JP5579950B2 - 蒸気用配管 - Google Patents
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Description
本発明は、動力用蒸気などの高温高圧の蒸気を流すための蒸気用配管に関する。
発電プラントのボイラーや蒸気タービンでは蒸気用配管が用いられている。蒸気用配管を流れる動力用蒸気には、例えば温度が２８０℃以上、圧力が数ＭＰａとされた高温高圧の蒸気が用いられる。そして、火力発電プラントでは、発電効率を向上させるために、より高い温度と圧力の蒸気が用いられる傾向にある。例えば、６２０℃程度、５ＭＰａ以上の高温蒸気が用いられる。一方、原子力発電プラントでは、安全性を高めるために火力発電プラントよりも多少温度と圧力が低く設定された高温高圧蒸気が用いられている。
火力発電プラントで用いられる蒸気用配管は、高温域での運転を考慮して、熱膨張率の低いフェライト系クロム鋼で作製される。しかし、フェライト系クロム鋼は、強度が低いため、蒸気圧力に耐えるためには管の肉厚を十分に大きくする必要があり、重量が嵩んでしまう問題点があった。
一方、原子力発電プラントで用いられる蒸気用配管は、耐久性を考慮して高温下でのクリープ強度が高いオーステナイト系ステンレス鋼で作製される。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、熱膨張率が大きく、長期間の使用によって応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生してしまう。
特許文献１には、高い耐食性を持つ熱交換器管を提供することを目的として、フェライトクロム鋼からなる基材の表面にスーパーオーステナイトからなる表面層を設けたものが記載されている。また、特許文献２には、フェライト系ステンレス鋼の内管とオーステナイト系ステンレス鋼の外管との間に無機質からなる中間層を設けた複合管が記載されている。
特許文献１の熱交換器管では、表面層の部分の厚さを０．１〜０．５ｍｍの間とし、基材の厚さを０．２〜１．５ｍｍの間とすることが推奨されている。このような薄手の管で高温高圧の動力用蒸気を長期間に亘って流通させることは困難である。また、特許文献２の複合管は、自動車のエキゾーストマニホールドに用いられるものであり、やはり動力用蒸気を長期間に亘って流通させることは困難である。
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、高温高圧の蒸気を流すための蒸気用配管において、必要な強度を確保しつつ軽量化を図ること、応力腐食割れの発生を抑制することにある。
前記目的を達成するため、本発明の蒸気用配管は、内管と前記内管よりも薄肉の外管とが固着された二重管によって構成されるとともに、前記内管の内部が蒸気タービンの動力となる動力用蒸気を流通させるための空間とされ、前記動力用蒸気の流通によってクリープが生じる蒸気用配管であって、前記動力用蒸気の温度が３００℃以上６５０℃以下、前記動力用蒸気の圧力が５Ｍｐａ以上８Ｍｐａ以下であり、前記外管の直径が２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、前記外管の肉厚が１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、前記内管の肉厚が４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ、前記外管の肉厚と前記内管の肉厚の合計が、前記外管の直径の１／４以下であり、前記内管がフェライト系クロム鋼によって作製され、前記外管がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製され、かつ、前記外管と前記内管とを全周に亘って圧着させたことを特徴とする。本発明の蒸気用配管は、熱膨張率が小さいフェライト系クロム鋼とクリープ強度が大きいオーステナイト系ステンレス鋼の組み合わせによる二重管によって構成されているので、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた分だけフェライト系クロム鋼の肉厚を薄くすることができる。これにより、配管全体の軽量化が図れる。加えて、熱影響部の細粒域において部材内部に発生するタイプＩＶのクラックを防止することができる。
