JP5579910B1

JP5579910B1 - 減温管

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Publication number: JP5579910B1
Application number: JP2013204024A
Authority: JP
Inventors: 和陽鐙; 大輔内; 健二勝山
Original assignee: Hitachi Power Solutions Co Ltd
Current assignee: Hitachi Power Solutions Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015068583A

Abstract

【課題】繰り返し温度変化を伴う環境下において、強度信頼性および耐久性の向上が可能な減温管を提供する。
【解決手段】配管内部を流通する高温蒸気に冷却水を噴霧することによって減温する減温管１０において、板状の第一金属材２１と板状の第二金属材２２の異なる二つの金属材を接合して成る２層の複合材２３を管状に曲げて形成した。第一金属材２１は、第二金属材２２の内側に配置され、第一金属材２１の線膨張係数が、第二金属材２２の線膨張係数より小さく設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、火力発電プラントやプロセス蒸気を供給する一般産業用プラントにおいて、内部流体の温度を急激に減温する装置に適用される減温管に関する。

火力発電プラントやプロセス蒸気を供給する一般産業用プラントにおいて、減温管は、用途に応じて配管内を流れる蒸気や熱水等を減温する系統に設置される。配管内を流れる蒸気や熱水等を減温する方法としては、冷却水を混合することにより熱水を減温する方法の他に、減温管に挿入されたスプレノズルから冷却水を噴霧して水の気化熱により蒸気を減温する方法が一般的である。特に、後者における冷却水を噴霧する減温方式では、減温幅が大きく、減温管に急激な温度変化を伴うため、熱衝撃、熱疲労が生じやすく、比較的短期間で配管設備に損傷を与え、ひいては亀裂に至る事象が確認されている。

そこで、母管を保護する目的で、母管より一回り口径が小さい配管（内筒管）を内側に設置し、すみ肉溶接を伴う部品により内筒管を母管内部に固定した減温管が知られている（特許文献１参照）。このような減温管は、母管（外筒管）内に内筒管が挿入されることで、内筒管が熱衝撃、熱疲労による損傷を許容し、母管（外筒管）に発生する熱衝撃、熱疲労を緩和させ、母管を保護する構造となっている。

特開２００７−２４４５６号公報

ところで、近年増加しつつあるコンバインドサイクル発電形式では、優れた負荷変化特性を有することから、ＤＳＳ（Daily Shutdown and Start-up）運転、ＷＳＳ（Weekend Shutdown and Start-up）運転など電力需要に応じた運用で使用するケースが多くなっている。ＤＳＳ運転とは、特に電力需要が減少する深夜にプラントを停止し、朝方の電力需要増加を見越してプラントを起動する運転である。ＷＳＳ運転とは、特に電力需要が減少する週末にプラントを停止し、週明けの電力需要増加を見越してプラントを起動する運転である。

このため、プラントの起動および停止に伴い、繰り返し生じる急激な温度変化に配管設備が追従できず、特許文献１に記載のように内筒管をすみ肉溶接により母管に溶接する方式では、数年の間で内筒管を固定する部品のすみ肉溶接を起点とした損傷、亀裂が生じる虞があった。

本発明は、前記した従来の問題を解決するものであり、繰り返し温度変化を伴う環境下において、強度信頼性および耐久性の向上が可能な減温管を提供することを目的とする。

本発明は、配管内部を流通する高温蒸気に冷却水を噴霧することによって減温する減温管において、第一金属材と第二金属材の異なる二つの金属材の対向する全面を拡散接合して成る２層構造の管部を有し、前記第一金属材が前記第二金属材の内面側に位置し、前記第一金属材の線膨張係数は、前記第二金属材の線膨張係数より小さいことを特徴とする。

