CN101925792A - 管接头和集管箱的焊接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集管箱和管接头的焊接结构，其成功地改善抵抗管接头的蠕变损伤和疲劳损坏的耐久性，而不在集管箱和管接头之间插入不同的材料，即，不要求其它的零件，本发明的焊接结构包括：由铁素体耐热钢制成的集管箱(2)；焊接至集管箱的外表面上的多个管接头(4)，每个管接头都具有弯曲段，其中所述多个管接头(4)由奥氏体不锈钢制成，并通过采用镍基合金作为焊接材料焊接至集管箱(2)。而且，环形槽(10)分别形成在集管箱(2)的外表面上，以围绕集管箱(2)的焊接部；连接部(14)形成在环形槽(10)的内侧；通过以连续的方式连接管接头(4)和连接部(14)的表面并通过采用镍基合金作为焊接材料焊接形成抵接槽，管接头具有基本上与连接部的直径相同的直径。

Description

管接头和集管箱的焊接结构
技术领域
本发明涉及集管箱(tube header)和管接头(tube stubs)的焊接结构，特别地，涉及适合用在安装在热电站中的锅炉的末级过热器和再热器中的焊接结构。
背景技术
近些年来，主要由三种发电方法，即核能、火力和水力。在这些方法中，火力发电一种非常有潜力的用于产生电力的方法，其相对安全，且敏感于负载变化，且被预期在发电技术领域中保有价值。
作为用于在热电站中发电的锅炉的主要零件，具有集管箱，其安装在诸如蒸发器、过热器和再热器之类的多种装置中的每一个中，并分配或收集内部流体。集管箱具有用于安装热交换管和导管的多个安装孔。
图1为示出分别具有弯曲段的管接头和管接头焊接至其上的集管箱的整体结构的示意图。其中的每一个都具有弯曲段的所述多个管接头4焊接至直管类型的集管箱2，以形成集管箱部件。例如，在用于产生电力的锅炉中，具有通过焊接连接安装在一个集管箱2上的多个管接头4。
当在高温下将集管箱2用在锅炉的末级过热器和再热器中时，通常使用铁素体耐热钢，如1Cr钢、2Cr钢、9Cr钢和12Cr钢。铁素体耐热钢(以下称为铁素体钢)具有高温强度、在防止热变形和热应力方面的低热膨胀系数、以及高导热系数。而且，管接头与集管箱一样，通常采用铁素体钢，如1Cr钢、2Cr钢、9Cr钢和12Cr钢，避免产生热应力。在这里，管接头由铁素体钢制成，如日本火力技术标准的JIS STBA28、JIS STBA23、JISSTBA24以及STBA23J1、STBA28、STBA29和SUS410J3TB，集管箱由与上述标准相同的材料制成。也可以使用与上述标准相同的ASME材料。
近些年来，在热电站中，需要频繁启动-停止操作，以与电力需求波动一致。在这种热电站操作条件下，确认存在由由于管接头和熔炉顶板之间的温差产生的热应力或热交换管的自重引起的一些损坏，如集管箱上的焊接部分处的疲劳损坏或蠕变损伤。特别地，对于其最大蒸汽条件改进至约600℃以增加发电效率的USC锅炉(USC：超临界)中的末级过热器和再热器的具有焊接至其上的管接头的集管箱，当具有管接头的集管箱由铁素体钢制成时，与基座材料相比，材料的焊接热影响区具有低的抗蠕变强度，这使得它倾向于产生蠕变损伤。因此，比以前更频繁地要求定期检查或更换管。
图5为管接头4的弯曲段(图1的段B)的侧视图。图6图示了沿图5的A-A、B-B、C-C、D-D和E-E线截取的管接头4的截面图。如图6所示，管接头4的截面形状不均匀，但在弯曲段变平。因此，当内部压力作用在其上时，则会产生弯曲应力。
而且，出现蠕变损伤的另一个因素可能是弯曲段的背侧的抗蠕变强度下降，这种下降是由于与直线段相比，弯曲段的厚度和塑性形变降低造成的。
