CN101598329A - 成形、插入和永久结合锅炉管子中的肋的方法 - Google Patents

成形、插入和永久结合锅炉管子中的肋的方法 Download PDF

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Abstract

一种提供带有可变加肋内表面的锅炉管子的方法。合适尺寸的心轴在其外表面上具有所要求图形的沟槽，线状构件在沟槽中裹绕该心轴，以便在其上形成所要求图形的管子肋状结构的相反图案。将钎焊金属膏涂敷到线状构件的外表面上，并将心轴插入到待要加肋的管子内。从心轴中释放出线状构件以使线状构件贴合管子的内表面，并将管子加热到钎焊金属膏的熔点，以使线状构件结合到管子的内表面，然后冷却该金属管。

Description

成形、插入和永久结合锅炉管子中的肋的方法
技术领域
本发明总的涉及用于蒸汽发生设备中的管道，具体来说，涉及形成内部加肋的锅炉管子的方法。加肋可在管子内提供有控制的内部流动的干扰，以防止泡核沸腾过程中形成的蒸汽气泡的停滞，即，这样一种工作情况，其中，停滞的蒸汽气泡形成绝热层，该绝热层阻碍热量通过管壁传递到在其中流动的水。
背景技术
任何传统的蒸汽发生系统的主要工作部件是锅炉。通常蒸汽的发生是通过让水通过多个管子来实现的，在此通过的过程中水被充分加热以使其改变状态，即，从液体变化到蒸气。
当水流过管子时，最靠近管子内壁的水被通过管壁传递的热量加热。水的该外层变成蒸汽。在此变成蒸汽的过程中，水外层所经受的第一种变化是在其中形成蒸汽气泡。该蒸汽气泡成为绝热层。除非使蒸汽气泡与管内水混合，否则，气泡将保持在管壁附近，并呈现绝热层或绝热膜的属性，由此，造成沿管壁形成局部的热点。这些热点又会致使管子过热，最终导致管子损坏。此外，如果不使气泡与水混合，那么蒸汽气泡借助于其绝热能力还将起作用而阻止快速通过管子中心的内芯水的加热。
因此，为了实现快速和有效地通过管壁将热量传递给管中流过的水，需要提供某种形式的装置来打破流过管子的水的层流，实现外层水以及由此其中夹带的蒸汽气泡与流过管子中心区域的内芯水的混合。一个已经在现有技术中使用的如此的装置涉及到在锅炉管子内表面上使用肋状结构(纹路或槽)的应用。
就现有技术有关制作带有加肋内壁表面的锅炉管子的方法的性质而言，可参照美国专利No.3,088,494、3,213,525、3,272,961、3,289,451和3,292,408。授予P.H.Koch等人的美国专利No.3,088,494涉及提供一种蒸气产生管，该管子的内壁形成有螺旋的纹路和槽，它们以预定的特殊方式分摊和排列。授予W.M.Creighton等人的美国专利No.3,213,525涉及一种在管子孔内形成内部肋的方法，其中，借助于切削操作从管子内壁除去材料而形成最终的肋状结构。这些现有技术的还有一个实例可见授予L.A.Maier等人的美国专利No.3,272,961，其中，介绍了一种制作加肋的蒸气产生管的方法和装置，根据该方法和装置，借助于焊接工艺在管子内侧表面上沉积肋。授予P.H.Koch等人的美国专利No.3,289,451涉及一种在管内形成内部螺旋形肋状结构的方法和装置，其中，借助于冷拔加工来形成内部的肋状结构。最后，授予J.R.Hill等人的美国专利No.3,292,408涉及一种形成内部加肋管的方法，其中，管子设置有非对称的螺旋形槽，以便于成形工具从管子内取出。
尽管存在着这些现有技术，但还需要有新的和改进的方法来提供带有加肋内表面的锅炉管子。为此目的已采用的现有技术的方法具有显著的缺点，且使用起来相对昂贵。
使用这些现有技术的方法和装置的缺点之一是，在金属变形加工过程完成之后，要从管子内成功地取出成形工具很困难。一般地说，具有预定外部构造(诸如螺旋形图形)的构件插入到管子内，此后，减小管子直径，使构件上的螺旋形图形可形成在管子内壁上。为了从管内取出该构件，因为管子的内表面已经变形而变成基本上与构件外表面完全互补的形状，所以，必需实质地从管子内旋出该构件以实现从管内取出成形工具的目的。实现从管内取出构件的难度取决于已经插入到管子内的构件长度，以及内管壁上形成的图形与前述构件外表面上形成图形真正互补的相对程度。
