JPS5847634B2 - ロカンオシシヨウスルホウホウ オヨビ ソノタメノシジコウゾウタイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 工業用炉においてはその建設経費及び動作効率を低−ド
せしめるためにいろいろな試みがなされているけれども
これに関連して工業用炉の使用温度は次々と高められて
いる。

例えばオレフインの製造に使用されるスチームクラツキ
ング炉におけるように非常に高い温度を使用する場合に
は高温の適用ということに原因して遮蔽管の支持体にお
いて重大な問題が招来せしめられる。

これらの管はバーナーの炎から直接的に熱を受理する炉
の輻射帯域とそれらの炎から直接的に熱を受理しない対
流帯域（この帯域は管の周囲を通過する熱い気体から対
流電熱を通じて熱を受理するだけである）との間に配置
されている。

これらの別の２つのグループの管の中間に配置された遮
蔽管はそれらの片側だけが輻射帯域からの輻射エネルギ
ーに暴露せしめられる。

最近開発された炉においてはそのような炉に含まれる遮
蔽管の支持ビームの温度は２０００″Ｆをさらに上廻る
こともある。

このような温度の場合、これらのビーム支持体はクリー
プ破壊を被りがちである。

輻射帯域の管は非常に熱くなり易く、そのために通常で
はこれらの支持体が高温にさらされないようにするため
に炉の外側から支承されている。

対流管の支持体は極端に熱くはないけれども遮蔽管の支
持体はかなりの高温に達する。

一定の使用期間が過ぎた後、完全な損壊が発生する点ま
でビームが徐々にたわむことがあり得、従って炉におい
て損傷がひきおこされかつ経費のかかる修理が必要とな
り、同時に作業の中断も強いられる。

このようなクリープに関する問題を予防するために１つ
の試みがなされ、経験されるような高温において大きな
強度を保有し続ける材料を使用することが提案された。

が、このような解決法は実際的な解決法としてはあまり
にも不経済であった。

もう１つの選択的な解決法は、支持体のたわみを惹き起
こしかつ最終的にそれらの支持体の破壊を惹き起こすよ
うな輻射熱から支持ビームを遮蔽することにあった。

しかしながらこのような遮蔽されたビームは通常用いら
れている高温の下で徐々にクリープを被るので比較的短
い寿命を保有するにすぎなかった。

このような高温炉に含まれる遮蔽管用の支持体であって
従来必要とされ続け、かつそれにも拘らず利用し得なか
ったものは、支持体の寿命を大幅に延長しかつそれによ
り不所望であって経費のかかる破壊を予防するような支
持体であった。

先行技術では、管支持体を冷却するために空気を使用し
得ることが示されている。

例えば米国特許：第１，６ ２ ２，３ ０ ３号、第
２，２ ７ ０，８ ６ ３号、第２，３ ５ ５，８
０ ０号、第２，３ ５ ５，８ ９ ２号、第２，
５ ５ ７，５ ６ ９号、第２，３ ４ ８，１ ８
１号及び第３，２ １ ２，４ ８ ０号はこのよう
なことが可能なことを開始している。

ところが、米国特許第３，２１２，４８０号では、空気
の冷却は十分にそれを行なうことが不可能であり、これ
に加えてスチールを添加することが要求されるというこ
とが示されている。

これらの特許はいずれも非常に高い温度にさらされる輻
射帯域管を冷却するための試みを開示しているにはいる
けれども、支持的に対して強烈な曲げ荷重がかかるのが
一般的な遮蔽管や対流帯域管において使用されるものと
は構造的に全く異なっている。

この発明は特定の構造体に対して広義の空気冷却の原理
を適用することにあり、公知の遮蔽管支持体を使用して
は不可能であった２２００”Ｆ附近における温度で遮蔽
管を支承することをこの発明では有利に達成し得るとい
うことが判明した。

