JP5415588B2 - 蒸気配管用の補強用具 - Google Patents

Description

本発明は、動力用蒸気等の高温高圧蒸気を流すことでクリープが生じる蒸気配管のクリープ強度を補強する補強用具に関する。

蒸気タービン等の動力として使用される動力用蒸気は高温高圧のものが用いられる。例えば、蒸気温度が３００℃から６５０℃、蒸気圧力が５Ｍｐａから８Ｍｐａ程度の蒸気が用いられる。このような高温高圧とされた動力用蒸気を流しているので、蒸気配管にはクリープによる劣化が生じる。

クリープ劣化に伴う蒸気配管の破壊を防止すべく、この蒸気配管に対する補強が行われる。通常は、蒸気配管の対象部分を切断し、切断箇所に健全な配管を接合する方法が採られている。しかしながら、この方法では、蒸気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、特許文献１に記載された方法では、蒸気配管の対象部分にワイヤーを巻回することで、蒸気配管の補強を行っている。

特開２０１１−１８５４０３号公報

特許文献１に記載された方法では、蒸気配管における補強対象部分にワイヤーを巻回するという簡単な手順で補強が行える。しかしながら、蒸気配管を切り出さずに補強を行う場合には、建屋の梁や蒸気配管を固定している固定金具等が、ワイヤーを巻回する際の障害となり得る。とりわけ、ワイヤーの巻回を機械で行う場合、蒸気配管の周囲に十分な空間を確保する必要があるが、梁や固定金具が障害となるため、十分な空間を確保することが難しい場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、梁や固定金具等の障害物によって、ワイヤーの巻回に必要な大きさの空間を蒸気配管の周囲に確保することが困難な場合であっても、蒸気配管に対する補強を行えるようにすることにある。

前述の目的を達成するため、本発明は、内部の高温高圧蒸気によってクリープが生じる金属製蒸気配管の外周面に沿って当該蒸気配管を周方向に囲繞する状態で配置され、前記蒸気配管のクリープ強度を補強する補強用具であって、内周面が前記蒸気配管の外周面と同じ曲率に湾曲された湾曲板部、及び、前記湾曲板部の周方向縁部から前記蒸気配管の半径方向に突設されたフランジ部を有する、複数の金属製補強部材と、前記蒸気配管の外周面に配置された際に隣り合う前記フランジ部同士を固定する、複数の金属製固定部材とを有することを特徴とする。

本発明の補強用具によれば、湾曲板部とフランジ部を有する金属製の補強部材を、蒸気配管を囲繞する状態に配置し、隣り合う前記フランジ部同士を固定することで蒸気配管の補強が行えるため、補強部材を配置したり、フランジ部同士を固定したりするスペースがあれば足り、ワイヤーの巻回に必要な大きさの空間を蒸気配管の周囲に確保することが困難な場合でも、蒸気配管に対する補強を行うことができる。

前述の補強用具において、前記フランジ部には、板厚方向を貫通する貫通孔が設けられており、前記固定部材は、軸部が前記管通孔を貫通するボルトと、前記ボルトに嵌め合わされるナットの組で構成されていることが好ましい。この構成では、隣り合うフランジ部同士の固定をボルト及びナットの組で行うことができ、構成の簡素化が図れるとともに小さなスペースで作業が行える。

前述の補強用具において、前記湾曲板部は、その周方向の長さが、複数の前記補強部材で前記蒸気配管を囲繞した際に、隣り合う前記フランジ部同士の間に所定の隙間が形成される長さであることが好ましい。この構成では、固定部材でフランジ部同士を近接させて固定することで、蒸気配管の膨張を抑制することができる。

前述の補強用具において、前記フランジ部は、その厚さが、前記湾曲板部の厚さよりも大きいことが好ましい。この構成では、固定部材でフランジ部同士を強固に締め付けることができる。

前述の補強用具において、前記フランジ部と前記湾曲板部との接続部に、前記フランジ部及び前記湾曲板部のそれぞれに接合される隅肉部を設けることが好ましい。この構成では、固定部材でフランジ部同士を強固に締め付けることができる。

前述の補強用具において、前記蒸気配管はエルボー部分を含み、複数の前記補強部材と複数の前記固定部材とを有し、前記エルボー部分の外側屈曲部に対応する外側部分の長さが、前記エルボー部分の内側屈曲部に対応する内側部分の長さよりも長く定められた複数の筒状補強部を、前記エルボー部分の中心軸方向に配置することが好ましい。この構成では、補強が困難なエルボー部分であっても、容易に補強を行うことができる。

