JP6997190B2 - 管機構および炉 - Google Patents

Description

本発明は、管機構に関する。本発明は、管機構を備える炉にさらに関する。

工業用炉においてプロセスを実行するために使用される、例えばコイル、直線状、または部分的に曲がった管などの内部管機構は、溶接により互いに継合された別々の管長さまたはセクションで構成され得る。別々の管セクション間の継手の確実な気密封止機能性を得るために、管を接続する手段として、ねじ＋カップリングの代わりに溶接部が好ましい場合が多い。溶接によって継合されている管および使用された溶接フィラー合金が同一のまたはほぼ同一の合金で構成されている限り、１つの管セクションから他の管セクションへの溶接部を越えた経時的な合金要素の拡散は、非常に限定される（ほぼゼロ）であろう。しかし、第１の金属合金を含む第１の金属管と第２の金属合金を含む第２の管とが継合される用途が存在する場合もあり、この場合、合金要素の拡散が生じる可能性があり、また、溶接部において、または溶接部に直接隣接する管セクション領域のどちらかにおいて、少なくとも１つの脆性相（ｂｒｉｔｔｌｅ ｐｈａｓｅ）が形成される可能性がある。これは、その箇所を、同一のまたはほぼ同一の化学組成の合金間の溶接部よりも機械的に脆弱にする。したがって、そのような溶接部および／または隣接する領域は、時間とともに管機構における弱点になる可能性があり、また、場合により、その使用中に担持するように設計された機械的荷重を受け入れることができない可能性がある。

スチームクラッカ炉におけるそのような位置の一例は、前記管機構によって導かれた炭化水素の分解によりエチレンが生産される蒸気分解炉の出口セクションである。炉内の高温において、管に使用される合金は、それらの弾性特性を少なくとも部分的に失う可能性があり、また、少なくとも部分的に塑性変形しやすくなる可能性があり、そのことが、管間の継手にさらなる要求を加える。

ＧＢ４９６２９３は、高圧蒸気用のパイプにおける継手を開示している。パイプの壁の当接する端部表面間の溶接周方向継手が、外付けのスリーブまたはカラーによって補強され、これらのスリーブまたはカラーは、相対的な軸方向運動を防止するようにパイプの外側長手方向表面に固着され、かつ、それらの隣接する端部において溶接される。パイプ間の溶接継手は、パイプに溶接され得るライナの上に作られ得る。スリーブは、のこ歯ねじ（ｂｕｔｔｒｅｓｓ ｓｃｒｅｗ ｔｈｒｅａｄ）によりパイプ上に固着され得る。ねじ山または溝により接続されると、一方または両方のスリーブの隣接する端部は、良好な熱伝導接続部をパイプ間に提供するように、パイプに溶接され得る。スリーブは、互いに直接溶接されてもよく、または、間置された部材を通じて互いに溶接されてもよい。パイプは、そのような条件下で高いクリープ抵抗を有するが延性が低い０．５パーセントのモリブデンを含む鋼のものであってよく、また、スリーブおよび溶接部は、クリープ条件下で高い延性を有しかつ華氏７５０～１０００度（おおよそ摂氏４００～５３５度）の範囲にわたる任意の動作温度において合金鋼と同じ総熱膨張を事実上有する、軟鋼のものであってよい。軟鋼溶接金属の層が、溶接部に影響を与える前にパイプの端部に貼り付けられ得る。

本発明の目的は、２つの管が継合可能である、改善された管機構を提供することである。

本発明の態様によれば、この目的は、第１の金属管、第２の金属管、第１のスリーブ部品、および第２のスリーブ部品を備える管機構によって達成される。第１の金属管の第１の端部領域が、第１の外側ねじ切り部（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ）を備え、第２の金属管の第２の端部領域が、第２の外側ねじ切り部を備える。第１のスリーブ部品は、金属で作られ、かつ、第１の内側ねじ切り部を備え、第２のスリーブ部品は、金属で作られ、かつ、第２の内側ねじ切り部を備える。第１の端部領域は、第１の突合せ溶接継手を介して第２の端部領域と継合されるように構成される。第１のスリーブ部品の第１の近位スリーブ端部が、第２の突合せ溶接継手を介して第２のスリーブ部品の第２の近位スリーブ端部と継合されるように構成される。第１のスリーブ部品は、第１の外側表面を備え、この第１の外側表面は、第１のスリーブ部品の軸方向中心軸線に対して第１の鋭角で延在し、かつ、第１の近位スリーブ端部にその幅広端部を含む第１の円錐形スリーブ部分を形成し、第２のスリーブ部品は、第２の外側表面を備え、この第２の外側表面は、第２のスリーブ部品の軸方向中心軸線に対して第２の鋭角で延在し、かつ、第２のスリーブ端部にその幅広端部を含む第２の円錐形スリーブ部分を形成する。

第１および第２のスリーブ部品は、鋭角で延在して円錐形スリーブ部分を形成する外側表面を備えるので、第１および第２の金属管が第１の突合せ溶接継手によって継合されかつ第１および第２のスリーブ部品が第２の突合せ溶接継手によって継合されたときに、また、第１および第２の金属管が第１および第２のスリーブ部品の軸方向中心軸線のうちの一方と実質的に平行に延在する成分を含む力を受けたときに、係合した第１の内側および外側のねじ切り部ならびに係合した第２の内側および外側のねじ切り部を介した第１および第２の金属管にわたる荷重の漸進的な分配のための状態が提供される。したがって、第１の突合せ溶接継手を荷重から少なくとも部分的に解放する状態が提供される。その結果、上述の目的が達成される。

管機構は、第１および第２の金属管、ならびに第１および第２のスリーブ部品の、４つの別々の部品の組立体を備える。管機構の使用に際して、第１および第２の金属管は、第１の突合せ溶接継手によって継合され、第１および第２のスリーブ部品は、第２の突合せ溶接継手によって継合される。管機構は、様々な用途で使用され得る。例えば、管機構は、炉の一部を形成し得る。したがって、管機構は、使用に際して高温にさらされ得る。

