(57)【要約】【課題】更なる作業効率の向上が図られ、さらに、高信頼度が得られる拡管作業の拡管方法および制御機能付き拡管装置を提供する。【解決手段】マンドレル１７の拡管中における軸方向の変位量を検出する検出手段３０と、拡管率Ｅを求め、該拡管率Ｅからマンドレル１７を操作する圧力発生器３２を制御する制御装置３６とを備え、予め検出した前記複数の管の内径の平均値と、前記マンドレル１７の種類によって定まるテーパー角度と、予め設定された拡管後の管内径の戻り量と、上記検出手段３０によって検出されたマンドレル１７の変位量とで拡管率Ｅを求め、この拡管率Ｅに応じて圧力発生器３２を制御するように制御装置３６を設定した拡管装置。【選択図】　　　図１
2004098140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管板の管孔中に管を挿入し、前記管中に拡管装置のエキスパンダを挿入し、前記拡管装置を駆動してマンドレルを回転させ、前記マンドレルの回転と軸方向への移動に伴なって複数本のローラが遊星回転しながら外側に突出すことにより、前記管が外側に拡大されて前記管孔の内面と前記管の外面とが密着固定する拡管方法において、
予め検出した前記複数の管の内径の平均値と、前記マンドレルの種類によって定まるテーパー角度と、予め設定された拡管後の管内径の戻り量と、上記検出手段によって検出されたマンドレルの変位量とで、下式により拡管率を求め、
Ｅ＝｛（αＬ＋δｄ）／　ｄ１｝×１００
ただし、Ｅ：　　拡管率［％］
α：　マンドレルテーパー角度
Ｌ：　マンドレル突入量（検出手段によって検出された変位量）
δｄ：　戻り量
ｄ１：　拡管前の予め検出した前記複数の管の内径の平均値［ｍｍ］
この拡管率に応じて圧力発生器を制御するように制御装置を設定することを特徴とする拡管方法。
【請求項２】
管中に挿入する管状のケージと、前記ケージ中に回転可能にかつ軸方向に移動可能に配置されたマンドレルと、前記ケージに回転可能にかつ軸方向に移動不可能に配置され、前記マンドレルが前記管中に突入するのに伴なって外側に突出して前記管を外側に拡大させる複数本のローラとから構成されたエキスパンダと、
前記マンドレルを回転させる駆動部と、
を備えた拡管装置において、
前記マンドレルの拡管中における軸方向の変位量を検出する検出手段と、
拡管率を求め、該拡管率からマンドレルを操作する圧力発生器を制御する制御装置とを備え、
予め検出した前記複数の管の内径の平均値と、前記マンドレルの種類によって定まるテーパー角度と、予め設定された拡管後の管内径の戻り量と、上記検出手段によって検出されたマンドレルの変位量とで上記拡管率を求め、この拡管率に応じて圧力発生器を制御するように制御装置を設定したことを特徴とする制御機能付き拡管装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば、ボイラや熱交換器などの管を管板に固定する拡管作業において、その拡管方法、および、その拡管作業の品質管理を行うための制御機能が付いている制御機能付き拡管装置に係るものである。特に、この発明は、大幅な作業効率の向上が図られ、さらに、高信頼度が得られる拡管方法および制御機能付き拡管装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（一般のパッケージボイラの説明）
以下、管と管板との拡管作業が行われているパッケージボイラを例にして図４〜図７を参照して説明する。
【０００３】
前記パッケージボイラ１は、外部ケーシング２および火炉壁３内に火炉４と蒸気ドラム５と水ドラム６とをそれぞれ配置し、前記蒸気ドラム５と前記水ドラム６との間に多数本のボイラチューブ７を連結し、バーナー８を装備してなるものである。
【０００４】