前述の補強用具において、前記補強部材は、前記蒸気配管を構成する金属よりもクリープ強度の高い金属で作製されていることが好ましい。この構成では、補強強度を高めることができる。

本発明によれば、梁や固定金具等の障害物によって、ワイヤーの巻回に必要な大きさの空間を蒸気配管の周囲に確保することが困難な場合でも、蒸気配管を補強することができる。

補強用具で補強された蒸気配管のエルボー部分を説明する図である。 補強用具（補強部）で補強された蒸気配管の横断面図である。 フランジ部及び隅肉部を拡大して示す断面図である。 補強作業の説明図であり、補強対象となる蒸気配管のエルボー部分を示す。 一対の補強部材を蒸気配管に配置する様子を説明する図である。 配置された一対の補強部材を固定部材で固定した状態を説明する図である。 第１補強部の取り付け状態を説明する図である。 第１〜３補強部を取り付けた状態を説明する図である。 全ての補強部を取り付けた状態を説明する図である。 補強部の数が異なる他の実施形態を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、補強用具で補強された蒸気配管Ｘを説明する図である。

図１に示す蒸気配管Ｘは、内部空間に動力用蒸気（蒸気温度＝３００℃〜６５０℃、蒸気圧力＝５Ｍｐａ〜８Ｍｐａ）を長期間に亘って流すものであり、この動力用蒸気によってクリープが生じるものである。高温高圧の蒸気を流すことから、蒸気配管Ｘは、熱膨張率の低いフェライト系クロム鋼（例えば９Ｃｒ〜１２Ｃｒ）で作製されている。

蒸気配管Ｘの直径は、用途によって様々であるが、例えば２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の範囲に定められる。また蒸気配管Ｘの肉厚ｔｘ（図２を参照）は４０ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲に定められる。なお、蒸気配管Ｘの直径や肉厚は、動力用蒸気の温度、圧力、流量、及び、流速といった諸条件を加味して定められる。

本実施形態における補強対象部分は、略９０度（Ｌ字状）に屈曲されたエルボー部分である。このエルボー部分は、蒸気配管Ｘにおける他の部分と繋がった状態、すなわち切り出されていない状態である。このようなエルボー部分は、固定金具を介して建屋の梁などに固定されており、外周部分に機械でワイヤーを巻回することは困難な状況に置かれることがある。

蒸気配管Ｘの補強対象部分には、蒸気配管Ｘのクリープ強度を補強する補強用具１が取り付けられている。この補強用具１は、筒状の第１補強部１１〜第５補強部１５から構成されており、蒸気配管Ｘの外周面に沿ってこの蒸気配管Ｘを周方向に囲繞する状態で、かつ、蒸気配管Ｘ（エルボー部分）の中心軸方向に並んだ状態で配置されている。

各補強部１１〜１５は、エルボー部分に配置されていることから、エルボー部分の内側屈曲部に対応する内側部分とエルボー部分の外側屈曲部に対応する外側部分とで、蒸気配管Ｘの延長方向における長さが異なっている。すなわち、各補強部１１〜１５は、外側部分の長さが内側部分の長さよりも長く定められている。

そして、各補強部１１〜１５は、蒸気配管Ｘの素材（フェライト系クロム鋼）よりもクリープ強度の大きい素材によって作製されている。例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、コバルト合金、高クロム鋼が用いられる。このように、各補強部１１〜１５を、蒸気配管Ｘの素材よりもクリープ強度の大きい素材によって作製した理由は、蒸気配管Ｘに対する補強強度を高めるためである。

図２に示すように、各補強部１１〜１５は、一対の補強部材２１と固定部材２２とを備えている。補強部材２１は、蒸気配管Ｘにおける外周面の周方向に沿って配置されることで補強対象部分を囲繞する部分であり、湾曲板部２１ａとフランジ部２１ｂとを有している。固定部材２２は、蒸気配管Ｘの外周面に配置された際において、周方向に隣り合うフランジ部２１ｂ同士を固定するための部材である。

