JP6356103B2

JP6356103B2 - 曲がりブラストノズル

Info

Publication number: JP6356103B2
Application number: JP2015176381A
Authority: JP
Inventors: 康治黒川; 洋伸枡岡; 菅野　康二; 康二菅野; 佐藤　秀樹; 秀樹佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: JP2017052029A

Description

本発明は、曲がりブラストノズルに関し、特に、鋼管の内外面の研掃工程に用いられる曲がりブラストノズルに関する。

曲がりブラストノズルは、砥粒通路穴（砥粒とは、研掃材のことである）に曲がり部を有するブラストノズルのことである。曲がりブラストノズルは、鋼管等の管の表面（内面或いは外面）の研掃工程に多用され、その使用時には、砥粒を気流に乗せて送給する配管である砥粒風送配管に接続される。内面研掃の場合、前記砥粒風送配管は被研掃管内に配置する部分の内径を一定とし、被研掃管軸心方向を延在方向として被研掃管内に配置されるため、前記曲がりブラストノズルによって砥粒進行方向を被研掃管軸心方向から斜め方向へ切替えないと、被研掃管内面への砥粒の衝突力不足となって表面改質効果が期待できないからである。曲がりブラストノズルにおいては、図６に示す様に、曲がり部ｃはその入口と出口の開口面同士が所定の曲がり角度θで互いに交差する砥粒通路穴部分であり、その穴形状は、そこでの圧力損失が許容範囲内である限りにおいて、任意に設定される。曲がり部ｃより上流側の、直線状穴軸を有し穴軸直交断面が円形である砥粒通路穴部分を一次直穴１と称し、曲がり部ｃより下流側の、一次直穴１の穴軸に対して曲がり部ｃの曲がり角度θだけ傾斜した直線状穴軸を有し穴軸直交断面が円形である砥粒流路穴部分を二次直穴２と称する。一次直穴入口は砥粒風送配管の内径部出口と接続され、二次直穴出口は砥粒噴出口とされる。曲がり部ｃの入口は必ずしも一次直穴１の出口と同一形状にせずとも特に問題にはならない。又、曲がり部ｃの出口は必ずしも二次直穴２の入口と同一形状にせずとも特に問題にはならない。曲がり部と直穴（一次又は二次直穴）との境界面において両者の口径が異なる場合、その径差領域は小口径側の口縁面で封鎖される。

又、一般にブラストノズルの砥粒通路穴の形成部材としては、曲がり部の有無によらず、砥粒との擦れに対する摩耗抵抗が特に大きい硬質セラミック材料（炭化ホウ素、窒化ホウ素等）製の中空部品が使用される。この硬質セラミック製の中空部品は高価なものである。

又、一般に、ブラストノズルでは、ノズル口径は、砥粒風送配管内径より小としてある。ノズル口径を砥粒風送配管内径よりも大とすると、該配管内径をノズル口径以下の小径とされてなる小径部は、その総延長が被研掃管のほぼ全長に亘る、長さの長いものとなり、圧力損失が増大するからである。そこで、必然的に、ブラストノズルの砥粒通路穴には、出口側ほど穴径が漸次縮径する穴長さ部分である縮流部が設けてある。

図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は夫々、曲がりブラストノズルの従来例Ａ，Ｂ，Ｃを示す概略図である。

従来例Ａ（特許文献１の図４、図５に開示されたものに相当する）は、一次直穴１、曲がり部ｃ、二次直穴２を、一体物の中空部品１５で形成し、中空部品１５と砥粒風送配管５をねじ等の連結手段６０で連結する事で一次直穴１と砥粒風送配管５内径部とを接続するものであり、縮流部４は一次直穴１と二次直穴２の双方に、全長に亘って設けてある。一次直穴１の穴軸である中空部品１５の内径中心軸は、中空部品１５の外径中心軸（連結した砥粒風送配管５の管軸と一致する）と一致させてある。

