(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラで加熱された蒸気を通す配管の補強方法であって、
前記配管において、ボイラ起動発停時や運転中の配管伸びによって発生する配管応力が集中する箇所に、応力を軽減または分散させる応力分散部材を取り付け、
前記応力分散部材を取り付けるに先立っては、当該応力分散部材を予熱し、取り付け後に当該応力分散部材が引張応力を発揮した状態とすることを特徴とする配管の補強方法。
【請求項２】
前記応力分散部材を、前記配管に亀裂が発生した後に、前記亀裂が伸展するのを抑制するために取り付けることを特徴とする請求項１に記載の配管の補強方法。
【請求項３】
前記応力分散部材として、棒材または板材を、前記配管の曲折方向内側に取り付けることを特徴とする請求項１または２に記載の配管の補強方法。
【請求項４】
前記配管応力が集中する箇所は、前記蒸気の流れる方向を所定の曲率半径で変更するエルボであり、前記エルボは一対のエルボ部材を前記高温蒸気の流れる方向に沿った合わせ面にて溶接することで形成され、
前記応力分散部材を、前記エルボの湾曲方向内側に取り付けることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の配管の補強方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温の蒸気が流れる配管の補強方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラント等に備えられるボイラに使用される配管は、高温で長期間使用されるため、疲労やクリープ損傷が生じることが知られている。
例えば、伝熱管は、その外周面に管列の乱れ防止のための金物を備えており、互いに隣接する伝熱管どうしを金物で連結するようになっている。しかし、金物はボイラ内の高温の燃焼ガスにより受熱する一方で、より低温の伝熱管に取り付けられていることで、金物の付け根の部分に熱応力が集中し、クリープによる損傷が生じる。このため、この金物に関し、形状を工夫することで、この問題を軽減する技術等が既に提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−３３００３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ボイラで加熱された高温の蒸気が流れる主蒸気管および再熱蒸気管等は、ボイラの起動発停時に配管の温度差が生じ、また、配管の取り回しのために配管熱伸びによって、配管応力と呼ばれる大きな力が発生する。そのため、配管の接続部や曲げ加工部などにおいて、配管応力のために、疲労やクリープ損傷が生じることがある。配管部材として用いられる、例えば図７に示すような略Ｌ字型のエルボ１等の場合、配管内を流れる高温・高圧の蒸気によって内圧がかかっており、曲折部分１ａ等においては、この内圧によって溶接線（Ｗ１）の垂直方向に応力（フープ応力）が作用するとともに、内圧でエルボ１が伸張しようとするため、溶接方向にも応力が作用する。そのため、直管に作用する応力よりも作用応力が大きく、また、多軸方向へ応力が作用するためクリープ損傷が大きくなる。特に、図７で示したエルボ１のように、一対のエルボ部材１ｂ、１ｂが溶接部Ｗ１にて溶接されることで形成された、いわゆるモナカ合わせ構造の場合、溶接部Ｗ１に応力が作用し、溶接部Ｗ１のクリープ損傷が生じることがある。
また、配管部材として用いられる、図８に示すように略Ｔ字型のＴピース２の場合、ボイラの運転中には配管温度が高温になっているため、このＴピース２に接続される配管３、４、５に伸びが生じるが、その伸び量の差から、Ｔピース２の曲折部分２ａの近傍に配管応力が集中して作用する。このＴピース２が、配管を接続する溶接部Ｗ２を有する構造、さらには外径や内径が変化する段差部分を有するような構造では、溶接部Ｗ２、段差部分に応力が局所的に集中し、クリープによる損傷が生じることがある。
【０００５】
このような主蒸気管や再熱蒸気管を構成するエルボ１やＴピース２等にクリープによる損傷が生じた場合、損傷部分を直すために、配管全体を交換しなければならないこともあり、補修に多大なコストと期間が必要となる。このため、クリープによる損傷を防止したり軽減するための技術の開発が強く望まれている。
【０００６】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、クリープによる損傷を軽減することのできる配管の補強方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明は、ボイラで加熱された蒸気を通す配管の補強方法であって、ボイラ起動発停時や運転中の配管伸びによって発生する配管応力が集中する箇所に、応力を軽減または分散させる応力分散部材を取り付けることを特徴とする。この応力分散部材としては、応力に対する抵抗力を発揮する、棒材やプレート等があり、これらを配管に溶接等の固定手段によって固定することで、これら応力分散部材を介し、応力を分散させることができる。
