(57)【要約】【課題】配管系からの曲げモーメントに対して疲労強度が高く、溶接部に亀裂が発生しにくい圧力容器の管台構造を提供する。【解決手段】高圧流体が流通する圧力容器の被取付部３に配設され、小口径配管が接続される圧力容器の管台構造１において、一端側が小口径配管１１に突合せ溶接され、他端側が被取付部に隅肉溶接される管台１２を備え、管台１２は、一端側に形成され、外径が小口径配管と略同一で且つ長さ方向において一定である第１同径部１３と、他端側に形成され、外径が小口径配管より大きく且つ長さ方向において一定である第２同径部１５と、第１同径部と第２同径部の間に形成され、一端側から他端側に向けて外径が拡径したテーパ部１４とを有し、管台の内径は、第１同径部１３、テーパ部１４及び第２同径部１５にかけて小口径配管１１と略同一で且つ長さ方向において一定である構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流体が流通する圧力容器若しくは大口径配管（以下、圧力容器と略称する）の被取付部に配設され、端部に小口径配管が接続される圧力容器の管台構造において、
一端側が前記小口径配管に突合せ溶接され、他端側が前記被取付部に隅肉溶接される管台を備え、
前記管台は、前記一端側に形成され、外径が前記小口径配管と略同一で且つ長さ方向において一定である第１同径部と、前記他端側に形成され、外径が前記小口径配管より大きく且つ長さ方向において一定である第２同径部と、前記第１同径部と前記第２同径部の間に形成され、前記一端側から前記他端側に向けて外径が拡径したテーパ部とを有し、
前記管台の内径は、前記第１同径部、前記テーパ部及び前記第２同径部にかけて前記小口径配管と略同一で且つ長さ方向において一定であることを特徴とする圧力容器の管台構造。
【請求項２】
前記管台は、前記第２同径部の外径と長さの比率（外径／長さ）が１．３以上１．８以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器の管台構造。
【請求項３】
前記第２同径部の肉厚が前記第１同径部の肉厚の１．５倍以上２．０倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力容器の管台構造。
【請求項４】
前記被取付部には、前記管台の前記他端側の端部が当接される座繰り部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力容器の管台構造。
【請求項５】
前記テーパ部の勾配が、１／４以上１／３以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧力容器の管台構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の管台構造は、前記圧力容器及び前記小口径配管に高圧蒸気が流通するボイラに設けられていることを特徴とする圧力容器の管台構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧流体が流通する圧力容器若しくは大口径配管（以下、圧力容器と略称する）の被取付部に配設され、端部に小口径配管が接続される圧力容器の管台構造に関し、特に、圧力容器及び小口径配管に高圧蒸気が流通するボイラに設けられる管台構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、火力発電プラント、化学プラント等において、高圧蒸気や高温水等の高圧流体を流通、保持する圧力容器若しくは大口径配管（以下、圧力容器と略称する）が多く用いられている。例えばボイラでは、蒸気管寄せや蒸気溜め等の圧力容器が用いられる。この圧力容器には小口径配管が接続されており、小口径配管を介して蒸気が取り出されるようになっている。
【０００３】
