JP5489837B2 - 蒸気発生器 - Google Patents

Description

この発明は、蒸気発生器に関し、さらに詳しくは、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損を防止できる蒸気発生器に関する。

一般的な蒸気発生器では、一次冷却材の流路を構成する内胴および外胴と、この流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管とを備えている。また、一次冷却材出入口管が内管および外管から成る二重管構造を有し、内管が内胴に接続されると共に外管が外胴に接続された構造を有している。かかる構成を有する従来の蒸気発生器として、特許文献１に記載される技術が知られている。

特開平０８−２７８３９７号公報

ここで、蒸気発生器に異常が発生して一次冷却材の流通が遮断されると、一次冷却材出入口管の内管が外管よりも高温となり、大きく熱膨張する。すると、内管と外管との熱膨張差により、内胴と内管との接続部に熱応力が発生してこの接続部が破損するおそれがある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損を防止できる蒸気発生器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる蒸気発生器は、一次冷却材の流路を構成する内胴および外胴と、前記流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管とを備え、且つ、前記一次冷却材出入口管が内管および外管から成る二重管構造を有し、前記内管が前記内胴に接続されると共に前記外管が前記外胴に接続された構造を有する蒸気発生器であって、前記内胴と前記内管とがサーマルスリーブを介して接続されることを特徴とする。

この蒸気発生器は、内胴と内管とがサーマルスリーブを介して接続されるので、内管と外管との間に熱膨張差が生じたときに、高熱膨張材料から成るサーマルスリーブが大きく熱膨張して、内胴と内管との熱膨張差を緩和する。すると、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴と内管との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損が防止される利点がある。

また、この発明にかかる蒸気発生器は、前記サーマルスリーブが前記内管よりも高い線膨張係数を有する材料から成る。

この蒸気発生器では、内管の熱膨張時にて、サーマルスリーブが内管の熱伸びに適正に追従できる。これにより、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損が効果的に防止される利点がある。

この蒸気発生器によれば、内胴と内管とがサーマルスリーブを介して接続されるので、内管と外管との間に熱膨張差が生じたときに、高熱膨張材料から成るサーマルスリーブが大きく熱膨張して、内胴と内管との熱膨張差を緩和する。すると、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴と内管との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損が防止される利点がある。

図１は、この発明の実施の形態にかかる蒸気発生器を示す軸方向断面図である。 図２は、図１に記載した蒸気発生器のサーマルスリーブを示す拡大断面図である。 図３は、サーマルスリーブの長さと熱膨張差との関係を示すグラフである。 図４は、図１に記載した蒸気発生器の変形例を示す説明図である。 図５は、図１に記載した蒸気発生器の変形例を示す説明図である。 図６は、一般的な高温ガス炉を示す説明図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［高温ガス炉］
図６は、一般的な高温ガス炉を示す説明図である。

この高温ガス炉１００は、原子炉容器１１０と蒸気発生器１２０とを備え、これらが隣接して設置されて構成される（サイド・バイ・サイド型高温ガス炉）。また、原子炉容器１１０の一次冷却材出入口１１１と蒸気発生器１２０の一次冷却材出入口１２１とが連結管１３０を介して連結される。また、この連結管１３０が内管および外管から成る二重管構造を有する（図示省略）。

この高温ガス炉１００では、原子炉容器１１０にて加熱された一次冷却材（例えば、ヘリウムガス）が連結管１３０の内管を通って蒸気発生器１２０の一次冷却系に導入される。そして、この一次冷却材と、蒸気発生器１２０の二次冷却系に流通する二次冷却材（例えば、水蒸気）との間で熱交換が行われて、二次冷却材が加熱される。そして、この二次冷却材が、例えば、蒸気タービンの作動流体として用いられる。また、熱交換により冷却された一次冷却材が連結管１３０の外管（内管と外管とのアニュラー部）を通って原子炉容器１１０の一次冷却系に回収される。そして、この一次冷却材が原子炉容器１１０と蒸気発生器１２０との間を循環することにより、蒸気発生器１２０の二次冷却材が連続的に加熱される。

［蒸気発生器］
図１は、この発明の実施の形態にかかる蒸気発生器を示す軸方向断面図である。図２は、図１に記載した蒸気発生器のサーマルスリーブを示す拡大断面図である。

