WO2014132772A1 - 熱交換器及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

熱交換器及び熱交換器の製造方法 Download PDF

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WO2014132772A1
WO2014132772A1 PCT/JP2014/052836 JP2014052836W WO2014132772A1 WO 2014132772 A1 WO2014132772 A1 WO 2014132772A1 JP 2014052836 W JP2014052836 W JP 2014052836W WO 2014132772 A1 WO2014132772 A1 WO 2014132772A1
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tube
heat transfer
heat exchanger
stub
transfer tube
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PCT/JP2014/052836
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信哉 小雲
志典 碓井
智之 平山
鴨　和彦
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a shell-and-tube heat exchanger that performs heat exchange by indirect contact of fluids having different temperatures, and a method for manufacturing the heat exchanger.
  • Patent Document 1 Conventionally, as a shell-and-tube type multi-tube heat exchanger, one having a tube-tube plate joint structure as shown in FIGS. 10 to 12 is disclosed in Patent Document 1.
  • the tube plate 10 is welded to the surface of the tube plate 100 (the surface on the water chamber 101 side) a tube base 103 that is short tubular and through which the heat transfer tube 102 can pass, and is attached to the tube plate 103 and the tube plate 100.
  • the end of the heat transfer tube 102 is penetrated so as to protrude from the tip of the nozzle pedestal 103 by a required amount, and the outer periphery of the protruding portion of the heat transfer tube 102 from the nozzle pedestal 103 is welded to the tip of the nozzle pedestal 103. Is.
  • the entire circumference of the end of the tube pedestal 103 is obtained. Is welded to the outer peripheral surface of the heat transfer tube 102 to form a fillet welded portion 104.
  • a stub 105 is integrally formed at the periphery of the hole formed in the tube plate 100 on the water chamber 101 side, and the heat transfer tube 102 is formed in the hole and stub 105 formed in the tube plate 100. Then, the heat transfer tube 102 is closely attached to and fixed to the tube plate 100 (the inner surface of the hole) by the tube expansion process.
  • a ring-shaped end piece 106 is attached to and connected to the end surfaces of the stub 105 and the heat transfer tube 102.
  • the build-up welded portion 107 is formed by Tig welding or the like around the entire periphery of the groove portion where the end face 106 and the end piece 106 are abutted.
  • the heat transfer tube 102 shown in FIG. 11 is replaced with the outer heat transfer tube 102a. 11 and the inner heat transfer tube 102b, and the other configurations are the same as those in FIG. 11, and thus the same members as those in FIG.
  • the heat transfer tube 102 is inserted into the hole of the tube plate 100, and the heat transfer tube 102 and the tube plate 100 are welded from the water chamber side to fillet welded portions 104.
  • volume inspection such as radiographic inspection (RT inspection) is difficult, and transmission is performed under equipment operation.
  • RT inspection radiographic inspection
  • the discontinuity of the joint increases the stress concentration on the joint and reduces the reliability. There was a malfunction.
  • the heat transfer tube 102 is inserted into the hole of the tube plate 100, and the stub 105, the heat transfer tube 102 (the outer heat transfer tube 102a, the inner side) are inserted from the water chamber side. Since the weld weld 107 is formed in the groove portion where the heat transfer tube 102b) and the end piece 106 are abutted with each other, it is excellent in manufacturability and thick in the vicinity of the weld overlay 107 as shown in FIG. Since there is no change, there is an advantage that volume inspection such as radiographic inspection (RT inspection) is possible.
  • RT inspection radiographic inspection
  • the heat transfer tube 102 (outer heat transfer tube 102a, inner heat transfer tube 102b), the nozzle 100 and the end piece are operated under the operation of the equipment.
  • the stress concentration on the joint portion increases due to the structural discontinuity of the joint portion (the base materials are not integrated with each other), and the same as shown in FIG. , Reliable There is a problem that is under.
  • the present invention has been proposed in view of such circumstances, and it is possible to effectively reduce the stress concentration in the welded part under the operation of the equipment while maintaining the ease of manufacture and inspection, and to improve the reliability. It aims at providing the manufacturing method of an exchanger and a heat exchanger.
  • the heat exchanger comprises: In a heat exchanger in which a heat transfer tube is provided between tube plates, A clearance is provided between the inner peripheral surface of the cylindrical stub protruding to the water chamber side of the tube sheet and the outer peripheral surface of the end portion of the heat transfer tube inserted into the stub, The inner and outer end faces of the ring-shaped grooved end piece are attached to the end faces of the heat transfer tube and the stub, the outer end face corresponds to the end face of the stub, and the inner end face corresponds to the end face of the heat transfer pipe. It is characterized by.
  • the inner and outer end surfaces of the end pieces of the same material are directly joined to the end surfaces of the heat transfer tube and the stub.
  • the outer end surface of the end piece made of the same material as the heat transfer tube is joined to the end surface of the stub in which the build-up weld is formed in advance using the same material as the end piece. It is characterized by.
  • the welded portion height of the inner end surface and the outer end surface of the end piece is the same.
  • the heat transfer tube is a multiple tube.
  • a method for manufacturing a heat exchanger according to the present invention for achieving such an object In a method for manufacturing a heat exchanger in which a large number of heat transfer tubes are provided between tube plates, After inserting each heat transfer tube into a cylindrical stub projecting toward the water chamber side of the tube plate and the tube plate with a clearance between the outer peripheral surface of the end portion and the inner peripheral surface of the stub, The end faces of the heat transfer tubes and stubs are butt welded with the inner and outer end faces of the ring-shaped grooved end piece, the outer end faces corresponding to the end faces of the stubs, and the inner end faces corresponding to the end faces of the heat transfer tubes. And
  • the inner and outer end surfaces of the end pieces of the same material are directly joined to the end surfaces of the heat transfer tube and the stub.