湾曲板部２１ａは、内周面が蒸気配管Ｘの外周面と同じ曲率に湾曲された板状の部材である。本実施形態では、各補強部１１〜１５のそれぞれが２つの補強部材２１を有していることから、湾曲板部２１ａは、半円形状に湾曲された板状部材によって構成されている。この湾曲板部２１ａの板厚ｔａは、蒸気配管Ｘの肉厚ｔｘよりも薄くなるように定められている。例えば、蒸気配管Ｘが肉厚４０ｍｍの９クロム鋼で作製され、補強部材２１がオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）で作製されている場合、湾曲板部２１ａの板厚ｔａは５ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲に定められる。すなわち、湾曲板部２１ａの板厚ｔａは、蒸気配管Ｘの肉厚ｔｘの１／８〜３／８程度に定められる。

図３に示すように、フランジ部２１ｂは、湾曲板部２１ａの周方向縁部から蒸気配管Ｘの半径方向に突設された板片状部分であり、湾曲板部２１ａと同じ素材で湾曲板部２１ａと一体に作製されている。そして、フランジ部２１ｂの板厚ｔｂは、湾曲板部２１ａの板厚ｔａよりも大きく定められている。これは、固定部材２２によって固定された際に、フランジ部２１ｂには大きな荷重が加わるためである。すなわち、固定部材２２による締め付け力に十分耐えられるよう、フランジ部２１ｂの板厚ｔｂを湾曲板部２１ａの板厚ｔａよりも大きく定めている。図３において、フランジ部２１ｂの板厚ｔｂを湾曲板部２１ａの板厚ｔａの２倍に設定しているが、この比率に限定されない。例えば、２倍〜３倍の比率に設定することができる。

また、フランジ部２１ｂには、板厚方向を貫通する貫通孔２１ｃが形成されている。これは、本実施形態の固定部材２２が、ボルト２２ａとナット２２ｂの組によって構成されているからである。この貫通孔２１ｃは、各フランジ部２１ｂに形成されている。そして、各補強部１１〜１５を固定する際、周方向に隣り合う一対のフランジ部２１ｂに形成された各貫通孔２１ｃは、ほぼ同心上に位置付けられる。これにより、ボルト２２ａの軸部分を貫通させることができる。なお、図１に示すように、本実施形態では、一対のフランジ部２１ｂを３つの固定部材２２で固定している。このため、貫通孔２１ｃも蒸気配管Ｘの軸方向に、３つ横並びに形成されている。

ここで、図３に示すように、一対の補強部材２１で蒸気配管Ｘを囲繞した際、周方向に隣り合うフランジ部２１ｂ同士の間には、所定の隙間ｓｐが形成される。すなわち、湾曲板部２１ａにおける周方向の長さは、この隙間ｓｐが隣り合うフランジ部２１ｂ同士の間に形成される長さに定められている。この隙間ｓｐは、各補強部１１〜１５によって蒸気配管Ｘの膨張を抑制するために形成されている。具体的には、固定部材２２でフランジ部２１ｂ同士を近接させて固定することで、隙間ｓｐの分だけ湾曲板部２１ａを周方向に引っ張ることができる。これにより、湾曲板部２１ａによって蒸気配管Ｘが締め付けられ、蒸気配管Ｘの膨張に対抗することができる。

また、フランジ部２１ｂと湾曲板部２１ａとの接続部には隅肉部２１ｄが設けられている。この隅肉部２１ｄは、断面が三角形状の熔着金属（溶接継手）によって構成されている。そして、隅肉部２１ｄは、フランジ部２１ｂ及び湾曲板部２１ａのそれぞれに熔着されており、フランジ部２１ｂに大きな締め付け力が加わった際においても、フランジ部２１ｂが屈曲したり、破損したりする不具合を抑制する。このため、隅肉部２１ｄは、固定部材２２の直下まで形成されていることが好ましい。この隅肉部２１ｄは、例えば接続部に対する隅肉溶接によって作製することができる。

次に、固定部材２２について説明する。前述したように、固定部材２２は、隣り合うフランジ部２１ｂ同士を固定するための部材であり、図３に示すように、ボルト２２ａとこのボルト２２ａに嵌め合わされるナット２２ｂの組によって構成されている。この固定部材２２は、補強部材２１と同様に蒸気配管Ｘの素材よりもクリープ強度の大きい素材によって作製されている。本実施形態では、補強部材２１と同じ素材（例えばＳＵＳ３０４）で作製されている。

