JPH05603B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はボイラ装置に係り、特にボイラ壁面
の応力集中を防止し、かつ現地組み立ても容易に
行える炉壁構造を有するボイラ装置に関する。

第１図は発電所用の大型水管ボイラの燃焼室並
びに火炉全体の概略外観構造を示す。

この種のボイラは、ひれ（メンブレンバー）付
きの管の、複数本相互を気密に保つように接合す
ることによつて平面的な管群を形成し、これら管
群の組合せによつて箱型の燃焼室並びに火炉を構
成している。第１図においては、主として水壁管
群１、ケージ側壁管群２、ケージ底部壁管群３並
びに天井壁管群４等によつて、これら燃焼室並び
に火炉が構成されていることを示している。

第２図は、第１図のＡ部近傍を主体にした場合
の管内流体の流れの概要をボイラ缶側面からみて
模式的に示したものである。第１図と対応させて
第２図に示した流れ系統を説明すると、火炉を構
成する水壁管群部１における管内流体は下方より
上方へ流れる間に温度上昇していくが、これら流
体はボイラ缶最上段において管寄せ７ａに集合し
た後管寄せ７ｂを経て、天井壁管群４に入り缶前
方より後方に向つて流れる。この間に更に温度上
昇する。その後は管寄せ７ｃに集合させ下降管８
によつて一旦、缶中央部まで下降、マニホールド
９を経て管寄せ７ｄ及び７ｅに導びかれる。

管寄せ７ｄからの流体は、過熱器、再熱器等の
配置空間たる通称ケージ部の一部を構成するケー
ジ側壁管群２を流れボイラ缶上方へと流れる間に
一層温度上昇していく。一方管寄せ７ｅからの流
体は、一旦水壁管群（後壁）と同じ位置をそれに
添つてやや上方に上つた後は、ケージ底部壁管群
３となつて斜め方向に昇つてにく。ここでも前述
したケージ側壁管群２とほぼ同じ熱条件下にさら
されるため、内部流体は次第に温度上昇すること
になる。

この後流体は更に図示しない過熱器等を経て過
熱蒸気となりタービンへ導入される。

第３図Ａは、第１図におけるＡ部並びに第２図
におけるＢ部の構造的詳細を示し、かつ第３図Ｂ
はこの取合部を模式的に示し、さらに第４図は第
３図ＡにおけるＣ−C′断面を示す。

第３図Ａ及び第４図において、まず、複数の水
壁管１０、ケージ側管１１並びにケージ底部管１
２はそれぞれ伝熱効果を上げるためメンブレンバ
ーと呼ばれる板状のひれ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ
を管の両側に配し、管の軸方向に連続した溶接１
４によつて結合し気密性を有する一体の管群を形
成している。なお符号１６はケージ側管寄せであ
る。こうした溶接構造の代表例を第５図に示す。

水壁管１０とメンブレンバー１３ａとから形成
され第１図の火炉５を形成する水壁管群１、ケー
ジ側管１１とメンブレンバー１３ｂから形成され
るケージ側壁管群２、あるいはケージ底部管１２
とメンブレンバー１３ｃから形成されるケージ底
部壁群３は、工場からプラント建設現場までの輸
送制限あるいは組立施工制限等を考慮し、適切な
大きさにそれぞれ単独に製作され、第３図並びに
第４図に示す如く、これら三体をプラント建設現
場にて合せ加工して組立てていくのが通例であ
る。第３図Ｂはこの組み立てを模式的に示したも
のであり、ボイラ火炉を構成する水壁管群１、ケ
ージ側壁管群２、ケージ底部管群３の各々を矢印
の如く集合させて組立てる。

第６図ないし第８図はこれら三つの壁面の組立
て構造をより詳細に示したものである。これらの
図を用いて現地における組立てを具体的に説明す
ると、水壁管群１とケージ側壁管群２は合せ加工
をした後メンブレンバー１３ｄ（第６図）を間に
入れ、組立て現地において溶接１５によつて結合
する。

また、ケージ底部壁管群３は、メンブレンバー
１３ｅを介して同様な溶接方法１５によつて水壁
管群１と結合する。同時に、ケージ側壁管群２と
の結合は、あらかじめ第６図及び第７図に示す如
く、その結合部近傍での結合強度と気密性を保つ
ため、各管の直径の数倍（通常４〜５倍）の長さ
を有する板状駒１７をケージ側壁管群２における
メンブレンバー１３ｂの内側に溶接結合させて溶
接面をほぼ平面に形成する。続いてメンブレンバ
ー１３ｆをこの溶接面に対して密着配置して溶接
を行い、このメンブレンバー１３ｆを介してその
両側を連続溶接することで管群両者を結合させて
いる。

