(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面（８）と内表面（９）を備え、継ぎ目（６）に沿って溶接されている熱交換器管（１）であって、外側の表面層（２）と、この外側の表面層（２）に囲まれている内側の表面層（３）とを備え、これらの表面層（２、３）が互いに固く結合され、一方の表面層（２、３）が高耐食性の被覆材料（４）からなり、他方の表面層（３、２）がそれより低い耐食性の基材（５）からなり、
前記低耐食性の基材（５）が１０重量％以上のクロム成分を含むクロム鋼であり及び／又は
前記高耐食性の被覆材料（４）が２０重量％以上のクロム成分を含む耐食性クロム鋼或いはチタン合金、タンタル合金又はジルコニウム合金であって、
前記継ぎ目（６）に沿って前記外表面（８）と内表面（９）のそれぞれの周囲にそれぞれ基材（５）或いは被覆材料（４）だけが存在している、
特に復水器（１０）用の熱交換器管（１）。
【請求項２】
０．３〜２ｍｍの間の板厚（１５）を持つ薄壁状に形成されている請求項１記載の熱交換器管（１）。
【請求項３】
被覆材料（４）からなる表面層（２、３）の板厚（１６）が、基材（５）からなる表面層（３、２）の板厚（１７）より薄い請求項１又は２記載の熱交換器管（１）。
【請求項４】
被覆材料（４）からなる表面層（２、３）の板厚（１６）が０．１〜０．３ｍｍの間である請求項３記載の熱交換器管（１）。
【請求項５】
基材（５）からなる表面層（３、２）の板厚（１７）が０．２〜１．５ｍｍの間である請求項３又は４記載の熱交換器管（１）。
【請求項６】
被覆材料（４）が、重量比にて２７〜３１％のクロム、１〜５％のニッケル及び２〜４％のモリブデンを含むスーパーフェライトである請求項１から５の１つに記載の熱交換器管（１）。
【請求項７】
被覆材料（４）が、重量比にて２３〜２７％のクロム、４〜８％のニッケル及び２〜５％のモリブデン並びに０．１％以上の窒素を含むスーパージュプレックスである請求項１から６の１つに記載の熱交換器管（１）。
【請求項８】
被覆材料（４）が、重量比にて２０〜２５％のクロム、２０〜２５％のニッケル、３〜７％のモリブデン並びに０．２％以上の窒素を含むスーパーオーステナイトである請求項１ないし７の１つに記載の熱交換器管（１）。
【請求項９】
基材（５）が重量比にて１０〜１７％のクロムを含むフェライトクロム鋼である請求項５又は６記載の熱交換器管（１）。
【請求項１０】
基材（５）が重量比にて１６〜２０％のクロム及び６〜１０％のニッケルを含むオーステナイトクロム鋼である請求項６又は７記載の熱交換器管（１）。
【請求項１１】
外側の表面層（２）と、この外側の表面層（２）に囲まれている内側の表面層（３）とを備えた熱交換器管（１）の製造方法であって、
ａ）低合金の基材（５）を高耐食性の被覆材料（４）で被覆し、その際低合金の基材（５）として重量比にて１０％以上のクロム成分を含むクロム鋼を使用し、及び／又は高耐食性の被覆材料（４）として２０％以上のクロム成分を含む非腐食性クロム鋼、チタン合金、タンタル合金或いはジルコニウム合金を使用し、
ｂ）これから薄壁状の帯板（７）を作り、次いで
ｃ）この帯板（７）を湾曲させて熱交換器管（１）を形成し、継ぎ目（６）に沿った少ない熱侵入で、特にレーザ溶接により溶接し、
これにより、前記継ぎ目（６）に沿って前記外表面（８）と内表面（９）のそれぞれの周囲にそれぞれ基材（５）或いは被覆材料（４）だけが存在している、
熱交換器管（１）の製造方法。
【請求項１２】
それぞれが外表面（８）と内表面（９）を備え、継ぎ目（６）に沿って溶接され、それぞれ外側の表面層（２）と、この外側の表面層（２）に囲まれている内側の表面層（３）とを備えた複数の熱交換器管（１）を備え、これらの表面層（２、３）が互いに固く結合され、一方の表面層（２、３）が高耐食性の被覆材料（４）からなり、他方の表面層（３、２）がそれより低い耐食性の基材（５）からなる、特に蒸気タービン用の復水器（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、外側の表面層と、この外側の表面層に囲まれている内側の表面層とを備えた、特に復水器用の熱交換器管に関する。
【０００２】
