JPS60172797A - 拡管による接合方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、例えば熱交換器の内部構造のように、円管が
挿入されるための管式を有する管板と、該挿入された円
管とを接合する方法に関する。

〔発明の背景〕

例えば、熱交換器の構造は、円管でらる伝熱管が密閉容
器であるシェルを貫通して構成される。

そして一方の流体は伝熱管の内部を流れ他方の流体はシ
ェルの内部において伝熱管の外側を流れる。

そしてシェルの内部を流れる流体が微少の腐蝕成分を含
み、伝熱管が管板であるシェルを貫通する管穴の部分の
水密又は気密が不十分であると、この管式の部分におい
て腐蝕を生ずることになる。

その理由は水密又は気密の不十分な管式の部分から洩れ
出した腐蝕成分が熱交換器の熱によって濃縮され管式部
分を腐蝕するからである。このような問題は特に、伝熱
管にオーステナイト系ステンレス鋼を用い、シェル内を
流れる流体として蒸気、？イラ水、冷却水が使用される
場合に重要でおる。

従来における伝熱管とシェルの管式における接合方法は
、溶接と併用して又は独立して、拡管による方法が一般
に採用されている。拡管の方法には大別して、エキス・
臂ンダロール式拡管、液圧式拡管、爆発式拡管が存在す
る。それぞれ特質はあるが、いずれの拡管方法も、シェ
ル内部を流れる流体が蒸気ガスといった気体に対する十
分な気密性（約１００ｋｇ／ｃＩＩＬｇの気密性をいう
）が期待できなかった。以下この点について更に詳しく
説明する。

（１）エキスパンダロール式拡管 この方法においては、第１図及び第２図に示すごとく、
先端の径が小さくなった棒状の形を有する、マンドレル
１周辺に通常３個のローラ２をエキスｓ　ｙ　／　ロー
　ル３　ヲ使用ｔ　ル。このエキスパンダロール３を、
管板４であるシェルに挿入された伝熱管５に挿入する。

そして、マンドレル１を回転すると、ローラ２は遊星回
転をしながらマンドレル１の半径方向へ押し出され伝熱
管５を内部から押圧する。伝熱管５が管板４の管式６に
接触しても更にマンドレル１を回転すると、伝熱管５及
び管式６の近傍は、ロー、７２の個数だけに対応する多
角形状に歪みながら、重性変形を生ずる。十分に塑性変
、形を生じさせた後、エキスパンダロール３を抜き去る
とこの塑性変形によって、管式６には半径外側方向に圧
縮応力が生じており、これに対抗して管式６は縮まろう
とする。他方、伝熱管５の外面は管式６によって締めつ
けられ半径方向内側に圧縮応力を生じる。これによって
、伝熱管５の外面と管式６の内面は密着して固着力が与
えられ、水蜜性気密性が保たれるものである。

実際には、このエキスパンダロール式拡管は後述するよ
うに（第９図（Ｂ））流体が液体である場合には、１１
０ｋｇ／ｍ　ｌ！　の水密性が認められるものの、気体
である場合には、気密性能は余り期待できず特に高温に
おける気密性は不良であった。

また、このエキスパン／Ｉ：Ｉ−ル式拡管においては伝
熱管５の塑性変形は伝熱管の半径方向よりはむしろ軸方
向に向って生じてしまう。即ち、第６図に示すように伝
熱管５が軸方向７に伸びるため伝熱管５に長手方向の残
留応力を残してしまい、例えば最も応力集中の高いノツ
チ部８にクラックを発生させてしまうものであった。ま
た、このように残留応力を残すこととなると、拡管の目
的が腐蝕防止にあるにもかかわらず応力腐蝕の可能性を
高めてしまうことになり不合理であった。

（２）液圧式拡管 液圧式拡管は高圧の油圧又は水圧を伝熱管の内部に加え
拡管するものである。その−例ｆｚｒ−第４図において
説明する。伝熱管５の内径とほぼ同じ径を有する押込み
棒状体１１の先端には２個所にシーリング１２，１２が
設けられており、この２つのシーリング１２．１’２の
間において側面に油又は水等の高圧液体１６を噴出する
噴出孔１４が設けられている。そして、この押込み棒状
体１１を管式６の位置において伝熱管５の内部に挿入し
、前記噴出孔１４から高圧液体を噴出する。これにより
伝熱管５の内部に液圧をかけて押し広げ、伝熱管５を重
性変形させ管板４の管式６付近を弾性変形させることに
より、液圧解放後は管板４が伝熱管５を締めつけて伝熱
管５と管板４が接合されることを期待するものである。

