JPH0285696A - 二重伝熱管と管板の接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は熱交換器に係り、特に二重伝熱管が溶接される
管板の機械加工が容易で、前記溶接部の信頼性の向上を
図るに好適な二重伝熱管と管板の接続構造に関する。

（従来の技術） 高速増殖炉等の原子力発電プラントにおいて、原子炉で
発生した熱の移送媒体に熱伝導性の優れた金屑ナトリウ
ムが使用される。この金属ナトリウムは炉心からの熱を
保持し、１次系のループを循環し中間熱交換器で２次系
ループを循環する金属ナトリウムに熱を伝達した後、再
び炉心へ戻る。

一方、２次系ナトリウムはこの系内に配置され、蒸気の
発生により保有熱をさらに水、蒸気に伝達し、この水、
蒸気によってタービンを回転させ発電を行なうシステム
になっている。

上記のこれら熱交換器の一般的構造は、胴体内部の構造
物の保守点検が容易なように、胴体が円筒型で上下に分
離可能な構造になっており、さらに、熱交換を行なう伝
熱管の配置は円筒型胴体内に多数の貫通孔を有する２枚
の管板を配置し、この管板と管板の間を多数の直管で連
結したもの。

あるいは管板を１枚とし管板の貫通孔に多数の螺旋形コ
イル状伝熱管を連結して配置したもの等があり、伝熱管
の内部を流れる高圧の水、蒸気などの流体と外側を流れ
る高温の金属ナトリウムなどの温度差を利用し、伝熱管
の管壁を介して熱交換を行なうものである。従ってこの
熱交換を効率的に行なわせるためには、通常、伝熱管の
肉厚は強度上許される範囲内でできるだけ薄くすること
が好ましいが、これら多数の伝熱管の中には運転中に破
損に至るものもある。

このような場合には当然のことながら、伝熱管の内部を
流れる高圧の水、蒸気と、外側を流れる高温の金属ナト
リウムなどの流体とが直接接触することとなり、特に蒸
気発生器の場合には管内流体が高温の金属ナトリウムで
あることから１両者が直接接触した場合にはナトリウム
特有の性質から、水、蒸気と瞬時に反応して水素ガスを
放出し、引火爆発を起こし機器の破壊に止まらず、プラ
ント全体に及ぶ大事故に至る危険性があるから、蒸気発
生器の伝熱管は上記事故防止上からも重要な保安的構成
要素であり、金属ナトリウムと水、蒸気の混合接触を防
止するための各種の対策が施されている。実開昭６２−
１１８９８４号考案は上記対策の一例であって、第４．
５図に示すように、蒸気発生器の伝熱管を内管３．外管
４から成る二重管とし、この二重伝熱管を接続する管板
１側は。

水、蒸気流通用の蒸気通路２の管板下面側を、蒸気通路
２と同心の円筒状に内側管状突起１３、外側管状突起１
４の２つの突起を機械加工により形成し、内側管状突起
１３は第４図では内管３．外管４と。

第５図では内管３のみと突合せ溶接され、また外側管状
突起１４は両図とも外管４と隅肉溶接されている。この
溶接部５．溶接部ＩＯを管板１から引き離した位置に配
置することにより、溶接部５、ｌＯのＸ線検査を可能に
すると共に、内管３と外管４０間の空間８を利用して前
記管内外の流体の隔壁を２重構造とし、空間８に連通ず
る位置へ管壁を貫通する漏洩通路１５を配することによ
り、二重管の何れかに亀裂が発生し、流体がこの亀裂を
通って内管３と外管４の隙間６に侵入した場合に隙間６
に連通ずるリーク検出孔１１により早期に流体漏洩を検
知しようとするものである。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来技術は、高速増殖炉に使用する熱交換器の場合
に多数の二重伝熱管による蒸気通路を構成する必要上、
上記管板１の複雑な機械加工による作業時間は厖大なも
のとなること、管板１の板変化が大きく部分的に薄い部
分を設定することは強度的に問題があり、強度を確保す
るためには加工歩留りが低下するという相反する問題点
があった。さらに、内外側管状突起１３．１４の周辺部
は凹凸が多く、空間８にはノツチ効果による熱交換器稼
動、停止に伴う温度変化によって応力集中が発生し破損
事故に至るという大きな問題点があった。

