JPS645126Y2

JPS645126Y2 -

Info

Publication number: JPS645126Y2
Application number: JP1983198964U
Authority: JP
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1983-12-27
Publication date: 1989-02-09
Also published as: JPS60107611U

Description

【考案の詳細な説明】この考案は、熱交換器、塔槽類、配管等の圧力
容器構造体に多く採用されて、高温状態で使用さ
れるフランジ継手のボルトに取付けて、ボルトの
温度を低下させるのに用いるボルト熱放散具に関
する。

一般に、圧力容器構造体には、容器内の補修、
清掃等の作業を容易に行うために、第１図と第２
図に示すようにその接合にはフランジ継手ａ，ｂ
構造が用いられる事が多い。

この様なフランジ構造では、完全な密閉構造と
なつていないので、時として容器や配管の内部流
体が外部へ漏出する事がある。これは、ガスケツ
トｃを圧縮している力が、何等かの原因によりそ
の圧縮力が局所的に低下して、その圧縮力が低下
した部分のガスケツト面とフランジ面の隙間に内
部流体が浸透し、遂には外部への漏洩へと至る現
象と思われる。

即ち、フランジ継手ａ，ｂからの内部流体の漏
洩は、上記のごとく局所的なガスケツトｃの圧縮
力の低下の結果として起きると考えられるが、こ
の低下をもたらす直接的な原因は、ボルトｄの締
め付け力の不足と、その不均一性等にあり、それ
はまた締め付け方法の不備、製作上の精度、運転
条件の急激な変化等によつて引き起こされる。

従つて、内部流体の外部への漏洩を未然に防ぐ
ために何等かの手段によつてガスケツト圧縮力を
出来るだけ大きく、かつ均一にする工夫が為され
る。この目的のため、ボルト締め付け力の増加を
図つたり、フランジの設計に際してその形状、精
度等に配慮したり、よりよいシール性を有するガ
スケツトを用いるという各種対策が取られる。

しかしながら、各種検討改善の結果、ある状態
下で十分なガスケツト圧縮力が保たれ、内部流体
が外部へ漏洩しない状態となつても、フランジ構
造を取り巻く環境条件が変わつてしまうと即ち、
十分なガスケツト圧縮力をもたらしているボルト
締め付け力が環境条件の変化に応じて変わつてし
まうと、漏洩を防止するに十分なガスケツト圧縮
力が得られない状態が起こり得る。

その傾向は、圧力容器の運転開始時あるいは運
転休止時等に見られる様な温度が急激に遷移して
ゆく状態下では著しく、特にこの休止時に、フラ
ンジ継手部から内部流体が漏洩する事が多い。

第３図に示すように、ボルトｄの温度は、フラ
ンジ部ｅからの入熱（矢印↑で示す）及び伝熱
（矢印↑で示す）過程を経たボルトｄの表面から
の放熱（矢印で示す）が、平衡する状態として
定まつており、ボルトｄの表面からの放熱効果の
みでは、急激な内部流体の温度変化に追随できな
い。たとえば、内部流体が冷却される方向に向か
う状態の場合を考えると、内部流体と直接接触し
ているフランジの熱収縮変形の速さと比べ、ボル
トの熱収縮は遅れがちとなり、つまり伝熱及び放
熱による温度場の時間的な位相のずれがフランジ
の熱変形とボルトの熱変形の間に過渡的な弛緩状
態をもたらし、その結果、ボルト締め付け力の低
下を引き起こし、漏洩を生じせしめる現象と考え
られる。

ところで、ボルト締め付け力の低下を生じさせ
ず信頼性のあるボルト締め付け力を得る従来技術
として、特開昭57−119109号公報及び実開昭57−
54720号公報が挙げられる。

前者は、ボルトの内部に冷却媒体を通し、ボル
ト温度を外界の変化とは無関係に安定的に保持す
る事により、ボルトが温度変化する際に必然的に
発生するボルトの長さの変化を全く生じさせない
様な状態にする事により、一定のボルト締め付け
力を確保する方法である。