目前制造单螺距肋(SLR)锅炉管子和多螺距肋(MLR)锅炉管子的方法通常需要机械的或冶金的变形加工过程，其中，将光滑的管子在带槽的转动心棒上拉拔。在该过程中，管子的光滑内表面发生塑性变形，并被强制逐渐地顺从带槽心棒的形状，由此，沿着管长形成螺旋形螺距的肋。该变形过程不仅困难和费钱，而且其精确地产生符合理想几何细节和要求尺寸精度的肋横截面形状的能力固有地受到限制。传统的冶金工艺过程在其生产40°或40°以上优化的肋螺纹升角的能力方面受到限制。
此外，使用传统的变形加工工艺方法，很难从高温、高强度和耐变形的材料(诸如合金800H)中生产出SLR和MLR管子。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种制造锅炉管子的新的和改进的方法，其中，管子设置有可工作以使其中可实现受控的内部流动干扰的装置。
本发明的另一个方面是提供一种制造加肋锅炉管子的方法，其中，管子设置有加肋的管子内表面。
本发明的另一个方面是提供一种制造加肋锅炉管子的方法，其中，围绕心轴圆周可拆卸地裹绕线状构件，由此在管子内表面上形成肋状结构的图形。
本发明的还有另一个方面是提供一种制造加肋锅炉管子的方法，其中，心轴可从锅炉管子中取出，留下附连在管子内壁上的线状构件。
本发明的还有另一个方面是提供一种制造加肋锅炉管子的方法，其有利的特点在于，采用该方法较为廉价，使用起来相当简单，且对于制造可形成在锅炉管子内的各种不同的肋状结构图形来说，即，螺旋形、圆形等，该方法极其灵活。
因此，本发明的方法包括制造具有光滑内表面的管子以及单独制造线状肋构件，该构件通常由平的、非圆的金属线材形成。该线状肋构件截面通常呈梯形，但也可以是矩形、正方形或包括圆形在内的某些其它理想的几何形。其后将肋插入和定位在光滑管子内，并用耐腐蚀的镍基填料金属钎焊结合到管子的内表面，从而永久地固定肋的位置和定向。
SLR和MLR管子和线状肋构件可用各种不同金属材料制成，包括碳素钢、不锈钢和镍基合金。
附后的形成本公开文本一部分的权利要求书详细地指出了表征本发明的新颖性的各种特征。为了更好地理解本发明、其在使用中得到的工作上的优点和特殊的益处，可参照示出本发明较佳实施例的附图和描述。
附图说明
附图中：
图1是装备有可选的螺旋形沟槽的心轴实施例的侧视图；
图2是将线状构件裹绕到心轴螺旋形沟槽内的步骤的侧视图；
图3是将填料金属材料施加到线状构件外表面并将心轴插入到锅炉管子内的侧视图；
图4是锅炉管子一部分的光滑内表面的侧视图；以及
图5是根据本发明方法提供的锅炉管子一部分的螺旋形肋状结构的侧视图。
具体实施方式
总的参照附图，其中，在全部附图中相同的附图标记表示相同的或功能上类似的元件，具体地参照图5，图中示出锅炉管子，其总体由附图标记20来标示，通过实践本发明的方法，该管子已设有可工作以使流过锅炉管子20的流体实现受控的内部流动干扰的装置。具体来说，锅炉管子20设置有成螺旋形的肋状结构26，肋状结构的功能是在管子20内产生湍流，这又可工作而打破流过管子20的水或蒸汽的层流。这在蒸汽发生过程中促进更有效的传热，以防止管子20过热，特别是泡核沸腾过程中由所产生的蒸汽气泡停滞而引起的管子过热。
根据本发明，提供一种方法，其中，心轴100的一部分已经显示在附图的图1中，利用该心轴100来制造螺旋形加肋的锅炉管子20。心轴100较佳的是设置有形成在心轴100外表面上的螺旋形沟槽2，该螺旋形沟槽具有足以容纳线状肋材料(未示出)的宽度和深度，该线状肋材料将用来在管子内表面上形成多个肋。槽2呈螺旋形定向，使其螺旋角和构造对应于要求的SLR或MLR肋螺旋角。
