JPS6078203A - ボイラ壁構造 - 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】 この発明はボイラ装置に係り、特にボイラ壁面の応力集
中を防止し、かつ現地組み立ても容易に行える炉壁構造
を有するボイラ装置に関する。

第１図は発電所用の大型水管ボイラの燃焼室並びに火炉
全体の波路外観構造を示す。

この種のボイラは、ひれ（メンブレンバー）付きの管の
、複数本相互を気密に保つように接合することによって
平面的な管群を形成し、これら管群の組合せによって箱
型の燃焼室並びに火炉を構成している。第１図において
は、生として氷壁管群１１ケ一ジ側壁管群２．ケージ底
部壁管群３並びに天井壁管群４等によって、これら燃焼
室並びに火炉が構成されていることを示している。

第２図は、第１図のＡ部近傍を主体にした場合の管内流
体の流れの概要をボイラ缶側面からみて模式的に示した
ものである。第１図と対応させて第２図に示した流れ系
統を説明すると、火炉を構成する氷壁管群部１における
管内流体は下方より上方へ流れる間に湿度上昇していく
が、これら流体はボイラ缶最上段において管寄せ７ａに
集合した後管寄せ７ｂを経て、天井壁管群４に入り缶前
方より後方に向って流れる。

この間に更に温度上昇する。その後は管寄せ７Ｃに集合
させ下降管８によって一旦、缶中央部まで下降、マニホ
ールド９を経て管寄せ７ｄ及び７θに導びかれる。

管寄せ７ｄからの流体は、過熱器、再熱器等の配置空間
たる通称ケージ部の一部を構成するケージ側壁管群２を
流れボイラ缶上方へと流れる間に一層温度上昇していく
。一方管寄せ７ｅからの流体は、一旦氷壁管群（後壁）
と同じ位置をそれに添ってやや上方に上った後は、ケー
ジ底部壁管群３となって斜め方向に昇っていく。

ここでも前述したケージ側壁管群２とほぼ同じ熱条件下
にさらされるため、内部流体は次第に温度上昇すること
になる。

この後流体は更に図示しない過熱器等を経て過熱蒸気と
なりタービンへ導入される。

第３図（Ａ）は、第１図におけるＡ部並びに第２図にお
けるＢ部の構造的詳細を示し、かつ第３（３） 第３図（Ａ）及び第４図において、まず、複数の水壁管
１０．テージ側管１１並びにケージ底部管１２はそれぞ
れ伝熱効果を上げるためメンブレンバーと呼ばれる板状
のひれ１３ａ、　１３ｂ、　１３ａを管の両側に配し、
管の軸方向に連続した溶接工４によって結合し気密性を
有する一体の管群を形成している。なお符号１６はケー
ジ側管寄せである。

こうした溶接構造の代表例を第５図に示す。

水壁管１０とメンブレンバー１３ａとから形成され第１
図の火炉５を形成する水壁管群１．テージ側管１１とメ
ンブレンバー１３ｂから形成されるケージ側壁管群２．
あるいはケージ底部管１２とメンブレンバー１３ａから
形成されるケージ底部壁群３は、工場からプラント建設
現場までの輸送制限あるいは組立施工制限等を考慮し、
適切な大きさにそれぞれ単独に製作され、第３図並びに
第４図に示す如く、これら圧体をプラント建設現場にて
合せ加工して組立てていくのが通例である。第３１ｉＵ
（Ｂ）はこの組み立てを模式的に示したものであり、ボ
イラ火炉を構成する氷壁（４） 管群１．ケージ側壁管群２．ケージ底部管群３の各々を
矢印の如く集合させ組立てる。

第６図ないし第８図はこれら三つの壁面の組立て構造を
より詳細に示したものである。これらの図を用いて現地
における組立てを具体的に説明すると、氷壁管群１とケ
ージ側壁管群２は合せ加工をした後メンブレンバー１３
ｄ（第６図）を間に入れ、組立て現地において溶接工５
によって結合する。

また、ケージ底部壁管群３は、メンブレンバー１３ｅを
介して同様な溶接方法１５によって氷壁管群ｌと結合す
る。同時に、ケージ側壁管群２との結合は、あらかじめ
第６図及び第７図に示す如く、その結合部近傍での結合
強度と気密性を保つため、容管の直径の数倍（通常４〜
５倍）の長さを有する板状駒１７をケージ側壁管群ａに
おけるメンブレンバー１３ｂの内側に溶接結合させて溶
接面をほぼ平面に形成する。続いてメンブレンバー１３
ｆをこの溶接面に対して密着配置して溶接を行い、この
メンブレンバー１３ｆを介してその両側を連続溶接する
ことで管群両者を結合させている。

