特許 6862215 伝熱管の製造方法ならびに伝熱管およびこれを備えたボイラ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6862215

(24)【登録日】2021年4月2日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】伝熱管の製造方法ならびに伝熱管およびこれを備えたボイラ

(51)【国際特許分類】

   F22B 37/10 20060101AFI20210412BHJP

   F22B 37/04 20060101ALI20210412BHJP

   F28F 21/08 20060101ALI20210412BHJP

   F28F 19/00 20060101ALI20210412BHJP

   B24C 1/10 20060101ALI20210412BHJP

   C21D 7/06 20060101ALI20210412BHJP

【ＦＩ】

   F22B37/10 Z

   F22B37/10 X

   F22B37/04

   F28F21/08 F

   F28F19/00 501Z

   B24C1/10 C

   C21D7/06 B

【請求項の数】9

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2017-31188(P2017-31188)

(22)【出願日】2017年2月22日

(65)【公開番号】特開2018-136085(P2018-136085A)

(43)【公開日】2018年8月30日

【審査請求日】2020年1月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱パワー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】田▲崎▼ 顕一

(72)【発明者】

【氏名】窪田 修

(72)【発明者】

【氏名】中川 亮甫

(72)【発明者】

【氏名】宮澤 敬之

(72)【発明者】

【氏名】真鍋 幸聖

【審査官】 藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１６４２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０７９７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭５３−４１６１７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開昭６３−０５３２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０７３０５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１４９０４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−２０１９７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２２Ｂ ３７／１０

Ｂ２４Ｃ １／１０

Ｃ２１Ｄ ７／０６

Ｃ２２Ｃ ３８／４０

Ｆ２２Ｂ ３７／０４

Ｆ２８Ｆ １９／００

Ｆ２８Ｆ ２１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蒸気入口部と、該蒸気入口部に接続された折返し部と、該折返し部に接続された蒸気出口部とが形成されるように伝熱管を曲げ加工する曲げ工程と、
該曲げ工程の後に、前記伝熱管を加熱して固溶化熱処理を行う熱処理工程と、
該熱処理工程の後に、前記蒸気入口部の入口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施して入口側ショットピーニング加工領域を形成する入口側ショットピーニング加工工程と、
前記熱処理工程の後に、前記蒸気出口部の出口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施して出口側ショットピーニング加工領域を形成する出口側ショットピーニング加工工程と、
を有することを特徴とする伝熱管の製造方法。

【請求項2】

前記入口側ショットピーニング加工工程および前記出口側ショットピーニング加工工程は、前記入口側ショットピーニング加工領域と前記出口側ショットピーニング加工領域との間に、ショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域を残すように行われることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管の製造方法。

【請求項3】

前記出口側ショットピーニング加工領域は、前記入口側ショットピーニング加工領域よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の伝熱管の製造方法。

【請求項4】

前記入口側ショットピーニング加工領域および前記出口側ショットピーニング加工領域は、所定の連続運転時間経過後の管内閉塞率が所定値以下となるように決定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の伝熱管の製造方法。

【請求項5】

前記伝熱管は、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の伝熱管の製造方法。

【請求項6】

蒸気入口ヘッダに接続される蒸気入口部と、
該蒸気入口部よりも鉛直方向下方に位置する折返し部と、
該折返し部よりも鉛直方向上方に位置するとともに蒸気出口ヘッダに接続される蒸気出口部と、
を備えた伝熱管であって、
前記蒸気入口部の入口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施した入口側ショットピーニング加工領域と、
前記蒸気出口部の出口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施した出口側ショットピーニング加工領域と、
前記入口側ショットピーニング加工領域と前記出口側ショットピーニング加工領域との間に設けられ、ショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域と、
を備えていることを特徴とする伝熱管。

【請求項7】

前記伝熱管は、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項６に記載の伝熱管。

【請求項8】

前記伝熱管は、固溶化熱処理を行った後に、前記ショットピーニング加工を行った加工領域を備えていることを特徴とする請求項６又は７に記載の伝熱管。

【請求項9】

火炉と、
該火炉から導かれた燃焼ガスが流れる流路に設置された請求項６から８のいずれかに記載の伝熱管と、
を備えていることを特徴とするボイラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、耐水蒸気酸化性を有する伝熱管の製造方法ならびに伝熱管およびこれを備えたボイラに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ボイラには、火炉で生成された高温の燃焼ガスが流れる領域に、過熱器や再熱器などの高温部用熱交換器が設置されている。高温部用熱交換器を構成する伝熱管の内部には、高温高圧の水蒸気が流れる。この高温部用の伝熱管には、一般的に、高温強度及び耐食性に優れるようにＣｒ（クロム）を含有するオーステナイト系ステンレス鋼管が用いられている。
ボイラの運転を継続することで、高温部用の伝熱管の内表面には、管内部を流れる高温高圧の水蒸気との接触、反応により、水蒸気酸化スケールが層として生成される。

【0003】

高温部用の伝熱管の材料であるオーステナイト系ステンレス鋼は、一般に線膨張係数が大きいため、ボイラ運転の発停や負荷変化時に、管内部を流れる流体の温度変化がある場合には、伝熱管と伝熱管の内表面に層として形成された水蒸気酸化スケールとの熱膨張差により、水蒸気酸化スケールの剥離が生じる。剥離した水蒸気酸化スケールは、落下し、伝熱管の鉛直下部領域にある曲げ部（折返し部）などに堆積して管閉塞を生じるおそれがある。管閉塞が生じると、伝熱管の噴破の要因になる場合がある。このため、ボイラの高温部で使用される伝熱管には、高温強度に加え、優れた耐水蒸気酸化性が要求される。

【0004】

オーステナイト系ステンレス鋼とされた伝熱管の耐水蒸気酸化性を向上させるために、管内表面にショットピーニング加工を施すことが知られている（特許文献１及び２）。ショットピーニング加工は、管内表面にステンレス鋼等の粒子を所定の圧力で噴き付け、管内表面に所定の厚さ以上のショット加工層を形成させることで、管内表面に極めて薄くかつ緻密なＣｒ量が多い酸化物皮膜を形成させて、水蒸気酸化スケールの生成を抑制する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−２０１９７５号公報

【特許文献2】特許第４４９２８０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

さらに、オーステナイト系ステンレス鋼で製作された伝熱管には、応力腐食割れ（ＳＣＣ）を防止するために、曲げ加工、溶接を施した伝熱管に固溶化熱処理が行われる。一方、管内面にショットピーニング処理が施された直管を使用し、伝熱管を製作する場合、ショットピーニングの効果が消失するため、曲げ加工・溶接後に固溶化熱処理を行えない。これにより、曲げ加工部、溶接施工付近には応力腐食割れが発生するリスクが存在し、信頼性が低下する可能性があった。

【0007】

また、１基のボイラに対して相当数の伝熱管パネルが必要とされるため、別途に製作したショットピーニング施工済の直管と曲がり管を溶接し、伝熱管パネルを製作するには、多大な時間とコストを要していた。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、固溶化熱処理及びショットピーニング加工を必要な領域に施すことができ、かつ効率的に製造することができる伝熱管の製造方法ならびに伝熱管およびこれを備えた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】

上記課題を解決するために、本発明の伝熱管の製造方法ならびに伝熱管およびこれを備えたボイラは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる伝熱管の製造方法は、蒸気入口部と、該蒸気入口部に接続された折返し部と、該折返し部に接続された蒸気出口部とが形成されるように伝熱管を曲げ加工する曲げ工程と、該曲げ工程の後に、前記伝熱管を加熱して固溶化熱処理を行う熱処理工程と、該熱処理工程の後に、前記蒸気入口部の入口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施して入口側ショットピーニング加工領域を形成する入口側ショットピーニング加工工程と、前記熱処理工程の後に、前記蒸気出口部の出口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施して出口側ショットピーニング加工領域を形成する出口側ショットピーニング加工工程とを有することを特徴とする。