本発明によれば、繰り返し温度変化を伴う環境下において、強度信頼性および耐久性の向上が可能な減温管を提供できる。

本発明の実施形態に係る減温管が適用される発電設備の配管概略系統を示す構成図である。実施形態に係る減温管を軸方向に沿って切断したときの断面図である。（ａ）実施形態に係る減温管を管状にする前の状態、（ｂ）は実施形態に係る減温管を管状にした状態を示す概略図である。比較例としての減温管の構造を示す断面図である。（ａ）は図４のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｃ）は図４のＣ−Ｃ線矢視断面図である。（ａ）は図４のＤ部拡大断面図、（ｂ）は図４のＥ部拡大断面図、（ｃ）は図４のＦ部拡大断面図、（ｄ）は図４のＧ部拡大断面図、（ｅ）は図４のＨ部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る減温管について詳細に説明する。なお、図１では、本実施形態に係る減温管が火力発電設備（火力発電プラント）に適用される場合を例に挙げて説明するが、火力発電設備に限定されるものではなく、水蒸気でタービンを回して電力に変換するものであれば、様々な汽水発電設備に適用することができる。また、以下において、高温蒸気（蒸気）の流れ方向上流側を単に上流側、蒸気の流れ方向下流側を単に下流側と略記して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る減温管が適用される発電設備の配管概略系統を示す構成図である。
図１に示すように、火力発電設備１は、石炭などの化石燃料を燃やして高圧給水加熱器５ａから給水管１１ａおよび給水ポンプ（不図示）を介して供給される給水を加熱し、蒸気を生成するボイラ２、このボイラ２で生成した蒸気によって駆動されるタービン（高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンなど）３、低圧タービンを駆動した排気蒸気を冷却水によって冷却する復水器４、この復水器４で冷却した復水を加熱する低圧給水加熱器５ｂ、復水を復水管１１ｂを通って高圧給水加熱器５ａに供給する復水ポンプＰ、タービン３から取り出した動力で発電する発電機Ｇなどを含んで構成されている。

また、火力発電設備１は、ボイラ２とタービン３とを接続する主蒸気管６、この主蒸気管６に設けられる主蒸気止弁７、タービン３および主蒸気止弁７を迂回して復水器４と接続されるタービンバイパス配管８、タービンバイパス配管８に設けられる高圧タービンバイパス弁９を備えている。また、ボイラ２は、供給された給水を加熱して主蒸気を生成する。主蒸気は、主蒸気管６を介して高圧タービンに供給される。高圧タービンを駆動して排気される排気蒸気は、配管１１ｃを介してボイラ２の内部に設けられた再熱器２ａに供給される。再熱器２ａによって再加熱された高温再熱蒸気は、配管１１ｄを介して中圧タービンに供給される。中圧タービンを駆動した排気蒸気は、低圧タービンに供給される。

図１に示すタービンバイパス系統は、プラントの起動時において、主蒸気止弁７を閉じ、高圧タービンバイパス弁９を開いた状態において、ボイラ２から送られた蒸気を、タービンバイパス配管８に通流させることでタービン３を迂回させ、復水器４に送気する系統である。蒸気をタービンバイパス配管８を介して復水器４に送気するには、蒸気の温度を所定温度まで下げる必要がある。そこで、タービンバイパス系統に減温管１０を設置することで、減温管１０から霧状の冷却水を噴霧し、水の気化熱により蒸気を減温する方式が一般的に行われている。

実施形態に係る減温管１０は、事業用または産業用の発電設備に、ボイラ２から発生する蒸気が流れるタービンバイパス配管８に設置され（図１参照）、蒸気に水を噴霧することで蒸気を冷却して蒸気の温度を制御（冷却）する機能を有している。

図２は、実施形態に係る減温管を軸方向に沿って切断したときの断面図である。
図２に示すように、減温管１０は、高温蒸気が通流する管部２０と、高温蒸気に冷却水を噴霧するためのスプレノズル３０とを含んで構成されている。

管部２０は、第一金属材２１と第二金属材２２の異なる二つの金属材を接合して成る２層構造の複合材２３（板材）を管状に曲げることで構成されている。

また、管部２０は、上流側の端部１０ａが高圧タービンバイパス弁９から延びる配管８ａ（８）と接続され、下流側の端部１０ｂが復水器４から延びる配管８ｂ（８）と接続されている。また、管部２０の端部１０ａは、配管８ａと周溶接によって接続され、同様に、管部２０の端部１０ｂは、配管８ｂと周溶接によって接続されている。

第一金属材２１は、管部２０の内面側に位置し、蒸気が直接に接触する部分である。また、第一金属材２１は、高温蒸気に冷却水が噴霧されることで、急激な温度変化（例えば、５５０℃→３００℃）による熱衝撃、熱疲労から保護する機能を有する材料により構成されている。

第一金属材２１に適用される材料としては、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼を選択することができる。なお、第一金属材２１の材料は、急激な温度変化による熱衝撃、熱疲労から保護する機能を有するものであれば、マルテンサイト系ステンレス鋼に限定されるものではない。

第二金属材２２は、管部２０の外面側に位置し、第一金属材２１とは異なる金属材により構成されている。また、第二金属材２２は、高温蒸気が流れる配管の一部をなす耐圧部として機能する材料により構成されている。

第二金属材２２に適用される材料としては、例えば、炭素鋼やクロムモリブデン鋼などの合金鋼を選択することができる。なお、第二金属材２２の材料は、耐圧部として機能を有するものであれば、炭素鋼やクロムモリブデン鋼に限定されるものではない。

