JP5625545B2 - 管端溶接部の補修構造及び管端溶接部の補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、管端溶接部の補修構造及び管端溶接部の補修方法に関する。

化学工業等における各種プラントでは、多管式熱交換器（シェルアンドチューブ熱交換器）や多管式反応器（シェルアンドチューブ反応器）が多く用いられている。このような多管式熱交換器や多管式反応器としては、流体を流動させるための筒状のシェルと、該シェルの開口部に設けられた管板と、前記シェル内に配置され、かつ前記管板に形成された貫通孔に内挿されて該管板に保持された伝熱管（チューブ）と、を有した構造が一般的である。

このような構造において伝熱管は、通常はその端部が溶接によって前記管板に固定されている。すなわち、伝熱管の端部外周面と管板の貫通孔内壁面との間隙は、溶接によるシール材によって覆われ、気密に封止されている。
ところで、前記多管式熱交換器や多管式反応器では、使用に伴ってシール材で覆われた溶接部が劣化したり、不測の衝撃を受けることなどにより、シール材にクラックや亀裂を生じ、例えば伝熱管の内側にシェル内を流れる液体（流体）が、クラックや亀裂から漏洩してしまうことがある。

従来、このような溶接部におけるクラック等を補修するには、単に漏洩部を再度溶接し、クラック等を塞いでいる。
また、漏洩が生じている溶接部を覆うとともに、この溶接部で固定された伝熱管の開口を適宜なカバー部材で覆ったり、該当する伝熱管を引き抜き、管板に残った貫通孔に栓をするといったこともなされている。
また、円筒状の耐火断熱部材を該当する伝熱管内に挿入し、その端部で伝熱管の端部をＵ字型に包むような形状に形成して取り付ける、手法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−７９７８５号公報

しかしながら、単に漏洩部を再度溶接する手法では、クラック等の内部に染み込んで残存していた液体が溶接時の熱で流動し染み出てくることなどにより、再溶接が健全になされず、再溶接後もクラック等からの漏洩が再発し易くなることがある。
また、伝熱管をカバー部材で覆ったり、伝熱管を引き抜いた後貫通孔に栓をする手法では、熱交換や反応に寄与する有効な伝熱管の本数が減ってしまい、熱交換器又は反応器としての性能が低下してしまう。

また、特許文献１の技術では、例えば耐火断熱部材によってシール材を覆うことで、シール材を保護することが可能になっている。しかし、クラック等を通って伝熱管の内側、すなわち伝熱管内に液体が流入してしまうことについては、これを防止することができない。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、熱交換器又は反応器としての性能を低下させることなく、シェル内を流れる液体の、管板外への漏洩及び伝熱管内への漏洩のいずれをも防止した、管端溶接部の補修構造、及びこのような構造を形成することができる、管端溶接部の補修方法を提供することにある。

本発明の管端溶接部の補修構造は、流体を流動させるための筒状のシェルと、該シェルの少なくとも一方の開口部に設けられた管板と、前記シェル内に配置され、かつ前記管板に形成された貫通孔に内挿されて該管板に保持された伝熱管と、を有し、前記伝熱管がその端部にて溶接により前記管板にシール材で固定されてなる管端溶接部の補修構造であって、
筒部と該筒部の一端側に設けられて該筒部の外側に張り出す鍔部とからなるキャップ部材が、前記筒部が前記伝熱管に内挿され、かつ前記鍔部が前記シール材を覆って配置され、
前記鍔部が前記管板に液密に溶接されてなるとともに、前記筒部が前記伝熱管に液密に溶接されてなることを特徴としている。

この管端溶接部の補修構造によれば、キャップ部材の鍔部が管板に液密に溶接されてなるので、シェル内を流れる液体がシール材のクラック等に染み込んでも、新たな溶接によるシール材により、液体の管板外への漏洩が防止される。また、鍔部が元のシール材を覆って配置されており、したがってこの鍔部についての溶接は元のシール材を避けてなされているので、該シール材のクラック等の内部に液体が残存していても、この液体に影響されることなく、新たな溶接が良好になされる。さらに、筒部が伝熱管に液密に溶接されてなるので、シェル内を流れる液体がシール材のクラック等に染み込んでも、筒部と伝熱管との間の溶接部によって伝熱管内への液体の漏洩が防止される。

