(57)【要約】【課題】焼き付きを防止すること。【解決手段】呼び”Ｍｄ”で規格的に表される規格ボルトの規格外径ｄの公差範囲の最小値がｄｍｉｎで表され、その規格ボルトに対応して規格化されている規格ナットの谷の規格直径Ｄの公差範囲の最小値がＤｍｉｎで表され、外径の最大値ｄ’は、次式：ｄ’ｍａｘ＜ｄｍｉｎ、且つ、Ｄｍｉｎ−ｄ’ｍａｘ＞ΔＲを充足し、焼付き防止相対差ΔＲは経験則的に定められる焼き付き防止のための新規格定数である。新設計図を提示することなく、又は、難解な説明を要しないで、新規格の呼びによりボルトメーカにボルトを発注することを可能にし、プラント製造メーカは、新公差範囲のボルトを容易に入手することができ、最悪の事態を招かない。在来の規格品のナットはそのままに用いることができ、在来ナットと新ボルトの組合せのテーブルによる発注が可能になり、経済活動を促進する。【選択図】　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼びが”Ｍｄ”で規格的に表される規格ボルトの規格外径ｄの公差範囲の最小値がｄｍｉｎで表され、前記規格ボルトに対応して規格化されている規格ナットの谷の規格直径Ｄの公差範囲の最小値がＤｍｉｎで表されれば、
外径の最大値ｄ’は、下記式：
ｄ’ｍａｘ＜ｄｍｉｎ
且つ、
Ｄｍｉｎ−ｄ’ｍａｘ＞ΔＲ
を充足し、焼付き防止相対差ΔＲは経験則的に定められる焼き付き防止のための新規格定数である
焼付き防止ボルト。
【請求項２】
前記”Ｍｄ”のｄが段階的により大きくなれば、前記ΔＲは段階的に大きく設定される
請求項１の焼付き防止ボルト。
【請求項３】
前記Ｍｄのｄは１２又は１２より大きく、且つ、前記ｄは５６又は５６より小さい
請求項１又は２の焼付き防止ボルト。
【請求項４】
１２≦ｄ≦２４であれば、ΔＲはメートル表示で０．３ｍｍであり、２４≦ｄ≦５６であれば、ΔＲはメートル表示で０．４ｍｍである請求項３の焼付き防止ボルト。
【請求項５】
呼び”Ｍｄ”について、下記式：
ΔＲｄ＝ΔＲａ＋｛（ｄ−ａ）／（ｂ−ａ）｝ΔＲｂ，
ａ＜ｂ，ｄ＜ｂ
ΔＲａ：呼び”Ｍａ”の焼付き防止相対差
ΔＲｂ：呼び”Ｍｂ”の焼付き防止相対差
で規格化される
請求項２の焼付き防止ボルト。
【請求項６】
前記ｄ’が絶対的に小さく規格化されることにより前記ΔＲが小さく規格化される
請求項１〜５から選択される１請求項の焼付き防止ボルト。
【請求項７】
高温環境下で用いられる
請求項１〜６から選択される１請求項の焼付き防止ボルト。
【請求項８】
前記高温環境はガスタービンプラントの高温環境である請求項７の焼付き防止ボルト。
【請求項９】
前記高温環境は原子力プラントの高温環境である請求項１〜４から選択される１請求項の焼付き防止ボルト。
【請求項１０】
軸方向に穴が空いている
請求項１〜９から選択される１請求項の焼付き防止ボルト。
【請求項１１】
リーマボルトである
請求項１〜９から選択される１請求項の焼付き防止ボルト。
【請求項１２】
ナットと、
ボルトからなる組であり、
前記ボルトは、
呼びが”Ｍｄ”で規格的に表される規格ボルトの規格外径ｄの公差範囲の最小値がｄｍｉｎで表され、前記規格ボルトに対応して規格化されている規格ナットの谷の規格直径Ｄの公差範囲の最小値がＤｍｉｎで表され、外径の最大値ｄ’は、下記式：
ｄ’ｍａｘ＜ｄｍｉｎ
且つ、
Ｄｍｉｎ−ｄ’ｍａｘ＞ΔＲ
を充足し、焼付き防止相対差ΔＲは経験則的に定められる焼き付き防止のための新規格定数である焼付き防止ボルトナット。
【請求項１３】
前記ナットは、在来規格品である請求項１２の焼付き防止ボルトナット。
【請求項１４】
請求項１の焼付き防止ボルトを用いて焼き付きを防止する焼付き防止方法であり、
前記ボルトを規定回転方向に回転させることにより機械部分どうしを締め付けるステップと、
