JPH01172606A - 高温フランジの締結構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、容器や管路のフランジ継ぎ手部分、フラン
ジ軸継手、あるいは構造物の板接合部分などのうち、締
結後に温度上昇のあるフランジの締結構造に関するもの
であり、とくに、フランジとともに締結用ボルトなどの
温度が上昇する場合にも締結力が低下しない高温フラン
ジの締結構造に関するものである。

（従来の技術） 一般に、容器や管路のフランジ継ぎ手部分、フランジ軸
継手、あるいは構造物の板接合部分などのフランジをボ
ルト・ナツトによって締結する場合には、締結力の低下
を防止するよう処置する必要がある。締結した当初は、
ボルトには弾性的伸びが生じ、締結されたフランジや座
金には弾性的縮みが生じるとともに、かみ合ったナツト
のねじ山には接触圧力が作用してゆるまず、十分な締結
力が存在するが、場合によっては、ボルトあるいはフラ
ンジなどが塑性的に伸縮したり、衝撃力が外部から作用
した瞬間にねじ山の接触圧力が減少してナツト（または
ボルト）が回転したりしてゆるみ、締結力が減少するか
らである。

そこで、上記のようなフランジには、従来、つぎの締結
構造によって締結力の低下を防止していた。

ａ）二つのナツトを重ねる（いわゆるダブルナツトとす
る）、みぞ付きナツトを用いたうえみぞとボルトの貫通
口に止めピンを通す、または、ゆるみ止め用特殊ナツト
を用いる、などの締結構造。これらは、主としてナツト
が回転しないようにして、締結力の低下を防止する。

ｂ）ばね座金、歯つき座金などを挟装した締結構造。こ
れらは主として、ボルトやフランジの前記した塑性的伸
縮量を座金の弾性的変位によって補うことにより、前記
ねじ山の接触圧力を確保するものである。

こうした構造は、ボルト・ナツトによる接合個所に広く
適用されており、前記したように締結後に温度上昇のあ
るフランジの締結部分にも、同様に採用されていた。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した従来のフランジの締結構造ａ）およびｂ）は、
°フランジやボルトを含む締結部分が、締結したのちに
温度上昇する場合には、っぎのような点で問題があった
。すなわち、締結部分が温度上昇する際、熱膨張による
ボルトの伸びが、フランジ、座金およびガスケットなど
からなる被締結物の厚さ方向の伸びよりも大きくなれば
、前記のいずれの締結構造によっても締結力が低下、も
しくはゼロになる。前記ａ）の構造では、ナツトが回転
することはなくとも、熱膨張によって上記のように伸び
が生じると同時に締結力がほぼゼロになり、ボルト・ナ
ツトに挟まれた被締結物間にすき間ができる。一方、前
記ｂ）の構造では、上記のように伸びが生じても、座金
の弾性的変位の範囲内ならば締結力が直ちになくなるこ
とはないが、締結力は大幅に低下するので、フランジに
外力が作用すれば被締結物間にすき間ができ、あるいは
締結部分が振動すればナツト（またはボルト）が回転し
て締結力がゼロになることもある。こういった現象が引
き起こされるのは、前記したようにボルトの熱膨張によ
る伸びが被締結物のそれを上回るときであり、詳しくは
、たとえばボルトの線膨張係数がフランジや座金のそれ
よりも大きい場合、あるいは締結部分の温度分布が不均
一でボルトの温度がフランジや座金の温度よりも高くな
ることがある場合などである。

フランジの締結力が低下すると、フランジにかかる外力
が偏荷重としてボルトに作用するのでボルトが折損する
ことがある、容器や管路においてはシール性が悪くなっ
て内部の流体が漏出する、あるいは極端な場合、ナツト
の回転が進行しボルトが抜けてフランジが外れてしまう
など、重大な事故につながることがある。

