JP5425860B2 - 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、出願人は、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

発電所などの配管は、複数の箇所で移動できない状態に固定されており、配管の固定された部分の間において膨張が生じると、この部分には曲げ応力が作用する。このため、配管の補強の際には、曲げクリープ強度を向上する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載された補強方法では、配管を外周から締め付けているため、耐圧性を向上することはできるものの、曲げクリープ強度を向上することはできない。

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、手間をかけずに高温高圧に曝される中空の金属部材の曲げクリープ強度を向上できる補強方法を提供することである。

本発明の中空の金属部材の補強構造は、クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する構造であって、前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に対して多重に巻き付けられた帯状のステンレス薄板であることを特徴とする。

また、本発明の中空の金属部材の補強構造は、クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する構造であって、前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に巻き付けられたステンレスクロスであることを特徴とする。

本発明において、前記シート状部材は、前記中空の金属部材の外周面に溶接により固定されていることが好ましい。また、前記シート状部材は、その外周に巻き付けられたワイヤにより前記中空の金属部材の外周面に固定されていることが好ましい。

また、本発明の中空の金属部材の補強方法は、クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する方法であって、前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に対して多重に巻き付けられた帯状のステンレス薄板であることを特徴とする。

また、本発明の中空の金属部材の補強方法は、クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する方法であって、前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に巻き付けられたステンレスクロスであることを特徴とする。

本発明によれば、中空の金属部材の外周に金属製のシート状部材を巻き付けることで、シート状部材が中空の金属部材に作用する曲げ応力を負担することができるため、手間をかけずに、曲げクリープ強度を向上することができる。

本実施形態の配管の補強構造を構築する過程を示す図である。 本実施形態の補強構造における最大主応力の経時変化を示す図である。 補強無し配管における最大主応力の経時変化を示す図である。 本実施形態の補強構造におけるクリープ損傷率の経時変化を示す図である。 補強無し配管におけるクリープ損傷率の経時変化を示す図である。 本実施形態の配管の補強構造の他の例を示す図であり、図中左側半部は外観を示し、右側半部は外周に巻き付けられたワイヤを除去した状態を示す。 補強構造を形成する方法を説明するための図である。

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、蒸気タービンにおける動力用蒸気用の配管など、高温高圧（例えば６００℃以上、５ＭＰａ以上）に曝される配管の周状に溶接が施された部分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。配管１は、９クロム鋼や１２クロム鋼といった高クロム鋼（一般的なものよりもクロム含有率が高められたクロムモリブデン鋼）によって作製される。配管１の直径は８５０ｍｍであり、板厚は４３ｍｍである。このような配管１は、両端部が移動しないように固定された状態で、高温高圧に曝されて膨張するため、曲げ変形が加わる。

同図に示すように、補強構造１０は、配管１の外周に溶接箇所を覆うように螺旋状であって多重に巻き付けられた薄板帯状鋼板４０を備えてなる。帯状鋼板４０は、端部の縁が互いに重なり合う状態で、配管１の外周面に対して螺旋状に巻き付けられている。帯状鋼板４０としては、例えば厚さ０．２ｍｍ、幅３０〜５０ｍｍのステンレス製のものを用いる。そして、このような帯状鋼板４０を、例えば２５重に巻き付けることで厚さ約５ｍｍの補強層を形成している。

さらに、この補強層の両端部を配管１の外周面に溶接することで、巻き付けた薄板鋼板４０を固定している。なお、同図には符号Ｘ１，Ｘ２にて溶接範囲を示している。このように、接着剤を用いることなく、巻き付けた薄板鋼板４０を溶接で固定しているので、配管１が高温高圧に曝された際において、接着材の熱分解に起因する有害ガスの発生を防止できる。

上記補強構造１０が施された配管１について試験を行い、最大主応力の経時変化及びクリープ損傷率の経時変化を測定した。温度６００℃，内圧５ＭＰａとして試験を行った。なお、比較例として、補強構造１０が施されていない配管１についても同条件で試験を行った。

図２は、補強構造１０が施された配管１における最大主応力の経時変化を示す図である。同図において、実線は配管１の内面における最大主応力を示し、破線は配管１と補強構造１０との境界における最大主応力を示し、一点鎖線は補強構造１０の外面における最大主応力を示す。

図３は、比較例の配管１における最大主応力の経時変化を示す図である。同図において、実線は配管１の内面における最大主応力を示し、一点鎖線は配管１の外面における最大主応力を示す。