後者は、ボルトを機械的に引張る、若しくはボ
ルトに熱を加え、その長さを伸長させる等してボ
ルトに所要の締め付け力或いは所要の長さを得た
後、ナツトを入れ込んで定量的にボルト締め付け
力を確保する方法である。

これらは信頼の置けるボルト締め付け力を得る
ための有効な手段ではあるが、下記の欠点を有す
る。

(a) 各々の効果を得るためには、大掛かりな装置
を必要とする。

例えば、前者による方法では、冷却媒体を供
給する装置、また、フランジ、ボルトに穴を設
ける等、設計段階からの配慮が必要である。

後者では、初めにボルトを引張させる装置、
或いは熱を与える装置等が入用であり、これら
の制限がこれら手法の広汎な使用の妨げとなつ
ている。

(b) 前者にあつては、外部の状態とは関係なく、
ボルト温度がある範囲に滞るため、ボルト温度
と外部の温度状態との間に大きな違いが生じる
と、その差異のために予期せぬ熱応力がフラン
ジ部に発生し、所期の目的である信頼性のある
ボルト締め付け力は得られるものの、好ましく
ない影響を及ぼす可能性がある。また、外部の
温度状態との調和を図ろうとするならば、冷却
媒体の温度、流量の調整等、繁雑な内容の手段
が要求される。

また、後者にあつては、初期に所要のボルト
締め付け力が確保されていても、運転へ入つた
後の温度条件の下で、そのボルト締め付け力が
確保されているかどうかは保証されない。

この考案は以上の欠点を解消するためになされ
たものであつて、すなわち、簡単な構成で適切な
放熱能力を実現し、ボルトに単に取り付けるだけ
で必要な放熱効果を発揮させ、容器や配管の内部
流体の温度変化に即応したボルト温度が得られる
ようにして、ボルトの締め付け力の弛緩状態を短
く、かつ小さく安定させて信頼性の高いボルト締
め付け力を確保し、もつてフランジ継手を有する
構造物の保守・管理並びに安全性に寄与すること
大であるボルト熱放散具を提供することを目的と
する。

したがつてこの目的を達成するために、この考
案のボルト熱放散具は、高温状態で使用される圧
力容器構造体のフランジ継手に用いられるボルト
に着脱自在に取付けられると共に、昇温状態及び
高温の定常状態ではフランジとボルトの間に所定
の温度差が生じ、降温状態では両者間にほとんど
温度差が生じないようにするために必要な放熱能
力の熱放散フインを具備することを特徴とする。

以下、図示の実施例によりこの考案を説明す
る。

第４図Ａ，Ｂは、この考案の第１の実施例を示
しており、圧力容器構造体の一例として熱交換器
のフランジ継手の部分に適用したものである。こ
の図において、１，２は、熱交換器のチヤンネル
側およびシエル側のフランジ継手であり、ガスケ
ツト３及び管板３ｂを介してボルト４及びナツト
５により締め付けられている。このボルト４に
は、ボルト熱放散具（以下、熱放散具という）６
が着脱自在に取り付けられている。

前記熱放散具６は、複数枚の熱放散フイン７が
固着された中空状のフイン軸８と、このフイン軸
８を前記ボルト４の端部にねじこみ取り付けるた
めの取付具としての取付ナツト９を有している。
この円板状の熱放散フイン７は、フイン軸８の軸
方向に所定の間隔をおいて配列されており、放散
面積は、放散すべき熱量に応じて設定されてい
る。

即ち後述するように、熱変形したフランジにボ
ルトの与える締め付け力が、初期締め付け力を大
きく下回ることがないようにするため、本実施例
における熱放散フインの放熱能力は、圧力容器の
運転段階に対応する装置系の温度状態に応じてフ
ランジとボルトの間に適切な温度差が生じるよう
に定められている。

ところで、ボルト４の締め付け力は、フランジ
継手１，２の剛性、ガスケツト３の構成方程式等
と複雑に絡みあいながらもそれらとの力の平衡条
件、変位の連続条件を満足する中で定まつてくる
が、その関係式群に於いてボルト４の締め付け力
自身は（）式（）式で定義される。