【0010】

伝熱管の曲げ加工を行って所望形状の伝熱管を形成した後に、耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）を向上させる固溶化熱処理を行うこととした。このように曲げ加工によって折返し部を形成することとしたので、別途に溶接と曲げ加工を行った後に固溶化熱処理を行って製作した曲がり管部とショットピーニング加工を施した直管部とを準備しておき、これらを溶接接合する工程を省略することができ、生産性を向上する。
そして、伝熱管全体を固溶化熱処理して、耐応力腐食割れ性を向上させた後に、蒸気入口部および蒸気出口部の必要な所定領域に対してショットピーニング加工を施すことで、その後は再度に固溶化熱処理を行なわないこととした。このショットピーニング加工により、伝熱管の耐水蒸気酸化性が向上する。このように、固溶化熱処理の後にショットピーニング加工を行い、ショットピーニング加工の後に固溶化熱処理を行う必要がないので、ショットピーニング加工による耐水蒸気酸化性を損なうことがなく、耐応力腐食割れ特性を併せて保持しており、信頼性を向上することが出来る。

【0011】

さらに、本発明の伝熱管の製造方法では、前記入口側ショットピーニング加工工程および前記出口側ショットピーニング加工工程は、前記入口側ショットピーニング加工領域と前記出口側ショットピーニング加工領域との間に、ショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域を残すように行われることを特徴とする。

【0012】

水蒸気酸化スケールは、伝熱管の内表面に形成された後に剥離して鉛直下方側へ落下すると折返し部付近に他領域よりも多く堆積する。本発明者等が鋭意検討したところ、水蒸気酸化スケールの堆積量は、ショットピーニング領域を変更することによって調整できることを見出した。したがって、所望の連続運転時間を確保できる堆積量未満になるように伝熱管の耐水蒸気酸化性の向上が必要なショットピーニング領域を調整できれば、全ての領域にわたってショットピーニング加工を施す必要がない。
そこで、入口側ショットピーニング加工領域と出口側ショットピーニング加工領域とを設けることによって、伝熱管の内表面を硬化させて耐水蒸気酸化性を向上させる一方で、入口側ショットピーニング加工領域と出口側ショットピーニング加工領域との間には、耐水蒸気酸化性を更に向上する必要のない領域として、ショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域を設けることとした。
このように、必要部分のみにショットピーニング加工を施すこととしたので、生産性を向上させることができる。

【0013】

さらに、本発明の伝熱管の製造方法では、前記出口側ショットピーニング加工領域は、前記入口側ショットピーニング加工領域よりも大きいことを特徴とする。

【0014】

伝熱管内を流れる蒸気は、外部から加熱されて下流側ほど蒸気が高温になる。したがって、水蒸気酸化スケールも下流側ほど水蒸気酸化スケールの生成速度が速くなり、下流側ほど水蒸気酸化スケールの量も多く生成されることになる。そこで、出口側ショットピーニング領域を入口側ショットピーニング領域よりも大きくして伝熱管の耐水蒸気酸化性を向上した領域を大きくすることで、下流側の水蒸気酸化スケールの生成量を低減させることとした。これにより、剥離して折り曲げ部に堆積する水蒸気酸化スケールの量を上流側と下流側とでほぼ同等とすることで、連続運転時間を可及的に長くすることができる。

【0015】

さらに、本発明の伝熱管の製造方法では、前記入口側ショットピーニング加工領域および前記出口側ショットピーニング加工領域は、所定の連続運転時間経過後の管内閉塞率が所定値以下となるように決定されていることを特徴とする。

【0016】

ショットピーニング加工領域は、所定の連続運転時間経過後に管内閉塞率が所定値以下となるように決定される。ショットピーニング加工領域が大きいほど管内閉塞率は低下する。これにより、必要十分なショットピーニング加工領域が決定される。
所定の連続運転時間は、例えば、定期点検までの期間が用いられる。
管内閉塞率は、堆積した水蒸気酸化スケールが伝熱管の流路断面積に占める割合である。堆積した水蒸気酸化スケールの量は、水蒸気酸化スケール落下量に基づいて決定される。水蒸気酸化スケール落下量は、運用時の管内温度、スケール成長速度、伝熱管材料成分等をパラメータとし、試験やシミュレーションから求められる。

【0017】

さらに、本発明の伝熱管の製造方法では、前記伝熱管はオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。

【0018】

伝熱管の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼を用いて、ショットピーニング加工を施して、伝熱管の内表面に所定の厚さ以上のショット加工層にすべり線を形成する。これにより、ショット加工層の深層から表面層近傍へとＣｒがすべり線に沿って供給され、伝熱管の内表面に緻密で耐食性が高いＣｒリッチ酸化物皮膜を形成させて、水蒸気酸化スケールの生成を抑制することができる。

【0019】

また、本発明の伝熱管は、蒸気入口ヘッダに接続される蒸気入口部と、該蒸気入口部よりも下方に位置する折返し部と、該折返し部よりも上方に位置するとともに蒸気出口ヘッダに接続される蒸気出口部と、を備えた伝熱管であって、前記蒸気入口部の入口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施した入口側ショットピーニング加工領域と、前記蒸気出口部の出口側端部から前記折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を前記伝熱管の内表面に施した出口側ショットピーニング加工領域と、前記入口側ショットピーニング加工領域と前記出口側ショットピーニング加工領域との間に設けられ、ショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域とを備えていることを特徴とする。
また、本発明の伝熱管は、前記固溶化熱処理を行った後に、前記ショットピーニング加工を行った加工領域を備えていることを特徴とする。

【0020】

伝熱管は、蒸気入口ヘッダに接続される蒸気入口部と、蒸気入口部よりも下方に位置する折返し部と、折返し部よりも上方に位置するとともに蒸気出口ヘッダに接続される蒸気出口部とを有している。したがって、蒸気は、蒸気入口部から流入し、下方の折返し部で流れ方向を変更した後に、上方の蒸気出口部から流出する。
高温の水蒸気が伝熱管内に流れると、内表面に水蒸気酸化スケールが形成される。水蒸気酸化スケールの成長速度は、伝熱管の内表面をショットピーニング加工することによって緩和することができる。
水蒸気酸化スケールは、伝熱管の内表面に形成された後に剥離して下方へ落下して折返し部付近に他領域よりも多く堆積する。本発明者等が鋭意検討したところ、水蒸気酸化スケールの堆積量は、ショットピーニング領域を変更することによって調整できることを見出した。したがって、所望の連続運転時間を確保できる堆積量未満になるようにショットピーニング領域を調整できれば、全ての領域にわたってショットピーニング加工を施す必要がない。
そこで、蒸気入口部から折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を内表面に施した入口側ショットピーニング加工領域と、蒸気出口部から折返し部に到る途中位置までショットピーニング加工を内表面に施した出口側ショットピーニング加工領域を設けることによって、伝熱管の内表面を硬化させて耐水蒸気酸化性を向上させる一方で、入口側ショットピーニング加工領域と出口側ショットピーニング加工領域との間には、耐水蒸気酸化性を更に向上する必要のない領域として、ショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域を設けることとした。
これにより、折返し部を含む形状（例えばＵ字形状）に伝熱管を曲げ加工した後であっても、蒸気入口部及び蒸気出口部からアクセスして伝熱管の内表面にショットピーニング加工を施すことができる。このようにショットピーニング加工を施行する領域を限定できるので、施行時間を短縮化することができるので生産性が向上する。
さらには、伝熱管を曲げ加工し、耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）を向上させる固溶化熱処理を施した後に、ショットピーニング加工を行うことができ、その後に再度固溶化熱処理を行う必要がないので、ショットピーニング加工による耐水蒸気酸化性を損なうことがなく、耐応力腐食割れ特性を併せて保持しており、信頼性を向上することが出来る。
なお、伝熱管の材質としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼が用いられる。