また、前記管端溶接部の補修構造においては、前記鍔部の板厚が前記筒部の板厚より厚いのが好ましい。
このようにすれば、鍔部ではその側端面の面積が大きくなることで管板との間の溶接がし易くなる。また、筒部は薄くなることで、伝熱管との間の溶接が容易になる。

また、前記管端溶接部の補修構造において、前記キャップ部材は、前記管板又は前記伝熱管と同じ材質であるのが好ましい。
このようにすれば、鍔部と管板とが同じ材質になるか、又は筒部と伝熱管とが同じ材質になるので、同じ材質になった組での溶接が容易になる。

本発明の管端溶接部の補修方法は、流体を流動させるための筒状のシェルと、該シェルの少なくとも一方の開口部に設けられた管板と、前記シェル内に配置され、かつ前記管板に形成された貫通孔に内挿されて該管板に保持された伝熱管と、を有し、前記伝熱管がその端部にて溶接により前記管板にシール材で固定されてなる管端溶接部の補修方法であって、
筒部と該筒部の一端側に設けられて該筒部の外側に張り出す鍔部とからなるキャップ部材を用意し、このキャップ部材の前記筒部を前記伝熱管に内挿するとともに、前記鍔部を、前記シール材を覆った状態に配置し、
その後、前記鍔部を前記管板に液密に溶接するとともに、前記筒部を前記伝熱管に液密に溶接することを特徴としている。

この管端溶接部の補修方法によれば、キャップ部材の鍔部を管板に液密に溶接するので、シェル内を流れる液体がシール材のクラック等に染み込んでも、新たな溶接によるシール材により、液体の管板外への漏洩を防止することができる。また、鍔部を、元のシール材を覆った状態で配置し、この鍔部についての溶接を元のシール材を避けて行っているので、該シール材のクラック等の内部に液体が残存していても、この液体に影響されることなく、新たな溶接を良好に行うことができる。さらに、筒部を伝熱管に液密に溶接するので、シェル内を流れる液体がシール材のクラック等に染み込んでも、筒部と伝熱管との間の溶接部によって伝熱管内に液体が漏洩するのを防止することができる。

本発明の管端溶接部の補修構造及び管端溶接部の補修方法にあっては、溶接部にクラック等が生じた伝熱管に対して、蓋をしたりこれを引き抜いて栓をすることなく、そのまま活用するので、熱交換器又は反応器としての性能が低下するのを回避することができる。また、シェル内を流れる液体の、管板外への漏洩及び伝熱管内への漏洩のいずれをも防止することができるため、液体の漏洩に起因する不都合を防止することができる。

本発明の補修構造及び補修方法が適用される、多管式熱交換器の一例の概略構成を示す図である。 （ａ）は伝熱管の端部と管板との間が溶接によるシール材１１で覆われている状態を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。 （ａ）はキャップ部材の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は補修対象となる溶接部にキャップ部材を配置した状態を示す図、（ｃ）は溶接を行った補修を終了した状態を示す図である。

以下、本発明の管端溶接部の補修構造及び管端溶接部の補修方法について詳しく説明する。
図１は、本発明の管端溶接部の補修構造及び管端溶接部の補修方法が適用される、多管式熱交換器（シェルアンドチューブ熱交換器）の一例の概略構成を示す図である。図１中符号１は多管式熱交換器である。なお、多管式反応器（シェルアンドチューブ反応器）も、その基本的構成は図１に示す多管式熱交換器とほぼ同様である。

多管式熱交換器１は、円筒状のシェル２と、該シェル２の両方の開口部にそれぞれ設けられた円板状の管板３、３と、前記シェル２内に配置され、かつ前記管板３、３にそれぞれ保持された多数（数百〜数万）本の伝熱管（チューブ）４と、を有したものである。
シェル２には、その底部（一方の開口側）に、前記管板３の一方を覆って略球面状の底体５が気密に連結され、その上部（他方の開口側）に、前記管板３の他方を覆って球面状の蓋体６が気密に連結されている。これら底体５及び蓋体６は、その内部が空洞になっており、これら空洞部内に前記伝熱管４のそれぞれの端部が開口している。したがって、前記伝熱管４は、その一方の端部側が底体５の空洞部で連通しており、他方の端部側が蓋体６の空洞部で連通している。

