ボイラ伝熱管およびボイラ
【課題】伝熱管の噴破を防止することができるボイラ伝熱管およびボイラを提供する。
【解決手段】内部に流体が流されるとともに、少なくともＣｒを含有する鋼材から形成されたボイラ伝熱管１０と、ボイラ伝熱管１０の内表面を冷間加工することにより形成された表面加工層と、が設けられ、表面加工層における加工度が、内表面における各区間１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄにより異なることを特徴とする。
【解決手段】内部に流体が流されるとともに、少なくともＣｒを含有する鋼材から形成されたボイラ伝熱管１０と、ボイラ伝熱管１０の内表面を冷間加工することにより形成された表面加工層と、が設けられ、表面加工層における加工度が、内表面における各区間１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄにより異なることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、火力プラントにおけるボイラ伝熱管およびボイラに適用して好適なボイラ伝熱管およびボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ボイラの伝熱管の内面には、水蒸気酸化スケールが生成および成長し剥離限界スケール厚さを超えると、ボイラの起動時や、停止時に水蒸気酸化スケールが剥離することがある。
このように剥離した水蒸気酸化スケールの剥離片は、伝熱管の内部を落下して下部ベンドに堆積する。堆積した剥離片は、下部ベンドを閉塞するおそれがある。下部ベンドが閉塞された状態で、ボイラの運転が開始または再開されると、伝熱管の内部における水蒸気の流量が低下する。すると、伝熱管が過熱により噴破するトラブルが発生するおそれがあった。
【０００３】
上述のトラブルの発生を防止するために、ステンレス鋼から形成された伝熱管の内面に対してショットブラスト等の冷間加工を施す方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このように、ステンレス鋼に対してショットブラストなどの冷間加工を施すと、耐水蒸気酸化特性が向上するため、水蒸気酸化スケールの生成および成長が抑制され、水蒸気酸化スケールが剥離しにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３２４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、ショットブラスト等の冷間加工が施されたステンレス鋼は、冷間加工が施されていないステンレス鋼と比較して、耐水蒸気酸化特性が向上する。しかしながら、それでも、水蒸気温度が６５０℃程度の状態でボイラが長時間運転されると、伝熱管の内面に水蒸気酸化スケールが成長し、水蒸気酸化スケールが剥離するという問題があった。
【０００６】
言い換えると、上述のようなショットブラスト等の冷間加工は、水蒸気酸化スケールの成長速度を遅くさせることができ、これにより、水蒸気酸化スケールの剥離や、下部ベンドの閉塞が発生する時期を、冷間加工を施していない場合と比較して遅らせることができる。
【０００７】
しかしながら、水蒸気酸化スケールの剥離や、下部ベンドの閉塞の発生を完全に防止することは困難であるため、伝熱管が過熱により噴破するトラブルを完全に防止することは困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、伝熱管の噴破を防止することができるボイラ伝熱管およびボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のボイラ伝熱管は、内部に流体が流されるとともに、少なくともＣｒを含有する鋼材から形成された管材と、該管材の内表面を冷間加工することにより形成された表面加工層と、が設けられ、前記表面加工層における加工度が、前記内表面における位置により異なることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、管材の表面加工層における加工度が、内表面における位置により異なるため、内表面における酸化スケールの生成速度も異なることになる。そのため、生成された酸化スケールが剥離する時期も内表面における位置により変わることとなり、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１１】
ここで、表面加工層における酸化スケールの成長速度が、他の部分と異なる理由について説明する。
上述のように、冷間加工により形成された表面加工層には、他の部分と比較して高密度の転位が形成される。すると、管材を構成する鋼材から内表面へ、当該転位を通って鋼材に含まれるＣｒが拡散しやすくなる。このため、保護性の高いＣｒ２Ｏ３層が酸化初期に内表面に均一に生成されやすくなり、他の部分と比較して、表面加工層における酸化スケールの成長速度は低下する。
【００１２】
一方で、表面加工層における加工度が変化すると、表面加工層における転位の密度も変化する。すると、鋼材から内表面に向かうＣｒの拡散量も変化し、酸化初期におけるＣｒ２Ｏ３層の生成されやすさが変化する。このため、表面加工層における加工度を、内表面の位置により変えることにより、酸化スケールの成長速度も内表面の位置により変わり、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１３】
ここで、表面加工層における加工度としては、表面加工層における歪量や、硬さなどを例示することができる。
さらに、表面加工層を形成する冷間加工としては、ショットブラスト加工を例示することができる。
【００１４】
上記発明においては、前記表面加工層における加工度は、前記管材の長手方向に沿って変えられていることが望ましい。
【００１５】
本発明によれば、内部を流れる流体の温度が変化する管材の長手方向に沿って、表面加工層における加工度を変えているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１６】
具体的には、管材の内部を流れる流体の温度は、当該流れの下流側になるほど高くなる。そして、表面加工層における加工度は、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００１７】
そのため、例えば、当該流れの上流側における表面加工層の加工度を相対的に高くし、当該流れの下流側における表面加工層の加工度を相対的に低くした場合、ボイラ伝熱管を長時間にわたって使用しても、当該流れの上流側における表面加工層の加工度と、当該流れの下流側における表面加工層の加工度との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
その結果、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１８】
上記発明においては、前記管材は、周囲の高温流体の流れに対して交差する方向に延びて配置され、前記表面加工層における加工度は、前記管材の径方向に沿って変えられていることが望ましい。
【００１９】
本発明によれば、高温流体の流れに対して交差する方向に延びる管材の径方向に沿って、表面加工層における加工度を変えているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００２０】
具体的には、管材における温度の分布は、周囲の高温流体の流れに対する上流側が高く、下流側が低くなる。言い換えると、管材の径方向に沿って、当該流れの上流側の部分は下流側の部分よりも温度が高くなる。そして、表面加工層における加工度は、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００２１】
