JPH0979776A - 熱交換器およびその組立方法 - Google Patents
熱交換器およびその組立方法Info
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Abstract
を防止する。 【解決手段】 フェライト系鋼からなる入口管寄せ7の
本体7aにフェライト系鋼からなるスタッブ12を取り
付け、フェライト系鋼からなる出口管寄せ8の本体8a
にフェライト系鋼からなるスタッブ13を取り付け、ス
タッブ12、13の端部にオーステナイト系ステンレス
鋼からなる長さ約50mmの継ぎピース43、44を溶
接し、オーステナイト系ステンレス鋼からなる管を管外
径の2倍以上の曲げ半径で曲げてコイル45を製作し、
コイル45の両端部を継ぎピース43、44に溶接す
る。
Description
用される過熱器、再熱器等の熱交換器およびその組立方
法に関するものである。
る。図に示すように、ガス流路の上流側から2次過熱器
54、3次過熱器55、4次過熱器2、後部水壁56、
2次再熱器3、1次再熱器57、1次再熱器58、節炭
器59等の熱交換器群が設けられ、それぞれの熱交換器
には4次過熱器2の入口管寄せ4、出口管寄せ5、後部
水壁56の上部管寄せ6、2次再熱器3の入口管寄せ
7、出口管寄せ8、1次再熱器57上部の出口管寄せ
9、1次過熱器58上部の出口管寄せ10、節炭器59
上部の出口管寄せ11等が天井管1の上方に設けられて
いる。
なる従来の熱交換器の代表的な図として、2次再熱器3
を示す。図に示すように、フェライト系鋼(マルテンサ
イト組織である場合もあるが以下総称してフェライト系
鋼と呼ぶ)例えば火STBA28からなる入口管寄せ7
の本体7aに、フェライト系鋼からなる複数のスタッブ
12が取り付けられ、入口管寄せ7を構成している。ま
た、フェライト系鋼管からなる出口管寄せ8の本体8a
に、フェライト系鋼管からなる複数のスタッブ13が取
り付けられ、出口管寄せ8を構成している。次に、スタ
ッブ12にはフェライト系鋼管からなる入口袖部14が
21において溶接によって取り付けられ、スタッブ13
にはフェライト系鋼管からなる出口袖部15が22にお
いて溶接によって取り付けられ、入口袖部14のスタッ
ブ12とは反対側の端部16にはオーステナイト系ステ
ンレス鋼管からなる長さ約50mmの継ぎピース18が
溶接によって取り付けられ、出口袖部15のスタッブ1
3とは反対側の端部17にはオーステナイト系ステンレ
ス鋼管からなる長さ約50mmの継ぎピース19が溶接
によって取り付けられ、オーステナイト系ステンレス鋼
管からなるコイル20の両端部は前記継ぎピース18、
19に溶接によって取り付けられ、入口袖部14、出口
袖部15、継ぎピース18、19、コイル20でコイル
部が構成されている。入口袖部14、出口袖部15と継
ぎピース18、19との溶接点すなわち材料変換点1
6、17は天井管1の上方に位置している。
他の一例を示す図である。図に示すように、フェライト
系鋼からなる入口管寄せ4の本体4aにフェライト系鋼
管からなる複数のスタッブ23が取り付けられ、入口管
寄せ4を構成している。また、フェライト系鋼からなる
出口管寄せ5の本体5aにフェライト系鋼管からなる複
数のスタッブ24が取り付けられ、出口管寄せ5を構成
している。次に、スタッブ23の一部にはフェライト系
鋼管からなる入口袖部25が70において溶接によって
取り付けられ、スタッブ23の他の一部にはフェライト
系鋼管からなるコイル27が70において溶接によって
取り付けられ、スタッブ24にはフェライト系鋼管から
なる出口袖部26が71において溶接によって取り付け
られ、入口袖部25のスタッブ23とは反対側の端部2
8にはオーステナイト系ステンレス鋼管からなる継ぎピ
ース31が溶接によって取り付けられ、コイル27の端
部29にオーステナイト系ステンレス鋼管からなる継ぎ
ピース32が溶接によって取り付けられ、出口袖部26
の端部30にオーステナイト系ステンレス鋼管からなる
継ぎピース33が溶接によって取り付けられ、オーステ
ナイト系ステンレス鋼管からなるコイル34の両端部が
継ぎピース31〜33に溶接によって取り付けられ、入
