CN104024731A - 形状优化集管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种形状优化集管(200)，其包括可操作以用于收集流体的外壳(202)；其中外壳的内径和/或壁厚随外壳(202)中的压力变化和/或流体流速变化而变化；和管(204)；其中，管(204)与外壳(202)连通且可操作以将流体传递到外壳(202)中。本文公开了一种方法，包括将管固定地附接于外壳；其中，外壳可操作以用于收集流体；其中，外壳的内径和/或壁厚随外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；并且其中，管与外壳连通且可操作以将流体传递到外壳中。

Description

形状优化集管及其制造方法
技术领域
本公开涉及形状优化集管及其制造方法。
背景技术
工厂(诸如化工厂和发电设备)通常使用集管来收集流体(例如蒸汽和/或其它蒸气)。这些集管和相关联的分送硬件总是拥有具有一致壁厚的圆形截面几何形状。选择这些几何性质是因为它们可容易地由可得到的管制造，或通过滚轧和缝焊板或通过离心铸造来制成。易制性规定了集管几何形状以及壁厚。
图1绘出了目前市售的集管100(本文中也称为“比较集管”)的前视图和侧视图。如可从图1看到的那样，集管100包括具有一致的圆形截面内径“d”和一致的壁厚“t”的外壳102，其与沿其长度进入集管的管104阵列连通。外壳102可操作以收集经由管104阵列排放到外壳中的流体。
外壳102包括第一端部106和与第一端部106相对的第二端部108。第一端部106相对于外侧密封，而第二端部108与出口端口(未示出)连通，该出口端口允许收集在集管100中的流体抽出至外界。
在图1所示的描述中，到集管100中的蒸汽压力和/或流体流速在最接近第一端部106的管104阵列中最低，而它在最接近相对端部的管104阵列中最高。外壳102的内径“d”通过考虑外壳102内的压降来确定。执行此来确保管104阵列控制系统中的阻力。外壳102的直径d也以一种方式计算，以便限制集管自身中的摩擦损失。该内径d然后限定用于装配外壳102的管的开孔。由于整个内径基于进入外壳102的流体的累积流动，故除出口平面处外，图1所示的集管设计比所需要的大，且因此使用比有效设计所需要的更大量的材料。这增加了材料成本，且导致集管昂贵且在工厂中占据比所需要的更多的空间。
在更昂贵的材料用于制造集管时，这些旧设计可变得成本过高。期望的是使用允许成本节省同时降低维护成本和构件故障的几何形状和壁厚。还期望如下生产集管和相关联的分送系统，其可在工厂中的现有条件下操作与现存集管设计一样长或更长的时间周期。
发明内容
在本文中公开了一种形状优化集管，其包括可操作以用于收集流体的外壳；其中，该外壳的内径和/或壁厚随外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；和管；其中，管与外壳连通且可操作以将流体传递到外壳中。
在本文中公开了一种方法，其包括将管固定地附接到外壳；其中，外壳可操作以用于收集流体；其中，外壳的内径和/或壁厚随外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；并且其中，管与外壳连通且可操作以将流体传递到外壳中。
附图说明
图1绘出目前市售的集管100(在本文中也称为“比较集管”)的正视图和侧视图；
图2绘出了根据本发明的图1的比较集管的形状优化形式；
图4为绘出图2的集管200的示范实施例的正视图，其中例外在于外壳的截面面积以阶梯方式从第一端部206增大到第二端部208；
图5A示出了具有多个出口的集管100的比较构造(现有技术)；
图5B示出了根据本发明的具有多个出口的图5A的相同集管的形状优化构造；
图6A示出了具有中心T形件(central tee)的集管100的比较构造(现有技术)；
图6B示出了根据本发明的具有单个出口的相同集管200的形状优化构造；
图7A绘出了在管104接触图6A的外壳102的壁的点处的比较集管壁100的截面；且
图7B绘出了图6B的形状优化集管200的壁的截面图。
具体实施方式
现在，之后将参照附图来更完整地描述本发明，附图中示出了各种实施例。然而，本发明可体现为许多不同形式，且不应当看作是限于在本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例，以便本公开将为彻底的和完整的，且将本发明的范围完整地传达给本领域技术人员。相似的参照标号表示所有相似的元件。
将理解的是，当元件称为“在”另一元件“上”时，其可直接地在另一元件上，或居间元件可存在于其间。相反，当元件称为“直接在”另一个元件“上”时，不存在居间元件。如本文使用的用语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或更多个的任何和所有组合。
