JP3268367B2 - 熱交換器 - Google Patents
熱交換器Info
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- tube sheet
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
- F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
- F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
- F28F21/087—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from nickel or nickel alloys
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
- F28F9/02—Header boxes; End plates
- F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
- F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
- F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
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- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、石油化学工業等におい
て流体間の熱交換を行う多管式（シェルアンドチューブ
形）の熱交換器に関するものである。
て流体間の熱交換を行う多管式（シェルアンドチューブ
形）の熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】多管式の熱交換器は、たとえば図４(ａ)
に示す熱交換器１１のように、中空の胴２内に管板３・
４と多数のチューブ（伝熱管）５、バッフル（邪魔板）
７などを配置したものである。管板３・４は、各チュー
ブ５を一体に取り付けているだけでなく、各チューブ５
の内部につながる穴３ａを有する板である。バッフル７
によって流路の定められた胴２内（熱交換部分）にガス
などの流体を供給するとともに、一方の管板３の外側か
ら各チューブ５内に他の流体を通して、チューブ５の管
壁をはさんだそれら二種類の流体間で熱交換を行う。各
チューブ５は、外径が数十ミリで厚さが１〜３ミリ、長
さが数メートル〜十メートル程度のもの、また胴２は、
直径が数百ミリから数メートルのものまである。
に示す熱交換器１１のように、中空の胴２内に管板３・
４と多数のチューブ（伝熱管）５、バッフル（邪魔板）
７などを配置したものである。管板３・４は、各チュー
ブ５を一体に取り付けているだけでなく、各チューブ５
の内部につながる穴３ａを有する板である。バッフル７
によって流路の定められた胴２内（熱交換部分）にガス
などの流体を供給するとともに、一方の管板３の外側か
ら各チューブ５内に他の流体を通して、チューブ５の管
壁をはさんだそれら二種類の流体間で熱交換を行う。各
チューブ５は、外径が数十ミリで厚さが１〜３ミリ、長
さが数メートル〜十メートル程度のもの、また胴２は、
直径が数百ミリから数メートルのものまである。
【０００３】熱交換器の各部の材料は、使用圧力や温
度、流体の種類（腐食性など）などを考慮して選定され
ねばならないが、たとえば、スチレンモノマー製造装置
の脱水素反応部に設けられる熱交換器には、２1/4Ｃｒ-
１Ｍｏ鋼などのフェライト系クロムモリブデン鋼がよく
用いられる。その種の鋼は、低価格でありながらも上記
用途に適した耐熱性・耐食性を有しているからである。
上記用途の熱交換器は、脱水素反応器へ供給される低温
ガス（約１００〜２００℃。エチルベンゼンと水蒸気を
主成分とし、微量のＣＯ２やＣＯを含むことがある）
と、同反応器を出た高温ガス（約５５０℃以上。スチレ
ンモノマーおよび水蒸気を主成分とする）との間で熱交
換を行うもので、前者を胴２内に流して約５００℃以上
に加熱する一方、後者をチューブ５内に通して概ね３０
０〜４００℃に冷却する。
度、流体の種類（腐食性など）などを考慮して選定され
ねばならないが、たとえば、スチレンモノマー製造装置
の脱水素反応部に設けられる熱交換器には、２1/4Ｃｒ-
１Ｍｏ鋼などのフェライト系クロムモリブデン鋼がよく
用いられる。その種の鋼は、低価格でありながらも上記
用途に適した耐熱性・耐食性を有しているからである。
上記用途の熱交換器は、脱水素反応器へ供給される低温
ガス（約１００〜２００℃。エチルベンゼンと水蒸気を
主成分とし、微量のＣＯ２やＣＯを含むことがある）
と、同反応器を出た高温ガス（約５５０℃以上。スチレ
ンモノマーおよび水蒸気を主成分とする）との間で熱交
換を行うもので、前者を胴２内に流して約５００℃以上
に加熱する一方、後者をチューブ５内に通して概ね３０
０〜４００℃に冷却する。
【０００４】さて、多管式熱交換器において、各チュー
ブと管板との接合、つまり図４(ａ)におけるＸ部の構成
は、従来、同(ｂ)・同(ｃ)または同(ｄ)のようになされ
ている。同(ｂ)は、管板３の穴３ａにチューブ５を貫き
通したうえ、チューブ５の先端部と管板３の表面（胴２
内の熱交換部分と反対側の表面。以下、管板３の外側の
表面という）３ｄとの間を溶接するもの。同(ｃ)は、チ
ューブ５よりもやや外径の大きい周縁部３ｆを管板表面