従来例Ｂ（特許文献１の図７、図８に開示されたものに相当する）は、一次直穴１、曲がり部ｃ、二次直穴２を夫々別個の中空部品１６，１７，１８で形成し、これら中空部品をねじ等の連結手段６１，６２で連結する事で一次直穴１、曲がり部ｃ、二次直穴２の順次接続し、中空部品１６と砥粒風送配管５とをねじ等の連結手段６０で連結する事で一次直穴１と砥粒風送配管５内径部とを接続するものであり、縮流部４は二次直穴２の入口側に設けてある。尚、この例は、被研掃管内面の円周三等分点の同時研掃を行うために中空部品１８の３本をそれらの二次直穴２が１２０度間隔の放射線状となる格好に配置してなる所謂３連式ノズルの例である。図５（Ｂ）を砥粒風送配管５の管軸周りに１２０度及び２４０度回転してなる各縦断面図（図示省略）も夫々従来例Ｂの実態に対応する。一次直穴１の穴軸である中空部品１６の内径中心軸は中空部品１６の外径中心軸（連結した砥粒風送配管５の管軸と一致する）と平行にしてある。尚、３連式ノズルに対し、図５（Ａ）（Ｃ）の様にノズルを１本だけ用いるものを便宜上、単式ノズルと称する。

従来例Ｃは、一次直穴１と曲がり部ｃを１個の第１の中空部品１０で形成し、二次直穴２を別の１個の第２の中空部品２０で形成し、これら第１、第２の中空部品１０，２０を外筒７にて連結して曲がり部ｃと二次直穴２とを接続する。より具体的には、第１、第２の中空部品１０，２０を嵌め込み可能な内径部をもたせた外筒７（例えば鋼製）に嵌め込み連結する事で曲がり部ｃと二次直穴２とを接続する。そして、外筒７入口側と砥粒風送配管５をねじ等の連結手段６０で連結する事で、一次直穴１と砥粒風送配管５内径部とを接続する。縮流部４は、一次直穴１の入口側に設けてある。一次直穴１の穴軸である第１の中空部品１０の内径中心軸は第１の中空部品１０の外径中心軸（連結した砥粒風送配管５の管軸と一致する）と平行にしてある。曲がり部ｃの出口は楕円形出口であってこれに二次直穴２の円形入口が接続する事になるが、前述の通り特に問題にはならない。

尚、第１の中空部品１０は、連結手段６０による連結時に、一次直穴１の入口縁面を砥粒風送配管５の出口縁面で押さえ込む事で、外筒７に定着する。一方、第２の中空部品２０は、例えば開口縁付きの前面板８をねじ等の連結手段６で外筒７の先端部に取付けて前記開口縁にて二次直穴２の出口縁面を押さえ込む事で、外筒７に定着する。

特開２０００−２１８５４７号公報

従来例Ａでは、中空部品１５の曲がり部ｃの出口側が偏摩耗して寿命が尽きる。このとき、偏摩耗部分以外は余寿命があるにも拘わらす中空部品１５が一体物なので全部交換せざるを得ず、部分交換のみでよい場合と比べてランニングコストが高くて経済的に不利である。又、従来例Ｂでは、中空部品１７の入口側と中空部品１８の入口側とが偏摩耗して寿命が尽きる。このとき、高頻度交換部品は、余寿命のある中空部品１６が除外されて、中空部品１７，１８の２種類になるが、それが１種類のみの場合と比べてランニングコストが高くて経済的に不利である。

これらに対し、従来例Ｃでは、第２の中空部品２０の二次直穴２の入口側が偏摩耗して寿命が尽きる。このとき、高頻度交換部品は第２の中空部品２０の１種類のみなので、従来例Ａ，Ｂに比べてランニングコストが低くて経済的に有利である。ここで、偏摩耗が生じ易い場所である最速摩耗域は、砥粒からの衝撃力が最も強くなるところの、二次直穴２の入口側の穴壁面内にあって、曲がり部ｃの曲がり角度領域の収束点Ｑとの円周方向位相差が１８０度±α（α≒３０度）になる円弧状領域である。そこで、従来例Ｃでは、第２の中空部材２０の寿命未満の適宜の時間間隔で第２の中空部材２０に２×αの角度ずつ軸周回転（中心軸周りの回転のことである）を加えて、全周で計ｎ箇所（ｎ＝１８０/α）の角度２×αの円孤部位を個々平等に最速摩耗域に寿命未満の時間滞在させ、以て、前記軸周回転を加えない場合と比べて概ねｎ倍の寿命延長が図れるわけである。

