JPH11218302A - 火炉壁貫通部のシール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱応力と熱膨張差に起因する曲げ応力とを同
時に解決し、亀裂の発生を防止する。 【解決手段】 所定長さのスリーブ４を嵌着した特殊鋼
の伝熱管１を、ボイラ炉壁２のシール部材３に貫通し、
このフェライト系材質のシール部材３にスリーブ４の一
端を溶接する火炉壁貫通部のシール構造であって、スリ
ーブ４は、熱膨張差を吸収するように伝熱管１と同材質
の特殊鋼により薄手に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラに係り、特
に天井室より火炉内に吊り下げられる伝熱管を貫通する
天井壁の火炉壁貫通部のシール構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電用大型ボイラの代表的な構造を図８
に示す。このような大型ボイラでは、複数の管とメンブ
レンバーとを交互に溶接することによって火炉側壁２２
と火炉２５の天井壁２とを形成し、鉄骨２１からハンガ
１９で吊り下げ支持することにより、密閉した火炉２５
を形成する。天井壁２の上方の天井室２０内には伝熱管
群１１に接続された管寄せ６とマニホールド１５とが設
置されている。管寄せ６に接続する伝熱管群１１は天井
壁２の火炉壁貫通部を通って火炉２５に至り、熱交換器
である過熱器（ＳＨ）又は再熱器（ＲＨ）となる。

【０００３】従来の火炉壁貫通部のシール構造において
は、図９に示すように、ボイラの天井壁２を貫通した伝
熱管１と、天井壁２との隙間をフェライト系材質のシー
ル板（シール部材）３を用いて溶接する構造が採られて
いる。一方、天井壁２を貫通する伝熱管１は、管内を流
れる内部流体の蒸気温度の関係で炭素鋼やＣｒ−Ｍｏ鋼
が採用されるのに対し、過熱器や再熱器の最終段付近で
はオーステナイト系ステンレス鋼の伝熱管１が用いられ
る。このため、伝熱管１と天井壁２との隙間をシール溶
接しようとした場合、不可避的に異材継手が存在し、ボ
イラの起動停止が繰り返えされると、各部材の熱膨張差
により熱応力が発生し、熱疲労破壊を引き起こす危険性
がある。この熱疲労破壊が伝熱管に生じるのがプラント
として損傷が大きいところから、スリーブは伝熱管と同
材質のオーステナイト系ステンレス鋼とし、スリーブと
シール板とを異材の隅肉溶接部とする手段がもっとも簡
易なシール手段である。しかし、この手段にすると、異
材としての熱応力と隅肉溶接としての応力集中が重畳す
るため、熱疲労破壊に対するポテンシャルとしては非常
に大きなものとなる。

【０００４】この問題を回避するため、スリーブの長さ
方向を二つに分けてこの円筒同士の突合せ溶接を異材継
手とする手段が開発されている（実開平４−１３８５０
６号公報参照）。図１１にその構造を示す。オーステナ
イト系ステンレス鋼の伝熱管１は、オーステナイト系ス
テンレス鋼のスリーブ２４と隅肉溶接７されるが、同材
質の溶接なので線膨張係数の差による熱応力は発生せ
ず、起動停止の繰返しによる応力は小さい。次に問題の
異材継手部は、オーステナイト系ステンレス鋼のスリー
ブ２４とフェライト系材質のスリーブ５との突合せ溶接
部に存在するが、溶接開先を採った完全溶け込み溶接が
可能なので熱応力に対する強度を向上することができ
る。また、フェライト系材質のスリーブ５とフェライト
系材質のシール板３との溶接は、隅肉溶接となるが異材
継手ではないため、前記の伝熱管１とスリーブ２４との
溶接と同様、起動停止に伴い発生する応力を小さくでき
る。

【０００５】しかしながら、この伝熱管貫通部において
は、起動停止に伴う熱応力だけではなく、天井壁と管寄
せとの熱膨張差によって大きな曲げ荷重が作用する。図
１０にそのメカニズムを示す。すなわち、天井壁２に比
べ管寄せ６の方が相対的に内部流体温度が高いため、支
点となる管中央を中心として管寄せ６及び天井壁２とも
に炉幅方向に熱膨張するが、管寄せ６の方が熱膨張量が
大きいため、伝熱管貫通部において、伝熱管１に曲げモ
ーメントＭによる曲げ応力が発生する。このため、図９
に示すように異材継手位置をスリーブの中央の突合せ溶
接部に設ける工夫をしても、図１０のＤ部詳細に示すよ
うに、伝熱管１とスリーブ２４との隅肉溶接７に大きな
曲げ応力が発生し、この応力が繰り返えされ疲労亀裂の
発生に至る恐れがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の火炉壁貫通部の
シール構造にあっては、起動停止に伴う熱応力だけでは
なく、天井壁と管寄せとの熱膨張差によって伝熱管に大
きな曲げモーメントが発生する。このため、伝熱管とス
リーブとの隅肉溶接に大きな曲げ応力が発生し、この曲
げ応力が繰り返えされて疲労亀裂に至る恐れがある。

