CN103423445A - 用于压力容器的径向喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在压力容器中使用的径向喷嘴组件，其使流体能够流动穿过容器壁。径向喷嘴组件具有喷嘴和从喷嘴的一个端部延伸的杯状凸缘。喷嘴具有孔，该孔沿着它的长度配置穿过其，以容许流体流动穿过压力容器的壁。凸缘由具有开放端部的大体杯状或穹顶状的壁限定。喷嘴组件固定于容器的壁，使得喷嘴沿径向方位和可能地沿水平方位配置于凸缘。

Description

用于压力容器的径向喷嘴组件
技术领域
本发明大体涉及用于在压力容器中使用的喷嘴，并且更特别地，涉及具有喷嘴的径向喷嘴组件，该喷嘴从配置在喷嘴的一个端部处的杯状凸缘径向且水平地延伸。
背景技术
压力容器典型地由于内部流体压力和温度的变化而经受循环热和机械应力。这些循环应力可限制压力容器可耐受的压力和/或温度循环的次数和/或大小。在历史上，压力容器具有延伸穿过压力容器的壳体的孔或穿透部。诸如管道的导管附接于压力容器，使得穿透部和管道彼此流体连通，以允许流体进入压力容器或从其出去。应力集中存在于(多个)管道和压力容器的壳体的交叉部处。这些应力集中导致更高的应力，并且对于诸如可形成在金属表面上的磁铁矿层的疲劳和/或开裂的现象而言，通常变成压力容器的设计中的限制因素，并且这可限制使用寿命。
这种压力容器可为锅炉或蒸发器系统的汽包，如图1所示。参考图1，描绘热回收蒸汽发生器的示例性现有技术蒸发器系统100，其包括蒸发器102和汽包104。汽包104与蒸发器102流体连通。在自然循环热回收蒸汽发生器中，没有流或建立最小流直到沸腾在蒸发器102中开始。这通常导致汽包104的温度的非常快速上升。
例如，对于冷启动而言，汽包104内的水温可在小于10分钟内从15℃上升到100℃。这产生汽包104壁中的大热梯度和因此压缩应力。当汽包104中的压力增大时，穿过包壁的温度梯度减小，并且因此由压力引起的应力变成包中的主要应力。由压力(关于汽包104中的增大的压力)引起的应力为拉伸应力。包的应力范围由在全部负载(压力)下的最终拉伸应力与最初压缩热应力之间的差确定。锅炉设计规范(诸如ASME和EN)对设计压力下的应力强加限制。一些规范(诸如例如EN12952-3)还包括对起动-关闭循环能够容许的应力范围的限制。这些限制意图保护以免受疲劳损坏和诸如在操作温度下形成在钢的表面上的磁铁矿层的开裂的现象。
此外，蒸汽锅炉设置有确定汽包中的水位的器件，如图2所示。水位典型地借助于观察玻璃和/或通过上和下连接管(喷嘴)108连接于包104的压力传感器106测量。锅炉设计规范EN12952-7：2002(E)章节5.4.2规定“蒸汽锅炉与局部水位指示器之间的连接管应当具有至少20mm的内径。如果水位指示器借助于普通连接管线连接，或者如果水侧连接管比750mm长，则后者应当具有至少40mm的内径。蒸汽侧的连接管应当设计成使得冷凝物不积聚。水侧连接管应当总是相对于水位指示器水平地布置。”该要求意味着连接管108将典型地非径向地穿透锅炉包，如图2所示。非径向布置导致高应力集中，如图3所示。
参考图3，示出呈喷嘴组件109的部分的剖面图的应力等高线图的形式的有限元分析的结果。应力等高线图描述了变化应力的区域，应力等高线在已知现有技术喷嘴组件的区段上面重叠。喷嘴组件109包括延伸穿过孔口至由压力容器壁104限定的内区域的喷嘴。在示出的实施例中，最大局部应力的区域位于限定在喷嘴109与压力容器壁的内表面之间的交叉部110处。一般而言，喷嘴109经由焊接附接于压力容器104。该应力集中可导致例如在热回收蒸汽发生器(HRSG)的冷起动期间的、高压力包110中的大于600兆帕(MPa)的应力范围，该热回收蒸汽发生器在150bar或更高的范围内操作。EN12952-3章节13.4.3要求应力范围小于600MPa以避免磁铁矿开裂。这些要求的组合使具有标准连接管布置的HRSG高压力包难以满足EN锅炉设计规范的要求。
本发明建议新方法，其中，使用径向喷嘴组件代替水平连接喷嘴，径向喷嘴组件为足够大的，以使维持从包的内部到感测线的连续水平路径242，如图5所示。该构造导致减少的应力集中，并且使应力范围降低至600MPa以下，如图7所示。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种用在压力容器中使用的喷嘴组件。压力容器由具有限定内区域的内表面的壁限定。孔口延伸穿过压力容器的壁。喷嘴组件包括具有内端部和外端部的喷嘴，其中，孔沿着它的长度配置在其中，以提供穿过其的流体流。喷嘴组件包括从喷嘴的内端部延伸的凸缘。凸缘由限定内区域的、带有开放端部的具有杯形状的壁限定。凸缘的开放端部能够附接于压力容器，与压力容器的壁的孔口流体连通。