这已经由蠕变试验验证了，在该蠕变试验中，内压力加载到具有弯曲段且由12Cr钢制成的管类型的测试件上。与直线段和从弯曲段分解的测试件相比，弯曲段有相当大的蠕变损伤，且断定弯曲段处的弯曲应力为蠕变损伤的因数。
出现蠕变损伤的又一个因素是，管接头之间的蒸汽温度是变化的。因此，经受蒸汽温度的管接头的温度变得比设定温度高，因此经历比其它管接头短的蠕变寿命。
为了解决由蠕变损伤引起的问题，可行的是使管接头变薄，但这是不经济的，也不能解决管接头的实际尺寸范围内的问题。因此，难以简单地通过使管接头壁变厚来抑制蠕变损伤的出现。
专利文献1披露了一种焊接铁素体钢管接头和铁素体钢集管的结构，其中奥氏体钢的管插在管接头和集管箱之间，并且该管设置为一定长度，该长度延伸至一个位置，该位置离该管至集管(header)的焊接端的距离为该管外径的1/2或更多。而且，在这种焊接结构中，通过围绕焊接位置进行切割，在焊接位置处，在集管上形成突出部分，同时切割该管的顶端，以形成锥形端，从而形成与集管的突出部分一起形成对接槽。对接槽是焊根，突出部分的该焊根形成为比集管的焊根长。
然而，根据专利文献1，不仅该结构要求更多的零件，将奥氏体钢的管插在集管箱和管接头之间，而且花费两倍多的时间焊接这些部件，因为铁素体钢管接头和奥氏体钢管，以及铁素体钢集管和奥氏体钢管需要分别焊接。因此，当专利文献1中披露的结构应用于用于发电的具有将要焊接至集管的数百个管接头的锅炉时，则花费大量的时间和金钱。
而且，在管接头分别具有弯曲段的情况中，专利文献1中披露的焊接结构几乎不能抑制管接头的弯曲段处的蠕变损伤。
而且，集管的突出部分和该管的切割端连接为形成梯形槽，因此焊接位置附近的结构变得复杂，且影响焊接位置处的可使用性。此外，在管接头的弯曲应力主要作用的焊接端处，可能难以确保管接头和焊接在一起的材料具有足够的直径。
现有技术
专利文献1 JP8-152991A
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目标是提供一种集管箱和管接头的焊接结构，其成功地改善了其抵抗管接头的蠕变损伤和疲劳损坏的耐久性，而不在集管箱和管接头或其它零件之间插入不同的材料。
技术方案
为了实现该目标，本发明提出了一种集管箱和管接头的焊接结构，包括：由铁素体耐热钢制成的集管箱；焊接至集管箱的外表面上的多个管接头，每个管接头都具有弯曲段，其中所述多个管接头由奥氏体不锈钢制成，并通过采用镍基合金作为焊接材料焊接至集管箱。
所述多个管接头由具有出色的抗蠕变强度的奥氏体不锈钢制成，以改善了其抵抗弯曲应力和温度波动的耐久性。而且，奥氏体不锈钢具有出色的耐热性，因此它可以用在处于比常规锅炉的温度高的蒸汽温度条件下的锅炉中。并且简单地将与常规情况具有相同结构的管接头的材料从常规铁素体钢变化为本实施方式的奥氏体不锈钢，蒸汽温度条件可以从600℃提高至630℃。
关于温度从环境温度升高至600℃时的热膨胀系数(1/℃)，为铁素体钢中的一种的9Cr钢的系数约为12.6×10-6，奥氏体钢的系数约为18.4×10-6。而且，通过采用其热膨胀系数为在9Cr钢和奥氏体不锈钢的热膨胀系数之间的16.0×10-6的镍基合金，可以最小化焊接金属和9Cr钢之间以及焊接金属和奥氏体不锈钢之间出现的热应力。作为焊接材料的镍基合金的例子是在JISZ3334 YniCr-3、AWS A5.14ER NiCr-3等中指定的铬镍铁合金型焊接材料。
通过以上方式使用镍基合金作为焊接材料，焊接材料和奥氏体不锈钢的管接头以及焊接材料和铁素体钢的集管箱之间的热应力被抑制，但不能完全消除。
然而，根据我们进行的热应力分析，发现用于管接头的奥氏体不锈钢具有如此之高的抗蠕变强度，使得由热应力引起的蠕变损伤和疲劳损坏太小而不引起任何实际问题。