（発明の目的） この発明は、上記の問題点を解消するためになされたも
ので、簡単な部品を追加してフランジを締結するだけで
、フランジやボルトを含む締結部分が締結後に温度上昇
する場合にも締結力が低下しない、高温フランジの締結
構造を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記の問題点を解決するためのこの発明の要旨とすると
ころは、締結後に温度上昇のあるフランノの締結構造に
ついて、締結用ボルトの頭部とナツトとの間に、締結す
べきフランジやガスケットとともに、前記ボルトよりも
線膨張係数が大きい材料からなるスリーブを挟装するこ
とである。

（作用） この発明の高温フランジの締結構造によれば、被締結物
として、線膨張係数の大きいスリーブをフランジ、座金
およびガスケットなどとともに締結用ボルトの頭部とナ
ツトとの間に挟装するので、締結したのち締結部分の温
度が上昇する場合、熱膨張による締結ボルトの伸び以上
に、被締結物が厚さ方向に熱膨張し、したがってボルト
によるフランジの締結力が低下することがない。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例に関するフランジの締結構造
をもつ、転炉およびフードの縦断面図である。転炉Ａは
、高炉などで得られた銑鉄を精練して鋼にするための溶
融金属容器であり、精錬にともなって多量の高温ガス（
Ｃｏが主成分）が発生するので、これを回収するために
炉口部にフードＢが着座して排ガスダクトＢｌｌに連通
している。フードＢは炉口上に懸架される主フードＢｌ
と、昇降可能なスカートＢ２とから構成され、スカート
Ｂ２の下部フランジＢ２１は、ガスケットＡ４を挟んで
転炉Ａの炉口フランジＡ１に締結される。精錬中は、排
ガスダクトＢ１１の接続部を除いて、転炉ＡとフードＢ
の内部空間Ａ２は密閉され、主フードＢ１とスカートＢ
２とは離間しないように連結（図示せず）されているの
で、内部空間Ａ２の圧力が上がるとフードＢには上向き
の力（浮揚力）が生じ、この浮揚力は前記下部フランジ
Ｂ２１と炉口フランジ＾ｌとの締結部分に作用する。

この締結部分の詳細を第２図（ａ）に示す。下部フラン
ジＢ２１は、上部フランジＢ２３、可撓スリーブ体Ｂ２
２および連結具Ｂ２４とともにスカートＢ２として、主
フードＢｌ側の部材からシリンダ（図示せず）によって
吊設され昇降するが、転炉Ａが精錬を開始する前には、
図のように下降させられ、炉ロフランジＡＩ上に装着し
たガスケットＡ４を挟み、締結用ボルトｌおよびナツト
２を用いて炉口フランジＡＩと締結される。本実施例で
は、あらかじめこのボルトｌに、ボルト！よりも線膨張
係数が大きい材料からなるスリーブ３と、ガス切断が容
易な材料からなるスリーブ４とを遊嵌しておき、締結す
る際にはこれらが、上記二つのフランジ＾１．　Ｂ２１
およびガスケットＡ４とともに、頭部１ａとナツト２と
の間に挟まれるよう構成している。なお、第２図（ｂ）
に示すように、ボルトｌの頭部１ａは横長の矩形状に形
成されており、この頭部１ａよりもやや大きく矩形状に
穿設されたボルト穴Ａｌａに挿通し、９０°回せば炉口
フランジＡ１に係止することができる。

第２図（ａ）に示す符号ｌＯは、ボルトｌの締結装置で
、ボルトｌを常時保持して昇降および回転させることが
でき、したがって遠隔操作により迅速にフランジ＾ｌ、
Ｂ２１を締結（または解除）するための装置である。す
なわち締結装置１０は、ナツト２を嵌合・回転させると
ともに止めナツト５を係止してボルトｌを保持するソケ
ット１１、ユニバーサルジジイント１２および油圧モー
タ１３を具備し、これらを台板１４とともに、下部フラ
ンジＢ２１上に載設された昇降装置（図示せず）によっ
て昇降させる機能をもっている。