前記ボルトを逆規定回転方向に回転させることにより前記機械部分どうしの締め付けを解消するステップ
とを具える焼付き防止方法。
【請求項１５】
高温化するプラントを建設するステップを更に具え、
前記機械部分どうしはそれぞれに前記プラントの部分である請求項１４の焼付き防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼付き防止ボルト、焼付き防止ボルトナット、及び、焼付き防止方法に関し、特に、ガスタービンプラントで用いられる焼付き防止ボルト、焼付き防止ボルトナット、及び、焼付き防止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械部分の固定・固着のために、ナットとボルト（以下、ボルトナットといわれる）の組が用いられる。その固定の固定力は、ボルトナットの締付け力に依存する。ボルトナットの諸寸法特に山径と谷径とピッチは、日本標準又は国際標準により厳密に規定されている。そのような規定は、ボルトナットの締め付け力を十分に発揮させるために計算されて作成されている。ボルトナットは、溶接と異なって、物体どうしの締め付けとその締め付けの解消の両機能が求められる。
【０００３】
温度変化が大きい機械部分のために用いられるボルトナットには、焼付きが起こることが知られている。温度変化が大きい機械部分を持つ機械として、タービンプラント特にガスタービンプラントが知られている。高温化が進められるガスタービンプラントで、そのような焼付きが多発している。ボルトナットの焼付きは、定検時にタービン車室を開放することができなくなる深刻な事態を招いている。このような事態は、諸工程に及ぼす影響が著しく大きい。
【０００４】
あるガスタービンプラントのロータ取替え工事の際に、焼付き調査が行われた。図７は、そのタービンプラントの概要を示している。圧縮機車室１０１は、入口ケーシング１０２の下流側に位置し、燃焼圧車室１０３は圧縮機車室１０１の下流側に位置し、タービン車室１０４は燃焼圧車室１０３の下流側に位置し、排気車室１０５はタービン車室１０４の下流側に位置し、排気室１０６は排気車室１０５の下流側に位置している。入口ケーシング１０１の位置Ａと、圧縮機車室１０１と入口ケーシング１０２との間の位置Ｂと、圧縮機車室１０１の内部の位置Ｃと、圧縮機車室１０１と燃焼圧車室１０３との間の位置Ｄと、燃焼圧車室１０３の内部の位置Ｅと、燃焼圧車室１０３とタービン車室１０４の間の位置Ｆと、タービン車室１０４の内部の位置Ｇと、タービン車室１０４と排気車室１０５の間の位置Ｈと、排気車室１０５の内部の位置Ｉと、排気車室１０５と排気室１０６の間の位置Ｊと、排気室１０６の内部の位置Ｋとで、互いに焼付きの程度又は焼付き率が異なっている。図８に示されるように、下流側の焼付きの程度又は焼付率が上流側の焼付きの程度又は焼付率が大きい傾向の存在が判明した。
【０００５】
発明者は、焼付き発生のメカニズムの考察の必要性を感じた。図９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、考察に基づいて焼付き発生のメカニズムを示している。図９（ａ）は、締付け時の摺動と軸方向力とにより、焼付き防止剤の油膜の破断が起きて、荷重負荷側でメタル接触が起きることが焼付き原因であることを示している。図９（ｂ）は、メタル接触のままで歯面が摺動することにより、ねじ山が磨耗して磨耗粉が発生し、磨耗粉を介した歯面間の摺動が焼付き原因であることを示している。図９（ｃ）は、加熱による焼付き防止剤の性能低下と弛め時の摺動とにより、更に、磨耗粉の発生・成長により、ねじ山を押し上げ非荷重でメタル接触が起こることが焼付き原因であることを示している。