（胴２内の熱交換部分に面し、その部分のガスと接触す
る側の表面。以下、管板３の内側の表面という）３ｅに
突出させ、そのインロウ部分３ｇにチューブ５の先端を
嵌めて突き合わせ全周に溶接するもの。そして同(ｄ)
は、管板３の穴３ａにチューブ５の先端５ａのみを挿入
し、内外に溶け込みをとって全周溶接するものである。
なお図４(ｃ)・(ｄ)に示すものは、実開平２−７０８６
８号公報、または実開平４−９２１７３号公報に記載の
接合形態であるが、チューブ５・管板３間の溶接そのも
のは、母材の溶け込みのみで行うノンフィラー溶接か、
母材（前記のフェライト系クロム・モリブデン鋼）と同
等のフィラー（溶加材）を用いる共金溶接を施すのが一
般である。
ブと管板との接合、つまり図４(ａ)におけるＸ部の構成
は、従来、同(ｂ)・同(ｃ)または同(ｄ)のようになされ
ている。同(ｂ)は、管板３の穴３ａにチューブ５を貫き
通したうえ、チューブ５の先端部と管板３の表面（胴２
内の熱交換部分と反対側の表面。以下、管板３の外側の
表面という）３ｄとの間を溶接するもの。同(ｃ)は、チ
ューブ５よりもやや外径の大きい周縁部３ｆを管板表面
（胴２内の熱交換部分に面し、その部分のガスと接触す
る側の表面。以下、管板３の内側の表面という）３ｅに
突出させ、そのインロウ部分３ｇにチューブ５の先端を
嵌めて突き合わせ全周に溶接するもの。そして同(ｄ)
は、管板３の穴３ａにチューブ５の先端５ａのみを挿入
し、内外に溶け込みをとって全周溶接するものである。
なお図４(ｃ)・(ｄ)に示すものは、実開平２−７０８６
８号公報、または実開平４−９２１７３号公報に記載の
接合形態であるが、チューブ５・管板３間の溶接そのも
のは、母材の溶け込みのみで行うノンフィラー溶接か、
母材（前記のフェライト系クロム・モリブデン鋼）と同
等のフィラー（溶加材）を用いる共金溶接を施すのが一
般である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図４(ｂ)〜(ｄ)に示し
たチューブ・管板間の接合形態は、上述したスチレンモ
ノマー製造装置の脱水素反応部用の熱交換器など（後述
のように、ＣＯ２またはＣＯを含むガスを胴２内に導入
するもの）に適用する場合、つぎのような不都合があ
る。
たチューブ・管板間の接合形態は、上述したスチレンモ
ノマー製造装置の脱水素反応部用の熱交換器など（後述
のように、ＣＯ２またはＣＯを含むガスを胴２内に導入
するもの）に適用する場合、つぎのような不都合があ
る。
【０００６】まず、図４(ｂ)のように接合する場合、管
板３の内側（図では右側）の部分とチューブ外面との間
に微細な隙間（クレビス）３ｑがあることから、ネッキ
ングと呼ばれる現象によりチューブ５が損傷することが
ある。ネッキングとは、このような隙間に炭素粒子が侵
入し、金属の酸化スケールの発生を促進し成長させてチ
ューブ５を内方へ圧迫し、変形の段階を経てチューブ５
の破損に至らしめる現象である。前記用途の熱交換器１
１では、胴内を流れるガスには、主成分のエチルベンゼ
ンや水分のほかに、不純物または派生物として微量のＣ
Ｏ２やＣＯが含まれるが、このようなガスでは反応学
上、約４００〜６００℃の温度範囲においてガス中の炭
素成分が炭素粒子として析出しやすいことが知られてい
る。したがって、この範囲内の温度になるうえにガス流
れが低流速になりやすい管板３の付近では炭素粒子の析
出がとくに起こりやすいと考えられる。
板３の内側（図では右側）の部分とチューブ外面との間
に微細な隙間（クレビス）３ｑがあることから、ネッキ
ングと呼ばれる現象によりチューブ５が損傷することが
ある。ネッキングとは、このような隙間に炭素粒子が侵
入し、金属の酸化スケールの発生を促進し成長させてチ
ューブ５を内方へ圧迫し、変形の段階を経てチューブ５
の破損に至らしめる現象である。前記用途の熱交換器１
１では、胴内を流れるガスには、主成分のエチルベンゼ
ンや水分のほかに、不純物または派生物として微量のＣ
Ｏ２やＣＯが含まれるが、このようなガスでは反応学
上、約４００〜６００℃の温度範囲においてガス中の炭
素成分が炭素粒子として析出しやすいことが知られてい
る。したがって、この範囲内の温度になるうえにガス流
れが低流速になりやすい管板３の付近では炭素粒子の析
出がとくに起こりやすいと考えられる。
【０００７】図４(ｃ)に示す接合形態の場合、チューブ
５と管板３との間に微細隙間はないので上記のようなネ
ッキング現象は発生しないが、つぎのような不都合がと
もなう。すなわち、イ ) チューブ５・管板３間の溶接部６が外周から腐食さ
れて損傷し、ついには断裂に至ることがある。最近の調
査によりこの現象は、ＣＯ２およびＣＯを含むガス雰囲
気にある金属が、組織変化を起こした（ベイナイト組織
になっている）溶接部を起点とし、浸炭と高温酸化とを
同時に受けて腐食する、いわゆるメタルダスティング現
象であることが明らかになっている。フェライト系クロ
ム・モリブデン鋼は、ガス組成にもよるが、５５０〜６
５０℃においてこの腐食を受けやすい傾向があるため、
それを、相当の温度上昇があるチューブ５や管板３に使
用した上記用途の熱交換器１１においては、条件次第で
このメタルダスティング現象が極めて発生しやすいので
ある。
５と管板３との間に微細隙間はないので上記のようなネ
ッキング現象は発生しないが、つぎのような不都合がと
もなう。すなわち、イ ) チューブ５・管板３間の溶接部６が外周から腐食さ
れて損傷し、ついには断裂に至ることがある。最近の調
査によりこの現象は、ＣＯ２およびＣＯを含むガス雰囲
気にある金属が、組織変化を起こした（ベイナイト組織