熱交換器管は、媒体の熱を他の媒体に伝達するいろいろな種類の熱交換器において使用される。これにより、例えば媒体を蒸発するまで加熱したり、媒体を凝縮するまで冷却したりすることができる。フィシャー企業グループの情報誌「管技術の今日」、７／９５、には、「Ｄ１Ｌ−最新の管コンセプトの新しい公式」なる論文で、排ガス設備、特に排ガス曲管用の二重壁管が記載されている。この二重壁管は特殊鋼で作られ、これにより平滑で、流れ状態のよい管内面が得られる。この二重壁管を製造するために、２つのスリット帯板を連続プロセスで圧延形成し、その突き合わせ端でレーザ溶接により溶接する。このようにして製造した二重壁管は、従来公知の二重壁管のように、共通の溶接継ぎ目で互いに結合された２つの管壁からなっている。かくして製造した二重壁管においては、ただ１つの接続を溶接継ぎ目により行っているので、内管と外管の分かれ目において音響の伝達を有効に遮断し、その結果このような二重壁管で有効な音響絶縁を行えることが示されている。
【０００３】
ヨーロッパ特許第０６１９４６６号明細書には、蒸気復水器として説明された熱交換器が示されている。この熱交換器は蒸気タービン用の長方形構造の表面復水器である。この復水器は、この場合、排出蒸気短管を介して蒸気タービンに接続され、これを介して蒸気が復水器の首部に流入する。この復水器は熱交換器管の束を備え、その外側を全長にわたり蒸気が流れる。熱交換器管の内部は冷却水が貫流する。熱交換器管の各束は、熱交換器管に対し垂直に配置された支え板により幾つかの区分に分割されている。
【０００４】
オーストリー特許第ＡＴ３５０２８６号明細書は、例えば自動車用の、アルミニウムラジエータ形の熱交換器管を開示している。この熱交換器管は、２つの異なるアルミニウム合金を互いに圧延固定した複合管である。これにおいては、異なるアルミニウム合金のそれぞれ２つの薄板が互いに圧延固定されている。このように圧延固定された帯板は、その継ぎ目を溶接することにより円管に形成される。この熱交換器管は、内面に耐食性のアルミニウム合金（被膜、メッキ）を、外面にこれより遙かに厚い、基材としてのアルミニウム合金を備えている。内面被膜の材料は、この場合、水を含む環境において、例えば自動車のラジエータにおいて不凍液に起因して、基材に対し陽極性である。これによって、もし被膜に局部的に孔があくと、相対的に大きな陽極（被膜）と小さな陰極とにより発生する電流が基材に孔の空くのを阻止し、これをそれ以上破壊しないように陰極的に保護する作用を持つことになる。
【０００５】
フランス特許出願第２３８９８６３号明細書には、冷蔵庫或いは暖房装置に使用される、複合材からなる熱交換器管が記載されている。この熱交換器管は、この場合、アルミニウム合金からなる管状の基材を備え、この基材は内側もまた外側も、別のアルミニウム・シリコン合金で被膜されている。
【０００６】
この発明の課題は、高い耐食性を持つ熱交換器管を提供することにある。この発明のその他の課題は、このような熱交換器管の製造方法並びにこのような熱交換器管を使用した復水器を提供することにある。
【０００７】
この発明によれば、最初に挙げた課題は、外表面と内表面を備え、継ぎ目に沿って溶接されている熱交換器管であって、外側の表面層と、この外側の表面層に囲まれている内側の表面層とを備え、これらの表面層が互いに固く結合され、一方の表面層が高耐食性の被覆材料からなり、他方の表面層がそれより低い耐食性の基材からなり、前記低耐食性の基材が１０重量％以上のクロム成分を含むクロム鋼であり及び／又は前記高耐食性の被覆材料が２０重量％以上のクロム成分を含む耐食性クロム鋼或いはチタン合金、タンタル合金又はジルコニウム合金であって、前記継ぎ目に沿って前記外表面と内表面のそれぞれの周囲にそれぞれ基材或いは被覆材料だけが存在していることによって解決される。
【０００８】