そのため、例えば、当該流れの上流側における表面加工層の加工度を相対的に低くし、当該流れの下流側における表面加工層の加工度を相対的に高くした場合、ボイラ伝熱管を長時間にわたって使用しても、当該流れの上流側における表面加工層の加工度と、当該流れの下流側における表面加工層の加工度との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
その結果、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００２２】
ここで、管材における温度の分布を形成する原因としては、上述の高温流体を発生させるボイラにおける熱源から放射される輻射熱を例示することができる。
【００２３】
本発明のボイラは、上記本発明のボイラ伝熱管が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、上記本発明のボイラ伝熱管が設けられているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することが防止され、ボイラにおける不具合の発生が防止される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のボイラ伝熱管およびボイラによれば、管材の表面加工層における加工度を、内表面における位置により異ならせているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できることから、剥離した大量の酸化スケールによる伝熱管の噴破を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
【図２】水蒸気酸化スケールの厚さと、表層の歪量との間の関係を説明するグラフである。
【図３】表層の歪量と、表層のビッカース硬さとの間の関係を説明するグラフである。
【図４】表層のビッカース硬さと、ショットブラスト処理における投射材の流速との間の関係を説明するグラフである。
【図５】ボイラ伝熱管の内表面における歪量、ショットブラスト加工における表面硬さの上昇量、および、ショットブラスト加工を施していない供試材の水蒸気酸化スケール厚さに対する水蒸気酸化スケールの厚さ比の関係を説明するグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態のおけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るボイラついて図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態におけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
ボイラ１は、外部から供給された燃料を燃焼させることにより熱を発生させ、発生した熱を用いて水から蒸気を生成する機器である。
ボイラ１には、図１に示すように、燃料が燃焼される火炉（図示せず）や、ボイラ伝熱管１０から構成された過熱器などが設けられている。
【００２８】
ボイラ伝熱管１０は、少なくともＣｒ（クロム）を含む鋼、例えばステンレス鋼から構成された管材であって、その内部に高圧の水蒸気が流れるものである。
ボイラ伝熱管１０は、火炉における燃料の燃焼により発生した高温の燃焼ガス（高温流体）が図１における左側から右側に流れる火炉後部に配置されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、ボイラ伝熱管１０が略Ｕ字状に折り曲げられた例に適用して説明する。
【００２９】
ボイラ伝熱管１０は、燃焼ガスの上流側（図１の左側）の端部から、水蒸気（流体）が供給されるように構成され、かつ、下流側（図１の右側）の端部から、ボイラ伝熱管１０において発生した水蒸気が蒸気タービンなどの他の機器に供給されるように構成されている。
【００３０】
さらに、ボイラ伝熱管１０には、図１に示すように、水蒸気が流出する端部（図１の右側の端部）から順に、第１区間１１Ａ，第２区間１１Ｂ，第３区間１１Ｃ，第４区間１１Ｄ，第５区間１２Ａ，第６区間１２Ｂ，第７区間１２Ｃおよび第８区間１２Ｄが設定されている。
【００３１】
具体的には、水蒸気が流出する端部から折り返し部分までのボイラ伝熱管１０が直線状に延びた部分、言い換えると、図１における右側の直線状に延びた部分には、第１区間１１Ａから第４区間１１Ｄまでが設定されている。その一方で、上述の折り返し部分から水蒸気が供給される端部までのボイラ伝熱管１０が直線状に延びた部分、言い換えると、図１における左側の直線状に延びた部分には、第５区間１２Ａから第８区間１２Ｄまでが設定されている。
【００３２】
ボイラ伝熱管１０の内表面、つまり、水蒸気と接触する面には、ショットブラスト処理が施されており、当該ショットブラスト処理の程度が各区間１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄにおいて異なっている。
【００３３】
具体的には、第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａでは、ボイラ伝熱管１０の内表面にショットブラスト処理が施されておらず、第２区間１１Ｂおよび第６区間１２Ｂでは、低程度のショットブラスト処理が施されている。さらに、第３区間１１Ｃおよび第７区間１２Ｃでは、中程度のショットブラスト処理が施され、第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄでは、高程度のショットブラスト処理が施されている。
【００３４】
なお、ボイラ伝熱管１０を上述のように８つの区間に分割してショットブラスト処理の程度を変えてもよいし、８つよりも多くの区間、または、８つよりも少ない区間に分割してショットブラスト処理の程度を変えてもよく、特に限定するものではない。
【００３５】
本実施形態では、ボイラ伝熱管１０の内表面が、ビッカース硬さにおいてショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が１１０％程度になるショットブラスト処理を低程度のショットブラスト処理とし、ショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が１５０％程度になるショットブラスト処理を中程度のショットブラスト処理とし、ショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が３００％程度になるショットブラスト処理を高程度のショットブラスト処理としている。
【００３６】
なお、上述のように、ショットブラスト処理なし、低程度、中程度、高程度のショットブラスト処理の４段階に分けてショットブラスト処理の程度を変えてもよいし、４段階よりも多くの段階に分けて、または、４段階よりも少ない段階に分けてショットブラスト処理の程度をかえてもよく、特に限定するものではない。
【００３７】
次に、上記の構成からなるボイラ１における作用について説明する。
ボイラ１の運転が開始されると、ボイラ伝熱管１０に水蒸気が供給されるとともに、当該水蒸気は燃焼ガスの熱を吸収して過熱水蒸気となる。過熱水蒸気は、ボイラ伝熱管１０から蒸気タービンなどの他の機器に供給される。
【００３８】
ボイラ１の運転が継続されている間、ボイラ伝熱管１０の内部では、内表面に対して施されたショットブラスト処理の程度などに応じて、水蒸気酸化スケールが成長し続ける。
具体的には、ショットブラスト処理が施されていないボイラ伝熱管１０の第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａにおいて水蒸気酸化スケールの成長速度が最も速く、以下、ショットブラスト処理の程度が高くなるに伴い、水蒸気酸化スケールの成長速度が遅くなる。つまり、第２区間１１Ｂおよび第６区間１２Ｂ、第３区間１１Ｃおよび第７区間１２Ｃ、第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄの順に水蒸気酸化スケールの成長速度が遅くなる。
