JPH11294649A - 低温物質処理用設備 - Google Patents
低温物質処理用設備Info
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- JPH11294649A JPH11294649A JP10095875A JP9587598A JPH11294649A JP H11294649 A JPH11294649 A JP H11294649A JP 10095875 A JP10095875 A JP 10095875A JP 9587598 A JP9587598 A JP 9587598A JP H11294649 A JPH11294649 A JP H11294649A
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Abstract
鋼製の管継手や機器との接続を合理的に行った低温物質
処理用設備の提供。 【解決手段】Fe−Ni系低熱膨張率合金製の配管1と、ス
テンレス鋼製の管継手(曲管6、分岐管7)や機器(弁
2等)に同材質の延長直管部3を設け、この延長直管部
3に上記低熱膨張率合金製配管を溶接する。直管部3の
長さL(mm)は、 0.6(R×t)1/2 以上とする。ここ
で、Rは延長直管部の外半径(mm)、tはその肉厚(m
m)である。 【効果】異材質溶接が直管同士の溶接になるから、熱応
力分布の予測ができ、応力解析、配管設計が容易にな
る。
Description
率合金製の配管と、ステンレス鋼製の機器とを組み合わ
せて構成される、低温物質、例えば液化天然ガス(LNG)
の輸送用、貯蔵用等の設備に関する。
は、熱膨張率が著しく小さい。特に、36%Ni−Fe合金お
よび42%Ni−Fe合金は、インバー合金と呼ばれて温度変
化による熱膨張を嫌う種々の部品材料として実用に供さ
れている。しかし、インバー合金の従来の用途は、バイ
メタルやブラウン管のシャドウマスクというような比較
的小型の精密機器の部品が多い。
物質の輸送用配管(低温配管)に応用すれば、きわめて
大きな実益が得られる。低温配管は、通常、SUS 304の
ようなオーステナイト系のステンレス鋼で作られている
が、この材料は、熱膨張率が大きいので、配管の温度変
化に起因する膨張・収縮量が大きい。従って、配管の所
々にはこの膨張・収縮を吸収するためのループ管を挟む
必要がある。
式的概略図であり、配管にステンレス鋼製の管を使用し
た従来の例である。(b)は配管にFe−Ni系低熱膨張率合
金製の管を使用した輸送ラインを含む本発明の設備の模
式的概略図である。
鋼配管を用いる輸送ラインには、数十m間隔ごとにルー
プ管4が設置されているが、それに伴い、下記のような
数々の問題が生じる。
の保冷作業にも手間がかかる。
ボ管が必要になる。
スペースを必要とする。トンネル内配管の場合にはトン
ネルの径を大きくしなければならない。
し、これに伴い圧力損失が増大する。
ステナイト系ステンレス鋼の約1/10である。このような
合金を低温配管用の材料とすれば、図2の(b)に示すよ
うに配管の途中にループ管を設ける必要がなくなり、前
記の問題は一挙に解決できる。
設備。ここでは、低温物質処理設備と総称する)は、配
管1の途中に弁2、曲管(エルボ)6、分岐管7を有す
るだけでなく、貯槽(タンク)5や図示しない気化器、
ポンプ等様々な機器から構成されている。
手と記す)、ならびに弁、ポンプ、タンクおよび気化器
等(以下、これらを機器と記し、上記の管継手とこの機
器とを合わせて「管継手・機器」と総称する)が配管と
同じくNi−Fe系低熱膨張率合金で製造されていれば、相
互の接続を溶接で行っても、大きな問題は生じない。し
かしながら、上記の管継手・機器のすべてをNi−Fe系低
熱膨張率合金製とするのは困難であるから、これらの管
継手・機器としては、一般的なステンレス鋼製の物を使
用するのが現実的である。
も接合することはできるが、液密性を確保するためには
溶接によって接合するのが望ましい。従って、配管材料
に低熱膨張率合金を使用するためには、ステンレス鋼製
の管継手・機器と低熱膨張率合金製の管との溶接、即
ち、異材溶接の問題を解決しなければならない。
る、いわゆる異材溶接は困難なことが多い。特に前記の
ように熱膨張率に大きな相違がある材料では、溶接がで
きても使用中の温度変化によって溶接継手部に大きな熱
応力が発生する。
一人は「Fe−Ni系低熱膨張率合金管とステンレス鋼管と
の間に、両材料の中間の熱膨張率を有する材料製の管を
介在させて溶接接合する構造」を提案した(特開平8-21
5879号公報、参照)。
も、熱膨張率の異なる管が直接溶接された構造では、そ
れに低温流体を通したとき、熱膨張率の大きな管が収縮
するので、低熱膨張率合金には引張り応力が働くことに
なる。この引張り応力を緩和するため、上記提案の構造
では両材料の中間の熱膨張率を有する管を介在させるの
である。しかし、この構造には中間熱膨張率の管(たと
えば、9%Ni鋼製の管)を別途準備する必要がある。ま
た、主配管を構成する直管同士の接合であれば、上記の
効果が期待できるが、直管と複雑な形状を持つ管継手・
機器との接合の場合には、特に後者に発生する応力の解
析が難しく、仮に中間熱膨張率の管を介在させても設
計、施工の基準を定めるのが困難である。
管、即ち、同じサイズの直管同士の溶接であれば、管の
材質がステンレス鋼とFe−Ni系低熱膨張率合金であって
