JP5896995B2 - クラッド管を製造する方法及びクラッド管 - Google Patents

Description

本出願は、２０１０年６月８日に出願した米国特許仮出願６１／３５２,４４８の一部継続出願であり、したがってこの米国特許仮出願を組み込みまたこの米国特許仮出願からの優先権及びその最も早い提出日の利益を請求する。

本発明は、一般には管を被覆する方法、より詳細には、管を被覆するために材料のストリップを管の外面に巻き付ける方法に関する。

ボイラ内の多数の蒸気発生管は腐食及び浸食環境にさらされ、その結果、壁が薄くなって破損を導くために管の早すぎる破裂を生じせしめる。

発生した蒸気は、典型的に、電気を作るためのタービンを動かすために及び化学反応を始めさせるエネルギーを提供するための化学プロセスにおいて用いられる。幾つかのボイラはひとつ又はそれ以上の壁を包含し、各壁は複数の管により形成されている。そして、各壁は互いに連結され、これによりボイラ内の燃焼室を取り囲む。追加の管群を燃焼室内に設置することができる。

これらの管の各々は、また、内面を有し、この内面はこの内面を通して延びる通路を画定する。複数の管の各々の一端は水供給ヘッダーに流体連通することができ、一方、複数の管の各々の反対側の端は蒸気ヘッダーに流体連通することができる。ボイラの作動中、燃焼は一般に燃焼室内で生じ、通路を通して流れる水を加熱して蒸気を作り、この蒸気が蒸気ヘッダーに供給される。ボイラの全体にわたって燃焼室内に位置する、これらの管の外面は燃料、燃焼、熱及び管を腐食せしめる燃焼副生物にさらされる。その結果、管の寿命は短くさせられる。

保護被覆物を標準的な管に取り付け、それらの耐性を改善せしめて、強度を増大せしめ又は腐食及び浸食を防止するために用いられる多数の方法が存在している。実際上、保護被覆物を溶接する方法のすべては被覆物を完全に溶融せしめて、被覆物を管に十分に付着せしめることが必要である。

従来の溶接において、溶接棒はその先端が溶融される。溶接された構造物は、同様に溶接された材料の谷部（トラフ）を有する。溶融した溶接棒及び溶融した表面は、一緒に混合して、“ビード”を作る。“ビード”は、溶融した溶接棒と溶融した表面との混合物である成分を有する。かなりの量の溶融棒とかなり量の表面とが混合されているので、金属の混合はかなりである。したがって、もし溶接棒が高濃度の高品位金属で作られ、また溶接される表面が高品位金属の低濃度を有している場合には、得られる混合物（“ビード”）は元の溶接棒と比較して高品位金属の低濃度を有する。これは、混合した金属ビード中に高品位金属の濃度の希釈を生じせしめる。

したがって、より多くの溶接棒及びより多くの表面が溶融されるほど、より多くの希釈が生じる。希釈した金属は、より少ない耐腐食性、耐浸性及び／又はより低い強度を有する。

また、対象物、例えば管の全表面を溶接することにより大量の熱が生じる。大量の熱は、管を湾曲せしめ、しばしば取り付ける被覆材料の量を最適の厚さに調節するのを困難にする。管を被覆するこの方法は、実施するのが困難である。

典型的に、腐食及び浸食環境において使用される管は例えば溶射又は蒸気溶着のような方法を用いて被覆されて、一層優れた保護層を提供する。多くの腐食及び浸食環境においては、同時押出しにより作られた管が使用されている。しかしながら、この方法において形成された結合部の一体性の限界は、特に、オーステナイト系鋼とフェライト系鋼との間の熱膨張係数の相違に関連した応力の結果として、熱サイクル状態に長くさらされる間に結合の剥離を導くものである。