実施形態によれば、第１のスリーブ部品は、第１のスリーブ端部に対向する第１のスリーブ部品の第１の遠位スリーブ端部に第１のリング状部分を備えることができ、第２のスリーブ部品は、第２のスリーブ端部に対向する第２のスリーブ部品の第２の遠位スリーブ端部に第２のリング状部分を備えることができる。このようにして、第１および第２のリング状部分のそれぞれは、第１のスリーブ部品および第２のスリーブ部品それぞれの補強部（ｅｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）を形成する。リング状部分は、第２の突合せ溶接継手が配置される箇所に対向するスリーブ部品の端部においてスリーブ部品を補強する。したがって、スリーブ部品の径方向の膨張が軽減される。したがって、内側および外側のねじ切り部を介した荷重分配が維持され得る。

実施形態によれば、管機構は、摂氏７５０度を超える高温使用のために配置され得る。このようにして、本明細書において論じられる態様および／または実施形態による管機構は、高温使用によってもたらされる管機構の断裂を防止するかまたは少なくとも遅らせるために利用され得る。

本発明のさらなる目的は、炉の動作寿命を延長することである。

本発明の態様によれば、この目的は、チャンバ、熱を生成するためのバーナ機構、ならびに炉を通してガスおよび／または蒸気を導くための本明細書において論じられる態様および／または実施形態のうちのいずれか１つによる管機構を備える炉によって達成される。

管機構は、本明細書において論じられる態様および／または実施形態のいずれか１つによる特徴に起因して、高温使用のために考案されているため、炉は、炉が管機構の交換を含む修復を必要とする前に、より長く作動され得る。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の特許請求の範囲および以下の詳細な説明を検討すれば明らかになるであろう。

本発明の具体的な特徴および利点を含む、本発明の様々な態様および／または実施形態は、以下の詳細な説明および添付図面において論じられる例示の実施形態から容易に理解されるであろう。

実施形態による管機構の図である。 図１の管機構の断面図である。 図１の管機構の部分断面図である。 実施形態による炉の図である。

次に、本発明の態様および／または実施形態をより詳細に説明する。全体にわたり、同様の番号は同様の要素を意味する。よく知られた機能または構造は、簡潔さおよび／または明瞭さのために必ずしも詳細には説明されない。

本開示は、２つの金属管の間の突合せ溶接継手の荷重担持機能を補うかまたは置き換える目的のために外側スリーブが使用される全ての用途に適用可能であるが、本開示は、とりわけ、例えばエチレンの生産などのために炭化水素を分解するための炉において管が使用される用途について説明する。本開示はそのような用途に制限されないことが、理解されるべきである。

図１は、実施形態による管機構３０を示す。管機構３０は、第１の金属管１、第２の金属管４、第１のスリーブ部品８、および第２のスリーブ部品１０を備える。第１の金属管１の第１の端部領域３が、第１の外側ねじ切り部２を備え、第２の金属管４の第２の端部領域６が、第２の外側ねじ切り部５を備える。第１のスリーブ部品８は金属で作られ、第２のスリーブ部品１０は金属で作られる。第１および第２のスリーブ部品８、１０は、内側ねじ切り部を備える。したがって、第１および第２のスリーブ部品８、１０は、それぞれの第１および第２の外側ねじ切り部２、５に沿って互いに向かってねじ込まれ得る。

第１の金属管１の第１の端部領域３は、第１の突合せ溶接継手を介して第２の金属管４の第２の端部領域６と継合されるように構成される。第１のスリーブ部品８の第１の近位スリーブ端部３２が、第２の突合せ溶接継手を介して第２のスリーブ部品１０の第２の近位スリーブ端部３４に継合されるように構成されるが、これは図２ｃに関連して以下を参照されたい。したがって、管機構３０は、第１および第２のスリーブ部品８、１０が第２の突合せ溶接継手を介して継合されたときに第１の突合せ溶接継手を荷重から少なくとも部分的に解放するためのスリーブを形成するのとともに、第１および第２の金属管１、４を含む１つの導管を形成するように構成され、この導管を通して高温ガスを導くことができる。

図２ａは、図１の管機構３０の断面図を示す。図２ａでは、その内側ねじ切り部９を含む第１のスリーブ部品８は、第１の外側ねじ切り部２上に位置決めされて第２のスリーブ部品１０に当接しており、その第２の内側ねじ切り部１１を含む第２のスリーブ部品１０は、第２の外側ねじ切り部５上の対応する位置に位置決めされている。第１のスリーブ部品８の第１の近位スリーブ端部３２は、第２のスリーブ部品１０の第２の近位スリーブ端部３４に隣接して位置決めされて第２の突合せ溶接継手を介して第２の近位スリーブ端部３４に継合されるように構成されている。

図２ｂは、図２ａの断面図の一部分を示す。第１のスリーブ部品８は、第１のスリーブ部品８の軸方向中心軸線３８に対して第１の鋭角αで延在する第１の外側表面３６を備える。第１の外側表面３６は、第１の近位スリーブ端部３２にその幅広端部４２を含む第１の円錐形スリーブ部分４０を形成する。第２のスリーブ部品１０は、第２のスリーブ部品１０の軸方向中心軸線４６に対して第２の鋭角βで延在する第２の外側表面４４を備える。第２の外側表面４４は、第２の近位スリーブ端部３４にその幅広端部４９を含む第２の円錐形スリーブ部分４８を形成する。

管機構３０は、第１および第２の金属管１、４が継合されたとき、ならびに第１および第２のスリーブ部品８、１０が継合されたときに、第１および第２の金属管１、４にわたる漸進的な荷重分配のための状態を提供する。したがって、管機構３０は、販売および／または流通され得る部品の組立体を形成する。あるいは、管機構３０の様々な部品は、別々に販売および／または流通されてもよい。管機構３０は、例えば炉内に取り付けられて、新たな炉の新たな管機構３０を形成するか、または既存の炉の古い管機構に取って代わることができる。例えば、第２の金属管４は、炉の管接続部、例えば炉の入口または出口に、突合せ溶接されてもよい。その後、第１の金属管１は、第１の突合せ溶接継手を介して第２の金属管４と継合されてもよく、第１および第２のスリーブ部品８、１０は、第２の突合せ溶接継手を介して継合されてもよい。したがって、例えば炉内に取り付けられた場合、管機構３０はまた、第１および第２の突合せ溶接継手を備える。