この発明では公知の遮蔽管支持体として一般的に用いら
れている団体ビームを中空の構造体、通常市販の高強度
パイプ片（ビーム支持体として使用）に置き換える。

このようなパイプであっても、もしもそれを冷却しない
場合には高温度に対する抵抗力は十分に大きくなかった
。

冷却は、中空の支持ビームの一端を炉外の大気中に開口
せしめかつそれによりその開口を通じて比較的冷い空気
を流入せしめることにより実施する。

この空気は大気圧と炉積層体（ ｆｕｒｎａｃｅ ｓ
ｔａｃｋ）の圧力との間に存在する有効な圧力差を利用
して中空の支持ビームに導入する。

従って、この支持ビームの出口は上方に流れているパイ
プに接続され、対流帯域上の炉積層体に達する。

負の圧力下にある炉積層体は自然通風を形成し、よって
この自然通風は支持ビームを冷却するのに十分な量の空
気を導入する。

このために、支持ビームは炉内に存在する高温度に対し
て耐熱性を呈することができる。

支持体の実質的な加熱を避けるため、支持ビーム構造体
の周囲にはその全面にわたって軽量の断熱材を巻き付け
る。

遮蔽管の本体はＴ一型の支持体で支承する。

このＴ一型部材の底の部分は支持ビームに溶接しかつそ
の横木は管の支持体として利用する。

これらのＴ一型支持体の周囲には、輻射及び対流を経て
それらの支持体が受理する熱量を最小としかつそれらの
支持体の冷却がその内部を貫流する空気と遮蔽管の内側
を流過するプロセス流体との両者によって行なわれるよ
うにするために断熱材を巻き付ける。

このように冷却及び断熱を組合せると高温度クリープに
基づく破壊を予防することができる。

前記第１列の遮蔽管に較べて輻射熱にさらされる度合の
少ない第２列の遮蔽管はＹ一型の支持体上で支承する。

このＹ一型の支持体は前記第１列の遮蔽管用のＴ一型支
持体の上に直接載置する，これらのＹ一型の支持体は空
冷式の支持体によって遮蔽されているので輻射熱にさら
される度合が少なく、主としてさらされるものは対流動
である，これらの支持体は付加的に断熱材を使用しなく
ても第２列の遮蔽管を支承することができる。

新規な支持ビームとそれに付設せしめられた支持体を使
用する場合、構造体の温度は別の方法（冷却を行なわな
い方法）で得られた温度よりも実質的に低温であった。

この温度は十分に低く、そのために支持体の過度のクリ
ープ及び破壊を伴なわないで長期間にわたって炉を継続
使用することができる。

次に添付図面を参照しながらこの発明の好ましい態様を
説明する。

第１図は例えば精油所や化学プラントで屡々使用されて
おりかつ特に炭化水素をスチームクラツキングしてオレ
フインを製造するために屡々使用されているような竪型
炉の立面図（断面図）である。

燃料の燃焼によって発生せしめられる熱は、時々側壁に
そって間隔をあけて設けられる小型のバーナーを使用す
ることもできるけれども、一般には炉１０の床面に設け
られた大型のバーナー１２によって作られる。

いずれの場合にも輻射帯域１４では多量の熱が移動せし
められ、この輻射帯域はバーナーによって形成される炎
の輪郭の内部に管が含まれているような炉構或帯域とし
て一般に規定することができる。

輻射帯域１４は炉１０のなかでも最も高温の部分であり
かつこれに含まれている管は最高の熱密度を受けとる。

またプロセス温度もこの帯域が最高である。

ここで予め理解されなければならない点は、炉の内部に
配設された管すなわち炉管は輻射帯域において垂直に配
設されていて外側から支承されているということ、但し
この点は特にこの発明に関与するものではなく、従って
第１図では図示されていないという点である。

輻射帯域１４を出た熱いガスは上方に向って流れ、炉１
０の対流帯域１６に達する。

対流帯域１６においては、シェル式及び管式熱交換器の
場合と非常によく似た形態をとって対流伝熱により対流
帯域管１８まで熱が移動せしめられる。

炉のガスは、流入してくる供給材料あるいはその他の外
からの流れに対して最適量の熱を与えた後、ダンパー２
０を過ぎて上方に流過しかつこの図面には示されていな
いけれども炉積層体から外に出る。

あるタイプの炉の場合には輻射帯域と対流帯域とが互い
に明瞭に分断されており、輻射熱の一部に゛′遭遇（ｓ
ｅｅ）”する対流帯域の提防部には管が設けられていな
い。

第１図の炉形態ではこのように示されていない。

最初の２列の対流帯域管は輻射帯域１４に含まれるバー
ナー１２からの一部の輻射エネルギーに゜゛遭遇″する
。

これらの管は′“遮蔽（シールド）”管２２と呼ばれる
。

なぜなら、これらの管は炉１０の輻射帯域１４で発生し
た輻射エネルギーから対流帯域１６の残りを遮蔽するか
らである。

明らかなように、下部に設けられた２列の管２２は対流
帯域１６の残りよりも実質的に大きな熱密度を受け取り
、そして非常に高い温度で運転する炉においては遮蔽管
２２及びそれらの支持体は非常に強烈な温度にさらされ
るであろう。

