JPH10281402A - 伝熱管付着金物と熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝熱管と付着金物との溶接部に熱応力が作用
しても、疲労亀裂やクリープ亀裂が発生しにくい構造と
すること。 【解決手段】 熱交換器を構成する並設した伝熱管１、
１相互の移動および接触を防止し、伝熱管１、１の自重
の一部を支持するため付着金物２において、付着金物２
の伝熱管１との接合部に隣接する付着金物２の側辺部２
ｂが伝熱管１の接合部２ａに対してなす角度θが４５度
以下であるテーパ部を有する伝熱管付着金物２と、該付
着金物２を用いる熱交換器、および該熱交換器を用いる
ボイラである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の間隔をもっ
て並設される熱交換器の伝熱管相互の移動および接触を
防止し、かつ伝熱管の荷重を一部支持するため伝熱管に
取り付ける付着金物伝熱管群から構成される熱交換器及
び該熱交換器を有するボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電用ボイラ等の熱交換器において
は、高温の燃焼ガスと蒸気あるいは水との熱交換を行う
ために数多くの伝熱管群が配置されている。この伝熱管
群は高温燃焼ガスの流れ方向に沿って数本から十数本の
並設された伝熱管群から構成されている。

【０００３】ボイラの起動時あるいは停止時には、火炉
内の温度分布の違いや燃焼ガスの流れが不均一なために
各伝熱管の中でも温度差が生じて、これにより伝熱管
（群）に温度分布が生じる。この伝熱管（群）の温度分
布により、伝熱管（群）の伸びが全体で不均一となり、
伝熱管に熱変形を生じさせ、また伝熱管相互の位置関係
を大きく変化させる。

【０００４】伝熱管相互の位置関係が所定の位置からず
れると、伝熱性能は大きく変化する。このため、図７に
示すように伝熱管１には、その移動を防止するため付着
金物２が溶接などによって取り付けられている。この付
着金物２は伝熱管の自重を支持する効果も有している。
また、管寄せ４は複数の伝熱管１に接続しており、伝熱
管１の内部の流体を管寄せ４に集めることができる。

【０００５】図８および図９に板状付着金物の伝熱管へ
の代表的な取付方法を示す。図８（図８（ａ）は伝熱管
部分の側面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線矢視
図）では、一方の伝熱管１のガス流れ上流側に断面Ｌ形
の板状付着金物２を溶接し、さらに他方の伝熱管１のガ
ス流れ下流側にも前記断面Ｌ形の板状付着金物２と同一
形状の付着金物２を溶接金属３で溶接し、これらＬ形の
付着金物２、２を互いに係合させ、更にいずれか一方の
伝熱管１に前記係合した付着金物２が外れないようにス
トッパ５を溶接している。このような構造であることか
ら、伝熱管１、１相互のガス流れ方向およびガス流れに
直交する方向への移動が防止され、また伝熱管１、１相
互の接触が防止される。

【０００６】図９（図９（ａ）は伝熱管側面図、図９
（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線矢視図）では、伝熱管１
のガス流れに対して上流側に断面コ字状の付着金物６を
溶接金属３で溶接し、さらに他方の伝熱管１のガス流れ
下流側にも前記断面コ字状の付着金物６と同一の付着金
物６を溶接する。このとき、二つの付着金物６、６を上
下方向に重ね合わせるように配置し、この付着金物６の
重ね合わせ部には互いのコ字状の空間に挿入可能な大き
さの突起部６ａを設けているので、これを互い相手側の
付着金物６のコ字状の空間に差し込んだ状態で伝熱管
１、１に溶接したものである。このような構造であるた
め、図８の場合と同様に伝熱管１、１の相互の移動およ
び接触が防止でき、更に伝熱管１の自重の一部を付着金
物６で支持することができる。

【０００７】ボイラの起動時あるいは停止時には、伝熱
管１は上記したボイラの定常運転時の変形とは異なる。
すなわち、ボイラの起動時には、常温の伝熱管１の内面
に高温の蒸気が急激に流れ始め、また、ボイラの運転停
止時には、伝熱管１内に流れていた高温の蒸気が急激に
流れなくなるので、伝熱管１に急激な温度変化が生じ、
伝熱管１の外内表面に大きな温度差が発生する。例えば
起動時には、伝熱管１と付着金物２の溶接部では伝熱管
１の外表面が付着金物２によって加熱されるので、この
部分の温度勾配が大きくなり前記溶接部には大きな熱応
力が発生する。

