール用ジョイントであって、
   前記ジョイント機構は、
   前記ジョイントパイプの基部側に設けたフランジ部と、
   前記管板と前記フランジ部との間をシールする第１のシール材と、
   前記ジョイントパイプの先端側に螺合し、かつ、前記フランジ部との間で前記管板を締め付ける締付ナットとを備え、
   前記ユニオン機構は、
   前記ジョイントパイプに螺合する固定ユニオンと、
   前記管状体と前記固定ユニオンとの間に介装され、前記ジョイントパイプと前記管状体とをシールする第２のシール材とを備えたことを特徴とする耐酸性固定シール用ジョイント。
2. 前記ジョイント機構の前記第１のシール材が、Ｏリングであり、
   前記ユニオン機構の前記第２のシール材が、前記固定ユニオンの締め付けにより前記ジョイントパイプの端面と前記管状体の外周面とに密着する断面くさび型シール材であることを特徴とする請求項１に記載の耐酸性固定シール用ジョイント。
3. 前記ジョイントパイプを形成している繊維強化樹脂は、炭素繊維強化フェノール樹脂複合材からなり、
   前記Ｏリングで形成している前記第１のシール材と前記断面くさび型シール材で形成している前記第２のシール材は、フッ素樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載の耐酸性固定シール用ジョイント。

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