将理解的是，尽管用语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种元件、构件、区域、层和/或区段，但这些元件、构件、区域、层和/或区段将不会由这些用语限制。这些用语仅用于将一个元件、构件、区域、层或区段与另一个元件、构件、区域、层或区段区分开。因此，下文所述的第一元件、构件、区域、层或区段可称为第二元件、构件、区域、层或区段，而不脱离本发明的教导。
本文所使用的用语仅用于描述特定实施例的目的，且不意图进行限制。如本文使用的单数形式“一个”或“一种”和“该”意图还包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语“包括(comprise)”和/或“包括(comprising)”或“包含(includes)”和/或“包含(including)”在用于本说明书中时，指定存在规定的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但并不排除存在或添加一个或更多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
此外，相对用语，诸如“下”或“底部”和“上“”或“顶部”可在这里用于描述如附图所示的一个元件与另一个元件的关系。将理解的是，相对用语旨在包含装置的除附图中绘出的定向之外的不同定向。例如，如果一个图中的装置倒置，则描述为在其它元件的“下”侧上的元件然后将定向为在其它元件的“上”侧上。因此，示范用语“下”可取决于附图的具体定向而涵盖“下”和“上”的定向两者。同样，如果一个附图中的装置倒置，则描述为在其他元件“下方”或“下面”的元件然后将定向在其它元件“上方”。因此，示范用语“下方”或“下面”可包含上方和下方的定向两者。
除非另外限定，则本文所使用的所有用语(包括技术和科学用语)都具有本发明所属领域的技术人员通常理解的相同意义。还将理解的是，诸如常用词典中限定的那些的用语应当理解为具有与在相关技术和本公开的上下文中的其意义一致的意义，且将不被理解为理想化或过于正式的意义，除非本文中明确地如此限定。
在本文中参照截面示图描述了示范实施例，截面示图为理想化的实施例的简图。因此，将预计到例如制造技术和/或公差引起的从示图的形状的变化。因此，本文所述的实施例不应当看作是限于本文所示的区域的特定形状，而是包括例如由制造引起的形状上的偏差。例如，示为或描述为平坦的区域通常可具有粗糙和/或非线性的特征。此外，示出的锐角可为圆角的。因此，附图中所示的区域在性质上为示意性的，且它们的形状不意图示出区域的精确形状，且不意图限制本权利要求的范围。
过渡用语“包括”涵盖诸如“基本由以下构成”或“由以下构成”的过渡用语。
在本文中公开的所有数字范围包括端点。此外，给定范围内的所有数字和数值(包括在本文中未明确指出的那些)理解为本质上包括在本发明内。本文中包括的所有数值能够互换。
本文公开了形状优化集管和相关导管(下文称为“形状优化集管”)，其具有针对集管操作期间遇到的局部操作应力和流体(例如，水、蒸汽和/或其它蒸气或流体)速度而优化的截面面积和壁厚。形状优化集管具有可变截面面积和/或壁厚的外壳。集管的外壳的特定部分的截面面积和/或壁厚与局部流动和局部应力成比例地变化，局部流动和局部应力由进入流体的集管中的累积流动和连接管的几何形状的组合引起，并且由外壳的该特定部分中的进入流体的流体速度和/或化学成分引起。形状优化集管以一种方式设计成以便仅在集管遇到较高应力(由进入管的几何形状引起)和流体速度的那些局部部分中具有较大的截面面积和可能较大的壁厚(大于同一集管的其它截面面积和壁厚)。
外壳的经历比接近于出口的那些低的流体速度的那些区段具有比如图1绘出的以常规方式设计的外壳的对应截面面积和壁厚小的截面面积和壁厚。
所得的形状优化集管可取决于操作期间遇到的局部应力和流体速度而具有许多截面面积和壁厚。在一个实施例中，形状优化集管还可取决于不同区段中遇到的流体的化学性质来使用不同构造材料。形状优化集管可由特殊材料制成，该特殊材料比图1中绘出的集管中使用的那些更昂贵，但由于优化的设计，故成本可低于如果图1的集管由相同特殊材料构成的情况。
这些形状优化集管的有利之处还在于，它们使用工厂中的较少占地面积和体积空间，且可在操作中使用与以图1中绘出的方式设计的集管一样长或更长的时间段。
图2绘出了图1的比较集管的形状优化型式。在图2中，形状优化集管200包括外壳202(为锥形截面形式)，外壳202具有圆形截面内径，该内径其从最小直径值d1(在应力和/或流体流速最低的端部处)变到相对端部(在此应力和/或流体流速最大)处的最大直径值d2。壁厚也从最小壁厚t1(在应力和/或流体流速最低的端部处)变到相对端部(在此应力和/或流体流速最大)处的最大壁厚t2。
集管200包括第一端部206和与第一端部206相对的第二端部208。第一端部206相对于外界密封(即，来自外界的流体不可经由第一端部206进入或离开外壳202)，而第二端部208与允许集管200抽空至外界的出口端口(未示出)连通。尽管图2绘出了从第一端部206到第二端部208的集管截面面积的平稳线性变化和壁厚的平稳线性变化，但还可使用其它变型。例如，根据局部应力和/或进入集管中的流体流速，截面面积或厚度中的任一者的变化可为非线性的(例如，曲线、根据指数函数或样条函数变化、以不连续方式随机变化、或它们的组合)。集管200的内表面218或外表面220可为连续变化的表面，或其可为不连续变化的表面(即，一个具有类似阶梯函数的变化)，或其可为它们的组合。