  • the outer end surface of the end piece made of the same material as the heat transfer tube is joined to the end surface of the stub in which the build-up weld is formed in advance by the same material as the end piece.
  • the inner and outer end faces of the end piece are joined at the same weld height.
  • the inner and outer end faces of the end piece are joined at different weld heights.
  • the heat transfer tube is characterized by using a multiple tube.
  • a clearance is provided between the inner peripheral surface of the stub of the tube sheet and the outer peripheral surface of the end portion of the heat transfer tube, and ends on the end surfaces of the heat transfer tube and the stub.
  • the inner and outer end surfaces of the same material end pieces are directly joined to the end surfaces of the heat transfer tube and the stub, so that the welding operation can be performed quickly.
  • the outer end surface of the end piece made of the same material as the heat transfer tube is joined to the end surface of the stub in which the build-up weld is formed in advance with the same material as the end piece.
  • the equipment can be made compact by reducing the pipe pitch.
  • the welded part heights of the inner and outer end faces of the end piece are different, it is possible to weld individually from the inner surface side and the outer surface side of the end piece, and welding can be performed while maintaining the clearance reliably.
  • the heat transfer tube may be a single tube, but by using multiple tubes, the boundary between the heated fluid (medium) and the heated fluid (medium) can be strengthened.
  • FIG. 3A is an enlarged detail view of part A in FIG. 1 showing an example of a change in the weld height
  • FIG. 3A is a case where the inner end face of the end piece is higher than the outer end face
  • FIG. 3B is a case where the inner end face of the end piece is lower than the outer end face Indicates.
  • FIG. 5A is an enlarged detail view of a portion A in FIG. 1 showing an example of a change in the weld height.
  • FIG. 5A is an enlarged detail view of a portion A in FIG. 1 showing an example of a change in the weld height.
  • FIG. 5A shows a case where the inner end face of the end piece is higher than the outer end face
  • FIG. 5B shows a case where the inner end face of the end piece is lower than the outer end face
  • FIG. 7A is an enlarged detail view of part A in FIG. 1 showing an example of a change in the weld height
  • FIG. 7A is a case where the inner end surface of the end piece is higher than the outer end surface
  • FIG. 7B is a case where the inner end surface of the end piece is lower than the outer end surface. Indicates.
  • FIG. 7A is an enlarged detail drawing of Drawing 1 showing Example 4 of the present invention.
  • FIG. 9A is an enlarged detail view of the part A in FIG. 1 showing an example of a change in the weld height.
  • FIG. 9A is a case where the inner end surface of the end piece is higher than the outer end surface
  • FIG. 9B is a case where the inner end surface of the end piece is lower than the outer end surface Indicates.
  • It is principal part sectional drawing of the pipe-tube sheet joint structure of a prior art example. It is principal part sectional drawing of the pipe-tube sheet joint structure of a different conventional example. Furthermore, it is principal part sectional drawing of the pipe-tube sheet joint structure of another conventional example.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the overall configuration of a heat exchanger showing Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged detail view of part A of FIG. 1
  • FIG. 3A is an enlarged detail view of FIG. 3A, in which FIG. 3A shows a case where the inner end surface of the end piece is higher than the outer end surface (positioned upward in FIG. 3A), and FIG. 3B shows that the inner end surface of the end piece is lower than the outer end surface. The case is located on the lower side).
  • a heat exchanger 10 of this embodiment is a shell-and-tube type multi-tube heat exchanger in which a large number of heat transfer tubes 12 are provided between upper and lower tube plates 11a and 11b. It is.
  • the heating fluid medium
  • flames in hot water, boilers, etc. high temperature gas, high temperature steam, liquid metal sodium in nuclear power generation facilities, etc. are used, and as the heated fluid (medium), water, steam, reaction
  • a heated chemical substance (fluid) or the like is used.
  • the heat exchanger 10 includes a central barrel 13, an upper outlet-side tube sheet 11 a attached to the upper end of the barrel 13 in an airtight or liquid-tight manner, and an upper outlet-side water chamber 14 ( Or a partition chamber, a plenum, a header, or a manifold), a lower inlet-side tube plate 11 b and a lower inlet-side water chamber 15 (or a partition chamber, a plenum) attached to the lower end of the body portion 13. , Header, and manifold).
  • a heated fluid (medium) introduction pipe 17 for introducing a heated fluid (medium) 16 is connected to the water chamber 15 on the inlet side, and a heated fluid (medium) discharge pipe 18 is connected to the water chamber 14 on the outlet side. Is connected. Further, a heating fluid (medium) introduction pipe 20 for introducing a heating fluid (medium) 19 is connected to one lower end portion of the body portion 13, and a heating fluid (medium) discharge pipe is connected to the other upper end portion of the body portion 13. 21 is connected.
  • a large number (two for convenience in the illustrated example) of heat transfer tubes 12 are arranged in the body portion 13, and an upper end of each heat transfer tube 12 is formed with a hole formed in the tube plate 11 a on the outlet side and a later-described tube.
  • the stub 22 see FIG. 2
  • the lower ends of the heat transfer tubes 12 pass through holes formed in the tube plate 11b on the inlet side and stubs (not shown) and project into the water chamber 15 on the inlet side.
  • the end piece 24 (refer FIG. 2) mentioned later is joined to all the both ends of the stub 22 and the heat exchanger tube 12 by welding.
  • the heating fluid (medium) 19 is introduced from the heating fluid (medium) introduction pipe 20 into the body portion 13 to heat the heated fluid (medium) 16 in the heat transfer pipe 12.