重性変形及び弾性変形を利用するという原理においては
前記（１）のエキスパンダロール式拡管と同じである。

なお、こり液圧式拡管による接合と前記エキスパンダロ
ール式拡管による接合とを、第５図（Ａ）（Ｂ）に示す
伝熱管５内部に生ずる滑り線の模様１６によって比較す
る。この滑り線１６は重性変形によって生ずるものであ
る。エキスパンダロール式拡管における滑り線１６の模
様の分布（Ａ）は、液圧式拡管の場合に比べ管式６周縁
位置に集中している。このことはエキス・９ンダロ一ル
式拡管による接合のほうが、伝熱管５外面と管式６内面
との重性がより高いことを示している。

なお、出願人等の実験結果によれば、液圧式拡管による
接合は、伝熱管５の一外面及び管式６の内面をスプロー
ル仕上げ（Ｊより　、５８以上）程度の仕上げを施した
場合には良好な気密性を期待できる。しかしながらこれ
らの表面仕上げを複数の全ての伝熱管５の外面及び管式
６の内面に施工することは工業的に困難でめり実用的で
はないという欠点を有する。

反面、液圧式拡管による接合においては、液圧による均
等な圧力で伝熱管５の体積膨張を図るため、体積一定の
原理及び伝熱管５は半径方向にのみ膨張することから、
伝熱管５は軸方向にほとんど弾性変形及び重性変形を生
ずることがない。即ち、伝熱管５の長手方向には残留応
力を発生することなく伝熱管５を管式６内面に密着させ
ることができるという利点を有する。

（３）爆発式拡管 爆発式拡管は調合した爆薬を伝熱量内部で爆発させその
衝撃力を利用して伝熱管と管板とを密着させるものでお
る。しかし、複数の伝熱管について全く同時に爆発を起
こさせることは不可能であり、爆発時期がずれることに
より、前の爆発で密着させた伝熱管が後の爆発の衝撃で
緩んでしまうという欠点がある。また、仮に同時に爆発
させても爆発の衝撃波がお互に緩衝することによって密
着が不十分になってしまう欠点がある。従って伝熱管全
部に１００％の気密性を保障するととは、実積上、でき
ないのが実情である。

以上（１）、（２）　、（５）のいずれの方法な用いて
も十分な気密性（約１００　ｋｇ／ｃｍ”ｇの気密性を
いう）を有する拡管法は、事実上確立されているとはい
い難いものでらった。

なお、以上の背景技術は熱交換器における伝熱管の拡管
法によって説明したが、同様の問題点は熱交換器のみな
らず例えば管寄せ装置にも存在するものである。

〔発明の目的〕

本発明は以上の背景技術の問題点に鑑みてなされたもの
であり、従来の拡管法が個々独立には気密性に難点があ
るという欠点を補うべく、円管と管板との接合に十分な
気密性を持たせ得る拡管による接合方法を提供すること
を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の拡管による接合方法は、液圧式拡管とエキス・
臂ンダロール式拡管を併用するものである。

即ち、最初に液圧式拡管によって円管を管式に密着させ
、次にエキスパンダロール式拡管によって更に加圧密着
させ気密性を持たせるものである。

これにより、管式に密着させるまでの拡管が液圧式拡管
によって行なわれるため、円管に軸方向の残留応力が生
ずることが大幅に減少でき、その後の管式への加圧密着
をエキスパンダロール式拡管により行なうため表面仕上
げを行なわなくても高い密着性を得ることができるもの
である。

〔発明の実施例〕

第７図乃至第９図（Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ）において本発
明の一実施例と従来例との実験、及び実験結果の比較を
説明する。従来例にはエキスパンダロール式拡管と液圧
式拡管を用いた。

実験条件 この実験において使用される円管５の材質はオーステナ
イト系ステンレス鋼（Ｊ工Ｓ　ＳＵＢ！、１６ＬＴＰ　
）であり、サイズは外径２１．７ｍｍＸ板厚２關、円管
のチューブピッチは２７．１ｍ、使用した円管の本数は
従来例がそれぞれ５７本、本実施例が１６本である。管
板６の材質は１ｃｒ−０，５ＭＯ鋼（ＪＩＳ大５ＦＡ２
２）を用い、板厚は１５０龍であった。

従来例としての液圧式拡管は、拡管の際の重性変形が隣
接管同士で干渉しないように隣接管とのリガメント部の
幅の５０俤までを降伏させる圧力をかけて拡管した。こ
の圧力は、種々の圧力で液圧式拡管な行なった結果最良
の気密性が得られた圧力テアリ、本実験では２２００ｋ
ｇ／ｃｒｒＬ２ｇであった。

