JP6687566B2 - ボイラ炉壁の交換工法及びボイラ炉壁の仮保持構造 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ装置におけるボイラ炉壁の交換工法及びボイラ炉壁の仮保持構造に関する。

特許文献１には、火炉の上部を水管とフィンを交互に溶接した垂直水冷壁で形成し、火炉の下部を傾斜水冷壁（スパイラル炉壁構造）で形成した組合せの水冷壁構造が記載されている。傾斜水冷壁は、垂直水冷壁と同様に水管とフィンを交互に溶接したメンブレンウォールであり、垂直水冷壁から吊り下げられて支持されている。

また、傾斜水冷壁に対して支持部材が垂直方向に配置され、傾斜水冷壁にはパネル側支持金具が接合されている。パネル側支持金具の穴を押えピンが貫通し、パネル側支持金具及び押えピンは、パネル側支持金具と押えピンが区画する空間内で傾斜水冷壁の横方向の伸びと支持部材の縦方向の伸びを吸収することができる支持金具として機能する。

特開昭６０−１６４１０３号公報

石炭焚きの大型変圧貫流ボイラでは、低ＮＯｘ化が著しく進むことによって火炉の炉壁近くが還元雰囲気となり、炉壁を構成する水管（伝熱管）に硫化腐食が生じる。係る硫化腐食は近年顕著となっており、水管からのリーク（漏水、漏水蒸気）を未然に防止するため、定期的に実施される検査時を利用し、腐食した炉壁を部分的に切抜いて未腐食の炉壁部分と交換する工事が必要となる。

しかし、特許文献１のボイラ装置では、スパイラル管壁（傾斜水冷壁）は、重力方向に対して斜めに傾斜して延びる水管とフィンとが溶接接合されたメンブレンウォールによって形成されているので、垂直管壁（垂直水冷壁）よりも強度が低下することは避けられない。また、スパイラル管壁の荷重は、支持部材によって上方の垂直管壁に伝達されずに、スパイラル管壁自身によって垂直管壁に伝達される。このため、スパイラル管壁のうち腐食した炉壁部分を切抜いてスパイラル管壁に広範囲な開口を設けた際に、開口の下方の荷重をボイラ上方に伝達する部分が無くなるので、荷重が開口の両側部分に作用して応力集中が発生し、スパイラル管壁に変形や損傷が生じてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、スパイラル管壁のうち一部の炉壁部分を交換用の炉壁部分に交換する際に、スパイラル管壁の変形や損傷の発生を防止することが可能なボイラ炉壁の交換工法及びボイラ炉壁の仮保持構造の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の第１の態様は、上部の垂直管壁と垂直管壁から吊下げられた下部のスパイラル管壁とを有するボイラ炉壁と、スパイラル管壁の周囲に配置されて炉圧を支えるバックステーと、垂直管壁に固定されてバックステーを支持する支持部材とを備え、支持部材がスパイラル管壁に固定されずにスパイラル管壁の外面近傍を垂下するボイラ装置において、スパイラル管壁のうち一部の炉壁部分を交換用の炉壁部分に交換するボイラ炉壁の交換工法であって、仮保持工程と切抜工程と取付工程とを備える。

仮保持工程では、上記一部の炉壁部分の下方のスパイラル管壁を支持部材に対して固定して仮保持する。切抜工程では、仮保持工程の後、上記一部の炉壁部分の外縁を切断して一部の炉壁部分をスパイラル管壁から抜取る。取付工程では、切抜工程によって形成されたスパイラル管壁の開口を閉止するように上記交換用の炉壁部分を開口の周縁部に接合する。

上記工法では、スパイラル炉壁のうち一部の炉壁部分を部分的に切抜いて交換用の炉壁部分と交換する際に、一部の炉壁部分を切抜く前に、その一部の炉壁部分の下方のスパイラル管壁を支持部材に対して固定して仮保持するので、一部の炉壁部分の切抜きによりスパイラル管壁に広範囲な開口が形成された状態において、開口の下方のスパイラル管壁の荷重は支持部材を介して垂直管壁に伝達される。従って、開口の両側部分への応力集中が緩和され、スパイラル管壁の変形や損傷を防止することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様のボイラ炉壁の交換工法であって、取付工程の後、支持部材に対するスパイラル管壁の仮保持を解除する仮保持解除工程をさらに備える。