  • the heated fluid (medium) discharge pipe 21 is discharged.
  • the heated fluid 16 is introduced from the heated fluid (medium) introduction pipe 17 to the water chamber 15 on the inlet side, heated by the heated fluid (medium) 19 while flowing through the heat transfer pipes 12, and then the outlet side. It passes through the water chamber 14 and is discharged from the heated fluid (medium) discharge pipe 18.
  • the heat transfer tube 12 shown in FIG. 1 shows an example of a single tube (single tube) type made of a straight tube, but is not limited to this, and is not limited to this, a U-shaped tube type, a helical coil type, a multiple tube type. It can be of various shapes such as a tube type (one having a double tube or more).
  • reference numeral 23 denotes a baffle plate.
  • a large number of holes for passing the heat transfer tubes 12 are formed in the tube plate 11a on the outlet side.
  • a stub 22 protruding into the outlet-side water chamber 14 is formed integrally with the outlet-side tube sheet 11a.
  • Ends of the heat transfer tubes 12 are inserted into the holes and stubs 22 formed in the tube plate 11a on the outlet side, and the required portions of the heat transfer tubes 12 are expanded by a well-known tube expansion device. It adheres and is fixed to the inner surface of each hole drilled in the plate 11a. In some cases, each heat transfer tube 12 is not expanded.
  • a ring-shaped end piece 24 is connected to the end surface of each stub 22 and each heat transfer tube 12.
  • the inner diameter of the stub 22 is set slightly larger than the outer diameter of the heat transfer tube 12, and a predetermined clearance C is provided between the inner peripheral surface of the stub 22 and the outer peripheral surface of the end portion of the heat transfer tube 12.
  • the end piece 24 is formed into a grooved (channel type) having an arc-shaped groove bottom, and the end surface (inner end surface) of the inner cylindrical portion 24a is the end surface of the heat transfer tube 12, and the end surface of the outer cylindrical portion 24b ( The outer end surface) is butt welded to the end surface of the stub 22.
  • the ring-shaped end piece 24 is formed with a groove having a bottom having an arcuate vertical cross section and opened on one end surface over the entire circumference, and the inner cylindrical portion positioned on the inner side with the groove as a boundary.
  • the end surface (inner end surface) of 24 a is butt welded to the end surface of the heat transfer tube 12, and the end surface (outer end surface) of the outer cylindrical portion 24 b positioned outside the groove is butt welded to the end surface of the stub 22.
  • the tube plate 11a on the outlet side, the heat transfer tube 12, and the end piece 24 are made of the same material such as ferritic steel, so that the inner welded portion Wa and the outer welded portion Wb have the same welded portion height.
  • Direct butt welding At this time, since the inner welded portion Wa and the outer welded portion Wb have the same welded portion height, one pass from the inner surface side of the inner tube portion 24a of the heat transfer tube 12 and the end piece 24 that easily secures a welding work space.
  • the welded portion height of the inner welded portion Wa (the inner end surface of the end piece 24) and the outer welded portion Wb (the outer end surface of the endpiece 24) are made different, The clearance C may be more reliably maintained by welding individually from the outside.
  • 3A shows the case where the inner end surface of the end piece 24 is higher than the outer end surface (positioned on the upper side in FIG. 3A)
  • FIG. 3B shows the inner end surface of the end piece 24 lower than the outer end surface (the lower side in FIG. 3B). Position).
  • the clearance C is appropriately set according to conditions such as that the beads do not adhere to each other in the inner welded portion Wa and the outer welded portion Wb, or the tube pitch setting in the heat transfer tube 12.
  • the end piece 24 has an outer diameter that substantially matches the outer diameter of the stub 22, and an inner diameter that substantially matches the inner diameter of the heat transfer tube 12.
  • the heat exchanger 10 configured as described above has a cylindrical shape projecting toward the outlet side and inlet side tube plates 11a and 11b and the outlet side and inlet side water chambers 14 and 15 of the tube plates 11a and 11b.
  • a clearance C is provided in the stub 22 between the end outer peripheral surface of each heat transfer tube 12 and the inner peripheral surface of the stub 22 by making the inner diameter of the stub 22 slightly larger than the outer diameter of the heat transfer tube 12.
  • the end surfaces of the inner cylindrical portion 24a and the outer cylindrical portion 24b of the ring-shaped grooved end piece 24 are arranged on the end surfaces of the heat transfer tube 12 and the stub 22, and the end surfaces of the outer cylindrical portion 24b are arranged on the end surface of the stub 22 and on the inner side.
  • the cylindrical portion 24a is manufactured by butt welding each corresponding to the end surface of the heat transfer tube 12.
  • the clearance C is provided between the inner peripheral surface of the stub 22 of the tube plates 11a and 11b on the outlet side and the inlet side and the outer peripheral surface of the end portion of the heat transfer tube 12, and the heat transfer tube Since the end surfaces of the inner cylindrical portion 24a and the outer cylindrical portion 24b of the end piece 24 are butt welded to the end surfaces of the stub 22 and the stub 22, the respective joint portions of the heat transfer tube 12 and the stub 22 (the inner welded portion Wa and the outer portion). The structural discontinuity of the welded portion Wb) can be reduced, and the stress concentration in the welded portion under the operation of the equipment can be effectively reduced to increase the reliability.
  • the inner welded portion Wa and the outer welded portion Wb are joined with the same welded portion height, it is possible to perform laser welding in one pass from the inner surface side of the heat transfer tube 12 and the number of manufacturing steps is greatly increased.
  • the device can be made compact by reducing the pipe pitch.