F_B＝S_B・E_B・ΔL_B／L_B ……（） L_B＝L_BO・｛１＋α_B・（T_B−20）｝ ……（）但し、F_B：ボルトの締め付け力 S_B：ボルト断面積 E_B：ボルト縦弾性係数 L_B：温度による膨張を考慮した所の無
負荷時のボルト長さ ΔL_B：ボルトの伸び（引張力を加えられた
時のボルト長さ−L_B） α_B：ボルト部の熱膨脹係数 T_B：定常運転状態下でのボルト温度 L_BO：（）（）式に於いて定義されるボ
ルトの長さでボルトの引張力を考える
上での応力がない場合の元のボルト長
さ、L_Bの20℃での基本長さ次に、この考案の熱放散具６の作用を、従来か
ら行なわれている熱放散具６を使用しないボルト
だけの場合と、熱放散具６をボルト４に取り付け
た場合とを比較して具体的に示し、本考案におい
て熱放散フイン８が具備すべき放熱能力について
説明する。

まず、ボルトだけの場合の温度特性とその際の
締め付け力特性を、第５図と第８図で説明する。
第５図に示すように、圧力容器構造体を昇温操作
（スタートアツプ、時刻t_O〜t_B）すると、内部流
体の昇温と共にフランジ温度（実線で示す）T_F
が上昇し、少しおくれてボルト温度T_Bも上昇し
て、フランジ温度T_Fは時刻t_Bで、ボルト温度T_B
は時刻t_Aで定常状態に達する。構造体の定常状態
（定常運転）は、時刻t_Bから開始されるが、一般
に時刻t_Aの時に締め付け力が低下するので、第８
図に示すように再度ボルトにトルクをかけて締め
付け力を確認しもしくは上げる作業、いわゆる
F_BU1分だけ増し締めを行なう。すなわち、第８図
に示すように時刻t_B〜t_Aにおいては、ガスケツト
のクリープやナツト、フランジ継手のなじみなど
によりボルトの締め付け力F_Bが初期締め付け力
F_BOに比べて低下するので、上記増し締めにより
時刻t_Aで再びF_BOにもどす必要がある。

さらに、第５図に示すように定常状態が終了
し、時刻t_Dで運転休止するために内部流体を降温
操作（シヤツトダウン時刻t_C〜t_D）すると、時刻
t_C〜t_Dにおいてボルト温度T_Bはフランジ温度T_Fに
比べて遅れて低下するため、時刻t_Eにおいて両者
には最大温度差Tdが生じる。このことは、伝熱
の過渡的な点からフランジ継手が先に冷却され、
ボルトが後から追随するためにフランジ継手が先
に収縮し、ボルトの収縮がそれに対して遅れるた
め、第８図に示すように締め付け力の大きな低下
F_BD1をきたしてこの時内部流体が漏洩する。一
方、時刻t_Cにおいて、ボルト温度T_Bと同一の温度
にしたこの考案の熱放散具６をボルト４に取り付
けると、内部流体の降温操作に際して熱放散フイ
ン７の熱放散作用により第５図の１点鎖線で示す
様にボルト温度T_B′がフランジ温度T_Fに追随して
低下していき、フランジ温度T_Fとボルト温度
T_B′の差がほとんどなくなる。したがつて第８図
の１点鎖線で示す様に締め付け力の低下分F_BD1′
は上記F_BD1より小さくなる。

なお、この締め付け力の低下分F_BD1′は熱放散
フイン７の放散面積が広いほど小さくなり、また
時刻t_Dにおける運転休止後のボルト締め付け力F_B
は、ガスケツトの種類、増し締めの強さ、フラン
ジ継手の加工精度等により影響されるので一概に
定まらないが、初期締め付け力F_BOの上下近傍の
値となる。

上記は、この考案の熱放散具６の作用を説明す
るために時刻t_Cにおいてボルト温度T_Bと同一の温
度にした熱放散具６を取り付けた例を示したが、
一般には常温（20℃）の熱放散具６をボルト４に
取り付ける。以下その場合についての例を示す。

