(57)【要約】  コークドラムのスカート接合部の耐久性を向上させたコークドラムの支持構造を提供する。  円筒状のドラム本体１と、ドラム本体１の下方に接続される逆円錐状の底板３と、ドラム本体１を支持する円筒状のスカート４を備えたコークドラムにおいて、ドラム本体１と底板３とスカート４を互いに接合する環状の接合ピース１０が用いられており、接合ピース１０は、ドラム本体１の下端に接合される上側胴部１１と、底板３の上端に接合される下側内足部１３と、スカート４の上端に接合される下側外足部１４とからなる一体部材である。接合ピース１０が一体形であり、この接合ピース１０でドラム本体１と底板３とスカート４とを結合するので、応力集中点に溶接部の無い構造となる。このため、疲労耐久性が向上する。さらに、一体ピース形状は機械加工で削り出しできるので、応力集中の生じにくく形状を得ることが可能である。
2011045843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のドラム本体と、該ドラム本体の下方に接続される逆円錐状の底板と、前記ドラム本体を支持する円筒状のスカートを備えたコークドラムにおいて、
前記ドラム本体と前記底板と前記スカートを互いに接合する環状の接合ピースが用いられており、
該接合ピースは、前記ドラム本体の下端に接合される上側胴部と、前記底板の上端に接合される下側内足部と、前記スカートの上端に接合される下側外足部とからなる一体部材である
ことを特徴とするコークドラムの支持構造。
【請求項２】
前記接合ピースは、前記上側胴部から下方に前記下側外足部が垂直に延び、前記上側胴部から下方に前記下側内足部が斜め内側に延びており、
前記下側内足部と前記下側外足部とは、互いの内縁上端部が湾曲した接続線で接続されている
ことを特徴とする請求項１記載のコークドラムの支持構造。
【請求項３】
前記ドラム本体、前記底板、前記スカートおよび前記接合ピースのそれぞれの表面には保温材が貼付されており、
前記接合ピースにおける前記下側内足部および前記下側外足部で囲まれた空間、およびその下方につながる底板の一部およびスカートの一部で囲まれた空間には保温材を貼付しないホットボックスを構成している
ことを特徴とする請求項２記載のコークドラムの支持構造。
【請求項４】
前記接合ピースにおける前記下側内足部と前記下側外足部の内縁上端部が円の一部で接続されている
ことを特徴とする請求項３記載のコークドラムの支持構造。
【請求項５】
前記接合ピースにおける前記下側内足部と前記下側外足部の内縁上端部が、請求項３の内縁上端部よりも上方に位置する湾曲線で形成されている
ことを特徴とする請求項３記載のコークドラムの支持構造。
【請求項６】
前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁に接続される円の一部と、前記下側外足部の内縁に接続される楕円の一部が接続されたものである
ことを特徴とする請求項５記載のコークドラムの支持構造。
【請求項７】
前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁と前記下側外足部の内縁に接続される放物線である
ことを特徴とする請求項５記載のコークドラムの支持構造。
【請求項８】
前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁に接続された円の一部と、前記下側外足部の内縁に接続された楕円の一部とが接続されたものであり、かつ前記下側外足部の内縁側には前記スカートよりも板厚の厚い肉厚部が形成されている
ことを特徴とする請求項５記載のコークドラムの支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークドラムの支持構造に関する。さらに詳しくは、コークドラムは石油精製プラントで使用される圧力容器であり、操業中に約100℃から500℃の間の温度昇降を受ける機器である。本発明は、このような温度昇降による熱応力に起因する損傷を少なくするコークドラムの支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、コークドラムＡの全体図を示している。ドラム本体１は円筒状であり、上部に鏡板２が付き、下部に逆円錐形の底板３が形成されている。ドラム本体１と底板３の境目の外周には、円筒形のスカート４が取付けられており、このスカート４がコークドラムＡの支持部材であって、コンクリート製の基礎５上にボルト等で固定されるようになっている。【０００３】
コークドラムは、円筒状の容器であるが、とくに次のような特徴をもつものである。
１）薄肉大口径