従来例としてのエキス・やンダロール式拡管は、拡管率
（いわゆる肉圧減少率）３〜１０チを与えた。

本実施例としての拡管による接合方法は、まず前記の液
圧式拡管と同一の条件で液圧をかけた後、通常のエキス
パンダロール式拡管における拡管率４．７〜７．９チに
相当する圧力に−よりエキスｉＪ？ンダロール式拡管を
行なった。この場合、既に液圧式拡管によって拡管率２
．０％の拡管がなされていたため、エキス・々ンＩロー
ル式拡管そのものによる拡管は拡管率２．７〜５．９チ
の拡管となった。この結果前記従来例としてのエキスパ
ンダロール式拡管による場合よりも低い拡管率（肉圧減
少率）で気密性が得られた。

実験装置 この実験は第７図に示す実験装置により行なった。水平
ＫＮかれた管板４の管式６に対し複数本の円管５が挿入
されている。管板４の下側は密閉された空間となってお
り加圧源である窒素ボンベ２１により加圧される。管板
４の上側には沸点が２５０度より高いシリコンオイル２
２が浸られている。気密性はこのシリコンオイル中に気
泡力発生するか否かによって判断される。実験は常温と
高温（２５０°Ｃ）の両方について行なった。高温は管
板４の周囲に設けたインダクションヒータ２３によって
得た。なおインダクションヒータ２３は管板４の一部に
配置された断熱材２４によって支−持されている。窒素
ガスによる圧力は、０から１０に９／ＣＩ！Ｌ、！ｉ’
のピッチで上昇させ、最終的に１１　ｏｋｇ／ｃｍｇ　
まで加圧した。

なお本実験においては気密性のみではなく水密性につい
ても実験を行なった。この場合、圧力源には窒素ガスの
代わりに水圧をかけて水洩れを検知した。

実験結果 第９図（Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ）は本実験の結果を表わす
。

図中Ｘ印はその点の圧力において気泡あるいは水洩れが
見知されたことを示す。Ｘ印の無いものは気密性あるい
は水密性が完全でらったことを示す。

第９　図（Ａ）は従来例としてのエキスパンダロール式
拡管による結果である。常温においては１１０ｋｌ？　
／　ｃｍ”　１１の圧力に対しても１００％の水密性を
示している。気密性については、常温、１１ｏｋｇ／ａ
ｎ”ｌに対して、円管５７本中１５本（４０％）が健全
であり、高温（２５０℃）、Ｈｏｋｇ／♂ｙではどの円
管も気密性を保持できなかった。

第９図（Ｂ）は従来例としての液圧式拡管の結果を示す
。常温では１１０　ｋｇ／ｃｒｎ　、ｉｉｉ’の圧力に
対しても１００チの水密性を示している。気密性に対し
ては、常温、１１０に９／α２９に対して円管３７本中
２４本（７０チ）が健全そあり、高温（２５０℃）では
円管６７本中２７本（７３％）が１１０ｋｙ１ｃｍ＆の
圧力に対し気密性を示しているが、残り１０本（２７％
）は漏洩が見知され１００チの気密性を期待できないこ
とを示している。

第９図（Ｃ）は本実施例の拡！による接合方法による結
果を示している。１１０　ｋｇ／ｃｍ　！ｌの圧力に対
して常温におけろ水密性気密性はもちろん、高温（２５
０℃）における気密性も１００チ確保されていることが
わかる０ 実験結果の分析 第９図（Ｂ）に示すように従来例としての液圧式拡管の
結果がよくない理由は、液圧式拡管が円管の軸方向に残
留応力を残さないという点では優れているものの、円管
外面及び管穴内面の表面荒さを押し潰すだめの力が十分
でなく、これにより気密性を１００％確得て＠ないため
である〇一方。

従来例としてのエキスパンダロール式拡管はこの表面荒
さくＪ工５１２−ｓ〜５０Ｓ）を潰す局部変形能力１ｃ
は優れているものの、円管の軸方向に残留応力を残す点
で第９図（Ａ）に示すように気密性を１００％確保でき
ないと考えられる。

これに対し本実施例の拡管による接合方法は、最初円管
を管式に密着させるまでは液圧式拡管によって拡管する
ため円管の軸方向に残留応力を残すことが防止でき、気
密性を持たせる加圧密着時にはエキス・母ンダロール式
拡管によって拡管するため局部変形により円管の表面荒
さを潰すことができる。これにより第９図（Ｃ）に示す
ように優れた結果が得られたものと考えられる。

本実施例によって製造された熱交換器 本実施例の拡管による接合方法によって製造した熱交換
器の例を第１０図〜第１２図において説明する。この熱
交換器は、複数の伝熱管５内を高温（３５０９Ｃ）高圧
（１８ｋｇ／儒２ｇ）のガスが流れる。そしてこの伝熱
管５が貫通するシェル２５（管板４を含む）の中をざイ
ラ給水２６が流れる。