かくして第１図で示した如き気密性を有する燃
焼室並びに火炉の一部を一体的に形成することに
なる。

以上の構成の装置においては次の点が問題点と
して指摘されており、その改善が望まれている。

先ず第１図のＡ部（第２図のＢ部）すなわち通
称水壁とケージ取合部においては、第３図、第４
図及び第６図〜第８図はその詳細を述べた如く、
３種類の管群（水壁１、ケージ側２、ケージ底部
３）が三次元的に合体しており複雑な構造を呈し
ていることから、構造物としては強度的に最も注
意しなければならない形状不連続部を形成するこ
とになる。このため第７図Ａに示す如く（同Ｂに
概念図を示す）ケージ底部壁管群３のうち各水管
群１，２に接続する側の部分を斜めに形成した斜
行部とし、これによつて水管１０ａ，１１ａ，１
２ａの三本が各々第７図Ａにおける三角形の頂点
となるよう配置し、ボイラ火炉のコーナ部の強度
を高めるようにしている。反面こうした管配列に
おいては大きな問題がある。すなわち第６図ある
いは第７図において、メンブレンバー１３ｅ及び
１３ｆの配置並びに形状をみると、本来なら火炉
の気密性を保つため、メンブレンバー１３ｅは水
壁管１０ａとケージ底部管１２ａとの間で両管の
軸方向に沿つて図中の下方から上方へと配し、さ
らに同管１２ａの屈曲部においても連続して斜め
右上方へ伸ばしてケージ底部壁１２ａとケージ側
壁管群２との間に一体的に配し、その両側を溶接
するのが最良である。しかし、上述したように管
１０ａ，１１ａ，１２ａが三角形をなす配置（第
７図Ａ）となつているためメンブレンバー１３ｅ
を連続して上方に伸ばすにはこの屈曲部において
メンブレンバー１３ｅを捩つた形状とせねばなら
ず、メンブレンバーの工作が困難であり、また工
作が可能でも溶接時にこのねじれ部に大きな応力
が生じることが予想される。従つて現実には２枚
のメンブレンバー１３ｅと１３ｆの二分割構造と
しても、溶接部は非常に複雑な構造となる。特に
この部分の溶接作業が作業環境の悪いボイラ組立
現場において実施されるため溶接品質が低下する
虞れもある。

以上に加えて、これら接合部における各水壁管
群の内部流体の温度は当然相違し、各管群はその
内部流体温度に対応する膨張もしくは収縮を行
い、この結果接合部には大きな応力が集中するこ
とになる。第９図はこの応力集中の例を示す。す
なわち、こうした従来構造においては各種運転過
程において、各管群自身の熱膨張収縮、各管群相
互の熱膨張差あるいは外部のたとえば各管寄せ並
びに配管等の変形や拘束等々に帰因する。熱的、
機械的ひずみ（応力）は、おのずと各管群の合体
している当該部に集中することになるが、加えて
この部分は前述した如く例えば水壁管１０ａとケ
ージ側管１１ａの結合部でのメンブレンバー１３
ｆの溶接止端部をはじめ各管群の結合部各所が応
力集中源となつているためこうした個所にことご
とくひずみ（応力）が集中してくる。このため、
応力の分散を図るべくこの溶接止端部を中心とし
て、溶接後に滑らかなアール仕上をするのが通例
であるが、それでも他の部分より応力集中するこ
とはこばめない。特に実缶のように各部を、ボイ
ラ組立完了後に仕上加工する場合は作業性が非常
に悪いため十分なめらかな仕上をすることは事実
上不可能である。

仕上形状による応力集中程度に関する実験によ
ると、例えばなめらかに仕上た場合でも、応力集
中係数が1.7にもなるのに対し、仕上程度が悪い
場合あるいは溶接ビードが残存するような仕上程
度であれば最大3.5以上にもなる。いづれにして
も、ここでボイラの運転における起動、停止並び
に各種負荷変動時等では、前述した要素要因によ
る繰返し応力が、こうした溶接止端部等に集中す
ることになり、この部分には疲労損傷が蓄積さ
れ、時として疲労き裂発生の可能性が大となる。
例えば管群の面内曲げすなわちＸ方向の繰返し応
力に対してはX′の、また管群の軸方向すなわち
Ｙ方向の応力ではＹの位置方向に疲労き裂１８が
発生する可能性がある。