転炉Ａが精錬を開始する前には、前記のように、ガスケ
ットＡ４を挟んで下部フランジｌ３２１と炉口フランジ
＾１とを、ボルトＩにより締結するが、この手順はつぎ
のとおりである。下部フランジＢ２１が上昇している間
には、ボルトｌは締結装置１０によって上昇しており、
頭部１ａが矩形凹部Ｂ２１ａに収容されているが、下部
フランジＢ２１が第２図（ａ）の位置に下降すると、締
結装置ＩＯによってボルトｌを下降させ、頭部１ａを炉
口フランジＡ１の矩形ボルト穴Ａｌａに挿通する。この
のち、締結装置ＩＯのモータ１３を回転させてナツト２
を回せば、ボルトｌは共回りして炉ロフランジ＾ｌ下面
の止め板＾ｉｔの凸部Ａ１１ａに頭部１ａが当接し、続
いてナツト２が回転・下降して、締結が完了する。この
とき、ボルトＩに遊嵌された前記スリーブ３および４は
、下部フランジＢ２１のスリーブ座８２１ｂの上面とナ
ツト２の下面とに挟まれるので、ボルト１およびナツト
２による締結力は、炉口フランジＡ１、ガスケットＡ４
、下部フランジＢ２１、スリーブ３および４に作用する
ことになる。

上記した締結を常温（２０℃）下で行っても、転炉Ａお
よびフードＢは精練中に炉内の溶銑（溶鋼）および排ガ
スから輻射熱と伝導熱を受けるので、締結部の構成部品
、すなわち炉口フランジＡ１、ガスケットＡ４、下部フ
ランジＢ２１、スリーブ１、４、ボルトｌおよびナツト
２はいずれもほぼ均一に１００℃程度にまで温度が上昇
する。こうした温度上昇によって上記構成部品はそれぞ
れ熱膨張するが、ボルト１の頭部１ａとナツト２との間
に挟装したスリーブ３は、ボルトｌよりも線膨張係数が
大きいので、この場合に被締結物間にすき間が生じたり
締結力が低下したりすることはない。一方、転炉Ａが何
回かの精練を行ったのちで、締結時からすでに構成部品
の温度が１００℃程度になっている場合には、締結後に
これ以上の熱膨張が発生しないので、もちろん締結力は
低下しない。

ここで、上記の温度上昇にともなう締結力の変化を、定
量的に検討してみる。なお、本実施例においては、初期
締結を常温下で、ボルトｌの張力（締結力）が６０００
ｋｇになるように行い、転炉Ａの精練中には、締結部分
が１００℃に温度上昇するとともに、炉内ガス圧力によ
るフードＢの最大浮揚力によって１本のボルト■に２０
００ｋｇの張力が作用する。

締結部の構成部品については、スリーブ３を１８−８ス
テンレス鋼とし、ガスケットＡ４をセラミックファイバ
ー含有の複合材とする以外は、すべて低炭素鋼を用いて
いる。それらの厚さ（軸方向寸法。ｔ　：　ｍｍ０第２
図（ａ）参照）および線膨張係数（α：１／℃。２０〜
１００℃の平均値）を以下に示す。

炉口フランジ＾１：　　ｔ、＝６０、α＋＝　１．２１
ｘ　１Ｇ−’ガスケット＾４：　　　ｔ＊＝２ｏ、α、
＃０下部フランジＢ２１：　ｔ、＝６５、αｓ＝　１．
２１ｘ　ｔｏ−’スリーブ３：　　ｔ’、＝１８５、α
’　１＝　１．６７ｘ　１０−５スリーブ４：　　　ｔ
’ｔ＝７ｏ、α’　ｔ＝　１．２１Ｘ　１０−’また、
ボルトｌの頭部１ａとナツト２との面間距離Ｃ０（ｍｍ
）　、ボルトｌの縦弾性係数Ｅ　ｏ　（ｋｇ／ｍｍ”）
、有効断面積ＡＯ（ＩＩＩｍ”）　、線膨張係数ａ　、
（１７℃）については、下記のとおりである。