溶接部５は特に管板１の上面７から管板１の板厚相当ま
で深い位置にあり、蒸気通路２を通って溶接トーチを挿
入して内面溶接することは高度の技術を必要とし溶接欠
陥が発生し易く、Ｘ線検査で欠陥が発見されても補修作
業のための機械加工はさらに困難性があった。第５図の
ものは第４図に比して、上記内面溶接欠陥防止の点では
よいが、二重伝熱管の外管４の外側を流れる流体圧力に
比して、内管３の内部を流れる蒸気圧力は５０〜７０倍
もあるから、内側管状突起１３、溶接部５、内管３が連
結した一体構造は圧力と熱応力のため、外側管状突起１
４方向に歪み破壊する危険性が大きい。

本発明は上記の課題を解決し、管板の複雑な機械加工を
なくして作業性が優れ、管板と二重伝熱管の溶接が容易
で信頼性が高く強度的に安定した二重伝熱管と管板の接
続構造を提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 上記の目的は、管板の上面側に小径孔、下面側に前記小
径孔と同心の大径孔を穿ち、前記小径孔側開口の近傍に
Ｕ状断面を有する環状溝と、この環状溝に隣接する前記
小径孔に開先を備える鍔状部と、前記大径孔の内底隅に
Ｒ加工部を備える前記管板と。

前記小径孔に適合する内管と大径孔に適合する外径の先
端部を先細に加工したテーパ加工部を有する外管とを一
体に形成した二重管と、前記管板のＲ加工部と前記外管
のテーパ加工部との接触部に形成される空間部と、 前記内管の端末と前記小径孔の内周部とを突合せ溶接す
る溶接部と、前記外管外周部と前記管板下面とを隅肉溶
接する溶接部とから成り、前記環状溝若しくは前記空間
部の何れか一方がリーク検出孔に連絡されるように構成
することによって達成される。

前記環状溝に代えて鍔状部に続く小径孔とし、前記小径
孔の内底隅にＲ加工部と前記内管先端部に先細に加工し
たテーパ加工部を形成してもよい。

（作用） 上記の構成により、管板の上面に凹凸がなく形状が単純
化し、これにより管板に対する多数の孔あけ加工が容易
になり、特に内管と管板との突合せ溶接部が管板の上面
に近接しているため、溶接作業が容易になると共に安定
化し、前記の管板形状が単純化して凹凸や角隅部分がな
くなることにより熱交換器として稼動と停止時の温度変
化に伴う応力集中の緩和に寄与する。

（実施例） 本発明の実施例を図面と共に説明する。第１図は第１実
施例を示し同図（ａ）は本発明の管板１０１のみを示す
断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）に本発明の二重伝熱管
を溶接した状態を示す図であって、管板１０１の上面１
０７から小径孔１０６を穿ち、下面１１２から小径孔１
１６と同心の大径孔１１７を穿ち、小径孔１１６側開口
の近傍にＵ状断面を有する環状溝１１８を加工し、小径
孔１１６に臨む大径孔１１７の内底隅にＲ加工部を設け
、小径孔１１６に開先１１６ｂを備えた鍔状部１１６ａ
を形成している。管板１０１の小径孔１１６及び大径孔
１１７内に内管１０３、外管１０４からなる二重管を挿
入し、溶接部１０５で内管１０３と管板１０１を突合せ
溶接し、溶接部１１０で外管１０４と管板１０１とを隅
肉溶接した状態を第１図（ｂ）に示している。外管１０
４の先端はテーパ加工部１２０を備えているから、外管
１０４が大径孔１１７に挿入されて内底隅に当接すると
、Ｒ加工部１１９とテーパ加工部１２０との間に空間部
１２１が形成される。空間部１２１は、金属ナトリウム
または水との反応による水素のリークを検出するリーク
検出孔１１１に連通ずるように構成されている。