上記工法では、スパイラル管壁の開口を閉止するように交換用の炉壁部分を開口の周縁部に接合した後、支持部材に対するスパイラル管壁の仮保持を解除するので、ボイラ装置の運転時におけるスパイラル管壁と支持部材との不要な干渉を防止することができ、炉壁部分の交換後においても交換前と同等に支持部材を機能させることができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様のボイラ炉壁の交換工法であって、仮保持工程では、スパイラル管壁に対して第１仮保持部材を固定し、支持部材に第２仮保持部材を溶接して固定し、第２仮保持部材に第１仮保持部材を溶接して固定することによって、スパイラル管壁を仮保持する。仮保持解除工程では、支持部材と第２仮保持部材との間の溶接部及び第１仮保持部材と第２仮保持部材との間の溶接部を切除し、支持部材及び第１仮保持部材から第２仮保持部材を取外すことによって、スパイラル管壁の仮保持を解除する。

上記工法では、仮保持工程では、スパイラル管壁に対して固定された第１仮保持部材を、支持部材に溶接により固定された第２仮保持部材に溶接して固定し、仮保持解除工程では、支持部材と第２仮保持部材との間の溶接部及び第１仮保持部材と第２仮保持部材との間の溶接部を切除し、支持部材及び第１仮保持部材から第２仮保持部材を取外すことによって、スパイラル管壁の仮保持を解除するので、スパイラル管壁の仮保持を簡易な作業によって解除することができる。また、第１仮保持部材をスパイラル管壁側に残存させるので、仮保持解除によるスパイラル管壁の損傷を確実に防止することができる。さらに、第２仮保持部材を取外すので、ボイラ装置の運転時におけるスパイラル管壁と支持部材との不要な干渉を確実に防止することができる。

本発明の第４の態様は、上部の垂直管壁と垂直管壁から吊下げられた下部のスパイラル管壁とを有するボイラ炉壁と、スパイラル管壁の周囲に配置されて炉圧を支えるバックステーと、垂直管壁に固定されてバックステーを支持する支持部材とを備え、支持部材がスパイラル管壁に固定されずにスパイラル管壁の外面近傍を垂下するボイラ装置において、スパイラル管壁のうち一部の炉壁部分を交換用の炉壁部分に交換する際にスパイラル管壁を支持部材によって仮保持するボイラ炉壁の仮保持構造であって、スパイラル管壁に対して固定される第１仮保持部材と、支持部材に溶接によって固定される第２仮保持部材と、を備える。第１仮保持部材は、第２仮保持部材に溶接によって固定される。

上記構成では、スパイラル炉壁のうち一部の炉壁部分を部分的に切抜いて交換用の炉壁部分と交換する際に、一部の炉壁部分を切抜く前に、その一部の炉壁部分の下方のスパイラル管壁が支持部材に対して固定されて仮保持されるので、一部の炉壁部分の切抜きによりスパイラル管壁に広範囲な開口が形成された状態において、開口の下方のスパイラル管壁の荷重は支持部材を介して垂直管壁に伝達される。従って、開口の両側部分への応力集中が緩和され、スパイラル管壁の変形や損傷を防止することができる。

また、スパイラル管壁に対して第１仮保持部材が固定され、第２仮保持部材が支持部材に溶接により固定され、第１仮保持部材が第２仮保持部材に溶接により固定されるので、交換作業の完了後において、支持部材と第２仮保持部材との間の溶接部及び第１仮保持部材と第２仮保持部材との間の溶接部を切除し、支持部材及び第１仮保持部材から第２仮保持部材を取外すことによって、スパイラル管壁の仮保持を簡易な作業によって解除することができる。また、第１仮保持部材をスパイラル管壁側に残存させたまま第２仮保持部材を取外せばよいので、仮保持解除によるスパイラル管壁の損傷を確実に防止することができる。さらに、第２仮保持部材を取外すことにより、ボイラ装置の運転時におけるスパイラル管壁と支持部材との不要な干渉を確実に防止することができる。