Ｑｏ”　Ｌｔ＋Ｌｔ＋ｔｓ”Ｌ’　＋”Ｌ’　ｔ＝　４
００、Ｅｏ＝２．１ｘｌＯ’、　ＡＯ＝２０００、α。

＝　１．２１ｘ　１０−’ この締結部が、締結後に温度幅ΔＴ　＝　１００−２０
＝８０（’Ｃ）にわたって上昇する。熱膨張によるボル
ト１の面間距離Ｑ０の自由伸長量ΔＱは、ΔＱ＝ΔＴ　
ｘ（２ｏｘ　（！ｏ＝ＯＪ８７２　（ｍｍ）一方、熱膨
張による、炉ロフランジ＾１１ガスケット＾４および下
部フランジＢ２１の合計厚さの自由膨張量Δｔは、 Δｔ＝八ＴへΣ　（ｔ＋−α＋）　＝０．１２１　（ｍ
ｍ）スリーブ３および４の合計厚さのそれΔ（°は、Δ
【°；ΔＴＸΣ（ｔ’、・α’υ＝　０．３１４９２　
（ｍｍ）になるので、 Δｔ＋Δｔ’　＝　０．４３５９２≧Δ（Ｆ＝０．３８
７２となる。すなわち、自由膨張による被締結物の厚さ
方向の伸びが、ボルトｌの伸び以上になるため、ボルト
ｌによる締結力は低下することはなく、むしろ増加する
。この場合、ボルト！で拘束された被締結物は自由伸長
を一部妨げられ、ボルト１は逆に引き伸ばされて、両者
はっぎのような共通の伸び量Δλをもっことになる。

ΔＱ≦Δλ　≦Δｔ＋Δｔ゛ 締結部の温度上昇によってボルトｌの締結力が増加する
場合には、ボルト１に過剰な張力が発生しないように考
慮し、その破断などを防止する必要がある。本実施例で
は、フランジ部をボルト！で締結したのち転炉Ａが精練
を開始すると、炉内空間Ａ２のガス圧力が上昇して変動
するので、ボルトＩにはフードＢのｆ！、揚力による張
力も作用する。したがって、温度上昇によって初期締結
力が低下せず、しかもボルトｌが安全に使用できる条件
は、 ０　≦ΔＦ　　　　　　　　・・・・■Ｆ０＋ΔＦ　十
Ｆ　Ｉ≦Ａ　ｏ　Ｘσ６　・・・・■の２式を同時に満
たすことである。ここで、Ｆｏ：ボルト＋（１本当たり
）の初期（２０℃における）締結力（張力）（ｋｇ）、 ΔＦ：温度上昇によるボルト１の張力の増加分（ｋｇ）
、すなわち応力・歪みの関係から、ΔＦ＝ＡｏＸＥｏＸ
（Δλ−Δ！２）／１２゜″　　　Ｆに炉ロフランジＡ
１と下部フランジＢ２１との間に作用する外力（ここで
はフードＢの浮揚力。

最大値を適用する）によって生じるボルトｌの張力（ｋ
ｇ）、 σａ：ミニボルト許容応力（ｋｇ／ｍｍ’０ボルト１の
材料がもつ降伏点応力に安全率を見込んだ値）、である
。

式■については、前に述べたΔＱ≦Δλ　と上のΔＦの
式から、明らかに満たされる。

Δλの値は、正確には、ボルトｌのほか被締結物それぞ
れの縦弾性係数および断面積にも関係して決まるが、前
記の上うに、 Δλ　≦ΔＬ＋Δｔ。

であるため、ΔＦの値はどんな場合にも、Ａ　ＯＸ　Ｅ
　Ｑ　Ｘ　（Δｔ＋Δｔ゛−Δｉ２）＃！。

を超えることはない。すなわち、 ΔＦ’　　≦２０００Ｘ２．１Ｘ１０’Ｘ（０，１２１
＋０．３１４９２−０．３８７２）／４００＝　５１２
０　（ｋｇ） の範囲の値である。

