JP5697245B2 - 配管用溶接開先加工治具 - Google Patents

Description

本発明は、例えば複合発電（コンバインドサイクル発電）プラントに用いられる排熱回収ボイラ（以下、ＨＲＳＧという）における熱交換器の伝熱管ブロックの減肉対策などに使用する可搬型の配管用溶接開先加工治具に係り、特にコンバインドサイクル発電プラントの現地において伝熱管ブロックの管寄せに多数本接続された伝熱管を取り替えるのに好適な可搬型の配管用溶接開先加工治具に関するものである。

従来、ＨＲＳＧの伝熱管ブロックにおける伝熱管の減肉に伴う保全工事や前もって行なう予防保全工事などにおいては、取替え対象の伝熱管を管寄せの外表面近傍でガスやグラインダーなどを用いて切断除去し、管台の溶接開先を機械加工で形成した後、その管台に新規な伝熱管を設置して、溶接を行なっている。

図１１は前記伝熱管ブロックの一例を示す斜視図、図１２はその伝熱管ブロックの管寄せと伝熱管との接続部を示す一部斜視図である。

これらの図に示すように、管寄せ１ａ，１ｂには、その管寄せ１ａ，１ｂの周方向に３本ずつ、管軸方向に３２列の伝熱管２が接続されている。

通常、ＨＲＳＧの稼働中に全ての伝熱管２が減肉することはないため、減肉した伝熱管２のみを交換すればよい。この伝熱管２の交換のための作業スペースが必要になるため、例えば減肉による交換が必要な伝熱管２のために、その伝熱管２の前後左右、合計で４本の健全な伝熱管２も交換する必要があった。

図１３に、従来、特開平７−２７６１２４号公報（特許文献１）として提案された溶接開先加工治具ならびにその加工状況を示す。また、図１４に、管寄せ１の外表面における伝熱管２の配置状態を示す。

図１４に示すように、伝熱管２は管寄せ１の外表面に千鳥配列されている。そして、減肉による交換が必要な伝熱管が２Ｘだとすると、その伝熱管２Ｘの周囲には、交換を必要としない健全な伝熱管２Ａ〜２Ｄが存在している。

従来の溶接開先加工治具１００は図１３に示すように、中心軸１０１の周囲に４本の支持脚１０２が軸対称に配置され、また、中心軸１０１の上部に支持腕１０３が設けられ、その支持腕１０３に加工工具１０４が所定の傾斜角度をもって取り付けられている。

前記支持脚１０２の上端部は、前記中心軸１０１に取り付けられた軸着部１０５にピン１０６で取り付けられ、また支持脚１０２の中間部には内側に向いて突出した突出部１０７が設けられている。

さらに支持脚１０２の下端部の外側面には段状の支持部１０８が設けられ、伝熱管２に予め形成されている接合穴１０９の内側に嵌合できるようになっており、支持部１０８の伝熱管２との当接面には滑り止め部材１１０が設置されている。前記支持部１０８の伝熱管２に対する位置調整は、ネジ棒１１１の回転によってなされる。

前記中心軸１０１の下方部には円板状の拡縮部材１１２が螺合され、その拡縮部材１１２の外周部に十字状に設けられた切欠部に前記支持脚１０２の一部が嵌まり込んでいる。

前記支持脚１０２は、コイルスプリング１１３によって互いに連結されている。そして前記中心軸１０１を回転することにより拡縮部材１１２ならびに支持脚１０２も一緒に回転する。この回転により、前記コイルスプリング１１３の弾性に抗して、支持脚１０２はピン１０６を中心として拡張し、前記支持部１０８を伝熱管２の接合穴１０９に適合させる。なお、中心軸１０１の回転は、回転用レバー１１４によってなされる。

前記支持腕１０３は、中心軸１０１の上部にスリーブ１１５を介して回転自在に装着されている。支持腕１０３には工具支持部材１１６が形成されており、この工具支持部材１１６に設けられている長溝状の支持調整部材１１７に、突出量調整部材１１８が取り付けられ、この突出量調整部材１１８に前記加工工具１０４が支持されている。

前記支持調整部材１１７ならびに突出量調整部材１１８により伝熱管２に対する加工工具１０４の突出量ならびに傾斜角度を調整して、加工工具１０４の先端部に取り付けたカッター部材１１９をできるだけ伝熱管２の接合穴１０９に接近して、所定の深さに開先加工できるようになっている。

