JP5279747B2 - 中空の金属部材の補強構造、中空の金属部材の補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、発電所の配管など高温高圧に曝される中空の金属部材の補強構造及び補強方法に関する。

発電所などにおける蒸気タービンにおける配管など高温高圧に曝された部材は、クリープ劣化を受けているため、突然の破壊を防止するためにクリープ強度を向上するべく補強作業が必要となる。従来、このような補修方法としては、配管を切断して新規に配管を接続する方法が用いられている。しかしながら、この方法では、配管の溶接作業や熱処理作業が伴うため、作業に手間がかかるという問題がある。

そこで、出願には、配管の周囲に柔軟性を有するセラミック繊維材を巻き付けることによりクリープ強度を向上する方法を提案している（特許文献１）。かかる方法によれば、溶接作業や熱処理作業を行う必要がなく、作業の手間を削減できる。

特開２００７―７１３６０号公報

特許文献１に記載された補強方法を用いて実験を行ったところ、補強を行っていないものに比べて５〜１０倍の破断時間が確保でき、余寿命の長期化が実現されるものの、より補強効果の高い補強方法が望まれる。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、高温高圧に曝される部材を、クリープ損傷に対してより強固に補強する方法を提供することである。

本発明は、４５０℃以上、０．１ＭＰａ以上の高温高圧に曝される中空の金属部材を補強する構造であって、
前記中空の金属部材の周囲に巻き付けられた、ＳＵＳ又はインコネルからなる繊維あるいはアンバー繊維である３本の金属繊維が、該３本の金属繊維が互いに接した状態を保つようにより合わさってなるワイヤを備えることを特徴とする。

上記の補強構造において、前記ワイヤを巻き付けた部分の端部を覆うように巻き付けられた前記中空の金属部材よりも熱膨張率の低い、前記ワイヤとは別個の繊維部材を有してもよく、前記繊維部材は、インバー繊維からなるものであってもよい。

また、前記ワイヤは、３本の前記金属繊維がより合わさってなる３本の繊維束を、該３本の繊維束が互いに接した状態を保つようにより合わせてなるものであってもよい。

また、本発明は、４５０℃以上、０．１ＭＰａ以上の高温高圧に曝される中空の金属部材を補強する方法であって、前記中空の金属部材の周囲に、ＳＵＳ又はインコネルからなる繊維あるいはアンバー繊維である３本の金属繊維からなるワイヤを、該３本の金属繊維が互いに接した状態を保つように巻き付けることを特徴とする。

本発明によれば、複数の金属繊維を寄り合わせてなるものを中空の金属部材の周囲に巻き付けているため、金属部材が高温高圧に曝されて膨張した場合であっても一部の繊維にのみ大きな引張力が作用するのを防止でき、繊維が破断するのを防止でき、クリープ損傷に対してより強固に補強する方法を提供することである。

配管の補強構造を示す図である。 ワイヤの断面図である。 試験体へのワイヤの巻きつけ方法を説明するための図である。 試験体１の温度変化及び圧力変化を示すグラフである。 試験体２の温度変化及び圧力変化を示すグラフである。 試験体３の温度変化及び圧力変化を示すグラフである。 試験体４の温度変化及び圧力変化を示すグラフである。 ７本の金属繊維をより合わせてなるワイヤの断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しなら詳細に説明する。なお、以下の説明では、例えば、蒸気タービンの配管など、高温高圧（例えば４５０℃以上、０．１ＭＰａ以上）に曝される配管を補強する場合を例として説明する。
図１は、本実施形態の配管１の補強構造１０を示す図である。同図に示すように、補強構造１０は、配管１の外周に例えば、５ｍｍ程度の厚さで螺旋状に巻き付けられたワイヤ２０からなる。ワイヤ２０を巻き付けた部分の両端部には、巻きつけられたワイヤ２０を覆うようにインバー繊維３０が巻き付けられている。

ワイヤ２０の両端部は配管１に巻き付けられたワイヤ２０と配管１の間に挟みこまれることで固定されている。このようにワイヤ２０を接着剤を用いることなく固定しているため、高温高圧に曝された際に有害ガスが発生するのを防止できる。さらに、ワイヤ２０の端部にインバー繊維３０が巻き付けられていることで、ワイヤ２０にゆるみが生じるのを防止できる。