心轴100要合适地定尺寸，以便能被接纳在锅炉管子20内。具体来说，心轴100可呈任何合适的传统类型的金属、陶瓷、天然或聚合物构件的形式，该构件基本上呈圆柱形结构，并能以心轴的方式使用。或者，也可使用没有沟槽2的心轴。
如图2所示，可弹性回弹的、线状构件6卷绕在心轴100的沟槽2内。线状构件6可呈如图2所示的螺旋形线材或螺旋状平带的形式，或可以是功能上等价于螺旋形线材或螺旋状平带的任何其它类型的线状构件。线状构件可具有正方形、矩形、梯形或其它要求的横截面，并可用金属来形成，包括有但不局限于碳素钢、低合金钢、不锈钢和镍基合金。
然后，线状构件6的端部8暂时地附连到心轴100的端部4，以便将卷绕的弹性压缩的构件6固定在心轴100的螺旋形沟槽2内，或不采用沟槽的光滑表面上。
采用已经卷绕到心轴100的沟槽2内的线状构件6，如图3所示，根据本发明方法的下一步骤是将钎焊填料金属膏16涂敷到线状构件6的外表面上。该钎焊填料金属膏16较佳的是BNi-2的镍基钎焊填料金属膏；然而，也可使用任何钎焊填料金属膏或箔。钎焊填料金属膏16一般地用刷子涂敷到线状构件6上，或采用某些其它已知方法将如此材料涂敷到表面上。或者，钎焊填料金属膏或箔可施加到锅炉管子20的内直径22上，或同时施加到线状构件6和锅炉管子20的内直径22上。
参照图3，本发明方法的下一步骤是将带有其上裹绕有线状构件6的心轴100插入到锅炉管子20(如图4所示)内。释放线状构件6的端部8，使弹性回弹的螺旋形绕组膨胀，贴合并接触锅炉管子20的光滑内表面22，由此定位好螺旋形的肋以准备进行连结。钎焊填料金属膏16用作为一种润滑剂，便于展开线状构件6，并使线状构件6正投影地安装在管子内表面22上。
线状构件6一旦贴合管子内壁22，根据本发明要执行的下一步骤是从锅炉管子20内部取出心轴100。
取出心轴100之后，对线状构件6进行钎焊，在管子20内永久性地固定其位置和定向。将线状构件6钎焊到管子20内表面22上，这可通过在各种炉子内将管子20加热到钎焊填料金属16的熔化温度来进行，前述炉子为燃气或电气的连续网带传输器炉子、燃气或电气的滚子炉床传输器炉子、燃气或电气箱炉子、感应加热、或将热量施加到组件上的任何其它装置。
好几种钎焊填料金属可供使用，它们可用来将线状构件连结到管子内表面。然而，应该认识到，钎焊填料金属BNi-2(其中，Ni＝82.6％，Cr＝7％，Fe＝3％，Si＝4.5％，B＝2.9％)中不同的合金元素一起会将合金熔点压低到1830°F(其中，可作比较，纯镍在2551°F熔化)。如果在该填料金属的钎焊温度下的时间延长到约1小时，则大部分硼将扩散到钎焊接头外面，进入到管子和线状肋的基材金属内。这将导致Ni-Cr-Si-Fe的一体的完成的钎焊接头具有高强度、提高的耐腐蚀性，并由于硼的扩散而有比原来的钎焊填料金属高的熔点(通常约为2300°F)。因此，BNi-2特别适合于将线状肋结合到要在较高温度下操作的管子内表面上。
管子20冷却之后，根据本发明方法提供在管子内壁22上形成有螺旋形加肋图形的锅炉管子20。可参照附图中的图5，该图示出实施螺旋形加肋图形26的如此的锅炉管子20。应该指出的是，本发明的方法不局限于螺旋形的加肋图形，而是可在锅炉管子的内表面上形成不同的加肋图形。
使用上述新方法制作SLR和MLR锅炉管子的成本与使用金属变形加工技术制作传统SLR和MLR锅炉管子的成本相比，具有很大的竞争力。使用该加工方法在SLR和MLR设计中提供较大的灵活性，因为诸如肋横截面形状和肋螺纹升角等的参数不受通过金属变形加工来生产一体肋中存在的局限性的限制。该较大的灵活性使为SLR和MLR锅炉管子能进行独特的设计，例如，现有技术的变形装置来无法实现复杂横截面，这在生产成本降低的情况下提高了性能。还有，使用传统变形加工方法很难从耐高温、高强度、抗变形的材料(诸如合金800H)中生产出SLR和MLR锅炉管子。
尽管已经详细地显示和描述了本发明的特殊实施例，但应该理解到，本发明还可以其它方式实施而不脱离本发明的原理。