この発明は、この場合、熱交換器管が、良熱伝導性の他に、特に腐食性の水、例えば海水、汽水或いは汚染河川水に接触するときに、特に含有塩分、有機性含有物質或いは水又は他の媒体の化学的処理に基づき、高い耐食性を要求されるという認識に基づいている。高い熱伝導性と、これに伴う高い熱交換性とは、特に熱交換器管の壁厚を薄くすることにより達成できる。例えば、非腐食性の鋼或いはチタンからなる熱交換器管用の材料においては、高耐食性を達成し、薄壁構成により同時に高い熱交換性を達成することが可能であり、しかも、銅合金からなる熱交換器管とは異なり、長期にわたって使用しても殆ど壁厚の減少が起こらない。特に、著しい耐食性の材料（物質）、例えばモリブデンを含む、非腐食性のＣｒＮｉ鋼、チタン、ジルコニウム及びタンタル合金の場合には、材料及び製造コストが高いので壁厚を減らすことは大きなコスト節減に繋がる。勿論、この場合、製造性、加工性及び負荷強度に関しては限界があるので、例えば基材が一定の厚さを下回ると、管を製造するためにその製造プロセスが明らかに高騰し、このような熱交換器管の組立は、特に損傷の危険が増大することを考えると、より難しくなる。さらに、このような材料は熱交換器管を、例えば復水器或いは熱交換器の管底に固定する際に問題になる。というのは、管底において管を広げることによって接着強度及び密封性が小さくなるからである。このことは、特に、例えばスーパーオーステナイト、スーパージュプレックス或いはスーパーフェライトのような高耐食性である非腐食性鋼が、その合金組成により高い強度を持っているので、これらの非腐食性鋼が低合金化、低強度の鋼板からなる管底において、特に薄い管壁厚さ及びルート間隔において、充分に固着し、密封することができないことに起因する。高耐食性の材料或いはチタンからなるこのような熱交換器管においては、従って、これらを被覆された管底に溶接することが必要になる。しかしこのためには、極めて時間がかかる。その上、高耐食性の材料からなるこのような管の振動強度は小さく、かかる薄壁の熱交換器管の振動を抑制するために使用される支え板の数が大きくならざるを得ず、これに伴ない熱交換器、特に復水器の製造における構造的経費が高騰する。
【０００９】
高耐食性の材料と、それより耐食性の低い材料とからなる複合材を備えたこの発明による熱交換器管により、比較的強度が高く、高耐食性の被覆材料と、低合金化、低強度の基材とを備え、管底においても簡単に固定ができまた薄い壁厚においても振動強度の優れた熱交換器管が得られる。熱交換器管の要求に応じ、外側の表面層或いは内側の表面層のいずれかに高耐食性の被覆材料を備えることができる。例えば熱交換器管の内部を腐食作用を持つ媒体、例えば塩分を含む水が貫流する場合、内側の表面層を高耐食性の被覆材料とする。これに対し、熱交換器管の外側を腐食性の媒体が環流するときには、外側の表面層を高耐食性の被覆材料とする。
【００１０】
この熱交換器管は特に薄壁状に形成するのがよく、これにより内部に流れる媒体と管壁の回りを流れる媒体との間の良好な熱伝達が行える。この壁厚は、その場合、０．３〜２ｍｍの間、特に蒸気タービンの復水器用の熱交換器管として適用する場合には約０．５ｍｍの範囲にあるのがよい。
【００１１】
被覆材料からなる表面層の部分の厚さは、基材からなる表面層の部分の厚さより薄いのがよい。特に、基材の部分の厚さは被覆材料の部分の厚さの１．５倍であるのがよい。これにより腐食性の媒体が接触する熱交換器管の表面における腐食に対する保護が得られ、同時に基材の特性が、基材の強度が小さく、従って、変形性が良いことにより、管底における熱交換器管の振動安定性及び容易な固定に貢献する。
【００１２】
被覆材料からなる表面層の部分の厚さは０．１〜０．５ｍｍの間、特に約０．２ｍｍであるのがよい。基材からなる表面層の部分の厚さは０．２〜１．５ｍｍの間、特に約０．３ｍｍであるのがよい。
【００１３】
腐食性の媒体に曝される被覆材料は、高合金鋼、特にスーパーフェライト、スーパージュプレックス或いはスーパーオーステナイトであるのがよい。これらの合金鋼は、重量比にて以下の合金成分を含むのがよい。
スーパーフェライト：２７〜３１％のクロム、１〜５％のニッケル及び２〜５％のモリブデン、特に約２９％のクロム。
スーパージュプレックス：２３〜２７％のクロム、４〜８％のニッケル、２〜５％のモリブデン並びに０．１％以上の窒素、特に約２５％のクロム、５〜８％のニッケル及び３〜５％のモリブデン。
スーパーオーステナイト：２０〜２５％のクロム、２０〜２５％のニッケル、３〜７％のモリブデン、並びに０．２％以上の窒素。
【００１４】
基材は、重量比にて１０〜１７％のクロムを含んだフェライトクロム鋼とするのがよい。この基材は、また、重量比にて１６〜２０％のクロム及び６〜１０％のニッケル、特に約１８％のクロム及び約８％のニッケルとすることもできる。
【００１５】
