(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の蒸気の流通により管内部に生成した酸化スケールの除去方法において、
前記管内部に化学洗浄のための酸液を満たし、その管内部にノズルを挿入して高圧液を噴射することを特徴とする酸化スケールの除去方法。
【請求項２】
高温の蒸気の流通により管内部に生成した酸化スケールの除去方法において、
前記管内部に水を満たし、その管内部にノズルを挿入して化学洗浄のための酸液を噴射することを特徴とする酸化スケールの除去方法。
【請求項３】
請求項１または２記載において、前記酸液が、グリコール酸３．０％未満及びギ酸１．５％未満の混合液であることを特徴とする酸化スケールの除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ等における水蒸気酸化スケールの除去方法に係わり、特にキャビテーション現象を利用するウォータージェット法に酸洗液を適用し、スケールの除去効率を高めようとする技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラの過熱器や再熱器に利用されているステンレス鋼管やボイラ用耐熱鋼管の管内壁には、高温水蒸気の作用により水蒸気酸化スケール（以下、単に酸化スケールともいう）が生成する。この酸化スケールは硬度が高く、その主成分はＦｅ3 Ｏ4 やＣｒ2 Ｏ3 であり、ステンレス鋼材中のＭｏの偏析も見られる。特に大型の火力発電用ボイラでは、最近になり主蒸気温度が高温化し、このような酸化スケールが生成しやすい条件になってきている。
【０００３】
図１３には、ボイラの部位と付着したスケールの状況をまとめて示す。また、図１４は、酸化スケールの性状の一例（高温再熱蒸気バランス管の例）を示すものある。
【０００４】
この酸化スケールは、ボイラの停止時や再起動時において、伝熱管の熱収縮や膨張の繰り返しによって伝熱管母材内壁から酸化スケールの破片となって剥離する。
【０００５】
このような酸化スケールの破片は、伝熱管のベント部等に堆積して伝熱管内を閉塞したり、伝熱管の粉破やボイラ差圧の上昇といったトラブルの要因になる。主蒸気配管のバルブに堆積すれば、下流のバルブの閉塞やバルブの損耗といった問題が生じる。また、酸化スケールの破片が蒸気タービンまで飛行すれば、タービンのブレード等に損傷を与える。
【０００６】
最近になり、負荷調整用の役割を担う火力発電用のボイラは、頻繁に起動・停止や負荷上昇・下降を繰り返すようになってきており、このような水蒸気酸化スケールの剥離の問題がクローズアップされている。
【０００７】
特に主蒸気配管等の大径管では、ボイラ停止時に、熱応力によって酸化スケールが既に部分的に剥離している（図１３参照）。このように、部分的な離脱があると、そこを切っ掛けとして、ボイラの再起動時に、連鎖的に酸化スケールが剥がれ出すという問題もある。
【０００８】
従来から、水蒸気酸化スケールの除去方法として、
（１）酸洗（化洗）法
（２）ショットピーニング（ブラスト）法
が試みられているが、後述するように問題が多く、確立した技術に至っていないのが実情である。
【０００９】
一方、新しい伝熱管加工時に（ボイラに据え付ける前に）、内壁面にショットトピーニング（ブラスト）する水蒸気酸化防止技術が開発されている〔例えば、１）木下・正宗；「表面冷間加工による水蒸気酸化防止効果の持続性」，火力原子力発電；ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．３，（昭５０−１１），２６３、２）加根魯ほか３名；「ショットブラスト加工ステンレス鋼管の特性」，火力原子力発電；ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．３，（昭５２−１０），３９９〕が、加工コストが高いなどの問題がある。
【００１０】
このような対策は、新缶としてのボイラには適用できるものの、稼動中の数多くの既設ボイラの対策へは反映しにくい。
【００１１】
現時点で最も実用化に近いのは化洗法である。この化洗法では、図１５に示すように、グリコール酸４．０〜５．５％とギ酸１．８〜２．８％（これに還元剤や腐食抑制剤が微量加わる）の洗浄液を、８０〜９０℃まで加熱し、４０〜６０時間かけて施工する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた従来技術における課題を要約すると、次のようになる。