  • FIG. 4 is an enlarged detail view of the portion A of FIG. 1 showing the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is an enlarged detail view of the portion A showing a modified example of the height of the welded portion
  • FIG. FIG. 5B shows a case where the inner end surface of the end piece is lower than the outer end surface (located on the lower side in FIG. 5B) when it is higher than the end surface (located on the upper side in FIG. 5A).
  • the end piece 24 is made of the same material as the heat transfer tube 12 made of Inconel or the like.
  • the end surface of the outer cylindrical portion 24b is butt-welded to the end surface of the stub 22 made of ferritic steel or the like in which the build-up weld portion 25 is previously formed of the same material as the end piece 24. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same members and parts as those in FIG.
  • the welded portion heights of the inner welded portion Wa (the inner end surface of the end piece 24) and the outer welded portion Wb (the outer end surface of the endpiece 24) are made different.
  • the clearance C may be more reliably maintained by welding each part individually from the inside and the outside.
  • 5A shows the case where the inner end surface of the end piece 24 is higher than the outer end surface (located on the upper side in FIG. 5A)
  • FIG. 5B shows the inner end surface of the end piece 24 lower than the outer end surface (lower in FIG. 5B). Position).
  • FIG. 6 is an enlarged detail view of part A of FIG. 1 showing Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 7 is an enlarged detail view of part A of FIG. 1 showing an example of a change in the weld height
  • FIG. FIG. 7B shows a case where the end face is higher than the outer end face (located on the upper side in FIG. 7A)
  • FIG. 7B shows a case where the inner end face of the end piece is lower than the outer end face (located on the lower side in FIG. 7B).
  • the heat transfer tube 12 is a double tube (multiple tube) composed of an outer heat transfer tube 12a and an inner heat transfer tube 12b. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same members and parts as those in FIG.
  • the welded portion heights of the inner welded portion Wa (the inner end surface of the end piece 24) and the outer welded portion Wb (the outer end surface of the endpiece 24) are made different.
  • the clearance C may be more reliably maintained by welding each part individually from the inside and the outside.
  • 7A shows a case where the inner end surface of the end piece 24 is higher than the outer end surface (positioned upward in FIG. 7A)
  • FIG. 7B shows that the inner end surface of the end piece 24 is lower than the outer end surface (lower side in FIG. 7B). Position).
  • the boundary between the heated fluid (medium) and the heated fluid (medium) can be strengthened by the double-tube heat transfer tubes 12a and 12b. Is obtained.
  • FIG. 8 is an enlarged detail view of part A of FIG. 1 showing Embodiment 4 of the present invention
  • FIG. 9 is an enlarged detail view of part A of FIG. 9B shows a case where the end face is higher than the outer end face (located on the upper side in FIG. 9A)
  • FIG. 9B shows a case where the inner end face of the end piece is lower than the outer end face (located on the lower side in FIG. 9B).
  • the heat transfer tube 12 is a double tube (multiple tube) including an outer heat transfer tube 12a and an inner heat transfer tube 12b. Since other configurations are the same as those in the second embodiment, the same members and portions as those in FIG.
  • the welded portion heights of the inner welded portion Wa (the inner end surface of the end piece 24) and the outer welded portion Wb (the outer end surface of the endpiece 24) are made different.
  • the clearance C may be more reliably maintained by welding each part individually from the inside and the outside.
  • 9A shows the case where the inner end surface of the end piece 24 is higher than the outer end surface (positioned upward in FIG. 9A)
  • FIG. 9B shows the inner end surface of the end piece 24 lower than the outer end surface (lower side in FIG. 9B). Position).
  • the boundary between the heated fluid (medium) and the heated fluid (medium) can be strengthened by the double-tube heat transfer tubes 12a and 12b. Is obtained.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
  • the clearance C is provided by expanding the diameter of the stub 22 side, but the diameter of the heat transfer tube 12 is reduced, or both the stub 22 and the heat transfer tube 12 are processed. You may do it.
  • the heat exchanger and the heat exchanger manufacturing method according to the present invention are suitable for application to steam generators, heaters, superheaters, water heaters, coolers, condensers, and the like.