在一个实施例中，外壳的直径和/或壁厚的增大与集管的不同区段中经历的压力的局部增大成比例，且可由等式(1)表示如下：
                                         (1),
其中d2,d1,t2和t1在图2中指出，且其中p2为最高压力，且p1为集管的不同区段中遇到的最低压力。
在另一个实施例中，外壳的直径变化和/或壁厚变化与外壳中经历的局部压力变化成比例，且由等式(1a)确定：
                                  (1a),
其中Δd2为外壳的第二区段的内径变化，Δd1为外壳的第一区段的内径变化，Δt2为外壳的第二区段的壁厚变化，Δt1为外壳的第一区段的壁厚变化，其中Δp2为外壳的第二区段中经历的压力变化，且Δp1为外壳的第一区段中经历的压力变化。
在又一个实施例中，外壳的直径和/或壁厚的增大与集管的不同区段中经历的流体流速的增大成比例，且可由等式(2)表示如下：
                                       (2),
其中d2,d1,t2和t1在图2中指出，且其中f2为最大流体流速，且f1为集管的不同区段中遇到的最小流体流速。
在另一个实施例中，外壳的直径变化和/或壁厚变化与外壳中经历的流体流速变化成比例，且由等式(2a)确定：
                                   (2a),
其中Δd2为外壳的第二区段的内径变化，Δd1为外壳的第一区段的内径变化，Δt2为外壳的第二区段的壁厚变化，Δt1为外壳的第一区段的壁厚，其中Δf2为外壳的第二区段中经历的流体流速变化，且Δf1为外壳的第一区段中遇到的流体流速变化。
在一个实施例中，在设计集管的一个方式中，第7[0]页，期望的是沿集管的长度保持一致的速度或流体流速。流速或速度与集管的截面面积成比例，且因此如等式(3)中所示与集管的内径的平方成比例。
                                    (3)
其中f2为外壳的第二区段中经历的流体流速，且f1为外壳的第一区段中经历的流体流速，A1和A2分别为外壳的遇到流体流f1和f2的那些部分的截面面积，而d1和d2分别为外壳的遇到流体流f1和f2的那些部分处的集管的相应内径。
集管的厚度变化，以保持集管中的压力引起的应力一致。该应力等于压力与直径的乘积除以厚度。换言之，如等式(4)和(5)中所示，应力与直径成比例，但与厚度成反比。
                              (4)
其中p为集管的给定部分中的压力，d为集管的内径，且t为集管的壁厚。
                                      (5)
其中d2为外壳的第二区段的内径，d1为外壳的第一区段的内径，t2为外壳的第二区段的壁厚，t1为外壳的第一区段的壁厚，其中p2为外壳的第二区段中经历的压力，且p1为外壳的第一区段中遇到的压力，且其中σ2和σ1分别为外壳的第二区段中和外壳的第一区段中遇到的应力。从等式(4)和(5)可以看到，对于给定压力，可通过将直径和壁厚减小相同的量来保持应力恒定。
图4为绘出图2的集管200的示范实施例的正视图，其中例外在于，外壳的截面面积以阶梯方式从第一端部206增大至第二端部208。截面面积的该增大随以上等式(1)和(2)中证明的局部压力和/或流体流速的增大而变化。当截面面积增大时，壁厚t也增大，以补偿压力和/或流体流速的增大。
从图4中可看到，当压力从p1到p2到p3增大并且/或者流体流速从f1到f2到f3增大时，截面面积从d1到d2到d3增大，且壁厚从t1到t2到t3增大。
尽管图2和4中的集管200各自具有第二端部208处的单个出口，但如果需要，可存在两个或更多个出口。图5示出具有多个出口的集管200。图5A示出具有多个出口的集管100的比较构造，而图5B示出具有多个出口的相同集管200的形状优化构造。在图5B中，外壳202的截面面积在第一端部206和第二端部208处的出口附近最大，因为这些区域经历最高压力和/或流体流速。在出口区域处的壁厚大于集管的其它区域处的壁厚。如上所述，位于集管的第一端部206和第二端部208附近的出口用于从集管200移除由集管传送的流体或蒸气。
图6A示出比较集管以及形状优化集管，该形状优化集管用于具有作用为出口的中心T形件的设计。图6A示出具有中心T形件的集管100的比较构造，而图6B示出具有单个出口的相同集管200的形状优化构造。中心T形件212用作图6B中的出口，同时它在图6A中列为112。
从图6B可看到，外壳的截面面积在集管的中心处最大，因为这是压力和/或流体流速最大的区域。同样，壁厚在中心处最大。外壳的壁厚在相对端部206和208处最窄，在此，压力和/或流体流速最低。
