(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コークス炉のバックステー（２）の一部から採取された部分的なサンプル（３）に、応力等を測定するための歪みゲージ（４）を複数個貼付けた後、
曲げ負荷試験により曲げ応力を測定して応力の分布を求め、残留応力を求めることによって、バックステーを弾性変形の範囲内、または比例限界の範囲内で使用するためには残りいくらの横荷重をかけられることができるかを判断し、それによってバックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断することを特徴とするコークス炉のバックステーの強度診断方法。
【請求項２】
コークス炉のバックステー（２）の一部から採取された部分的なサンプル（３）に、応力等を測定するための歪みゲージ（４）を複数個貼付けた後、
曲げ負荷試験により曲げ応力を測定して応力の分布を求め、残留応力を求めることによって、バックステーを弾性変形の範囲内、または比例限界の範囲内で使用するためには残りいくらの横荷重をかけられることができるかを判断し、それによってバックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断するために、
コークス炉のバックステー（２）の一部を部分的にサンプル（３）として採取し、サンプル（３）を更に小片に切断して試験片（９）を作成し、その際該試験片（９）の切断前後の応力変化を測定し、サンプル（３）に残存していたはずの残留応力とその分布を求めて、バックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断することを特徴とするコークス炉のバックステーの強度診断方法。
【請求項３】
コークス炉のバックステー（２）の一部から採取された部分的なサンプル（３）に、応力等を測定するための歪みゲージ（４）を複数個貼付けた後、
曲げ負荷試験により曲げ応力を測定して応力の分布を求め、残留応力を求めることによって、バックステーを弾性変形の範囲内、または比例限界の範囲内で使用するためには残りいくらの横荷重をかけられることができるかを判断し、それによってバックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断するために、
コークス炉のバックステー（２）の一部を部分的にサンプル（３）として採取し、サンプル（３）を更に小片に切断して試験片（１０）を作成し、該試験片（１０）の強度試験、従って各試験片（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）について硬さ試験、衝撃試験又は引張試験を行って硬さ、衝撃強度又は引張強度を求めることにより、バックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断することを特徴とするコークス炉のバックステーの強度診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コークス炉のバックステーの再使用の可否を判断するためのコークス炉のバックステーの強度等の診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
古くなったコークス炉はレンガ、バックステー等で構成される炉体が膨張し、変形してくる。この変形を測定するため、炉体膨張測定法の技術がある（特開平６−１７４６４６号公報、特開平９−５９６４５号公報）。この技術は炉体全体の膨張を測定するものであってバックステー自体の変形・変質を測定するものではない。
【０００３】
バックステーがコークス炉の熱によって歪み、その結果締付装置が破損するのを防止するためにこれを冷却する従来技術がある（特開平５−３２０６５４号公報）。この技術はバックステーの強度までは言及していない。
【０００４】
多数のバックステーがコークス炉設備の一部分として炉体の両側に設置されており、炉体を両側から締めておく目的でバックステーの上下端もしくは上端にスプリングを介して炉体を横から押しつける構造となっている。
【０００５】
しかるにバックステーの中間部は炉体と直接接触したり、或いは炉体に固定されており、炉体の不規則な伸縮に伴い、バックステーが曲がって大きく湾曲する傾向がある。特に古くなったコークス炉において、バックステーに大きな曲がりが生じてしまった場合、従来はバックステーはバックステーの曲げ剛性の不足に原因があると理解して廃棄処分としていた。即ち、バックステーの全体もしくは一部分を、より大きな曲げ剛性を有するバックステーと取り替えていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、バックステーの強度診断を行うことによって、バックステーを継続使用できるか否かを判断する方法を案出することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば請求項１、２及び３に記載のバックステーの強度診断方法、即ちコークス炉のバックステー（２）の一部から採取された部分的なサンプル（３）に、応力等を測定するための歪みゲージ（４）を複数個貼付けた後、