になっている）溶接部を起点とし、浸炭と高温酸化とを
同時に受けて腐食する、いわゆるメタルダスティング現
象であることが明らかになっている。フェライト系クロ
ム・モリブデン鋼は、ガス組成にもよるが、５５０〜６
５０℃においてこの腐食を受けやすい傾向があるため、
それを、相当の温度上昇があるチューブ５や管板３に使
用した上記用途の熱交換器１１においては、条件次第で
このメタルダスティング現象が極めて発生しやすいので
ある。
【０００８】ロ) 該当部分の溶接を、内面ボア溶接とい
う特殊な手段によって行わねばならない。これは、多数
のチューブ５が極めて密に管板３に取り付けられていて
チューブ５の外周からの溶接が不可能であることに加
え、溶接部６の位置が外側（図の左側）の端部３ｄから
遠いため溶接棒を適切な角度で（斜めに）差し入れるこ
とができないことなどがその理由である。
う特殊な手段によって行わねばならない。これは、多数
のチューブ５が極めて密に管板３に取り付けられていて
チューブ５の外周からの溶接が不可能であることに加
え、溶接部６の位置が外側（図の左側）の端部３ｄから
遠いため溶接棒を適切な角度で（斜めに）差し入れるこ
とができないことなどがその理由である。
【０００９】ハ) 上記の溶接を行う際、管板３の突出し
た周縁部３ｆにチューブ５の先端を突き合わせるため
に、熱交換器１１の胴２内に作業員が入らなければなら
ない。胴２の内部は狭いうえ、溶接前の予熱等によって
作業環境が劣悪になるので、この場合の作業員の負担は
かなり厳しいものになる。
た周縁部３ｆにチューブ５の先端を突き合わせるため
に、熱交換器１１の胴２内に作業員が入らなければなら
ない。胴２の内部は狭いうえ、溶接前の予熱等によって
作業環境が劣悪になるので、この場合の作業員の負担は
かなり厳しいものになる。
【００１０】ニ) 溶接の際に上記のとおり作業員が胴２
内に入る必要があることから、溶接部６の付近にはチュ
ーブ５用のバッフル７やサポートプレート８などを設け
られない。このため、最も望ましい状態にチューブ５の
振動防止策を施すことができない場合がある。
内に入る必要があることから、溶接部６の付近にはチュ
ーブ５用のバッフル７やサポートプレート８などを設け
られない。このため、最も望ましい状態にチューブ５の
振動防止策を施すことができない場合がある。
【００１１】ホ) 何らかの事情でチューブ５を取り外す
必要がある場合、チューブ５を管板３の外側（図の左
方）へ引き抜くために、管板３にチューブ５の外径より
わずかに大きい（すなわち元の穴３ａより大きい）穴を
あけ直さなければなならい。それゆえ、チューブ５のみ
を交換するのにも多大な時間と費用を必要とする。
必要がある場合、チューブ５を管板３の外側（図の左
方）へ引き抜くために、管板３にチューブ５の外径より
わずかに大きい（すなわち元の穴３ａより大きい）穴を
あけ直さなければなならい。それゆえ、チューブ５のみ
を交換するのにも多大な時間と費用を必要とする。
【００１２】また、図４(ｄ)のような接合をなす場合
は、上記ロ)〜ホ)のような不利はないものの、メタルダス
ティング現象による上記イ)の不都合はやはり発生する。
は、上記ロ)〜ホ)のような不利はないものの、メタルダス
ティング現象による上記イ)の不都合はやはり発生する。
【００１３】本発明の目的は、上述したネッキング現象
のほかメタルダスティング現象も発生せず、溶接作業や
振動防止面・チューブの交換作業等についても利点があ
るうえ、製造コストの上昇を最小限にした熱交換器を提
供することである。
のほかメタルダスティング現象も発生せず、溶接作業や
振動防止面・チューブの交換作業等についても利点があ
るうえ、製造コストの上昇を最小限にした熱交換器を提
供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の熱交換器は、ガ
スの流通路である中空の胴内に、複数本のチューブとそ
れらを取り付けた管板とを配置し、ＣＯ ２ やＣＯなどの
炭素成分を含む高温ガスを導入する多管式の熱交換器で
あって、a)チューブおよび管板（複数ある場合は少なく
とも高温側の管板）としてフェライト系クロム・モリブ
デン鋼を使用し、b-1)管板に設けた穴にチューブの先端
を挿入するとともに、b-2)上記胴内のガスと接触する側
の管板表面（内側の表面）上に全周的に裏波が形成され
るよう、b-3)ニッケル合金のフィラー（溶加材または溶
着金属）を用いる溶接によってチューブ先端と管板とを
接合した−ものである。
スの流通路である中空の胴内に、複数本のチューブとそ
れらを取り付けた管板とを配置し、ＣＯ ２ やＣＯなどの
炭素成分を含む高温ガスを導入する多管式の熱交換器で
あって、a)チューブおよび管板（複数ある場合は少なく
とも高温側の管板）としてフェライト系クロム・モリブ
デン鋼を使用し、b-1)管板に設けた穴にチューブの先端
を挿入するとともに、b-2)上記胴内のガスと接触する側
の管板表面（内側の表面）上に全周的に裏波が形成され
るよう、b-3)ニッケル合金のフィラー（溶加材または溶
着金属）を用いる溶接によってチューブ先端と管板とを
接合した−ものである。
【００１５】この熱交換器にはさらに、請求項２に記載
したように、上記胴内のガスと接触する側の管板表面
（内側の表面）にニッケル合金の層を設けるとよい。な
お、この層のニッケル合金は、上記のフェライト系クロ
ム・モリブデン鋼と熱膨張率の近いものであれば、より
好ましい。
したように、上記胴内のガスと接触する側の管板表面
（内側の表面）にニッケル合金の層を設けるとよい。な
お、この層のニッケル合金は、上記のフェライト系クロ
