JP5388280B2 - 高温ガス用配管伸縮部の構造 - Google Patents

Description

本発明は、高温ガス用配管伸縮部に内張されている煉瓦が角変位を生じても破壊を生じることのない高温ガス用配管伸縮部の構造に関する。

高炉には熱風炉で生成した高温の熱風が吹き込まれている。図８に示すように、高炉１と熱風炉２とは、熱風本管３及び熱風枝管４により接続され、熱風枝管４には遮断弁５と伸縮管６が設けられている。熱風本管３や熱風枝管４のような耐火物を内張りする高温ガス用配管の伸縮管６では、特に軸直角方向の変形が吸収できずに耐火物が破損する問題が指摘されて来た。これを改善するため、特許文献１には、伸縮管両端部の耐火物形状を凹球面状に形成し、伸縮管に連成する前後の配管の耐火物形状を凸球面状に形成して、分割面を適度な隙間をもって組み合わせることで、伸縮管と、伸縮管に対面する連成配管とを摺動可能とした構造が開示されている。

図９は前記特許文献１に記載された高温ガス用配管の構造を示すものである。図９において、鉄皮２０の内周に耐火物を張設した熱風枝管４を伸縮管前配管１０と伸縮管後配管１１に２分割する。分割した伸縮管前配管１０と伸縮管後配管１１の端面を凸球面１８に形成するとともに、伸縮管前配管１０と伸縮管後配管１１の両端面を対向させて形成するＶ字状空隙部に、突き合わせ面を凹球面１９に形成し、凸球面１８と凹球面１９との間に可縮材１７ｅを詰めて嵌め合わせる。

鉄皮２０の外周には伸縮管前配管１０と伸縮管後配管１１の嵌め合わせ部を跨ぐように、鉄皮２０に伸縮蛇腹８，８´を配置する。それぞれの伸縮蛇腹８，８´の内側に、凸球面１８と凹球面１９を組み合わせて、軸方向に隣接する一組の耐火物構造を形成し、凸球面１８と凹球面１９の間に可縮材１７ｅを詰めて高温、高圧下での角変位を吸収できる構造としている。

特開２００１−２３４２１９号公報

高炉と熱風炉を接続するような高温ガス用配管において、伸縮管は配管の金物及び耐火物の熱膨張による軸方向及び軸直角方向の変形を受ける。また、熱風炉では配管途中に高温空気を遮断するための遮断弁を伸縮管の近くに設けており、この弁の取替え時には伸縮管を約２０ｍｍ、軸方向に縮めて取替えスペースとしている。このように熱風炉の高温ガス用配管の伸縮部は複雑な変形を吸収しなければならない。

しかしながら、前記特許文献１の高温ガス用配管の構造では、伸縮管側の耐火物と伸縮管に連成する伸縮管前配管と伸縮管後配管の耐火物との相互支持作用が生じないことから、伸縮管側の金物及び耐火物の重量を伸縮蛇腹で支持することとなり、重量による蛇腹の破損を生じる問題がある。

さらに、前記特許文献１の高温ガス用配管の構造では、変形吸収用の隙間は、伸縮蛇腹部より耐火物内面の高温ガス流路に連続して繋がっており、可縮材を充填してはいるものの高温ガスが該隙間から直接、伸縮蛇腹部に進入して伸縮蛇腹が赤熱、破損する問題がある。

また、図９に示される高温ガス用配管の構造を、連続した隙間部の摺動によって変形を吸収するために、耐火物を多層の煉瓦積みで構成することが考えられる。図１０は、図９に示される高温ガス用配管の構造を、耐火物を多層の煉瓦積みで構成しようとする場合の構造を示す図である。なお、図９と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

図１０に示すように、伸縮管の凹球面１９とこれに連成する配管側の凸球面１８とを組み合わせ、その面の相対的位置をずらせる所謂、摺動で角変位させようとしたものであるが、そのためには、球面の半径は伸縮管の中心から摺動面までの距離とすることが必要である。煉瓦の脱落、破損の原因となる鋭角形状を緩和するためにはこの半径を大きくしなければならず、限られたスペースの中で構成するには限界があり、耐火物の鋭角を緩和することが困難であって、安定な構造が維持できないことから、特に構造の安定性から煉瓦構造とすることが出来なかった。そのため、不定形耐火物で構成しなければならず、製作コストが嵩む問題があった。

そこで、本発明は、高温ガス用配管の軸方向及び軸直角方向の変形を、多層の煉瓦積み構造においても煉瓦が破損することなく変形の吸収が可能で且つ赤熱・破損を生じない高温ガス用配管伸縮部の構造を提供するものである。