在没有管(204)穿透和/或任何其它穿透到集管的壁中的情况下，壁厚由集管在正常操作期间必须耐受的内部压力确定，或如由故障情况或者如由普通代码、标准或其它设计规则限定的其它条件限定。该原理大体上也适用于管附连到集管的壁上的区域的壁厚。然而，这些区域可通过将管加至壁来削弱。此外，这些区域看到较大量的效用，因为进入集管的全部流体都接触管204。进入集管的流体还由于集管的管204周围的区域接近流体进入点而接触该区域。流体进入集管的区域因此比集管的其它区域更快削弱。
在一个实施例中，管204附连到集管200的壁的区域可在厚度方面增大，以便将附加增强提供至一般由于移除材料以提供流体从管进入外壳的路径而削弱的区域。增强还对在集管操作过程期间比其它区域得到更多使用的区域提供了较长的寿命周期。厚度的该增大是局部的，且仅在管204固定地附接到集管的那些区域附近进行。
在图7B中绘出的一个实施例中，壁的管204固定地附接的区域变厚，以局部地补偿由形成用于与外壳连通的管的穿透而移除的材料，或克服随使用增加而出现的磨损和退化。局部厚度的该增大对集管提供了提高的寿命周期性能，同时减少了集管的重量且降低了材料成本。
图7A绘出了比较集管壁100的在管104接触外壳102的壁的点处的截面。如果管104不与集管接触，则集管壁100通常具有t4的厚度。为了补偿因管104的存在引起的结构弱点，集管壁100的厚度增大至t5。常规集管中厚度从t4到t5的该增大引起了成品集管的材料成本和重量的增大。
图7B绘出了形状优化集管200的壁的截面图。在形状优化集管200中，集管的壁厚除管204固定地附接到集管的那些区域附近(在此其增大至t5)之外都为t4。厚度的该局部增大确保了集管中的应力一致，同时在相比于图7A的比较集管的重量时实际上减小了重量。
集管200的外壳可由铁基合金、镍基合金、钽基合金和钛基合金制成。
在一个实施例中，在制造形状优化集管的一个方法中，具有较小直径d1(对应于较低流速f1)和与该较小直径d1相对的端部处的较大直径d2(对应于较高流速f2)的锥形截面形式的外壳使其相对端部密封，以防止来自外壳内的流体接触外界。然后在外壳的一部分中钻取或切取出口(或入口，入口还可作用为出口)。出口用于抽空外壳的内容物。在外壳中钻取孔，以容纳将流体排到外壳中的管。
在一个实施例中，在制造具有截面面积平稳增大(从集管的经历较低压力的那些部分到集管的经历较高压力的那些部分)的形状优化集管的一个方法中，一卷金属片(例如，金属卷)保持或固定在一个端部处，而相对的端部从固定端部延伸。除沿纵向延伸之外，金属从卷的中心沿径向向外延伸，以便随着金属片的各匝，集管的直径随长度增大。当长度和直径已达到期望极限时，重叠片可缝焊或铆接在一起，以形成集管的外壳。集管的端部可被切断来形成两个平行端部。集管的端部可焊接到外壳上。一个端部可相对于外界密封，而另一个端部具有开口，集管的内容物经由该开口移除以用于再循环或排放成废弃物。
由于大体期望沿增大截面面积的方向增大壁厚，故逐渐增大厚度的金属片卷可用于制造如上所述的集管。在由此片生产集管(外壳)时，最薄区段可保持固定，同时卷的最厚区段远离最薄区段向外延伸，以产生平稳增大的截面面积以及增大壁厚的外壳。
孔可在外壳的表面中钻取，以便将管固定地附接到集管。如以上图2-5所示，管可焊接到外壳上。在另一个实施例中，管可拧入形成在外壳的壁中的螺纹中，或焊接于外壳。在一个实施例中，外壳可以可选地通过使用诸如激光焊接的技术在包围管的局部区域中变厚。用于形成集管和用于局部增强的其它技术为常规铸造、喷射铸造、喷射成型和粉末冶金。
在另一个实施例中，在制造截面面积以如图4中所示的阶梯函数方式增大的集管的另一方式中(从集管的经历较低压力的那些部分到集管的经历较高压力的那些部分)，变化的期望直径和厚度的管(卷)首先被切割，且然后焊接或铆接在一起来形成集管。集管和管的端部然后焊接在一起以形成集管。
除从形状优化来实现材料节省外，较薄的壁和外壳的使用减小热应力，且增大使用这些方法和原理制造的集管或其它装置的寿命周期和持久性。另一个优点在于减小的直径和壁厚导致较小焊件(较少通过)连结若干管段(spool)来形成大的集管。
尽管已经参照示范实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可作出各种变化，且等同方案可替代其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可作出许多改型，以使特定情形或材料适合本发明的教导，而不脱离其基本范围。因此，意图为本发明不限于作为构想以用于执行本发明的最佳模式而公开的的特定实施例。

Claims (18)

1. 一种形状优化集管，包括：
外壳，其可操作以用于收集流体；其中，所述外壳的内径和/或壁厚随所述外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；和
管；其中，所述管与所述外壳连通且可操作以将流体传递到所述外壳中。
2. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的截面面积和/或壁厚从所述外壳中的较低压力和/或较低流体流速的区域逐渐增大至较高压力和/或较高流体流速的区域。
3. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的一部分的内径与所述外壳的该部分中的局部压力成正比。
4. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的壁的一部分的壁厚与所述外壳的该部分的流体流速成正比。
5. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的内径变化或壁厚变化与所述外壳中经历的局部压力变化成比例，且由等式(1a)确定：
                                                                                      (1a),
其中Δd2为所述外壳的第二区段的内径变化，Δd1为所述外壳的第一区段的内径变化，Δt2为所述外壳的第二区段的壁厚变化，Δt1为所述外壳的第一区段的壁厚变化，其中Δp2为所述外壳的第二区段中经历的压力变化，且Δp1为所述外壳的第一区段中遇到的压力变化。
6. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的内径变化或壁厚变化与所述外壳中经历的流体流速变化成比例，且由等式(2a)确定：
                                       (2a),
其中Δd2为所述外壳的第二区段的内径变化，Δd1为所述外壳的第一区段的内径变化，Δt2为所述外壳的第二区段的壁厚变化，Δt1为所述外壳的第一区段的壁厚，其中Δf2为所述外壳的第二区段中经历的流体流速变化，且Δf1为所述外壳的第一区段中遇到的流体流速的变化。
7. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的内径变化和/或壁厚变化与所述外壳中经历的应力变化成比例，且由等式(5)确定：
                                        (5),
其中d2为所述外壳的第二区段的内径，d1为所述外壳的第一区段的内径，t2为所述外壳的第二区段的壁厚，t1为所述外壳的第一区段的壁厚，其中p2为所述外壳的第二区段中经历的压力，且p1为所述外壳的第一区段中遇到的压力，且其中σ2和σ1分别为所述外壳的第二区段中和所述外壳的第一区段中遇到的应力。
8. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述形状优化集管还包括出口，所述出口用于排出收集在所述集管中的流体。
9. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述内径的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是连续的。
10. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的壁厚的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是连续的。
11. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述内径的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是不连续的。
12. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的壁厚的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是不连续的。
13. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述形状优化集管还包括多个出口，所述多个出口可操作以排出收集在所述集管中的流体。
14. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的接触所述管的区段的壁厚增大。
15. 根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳具有锥形截面形状。
16. 一种方法，包括：
将管固定地附接于外壳；其中，所述外壳可操作以用于收集流体；其中，所述外壳的内径和/或壁厚随所述外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；并且其中，所述管与所述外壳连通且可操作以将流体传递到所述外壳中。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述外壳铆接在一起或焊接在一起。
18. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述管焊接于所述外壳。
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