なお、溶接開先加工装置に関しては、例えば下記特許文献１、２などを挙げることができる。

特開平７−２７６１２４号公報 実開平４−５１３３１号公報

図１３に示した従来の溶接開先加工治具１００は前述のような構造になっており、伝熱管２上での溶接開先加工治具１００の垂直状態および管孔位置を設定する必要がある。そのために、中心軸１０１の外周に４本の支持脚１０２を配置し、各支持脚１０２の下端部に設けた支持部１０８が伝熱管２の接合穴１０９に当接するために水平方向に保持された円板状の拡縮部材１１２や、拡縮部材１１２を元の位置に復帰するために４本のコイルスプリング１１３などが設けられている。

そしてこれら各種部材の外側に、加工工具１０４ならびにそれを支持して位置や傾斜角度を調整するための支持腕１０３、工具支持部材１１６、突出量調整部材１１８が設置されている。

従来の溶接開先加工治具１００は、このように中心軸１０１の外側に各種部材を備えており、外周方向に出っ張った構造になっている。そのため図１４に示すように、減肉した伝熱管２Ｘを交換する際には、その周囲の伝熱管２Ａ〜２Ｄが溶接開先加工治具１００と干渉するため、これら交換を必要としない健全な伝熱管２Ａ〜２Ｄも交換する必要がある。

また従来の溶接開先加工治具１００は、部品数が多く、構造ならびに操作が複雑であり、必然的に重量も重くなる。

従来の溶接開先加工治具は前述のような構成になっており、
（ａ）伝熱管の交換のために広い作業スペースが必要である。
（ｂ）余分な伝熱管の切断ならびにそれらの復旧作業が必要である。
（ｃ）熟練作業者による工具の製作や成形作業が必要である。
（ｄ）機械加工装置の設置に労力が必要である。

などの課題があり、開先部の加工において多大な人手と時間がかかって、作業能率が悪いという欠点がある。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、狭い作業スペースでも伝熱管の交換が可能で、しかも交換を必要としない健全な伝熱管の切断は不要で、短時間で伝熱管の交換が可能な、コンパクトで持ち運びが容易な配管用溶接開先加工治具を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
外周部にネジ部を形成し、先端部に管寄せの外側から管孔を通して管寄せの内側に挿入されて管寄せの内面に当接する係止爪を有する芯棒と、
前記管寄せの管孔の外側部分に座ぐり部を形成する例えばグラインダーなどの加工工具と、
その加工工具を保持する工具保持部材と、
前記芯棒のネジ部に螺着される押さえナットを備え、
前記芯棒の係止爪を前記管寄せの外側から管孔を通して管寄せの内側に挿入して管寄せの内面に当接し、押さえナットを係止爪側に締め付けて、当該押さえナットと係止爪の間で管寄せの管孔の外周部分に挟持することにより、前記芯棒を管寄せの管孔を基点として管寄せ上に垂直に位置決め固定し、
前記加工工具を保持した工具保持部材を前記芯棒の頭部に旋回可能に保持して、
前記工具保持部材が前記芯棒のネジ部に沿って１回転することにより、前記加工工具が前記管寄せの管孔側に向けてネジ部の１ピッチ分押し下げられる構成になっており、
前記加工工具を回転駆動しながら芯棒を中心にして旋回することにより、前記管寄せの管孔の外側部分に座ぐり部を形成することを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記芯棒の係止爪の平面形状がほぼ長方形あるいは楕円形をしており、その係止爪の長手方向を示すマークが前記芯棒の頭部に設けられていることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、狭い作業スペースでも伝熱管の交換が可能で、しかも交換を必要としない健全な伝熱管の切断は不要で、短時間で伝熱管の交換が可能な、コンパクトで持ち運びが容易な配管用溶接開先加工治具を提供することができる。

本発明の実施形態に係る配管用溶接開先加工治具の正面図である。 その溶接開先加工治具に用いる芯棒の正面図である。 その芯棒の下面図である。 図２Ａ−Ａ線上の断面図である。 本発明の実施形態に係る溶接開先加工治具に用いる押さえナットの上面図である。 その押さえナットの一部を断面にした正面図である。 各部材を配置した芯体部材の斜視図である。 本発明の実施形態に係る溶接開先加工治具に用いる工具保持部材の正面図である。 その工具保持部材の上面図である。 （ａ）〜（ｆ）本発明の実施形態に係る加工工具による開先加工の手順を説明するための説明図である。 伝熱管ブロックの一例を示す斜視図である。 その伝熱管ブロックの管寄せと伝熱管との接続部を示す一部斜視図である。 従来提案された溶接開先加工治具ならびにその加工状況を示す図である。 管寄せの外表面における伝熱管の配置状態を示す図である。 （ａ），（ｂ）管寄せと伝熱管の接続部を説明するための一部断面図である。