がイラ給水は入口２７においては１８０℃、７０ｋｇ／
ｃｍＪであり出口２８においては２００℃、６９にシ／
ｃｍ”ｇである。伝熱管５の材質は、高温高圧ガスの条
件から、オースティト系ステンレス鋼（Ｊ工ｓ　Ｓｖｓ
　３１６ＬＴＰ）を用い＊。シｘ　Ａ／２５の一部を形
成する管板４の材質はｌＣｒ−０，５ＭＯ鋼を用いた。

ガス入口における管板４の拡大断面図を第１１図に示す
。管板４の表面にはオーステナイト系ステンレス鋼のオ
ーバーレイを施し、伝熱管５との溶接を可能とした。図
中１１部分が拡管処理部を示す。なお、管板４の外側部
分６は伝熱管５端部溶接の保瞳のため、また内側部分！
。

は管式６コーナ部分へのオーバーエキスフ４ンドを防ぐ
ためにそれぞれ拡管処理を施さない範囲を設ける。

第１２図は前゛記第１１図と同一の部分における温度分
布を示す。ボイラ給水はシェル２５内部における温度（
２００℃以下）では蒸発しないが、伝熱管５と管板４と
の隙間に侵入すると加熱され蒸発゛し気化することを示
している。この蒸発によす、コイ２給水中の腐蝕成分含
有量は微少であっても、濃縮されて高濃度になり腐蝕、
応力腐蝕割れの原因となる可能性があることを示してい
る。

しかしながら、本実施例によれば前記した実験結果から
れかるように、高温（２５０℃）高圧（１１０ｋｇ７ａ
ｍ”　ｆ！　）においても気密、水密か保たれ、ボイラ
給水が伝熱管５と管板４との隙間に侵入することはない
。従って腐蝕等が防止できるものである。

〔発明の効果〕

本発明の拡管による接合方法によれば、円管と管板との
接合において十分な気密性を持たせることができる。ま
た、十分な水蜜性も持たせることができる。

従って、工業的に避は得ない微量腐蝕成分を含んだ流体
や、ｐＨ調整等で添付した微量薬液を含んだ流体を、そ
の流体の温度以上に加熱する場合において、とれら流体
が流れる密閉容器の隙間からこれら流体が洩れ出て前記
微量腐蝕成分、微量薬液が濃縮され腐蝕等をおこすこと
を、防止することができる。

勿論、流体自体が腐蝕性を有する場合にも、流体の漏洩
による腐蝕をも防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のエキスパンダローラ式拡管な表わす断面
図、第２図は第１図のＡ　Ａ’断面図、＠６図ｉｌｌ：
第１図の問題点を示す図、第４図は従来の液圧式拡管を
表わす断面図、第５図は（Ａ）、（、Ｂ）は第１図及び
第２図の拡管によって生ずる円管５内部の清シ線を表わ
す図、第６図は本発明の一実施例である実験を行なう実
験装置の縦断面図、第７図は第６図の概略平面図、第８
図（Ａ）〜（Ｃ）は従来例及び本実施例の実験結果を示
すグラフ、第９図は本実施例によシ製造した熱交換器の
縦断面図、第１０図は第９図の（イ）部拡大図、第１１
図は第１０図の温度分布図である。 １・・・マンドレル、　２・・・ローラ、３・・・エキ
スパンダロール、 ４・・・管板、　５・・・伝熱管、 ６・・・管式、　８・・・ノツチ部、 １１・・・押込棒状体、１２・・・シーリン、７１゜７
．１３・・・高圧液体、１４・・・噴出口、１６・・・
滑シ線、　２１・・・窒素ボンベ、２２・・・シリコン
オイル、 ２３・・・インダクションヒータ、 ２４・・・断熱材。 第１図　第２図 第３図 第４図 ４ （Ａ）　（Ｂ） 第７図 第８図（Ａ） 第８図（Ｂ） 第８図（Ｃ） 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１）　円管が挿入されるだめの管、穴を有する管板と
   、該挿入された円管とを気密性を持たせて接合する方法
   において、 最初に液圧式拡管によって前記円管を前記管式に密着さ
   せ、次にエキスノぞンダロール式拡菅によってさらに加
   圧密着させて気密性を持たせることを特徴とする拡管に
   よる接合方法。 （２、特許請求の範囲第１項において、円管は熱交換器
   における伝熱管であり、管板は熱交換器における管板で
   ある拡管による接合方法。 （３）特許請求の範囲第１項において、円管及び管板は
   、管寄せ装置における円管及び管板である拡管による接
   合方法。