このとき、応力分散部材を取り付けるに先立ち、応力分散部材を予熱し、取り付け後に応力分散部材が引張応力を発揮した状態とする。
また、応力分散部材は、配管に亀裂が発生した後に、亀裂が伸展するのを抑制するために取り付けることができる。
【０００８】
また、応力分散部材として、棒材または板材を、配管の曲折方向内側に取り付けることができる。
また、配管応力が集中する箇所が、蒸気の流れる方向を所定の曲率半径で変更するエルボであるとき、このエルボを一対のエルボ部材を高温蒸気の流れる方向に沿った合わせ面にて溶接することで形成したものとし、応力分散部材を、エルボの湾曲方向内側に取り付ける構成とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
以下には、本実施の形態として、発電プラント等で用いられるボイラ設備の配管系統に本発明を適用する場合を例に挙げる。ボイラ設備の図示しないボイラで加熱される蒸気は、主蒸気管、再熱蒸気管等の配管系統（配管）を通して発電用のタービン等に送給される。
本実施の形態では、主蒸気管、再熱蒸気管等の高温（５００〜６００℃）の蒸気を通す配管系統の曲折部や分岐部に用いられるエルボ本体１１に対し、拘束ロッド（応力分散部材、棒材）２０、２１、拘束ラグ（応力分散部材、板材）２２、２３を取り付けることで、エルボ（配管）１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを構成することによって、クリープに対する耐久性を高める複数の例を示す。
【００１０】
略Ｃ字状のエルボ本体１１は、例えば径が６００〜７００ｍｍといった大口径で、主蒸気管用であれば肉厚が例えば６０〜８０ｍｍと厚肉であるためにシームレス管を用いることができるが、再熱蒸気管用であれば肉厚が例えば２０〜６０ｍｍ程度と薄肉であるため、図１に示したように、板材を断面略Ｃ字状に曲げ加工することで得たエルボ部材１１ａ、１１ａを、その合わせ面どうしを対向させた状態で、合わせ面の継ぎ目を溶接することで形成されている（以下、この継ぎ目の部分を溶接部Ｗ１と称する）。
図１に示すエルボ１０Ａは、このようなエルボ本体１１に、拘束ロッド２０を溶接することで形成されている。
拘束ロッド２０は、略Ｃ字状に曲折したエルボ本体１１の曲折方向の内側（腹側）に、溶接部Ｗ１の両端部を直線状に結ぶ弦方向に延在し、両端部２０ａ、２０ｂがエルボ本体１１に対し溶接されることで一体化されている。
このように、拘束ロッド２０をエルボ本体１１に取り付けることで形成されたエルボ１０Ａは、このエルボ１０Ａを用いた配管系統において、ボイラの作動時に蒸気による内圧によって腹側の溶接部Ｗ１に作用する応力を、拘束ロッド２０によって分散させることで軽減することができる。
【００１１】
図２に示すエルボ１０Ｂは、略Ｃ字状のエルボ本体１１に、拘束ロッド２１を溶接することで形成されている。
拘束ロッド２１は、その全長が調整可能な調整機能を有している。一例を挙げれば、拘束ロッド２１は、外周面に螺条が形成された２本のネジ部材２１ａ、２１ｂと、これらネジ部材２１ａ、２１ｂに噛み合うターンバックル２１ｃとから構成され、ターンバックル２１ｃを一方向に回すと拘束ロッド２１の全長が延び、他方向に回すと拘束ロッド２１の全長が縮むようになっている。このような拘束ロッド２１は、略Ｃ字状に曲折したエルボ本体１１の曲折方向の内側（腹側）に、溶接部Ｗ１の両端部を結ぶ弦方向に延在し、ネジ部材２１ａ、２１ｂの端部がエルボ本体１１に対し溶接されることで一体化されている。
このように、拘束ロッド２１をエルボ本体１１に取り付けることで形成されたエルボ１０Ｂを用いた配管系統においても、ボイラの作動時に蒸気による内圧によってエルボ本体１１の腹側の溶接部Ｗ１に作用する応力を、拘束ロッド２１によって分散させることで軽減することができる。しかも、拘束ロッド２１の全長が調整可能なので、エルボ本体１１の拘束力を適宜調節することができる。
【００１２】
図３に示すエルボ１０Ｃは、略Ｃ字状のエルボ本体１１に、拘束ラグ２２を溶接することで形成されている。
拘束ラグ２２は、略半月形のプレートからなり、その湾曲端部２２ａが、エルボ本体１１の腹側に対応した曲率で形成され、この湾曲端部２２ａをエルボ本体１１の腹側に溶接することで、エルボ本体１１に取り付けられている。なお、この拘束ラグ２２は、所要の強度、拘束性能を有するのであれば、略半月形に限らず、略三日月状とすることも可能である。