図２は、ワイヤ２０の断面図である。同図に示すように、ワイヤ２０は、例えば、ＳＵＳ、インコネルからなる繊維、又はインバー繊維などの金属繊維２２を、３本一組として束ねてより合せることで繊維束２１を形成した後、さらに、３本の繊維束２１を一組みとしてより合わせてなる。なお、多数の金属繊維２２をよりあわせるのは困難であるが、予め、３本一組として束ねてより合せた繊維束２１を、さらにより合わせることとしているため、容易にワイヤ２０を成形することができる。

従来の技術の欄に記載したように、配管１にセラミック繊維を巻き付けた場合には、セラミックは熱膨張率が低いため、配管１が高温高圧に曝されて膨張すると、配管１に巻き付けられたセラミック繊維のうち、内側のセラミック繊維単体に過大な引張力が作用することとなり、セラミック繊維単体では引張力に抵抗できずに破断してしまう。このため、後述する実験でも確認されたように、強度を向上し、寿命を延ばすことができるが、寿命は５倍〜１０倍程度しか延ばすことができなかった。

これに対して、本実施形態によれば、複数の金属繊維２２からなる繊維束２１を複数寄り合わせたものを配管１の周囲に巻き付けているため、特定の金属繊維２２のみが内側に位置することなく、複数の金属繊維２２が順次内側に位置することとなり、特定の金属繊維２２にのみ大きな引張力が作用するのを防止できるため、これら金属繊維２２が破断するのを防止できる。

また、本実施形態によれば、ワイヤ２０を巻き付けるだけで補強を行うことができるため、他の配管が近接して設けられている場合などのように、狭い空間であっても補強を行うことができる。
また、溶接作業を伴わないため、耐圧試験等が不要であり、これにより、作業の手間を削減することができる。

なお、ワイヤ２０を配管１に接着していないため、ゆるみが生じるおそれがあるが、端部に熱膨張率の低いインバー繊維３０を巻き付けることにより、配管１が熱膨張してもインバー繊維３０はほとんど延びないので、インバー繊維３０がワイヤ２０を締め付けることでゆるみの発生を防止できる。

以下、上記の補強構造１０により、従来の方法に比べてより強度を向上されるとともに、余寿命を長期化できることを実験により確かめたので説明する。
本実験では、（試験体１）直径４０ｍｍで肉厚４ｍｍの鉄系ガス管（以下、ＳＧＰという）に何も巻き付けないもの、（試験体２）ＳＧＰにセラミック繊維を巻き付けたもの、（試験体３）ＳＧＰにＳＵＳ３１６の繊維からなるワイヤを巻き付けたもの、（試験体４）ＳＧＰにインコネルの繊維からなるワイヤを巻き付けたものについて、配管に温度６３０℃で内圧９．５ＭＰａを加えた。

なお、試験体へのワイヤは図３（Ａ）に示すように、まず、繊維２２が巻きつけられた３つのボビン４１から繊維２２を送り出しながらフィードアイ４３でより合わせて繊維束２１を形成しておく。そして、図３（Ｂ）に示すように、繊維束２１が巻き付けられた３台のボビン４２からそれぞれ繊維束２１を送り出しながら、フィードアイ４３でより合わせてワイヤ２０を形成するとともに、ＳＧＰ４０を回転させることにより、形成したワイヤ２０をＳＧＰの外周に巻き付けた。

図４〜図７は、夫々、試験体１〜試験体４の温度変化及び圧力変化を示すグラフである。
図４に示すように、試験体１は、加熱後５０分程度で、圧力が１０［ｋｇｆ／ｃｍ^２］程度に達した時点で破壊した。
また、図５に示すように、試験体２は、圧力は９５［ｋｇｆ／ｃｍ^２］まで耐えうるものの、６時間弱で破壊した。

これに対して、図６に示すように、試験体３は、圧力が一端９５［ｋｇｆ／ｃｍ^２］程度まで達し、５２時間程度で低下した圧力が上昇するものの、その後は、８４時間経過するまで破断することはなかった。
また、図７に示すように、試験体４は、８４時間経過時点において、圧力が９５［ｋｇｆ／ｃｍ^２］程度に達するものの破断することはなかった。