一般に、圧力容器と小口径配管との接続部には管台が設置されている。図１０は従来の管台構造の側断面図である。この管台構造は、円筒状に形成されている管台５２を有し、圧力容器の被取付部５０に小口径配管５５を接続する際に用いられる。被取付部５０には貫通孔５１が穿設されており、この貫通孔５１の中心線と管台５２の連通孔の中心線とが一致するように、管台５２が被取付部５０に接合されている。このとき、管台５２は被取付部５０に対して隅肉溶接により固着される。さらに、管台５２の端部には凹部５３が形成されている。この凹部５３には小口径配管５５の端部が差し込まれ、小口径配管５５は管台５２に対して隅肉溶接により固着される。
【０００４】
関連する技術として特許文献１（特開平１１−９４１７２号公報）に小口径管管台の構成が開示されている。この特許文献１の小口径管管台は、一端側の外径と内径とが小口径管の外径と内径とにほぼ等しく形成され、他端側の外径と内径とが前記一端の外径と内径よりも大きな寸法に形成された中継管を有する。この中継管の前記一端に小口径管の端部が突合せ溶接され、他端が蒸気源の壁面外側に溶接されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−９４１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１０に示すような従来の管台構造においては、小口径配管５５と管台５２との溶接、及び管台５２と被取付部５０との溶接が隅肉溶接であるため、管台５２に配管系からの曲げモーメントが作用した場合、これが繰り返されると機械疲労、クリープ及びこれが重畳したクリープ疲労損傷が発生することがあった。この損傷の結果溶接部に亀裂が発生し、これが進行すると高圧流体が外部に流出してしまうおそれがある。そこで定期的に点検する必要があるが、溶接部に亀裂が発生している場合には、管台、圧力容器を含めて取り替えるか、若しくは溶接止端部を開先加工して再度溶接する必要があり、手間とコストがかかるという問題があった。また、圧力容器と小口径配管との温度差等によって溶接部に熱疲労が生じ、これにより亀裂が発生するという問題もあった。
【０００７】
特許文献１の小口径管管台においては、蒸気源側の中継管外径及び内径を小口径管側よりも大きな寸法に形成しているため、中継管の下部内面や蒸気源壁面の孔の周囲等の温度の高い壁面にドレインが流れないので熱疲労が少なくなる。しかしながら、配管系からの曲げモーメントにより溶接部に加わる応力に対してはほとんど効果がなく、機械疲労により亀裂が発生しやすいという問題を解消することはできなかった。
【０００８】
そこで本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、配管系からの曲げモーメントに対して疲労強度が高く、溶接部に亀裂が発生しにくい圧力容器の管台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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る圧力容器の管台構造は、高圧流体が流通する圧力容器若しくは大口径配管（以下、圧力容器と略称する）の被取付部に配設され、端部に小口径配管が接続される圧力容器の管台構造において、一端側が前記小口径配管に突合せ溶接され、他端側が前記被取付部に隅肉溶接される管台を備え、前記管台は、前記一端側に形成され、外径が前記小口径配管と略同一で且つ長さ方向において一定である第１同径部と、前記他端側に形成され、外径が前記小口径配管より大きく且つ長さ方向において一定である第２同径部と、前記第１同径部と前記第２同径部の間に形成され、前記一端側から前記他端側に向けて外径が拡径したテーパ部とを有し、前記管台の内径は、前記第１同径部、前記テーパ部及び前記第２同径部にかけて前記小口径配管と略同一で且つ長さ方向において一定であることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、被取付部側に位置する管台の第２同径部は、小口径配管側に位置する第１同径部よりも外径が大きく形成されている。さらに、第２同径部の内径は第１同径部と同一であるため、第２同径部の肉厚は第１同径部の肉厚より厚くなる。これらの構成から、第２同径部により配管系からの曲げモーメントによる応力を低減でき、耐疲労性が高く、溶接部に亀裂が発生しにくい圧力容器の管台構造を提供することが可能となる。