図２ｃは、図１の管機構３０の断面図を示し、第１および第２の金属管１、４は互いに溶接されており、第１および第２のスリーブ部品８、１０は互いに溶接されている。したがって、いくつかの実施形態によれば、管機構３０は、第１および第２の端部領域３、６において第１および第２の金属管１、４を継合する第１の突合せ溶接継手７２、ならびに第１および第２のスリーブ部品８、１０を継合する第２の突合せ溶接継手７４を備え得る。このようにして、第１および第２のスリーブ部品８、１０は、第１および第２の金属管１、４の第１および第２の端部領域３、６ならびに第１の突合せ溶接継手７２を包囲する、１つのスリーブを形成する。したがって、第１および第２のスリーブ部品８、１０によって形成された１つのスリーブは、第１および第２の金属管１、４が軸方向中心軸線３８、４６に沿った方向に実質的に延在する力成分を有する力を受けたときに、第１の突合せ溶接継手７２を荷重から解放することができる。

第１の突合せ溶接継手７２によって継合される第１および第２の金属管１、４の対向端部は、第１の突合せ溶接継手７２が、中心軸線３８、４６から径方向外方に向けられたそのより幅広の端部によりＵ字状またはＶ字状の断面を有するように、傾斜される。

第２の突合せ溶接継手７４によって継合される第１および第２の金属スリーブ部品８、１０の第１および第２の近位スリーブ端部３２、３４は、第２の突合せ溶接継手７４が、中心軸線３８、４６から外方に向けられたそのより幅広の端部によりＵ字状またはＶ字状の断面を有するように、傾斜される。

第１のスリーブ部品８は第１の円錐形スリーブ部分４０を備え、また、第２のスリーブ部品１０は第２の円錐形スリーブ部分４８を備えるので、第１および第２のスリーブ部品８、１０は、引張荷重が加えられたときに、軸方向中心軸線３８、４６に沿った第１および第２のスリーブ部品８、１０それぞれの延長部に沿って別々に伸長する。より具体的には、円錐形スリーブ部分４０、４８の直径が小さいほど、スリーブ部品８、１０の関連部分がより多く伸長することになる。したがって、円錐形スリーブ部分４０、４８の端部がより大径になると、引張荷重下に置かれたときに、より小径の端部よりも小さい程度で伸長することになる。したがって、荷重は、第１および第２のスリーブ部が円錐形スリーブ部分を欠いている場合よりも、第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１のより多数のねじ山にわたって第１および第２の金属管１、４から伝達される。したがって、荷重を担持するそれぞれのねじ山が、全体荷重のうちのより小さい部分を担持して、第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１を保全する。このようにして、第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１は、円錐形スリーブ部分を欠いた第１および第２のスリーブ部品を備える管機構よりも長持ちし得る。

実施形態によれば、管機構３０は、摂氏７５０度を超える高温使用のために配置され得る。例えば、管機構３０は、炉内でそのような高温にさらされ得る。いくつかの実施形態によれば、管機構３０は、摂氏９００～１１００の範囲内の温度にさらされ得る。この温度範囲内では、炭化水素の分解によりエチレンを生産する炉が動作し得る。さらに、そのような炉は、定期的な炭素除去処理サイクルにさらされ得る。そのような炭素除去サイクル中、最高で摂氏１２００度に達する温度で蒸気が使用され得る。したがって、いくつかの実施形態では、管機構３０は、最高で摂氏１２００度までの温度にさらされ得る。さらに、管機構３０は、炉が停止されたときに、例えば摂氏２０度の周囲温度まで冷却される。

低温では、例えば鉄金属などの金属は、弾性特性を有する。上述の高温では、金属は、それらの弾性特性を少なくとも部分的に失って、少なくとも部分的に塑性的に変形しやすくなり、すなわち、荷重から解放された後でそれらの元の形状を取り戻さなくなる。

したがって、上記で論じられた第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１のより多数のねじ山にわたる荷重の分配は、管機構３０の高温使用において特に有益になる。すなわち、２つのねじ付き部品間の螺合に依存する低温での金属の弾性は上記で論じられたような高温では利用できないことが、本発明者によって認識されている。ねじ接続は、低温時に高レベルの荷重に耐えることが可能とされ得る。高温においては、同じ高レベルの荷重は、ねじ接続部のねじ山を次々に塑性変形させる可能性がある。最終的には、ねじ接続部が断裂することになる。本発明者によって認識されたように、円錐形スリーブ部分４０、４８の提供、および結果として生じるより多数のねじ山にわたる荷重の分配は、個々のねじ山にかかる荷重を十分に低く保って、ねじ切り部２、５、９、１１の断裂を防ぐかまたは少なくとも断裂までの時間を大幅に延長し得る。

第１および第２の金属管１、４のそれぞれは、公称直径（Ｄｎｏｍ）を有する。つまり、公称直径（Ｄｎｏｍ）は、第１および第２の外側ねじ切り部２、５ならびに金属管１、４の据え込み鍛造部分から少し離れた位置でのそれぞれの金属管１、４の直径であるが、これは図２ｃに関連して以下を参照されたい。第１および第２の金属管１、４のそれぞれは、公称断面積（Ａｎｏｍ）を有する。つまり、公称断面積（Ａｎｏｍ）は、第１および第２の外側ねじ切り部２、５ならびに金属管１、４の据え込み鍛造部分から少し離れた位置でのそれぞれの金属管１、４の物品の断面積である。公称断面積の他に、以下で論じられる金属管１、４ならびに／または第１および第２のスリーブ部品８、１０の他の断面積は、第１および第２のスリーブ部品８、１０ならびに第１および第２の金属管１、４のそれぞれの軸方向中心軸線３８、４６、６２、６６に対して垂直に広がる。第１のスリーブ部品８は、第１の近位スリーブ端部３２に対向する第１の遠位スリーブ端部３３を備え、第２のスリーブ部品１０は、第２の近位スリーブ端部３４に対向する第２の遠位スリーブ端部３５を備える。第１の内側ねじ切り部９は、第１の遠位スリーブ端部３３の領域内の第１のねじ切り部端部３７おいて終端し、第１のスリーブ部品８は、第１のねじ切り部端部３７に第１のねじ切り部端部断面積Ａ１を有する。第２の内側ねじ切り部１１は、第２の遠位スリーブ端部３５の領域内の第２のねじ切り部端部３９において終端し、第２のスリーブ部品１０は、第２のねじ切り部端部３９に第２のねじ切り部端部断面積Ａ２を有する。第１および第２のねじ切り部端部断面積Ａ１、Ａ２は、図２ｄに示されており、また、図２ｃ内の破線Ａ１、Ａ２で示された平面において第１および第２のスリーブ部品８、１０の周りでそれぞれ円周方向に広がる。適切には、第１および第２のねじ切り部端部断面積Ａ１、Ａ２は、第１および第２のねじ切り部端部断面積Ａ１、Ａ２において第１および第２の内側ねじ切り部９、１１の底部直径と第１および第２のスリーブ部品８、１０の外径との間で測定される。第２の突合せ溶接継手７４において、第１および第２の近位スリーブ端部３２、３４が第２の突合せ溶接継手７４によって継合される場合、第２の突合せ溶接継手を含む第１および第２の円錐形スリーブ部品８、１０は、溶接平面断面積（ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｌａｎｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ａｒｅａ）（Ａｗｅｌｄ）を有するように構成される。溶接平面断面積（Ａｗｅｌｄ）は、図２ｅに示されており、また、図２ｃ内の破線Ａｗｅｌｄで示された平面において第２の突合せ溶接継手７４の周りで円周方向に広がる。第１の長さＬ１が、Ａ１とＡｗｅｌｄとの間に延び、第２の長さＬ２が、Ａ２とＡｗｅｌｄとの間に伸びる。