特に、この複合材は、スーパーフェライトとフェライト、スーパージュプレックスとフェライト、スーパージュプレックスとオーステナイト或いはスーパーオーステナイトとオーステナイトとのような、被覆材料と基材との組合せからなることもできる。また、熱交換器管の使用領域に応じて、他の組合せ、例えばスーパージュプレックスとジュプレックス或いはスーパーオーステナイトとジュプレックスのような組合せも使用することができる。
【００１６】
この熱交換器管は、特に複合材料の帯板を湾曲して管を形成し、その継ぎ目を溶接して製造するのがよい。この場合、この継ぎ目の範囲における外表面と内表面において、基材の被覆材料への混合或いはその逆の混合は起こらない。これにより、腐食性媒体が接触する表面に、高耐食性の被覆材料がそれに応じた純度と厚さで存在し、その結果継ぎ目には、腐食性媒体にさらされる全表面におけると同等の耐食性が与えられる。従って、溶接継ぎ目によって許容できない程度に耐食性が損なわれるのを回避できる。
【００１７】
この発明の製造方法によれば、外側の表面層と、この外側の表面層に囲まれている内側の表面層とを備えた熱交換器管の製造方法であって、ａ）低合金の基材を高耐食性の被覆材料で被覆し、その際低合金の基材として重量比にて１０％以上のクロム成分を含むクロム鋼を使用し、及び／又は高耐食性の被覆材料（４）として２０％以上のクロム成分を含む非腐食性クロム鋼、チタン合金、タンタル合金或いはジルコニウム合金を使用し、ｂ）これから薄壁状の帯板を作り、次いで、ｃ）この帯板を湾曲させて熱交換器管を形成し、継ぎ目に沿った少ない熱侵入で、特にレーザ溶接により溶接し、これにより、前記継ぎ目（６）に沿って前記外表面（８）と内表面（９）のそれぞれの周囲にそれぞれ基材（５）或いは被覆材料（４）だけが存在しているようにする。
上記製造方法において、最小の熱侵入と冷却速度の大きい溶接方法、例えばレーザ溶接或いは電子ビーム溶接を使用することにより、溶接継ぎ目の範囲において腐食性媒体が接触する表面にまで広がって、基材が被覆材料に混合することがない。この被覆材料の被覆は、公知の被覆方法、例えば圧延、溶接及び溶射被覆により行うことができる。圧延及び溶接被膜の場合、被覆材料及び基材に充分な延性が必要とされるが、溶射被覆法では硬い、耐磨耗性の被覆材料でも処理可能である。冷間或いは熱間圧延によれば大きな板状の基材も被覆することができる。溶射被覆法によれば、チタン合金を含む鋼板も被覆することができる。
【００１８】
圧延被覆法を適用する場合には、先ず、広幅の帯板を作る。その場合、冷間或いは熱間圧延の際の異なる合金成分により起きる、異なる変形抵抗を考慮して製作する。この広幅の帯板から、次に、幅の狭い帯板を作り、この帯板を管に成形し、少ない熱侵入で継ぎ目の範囲を溶接する。溶接の際に、基材が被覆材と著しく混合する溶接法、特にシールドアーク溶接法に較べて、レーザ溶接或いは電子ビーム溶接においては、基材と被覆材料との混合がない、最高の純度のかつ精密な溶接継ぎ目が得られる。電子ビーム溶接は、深い、狭い溶接継ぎ目を、しかも極めて狭い熱作用領域、従って複合材に対して最小の熱作用で、作ることを可能とする。その上、熱侵入が少ないことにより、歪みや応力発生も小さくなり、精密溶接を行うことができる。同様に、水素、酸素或いは窒素を供給する必要がないので、特に反応性の金属において、純粋なかつ脆性破壊のない、溶接継ぎ目の形成が可能である。高いエネルギー密度は、その上、大きな溶接速度も、また非常に薄い部分の微細溶接をも可能にする。高温溶融金属や、熱侵入の少ないことにより非常に異なる溶融点を持つ材料も溶接できる。同様な利点は、レーザ溶接によっても実現できる。なお、レーザ溶接は特に１ｍｍ以下の板厚に対して適しているので、凡そ０．５ｍｍの板厚を持つ薄壁の管においてレーザ溶接が好適に使用される。非消耗性のタングステン電極を用い、特に高合金鋼の溶接に適用される、保護ガス雰囲気下でのタングステン不活性ガス（ＷＩＧ）溶接のような、従来のシールドアーク溶接方法に比較して高いエネルギー密度及びビームによる溶融溶接は、それ故、複合材からなる熱交換器管の製造に適している。
【００１９】