現在、ボイラ管を腐食及び浸食から保護する方法であって、大量のエネルギーを必要としないで容易に適用することができる方法が必要とされる。

本発明においては、管を腐食及び浸食から保護するために耐食性材料のストリップが管の外面に取り付けられる。

本発明は、次に述べるような方法として具体化される。すなわち、この方法とは、クラッド管を製造する方法において、外面を有する管を用意する段階、細長いストリップを用意する段階、前記ストリップを前記管の前記外面のまわりにらせん状に巻き付けながら、前記ストリップの内面と前記管の前記外面とを表面溶接する段階、及び前記表面溶接しているときに、前記ストリップを前記管に押し付ける段階を包含する方法である。

本発明の一実施形態にしたがって管の外面に取り付けられている材料のストリップの斜視図である。 図１の管の外面に取り付けられている材料のストリップの平面図である。 図１及び図２の管の外面に取り付けられている材料のストリップの側面図である。

次に、例示的な実施形態を示す図面を参照する。これらの図面において、同一の要素には同一の符号が付けられている。

図１はボイラに用いるようにしている安価材料、例えば低合金鋼の管１０を示し、このような材料は例えば耐腐食性、耐浸食性又は高強度の特性に欠いている。保護をしないと、管１０の腐食及び浸食は管の壁厚さを、これらの管内の蒸気の圧力を保持する強さを有することのできない厚さにまで減少せしめる。このような管の壁厚さの減少が発生すると、これらの管は破裂する。この低合金鋼の管１０は、腐食、浸食及び管壁が薄くなることを減少せしめるために保護しなければならない。

図１において、耐腐食性、耐浸食性又は高強度を有している材料から作られているストリップ２０が、管１０の外面１２のまわりに部分的に巻き付けられて示されている。ストリップは、好適には、管のまわりにらせん状に巻き付けられ、表面溶接手段を用いて溶接されて、クラッド管３０を作る。

ストリップ２０は、高温度及び腐食環境に耐えることができる、適当な耐腐食性及び耐浸食性の材料、例えばオーステナイト系鋼から作られている。ストリップ２０はオーステナイト系鋼から作られると述べたけれども、被覆管はその意図した使用に依存して他の耐腐食性、耐浸食性及び高強度の被覆材料から作ることもできるものであると考えている。

図１に示されているように、ストリップ２０はその内面２２を管１０の外面１２にこれら２つの表面が接触面１４で出合うところで表面溶接されることが好ましい。

電気抵抗溶接のひとつの型式は、高周波溶接である。この型式の溶接においては、高周波交流がストリップ２０及び管１０を通過するようにされて、電流路を確立する。電流は、ストリップ２０の表面及び管１０を通して流れ、トースタの加熱線と同様に、金属中に抵抗加熱を生じせしめる。

図２は、図１の管１０の外面１２に取り付けられている材料のストリップ２０の平面図である。図３は、図１及び図２の管１０の外面１２に取り付けられている材料のストリップ２０の側面図である。

図２及び図３を参照するに、複数のローラ５１を有するフレーム５０が示されており、ローラ５１は管１０が処理されるときに管１０を支持するために用いられる。ローラ５１は、管１０を回転させることができるようにする。モータ６１が、管１０の回転を生じせしめる。第２のモータ７１が、管１０の長手方向の動きを生じせしめる。好適には、これらのモータは、コントローラ１００により駆動され、調整され、そして制御される。

ストリップ２０は、ローラ２４上に貯蔵され、そしてローラ２４から供給される。ガイド２６が、管１０の長手方向軸線に関して角度が付けられている。管１０がコントローラ１００及びモータ６１，７１により回転させられると、ストリップ２０が供給ローラ２４から供給されて、ガイド２６により案内され、それから押し付けローラ２８により管１０に対して押し付けられ、管１０のまわりにらせん状に巻き付けられる。

第１のコンタクト４３が、高周波溶接装置９０のリードに連結され、ストリップ２０が管１０に接触する場所である位置“Ｂ”の近くの、“Ａ”により示されている位置でストリップ２０との接触を作るように配置されている。

第２のコンタクト４１が、高周波溶接装置９０の第２のリードに連結され、“Ｃ”により示されている位置で管１０と接触するように配置されている。

溶接装置９０は、コントローラ１００により駆動されて、制御される。駆動されると、溶接装置９０は表面電流を第１のコンタクト４３と第２のコンタクト４１との間に流すことを生じせしめる。この電流は大電流であるので、たとえストリップ２０及び／又は管１０に生じるインダクタンスが小さくても、十分な加熱を生じせしめる。