つぎに、前記パッケージボイラ１の作用について説明する。前記バーナー８を燃焼させると、前記バーナー８からの燃焼ガス９は、図５中の矢印に示すように、火炉４を経てボイラチューブ７群を通り、このボイラチューブ７中の水と熱交換を行う。ボイラーチューブ７中の水が蒸気（過熱蒸気）となり、その蒸気がタービン（図示せず）を駆動する発電等の仕事をする。一方、熱交換を行ってボイラチューブ７群を通過した燃焼ガス９は、パッケージボイラ１から外部に排出される。
【０００５】
前記パッケージボイラ１において、前記蒸気ドラム５および前記水ドラム６と前記ボイラチューブ７との固定は、拡管作業により行われている。すなわち、図７に示すように、前記蒸気ドラム５および前記水ドラム６（以下、管板５と称する）に管孔１０を開設する。前記管孔１０に前記ボイラチューブ〈以下、管と称する）７を挿入する。前記管７を後記する拡管装置１１により外側に拡大させて、管７の外面と管板５の管孔１０の内面とを密着固定するものである。
【０００６】
（拡管装置の説明）
前記拡管装置１１は、図８〜図１１に示すように、ドライブヘッド１２と、中継ユニット１３と、コントロールユニット１４とから構成されている。
【０００７】
前記ドライブヘッド１２は、エキスパンダ１５を回転させる駆動部、この例は、油圧駆動式の駆動部（図示せず）とを備える。
【０００８】
前記エキスパンダ１５は、管７中に挿入する管状のケージ１６と、前記ケージ１６中に回転可能にかつ軸方向に移動可能に配置された円錐形状のマンドレル１７と、前記ケージ１６に回転可能にかつ軸方向に移動不可能に配置され、前記マンドレル１７が前記管７中に突入するのに伴なって外側に突出して前記管７を外側に拡大させる複数本、この例では３本のローラ１８とから構成されている。
【０００９】
前記ローラ１８は、前記マンドレル１７と接触している。
この結果、前記マンドレル１７を矢印方向に回転させると、３本の前記ローラ１８は、矢印方向に自転しながら公転する。
【００１０】
一方、３本の前記ローラ１８は、前記ケージ１６に対して軸方向に移動不可能であり、かつ、前記マンドレル１７は、前記ケージ１６に対して軸方向に移動可能である。この結果、前記マンドレル１７は、回転しながら、前記管７の中を突入していく。前記マンドレル１７の軸方向の移動により、３本の前記ローラ１８が外側に突出して前記管７を外側に拡大するものである。
【００１１】
（拡管の過程の説明）
以下、前記拡管装置１１による拡管の過程を図１２〜図１４を参照して説明する。
【００１２】
まず、管板５の管孔１０中に管７を挿入する（図１２参照）。この時点（拡管前）において、ｄ１は、拡管前の管７の内径、Ｄは管７の外径、Ｈは管孔１０の内径、Ｃは管７の外面と管孔１０の内面との間のクリアランス（Ｈ−Ｄ）である。
【００１３】
つぎに、前記管７中に拡管装置１１のエキスパンダ１５を挿入する。駆動部を駆動させてマンドレル１７を回転させる。すると、拡管装置１１の拡管作用により、前記管７の端部が塑性変形して外側に拡大され、前記管７の外面が管孔１０の内面に当たる、いわゆる、肌付けの状態となる（図１３参照）。この状態では、前記管板５と前記管７とは、十分には固定されていない。また、クリアランスＣは、Ｏである。
【００１４】
さらに、駆動部を駆動させてマンドレル１７を回転させる。すると、前記拡管装置１１の拡管作用により、前記管７の端部がさらに塑性変形して外側に拡大され、密着固定する、いわゆる、冷やしばめの状態となる（図１４参照）。この状態で、前記管７の拡大の塑性変形と前記管板５の管孔１０の収縮作用とにより、継ぎ手が形成されて管板５と管７とが水密に固定されることとなる。この状態（拡管後）において、ｄ２は、拡管後の管７の内径である。
【００１５】
（拡管作業における従来の品質管理方法の説明）
以下、上記の拡管過程を経て継ぎ手を形成して管板５と管７とを固定した拡管作業の品質管理方法について説明する。
【００１６】
従来の拡管作業の品質管理方法は、前記拡管作業と別個に、作業員が以下の各寸法を計測する。すなわち、拡管前の管７の内径ｄ１、管７の外径Ｄ、管孔１０の内径Ｈ、拡管後の管７の内径ｄ２。なお、前記管７の外径Ｄと前記管孔１０の内径Ｈとは、前記管７の外面と前記管孔１０の内面との間のクリアランスＣ（Ｈ−Ｄ）を求めるためのものである。