まず、この考案の熱放散具６を初めからボルト
４に取り付ける場合の温度特性とその際の締め付
け力特性を第６図と第９図で説明する。

第６図に示すように、昇温状態（時刻t_O〜t_B）
においては、内部流体の昇温と共にフランジ継手
１，２のフランジ温度T_Fが、ボルト４のボルト
温度T_Bに対して第５図に示した温度差より大き
な温度差T_gで上昇するので、第９図に示すよう
に時刻t_O〜t_Bでは、第８図の同時刻t_O〜t_Bの締め
付け力（F_BO＋F_B1）に比べて必要に応じた大きな
締め付け力（F_B0＋F_B2）を確保できる。

そして、増し締めを行なつた後の定常状態（時
刻t_A〜t_C）においては、熱放散フイン７の熱放散
作用によりフランジ温度T_Fとボルト温度T_Bに大
きな温度差が生じ、第９図に示すように大きな締
め付け力（F_BO＋F_BU2）で締めつづけられる。こ
の高温の定常運転状態下で（）式、（）式及
びフランジ、ガスケツト等の剛性並びに構成方程
式に基づく力の平衡条件、変位の連続条件を満足
しながら、ボルト４の締め付け力F_Bがある値
（F_BO＋F_BU2）を確保していたとする。この状態か
ら、運転休止されて第６図に示すように降温状態
（時刻t_C〜t_D）に至ると、熱放散フイン７の熱放
散作用によりボルト４のボルト温度T_Bもフラン
ジ温度T_Fに追随して下げられ、フランジ温度T_F
とボルト温度T_Bの差はほとんどなくなる。した
がつて、第９図に示す如くフランジ温度T_Fとボ
ルト温度T_Bとの差による締め付け力の低下は小
さくできる。なお、第９図の１点鎖線は時刻t_Aに
おいて増し締めを行なわなかつた場合の例であ
る。またこの降温状態（時刻t_C〜t_D）における最
小ボルト締め付け力と初期締め付け力F_BOとの差
F_BD2F_BD2′は、増し締め力や熱放散フイン７の面
積等によつて変るが第８図のF_BD1より大きくなる
ことはない。つまり熱放散フイン７の放熱面積を
適当に定めて必要な適宜の放熱能力を設定するこ
とにより、上記最小ボルト締め付け力を運転休止
後のボルト締め付け力近くまで引き上げることが
できる。

次に、熱放散具６を定常状態の途中でボルト４
に取り付けた場合の温度特性とその際の締め付け
力特性を第７図と第１０図で説明する。第７図に
示すように、時刻t_Fでボルト４に熱放散具６を取
り付けると、ボルト４のボルト温度T_Bは熱放散
フイン７の作用によりそれまでより低下されてフ
ランジ温度T_Fとの間に時刻t_Fまでより大きな温度
差Thが生じる。すなわち、前記（）式に従つ
てボルト長さL_Bがその温度変化分T_Kに対応した
収縮量ΔL_Dだけ短くなろうとするが、フランジ継
手１，２の剛性に阻まれて温度遷移によるボルト
のその自由な熱収縮が妨げられる事となり、この
変形拘束に伴ないボルト応力が増加してここに新
たなボルト締め付け力の増加がもたらされる。

したがつて、第１０図に示すようにボルト４の
温度が低下した分だけ締め付け力F_BがF_BU3′分だ
け上昇することになる。そして、第７図において
定常状態から運転休止されて降温状態（時刻t_C〜
t_D）に至ると、第９図で説明したのと同様に、ボ
ルト温度T_Bとフランジ温度T_Fとの温度差が小さ
くなり第１０図の如くボルト４の締め付け力の低
下がほとんど生じず、また時刻T_Aにおいて増し
締めを行なわなくなつた場合の例である１点鎖線
も第９図と同様である。

この様にこの考案では、運転温度降下の際のボ
ルト締め付け力の低下が、フランジ継手１，２と
ボルト４との温度追従の時間的なずれにあるとい
う事に着眼して、フランジ継手１，２の急激な温
度変化に対していち速く、ボルト温度が追従する
配慮を行なうものであり、ボルト４の締め付け力
F_Bの弛緩状態を短く、かつ小さくして内部流体
の漏洩を極力防ぐことができる。しかも、定常状
態（定常運転）から、さらに高温側に運転条件が
変えられた場合でも前述の第６図および第９図の
昇温操作（スタートアツプ）と略同じ関係が生じ
ボルトの締め付け力はある程度増大する方向に向
うが、ボルト４はフランジ継手１，２とある温度
差をもつて追随上昇するのでむやみにフランジ継
手を締め付けることがない。