ム・モリブデン鋼と熱膨張率の近いものであれば、より
好ましい。
【００１６】
【作用】本発明の熱交換器は、つぎのような作用により
前記の目的を達成する。すなわち、 1) 上記のb-1)・b-2)に記載したとおり、管板とその穴
に挿入したチューブの先端との間を溶接するのに、管板
の内側表面に全周的に裏波が形成されるようにしたの
で、その溶接部付近には、析出する炭素粒子がガスの側
から侵入するような隙間（図４(ｂ)の隙間３ｑなど）は
存在しない。したがって、ＣＯ２やＣＯなどの炭素成分
を含有するガスを胴内に入れて４００〜６００℃の温度
になる場合にも、この熱交換器ではチューブにネッキン
グ現象が発生しない。
前記の目的を達成する。すなわち、 1) 上記のb-1)・b-2)に記載したとおり、管板とその穴
に挿入したチューブの先端との間を溶接するのに、管板
の内側表面に全周的に裏波が形成されるようにしたの
で、その溶接部付近には、析出する炭素粒子がガスの側
から侵入するような隙間（図４(ｂ)の隙間３ｑなど）は
存在しない。したがって、ＣＯ２やＣＯなどの炭素成分
を含有するガスを胴内に入れて４００〜６００℃の温度
になる場合にも、この熱交換器ではチューブにネッキン
グ現象が発生しない。
【００１７】2) 上記b-3)のように、チューブ先端と管
板との間の溶接にニッケル合金のフィラーを用いるの
で、その溶接部をはじめ、チューブや管板にメタルダス
ティング現象が生じない。同現象は、溶接部の浸炭をき
っかけにしてその周辺に浸炭と高温酸化とが同時に進行
することにより発生するとみられるが、この熱交換器で
は、浸炭抵抗（浸炭の起こりにくさ）の高いニッケル合
金を溶接フィラーとしていることにより、同現象の発生
が起点において阻止されるものと考えられる。そのため
この熱交換器は、浸炭性のあるガスが導入されるととも
に、温度が約５５０℃以上に上昇しても差し支えない。
板との間の溶接にニッケル合金のフィラーを用いるの
で、その溶接部をはじめ、チューブや管板にメタルダス
ティング現象が生じない。同現象は、溶接部の浸炭をき
っかけにしてその周辺に浸炭と高温酸化とが同時に進行
することにより発生するとみられるが、この熱交換器で
は、浸炭抵抗（浸炭の起こりにくさ）の高いニッケル合
金を溶接フィラーとしていることにより、同現象の発生
が起点において阻止されるものと考えられる。そのため
この熱交換器は、浸炭性のあるガスが導入されるととも
に、温度が約５５０℃以上に上昇しても差し支えない。
【００１８】3) b-1)のとおりチューブの先端を管板の
穴に挿入することから、両者間の溶接は比較的簡単に行
うことができる。つまり、チューブの先端が管板の外
側表面から近い位置に来るので、管板の穴に端部から溶
接棒を差し入れての溶接が可能な場合が多いうえ、チ
ューブと管板とを突き合わせる（図４(ｃ)参照）のでは
なく、チューブを穴に挿入する方式なので、溶接の際、
胴内で作業員がチューブの先端を正確な溶接位置に嵌め
こむ必要がなく、胴外からの挿入作業が可能である−
ために、溶接が容易なのである。
穴に挿入することから、両者間の溶接は比較的簡単に行
うことができる。つまり、チューブの先端が管板の外
側表面から近い位置に来るので、管板の穴に端部から溶
接棒を差し入れての溶接が可能な場合が多いうえ、チ
ューブと管板とを突き合わせる（図４(ｃ)参照）のでは
なく、チューブを穴に挿入する方式なので、溶接の際、
胴内で作業員がチューブの先端を正確な溶接位置に嵌め
こむ必要がなく、胴外からの挿入作業が可能である−
ために、溶接が容易なのである。
【００１９】4) 上記3)のにより、胴内に作業スペー
スを確保する必要がないので、胴内にチューブの支持部
材を設けるうえで制約がなくなり、チューブの振動防止
策を効果的に施すことができる。
スを確保する必要がないので、胴内にチューブの支持部
材を設けるうえで制約がなくなり、チューブの振動防止
策を効果的に施すことができる。
【００２０】5) チューブを取り外す必要がある場合、
管板の外側から溶接部のみを中ぐり等によって取り除け
ば、チューブを容易に管板の外側へ引き抜くことがで
き、また、新しいチューブを挿入後は、元のと全く同じ
溶接方法でチューブと管板とを接合できる。つまり、チ
ューブのみの交換が極めて容易である。
管板の外側から溶接部のみを中ぐり等によって取り除け
ば、チューブを容易に管板の外側へ引き抜くことがで
き、また、新しいチューブを挿入後は、元のと全く同じ
溶接方法でチューブと管板とを接合できる。つまり、チ
ューブのみの交換が極めて容易である。
【００２１】6) 浸炭抵抗の高いステンレス鋼（たとえ
ば１８Ｃｒ−８Ｎｉ鋼）などでチューブや管板を形成す
るのでなく、上記a)のとおりフェライト系クロムモリブ
デン鋼という安価な金属材料を使用してメタルダスティ
ング現象等を防止するため、製造コストが従来とほとん
ど変わらない。
ば１８Ｃｒ−８Ｎｉ鋼）などでチューブや管板を形成す
るのでなく、上記a)のとおりフェライト系クロムモリブ
デン鋼という安価な金属材料を使用してメタルダスティ
ング現象等を防止するため、製造コストが従来とほとん
ど変わらない。
【００２２】なお、発明者らの実験および調査によれ
ば、溶接部を起点とせずにチューブや管板にメタルダス
ティング現象の起きる可能性は極めて低いが、ガス成分
等によっては、管板の内側の表面付近でわずかに浸炭が
起きるケースがあった。請求項２の熱交換器はその点を
考慮して構成したもので、管板の内側表面、すなわちガ
スと接触する側の表面に浸炭抵抗の高いニッケル合金層
を形成したので、上記のような浸炭自体をも完全に防止