このような構成のもとに、シェル２の内部、すなわちシェル２内でかつ伝熱管４の外側には、シェル２の底部側に設けられた流入管７から加熱媒体となる液体が流入し、シェル２の上部側に設けられた流出管８から流出するようになっている。なお、シェル２を流れる液体については、必要に応じ、その流れを逆にしてもよい。
また、多数の伝熱管４には、蓋体６に設けられた導入管９から被熱交換体が導入され、さらに多数の伝熱管４を通った被熱交換体は底体５に設けられた導出管１０から導出されるようになっている。なお、伝熱管４を流れる被熱交換体についても、必要に応じ、その流れを逆にしてもよい。

ここで、伝熱管４を流れる被熱交換体は、各種の液体や気体からなっており、伝熱管４を介してシェル２内を流れる液体（熱媒体）と熱交換し、加熱（又は冷却）されるようになっている。また、液体は、例えば硝酸塩などを溶解した水溶液が用いられる。これは、沸点上昇を起こさせ、１００℃を超える高温でも沸騰しないようにするためである。なお、伝熱管４内に液体（加熱媒体）を流し、シェル２内に被熱交換体を流すようにしてもよい。また、多管式反応器では、被熱交換体に代わって反応物が流れるようになる。

このような多管式熱交換器１において、伝熱管４は例えば外径が３０ｍｍ程度のもので、管板３に形成された貫通孔（図示せず）に内挿され、その端部が溶接によって管板３に気密（液密）に固定されている。図２（ａ）に示すように、伝熱管４の端部の外周面と、管板３の貫通孔３ａの内壁面との間隙Ｓが、溶接によるシール材１１で覆われて液密に封止され、管端溶接部が形成されている。ここで、間隙Ｓの幅は例えば０．１ｍｍ〜０．２５ｍｍ程度となっており、シェル２内を流れる液体は表面張力によってこの間隙Ｓ内に入り込み易くなっている。

この溶接によるシール材１１には、前述したように劣化等によってクラックや亀裂等が形成されることがある。これらクラック等には、図２（ｂ）に示すように、前記間隙Ｓ内から管板３側に延びてシール材１１の外面に開口するもの（クラックＣ１）と、間隙Ｓ内から伝熱管４側に延びてシール材１１の外面に開口するもの（クラックＣ２）とがある。従来では、このようなクラックＣ１、Ｃ２が存在すると、間隙Ｓ内に入り込んだ液体が、これらクラックＣ１、Ｃ２に染み込み、その後染み出すことで液体の漏洩が生じていた。

そこで、このようなシール材１１に生じたクラック等に起因する液体の漏洩を防止するべく、本実施形態では伝熱管４の端部（管端）における溶接部の補修を行うため、まず、図３（ａ）に示すようなキャップ部材２０を用意する。このキャップ部材２０は、円筒状の筒部２１と、該筒部２１の一端側に設けられて該筒部２１の外側に張り出す鍔部２２とからなっている。

筒部２１は、前記伝熱管４の内径より僅かに小さい外径で形成されたもので、該伝熱管４に内挿された際、伝熱管４の内壁面との間に、クリアランスとしての間隙（図示せず）を形成するようになっている。また、この筒部２１の厚さ（板厚）については、後述するようにその外面と伝熱管４の内壁面との間を電気溶接（抵抗溶接）することから、比較的薄いものが好ましく、具体的には、０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とするのが好ましい。０．２５ｍｍ未満では、薄くなる分強度が低下し、溶接による液密性が確保できなくなるおそれがあるからである。また、１．０ｍｍを超えると、厚くなる分抵抗が増大し、溶接が難しくなり、さらに、筒部２１の開口面積が狭くなる分、被熱交換体の流動性が低下するからである。

鍔部２２は、筒部２１に連続してその一端縁から外方（筒部２１の半径方向）に張り出した円環状のもので、その張り出し長さが、例えば４ｍｍ程度に形成されたものである。ただし、この張り出し長さは、後述するように図２（ａ）、（ｂ）に示したシール材１１の上面全域を覆うことができる長さとされる。したがって、伝熱管４の厚さに、筒部２１と伝熱管４との間の間隙（図示せず）と、前記間隙Ｓと、シール材１１が管板３に被った長さとを加え、さらにマージンを加えた長さが、最小値とされる。