【００１７】
Ｅ＝｛ｄ２−（ｄｌ＋Ｃ）｝／　ｄ１×１００・・・（１）
但し、
Ｅ：　　拡管率［％］
ｄ２：拡管後の管内径［ｍｍ］
ｄ１：拡管前の管内径［ｍｍ］
Ｃ：クリアランス（管孔と管のすきま）＝Ｈ−Ｄ　［ｍｍ］
Ｈ：管孔径［ｍｍ］
Ｄ：管外径［ｍｍ］
【００１８】
つぎに、計測により求められた前記各寸法を、上式（１）に代入して拡管率Ｅを演算して求める。このようにして求めた拡管率Ｅが所定の値の範囲内にあるか否かにより、拡管作業の品質を管理するものである。
【００１９】
すなわち、管板５の板厚Ｔおよび管７の外径Ｄごとに、前記拡管率Ｅと把握力（管板５と管７との固定力）との間には、下記に示すように、相対関係がある。このために、管板５の板厚Ｔおよび管７の外径Ｄごとに、管板５と管７との拡管作業の試験を行って、前記拡管率Ｅと把握力との間の相対関係を予め求めてある。
【００２０】
前記拡管率Ｅと把握力との相対関係の１例を図１５および図１６に示す。図１５は、テストピース（管７）ごとの拡管率Ｅと把握力との相対関係を示した表図である。図１６は、図１５に基づいて作図されたグラフである。この試験で使用された１４本のテストピース（管７）、の外径は、５０．８ｍｍ、また、管板５の板厚は、２４ｍｍである。
【００２１】
図１６のグラフに示すように、前記拡管率Ｅと把握力との間には、放物線の相対関係がある。なお、多少の誤差は、許容の範囲にある。この図１６のグラフから明らかなように、ある拡管率Ｅにおいて、把握力の最大値がある。そのある拡管率Ｅを越えると、把握力が低下する。これは、管板５の管孔１０の内面が外側に塑性変形して管７を締め付ける収縮力が低下するからである。このように、拡管率Ｅをチェックすることにより、所定の把握力が得られることとなる。すなわち、拡管率Ｅをチェックすることにより、拡管作業の品質を管理することができる。
【００２２】
なお、上式（１）において、クリアランスＣを拡管前の管７の内径ｄ１に加えることにより、クリアランスのばらつきを加味することで、さらに正確な前記拡管率Ｅと把握力との相対関係が得られる。すなわち、実際に把握力（固着力）が得られるのは、図１３の肌付けの状態から図１４の冷やしばめの状態に入ってからである。図１２のエキスパンダ１５挿入状態から図１３の肌付けの状態までは、管７の外面と管孔１０の内面との間のクリアランスＣが埋められる過程であって、実際には把握力が得られていない。この結果、図１２の状態から図１３の状態のクリアランスＣをなくすことにより、正確な前記拡管率Ｅと把握力との相対関係が得られることとなる。
【００２３】
【特許文献１】
特開平１０−２９６３６３号公報（３−４頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−２６９７３３号公報（３−５頁、図１）
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の拡管作業の品質管理方法は、拡管作業と、各寸法の計測作業とを作業員がそれぞれ別個に行うので、下記の課題がある。
【００２５】
拡管作業と、各寸法の計測作業とをそれぞれ別個に行うので、多数本（たとえば、図４〜図７に示すパッケージボイラにおいて、蒸気ドラム５に連結するボイラチューブ７は、約１０００本である）の管７の拡管作業の品質管理を行うには、非常に多くの作業を必要とする。
また、作業員が各寸法の計測作業を行うので、高精度かつ正確な各寸法の計測が困難であり、拡管作業の品質管理の信頼度に問題がある。
【００２６】
そこで、拡管作業と計測作業とが同時に行えることにより、拡管作業の全数の品質管理が可能であり、また、大幅な作業効率の向上が図られ、さらに、高信頼度が得られる拡管作業の計測機能付き拡管装置を先に出願した（特願２００１−１２８０８０）。
【００２７】