口袖部25、出口袖部26、コイル27、コイル34、
継ぎピース31〜33でコイル部が構成されている。入
口袖部25、出口袖部26と継ぎピース31、33との
溶接点すなわち材料変換点28、30は天井管1の上方
に位置しており、コイル27と継ぎピース32との溶接
点すなわち材料変換点29は天井管1の下方に位置して
いる。
0、34を構成する鋼管内には蒸気が通常500℃以
上、50気圧以上となって流れるから、オーステナイト
系ステンレス鋼管が使用されている。しかしながら、管
寄せ4〜7にステンレス鋼を使用すると、ボイラ本体と
の熱膨張差が大きくなり、さまざまな問題が発生するこ
とが予想されるから、フェライト系鋼からなる管寄せ4
〜7が使用され、これに続くスタッブ12、13、2
3、24、入口袖部14、25、出口袖部15、26、
コイル27にもフェライト系鋼管が使用されている。こ
のため、フェライト系鋼管とオーステナイト系ステンレ
ス鋼管との材料変換点16、17、28、29、30が
生ずる。前記材料変換点16、17、28、29、30
においては、フェライト系鋼とオーステナイト系ステン
レス鋼とが異種金属であって物理特性が異なることか
ら、通常のステンレス鋼や低合金鋼で溶接した場合に生
じる高温割れや材料のCr濃度の差による運転時の炭素
移動等を防止するために、中間的な性質を持つNi合金
で溶接される。しかし、このNi合金での溶接において
は、溶接条件範囲が非常に狭く、初層に関しては溶着金
属中のNi濃度39%以上、Fe濃度44%以下を確保
しないと、組織的に不安定になり溶接ビード中央部に高
温割れが発生する。このため、継ぎピース18、19、
31、32、33のルートフェースを長くし、ホットワ
イヤ法により、溶着金属を増やして、Ni量を増加させ
る方法や2種の金属間に予めリング状のNi合金を挟ん
でおき、初層の溶接を実施する等の方法が取られてい
る。いずれの方法もワーク固定の状態での溶接(全姿勢
溶接)ではさらに溶接条件範囲が狭くなることから、自
動溶接の場合は通常ワーク回転の下向き溶接で実施され
ることが多い。
2、33との異種金属同士の溶接した場合は袖部14、
15、25、26、コイル27の熱影響部の最高硬さが
高くなる。とくに、Cr成分が2.25%以上のフェラ
イト系鋼ではHv400程度まで上昇する。特に、フェ
ライト系鋼のうちでも焼戻マルテンサイト組織を示す火
STBA28等は溶接を行なったままでは不安定であ
り、熱影響部のクリープ強度が低下する。このため、継
ぎピース18、19、31、32、33を袖部14、1
5、25、26、コイル27に溶接したのちに700〜
760℃で熱処理を行なう必要がある。
力腐食割れ(SCC割れ)が発生する特徴を持ってい
る。このため、溶接や曲げ加工後には残留応力を除去す
ることが必要であり、1050〜1150℃に過熱した
後に急冷する溶体化処理が行なわれる。この溶体化処理
にはオーステナイト組織内に曲げ応力により発生した応
力誘起マルテンサイトのスリップラインを通常のオース
テナイト組織に戻す目的もある。このような溶体化処理
は一般に曲げ部の局部熱処理として実施されるが、必要
に応じて溶接部を含めてコイル20、34全体に実施す
る場合もある。この場合には管の突合せ溶接や管への部
品溶接を行なったときに、溶接金属の組織がオーステナ
イト100%になるように成分を設計する必要があり、
この場合にフェライトが数%でも発生すれば溶体化処理
によってシグマ相脆化が起こることになる。したがっ
て、溶接性の良好な4%前後のフェライトを含む溶接金
属を選定した場合には、溶接部の溶体化処理を行なうこ
とはできない。また、コイル20、34全体を溶体化処
理すると、過熱冷却によってコイルに変形(歪み)が発
生するから、変形(歪み)修正作業が必要となる。
04H、火SUS321J1H、SUS321H、火S
US304J1Hの熱処理時間、過熱温度(℃)と粒界
侵食速度との関係を示すグラフ(TTS(Time Tempera
ture Sensitization)線図)である。ここで、白丸、ア
スタリスク、黒三角、黒丸はそれぞれ粒界侵食速度(単
位はmm/dayとする)が0.01未満、0.01以
