JPS60139908A - ボルト締め付け力の維持方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、熱交換器、塔槽類、配管等の圧力容器構造
体に多く採用されて、高温状態で使用するフランツ継手
のボルトに対して、ボルト熱放散具を取シ付けてボルト
の温度を低下させる−ことでボルトの締め付はカを維持
するがルトの締め付は力の維持方法に関する。

一般に、圧力容器構造体には、容器内の補修、清掃等の
作業を容易に行うだめに、第１図と第２図に示すように
その接合にはフランジ継手ａ、ｌ）構造が用いられる事
が多い。

この様なフランジ構造では、完全な密閉構造となってい
ないので、時として容器や配管の内部流体が外部へ漏出
する事がある。これは、ガスケットｃを圧縮している力
が、何等かの原因によりその圧縮力が局所的に低下して
、その圧縮力が低下した部分のがスケット面とフランツ
面の隙間に内　゛部流体が浸透し、遂には外部への漏洩
へと至る現象と思われる。

即ち、フランツ継手ａ、ｂからの内部流体の漏洩は、上
記のごとく局所的なガスケツ）ｃの圧縮力の低下の結果
として起きると考えられるが、この低下をもたらす直接
的な原因は、ポル）ｄの締め付は力の不足と、その不均
一性等にあり、それはまた締め付は方法の不備、製作上
の精度、運転条件の急激な変化等によって引き起こされ
る。

従って、内部流体の外部への漏洩を未然に防ぐために何
等かの手段によってガスケット圧縮力を出来るだけ大き
く、かつ均一にする工夫が為される。この目的のため、
だルト締め付は力の増加を図ったシ、フランツの設計に
際してその形状、精度等に配慮したり、よりよいシール
性を有するガスケットを用いるという各種対策が取られ
る。

しかしながら、各種検討改善の結果□、ある状態下で十
分寿ガスケット圧縮力が保たれ、内部流体が外部へ漏洩
しない状態となっても、フランツ構造を取シ巻く環境条
件が変わってしまうと即ち、十分なガスケット圧縮力を
もたらしているボルト締め付は力が環境条件の変化に応
じて変わってしまうと、漏洩を防止するに十分ながスケ
ット圧縮力が得られない状態が起こシ得る。

その傾向は、圧力容器の運転開始時あるいは運転休止時
等に見られる様な温度が急激に遷移してゆく状態下では
著しく、特にこの休止時に、フランジ継手部から内部流
体が漏洩する事が多い。

第３図に示すように、ポル）ｄの温度は、フランツ部ｅ
からの入熱（矢印型で示す）及び伝熱（矢印↑で示す）
過程を経たがル）ｄの表面からの放熱（矢印０で示す）
が、平衡する状態として定まっておシ、ポル）ｄの表面
からの放熱効果のみでは１．急激な内部流体の温度変化
に追随できない。たとえば、内部流体が冷却される方向
に向かう状態の場合を考えると、内部流体と直接接触し
ているフランツの熱収縮変形の速さと比べ、がルトの熱
収縮は遅れがちとなり、つまυ伝熱及び放熱による温度
場の時間的な位相のずれがフランジの熱変形とボルトの
熱変形の間に過渡的な弛緩状態をもたら１７、その結果
、ボルト締め付は力の低下を引き起こし、漏洩を生じせ
しめる現象と考えられる。

ところで、ボルト締め付は力の低下を生じさせず信頼性
のあるがルト締め付は力を得る従来技術として、特開昭
５７−１１９１０９号公報及び実開昭５７−５４７２０
号公報が挙げられる。

前者は、ボルトの内部に冷却媒体を通し、ボルト温度を
外界の変化とは無関係に安定的に保持する事によシ、ボ
ルトが温度変化する際に必然的に発生するボルトの長さ
の変化を全く生じさせない様な状態にする事により、一
定のボルト締め付は力を確保する方法である。

後者は、ボルトを機械的に引張る、若しくはボルトに熱
を加え、その長さを伸長させる等してボルトに所要の締
め付は力或いは所要の長さを得た後、ナツトを入れ込ん
で定量的にデル゛ト締め付は力を確保する方法である。