本発明は、高信頼度が得られ、更なる作業効率の向上が図られる拡管作業の拡管方法および制御機能付き拡管装置を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、管板の管孔中に管を挿入し、前記管中に拡管装置のエキスパンダを挿入し、前記拡管装置を駆動してマンドレルを回転させ、前記マンドレルの回転と軸方向への移動に伴なって複数本のローラが遊星回転しながら外側に突出すことにより、前記管が外側に拡大されて前記管孔の内面と前記管の外面とが密着固定する拡管方法において、
予め検出した前記複数の管の内径の平均値と、前記マンドレルの種類によって定まるテーパー角度と、予め設定された拡管後の管内径の戻り量と、上記検出手段によって検出されたマンドレルの変位量とで、下式により拡管率を求め、
Ｅ＝｛（αＬ＋δｄ）／　ｄ１｝×１００
Ｅ：　　拡管率［％］
α：　マンドレルテーパー角度
Ｌ：　マンドレル突入量（検出手段によって検出された変位量）
δｄ：　戻り量
ｄ１：　拡管前の予め検出した前記複数の管の内径の平均値［ｍｍ］
この拡管率に応じて圧力発生器を制御するように制御装置を設定することにある。
また、本発明は、管中に挿入する管状のケージと、前記ケージ中に回転可能にかつ軸方向に移動可能に配置されたマンドレルと、前記ケージに回転可能にかつ軸方向に移動不可能に配置され、前記マンドレルが前記管中に突入するのに伴なって外側に突出して前記管を外側に拡大させる複数本のローラとから構成されたエキスパンダと、
前記マンドレルを回転させる駆動部と、
を備えた拡管装置において、
前記マンドレルの拡管中における軸方向の変位量を検出する検出手段と、
拡管率を求め、該拡管率からマンドレルを操作する圧力発生器を制御する制御装置とを備え、
予め検出した前記管の内径と、前記マンドレルの種類によって定まるテーパー角度と、予め設定された拡管後の管内径の戻り量と、上記検出手段によって検出されたマンドレルの変位量とで上記拡管率を求め、この拡管率に応じて圧力発生器を制御するように制御装置を設定したことにある。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、拡管装置を示したもので、図４ないし図１６と同一部分は同符号を付して説明する。
【００３０】
図１において、３０は拡管装置３１に装備された変位センサなどの検出手段である。拡管装置３１のマンドレル１７部分の具体的な構造は、図９および図１０と同様なので説明を省略する。
検出手段３０は、例えばレーザー変位センサを用い、ドライブヘッド１２の先端に設けて、ドライブヘッド１２とケージ後端との変位を検出することで、ドライブヘッド１２に軸方向に移動不可能に接続されたマンドレル１７と、ケージとの相対変位量（突入量）を検出するものである。３２はドライブヘッド１２を駆動する油圧モータに油圧を送る圧力発生器であり、この圧力発生器３２は、中継ボックス３３を介して油圧を油圧モータに供給するものである。圧力発生器３２、中継ボックス３３、ドライブヘッド１２はそれぞれ油圧ホース３４，３５を介して結合されている。
上記検出手段３０、中継ボックス３３、圧力発生器３２は、それぞれ制御装置３６に接続されている。制御装置３６は、検出手段３０によって検出された変位信号により圧力発生器３２に制御信号を送るもので、中継ボックス３３から送られる圧力信号に基づいて油圧をコントロールするものである。
【００３１】
次に具体的な拡管方法を説明する。
予め検出した前記複数の管の内径の平均値ｄ１と、前記マンドレル１７の種類によって定まるテーパー角度αと、予め設定されたマンドレル１７の戻り量と、上記検出手段３０によって検出された変位量Ｌとで、拡管率Ｅを求める。
【００３２】
Ｅ＝｛（αＬ＋δｄ）／　ｄ１｝×１００・・・（２）
Ｅ：　　拡管率［％］
α：　マンドレルテーパー角度
Ｌ：　マンドレル突入量（検出手段によって検出された変位量）
δｄ：　戻り量
ｄ１：　拡管前の予め検出した前記複数の管の内径の平均値［ｍｍ］