本発明によれば、スパイラル管壁のうち一部の炉壁部分を交換用の炉壁部分に交換する際に、スパイラル管壁の変形や損傷の発生を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るボイラ火炉の水冷壁構造を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。 スパイラル管壁の要部拡大図であり、（ａ）はパネル側支持金具を含む部分の側面図、（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ方向矢視図である。 図２（ａ）のIII方向矢視図である。 バックステーの一例を示す斜視図である。 交換対象の炉壁部分の下方を仮保持した状態を示す側面図である。 バーチカルストラップに対するスパイラル管壁の仮保持状態を上方から視た上面図である。 図６のVII方向矢視図である。 図６の仮保持を解除した状態を示す側面図である。

本発明の一実施形態に係るボイラ装置の炉壁構造について、図１〜図４を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態の炉壁構造は、ボイラ火炉１の上部に形成される垂直管壁（垂直水壁）２と、ボイラ火炉１の下部に形成されて垂直管壁２の下端から連続して吊下げられるスパイラル管壁（スパイラル水壁）３とを備えた組合せの水冷壁構造である。垂直管壁２及びスパイラル管壁３を含むボイラ本体は、図示外の鉄骨柱及び梁からなる構造体（ボイラ建屋）内の天井大梁に吊り下げられて設置される。

垂直管壁２及びスパイラル管壁３は、水管（鋼管、伝熱管）４，６とフィン（鋼板、メンブレンバー）５，７とを交互に配置して溶接接合によりパネル状に形成したメンブレンウォールであり、垂直管壁２では、水管４が略鉛直方向に延びるようにメンブレンウォールがボイラ火炉１に沿って縦位置に配置されてボイラ火炉１を形成する。これに対し、スパイラル管壁３では、水管６が斜め方向に延びるようにメンブレンウォールが傾斜した横位置に配置されてボイラ火炉１を形成し、各水管６がボイラ火炉１の周囲を螺旋状に巻回する。

スパイラル管壁３では、水管６内の給水がボイラ火炉１の周囲を旋回しながら上昇するので、垂直管壁２のように水平方向の位置によって熱吸収量が相違することがなく、ボイラ火炉１からの輻射熱で給水の均一な加熱を行うことが可能である。またスパイラル管壁３は、垂直管壁２に比べて少ない本数の水管６でボイラ火炉１を取り巻くので内部流体の流速を速くすることができ、核沸騰や膜沸騰のおそれも少ないという利点がある。

スパイラル管壁３の各外面の近傍には、略鉛直方向に延びる複数のバーチカルストラップ（支持部材、Ｕストラップ）８が、水平方向に略等間隔に配置されている。各バーチカルストラップ８は、炉外へ向かって開口するＵ状断面であり、その上部が垂直管壁２に溶接によって固定されて鉛直下方へ垂下する。スパイラル管壁３はバーチカルストラップ８に固定されず、スパイラル管壁３の荷重は、バーチカルストラップ８によって上方の垂直管壁２に伝達されずに、スパイラル管壁３自身によって垂直管壁２に伝達される。

スパイラル管壁３は、重力方向に対して斜めに傾斜して延びる水管６とフィン７とが溶接接合されたメンブレンウォールであるので、スパイラル管壁３自体の強度が垂直管壁２よりも低下することは避けられず、且つ炉壁内では燃焼が行われるため、炉内圧による幅方向の変形防止対策と熱伸びによる高さ方向の熱伸び吸収対策とが必要となる。係る対策のため、スパイラル管壁３の周囲には、スパイラル管壁３の外側を囲むようにバックステー（スパイラル管壁３の内部の炉圧を支える等のためのビーム）１０が配置されている（図４参照）。バックステー１０は、バーチカルストラップ８に支持され、バックステー１０の荷重はバーチカルストラップ８を介して垂直管壁２へ伝達される。