１例をあげると、遮蔽管帯域を離れる炭化水素のプロセ
ス温度は１２５０”Ｆのオーダーとなるはずである。

もしも熱を取り除かなかったとするとこの帯域の温度は
約２２００〜２２５０Ｔ′に達する恐れがある。

これらの温度では金属製の材料はその強度が著しく低下
して殆んど無に等しくなる。

この結果、遮蔽管を支承することが主問題となり、加え
て炉の寿命の限定要因ともなる。

ここでは、支持ビームは炉構造体上に載置されるもので
あり、輻射管支持体の場合とは異なる曲げ荷重を支承し
なければならない点が理解されなければならない。

これらの極めて高い温度を避け、そして遮蔽管支持体の
寿命を至当なものとするために、この発明は、以下に詳
しく説明するけれども、自然通風によって導ひかれる冷
却を行なうことを提案する。

とりあえず第５図まで進んでみると、従来ある程度有利
に使用されてきた公知の支持ビームの形態がこの図面に
示されている。

普通のタイプの遮蔽管２２は■一型のビーム２４によっ
て支承されており、この■一型ビームは熱が取り除かれ
なかった場合に２２００Ｆ及びそれ以上の温度に達した
。

ビーム２４はこのような温度で極めて脆く変化し、遮蔽
管を支持するその支承能力は例えば［−４０のような高
温金属を使用した場合であっても非常に限られたものに
なった。

これらの高い温度の下ではクリープから非常に短時間の
うちに破損が発生することがあり得、このために第５図
に示されているような公知な方法では遮蔽支持ビーム２
４の下部を断熱材２６で保護し、さらにこの断熱材２６
の周囲に金属材料２８、一般にＨＫ−４０１を巻き付け
てそれを保護した。

このような形で保護を行なうと遮蔽ビームの最下部の温
度は低下せしめられるであろうけれども、それと同時に
、容易に想到されるであろうけれども約１２００’Ｐで
運転される管２２の内部の炭化水素に熱が吸収されて損
なわれるのでそれにより遮蔽ビーム２４の上部が冷却さ
れ、従って遮蔽ビームの限定冷却手段が与えられる。

判明したところによると、このような技術は遮蔽ビーム
の温度を５０〜１５０”Ｆのオーダーで低下せしめる。

このオーダーは作業温度である２２００”Ｆに較べて見
かけ上は小さいけれどもビームのクリープ強度に対して
、従ってその寿命に対して著しい影響を与える。

炉の構造はいつも非常に高い温度にさらされるのでこの
ような構造は極く限られた用途を有するにすぎない。

このような問題の解決法は付加的な冷却手段を提供する
ことにあることが判明した。

炉の運転を行なう時にはいつでもその内側において一般
に負の圧力が導ひかれるであろう。

（このような負の圧力は外部の空気に較べて比較的低密
度の熱燃焼ガスによってひきおこされる。

）実際に、炉の大部分は燃焼のために必要とされる空気
をこの負の圧力によって、すなわち自然通風によって導
ひいている。

この自然通風の一部は空気の流れを選択的に新しい遮蔽
管支持ビームに導入しかつその支持ビームを冷却して実
質的な温度の低下と強度の増加を達或するために使用す
ることができる。

すでに前文で述べたように空気冷却（空冷）方式は以前
から公知技術として知られているけれどもこの発明と同
じ手法で遮蔽管支持ビーム用に使用されることはなかっ
た。

従来の用途において、空冷方式の原則的な使用は輻射帯
域でそれを使用することにあった。

事実、公知技術のあるものは空冷方式の使用は比較的有
利でなかったということを開示している。

この発明においては上述の一般的な原則が特別に遮蔽帯
域に適用され、その結果この原則は遮蔽管支持体を冷却
しかつ強化するのに効果的な方式であることが確かめら
れた。