する。ニッケル合金の層は、肉盛溶接や溶射などの方法
で形成すればよいが、管板（母材）の材料であるフェラ
イト系クロムモリブデン鋼と熱膨張率の近い金属にすれ
ば、管板が大きい場合や温度変化の激しい場合にも同層
の剥離や亀裂が生じる心配がない。
ば、溶接部を起点とせずにチューブや管板にメタルダス
ティング現象の起きる可能性は極めて低いが、ガス成分
等によっては、管板の内側の表面付近でわずかに浸炭が
起きるケースがあった。請求項２の熱交換器はその点を
考慮して構成したもので、管板の内側表面、すなわちガ
スと接触する側の表面に浸炭抵抗の高いニッケル合金層
を形成したので、上記のような浸炭自体をも完全に防止
する。ニッケル合金の層は、肉盛溶接や溶射などの方法
で形成すればよいが、管板（母材）の材料であるフェラ
イト系クロムモリブデン鋼と熱膨張率の近い金属にすれ
ば、管板が大きい場合や温度変化の激しい場合にも同層
の剥離や亀裂が生じる心配がない。
【００２３】
【実施例】図１(ａ)・(ｂ)に本発明の一実施例を示す。
図示の熱交換器１は、スチレンモノマー製造装置（図示
せず）の脱水素反応部に設置されてガス−ガス間の熱交
換を行う多管式熱交換器である。前記にて紹介したよう
に、胴２内には、導入口２ａよりエチルベンゼンと水蒸
気を主成分とする低温（約１００〜２００℃）のガスが
導入され、熱交換によって概ね５００℃以上に加熱され
たうえ、脱水素反応器（図示せず）へ供給されるべく出
口２ｂから出ていく。一方、胴２内に配置された多数の
チューブ５内には、管板３の外側（図の左側）から、脱
水素反応器を出たスチレンモノマーと水蒸気とを主成分
とする高温（約５５０℃）の反応ガスが通され、熱交換
にて約３００〜４００℃にまで冷却されて管板４の外へ
送られる。
図示の熱交換器１は、スチレンモノマー製造装置（図示
せず）の脱水素反応部に設置されてガス−ガス間の熱交
換を行う多管式熱交換器である。前記にて紹介したよう
に、胴２内には、導入口２ａよりエチルベンゼンと水蒸
気を主成分とする低温（約１００〜２００℃）のガスが
導入され、熱交換によって概ね５００℃以上に加熱され
たうえ、脱水素反応器（図示せず）へ供給されるべく出
口２ｂから出ていく。一方、胴２内に配置された多数の
チューブ５内には、管板３の外側（図の左側）から、脱
水素反応器を出たスチレンモノマーと水蒸気とを主成分
とする高温（約５５０℃）の反応ガスが通され、熱交換
にて約３００〜４００℃にまで冷却されて管板４の外へ
送られる。
【００２４】高温のガスが導入される高温側（図の左
側）にある管板３は、固定管板として胴２に固定した
が、低温側（図の右側）の管板４は、上記二つの流体
（ガス）の温度差に基づくチューブ５と胴２との熱膨張
差を吸収できるよう、いわゆる遊動管板としている。ま
た、チューブ５に対して胴２内のガス流れをクロスフロ
ーにするよう、胴２内には、複数箇所にほぼ等間隔でバ
ッフル７（本例では、いわゆるＮＴＩＷバッフル）を取
り付けている。さらに、チューブ５の振動防止の目的
で、胴２内にやはり複数箇所においてサポートプレート
８をも設け、チューブ５を支持させている。チューブ５
は、したがって、２枚の管板３・４に両端付近が取り付
けられるとともに、バッフル７およびサポートプレート
８に中間部分を支持されている。
側）にある管板３は、固定管板として胴２に固定した
が、低温側（図の右側）の管板４は、上記二つの流体
（ガス）の温度差に基づくチューブ５と胴２との熱膨張
差を吸収できるよう、いわゆる遊動管板としている。ま
た、チューブ５に対して胴２内のガス流れをクロスフロ
ーにするよう、胴２内には、複数箇所にほぼ等間隔でバ
ッフル７（本例では、いわゆるＮＴＩＷバッフル）を取
り付けている。さらに、チューブ５の振動防止の目的
で、胴２内にやはり複数箇所においてサポートプレート
８をも設け、チューブ５を支持させている。チューブ５
は、したがって、２枚の管板３・４に両端付近が取り付
けられるとともに、バッフル７およびサポートプレート
８に中間部分を支持されている。
【００２５】この熱交換器１では、胴２と管板３・４お
よびチューブ５の素材として ２1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼を使
用している。これに代表されるフェライト系クロムモリ
ブデン鋼は、使用可能な最高温度が６００℃に近くて本
例の用途に適するうえ、ステンレス鋼などに比べて極め
て経済的だからである。
よびチューブ５の素材として ２1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼を使
用している。これに代表されるフェライト系クロムモリ
ブデン鋼は、使用可能な最高温度が６００℃に近くて本
例の用途に適するうえ、ステンレス鋼などに比べて極め
て経済的だからである。
【００２６】しかしながら、この熱交換器１のうち高温
側の管板３とチューブ５との接合部分には、以下のよう
にやや特殊な溶接を施している。この部分は、運転中の
温度が５００℃を超えるため、胴２内のガスに含まれる
炭素成分により、従来なら、前述のネッキングやメタル
ダスティングの不都合を受けたからである。さて、その
溶接は下記1)・2)のとおり行う。
側の管板３とチューブ５との接合部分には、以下のよう
にやや特殊な溶接を施している。この部分は、運転中の
温度が５００℃を超えるため、胴２内のガスに含まれる
炭素成分により、従来なら、前述のネッキングやメタル
ダスティングの不都合を受けたからである。さて、その
溶接は下記1)・2)のとおり行う。
【００２７】1) 図１(ｂ)の上半分に示すように、管板