スプレノズル３０は、公知の方法により構成することができ、管部２０の軸方向（高温蒸気の流れ方向）の途中に設けられ、管部２０に対して径方向から挿入されるように取り付けられている。

すなわち、管部２０には、複合材２３（第一金属材２１および第二金属材２２）を貫通する貫通孔２０ａが形成されている。そして、貫通孔２０ａには、スプレノズル３０が取り付けられる取付管４０が溶接などによって取り付けられている。

また、スプレノズル３０を取付管４０に取り付けることにより、スプレノズル３０の先端（冷却水が吐出される部分）が、管部２０の径方向の略中心に位置決めされるとともに、冷却水の吐出口が下流側に向けられる。

前記した減温管１０では、スプレノズル３０から冷却水を噴霧（霧状に吐出）することにより、水の気化熱により蒸気を効果的に減温できる。なお、本実施形態では、公知のスプレノズル３０により冷却水を噴霧する構成を例に挙げて説明したが、冷却水を噴霧できる構成であれば、本実施形態に限定されるものではない。例えば、単一のスプレノズル３０を設ける構成に限定されず、複数のスプレノズル３０を周方向に間隔を空けて配置して、複数個所から冷却水を噴霧する構成であってもよい。

図３は、（ａ）実施形態に係る減温管を管状にする前の状態、（ｂ）は実施形態に係る減温管を管状にした状態を示す図である。
図３（ａ）に示すように、減温管１０の管部２０（図２参照）を管状に加工する前においては、第一金属材２１と、この第一金属材２１とは異なる種類の第二金属材２２と、が互いに面同士が接合された２層構造の複合材２３となっている。なお、ここでの接合とは、母材を溶融させることなく、加熱加圧して互いの材料間で原子を相互拡散させて接合する方法によるものである（拡散接合）。

また、複合材２３は、第一金属材２１と第二金属材２２とを、機械的な応力による圧着またはロールプレスによる圧延といった方法により接合することで第一金属材２１と第二金属材２２との接合面が剥離することがないように構成されている。

第一金属材２１の線膨張係数は、第二金属材２２の線膨張係数よりも小さく設定することが好ましい。第一金属材２１の線膨張係数としては、例えば、９．４３×１０^−６〜１２．００×１０^−６（２０〜５６０℃）のものが使用される。第二金属材２２の線膨張係数としては、例えば、１０．９２×１０^−６〜１４．４６×１０^−６（２０〜５６０℃）のものが使用される（日本工業規格JIS B8265（2012年度）「圧力容器の構造-一般事項」付属書Ｃ表D.2）。

図３（ｂ）に示すように、複合材２３は、第一金属材２１が内面側、第二金属材２２が外面側に位置するように、プレス加工により管状に曲げることで管形状とされている。そして、管状に形成した複合材２３の周方向において互いに付き合わせた端面同士を仮固定した状態において、長手溶接によって長手溶接部２４を形成する。なお、長手溶接部２４は、サブマージ溶接など各種の溶接方法（ＦＳＷを含む）を適用できる。

また、長手溶接部２４は、例えば、複合材２３の内面側が、第一金属材２１に使用される材料に相当する溶接金属（マルテンサイト系ステンレス鋼など）で溶接されることで、第一金属材２１と同様な機能が確保される。また、長手溶接部２４は、複合材２３の外面側が、第二金属材２２に使用される材料に相当する溶接金属（炭素鋼やクロムモリブデン鋼など）で溶接されることで、耐圧部として必要な配管強度が確保される。

そして、第二金属材２２にクロムモリブデン鋼などの合金鋼を使用した場合、長手溶接部２４を形成した後、管状に形成した複合材２３に対して熱処理を行うことが好ましい。熱処理により、管部２０の強度を向上させることができる。よって、第一金属材２１および第二金属材２２としては、長手溶接後の熱処理が可能な材料を選択することが好ましい。特に、第一金属材２１としてマルテンサイト系ステンレス鋼を適用した場合には、熱処理可能なものを選択することが好ましい。第二金属材２２に炭素鋼を使用した場合、管部２０及び長手溶接部２４の強度が十分確保されれば，必ずしも熱処理を行わなくてよい。