かくして第１図で示した如き気密性を有する燃焼室並び
に火炉の一部を一体的に形成することになる。

以上の構成の装置においては次の点が問題点として指摘
されており、その改善が望まれている。

先ず第１図のＡ部（第２図のＢ部）すなわち通称水壁と
ケージ取合部においては、第３図。

第４図及び第６図〜第８図でその詳細を述べた如く、３
種類の管群（水壁１．ケージ側２．＋−ジ底部３）が三
次元的に合体しており複雑な構造を呈していることから
、構造物としては強度的に最も注意しなければならない
形状不連続部を形成することになる。このため第７図（
Ａ）に示す如く　（同（Ｂ）に概念図を示す）ケージ底
部壁管群３のうち各水管群１，２に接続する側の部分を
斜めに形成した斜行部とし、これによって水管１０ａ、
　ｌｌａ、　１２ａの三本が各々第７図（Ａ）における
三角形の頂点となるよう配置し、ボイラ火炉のコーナ部
の強度を高めるようにしている。

反面こうした管配列においては大きな問題がある。すな
わち第６図あるいは第７図において、メンブレンバー１
３ｅ及び１３ｆの配置並びに形状をみると、本来なら火
炉の気密性を保つため、メンブレンバー１３ｅは水壁管
１０ａとケージ底部管１２ａとの間で両管の軸方向に沿
って図中の下方から上方へと配し、さらに間管１２ａの
屈曲部においても連続して斜め右上方へ伸ばしてケージ
底部管１２ａとケージ側壁管群２との間に一体的に配し
、その両側を溶接するのが最良である。

しかし、上述したように管１０ａ、　ｌｌａ、　１２ａ
が二角形をなす配置（第７図（Ａ））となっているため
メンブレンバー１３ｅを連続して上方に伸ばすにはこの
屈曲部においてメンブレンバー１３θヲ捩った形状とせ
ねばならず、メンブレンバーの工作が困難であり、また
工作が可能でも溶接時にこのねじれ部に大きな応力が生
じることが予想される。従って現実には２枚のメンブレ
ンバー（Ｉ） １３ｅと１３ｆの二分割構造としても、溶接部は非常に
複雑な構造となる。特にこの部分の溶接作業が作業環境
の悪いボイラ組立現場において実施されるため溶接品質
が低下する虞れもある。

以上に加えて、これら接合部における各氷壁管群の内部
流体の温度は当然相違し、各管群はその内部流体温度に
対応する膨張もしくは収縮を行い、この結果接合部には
大きな応力が集中することになる。第９図はこの応力集
中の例を示す。すなわち、こうした従来構造においては
各種運転過程において、各管群自身の熱膨張収縮、各管
群相互の熱膨張差あるいは外部のたとえば各管寄せ並び
に配管等の変形や拘束等々に帰因する。熱的９機械的ひ
ずみ（応力）は、おのずと各管群の合体している当該部
に集中することになるが、加えてこの部分は前述した如
く例えば氷壁管１０ａとケージ側管１１ａの結合部での
メンブレンバー１３ｆの溶接止端部をはじめ各管群の結
合部各所が応力集中源となっているためこうした個所に
ことごとくひずみ（応力）が（８） 集中してくる。このため、応力の分散を図るべくこの溶
接止端部を中心として、溶接後に滑らかなアール仕上を
するのが通例であるが、それでも他の部分より応力集中
することはこばめない。特に実缶のように各部を、ボイ
ラ組立完了後に仕上加工する場合は作業性が非常に悪い
ため十分なめらかな仕上をすることは事実上不可能であ
る。

仕上形状による応力集中程度に関する実験によると、例
えばなめらかに仕上だ場合でも、応力集中係数が１．７
にもなるのに対し、仕上程度が悪い場合あるいは溶接ビ
ードが残存するような仕上程度であれば最大３．５以上
にもなる。いづれにしても、ここでボイラの運転におけ
る起動、停止並びに各種負荷変動時等では、前述した要
素要因による繰返し応力が、こうした溶接止端部等に集
中することになり、この部分には疲労損傷が蓄積され、
時として疲労き裂発生の可能性が大となる。例えば管群
の面内曲げすなわちＸ方向の繰返し応力に対してはＸ″
の、また管群の軸方向すなわちＹ方向の応力ではＹの位
置方向に疲労き裂１８が発生する可能性がある。

さらに、管群の面外応力すなわちＺ方向の繰返し応力の
発生も可能性がある。

このような複雑な繰返し応力負荷は、メンブレンバー溶
接止端部で疲労き裂を発生させるのみでなく、シばしば
圧力部である容管の肉厚方向に進展して肉厚を貫通し、
内部流体の漏洩に結びつき結果として系統全体の機能を
損なうことになるため重大な問題とされている。