【００３９】
水蒸気酸化スケールが所定の厚さにまで成長した状態で、ボイラ１の運転停止が繰り返されると、ボイラ伝熱管１０と水蒸気酸化スケールとの間の熱膨張率の差により、水蒸気酸化スケールがボイラ伝熱管１０の内表面から剥離する。
【００４０】
このとき、水蒸気酸化スケールの成長速度が最も速いボイラ伝熱管１０の第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａのみにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。このとき、他の区間では水蒸気酸化スケールは上述の所定の厚さまで成長していないため、ボイラ伝熱管１０から剥離しない。
言い換えると、ボイラ伝熱管１０の全内表面において水蒸気酸化スケールの剥離が発生することがない。
【００４１】
その後、ボイラ１の運転を継続すると、次に水蒸気酸化スケールの成長速度の速い第２区間１１Ｂおよび第６区間１２Ｂにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生し、以下、第３区間１１Ｃおよび第７区間１２Ｃ、第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄの順に水蒸気酸化スケールの順に水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。
【００４２】
ここで、水蒸気酸化スケールの成長速度と、内表面に対するショットブラスト処理および内表面における表層のビッカース硬さと、の間の関係について説明する。
図２は、水蒸気酸化スケールの厚さと、表層の歪量との間の関係を説明するグラフである。
【００４３】
ボイラ伝熱管１０の内表面に付着する水蒸気酸化スケールの厚さは、図２に示すように、内表面（表面加工層）における表層の歪量（加工度）が大きくなるほど薄くなり、所定の歪量を超えると水蒸気酸化スケールの厚さは変化しなくなる。言い換えると、水蒸気酸化スケールの成長速度は、内表面における歪量が大きくなるほど遅くなる。
【００４４】
具体的に説明すると、ボイラ伝熱管１０の内表面に歪みがある部分には、歪みがない部分と比較して高密度の転位が形成されている。すると、ボイラ伝熱管１０を構成するステンレス鋼から内表面へ、当該転位を通ってステンレス鋼に含まれるＣｒが拡散しやすくなる。このため、保護性の高いＣｒ２Ｏ３層が酸化初期に内表面に均一に生成されやすくなり、歪みがない部分と比較して、歪みがある部分における酸化スケールの成長速度は低下する。
【００４５】
図３は、表層の歪量と、表層のビッカース硬さとの間の関係を説明するグラフである。
そして、上述の内表面の表層における歪量は、図３に示すように、内表面における表層のビッカース硬さ（加工度）に略比例している。つまり、表層のビッカース硬さが高くなると、内表面における歪量も増加し、ビッカース硬さが所定の値を超えると、内表面における歪量は略一定となる。
【００４６】
図４は、表層のビッカース硬さと、ショットブラスト処理における投射材の流速との間の関係を説明するグラフである。
さらに、表層のビッカース硬さは、図４に示すように、内表面に対してショットブラスト処理を行う際の投射材の流速に略比例している。つまり、投射材の流速が速くなると、表面加工層である表層のビッカース硬さの値も大きくなり、投射材の流速が所定の値よりも大きくなると、表層のビッカース硬さの値も略一定となる。
【００４７】
なお、ショットブラスト処理を施す場合におけるパラメータとしては、上述の投射材の流速の他にも、投射材の粒子量や、ボイラ伝熱管１０の送り速度などを挙げることができる。
【００４８】
つまり、上述の図２から図４に示されたグラフから、ショットブラスト処理を施す際における投射材の流速を調節することにより、ブラスト処理が施された表面加工層を有する内表面における水蒸気酸化スケールの成長速度を制御することができる。
【００４９】
具体的には、ボイラ伝熱管１０の内表面における表面加工層の歪量が変化すると、内表面つまり表面加工層における転位の密度も変化する。すると、ステンレス鋼から内表面に向かうＣｒの拡散量も変化し、酸化初期におけるＣｒ２Ｏ３層の生成されやすさが変化する。このため、内表面における歪量を調節することにより、水蒸気酸化スケールの成長速度も調節することができる。
【００５０】
図５は、ボイラ伝熱管の内表面の表層における歪量、ショットブラスト加工における表面硬さの上昇量、および、ショットブラスト処理を施していない供試材の水蒸気酸化スケール厚さに対する水蒸気酸化スケールの厚さ比の関係を説明するグラフである。
具体的には、ボイラ伝熱管１０の内表面における表面加工層における歪量と、ブラスト処理されていない水蒸気酸化スケール厚さに対するブラスト材の水蒸気酸化スケール生成率（％）との関係と、表面加工層における歪量と、母材に対する表面加工層の硬さ率（％）との関係を説明するグラフである。
【００５１】
なお、このグラフの作成に用いられたデータは、ステンレス鋼（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）を用いて形成されたボイラ伝熱管１０に、６７５℃の水蒸気を２０００時間流通させることにより得られたものである。
【００５２】
表面加工層における歪量が大きい（図５における左側）場合、言い換えると、高程度のショットブラスト処理が施されている場合には、図５における白抜きの丸（○）で示すように、内表面に付着する水蒸気酸化スケールの厚さが薄くなり、黒塗り三角（▲）で示すように、表面加工層の硬さの値が大きくなる。
【００５３】
その一方で、表面加工層における歪量が小さくなる（図５における右側に移動する）と、言い換えると、中程度や低程度のショットブラスト処理が施されると、内表面に付着する水蒸気酸化スケールの厚さの値が次第に大きくなり、ショットブラスト処理が施されていないスケール生成量に近くなる。一方、表面加工層の硬さの値は次第に小さくなり、ショットブラスト処理が施されていない内表面の硬さに近くなる。
【００５４】
上記の構成によれば、ボイラ伝熱管１０の表面加工層における歪量が、第１区間１１Ａから第４区間１１Ｄの間、および、第５区間１２Ａから第８区間１２Ｄの間で異なるため、各区間における内表面における水蒸気酸化スケールの生成速度も異なることになる。
そのため、生成された水蒸気酸化スケールが剥離する時期も各区間１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄにより変わることとなり、ボイラ伝熱管１０における全内表面から一度に水蒸気酸化スケールが剥離することを防止できる。その結果、ボイラ１においてボイラ伝熱管１０などが噴破することを防止できる。
【００５５】
さらに、内部を流れる水蒸気等の温度が変化するボイラ伝熱管１０の長手方向に沿って、表面加工層における歪量を変えているため、ボイラ伝熱管１０における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００５６】
具体的には、ボイラ伝熱管１０の内部を流れる水蒸気の温度は、当該流れの下流側になるほど高くなる。そして、表面加工層における歪量などは、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００５７】
本実施形態では、水蒸気等の流れの上流側、つまり第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄにおける表面加工層の歪量を相対的に高くし、当該流れの下流側、つまり第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａにおける表面加工層の歪量を相対的に低くしている。そのため、ボイラ１の運転時間が長くなり、ボイラ伝熱管１０を長時間にわたって使用しても、当該流れの上流側における表面加工層の歪量と、当該流れの下流側における表面加工層の歪量との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