【０００８】また、伝熱管１が過熱器に用いられる場
合、定常運転時においては内部流体温度は約１１００℃
であり、伝熱管１は内部流体により冷却されるが付着金
物２は高温のガスに曝されることから、伝熱管１と付着
金物２との間には大きな温度差（温度勾配）が生じる。
これによって伝熱管１と付着金物２との溶接部には大き
な熱応力が生じる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、伝熱管１と付着金物２を溶接する構造に対し、ボイ
ラ起動・停止時あるいは定常運転時に溶接部に発生する
熱応力を低減するという点について配慮されていなかっ
た。このような問題点は火力発電用ボイラ、特に流動層
ボイラに用いられる伝熱管１と付着金物２の溶接部に見
られた。本発明の課題は上記従来技術の欠点を解消し、
伝熱管と付着金物との溶接部に熱応力が作用しても、疲
労亀裂やクリープ亀裂が発生しにくい構造とすることで
ある。また、本発明の課題は、ボイラの起動・停止の繰
り返しにともなう熱応力、あるいは定常運転時の熱応力
が作用しても、疲労亀裂やクリープ亀裂が発生しにくい
伝熱管の支持金物を備えたボイラを提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は次の
構成によって解決される。すなわち、熱交換器を構成す
る並設した伝熱管に、伝熱管相互の移動および接触を防
止し、伝熱管の自重を一部支持するために伝熱管の外表
面に接合される付着金物において、付着金物の伝熱管と
の接合部に隣接する付着金物の側辺部が前記伝熱管の接
合部に対してなす角度が４５度以下であるテーパ部を有
する伝熱管付着金物である。上記付着金物の伝熱管との
接合部に隣接する付着金物の側辺部のテーパ部の高さを
付着金物の側辺部の厚さ以上とすることで前記側辺部の
テーパ部の高さの影響を無くすことができる。また、本
発明には前記伝熱管付着金物を用いた伝熱管群から構成
される熱交換器、前記熱交換器を用いるボイラが含まれ
る。本発明の熱交換器は特に流動媒体中に埋もれ、流動
媒体による流動抵抗が大きく、高温下にある流動層ボイ
ラの熱交換器に適している。

【００１１】

【作用】付着金物２と伝熱管１とを図２（図２（ａ）は
伝熱管部分の側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ
線矢視図）に示すモデルで表し、伝熱管１と付着金物２
との接合部（たとえば溶接による溶接止端部）に生じる
熱応力を、有限要素法を用いて解析的に求めた結果を図
３および図４に示す。ここでは伝熱管１の内面および伝
熱管１の外面（付着金物接合部側表面）を一定温度に保
持するものとし、このときに伝熱管１と付着金物２との
接合部（付着金物２の伝熱管１に接合される側辺部２
ａ）に生じる熱応力を付着金物２の前記接合部からの高
さＨあるいは前記接合部に隣接する付着金物２の側辺部
２ｂが伝熱管１の接合部に対してなす角度θをパラメー
タとして求めている。

【００１２】図３は付着金物２の接合部からの高さＨを
一定とし、前記角度θを変化させた場合の伝熱管１と付
着金物２との接合部に生じる熱応力の変化である。発生
応力はθ＝９０度の時の発生応力で正規化している（θ
＝９０度の時１．０の値をとる）。前記接合部に生じる
熱応力は角度θが小さくなるにつれて低くなり、角度θ
が４５度以上では、発生応力はほとんど変化しない。言
い換えれば、角度θを４５度以下にすれば、前記接合部
に発生する熱応力を低減できる。例えば、角度θを４０
度とした場合、発生応力は９０度の場合の約９０％にな
る。これにより例えば疲労寿命で５〜５０倍程度長くな
る。

【００１３】図４に前記角度θを６０度で一定とし、付
着金物２の前記接合部からの高さＨを変化させた場合の
伝熱管１と付着金物２との接合部に生じる熱応力の変化
を示したものである。発生応力は高さが５０ｍｍの時の
発生応力で正規化している（高さＨが５０ｍｍの時１．
０の値をとる）が、発生する熱応力は付着金物２の高さ
Ｈが変化してもほとんど変化しないことが図４から分か
る。図３および図４から明らかなように、伝熱管１と付
着金物２との接合部に発生する熱応力を低減させるため
には、角度θを小さくすれば良い。