【００１１】
また、第２同径部を、その外径及び内径が長さ方向において一定のストレート形状としているため、耐疲労性をより一層向上させることができる。
さらに、小口径配管と管台とは突合せ溶接により接合されているため、小口径配管に配管系からの曲げモーメントが作用する場合、隅肉溶接に比べて溶接部の疲労強度を高くすることができる。
【００１２】
また、前記管台は、前記第２同径部の外径と長さの比率（外径／長さ）が１．３以上１．８以下であることが好ましい。
これにより、第２同径部において配管系からの曲げモーメントによる応力を大幅に低減でき、耐疲労性を確実に向上させることができる。なお、第２同径部の外径／長さの比率が１．３未満であると、第２同径部が不必要に長くなり材料コストが増大したり、重量が増加してしまう。一方、第２同径部の外径／長さの比率が１．８超過であると、第２同径部の長さが不足して配管系からの曲げモーメントによる応力低減が不十分となる。
【００１３】
また、前記第２同径部の肉厚が前記第１同径部の肉厚の１．５倍以上２．０倍以下であることが好ましい。
これにより、第２同径部において配管系からの曲げモーメントによる応力を大幅に低減することが可能で、耐疲労性を確実に向上させることができる。ここで、第２同径部の肉厚が第１同径部の肉厚の１．５倍未満であると、第２同径部における配管系からの曲げモーメントによる応力低減が不十分となる。一方、第２同径部の肉厚が第１同径部の肉厚の２．０倍超過であると、第２同径部の肉厚が厚くなり過ぎて材料コストが増大したり、重量が増加してしまう。
【００１４】
さらに、前記被取付部には、前記管台の前記他端側の端部が当接される座繰り部が形成されていることが好ましい。これにより、管台と被取付部との溶接強度を高くすることが可能である。
さらにまた、前記テーパ部の勾配が、１／４以上１／３以下であることが好ましい。これにより、第１同径部とテーパ部の切り替え部における応力集中を低減でき、切り替え部に亀裂が生じることを防止できる。ここで、テーパ部の勾配が１／４未満であると第２同径部の外径及び肉厚を十分に確保できず、一方テーパ部の勾配が１／３超過であると切り替え部における応力集中が大きくなってしまう。
また、上記した管台構造は、前記圧力容器及び前記小口径配管に高圧蒸気が流通するボイラに設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
以上記載のように本発明によれば、第２同径部の外径を第１同径部より大きくし、且つ第２同径部の肉厚を第１同径部より厚くしているため、第２同径部により配管系からの曲げモーメントによる応力を低減できる。したがって耐疲労性が高く、溶接部に亀裂が発生しにくい圧力容器の管台構造を提供することが可能となる。
また、第２同径部を、その外径及び内径が長さ方向において一定のストレート形状としているため、耐疲労性をより一層向上させることができる。
さらに、小口径配管と管台とは突合せ溶接により接合されているため、小口径配管に配管系からの曲げモーメントが作用する場合、隅肉溶接に比べて溶接部の疲労強度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る管台構造の側断面図である。
【図２】第２同径部の肉厚と応力の関係を説明するための管台構造の側断面図である。
【図３】第２同径部の肉厚と応力の関係を模式的に示すグラフである。
【図４】管台の最適寸法を説明する図であり、（Ａ）はｄ２／Ｌ３を示すグラフで、（Ｂ）はｄ２／ｄ１を示すグラフである。
【図５】テーパ部の勾配と応力の関係を説明するための管台構造の部分断面図である。
【図６】テーパ部の勾配と応力の関係を模式的に示すグラフである。
【図７】疲労試験に用いる供試体を示す図であり、（Ａ）は比較例の管台構造を示す側面図で、（Ｂ）は本実施形態の管台構造を示す側面図である。