また、本発明の蒸気用配管は、内管と前記内管よりも薄肉の外管とが固着された二重管によって構成されるとともに、前記内管の内部が蒸気タービンの動力となる動力用蒸気を流通させるための空間とされ、前記動力用蒸気の流通によってクリープが生じる蒸気用配管であって、前記動力用蒸気の温度が３００℃以上６５０℃以下、前記動力用蒸気の圧力が５Ｍｐａ以上８Ｍｐａ以下であり、前記外管の直径が２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、前記外管の肉厚が１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、前記内管の肉厚が４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ、前記外管の肉厚と前記内管の肉厚の合計が、前記外管の直径の１／４以下であり、前記内管がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製され、前記外管がフェライト系クロム鋼によって作製され、かつ、前記外管と前記内管とを全周に亘って圧着させたことを特徴とする。本発明の蒸気用配管は、熱膨張率が小さいフェライト系クロム鋼とクリープ強度が大きいオーステナイト系ステンレス鋼の組み合わせによる二重管によって構成されているので、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた分だけフェライト系クロム鋼の肉厚を薄くすることができる。これにより、配管全体の軽量化が図れる。加えて、熱膨張率の小さなフェライト系クロム鋼で外管が構成されるので、内管には圧縮力が作用し、応力腐食割れを抑制できる。
前述の蒸気用配管において、前記オーステナイト系ステンレス鋼がＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６の何れかであり、前記フェライト系クロム鋼が９Ｃｒ又は１２Ｃｒの何れかであることが好ましい。また、管長手方向両端部において、前記内管が前記外管よりも突出していることが好ましい。
本発明によれば、高温高圧の動力用蒸気を流すための蒸気用配管において、必要な強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。あわせて、タイプＩＶのクラックを防止すること、あるいは、応力腐食割れの発生を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。図１及び図２は、第１実施形態の蒸気用配管１０を説明する断面図である。
例示した蒸気用配管１０は、動力用蒸気を流すための動力用蒸気配管である。動力用蒸気とは、蒸気タービン等の動力となる蒸気であり、例えば蒸気温度が３００℃以上６５０℃以下、蒸気圧力が５Ｍｐａ以上８Ｍｐａ以下に定められる。
蒸気用配管１０は、内管１１と外管１２を有する二重管で構成されている。蒸気用配管１０の直径Ｄ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。そして、本実施形態では、外管１２が内管１１よりも薄肉となるように構成されている。
外管１２及び内管１１の寸法について説明すると、例えば、外管１２の直径（蒸気用配管１０の直径Ｄに相当する）が２００ｍｍの場合、外管１２の肉厚ｔ１２が１０ｍｍとなり、内管１１の肉厚ｔ１１が４０ｍｍとなる。また、外管１２の直径が１０００ｍｍの場合、外管１２の肉厚ｔ１２が３０ｍｍとなり、内管１１の肉厚ｔ１１が４０ｍｍとなる。
すなわち、本実施形態の蒸気用配管１０は、内管１１とこの内管１１よりも薄肉の外管１２とが固着された二重管によって構成されており、外管１２の肉厚ｔ１２と内管１１の肉厚ｔ１１の合計（蒸気用配管１０の肉厚ｔ１０）が、外管１２の直径の１／４以下となるように構成されている。これにより、高温高圧の動力用蒸気を流すための空間を確保しつつ必要な強度を得ている。
本実施形態の蒸気用配管１０は、内管１１がフェライト系クロム鋼によって作製され、外管１２がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製されている。フェライト系クロム鋼は、従来より火力発電ボイラー用に用いられている鋼材であり、例えば１Ｃｒ，１．５Ｃｒ，２．２５Ｃｒ，９Ｃｒ，１２Ｃｒが知られている。このフェライト系クロム鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼よりも熱膨張率が小さいという特性を有している。オーステナイト系ステンレス鋼は、オーステナイト相を有するステンレス鋼材であり、例えばＳＵＳ３０１，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６が知られている。このオーステナイト系ステンレス鋼は、高温下におけるクリープ強度が非常に大きいという特徴を有している。