【００３３】
（２）式から
Ｌ＝（Ｅ・　ｄ１−δｄ）／α
が決まる。つまり、Ｅを入力値としてＬを制御することで、入力したＥで拡管を行うことができる。
ここで、仮締め時はクリアランスがあるため、密着した時点（密着領域）を図２（ａ）の圧力勾配変化点から予測して検出する。圧力の変化がｔ１秒でＰ１ＭＰａ変化したら、密着後の圧力変化が起きていると判断し、その時点よりｔ２秒前を密着点（密着領域）と推定する。
なお、立ち上がりの変化等の誤動作を防ぐために、管のみを拡げる圧力は、ほぼ一定と考え、判断開始の圧力Ｐ２を設定する。
また、（１）式と（２）式を比較すると、｛ｄ２−（ｄｌ＋Ｃ）｝を（αＬ＋δｄ）としているが、これは図２（ｂ）より、密着後の管内径拡がり量とマンドレル変位量が線形関係にあると推定したことから、上記のように定義した。
【００３４】
図３は、本発明の拡管方法のフローチャートの一例を示したものである。
まず、ｔ１、ｔ２、Ｐ１、Ｐ２を定める（▲１▼）。次に、平均値ｄ１を実測して定める（▲２▼）。また、上記Ｅ、ｄ１、δｄ、αをセットする（▲３▼）。そして、拡管器をセットする（▲４▼）。
そして、装置をスタートさせる（▲５▼）。Ｐ（＝測定圧力）≧Ｐ２がＮＯならばＹＥＳになるまで動作を継続する。そしてＹＥＳならば次の工程にいく（▲６▼）。
△Ｐ（＝Ｐ−Ｐ’：測定圧力Ｐとｔ１秒前の測定圧力Ｐ’との差）≧Ｐ１がＮＯならばＹＥＳになるまで動作を継続する。そして、ＹＥＳになったら次の工程にいく（▲７▼）。
拡管のスタートと判断し（▲８▼）、△Ｌ（＝Ｌ−Ｌ’：測定変位Ｌと拡管スタート判断時の測定変位Ｌ’との差）≧Ｌ１を行い（▲９▼）、がＮＯならばＹＥＳになるまで動作を継続する。そしてＹＥＳになったら拡管が終了する。
【００３５】
上記実施の形態によれば、検出手段３０によって検出された変位量Ｌに基づいて、拡管率Ｅを検出し、この拡管率Ｅによって拡管を行うので、拡管作業を極めて効率良く行うことができる。
【００３６】
また、前記実施の形態においては、油圧式の駆動部を使用したものであるが、この癸明においては、電気式、または、空気圧式の駆動部を使用する場合がある。
さらにまた、前記実施の形態は、パッケージボイラ１の蒸気ドラム５および水ドラム６とボイラーチューブ７との結合に使用したものである。この発明は、その他の管板と管との結合、たとえば、熱交換器の管板と管との結合にも使用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の拡管方法および制御機能付き拡管装置によれば、以下の効果を奏することができる。
請求項１において、管板の管孔中に管を挿入し、前記管中に拡管装置のエキスパンダを挿入し、前記拡管装置を駆動してマンドレルを回転させ、前記マンドレルの回転と軸方向への移動に伴なって複数本のローラが遊星回転しながら外側に突出すことにより、前記管が外側に拡大されて前記管孔の内面と前記管の外面とが密着固定する拡管方法において、
予め検出した前記複数の管の内径の平均値と、前記マンドレルの種類によって定まるテーパー角度と、予め設定された拡管後の管内径の戻り量と、上記検出手段によって検出されたマンドレルの変位量とで、下式により拡管率を求め、
Ｅ＝｛（αＬ＋δｄ）／　ｄ１｝×１００
ただし、Ｅ：　　拡管率［％］
α：　マンドレルテーパー角度
Ｌ：　マンドレル突入量（検出手段によって検出された変位量）
δｄ：　戻り量
ｄ１：　拡管前の予め検出した前記複数の管の内径の平均値［ｍｍ］
この拡管率に応じて圧力発生器を制御するように制御装置を設定するので、拡管作業を極めて能率良く行うことができる。
請求項２において、管中に挿入する管状のケージと、前記ケージ中に回転可能にかつ軸方向に移動可能に配置されたマンドレルと、前記ケージに回転可能にかつ軸方向に移動不可能に配置され、前記マンドレルが前記管中に突入するのに伴なって外側に突出して前記管を外側に拡大させる複数本のローラとから構成されたエキスパンダと、