【0021】

また、本発明のボイラは、火炉と、該火炉から導かれた燃焼ガスが流れる流路に設置された上記の伝熱管とを備えていることを特徴とする。

【0022】

上述の伝熱管を備えているので、運転中に水蒸気酸化スケールが伝熱管を閉塞することを回避できるボイラが提供される。

【発明の効果】

【0023】

伝熱管の曲げ加工を行って所望形状の伝熱管を形成した後に、固溶化熱処理を行うことで、別途に製作した曲がり管部にショットピーニング処理を施した直管部とを溶接接続する工程を省略することとした。そして、伝熱管の固溶化熱処理の後に、蒸気入口部および蒸気出口部に対してショットピーニング加工を施すこととした。したがって、固溶化熱処理による耐応力腐食割れ特性とショットピーニング加工による耐水蒸気酸化性を併せて保持しており、信頼性を向上できる。また、ショットピーニング加工を必要な領域に施すことができ、かつ効率的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の一実施形態に係るボイラを示した概略構成図である。

【図2】伝熱管パネルを示した側面図である。

【図3】伝熱管内に水蒸気酸化スケールが生成された状態を示した模式図である。

【図4】伝熱管内に堆積した水蒸気酸化スケールを示した横断面図である。

【図5】伝熱管にショットピーニング加工を施す領域を示した側面図である。

【図6】伝熱管パネルの製造工程を示した図である。

【図7】伝熱管パネルの製造工程を示した図である。

【図8】ショットピーニング加工装置の全体構成を示した模式図である。

【図9】ショットピーニング加工装置で処理されるＵ字形状とされた伝熱管を示した正面図である。

【図10】ショットピーニング加工装置で処理される略直線形状とされた伝熱管を示した正面図である。

【図11】伝熱管に接続される前のショットノズルを示した側断面図である。

【図12】伝熱管に接続されたショットノズルを示した側断面図である。

【図13】ワーク支持台上に設置された伝熱管パネルの平面図である。

【図14】ワーク支持台上に設置された伝熱管パネルの側面図である。

【図15】伝熱管押え治具を用いて伝熱管を支持している状態を示した正面図である。

【図16】ショットノズルを移動させる機構を示した平面図である。

【図17】ショットノズルを移動させる機構を示した側面図である。

【図18】バキューム管取付部周りを示した斜視図である。

【図19】バキュームボックス周りを示した斜視図である。

【図20】ショットピーニング加工工程を示したフローチャートである。

【図21】ショットノズルをＹ方向に移動させる前の状態を示した平面図である。

【図22】ショットノズルをＹ方向に移動させて軸方向位置を合わせた状態を示した平面図である。

【図23】ショットノズルがＸ１方向に移動させられる前の状態を示した平面図である。

【図24】ショットノズルがＸ１方向に移動させられて伝熱管の端部に突き当てられた状態を示した平面図である。

【図25】外筒をエアシリンダによって移動させる構成を示した縦断面図である。

【図26】外筒をラックピニオンによって移動させる構成を示した縦断面図である。

【図27】図２６に対して直交する面で切断して見た縦断面図である。

【図28】内筒を伝熱管の端部に位置させた状態を示した平面図である。

【図29】内筒をＸ２方向に移動させて伝熱管内を移動させた状態を示した平面図である。

【図30】伝熱管のビッカース硬さを示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。

【0026】

［ボイラの全体構成］
図１には、本実施形態に係る伝熱管が適用されるボイラが示されている。

【0027】

ボイラ１０は、本実施形態では、炭素含有固体燃料を燃焼させるものとして、石炭を粉砕した微粉炭を燃料（炭素含有固体燃料）として用い、この微粉炭を燃焼バーナにより燃焼させ、この燃焼により発生した熱を給水や蒸気と熱交換して過熱蒸気を生成することが可能な石炭焚きボイラである。

【0028】

ボイラ１０は、火炉１１と燃焼装置１２と煙道１３を有している。火炉１１は、四角筒の中空形状をなして鉛直方向に沿って設置されている。火炉１１は、壁面が、複数の蒸発管とこれらを接続するフィンとで構成され、給水や蒸気と熱交換することにより火炉壁の温度上昇を抑制している。具体的には、火炉１１の側壁面には、複数の蒸発管が例えば鉛直方向に沿って配置され、水平方向に並んで配置されている。フィンは、蒸発管と蒸発管との間を閉塞して、火炉１１内の燃焼ガスが火炉１１より外気側へと漏出しないようなっている。

【0029】

燃焼装置１２は、火炉１１を構成する火炉壁の鉛直下部側に設けられている。燃焼装置１２は、火炉壁に装着された複数の燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５を有している。これら燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、火炉１１の周方向に沿って均等間隔で複数配設されている。ただし、火炉の形状や一つの段における燃焼バーナの数、段数はこの実施形態に限定されるものではない。

【0030】

各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、それぞれ微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０を介して粉砕機３１，３２，３３，３４，３５に連結されている。石炭が図示しない搬送系統で搬送されて、この粉砕機３１，３２，３３，３４，３５に投入されると、ここで所定の大きさに粉砕され、図示しない搬送用空気により微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０から燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に粉砕された石炭（微粉炭）が供給される。なお、粉砕機と燃焼バーナの数はこの実施形態に限定されるものではなく、また、同一の粉砕機から複数の微粉炭供給管を経由して複数の燃焼バーナへ微粉炭が供給されるようにしても良い。

【0031】

火炉１１には、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５の装着位置に風箱３６が設けられており、この風箱３６に空気ダクト３７の一端部が連結されている。空気ダクト３７の他端部には、送風機３８が設けられている。

【0032】

火炉１１の鉛直方向上方には煙道１３が連結されており、煙道１３に蒸気を生成するための過熱器、蒸発器、節炭器といった複数の熱交換器４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７が配置されている。

【0033】

燃焼バーナが火炉１１内に微粉炭と空気との混合気を噴射することで火炎が形成され、燃焼ガスが生成されて煙道１３に流れる。そして、燃焼ガスにより火炉壁および複数の熱交換器４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７を流れる給水や蒸気を加熱して過熱蒸気が生成され、生成された過熱蒸気を供給して図示しない蒸気タービンを回転駆動させる。蒸気タービンの回転軸には、図示しない発電機が接続されており、蒸気タービンの回転駆動によって発電機で発電が行われる。

【0034】

煙道１３には、排ガス通路４８が連結されており、送風機３８から空気ダクト３７へ送気する空気と排ガス通路４８を送気する排ガスとの間で熱交換を行うエアヒータ４９が設けられている。また、排ガス通路４８には、燃焼ガス中のＮＯｘを除去するための脱硝装置５０、燃焼ガスに含まれる煤塵を除去するための煤塵処理装置５１、下流側へ燃焼ガスを引き込むための誘引送風機５２などが設けられており、下流端部に煙突５３が設けられている。

【0035】

［伝熱管パネルの構成］
図２には、高温の燃焼ガスが流れる領域に設置した過熱器や再熱器である各熱交換器４１，４２，４３，４４に用いられる伝熱管パネル６０が示されている。
伝熱管パネル６０は、蒸気入口管寄せ（蒸気入口ヘッダ）６１と蒸気出口管寄せ（蒸気出口ヘッダ）６２との間にわたって連結されている。伝熱管パネル６０を構成する複数の伝熱管６３は、それぞれがＵ字形状とされ、並列に設けられている。同図において、紙面左側が炉の前側（燃焼ガス流れの上流側）となっており、紙面右側が炉の後側（燃焼ガス流れの下流側）となっている、したがって、矢印Ａ１で示すように、燃焼ガスは蒸気入口管寄せ６１側から蒸気出口管寄せ６２に側に向かって流れるようになっている。蒸気入口管寄せ６１から伝熱管６３内に入った蒸気は、伝熱管６３内を流れるに従い燃焼ガスによって加熱される。