曲げ負荷試験により曲げ応力を測定して応力の分布を求め、残留応力を求めることによって、バックステーを弾性変形の範囲内、または比例限界の範囲内で使用するためには残りいくらの横荷重をかけられることができるかを判断し、それによってバックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断することを特徴とするコークス炉のバックステーの強度診断方法、
コークス炉のバックステー（２）の一部から採取された部分的なサンプル（３）に、応力等を測定するための歪みゲージ（４）を複数個貼付けた後、
曲げ負荷試験により曲げ応力を測定して応力の分布を求め、残留応力を求めることによって、バックステーを弾性変形の範囲内、または比例限界の範囲内で使用するためには残りいくらの横荷重をかけられることができるかを判断し、それによってバックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断するために、
コークス炉のバックステー（２）の一部を部分的にサンプル（３）として採取し、サンプル（３）を更に小片に切断して試験片（９）を作成し、その際該試験片（９）の切断前後の応力変化を測定し、サンプル（３）に残存していたはずの残留応力とその分布を求めて、バックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断することを特徴とするコークス炉のバックステーの強度診断方法、
又はコークス炉のバックステー（２）の一部から採取された部分的なサンプル（３）に、応力等を測定するための歪みゲージ（４）を複数個貼付けた後、
曲げ負荷試験により曲げ応力を測定して応力の分布を求め、残留応力を求めることによって、バックステーを弾性変形の範囲内、または比例限界の範囲内で使用するためには残りいくらの横荷重をかけられることができるかを判断し、それによってバックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断するために、
コークス炉のバックステー（２）の一部を部分的にサンプル（３）として採取し、サンプル（３）を更に小片に切断して試験片（１０）を作成し、該試験片（１０）の強度試験、従って各試験片（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）について硬さ試験、衝撃試験又は引張試験を行って硬さ、衝撃強度又は引張強度を求めることにより、バックステーが継続使用の条件を具備するか否かを判断することを特徴とするコークス炉のバックステーの強度診断方法によって解決される。
【０００８】
コークス炉設備の一部である多数のバックステーの中から、代表的な変形をしているバックステーを選択し、そのバックステーの一部分をサンプルとして切り出してその内部応力を計測することによって応力分布、従って各部の応力の大きさを求め、更に弾性変形と塑性変形の度合いを求めて継続使用の可否を判断すると共に、継続使用する場合は残留応力に応じてその使用方法に制限を加えるなどの管理基準に基づいて継続使用の方法を決定する。
【０００９】
バックステーの継続使用の具体的条件、従って継続使用の条件としての残留応力値、硬さ、衝撃強度、引張強度の値についてはコークス炉の設置条件、使用条件等により大きく変動するので、ここでは具体的値は示さない。バックステーの残留応力が分かれば、どの程度の応力をかけることができるかを知ることができる。即ち、バックステーの曲げ許容応力を弾性限界応力２５００ｋｇｆ／ｃｍ2 とし、残留応力を５００ｋｇｆ／ｃｍ2 とすれば、継続使用される場合の許容付加応力は、２０００ｋｇｆ／ｃｍ2 である。従って２０００ｋｇｆ／ｃｍ2 に相当する横荷重を限度として継続使用することとする。
【００１０】
具体的には、図２に示すように、バックステーと炉体の間のスプリング８などを介在させて横荷重を制御する管理方法がある。
【００１１】
これによって、コークス炉の運転中炉体の部分的な伸縮変動であっても、炉体とバックステーとの間にほぼ一定の横荷重を保持することができるし、バックステーの曲げ応力もほぼ一定に維持することが可能となる。
【００１２】
【実施形態】
本発明は、以下に記載する技術的思想に立脚しかつ以下に記載する実施形態で実施される。
【００１３】
計測の対象となるサンプル３は、それまでに繰り返し曲げ応力を受けて部分的に塑性変形してしまった素材（バックステー）から採取される。そのサンプル３を測定・試験することによって、そのサンプル３従って素材と同等な品物が再使用に耐えられるか否かの判断を行うためのデータを得る。尚、再使用に際しては、曲げモーメントが許容値を超さないように新たな規制を設けて使用することが必要である。この許容値をいくらにするかを決定するデータを得ることも再使用の前提条件であり、バックステーの管理基準の設定に不可欠である。
【００１４】
素材が受ける荷重履歴は次の通りである。
【００１５】
素材は、直立した状態で使用され、繰り返しの横荷重を受ける。荷重の方向は主としてフランジに略直角方向であり、その位置・大きさ・向き（±）が不定であり、回数は１０3 〜１０5 程度と想定する。その結果、素材は、疲労しかつ永久歪みによってゆるやかに湾曲している（約１０〜２０ｍｍ／ｍ）。勿論素材の一部であるサンプル３も同様に湾曲している。
【００１６】