【００５８】
つまり、表面加工層における歪量は、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすく、ボイラ伝熱管１０の内部を流れる水蒸気等の温度は、流れの下流側になるほど高くなる。そのため、水蒸気の温度が比較的高い下流側における表面加工層の歪量を相対的に低くし、水蒸気の温度が比較的低い上流側における表面加工層の歪量を相対的に高くすることで、歪量が熱により低下しても、両者の歪量の差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
【００５９】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図６を参照して説明する。
本実施形態のボイラの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ボイラ伝熱管におけるショットブラスト処理を施す方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図６を用いてボイラ伝熱管について説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図６は、本実施形態のおけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００６０】
ボイラ１には、図６に示すように、燃料が燃焼される火炉（図示せず）や、ボイラ伝熱管２０から構成された過熱器などが設けられている。
【００６１】
ボイラ伝熱管２０は、少なくともＣｒ（クロム）を含む鋼、例えばステンレス鋼から構成された管材であって、その内部に高圧の水蒸気が流れるものである。
ボイラ伝熱管２０は、火炉における燃料の燃焼により発生した高温の燃焼ガス（高温流体）が図６における左側から右側に流れる火炉後部に配置されている。言い換えると、ボイラ伝熱管２０は、燃焼ガスの流れに対して略直交する方向に延びて配置されている。
なお、本実施形態では、図６に示すように、ボイラ伝熱管２０が略Ｕ字状に折り曲げられた例に適用して説明する。
【００６２】
ボイラ伝熱管２０は、燃焼ガスの上流側（図６の左側）の端部から、水蒸気（流体）が供給されるように構成され、かつ、下流側（図６の右側）の端部から、ボイラ伝熱管２０において発生した水蒸気が蒸気タービンなどの他の機器に供給されるように構成されている。
【００６３】
さらに、ボイラ伝熱管２０には、図６に示すように、燃焼ガスの上流側（図６の左側）の第１領域２１Ａ、および、下流側の第２領域２１Ｂが設定されている。
具体的には、ボイラ伝熱管２０における水蒸気が流出する端部から折り返し部分までの直線状に延びた部分、および、上述の折り返し部分から水蒸気が供給される端部までの直線状に延びた部分であって、火炉側に配置された領域に第１領域２１Ａが設定され、反対側の領域に第２領域２１Ｂが設定されている。
【００６４】
ボイラ伝熱管２０の内表面、つまり、水蒸気と接触する面には、ショットブラスト処理が施されており、当該ショットブラスト処理の程度が第１領域２１Ａおよび第２領域２１Ｂにおいて異なっている。
【００６５】
具体的には、第１領域２１Ａでは、ボイラ伝熱管２０の内表面にショットブラスト処理が施されておらず、第２領域２１Ｂではショットブラスト処理が施されている。言い換えると、ボイラ伝熱管２０の径方向に沿ってショットブラスト処理の程度を変えることにより、ボイラ伝熱管２０の内表面に形成される表面加工層の硬さを変えている。
本実施形態では、第２領域２１Ｂに対して、ビッカース硬さにおいてショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が３００％程度になるショットブラスト処理を施す例に適用して説明する。
【００６６】
次に、上記の構成からなるボイラ１における作用について説明する。
ボイラ１の運転における蒸気の生成方法等については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
ここで、ボイラ伝熱管２０における水蒸気酸化スケールの成長について説明する。
ボイラ１の運転が継続されていると、ボイラ伝熱管２０の内部では、内表面に対して施されたショットブラスト処理の程度などに応じて、水蒸気酸化スケールが成長し続ける。
具体的には、ショットブラスト処理が施されていないボイラ伝熱管１０の第１領域２１Ａにおいて水蒸気酸化スケールの成長速度が相対的に速く、ショットブラスト処理が施された第２領域２１Ｂにおける水蒸気酸化スケールの成長速度が相対的に遅くなる。
【００６８】
水蒸気酸化スケールが所定の厚さにまで成長した状態で、ボイラ１の運転停止が繰り返されると、ボイラ伝熱管２０と水蒸気酸化スケールとの間の熱膨張率の差により、水蒸気酸化スケールがボイラ伝熱管２０の内表面から剥離する。
【００６９】
このとき、水蒸気酸化スケールの成長速度が最も速いボイラ伝熱管２０の第１領域２１Ａのみにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。このとき、第２領域２１Ｂでは水蒸気酸化スケールは上述の所定の厚さまで成長していないため、ボイラ伝熱管２０から剥離しない。
言い換えると、ボイラ伝熱管２０の全内表面において水蒸気酸化スケールの剥離が発生することがない。
【００７０】
その後、ボイラ１の運転を継続すると、次に水蒸気酸化スケールの成長速度が相対的に遅い第２領域２１Ｂにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。
【００７１】
本実施形態では、燃焼ガスの流れに対して略直交する方向に延びるボイラ伝熱管２０の径方向に沿って、表面加工層の硬さを変えているため、ボイラ伝熱管２０における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００７２】
具体的には、ボイラ伝熱管１０における温度の分布は、周囲の燃焼ガスの流れに対する上流側が高く、下流側が低くなる。言い換えると、ボイラ伝熱管１０の径方向に沿って、当該流れの上流側の部分は下流側の部分よりも温度が高くなる。このボイラ伝熱管１０における温度の分布を形成する原因としては、上述の燃焼ガスを発生させる火炉から放射される輻射熱を例示することができる。
そして、表面加工層における歪量などは、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００７３】
本実施形態では、ボイラ伝熱管２０における第１領域２１Ａには、ショットブラスト処理を施さず内表面の歪量を相対的に低い状態とし、ボイラ伝熱管２０における第２領域２１Ｂには、ショットブラスト処理を施し、内表面における表面加工層の歪量を相対的に高い状態としている。そのため、ボイラ伝熱管２０を長時間にわたって使用しても、ボイラ伝熱管２０の第１領域２１Ａにおける歪量と、第２領域２１Ｂにおける表面加工層の歪量との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
その結果、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【符号の説明】
【００７４】
１ ボイラ
１０，２０ ボイラ伝熱管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、火力プラントにおけるボイラ伝熱管およびボイラに適用して好適なボイラ伝熱管およびボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ボイラの伝熱管の内面には、水蒸気酸化スケールが生成および成長し剥離限界スケール厚さを超えると、ボイラの起動時や、停止時に水蒸気酸化スケールが剥離することがある。