そして、これらの鋼材のうち最も好ましい組み合わせは、フェライト系クロム鋼が９Ｃｒ，１２Ｃｒであり、オーステナイト系ステンレス鋼がＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６である。
図２に示すように、この蒸気用配管１０は、内管１１と外管１２とが固着された二重管によって構成されている。このような二重管は、焼きばめで一体化することにより作製できる。焼きばめは、熱膨張と収縮を利用して二つの物体を結合する方法である。例えば、外管１２を加熱することで径方向に膨張させて内径を拡げ、外管１２の内径部分に内管１１をはめ込む。そして常温に戻し外管１２の収縮によって両者を結合する。本実施形態では、外管１２を６００℃〜７００℃程度に加熱して膨張させる。内管１１については常温のままとし、内管１１を外管１２に挿入したら常温に戻す。
なお、常温に戻す際において、急冷すると外管１２に衝撃が加わってしまう。反対に、冷却速度が遅すぎると外管１２の収縮が不十分になる。このため、外管１２の冷却速度は、熱衝撃が加わらず、元のサイズに収縮されるように定める。
また、この蒸気用配管１０では、管長手方向の両端部において、内管１１が外管１２よりも突出されている。このように内管１１の端部を外管１２よりも突出させた理由は、蒸気用配管１０，１０同士の接合のためである。すなわち、この蒸気用配管１０は、内管１１がフェライト系クロム鋼で作製され、外管１２がオーステナイト系ステンレス鋼で作製されているため、内管１１と外管１２とで溶接棒が異なり、内管１１と外管１２とを同時に溶接することは困難である。そこで、本実施形態の蒸気用配管１０では、内管１１の端部を外管１２よりも突出させることで、先に内管１１，１１同士を溶接した後、外管１２，１２同士を溶接するようにしている。
例えば、図３（ａ）に示すように、一方の蒸気用配管１０Ａの内管１１Ａの一端と他方の蒸気用配管１０Ｂの内管１１Ｂの他端とを当接させ、図中太線ＷＤで示すように、内管１１Ａ，１１Ｂ同士の突き合わせ部分を全周に亘って溶接する。内管１１Ａ，１１Ｂ同士を溶接したならば、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、溶接片１３Ａ，１３Ｂを内管１１Ａ，１１Ｂの外周面に配置し、図中太線ＷＤで示すように、一方の蒸気用配管１０Ａの外管１２Ａの一端と他方の蒸気用配管１０Ｂの外管１２Ｂの他端とを、それぞれ溶接片１３Ａ，１３Ｂに溶接する。
ここで、溶接片１３Ａ，１３Ｂは、外管１２と同じ材質で構成されたリング状部材を周方向に分割したものであり、外管１２Ａ，１２Ｂ同士を連結するために用いられる。本実施形態の溶接片１３Ａ，１３Ｂは、外径及び肉厚が外管１２の外径及び肉厚に揃えられ、かつ、幅が外管１２の端面同士の間隔Ｗ１２（図１３（ａ）参照）に定められたリング状部材を、周方向に２等分（１８０度で切断）することで作製されている。そして、図３（ｂ）に示すように、一方の溶接片１３Ａを溶接することで外管１２Ａ，１２Ｂの下半部分を連結し、その後、図３（ｃ）に示すように、他方の溶接片１３Ｂを溶接することで外管１２Ａ，１２Ｂの上半部分を連結している。
このような構成を有する蒸気用配管１０では、内管１１がフェライト系クロム鋼によって作製され、外管１２が高いクリープ強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼によって作製されており、内管１１の外周側を外管１２で補強する構造となっている。このため、蒸気用配管１０に作用する曲げ応力を外管１２（オーステナイト系ステンレス鋼）で負担することができる。従って、内管１１（フェライト系クロム鋼）の肉厚を薄くしても配管全体として必要な強度を得ることができる。すなわち、配管の肉厚（内管１１の肉厚＋外管１２の肉厚）を薄くしても必要な強度が得られるため、配管全体として軽量に構成することが可能となる。
次に第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態の蒸気用配管２０を説明する断面図である。