実施形態によれば、第１の鋭角（α）および第２の鋭角（β）は、
－ Ａｎｏｍの１．３～２．３倍の範囲内であるＡｗｅｌｄ、
－ Ａｗｅｌｄの０．３～０．５倍の範囲内であるＡ１およびＡ２のそれぞれ、ならびに、
－ Ｄｎｏｍの０．８～１．５倍の範囲内であるＬ１およびＬ２のそれぞれ
によって形成され得る。このようにして、第１および第２の円錐形スリーブ部分４０、４８は、軸方向中心軸線３８、４６と平行に第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１の長さに沿った適切な荷重の分配を実現するように構成され得る。具体的には、管機構３０の軸方向中心軸線３８、４６、６２、６６が例えば図４に示されるように実質的に垂直に延在するように管機構３０が配置された場合に、第１および第２の金属管１、４にかかる荷重は、第１および第２のスリーブ部品８、１０へと、好適な態様で第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１にわたって分配され、その結果、第１の突合せ溶接継手７２は、荷重の少なくとも一部から解放される。

公称断面積（Ａｎｏｍ）の１．３～２．３倍の範囲内である溶接平面断面積（Ａｗｅｌｄ）は、あるいは、
Ａｗｅｌｄ＝（１．８＋／－０．５）×Ａｎｏｍ
として表され得る。
Ａｗｅｌｄの０．３～０．５倍の範囲内であるＡ１およびＡ２のそれぞれは、あるいは、
Ａ１＝（０．４＋／－０．１）×Ａｗｅｌｄ、および、
Ａ２＝（０．４＋／－０．１）×Ａｗｅｌｄ
として表され得る。
Ｄｎｏｍの０．８～１．５倍の範囲内であるＬ１およびＬ２のそれぞれは、あるいは、
Ｌ１＝（１＋０．５／－０．２）×Ｄｎｏｍ、および、
Ｌ２＝（１＋０．５／－０．２）×Ｄｎｏｍ
として表され得る。

いくつかの実施形態によれば、Ａｗｅｌｄ、Ａ１、Ａ２、Ｌ１、およびＬ２のうちの少なくとも１つは、あるいは、
Ａｗｅｌｄ＝（１．８＋／－０．３）×Ａｎｏｍ、
Ａ１＝（０．４＋／－０．０５）×Ａｗｅｌｄ、
Ａ２＝（０．４＋／－０．０５）×Ａｗｅｌｄ、
Ｌ１＝（１＋／－０．１）×Ｄｎｏｍ、および、
Ｌ２＝（１＋／－０．１）×Ｄｎｏｍ
とされ得る。
より狭い区間内でＡｗｅｌｄ、Ａ１、Ａ２、Ｌ１、およびＬ２のうちの少なくとも１つを提供することにより、軸方向中心軸線３８、４６と平行な第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１の長さに沿った荷重の分配のために、上記で論じられたより広い区間内よりも正確に寸法決めされた第１および第２のスリーブ部品８、１０を提供することができる。

実施形態によれば、第１の内側ねじ切り部９は、第１の円錐形スリーブ部分４０の少なくとも一部分に沿って延在してもよく、第２の内側ねじ切り部１１は、第２の円錐形スリーブ部分４８の少なくとも一部分に沿って延在してもよい。このようにして、第１および第２の円錐形スリーブ部分４０、４８のそれぞれは、第１および第２の内側ねじ切り部９、１１にわたって、したがって第１および第２の外側ねじ切り部２、５にわたって荷重を分配するために、荷重下で伸長され得る。第１および第２の内側ねじ切り部９、１１は、それぞれの第１および第２の円錐形スリーブ部分４０、４８に沿ってそれぞれの中心軸線３８、４６に平行に延在し得る。単に例として述べられた第１および第２の内側および外側のねじ切り部２、５、９、１１の長さは、第１および第２の金属管１、４のうちの一方の直径のおおよそ０．８～１．５倍とされ得る。

管機構３０のいくつかの実施形態は、上記で論じられた高温での温度サイクルにさらされ得る。例えば、炭化水素の分解によりエチレンを生産するための炉では、例えば摂氏９００～１１００度での分解温度と、例えばおおよそ摂氏１２００度の炭素除去温度と、炉の臨時停止時の例えば２０度の周囲温度との間での温度サイクルである。そのような温度サイクルは、とりわけ、スリーブ部品の径方向の膨張を生じさせる可能性があり、それによりスリーブ部品の漏斗状または円錐状の端部分が形成されて、スリーブ部品の内側ねじ切り部と第１および第２の金属管の外側ねじ切り部との間の係合が弱められる。

