JPH1122872A - 管継手、およびそれを用いた管の接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接割れを起こしやすい材料から成る管の管
継手とそれら管を接続する方法を提供する。 【解決手段】 この継手部Ａは、管端面１ａ，２ａ近傍
の外径は他の個所よりも小径になっている管端部１Ａ，
２Ａを有する管１，２と、少なくとも管端部を被包しか
つ後端部４ｂ，５ｂが管１，２の外周に溶接されたスリ
ーブ４，５とから成る一対の継手部Ａ１，Ａ２が、スリ
ーブ４，５の先端部４ａ，５ａで溶接され、管の互いの
管端面は管軸方向に遊動可能に係合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は管継手とそれを用い
た管の接続方法に関し、更に詳しくは、溶接割れを起こ
しやすい材料から成り、高熱の粉粒体を輸送するために
用いられる管の継手とそれを用いた管の接続方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】微粉炭を燃料源として稼働する火力発電
所の燃焼ガスには硬い石炭灰が含有されているので、次
のようにしてこの石炭灰の分離・回収が行われる。すな
わち、燃焼ガスはサイクロンに導かれ、そこで石炭灰が
分離される。そして、分離後の石炭灰は、その温度が６
５０℃程度の高温であるので、つづいて、サイクロンに
接続されていて、空気流で冷却される配管構造の中を通
って３００℃程度の温度にまで冷却されたのち系外に排
出される。

【０００３】ここで、上記した配管構造は一種の熱交換
器として機能し、通常、省スペースの点から、真直な管
をＵ字管やＴ字管を用いて互いに接続することにより、
全体として折曲した構造のものが使用されている。そし
て、この配管構造は、一般に、必要とする管材を設置場
所に搬入し、当該設置場所で、作業者がそれら管材を互
いに接続することによって組み立てられる。

【０００４】ところで、この配管構造の場合、各管の接
続部は気密構造になっていることが必要である。気密で
ない場合には、その接続部から高熱の石炭灰が漏洩する
ような不都合な事態が起こり得るからである。また、各
管の内部を流れる石炭灰はその硬度が高い高熱の粉粒体
であるため、用いる管の材質は高温下で耐摩耗性に優れ
ていることが必要となる。耐摩耗性に劣る材料の場合に
は、管壁の摩耗が短期間で進んでしまうので運転寿命が
短くなってしまうからである。

【０００５】上記した要件を満足する配管構造を現場で
組み立てることを考えると、耐摩耗性に優れた材質の管
をその管端面で突合せ、その突合せ個所を溶接して互い
の管の接続部を気密構造にすることが組立作業としては
好適といえる。ところで、従来から、例えば、２.８％
Ｃ−２７％Ｃｒ−Ｆｅ，１.８％Ｃ−１７％Ｃｒ−１.２
％Ｍｏ−Ｆｅのような高クロム鋳鉄を遠心鋳造して製造
した管が鋳砂の輸送管として知られている。この高クロ
ム鋳鉄は、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が６００〜８００と
高硬度であり、耐摩耗性に優れた材料である。

【０００６】しかしながら、この高クロム鋳鉄は炭素当
量が大きいので、溶接時に熱間割れを起こしやすい材料
である。そのため、この材質の管を互いに溶接して前記
した配管構造を組み立てることは非常に困難である。し
たがって、この材質の管を互いに接続してある配管構造
を組み立てようとする場合には、互いの管の管端部をフ
ランジ構造として突合せ、その突合せ個所の外側に締め
具を配置して互いのフランジを管軸方向に緊締して気密
に接続する方法を採用することができる。

【０００７】しかしながら、上記した接続構造を本発明
の対象である前記配管構造に適用することは不適切であ
る。その理由は、本発明が対象とする配管構造の場合、
管内を石炭灰のような高熱粉粒体が流れるからである。
すなわち、管内を流れる石炭灰の高熱によって当該管の
内壁側は熱膨張し、他方、相対的に低温の空気流と接触
している外壁側はそれほど熱変形しないので、接続部で
は、フランジ構造を外側に開くような力が発生する。そ
してその影響を受けて締め具による緊締状態が弛緩して
当該接続部の気密性が破れ、その結果、接続部から石炭
灰が漏洩して噴出事故を招く虞れもある。