上0.1未満、0.1以上0.5未満、0.5以上であ
ることを示す。これらのグラフから明らかなように、短
時間の700〜760℃の熱処理では粒界侵食速度が大
きくなっており、オーステナイト系ステンレス鋼は若干
ではあるが鋭敏化しており、応力腐食割れが発生しやす
いことがわかる。なお、オーステナイト系ステンレス鋼
の応力腐食割れの原因となる鋭敏化は一般にはJISG
0575に示されるストラウス試験により確認される。
ル27に直接コイル20、34を溶接せずに、継ぎピー
ス18、19、31、32を溶接しているのは、許容応
力の違いによる袖部14、15、25、26、コイル2
7とコイル20、34との肉厚差を継ぎピースによって
吸収し、熱処理による鋭敏化度と鋭敏化領域を少なくす
ると共に、異種金属の溶接となる材料変換点16、1
7、28、29、30での溶接をコイル20、34との
溶接前に下向きで実施し、溶接後は初層の内部確認を実
施するためである。
次再熱器3の組立方法は図17に示すように行なわれ
る。まず、管寄せ本体7a、8aについては、スタッブ
穴などの穴開け加工をし、管寄せ本体同士または閉止板
との周溶接を行ない、管寄せ本体7a、8aを製作す
る。また、スタッブ12、13については、フェライト
系鋼管の曲げ加工によりスタッブ12、13を製作す
る。次に、管寄せ本体7a、8aにスタッブ12、13
を溶接により取り付けたのち、後熱処理を行ない、管寄
せ7、8を製作する。また、コイル20については、ま
ずオーステナイト系ステンレス鋼管の曲げ加工を行な
い、曲げ部の溶体化処理を行なう。次に、オーステナイ
ト系ステンレス鋼管同士の突合せ溶接を行ない、部品組
立、部品溶接を行なって、コイル20を製作する。ま
た、袖部61、62については、フェライト系鋼管であ
る入口袖部14、出口袖部15の端部にそれぞれ継ぎピ
ース18、19を溶接し、曲げ加工を行ない、部品組
立、部品溶接を行なったのち、740℃、1時間の熱処
理を行なって、袖部61、62を製作する。次に、袖部
61、62とコイル20とを組み立て、突合せ溶接を行
ない、部品組立、部品溶接を行ない、コイル部を製作す
る。このようにして前記工程にてそれぞれ製作された管
寄せ4、5とコイル部とを現地において組み立て、据付
後溶接線(最終溶接線)21、22においてスタッブ1
2、13と袖部61、62とをArガス等の不活性ガス
での置換すなわちバックシールドや予熱を実施しながら
溶接したのち、740℃、1時間の熱処理を行なう。
イル20についてはオーステナイト系ステンレス鋼管の
曲げ加工を行なったのち、溶液化処理を行なう前にオー
ステナイト系ステンレス鋼管同士の突合せ溶接、部品組
立、部品溶接を行なった上で、曲げ部を局部的に溶体化
処理を行ない、必要に応じて歪み修正を行なって、コイ
ル20を製作する方法もとられている。また、袖部6
1、62の製作において、熱処理を省略して行なわない
こともある。
組立方法においては、オーステナイト系ステンレス鋼管
からなるコイル20とフェライト系鋼管14、15と継
ぎピース18、19からなる袖部61、62とを別々に
製作し、コイル20と袖部61、62とを組み立て、突
合せ溶接する必要があるから、製作が繁雑であり、また
工期が長期間となる。また、フェライト系鋼管からなる
スタッブ12、13と袖部61、62とを最終溶接する
が、この溶接は低温割れを防止するため、予熱が必要で
あり、バーナによる加熱および温度管理を行なうことに
なる。また、スタッブ12、13、入口袖部14、出口
袖部15が火STBA28等のマルテンサイト組織から
なる鋼管のときには特に、スタッブ12、13、入口袖
部14、出口袖部15の最終溶接線21、22における
溶接によって最高硬さが大きくなり、溶接金属の靱性が
極端に下がることから、予熱に加えて後熱処理が必要と
なる。
れたもので、製作が容易であり、また工期が長期間とな
らない熱交換器およびその組立方法を提供することを目
的とする。
め、本発明においては、管寄せとコイル部とを有する熱
交換器において、フェライト系鋼からなる上記管寄せの
スタッブの端部にオーステナイト系ステンレス鋼からな
る継ぎピースを取り付け、該継ぎピースにオーステナイ