これらは信頼の置けるボルト締め付は力を得るだめの有
効な手段ではあるが、下記の欠点を有する。

ｂ）各々の効果を得るためには、大損かシな装置を必要
とする。

例えば、前者による方法では、冷却媒体を供給する装置
また、フランツ、ボルトに穴を設ける等、設計段階から
の配慮が必要である。

後者では、初めにボルトを引張させる装置、あるいは熱
を与えΣ装置等が入用であシ、゛これらの制限がこれら
牟法の広汎な使用の妨げとなっている。

缶）前者にあっては、外部の状態とは関係々く、がルト
温度がある範囲に滞るため、ボルト温度と外部の温度状
態との間に大きな違いが生じると、その差異のために予
期せぬ熱応力がフランジ部に発生し、所期の目的である
信頼性のあるボルト締め付は力は得られるものの、好ま
しぐない影響を及はす可能性がある。また、外部の温度
状態との調和を図ろうとするならば、冷却媒体め温度、
流量の調整等、繁雑な内容の手段が要求される。

また、後者に・あっては、初期に所要のボルト締め付は
力が確保されていても、運転へ入った後の温度条件の下
でそのボルト締め付は力が確保されているかどうかは保
証されない。

そこで、どの発明は、以上の欠点を解消するためになさ
れたものであって、すなわち、フランジ継手が高温状態
に至った時に、フランジ継手の締め付けに用いられてい
るボルトに対して、熱放散フィンを有量るボルト熱放散
治具を取シ付けることで、放熱効果が犬で、容器や配管
の内部流体の温度変化に即応したボルト温度が得られ、
がルトの締め付□け力の弛緩゛状態が短かく、かつ小さ
く安定した信頼性の高い染ルト締め付ｉ力の維持ができ
、フランジ継手を有する構造物の保守・管理並びに安全
性に寄与すること犬であるボルト締め付は力の維持方法
を提供することを目的とする。

以下、図示の実施例によりこの発明を説明する。−８第
４図（５）（Ｂ）は、この発明の第１の実施例を示して
おり圧力容器構造体の一例として熱交換器のフランジ継
手の部分に適用したものであるこの図において１，２は
、熱交換器のチャンネル側及びシェル側のフランジ継手
であり、ガスケット３及び管板３ｂを介してボルト４及
びナツト５によシ締め付けられている。このボルト４に
は、ボルト熱放散具（以下、熱放散具という）６が着脱
自在に取り付けられている。

前記熱放散具６は、複数枚の熱放散フィン７が固着され
た中空状のフィン軸８と、このフィン軸８を前記ビルト
４の端部にねじζみ取シ付けるための取付具としての取
付ナツト９を有している。

この円板状の熱放散フィン７は、フィン軸８の軸方向に
所定の間隔をおいて配列されておシ、放散面積は、放散
すべき熱量に応じて設定されている。

ところで、ボルト４の締め付は力は、フランツ継手１，
２の剛性、ガスケット３の構成方程式等と複雑に絡みあ
いながらもそれらとの力の平衡条件、変位の連続条件を
満足する中で定まってくるが、その関係式群に於いてボ
ルト４の締め付は力自身は（１）式（１１）式で定義さ
れる。

ＬＢ　＝ＬＢＯ（１＋αＢ　（Ｔｓ−２０）　）　＝ｉ
ｉｉ）但し、ＦＢ：ボルト締め付は力 ＳＢ：ボルト断面積 ＥＢ：がルト縦弾性係数 ＬＢ：温度による膨張を考慮した所の無負荷時のボルト
長さ ΔＬＢ：ボルトの伸び（引張力を加えられた時のボルト
長さ−ＬＢ　） αＢ　：がルトの熱膨張係数 Ｔｓ：定常運転状態下でのボルト温度 ＬＢＯ：　（ｉ）、ｔｉｉ）式に於いて定義されるボル
トの長さでボルトの引張力を考える上で の応力がない場合の元のがルト長さ、 ＬＢ　の２０℃での基本長さ 次に、熱放散具６の作用を、従来から行なわれている熱
放散具６を使用しないだルトだけの場合と、熱放散具６
をビルト４に取り付けた場合とを比較して具体的に説明
する。