上記構成において、鍔部１１６ａの厚さ矢印Ａ及び開先
１１６ｂの大きさや角度は、内管１０３の肉厚と溶接条
件によって適性値を選択することが可能である。また環
状溝１１ｇは、内管１０３の肉厚は管板１０１の板厚よ
りも薄く両者の熱容量の差が大きいため、溶接時に内管
１０３の溶融が先行し、管板１０１側に溶融不足を来し
て溶は込み不良を招くのを防止するのに有効で、これに
より突合せ溶接に最適の溶は込み形状を有する溶接部１
０５を形成することができる。二重管が予め一体に成形
されている場合には、内管１０３の小径孔１１６への挿
入長さは管板１０１の上面１０７から多少突出する寸法
とし、突合せ溶接後に管板１０１の上面１０７と同一面
になるよう機械加工仕上すればよい。また、バックシー
ルドガスを使用する溶接法においては、環状溝１１８は
溶接部１０５の下部に空気を遮蔽するための不活性ガス
の通路として好適である。バックシールドガスを流す手
段としては、溶接部１０５の開先近傍に細径のガス通路
を環状１１１８に連通させ、溶接作業終了後、管板１０
１の上面１０７側開ロ部を溶接密閉してもよく、内管１
０３に接する管板１０１との間に存在する隙間１０６を
利用してバックシールドガスを流入させてもよい。リー
ク検出孔１１１からバックシールドガスを隙間１０６、
環状溝１１８を経て流入させてもよい。

さらにまた環状溝１１８を設けることによって溶接部１
０５の近傍に角隅部分をなくし、応力集中による破壊を
防止することが可能である。

一方、管板１０１の下面１１２と外管１０４とを隅肉溶
接した溶接部１１０では、溶接金属の凝固時の収縮作用
によって外管１０４は大径孔１１７内のＲ加工部に押接
され、隅肉溶接を補強する意味でのシール部を形成する
。またＲ加工部１１９内に挿入されたテーパ加工部１２
０により生ずる空間部１２１は比較的小さく、二重伝熱
管の肉厚が薄い場合でも熱交換器稼動中、内管１０３の
膨出変形を防止する。管板１０１の製作加工は、多数の
小径孔１１６、大径孔１１７の周辺部に環状突起を加工
することがないため、加工時間が大幅に減少し管板１０
１の肉厚変動が避けられ、材料歩留りの向上に与える効
果も大きい。また管板孔と伝熱管との間の空間を少なく
することができるから、肉厚の薄い伝熱管を使用しても
、内圧による伝熱管の変形を小さく抑えることが可能と
なり、従来技術に見られた二重管の拡管加工や絞り加工
の必要がなく、従って管材の材料特性を低下させること
がない。

さらにまた、原子力発電プラントにおいて使用される熱
交換器の蒸気側すなわち内管１０３の内部圧力は極めて
高く、溶接部１０５の強度保持は重要であるが、溶接部
１０５を管板１０１の上面１０７側に配置することによ
り、一般的に採用されているＸ線検査用線源を小径孔１
１６内に、Ｘ線フィルムを溶接部１０５の上部へ装着す
る。いわゆる斜角法により溶接部の検査を実施すること
が可能である。

第２図は本発明の第２実施例図で、同図（ａ）は管板１
０１の加工状態を示す断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）
に本発明の二重管を溶接した状態を示す図であって、管
板１０１上面１０７側開口が小径孔１１６の直径より小
さい鍔状部１１６ａと、鍔状部１１６ａと環状溝１１８
との境界部に開先１１６ｂを備えたもので、その他は第
１実施例に準じた構成である。

