JP3399823B2 - 熱交換用管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、内面に螺旋状の突
条が形成された熱交換用管の改良に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】熱交換用管は、管内を流通する流体を、
管壁を介した外部との熱交換によって、所望の温度域ま
で昇温させる管体であって、例えば、石油化学プラント
におけるエチレン製造用熱分解管として用いられてい
る。 【０００３】エチレン製造用熱分解炉では、外部加熱を
受ける熱分解管の内部に、ナフサ、天然ガス、エタン等
の炭化水素類を、水蒸気とのガス状混合流体(温度約９
００Ｋ)として送給し、管路内を高速(例えば管長約１０
〜１３ｍの熱分解管では、約０.１〜０.３秒)で通過す
る間に、所定の熱分解温度域(約１０８０〜１１３０Ｋ)
まで加熱し、その熱分解反応によってエチレン、プロピ
レン等のオレフィンを生成している。 【０００４】上記熱分解操業においては、管内を高速で
通過する流体への熱伝達を効率良く行なわせ、それと同
時に、熱分解温度域を越える不必要な高温加熱をできる
だけ回避することが必要である。管内流体への熱伝達が
十分でなく、熱分解温度域まで加熱されないと、熱分解
反応が進行せず、目的生成物の収率が低下する。逆に、
原料炭化水素ガスが熱分解温度を超える温度域まで過度
に加熱されると、生成されたエチレン等がさらに熱分解
して、炭化水素の過度の軽質化(例えば、メタン、遊離
炭素等の生成)や、分解生成物の重縮合反応等により、
目的製品の収率が大きく低下する。加えて、過度の熱分
解により生成した遊離炭素は、管壁に沈積付着する傾向
にある。この現象は一般に「コーキング」と称され、コ
ーキングが発生すると、有効管内径の縮小、伝熱面積の
減少及び沈積炭素による伝熱効率の低下が著しくなり、
分解効率が急激に低下する不都合がある。このため、実
操業では、定期的に炉運転を停止して、コーキングを除
去する「デコーキング」作業が反復実施されているが、
コーキングの発生量が多くなると、デコーキングの実施
頻度を増やさねばならず、生産性が低下してしまう。 【０００５】そこで、管内流体との熱交換用管の熱伝達
性能を高めて迅速な加熱昇温を図るとともに、管内流体
の熱分解温度を超える過度の高温加熱を防止するため、
図５に示すように、管壁内面(22)を管軸方向に沿って螺
回する突条(30)を形成した熱交換用管(10)が提案されて
いる。この螺旋突条(30)により、管壁の近傍を流通する
管内流体は撹拌され、その効果として管壁から管内流体
への熱伝達性能を高めることができる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】熱分解炉等において、
熱交換用管は、一般に突合せ溶接によって複数本繋ぎ合
わせた状態で使用される。熱交換用管は、内部に流通す
る流体を気密に保つために耐圧性が要求されるから、溶
接接合部分には、溶接棒を管体に対して十分に溶け込ま
す必要がある。しかしながら、内面に突条が形成されて
いる部分は他の部分に比べて厚肉となるため、この部分
を接合するには、突条のない部分よりも大きな熱容量を
必要とし、突条のない部分と同じ条件で溶接を行なう
と、溶込み不足で接合不十分となり、耐圧性が低下する
虞れがあった。逆に突条の形成された部分が十分接合さ
れる条件で溶接を行なうと、突条のない部分での溶接溶
込みが過剰になる。また、隣り合う熱交換用管(10)(10)
の突条どうしは、繋ぎ合せ部分(50)にて連続した状態に
あることが望まれるが、図６に示すように、突条(30)が
不連続な状態で繋ぎ合わされることがある。この場合、
突条(30)の端面(34)が管壁内面(22)に対してほぼ直角に
形成されていると、流体が突条端面(34)に衝突して乱流
が生じ、流体の流れが阻害される。その結果、淀みが発
生し、その淀んだ流体が過度に加熱されたり、流体の圧
損が増大することがあった。 【０００７】本発明の目的は、内面に螺旋状の突条を形
成してなる熱交換用管の繋ぎ合せ部分で生ずる流れの阻
害、圧損などを防止することである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の熱交換用管(10)は、管壁内面(22)に、管内
を流通する流体との熱交換効率を高めるための突条(30)
が螺旋状に形成された複数の管体(20)を、端面どうしを
突合せ溶接して接合することにより構成される熱交換用
管において、各管体(20)の突条(30)を、管体(20)の両端