そして、従来の様な強制的な絶対的温度差に基
づくボルト締め付け力の確保ではなく、この考案
では相対的な温度差を保持することにより、所要
のボルト締め付け力が低下することなく、しかも
他の部分に好ましくない影響、無理な抑制を生ず
ることがないボルト締め付け力を確保することを
可能ならしめる平衡機能を有し、大がかりな装置
を必要としない。

以上のことから簡単な構成ながら、内部流体の
外部への漏洩防止に効果的なガスケツト３の圧縮
力増加が期待でき、フランジ継手１，２を有する
圧力容器構造体の保守・管理並びに安全性に対し
大いに寄与できるといえる。

次に、この考案の第２、第３及び第４の実施例
を、第１１図Ａ，Ｂ、第１２図Ａ，Ｂ、第１３図
により説明する。

第１１図Ａ，Ｂに示す第２の実施例の熱放散具
１６は、取付ナツト１９から取付ナツト１９のボ
ルト軸方向のゆるめる側に長板状の熱放散フイン
１７を複数枚固着したものである。また、第１２
図Ａ，Ｂに示す第３の実施例の熱放散具２６は、
取付ナツト２９に筒形の熱放散フイン２７を固着
したもので、板厚を貫通する長穴２７ａが多数設
けられている。さらに、第１３図に示す第４の実
施例の熱放散具３６は、通常のボルトＢの中間部
に取り付けられており、取付ナツト３９の一端面
３９ａには、フイン軸３８が垂直に固着されてい
て、このフイン軸３８には複数枚の熱放散フイン
３７が設けられている。

次に、この考案の第５と第６の実施例を第１４
図Ａ，Ｂと第１５図Ａ，Ｂにより説明する。

第１４図Ａ，Ｂに示す第５の実施例の熱放散具
４６は、取付ナツト４９に内円筒４７ａと外円筒
４７ｂを有する二重円筒形の熱放散フイン４７を
固着したもので、内円筒４７ａには多数の孔４７
ｃが設けられている。また、第１５図Ａ，Ｂに示
す第６の実施例の熱放散具５７は、袋ナツト状の
キヤツプ５９を利用したもので、この取付キヤツ
プ５９の外周には放射状に熱放散フイン５７が固
着されている。

次に、この考案の第７と第８の実施例を第１６
図Ａ，Ｂと第１７図により説明する。

第１６図Ａ，Ｂに示す第７の実施例の熱放散具
６６は、取付具としてちようナツト６９を用いた
もので、ちようナツト６９の取手６９ａ，６９ａ
に熱放散フイン６７を設けたものである。また、
第１７図に示す第８の実施例の熱放散具７６は、
取付ナツト７９自体がボルト７４をフランジ継手
７２に締め付ける役割をも兼ねて用いており、熱
放散フイン７７は、前述した第１の実施例（第４
図Ａ参照）と同じである。

次に、この考案の第９から第11の実施例を、第
１８図Ａ，Ｂから第２０図Ａ，Ｂにより説明す
る。

第１８図Ａ，Ｂに示す第９の実施例の熱放散具
８６は、ボルト８４が貫通する孔を有した取付板
８７ａに熱放散フイン８７を固着したもので、取
付板８７ａの穴にボルト８４を通してフランジ継
手８３を締めつけるナツト８５と取付けナツト８
９とにより挟持させるものであり、同熱放散フイ
ン８７は、たとえば円周方向に四分割されている
と共に、多数の孔８７ｂが設けられている。ま
た、第１９図Ａ，Ｂに示す第10の実施例の熱放散
具９６は、円筒にめねじ部９９を設けて残りの部
分を熱放散フイン９７としたもので、この熱放散
フイン９７には多数の孔９７ａが設けられてい
る。さらに、第２０図Ａ，Ｂに示す第11の実施例
の熱放散具１０６は、第10の実施例と同様にボル
ト１０４に直接熱放散フイン１０７にめねじ部１
０７ｃを設けて着脱自在に取り付ける様にしたも
のであり、放射状に組合された放熱板１０７ａよ
り成り、各放熱板１０７ａには孔１０７ｂが多数
設けられている。