コークドラム内で起こる熱分解反応は、容器内を高圧にする必要は無く、加熱した残油を入れることにより、逐次熱分解反応が起こる（コークドラムの設計圧力：0.5Mpa（5気圧程度））。設計圧力が低いことから、板厚が薄くて良く、結果的に薄肉大口径の圧力容器となる。なお、他のリアクター等の圧力容器は、容器内を高圧にすることで化学反応を起こすため、1〜 10Mpa（10気圧〜100気圧）程度と設計圧力が高圧となる。
２）約100℃〜約500℃の間での熱サイクル繰返し（サイクルタイム１２時間〜２４時間）
通常の圧力容器は、いったん運転を開始すれば、一定の高温状態に保持されるため熱サイクルの繰返し負荷による「金属疲労」という概念がない。
これに対し、コークドラムは常時の運転において、12時間〜24時間という非常に短いサイクルで、約100℃→約500℃→約100℃という熱サイクルを繰返し受ける特異な圧力容器である。そのため、操業中に、ドラムが膨張、収縮を繰り返し、スカート取付部は非常に振幅の大きい熱応力の負荷を受け、「金属疲労」により損傷しやすいという問題がある。
３）金属疲労による損傷が顕在化
圧力容器の中で熱サイクルの繰り返し負荷による「金属疲労」という概念があるのは、短い時間で温度の昇降を伴う運転をするコークドラムに特有なものである。
４）サイクル時間短縮による疲労損傷増加
ユーザーは短時間でより多くの軽質油・コークスを精製し、収益を上げたいため、運転サイクルの時間の短縮を図っている。運転サイクルの短縮は、加熱・冷却時間の短縮になり、スカート取付部付近の温度分布の経時変化が激しくなることから「より大きな熱応力の発生」に繋がり、疲労損傷が大きくなる。
５）金属疲労を限界状態とした設計法が未確立
前項２）より、コークドラムは熱サイクルの繰り返し負荷による「金属疲労」を考慮した設計を実施する必要があるが、その設計方法が確立されておらず、設計に熱サイクルによる金属疲労を考慮してない結果、疲労損傷が発生する事例が数多く報告されている。しかるに、他の圧力容器と同様に、静的な温度・圧力、死荷重、地震荷重、風荷重などを考慮した設計しかなされていない。
６）運転時の死荷重が2000〜3000tonと非常に重くなる
運転時、内部に残油、水を入れるため、死荷重が非常に重くなる。【０００４】
以上のように、コークドラムには一般の圧力容器には無い特有の事情があるが典型的な従来技術のスカート支持構造は、図１１のようになっている。垂直なドラム本体１から傾斜した底板３にかけて厚板鋼板が湾曲して形成されており、底板３の上端（つまり、ドラム本体１との境目）付近にはスカート４の上端が溶接で結合されている。符号６はその溶接部である。
既述のごとく、コークドラムには加熱と冷却が繰返されるが、図１２に示すように、加熱時の高温によって、スカート４の上方の接合部付近は外側に膨らむが、下方は温度が上昇しない（高温にならない）ため動かず、接合部分に強い応力が発生する（Ａ図参照）。一方、冷却時に温度低下すると、スカート４の上方部分は内側に戻ろうとするとするが、下方部分は高温時の状態を維持しようとするので、（Ａ）図とは逆の変形が残る（Ｂ図参照）。このような膨張・収縮を繰り返すことによって、図１１の符号Ｃに示すように、従来技術ではスカート４の取付部分上端、すなわち溶接部分近傍に亀裂が入りやすい。【０００５】
そのため、スカート取付部の寿命が短く、早い場合は、１０年位で金属疲労による亀裂が生ずる。
また、図１１の従来技術は、溶接のみによって結合しているため、溶接部の品質管理が重要であり、耐久性が溶接欠陥の有無や溶接の仕上げ状態などの品質の良し悪しに左右されるという欠点があった。【０００６】
ところで、コークドラムの支持構造には、特許文献１，２のような従来技術もある。
特許文献１のコークドラムは、ドラムにスカートを溶接した部分の外周に環状のジャケットを形成したものである。操業中の急冷工程の間にジャケット内に冷却流体を流して、溶接部回りの金属応力を低減するようにしている。【０００７】
特許文献２のコークドラムは、ドラム容器の底部を支持エレメントで大きな接触面を与えて支持するようにしている。支持エレメントは、ドラム容器の傾斜下部から分離するナックルの下方に向けて内側に先細りした支圧部を有し、支圧部はドラム容器の傾斜面に沿って延びる漏斗状部材であって大きな接触面を有している。支持エレメントの下部は細くなって、基礎の上にボルト固定されている。【０００８】
しかるに、特許文献１の従来技術では、急冷工程時に冷却流体をジャケット内に流す必要があるので、ランニングコストがかかるという欠点がある。【０００９】
また、特許文献２の従来技術では、ドラム容器と支持エレメントを面接触させるような製作精度を確保するのは難しく、実際にはドラム容器の底部に対して支持エレメントは面接触せず、点接触あるいは線接触にしかならない。このように、狭い面積で接触した部位では接触圧力が高いので、変形や歪などが生じやすいという欠点があり、実際に使用された例はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２００２−５１５０８９号公報