次に図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
前述のように図１２は、伝熱管ブロック（図１１参照）の管寄せ１と伝熱管２との接続部を示す一部斜視図である。この管寄せ１の管台とは、管寄本体に伝熱管２を接続するために設けた部位であり、図１５に示すように溶接開先を形成している。同図（ａ），（ｂ）に示すように、伝熱管２の内径に合わせた管孔３、伝熱管２の端部を位置決めするための植え込み部４ならびに座ぐり部５を有しており、伝熱管２の外周と座ぐり部５の内周との間を隅肉溶接することで、伝熱管２と管寄せ１が接続される。同図（ｂ）の符号６は、隅肉溶接部を示している。

管寄せ１に管孔３を中心とした所定の大きさの座ぐり部５を形成するために、本発明の実施形態に係る配管用溶接開先加工治具７が使用される。
次にこの配管用溶接開先加工治具７の構成ならびに各部の機能などについて説明する。図１は本発明の実施形態に係る配管用溶接開先加工治具の正面図、図２はその配管用溶接開先加工治具に用いられる芯棒の正面図、図３は芯棒の下面図、図４は図２Ａ−Ａ線上の断面図である。

図１に示すように配管用溶接開先加工治具７は、芯体部材８と，加工工具９ならびに工具保持部材１０とから主に構成されている。

前記芯体部材８は、芯棒１１と、押さえナット１２と、スプリング下部受け筒体１３と、コイルスプリング１４と、スプリング上部受け筒体１５と、上側筒体１６から構成されている。

前記芯棒１１は図２に示すように、その下端部を除いて外ネジ部１７が形成され、芯棒１１の下端部には前記外ネジ部１７の直径より若干長い略長方形をした係止爪１８（図３参照）と、その係止爪１８と前記外ネジ部１７の下端との間に設けられた連結部１９が設けられている。

前記係止爪１８の下面には中央部が先細り状になるように両側に傾斜面２０（図２参照）が形成されており、さらに前記連結部１９の途中の周面には切欠部２１（図２，図４参照）が設けられている。この切欠部２１は、係止爪１８の一方の端部側に設けられている。

前記押さえナット１２は図５ならびに図６に示すように、前記芯棒１１の外ネジ部１７と螺合する内ネジ部２２を有するナット部２３と、そのナット部２３の下端に設けられた押さえリング２４とから構成されている。

前記スプリング下部受け筒体１３とコイルスプリング１４は前記芯棒１１に遊嵌されて、芯棒１１の軸方向に沿って移動自在になっている。前記スプリング上部受け筒体１５と前記上側筒体１６は芯棒１１の外ネジ部１７に螺着され、両者は外ネジ部１７に沿って回転することにより芯棒１１の軸方向に沿って上下動する。

図７は芯棒１１に押さえナット１２、スプリング下部受け筒体１３、コイルスプリング１４、スプリング上部受け筒体１５、上側筒体１６の順で配置した芯体部材８の斜視図である。同図に示すように芯棒１１の上面には、係止爪１８の向き（長手方向）を示すマーク２５が施されている。

なお、実際にはスプリング上部受け筒体１５と上側筒体１６の間に工具保持部材１０が挿入されるが、工具保持部材１０を描くとコイルスプリング１４やスプリング上部受け筒体１５の様子が分かり難くなるため、工具保持部材１０を省略した状態で図示している。

図８ならびに図９は、工具保持部材１０の正面図ならびに上面図である。
工具保持部材１０の上面から下面にかけて前記芯棒１１が挿通する貫通穴２６が垂直方向に形成され、この貫通穴２６の近くに加工工具９を取り付けるための工具取付穴２７が形成されている。この工具取付穴２７は、貫通穴２６に対して若干の傾斜角度をもって工具保持部材１０を貫通している。

図１に示すように、前記加工工具９の下端部には、加工工具であるほぼ球状をしたグラインダー２８が交換可能に取り付けられて、グラインダー２８は押さえナット１２の近くに配置されている。

図１０（ａ）〜（ｆ）は、前記加工工具９による開先加工の手順を説明するための説明図である。

（ステップ１）（図１０（ａ）参照）
ＨＲＳＧの運転に伴う磨耗などにより、特定の伝熱管２が減肉し、この伝熱管２を交換する場合、伝熱管２を管寄せ１の外表面から数センチメートルの高さでガスまたはグラインダーにより切断し、伝熱管２を管寄せ１から除去する。