サンプル３の内部応力分布を検出するための測定を行う。サンプルを各部に区分したと仮定して各区分の表面に歪みゲージ４を貼りその後サンプル３を各部に即ち各試験片に切断し各応力変化を測定して残留応力値とその分布を求める。
【００１７】
機械的強度の試験としては、日本工業規格（ＪＩＳＺ２２４３、２２４２、２２４１等）に基づいて硬さ試験、衝撃試験、引張試験を行う。
【００１８】
【実施例】
図１〜図３によれば、コークス炉１の窯口７を閉じるコークス炉ドア５は、前後２ヵ所、従って図１中の上下２箇所において閂６によって、窯口７の両側のバックステー２に設けられた閂係合腕にロックされている。閂６に付設されたスプリングは図示してない。図２に示すように、バックステー２は、図示しない炉蓋枠に保持されるべき炉蓋に対してコークス炉１の内方の高温が炉体各所の変形を招くことによるバックステー２の圧縮、変形を防止するために、バックステー２の一方のフランジの内面とコークス炉１の燃焼壁を保護する保護板に隣接する金属板との間にスプリング８を介在させてスプリング８の撓みによって、バックステー２に炉体から伝達される力を吸収することとしている。スプリング８の力はボルトに対するナットの締め付け位置の調整により調整可能である（図２）。図３のように、スプリング８は図１のドア５の両側のバックステー２の長さに亘って多数設けられている。炉体の変形は場所によって相違するので、炉体の変形のバックステー２への影響を防止するためである。
【００１９】
図１に示されたようにサンプル３をバックステー２から切り出して図４による方法で、負荷試験により曲げ応力、剪断応力を測定する。サンプル３は先ず４０００〜５０００ｍｍ、例えば４５００ｍｍに切断される。その後曲げ試験のためにサンプル３は更に３５００ｍｍの試験片に切断され、図４（ｂ）に示すようにその長さの３ヵ所に亘って複数個の歪みゲージ４が貼付けられる。試験片はその両端付近で支持されてその中央部に１ヵ所又は２ヵ所の集中荷重をかけられる。その結果、歪みケージ４の歪みにより曲げモーメントにより、曲げ応力、変位計１１により撓み等が測定される。歪みケージ４はｘ軸、ｙ軸及びｚ軸、即ち３軸方向の測定ができるように配列されかつブリッジ回路に組み込まれる。
【００２０】
図５、図６及び図７によれば、バックステー２の機械的強度の試験、特に残留応力、硬さ試験、衝撃試験及び引張試験用の試験片９、１０の製造工程が明らかにされている。試験片は、日本工業規格（ＪＩＳＺ２２０２、２２０１等）に従ってつくられる。
【００２１】
曲げ試験には、サンプル３の図４の左側の領域が使用され、残留応力や強度試験には、サンプル３の図４の右端の領域が使用され、この領域は残留応力測定用と、強度試験用とに２つに切断される。残留応力測定用の試験片には、同様にサンプル３に歪みケージ４が複数箇所、例えば３ヵ所に貼付けられて（図４）、ブリッジ回路による計測が行われることができる。
【００２２】
図５中、（ａ）によれば、図４のサンプル３の右端領域の残留応力測定用領域が３ヵ所帯鋸盤により長さ４０ｍｍ程度に切断され、（ｂ）によれば、サンプル３は上下のフランジとウエブとに切り離され、（ｃ）によれば、マイクロカッタにより板厚２５ｍｍ角に切断され、そして（ｄ）によれば、ワイヤカット機等により板厚の半分２５ｍｍ程度に切断されて、試験片９がつくられる。この試験片９に貼付けてあった歪みゲージの測定により、図４のサンプル３から試験片９ができるまでの間に歪みゲージの測定値が変化するのを測定して、サンプルに残存していたはずの残留応力を求めることができる。
【００２３】
図６及び図７によれば、強度試験用の試験片１０のつくり方が示されている。図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にはサンプル３の上部フランジ、ウエブ及び下部フランジからの供試体の作成について示されている。Ｉ形鋼等から成るバックステー２から切り出されたサンプル３の上部のフランジは供試体１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３、１０Ａ−４、１０Ａ−５、サンプル３のウエブは供試体１０Ｂ−１、１０Ｂ−２、１０Ｂ−３、１０Ｂ−４、１０Ｂ−５、そしてサンプル３の下部のフランジは供試体１０Ｃ−１、１０Ｃ−２、１０Ｃ−３、１０Ｃ−４、１０Ｃ−５がそれぞれ作られることができる。その際供試体１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｃからいかなる試験片１０が取り出されるかは、図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示されている。図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図６中のＡ部、Ｂ部及びＢ′部を拡大して示す。（ａ）によれば、硬さ試験片１０Ａ−１−Ｈ、衝撃試験片１０Ａ−１−Ｉ及び引張試験片１０Ａ−１−Ｔが、（ｂ）によれば、硬さ試験片１０Ｂ−１−Ｈ、衝撃試験片１０Ｂ−１−Ｉ及び引張試験片１０Ｂ−１−Ｔが、そして（ｃ）によれば、硬さ試験片１０Ｂ−１−Ｈ、衝撃試験片１０Ｂ−１−Ｉ及び引張試験片１０Ｂ−１−Ｔが、それぞれ供試体１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｃから取り出される。図７中、測定面は硬さ試験の測定面を示す。試験片１０は、日本工業規格に基づいて、硬さ試験機により硬さ試験を、衝撃試験機により衝撃試験を、そして引張試験機により引張試験を行われる。