【特許文献２】特開２００７−２７７５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
コークドラムでは既述の６点の特性を有することから、ドラム本体に部材を溶接にて取り付ける場合、金属疲労により割れが発生し、その割れがドラム本体まで進展する可能性があるので、ドラム本体に溶接される部材を可能な限り減らすことが、コークドラムの鉄則である。【００１２】
本発明は上記事情に鑑み、コークドラムのスカート接合部の耐久性を向上させたコークドラムの支持構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１発明のコークドラムの支持構造は、円筒状のドラム本体と、該ドラム本体の下方に接続される逆円錐状の底板と、前記ドラム本体を支持する円筒状のスカートを備えたコークドラムにおいて、前記ドラム本体と前記底板と前記スカートを互いに接合する環状の接合ピースが用いられており、該接合ピースは、前記ドラム本体の下端に接合される上側胴部と、前記底板の上端に接合される下側内足部と、前記スカートの上端に接合される下側外足部とからなる一体部材であることを特徴とする。
第２発明のコークドラムの支持構造は、第１発明において、前記接合ピースは、前記上側胴部から下方に前記下側外足部が垂直に延び、前記上側胴部から下方に前記下側内足部が斜め内側に延びており、前記下側内足部と前記下側外足部とは、互いの内縁上端部が湾曲した接続線で接続されていることを特徴とする。
第３発明のコークドラムの支持構造は、第２発明において、前記ドラム本体、前記底板、前記スカートおよび前記接合ピースのそれぞれの表面には保温材が貼付されており、前記接合ピースにおける前記下側内足部および前記下側外足部で囲まれた空間、およびその下方につながる底板の一部およびスカートの一部で囲まれた空間には保温材を貼付しないホットボックスを構成していることを特徴とする。
第４発明のコークドラムの支持構造は、第３発明において、前記接合ピースにおける前記下側内足部と前記下側外足部の内縁上端部が円の一部で接続されていることを特徴とする。
第５発明のコークドラムの支持構造は、第３発明において、前記接合ピースにおける前記下側内足部と前記下側外足部の内縁上端部が、請求項３の内縁上端部よりも上方に位置する湾曲線で形成されていることを特徴とする。
第６発明のコークドラムの支持構造は、第５発明において、前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁に接続される円の一部と、前記下側外足部の内縁に接続される楕円の一部が接続されたものであることを特徴とする。
第７発明のコークドラムの支持構造は、第５発明において、前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁と前記下側外足部の内縁に接続される放物線であることを特徴とする。
第８発明のコークドラムの支持構造は、第５発明において、前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁に接続された円の一部と、前記下側外足部の内縁に接続された楕円の一部とが接続されたものであり、かつ前記下側外足部の内縁側には前記スカートよりも板厚の厚い肉厚部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１発明によれば、接合ピースが一体形であり、この接合ピースでドラム本体と底板とスカートとを溶接にて結合するが、溶接部は応力集中点から離れているので、疲労耐久性が向上する。また、接合ピースの一体形状は機械加工で削り出しできるので、応力集中の生じにくい形状を得ることが可能である。よって、この点からも耐久性の高い支持構造が得られる。さらに、接合ピースとドラム本体、その底部およびスカートとは突合せ溶接にて結合できるので、面接触させる場合のような高い接触圧力が生じず、それに起因する変形や歪も生じない。また、操業中に冷却流体等を供給する必要もないので、ランニングコストは不要となる。
第２発明によれば、上側胴部と下側外足部と共に垂直になっているので、ドラム本体の重量が上側胴部と下側外足部を介してスカートに真直ぐ下方に伝えるので、支持構造に曲げモーメントが働かない。このため、耐久性の高い支持構造が得られる。
第３発明によれば、ホットボックスがあることによって、接合ピースの下側内足部から下側外足部への熱伝達が早く行われ、ドラム本体とスカートとの間の温度差を小さくすることができる。仮に、ホットボックスが無ければ、鋼材の熱伝導率は大きいものの、その熱伝導だけではスカート取付部の下側まで温度を伝えることはできないので、ドラム本体とスカートの温度差が大きくなって、大きな熱応力が発生するが、上記のごとく温度差は小さいので熱応力は小さくなり、クラックが発生しにくく、耐久性の高い支持構造が得られる。