【図８】疲労試験結果である相対応力分布を示すグラフである。
【図９】疲労試験結果である疲労曲線を示すグラフである。
【図１０】従来の管台構造の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１８】
図１は本発明の実施形態に係る管台構造の側断面図である。
この管台構造１は、圧力容器の被取付部３に配設され、小口径配管１１を圧力容器に接続する際に用いられる。ここで圧力容器とは、小口径配管１１より径が大きい大口径配管を含む。例えば圧力容器は、火力発電プラント、化学プラント等のプラントに用いられる圧力容器であり、高圧蒸気や高温水等の高圧流体を流通、保持するものである。特に本実施形態の管台構造はボイラに好適に用いられ、その場合圧力容器としては大口径蒸気配管、蒸気管寄せ、蒸気溜め等が挙げられる。
【００１９】
図１に示すように本実施形態に係る管台１２は、連通孔１６を有して筒状に形成されており、一端側が突合せ溶接部２１により小口径配管１１に接合され、他端側が隅肉溶接部２２により被取付部３に接合されている。ここで、小口径配管１１は連通孔１１ａを有して筒状に形成されており、例えば蒸気が流通する蒸気管、高温水が流通する水管等である。なお、小口径配管１１の外径ｄ１及び肉厚は、耐圧設計により決定される。
【００２０】
この管台１２は、連続した第１同径部１３とテーパ部１４と第２同径部１５とを有する。
第１同径部１３は、管台１２の一端側すなわち小口径配管１１側に形成され、外径ｄ１が小口径配管１１と略同一で且つ長さ方向において一定のストレート形状を有する。
第２同径部１５は、管台１２の他端側すなわち被取付部３側に形成され、外径ｄ２が小口径配管１１より大きく且つ長さ方向において一定のストレート形状を有する。
テーパ部１４は、第１同径部１３と第２同径部１５の間に形成され、前記一端側から前記他端側に向けて外径が拡径したテーパ形状を有する。
さらに、管台１２の内径は、第１同径部１３、テーパ部１４及び第２同径部１５にかけて小口径配管１１と略同一で且つ長さ方向において一定のストレート形状を有する。
【００２１】
被取付部３には、貫通孔４が穿設されている。
管台１２は、その連通孔１６の中心軸が被取付部３の貫通孔４の中心軸と一致するように配置される。そして被取付部３に当接させた管台１２の他端が隅肉溶接され、管台１２が被取付部３に固着される。
このとき、被取付部３には、管台１２の他端が当接される座繰り部５が形成されていることが好ましい。座繰り部５は、管台１２の第２同径部１５の外径より大に形成され、貫通孔４に連通している。第２同径部１５の外周面と座繰り部５の内周面との間に間隙が設けられ、この間隙に溶接金属が肉盛されるように隅肉溶接してもよい。このように被取付部３に座繰り部５が形成されていることにより、管台１２と被取付部３との溶接強度を高くすることが可能である。
【００２２】
本実施形態においては、管台１２の第２同径部１５の外径ｄ２が第１同径部１３の外径ｄ１より大きい。さらに、第２同径部１５の内径は第１同径部１３と同一であるため、第２同径部１５の肉厚は第１同径部１３の肉厚より厚くなる。これらの構成から、第２同径部１５により配管系からの曲げモーメントによる応力を低減でき、耐疲労性が高く、溶接部に亀裂が発生しにくい管台構造１を提供することが可能となる。
また、第２同径部１５を、その外径及び内径が長さ方向において一定のストレート形状としているため、耐疲労性をより一層向上させることができる。
さらに、小口径配管１１と管台１２とは突合せ溶接部２１により接合されているため、小口径配管１１に配管系からの曲げモーメントが作用する場合、隅肉溶接に比べて溶接部２１の疲労強度を高くすることができる。
【００２３】
また、本実施形態において、管台１２は、第２同径部１５の外径ｄ２と長さＬ３の比率（外径ｄ２／長さＬ３）が１．３以上１．８以下であることが好ましい。