【0036】

図３は、伝熱管パネル６０のうちの１本の伝熱管６３を示した図である。伝熱管６３は、蒸気入口管寄せ６１に接続される蒸気入口部６３ａと、蒸気出口管寄せ６２に接続される蒸気出口部６３ｂと、蒸気入口部６３ａ及び蒸気出口部６３ｂよりも鉛直方向下方に位置するとともに、蒸気流路をＵ字状に折り返す折返し部６３ｃとを備えている。

【0037】

伝熱管６３は、横断面が円形状とされており、本実施形態では例えば材質がオーステナイト系ステンレス鋼とされている。

【0038】

伝熱管６３内に高温高圧の蒸気が流通を続けると、伝熱管６３の内表面に水蒸気酸化スケールが生成されてゆく。水蒸気酸化スケールはＦｅ_３Ｏ_４などの酸化物の層であり、成長して層厚さが増加する。本実施形態では、図３に示されているように、伝熱管パネル６０の長手方向が鉛直上下方向に沿って設置されていて、蒸気入口部６３ａから鉛直方向下方にわたって水蒸気酸化スケールＳｃ１が生成され、また蒸気出口部６３ｂから鉛直方向下方にわたって水蒸気酸化スケールＳｃ２が生成される。蒸気入口部６３ａよりも蒸気出口部６３ｂの方が伝熱管６３内を通過する蒸気が高温となる。このため、蒸気入口部６３ａよりも蒸気出口部６３ｂの方が水蒸気酸化スケールの生成速度が速くなり、水蒸気酸化スケールが生成され易くなるので、所定厚さ以上となる水蒸気酸化スケールは、蒸気出口部６３ｂの水蒸気酸化スケールＳｃ２の方が蒸気入口部６３ａの水蒸気酸化スケールＳｃ１よりも鉛直上下方向に長い距離にわたって形成されることが、観察で判明した。

【0039】

オーステナイト系ステンレス鋼は、線膨張係数が約１６〜１７×１０^−６と一般的な鋼管の線膨張係数（約１１〜１２×１０^−６）よりも大きいために、水蒸気酸化スケールの線膨張係数（約１０〜１２×１０^−６）との差が一層に大きくなる。このため、ボイラ１０の運転発停や負荷変化時などに管内部を流れる流体の温度変化を生じると、伝熱管６３と、伝熱管６３の内表面に形成された水蒸気酸化スケールＳｃ１，Ｓｃ２との熱膨張差により、水蒸気酸化スケールＳｃ１，Ｓｃ２の剥離が生じる。剥離した水蒸気酸化スケールは、重力で破線矢印の方向へと落下し、符号Ｓｃ１’，Ｓｃ２’で示したように、伝熱管６３の鉛直下部領域にある折返し部６３ｃ付近に他領域より多く堆積することが、観察で判明した。

【0040】

図４には、折返し部６３ｃに堆積した水蒸気酸化スケールＳｃ１’，Ｓｃ２’が示されている。同図に示すように、水蒸気酸化スケールＳｃ１’，Ｓｃ２’は、伝熱管６３内の蒸気流路を狭めて、更に堆積量が増加すると伝熱管６３内の蒸気流路を閉塞させる。

【0041】

上述のような水蒸気酸化スケールＳｃ１’，Ｓｃ２’による管内閉塞率（後述）を所定値以内に抑えるために、水蒸気酸化スケールＳｃ１，Ｓｃ２の成長速度を緩和するショットピーニング加工が伝熱管６３の内表面に施されている。具体的には、図５に示すように、蒸気入口部６３ａから折返し部６３ｃに到る途中位置までの入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１にわたってショットピーニング加工が施されており、かつ、蒸気出口部６３ｂから折返し部６３ｃに到る途中位置までの出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２にわたってショットピーニング加工が施されている。入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１及び出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２を除く領域、すなわち折返し部６３ｃを含む鉛直方向下方の領域にはショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域となっている。
ショットピーニング加工を施すことで、伝熱管６３の内表面に所定の厚さ以上のショット加工層を形成させる。このショット加工層にはすべり線が形成され、ショット加工層の深層から表面層近傍へＣｒがすべり線に沿って拡散して供給される。これにより伝熱管６３の内表面がＣｒリッチとなり、伝熱管６３の内表面に緻密で耐食性が高いＣｒリッチ酸化物皮膜を形成させて、水蒸気酸化スケールの生成を抑制することができる。

【0042】

本実施形態でのショットピーニングの加工条件は以下の通りである。
噴射量：５〜２５ｋｇ／ｍｉｎ
噴射圧力：０．８〜０．９５ＭＰａ
送り速度：４００〜８００ｍｍ／ｍｉｎ
ショット粒の平均粒径：０．４〜１．０ｍｍ
ショット材：ＳＵＳ３０４（略球形で、滑らかな表面を有する粒）

【0043】

出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２は、入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１よりも大きくされて、効果的に水蒸気酸化スケールの生成量を抑制している（Ｌ２＞Ｌ１）。これは、図３を用いて説明したように、蒸気出口部６３ｂ側の方が蒸気入口部６３ａよりも水蒸気酸化スケールの生成速度が速く、蒸気出口部６３ｂ側の方が蒸気入口部６３ａ側よりも水蒸気酸化スケールが鉛直上下方向に長い領域にわたって形成されるからである。

【0044】

入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１及び出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２は、所定の連続運転時間経過後の管内閉塞率が所定値以下となるように決定されている。所定の連続運転時間は、例えば、定期点検までの期間が用いられる。
管内閉塞率は、下式に示すように、堆積した水蒸気酸化スケールＳｃ１’，Ｓｃ２’が伝熱管６３の流路断面積に占める割合である（図４参照）。
管内閉塞率［％］
＝堆積した水蒸気酸化スケールの断面積÷伝熱管の流路断面積×１００

【0045】

堆積した水蒸気酸化スケールの断面積は、水蒸気酸化スケール落下量に基づいて決定される。水蒸気酸化スケール落下量は、運用時の管内温度、スケール成長速度、伝熱管材料成分等をパラメータとし、試験やシミュレーションから求められる。
例えば、所定の連続運転時間経過後の管内閉塞率を６０％〜８０％等の適値を定めて、最小限必要なショットピーニング加工領域を導出して、入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１及び出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２を決める。これにより、伝熱管パネル６０で燃焼ガスとの熱交換で加熱される蒸気温度に対して、少なくとも耐水蒸気酸化性の向上が必要な領域にショットピーニング加工を行い、伝熱管６３の内表面における水蒸気酸化スケールの生成を効果的に抑制することが可能となる。

【0046】

［伝熱管パネルの製造工程］
次に、図６及び図７を用いて、上述した伝熱管パネル６０の製造方法について説明する。
先ず、製鉄メーカ等から直管のオーステナイト系ステンレス鋼管を受け入れる（ステップＳ１１：材入）。このとき、製鉄メーカでは、直管に対して所定の熱処理が施されているものもあるが、本実施形態では、管内表面にはショットピーニング加工は施されていないものでも良い。

【0047】

次に、直管を所定の長さに切断し、端部に開先を加工し（ステップＳ１２）、自動ＴＩＧ溶接によって各直管を連続的に接続して、必要長さの直管とする（ステップＳ１３）。

【0048】

その後、曲げ加工装置によって、連続的に接続した直管の曲げ加工を行う（ステップＳ１４）。これにより、Ｕ字形の伝熱管パネル６０が形成される。なお、直管の曲げ加工を行う際は、ステップ１３での溶接箇所を避けることが好ましい。