このように、拘束ラグ２２をエルボ本体１１に取り付けることで形成されたエルボ１０Ｃを用いた配管系統においても、ボイラの作動時に蒸気による内圧によってエルボ本体１１の腹側の溶接部Ｗ１に作用する応力を、拘束ラグ２２によって分散させることで軽減することができる。
【００１３】
図４に示すエルボ１０Ｄは、略Ｃ字状のエルボ本体１１に、拘束ラグ２３を溶接することで形成されている。
拘束ラグ２３は、略半月形のプレートからなり、その湾曲端部２３ａが、エルボ本体１１の中心線に沿った曲率で形成され、この湾曲端部２３ａをエルボ本体１１の峰部１１ｃに溶接することで、エルボ本体１１に取り付けられている。なお、この拘束ラグ２３も、所要の強度、拘束性能を有するのであれば、略半月形に限らず、略三日月状とすることも可能で、その個数も一つに限定されない。
このように、拘束ラグ２３をエルボ本体１１に取り付けることで形成されたエルボ１０Ｄにおいても、このエルボ１０Ｄを用いた配管系統において、ボイラの作動時に蒸気による内圧によって腹側の溶接部Ｗ１に作用する応力を、拘束ラグ２３によって分散させることで軽減することができる。
【００１４】
ところで、上記したような拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３は、エルボ本体１１に取り付けるに先立ち、例えば高周波コイル等の加熱手段によって、その全体を所定温度（例えば１００〜２００℃）加熱した後、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３の温度が所定以下に下がらないうちに、エルボ本体１１に溶接する。この場合、溶接後に温度が常温に下がった状態で、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３の収縮によって、所定（例えば２ｋｇｆ／ｍｍ２）の引張応力を発揮し、これをエルボ本体１１に作用させるようにする。これによって、上記の効果を一層顕著なものとできる。
【００１５】
さて、上記に例示したエルボ１０Ａにおいて、拘束ロッド２０の効果を確認するための実験を行ったので、その結果を以下に示す。
［参考例］
まず、図５（ａ）に示すように、エルボ本体１１の外径を２００ｍｍ、腹側の曲率半径を４００ｍｍ、肉厚を４０ｍｍとし、その材質を２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼（ＪＩＳ・ＳＣＭＶ４材）とした。このエルボ本体１１を形成するエルボ部材１１ａ、１１ａは、熱間型押しで成形した後、９４０℃で焼きならし、さらに７４０℃で焼戻しを行うことで形成した。そして、このようなエルボ部材１１ａ、１１ａどうしは、図５（ｂ）に示すような寸法で開先加工を施し、腹側、背中側をサブマージドアーク溶接法で溶接し、これによってエルボ本体１１を得た。
また、エルボ本体１１に取り付ける拘束ロッド２０（図１参照）は、エルボ本体１１と同材の２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼で形成し、その径を６０ｍｍとした。
そして、上記のエルボ本体１１に対し、拘束ロッド２０を取り付けないもの、つまりエルボ本体１１単体を供試体Ｎｏ．１とし、拘束ロッド２０を取り付けるもの、つまりエルボ１０Ａ（図１参照）を供試体Ｎｏ．２とした。
【００１６】
これら供試体Ｎｏ．１、Ｎｏ．２に対し、ボイラでの使用環境、すなわち内圧がかかった状態を再現するため、エルボ本体１１の両端に、エルボ本体１１と同材質で板厚６０ｍｍの板材６０を溶接して塞ぎ、一方の板材６０に内圧負荷用のパイプ６１を取り付け、供試体全体に対して７１５℃で４時間の後熱処理を施した。
そして、６５０℃の環境下で、パイプ６１からエルボ本体１１内に、水蒸気で２．４ｋｇｆ／ｍｍ２の内圧を負荷し、負荷開始からクリープボイドが発生するまでの時間、微視亀裂が発生するまでの時間、噴破するまでの時間をそれぞれ計測した。その結果が、図６に示すものである。
この図６に示すように、拘束ロッド２０を備えない供試体Ｎｏ．１に対し、拘束ロッド２０を備えた供試体Ｎｏ．２は、負荷開始からクリープボイドが発生するまでの時間、微視亀裂が発生するまでの時間、噴破するまでの時間が、それぞれ約２．１倍となっており、クリープ寿命が向上しているのが明らかである。
【００１７】
［実施例］
参考例の供試体Ｎｏ．２と同様、エルボ本体１１に対し、拘束ロッド２０を取り付けるに際し、拘束ロッド２０を高周波コイルで加熱し、取り付け後に２ｋｇ／ｍｍ２の引張応力をエルボ本体１１に発揮するようにしてエルボ１０Ａを得て、これを供試体Ｎｏ．５とした。