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Abstract

出口側及び入口側の管板（１１ａ，１１ｂ）の出口側及び入口側の水室（１４，１５）側へ突出した円筒状のスタブ（２２）の内周面と当該スタブ（２２）内に挿入される伝熱管（１２）の端部外周面との間にクリアランス（Ｃ）を設け、伝熱管（１２）及びスタブ（２２）の端面に溝付きエンドピース（２４）における内側筒部（２４ａ）及び外側筒部（２４ｂ）の端面を、当該外側筒部（２４ｂ）の端面をスタブ（２２）の端面に且つ内側筒部（２４ａ）の端面を伝熱管（１２）の端面にそれぞれ同じ溶接部高さで対応させて、伝熱管（１２）の内面側からレーザ溶接にて１パスで突合せ溶接してなる。

Description

熱交換器及び熱交換器の製造方法
　本発明は、温度の異なる流体の間接的な接触によって熱交換を行うシェル・アンド・チューブ型の熱交換器及び熱交換器の製造方法に関するものである。
　シェル・アンド・チューブ型の多管式熱交換器として、従来、図１０乃至図１２に示すような管‐管板継手構造を有したものが特許文献１で開示されている。
　図１０に示すものは、管板１００の表面（水室１０１側の面）に、短管状で且つ伝熱管１０２が貫通可能な管台１０３を溶接し、該管台１０３と管板１００に対し伝熱管１０２の端部を貫通させて管台１０３の先端から所要量だけ突出させるようにし、該伝熱管１０２の管台１０３からの突出部外周を管台１０３の先端に溶接するように構成したものである。具体的には、管板１００及び管台１０３に伝熱管１０２を通過させ、伝熱管１０２を拡管処理により管板１００（の孔内面）に密着・固定した後、管台１０３の端部全周を伝熱管１０２の外周面に溶接し、隅肉溶接部１０４を形成している。
　図１１に示すものは、管板１００に穿設された孔の水室１０１側に位置した周縁にスタブ１０５を一体形成し、該管板１００に穿設された孔及びスタブ１０５に伝熱管１０２の端部をスタブ１０５と同一高さまで挿入した後、伝熱管１０２を拡管処理により管板１００（の孔内面）に密着・固定する。そして、管板１００及びスタブ１０５と伝熱管１０２との液密性を高めるために、スタブ１０５と伝熱管１０２の端面にはリング状のエンドピース１０６が付き合わされて連接され、スタブ１０５、伝熱管１０２及びエンドピース１０６の突き合わされた開先部に全周囲に亘ってＴｉｇ溶接等により肉盛溶接部１０７を形成するように構成したものである。
　図１２に示すものは、図１１に示す管‐管板継手構造における加熱流体（媒体）と被加熱流体（媒体）とのバウンダリを強化するために、図１１における伝熱管１０２を外側伝熱管１０２ａと内側伝熱管１０２ｂとの二重管に構成したものであり、その他の構成は図１１と同様なので図１１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
特許第４８６５２５６号公報
　しかしながら、図１０に示す管‐管板継手構造にあっては、管板１００の孔に伝熱管１０２を挿入し、水室側から伝熱管１０２と管板１００を溶接して隅肉溶接部１０４を形成するので製作性に優れるという利点があるが、隅肉溶接部１０４周辺で肉厚が変化するため放射線透過検査（ＲＴ検査）などの体積検査が困難であると共に、機器の運転下で伝熱管１０２と管台１００の接合部に荷重が負荷された場合には当該接合部の不連続性（母材同士が一体化しない）により継手部への応力集中が高くなって信頼性が低下するという不具合があった。
　また、図１１及び図１２に示す管‐管板継手構造にあっては、管板１００の孔に伝熱管１０２を挿入し、水室側からスタブ１０５、伝熱管１０２（外側伝熱管１０２ａ，内側伝熱管１０２ｂ）及びエンドピース１０６の突き合わされた開先部に肉盛溶接部１０７を形成するので、図１０に示すものと同様に、製作性に優れると共に、肉盛溶接部１０７周辺で肉厚が変化しないため放射線透過検査（ＲＴ検査）などの体積検査が可能となる利点があるが、機器の運転下で伝熱管１０２（外側伝熱管１０２ａ，内側伝熱管１０２ｂ）及び管台１００とエンドピース１０６の接合部に荷重が負荷された場合には当該接合部の構造不連続性（母材同士が一体化しない）により継手部への応力集中が高くなって、図１０に示すものと同様に、信頼性が低下するという不具合があった。
　本発明は、このような実情を鑑み提案されたもので、製作容易性と検査容易性を維持しつつ機器の運転下における溶接部の応力集中を効果的に低減して信頼性を高められる熱交換器及び熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。
　斯かる目的を達成するための本発明に係る熱交換器は、
　管板間に伝熱管が設けられた熱交換器において、
　前記管板の水室側へ突出した円筒状のスタブの内周面と当該スタブ内に挿入される伝熱管端部の外周面との間にクリアランスを設け、
　前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面にそれぞれ対応させて、突合せ溶接してなることを特徴とする。
　前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面が伝熱管及びスタブの端面に直接接合してなることを特徴とする。
　前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接部が形成された前記スタブの端面に接合してなることを特徴とする。
　前記エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが同じであることを特徴とする。
　前記エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが異なっていることを特徴とする。
　前記伝熱管は多重管であることを特徴とする。
　斯かる目的を達成するための本発明に係る熱交換器の製造方法は、
　管板間に多数の伝熱管が設けられた熱交換器の製造方法において、
　前記管板及び前記管板の水室側へ多数突出した円筒状のスタブ内に各伝熱管をその端部外周面と前記スタブ内周面との間にクリアランスを設けて挿入した後、
　前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面に対応させて、それぞれ突合せ溶接することを特徴とする。
　前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面を伝熱管及びスタブの端面に直接接合することを特徴とする。
　前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接部が形成された前記スタブの端面に接合することを特徴とする。
　前記エンドピースの内側及び外側端面を同じ溶接部高さで接合することを特徴とする。
　前記エンドピースの内側及び外側端面を異なった溶接部高さで接合することを特徴とする。
　前記伝熱管に多重管を用いることを特徴とする。
　本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法によれば、管板のスタブの内周面と伝熱管端部の外周面との間にクリアランスを設け、伝熱管及びスタブの端面にエンドピースの内側及び外側端面を突合せ溶接することで、伝熱管とスタブのそれぞれの接合部の構造不連続を低減でき、機器の運転下における溶接部の応力集中を効果的に低減して信頼性を高められる。加えて、水室側からの溶接により製作性を確保できると共に、溶接部の肉厚変化をなくして放射線透過検査（ＲＴ検査）などの体積検査が可能となる。