さらに、管群の面外応力すなわちＺ方向の繰返
し応力の発生も可能性がある。

このような複雑な繰返し応力負荷は、メンブレ
ンバー溶接止端部で疲労き裂を発生させるのみで
なく、しばしば圧力部である各管の肉厚方向に進
展して肉厚を貫通し、内部流体の漏洩に結びつき
結果として系統全体の機能を損なうことになるた
め重大な問題とされている。

この発明は上述した問題点に鑑み構成したもの
であり、水壁管群取合に対して応力が集中せずか
つ現地における作業を容易にし得る構造のボイラ
装置を提供することにある。

要するにこの発明は、水壁管群１、ケージ側壁
管群２及びケージ底部壁管群３の３つの管群を３
次元的に配置してなるボイラ壁構造において、前
記水壁管群１とケージ側壁管群２が同一の第１の
平面を形成するように接続し、前記水壁管群１の
ケージ側壁管群２側の端部に位置する管１０ａと
ケージ底部壁管群３の端部に位置する管１２ａを
含む第２の平面と前記第１の平面が直交するよう
に前記３つの管群を配置し、前記３つの管群を１
本の「く」の字状メンブレンバーで気密に溶接接
続し、しかも前記「く」の字状の一辺が前記第２
の平面内にあることを特徴とするボイラ壁構造で
ある。

以下この発明の実施例につき説明する。

先ず、発明者等はこの発明を構成するに先立つ
て、前述の如く各水管１０ａ，１１ａ，１２ａを
三角形状に配置する構造につき再検討したが、強
度の向上等の利点よりも工作上の難点の方が大き
く、さらに強度についても溶接止端部の存在等に
よつてあまり高いものでないことが判明した。

以下この発明の実施例を図面に基づき説明す
る。第１０図ないし第１２図において、ケージ底
部壁管群３のうち、端部に位置する管１２ａは、
水壁管群１およびこれに接続するケージ側壁管群
２に対して直交するように、すなわち第１１図Ｂ
に示す如く水壁管群１の壁面と、後述するメンブ
レンバー１３ｇとのなす角αが約90となるように
配置するこの「く」の字状メンブレンバーとの溶
接接続部には第１１Ａ図に示す如く板状駒１７を
溶接し二重メンブレンバー部と「く」の字状部に
対応する平面部を形成する。これにより従来形式
の如く、三つの異なる壁面の各管体の端部の管の
位置関係が三角形となる配置を廃止する。なお、
三角形の配置による強度上の利点はあまり大きく
ないことは上述のとおりである。以上の構成とす
ることにより管１０ａおよびケージ側壁管群２の
間に配置すべきメンブレンバーは一本のものを一
体的に形成することにより構成できる。つまり、
従来型のもののように捩つて形成する必要がな
く、略「く」の字形に単純に屈曲形成したもの
（符号１３ｇで示す）でよい。すなわちこの形状
のメンブレンバーであれば工作も容易であり前記
の「く」の字状平面部と溶接するので良好確実な
溶接ができる。また溶接の際にも大きな応力が集
中することは防止できる。従つてボイラ組立現場
における溶接作業も容易に実施できる。

第１３図ないし第１８図は別の実施例を示す。

前述の実施例で示した如く一体のメンブレンバ
ー１３ｇによつて各管壁の接合部の溶接はかなり
容易になつたが、しかし現地における溶接作業と
しては高度の技術を要するものであることは否め
ない。従つて、この実施例においてはこの接合部
全体を工場で製作し、組立現地においてはこの接
合部をボイラ壁面に嵌挿し、接続部を突合せ溶接
するよう構成している。

まず最初に第１３図は、第１図におけるＡ部近
傍を、ボイラ缶外側からみた水壁並びにケージ側
壁管群の状況を示したもので、各管群１及び２は
接合部となるべき部分を削り取つた形で開口部１
９ａを設ける。なお、他の部分は従来どおりプラ
ント建設現場においてその結合部を合せ加工のう
え溶接１５によつて結合溶接される。

一方、第１４図は、第１３図におけるＭ−
M′方向すなわちボイラ缶内側、火炉側から当該
部をみた時の構造を示しており、前述と同様にケ
ージ底部壁管群３においてもその端部の一部分を
削り取つた形で開口部１９ｂを設ける。他の部分
は前述の場合と同じく従来技術と同じ手法にて、
開口部１９ｂの上下を水壁管群１並びにケージ側
壁管群２と、合せ加工後溶接１５によつて結合組
立てされる。

