JP6150380B2 - 熱交換器及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

熱交換器及び熱交換器の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、温度の異なる流体の間接的な接触によって熱交換を行うシェル・アンド・チューブ型の熱交換器及び熱交換器の製造方法に関するものである。
シェル・アンド・チューブ型の多管式熱交換器として、従来、図10乃至図12に示すような管‐管板継手構造を有したものが特許文献1で開示されている。
図10に示すものは、管板100の表面(水室101側の面)に、短管状で且つ伝熱管102が貫通可能な管台103を溶接し、該管台103と管板100に対し伝熱管102の端部を貫通させて管台103の先端から所要量だけ突出させるようにし、該伝熱管102の管台103からの突出部外周を管台103の先端に溶接するように構成したものである。具体的には、管板100及び管台103に伝熱管102を通過させ、伝熱管102を拡管処理により管板100(の孔内面)に密着・固定した後、管台103の端部全周を伝熱管102の外周面に隅肉溶接104している。
図11に示すものは、管板100に穿設された孔の水室101側に位置した周縁にスタブ105を一体形成し、該管板100に穿設された孔及びスタブ105に伝熱管102の端部をスタブ105と同一高さまで挿入した後、伝熱管102を拡管処理により管板100(の孔内面)に密着・固定する。そして、管板100及びスタブ105と伝熱管102との液密性を高めるために、スタブ105と伝熱管102の端面にはリング状のエンドピース106が付き合わされて連接され、スタブ105、伝熱管102及びエンドピース106の突き合わされた開先部を全周囲に亘ってTig溶接等により肉盛溶接107するように構成したものである。
図12に示すものは、図11に示す管‐管板継手構造における加熱流体(媒体)と被加熱流体(媒体)とのバウンダリを強化するために、図11における伝熱管102を外側伝熱管102aと内側伝熱管102bとの二重管に構成したものであり、その他の構成は図11と同様なので図11と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
特許第4865256号公報
しかしながら、図10に示す管‐管板継手構造にあっては、管板100の孔に伝熱管102を挿入し、水室側から伝熱管102と管板100を隅肉溶接104するので製作性に優れるという利点があるが、隅肉溶接104周辺で肉厚が変化するため放射線透過検査(RT検査)などの体積検査が困難であると共に、機器の運転下で伝熱管102と管台100の接合部に荷重が負荷された場合には当該接合部の不連続性(母材同士が一体化しない)により継手部への応力集中が高くなって信頼性が低下するという不具合があった。
また、図11及び図12に示す管‐管板継手構造にあっては、管板100の孔に伝熱管102を挿入し、水室側からスタブ105、伝熱管102(外側伝熱管102a,内側伝熱管102b)及びエンドピース106の突き合わされた開先部を肉盛溶接107するので、図10に示すものと同様に、製作性に優れると共に、肉盛溶接107周辺で肉厚が変化しないため放射線透過検査(RT検査)などの体積検査が可能となる利点があるが、機器の運転下で伝熱管102(外側伝熱管102a,内側伝熱管102b)及び管台100とエンドピース106の接合部に荷重が負荷された場合には当該接合部の構造不連続性(母材同士が一体化しない)により継手部への応力集中が高くなって、図10に示すものと同様に、信頼性が低下するという不具合があった。
本発明は、このような実情を鑑み提案されたもので、製作容易性と検査容易性を維持しつつ機器の運転下における溶接部の応力集中を効果的に低減して信頼性を高められる熱交換器及び熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。
斯かる目的を達成するための本発明に係る熱交換器は、
管板間に伝熱管が設けられた熱交換器において、
前記管板の水室側へ突出した円筒状のスタブの内周面と当該スタブ内に挿入される伝熱管端部の外周面との間にクリアランスを設け、
前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面にそれぞれ対応させて、突合せ溶接してなると共に、前記エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが異なっていることを特徴とする。
前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面が伝熱管及びスタブの端面に直接接合してなることを特徴とする。
前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接された前記スタブの端面に接合してなることを特徴とする。
前記伝熱管は多重管であることを特徴とする。
斯かる目的を達成するための本発明に係る熱交換器の製造方法は、
管板間に多数の伝熱管が設けられた熱交換器の製造方法において、
前記管板及び前記管板の水室側へ多数突出した円筒状のスタブ内に各伝熱管をその端部外周面と前記スタブ内周面との間にクリアランスを設けて挿入した後、
前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面に対応させて、それぞれ突合せ溶接すると共に、前記エンドピースの内側及び外側端面を異なった溶接部高さで接合することを特徴とする。
前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面を伝熱管及びスタブの端面に直接接合することを特徴とする。
前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接された前記スタブの端面に接合することを特徴とする。
前記伝熱管に多重管を用いることを特徴とする。