まず、ボルトだけの場合の温度特性とその際の締め付は
力特性を、第５図と第８図で説明するる第５図に示すよ
うに、圧力容器構造体を昇温操作（スタートアップ、時
刻ｔｏ＝ｔＢ）とすると、内部流体の昇温と共にフラン
ツ温度（実線で示す）ＴＦが上昇し、少しおくれてボル
ト温度ＴＢ　も上昇して、フランジ温度ＴＦ　は時刻ｔ
Ｂ　で、がルト温度ＴＢ　は時刻１．（で定常状態に達
する。構造体の定常状態（定常運転）は時刻ｔＢ　から
開始されるが、一般に時刻を人　の時に締め付は力が低
下するので、第８図に示すように再度ボルトにトルクを
かけて締め付は力を確認しもしくは上げる作業、いわゆ
るＦＢＵｒ分だけ増し締めを行なう。すなわち、第８図
に示す゛ように時刻ｔＢ　−ｔＡ　においては、ガスケ
ットのクリープやナツト、フランジ継手のなじみなどに
よりボルトの締め付は力ＦＢ　が初期締め付は力ＦＢＯ
に比べて低下するので、上記増し締めにより時刻を人　
で再びＦＢＯにもどす必要がある。

さらに、第５図に示すように定常状態が終了し、時刻ｔ
Ｄ　で運転休止するために内部流体を降温操作（シャッ
トダウン時刻ｔ、ａ−ｔＩ）　）すると、時刻ｔｃ−ｔ
Ｄにおいてボルト温度ＴＢ　はフランジ温度ＴＦに比べ
て遅れて低下するため、時刻ｔＢ　において両者には最
大温度差Ｔｄ　が生じる。このことは、伝熱の過渡的な
点からフランジ継手が先に冷却され、がルトが後から追
随するためにフランジ継手が先に収縮し、ビルトの収縮
がそれに対して遅れるため、第８図に示すように締め付
は力の大きな低下ＦＢ旧をきたしてこの時内部流体が漏
洩する。

一方、時刻ｔｃ　において、ボルト温度ＴＢ　と同一の
温度にしたこの発明の熱放散具６をがルト４に取り付け
ると、内部流体の降温操作に際して熱放散フィン７の熱
放散作用により第５図の１点鎖線で示す様にボルト温度
ＴＢ’がフランツ温度ＴＰ　に追随して低下していき、
フランジ温Ｋ　Ｔｐ　、！：　ホルト温度ＴＢｔの差が
ほとんどなくなる。したがって第８図の１点鎖線で示す
様に締め付け”力の低下分ＦＢＤ　１’は上記ＦＢＤＩ
より小さくなる。

なお、この締め付は力の低下分ＦＢＤｔ’は熱放散フィ
ン７の放散面積が広いほど、小さくなシ、また時刻ｔＤ
　における運転休止後のボルト締め付は力ＦＢ　は、ガ
スケットの種類、増し締めの強さ、フランツ継手の加工
精度等にょシ影響されるので一概に定まらないが、初期
締め付は力ＦＢＯの上下近傍の値いとなる。

上記は、この発′萌の熱放散具６の作用を説明するため
に時刻ｔａ　においてポルト温度ＴＢ　と同一の温度に
した熱放散具６を取シ付けた例を示したが、一般には常
温（２０Ｔ：）の熱放散具６をポルト４に取り付ける。