以上のことから、金属繊維２２をより合わせたワイヤ２０を配管１に巻き付けることで、配管１の強度を向上し、配管１の余寿命を長期化することができることが確認された。

なお、本実施形態では、配管１の補強を行う場合について説明したが、これに限らず、例えば、高温高圧に曝される中空の部材であれば、本発明を適用できる。
また、本実施形態では、既存の配管１を補強する場合について説明したが、これに限らず、新設の配管１に予め補強を施しておく場合であっても、本実施形態のようにワイヤ２０を巻き付けることで強度を向上し、余寿命を長期化することができる。

また、本実施形態では、ワイヤ２０を構成する金属繊維２２として、ＳＵＳ、インコネル、インバー繊維などを用いることとしたが、これに限らず、金属繊維であれば用いることができる。

また、本実施形態では、巻き付けたワイヤ２０の端部を覆うようにインバー繊維３０を巻き付けることとしたが、これに限らず、配管１よりも熱膨張率の低い繊維であればインバー繊維３０に代えて用いることができる。

また、本実施形態では、図２に示すように、３本の金属繊維２２をより合わせてなる繊維束２１を用いているが、これに限らず、２本又は４本以上の金属繊維２２をより合わせてなる繊維束２１を用いてもよい。また、本実施形態では、３本の繊維束２１をより合わせてなるワイヤ２０を用いているが２本又は４本以上の繊維束２１をより合わせてなるワイヤを用いてもよい。

さらに、図８（Ａ）に示すように、７本の金属繊維２２をより合わせてなるワイヤ１２０や、同図（Ｂ）に示すように、６本の金属繊維２２をより合わせてなるワイヤ２２０を巻き付けることとしてもよく、要するに、複数の金属繊維がより合わさってなるワイヤであれば用いることができる。
なお、このように複数の金属繊維をより合わせる場合や、上記のように繊維束をより合わせる場合には、可能な限り互いに隣接する３本の金属繊維又は繊維束の中心を結ぶと正三角形になるようにより合わせるとよく、さらに、これら金属繊維又は繊維束は全体を所定の角度回転させた場合に同一の断面形状となるように配置するとよい。かかる形状によれば、ワイヤを配管に巻きつける際にも断面形状が変形することがないため、各金属繊維に均一に応力が作用することとなり、金属繊維による補強効果を向上させることができる。

１ 配管 １０ 補強構造
２０、１２０ ワイヤ ２１ 繊維束
２２ 金属繊維 ３０ インバー繊維
４１、４２ ボビン ４３ フィードアイ

Claims (6)

1. ４５０℃以上、０．１ＭＰａ以上の高温高圧に曝される中空の金属部材を補強する構造であって、
   前記中空の金属部材の周囲に巻き付けられた、ＳＵＳ又はインコネルからなる繊維あるいはアンバー繊維である３本の金属繊維が、該３本の金属繊維が互いに接した状態を保つようにより合わさってなるワイヤを備えることを特徴とする中空の金属部材の補強構造。
2. 前記ワイヤを巻き付けた部分の端部を覆うように巻き付けられた前記中空の金属部材よりも熱膨張率の低い、前記ワイヤとは別個の繊維部材を有することを特徴とする請求項１記載の中空の金属部材の補強構造。
3. 前記繊維部材は、インバー繊維からなることを特徴とする請求項２記載の中空の金属部材の補強構造。
4. 前記ワイヤは、３本の前記金属繊維がより合わさってなる３本の繊維束を、該３本の繊維束が互いに接した状態を保つようにより合わせてなることを特徴とする請求項１から３何れか１項に記載の中空の金属部材の補強構造。
5. ４５０℃以上、０．１ＭＰａ以上の高温高圧に曝される中空の金属部材を補強する方法であって、
   前記中空の金属部材の周囲に、ＳＵＳ又はインコネルからなる繊維あるいはアンバー繊維である３本の金属繊維からなるワイヤを、該３本の金属繊維が互いに接した状態を保つように巻き付けることを特徴とする中空の金属部材の補強方法。
6. 前記ワイヤを巻き付けた部分の端部を覆うように、前記中空の金属部材よりも熱膨張率の低い、前記ワイヤとは別個の繊維部材を巻付けることを特徴とする請求項５記載の中空の金属部材の補強方法。