この発明は上述した問題点に鑑み構成したものであり、
氷壁管群取合に対して応力が集中せずかつ現地における
作業を容易にし得る構造のボイラ装置を提供することに
ある。

要するにこの発明は上記取合部を火炉構成用水壁とケー
ジ側壁とのなす壁面で「＜」の字状のケージ底部管群と
接続するメンブレンバーに対応する部を２重のメンブレ
ンバーとし、平面部に形成しメンブレンバーで接続して
気密性。

組立作業性を向上させるよう構成し、かつ要す（１１） ればこの取合部を工場においてあらかじめ一体的に形成
しておくよう構成したボイラ装置である。

以下この発明の実施例につき説明する。

先ず、発明者等はこの発明を構成するに先立って、前述
の如く各水管１０ａ、　ｌｌａ、　１２ａを三角形状に
配置する構造につき再検討したが、強度の向上等の利点
よりも工作上の難点の方が大きく、さらに強度について
も溶接止端部の存在等によってあまり高いものでないこ
とが判明した。

以下この発明の実施例を図面に基づき説明する。第１０
図ないし第１２図において、ケージ底部壁管群３のうち
、端部に位置する管１２ａは、氷壁管群１およびこれに
接続するケージ側壁管群２に対して直交するように、す
なわち第１１図（Ｂ）に示す如く氷壁管群１の壁面と、
後述するメンブレンバー１３ｇとのなす角αが約９０と
なるように配置するこのｒ＜Ｊの字状メンブレンバーと
の溶接接続部には第１１（庭園に示す如く板状駒１７を
溶接し二重メンブレンバ一部とｒ＜Ｊの／１９　１ 字状部に対応する平面部を形成する。これにより従来形
式の如く、三つの異なる壁面の各管体の端部の管の位置
関係が三角形となる配置を廃止する。なお、三角形の配
置による強度上の利点はあまり大きくないことは上述の
とおりである。以上の構成とすることにより管１０ａお
よび’ｒ−シ側Ｎｉｌ管群２の間に配置すべきメンブレ
ンバーは一本のものを一体的に形成することにより構成
できる。つまり、従来型のもののように捩って形成する
必要がなく、略「＜」の字形に単純に屈曲形成したもの
（符号１３ｇで示す）でよい。すなわちこの形状のメン
ブレンバーであれば工作も容易であり前詰の１＜」の字
状平面部と溶接するので良好確実な溶接ができる。また
溶接の際にも大きな応力が集中することは防止できる。

従ってボイラ組立現場における溶接作業も容易に実施で
きる。

第１３図ないし第１８図は別の実施例を示す。

前述の実施例で示した如く一体のメンブレンバー１３ｇ
によって各管壁の接合部の溶接はかな（↓ｅ−ン り容易になったが、しかし現地における溶接作業として
は高度の技術を要するものであることは否めない。従っ
て、この実施例においてはこの接合部全体を工場で製作
し、組立現地においてはこの接合部をボイラ壁面に嵌挿
し、接続部を突合せ溶接するよう構成している。

まず最初に第１３図は、第１図におけるＡ部近傍を、ボ
イラ缶外側からみた氷壁並びにケージ側壁管群の状況を
示したもので、各管群１及び２は接合部となるべき部分
を削り取った形で開口部１９ａを設ける。なお、他の部
分は従来どおりプラント建設現場においてその結合部を
合せ加工のうえ溶接工５によって結合溶接される。

一方、第１４図は、第１３図におけるＭ　−Ｍ’力方向
なわちボイラ缶内側、火炉側から当該部をみた時の構造
を示しており、前述と同様にケージ底部壁管群３におい
てもその端部の一部分を削り取った形で開口部１９ｂを
設ける。他の部分は前述の場合と同じ〈従来技術と同じ
手法にて、開口部１９ｂの上下を氷壁管群１並びにケー
ジ側壁管群２と、合せ加工後溶接１５によって結合組立
てされる。

一方、第１５図及び第１６図は、第１３図及び第１４図
で示した開口部１９の位置に対応する接合部たるコンパ
ートメント（立体的壁面部）部を示しているが、第１５
図に示すように、まず氷壁管群１′とケージ側壁管群２
′に相当する部分を一体で製作した後、同様な方法にて
製作されたケージ底部壁管群３に相当する部分と合体さ
せることで、当該部を製作する。第１６図は第１５図の
Ｎ　−Ｎ視野からみた構造を示す。これらの製作は作業
環境のよい工場内で行われるため、従来技術で問題と指
摘した部分等をはじめ形状的に応力集中し易い部分は徹
底した仕上げ加工を施すとともに必要に応じた各種検査
を実施して信頼性の高いものを製作することができる。