ところで、以上の実施例のうち熱放散具をナツ
トを有する構成にしてボルトに取り付けたもの
は、フランジ継手を締め付けているナツトに対す
るゆるみ止めの効果が期待できると共に、フラン
ジ継手を締め付けているボルトのねじ部を保護で
きる。

なお上述した第２から第11の実施例の熱放散具
１６〜１０６は、それぞれの熱放散フイン１７，
２７，…，９７，１０７が必要な放熱能力を備え
ているので、第１の実施例の熱放散具６と同様の
作用を行なう。また、この考案の熱放散具は、第
１から第11の実施例に限らない。要するに熱放散
フインは、熱変形したフランジに加えられるボル
トの締め付け力が初期締め付け力を大きく下回る
ことがないようにするために、装置系の温度状態
に応じてフランジとボルトの温度差を適宜に保つ
ことのできる放熱能力を備えたものであればよ
い。このような要旨を変更しない限りにおいて、
熱放散フイン７の形状・構造には種々の変形例が
考えられ、ボルトに熱放散具を取り付けるのにグ
リツプ等のボルトを挟持するものを取付ナツトに
代えて用いてもよいのはもちろんである。また、
熱放散具はフランジ継手の各ボルトに個々に独立
して設ける構成のものに限らず、たとえば熱放散
フインを共通一体にし、この熱放散フインに設け
られた複数の取付ナツト又は挟持部をフランジ継
手の各ボルトに対応させて取り付ける構成にして
もよい。

以上説明したように、この考案によれば、所定
放熱能力の熱放散フインを有する熱放散具を、高
温状態で使用するフランジ継手のボルトに着脱自
在に取付けられる構成としたので、単に該熱放散
具をボルトに取り付けるだけで、簡単な構成であ
りながら放熱効果が大で、上記フランジ継手を介
して密閉される容器の内部流体等の温度変化に即
応したボルト温度が得られ、ボルトの締め付け力
の弛緩状態が短く、かつ小さく安定した信頼性の
高いボルト締め付け力の確保ができ、フランジ継
手を有する構造体の保守・管理並びに安全性に大
いに寄与する優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は、従来のフランジ継手の構造
を示す断面図、第３図は、内部流体側からの入
熱、伝熱、放熱を示す図、第４図は、この考案の
ボルト熱放散具の第１の実施例を示す断面図、第
５図と第６図は、ボルトのみを使用した場合と、
ボルトにこの考案のボルト熱放散具を初めから取
り付けた場合における各々のフランジ継手の温度
及びボルトの温度の経時点変化を示した温度特性
図、第７図は、ボルト熱放散具を定常状態の途中
から取り付けた場合における温度特性図、第８図
と第９図は、ボルトのみを使用した場合と、ボル
トにボルト熱放散具を取り付けた場合における締
め付け力特性図、第１０図は、ボルト熱放散具を
定常状態の途中から取り付けた場合における締め
付け力特性図、第１１図Ａ，Ｂから第２０図Ａ，
Ｂは、この考案の第２から第11の実施例を示す図
である。１，２……フランジ継手、４……ボルト、５…
…ナツト、６，１６，２６，３６，４６，５６，
６６，７６，８６，９６，１０６……ボルト熱放
散具、９，１９，２９，３９，４９，７９，８
９，９９……取付具としての取付ナツト、５９…
…取付具としての取付キヤツプ、６９……取付具
としてのちようナツト、７，１７，２７，３７，
４７，５７，６７，７７，８７，９７，１０７…
…熱放散フイン。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

高温状態で使用される圧力容器構造体のフラン
ジ継手に用いられるボルトに着脱自在に取付けら
れると共に、昇温状態及び高温の定常状態ではフ
ランジとボルトの間に所定の温度差が生じ、降温
状態では両者間にほとんど温度差が生じないよう
にするために必要な放熱能力の熱放散フインを具
備するボルト熱放散具。