【００１４】上述したような角度θを小さくすることに
よって伝熱管１と付着金物２との接合部に発生する熱応
力が低減する理由としては主に以下の２つが考えられ
る。 角度θが小さくなることにより、熱応力が発生する伝
熱管１と付着金物２との接合部の応力集中係数が減少す
る。 付着金物２の熱が伝熱管１に伝わる場合、角度θが小
さくなると前記伝熱を妨げる空隙が少なくなるので熱の
流れがスムーズになり、温度勾配が緩やかになって前記
接合部に発生する熱応力が減少する。

【００１５】このように、並設した伝熱管１、１の相互
の移動および接触を防止することなどの目的と伝熱管
１、１を支持する目的のために伝熱管１に付着金物２を
接合する場合、前記角度θが４５度以下であるような形
状の付着金物２を伝熱管１に取り付けることにより、伝
熱管１と付着金物２との接合部に発生する熱応力は従来
のように角度θが９０度で溶接する場合に比べて減少
し、付着金物２を含む構造物全体としての疲労強度ある
いはクリープ強度が増す。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。本発明は火力発電用ボイラその他の熱交換器の伝
熱管などに適用され、高温ガス流れの中に配置される伝
熱管などの伝熱管の移動および相互の接触を防ぐ必要の
あるもの、伝熱管を支持する必要があるものに適用され
る。特に、流動層ボイラなどの伝熱管は流動媒体中に配
置されるため、流動媒体により移動され易いので、これ
を防ぐために本発明が好適である。

【００１７】本発明の付着金物は前記伝熱管の移動およ
び相互の接触を防止し、また伝熱管を支持するために設
けられる付着金物であり、この形状には限定はないが、
板状のものを用いることが望ましい。

【００１８】本発明の一実施の形態を図１に示す。図１
（ａ）はボイラ内の熱交換器に用いられる伝熱管の側面
図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視図）では、
一方の伝熱管１のガス流れ上流側に断面Ｌ形であり、溶
接用の側辺部（溶接部）２ａに隣接する側辺部２ｂがテ
ーパ状である付着金物２を溶接金属３で溶接し、さらに
他方の伝熱管１のガス流れ下流側にも前記した付着金物
２と略同一形状の断面Ｌ形の付着金物２を溶接し、これ
らＬ形の付着金物２、２を互いに係合させ、更にいずれ
か一方の伝熱管１に前記係合した付着金物２が外れない
ようにストッパ５を溶接金属３を用いて溶接している。
このような構造であることから、伝熱管１、１相互は管
軸方向には自由にスライドできるが、ガス流れ方向およ
びガス流れに直交する方向への移動が防止され、また伝
熱管１、１相互の接触が防止される。

【００１９】製作条件は以下の通りである。 伝熱管１の寸法：直径５０．８ｍｍ×厚さ１０．８ｍｍ 伝熱管１の材質：２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼 付着金物２の寸法：幅５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ×厚さ１
０ｍｍ 付着金物２の伝熱管１への溶接部（側辺部２ａ）に隣接
する付着金物２の側辺部２ｂが伝熱管１の接合面に対し
てなす角度θ＝３０度 付着金物２の材質：２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼

【００２０】伝熱管１と付着金物２との溶接部（側辺部
２ａ）に発生する熱応力に及ぼす溶接部（側辺部２ａ）
と側辺部２ｂのなす角度θの影響を確認するため、溶接
止端部（側辺部２ａの端部）に発生する熱応力を有限要
素法解析により求めた。

【００２１】解析条件はボイラの定常運転時を想定し
て、伝熱管１の内面および伝熱管１の外面と付着金物２
の表面を一定温度に保ち、溶接止端部に発生する応力を
求めた。なお、比較のため一般的な溶接によって得られ
る、角度θ＝６０度の場合についても解析を行った。解
析条件の詳細は以下の通りである。 内部流体温度：３５０℃ 内面側熱伝達率：１７００ｋｃａｌ／ｍ²・ｈｒ・℃ 雰囲気温度：９００℃ 外面側熱伝達率：４５０ｋｃａｌ／ｍ²・ｈｒ・℃

【００２２】解析の結果、本実施例（角度θ＝３０度）
の伝熱管１と付着金物２の溶接止端部に発生する熱応力
は、２０５Ｍｐａとなり、比較のため行ったθ＝６０度
（従来の施工法に相当）の場合の２６５Ｍｐａに比べ約
７５％に低下していた。これは疲労寿命では約７倍の寿
命増加に相当する。