図４にバックステー１０の一例を示す。図４に示すバックステー１０は、バーチカルストラップ８と略平行に配置されて略鉛直に延びるバーチカルバックステー１１と、略水平に延びるホリゾンタルバックステー１２とを含み、バーチカルバックステー１１とホリゾンタルバックステー１２とは、互いに交叉して結合されている。バーチカルバックステー１１及びホリゾンタルバックステー１２は、メジャーリンク（揺動リンク）１３及びマイナーリンク（揺動リンク）１４によってバーチカルストラップ８に連結され、メジャーリンク１３及びマイナーリンク１４を介してバーチカルストラップ８に支持される。

図１（ａ）に示すように、スパイラル管壁３の外面には、複数のパネル側支持金具２０が固定されている。複数のパネル側支持金具２０は、各バーチカルストラップ８に対して高さが異なる各位置に設けられている。

図２及び図３に示すように、パネル側支持金具２０は、左右１対の支持板２１と１本の押えピン２２とから構成され、左右の支持板２１には、押えピン２２が挿通するピン挿通孔２３が形成されている。左右の支持板２１は、バーチカルストラップ８の左右に配置され、スパイラル管壁３の外面に溶接されたベースプレート２４に溶接されている。押えピン２２は、その両端部が左右の支持板２１のピン挿通孔２３を挿通した状態でバーチカルストラップ８の炉外側に配置され、左右の支持板２１の一方に溶接されている。左右の支持板２１と押えピン２２とは、スパイラル管壁３の外面との間にバーチカルストラップ８を取り囲む空間２５を区画する。パネル側支持金具２０は、空間２５内でスパイラル管壁３の横方向の伸びとバーチカルストラップ８の縦方向の伸びとを吸収可能な支持金具として機能する。

次に、長期間の使用等によりスパイラル管壁３の一部が腐食した等の理由により、係る一部の炉壁部分（交換対象の炉壁部分）３０を交換用の新しい未腐食の炉壁部分３１に交換する工法について、図５〜図８を参照して説明する。

なお、交換用の炉壁部分３１は、交換対象の炉壁部分３０と同一の形状及び構成であり、交換対象の炉壁部分３０に合わせて工場等で製造される。また、交換対象の炉壁部分３０の外周縁のうち上縁（上辺）及び下縁（下辺）は、水管６の傾斜方向に沿ってフィン７内に設定される。左右の側縁（左辺及び右辺）は、上縁の左端と下縁の左端との間、及び上縁の右端と下縁の右端との間を鉛直方向に沿って直線状に連続するように設定してもよく、上下に並ぶ複数の水管６に対して各軸方向（傾斜方向）と略直交するように階段状に設定してもよい。

図５において、交換用の炉壁部分３１及び交換対象の炉壁部分３０は、１枚の大きな炉壁部分を表しているが、以下の切抜工程、取付工程において、交換用の炉壁部分３１及び／又は交換対象の炉壁部分３０を左右上下に複数に区画・分割して順次、切抜・取付を行ってもよい。その際、区画・分割の数、大きさは特に限定されない。

交換対象の炉壁部分３０を交換用の炉壁部分３１に交換する場合、先ず交換対象の炉壁部分３０の下方のスパイラル管壁３をバーチカルストラップ８に対して固定して仮保持する（仮保持工程）。スパイラル管壁３を仮保持するバーチカルストラップ８には、交換対象の炉壁部分３０の外面上を通過するバーチカルストラップ８の他、交換対象の炉壁部分３０の左右外側を通過するバーチカルストラップ８も含まれる。

具体的には、バーチカルストラップ８の左右両側において、スパイラル管壁３の外面（例えば水管６の周面及び／又はフィン７の外面）に平板状の複数のフィラープレート３２を溶接によって固定し、フィラープレート３２の外面に平板状のサポートプレート（第１仮保持部材）３３を溶接によって固定し、バーチカルストラップ８の外側面に角柱状の角柱サポート（第２仮保持部材、サポート支柱）３４を溶接によって固定し、角柱サポート３４にサポートプレート３３を溶接によって固定する。