第２図には遮蔽管支持体の断面図が示されている。

この図面は第３図及び第４図と組になっており、遮蔽管
支持体温度の実質的な低下を生じることが確認された特
別の構造体を示している。

２列の遮蔽管２２ａ及び２２ｂは上下に互い違いに配置
されており、どちらの遮蔽管も遮蔽管支持ビーム上に載
置されている。

ここでは遮蔽管を支承するために公知技術に基づく■一
型のビーム支持体（第５図参照）の代りに中空の管一般
に高強度のＨＫ−４０鋼（２５Ｃｒ／１２０Ｎｉ）で作
られた管を使用することができる。

４０〜６０フィートの長さを有する通常の炉においては
遮蔽管を適切に支承するために５〜７個の中間的な支持
体が必要になってくるであろう。

支持体の内部を通過する空気はそは支持体の温度を著し
く低めかつその強度を向上せしめる。

冷却の重要性は通常のＨＫ４０材料に関する下記のデー
タから認められるであろう。

許容応力は次の通りである。１８００’ｌ”で２５００
ｐｓｉ ２０００’Ｆで１０５０ｐｓｉ ２１００’Ｆで ３００ｐｓｉ この材料は２２７０’Ｆで融解しかつその作業温度は保
護及び冷却なしで２２００〜２２５０°Ｆである。

ほんの２，３００℃だけ冷却することが重要である。

冷却空気に関して、その温度を実質的に必要とされる温
度まで下げるために中空の支持ビーム３０を例えばカオ
ウール（ｋａｏｗｏｏｌ）のような軽量の断熱材３２で
完全に包みこむ。

ここで使用する断熱材はビームの温奮を下げかつクリー
プ破壊からそれを保護する働きを具えている。

この断熱材の挙動はこの発明の成功に関して重要な意義
をもっており、従って、多くの用途においては、支持ビ
ームを離れる空気の温度を検知しかつ断熱材の損壊を警
告するような高温度用アラームを配設することが望まし
いであろう。

先行技術とは対照的に断熱材３２はＴ一型支持本３４の
主要部を被覆しており、この支持体はさらに支持ビーム
３０に溶接されておりかつ最下部の列の遮蔽管２２ａの
重量を支承しており、そしてＹ一型支持体３６を介して
上列の遮蔽管２２ｂを間接的に支承している（このこと
は第３図においてさらに明瞭に認めることができる）こ
とが特記されるであろう。

第３図において、Ｔ一型部材３４に直接溶接されたＹ一
型支持体３６が示されている。

このＴ −型部材３４はさらに空冷式の支持ビーム３０
に直接溶接されている。

ここで特記されることはＹ 一型の支持体３６には断熱
材が設けられていないということであり、普通であるな
らばこの支持体は過熱によって損壊するだろうと想到さ
れるはずである。

ところが、断熱材が不必要であるということが実際に判
明した。

なぜなら、Ｙ一型支持体３６の熱がそこからＴ一型部材
３４を経て空冷式のビーム３０に達することは非常に実
体的であるからである。

説明を加えておくと、Ｙ一型支持体の温度は好ましいこ
とにこの帯域において冷却なしに通常経験された２２０
０’Ｐの温度をさらに３００’″Ｆ下廻る温度になり得
ることが直接的な測定により判明した。

Ｙ一型の支持体はこの温度において別に伺らかの断熱材
を使用しなくても第２列の遮蔽管２２ｂを支承するのに
十分な強度を具えている。

明らかなように、支持体は２つの過程を経て熱を損失す
る。

その第１は、そして一般的には空冷式の支持ビーム３０
に達する直接的な伝熱であり、そしてその第２は、重要
性にはやや劣るけれども遮蔽管２２の内部のプロセス流
体に達する伝熱である。

確認したところによると、支持体から取り除かれる熱の
約８０優は空冷式の支持ビーム３０に直接流れ、そして
その残りの熱が遮蔽管２２に流入する。

このような実質的な温度の低下は材料の強度を大きく高
めるのに十分であり、従って、管支持体のクリープに原
因する早期の破壊を防止するのに十分である。

広範囲に使用することができるＴ一型部材は１つの好ま
しい態様であるけれども、この発明の一般的な教示に追
従する限りにおいてその他の、機械的に安定であるとみ
なされる形態を有する部材を使用することもできた。

