JPH1019194A - 高温圧力容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】圧力容器、圧力容器内面に設けられた断熱材、
断熱材を覆う耐摩耗材により構成される高温圧力容器に
おいて、耐摩耗材に発生する熱応力を低減し対磨耗材の
クラックの発生や剥離などを防止することを目的とす
る。 【構成】耐摩耗材に圧力容器軸方向と軸直角方向の切れ
目を設けることで耐摩耗材に発生する熱伸びを切れ目に
よって吸収し、周方向熱応力と軸方向熱応力を緩和させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高温ガス用圧力容器とり
わけ容器内を磨耗性の粒子を含んだ高温ガスが流通する
圧力容器の断熱構造にかかわる。

【０００２】

【従来の技術】一般的にボイラ、サイクロン等の本発明
が対象となる高温圧力容器で用いられる耐熱構造の概念
図を図２に示す。この種の高温圧力容器は一般に圧力容
器１、断熱材２、耐摩耗材３、断熱材アンカ４、耐摩耗
材アンカ５、管台６、 ７、 ８より構成されるＹ軸を回
転軸とする回転体形状の構造物である。高温ガスを封入
する高温圧力容器は高強度部材で作られた圧力容器１に
てガス圧力を保持する。圧力容器１は容器内面に取り付
けられた断熱材２より内部高温ガスの熱から保護され
る。断熱材２は圧力容器内を流れる高温ガスに含まれる
各種粒子による摩耗を防ぐために、耐摩耗材３にてガス
との接触面が覆われている。断熱材２、耐摩耗材３には
Ａｌ₂ＯとＳｉＯ₂の混合物もしくはそれと同等の熱伝導
率を有する材料等を用いる。断熱材２及び耐摩耗材３は
それぞれ圧力容器１に設置された断熱材アンカ４、耐摩
耗材アンカ５にて圧力容器内面から脱落しないように取
り付けられている。圧力容器１は一般的に高温ガスを流
入出させるための管台６、 ７、８を有している。

【０００３】図２の圧力容器の壁構造の詳細を図３に示
すように、断熱材２を保護する耐摩耗材３にはスチール
ファイバなどの強化ファイバ９を含ませ、耐摩耗材３の
強度を向上させるともに、剥落を防止することが行われ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な構造の圧力容器にあっても、使用条件がきびしい状況
下では対磨耗材にクラックが発生する場合がある。この
クラックが拡大すると対磨耗材の剥落の原因となり、対
磨耗材が剥落した容器はたちまちその寿命を縮め使用に
重大な支障を来す。対磨耗材が剥落する原因を内部応力
計算で解析を試みた結果、耐摩耗材３には、高温ガスに
曝されない圧力容器１との温度差による熱伸び差の違い
により熱応力が発生することによることが判明した。そ
れは耐摩耗材３は運転時においては高温ガスに曝される
ためである。

【０００５】

【問題を解決するための手段】

１．高強度部材で作られた圧力容器、この圧力容器の内
壁面に設けられて圧力容器内を高温ガスによる熱影響か
ら保護するための断熱材、この断熱材の内壁面に設けら
れて高温ガスないし同ガス中に含まれる各種粒子による
磨耗から断熱材表面を保護するための対磨耗部材よりな
るものにおいて、この対磨耗部材にこの対磨耗部材が熱
によって膨張することによってこの対磨耗部材内に圧縮
応力を生ずるのを防止又は緩和するための切れ目をこの
対磨耗部材の間に設けたことを特徴とする高温圧力容
器。

【０００６】２．上記１．において、高温圧力容器がほ
ぼ垂直円筒状をなすものであるものにおいてこの切れ目
が、圧力容器の軸方向と軸直角方向に設けられてなるこ
とを特徴とする高温圧力容器。

【０００７】３．上記１．および２．において、この切
れ目の間隔が切れ目に隣接する対磨耗部材の伸びと同じ
か又はそれよりも大きくすることを特徴とする高温圧力
容器。

【０００８】４．上記１．及び２．において、この切れ
目を構成する相対する二つの対磨耗部材の対面が熱膨張
によるのびの方向に傾斜しており、それによってたとえ
熱膨張によって相対する対磨耗部材が接触してもその傾
斜によって衝突による反力を生じないようにしたことを
特徴とする高温圧力容器。

【０００９】５．上記４．において、この切れ目の間隔
が隣接する対磨耗部材ののびと同じか又はそれよりも小
さいことを特徴とする高温圧力容器。

【００１０】６．上記１．ないし５．において、対磨耗
材にファイバを混入してなるものにおいて、切れ目に接
する部分の対磨耗材のファイバの混入量をそれ以外に比
べて多くしたことを特徴とする高温圧力容器。