【００１３】
（１）除去が不十分で、管内壁に酸化スケールが残留する。これは、ボイラの再起動時において離脱するおそれがある。
【００１４】
（２）施工処理時間が長い。ボイラの定期検査の工程に支障となる場合があるし、一度に広範な部位を処理できない。
【００１５】
（３）酸液により母材が損傷する。全面腐食、粒界腐食や孔食といった問題につながるおそれがある。
【００１６】
（４）酸液を８０〜９０℃まで上昇させなければならない。加熱用に多大なエネルギーが必要であるし、また断熱などの熱管理が大変である。
【００１７】
（５）除去された酸化スケールがスラッジ状になる。スケール粒子と液の分離等の廃液処理が困難になる。
【００１８】
上記した（１）と（３）は、ボイラの信頼性に対し問題である。一方、（２），（４），（５）は、定検時の作業能率にかかわる問題である。
【００１９】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、既設缶において、定期点検補修時に容易に適用可能であり、短期間で、仕上がり良好に、水蒸気酸化スケールを除去できる酸化スケールの除去方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、高温の蒸気の流通により管内部に生成した酸化スケールの除去方法において、前記管内部に化学洗浄のための酸液を満たし、その管内部にズルを挿入して高圧液を噴射する第１の手段により達成される。
【００２１】
また、高温の蒸気の流通により管内部に生成した酸化スケールの除去方法において、
前記管内部に水を満たし、その管内部にズルを挿入して化学洗浄のための酸液を噴射させる第２の手段により達成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明においては、まず化学洗浄のための酸液を当該部に満たす。この酸洗液は、グリコール酸とギ酸を主成分とする水溶液である。母材保護のための特殊な薬剤は、使用しないかあるいは微量とする。そして、この酸洗液の濃度を、従来技術の半分以下まで低減する。
【００２３】
ここで用いる酸洗液は、水蒸気酸化スケールを表面から溶解させたり、スケールの割れ目からスケールの内層あるいはスケールと母材の隙間へと浸透していく。しかしながら、酸液は低濃度であるために、物質拡散速度は小さい。
【００２４】
これを補って、水蒸気酸化スケールの除去効率を高めるのが、ノズルからスケールの表面へ向けて高速液を噴射するウォータージェット法である。要するに、本発明においては、低濃度酸液を用いる化洗法と、ウォータージェット法を組み合わせるものである。
【００２５】
本発明におけるウォータージェット法では、化洗液中に高速の化洗液を噴射するために、ノズルから噴射された噴流には激しいキャビテーションが生成する。ここで、利用するウォータージェット法においては、ノズルから噴出直後の「液中の分裂による断続的衝突」と「キャビテーションによる気泡崩壊衝撃圧力発生」が重畳した現象を利用する。
【００２６】
従来法である酸洗液より低濃度であるものの、本発明において使用する酸液は、除去対象の水蒸気酸化スケールの表層を溶解させていく。この溶解は、スケールの表面から次第に進行する。また、スケールの割れ目を通して、酸洗液はスケールの内部へ浸透する。
【００２７】
このようにして、化学的作用によりスケールは全体的に脆弱化する。この酸液は、従来法より低濃度であるので、母材を激しく酸化させたり腐食させることはない。
【００２８】
本発明において利用する酸液では、腐食抑制剤や還元剤の使用を抑制することができる。要するに、薬剤関連のコストを下げることができるわけである。
【００２９】
この酸液中において、ノズルから高速で酸液を噴射すると、噴流には激しいキャビテーションが発生する。また、ノズル出口の近くでは、液塊（液柱）状になった酸液が、周囲酸液中には拡散せずに断続的に分裂する。
【００３０】
このように、分裂した酸液の塊が弾丸のように酸化スケールの表面に断続的に衝突し、さらにこれにキャビテーションによる気泡崩壊の衝撃圧作用が加わり、酸液によって脆くなった酸化スケールは、小さな破片状になって破壊し、母材から容易に離脱する。
【００３１】
従来の酸洗法では、溶解したスケールがスラッジ状になるため、スラッジの回収や固・液の分離が大変に難しかったが、本発明においては、酸化スケールは小さいな破片になるので、サイクロン式等の簡単な分離装置で容易に回収できる。本発明においては、使用済みの酸液は低濃度であるので、処分が容易である。また、母材も悪影響を受けず、各種の腐食関係のトラブルが生じることが無くなる。