【０００８】したがって、上記フランジ構造の場合には
増締めを行うことが必要になり、この増締めができない
場合、例えば、このフランジ構造が加圧流動床ボイラの
圧力容器内に配置されているような場合には、採用する
ことはできない。また、熱交換器内のチューブ間接続に
フランジ構造を採用すると、フランジ部分が余分なスペ
ースとなるため、チューブの配置密度は小さくなって全
体の熱効率の低下という問題が起こってくる。

【０００９】そして、そもそもがフランジ付きの管の製
造コストは高いので、このフランジ構造による配管構造
はコスト面において不利であるという問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した高
クロム鋳鉄のように、溶接時に熱間割れを起こしやすい
材質から成り、また管内を高熱の粉粒体が流れるような
管を互いに気密に接続するために有効な管継手とそれを
用いた管の接続方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
目的を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、例えば
前記した高クロム鋳鉄は溶接時に熱間割れを起こしやす
いとはいえ、後述する条件下においては、例えばインコ
ネル６００（商品名）のようなニッケル基合金との間で
溶接可能であるとの事実に着目し、このことを利用する
ことにより、本発明の管継手とそれを用いた管の接続方
法を開発するに至った。

【００１２】すなわち、本発明の管継手は、管端面近傍
の外径は他の個所よりも小径になっている管端部を有す
る管と、少なくとも前記管端部を被包しかつ後端部が前
記管の外周に溶接されたスリーブとから成る一対の継手
部が、前記スリーブの先端部で溶接され、前記管の互い
の管端面は管軸方向に遊動可能に係合されていることを
特徴とする管継手が提供され、また本発明においては、
管端面近傍の外径が他の個所より小径になっている管端
部を有する管の少なくとも前記管端部を被包してスリー
ブを前記管に外嵌したのち全体を温度域３００〜６００
℃で加熱し、ついで、前記管を前記温度域に保持した状
態で前記スリーブの後端部を前記管の外周に隅肉溶接し
たのち徐冷し、全体を温度９００〜１１５０℃で焼なら
し、温度４００〜６００℃で焼戻し、ついで、前記スリ
ーブの先端部を突合せたのちその突合せ部を溶接するこ
とを特徴とする管の接続方法が提供される。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は一対の継手部Ａ１，Ａ２が
接続されたのちの本発明の管継手Ａを示す断面図であ
り、図２は各継手部Ａ１，Ａ２を示す断面図である。図
１において、接続すべき一対の管１，２のそれぞれの管
端部１Ａ，２Ａは、その外径が他の個所よりも小径にな
っている。そして、管端部１Ａ，２Ａのそれぞれの管端
面１ａ，２ａは、図のように互いに噛み合うようにして
係合し、かつ、管端面１ａと管端面２ａの間には管周方
向に溝状のクリアランス３が形成されている。

【００１４】また、各管１，２の外周には、少なくとも
それぞれの管端部１Ａ，２Ａを被包する長さのスリーブ
４，５が配置され、各スリーブの後端部４ｂ，５ｂが後
述する隅肉溶接部６を介することにより各管１，２の外
周に固定されている。そして、各スリーブ４，５の先端
部４ａ，５ａが溶接されている。したがって、この管継
手Ａの場合、接続対象の管１，２それ自体は溶接されて
おらず、互いに係合しているのみである。したがって、
各管は管軸方向に遊動可能となっている。また気密構造
は後端部が管の外周と溶接されかつ互いの先端部が溶接
されているスリーブ４，５によって確保されている。ま
た、管端部１Ａ，２Ａと溶接後のスリーブ４，５の間に
は管周方向に帯状のクリアランス７が形成されているこ
とも管継手Ａの構造上の特徴の１つになっている。

【００１５】管継手Ａをこのような構造にする理由を以
下に述べる。まず、本発明で対象としている管は、前記
した高クロム鋳鉄のように溶接割れを起こしやすく、事
実上、溶接困難な材料から成る管である。したがって、
互いの管端面１ａ，２ａを直接現場溶接することはでき
ないので、管端面は単に係合させるだけにとどめる。

【００１６】その場合、管内に前記したような高温の粉
粒体が流れたときには、管１，２が管軸方向に熱膨張す
るので、その熱膨張量を勘案して、互いの管端面１ａ，
２ａの間に所定のクリアランス３を形成し、管軸方向に
遊動可能となるように係合させている。管継手の気密構
造はスリーブ４，５で確保される。その場合、各スリー
ブ４，５の先端部４ａ，５ａを溶接するときに、その内
側に位置する管１，２の管端部１Ａ，２Ａへの熱影響を
回避するため、管端部１Ａ，２Ａを小径にしてスリーブ
４，５との間にクリアランス７が形成されている。