環状溝１１８は、同図（ｂ）に示すように突合せ溶接後
に空間が残る大きさでよいが、内管１０３の流動性を考
慮すれば内管１０３の外周面から直径方向へ２ｍ内外、
軸方向へ１０４ｍｏ＋内外が好市内外寸法の一例である
。開先１１６ｂの形状は特に限定せず、鍔状部１１６ａ
の厚さ矢印Ａは内管１０３の肉厚と同等若しくは多少薄
い方が溶接部１（１５の溶は込み向上に効果的である。

第３図は本発明の第３実施例を示す図であって、第２実
施例における環状溝１１８を加工する代りに、小径孔１
１６の内底隅にＲ加工部１１９と内管先端部を先細に加
工したテーパ加工部１２０を形成したもので、これによ
り、内管１０３の先端に第１，２実施例における環状溝
１１８に準する空間部１０８が形成される。その他は第
２実施例に準する構成を有しており５作用効果もまた第
１．２実施例と同等である。

（発明の効果） 本発明の実施により、二重伝熱管を有する熱交換器にお
いて、管板の構造が単純化され、’！？板に加工する多
数の孔加工に要する加工時間が大幅に減少し管板の肉厚
変動が避けられるから材、料歩留りが向上し、設備原価
低減の効果は極めて大である。また突合せ溶接作業の容
易化により溶接の信頼性が向上し、特に、管板の断面形
状に凹凸や角隅部分がなくなることにより、熱交換器の
稼動と停止時の温度変化に起因する応力集中が避けられ
るから熱交換器の破損による事故防止に寄与しプラント
の信頼性向上の効果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る二重伝熱管と管板の接続構造の第
１実施例図で、第２図は本発明の第２実施例図、第３図
は本発明の第３実施例図を示し、第１〜３図とも（ａ）
は本発明の管板のみを示す断面図、（ｂ）は本発明の管
仮に二重伝熱管を溶接した状態を示す図、第４．５図は
従来技術を示す断面図である。 １０１・・・管＋Ｆｉ　　　　　　ｔ　Ｏ２・・・蒸気
通路１０３・・内管　　　　　１０４・・・外管＋０５
・・・溶接部　　　　１０６・・・隙間１０７・・・上
面　　　　　１０８・・・空間１１　Ｑ　°゛°溶接部
　　　　１１１・・・リーク検出孔１１２・・・下面　
　　　　１１６・・・小径孔１１６ａ・・・鍔状部　　
　１１６ｂ・・・開先１１７・・・大径孔　　　　１１
８・・・環状溝１１９・・・Ｒ加工部　　　１２０・・
・テーパ加工部１２１・・・空間部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、管板の上面側に小径孔、下面側に前記小径孔と同心
   の大径孔を穿ち、前記小径孔側開口の近傍にＵ状断面を
   有する環状溝と、前記前記環状溝に隣接する前記小径孔
   に開先を備える鍔状部と、前記大径孔の内底隅にＲ加工
   部を備える前記管板と、 前記小径孔に適合する内管と大径孔に適合する外径の先
   端部を先細に加工したテーパ加工部を有する外管とを一
   体に形成した二重管と、前記管板のＲ加工部と前記外管
   のテーパ加工部との接触部に形成される空間部と、 前記内管の端末と前記小径孔の内周部とを突合せ溶接す
   る溶接部と、前記外管外周部と前記管板下面とを隅肉溶
   接する溶接部とから成り、前記環状溝若しくは前記空間
   部の何れか一方がリーク検出孔に連絡されていることを
   特徴とする二重伝熱管と管板の接続構造。 ２、前記鍔状部は、前記小径孔より小さい直径を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の二重伝熱
   管と管板の接続構造。 ３、前記環状溝に代えて前記鍔状部に続く小径孔とし、
   前記小径孔の内底隅にＲ加工部と前記内管先端部に先細
   に加工したテーパ加工部を形成していることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項乃至第２項記載の二重伝熱管と
   管板の接続構造。