以下その場合についての例を示す。

まず、この発明の熱放散具６を初めからポルト４に取シ
付ける場合の温度特性とその際の締め付は力特性を第６
図と第９図で説明する。

第６図に示すように、昇温操作（時刻ｔ。−ｔＢ）にお
いては、内部流体の昇温と共にフランジ継手１．２のフ
ランジ温度ＴＦ　が、ポルト４のホルト温度ＴＢ　に対
して第５図に示した温度差よシ犬き表温度差Ｔ？　で上
昇するので、第９図に示すように時刻ｔｏ−ｔＢでは、
第８図の同時開拓〜ｔ’Ｈの締め付は力（ＦＢＯ＋ＦＢ
＋　）に比べて必要に応じた大きな締め付は力（ＦＢＯ
＋ＦＢ２　）を確保できる。そして、増し締めを行なっ
た後の定常状態（時刻ｔＡ〜ｔＣ）においては、熱放散
フィン７の熱放散作用によシフランソ温度ＴＦ　とがル
ト温度ＴＢ　に大きな温度差が生じ、第９図に示すよう
に大きな締め付は力（ＦＢＯ＋ＦＢＵ２）で締めつづけ
られる。この高温の定常運転状態下で（１）式、（１１
）式及び、フランジ、ガスケット等の剛性並びに構成方
程式に基づく力の平衡条件、変位の連続条件を満足しな
がら、ボルトト４の締め付は力ＦＢ　がある値（Ｆ１３
０＋ＦＢＵ２　）を確保していたとする。この状態から
、運転休止されて第６図に示すように降温状態（時刻ｔ
ａ　−ｔｎ）に至ると、熱放散フィン７の熱放散作用に
より？）し１ ト４のボルト温度ＴＢ　もフランツ温度ＴＦ　に追随し
て下げられ、７ランノ温度ＴＦ　とホルト温度Ｔｎの差
はほとんどなくなる。した示って、第９図に示す如くフ
ランジ温度ＴＦ　とホルト温度ＴＢ　との差による締め
付は力の低下は小さくできる。

なお、第９図の１点鎖線は時刻を人　において増し締め
を行なわなかった場合の例である。またとの降温状態（
時刻ｔｃ”ｔＤ）における最小ボルト締め付は力と初期
締め付は力ＦＢＯとの娠Ｆｕｎ　２　、ＦＢＯ２・は、
増し締め力や熱放散フィン７０面積等によって変るが第
８図のＦＢＩ）ｔよシ大きくなることはない。

つまシ熱放散フィン７の面積を適当に設定することによ
り、上記最小ギルト締め付は力を運転休止後のボルト締
め付は力近くまで引き上げることができる。

次に、熱放散具６を定常状態の途中でポルト４に取シ付
けた場合の温度特性とその際の締め付は力特性を第７図
と第１０図で説明する。第７図に示すように、時刻ｔｐ
　でポル□ト４に熱放散具６を取シ付けると、ポルト４
のボルト温度ＴＢ　は熱放２ 散フィン７の作用によりそれまでより低下されてフラン
ジ温度ＴＰ　との間に時刻ｔｐ　までより大きな温度差
Ｔｈ　が生じる。すなわち、前記Ｏ１）式に従がってポ
ルト長さＬＢ　がその温度変化分子Ｋ　に対応した収縮
量ΔＬｆｉだけ短かくなろうとするが、フランツ継手１
，２の剛性に阻まれて温度遷移によるがルトのその自由
な無収縮が妨げられる事となシ、この変形拘束に伴ない
がルト応力が増加してここに新らたなボルト締め付は力
の増加がもたらされる。

したがうて、第１０図に示すようにがルト４の温度が低
下した分だけ締め付は力ＦＢ　がＦＢＵ３’分だけ上昇
することになる。そして第７図において定常状態から運
転休止きれて降温状態（時刻ｔ□〜ｔＤ）に至ると、第
９図で説明したのと同様に、がルト温度ＴＢとフランツ
温度差ＴＦとの温度差が小さくなり第１０図の如くがル
ト４の締め付は力の低下がほとんど生じずまた時刻を人
において増し締めを行なうた場合の例である１点鎖線も
第９図と同様である。