本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法によれば、管板のスタブの内周面と伝熱管端部の外周面との間にクリアランスを設け、伝熱管及びスタブの端面にエンドピースの内側及び外側端面を突合せ溶接することで、伝熱管とスタブのそれぞれの接合部の構造不連続を低減でき、機器の運転下における溶接部の応力集中を効果的に低減して信頼性を高められる。加えて、水室側からの溶接により製作性を確保できると共に、溶接部の肉厚変化をなくして放射線透過検査(RT検査)などの体積検査が可能となる。
また、エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが異なっていると、エンドピースの内面側及び外面側から個別に溶接することが可能となり、クリアランスを確実に維持したまま溶接することができる。
また、管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面が伝熱管及びスタブの端面に直接接合することで、溶接作業を迅速に行える。
また、管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接された前記スタブの端面に接合することで、異材間接合が可能となり、異材溶接部への熱衝撃も低減できる。
また、伝熱管は単管でも良いが、多重管であることで、加熱流体(媒体)と被加熱流体(媒体)とのバウンダリの強化が図れる。
本発明の実施例1を示す熱交換器の全体構成縦断面図である。 同じく図1のA部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図1のA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。 本発明の実施例2を示す図1のA部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図1のA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。 本発明の実施例3を示す図1のA部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図1のA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。 本発明の実施例4を示す図1のA部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図1のA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。 従来例の管‐管板継手構造の要部断面図である。 異なった従来例の管‐管板継手構造の要部断面図である。 更に異なった従来例の管‐管板継手構造の要部断面図である。
以下、本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の実施例1を示す熱交換器の全体構成縦断面図、図2は同じく図1のA部拡大詳細図、図3は同じく溶接部高さの変更例を示す図1のA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
図1に示すように、本実施例の熱交換器10は、上,下両管板11a,11b間に多数の伝熱管12が設けられたシェル・アンド・チューブ型の多管式熱交換器である。加熱流体(媒体)としては、熱水、ボイラ等における火炎、高温気体、高温蒸気、原子力発電設備における液体金属ナトリウム、等が用いられ、被加熱流体(媒体)としては、水、蒸気、反応のために加熱する化学物質(流体)等が用いられる。
具体的には、熱交換器10は、中央部の胴部13、胴部13の上端に気密或いは液密に取り付けられた上部の出口側の管板11a及び上部の出口側の水室14(又は、仕切り室、プレナム、ヘッダー、マニホールドともいう)、胴部13の下端に液密に取り付けられた下部の入口側の管板11b及び下部の入口側の水室15(又は、仕切り室、プレナム、ヘッダー、マニホールドともいう)により構成されている。
入口側の水室15には、被加熱流体(媒体)16を導入する被加熱流体(媒体)導入管17が接続され、出口側の水室14には、被加熱流体(媒体)排出管18が接続されている。また、胴部13の一方下端部には、加熱流体(媒体)19を導入する加熱流体(媒体)導入管20が接続され、胴部13の他方上端部には、加熱流体(媒体)排出管21が接続されている。
胴部13内には、多数(図示例では便宜上2本)の伝熱管12が配設されており、この各伝熱管12の上端は、出口側の管板11aに穿設された孔及び後述するスタブ22(図2参照)を貫通し出口側の水室14内に突出している。また、各伝熱管12の下端も同様に、入口側の管板11bに穿設された孔及び図示しないスタブを貫通し入口側の水室15内に突出している。そして、スタブ22及び伝熱管12の全ての両端には、後述するエンドピース24(図2参照)が溶接により接合されている。
上述した熱交換器10において、加熱流体(媒体)19は、加熱流体(媒体)導入管20から胴部13内に導入されて、伝熱管12内の被加熱流体(媒体)16を加熱した後、加熱流体(媒体)排出管21から排出される。また、被加熱流体16は、被加熱流体(媒体)導入管17から入口側の水室15に導入され、多数の伝熱管12を流れながら加熱流体(媒体)19により加熱された後、出口側の水室14を通り被加熱流体(媒体)排出管18から排出される。
尚、図1に示す伝熱管12は、直管からなる1重管(単管)型の例を示しているが、これに限定されるものではなく、U字管型、ヘリカルコイル型、多重管型(2重管以上のもの)等、各種の形状のものとすることができる。また、図1中23はバッフルプレートである。
次に、図2に基づき、図1のA部における管‐管板継手構造を説明する。尚、図1のB部における管‐管板継手構造も同じ構造であるので、ここでは図2を参照して重複する説明は省略する。
上述のごとく、出口側の管板11aには、各伝熱管12を通すための多数の孔が穿設される。この各孔の周囲には、出口側の水室14に突出したスタブ22が、出口側の管板11aに一体形成される。
そして、出口側の管板11aに穿設された孔及びスタブ22には各々伝熱管12の端部が挿入され、各伝熱管12は周知の拡管装置により所要部が拡張されて出口側の管板11aに穿設された各孔の内面に密着・固定される。尚、各伝熱管12を拡管しない場合も有る。