ト系ステンレス鋼からなる上記コイル部の端部を溶接し
た構成とする。
器の組立方法において、フェライト系鋼からなる上記管
寄せのスタッブの端部にオーステナイト系ステンレス鋼
からなる継ぎピースを取り付けたのち、該継ぎピースに
オーステナイト系ステンレス鋼からなる上記コイル部の
端部を溶接する。
オーステナイト系ステンレス鋼管を管外径の2倍以上の
曲げ半径で曲げて製作する。
系、SUS321系、火SUS321J1系または火S
US304J1系のステンレス鋼を用いる。
ける許容応力がSUS347Hの1.2倍以上のオース
テナイト系ステンレス鋼を用いる。
す図である。図に示すように、複数のスタッブ12、1
3の端部にはオーステナイト系ステンレス鋼からなる長
さ約50mmの継ぎピース43、44が溶接され、オー
ステナイト系ステンレス鋼例えば火SUS321J1H
からなるコイル45の両端部が継ぎピース43、44に
溶接され、コイル45の曲げ部は管外径の2倍以上の曲
げ半径で曲げて製作されており、コイル45によってコ
イル部が構成され、スタッブ12、13と継ぎピース4
3、44との溶接点すなわち材料変換点41、42は天
井管1の上方に位置している。
法すなわち本発明に係る熱交換器の組立方法を説明す
る。まず、管寄せ本体7a、8aについては、スタッブ
穴などの穴開け加工をし、管寄せ本体同士または閉止板
との周溶接を行ない、管寄せ本体7a、8aを製作す
る。また、スタッブ12、13については、フェライト
系鋼管の端部に継ぎピース43、44を溶接し、曲げ部
の有るものには曲げ加工を行なって、スタッブ23、2
4を製作する。次に、管寄せ本体7a、8aにスタッブ
23、24を溶接により取り付けたのち、740℃、3
時間の後熱処理を行なう。次に、コイル45について
は、曲げ部の有るものにはオーステナイト系ステンレス
鋼管の曲げ加工を行なったのち、突合せ溶接を行ない、
部品組立、部品溶接を行なって、コイル45を製作す
る。さらに、現地において管寄せ7、8とコイル45と
を組み立て、バックシールドを実施し、据付後溶接線4
6、47で継ぎピース43、44とコイル45とを突合
せ溶接する。
方法では、従来例のようなコイルと袖部とを別々に製作
し、コイルと袖部とを組み立て、突合せ溶接する必要が
ないから、製作が容易であり、また工期が長期間となる
ことがない。また、オーステナイト系ステンレス鋼から
なる継ぎピース43、44と同種材質からなるコイル4
5とを最終溶接するから、最終溶接において予熱、後熱
処理が不要となり、バーナによる加熱および温度管理を
行なう必要がないため、現地において行なわれる最終溶
接が非常に容易となり、工期が長期間となることがな
い。また、スタッブ12、13に継ぎピース43、44
が取り付けられた後に後熱処理が行なわれるが、熱処理
時間を3時間と長くしたことで、鋭敏化度が鈍化される
ので、継ぎピース43、44に応力腐食割れが発生する
ことはない。また、コイル45の曲げ加工後にフェライ
ト系鋼の硬さを低減するための熱処理を行なわないか
ら、鋭敏化が起こらず、応力腐食割れが発生しないの
で、コイル45の曲げ部の応力腐食割れを防止するため
の溶体化処理を実施する必要がなくなり、コイル45の
製作が容易であり、工期が長期間となることがない。
US304J1H、SUS321J1Hに減肉率10%
の加工を加えた場合のクリープ破断強度を示すグラフで
ある。図7に示した試料は図6に示した試料に引張試験
機により減肉率10%の加工を加えたのち切削加工をし
て平滑面としたものである。ここで、該図7に示した試
料を650℃に加熱した場合を白丸とし、図7に示した
試料を700℃に加熱した場合を白三角とし、図7に示
した試料を750℃に加熱した場合を白四角とする。ま
た、図8に示した試料は図6に示した試料に引張試験機
により減肉率10%の加工を加えたのち切削加工をして
切欠き部分を設けたものである。ここで、該図8に示し
た試料を650℃に加熱した場合を黒丸とし、図8に示
した試料を750℃に加熱した場合を黒四角とする。な
お、実線は未加工の試料の平均クリープ破断強度を示
す。これらのグラフから明らかなように、加工度(減肉