実施形態によれば、第１のスリーブ部品８は、第１の近位スリーブ端部３２に対向する第１のスリーブ部品８の第１の遠位スリーブ端部３３に第１のリング状部分５０を備えることができ、第２のスリーブ部品１０は、第２の近位スリーブ端部３４に対向する第２のスリーブ部品１０の第２の遠位スリーブ端部３５に第２のリング状部分５２を備えることができる。このようにして、第１および第２のリング状部分５０、５２のそれぞれは、第１のスリーブ部品８および第２のスリーブ部品１０の補強部をそれぞれ形成する。リング状部分５０、５２は、第２の突合せ溶接継手７４が配置される箇所に対向するスリーブ８、１０の端部においてスリーブ部品８、１０を補強する。さらに、第１および第２のリング状部分５０、５２の提供は、管機構３０が温度サイクルにさらされるときに、スリーブ部品８、１０の漏斗状または円錐状の第１および第２の遠位端部分の形成を防止するかまたは少なくとも遅らせることができる。

実施形態によれば、第１および第２のリング状部分５０、５２のそれぞれは、第１および第２の外側ねじ切り部２、５のそれぞれの外径ｄｏ１よりも大きい内径ｄｉ１を有することができ、また、第１および第２のリング状部分５０、５２のそれぞれは、平らな内側表面５４を有することができる。このようにして、第１および第２のリング状部分５０、５２は、第１および第２の外側ねじ切り部２、５からそれぞれ離れることができる。したがって、第１および第２の外側ねじ切り部２、５上での第１および第２のスリーブ部品８、１０の妨げられない回転が可能とされる。

さらに、第１および第２のスリーブ部品８、１０が第１および第２の金属管１、４上に位置決めされて第２の突合せ溶接継手７４によって継合されるときに、第１および第２のリング状部分５０、５２のそれぞれは、第１および第２の外側ねじ切り部２、５の一部分、または第１および第２の外側ねじ切り部２、５に隣接する第１および第２の金属管１、４の外側表面を覆う。したがって、例えば炉において、第１および第２の金属管１、４は、第１および第２の金属管１、４のこれらの敏感な領域における直接熱放射から保護される。

実施形態によれば、第１および第２の外側ねじ切り部２、５のそれぞれは、ＩＳＯ５８５５に準拠したねじ切り部とされ得る。このようにして、第１および第２の外側ねじ切り部２、５の基部において第１および第２の金属管１、４に生じる応力集中が減少する。ＩＳＯ５８５５に準拠したねじ切り部はまた、航空宇宙用メートルねじ（ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｍｅｔｒｉｃ ｔｈｒｅａｄ）、またはＭＪねじと呼ばれ得る。

実施形態によれば、第１および第２の金属管１、４の上述の端部領域３、６のそれぞれは、それに関連する第１および第２の金属管１、４の隣接部よりも大きい外径および大きい肉厚を備え得る。

各外側ねじ切り部２、５の底部は、それぞれの第１および第２の金属管１、４の前記隣接部の直径よりも大きい直径を有する円を囲み得る。したがって、第１の金属スリーブ部品８の内径ｄｉ２は、第１の金属管１の前記隣接部の外径ｄｏ２よりも大きくてよく、また、第２の金属スリーブ部品１０の内径は、第２の金属管４の前記隣接部の直径よりも大きくてよい。第１の金属管１の前記端部領域３の外径ｄｏ１は、第２の金属管４の前記端部領域６の外径に一致する。

図３ａは、図２ｂのものに類似した断面の一部分を示す。

実施形態によれば、第１の端部領域３は、少なくとも第１の外側ねじ切り部２の軸方向長さにわたって延在する第１の据え込み鍛造管部分５６を備えることができ、第２の端部領域６は、少なくとも第２の外側ねじ切り部５の軸方向長さにわたって延在する第２の据え込み鍛造管部分５８を備えることができる。このようにして、端部領域３、６は、第１および第２の金属管１、４の隣接部よりも大きい外径および大きい肉厚をそれぞれ備えることができる。

据え込み鍛造は、金属管の長さを圧縮することにより金属管の直径を大きくする作業である。

実施形態によれば、第１および第２の外側ねじ切り部２、５のそれぞれの内径ｄｉ３における第１および第２の端部領域３、６の断面積は、第１および第２の据え込み鍛造管部分５６、５８の外側の第１および第２の金属管１、４のそれぞれの断面積の少なくとも１０５％、または少なくとも１１０％である。このようにして、第１および第２の金属管１、４の頑丈な第１および第２の端部領域３、６が提供され得る。

図３ｂは、第１のスリーブ部品８および第１の金属管１の断面の部分拡大図を示す。図３ｂの鏡像が、第２のスリーブ部品１０および第２の金属管４の同じ部分に対応する。以下では、図３ａおよび３ｂが参照される。

実施形態によれば、第１の据え込み鍛造管部分５６は、第１の金属管１の軸方向中心軸線６２に対して２～１０度の範囲内の鋭角γで延在する外側表面６１を有する第１の円錐形管部分６０を備えることができ、第２の据え込み鍛造管部分５８は、第２の金属管４の軸方向中心軸線６６に対して２～１０度の範囲内の鋭角δで延在する外側表面６３を有する第２の円錐形管部分６４を備えることができる。このようにして、第１および第２の円錐形管部分６０、６４のそれぞれは、金属製の第１および第２の管１、４の第１および第２の据え込み鍛造管部分５６、５８とそこに隣接するそれぞれの部分との間に漸進的な移行部を提供する。そのような漸進的な移行部は、第１および第２の金属管１、４の据え込み鍛造管部分５６、５８とそこに隣接する部分との間の領域において応力集中を減少させることができる。

実施形態によれば、第１および第２の円錐形管部分６０、６４のそれぞれから第１および第２の据え込み鍛造管部分５６、５８に隣接する第１および第２の金属管１、４のそれぞれの部分への移行部は、少なくとも５ｍｍの半径Ｒを有し得る。このようにして、第１および第２の金属管１、４の据え込み鍛造管部分とそこに隣接する部分との間の移行部における応力集中が減少され得る。