そして、この供試体Ｎｏ．５に対し、６５０℃の環境下で、パイプ６１からエルボ本体１１内に、水蒸気で２．４ｋｇｆ／ｍｍ２の内圧を負荷し、負荷開始からクリープボイドが発生するまでの時間、微視亀裂が発生するまでの時間、噴破するまでの時間をそれぞれ計測した。その結果が、図６に示したものである。
この図６に示したように、取り付け前の加熱を行わない拘束ロッド２０を取り付けた供試体Ｎｏ．２に比較しても、クリープボイド発生、微視亀裂発生、噴破までの時間が延長しており、クリープに対する耐久性が高まっているのがわかる。
【００１８】
上述したように、エルボ本体１１に対し、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３を取り付けることで、応力を分散させて均一化し、エルボ本体１１のクリープ寿命を大幅に向上させることができる。しかも、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３は、エルボ本体１１に亀裂等が生じた後に取り付けても、亀裂の進展を抑制することができる。
その結果、配管系統の寿命を大幅に伸ばすことができ、また、既設の配管系統に対して補修を行うに際しても、従来のように配管系統全体を交換することなく、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３を取り付けるのみで済み、ボイラ設備の配管系統の補修コストと工期を大幅に削減することができる。
【００１９】
なお、上記実施の形態では、エルボ本体１１に対し、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３を取り付けることで、エルボ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを形成したが、このようなエルボ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを予め製作しておき、ボイラ設備の配管系統を組み上げる際に用いてもよいし、また、既設の配管系統を構成するエルボ本体１１に対し、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３を取り付けることで、配管系統の補強を図ることもできる。
このとき、上記実施例でも示したように、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３を取り付けるタイミングは、エルボ本体１１に亀裂が発生した後であってもよく、そのようなケースでもクリープに対する耐久性を高めることができる。
【００２０】
なお、エルボ本体１１、拘束ロッド２０、２１、拘束ラグ２２、２３について、材質を例示したが、もちろん例示した以外の材質を用いることも可能である。また、エルボ本体１１については、溶接部Ｗ１を有さず、鋳造、鍛造、削り出し等によって一体形成されたものであってもよい。
さらに、ボイラの起動発停および負荷変動による温度変化によって繰り返し応力が作用する部材であれば、エルボ本体１１以外の、例えばＹ字状の配管部材等、様々な配管部材に対しても、上記と同様の構成を適用することで、クリープに対する耐久性を高めることが可能であるのは言うまでも無い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、配管に補強部材、応力分散部材を取り付けることで、クリープに対する耐久性を高めることができ、その結果、補修までに要する時間を著しく延長できる。また、補修を行うに際しても配管系統全体を交換することなく、補強部材、応力分散部材の取り付けのみで損傷の進展を抑制でき、補修コストと工期を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における配管部材の例を示す図であって、エルボに拘束ロッドを設けた場合の構成を示す図である。
【図２】同、長さ調整機能を有する拘束ロッドを設けた場合の構成を示す図である。
【図３】同、拘束ラグを設けた場合の構成を示す図である。
【図４】同、拘束ラグを設けた他の例を示す図である。
【図５】参考例における条件を示す図である。
【図６】参考例、実施例の結果を示す図である。
【図７】従来のエルボを示す図である。
【図８】従来のＴピースを示す図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ…エルボ（配管）、１１…エルボ本体、１１ａ…エルボ部材、２０、２１…拘束ロッド（応力分散部材、棒材）、２２、２３…拘束ラグ（応力分散部材、板材）、Ｗ１…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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