本実施例においては、低次″Ａ鋼からなるボルトｌの許
容応力σ。は１．０　（ｋｇ／ｍｎ＋’　）であり、初
期締結力Ｆ。は６０００　（ｋｇ）　、ガス圧力による
フードＢの最大浮揚力によって１本のボルトｌに作用す
る張力Ｆ、は２０００　（ｋｇ）であるため、式■の左
辺Ｆ０＋ΔＦ　十Ｆ　＋は、 ６σ００＋　５１２０＋　２０００＝　１３２１０　（
ｋｇ）を超えることがなく、右辺Ａ。×σ４は、２００
０ｘ　ＩＯ＝　２００００　（ｋｇ）なので、式■が満
たされる。

以上検討したように、本実施例のフランジ締結構造では
、温度上昇によって初期締結力が低下することはなく、
しかもボルトｌが許容応力内で安全に使用できることが
確認される。

転炉Ａが精錬を終了すると、転炉Ａは出鋼のために炉体
を傾動するので、下部フランジＢ２１を炉口フランジ＾
１から分離し、スカートＢ２を上昇させる必要がある。

下部フランジＢ２１と炉口フランジＡｔとの締結を解除
するには、締結装置１０を用いて、締結時とは逆の向き
にナツト２を回してゆるめたのち、ボルトｌをもとの位
置へ引き上げておけばよい。ナツト２がゆるんだ際には
、ボルト１の頭部１ａは止め板＾１１の凸部Ａ１１ａに
当接し、炉口フランジ＾１の矩形穴Ａｌａと合致する向
きになっ゛て回転が止まるので、共回りせず、引き上げ
時にも支障がない。万一、ねじ山が異物を噛み込むなど
により、ナツト２の回転が不能になった場合には、ガス
切断が容易なスリーブ４を焼き切れば、締結を解除する
ことができる。

なお、この発明の高温フランジの締結構造は、以上の実
施例に限るものではなく、たとえばっぎのように実施す
ることもできる。すなわち、イ）実施例に示したスリー
ブ３の材料は１８−８ステンレス鋼でなくとも、締結用
ボルトよりも線膨張係数の大きいものであればよい（線
膨張係数が比較的大きい金属材料としては、ステンレス
鋼のほかに、ニッケル鋼、銅合金、アルミ合金などがあ
る）。口）もちろん、転炉とフードの各フランジを締結
する場合に限らず、容器や管路のフランジ継ぎ手部分、
フランジ軸継手、あるいは構造物の板接合部分などに広
く適用できる（こうした場合には、ガス切断用のスリー
ブ４や締結装置ｌＯは不要なことが多い。また、締結す
べきフランジとスリーブとの間に座金を挟むと、フラン
ジを傷めないので好ましい場合がある）。ハ）扁結後の
温度上昇は、実施例に示した範囲に限らず、スリーブの
材料がらつ降伏点が極端に低下しない温度までの範囲な
ら問題ない。二）フランジ間にガスケットのない締結部
分にも、同様に適用できる。ネ）２個以上のフランジを
締結する場合に限らず、台座上に１個のフランジをボル
トによって締着する場合にも適用できる。

実施例に示した、温度上昇によって初期締結力が低下せ
ず、しかも締結用ボルトが安全に使用できる条件を整理
し、一般のフランジ締結部分にあてはまる条件として表
すと、つぎのようになる。

まず弐〇は、前記のようにΔσ≦ΔλなるΔλが生じれ
ばよいので、 Δｔ＋Δｔ°　≧ΔＣ・・・・■。

に置きかえられる。ΔＦも前記のように、八〇・Ｅｌｌ
（Δｔ＋Δｔ°−Δ１２）／１２゜を超えることはない
ので、式■は Ａ　Ｏ−Ｅ　Ｏ（Δｔ＋Δｔ′−Δ１２）／１２゜≦へ
〇・σｓ　　ｒ；’ｏ　　Ｆｔ・・・・■。