図３ｃは、第１および第２のスリーブ部品８、１０ならびに第１および第２の金属管１、４の断面の部分拡大図を示す。以下では、図３ａおよび図３ｃが参照される。

実施形態によれば、第１および第２の金属管１、４のそれぞれは、肉厚Ｗを有する。第１の外側ねじ切り部２は、第１の端部領域３において第１の金属管１の端部６８から第１の距離Ｄ１のところで終端し得る。第１の距離Ｄ１は、少なくとも肉厚Ｗに一致し得る。第２の外側ねじ切り部５は、第２の端部領域６において第２の金属管４の端部７０から第２の距離Ｄ２のところで終端し得る。第２の距離Ｄ２は、少なくとも肉厚Ｗに一致し得る。このようにして、第１および第２の外側ねじ切り部２、５は、第１および第２の外側ねじ切り部２、５が第１および第２の金属管１、４のそれぞれの端部６８、７０まで延在する場合よりも、第１の突合せ溶接継手７２の溶接中に溶接スパッタにさらされることが少なくなる可能性がある。第１および第２の外側ねじ切り部２、５における溶接スパッタは、面倒な溶接スパッタの除去を必要とし得る。さもなければ、第１および第２のスリーブ部品８、１０は、第２の突合せ溶接継手７４を溶接するために第１および第２の外側ねじ切り部２、５上にねじ込まれてそれらの端部と接触することができない可能性がある。

実施形態によれば、第１および第２の突合せ溶接継手７２、７４の領域において第１および第２のスリーブ部品８、１０と第１および第２の金属管１、４との間に環状空間１３が形成され得る。このようにして、第１および第２の金属スリーブ部品８、１０を接続する第２の突合せ溶接継手７４は、第１および第２の金属管１、４と接触して相互作用するのを防止され、かつ、第１および第２の金属管１、４を接続する第１の突合せ溶接継手７２と接触して相互作用するのを防止される。

図２ｃに戻り参照すると、実施形態によれば、環状空間１３内にセラミック保護部材１４が配置され得る。このようにして、セラミック保護部材１４は、第１および第２の金属スリーブ部品８、１０を接続する第２の突合せ溶接継手７４が第１および第２の金属管１、４ならびに第１および第２の金属管１、４を接続する第１の突合せ溶接継手７２と接触して相互作用するのを防止することができる。保護部材１４は、第１の突合せ溶接継手７２の上に位置決め可能である２つの半円形部分を含み得る。例として述べると、セラミック保護部材１４は、例えば酸化アルミニウムまたは酸化チタンなどの繊維状セラミック材料を含み得る。

図１～図３ｃを参照すると、実施形態によれば、第１の金属管１は、第１の金属合金を含むことができ、第２の金属管４は、第２の金属合金を含むことができ、第１の金属合金および第２の金属合金は、異なる合金組成のものであってもよい。

したがって、第１および第２の金属合金が異なる合金組成を有ししたがって異なる材料化学的性質を有する結果として、少なくとも１つの脆性相が、第１の突合せ溶接継手７２に生じる。そこに含まれる合金化要素は、溶接時に相互作用して前記脆性相を形成し、したがって、第１の突合せ溶接継手７２をそれぞれの金属管１、４よりも機械的に弱くする。ここで、第１の金属合金は、ＦｅＣｒＡｌ合金であってもよく、第２の金属合金は、ＦｅＣｒＮｉ合金であってもよい。したがって、上述の脆性相は、ニッケルアルミナイドを含み得る。本明細書において提示された例示的な実施形態では、第１の金属合金は、重量％で０．０８までのＣ、０．７までのＳｉ、１０～２５のＣｒ、１～１０のＡｌ、１．５～５のＭｏ、０．４までのＭｎ、残りのＦｅ、および通常生じる不純物を含む。

実施形態によれば、第１のスリーブ部品８および第２のスリーブ部品１０は、同じ合金組成を有し得る。

第１および第２のスリーブ８、１０は、同じ化学組成または少なくとも類似の化学組成を有する鋼で作られ得る。本明細書において提示された例示的な実施形態では、第１および第２のスリーブ８、１０の金属合金は、重量％で０．０８までのＣ、０．７までのＳｉ，１０～２５のＣｒ、１～１０のＡｌ、１．５～５のＭｏ、０．４までのＭｎ、残りのＦｅ、および通常生じる不純物を含む、上述の第１の金属合金であり得る。

第２の金属スリーブ部品１０の第２の内側ねじ切り部１１は、アルミナ層（図面では見えず）を含み得る。第１の金属合金で作られたねじ切り部の表面上に酸化鉄を有するリスクは、この場合は第２の金属管４である対向する部品が上述の第２の金属合金で作られておりまた第２のスリーブ部品１０が第１の金属合金で形成されている場合、さらに大きい。そのような場合、少なくとも第２の金属スリーブ部品１０の第２の内側ねじ切り部１１は、酸化前処理を受けるべきであり、その結果として内側ねじ切り部１１上にアルミナ層が得られる。本明細書において提示された例示的な実施形態では、第１のスリーブ部品８の第１の内側ねじ切り部９もまた、保護アルミナ層を含み得る。第１の金属管１の第１の外側ねじ切り部２もまた、保護アルミナ層を含み得る。

管機構３０は、第１および第２の金属管１、４を接続する第１の突合せ溶接継手７２によって画定された第１および第２の金属管１、４の間の気密接続を提示し、一方で、第１および第２の金属スリーブ部品８、１０によって形成されたスリーブが、管機構３０の荷重担持部を形成し、それにより、第１および第２の金属管１、４を接続する第１の突合せ溶接継手７２によって受け入れられる必要がある機械的荷重が減少する。いくつかの例示的な実施形態によれば、第２の突合せ溶接継手７４によって接続された第１および第２の金属スリーブ部品８、１０によって形成された荷重担持部は、管機構３０が受ける機械的荷重を、第１の突合せ溶接継手７２によって担持され得るのよりも多く担持するように設計され得る。

第１および第２の突合せ溶接継手７２、７４を溶接するための突合せ溶接プロセスは、充填材料として上述の第１の金属合金を使用する、場合により手動のＴＩＧ（タングステン不活性ガス）溶接プロセスを含むことが推奨される。しかし、他の適切な合金も、充填材料として使用され得る。充填材料は、ストリップまたはワイヤの形態とされ得る。