このように剥離した水蒸気酸化スケールの剥離片は、伝熱管の内部を落下して下部ベンドに堆積する。堆積した剥離片は、下部ベンドを閉塞するおそれがある。下部ベンドが閉塞された状態で、ボイラの運転が開始または再開されると、伝熱管の内部における水蒸気の流量が低下する。すると、伝熱管が過熱により噴破するトラブルが発生するおそれがあった。
【０００３】
上述のトラブルの発生を防止するために、ステンレス鋼から形成された伝熱管の内面に対してショットブラスト等の冷間加工を施す方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このように、ステンレス鋼に対してショットブラストなどの冷間加工を施すと、耐水蒸気酸化特性が向上するため、水蒸気酸化スケールの生成および成長が抑制され、水蒸気酸化スケールが剥離しにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３２４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、ショットブラスト等の冷間加工が施されたステンレス鋼は、冷間加工が施されていないステンレス鋼と比較して、耐水蒸気酸化特性が向上する。しかしながら、それでも、水蒸気温度が６５０℃程度の状態でボイラが長時間運転されると、伝熱管の内面に水蒸気酸化スケールが成長し、水蒸気酸化スケールが剥離するという問題があった。
【０００６】
言い換えると、上述のようなショットブラスト等の冷間加工は、水蒸気酸化スケールの成長速度を遅くさせることができ、これにより、水蒸気酸化スケールの剥離や、下部ベンドの閉塞が発生する時期を、冷間加工を施していない場合と比較して遅らせることができる。
【０００７】
しかしながら、水蒸気酸化スケールの剥離や、下部ベンドの閉塞の発生を完全に防止することは困難であるため、伝熱管が過熱により噴破するトラブルを完全に防止することは困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、伝熱管の噴破を防止することができるボイラ伝熱管およびボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のボイラ伝熱管は、内部に流体が流されるとともに、少なくともＣｒを含有する鋼材から形成された管材と、該管材の内表面を冷間加工することにより形成された表面加工層と、が設けられ、前記表面加工層における加工度が、前記内表面における位置により異なることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、管材の表面加工層における加工度が、内表面における位置により異なるため、内表面における酸化スケールの生成速度も異なることになる。そのため、生成された酸化スケールが剥離する時期も内表面における位置により変わることとなり、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１１】
ここで、表面加工層における酸化スケールの成長速度が、他の部分と異なる理由について説明する。
上述のように、冷間加工により形成された表面加工層には、他の部分と比較して高密度の転位が形成される。すると、管材を構成する鋼材から内表面へ、当該転位を通って鋼材に含まれるＣｒが拡散しやすくなる。このため、保護性の高いＣｒ２Ｏ３層が酸化初期に内表面に均一に生成されやすくなり、他の部分と比較して、表面加工層における酸化スケールの成長速度は低下する。
【００１２】
一方で、表面加工層における加工度が変化すると、表面加工層における転位の密度も変化する。すると、鋼材から内表面に向かうＣｒの拡散量も変化し、酸化初期におけるＣｒ２Ｏ３層の生成されやすさが変化する。このため、表面加工層における加工度を、内表面の位置により変えることにより、酸化スケールの成長速度も内表面の位置により変わり、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１３】
ここで、表面加工層における加工度としては、表面加工層における歪量や、硬さなどを例示することができる。
さらに、表面加工層を形成する冷間加工としては、ショットブラスト加工を例示することができる。
【００１４】
上記発明においては、前記表面加工層における加工度は、前記管材の長手方向に沿って変えられていることが望ましい。
【００１５】
本発明によれば、内部を流れる流体の温度が変化する管材の長手方向に沿って、表面加工層における加工度を変えているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１６】
具体的には、管材の内部を流れる流体の温度は、当該流れの下流側になるほど高くなる。そして、表面加工層における加工度は、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００１７】
そのため、例えば、当該流れの上流側における表面加工層の加工度を相対的に高くし、当該流れの下流側における表面加工層の加工度を相対的に低くした場合、ボイラ伝熱管を長時間にわたって使用しても、当該流れの上流側における表面加工層の加工度と、当該流れの下流側における表面加工層の加工度との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
その結果、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００１８】
上記発明においては、前記管材は、周囲の高温流体の流れに対して交差する方向に延びて配置され、前記表面加工層における加工度は、前記管材の径方向に沿って変えられていることが望ましい。
【００１９】
本発明によれば、高温流体の流れに対して交差する方向に延びる管材の径方向に沿って、表面加工層における加工度を変えているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００２０】
具体的には、管材における温度の分布は、周囲の高温流体の流れに対する上流側が高く、下流側が低くなる。言い換えると、管材の径方向に沿って、当該流れの上流側の部分は下流側の部分よりも温度が高くなる。そして、表面加工層における加工度は、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００２１】
そのため、例えば、当該流れの上流側における表面加工層の加工度を相対的に低くし、当該流れの下流側における表面加工層の加工度を相対的に高くした場合、ボイラ伝熱管を長時間にわたって使用しても、当該流れの上流側における表面加工層の加工度と、当該流れの下流側における表面加工層の加工度との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
その結果、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００２２】
ここで、管材における温度の分布を形成する原因としては、上述の高温流体を発生させるボイラにおける熱源から放射される輻射熱を例示することができる。
【００２３】
本発明のボイラは、上記本発明のボイラ伝熱管が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、上記本発明のボイラ伝熱管が設けられているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することが防止され、ボイラにおける不具合の発生が防止される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のボイラ伝熱管およびボイラによれば、管材の表面加工層における加工度を、内表面における位置により異ならせているため、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できることから、剥離した大量の酸化スケールによる伝熱管の噴破を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