例示した蒸気用配管２０は、第１実施形態の蒸気用配管１０と同様に内管２１と外管２２を有する二重管で構成されているが、第１実施形態の蒸気用配管１０とは異なり、内管２１がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製され、外管２２がフェライト系クロム鋼によって作製されている。なお、蒸気用配管２０（外管２２）の直径、外管２２の肉厚、及び内管２１の肉厚については、第１実施形態の蒸気用配管１０と同じである。また、管長手方向の両端部において、内管２１が外管２２よりも突出されている点も同じである。このため、これらの点については詳細な説明を省略する。
この蒸気用配管２０は、高温下におけるクリープ強度の強いオーステナイト系ステンレス鋼を内管２１に用いているので、蒸気用配管２０の肉厚を薄くしても必要な強度が得られ、配管全体として軽量に構成することが可能となる。また、蒸気が通る内管２１がオーステナイト系ステンレス鋼で構成されているので、腐食に対する高い耐性が得られる。
さらに、熱膨張率の小さなフェライト系クロム鋼によって外管２２が作製されているので、内管２１の内側に高温高圧の蒸気を流通させた際、オーステナイト系ステンレス鋼で作製された内管２１が外周側に膨張しようとするが、内管２１の膨張を外管２２が押さえる状態になる。これにより、内管２１には圧縮応力が作用する。オーステナイト系ステンレス鋼に対する応力腐食割れは、引っ張り力と腐食によって発生することが知られている。これに対し、本実施形態の蒸気用配管２０では、高温高圧の蒸気を内管２１に通すことで、内管２１に圧縮応力を作用させることができる。このため、応力腐食割れの発生を抑制することが可能となる。
この構造は、オーステナイト系ステンレス鋼で作製された蒸気用配管が用いられている原子力発電設備（蒸気温度３００℃〜５００℃，蒸気圧力５ＭＰａ程度）において、とりわけ有効である。すなわち、高いクリープ強度を得る観点及び腐食に対する耐性を得る観点から原子力発電設備では、オーステナイト系ステンレス鋼で作製された蒸気用配管が用いられているが、応力腐食割れが発生するという問題を抱えている。従来の蒸気用配管を本実施形態の蒸気用配管２０に置き換えることで、高クリープ強度、耐腐食性という従来の特徴はそのままに、応力腐食割れの発生を抑制することができる。
以上説明した各実施形態から次のことが判る。すなわち、各実施形態の蒸気用配管１０，２０は、内管１１，２１とこの内管１１，２１よりも薄肉の外管１２，２２とが固着された二重管によって構成され、内管１１，２１と外管１２，２２の一方がフェライト系クロム鋼によって作製され、内管１１，２１と外管１２，２２の他方がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製され、内管１１，２１の内部を、蒸気を流通させるための空間としている。この蒸気用配管１０，２０では、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた分だけフェライト系クロム鋼の肉厚を薄くすることができ、配管全体の軽量化が図れる。
そして、内管１１がフェライト系クロム鋼によって作製され、外管１２がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製された第１実施形態の蒸気用配管１０では、熱影響部の細粒域において部材内部に発生するタイプＩＶのクラックを防止することができる。
また、内管２１がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製され、外管２２がフェライト系クロム鋼によって作製された第２実施形態の蒸気用配管２０では、熱膨張率の小さなフェライト系クロム鋼で外管２２が構成されるので、オーステナイト系ステンレス鋼によって作製された内管２１には圧縮力が作用し、応力腐食割れを抑制できる。
また、各実施形態の蒸気用配管１０，２０に関し、管長手方向両端部において内管１１，２１が外管１２，２２よりも突出しているので、一対の蒸気用配管１０，２０を連結する際の溶接作業を容易化することができる。
そして、各実施形態の蒸気用配管１０，２０を動力用蒸気（温度が３００℃以上６５０℃以下であり、圧力が５Ｍｐａ以上８Ｍｐａ以下である高温高圧の蒸気）の流通に用いた場合には、発電プラントのボイラーや蒸気タービンで問題になっていた諸問題（蒸気用配管の軽量化や応力腐食割れの防止等）を効果的に抑制することができる。
特に、蒸気用配管１０，２０（外管１２，２２）の直径Ｄを２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とし、外管１２，２２の肉厚を１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、内管１１，２１の肉厚を４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であって外管１２，２２の肉厚よりも大きな値とし、かつ、蒸気用配管１０，２０の肉厚（外管１２，２２の肉厚と内管１１，２１の肉厚の合計）を外管の直径の１／４以下とすることで、発電プラントのボイラーや蒸気タービンにおける諸問題を効果的に抑制することができる。