前記マンドレルを回転させる駆動部と、
を備えた拡管装置において、
前記マンドレルの拡管中における軸方向の変位量を検出する検出手段と、
拡管率を求め、該拡管率からマンドレルを操作する圧力発生器を制御する制御装置とを備え、
予め検出した前記複数の管の内径の平均値と、前記マンドレルの種類によって定まるテーパー角度と、予め設定された拡管後の管内径の戻り量と、上記検出手段によって検出されたマンドレルの変位量とで上記拡管率を求め、この拡管率に応じて圧力発生器を制御するように制御装置を設定したので、極めて簡単な構成で、拡管作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による拡管装置を示す概念図である。
【図２】（ａ）はマンドレル変位量と油圧との関係を示す特性図、（ｂ）はマンドレル変位量と管内径拡がり量との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態による拡管方法のフローチャートである。
【図４】パッケージボイラを示す縦断面図である。
【図５】同じく、パッケージボイラを示す横断面図である。
【図６】図４におけるＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】拡管装置の概略を示す説明図である。
【図９】図８に示す拡管装置による拡管作業を示す縦断面図である。
【図１０】図９におけるＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】マンドレルとローラとの相対関係を示す説明図である。
【図１２】（Ａ）は管中にエキスパンダを挿入した直後の管板と管との一部平面図、（Ｂ）は　（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図１３】（Ａ）は肌付き（密着）の状態の管板と管との一部平面図、（Ｂ）は（Ａ）における　Ｂ−Ｂ線断面図である。
【図１４】（Ａ）は冷やしばめの状態の管板と管との一部平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ　線断面図である。
【図１５】１４本のテストピース（管）による拡管率と把握力との関係を示した図表である。
【図１６】図１５に基づいて作成した拡管率と把握力との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１　パッケージボイラ
２　外部ケーシング
３　火炉壁
４　火炉
５　蒸気ドラム（管板）
６　水ドラム
７　ボイラチューブ（管）
８　バーナー
９　燃焼ガス
１０　　管孔
１１　　拡管装置
１２　　ドライブヘッド
１３　　中継ユニット
１４　　コントロールユニット
１５　　エキスパンダ
１６　　ケージ
１７　　マンドレル
１８　　ローラ
３０　　検出手段
３１　　拡管装置（ドライブヘッド１２）
３２　　圧力発生器（コントロールユニット１４）
３３　　中継ボックス（中継ユニット１３）
３６　　制御装置
【図１】
2004098140.tif 000003
【図２】
2004098140.tif 000004
【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】
2004098140.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004098140.tif 000011
【図１０】
2004098140.tif 000012
【図１１】
2004098140.tif 000013
【図１２】
2004098140.tif 000014
【図１３】
2004098140.tif 000015
【図１４】
2004098140.tif 000016
【図１５】
2004098140.tif 000017
【図１６】
2004098140.tif 000018