更に、本実施例においては、出口側の管板11a或いはスタブ22と伝熱管12との荷重を受け持つために、各スタブ22及び各伝熱管12の端面にはリング状のエンドピース24が連接される。
詳細には、先ず、スタブ22の内径が伝熱管12の外径よりやや大きく設定されてスタブ22の内周面と伝熱管12の端部外周面との間に所定のクリアランスCが設けられる。そして、エンドピース24は円弧状の溝底を有する溝付き(チャネル型)に形成されてその内側筒部24aの端面(内側端面)が伝熱管12の端面に、また外側筒部24bの端面(外側端面)がスタブ22の端面に、それぞれ突合せ溶接される。
図示例では、出口側の管板11aと伝熱管12とエンドピース24とがフェライト鋼等の同一の材質であることから、内側の溶接部Waと外側の溶接部Wbが同じ溶接部高さで直接突合せ溶接されている。この際、内側の溶接部Waと外側の溶接部Wbが同じ溶接部高さであることから、溶接作業スペースを確保し易い伝熱管12及びエンドピース24の内側筒部24aの内面側から1パスでレーザ溶接することが可能である。勿論、伝熱管12及びエンドピース24の外側筒部24bの外面側から1パスでレーザ溶接しても良い。
また、図3に示すように、内側の溶接部Wa(エンドピース24の内側端面)と外側の溶接部Wb(エンドピース24の外側端面)の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスCをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図3の(a)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より高い場合で、図3の(b)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
前記クリアランスCは、内側の溶接部Waと外側の溶接部Wbにおいてビード同士が接着しないこととか伝熱管12における管ピッチ設定等の条件に応じて適宜設定される。また、エンドピース24は、その外径がスタブ22の外径とほぼ一致し、内径が伝熱管12の内径とほぼ一致するものとなっている。
このように構成される熱交換器10は、出口側及び入口側の管板11a,11bと当該管板11a,11bの出口側及び入口側の水室14,15側へ多数突出した円筒状のスタブ22内に各伝熱管12をその端部外周面とスタブ22の内周面との間に、スタブ22の内径を伝熱管12の外径よりやや大きくするなどして、クリアランスCを設けて挿入した後、伝熱管12及びスタブ22の端面にリング状の溝付きエンドピース24における内側筒部24a及び外側筒部24bの端面を、当該外側筒部24bの端面をスタブ22の端面に且つ内側筒部24aの端面を伝熱管12の端面に対応させて、それぞれ突合せ溶接することで製造される。
この際、前記出口側及び入口側の管板11a,11bと各伝熱管12の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピース24における内側筒部24a及び外側筒部24bの端面を伝熱管12及びスタブ22の端面に内側の溶接部Waと外側の溶接部Wbの溶接部高さを同じにして直接接合することができる。
このようにして、本実施例によれば、出口側及び入口側の管板11a,11bのスタブ22の内周面と伝熱管12の端部外周面との間にクリアランスCを設け、伝熱管12及びスタブ22の端面にエンドピース24における内側筒部24a及び外側筒部24bの端面を突合せ溶接するようにしたので、伝熱管12とスタブ22のそれぞれの接合部(内側の溶接部Waと外側の溶接部Wb参照)の構造不連続を低減でき、機器の運転下における溶接部の応力集中を効果的に低減して信頼性を高められる。加えて、出口側及び入口側の水室14,15側からの溶接により製作性を確保できると共に、接合部(内側の溶接部Waと外側の溶接部Wb参照)の肉厚変化をなくして放射線透過検査(RT検査)などの体積検査が可能となる。
また、内側の溶接部Waと外側の溶接部Wbの溶接部高さを同じにして接合する場合は、伝熱管12の内面側などから1パスでレーザ溶接することが可能となり、製作工数は大幅に低減できると共に、管ピッチ縮小により、機器のコンパクト化が可能となる。
図4は本発明の実施例2を示す図1のA部拡大詳細図、図5は同じく溶接部高さの変更例を示すA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
これは、実施例1の管‐管板継手構造において、出口側及び入口側の管板11a,11bと伝熱管12の材質が異なる場合、インコネル等からなる伝熱管12と同じ材質のエンドピース24における外側筒部24bの端面を、予めエンドピース24と同じ材質で肉盛溶接25されたフェライト鋼等からなるスタブ22の端面に突合せ溶接するようにした例である。その他の構成は実施例1と同様なので、図2と同一部材・部位には同一符号を付して重複する説明は省略する。
また、本実施例においても、図5に示すように、内側の溶接部Wa(エンドピース24の内側端面)と外側の溶接部Wb(エンドピース24の外側端面)の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスCをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図5の(a)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より高い場合で、図5の(b)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
これによれば、実施例1と同様の作用・効果に加えて、異材溶接部の接合を可能とし、異材溶接部への熱衝撃も低減できるという利点が得られる。
図6は本発明の実施例3を示す図1のA部拡大詳細図、図7は同じく溶接部高さの変更例を示す図1のA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
これは、実施例1の管‐管板継手構造において、伝熱管12を外側の伝熱管12aと内側の伝熱管12bとからなる二重管(多重管)にした例である。その他の構成は実施例1と同様なので、図2と同一部材・部位には同一符号を付して重複する説明は省略する。