この蒸気発生器１は、例えば、上記の高温ガス炉１００に適用される。蒸気発生器１は、内胴２および外胴３と、センターパイプ４と、伝熱管群５と、一次冷却材出入口管６と、二次冷却材入口管７１および二次冷却材出口管７２とを備える（図１参照）。内胴２および外胴３は、長尺な容器形状を有し、その軸方向を鉛直方向に立てつつ内胴２が外胴３の内部に挿入されて設置される（二重胴構造）。これにより、内胴２の内部と、内胴２および外胴３のアニュラー部とに、一次冷却材の流路が形成される。また、内胴２は、その頂部に上側開口部２１を有する。また、内胴２の内部には、有底構造を有する内筒２２が、その底部を内胴２の上側開口部２１に向け、その開口部を内胴２の底部側に向けて配置される。このとき、内筒２２の外周面と内胴２の内周面との間に隙間が空けられて、一次冷却材の流路が形成される。センターパイプ４は、長尺な筒状部材であり、内胴２の底部から挿入されて内筒２２の内部上方に開口する。このとき、内胴２（センターパイプ４の挿入口）とセンターパイプ４の外周とが接続されて、内胴２とセンターパイプ４との隙間が封止される。伝熱管群５は、ヘリカルコイルなどから成り、内筒２２の内周面とセンターパイプ４の外周面との間に配置されて内胴２の軸方向に延在する。

一次冷却材出入口管６は、内管６１および外管６２から成る二重管構造を有し、原子炉容器１１０側からの一次冷却材の出入口となる。内管６１は、センターパイプ４を下方に延長した部分であり、センターパイプ４の下端に管材を溶接して形成される。この内管６１およびセンターパイプ４の内周面には、ライナで覆われた断熱材が配置される。外管６２は、外胴３の底部に形成された管台であり、外胴３に溶接されて外胴３の内部に開口する。二次冷却材入口管７１および二次冷却材出口管７２は、二次冷却材を伝熱管群５に流通させるための出入口となる。二次冷却材入口管７１は、内胴２および外胴３を下部側方から貫通して伝熱管群５の下端部に接続される。二次冷却材出口管７２は、内胴２、内筒２２および外胴３を上部側方から貫通して伝熱管群５の上端部に接続される。これにより、二次冷却材入口管７１から伝熱管群５を通って二次冷却材出口管７２に抜ける二次冷却材の流路が構成される。

この蒸気発生器１において、二次冷却系では、外部機関（例えば、蒸気タービン）からの二次冷却材が二次冷却材入口管７１から伝熱管群５に導入されて加熱され、二次冷却材出口管７２から外部に排出されて外部機関に供給される。一方、一次冷却系では、まず、原子炉容器１１０にて加熱された高温の一次冷却材が、連結管１３０の内管（図示省略）を通って一次冷却材出入口管６の内管６１に流入する。次に、この一次冷却材が内管６１からセンターパイプ４を通って内胴２の内筒２２に導入され、内筒２２の内周面とセンターパイプ４の外周面との隙間を通って内胴２の内部を下降する。このとき、一次冷却材と伝熱管群５内の二次冷却材との間で熱交換が行われて、二次冷却材が加熱される。

次に、伝熱管群５を通過した一次冷却材が、内胴２の底部から内胴２の内周面と内筒２２の外周面との隙間を通って上昇し、内胴２の上側開口部２１から排出されて外胴３に流入する。次に、この一次冷却材が内胴２の外周面と外胴３の内周面とのアニュラー部を通って下降し、一次冷却材出入口管６の外管６２（内管６１と外管６２とのアニュラー部）から連結管１３０の外管（図示省略）を通って原子炉容器１１０に戻される。そして、この一次冷却材が原子炉容器１１０で再び加熱されて一次冷却材出入口管６の内管６１に供給される。これにより、一次冷却材が循環して、二次冷却材が連続的に加熱される。

［一次冷却材出入口管の熱膨張差抑制構造］
一般的な蒸気発生器１２０では、異常発生時にて一次冷却材の流通が遮断されると、一次冷却材出入口管１２６の内管１２６１が外管１２６２よりも高温となり、大きく熱膨張する（図６参照）。すると、内管１２６１と外管１２６２との熱膨張差により、内胴１２２と内管１２６１との接続部Ａに熱応力が発生して接続部Ａが破損するおそれがある。

そこで、この蒸気発生器１は、かかる熱応力の影響を低減するために、内胴２と一次冷却材出入口管６の内管６１およびセンターパイプ４とがサーマルスリーブ１０を介して接続される（図１および図２参照）。