【０００７】本発明の課題は、熱応力と熱膨張差に起因
する曲げ応力とを同時に解決し、亀裂の発生を防止する
火炉壁貫通部のシール構造を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の課題を達成するた
め、本発明に係る火炉壁貫通部のシール構造は、所定長
さのスリーブを嵌着した特殊鋼の伝熱管を火炉壁のシー
ル部材に貫通し、フェライト系材質のシール部材にスリ
ーブの一端を溶接する火炉壁貫通部のシール構造におい
て、スリーブは、熱膨張差を吸収するように特殊鋼によ
り薄手に形成される構成とする。

【０００９】そしてスリーブは、伝熱管の厚さの１／１
０〜１／５の薄手に形成されるとともに、それぞれの端
部に前記厚さの特殊鋼のリングが嵌着され、それぞれの
リングが伝熱管及びシール部材に溶接される構成、又は
前記厚さを有するそれぞれの端部が形成され、それぞれ
の厚さの端部が伝熱管及びシール部材に溶接される構成
でもよい。

【００１０】さらにボイラにあっては、前記いずれか一
つの火炉壁貫通部のシール構造を備え、複数の伝熱管よ
りなる伝熱管群と、伝熱管群に接続される管寄せとより
なる少なくとも過熱器及び再熱器を火炉内に収納してな
る構成とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図１を参
照しながら説明する。図１に示すように、所定長さのス
リーブ４の他端を溶着して嵌着したオーステナイト系ス
テンレス鋼等の特殊鋼の伝熱管１を、ボイラ炉壁２のシ
ール部材（シール板）３に貫通し、フェライト系材質の
シール部材３にスリーブ４の一端を溶接する伝熱管貫通
部のシール構造であって、スリーブ４は、熱膨張差を吸
収するように伝熱管１と同材質の特殊鋼により薄手に形
成される構成とする。そして図２に示すように、スリー
ブ４は、伝熱管１の厚さの１／１０〜１／５の薄手に形
成されるとともに、それぞれの端部に伝熱管１とほぼ同
一厚さの特殊鋼のリング８が嵌着され、それぞれのリン
グ８が伝熱管１及びシール部材３と溶接されるものとす
る。

【００１２】すなわち、スリーブの厚さは曲げ応力を低
減する面からは薄ければ薄いほど得策であるが、伝熱管
との溶接性及び据付け作業時のハンドリング性を考慮す
ると、伝熱管の厚さの１／１０〜１／５の薄手の厚さが
理想的である。つまり伝熱管の厚さは５〜１０ｍｍ程度
であり、スリーブの厚さは０．５〜２ｍｍになる。

【００１３】以下、本実施の形態の製作手順を説明す
る。薄肉（薄手）のスリーブ４と伝熱管１とを直接溶接
すると、スリーブ４のみ溶融し伝熱管１の溶融が生じな
いため、健全な溶接は難しい。そのため、まず薄肉のス
リーブ４の両端に伝熱管１の厚さと同等の特殊鋼のリン
グ８を予め溶接しておく必要がある。図３に図２のＢ部
拡大を示すが、伝熱管１とリング８とのはめ合わせ端面
において、他端のリング８側に溶接開先９を形成するこ
とにより、低入熱のＴＩＧ溶接法により容易に溶接する
ことができる。次に結果的に厚肉となった一方のスリー
ブ端部とシール板、あるいは他方のスリーブ端部と伝熱
管との溶接は特別な配慮を必要とせず、容易に溶接する
ことができる。

【００１４】本発明の他の実施の形態を図４に示す。ス
リーブ１４は、伝熱管１の厚さの１／１０〜１／５の薄
手に形成されるとともに、伝熱管１とほぼ同一厚さを有
するそれぞれの端部が形成され、それぞれの厚さの端部
が伝熱管１及びシール部材３に溶接される構成である。
つまり各端部が厚肉で中央部が薄肉の円筒を機械加工又
は塑性加工で製作したものを用いることにより、図１に
示すスリーブ４と同等の効果を発揮できる。なお、スリ
ーブの長さについては規定するものではないが、できる
だけ長い方が前記の熱疲労破壊に対して大きな抵抗を有
することになる。