第１および第２の金属管１、４の前記端部領域３、６に前記外側ねじ切り部２、５を設ける前に、金属管１、４は、対応する金属管１、４の隣接部よりも大きい外径および大きい肉厚をそれらの端部領域３、６に与える処理にさらされてもよい。上記で論じたように、この処理は、据え込み、または据え込み鍛造とも呼ばれる鍛造ステップを含み得る。

突合せ溶接により第１および第２の金属スリーブ部品８、１０の対向する端部を継合する前に、セラミック保護部材１４は、第１および第２の金属スリーブ部品８、１０の第２の突合せ溶接継手７４が第１および第２の金属管１、４ならびに第１の突合せ溶接継手７２と接触して相互作用するのを防止する位置において、第１および第２のスリーブ部品８、１０と第１および第２の金属管１、４との間に位置決めされ得る。

上述のように、第２の金属スリーブ部品１０の第２の内側ねじ切り部１１は、第２のスリーブ部品１０が第２の金属管４上に位置決めされる前、および第２の金属管４が第１の金属管１と継合される前に、酸化前処理にさらされ得る。酸化前処理は、おおよそ８時間にわたっておおよそ１１００℃の温度まで第２の金属スリーブ部品１０を加熱することを含み得る。

本明細書において提示された例示的な実施形態では、第１の金属スリーブ部品８の第１の内側ねじ切り部９、および第１の金属管１の第１の外側ねじ切り部２もまた、対応する熱処理により、アルミナ層が与えられ得る。

上記で論じられた高温条件のうちのいくつかの高温条件下では、２つの金属管間の接続部は、最終的には、突合せ溶接継手において、または、例えばねじ付きの領域もしくはねじ付きの領域に接続する領域内などの突合せ溶接継手付近の領域において、断裂する可能性がある。管機構３０の態様および／または実施形態に関連して上記で論じられた対策および／または特徴は、個々にまたは様々な組み合わせで、互いに突合せ溶接されかつ単純なねじ切り部を介して第１および第２の突合せ溶接された金属管に接続された２つの単純な円筒形のスリーブ部品を含む管機構と比較して、管機構３０の動作寿命を延長する。

図４は、実施形態による炉４０を示す。炉４０は、チャンバ１５、熱を生成するためのバーナ機構１６、ならびに、炉４０を通してガスおよび／または蒸気を導くための本明細書において論じられる態様および／または実施形態のうちのいずれか１つによる管機構３０を備える。

実施形態によれば、炉４０は、管機構３０を通して導かれた炭化水素の分解によりエチレンを生産するように構成され得る。

バーナ機構１６は、熱を生成するために設けられる。上文に画定されたような２つの管機構３０が、炉４０を通して高温のガスおよび／または蒸気を導くために設けられる。炉４０のチャンバ１５の内側では、管機構３０が（ここでは突合せ溶接部２０、２１によって）接続される配管１９が、配管１９によって形成される。上述の第１の金属合金が前記配管１９の材料として使用されることが、提案される。チャンバ１５の出口１７および入口１８の領域では、チャンバ１５の内側に、上記で定義された管機構３０が設けられる。一方の管機構３０の第２の金属管４は、出口１７を介してチャンバ１５の外に延在することができ、もう一方の管機構３０の第２の金属管４は、入口１８を介してチャンバ１５の外に延在することができる。あるいは、上述のように、第２の金属管４のうちの一方が、出口１７の管に突合せ溶接されてもよく、第２の金属管４のうちのもう一方が、入口１８の管に突合せ溶接されてもよい。後者の場合では、上述の第２の金属合金が、出口１７および入口１８の管における材料として使用される。さらなる代替形態によれば、第１の金属管１は、入口１８における管機構３０と出口１７における管機構３０との間全体にわたって延在して管１９に置き換わり、突合せ溶接部２０、２１を省くことができる。

前述は様々な例示の実施形態の説明に役立つものであること、および、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ定義されることが、理解されるべきである。当業者は、添付の特許請求の範囲によって定められた本発明の範囲から逸脱することなく、例示の実施形態が修正され得ること、および、本明細書において説明された実施形態以外の実施形態を作り出すために例示の実施形態の様々な特徴が組み合わせられ得ることを、理解するであろう。

Claims (14)