そして、ボルト２２ａの軸部に関し、その直径は貫通孔２１ｃの直径よりも小さく定められ、その長さはフランジ部２１ｂにおける板厚ｔｂの２倍にナット２２ｂの厚みを加えた長さよりも長く定められている。さらに、ボルト２２ａの頭部の大きさは、貫通孔２１ｃの直径よりも大きく定められている。これにより、ボルト２２ａの頭部とナット２２ｂで一対のフランジ部２１ｂを挟み、ボルト２２ａの軸部にナット２２ｂを締め込むことで、フランジ部２１ｂ同士を強固に固定することができる。

図１に示すように、本実施形態では、一対のフランジ部２１ｂを３つの固定部材２２（ボルト２２ａとナット２２ｂの組）で固定して負荷を分散させている。なお、固定部材２２の個数に関し、３つに限定されるものではなく、適宜に定めることができる。

次に、前述の補強用具１による蒸気配管Ｘの補強作業について説明する。この説明では、図４に示す蒸気配管Ｘのエルボー部分に対する補強作業について説明する。このエルボー部分に対する補強作業に際し、まず第１補強部１１（図１を参照）の取り付けを行う。

この場合、図５に示すように、第１補強部１１となる一方の補強部材２１を蒸気配管Ｘの片半部分に配置した後、第１補強部１１となる他方の補強部材２１を蒸気配管Ｘの反対側の部分に配置する。そして、図６に示すように、隣り合うフランジ部２１ｂ同士を固定部材２２（ボルト２２ａとナット２２ｂの組）で締め付けて固定する。これにより、図７に示すように、第１補強部１１が蒸気配管Ｘに取り付けられる。

第１補強部１１の取り付けが完了したならば、第２補強部１２の取り付けが行われる。第２補強部１２の取り付けも、第１補強部１１の取り付けと同様の手順で行われる。すなわち、蒸気配管Ｘを囲繞するように一対の補強部材２１を配置した後、複数の固定部材２２で隣り合うフランジ部２１ｂ同士を締め付けて固定する。そして、第２補強部１２に続いて第３補強部１３が同様の手順で取り付けられる。図８は、第１補強部１１、第２補強部１２、第３補強部１３が取り付けられた状態のエルボー部分を示している。以後も同様にして第４補強部１４及び第５補強部１５が取り付けられる。これにより、図９に示すように全ての補強部が取り付けられて補強作業が完了する。

以上の説明から判るように、本実施形態の補強用具１では、湾曲板部２１ａとフランジ部２１ｂを有する金属製の補強部材２１を、蒸気配管Ｘを囲繞する状態に配置し、隣り合う前記フランジ部２１ｂ同士を固定することで蒸気配管Ｘの補強が行える。このため、補強部材２１を配置したり、フランジ部２１ｂ同士を固定したりするスペースがあれば足り、ワイヤーの巻回に必要な大きさの空間を蒸気配管Ｘの周囲に確保することが困難な場合であっても、蒸気配管Ｘに対する補強を行うことができる。例えば、蒸気配管Ｘの周囲に十分な作業空間のある場所で補強部材２１の湾曲板部２１ａを蒸気配管Ｘの外表面に当接させた後、蒸気配管Ｘの軸線方向に沿って補強部材２１を移動させることで、補強部材２１を所望の場所に位置付けることができ、補強を行うことができる。

そして、補強用具１は、エルボー部分の外側屈曲部に対応する外側部分の長さが、エルボー部分の内側屈曲部に対応する内側部分の長さよりも長く定められた５つの筒状補強部１１〜１５を有している。そして、各補強部１１〜１５を、エルボー部分の中心軸方向に配置しているので、作業スペースの関係で補強の困難なエルボー部分であっても容易に補強することができる。

この補強用具１において、フランジ部２１ｂには、板厚方向を貫通する貫通孔２１ｃが設けられており、固定部材２２は、軸部分が管通孔を貫通するボルト２２ａ、及び、このボルト２２ａに嵌め合わされるナット２２ｂの組で構成されているので、隣り合うフランジ部２１ｂ同士の固定を簡単な構成で行うことができる。また、固定作業を小さなスペースで行うことができる。

また、湾曲板部２１ａにおける周方向の長さは、複数の補強部材２１で蒸気配管Ｘを囲繞した際に、隣り合うフランジ部２１ｂ同士の間に所定の隙間ｓｐが形成されるように定められている。これにより、固定部材２２でフランジ部２１ｂ同士を近接させて固定することで、蒸気配管Ｘを強固に締め付けることができ、蒸気配管Ｘの膨張に対抗することができる。