Claims (15)

1.一种在管形构件内壁上形成肋状结构的方法，包括如下步骤：
提供直径比所述管形构件内直径小的心轴；
螺旋形地沿着所述心轴的长度压缩地裹绕线状构件；
将金属钎焊材料施加到所述线状构件的外表面上；
将其上裹绕有所述线状构件的所述心轴插入到所述管形构件的内部；
释放作用在所述压缩裹绕的线状构件上的压缩；
从所述管形构件中抽出所述心轴，由此在所述管形构件中留下所述线状构件，以使所述线状构件保持在所述管形构件内；以及
加热所述管形构件，由此，熔化所述金属材料而将所述线状构件结合到所述管形构件的内表面上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述心轴包括螺旋形沟槽。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属材料是BNi-2镍基钎焊填料膏。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：暂时地将所述线状构件的一端附连到所述心轴，以防止所述线状构件的所述端变得从所述心轴移位。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线状构件具有圆形横截面。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线状构件具有矩形横截面。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线状构件具有梯形横截面。
8.在管形构件内壁上形成螺旋形肋状结构的方法，包括如下步骤：
提供直径比所述管形构件内直径小的心轴，所述心轴具有沿所述心轴长度延伸的螺旋形沟槽；
将线状构件裹绕在所述心轴的螺旋形沟槽内；
暂时地将所述线状构件的一端附连到所述心轴，以防止所述线状构件的所述端变得从所述心轴移位；
将BNi-2镍基钎焊填料膏涂敷到所述线状构件的外表面上；
将其上裹绕有所述线状构件的所述心轴插入到所述管形构件的内部；
释放作用在所述压缩裹绕的线状构件上的压缩；
从所述管形构件中抽出所述心轴，由此在所述管形构件中留下所述线状构件，以使所述线状构件膨胀而与所述管形构件的内表面相一致；以及
在至少为BNi-2镍基钎焊填料熔点的温度下加热所述管形构件，由此，熔化所述BNi-2镍基钎焊填料而将所述线状构件结合到所述管形构件的内表面上。
9.一种在管形构件内壁上形成肋状结构的方法，其包括如下步骤：
提供直径比所述管形构件内直径小的心轴；
螺旋形地沿着所述心轴的长度压缩地裹绕线状构件；
将金属钎焊材料施加到所述管形构件的内表面上；
将其上裹绕有所述线状构件的所述心轴插入到所述管形构件的内部；
释放作用在所述压缩裹绕的线状构件上的压缩；
从所述管形构件中抽出所述心轴，由此在所述管形构件中留下所述线状构件，以使所述线状构件保持在所述管形构件内；以及
加热所述管形构件，由此，熔化所述金属材料而将所述线状构件结合到所述管形构件的内表面上。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述心轴包括螺旋形沟槽。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述金属材料是BNi-2镍基钎焊填料膏。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：暂时地将所述线状构件的一端附连到所述心轴，以防止所述线状构件的所述端变得从所述心轴移位。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线状构件具有圆形横截面。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线状构件具有矩形横截面。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线状构件具有梯形横截面。
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