　また、管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面が伝熱管及びスタブの端面に直接接合することで、溶接作業を迅速に行える。
　また、管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接部が形成された前記スタブの端面に接合することで、異材間接合が可能となり、異材溶接部への熱衝撃も低減できる。
　また、エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが同じであると、エンドピースの内面側又は外面側から１パスでレーザ溶接することが可能となり、製作工数を大幅に低減できる。また、エンドピースの内面側から溶接することで、管ピッチ縮小により、機器のコンパクト化が可能となる。
　また、エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが異なっていると、エンドピースの内面側及び外面側から個別に溶接することが可能となり、クリアランスを確実に維持したまま溶接することができる。
　また、伝熱管は単管でも良いが、多重管であることで、加熱流体（媒体）と被加熱流体（媒体）とのバウンダリの強化が図れる。
本発明の実施例１を示す熱交換器の全体構成縦断面図である。 同じく図１のＡ部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図１のＡ部拡大詳細図で、図３Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い場合で、図３Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い場合を示す。 本発明の実施例２を示す図１のＡ部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図１のＡ部拡大詳細図で、図５Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い場合で、図５Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い場合を示す。 本発明の実施例３を示す図１のＡ部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図１のＡ部拡大詳細図で、図７Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い場合で、図７Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い場合を示す。 本発明の実施例４を示す図１のＡ部拡大詳細図である。 同じく溶接部高さの変更例を示す図１のＡ部拡大詳細図で、図９Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い場合で、図９Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い場合を示す。 従来例の管‐管板継手構造の要部断面図である。 異なった従来例の管‐管板継手構造の要部断面図である。 更に異なった従来例の管‐管板継手構造の要部断面図である。
　以下、本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
　図１は本発明の実施例１を示す熱交換器の全体構成縦断面図、図２は同じく図１のＡ部拡大詳細図、図３は同じく溶接部高さの変更例を示す図１のＡ部拡大詳細図で、図３Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い（図３Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図３Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い（図３Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　図１に示すように、本実施例の熱交換器１０は、上，下両管板１１ａ，１１ｂ間に多数の伝熱管１２が設けられたシェル・アンド・チューブ型の多管式熱交換器である。加熱流体（媒体）としては、熱水、ボイラ等における火炎、高温気体、高温蒸気、原子力発電設備における液体金属ナトリウム、等が用いられ、被加熱流体（媒体）としては、水、蒸気、反応のために加熱する化学物質（流体）等が用いられる。
　具体的には、熱交換器１０は、中央部の胴部１３、胴部１３の上端に気密或いは液密に取り付けられた上部の出口側の管板１１ａ及び上部の出口側の水室１４（又は、仕切り室、プレナム、ヘッダー、マニホールドともいう）、胴部１３の下端に液密に取り付けられた下部の入口側の管板１１ｂ及び下部の入口側の水室１５（又は、仕切り室、プレナム、ヘッダー、マニホールドともいう）により構成されている。
　入口側の水室１５には、被加熱流体（媒体）１６を導入する被加熱流体（媒体）導入管１７が接続され、出口側の水室１４には、被加熱流体（媒体）排出管１８が接続されている。また、胴部１３の一方下端部には、加熱流体（媒体）１９を導入する加熱流体（媒体）導入管２０が接続され、胴部１３の他方上端部には、加熱流体（媒体）排出管２１が接続されている。
　胴部１３内には、多数（図示例では便宜上２本）の伝熱管１２が配設されており、この各伝熱管１２の上端は、出口側の管板１１ａに穿設された孔及び後述するスタブ２２（図２参照）を貫通し出口側の水室１４内に突出している。また、各伝熱管１２の下端も同様に、入口側の管板１１ｂに穿設された孔及び図示しないスタブを貫通し入口側の水室１５内に突出している。そして、スタブ２２及び伝熱管１２の全ての両端には、後述するエンドピース２４（図２参照）が溶接により接合されている。
　上述した熱交換器１０において、加熱流体（媒体）１９は、加熱流体（媒体）導入管２０から胴部１３内に導入されて、伝熱管１２内の被加熱流体（媒体）１６を加熱した後、加熱流体（媒体）排出管２１から排出される。また、被加熱流体１６は、被加熱流体（媒体）導入管１７から入口側の水室１５に導入され、多数の伝熱管１２を流れながら加熱流体（媒体）１９により加熱された後、出口側の水室１４を通り被加熱流体（媒体）排出管１８から排出される。
　尚、図１に示す伝熱管１２は、直管からなる１重管（単管）型の例を示しているが、これに限定されるものではなく、Ｕ字管型、ヘリカルコイル型、多重管型（２重管以上のもの）等、各種の形状のものとすることができる。また、図１中２３はバッフルプレートである。
　次に、図２に基づき、図１のＡ部における管‐管板継手構造を説明する。尚、図１のＢ部における管‐管板継手構造も同じ構造であるので、ここでは図２を参照して重複する説明は省略する。
　上述のごとく、出口側の管板１１ａには、各伝熱管１２を通すための多数の孔が穿設される。この各孔の周囲には、出口側の水室１４に突出したスタブ２２が、出口側の管板１１ａに一体形成される。