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。
蒸気用配管１０，２０の寸法（直径、肉厚）はあくまで例示であり、この寸法に限られない。寸法は、蒸気用配管の用途に応じて適宜に定めればよい。
蒸気用配管１０，２０は、動力用蒸気の流通用に限られない。動力用蒸気と同程度の高温高圧の蒸気を流す蒸気用配管であれば、本発明を適用できる。
外管１２，２２同士を連結する溶接片に関し、前述の第１実施形態では、リング状部材を周方向に２分割した溶接片１３Ａ，１３Ｂを例示したが、分割数は任意に定めることができる。例えば、３分割にしてもよいし、４分割にしてもよい。また、図５に示す様に、溶接片２３Ａ，２３Ｂの端部にフランジ部ＦＧを設け、フランジ部ＦＧで溶接片同士をねじ止め固定した後に、外管１２，２２と溶接してもよい。
１０（１０Ａ，１０Ｂ） 蒸気用配管
１１（１１Ａ，１１Ｂ） 内管
１２（１２Ａ，１２Ｂ） 外管
１３Ａ，１３Ｂ 溶接片
２０ 蒸気用配管
２１ 内管
２２ 外管
１１（１１Ａ，１１Ｂ） 内管
１２（１２Ａ，１２Ｂ） 外管
１３Ａ，１３Ｂ 溶接片
２０ 蒸気用配管
２１ 内管
２２ 外管
Claims (4)
- 内管と前記内管よりも薄肉の外管とが固着された二重管によって構成されるとともに、前記内管の内部が蒸気タービンの動力となる動力用蒸気を流通させるための空間とされ、前記動力用蒸気の流通によってクリープが生じる蒸気用配管であって、
前記動力用蒸気の温度が３００℃以上６５０℃以下、前記動力用蒸気の圧力が５Ｍｐａ以上８Ｍｐａ以下であり、
前記外管の直径が２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、前記外管の肉厚が１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、前記内管の肉厚が４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ、前記外管の肉厚と前記内管の肉厚の合計が、前記外管の直径の１／４以下であり、
前記内管がフェライト系クロム鋼によって作製され、前記外管がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製され、かつ、前記外管と前記内管とを全周に亘って圧着させたことを特徴とする蒸気用配管。 - 内管と前記内管よりも薄肉の外管とが固着された二重管によって構成されるとともに、前記内管の内部が蒸気タービンの動力となる動力用蒸気を流通させるための空間とされ、前記動力用蒸気の流通によってクリープが生じる蒸気用配管であって、
前記動力用蒸気の温度が３００℃以上６５０℃以下、前記動力用蒸気の圧力が５Ｍｐａ以上８Ｍｐａ以下であり、
前記外管の直径が２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、前記外管の肉厚が１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、前記内管の肉厚が４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ、前記外管の肉厚と前記内管の肉厚の合計が、前記外管の直径の１／４以下であり、
前記内管がオーステナイト系ステンレス鋼によって作製され、前記外管がフェライト系クロム鋼によって作製され、かつ、前記外管と前記内管とを全周に亘って圧着させたことを特徴とする蒸気用配管。 - 前記オーステナイト系ステンレス鋼がＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６の何れかであり、前記フェライト系クロム鋼が９Ｃｒ又は１２Ｃｒの何れかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気用配管。
- 管長手方向両端部において、前記内管が前記外管よりも突出していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の蒸気用配管。
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