第４発明によれば、ホットボックスによる熱応力の低減効果に加え、応力集中が生じにくい形状となっている。すなわち、コークドラムの加熱冷却によるスカートの膨張収縮による応力は接合ピースの下側内足部と下側外足部との間の内縁上端部で生ずるが、この内縁上端部は円の一部で形成されているので、応力集中が生じにくくクラックが発生しにくい。このため、さらに高い耐久性が得られる。
第５発明によれば、接合ピースの下側内足部と下側外足部の内縁上端部が第３発明の内縁上端部よりも上方にあることからホットボックスが上方に大きくなっている。このため、ドラム本体からスカートへの温度の追随可能範囲が大きくなり、運転時のドラム本体の膨張・収縮変形に対し、変形できる範囲が大きくなる。この結果、スカートや結合ピース内の発生応力が低減され、耐久力が向上する。
第６発明によれば、下側内足部の内縁と下側外足部の内縁を接続する湾曲線が円の一部と楕円の一部とを接続したので、下側外足部の内縁に対する湾曲線の擦り付け角度が小さくなる。このため応力集中がより緩和されるので、耐久性がより向上する。
第７発明によれば、下側内足部の内縁と下側外足部の内縁を接続する湾曲線が放物線であるので、下側外足部の内縁に対する湾曲線の擦り付け角度が小さくなる。このため応力集中がより緩和されるので、耐久性がより向上する。
第８発明によれば、第６発明と同様に湾曲線の擦り付け角度が小さくなることによって、応力集中がより緩和されることに加え、さらに、下側外足部は板厚の厚い肉厚部を有するので、曲げ剛性が向上し、発生応力がより低減する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明における接合ピースの説明図である。
【図２】本発明における接合ピースの製法説明図である。
【図３】（Ａ）図はホットボックスの位置の説明図、（Ｂ）図はホットボックスの構造説明図である。
【図４】（Ａ）図はホットボックス回りの温度分布図、（Ｂ）図はホットボックスの作用説明図である。
【図５】実施形態（１）〜（４）の接合ピースの構造説明図である。
【図６】実施形態（１）〜（４）の接合ピースの形状説明図であり、（Ａ）は寸法表、（Ｂ）は定義の説明図である。
【図７】（Ａ）は実施形態（１）に対比して示す実施形態（３）の接合ピースの構造説明図、（Ｂ）は実施形態（３）の別タイプの説明図である。
【図８】コークドラムの操業中の温度変化と従来例および実施形態１〜４の熱応力線図である。
【図９】本発明のコークドラムの耐久試験の結果を示すグラフである。
【図１０】コークドラムの基本構成を示す説明図である。
【図１１】従来例のスカート接合構造の説明図である。
【図１２】図１１の従来例における問題点の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１において、１０は接合ピースである。本発明の接合ピース１０が用いられるコークドラムも円筒状のドラム本体１と、ドラム本体１の下方に接続される逆円錐状の底板３と、円筒状のスカート４を備えている。ドラム本体１と底板３はつながっておらず、接合ピース１０を介して結合されるようになっている。通常、ドラム本体１と底板３を構成する鋼板の板厚は、３０〜５０mm位、スカート４を構成する鋼板の板厚は２０〜３０mm位である。
【００１７】
接合ピース１０は一体物の部材であって、ドラム本体１の下端に接合される上側胴部１１と、底板３の上端に接合される下側内足部１３とスカート４の上端に接合される下側外足部１４とからなる。上側胴部１１と下側内足部１３の肉厚はそれぞれドラム本体１と底板３と同じである。下側外足部１４はスカート４の肉厚と同じである。
【００１８】
上側胴部１１からは下側外足部１４が下方に延び、上側胴部１１と下側外足部１４は共に垂直に形成され、外側面は面一となっている。下側内足部１３も上側胴部１１から下方に延び、下側内足部１３は下側外足部１４に対し斜め内側に傾斜しており、その傾斜角は底板３の傾斜角と同じである。このような構造によって、下側内足部１３と下側外足部１４の間には空間３１が形成されており、後述するホットボックス３０を構成することができる。
【００１９】
接合ピース１０の上側胴部１１は溶接によりドラム本体１の下端に結合される。符号１５は、その溶接部である。下側内足部１３は溶接により底板３に結合される。符号１６は、その溶接部である。下側外足部１４も溶接によりスカート４に結合される。符号１７はその溶接部である。
上記３カ所の溶接部１５，１６，１７は、いずれも熱応力の集中しやすい下側外足部の上側胴部１１に対する付け根付近から離れているので、熱応力によってクラックが生ずる危険は少ない。これが、溶接を用いながら耐久力が高い理由の一つである。