【0049】

次に、各伝熱管６３を束ねるように複数の金物６５を取り付け（ステップＳ１５）、伝熱管６３に対して溶接する（ステップＳ１６）。

【0050】

そして、図７に示すように、伝熱管パネル６０を加熱炉内に設置し、所定の温度まで加熱して固溶化熱処理（ＳＴ：solution treatment）を行い、残留応力を除去して耐応力腐食割れ性を保持する（ステップＳ１７）。
ここまで（ステップＳ１１〜ステップＳ１７）は、伝熱管パネル６０に対して従来から用いられる形成手順であり、容易に確実に行うことができるものである。

【0051】

その後、各伝熱管６３の内表面のショットピーニング加工を必要とする領域（入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１及び出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２）にショットピーニング加工を施す（ステップＳ１８）。

【0052】

そして、所定値内に歪みを修正した（ステップＳ１９）後に、出荷する（ステップＳ２０）。

【0053】

一方、伝熱管６３の内表面にショットピーニング加工は施した直管を材料として用いて（ステップＳ１１に相当）、前述のステップＳ１２〜ステップＳ１７を実施すると、固溶化熱処理（ステップＳ１７）によって、伝熱管６３の内表面に施工したショットピーニング加工の効果が低下、または消失してしまい、水蒸気酸化スケールの生成を抑制できなくなる。そのため、伝熱管６３の内表面にショットピーニング加工を行った直管を材料として用いる（ステップＳ１１）場合は、固溶化熱処理（ステップＳ１７）を施すことが出来ずに、耐応力腐食割れ性が低下して信頼性を損なう可能性がある。
本実施形態では、固溶化熱処理（ステップＳ１７）を実施した後に、伝熱管６３の内表面にショットピーニング加工（ステップＳ１８）を施すので、伝熱管６３は、耐応力腐食割れ性と耐水蒸気酸化性の両方の特性を備えることができる。

【0054】

［ショットピーニング加工装置］
次に、伝熱管６３にショットピーニング加工を行うショットピーニング加工装置について説明する。

【0055】

図８には、伝熱管６３の内表面にショットピーニング加工を行う装置の全体構成が模式的に示されている。

【0056】

伝熱管６３の一端である蒸気入口部６３ａ又は蒸気出口部６３ｂに対して、ショットノズル７０が挿入される。ショットノズル７０は、内筒７０ａと外筒７０ｂとを有しており、外筒７０ｂの端部が伝熱管６３の一端に対して突き合わされてシール接続されており、内筒７０ａが伝熱管６３の長手方向に移動するようになっている。
内筒７０ａの中心軸線上には、内筒７０ａとともに移動するショット粒拡散コーン７０ｃが設けられている。ショット粒拡散コーン７０ｃは、円錐形状の外表面を有している。円錐形状の小径部が内筒７０ａの先端側に位置するように配置されている。このショット粒拡散コーン７０ｃによって、後述するショット粒送り配管７８によりショットノズル７０へと供給されたショット粒が伝熱管６３の内表面の全周に対して同時にショット粒を略均等に噴射することができる。
また、外筒７０ｂと内筒７０ａとの間には、シールリング７０ｈを少なくとも１箇所に設けてある。外筒７０ｂに対して内筒７０ａを移動可能に支持するとともに、ショット粒や空気が漏出しないようにしている。

【0057】

内筒７０ａすなわちショット粒拡散コーン７０ｃの移動距離は、ショットピーニング加工領域Ｌ１，Ｌ２に対応する長さとなっている。したがって、非ショットピーニング加工領域Ｌ３まではショット粒拡散コーン７０ｃは移動しない。
なお、図８では、１本の伝熱管６３のみが示されているが、後述するように、複数の伝熱管６３を同時にショットピーニング加工するようになっている。

【0058】

図９及び図１０には、図８に示したショットピーニング加工装置で加工される伝熱管６３が示されている。図９は、図５等を用いて説明したＵ字形状の伝熱管６３である。また、図１０に示したような略直線形状の伝熱管６３’に対してもショットピーニング加工を行うことができる。

【0059】

図８に示すように、伝熱管６３の他端である蒸気出口部６３ｂ又は蒸気入口部６３ａに対して、ショット粒を回収するバキューム管（排気管）７１を接続するためのバキューム管取付部７２が取り付けられている。バキューム管取付部７２の下流には、バキュームボックス７３が設けられており、同時にショットピーニング加工を実施している他の各伝熱管６３から回収されたショット粒が合流するようになっている。

【0060】

バキュームボックス７３の下流側には、ショット粒を回収して分離するためのショット回収分離ボックス７５が設けられている。ショット回収分離ボックス７５には、バキューム管７１内を減圧して排気するための排気ポンプが接続されている。ショット回収分離ボックス７５で分離されたショット粒は、再利用されるが、粒径が小さくなるなどショットピーニング加工に不適となったショット粒は、サイクロンやメッシュフィルタなどで選別して再利用不可能なショット粒として系外へ排出される。

【0061】

ショット回収分離ボックス７５には、ショットタンク７６が接続されている。ショットタンク７６では、ショット回収分離ボックス７５で回収されたショット粒が導かれて蓄積される。再生利用不可なショット粒が系外へ排出されて減量した場合は、新しいショット粒がショットタンク７６で適宜に追加される。
ショットタンク７６内に蓄積されたショット粒は、高圧空気が導入される混合部７７に導かれ、高圧空気とともにショット粒送り配管７８を介してショットノズル７０へと供給される。

【0062】

図１１には、ショットピーニング加工を行う伝熱管６３の端部からショットノズル７０が離間された状態が示されている。ショット粒拡散コーン７０ｃは、その軸部の基端部（同図において右端）が内筒７０ａ内に設けられショット粒が通過する貫通孔を有するコーン固定部７０ｄに対してねじ止め等によって固定されている。これにより、ショット粒拡散コーン７０ｃは、内筒７０ａの中心軸上に沿って固定される。

【0063】

伝熱管６３の内径ｄ１とショットノズル７０の外筒７０ｂの内径ｄ２とは略同等とされている。外筒７０ｂの先端部には、例えばゴム製等のパッキン７０ｅが取り付けられている。これにより、伝熱管６３と外筒７０ｂとがショット粒が漏出しないようシールされて接続されることになり、ショットピーニング加工時に空気やショット粒が外部へ漏出しないようにしている。また、伝熱管６３と外筒７０ｂとがシール接続されれば、本構造を限定するものでなく、パッキン７０ｅを省略しても良い。また図示していないが、外筒７０ｂの先端部の外周に筒状の短管を取り付けて、伝熱管６３の一端と外筒７０ｂの先端部とが短管との間で嵌め込み構造とすることで、シール接続されても良い。

【0064】

図１２に示すように、ショットノズル７０はＸ１方向に往復動が可能で、外筒７０ｂはＸ３方向に往復動可能となっており、内筒７０ａはＸ２方向に往復動可能となっている。すなわち、内筒７０ａ及び外筒７０ｂは、何れも同一方向（Ｘ方向）に往復動するものの、互いに独立して移動できるようになっている。この具体的な構成は、後に説明する。