請求項１の発明は、多層に煉瓦層が内張りされた高温ガス用配管の軸方向及び軸直角方向の変形を吸収する、伸縮管及びこの伸縮管の前後に配管が接続された高温ガス配管の伸縮部の構造において、伸縮管は中央短管の両端に伸縮蛇腹が配置されるとともに、中央短管の内面に内筒が連結され、内筒の端部とこの内筒の端部に対面する前後の配管の端部とで形成される変形吸収用の隙間が伸縮蛇腹の範囲内に位置するように設けられ、内筒及び前後の配管内に多層に内張りされた煉瓦層の軸方向及び軸直角方向の変形吸収隙間が伸縮蛇腹の範囲内に位置するように軸方向に設けられるとともに、変形吸収隙間が連続しないように半径方向に千鳥状に配置されていることを特徴とする高温ガス用配管伸縮部の構造である。

請求項２の発明は、最外層の煉瓦層の外周に円周の少なくとも１／４周以上の範囲に半径方向の変形吸収用隙間を設けたことを特徴とする請求項１記載の高温ガス用配管伸縮部の構造である。

本発明によれば、伸縮管の角変位を多層煉瓦の各層の軸方向に設けた変形吸収隙間の伸縮と、伸縮管の角変位折れ曲りにより生ずる径方向の寸法変化を、半径方向に設けた変形吸収隙間の伸縮との作用により、伸縮管及びそれに連成する配管の耐火物を煉瓦で安定的に構成することが可能となる。

本発明では、軸直角変位は変形吸収隙間の伸縮と、変形吸収隙間を跨ぐ煉瓦が相対角変位を生じることとで、伸縮管の角変位として吸収することが可能となる。また、本発明によって多層の煉瓦積み構造においても変形吸収隙間が伸縮蛇腹部から、高温ガス流路まで連続することがなく、煉瓦を破損させる曲げや剪断荷重を掛ける事がなく変形吸収が可能である。

本発明の高温ガス配管の伸縮部の軸方向縦断面図である。 本発明の高温ガス配管の伸縮部の円周断面図である。 本発明の高温ガス配管の伸縮部の軸直角変位時の変形図である。 本発明の高温ガス配管の伸縮部の伸縮蛇腹部の軸直角変位時の変形模式図である。 本発明の高温ガス配管の伸縮部において、円周の１／４周に半径方向の変形吸収代を設けた縦断面図である。 本発明の高温ガス配管の伸縮部において、円周の１／４周に半径方向の変形吸収代を設けた円周断面図である。 本発明の高温ガス配管の伸縮部において、半径方向に変形吸収代を設けた場合の円周断面での変形模式図である。 高炉と熱風炉を接続する高温ガス配管の伸縮管の位置例を示す平面図である。 特許文献１の高温ガス配管の伸縮部の構造を示す説明図である。 図９に示す従来技術で耐火物を煉瓦とした場合を示す図である。

本発明を図面により説明する。

図１及び図２において、高温ガス配管の伸縮部は、伸縮管前配管１０と伸縮管後配管１１の間に伸縮管６が接続されている。伸縮管６は、中央短管７の両端に伸縮蛇腹８を配置し、中央短管７の内面に内筒９が連結されている。

内筒９の前後の端部と、この端部のそれぞれ対面する伸縮管前配管１０と伸縮管後配管１１の鉄皮２０の端部との間に変形吸収用の隙間２１を設ける。この隙間２１は伸縮蛇腹８の略中央に位置させる。

伸縮管６、伸縮管前配管１０及び伸縮管後配管１１の内周には、管の中央に向かってキャスタブル耐火物１２、第一層煉瓦１３、第二層煉瓦１４及び第三層煉瓦１５が順に内張りされて多層に形成される。多層に内張りされた煉瓦の軸方向の変形を吸収する変形吸収用隙間２２を、内筒９の端部近傍に設ける。

少なくとも第一層煉瓦１３の変形吸収用隙間２２は伸縮蛇腹８の略中央部に設ける。また、第一層煉瓦１３、第二層煉瓦１４及び第三層煉瓦１５の各変形吸収隙間２２は連続しないように千鳥状に形成する。変形吸収用隙間２２には、可縮材１７を詰める。

本発明では、図３及び図４に示すように、伸縮管前配管１０と伸縮管後配管１１が軸直角変位（α）を生じた場合、伸縮管６が傾いて角変位をするが、この角変位によって内筒９の端部が伸縮管前配管１０の端部と近づく側は、内筒９の端部及び各煉瓦層に設けた変形吸収隙間２１，２２を押し縮め、内筒９の端部が伸縮管後配管１１から遠ざかる側は変形吸収隙間２１が広がる。この動きにより軸直角変位を角変位として変形吸収隙間２１で吸収することとなる。