【００２０】
つぎに、接合ピース１０の製造方法を説明する。図１において、符号２０は接合ピース２０を削り出す前の断面長方形の素材を示している。
図２は製法を示すもので、以下の工程により接合ピース１０が製造される。
Ｉ：鋼材の長尺材２０を鍛造等で成形する。断面は長方形である。図示の例では長尺材２０を３本用いるが、本数は任意である。
II：長尺材２０を曲げ加工し、湾曲させる。
III：湾曲した３本の長尺材を溶接で結合する。この段階で円形リング２２となる。
IV:円形リング２２の内側部分２３を機械加工で切削する。
Ｖ：円形リング２２の外側部分２４と下側部分２５を切削する。
【００２１】
上記切削加工IV、Ｖにより、本願発明の接合ピース１０が得られるが、このことは下側部分２５を切削するとき、下側内足部１３と下側外足部１４の間の内縁上端部の形状を自在に削り出せることを意味している。このため、適切な湾曲線に削り出して、熱応力低減に効果的な形状とホットボックスを形成することができる。
【００２２】
VI：接合ピース１０が削り出されると、この接合ピース１０を介してドラム本体１と底板３が溶接して結合され、かつスカート４も溶接により結合される。
【００２３】
図３はホットボックス３０の説明図である。（Ａ）図に示すように、ドラム本体１の外面、底板３の外面、スカート４の内外両面には、保温材７が貼付されている。また、（Ｂ）図に示すように、接合ピース１０においても、上側胴部１１の外面と下側外足部１４の外面には、保温材７が貼付されている。
これに対し、接合ピース１０における上側胴部１１の内面と下側内足部１３の内外面と下側外足部１４の内面には保温材７は貼付されていない。
スカート４の高さ方向における中間部から底板３に向けて横方向に向けて保温材７ａが配置されている。
保温材７としては、公知のグラスウールやロックウールなどが用いられる。
【００２４】
このような構成によって、接合ピース１０の下側内足部１３と下側外足部１４との間の空間３１、およびその下方につながる底板３とスカート４と保温材７ａで囲まれた空間３２を合せた空間には空気が外部との出入りが余りない状態で存在しており、かつ保温材７，７ａで断熱されたホットボックス３０が構成されている。
【００２５】
ホットボックス３０付近は熱の輻射により熱が伝わり、高温時におけるホットボックス付近の熱分布は、図４（Ａ)に示すようになる。すなわち、熱を直接受けるドラム本体１、底板３および接合ピース１０の内面側は高温（濃度の濃い部分）になっているが、スカート４のホットボックス３０に面する部分は中温（濃度が中間位の部分）になり、ホットボックス３０より下の部分では低温（濃度の薄い部分）となっている。
【００２６】
上記のように、ホットボックス３０部分は、温度伝達が早いので、ホットボックス付近のスカート４の上方部分が、スカート４の下方部分よりも早く高い温度になる。
このため、同図（Ｂ）の符号Ｘで示すように、ホットボックス３０付近のスカート４が外側に膨らむが、高温であるため変形抵抗が小さく、接合ピース１０の下側外足部１４の応力が低減する。とくに、下側外足部１４における湾曲線の止端部（後に詳述する湾曲線が下側外足部の内縁に接続した位置）での発生応力が低減する。
【００２７】
つぎに、接合ピース１０の各実施形態を図５に基づき説明する。
（１）実施形態１
接合ピース１０における下側内足部１３と下側外足部１４の内縁上端部が、実施形態４の内縁上端部よりも上方に位置する湾曲線で形成されている。
そして、この湾曲線は、下側内足部１３の内縁に接続される円の一部ｃｃと、下側外足部１４の内縁に接続される楕円の一部ｅｐが接続されたものである。応力集中点Ｐは、湾曲線ｅｐが下側外足部１４の内縁につながる止端部付近に存在する。
【００２８】
（２）実施形態２
接合ピース１０における下側内足部１３と下側外足部１４の内縁上端部が、実施形態４の内縁上端部よりも上方に位置する湾曲線で形成されている。
湾曲線は、下側内足部１３の内縁と下側外足部１４の内縁に接続される放物線ｐｂである。応力集中点Ｐは、湾曲線ｐｂが下側外足部１４の内縁につながる止端部付近に存在する。
【００２９】
（３）実施形態３
接合ピース１０における下側内足部１３と下側外足部１４の内縁上端部が、実施形態４の内縁上端部よりも上方に位置する湾曲線で形成されている。
湾曲線は、下側内足部の１３内縁に接続された円の一部ｃｃと、下側外足部１４の内縁に接続された楕円の一部ｅｐが接続されたものである。応力集中点Ｐは、湾曲線ｅｐが下側外足部１４の内縁につながる止端部付近に存在する。そして、下側外足部１４の内縁にはスカート４よりも板厚の厚い肉厚部１５が形成されている。応力集中点Ｐは、この肉厚部１５に存在する。
【００３０】
（４）実施形態４
接合ピース１０における下側内足部１３と下側外足部１４の内縁上端部が、円の一部ｃｃで形成されている。応力集中点Ｐは、湾曲線が下側外足部１４の内縁につながる止端部付近に存在する。