３の内側（図の右側）から穴３ａ内にチューブ５の先端
を挿入する。穴３ａには、外側にテーパ部分３ｂを設け
るとともに、内側に、チューブ５の外径よりわずかに大
きい直管部分３ｃを設けているが、チューブ５の先端
は、溶接時の溶け込みや裏波の形成を考慮して直管部分
３ｃにわずか（１ｍｍ程度）だけ挿入する。なお、チュ
ーブ５の先端内周に周回状に切欠き５ａを形成したの
は、やはり溶接時に先端が溶け込みやすいようにしたも
のだが、同じ作用のある他の開先を採用してもよい。そ
のほか、外側にテーパ部分３ｂを形成したのは、その側
から差し入れる溶接棒の角度を最適にするためで、チュ
ーブ５や穴３ａの径が大きい場合などは形成不要であ
る。
３の内側（図の右側）から穴３ａ内にチューブ５の先端
を挿入する。穴３ａには、外側にテーパ部分３ｂを設け
るとともに、内側に、チューブ５の外径よりわずかに大
きい直管部分３ｃを設けているが、チューブ５の先端
は、溶接時の溶け込みや裏波の形成を考慮して直管部分
３ｃにわずか（１ｍｍ程度）だけ挿入する。なお、チュ
ーブ５の先端内周に周回状に切欠き５ａを形成したの
は、やはり溶接時に先端が溶け込みやすいようにしたも
のだが、同じ作用のある他の開先を採用してもよい。そ
のほか、外側にテーパ部分３ｂを形成したのは、その側
から差し入れる溶接棒の角度を最適にするためで、チュ
ーブ５や穴３ａの径が大きい場合などは形成不要であ
る。
【００２８】2) ニッケル合金であるインコネルの溶加
材（フィラー）を管板３の外側から差し入れて、管板３
とチューブ５との間にＴＩＧ溶接を施す（図１(ｂ)の下
半分参照）。第一層６ａは、溶け込みを十分にとって管
板３の内側表面３ｅとチューブ５の外周面との間に全周
的に裏波が出るようにし、チューブ５の周囲に微細隙間
のないノークレビス構造にする。続いて、同じインコネ
ルフィラーによる第二層６ｂ・第三層６ｃの溶接を行う
が、第一層６ａ以外のこれらは、溶接品質に不都合がな
ければ、必ずしもインコネルフィラーによらなくてもよ
い。
材（フィラー）を管板３の外側から差し入れて、管板３
とチューブ５との間にＴＩＧ溶接を施す（図１(ｂ)の下
半分参照）。第一層６ａは、溶け込みを十分にとって管
板３の内側表面３ｅとチューブ５の外周面との間に全周
的に裏波が出るようにし、チューブ５の周囲に微細隙間
のないノークレビス構造にする。続いて、同じインコネ
ルフィラーによる第二層６ｂ・第三層６ｃの溶接を行う
が、第一層６ａ以外のこれらは、溶接品質に不都合がな
ければ、必ずしもインコネルフィラーによらなくてもよ
い。
【００２９】管板３とチューブ５とを以上のように接合
したこの熱交換器１では、ノークレビスであるためにチ
ューブ５のネッキング現象が起こらず、またインコネル
フィラーの作用でメタルダスティング現象も発生しな
い。
したこの熱交換器１では、ノークレビスであるためにチ
ューブ５のネッキング現象が起こらず、またインコネル
フィラーの作用でメタルダスティング現象も発生しな
い。
【００３０】上記の溶接構造によるメタルダスティング
現象の防止効果については、以下に示す試験によっても
明らかになった。すなわち、管板３とチューブ５との接
合部分に模して図３(ａ)・(ｂ)のような試験片を作成
し、これらをＣＯ２およびＣＯを多量に含有する高温の
ガス中にさらすことにより、メタルダスティング現象と
密接な関係がある浸炭の状況を調査した。試験はつぎの
要領で行った。
現象の防止効果については、以下に示す試験によっても
明らかになった。すなわち、管板３とチューブ５との接
合部分に模して図３(ａ)・(ｂ)のような試験片を作成
し、これらをＣＯ２およびＣＯを多量に含有する高温の
ガス中にさらすことにより、メタルダスティング現象と
密接な関係がある浸炭の状況を調査した。試験はつぎの
要領で行った。
【００３１】試験片の種類‥‥いずれの試験片も、管板
３およびチューブ５の材料は ２1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼とす
るが、溶接構造は下記のとおり 試験片：図３(ｂ)すなわち図４(ｃ)と同じ形態とし
て、フィラーを用いずに（つまりノンフィラーで）溶接 試験片：図３(ａ)の形態として、共金すなわち２1/4
Ｃｒ-１Ｍｏ鋼と同等のフィラーを用いて溶接（つまり
図４(ｄ)と同じ構造） 試験片：図３(ａ)の形態として、インコネルフィラー
を用いて溶接（つまり図１(ｂ)と同じ構造） 試験条件‥‥いわゆる加速試験であるため、下記のよう
に、実際の熱交換器１内よりも厳しくする 使用ガス：ＣＯ−ＣＯ2−Ｎ2の混合ガス（ＣＯ−９．９
９ Vol％、ＣＯ２−３．３１ Vol％、Ｎ２−残り) 温度 ：６００℃・６５０℃・７００℃ 試験方法：上記混合ガスを、試験片を入れた試験装置内
にごく低流速で流通させる 試験時間：２００時間（混合ガス流通通算時間） 浸炭調査方法‥‥ＷＤＸ線分析法 浸炭調査箇所‥‥図３(ａ)・(ｂ)の下部詳細図に示す管
板３・チューブ５の各母材と溶接部６および熱影響部３
ｘ・５ｘについて、内周面と外周面（管板３については
内側（図の右側）表面）の各二箇所（合計１０箇所）と
する。
３およびチューブ５の材料は ２1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼とす
るが、溶接構造は下記のとおり 試験片：図３(ｂ)すなわち図４(ｃ)と同じ形態とし
て、フィラーを用いずに（つまりノンフィラーで）溶接 試験片：図３(ａ)の形態として、共金すなわち２1/4
Ｃｒ-１Ｍｏ鋼と同等のフィラーを用いて溶接（つまり