中空の支持ビームを介して自然通風により導入される空
気の量は前文で特に言及したような支持体温度における
顕著な低下をひきおこすのに十分であることが直接的な
測定により判明した。

空冷式のビーム本体における空気温度の増加は１５０〜
２００’Ｆのオーダーであることが確認された。

第４図の斜視図はすでに詳しく述べたようなこの発明の
要素を説明するためのものであり、この図面では空冷式
の支持ビーム３０、その断熱材３２、そして管支持体３
４及び３６が部分的に切断して示されている。

【図面の簡単な説明】

添付図面はこの発明の好ましい態様と１つの公知技術を
示したものであり、 第１図はこの発明が適用された普通のタイプの竪型炉の
断面図であり、第２図は第１図の線分２−２における拡
大断面図であり、第３図は第２図の線分３−３における
断面図であり、第４図はこの発明による竪型炉の一部（
支持ビーム）の斜視図であり、そして第５図は公知技術
による非冷却式の遮蔽支持ビームの断面図である。 なお、これらの図面において用いられている弓用番号の
主なものを説明すると次の通りである。 １０・・・・・・竪型炉、１２・・・・・・バーナー
１４・・・・・・輻射帯域、１６・・・・・・対流帯域
、２０・・・・・・ダンパー３０・・・・・・中空支持
ビーム、３２・・・・・・軽量断熱材、３４・・・・・
・Ｔ一型部材及び３６・・・・・・Ｙ一型支持体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉管の金属製支持ビームがクリープ破壊を被るよう
   な高温にさらされる炉管を支承する方法において、 （ａ） 前記支持ブームのそれぞれを貫通する空気通
   路を設けること、 （ｂ） 前記（ａ）工程で設けられた通路の一端に冷
   い周囲空気を送入しかつその空気を通路内を流過せしめ
   てそれによりその空気の温度を上昇せしめること、 （Ｃ） 前記（ｂ）工程で加熱された空気を通路（ａ
   ）から取り出しかつその空気を前記周囲空気の圧力に関
   して負の圧力を有する位置から炉内に放出すること、 （ｄ．） 前記管支持ビームのそれぞれを断熱してそ
   の支持体に至る入熱を制限し、それにより前記通路（ａ
   ）を流過する空気によって前記支持体の使用温度を低下
   せしめ、その温度をクＩＪ ＋−プ破壊が発生する温度
   以Ｆとなすのに十分にすること、そして （ｅ）前記支持ビームに溶接せしめられた対をなす金属
   支持体上で前記炉管を支承すること、この場合に前記支
   持体の対の第１のものは前記絶縁材（ｄ．）の内部に存
   在せしめて前記断熱．財に直に隣接している管を支承し
   かつ前記支持体の対の第２のものは前記通路から一層離
   れて配置された第２の管を支承するとともに前記断熱材
   （ｄ）の外側において前記第１の支持体に溶接すること
   、を含んでなることを特徴とする炉管を支承する方法。 ２ 輻射帯域及び対流帯域を有する炉においてその炉に
   含まれる炉管の金属製支持ビームがクリプ破壊を被るよ
   うな高温にさらされる炉管のための支持構造体において
   、 （ａ） 内部に通路が貫通している細長い空冷式の支
   持ビーム、この通路の一端は炉の外側で冷い周囲空気に
   開口しておりかつその他端は前記周囲空気の圧力に関し
   て負の圧力を有する炉内の１位置と連通している、 （ｂ） 炉内で高温にさらされる前述の支持ビームを
   完全に包囲している断熱材、この断熱材は熱の移動に関
   して十分な抵抗性を具えており、従ってクリープ破壊が
   発生する温度以下で支持ビームを使用することを可能に
   する、そして （ｃ）対をなして配置された一群の炉管を支承するため
   のものであって前記支持ビーム（ａ）に付設せしめられ
   た少なくとも一対の金属製支持体、これらの支持体の第
   １のものは前記炉管の第１のものを支承するための支持
   体であって前記支持ビームに溶接されておりかつ前記断
   熱材（ｂ）によって完全に包囲されており、さらに前記
   支持体の第２のものは前記支持ビーム（ａ）から一層離
   れて存在する前記炉管の第２のものを支承するための支
   持体であって前記第１の支持体に溶接されている。 を含んでなることを特徴とする炉管のための支持構造体
   。