ところで、比較例として示す従来の減温管１００は、図４ないし図６に示すものが知られている。図４は、減温管の構造を示す断面図、図５の（ａ）は図４のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｃ）は図４のＣ−Ｃ線矢視断面図、図６の（ａ）は図４のＤ部拡大断面図、（ｂ）は図４のＥ部拡大断面図、（ｃ）は図４のＦ部拡大断面図、（ｄ）は図４のＧ部拡大断面図、（ｅ）は図４のＨ部拡大断面図である。なお、本実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図４に示すように、減温管１００は、高温蒸気が流れる配管の一部をなす耐圧部となる外筒管１０１、スプレノズル３０から噴霧される冷却水による急激な温度変化からの熱衝撃、熱疲労から保護する内筒管１０２、この内筒管１０２を外筒管１０１に対して位置を固定するための各種固定部品、を含んで構成されている。各種固定部品は、固定リング１０４、ガイド１０５、振止ピン１０６、補強板１０７、ストッパ１０８などである。

図５（ａ）に示すように、固定リング１０４は、内筒管１０２を外筒管１０１の中心に固定するものである。図５（ｂ）に示すように、ガイド１０５は、内筒管１０２の自重を支えるものであり、内筒管１０２の外面側の下部に設けられている。振れ止めピン１０６は、蒸気の流入により生じる内筒管１０２の振動を抑制するものであり、外筒管１０１の周方向の複数個所において外筒管１０１を貫通して、内筒管１０２の外周面に向けて突設されている。補強板１０７（図４参照）は、スプレノズル３０（図４参照）を挿入するために孔開け加工された孔周辺の強度を補強するものであり、孔の周縁部の複数個所に設けられている（図４参照）。図５（ｃ）に示すように、ストッパ１０８は、スプレノズル３０（図４参照）から噴霧される冷却水による急激な温度変化からの熱衝撃、熱疲労によって内筒管１０２が損傷して周方向に亀裂が生じて破断に至った場合に下流側に破断した内筒管１０２の一部が流れないようにするものであり、外筒管１０１の内面の複数個所に設けられている。

図６（ａ）に示すように、固定リング１０４は、すみ肉溶接部ＦＷ１によって内筒管１０２の外周面と接合されている。内筒管１０２は、すみ肉溶接部ＦＷ２によって固定リング１０４の内周面と接合されている。そして、固定リング１０４が接合された内筒管１０２が外筒管１０１に挿入された状態において、固定リング１０４が、すみ肉溶接部ＦＷ３によって外筒管１０１の内周面と接合されている。図６（ｂ）に示すように、補強板１０７は、すみ肉溶接部ＦＷ４によって内筒管１０２の外周面と接合されている。図６（ｃ）に示すように、振れ止めピン１０６は、すみ肉溶接部ＦＷ５によって外筒管１０１の外周面と接合されている。図６（ｄ）に示すように、ガイド１０５は、すみ肉溶接部ＦＷ６によって内筒管１０２の外周面と接合されている。図６（ｅ）に示すように、ストッパ１０８は、すみ肉溶接部ＦＷ７によって外筒管１０１の内周面と接合されている。

このような減温管１００においては、減温管１００の内部に高温蒸気が流入すると、減温管１００が熱膨張により径方向および軸方向に熱伸びが発生し、各すみ肉溶接部ＦＷ１，ＦＷ２，ＦＷ３，ＦＷ４，ＦＷ５，ＦＷ６，ＦＷ７にはひずみが集中する。外筒管１０１と固定リング１０４との間には、わずかながら間隙が形成されており、径方向に熱膨張する際には、外筒管１０１と固定リング１０４とが面接触し、その影響で外筒管１０１と固定リング１０４とを接合しているすみ肉溶接部ＦＷ３（図６（ａ）参照）にひずみが集中し、過度な応力が付加され、減温管１００の寿命が短くなる要因となる。

一方、減温管１００が軸方向に熱膨張すると、内筒管１０２の下流側はすみ肉溶接部による固定点が存在しないため、熱膨張は拘束されないが、仮に別の要因により減温管１００の下流側で外筒管１０１と内筒管１０２とが引っ掛かり、軸方向への熱膨張が拘束されると、固定リング１０４と内筒管１０２とを接合しているすみ肉溶接部ＦＷ１，ＦＷ２にひずみが集中し、減温管１００の寿命が短くなる要因となる。

また、プラントの起動および停止を繰り返し行うコンバインドサイクル方式の発電プラントでは、他の方式の発電プラントと比較して、前記した現象が繰り返し発生するため、熱疲労による亀裂が生じやすい環境となっている。

これに対して、本実施形態に係る減温管１０では、熱膨張による応力、ひずみが複合材２３の第一金属材２１と第二金属材２２との接合面の面全体において作用するので、応力やひずみの集中を抑制することが可能になる。第一金属材２１と第二金属材２２との接合面は、接合面積が大きいほど接合面に生じる応力やひずみは低減されるので、減温管１０に損傷が発生する可能性を低減でき、減温管１０の長寿命化が可能になる。