而且，优选的是，环形槽分别形成在集管箱的外表面上，以围绕集管箱的其上将焊接管接头的焊接部；连接部形成在环形槽的内侧；通过以连续的方式连接管接头的表面和连接部，抵接槽形成在管接头和连接部之间，管接头具有基本上与连接部的直径相同的直径；以及通过采用镍基合金作为焊接材料，形成在管接头和连接部之间的抵接槽被焊接。
连接部形成在集管箱上，使得可以以连续的方式连接具有高热膨胀率的奥氏体不锈钢的管接头和集管箱，管接头和集管箱的连接部对接，使得可以由环形槽降低热应力。
上述结构类似于小直径管的对接焊结构，且小直径管的对接焊结构的耐久性已经被很好地证明了。
而且，环形槽的形状，如其深度可以根据温度或弯曲应力进行设置。然而，集管箱必须具有足以容纳槽深度的厚度。
在这一点上，在焊接材料和奥氏体不锈钢的管接头之间以及在焊接材料和铁素体钢的集管箱之间出现的热应力的绝对数值如此之小，以至于没有任何实际的蠕变损伤问题。
还优选的是，通孔形成在集管箱的外表面上；管接头的末端分别插入通孔中；以及通过采用镍基合金作为焊接材料，管接头的插入通孔中的末端焊接至集管箱的内表面。
在这一点上，管接头的由热应力引起的弯曲应力在管接头和集管箱的外表面处于接触的接触位置处最大。然而，在接触位置处没有任何焊接，因此即使在弯曲应力作用在接触位置处时，由弯曲应力引起的蠕变损伤也非常小。
而且，为了将管接头插入通孔中，管接头需要预先冷却，或者集管箱需要预先加热。
而且，集管箱需要与内部密封焊接，且用在USC锅炉的末级过热器或再热器中的集管箱通常具有300mm的内径。如果难以手工进行焊接，可以使用用于自动焊接的机器人等。
同时，奥氏体不锈钢的管接头承受来自铁素体钢的集管箱的压缩应力。然而，奥氏体不锈钢的管接头的蠕变寿命比由铁素体钢制成的集管箱的蠕变寿命高，因此在接触位置处有足够的抗蠕变强度。
有益效果
根据以上描述的本发明，能够提供一种集管箱和管接头的焊接结构，其成功地改善了其抵抗管接头的蠕变损伤和疲劳损坏的耐久性，而不在集管箱和管接头或其它零件之间插入不同的材料。
附图说明
图1为管接头和具有焊接到其上的管接头的集管箱的整体结构的示意图，每个管接头都具有弯曲段。
图2为与第一优选实施方式相关的具有焊接在其上的管接头的集管箱的截面图。
图3为与第二优选实施方式相关的具有焊接在其上的管接头的集管箱的截面图。
图4为与第三优选实施方式相关的具有焊接在其上的管接头的集管箱的截面图。
图5为图示管接头的弯曲段的侧视图。
图6示出了沿图5的A-A、B-B、C-C、D-D和E-E线截取的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。然而，其意图是，除非特别规定，尺寸、材料、形状、它的相对位置等应当解释为仅是说明性的，且不限制本发明的保护范围。
[第一优选实施方式]
在第一优选实施方式中，集管箱和多个管接头的示例性结构将用于600℃级别的USC锅炉的末级过热器和再热器中，其中每个管接头都具有弯曲段。集管箱和焊接到其上的管接头的整体结构与图1中示出的已知结构相同，因此将不再进一步说明。
图2为与第一优选实施方式相关的具有焊接到其上的管接头的集管箱的截面图，并图示了图1的截面A的放大图。
在图2中，由铁素体钢中的9Cr钢制成的集管箱2具有形成其外表面上的通孔3。在每个通孔附近，通过凿掉集管箱2的通孔的边缘，形成凹入部分7，管接头4的边缘抵靠并连接至凹入部分7，使得具有弯曲段的管接头4内部的通道5面对通孔3。在这里，管接头由奥氏体不锈钢制成，如日本火力技术标准中的JIS SUS304、JIS SUS 321HTB和JIS SUS347HTB以及SUSTP347HTB、SUS321J1HTB、SUS321J4HTB、SUS310J1TB、SUS310J2TB、SUS310J3TB，以及与上述标准相同的与ASME一致的材料。
