JP6817200B2 - 高温、高圧過渡時および周期的荷重下の異種管継手 - Google Patents

Description

本発明は、異なる材料の部分を含む配管の技術に関する。具体的には、請求項１の前提部分に記載の異種管継手を指す。

高温、高圧荷重、高サイクル、高過渡ならびに外力およびモーメントに曝されている接合部において、金属学的挙動が異なり、この文脈において「異種金属」と呼ばれる異なる金属／合金の使用は、応力の問題およびこのような接合部の短寿命をもたらす可能性がある。

当業界における現在のコードおよび規格／文献は、そのような接合部の挙動および安全性についてはあまり有益ではなく、危険な状況も多い。

図１は、コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）１０の基本的なスキームを示す。図１のコンバインドサイクル発電プラント１０は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１９を介して水／蒸気サイクル１２に連結したガスタービン１１を備える。

ガスタービン１１は圧縮機１４を備え、空気入口１３から吸気して圧縮空気を燃焼器１５に送達し、圧縮空気はそこで燃料１６の燃焼によって高温ガスを発生させるために使用される。高温ガスはタービン１７を駆動し、タービン１７の排ガス１８は、熱回収蒸気発生器１９を通過して、最終的に煙道ガス２０として排出される。

熱回収蒸気発生器１９は、蒸気タービン２１用の蒸気を発生させる。さらに、熱回収蒸気発生器１９からの水は空気冷却器２２に供給され、冷却を目的にタービンに供給される圧縮機１４からの圧縮空気を冷却するために使用される。水が水入口管２４を通って供給される一方、発生した蒸気は、蒸気出口管２３を介して熱回収蒸気発生器１９に流れ戻る。

コンバインドサイクル発電プラントのさらに詳細な図は、例えば、米国特許第６０１８９４２号明細書に示されている。

ガスタービン１１の高圧空気冷却器２２は、通常、タービン１７の高温ガス通路部分に流入する高温腐食生成物を回避するためにオーステナイト系ステンレス鋼で作られる必要がある。同時に、冷却器２２が連結されているプラントの残りの水／蒸気側は、フェライト鋼で作られる。冷却器２２の蒸気出口管２３における溶接連結は、上述した種類の異種金属の継手または溶接であり、従って、短寿命となる。

この状況を図２にさらに詳細に示す。蒸気出口管２３は、３つの異なる、または異種の材料Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３で作られた管部が相互に連結された特殊な異種管継手２５で空気冷却器２２に連結される。レベル検知ライン２７を備える管部の材料Ｍ１は、例えばステンレス鋼であり、Ｍ２は、例えばニッケル合金であり、Ｍ３は、例えばマルテンサイトフェライト鋼である。材料Ｍ１で作られた管部と材料Ｍ２で作られた管部との間の接合部はそれほどクリティカルではないが、材料Ｍ２で作られた管部と材料Ｍ３で作られた管部との間の溶接シーム２６は、異種金属材料Ｍ２とＭ３との接合部で必要な異材溶接シームである。

このような異種金属連結部の早期故障を引き起こす主な要因の１つは、プラント起動時の管の壁における非常に高い温度勾配である。

米国特許出願公開第２００７／００７７６７号明細書

本発明の目的は、異種金属材料間の異種管継手に関して説明した問題を回避することである。

本発明の別の目的は、現場で施工される異材溶接シームのない、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。

本発明の別の目的は、クリープ、疲労およびそれらの相互作用を考慮して長寿命化を達成し、メンテナンス作業の軽減をもたらす、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。

本発明の別の目的は、配管設計およびサポートコンセプトの大幅な変更を必要とせず、従って既存のサービスフリートにとって有益である、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。

本発明の別の目的は、重量の影響が少なく、従って、死荷重、力およびモーメントのような外部荷重、拘束された熱膨張、風および地震による荷重に曝された、動作中のシステムである既存の配管の大規模な変更を必要としない、異種材料の管部用異種管継手を提供することである。

これらおよび他の目的は、請求項１に記載の異種管継手によって達成される。

本発明による異種管継手装置は、第１の管部および第２の管部、ならびに第１の管部と第２の管部との間の異種管継手を備え、第１および第２の管部は、異なる材料挙動および特性をそれぞれ有する第１および第２の金属材料で作られている。管部は、例えば、高圧、高温、高サイクル、高クリープならびに外力およびモーメントといった境界条件下にある配管、特にコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）における配管の一部とすることができる。