附图说明
图1为根据现有技术的蒸发器系统的示意图。
图2为压力容器的部分的截面图，其示出根据现有技术的从该部分延伸的多个非径向水平喷嘴。
图3为有限元分析应力等高线图，其示出安装在压力容器中的现有技术喷嘴，该压力容器经受循环温度和压力的负载，其典型地在热回收蒸汽发生器中使用的锅炉包中被发现。
图4为压力容器的部分的截面图，其示出根据本发明的从压力容器的壁径向地延伸的水平喷嘴。
图5为压力容器的部分的放大图、截面图，其示出从压力容器的壁径向地延伸的图4的非径向水平喷嘴。
图6为压力容器的部分的另一个实施例的放大图、截面图，其示出从压力容器的壁径向地延伸的图4的非径向水平喷嘴。
图7为有限元分析应力等高线图，其示出根据本发明的安装在压力容器中的如本文中描述的喷嘴的实施例，该压力容器经受循环温度和压力的负载，其典型地在热回收蒸汽发生器中使用的锅炉包中被发现。
具体实施方式
图4和图5示出了根据本发明的压力容器200的上部，其具有配置在其中的径向喷嘴组件202。压力容器200包括壁204，其具有限定内区域208的内表面206。压力容器200的壁204具有穿过其以容许流体在内区域206与压力容器200的外部之间经过的孔或孔口210。喷嘴组件202固定于压力容器200的壁204，以向流体地转移的流体提供从容器的内区域208穿过喷嘴组件并至管道、管或附接于喷嘴组件的其它装置106(如图2所示)的连接。
径向喷嘴组件202包括喷嘴220和杯状凸缘222，杯状凸缘222用于将喷嘴组件固定于压力容器200的壁204，使得喷嘴沿径向方位和水平方位两者配置于凸缘。喷嘴具有分别带有孔228的内端部224和外端部226，孔228沿着它的长度配置穿过其以容许流体流动穿过压力容器200的壁204。优选地，孔沿着它的长度轴向地配置。喷嘴220的外端部226具有周向地倒角的表面230，以减小容纳管道、导管或装置106(如图2所示)的外部尺寸，该管道、导管或装置106可附接或另外固定于喷嘴的外端部。凸缘222从喷嘴220的内端部224延伸。
凸缘222由具有开放端部234的大体杯状或穹顶状的壁232限定。凸缘壁232具有限定内区域238的内凹入表面236。在一个实施例中，喷嘴220的内端部224可以以预定位置和角度集成地形成在凸缘222中，这将在下文中更详细地描述。可选地，喷嘴220可为固定于凸缘222的单独件。在这种实施例中，凸缘壁232具有预定位置和角度处的通孔或孔口240。孔240的该位置和角度可取决于凸缘222和容器200的尺寸以及喷嘴组件202在容器上的位置，这将在下文中更详细地描述。喷嘴230的内端部224诸如通过焊接固定在凸缘壁232的孔240内或周围，以提供从喷嘴的外端部226到凸缘222的内区域238的流体连通。在一个实施例中，喷嘴220固定于凸缘222，使得当附接于压力容器200时，喷嘴相对于凸缘的曲率径向且水平地配置。凸缘222可在形状上为球形或半球形的，具有预定半径。
凸缘222的开放端部234诸如通过焊接附接在压力容器200的壁204的弧形部分中的孔210中或周围，如在图5和图6中最佳地示出的。如先前建议的，喷嘴组件202对于蒸发器系统的汽包而言为特别有用的，其中，汽包200包括许多水平喷嘴，其用于使流体从汽包内部经过至流体水平指示器或传感器。如锅炉规范要求的，水侧连接管(喷嘴)220相对于水位指示器水平地布置。对于特定应用(诸如流体水平指示器)而言，容器200的壁和径向喷嘴组件202的凸缘222不应当干扰或影响穿过喷嘴220的流体流，以确定压力容器或汽包200内的水位。因此，喷嘴220的孔228应当具有进入压力容器200的内区域208的直接的无阻碍的视线，如在图5和图6中以虚线242示出的。凸缘222的特征(例如，半径)、容器壁204的曲率以及容器壁的厚度布置成提供容器200的内区域208与喷嘴220的孔228之间的该无阻碍流体连通。此外，喷嘴组件202的凸缘222的开放端部234的孔口和凸缘壁232的孔240的直径或尺寸为足够大的，以提供从容器200的内区域208穿过凸缘并穿过喷嘴220的孔238的连续水平路径242。当喷嘴组件202用于并流体地连接流体水平指示器或传感器106(见图2)时，该特征为重要的，其中，容器200内的流体穿过喷嘴组件202至流体水平指示器106。