【００３２】
また、高速水噴流という機械的手段を用いるので、スケール除去の能率が著しく向上し、施工時間が短縮する。また、スケール除去のやり残しが無くなり、施工の信頼性が大幅に向上する。
【００３３】
以下、添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００３４】
図１は、再熱蒸気の連絡管あるいは再熱蒸気をタービンへ導く主配管のような例えば、直径が７００ｍｍにも及ぶ大口径蒸気管１に対する本発明の適用例を描いたものである。
【００３５】
大口径蒸気管１の中には、薄い酸液８が張ってある。この実施例においては、この酸液８の中に、同じ薄い酸液をノズル２から高速で噴射（噴流７）し、大口径蒸気管１の内壁面上に付着している水蒸気酸化スケールに衝突させる。
【００３６】
高圧の酸液を噴射するためのノズル２は、高圧液供給管６の先端に取り付けられている。この高圧液供給管６は、回転駆動機構５によってゆっくりと回転しながら、大口径蒸気管１の内部を同じくゆっくりと前進していく。回転駆動機構５には、先端にタイヤ４を取り付けた３本のサポートレグ２８が取り付けてある。ノズル２は、大口径蒸気管１の内壁からほぼ２０ｍｍ離れた位置に設定されている。ポンプ（この図では省略）から供給された高圧の酸液は、回転駆動機構５の内部を通して導かれる。
【００３７】
この実施例は、大口径蒸気管１内に張った酸液中に酸液を噴射するものであるが、張った酸液中に純水をノズル２から高圧で噴射する方法（他の実施例の項で改めて説明する）、あるいは大口径蒸気管１内に純水を張りノズル２から酸液を噴射する方法によっても、スケール除去の効果を上げることができる。
【００３８】
図２、図３は、高圧過熱蒸気や主蒸気連絡管やタービンへの主蒸気配管のように、内径がおよそ３００ｍｍの配管内におけるスケール除去法を示したものである。
【００３９】
主蒸気管９の内部には、図１に示す実施例と同様に、酸液８が張ってある。高圧液３を供給する送給管には、送給管から４本に分岐した管で支えられる環型のノズルヘッダ１０が設けられ、このノズルヘッダ１０の円周方向４等分割（９０°ピッチ）した位置に、酸液を高圧で噴射するノズル２が設置されている。
【００４０】
このノズル２と、加工対象である主蒸気管９の内壁との間隔（スタンドオフ距離）は、図１に示した第１の実施例と同様に、およそ２０ｍｍである。
【００４１】
環型のノズルヘッダ１０は、前段１０ａと後段１０ｂとして２段に設けられていて、それぞれのノズルヘッダ１０ａ及び１０ｂにおけるノズル２の位置は、ノズルヘッダ１０の円周方向において重ならないように設定してある。
【００４２】
このようにすることで、主蒸気管９の内壁に付着する水蒸気酸化スケールを、管内面に「取りこぼし」がない程度に効率よく除去することができる。
【００４３】
図４には、使用するノズルの断面構造を示す。
【００４４】
高圧液３が供給される高圧液供給流路２ａから噴出孔２ｂへの連接部は、勾配を設けずに、直角に急激にしぼるようにする。このようにすることで、噴出孔２ｂの内部には急激な縮流が発生し、噴出孔２ｂから噴出する高速水噴流が激しく変動し、強い圧力変動を伴いながら、分裂を繰り返すようになる。
【００４５】
この挙動は、後述するように、水蒸気酸化スケールを破壊する上で重要な役割を果たすようになる。また、噴出孔２ｂ内の縮流部の空洞は、噴出孔２ｂから噴射される高速水噴流内にキャビテーション核を供給する。従って、噴流に発生するキャビテーションも著しく激しくなる。
【００４６】
以上のように、このようなノズルを用いれば、水噴流の激しい分裂とキャビテーションの生成が連成し合う現象を有効に利用できるようになり、スケールの破壊を効率よく行えるようになる。
【００４７】
噴出孔２ｂの出口には、噴出孔径Ｄｊの約２倍まで出口径Ｄｏを拡大した（Ｄｏ≦２Ｄｊ）座ぐり開口部１６を設けてある。
【００４８】
図５には、使用する酸液の性状を示す。
【００４９】
この酸液は、ボイラの水蒸気酸化スケールの除去に適する性状のものである。グリコール酸とギ酸を組み合わせた有機酸混合物に微量の還元剤や腐食抑制剤を添加しているが、図１５に示した従来からの酸液に比べると、いずれも濃度を１／２以下に低下させた弱酸液としている。また、液温度も、従来の酸液では沸騰直前（９０℃程度）まで昇温させていたが、本実施例では３０℃〜８０℃、より望ましくは４０℃〜６０℃に設定する。