管継手は結合継手であり、第１の金属材料で作られた第１の管部の一端に第１の金属材料で作られた第１のカップリングが提供され、第２の金属材料で作られた第２の管部の一端に第２の金属材料で作られた第２のカップリングが提供され、第１のカップリングと第２のカップリングとが（例えばボルトとナットによって）一緒にボルト留めされ、それによって第１のカップリングの前面と第２のカップリングの前面との間で直接の金属接触により第１のシールが確立されることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、第１および第２のカップリングは、それぞれの管部に溶接される。

本発明の別の実施形態によれば、カップリングの前面は、わずかに円錐形である。

具体的には、カップリングの前面は、１７８°〜１７９．９°の範囲の開口角を有する円錐形である。

本発明の別の実施形態によれば、第１の材料はＮｉ系合金であり、第２の材料はフェライト／マルテンサイト合金である。

本発明の別の実施形態によれば、第１の管部は、第１のカップリングとは反対側の端部で、第１および第２の金属材料とは異なる第３の金属材料で作られた第３の管部に溶接される。

本発明のさらに別の実施形態によれば、第１および第２のカップリングは、その前面がわずかに円錐形で、それぞれが中央孔を有し、第１のシールがカップリングの中央孔に隣接して確立され、第２のシールが提供されて第１のシールを取り囲み、第１のシールが破損した場合に異種管継手を気密に保持する。

具体的には、第２のシールは、カップリングの前面のライニング溝によって作られている環状空間に配置された金属製シールリングを備える。ライニング溝は、第１および第２のカップリングが相互に取り付けられると相互に隣接する。

本発明の別の実施形態によれば、第１および第２のカップリングは、標準的なＡＳＭＥ Ｂ１６．５カップリングの外形寸法よりも実質的に小さい外形寸法を有する。

本発明の別の実施形態によれば、上述の異種管継手装置を有するコンバインドサイクル発電プラントが提供される。

具体的には、第１および第２の管部が、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンの空気冷却器とコンバインドサイクル発電プラントの熱回収蒸気発生器とを連結する。

次に、さまざまな実施形態によって、および添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

コンバインドサイクル発電プラントＣＣＰＰの簡略化したスキーム図である。 クリティカルな異材溶接シームを備える、空気冷却器と熱回収蒸気発生器ＨＲＳＧとの間の例示的な従来技術による管連結部の図である。 本発明による異種管結合継手の実施形態の図である。 本発明の実施形態によるカップリングのサイズと、ＡＳＭＥ規格による同一内径を有するカップリングのサイズとの比較図である。 本発明の実施形態によるわずかに円錐形の前面を有するカップリングの詳細図である。 本発明の実施形態による、複数のシールを有する結合継手の縦断面図である。

好ましくはコンバインドサイクル発電プラントで使用される配管における、ステンレス鋼管部とフェライト鋼管部との連結部の課題は以下の通りである。

・ＣＴＥ（熱膨張係数）不一致の最適化
・操作圧力および温度定格の達成
・プラント起動時の急激な過渡状態
・クリープ、疲労およびその相互作用の考慮
・寿命および許容サイクル数
・寿命到達までメンテナンス不要であり、操業体制に干渉しないこと
・現場施工による異材溶接シームがないこと
・外力およびモーメント
・既存装置の現場置換が容易であること
・ＡＳＭＥおよびＰＥＤの認証取得
本発明によれば、異種金属結合継手は、関与する材料のさまざまな機械的特性をそれ自体が考慮されており、異なる材料挙動および特性を有する結合面間のクリティカルな材料移行を提供するために使用され、材料の融合（異材溶接シーム）を必要とせず、高圧、高温、高サイクル、高クリープならびに外力およびモーメントといった境界条件の組み合わせを考慮しても、必要な寿命を達成することができる。

図３は、本発明による異種管結合継手２８の実施形態を示す。材料（金属）Ｍ４で作られた第１の管部２９は、材料（金属）Ｍ５で作られた第２の管部３０に、それほどクリティカルではない（材料３０はカップリングの不可欠な部分である）溶接シーム３２によって連結される。第２の管部３０および第３の材料（金属）Ｍ６で作られた第３の管部３１は、カップリングＦ１およびＦ２を備える結合継手によって連結される。カップリングＦ１は、第２の管部３０と同一の材料、すなわち材料Ｍ５で作られる。カップリングＦ２は、第３の管部３１と同一の材料、すなわちＭ６で作られる。カップリングＦ１およびＦ２は、適切なボルト３３およびナット３４によって連結される。