【図２】水蒸気酸化スケールの厚さと、表層の歪量との間の関係を説明するグラフである。
【図３】表層の歪量と、表層のビッカース硬さとの間の関係を説明するグラフである。
【図４】表層のビッカース硬さと、ショットブラスト処理における投射材の流速との間の関係を説明するグラフである。
【図５】ボイラ伝熱管の内表面における歪量、ショットブラスト加工における表面硬さの上昇量、および、ショットブラスト加工を施していない供試材の水蒸気酸化スケール厚さに対する水蒸気酸化スケールの厚さ比の関係を説明するグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態のおけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るボイラついて図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態におけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
ボイラ１は、外部から供給された燃料を燃焼させることにより熱を発生させ、発生した熱を用いて水から蒸気を生成する機器である。
ボイラ１には、図１に示すように、燃料が燃焼される火炉（図示せず）や、ボイラ伝熱管１０から構成された過熱器などが設けられている。
【００２８】
ボイラ伝熱管１０は、少なくともＣｒ（クロム）を含む鋼、例えばステンレス鋼から構成された管材であって、その内部に高圧の水蒸気が流れるものである。
ボイラ伝熱管１０は、火炉における燃料の燃焼により発生した高温の燃焼ガス（高温流体）が図１における左側から右側に流れる火炉後部に配置されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、ボイラ伝熱管１０が略Ｕ字状に折り曲げられた例に適用して説明する。
【００２９】
ボイラ伝熱管１０は、燃焼ガスの上流側（図１の左側）の端部から、水蒸気（流体）が供給されるように構成され、かつ、下流側（図１の右側）の端部から、ボイラ伝熱管１０において発生した水蒸気が蒸気タービンなどの他の機器に供給されるように構成されている。
【００３０】
さらに、ボイラ伝熱管１０には、図１に示すように、水蒸気が流出する端部（図１の右側の端部）から順に、第１区間１１Ａ，第２区間１１Ｂ，第３区間１１Ｃ，第４区間１１Ｄ，第５区間１２Ａ，第６区間１２Ｂ，第７区間１２Ｃおよび第８区間１２Ｄが設定されている。
【００３１】
具体的には、水蒸気が流出する端部から折り返し部分までのボイラ伝熱管１０が直線状に延びた部分、言い換えると、図１における右側の直線状に延びた部分には、第１区間１１Ａから第４区間１１Ｄまでが設定されている。その一方で、上述の折り返し部分から水蒸気が供給される端部までのボイラ伝熱管１０が直線状に延びた部分、言い換えると、図１における左側の直線状に延びた部分には、第５区間１２Ａから第８区間１２Ｄまでが設定されている。
【００３２】
ボイラ伝熱管１０の内表面、つまり、水蒸気と接触する面には、ショットブラスト処理が施されており、当該ショットブラスト処理の程度が各区間１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄにおいて異なっている。
【００３３】
具体的には、第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａでは、ボイラ伝熱管１０の内表面にショットブラスト処理が施されておらず、第２区間１１Ｂおよび第６区間１２Ｂでは、低程度のショットブラスト処理が施されている。さらに、第３区間１１Ｃおよび第７区間１２Ｃでは、中程度のショットブラスト処理が施され、第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄでは、高程度のショットブラスト処理が施されている。
【００３４】
なお、ボイラ伝熱管１０を上述のように８つの区間に分割してショットブラスト処理の程度を変えてもよいし、８つよりも多くの区間、または、８つよりも少ない区間に分割してショットブラスト処理の程度を変えてもよく、特に限定するものではない。
【００３５】
本実施形態では、ボイラ伝熱管１０の内表面が、ビッカース硬さにおいてショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が１１０％程度になるショットブラスト処理を低程度のショットブラスト処理とし、ショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が１５０％程度になるショットブラスト処理を中程度のショットブラスト処理とし、ショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が３００％程度になるショットブラスト処理を高程度のショットブラスト処理としている。
【００３６】
なお、上述のように、ショットブラスト処理なし、低程度、中程度、高程度のショットブラスト処理の４段階に分けてショットブラスト処理の程度を変えてもよいし、４段階よりも多くの段階に分けて、または、４段階よりも少ない段階に分けてショットブラスト処理の程度をかえてもよく、特に限定するものではない。
【００３７】
次に、上記の構成からなるボイラ１における作用について説明する。
ボイラ１の運転が開始されると、ボイラ伝熱管１０に水蒸気が供給されるとともに、当該水蒸気は燃焼ガスの熱を吸収して過熱水蒸気となる。過熱水蒸気は、ボイラ伝熱管１０から蒸気タービンなどの他の機器に供給される。
【００３８】
ボイラ１の運転が継続されている間、ボイラ伝熱管１０の内部では、内表面に対して施されたショットブラスト処理の程度などに応じて、水蒸気酸化スケールが成長し続ける。
具体的には、ショットブラスト処理が施されていないボイラ伝熱管１０の第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａにおいて水蒸気酸化スケールの成長速度が最も速く、以下、ショットブラスト処理の程度が高くなるに伴い、水蒸気酸化スケールの成長速度が遅くなる。つまり、第２区間１１Ｂおよび第６区間１２Ｂ、第３区間１１Ｃおよび第７区間１２Ｃ、第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄの順に水蒸気酸化スケールの成長速度が遅くなる。
【００３９】
水蒸気酸化スケールが所定の厚さにまで成長した状態で、ボイラ１の運転停止が繰り返されると、ボイラ伝熱管１０と水蒸気酸化スケールとの間の熱膨張率の差により、水蒸気酸化スケールがボイラ伝熱管１０の内表面から剥離する。
【００４０】
このとき、水蒸気酸化スケールの成長速度が最も速いボイラ伝熱管１０の第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａのみにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。このとき、他の区間では水蒸気酸化スケールは上述の所定の厚さまで成長していないため、ボイラ伝熱管１０から剥離しない。
言い換えると、ボイラ伝熱管１０の全内表面において水蒸気酸化スケールの剥離が発生することがない。
【００４１】
その後、ボイラ１の運転を継続すると、次に水蒸気酸化スケールの成長速度の速い第２区間１１Ｂおよび第６区間１２Ｂにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生し、以下、第３区間１１Ｃおよび第７区間１２Ｃ、第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄの順に水蒸気酸化スケールの順に水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。