【００２３】図５（図５（ａ）は伝熱管部分の側面図、
図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線矢視図）に本発明の
他の実施の形態を示す。これは図１に示す実施の形態と
は異なり、テーパ部を付着金物２の側辺部２ｂの全体で
なく、図５に示すように溶接用の側辺部（溶接止端部）
２ａに隣接する側辺部２ｂの側辺部２ａ（溶接止端部）
側の一部にのみ設けた断面Ｌ字状の付着金物２である。
隣接した伝熱管１、１に溶接金属３を用いて溶接された
各々の付着金物２、２を互いに係合させ、更にいずれか
一方の伝熱管１に前記係合した付着金物２が外れないよ
うにストッパ５を溶接金属３で溶接している。こうし
て、伝熱管１、１相互のガス流れ方向およびガス流れに
直交する方向への移動が防止され、また伝熱管１、１相
互の接触が防止される。

【００２４】伝熱管１と付着金物２との溶接止端部側に
発生する熱応力は、溶接部近傍の付着金物２の形状によ
り大きく影響を受ける。したがって、付着金物２の全体
にテーパを設けず、付着金物２の伝熱管１との溶接部近
傍のみにテーパを設けても付着金物２の伝熱管１に接合
される側辺部（溶接止端部）２ａに隣接する付着金物２
の側辺部２ｂが伝熱管１の接合面に対してなす角度が４
５度以下にすれば、伝熱管１と付着金物２との溶接止端
部に発生する熱応力は、前記角度θが６０度の場合に比
べて減少する。

【００２５】本実施例では上述の図１に示す実施の形態
に比べて、溶接部の応力緩和の効果は変わらないが、付
着金物２の長さＬが短縮できるという長所がある。ただ
し図６に示すように、テーパの溶接部からの高さＨ’は
その高さＨの影響がほとんど無くなる付着金物２の肉厚
Ｓ以上にとることが望ましい。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱管と付着金物の溶
接部に発生する熱応力や外荷重によって発生する応力を
低減することができ、当該溶接部に発生する疲労あるい
はクリープ亀裂を防止し、信頼性が高く、かつメンテナ
ンスの必要性のない伝熱管群用の付着金物、当該付着金
物付きの伝熱管を備えた熱交換器及び該熱交換器を備え
たボイラを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態の並設された伝熱管に
溶接接続された付着金物同士を互いに係合させた状態を
示す図である。

【図２】 本発明の解析に用いたモデルを示す図であ
る。

【図３】 図２に示す伝熱管に溶接接続された付着金物
の接合部に生じる熱応力を有限要素法により解析した結
果を示す図である。

【図４】 図２に示す伝熱管に溶接接続された付着金物
の接合部に生じる熱応力を有限要素法により解析した結
果を示す図である。

【図５】 本発明の他の実施の形態での並設された伝熱
管に溶接接続された付着金物同士を互いに係合させた状
態を示す図である。

【図６】 本発明の他の実施の形態の構成の有限要素法
による熱応力の解析結果を示す図である。

【図７】 ボイラ伝熱管の側面図である。

【図８】 従来技術の並設された伝熱管に溶接接続され
た付着金物同士を互いに係合させた状態を示す図であ
る。

【図９】 従来技術の並設された伝熱管に溶接接続され
た付着金物同士を互いに係合させた状態を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 伝熱管 ２ 付着金物 ３ 溶接金属 ４ 管寄せ ５ ストッパ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器を構成する並設した伝熱管に、
   伝熱管相互の移動および接触を防止し、伝熱管の自重を
   一部支持するために伝熱管の外表面に接合される付着金
   物において、 付着金物の伝熱管との接合部に隣接する付着金物の側辺
   部が前記伝熱管の接合部に対してなす角度が４５度以下
   であるテーパ部を有することを特徴とする伝熱管付着金
   物。
2. 【請求項２】 付着金物の伝熱管との接合部に隣接する
   付着金物の側辺部のテーパ部の高さが、付着金物の側辺
   部の厚さ以上であることを特徴とする請求項１記載の伝
   熱管付着金物。
3. 【請求項３】 請求項１記載の伝熱管付着金物を用いた
   伝熱管群から構成されることを特徴とする熱交換器。
4. 【請求項４】 請求項３記載の熱熱交換器を用いること
   を特徴とするボイラ。