これらの図において、縦軸は最大主応力（Ｎ／ｍ^２）を示し、横軸は経過時間Ｔ１〜Ｔ４を示す。なお、経過時間Ｔ１〜Ｔ４は数万時間間隔である。

図２に示すように、補強構造１０が施された配管１において、経過時間Ｔ１までの期間では、補強構造外面の最大主応力が急上昇し、境界の最大主応力が補強構造外面の１／２程度で上昇している。経過時間Ｔ１の時点で補強構造外面の最大主応力は約１０３Ｎ／ｍ^２であり、境界の最大主応力は約６９Ｎ／ｍ^２であった。これに対し、管内面の最大主応力は僅かではあるが低下している。経過時間Ｔ１の時点で管内面の最大主応力は約３１Ｎ／ｍ^２であった。これらのことから、補強構造１０が最大主応力を負担し、管内面の負担が軽減されていることが理解できる。

そして、経過時間Ｔ１からＴ４までの期間において、補強構造外面、境界、管内面のいずれも、最大主応力は一定値で安定している。すなわち、経過時間Ｔ４の時点で補強構造外面の最大主応力は約１０３Ｎ／ｍ^２のままであり、境界の最大主応力も約６９Ｎ／ｍ^２のままであり、管内面の最大主応力も約３１Ｎ／ｍ^２のままであった。管内面の最大主応力が低い値で安定していることから、補強構造１０が施された配管１においては、さらに長期間に亘って高温高圧の蒸気を通じたとしても、配管１のクリープ破壊は生じ難いと考えられる。

図３に示すように、比較例の配管１では、測定の開始後から管内面及び管外面の最大主応力が同じ比率で徐々に上昇している。経過時間Ｔ１の時点で管外面の最大主応力は約４６．２Ｎ／ｍ^２であり、管内面の最大主応力は約４４．１Ｎ／ｍ^２であった。このことから、比較例の配管１では、補強構造１０が施された配管１よりも短い時間でクリープ破壊が生じると考えられる。

図４は、補強構造１０が施された配管１におけるクリープ損傷率の経時変化を示す図である。同図において、実線は配管１の内面におけるクリープ損傷率を示し、破線は配管１と補強構造１０との境界におけるクリープ損傷率を示し、一点鎖線は補強構造１０の外面におけるクリープ損傷率を示す。

図５は、比較例の配管１における最大主応力の経時変化を示す図である。同図において、実線は配管１の内面におけるクリープ損傷率を示し、一点鎖線は配管１の外面におけるクリープ損傷率を示す。

これらの図において、縦軸はクリープ損傷率を示し、横軸は経過時間Ｔ１〜Ｔ４を示す。なお、経過時間Ｔ１〜Ｔ４は、図２，３と同じく数万時間間隔である。

図４に示すように、補強構造１０が施された配管１において経過時間Ｔ４までの期間では、管内面、境界、補強構造外面のクリープ損傷率は、時間の経過と共に比例的に上昇している。そして、経過時間Ｔ４における管内面のクリープ損傷率は約０．０３９であり、境界のクリープ損傷率は約０．０１８であり、補強構造外面のクリープ損傷率は約０．００１であった。

図５に示すように、比較例の配管１でも経過時間Ｔ４までの期間では、管内面、管内面のクリープ損傷率は、時間の経過と共に比例的に上昇している。ここで、経過時間Ｔ４における管内面のクリープ損傷率は約０．２３であり、管外面のクリープ損傷率は約０．１７であった。比較例の配管１では、補強構造１０が施された配管１よりもクリープ損傷率が１桁大きいことが確認できた。このことから、比較例の配管１では、補強構造１０が施された配管１よりも短い時間でクリープ破壊が生じると考えられる。

配管１には、両端部が固定された状態で、高温高圧に曝されて膨張することで、配管１には曲げ応力が作用する。この例では、帯状の薄板鋼板４０を配管１に対して螺旋状に繰り返し巻き付けているので、この薄板鋼板４０が配管１に作用する曲げ応力の一部を負担し、配管１の曲げクリープ強度が向上される。

図６は、配管１の補強構造の他の例（補強構造１００）を示す図であり、図中左側は外観を示し、図中右側は外周に巻き付けられたワイヤ１２０を除去して示す。この例の配管１についても、先の例で説明したように曲げ変形が加わる。

同図に示すように、補強構造１００は、配管１の外周に溶接箇所を覆うように巻き付けられた複数枚のステンレスクロス１４０と、ステンレスクロス１４０の外側に５ｍｍ程度の厚さで螺旋状に巻き付けられたワイヤ１２０とを備えてなる。ワイヤ１２０を巻き付けた部分の両端部には、巻きつけられたワイヤ１２０を覆うようにインバー繊維１３０が巻き付けられている。

ステンレスクロス１４０は、繊維状に成形されたステンレス鋼繊維が織物状に編みこまれてなる可撓性を有する織物である。このようなステンレスクロス１４０としては、例えば、日本精線株式会社のＮＡＳＬＯＮ（商品名）を用いることができる。隣接するステンレスクロス１４０同士は、端部の縁が互いに重なり合った状態で配管１に巻き付けられており、さらに、外周からワイヤ１２０が巻き付けられることで、配管１の外周面に密着した状態で固定されている。