図９（ｄ）は、非荷重面で磨耗粉が発生し、磨耗粉の成長が歯面の破壊を促進しその歯面の破壊が成長を促進する循環が焼付き原因であることを示している。図９（ｅ）は、既述の原因による磨耗粉の連鎖的成長により磨耗粉が大きい塊になり、その塊が歯面間を固着することが焼付き原因であることを示している。このような磨耗は、回転方向のボルトナットの相対的な微小振動により加速度的に進行することが推定される。微小振動の原因は、高温下で発生する機械的振動と、ダイナミックな熱伝導に起因する局所的応力変化に基づく防潮収縮とであることが強く推定される。
【０００６】
ガスタービンで用いられるボルトの焼付きの発生を抑制することが求められる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高温環境下特にガスタービンで用いられるボルトの焼付きの発生を抑制することができる焼付き防止ボルト、焼付き防止ボルトナット、及び、焼付き防止方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による焼付き防止ボルトは、呼びが”Ｍｄ”で規格的に表される規格ボルトの規格外径ｄの公差範囲の最小値がｄｍｉｎで表され、その規格ボルトに対応して規格化されている規格ナットの谷の規格直径Ｄの公差範囲の最小値がＤｍｉｎで表され、外径の最大値ｄ’は、次式：ｄ’ｍａｘ＜ｄｍｉｎ、且つ、Ｄｍｉｎ−ｄ’ｍａｘ＞ΔＲを充足し、焼付き防止相対差ΔＲは経験則的に定められる焼き付き防止のための新規格定数である。
【０００９】
焼き付きにより著しく困惑することが、特に、ガスタービンプラントで起こっている。もしそのような焼き付きが起これば、ボルトに軸方向に穴を開け、その穴の中に熱を導入してボルトを軟化させ、又は、その穴にリーマボルトを通してボルト残部を削り落とすことのような作業が強いられ、作業員は、最悪には、機械部分どうし間を破壊してしまう。定期検査でこのような事態を作業員が招く場合には、タービンプラントの長期の休止を招き、経済的に大損害を発生させる。本発明による焼付き防止ボルトを用いる場合には、そのような事態の将来を有効に防止することができる。
【００１０】
本発明による新規格化によれば、新設計図を提示することなく、又は、難解な説明を要しないで、新規格の呼び（例示：”Ｍ’ｄ”）によりボルトメーカにボルトを発注することを可能にし、プラント製造メーカは、新公差範囲のボルトを容易に入手することができ、既述の事態に合わないですむ。在来の規格品のナットはそのままに用いることができ、在来ナットと新ボルトの組合せのテーブルによる発注が可能になり、経済活動を促進することができる。
【００１１】
”Ｍｄ”のｄが段階的により大きくなれば、ΔＲは段階的に大きく設定されることは、実用的に重要である。現実には、”Ｍｄ”のｄは１２又は１２より大きく、且つ、ｄは５６又は５６より小さい。１２≦ｄ≦２４であれば、ΔＲはメートル表示で０．３ｍｍであり、２４≦ｄ≦５６であれば、ΔＲはメートル表示で０．４ｍｍである。長さの単位は、物理学に準拠して規定され、ｍ、インチ、尺は互いに均等的に変換しあう形式的表現である。ＪＩＳ等級の不安定な選択によらずに、厳密に規定される新規格のボルトの使用は、焼き付きによる大損害を被ることからプラントメーカを解放する。
【００１２】
呼び”Ｍｄ”について、次式：
ΔＲｄ＝ΔＲａ＋｛（ｄ−ａ）／（ｂ−ａ）｝ΔＲｂ，
ａ＜ｂ，ｄ＜ｂ
ΔＲａ：呼び”Ｍａ”の焼付き防止相対差
ΔＲｂ：呼び”Ｍｂ”の焼付き防止相対差
で規格化されることは更に重要である。このような段階的規定は、新しい呼び（例示：Ｍ’ｄ）で新たに規格され、高温環境下で多様に異なるボルトを使用する業者は、統一された新規格によりその工事を促進することができる。
【００１３】