【００５０】
これは、９０℃まで昇温すると、液加熱のためのエネルギーが莫大になるし、いわゆる「湯気」がリークし、作業環境上好ましくないからである。さらに重要な点は、４０℃〜６０℃の液温範囲でキャビテーションが最も活発になるからである。
【００５１】
図６は、水蒸気酸化スケールを破壊する様相を模式的に描いたものである。
【００５２】
高圧液３は、前述したように、噴出孔２ｂの内部において縮流を起こす。噴出孔２ｂより噴出した水噴流は柱状液噴流１１となるが、これが断続的な分裂を繰り返す。分裂した柱状液噴流１２は、加工対象に周期的に激しく衝突する。また、噴流１２の周囲にはキャビテーション１３が発生する。
【００５３】
このような現象を利用すれば、噴流の分裂とキャビテーションの連成作用が集中するため、水蒸気酸化スケールを一気に破壊することができる。なお、ノズル２と加工対象面間のスタンドオフ距離ｘS は、噴流のいわゆる「第１ピーク」を用いるために、ｘS ≦２０ｍｍとする。
【００５４】
図７は、スケール除去後におけるスケール破片のブロー除去法の系統を描いたものである。
【００５５】
本発明になる方法によれば、酸化スケールはスラッジ状にならずに小さいな破片状となるため、除去法は比較的容易である。コンプレッサ１７からの圧縮空気（蒸気を利用してもよい）により、蒸気管１６より排出されたスケールの破片は、サイクロン分離器２０により分離され、スケール回収容器２５の中へ排出される。
【００５６】
サイクロン分離器２０より排出した液流は、フィルタ２１により、微小なスケール破片が取り除かれた後に廃液容器２２の中へ回収される。ブローに利用した気体と廃液の混合物は、別の気液分離型サイクロン（この図では省略）により分離されて、廃液は廃液容器２２に回収され、一方、気体は大気中に放出される。次に、本発明に関して、４つの項目の性能評価を行い、従来法と比較しながら、本発明を適用することの優位性を説明する。
【００５７】
図８は、スケール除去施工後のスケール付着残存量を、本発明例と従来技術において比較したものである。
【００５８】
ここで、「付着残存量」とは、蒸気管内壁から剥離しなかった付着スケールに加えて、施工終了後のブロー不良のために残ったスラッジ状のスケール（従来技術）や、スケールの破片（本発明の場合）も全て加えた量である。縦軸のスケール残存量は、従来技術における残存スケールの量を「１」として、相対値として表した。
【００５９】
この結果から明らかなように、本発明の方が、圧倒的に残存スケールが少ないことがわかる。
【００６０】
図９は、本発明を具体化した場合の施工時間を、従来例の場合と比較したものである。
【００６１】
この図においても、縦軸の施工時間ｔw は、従来技術においてスケール除去に要した時間を基準として、相対値として表されている。
【００６２】
本発明の実施例によれば、従来技術のおよそ６割程度まで施工時間を短縮できることがわかる。本発明の対象となっているようなスケール除去作業は、限られた定期点検中に行うようになっている。したがって、この結果のように、施工時間を短縮できるのは、本発明においてかなり有利な点である。
【００６３】
図１０は、スケール除去施工後のブローによるパージ時間を比較したものである。
【００６４】
本発明になる方法を用いれば、やはり７割以下までパージ時間を短縮できることがわかる。上記したのと同じ理由により、トータルな施工処理時間を短縮できることは、大変に有利である。
【００６５】
図１１は、施工に必要な動力を比較したものである。この比較を行うと、本発明の方が動力が２０％ほど増大することが認められる。
【００６６】
従来技術では、酸液の温度を９０℃近くまで加熱するのに多くの動力を費やした。これに対し、本発明における実施例では、プランジャポンプの駆動に動力を要している。本発明において動力値を上昇させているのは、このプランジャポンプを利用したためである。
【００６７】
図１２は、本発明になる酸液とウォータージェット法を組み合わせる施工法において要する時間を、水のみを利用する（噴射する水も張る水も、酸を含まない水）ウォータージェット法と比較したものである。
【００６８】
水のみを用いるウォータージェット法において必要とする施工時間をｔ′＝１として、相対施工時間を比較した。
【００６９】
この結果から、本発明を実施すれば、水のみを利用するウォータージェット法の時間のおよそ半分で済むことがわかる。水のみを用いるウォータージェット法は、図６に示すように、柱状液噴流１１の衝突やキャビテーション１３における気泡の圧壊など、何れも機械的な効果を利用するものである。