も、直接溶接して支障のない技術を開発した。しかしな
がら、管と前述の様々な機器との接合では、機器の形状
が単純ではないために、異材溶接には依然として問題が
ある。
にFe−Ni系低熱膨張率合金製の管を用いる低温物質輸送
用設備において、ステンレス鋼製の管継手・機器と配管
との接合を合理的に行って、設備の設計を容易にし、そ
の製作のコストを下げることを課題としてなされたもの
である。
系低熱膨張率合金製の管と、ステンレス鋼製の管ならび
に同じくステンレス鋼製の管継手および機器(管継手・
機器)とで構成される設備であって、上記Fe−Ni系低熱
膨張率合金製の管に溶接されるものがステンレス鋼製の
直管であり、その長さLが、下記の式を満たすことを
特徴とする低温物質処理設備」にある。なお、上記のス
テンレス鋼製の直管は、機器の配管との接続部に延長直
管部として設けるのが望ましい。
は同じく肉厚(mm)である。
とは、前述の曲管(エルボ)、分岐管、弁、気化器、貯
蔵槽(タンク)等を意味する。低温物質を取り扱う設備
用のこれらの機器は、一般にオーステナイト系のステン
レス鋼で作製されているが、フェライト系や二相系のス
テンレス鋼製であってもよい。ただし、直管部3の材質
は機器の材質と同じであることが望ましい。
大図で、本発明設備の機器と配管の接続部の態様を示す
図である。ステンレス鋼製の管継手・機器として、図1
の(a)では弁2、同(b)では曲管6、(c)では分岐管7を
それぞれ例示している。図示のように、弁2、曲管6ま
たは分岐管7には上記式を満たす長さLのステンレス
鋼製の延長直管部3を設け、その直管部とFe−Ni系低熱
膨張率合金製の管1とを溶接して、低温物質処理設備を
構成する。
なす配管1と機器(この例では弁)2との接合状態を示す
図である。配管1はFe−Ni系低熱膨張率合金(いわゆる
インバー合金)製であり、弁2は通常のステンレス鋼(S
US304)製のものである。弁2には同材質の延長直管部
3が設けられており、この直管部3がFe−Ni系低熱膨張
率合金製の配管1に溶接される。即ち、配管1は、標準
的な形状の通常の弁に直接溶接されるのではなく、弁2
と同材質、即ち、ステンレス鋼製の直管部3を介して弁
2に接続される。
約はない。例えば、弁の製造の際に、直管部3を一体的
に製造しておいてもよい。要するに、主配管に接続する
部分に、前記の所定長さ以上の直管部が存在すればよい
のである。しかしながら、直管部3は、汎用の標準的な
弁に所定長さの短管を溶接して構成するのが実際的であ
る。この場合の溶接は、通常のステンレス鋼部材同士の
溶接法、例えばティグ溶接などで行えばよい。短管を予
め機器に溶接しておけば、図1のS1の溶接を作業環境の
良い場所で十分な管理の下に行うことができるだけでな
く、設備の現地組立の作業が楽になる。
だけである。そして、この部分は、ほぼ同じ外径と肉厚
の管同士の溶接であるから、内部を流れるLNGのような
極低温の液体で冷却されても、両方の管に生じる熱応力
は、後述する図3に示すように応力の向きは異なるもの
の大きさはほぼ同等であり、どちらかの管に極端に負担
が生じることはない。さらに、接合部の形状が単純であ
ることから特定の部分に大きな応力集中が生じるような
ことはなく、かつ発生応力の分布を解析により正確に把
握することができる。
の接合部S1は、溶接でもよい。この場合、同じ材質のス
テンレス鋼同士の溶接であるから、従来の差込式継手の
溶接でもまったく問題はない。仮に、弁2に配管1を直接
溶接すれば、通常、弁2の剛性は配管1の剛性よりも遙か
に大きいことから、低温物質によって冷却された場合、
配管1側は弁2の冷却による変形に追随せざるを得ないこ
とになり、配管1側に偏って大きな熱応力が生じる。弁
と配管の溶接接合部には差込み式継ぎ手が多用される
が、突き合わせ継ぎ手に比べて形状が複雑であり、この
部分が異材継ぎ手になると、熱応力の集中が生じ、配管
使用中の破損の原因となるおそれがある。また、解析に
より応力分布を正確に求めることも困難である。
材料として、たとえば30%Fe-70%Ni系材料を使用し、テ
ィグ溶接などにより突き合わせ溶接継ぎ手として施工で
きる。また、配管の直線部は、図2に示すように多数の
低熱膨張率合金製の管の突き合わせ溶接S3によって製作
されるのであるが、その溶接は、共金系の溶接材料を使
用するTIG溶接法等によって行うことができる。
えば弁2)の形状に応じて、下記のように決定すればよ
い。
の管とステンレス鋼(SUS304)製の管の溶接継手部を室
温(20℃)から−164℃に冷却したときに溶接継手部の近
傍に生じる熱応力分布を示す図である。円周方向応力は
境界部で最大となり、軸方向応力は境界からほぼ0.6
(R×t)1/2離れた位置で最大となる。このように、
直管同士の接合であれば、異材質管の接合であっても接
合部近傍の応力分布は、ほぼ正確に計算できるから、配
管の設計に支障はない。しかし、一方が直管で、他方が
図1の弁2のような特殊な形状の機器であって、しかも
それらが異材質であれば、図3に示すような応力分布の
解析は困難である。従って、設計次第では、配管または
機器に局部的な応力集中が起きて破損事故につながるお
それがある。
記の直管部(短管)3が存在する。そうすると異材質溶
接部近傍の応力分布は、図3に示したように、ほぼ正確
に予測することができる。短管3の長さLを0.6(R×
t)1/2以上とするのは、軸方向応力が最大になる位置
を常に短管内にするためである。望ましいのは、Lを3.