管接头至集管箱的上述连接通过采用诸如铬镍铁合金之类的镍基合金作为焊接材料的角焊完成，由此形成焊点6。
如上所述，集管箱2和管接头4焊接在一起，当弯曲应力作用在管接头上时，最容易受到蠕变损伤的部分是管接头4的焊接端(图2中的段C)，在焊接端处的焊接形状不连续，且临近焊接热影响区。然而，在该优选实施方式中，由于管接头由具有出色的抗蠕变强度的奥氏体不锈钢制成，明显改善了管接头4抵抗弯曲应力的耐久性，因此将由管接头上的弯曲应力引起的对管接头的焊接端(图2中的段C)的蠕变损伤抑制到实践中不引起任何问题的程度。
当在弯曲段处存在内压力时出现弯曲应力，弯曲段的横截面形状是平坦的，与其材料无关。然而，当管接头由具有比铁素体钢好的抗蠕变强度的奥氏体不锈钢制成时，能够考虑弯曲段处的蠕变耐久性来设置管厚度，以解决该问题。
关于温度从环境温度升高至600℃时的热膨胀系数(1/℃)，形成集管箱2的9Cr钢的系数约为12.6×10-6，形成管接头的奥氏体钢的系数约为18.4×10-6。而且，为镍基合金且在这里用作焊接材料的铬镍铁合金的热膨胀系数为16.0×10-6，在9Cr钢和奥氏体不锈钢的热膨胀系数之间。因此，镍基合金用作焊接材料，以抑制焊接金属和9Cr钢之间以及焊接金属和奥氏体不锈钢之间出现的热应力。
然而，如上所述，在奥氏体不锈钢和9Cr钢之间存在大的热膨胀系数差，因此即使采用镍基合金用作焊接材料，焊接材料和奥氏体不锈钢的管接头以及焊接材料和铁素体钢的集管箱之间的热应力也被抑制，但不能完全消除。
因此，对焊接部处的热应力进行了分析，发现用于管接头的奥氏体不锈钢具有如此之高的抗蠕变强度，使得由热应力引起的蠕变损伤和疲劳损坏太小而不引起任何实际问题。
而且，奥氏体不锈钢具有出色的耐腐蚀性，因此它可以用在处于比常规锅炉的温度高的蒸汽温度条件下的锅炉中。并且简单地将与常规情况具有相同结构的管接头的材料从常规铁素体钢改变至本实施方式的奥氏体不锈钢，可以将蒸汽温度条件从600℃提高至630℃。
如上所述，通过对管接头采用奥氏体不锈钢，可以最小化由横截面形状为平的弯曲段引起的弯曲应力和管接头的焊接部处的损坏，且进一步，明显改善了对温度波动的容差。因此，可以将蠕变损伤抑制到实际上不引起任何问题的程度。
而且，通过对管接头采用奥氏体不锈钢，由热应力引起的蠕变损伤变为最小，它实际上不引起任何问题。
[第二优选实施方式]
在第二优选实施方式中，说明了将用于600℃级别的USC锅炉的末级过热器和再热器中的集管箱和多个管接头的另一种示例性结构。
图3为与第二优选实施方式相关的具有焊接到其上的管接头的集管箱的截面图。
在图3中，由铁素体钢中的9Cr钢制成的集管箱2具有形成在其外表面上的通孔6，管接头设置为使得通孔3面向分别具有弯曲段的管接头4的通道5。在集管箱2的外表面上，分别形成环形槽10，以围绕集管箱的连接部14。而且，通过以连续的方式连接管接头的表面和连接部，抵接槽形成在管接头4和连接部14之间，管接头4具有基本上与连接部14的直径相同的直径。
为了焊接具有上述结构的集管箱2和管接头，通过采用镍基合金作为焊接材料，焊接形成在管接头和连接部14之间的抵接槽，且焊接部8形成在那里。
根据第二优选实施方式，通过形成环形槽10，除了与第一优选实施方式中获得效果类似的效果，还可以降低由于集管箱2和管接头4的材料差异引起的热应力。
根据热应力分析，在具有上述结构的情况下，在焊接材料和奥氏体不锈钢的管接头之间以及在焊接材料和铁素体钢的集管箱之间出现的热应力的绝对数值如此之小，以至于没有任何实际的蠕变损伤问题。