複数のフィラープレート３２は、その外面が同一平面上に配置されるように調整されて固定される。サポートプレート３３は、例えば板厚が１５ｍｍ〜５０ｍｍで１辺の長さが１５０ｍｍ〜４００ｍｍの範囲から所望の板厚及び長さが選択された矩形状の鋼板である。また、角柱サポート３４は、１辺の長さが２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲から所望の長さが選択された断面矩形状（正方形又は正方形に近い長方形）の角柱状の鋼材である。角柱サポート３４の長手方向（鉛直方向）の全長は、サポートプレート３３の長手方向（鉛直方向）の全長と略同一か或いはサポートプレート３３の全長よりも僅かに短く設定される。

なお、フィラープレート３２を省略し、サポートプレート３３をスパイラル管壁３の外面に直接溶接して固定してもよい。また、交換対象の炉壁部分３０は、その外縁がパネル側支持金具２０を通過しない（パネル側支持金具２０から外れた領域を通過する）ように設定することが好ましい。

次に、交換対象の炉壁部分３０の外縁（外周縁）を切断し、交換対象の炉壁部分３０を図示しないワイヤーロープによって吊下げてスパイラル管壁３から抜取る（切抜工程）。係る抜取りにより、スパイラル管壁３には広範囲な開口３５が形成される。

次に、交換対象の炉壁部分３０の抜取りによって形成されたスパイラル管壁３の開口３５を閉止するように、交換用の炉壁部分３１をワイヤーロープによって吊上げて開口３５の周縁部に接合する（取付工程）。このとき、開口３５の左右に残存する水管６と交換用の炉壁部分３１の水管６とが水密状に連通するように、水管６の端縁同士を溶接によって接合する。

最後に、バーチカルストラップ８に対するスパイラル管壁３の仮保持を解除する（仮保持解除工程）。

具体的には、バーチカルストラップ８と角柱サポート３４との間の溶接部３６及びサポートプレート３３と角柱サポート３４との間の溶接部３７をサンダー等によって切除し、バーチカルストラップ８及びサポートプレート３３から角柱サポート３４を取外すことによって、図８に示すようにスパイラル管壁３の仮保持を解除する。

本実施形態によれば、スパイラル管壁３のうち一部の交換対象の炉壁部分３０を部分的に切抜いて交換用の炉壁部分３１と交換する際に、交換対象の炉壁部分３０を切抜く前に、交換対象の炉壁部分３０の下方のスパイラル管壁３をバーチカルストラップ８に対して固定して仮保持するので、交換対象の炉壁部分３０の切抜きによりスパイラル管壁３に広範囲な開口３５が形成された状態において、開口３５の下方のスパイラル管壁３の荷重は、バーチカルストラップ８に一時的に預けられて、バーチカルストラップ８を介して垂直管壁２に伝達される。従って、開口３５の両側部分への応力集中が緩和され、スパイラル管壁３の変形や損傷を防止することができる。

また、スパイラル管壁３の開口３５を閉止するように交換用の炉壁部分３１を開口３５の周縁部に接合した後、バーチカルストラップ８に対するスパイラル管壁３の仮保持を解除するので、ボイラ装置の運転時におけるスパイラル管壁３とバーチカルストラップ８との不要な干渉を防止することができ、炉壁部分３０の交換後においても交換前と同等にバーチカルストラップ８を機能させることができる。

また、スパイラル管壁３に対して固定されたサポートプレート３３を、バーチカルストラップ８に溶接により固定された角柱サポート３４に溶接して固定し、仮保持解除工程では、バーチカルストラップ８と角柱サポート３４との間の溶接部３６及びサポートプレート３３と角柱サポート３４との間の溶接部３７を切除し、バーチカルストラップ８及びサポートプレート３３から角柱サポート３４を取外すことによって、スパイラル管壁３の仮保持を解除するので、スパイラル管壁３の仮保持を簡易な作業によって解除することができる。

また、サポートプレート３３をスパイラル管壁３側に残存させるので、仮保持解除によるスパイラル管壁３の損傷を確実に防止することができる。さらに、角柱サポート３４を取外すので、ボイラ装置の運転時におけるスパイラル管壁３とバーチカルストラップ８との不要な干渉を確実に防止することができる。