【００３１】
実施形態１〜４の接合ピース１０を、図６に基づき、さらに詳しく説明する。
各実施形態の特徴を説明する用語の定義はつぎのとおりである。また、符号α、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は図６（Ｂ）に示すとおりである。
（１）擦り付け角度α
湾曲線の止端部より５mm上方の位置における垂直線に対する交差角度。
止端部とは、湾曲線が下側外足部の内縁に接続した位置である。
擦り付け角度が小さいほど、応力集中を緩和できる。
（２）板厚形状変化率  Ｌ１／Ｌ２
Ｌ１：湾曲線の止端部から内縁上端部の頂点までの距離
Ｌ２：湾曲中心から止端部までの距離
板厚形状変化率が1.0より大きいと、接合ピースからスカートへの形状の急変を抑制でき、応力発生分布を均一化できる。
（３）上下方向寸法比率  Ｌ１／Ｌ３
止端部における接合ピースの全幅Ｌ３に対する上下寸法の比率
この比率が大きい程、ホットボックスのサイズが大きくなり、スカート４の柔軟性が高くなり、発生応力を緩和できる。
【００３２】
各実施形態において、内縁上端部の内径Ｒ等は、接合ピース１０の大きさに合わせて、選択してよいが、各実施形態における円ｃｃや楕円ｅｐを組合せた形状から、従来構造（図１１）に比べて、擦り付け角度αを小さくでき、板厚形状変化率Ｌ１／Ｌ２を大きくでき、上下方向寸法比率Ｌ１／Ｌ３を大きくすることができる。
【００３３】
実施形態１〜３に共通の特徴は、以下のとおりである。
ａ）実施形態１〜３では、擦り付け角度αを1.0°以下にできる。その結果、金属疲労強度が2.5〜3.3倍程度向上する。
ｂ）実施形態１〜３では、板厚形状変化率が1.0より大きい構造であるので、接合ピース１０からスカート４への形状の急変が生じにくく、応力発生分布を均一化できる。
ｃ）実施形態１〜３では、内縁上端部の頂点が、実施形態４よりも上方にあり、ホットボックスの上下サイズが大きくなっている。それにより操業中のドラム本体の急激な温度変化および収縮・膨張変形に追随可能な範囲が増加するため、スカートの柔軟性が高くなり、発生応力を緩和させる。
ｄ）実施形態３では、応力集中個所の板厚が肉厚部１５により局所的に増加しているので、曲げ剛性が向上し、発生応力が低減する。
【００３４】
実施形態３の特徴を実施形態１と比較して説明する。
図７（Ａ）の左側は実施形態１を示す。符号Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、湾曲線の始点Ｄ１から中間点Ｄ２を経て止端部Ｄ３に至る間の各点を示しており、応力集中点Ｐは止端部Ｄ３の直上方に位置する。同図の右側は実施形態３を示す。符号１５は肉厚部を示している。実施形態１の符号１５´部分と対比すると明らかなように、実施形態３の肉厚部１５は、応力集中点Ｐ付近における肉厚が厚いのが特徴である。
【００３５】
実施形態３は肉厚部１５の板厚ｔ３が実施形態１の板厚ｔ１より厚いのが特徴であり、板厚ｔ３を厚くできれば、（Ａ）図右側のように、下側外足部１４の内縁を内側に膨らましてもよく、（Ｂ）図のように下側外足部１４の外縁を外側に膨らまして、板厚ｔ３を厚くしたものでもよい。
【００３６】
上記実施形態３は実施形態１，２に比べて、応力集中個所の板厚ｔ３が肉厚部１５により局所的に増加しているので、曲げ剛性が向上し、発生応力が低減する。このため、図９に示すように、実施形態１，２よりも実施形態３の方が金属疲労寿命が長くなる。
【００３７】
図８はコークドラムの操業中の温度変化と従来例および実施形態１〜４の熱応力を示している。
詳細はつぎに述べるが、概略的に云えることは、実施形態１〜４は従来技術よりも熱応力の変動範囲が少なく、かつ実施形態１〜３は実施形態４よりも高い熱応力低減能力を有している、ということである。
【００３８】
以下、詳細に見ていく。
コークドラムの温度上昇と共に熱応力は従来例では８０ksiまで、実施形態１〜４では５５〜６５ksiの範囲位まで上昇している。操業温度は、上昇後一定温度を保つが、熱応力はいったん２０ksi位まで低減し、その後、ほぼ同様のレベルで推移する。その後、操業温度の低下に伴い熱応力も更に低下するが、実施形態１〜４は−２０ksiから−３０ksiの範囲に低下し、従来例は−４０ksi位に低下する。この現象を見ると、従来例の熱応力の変動範囲は８０ksiから−４０ksiで大きいのに比べると、実施形態１〜４は上限５５〜６５ksiから下限−２０〜−３０ksiの変動範囲であるから、従来例よりは小さい。
このことは、本発明の実施形態１〜４は、従来例より熱応力が小さく、耐久性が高いことを意味する。
【００３９】