【００１７】このような構造の管継手Ａは、次のような
管の接続に対して有効である。例えば、Ｃ含有量が０.
３５重量％以上で溶接時に熱間割れを起こしやすい材
料、例えば、ＪＩＳ ＳＫＤ６１，ＪＩＳ ＳＫＤ１
１，高速度鋼，粉末ハイスなどで製造された管である。
とくに、Ｃ：２.０〜３.３重量％，Ｃｒ：２３.０〜３
０.０重量％，Ｓｉ：１.５重量％以下，Ｍｎ：２.０重
量％以下，Ｐ：０.１０重量％以下，Ｓ：０.０６重量％
以下，Ｃｕ：１.２重量％以下，Ｎｉ：２.５重量％以
下，Ｍｏ：３.０重量％以下の組成に代表される高クロ
ム鋳鉄の管に対しては有効である。

【００１８】この高クロム鋳鉄の管の場合、その硬度は
ＨＲＣ５６〜６４であり耐摩耗性に優れているので、前
記した石炭灰の輸送管としては好適である。しかも、遠
心鋳造によりその製造も比較的容易であるため、安価で
あるという経済的メリットも大きい。また、スリーブと
しては、その熱膨張係数が管の熱膨張係数に近似してい
て、しかも溶接性に優れている材料から成るものが好ま
しい。具体的には、Ｃ含有量が０.３５重量％未満のＦ
ｅ，Ｎｉ，Ｃｏ基合金、例えば、インコネル６００，イ
ンコネル６２５などを好適例としてあげることができ
る。

【００１９】この管継手Ａを組み立てる場合には、当該
組立現場とは別の場所で、まず、継手部Ａ１，Ａ２を製
造する。その製造方法を以下に説明する。まず、接続対
象の管１，２を焼なましたのち、その管端部１Ａ，２Ａ
が機械加工される。焼なましは、７００〜９２０℃の温
度域で行われる。

【００２０】例えば、管１が前記した組成の高クロム鋳
鉄から成る場合、具体的には、管１を昇温速度２００℃
／hrで８８０±１０℃の温度にまで加熱し、当該温度で
３時間保持したのち降温速度５０℃／hrで７８０±１０
℃の温度にまで冷却し、当該温度で３時間保持したのち
再び温度速度５０℃／hrで７００℃に冷却し、以後、大
気中で放冷する。

【００２１】この加熱処理によって管１は加工歪みが除
去されると同時に軟化する。例えば、２.８％Ｃ−２７
％Ｃｒ−Ｆｅの高クロム鋳鉄の場合、常温ではＨＲＣ５
６〜６４と高硬度であるが、上記温度域での加熱により
ＨＲＣ３５〜４５程度にまで軟化する。この加熱温度が
７００℃より低い場合は、軟化が充分ではないため次段
のスリーブに対する隅肉溶接時に熱間割れが起こりやす
くなり、また９２０℃を超える温度に加熱すると、例え
ば前記高クロム鋳鉄の場合、後述するスリーブへの隅肉
溶接後に、焼ならし，焼戻しを行っても、管１は硬くな
らないという問題が生ずる。

【００２２】上記したような加熱処理によって軟らかく
した管１，２の管端面１ａ，２ａを互いが噛み合うよう
な形状に切削加工し、また管端部１Ａ，２Ａの外周を所
定形状に切削加工して所定寸法だけ小径にする。そのと
き、管端面１ａ，２ａ間のクリアランス３の大きさは、
管内を流れる高温粉粒体による熱膨張量を勘案して決め
られる。

【００２３】ついで、加工済みの管１の管端部１Ａから
スリーブ４を管１に外嵌する。このとき、スリーブ４の
長さは管端部１Ａの長さよりも長くなっていて、当該ス
リーブ４によって管端部１Ａが確実に被包されることが
必要である。そして、全体を３００〜６００℃の温度域
で加熱し、その温度を保持した状態でスリーブ４の後端
部４ｂと管１の外周との間に隅肉溶接を行い隅肉溶接部
６を形成する。

【００２４】この隅肉溶接時に、管１の温度が３００℃
よりも低くなると溶接割れが多発するようになり、また
６００℃よりも高くすると溶接時の作業者の作業性が悪
くなる。ついで、全体を９００〜１１５０℃の温度で焼
ならし、更に４００〜６００℃の温度で焼戻したのち放
冷する。