　そして、出口側の管板１１ａに穿設された孔及びスタブ２２には各々伝熱管１２の端部が挿入され、各伝熱管１２は周知の拡管装置により所要部が拡張されて出口側の管板１１ａに穿設された各孔の内面に密着・固定される。尚、各伝熱管１２を拡管しない場合も有る。
　更に、本実施例においては、出口側の管板１１ａ或いはスタブ２２と伝熱管１２との荷重を受け持つために、各スタブ２２及び各伝熱管１２の端面にはリング状のエンドピース２４が連接される。
　詳細には、先ず、スタブ２２の内径が伝熱管１２の外径よりやや大きく設定されてスタブ２２の内周面と伝熱管１２の端部外周面との間に所定のクリアランスＣが設けられる。そして、エンドピース２４は円弧状の溝底を有する溝付き（チャネル型）に形成されてその内側筒部２４ａの端面（内側端面）が伝熱管１２の端面に、また外側筒部２４ｂの端面（外側端面）がスタブ２２の端面に、それぞれ突合せ溶接される。つまり、リング状のエンドピース２４には、縦断面が円弧状となる底を有して一端面に開口する溝が全周に亘って形成され、当該溝を境として内側に位置する内側筒部２４ａの端面（内側端面）が伝熱管１２の端面に突合せ溶接されると共に、前記溝を境として外側に位置する外側筒部２４ｂの端面（外側端面）がスタブ２２の端面に突合せ溶接される。
　図示例では、出口側の管板１１ａと伝熱管１２とエンドピース２４とがフェライト鋼等の同一の材質であることから、内側の溶接部Ｗａと外側の溶接部Ｗｂが同じ溶接部高さで直接突合せ溶接されている。この際、内側の溶接部Ｗａと外側の溶接部Ｗｂが同じ溶接部高さであることから、溶接作業スペースを確保し易い伝熱管１２及びエンドピース２４の内側筒部２４ａの内面側から１パスでレーザ溶接することが可能である。勿論、伝熱管１２及びエンドピース２４の外側筒部２４ｂの外面側から１パスでレーザ溶接しても良い。
　また、図３に示すように、内側の溶接部Ｗａ（エンドピース２４の内側端面）と外側の溶接部Ｗｂ（エンドピース２４の外側端面）の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスＣをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図３Ａはエンドピース２４の内側端面が外側端面より高い（図３Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図３Ｂはエンドピース２４の内側端面が外側端面より低い（図３Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　前記クリアランスＣは、内側の溶接部Ｗａと外側の溶接部Ｗｂにおいてビード同士が接着しないこととか伝熱管１２における管ピッチ設定等の条件に応じて適宜設定される。また、エンドピース２４は、その外径がスタブ２２の外径とほぼ一致し、内径が伝熱管１２の内径とほぼ一致するものとなっている。
　このように構成される熱交換器１０は、出口側及び入口側の管板１１ａ，１１ｂと当該管板１１ａ，１１ｂの出口側及び入口側の水室１４，１５側へ多数突出した円筒状のスタブ２２内に各伝熱管１２をその端部外周面とスタブ２２の内周面との間に、スタブ２２の内径を伝熱管１２の外径よりやや大きくするなどして、クリアランスＣを設けて挿入した後、伝熱管１２及びスタブ２２の端面にリング状の溝付きエンドピース２４における内側筒部２４ａ及び外側筒部２４ｂの端面を、当該外側筒部２４ｂの端面をスタブ２２の端面に且つ内側筒部２４ａの端面を伝熱管１２の端面に対応させて、それぞれ突合せ溶接することで製造される。
　この際、前記出口側及び入口側の管板１１ａ，１１ｂと各伝熱管１２の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピース２４における内側筒部２４ａ及び外側筒部２４ｂの端面を伝熱管１２及びスタブ２２の端面に内側の溶接部Ｗａと外側の溶接部Ｗｂの溶接部高さを同じにして直接接合することができる。
　このようにして、本実施例によれば、出口側及び入口側の管板１１ａ，１１ｂのスタブ２２の内周面と伝熱管１２の端部外周面との間にクリアランスＣを設け、伝熱管１２及びスタブ２２の端面にエンドピース２４における内側筒部２４ａ及び外側筒部２４ｂの端面を突合せ溶接するようにしたので、伝熱管１２とスタブ２２のそれぞれの接合部（内側の溶接部Ｗａと外側の溶接部Ｗｂ参照）の構造不連続を低減でき、機器の運転下における溶接部の応力集中を効果的に低減して信頼性を高められる。加えて、出口側及び入口側の水室１４，１５側からの溶接により製作性を確保できると共に、接合部（内側の溶接部Ｗａと外側の溶接部Ｗｂ参照）の肉厚変化をなくして放射線透過検査（ＲＴ検査）などの体積検査が可能となる。
　また、内側の溶接部Ｗａと外側の溶接部Ｗｂの溶接部高さを同じにして接合する場合は、伝熱管１２の内面側などから１パスでレーザ溶接することが可能となり、製作工数は大幅に低減できると共に、管ピッチ縮小により、機器のコンパクト化が可能となる。
　図４は本発明の実施例２を示す図１のＡ部拡大詳細図、図５は同じく溶接部高さの変更例を示すＡ部拡大詳細図で、図５Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い（図５Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図５Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い（図５Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　これは、実施例１の管‐管板継手構造において、出口側及び入口側の管板１１ａ，１１ｂと伝熱管１２の材質が異なる場合、インコネル等からなる伝熱管１２と同じ材質のエンドピース２４における外側筒部２４ｂの端面を、予めエンドピース２４と同じ材質で肉盛溶接部２５が形成されたフェライト鋼等からなるスタブ２２の端面に突合せ溶接するようにした例である。その他の構成は実施例１と同様なので、図２と同一部材・部位には同一符号を付して重複する説明は省略する。
　また、本実施例においても、図５に示すように、内側の溶接部Ｗａ（エンドピース２４の内側端面）と外側の溶接部Ｗｂ（エンドピース２４の外側端面）の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスＣをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図５Ａはエンドピース２４の内側端面が外側端面より高い（図５Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図５Ｂはエンドピース２４の内側端面が外側端面より低い（図５Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　これによれば、実施例１と同様の作用・効果に加えて、異材溶接部の接合を可能とし、異材溶接部への熱衝撃も低減できるという利点が得られる。