一方、第１５図及び第１６図は、第１３図及び
第１４図で示した開口部１９の位置に対応する接
合部たるコンパートメント（立体的壁面部）部を
示しているが、第１５図に示すように、まず水壁
管群１′とケージ側壁管群２′に相当する部分を一
体で製作した後、同様な方法にて製作されたケー
ジ底部壁管群３に相当する部分と合体させること
で、当該部を製作する。第１６図は第１５図のＮ
−Ｎ視野からみた構造を示す。これらの製作は作
業環境のよい工場内で行われるため、従来技術で
問題と指摘した部分等をはじめ形状的に応力集中
し易い部分は徹底した仕上げ加工を施すとともに
必要に応じた各種検査を実施して信頼性の高いも
のを製作することができる。

このようにして完全な性能を有するよう製作さ
れた当該部コンバートメント２０は、建設現場に
送られ、第１３図及び第１４図に示した開口部１
９ａ及び１９ｂに挿入され、第１７図、第１８図
の如く現地において溶接２１をもつて接続され一
体化される。この場合、現地における溶接は全て
単純な付合せ溶接となるため溶接作業はきわめて
容易となり何等問題は生じない。

この発明を実施することにより異なる水壁管群
が接合位置する部分において、メンブレンバーの
止端部を形成することなく、一体的なメンブレン
バーをもつて結合することができるのでこの止端
部に集中すべき応力を分散でき、亀裂の発生を防
止できる。

またこの接合部自体を工場において高い品質管
理のもとで一体的に形成することにより、現地で
の組立作業を簡易化できると共に、接合部の強度
をより高く保持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ボイラの燃焼室並びに火炉全体の概
略外観構造を示す斜視図、第２図は第１図のＡ部
近傍を主体にした管内流体の流れ系統を説明する
模式図、第３図Ａは第１図のＡ並びに第２図のＢ
部の詳細、第３図Ｂは各壁面の取合せ状態を示す
模式図、第４図は第３図Ｃ−C′断面図、第５図は
各管群の構成断面詳細図、第６図はケージ側壁管
群とケージ底部壁管群の結合詳細を示す壁面部分
図、第７図Ａは、第６図のＥ−E′断面図、第７図
Ｂは各壁面の配置状態を示す模式図、第８図は第
６図のＦ−F′断面及び第７図のＧ−G′断面、第９
図は第８図のＨ部拡大図、第１０図はこの発明の
第１の実施例を示すケージ側壁管群とケージ底部
壁管群の結合の詳細を示す壁面部分図、第１１図
Ａは第１０図のＪ−J′断面図、第１１図Ｂは各壁
面の配置状態を示す模式図、第１２図は第１０図
のＫ−K′断面図、第１３図は開口部を形成した
炉壁斜視図、第１４図は第１３図のＭ−M′視図、
第１５図はコンパートメント組立状態を示す斜視
図、第１６図は組立後のコンパートメントの斜視
図であり、第１５図のＮ−N′視図、第１７図は
コンパートメント取り付け後の炉壁斜視図、第１
８図は第１７図のＰ−P′線による視図である。 １……水壁管群、２……ケージ側壁管群、３…
…ケージ底部壁管群、５……火炉、１０……水壁
管、１１……ケージ側管、１２……ケージ底部
管、１３ｇ……メンブレンバー、１４，１５……
溶接、１９ａ，１９ｂ……開口部、２０……コン
パートメント。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水壁管群１、ケージ側壁管群２及びケージ底
   部壁管群３の３つの管群を３次元的に配置してな
   るボイラ壁構造において、水壁管群１とケージ側
   壁管群２が同一の第１の平面を形成するように接
   続し、前記水壁管群１のケージ側壁管群２側の端
   部に位置する管１０ａとケージ底部壁管群３の端
   部に位置する管１２ａを含む第２の平面と前記第
   １の平面が直交するように前記３つの管群を配置
   し、前記３つの管群を１本の「く」の字状メンブ
   レンバーで気密に溶接接続し、しかも前記「く」
   の字状の一辺が前記第２の平面内にあることを特
   徴とするボイラ壁構造。 ２ 前記「く」の字状ケージ底部管群のほぼ
   「く」の字状部と、これに対応し接続する火炉構
   成水壁管群とケージ側壁管とを工場で溶接組立て
   し、その立体的壁面部をボイラを設置する現場で
   管と管とを接続することを特徴とあうる特許請求
   の範囲第１項記載のボイラ壁構造。