電流は、位置“Ａ”におけるストリップ２０の表面と位置“Ｃ”における第２のコンタクト４１との間を、位置“Ｂ”で管１０とストリップ２０とが接触することを通して通過する。

位置“Ａ−Ｂ−Ｃ”間の電流路は、“Ｖ”状を作る。表面電流の性質のために、これらの表面電流は溶接が生じる場所である位置“Ｂ”にそれらのエネルギーを集める。

熱は表面電流によって与えられるので、熱はストリップ２０の内面２２及び管１０の外面１２にわたって等しく加えられる。ストリップ２０及び管１０の両方で溶融した金属の量は、従来の溶接と比較して、非常に少ない。したがって、金属の混合が著しく少なく、希釈も著しく少ない。

本発明による表面溶接の間中、金属の混合及び希釈は著しく少ない。したがって、もしストリップ２０として高ニッケル鋼が用いられている場合には、従来の溶接と比較して、高周波溶接を用いることにより高ニッケル鋼が希釈されることは少なく、したがってその耐食性をより長く維持する。これは、著しいコストの節約を生じせしめる。

この型式の溶接は、熱を溶接される区域のみに与え、管及びストリップの材料の全体を溶融することができない。したがって、外側の保護材料の溶融を必要とする先行技術の方法と比較して、管１０及びストリップ２０のゆがみ及び変形が少なく、ストリップ合金の耐食性は管材料の低品位合金との混合によって希釈されない。

ストリップ２０及び管１０が加熱されると、これらのストリップ２０及び管１０はそれらの表面２２及び１２が多少溶融する。高周波抵抗溶接を用いることにより、表面電流はストリップ２０の厚さの５−１５％のみを溶融する。この溶融する厚さは、約０．１０１６ｃｍ（０．０４０インチ）の厚さである。これは、同様な幾何学的配置（ジオメトリー）及び使用の従来の溶接に共通である０．２５−０．７６２ｃｍ（０．１−０．３インチ）よりもかなり小さい。押し付けローラ２８はストリップ２０を管１０に対して押し付け、これによりストリップ２０の溶融した内面２２を管１０の溶融した外面１２に鍛接することを生じせしめる。

管１０の回転及び長手方向の動きはコントローラ１００により選択され、その結果、ストリップ２０は管１０のまわりにらせん状に巻き付けられる。電流はまたストリップ２０の縁３１，３３を通して流れるので、これらの縁もまた加熱される。もし管１０の回転及び長手方向の動きが正確に選択された場合には、ストリップ２０は管１０及びストリップ２０の先の巻き付け部分に対してきちんと適合する。ストリップ２０の第１の縁３１が接触部１４に近い第２の縁３３と接触すると、電流の集中が生じる。この電流の集中は、また、らせん状にしたストリップ２０の２つの隣接する縁３１,３３が溶融して一緒に融合することを生じせしめる。したがって、ストリップのこれらの縁は一緒に鍛接されて、ストリップ２０のひとつの巻き付け部分をストリップ２０の先の巻き付け部分に結合することを生じせしめる。

好適には、溶接は不活性環境で行われる。したがって、イナート又は非反応ガス、例えばネオン、アルゴン又はキセノンが供給源９７からインプットライン９９を通してイナートエンクロージャ９５中へ流れる。イナートエンクロージャ９５は、溶接区域を取り囲み、溶接区域がほぼ不活性の環境を維持することができるほどに溶接区域を密封する。これは、溶接中に発生する酸化及び他の反応を減少又は除去せしめる。

本発明のこの実施形態において、ストリップ２０が管１０の外面１２のまわりに巻き付けられるにしたがって回転させられる。しかし、装置を管１０のまわりに回転させることができる。