率)10%の加工を加えた場合のクリープ破断強度は未
加工の試料の平均クリープ破断強度と比較して同等以上
である。ここで、鋼管を管外径の2倍の曲げ半径で曲げ
た(2DR)ときには、加工度が10%になる。したが
って、本発明の実施の形態においてオーステナイト系ス
テンレス鋼管を管外径の2倍以上の曲げ半径で曲げた場
合には、十分なクリープ破断強度を有しており、オース
テナイト組織内に曲げ応力により発生した応力誘起マル
テンサイトのスリップラインを通常のオーステナイト組
織に戻すための溶体化処理を必要としない。例えば、コ
イル45をSUS347系、SUS321系、火SUS
321J1系または火SUS304J1系のオーステナ
イト系ステンレス鋼で構成したときには、溶体化処理を
行なわなくとも、コイル45のクリープ強度が低下する
のを確実に防止することができる。
図である。本実施の形態は図12に示す従来例に本発明
を実施した例である。図に示すように、複数のスタッブ
23、24の端部にはオーステナイト系ステンレス鋼か
らなる長さ約50mmの継ぎピース50、51が溶接さ
れ、オーステナイト系ステンレス鋼からなるコイル52
の両端部が継ぎピース50、51に溶接され、コイル5
2の曲げ部は管外径の2倍以上の曲げ半径で曲げて製作
されており、コイル52によってコイル部が構成され、
スタッブ23、24と継ぎピース50、51との溶接点
すなわち材料変換点48、49は天井管1の上方に位置
している。
同様の効果が得られる。
おいては、コイル部がフェライト系鋼からなる入口袖部
25、出口袖部26、コイル27およびオーステナイト
系ステンレス鋼からなるコイル34で構成されているの
に対して、図9に示した熱交換器においては、コイル部
全体をオーステナイト系ステンレス鋼からなるコイル5
2で構成しており、オーステナイト系ステンレス鋼の単
位重量あたりの価格はフェライト系鋼の単位重量あたり
の価格より高いことから、材料コストが上昇することが
考えられる。しかし、図9に示した熱交換器においては
コイル52が火SUS321J1Hからなるときには、
再熱器の場合にはコイル52の肉厚が4mm以下と薄く
なり、また火SUS321J1Hの600℃における許
容応力はSUS347Hの許容応力の1.2倍以上であ
るから、図12に示した熱交換器と比較した材料コスト
の増加はわずかであり、材料コストの増加より製作が容
易であることによる製作コストの低減のメリットの方が
大きい。また、コイル52が火SUS304J1Hから
なるときには、火SUS304J1Hの600℃におけ
る許容応力はSUS347Hの許容応力の1.4倍程度
であるから、コイル52の肉厚をかなり薄くすることが
できるので、図12に示した熱交換器と比較した材料コ
ストの増加はほとんどなくなる。
換器およびその組立方法においては、コイルと袖部とを
別々に製作し、コイルと袖部とを組み立て、突合せ溶接
する必要がないから、製作が容易になる。また、オース
テナイト系ステンレス鋼からなる継ぎピースと同種材料
からなるコイルとを最終溶接するから、最終溶接におい
て予熱、後熱処理が不要となり、最終溶接が非常に容易
となる。さらにコイルの曲げ加工後にフェライト系鋼の
硬さを低減するための熱処理を行なう必要がないから、
鋭敏化が生ずることがなく、応力腐食割れが発生するこ
とがないので、コイルの曲げ部の応力腐食割れを防止す
るための溶体化処理を実施する必要がない。このよう
に、コイルの製作が容易であり、工期が長期間となるこ
とがない。
なる管を管外径の2倍以上の曲げ半径で曲げてコイルを
製作したときには、オーステナイト組織内に曲げ応力に
より発生した応力誘起マルテンサイトのスリップライン
を通常のオーステナイト組織に戻すための溶体化処理を
必要としない。
火SUS321J1系または火SUS304J1系のス
テンレス鋼からなるコイルを用いたときには、溶体化処
理を行なわなくともコイルのクリープ強度が低下するの
を確実に防止することができる。
347Hの1.2倍以上のオーステナイト系ステンレス
鋼からなるコイルを用いたときには、コイルの肉厚を薄
くすることができることから、材料コストを低減するこ
とができる。
る。
である。
である。