【００７０】
これに対して、本発明のように、濃度を抑えていながらも酸液を利用する場合は、酸化スケールの微小な亀裂から液が浸透したり、母材とスケール間の極めて狭い隙間に液が入り込む。あるいは酸化スケールの表面を少しずつ溶解させる等の作用によって、酸化スケールが脆弱になるためである。
【００７１】
本発明を具体化するに際して、ここまで述べた方法の替わりに、以下に述べる方法によっても、水蒸気酸化スケールの除去効果を高めることができる。
【００７２】
まず、蒸気管類の当該部に化洗液を張る。これは、化洗液の濃度を低くする以外は、従来からある化洗法と同じである。当該部の化洗液封止部からノズルを挿入し、酸液ではなく水のみを高圧で噴射する。この水は、化洗部を通過した後は薄まった化洗液と混合し排出される。この方法では、化洗液と噴射水は再循環をしない。
【００７３】
この方法によれば、水のみを噴射するので、耐食対策を施した特殊仕様のポンプは不要であり、通常の高圧ポンプを利用することができる。施工部に張る酸液の量に比べて、注入する高圧水量はかなり少ないので、化学的な作用も有効に活用できる。また、キャビテーションも、酸液よりは水の方が活発であるので、気泡崩壊の機械的作用も十分に効果的である。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の効果をまとめると、次のようになる。
【００７５】
（１）酸化スケールを管内壁から完全に除去できるようになる。酸化スケールの残留が無くなるので、ボイラの再起動時に酸化スケールの破片が飛散することがない。
【００７６】
（２）処理速度が大きいので、施工時間を大幅に短縮することができる。従って、一定の工期間中に、酸化スケールを除去できる範囲を拡大できる。
【００７７】
（３）化学洗浄用の酸液濃度を下げることができる。つまり、化学洗浄液のコストを削減できることになる。
【００７８】
（４）上記（３）の効果により、母材を傷めることが無くなる。従って、ボイラの配管や伝熱管において、全面腐食、粒界腐食や孔食といったトラブルを起こすことが無くなる。
【００７９】
（５）除去したスケールがスラッジ状にならず小さな破片になるので、ブローによる回収が容易である。また、スケールと処理液の分離も簡単になる。
【００８０】
（６）化学洗浄液の温度を下げることができる。つまり、処理液を加熱するためのエネルギーや保温用の部材を削減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る酸化スケール除去装置の正面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る酸化スケール除去装置の正面図である。
【図３】同、側面図である。
【図４】本発明において使用するノズルの構造図である。
【図５】本発明において使用する液体の性状を示す図表である。
【図６】スケール破壊のメカニズムを示す模式図である。
【図７】本発明になる剥離・離脱スケールのブロー排出系を示す系統図である。
【図８】本発明を具体化した例におけるスケール除去率を従来技術と比較した説明図である。
【図９】本発明になる施工法の施工時間を従来技術と比較した説明図である。
【図１０】本発明になる施工法のパージ時間を従来技術と比較した説明図である。
【図１１】本発明になる施工法における消費動力を従来技術と比較した説明図である。
【図１２】本発明になる施工法に要する時間を、水のみを利用するウォータージェット法と比較した説明図である。
【図１３】ボイラにおける酸化スケールの付着状況を示す図表である。
【図１４】酸化スケールの成分を示す図表である。
【図１５】従来技術における化学洗浄液の一例を示す図表である。
【符号の説明】
１  大口径蒸気管
２  ノズル
５  回転駆動機構
６  高圧液供給管
７  噴流
８  酸液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003645327.tif 000011
【図１１】
0003645327.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0003645327.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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