然しながら、従来例Ｃにみられるように、従来技術では、高頻度交換部品を１種類のみに節減でき、然も当該部品に定期的軸周回転を加えて部品交換頻度を更に低減できるものの、偏摩耗の進行自体を遅らせる手段は未だ講じられていないと云う課題があった。

本発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、二次直穴の入口側を該入口の口径が一次直穴出口の口径以上になる縮流部とする事、好ましくはこれに加えて、二次直穴の入口の口径を曲がり部の出口の口径（該出口の開口形状である楕円の長径）よりも大とするか、一次直穴及び曲がり部形成用中空部品の内径中心軸を外径中心軸との同心位置から特定の向きに傾斜させるか、の何れか一方又は両方とする事が、第２の中空部品の偏摩耗の進行抑制に有効であると云う知見を得た。又、第２の中空部品を、その縮流部を囲む部品外径未満の外径部分とその余部との分離可能な合体構造とする事で、更なる寿命延長が図れると云う知見も得た。

本発明は、前記知見に基づき成されたものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）上流側から一次直穴、曲がり部、二次直穴を順次接続してなる砥粒通路穴の前記一次直穴と前記曲がり部とを形成する中空部品である第１の中空部品と、前記二次直穴を形成する中空部品である第２の中空部品と、前記第１、第２の中空部品を嵌め込み連結して前記曲がり部と前記二次直穴とを接続させる外筒とを有する曲がりブラストノズルにおいて、前記二次直穴の入口側が、前記一次直穴の出口口径以上の入口口径を有する縮流部をなしていることを特徴とする曲がりブラストノズル。
（２）前記二次直穴の入口口径が、前記曲がり部の出口口径よりも大であることを特徴とする前記（１）に記載の曲がりブラストノズル。
（３）前記第１の中空部品は、その穴軸がその外径中心軸に対し、前記穴軸と曲がり部出口の開口面との交点が該開口面の中心から曲がり部の曲がり角度領域の収束点側へ偏る向きに傾斜していることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の曲がりブラストノズル。
（４）前記第２の中空部品は、その縮流部を囲む部品外径未満の外径部分であるチップとその余部である本体とが分離可能に合体した二体構造を有することを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか１つに記載の曲がりブラストノズル。
（５）前記二体構造は前記チップと前記本体の軸周回転運動を連動させることを特徴とする前記（４）に記載の曲がりブラストノズル。

本発明によれば、曲がりブラストノズルの高頻度交換部品を１種類に削減でき且つ当該部品の定期的穴軸周回転によって部品交換頻度を更に低減できる事に加え、偏摩耗の進行自体を遅らせる事ができて、管内面研掃工程のランニングコストを大幅に削減する事ができる。

参考のための実施形態（１）を示す縦断面図である。本発明の実施形態（２）を示す縦断面図である。本発明の実施形態（３）を示す縦断面図である。参考のための実施形態（４）を示す縦断面図である。曲がりブラストノズルの従来例（Ａ，Ｂ，Ｃ）を示す縦断面図である。曲がりブラストノズルの砥粒通路穴を構成する一次直穴、曲がり部、二次直穴の定義説明図である。