さらに図８において、実施形態１〜３と実施形態４を比較すると、熱応力の上限値と下限値は、実施形態１〜３の方が実施形態４よりも小さい。すなわち、熱応力変動範囲が小さい。その理由は、ホットボックス３０の大きさに起因している。すなわち、実施形態１〜３の空間３１は実施形態４の空間３１よりも大きい、つまり、空間３１の上端が上に位置する。このため、ホットボックス３０の容積も大きいので、実施形態１〜３は、実施形態４よりも熱伝達が早く、早く柔軟に湾曲しやすくなることによる。
上記の図８において、実施形態３が実施形態１，２よりもさらに熱応力の変動範囲が小さく現われているのは、既述したように、実施形態３は下側外足部に肉厚部１５を形成したことによる応力低減があるためである。
【００４０】
図９は本発明のコークドラムの耐久試験の結果を示すグラフであり、以下の条件でＦＥＭ解析した結果を示している。
１）分析条件
・方法：熱ストレス分析
・モデル：２-Axisymmetric モデル
・ソフトウエア：Abaqus / Standard
２）適用コード
・ASME  Sec.VIII  Div.2 2007版
３）試験条件
スカート４の下端は軸方向不動、半径方向移動可能、ドラム本体と底板は回転不能とした。
４）コークドラム諸元
鋼材種類          1.25％クロム、0.5％モリブデン鋼
（ASME規格：SA-387 Grade11 Class2)
ドラム本体内径    9800mm
底板出口内径      1467mm
５）温度条件        
開始から350分の間：約100°Fから加温（300°F/hr）
350〜1350分の間：温度保持（約750°F）
1350〜1750分の間：冷却（350°F/hr）
【００４１】
上記サイクルを繰返し、疲労損傷に至った回数を図９に示す。
従来例の耐久性が、3056回であるに比べ、本発明の各実施形態１〜４は以下のとおりである。
実施形態１     7680回（約2.5倍）
実施形態２     7850回（約2.6倍）
実施形態３    10057回（約3.3倍）
実施形態４     5920回（約1.9倍）
上記のように、本発明のコークドラム支持構造は従来例に比べ、約２〜３倍の高い耐久性を示すことができる。
【００４２】
本発明の各実施形態１〜４では、接合ピースとドラム本体、その底部およびスカートとは突合せ溶接にて結合できるので、面接触させる場合のような高い接触圧力が生じず、それに起因する変形や歪も生じない。また、操業中に冷却流体等を供給する必要もないので、ランニングコストは不要となる。
【符号の説明】
【００４３】
１    ドラム本体
３    底板
４    スカート
１０    接合ピース
１１    上側胴部
１３    下側内足部
１４    下側外足部
３０    ホットボックス
【図１】
2011045843.tif 000003
【図２】
2011045843.tif 000004
【図３】
2011045843.tif 000005
【図４】
2011045843.tif 000006
【図５】
2011045843.tif 000007
【図６】
2011045843.tif 000008
【図７】
2011045843.tif 000009
【図８】
2011045843.tif 000010
【図９】
2011045843.tif 000011
【図１０】
2011045843.tif 000012
【図１１】
2011045843.tif 000013
【図１２】
2011045843.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
第１発明のコークドラムの支持構造は、円筒状のドラム本体と、該ドラム本体の下方に接続される逆円錐状の底板と、前記ドラム本体を支持する円筒状のスカートを備えたコークドラムにおいて、前記ドラム本体と前記底板と前記スカートを互いに接合する環状の接合ピースが用いられており、該接合ピースは、前記ドラム本体の下端に接合される上側胴部と、前記底板の上端に接合される下側内足部と、前記スカートの上端に接合される下側外足部とからなる一体部材であることを特徴とする。
第２発明のコークドラムの支持構造は、第１発明において、前記接合ピースは、前記上側胴部から下方に前記下側外足部が垂直に延び、前記上側胴部から下方に前記下側内足部が斜め内側に延びており、前記下側内足部と前記下側外足部とは、互いの内縁上端部が湾曲した接続線で接続されていることを特徴とする。
第３発明のコークドラムの支持構造は、第２発明において、前記ドラム本体、前記底板、前記スカートおよび前記接合ピースのそれぞれの表面には保温材が貼付されており、前記接合ピースにおける前記下側内足部および前記下側外足部で囲まれた空間、およびその下方につながる底板の一部およびスカートの一部で囲まれた空間には保温材を貼付しないホットボックスを構成していることを特徴とする。