5(R×t)1/2以上とすることである。そうすれば、図
3から明らかなように、機器2には接合部に起因する応
力の影響がほとんど及ばなくなる。
ークは常に接続部にあるが、この周方向応力と内圧によ
る周方向応力が重畳しても管の破壊が生じるようなこと
はない。なぜなら、図3の周方向応力は必ず引張り側と
圧縮側が釣り合うように発生しており、内圧による周方
向の引張り応力が加わり、引張り側が一般部より先に降
伏点に達しても、圧縮側はその分だけ一般部より余裕が
あるからである。このことは、一般的な強度検討におい
て溶接部の残留応力を考慮しなくてもよいのと同じ原理
である。
したが、上記のような溶接構造は、配管中に弁を設ける
場合だけでなく、様々な管継手・機器と配管との接続部
分に適用できる。
通常のステンレス鋼製曲管(エルボ)6、または分岐管
7と配管1との接合の場合には、曲管6または分岐管7
に同じ材質の延長直管部3(前記の所定長さを有するも
の)を設け、この直管部3にFe-Ni系低熱膨張率合金製
の配管1を溶接すればよい。ステンレス鋼製の曲管6ま
たは分岐管7自体に低熱膨張率合金製の管を直接溶接す
るのを避けることによって、曲管6または分岐管7に複
雑な熱応力が発生するのを防止できるとともに、異材質
溶接部(S2)の応力分布がほぼ正確に予測できるので配
管設計が容易になる。
弁、曲管、分岐管の外にも様々な機器が含まれるが、そ
のような機器と配管との接合にも本発明が適用できる。
そして、これらの機器としては市販のステンレス鋼製の
ものが使用できるから、設備全体の製作コストを下げる
ことができるだけでなく、種々の形状を持つ機器内の複
雑な熱応力の発生を懸念せずに設備設計を行うことが可
能になる。
(b)、(c)は、それぞれ図2(b)のA、B、C部の拡大図で、
配管と弁、曲管、および分岐管との接合状態を示す図で
ある。
ステンレス鋼製の管を使用した従来の例、(b)は配管にF
e−Ni系低熱膨張率合金製の管を使用した本発明の例で
ある。
レス鋼製の管の継ぎ手部近傍に生じる熱応力分布を示す
図である。
4.ループ管、 5.貯槽、6.曲管(エルボ)、
7.分岐管、 S1,S2,S3.接合部(継ぎ手)
Claims (2)
- 【請求項1】Fe−Ni系低熱膨張率合金製の管と、ステン
レス鋼製の管ならびに同じくステンレス鋼製の管継手お
よび機器とで構成される設備であって、上記Fe−Ni系低
熱膨張率合金製の管に溶接されるものがステンレス鋼製
の直管であり、その長さLが、下記の式を満たすこと
を特徴とする低温物質処理設備。 L(mm)≧ 0.6(R×t)1/2・・・・・・ ここで、Rはステンレス鋼製の直管の外半径(mm)、t
は同じく肉厚(mm)である。 - 【請求項2】ステンレス鋼製の管継手または機器に上記
式を満たす長さLのステンレス鋼製の延長直管部が設
けられており、その延長直管部とFe−Ni系低熱膨張率合
金製の管とが溶接されていることを特徴とする請求項1
の低温物質処理設備。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09587598A JP3263027B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | 低温物質処理用設備 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP09587598A JP3263027B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | 低温物質処理用設備 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH11294649A true JPH11294649A (ja) | 1999-10-29 |
JP3263027B2 JP3263027B2 (ja) | 2002-03-04 |
Family
ID=14149526
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP09587598A Expired - Lifetime JP3263027B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | 低温物質処理用設備 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP3263027B2 (ja) |
Cited By (4)
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JP2005103631A (ja) * | 2003-10-02 | 2005-04-21 | Tokyo Gas Co Ltd | 異種材料の溶接方法および低温液化ガスの配管構造 |
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-
1998
- 1998-04-08 JP JP09587598A patent/JP3263027B2/ja not_active Expired - Lifetime
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