例えば、この実施の形態では、サーマルスリーブ１０が、スリーブ本体１１と、このスリーブ本体１１の両端部を構成するスリーブ端部１２、１２とから成り、環状構造を有している（図２参照）。スリーブ本体１１は、円筒形状を有し、内管６１およびセンターパイプ４よりも高い線膨張率を有する材料（高線膨張率材料）から構成されている。かかる高線膨張率材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼が採用され得る。スリーブ端部１２は、フランジ形状を有し、内管６１およびセンターパイプ４と同じ線膨張率を有する材料（低線膨張材料）から構成されている。かかる低線膨張率材料としては、例えば、炭素鋼、合金鋼、クロムモリブデン合金鋼などが採用され得る。また、外胴３および一次冷却材出入口管６の外管６２が、内胴２と同じ低線膨張率材料から構成されている。また、内胴２と外胴３とが、サポート９を介して連結されている。また、センターパイプ４が、その下端部でのみ一次冷却材出入口管６の内管６１に固定され、内胴２に対して軸方向に自由に熱伸び可能に支持されている。

サーマルスリーブ１０の設置工程では、一方のスリーブ端部１２が、内管６１とセンターパイプ４との接続部に挿入されて内管６１およびセンターパイプ４に対して溶接される。また、他方のスリーブ端部１２が、内胴２の底部にあるセンターパイプ４の挿入口に溶接される。そして、これらのスリーブ端部１２、１２の間にスリーブ本体１１が嵌め込まれて溶接される。

サーマルスリーブ１０の設置状態では、スリーブ本体１１が内管６１およびセンターパイプ４に対して同軸上に位置し、その長手方向を内管６１およびセンターパイプ４の長手方向に向けて配置される。また、スリーブ本体１１が軸方向長さＬを有し、また、スリーブ本体１１と内管６１とが距離Ｄを隔てて配置される。

蒸気発生器１の異常運転時には、内管６１と外管６２との熱膨張差により、（ａ）内胴２と内管６１およびセンターパイプ４との接続部が内胴２に対して軸方向に変位する。また、（ｂ）図１に示す構成では、内管６１が内胴２に対して水平方向（図１の右方向）に熱膨張する。

このとき、（ａ）内胴２と内管６１およびセンターパイプ４とが高熱膨張材料から成るサーマルスリーブ１０を介して接続されるので、サーマルスリーブ１０（スリーブ本体１１）が内胴２の軸方向に大きく熱膨張する。すると、サーマルスリーブ１０が内管６１およびセンターパイプ４の熱伸びに追従して、内胴２と内管６１およびセンターパイプ４との軸方向にかかる熱膨張差が緩和される。したがって、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴２と内管６１およびセンターパイプ４との接続部に作用する熱応力が緩和される。また、（ｂ）サーマルスリーブ１０が内管６１との間に距離Ｄを有するので、内管６１およびセンターパイプ４が軸方向に対して傾斜できる。したがって、この内管６１およびセンターパイプ４の傾斜により、内管６１の水平方向への熱膨張が吸収される。これらにより、内胴２と内管６１およびセンターパイプ４との接続部の破損が防止される。

［サーマルスリーブの長さ］
図３は、サーマルスリーブの長さと熱膨張差との関係を示すグラフである。同図は、蒸気発生器１の定常運転時（定格時）および異常運転時（異常時）における一次冷却材出入口管の内管と外管との熱膨張差と、サーマルスリーブの長さＬとの関係を示している。なお、異常運転時には、内管と外管との温度差が約５０［℃］まで上昇する。

図３に示すように、内管６１と外管６２との熱膨張差は、サーマルスリーブ１０（スリーブ本体１１）の長さＬに比例して増加する。また、サーマルスリーブが設置されていない構成（Ｌ＝０のとき）では、蒸気発生器１の定常運転時にて、内管６１と外管６２との熱膨張差が基準値（０）となり、異常運転時にて、内管６１と外管６２との熱膨張差が最も大きくなる。また、定常運転時および異常運転時のいずれにおいても、内管６１と外管６２との熱膨張差がサーマルスリーブの長さＬに応じて増加する。この熱膨張差は、定常運転時および異常運転時のいずれにおいても、Ｌ＝０のときの基準値に近い方が好ましい。一方、定常運転時の熱膨張差と異常運転時の熱膨張差との差は、サーマルスリーブの長さＬが大きくなるほど減少する（グラフが近づいていく）。この熱膨張差の差は、その数値が小さいほど、定常運転時と異常運転時とのギャップが小さいため、好ましい。しかし、サーマルスリーブの長さＬが大きすぎると、定格運転時における熱膨張差が基準値から遠ざかるため、好ましくない。

そこで、この蒸気発生器１では、サーマルスリーブを有さない構成における定常運転時の内管と外管との熱膨張差を基準（０）とするときに、定常運転時の熱膨張差と異常運転時の熱膨張差とが略等しくなるように、サーマルスリーブ１０の長さＬ（＝Ｌａ）を設定することが好ましい（図３参照）。これにより、内管６１と外管６２との熱膨張差による影響が効果的に緩和される。