この様に運転温度降下の際のだルト締め付は力の低下が
、フランジ継手１，２とぎルト４との温度追従の時間的
なずれにあるという事に着眼して、フランジ継手１，２
の急激な温度変化に対していち速く、デルト温度が追従
する配慮を行なうものであり、ポルト４の締め付は力Ｆ
Ｂ　の弛緩状態を短かく、かつ７４％さくして内部流体
の漏洩を極力防ぐことができる。しかも、定常状態（定
常運転）から、さらに高温側に運転条件が変えられた場
合でも前述の第６図および第９図の昇温操作（スタート
アップ）と略同じ関係が生じポルトの締め付は力はある
程度増大する方向に向うが、がルト４はフランジ継手１
，２とある温度差をもって追随上昇するのでむやみに７
ランノ継手を締め付けることがない。

そして、従来の様な強制的な絶対的温度差に基づくボル
ト締め付は力の確保では彦＜、相対的な温度差を保持す
る事により、所要のボルト締め付は力が低下することな
く、シかも他の部分に好ましくない影響、無理な抑制を
生ずることがないポ５ ルト締め付は力を確保することを可能ならしめる平衡機
能を有し、犬がかシな装置を必要としない。

以上のことから簡単な構成ながら内部流体の外部への漏
洩防止に効果的なガスケット３の圧縮力増加が期待でき
、フランジ継手１，２を有する圧力容器構造体の保守・
管理並びに安全性に対し太いに寄与できるといえる。

次に、この発明の方法に用いる治具の第２、第３及び第
４の実施例を、第１１図（３）（Ｂ）、第１２図（４）
ＣＢ）、第１３図によシ説明する。

第１１図（４）（Ｂ）に示す第２の実施例の熱放散具１
６は、取付ナツト１９から取付ナツト１９のボルト軸方
向のゆるめる側に長板状の熱放散フィン１７を複数枚固
着したものである。また、第１２図（Ａ）ω）に示す第
３の実施例の熱放散具２６は、取付ナツト２９に筒形の
熱放散フィン２７を固着したもので、板厚を貫通する長
穴２７ａが多数設けられている。さらに、第１３図に示
す第４の実施例の熱放散具３６は、通常のポル）Ｂの中
間部に取り付けられておシ、取付ナツト３９の一端面３
９ａに６ は、フィン軸３８が垂直に固着されていて、このフィン
軸３８には複数枚の熱放散フィン３７が設けられている
。

次に、治具の第５と第６の実施例を第１４図囚■と第１
５図（Ａ）（１３）により説明する。

第１４図Ｗ（Ｒ）に示す第５の実施例の熱放散具４６は
、取付ナツト４９に内円筒４７ａと外円筒４７ｂを有す
る二重円筒形の熱放散フィン４７を固着したもので、内
円筒４７ａには多数の孔４７ｃが設けられている。まだ
、第１５図（Ａ）Ｑ３’）に示す第６の実施例の熱放散
具５７は、袋ナツト状のキャップ５９を利用したもので
、この取付キャップ５９の外周には放射状に熱放散フィ
ン５７が固着されている。

次に、治具第７と第８の実施例を第１６図囚［Ｆ］）と
第１７図によシ説明する。

第１６図（Ａ）０３）に示す第７の実施例の熱放散具６
６は、取付具としてちょうナツト６９を用いたもので、
ちょうナツト６９の取手６９ａ　、６９ａに熱放散フィ
ン６７を設けたものである。また、第１７図に示す第８
の実施例の熱放散具７６は、取付ナット７９自体がポル
ト７４をフランツ継手７２に締め付ける役割をも兼ねて
用いておシ、熱放散フィン７７は、前述した第１の実施
例（第４図（５）参照）と同じである。

次に、この発明の第９から第１１の実施例を、第１８図
霧出）から第２０図（５）の）によシ説明する。

第１８図（Ａ）０３）に示す第９の実施例の熱放散具８
６は、ポルト８４が貫通する穴を有した取付板８７ａに
熱放散フィン８７を固着したもので、取付板８７ａの穴
にポルト８４を通してフランツ継手８３を締めつけるナ
ツト８５と取付はナツト８９とにより挾持させるもので
あり、同熱放散フィン８７は、たとえば円周方向に四分
割されていると共に、多数の孔８７ｂが設けられている
。また、第１９図（Ａ）［Ｆ］）に示す第１０の実施例
の熱放散具９６は、円筒にめねじ部９９を設けて残シの
部分を熱放散フィン９７としたもので、この熱放散フィ
ン９７には多数の孔９７ａが設けられている。さらに、
第２０図（Ａ）０３）に示す第１１の実施例の熱放散具
１０６は、第１０の実施例と同様にボルト１０４に直接
熱放散フィン１０７にめねじ部１０７とを設けて着脱自
在に取り付ける様にしたものであシ、放射状に組合され
た放熱板１０７ａより成り、各放熱板１０７ａには孔１
０７ｂが多数設けられている。