結合継手Ｆ１、Ｆ２は、材料Ｍ５から材料Ｍ６への直接の材料移行となる。

異種管継手２８における材料Ｍ５およびＭ６のこの配置によって、現場では同種金属の溶接作業のみを必要とする（異材溶接シームの現場施工は不要である）。異なる熱膨張率の最適化は、材料Ｍ５および材料Ｍ６の適切な選択によって行われる。

カップリングＦ１およびＦ２の外形寸法は、ＡＳＭＥ Ｂ１６．５規格に準拠した標準的なカップリングの寸法から実質的に逸脱する可能性がある。図４は、ＡＳＭＥ Ｂ１６．５規格に準拠した溶接ネック付きカップリング３５の外形寸法と本発明の実施形態による同一内径を有する（小型）カップリング３６の外形寸法との比較を示す。図４からわかるように、カップリング３６の全体の高さｈ２は、ＡＳＭＥ規格カップリング３５の全体の高さの半分に満たない。カップリング３６の結合部の高さｈ１は、ＡＳＭＥ規格カップリング３５の結合部の高さの約半分である。カップリング３６の外径ｄは、ＡＳＭＥ規格カップリング３５の外径の約２／３である。

従って、小型カップリング３６は、従来の（標準的）溶接ネックカップリング３５と比較して約６０％の材料体積しか有さない。

カップリングＦ１およびＦ２の材料体積におけるこの減少は、さまざまな利点を提供する。

・過渡時の熱応力挙動の改善
・軽量化
・配管サポートシステムにおける影響を無視可能→サポートコンセプトの変更不要
他の利点は、カップリングＦ１およびＦ２の前面に関する具体的な設計に関する。図５によれば、カップリングＦ１およびＦ２は、わずかに円錐形の前面４２を有し、その円錐度またはテーパは、２つの異なる角度αおよび角度βによって画定される。角度βは、前面４２の主要部（円形の溝４０の内側）の円錐度を画定し、角度αは、連結孔３７および円形の溝４０外側の周縁部の円錐度に関連する。角度αおよびβは、それぞれθ＝１８０°−２αまたはθ＝１８０°−２βの式によって円錐形の前面４２の開口角θに関連する。

０．０５°〜０．７５°の範囲の角度αおよび０．０８°〜１．００°の範囲の角度βによって、開口角θは１７８°〜１７９．９°の範囲と言うことができる。さらに、カップリングＦ１、Ｆ２の背面も、０．０４°〜０．８°の範囲の角度γによる円錐度（１７９．９２°〜１７８．４°の開口角）を有する。

角度αおよびβによる２段階２角度設計は、継手の最適寿命をもたらす。主前面の角度βによる円錐度は、カップリングＦ１、Ｆ２の内側の孔３８（ヒール部）における接触圧力を画定する（図６のシールＳ１参照）。

最適化されたボルトの予張力による結合面の弾性変形は、外径において円錐の角度αにより両面を密着させる（図６のシールＳ３参照）。

いかなる場合においても、フェライト系カップリング材料（材料Ｍ６）とＮｉ系カップリング材料Ｍ５との膨張の差によるせん断力を考慮しなければならない（ＣＴＥ不一致の最適化）。

図６では、本発明の実施形態による異種管結合継手が、連結された状態で、縦断面で示される。カップリングＦ１およびＦ２は連結孔３７（図４）を貫通するボルト３３およびナット３４によって連結される。

小型カップリングＦ１、Ｆ２は、ボルトの予張力に直接影響する圧縮されたソフトガスケットを有さない。カップリングＦ１およびＦ２の前面４２における金属対金属の接触によって、所定の面圧が確立される。従って、ボルトの予張力低下は、金属の挙動によってのみ促進され得るのであり、ガスケットの圧縮力低下によることはない。

図６に示すように、小型カップリングの設計は、カップリングＦ１、Ｆ２の中央孔３８に隣接する第１の金属面対金属面のシールＳ１（ヒール部）を有する２つの主要シール領域を含む。第２のシールＳ２は、第１のシールＳ１を取り囲む。第２のシールＳ２は、各カップリングＦ１、Ｆ２の前面において対向するライニング溝３９によって作られた中空の環状空間４１ａを備える。金属製シールリング４１は、環状空間４１ａに挿入され、カップリングＦ１、Ｆ２が連結されると半径方向に圧縮される。