【００４２】
ここで、水蒸気酸化スケールの成長速度と、内表面に対するショットブラスト処理および内表面における表層のビッカース硬さと、の間の関係について説明する。
図２は、水蒸気酸化スケールの厚さと、表層の歪量との間の関係を説明するグラフである。
【００４３】
ボイラ伝熱管１０の内表面に付着する水蒸気酸化スケールの厚さは、図２に示すように、内表面（表面加工層）における表層の歪量（加工度）が大きくなるほど薄くなり、所定の歪量を超えると水蒸気酸化スケールの厚さは変化しなくなる。言い換えると、水蒸気酸化スケールの成長速度は、内表面における歪量が大きくなるほど遅くなる。
【００４４】
具体的に説明すると、ボイラ伝熱管１０の内表面に歪みがある部分には、歪みがない部分と比較して高密度の転位が形成されている。すると、ボイラ伝熱管１０を構成するステンレス鋼から内表面へ、当該転位を通ってステンレス鋼に含まれるＣｒが拡散しやすくなる。このため、保護性の高いＣｒ２Ｏ３層が酸化初期に内表面に均一に生成されやすくなり、歪みがない部分と比較して、歪みがある部分における酸化スケールの成長速度は低下する。
【００４５】
図３は、表層の歪量と、表層のビッカース硬さとの間の関係を説明するグラフである。
そして、上述の内表面の表層における歪量は、図３に示すように、内表面における表層のビッカース硬さ（加工度）に略比例している。つまり、表層のビッカース硬さが高くなると、内表面における歪量も増加し、ビッカース硬さが所定の値を超えると、内表面における歪量は略一定となる。
【００４６】
図４は、表層のビッカース硬さと、ショットブラスト処理における投射材の流速との間の関係を説明するグラフである。
さらに、表層のビッカース硬さは、図４に示すように、内表面に対してショットブラスト処理を行う際の投射材の流速に略比例している。つまり、投射材の流速が速くなると、表面加工層である表層のビッカース硬さの値も大きくなり、投射材の流速が所定の値よりも大きくなると、表層のビッカース硬さの値も略一定となる。
【００４７】
なお、ショットブラスト処理を施す場合におけるパラメータとしては、上述の投射材の流速の他にも、投射材の粒子量や、ボイラ伝熱管１０の送り速度などを挙げることができる。
【００４８】
つまり、上述の図２から図４に示されたグラフから、ショットブラスト処理を施す際における投射材の流速を調節することにより、ブラスト処理が施された表面加工層を有する内表面における水蒸気酸化スケールの成長速度を制御することができる。
【００４９】
具体的には、ボイラ伝熱管１０の内表面における表面加工層の歪量が変化すると、内表面つまり表面加工層における転位の密度も変化する。すると、ステンレス鋼から内表面に向かうＣｒの拡散量も変化し、酸化初期におけるＣｒ２Ｏ３層の生成されやすさが変化する。このため、内表面における歪量を調節することにより、水蒸気酸化スケールの成長速度も調節することができる。
【００５０】
図５は、ボイラ伝熱管の内表面の表層における歪量、ショットブラスト加工における表面硬さの上昇量、および、ショットブラスト処理を施していない供試材の水蒸気酸化スケール厚さに対する水蒸気酸化スケールの厚さ比の関係を説明するグラフである。
具体的には、ボイラ伝熱管１０の内表面における表面加工層における歪量と、ブラスト処理されていない水蒸気酸化スケール厚さに対するブラスト材の水蒸気酸化スケール生成率（％）との関係と、表面加工層における歪量と、母材に対する表面加工層の硬さ率（％）との関係を説明するグラフである。
【００５１】
なお、このグラフの作成に用いられたデータは、ステンレス鋼（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）を用いて形成されたボイラ伝熱管１０に、６７５℃の水蒸気を２０００時間流通させることにより得られたものである。
【００５２】
表面加工層における歪量が大きい（図５における左側）場合、言い換えると、高程度のショットブラスト処理が施されている場合には、図５における白抜きの丸（○）で示すように、内表面に付着する水蒸気酸化スケールの厚さが薄くなり、黒塗り三角（▲）で示すように、表面加工層の硬さの値が大きくなる。
【００５３】
その一方で、表面加工層における歪量が小さくなる（図５における右側に移動する）と、言い換えると、中程度や低程度のショットブラスト処理が施されると、内表面に付着する水蒸気酸化スケールの厚さの値が次第に大きくなり、ショットブラスト処理が施されていないスケール生成量に近くなる。一方、表面加工層の硬さの値は次第に小さくなり、ショットブラスト処理が施されていない内表面の硬さに近くなる。
【００５４】
上記の構成によれば、ボイラ伝熱管１０の表面加工層における歪量が、第１区間１１Ａから第４区間１１Ｄの間、および、第５区間１２Ａから第８区間１２Ｄの間で異なるため、各区間における内表面における水蒸気酸化スケールの生成速度も異なることになる。
そのため、生成された水蒸気酸化スケールが剥離する時期も各区間１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄにより変わることとなり、ボイラ伝熱管１０における全内表面から一度に水蒸気酸化スケールが剥離することを防止できる。その結果、ボイラ１においてボイラ伝熱管１０などが噴破することを防止できる。
【００５５】
さらに、内部を流れる水蒸気等の温度が変化するボイラ伝熱管１０の長手方向に沿って、表面加工層における歪量を変えているため、ボイラ伝熱管１０における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００５６】
具体的には、ボイラ伝熱管１０の内部を流れる水蒸気の温度は、当該流れの下流側になるほど高くなる。そして、表面加工層における歪量などは、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００５７】
本実施形態では、水蒸気等の流れの上流側、つまり第４区間１１Ｄおよび第８区間１２Ｄにおける表面加工層の歪量を相対的に高くし、当該流れの下流側、つまり第１区間１１Ａおよび第５区間１２Ａにおける表面加工層の歪量を相対的に低くしている。そのため、ボイラ１の運転時間が長くなり、ボイラ伝熱管１０を長時間にわたって使用しても、当該流れの上流側における表面加工層の歪量と、当該流れの下流側における表面加工層の歪量との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
【００５８】
つまり、表面加工層における歪量は、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすく、ボイラ伝熱管１０の内部を流れる水蒸気等の温度は、流れの下流側になるほど高くなる。そのため、水蒸気の温度が比較的高い下流側における表面加工層の歪量を相対的に低くし、水蒸気の温度が比較的低い上流側における表面加工層の歪量を相対的に高くすることで、歪量が熱により低下しても、両者の歪量の差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
【００５９】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図６を参照して説明する。
本実施形態のボイラの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ボイラ伝熱管におけるショットブラスト処理を施す方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図６を用いてボイラ伝熱管について説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図６は、本実施形態のおけるボイラに設けられたボイラ伝熱管の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００６０】