次に管寄せ１の外表面までグラインダーなどで削る。このとき伝熱管２の端部の一部は、溶接部が残っているため離脱せず管台内に残る。

これを除去する前に、座ぐり位置を設定するため、罫書き用治具を管孔３に差し込み、罫書き用治具（図示せず）を回転させて、座ぐり位置を設定するための罫線を書き入れる。

次に小型のグラインダーを開先の円周方向に回転させながら、開先加工前の座ぐり部３０が形成される。その開先加工前の座ぐり部３０の底部を、開先の底部寸法に合わせて平行に研磨して、伝熱管２の外径とほぼ等しい内径を有する植え込み部４を形成する。

次に残留している伝熱管の端部を除去して、グラインダーなどで開先内を仕上げる。この状態が図１０（ａ）に示されており、図中の点線は開先加工によって形成される座ぐり部５の位置を示している。

（ステップ２）（図１０（ｂ）〜（ｅ）参照）
次に、芯体部材８を管寄せ1に固定する。
この際、図１０（ｂ）〜（ｄ）に示すように管寄せ1に対して芯体部材８を斜めにして、係止爪１８側から開先加工前の座ぐり部３０、植え込み部４、管孔３へと挿通していくわけであるが、最終的には図１０（ｄ）に示すように係止爪１８の上面を管寄せ1の内面に密着させるために、係止爪１８の長手方向Ｘを管寄せ1の軸方向Ｙに合わす必要がある。

ところが芯体部材８を管寄せ1内に挿入するときには、芯体部材８の下部にある前記係止爪１８の長手方向Ｘがどの方向を向いているのか分かり難い。そのため図７に示すように、芯体部材８の頭部に係止爪１８の長手方向Ｘを示すマーク２５が施されている。作業者はこのマーク２５を管寄せ1の軸方向Ｙに合わせて芯体部材８を管寄せ1内に挿入すれば、係止爪１８の長手方向Ｘが管寄せ1の軸方向Ｙに自動的に合うようになっている。

さらに、芯体部材８の挿入をスムーズにするため、係止爪１８の下面両側には逃げ用の傾斜面２０が形成され、連結部１９の周面には逃げ用の切欠部２１が設けられている。

図１０（ｂ）、（ｃ）に示すように芯体部材８の傾斜角度を調整しながら、芯体部材８の係止爪１８を植え込み部４から管孔３を通して管寄せ1の内側に挿入する。挿入が終わると芯体部材８を垂直に立てて、係止爪１８を管寄せ1の内面に当接する。

この状態が図１０（ｄ）に示めされている。この図に示すように、係止爪１８の長手方向Ｘの長さは、管寄せ1の管孔３の内径より長く、かつ、芯体部材８を斜めにして係止爪１８が管孔３を通り得る長さに設計されている。

芯体部材８の挿入時に押さえナット１２が係止爪１８の近くまで下がっていると、押さえナット１２が開先加工前の座ぐり部３０の開口端などに当って、芯体部材８の挿入に支障をきたす。そのため、芯体部材８の挿入時には押さえナット１２は外ネジ部１７の比較的上側部分に位置しており、芯体部材８の挿入に障害にならないようになっている。

図１０（ｄ）に示めされているように芯体部材８の挿入が終わって垂直に立てられると、図１０（ｅ）に示すように押さえナット１２を回転しながら下げて、押さえナット１２の押さえリング２４を植え込み部４の底面に密着するように押さえナット１２を締め付ける。

この押さえナット１２の締め付けにより、芯体部材８の係止爪１８と押さえナット１２の押さえリング２４の間で管寄せ1の管孔３の外周部を機械的に挟持することにより、芯体部材８を前記管孔３を基点（中心）として管寄せ1上に垂直にしっかりと位置決め固定して、芯体部材８の立設状態が確実に維持される。

（ステップ３）（図１０（ｆ）参照）
このようにして芯体部材８を管寄せ1の管孔３上に固定した後、図１に示すようにグラインダー２８を下側にして加工工具９を工具保持部材１０に取り付ける。次に、加工工具９にグラインダー２８を回転駆動するための駆動源（本実施形態ではコンプレッサー）を接続する。

そしてグラインダー２８を高速で回転駆動すると、グラインダー２８によって前記開先加工前の座ぐり部３０が徐々に切削される。グラインダー２８を回転駆動しながら、スプリング上部受け筒体１５と工具保持部材１０と上側筒体１６を一緒に外ネジ部１７に沿って時計回り方向に回転することにより、工具保持部材１０を介して加工工具９（グラインダー２８）が押し下げられて、座ぐり部３０の切削が下方へ進行する。