また、この鍔部２２の厚さ（板厚）については、後述するようにその側端面２２ａと管板３との間で新たに溶接を行うため、側端面２２ａの高さ（厚さ）が十分に確保されているのが好ましく、したがって少なくとも前記筒部２１の板厚より厚く形成されているのが好ましい。具体的には、１ｍｍ〜３ｍｍ程度とされる。１ｍｍ未満では、溶接するための側端部２２ａの面積が十分とはならず、溶接が難しくなるからである。また、３ｍｍを超えると、キャップ部材２０が不必要に大きくなるため、コスト等の点で不利になるからである。

また、このような構成からなるキャップ部材２０は、前記管板３又は前記伝熱管４と同じ材質で形成されているのが好ましい。ただし、通常管板３と伝熱管４とは同じ材質で形成されているため、キャップ部材２０は、管板３及び伝熱管４と同じ材質で形成されているのが好ましいことになる。このように管板３及び伝熱管４と同じ材質で形成されていれば、後述するように溶接を行った際、キャップ部材２０と管板３との間の溶接も、キャップ部材２０と伝熱管４との間の溶接も、共に容易になり、好ましい。キャップ部材２０の材質として具体的には、管板３や伝熱管４の材質となる、炭素鋼や低クロムモリブデン鋼などが好適とされる。

このような構成のキャップ部材２０を用意したら、このキャップ部材２０を用いてクラック等が生じた溶接部を補修すべく、まず、伝熱管４を流れる被熱交換体を抜き、その状態で底体５又は蓋体６を取り外し、溶接部のシール材１１を露出させる。そして、図３（ｂ）に示すように補修対象となる溶接部を有する伝熱管４に、キャップ部材２０の筒部２１を内挿するとともに、鍔部２２を、補修対象となる溶接部のシール材１１を覆った状態で伝熱管４及び管板３上に載せる（配置する）。

次いで、図３（ｃ）に示すように鍔部２２の側端面２２ａと管板３の表面（鍔部２２側に露出する面）との間を、鍔部２２の側端面２２ａの全周に亘って気密（液密）に溶接する。溶接については、先に行った溶接法、すなわちシール材１１を盛った溶接法と同じ溶接法が採用される。このようにして溶接を行うことにより、管板３の表面と鍔部２２の側端面２２ａ及びその近傍との間には、元のシール材１１の外側部を覆って新たなシール材１２が盛られる。

続いて、筒部２１の外面を伝熱管４の内面に、例えば抵抗溶接法によって液密に溶接する。抵抗溶接としては、筒部２１を伝熱管４側に押し付けつつ、これらの間に電流を流して抵抗熱（ジュール熱）を発生させ、この抵抗熱で加熱することにより、溶接箇所を溶着する方法が採用可能である。例えば、伝熱管４をアースに接続し、筒部２１の内面に抵抗溶接用の電極を押し当て、その状態で筒部２１の全周に亘って電流を流しつつライン状に溶接を行うことにより、筒部２１の外面をその全周に亘って、伝熱管４の内面に液密に溶接する。

本実施形態では、このような筒部２１の全周に亘る抵抗溶接を、筒部２１の異なる高さ位置で２回行うことにより、図３（ｃ）に示すように２本の溶接ラインＬ１、Ｌ２を形成している。これにより、仮に一方の溶接ラインで液密性が破れても、他方の溶接ラインによって液密性を確保することができる。
このようにして溶接を終了することで、本発明の一実施形態となる管端溶接部の補修構造が得られる。なお、前記の溶接ラインについては、１本でもよく、３本以上でもよいのはもちろんである。

このようにして形成された管端溶接部の補修構造にあっては、キャップ部材２０の鍔部２２がシール材１１を覆って管板３に液密に溶接されているので、シェル２内を流れる液体が図２（ｂ）に示したシール材１１のクラックＣ１に染み込んでも、図３（ｃ）に示す新たな溶接によるシール材１２により、液体の管板３外への漏洩を確実に防止することができる。すなわち、新たな溶接によるシール材１２により、前記クラックＣ１の露出した開口を封止することができ、したがってこのクラックＣ１からの液体の漏洩を確実に防止することができる。