参考图6，根据本发明的径向喷嘴组件302示出为附接于压力容器200。径向喷嘴组件302与图5的径向喷嘴组件相似。因此，同样的元件将被指定同一同样附图标记。径向喷嘴组件还包括从凸缘222的开放端部234的外边缘向外延伸的外凸缘304。外凸缘的曲率成形为与容器壁204的孔210周围的容器200的壁204的形状匹配。喷嘴组件302与容器壁204的孔210配置在一起，并且诸如通过焊接附接于外凸缘304的外边缘周围的容器壁204，以减小焊接或附接的点处的应力。
参考图7，有限元或其它应力分析示出了在径向喷嘴组件202与压力容器壁204的内表面的交叉部处由于温度和压力而引起的应力。在示出的实施例中，交叉部306处的局部应力范围提供比图3中示出的现有技术小的峰值应力范围，其中，对于冷启动而言，减小的应力范围充分低于600MPa。
本发明提供了用于热回收蒸汽发生器的自然循环而不是用于高压应用的单程应用的任选方案。
虽然已参考各种示例性实施例描述本发明，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可作出各种变化，并且等同物可代替其元件。另外，可作出许多修改以使具体情形或材料适合于本发明的教导而不背离本发明的实质范围。因此，意图是，本发明不受限于公开为设想用于执行本发明的最佳模式的具体实施例，而是本发明将包括落入在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (14)

1.一种用于在压力容器中使用的喷嘴组件，所述压力容器由壁限定，所述壁具有限定内区域的内表面和延伸穿过所述压力容器的壁的孔口；所述喷嘴组件包括：
喷嘴，其具有内端部和外端部，其中，孔沿着它的长度配置在其中，以提供穿过其的流体流；以及
凸缘，其从所述喷嘴的内端部延伸，所述凸缘由限定内区域的、带有开放端部的具有杯形状的壁限定，其中，所述凸缘的开放端部能够附接于所述压力容器，与所述压力容器的壁的孔口流体连通；并且
其中，所述喷嘴从所述凸缘的壁径向地延伸。
2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴水平地延伸。
3.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴从所述压力容器的弧形部分水平地延伸。
4.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述凸缘在形状上为球形的。
5.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述凸缘在形状上为半球形的。
6.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述压力容器的壁和所述凸缘提供从所述压力容器的内区域到所述喷嘴的孔的无障碍路径。
7.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，对于冷启动而言，所述容器的壁与所述喷嘴的凸缘的交叉部处的应力范围小于600MPa。
8.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，水平指示器与所述喷嘴流体连通。
9.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述凸缘包括第二凸缘，其配置在所述凸缘的开放端部的外边缘周围，用于将所述喷嘴组件固定于所述压力容器的壁。
10.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴的外端部具有容纳管或装置附接于其的倒角的表面。
11.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述凸缘经由至少一次焊接附接于所述压力容器的壁。
12.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述凸缘与所述压力容器的壁集成。
13.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴经由至少一次焊接附接于所述凸缘。
14.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴与所述凸缘的壁集成。
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