ワイヤ１２０の両端部は配管１に巻き付けられたワイヤ１２０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１２０を、接着剤を用いることなく固定しているため、この例でも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１２０の端部にインバー繊維１３０が巻き付けられていることで、ワイヤ１２０にゆるみが生じるのを防止できる。

図７は、補強構造１００を形成する方法を説明するための図である。まず、同図（Ａ）に示すように、複数枚のステンレスクロス１４０を配管１に巻き付ける。この際、各ステンレスクロス１４０は、隣接するステンレスクロス１４０と端部が互いに重なり合うようにする。これにより、同図（Ｂ）に示すように、ステンレスクロス１４０を配管１に隙間無く巻き付けることができる。

次に、同図（Ｃ）に示すように、ステンレスクロス１４０の外側に、ワイヤ１２０を、張力を加えながら巻き付ける。この際、ワイヤ１２０の端部は配管１に巻き付けられたワイヤ１２０と配管１の間に挟みこむことで固定する。

次に、同図（Ｄ）に示すように、ワイヤ１２０を巻き付けた部分の両端部を覆うようにインバー繊維１３０を巻き付ける。以上の工程により配管１の補強構造１００を形成することができる。

前述したように、配管１には曲げ応力が作用する。これに対して、この例によれば、ステンレスクロス１４０が配管１に巻き付けられており、このステンレスクロス１４０が配管１に作用する曲げ応力の一部を負担するので、先の例と同様に配管１の曲げクリープ強度を向上できる。

また、この例では、ステンレスクロス１４０及びワイヤ１２０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１２０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１３０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１３０はほとんど延びないので、インバー繊維１３０がワイヤ１２０を締め付けることでゆるみの発生を防止できる。

なお、以上の説明は、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ものである。

例えば、前述した各例の配管１は、蒸気タービンにおける動力用蒸気用の配管を例示したので、直径が８５０ｍｍ、板厚が４３ｍｍの高クロム鋼であったが、補強対象の配管はこの配管１に限定されるものではない。素材に関し、一般的なクロム含有率のクロムモリブデン鋼であってもよい。直径や板厚についても、その配管の仕様に応じた範囲で定めることができる。すなわち、高温高圧に曝され、曲げ応力が作用する中空の部材であれば、本発明を適用できる。

また、前述した各例では、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適用でき、余寿命を長期化することができる。

また、前述した先の例では、ステンレス製の帯状鋼板４０を、配管１に対して螺旋状に巻き付けることで補強構造１０を形成したが、他の例と同じく帯状鋼板４０を巻き付けた後に、ワイヤ１２０をさらに巻き付けてもよい。

また、他の例では、ステンレスクロス１４０を配管１に巻き付けることとしたが、これに限らず、金属繊維が編まれてなる可撓性を有する布状のクロスであれば用いることができる。また、必ずしも布状のクロスである必要はなく、テープ状であってもよく、要するに金属繊維が編まれてなる可撓性を有するシート状部材であればよい。

また、他の例では、配管１の外周面にステンレスクロス１４０を巻きつけた後、ワイヤ１２０を巻き付けることとしたが、これに限らず、ワイヤ１２０を巻き付けた後、ステンレスクロス１４０を巻き付け、さらに、ステンレスクロス１４０を固定するため、ワイヤを巻き付けることとしてもよい。

また、他の例では、巻き付けたワイヤ１２０の端部を覆うようにインバー繊維１３０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１３０に代えて用いることができる。

１ 配管
１０ 補強構造
４０ 帯状鋼板
１００ 他の例の補強構造
１２０ ワイヤ
１３０ インバー繊維
１４０ ステンレスクロス

Claims (6)

1. クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する構造であって、
   前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に対して多重に巻き付けられた帯状のステンレス薄板であることを特徴とする中空の金属部材の補強構造。
2. クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する構造であって、
   前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に巻き付けられたステンレスクロスであることを特徴とする中空の金属部材の補強構造。
3. 前記シート状部材は、前記中空の金属部材の外周面に溶接により固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空の金属部材の補強構造。
4. 前記シート状部材は、その外周に巻き付けられたワイヤにより前記中空の金属部材の外周面に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空の金属部材の補強構造。
5. クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する方法であって、
   前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に対して多重に巻き付けられた帯状のステンレス薄板であることを特徴とする中空の金属部材の補強方法。
6. クロムモリブデン鋼で作製され、内部を流通する動力用蒸気によって曲げ応力が作用する中空の金属部材に対し、当該金属部材の周囲にシート状部材を巻き付けて補強する方法であって、
   前記シート状部材は、前記金属部材の周囲に巻き付けられたステンレスクロスであることを特徴とする中空の金属部材の補強方法。