外側の第２のシールＳ２は、内側の第１のシールＳ１（ヒール領域）が開いたときにのみ作動し、１つの主要なシールのみではなく二重のシールをもたらす。第２のシールＳ２の金属製シールリングは、自己励起される。ガスケットは、ボルトの力のみによって圧縮される。第３のシールＳ３は、環境シールとして機能する。

本発明による管移行の独自の特徴およびそのさまざまな実施形態は、以下のように要約することができる。

・異種金属結合継手（Ｆ１、Ｆ２）は、関与する材料のさまざまな機械的特性をそれ自体が考慮されており、異なる材料挙動および特性を有する結合面４２間のクリティカルな材料移行を提供するために使用され、材料の融合（異材溶接シーム）を必要とせず、高圧、高温、高サイクル、高クリープならびに外力およびモーメントといった境界条件の組み合わせを考慮しても、必要な寿命を達成することができる。

・関与する材料のＣＴＥ（熱膨張係数）不一致は、一方の側の所定の境界条件をカバーし、ＣＴＥの差を可能な限り最小とする材料選択によって最適化される。

・一実施形態は、結合面の角度αおよびβ、ならびにプレストレスの設計を含み、結合システム全体のクリープおよび疲労の挙動を制御して寿命および荷重サイクルの目標値を達成するように最適化される。

・ボルト３３の数および径は、外力およびモーメントによるクリープ、疲労、応力を考慮して最適化される。ボルトの荷重は、操業中に予想される予張力の大幅な低下を考慮し、継手２８の結合を保持するために、非常に高い予張力（１２０〜１６０ｋＮの範囲）を有する。ボルトの荷重は、特殊な油圧ツールにより、張力のみを得て、ねじりによる付加的な応力が発生しないように適用される。

・一次シールＳ１および二次シールＳ２による二重シールは、本カップリング設計の典型的特徴として使用される。一次シールＳ１については、所与の荷重サイクルおよび寿命を達成するために、機械的完全性の計算を使用し、システム全体に適切なプレストレスをかけることによって局所的な応力、クリープ、疲労の挙動を制御する。このようにして、一次シールＳ１は、意図された寿命後も、十分な接触を保持する。二次シールＳ２の機能は、意図された寿命到達時にも必要とされない。二次シールＳ２は、流体および圧力との接触はほとんど見られないが、漏れに対する付加的な安全手段とみなされる。一次シールＳ１が十分な接触圧力を失った場合でも、二次シールＳ２が完全な気密機能を代替することができる。これにより漏れのない設計となり、ＥＨＳに１００％適合する。

本発明による解決法の利点は以下の通りである。

・異材溶接シームの現場施工を不要とする。

・クリープ、疲労およびその相互作用を考慮した長寿命化を達成する。関与するコンポーネントは、延長された運用期間（最長５０，０００ＥＯＨ）用に設計される。これらのコンポーネントは、運用期間中に操業を妨げるメンテナンスを必要としない。それにより、メンテナンス作業が軽減する。

・漏れを二重シールすることにより、一次シールが十分な接触圧力を失った場合でも、二次シールが完全な気密機能を代替可能とする。

・配管設計およびサポートコンセプトの大規模な変更を見込まず、既存のサービスフリートにとって有益である。

・新規のカップリングのコンセプトは重量の影響が少なく、カップリングの設置には、死荷重、力およびモーメントのような外的荷重、拘束された熱膨張、風および地震による荷重に曝された、作動中のシステムである現行配管の大規模な変更を必要としないことを意味する。

１０ コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）
１１ ガスタービン（ＧＴ）
１２ 水／蒸気サイクル
１３ 空気入口
１４ 圧縮機
１５ 燃焼器
１６ 燃料
１７ タービン
１８ 排ガス
１９ 熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
２０ 煙道ガス
２１ 蒸気タービン
２２ 高圧空気冷却器（例えばＯＴＣ）
２３ 蒸気出口管
２４ 水入口管
２５、２８ 異種管継手
２６、３２ 溶接シーム
２７ レベル検知ライン
２９ 第１の管部
３０ 第２の管部、材料
３１ 第３の管部
３３ ボルト
３４ ナット
３５ 溶接ネック付きカップリング（ＡＳＭＥに準拠）
３６ 小型カップリング（本発明の実施形態による）
３７ 連結孔
３８ 中央孔
３９ ライニング溝
４０ 溝
４１ 金属製シールリング
４１ａ 環状空間
４２ 前面、結合面
ｄ （外側の）直径
Ｆ１、Ｆ２ カップリング、結合継手
ｈ１、ｈ２ 高さ
Ｍ１−Ｍ６ 材料
Ｓ１ 第１のシール、一次シール
Ｓ２ 第２のシール、二次シール
Ｓ３ 第３のシール
α、β、γ 角度
θ 開口角
Ａ、Ｂ 距離