ボイラ１には、図６に示すように、燃料が燃焼される火炉（図示せず）や、ボイラ伝熱管２０から構成された過熱器などが設けられている。
【００６１】
ボイラ伝熱管２０は、少なくともＣｒ（クロム）を含む鋼、例えばステンレス鋼から構成された管材であって、その内部に高圧の水蒸気が流れるものである。
ボイラ伝熱管２０は、火炉における燃料の燃焼により発生した高温の燃焼ガス（高温流体）が図６における左側から右側に流れる火炉後部に配置されている。言い換えると、ボイラ伝熱管２０は、燃焼ガスの流れに対して略直交する方向に延びて配置されている。
なお、本実施形態では、図６に示すように、ボイラ伝熱管２０が略Ｕ字状に折り曲げられた例に適用して説明する。
【００６２】
ボイラ伝熱管２０は、燃焼ガスの上流側（図６の左側）の端部から、水蒸気（流体）が供給されるように構成され、かつ、下流側（図６の右側）の端部から、ボイラ伝熱管２０において発生した水蒸気が蒸気タービンなどの他の機器に供給されるように構成されている。
【００６３】
さらに、ボイラ伝熱管２０には、図６に示すように、燃焼ガスの上流側（図６の左側）の第１領域２１Ａ、および、下流側の第２領域２１Ｂが設定されている。
具体的には、ボイラ伝熱管２０における水蒸気が流出する端部から折り返し部分までの直線状に延びた部分、および、上述の折り返し部分から水蒸気が供給される端部までの直線状に延びた部分であって、火炉側に配置された領域に第１領域２１Ａが設定され、反対側の領域に第２領域２１Ｂが設定されている。
【００６４】
ボイラ伝熱管２０の内表面、つまり、水蒸気と接触する面には、ショットブラスト処理が施されており、当該ショットブラスト処理の程度が第１領域２１Ａおよび第２領域２１Ｂにおいて異なっている。
【００６５】
具体的には、第１領域２１Ａでは、ボイラ伝熱管２０の内表面にショットブラスト処理が施されておらず、第２領域２１Ｂではショットブラスト処理が施されている。言い換えると、ボイラ伝熱管２０の径方向に沿ってショットブラスト処理の程度を変えることにより、ボイラ伝熱管２０の内表面に形成される表面加工層の硬さを変えている。
本実施形態では、第２領域２１Ｂに対して、ビッカース硬さにおいてショットブラスト加工による表面の硬さ上昇量が３００％程度になるショットブラスト処理を施す例に適用して説明する。
【００６６】
次に、上記の構成からなるボイラ１における作用について説明する。
ボイラ１の運転における蒸気の生成方法等については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
ここで、ボイラ伝熱管２０における水蒸気酸化スケールの成長について説明する。
ボイラ１の運転が継続されていると、ボイラ伝熱管２０の内部では、内表面に対して施されたショットブラスト処理の程度などに応じて、水蒸気酸化スケールが成長し続ける。
具体的には、ショットブラスト処理が施されていないボイラ伝熱管１０の第１領域２１Ａにおいて水蒸気酸化スケールの成長速度が相対的に速く、ショットブラスト処理が施された第２領域２１Ｂにおける水蒸気酸化スケールの成長速度が相対的に遅くなる。
【００６８】
水蒸気酸化スケールが所定の厚さにまで成長した状態で、ボイラ１の運転停止が繰り返されると、ボイラ伝熱管２０と水蒸気酸化スケールとの間の熱膨張率の差により、水蒸気酸化スケールがボイラ伝熱管２０の内表面から剥離する。
【００６９】
このとき、水蒸気酸化スケールの成長速度が最も速いボイラ伝熱管２０の第１領域２１Ａのみにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。このとき、第２領域２１Ｂでは水蒸気酸化スケールは上述の所定の厚さまで成長していないため、ボイラ伝熱管２０から剥離しない。
言い換えると、ボイラ伝熱管２０の全内表面において水蒸気酸化スケールの剥離が発生することがない。
【００７０】
その後、ボイラ１の運転を継続すると、次に水蒸気酸化スケールの成長速度が相対的に遅い第２領域２１Ｂにおいて水蒸気酸化スケールの剥離が発生する。
【００７１】
本実施形態では、燃焼ガスの流れに対して略直交する方向に延びるボイラ伝熱管２０の径方向に沿って、表面加工層の硬さを変えているため、ボイラ伝熱管２０における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【００７２】
具体的には、ボイラ伝熱管１０における温度の分布は、周囲の燃焼ガスの流れに対する上流側が高く、下流側が低くなる。言い換えると、ボイラ伝熱管１０の径方向に沿って、当該流れの上流側の部分は下流側の部分よりも温度が高くなる。このボイラ伝熱管１０における温度の分布を形成する原因としては、上述の燃焼ガスを発生させる火炉から放射される輻射熱を例示することができる。
そして、表面加工層における歪量などは、高温に晒される時間が長くなるほど低下しやすい。
【００７３】
本実施形態では、ボイラ伝熱管２０における第１領域２１Ａには、ショットブラスト処理を施さず内表面の歪量を相対的に低い状態とし、ボイラ伝熱管２０における第２領域２１Ｂには、ショットブラスト処理を施し、内表面における表面加工層の歪量を相対的に高い状態としている。そのため、ボイラ伝熱管２０を長時間にわたって使用しても、ボイラ伝熱管２０の第１領域２１Ａにおける歪量と、第２領域２１Ｂにおける表面加工層の歪量との差を容易に維持する、あるいは、差を拡大させることができる。
その結果、ボイラ伝熱管における全内表面から一度に酸化スケールが剥離することを防止できる。
【符号の説明】
【００７４】
１ ボイラ
１０，２０ ボイラ伝熱管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流体が流されるとともに、少なくともＣｒを含有する鋼材から形成された管材と、
該管材の内表面を冷間加工することにより形成された表面加工層と、
が設けられ、
前記表面加工層における加工度が、前記内表面における位置により異なることを特徴とするボイラ伝熱管。
【請求項２】
前記表面加工層における加工度は、前記管材の長手方向に沿って変えられていることを特徴とする請求項１記載のボイラ伝熱管。
【請求項３】
前記管材は、周囲の高温流体の流れに対して交差する方向に延びて配置され、
前記表面加工層における加工度は、前記管材の径方向に沿って変えられていることを特徴とする請求項１記載のボイラ伝熱管。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のボイラ伝熱管が設けられていることを特徴とするボイラ。
【請求項１】
内部に流体が流されるとともに、少なくともＣｒを含有する鋼材から形成された管材と、
該管材の内表面を冷間加工することにより形成された表面加工層と、
が設けられ、
前記表面加工層における加工度が、前記内表面における位置により異なることを特徴とするボイラ伝熱管。
【請求項２】
前記表面加工層における加工度は、前記管材の長手方向に沿って変えられていることを特徴とする請求項１記載のボイラ伝熱管。
【請求項３】
前記管材は、周囲の高温流体の流れに対して交差する方向に延びて配置され、
前記表面加工層における加工度は、前記管材の径方向に沿って変えられていることを特徴とする請求項１記載のボイラ伝熱管。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のボイラ伝熱管が設けられていることを特徴とするボイラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１６４２０７（Ｐ２０１０−１６４２０７Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４８５２（Ｐ２００９−４８５２）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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