これにより、第２同径部１５において配管系からの曲げモーメントによる応力を大幅に低減でき、耐疲労性を確実に向上させることができる。なお、（外径ｄ２／長さＬ３）の比率が１．３未満であると、第２同径部１５が不必要に長くなり材料コストが増大したり、重量が増加してしまう。一方、（外径ｄ２／長さＬ３）の比率が１．８超過であると、第２同径部１５の長さが不足して配管系からの曲げモーメントによる応力低減が不十分となる。図中、Ｌ１は第１同径部１３の長さ、Ｌ２はテーパ部１４の長さ、Ｌ３は第２同径部１５の長さを示す。
【００２４】
また、本実施形態において、管台１２は、第２同径部１５の肉厚ｄ２が第１同径部１３の肉厚ｄ１の１．５倍以上２．０倍以下であることが好ましい。
これにより、第２同径部１５において配管系からの曲げモーメントによる応力を大幅に低減することが可能で、耐疲労性を確実に向上させることができる。なお、第２同径部１５の肉厚ｄ２が第１同径部１３の肉厚ｄ１の１．５倍未満であると、第２同径部１５における配管系からの曲げモーメントによる応力低減が不十分となる。一方、第２同径部１５の肉厚ｄ２が第１同径部１３の肉厚ｄ１の２．０倍超過であると、第２同径部１５の肉厚ｄ２が厚くなり過ぎて材料コストが増大したり、重量が増加してしまう。
【００２５】
図２は第２同径部の肉厚と応力の関係を説明するための管台構造の側断面図であり、図３は第２同径部の肉厚と応力の関係を模式的に示すグラフである。
図２に示すように本実施形態では、第２同径部１５の外径ｄ２を第１同径部１３の外径ｄ１より大きくし、且つ第２同径部１５の内径を第１同径部１３の内径と略同一とすることで、第２同径部１５の肉厚ｔ２を第１同径部１３の肉厚ｔ１より厚くしている。
一方、比較例として図２の破線で示すように、第２同径部１５の外径ｄ２を第１同径部１３の外径ｄ１より大きくし、且つ第２同径部１５の内径を第１同径部１３の内径より大きくして、第２同径部１５の肉厚を第１同径部の肉厚ｔ１と同一とする。
ここで、図３に示すように、配管系からの曲げモーメントにより第２同径部１５に加わる応力σは肉厚ｔが厚くなるほど比例的に小さくなる。したがって、肉厚ｔ２を有する本実施形態の第２同径部１５は、肉厚ｔ１を有する比較例の第２同径部よりも応力σが大幅に低くなることがわかる。
【００２６】
図４は管台の最適寸法を説明する図であり、（Ａ）はｄ２／Ｌ３を示すグラフで、（Ｂ）はｄ２／ｄ１を示すグラフである。
ここではまず、管台１２の各寸法（例えばｄ１、ｄ２、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３等）が異なる供試体を複数作製し、これを用いて図１に示す本実施形態に係る管台構造１を作製した。そして、この管台構造１を用いて配管系からの曲げモーメントを与える疲労試験を行い、その結果、要求される疲労強度が得られた供試体のみを選定し、図４に示すようにグラフ化した。グラフ中のプロットは全て、要求される疲労強度を満たす管台１２の寸法である。なお、選定においては、要求される疲労強度を満たさないものは除外するとともに、重量オーバー、コストオーバーのものも除外している。
【００２７】
図４（Ａ）に示すように、選定された供試体のｄ２／Ｌ３は１．３〜１．８の範囲内に集中しており、このグラフから管台１２の最適なｄ２／Ｌ３は１．３以上１．８以下、さらに好適には１．３以上１．６以下であることがわかる。
図４（Ｂ）に示すように、選定された供試体のｄ２／ｄ１は１．６近傍に集中しており、このグラフから管台１２の最適なｄ２／ｄ１は１．５以上２．０以下、さらに好適には１．５以上１．８以下であることがわかる。
【００２８】
図５はテーパ部の勾配と応力の関係を説明するための管台構造の部分断面図である。なお、図５（Ａ）と図５（Ｂ）とはテーパ部１４の勾配が異なり、勾配θ１（本実施形態）＜勾配θ２（比較例）である。
図５（Ａ）を参照して本実施形態の管台１２は、テーパ部１４の勾配θ１が、１／４以上１／３以下であることが好ましい。ここで勾配θ１は、（径方向におけるテーパ部高さ／長さ方向におけるテーパ部長さ）である。
