(57)【要約】【課題】  伝熱管コイルのベンド部に発生する応力を均一化し、伝熱管コイルのベンド部中央部内表面側に発生する最大発生応力を低減させることで、コイル全体の破壊に対する信頼性を向上させる。【解決手段】  複数の伝熱管１の曲り部が存在する伝熱管コイルにおいて、ベンド部の曲げ半径(曲率半径)がベンド部全体で一定でなく形成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管の曲がり部が存在する伝熱管コイルにおいて、前記曲がり部の曲げ半径が曲がり部全体で一定でないことを特徴とする伝熱管コイル。
【請求項２】
請求項１記載の伝熱管コイルにおいて、前記曲がり部の曲がり開始位置からの距離が遠くなるにつれてコイルの曲げ半径が大きく設定されていることを特徴とする伝熱管コイル。
【請求項３】
請求項２記載の伝熱管コイルにおいて、前記コイルの曲げ半径Ｒが、伝熱管の外半径ａ、伝熱管の断面積Ａ、配管反力Ｐ、 伝熱管コイルの曲がり部から配管反力作用点までの距離Ｌの４つの変数に基づいて求められることを特徴とする伝熱管コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ装置等における伝熱管コイルに係り、特にボイラ装置の起動・停止時の伸び・縮や燃焼ガス等の流れによって発生する応力を低減させるのに好適な伝熱管コイルの曲がり部（ベンド部）の形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３（ａ），（ｂ）は従来の伝熱管コイルのベンド部における最大応力発生部位を示す図で、これらの図において１は伝熱管、２は配管反力作用点、３は最大応力発生部位である。同図（ａ）は伝熱管１の垂直部の間隔が比較的広く,その垂直部の端部に２つの曲がり部が存在しており、同図（ｂ）は伝熱管１の垂直部の間隔が比較的狭く,その垂直部の端部に１つの曲がり部が存在している。
【０００３】
従来、ボイラ伝熱管コイルのベンド部において、伝熱管の曲げ半径（曲率半径）Ｒは主に配管の配置から幾何学的に決定されており、ベンド部の曲率半径Ｒは曲がり部全体にわたって一定の値(円弧)となっていた。この技術については、下記の非特許文献１に記載がある。
【非特許文献１】三菱重工技報 Vol.２２ No.５（１９８５-９） p.１〜１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この場合、ベンド部を開くような力（管反力Ｐ）が伝熱管1に作用すると、ベンド部に作用する曲げモーメントＭがベンド中央部で最も大きくなることから、ベンド部の中央部内表面側に最大応力が発生し(最大応力発生部位３参照)、場合によっては疲労亀裂が生じることもあって、伝熱管コイルの弱点部位となっていた。
【０００５】
一般的に伝熱管の曲がり部に発生する応力は、直線部分（例えば垂直部）に発生する応力よりも大きく、その大きさは曲率半径Ｒの逆数に比例することがよく知られている。したがって、伝熱管１の曲率半径Ｒを適切に設定すれば、ベンド部の中で発生応力を均一とすることができ、ベンド部中央の発生応力を低減させることもできる。このように、伝熱管コイルのベンド部における発生応力が均一となれば、コイルの弱点部位が無くなり、コイル全体としての信頼性が向上する。
【０００６】
本発明の目的は、このような背景に鑑みてなされたものであり、伝熱管コイルのベンド部に発生する応力を均一化し、伝熱管コイルのベンド部中央部内表面側に発生する最大発生応力を低減させることで、コイル全体の破壊に対する信頼性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、伝熱管の曲がり部が存在する伝熱管コイルにおいて、前記曲がり部の曲げ半径が曲がり部全体で例えばＲａ＞Ｒｂ＞Ｒｃの如く一定でないことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記曲がり部の曲がり開始位置からの距離が遠くなるにつれて（例えばＬａ＜Ｌｂ＜Ｌｃの如く）コイルの曲げ半径が大きく（例えばＲａ＞Ｒｂ＞Ｒｃの如く）設定されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記コイルの曲げ半径Ｒが、伝熱管の外半径ａ、伝熱管の断面積Ａ、配管反力Ｐ、 伝熱管コイルの曲がり部から配管反力作用点までの距離Ｌの４つの変数に基づいて求められることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ボイラ伝熱管のコイルで問題となる、運転中のコイルの振動などが原因でベンド部中央部内表面側に発生する応力を低減したり、ベンド部に集中する応力を分散することができ、コイルの破壊の危険性を低減できるので、火力プラント稼働率や信頼性の向上および運転や補修コストの低減につながる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る伝熱管コイルは、例えばボイラ装置の過熱器、再熱器、或いは他の伝熱管コイルなどに適用されるものである。図１は本発明の実施形態に係る伝熱管コイルのベンド部の模式図、図２は伝熱管コイルに荷重が作用する場合の最大応力発生部位を示す図で、同図（ａ）は伝熱管コイルの一部正面図,同図(ｂ)は,同図（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。