　図６は本発明の実施例３を示す図１のＡ部拡大詳細図、図７は同じく溶接部高さの変更例を示す図１のＡ部拡大詳細図で、図７Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い（図７Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図７Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い（図７Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　これは、実施例１の管‐管板継手構造において、伝熱管１２を外側の伝熱管１２ａと内側の伝熱管１２ｂとからなる二重管（多重管）にした例である。その他の構成は実施例１と同様なので、図２と同一部材・部位には同一符号を付して重複する説明は省略する。
　また、本実施例においても、図７に示すように、内側の溶接部Ｗａ（エンドピース２４の内側端面）と外側の溶接部Ｗｂ（エンドピース２４の外側端面）の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスＣをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図７Ａはエンドピース２４の内側端面が外側端面より高い（図７Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図７Ｂはエンドピース２４の内側端面が外側端面より低い（図７Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　これによれば、実施例１と同様の作用・効果に加えて、二重管型の伝熱管１２ａ,１２ｂにより加熱流体（媒体）と被加熱流体（媒体）とのバウンダリの強化が図れるという利点が得られる。
　図８は本発明の実施例４を示す図１のＡ部拡大詳細図、図９は同じく溶接部高さの変更例を示す図１のＡ部拡大詳細図で、図９Ａはエンドピースの内側端面が外側端面より高い（図９Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図９Ｂはエンドピースの内側端面が外側端面より低い（図９Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　これは、実施例２の管‐管板継手構造において、伝熱管１２を外側の伝熱管１２ａと内側の伝熱管１２ｂとからなる二重管（多重管）にした例である。その他の構成は実施例２と同様なので、図４と同一部材・部位には同一符号を付して重複する説明は省略する。
　また、本実施例においても、図９に示すように、内側の溶接部Ｗａ（エンドピース２４の内側端面）と外側の溶接部Ｗｂ（エンドピース２４の外側端面）の溶接部高さを異ならせて、各部を内、外から個別に溶接することで、クリアランスＣをより確実に維持できるようにしても良い。尚、図９Ａはエンドピース２４の内側端面が外側端面より高い（図９Ａにおいて上方側に位置する）場合で、図９Ｂはエンドピース２４の内側端面が外側端面より低い（図９Ｂにおいて下方側に位置する）場合を示す。
　これによれば、実施例２と同様の作用・効果に加えて、二重管型の伝熱管１２ａ,１２ｂにより加熱流体（媒体）と被加熱流体（媒体）とのバウンダリの強化が図れるという利点が得られる。
　尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種変更が可能であることは言うまでもない。例えば、各実施例において、クリアランスＣは、スタブ２２側を拡径加工して設けるようにしたが、伝熱管１２側を縮径加工し、あるいはスタブ２２と伝熱管１２の両方を加工して設けるようにしても良い。
　本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法は、蒸気発生器、加熱器、過熱器、温水器、冷却器、復水器等に適用して好適である。
　１０　熱交換器
　１１ａ　出口側の管板
　１１ｂ　入口側の管板
　１２　伝熱管
　１２ａ　外側の伝熱管
　１２ｂ　内側の伝熱管
　１３　胴部
　１４　出口側の水室
　１５　入口側の水室
　１６　被加熱流体（媒体）
　１７　被加熱流体（媒体）導入管
　１８　被加熱流体（媒体）排出管
　１９　加熱流体（媒体）
　２０　加熱流体（媒体）導入管
　２１　加熱流体（媒体）排出管
　２２　スタブ
　２３　バッフルプレート
　２４　エンドピース
　２４ａ　内側筒部
　２４ｂ　外側筒部
　Ｃ　クリアランス
　Ｗａ　内側の溶接部
　Ｗｂ　外側の溶接部

Claims (12)

  1. 　管板間に伝熱管が設けられた熱交換器において、
    　前記管板の水室側へ突出した円筒状のスタブの内周面と当該スタブ内に挿入される伝熱管端部の外周面との間にクリアランスを設け、
    　前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面にそれぞれ対応させて、突合せ溶接してなることを特徴とする熱交換器。
  2. 　前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面が伝熱管及びスタブの端面に直接接合してなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接部が形成された前記スタブの端面に接合してなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  4. 　前記エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが同じであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱交換器。
  5. 　前記エンドピースの内側及び外側端面の溶接部高さが異なっていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱交換器。
  6. 　前記伝熱管は多重管であることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の熱交換器。
  7. 　管板間に多数の伝熱管が設けられた熱交換器の製造方法において、
    　前記管板及び前記管板の水室側へ多数突出した円筒状のスタブ内に各伝熱管をその端部外周面と前記スタブ内周面との間にクリアランスを設けて挿入した後、
    　前記伝熱管及びスタブの端面にリング状の溝付きエンドピースの内側及び外側端面を、当該外側端面をスタブの端面に且つ内側端面を伝熱管の端面に対応させて、それぞれ突合せ溶接することを特徴とする熱交換器の製造方法。
  8. 　前記管板と伝熱管の材質が同じである場合、これらと同じ材質のエンドピースの内側及び外側端面を伝熱管及びスタブの端面に直接接合することを特徴とする請求項７に記載の熱交換器の製造方法。
  9. 　前記管板と伝熱管の材質が異なる場合、伝熱管と同じ材質のエンドピースの外側端面を、予めエンドピースと同じ材質で肉盛溶接部が形成された前記スタブの端面に接合することを特徴とする請求項７に記載の熱交換器の製造方法。
  10. 　前記エンドピースの内側及び外側端面を同じ溶接部高さで接合することを特徴とする請求項７，８又は９に記載の熱交換器の製造方法。
  11. 　前記エンドピースの内側及び外側端面を異なった溶接部高さで接合することを特徴とする請求項７，８又は９に記載の熱交換器の製造方法。
  12. 　前記伝熱管に多重管を用いることを特徴とする請求項７，８，９，１０又は１１に記載の熱交換器の製造方法。
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