規格化にあたって、ｄ’が絶対的に小さく規格化されることによりΔＲが小さく規格化されることは特に重要であることはボルトの形状に基づいて後述される。
【００１４】
本発明の完成の動機は、既述の通り、高温環境を作り出すガスタービンプラントのボルト焼き付きの防止であるが、一般に高温環境、特に、原子力プラントのような高温振動環境下で有効であることは容易に推定される。本発明による焼付き防止ボルトは、穴空きボルト、リーマボルトとして有効である。
【００１５】
本発明による焼付き防止ボルトナットは、ナットと既述のボルトとからなる組であり、組として取引されることにより、販売者と使用者との間の混乱を防止することができる。ナットは、在来規格品であることがコスト増大を回避する点で重要である。
【００１６】
本発明による焼付き防止方法は、既述の焼付き防止ボルトを用いて焼き付きを防止する焼付き防止方法であり、ボルトを規定回転方向に回転させることにより機械部分どうしを締め付けるステップと、ボルトを逆規定回転方向に回転させることにより機械部分どうしの締め付けを解消するステップとから構成されている。高温化するプラントを建設する際にそのようなボルトを用いることが有効である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による焼付き防止ボルトは、並目ねじと細目ねじとについて、ＪＩＳ公差に代えられて新公差が設定される。新公差は、ＭＨＩ公差と別称される。ガスタービン製造メーカであるＭＨＩは、旧来、ＪＩＳ公差のねじをガスタービンプラントに用いてきたが、既述の不都合が顕著に現れて来たので、今後は新たにＭＨＩ公差のねじを用いる。めねじの基準寸法とおねじの基準寸法とは、図１に示されるように、おねじ外径で特性化されている。
【００１８】
メートルねじの日本規格表現（＝国際規格表現）は、おねじの外径（おねじの山の直径）が８ｍｍであり、そのねじが並目ねじであれば、”Ｍ８”である。メートルねじの日本規格表現は、そのねじがメートル細目ねじであり、又は、そのねじがピッチを明示するねじである場合には、”Ｍ×ｐ”である。おねじ外径が１０ｍｍでありピッチｐが１ｍｍであれば、”Ｍ１０×１”である。ここで、ピッチは、隣り合うねじ山の間隔である。おねじ外径は、ｄで表される。一般的には、ねじの規格表現（呼び）は、”Ｍｄ×ｐ”である。めねじの谷の径（直径）は、Ｄで表される。おなじ呼びのボルト（おねじ）とナット（めねじ）では、Ｄ＝ｄである。おねじの谷の直径はｄ１で表され、めねじの山の径（めねじ内径）はＤ１で表される。同じ呼びのボルトとナットでは、Ｄ１＝ｄ１で表される。
【００１９】
実際には、規格により公差が設定されている。”Ｍ１２”で表されるボルトのＪＩＳ公差では、有効径として最小値と最大値が下記の通りに設定されている：
最小値ｄｍｉｎ：１０．６７９
最大値ｄｍａｘ：１０．８２９
【００２０】
”Ｍ１２”で表されるボルトのＭＨＩ公差では、有効径として最小値と最大値が下記の通りに設定される：
最小値ｄ’ｍｉｎ：１０．４６３
最大値ｄ’ｍａｘ：１０．５６３
ここで、ＭＨＩ公差が与えられるボルトのおねじ外径がｄ’で表されていて、
ｄ’＜ｄ
【００２１】
めねじの谷の径ＤのＪＩＳ公差は、呼びがＭ１２であれば、
最小値Ｄｍｉｎ：１０．８６３
最大値Ｄｍａｘ：１１．０２３
【００２２】
焼付き防止の確実性のために、次の条件が重要である。
ｄｍａｘ＞ｄ’ｍｉｎ
Ｍ１２では、
１０．６７９＞１０．５６３
【００２３】
呼びによらずに、次の関係により焼付き防止相対差ΔＲが与えられることが望ましい。
ΔＲ＝Ｄｍｉｎ−ｄ’ｍａｘ＝１０．８６３−１０．５６３（ｍｍ）＞又は＝０．３ｍｍ