【００１２】
これらの図において１は伝熱管、２は配管反力作用点、３は最大応力発生部位である。なお、４は従来の配管形状を示す線で同じ曲率半径で円弧状をしており、本発明の実施形態に係る伝熱管１よりも下方に突出している。
【００１３】
図１に示すような伝熱管1のベンド部に管反力Ｐが矢印方向に作用する場合、最大の応力が発生する場所(部位)は、伝熱管1のベンド部中央の内表面側Ｘ点となる。管反力Ｐの作用点からＸ点までの距離をＬとすれば、最大応力発生部位(Ｘ点)には曲げモーメントＭ(=Ｐ×Ｌ)と断面に垂直な引張り応力σ１(=Ｐ／Ａ)が作用している。ここで、Ａは管の断面積である。
【００１４】
一方、曲げモーメントＭによって発生する応力σ２は、材料のヤング率をＥとすると一般的な曲りはりの公式から式(１)のように導かれる。
【００１５】
σ２＝−Ｅ・ω｛ａ／(Ｒ−ａ)｝・・・ (１)
ここで、Ｒ：管の曲げ半径
ａ：管の半径(外径の半分)
ω：次に示す式(２)、(３)で求まる管の角ひずみ
ω＝ε０−Ｍ／(Ａ・Ｒ・Ｅ・κ)・・・ (２)
ε０＝(Ｐ+Ｍ／Ｒ)／ (Ａ・Ｅ)・・・(３)
ここで、Ｍ：最大応力発生部位(Ｘ点)に作用する曲げモーメント(=Ｐ×Ｌ)
Ｐ：管反力
したがって、管に生じる最大発生応力σはσ１とσ２を合計することにより式(４)のように求めることができる。ここでκは曲りはりの断面係数と呼ばれているもので、曲率半径、断面の形、大きさによって幾何学的に決定される値である。断面形状が管のように円形の場合は、κは式(５)で求めることができる。
【００１６】
σ＝Ｅ［ε０−｛ω−ε０｝｛ａ／(Ｒ−ａ)｝］・・・ (４)
κ＝１／πａ２{(１／Ｒ２)(πａ４／４)+(１／Ｒ４)(πａ６／８)
+(１／Ｒ６)(５πａ８／６４)}・・・ (５)
式(４)から分かるように、最生応力発生部位Ｘ点の応力σは管の曲げ半径Ｒに大きく影響され、Ｒが大きいほど、Ｘ点に発生する応力σは小さくなる。言い換えれば、管の曲げ半径Ｒを適切に設定することによって、最生応力発生部位Ｘ点の応力σは任意の値に設定することができることが分かる。したがって、管の曲げ半径Ｒを一定の値にせず、適切に設定すればベンド部の中で発生応力を均一にすることも可能である。
【００１７】
次に本発明の具体例について説明する。  
図１に示すように伝熱管１に曲り部が存在した場合を考える。ここで、
管反力Ｐ=３００kg
管の外半径ａ=５０.８mm
管反力作用点から最大応力発生部位までの距離
Ｌａ=３００mm、Ｌｂ=３２０mm、Ｌｃ=３５０mm（Ｌａ＜Ｌｂ＜Ｌｃ）
断面積Ａ=１２８１mm２
ヤング率Ｅ=２１０００kg/mm２とする。
【００１８】
管の曲げ半径を３００mm一定(Ｒａ=Ｒｂ=Ｒｃ=１５０mm)と仮定した時の各部の発生応力σは、
Ｘａにおいて７.５２kg／mm２(曲げモーメントＭ=９００００kg・mm、断面係数κ=０.０３０４、角ひずみω=−０.０００７０)
Ｘｂにおいて８.０３kg／mm２(曲げモーメントＭ=９６０００kg・mm、断面係数κ=０.０３０４、角ひずみω=−０.０００７５)
Ｘｃにおいて８.７９kg／mm２(曲げモーメントＭ=１０５０００kg・mm、断面係数κ=０.０３０４、角ひずみω=−０.０００８２)となり、
ベンド部の中央部に近いＸｃ点が最も大きくなる。したがって、Ｘｃ点の損傷が最も大きく、この部位が最弱点部位となっていることが分かる。
【００１９】
次にベンド部各部の発生応力を均一にするため、ベンド部各部の曲げ半径Ｒを変化させる場合を考える。発生応力をＸａ点の値７.５２kg／mm２を基準にして考えると、曲げ半径Ｒは式(２)〜(５)を用いて次のように計算することができる。
【００２０】
Ｒｂ=１９０mm(発生応力σ=７.５３ kg／mm２、曲げモーメントＭ=９６０００kg・mm、 断面係数κ=０.０１８５、角ひずみω=−０.０００９８
Ｒｃ=３００mm(発生応力σ=７.５５ kg／mm２、曲げモーメントＭ=１０５０００kg・mm、 断面係数κ=０.００７２７、角ひずみω=−０.００１７６)。
【００２１】
このように、ベンド部各部の曲げ半径Ｒを一定の値とせず、適切に設定することによって（例えばＲａ＞Ｒｂ＞Ｒｃの如く）ベンド部各部の発生応力は一定の値にさせることができる。
【００２２】
本実施形態ではＸｃ点の発生応力σは８.７９kg／mm２から７.５５kg／mm２に約１５％減少することができた。このように、伝熱管コイルのベンド部曲げ半径Ｒを適切に調整することにより、ベンド部各部の応力発生σは一定の値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例に係る伝熱管コイルのベンド部の模式図である。
【図２】伝熱管コイルに荷重が作用する場合の最大応力発生部位を示す図で,同図（ａ）は伝熱管コイルの一部正面図,同図(ｂ)は,同図（ａ）Ａ−Ａ線上の断面図である。
【図３】従来の伝熱管コイルのベンド部における最大応力発生部位を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１：伝熱管、２：配管反力作用点、３：最大応力発生部位、Ｐ：管反力。
【図１】
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【図２】
2005226908.tif 000004
【図３】
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