部近傍にて高さが漸次低くなる形状とし、望ましくは管
体(20)の両端部近傍にテーパー部(32)を形成したもので
ある。 【０００９】 【作用及び効果】突条(30)は、管体(20)の端部近傍にテ
ーパー部(32)を形成したから、管体どうしを突合せ溶接
したときに、突条(30)が接合の障害となることがなく、
突条の形成されていない部分と同じ条件で接合を行なっ
ても、繋ぎ合せ部分(50)に溶接時の溶込み不足や溶込み
過剰などが生じることもない。また、管体(20)を繋ぎ合
わせたときに、隣り合う管体どうしの突条(30)が不連続
な状態になっても、突条(30)は管端近傍で高さが漸次低
くなったテーパー形状(32)となっており、流体が突条(3
0)の端面に衝突しても、流れがほとんど阻害されること
がない。従って、流体の淀みが発生して過度に加熱され
たり、流体の圧損が増大することもない。 【００１０】 【発明の実施の形態】熱交換用管(10)は、用途、使用条
件などに応じて材料を適宜選択可能である。エチレン製
造用熱分解炉の熱分解管として用いられる場合、２５Ｃ
ｒ−２０Ｎｉ系、２５Ｃｒ−３５Ｎｉ系、３１Ｃｒ−４
３Ｎｉ系などの耐熱合金を用いることができる。特に、
３１Ｃｒ−４３Ｎｉは、耐熱性及び耐浸炭性にすぐれる
ので、コーク付着低減効果と相まって、管体の長寿命化
を達成できる。熱交換用管(10)の内径、肉厚、長さなど
も用途、使用条件に応じて適宜選択可能である。 【００１１】突条(30)は、図１に示すように、管体(20)
のほぼ全長に亘って、管壁内面(22)を螺回するように形
成する。図３は、本発明の熱交換用管(10)を、管の軸心
を含む平面で切断し展開した状態を示す説明図である。
なお、以下では１条の螺旋突条(30)が形成された例につ
いて説明するが、複数状として形成することもできる。 【００１２】突条(30)の形成角度は、図３中、管体(20)
の切断面と螺旋突条(30)とのなす鋭角交叉角をθとする
と、流体の撹拌をより効果的に行なうには、鋭角交叉角
θを１５〜７５度の範囲内に設定することが好ましい。
管体(20)の内径が約１５０〜１００ｍｍの場合、鋭角交
叉角θは４０〜７５度とすることが適当であり、管内径
が約１００ｍｍ以下の場合、鋭角交叉角θは１５〜６５
度とすることが適当である。鋭角交叉角θは、管体(20)
の全長に亘って同じである必要はなく、上流側の鋭角交
叉角θを小さくして、下流側の鋭角交叉角θを大きくす
るようにすることもできる。螺旋突条(30)を、鋭角交叉
角θ：１５〜７５度、断面形状：半円形又は半楕円形、
高さ：管内径の約１／１０以下(望ましくは管内径の約
１／１５〜１／２０以下)で形成すると、管壁内面(22)
の近傍を流れる原料炭化水素ガスの一部が、図１に示す
ように、螺旋突条(30)の背後を旋回しながら管内を流通
する所謂スワール流を形成するため、螺旋突条(30)の背
後領域における流体の淀みが抑制され、その結果、流体
の過度の加熱を防止できる。 【００１３】螺旋突条(30)の高さは、管内流体のレイノ
ルズ数、流速、加熱温度、撹拌の度合いなどに基づいて
適宜調節すればよい。なお、突条(30)の高さを管内径の
約１／１０以下(望ましくは約１／１５乃至１／２０)と
すると、図１に示すように、管壁内面(22)の近傍を流れ
るガスの一部が突条(30)を乗り越えた後、管壁内面(22)
に衝突して管壁内面をたたく流れとなるため、突条間で
の流体の淀みが抑制され、その結果、流体の過度の加熱
を防止できる。 【００１４】エチレン製造用の熱分解管の場合、上述の
ようなスワール流や、管壁をたたく流れを生じせしめる
ことにより、流体の淀みの抑制と、これに伴う過熱の防
止により、コーキング量を少なくすることができるか
ら、熱伝達効率を高い状態で維持することができ、ま
た、デコーキング作業の回数を減らすことができる。従
って、収率の向上を達成できる利点がある。 【００１５】突条(30)は、プラズマ粉体溶接などによる
ビード肉盛層として形成され、断面形状は半円形又は半
楕円形に形成することが望ましい。突条(30)は、耐浸炭
性にすぐれる耐熱合金から形成することが望ましく、そ
の種合金として、Ｃ：０.１〜０.６％(重量％、以下同
じ)、Ｓｉ：４.０％以下、Ｍｎ：５.０％以下、Ｎｉ：
３０.０〜５０.０％(Ｎｉはその２０.０％以下をＣｏと
置換してもよい)、Ｃｒ：２０.０〜５０.０％、Ａｌ：
４.０％以下、残部実質的にＦｅからなる耐熱合金を挙
げることができる。前記耐熱合金には、所望により、
Ｗ：１０％以下、Ｃａ：０.５％以下、Ｈｆ：１.０％以
下、Ｙ：１.０％以下の群より選ばれる１種又は２種以
上の元素、及び／又は、Ｎｂ：４.０％以下、Ｍｏ：５.