外ネジ部１７のピッチは、座ぐり部３０の切削に合った押し下げ量となっている。また、工具保持部材１０の押し下げに伴って、コイルスプリング１４は徐々に圧縮され、最終的には図１０（ｆ）に示すように植え込み部４の上に隅肉溶接に適合した座ぐり部５が形成される。

このようにして座ぐり部５が形成されると開先加工の作業が終了したことになるから、前記駆動源を加工工具９から外し、加工工具９を工具保持部材１０から取り外す。

次にスプリング上部受け筒体１５と工具保持部材１０と上側筒体１６を一緒に外ネジ部１７に沿って反時計回り方向に回転することにより、三者は元の位置に復帰し、それに伴いコイルスプリング１４の圧縮状態が緩和される。

前述の駆動源の取り外しから工具保持部材１０らの元の位置への戻しまでの作業中、係止爪１８と押さえリング２４によって芯棒１１の立設状態は維持されているから、前述の諸作業をスムーズに行なうことができる。

しかる後、押さえナット１２の締め付けを緩めて、押さえナット１２を上側に移動し、芯棒１１を傾けて管寄せ１から取り出す。その後は図１５（ｂ）に示すように、新品の伝熱管２の端部を管寄せ１の植え込み部４に嵌合して、伝熱管２の外周と座ぐり部５の内周との間を隅肉溶接することで、新品の伝熱管２を管寄せ１に接続・固定することができる。

本実施形態に係る配管用溶接開先加工治具７は図１３に示す従来の溶接開先加工治具１００に較べるとスリムであるから、図１４に示すように例えば伝熱管２Ｘの取替えを行う際に、その周囲の交換を必要としない健全な伝熱管２Ａ〜２Ｄはそのままの状態で伝熱管２Ｘの取替えができる。そのために、取替え作業の簡略化ならびに時間の短縮が図れる。

前記実施形態では平面形状が略長方形をした係止爪１８を示したが、係止爪１８の平面形状は楕円形であっても構わない。

１：管寄せ、
２：伝熱管、
３：管孔、
４：植え込み部、
５：座ぐり部、
６：隅肉溶接部、
７：配管用溶接開先加工治具、
８：芯体部材、
９：加工工具、
１０：工具保持部材、
１１：芯棒、
１２：押さえナット、
１３：スプリング下部受け筒体、
１４：コイルスプリング、
１５：スプリング上部受け筒体、
１６：上側筒体、
１７：ネジ部、
１８：係止爪、
１９：連結部、
２０：傾斜面、
２１：切欠部、
２２：ネジ部、
２３：ナット部、
２４：押さえリング、
２５：マーク、
２６：貫通穴、
２７：工具取付穴、
２８：グラインダー、
３０：開先加工前の座ぐり部。

Claims (2)

1. 外周部にネジ部を形成し、先端部に管寄せの外側から管孔を通して管寄せの内側に挿入されて管寄せの内面に当接する係止爪を有する芯棒と、
   前記管寄せの管孔の外側部分に座ぐり部を形成する加工工具と、
   その加工工具を保持する工具保持部材と、
   前記芯棒のネジ部に螺着される押さえナットを備え、
   前記芯棒の係止爪を前記管寄せの外側から管孔を通して管寄せの内側に挿入して管寄せの内面に当接し、押さえナットを係止爪側に締め付けて、当該押さえナットと係止爪の間で管寄せの管孔の外周部分に挟持することにより、前記芯棒を管寄せの管孔を基点として管寄せ上に垂直に位置決め固定し、
   前記加工工具を保持した工具保持部材を前記芯棒の頭部に旋回可能に保持して、
   前記工具保持部材が前記芯棒のネジ部に沿って１回転することにより、前記加工工具が前記管寄せの管孔側に向けてネジ部の１ピッチ分押し下げられる構成になっており、
   前記加工工具を回転駆動しながら芯棒を中心にして旋回することにより、前記管寄せの管孔の外側部分に座ぐり部を形成することを特徴とする配管用溶接開先加工治具。
2. 請求項１に記載の配管用溶接開先加工治具において、
   前記芯棒の係止爪の平面形状がほぼ長方形あるいは楕円形をしており、その係止爪の長手方向を示すマークが前記芯棒の頭部に設けられていることを特徴とする配管用溶接開先加工治具。

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