これにより、第１同径部１３とテーパ部１４の切り替え部１８における応力集中を低減でき、切り替え部１８に亀裂が生じることを防止できる。なお、テーパ部１４の勾配が１／４未満であると第２同径部１５の外径及び肉厚を十分に確保できず、一方テーパ部１４の勾配が１／３超過であると切り替え部１８における応力集中が大きくなってしまう。
【００２９】
ここで、図５（Ｂ）に比較例として、本実施形態のテーパ部１４の勾配θ１より大きい勾配θ２を有する管台１２’を示す。管台１２’は、第１同径部１３’とテーパ部１４’と第２同径部１５’とを有する。勾配θ２は例えば１／１である。
図６はテーパ部の勾配と応力の関係を模式的に示すグラフである。
同図に示すように、第１同径部１３とテーパ部１４の切り替え部１８における応力σ’は、テーパ部１４の勾配が大きくなる程二次曲線的に大きくなる。
したがって、テーパ部１４の勾配θ１を有する本実施形態の中管管台１２は、テーパ部１４’の勾配θ２を有する比較例の中管管台１２’よりも切り替え部１８の応力σ’が大幅に低くなることがわかる。
【００３０】
次に、本実施形態に係る管台構造を用いて疲労試験を行った結果を示す。
図７は疲労試験に用いる供試体を示す図であり、（Ａ）は比較例の管台構造を示す側面図で、（Ｂ）は本実施形態の管台構造を示す側面図である。
図７（Ａ）に示すように比較例では、圧力容器としてボイラ管寄せ３１を用い、この管寄せ３１に複数の管台構造を配設している。この管台構造３２はソケット３４を有する。ソケット３４の端部は小口径配管３３に接続されている。小口径配管３３とソケット３４、及びソケット３４と管寄せ３１はそれぞれ隅肉溶接により接合されている。ソケット３４の内径は小口径配管３３より大きく、小口径配管３３の端部がソケット３４の端部に差し込まれて溶接されている。
図７（Ｂ）に示すように本実施形態では、圧力容器としてボイラ管寄せ３１を用い、この管寄せ３１に管台１２からなる管台構造１を複数配設している。管台構造１の構成は、図１に示す本実施形態と同一である。
【００３１】
上記した比較例の管台構造３２と本実施形態の管台構造１とを用いて、配管系からの曲げモーメントδ／２を繰り返し加えて応力を測定した。
図８は疲労試験結果である相対応力分布を示すグラフである。横軸は管寄せ３１側の溶接止端部からの距離、縦軸は応力／公称応力である。
比較例１は小口径配管３３のソケット３４への差し込み長さが基準値の場合である。比較例２は差し込み長さが小さい場合であり、比較例３は差し込み長さが基準値で、且つ小口径配管３３とソケット３４とを偏心させた場合であり、比較例４は差し込み長さが小さく且つ偏心させた場合である。
【００３２】
図８に示すように、比較例１〜４においては止端部から１５ｍｍ程度まで応力が大きく、これに比べて本実施形態においてはその距離範囲内で応力が小さくなっている。また本実施形態では、止端部近傍（１５ｍｍ以内）においても常に低い応力を維持している。したがって本実施形態によれば、溶接部の応力を小さく抑えることができ、疲労強度を向上させることが可能となる。
図９は疲労試験結果である疲労曲線を示すグラフである。横軸は管台構造１に加える曲げモーメントδ／２の繰り返し数、縦軸は二次応力範囲である。
同図に示すように、本実施形態によれば比較例よりも繰り返し数が多い。すなわち、これは曲げモーメントδ／２を加えて溶接部に亀裂が入るまでの回数を表しており、したがって繰り返し数が多い本実施形態の方が比較例１、比較例２よりも大幅に耐久性が高いことがわかる。
【符号の説明】
【００３３】
１    管台構造
３    被取付部
４    貫通孔
５    座繰り部
１１  小口径配管
１１ａ  連通孔
１２  管台
１３  第１同径部
１４  テーパ部
１５  第２同径部
１６  連通孔
１８  切り替え部
２１  突合せ溶接部
２２  隅肉溶接部
【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】
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