Claims (12)

1. 異なる材料挙動及び特性をそれぞれ有する第１及び第２の金属材料（Ｍ５、Ｍ６）で作られている第１の管部（３０）及び第２の管部（３１）、並びに前記第１の管部（３０）と前記第２の管部（３１）との間の異種管継手を備える異種管継手装置（２８）であって、前記異種管継手が結合継手（Ｆ１、Ｆ２）であり、前記第１の金属材料（Ｍ５）で作られた前記第１の管部（３０）の一端に前記第１の金属材料（Ｍ５）で作られた第１のカップリング（Ｆ１）が設けられ、前記第２の金属材料（Ｍ６）で作られた前記第２の管部（３１）の一端に前記第２の金属材料（Ｍ６）で作られた第２のカップリング（Ｆ２）が設けられ、前記第１のカップリング（Ｆ１）と前記第２のカップリング（Ｆ２）とがそれらの各々の前面（４２）に円形の溝（４０）を有する連結孔（３７）を通して一緒にボルト留めされ、それによって前記第１のカップリング（Ｆ１）の前面（４２）と前記第２のカップリング（Ｆ２）の前面（４２）との間で直接の金属接触により第１のシール（Ｓ１）が確立され、前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２）の前面（４２）が、０．０５°〜０．７５°の範囲内の角度α及び０．０８°〜１．００°の範囲内の角度βをもつ円錐度を有しており、角度βが、前面（４２）の円形の溝（４０）の内側の円錐度を画定し、角度αが、連結孔（３７）及び円形の溝（４０）の外側の前面（４２）の周縁部の円錐度を画定する、異種管継手装置（２８）。
2. 前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２）がそれぞれの管部（３０、３１）に溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の異種管継手装置（２８）。
3. 前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２）の前面（４２）が１７８°〜１７９．９°の範囲内の開口角を有する円錐形であり、前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２）の背面が０．０４°〜０．８°の範囲内の角度γをもつ円錐度を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の異種管継手装置（２８）。
4. 前記第１の材料（Ｍ５）がＮｉ系合金であり、前記第２の材料（Ｍ６）がフェライト／マルテンサイト合金であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の異種管継手装置（２８）。
5. 前記第１の材料がＡｌｌｏｙ６２５グレード２であり、前記第２の材料（Ｍ６）が合金であることを特徴とする、請求項４に記載の異種管継手装置（２８）。
6. 前記第１の管部（３０）が前記第１のカップリング（Ｆ１）側とは他方の端で、前記第１及び第２の金属材料（Ｍ５、Ｍ６）とは異なる第３の金属材料（Ｍ４）で作られた第３の管部（２９）に溶接されることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の異種管継手装置（２８）。
7. 前記第３の金属材料（Ｍ４）が鋼であることを特徴とする、請求項６に記載の異種管継手装置（２８）。
8. 前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２）がそれぞれ中央孔（３８）を有し、前記第１のシール（Ｓ１）が前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２）の前記中央孔（３８）に隣接して確立され、第２のシール（Ｓ２）が設けられて前記第１のシール（Ｓ１）を取り囲み、前記第１のシール（Ｓ１）が破損した場合に前記異種管継手を気密に保持することを特徴とする、請求項３に記載の異種管継手装置（２８）。
9. 前記第２のシール（Ｓ２）が、前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２）の前記前面（４２）のライニング溝（３９）によって作られている環状空間（４１ａ）に配置された金属製シールリング（４１）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の異種管継手装置（２８）。
10. 前記第１及び第２のカップリング（Ｆ１、Ｆ２；３６）が標準的なＡＳＭＥ Ｂ１６．５カップリング（３５）の外形寸法よりも小さい外形寸法を有することを特徴とする、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の異種管継手装置（２８）。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の異種管継手装置（２８）備えるコンバインドサイクル発電プラント（１０）。
12. 前記第１及び第２の管部（３０、３１）が前記コンバインドサイクル発電プラント（１０）のガスタービン（１１）の空気冷却器（２２）と前記コンバインドサイクル発電プラント（１０）の熱回収蒸気発生器（１９）とを連結することを特徴とする、請求項１１に記載のコンバインドサイクル発電プラント（１０）。