このようにめねじの谷の径の最小値Ｄｍｉｎとおねじの外径の最大値ｄ’ｍｉｎとの間の差が０．３ｍｍより大きければ、焼付きが起きないことが発明者により検証されている。Ｍ２７以上（Ｍ２７を含む）Ｍ５６以下（Ｍ５６を含む）では、このような有効径差は０．３ｍｍより０．４ｍｍが適正である：
Ｄｍｉｎ−ｄ’ｍａｘ＝５２．４２８−５２．０２８＞又は＝０．４ｍｍ
特には、
Ｄｍｉｎ−ｄ’ｍａｘ＝０．４ｍｍ
ΔＲは、呼びにより段階的に、次式で表される。
Ｍ１２〜Ｍ２４：ΔＲ＝０．３（ｍｍ）
Ｍ２５〜Ｍ５６：ΔＲ＝０．４（ｍｍ）
【００２４】
より一般的には、呼び”Ｍｄ”のおねじについて、
ΔＲｄ＝ΔＲａ＋｛（ｄ−ａ）／（ｂ−ａ）｝ΔＲｂ
ΔＲａ：Ｍａの焼付き防止相対差
ΔＲｂ：Ｍｂの焼付き防止相対差
現実に適正であるおねじでは、呼び”Ｍａ”のａは１２であり、ΔＲａは０．３ｍｍであり、呼び”Ｍｂ”ｂは５６であり、ΔＲｂは０．４ｍｍである。
【００２５】
図２は、Ｍ１２〜Ｍ５６の両公差について示している。図３は、細目ねじＭ３６×３〜Ｍ５６×３の両公差について示している。ＭＨＩ公差のボルトは、ＪＩＳ公差のボルトより細い。Ｍ１２以下のＭＨＩ公差のボルトはその強度の保証が十分でなく、Ｍ１２以下のＭＨＩ公差は設けられていない。細目のＭ３６よりそのサイズが小さいボルトは、ガスタービンには用いられていない。Ｍ５６よりそのサイズが大きいボルトは、その締め付け方法によりもともとに焼付きが起きにくい。このような理由により、Ｍ１２以下の並目ねじとＭ５６以上の並目ねじとＭ３６以下の細目ねじとには、ＭＨＩ公差は設けられていない。
【００２６】
Ｄとｄ’との相対差は、既述の通り、０．３ｍｍ〜０．４ｍｍであるが、めねじの谷の径Ｄを大きくすることは、めねじ製造技術の点で困難である。おねじ外径ｄが絶対的に小さく変更されることにより焼付き防止相対差が大きく設定されることは、製造技術の点で有利であり、且つ、強度の点で適正である。
【００２７】
本発明によるボルトナットは、軸方向隙間が大きくなるように変更されることは特には強調されないが、径方向隙間が大きくなるように変更されている。軸方向隙間の拡大は強度の点で不利であるが、おねじの山側の軸方向幅がおねじの谷側の軸方向幅より狭く、おねじの山側の螺旋巻きの頂線領域の削減は強度に対して影響が小さく、径方向隙間の拡大は強度劣化に大きく影響しない。強度の増大は、呼び径の増大により対処することができる。
【００２８】
軸方向幅がもともとに上ボルトナットにより適正なトルクで締め付けられた機械部分間は、高温環境下の温度変化ΔＴと機械的振動を受けて、軸方向に対向する歯面どうしが繰り返し摺動力を受けて微小角度範囲で振動的に摺動すると推定される。そのような微小角度範囲振動（回転的微小振動）により摺動面で磨耗して粉体化する磨耗粉は、軸方向隙間の存在によりある程度の振動許容性を与える対向螺旋面の間の隙間に案内され螺旋面に沿って振動的に蠕動して移動し、且つ、拡大された半径方向隙間に逃げ込み、焼き付きの原因になり難い。
【００２９】
（試験による検証）
図４は、めねじ側の試験体である供試フランジＫを示している。供試フランジＫの材料（ＡＳＴＭ　Ａ３８７　Ｇｒ２２　Ｃｌ２）は、ガスタービンの排気車室縦継手面（図７の位置Ｈ）を形成する壁の材料に同じでボルトとして、六角穴付ボルトＭ５２×３×２６０が用いられ、締め付けはトルク締付けである（Ｍ５２以上のサイズのボルトは、ボルトヒータで締め付けられる。）。
【００３０】