如上所述，通过使用奥氏体不锈钢作为管接头，可以最小化由横截面形状为平的弯曲段引起的弯曲应力和管接头的焊接部处的损坏，且进一步，明显改善了对温度波动的容差。因此，可以将蠕变损伤抑制到实际上不引起任何问题的程度。
而且，通过对管接头采用奥氏体不锈钢，由热应力引起的蠕变损伤变为最小，它实际上不引起任何问题。
[第三优选实施方式]
在第三优选实施方式中，与第一和第二实施方式不同，说明了用在600℃级别的USC锅炉的末级过热器和再热器中的集管箱和多个管接头的另一种示例性结构。
图4为与第三优选实施方式相关的具有焊接到其上的管接头的集管箱的截面图。
在图4中，由铁素体钢中的9Cr钢制成的集管箱2具有形成在其外表面上的通孔3，通孔3具有与管接头4的外径近似相同的直径，每个管接头4都具有弯曲段。管接头4的末端分别插入通孔3，接近管接头4的末端达到集管箱2内表面的位置。而且，为了便于将管接头插入集管箱中，有效的是预先冷却管接头4或加热集管箱2。例如，当仅有少量管接头4需要插入，用于维修时，预先冷却管接头4，且相反，当有时(如安装新设备)大量管接头4需要插入集管箱中时，预先加热集管箱。
随后，通过采用镍基合金作为焊接材料，将插入的管接头4的末端焊接至集管箱2的内表面，因此形成焊接部12。这要求与集管箱2内部密封的焊接。用在USC锅炉的末级过热器或再热器中的集管箱通常具有300mm的内径，因此，如果难以手工进行焊接，可以使用用于自动焊接的机器人等。
根据第三优选实施方式，管接头的由热应力引起的弯曲应力在管接头和集管箱的外表面处于接触的接触位置(图4的段D)处最大。然而，在接触位置处没有任何焊接，因此即使在弯曲应力作用在接触位置处时，由弯曲应力引起的蠕变损伤也非常小。
同时，奥氏体不锈钢的管接头承受来自铁素体钢的集管箱的压缩应力。然而，根据我们进行的应力分析，发现奥氏体不锈钢的管接头的蠕变寿命比铁素体钢的集管箱的蠕变寿命高，因此在接触位置处有足够的抗蠕变强度。
如上所述，通过对管接头采用奥氏体不锈钢，明显改善了管接头抵抗由弯曲段或温度波动引起的弯曲应力的耐久性，并且将蠕变损伤抑制到实际上不引起任何问题的程度。
而且，通过对管接头采用奥氏体不锈钢，由热应力引起的蠕变损伤变为最小，它实际上不引起任何问题。
工业应用性
本发明适用于集管箱和管接头的焊接结构，其成功地改善了抵抗管接头的蠕变损伤和疲劳损坏的耐久性，而不在集管箱和管接头或其它零件之间插入不同的材料。

Claims (3)

1.一种集管箱和管接头的焊接结构，包括：
由铁素体耐热钢制成的集管箱；和
焊接至集管箱的外表面上的多个管接头，每个管接头都具有弯曲段，
其中，所述多个管接头由奥氏体不锈钢制成，并通过采用镍基合金作为焊接材料焊接至集管箱。
2.根据权利要求1所述的集管箱和管接头的焊接结构，其中：
环形槽分别形成在集管箱的外表面上，以围绕集管箱的其上将焊接管接头的焊接部；
连接部形成在环形槽的内侧；
通过以连续的方式连接管接头的表面和连接部，抵接槽形成在管接头和连接部之间，管接头具有基本上与连接部的直径相同的直径；以及
通过采用镍基合金作为焊接材料，形成在管接头和连接部之间的抵接槽被焊接。
3.根据权利要求1所述的集管箱和管接头的焊接结构，其中：
通孔形成在集管箱的外表面上；
管接头的末端分别插入通孔中；以及
通过采用镍基合金作为焊接材料，管接头的插入通孔中的末端焊接至集管箱的内表面。
CN2009801031413A 2008-10-07 2009-09-30 管接头和集管箱的焊接结构 Pending CN101925792A (zh)

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