また、フランジ部２１ｂに関し、その板厚ｔｂは、湾曲板部２１ａの板厚ｔａよりも大きく定められている。加えて、フランジ部２１ｂと湾曲板部２１ａとの接続部に、フランジ部２１ｂ及び前記湾曲板部２１ａのそれぞれに接合される隅肉部２１ｄが設けられている。これらにより、フランジ部２１ｂ同士を強く締め付けても湾曲板部２１ａとの接合状態を維持できる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。例えば、次のように構成してもよい。

前述の実施形態では、補強用具１が５つの補強部１１〜１５から構成されていたが、補強部の数は５つに限定されない。例えば、図１０に示すように、補強用具１´を４つの補強部１１´〜１４´で構成してもよい。

前述の実施形態では、エルボー管用の補強用具１について説明したが、直管用の補強用具も同様に構成できる。そして、直管用の補強用具に関しては、１つの補強部で構成することもできる。

前述の補強用具１では、２つの補強部材２１で蒸気配管Ｘを囲繞するものを例示したが、この構成に限定されない。例えば、３つの補強部材で蒸気配管Ｘを囲繞してもよいし、４つの補強部材で蒸気配管Ｘを囲繞してもよい。すなわち、複数の補強部材で蒸気配管Ｘを囲繞する構成であればよい。

前述の固定部材２２はボルト２２ａとナット２２ｂの組によって構成されていたが、この構成に限定されるものではない。例えば、万力のように、一対のフランジ部２１ｂを外側から内側に向けて押圧するものであってもよい。

また、蒸気配管Ｘは、動力用蒸気を流すものに限られない。動力用蒸気と同程度の高温高圧の蒸気を流す蒸気配管Ｘであってクリープ劣化を受けるものであれば、本発明を適用できる。

１…補強用具，１１…第１補強部，１２…第２補強部，１３…第３補強部，１４…第４補強部，１５…第５補強部，１´…補強用具，１１´…第１補強部，１２´…第２補強部，１３´…第３補強部，１４´…第４補強部，２１…補強部材，２１ａ…湾曲板部，２１ｂ…フランジ部，２１ｃ…貫通孔，２１ｄ…隅肉部，２２…固定部材，２２ａ…ボルト，２２ｂ…ナット，Ｘ…蒸気配管，ｔｘ…蒸気配管の肉厚，ｔａ…湾曲板部の板厚，ｔｂ…フランジ部の板厚，ｓｐ…フランジ部同士の間に形成される隙間

Claims (7)

1. 内部の高温高圧蒸気によってクリープが生じる金属製蒸気配管の外周面に沿って当該蒸気配管を周方向に囲繞する状態で配置され、前記蒸気配管のクリープ強度を補強する補強用具であって、
   内周面が前記蒸気配管の外周面と同じ曲率に湾曲された湾曲板部、及び、前記湾曲板部の周方向縁部から前記蒸気配管の半径方向に突設されたフランジ部を有する、複数の金属製補強部材と、
   前記蒸気配管の外周面に配置された際に隣り合う前記フランジ部同士を固定する、複数の金属製固定部材とを有することを特徴とする補強用具。
2. 前記フランジ部には、板厚方向を貫通する貫通孔が設けられており、
   前記固定部材は、軸部が前記管通孔を貫通するボルトと、前記ボルトに嵌め合わされるナットの組で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の補強用具。
3. 前記湾曲板部は、
   その周方向の長さが、複数の前記補強部材で前記蒸気配管を囲繞した際に、隣り合う前記フランジ部同士の間に所定の隙間が形成される長さであることを特徴とする請求項２に記載の補強用具。
4. 前記フランジ部は、
   その厚さが、前記湾曲板部の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の補強用具。
5. 前記フランジ部と前記湾曲板部との接続部に、前記フランジ部及び前記湾曲板部のそれぞれに接合される隅肉部を設けたことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の補強用具。
6. 前記蒸気配管はエルボー部分を含み、
   複数の前記補強部材と複数の前記固定部材とを有し、前記エルボー部分の外側屈曲部に対応する外側部分の長さが、前記エルボー部分の内側屈曲部に対応する内側部分の長さよりも長く定められた複数の筒状補強部を、前記エルボー部分の中心軸方向に配置したことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の補強用具。
7. 前記補強部材は、
   前記蒸気配管を構成する金属よりもクリープ強度の高い金属で作製されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の補強用具。

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