第４発明のコークドラムの支持構造は、第３発明において、前記接合ピースにおける前記下側内足部と前記下側外足部の内縁上端部が円の一部で接続されていることを特徴とする。
第５発明のコークドラムの支持構造は、第４発明において、前記接合ピースにおける前記下側内足部と前記下側外足部の内縁上端部が、請求項４の内縁上端部よりも上方に位置する湾曲線で形成されていることを特徴とする。
第６発明のコークドラムの支持構造は、第５発明において、前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁に接続される円の一部と、前記下側外足部の内縁に接続される楕円の一部が接続されたものであることを特徴とする。
第７発明のコークドラムの支持構造は、第５発明において、前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁と前記下側外足部の内縁に接続される放物線であることを特徴とする。
第８発明のコークドラムの支持構造は、第５発明において、前記湾曲線が、前記下側内足部の内縁に接続された円の一部と、前記下側外足部の内縁に接続された楕円の一部とが接続されたものであり、かつ前記下側外足部の内縁側には前記スカートよりも板厚の厚い肉厚部が形成されていることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
第１発明によれば、接合ピースが一体形であり、この接合ピースでドラム本体と底板とスカートとを溶接にて結合するが、溶接部は応力集中点から離れているので、疲労耐久性が向上する。また、接合ピースの一体形状は機械加工で削り出しできるので、応力集中の生じにくい形状を得ることが可能である。よって、この点からも耐久性の高い支持構造が得られる。さらに、接合ピースとドラム本体、その底部およびスカートとは突合せ溶接にて結合できるので、面接触させる場合のような高い接触圧力が生じず、それに起因する変形や歪も生じない。また、操業中に冷却流体等を供給する必要もないので、ランニングコストは不要となる。
第２発明によれば、上側胴部と下側外足部と共に垂直になっているので、ドラム本体の重量が上側胴部と下側外足部を介してスカートに真直ぐ下方に伝えるので、支持構造に曲げモーメントが働かない。このため、耐久性の高い支持構造が得られる。
第３発明によれば、ホットボックスがあることによって、接合ピースの下側内足部から下側外足部への熱伝達が早く行われ、ドラム本体とスカートとの間の温度差を小さくすることができる。仮に、ホットボックスが無ければ、鋼材の熱伝導率は大きいものの、その熱伝導だけではスカート取付部の下側まで温度を伝えることはできないので、ドラム本体とスカートの温度差が大きくなって、大きな熱応力が発生するが、上記のごとく温度差は小さいので熱応力は小さくなり、クラックが発生しにくく、耐久性の高い支持構造が得られる。
第４発明によれば、ホットボックスによる熱応力の低減効果に加え、応力集中が生じにくい形状となっている。すなわち、コークドラムの加熱冷却によるスカートの膨張収縮による応力は接合ピースの下側内足部と下側外足部との間の内縁上端部で生ずるが、この内縁上端部は円の一部で形成されているので、応力集中が生じにくくクラックが発生しにくい。このため、さらに高い耐久性が得られる。
第５発明によれば、接合ピースの下側内足部と下側外足部の内縁上端部が第４発明の内縁上端部よりも上方にあることからホットボックスが上方に大きくなっている。このため、ドラム本体からスカートへの温度の追随可能範囲が大きくなり、運転時のドラム本体の膨張・収縮変形に対し、変形できる範囲が大きくなる。この結果、スカートや結合ピース内の発生応力が低減され、耐久力が向上する。
第６発明によれば、下側内足部の内縁と下側外足部の内縁を接続する湾曲線が円の一部と楕円の一部とを接続したので、下側外足部の内縁に対する湾曲線の擦り付け角度が小さくなる。このため応力集中がより緩和されるので、耐久性がより向上する。
第７発明によれば、下側内足部の内縁と下側外足部の内縁を接続する湾曲線が放物線であるので、下側外足部の内縁に対する湾曲線の擦り付け角度が小さくなる。このため応力集中がより緩和されるので、耐久性がより向上する。
第８発明によれば、第６発明と同様に湾曲線の擦り付け角度が小さくなることによって、応力集中がより緩和されることに加え、さらに、下側外足部は板厚の厚い肉厚部を有するので、曲げ剛性が向上し、発生応力がより低減する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記接合ピースにおける前記下側内足部と前記下側外足部の内縁上端部が、請求項４の内縁上端部よりも上方に位置する湾曲線で形成されている
ことを特徴とする請求項４記載のコークドラムの支持構造。
【国際調査報告】
2011045843.tif 000015
2011045843.tif 000016