復水器に向けられた課題は、この発明によれば、外側の表面層と内側の表面層とを備えた複合材からなる複数の熱交換器管を備え、この複合材が高耐食性の被覆材料と低耐食性の基材とからなる、特に蒸気タービン用の復水器により解決される。被覆材料は、熱交換器管の外側の表面層が腐食性の媒体に接触するときには、高耐食性の被覆材料を形成する。熱交換器管の内面が腐食性の媒体に接触するときには、被覆材料は内側の表面層を形成する。冷却水、例えば河川、湖沼或いは海から取り入れられる冷却水が貫流する復水器の熱交換器管においては、それに応じて、内側の表面層が被覆材料から形成される。これによって、熱交換器管の耐食性が向上し、他方では基材からなる外側の表面層により高い振動安定性並びに復水器の管底における良好な固定が行える。
【００２０】
この発明による熱交換器管並びに復水器を、図面に示す実施例で詳細に説明する。各図において使用する記号は、一貫して同じ部分を示す。
【００２１】
図１には帯板７が斜視図で示されている。この帯板７は低合金及び低強度の鋼板からなる基材５を備え、この上に被覆方法、特に圧延被覆法を使用して、高耐食性の、高合金鋼が被着されている。帯板７は０．５ｍｍの範囲の板厚１５を持っている。基材５は板厚１７を持ち、これはメッキ材料４の板厚１６より厚い。約０．５ｍｍの板厚１５を持つ熱交換器管１（図２参照）において、基材５の板厚１５は約０．３ｍｍであり、被覆材料４の板厚１６は約０．２ｍｍである。
【００２２】
図２には熱交換器管１が斜視図で示されている。この熱交換器管１は帯板７（図１参照）から形成されている。この熱交換器管１は、継ぎ目６に沿って電子ビーム溶接或いはレーザビーム溶接により溶接されている。熱交換器管１は、内側の表面層３に被覆材料４を、そして外側の表面層３に基材５を備えている。熱交換器管１を継ぎ目６に沿って電子ビーム溶接或いはレーザビーム溶接を使用して溶接することにより、外表面８と内表面９とのいずれにおいても、基材が被覆材料と混合することはない。この結果継ぎ目６に沿って必要な材料特性、即ち、腐食性媒体が接触する表面における高耐食性及び特に復水器の底面における固定のための小さい強度が保証される。腐食性媒体、例えば冷却水は、熱交換器管１を内側から貫流する。
【００２３】
図３は、復水器１０の一部を縦断面で示す。この復水器１０は多数の熱交換器管１を備え、図では分かりやすくするために、その中の４個だけを示している。熱交換器管１は、復水器１０の管底１１に固定されている。熱交換器管１は、さらに、熱交換器の図示されていない両端において支え板１２により支えられている。基材４と被覆材料５とからなる複合材を使用したことに伴う熱交換器管１の振動安定性により、支え板１２の数は少数に保たれる。熱交換器管１には冷却媒体１３、特に水が貫流する。その外表面８（図２参照）には、図示しいない蒸気タービンから蒸気１４がその回りを流れ、この蒸気１４は熱交換器管１（復水器管）において凝縮し、復水器１０から放出される。冷却媒体１３は、例えば河川、湖沼或いは海から供給される場合、冷却媒体１３は熱交換器管１を高度に腐食させるおそれがある。これは、高耐食性である被覆材料４によって明らかに減少し、もしそうでなくても、阻止される。管底１１の範囲の内部で管１を圧延することによって、管１が拡張し、それに伴って基材４の変形が起こる。これにより管底１１において管１の良好な固定が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  複合材からなる帯板を斜視図で示す。
【図２】  複合材からなる帯板で構成された熱交換器管を斜視図で示す。
【図３】  復水器の一部を縦断面で示す。
【符号の説明】
１              熱交換器管
２              外側の表面層
３              内側の表面層
４              被覆材料
５              基材
６              継ぎ目
７              帯板
８              外表面
９              内表面
１０            復水器
１１            管底
１２            支え板
１３            冷却媒体（水）
１４            蒸気
１５            板厚
１６、１７      部分の板厚
【図１】
0004276382.tif 000002
【図２】
0004276382.tif 000003
【図３】
0004276382.tif 000004