【0065】

図１３には、水平方向に支持面を有するワーク支持台８０上に設置された伝熱管パネル６０の平面図が示されている。同図に示されているように、Ｕ字形状に曲げ加工され、伝熱管パネル６０へと組み上げられ固溶化熱処理（ステップＳ１７）を施した後の複数の伝熱管６３が一平面状に並列に並べられている。伝熱管パネル６０の各位置には、各伝熱管６３を少なくともワーク支持台８０のショットノズル７０の挿入側（同図において右端）を所定位置に固定するための伝熱管押え治具８１が設けられている。
伝熱管押え治具８１は、半円形状の横断面とされた溝部が複数形成され、伝熱管パネル６０の各伝熱管６３の荷重を支持して所定の鉛直位置を保持するとともに、水平面内の位置についても所定位置に配列されるように、ワーク支持台８０の複数箇所に設置されても良い。また伝熱管押え治具８１は、ショットノズル７０の挿入側のみに設置し、他の位置では半円形状の横断面とされた溝部を持たない板状として、各伝熱管６３の荷重を支持して所定の鉛直位置を保持するも各伝熱管６３の水平面内の位置を限定しないものであっても良い。

【0066】

図１４には、図１３に示したワーク支持台８０上に設置された伝熱管パネル６０の側面図が示されている。同図に示されているように、鉛直方向上下のそれぞれの段に異なる伝熱管パネル６０が設置されている。本実施形態のショットピーニング加工装置は、これら上下段の伝熱管パネル６０，６０を同時に処理できるものである。なお、ショットピーニング加工装置は、１段の伝熱管パネル６０を処理できるもの、もしくは鉛直上下方向に３段以上を同時に処理できるものであってもよい。

【0067】

図１５に示されているように、固定治具としての伝熱管押え治具８１は、上下段の伝熱管パネル６０を併せて支持するものであり、下方支持部８１ａと、中間支持部８１ｂと、上方支持部８１ｃとを備えている。下方支持部８１ａの上面には、伝熱管６３の外形状に対応した半円形状の横断面とされた複数の溝部が、伝熱管パネル６０の各伝熱管６３の所定ピッチに合致して形成されている。中間支持部８１ｂの下面及び上面には、伝熱管６３の外形状に対応した半円形状の横断面とされた複数の溝部が所定ピッチに合致して形成されている。上方支持部８１ｃの下面には、伝熱管６３の外形状に対応した半円形状の横断面とされた複数の溝部が所定ピッチに合致して形成されている。これら支持部８１ａ，８１ｂ，８１ｃを図示しないクランプ機構によって一体的に固定することにより、伝熱管パネル６０の浮き上がりを防止するとともに、ワーク支持台８０に対して鉛直方向と水平方向の所望位置に伝熱管パネル６０を固定することができる。

【0068】

図１６及び図１７には、ショットノズル７０をＸ方向及びＹ方向に移動させる構成が開示されている。図１６はショットノズル７０を平面視した図であり、図１７はショットノズル７０を側面視した図である。なお、Ｘ（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）方向とは、伝熱管６３の直線部が延在する方向を示し、Ｙ方向とは、Ｘ方向に直交するとともに同一伝熱管パネル６０の各伝熱管６３が並ぶ方向を示す。

【0069】

本実施形態では、ショットノズル７０は、第１Ｙ方向リニアガイド８３ａ上およびＸ１方向リニアガイド８９上に設置されている。第１Ｙ方向リニアガイド８３ａは、各伝熱管６３が並ぶ方向へ移動する配列方向移動機構を構成するものである。また、本実施形態では、ショットノズル７０は、上下段のそれぞれにＹ方向に２つずつ設けられ、各々が第１Ｙ方向リニアガイド８３ａおよびＸ１方向リニアガイド８９により個別に移動が可能としている。ただし、ショットノズル７０は、Ｙ方向に１つ、もしくは３つ以上設けても良い。

【0070】

第１Ｙ方向リニアガイド８３ａは、第１Ｙ方向リニアレール８４ａ上を走行する。第１Ｙ方向リニアガイド８３ａには、第１Ｙ方向送りモータおよびラックピニオン機構（図示せず）が取り付けられており、例えばそれによって、第１Ｙ方向リニアガイド８３ａがＹ方向に往復動する。

【0071】

第１Ｙ方向リニアガイド８３ａ上には、Ｘ１方向リニアガイド８９が固定されている。Ｘ１方向リニアガイド８９上にショットノズル７０が固定されている。ショットノズル７０は、外筒７０ｂを固定支持する本体７０ｆを備えている。本体７０ｆは外筒７０ｂを加工対象の伝熱管６３の端部に向けてＸ１方向に移動させる外筒移動機構である。本体７０ｆは、図１７に示したように、上下のそれぞれのショットノズル７０を支持し、上下段の伝熱管パネル６０，６０を同時に処理を可能とするものである。本体７０ｆは、Ｘ１方向リニアガイド８９上に固定されている。

【0072】

本体７０ｆには、例えばＸ１方向送りモータおよびラックピニオン機構（図示せず）が取り付けられており、それによって、ショットノズル７０がＸ１方向に往復動する。

【0073】

ショットノズル７０の後方すなわち伝熱管パネル６０から離間した側には、内筒７０ａをＸ２方向に往復動させるための内筒移動機構である内筒送り装置９２が設けられている。内筒送り装置９２は、Ｙ方向に２つ設けられ、各々が第２Ｙ方向リニアガイド８３ｂおよびＸ２方向リニアガイド９４により個別に移動が可能としている。内筒送り装置９２は、Ｘ２方向リニアガイド９４上に設置されており、上下段の各内筒７０ａを支持するための本体９２ｆと、本体９２ｆに取り付けられたＸ２方向送りモータおよびラックピニオン機構（図示せず）とを備えている。これにより内筒送り装置９２がＸ２方向に往復動する。ここで、内筒送り装置９２は、ショットノズル７０に対して、少なくとも伝熱管６３のショットピーニング加工領域（Ｌ１，Ｌ２）よりも長い距離を離間して設置されていて、ショット粒拡散コーン７０ｃの移動距離を確保することが出来る。

【0074】

Ｘ２方向リニアガイド９４は、第２Ｙ方向リニアガイド８３ｂ上に設置されている。第２Ｙ方向リニアガイド８３ｂは、第２Ｙ方向リニアレール８４ｂ上を走行する。第２Ｙ方向リニアガイド８３ｂには、第２Ｙ方向送りモータおよびラックピニオン機構（図示せず）が取り付けられており、それによって、第２Ｙ方向リニアガイド８３ｂがＹ方向に往復動する。

【0075】

内筒送り装置９２の本体９２ｆに対して、内筒７０ａの端部が内筒固定部９５を介して固定されている。内筒固定部９５は、コイルバネ等の弾性部９６を介して本体９２ｆに固定されている。内筒固定部９５は、内筒７０ａが伝熱管６３内のどこかに接触したり突き当たったときに本体９２ｆに対して接近するように相対移動するようになっている。この内筒固定部９５の相対移動を検出する移動規制検出部として、本実施形態ではリミットスイッチ（図示せず）を本体９２ｆ内に設けておくことで、内筒７０ａが伝熱管６３内に過剰に押し込まれて内筒７０ａ等が損傷することを回避することができる。リミットスイッチの信号は、図示しない制御部へと送られ、制御部の指令によってＸ２方向送りモータ（図示せず）の駆動が停止される。

【0076】

内筒７０ａの後端部すなわち伝熱管６３に挿入される先端部とは反対側の端部は、内筒送り装置９２内でショット粒送り配管７８に接続されている。ショット粒送り配管７８の上流側は、図８を用いて説明したように、高圧空気とともにショット粒を供給する混合部７７を経由してショットタンク７６に接続されている。

【0077】

図１８には、図８にて説明したバキューム管取付部７２の具体的構成が示されている。同図に示されているように、バキューム管取付部７２は、並列に並べられた複数の伝熱管６３のそれぞれの他端部に取り付けられる。伝熱管６３への取り付けは、例えばバキューム管取付部７２の先端に設けたクランプ部７２ａによって行われる。クランプ部７２ａは蝶ネジを備えており、蝶ネジを締めることによってバキューム管取付部７２が伝熱管６３に対して気密に固定される。