また、本実施例においても、図7に示すように、内側の溶接部Wa(エンドピース24の内側端面)と外側の溶接部Wb(エンドピース24の外側端面)の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスCをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図7の(a)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より高い場合で、図7の(b)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
これによれば、実施例1と同様の作用・効果に加えて、二重管型の伝熱管12a,12bにより加熱流体(媒体)と被加熱流体(媒体)とのバウンダリの強化が図れるという利点が得られる。
図8は本発明の実施例4を示す図1のA部拡大詳細図、図9は同じく溶接部高さの変更例を示す図1のA部拡大詳細図で、同図(a)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より高い場合で、同図(b)はエンドピースの内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
これは、実施例2の管‐管板継手構造において、伝熱管12を外側の伝熱管12aと内側の伝熱管12bとからなる二重管(多重管)にした例である。その他の構成は実施例2と同様なので、図4と同一部材・部位には同一符号を付して重複する説明は省略する。
また、本実施例においても、図9に示すように、内側の溶接部Wa(エンドピース24の内側端面)と外側の溶接部Wb(エンドピース24の外側端面)の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスCをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図9の(a)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より高い場合で、図9の(b)はエンドピース24の内側端面側が外側端面側より低い場合を示す。
これによれば、実施例2と同様の作用・効果に加えて、二重管型の伝熱管12a,12bにより加熱流体(媒体)と被加熱流体(媒体)とのバウンダリの強化が図れるという利点が得られる。
尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種変更が可能であることは言うまでもない。例えば、各実施例において、クリアランスCは、スタブ22側を拡径加工して設けるようにしたが、伝熱管12側を縮径加工し、あるいはスタブ22と伝熱管12の両方を加工して設けるようにしても良い。
本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法は、蒸気発生器、加熱器、過熱器、温水器、冷却器、復水器等に適用して好適である。
10 熱交換器
11a 出口側の管板
11b 入口側の管板
12 伝熱管
12a 外側の伝熱管
12b 内側の伝熱管
13 胴部
14 出口側の水室
15 入口側の水室
16 被加熱流体(媒体)
17 被加熱流体(媒体)導入管
18 被加熱流体(媒体)排出管
19 加熱流体(媒体)
20 加熱流体(媒体)導入管
21 加熱流体(媒体)排出管
22 スタブ
23 バッフルプレート
24 エンドピース
24a 内側筒部
24b 外側筒部
C クリアランス
Wa 内側の溶接部
Wb 外側の溶接部

Claims (8)

  1. 管板間に伝熱管が設けられた熱交換器において、
    前記管板の水室側へ突出した円筒状のスタブの内周面と当該スタブ内に挿入される伝熱管端部の外周面との間にクリアランスを設け、
    前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面にそれぞれ対応させて、突合せ溶接してなると共に、前記エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが異なっていることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面が伝熱管及びスタブの端面に直接接合してなることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接部が形成された前記スタブの端面に接合してなることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  4. 前記伝熱管は多重管であることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の熱交換器。
  5. 管板間に多数の伝熱管が設けられた熱交換器の製造方法において、
    前記管板及び前記管板の水室側へ多数突出した円筒状のスタブ内に各伝熱管をその端部外周面と前記スタブ内周面との間にクリアランスを設けて挿入した後、
    前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面に対応させて、それぞれ突合せ溶接すると共に、前記エンドピースの内側及び外側端面を異なった溶接部高さで接合することを特徴とする熱交換器の製造方法。
  6. 前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面を伝熱管及びスタブの端面に直接接合することを特徴とする請求項に記載の熱交換器の製造方法。
  7. 前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接部が形成された前記スタブの端面に接合することを特徴とする請求項に記載の熱交換器の製造方法。
  8. 前記伝熱管に多重管を用いることを特徴とする請求項5,6又は7に記載の熱交換器の製造方法。
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