【００２４】
サンプル３の具体的な寸法や上記試験の具体的方法は以下の通りである。
【００２５】
サンプル３の形状等は、次の通りである。
【００２６】
断面；Ｈ４２０×２００×１０／１６  溶接ビルトアップ材
長さ；約４０００〜５０００ｍｍ、好ましくは４５００ｍｍとする。
【００２７】
材質；一般圧延材料、ＳＳ４００相当品
素材；現在長尺材  約１５ｍで使用されている素材から、その中間部を、サンプルとして切り出したものを使用する。
【００２８】
バックステーの使用期間；２０年以上設置のものを対象とする。
【００２９】
サンプル３の内部応力分布の測定
サンプル３を図５のように切断して試験片９とする。
【００３０】
計測点を３点、歪みケージ４の配列を３軸（ｘ、ｙ、ｚ）にしたのは、主応力の軸心のずれの影響を無視できないと判断したためである。
【００３１】
0004173254.tif 000002
内部応力分布の測定の他にサンプル３を図６、図７のように試験片１０として機械的強度、曲げ試験を行い、場合によっては溶接試験も行い、これらのデータもバックステー継続使用可否の判断基準の設定又はバックステー継続使用に際しての管理基準の設定により、継続使用可否の判断の質を高めかつ継続使用後のバックステーの安全管理に役立てることとしている。
【００３２】
【発明の効果】
バックステーは、コークス炉設備の重要な一部分であり、本数も多く、そのためにバックステーを取り替えるためには、従来必要とされた操業中断や応急工事費を回避して、代表的なバックステーの一部分をサンプルとして切り出すだけであって、その他のバックステーは殆どそのまま継続使用することができるので、その効果及び利益は著しく顕著である。
【００３３】
バックステーに大きな湾曲が発生しても、従来はそれが弾性変形なのか塑性変形なのか或いはその割合がどれ程なのか、また残留応力がいくらかが不明であった。本発明によれば、残留応力を知ることによってバックステーを弾性変形の範囲、好ましくは比例限界の範囲内で使用するためには残りいくらの横荷重をかけられることができるかを判断できるので、バックステーが塑性変形したり、更に曲がりが増大する危険を予防できるし、曲がりを増大させることもなく、バックステーの安全な継続使用の目的が達成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ドアとバックステーの正面図である。
【図２】図２は、図３のＩＩ−ＩＩ線に沿うバックステーの断面図である。
【図３】図３は、スプリングが組み込まれたバックステーとコークス炉の窯口を示す縦断面図である。
【図４】図４（ａ）は、バックステーのサンプルの断面図で、曲げ試験用、残留応力測定用ゲージの貼付位置及び機械的強度試験用供試体に使用される領域を示す図であり、そして図４（ｂ）は、サンプル切断後、曲げ負荷試験を行う要領を示す図である。
【図５】図５は残留応力測定用試験片の製造工程を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）にはバックステーを切断して試験片を作るまでの経過が明らかにされている。
【図６】図６は、バックステーから強度試験片を採取する方法を示す図であり、（ａ）はバックステーの上部フランジの試供体Ａ、（ｂ）はバックステーのウエブの試供体Ｂ、（ｃ）はバックステーの下部フランジの試供体Ｃを示す図である。
【図７】図７は、図６の試供体Ａ、Ｂの採取方法を説明するための、図６のＡ部、Ｂ部、Ｂ′部の詳細を表わす図である。
【符号の説明】
１    コークス炉
２    バックステー
３    サンプル
４    歪みゲージ
５    コークス炉ドア
６    閂
７    窯口
８    スプリング
９    残留応力測定用試験片
１０    機械的強度試験用試験片
１０Ａ−１    供試体
１０Ａ−２    供試体
１０Ａ−３    供試体
１０Ａ−４    供試体
１０Ａ−５    供試体
１０Ｂ−１    供試体
１０Ｂ−２    供試体
１０Ｂ−３    供試体
１０Ｂ−４    供試体
１０Ｂ−５    供試体
１０Ｃ−１    供試体
１０Ｃ−２    供試体
１０Ｃ−３    供試体
１０Ｃ−４    供試体
１０Ｃ−５    供試体
１０Ａ−１−Ｈ    硬さ試験片
１０Ａ−Ｉ−Ｉ    衝撃試験片
１０Ａ−１−Ｔ    引張試験片
１０Ｂ−２−Ｈ    硬さ試験片
１０Ｂ−２−Ｉ    衝撃試験片
１０Ｂ−２−Ｔ    引張試験片
１０Ｂ−１−Ｈ    硬さ試験片
１０Ｂ−１−Ｉ    衝撃試験片
１０Ｂ−１−Ｔ    引張試験片
１１    変位計
【図１】
0004173254.tif 000003
【図２】
0004173254.tif 000004
【図３】
0004173254.tif 000005
【図４】
0004173254.tif 000006
【図５】
0004173254.tif 000007
【図６】
0004173254.tif 000008
【図７】
0004173254.tif 000009