得られたクラッド管３０は、管１０が高強度の材料で作られているために、高強度を有する。クラッド管３０は、また、ストリップ２０が管１０を被覆しているために、耐食性を有する。クラッド管３０は、全体が高強度及び耐食性の材料で作られている管よりも、著しく低コストである。

代替的な実施形態において、ストリップ２０を管１０に巻き付ける前に、管１０を予熱することができる。多くの異なる予熱器を用いることができる。例えば、誘電結合コイル８０が図２に示されている。このコイル８０は、管１０に急速に変化する電流を生じせしめ、その結果、抵抗加熱を生じせしめる。このような予熱コイル８０の使用は、装置の有効性を増大せしめる。

本発明を実施するために、既存のチューブフィン取り付け機械を、金属ストリップ２０を管１０の表面に取り付けるように構成を変更することができることがわかった。これは、初期コストの低下を生じせしめ、また既存の機械をデュアル使用することができるようにする。

以上本発明を種々の例示的な実施形態でもって詳述してきたけれども、当業者にとっては、本発明の範囲から逸脱することなしに、種々の変形を行うことができると共に、種々の等価物をその要素に代えることができることを理解されよう。更に、多くの変形が、本発明の本質的な範囲を逸脱することなしに、本発明の教示に対して特定の形態を工夫するために行うことができるものである。したがって、本発明は、本発明を実施するように意図した最良の形態として述べた特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の記載の範囲内にあるすべての実施形態を包含するものである。

Claims (11)

1. クラッド管を製造する方法において、
   外面を有する管を用意する段階、
   一対の縁の間に内面を有する細長いストリップを用意する段階、
   前記ストリップの前記縁が互いに接触するように該ストリップを前記管の前記外面のまわりにらせん状に巻き付けながら、前記ストリップの前記内面と前記管の前記外面とを表面溶接する段階であって、該表面溶接では、前記ストリップの前記内面に接触するように配置された第１のコンタクトと、前記管の前記外面と接触するように配置された第２のコンタクトとの間に、表面電流を流し、それによって、前記ストリップの前記内面と前記管の前記外面が接触する位置を経由させて、前記ストリップの前記内面と前記管の前記外面に沿って表面電流を流して、前記ストリップの前記内面と前記管の前記外面が接触する前記位置において、前記ストリップの前記内面全体と前記縁と前記管の前記外面とを溶融させる熱を供給しており、
   前記ストリップの前記内面が前記管の前記外面に接触する前記位置で前記管の前記外面に前記ストリップの前記内面全体を溶接し、かつ前記ストリップの互いに接触する前記縁を溶接するように前記表面溶接しているときに、前記ストリップを前記管に押し付ける段階、
   を包含する方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記管が第１の金属で作られていると共に、前記ストリップが第２の異なる金属で作られ、前記表面溶接が前記第１の金属によって前記ストリップが希釈するのを最小にしている方法。
3. 請求項１又は２記載の方法において、前記ストリップが、耐腐食性材料、耐浸食性材料、又は耐腐食性かつ耐浸食性材料から作られている方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の方法において、前記管が、前記ストリップよりも劣る耐腐食性及び／又は耐浸食性の特性を有する低合金綱から作られている方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、前記表面電流が高周波電流である方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の方法において、前記表面電流は、前記ストリップの前記内面を、該ストリップの厚さの５〜１５％のみ溶融していて、該ストリップを、前記管に押し付けることにより該管の前記外面に鍛接する方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の方法において、前記表面溶接しているときに、押し付けロールを用いて前記ストリップを前記管に押し付ける方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の方法において、更に、前記ストリップを前記管の前記外面のまわりにらせん状に巻き付ける前に、該管を予熱する方法。
9. 請求項１から７のいずれか１項記載の方法において、更に、前記ストリップを前記管の前記外面のまわりにらせん状に巻き付ける前に、誘電結合コイルによって該管を予熱する方法。
10. 請求項１から９のいずれか１項記載の方法において、前記表面溶接を不活性環境で行う方法。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載の方法において、更に、前記表面溶接の間に、前記管を長手方向軸線の回りで回転させかつ該長手方向軸線に沿って移動させる方法。

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