【００１１】７．上記１．ないし６．において、対磨耗
材の表面をさらに対磨耗材で被覆したことを特徴とする
高温圧力容器。

【００１２】

【作用】本発明が対象とする高温圧力容器では、圧力容
器と断熱材を介して結合されている対磨耗材の間には温
度差によって相対的な伸びが大きい対磨耗材に対して、
本発明によれば、対磨耗材に切れ目を設けることによっ
てその相対的な伸びを吸収するので対磨耗材に圧縮応力
が生ずるのを防止または緩和することでき、その結果、
対磨耗材の剥離脱落を防止することができる。またその
際に対磨耗材を適宜の位置やサイズに区分してそれらの
間に切れ目を設けることにより、全体として圧縮応力の
低減、緩和がなされ、対磨耗材のクラックの発生を防ぎ
剥落がないようにすることができる。

【００１３】さらに、対磨耗材のクラックの発生を防ぎ
対剥落強度を増すためにファイバを混入する場合に、本
発明のように、対磨耗材の切れ目に近い部分のファイバ
量を多くすることで効果的に対磨耗材の対クラック性及
び対剥落性を向上させることができる。

【００１４】

【実施例】図１、図４及び図５に本発明の実施例になる
圧力容器の構造を示す。高温圧力容器は圧力容器１にて
ガス圧力を保持され、同圧力容器１は容器内面に取り付
けられた断熱材２より内部の高温ガスの熱から保護され
ている。断熱材２の表面は圧力容器内を流れる高温ガス
に含まれる各種粒子により叩かれたり擦られたりするこ
とによる摩耗を防ぐために、耐摩耗材３にてガスとの接
触面を覆われている。耐摩耗材３は運転時においては高
温ガスに曝されるため、耐摩耗材３には、高温ガスに曝
されない圧力容器１との熱伸び差の違いにより熱応力が
発生する。その結果対磨耗材にクラックが生じさらに剥
離が生ずることは前述の通りである。この熱応力を低減
するために本実施例では耐摩耗材３に軸方向切れ目１０
を設け、耐摩耗材３の周方向熱変形を吸収し、耐摩耗材
３の周方向応力を低減し、耐摩耗材のクラックや脱落を
防止するようにした。また、軸直角方向切れ目１１を設
けることにより耐摩耗材の軸方向の熱変形を吸収し、耐
摩耗材に発生する軸方向応力を低減し、それによってク
ラックの発生や剥離による脱落を防止する。

【００１５】断熱材２及び耐摩耗材３はそれぞれ圧力容
器１に設置された断熱材アンカ４、耐摩耗材アンカ５に
て圧力容器内面から脱落しないように取り付けられてい
る。

【００１６】また、場合によっては、図６、７に示すよ
うに高温ガスやガスに含まれる粒子が切れ目への進入を
防止するために切れ目１０、１１を低弾性率封止材料１
２にて封止するようにしてもよい。低弾性率封止材料１
２は耐摩耗材３より低弾性率のものが望ましくかつ線膨
張率の小さいものがよい。

【００１７】図８、図９、図１０及び図１１に切れ目の
入れ方を工夫した実施例を示す。図８の実施例において
は耐摩耗材３の軸方向切れ目１０に対し半径方向に対し
ある角度を持たせた切れ目１０ａを設けることにより、
熱伸びした耐摩耗材３がくさび状に重なり合い、熱変形
を吸収し得るように工夫されている。図９はその作用を
示す側断面図である。図１０は軸直角方向に切れ目１１
ａを設けた例を示す側断面図、図１１はその作用を示す
側断面図である。図１５、１６に示す実施例は耐摩耗材
３に設けた切れ目１０、１１の深さを耐摩耗材を貫通せ
ず中程で止めたものである。このように切れ目深さを調
節することによっても応力値を低減することが可能であ
る。

【００１８】図１２に別な実施例の概念図を示す。本実
施例は先に例示した高温圧力容器の耐熱構造において、
耐摩耗材３の切れ目部１０、１１の近傍にファイバを含
有させたことを特徴とする高温圧力容器耐熱構造であ
る。熱応力低減のために耐摩耗材３には切れ目部１０、
１１を設けている。この切れ目部は圧力容器内高温ガス
に含まれる粒子等の浸食を受けやすく、この切れ目部か
らクラックが発生する恐れがある。切れ目部１０、１１
よりクラックが進展することを防止するため、切れ目部
１０、１１の近傍にファイバを含有させた耐摩耗材１３
を用いている。

【００１９】図１３、１４に示すさらに別な実施例は図
１に示した高温圧力容器の耐熱構造において、切れ目部
１０、１１を有する耐摩耗材３をさらに切れ目のない耐
摩耗材１４にて覆ったことを特徴とする。切れ目１０、
１１を有する耐摩耗材３を耐摩耗材１４にて覆ったこと
により、切れ目１０、１１が圧力容器内高温ガスに含ま
れる粒子等の浸食を受けることを防止する。また、耐摩
耗材３には切れ目が設けられているため、耐摩耗材３、
１４の熱変形を逃がすことができ、耐摩耗材の熱応力を
低減することができる。