図１は参考のための実施形態（１）を示す縦断面図である。これは従来例Ｃ（単式ノズル）を３連式ノズルにした場合への本発明適用形態であるが、単式ノズルの場合へも同様に適用される。図１において、９は後面板であり、前掲の図５、図６と同一又は相当の部材には同じ符号を付し説明を省略する（後掲の図２〜４においても同様）。３連式ノズルでは、鋼製の外筒７は計３つの収容穴の各１つに計３組の第１、２の中空部品１０，２０の各１組を収容する三穴構造とされているが、図１では３組の中の１組についてのみ示している。尚、外筒７の入口側の収容穴縁面が砥粒の直撃によって損耗するのを防止するために、砥粒風送配管５との間に二次直穴２への砥粒通し穴を開けた硬質セラミック製の後面板９を配置してある。後面板９は第１の中空部品１０と一体化してもよい。

図１に示す通り、実施形態（１）の特徴は、上流側から一次直穴１、曲がり部ｃ、二次直穴２を順次接続してなる砥粒通路穴の一次直穴１と曲がり部ｃとを形成する中空部品である第１の中空部品１０と、二次直穴２を形成する中空部品である第２の中空部品２０と、第１、第２の中空部品１０，２０を嵌め込み連結して曲がり部ｃと前記二次直穴２とを接続させる外筒７とを有する曲がりブラストノズルにおいて、二次直穴２の入口側が、一次直穴１の出口口径φ０以上の入口口径φ１を有する縮流部４をなしている点にある。この実施形態（１）によれば、噴射口径（二次直穴出口口径である）、一次直穴入口口径、曲がり角度θ、噴射圧（二次直穴出口における噴出圧力である）及び砥粒種を夫々実施形態（１）と同じとした従来例（二次直穴入口側が縮流部をなしていない、又は、二次直穴入口側が縮流部をなしているがφ１＜φ０である）と比較して、前記最速摩耗域への砥粒衝突流速が低下し、第２の中空部品２０の寿命延長が達成できる。

図２は本発明の実施形態（２）を示す縦断面図である。この実施形態（２）は、実施形態（１）において、二次直穴２の入口口径φ１を曲がり部ｃの出口口径Ψ（曲がり部ｃの出口形状となる楕円の長径である）よりも大（φ１＞Ψ）とする変更のみを加えたものである。尚図２では、第１、第２の中空部品１０，２０の領域以外は図示を省略した。この実施形態（２）によれば、実施形態（１）と比較して、前記最速摩耗域への砥粒衝突流速が低下し、第２の中空部品２０の更なる寿命延長が達成できる。この更なる寿命延長効果は、φ１/Ψが１．０５以上でより顕著となるが、φ１/Ψが１．２０超では飽和するので、φ１/Ψは１．０５以上１．２０以下とする。

図３は本発明の実施形態（３）を示す縦断面図である。これは、実施形態（１）において、第１の中空部品１０の穴軸ＡＸ１を外径中心軸ＡＸ０に対し、穴軸ＡＸ１と曲がり部ｃ出口の開口面との交点Ｐが該開口面の中心Ｏから曲がり部ｃの曲がり角度収束点Ｑ側へ偏る向きに傾斜させる変更のみを加えたものである。尚図３では、第１、第２の中空部品１０，２０の領域以外は図示を省略した。この実施形態（３）によれば、従来は外径中心軸ＡＸ０と同軸にとられていた穴軸ＡＸ１を、前記した向きに傾斜角Δθだけ傾斜させたことにより、図示の通り、曲がり角度θがθ０からθ１＝θ０−Δθへと低減し、以て前記最速摩耗域の受ける砥粒衝撃力が緩和される為、穴軸ＡＸ１を非傾斜（Δθ＝０）とした実施形態（１）と比較して、第２の中空部品２０の更なる寿命延長が達成できる。