である。
料を説明する図である。
料を示す図である。
料を示す図である。
侵食速度との関係を示すグラフである。
侵食速度との関係を示すグラフである。
侵食速度との関係を示すグラフである。
侵食速度との関係を示すグラフである。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】管寄せとコイル部とを有する熱交換器にお
いて、フェライト系鋼からなる上記管寄せのスタッブの
端部にオーステナイト系ステンレス鋼からなる継ぎピー
スを取り付け、該継ぎピースにオーステナイト系ステン
レス鋼からなる上記コイル部の端部を溶接した構成とし
たことを特徴とする熱交換器。 - 【請求項2】管寄せとコイル部とを有する熱交換器の組
立方法において、フェライト系鋼からなる上記管寄せの
スタッブの端部にオーステナイト系ステンレス鋼からな
る継ぎピースを取り付けたのち、該継ぎピースにオース
テナイト系ステンレス鋼からなる上記コイル部の端部を
溶接することを特徴とする熱交換器の組立方法。 - 【請求項3】オーステナイト系ステンレス鋼からなる管
の曲げ部を管外径の2倍以上の曲げ半径で曲げて製作し
た上記コイル部からなることを特徴とする請求項1に記
載の熱交換器。 - 【請求項4】SUS347系、SUS321系、火SU
S321J1系または火SUS304J1系のステンレ
ス鋼からなる上記コイル部を用いたことを特徴とする請
求項1に記載の熱交換器。 - 【請求項5】600℃における許容応力がSUS347
Hの1.2倍以上のオーステナイト系ステンレス鋼から
なる上記コイルを用いたことを特徴とする請求項1に記
載の熱交換器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP23226795A JP3466341B2 (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 熱交換器の組立方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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JPH0979776A true JPH0979776A (ja) | 1997-03-28 |
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JP23226795A Expired - Lifetime JP3466341B2 (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 熱交換器の組立方法 |
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JP (1) | JP3466341B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008068262A (ja) * | 2006-09-12 | 2008-03-27 | Babcock Hitachi Kk | 管寄/スタッブ管溶接構造体ならびにそれを備えたボイラ装置 |
JP2018136085A (ja) * | 2017-02-22 | 2018-08-30 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 伝熱管の製造方法ならびに伝熱管およびこれを備えたボイラ |
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JP2015017778A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-01-29 | 株式会社Ihi | 管寄せ部構造及びこれを用いた熱交換器 |
-
1995
- 1995-09-11 JP JP23226795A patent/JP3466341B2/ja not_active Expired - Lifetime
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