【0078】

バキューム管取付部７２のそれぞれに接続されたバキューム管７１は、図１９に示すように、開閉弁７１ａを介してバキュームボックス７３へと接続される。ショットピーニング加工を行う伝熱管６３に接続されたバキューム管７１の開閉弁７１ａのみが開とされ、ショットピーニング加工を行わない伝熱管６３に接続されたバキューム管７１の開閉弁７１ａは閉とされる。すなわち、ショットピーニング加工を行う伝熱管６３に接続されたバキューム管７１の開閉弁７１ａが順次閉から開へと制御され、それ以外の開閉弁７１ａは閉となり待機状態とされる。開閉弁７１ａの開閉動作は、図示しない制御部が行っても良い。
このように、予め複数のバキューム管７１を伝熱管６３に取り付けておき、順次開閉弁７１ａの開閉動作を行うことでショットピーニング加工を複数の伝熱管６３にわたって連続的に行うことができる。

【0079】

ショットピーニング加工装置の制御部は、ショットピーニング加工装置の各種制御を行うものであり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

【0080】

［ショットピーニング加工工程］
次に、図２０を用いて、上記構成のショットピーニング加工装置を用いた加工工程について説明する。
先ず、図１３及び図１４に示したように、ワーク支持台８０に対して、伝熱管パネル６０の各伝熱管６３が水平に所定位置に配置されるように設置する（ステップＳ２１）。このとき、伝熱管パネル６０は、上下段のそれぞれに設置される。

【0081】

そして、図１８及び図１９に示したように、バキューム管取付部７２を用いてバキューム管７１を複数の伝熱管６３に対して取り付ける（ステップＳ２２）。ショットピーニング加工を行う伝熱管６３に対応する開閉弁７１ａ（図１９参照）のみを開とし、他の開閉弁７１ａは閉にしておく。これにより、バキューム管７１を用いて排気を行う排気ラインが選択される。

【0082】

その後、Ｙ方向送りモータ（図示せず）を駆動させ、ショットノズル７０および内筒送り装置９２をＹ方向に変位させ、ショットピーニング加工を行う伝熱管６３の直線部の長手軸線に軸方向位置を合わせる（ステップＳ２３）。すなわち、図２１に示したＹ方向に変位させる前の状態から、図２２に示したように伝熱管６３の長手方向軸線に外筒７０ｂすなわち内筒７０ａの中心軸線が合致するように移動させる。

【0083】

本実施形態においては、図２２に示されている状態では、伝熱管パネル６０のうち最も外側に位置する伝熱管６３の入口６３Ａｉｎに一方のショットノズル７０を一致させ、この伝熱管６３に対応する出口６３Ａｏｕｔから排気する。また、伝熱管パネル６０の内最も内側に位置する伝熱管６３の入口６３Ｂｉｎに他方のショットノズル７０を一致させ、この伝熱管６３に対応する出口６３Ｂｏｕｔから排気する。このとき、図２２に示すように伝熱管パネル６０の内最も内側に位置する伝熱管６３の入口６３Ｂｉｎは、伝熱管６３の出口６３Ａｏｕｔ側に配列される伝熱管６３を選択しても良い。このように、Ｕ字形状とされた伝熱管６３の一方の端部側に対して一方のショットノズル７０を位置させ、伝熱管６３の他方の端部側に位置する伝熱管６３に対して他方のショットノズル７０を位置させることで、ショットノズル７０同士をより一層に干渉させることなく同時に１つの伝熱管パネル６０につき２本の伝熱管６３を処理できるようになっている。なお、図２２では省略しているが、伝熱管６３の排気側には上述したバキューム管７１が取り付けられ、ショットピーニング加工を行う伝熱管６３に対応する出口６３Ａｏｕｔ，６３Ｂｏｕｔに接続された開閉弁７１ａのみが開とされている。

【0084】

次に、図２３に示すように伝熱管６３と外筒７０ｂとが離間した状態から、Ｘ１方向送りモータ（図示せず）を駆動してショットノズル７０および内筒送り装置９２をＸ１方向に変位させ、図２４に示すように伝熱管６３の端部に対して外筒７０ｂの端部を近接させる（ステップＳ２４）。伝熱管６３の端部固定位置を精度よく設置できる場合は、Ｘ１方向送りモータ（図示せず）の位置精度を管理することで、伝熱管６３の端部に対して外筒７０ｂの端部を突き当てるようにして、伝熱管６３と外筒７０ｂとの間に適正なシール性を得られるよう面圧を加えてもよい。

【0085】

このとき、図２５に示すように、ショットノズル７０の本体７０ｆに設けたエアシリンダ９７を設け、本体７０ｆに対して外筒７０ｂを相対的にＸ３方向に移動させても良い（ステップＳ２５）。エアシリンダ９７に設けられたピストン９７ａの軸端は外筒７０ｂの鍔部７０ｂ１に固定されている。エアシリンダ９７によって外筒７０ｂを伝熱管６３の端部側に押圧することによって、過度な押圧力を付加することなく適正なシール性を得られるよう面圧を加えることができる。符号９８は、外筒７０ｂを軸線方向にガイドするすべり軸受である。

【0086】

なお、図２５に示したエアシリンダ９７に代えて、図２６及び図２７に示すように、外筒７０ｂの鍔部７０ｂ１を、コイルバネ９９を介して押圧軸１００で押圧するようにしても良い。押圧軸１００は、押圧軸１００に設けたラックに噛み合うピニオン１０１をＸ３方向送りモータ１０３によって回転させることによってＸ３方向に駆動される。押圧軸１００は、複数対の支持ローラ１０２によって往復動可能に支持されている。このように、コイルバネ９９を介して押圧することによって、伝熱管６３と外筒７０ｂとの間に適正なシール性を得られるよう面圧を加えることができる。

【0087】

なお、ステップＳ２４で説明したようにＸ１方向送りモータ（図示せず）によって伝熱管６３と外筒７０ｂとの間に適正なシール性を得られるよう面圧を加えることができる場合には、図２５〜図２７を用いて示した上述のステップＳ２５は省略することもできる。

【0088】

次に、Ｘ２方向送りモータ（図示せず）を駆動して、内筒７０ａを伝熱管６３の端部から加工終了位置まで一定速度で移動させる（ステップＳ２６）。内筒７０ａの移動範囲は、ショットピーニング加工領域Ｌ１，Ｌ２に対応する（例えば図５参照）。このとき、内筒７０ａからショット粒が連続的に供給され、ショット粒拡散コーン７０ｃによって偏向させられたショット粒が伝熱管６３の内表面の全周方向に略均一に噴き付けられる。すなわち、図２８に示すように、ショット粒拡散コーン７０ｃの先端が伝熱管６３の先端部に位置した状態からショット粒の噴き付けを開始する。内筒７０ａは、図２９に示すように、内筒送り装置９２のＸ２方向送りモータ（図示せず）を駆動してＸ２方向に変位させられる。

【0089】

そして、ステップＳ２７では、Ｘ２方向送りモータ（図示せず）を逆方向に駆動して、内筒７０ａを引き抜く方向（Ｘ２逆方向）に変位させ、伝熱管６３から引き抜く。このときも、伝熱管６３の内表面に対してショット粒が噴き付けられる。したがって、ショットピーニング加工領域Ｌ１，Ｌ２においてショット粒の噴き付けは２パス（１往復）行われることになる。

【0090】

その後、ステップＳ２８において、伝熱管６３内に滞留したショット粒をバキューム管７１を介して回収した後、Ｘ１方向送りモータ（図示せず）を逆方向に駆動して外筒７０ｂを伝熱管６３から離間する方向（Ｘ１逆方向）へと移動させる。