【００２５】この加熱処理により、溶接歪みは除去さ
れ、管材料の組織は微細化してその靭性，硬度などの機
械的強度が向上する。この焼ならし温度が９００℃より
低い場合は上記した効果が発現せず、また１１５０℃よ
り高くなると逆に硬度低下が起こりはじめて耐摩耗性が
劣化してしまう。焼戻し温度が４００℃より低い場合に
は硬度が高くなりすぎて仕上げ加工が困難となり、また
６００℃より高い場合には管の軟化が起こりはじめる。
例えば、前記した２.８％Ｃ−２７％Ｃｒ−Ｆｅの高ク
ロム鋳鉄の場合、温度５００℃のときはＨＲＣ５７と管
硬化は顕著であるが、温度７００℃の場合はＨＲＣ４５
であって、むしろ軟化してしまう。

【００２６】そして最後に、スリーブ４の突合せ端面に
仕上げ加工を行って、図２で示した管継手Ａ１（Ａ２）
が製造される。図１で示した管継手Ａを組み立てる場合
には、上記したようにして製造した継手部Ａ１，Ａ２を
組立現場に搬入し、それぞれを所定の支持台に固定して
互いの管軸を合わせて管端面１ａ，２ａおよびスリーブ
の先端部４ａ，５ａを突合せる。このとき、スリーブの
先端部４ａ，５ａで管１，２の位置決めがなされる。

【００２７】ついで、スリーブの先端部４ａ，５ａに例
えば継手溶接を行って管１，２の接続が終了する。この
とき、スリーブの内側にはクリアランス７が形成されて
いるので、溶接による管端部への熱影響は緩和され、当
該管端部の例えば割れは起こらない。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
管継手は、溶接割れを起こしやすい材料の管を現場で溶
接して接続する場合に適用して有効である。とくに、
２.８Ｃ−２７Ｃｒ−Ｆｅの高クロム鋳鉄の管を現場で
接続する場合に有用であり、例えば火力発電所における
硬い石炭灰の分離工程で使用される配管構造を組み立て
るときの管継手として有用である。

【００２９】そして、本発明の管の接続方法は、組立現
場とは別の場所で溶接割れを起こさないように継手部を
製造し、それらを組立現場に搬入して目的の配管構造に
組み立てるので、極めて実用的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の管継手Ａを示す断面図である。

【図２】本発明の管継手Ａに用いる継手部Ａ１，Ａ２を
示す断面図である。

【符号の説明】

１，２ 管 １Ａ，２Ａ 管端部 １ａ，２ａ 管端面 ３ 管端面間のクリアランス ４，５ スリーブ ４ａ，５ａ スリーブの先端部 ４ｂ，５ｂ スリーブの後端部 ６ 隅肉溶接部 ７ スリーブと管端部の間のクリアランス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 31/00 Ｂ２３Ｋ 31/00 Ｈ 33/00 33/00 Ａ Ｃ２１Ｄ 9/08 Ｃ２１Ｄ 9/08 Ｆ 9/50 １０１ 9/50 １０１Ａ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ 38/58 38/58 Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２６ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２６ ６９１ ６９１Ａ 1/10 1/10 Ａ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管端面近傍の外径は他の個所よりも小径
   になっている管端部を有する管と、少なくとも前記管端
   部を被包しかつ後端部が前記管の外周に溶接されたスリ
   ーブとから成る一対の継手部が、前記スリーブの先端部
   で溶接され、前記管の互いの管端面は管軸方向に遊動可
   能に係合されていることを特徴とする管継手。
2. 【請求項２】 前記管が、Ｃ含有量が０.３５重量％以
   上である難溶接材から成り、前記スリーブがＣ含有量
   ０.３５重量％未満のＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ基合金から成る
   請求項１の管継手。
3. 【請求項３】 前記管が高クロム鋳鉄から成り、前記ス
   リーブがインコネル６００から成る請求項１の管継手。
4. 【請求項４】 管端面近傍の外径が他の個所より小径に
   なっている管端部を有する管の少なくとも前記管端部を
   被包してスリーブを前記管に外嵌したのち全体を温度域
   ３００〜６００℃で加熱し、ついで、前記管を前記温度
   域に保持した状態で前記スリーブの後端部を前記管の外
   周に隅肉溶接したのち徐冷し、全体を温度９００〜１１
   ５０℃で焼ならし、温度４００〜６００℃で焼戻し、つ
   いで、前記スリーブの先端部を突合せたのちその突合せ
   部を溶接することを特徴とする管の接続方法。