ところで、以上の実施例のうち熱放散具をナツトを有す
る構成にしてボルトに取υ付けたものは、フランツ継手
を締め付けているナツトに対するゆるみ止めの効果が期
待できると共に、フランジ継手を締め付けているボルト
のねじ部を保護できる。

なお上述した第２から第１１の実施例の熱放散具１６〜
１０６は、第１の実施例の熱放散具−６と同様の作用を
行う。また、熱放散□具は、第１から第１１の実施例に
限ることなく、要旨を変更しない限シ種々の変形例が考
えられ、ボルトに熱放散具を取シ付けるのにグリップ等
のボルトを挾持するものを取付ナツトに代えて用いても
よいのはもちろんである。また、熱放散共はフランジ継
手の各がルトに個々に独立して設ける構成のものに限ぎ
らず、たとえば熱放散フィン゛を共通一体にし、９ この熱放散フィンに設けられた複数の取付ナツト又は挾
持部をフランジ継手の各ボルトに対応させて取り付ける
構成にしてもよい。

以上説明したように、この発明によれば、フランジ継手
が高温状態に至った時に、フランツ継手の締め付けに用
いられているボルトに対して、熱放散フィンを有するボ
ルト熱放散具を取り付けるので、放熱効果が犬で、容器
や配管の内部流体の温度変化に即応したがルト温度が得
られ、ボルトの締め付は力の弛緩状態が短かく、かつ小
さく安定した信頼性の高いボルト締め付は力の維持がで
き、フランツの継手を有する構造物の保守・管理並びに
安全性に寄与する事大である優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は、従来のフランジ継手の構造を示す断
面図、第３図は、内部流体側からの入熱、伝熱、放熱を
゛示す図、第４図は、この発明に用いるボルト熱放散具
の第１の実施例を示す断面図、第５図と第６図は、ボル
トのみを使用した場合と、０ ボルトにボルト熱放散具を初めから取り付けた場合にお
ける各々のフランジ継手の温度及□びボルトの温度の経
時黒変化を示した温度特性図、第７図は、ポλト熱放散
具を高温状態の途中から取シ付けた場合における温度特
性図、第”８図と第９図は、ボルトのみを使用した場合
と、ボルトにボルト熱放散具を取り付けた場合における
締め付は力特性図、第ｊ゛０図は、がルト熱放散具゛を
高温状態の途中から取り付けた場合におけ右締め付は力
特性図、第“１１図（Ａ）Ｑ３）から第’ｚｏ図（Ａ）
＠は、こあ発明に用いるボルト熱放散具の第２から第゛
１１の実施例を示す図中ある。 １．２・・・フランジ継手、４・・・がルト、５・・・
ナツト、６．１６．２６．３６　、′　４６．５６．６
６　。 ７６；８６’、９６，１０６・・・ボルト熱放散具、９
゜ｘｃ＋、ｚ′９，３９．４ｃ＋、７９°、８９，９９
・・・取付具としての取付ナツト、５９・・・取付具と
しての取材キャップ、′６９・・・取付具としそのちょ
うナツト、７，１７，２７，３７，４７’、５７，６７
゜７７．８７．９７，１０７・・・熱放散フィン。 第２０図（Ａ） ９７ａ 第２０図（Ｂ） ０７ｂ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. フランジ継手が高温状態に至った時に、フランツ継手の
   締め付けに用いられているボルトに対して、熱放散フィ
   ンを有するボルト熱放散具を取シ付けることを特徴とす
   るボルト締め付はカの維持方法。