なお、本発明は、一例として説明した上述の実施形態、及びその実施例に限定されることはなく、上述の実施形態等以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

１：ボイラ火炉
２：垂直管壁（垂直水壁）
３：スパイラル管壁（スパイラル水壁）
４，６：水管（鋼管、伝熱管）
５，７：フィン（鋼板、メンブレンバー）
８：バーチカルストラップ（支持部材、Ｕストラップ）
１０：バックステー
１１：バーチカルバックステー
１２：ホリゾンタルバックステー
２０：パネル側支持金具
２１：支持板
２２：押えピン
２３：ピン挿通孔
２４：ベースプレート
２５：空間
３０：一部の炉壁部分（交換対象の炉壁部分）
３１：交換用の炉壁部分
３２：フィラープレート
３３：サポートプレート（第１仮保持部材）
３４：角柱サポート（第２仮保持部材、サポート支柱）
３５：開口
３６：バーチカルストラップと角柱サポートとの間の溶接部
３７：サポートプレートと角柱サポートとの間の溶接部

Claims (4)

1. 上部の垂直管壁と前記垂直管壁から吊下げられた下部のスパイラル管壁とを有するボイラ炉壁と、前記スパイラル管壁の周囲に配置されて炉圧を支えるバックステーと、前記垂直管壁に固定されて前記バックステーを支持する支持部材とを備え、前記支持部材が前記スパイラル管壁に固定されずに前記スパイラル管壁の外面近傍を垂下するボイラ装置において、前記スパイラル管壁のうち一部の炉壁部分を交換用の炉壁部分に交換するボイラ炉壁の交換工法であって、
   前記一部の炉壁部分の下方の前記スパイラル管壁を前記支持部材に対して固定して仮保持する仮保持工程と、
   前記仮保持工程の後、前記一部の炉壁部分の外縁を切断して前記一部の炉壁部分を前記スパイラル管壁から抜取る切抜工程と、
   前記切抜工程によって形成された前記スパイラル管壁の開口を閉止するように前記交換用の炉壁部分を前記開口の周縁部に接合する取付工程と、を備える
   ことを特徴とするボイラ炉壁の交換工法。
2. 請求項１に記載のボイラ炉壁の交換工法であって、
   前記取付工程の後、前記支持部材に対する前記スパイラル管壁の仮保持を解除する仮保持解除工程をさらに備える
   ことを特徴とするボイラ炉壁の交換工法。
3. 請求項２に記載のボイラ炉壁の交換工法であって、
   前記仮保持工程では、前記スパイラル管壁に対して第１仮保持部材を固定し、前記支持部材に前記第２仮保持部材を溶接して固定し、前記第２仮保持部材に前記第１仮保持部材を溶接して固定することによって、前記スパイラル管壁を仮保持し、
   前記仮保持解除工程では、前記支持部材と前記第２仮保持部材との間の溶接部及び前記第１仮保持部材と前記第２仮保持部材との間の溶接部を切除し、前記支持部材及び前記第１仮保持部材から前記第２仮保持部材を取外すことによって、前記スパイラル管壁の仮保持を解除する
   ことを特徴とするボイラ炉壁の交換工法。
4. 上部の垂直管壁と前記垂直管壁から吊下げられた下部のスパイラル管壁とを有するボイラ炉壁と、前記スパイラル管壁の周囲に配置されて炉圧を支えるバックステーと、前記垂直管壁に固定されて前記バックステーを支持する支持部材とを備え、前記支持部材が前記スパイラル管壁に固定されずに前記スパイラル管壁の外面近傍を垂下するボイラ装置において、前記スパイラル管壁のうち一部の炉壁部分を交換用の炉壁部分に交換する際に前記スパイラル管壁を前記支持部材によって仮保持するボイラ炉壁の仮保持構造であって、
   前記スパイラル管壁に対して固定される第１仮保持部材と、
   前記支持部材に溶接によって固定される第２仮保持部材と、を備え、
   前記第１仮保持部材は、前記第２仮保持部材に溶接によって固定される
   ことを特徴とするボイラ炉壁の仮保持構造。

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