また、鍔部２２が元のシール材１１を覆って管板３上に配置されており、したがってこの鍔部２２についての溶接が元のシール材１１を避けてなされているので、該シール材１１のクラックＣ１、Ｃ２の内部に液体が残存していても、この液体に影響されることなく、該鍔部２２と管板３との間の新たな溶接を良好に行うことができる。
さらに、筒部２１が伝熱管４に液密に溶接されているので、シェル２内を流れる液体が図２（ｂ）に示したシール材１１のクラックＣ２に染み込んでも、図３（ｃ）に示した筒部２１と伝熱管４との間の溶接ラインＬ１、Ｌ２により、伝熱管４内への液体の流入（漏洩）を確実に防止することができる。すなわち、前記クラックＣ２から伝熱管４の内側に液体が流入しても、溶接ラインＬ１、Ｌ２が形成されていることにより、流入した液体が伝熱管４と筒部２１との間を通り抜け、伝熱管４内に流入するのを確実に防止することができる。

また、このような補修構造を形成する管端溶接部の補修方法にあっては、元の状態を維持したまま、単にキャップ部材２０を用いて溶接を行うことで、クラック等が生じた溶接部を容易に補修し、液体の漏洩を確実に防止することができる。
よって、本実施形態の管端溶接部の補修構造及び管端溶接部の補修方法によれば、溶接部にクラック等が生じた伝熱管４に対して、蓋をしたりこれを引き抜いて栓をすることなく、そのまま活用することができるので、熱交換器（又は反応器）としての性能が低下することを回避することができる。また、シェル２内を流れる液体の、管板３外への漏洩及び伝熱管４内への漏洩のいずれをも防止することができるため、液体の漏洩に起因する不都合を防止することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１…多管式熱交換器、２…シェル、３…管板、３ａ…貫通孔、４…伝熱管、１１…シール材、１２…シール材、２０…キャップ部材、２１…筒部、２２…鍔部、Ｃ１、Ｃ２…クラック

Claims (4)

1. 流体を流動させるための筒状のシェルと、該シェルの少なくとも一方の開口部に設けられた管板と、前記シェル内に配置され、かつ前記管板に形成された貫通孔に内挿されて該管板に保持された伝熱管と、を有し、前記伝熱管がその端部にて溶接により前記管板にシール材で固定されてなる管端溶接部の補修構造であって、
   筒部と該筒部の一端側に設けられて該筒部の外側に張り出す鍔部とからなるキャップ部材が、前記筒部が前記伝熱管に内挿され、かつ前記鍔部が前記シール材を覆って配置され、
   前記鍔部が前記管板に液密に溶接されてなるとともに、前記筒部が、前記伝熱管に対して全周に亘ってライン状に抵抗溶接されることで形成された複数本の溶接ラインにより、前記伝熱管に液密に溶接されてなることを特徴とする管端溶接部の補修構造。
2. 前記鍔部の板厚が前記筒部の板厚より厚いことを特徴とする請求項１記載の管端溶接部の補修構造。
3. 前記キャップ部材は、前記管板又は前記伝熱管と同じ材質であることを特徴とする請求項１又は２に記載の管端溶接部の補修構造。
4. 流体を流動させるための筒状のシェルと、該シェルの少なくとも一方の開口部に設けられた管板と、前記シェル内に配置され、かつ前記管板に形成された貫通孔に内挿されて該管板に保持された伝熱管と、を有し、前記伝熱管がその端部にて溶接により前記管板にシール材で固定されてなる管端溶接部の補修方法であって、
   筒部と該筒部の一端側に設けられて該筒部の外側に張り出す鍔部とからなるキャップ部材を用意し、このキャップ部材の前記筒部を前記伝熱管に内挿するとともに、前記鍔部を、前記シール材を覆った状態に配置し、
   その後、前記鍔部を前記管板に液密に溶接するとともに、前記筒部を、前記伝熱管に対して全周に亘ってライン状に抵抗溶接することで複数本の溶接ラインを形成することにより、前記伝熱管に液密に溶接することを特徴とする管端溶接部の補修方法。

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