【００２０】図１７、図１８、図１９、図２０及び図２
１、２２に本発明の効果を検証するための応力計算結果
を示す。図１７、１８、１９、２０には検討したケース
を示しており、図１７には従来の切れ目を設けないケー
ス（ケース１）を示す。図１８には軸方向切れ目１０を
設けたケース（ケース２）を示す。図１９には軸直角方
向切れ目１１を設けたケース（ケース３）を示す。図２
０には軸方向切れ目１０と軸直角方向切れ目１１を設け
たケース（ケース４）を示す。図２１、２２に耐熱構造
の応力分布図を示す。図２１に耐熱構造の軸方向応力分
布図を示し、図２２に耐熱構造の周方向応力分布図を示
す。耐摩耗材３の応力は実施例の軸方向切れ目１０と軸
直角方向切れ目１１を設けたケース（ケース４）におい
て、軸方向応力、周方向応力ともに低減されていること
が分かる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、高温高圧下で使用され
る高温圧力容器において、高強度に作られた圧力容器を
高温高熱から保護する断熱材とこの断熱材を高温ガスに
よる磨耗から防ぐためにこの断熱材を被覆する対磨耗材
が圧力容器などとの大幅な温度差に基づくところの熱膨
張の差による圧縮応力によるクラックの発生や剥がれが
防止されるのでこの種の高温圧力容器の耐久性を著しく
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示す斜視図。

【図２】従来例の高温圧力容器の一例の構造を概念的に
示す縦断面図。

【図３】図２の高温圧力容器の壁構造の詳細構造を示す
一部断面斜視図。

【図４】図１の上断面図。

【図５】図１の側断面図。

【図６】他の実施例の構成を示す上断面図。

【図７】図６の側断面図。

【図８】さらに他の実施例の構成を示す上断面図。

【図９】図８の上断面図。

【図１０】図８の側断面図。

【図１１】図１０作用を示す側断面図。

【図１２】本発明の別な実施例の構成を示す一部断面斜
視図。

【図１３】本発明のさらに別な実施例の構成を示す上断
面図。

【図１４】図１３の側断面図。

【図１５】本発明の異なった実施例の構成を示す上断面
図。

【図１６】図１５の側断面図。

【図１７】解析１を説明する線図。

【図１８】解析２を説明する線図。

【図１９】解析３を説明する線図。

【図２０】解析４を説明する線図。

【図２１】解析により得られた軸方向応力分布図。

【図２２】解析により得られた周方向応力分布図。

【符号の説明】

１：圧力容器、２：断熱材、３：耐摩耗材、４：断熱材
アンカ、５：耐摩耗材アンカ、６：管台、７：管台、
８：管台、９：強化ファイバ、１０：軸方向切れ目、１
０ａ：軸方向切れ目、１１：軸直角方向切れ目、１２：
低弾性率封止材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久下沼 修一 茨城県日立市幸町三丁目２番２号 株式会 社日立エンジニアリングサービス内 (72)発明者 高橋 浩二 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高強度部材で作られた圧力容器、この圧力
   容器の内壁面に設けられて圧力容器を高温ガスによる熱
   影響から保護するための断熱材、この断熱材の内壁面に
   設けられて高温ガスないしどうガス中に含まれる各種粒
   子による磨耗から断熱材表面を保護するための対磨耗部
   材よりなるものにおいて、この対磨耗部材に温度差によ
   る相対的な伸びによって圧縮応力が生ずるのを防止また
   は緩和するための切れ目をこの対磨耗部材の間に設けた
   ことを特徴とする高温圧力容器。
2. 【請求項２】高温圧力容器がほぼ垂直円筒状をなすもの
   であるものにおいてこの切れ目が、圧力容器の軸方向と
   軸直角方向に設けられてなることを特徴とする請求項１
   の高温圧力容器。
3. 【請求項３】この切れ目の間隔が切れ目に隣接する対磨
   耗部材の伸びと同じか又はそれよりも大きくすることを
   特徴とする請求項１及び２の高温圧力容器。
4. 【請求項４】この切れ目を構成する相対する二つの対磨
   耗部材の対面が熱膨張によるのびの方向に傾斜してお
   り、それによって熱膨張によって相対する対磨耗部材が
   接触してもその傾斜によって衝突による反力が生じない
   ようにしたことを特徴とする請求項１及び２の高温圧力
   容器。
5. 【請求項５】切れ目の間隔が隣接する対磨耗部材ののび
   と同じか又はそれよりも小さいことを特徴とする請求項
   ４の高温圧力容器。
6. 【請求項６】対磨耗材にファイバを混入してなるものに
   おいて、切れ目に接する部分の対磨耗材のファイバの混
   入量をそれ以外に比べて多くしたことを特徴とする請求
   項１ないし５の高温圧力容器。
7. 【請求項７】対磨耗材の表面をさらに対磨耗材で被覆し
   たことを特徴とする請求項１ないし６の高温圧力容器。