【0091】

以上により、本実施形態では上段２本及び下段２本の伝熱管６３に対してショットピーニング加工が４個所で同時に行われる。

【0092】

そして、上述したステップＳ２２〜Ｓ２８が繰り返し行われ、同一伝熱管パネル６０の伝熱管６３が順次処理される（ステップＳ２９）。

【0093】

全ての伝熱管６３に対するショットピーニング加工が終了したら、バキューム排気を終了してショットピーニング加工工程が終了する（ステップＳ３０）。

【0094】

［伝熱管内表面の性状］
図３０には、上述したショットピーニング加工装置を用いて上述した加工条件でショットピーニング加工を施した伝熱管６３の内表面のビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定した結果が示されている。
図３０の横軸は伝熱管６３の内表面からの距離（μｍ）を示し、縦軸は基準化したビッカース硬さを示す。ビッカース硬さは、３００Ｈｖを１．０として基準化している。
同図から分かるように、伝熱管６３の内表面から所定深さ（約６０μｍ）までのビッカース硬さの減少割合が、該所定深さ（約６０μｍ）からさらに内部（約２００μｍ）までのビッカース硬さの減少割合よりも小さくなっている。すなわち、「（１）表面の硬度傾斜」が「（２）内面側の硬度傾斜」よりも小さい。

【0095】

「（１）表面の硬度傾斜」は、ショットピーニングの加工条件について、噴射量と噴射圧力との関係も影響しているが、送り速度を４００〜８００ｍｍ／ｍｉｎとして比較的早くした上で、パス回数を２回（１往復）としたことによるものと推察される。すなわち、送り速度を早くしたことで、被ショットピーニング加工部分に対するショットピーニング処理時間が短くなるが、噴射圧力を高くして、ショットピーニングで被ショットピーニング加工部分に印加されるエネルギーがより深い領域まで及ぶようになる。さらにパス回数を１回ではなく２回として、短くなったショットピーニング処理時間を補うようにしたことことによるものと推察される。これにより、表面側である伝熱管６３の内表面から所定深さ（本実施形態では約６０μｍ）までが十分にショットピーニング加工されて、加工硬化がある程度飽和したものと考えられる。
また、パス回数を２回（１往復）とすることで、伝熱管６３の内表面の硬度分布はパス回数を１回とするものよりも均一化して、伝熱管６３の内表面により均一な耐水蒸気酸化性を確保できるので、さらに好ましい。

【0096】

また、表面から４０μｍにおけるビッカース硬さが、母材の硬度（例えば２５０μｍよりも深い位置の硬度）よりも１００Ｈｖ以上高くなっており、耐水蒸気酸化性を確保するための硬度が得られている。

【0097】

以上の通り、「（１）表面の硬度傾斜」を小さくすることで、表面に所望厚さの硬化層を確保することができる。これにより、硬化層の深層から表面層近傍へと伝熱管６３の内表面へと多くのＣｒを拡散させることができ、耐食性の高いＣｒリッチ酸化物皮膜が形成されて、耐水蒸気酸化性を向上させることができる。

【0098】

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
伝熱管６３の曲げ加工を行って所望形状の伝熱管６３を形成した後に、耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）を向上させる固溶化熱処理を行うこととした。このように曲げ加工によって折返し部を形成することとしたので、別途に準備しておいた溶接と曲げ加工を行った後に固溶化熱処理を行って製作した曲がり管部と、ショットピーニング加工を施した直管部とを溶接接合する工程を省略することができ、生産性が向上する。
そして、伝熱管６３全体を固溶化熱処理して、耐応力腐食割れ性を向上させた後に、入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１および出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２に対してショットピーニング加工を施すこととした。このように、固溶化熱処理の後に各伝熱管６３の内表面にショットピーニング加工を行い、ショットピーニング加工の後に固溶化熱処理を行う必要がないので、ショットピーニング加工による耐水蒸気酸化性を損なうことがなく、耐応力腐食割れ特性を併せて保持しており、信頼性を向上することが出来る。また、折返し部を含む形状（例えばＵ字形状）などの伝熱管パネル６０の形成にあたり、管内表面にショットピーニング加工は施されていない通常の直管を用いて溶接と曲げ加工を実施した後に、加熱して固溶化熱処理し、その後に各伝熱管６３の内表面のショットピーニング加工を施すこととしたので、伝熱管パネル６０の形状の形成までが従来どおりの手順で容易に確実に行われるとともに、伝熱管６３は、耐応力腐食割れ性と耐水蒸気酸化性の両方の特性を備えることができ、信頼性を向上することができる。

【0099】

水蒸気酸化スケールは、伝熱管６３の内表面に形成された後に剥離して鉛直下方側へ落下すると折返し部６３ｃ付近に他領域よりも多く堆積する。本発明者等が鋭意検討したところ、水蒸気酸化スケールの堆積量は、ショットピーニング領域を変更することによって調整できることを見出した。したがって、所望の連続運転時間を確保できる堆積量未満になるようにショットピーニング領域を調整できれば、全ての領域にわたってショットピーニング加工を施す必要がない。
そこで、入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１と出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２とを設けることによって、伝熱管６３の内表面を硬化させて耐水蒸気酸化性を向上させる一方で、入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１と出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２との間には、耐水蒸気酸化性を更に向上する必要のない領域として、ショットピーニング加工が施されていない非ショットピーニング加工領域Ｌ３を設けることとした。
このように、必要部分のみにショットピーニング加工を施すこととしたので、生産性を向上させることができる。

【0100】

伝熱管６３内を流れる蒸気は、外部から加熱されて下流側ほど蒸気が高温になる。したがって、水蒸気酸化スケールも下流側ほど水蒸気酸化スケールの生成速度が速くなり、下流側ほど水蒸気酸化スケールの量も多く生成されることになる。そこで、出口側ショットピーニング加工領域Ｌ２を入口側ショットピーニング加工領域Ｌ１よりも大きくして、下流側の水蒸気酸化スケールの生成量を低減させることとした。これにより、剥離して折返し部６３ｃに堆積する水蒸気酸化スケールの量を上流側と下流側とでほぼ同等とすることで、連続運転時間を可及的に長くすることができる。

【符号の説明】

【0101】

１０ ボイラ
６０ 伝熱管パネル
６１ 蒸気入口管寄せ（蒸気入口ヘッダ）
６２ 蒸気出口管寄せ（蒸気出口ヘッダ）
６３ 伝熱管
６３ａ 蒸気入口部
６３ｂ 蒸気出口部
６３ｃ 折返し部
６５ 金物
７０ ショットノズル
７０ａ 内筒
７０ｂ 外筒
７０ｂ１ 鍔部
７０ｃ ショット粒拡散コーン
７０ｆ 本体
７１ バキューム管（排気管）
７２ バキューム管取付部
７３ バキュームボックス
７５ ショット回収分離ボックス
７６ ショットタンク
７７ 混合部
７８ ショット粒送り配管
８０ ワーク支持台
８１ 伝熱管押え治具
８１ａ 下方支持部
８１ｂ 中間支持部
８１ｃ 上方支持部
８３ａ，ｂ Ｙ方向リニアガイド
８４ａ，ｂ Ｙ方向リニアレール
８９ Ｘ１方向リニアガイド
９２ 内筒送り装置
９２ｆ 本体
９４ Ｘ２方向リニアガイド
９５ 内筒固定部
９６ 弾性部
９７ エアシリンダ
９７ａ ピストン
９８ すべり軸受
９９ コイルバネ
１００ 押圧軸
１０１ ピニオン
１０２ 支持ローラ
１０３ Ｘ３方向送りモータ
Ｌ１ 入口側ショットピーニング加工領域
Ｌ２ 出口側ショットピーニング加工領域
Ｌ３ 非ショットピーニング加工領域
Ｓｃ１，Ｓｃ２ 水蒸気酸化スケール
Ｓｃ１’，Ｓｃ２’ 堆積した水蒸気酸化スケール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】