図４(ｄ)と同じ構造） 試験片：図３(ａ)の形態として、インコネルフィラー
を用いて溶接（つまり図１(ｂ)と同じ構造） 試験条件‥‥いわゆる加速試験であるため、下記のよう
に、実際の熱交換器１内よりも厳しくする 使用ガス：ＣＯ−ＣＯ2−Ｎ2の混合ガス（ＣＯ−９．９
９ Vol％、ＣＯ２−３．３１ Vol％、Ｎ２−残り) 温度 ：６００℃・６５０℃・７００℃ 試験方法：上記混合ガスを、試験片を入れた試験装置内
にごく低流速で流通させる 試験時間：２００時間（混合ガス流通通算時間） 浸炭調査方法‥‥ＷＤＸ線分析法 浸炭調査箇所‥‥図３(ａ)・(ｂ)の下部詳細図に示す管
板３・チューブ５の各母材と溶接部６および熱影響部３
ｘ・５ｘについて、内周面と外周面（管板３については
内側（図の右側）表面）の各二箇所（合計１０箇所）と
する。
【００３２】この試験の結果は下記の表のとおりであ
る。試験片・では多くの箇所で浸炭が認められるも
のの、本実施例すなわち図１(ｂ)と同じ溶接構造とした
試験片については、殆ど全ての調査箇所において浸炭
が起きていないことがわかる。 備考1) ○：浸炭なし、×：浸炭あり、−：調査せず 2) 「外」は外周面、「内」は内周面をさすが、管板３
の「外」は、管板３の内側（図３では右側）の表面をい
う。
る。試験片・では多くの箇所で浸炭が認められるも
のの、本実施例すなわち図１(ｂ)と同じ溶接構造とした
試験片については、殆ど全ての調査箇所において浸炭
が起きていないことがわかる。 備考1) ○：浸炭なし、×：浸炭あり、−：調査せず 2) 「外」は外周面、「内」は内周面をさすが、管板３
の「外」は、管板３の内側（図３では右側）の表面をい
う。
【００３３】ただし、試験片においても管板３の内側
表面で一部に浸炭が認められるが、この母材部分での浸
炭は、必ずしも直接にメタルダスティングにつながる性
質のものではない。また、図２のように、管板３の内側
表面３ｅにインコネルの層（オーバーレイ）３ｐを肉盛
溶接等によって形成すれば、管板３への浸炭自体が阻止
されるので、メタルダスティングの防止上一層効果的で
ある。なお、図２においては図１と共通する部分に同一
の符号を付し、ここでそれぞれを説明することは省略す
る。
表面で一部に浸炭が認められるが、この母材部分での浸
炭は、必ずしも直接にメタルダスティングにつながる性
質のものではない。また、図２のように、管板３の内側
表面３ｅにインコネルの層（オーバーレイ）３ｐを肉盛
溶接等によって形成すれば、管板３への浸炭自体が阻止
されるので、メタルダスティングの防止上一層効果的で
ある。なお、図２においては図１と共通する部分に同一
の符号を付し、ここでそれぞれを説明することは省略す
る。
【００３４】そのほか、メタルダスティングを効果的に
防止するには、２1/4Ｃｒ-１Ｍｏ鋼よりもさらに浸炭抵
抗の高いクロム・モリブデン鋼、たとえば５Ｃｒ-1/2Ｍ
ｏ鋼などを使用してもよい。図２のようにする場合と同
様、この材料によることも、管板３やチューブ５（の母
材）に１８Ｃｒ−８Ｎｉなどのステンレス鋼を使用する
場合に比較して、依然として経済的に有利である。
防止するには、２1/4Ｃｒ-１Ｍｏ鋼よりもさらに浸炭抵
抗の高いクロム・モリブデン鋼、たとえば５Ｃｒ-1/2Ｍ
ｏ鋼などを使用してもよい。図２のようにする場合と同
様、この材料によることも、管板３やチューブ５（の母
材）に１８Ｃｒ−８Ｎｉなどのステンレス鋼を使用する
場合に比較して、依然として経済的に有利である。
【００３５】
【発明の効果】本発明の熱交換器によると、1)炭素成分
を含む高温ガスを導入する場合であっても、チューブの
ネッキング現象が発生しないうえ、2)メタルダスティン
グ現象も防止される。また、3)チューブ・管板間の溶接
が容易、4)支持部材による振動防止も行いやすい、5)チ
ューブの交換が容易−といった利点があり、しかも、
6)従来の熱交換器に比べて製造コストが上昇しない。と
くに請求項２の熱交換器によれば、メタルダスティング
現象は一層効果的に防止される。
を含む高温ガスを導入する場合であっても、チューブの
ネッキング現象が発生しないうえ、2)メタルダスティン
グ現象も防止される。また、3)チューブ・管板間の溶接
が容易、4)支持部材による振動防止も行いやすい、5)チ
ューブの交換が容易−といった利点があり、しかも、
6)従来の熱交換器に比べて製造コストが上昇しない。と
くに請求項２の熱交換器によれば、メタルダスティング
現象は一層効果的に防止される。
【図１】図１(ａ)は、本発明の一実施例である熱交換器
の全体的な縦断面図、同(ｂ)は同(ａ)におけるｂ部詳細
図である。
の全体的な縦断面図、同(ｂ)は同(ａ)におけるｂ部詳細
図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す要部断面図である。
【図３】図１の実施例と従来例との効果の比較試験に関
して、試験片の断面を示す。
して、試験片の断面を示す。
【図４】一般的な熱交換器の全体縦断面図（図４
(ａ)）、およびそのＸ部（すなわちチューブ・管板間の
接合部）について従来の溶接構造を示す詳細図（同(ｂ)
・(ｃ)・(ｄ)）である。
(ａ)）、およびそのＸ部（すなわちチューブ・管板間の
接合部）について従来の溶接構造を示す詳細図（同(ｂ)
・(ｃ)・(ｄ)）である。