この伸縮管６の角変位時に各煉瓦層１３，１４，１５に加わる変形の吸収について、図４に示す変形模式図で説明する。

（１）第一層煉瓦１３は、伸縮蛇腹８の略中央に変形吸収隙間２２を有し内筒９に一体固定されていることから、配管の軸直角方向の変位に対して、内筒９と一体に変形吸収隙間２１の伸縮により角変位して変形を吸収することとなる。

（２）第二層煉瓦１４の変形吸収隙間２２は、内筒９及び第一層煉瓦１３の変形吸収隙間２２と同様に伸縮すると共に、第二層煉瓦１４で第一層煉瓦１３の変形吸収隙間２２を跨ぐ煉瓦は、第一層煉瓦１３の変形吸収隙間２２が伸縮して生じた角変位の頂部若しくは角変位の両辺に跨いで掛かっていることで、第一層煉瓦１３の内筒側と伸縮管前配管１０及び伸縮管後配管１１とでなす角度の略半分の角度で相対角変位をして変形を吸収することとなる。

（３）第三層煉瓦１５の変形吸収隙間２２は、第二層煉瓦１４の変形吸収隙間２２と同様に伸縮するとともに、第三層煉瓦１５で第二層煉瓦１４の変形吸収隙間２２を跨ぐ煉瓦の挙動は、第二層煉瓦１４のその部位の挙動と同様に、第二層煉瓦１４の相対角変位を生じた煉瓦と隣接する煉瓦とでなす角度の略半分の角度で相対角変位を生じて変形を吸収することとなる。

図５及び図６において、内張りする最外層の煉瓦層１３の円周の少なくとも１／４周以上の範囲に半径方向の変形吸収用隙間２３を設ける。この変形吸収用隙間２３には、可縮材１７ｄを詰める。

図７に示すように、煉瓦に相対角変位が生じる場合、その煉瓦及びその煉瓦に接する内外層の煉瓦は、鎖線で示すように配管中心側若しくは配管外側へ押し出されることとなる。この煉瓦の半径方向の変位（β：水平方向の軸直角変位により第三層煉瓦が内面に押し出される変位、γ：第三層煉瓦のβの変位により変形吸収代を押し縮める変位）は、配管内の各層煉瓦１３，１４，１５の単品形状が楔型であることから、煉瓦積みの径を拡大させる作用を生じることとなる。通常は煉瓦積みの目地で吸収可能であるが、軸直角変位が大きい場合は、変形吸収隙間を跨ぐ煉瓦の相対角変位が大きな値となり、配管半径方向への押し出し変位が無視出来ないほどの値となり、相対角変位を生じた煉瓦本体若しくはその内外層煉瓦の破損を生じるまでになる。このことから、大きな軸直角変形が予定される場合は、配管の円周の少なくとも１／４周の半径方向に変形吸収隙間を設けることで、径の拡大分を吸収して煉瓦の健全性を維持することが可能となる。

１：高炉
２：熱風炉
３：熱風本管
４：熱風枝管
５：遮断弁
６：伸縮管
７：中央短管
８：伸縮蛇腹
９：内筒
１０：伸縮管前配管
１１：伸縮管後配管
１２：キャスタブル耐火物
１３：第一層煉瓦
１４：第二層煉瓦
１５：第三層煉瓦
１６：セラミックウール
１７，１７ａ〜ｅ：可縮材
１８：凸球面状耐火物
１９：凹球面状耐火物
２０：鉄皮
２１：隙間
２２：変形吸収用隙間

Claims (2)

1. 多層に煉瓦層が内張りされた高温ガス用配管の軸方向及び軸直角方向の変形を吸収する、伸縮管及びこの伸縮管の前後に配管が接続された高温ガス配管の伸縮部の構造において、
   伸縮管は中央短管の両端に伸縮蛇腹が配置されるとともに、中央短管の内面に内筒が連結され、
   内筒の端部とこの内筒の端部に対面する前後の配管の端部とで形成される変形吸収用の隙間が伸縮蛇腹の範囲内に位置するように設けられ、
   内筒及び前後の配管内に多層に内張りされた煉瓦層の軸方向及び軸直角方向の変形吸収隙間が伸縮蛇腹の範囲内に位置するように軸方向に設けられるとともに、変形吸収隙間が連続しないように半径方向に千鳥状に配置されていることを特徴とする高温ガス用配管伸縮部の構造。
2. 最外層の煉瓦層の外周に円周の少なくとも１／４周以上の範囲に半径方向の変形吸収用
   隙間を設けたことを特徴とする請求項１記載の高温ガス用配管伸縮部の構造。

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