なお、定常運転時の熱膨張差と異常運転時の熱膨張差との関係は、サーマルスリーブ１０の長さＬだけでなく、連結管１３０との接続部からサーマルスリーブ１０との接続部までの内管６１の長さ、サーマルスリーブ１０を構成する高線膨張材の材質などによっても調整できる。

［変形例］
図４および図５は、図１に記載した蒸気発生器の変形例を示す説明図である。これらの図において、図１に記載した蒸気発生器１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

この変形例にかかる蒸気発生器１では、一次冷却材出入口管６の外管６２が外胴３の側部下方に設置されている（図４および図５参照）。また、内管６１が、この外管６２の位置から内胴２に挿入されて鉛直上方に湾曲し、その上端部にて、内胴２の内部に設置されたセンターパイプ４の底部に溶接されて接続されている。

また、サーマルスリーブ１０が内胴２と内管６１との接続部に設置されている。具体的には、一方のスリーブ端部１２が、内管６１の直線部と湾曲部との境界部（接続部）に挿入されて溶接されている。また、他方のスリーブ端部１２が、内胴２の側部に形成された内管６１の挿入口に溶接されている。そして、これらのスリーブ端部１２、１２の間にスリーブ本体１１が嵌め込まれて溶接されている。このとき、スリーブ本体１１が内管６１に対して同軸上に位置し、その長手方向を水平方向に向けて配置されている。

蒸気発生器１の異常運転時には、内管６１と外管６２との熱膨張差により、内胴２と内管６１との接続部が内胴２に対して内管６１の軸方向（水平方向）に変位する。このとき、内胴２と内管６１とが高熱膨張材料から成るサーマルスリーブ１０を介して接続されるので、サーマルスリーブ１０（スリーブ本体１１）が内管６１の軸方向に大きく熱膨張できる。すると、サーマルスリーブ１０が内管６１の熱伸びに追従して、内胴２と内管６１との熱膨張差が緩和される。したがって、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴２と内管６１との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、内胴２と内管６１およびセンターパイプ４との接続部の破損が防止される。

［効果］
以上説明したように、この蒸気発生器１は、一次冷却材の流路を構成する内胴２および外胴３と、この流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管６とを備える（図１および図４参照）。また、一次冷却材出入口管６が内管６１および外管６２から成る二重管構造を有し、内管６１が内胴２に接続されると共に外管６２が外胴３に接続された構造を有する。そして、内胴２と内管６１とがサーマルスリーブ１０を介して接続される（図１、図２、図４および図５参照）。

かかる構成では、内管６１と外管６２との間に熱膨張差が生じたときに、高熱膨張材料から成るサーマルスリーブ１０（スリーブ本体１１）が大きく熱膨張して、内胴２と内管６１との熱膨張差を緩和する（図２および図５参照）。すると、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴２と内管６１との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、異常発生時における内胴２と内管６１との接続部の破損が防止される利点がある。

また、上記の構成では、サーマルスリーブ１０（スリーブ本体１１）が内管６１よりも高い線膨張係数を有する材料から成ることが好ましい。かかる構成では、内管６１の熱膨張時にて、サーマルスリーブ１０が内管６１の熱伸びに適正に追従できる。これにより、異常発生時における内胴２と内管６１との接続部の破損が効果的に防止される利点がある。

以上のように、この発明にかかる蒸気発生器は、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損を防止できる点で有用である。

１ 蒸気発生器
２ 内胴
２１ 上側開口部
２２ 内筒
３ 外胴
４ センターパイプ
５ 伝熱管群
６ 一次冷却材出入口管
６１ 内管
６２ 外管
７１ 二次冷却材入口管
７２ 二次冷却材出口管
９ サポート
１０ サーマルスリーブ
１１ スリーブ本体
１２ スリーブ端部
１００ 高温ガス炉
１１０ 原子炉容器
１２０ 蒸気発生器
１３０ 連結管

Claims (2)

1. 一次冷却材の流路を構成する内胴および外胴と、前記流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管とを備え、且つ、前記一次冷却材出入口管が内管および外管から成る二重管構造を有し、前記内管が前記内胴に接続されると共に前記外管が前記外胴に接続された構造を有する蒸気発生器であって、
   前記内胴と前記内管とがサーマルスリーブを介して接続されることを特徴とする蒸気発生器。
2. 前記サーマルスリーブが前記内管よりも高い線膨張係数を有する材料から成る請求項１に記載の蒸気発生器。
   

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