また、比較例としての減温管１００では、内筒管１０２を外筒管１０１に固定する部品である、固定リング１０４、ガイド１０５、振れ止めピン１０６、補強板１０７、ストッパ１０８の製作期間が必要となる。また、減温管１００の組立てにおいては、固定リング１０４を内筒管１０２の外面にすみ肉溶接部ＦＷ１，ＦＷ２（図６（ａ）参照）によって固定し、その後、外筒管１０１の内部に内筒管１０２を挿入するため、固定リング１０４の外面と外筒管１０１の内面との間にわずかながら間隙を設ける必要がある。このため、外筒管１０１の内面および固定リング１０４の外径の製作公差が厳しくなり、製作工数が多くなる。

これに対して、本実施形態では、第一金属材２１と第二金属材２２とを接合（圧着、圧延）して成る複合材２３によって減温管１０を構成するため、各種固定部品（固定リング１０４、ガイド１０５、振止ピン１０６、補強板１０７、ストッパ１０８）が不要になり、固定部品の製作期間を削減することができるとともに、減温管１０の組立て期間の短縮を図ることができる。さらに、本実施形態では、すみ肉溶接部ＦＷ１〜ＦＷ７（図６（ａ）〜図６（ｅ）参照）が不要になることから、すみ肉溶接作業を削減でき、製造コストの低減を図ることが可能になる。

以上説明したように、本実施形態に係る減温管１０によれば、第一金属材２１と第二金属材２２の異なる二つの金属材を接合して成る２層構造の管部としたことにより、繰り返しの温度変化による応力、ひずみを、接合（圧着、圧延）された第一金属材２１と第二金属材２２との接合面の面全体で受け止めることができるので、局所的な応力の集中を低減することができ、熱衝撃、熱疲労に起因する亀裂を抑制することが可能になる。その結果、繰り返し温度変化を伴う環境下における減温管１０の強度信頼性および耐久性の向上が可能となる。また、減温管１０の強度信頼性および耐久性の向上により、保全コストを低減することが可能となる。

また、本実施形態では、第一金属材２１と第二金属材２２とを接合して成る板材を管状に曲げて管部２０が構成されている。このように、板材を管状に曲げ加工して構成することにより、管形状のものを直接に形成する場合よりも管部２０を容易に構成することができる。

また、本実施形態では、第一金属材２１が第二金属材２２の内面側に位置する複合材２３において、第一金属材２１の線膨張係数が第二金属材２２の線膨張係数より小さく設定されている。高温蒸気による熱の影響を受け易い第一金属材２１の線膨張係数を小さくすることにより、第一金属材２１の熱伸びを抑制することができるので、第一金属材２１と第二金属材２２との接合面に生じる応力やひずみを抑制することができる。

また、本実施形態では、複合材２３を管状に曲げて形成する際、複合材２３の端面同士の溶接に用いる溶接金属が、第一金属材２１に対して同等以上の熱衝撃および熱疲労に対する耐久性を有する材料である。これにより、溶接金属を内面側の第一金属材２１を基準にすることにより、熱衝撃および熱疲労に対する耐久性を確保することができる。

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々設計変更することができる。例えば、前記した実施形態では、第一金属材２１が第二金属材２２の内面側に位置する複合材２３において、第一金属材２１の線膨張係数が第二金属材２２の線膨張係数よりも小さい場合を例に挙げて説明したが、第一金属材２１と第二金属材２２との線膨張係数の差が小さく、第一金属材２１と第二金属材２２との接合面に生じる応力、ひずみを低減できるものであれば、第二金属材２２の線膨張係数が第一線膨張係数よりも小さいものであってもよい。

１０減温管
２０管部
２１第一金属材
２２第二金属材
２３複合材（板材）
２４長手溶接部
３０スプレノズル

Claims

配管内部を流通する高温蒸気に冷却水を噴霧することによって減温する減温管において、
第一金属材と第二金属材の異なる二つの金属材の対向する全面を拡散接合して成る２層構造の管部を有し、
前記第一金属材が前記第二金属材の内面側に位置し、
前記第一金属材の線膨張係数は、前記第二金属材の線膨張係数より小さいことを特徴とする減温管。
前記管部は、前記第一金属材と前記第二金属材とを接合して成る板材を管状に曲げてなることを特徴とする請求項１に記載の減温管。
前記板材を管状に曲げて形成する際、前記板材の端面同士の溶接に用いる溶接金属は、前記第一金属材に対して同等以上の熱衝撃および熱疲労に対する耐久性を有することを特徴とする請求項２に記載の減温管。