1. 第１の金属管（１）、第２の金属管（４）、第１のスリーブ部品（８）、および第２のスリーブ部品（１０）を備える、管機構（３０）であって、
   前記第１の金属管（１）の第１の端部領域（３）が第１の外側ねじ切り部（２）を備え、前記第２の金属管（４）の第２の端部領域（６）が第２の外側ねじ切り部（５）を備え、
   前記第１のスリーブ部品（８）が、金属で作られ、かつ第１の内側ねじ切り部（９）を備え、前記第２のスリーブ部品（１０）が、金属で作られ、かつ第２の内側ねじ切り部（１１）を備え、
   前記第１の端部領域（３）が、第１の突合せ溶接継手を介して前記第２の端部領域（６）と継合されるように構成され、
   前記第１のスリーブ部品（８）の第１の近位スリーブ端部（３２）が、第２の突合せ溶接継手を介して前記第２のスリーブ部品（１０）の第２の近位スリーブ端部（３４）と継合されるように構成され、更に、
   前記第１のスリーブ部品（８）が第１の外側表面（３６）を備え、前記第１の外側表面（３６）が、前記第１のスリーブ部品（８）の軸方向中心軸線（３８）に対して第１の鋭角（α）で延在し、かつ、前記第１の近位スリーブ端部（３２）にその幅広端部（４２）を有する第１の円錐形スリーブ部分（４０）を形成し、
   前記第２のスリーブ部品（１０）が第２の外側表面（４４）を備え、前記第２の外側表面（４４）が、前記第２のスリーブ部品（１０）の軸方向中心軸線（４６）に対して第２の鋭角（β）で延在し、かつ、前記第２の近位スリーブ端部（３４）にその幅広端部（４９）を有する第２の円錐形スリーブ部分（４８）を形成し、
   前記第１および第２の金属管（１、４）のそれぞれが、公称直径（Ｄｎｏｍ）および公称断面積（Ａｎｏｍ）を有し、前記第１のスリーブ部品（８）が、前記第１の近位スリーブ端部（３２）に対向する第１の遠位スリーブ端部（３３）を備え、前記第２のスリーブ部品（１０）が、前記第２の近位スリーブ端部（３４）に対向する第２の遠位スリーブ端部（３５）を備え、
   前記第１の内側ねじ切り部（９）が、前記第１の遠位スリーブ端部（３３）の領域内の第１のねじ切り部端部（３７）において終端し、前記第１のスリーブ部品（８）が、前記第１のねじ切り部端部（３７）に第１のねじ切り部端部断面積Ａ１を有し、
   前記第２の内側ねじ切り部（１１）が、前記第２の遠位スリーブ端部（３５）の領域内の第２のねじ切り部端部（３９）において終端し、前記第２のスリーブ部品（１０）が、前記第２のねじ切り部端部（３９）に第２のねじ切り部端部断面積（Ａ２）を有し、
   前記第１および第２の近位スリーブ端部（３２、３４）が前記第２の突合せ溶接継手（７４）により前記第２の突合せ溶接継手（７４）において継合される場合に、前記第２の突合せ溶接継手（７４）を含む前記第１および第２のスリーブ部品（８、１０）が、溶接平面断面積（Ａｗｅｌｄ）を有するように構成され、
   第１の長さＬ１が、Ａ１とＡｗｅｌｄとの間に延び、第２の長さＬ２が、Ａ２とＡｗｅｌｄとの間に延び、
   前記第１の鋭角（α）および前記第２の鋭角（β）が、
   － Ａｎｏｍの１．３～２．３倍の範囲内であるＡｗｅｌｄ、
   － Ａｗｅｌｄの０．３～０．５倍の範囲内であるＡ１およびＡ２のそれぞれ、および、
   － Ｄｎｏｍの０．８～１．５倍の範囲内であるＬ１およびＬ２のそれぞれ
   によって形成される、ことを特徴とする、管機構（３０）。
2. 前記第１の内側ねじ切り部（９）が、前記第１の円錐形スリーブ部分（４０）の少なくとも一部分に沿って延在し、前記第２の内側ねじ切り部（１１）が、前記第２の円錐形スリーブ部分（４８）の少なくとも一部分に沿って延在する、請求項１に記載の管機構（３０）。
3. 前記第１のスリーブ部品（８）が、前記第１の近位スリーブ端部（３２）に対向する前記第１のスリーブ部品（８）の第１の遠位スリーブ端部（３３）に第１のリング状部分（５０）を備え、前記第２のスリーブ部品（１０）が、前記第２の近位スリーブ端部（３４）に対向する前記第２のスリーブ部品（１０）の第２の遠位スリーブ端部（３５）に第２のリング状部分（５２）を備える、請求項１または２に記載の管機構（３０）。
4. 前記第１および第２のリング状部分（５０、５２）のそれぞれが、前記第１および第２の外側ねじ切り部（２、５）のそれぞれの外径よりも大きい内径を有し、前記第１および第２のリング状部分（５０、５２）のそれぞれが、平らな内側表面（５４）を有する、請求項３に記載の管機構（３０）。
5. 前記第１の端部領域（３）が、少なくとも前記第１の外側ねじ切り部（２）の軸方向長さにわたって延在する第１の据え込み鍛造管部分（５６）を備え、前記第２の端部領域（６）が、少なくとも前記第２の外側ねじ切り部（５）の軸方向長さにわたって延在する第２の据え込み鍛造管部分（５８）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の管機構（３０）。
6. 前記第１および第２の外側ねじ切り部（２、５）のそれぞれの内径における前記第１および第２の端部領域（３、６）の断面積が、前記第１および第２の据え込み鍛造管部分（５６、５８）の外側の前記第１および第２の金属管（１、４）のそれぞれの断面積の少なくとも１０５％、または少なくとも１１０％である、請求項５に記載の管機構（３０）。
7. 前記第１の据え込み鍛造管部分（５６）が、前記第１の金属管（１）の軸方向中心軸線（６２）に対して２～１０度の範囲内の鋭角（γ）で延在する外側表面（６１）を有する第１の円錐形管部分（６０）を備え、前記第２の据え込み鍛造管部分（５８）が、前記第２の金属管（４）の軸方向中心軸線（６６）に対して２～１０度の範囲内の鋭角（δ）で延在する外側表面（６３）を有する第２の円錐形管部分（６４）を備える、請求項５または６に記載の管機構（３０）。
8. 前記第１および第２の円錐形管部分（６０、６４）のそれぞれから前記第１および第２の据え込み鍛造管部分（５６、５８）に隣接する前記第１および第２の金属管（１、４）のそれぞれの部分への移行部が、少なくとも５ｍｍの半径（Ｒ）を有する、請求項７に記載の管機構（３０）。
9. 前記第１および第２の金属管（１、４）のそれぞれが、肉厚Ｗを有し、前記第１の外側ねじ切り部（２）が、前記第１の端部領域（３）において前記第１の金属管（１）の端部（６８）から第１の距離Ｄ１のところで終端し、前記第１の距離Ｄ１が、少なくとも前記肉厚Ｗに一致し、前記第２の外側ねじ切り部（５）が、前記第２の端部領域（６）において前記第２の金属管（４）の端部（７０）から第２の距離Ｄ２のところで終端し、前記第２の距離Ｄ２が、少なくとも前記肉厚Ｗに一致する、請求項１から８のいずれか一項に記載の管機構（３０）。
10. 前記第１および第２の端部領域（３、６）において前記第１および第２の金属管（１、４）を継合する第１の突合せ溶接継手（７２）と、前記第１および第２のスリーブ部品（８、１０）を継合する第２の突合せ溶接継手（７４）とを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の管機構（３０）。
11. 前記第１および第２の突合せ溶接継手（７２、７４）の領域において前記第１および第２のスリーブ部品（８、１０）と前記第１および第２の金属管（１、４）の間に環状空間（１３）が形成される、請求項１０に記載の管機構（３０）。
12. 前記環状空間（１３）内に配置されたセラミック保護部材（１４）を備える、請求項１１に記載の管機構（３０）。
13. チャンバ（１５）と、熱を生成するためのバーナ機構（１６）と、炉を通してガスおよび／または蒸気を導くための請求項１から１２のいずれか一項に記載の管機構（３０）とを備える、炉（４０）。
14. 前記管機構（３０）を通して導かれた炭化水素の分解によりエチレンを生産するように構成されている、請求項１３に記載の炉（４０）。

Images