このようにして完全な性能を有するよう製作された当該
部コンパートメント２０は、建設現場に送られ、第１３
図及び第１４図に示した開口部１９ａ及び１９ｂに挿入
され、第１７図、第１８図の如く現地において溶接２１
をもって接続され一体化される。この場合、現地におけ
る溶接は全て単純な付合せ溶接となるため溶接作業はき
わめて容易となり何隻問題は生じない。

この発明を実施することにより異なる氷壁管群が接合位
置する部分において、メンブレンバーの止端部を形成す
ることなく、一体的なメンブレンバーをもって結合する
ことができるのでこの止端部に集中すべき応力を分散で
き、亀裂の発生を防止できる。

またこの接合部自体を工場において高い品質管理のもと
て一体的に形成することにより、現地での組立作業を簡
易化できると共に、接合部の強度をより高く保持するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ボイラの燃焼室並びに火炉全体の概略外観構
造を示す斜視図、第２図は第１図のＡ部近傍を主体にし
た管内流体の流れ系統を説明する模式図、第３図（Ａ）
は第１図のＡ並びに第２図のＢ部の詳細、第３図（Ｂ）
は各壁面の取合せ（１５） 状態を示す模式図、第４図は第３図ｏ　−ｏ’断面図、
第５図は各管群の構成断面詳細図、第６図はケージ側壁
管群とケージ底部壁管群の結合詳細を示す壁面部分図、
第７図（Ａ）は、第６図のＥ−Ｅ”断面図、第７図（Ｂ
）は各壁面の配置状態を示す模式図、第８図は第６図の
Ｆ−Ｆ／断面及び第７図のＧ　−Ｇ’断面、第９図は第
８図のＨ部拡大図、第１０図はこの発明の第１の実施例
を示すケージ側壁管群とケージ底部壁管群の結合の詳細
を示す壁面部分図、第１１図（Ａ）は第１０図のＪ　−
Ｊ’断面図、第１１図（Ｂ）は各壁面の配置状態を示す
模式図、第１２図は第１Ｏ図のに一ビ断面図、第１３図
は開口部を形成した炉壁斜視図、第１４図は第１３図の
Ｍ　−Ｍ’視図、第１５図はコンパートメント組立状態
を示す斜視図、第１６図は組立後のコンパートメントの
斜視図であり、第１５図のＮ　−Ｎ’視図、第１７図は
コンパートメント取り付は後の炉壁斜視図、第１８図は
第１７図のｐ　−ｐ’＋ｍによる視図である。 １・・・・・・氷壁管群 （１６） ２・・・・・・ケージ側壁管群 ３・・・・・・ケージ底部壁管群 ５・・・・・・火炉 １０　・・・・・・水壁管 １１　・・・・・・ケージ側管 １２　・・・・・・、ケージ底部管 １３ｇ　・・・・・・メンブレンバー １４．１５・・・・・・溶接 １９ａ、１９ｂ・・・・・・開口部 ２０　・・・・・・コンパートメント 特開昭６０−７８２０３（９）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．２つのメンブレン氷壁をメンブレンバーで接続し−
   のメンブレン水壁面を構成しこれに「く」の字状のメン
   ブレン氷壁をその面がほぼ直交するように構成された氷
   壁構造において、前記接続形成したメンブレン壁面のメ
   ンブレンバーへｒ＜Ｊの字状メンブレン壁面をほぼ直交
   接続する部に更に板状駒を溶接接続し、二重メンブレン
   バ一部とし前記「＜」の字状水壁のメンブレンバーと接
   続する部をほぼ平面状とする「＜」の字状の平面部に形
   成し立、体的な壁面を構成することを特徴とするボイラ
   壁構造。 ２、前記三種の異なる水壁面を火炉構成用水壁管群、ケ
   ージ側壁管群、テージ底部管群とし火炉構成用水壁管群
   とケージ側壁管群とをほぼ同一平面に位置するよう接合
   し、「＜」の字状のケージ底部管部との接合部に対応す
   る前記同一壁面のメンブレンバ一部を２重メンブレンバ
   一部としこの壁面平面部に対して略「＜」の字形に一体
   的に形成したメンブレンバーを介してケージ側壁管群を
   前記火炉構成用水壁管群とケージ側壁管群の形成する壁
   面にほぼ直交するよう配置し溶接接続し立体的壁面を構
   成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のボ
   イラ壁構造。 ３・　前記「＜」の字状ケージ底部管群のほぼ「く」の
   字状部と、これに対応し接続する火炉構成氷壁管群とケ
   ージ側壁管とを工場で溶接組立てしその立体的壁面部を
   ボイラを設置する現地で管と管の接続することを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載のボイラ壁構造。