尚、本発明では、実施形態（２）と実施形態（３）とを組み合わせた実施形態とすることもでき、その組み合わせによる相乗効果が期待できる。

図４は参考のための実施形態（４）を示す縦断面図である。これは、実施形態（１）において、第２の中空部品２０を、その縮流部４を囲む部品外径未満の外径部分であるチップ２０ａとその余部である本体２０ｂとが分離可能に合体した二体構造とする変更のみを加えたものである。尚図４では、第１、第２の中空部品１０，２０の領域以外は図示を省略した。これによれば、チップ２０ａのみが高頻度交換部品となり、第２の中空部品２０全体を交換する場合と比較して、高頻度交換部品の重量が大幅に削減できる。ところで、合体時の第２の中空部品２０に前記定期的軸周回転を加えるときに、チップ２０ａと本体２０ｂ相互間の円周方向位相関係が変わってしまうと、チップ２０ａ円周方向所定角度位置を前記最速摩耗域と整合させる位置合わせが困難となるであろう。従って、チップ２０ａと本体２０ｂ双方の軸周回転運動が互いに連動する構造にしておくことが好ましい。斯かる構造としては、例えば図４（ｂ）の様に、穴軸方向に摺動し合う内側のチップ２０ａと外側の本体２０ｂの摺動面同士の一方に凸部３０を設け、他方に前記凸部３０と嵌合する凹溝３１を設けて、チップ２０ａと本体２０ｂの軸周回転運動を機械的に連動させる構造が挙げられる。

尚、本発明では、実施形態（２）、（３）の何れか一方若しくは両方と実施形態（４）とを組み合わせた実施形態とすることもでき、その組み合わせによる相乗効果が期待できる。

Ｃｒ含有鋼乃至炭素鋼を素材とした継目無鋼管の管内面研掃工程において、図１に示した３連式ノズルを用いる中で、炭化ホウ素製の第１、第２の中空部材１０，２０の摘要諸元を表１に示す各水準通りとした曲がりブラストノズルを用い、前記各水準とも共通に、噴射口径＝１２ｍｍ、噴射圧＝０．７ＭＰａ、砥粒＝アルミナ、として前記研掃を行い、ノズル寿命を調査した。ここでノズル寿命は、第２の中空部材２０の新品使用開始時点から寿命が尽きて交換した時点までの間の実稼働時間（休止時間を除いた合計）で評価した。尚、ここでは第２の中空部品２０は前記チップ２０ａ無しの一体物を用いた。

ノズル寿命の調査結果を表１に示す。尚、ノズル寿命は、水準２に対する比の１００倍である相対指数で表示した。表１より、本発明により、曲がりブラストノズルのノズル寿命が大幅に延長した事が分る。尚、砥粒を前記アルミナに代えてＳＵＳグリットとした場合も同様の寿命延長効果が認められた。

１一次直穴
２二次直穴
４縮流部
５砥粒風送配管
６連結手段
７外筒
８前面板
９後面板
１０第１の中空部品（一次直穴及び曲がり部形成用）
１５，１６，１７，１８中空部品
２０第２の中空部品（二次直穴形成用）
２０ａチップ
２０ｂ本体
３０凸部
３１凹溝
６０，６１，６２，６３連結手段（ねじ等）
ｃ曲がり部

Claims

上流側から一次直穴、曲がり部、二次直穴を順次接続してなる砥粒通路穴の前記一次直穴と前記曲がり部とを形成する中空部品である第１の中空部品と、前記二次直穴を形成する中空部品である第２の中空部品と、前記第１、第２の中空部品を嵌め込み連結して前記曲がり部と前記二次直穴とを接続させる外筒とを有する曲がりブラストノズルにおいて、前記二次直穴の入口側が、前記一次直穴の出口口径以上の入口口径を有する縮流部をなしており、かつ前記二次直穴の入口口径φ１が、前記曲がり部の出口口径Ψよりも大であり、φ１/Ψが１．０５以上１．２０以下を満たすことを特徴とする曲がりブラストノズル。
前記第１の中空部品は、その穴軸がその外径中心軸に対し、前記穴軸と曲がり部出口の開口面との交点が該開口面の中心から曲がり部の曲がり角度領域の収束点側へ偏る向きに傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の曲がりブラストノズル。
前記第２の中空部品は、その縮流部を囲む部品外径未満の外径部分であるチップとその余部である本体とが分離可能に合体した二体構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の曲がりブラストノズル。
前記二体構造は前記チップと前記本体の軸周回転運動を連動させることを特徴とする請求項３に記載の曲がりブラストノズル。