０％以下、Ｔｉ：１.０％以下、Ｚｒ：１.０％以下、希
土類元素：０.５％以下、Ｂ：０.５％以下の群より選ば
れる１種又は２種以上の元素を含有してもよい。 【００１６】突条(30)は、管体(20)の両端近傍にて、図
２及び図４に示すように、高さが漸次低くなるように、
望ましくはテーパー形状(32)に形成する。テーパー形状
(32)は、突条(30)を形成した後、切削、研削などによっ
て形成すればよい。突条(30)の端部をテーパー形状(32)
とするのは、管体どうしを突合せ溶接によって接合する
際に溶込み不足を防止するためである。加えて、突条(3
0)の端面(34)が管壁に対してほぼ直角に形成されている
と、図６に示すように、突条端面(34)と流体が衝突し
て、流体の淀みや圧損を生じるが、図２に示すように、
突条(30)の端部をテーパー形状(32)とすると、流体の淀
みや圧損の発生を極力抑制できるためである。突条端部
のテーパー形状(32)と管壁内面(22)とのなす角度をα
(図４参照)としたとき、該角度αは、約５度〜６０度の
範囲が適当であり、３０〜４５度の範囲が望ましい。な
お、図示の例では、テーパー形状(32)は、管体(20)の端
部から約３〜２０ｍｍ離れた位置で突条としての高さが
ほぼゼロになるように形成している。このように管体(2
0)の端部から少し離れた位置で突条高さがほぼゼロにな
るように形成すると、突合せ溶接時に突条(30)の影響を
受けない。なお、テーパー形状(32)は管体(20)の端部で
突条高さがほぼゼロになるように形成してもよいことは
勿論である。 【００１７】なお、突条(30)は、管体(20)のほぼ全長に
亘って形成することが好ましいが、断続的に形成しても
よい。この場合、各突条(30)の両端をテーパー形状(32)
とすることが望ましい。 【００１８】上記構成の熱交換用管は、複数本を溶接接
合により繋ぎ合わせて使用される。溶接接合は、ＭＩＧ
法、ＴＩＧ法などにより行なうことができる。本発明の
熱交換用管は、管体の両端には突条が形成されていない
から、繋ぎ合せ部分(50)の全周に亘って、同じ条件で溶
接を行なうことができる。従って、溶接時の溶込みが不
足することもなく、接合部分で耐圧性が低下することも
ない。 【００１９】複数の熱交換用管(10)(10)を接合したとき
に、隣り合う螺旋突条(30)の位置がずれて連続状態にな
っていなくても、突条(30)の端面は、テーパー形状(32)
となっているから、流体の淀みや圧損の発生は抑制され
る。 【００２０】なお、複数の熱交換用管を接合して使用す
る場合、すべての管体に螺旋突条を形成してもよいし、
例えば、上流側のみ、下流側のみの管体にだけ突条を形
成するようにしてもよい。また、隣り合う熱交換用管の
突条の鋭角交叉角θや、高さ、断面形状などを変えても
よい。 【００２１】本発明の熱交換用管は、前述のエチレン製
造用熱分解管の他、例えば蒸気発生用ボイラーチュー
ブ、都市ゴミ焼却炉用スーパーヒーターチューブ、鋼材
熱処理炉用ラジアントチューブ、還元製鉄用プレヒータ
チューブ等としても有用である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の熱交換用管の断面図である。 【図２】本発明の熱交換用管の接合部分における流体の
流れを示す斜視図である。 【図３】本発明の熱交換用管を管の軸心を含む平面で切
断し展開した状態を示す説明図である。 【図４】突条に沿って接合部分を断面した図である。 【図５】従来の熱交換用管の断面図である。 【図６】従来の熱交換用管の接合部分における流体の流
れを示す斜視図である。 【符号の説明】 (10) 熱交換用管 (20) 管体 (22) 管壁内面 (30) 突条 (32) テーパー部 (50) 繋ぎ合せ部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大坪 憲次 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会 社クボタ技術開発研究所内 (56)参考文献 特開 平８−318312（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−82494（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−106206（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F28F 1/40 B23K 9/028 F16L 13/02

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 管壁内面(22)に、管内を流通する流体と
   の熱交換効率を高めるための突条(30)が螺旋状に形成さ
   れた複数の管体(20)(20)を、端面どうしを突合せ溶接し
   て接合することにより構成される熱交換用管において、
   各管体(20)の突条(30)を、管体(20)の両端部近傍にて高
   さが漸次低くなる形状に形成したことを特徴とする熱交
   換用管。