【００１５】つぎに本発明の作用を図５を参照しながら
説明する。異材継手による熱応力と曲げ応力との問題を
同時に解決する手段として、スリーブの剛性に着目し、
剛性を簡易に低く抑える手段としてスリーブの薄肉化の
効果を図５にモデル的に示す。（ａ）に示すように、ス
リーブ２４が伝熱管１と同程度の厚肉の場合は、起動時
にオーステナイト系ステンレス鋼のスリーブ２４がフェ
ライト系材質のシール板３に比べて大きく熱膨張する
（図中点線で示す）のを溶接部で拘束する際、溶接部近
傍で局部的に曲げ変形せざるを得ないので大きな応力が
発生するのに対し、（ｂ）に示すように、スリーブ４の
厚さが薄肉の場合は、溶接部から離れた部分で容易に変
形できるので異材継手における応力は小さいものにな
る。

【００１６】以上のように、オーステナイト系材質から
なるスリーブと、フェライト系材質からなるシール板と
の異材継手としての熱応力はスリーブの薄肉化で軽減で
きるが、天井壁と管寄せとの間の熱膨張差に起因する曲
げ荷重が伝熱管に作用した場合も図６及び図７に示すよ
うに、薄肉化によって軽減できる。すなわち、従来構造
のように、スリーブ２４が伝熱管１と同等の厚肉の場合
には、スリーブ２４が嵌着している部分と、嵌着してい
ない部分との剛性の差が大きくなり、溶接止端部に曲げ
応力が集中するのに対し、本発明のように薄肉のスリー
ブ４を使用すると、スリーブ４の嵌着している部分と嵌
着していない部分との剛性の差が小さいので、スリーブ
４が嵌着している部分全体で均等に曲げ変形を生じ、溶
接部における応力集中は軽微なものとなる。

【００１７】本発明によれば、ステンレス鋼の伝熱管に
対し、スリーブとシール板との間に作用する異材として
の熱応力及び伝熱管とスリーブとの間に作用する曲げ応
力を軽減でき、溶接部の亀裂発生を防止することができ
る。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、スリーブを特殊鋼の伝
熱管と同材質で薄手に形成することにより、スリーブと
シール板との間の熱応力及び伝熱管とスリーブとの間に
作用する曲げ応力が低減され、溶接部の亀裂発生を防止
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を示す断面図である。

【図２】図１のＡ部を拡大して示す断面図である。

【図３】図２のＢ部を拡大して示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。

【図５】厚肉及び薄肉のスリーブの曲げ応力を説明する
断面図である。

【図６】厚肉のスリーブの曲げ応力を説明する断面図で
ある。

【図７】薄肉のスリーブの曲げ応力を説明する断面図で
ある。

【図８】従来のボイラの構造を示す断面図である。

【図９】従来の技術を示す図である。

【図１０】図９の一部を拡大した断面図である。

【図１１】曲げ応力の発生を説明する図である。

【符号の説明】

１ 伝熱管 ２ 天井壁 ３ シール板 ４，１４ スリーブ ５，２４ スリーブ ６ 管寄せ ７ 隅肉溶接 ８ リング ９ 溶接開先 １１ 伝熱管群 ２０ 天井室 ２５ 火炉

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 姜 力 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定長さのスリーブを嵌着した特殊鋼の
   伝熱管を火炉壁のシール部材に貫通し、フェライト系材
   質の該シール部材に前記スリーブの一端を溶接する火炉
   壁貫通部のシール構造において、前記スリーブは、熱膨
   張差を吸収するように前記特殊鋼により薄手に形成され
   ることを特徴とする火炉壁貫通部のシール構造。
2. 【請求項２】 請求項１又は２記載の火炉壁貫通部のシ
   ール構造において、スリーブは、伝熱管の厚さの１／１
   ０〜１／５の薄手に形成されるとともに、それぞれの端
   部に前記厚さの特殊鋼のリングが嵌着され、それぞれの
   リングが前記伝熱管及びシール部材に溶接されることを
   特徴とする火炉壁貫通部のシール構造。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の火炉壁貫通部のシ
   ール構造において、スリーブは、伝熱管の厚さの１／１
   ０〜１／５の薄手に形成されるとともに前記厚さを有す
   るそれぞれの端部が形成され、それぞれの厚さの端部が
   前記伝熱管及びシール部材に溶接されることを特徴とす
   る火炉壁貫通部のシール構造。