１ 熱交換器 ２ 胴 ３ 管板 ３ａ 穴 ５ チューブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 頌三 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 上門 正樹 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 中島 芳仁 山口県徳山市宮前町１番１号 出光石油 化学株式会社内 (72)発明者 吉田 博 山口県徳山市宮前町１番１号 出光石油 化学株式会社内 (72)発明者 田中 悦生 山口県徳山市宮前町１番１号 出光エン ジニアリング株式会社内 (72)発明者 梅津 国昭 山口県徳山市宮前町１番１号 出光エン ジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−273194（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−176434（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−42148（ＪＰ，Ａ) 特公 昭50−28373（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭57−31513（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−62316（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 9/00 B23K 9/028 B23K 9/23 B23K 35/30
Claims (2)
- 【請求項１】 ガスの流通路である中空の胴内に、複数
本のチューブとそれらを取り付けた管板とを配置し、炭
素成分を含む高温ガスを導入する多管式の熱交換器であ
って、 チューブおよび管板としてフェライト系クロム・モリブ
デン鋼を使用し、 管板に設けた穴にチューブの先端を挿入するとともに、
上記胴内のガスと接触する側の管板表面上に全周的に裏
波が形成されるよう、ニッケル合金のフィラーを用いる
溶接によってチューブ先端と管板とを接合したことを特
徴とする熱交換器。 - 【請求項２】 上記胴内のガスと接触する側の管板表面
にニッケル合金の層を形成した請求項１に記載の熱交換
器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34525392A JP3268367B2 (ja) | 1992-11-30 | 1992-11-30 | 熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34525392A JP3268367B2 (ja) | 1992-11-30 | 1992-11-30 | 熱交換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06170532A JPH06170532A (ja) | 1994-06-21 |
| JP3268367B2 true JP3268367B2 (ja) | 2002-03-25 |
Family
ID=18375346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34525392A Expired - Lifetime JP3268367B2 (ja) | 1992-11-30 | 1992-11-30 | 熱交換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3268367B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2918099B2 (ja) * | 1996-03-22 | 1999-07-12 | 川崎重工業株式会社 | スチレンモノマー製造用の熱交換器 |
| JP3422970B2 (ja) | 2000-05-12 | 2003-07-07 | 東洋エンジニアリング株式会社 | 高クロムオ−ステナイトステンレス鋼管の溶接方法 |
| DE102005055481A1 (de) * | 2005-11-18 | 2007-05-24 | Behr Gmbh & Co. Kg | Wärmetauscher für einen Verbrennungsmotor |
| EA201590749A1 (ru) * | 2012-10-17 | 2015-07-30 | Тетра Лаваль Холдингз Энд Файнэнс С.А. | Элемент крепления трубы |
| JP6132130B2 (ja) * | 2012-11-30 | 2017-05-24 | 株式会社ノーリツ | 熱交換器の製造方法 |
| JP6119212B2 (ja) * | 2012-11-30 | 2017-04-26 | 株式会社ノーリツ | 熱交換器 |
| KR101477636B1 (ko) * | 2014-06-26 | 2014-12-30 | 주식회사 동화엔텍 | 쉘앤튜브 열교환기의 튜브시트와 튜브의 접합방법 및 쉘앤튜브 열교환기 |
| CN106735998A (zh) * | 2017-01-11 | 2017-05-31 | 茂名重力石化装备股份公司 | 一种废热锅炉挠性管板嵌入式深孔焊结构 |
-
1992
- 1992-11-30 JP JP34525392A patent/JP3268367B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06170532A (ja) | 1994-06-21 |
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