を満たせば十分である。■°、■°を合わせると０　≦
Δｔ＋Δｔ°−ΔＱ ≦　（Ａｌｌ・σ−Ｆ　ｏ　　Ｆ　ｔ）（！ｏ／Ａ　ｏ
Ｅ　。

、“、八〇−Δｔ　≦　Δｔ。

≦　（Ａｌｌ・σ−Ｆ　ｏ−Ｆ　ｔ）１２ｏ／Ａ　ｏＥ
　。

十ΔＱ−Δｔ　　　・・・・■ となるが、この弐〇を、合計ｎ個のフランジ、ガスケッ
トおよび座金などとともに、合計ｎ個のスリーブを挟装
して締結する場合にあてはめると、 ≦　（Ａｌｌ−σ−Ｆｏ　　ＦＩ）（！ｏ／ΔＴ　Ａ　
ｏ　Ｅ　。

となる。つまり、この式■が、フランジやボルトを含む
締結部分が締結後に八Ｔだけ温度上昇する場合に挟装す
べきスリーブの、厚さｔ’＋と線膨張係数α°１の条件
である。

（発明力効果） 以上のように構成した本発明の高温フランジの締結構造
によれば、つぎの効果がもたらされる。すなわち、フラ
ンジやボルトを含む締結部分が締結後に温度上昇する場
合にも、締結力力（低下しないので、容器や管路内の流
体が漏出したり、ボルトが偏荷重を受けて折損したりす
ることがない。しかも、スリーブという簡単な部品を挟
むだけでよく、特別なコストや手間を必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に関する転炉およびフードの縦
断面図、第２図（ａ）は第１図のフランジ締結部分の詳
細図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）の下方平面図である
。 ｌ・・・ボルト、２・・・ナツト、１、４・・・スリー
ブ、１０・・・締結装置、Ａ・・・転炉、Ａ１・・・炉
口フランジ、Ａ４・・・ガスケット、Ｂ・・・フード、
Ｂ２１・・・下部フランジ。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）締結後に温度上昇のあるフランジの締結構造であ
   って、 締結用ボルトの頭部とナットとの間に、締結すべきフラ
   ンジやガスケットとともに、前記ボルトよりも線膨張係
   数が大きい材料からなるスリーブを挟装することを特徴
   とする高温フランジの締結構造。
2. （２）前記温度上昇幅がΔＴにわたり、それぞれ線膨張
   係数α＿１、α＿２、・・・、α＿ｍ、厚さｔ＿１、ｔ
   ＿２、・・・ｔ＿ｍである合計ｍ個の前記フランジやガ
   スケットとともに、それぞれ線膨張係数α′＿１、α′
   ＿２、・・・、α′＿ｎ、厚さｔ′＿１、ｔ′＿２、・
   ・・ｔ′＿ｎである合計ｎ個の前記スリーブを挟装し、
   これらを、縦弾性係数Ｅ＿０、線膨張係数α＿０、有効
   断面積Ａ＿０の前記ボルトを用いて、ボルト頭部とナッ
   トとの面間距離ｌ＿０（＝ｔ＿１＋・・・＋ｔ＿ｍ＋ｔ
   ′＿１＋・・・＋ｔ′＿ｎ）の間に締結する場合、前記
   スリーブの線膨張係数と厚さとを、 ▲数式、化学式、表等があります▼≦▲数式、化学式、
   表等があります▼ ≦（Ａ＿０・σ＿ａ−Ｆ＿０−Ｆ＿１）ｌ＿０／ΔＴＡ
   ＿０Ｅ＿０＋ｌ＿０α＿０−▲数式、化学式、表等があ
   ります▼ （ここで、 σ＿ａ：ボルトの許容引っ張り応力、 Ｆ＿０：ボルト１本当たりの初期締結力、 Ｆ＿１：フランジに作用する外力によって生じるボルト
   １本当たりの張力） の関係式を満たすようにした特許請求の範囲第１項に記
   載の高温フランジの締結構造。