図５は、試験のために用いたＭ５２×３のボルトの等級と、焼き付き防止剤の種類と、環境温度との関係と、試験結果を示している。ボルトの等級は、ＪＩＳ２級とＪＩＳ３級の２種類である。ＪＩＳ３級はその外径のバラツキが大きく、本発明の公差に近いものが多く、そのうち有効径差が０．４ｍｍより大きいものが選択されて試験に用いられた。ＪＩＳ２級のねじは、高温環境下で焼き付くものが多い。表中の（６／１２）は、１２本のねじのうち６本が焼き付いたことを示している。ＪＩＳ３級のねじ（有効径差が０．４ｍｍ以上）のうち高温環境下で焼き付いたものはなかった。焼付き防止剤は、グライトモとＰ−３７とＮ−５０００のうち、Ｐ−３７がもっとも優れていたが、焼付き防止剤の選択は焼き付き防止の決め手にはならない。本発明によるＭＨＩ公差のボルトとＰ−３７との併用は好ましい。
【００３１】
図６は、ボルトナットの有効径差と焼付き度との関係を示している。横軸は、有効径差を示している。縦軸は、焼付き度を４段階で示している。第１段階の焼付き度は、軸力でボルトをめねじから解放した後には手指で簡単に抜き取ることができる程度の焼き付きを示し、第２段階の焼付き度は、スパナで抜き取ることができる程度の焼き付きを示し、第３段階の焼付き度は、パワートルクレンチで抜き取ることができる程度の焼き付きを示し、第４段階の焼付き度は取り外し不能である焼き付きを示している。０．４ｍｍより僅かに小さい有効径差が境目になっていて、それより小さい有効径差では焼き付きが確実に起こっているが、それより大きい有効径差では焼き付きは第１焼き付き度以上の焼き付きは起こっていない。
【００３２】
ＪＩＳ公差第２級のボルトの最小径差は最小であり、ＪＩＳ公差第３級のボルトの最小径差は中間であり、ＭＨＩ公差のボルトの最小径差は格段に最大であるが、強度確認試験によれば、ＭＨＩ公差のボルトナットはガタは大きいが、十分な強度を有しており、且つ、試作確認によれば、製作コストの点で不利になることはない。
【００３３】
本発明による焼付き防止ボルト又は焼付き防止ボルトナットの販売のために用いられる商品説明書（カタログ）には、在来規格を示す呼び”Ｍｄ”又は”Ｍｄ×ｐ”が表示され、更に、在来規格の寸法を補正して変更する新規格又は補正規格が表示される。補正規格は、在来規格に対応する記号が用いられる。在来規格を示す呼び”Ｍｄ”に対応させられて、補正規格を示す呼びとして、”Ｎｄ”、”Ｎｄ×ｐ”、”Ｍ’ｄ”、”Ｍ’ｄ×ｐ”が例示される。そのようなカタログには、在来の呼径の公差（山の有効直径の最大値と最小値）の他に、補正規格の呼径の公差（山の有効直径の最大値と最小値）が対応的に表記される。
【００３４】
本発明による焼付き防止ボルトは、ガスタービンプラントに限られず、高温環境と振動環境で温度変化が激しい機械部分（例示：車室、ディフューザ）に好適に適用され、高温タンクのような高温殻構造（炉壁構造）に有効に適用される。ボルトナットの種類は、六角ボルト、六角穴付きボルト、六角リーマボルトが例示される。
【００３５】
【発明の効果】
本発明による焼付き防止ボルト、焼付き防止ボルトナット、及び、焼付き防止方法は、焼付きに伴う煩雑な業務から業者を一様に解放する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ボルトナットの呼びを示す展開断面図である。
【図２】図２は、規格対比表である。
【図３】図３は、他の規格対比表である。
【図４】図４は、実証試験用供試体を示す斜軸投影図である。
【図５】図５は、比較試験を示す表である。
【図６】図６は、試験結果を示すグラフである。
【図７】図７は、公知プラントの焼き付き発生を示す断面図である。
【図８】図８は、発生率を示すグラフである。
【図９】図９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、多様な焼き付き原因をそれぞれに示す断面展開図である。
【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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